JP2015117728A - 多段歯車、多段歯車の鍛造型及び多段歯車の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】多段歯車を鍛造により一体成形する際に、小径歯車の歯元に歯形が形成されない部位が存在しないようして、素材の軸方向長さを短くする。
【解決手段】小径歯車３と大径歯車５とを備える多段歯車１は、冷間鍛造によって一体成形される。小径歯車３と大径歯車５との間の段差部７の端面９の径方向内側には、凹部１１が形成されている。凹部１１の径方向内側には、歯形部１１ｄが冷間鍛造時に形成される。歯形部１１ｄは、小径歯車３の歯形３ａに連続している。
【選択図】図１

Description

本発明は、径が異なる歯車を軸方向に沿って複数備え、かつ複数の歯車が鍛造によって一体成形される多段歯車、多段歯車の鍛造型及び多段歯車の製造方法に関する。

多段歯車として、二段のヘリカル歯車を冷間鍛造により一体成形する技術が知られている（特許文献１参照）。この二段ヘリカル歯車は、小径歯車と大径歯車との間における小径歯車の歯元に、歯形が形成されない部分を軸方向の所定の長さだけ設けている。この歯形が形成されない部分を設けることで、素材を金型内に押し込んで鍛造する際に、金型の小径側の歯型が大径歯車の歯形の端部にぶつかるのを避けるようにしている。

特許第５１３４３６１号公報

特許文献１の二段ヘリカル歯車は、小径歯車の歯元に歯形が形成されない部分が存在するので、小径歯車の歯幅を確保するためには、その分素材として軸方向長さが長いものが必要となってしまう。

そこで、本発明は、多段歯車を鍛造により一体成形する際に、小径歯車の歯元に歯形が形成されない部分が存在しないようにして、その分素材の軸方向長さを短くすることを目的としている。

本発明は、小径歯車と大径歯車との間の段差部に、小径歯車側から大径歯車側に軸方向に向けて凹み、かつ小径歯車の外周面に連続する凹部を備えていることを特徴とする。

本発明によれば、多段歯車の素材を金型に押し込んで鍛造成形する際に、凹部に対応する金型側の凸部が凹部に入り込むことで、小径歯車の歯形を少なくとも凹部の開口端部にまで連続して形成できる。これにより、多段歯車を鍛造により一体成形する際に、小径歯車の歯元に歯形が形成されない部分が存在しないようにすることができ、その分素材の軸方向の長さを短くすることができる。

図１（ａ）は、本発明の一実施形態に係わる多段歯車の断面図、図１（ｂ）は、図１（ａ）の多段歯車の素材を示す断面図である。 図２は、図１（ｂ）の素材の斜視図である。 図３は、図１（ａ）の多段歯車を鍛造成形している金型の断面図である。 図４は、素材を金型にセットした状態を示す断面図である。 図５は、図１（ａ）に対する比較例を示す断面図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。

図１（ａ）に示す本発明の一実施形態に係わる多段歯車１は、径が小さい歯車となる小径歯車３と、この小径歯車３よりも径が大きい歯車となる大径歯車５とを、中心軸Ｐの軸方向に沿って冷間鍛造により一体成形した二段のヘリカル歯車である。すなわち、この多段歯車１は、径が異なる複数の歯車を軸方向に沿って備え、かつ複数の歯車が鍛造によって一体成形される多段歯車である。なお、小径歯車３と大径歯車５は、リード量が互いに同じである。

軸方向に互いに隣接している小径歯車３と大径歯車５との間の段差部７は、中心軸Ｐに直交する平面となる端面９を備え、この端面９の径方向内側に凹部１１を形成している。なお、端面９は、大径歯車５の小径歯車３側の側面を構成している。凹部１１は、底部としての底面１１ａと、径方向外側の外側内壁部となる外側内壁面１１ｂとを備える。外側内壁面１１ｂは、凹部１１の開口部１１ｃ側が、底面１１ａに対して径方向外側となるよう傾斜するテーパ面としている。すなわち、凹部１１は、径方向外側の外側内壁部となる外側内壁面１１ｂが、底部である底面１１ａに対して開口部１１ｃ側ほど径方向外側となるよう傾斜している。

また、凹部１１は、径方向内側の内側内壁部、つまり径方向外側の外側内壁面１１ｂに対向する部位に、小径歯車３の歯形３ａに連続する歯形部１１ｄを備えている。この歯形部１１ｄは、小径歯車３の歯形３ａの一部を構成している。すなわち、小径歯車３の歯形３ａの一部でもある歯形部１１ｄを、凹部１１の径方向内側の内側内壁部に形成していることになる。ここでの歯形部１１ｄは、凹部１１の底面１１ａまで達していない。なお、歯形部１１ｄにおける歯溝の底面１１ａ側の端部には、傾斜面１１ｄ１が形成されている。また、大径歯車５の歯形５ａの小径歯車３と反対側の端部には、傾斜面５ａ２が形成されている。

このような多段歯車１は、径が小さい小径歯車３と、この小径歯車３に隣接する径が大きい大径歯車５との間の段差部７に、小径歯車３側から大径歯車５側に軸方向に向けて凹み、かつ小径歯車３の外周面に連続する凹部１１を備えていることになる。

上記した凹部１１は、開口部１１ｃが、小径歯車３の歯形３ａの外周面となる頂部３ａ１から、該頂部３ａ１と大径歯車５の歯形５ａの外周面となる頂部５ａ１との間の径方向中間位置までを最大としている。すなわち、図１（ａ）中で、小径歯車３の歯形３ａの頂部３ａ１と開口部１１ｃの径方向外側の端部１１ｃ１との間隔をＡ、端部１１ｃ１と大径歯車５の歯形５ａの頂部５ａ１との間隔をＢとすると、Ａ≦Ｂである。

図１（ｂ）は、図１（ａ）に示した多段歯車１の素材１０を示しおり、この素材１０は、ＳＣ鋼、ＳＣＭ鋼、ＳＮＣ鋼、ＳＮＣＭ鋼及びＳＣＲ鋼などを使用する。素材１０は、小径歯車３に対応する円柱形状の小径部３０と、大径歯車５に対応する円柱形状の大径部５０と、を有する。小径部３０及び大径部５０は被加工部を構成している。すなわち、多段歯車１の素材１０は、径が異なる複数の歯車に対応して径が異なる複数の被加工部をそれぞれ備える。また、素材１０は、小径部３０と大径部５０との間に、多段歯車１の段差部７に対応する段差部７０を有する。

段差部７０は、中心軸Ｐ０に直交する平面となる端面９０を備え、この端面９０の径方向内側に、多段歯車１の凹部１１に対応する凹部１１０を形成している。なお、端面９０は、大径部５０の小径部３０側の側面を構成している。凹部１１０は、底面１１０ａと、径方向外側の外側内壁面１１０ｂと、径方向内側の内側内壁面１１０ｄとを備える。外側内壁面１１０ｂは、凹部１１０の開口部１１０ｃ側が、底面１１０ａに対して径方向外側となるよう傾斜するテーパ面としている。すなわち、凹部１１０は、径方向外側の外側内壁面１１０ｂが、底面１１０ａに対して開口部１１０ｃ側ほど径方向外側となるよう傾斜している。このような凹部１１０は、素材を成形する際に一体成形してもよく、また後加工してもよい。

また、径方向内側の内側内壁面１１０ｄは、小径部３０の外周面３０ａに連続していて同一の外周面を構成している。つまり、凹部１１０の内側内壁面１１０ｄを有する部位は、小径部３０に対して軸方向に連続する円柱体を構成しており、内側内壁面１１０ｄを有する部位における円柱体の外径と小径部３０における円柱体の外径とは、互いに同等である。

図２は、このような素材１０を小径部３０側から見た斜視図であり、凹部１１０は素材１０の全周にわたり形成している。

図３は、上記した素材１０を用い、図１（ａ）の多段歯車１を冷間鍛造によって一体成形するための金型１３を、成形後の多段歯車１と共に示している。金型１３は、鍛造型を構成しており、下型となるダイ１５と、上型となる円柱形状のパンチ１７とを備える。ダイ１５は、素材１０が押し込まれる領域を含む凹所１９を備える。凹所１９は、パンチ１７が挿入される側から順に、パンチガイド孔２１、大径の歯型２３、小径の歯型２５、ノックアウトピンガイド孔２７を備えている。

なお、ダイ１５は、パンチガイド孔２１及び大径の歯型２３を有する大径ダイス１５ａと、小径の歯型２５を有する小径ダイス１５ｂと、ノックアウトピンガイド孔２７を有するノックアウトピン支持部１５ｃと、を備えている。

パンチガイド孔２１は、内径がパンチ１７の外径より僅かに大きく、パンチ１７が軸方向に移動可能に挿入される。また、パンチガイド孔２１の内径は、素材１０の大径部５０の外径より僅かに大きい。すなわち、パンチ１７の外径と素材１０の大径部５０の外径とはほぼ同等である。また、素材１０を金型１３にセットするときには、図４に示すように、素材１０の大径部５０がパンチガイド孔２１に全部もしくは一部が挿入された状態となる。

ダイ１５における上部の大径の歯型２３は、大径歯車成形部を構成しており、多段歯車１の大径歯車５の歯形５ａを成形する。また、ダイ１５における下部の小径の歯型２５は、小径歯車成形部を構成しており、多段歯車１の小径歯車３の歯形３ａを成形する。歯形３ａを成形する際には、その歯溝に対応する部位の先端に形成された、図１（ａ）の傾斜面１１ｄ１に対応するテーパ面が素材を押し付けることで、鍛造時の変形抵抗を小さくしている。同様にして、歯形５ａを成形する際には、その歯溝に対応する部位の先端に形成された、図１（ａ）の傾斜面５ａ２に対応するテーパ面が素材を押し付けることで、鍛造時の変形抵抗を小さくしている。

ノックアウトピンガイド孔２７は、内径がノックアウトピン２９の外径より僅かに小さく、ノックアウトピン２９が軸方向に移動可能に挿入される。このノックアウトピン２９を上方に移動させることで、鍛造後の製品となる多段歯車１をダイ１５から外部に押し出す。

そして、本実施形態における金型１３のダイ１５は、小径の歯型２５の大径の歯型２３側の端部周縁に、大径の歯型２３側に軸方向に向けて突出する環状の凸部３１を備えている。凸部３１は、鍛造時に、多段歯車１の小径歯車３側から大径歯車５側に軸方向に向けて凹み、かつ小径歯車３の外周面に連続する凹部１１に入り込むことで、小径歯車３の歯形３ａの一部となる歯形部１１ｄを凹部１１の径方向内側に形成する。このため、凸部３１の内周面には、小径の歯型２５と同様の歯型３１ａを、小径の歯型２５に連続するようにして設けている。すなわち、環状の凸部３１は、小径の歯型の一部を含んでいる。

次に、図１（ｂ）に示す素材１０を図３に示す金型１３を用いて冷間鍛造することで、図１（ａ）に示す多段歯車１を製造する方法について説明する。

まず、図４に示すように、素材１０を金型１３にセットする。このとき、素材１０の小径部３０の先端（下端）の周縁が、ダイ１５における凸部３１の歯型３１ａ上に当接して載置された状態となる。また、素材１０の大径部５０は、前述したようにパンチガイド孔２１に全部もしくは一部が挿入された状態となる。このとき、大径部５０の下端の端面９０は歯型２３の上端に対して離間している。

この状態で、パンチ１７をパンチガイド孔２１内に対して下降させることで、素材１０をダイ１５の凹所１９に押し込み、これにより図３に示すように多段歯車１が鍛造成形される。このとき、ダイ１５における大径の歯型２３によって大径歯車５の歯形５ａが成形され、小径の歯型２５によって小径歯車３の歯形３ａが成形される。なお、図３の鍛造成形完了時は、ノックアウトピン２９の上端と多段歯車１の下端（小径歯車３の下端）との間に隙間３３が形成されている。

そして、鍛造成形完了時に、素材１０における大径部５０の下端の端面９０が、図３のように、歯型２３と歯型２５との間の段差面３５に対して近接した状態で、ダイ１５の凸部３１が素材１０（多段歯車１）の凹部１１０（凹部１１）に入り込む。このとき、凸部３１の歯型３１ａが、凹部１１０の内側内壁面１１０ｄに対し、小径歯車３の歯形３ａに連続する歯形部１１ｄを成形する。

このようにして鍛造成形した後は、図４の状態からノックアウトピン２９を上昇させることで、多段歯車１をダイ１５から外部に押し出す。ダイ１５から取り出した多段歯車１は、シェービング加工によって小径歯車３の歯形３ａ及び、大径歯車５の歯形５ａを仕上げ加工して完成する。

この場合、完成した小径歯車３の歯形３ａは、図１（ａ）及び図３に示すように、歯形部１１ｄが歯形３ａに連続しているので、軸方向に沿ってみれば、大径歯車５の歯形５ａに対して連続したものとなる。したがって、本実施形態の金型１３により鍛造成形した多段歯車１は、小径歯車３の大径歯車５側の歯元に、歯形が形成されない部分が存在しないようにすることができ、その分、同等の歯幅を確保しようとした場合に素材１０の軸方向の長さを短くすることができる。

素材１０の軸方向の長さを短くできるので、材料の歩留まりが向上する。また、製品となる多段歯車１は軸方向長さが短くなって小型化でき、当該多段歯車１を例えば遊星歯車として組み付けた遊星歯車機構全体の小型化を達成できる。

また、小径歯車３の大径歯車５側の歯元に凹部１１を形成してあるので、小径歯車３の歯形３ａに対するシェービング加工が容易にできる。この場合、シェービング加工を容易にするために、シェービング加工の前処理として、小径歯車３の大径歯車５側の歯元に対し機械加工によって環状の溝を形成する必要がなく、作業効率が向上する。

また、本実施形態では、凹部１１の径方向内側に、小径歯車３の歯形の一部が歯形部１１ｄとして形成されている。このため、完成した小径歯車３の歯形３ａは、図１（ａ）及び図３に示すように、軸方向に沿ってみれば、大径歯車５の歯形５ａに対してより確実に連続したものとすることができる。

また、本実施形態では、凹部１１は、小径歯車３の外周面である頂部３ａ１から、この外周面と大径歯車５の外周面である頂部５ａ１との間の径方向中間位置までを最大として形成されている。すなわち、図１（ａ）中で、Ａ≦Ｂである。この場合、大径歯車５における凹部１１の径方向外側の部位の強度を確保でき、軸方向長さを短くしつつ信頼性のある多段歯車１が得られる。

逆に、図５の多段歯車１００ように、Ａ＞Ｂの場合には、大径歯車５００における凹部１１００の径方向外側の部位の強度が図１（ａ）に比較して弱くなる。このため、図５に示すように、鍛造成形時に凹部１１００の径方向外側の部位Ｑが径方向内側へ変位し、その部位Ｑの歯形５００ａが変形する恐れがある。３００は小径歯車、３３０ａは小径歯車３００の歯形である。

また、本実施形態では、凹部１１は、径方向外側の外側内壁部である外側内壁面１１ｂが、底部としての底面１１ａに対して開口部１１ｃ側ほど径方向外側となるよう傾斜するテーパ面としている。このため、図３に示す鍛造成形後の多段歯車１をノックアウトピン２９により押し出すときに、多段歯車１が金型１３から抜けやすくなり、作業効率が向上する。

以上、本発明の実施形態について説明したが、これらの実施形態は本発明の理解を容易にするために記載された単なる例示に過ぎず、本発明は当該実施形態に限定されるものではない。本発明の技術的範囲は、上記実施形態で開示した具体的な技術事項に限らず、そこから容易に導きうる様々な変形、変更、代替技術なども含むものである。

例えば、上記した実施形態では、多段歯車１として二段のヘリカル歯車について説明したが、ヘリカル歯車に限らずスパー歯車でもよく、また二段に限らず三段以上の多段歯車に対しても本発明を適用することができる。また、凹部１１の径方向内側に形成する歯形部１１ｄは、凹部１１の底面１１ａまで達していなくてもよく、少なくとも開口部１１ｃの小径歯車３側の開口端部（大径歯車５の端面９と同一面上に位置している）を含むように凹部１１内に一部が形成されていればよい。

また、上記した実施形態では、図１（ｂ）に示すように、素材１０に凹部１１０を形成しているが、凹部１１０を形成していなくてもよい。凹部１１０を形成していない場合にも、図３及び図４に示す金型１３を用い、鍛造成形時には、ダイ１５の凸部３１を素材１０の平坦面となっている端面９０に押し込むことによって図１に示す凹部１１を形成する。これによって、図１と同様な多段歯車１を鍛造成形することができる。すなわち、この場合には、凸部３１が、大径歯車５の小径歯車３側の端面９よりも小径歯車３と反対側に軸方向に入り込むことで、この入り込んだ部位に小径歯車３の歯形の一部を形成することになる。

１ 多段歯車
３ 小径歯車
３ａ 小径歯車の歯形
３ａ１ 小径歯車の歯形の頂部（小径歯車の外周面）
５ 大径歯車
５ａ 大径歯車の歯形
５ａ１ 大径歯車の歯形の頂部（大径歯車の外周面）
７ 多段歯車の段差部
１０ 多段歯車の素材
１１ 多段歯車の凹部
１１ａ 凹部の底面（底部）
１１ｂ 凹部の外側内壁面（径方向外側の外側内壁部）
１１ｃ 凹部の開口部
１１ｄ 小径歯車の歯形に連続する歯形部（小径歯車の歯形の一部）
１３ 金型（鍛造型）
２３ 金型の大径の歯型（大径歯車成形部）
２５ 金型の小径の歯型（小径歯車成形部）
３０ 素材の小径部（被加工部）
３１ 金型の凸部
５０ 素材の大径部（被加工部）
７０ 素材の段差部
１１０ 素材の凹部

Claims (8)

1. 径が異なる複数の歯車を軸方向に沿って備え、かつ前記複数の歯車が鍛造によって一体成形される多段歯車であって、
   径が小さい小径歯車と、この小径歯車に隣接して小径歯車よりも径が大きい大径歯車との間の段差部に、前記小径歯車側から前記大径歯車側に軸方向に向けて凹み、かつ前記小径歯車の外周面に連続する凹部を備えていることを特徴とする多段歯車。
2. 前記凹部の径方向内側に、前記小径歯車の歯形の一部が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の多段歯車。
3. 前記凹部は、前記小径歯車の外周面から、この外周面と前記大径歯車の外周面との間の径方向中間位置までを最大として形成されることを特徴とする請求項１または２に記載の多段歯車。
4. 前記凹部は、径方向外側の外側内壁部が、底部に対して開口部側ほど径方向外側となるよう傾斜していることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の多段歯車。
5. 径が異なる複数の歯車が軸方向に沿って設けられる多段歯車を、鍛造によって一体成形する多段歯車の鍛造型であって、
   前記多段歯車の複数の歯車にそれぞれ対応して内径が異なる複数の歯車成形部を軸方向に沿って備え、
   前記歯車成形部は、前記多段歯車の径が大きい大径歯車を成形する大径の大径歯車成形部と、前記大径歯車よりも径が小さい小径歯車を成形する、前記大径歯車成形部よりも内径が小さく該大径歯車成形部に隣接する小径の小径歯車成形部と、を有し、
   前記小径歯車成形部の前記大径歯車成形部側の端部に、前記大径歯車成形部側に軸方向に向けて突出する環状の凸部を備え、
   前記環状の凸部は、前記小径歯車成形部の一部を含み、前記大径歯車の前記小径歯車側の端面よりも小径歯車と反対側に軸方向に入り込むことで、この入り込んだ部位に前記小径歯車の歯形の一部を成形することを特徴とする多段歯車の鍛造型。
6. 前記環状の凸部が、前記多段歯車の前記小径歯車側から前記大径歯車側に軸方向に向けて凹み、かつ前記小径歯車の外周面に連続する凹部に入り込むことで、前記凸部における前記小径歯車成形部の一部によって前記小径歯車の歯形の一部を前記凹部の径方向内側に成形することを特徴とする請求項５に記載の多段歯車の鍛造型。
7. 径が異なる複数の歯車を軸方向に沿って備え、かつ前記複数の歯車が鍛造によって一体成形される多段歯車の製造方法であって、
   前記多段歯車の素材が、前記径が異なる複数の歯車に対応して径が異なる複数の被加工部をそれぞれ備える一方、前記鍛造に使用する金型が、前記素材における複数の被加工部にそれぞれ対応して内径の異なる複数の歯車成形部を備え、
   前記素材の複数の被加工部を前記金型の複数の歯車成形部にそれぞれ押し込んで鍛造成形する際に、前記金型の径が小さい小径歯車を成形する小径の小径歯車成形部の端部から、該小径歯車成形部に隣接する、前記小径歯車よりも径が大きい大径歯車を成形する大径の大径歯車成形部側に軸方向に突出する環状の凸部が、前記小径歯車とこの小径歯車に隣接する大径歯車との間の段差部に、前記小径歯車側から前記大径歯車側に軸方向に向けて凹み、かつ前記小径歯車の外周面に連続する凹部に入り込み、前記小径歯車の歯形の一部を前記凹部の径方向内側に形成することを特徴とする多段歯車の製造方法。
8. 径が異なる複数の歯車を軸方向に沿って備え、かつ前記複数の歯車が鍛造によって一体成形される多段歯車の製造方法であって、
   前記多段歯車の素材が、前記径が異なる複数の歯車に対応して径が異なる複数の被加工部をそれぞれ備える一方、前記鍛造に使用する金型が、前記素材における複数の被加工部にそれぞれ対応して内径の異なる複数の歯車成形部を備え、
   前記素材の複数の被加工部を前記金型の複数の歯車成形部にそれぞれ押し込んで鍛造成形する際に、前記金型の径が小さい小径歯車を成形する小径の小径歯車成形部の端部から、該小径歯車成形部に隣接する、前記小径歯車よりも径が大きい大径歯車を成形する大径の大径歯車成形部側に軸方向に突出する環状の凸部が、前記大径歯車の前記小径歯車側の端面よりも小径歯車と反対側に軸方向に入り込むことで、この入り込んだ部位に前記小径歯車の歯形の一部を形成することを特徴とする多段歯車の製造方法。

Images