JP2015132280A - 歯車 - Google Patents

Abstract

【課題】歯面に対する加工による歯面の形状変化を抑制した歯車を提供する。【解決手段】互いに荷重を与えあって噛み合う歯の歯面２を滑らかにする処理が施されている歯車１において、歯が互いに噛み合うことによる荷重が最大になる歯面２における部分ＭＬを含む接触線ｃｂ側から歯面２における歯先側および歯元側に向けて表面粗さＲａが次第よりも粗くなるように歯面２が形成されている。つまり主として歯面における接触線ｃｂ側に、その表面粗さを小さくする加工が施される。またこれにより歯面における接触線ｃｂ側の摩擦係数μが小さくされる。そのため、歯車が動力を伝達する際の摩擦損失Ｗを低減できるるとともに、上述した加工を歯面全体に施す場合に比較して歯面の変形を抑制することができる。【選択図】 図１

Description

この発明は、互いに荷重を与えあって噛み合う歯車に関し、特に歯面を滑らかにする加工を施した歯車に関するものである。

この種の加工を施した歯車の一例が特許文献１に記載されている。その歯車は、浸炭焼入れ処理を行った後に、歯面にショットピーニング加工が施されている。これにより前記歯面に圧縮残留応力が付与されるとともにマイクロディンプルが形成されている。そのため、特許文献１に記載された構成によれば、噛み合いによる荷重が歯面に断続的に作用しても歯面の軟化を抑制して耐ピッチング性能を向上させることができる、としている。また、歯面のマイクロディンプルに潤滑油を保持することができるので、歯面における油膜切れを抑制することができる、としている。

なお、特許文献２には、浸炭焼入れ処理を行ったハイポイドギヤにショットピーニング加工を行う場合に、歯底とともに歯面における歯幅方向外側の端部に対してショットを投射するように構成した歯車の製造方法が記載されている。特許文献２に記載された構成によれば、前記歯面における歯幅方向外側の端部に圧縮残留応ｙ力を付与することができるため、その疲労強度を向上させることができる、としている。

特開２００５−２０１２９５号公報 特開２００７−５１３５４号公報

ショットピーニング加工では、対象物の表面に対してショットと呼ばれる微細な硬質の粒子を多量かつ高速で衝突させるため、そのショットによって前記表面に対して突となったバリや錆などを除去したり、特許文献１に記載されているように、マイクロディンプルを形成したりすることができる。また、特許文献１および特許文献２に記載されているように、歯面に圧縮残留応力を付与して硬化層を形成することもできる。しかしながら、歯面に対してショットを均一に衝突させることは困難である。つまり、局所的にショットの投射量が多い部分や少ない部分が生じてしまう。そのため、このような加工を歯面の全体に対して行うと、歯面に局所的に表面粗さが粗い部分が生じたり、歯の形状が変化したりする可能性がある。そして、そのような歯車を装置に組み付けた場合には、局所的な歯当たりが発生してＮＶＨ特性が悪化したり、ピッチングやスカッフィング（スコーリングとも言う。）などが生じたりする可能性がある。

この発明は上記の技術的課題に着目してなされたものであり、歯面に対する加工による歯面の形状変化を抑制した歯車を提供することを目的とするものである。

上記の目的を達成するために、請求項１の発明は、互いに荷重を与えあって噛み合う歯の歯面を滑らかにする処理が施されている歯車において、前記歯が互いに噛み合うことによる荷重が最大になる前記歯面における部分を含む接触線側から前記歯面における歯先側および歯元側に向けて表面粗さが次第に粗くなるように前記歯面が形成されていることを特徴とするものである。

この発明によれば、噛み合いによる最大荷重が生じる部分を含む接触線側から歯面における歯先側および歯元側に向けて歯面の表面粗さが次第に粗くなるように前記歯面が形成されている。このような歯面は、例えば、主として歯面における前記接触線側に、歯面を滑らかにする加工を施すことにより形成することができる。また、歯面における歯先側あるいは歯元側から前記接触線側に向けて段階的あるいは連続的に上述した加工を施すことにより形成することができる。このように、この発明では前記加工を施す部分が限定されるため、歯面全体に対して前記加工を行う場合に比較して、前記加工に伴う歯面の形状変化を抑制することができる。また、上述した加工の結果、前記接触線側では摩擦係数が小さくなる。そのため、歯面における前記接触線側の部分で噛み合いによる最大荷重が生じるとしても、その接触線側の部分での摩擦係数が小さいため、歯車が動力を伝達する際の摩擦損失を低減することができる。さらに、噛み合いに伴う荷重が最大となる前記接触線側に圧縮残留応力が付与されるため、歯面における前記接触線側の強度を向上させることができる。

この発明を適用したはすば歯車の作用平面における表面粗さの分布を示す図である。 荷重を与えあって噛み合っているはすば歯車の作用平面における荷重の分布を示す図である。 はすば歯車の構成の一例を説明するための図である。 互いに動力伝達する歯車の作用平面を示す概略図である。

つぎにこの発明を具体的に説明する。図２に、荷重を与えあって噛み合っているはすば歯車の作用平面ＰＡにおける荷重の分布を示している。なお、その荷重の分布は、例えば、歯面の形状を測定し、その測定したデータに基づいて歯車の接触シミュレーションを行うことにより求めることができる。図２の縦軸は作用線方向を示し、横軸は歯幅方向を示している。はすば歯車は、歯面とピッチ面との交線すなわち歯筋が軸線方向に対して予め定めた角度θだけ捩れて形成される歯車であって、例えば、その歯面における一方の端部側の歯元から噛み合い始めて他方の端部側の歯先側に噛み合い位置を変化させながら動力を伝達するように構成されている。その噛み合いの進行方向を図２に符号Ａで示してあり、これを以下の説明では噛み合い進行線Ａと称する。

互いに噛み合っている駆動側のはすば歯車と従動側のはすば歯車との接触線ｃは、図２に示すように、噛み合い進行線Ａおよびピッチ円ｐに対して所定の角度θだけ傾斜しており、噛み合い進行線Ａに沿って連続的に変化する。例えば、図２に示す例において、歯元側から噛み合い始め、その歯元側で噛み合っている状態では、接触線ｃとピッチ円ｐとが交差せずに動力を伝達する。そしてはすば歯車が回転して噛み合い位置が歯幅方向における中央部側に移動すると、接触線ｃがピッチ円ｐと交差して動力を伝達する。さらに、歯車が回転して噛み合い位置が歯先側となると、接触線ｃがピッチ円ｐと交差せずに動力を伝達する。

また、図２に示す例では、接触線ｃとピッチ円ｐとの交点が歯幅方向の中央部近傍にある場合に、上記接触線ｃに沿ってかつ歯幅方向での中央部分に、噛み合いに伴う最大荷重が生じるようにはすば歯車が構成されている。なお、この場合における接触線ｃを、以下の説明では、基準接触線ｃｂを称する。また、上述した最大荷重が生じている領域を図２に符号ＭＬで示している。そして、接触線ｃが、噛み合い進行線Ａに沿って基準接触線ｃｂから歯先側あるいは歯元側に移動するに従って、すなわち、上述した交点が歯幅方向に移動するにつれて上述した荷重が次第に低減する。

ここで、歯車の摩擦損失Ｗについて簡単に説明する。摩擦損失Ｗは、一方の歯車の速度Ｖ１と他方の歯車の速度Ｖ２との差から算出することのできる滑り速度ΔＶの絶対値と、歯面に作用する荷重Ｐとを乗算した値の積算値に、歯面の摩擦係数μを乗算することにより求めることができる。以下に、摩擦損失Ｗを算出するための式を示す。
Ｗ＝μΣＰ｜ΔＶ｜
すなわち、摩擦係数μおよび滑り速度ΔＶが一定の条件下においては、噛み合い時の荷重が大きいほど摩擦損失Ｗも大きくなる。

そこで、この発明では、歯面における歯先側および歯元側よりも大きい荷重が生じる基準接触線ｃｂ側の摩擦係数μを、前記歯先側および歯元側の摩擦係数μに比較して小さくすることにより、摩擦損失Ｗを低減するように歯面が構成されている。図１に、この発明を適用したはすば歯車の作用平面ＰＡにおける表面粗さの分布を示している。図１の縦軸は作用線方向を示し、横軸は歯幅方向を示している。すなわち、上述した領域ＭＬに対応する歯面の表面粗さが最も小さくなるように、歯面に対して所定の加工が施されている。この最も表面粗さが小さい領域を図１に符号ＳＳで示している。一方、接触線ｃが、噛み合い進行線Ａに沿って基準接触線ｃｂから歯先側あるいは歯元側に移動するにつれて、表面粗さが次第に粗くなるように上述した加工が施されている。

上述した加工方法としては、例えば、歯面に向けて粒子を噴射するショットピーニング加工や液体ホーニング加工などが挙げられる。いずれの加工方法であっても、上述した領域ＳＳの表面粗さが最も小さくなるように加工を行う。

ここで、歯面に負荷すなわち荷重を与えた場合における歯面の変形について、なじみ運転を例として簡単に説明する。なじみ運転は、歯面に摩耗を生じさせてその歯面に均等に荷重を作用させるために行われる。そのため、なじみ運転を行うと、摩耗によって歯が変形する。その結果、噛み合い進行線Ａおよびピッチ円ｐに対する接触線ｃの傾きが、設計値あるいはなじみ運転前の傾きすなわち初期値に対して変化する場合がある。つまり、最大荷重が生じる領域ＭＬが変化する場合がある。そのため、この発明では、摩耗に伴う接触線ｃの傾きの変化を考慮して上記領域ＭＬに一致するように領域ＳＳを決定する。例えば、上述した摩耗に伴う接触線ｃの傾きの変化量すなわち接触線ｃの傾きの設計値や初期値に対する補正値が求められる。次いで、その補正値によって補正した接触線ｃの傾きに基づいて前記領域ＳＳが決定される。そして、領域ＳＳが所定の表面粗さになるように、粒子の質量やその粒子の噴射速度などが決定される。また、上記の補正後の接触線ｃの傾きを考慮しかつ噛み合い進行線Ａに沿って、基準接触線ｃｂから離れるにつれて表面粗さが次第に粗くなるように、歯面に対して上記加工を行う。その加工は、歯面における歯先側あるいは歯元側から基準接触線ｃｂ側に向けて段階的あるいは連続的に行ってもよい。なお、領域ＳＳの算術平均表面粗さＲａを０．１５μｍ以下、突出山部高さＲｐＫを０．１μｍ以下にすると、歯車全体の効率を向上できることが研究の結果、認められている。そのため、領域ＳＳの算術平均表面粗さＲａを０．１５μｍ以下、突出山部高さＲｐＫを０．１μｍ以下にすることが好ましい。なおまた、歯面全体に亘ってそれらの数値を満たすように上述した加工を行うと、なじみ運転を行った場合における歯面の摩耗や崩れを抑制できるとともに、歯車全体の効率を向上できることが認められている。

また、この発明を適用したはすば歯車を車両のギヤトレーンに組み付ける場合について簡単に説明する。例えば、はすば歯車で伝達するトルクが大きい場合には、伝達するトルクが小さい場合に比較して歯面に生じる荷重が大きく、その分、摩耗が進行する可能性がある。つまり歯が摩耗して変形することにより、接触線ｃの傾きがその設計値や初期値に対して変化する可能性がある。そのため、はすば歯車が伝達するトルク容量に基づいて上記設計値や初期値を補正するための補正値を求める。そして、その補正値に基づいて負荷運転後の接触線ｃの傾きを求めるとともに上述した領域ＳＳを設定する。上述した補正値は、はすば歯車が伝達するトルクが大きい場合には、大きい値に設定され、これに対して伝達するトルクが小さい場合には、小さい値に設定される。またこの補正値は、上述した伝達トルク容量に、はすば歯車が組み付けられる車両の形式や運転条件などをパラメータとして加え、それらのパラメータに基づいて実験やシミュレーションによって求めることもできる。そして、上記の領域ＳＳから歯面における歯先側および歯元側に向けて噛み合い進行線Ａに沿って表面粗さが次第に粗くなるように上記加工を行う。

したがって、この発明によれば、歯面において、噛み合いによる最大荷重が生じる部分を含む基準接触線ｃｂ側の表面粗さが、噛み合いの進行方向で歯先側あるいは歯元側に比較して小さくされている。つまり、噛み合いが進行して歯面に生じる荷重が次第に大きくなったとしても、その大きい荷重が生じる部分における摩擦係数μが小さくなっているため、噛み合いによる摩擦損失Ｗを低減することができる。また主として、歯面における最大荷重が生じる領域ＭＬに一致する領域ＳＳにショットピーニング加工や液体ホーニング加工を施すため、このような加工を歯面全体に施す場合に比較して、加工による歯面の変形を抑制することができる。つまり、上述した加工による意図しない歯面の変形を抑制することができる。例えば、歯面全体に上述した加工を施すことにより、局所的な歯当たりが生じてすなわちヘルツ応力が大きい部分が生じてピッチングやスカッフィングなどが生じることを抑制することができる。また、歯車の伝達トルク容量に基づいて、接触線ｃの傾きの設計値や初期値に対する補正値が求められる。そして、その補正値に基づいて摩耗後の接触線ｃの傾きを求め、また上記の領域ＳＳを設定する。つまり、領域ＳＳは歯面が摩耗することによって変化する領域ＭＬを含んでいる。そのため、例えば車両のギヤトレーンに組み付けたはすば歯車の効率が、摩耗の進行に伴って低下することを抑制することができる。

なお、図３に、この発明を適用することができる歯車の一例を示している。その歯車１は、はすば歯車ややまば歯車あるいはウォームギヤなど歯面２とピッチ面３との交線、すなわち歯筋４が軸線方向に対して所定の角度（以下、捩れ角θと記す。）だけ捩れている歯車１であって、図３には、はすば歯車１の例を示している。上記のピッチ面３とは、動力伝達する歯車が、互いに転がり接触する円筒面である。したがって、歯車同士が接触する位置がピッチ面３上となる時には、互いの歯面に滑りが生じない。また、常時、歯車同士が噛み合って動力を伝達するように、回転軸線に対して垂直な任意の平面５と歯面２との交線、すなわち歯形６がインボリュート曲線となるように形成されている。すなわち、作用平面ＰＡ上において互いの歯車の噛み合い位置が連続して変化するように、歯形６が形成されている。

上述した作用平面ＰＡとは、図４に示すように、互いの歯車の基礎円筒７，８同士に接し、かつ互いの歯車における回転軸線を通る平面と歯車間で交差する平面ＰＡであり、その作用平面ＰＡ上で駆動側歯車と従動側歯車とが噛み合う。また、その作用平面ＰＡ上における各基礎円筒７，８同士に接する線、言い換えれば作用平面ＰＡ上における回転軸線に対して垂直な線が作用線９となる。これら歯筋４が軸線方向に対して捩れている歯車１は、作用平面ＰＡ上において軸線方向における一方の端部側の歯元側あるいは歯先側から噛み合い始めて、軸線方向に沿って歯先側あるいは歯元側に噛み合い位置を変化させながら動力を伝達する。

また、歯車は、互いに噛み合って動力を伝達する。そのため、それぞれの歯車の歯面は、動力を伝達する際に弾性変形して略楕円形状の接触面となる。これは、歯筋方向における歯面２の曲率と、その歯筋方向と垂直な方向における歯面２の曲率とが異なるためであり、歯筋方向における歯面２の曲率と、その歯筋方向と垂直な方向における歯面２の曲率とが同一である場合には、上記接触面は円形となる。また、歯筋４が軸線方向に対して所定の角度捩れている歯車１は、楕円形状の接触面における長軸が、噛み合い進行方向に対して所定の角度傾斜して接触する。この接触面における長軸を「接触線」と称する。また、はすば歯車では、同一作用平面ＰＡ上で、隣り合う歯が同時に接触する。

歯車の歯面同士が動力を伝達する際に滑ることにより生じる摩擦損失Ｗについて説明する。歯車１の歯面２に作用する摩擦損失Ｗは、一方の歯車の歯面と、その歯車と噛み合って動力を伝達する他方の歯車の歯面とに生じる接触線上での滑り速度ΔＶに基づいて発生する。また、滑り速度ΔＶは、ピッチ面３と回転軸線に垂直な平面５との交線であるピッチ円ｐから接触位置までの距離に応じて変化するため、歯筋４が軸線方向に対して所定の角度捩れている歯車では、接触線のいずれかの位置がピッチ円ｐから離れた箇所となり、そのため、各接触位置で滑りが生じて摩擦損失Ｗが発生する。この摩擦損失Ｗは、上述したように、一方の歯車の速度Ｖ１と他方の歯車の速度Ｖ２との差から算出することのできる滑り速度ΔＶの絶対値と、歯面に作用する荷重Ｐとを乗算した値の積算値に、歯面の摩擦係数μを乗算することにより求めることができる。

１…はすば歯車、 ２…歯面、 Ｃ…接触線、 Ｃｂ…基準接触線、 Ｒａ…表面粗さ。

Claims (1)

1. 互いに荷重を与えあって噛み合う歯の歯面を滑らかにする処理が施されている歯車において、
   前記歯が互いに噛み合うことによる荷重が最大になる前記歯面における部分を含む接触線側から前記歯面における歯先側および歯元側に向けて表面粗さが次第に粗くなるように前記歯面が形成されていることを特徴とする歯車。

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