JP2015187480A - Gear wheel mechanism - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、被覆層が形成された歯が噛み合ってトルクを伝達する歯車機構に関するものである。 The present invention relates to a gear mechanism in which teeth having a coating layer mesh with each other to transmit torque.
特許文献1には、歯面を熱処理することに伴って不可避的に生じる不完全焼き入れ層を高硬度粒材を吹き付けて剥離させ、その不完全焼き入れ層が剥離された歯面にショットピーニング加工を行うことで圧縮残留応力を付与するように構成された歯車が記載されている。また、特許文献2に記載された歯車機構は、複数の歯車を有する装置のうち捩じり振動やトルク変動により大きなトルクが作用する歯車を選択して、その歯車のみに浸炭処理、ショットピーニング加工、窒化処理、高周波焼き入れなどの表面硬化処理を施して他の歯車よりも歯面の硬度を向上させるように構成されている。
In
ところで、互いに噛み合う歯車は、それらの歯車が噛み合う箇所での平均歯面速度が速くなるにつれて、噛み合い接触している歯面の間に介在する油膜厚さが厚くなる。また、互いに噛み合う歯車は、金属接触してトルクを伝達する割合と、それら歯車の歯面の間に介在する油膜を介してトルクを伝達する割合とに応じてトルク伝達時の摩擦係数が変化する。具体的には、油膜を介してトルクを伝達する割合が大きくなるにつれてトルク伝達時の摩擦係数が低下する。したがって、噛み合い位置が変化して平均歯面速度が変化することにより、トルク伝達時の摩擦係数が変化することになる。そのため、噛み合い位置に応じて摩耗の仕方が異なることとなり、歯面が偏摩耗する可能性がある。 By the way, as for the gears meshing with each other, the oil film thickness interposed between the tooth surfaces in meshing contact with each other increases as the average tooth surface speed at the portion where these gears mesh with each other increases. In addition, the gears that mesh with each other change the friction coefficient at the time of torque transmission according to the ratio of transmitting torque through metal contact and the ratio of transmitting torque through an oil film interposed between the tooth surfaces of the gears. . Specifically, the friction coefficient during torque transmission decreases as the ratio of torque transmission through the oil film increases. Therefore, when the meshing position is changed and the average tooth surface speed is changed, the friction coefficient at the time of torque transmission is changed. Therefore, the manner of wear differs depending on the meshing position, and the tooth surface may be unevenly worn.
この発明は上述した事情を背景としてなされたものであって、母材の表面に形成された被覆層の偏摩耗を抑制することができる歯車機構を提供することを目的とするものである。 The present invention has been made against the background described above, and an object of the present invention is to provide a gear mechanism that can suppress uneven wear of a coating layer formed on the surface of a base material.
上記の目的を達成するために、請求項1の発明は、第1歯車と、該第1歯車に噛み合いかつ該第1歯車の回転数と異なった回転数で回転する第2歯車とを備え、それら各歯車の歯を形成する母材の表面が所定の硬度の材料により被覆された歯車機構において、前記第1歯車と前記第2歯車とのうち低回転数で回転する歯車における母材の表面を被覆する第1被覆層の表面の硬度が、歯先から歯元に向けて硬度が低下するように形成され、前記第1歯車と前記第2歯車とのうち高回転数で回転する歯車における母材の表面を被覆する第2被覆層の表面の硬度が、歯元から歯先に向けて硬度が低下するように形成されていることを特徴とするものである。
To achieve the above object, the invention of
この発明によれば、回転数が異なる2つの歯車が噛み合ってトルクを伝達するように構成されている。このように回転数が異なる2つの歯車が噛み合ってトルクを伝達する歯車機構では、低回転数で回転する歯車における歯元側が噛み合ってトルクを伝達する際に、その歯面と他方の歯面との間に介在する油膜厚さが、低回転数で回転する歯車における歯先側が噛み合ってトルクを伝達する際に、その歯面と他方の歯面との間に介在する油膜厚さよりも厚くなる。また、高回転数で回転する歯車における歯先が噛み合ってトルクを伝達する際に、その歯面と他方の歯面との間に介在する油膜厚さが、高回転数で回転する歯車における歯元側が噛み合ってトルクを伝達する際に、その歯面と他方の歯面との間に介在する油膜厚さよりも厚くなる。そのため、低回転数で回転する歯車における母材の表面を被覆する第1被覆層の表面の硬度を歯先から歯元に向けて硬度が低下するように形成するとともに、高回転数で回転する歯車における母材の表面を被覆する第2被覆層の表面の硬度を歯元から歯先に向けて硬度が低下するように形成することにより、各歯車における歯先と歯元とで摩耗量が異なること、すなわち偏摩耗することを抑制することができる。 According to the present invention, two gears having different rotational speeds mesh with each other to transmit torque. In such a gear mechanism in which two gears having different rotational speeds mesh with each other and transmit torque, when the tooth root side of the gear rotating at a low rotational speed meshes and transmits torque, the tooth surface and the other tooth surface are transmitted to each other. The oil film thickness interposed between the two tooth surfaces becomes thicker than the oil film thickness interposed between the tooth surface and the other tooth surface when the tooth tip side of the gear rotating at a low rotational speed meshes and transmits torque. . In addition, when the tooth tips in a gear rotating at a high rotational speed mesh with each other to transmit torque, the oil film thickness interposed between the tooth surface and the other tooth surface is the tooth in the gear rotating at a high rotational speed. When the original side meshes and transmits torque, it becomes thicker than the oil film thickness interposed between the tooth surface and the other tooth surface. Therefore, the hardness of the surface of the first coating layer covering the surface of the base material in the gear rotating at a low rotational speed is formed so that the hardness decreases from the tooth tip to the tooth root, and the gear rotates at a high rotational speed. By forming the hardness of the surface of the second coating layer covering the surface of the base material in the gear so that the hardness decreases from the tooth root toward the tooth tip, the wear amount between the tooth tip and the tooth root in each gear is reduced. Different things, that is, uneven wear can be suppressed.
この発明で対象とする歯車機構は、入力側の回転数を変化させて出力するように、増速機や減速機として使用され、駆動側歯車と従動側歯車との回転数が異なるものであり、車両や各種産業機械などに使用することができる歯車機構である。また、その歯車は、はす歯歯車が一般的であるが、平歯車などの他の構造の歯車であってもよい。なお、以下の説明では、金属材料によって形成された歯車を使用した歯車機構を例に挙げて説明する。金属材料によって形成された歯車は、一般的には、素材から転造、旋削や歯切りなどの加工を経て粗形材を造り、その歯に研削する。また、歯面の強度を向上させるために、歯面に微粒子を吹き付けるショットピーニング加工などにより圧縮残留応力を付与する。そのようにショットピーニング加工を行う場合には、歯面に微粒子を吹き付けることにより歯面の表面粗さが粗くなるので、研削された母材の表面に硬度が低い材料の被覆層を形成する。なお、歯面に作用する荷重に応じて母材の表面に硬度が高い材料の被覆層を形成する場合や、歯面の噛み合い損失に応じて母材の表面に硬度が高い材料の被覆層を形成する場合もある。したがって、この発明における被覆層は、母材の表面を被覆するものであればよく、その硬度が母材の硬度よりも高いか否かを限定するものではない。 The gear mechanism that is the subject of this invention is used as a speed-up gear or a speed reducer so that the rotation speed on the input side is changed and output, and the rotation speeds of the driving gear and the driven gear are different. It is a gear mechanism that can be used for vehicles and various industrial machines. The gear is generally a helical gear, but may be a gear having another structure such as a spur gear. In the following description, a gear mechanism using a gear formed of a metal material will be described as an example. In general, a gear formed of a metal material is formed from a raw material through a process such as rolling, turning, and gear cutting, and a rough shape is formed and then the teeth are ground. Further, in order to improve the strength of the tooth surface, compressive residual stress is applied by shot peening or the like in which fine particles are sprayed on the tooth surface. In such a shot peening process, since the surface roughness of the tooth surface becomes rough by spraying fine particles on the tooth surface, a coating layer of a material having low hardness is formed on the surface of the ground base material. In addition, when forming a coating layer of a high hardness material on the surface of the base material according to the load acting on the tooth surface, or a coating layer of a high hardness material on the surface of the base material according to the meshing loss of the tooth surface Sometimes it forms. Therefore, the coating layer in this invention should just coat | cover the surface of a base material, and does not limit whether the hardness is higher than the hardness of a base material.
上記のように形成された歯車機構は、通常、駆動側歯車と従動側歯車との噛み合い部に潤滑油が供給されながら動力を伝達する。言い換えれば、噛み合い部に潤滑油が介在した状態で動力を伝達する。その潤滑油の厚さ(以下、油膜厚さと記す。)は、互いに噛み合って動力を伝達する噛み合い部の周速の平均値(以下、平均歯面速度と記す。)に応じて変化する。具体的には、下記のChittendenの膜厚計算式によって算出することができる。
また、上述したようにこの発明の対象とする歯車機構は、駆動側歯車と従動側歯車との回転数が異なるものである。そのため、歯車同士がピッチ円上で動力を伝達しているとき、より具体的には、駆動側歯車の回転中心と従動側歯車の回転中心とを結ぶ線上で歯車が動力を伝達しているときと、ピッチ円以外で動力を伝達しているときとの平均歯面速度uは異なる。歯車同士で動力を伝達する位置がピッチ円から離れたときにおける平均歯面速度uの変化を図2に示している。なお、図2における横軸は、ピッチ円と動力を伝達している噛み合い位置との距離を示しており、駆動側の歯車の回転中心に近い方を「−]で示し、従動側の歯車の回転中心に近い方を「+」で示している。また、歯車機構が増速機として機能する場合、言い換えると、従動側歯車の回転数が駆動側歯車の回転数より速い場合における平均歯面速度uの変化を実線で示し、歯車機構が減速機として機能する場合、言い換えると、従動側歯車の回転数が駆動側歯車の回転数より遅い場合における平均歯面速度uの変化を一点鎖線で示している。以下の説明では、歯車機構が増速機として機能する場合を例に挙げて説明する。 As described above, the gear mechanism that is the subject of the present invention is such that the rotational speeds of the drive side gear and the driven side gear are different. Therefore, when the gears transmit power on the pitch circle, more specifically, when the gears transmit power on the line connecting the rotation center of the driving gear and the rotation center of the driven gear. And the average tooth surface speed u is different from when the power is transmitted other than the pitch circle. FIG. 2 shows changes in the average tooth surface speed u when the position where the power is transmitted between the gears is away from the pitch circle. The horizontal axis in FIG. 2 indicates the distance between the pitch circle and the meshing position where power is transmitted, the direction closer to the rotation center of the driving gear is indicated by “−”, and the driven gear is The one near the center of rotation is indicated by “+”. Further, when the gear mechanism functions as a speed increaser, in other words, the change in the average tooth surface speed u when the rotational speed of the driven gear is faster than the rotational speed of the driving gear is shown by a solid line, and the gear mechanism is a speed reducer In other words, the change in the average tooth surface speed u when the rotational speed of the driven gear is slower than the rotational speed of the driving gear is indicated by a one-dot chain line. In the following description, a case where the gear mechanism functions as a speed increaser will be described as an example.
図2に示すように歯車機構が増速機として機能する場合には、駆動側歯車の回転中心に近い箇所で歯が噛み合って動力を伝達しているときは、ピッチ円上で動力を伝達しているときに比べて平均歯面速度uが速く、従動側歯車の回転中心に近い箇所で歯が噛み合って動力を伝達しているときは、ピッチ円上で動力を伝達しているときに比べて平均歯面速度uが遅い。すなわち、駆動側歯車の歯と従動側歯車の歯との噛み合い始めの平均歯面速度uが速く、動力を伝達して歯車が回転するにつれて平均歯面速度uが低下して、噛み合いが終了する位置の平均歯面速度uが最も遅くなる。これは、駆動側歯車が従動側歯車より大きく形成されているため、噛み合い位置が変化することによる回転中心から噛み合い位置までの半径の変化に伴う噛み合い位置での歯面速度の変化率が異なるためである。 As shown in FIG. 2, when the gear mechanism functions as a speed-up gear, when the teeth mesh with each other near the center of rotation of the driving gear and transmit power, the power is transmitted on the pitch circle. When the average tooth surface speed u is higher than when the gear is engaged and the teeth are meshed at a position close to the rotation center of the driven gear to transmit power, the power is transmitted on the pitch circle. The average tooth surface speed u is slow. That is, the average tooth surface speed u at the start of engagement between the teeth of the driving gear and the teeth of the driven gear is high, and the average tooth surface speed u decreases as the gear rotates by transmitting power, and the engagement ends. The average tooth surface speed u of the position is the slowest. This is because the drive-side gear is formed larger than the driven-side gear, and the rate of change of the tooth surface speed at the meshing position due to the change in radius from the rotation center to the meshing position due to the meshing position changing is different. It is.
すなわち、歯車機構が増速機として機能する場合には、駆動側歯車における歯元側と従動側歯車における歯先側とが噛み合っているときには、平均歯面速度uが速く、駆動側歯車における歯先側と従動側歯車における歯元側とが噛み合っているときには、平均歯面速度uが遅くなる。 That is, when the gear mechanism functions as a speed increaser, when the tooth base side of the driving gear and the tooth tip side of the driven gear mesh with each other, the average tooth surface speed u is high, and the tooth in the driving gear is high. When the front side and the tooth base side of the driven gear are engaged with each other, the average tooth surface speed u is decreased.
上述したように平均歯面速度uが変化することにより、歯の噛み合い位置での油膜厚さhcが変化する。したがって、増速機として機能する歯車機構の場合には、図2に示すように噛み合い始めでの平均歯面速度uがピッチ円上での平均歯面速度uより速いため、図3に示すように油膜厚さhcがピッチ円上での油膜厚さhcより厚くなる。一方、噛み合いが終了する位置での平均歯面速度uは、ピッチ円上での平均歯面速度uより遅いため、図3に示すように油膜厚さhcが薄くなる。なお、図3は油膜厚さhcの変化を模式的に示したものであり、横軸は、図2に示す横軸と同様に記載しており、縦軸は油膜厚さhcを示している。 As described above, when the average tooth surface speed u changes, the oil film thickness hc at the tooth meshing position changes. Therefore, in the case of a gear mechanism that functions as a speed increaser, as shown in FIG. 3, the average tooth surface speed u at the start of meshing is faster than the average tooth surface speed u on the pitch circle, as shown in FIG. In addition, the oil film thickness hc is larger than the oil film thickness hc on the pitch circle. On the other hand, since the average tooth surface speed u at the position where the meshing is finished is slower than the average tooth surface speed u on the pitch circle, the oil film thickness hc is thin as shown in FIG. FIG. 3 schematically shows changes in the oil film thickness hc. The horizontal axis represents the same as the horizontal axis shown in FIG. 2, and the vertical axis represents the oil film thickness hc. .
一方、噛み合い位置全体での摩擦係数μは、油膜で荷重を受け持つ部分と、歯面(金属)で荷重を受け持つ部分との割合で決定される。具体的には、以下に示す式によって求められる。
μ=(1−α)μL+αμS
On the other hand, the friction coefficient μ at the entire meshing position is determined by the ratio of the portion that handles the load with the oil film and the portion that handles the load with the tooth surface (metal). Specifically, it is calculated | required by the formula shown below.
μ = (1−α) μ L + αμ S
なお、μLは油膜分担部分の摩擦係数、μSは金属分担部分の摩擦係数、αは金属分担部分の割合であり、このαは下記の式で表現することができることが知られている。
α=A・log(ΣR/hc)
なお、Aは定数であって例えば「0.5」である。また、hは油膜厚さであり、ΣRは表面の凹凸の高さ、すなわち歯面の粗さである。したがって、油膜厚さhcが変化すると、歯面で荷重を受け持つ割合αが変化して、結局、噛み合い位置全体での摩擦係数μが変化する。
Incidentally, mu L is the coefficient of friction of the oil film sharing parts, mu S friction coefficient of the metal sharing parts, alpha is the ratio of the metal division portion, the alpha is known that can be expressed in the following equation.
α = A · log (ΣR / hc)
A is a constant, for example “0.5”. Further, h is the oil film thickness, and ΣR is the height of the surface irregularities, that is, the tooth surface roughness. Therefore, when the oil film thickness hc is changed, the ratio α that is responsible for the load on the tooth surface is changed, and eventually, the friction coefficient μ at the entire meshing position is changed.
そのため、この発明に係る歯車機構は、母材の表面を被覆する被覆層の表面の硬度を歯先側から歯元側に向けて変化させるように構成されている。具体的には、従動側歯車の回転数が駆動側歯車の回転数よりも高回転数になるとき、すなわち増速機として機能するように構成されているときには、駆動側歯車における歯元側の硬度を歯先側の硬度よりも低くし、従動側歯車における歯先側の硬度を歯元側の硬度よりも低くするように構成されている。また、従動側歯車の回転数が駆動側歯車の回転数よりも低回転数となるとき、すなわち減速機として機能するように構成されているときには、駆動側歯車における歯先側の硬度を歯元側の硬度よりも低くし、従動側歯車における歯元側の硬度を歯先側の硬度よりも低くするように構成されている。すなわち、互いに噛み合ってトルクを伝達する歯車のうち、相対的に高回転数で回転する方の歯車は、歯元側から歯先側に向けて表面の硬度が低下するように構成され、相対的に低回転数で回転する方の歯車は、歯先側から歯元側に向けて表面の硬度が低下するように構成されている。 Therefore, the gear mechanism according to the present invention is configured to change the hardness of the surface of the coating layer covering the surface of the base material from the tooth tip side toward the tooth base side. Specifically, when the rotational speed of the driven side gear is higher than the rotational speed of the drive side gear, that is, when the gear is configured to function as a speed increaser, The hardness is made lower than the hardness on the tooth tip side, and the hardness on the tooth tip side in the driven gear is made lower than the hardness on the tooth root side. Further, when the rotational speed of the driven gear is lower than the rotational speed of the driving gear, that is, when the gear is configured to function as a speed reducer, the hardness of the tooth tip side of the driving gear is set to the tooth base. The hardness on the driven side gear is set to be lower than the hardness on the tooth tip side. That is, among the gears that mesh with each other and transmit torque, the gear that rotates at a relatively high rotational speed is configured such that the surface hardness decreases from the tooth base side to the tooth tip side, The gear that rotates at a low rotational speed is configured such that the surface hardness decreases from the tooth tip side to the tooth base side.
具体的には、歯たけ方向における油膜厚さhcの変化率と硬度の変化率とが一致するように被覆層の表面の硬度を連続的に変化させ、または図1に示すように所定の長さ毎に被覆層の表面の硬度を段階的に変化させるように構成されている。なお、図1には、増速段として機能する歯車機構における駆動側歯車の断面図を示しており、図1における左側が歯先側、右側が歯元側を示している。以下の説明では、図1における左側から順に、第1被覆層1、第2被覆層2、第3被覆層3、第4被覆層4と記す。したがって、図1に示す例では、第1被覆層1、第2被覆層2、第3被覆層3、第4被覆層4の順に表面の硬度が低下するように構成されている。
Specifically, the hardness of the surface of the coating layer is continuously changed so that the change rate of the oil film thickness hc in the toothpaste direction matches the change rate of the hardness, or a predetermined length as shown in FIG. Every time, the surface hardness of the coating layer is changed stepwise. FIG. 1 shows a cross-sectional view of the drive side gear in a gear mechanism that functions as a speed increasing stage, with the left side in FIG. 1 showing the tooth tip side and the right side showing the tooth base side. In the following description, the
上述したように平均歯面速度uに基づいて求めることができる油膜厚さhcに応じて被覆層の表面の硬度を変化させることにより、噛み合い位置毎に摩耗の仕方が変化することを抑制することができる。その結果、歯面が偏摩耗してしまうことを抑制することができ、ひいてはトルク伝達時に異音が生じることを抑制することができる。 As described above, by changing the hardness of the surface of the coating layer according to the oil film thickness hc that can be obtained based on the average tooth surface speed u, it is possible to suppress the change in the manner of wear at each meshing position. Can do. As a result, it is possible to prevent the tooth surface from being unevenly worn and to suppress the generation of abnormal noise during torque transmission.
また、母材5の硬度は一般的に均一である。そのため、各被覆層1,2,3,4と母材5との密着性を向上させるために、図1に示す各被覆層1,2,3,4は、厚み方向に硬度が変化するように構成されている。具体的には、各被覆層1,2,3,4の表面の硬度を母材5の表面の硬度よりも低くなるように形成している場合には、各被覆層1,2,3,4は、厚み方向で母材5の表面側に向けて硬度が高くなるように形成され、母材5の表面に付着する部分の硬度と母材5の硬度との差が小さくなるように形成されている。なお、上述したように厚み方向で硬度が異なる被覆層を形成する場合には、従来知られている物理的蒸着法(PVD法)により硬度の異なる元素を付着させて形成すればよい。
In addition, the hardness of the
つぎに、図1に示す被覆層を形成する方法について説明する。まず、上述したように歯面(母材5の表面)を研削するとともに、平均歯面速度uに基づいて求められる油膜厚さhcの分布を算出する。ついで、算出された油膜厚さhcに基づいて母材5の表面に各被覆層1,2,3,4を形成する。このように被覆層1,2,3,4を形成する場合には、まず、いずれか一つの被覆層1(2,3,4)を形成する母材5の表面以外をマスキングしてその被覆層1(2,3,4)を形成し、その後に、他の一つの被覆層2(1,3,4)を形成する母材5の表面以外および既に形成された被覆層1(2,3,4)の表面をマスキングして、他の一つの被覆層2(1,3,4)を形成する。このように順に各被覆層1,2,3,4を形成する。そして、各被覆層1,2,3,4が形成された後に、歯面強度を向上させるために、ショットピーニング加工を行う。つまり、歯面に圧縮残留応力を付与する。
Next, a method for forming the coating layer shown in FIG. 1 will be described. First, as described above, the tooth surface (the surface of the base material 5) is ground, and the distribution of the oil film thickness hc obtained based on the average tooth surface speed u is calculated. Next, the coating layers 1, 2, 3, 4 are formed on the surface of the
上述したように各被覆層1,2,3,4を厚み方向で硬度が変化するように構成するとともに、母材5とその母材5に付着する部分との硬度差を小さくすることにより、歯面に荷重が作用した際に母材5と被覆層1,2,3,4における母材5に付着する部分とで生じる撓み変形する量の差を小さくすることができる。そのため、各被覆層1,2,3,4が母材5から剥離することを抑制することができる。言い換えると、耐剥離性を向上させることができる。
As described above, each of the coating layers 1, 2, 3, and 4 is configured such that the hardness changes in the thickness direction, and by reducing the difference in hardness between the
1,2,3,4…被覆層、 5…母材。 1, 2, 3, 4 ... coating layer, 5 ... base material.
Claims (1)
前記第1歯車と前記第2歯車とのうち低回転数で回転する歯車における母材の表面を被覆する第1被覆層の表面の硬度が、歯先から歯元に向けて硬度が低下するように形成され、
前記第1歯車と前記第2歯車とのうち高回転数で回転する歯車における母材の表面を被覆する第2被覆層の表面の硬度が、歯元から歯先に向けて硬度が低下するように形成されている
ことを特徴とする歯車機構。 A first gear and a second gear that meshes with the first gear and rotates at a rotational speed different from the rotational speed of the first gear, and the surface of the base material forming the teeth of each gear has a predetermined hardness In the gear mechanism coated with the material of
The hardness of the surface of the first coating layer covering the surface of the base material in the gear rotating at a low rotational speed of the first gear and the second gear is such that the hardness decreases from the tooth tip toward the tooth root. Formed into
The hardness of the surface of the second coating layer that covers the surface of the base material in the gear rotating at a high rotational speed of the first gear and the second gear is such that the hardness decreases from the tooth base toward the tooth tip. A gear mechanism characterized in that it is formed.
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