JP2020168684A - ハイポイドギヤの製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
このハイポイドギヤは、回転駆動時、複数の歯が同時に噛み合うため、各々の歯に入力される負荷を複数の歯に分散することが可能である。その反面、ピニオンギヤとリングギヤとの接触部分(歯当り位置)が相対的に滑ることから、摺動抵抗の増加に伴ってエネルギー損失が増大し、動力伝達機構としての機械効率が低下するという特性を有している。
図6に示すように、ハイポイドギヤは、ハイポイドギヤの歯形状を加工する歯切り工程S11と、歯の表面に硬化層を形成する熱処理工程S12及びショットピーニング工程S13と、#320(粒径40μm)の砥粒を用いて加工するラッピング工程S14と、歯の表面に潤滑用被膜を形成するリューブライト処理工程S15によって製造されている。
リューブライト処理工程S15では、対象ワークをリン酸塩液に浸漬して表面にリン酸塩皮膜を形成し、このリン酸塩皮膜とリューベ(脂肪酸ソーダ石鹸)を反応させて潤滑性を備えた金属石鹸を生成している。
特許文献1の歯車の製造法は、歯切り工程、硬化層を形成するための表面処理工程、ラッピング工程を行った後、リューブライト処理工程に替えてショットピーニング工程及びジャイロ研磨処理工程を行っている。これにより、ショットピーニングによって曲げ疲労強度を向上し、ジャイロ研磨処理によって面圧強度を向上している。
それ故、ラッピング加工後、ハイポイドギヤの歯筋方向に砥粒の圧着に伴う筋目状の加工痕が形成され、ハイポイドギヤの歯面粗さの悪化を招く。
また、筋目状の加工痕が歯筋方向に連続的に形成されているため、ハイポイドギヤの回転駆動時、潤滑油が加工痕を伝って外部に排出され、結果的に、歯面に油膜破断が生じ、十分な動力伝達効率を発揮できない虞がある。
しかし、粒径が異なるショットピーニング工程を複数工程設定した場合、生産工程が増加して製造設備が大掛かりになると共に、生産に係るサイクルタイムの長期化を招くことから、量産設備としては現実的ではない。
即ち、生産性と動力伝達効率とを両立させるハイポイドギヤの製造方法は未だ確立されていない。
ラッピング工程後にショットピーニング工程を有するため、歯面強度の向上を図りながら潤滑油を歯面上に保持可能なディンプルを歯面上に形成することができる。
また、ショットピーニング工程は、直径が14μm以下の砥粒を用いてラッピング加工された第2中間体に直径160μm以下の粒子を吹き付けるため、ラッピング工程で生じた筋目状の加工痕を単一のショットピーニング工程によって除去することができ、歯面上の油膜破断を回避することができる。
この構成によれば、ハイポイドギヤの歯面を容易に硬質化することができる。
33000≦R×N≦50000
の関係式を満たすことを特徴としている。
この構成によれば、砥粒の大きさに関わらずラッピング工程の処理時間を略同等にすることができる。
この構成によれば、筋目状の加工痕を除去しつつラッピング工程で使用されるラップ盤の制御性を確保することができる。
この構成によれば、動力伝達損失を大幅に低減することができる。
この構成によれば、車両の動力伝達損失を低減することができ、燃費改善を図ることができる。
図1に示すように、本実施例1に係るハイポイドギヤ10は、例えば、4輪駆動車両のパワープラントユニット1に装備される差動装置、具体的には、FDU(Front Differential Unite)2とRDU(Rear Differential Unite)3の主要な構成部品である。パワープラントユニット1は、エンジン4から出力された駆動力を変速機5によって変速し、変速された駆動力をFDU2及びRDU3を介して前後ドライブシャフト6,7に伝達している。
ピニオンギヤ11は、変速機5から出力された駆動力を下流側に伝達するリヤ側駆動軸8の先端(後端)に取り付けられている。リングギヤ12は、RDU3のケース3aの内側に取り付けられている。ピニオンギヤ11とリングギヤ12は、各々の回転中心軸が捩れ位置関係、つまり、相互に交差せず且つ非平行状態で噛合している。即ち、ハイポイドギヤ10は、ピニオンギヤ11とリングギヤ12が噛合された歯車対によって構成されている。FDU2は、RDU3と同様に、ハイポイドギヤを構成するピニオンギヤとリングギヤとを備えている(何れも図示略)。
尚、Si(i=1,2…)は各工程を示すステップである。また、第1〜第5中間ギヤ10a〜10eは、ピニオンギヤ11の中間体とリングギヤ12の中間体の歯車対を表す。
図3に示すように、ハイポイドギヤ10は、歯切り工程S1、熱処理工程S2、第1ショットピーニング工程S3、ラッピング工程S4、第2ショットピーニング工程S5(ショットピーニング工程)を経て完成される。ここで、熱処理工程S2と第1ショットピーニング工程S3は、ハイポイドギヤ10の歯の表面に硬化層を形成する表面処理工程に相当している。
ギヤ素材は、焼入用合金鋼(機械構造用炭素鋼)であり、例えば、球状黒鉛鋳鉄(FCD45)である。歯は、ホブ盤によるホブ切り、或いはピニオンカッタ等を用いた歯切りによって切削加工され、ギヤ素材から第1中間ギヤ10aを形成している。
ホブの回転と共に一定比率でギヤ素材を回転し、同時にホブをギヤ軸方向に送り出すことで創成歯切りが行われる。歯筋が捩れた曲線であるハイポイドギヤ10では、環状カッタを用いた創成歯切り、又は円錐ホブを用いた創成歯切りにより歯切り加工されている。
第1中間ギヤ10aを、例えば、900〜950℃の温度範囲に加熱し、1.5〜4時間保持して浸炭及び拡散処理を行う。その後、850℃まで温度を下げて所定時間温度を保持した後、200〜250℃のソルトバスに所定時間浸漬させて焼入れを行い第2中間ギヤ11bを形成する。尚、この焼入れ後、130〜170℃の温度範囲で1〜2時間保持した後、空冷する焼き戻しを行うことで、第2中間ギヤ10bの圧縮残留応力を更に高めることも可能である。
投射条件は、例えば、粒子の平均直径が0.1〜1.0mm、粒子の硬度が600〜800HV、投射速度が50〜100m/secに設定されている。粒子の平均直径が0.1mm未満では、圧縮残留応力が殆ど付与されず、1.0mm超では、歯面粗さが大きくなるためである。尚、投射速度を50〜60m/secのコンベンショナルショットと、50〜100m/secのハードショットの2段ショットピーニングにしても良い。
このラッピング工程S4では、平均直径が14μm以下の微細砥粒を用いて、浸炭焼入れ後の第3中間ギヤ10cの焼入れ歪を除去すると共に、第3中間ギヤ10cのピニオンギヤとリングギヤとの噛合わせを滑らかにするための精研磨加工を実行し、第4中間ギヤ10d(第2中間体)を形成する。平均直径が14μmを超える砥粒を用いる場合、第2ショットピーニング工程S5にて筋目状の加工痕を除去することが難しく、それ故、別途、後工程で精研磨加工が必要になるためである。
33000≦R×N≦50000 …(1)
33000未満の場合、量産性を確保することができず、50000を超える場合、加工精度を確保することができないためである。本実施例では、砥粒の平均直径が14μm、回転速度2400rpm、伝達トルクが1.0kgmに設定され、砥粒の平均直径が40μm、回転速度1200rpm、伝達トルクが1.0kgmを条件としたラッピング加工と略同等の加工量を確保している。
第4中間ギヤ10dのピニオンギヤ及びリングギヤには、ラッピング工程S4の砥粒の圧着による歯筋方向に延びる筋目状の加工痕が形成されている。そこで、第2ショットピーニング工程S5では、ラッピング工程S4で生じた加工痕の除去を主な目的としている。
平均直径が160μmを超える鋼球粒子を用いた場合、歯面粗さを0.8μmに抑えることが難しく、しかも、ショットピーニングにより形成されたディンプル(凹部)内に潤滑油を保持する潤滑油保持機能を十分に発揮することができない。本実施例では、鋼球粒子の平均直径を160μmに設定している。
作用、効果の説明に当り、第1,第2の検証を行った。
第1の検証は、ハイポイドギヤに形成された筋目状の加工痕を確認した。
検証手順は、#320、#500、及び#800の砥粒を用いて夫々ラッピング加工を行ったハイポイドギヤの中間体に対して粒径の異なる4種類(50μm,90μm,160μm,190μm)の鋼球を用いたショットピーニングを行い、各ショットピーニング後における筋目状の加工痕の有無について確認を行った。尚、#320は平均直径40μm、#500は平均直径25μm、及び#800は平均直径14μmの砥粒であり、砥粒径以外の処理条件は同じである。
以上により、少なくとも、平均直径14μmの砥粒を用いたラッピング加工を行った場合、平均直径が160μm以下の鋼球を用いたショットピーニングによって筋目状の加工痕を除去可能であることが確認された。尚、製造公差等の生産性の観点から、平均直径160μmの鋼球粒子は、平均直径50μmの鋼球粒子よりも供給安定性が高い。
ハイポイドギヤAは、ラッピング工程の砥粒が#320(平均直径40μm)とされ、第2ショットピーニング工程を省略してリューブライト処理工程を行い、それ以外の工程は本実施例と同様の製造方法で製造された。ハイポイドギヤBは、第2ショットピーニング工程の鋼球粒子の平均直径が50μmとされ、それ以外の工程は本実施例と同様の製造方法で製造された。ハイポイドギヤCは、本実施例の製造方法で製造された完成品である。
図5に示すように、ハイポイドギヤAは、歯面粗さが0.98μmであり、噛合摩擦損失が4.4%であった。このハイポイドギヤAには、筋目状の加工痕が存在していた。
ハイポイドギヤB,Cは、共に歯面粗さが0.8μm以下であり、噛合摩擦損失が夫々2.2%,3.4%であった。また、ハイポイドギヤB,Cには、共に筋目状の加工痕が存在していない。これにより、第2ショットピーニング工程の鋼球粒子の平均直径が160μm以下の場合、噛合摩擦損失が改善されることが確認された。しかも、平均直径が小さい程、噛合摩擦損失の改善効果が高いことが判明した。
ラッピング工程S4後に第2ショットピーニング工程S5を有するため、歯面強度の向上を図りながら潤滑油を歯面上に保持可能なディンプルを歯面上に形成することができる。
また、第2ショットピーニング工程S5は、直径が14μm以下の砥粒を用いてラッピング加工された第4中間ギヤ10dに直径160μm以下の粒子を吹き付けるため、ラッピング工程S4で生じた筋目状の加工痕を単一の第2ショットピーニング工程S5によって除去することができ、歯面上の油膜破断を回避することができる。
1〕前記実施形態においては、4輪駆動車両の作動装置に用いられたハイポイドギヤ10の例を説明したが、FDU2及びRDU3のうち一方のみのハイポイドギヤに適用しても良い。また、2輪駆動車両の作動装置に適用しても良く、耐久性が要求される動力伝達機構であれば車両以外の何れの機構に対しても適用可能である。
10 ハイポイドギヤ
11 ピニオンギヤ
12 リングギヤ
S1 歯切り工程
S2 熱処理工程
S3 第1ショットピーニング工程
S4 ラッピング工程
S5 第2ショットピーニング工程
Claims (6)
- ハイポイドギヤの製造方法において、
前記ハイポイドギヤの歯の形状を加工する歯切り工程と、
前記歯の表面に硬化層が形成された第1中間体を成形する表面処理工程と、
前記第1中間体を直径が14μm以下の砥粒を用いた加工により第2中間体を成形するラッピング工程と、
前記第2中間体に直径160μm以下の粒子を吹き付けるショットピーニング工程と、
を有することを特徴とするハイポイドギヤの製造方法。 - 前記表面処理工程が、熱処理工程と所定粒径の粒子を吹き付けるショットピーニング工程のうち少なくとも1つの工程を含むことを特徴とする請求項1に記載のハイポイドギヤの製造方法。
- 前記ラッピング工程が、砥粒の直径をR(μm)、ドライブピニオンの回転速度をN(rpm)としたとき、
33000≦R×N≦50000
の関係式を満たすことを特徴とする請求項1又は2に記載のハイポイドギヤの製造方法。 - 砥粒の直径を14μm、ドライブピニオンの回転速度を2400rpmとしたことを特徴とする請求項3に記載のハイポイドギヤの製造方法。
- 前記ショットピーニング工程後のハイポイドギヤの表面粗さが、0.8μm以下であることを特徴とする請求項1〜4の何れか1項に記載のハイポイドギヤの製造方法。
- 前記ハイポイドギヤは、差動装置のピニオンギヤ又はリングギヤであることを特徴とする請求項1〜5の何れか1項に記載のハイポイドギヤの製造方法。
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