JP3299105B2 - 歯 車 - Google Patents

歯 車

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JP3299105B2 JP04642096A JP4642096A JP3299105B2 JP 3299105 B2 JP3299105 B2 JP 3299105B2 JP 04642096 A JP04642096 A JP 04642096A JP 4642096 A JP4642096 A JP 4642096A JP 3299105 B2 JP3299105 B2 JP 3299105B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、苛酷な摺動条件下
で用いられる変速機、特に、自動車用変速機の歯車に適
した噛み合い歯車に関するものである。
【0002】
【従来の技術】近年のエンジンの高出力化や変速機の小
型・軽量化に伴い、歯車はその歯面のピッチング摩耗や
スコーリング摩耗が発生しやすい環境下にさらされるよ
うになってきており、これに対応して歯車材料や熱処理
技術の開発がなされてきている。
【0003】そして、たとえば、従来開発がなされたも
ののなかには、ピッチング摩耗や焼付きの改善を狙った
歯車材料の浸炭窒化処理方法について開示した特開昭6
3−210287号公報に記載されたものがある。ま
た、浸炭窒化熱処理を用いて焼付きの抑制を狙ったエン
ジン動弁系バルブアジャスティングシムについて開示し
た特開平5−195723号公報に記載されたものがあ
る。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】噛み合い歯車の歯面に
生ずる代表的なピッチング摩耗とスコーリング摩耗は、
発生の要因が全く異なるために、生じやすい部位が摺動
条件により異なっている。このうち、ピッチング摩耗は
転がり疲労を主要因とするために、すべり率が小さく接
触面圧の高いピッチ円付近に発生しやすく、一方、スコ
ーリング摩耗は微視的な焼付きや凝着を主要因とするた
めに、すべり率が大きい噛み合い初めとなる歯元や歯先
付近に発生しやすい。
【0005】従って、従来技術に見られるような歯面の
全体を均一な材料組織としていた歯車においては、両者
の摩耗を最大限に抑制することはできないという課題が
あった。
【0006】
【発明の目的】本発明は、このような従来の課題を解決
するためになされたものであって、発生要因が異なるピ
ッチング摩耗とスコーリング摩耗のいずれにおいても優
れた歯車を提供することを目的としている。
【0007】
【課題を解決するための手段】本発明に係わる歯車は、
請求項1に記載しているように、合金鋼を素材とした歯
車の噛み合い歯面において、噛み合い開始部の歯元や歯
先の摺動表面近傍には残留オーステナイト量が少なく硬
さが大である組織を有し、ピッチ円摺動表面近傍には歯
元や歯先に比べて残留オースナイト量が多い組織を有す
るものとした構成としたことを特徴としている。
【0008】そして、本発明に係わる歯車の実施態様に
おいては、請求項2に記載しているように、歯先や歯元
の摺動表面近傍の組織として、残留オーステナイト量が
20%以下で硬さがビッカース硬度HV700以上であ
り、ピッチ円摺動表面近傍の組織として、オーステナイ
ト量が30%以上であるものとすることができ、また、
請求項3に記載しているように、浸炭窒化組織を有する
浸炭窒化熱処理された歯車粗材において、歯元や歯先付
近の加工取り代をピッチ円付近の加工取り代よりも例え
ば600μm程度まで大きくしたものとすることがで
き、さらに、請求項4に記載しているように、合金鋼は
Cr含有量が0.40〜1.50重量%の機械構造用低
合金鋼であるものとすることができる。
【0009】本発明者は、歯車の噛み合い歯面の摩耗現
象についてトライボロジー的な解析を鋭意続けてきた結
果、従来から提案されている合金鋼を浸炭窒化すること
により得られる残留オーステナイト量が多く硬さの低い
組織では、転がり疲労を主要因とするピッチ円付近の耐
ピッチング摩耗は大幅に向上できるものの、すべり率が
大きい噛み合い初めとなる歯元や歯先付近における油膜
切れによるスコーリング摩耗に対しては優れておらず、
大きな摩耗につながることを見い出した。
【0010】そこで、浸炭窒化組織の特徴である、硬さ
が大でかつ厚い浸炭層の表層側に窒素が侵入した薄い浸
炭窒化層の部分だけが、残留オーステナイト量が多く硬
さは低い組織となることに着目し、歯元や歯先付近の加
工取り代をピッチ円付近の加工取り代よりも大きくする
ことにより、この薄い浸炭窒化層の部分を除去し、この
部分の硬さを大幅に高めることにした。
【0011】こうして、歯元や歯先付近の硬さを高めた
結果、微視的な焼付きや凝着を主要因とするスコーリン
グ摩耗に基づく大きな摩耗を抑制できることが、摩耗試
験により新たに見い出されるとともに、このようにした
歯車が、ピッチング摩耗およびスコーリング摩耗の両方
共の摩耗を最大限に抑制することができ、発生の要因が
異なるピッチング摩耗とスコーリング摩耗のいずれかに
おいても優れた歯車とすることができることを見い出し
た。
【0012】本発明に係わる歯車は、より望ましくは、
Cr含有量が0.40〜1.50重量%の機械構造用低
合金鋼を素材とすることがより望ましく、具体的には、
SCr415,SCr420,SCM415,SCM4
18,SCM420,SCM421,SCM822,S
Mn420,SMnC420,SNC415,SNC8
15,SNCM415,SNCM420,SNCM81
5などのはだ焼用に適する低合金鋼が使用される。
【0013】そして、歯先や歯元の摺動表面近傍の組織
として、残留オーステナイト量が20%以下で硬さがビ
ッカース硬度HV700以上であるものとすることがよ
り望ましいが、この場合、残留オーステナイト量が20
%よりも多くそしてまたビッカース硬さが硬度HV70
0よりも低いときには、微視的な焼付きや凝着を主要因
とするスコーリング摩耗の発生が生じやすい傾向とな
る。
【0014】また、ピッチ円摺動表面近傍の組織とし
て、オーステナイト量が30%よりも少ないときには、
転がり疲労を主要因とするピッチング摩耗の大幅な向上
が望めない傾向となる。
【0015】そして、このような組織とするために、浸
炭窒化組織を有する浸炭窒化熱処理された後の歯車粗材
において、歯元や歯先付近の加工取り代をピッチ円付近
の加工取り代よりも大きくなるようにすることが望まし
い。
【0016】
【発明の効果】本発明に係わる歯車は、請求項1に記載
しているように、合金鋼を素材とした歯車の噛み合い歯
面において、噛み合い開始部の歯元や歯先の摺動表面近
傍には残留オーステナイト量が少なく硬さが大である組
織を有し、ピッチ円摺動表面近傍には歯元や歯先に比べ
て残留オースナイト量が多く硬さは低い組織を有するも
のとしたから、すべり率が大きい噛み合い初めとなる歯
元や歯先付近における耐スコーリング摩耗性に対して優
れたものにすることが可能であると共に、転がり疲労を
主要因とするピッチ円付近の耐ピッチング摩耗性を大幅
に向上したものとすることが可能であり、発生の要因が
異なるピッチング摩耗とスコーリング摩耗のいずれにも
優れた歯車を提供することが可能であるという著大なる
効果がもたらされる。
【0017】そして、請求項2に記載しているように、
歯先や歯元の摺動表面近傍の組織として、残留オーステ
ナイト量が20%以下で硬さがビッカース硬度HV70
0以上であり、ピッチ円摺動表面近傍の組織として、オ
ーステナイト量が30%以上であるものとするによっ
て、発生要因が異なるピッチ円付近での耐ピッチング摩
耗性と歯元や歯先付近での耐スコーリング摩耗性の両方
共をより一層確実に向上させたものにすることが可能で
あるという著大なる効果がもたらされる。
【0018】また、請求項3に記載しているように、浸
炭窒化組織を有する浸炭窒化熱処理された歯車粗材にお
いて、歯元や歯先付近の加工取り代をピッチ円付近の加
工取り代よりも大きくすることによって、請求項1,2
に記載の所望の組織を得ることが可能であるという著大
なる効果がもたらされる。
【0019】さらにまた、請求項4に記載しているよう
に、合金鋼はCr含有量が0.40〜1.50重量%で
ある機械構造用低合金鋼であるものとすることによっ
て、焼入性が良好であって耐ピッチング摩耗性および耐
スコーリング摩耗性の両方共に優れた歯車を提供するこ
とが可能であるという著大なる効果がもたらされる。
【0020】
【実施例】本発明に係わる歯車の実施例を従来例および
比較例と対比しながら説明する。
【0021】まず、JIS SCM415クロムモリブ
デン合金鋼を用いて、オートマチックトランスミッショ
ン用歯車を模した単体歯車粗材を製作した。この歯車粗
材の歯面は、通常の歯車粗材に比べて、歯元および歯先
の肉厚を同等のものから順次約1mmまで大きくした形
状とした。そして、この歯車粗材の歯面を、最終仕上げ
形状の歯面に対して、歯元および歯先の加工取り代がピ
ッチ円の加工取り代に比べ、同等のものから順次1mm
程度まで多くなるように切削加工することにより、数種
類の加工取り代を有する歯車粗材を製作した。次いで、
これらの歯車粗材に対し下記の条件に従って熱処理を実
施した。
【0022】
【表1】
【0023】次に、浸炭窒化熱処理後の歯面をそれぞれ
の歯車粗材に見合った加工取り代で切削および研磨加工
することにより、最終形状の歯面をもつ歯車に仕上げ
た。
【0024】このようにして、図1に示す歯面Tfの歯
元Tdおよび歯先Taとピッチ円Pc付近の摺動表面近
傍の残留オーステナイト量(γ)量および硬さが異なる
数種類の歯車1を得た。ここで、加工取り代によって摺
動表面近傍の残留オーステナイト(γ)量および硬さが
異なる数種類の歯車1を得ることができる理由は、図2
に示すように、浸炭窒化熱処理により形成される残留オ
ーステナイト量(%)および硬度(HV)の値の変化に
基づいている。なお、従来の浸炭および浸炭窒化熱処理
においては、通常の歯面形状を有する歯車粗材を用いて
製作した。
【0025】このようにして、表2に示すような従来例
1,2、実施例1〜3、比較例1,2の歯車を製作し
た。
【0026】
【表2】
【0027】続いて、これらの単体歯車を駆動側と被駆
動側に組み合わせて、動力循環式歯車摩耗試験機によっ
て摩耗評価試験を実施した。このときの摩耗評価試験の
条件は以下の通りである。
【0028】
【表3】
【0029】各仕様の歯車での耐久後の被駆動側歯面の
摩耗状況を前記表2に併わせて示す。
【0030】この結果から、従来例1の浸炭処理歯車で
は、歯元および歯先での残留オーステナイト量が少な
く、硬さが大であることから、歯元の摩耗は小さいもの
の、ピッチ円摺動表面の残留オーステナイト量がかなり
少ないため、耐久途中で著しいピッチング摩耗をピッチ
円付近に生じたので、200時間の試験を途中で止め
た。
【0031】一方、従来例2の浸炭窒化処理歯車では、
ピッチ円摺動表面の残留オーステナイト量が多く硬さが
低いため耐久200時間までにピッチング摩耗は生じな
かったものの、歯元および歯先の残留オーステナイト量
が多く、硬さが低いため、歯元に顕著なスコーリング摩
耗を生じた。
【0032】また、比較例1の歯車においては、歯元窒
化層の加工取り代が不十分であったために、柔らかい残
留オーステナイト相がかなり残っていたことから、スコ
ーリング摩耗を生じてしまった。
【0033】さらに、比較例2の歯車においては、反対
に歯元窒化層の加工取り代が過剰であったために、歯元
の浸炭相が浅くかつ柔らかい組織となっているととも
に、ピッチ円付近の残留オーステナイト相もやゝ少ない
組織となってしまったことから、歯元にスコーリング摩
耗が形成されるとともに、摩耗粉の噛み込みにより、ピ
ッチ円付近には耐久途中でピッチング摩耗が生じてしま
った。
【0034】これに対して、本発明の歯車仕様である実
施例1〜3の歯面においては、歯元および歯先の残留オ
ーステナイト量が20%以下と少なく硬さがHV700
以上と大であり、ピッチ円摺動表面の残留オーステナイ
ト量が30%以上と多くなる組織としたため、耐久20
0時間後にピッチ円付近のピッチング摩耗が全く見られ
ないだけでなく、歯元のスコーリング摩耗も全く見られ
ず、優れた摩耗特性を示した。
【図面の簡単な説明】
【図1】歯車の歯面の部位についての説明図である。
【図2】浸炭窒化熱処理により形成される材料深さ方向
の硬さ(HV)分布と残留オーステナイト量(%)の計
測結果の一例を示す説明図である。
【符号の説明】
1 歯車 Tf 歯面 Ta 歯先 Td 歯元 Pc ピッチ円
フロントページの続き (56)参考文献 特開 平2−138554(JP,A) 特開 平9−72402(JP,A) 特開 平7−54049(JP,A) 特開 平6−34017(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) F16H 55/06

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 合金鋼を素材とした歯車の噛み合い歯面
    において、噛み合い開始部の歯元や歯先の摺動表面近傍
    には残留オーステナイト量が少なく硬さが大である組織
    を有し、ピッチ円摺動表面近傍には歯元や歯先に比べて
    残留オースナイト量が多い組織を有することを特徴とす
    る歯車。
  2. 【請求項2】 歯先や歯元の摺動表面近傍の組織とし
    て、残留オーステナイト量が20%以下で硬さがビッカ
    ース硬度HV700以上であり、ピッチ円摺動表面近傍
    の組織として、オーステナイト量が30%以上であるも
    のとした請求項1に記載の歯車。
  3. 【請求項3】 浸炭窒化組織を有する浸炭窒化熱処理さ
    れた歯車粗材において、歯元や歯先付近の加工取り代を
    ピッチ円付近の加工取り代よりも大きくした請求項1ま
    たは2に記載の歯車。
  4. 【請求項4】 合金鋼はCr含有量が0.40〜1.5
    0重量%の機械構造用低合金鋼である請求項1または2
    に記載の歯車。
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