JP4000648B2

JP4000648B2 - 高疲労強度歯車の製造方法

Info

Publication number: JP4000648B2
Application number: JP01057698A
Authority: JP
Inventors: 泰三牧野; 三幸山本; 康統湯浅; 利一乾
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Priority date: 1998-01-22
Filing date: 1998-01-22
Publication date: 2007-10-31
Anticipated expiration: 2018-01-22
Also published as: JPH11207522A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、鉄道車両等の減速機に用いられる高疲労強度歯車の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
鉄道車両に使用される歯車には、車軸に直接圧入されている大歯車（ギヤ）と誘導電動機に接続されている小歯車（ピニオン）がある。これらの歯車のほとんどは、かみ合い率を向上させて１つの歯に作用する応力を減少させる効果があるはすば歯車である。その形状は、JIS B1722 （一般用はすば歯車の形状および寸法）にある1A、1B、1C形といったリム部とボス部が独立し、その間に板部があるものが多い。
【０００３】
高速化を目指している鉄道車両の乗り心地の劣化防止には、ばね下重量の軽減が不可欠である。歯車装置もばね下荷重を構成するので、大歯車および小歯車が軽量化できれば、乗り心地改善に寄与する効果が大きい。
【０００４】
このような鉄道車両用歯車を軽量化するには、歯元曲げ疲労強度を向上させ、モジュール、歯幅を小さくすることが効果的である。歯車のように繰り返し荷重がかかる部材を高強度化して軽量化をはかる場合、静的引張強さは問題にはならず、ほとんど例外なく疲労強度が問題となる。従来より、このタイプの歯車で問題となる歯元曲げ疲労強度を向上させるために、検討がなされてきた。現在では、前述の大歯車には高周波焼入れを、また小歯車には浸炭焼入れを行ったものが実用化されている。
【０００５】
近年ではさらなる高疲労強度を実現するために、高周波焼入れまたは浸炭焼入れした後に、ショットピーニング等の表面処理を施す検討がなされている。しかしながら、ショットピーニングによって面粗さが悪化し、実際の鉄道車両の運転時に大きな振動や騒音が発生し、実用に耐えない場合がある。また、面粗さを向上させるために歯面を研削すると、応力が集中する歯元、特にすみ肉のＲ部表面近傍に付与された圧縮残留応力層が除去され、疲労強度向上の効果が消失する可能性がある。
【０００６】
この問題を解決するために、ショット粒が歯面に当たらず、歯元のみに当たる形状の治具を用いたショットピーニング方法が提案されている（特公昭６２−７２４５号公報）。しかしながら、治具形状が複雑であり、歯形形状ごとに異なる治具が必要となるため、高コストになると考えられる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、従来からあるショットピーニング、歯面研削等の製造工程を大幅に変更することなく、良好な歯面粗さと高疲労強度を兼備する歯車の製造方法を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、良好な歯面粗さと高疲労強度を兼備する歯車の製造方法を得るため、ショットピーニング前の歯形形状、ショットピーニング条件、研削代に注目し、試作を繰り返した結果、上記の課題を解決するに至った。本発明の要旨は、下記の歯車の製造方法にある。
【０００９】
（１）歯切り、表面焼入れ、ショットピーニングおよび歯面研削による歯車の製造方法であって、歯切りにより歯面の歯厚を歯元の歯厚よりも厚く加工し、高周波焼入れまたは浸炭焼入れを実施した後、２段階以上のショットピーニングをし、次いで前記の歯元と歯面の歯厚の差を消失させることなく歯面のみを研削することにより、歯面の面粗さは小さく、かつ歯元に上記ショットピーニングで導入された圧縮残留応力を残す高疲労強度歯車の製造方法（〔発明１〕とする）。
【００１０】
（２）歯切りにより歯面の最大歯厚を歯元の最小歯厚より0.3〜1.1mm大きくし、その後、アークハイト：0.6〜0.8mmA、投射速度：70〜99m/sおよびショット粒径：0.7〜1mmの条件で１段目ショットピーニングを行い、さらに、アークハイト：0.15〜0.35mmAおよびショット粒径：0.1〜0.3mm の条件で２段目ショットピーニングを行い、その後必要に応じてショットピーニングを行い、次いで歯面研削において研削代：0.1〜0.3mmの範囲で研削し、歯面の最大歯厚を歯元の最小歯厚より0.1〜0.5mm大きくし、かつ歯面の面粗さを7S以下とする（１）の高疲労強度歯車の製造方法（〔発明２〕とする）。
【００１１】
上記の製造方法の発明が適用される歯車の素材は、主として鉄鋼材料であるが、銅合金やアルミ合金であってもよい。
【００１２】
上記（１）における「２段階以上のショットピーニング」は、通常は、２段階のショットピーニングを行うが、要求される性能によっては３段階、または４段階以上の段数のショットピーニングでもよいことを意味する。
【００１３】
【発明の実施の形態】
つぎに、本発明を上記のように限定した理由について説明する。
【００１４】
図１は、本発明の歯車の製造方法の流れ図を示す。素材は、特に限定しないが、主に炭素鋼や低合金鋼といった鉄鋼材料について本発明の製造方法の効果を確認している。鍛造および歯切り方法については、通常の方法で行ってよく、特筆すべき特徴は無い。
【００１５】
図２は、本発明の歯車製造中の歯の部分の断面図である。図２（ａ）はショットピーニング前、図２（ｂ）は歯面研削後の断面図である。
【００１６】
〔発明１〕の歯切りにおいて、図２（ａ）に示すように歯面の歯厚を歯元の厚さより大きくするのは、後記する歯面研削において歯面の表面粗さを小さくし、かつ歯元を切削せずに圧縮残留応力を残すためである。表面焼入れは、通常の高周波焼入れまたは浸炭焼入れを適用してよい。
【００１７】
次いで、２段階以上のショットピーニングを施すのは歯元に疲労強度を高めるのに適切な圧縮残留応力を分布させるためであり、〔発明２〕の説明において詳細に説明する。歯面研削において、歯元を切削せず、かつ上記の歯面と歯元の差を消失させないのは、上記ショットピーニングで導入された圧縮残留応力を失わないためである。この歯面研削において表面粗さを小さくするのは、表面粗さが大きいと歯面同士の接触により騒音、振動等が発生するからである。
【００１８】
続いて〔発明２〕を上記のように限定した理由について説明する。〔発明２〕では、ショットピーニング前の歯切りにおいて、歯面の最大歯厚S₁を歯元の最小歯厚S_oより0.3〜1.1mm大きくする。この値が 0.3mm未満のとき、後記する歯面研削を行った後の歯面の最大歯厚と歯元の最小歯厚の差を確保できず、一方、1.1mm を超えると歯面に妨害されて歯元にショットピーニング粒が当たらず歯元に十分な圧縮残留応力を付与できない。
【００１９】
次に高周波焼入れまたは浸炭焼入れを実施する。その条件については特に限定せず、一般的な条件を用いれば良い。
【００２０】
この後のショットピーニングでは２段階以上のショットピーニングを実施する。１段目のショットピーニングでは、アークハイトを 0.6〜0.8mmA、投射速度を70〜99m/s、ショット粒径を0.7〜1mmとする。
【００２１】
アークハイトが0.6mmAより小さいと、圧縮残留応力が生じている領域の深さが小さくなり、0.8mmAより大きいと圧縮残留応力のピーク値が小さくなるおそれがある。すなわち、アークハイトが 0.6〜0.8mmAの範囲で、適当な圧縮残留応力層の深さと圧縮残留応力のピーク値が発生し、き裂が進展しにくい状態となる。投射速度が 70m/sより小さいと、ショット粒の投射エネルギが小さくなり、上記範囲のアークハイトを得るのに長時間を要し、生産性が悪化するおそれがある。投射速度が 99m/sより大きいと、投射される粒子、歯車表面双方の応力−ひずみ特性が高ひずみ速度側にシフトするため、降伏強度が高くなり変形し難くなる、すなわち期待される圧縮残留応力が得られなくなるおそれがある。ショット粒径が 0.7mmより小さいと、投射速度が 70m/sより小さい場合と同じく、ショット粒の投射エネルギが小さくなり、上記範囲のアークハイトを得るのに長時間を要し、生産性が悪化するおそれがある。
【００２２】
ショット粒径が 1mmより大きいと、ショットピーニング後の面粗さが大きくなり、期待される疲労強度が得られない可能性がある。
【００２３】
２段目ショットピーニングでは、アークハイトを 0.15〜0.35mmA、ショット粒径を0.1〜0.3mmとする。２段目ショットピーニングには、１段目より粒径が小さいショットを投射することによって、１段目ショットピーニングで生じた圧縮残留応力分布に、さらにごく表面近傍により大きな圧縮残留応力を付与させる効果がある。ここで、アークハイトが 0.15mmAより小さいと、圧縮残留応力分布にほとんど変化が無く、0.35mmA以上になると、圧縮残留応力のピーク値が逆に下がるおそれがある。ショット粒径が0.1mmより小さいと、アークハイトが0.15mmAより小さい場合と同じく、圧縮残留応力分布にほとんど変化が無く、0.3mm より大きいと、圧縮残留応力のピーク値が逆に下がるおそれがある。３段目以降のショットピーニングについては必要であれば実施し、その条件についてとくに限定しない。
【００２４】
最後に歯面研削を実施するが、その研削代△Sは0.1〜0.3mmの範囲内で、図2(b)に示したように歯面の最大歯厚S_f が歯元の最小歯厚S_oより 0.1〜0.5mm大きい形状となるように決める。研削代△Sが0.1mm未満では、焼入れやショットピーニングで生じた凹凸を除去して表面粗さ7S以下とすることができず、一方、△Sが0.3mmを超えると、後記する歯面の最大歯厚と歯元の最小歯厚の差(S_f-S_o) を確保することができない。なお、研削代は原則として歯面について実質上均一であり、その実質上均一な値をさすが、不均一な場合は歯面全体について平均をとった値とする。
【００２５】
歯面研削において、歯面の最大歯厚S_f（研削によりS₁→S_fに変化）が歯元の最小歯厚S_o（研削しないので変化しない）より0.1〜0.5mm大きくなるようにする。歯面の最大歯厚と歯元の最小歯厚の差(S_f-S_o)が0.1mmより小さい場合、歯元曲げ負荷に対する危険部位にて、ショットピーニングによって生じた圧縮残留応力層が除去されてしまう可能性がある。圧縮残留応力層が除去されると、ショットピーニングによる疲労強度向上効果が消失してしまう。(S_f-S_o)が0.5mmより大きいと、良好な歯当たりが得られず、負荷運転時に騒音および振動が大きくなる可能性がある。歯面の研削条件については、通常用いられる条件で良いが、発熱によって上記ショットピーニングによる圧縮残留応力が抜けてしまわないようにすることが肝要である。
【００２６】
本発明の製造方法により製造される歯車は、鉄道車両等の減速機に用いられる比較的大型のものである。すなわち、モジュール5〜9、ピッチ円径がギヤで 450〜700mm、ピニオンで80〜350mmの歯車で、歯面では7S以下の良好な面粗さを有し、歯面の最大歯厚が歯元の最小歯厚より0.1〜0.5mm大きい形状を有する。この形状によって、歯元曲げ負荷の繰返しに対する疲労き裂発生危険部位に、ショットピーニングにより導入された圧縮残留応力が残存することとなる。その結果、疲労き裂の進展が抑制され、高疲労強度が実現する。
【００２７】
【実施例】
つぎに、実施例により本発明の効果を説明する。
【００２８】
［試験１］
最初に〔発明１〕の効果について説明する。
【００２９】
試験に供した歯車の諸元は、モジュール5、ピッチ円径325mm、歯幅40mmの平歯車である。この歯車は鉄道車両に通常用いられる大歯車と小歯車との中間の大きさである。ただし、歯幅については、疲労試験機の容量を考慮して通常（80mm程度）の約半分とした。素材は全てJIS S40Cであり、図１に示すように、鍛造後、歯切りを行い、次いで高周波焼入れを施し、各種ショットピーニングの後、歯面研削を行った。
【００３０】
表１は、上記供試歯車の歯切り、ショットピーニングおよび歯面研削の条件を示す一覧表である。
【００３１】
【表１】

【００３２】
疲労強度の評価は、荷重0〜11tonを歯先に繰返し負荷し、破断までの寿命（荷重負荷繰り返し数）を求めて行った。荷重11ton での負荷での荷重点の変位が試験開始時より3mm 大きくなったことをもって破断と判断した。破断した全ての歯車について歯元付近の破面を調査した。
【００３３】
表２はこの疲労試験結果を示す。
【００３４】
【表２】

【００３５】
比較例である試験番号５は、２段階ショットを行わなかったために、破断繰り返し数は5×10⁴に遠く及ばなかった。歯切りおよび歯面研削の条件が〔発明１〕の定義範囲外であるために圧縮残留応力の効果を十分得ることができなかった試験番号７および８も、同様に5×10⁴に達しなかった。これらの比較例の破面観察において、全ての歯車の歯元を起点としたき裂が発生し、歯厚の半分程度まで進展していた。
【００３６】
これに対して、〔発明１〕の定義範囲内にある試験番号Ａ１では、破断繰り返し数は3×10⁶を超え、上記の歯車に比較して格段に疲労寿命が向上した。
【００３７】
［試験２］
次いで、〔発明２〕の効果について説明する。供試歯車の基本的な製造方法および試験方法は、上記の［試験１］と同一の条件とした。
【００３８】
表３および表４はショットピーニングおよび歯面研削の条件および試験結果を示す。また、図３は表４を図示したものである。
【００３９】
【表３】

【００４０】
【表４】

【００４１】
〔発明１〕の比較例に属する試験は、〔発明２〕の比較例にも属するので、試験番号５、７、および８は表３および表４にも合わせて記載した。比較例である試験番号２（アークハイト低）、３（アークハイト高）および４（投射速度大）においては、１段目ショットの条件が本発明の限定範囲外であるために、後の他の条件が本発明の限定範囲内にあるものの、破断繰り返し数は 5×10⁵ にも到達しなかった。
【００４２】
これに対して、全ての項目で本発明の限定範囲内にある試験番号１では、破断繰り返し数は10⁷を超え、上記の歯車に比較して格段に疲労寿命が向上した。
【００４３】
［試験３］
〔発明２〕の効果をさらに明確にするために、試験番号１の条件をそのまま用いて、実機レベルの歯幅の試験（試験番号９）を行った。この試験の歯車は、モジュール6、ピッチ円径504.42mm、歯幅70mm のはすば歯車であり、試験番号１と同じ条件で製作した。設計応力は従来の高周波焼入れ歯車より20% 大きくとった。この歯車を、動力循環式回転試験機にて、スキッドトルク相当のトルクをかけて疲労試験を実施した。
【００４４】
表５はこの疲労試験結果を示す。
【００４５】
【表５】

【００４６】
表５によれば、破断繰り返し数2×10⁷回の繰返し数(累積回転数)でも、歯車に損傷は発生しなかった。
【００４７】
【発明の効果】
本発明により、従来の製造工程に大幅な変更を加えることなく、低騒音、低振動で高疲労寿命の高速鉄道車両用歯車を得ることができ、ばね下重量の軽量化を通じて車両の乗り心地向上が期待される。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の歯車の製造方法を示す図である。
【図２】図２は歯車の歯の部分の断面図である。（ａ）は歯切り後（ショットピーニング前）の断面図、また（ｂ）は歯面研削後の断面図である。
【図３】図３は実施例の試験２における疲労試験結果を示す図である。
【符号の説明】
S₁…ショットピーニング前の歯面の最大歯厚
S_o…歯元の最小歯厚
S_f…歯面研削後の歯面の最大歯厚
△S…歯面研削における研削代

Claims

歯切り、表面焼入れ、ショットピーニングおよび歯面研削による歯車の製造方法であって、歯切りにより歯面の歯厚を歯元の歯厚よりも厚く加工し、高周波焼入れまたは浸炭焼入れを実施した後、２段階以上のショットピーニングをし、次いで前記の歯元と歯面の歯厚の差を消失させることなく歯面のみを研削することにより、歯面の面粗さは小さく、かつ歯元に上記ショットピーニングで導入された圧縮残留応力を残すことを特徴とする高疲労強度歯車の製造方法。
歯切りにより歯面の最大歯厚を歯元の最小歯厚より0.3〜1.1mm大きく加工し、その後、アークハイト：0.6〜0.8mmA、投射速度：70〜99m/sおよびショット粒径：0.7〜1mmの条件で１段目ショットピーニングを行い、さらに、アークハイト：0.15〜0.35mmAおよびショット粒径：0.1〜0.3mm の条件で２段目ショットピーニングを行い、その後必要に応じてショットピーニングを行い、次いで歯面研削において研削代：0.1〜0.3mmの範囲で研削し、歯面の最大歯厚を歯元の最小歯厚より0.1〜0.5mm大きくし、かつ歯面の面粗さを7S以下とすることを特徴とする請求項１の高疲労強度歯車の製造方法。