JP4229427B2

JP4229427B2 - ヘリカルギア

Info

Publication number: JP4229427B2
Application number: JP2002259372A
Authority: JP
Inventors: 幸三井垣; 法仁訓谷
Original assignee: 住金精圧品工業株式会社
Priority date: 2002-09-04
Filing date: 2002-09-04
Publication date: 2009-02-25
Anticipated expiration: 2022-09-04
Also published as: JP2004098070A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、軸部をギヤ部に一体化した所謂軸付ヘリカルギア（はすば歯車）に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ヘリカルギアは、自動車、産業用機器一般に広く使用されている。特に今回対象となるヘリカルギアの一つは、自動車のステアリング（ラック・ピニオン機構）の部品として使用されるピニオンである。当該ヘリカルギアは全体として、円筒状を成すと共に外周面に対しつる巻形又は螺旋を描くように傾斜した歯、即ち、外周面の周りにつる巻状に湾曲して形成された歯（以下に「ヘリカル歯」と記す。）を備え、そのヘリカル歯の一端側にテーパ面を介して円筒状の軸部が形成された構造である。
【０００３】
この種のヘリカルギアは、従来、切削加工によって製造されていたが、コスト低減の目的で、現在、その一部が冷間鍛造によって製造されている。その事例として、円筒状のダイスに素材を軸線方向に圧入することにより、ヘリカルギアを冷間鍛造することが周知である。
【０００４】
このようにヘリカルギア１１０の押出し又は鍛造を行う場合、それによって象られるヘリカル歯１００は軸線Ｃに対してつる巻状にねじれているため、図６に示すように、ヘリカル歯１００の端面１０１と、ヘリカル歯１００の両側の歯面１０２ａ，１０２ｂとのなす角度が、各ヘリカル歯１００の一方の歯面１０２ａと他方の歯面１０２ｂでは相違している。そのために、ヘリカルギア１１０の材料である金属素材の流動、即ち、押出又は鍛造に伴って塑性変形が次第に起こる際の金属の状態がヘリカル歯１００の両側近傍で相違する。これが原因となってヘリカル歯１００の両側の歯面１０２ａ，１０２ｂの形状が微妙に違えることになる。つまり、歯形の精度が悪くなるという問題が生じる。
【０００５】
そこで、同図に示すように、ヘリカル歯１００の端面１０１を扇形（三角形）に広げることが試みられている。詳しくは、端面１０１を、押出し成形時の金属素材がダイスに圧入される方向を向く傾斜面とした上で、この部分が扇形になるように肉盛りしている。或いは、図７に示すように、ヘリカル歯１００が傾斜する方向と同じ方向に向かって広がる扇形の膨出部１０３を形成することが試みられている。
【０００６】
このような形状のヘリカル歯１００を象るためのダイス又は金型等は、金属素材に上記のような扇形の形状を転写できるように、ヘリカル歯１００の端面１０１付近に対応する部分を扇形に彫り込んだ形状となっている。このため、金属素材を図中の上方から当該ダイス又は金型等へ圧入させる際に、金属素材は扇形の形状に沿って漸次絞られつつ、両側の歯面１０２ａ，１０２ｂの近傍において均一に塑性変形することになる。これは、歯面１０２ａ，１０２ｂの近傍における塑性変形の状態を均一にすることで、ヘリカル歯１００の歯形の精度の向上を図る技術である。
【０００７】
また、図７に示したヘリカルギア１１１は、金属素材を図中の上方から当該ヘリカルギア１１１を象るダイス又は金型等へ圧入させる際に、金属素材の一部が膨出部１０３に沿って円滑に流入する作用を奏するので、これによって金属素材の流動するような塑性変形が促進される。また同様に、金属素材に対する急激な捩りが加わることが抑制される。これは、製造後の残留応力による歯形誤差の生じ難いヘリカルギアを製造する技術である（下記文献を参照）。
【０００８】
【特許文献１】
特開平７−３０８７２９号公報
【特許文献２】
特開平１１−１０２７４号公報
【特許文献３】
特開２０００−３９０５６号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ヘリカル歯１００の端面１０１での金属素材の流動するような塑性変形の方向は、ヘリカル歯１００のねじれた方向に沿って促進されるので、この反力は金属素材をその周方向へ回転させる力となる。このため、金属素材を回転しないように拘束しつつ、金属素材を上記のダイス又は金型等へに圧入する必要がある。
【００１０】
以上に説明した従来技術では、ヘリカル歯１００の端面１０１の近傍における金属素材の塑性変形が促進される一方で、金属素材を回転させようとする反力に起因する残留応力が蓄積されるために、製造後のヘリカルギア１１０に捩り変形が生じる。このような捩り変形は、ヘリカルギア１１０の全体で均一に生じるわけではなく、そのためヘリカル歯１００の歯形に狂いが生じ、結局、製品としてのヘリカルギア１１０の精度が低いものとなる。
【００１１】
また、ヘリカルギア１１０，１１１を製造するに際して、ヘリカル歯１００を象るダイスの形状を金属素材に完全に転写させるのは技術的に難しい。即ち、ダイスにおけるヘリカル歯１００の歯元に対応する部分は、比較的広い空間であるため、金属素材が塑性変形しつつ容易に入り込める。しかし、ダイスにおけるヘリカル歯１００の歯先に対応する部分は、比較的細い空間であるため金属素材が塑性変形しつつ容易に入り込めないので、ヘリカル歯１００の歯先部は欠肉気味になり易い。
【００１２】
これは、金属素材がヘリカル歯１００の歯先の狭い空間へ向かって流動するように塑性変形するよりも、軸線Ｃ方向に沿って（図中の下方へ向かって）塑性変形する方がエネルギーが少なくて済むからである。その結果、ヘリカル歯１００の歯形の精度の向上を図ることが妨げられる。
【００１３】
このような金属加工の特性に鑑みて、上記のダイス又は金型等に金属素材を圧入させる圧力を増大させるべく加工の諸条件を設定すると、上記のダイス又は金型等に大きな負担を与えることになる。更に、既述の通り、ダイス又は金型等におけるヘリカル歯１００の端面１０１付近に対応する部分は、扇形に彫り込んだ幅広の形状であるため、隣り合うヘリカル歯１００同士の間に対応する部分のダイス又は金型等の肉厚が薄く（エッジ状に）なることは避けられない。このために、上記のダイス又は金型等の機械的強度が低下する。以上の理由により、上記のダイス又は金型等の寿命が短くなる恐れがある。
【００１４】
そこで、本発明は上記問題点を解決し、ダイス又は金型等の寿命を縮めることなく量産することができ、しかも、ヘリカル歯の歯形精度の高いヘリカルギアを提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達成するため、請求項１に記載のヘリカルギアは、円柱状の軸部と、該軸部の外径を絞る方向に傾斜したテーパ面を有する絞り加工部と、該絞り加工部から前記軸部の軸方向へ延長したギヤ部と、該ギヤ部に前記テーパ面を起点として複数条形成されたヘリカル歯とを備えるヘリカルギアにおいて、前記テーパ面に対応する区間における前記ヘリカル歯の不完全部のねじれ角を、前記ギヤ部に対応する区間における歯形部のねじれ角より小さく設定したことを特徴とするものである。
【００１６】
また、請求項２に記載のヘリカルギアは、更に高精度化を目的に、前記ヘリカル歯の不完全部の歯先円の直径を、前記歯形部の歯先円の直径より大きく設定したものである。
【００１７】
更に、前記ヘリカル歯の不完全部の歯先円の直径が、前記歯形部へ向かって漸次縮小するようにしても良い。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明に係る実施の形態を以下に説明する。先ず、図１は本発明に係る軸付ヘリカルギアを側面視した一例である。当該ヘリカルギア１は、円柱状の軸部２と、軸部２の外径を絞る方向に傾斜したテーパ面３を有する絞り加工部４と、絞り加工部４から軸部２の軸方向へ延長したギヤ部５と、ギヤ部５にテーパ面３を起点ａとして複数条形成されたヘリカル歯６とを備える。
【００１９】
ヘリカルギア１は、図２に示すように、略円柱状の金属素材７を製造装置８を用いて押出成形して得られる一体物である。ヘリカルギア１の全体形状は、概ね円筒状の軸部２に続いてテーパ部３があり、そのテーパ部３の途中から複数条のヘリカル歯６が形成されたものである。
【００２０】
複数条のヘリカル歯６は、それぞれの歯すじが軸方向に対し、図１の右上から左下へ向けて傾いており、互いに等間隔で形成されている。個々のヘリカル歯６の歯厚は、通常のギアと同様に、歯すじの全長のわたって同一である。製造装置８については後述する。
【００２１】
図３にヘリカルギア１の要部を詳しく表している。同図（ａ）はヘリカルギア１を断面視した概略図であり、同図（ｂ）はヘリカルギア１を側面視したヘリカル歯６の展開図である。ヘリカル歯６の特徴とするところは、テーパ面３に対応する区間におけるヘリカル歯６の不完全部６ａのねじれ角を、ギヤ部５に対応する区間における歯形部６ｂのねじれ角より小さく設定したことにある。
【００２２】
上記のテーパ面３に対応する区間とは、テーパ面３とヘリカル歯６の歯先部が交わる部分である起点ａから、テーパ面３とギア部５との境界ｂまでの範囲である。この範囲におけるヘリカル歯６の歯丈は、ヘリカル歯６の歯先部からテーパ面３までの寸法によって限られるので、ヘリカル歯６の形状は、歯車としての用をなさない不完全なものである。これがヘリカル歯６の不完全部６ａである。
【００２３】
上記のギヤ部５に対応する区間とは、テーパ面３とギア部５との境界ｂからギア部５の先端５ａまでの範囲である。この範囲におけるヘリカル歯６が、歯形部６ｂであり、ヘリカルギア１が歯車としての役割を有効に果たす部分である。
【００２４】
ねじれ角とは、図３に示すように、ヘリカル歯６の中心線であるつる巻線ｃとヘリカルギア１の軸線ｃ０（図中で鉛直線）との交差する角度である。一般式として、つる巻線ｃのリードをＬ、つる巻線ｃの旋回する半径をｒとしたとき、ねじれ角γは、ｔａｎγ＝Ｌ／２πｒとなる。つまり、ねじれ角を小さく設定することは、不完全部６ａにおけるつる巻線ｃと軸線ｃ０との交差する角度を小さく（より鋭角に）することである。
【００２５】
これは、同図において明らかなように、不完全部６ａのつる巻線ｃは、歯形部６ｂのつる巻線ｃと比較して、鉛直に近い方向又は鉛直方向へ向かって立ち上がっている。具体的に、不完全部６ａのねじれ角は歯形部６ｂのねじれ角よりも２０゜以下の範囲で小さく、より好ましくは、１０゜以下の範囲で小さく設定されている。
【００２６】
このように、ねじれ角を小さく設定する範囲は、図４（ａ）に示すように、起点ａから境界ｂまでの全域としても良いが、同図（ｂ）に示すように、起点ａから境界ｂまでの途中の任意の箇所ａ１までの範囲のみで、ねじれ角を小さく設定しても良い。或いは、境界ｂからａ１までの範囲に加え、ａ１から境界ｂまでの更に途中の任意の箇所ａ２までの範囲で、それぞれ異なるねじれ角を設定しても良い。
【００２７】
以上に述べたねじれ角の設定に加えて、図５に示すように、ヘリカル歯６の不完全部６ａの歯先円の直径Ｄ１を、歯形部６ｂの歯先円ｄ１の直径より大きく設定しても良い。図５（ａ）はヘリカルギア１の要部を側面視した概略図であり、このＡ−Ａ断面及びＢ−Ｂ断面を、同図（ｂ）及び（ｃ）にそれぞれ表している。具体的に、Ｄ１／ｄ１＝１．０〜１．１の比率となる範囲で設定し、より好ましくは、１．０５〜１．１の範囲で設定する。
【００２８】
この場合、ヘリカル歯６の不完全部６ａの歯先円の直径Ｄ１は、歯形部６ｂへ向かって漸次縮小することが好ましい。これは、同図（ａ）において明らかなように、テーパ面３に対応する区間において、不完全部６ａの歯先の輪郭がテーパ状に傾斜することが好ましい。この傾斜角度は、ヘリカルギア１の軸線ｃ０に対して３０゜以下の範囲に設定することが好ましい。
【００２９】
次に、上記の製造装置８について図２に基づき説明する。当該製造装置８は、ダイス９の内周面に、金属素材７の外径を絞る方向に傾斜したテーパ面３０と、テーパ面３０からこの途中の起点ａ０として矢印ｙで指した方向（金属素材７をダイス９に圧入する方向）へ延びる複数条のヘリカル歯型６０とを形成したものである。
【００３０】
同図において、ヘリカル歯型６０の不完全部６０ａ及び歯形部６０ｂの詳細な形状は省略している。これらは、図１に例示のヘリカルギア１の輪郭を象る型である。またダイス９のテーパ面３０は図１に例示のテーパ面３を象る部分である。つまり、ヘリカル歯型６０は、テーパ面３０に対応する区間におけるヘリカル歯型６０の不完全部６０ａのねじれ角を、図１に例示のギヤ部５に対応する区間における歯形部６０ｂのねじれ角より小さく設定している。この点が、製造装置８の特徴であり、ダイス９の内周面の形状は、ヘリカルギア１に対して凹凸を反転した形状に他ならない。
【００３１】
ダイス９は、コンテナ１０の一端（図中の下端）に取り付けられている。コンテナ１０の内部に挿入された金属素材７が、ラム１１により矢印ｙで指したようにダイス９に向けて押圧されると、金属素材７は、ダイス９の内面形状に従って塑性変形し、その外径がテーパ面３０によって絞られる。これと同時に、ヘリカル歯型６０によってヘリカル歯６が転写される。詳しくは、金属素材７のテーパ面３０に対応する部分に、図３に例示の不完全部６ａの形状が転写されると共に、金属素材７のギヤ部５に対応する部分に、図３に例示の歯形部６ｂの形状が転写される。
【００３２】
更に、既述のように、図５に例示の不完全部６ａの歯先円の直径Ｄ１を歯形部６ｂの歯先円ｄ１の直径より大きく設定する場合には、ダイス９に係る直接の図示は上記同様に省略するが、ヘリカル歯型６０の不完全部６０ａの歯先円の直径を、歯形部６０ｂの歯先円の直径より大きく設定する。この場合、ヘリカル歯型６０の不完全部６０ａの歯先円の直径が、歯形部６０ｂへ向かって漸次縮小するような型形状を適用することが好ましい。
【００３３】
以上に述べた製造装置８によれば、ダイス９に、ラム１１によって金属素材７を徐々に圧入すると、この過程で、不完全部６０ａのねじれ角を歯形部６０ｂのねじれ角より小さく設定しているので、不完全部６０ａに塑性変形して入り込む金属素材７の流動するような塑性変形の方向は、歯形部６０ｂに塑性変形して入り込む過程に比較して、ヘリカルギア１の軸線ｃ０に沿った方向又はその向きに近づくことになる。
【００３４】
従って、従来の技術では金属素材７をその周方向へ回転させる力となっていた塑性変形の反力は、ねじれ角を小さく設定した分、軸線ｃ０に沿った方向の反力として置き換えられる。このため、ヘリカルギア１を製造するに際して金属素材７を回転しないように拘束する力を大幅に低減できるので、金属素材７を回転させようとする反力に起因する残留応力がヘリカルギア１に蓄積されることが殆どなく、製造後のヘリカルギア１に捩り変形が生じることもない。
【００３５】
また、従来の技術では、ヘリカル歯６の形状を金属素材７に転写させる過程で、ダイス９におけるヘリカル歯６の歯先に対応する部分（ヘリカル歯型６０の歯先の部分）は、その歯元に比べると細い空間であるために金属素材７が塑性変形しつつ入り込むことが困難であるとされていた。このような問題は、上記のようなヘリカル歯型６を適用する事により解消される。
【００３６】
即ち、金属素材７をその周方向へ回転させる力を軽減すれば、金属素材７の不完全部６０ａの近傍での塑性変形が軸線ｃ０に沿った円滑なものとなるので、ラム１１によって金属素材７に過大な圧力を加えなくても、ダイス９におけるヘリカル歯６の歯先に対応する部分に、金属素材７を隙間無く確実に充填できる。従って、ヘリカル歯６の歯先部は欠肉気味になる事が無く、高精度なヘリカル歯６を形成することができる。
【００３７】
また、不完全部６０ａの歯先円の直径を、歯形部６０ｂの歯先円の直径より大きく設定すれば、ヘリカル歯型６０の幅寸法（ヘリカル歯６の歯厚に相当）を広げることなく、不完全部６０ａの断面積を増大できる。
【００３８】
従って、不完全部６０ａの断面積を増大することで、上記のような金属素材７の軸線ｃ０に沿った円滑な塑性変形を促しつつも、隣り合うヘリカル歯型６０同士の間を狭めなくて済む。このため、隣り合うヘリカル歯６同士の間に対応する部分のダイス９の肉厚を薄くする必要がないので、ダイス９の機械的強度を十分に確保し、ダイス９の寿命を長く保つことができる。
【００３９】
更に、ヘリカル歯型６０の不完全部６０ａの歯先円の直径が、歯形部６０ｂへ向かって漸次縮小するような型形状を適用すれば、金属素材７の軸線ｃ０に沿った円滑な塑性変形を促すという効果は一層に顕著になる。
【００４０】
尚、本発明はその趣旨を逸脱しない範囲で当業者の知識に基づき種々なる改良，修正，変形を加えた態様で実施できるものである。
【００４１】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明に係るヘリカルギアによれば、これを押出し成形（製造）する場合に、成形型であるダイスの寿命を損なうことなく、高精度のヘリカルギアを成形することができる。即ち、金属素材の円滑な塑性変形を促す事により整形後の残留応力を軽減すると共に、このような製造に使用するダイスの機械的強度を確保し、当該ダイスに設けたヘリカル歯型の破損を防止できるからである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係るヘリカルギアの側面図。
【図２】本発明の実施の形態に係るヘリカルギアの製造装置の断面図。
【図３】本発明の実施の形態に係るヘリカルギアの要部を側面視した概略図及びその展開図。
【図４】本発明の実施の形態に係るヘリカルギアの要部の変形例の展開図。
【図５】本発明の実施の形態に係るヘリカルギアの変形例の要部を側面視した概略図及びその断面図。
【図６】従来例の一のヘリカルギアの側面図。
【図７】従来例の他のヘリカルギアの側面図。
【符号の説明】
１：ヘリカルギア
２：軸部
３：テーパ面
４：絞り加工部
５：ギヤ部
６：ヘリカル歯
６ａ：不完全部
６ｂ：歯形部
７：金属素材

Claims

円柱状の軸部と、該軸部の外径を絞る方向に傾斜したテーパ面を有する絞り加工部と、該絞り加工部から前記軸部の軸方向へ延長したギヤ部と、該ギヤ部に前記テーパ面を起点として複数条形成されたヘリカル歯とを備えるヘリカルギアにおいて、
前記テーパ面に対応する区間における前記ヘリカル歯の不完全部のねじれ角を、前記ギヤ部に対応する区間における歯形部のねじれ角より小さく設定したことを特徴とするヘリカルギア。
前記ヘリカル歯の不完全部の歯先円の直径を、前記歯形部の歯先円の直径より大きく設定した請求項１に記載のヘリカルギア。
前記ヘリカル歯の不完全部の歯先円の直径が、前記歯形部へ向かって漸次縮小する請求項１又は２に記載のヘリカルギア。