JP4555959B2

JP4555959B2 - 高強度浸炭歯車およびその製造方法

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Publication number: JP4555959B2
Application number: JP2003321526A
Authority: JP
Inventors: 克己井上; 知也増山; 哲佐藤
Original assignee: Tohoku University NUC
Current assignee: Tohoku University NUC
Priority date: 2003-09-12
Filing date: 2003-09-12
Publication date: 2010-10-06
Anticipated expiration: 2023-09-12
Also published as: JP2005088094A

Description

本発明は、高強度浸炭歯車およびその製造方法に関するものである。

動力伝達装置の小型軽量化、信頼性向上には歯車の高強度化が欠かせない。強度設計は使用応力と許容応力との比較でなされ、通常は熱処理や表面改質などにより材料の許容応力が高められる。

一方、寺内らのインボリュートサイクロイド合成歯車やDengらの左右非対称歯車など歯形変更による負荷容量向上も実現されている（非特許文献１〜３参照）。
寺内・永村・西條、機論、47-417、C(1981)、663-672 寺内・永村・西條、機論、47-420、C(1981)、1082-1093 Gang Deng・中西・井上、機論、67-656、C(2001)、1139-1144

しかしながら現状では、熱処理や表面改質などの設計手法による材料の許容応力向上は限界に近く、歯形変更による負荷容量向上は実用化に問題が多い。本発明は、歯元曲線形状の修正で歯車の応力集中を低減するとともに負荷能力向上を図り、従来技術のかかる問題点を解決するものである。

本発明の高強度浸炭歯車は、３次エルミート曲線で表現した刃先丸み部分を持つラックカッタで歯元曲線を創成してなり、前記３次エルミート曲線は、その３次エルミート曲線の歯先面上の端点（Ａ）のピッチ方向中心線からのピッチ方向距離（ａｍ）を歯車のモジュール（ｍ）で除した値（ａ）と、その３次エルミート曲線の歯面上の端点（Ｂ）の基準ピッチ線からの歯タケ方向距離（ｂｍ）を前記モジュール（ｍ）で除した値（ｂ）とをパラメータ値としたものであり、前記歯先面上の端点（Ａ）についてのパラメータ値ａは0.0＜ａ＜0.330であり、前記歯面上の端点（B）についてのパラメータ値ｂは0.844＜ｂ＜1.053であることを特徴とするものである。

また、本発明の高強度浸炭歯車の製造方法は、高強度浸炭歯車をラックカッタで製造するに際し、３次エルミート曲線で表現した刃先丸み部分を持つラックカッタで歯元曲線を創成し、前記３次エルミート曲線は、その３次エルミート曲線の歯先面上の端点（Ａ）のピッチ方向中心線からのピッチ方向距離（ａｍ）を歯車のモジュール（ｍ）で除した値（ａ）と、その３次エルミート曲線の歯面上の端点（Ｂ）の基準ピッチ線からの歯タケ方向距離（ｂｍ）を前記モジュール（ｍ）で除した値（ｂ）とをパラメータ値としたものであり、前記歯先面上の端点（Ａ）についてのパラメータ値ａは0.0＜ａ＜0.330であり、前記歯面上の端点（B）についてのパラメータ値ｂは0.844＜ｂ＜1.053であることを特徴とするものである。

本発明の高強度浸炭歯車およびその製造方法によれば、３次エルミート曲線で表現した刃先丸み部分を持つラックカッタで歯元曲線を創成することから、円弧状歯先丸み部分を持つISO基準ラックで歯元曲線を創成する場合よりも歯元が太くなりかつその歯元面が歯面および歯底面に滑らかに繋がるので、浸炭歯車の歯元応力を低減できるとともに負荷容量を向上させることができる。

なお、本発明の高強度浸炭歯車においては、前記３次エルミート曲線が、その３次エルミート曲線の歯先面上の端点のピッチ方向中心線からのピッチ方向距離を歯車のモジュールで除した値と、その３次エルミート曲線の歯面上の端点の基準ピッチ線からの歯タケ方向距離を前記モジュールで除した値とをパラメータ値としているので、３次エルミート曲線の定義を容易に行い得る。

また、本発明の高強度浸炭歯車においては、前記歯先面上の端点についてのパラメータ値ａが0.0＜ａ＜0.330であり、前記歯面上の端点についてのパラメータ値ｂが0.844＜ｂ＜1.053としているので、幾何学的な限界内で切り下げを生じずに十分なかみ合い長さを確保できる。

そして、本発明の高強度浸炭歯車においては、前記歯先面上の端点についてのパラメータ値ａが0.05であり、前記歯面上の端点についてのパラメータ値ｂが0.85であると、最も負荷容量が向上し、しかも破壊起点になる面積が著しく増加することがないので好ましい。

一方、本発明の高強度浸炭歯車の製造方法においては、高強度浸炭歯車をラックカッタで製造するに際し、前記ラックカッタを周方向に複数配置したホブで、前記高強度浸炭歯車を製造することとすると、ラックカッタを単独で用いる場合より製造効率を高め得るので好ましい。

また、本発明の高強度浸炭歯車の製造方法においては、前記３次エルミート曲線が、その３次エルミート曲線の歯先面上の端点のピッチ方向中心線からのピッチ方向距離を歯車のモジュールで除した値と、その３次エルミート曲線の歯面上の端点の基準ピッチ線からの歯タケ方向距離を前記モジュールで除した値とをパラメータ値としているので、３次エルミート曲線の定義を容易に行い得る。

さらに、本発明の高強度浸炭歯車の製造方法においては、記歯先面上の端点についてのパラメータ値ａが0.0＜ａ＜0.330であり、前記歯面上の端点についてのパラメータ値ｂが0.844＜ｂ＜1.053としているので、幾何学的な限界内で切り下げを生じずに十分なかみ合い長さを確保できる。

そして、本発明の高強度浸炭歯車の製造方法においては、前記歯先面上の端点についてのパラメータ値ａが0.05であり、前記歯面上の端点についてのパラメータ値ｂが0.85であると、最も負荷容量が向上し、しかも破壊起点になる面積が著しく増加することがないので好ましい。

以下に、この発明の実施の形態を実施例によって、図面に基づき詳細に説明する。ここに、図１は、この発明の高強度浸炭歯車の実施例を製造するための、この発明の製造方法の実施例で用いるラックカッタの刃先丸み形状を示す説明図である。

（ラック形状の設計）
動力伝達用歯車の多くはホブ切りで製造されることから、応力集中を緩和する歯元曲線を創生するラックカッタを設計する。歯元曲線はその刃先丸み形状に依存するため、先ず図１に示すように、圧力角、頂げきはISO標準に等しく、刃先丸み部分の歯先面上の端点である始点Ａおよび歯面上の端点である終点Bの位置をそれぞれパラメータａおよびｂで与え、それらの二点間を３次エルミート（Hermite）曲線で補間することで、ISO標準歯車と同じインボリユート形状に加え任意の歯元曲線形状を持つ歯車を実現する。

図中符号Ｌは基準ピッチ線、Ｃは歯のピッチ方向中心線、１（太線）はこの実施例のラック形状、２（細線）はISO基準ラック形状を示し、この実施例では、幾何的な形状の限界と、切り下げを生じずに十分なかみ合い長さを確保するため、0＜ａ＜0.330，0.844＜ｂ＜1.053の範囲でラック形状の設計を行う（ちなみに、これらの範囲は歯数Ｚ＝18、転位係数ｘ＝０の平歯車同士を噛み合わせる場合に適したものである）。なお、ISO基準ラックでは刃先丸み形状を、ａ＝0.07，ｂ＝1.0の二点間を半径0.375ｍ（モジュール）の円弧で繋いだものとしている。

（歯元曲線形状最適化）
ａ＝0.00，0.05，0.10，0.15の４種類のａの値と、ｂ＝0.85，0.90，0.95，1.00の４種類のｂの値とを組み合わせた16種類の歯形について、FEM（有限要素法）による曲げ応力解析を図２に示すメッシュ分割と境界条件で行った（モジュールｍ＝５，歯数Ｚ＝18）。歯先法線荷重Pnを付加した際の歯元隅肉曲線に沿う曲げ応力分布を図３（ａ）〜（ｄ）に示す。ここで、縦軸は曲げ応力（MPa）、横軸は歯元丸みに沿った距離（mm）を示し、ａが大きいと応力集中の領域が歯先側に移動し、またｂが小さい方が曲げ応力の最大値が低減される傾向にあり、ａ＝0.10、ｂ＝0.85のとき、曲げ応力の最大値が標準の歯形に対して85％になった。

ところで、浸炭歯車では、材料の硬さ、残留応力と破壊の起点になる介在物の寸法が強度を律する。本願発明者はそれらの分布を数値モデル化した強度シミュレーション法を提案しており（増山、井上、VDI-BERICHTE、1665、(2002)、421-434参照）、本願発明者は、上記実施例の方法で製造する浸炭歯車の、歯元応力低減の効果が高いｂ＝0.85歯形について曲げ疲労強度シミュレーションを行った。硬さ、残留応力並びに介在物の分布は、既報で測定した結果を利用した。歯車の強度は、通常歯元最大応力レベルで表現するが、ここでは歯先荷重Pnを歯幅とモジュールで除した値を負荷容量Cとして、これを評価指標とした。このシミュレーションにより得られた負荷容量Ｃの平均値と標準偏差σを、以下の表１に示す。この表１には、後述するSn，Cn，Sn×Cnも併せて示す。

３次エルミート曲線を用いた上記実施例によれば、いずれも負荷容量が向上しており、ａ＝0.05の歯形では標準歯形に比ベ12.8％増加することが判明した。また、ばらつきへの影響は小さい。

次に、歯元最大応力の低減量と負荷容量の増加量との関係について考察する。歯元最大応力と負荷容量との標準歯形との比をそれぞれSn，Cnとすると、折損するとき、破壊起点での応力が等しいならばSn×Cn＝１となるはずであるが、ａ＝0.05，0.10の場合、Sn×Cn＜１となり、応力低減量から期待されるほど強度は向上していないことがわかる。

このことは、折損の起点となる場所と曲げ応力の分布から説明できる。図４に破壊起点となる欠陥の位置（図中◇印で示す）の分布を示す。図４（ａ）は標準歯車、図４（ｂ）〜（ｅ）は上記実施例の方法で製造する歯車の場合である。図示のように、上述したａ＝0.05，0.10では破壊起点が広い範囲に分布している。図中実線は歯元曲線、一点鎖線は応力が最大値の85％となる線である。いずれの歯形においても一点鎖線より応力の高い領域でほとんどの破壊が生じていることがわかる。

応力集中が緩和されて応力が比較的高い面積が大きくなると、そこに介在物が存在する確率も高くなるため、負荷容量の向上が鈍化する。応力が最大値の85％以上になる面積とSn×Cnとには、図５に示すように良い相関が認められる。

以上の結果から明らかなように、強度シミュレーションにおいて最も負荷容量が向上し、かつ、破壊起点になる面積が著しく増加することのないａ＝0.05，ｂ＝0.85を用いることで、最適な歯形を得るラック形状を設計することができる。

（試験歯車の諸特性と疲労試験結果）
ISO基準ラックと上記実施例の方法で使用する最適なラックを用いてモジュール５、歯数18、転位０、歯幅８mmのSCM415浸炭歯車を試作した。図６（ａ）は基準ラックカッタを用いたホブの刃、図６（ｂ）は試作した上記実施例の方法で使用するホブの刃、図６（ｃ）は標準歯車、図６（ｄ）は上記実施例の方法で作製したこの発明の実施例の最適歯形の浸炭歯車を示す。また、図７は試作した上記実施例の方法で使用するホブの全体を示す正面図である。各試験歯車は浸炭処理後、表面異常層除去のため約30μm電解研磨し、疲労試験を行った。

図８（ａ）は標準歯車の硬さ分布、図８（ｂ）は上記実施例の浸炭歯車の硬さ分布をそれぞれ示し、僅かであるが上記実施例の最適歯形の歯車の方が硬くなっていた。歯元表面での残留応力は上記実施例の最適歯形で89Mpa、標準の歯形で93MPaであり、ほとんど差は認められなかった。

負荷打ち切りの繰り返し数を３×10^６回として少数個の疲労試験を行い、得られたS-N曲線を図９に示す。ステアケース法に基づくLittleの方法で求めた負荷容量は、最適歯形で314N/mm^２であり、標準歯形の251 N/mm^２に比べて25％の向上がみられた。

以上、図示例に基づき説明したが、この発明は上述の例に限定されるものでなく、特許請求の範囲の記載範囲内で適宜変更し得るものである。

かくしてこの発明の高強度浸炭歯車およびその製造方法によれば、歯元応力低減に効果的なラック刃先丸み形状を３次エルミート曲線で表し、その形状にホブ刃先丸み形状を変更することで、歯元最大曲げ応力を標準の歯形に比べて15％低減することができ、さらに強度シミュレーションの適用による上記ホブ刃先丸み形状の変更で、負荷容量の平均値を最大約12.8％向上させることができる。そして歯元曲線を最適化するホブで浸炭歯車を製造することにより、標準の歯形を持つ歯車と比べて負荷容量を25％向上させることができることを実際に確認した。

この発明の高強度浸炭歯車の一実施例を製造するための、この発明の製造方法の一実施例で用いるラックカッタの刃先丸み形状を示す説明図である。上記実施例の方法で製造する歯車についてのFEMによる曲げ応力解析でのメッシュ分割と境界条件を示す説明図である。（ａ）〜（ｄ）は上記実施例に基づく16種類の歯形についての上記曲げ応力解析による歯元隅肉曲線に沿う曲げ応力分布を示す特性図である。（ａ）〜（ｅ）は標準歯形および上記実施例に基づく４種類の歯形の破壊起点となる欠陥の位置の分布を示す説明図である。応力が最大値の85％以上になる面積とSn×Cnとの相関を示す特性図である。（ａ）は基準ラックカッタを用いたホブの刃、（ｂ）は試作した上記実施例の方法で使用するホブの刃、（ｃ）は標準歯車、（ｄ）は上記実施例の方法で作製したこの発明の実施例の最適歯形の浸炭歯車を示す説明図である。試作した上記実施例の方法で使用するホブの全体を示す正面図である。（ａ）は標準歯車の硬さ分布、（ｂ）は上記実施例の浸炭歯車の硬さ分布をそれぞれ示す特性図である。上記実施例の最適歯形の浸炭歯車および標準歯型の浸炭歯車について疲労試験を行って得られたS-N曲線を示す特性図である。

符号の説明

１この発明の実施例で用いるラックカッタの刃先丸み形状
２基準ラックカッタの刃先丸み形状
Ａ，Ｂ端点
Ｃピッチ方向中心線
Ｌ基準ピッチ線

Claims

３次エルミート曲線で表現した刃先丸み部分を持つラックカッタで歯元曲線を創成してなる高強度浸炭歯車において、
前記３次エルミート曲線は、その３次エルミート曲線の歯先面上の端点（Ａ）のピッチ方向中心線からのピッチ方向距離（ａｍ）を歯車のモジュール（ｍ）で除した値（ａ）と、その３次エルミート曲線の歯面上の端点（Ｂ）の基準ピッチ線からの歯タケ方向距離（ｂｍ）を前記モジュール（ｍ）で除した値（ｂ）とをパラメータ値としたものであり、
前記歯先面上の端点（Ａ）についてのパラメータ値ａは0.0＜ａ＜0.330であり、前記歯面上の端点（B）についてのパラメータ値ｂは0.844＜ｂ＜1.053であることを特徴とする高強度浸炭歯車。
圧力角及び頂げきがＩＳＯ標準に等しい、請求項１記載の高強度浸炭歯車。
前記歯先面上の端点（Ａ）についてのパラメータ値ａは0.05であり、前記歯面上の端点（B）についてのパラメータ値ｂは0.85である、請求項１又は２記載の高強度浸炭歯車。
高強度浸炭歯車をラックカッタで製造するに際し、３次エルミート曲線で表現した刃先丸み部分を持つラックカッタで歯元曲線を創成する高強度浸炭歯車の製造方法において、
前記３次エルミート曲線は、その３次エルミート曲線の歯先面上の端点（Ａ）のピッチ方向中心線からのピッチ方向距離（ａｍ）を歯車のモジュール（ｍ）で除した値（ａ）と、その３次エルミート曲線の歯面上の端点（Ｂ）の基準ピッチ線からの歯タケ方向距離（ｂｍ）を前記モジュール（ｍ）で除した値（ｂ）とをパラメータ値としたものであり、
前記歯先面上の端点（Ａ）についてのパラメータ値ａは0.0＜ａ＜0.330であり、前記歯面上の端点（B）についてのパラメータ値ｂは0.844＜ｂ＜1.053であることを特徴とする高強度浸炭歯車の製造方法。
圧力角及び頂げきがＩＳＯ標準に等しい、請求項４記載の高強度浸炭歯車の製造方法。
前記ラックカッタを周方向に複数配置したホブで、前記高強度浸炭歯車を製造することを特徴とする、請求項４又は５記載の高強度浸炭歯車の製造方法。
前記歯先面上の端点（Ａ）についてのパラメータ値ａは0.05であり、前記歯面上の端点（B）についてのパラメータ値ｂは0.85である、請求項４〜６のいずれか一項記載の高強度浸炭歯車の製造方法。