JP4683221B2

JP4683221B2 - リングギヤ及びリングギヤの製造方法

Info

Publication number: JP4683221B2
Application number: JP2006040811A
Authority: JP
Inventors: 秀幸坂上
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2006-02-17
Filing date: 2006-02-17
Publication date: 2011-05-18
Anticipated expiration: 2026-02-17
Also published as: JP2007218370A

Description

本発明は、リングギヤ及びリングギヤの製造方法に関するもので、特に、浸炭後に急冷されるリングギヤ及び該リングギヤの製造方法に関する。

一般に、ハイポイド歯車対を構成するリングギヤは、機械加工（ハイポイド歯切り加工）された後に浸炭され、浸炭直後の高温度のオーステナイト状態から急冷されることにより、炭素濃度が高められた表面部がマルテンサイト化されて硬化されると共に、炭素濃度が低い内部が硬化せずにねばり強さが確保される。しかしながら、リングギヤを浸炭後に急冷した場合、背面部の内側部分が浮き上がる形態の熱処理変形を生じる。このように熱処理変形を生じたリングギヤをディファレンシャルに組み付けた場合、リングギヤとピニオンギヤとの歯当たりが移動し、ディファレンシャルから振動や騒音が発生する原因になる。そこで、本出願人は、リングギヤの背面部を防炭処理することで背面部をマルテンサイト化させて硬化させた後、背面部以外の部分をマルテンサイト化させて体積を膨張させることにより、背面部への体積膨張の影響を低減し、当該背面部の熱処理変形を抑制したリングギヤの熱処理方法を開発した（特許文献１参照）。

しかしながら、上記従来の熱処理方法では、背面部に防炭剤の塗布ムラがある場合、浸炭の度合いにばらつきが生じ、熱処理変形抑制効果を十分に発揮することができない。また、上記従来の熱処理方法では、防炭剤を塗布する工程及び防炭剤を洗浄する工程が増えて生産性が低下すると共に、背面部のボルト穴に防炭剤が残留してボルトの締付け不良を生じる虞がある。ところで、本出願人は、リングギヤにおける熱処理変形発生のメカニズムを追究した結果、リングギヤの熱処理変形の主原因が、材料がオーステナイト状態からマルテンサイト化する時の組織変態のタイミングの差にあるのではなく、リングギヤが浸炭（浸炭焼入れ）時に高温度に加熱された状態から急冷された時の、リングギヤ全体における冷却のばらつきであることを究明した。以下、図２に示されるように、鍛造、及び機械加工（ハイポイド歯切り加工）によって得られたリングギヤを９５０℃に加熱して浸炭（浸炭焼入れ）した後、当該リングギヤを急冷（油冷）した場合の、熱処理変形発生のメカニズムを説明する。

まず、全体が均一に加熱された高温度状態（９５０℃）のリングギヤ１を急冷した場合、歯先面３と大端部端面４との稜部５（以下、大端部側稜部５と称する。）、及び歯先面３と小端部端面６との稜部７（以下、小端部側稜部７と称する。）の冷却速度が他の部分の冷却速度と比較して速いことに起因して、図６に示されるように、大端部側稜部５及び小端部側稜部７が他の部分よりも先に収縮を開始することにより、リングギヤ１は、背面部２の外側（図６における右側）部分が浮き上がるように変形する。そして、冷却開始から所定時間が経過すると、図７に示されるように、大端部側稜部５と小端部側稜部７とが、オーステナイト状態からマルテンサイト化（以下、組織変態と称する。）して膨張すると共に、他の部分が収縮することにより、当該リングギヤ１は、背面部２の内側（図７における左側）部分が浮き上がるように変形する。次に、図８に示されるように、大端部側稜部５と小端部側稜部７を除いた他の部分が組織変態して膨張し、最終的に、リングギヤ１は、背面部２の内側部分が浮き上がる。
特開昭６３−１６３０６９

そこで本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、第１の目的は、浸炭後に急冷される場合の熱処理変形が抑制されるリングギヤを提供することにある。
また、第２の目的は、浸炭後に急冷される場合の熱処理変形が抑制されるリングギヤの製造方法を提供することにある。

上記第１の目的を達成するために、本発明のうち請求項１に記載の発明は、浸炭後に急冷されるリングギヤであって、各歯の、歯先面と大端部端面との稜部、及び前記歯先面と小端部端面との稜部に、除去幅が歯幅の１５〜３０％の面取り部が形成されることを特徴とする。
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のリングギヤにおいて、前記面取り部は、曲面に形成されることを特徴とする。
請求項３に記載の発明は、請求項１に記載のリングギヤにおいて、前記面取り部は、平面に形成されることを特徴とする。

上記第２の目的を達成するために、本発明のうち請求項４に記載の発明は、各歯の、歯先面と大端部端面との稜部、及び前記歯先面と小端部端面との稜部が、歯幅の１５〜３０％の除去幅で面取りされた形状にリングギヤを加工し、該リングギヤを浸炭後に急冷させることを特徴とする。
請求項５に記載の発明は、請求項４に記載のリングギヤの製造方法において、各歯の、前記歯先面と前記大端部端面との前記稜部、及び前記歯先面と前記小端部端面との前記稜部が、曲面に面取りされることを特徴とする。
請求項６に記載の発明は、請求項４に記載のリングギヤの製造方法において、各歯の、前記歯先面と前記大端部端面との前記稜部、及び前記歯先面と前記小端部端面との前記稜部が、平面に面取りされることを特徴とする。

したがって、歯の強度を確保しつつ、急冷時における冷却速度がリングギヤ全体で均一化される。

浸炭後に急冷される場合の熱処理変形が抑制されるリングギヤ及び該リングギヤの製造方法を提供することができる。

本発明の一実施形態を図１〜図４に基づいて説明する。図１に示されるように、本リングギヤ１は、各歯８の、歯先面３と大端部端面４との稜部５（以下、大端部側稜部５と称する。）、及び歯先面３と小端部端面６との稜部７（以下、小端部側稜部７と称する。）に、歯幅Ａに基づく除去幅の面取り部９，１０が形成される。これにより、リングギヤ１を浸炭後に急冷させた時の当該リングギヤ１全体における冷却速度が均一化されて熱処理変形が抑制される構造になっている。また、本リングギヤ１は、各面取り部９，１０が、歯幅Ａの１５％〜３０％の除去幅（半径Ｒ、0.15Ａ≦Ｒ≦0.30Ａ）の曲面によって形成されることにより、熱処理変形を抑制しつつ、各歯８の強度が確保される。

次に、本リングギヤ１の製造方法を説明する。まず、材料を所定形状に鍛造する（成形工程）。なお、この成形工程では、成形品（リングギヤ１）の、リングギヤ１の各歯８の大端部側稜部５及び小端部側稜部７に相当する各部位に、歯幅Ａの１５％〜３０％の除去幅（半径Ｒ）の面取り部９，１０（曲面）が形成される。次に、得られた成形品をハイポイド歯切り加工し、各歯８の大端部側稜部５及び小端部側稜部７に、歯幅Ａ（本実施形態では、Ａ＝３５ｍｍ。）の１５％〜３０％の除去幅（本実施形態では、２０％の除去幅。）の面取り部９，１０（本実施形態では、半径Ｒ＝７ｍｍの曲面。）が形成されたリングギヤ１を得る（機械加工工程）。次に、図２に示されるように、機械加工後のリングギヤ１を９５０℃に加熱して浸炭後、油冷によって１３０℃の温度まで急冷し、所定時間の経過後、当該リングギヤ１を１５０℃で焼き戻す（熱処理工程）。

次に、本実施形態の作用を説明する。図３は、リングギヤ１の背面部２の振れ（熱処理変形）を、各歯８の各面取り部９，１０の除去幅を変えて相対的に示したものである。この図に示されるように、各面取り部９，１０の除去幅（半径Ｒ）が歯幅Ａの２０％（Ｒ＝０．２Ａ）である本リングギヤ１の場合（0.15Ａ≦Ｒ≦0.30Ａ）、背面部２の振れは最大で０．０５ｍｍである。また、除去幅（半径Ｒ）が歯幅Ａの１５％（0.15Ａ≦Ｒ≦0.30Ａ）である場合、背面部２の振れは最大で０．０６ｍｍである。これに対し、各面取り部９，１０の除去幅（半径Ｒ）が歯幅Ａの５％（Ｒ＝０．０５Ａ）である従来のリングギヤ１の場合（0.15Ａ＞Ｒ）、背面部２の振れは最大で０．１２ｍｍであり、このようなリングギヤ１をディファレンシャルに用いた場合、振動や騒音を発する虞がある。そして、各面取り部９，１０の除去幅（半径Ｒ）が歯幅Ａの３０％よりも大きいリングギヤ１の場合（Ｒ＞0.30Ａ）、背面部２の振れは最大で０．０５ｍｍに抑制されるが、この場合、各歯８の歯面の面積が実質的に縮小され、図４に示されるように、ねじり強度が不足する。

このように、本リングギヤ１は、各歯８の大端部側稜部５及び小端部側稜部７、即ち、熱処理工程における急冷時の冷却速度が他の部分と比較して速い部分に、歯幅Ａに基づく除去幅（半径Ｒ）の面取り部９，１０（曲面）を形成したことにより、当該急冷時における冷却速度がリングギヤ１全体で均一化される。これにより、本リングギヤ１は、急冷時に、均一に冷却されることで均一に収縮し、この収縮後、均一に組織変態（オーステナイト状態からマルテンサイト化）されて均一に膨張して、熱処理変形が抑制される。また、本リングギヤ１は、各面取り部９，１０の除去幅（半径Ｒ）を歯幅Ａの１５％〜３０％に設定したことにより、熱処理変形を抑制しつつ、各歯８の強度が確保される。

この実施形態では以下の効果を奏する。
本リングギヤ１は、各歯８の大端部側稜部５及び小端部側稜部７に、歯幅Ａに基づく除去幅（半径Ｒ）の面取り部９，１０（曲面）が形成される。したがって、本リングギヤ１は、熱処理工程における急冷時の冷却速度が他の部分と比較して速い部分（大端部側稜部５及び小端部側稜部７）が、歯幅Ａに基づく除去幅（半径Ｒ）で除去され、急冷時における冷却速度がリングギヤ１全体で均一化される。これにより、本リングギヤ１は、浸炭後の急冷時に、全体が均一に冷却されて均一に収縮し、この収縮後、全体が均一に組織変態（オーステナイト状態からマルテンサイト化）されて均一に膨張することで、熱処理変形が抑制される。また、本リングギヤ１は、各面取り部９，１０の除去幅（半径Ｒ）を歯幅Ａの１５％〜３０％に設定したことにより、熱処理変形を抑制しつつ、各歯８の強度を確保することができる。

なお、実施形態は上記に限定されるものではなく、例えば次のように構成してもよい。
図５に示されるように、各面取り部９，１０を、歯幅Ａの１５％〜３０％の除去幅（コーナーＣ、0.15Ａ≦Ｃ≦0.30Ａ）の平面によって形成してリングギヤ１を構成してもよい。この場合も、各面取り部９，１０を歯幅Ａの１５％〜３０％の除去幅（半径Ｒ、0.15Ａ≦Ｒ≦0.30Ａ）の曲面によって形成した場合と同等の作用・効果を得ることができる。

本実施形態では、成形工程で、リングギヤ１の大端部側稜部５及び小端部側稜部７に相当する成形品の各部位に各面取り部９，１０が形成されるが、各面取り部９，１０を機会加工工程で形成してもよい。

本リングギヤの軸断面の一部を示す図である。熱処理工程の説明図である。リングギヤの背面部の振れ（熱処理変形）を、各歯の各面取り部の除去幅を変えて相対的に示した図である。リングギヤのねじり強度を、各歯の各面取り部の除去幅を変えて相対的に示した図である。他の実施形態のリングギヤの軸断面の一部を示す図である。従来のリングギヤの熱処理変形の説明図である。従来のリングギヤの熱処理変形の説明図である。従来のリングギヤの熱処理変形の説明図である。

符号の説明

１リングギヤ、２背面部、３歯先面、４大端部端面、５大端部側稜部、６小端部端面、７小端部側稜部、８歯、９，１０面取り部

Claims

浸炭後に急冷されるリングギヤであって、各歯の、歯先面と大端部端面との稜部、及び前記歯先面と小端部端面との稜部に、除去幅が歯幅の１５〜３０％の面取り部が形成されることを特徴とするリングギヤ。
前記面取り部は、曲面に形成されることを特徴とする請求項１に記載のリングギヤ。
前記面取り部は、平面に形成されることを特徴とする請求項１に記載のリングギヤ。
各歯の、歯先面と大端部端面との稜部、及び前記歯先面と小端部端面との稜部が、歯幅の１５〜３０％の除去幅で面取りされた形状にリングギヤを加工し、該リングギヤを浸炭後に急冷させることを特徴とするリングギヤの製造方法。
各歯の、前記歯先面と前記大端部端面との前記稜部、及び前記歯先面と前記小端部端面との前記稜部が、曲面に面取りされることを特徴とする請求項４に記載のリングギヤの製造方法。
各歯の、前記歯先面と前記大端部端面との前記稜部、及び前記歯先面と前記小端部端面との前記稜部が、平面に面取りされることを特徴とする請求項４に記載のリングギヤの製造方法。