JP5547485B2 - 拡散表面構造（ｄｉｆｆｕｓｅ ｓｕｒｆａｃｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）を生成する傘歯車の仕上げ方法 - Google Patents

Description

本出願は、参照としてその開示全体が本明細書に組み込まれる、２００６年９月１９日に出願された米国仮特許出願第６０／８４５７３４号の利益を主張する。

本発明は、傘歯車の製造、及び具体的には傘歯車用仕上げ加工に関する。

歯車、特に傘歯車の製造では、２種類の加工、正面フライス削り（間欠割り出し）加工及び正面ホブ切り（連続割り出し）加工が、一般に使用される。

正面フライス削り加工では、歯溝は、回転工具を所定の深さまで工作物内に送り、工具を引き抜き、工作物を次の歯溝位置に割り出すことによって、連続して個々に形成される。送り、引き抜き、割り出しの工程は、すべての歯溝が形成されるまで繰り返される。この種の正面フライス削り加工は非創成加工として知られている。工作物の歯のプロファイル形状は工具のプロファイル形状から直接生成される。

非創成式正面フライス削りの別法として、正面フライス削り創成加工が実行可能であり、その加工では工具が所定の深さに送られた後、次いで工具及び工作物は、工作物が理論上の創成歯車に噛合して回転するかのように、創成回転（ｇｅｎｅｒａｔｉｎｇ ｒｏｌｌ）として知られる所定の相対回転運動で共に回転し、理論上の創成歯車の歯は工具の材料除去面によって表される。歯のプロファイル形状は創生回転中に、工具と工作物の相対運動によって形成される。送り、回転、引き抜き、及び割り出しの工程はすべての歯溝が形成されるまで各歯溝ごとに繰り返される。

正面ホブ切り加工（非創成式又は創成式）では、工具及び工作物は調時された関係で回転し、工具が深く送られ、それにより工具の単一の差し込みですべての歯溝を形成する。完全な深さに達した後、創成回転が実行され得る。

正面フライス削り加工中に工作物の割り出し回転がないので、回転工具は工作物上に円形の長手方向の歯の湾曲を生成する。対照的に、正面ホブ切り中の工作物の追加回転により、外サイクロイドの形状を有する長手方向の歯の湾曲が生成される。したがって、研削などの仕上げ加工では、円形の（例えば茶碗形状の）研削砥石が、非創成式又は創成式正面フライス削り加工によって形成された工作物の歯の仕上げに適するが、正面ホブ切り（外サイクロイド）歯の仕上げに適したものとは通常考えられていない。正面ホブ切り歯車は、一般に、一対の歯車の部材（すなわち、環状歯車及びピニオン）が研削剤又はスラリの存在下で共に回転するラップ加工によって仕上げられる。

上述のように、正面フライス削り済み傘歯車は、切断に続いて仕上げ加工を受けることができる。通常、仕上げ加工は茶碗型砥石車を利用する研削である。研削加工の種類（すなわち、創成又は非創成）は、通常、歯車切断で利用される正面フライス削り加工の種類と同じである。研削加工中に望むなら、砥石車の軸は、米国特許第３１２７７０９号に開示された方法で、砥石車の軸から離隔され、及びその軸に平行な偏心軸の周りで回転してもよい。そのような方法は、隣り合う歯面間で砥石車の振動運動を効果的にもたらし、それによって、研削領域に冷却剤が接近を容易にし、そこから削りくずがよく除去される。

傘歯車及びハイポイド歯車の研削は、歯の根元部分に対して平行に延在する微細な擦り傷の線を有する歯の表面粗さ構造を引き起こすことがある。それらの線からなる傷は、連続する歯上でしばしば反復し、そのことが歯の噛合周波数の振幅及びそれらのより高い調波の拡大の原因となる。この現象は研削する際に知られており、いくつかの応用例では、例えば円柱歯車でのホーニング仕上げ又は傘歯車の短期ラップ仕上げなど、仕上げ作業を追加している。

本発明の方法は、砥石車の偏心回転及び／又は砥石車の移動（ｐｕｌｓｉｎｇ）を含む砥石車の運動の結果として生じる、従来の研削微小擦り傷が分散されて、微小擦り傷及び微小平坦部の拡散構造をもたらす表面構造（ｄｉｆｆｕｓｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）を提供する。

従来の創成された歯面上の接触線を示す図である。 偏心軸の周りで回転する砥石車軸の運動を示す図である。 砥石車の創成参照面が円錐形の面であることを示す図である。 歯車歯面上の平坦部の拡大図である。 本発明による砥石車を移動する方向を示す図である。 微小平坦部及び擦り傷の拡散構造を有する本発明の研削面を示す図である。 従来の研削された歯車を本発明の方法により研削された歯車と比較する周波数解析を示すグラフである。

次に、本発明の詳細が、本発明を例示の目的のみで示す添付の図面を参照して考察される。図面では、同様の特徴及び構成要素は同様の参照番号により参照される。

本発明の文脈においては、「傘」歯車という用語は、傘歯車として知られる型の歯車、「ハイポイド」歯車、並びに「クラウン」歯車又は「フェース」歯車として知られる歯車を含む十分な範囲のものであると理解されたい。

傘環状歯車又はピニオン向け創成研削は、理論上の創成歯車の歯として砥石車を提示し、一方、工作物は工作物歯面のプロファイル及びリードを仕上げるために創成歯車の歯上を回転する。創成回転中には、例えば、米国特許第４９８１４０２号、第５９６１２６０号、又は第６７１２５６６号（すべて本明細書に参照として組み込まれる）の中で開示された型の、コンピュータ制御された（例えば、ＣＮＣ）自由形態機械が、数百のステップでその軸位置を変化させ、各ステップは、最大３つの直線軸位置（例えば、Ｘ、Ｙ、Ｚ）、及び機械の最大３つの回転軸位置（例えば、工具、工作物、旋回軸）によって表される。傘歯車及びハイポイド歯車の創成研削時には、一般的に５つの軸が必要であり（砥石車は独立して回転する）、５つの軸は各歯面の回転加工中に軸位置を数百回変化させる。

図１は、創成加工時の砥石車と歯面２との間の接触の例を示す。上述のように、創成加工中には、通常、機械軸の位置が歯面の研削中に数百回変化し、そのとき砥石車は、創成回転中に歯面を横切って移動する。各位置変化は、接触線ＬＣによって表すことができ、それらの接触線は、傾斜角αｔで配向される。各創成回転の位置ごとの接触線の数ｍ（すなわち、軸の位置変化の数）は変わる可能性があり、しかし考察の目的だけのために３００本の接触線が参照されるが、より少ない又はより多い接触線が利用されてもよいことを理解されたい。連続する接触線間の領域Ｆを「平坦部（ｆｌａｔ）」と称するものとする。したがって、３００本の接触線からなる創成回転については、２９９の平坦部が生成されることになる。実際には、研削された歯車の平坦部は、（微小平坦部と呼ばれる）極端に小さいものであり、砥石車面が、切断刃を有する切断工具で見られるような、目立たない画定された切断面のない事実上連続する面であるために、通常は目には見えない。表面構造は、歯の根元部分に平行に延在する微細な擦り傷の１つである。これらの擦り傷は、極小擦り傷と呼ばれ、通常は目に見えるものではないが、顕微鏡及び適切な照明を用いて検出することができる。研削極小擦り傷１０が図４に示す拡大図に示されている。

図２は、砥石車軸ＡＷが、偏心スピンドルを介して、砥石車軸ＡＷから離隔された、かつ砥石車軸ＡＷに平行な偏心軸ＡＥの周りで回転する（円軌道４）前述の研削方法を示す。砥石車の創成参照面は創成円錐６（図３）であり、軌道４に沿った砥石車軸ＡＷの回転により、砥石車及び工作物が創成中に共に回転するとき平坦部Ｆに対して修正を生成する。各平坦部Ｆ（図４に拡大されて示される）は、機械が所定の時間、例えば３ミリ秒（０．００３秒）の間その状態を保つ１つの機械軸位置で生成される。図３には、１つの平坦部に対する円錐包絡線関数８が示される。

一平坦部から次の平坦部への本発明の修正は、等距離変位で重ねられる創成円錐６の横向きの移動である。横向きの移動は根元線方向（工作物の長手方向の歯の方向）での移動として定義され、図２の中でｘ方向として示される。等距離移動（図２の中でｙ方向として示される）は、歯形対称線ＰＳに略垂直であると定義される。両方向は、砥石車軸ＡＷを法線ベクトルとして有する一平面（図２のページの平面によって定義される）内にある。

研削については、砥石車面は連続体であると考えられており、ｘ−ｙ平面（図２）内の砥石車の運動が研削平坦部の修正をもたらす。砥石車の軸の回転による研削平坦部の修正は、２つの構成要素に分離可能である。
１．横向き−「平坦部面相殺（ｆｌａｔ ｓｕｒｆａｃｅ ｏｆｆｓｅｔ：ＦＳＯ）」と称するものとする。
２．等距離−「平坦部除去／増大（ｆｌａｔ ｒｅｌｉｅｆ／ａｄｖａｎｃｅ：ＦＲＡ）」と称するものとする。

上記２つの構成要素は次のように定義される。

式中、ｎ＝ＲＰＭ（毎分の回転数）、例えば、１０００回／分と２０００回／分との間。
ｔ＝一平坦部から次の平坦部への創成加工の時間、例えば、３００の軸位置＝２９９の平坦部→ｔ＝１／２９９＝０．００３３秒。
ＲＥ＝偏心円の半径、例えば、０．０６ｍｍ。
ψＥ＝偏心軸ＡＥの周りの回転角度。

０度と３６０度の間のψＥに対して、上記数式（１）及び（２）を解くことができる。

上記データに対して数式（１）及び（２）を解くことにより、その間で修正が可能な修正の大きさ（横方向及び等距離）が得られる。例えば、１０００ＲＰＭ及びｔ＝０．００３３秒であれば、０．０２２ｍｍ（最大）及び０．００４ｍｍ（最小）の修正がΔＦＳＯ及びΔＦＲＡの両方向で可能である。

上記の修正に加えて、砥石車は１つ又は複数の軸（最大６軸）を機械軸位置コマンドの周波数（ｆ）で変化させることにより移動されることもまた可能である。例えば、ｆ＝１／ｔ、すなわちｔ＝１秒／２９９の平坦部＝０．００３３秒である。周波数はより低くすることもできるが（例えば、第２又は第３位置コマンドごと）、より高くすることはできない。修正の原理は、以下のように理解され得る１つの軸位置コマンドを取ることである。

各接触線は、工作物に対する砥石車のための位置コマンドを共に形成する複数の機械軸位置（例えば、５軸）によって画定される。したがって、３００本の接触線については、３００の位置コマンドが必要である。これは、３００行のコードを含み、各行が位置コマンドを表す表として考えられてもよい。１つの軸位置コマンド（すなわち、１つの行）を取ると、その位置コマンドは、直線寸法又は角度寸法（例えば、２ミクロン又は３角度秒）を自由形態機械の中の直線寸法又は角度寸法の１つ（例えば、機械Ｚ軸（線）又はＢ軸（枢軸））に加算することにより修正可能である。位置の次の線を使用し、以前に加算された同じ量を同じ軸指定から減算することができる。

加算され減算される数は、一次関数又はより高次の関数に従うこともでき、又はランダムな数とすることもできる。これは、平坦部から平坦部にかけての変化を所定の量、例えば５ミクロン未満に制限し、かつ極端な変化（例えば、最初の平坦部と最終の平坦部）間の変化を所定の量、例えば５ミクロン未満に制限して、側面形態の正確さを確保し、ノイズ最適化表面構造の効果を保存するために、ある範囲内で行われなければならない。

移動するための好ましいベクトルの方向は、以下を含む。（図５参照）
（ａ）平坦部に対して正接方向。
（ｂ）砥石車円錐（軸面内）に対して正接方向。
（ｃ）軸運動。
（ｄ）平坦部に垂直な半径運動。
（ｅ）平坦部に正接する半径運動。
（ｆ）ａ、ｂ、ｃ、ｄ及びｅの組み合わせであり、組み合わせは平坦部から平坦部にかけて変化可能である。
（ｇ）ａからｅまでの単一運動であるが、平坦部から平坦部にかけて変化する。
（ｈ）ｆに類似する組み合わせ運動であるが、平坦部から平坦部にかけての運動の量を変化させる。
（ｉ）平坦部から平坦部にかけての変化する量を有する単一軸運動であり、軸指定もまた平坦部から平坦部にかけて変化可能である。

軸運動（移動）は、デルタ値を理論上の軸位置に重ねることである。

実際の研削試験では、目に見えない研削平坦部、及び歯の根元部分に対して平行に延在する研削微小擦り傷の表面構造を有する従来の研削側面と比較すると、本発明の方法は、研削微小擦り傷が分散されて、ホーニング仕上げに類似する拡散構造をもたらし、微小平坦部が例えば図６に示すように、砥石車の偏心回転及び／又は軸移動により目に見えるようになる表面構造を提供することが示された。

ホーニング仕上げ面の利点と同様に、本発明の方法により製造された歯車セットの周波数解析（図７）では、噛合周波数でより低い振幅のピークと、それらのより高い調波とが示されている。さらに、調波周波数ピークを埋め込むより高い側波帯が生成され、（追加のホーニング工程なしに）動作する歯車がより静かになる。この本発明の方法によって製造された歯車セットの車両音測定では、低いレベルの音圧（ｄｂＡ）が示されている。これにより製造するのがより簡単かつより安定的である、音質のより良好な歯車セットが得られる。流体力学的な潤滑及び効率もまた、本発明の表面構造により改良される。これにより製造コストが削減され、歯車品質が高められる。

好ましい噛合の組み合わせは、本発明の構造研削ピニオン及び従来の研削環状歯車（創成式又は非創成式歯車）である。創成式環状歯車の場合、ピニオン及び環状歯車の両部材の本発明の構造研削は、同じ又は異なる偏心回転及び移動・パラメータで実行可能であり、ノイズ励起の発生を減少させるように選択可能である。

本発明は好ましい実施例を参照して説明されてきたが、本発明はその詳細に限定されないことを理解されたい。本発明は、添付の特許請求の範囲の精神及び範囲から逸脱することなく、主題が適用する、当業者に明白な修正形態を含むことを意図するものである。

Claims (16)

1. 複数の機械軸を有する歯車研削機械の工具軸の周りで回転可能な研削工具で、傘歯車の少なくとも１つの歯側面を研削する方法であって、
   前記工具を回転させ、前記工具及び前記少なくとも１つの歯側面を係合させるステップと、
   所定の相対回転運動により、前記工具を前記少なくとも１つの歯側面を横切って移動させるように前記工具と前記歯車との相対運動を提供するステップであって、前記回転運動が前記工具と前記少なくとも１つの歯側面との間の複数の接触線を含み、それにより前記少なくとも１つの歯面上に所定の数の研削平坦部及び複数の研削微小擦り傷を生成する、ステップと、
   創成回転と同時に、研削工具が創成する、創成円錐面を有する円錐が形成されるように前記工具軸を前記工具軸から離隔された偏心軸の周りで回転させるステップと、を備える方法であって、
   前記所定の相対回転運動中に研削平坦部修正を少なくとも１つの研削平坦部に導入するように創成円錐面を移動させるステップであって、前記少なくとも１つの歯側面の根元線の方向での第１の移動、及び前記少なくとも１つの歯側面の歯形対称線に略垂直な方向での第２の移動を含み、前記第２の移動方向は、前記第１の移動方向にも略垂直である、ステップを備え、それにより、前記微小研削擦り傷が分散されて前記歯側面上の微小擦り傷の拡散構造を形成することを特徴とする方法。
2. 各前記接触線が前記研削機械の複数の軸位置によって定義される方法であって、
   前記移動させるステップと同時に前記工具を移動するステップであって、移動が、少なくとも１つの前記接触線について行われ、各前記少なくとも１つの前記接触線について前記複数の軸位置の１つ又は複数を修正することにより移動に影響を与える、ステップをさらに備える、請求項１に記載の研削方法。
3. 前記少なくとも１つの歯側面の根元線の前記方向及び前記少なくとも１つの歯側面の歯形対称線に略垂直な前記方向が、１つの平面内に位置し、前記工具軸が前記平面に垂直である、請求項１に記載の方法。
4. 前記複数の軸位置の１つ又は複数を前記修正するステップが、それぞれの軸位置決め単位を理論上の軸位置決め値から加算及び／又減算するステップを備える、請求項２に記載の方法。
5. 平坦部から平坦部にかけての修正が所定の量に制限される、請求項２に記載の方法。
6. 最初の平坦部から最後の平坦部にかけての修正が所定の量に制限される、請求項２に記載の方法。
7. 移動方向が創成円錐ベクトルに関して定義される、請求項２に記載の方法。
8. 前記移動方向が少なくとも次の方向、すなわち
   （ａ）前記円錐部分の周囲に示される研削平坦部に対して正接方向、
   （ｂ）前記研削工具の前記軸平面内の前記円錐部分の周囲面に対して正接方向、
   （ｃ）前記工具の軸方向、
   （ｄ）前記平坦部に垂直な半径方向、
   （ｅ）前記平坦部に正接する半径方向
   の１つで延在する、請求項７に記載の方法。
9. 前記修正された１つ又は複数の軸位置の組み合わせが平坦部から平坦部にかけて変化する、請求項２に記載の方法。
10. 前記１つ又は複数の軸位置の修正された変化量が、平坦部から平坦部にかけて変化する、請求項２に記載の方法。
11. 前記歯車が傘歯車セットのピニオン部材である、請求項１に記載の方法。
12. 前記歯車が傘歯車セットの環状歯車部材である、請求項１に記載の方法。
13. 前記歯車が傘歯車セットのピニオン部材である、請求項２に記載の方法。
14. 前記歯車が傘歯車セットの環状歯車部材である、請求項２に記載の方法。
15. 傘歯車セットのピニオン部材及び前記傘歯車セットの環状歯車部材に対して実行され、移動するステップが各前記ピニオン及び各前記環状歯車について異なる量で行われる、請求項１に記載の方法。
16. 傘歯車セットのピニオン部材及び前記傘歯車セットの環状歯車部材に対して実行され、移動するステップが各前記ピニオン及び各前記環状歯車について異なる量で行われ、移動を与えるステップが、各前記ピニオン及び各前記環状歯車について、異なる軸位置修正によって行われる、請求項２に記載の方法。

Images