JP6113452B2

JP6113452B2 - 歯車及びその製造方法

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Publication number: JP6113452B2
Application number: JP2012222036A
Authority: JP
Inventors: 憲仕近江
Original assignee: Enplas Corp
Current assignee: Enplas Corp
Priority date: 2012-10-04
Filing date: 2012-10-04
Publication date: 2017-04-12
Anticipated expiration: 2032-10-04
Also published as: JP2014074454A

Description

本発明は、複数の歯を備え相手歯車の歯との噛み合いにより２軸間に回転運動を伝達する歯車に関し、詳しくは、相手歯車の歯との噛み合い時に歯元側の発生応力を低減し、歯の高強度化を図ることができる歯形形状の歯車及びその製造方法に係るものである。

従来から、自動車や精密機械等の動力伝達機構に使用される歯車には、歯の強度を高めるための様々な工夫が施されてきた。

この種の歯車としては、歯と歯溝とを有する皿形歯車であって、歯が歯面を介して協働する相手歯車（ピニオン）に係合させられる形式のものにおいて、歯面がピニオンの最後の係合点のあとで歯先から歯底に向かって、基準歯面に対しピニオンにより描かれた、垂直断面に投影されたトロコイドに近づけられており、前記歯溝が横断面で見て歯底の領域にて尖ったアーチの形を成しているものがある（例えば、特許文献１参照）。

特表２００４−５１９６４４号公報

しかし、前記特許文献１に記載された歯車においては、隣り合う歯と歯の間の歯溝が横断面で見て、歯底の領域にて尖ったアーチの形を成していることから、歯底に尖った三角状の窪み点が形成されるものであった。このような歯車では、相手歯車の歯との噛み合い時に歯底の窪み点に応力が集中し易く、発生応力が増大して破損する虞があった。そのため、歯底を含めた歯全体の高強度化が求められていた。

そこで、このような問題点に対処し、本発明が解決しようとする課題は、相手歯車の歯との噛み合い時に歯元側の発生応力を低減し、歯の高強度化を図ることができる歯形形状の歯車及びその製造方法を提供することにある。

前記課題を解決するために、本発明による歯車は、複数の歯を備え相手歯車の歯との噛み合いによって回転運動を伝達する歯車であって、各々の歯の歯元側の形状が、刃先に、刃の先端方向へ凸のｙ＝ａｘ ^２と表される（ここで、ａは係数）２次関数で定義された曲線の丸み部分を有するラック形カッタで創成歯切りされた形状と同一の形状に形成されたものである。

本発明による歯車の製造方法は、複数の歯を備え相手歯車の歯との噛み合いによって回転運動を伝達する歯車の製造方法であって、各々の歯の歯元側の形状を、刃先に、刃の先端方向へ凸のｙ＝ａｘ ^２と表される（ここで、ａは係数）２次関数で定義された曲線の丸み部分を有するラック形カッタで創成歯切りされた形状と同一の形状に形成するものである。

また、前記歯車の製造方法は、歯車の素材を金属として、各々の歯の歯元側の形状を、刃先に、刃の先端方向へ凸のｙ＝ａｘ ^２と表される（ここで、ａは係数）２次関数で定義された曲線の丸み部分を有するラック形カッタで創成歯切りするものとしてもよい。

さらに、前記歯車の製造方法は、歯車の素材を樹脂として、各々の歯の歯元側の形状を、刃先に、刃の先端方向へ凸のｙ＝ａｘ ^２と表される（ここで、ａは係数）２次関数で定義された曲線の丸み部分を有するラック形カッタで創成歯切りした歯車に基づいて作製されたギヤ駒を用いて射出成形するものとしてもよい。

本発明による歯車によれば、各々の歯の歯元側の形状にて、歯底面に尖った三角状の窪み点が形成されることなく、刃先に２次関数で定義された曲線の丸み部分を有するラック形カッタで創成歯切りされた形状と同一の曲面を有するものとすることができる。したがって、歯元側に応力集中が生じにくく、相手歯車の歯との噛み合い時に歯元側の発生応力を低減し、歯の高強度化を図ることができる。これにより、歯の長期耐久特性が改善される。

本発明による歯車の製造方法によれば、各々の歯の歯元側の形状にて、歯底面に尖った三角状の窪み点が形成されることなく、刃先に２次関数で定義された曲線の丸み部分を有するラック形カッタで創成歯切りされた形状と同一の曲面に形成することができる。したがって、歯元側に応力集中が生じにくく、相手歯車の歯との噛み合い時に歯元側の発生応力を低減し、歯の高強度化を図ることができる。これにより、歯の長期耐久特性が改善される。

本発明による歯車の全体形状を示す正面図である。標準歯車の歯形を示す斜視図である。本発明による歯車の歯の形状を示す拡大説明図である。刃先に２次関数で定義された曲線の丸み部分を有するラック形カッタを示す説明図である。図４のＡ部の詳細形状を示す説明図である。図４に示すラック形カッタで創成歯切りする際の刃先の運動軌跡を示す説明図である。比較歯車についてシミュレーションし解析した結果の応力分布を示すグラフである。本発明歯車についてシミュレーションし解析した結果の応力分布を示すグラフである。

以下、本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
図１は、本発明による歯車の全体形状を示す正面図である。この歯車は、複数の歯を備え相手歯車の歯との噛み合いにより２軸間に回転運動を伝達するもので、例えば自動車、精密機械、産業機械、及びこれらの部品等の動力伝達機構に広く使用されるものである。

図１において、歯車１は、略円板状のウェブ２の外周側に複数の歯３，３，…が形成され、ウェブ２の中心部には回転軸を固着する軸穴４が穿設されたボス５が形成されており、２軸間に回転運動を伝達するようになっている。なお、符号Ｐはこの歯車１のピッチ円を示している。

前記歯車１の歯３は、一般的には図２に示すように、インボリュート曲線の歯面を有し左右対称とされた標準歯車の歯形に形成されている。すなわち、各々の歯３がその歯先面６の歯幅Ｗ₁と歯底面７（隣り合う歯３，３の間の歯溝において最も低い底面を指す）の歯幅Ｗ₂とが同一寸法とされ、全歯たけＨが歯幅方向に一定とされている。

図３は、本発明による歯車１の歯３の形状を示す拡大説明図である。図３において、歯３の側面を歯面ａといい、歯面ａの歯元側の形状を歯面ｂという。そして、本発明による歯車１の歯３は、歯面ａの歯元側の形状を工夫したものであり、図３に示すように、各々の歯３の歯元側の歯面ｂの形状が、刃先に２次関数で定義された曲線の丸み部分を有するラック形カッタで創成歯切りされた形状と同一の形状を有するものとされている。特に、前記歯底面７（図２参照）に接続する部分が凹曲面とされている。

そして、前記凹曲面（ｂ）は、インボリュート曲線の歯面ａに滑らかに接続される曲面であって、前記インボリュート曲線の歯面ａに対し逆方向に凸となる曲線で表される形状とされている。なお、このような歯元側の形状を有する歯車１としては、金属素材を切削加工して製造した金属歯車でもよいし、樹脂を射出成形して製造した樹脂歯車でもよい。

ここで、図３に示す歯形形状の歯車１を製造するには、各々の歯３の歯元側の形状を、刃先に２次関数で定義された曲線の丸み部分を有するラック形カッタで創成歯切りされた形状と同一の形状に形成すればよい。この場合に用いるラック形カッタ１０は、図４に示すように、その刃１１の刃先１２に、２次関数で定義された曲線の丸み部分を有している。その２次関数としては、ｙ＝ａｘ²と表される（ここで、ａは係数）。

図４のＡ部の詳細形状を図５に示す。図５において、ラック形カッタ１０の刃１１は、通常の歯車設計において歯元強度の高い歯車を創成歯切りで製造する場合、刃先１２の部分を円弧形状とするのが一般的である。すなわち、刃先１２の点Ｃ₁，Ｂ，Ｃ₂の部分が所定の半径を有する円弧ｄとされている（従来例）。これに対し、本発明の歯車１を製造するのに用いるラック形カッタ１０の刃１１は、図５に示す刃先１２の点Ｃ₁，Ｂ，Ｃ₂の部分を２次関数で定義された曲線ｅで置き換えた丸み部分とされている。この場合、従来例の円弧ｄよりも２次関数で定義された曲線ｅのほうが内側になり、刃先１２が少し細くなっている。このような刃先１２を有するラック形カッタ１０で創成歯切りされた歯車１は、刃先１２が円弧ｄとされた従来例のラック形カッタで創成歯切りされた歯車よりも歯元側の歯厚が大きくなる。なお、図５において、刃先１２の点Ｃ₁，Ｂ，Ｃ₂の部分を２次関数で定義された曲線ｅで置き換えたが、左右の曲線開始点（又は接続点）Ｃ₁，Ｃ₂の位置については、噛み合う相手歯車の歯の運動軌跡に干渉しない範囲において任意の位置に設定すればよい。

図６は、図４に示すラック形カッタ１０で創成歯切りする際の刃先１２の運動軌跡を示す説明図である。この場合は、歯車１の素材を金属として、各々の歯３の歯元側の形状を、刃先１２に２次関数で定義された曲線の丸み部分を有するラック形カッタ１０で創成歯切りして歯車１を製造する状態を示している。歯車１の素材にラック形カッタ１０の刃１１が当たって創成歯切りする際の刃先１２の運動軌跡は、図６に示すような曲線Ｔで得られる。この曲線Ｔは、標準歯車の歯３，３の間の歯溝内にて歯底面７にその頂点が接する状態となる。この場合、図３に示す凹曲面（ｂ）は、図６に鎖線ｆで示す標準歯車の歯元側の歯面よりも内側に出っ張った形状となるので、歯元側の歯厚が従来例よりも大きくなる。また、歯車の歯底面７に、前記特許文献１記載のような尖った三角状の窪み点が形成されることがない。なお、図６においては、凹曲面（ｂ）は標準歯車の歯底面７に接する曲線の形状としたが、本発明はこれに限られず、相手歯車の歯の運動軌跡と干渉しない位置であれば任意の位置に設定してもよい。例えば、前記標準歯車の歯底面７よりも上げた位置に設定すれば、さらに歯の高強度化を図る可能性がある。

なお、上記説明では、金属歯車を製造する状態で説明したが、本発明はこれに限られず、歯車１の素材を樹脂として、各々の歯３の歯元側の形状を、刃先１２に２次関数で定義された曲線の丸み部分を有するラック形カッタ１０で創成歯切りした歯車に基づいて作製されたギヤ駒（金型）を用いて、射出成形により樹脂歯車を製造してもよい。この場合のギヤ駒の作製には、前記ラック形カッタ１０で創成歯切りされた金属歯車を電極として用い、放電加工によりギヤ駒を製造すればよい。或いは、放電加工以外の従来公知の方法により、ギヤ駒を製造してもよい。

以上のように決定された歯形形状の本発明の歯車１（以下「本発明歯車」という）について、噛み合い時の歯元側の発生応力をコンピュータ支援によるシミュレーションで求めて解析（ＣＡＥ）した結果を説明する。この場合、比較する歯車としては、標準歯車の歯形において、刃先に円弧で定義した丸み部分を有するラック形カッタで創成歯切りされた歯車（以下「比較歯車」という）とする。

はじめに、このシミュレーションによる歯元応力計算時の計算モデルと解析条件とについて説明する。この解析において用いた本発明歯車及び比較歯車は、平歯車であり、モジュール（ｍ）が１、歯数が３０枚である。材質は、ヤング率＝2800MPa、ポアソン比＝0.38の樹脂（POM）である。噛み合いの相手歯車は、前記本発明歯車及び比較歯車と同諸元とする。負荷条件は、最悪荷重点位置に歯面法線方向へ10Nの荷重を付与する。解析モデルとしては、１歯のみを抜き出したシェルメッシュモデルにて解析した。歯元応力計算の計算ソフトとしては、「SolidWorks」を使用した。

まず、比較歯車について解析した結果の歯元応力の応力分布を図７に示す。図７において、横軸は、全歯たけ方向のＸ座標（mm）を示し、座標の右側が歯先側を示しており、左側が歯底側を示している。横軸の原点が歯車中心（軸穴４の中心）である。縦軸は、発生する主応力（MPa）の大きさを示している。この比較歯車においては、図７に示すように、歯先側から歯底側に向かって主応力が徐々に増大し、Ｘ座標＝14.3m位から急激に主応力が立ち上がり、最大主応力σmaxは5.39MPaまで達している。

次に、本発明歯車について解析した結果の歯元応力の応力分布を図８に示す。図８において、横軸、縦軸は、図７と同様に、全歯たけ方向のＸ座標（mm）と、発生する主応力（MPa）の大きさを示している。本発明歯車においても、図８に示すように、歯先から歯底に向かって主応力が徐々に増大し、Ｘ座標＝14.3mm位から主応力が増加するものの、最大主応力σmaxは5.25MPaとなっている。この場合、主応力の立ち上がり位置は、比較歯車とほぼ同じ位置となっている。また、その立ち上がりの状態も、比較歯車とほぼ同じとなっている。しかし、本発明歯車では、最大主応力σmaxが比較歯車より低くなっている（約３％低減）。そして、歯元側の応力分布をみると、比較歯車は１点にピーク（極大値）を有する凸形分布になっているが、本発明歯車では、応力が広く分散する形態（平坦化されている）となっており、これにより最大主応力が下げられたものと考えられる。

上述のシミュレーションによる解析結果から明らかなように、本発明歯車の歯形形状によれば、比較歯車よりも、相手歯車の歯との噛み合い時に歯元側の発生応力を低減し、歯の高強度化を図ることができる。したがって、歯の長期耐久特性が改善される。

また、本発明の歯車によれば、各々の歯の歯元側の形状にて、歯底面に尖った三角状の窪み点が形成される従来の歯車に比して、歯元側に応力集中が生じにくくなっている。

また、上述の実施の形態では、本発明を標準歯車に対して適用した例を説明したが、本発明はこれに限定されるものでなく、例えば、転位歯車にも適用可能であることはもちろんである。

なお、本発明の歯車は、平歯車に限られず、はすば歯車、やまば歯車、傘歯車、フェースギヤ、ウォームギヤ、ハイポイドギヤ等の歯形形状にも広く適用できる。また、本発明の歯車は、金属（例えば、機械構造用合金鋼、炭素鋼、ステンレス鋼、真鍮、リン青銅等）製の歯車に限られず、樹脂製の歯車にも適用できる。

１…歯車
３…歯
６…歯先面
７…歯底面
８…歯先
９…歯元
１０…ラック形カッタ
１１…ラック形カッタの刃
１２…ラック形カッタの刃先
ａ…歯面
ｂ…歯元側の歯面
ｄ…従来例の円弧
ｅ…２次関数で定義された曲線
Ｐ…ピッチ円
Ｔ…曲線

Claims

複数の歯を備え相手歯車の歯との噛み合いによって回転運動を伝達する歯車であって、
各々の歯の歯元側の形状が、刃先に、刃の先端方向へ凸のｙ＝ａｘ ^２と表される（ここで、ａは係数）２次関数で定義された曲線の丸み部分を有するラック形カッタで創成歯切りされた形状と同一の形状に形成されたことを特徴とする歯車。
複数の歯を備え相手歯車の歯との噛み合いによって回転運動を伝達する歯車の製造方法であって、
各々の歯の歯元側の形状を、刃先に、刃の先端方向へ凸のｙ＝ａｘ ^２と表される（ここで、ａは係数）２次関数で定義された曲線の丸み部分を有するラック形カッタで創成歯切りされた形状と同一の形状に形成することを特徴とする歯車の製造方法。
歯車の素材を金属として、各々の歯の歯元側の形状を、刃先に、刃の先端方向へ凸のｙ＝ａｘ ^２と表される（ここで、ａは係数）２次関数で定義された曲線の丸み部分を有するラック形カッタで創成歯切りすることを特徴とする請求項２記載の歯車の製造方法。
歯車の素材を樹脂として、各々の歯の歯元側の形状を、刃先に、刃の先端方向へ凸のｙ＝ａｘ ^２と表される（ここで、ａは係数）２次関数で定義された曲線の丸み部分を有するラック形カッタで創成歯切りした歯車に基づいて作製されたギヤ駒を用いて射出成型することを特徴とする請求項２記載の歯車の製造方法。