JP6223794B2 - 傘歯車対の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、互いに噛合する大小２個の傘歯車対に関する。

２本の回転軸が直交するよう配置されて互いに噛合する直交軸傘歯車対として、例えば特開２００３−３００４２３号公報（特許文献１）に記載されるように、車両の駆動系に利用されて、相対的に大径の傘歯車であるリングギヤと、相対的に小径の傘歯車であるドライブピニオンからなる大小２個の傘歯車が良く知られている。

かかる傘歯車対は歯切り機（歯切り盤ともいう）によって作製されることがかつて常套であった。従来の歯切り機は、図１２に示すようにカッターヘッド１４３と、カッターヘッド１４３の表面に周方向に配置固定された複数のブレード１４１とを備える円板カッター１４２が、歯車素材１４４を切削し、歯車素材１４４の外周縁部分に歯を形成する。これにより、リングギヤのような歯数の多い傘歯車であっても、短時間で加工することができる。ところが歯切り機は海外製によって独占されている等の事情から高価であり、そのコストが生産物である傘歯車の価格に転嫁されているので、近年の低価格化の要請に応えることができない。

そこで、設備投資費抑制の為、従来の海外製歯切り機に代えて、非特許文献１に記載されるように５軸ＮＣ加工機を用いて傘歯車を加工する方法が提案されている。その方法につき図１３に模式的に示すと、５軸ＮＣ加工機の主軸に装着されるエンドミル１３１は、傘歯車１１１，１２１の歯すじ方向に移動して、図１３に示すようにエンドミル１３１の側部の切れ刃で傘歯車１１１および傘歯車１２１の歯車素材を切削して歯面１１５および歯面１２５を切削形成する。このようなエンドミルの側部で切削することをスワーフ加工という。スワーフ加工は非特許文献２に詳しく紹介されている。

特開２００３−３００４２３号公報

「汎用の多軸制御工作機械による大型スパイラルベベルギヤの加工法に関する研究」(日本機械学会論文集C、2011年、p161) 「ボールエンドミルの先端切れ刃・側面切れ刃を併用した5軸制御加工」(精密工学会誌、1995年、p561)

しかし、５軸ＮＣ加工機を用いた切削加工では、エンドミルを用いて傘歯車を彫り上げることから、加工時間がかかりすぎるという問題があった。図１１は従来の傘歯車対の噛合箇所を歯直角に切断し、その断面形状を拡大して示す概略断面図である。本発明者は、図１１に示すように、従来の傘歯車対にあっては、大径の傘歯車１１１の歯形丸みが無いもしくは微小という事実と、小径の傘歯車１２１の歯面１２５は歯形方向の丸みが大きく、当該歯形方向の丸みが大きくなるほどスワーフ加工の回数が多数回必要となってしまう事実に着目した。そして、５軸ＮＣ加工機を用いて短時間で加工可能な傘歯車対を発明するに至った。

この目的のため本発明による傘歯車対の製造方法は、一方の軸線が他方の軸線に対して傾斜するよう配置される２個の傘歯車であって、相対的に大径の大径傘歯車と、大径傘歯車と噛合する相対的に小径の小径傘歯車とを備える傘歯車対を前提とする。そして大径傘歯車のかみ合い歯面における歯形丸みが１００μｍ以上外方へ突出する歯形丸み形状を有する傘歯車対の歯面を加工する方法において、小径傘歯車の歯すじに沿って延びるスワーフ加工経路を予め複数本設定する工程と、５軸ＮＣ加工機に装着されたエンドミルの側部を当該５軸ＮＣ加工機にチャッキングされた小径傘歯車の歯車素材に当てながら複数本のスワーフ加工経路に沿って動かしてスワーフ加工を施す工程とを備え、前記スワーフ加工経路を設定する工程は、１本当たりの前記スワーフ加工経路によって切削形成される実際の歯面と理想歯面との間における歯形許容誤差の最大値が２０μｍ以内の範囲に含まれるよう、前記スワーフ加工の経路を設定することを特徴とする。

かかる本発明によれば、図９に示すように、大径傘歯車の歯面が歯形丸みを有することから、小径傘歯車の歯形丸みを従来よりも緩くすることができる。したがって、５軸ＮＣ加工機に装着されたエンドミルを用いて小径傘歯車を加工する際、スワーフ加工経路の本数が少なくなり、小径傘歯車の加工時間を短縮することができる。本発明は、一方の軸線が他方の軸線に対し傾斜して延びる傘歯車対に適用可能であり、直交関係になる傘歯車対に有効であるが、その傾斜角度は特に限定されない。また本発明は、軸線同士が交差する傘歯車対は勿論のこと、一方の軸線が他方の軸線に対しオフセット配置される傘歯車対にも適用可能である。

なお本発明でいうかみ合い歯形とは、歯面のうち相手側傘歯車の歯面と接触する範囲の形状をいう。歯形丸みが１００μｍ以上突出する理由として、大径傘歯車の歯面が１００μｍ未満の歯形丸みを有する場合、従来の大径傘歯車と大差ないからである。

また本発明によれば、小径傘歯車の歯形丸みを小さくできることから、従来よりも少ない本数のスワーフ加工経路で小径傘歯車を加工することができる。

本発明の一実施形態として、大径傘歯車または小径傘歯車のいずれか一方は、各歯の歯すじ方向一方端部分と一体に形成されて傘歯車の周方向に延びる円周リブを有する。かかる実施形態によれば、大径または小径傘歯車の各歯の歯すじ方向一方端部分が円周リブによって互いに接続することから、各歯の剛性が高くなり、噛合時の歯の撓み変形を抑制することができる。円周リブは歯すじの両端に形成されるとよいが、一方端あるいは他方端のみに形成されてもよい。他の実施形態として、大径および小径傘歯車の外周縁には傘歯車の軸線回りに周方向に延びる円周リブが設けられず、大径および小径傘歯車の各歯の径方向外側部分が互いに分離されるとともに、各歯の径方向内側部分が互いに分離されていてもよい。

本発明の傘歯車対は、５軸ＮＣ加工機で歯面を加工することから、上述した円周リブを設けることが可能である。

あるいは円周リブを有さない傘歯車を作製する場合、カッターヘッドと、カッターヘッドの周方向に配設される複数のブレードとを有し、カッターヘッドから突出するブレードの刃先形状が傘歯車の歯形丸み形状に対応する凹み形状にされる円板カッターを準備し、円板カッターで歯車素材を切削し、大径傘歯車の歯面を形成してもよい。かかる実施形態によれば、歯数の多い大径傘歯車を効率的に作製することが可能となる。したがって傘歯車対の加工時間が全体的に短縮化される。

このように本発明によれば、小径傘歯車の歯形丸みが従来よりも緩やかになり、５軸ＮＣ加工機で加工する場合において加工時間を短縮することができる。しかも歯切り機を使用する場合よりもコストを下げることが可能である。

本発明の第１実施形態になるリングギヤおよびドライブピニオンを示す斜視図である。 本発明の第２実施形態になるリングギヤおよびドライブピニオンを示す斜視図である。 本発明の第３実施形態になるリングギヤおよびドライブピニオンを示す斜視図である。 スワーフ加工を模式的に示す説明図である。 本発明の傘歯車対の製造方法を模式的に示す説明図である。 ドライブピニオンの歯面の歯形許容誤差を示す説明図である。 リングギヤの歯形丸みを示す説明図である。 図５に示す円板カッターのブレードを示す斜視図である。 本発明の傘歯車対の噛合箇所を拡大して模式的に示す断面図である。 歯形丸みと歯形許容誤差とスワーフ加工回数の相関関係を示す一例のデータ図である。 従来の傘歯車対の噛合箇所を拡大して模式的に示す断面図である。 従来の円板カッターが、歯車素材を切削する様子を模式的に示す説明図である。 エンドミルが、歯車素材を切削する様子を模式的に示す説明図である。

以下、本発明の実施の形態を、図面に基づき詳細に説明する。図１〜図３は、本発明の第１〜第３実施形態になるリングギヤおよびドライブピニオンをそれぞれ示す斜視図である。まず第１実施形態につき説明すると、傘歯車になるリングギヤ１１およびドライブピニオン２１は、その歯すじが螺旋状に延びるスパイラルベベルギヤの対である。リングギヤ１１は中央孔１２を有する傘歯車である。

なお図示しない実施形態としてリングギヤ１１およびドライブピニオン２１はハイポイドギヤであってもよく、このときリングギヤ１１の軸線とドライブピニオン２１の軸線が互いに交差することはない食い違い軸とされる。

次に第２実施形態につき説明する。第２実施形態は前述した第１実施形態と基本的には同じであるが、リングギヤ１１の内周縁および外周縁に、全周に亘って延びる円周リブ１３，１４を設ける。円周リブ１３は、リングギヤ１１の各歯の歯すじ方向外径側端と一体に形成されてリングギヤ１１の周方向に延びる。円周リブ１４は、リングギヤ１１の各歯の歯すじ方向内径側端と一体に形成されてリングギヤ１１の周方向に延びる。ドライブピニオン２１の歯は、円周リブ１３および円周リブ１４間に配置されて、リングギヤ１１の歯と噛合する。

次に第３実施形態につき説明する。第３実施形態は前述した第１実施形態と基本的には同じであるが、ドライブピニオン２１の小端縁および大端縁に、全周に亘って延びる円周リブ２３，２４を設ける。円周リブ２３は、ドライブピニオン２１の各歯の歯すじ方向小端側部分と一体に形成されてドライブピニオン２１の周方向に延びる。円周リブ２４は、ドライブピニオン２１の各歯の歯すじ方向大端側部分と一体に形成されてドライブピニオン２１の周方向に延びる。リングギヤ１１の歯は、円周リブ２３および円周リブ２４間に配置されて、ドライブピニオン２１の歯と噛合する。

図４は、エンドミルを使用して、ドライブピニオンの歯車素材を加工する様子を示す概略斜視図であり、図１および図２に示すドライブピニオン２１を作製する工程を表す。エンドミル３１は、末端のシャンク部３１ｓが図示しない５軸ＮＣ加工機の主軸に装着される。また歯車素材２１ｓは５軸ＮＣ加工機のテーブルに装着される。そして回転するエンドミル３１の側部の切れ刃を、歯車素材２１ｓに押し当てながら、図４に両端矢印で示す経路Ｒｎに沿って動かし、歯面２５ｓにスワーフ加工を施す。経路Ｒｎは、複数本のスワーフ加工経路のうちの１本である。なお図には示さなかったが、図３に示す円周リブ付のドライブピニオン２１も、エンドミルを使用して加工可能である。

図５は、ドライブピニオン２１およびリングギヤ１１の噛合箇所において、ドライブピニオン２１の歯およびリングギヤ１１の歯を歯直角にかみ合う断面で切断したときの断面形状を示す模式的な説明図である。また加工の理解を容易にするため、図５にはドライブピニオン２１およびリングギヤ１１の加工の様子も追記して表す。

ドライブピニオン２１の歯面２５は、複数本、例えば図５に示すように７本のスワーフ加工経路Ｒ１〜Ｒ７によって加工される。１本のスワーフ加工経路Ｒｎによって切削形成される歯面２５の仕上面Ｓｎと、このスワーフ加工経路Ｒｎと隣り合うスワーフ加工経路Ｒｎ−１、Ｒｎ＋１によってそれぞれ切削形成される仕上面Ｓｎ−１、仕上面Ｓｎ＋１を図６に拡大して示す。理想歯面Ｇに対する各仕上面Ｓｎの歯形許容誤差は、２０μｍ以内である。あるいはスワーフ加工経路の本数を増やして歯形許容誤差の最大値を２０μｍ未満にしてもよい。ここで付言すると、スワーフ加工経路の本数を増やす程、加工が細かくなり、歯形許容誤差の最大値が小さくなる。反対にスワーフ加工経路の本数を減らす程、加工が粗くなり、歯形許容誤差の最大値が大きくなる。

リングギヤ１１の歯面１５は、歯面２５と同様、エンドミルのスワーフ加工によって加工される。あるいは図５に示すように、ブレード４１によって加工されてもよい。歯面１５は図７に拡大して示すように、かみ合い歯形の最も歯元側の箇所およびかみ合い歯形の最も歯先側の箇所（歯先１５ｙ）を通過する仮想直線Ｌに対して外方へ寸法Ｅ突出する歯形丸み形状を有する。ここで寸法Ｅを１００μｍ以上にする。なおここでいうかみ合い歯形とは相手傘歯車になるドライブピニオン２１の歯面と当接する位置をいう。

ブレード４１は、図８に示すようにシャンク部４１ｓおよび刃先４１ｃを備える。シャンク部４１ｓは図１２に示す従来の円板カッター１４２のカッターヘッド１４３に周方向に装着され、刃先４１ｃがカッターヘッド１４３の表面から突出する。刃先４１ｃは、歯面１５に対応する凹曲線に形成される。そして刃先４１ｃを、図５に示すようにリングギヤ１１に押し当てながら、歯すじ方向に動かし、加工する。

図９は、リングギヤおよびドライブピニオンの噛合箇所を歯すじに歯直角な断面で模式的に示す断面図であり、図５のＨ部分を拡大して示すものである。本実施形態によれば、リングギヤ１１の歯面１５が歯先から歯元まで連続する歯形丸みを有する。したがってドライブピニオン２１の歯面２５を従来よりも緩いカーブにすることができ、スワーフ加工経路Ｒｎを少なくして、歯当面２５の加工時間を短縮することができる。

本実施形態の理解を容易にするため、図１１を参照して従来のリングギヤおよびドライブピニオンの噛合箇所を説明すると、従来のリングギヤの歯面１１５は、歯元から歯先まで直線状もしくは微小な丸みであった。これに対し、従来のドライブピニオンの歯面１２５は歯形丸みが大きかった。このため従来は、５軸ＮＣ加工機で歯面１２５をスワーフ加工する際、スワーフ加工経路が多く、歯面２５の加工時間が長かった。

図１０は、本発明の傘歯車対について、リングギヤ歯面の歯形丸み（図１０縦軸）およびドライブピニオンの歯面の歯形許容誤差（図１０横軸）と、ドライブピニオンの歯面１枚当たりの加工におけるスワーフ加工回数との相関関係を示す一例としてのデータ図である。図７に沿って上述したように本発明のリングギヤ１１の歯面１５は、かみ合い歯形の歯形丸みが１００μｍ以上外方へ突出する歯形丸み形状を有する。これに対応するドライブピニオン２１の歯面２５は、歯形丸みではなく歯形許容誤差で管理される。本発明のドライブピニオン２１の歯面２５の歯形許容誤差は、図６に沿って上述したとおり、理想形状になる理想歯面に対して２０μｍ以内にされる。かかる範囲を図１０にＩで表示する。

比較の為、従来のリングギヤの歯形丸みおよびドライブピニオンの歯形許容誤差をＪで表示する。従来のリングギヤの歯面は直線状であるから（図１１）歯形丸みが０μｍであるかもしくは微小値である。

次に、ドライブピニオンの歯面を加工するスワーフ加工経路を説明する。図１０には、スワーフ加工経路を１０本、９本、７本、５本、３本設定する場合において、各場合に対応するリングギヤの歯面の歯形丸みおよびドライブピニオンの歯面の歯形許容誤差が表される。図１０を参照すると、スワーフ加工経路を多数本設定する場合にはドライブピニオンの歯形許容誤差が小さくなり、スワーフ加工経路を少数本設定する場合にはドライブピニオンの歯形許容誤差が大きくなることが理解される。また各場合において、リングギヤの歯形丸みが大きくなるほど、ドライブピニオンの歯形丸みの歯形許容誤差が小さくなることが理解される。

ここで付言すると、ドライブピニオンの歯面の歯形丸みは、リングギヤの歯数とドライブピニオンの歯数との歯数比に左右されるため一概には言えない。そこでドライブピニオンの歯面２５を、歯形丸みではなく歯形許容誤差で管理する。

これまで説明してきた本発明の実施形態では、図９に示すように、リングギヤの歯面１５が外方へ突出する歯形丸みを有することを特徴とする。この特徴は、図１１に示す従来例のようにリングギヤの歯面１１５が平面でありドライブピニオンの歯面１２５が歯形丸みを有していた事実からみて際立った相違である。これにより本発明の実施形態では、図９と図１１を対比して、ドライブピニオンの歯面２５を従来の歯面１２５よりも緩やかにすることが可能となる。したがって５軸ＮＣ加工機に装着したエンドミルを用いて、スワーフ加工によりドライブピニオンの歯面２５を加工する際、スワーフ加工の回数を従来よりも減らすことができる。この結果、本発明の実施形態によれは、スワーフ加工であっても、ドライブピニオンの加工時間を短縮することができる。

以上、図面を参照してこの発明の実施の形態を説明したが、この発明は、図示した実施の形態のものに限定されない。図示した実施の形態に対して、この発明と同一の範囲内において、あるいは均等の範囲内において、種々の修正や変形を加えることが可能である。

この発明になる傘歯車対およびその製造方法は、自動車、車両系建設機械、大型の車両系建設機械において有利に利用される。また鉄道車両、その他の駆動系においても有利に利用される。

１１ リングギヤ、 １２ 中央孔、 １３，１４ 円周リブ、
１５ 歯面、 １５ｘ 歯元、 １５ｙ 歯先、 １６ 歯先部分、 １７ 歯底部分、 ２１ ドライブピニオン、 ２２ シャフト、
２３，２４ 円周リブ、 ２５ 歯面、 ２５ｘ 歯元、 ２５ｙ 歯先、
２１ｓ 歯車素材、 ３１ エンドミル、 ３１ｓ シャンク部、
４１ ブレード、 ４１ｃ 刃先、 ４１ｓ シャンク部。

Claims (3)

1. 一方の軸線が他方の軸線に対して傾斜するよう配置される２個の傘歯車であって、相対的に大径の大径傘歯車と、前記大径傘歯車と噛合する相対的に小径の小径傘歯車とを備え、
   前記大径傘歯車のかみ合い歯面における歯形丸みが１００μｍ以上外方へ突出する歯形丸み形状を有する傘歯車対の歯面を加工する方法において、
   前記小径傘歯車の歯すじに沿って延びるスワーフ加工経路を予め複数本設定する工程と、
   ５軸ＮＣ加工機に装着されたエンドミルの側部を、当該５軸ＮＣ加工機にチャッキングされた前記小径傘歯車の歯車素材に当てながら前記複数本のスワーフ加工経路に沿って動かしてスワーフ加工を施す工程とを備え、
   前記スワーフ加工経路を設定する工程は、１本当たりの前記スワーフ加工経路によって切削形成される実際の歯面と理想歯面との間における歯形許容誤差の最大値が、２０μｍ以内の範囲に含まれるよう、前記スワーフ加工の経路を設定することを特徴とする、傘歯車対の製造方法。
2. 前記大径傘歯車または前記小径傘歯車のいずれか一方は、各歯の歯すじ方向一方端部分と一体に形成されて傘歯車の周方向に延びる円周リブを有する、請求項１に記載の傘歯車対の製造方法。
3. カッターヘッドと、前記カッターヘッドの周方向に配設される複数のブレードとを有し、前記カッターヘッドから突出する前記ブレードの刃先形状が前記大径傘歯車の歯形丸み形状に対応する凹み形状にされる円板カッターを準備し、
   前記円板カッターで歯車素材を切削し、前記大径傘歯車の歯面を形成する、請求項１に記載の傘歯車対の製造方法。

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