JP6256764B2

JP6256764B2 - 遊星歯車ユニット

Info

Publication number: JP6256764B2
Application number: JP2014132451A
Authority: JP
Inventors: 健太中島; 木村　裕; 裕木村
Original assignee: Hitachi Chemical Co Ltd; Showa Denko Materials Co Ltd; Resonac Corp
Current assignee: Resonac Corp
Priority date: 2014-06-27
Filing date: 2014-06-27
Publication date: 2018-01-10
Anticipated expiration: 2034-06-27
Also published as: JP2016011687A

Description

本発明は焼結合金からなる歯車、すなわち焼結歯車を遊星歯車として用いた遊星歯車ユニットに関する。

入力軸の回転速度を減速するなど変化させて出力軸に伝達する減速機構に遊星歯車ユニットが用いられる場合がある（特許文献１等参照）。遊星歯車ユニットは入力軸と出力軸を同軸的に配置できたり、複数の遊星歯車で負荷を分担したりすることから装置をコンパクトに設計できるなどの利点を有し、例えばモータ動力の伝達機構に組み込まれて使用される。

図３は、従来のプラネタリ型の遊星歯車ユニットの一例を示している。この遊星歯車ユニットは、環状の内歯車１３０とキャリア１４０，１５０とに囲まれる内部に、太陽歯車１１０と、太陽歯車１１０に噛合する複数の遊星歯車１２０が回転可能に支持されて構成されている。太陽歯車１１０の周囲の複数の遊星歯車１２０は、外周に太陽歯車１１０および内歯車１３０の内歯１３１と噛み合う歯部１２１が形成され、中心の軸孔１２２の内周面が回転軸１２３と回転摺動する。回転軸１２３は、その両端がそれぞれキャリア１４０，１５０の内面に挿入され、これらキャリア１４０，１５０に挟持された状態で支持されている。

この遊星歯車ユニットは、太陽歯車１１０に図示せぬ入力軸（モータ等の駆動軸）が同軸的に固定され、入力軸が回転することで駆動される。すなわち入力軸によって太陽歯車１１０が回転すると遊星歯車１２０が自転、かつ自転方向と逆方向に公転し、遊星歯車１２０の公転が回転軸１２３からキャリア１４０を介して、キャリア１４０に同軸的に固定された図示せぬ出力軸に伝達され、出力軸が太陽歯車１１０と同じ方向に回転する。太陽歯車１１０の回転が遊星歯車１２０の公転に変位する段階で太陽歯車１１０の回転は所定比率で減速され、出力軸は太陽歯車１１０よりも減速して回転する。

ここで、遊星歯車１２０は、その内周が回転軸１２３と良好な摺動を行いつつ、歯部１２１が太陽歯車１０および内歯車３０と噛み合い、駆動力を伝達する。このため、遊星歯車１２０としては、太陽歯車１１０および内歯車１３０との噛み合い駆動に耐え得る強度と、回転軸１２３との回転摺動を円滑に行える良好な摺動特性との両面の特性が求められる。このような用途の歯車に好適なものとしては、図３に示す遊星歯車１２０のように、外周に歯部１２１を有する歯車部材１２５の中心に形成された孔１２６に、円筒状の軸受部材１２７が圧入などの手段で組み込まれた軸受複合歯車が採用される(特許文献２，３等参照)。

さて、いわゆる粉末冶金法によって成形される焼結合金は、ニアネットシェイプに造形することが比較的安価かつ簡便であることから、上記遊星歯車の材料として好適なものである。そこで、上記歯車部材１２５には強度特性に優れた鉄系焼結合金を用い、上記軸受部材１２７には焼結含油軸受を用いるといったように、それぞれの部位に求められる特性に応じた原料や、密度比、焼結条件等で成形された焼結合金を用いて組み合わせた遊星歯車が用いられる。

特開２０１２−１６３１８６号公報特開平７−２３８８８０号公報特開２００７−３１５５３７号公報

近年では、各種装置類の小型化の要求が高まってきており、遊星歯車を有する遊星歯車ユニットにおいても小型化が進んでいる。このような状況の下、遊星歯車は、大きさが歯先径で５〜１５ｍｍといった微小のものが要求される場合がある。このような微小な歯車においては、上記特許文献２，３等に記載されるような軸受複合歯車では、軸受部材を歯車部材に組み込むという作業が困難になる。このため、太陽歯車および内歯車との噛み合い駆動に耐え得る強度と、回転軸との回転摺動を円滑に行える良好な摺動特性とを兼ね備えた焼結歯車が求められている。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、組み付けによる製造が困難になるという不具合を解消するとともに、相手歯車との噛み合い駆動に耐え得る強度と、回転軸との回転摺動を円滑に行える良好な摺動特性とを兼ね備えた焼結歯車を提供すること、ならびに遊星歯車ユニットの小型化を達成することを目的とする。

本発明の請求項１に記載の焼結歯車は、外周に相手歯車と噛み合う歯部が形成され、中心の軸孔の内周が回転軸と回転摺動する焼結歯車であって、全体組成が、Ｃｕ：３〜７質量％、Ｃ：１．５〜３．５質量％、および残部がＦｅおよび不可避不純物からなり、パーライト、もしくはフェライトとパーライトの混合相からなる鉄基地中に銅相と気孔が分散するとともに、前記気孔中に黒鉛が分散する金属組織を呈することを特徴とする。

一般に、焼結歯車に強度を付与するためには、基地を構成するベース金属をＦｅとし、これをＣで強化して鉄基地をパーライト単相、もしくはパーライト相とフェライト相の混合組織として構成する。強度の点から鉄基地はパーライト単相とすることが好ましい。その一方で、パーライト単相とすると回転軸を傷つけて摩耗を促進するおそれがある。そこで、本発明の焼結歯車においては、鉄基地中に軟質な銅相を分散させるとともに、固体潤滑剤として機能する黒鉛相を分散させることで、摺動相手となる回転軸の摩耗を抑制するとともに、回転摺動における摩擦抵抗を低減させる。

なお、強度の点では鉄基地をパーライト単相とすることが好ましいが、Ｃにより強化されないフェライト相との混合組織とすれば、摺動相手となる回転軸の摩耗を抑制することができる。ただしこの場合、フェライト相の量が増加するにしたがい鉄基地の強度が低下するため、鉄基地をフェライト相とパーライト相の混合組織とする場合、フェライト相が基地組織に占める断面面積率で６０％を超えない範囲とする必要がある。

Ｃｕは、ごく一部が鉄基地に固相拡散して鉄基地の強度を向上させるとともに、大部分が銅相として鉄基地中に分散して摺動相手とのなじみ性を向上させる。ここで、全体組成におけるＣｕの量が３質量％に満たないと、摺動相手とのなじみ性向上の効果が乏しくなり、相手材の摩耗が進行し易くなる。その一方で、ＣｕはＦｅに比して高価であり、Ｃｕ量が増加するにしたがい焼結歯車のコストが増加することとなるが、全体組成におけるＣｕ量が７質量％を超えても、添加量の増加、すなわちコストの増加の割になじみ性の向上の効果が乏しいため、上限を７質量％とする。

Ｃは、一部が鉄基地に拡散して上記のようにパーライト相を形成するとともに、残りの部分は、鉄基地中に分散する気孔中に分散して固体潤滑効果を有する黒鉛相として分散する。ここで、全体組成中のＣ量が１．５質量％に満たないと、黒鉛相の量が乏しくなり、摺動相手となる回転軸の摩耗を抑制するとともに、回転摺動における摩擦抵抗を低減させる効果が乏しくなる。その一方で、Ｃ量が増加して黒鉛相の量が増加するにしたがい、焼結合金の強度、すなわち焼結歯車の強度が低下することとなるため、全体組成中のＣ量が３．５質量％を超えると、焼結歯車の強度が著しく低下することとなる。このため、本発明の焼結歯車においては、全体組成中のＣ量を１．５〜３．５質量％とする。

本発明の焼結歯車は、例えば次のようにして製造することができる。すなわち、Ｆｅと不可避不純物からなる純鉄粉末に、Ｃｕと不可避不純物からなる銅粉を３〜７質量％、および黒鉛粉末を１．７〜３．７質量％添加して混合した原料粉末を用いる。原料粉末には、別途、ステアリン酸亜鉛粉末やステアリン酸アルミニウム粉末等の成形潤滑剤粉末を０．５〜１．５質量％程度添加してもよい。

焼結歯車の成形にあたっては、まず、上記の原料粉末を成形金型装置のキャビティに充填する。成形金型装置は、例えば、歯車の外周形状に形成した型孔を有するダイと、歯車の内周面を形成するコアロッドと、ダイの型孔およびコアロッドと摺動自在に嵌合して歯車の下端面を成形する下パンチと、ダイの型孔およびコアロッドと摺動自在に嵌合して歯車の上端面を成形する上パンチとを備え、型孔とコアロッドと下パンチとによりキャビティが形成される構成のものを用いる。このキャビティに原料粉末を充填した後、上パンチと下パンチにより原料粉末を圧縮成形して成形体とした後、この成形体を型孔から抜き出して成形体を取り出す。

次いで、取り出した成形体を、窒素ガスやアンモニア分解ガス等の非酸化性雰囲気中で９５０〜１０３０℃に加熱して焼結する。この加熱（焼結）工程において、純鉄粉末どうし、あるいは純鉄粉末と銅粉末は接触点から固相拡散が進行し、強固に一体となる。このとき、純鉄粉末どうし、あるいは純鉄粉末と銅粉末間の隙間が気孔として形成される。また、この加熱（焼結）工程において、黒鉛粉末の一部は、接触する純鉄粉末へ拡散して鉄基地のパーライト相を形成する。また、黒鉛粉末の一部は、鉄粉末等の表面に吸着する水分等と結合してＣＯガスとして消費される。この結果、焼結体に含有されるＣ量は１．５〜３０５質量％程度となる。そして、黒鉛粉末の残部は、未拡散の黒鉛粉末として気孔中に残留し、気孔中に分散する黒鉛相となる。なお、焼結温度は９５０℃に満たないと焼結の進行（原料粉末どうしの拡散による結合）が乏しく、強度が乏しいものとなる。その一方で、焼結温度が１０３０℃を超えると、鉄基地中に拡散するＣやＣｕ量が過多となって残留する銅相および黒鉛相が乏しくなる。

本発明の焼結歯車によれば、歯車自体が回転軸と回転摺動するため軸受機能を有する。したがって歯車部材の中心に軸受部材を組み込んで製造する必要がなく、よって部品点数およびコストの削減が可能である。また、潤滑油を充填して含油焼結歯車とすることにより、歯部と噛み合う相手歯車との歯面潤滑が可能であり、噛み合い特性（潤滑特性）の向上が図られる。さらに回転軸との潤滑も可能となるため、安定した動作が長期にわたって保持される。

本発明の焼結歯車は、他の歯車との噛み合い駆動に耐え得る強度と、回転軸との回転摺動を円滑に行える良好な摺動特性とを兼ね備えたものである。また、回転軸と摺動する内周のみならず、他の歯車と噛み合う歯面にも銅相および黒鉛相が分散するため、歯車の噛み合い時の摩擦も軽減され、良好な動力伝達を行うことができる。このため、歯車部材と軸受部材を組み合わせた軸受複合歯車を適用することが困難な歯先径が５〜１５ｍｍ程度の微小歯車に好適である。

このようなことから、本発明の焼結歯車は、遊星歯車ユニットの遊星歯車としてきわめて好適である。すなわち本発明の遊星歯車ユニットはこれに基づくものであり、太陽歯車と、前記太陽歯車に噛合する複数の遊星歯車と、前記遊星歯車が噛合する内歯を有する内歯車と、前記遊星歯車を回転可能に支持する回転軸が設けられ、該回転軸を介して該遊星歯車を自転可能に支持するキャリアと、を備え、前記太陽歯車の回転に伴って前記遊星歯車が自転、かつ公転し、該遊星歯車の公転が前記キャリアに伝達して該キャリアが回転する遊星歯車ユニットにおいて、前記遊星歯車として、上記本発明の焼結歯車を用いたことを特徴とする。

本発明の遊星歯車によれば、小型化が可能な本発明の焼結歯車を用いたことにより、遊星歯車ユニット自体を小型化することが可能となる。

本発明の遊星歯車ユニットにおいては、内歯車を、一般的な構造部品用焼結材料であるＪＩＳＺ２５５０に規定された構造用鉄系材料のうちＰ２０５３〜Ｐ２０５５（鉄−銅−炭素系）相当の材料、すなわち、全体組成が、Ｃｕ：１〜３質量％、Ｃ：０．２〜１．０質量％、および残部がＦｅおよび不可避不純物からなり、パーライト基地中に気孔が分散する金属組織を呈する焼結合金で構成したものを含む。このような焼結合金からなる内歯車を用いた場合、本発明の遊星歯車は該内歯車の内歯に対し優れた噛み合い特性（潤滑特性）を発揮する。

本発明の遊星歯車ユニットは、駆動時間が短い機構に用いて好適であり、例えばそのような機構としては、油圧回路内の可動部品と、該可動部品の動力源であるモータとの間に介在される減速機構が挙げられ、具体例としては車両のＡＢＳ(Antilock Brake System)装置等が挙げられる。本発明の焼結歯車は、上記特許文献２，３に記載の歯車部材に比べれば強度が低いものの、この種の減速機構は駆動時間がきわめて短いことから遊星歯車への負荷は小さく、実用上は十分な強度を有するものとなる。

本発明によれば、組み付けによる製造が困難になるという不具合を解消するとともに、相手歯車との噛み合い駆動に耐え得る強度と、回転軸との回転摺動を円滑に行える良好な摺動特性とを兼ね備えた焼結歯車を提供すること、ならびに遊星歯車ユニットの小型化を達成することができるといった効果を奏する。

本発明の一実施形態に係る遊星歯車ユニットの（ａ）：側断面図、（ｂ）：（ａ）において左側のキャリアを外した状態のＢ矢視図である。一実施形態の遊星歯車の（ａ）：正面図、（ｂ）：側断面図である。従来の遊星歯車ユニットの一例を示す（ａ）：側断面図、（ｂ）：（ａ）において左側のキャリアを外した状態のＣ矢視図である。

以下、図面を参照して本発明の一実施形態を説明する。
［１］遊星歯車ユニットの構成
図１（ａ）は一実施形態の遊星歯車ユニット１を示しており、図１（ｂ）は（ａ）において左側のキャリア５０を外した状態のＢ矢視図である。この遊星歯車ユニット１は、太陽歯車（相手歯車）１０および太陽歯車１０の周囲に配設され太陽歯車１０に噛合する複数（この場合３つ）の遊星歯車２０と、各遊星歯車２０が噛合する内歯３１を有する環状の内歯車（相手歯車）３０と、軸方向両側に内歯車３０の内部を覆って配設される一対の円板状のキャリア４０，５０とを備えている。この遊星歯車ユニット１は、内歯車３０が固定状態とされ、太陽歯車１０が回転駆動されるとともにキャリア４０，５０が従動回転するプラネタリ型である。

太陽歯車１０の中心には、図示せぬ入力軸（モータ等の駆動軸）が同軸的に嵌合されるＤカット状の入力軸嵌合孔１１が形成されており、太陽歯車１０は該入力軸によって回転駆動される。入力軸は、図１（ａ）の左側のキャリア５０の中心に形成された孔５１を通して太陽歯車１０の入力軸嵌合孔１１に嵌合される。遊星歯車２０の外周には、太陽歯車１０および内歯車３０の内歯３１に噛合する多数の歯列からなる歯部２１が形成されている。複数の遊星歯車２０は、太陽歯車１０に対し同心状、かつ周方向に等間隔に配設され、また、内歯車３０およびキャリア４０も太陽歯車１０に対し同軸的に配設されている。

各キャリア４０，５０の互いの対向面である各内面には、遊星歯車２０の回転軸２３が挿入される軸受凹所４２，５２が、それぞれ遊星歯車２０に対応する箇所に形成されている。回転軸２３は、遊星歯車２０の中心に形成された軸孔２２に貫通され、遊星歯車２０は回転軸２３を軸に回転する。回転軸２３は、その両端が各軸受凹所４２，５２にそれぞれ挿入され、これらキャリア４０，５０に挟持された状態で支持されている。各回転軸２３には遊星歯車２０が回転可能にそれぞれ装着されており、遊星歯車２０は内周すなわち軸孔２２の内周面が回転軸２３に対し摺動回転する。

図１（ａ）の右側のキャリア４０の中心には出力軸嵌合孔４１が形成されており、この出力軸嵌合孔４１に図示せぬ出力軸が嵌合して固定される。キャリア４０の内面における各軸受凹所４２の周方向の間には、遊星歯車２０と内歯車３０とに囲まれたボス部４３が周方向に沿ってそれぞれ形成されており、これらボス部４３の先端面にはピン４４が形成されている。ピン４４は、キャリア５０に形成された固定孔５４に挿入される。そして、その固定孔５４から突出するピン４４の先端部を打圧して潰し固定孔５４を塞ぐ加工がなされることにより、キャリア４０，５０は相互に固定される。

この組み立て状態で、太陽歯車１０および各遊星歯車２０は、内歯車３０とキャリア４０，５０で囲まれる空間に収容される。そして、各遊星歯車２０は回転軸２３を介してキャリア４０，５０に回転可能に支持され、かつ歯部２１が太陽歯車１０および内歯車３０の内歯３１に噛合する。

内歯車３０は所定の固定部に固定され、キャリア４０，５０は内歯車３０に対して回転可能であり、キャリア４０，５０の回転とともに、キャリア４０，５０に固定される出力軸が回転する構成となっている。

［２］遊星歯車ユニットの動作
上記構成を有する遊星歯車ユニット１は、入力軸によって太陽歯車１０が回転駆動されると、遊星歯車２０が自転、かつ自転方向と逆方向に太陽歯車１０の周囲を公転し、遊星歯車２０の公転が回転軸２３からキャリア４０，５０に伝達する。これによりキャリア４０に固定された出力軸が太陽歯車１０と同じ方向に回転する。太陽歯車１０の回転が遊星歯車２０の公転に変位する段階で太陽歯車１０の回転は所定比率で減速され、出力軸は太陽歯車１０よりも減速して回転する。

［３］遊星歯車
図２は、上記遊星歯車２０を示している。この遊星歯車２０は、焼結歯車であって、上記のように外周に相手歯車すなわち太陽歯車１０および内歯車３０と噛み合う歯部２１が形成されている。遊星歯車２０の中心には、回転軸２３が貫通し、該回転軸２３に内周面が回転摺動する軸孔２２が形成されている。

この遊星歯車２０は、全体組成が、Ｃｕ：３〜７質量％、Ｃ：１．５〜３．５質量％、および残部がＦｅおよび不可避不純物からなり、パーライト、もしくはフェライトとパーライトの混合相からなる鉄基地中に銅相と気孔が分散するとともに、その気孔中に黒鉛が分散する金属組織を呈する焼結合金によって構成された焼結歯車である。

本実施形態の遊星歯車２０によれば、歯車２１自体が回転軸２３と回転摺動するため、軸受機能を有する。したがって従来のように歯車部材の中心に軸受部材を組み込んで製造する必要がなく、よって部品点数およびコストの削減が可能である。また、潤滑油を充填して含油焼結歯車とすることにより、歯部２１と噛み合う太陽歯車１０および内歯３１との歯面潤滑が可能となり、噛み合い特性（潤滑特性）の向上が図られる。さらに回転軸２３との潤滑およびキャリア４０，５０の内面との潤滑も可能となるため、安定した動作が長期にわたって保持される。

本実施形態の遊星歯車ユニット１は、例えば車両のＡＢＳ装置等の、油圧回路内の可動部品と、該可動部品の動力源であるモータとの間に介在される減速機構等に好適に用いられる。この種の減速機構は駆動時間がきわめて短いことから遊星歯車２０への負荷は小さく、実用上は十分な強度を有するものとなる。

遊星歯車２０のサイズは任意であるが、例えば、歯先径が５〜１５ｍｍといった微小な歯車であっても、焼結によって製造が可能である。したがって遊星歯車ユニット１の小型化もこれに伴って可能である。

なお、本実施形態では、遊星歯車２０とともに内歯車３０を焼結合金で構成することができる。具体的には、全体組成が、Ｃｕ：１〜３質量％、Ｃ：０．２〜１．０質量％、および残部がＦｅおよび不可避不純物からなり、パーライト基地中に気孔が分散する金属組織を呈する焼結合金で内歯車３０を構成する。これによると、内歯車３０の遊星歯車２０との噛み合い特性（潤滑特性）が優れたものとなるため、好ましい。

次に、本発明および本発明以外の試料を作製して本発明の効果を実証する実施例を説明する。

純鉄粉末に銅粉末および黒鉛粉末を添加量を変えて添加、混合した原料粉末を、歯車形状に成形し、非酸化性雰囲気中１０００℃で焼結して、表１に示す試料番号０１〜１１の焼結歯車（歯先径９ｍｍ、内径２ｍｍ、歯数１８枚）を作製した。得られた焼結歯車を遊星歯車として用い、図１に示した構成の遊星歯車ユニットを組み立てた。内歯車はＦｅ−１．５質量％Ｃｕ−０．８質量％Ｃの組成であって、パーライト基地中に気孔が分散する金属組織を呈する焼結合金により作製した。組み立てた遊星歯車ユニットについて、３００時間の連続駆動試験を行い、その後、遊星歯車ユニットを分解して遊星歯車を観察し、評価を行った。その結果を表１に示す。

表１によれば、本発明に該当する試料番号０３，０４，０７〜１０の焼結歯車は、摩耗が少なく、歯欠け等の発生もなく健全な状態を保持していた。一方、本発明以外のものは耐摩耗性に劣り、歯欠けも発生していた。よって本発明の優位性が実証された。

１…遊星歯車ユニット
１０…太陽歯車（相手歯車）
２０…遊星歯車（焼結歯車）
２１…歯部
２２…軸孔
２３…回転軸
３０…内歯車（相手歯車）
３１…内歯
４０，５０…キャリア

Claims

太陽歯車と、
前記太陽歯車に噛合する複数の遊星歯車と、
前記遊星歯車が噛合する内歯を有する内歯車と、
前記遊星歯車を回転可能に支持する回転軸が設けられ、該回転軸を介して該遊星歯車を自転可能に支持するキャリアと、
を備え、
前記太陽歯車の回転に伴って前記遊星歯車が自転、かつ公転し、該遊星歯車の公転が前記キャリアに伝達して該キャリアが回転する遊星歯車ユニットにおいて、
前記遊星歯車として、全体組成が、Ｃｕ：３〜７質量％、Ｃ：１．５〜３．５質量％、および残部がＦｅおよび不可避不純物からなり、パーライト、もしくはフェライトとパーライトの混合相からなる鉄基地中に銅相と気孔が分散するとともに、前記気孔中に黒鉛が分散する金属組織を呈する焼結歯車を用い、
前記内歯車が、全体組成が、Ｃｕ：１〜３質量％、Ｃ：０．２〜１．０質量％、および残部がＦｅおよび不可避不純物からなり、パーライト基地中に気孔が分散する金属組織を呈することを特徴とする遊星歯車ユニット。
前記遊星歯車の歯先径が５〜１５ｍｍであることを特徴とする請求項１に記載の遊星歯車ユニット。
油圧回路内の可動部品と、該可動部品の動力源であるモータとの間に介在される減速機構に用いられることを特徴とする請求項１または２に記載の遊星歯車ユニット。