JP6276983B2 - 歯面強度評価方法 - Google Patents
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Description
本発明は、一対の試験歯車のうちの一方を駆動歯車とし且つ他方を従動歯車として両者を噛み合わせ、駆動歯車に任意のトルクを与えて連続運転することで耐久実験を行い、夫々の試験歯車の歯面強度を評価するようにした歯面強度評価方法に関するものである。
動力伝達用歯車は、自動車のトランスミッションなどに欠くことのできない基幹要素であり、軽量・コンパクトで必要な動力を長期間壊れずに伝えられることが重要である。この種の歯車の損傷については、歯元の折損、歯面の焼き付き、歯面の剥離の三つに大まかに分類できるが、これら三つの損傷は、夫々発生するメカニズムが異なるため、歯車を設計する際は、各々の損傷に対する強度を検討し、その使用条件についても考慮して最も早く起きると予想される損傷の発生時期が歯車の要求寿命を上回るようにしなければならない。
近年においては、動力伝達用歯車の寿命は、歯面強度、即ちピッチングやスポーリングと呼ばれる歯面が剥離する損傷に対する強度に支配されるようになってきているのが実情である。これは、材料や熱処理の改良及びショットピーニングの採用などにより歯元の折損に対する強度が向上したこと、潤滑油の性能が向上したことにより通常の運転条件では歯面の焼き付きが発生しなくなったことなどが要因となっている。
このため、動力伝達用歯車の強度を扱う上で歯面強度の評価が重要となってきているが、一般的に、歯車の損傷は、歯車に作用した外力が歯車の機械的強度を上回る条件で運転されることにより発生するため、歯車を設計する際には、その機械的強度を正確に把握する必要がある。
歯車の機械的強度は、材料、熱処理及び表面改質など多くの要因の影響を受けるため、これらの要因を変化させた試験歯車を用いて実際に耐久実験を行うことで評価するようにしており、通常、この種の耐久実験には、歯車に任意のトルクを負荷して連続運転ができる試験装置を使用し、試験歯車の歯面に損傷が発生するまで運転を継続して前記耐久実験を実施するようにしている。
ここで、従来の歯面強度評価方法においては、耐久実験中に歯面の剥離損傷より先に歯元の折損が発生して歯面強度を評価できない事態を避けるため、試験歯車の歯幅を狭めて相手側の歯面と当たる面積を小さくすることにより面圧（ヘルツ圧力：曲面をなす二物体の表面が互いに押し付けられた際に接触点に働く大きな集中応力［接触応力とも言う］）を上げ、歯面に剥離損傷が起き易くなるように誘導して耐久実験を行うようにしており、また、歯面精度の影響による実験結果のバラツキを低減するため、試験歯車の歯面を精度良く仕上げるようにしている。
尚、この種の歯面強度の評価方法に関連する先行技術文献情報としては、本発明と同じ出願人による下記の特許文献１などがある。
しかしながら、試験歯車の歯幅を実際より狭めて試験を行うと、潤滑油による歯面の冷却性が向上して歯面の油膜形成が有利となる結果、実機で使われる際の潤滑条件との違いが大きくなる。しかも、大量生産される歯車では生産性やコストの観点から歯面精度の公差をそれほど厳しくすることができず、加工時の軸の振れや熱処理歪みなどに起因して一つの歯車内の各歯で歯面精度のバラツキが生じてしまうことが避けられないのに対し、歯面精度の影響による実験結果のバラツキを低減するために試験歯車の歯面を精度良く仕上げてしまうと、実機で使われる歯車の歯面精度との違いが大きくなってしまう。このため、試験歯車の耐久実験により得られた強度評価の結果が、実機に適用される歯車の強度と整合しない虞れがあった。
本発明は上述の実情に鑑みてなしたもので、実機との整合性が高い強度評価の結果が得られる歯面強度評価方法を提供することを目的とする。
本発明は、一対の試験歯車のうちの一方を駆動歯車とし且つ他方を従動歯車として両者を噛み合わせ、駆動歯車に任意のトルクを与えて連続運転することで耐久実験を行い、夫々の試験歯車の歯面強度を評価するにあたり、一つの歯車内の全歯の歯すじ精度に意図的にバラツキを与えた試験歯車を用いて量産歯車と近似した噛み合い状態を再現し、同等のバラツキを再現した試験歯車により試験条件を変えながら耐久実験を繰り返して各試験歯車の歯面強度を評価するようにした歯面強度評価方法であって、設計時の歯すじ形状の基準に対し歯すじ方向の片側に向け徐々に大きくなる第一歯すじ誤差を付与し且つ該第一歯すじ誤差に対し前記歯すじ方向の片側に向け徐々に大きくなる第二歯すじ誤差を加算又は減算した範囲内でバラツキが存在するように歯すじ形状を設定することを特徴とするものである。
而して、このように一つの試験歯車内の全歯の歯すじ精度にバラツキを与えて耐久実験を行えば、各歯面でヘルツ圧力分布が不均一となり、歯面のヘルツ圧力が高い噛み合い状態となって歯面の剥離損傷が起き易くなるので、試験歯車の歯幅を実際より狭めなくても歯面に剥離損傷が起き易くなるように誘導することが可能となり、実機で使われる際と同じ潤滑条件で耐久実験を行うことが可能となる。
しかも、試験歯車の全歯の歯すじ精度に意図的にバラツキを与えることで量産歯車と近似した噛み合い状態を再現する一方、同等のバラツキを再現した試験歯車により試験条件を変えながら耐久実験を繰り返すことで歯面精度の影響による実験結果のバラツキを低減することが可能となる。
更に、本発明においては、駆動歯車の歯幅を従動歯車より広くし且つ該駆動歯車の歯幅両端部にエンドリリーフを付して従動歯車と噛み合わせると良い。
上記した本発明の歯面強度評価方法によれば、試験歯車の歯幅を実際より狭めなくても歯面に剥離損傷が起き易くなるように誘導することができて、実機で使われる際と同じ潤滑条件で耐久実験を行うことができ、しかも、量産歯車と近似した噛み合い状態を再現しながらも歯面精度の影響による実験結果のバラツキを低減することができるので、実機との整合性が高い強度評価の結果を得ることができるという優れた効果を奏し得る。
以下本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。
図１〜図４は本発明を実施する形態の一例を示すもので、本形態例の歯面強度評価方法においては、一対の試験歯車のうちの一方を駆動歯車とし且つ他方を従動歯車として両者を噛み合わせ、駆動歯車に任意のトルクを与えて連続運転することで耐久実験を行い、夫々の試験歯車の歯面強度を評価するようにしている。
図１に示している通り、一つの歯車内の全歯２の歯すじ方向（図１中の歯車の歯の幅方向）における精度（歯すじ精度）に意図的にバラツキを与えた試験歯車１を用いて量産歯車と近似した噛み合い状態を再現し、同等のバラツキを再現した試験歯車１により試験条件を変えながら耐久実験を繰り返して各試験歯車１の歯面強度を評価する。
例えば、図２に示すように、設計時の歯すじ形状の基準Ｏに対し歯すじ方向の片側（図２中の右側）に向け徐々に大きくなる第一歯すじ誤差Ｍ（図２中のＭは歯すじ方向の片側での最大値について示している）を付与し且つ該第一歯すじ誤差Ｍに対し前記歯すじ方向の片側に向け徐々に大きくなる第二歯すじ誤差Ｒ（図２中のＲは歯すじ方向の片側での最大値について示している）を加算又は減算した範囲内でバラツキが存在するように歯すじ形状を設定する。
以下に詳述する具体的な実験例では、下記の表１に示す如き諸元のトランスミッション用はすば歯車を試験歯車１とし、駆動歯車側の第一歯すじ誤差Ｍを０μｍとし且つ第二歯すじ誤差Ｒを歯すじ方向の片側で最大値３３μｍをとるように反対側の０μｍから徐々に大きくする一方、従動歯車側の第一歯すじ誤差Ｍを歯すじ方向の片側で最大値２０μｍをとるように反対側の０μｍから徐々に大きくし且つ第二歯すじ誤差Ｒを歯すじ方向の片側で最大値７μｍをとるように反対側の０μｍから徐々に大きくしている。
このようにして作製した駆動歯車と従動歯車について歯すじ形状を測定した例を図３に示すと、駆動歯車の３４個の歯２のうちで代表的な８個を等分して抜き出した歯すじ形状は図３の右側に示す如きものとなり、従動歯車の３１個の歯２のうちで代表的な８個を等分して抜き出した歯すじ形状は図３の左側に示す如きものとなる。
ここで、駆動歯車は、その歯幅を従動歯車より広くし且つ歯幅両端部にエンドリリーフを付して従動歯車と噛み合わされるようにしてあり、大きな歯すじ誤差がある場合でも歯すじ端でエッジ当たりが生じないようになっている。尚、歯形方向（図１中の歯車の歯の高さ方向）には適切な量の歯先修整を施し、歯先修整部以外の歯形については高精度に仕上げてある。
そして、前述した諸元の試験歯車１を用いて、下記の表２に示す如き材質と熱処理が異なる三種類の試験歯車１を作製して強度評価を行い、評価条件１が基準条件で、評価条件２及び評価条件３に示す材質・熱処理を用いた場合に、基準条件に対して歯面強度がどのように変化するかを評価している。
ここで、実験には動力循環式歯車試験機を用い、試験歯車１の回転数（従動側）は１５００ｒｐｍとし、更に、潤滑にはマニュアルトランスミッション油（８０Ｗ−９０、ＧＬ５）を用い、油温９０±２℃、吹き付け油量１．２ｌ／ｍｉｎで歯車の噛み込み側から強制給油するようにした。
本実施例では、実験に用いた全ての試験歯車１の全歯２について、歯車精度測定機で歯面形状の測定を行ない、この結果をデジタル信号処理して歯面の形状誤差を数値行列として表し、これらの歯面形状データを用いて、駆動歯車、従動歯車の全歯２を組み合せた１０５４個（３４×３１、本形態例における試験歯車１の歯数比は割り切れないため、全歯２の組合せが噛み合う）の歯面についてヘルツ圧力分布を計算した。
尚、一つの歯車内の各歯で歯すじ誤差にバラツキがある場合については、噛み合い中における歯面の累積被害度とヘルツ圧力の変動を考慮した補正ヘルツ圧力ＰHCを用いると、一つの歯車内の各歯で歯すじ誤差にバラツキがある場合の歯面強度を評価できることが本発明者により既に見いだされている（吉崎正敏“各歯の歯すじ精度ばらつきがトランスミッション歯車の歯面強度に及ぼす影響”日本機械学会論文集［Ｃ編］７７巻７８３号［2011-11］ pp. 4274-4287）。
この補正ヘルツ圧力ＰHCとは、下記の式（１）により定義されるものである。
［数１］
ＰHC＝ＰHdm・ＣＶn…（１）
ＰHdm：累積被害評価ヘルツ圧力の最大値
ＣＶ：変動係数
ｎ：実験から得られた定数
［数１］
ＰHC＝ＰHdm・ＣＶn…（１）
ＰHdm：累積被害評価ヘルツ圧力の最大値
ＣＶ：変動係数
ｎ：実験から得られた定数
ここで、累積被害評価ヘルツ圧力ＰHdmとは、各歯面の累積被害度を考慮して計算した等価ヘルツ圧力のことを指し、また、変動係数ＣＶとは、全歯を組み合せた歯面から得られる評価ヘルツ圧力ＰHmeanの標準偏差をＳ（ＰHmean）、同じく算術平均値をＥ（ＰHmean）とした時に、下記の式（２）で定義されるものである。
［数２］
ＣＶ＝Ｓ（ＰHmean）／Ｅ（ＰHmean）・１００…（２）
［数２］
ＣＶ＝Ｓ（ＰHmean）／Ｅ（ＰHmean）・１００…（２）
尚、累積被害評価ヘルツ圧力ＰHdmの詳細な計算方法などについては、前述の本発明者による日本機械学会論文集にて説明されている通りである。
図４のグラフは、負荷トルクを変化させて複数回の耐久実験を実施した結果を示しており、図４のグラフの縦軸は歯面に作用する補正ヘルツ圧力ＰHC、横軸は歯面に損傷が発生した時の歯車総回転数Ｎfとなっていて、一般的にはＳＮ線図と呼ばれているものである。
この種のＳＮ線図は、機械要素の疲労強度などを評価する際に用いられるもので、評価条件１（基準）に対して、評価条件２は歯面強度が低いことが定量的に判る。また、評価条件３は評価条件１（基準）に対して高ヘルツ圧領域では歯面強度の差異は小さいが、低ヘルツ圧領域で歯面強度が高くなることが判る。
而して、このように一つの試験歯車１内の全歯２の歯すじ精度にバラツキを与えて耐久実験を行えば、各歯面でヘルツ圧力分布が不均一となり、歯面のヘルツ圧力が高い噛み合い状態となって歯面の剥離損傷が起き易くなるので、試験歯車１の歯幅を実際より狭めなくても歯面に剥離損傷が起き易くなるように誘導することが可能となり、実機で使われる際と同じ潤滑条件で耐久実験を行うことが可能となる。
しかも、試験歯車１の全歯２の歯すじ精度に意図的にバラツキを与えることで量産歯車と近似した噛み合い状態を再現する一方、同等のバラツキを再現した試験歯車１により試験条件を変えながら耐久実験を繰り返すことで歯面精度の影響による実験結果のバラツキを低減することが可能となる。
従って、上記形態例によれば、試験歯車１の歯幅を実際より狭めなくても歯面に剥離損傷が起き易くなるように誘導することができて、実機で使われる際と同じ潤滑条件で耐久実験を行うことができ、しかも、量産歯車と近似した噛み合い状態を再現しながらも歯面精度の影響による実験結果のバラツキを低減することができるので、実機との整合性が高い強度評価の結果を得ることができる。
尚、本発明の歯面強度評価方法は、上述の形態例にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。
１ 試験歯車
２ 歯
２ 歯
Claims (2)
- 一対の試験歯車のうちの一方を駆動歯車とし且つ他方を従動歯車として両者を噛み合わせ、駆動歯車に任意のトルクを与えて連続運転することで耐久実験を行い、夫々の試験歯車の歯面強度を評価するにあたり、一つの歯車内の全歯の歯すじ精度に意図的にバラツキを与えた試験歯車を用いて量産歯車と近似した噛み合い状態を再現し、同等のバラツキを再現した試験歯車により試験条件を変えながら耐久実験を繰り返して各試験歯車の歯面強度を評価するようにした歯面強度評価方法であって、設計時の歯すじ形状の基準に対し歯すじ方向の片側に向け徐々に大きくなる第一歯すじ誤差を付与し且つ該第一歯すじ誤差に対し前記歯すじ方向の片側に向け徐々に大きくなる第二歯すじ誤差を加算又は減算した範囲内でバラツキが存在するように歯すじ形状を設定することを特徴とする歯面強度評価方法。
- 駆動歯車の歯幅を従動歯車より広くし且つ該駆動歯車の歯幅両端部にエンドリリーフを付して従動歯車と噛み合わせることを特徴とする請求項１に記載の歯面強度評価方法。
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