JP6502608B2 - 被溶接部材、ギヤ、及び、トランスミッションギヤ - Google Patents

Description

本発明は、被溶接部材、ギヤ、及び、トランスミッションギヤに関する。

従来から、溶接方法の一つとして、真空中でフィラメントを加熱することにより放出される熱電子を高電圧で加速させてビームとし、この高速の電子ビームを電磁レンズで絞って母材（被溶接部材）に衝突させ、その際に生じる衝撃発熱を利用して溶接を行う電子ビーム溶接（ＥＢＷ：Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｂｅａｍ Ｗｅｌｄｉｎｇ）が知られている。この電子ビーム溶接は、他の溶接方法と比較して、被溶接部材に狭い範囲で深い箇所まで溶接を行うことができるという特徴を有している。

ここで、特許文献１には、メインギヤにシンクロ用のクラッチギヤを挿入して、電子ビーム溶接により一体化する変速機用歯車の製造方法が開示されている。より詳細には、この製造方法によれば、まず、メインギヤの外周接合面にクラッチギヤが挿入され、その後、該外周接合面から垂直に立ち上がるメインギヤの当接面とクラッチギヤの背側接合面とが電子ビーム溶接で溶接され、クラッチギヤがメインギヤと一体化される。

特開２００４−１１８１６号公報

ところで、上記変速機用歯車（メインギヤ）の溶接部では、電子ビームの入射方向に隅部（上記外周接合面と当接面とが交わる部位）があるため、メインギヤの逃げ形状部（隅Ｒ部）に電子ビーム溶接の熱影響が及ぶことが有り得る。その場合、逃げ形状である隅Ｒ部が熱によって変形することにより、当該部位が応力集中部位となるおそれがある。

特に、変速機用歯車では、トルク伝達強度を満足するだけの溶接深さが必要となるが、例えば、レイアウトや製造上の要件等から溶接可能範囲（溶接深さ）に余裕がない場合、電子ビーム溶接の溶接深さばらつきによって電子ビーム溶接の熱影響が隅Ｒ部にかかるおそれがある。このような場合、高応力発生部位である隅Ｒ部が電子ビーム溶接の熱影響によって変形して応力集中部位となり、該変形部位を起点にして破損が発生することが懸念される。

本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、隅部が電子ビーム溶接による熱影響を受けたとしても、当該隅部への応力集中を緩和することが可能な被溶接部材、ギヤ、及び、トランスミッションギヤを提供することを目的とする。

本発明に係る被溶接部材は、電子ビーム溶接時に照射される電子ビームの入射方向に隅部を有する被溶接部材であって、隅部が、電子ビームの入射方向に窪んだ逃げ部と、逃げ部から連続して凹状に湾曲するように形成された応力集中緩和部とを有していることを特徴とする。

本発明に係る被溶接部材によれば、被溶接部材の隅部が、逃げ部と応力集中緩和部とを含む段付き形状とされているため、電子ビーム溶接時に、逃げ部が電子ビームによる熱影響を受けたとしても、その熱影響が応力集中緩和部に及ぶことを防止することができる。よって、当該被溶接部材が、溶接された後に機器に組み込まれて使用される際に、凹状に湾曲するように形成された応力集中緩和部によって、高応力が隅部（逃げ部）に集中することを防止することができる。その結果、隅部（逃げ部）が電子ビーム溶接による熱影響を受けたとしても、当該隅部（逃げ部）への応力集中を緩和することが可能となる。

本発明に係るギヤは、電子ビーム溶接時に照射される電子ビームの入射方向に隅部を有するギヤであって、隅部が、電子ビームの入射方向に窪んだ逃げ部と、逃げ部から連続して凹状に湾曲するように形成された応力集中緩和部とを有していることを特徴とする。

本発明に係るギヤによれば、ギヤの隅部が、逃げ部と応力集中緩和部とを含む段付き形状とされているため、電子ビーム溶接時に、逃げ部が電子ビームによる熱影響を受けたとしても、その熱影響が応力集中緩和部に及ぶことを防止することができる。よって、当該ギヤが、溶接された後、機器に組み込まれて使用される際に、凹状に湾曲するように形成された応力集中緩和部によって、高応力が隅部（逃げ部）に集中することを防止することができる。その結果、隅部（逃げ部）が電子ビーム溶接による熱影響を受けたとしても、当該隅部（逃げ部）への応力集中を緩和することが可能となる。

本発明に係るギヤでは、逃げ部が、円弧状に形成され、応力集中緩和部が、逃げ部から滑らかに連続するように形成されていることが好ましい。このようにすれば、逃げ部及び応力集中緩和部の加工を比較的簡易に行うことができる。すなわち、逃げ部及び応力集中緩和部それぞれの機能を効果的に発揮できる形状を比較的簡易に形成することができる。

本発明に係るギヤでは、応力集中緩和部が、逃げ部よりも電子ビームの入射方向に対して深く形成されていることが好ましい。このようにすれば、隅部（逃げ部）が電子ビーム溶接の熱影響を受け、例えば変形したとしても、該隅部（逃げ部）への応力集中をより効果的に緩和することが可能となる。

本発明に係るトランスミッションギヤは、上記いずれかのギヤと、該ギヤと電子ビーム溶接により一体化されたカップリングとを備えることを特徴とする。

本発明に係るトランスミッションギヤによれば、上記いずれかのギヤとカップリングとが電子ビーム溶接により一体化されている。よって、上述したように、ギヤとカップリングとが電子ビーム溶接される際に、該ギヤの隅部（逃げ部）が電子ビーム溶接による熱影響を受けたとしても、当該トランスミッションギヤがトランスミッションに組み込まれて使用される際に、ギヤの隅部（逃げ部）への応力集中を緩和することが可能となる。

本発明によれば、隅部が電子ビーム溶接による熱影響を受けたとしても、当該隅部への応力集中を緩和することが可能となる。

実施形態に係るトランスミッションギヤの構成を示す断面図である。 実施形態に係るトランスミッションギヤ（メインギヤ）の隅部の強度解析結果を示す図である。 比較例に係る（従来形状の隅Ｒ部を有する）トランスミッションギヤの構成を示す断面図である。 比較例に係る（従来形状の隅Ｒ部を有する）トランスミッションギヤの耐久試験後の溶接部の状態（耐久試験結果）を示す図である。 比較例に係る（従来形状の隅Ｒ部を有する）トランスミッションギヤの他の耐久試験後の溶接部の状態（耐久試験結果）を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図中、同一又は相当部分には同一符号を用いることとする。また、各図において、同一要素には同一符号を付して重複する説明を省略する。なお、ここでは、被溶接部材として、自動車のマニュアルトランスミッションに用いられるトランスミッションギヤ（メインギヤ）を例にして説明する。

まず、図１を用いて、実施形態に係るトランスミッションギヤ１の構成について説明する。図１は、トランスミッションギヤ１の構成を示す断面図である。

上述したように、トランスミッションギヤ１は、自動車のマニュアルトランスミッションに用いられるギヤであり、ギヤ（以下「メインギヤ」という）１０、及び、メインギヤ１０と電子ビーム溶接により一体化されたカップリング（以下「クラッチギヤ」という）２０を備える。

メインギヤ１０は、軸心方向に所定の厚みを持ち、外周部に歯部１４を有する円盤状の本体部１５と、本体部１５から軸心方向に突出する円筒状の円筒部１６とを備えている。メインギヤ１０には、軸心方向に貫通する軸孔１７が形成されており、トランスミッションに組み込まれる際には、該軸孔１７にメインシャフトが挿入される。

クラッチギヤ２０は、外周部にスプライン２１が形成された本体部２２と、本体部２２から軸心方向へ突出されたコーン部２３とを有している。クラッチギヤ２０には、メインギヤ１０の円筒部１６に外嵌可能な貫通孔が形成されている。

メインギヤ１０とクラッチギヤ２０とを溶接する際には、まず、メインギヤ１０の円筒部１６にクラッチギヤ２０が嵌め込まれる。そして、メインギヤ１０の軸心方向と平行な方向（図１中の入射方向ＥＢ）から電子ビームが入射され、メインギヤ１０の円筒部１６の外周面と、クラッチギヤ２０の本体部２２（貫通孔）の内周面との接合面（溶接部）が全周にわたって溶接される。このようにして、メインギヤ１０とクラッチギヤ２０とが電子ビーム溶接により一体化される。

上述したように、メインギヤ１０とクラッチギヤ２０とを電子ビーム溶接する際には、メインギヤ１０の軸心方向と平行な入射方向ＥＢから電子ビームが入射される。そのため、電子ビームの入射方向ＥＢの前方には、メインギヤ１０の本体部１５の側面と円筒部１６の外周面とによって画成される隅部（以下「隅Ｒ部」ともいう）１３が位置する。なお、該隅Ｒ部１３は、トランスミッションに組み込まれて使用される際に、応力が集中する部位となる。

ここで、メインギヤ１０の隅Ｒ部１３について説明する。図１の円内に拡大して示されるように、隅Ｒ部１３は、段付き形状に形成されている。すなわち、隅Ｒ部１３は、電子ビームの入射方向ＥＢに円弧状に窪んだ逃げ部１１と、逃げ部１１から滑らかに連続して凹状に湾曲するように形成された応力集中緩和部１２とを有して構成されている。

また、応力集中緩和部１２は、逃げ部１１よりも、電子ビームの入射方向ＥＢ（軸心方向と同じ）に対して深く、すなわちＲの径が大きく形成されている。なお、図１では断面を示したが、隅Ｒ部１３は、円筒部１６の外縁に沿って、該円筒部１６の全周にわたって形成されている。

隅Ｒ部１３が上述したような構成（段付き形状）を有することにより、電子ビーム溶接時に、電子ビームの入射方向ＥＢにある逃げ部１１が電子ビームによる熱影響を受けたとしても、その熱影響が応力集中緩和部１２に及ぶことが防止される。よって、当該メインギヤ１０が、クラッチギヤ２０と溶接され、トランスミッションに組み込まれて使用される際に、凹状に湾曲するように形成された応力集中緩和部１２によって、高応力が隅Ｒ部１３（逃げ部１１）に集中することが防止される。その結果、隅Ｒ部１３（逃げ部１１）が電子ビーム溶接による熱影響を受けたとしても、当該隅Ｒ部１３（逃げ部１１）への応力集中が緩和される。

続いて、隅Ｒ部１３を、逃げ部１１と応力集中緩和部１２からなる段付き形状としたことの効果を確認するために、隅Ｒ部１３の強度解析を行った。より詳細には、電子ビーム溶接の熱影響により隅Ｒ部１３の逃げ部１１が埋まった場合を想定し、該逃げ部１１を埋めて、従来（すなわち、応力集中緩和部１２を有しない場合）であれば応力が集中しやすくなる形状を模擬して強度解析を行った。その解析結果を図２に示す。ここで、図２は、トランスミッションギヤ１（メインギヤ１０）の隅Ｒ部１３の強度解析結果を示す図である。なお、図２中の濃淡は作用する応力の強さを示し、色が濃いほど応力が強いことを示している。

図２に示されるように、応力集中緩和部１２のＲ部で応力が分散されて緩和されるため、埋まった逃げ部１１に高い応力が集中しないことが確認された。よって、電子ビーム溶接の熱影響により隅Ｒ部１３の逃げ部１１が埋められたとしても、隅Ｒ部１３（逃げ部１１）に応力が集中することを緩和できることが確認された。

なお、比較例として、図３に示された従来の隅Ｒ部（すなわち段付き形状ではない隅Ｒ部）１１３を有するメインギヤ１１０とクラッチギヤ２０とを電子ビーム溶接したトランスミッションギヤ１００について耐久試験を行った。その試験結果を図４及び図５に示す。ここで、図３は、比較例に係る（従来形状の隅Ｒ部１１３を有する）トランスミッションギヤ１００の構成を示す断面図である。図４は、比較例に係る（従来形状の隅Ｒ部１１３を有する）トランスミッションギヤ１００の耐久試験後の溶接部の状態（耐久試験結果）を示す図である。また、図５は、比較例に係る（従来形状の隅Ｒ部１１３を有する）トランスミッションギヤ１００の他の耐久試験後の溶接部の状態（耐久試験結果）を示す図である。

図４に示されるように、比較例に係る（従来形状の隅Ｒ部１１３を有する）トランスミッションギヤ１００では、電子ビーム溶接の熱影響により隅Ｒ部１１３が変形して異常形状（突起形状）が生じ、該異常形状が応力集中部位となりクラックが発生した。また、図５に示されるように、比較例に係る（従来形状の隅Ｒ部１１３を有する）トランスミッションギヤ１００では、電子ビーム溶接の熱影響により隅Ｒ部１１３が略埋まってしまい、その部位を起点にクラックが発生した。

以上のように、本実施形態に係るメインギヤ１０によれば、隅Ｒ部１３を、逃げ部１１及び応力集中緩和部１２からなる段付き形状とすることにより、電子ビーム溶接による熱影響によって逃げ部１１が変形した場合であっても、応力集中緩和部１２のＲ部で応力が分散されて緩和されるため、逃げ部１１に高い応力が集中しないことが確認された。

以上、説明したように、本実施形態に係るメインギヤ１０（被溶接部材）によれば、メインギヤ１０の隅部１３が、逃げ部１１及び応力集中緩和部１２を含む段付き形状とされているため、電子ビーム溶接時に、逃げ部１１が電子ビームによる熱影響を受けたとしても、その熱影響が応力集中緩和部１２に及ぶことを防止することができる。よって、該メインギヤ１０が、クラッチギヤ２０と溶接され、トランスミッションに組み込まれて使用される際に、凹状に湾曲するように形成された応力集中緩和部１２によって、高応力が隅部１３（逃げ部１１）に集中することを防止することができる。その結果、隅部１３（逃げ部１１）が電子ビーム溶接による熱影響を受けたとしても、当該隅部１３（逃げ部１１）への応力集中を緩和することが可能となる。

特に、本実施形態に係るメインギヤ１０では、応力集中緩和部１２が、逃げ部１１よりも電子ビームの入射方向ＥＢ（軸心方向）に対して深く、すなわちＲが大きく形成されているため、隅部１３（逃げ部１１）が電子ビーム溶接の熱影響を受け、例えば変形したとしても、該隅部１３（逃げ部１１）への応力集中をより効果的に緩和することが可能となる。

本実施形態に係るメインギヤ１０では、逃げ部１１が、円弧状に形成され、応力集中緩和部１２が、逃げ部１１から滑らかに連続するように円弧状に形成されているため、逃げ部１１及び応力集中緩和部１２の加工を比較的簡易に行うことができる。すなわち、逃げ部１１及び応力集中緩和部１２それぞれの機能を効果的に発揮できる形状を比較的簡易に形成することができる。

また、本実施形態に係るトランスミッションギヤ１によれば、上述したメインギヤ１０とクラッチギヤ２０とが電子ビーム溶接により一体化されている。よって、上述したように、メインギヤ１０とクラッチギヤ２０とが電子ビーム溶接される際に、該メインギヤ１０の隅部１３（逃げ部１１）が電子ビーム溶接による熱影響を受けたとしても、トランスミッションギヤ１がトランスミッションに組み込まれて使用される際に、メインギヤ１０の隅部１３（逃げ部１１）への応力集中を緩和することが可能となる。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく種々の変形が可能である。例えば、上記実施形態では、被溶接部材として、トランスミッションギヤ１のメインギヤ１０を例にして説明したが、被溶接部材は、トランスミッションギヤのメインギヤには限られない。

また、上記実施形態では、段付き形状の隅Ｒ部１３が、メインギヤ１０の円筒部１６の外縁に沿って円状に形成されていたが、該隅Ｒ部１３が延びる形状は円状に限られることなく、溶接形状に応じて任意に設定することができる。

１ トランスミッションギヤ
１０ メインギヤ（被溶接部材）
１１ 逃げ部
１２ 応力集中緩和部
１３ 隅Ｒ部（隅部）
２０ クラッチギヤ（カップリング）
ＥＢ 電子ビーム入射方向

Claims (5)

1. 電子ビーム溶接時に照射される電子ビームの入射方向に隅部を有する被溶接部材であって、
   前記隅部は、
   前記電子ビームの入射方向に窪むように、かつ、前記電子ビームの入射位置から離れるように形成された逃げ部と、
   前記逃げ部から連続して凹状に湾曲しつつ前記電子ビームの入射位置から離れるように形成され、溶接後に機器に組み込まれて使用される際に前記隅部に作用する応力を緩和する応力集中緩和部と、
   前記電子ビームの入射位置から前記逃げ部を挟んでオフセットした位置において、前記逃げ部と前記応力集中緩和部とを分けるように段付き状に形成された段付き部と、
   を有し、
   前記段付き部は、溶接時に生じ得る前記電子ビームによる前記逃げ部の変形が前記応力集中緩和部の応力を緩和する機能に影響を及ぼさないように、前記逃げ部と前記応力集中緩和部との境界に、凸状に出っ張るように形成されていることを特徴とする被溶接部材。
2. 電子ビーム溶接時に照射される電子ビームの入射方向に隅部を有するギヤであって、
   前記隅部は、
   前記電子ビームの入射方向に窪むように、かつ、前記電子ビームの入射位置から離れるように形成された逃げ部と、
   前記逃げ部から連続して凹状に湾曲しつつ前記電子ビームの入射位置から離れるように形成され、溶接後に機器に組み込まれて使用される際に前記隅部に作用する応力を緩和する応力集中緩和部と、
   前記電子ビームの入射位置から前記逃げ部を挟んでオフセットした位置において、前記逃げ部と前記応力集中緩和部とを分けるように段付き状に形成された段付き部と、
   を有し、
   前記段付き部は、溶接時に生じ得る前記電子ビームによる前記逃げ部の変形が前記応力集中緩和部の応力を緩和する機能に影響を及ぼさないように、前記逃げ部と前記応力集中緩和部との境界に、凸状に出っ張るように形成されていることを特徴とするギヤ。
3. 前記逃げ部は、円弧状に形成され、
   前記応力集中緩和部は、前記逃げ部から滑らかに連続するように形成されていることを特徴とする請求項２に記載のギヤ。
4. 前記応力集中緩和部は、前記逃げ部よりも前記電子ビームの入射方向に対して深く形成されていることを特徴とする請求項３に記載のギヤ。
5. 請求項２〜４のいずれか１項に記載のギヤと、
   前記ギヤと電子ビーム溶接により一体化されたカップリングと、を備えることを特徴とするトランスミッションギヤ。

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