JP7043878B2 - 歯車および歯車の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、シャフトを固定するための貫通孔を有する環状の歯車およびその製造方法に関する。

自動車および産業機械（以下、自動車等と記載する。）において構成部材として使用される歯車には、高い応力が繰り返し付与される。このため、自動車等に使用される歯車には、優れた耐疲労性および耐摩耗性を備えることが要求される。そこで、従来、自動車等においては、肌焼鋼からなる歯車素材に浸炭焼入れ処理を施すことによって製造された歯車が利用されている（例えば、特許文献１参照）。

図１は、自動車等において使用される歯車を製造するための歯車素材の一例を示す図であり、（ａ）は側面図、（ｂ）は（ａ）のｂ－ｂ線端面図である。図１に示す歯車素材１００から製造される歯車は、いわゆるベベルギアである。なお、図１（ｂ）には、歯車素材１００の軸心を一点鎖線で示している。

図１を参照して、歯車素材１００の中心には、貫通孔１００ａが形成されている。歯車素材１００は、円筒部１０と、円筒部１０から円筒部１０の径方向外側に向かって突出する複数の歯１２とを有する。円筒部１０は、貫通孔１００ａの軸方向における両端部に設けられる環状の一対の端面１０ａ，１０ｂと、端面１０ａ，１０ｂの内縁同士を接続する内周面１０ｃと、端面１０ａ，１０ｂの外縁同士を接続する外周面１０ｄとを有する。複数の歯１２は、外周面１０ｄから円筒部１０の径方向外側に突出するように形成されている。歯車素材１００から製造された歯車において、貫通孔１００ａには、図示しないシャフトが挿入され、固定される。

歯車素材１００に対して浸炭焼入れ処理を施すことによって、耐疲労性および耐摩耗性に優れた歯車を製造することができる。ただし、歯車素材１００に浸炭焼入れ処理を施すことによって熱処理歪みが発生し、円筒部１０の内径（貫通孔１００ａの直径）が小さくなる。この点に関して、円筒部１０の内径の変形量が、軸方向において均一であれば、熱処理歪みによる寸法変化量を予め調査し、上記寸法変化量を考慮した大きさの貫通孔１００ａを形成すればよい。これにより、歯車の寸法精度の低下を防止することができる。

特開２０１２－０１７４９９号公報

一方、熱処理歪みによる円筒部１０の内径の変化量が、軸方向において大きく変化する場合には、上記のように寸法変化量を考慮した大きさの貫通孔１００ａを形成することは難しい。このような場合には、例えば、浸炭焼入れ処理後に円筒部１０の内周面１０ｃを研削することによって、シャフトの嵌め合い精度の低下を防止する必要がある。

しかしながら、円筒部１０の内周面１０ｃを研削する場合には、浸炭焼入れ処理によって内周面１０ｃに形成された浸炭層を部分的に削り取ることになり、歯車の品質向上の観点から好ましくない。また。研削加工を行うことによって生産性が低下するという問題も生じる。

そこで、本発明は、軸方向における位置によって内径に大きな差が生じることが抑制された歯車およびその製造方法を提供することを目的としている。

（１）シャフトを固定するための貫通孔が形成された環状の歯車を製造する方法であって、
鋼からなりかつ貫通孔を有する環状の歯車素材に浸炭抑制材を設ける抑制工程と、
前記抑制工程において浸炭抑制材が設けられた歯車素材に浸炭焼入れ処理を施す工程と、を備え、
前記歯車素材は、前記貫通孔の軸方向における両端部に設けられる環状の一対の端面と、前記一対の端面の内縁同士を接続する内周面と、前記一対の端面の外縁同士を接続する外周面とを有する円筒部、および前記円筒部の前記外周面に設けられた複数の歯を備え、
前記抑制工程では、前記一対の端面に前記浸炭抑制材が設けられる、歯車の製造方法。

（２）前記抑制工程では、前記一対の端面に前記浸炭抑制材を塗布する、上記（１）に記載の歯車の製造方法。

（３）鋼からなりシャフトを固定するための貫通孔が形成された環状の歯車であって、
前記貫通孔の軸方向における両端部に設けられる環状の一対の端面と、前記一対の端面の内縁同士を接続する内周面と、前記一対の端面の外縁同士を接続する外周面とを有する円筒部、および前記円筒部の前記外周面に設けられた複数の歯を備え、
前記一対の端面の硬さはそれぞれ、前記内周面および前記外周面の硬さに対して、３００ＨＶ以上低い、歯車。

本発明によれば、軸方向における位置によって内径に大きな差が生じることが抑制された歯車が得られる。

図１は、歯車素材を示す図である。 図２は、解析モデルを示す図である。 図３は、解析で設定したヒートパターンを示す図である。 図４は、解析結果を示す図である。

（本発明者による検討）
本発明者は、ＦＥＭ解析を行うことによって、環状の歯車素材に対して浸炭焼入れ処理を施す際に、歯車素材の内周面に生じる熱処理歪みについて調査した。具体的には、図２に示す二次元軸対称の解析モデル５０を用いて、図３に示すヒートパターンで浸炭焼入れ解析を行った。なお、図２に示す解析モデル５０は、ベベルギアの素材を模擬したモデルであり、中心に貫通孔５０ａが形成されている。図２においては、解析モデル２０の軸心を一点鎖線で示している。解析モデル５０は、図１の歯車素材１００と同様に、円筒部２０を有する。円筒部２０は図１の円筒部１０と同様に、一対の端面２０ａ，２０ｂと、内周面２０ｃと、外周面２０ｄとを有する。なお、図３中の「Ｃｐ」はカーボンポテンシャルを表し、「１２０℃油焼入れ」は油温１２０℃の油中で歯車素材を冷却することを表す。

浸炭焼入れ解析において、歯車素材の材料は、ＪＩＳ Ｇ ４０５３（２０１６）に規定されたＳＣＭ４２０とした。ヤング率および応力－歪線図等の機械的特性としては、ＳＣＭ４２０の実測データを用いた。また、比熱および熱伝導率等の熱的特性としては、ＳＣＭ４２０の化学成分に基づいて、予測式を用いて算出した値を用いた。冷却は、端面２０ｂが下方に位置するようにし、かつ解析モデル５０の軸心が油面に対して垂直になるようにして歯車素材を油中に浸漬して行うものとし、歯車素材の油中への浸漬速度は１００ｍｍ/ｓに設定した。

また、本発明者は、浸炭層の形成と熱処理歪みとの関係を調査するために、円筒部２０の表面のうち端面２０ａ，２０ｂの浸炭を阻害して（すなわち、円筒部２０の表面のうち端面２０ａ，２０ｂを除く部分を浸炭して）、上記と同様の条件で浸炭焼入れ解析を行った。

解析結果を図４に示す。図４において横軸は、円筒部２０の内径（貫通孔５０ａの直径）を示し、縦軸は、端面２０ａから下方への距離を示す。なお、図４においては、端面２０ａの上下方向における位置は０ｍｍであり、端面２０ｂの上下方向における位置は、２０ｍｍである。

図４に示した結果から、歯車素材に浸炭焼入れ処理を施す場合、端面２０ａ，２０ｂの浸炭を阻害した場合および阻害していない場合ともに、貫通孔５０ａの軸方向における中央部近傍の方が、端面２０ａ，２０ｂ近傍に比べて、円筒部２０の径方向内側への変形量が大きくなることが分かった。一方で、端面２０ａ，２０ｂの浸炭を阻害した場合の方が、浸炭を阻害しない場合に比べて、端面２０ａ，２０ｂ近傍において、円筒部２０の径方向内側への変形量が大きくなり、貫通孔５０ａの軸方向における中央部近傍において、円筒部２０の径方向内側への変形量が小さくなることも分かった。すなわち、軸方向における位置によって円筒部２０の内径の変化量に大きな差が生じることを抑制できることが分かった。

端面２０ａ，２０ｂの浸炭を阻害することによって上記のように円筒部２０の内径の変化量に大きな差が生じることが抑制された理由は、以下のように考えられる。

焼入れ処理の冷却時には、マルテンサイト変態によって鋼が膨張する。これにより、円筒部２０のマルテンサイトが発生した箇所で周方向において圧縮応力が発生する。この点に関して、浸炭によって炭素濃度が高くなっている内周面２０ｃおよび外周面２０ｄの近傍部分では、変態温度が低いため、他の部分に比べてマルテンサイト変態の時期が遅れる。一方、端面２０ａ，２０ｂは浸炭が阻害されているので、内周面２０ｃおよび外周面２０ｄの近傍部分よりも早期にマルテンサイト変態し、膨張する。これにより、端面２０ａ，２０ｂの近傍部分において、内周面２０ｃおよび外周面２０ｄの近傍部分よりも早期に圧縮応力が発生し、端面２０ａ，２０ｂの近傍部分が径方向内側に変形しやすくなったと考えられる。その結果、端面２０ａ，２０ｂの浸炭を阻害しない場合に比べて、軸方向における位置によって円筒部２０の内径の変化量に差が生じることが抑制されたと考えられる。

（本発明の実施形態）
本発明は上記の知見に基づいてなされたものである。以下、本発明の実施の形態に係る歯車および製造方法について図面を参照しつつ説明する。以下においては、図１で説明した形状を有する歯車素材１００に浸炭焼入れ処理を施して歯車を製造する場合について説明する。

なお、歯車素材１００は、例えば、素材鋼を通常の方法で溶製した後、熱間で圧延又は鍛造し、更に必要に応じて熱処理を行い、次いで切削および圧造等によって所望の歯車形状とすることによって製造することができる。素材鋼としては、公知の種々の肌焼鋼を用いることができる。浸炭焼入れ処理のヒートパターンとしては、公知の浸炭焼入れ処理のヒートパターンを採用できるので、ヒートパターンの詳細な説明は省略する。

本実施形態では、浸炭焼入れ処理の前に、歯車素材１００に対して抑制工程が実施される。抑制工程では、端面１０ａ，１０ｂの浸炭を抑制できる材料（浸炭抑制材）が端面１０ａ，１０ｂに設けられる。本実施形態では、例えば、浸炭抑制材を端面１０ａ，１０ｂに塗布してもよく、シート状の浸炭抑制材を端面１０ａ，１０ｂに貼り付けてもよい。なお、浸炭抑制材としては、端面１０ａ，１０ｂの浸炭を抑制できる公知の種々の材料を用いることでき、例えば、ホウ酸系化合物を主成分とする浸炭防止剤を用いることができる。より具体的には、浸炭抑制材として、例えば、コンドルサル（登録商標）を用いることができる。

なお、本実施形態では、端面１０ａ，１０ｂ以外の部分については、浸炭抑制材は設けられない。

本実施形態では、上記のように抑制工程が実施された歯車素材１００に対して、浸炭焼入れ処理が施される。この場合、端面１０ａ，１０ｂにおける浸炭が抑制されるので、焼入れ処理の冷却時に、端面１０ａ，１０ｂの近傍部分は、内周面１０ｃおよび外周面１０ｄの近傍部分よりも早期にマルテンサイト変態し、膨張する。これにより、端面１０ａ，１０ｂの近傍部分において、内周面１０ｃおよび外周面１０ｄの近傍部分よりも早期に圧縮応力を発生させることができる。その結果、軸方向における位置によって円筒部１０の内径に大きな差が生じることを抑制できる。

なお、浸炭抑制材は、端面１０ａ，１０ｂの全面に設けられることが好ましいが、筒部１０の内径の軸方向における変化が抑制できるのであれば、端面１０ａ，１０ｂの一部が浸炭抑制材によって覆われていなくてもよい。

上記のようにして製造された歯車では、内周面１０ｃ、外周面１０ｄおよび複数の歯１２の表面に浸炭層が形成される。また、上記のようにして製造された歯車では、端面１０ａ，１０ｂの硬さはそれぞれ、内周面１０ｃおよび外周面１０ｄの硬さに対して、ＪＩＳ Ｚ ２２４４（２００９）に規定されたビッカース硬さで３００ＨＶ以上低くなる。本実施形態では、端面１０ａ，１０ｂの径方向における中央位置の硬さはそれぞれ、内周面１０ｃおよび外周面１０ｄの軸方向における中央位置の硬さに対して、ＪＩＳ Ｚ ２２４４（２００９）に規定されたビッカース硬さで３００ＨＶ以上低い。

なお、上述の実施形態では、歯車としてベベルギアを製造する場合について説明したが、本発明は、シャフトを固定するための貫通孔が形成された種々の形状の環状の歯車に適用できる。

本発明によれば、軸方向における位置によって内径に大きな差が生じることが抑制された歯車が得られる。したがって、本発明に係る歯車は、自動車等において好適に利用できる。

１０，２０ 円筒部
１０ａ，１０ｂ，２０ａ，２０ｂ 端面
１０ｃ，２０ｃ 内周面
１０ｄ，２０ｄ 外周面
５０ 解析モデル
１００ 歯車素材
１００ａ 貫通孔

Claims (3)

1. シャフトを固定するための貫通孔が形成された環状の歯車を製造する方法であって、
   鋼からなりかつ貫通孔を有する環状の歯車素材に浸炭抑制材を設ける抑制工程と、
   前記抑制工程において浸炭抑制材が設けられた歯車素材に浸炭焼入れ処理を施す工程と、を備え、
   前記歯車素材は、前記貫通孔の軸方向における両端部に設けられる環状の一対の端面と、前記一対の端面の内縁同士を接続する内周面と、前記一対の端面の外縁同士を接続する外周面とを有する円筒部、および前記円筒部の前記外周面に設けられた複数の歯を備え、
   前記抑制工程では、前記一対の端面に前記浸炭抑制材が設けられ、前記一対の端面以外の部分については、前記浸炭抑制材は設けられない、歯車の製造方法。
2. 前記抑制工程では、前記一対の端面に前記浸炭抑制材を塗布する、請求項１に記載の歯車の製造方法。
3. 鋼からなりシャフトを固定するための貫通孔が形成された環状の歯車であって、
   前記貫通孔の軸方向における両端部に設けられる環状の一対の端面と、前記一対の端面の内縁同士を接続する内周面と、前記一対の端面の外縁同士を接続する外周面とを有する円筒部、および前記円筒部の前記外周面に設けられた複数の歯を備え、
   前記一対の端面の硬さはそれぞれ、前記内周面および前記外周面の硬さに対して、３００ＨＶ以上低い、歯車。

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