JPS62215164A - 歯車 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は例えば産業用ロボット、工作機械等に使用する
軽量かつ高強度の歯車に係り、特に繊維強化された金属
基複合材料を利用してつくられる歯車の改良に関する。

（従来の技術） 産業用ロボットや工作機械等では、高速性および動作の
正確性が望まれるため、軽量かつ高強度の歯車が種々の
形状で用いられる。特に産業用ロボットの旋回駆動部分
の歯車には高速性および動作の正確性が強く望まれるこ
とから、小型化、動力損失の減少（伝達効率の向上）、
振動および騒音の減少等が図られる。従来このような歯
車の構成材料として軽量、高強度、高剛性で、かつ耐摩
耗特性に優れた繊維強化金属基複合材料が着目されてい
る。第１７図はこのような金属基複合材料を用いた歯車
を例示したもので、共に金属基複合材料からなる外歯歯
車１と内歯歯車２とが噛合している。これらの歯車１．
２を構成する金属基複合材料は例えば母材としてアルミ
ニウム（Ａｊり等の軽金属を用い、それに強化繊維とし
て炭化ケイ素（ＳｉＣ）のウィスカを複合化したもので
ある。

このような金属基複合材料によって構成した歯車は鉄系
材料を用いた歯車に比較して軒伍がっ高強度であり、し
かも高剛性で、回転慣性モーメント（ＧＤ２）も小さく
、耐摩耗特性にも優れている。したがって、歯面の摩耗
が軽減され、動力損失の減少、即ち伝達効率の向上、お
よび騒音の低減が図れると共に、長寿命化が図られる等
の利点がある。

ところが、このような金属基複合材料によっては、金属
材料に仕べて静・動的Ｉ！Ｊ擦係数が高くなり、かつ熱
伝導度が低下する傾向がある。このような傾向は強化ｍ
雑としての短繊維ウィスカの体積率が太き（なると、さ
らに増大することが認められる。

このため、歯車の駆動時に歯の接触部で摩擦によって生
じる発熱が鉄系材料を用いた歯車よりも多くなり、しか
も熱伝導度が小さいため、歯の接触部に生じる発熱が歯
部からベース部側へ十分に放散されなくなる。したがっ
て、歯部の接触部、特にピッチ円近傍の温度が上昇し、
歯部の熱膨張により回転精度に悪影響が及ぼされる可能
性がある。また、産業用ロボットのアーム等に用いる歯
車の場合には、潤滑油としてグリス等が用いられるが、
これが発熱によって劣化し易くなる等の問題も生じる。

また、歯車の耐用寿命もそれだけ低下することになる。

さらに発明者の検討によれば、軽金属基等の複合材料の
振動減衰特性は単なる金属材料に比べて悪いことが判っ
た。即ち、Ａｊ！を母材とし、これにＳｉＣウィスカを
複合化した金属基複合材料（Ａｊ！／Ｓ　ｉ　ＣＷ）の
場合、その弾性係数はＡＡに比べて高くなる。弾性係数
と振動減衰能は逆比例の関係にあり、／！ｊ！／５ｉＣ
Ｗの弾性係数が高くなるに伴い、振動減衰能が小さくな
る。したがって、金属基複合材料を用いたものでは、歯
車運転時に、振動が残存し易くなり、それだけ騒音が大
きくなる可能性がある。

なお、歯車のベース部には孔加工等が施されるが、その
ベース部までも金属基複合材料で構成した歯車であると
、その孔加工等が比較的困難であり、加工性が悪い等の
不具合もある。

（発明が解決しようとする問題点） 歯部とそのベース部とをアルミニウム等の金属材料によ
って一体的に形成した歯車では、軽量で、かつ放熱性が
よい反面、強度および耐摩耗性に劣る欠点がある。

これに対し、歯部およびベース部に亘り全体を金属基複
合材料で形成した従来の歯車では、軽量性を損わず、強
度および耐摩耗性を向上することができるが、熱伝導率
が低いことから、放熱性が悪くなり、潤滑材の劣化ひい
ては回転精度や耐用寿命を低下させる可能性がある。ま
た、歯車全体の振動減衰能が小さいことから、騒音等が
発生し易くなる。さらに、孔開は加工等が比較的困難に
なり、加工性が悪くなり易い。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、軽量
かつ高強度で高耐摩耗性を有するとともに、放熱性が良
く、回転精度の向上および耐用寿命の長期化が図れ、し
かもベース部への孔開は等の加工性が向上し、特に産業
用ロボットや高速機械等に用いる高速かつ高精度の旋回
伝達要素として有効な歯車を提供することを目的とする
。

Ｃ発明の構成〕 （問題点を解決するための手段） 本発明に係る歯車は、歯部とベース部の山部付根部分と
を軽金属を母材とする金属基複合材料で一体形成し、そ
のベース部の歯部付根部分以外の部分をその金属基複合
材料よりも熱伝導度が高く、かつ振動減衰能が大きい金
属材料で形成したことを特徴とする。

（作用） 歯部とベース部の歯部付根部分とを、軽金属とウィスカ
または短ｍ雑とが複合化した金属基複合材料で一体形成
したことにより、これらの部分の軽量性、高強度かつ高
耐摩耗性は十分に確保される。

しかも、ベース部の歯部付根部分以外の部分は、歯部お
よびベース部の歯部付根部分を形成する金属基複合材料
よりも熱伝導度が高く、かつ振動減衰能が大きい金属材
料で形成したので、回転時に歯部で発生する熱はその部
分に蓄積することなく、高熱伝導度のベース部を介して
軸心側等に伝達される。そして通常、熱の放散が十分に
行なわれる長さを有する歯車軸等に熱が放散される。し
たがって、歯部の回転時の高温化が防止され、初期の回
転精度が維持されるとともに潤滑剤としてのグリスの劣
化の防止が図られ、しかも耐用寿命の長期化も図られる
。また、ベース部の振動減衰能が歯車全体を金属基複合
材料で形成した場合に比べて大きくなることから、回転
時の振動低減が図られ、騒音の発生量も減少する。

（実施例） 以下、本発明の実施例を第１図〜第１６図を参照して説
明する 第１図は本発明を平歯車について実施した場合の歯車外
観形状を示している。即ち、平歯車３の歯部４と、ベー
ス部５の歯部付根部分６とを金属基複合材料で一体形成
している。金属基複合材料はアルミニウム合金（Ａ６０
６１）を母材とし、これに強化ｍｍとしてＳｉＣウィス
カ（Ｓ　ＩＣＷ）を複合化したものである。なお、歯部
付根部分６の内径をｄｌ、歯部４のピッチ円直径をｄ２
、歯先円直径をｄ３とする。ベース部５の歯部付根部分
６以外の部分７（以下、ベース本体部７という）は、ア
ルミニウム合金（Ａ６０６１）によって構成し、これに
直径ｄｏの軸心孔８を形成している。

なお、図示しないが、ベース本体部７にはボルト取付孔
等も形成される。このようにベース本体部７は、歯部４
および歯部付根部分６を構成する金属基複合材料の母材
となる金属と同一の金属を用いて構成している。

一／− 第２図〜第１２図は歯車の製造工程を示している。

まず、第２図〜第６図によってＳｉＣウィスカのプリフ
ォーム成形工程を説明する。所定の容器９内でＳｉＣウ
ィスカと水との懸濁液１０をつくり、これを撹拌器１１
で撹拌して均一にする（第２図）。次に懸濁液１０をプ
リフォーム成形型１２に収容し、濾過材１３を介して図
示しない吸引装置により懸濁液１０の水を吸引する（第
３図）、。

そして濃縮したウィスカ集合体をプレス装置１４によっ
て圧縮しく第４図）、その後型から取出して乾燥させ、
プリフォーム１５とする（第５図）。

なお、プリフォーム１５のひび割れを除去するため、お
よびプリフォーム１５を所定のウィスカ体積率とするた
め湿潤工程から乾燥工程まで（第３図〜第５図〉を複数
回繰返す。その後、孔開は等の所定の加工を施し、プリ
フォームの完成品１６とする（第６図）。この完成した
プリフォーム１６の内径輸は、第１図に示す平歯車３の
ベース部５の歯部付根部分６の内径ｄ１と一致させる。

また、プリフォーム１６の外径ｄ３は、第１図に示す平
歯車３の歯先円直径ｄ３と一致させる。

次に、第７図〜第１２図によってプリフオーム１６を用
いた歯車成形工程を説明する。プリフォーム１６をアル
ミニウムの溶融温度（６５０℃〉よりも若干低い温瓜（
約６００℃）に予熱した状態とし、これをヒータ１７で
４００〜５００℃に加熱した金型１８内に収納する（第
７図）。この金型１８に例えば８００℃に加熱したアル
ミニウム合金湯１９を注湯しく第８図）、ピストン２０
で加圧することにより、プリフォーム１６内へアルミニ
ウム合金を溶浸させる（第９図および第１０図）。なお
、２１で示す斜線部分はプリフォーム１６へのアルミニ
ウム合金の溶浸部分を示す。

第１１図は上記の溶浸法（加圧鋳造法）によって得られ
た成形品２２を示している。この成形品２２はアルミニ
ウム合金とＳｉＣウィスカとの複合部分２２ａとアルミ
ニウム合金のみの部分２２ｂとが層状に積層された形状
となっている。そこで、この成形品２２の各部分２２ａ
、２２ｂを互いに切離し第１２図に示すように、最終成
形品２３とする。この最終成形品２３はリング状の複合
材料部分２３ａと、その複合材料部分２３ａの母材であ
るアルミニウム合金のみから成る内側部分２３ｂとが互
いに一体的に形成されたものとなっている。

このようにして得られた最終成形品２３に歯の切削等の
粗加工を施した後、熱処理および時効処理等を行ない、
その後切削研磨等の仕上げ加工を施して第１図に示ず平
歯車３とするものである。

以上のように構成した平歯車３によれば、第１図に示す
ように、歯部４とベース部５の歯部付根部分６とがＳｉ
Ｃウィスカとアルミニウム合金との複合材料によって構
成されているので、歯部４はアルミニウム合金と殆ど等
しい重量で、高強度、高耐摩耗特性、高弾性率を有する
ものとなる。

また、ベース部５の歯部付根部分６とベース本体部７と
の境界部分６ａは、前記の如く高圧鋳造法を採用し、し
かも歯部付根部分６を構成する複合材料の母材としての
アルミニウム合金によってベース本体部７を構成してい
るため、極めて高い接合性を有し、その境界部分６ａの
強度は母地材としてのアルミニウム合金と変らない。

しかも、平歯車３のベース本体部７はアルミニウム合金
によって構成されており、歯部４と歯部付根部分６とを
構成する複合材料に比べて熱伝導度が大きいため、回転
時に歯部４に発生する熱のベース本体部７を介しての放
散が効率よく行なわれ、歯部４の高温化が防止される。

このことを第１３図および第１４図を参照して説明する
。

第１３図はアルミニウム合金をＳｉＣウィスカで強化し
た複合材料について、そのウィスカ体積率と熱伝導度と
の関係を実験データに基づいて示すものである。前記実
施例で用いた複合材料（Ｓｔ　ＣＷ／Ａ６０６１　）の
場合、ＳｉＣウィスカの体積率が増大するに従い、熱伝
導度が次第に低下することが認められた。なお、参考の
ために他のアルミニウム合金（Ａ２０２４）とＳｉＣウ
ィスカとの複合材料（Ｓ　＋　ＣＷ／Ａ２０２４）の実
験データも合せて示す。この場合にも前記実施例と同様
に、ＳｉＣウィスカの体積率が増大するに伴ない、熱伝
導度が減少することが認められた。即ち、アルミニウム
合金のみを用いたベース本体部７は、第１３図において
ＳｉＣウィスカ体積率がＯの場合であるから、複合材料
から成る歯部４および歯部付根部分６に比べて熱伝導度
が大きいことが判る。

以上のことから前記実施例の歯車は金属基複合材料から
成る一体構造の従来の歯車に比べて、歯車使用時におけ
るベース部を介しての熱の放散性が向上することが推察
されるが、このことをさらに理論的に考察する。

歯車の噛合い部の発熱量は、歯車の摩擦損失に比例し、
歯車の伝達効率とは反比例の関係にある。

この噛合い部での発熱は、オイル循環式の潤滑の場合に
は、その循環するオイル内へ放出されることになるが、
産業用ロボット等のように構成上、グリス潤滑を行なう
ものでは、オイル潤滑の場合に行なわれる強制的な放熱
は望めない。したがって、グリス潤滑の場合には、歯車
各部の表面からの大気中への放熱と、噛合い部から軸心
側への熱伝導による放熱に依存せざるを得ない。前記実
施例では、このような平歯車３のピッチ円近傍に発生す
る熱を、特にグリス潤滑の場合に歯部４の側から軸心側
に放熱する特性を向上させるうえで効果的なものとなる
。

即ち、伝熱工学の基礎理論によれば、例えば平歯車の外
周部から軸心の半径方向に熱が伝わる場合の外周部温度
ｔｙと軸心部温度ｔｃとの温度差ｔｙ−ｔｃ＝Δｔは、
熱の定常状態にＪ３いて次のように表わされる。

・・・・・・（１） ここで、Ｑｏはピッチ円上での発熱量、λ２は歯車材の
熱伝導度、ｄ２はピッチ円の直径、ｄ。

は歯車の軸心孔、つまり歯車軸の直径である。

歯車軸の熱容量は一般に大きいため、歯車軸心の温度ｔ
ｃは歯車の材質によらず一定と考えることができる。し
たがって、上記（１）式からピッ千円上の温度ｔｙはそ
の部分の発熱量Ｑ。に比例し、歯車材の熱伝導度λ２に
比例することが判る。

一方、第１図に示す前記実施例の歯車については、外周
部温度ｔｙと軸心部温度ｔｃとの温度差Δｔを次式で近
似するこてができる。

ここで、Ｑｏはピッチ円上での発熱量、λ１はベース本
体部７の構成材料であるＡｊ！合金の熱伝導度、ｄ、は
ベース本体部７と歯部付根部分６との接合境界部の直径
、ｄｏは歯車軸の直径、λ２は歯部４およびｍ部付根部
分６の１ｉＩ１２材料であるＡ１基複合材料の熱伝導度
、ｄ２はピッチ円の直径である。

上記（２）式より明らかなように、ｄ２″−１゜ｄｌ＞
＞ｄｏであれば、（２）式の右辺の第２項は第１項に比
べて無視できる程に小さくなる。したがって、前記実施
例の場合は、温度差△ｔが発熱量Ｑ。に比例し、ベース
本体部７の熱伝導度λ１に反比例するから、その温度差
Δｔは、歯車全体が金属基複合材料で構成され前記（１
）式に基づいて算出される従来の歯車の温度差△ｔより
も小さくなる。つまり、軸心温度ｔｃが略一定であるか
ら、外周部温度ｔｙは低くなることが判る。

第１４図はＡ６０６１のみによって構成した従来の平歯
車と、ＳｉＣウィスカで強化したＡ６０６１基複合材複
合よって全体を構成した従来の平歯車と、前記実施例に
よる平歯車３との三者の温度上昇特性を比較した試験結
果を示している。ただし、モジュールは１．５、ピッチ
円直径ｄ２−１５０＃、ｄ１／（ｉｏ＝４．３４、ｄ２
／ｄ１＝１．０８の条件下で、Ａ６０６１より成る歯車
の定常状態におけるピッチ円上での温度を基準にして示
した結果である。

全体をＳｉＣウィスカで強化したＡｊ！６０６１基複合
材料で構成した従来の平歯車の温度上昇比は、ウィスカ
の体積率の増加と共に直線的に増大する。一般に採用さ
れる３０〜４０％ウィスカ休−体１０　　− 積率とした場合にはＡ６０６１のみによる歯車に比べて
約１．５倍もの温度上昇が認められた。

これに対し、前記実施例のものでは、ウィスカの体積率
が３０〜４０％の場合でも、その温度上昇比はたかだか
１．０２程度であった。

なお、金属基複合材料部分の高さ、即ち、歯先部分から
境界部分６ａまでの距離を大ぎくすれば、強化部分が多
くなることにより歯車全体の強度、剛性が高くなる。し
かし、この高さを過大にすると、前記（２）式のΔｔが
増加して、放熱効果が減少する傾向となる。そこで、歯
元に生じる曲げ応力の影響範囲内で高強度、高剛性の歯
車構造とするための望ましい高さを調べたところ、その
高さは歯の高さの１．５〜２．５倍程度に設定するのが
適当であることが認められた。即ち、１．５倍以下にす
ると強度面上の利点が減少し、また２゜５倍以上にする
とΔｔが上昇して２層構造とした利点が減少するもので
ある。

次に、第１５図によって振動減衰特性について説明する
。第１５図はアルミニウム合金（Ａ６０６１）および同
合金を母材とするＳｉＣウィスカ力複合材料の振動減衰
特性を、ウィスカ体積率との関係において示したもので
ある。縦軸はその減衰係数、横軸はウィスカの体積率を
示している。

Ａ１基複合材料の弾性係数がウィスカの体積率増大に伴
って大きくなるのに対し、Ａｊ！基複合材料の振動減衰
係数は弾性係数と逆比例の関係となり、第１５図に示す
ようにウィスカの体積率を増大すると減衰係数が次第に
減少する。即ち、ＡＩＭ複合材料はウィスカ体積率の増
大に伴って振動の減衰能が低下し、これによって構成し
た歯車は回転騒音の増大や回転むらの発生を引き起す原
因となる。

これに対し、前記実施例のようにアルミニウム合金を平
歯車３のベース部５に適用した構造であると、歯部４の
振動がベース部５によって太き（減衰されるようになり
、金属基複合材料によって全体を構成した従来の歯車に
比べて、騒音が減少するとともに、回転むらの発生防止
が図れるようになる。

なお、前記実施例によれば、軸心孔８およびボルト挿通
孔等を加工するベース部５をアルミニウム合金材料とし
たことから、孔加工等も複合材料に比べて容易となり、
歯車製作上の労力軽減が図れる等の利点が得られる。

また、前記実施例によれば、ベース部５の構成材料を歯
部４等の構成材料となる金属基複合材料の母材としたこ
とにより、プリフォーム１６へのアルミニウム合金溶湯
の溶浸と同時にそのベース部５を成形することができる
。したがって、成形工程が容易になるとともに、その合
金部分と金属基複合材料部分とが高圧鋳造によって強力
に接合された状態となる。したがって、接合境界部分の
強度が極めて高い歯車を得ることができる。なお、本発
明は必ずしもそのようなものに限らず、溶浸工程とベー
ス部鋳造工程とを分けて、歯部および歯部付根部分と、
ベース本体部とを、互いに異なる金属材料で構成しても
よい。

また、前記実施例では使用金属をアルミニウムとし、強
化素材をＳｉＣウィスカにしたが、本発明はその他にも
種々の材料を使用することが可能である。即ち、金属基
複合材料は、アルミニウムの他、マグネシウム（Ｍｏ）
もしくはチタン（Ｔｉ）またはそのいずれか１つ以上を
含む合金を母材とし、これにＳｉＣウィスカの他、ボロ
ン（Ｂ）のウィスカまたは炭素繊維またはグラフフィト
繊維を複合化したものとしてもよい。

また、前記実施例では金属基複合材料の製造方法として
溶浸法（高圧鋳造法）を用いたが、金属基複合材料の製
造方法としては、粉末法等の他の方法を採用できること
は勿論である。

また、前記実施例では本発明を平歯車について適用した
が、その伯各種歯車、例えば内歯歯車、フェースギヤ等
にも適用できることは勿論である。

第１６図は平歯車３および内歯歯車２４にそれぞれ本発
明を適用し、これらによって歯車装置を構成した例を示
すものである。このｊ：うに内歯歯車２４等に本発明を
適用した場合にも、前記実施例と同様に放熱性の向上お
よび振動減衰能を高めることにより、歯車装置の機能向
上が図れるものである。

〔発明の効果〕

以上のように、本発明によれば、歯部および歯部付根部
分とそれ以外のベース部分とを異なる材料で一体的に構
成し、前者は金属基複合材料、後者はそれよりも熱伝導
度が高く、かつ振動減衰能の大きい材料としたので、歯
車接触部、即ち、ピッチ円近傍の温度上昇を有効に防止
できるようになり、回転精度の向上、潤滑材の劣化防止
ひいては歯車の長寿命化等が図れるようになる。また、
ベース部における振動減衰能の向上により、回転むらの
防止、および騒音低下等が図られる。しがも、金属基複
合材料による軽量、小型、高強度、高伝達率の利点を失
うこともない。さらに、孔開は加工等も容易に行なえ、
作業効率の向上にも有効なものとなる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す歯車の斜視図、第２図
〜第１２図は前記歯車を製造する工程を示す説明図、第
１３図は前記実施例の熱伝導特性を示すグラフ、第１４
図は前記実施例の温度特性を示すグラフ、第１５図は前
記実施例の振動減衰特性を示すグラフ、第１６図は本発
明の他の実施例を示す斜視図、第１７図は従来例を示す
斜視図である。 ３・・・歯車（平歯車）、４・・・歯部、５・・・ベー
ス部、６・・・歯部付根部分、７・・・ベース本体部。 出願人代理人　　　波　多　野　　　久第　７　図 ＳａＣウイ又カーの介Ｉ汁ｒＪｉ　（ゾ。）第１３回 ０　　　２０　　　４０　　　６θ Ｓ；Ｃライ又カーの凋帽貴率（・ｈ） 第１４図 ライ又カーの＃積率（／、１ 第１５図 第１７　　図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、歯部とそのベース部とが金属材料によって一体的に
   形成される歯車において、前記歯部と、ベース部の歯部
   付根部分とを、軽金属とウィスカまたは短繊維とが複合
   化した金属基複合材料で一体形成し、そのベース部の歯
   部付根部分以外の部分を前記金属基複合材料よりも熱伝
   導度が高く、かつ振動減衰能が大きい金属材料で形成し
   たことを特徴とする歯車。 ２、ベース部の歯部付根部分以外の部分を形成する金属
   材料は、歯部とそのベース部の歯部付根部分とを形成す
   る金属基複合材料の母材となる軽金属である特許請求の
   範囲第１項記載の歯車。 ３、金属基複合材料は、Ａｌ、ＭｇもしくはＴｉまたは
   そのいずれか１つ以上を含む合金を母材とし、これにＳ
   ｉＣ、Ｂのウィスカまたは炭素繊維もしくはグラファイ
   ト繊維を複合化したものである特許請求の範囲第１項記
   載の歯車。