WO2010134400A1 - 複合歯車の製造方法 - Google Patents

Abstract

　高精度の複合歯車を製造することに適した技術を提供する。　複合歯車は、溝形成工程と、嵌合工程と、荷重工程を経て製造することができる。溝形成工程では、第１歯車の軸線方向に沿って延びている溝を、ハブの周面に形成する。嵌合工程では、中心孔を有する第２歯車を、ハブに嵌合する。荷重工程では、第２歯車の中心孔の周囲が溝内に塑性流動するまで軸方向の荷重を、溝に対向している第２歯車のスポット部分に局所的に印加する。

Description

複合歯車の製造方法

　本出願は、２００９年５月１８日に出願された日本国特許出願第２００９－１１９５４３号に基づく優先権を主張する。その出願の全ての内容は、この明細書中に参照により援用されている。本出願は、第１歯車のハブに第２歯車が同軸に固定されている複合歯車の製造方法に関する。

　歯車のハブにリングが固定された歯車が知られている。従来の歯車では、ハブを通したリングに軸方向の荷重を加えてリングを塑性変形させることにより、リングを歯車のハブに固定する手法が用いられる。リング材料の塑性流動現象によって２つの部材を固定する手法は、塑性結合と呼ばれている。実開昭５９－８５６４４号公報には、リング（結合部材）をハブ（被結合部材）に強固に固定する技術が開示されている。以下の説明では、実開昭５９－８５６４４号公報を、特許文献１と称する。特許文献１の技術では、歯車のハブの周面に溝を形成し、ハブを通したリングの内周面が溝内に塑性流動するまでリングに軸方向の荷重を加える。それにより、歯車とリングを強固に結合する。

　特許文献１の技術では、リングに荷重を加えるときに、リングの内周面側を周方向に亘って均一に荷重する。そのため、ハブの周面のうち、溝が形成されていない部分には、過大な力が加わる。その結果、歯車、あるいは、歯車のハブに変形が生じる。特許文献１の技術を利用して複合歯車を製造すると、第１歯車と第２歯車の軸線がずれたり、第１歯車及び／又は第２歯車の真円度が低下する。そのため、特許文献１の技術を利用しただけでは、高精度の複合歯車を製造することは困難である。本明細書は、高精度の複合歯車を製造することに適した技術を提供する。なお、本明細書でいう「複合歯車」とは、２以上の歯車が一体となった歯車のことを意味する。

　本明細書が開示する技術によると、第１歯車のハブに第２歯車が同軸に固定されている複合歯車を製造することができる。その製造方法は、溝形成工程と嵌合工程と荷重工程を備える。溝形成工程では、第１歯車の軸線方向に延びる溝を、ハブの周面に形成する。嵌合工程では、中心孔を有する第２歯車を、第１歯車のハブに嵌合する。荷重工程では、ハブに形成された溝に対向している第２歯車のスポット部分に、軸線方向の荷重を局所的に印加する。荷重工程では、第２歯車の中心孔の周囲が、ハブに形成された溝内に塑性流動するまで荷重を加える。

　上記の製造方法によると、荷重を加えたときに第２歯車から第１歯車に加えられる力を、従来の製造方法に比べて低減することができる。そのため、第１歯車のハブの周面のうち、溝が形成されていない部分に過大な力が加わることを抑制することができる。第１歯車に変形が生じることを抑制することができ、高精度の複合歯車を製造することができる。なお、「スポット部分」とは、第２歯車のうちの、第２歯車の中心孔周囲の一部分を意味する。また、「荷重をスポット部分に局所的に印加する」とは、スポット部分に荷重を加えるが、周方向に沿ってスポット部分に隣接している部分には荷重を加えないことを意味する。

　スポット部分における第２歯車の厚みは、スポット部分よりも径方向外側の第２歯車の厚みと比較して厚くてよい。上記したように、スポット部分を荷重すると、第２歯車が、第１歯車のハブに形成された溝内に塑性流動する。その結果、第２歯車のスポット部分の厚みが、荷重前よりも薄くなる。荷重前の第２歯車の厚みが全体で均一の場合、荷重された部分（スポット部分）の厚みが、他の部分（スポット部分以外の部分）よりも薄くなる虞がある。第２歯車の半径方向の内側部分の厚みが、外側部分よりも薄くなる虞がある。すなわち、第２歯車の中心孔の周囲部分の厚みが、中心孔から遠い部分の厚みよりも薄くなることがある。第２歯車のスポット部分の厚みがスポット部分よりも径方向外側の厚みよりも厚ければ、半径方向内側部分の厚みが外側部分の厚みよりも薄くなることを避けることができる。

　溝形成工程では、ハブの溝と第１歯車の歯溝を一工程で軸線方向に一直線に形成してよい。これにより、第１歯車が形成される前のギアブランクに第１歯車を形成すれば、溝形成工程も同時に完了する。少ない工程で、複合歯車を製造することができる。

　ハブの溝と第１歯車の歯溝を一工程で軸線方向に一直線に形成する場合、第１歯車のハブに第２歯車を嵌合させた状態で第１歯車を軸線方向に観察すると、第２歯車の内周面のうち、第１歯車の歯溝とオーバーラップする位置がハブの溝に対向する。「第２歯車の内周面のうち、第１歯車の歯溝とオーバーラップする位置」とは、別言すれば、第２歯車の内周面のうち、第１歯車の歯先とオーバーラップしない位置を意味する。より正確には、第２歯車が第１歯車とオーバーラップしない部分を意味する。第２歯車の内周面のうち、第１歯車の歯先とオーバーラップする位置（第１歯車と第２歯車がオーバーラップする部分）は、第２歯車の内周面がハブに接する。第１歯車の歯溝とオーバーラップするスポット部分に荷重を印加することにより、第２歯車の内周面うち、溝形成工程で形成された溝に対向する部分に集中して加重を加えることができる。そして、第２歯車の内周面うち、第１歯車のハブに接している部分に荷重が加わることを抑制することができる。第１歯車が変形することを、より確実に抑制することができる。

　本明細書に開示する技術によると、高精度の複合歯車を製造することができる。

実施例１の複合歯車の正面図を示す。 ハブに溝が形成された第１歯車の外観を示す。 第１歯車を製造するためのギアブランクの断面図を示す。 図２の第１歯車の断面図を示す。 第２歯車を第１歯車に固定する工程を説明するための断面図を示す。 上金型（１）の斜視図を示す。 上金型（１）の平面図を示す。 上金型（１）の断面図を示す。 図５の破線IXで囲まれた範囲の拡大図を示す。 スポット部分を説明するための図を示す。 スポット部分を説明するための図を示す。 上金型（２）の斜視図を示す。 上金型（２）の平面図を示す。 上金型（２）の断面図を示す。 上金型（３）の斜視図を示す。 上金型（３）の平面図を示す。 上金型（３）の断面図を示す。 上金型（４）の斜視図を示す。 上金型（４）の平面図を示す。 上金型（４）の断面図を示す。 実施例２の製造工程を説明するための断面図を示す。 図２１の破線XXIIで囲まれた範囲の拡大図を示す。 スポット部分を説明するための図を示す。 従来の製造方法で複合歯車を製造したときの第１歯車の外観を示す。 従来の製造方法で製造された第１歯車の断面を示す。

　実施例を説明する前に、実施例の技術的特徴の幾つかを以下に簡潔に記す。
（特徴１）溝形成工程では、第１歯車の軸線方向に延びる複数の溝を、第１歯車のハブの周面に周方向に等ピッチで形成する。
（特徴２）嵌合工程では、第２歯車を、第２歯車の内周面が第１歯車のハブに形成された溝に対向するように、第１歯車のハブに嵌合する。
（特徴３）荷重工程では、第１歯車の溝に対向している第２歯車のスポット部分に、溝のピッチと同じピッチで局所的に荷重を印加する。
（特徴４）第１歯車を製造するためのギアブランクは、外歯と溝が形成される厚肉部と、薄肉部を有している。

　（実施例１）図１は、複合歯車１００の正面図を示す。複合歯車１００は、第１歯車４と第２歯車２を備えている二段歯車である。第２歯車２は、中心孔を有している。第２歯車２は、第１歯車４のハブ６に第１歯車４の軸線１０と同軸に固定されている。複合歯車１００は、夫々別個の第１歯車４と第２歯車２を組み合わせることによって製造されている。

　図２は、第２歯車２を固定する前の第１歯車４の正面図を示す。図２に示すように、第１歯車４は、外歯が形成されている歯部８と、歯部８よりも小径のハブ６で構成されている。ハブ６は、溝が形成されている大径部６ｂと溝が形成されていない小径部６ａを有している。大径部６ｂの溝は、軸線１０に沿って、ハブ６の周方向に等間隔に形成されている。大径部６ｂの溝は、歯部８の歯溝と一直線に並んでいる。以下の説明では、小径部６ａをシャフト部と称し、大径部６ｂを溝部と称することがある。

　まず、第１歯車４の製造方法を説明する。図３に示すように、厚肉部１８と薄肉部１２を有する筒状のギアブランク１を用意する。その後、歯切りツール（図示省略）を使用して、厚肉部１８に外歯を形成する。外歯は、歯溝が軸線１０の方向に沿って延びるように形成する。なお、図３の厚肉部１８のうち、符号１６の位置に歯部８が形成され、符号１４の位置に溝部６ｂが形成される（図２も参照）。よって、溝部６ｂも、軸線１０の方向に沿って延びるように形成される。次に、図４に示すように、厚肉部１８の符号１４の位置を周方向に削り、溝部６ｂを形成する。これにより、ハブ６に、溝が形成されている大径部６ｂと溝が形成されていない小径部６ａが完成する。なお図４は、図２の断面図に相当する。図３から図４の工程は、厚肉部１８に形成された外歯のうち、符号１４の位置の歯先を削ることにより、歯部８を画定する工程（第１歯車形成工程）ということもできる。これにより、図２の第１歯車４を製造することができる。

　なお、図３の厚肉部１８の符号１４の位置を周方向に削った後に、符号１６の位置に外歯８ａを形成するとともに符号１４の位置に溝を形成してもよい。いずれの場合も、歯部８の歯溝と溝部６ｂの溝を一工程で形成することができる。上記したように、ギアブランク１から第１歯車４を製造する過程で、第１歯車４のハブ６に溝を形成する工程（溝形成工程）が完了する。ギアブランク１が厚肉部１８と薄肉部１２を有しているので、シャフト部６ａに溝が形成されることはない。

　次に、第１歯車４に第２歯車２を固定する方法を説明する。図５は、金型２２、２４に第１歯車４を固定した図を示す。金型（下金型とも称す）２２はリング状であり、内周面２２ｈの一部に内歯が形成されている。下金型２２の内歯は、第１歯車の歯部８と噛合う。下金型２２によって、第１歯車４が周方向に回転することを防止することができる。後述するが、下金型２２には、複数の突部が形成されおり、その突起が第２歯車２と接する。金型２４（支持金型とも称す）はリング状であり、下金型２２の内周面２２ｈに接している。第１歯車４は、支持金型２４上に載置される。支持金型２４によって、第１歯車４の歯部８と下金型２２内歯の噛み合わせ位置を調整することができる。第１歯車４の内周面４ｈに、マンドレル２６が挿入されている。第１歯車４を金型２２、２４に固定した状態で、第２歯車２を第１歯車４の溝部６ｂに嵌合する（嵌合工程）。

　符号４０は、溝部６ｂに形成された溝を示している。溝４０が形成されている部分では、第２歯車２の内周面２ｈと溝部６ｂが接していない。これに対して、溝４０が形成されていない部分では、第２歯車２の内周面２ｈと溝部６ｂが接している。図５の右側は内周面２ｈと溝部６ｂが接していない部分を示し、左側は内周面２ｈと溝部６ｂが接している部分を示している。符号２０はパンチ（上金型とも称す）を示す。第２歯車２は、上金型２０と下金型２２の間に配置される。図５において、破線で囲った部分、すなわち符号IXが示す部分については後述する。

　ここで、上金型２０について説明する。図６は、上金型２０の斜視図を示す。図６に示すように、上金型２０には複数の突部２０ａが設けられている。突部２０ａは、環状の上金型２０の軸方向端面に設けられている。図７は、上金型２０の平面図を示す。図７に示すように、突部２０ａは、上金型２０の周方向に等間隔に形成されている。図８は、図７のVIII－VIII線に沿った断面図を示す。図７と図８に示すように、上金型２０には、半球形の突部２０ａが、上金型２０の片面（表面又は裏面）にだけ形成されている。

　図９は、図５の破線IXで囲った範囲の拡大図を示す。図９に示すように、内周面側２ａにおける第２歯車２の厚みＨ１は、内周面側２ａよりも径方向外側の外周側２ｂの厚みＨ２よりも厚い。また、下金型２２に突部２２ａが形成されている。下金型２２の突部２２ａと上金型２０の突部２０ａは、双方の金型２２，２０を組み合わせたときに軸線方向に一直線に並ぶ。別言すれば、下金型２２の突部２２ａと上金型２０の突部２０ａによって、第２歯車２の内周面側２ａが挟まれている。

　なお、図９は、第２歯車２の内周面２ｈと溝部６ｂが接している部分を示している（図５を参照）。実際には、突部２０ａと突部２２ａは、図９の断面に現れない。しかしながら、図９では、技術を理解し易いように、突部２０ａと突部２２ａの断面を示している。下金型２２の突部２２ａと上金型２０の突部２０ａで挟まれた部分がスポット部分に相当する。スポット部分は、溝部６ｂのうち、溝４０が形成されている部分に対向している（図５の右側を参照）。複数の突部２２ａが、下金型２２の周方向に等間隔に形成されている。突部２２ａが形成されているピッチは、上金型２０の突部２０ａが形成されているピッチに等しい。

　第２歯車２を固定する工程の説明を続ける。図５に示すように、上金型２０と金型２２で第２歯車２を挟んだ状態で、上金型２０に荷重を加え、第２歯車２の内周面２ｈを溝４０内に塑性流動させる。上記したように、突部２０ａと突部２２ａは、夫々周方向に等間隔に形成されている。そのため、第２歯車２の内周面側には、周方向に不連続に荷重が加わる。すなわち、第２歯車２のスポット部分にだけ荷重が加わり、周方向に並ぶスポット部分の間には荷重が加わらない。

　図１０は、上金型２０から第２歯車２に荷重が加えられる位置（スポット部分）４２を示す。夫々のスポット部分４２は、溝部６ｂに形成されている溝４０に対向している。そのため、第２歯車２の内周面２ｈのうち、溝４０に対向しているスポット部分４２に大きな荷重が加わり、溝４０に対向していない部分にはあまり荷重が加わらない。よって、第２歯車２の内周面２ｈが溝４０内に塑性流動するときに、第２歯車２から第１歯車４に加わる力を小さくすることができる。その結果、第１歯車４が変形することを防止することができる。また、上金型２０に加えられる荷重がスポット部分４２に集中するので、小さな荷重で第２歯車２の内周面２ｈを溝４０内に塑性流動することができる。

　図１１は、下金型２２から第２歯車２に荷重が加えられる位置（スポット部分）４４を示している。スポット部分４４は、図１０のスポット部分４２の裏面に相当する。図１１に示すように、スポット部分４４は、歯部８の外歯と外歯の間（すなわち、歯溝内）に位置する。荷重工程では、第１歯車４を軸線１０方向に観察したときに、第１歯車４の歯溝とオーバーラップするスポット部分４４（４２）に荷重を加える。上記のように、第２歯車２には、荷重が周方向に等間隔で加えられる。それにより、第２歯車２の塑性変形が周方向にバランスよく生じる。そのため、第１歯車及び／又は第２歯車が変形し、複合歯車１００に回転ブレが生じることを抑制することができる。すなわち、高精度の複合歯車１００を製造することができる。

　上記の工程により、第２歯車２が第１歯車４に固定され、複合歯車１００（図１を参照）が完成する。なお、本実施例の製造方法は、特に、第１歯車４に軸線１０に沿った中心孔が形成されている複合歯車１００の製造に好適である。上記したように、第２歯車２に荷重を加えるときに、第１歯車４の内周面４ｈにマンドレル２６を挿入する。マンドレル２６が挿入されている間は、第２歯車２から第１歯車４に過大な力が加わっても、第１歯車４の変形が抑制される。しかしながら、第２歯車２から第１歯車４に過大な力が加わると、マンドレル２６を外した後に第１歯車４が変形してしまう。そのため、第１歯車４に中心孔が形成されている場合、特に、第２歯車２から第１歯車に加えられる力を抑制しなくてはいけない。

　ここで、図２４と図２５を参照して、従来の製造方法について説明する。図２４は、従来の製造方法、すなわち、第２歯車（図示省略）の内周面側の周方向に亘って均一に荷重を加えた後の、第１歯車５０４を示す。第２歯車の周方向に亘って均一に加重を加える以外は、本実施例の製造方法に等しい。図２４に示すように、従来の製造方法によると、第１歯車５０４に過大な力が加わり、第１歯車５０４が変形する。その結果、第１歯車５０４と第２歯車の真円度がずれたり、第１歯車５０４の軸線１０と第２歯車の軸線がずれたりする。図２５は、図２４断面図に相当する。図２５に示すように、従来の製造方法では、溝部５０６ｂの変形が、歯部５０８の変形よりも顕著である。溝部５０６ｂは、マンドレル２６（図５を参照）が挿入されている間はほとんど変形しない。溝部５０６ｂに第２歯車を固定した段階では第１歯車５０４の変形は顕著でない。しかしながら、マンドレル２６を取り外すと、第１歯車５０４が変形し、第１歯車５０４の変形に伴って、第２歯車も変形する。そのため、従来の製造方法では、高精度の複合歯車を製造することはできない。

　図１２から図１４に、上金型２２０を示す。上金型２２０は、上金型２０の変形例である。図１２は上金型２２０の斜視図を示し、図１３は上金型２２０の平面図を示し、図１４は図１３のXIV－XIV線に沿った断面図を示す。図１２と図１４に示すように、上金型２２０の表面側の厚みは裏面側の厚みよりも薄く、表面側の端面に突部２２０ａが形成されている。突部２２０ａは、金型２０の突部２０ａと同じピッチで形成されている。そのため、第１歯車４に第２歯車２を固定するために、上金型２０に代えて上金型２２０を使用することもできる。突部２２０ａは、金型２２０の表面を所定ピッチで削ることによって、簡単に形成することができる。そのため、上金型２２０は、上金型２０よりも安価に製造することができる。

　図１５から図１７に、上金型３２０を示す。上金型３２０は、上金型２２０の変形例である。図１５は上金型３２０の斜視図を示し、図１６は上金型３２０の平面図を示し、図１７は図１６のXVII－XVII線に沿った断面図を示す。上金型３２０の表面は、波状に加工されている。その結果、上金型３２０の表面に突部３２０ａが形成される。突部３２０ａは、上金型２２０の突部２２０ａと同じピッチで形成されている。表面側の端面を波状に削るだけなので、上金型３２０は、上金型２２０よりも安価に製造することができる。

　（実施例２）図１８から図２０は、上金型４２０を示す。図１８は上金型４２０の斜視図を示し、図１９は上金型４２０の平面図を示し、図２０は図１９のXX－XX線に沿った断面図を示す。図１８と図２０に示すように、上金型４２０の表面と裏面のどちらにも突部が形成されていない。また、図１９に示すように、上金型４２０の内周面に、突部４２０ａが形成されている。別言すると、上金型４２０の内周面に、内歯４２０ａが形成されている。内歯４２０ａのピッチは、上金型２０の突部２０ａのピッチに等しい。以下に、上金型４２０を使用して複合歯車１００を製造する方法を説明する。

　図２１に、本実施例の製造工程を説明する図を示す。図２１は、実施例１の図４と実質的に等しい。よって、実施例１と重複する説明は省略する。なお、本実施例では、第２歯車４０２の形状が第２歯車２の形状と異なる。第２歯車４０２と第２歯車２の相違点は後述する。

　図２２は、図２１の破線XXIIで囲まれた範囲の拡大図を示す。図２２に示すように、第２歯車４０２の内周面側４０２ａの厚みＨ１１は、内周面側４０２ａよりも径方向外側の外周側４０２ｂの厚みＨ１２よりも厚い。上金型４２０の突部４２０ａは、第２歯車４０２の内周面側４０２ａに接し、外周側４０２ｂに接していない。そのため、上金型４２０に荷重を加えると、内周面側４０２ａのうち、突部４２０ａと接する部分にだけ荷重が加わる。図２３は、上金型４２０から第２歯車４０２に荷重が加えられるスポット部分４４２を示す。本実施例の製造方法でも、第２歯車４０２の内周面側には、周方向に不連続に荷重が加わる。図２３に示すように、夫々のスポット部分４４２は、溝部６ｂに形成されている溝４０に対向している。そのため、本実施例の製造方法でも、第１歯車４に過大な力が加わることなく、塑性流動技術を用いて、第１歯車４と第２歯車４０２を固定することができる。

　上記実施例では、第１歯車に歯部を形成する工程（第１歯車形成工程）と、第１歯車のハブに溝を形成する工程（溝形成工程）を同時に実施する例について説明した。しかしながら、第１歯車形成工程と溝形成工程を別々に実施してもよい。第１歯車のハブに形成される溝のピッチを、第１歯車の外歯のピッチと異ならせることができる。

　上記実施例では、第１歯車は平歯車であり、第１歯車に形成される溝（第２歯車が塑性流動する溝）が、第１歯車の歯溝と同じ方向に延びている。そのため、第１歯車に形成される溝が、第１歯車の軸線に平行に延びている。しかしながら、第１歯車は平歯車でなくてもよい。例えば、第１歯車は、はすば歯車（傾歯歯車）であってもよい。また、第１歯車に形成される溝は、第１歯車の軸線に平行でなくてもよい。第１歯車に形成される溝は、第１歯車の軸線方向に、概ね沿っていればよい。

　以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組み合わせによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時の請求項に記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数の目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
 

Claims (4)

1. 　第１歯車のハブに第２歯車が同軸に固定されている複合歯車の製造方法であって、
   　第１歯車の軸線方向に沿って延びている溝をハブの周面に形成する溝形成工程と、
   　中心孔を有する第２歯車を前記ハブに嵌合する嵌合工程と、
   　第２歯車の中心孔の周囲が前記溝内に塑性流動するまで軸方向の荷重を前記溝に対向している第２歯車のスポット部分に局所的に印加する荷重工程と、
   　を備えることを特徴とする複合歯車の製造方法。
2. 　スポット部分における第２歯車の厚みが、スポット部分よりも径方向外側部分の厚みと比較して厚いことを特徴とする請求項１に記載の製造方法。
3. 　溝形成工程では、ハブの溝と第１歯車の歯溝を一工程で軸線方向に一直線に形成することを特徴とする請求項１又は２に記載の製造方法
4. 　荷重工程では、第１歯車を軸線方向に観察したときに、第１歯車の歯溝とオーバーラップするスポット部分に荷重を印加することを特徴とする請求項３に記載の製造方法。

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