JP5134361B2 - 二段ヘリカル歯車 - Google Patents

Description

この発明は、主として自動車の変速機に用いられるピニオン又はサン歯車に関する。詳しくはＡＴ車、ＭＴ車あるいはＣＶＴ等変速機の他エンジン用の歯車であって、冷間鍛造により一体化形成された外径の異なる二段形状のヘリカル歯形に関するものである。

従来、自動車の二段歯車は円板状又はリング状の素材から熱間鍛造によりプロフィールが成形され、次に熱間鍛造により二段歯形が形成され、次いでシェービング、ブローチ又はホブ切り等の機械加工を施す。あるいは、熱間鍛造により成形された一段目の歯形に機械加工を施した歯車に、冷間鍛造により成形された二段目の歯車を電子ビーム溶接して一体化する。他に 熱間鍛造により一体成形された二段歯形の夫々に機械加工を施す方法が採用されている。この種の二段歯車の製造に関し、一段目の歯車と二段目の歯車とを一体化する二段歯車の提案がなされている（例えば、特許文献１、２及び３参照）。

前述した二段歯車の他に、一段目の歯形と二段目の歯形に夫々機械加工を施すことにより形成した二段ヘリカル歯車を成形する態様について、具体的に図６の工程図を用いて説明する。先ず、二段ヘリカル歯車に適した素材を所定の軸長に鋸で切断し、それを熱間鍛造して行程（１）に示すように、外周二段で最終製品に近似形状の素材Ｗ１を得る。この素材Ｗ１は、断面が円形で外周は上の大径部Ｄ１と下の小径部Ｄ２の二段形状であり、軸方向に孔３が貫通している。ここで、素材Ｗ１の輪郭形状を示す実線の内側に、一回り小さい二点鎖線で示す輪郭Ｕは、次の工程で述べる素材Ｗ２の輪郭形状との大きさを比較するために示したものである。次に、素材Ｗ１の輪郭形状から内側の輪郭Ｕの形状へ旋盤によって削り落すことにより、行程（２）に示す二段形状の円柱が得られる。この際、上段と下段との間の縮径された部位に旋盤加工を施して、全周に窪んだ凹み部４を形成し、歯形を成形する前の素材Ｗ２が得られる。この凹み部４は後行程で下段の小径部に歯切りを施す際に歯切り工具が上段にぶつかることを防ぐための逃げとなって歯切りをやり易くする。次に、冷間鍛造により歯形を形成する工程に移る。行程（３）において、上段の部位にホブ加工を施して軸方向に対して捩じれたヘリカル歯形１を形成した素材Ｗ３を得る。次に、行程（３）と同様に、下段の部位にシェーパー加工を施して軸方向に対して捩じれたヘリカル歯形２を形成した素材Ｗ４を得る。最後に行程（５）においてシェービング処理ＳＶを施して歯車面を仕上げる。この行程を経て外周面に径が異なり、かつ、歯形のリード量が同じ二段のヘリカル歯形を形成した二段ヘリカル歯車Ｗ０が得られる。

特公昭４９−１１５４３号公報 特公平６−７３７１２号公報 特開平４−３６６０２８号公報

以上の通りであって、特許文献に代表されるように、従来の二段歯車には次のような問題点がある。

上記の公報に代表されるような従来の技術では、例えば二段の歯形を熱間又は冷間鍛造によって概略歯形状に一体化成形した後、機械加工を施すため、工程数が多くなりコストアップが余儀なくされる。また、例えば１１５０〜１２００℃に加熱する熱間鍛造は常温の冷間鍛造に比べ金型の摩耗が激しいためにその寿命が短く、二段ヘリカル歯車製造コストアップを助長する要因となっている。

機械加工においては、いずれも歯形部に旋盤、シェーパー、シェービング、ブローチ、又はホブ切り等の加工を施すので、鍛造により形成されたメタルフローが切断されることになり、歯車の強度が低下する。更に、歯切り加工が二行程に亘るために上段の歯形加工を施した後、下段の歯形加工のために別の加工装置へセットやり直さなければならず、工程が煩雑化して生産効率が悪く、特に、シェーパーによるヘリカル歯形の加工は非能率である。そして、歯切り加工のためには高価な専用設備を必要とし、機械加工を施すことによる製造コストアップを回避することができない。

そこで、本発明の二段ヘリカル歯車は、本発明は以上のような課題に着目してなされたもので、実質的に冷間鍛造工程のみによって、大小径の二段外歯車が一体化成形された二段ヘリカル歯車を提供することを目的としている。また、本発明の目的は、機械加工を省くことにより鍛造成形によるメタルフローと称する繊維組織を歯形内に残して歯車の強度を保持するとともに、実質的に冷間鍛造工程のみによる製造工程の簡素化を図って生産効率を高めた二段ヘリカル歯車を提供することにある。

近年では鍛造技術の進歩により全ての形状の歯車を冷間鍛造により成形し、機械加工を省くことが可能となってきた。そこで、本発明者等は、冷間鍛造により形成されたメタルフローをそのまま生かすことに着目し、冷間鍛造後の機械加工を省いて歯車を試作したところ耐久性に優れるといいう知見を得た。本発明の二段ヘリカル歯車はかかる知見を基に具現化したもので、請求項１の発明は、外周面に径の異なるヘリカル歯車を備える二段ヘリカル歯車において、上段の大径ヘリカル歯車と下段の小径ヘリカル歯車とは同軸であるとともに、前記大径ヘリカル歯車と前記小径ヘリカル歯車の夫々のリード量が同じであり、かつ、前記大径ヘリカル歯車及び前記小径ヘリカル歯車は、冷間鍛造により一体化成形され、上段の前記大径ヘリカル歯車が下段の前記小径ヘリカル歯車へと縮径される部位に、歯形が形成されない段差部を有し、この段差部の大きさは夫々の前記歯車の歯丈より大きく構成され、かつ、夫々の前記歯車の歯幅元が傾斜することを特徴とする二段ヘリカル歯車である。そして、請求項２の発明は、請求項１の発明の上記特徴に加えて、前記歯幅元の傾斜角度は夫々１５〜４５度であることを特徴とする二段ヘリカル歯車である。

本発明によれば、冷間鍛造手段による一工程で径の異なる二段のヘリカル歯形を形成できるので、精度の高い歯車を成形する工程を合理化する上で実益は大きい。かつ、冷間鍛造により欠肉等の成形欠陥の発生を防止して歯形精度が向上する。また、径の異なる二段のヘリカル歯形を冷間鍛造により一体化成形することにより、機械加工を施す必要がないので歯形内のメタルフローが切断されることなくそのまま保持され、歯車の強度が向上するとともに、機械加工による製造コストの上昇を回避し、二段ヘリカル歯車の製造コストを低廉に抑えることができる。以上の通り、二段の円柱状素材から冷間鍛造のみにより二段のヘリカル歯形を成形することができるため、加工工数の大幅な削減によりコストダウンを図ることができ、更に金型の摩耗の少ない冷間鍛造を基本としていることから、金型そのものの寿命も長くなって耐久性が向上し、コストダウン効果が一段と顕著になる。

本発明の実施の形態を、添付図面に例示した本発明の実施例に基づいて以下に具体的に説明する。

先ず、本発明の実施例１について、図１〜図５を参照しながら説明する。図１は、本発明の実施例を示すもので、二段ヘリカル歯車の製造過程を示す工程図である。図２は、同上、冷間鍛造後の二段ヘリカル歯形部を拡大した一部断面図である。図３は、同上、二段ヘリカル歯形の製造に係る好ましい実施の形態を示す説明図である。図４は、同上、二段ヘリカル歯車の断面図である。図５は、同上、冷間鍛造におけるメタルフローを示す説明図である。

本発明の二段ヘリカル歯車の成形方法を、図１の工程図を用いて説明する。先ず、二段ヘリカル歯車に適した素材を所定の軸長に鋸で切断し、それを行程（１）に示すように、熱間鍛造により外周二段の最終の二段歯車に近似の形状の素材Ｗ１を得る。この素材Ｗ１は、断面が円形で外周は上段の大径部Ｄ１と下段の小径部Ｄ２が同軸状に設けられた二段形状であり、軸方向に孔３が貫通する。この場合、素材の材質として二段ヘリカル歯形に適した鋼材、例えば、ＳＣ鋼、ＳＣＭ鋼、ＳＮＣ鋼、ＳＮＣＭ鋼、ＳＣＲ鋼等を使用することができる。次に、行程（２）に示すように、上段の大径部Ｄ１の部位に冷間鍛造を施して軸方向に対して捩じれたヘリカル歯形１を形成するとともに、同様に下段の小径部Ｄ２の部位に冷間鍛造を施して軸方向に対して捩じれたヘリカル歯形２を形成して素材Ｗ２を得る。ここで、素材Ｗ２の輪郭形状を示す実線の内側に一回り小さい二点鎖線で示す輪郭Ｙは、前の工程（１）で述べた素材Ｗ１の輪郭形状との大きさを比較するために示したものである。冷間鍛造工程では、特に限定されるものではないが、冷間鍛造を円滑に行うために、二硫化モリブデン系潤滑剤等による潤滑処理を施す。なお、上段のヘリカル歯形１と下段のヘリカル歯形２とは歯形のリード量が同じであり、一工程で冷間鍛造を施すことにより上下の歯形を成形する方法についての詳細については後述する。

行程（２）の冷間鍛造により成形された二段ヘリカル歯形の詳細について図２を参照しながら説明する。図は、ヘリカル歯形における歯形部を拡大した一部断面図である。上段のヘリカル歯形１の歯溝深さは歯丈Ｈ１であり、下段のヘリカル歯形２の歯溝深さは歯丈Ｈ２である。上段のヘリカル歯形１が下段のヘリカル歯形２ヘと縮径される部位には歯形が形成されない段差部Ｊを有する。この部位は下段のヘリカル歯形２を歯切りする際に、後述する鍛造型の歯型Ｔ２が上段のヘリカル歯形１にぶつかるのを避けるために必要な部位であり、段差部Ｊの大きさは歯丈Ｈより大きいことが好ましい。また、上段のヘリカル歯形１の歯幅Ｂ１の歯幅元Ｇ１は傾斜しており、その角度Ａ１は１５〜４５度が冷間鍛造による歯形形成の工法上好ましい。同様に、上段のヘリカル歯形２の歯幅Ｂ２の歯幅元Ｇ２における傾斜した角度Ａ２も１５〜４５度が工法上好ましい。

次に、行程（３）に示すように二か所において旋盤加工を施す。先ず、上段の大径ヘリカル歯形１の上端面から図２の歯幅元Ｇ１の部位まで削り落す。次に、上段の大径ヘリカル歯形１が下段の小径ヘリカル歯形２へ狭まる部位において、図２の段差部Ｊの部位を旋盤により削り落して全周に亘って窪んだ凹み部４を形成する。このような工程を経てヘリカル歯形のリード量が同じで径の異なる上下二段ヘリカル歯車の二段ヘリカル歯車Ｗが得られる。

ここで、行程（２）における二段ヘリカル歯形の形成について図３を参照しながら詳細を説明する。図の上方から、上型Ｐ１、素材Ｗ１及びダイ型Ｑを示す。素材Ｗ１は外周面に歯切り加工を施す前の素材であり、上型Ｐ１は下方のダイＱの凹み型Ｖの真上に位置しその径は素材Ｗ１の大径部Ｄ１と略同じでかつ、凹み型Ｖの歯型Ｔ１の内径より僅かに小さい。上型Ｐ１は凹み型Ｖ内を昇降可能なオス型であり、素材Ｗ１をダイ型Ｑ内において圧潰する。一方ダイ型Ｑは、凹み型Ｖを有するメス型である。凹み型Ｖの上段に大径のヘリカル歯形が形成されたメス型の歯型Ｔ１を備え、縮径された下段に小径のヘリカル歯形が形成されたメス型の歯型Ｔ２を備える。ここで、ヘリカルの歯型Ｔ１とヘリカルの歯型Ｔ２とは、ヘリカル歯形のつる巻き線の一回転に対する軸方向の進みを表わすリード量が同じある。素材Ｗ１の大径部Ｄ１及び小径部Ｄ２は夫々凹み型Ｖの歯型Ｔ１及び歯型Ｔ２部位の内径に適合する。これらの下方にエジェクタＰ３を出没可能に備え、この外周に上記のヘリカルの歯型Ｔ１とヘリカルの歯型Ｔ２とリードを同じくするオス型の歯型Ｔ３を有する。そして、ダイ型Ｑのこの歯型Ｔ３と対応する位置にヘリカルのメス型である歯型Ｔ３を備える。

前記素材Ｗ１をダイＱの凹み型Ｖ内にセットし、上型Ｐ１を下降させて素材１を凹み型Ｖ内へ押し込み圧潰する。即ち、素材Ｗ１の大径部Ｄ１及び小径部Ｄ２が夫々ヘリカル歯形形成用の歯型Ｔ１、Ｔ２の溝に押し込まれてヘリカル歯形１、ヘリカル歯形２が張り出し成形される。上型Ｐ１を下降させるうちに、リード量が同じで径の異なる二種類のヘリカル歯形が同時に形成されるから、歯形相互の位相がずれることなく、精度の高い製品を提供できる。素材１が凹み型Ｖ内で圧潰されることにより、ヘリカル歯形空間の体積が軸方向上下に盛り上げ形成される。ここで、冷間鍛造が施された後、図１の行程（２）に示すように、実線で示す素材Ｗ２は、内側の二点鎖線で示す素材Ｗ１の輪郭Ｙより軸長が大きい。このことは、素材Ｗ１がダイＱ内で上型Ｐ１によって圧潰された際に、外径が同じなのでヘリカル歯形溝空間の部位に相当する体積がその分軸長へ盛り上げ成形されたからである。

冷間鍛造により上下のヘリカル歯形が形成された後、素材Ｗ２を凹み型Ｖ内から取り出す場合、ストレ−ト歯の場合は真上へ抜き出せるが、捩じれたヘリカルの歯型Ｔ１、Ｔ２の部分はダイＱに対して相対的な回転を必要とするため真上へ抜き出せない。本実施例では、図３に示すダイＱの下方からエジェクタＰ３を回転させ、かつ、スクリュー運動をさせながら昇降するようにし、歯形成形された二段ヘリカル歯車Ｗを強制的に回転させると効率良く取り出すことができる。ここで、エジェクタＰ３の外周に素材Ｗ２の歯型Ｔ１、Ｔ２と同じヘリカル歯形で、かつ、リード量が同じヘリカル歯形の歯型Ｔ３を有し、これと対向するダイＱの内周に同じヘリカル歯形のメス歯型Ｔ３を有する。

本発明の二段ヘリカル歯車は以上のように形成され、次に作用について説明する。本発明における歯形の形成は冷間鍛造によるので、冷間鍛造後歯の内部にメタルフローの繊維組織流れが連続して形成される。鍛造成形後機械加工を施すことがないのでメタルフローが切断されることもなく歯形面の耐久力に優れた歯車が得られる。

このメタルフローの形成の詳細を図５について説明する。冷間鍛造により形成されたヘリカル歯形内に、メタルフローと称する鍛流線が繊維組織状に形成される。図（ａ）は冷間鍛造における歯形内における鍛流線の分布を模式的に示す。繊維組織の流れである鍛流線Ｆが外周から内に向けて多層に形成されている。一方図（ｂ）では比較のため鍛造後ホブ加工、シェービング加工、あるいは切削その他の機械的加工を行うことによる機械面取りされた場合を模式的に示し、歯形の表面において機械加工面Ｍによって鍛流線Ｆが切断されている。本発明の二段ヘリカル歯車では冷間鍛造成形のままなので、メタルフローが切断されるようなことがなく歯形面の耐久力に優れる。即ち、鍛造後の機械加工工程を省略することができるので生産性が高く、かつ、機械強度の高い歯車が得られる。

冷間鍛造成形のみにより二段ヘリカル歯形が形成されるので、シェービング、ブローチ、又はホブ切り等の機械加工により鍛造面が削り取られるようなことがなく、内部のメタルフローをそのまま保持して歯車の耐久性を向上させることができる。従って、本発明の二段ヘリカル歯車は自動車のトランスミッションの用途に限らず工作機械、荷役建設機械、ロボット等の各種の機械装置の用途に勿論適用できる。

本発明の実施例を示すもので、二段ヘリカル歯車の製造過程を示す工程図である。 同上、冷間鍛造後の二段ヘリカル歯形部を拡大した一部断面図である。 同上、二段ヘリカル歯形の製造に係る好ましい実施の形態を示す説明図である。 同上、二段ヘリカル歯形の断面図である。 同上、冷間鍛造におけるメタルフローを示す説明図である。 従来例を示すもので、二段ヘリカル歯形の製造過程を示す工程図である。

符号の説明

Ａ１、Ａ２ 角度
Ｂ１、Ｂ２ 歯幅
Ｄ１ 大径部
Ｄ２ 小径部
Ｆ 鍛流線
Ｇ１、Ｇ２ 歯幅元
Ｈ１、Ｈ２ 歯丈
Ｊ 段差部
Ｍ 機械加工面
Ｐ１ 上型
Ｐ３ エジェクタ
Ｑ ダイ型
Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３ 歯型
Ｕ 輪郭
Ｖ 凹み型
Ｗ、Ｗ０ 二段ヘリカル歯車
Ｗ１、Ｗ２ 素材
Ｙ 素材輪郭
１ ヘリカル歯形
２ ヘリカル歯形
３ 孔
４ 凹み部

Claims (2)

1. 外周面に径の異なるヘリカル歯車を備える二段ヘリカル歯車において、
   上段の大径ヘリカル歯車と下段の小径ヘリカル歯車とは同軸であるとともに、
   前記大径ヘリカル歯車と前記小径ヘリカル歯車の夫々のリード量が同じであり、
   かつ、前記大径ヘリカル歯車及び前記小径ヘリカル歯車は、冷間鍛造により一体化成形され、
   上段の前記大径ヘリカル歯車が下段の前記小径ヘリカル歯車へと縮径される部位に、歯形が形成されない段差部を有し、
   この段差部の大きさは夫々の前記歯車の歯丈より大きく構成され、
   かつ、夫々の前記歯車の歯幅元が傾斜することを特徴とする二段ヘリカル歯車。
2. 前記歯幅元の傾斜角度は夫々１５〜４５度であることを特徴とする請求項１記載の二段ヘリカル歯車。

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