JP5305123B2

JP5305123B2 - 歯車

Info

Publication number: JP5305123B2
Application number: JP2007307054A
Authority: JP
Inventors: 正範佐藤; 克史阿部
Original assignee: NTN Corp
Current assignee: NTN Corp
Priority date: 2007-11-28
Filing date: 2007-11-28
Publication date: 2013-10-02
Anticipated expiration: 2027-11-28
Also published as: US8100027B2; JP2009127842A; CN101874170B; CN101874170A; WO2009069554A1; US20100300229A1

Description

本発明は、歯車に関し、歯面の耐アブレジョン性や耐スコーリング性と、歯面のピッチングや歯欠けに対する疲労強度が優れた歯車に関する。

自動車のトランスミッションに使用される歯車のように、潤滑油をはねかけ式で供給されるものは、噛み合い部に十分な潤滑油が供給されず、歯面にアブレジョンやスコーリングが生じやすい問題があった。このような問題に対して、本出願人は、歯面に微小なくぼみを無数にランダムに設け、これらの微小なくぼみを油溜りとして歯面に油膜を形成しやすくして、耐アブレジョン性や耐スコーリング性を向上させることを先に提案している（例えば、特許文献１参照）。

前記微小なくぼみを歯面等の部品表面に無数にランダムに設ける手段としては、例えば、遠心流動バレル研磨法のような特殊な研磨法によって、表面にランダムな凹凸を形成した後、さらにバレル研磨法によって、凹凸の凸部を平滑化することにより、微小なくぼみをランダムに形成する方法が採用されている。

一方、トランスミッションの多段化やエンジンの高出力化に伴い、トランスミッションに使用される歯車に作用する負荷や回転数が増加する傾向がある。また、自動車の燃費向上のために、トランスミッションがコンパクト化される傾向もあり、使用される歯車も小型化、小モジュール化が求められている。このような動向から、トランスミッション用の歯車では、ピッチングや歯欠け等の疲労損傷が発生しやすくなっている。

なお、歯車等の機械部品の疲労強度を高める手段としては、研磨加工等によって表面を仕上げる前に、ショットピーニング加工で前処理し、表面に大きな圧縮残留応力を形成する方法が採用されている。

実用新案登録第２５９１６１６号公報

特許文献１に記載された歯車は、耐アブレジョン性と耐スコーリング性を有するが、歯元や歯面に大きな圧縮残留応力を形成されないので、ピッチングや歯欠けに対する疲労強度を十分に確保できない問題がある。このような疲労強度を確保するためには、従来の機械部品で採用されているように、前処理としてショットピーニング加工を施すことが考えられるが、加工工程が増加し、製造工程が複雑になる問題がある。

そこで、本発明の課題は、加工工程を増加させることなく、耐アブレジョン性と耐スコーリング性のほかに、ピッチングや歯欠けに対する疲労強度を高めることである。

上記の課題を解決するために、本発明は、歯面に微小凹形状のくぼみをランダムに無数に設けた歯車において、前記くぼみを設けた面の面粗さパラメータが、Ｒyni：２．０〜５．５μｍ、Ｒymax：２．５〜７．０μｍ、Ｒqni：０．３〜１．１μｍの範囲にある構成を採用した。

前記パラメータＲyniは、基準長毎最大高さの平均値、すなわち粗さ曲線から、その平均線の方向に基準長さだけ抽出し、この抽出部分の山頂線と谷底線との間隔を粗さ曲線の縦倍率の方向に測定した値であり、パラメータＲymaxは、基準長毎最大高さの最大値である（ＩＳＯ４２８７:１９９７）。また、パラメータＲqniは、粗さ平均線から粗さ曲線までの高さの偏差の自乗を測定長さの区間で積分し、その区間で平均した値の平方根であり、自乗平均平方根粗さともいう。

前記歯面を研磨加工によって平滑化し、この平滑化した歯面に、前記無数のくぼみを、微小な硬質粒子を衝突させるくぼみ形成手段でランダムに形成することにより、微小な硬質粒子を衝突させるくぼみ形成手段によって歯面に大きな圧縮残留応力を形成し、加工工程を増加させることなく、耐アブレジョン性と耐スコーリング性のほかに、ピッチングや歯欠けに対する疲労強度を高めることができる。

前記研磨加工による平滑化後の歯面の表面粗さは、Ｒyni：０．７〜１．５μｍ、Ｒymax：０．９〜２．５μｍ、Ｒqni：０．１〜０．３μｍとするのが好ましい。

前記研磨加工はジャイロ研磨加工とすることができる。

前記くぼみ形成手段に使用する硬質粒子は、酸化アルミニウムを主成分とし、外径寸法が０．１〜１ｍｍのものとすることができる。

前記くぼみ形成手段は液体ホーニング加工とすることができる。

上述した各歯車は、自動車のトランスミッションに使用されるものに好適である。

本発明の歯車は、歯面を研磨加工によって平滑化し、この平滑化した歯面に、無数の微小凹形状のくぼみを、微小な硬質粒子を衝突させるくぼみ形成手段でランダムに形成し、くぼみを形成した面の面粗さパラメータが、Ｒyni：２．０〜５．５μｍ、Ｒymax：２．５〜７．０μｍ、Ｒqni：０．３〜１．１μｍの範囲にあるものとしたので、微小な硬質粒子を衝突させるくぼみ形成手段によって歯面に大きな圧縮残留応力を形成し、加工工程を増加させることなく、耐アブレジョン性と耐スコーリング性のほかに、ピッチングや歯欠けに対する疲労強度を高めることができる。

以下、図面に基づき、本発明の実施形態を説明する。図１は、本発明に係る歯車１を使用した自動車のトランスミッションを示す。このトランスミッションは、マニュアル式のものであり、ハウジング１１内にインプットシャフト１２、アウトプットシャフト１３および中間シャフトとしてのパイロットシャフト１４が直列に配置され、さらに中間シャフトとしてのカウンターシャフト１５とリバースシャフト１６がアウトプットシャフト１３と平行に配置されている。なお、図１は、図面を見やすくするために展開表示しており、リバースシャフト１６はアウトプットシャフト１３とも係合するようになっている。

前記歯車１は、各シャフト１２、１３、１４、１５、１６に取り付けられており、外部からの操作でシフトされるクラッチハブ１７で、これらの歯車１の噛み合わせを変えることにより、インプットシャフト１２からアウトプットシャフト１３へのトルク伝達経路が適切に選択されるようになっている。各歯車１は、オイルパン（図示省略）に溜まった油のはねかけで潤滑されるようになっている。

図２に示すように、前記歯車１の歯面２には、歯先部２ａ、歯たけ部２ｂおよび歯底部２ｃに無数の微小なくぼみ３がランダムに設けられている。これらのくぼみ３は、ジャイロ研磨加工で歯面２の表面粗さを、Ｒyni：０．７〜１．５μｍ、Ｒymax：０．９〜２．５μｍ、Ｒqni：０．１〜０．３μｍとなるように平滑化した後、液体ホーニング加工によって形成したものであり、くぼみ３が形成された歯車１の表面粗さは、Ｒyni：２．０〜５．５μｍ、Ｒymax：２．５〜７．０μｍ、Ｒqni：０．３〜１．１μｍとされている。

前記ジャイロ研磨加工は、図３に模式的に示すように、研磨媒体を充填した研磨槽２１に、支持部材２２に設けられた複数の回転軸２３に取り付けたワークとしての歯車１を挿入し、回転軸２３で歯車１を自転させるとともに、研磨槽２１または支持部材２２を回転させて、歯車１を研磨槽２１に対して相対的に公転させるものであり、歯面２に研磨媒体を満遍なく接触させて、複雑な形状の歯面２を平滑化することができる。

前記液体ホーニング加工は、図４に模式的に示すように、回転軸２４に取り付けた歯車１を回転させながら、回転軸２４と直交する方向から、ノズル２５によって硬質粒子を混入した液体を歯面２に噴射するものであり、硬質粒子の歯面２への衝突によって、歯面２に微小なくぼみ３をランダムに形成するとともに、歯面２に大きな圧縮残留応力を形成する。この実施形態では、硬質粒子に、酸化アルミニウムを主成分とし、外径寸法が０．１〜１ｍｍのものを用いている。

実施例として、上述したように、ジャイロ研磨加工で歯面を平滑化した後、液体ホーニング加工によって、歯面に無数の微小なくぼみをランダムに形成した歯車を用意した。比較例として、前述したように、遠心流動バレル研磨とバレル研磨法によって、歯面に無数の微小なくぼみをランダムに形成した歯車を用意した。実施例と比較例の歯車の材質は、いずれも中炭素Ｃｒ合金鋼ＳＣｒ４２０を浸炭処理したものとした。これらの実施例と比較例の歯車について、耐ピッチング試験と、耐歯欠け強度試験とを行った。また、実施例と比較例の歯車について、それぞれの歯面の表面近傍における圧縮残留応力も測定した。

前記耐ピッチング試験は、図５に示す平歯車疲労試験機を用いて行った。この平歯車疲労試験機は、モータ（図示省略）で駆動される駆動軸３１と、伝動歯車３２の噛み合いで従動回転する従動軸３３とに、それぞれドライブ側試験歯車１ａとドリブン側試験歯車１ｂを取り付けて噛み合わせ、ドライブ側試験歯車１ａを取り付けた駆動軸３１の先端側に負荷レバー３４と錘３５で捩りトルクを負荷した後、駆動軸３１と従動軸３３の間で動力循環させるものであり、負荷トルクは従動軸３３に取り付けたトルクメータ３６でモニタリングされるようになっている。試験条件は以下の通りである。
・ドライブ側試験歯車：外径７９ｍｍ、内径３５ｍｍ、歯幅８．２ｍｍ、歯数２９枚
・ドリブン側試験歯車：外径７９ｍｍ、内径３５ｍｍ、歯幅１５ｍｍ、歯数３０枚
・回転数：３５００ｒｐｍ・負荷トルク：１９ｋｇｆ・ｍ
・潤滑油：ＡＴＦオイル（油温８０℃）

上記耐ピッチング試験の結果、実施例の試験歯車でのピッチング発生までの時間は、比較例の試験歯車の約９倍となり、著しく耐ピッチング性が向上することが確認された。

前記歯欠け強度試験は、図６に示すように、回転自在な回転シャフト３７に取り付けた試験歯車１ｃを、固定シャフト３８に取り付けた固定歯車３９と噛み合わせ、回転シャフト３７に設けたアーム４０に負荷される繰り返し荷重Ｐによって、試験歯車１ｃの歯元に繰り返しの曲げ応力を発生させる方法で行い、繰り返し荷重Ｐのレベルを変化させて、各レベルの歯元曲げ応力に対する歯欠け発生までの疲労限界を求めた。

図７は、上記歯欠け強度試験の結果を示す。この試験結果より、実施例の試験歯車は、比較例のものに対して、歯欠けに対する疲労限界が大幅に向上しており、実用的な低い歯元曲げ応力のレベルでは、疲労限界が５０％程度向上している。

図８は、上記実施例と比較例の歯車について、歯面の表面近傍の圧縮残留応力を測定した結果を示す。実施例と比較例のいずれの歯車も、歯面の表面近傍には、熱処理に起因すると考えられる小さな圧縮残留応力が形成され、実施例のものは、これに加えて、表面から０．２ｍｍの深さまでの表面層に、液体ホーニング加工に起因すると考えられる大きな圧縮残留応力が形成されている。上記耐ピッチング試験と歯欠け強度試験における実施例の試験歯車の耐ピッチング性と歯欠け強度の向上代は、この表面層に形成された大きな圧縮残留応力によるものと考えられる。

上述した実施形態では、くぼみを形成する前の歯面の研磨加工をジャイロ研磨加工で行なったが、この研磨加工は、他のバレル研磨加工等で行ってもよい。また、くぼみ形成手段を液体ホーニング加工としたが、くぼみ形成手段は、微小な硬質粒子を歯面に衝突させるものであればよく、ショットピーニング加工等も採用することができる。

本発明に係る歯車を使用したトランスミッションを示す縦断面図図１の歯車の要部を示す斜視図ジャイロ研磨加工装置を模式的に示す縦断面図液体ホーニング加工装置を模式的に示す正面図耐ピッチング試験に用いた平歯車疲労試験機を示す斜視図歯欠け強度試験を模式的に示す正面図歯欠け強度試験の結果を示すグラフ歯面の表面近傍の圧縮残留応力の測定結果を示すグラフ

符号の説明

１歯車
１ａ、１ｂ、１ｃ試験歯車
２歯面
２ａ歯先部
２ｂ歯たけ部
２ｃ歯底部
３くぼみ
１１ハウジング
１２インプットシャフト
１３アウトプットシャフト
１４パイロットシャフト
１５カウンターシャフト
１６リバースシャフト
１７クラッチハブ
２１研磨槽
２２支持部材
２３、２４回転軸
２５ノズル
３１駆動軸
３２伝動歯車
３３従動軸
３４負荷レバー
３５錘
３６トルクメータ
３７回転シャフト
３８固定シャフト
３９固定歯車
４０アーム

Claims

歯面に微小凹形状のくぼみをランダムに無数に設けた歯車において、前記歯面を研磨加工によって平滑化し、この平滑化した歯面に、前記無数のくぼみを、微小な硬質粒子を衝突させるくぼみ形成手段でランダムに形成し、前記くぼみを設けた面の面粗さパラメータが、Ｒyni：２．０〜５．５μｍ、Ｒymax：２．５〜７．０μｍ、Ｒqni：０．３〜１．１μｍの範囲となるようにしたことを特徴とする歯車。
前記研磨加工による平滑化後の歯面の表面粗さを、Ｒyni：０．７〜１．５μｍ、Ｒymax：０．９〜２．５μｍ、Ｒqni：０．１〜０．３μｍとした請求項１に記載の歯車。
前記研磨加工をジャイロ研磨加工とした請求項１または２に記載の歯車。
前記くぼみ形成手段に使用する硬質粒子を、酸化アルミニウムを主成分とし、外径寸法が０．１〜１ｍｍのものとした請求項１乃至３のいずれかに記載の歯車。
前記くぼみ形成手段を液体ホーニング加工とした請求項１乃至４のいずれかに記載の歯車。
前記歯車が自動車のトランスミッションに使用されるものである請求項１乃至５のいずれかに記載の歯車。