JP6693374B2 - リングギアおよびリングギアの製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、リングギアおよびリングギアの製造方法に関する。
従来、車両の自動変速機などに用いられる、リングギアを備えるプラネタリギアユニットが知られている(たとえば、特許文献1参照)。
上記特許文献1には、リングギアと、リングギアの内周歯に噛合するピニオンギアと、ピニオンギアの内側に配置されてピニオンギアに噛合するサンギアとを備える、車両の自動変速機に用いられるプラネタリギアユニットが開示されている。リングギアの内周歯は所定の硬度が要求されることから、この特許文献1のプラネタリギアユニットでは、リングギアの内周歯には、硬度を向上させるための軟窒化処理が施されている。内周歯の硬度上昇には高周波焼入れ処理を用いることも考えられるところ、この軟窒化処理は、高周波焼入れ処理に比べて処理温度が低く、処理に起因する歪みの発生を抑制して、内周歯を高精度に形成することができるため、高周波焼入れ処理に比べて、ピニオンギアとの噛合によるギアノイズが低減される。
また、特許文献2に開示されるプラネタリギアユニットにおいては、リングギアの径方向外方には、摩擦係合要素としてのクラッチが配設されている。該クラッチは、第1の摩擦材としての外側薄板(クラッチプレート)43、第2の摩擦材としての内側薄板(クラッチディスク)44等を備え、リングギアR1の外周面に形成されたスプラインと、クラッチディスク44の内周面に形成されたスプラインとが係合させられる。したがって、リングギアR1はクラッチCaのハブを兼ねる構成となっている。同様に、リングギアR2もクラッチCbのハブを兼ねている。
特開平04−285346号公報 特許第4867430号公報
しかしながら、上記特許文献2に記載されたような従来の内周歯および外周歯を有するリングギアに、上記特許文献1のような軟窒化処理を施した場合、リングギアを炉内に載置して軟窒化処理が行われることから、内周歯および外周歯の両方が軟窒化処理されて硬度上昇することになる。その結果、外周歯に噛合するクラッチディスクの表面硬度を超えて、軟窒化処理されたリングギアの外周歯の表面硬度が大きく上昇することとなる。このため、クラッチディスクがリングギアの外周歯との接触により摩耗しやすくなるという不都合がある。その結果、外周歯に噛合する部材の摩耗を抑制することが困難である。車両の自動変速機の場合を考えると、このようにクラッチディスクが摩耗し、さらにこの摩耗が進んでいけば、ギアノイズの原因となるばかりか、変速ショックを生む原因となり得る。
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、この発明の1つの目的は、内周歯を高硬度かつ高精度に形成するとともに、外周歯に噛合する部材の摩耗を抑制することが可能なリングギアおよびリングギアの製造方法を提供することである。
上記目的を達成するために、この発明の第1の局面におけるリングギアは、サンギアと、サンギアの径方向外側に配置されサンギアと噛合するピニオンギアとともにプラネタリギアユニットを構成するリングギアであって、リングギアの内周面の少なくとも一部にピニオンギアと噛合する内周歯が形成されており、かつ、リングギアの外周面の少なくとも一部に内周歯よりも硬度が低い外周歯が形成されており、内周歯の表面の窒素濃度が、外周歯のうち少なくとも歯面の表面の窒素濃度より高い

この発明の第1の局面によるリングギアは、上記のように、内周歯の表面に窒化処理が施されることによりリングギアの母材よりも窒素濃度が高くされた窒化層を形成し、外周歯の表面は窒素濃度がリングギアの母材の窒素濃度とされるように、すなわち、窒化層が無く母材が露出するように形成する。これにより、内周歯においては、内周歯の表面に窒化層を形成することによって、内周歯を高硬度に形成することができる。また、高周波焼入れに比べて処理温度が低い窒化処理により窒化層を形成することにより、処理に起因する歪みの発生を抑制して、内周歯を高精度に形成することができる。その結果、内周歯の耐摩耗性を確保できるとともに、リングギアの内側に噛合されるギアとのギアノイズを低減することができる。また、外周歯においては、外周歯の表面を母材が露出するように形成することにより、外周歯の表面に窒化層が存在する場合に比べて、外周歯の硬度を小さくすることができる。その結果、外周歯に噛合する部材の摩耗を抑制することができる。
この発明の第2の局面におけるリングギアの製造方法は、円環状粗形材から内周面に内周歯を有し外周面に外周歯を有するリングギアの製造方法において、円環状粗形材の内周面に内周歯が形成された中間体を形成する工程と、中間体の全体に対して窒化処理を施して中間体の表面に窒化層を形成する工程と、窒化処理が施された中間体の外周面における外周歯の形成を所望する部分に形成された窒化層を除去する工程と、窒化層が除去された中間体の外周歯の形成を所望する部分に外周歯を形成する工程と、を備える。
この発明の第2の局面によるリングギアの製造方法では、上記のように、内周歯の表面に窒化処理が施されることにより窒化層を形成し、外周歯の表面は窒化層が除去されるように形成する。これにより、内周歯においては、内周歯の表面に窒化層を形成することによって、内周歯を高硬度に形成することができる。また、高周波焼入れに比べて処理温度が低い窒化処理により窒化層を形成することにより、処理に起因する歪みの発生を抑制して、内周歯を高精度に形成することができる。その結果、内周歯の耐摩耗性を確保できるとともに、リングギアの内側に噛合されるギアとのギアノイズを低減することができる。また、外周歯においては、外周歯の表面を母材が露出するように形成することにより、外周歯の表面に窒化層が存在する場合に比べて、外周歯の硬度を小さくすることができる。その結果、外周歯に噛合する部材の摩耗を抑制することができる。
本発明によれば、上記のように、内周歯を高硬度かつ高精度に形成するとともに、外周歯に噛合する部材の摩耗を抑制することができる。
本発明の一実施形態によるリングギアを備えるプラネタリギアユニットの概略を示した断面図である。 本発明の一実施形態によるリングギアを示した斜視図である。 本発明の一実施形態によるクラッチディスクの一部を示した図である。 本発明の一実施形態によるリングギアの製造方法を説明するための図である。
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図1〜図3を参照して、本発明の一実施形態によるプラネタリギアユニットについて説明する。
プラネタリギアユニット100は、車両の自動変速機用部品として用いられるように構成されている。たとえば、プラネタリギアユニット100は、自動車のオートマチックトランスミッションに用いられるように構成されている。また、図1に示すように、プラネタリギアユニット100は、リングギア1と、サンギア2と、ピニオンギア3aおよび3bとを備えている。また、リングギア1は、径方向外径側で、クラッチディスク4aおよび4bが噛合するように構成されている。プラネタリギアユニット100は、ピニオンギア3aおよび3bを含む、ダブルピニオンプラネタリギアを含む。
サンギア2は、図1に示すように、リングギア1の径方向内側に配置されている。サンギア2は、径方向外側に配置された複数のピニオンギア3aと噛合するように構成されている。つまり、サンギア2は、リングギア1の径方向の略中心に配置されている。また、サンギア2は、複数のピニオンギア3aの略中心に配置されている。また、サンギア2は、回転軸21を中心に回転可能に構成されている。
ピニオンギア3aおよび3bは、リングギア1の径方向内側に配置されている。また、ピニオンギア3aおよび3bは、サンギア2の径方向外側に配置されている。つまり、ピニオンギア3aおよび3bは、サンギア2とリングギア1との間に配置されている。また、ピニオンギア3aは、サンギア2およびピニオンギア3bと噛合するように構成されている。また、ピニオンギア3bは、ピニオンギア3aおよびリングギア1と噛合するように構成されている。複数のピニオンギア3bは、キャリヤ31により連結されている。ピニオンギア3aは、回転軸32aを中心に回転可能に構成されている。ピニオンギア3bは、回転軸32bを中心に回転可能に構成されている。また、複数のピニオンギア3aおよび3bは、サンギア2の周りをサンギア2に対して相対的に回転可能に構成されている。
キャリヤ31は、キャリヤプレート31aと、キャリヤプレート31bとを有しており、キャリヤプレート31aおよび31bにより回転軸32aおよび32bを支持している。回転軸32aは、ピニオンギア3aを回転自在に支持している。回転軸32bは、ピニオンギア3bを回転自在に支持している。
クラッチディスク4aおよび4bは、リングギア1の径方向外側に配置されている。また、クラッチディスク4aおよび4bは、リングギア1の回転軸線方向に沿って複数設けられている。具体的には、クラッチディスク4aは、リングギア1の軸方向一方側に複数配置されている。クラッチディスク4bは、リングギア1の軸方向他方側に複数配置されている。リングギア1の外周には、クラッチハブ10が一体的に形成されている。クラッチハブ10の外周面には、スプライン(外周歯)が形成されている。クラッチハブ10のスプラインには、クラッチディスク4aおよび4bがスプライン係合している。クラッチディスク4aは、リングギア1の外周歯12bに両者の歯面同士が接触して係合している。クラッチディスク4bは、リングギア1の外周歯12aに両者の歯面同士が接触して係合している。
クラッチディスク4aおよび4bは、図3に示すように、内側に、歯先41と、歯底42と、歯面43とを含む複数の歯が形成されている。また、クラッチディスク4aおよび4bには、表面に複数の摩擦材40が貼り付けられている。
油圧サーボ50は、クラッチドラム5と、ピストン部材52と、キャンセルプレート53と、リターンスプリング54とを有しており、これらにより、作動油室55と、キャンセル油室56とを構成している。
クラッチドラム5はリングギア1の径方向外周側にあり、そのドラム部5aの内周面に形成されたスプラインにおいて、クラッチプレート51がスプライン係合されている。また、クラッチプレート51は、複数のクラッチディスク4aと対向するように複数設けられている。つまり、クラッチプレート51と、クラッチディスク4aとは、回転軸線に沿って交互に配置されている。
ピストン部材52は、シールリング521およびシール部材522によってシールされることにより、クラッチドラム5との間に油密状の作動油室55を構成している。また、ピストン部材52の外周側には、押圧部52aが延設されている。押圧部52aは、前端が図1における左端のクラッチプレート51に対向するように配置されている。
キャンセルプレート53とピストン部材52との間には、リターンスプリング54が縮ませた状態で配置されている。キャンセルプレート53とピストン部材52とピストン部材52の外周部に配置されたシール部材とにより油密状のキャンセル油室56を構成している。
上記構成により、作動油室55とキャンセル油室56とに生じる油圧のバランスによってピストン部材52を軸方向に移動させ、クラッチプレート51とクラッチディスク4aとを圧接・離間させることにより、クラッチの係合・解放を行う。
油圧サーボ60は、クラッチドラム6と、ピストン部材62と、キャンセルプレート63と、リターンスプリング64とを有しており、これらにより、作動油室65と、キャンセル油室66とを構成している。
クラッチドラム6はリングギア1の径方向外周側にあり、そのドラム部6aの内周面に形成されたスプラインにおいて、クラッチプレート61がスプライン係合されている。また、クラッチプレート61は、複数のクラッチディスク4bと対向するように複数設けられている。つまり、クラッチプレート61と、クラッチディスク4bとは、回転軸線に沿って交互に配置されている。
ピストン部材62は、シールリング621およびシール部材622によってシールされることにより、クラッチドラム6との間に油密状の作動油室65を構成している。また、ピストン部材62の外周側には、押圧部62aが延設されている。押圧部62aは、前端が図1における右端のクラッチプレート61に対向するように配置されている。
キャンセルプレート63とピストン部材62との間には、リターンスプリング64が縮ませた状態で配置されている。キャンセルプレート63とピストン部材62とピストン部材62の外周部に配置されたシール部材とにより油密状のキャンセル油室66を構成している。
上記構成により、作動油室65とキャンセル油室66とに生じる油圧のバランスによってピストン部材62を軸方向に移動させ、クラッチプレート61とクラッチディスク4bとを圧接・離間させることにより、クラッチの係合・解放を行う。
リングギア1は、図2に示すように、内周歯11と、外周歯12とを含んでいる。外周歯12は、2段形成されており、外周歯12aと、外周歯12bとを有している。リングギア1は、サンギア2の径方向外側に配置されている。つまり、リングギア1は、サンギア2と、サンギア2の径方向外側に配置されサンギア2と噛合するピニオンギア3aと、ピニオンギア3aの径方向外側に配置されピニオンギア3aと噛合するピニオンギア3bとともにプラネタリギアユニット100を構成する。リングギア1は、ピニオンギア3bと内周歯11で噛合する。
リングギア1は、図1に示すように、径方向外側において、複数のクラッチディスク4aおよび4bと噛合するように構成されている。つまり、リングギア1は、クラッチハブ10として用いられるように構成されている。また、リングギア1は、径方向内側において、複数のピニオンギア3bと噛合するように構成されている。
リングギア1は、円環状に形成されている。また、リングギア1は、鋼材を母材としている。たとえば、母材としての鋼材は、鉄と、炭素とを要素として含んでいる。また、母材は、必要に応じて、ケイ素、マンガン、リン、硫黄、クロム、アルミニウム、窒素等を要素としてさらに含んでもよい。
図2に示すように、内周歯11は、リングギア1の内周に設けられている。また、内周歯11は、ピニオンギア3bと噛合するように構成されている。ここで、本実施形態では、内周歯11の表面には、リングギア1の母材に窒化処理が施された窒化層13が形成されている。具体的には、内周歯11の表面には、リングギア1の母材に窒化処理が施されたことにより窒素濃度が母材よりも高くされた窒化層13が形成されている。
図2に示すように、外周歯12は、リングギア1の外周に設けられている。また、外周歯12は、歯先121と、歯底122と、歯面123とを含んでおり、リングギア1の径方向外側に配置されたクラッチディスク4aおよび4bが噛合されるように構成されている。ここで、本実施形態では、外周歯12の表面には、リングギア1の母材が露出している。すなわち、外周歯12の表面のうち、少なくとも歯面123には窒化層13が存在していない。具体的には、外周歯12のうち少なくとも歯面123の表面の窒素濃度は母材の窒素濃度とされている。
窒化層13は、リングギア1の表面付近の母材に窒素を侵入させて形成されている。具体的には、窒化層13は、ガス軟窒化処理により形成されている。また、窒化層13は、リングギア1の母材よりも高い硬度を有している。たとえば、母材は、ビッカース硬度において約250HV程度の硬度を有している。窒化層13は、ビッカース硬度において約600HV以上約900HV以下程度の硬度を有している。つまり、窒化層13は、母材の2倍以上の硬度を有している。
(リングギアの製造方法)
次に、図4を参照して、リングギア1の製造方法について説明する。
まず、図4(a)に示すように、リングギア1を形成するための鋼材(母材)から熱間鍛造によりリングギア1の粗形材101が形成される。具体的には、母材が円環状の形状に形成される。また、円環状の内径が、内周歯11を形成する削り代を考慮して整えられる。また、円環状の外径が、後に形成される窒化層13を削る削り代、および、外周歯12を形成する削り代を考慮して整えられる。また、必要に応じて、粗形材101の内径、外径および回転軸線方向両端の端面が整えられる。
次に、図4(b)に示すように、粗形材101の内周に内周歯11が形成され、中間体102とされる。内周歯11は、たとえば、ブローチ加工と、歯端面取加工とにより形成される。そして、図4(c)に示すように、中間体102に対して窒化処理を施し、中間体103とする。これにより、中間体103の表面に窒化層13が形成される。この窒化処理は、ガス軟窒化処理により行われる。
次に、図4(d)に示すように、窒化処理が行われた中間体103の外周の窒化層13が除去され中間体104とされる。この際、中間体103の外周の母材が露出されるまで、窒化層13が除去される。つまり、窒化処理が施された中間体103の外周面における外周歯12の形成を所望する部分に形成された窒化層13が除去される。ここで、中間体103の外周面を周方向に凹凸がない平滑面とした円筒形状としておくことが好ましい。外周の窒化層13の除去を旋盤加工により容易に行うことができるからである。
次に、図4(e)に示すように、窒化層13が除去された中間体104の外周に外周歯12が形成されたリングギア1が形成される。つまり、母材が露出した中間体104の外周に外周歯12が形成される。具体的には、窒化層13が除去された中間体104の外周歯12の形成を所望する部分に外周歯12が形成される。外周歯12は、たとえば、ホブカッターにより、切削されて形成される。中間体104の外周には窒化層13がなく硬度が低くなっているため、容易に外周歯12を形成することができる。その後、必要に応じて、ショットブラスト加工により、リングギア1のバリが取り除かれるとともに、洗浄される。以上によりリングギア1が製造される。
本実施形態では、上記のように、内周歯11の表面に、リングギア1の母材に窒化処理が施された窒化層13を形成し、外周歯12の表面は、母材が露出するように形成する。これにより、内周歯11を高硬度に形成することができる。また、高周波焼入れに比べて処理温度が低い窒化処理により窒化層13を形成することにより、処理に起因する歪みの発生を抑制して、内周歯11を高精度に形成することができる。その結果、内周歯11の耐摩耗性を確保できるとともに、リングギア1の内側に噛合されるピニオンギア3bとのギアノイズを低減することができる。また、外周歯12の表面を母材が露出するように形成することにより、外周歯12の表面に窒化層13が存在する場合に比べて、外周歯12の硬度を小さくすることができる。その結果、外周歯12に噛合するクラッチディスク4aおよび4bの摩耗を抑制することができる。ここで、クラッチディスク4aおよび4bとリングギア1の外周歯12とは、クラッチディスク4aおよび4bを構成するコアプレートの歯面とリングギア1の外周歯12のうちの歯面とで接触するので、リングギア1の外周歯12の歯面の表面において、母材が露出するように形成することが重要である。
また、本実施形態では、上記のように、リングギア1の外周歯12を、リングギア1の径方向外側に配置されたクラッチディスク4aおよび4bが噛合するように構成し、窒化層13を、リングギア1の母材よりも高い硬度を有するように構成する。これにより、クラッチディスク4aおよび4bに噛合するリングギア1の外周歯12の硬度を窒化層13に比べて小さくすることができるので、クラッチディスク4aおよび4bの硬度を高くしなくても、クラッチディスク4aおよび4bの摩耗を効果的に抑制することができる。
また、本実施形態では、上記のように、窒化処理が行われた中間体103の外周の窒化層13を、リングギア1の外周の母材が露出するまで除去し、母材が露出した中間体104の外周に外周歯12を形成する。これにより、リングギア1の外周歯12に窒化層13が含まれないように形成することができるので、外周歯12に噛合するクラッチディスク4aおよび4bの摩耗をより確実に抑制することができる。
また、本実施形態では、上記のように、中間体103の窒化層13を、ガス軟窒化処理により形成する。これにより、内周歯11の歯面(凸部)および歯底(凹部)の両方に略均一の厚さの窒化層13を形成することができる。
また、本実施形態では、上記のように、窒化処理が施された中間体103の外周面を周方向に凹凸が無い平滑面としておく。これにより、中間体103の外周面の窒化層13を容易に除去することができる。
また、本実施形態では、上記のように、中間体103の外周を周方向に凹凸のない平滑な円筒形状としておき、外周の窒化層13の除去を、旋盤加工により行う。これにより、カッターに比べて硬度が高いチップを用いて旋盤加工により窒化層13を削ることができるので、中間体102の外周の窒化層13を容易に除去することができる。
次に、本願発明者がガス軟窒化処理の効果を確認するために、ガス軟窒化処理によりリングギア1の表面を窒化させて窒化層13を実際に形成して、歯面(凸部)および歯底(凹部)の窒化層13の厚さを測定した実施例について説明する。
この実施例では、中間体102に対してガス軟窒化処理を施し、窒化層13を形成した。このガス軟窒化処理では、約560℃において2時間の処理を行った。その結果、リングギア1の歯面(凸部)の窒化層13の厚さは、0.23mmであった。また、リングギア1の歯底(凹部)の窒化層13の厚さは、0.27mmであった。これにより、ガス軟窒化処理により、歯面(凸部)および歯底(凹部)の両方に略均一の厚さの窒化層13を形成することができることが判明した。
(変形例)
なお、今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態および実施例の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更(変形例)が含まれる。
たとえば、上記実施形態では、本発明のプラネタリギアユニットをダブルピニオン式プラネタリギアを含むものとしている例を示したが、もちろん、ピニオンギアが1種類のシングルピニオン式プラネタリギアとしてもよい。その場合には、サンギアの径方向外周側にリングギアがあり、サンギアとリングギアとの両方に噛合する1種類の複数のピニオンギアを有することとなる。また、本発明のプラネタリギアユニットを車両の自動変速機用部品として用いる例を示したが、これに限られない。本発明のプラネタリギアユニットを、車両の自動変速機用部品以外に用いてもよい。
また、上記実施形態では、本発明のリングギアをプラネタリギアユニットに用いる例を示したが、これに限られない。本発明のリングギアをプラネタリギアユニット以外に用いてもよい。
また、上記実施形態では、ガス軟窒化処理により、リングギアに窒化層を形成する構成の例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、ガス軟窒化処理以外によりリングギアに窒化層を形成してもよい。たとえば、塩浴窒化処理により窒化層を形成してもよい。
また、上記実施形態では、旋盤加工により、リングギアの外周の窒化層を除去する構成の例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、旋盤加工以外によりリングギアの外周の窒化層を除去してもよい。たとえば、エンドミルやカッターなどの切削によりリングギアの外周の窒化層を除去してもよい。
また、上記実施形態では、リングギアの外周歯の径方向外側にクラッチディスクが噛合する構成の例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、リングギアの外周歯の径方向外側にクラッチディスク以外のギアが噛合してもよい。
また、上記実施形態では、リングギアの内周面全体に内周歯が形成されている構成の例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、リングギアの内周面の少なくとも一部に内周歯が形成されていればよい。リングギアの内周面のうちどの範囲でピニオンギアに噛合させるかにより内周歯の範囲も付随的に決定されることによる。
また、上記実施形態では、リングギアの外周面全体に外周歯が形成されている構成の例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、リングギアの外周面の少なくとも一部に外周歯が形成されていればよい。リングギアの外周面においても、どの範囲でクラッチハブとして使用するかにより外周歯の範囲が決定されることによる。上記実施形態では、リングギアの外周面を2種類のハブとして使用しているが、もちろん、1種類であってもよい。
また、上記実施形態では、外周歯の表面の窒素濃度が母材の窒素濃度とされている構成の例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、外周歯のうち少なくとも歯面の表面の窒素濃度が母材の窒素濃度とされていればよい。歯面においてクラッチディスクと接触するからである。
1 リングギア
2 サンギア
3a、3b ピニオンギア
4a、4b クラッチディスク
11 内周歯
12、12a、12b 外周歯
13 窒化層
100 プラネタリギアユニット
102、103、104 中間体

Claims (5)

  1. サンギアと、前記サンギアの径方向外側に配置され前記サンギアと噛合するピニオンギアとともにプラネタリギアユニットを構成するリングギアであって、
    前記リングギアの内周面の少なくとも一部に前記ピニオンギアと噛合する内周歯が形成されており、かつ、前記リングギアの外周面の少なくとも一部に前記内周歯よりも硬度が低い外周歯が形成されており
    前記内周歯の表面の窒素濃度が、前記外周歯のうち少なくとも歯面の表面の窒素濃度より高い、リングギア。
  2. 前記リングギアの前記外周歯は、前記リングギアの径方向外側に配置されたクラッチディスクが噛合するように構成されている、請求項に記載のリングギア。
  3. 円環状粗形材から内周面に内周歯を有し外周面に外周歯を有するリングギアの製造方法において、
    前記円環状粗形材の内周面に前記内周歯が形成された中間体を形成する工程と、
    前記中間体の全体に対して窒化処理を施して前記中間体の表面に窒化層を形成する工程と、
    前記窒化処理が施された前記中間体の外周面における前記外周歯の形成を所望する部分に形成された前記窒化層を除去する工程と、
    前記窒化層が除去された前記中間体の前記外周歯の形成を所望する部分に前記外周歯を形成する工程と、を備える、リングギアの製造方法。
  4. 前記窒化処理が施された前記中間体の外周面を周方向に凹凸が無い平滑面としておく、請求項に記載のリングギアの製造方法。
  5. 前記リングギアの前記窒化層は、ガス軟窒化処理により形成される、請求項3または4に記載のリングギアの製造方法。
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