(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
車両の動力伝達装置で動力を伝達する差動アセンブリにおいて、
出力軸を中心に回転可能で、球状のスペースを有するキャリアと、
前記キャリアに設けられる互いにかみ合うギアのセットと、を有し、
前記ギアのセットは、間隔を置いて配置される同軸の２つのサイドギアと、前記各サイドギアにそれぞれ別々にかみ合い、間隔を置いて配置される同軸の２つのピニオンギアと、を含み、
一方の前記サイドギアは、前記ピニオンギアの一方の側で前記２つのピニオンギアとかみ合い、他方の前記サイドギアは、前記ピニオンギアの他方の側で前記２つのピニオンギアとかみ合い、
前記２つのサイドギアは、前記出力軸を中心に回転可能に支持され、
前記２つのピニオンギアは、前記出力軸に対して垂直で、かつ、前記出力軸の周りを回ることができる軸を中心に回転可能に支持され、
それにより、差動動力伝達が、動力源から、前記サイドギアに前記ピニオンギアを通じて送られる前記キャリアまで、提供され、
前記かみ合うギアのセットの少なくとも１つのギアが、粉末金属かさ歯車であり、回転軸を有する本体と、前記本体に形成される軸方向に延びる穴と、前記回転軸に対して傾斜する部分を含み、前記本体に形成される複数の歯と、を備え、
前記ピニオンギアの歯が、前記球状のスペース内に存在し、
前記球状のスペースは、前記かみ合うギアのセットによって規定され、
前記差動アセンブリが、前記キャリアを通じて少なくともＸ［Ｎ・ｍ］の動力を伝達することができ、前記球状のスペースの直径は、Ｙ［ｍｍ］以下であり、
前記ＸおよびＹは、加速模擬耐久性試験中、オイルバス内で１時間の間、式：Ｙ＝０．００６８・Ｘ＋６０で互いに関連する
ことを特徴とする差動アセンブリ。
【請求項２】
前記Ｘが、１０００［Ｎ・ｍ］〜１２０００［Ｎ・ｍ］の範囲で、
前記Ｙが、６０［ｍｍ］〜１４０［ｍｍ］の範囲である
ことを特徴とする請求項１に記載の差動アセンブリ。
【請求項３】
前記ピニオンギアおよび前記サイドギアは、前記複数の歯において、０．５５〜０．８５の間で曲げ応力と接触応力との比率を維持する歯の断面を有する
ことを特徴とする請求項１に記載の差動アセンブリ。
【請求項４】
前記粉末金属かさ歯車は、粉末鍛造ギアである
ことを特徴とする請求項１に記載の差動アセンブリ。
【請求項５】
前記粉末金属かさ歯車は、鉄であり、前記複数の歯に浸炭表面層を含む
ことを特徴とする請求項４に記載の差動アセンブリ。
【請求項６】
前記浸炭表面層は、前記歯の周辺で可変的な深さを有する
ことを特徴とする請求項５に記載の差動アセンブリ。
【請求項７】
前記浸炭表面層は、鍛造中、可変的に形成される
ことを特徴とする請求項６に記載の差動アセンブリ。
【請求項８】
前記粉末金属かさ歯車の本体の外周には、スカラップ（scallop）が形成されている
ことを特徴とする請求項１に記載の差動アセンブリ。
【請求項９】
前記粉末金属かさ歯車に形成されるスカラップの位置が、前記粉末金属かさ歯車を形成するために鍛造すべきプリフォーム成形体に形成されるスカラップの位置に対応し、それにより、鍛造中、鍛造ツールに対して前記プリフォーム成形体が整列される
ことを特徴とする請求項８に記載の差動アセンブリ。
【請求項１０】
前記軸方向に延びる穴には、軸方向に延びる複数のスプラインが形成されている
ことを特徴とする請求項１に記載の差動アセンブリ。
【請求項１１】
前記軸方向に延びる穴には、さらに、溝が形成されている
ことを特徴とする請求項１０に記載の差動アセンブリ。
【請求項１２】
前記粉末金属かさ歯車は、ＨＲＣ２０〜ＨＲＣ５０の中心硬度と、ＨＲＣ５０より大きい前記複数の歯の表面硬度と、を有する
ことを特徴とする請求項１に記載の差動アセンブリ。
【請求項１３】
前記粉末金属かさ歯車は、０．８［ｍｍ］未満の歯先角半径を有する
ことを特徴とする請求項１に記載の差動アセンブリ。
【請求項１４】
出力軸を中心に回転可能なキャリアを有する差動アセンブリ用の粉末金属かさ歯車において、
前記キャリアには、球状のスペースが設けられ、
前記粉末金属かさ歯車が、前記キャリアに設けられる互いにかみ合うギアのセットの少なくとも１つのギアであり、
前記ギアのセットは、間隔を置いて配置される同軸の２つのサイドギアと、前記各サイドギアにそれぞれ別々にかみ合い、間隔を置いて配置される同軸の２つのピニオンギアと、を含み、
一方の前記サイドギアは、前記ピニオンギアの一方の側で前記２つのピニオンギアとかみ合い、他方の前記サイドギアは、前記ピニオンギアの他方の側で前記２つのピニオンギアとかみ合い、
前記２つのサイドギアは、前記出力軸を中心に回転可能に支持され、
前記２つのピニオンギアは、前記出力軸に対して垂直で、かつ、前記出力軸の周りを回ることができる軸を中心に回転可能に支持され、
それにより、差動動力伝達が、動力源から、前記サイドギアに前記ピニオンギアを通じて送られる前記キャリアまで、提供され、
前記粉末金属かさ歯車が、回転軸を有する本体と、前記本体に形成される軸方向に延びる穴と、前記回転軸に対して傾斜する部分を含み、前記本体に形成される複数の歯と、を備え、
前記ピニオンギアの歯が、前記球状のスペース内に存在し、
前記球状のスペースは、前記かみ合うギアのセットによって規定され、
前記ギアのセットが、前記キャリアを通じて少なくともＸ［Ｎ・ｍ］の動力を伝達することができ、前記球状のスペースの直径は、Ｙ［ｍｍ］以下であり、
前記ＸおよびＹは、加速模擬耐久性試験中、オイルバス内で１時間の間、式：Ｙ＝０．００６８Ｘ＋６０で互いに関連する
ことを特徴とする粉末金属かさ歯車。
【請求項１５】
前記Ｘが、１０００［Ｎ・ｍ］〜１２０００［Ｎ・ｍ］の範囲で、
前記Ｙが、６０［ｍｍ］〜１４０［ｍｍ］の範囲である
ことを特徴とする請求項１４に記載の粉末金属かさ歯車。
【請求項１６】
前記粉末金属かさ歯車は、鉄であり、前記複数の歯に浸炭表面層を含む
ことを特徴とする請求項１４に記載の粉末金属かさ歯車。
【請求項１７】
前記浸炭表面層が、前記歯の周辺で可変的な深さを有する
ことを特徴とする請求項１６に記載の粉末金属かさ歯車。
【請求項１８】
前記浸炭表面層は、鍛造中、可変的に形成される
ことを特徴とする請求項１６に記載の粉末金属かさ歯車。
【請求項１９】
前記粉末金属かさ歯車の本体の外周には、スカラップ（scallop）が形成され、
前記粉末金属かさ歯車に形成されるスカラップの位置が、前記粉末金属かさ歯車を形成するために鍛造されるプリフォーム成形体に形成される前記スカラップの位置に対応し、  それにより、鍛造中、鍛造ツールに対して前記プリフォーム成形体の位置が、整列される
ことを特徴とする請求項１４に記載の粉末金属かさ歯車。
【請求項２０】
前記粉末金属かさ歯車は、０．８［ｍｍ］未満の歯先角半径を有する
ことを特徴とする請求項１４に記載の粉末金属かさ歯車。
【請求項２１】
球状のスペースを備え出力軸を中心に回転可能なキャリア、を有する差動アセンブリにおけるかさ歯車のセットにおいて、
前記かさ歯車のセットは、間隔を置いて配置される同軸の２つのサイドギアと、間隔を置いて配置される同軸の２つのピニオンギアと、を有し
一方の前記サイドギアが、前記ピニオンギアの一方の側で前記２つのピニオンギアとかみ合うように、構成され、他方の前記サイドギアが、前記ピニオンギアの他方の側で前記２つのピニオンギアとかみ合うように、構成され、
前記２つのサイドギアは、前記出力軸を中心に回転可能に設けられるように、構成され、
前記２つのピニオンギアは、前記出力軸に対して垂直で、かつ、前記出力軸の周りを回ることができる軸を中心に回転可能に設けられるように、構成され
それにより、差動動力伝達が、動力源から、前記サイドギアに前記ピニオンギアを通じで送られる前記キャリアまで、提供され、
前記かさ歯車のセットのギアの少なくとも１つが、回転軸を有する本体と、前記本体に形成される軸方向に延びる穴と、前記回転軸に対して傾斜する部分を含み、前記本体に形成される複数の歯と、を備え、
前記ピニオンギアの歯が、前記球状のスペース内に存在し、
前記球状のスペースは、前記かみ合うギアのセットによって規定され、
前記差動アセンブリが、前記キャリアを通じて少なくともＸ［Ｎ・ｍ］の動力を伝達することができ、前記球状のスペースの直径は、Ｙ［ｍｍ］以下であり、
前記ＸおよびＹは、加速模擬耐久性試験中、オイルバス内で１時間の間、式：Ｙ＝０．００６８Ｘ＋６０で互いに関連する
ことを特徴とするかさ歯車のセット。
【請求項２２】
前記Ｘが、１０００［Ｎ・ｍ］〜１２０００［Ｎ・ｍ］の範囲で、
前記Ｙが、６０［ｍｍ］〜１４０［ｍｍ］の範囲である
ことを特徴とする請求項２１に記載のかさ歯車のセット。
【請求項２３】
前記ピニオンギアおよび前記サイドギアは、前記複数の歯において、０．５５〜０．８５の間で曲げ応力と接触応力との比率を維持する歯の断面を有する
ことを特徴とする請求項２１に記載のかさ歯車のセット。
【請求項２４】
前記ギアの少なくとも１つが、０．８［ｍｍ］未満の歯先角半径を有する
ことを特徴とする請求項２１に記載のかさ歯車のセット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鍛造粉末金属歯車、特に、差動アセンブリで用いられる鍛造粉末金属かさ歯車に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の自動車には、エンジンで生成される動力を車輪に伝える差動装置が設けられている。差動装置は、さまざまな構成を有しているが、基本原理は、単一の入力軸の動力を取得して、その動力を異なるスピードで回転することができる２つの出力軸に伝えることである。所定の車両に適用される駆動システムの種類に基づいて、フロント差動装置、リア差動装置、および／または、中央差動装置がある。自動車におけるいくつかの差動装置では、それはしばしば出力を分けるだけでなく、優先的に出力を分配することを必要とする。
【０００３】
より大きなパッケージサイズの既存の差動装置に相当するトルク負荷、または、その既存の差動装置より大きいトルク負荷、を送ることが可能なより小さなパッケージサイズを、差動装置に提供するために、継続的な動作がある。より小さなパッケージサイズの差動装置は、より良い燃料効率を提供することができると共に、場合によってはより早い速度や性能で伝達することが可能であるスペースを提供することができる。
【０００４】
したがって、より小さなパッケージサイズの差動装置が必要とされており、また、そのような差動アセンブリを通じて、トルク負荷のより高い動力密度伝達（higher power density transfer）を可能とするより小さな構成部品が必要とされている。
【発明の概要】
【０００５】
本発明において、高動力密度伝達が可能な粉末金属かさ歯車、および、それら歯車を備えた差動アセンブリが、開示されている。差動アセンブリにおける粉末金属かさ歯車は、差動アセンブリの全体の面積を減らすことができる小さなパッケージサイズで動力負荷を送ることが可能である。それは、差動アセンブリを有する車両の重さを減らし、車両の燃料効率を改善し、トランスミッションなどの車両の他の構成部品の拡大に対して、追加のスペースを提供することができる。
【０００６】
差動アセンブリは、車両の動力伝達装置における送信動力のために、開示されている。その差動アセンブリは、出力軸で回転可能なキャリアを有する。出力軸は、キャリアを通って延びている。そのキャリアには、球直径のスペースが設けられている。また、互いにかみ合うギアのセットが、キャリアに設けられている。キャリアは、間隔を置いて配置される同軸の２つのサイドギアと、前記各サイドギアにそれぞれ別々にかみ合い、間隔を置いて配置される同軸の２つのピニオンギアと、を有する。一方のサイドギアは、ピニオンギアの一方の側で２つのピニオンギアとかみ合い、他方のサイドギアは、ピニオンギアの他方の側で２つのピニオンギアとかみ合う。２つのサイドギアは、出力軸を中心に回転可能に支持され、２つのピニオンギアは、その出力軸に対して垂直な軸を中心に回転可能に支持されている。また、２つのピニオンギアは、出力軸の周りを回ることができる。この構成配置を有することは、動力源から、サイドギアにピニオンギアを通じて送られるキャリアまで、差動動力伝達を提供する。
【０００７】
この差動アセンブリでは、互いにかみ合うギアのセットの少なくとも１つのギアが、粉末金属かさ歯車である。この粉末金属かさ歯車は、回転軸を有する本体と、その本体に形成される軸方向に延びる穴と、その本体に形成される複数の歯と、を有する。複数の歯は、回転軸に対して傾斜する部分を含む。ピニオンギアの歯は、球直径によって定義されるスペース内に十分に存在する。
【０００８】
差動アセンブリは、少なくともＸ［Ｎ・ｍ］のキャリアを通じて動力源を伝えることができる。球直径は、Ｙ［ｍｍ］以下である。ＸおよびＹは、加速模擬耐久性試験中、オイルバスで１時間の間に対して、式：Ｙ＝０．００６８Ｘ＋６０で互いに関連する。差動アセンブリのいくつかの形状では、Ｘが１０００［Ｎ・ｍ］〜１２０００［Ｎ・ｍ］の範囲で、Ｙが６０［ｍｍ］〜１４０［ｍｍ］の範囲にすることができる。また、ピニオンギアおよびサイドギアは、複数の歯において、０．５５〜０．８５の間で曲げ応力と接触応力との比率を維持する歯の断面（profile）を有する。
【０００９】
粉末金属かさ歯車は、鍛造される粉末であってもよい。粉末金属かさ歯車は、鉄であってもよく、複数の歯の上に浸炭表面層を含んでいてもよい。この浸炭表面層は、歯の周辺で可変的な深さを有することができ、鍛造中、可変的に形成されることができる。
【００１０】
粉末金属かさ歯車の本体の外周には、スカラップ（scallop）が形成されている。粉末金属かさ歯車に形成されるスカラップの角度位置は、かさ歯車を形成するために鍛造されるプリフォーム成形体に形成されるスカラップの角度位置に対応する。このため、鍛造中、鍛造ツールに対して、プリフォーム成形体が、角度調整される。
【００１１】
金属粉末かさ歯車の軸方向に延びる穴は、軸方向に延びる複数のスプラインと、前記穴に鍛造される保持溝と、を有する。
【００１２】
粉末金属かさ歯車は、ＨＲＣ２０〜ＨＲＣ５０の中心硬度（core hardness）と、ＨＲＣ５０より大きい複数の歯の表面硬度と、を有する。
【００１３】
また、本発明では、上述に記載した種類の差動アセンブリにおける粉末金属かさ歯車、および、かさ歯車のセット、が開示される。それらの歯車（ギア）は、確実な方法における伝達を通じて、高動力密度負荷を伝えることが可能である。
【００１４】
本発明のさまざまな利点は、詳細な説明および図面から明らかになるだろう。以下は、単に本発明のいくつか好ましい実施形態を記載しただけである。本発明の全範囲を評価するために、これらの好ましい実施形態が請求項の範囲内の唯一の実施形態であることを意図していないように、請求項が見なされるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】差動アセンブリの一部を示す図である。
【図２】差動アセンブリを除いたギアのセットのかみ合いの詳細図である。
【図３】互いにかみ合うピニオンギアおよびサイドギアの詳細図である。
【図４】図３のピニオンギアとサイドギアとの接触領域を示す詳細図である。
【図５】サイドギアに形成される軸方向に延びるスプラインおよび保持溝を備え、軸方向に延びる穴の詳細図である。
【図６】粉末金属かさ歯車を形成する方法を説明する図である。
【図７】かさ歯車に鍛造されるように形成される粉末金属プリフォームの図である。
【図８】均一の浸炭層が表面に沿って形成される最終的なかさ歯車の歯を形成するために鍛造される予備鍛造歯領域における粉末金属プリフォームの断面図の例である。
【図９】図８のような浸炭断面を有するプリフォームから鍛造される差動歯車の断面図である。浸炭層は、鍛造によって可変的に形成される。
【図１０】粉末金属かさ歯車を備えた差動アセンブリに対して、球直径と差動動力源との関係を説明するグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
図１を参照すると、前輪駆動車における差動アセンブリの１つのタイプが、示されている。差動アセンブリ１０は、車両における動力伝達装置の１つであるが、全動力伝達装置は、ここでは示されていない。また、動力伝達装置は、一般的に、トランスミッションを駆動するエンジンを有する。トランスミッションは、差動アセンブリ１０を駆動する。差動アセンブリ１０が、トランスミッションから動力源を受け取ると、差動アセンブリ１０は、その動力を出力軸Ａ−Ａに沿って差動アセンブリ１０から延びる２つのサイドシャフトに送る。２つのサイドシャフトは、動力を車輪（およびそれら関連するアセンブリ）に送って、車両を動かす。
【００１７】
差動アセンブリ１０は、動力を２つのサイドシャフトに送るだけでなく、不均一な状態の場合には、動力を２つのサイドシャフトに分配する。例えば、車両が回転するとき、その回転の外側の車輪は、その回転の内側の車輪より速く移動する。車輪の異なる移動距離を考えると、サイドシャフトの一方は、他方よりも早く回転する必要がある。同様に、ある場合において、車輪が地面との接触で移動したり、氷または水の路面上でトラクション（traction）を失ったりするので、１つ以上の車輪が滑るかもしれない。これらの状況において、差動装置は、トルクを、トラクションを有する車両に優先的に分配するように構成されている。
【００１８】
最初に、差動アセンブリ１０の構成から見ると、差動アセンブリ１０は、出力軸Ａ−Ａの周りで回転可能なキャリア１２を有する。出力軸Ａ−Ａは、キャリア１２を通じて延びている。キャリア１２は、互いにかみ合うギアのセット１６を収納する内部チャンバ１４を有する。ギアのセット１６は、少なくとも部分的にオイルバス（図示せず）に存在する。互いにかみ合うギアのセット１６は、２つのサイドギア１８、２０と、２つのピニオンギア２２、２４と、を有する。それら対のギアの両方は、異なる方法でキャリア１２に支持される。
【００１９】
２つのサイドギア１８、２０は、互いに間隔を置いて設けられ、出力軸Ａ−Ａに沿って互いに同軸である。サイドギア１８、２０のそれぞれは、２つのサイドシャフトの１つに連結されて、サイドギア１８、２０の両方とそれらサイドギアに対応するサイドシャフトとが、出力軸Ａ−Ａを中心に回転する。キャリア１２およびサイドギア１８、２０の両方が、出力軸Ａ−Ａを中心に回転することができるように、サイドギア１８、２０は、互いに関連してキャリア１２とサイドギア１８、２０との異なる回転率を可能にするような方法で、キャリア１２に支持される。そのような支持を提供するために、例えば、ワッシャやベアリングを収容する軸方向穴が、キャリア１２に形成されていてもよい。それらワッシャやベアリングは、キャリア１２とバックサイドまたはサイドギア１８、２０のそれぞれのハブとの間に配置させることができ、出力軸Ａ−Ａにおけるキャリア１２の回転とは独立して、出力軸Ａ−Ａでサイドギア１８、２０の回転が可能である。
【００２０】
次に、２つのピニオンギア２２、２４について説明する。２つのピニオンギア２２、２４は、軸Ｂ−Ｂに沿って互いに同軸上に間隔を置いて設けられている。軸Ｂ−Ｂは、出力軸Ａ−Ａと垂直に交わっている。軸Ｂ−Ｂに沿って、シャフト２６は、キャリア１２の内部チャンバ１４を通って延びており、キャリア１２に固定されている。このシャフト２６は、２つのピニオンギア２２、２４を支持する。これら動きに対応するために、２つのピニオンギア２２、２４が、ベアリング、ブッシング、コーティングを有することができる。それらベアリング、ブッシング、コーディングは、２つのピニオンギア２２、２４の間、シャフト２６、および／または、キャリア１２の内部チャンバ１４の内壁に位置付けられる。このため、２つのピニオンギア２２、２４は、シャフト２６で決定される軸Ｂ−Ｂを中心に独立して回転可能である。また、キャリア１２が出力軸Ａ−Ａを中心に回転するとき、２つのピニオンギア２２、２４は、キャリア１２と共に出力軸Ａ−Ａの周りを回ることができる。
【００２１】
図２に示すように、２つのサイドギア１８、２０は、差動アセンブリ１０における２つのピニオンギア２２、２４の両方と別々にかみ合っている。ピニオンギア２２、２４の一方の側では、サイドギア１８が、２つのピニオンギア２２、２４と別々にかみ合っている。また、ピニオンギア２２、２４の他方の側では、サイドギア２０が、２つのピニオンギア２２、２４と別々にかみ合っている。差動アセンブリ１０の構成を考えると、２つのサイドギア１８、２０と２つのピニオンギア２２、２４とのかみ合いは、キャリア１２から２つのサイドギア１８、２０に取り付けられている２つのサイドシャフトまで動力分配を可能にする。
【００２２】
通常の動作では、トランスミッションから動力源を受け取ると、キャリア１２が回転して、２つのピニオンギア２２、２４は、キャリア１２と共に動き、出力軸Ａ−Ａを中心に回る。２つのピニオンギア２２、２４は、２つのサイドギア１８、２０とかみ合って、キャリア１２が回転している間、それら２つサイドギアとそれらに取り付けられているサイドシャフトとを駆動する。特定のトラクション状況に基づいて、差動アセンブリの停止の構成と同様に、動力が、優先的にサイドシャフトに分配されるように、２つのピニオンギア２２、２４は、２つのサイドギア１８、２０を別々に駆動してもよい。サイドシャフトの両方が、同じように駆動される場合には、ピニオンギア２２、２４は、出力軸Ａ−Ａを中心に回ると共に、軸Ｂ−Ｂを中心に回転する。サイドシャフトが、異なる割合で駆動される場合には、ピニオンギア２２、２４は、軸Ｂ−Ｂ（キャリア１２と共に回転する）を中心に回転すると同じように、出力軸Ａ−Ａの周りを回り、２つのサイドシャフトの差動駆動を提供する。
【００２３】
注目すべきは、互いにかみ合うギア１６のセットが、球直径を規定する。本明細書では、球直径は、１対のピニオンギア２２、２４の歯すべてが存在する直径を有する球を参照する。図２に示される形状では、球直径が、またピニオンギア２２、２４の背面における凸状の球面５６に対応する。凸状の球面５６は、キャリア１２における凸状の球面と同じであり、キャリア１２の凸状の球面と一致する。
【００２４】
当然のことながら、図面に示されている形状において、内部チャンバ１４を定める壁のいくつかは、球直径に対応する。内部チャンバ１４は、完全な球形である必要はなく、ギアおよびアセンブリの関連する形状に対応するために必要な他の寸法を含んでもよい。キャリア１２は、出力軸Ａ−Ａを中心に回転するだけなので、差動アセンブリ１０の全体のパッケージサイズを減らすために、内部チャンバ１４は、サイドギア１８、２０の外部側面の領域において先端を切り取ることができる。この種類の先端を切ることは、差動アセンブリ１０の機能性を下げることなく行うことが可能である。
【００２５】
いずれの場合にも、ギアのサイズが小さくなった場合には、球直径を減らすだろう。球直径が小さくなった場合には、キャリア１２および差動アセンブリ１０の全体のサイズは、したがって、より小さくすることができる。これは、一般的に有利であり、より小さな差動アセンブリが、車両の全重量を減らすことができ、また、差動アセンブリが車両で占める体積を減らすことができる。この得られる体積は、動力伝達装置の全体サイズを減らしたり、あるいは、他の動力伝達装置の構成部品（例えば、トランスミッション）のサイズを増やしたりすることに、用いることが可能である。
【００２６】
一方、ギアおよび差動アセンブリのサイズが減少するので、差動アセンブリを通じて等しい量の動力を伝えるために、差動アセンブリは、より高い動力密度伝達をサポートすることができるようにしなければならない。特に、これは、ギアが高い動力密度伝達を行うことが可能で、かつ、これらの集中荷重のもとで動かさなければならないことを意味する。この種類のギアを生成する方法と同様に、高動力密度負荷を伝えることが可能な改良されたギアは、以下に開示される。
【００２７】
図２〜５を参照すると、互いにかみ合うギアのいくつかは、望ましいギアの構成および形状を説明するために、差動アセンブリ１０と別に示されている。図２〜５に示されているすべてのギアは、図６〜９に関して下に詳細に記載されている工程を用いて、粉末金属から形成されることができる。
【００２８】
それらギアの間でいくつかの違いがあるが、それらは、多くの同じ特徴を有する。各ギアは、回転軸を備えた本体２８を有する。本体２８は、鉄粉末金属材プリフォームを鍛造することにより形成される。多くの場合、鉄粉末金属材プリフォームは、すでに浸炭されている。粉末金属材は、鍛造されるので、それは十分な密度に近づくことができる。
【００２９】
いくつかのギアの本体２８の外周面、例えば、図３および図４に示す未完成のサイドギア２０の外周面には、スカラップ３０が形成されている。また、他のギア（例えば、図２に示すサイドギア１８、および、ピニオンギア２２、２４）に、スカラップ（scallop）を設けることも可能である。その一方で、円錐状の球形または円錐形である残りの表面２９を鍛造した後、それらスカラップは、機械加工を終了させる。その方法に関して以下に詳細に示されているように、それらスカラップ３０は、鍛造工具において、ギアのプリフォームを正しい位置に置くのに、重要な役割を果たす。
【００３０】
軸方向に延びる穴３２は、本体２８に形成される。上述したように、軸方向に延びる穴３２は、対応するシャフトにギアを取り付けるために設けられている。２つのピニオンギア２２、２４の場合には、シャフト２６がギアに取り付けられ、２つのサイドギア１８、２０の場合には、サイドシャフトがギアに取り付けられる。
【００３１】
図３および図５に最良に示されているような形状では、サイドギア２０が、そこに形成されるさまざまな特徴を有する穴３２を有する。図３および図５を特に参照すると、サイドギア２０の穴３２には、複数の軸方向に延びるスプライン３４および円周保持溝が形成されている。これら特徴の優れた性質を考えると、それらは、鍛造工程中、穴３２に鍛造されてもよい。サイドギア１８、２０における軸方向に延びるスプライン３４は、サイドギア１８、２０の回転を対応するハーフシャフトに固定させるために、サイドシャフトにおけるスプラインとかみ合わせて用いることもできる。保持溝３６は、サイドギア１８、２０に関連するサイドシャフトの軸運動を止めることに用いることができ、また、構成部品の数、および、サイドシャフトをサイドギア１８、２０に取り付ける複雑さを減らすことが可能である。
【００３２】
複数の歯３８が、本体２８に形成されている。図３において参照番号で示されているように、複数の歯３８は、先端部４０と、傾斜部４２と、後端部４４と、を含む。先端部４０は、通常軸または回転と垂直であり、ギアの前半分の近くに設けられている。傾斜部４２は、ギアの回転軸に対して傾斜している。後端部４４は、ギアの外周面４６に設けられている。複数の歯３８は、このように形成されるので、ギアは、当然のことながらかさ歯車であり、ギアの複数の歯が互いに傾斜してかみ合うことができることを意味する。したがって、図１〜４に示されているように、サイドギア１８、２０の回転軸が、ピニオンギア２２、２４の回転軸と垂直であっても、サイドギア１８、２０の歯は、ピニオンギア２２、２４とかみ合う。
【００３３】
特に、以下に詳細に説明されるギアを形成する方法により、サイドギア１８、２０とピニオンギア２２、２４とでかみ合っている間、または、接触している間に、歯３８の側面の多くのものが利用できるように、歯は、鍛造されることができる。
【００３４】
さらに、以下に示す方法で鋳造されるギアは、０．８ｍｍ未満の歯先角半径（tooth tip corner radii）を有し、その歯先角半径は、かみ合う歯の間のより高い接触率を可能にする。なお、その歯先角半径に対する従来の鍛造の代表的な下限は、現在では０．８ｍｍであることを認識すべきである。以下に記載する方法を用いて作られる鍛造粉末金属かさ歯車は、プリフォームの形成技術および鍛造技術が用いられているため、現在の代表的な下限よりも小さく歯先角半径を有することができ、０．２ｍｍとすることができる。
【００３５】
図４に示すように、歯とかみ合う接触領域４８は、回転の一定の角度で先端部４０の先端に近い領域から後端部４４に近い領域まで、延びている。接触領域は、ギアセットの回転中、歯３８の側面に沿って、移動する。また、接触領域４８は、動作中、歯３８の側面の先端部４０と後端部４４との間で均一に負荷を分配することが好ましい。最適化された接触領域４８と共に、下の歯先角半径によってもたらす増加した接触率が、差動装置の動作中、かみ合わせられたギアとの間で改善された負荷分配と負荷移動になる。
【００３６】
歯先角半径を減らし、かつ、可変の浸炭硬化層深さ（case depth）の利益（以下に説明される）と共に接触領域パターンを最適化することによって、ギアセットの設計は、より大きなギア接触応力を可能にするために、構成されることができる。このため、曲げ応力と接触応力との比率を減らすことができ、差動装置の性能において全体的な改善になる。また、ギアの歯の形成に対してそれらの改善により、接触応力と曲げ応力との比率は、０．５５〜０．８５の範囲にすることができる。従来の方法によって作られたギアでは、この比率は、通常は１．０に近い。したがって、下限の接触応力と曲げ応力との比率が、より少ない歯の破壊となる下限のピークの曲げ応力となる。
【００３７】
図２〜５に示されていないが、複数の歯３８は、また、浸炭表面層を有する。以下にさらに詳細に記載されるように、この浸炭表面層は、かさ歯車の形成中、最初に均一の厚みの浸炭層を可変的に鋳造する、または、形成することによって、作られる。その結果、歯は、図９に示す断面と同じ断面を有する。
【００３８】
歯の表面が浸炭されるので、歯は、ＨＲＣ５０〜ＨＲＣ６０、または、それより大きい表面硬度を有することができる。また、かさ歯車の中心硬度（core hardness）は、約ＨＲＣ２０〜ＨＲＣ５０の範囲になる。
【００３９】
他の特徴は、また、特定の差動アセンブリの構成と同様にギアの特定の種類に従って、ギアにおいて形成されることができる。例えば、図には示されていないが、クラッチの歯が、差動固定システムで用いるサイドギアで形成されてもよい。あるギアで見出される特徴の他の例としては、ピニオンギア２２、２４は、内部チャンバ１４の壁を圧迫する半球状の後面５６を含む。もちろん、それらおよび他の特徴は、差動装置における他の設計検討に関係することもでき、何らかの制限をもたらすものではない。
【００４０】
次に図６を参照すると、この種類のかさ歯車を製造する方法が、示されている。ステップ５８によれば、最終的なかさ歯車の形状は、最初に選択されるか、または、定められ、かさ歯車の複数の歯における最終的な浸炭断面を含んでいる。この最終的な形状を考慮に入れて、最終的なかさ歯車形状に基づくプリフォーム形状が、ステップ６０において、得られる。粉末金属材料は、ステップ６２で圧縮されて、ステップ６３において、プリフォーム形状に焼結される。そのプリフォームは、焼結と同時に浸炭され（図には示されていないが、ステップ６３および６４を組み合わせてもよい）、または、焼結の後に、ステップ６４において、ほぼ一定の、または、均一の浸炭深さで浸炭される。なお、焼結ステップおよび浸炭ステップは、追加のステップを排除し、コストを下げるために、同時に行うことが望ましい。焼結されて浸炭されたプリフォームは、その後、鍛造器具に置かれ、ステップ６６において、プリフォーム形状をかさ歯車の最終的な形状に鍛造する。図６には示されていないが、そのプロセスは、例えば、ギアから波形の外面を取り除いたり、改善したり、他の特徴のサイズに合わせたりするために、さらに、ポスト鍛造機械（post-forging machining）を備えることもできる。
【００４１】
図７〜９を参照すると、この方法の特定の実現が、説明の目的のために示されている。この実現は、特定の方法を説明するために、追加の詳しい説明に記載されている。その方法のステップは、この方法のさまざまな利点を強調すると共に、実行することができる。
【００４２】
ステップ５８によれば、最終的なかさ歯車の形状は、最初に規定されていなければならない。このステップは、かさ歯車の最終的な形状を決めるだけでなく、ギアの表面上における浸炭層の断面を決定する。図９には、１つの特に有益な断面が示めされている。図９に示すように、浸炭は、歯の先端で最も厚く、歯の根元では、減少した厚みで、先端と根元の間、例えばピッチ円直径では、中間の厚みである。かさ歯車の特定の形状を考慮すると、当然のことながら、歯の浸炭断面が、回転軸からの距離に基づいて変更することができる。この有益な可変的な浸炭断面では、ギアが、浸炭がより厚いピッチ円直径で、より高い接触応力に耐えるのを可能にすると共に、曲げ応力が一般的に高い根元での脆性を防止する。一方で、この利点は、拡散プロセス（diffusive process）の制限により、浸炭深さがピッチ線と谷径で同じであろう従来の鍛造で浸炭されたギアでは、実質的に達成されることができない。
【００４３】
浸炭断面と同様に、この最終的なかさ歯車形状を考慮すると、プリフォーム形状は、その後ステップ６０で得られる。かさ歯車の最終的な目標形状の判断、最終的なかさ歯車の歯における浸炭断面、および、プリフォームが鍛造の前に実質的に均一または一定の深さに浸炭される事実と共に、鍛造後、所望の最終的な部分形状になるだろうプリフォーム形状が、得られることができる。この取得は、モデリングソフトウェアを用いて理想的に行うことができ、または、広範囲な手動計算を用いて行うことができる。このプリフォーム形状が得られた時点で、この形状を有するプリフォームを可能にするツールセットが、形成される。具体的には、焼結後、目標とされたプリフォーム形状を有する粉末成形体（powder compact）になる。
【００４４】
説明のために、かさ歯車のプリフォーム６８は、図７に示される。また、プリフォーム６８の一部の断面が、図８に示される。プリフォーム６８は、本体７０と、軸方向に延びる穴７２と、を有する。複数の予め形成された歯（preformed teeth）７４は、プリフォーム６８の軸に対して、傾いた角度で形成されている。複数の予め形成された歯７４は、予め形成された先端７６と、予め形成された根元７８と、を有する。複数の予め形成された歯７４の断面が、鍛造されたギアの最終的な歯の断面と同じではないことは注意すべきである。また、図７において、プリフォーム６８の外周８０は、その表面に形成されるスカラップ８２を有することを注目すべきである。スカラップ８２は、複数の予め形成された歯７４の角度の位置に関連する。
【００４５】
プリフォーム６８が圧縮されると、図６に示すように、順次焼結されて浸炭される。あるいは、ステップ６３およびステップ６４を組み合わることによって、同時に焼結および浸炭が行われる。浸炭深さライン（carburization depth line）は、図８において、参照番号８４で示されている。注目すべきは、浸炭が拡散工程であるので、浸炭深さが、図に示されているように異なってはいない。さらに、このラインは、効果的な浸炭深さを説明することを目的としている。
【００４６】
プリフォーム６８を焼結して浸炭した後、プリフォーム６８は、ステップ６６に示すように、鍛造される。プリフォーム６８は、鍛造器具に挿入されると、プリフォーム６８の外周８０に設けられたスカラップ６８が、鍛造ツール（例えば、鍛造器具の金型）においてプリフォーム６８を調整する。スカラップ８２の配置は、プリフォーム６８を鍛造工具内に調整するので、鍛造工具は、所望の方法で、予め形成された歯７４の形状を成形することができる。鍛造工具の接触面は、図９に示されているように、最終的な歯の形状の逆である断面を有する。スカラップ８２は、鍛造工具接触面と合致する適切な角度で調整される予め形成された歯７４を確保するのに役立つ。
【００４７】
鍛造中、プリフォーム６８は、最終的なかさ歯車形状に鍛造される。最終的なかさ歯車形状の歯の断面が、図９に示されている。図８および図９の断面図から明らかなように、鍛造中、複数の歯８６は、変化する厚みの最終的な浸炭断面９２を備えた先端８８および根元９０を有して、十分に作られる。さまざまな位置での可変浸炭断面（variable carburization profile）の厚みは、均一の浸炭層が、鍛造中、可変的に形成される特定の方法に基づいている。
【００４８】
ここで記載される性能を有するかさ歯車を形成することは、存在する粉末金属方法を用いて、すぐに可能ではなかったことを認識すべきである。特に、焼結プリフォームが、表面硬度条件を達成するために必要とされる均一の炭素含有量を含む場合、このプリフォームは、過度の工具圧力（tooling stresses）により、その後、複雑な形態の種類に鍛造することは、非常に難しい。複数の予め形成された歯７４を備えたプリフォーム６８がない場合には、焼結されるプリフォームブランク（preform blank）は、歯が鍛造される必要があるだろう円錐状の面を有するだろう。歯を形成するために浸炭層の流れを誘導することは、大きな圧力を鍛造のツールに与えてしばしばツールの故障となる最初の円錐状の面からの浸炭材料の重要な移動または動きを必要とする。これは、また、浸炭層の形状に対して厳しい制限となるだろう。同様に、非浸炭部分が、鍛造されて、その後浸炭されると、従来の浸炭ガスは、純粋な拡散性浸炭工程の限界により、開示されている可変の断面（profile）を形成するために、用いることができなかった。
【００４９】
複数の予め形成された歯７４を備えるプリフォーム６８を生成して、鍛造する前に鍛造工具における反対の歯の断面（profile）に関連する予め形成された歯７４を調整することによって、最終的な歯のプロファイルが、予め鍛造される歯の表面が円錐状になるまでは、浸炭層の材料を動かすことなく、形成されることができる。浸炭される材料が、遠くまで動かされる必要がないので、より優れた特徴（finer features）は、向上した性能を可能にする改善されたギア形状を提供する上述の改善された歯の先端角半径を含んで、生成されることができる。
【００５０】
また、最終的な部品の大きさは、鍛造ステップで定まるので、事前の鍛造浸炭（pre-forging carburization）は、浸炭が後の鍛造で行われるよりも、より高い温度で生じることができる。鍛造される部品が、その後浸炭された場合には、浸炭が生じる温度は、最終的な部品の大きさの歪みや部品の一部のたるみを避けるために、比較的に低く保持される必要がある。浸炭ガスは、拡散工程であり、高い温度に依存するので、より低い温度での浸炭は、完成するまでの時間がより長くなる。
【００５１】
それに対して、記載された工程は、プリフォームにおいて寸法の制度を保持することが重要ではないところで、プリフォームの事前の鍛造浸炭を可能にする。浸炭は、より高い温度で行われることができ、事前に決定される深さに対する浸炭は、より早く達成することができる。また、部品が、同時に焼結および浸炭されると、部品の最初の多孔性（porosity）は、浸炭工程中、浸透速度および深さをさらに改良することができる。記載された工程によって製造されたギアの最終的な部品の寸法は、鍛造中に決定されるので、最終的な粉末金属かさ歯車は、すばらしい寸法精度を有する。
【００５２】
したがって、かさ歯車は、非常に正確に制御された浸炭断面（carburization profile）および最終的なギア形状を有する浸炭されるプリフォームから形成されることができる。従来では、浸炭が鍛造後に行われるだけだったので、浸炭層の最終的な断面の形状に制限があった。
【００５３】
この方法を用いて作られたギアは、これまで目に見えない性能を有する差動アセンブリ１０と同じ差動アセンブリでテストされる。図１０に示されるように、上述の方法によって形成されるギアは、差動アセンブリに設置され、模擬操作条件で差動アセンブリの加速耐久性試験（accelerated durability test）を行った。この試験は、トルク入力を差動装置に送り、かつ、２つのサイドシャフトの間で速度差（一般的に、５〜２０の毎分回転数の範囲）およびトルク差（一般的に、２０〜５０％の範囲）を制御する多軸機械で行われる。加速耐久性試験は、適所に固定されている差動装置のケースで、低い速度で行うことができる。例えば、全速力未満で、２つのサイドシャフトの間で所望の速度の差動装置を確定するのに十分な速度で、実施することができる。実際の潤滑条件（lubrication condition）は、また、適切な状態の下で、適切なオイルバスで運転試験を行うことによってシミュレーションされる。このような方法で、最大ストレスの潜在的操作条件（the most stressful potential operating conditions）で、シミュレーションすることができ、差動装置に、差動装置を常に識別することによって生じる最大ストレス条件（maximum stress conditions）を提供することが可能である。例えば、抵抗力のある泥において、狭い円周（tight circle）で車両を積極的に駆動させて、シミュレーションすることが可能である。
【００５４】
図１０のグラフを作るために、さまざまなサイズの差動アセンブリが、異なる球直径と異なるアプリケーション条件で評価された。上述したように、球直径は、ピニオンギアのすべての歯が内在する球である。差動アセンブリは、さまざまな球直径を有する差動アセンブリが確実に伝達することができる差動入力トルクの量を決定するために、評価された。それらの条件で確実に動かすことができるように、差動アセンブリのギアは、上述したように、最大極度の模擬耐久性試験条件の下で、少なくとも１時間持続して行う必要があった。当然のことながら、実際の使用において、最大極度の条件は、定期的に一瞬起こる。したがって、この種類の加速試験は、差動装置の性能を評価する目的としており、実際の使用の典型ではない。
【００５５】
さまざまなサイズの差動装置の評価からのパラメータは、以下の表１に示される。
【表１】
0005572262.tif 000002
【００５６】
このデータは、図１０のグラフ上に表示されている。ベスト適合ライン：Y=０．００６８ｘ＋５５は、球直径と差動入力トルクとの間の関係を見つけるために、それら５つのデータから算出された。図１０に示すように、第２のオフセットライン：Y＝０．００６８ｘ＋６０は、差動入力トルク：X［N・ｍ］および球直径：Y［ｍｍ］に対して、信頼性のある動作のライン（つまり、ベスト適合ラインの約１０％内の操作を示すラインである。）を確定する。このラインの左側にあるさまざまな値は、低動力密度（low power density）として定義され、このラインの右側にある値は、高動力密度（high power density）として定義される。
【００５７】
以上にて、移動を高動力密度で提供する差動アセンブリにおけるかさ歯車について説明した。それらかさ歯車は、ギアの全体的な性能を増加し、それらのサイズを減らすことが可能な方法を用いて作られている。したがって、ギアのサイズは、動力を差動装置に伝えるためのギアの能力を減らす必要なく、小さくすることができる。ゆえに、ギアの球直径および差動アセンブリの全体的なサイズは、減らすことができ、車両の性能を落とすことなく、より小さなパッケージサイズを有する差動アセンブリを作ることができる。
【００５８】
当然のことながら、本発明は、本発明の骨子を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。したがって、本発明は、実施形態に限定されるものではない。本発明の全範囲を確実にするために、以下の請求項が参照されるべきである。
【符号の説明】
【００５９】
１０  差動アセンブリ
１２  キャリア
１４  内部チャンバ
１６  ギアのセット
１８、２０  サイドギア
２２、２４  ピニオンギア
２６  シャフト
２８  本体
３０、６８  スカラップ
３２  穴
３８  歯
６８  プリフォーム
【図１】
0005572262.tif 000003
【図２】
0005572262.tif 000004
【図３】
0005572262.tif 000005
【図４】
0005572262.tif 000006
【図５】
0005572262.tif 000007
【図６】
0005572262.tif 000008
【図７】
0005572262.tif 000009
【図８】
0005572262.tif 000010
【図９】
0005572262.tif 000011
【図１０】
0005572262.tif 000012