(57)【要約】【課題】歯面の表面粗さを低減することができるとともに、歯面の強度を向上させることができる歯車の製造方法を提供する。【解決手段】互いに噛み合う歯の歯面に圧縮残留応力を付与する工程と、前記圧縮残留応力を付与された歯面の凸部高さを低減させて所定の表面粗さに仕上げる工程とを備えた歯車の製造方法において、前記所定の表面粗さに仕上げられることにより低減された歯面の凸部高さが、前記互いに噛み合う歯同士の間に介在する油膜厚さ以下となるように、前記歯面の凸部高さを低減させる量を求め、前記圧縮残留応力を付与する工程で、該圧縮残留応力が最大となる深さを、前記所定の表面粗さに仕上げられた歯車における圧縮残留応力が最大となる目標深さに、前記歯面を研磨する量を加算した深さとして前記圧縮残留応力を付与する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに噛み合う歯の歯面に圧縮残留応力を付与する工程と、前記圧縮残留応力を付与された歯面の凸部高さを低減させて所定の表面粗さに仕上げる工程とを備えた歯車の製造方法において、
前記所定の表面粗さに仕上げられることにより低減された歯面の凸部高さが、前記互いに噛み合う歯同士の間に介在する油膜厚さ以下となるように、前記歯面の凸部高さを低減させる量を求め、
前記圧縮残留応力を付与する工程で、該圧縮残留応力が最大となる深さを、前記所定の表面粗さに仕上げられた歯車における圧縮残留応力が最大となる目標深さに、前記歯面を研磨する量を加算した深さとして前記圧縮残留応力を付与する
ことを特徴とする歯車の製造方法。
【請求項２】
前記油膜厚さは、前記互いに噛み合う歯の平均歯面速度に基づいて求められることを特徴とする請求項１に記載の歯車の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、互いに歯を噛み合わせて回転することによりトルクを伝達する歯車の製造方法に関し、特に歯面に圧縮残留応力を付与する歯車の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
歯車は、まず、素材から旋削や歯切りなどの加工を経て粗形材を造る。そして、ピッチングが生じてしまうことを抑制もしくは防止するために、歯面に圧縮残留応力を付与する。その圧縮残留応力を付与する方法として、粒子を歯面に噴射するショットピーニング加工や液体ホーニング加工などが知られている。これら各加工方法によって圧縮残留応力を付与した後に、研磨や転造などによって歯面の表面粗さを低減して歯車が仕上げられる。
【０００３】
上述したように歯面に圧縮残留応力を付与した後に歯面を研磨すると、歯面の凸部が除去されるものの、歯面に形成された凹部（ディンプル）の深さも低減してしまい、その結果、歯面に保持される潤滑油が低減してしまう可能性がある。そのため、特許文献１に記載された歯車の製造方法は、歯面を研磨した後に、液体ホーニング加工やショットピーニング加工を行って圧縮残留応力を付与するとともに、歯面にディンプルを形成している。
【０００４】
一方、歯面にショットピーニング加工や液体ホーニング加工を行った後に研磨すると、圧縮残留応力が付与されている層までも研磨によって除去されたり、歯面から圧縮残留応力を付与した層までの距離が短くなってしまったりする可能性がある。したがって、特許文献２に記載された歯車は、ショットピーニング加工によって圧縮残留応力を付与した後に、歯元以外の歯面を研磨することにより表面粗さを低減させて仕上げられている。
【０００５】
なお、歯面の表面が平滑でかつ複数のディンプルが形成された歯車は、油膜厚さが増大して、面圧や摩擦係数を低減することができると、特許文献３に記載されている。また、特許文献４には、表面に複数の凸部を形成した加工用歯車と被加工歯車とを噛み合わせて回転させることにより、被加工歯車の歯面に圧縮残留応力を付与することができるとともに、表面粗さを低減することができる加工方法が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００９−１２７８４２号公報
【特許文献２】特開平１１−２０７５２２号公報
【特許文献３】特開平０７−２９３６６８号公報
【特許文献４】特開２０１２−１７９６７８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述した特許文献１に記載されているように、研磨後に液体ホーニング加工やショットピーニング加工を行うと、歯面に潤滑油を保持するディンプルを形成することができる反面、研磨された歯面の表面粗さが少なくとも粗くなる。そのため、歯面に突出部が形成されてしまって、動力伝達時における動力損失が増大してしまったり、歯面同士の間に潤滑油が介在しない箇所ができてしまったりする可能性がある。一方、特許文献２に記載されているように、ショットピーニング加工を行った後に歯面を研磨してしまうと、ショットピーニングによって圧縮残留応力が負荷された層が除去されてしまったり、歯面と圧縮残留応力が負荷された層との距離が短くなったりしてしまう可能性がある。そのため、圧縮残留応力を負荷したとしてもその効果が低減してしまい、耐ピッチング性が低下してしまう可能性がある。
【０００８】
この発明は上記の技術的課題に着目してなされたものであり、歯面の表面粗さを低減することができるとともに、歯面の強度を向上させることができる歯車の製造方法を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の目的を達成するために、請求項１の発明は、互いに噛み合う歯の歯面に圧縮残留応力を付与する工程と、前記圧縮残留応力を付与された歯面の凸部高さを低減させて所定の表面粗さに仕上げる工程とを備えた歯車の製造方法において、前記所定の表面粗さに仕上げられることにより低減された歯面の凸部高さが、前記互いに噛み合う歯同士の間に介在する油膜厚さ以下となるように、前記歯面の凸部高さを低減させる量を求め、前記圧縮残留応力を付与する工程で、該圧縮残留応力が最大となる深さを、前記所定の表面粗さに仕上げられた歯車における圧縮残留応力が最大となる目標深さに、前記歯面を研磨する量を加算した深さとして前記圧縮残留応力を付与することを特徴とする製造方法である。
【００１０】
請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記油膜厚さは、前記互いに噛み合う歯の平均歯面速度に基づいて求められることを特徴とする歯車の製造方法である。
【発明の効果】
【００１１】
この発明によれば、圧縮残留応力を付与する以前に、互いに噛み合う歯同士の間に介在する油膜厚さから歯面の凸部高さを低減させる量を求め、その歯面の凸部を低減させる量を加算して、圧縮残留応力が最大となる深さを定めて圧縮残留応力が付与される。そのため、歯面の凸部高さを低減させて所定の表面粗さに仕上げることにより、歯車が動力を伝達する際の動力損失を低減することができる。また、歯面の凸部高さを低減して仕上げられたとしても、圧縮残留応力が最大となる深さを目標深さとすることができるため、歯面の強度を向上させることができる。
【００１２】
また、歯面の凸部高さが、互いに噛み合う歯面の平均歯面速度に基づいて求められる油膜厚さ以下となるので、歯車が動力を伝達する際に、歯面が直接接触してしまうことを抑制もしくは防止することができる。言い換えると、歯面同士の間に油膜を介在させて動力を伝達するように歯車を形成することができるので、歯車が動力を伝達する際の動力損失をより一層低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】圧縮残留応力が最大となる深さが歯面を研磨する前後で変化することを説明するための図である。
【図２】粗形材の表面粗さを示す図である。
【図３】目標表面粗さを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
この発明に係る歯車の製造方法は、素材から旋削や歯切りなどの加工を経て粗形材を造り、その粗形材の歯面に圧縮残留応力を付与し、その後に、歯面の表面粗さを低減する加工を施すものであり、平歯車やはす歯歯車など種々の歯車を対象とすることができる。このように形成される歯車は、互いに噛み合う歯車の歯面同士が直接、接触してしまうことを抑制もしくは防止するために、歯面同士が潤滑油を介在させて動力を伝達することが好ましい。したがって、歯面の凸部の高さが、油膜の厚さ以下となるように所定の表面粗さに仕上げられる。なお、歯面の凸部の高さを低減する方法としては、歯面を研磨したり歯面を押圧する転造をしたりする方法など種々の方法で行うことができる。
【００１５】
一方、歯面同士の間に介在する油膜厚さは、歯車同士が噛み合っている部分の平均歯面速度に応じて変化する。具体的には、以下の式によって歯面同士に介在する油膜厚さを求めることができる。
【数１】
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この式で、ｈc は油膜厚さ、Ｅは歯車を形成する材料の弾性定数、ｕは平均歯面速度（＝（ｕ１＋ｕ２）／２）、Ｒｘは接触している楕円体の互いに直交する一方の主曲率面の半径をそれぞれＲｘ１、Ｒｘ２とした場合に（Ｒｘ１−１＋Ｒｘ２−１）−１で表される値、Ｒｙは他方の主曲率面の半径をそれぞれＲｙ１、Ｒｙ２とした場合に（Ｒｙ１−１＋Ｒｙ２−１）−１で表される値、η０は大気圧でのオイル粘度、αはオイルの粘度−圧力係数であって一般的な鉱油では「２０Ｇｐａ−１」程度である。また、ｕ１は一方の歯車における噛み合い部の歯面速度、ｕ２は他方の歯車における噛み合い部の歯面速度である。したがって、潤滑油の粘度や歯車の諸元は固定値であるため、平均歯面速度ｕが増大すると、油膜厚さｈc が増大し、平均歯面速度ｕが低下すると、油膜厚さｈc が低下する。そのため、車両に搭載された歯車の場合には、エンジン回転数がアイドル回転数程度となるように運転している時には、歯車の回転速度が比較的低速であり平均歯面速度ｕが小さいため、エンジン回転数がアイドル回転数程度となるように運転している時における平均歯面速度ｕに基づいて油膜厚さを求め、歯面の凸部の高さが、その油膜厚さ以下となる表面粗さを定めることが好ましい。なお、ここで定める表面粗さの指標としては、最大高さ粗さＲz や粗さ曲線の最大山高さＲq などの表面粗さを定める種々の指標とすることができる。以下の説明では、最大高さ粗さＲz を例に挙げて説明し、上記の式に基づいて定められる最大高さ粗さＲz 、すなわち研磨後の歯面の目標最大高さ粗さを、目標表面粗さＲztと記す。また、以下の説明では、最大高さ粗さを、単に表面粗さと記す。
【００１６】
具体的には、以下の式を満たすように歯面の目標表面粗さＲztを定める。
【数２】
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この式で、Ｒpqは、ＪＩＳ  Ｂ０６７１−３で規定されているとおり、プラトー領域に当てはめられた回帰直線の傾斜（ＪＩＳ  Ｂ０６７１−３）であり、Ｒpq１は互いに噛み合う歯車の一方側、Ｒpq２は互いに噛み合う歯車の他方側の値である。そして、上式を満たす歯面の最大高さ粗さＲztや粗さ曲線の最大山高さＲq を定める。
【００１７】
したがって、歯面の表面粗さを低減するために研磨する量は、粗形材の表面粗さＲzaと目標表面粗さRztとの差となる。言い換えると、歯面の表面粗さを目標表面粗さＲztとするために、粗形材の表面粗さＲzaと目標表面粗さＲztとの差分、歯面が研磨されることとなる。なお、図２には粗形材の表面粗さを測定したときのグラフ（実測値）を示しており、図３には粗形材を研磨した後の表面粗さを模式的に示したグラフ（目標値）を示している。
【００１８】
一方、歯面に圧縮残留応力を付与する加工方法としては、粒子を歯面に向けて噴射するショットピーニング加工や液体ホーニング加工などによって行うことができる。このように粒子を歯面に向けて噴射する加工方法は、粒子の質量やその粒子の噴射速度などによって圧縮残留応力の大きさや、その圧縮残留応力が最大となる深さなどを変更するものであり、圧縮残留応力が最大となる深さに応じて歯面の強度、より具体的には、耐ピッチング性が変化する。そのため、要求される耐ピッチング性に応じて圧縮残留応力が最大となる深さを定めて、粒子の質量やその粒子の噴射速度などが決定される。
【００１９】
また、ショットピーニング加工や液体ホーニング加工などは、上述したように粒子を歯面に吹き付けることによって圧縮残留応力を付与するものであり、その粒子のエネルギー量に応じて圧縮残留応力の大きさや、その圧縮残留応力が最大となる深さが変化する。そのため、圧縮残留応力が大きい場合やその圧縮残留応力が最大となる深さが深い場合には、歯面の表面粗さが少なからず粗くなる。したがって、歯面を研磨するよりも前に圧縮残留応力を付与する加工を行う。
【００２０】
そして、この発明に係る歯車の製造方法では、圧縮残留応力を付与する工程において、歯車が研磨されて仕上げられた際に圧縮残留応力が最大となる深さが、要求される目標深さとなるように、圧縮残留応力を付与する。図１には、歯面に付与された圧縮残留応力の分布を示しており、実線が歯面を研磨する前の圧縮残留応力の分布、破線が歯面を研磨した後の圧縮残留応力の分布を示している。なお、図１における横軸は歯面からの深さを示しており、縦軸は圧縮残留応力の大きさを示している。図１に示すように歯面を研磨することによって圧縮残留応力の最大値が歯面表層側に変化してしまうため、圧縮残留応力を付与する工程では、研磨することに伴って圧縮残留応力が最大となる深さが変化する分、圧縮残留応力が最大となる深さを深くするように付与することが好ましい。具体的には、上述した目標表面粗さＲztと粗形材の表面粗さＲzaとの差から求まる研磨する厚さと、耐ピッチング性を向上させるために要求される圧縮残留応力が最大となる目標深さとを合算した箇所の圧縮残留応力が最大となるようにショットピーニング加工や液体ホーニング加工などを行う。そして、圧縮残留応力を付与した後に、目標表面粗さＲztとなるように歯面を研磨する。具体的には、粗形材の表面粗さＲzaと目標表面粗さＲztとの差分、歯面の表面を研磨する。
【００２１】
上述した歯車の製造方法は、歯面の表面粗さを低減するために研磨する量を考慮して圧縮残留応力を付与するので、研磨されて仕上げられた歯面の表面粗さを低減することができるとともに、その表面粗さを低減するために研磨したとしても、圧縮残留応力が最大となる深さが要求された目標深さとなるため、耐ピッチング性を向上させることができ、すなわち歯面の強度を向上させることができる。また、目標表面粗さＲztは、歯車の運転状態に応じた油膜厚さに基づいて求められるので、仕上げられた歯面が油膜を介在させて動力を伝達することができる。そのため、動力伝達の際の動力損失をより一層低減することができる。さらに、歯面が研磨される量を油膜厚さから求めることができ、その研磨する量に応じて圧縮残留応力が最大となる深さを求めることができるので、圧縮残留応力が最大となる深さを異ならせた歯車を複数試作して、圧縮残留応力が最大となる適切な深さを探るなどの時間を短くすることができる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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