(57)【要約】【課題】歯の噛み合い位置の変化に伴う異音の発生や動力損失の増大を抑制もしくは防止することができる歯車機構を提供する。【解決手段】第１歯車と、該第１歯車と噛み合いかつ該第１歯車の回転数と異なった回転数で回転する第２歯車とを備えた歯車機構において、前記第１歯車と前記第２歯車とが互いに噛み合っている噛み合い部における前記第１歯車の歯面速度と前記第２歯車の歯面速度との平均歯面速度が小さくなる位置での前記第１歯車と前記第２歯車との少なくともいずれか一方の歯面の表面粗さを、前記平均歯面速度が大きくなる位置での前記第１歯車と前記第２歯車との少なくともいずれか一方の歯面の表面粗さより小さくするように構成されている。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１歯車と、該第１歯車と噛み合いかつ該第１歯車の回転数と異なった回転数で回転する第２歯車とを備えた歯車機構において、
前記第１歯車と前記第２歯車とが互いに噛み合っている噛み合い部における前記第１歯車の歯面速度と前記第２歯車の歯面速度との平均歯面速度が小さくなる位置での前記第１歯車と前記第２歯車との少なくともいずれか一方の歯面の表面粗さを、前記平均歯面速度が大きくなる位置での前記第１歯車と前記第２歯車との少なくともいずれか一方の歯面の表面粗さより小さくするように構成されていることを特徴とする歯車機構。
【請求項２】
前記第１歯車と前記第２歯車とにおける回転中心からピッチ円までの距離が長い方の歯車の歯先側の表面粗さが、該回転中心からピッチ円までの距離が長い方の歯車の歯元側の表面粗さより小さくなるように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の歯車機構。
【請求項３】
前記第１歯車と前記第２歯車とにおける回転中心からピッチ円までの距離が短い方の歯車の歯元側の表面粗さが、該回転中心からピッチ円までの距離が短い方の歯車の歯先側の表面粗さより小さくなるように構成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の歯車機構。
【請求項４】
前記平均歯面速度が小さくなる位置における前記第１歯車と前記第２歯車との少なくともいずれか一方の歯面のみが研磨されていることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の歯車機構。
【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し、またそれぞれの歯数に応じた回転数比となる歯車機構に関し、特に歯面の表面性状に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
互いに噛み合う歯車によって動力を伝達する場合、歯面での不可避的な滑りが要因となって動力損失が生じる。そのため、従来、歯面での摩擦係数を低減し、併せて歯面強度を維持する試みが種々なされている。歯面での摩擦係数を低減するためには、歯面の粗さを小さくしていわゆる金属接触を少なくし、また潤滑油による油膜を確実に保持する必要があり、例えば特許文献１に記載された発明では、歯面の粗さ曲線のスキューネスＲskが「−５」以上、「−０．２」以下となるプラトー状の歯面を形成することとしている。これは、ピッチングやスコーリングなどの損傷に対する強度を向上させるための構成であり、また歯面がプラトー状になっているので、金属接触の減少と潤滑油の保持性との両特性を向上させ摩擦係数を低減できる、とされている。さらに、特許文献１に記載されている歯車の製造方法では、研磨前における歯面の最大粗さＲmax を５μｍ以下とし、かつ平均粗さＲa を０．５μｍとしておき、これをその粗さに応じて最大粗さＲmax の０．２〜２倍の厚さだけ除去することとしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平７−２９３６６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に記載されているように歯面の性状を、粗さ曲線のスキューネスＲskが上記の負の値の範囲にあるプラトー状とすれば、尖った突起部分が少なくなって摩擦係数の低減には有利に作用する。しかしながら、特許文献１に記載されているように、研磨前に最大粗さＲmax および算術平均粗さＲa を大きくしておき、研磨によって除去する厚さを特許文献１に記載されているように最大粗さＲmax の０．２〜２倍として、化学研磨または電解研磨によりプラトー状とするのであれば、先ず尖った突起部分が研磨されて除去されるものの、その後、歯車の歯における角部が優先的に研磨されつつ次第に表面全体が研磨されるから、少なからず歯面形状が予定した形状からずれてしまう可能性がある。歯面形状が変化してしまうと、歯当たりが悪化してしまい異音が生じてしまう可能性がある。
【０００５】
また、歯車機構における噛み合い部の油膜厚さは、駆動側歯車と従動側歯車との平均歯面速度に応じて変化するため、減速あるいは増速するために使用される歯車機構の場合には、歯車同士の噛み合い位置が変化することに伴って油膜厚さも変化する。さらに、歯車機構における噛み合い部全体での摩擦係数は、油膜で荷重を受け持つ部分と歯面で荷重を受け持つ部分との割合に応じて変化し、その割合は、油膜厚さと歯面の粗さとに応じて変化する。そのため、歯車機構が使用される状況に応じて噛み合い部における油膜厚さが常時変化し、またその油膜厚さに応じて変化する歯面で荷重を受け持つ部分の割合が常時変化する。
【０００６】
したがって、特許文献１に記載されたように研磨前に最大粗さＲmax および算術平均粗さＲa を大きくしておき、研磨によって除去する厚さを最大粗さＲmax の０．２〜２倍として化学研磨、電解研磨によりプラトー状とするのであれば先ず尖った突起部分が研磨されて溶解除去されるものの、その後、歯車の歯面における角部や歯面表面における金属組織の溶解しやすい部分が研磨されるから、噛み合い部において歯面で荷重を受け持つ荷重が局所的に増加してしまう可能性があり、その結果、摩擦係数の増大による動力損失の増大が生じたり歯面の強度が低下してしまったりする可能性がある。また、突起部の除去を目的とする溶解除去以外の歯面全域を同一の粗さに加工する除去方法においても、突起部の除去量が増加するにしたがって歯面形状が予定していた形状から変化してしまう可能性があり、噛み合い部において歯面で受け持つ荷重が局所的に増加してしまう可能性がある。その結果、摩擦係数の増大による動力損失の増大が生じたり、歯面の強度が低下し
【０００７】
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、歯の噛み合い位置の変化に伴う異音の発生や動力損失の増大あるいは歯面の強度の低下を抑制もしくは防止することができる歯車機構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】
【０００８】
上記の目的を達成するために、請求項１の発明は、第１歯車と、該第１歯車と噛み合いかつ該第１歯車の回転数と異なった回転数で回転する第２歯車とを備えた歯車機構において、前記第１歯車と前記第２歯車とが互いに噛み合っている噛み合い部における前記第１歯車の歯面速度と前記第２歯車の歯面速度との平均歯面速度が小さくなる位置での前記第１歯車と前記第２歯車との少なくともいずれか一方の歯面の表面粗さを、前記平均歯面速度が大きくなる位置での前記第１歯車と前記第２歯車との少なくともいずれか一方の歯面の表面粗さより小さくするように構成されていることを特徴とするものである。
【０００９】
また、請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記第１歯車と前記第２歯車とにおける回転中心からピッチ円までの距離が長い方の歯車の歯先側の表面粗さが、該回転中心からピッチ円までの距離が長い方の歯車の歯元側の表面粗さより小さくなるように構成されていることを特徴とする歯車機構である。
【００１０】
さらに、請求項３の発明は、請求項１または請求項２の発明において、前記第１歯車と前記第２歯車とにおける回転中心からピッチ円までの距離が短い方の歯車の歯元側の表面粗さが、該回転中心からピッチ円までの距離が短い方の歯車の歯先側の表面粗さより小さくなるように構成されていることを特徴とする歯車機構である。
【００１１】
そして、請求項４の発明は、請求項１ないし請求項３のいずれかの発明において、前記平均歯面速度が小さくなる位置における前記第１歯車と前記第２歯車との少なくともいずれか一方の歯面のみが研磨されていることを特徴とする歯車機構である。
【発明の効果】
【００１２】
この発明によれば、互いに噛み合う歯車の噛み合い部における平均歯面速度が小さくなる箇所の歯面の表面粗さを、平均歯面速度が大きくなる箇所の歯面の表面粗さより小さく構成されている。そのため、平均歯面速度に応じて変化する歯面で荷重を受け持つ部分と、油膜で荷重を受け持つ部分との割合が変化しない。その結果、平均歯面速度の変化に起因して噛み合い部における摩擦係数が変化してしまうことを抑制もしくは防止することができる。また、平均歯面速度が大きくなる箇所の歯面が過剰に研磨されるなどの事態を抑制もしくは防止することができるので、研磨に要する時間を短くすることができると共に、研磨することに伴う歯面形状の変化を抑制もしくは防止することができる。その結果、歯面形状の変化に起因する異音の発生や動力損失の増大あるいは歯面の強度の低下を抑制もしくは防止することができる。
【００１３】
また、平均歯面速度が小さくなる位置における歯面のみを研磨することによって、研磨する範囲を狭くすることができ、研磨に要する時間をより一層短くすることができるとともに、歯面形状の変化に起因する異音の発生や動力損失の増大あるいは歯面の強度の低下をより一層抑制もしくは防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】歯面の粗さ、および油膜の厚さ、ならびに金属分担部分の割合との関係を説明するための模式図である。
【図２】噛み合い位置の変化に伴って変化する平均歯面速度を説明するための模式図である。
【図３】噛み合い位置の変化に伴って変化する油膜厚さを説明するための模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
この発明で対象とする歯車機構は、入力側の回転数を変化させて出力するように、増速機や減速機として使用され、駆動側歯車と従動側歯車との回転数が異なるものであり、車両や各種産業機械などに使用することができる歯車機構である。また、その歯車は、はす歯歯車が一般的であるが、平歯車などの他の構造の歯車であってもよい。なお、以下の説明では、金属材料によって形成された歯車を使用した歯車機構を例に挙げて説明する。金属材料によって形成された歯車は、基本的には、素材から転造、旋削や歯切りなどの加工を経て粗形材を造り、その歯に研削や適宜の表面処理を施し、さらに歯面の研磨を行って製造される。なお、その研磨の方法は、化学研磨や電解研磨あるいは樹脂を使用した樹脂研磨などの従来知られている適宜の方法であってよい。
【００１６】
上記のように金属材料によって形成された歯車機構は、通常、駆動側歯車と従動側歯車との噛み合い部に潤滑油が供給されながら動力を伝達する。言い換えれば、噛み合い部に潤滑油が介在した状態で動力を伝達する。その潤滑油の厚さ（以下、油膜厚さと記す。）は、互いに噛み合って動力を伝達する噛み合い部の平均歯面速度とに応じて変化する。具体的には、下記のChittendenの膜厚計算式によって算出することもできる。
【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は接触部における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が増大する。
【００１７】
また、上述したようにこの発明の対象とする歯車機構は、駆動側歯車と従動側歯車との回転数が異なるものである。そのため、歯車同士がピッチ円上で動力を伝達しているとき、言い換えると、駆動側歯車の回転中心と従動側歯車の回転中心とを結ぶ線上で歯車が動力を伝達しているときと、ピッチ円以外で動力を伝達しているときとの平均歯面速度ｕは異なる。歯車同士で動力を伝達する位置がピッチ円から離れたときにおける平均歯面速度ｕの変化を図２に示している。なお、図２における横軸は、ピッチ円と動力を伝達している噛み合い位置との距離を示しており、駆動側の歯車の回転中心に近い方を「−］で示し、従動側の歯車の回転中心に近い方を「＋」で示している。また、歯車機構が増速機として機能する場合、言い換えると、従動側歯車の回転数が駆動側歯車の回転数より速い場合における平均歯面速度ｕの変化を実線で示し、歯車機構が減速機として機能する場合、言い換えると、従動側歯車の回転数が駆動側歯車の回転数より遅い場合における平均歯面速度ｕの変化を一点鎖線で示している。以下の説明では、歯車機構が増速機として機能する場合を例に挙げて説明する。
【００１８】
図２に示すように歯車機構が増速機として機能する場合には、駆動側歯車の回転中心に近い箇所で歯が噛み合って動力を伝達しているときは、ピッチ円上で動力を伝達しているときに比べて平均歯面速度ｕが速く、従動側歯車の回転中心に近い箇所で歯が噛み合って動力を伝達しているときは、ピッチ円上で動力を伝達しているときに比べて平均歯面速度ｕが遅い。すなわち、駆動側歯車の歯と従動側歯車の歯との噛み合い始めの平均歯面速度ｕが速く、動力を伝達して歯車が回転するに連れて平均歯面速度ｕが低下して、噛み合いが終了する位置の平均歯面速度ｕが最も遅くなる。これは、駆動側歯車が従動側歯車より大きく形成されているため、噛み合い位置が変化することによる回転中心から噛み合い位置までの半径の変化に伴う噛み合い位置での歯面速度の変化率が異なるためである。
【００１９】
すなわち、歯車機構が増速機として機能する場合には、駆動側歯車における歯元側で噛み合っているとき、言い換えると従動側歯車における歯先側で噛み合っているときには、平均歯面速度ｕが速く、駆動側歯車における歯先側で噛み合っているとき、言い換えると従動側歯車における歯元側で噛み合っているときには、平均歯面速度ｕが遅くなる。
【００２０】
上述したように平均歯面速度ｕが変化することにより、歯の噛み合い位置での油膜厚さが変化する。したがって、増速機として機能する歯車機構の場合には、図２に示すように噛み合い始めでの平均歯面速度ｕがピッチ円上での平均歯面速度ｕより速いため、図３に示すように油膜厚さがピッチ円上での油膜厚さより厚くなる。一方、噛み合いが終了する位置での平均歯面速度ｕは、ピッチ円上での平均歯面速度ｕより遅いため、図３に示すように油膜厚さが薄くなる。なお、図３における横軸は、図２に示す横軸と同様に記載しており、縦軸は油膜厚さを示している。
【００２１】
一方、噛み合い位置全体での摩擦係数μは、油膜で荷重を受け持つ部分と、歯面（金属）で荷重を受け持つ部分との割合で決定される。具体的には、以下に示す式によって求められる。
μ＝（１−α）μＬ＋αμＳ
【００２２】
なお、μＬは油膜分担部分の摩擦係数、μＳは金属分担部分の摩擦係数、αは金属分担部分の割合であり、このαは下記の式で表現することができることが知られている。
α＝Ａ・log（ΣＲ／ｈ）
なお、Ａは定数であって例えば「０．５」である。また、ｈは油膜厚さであり、ΣＲは表面の凹凸の高さ、すなわち歯面の粗さであってこれらの関係を模式的に示すと図１のとおりである。したがって、油膜厚さｈが変化すると、歯面で荷重を受け持つ割合αが変化して、結局、噛み合い位置全体での摩擦係数μが変化する。
【００２３】
そのため、この発明に係る歯車機構は、平均歯面速度ｕに基づいて変化する油膜厚さｈに応じて歯面の粗さΣＲを定め、その粗さΣＲとなるように歯面を研磨して形成されている。具体的には、増速機として機能する歯車機構の場合には、駆動側歯車における歯元側で噛み合っているときには、ピッチ円上で噛み合っている時に対して、平均歯面速度ｕが速く油膜厚さｈが厚くなり、その結果、歯面で荷重を受け持つ部分の割合αが少なくなるので、歯元側の表面粗さΣＲを粗くすることができる。それとは反対に、駆動側歯車における歯先側で噛み合っているときには、ピッチ円上で噛み合っている時に対して、平均歯面速度ｕが遅く油膜厚さｈが薄くなり、その結果、歯面で荷重を受け持つ部分の割合αが多くなるので、歯先側の表面を平滑にする。言い換えると、駆動側歯車の歯先側の表面粗さを歯元側の表面粗さより小さくする。また、駆動側歯車の歯先側のみを研磨して歯先側の表面粗さを小さくしてもよい。
【００２４】
すなわち、以下の式を満たすように歯面の面性状を規定する。
【数２】
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なお、面性状としては、最大高さ粗さＲｚや二乗平均平方根粗さＲｑあるいは突出山部高さＲｐｋなどの表面粗さを表す種々の指標である。
【００２５】
このように歯先側と歯元側との面性状を変化させることによって、噛み合い位置全体での摩擦係数μが、噛み合い位置の変化に起因して変化してしまうことがない。また、歯面を研磨する範囲を狭くすることができるので、その研磨に要する時間を短くすることができると共に、研磨することによる歯面の形状の変化を抑制もしくは防止することができる。そのため、歯面形状が変化してしまうことに起因する異音の発生や動力損失の増大あるいは歯面の強度の低下を抑制もしくは防止することができる。
【００２６】
さらに、第１歯車と第２歯車とが互いに噛み合っている噛み合い部における第１歯車の歯面速度と第２歯車の歯面速度との平均歯面速度が小さくなる位置での第１歯車と第２歯車との歯面のみを研磨加工することが好ましく、その場合、平均歯面速度が大きくなる位置での第１歯車と第２歯車との歯面は研磨加工しなくてすむため、研磨に要する時間をより短くすることができるとともに、歯面形状の変化に起因する異音の発生や動力損失の増大、歯面の強度の低下をより一層抑制することができる。
【００２７】
なお、この発明に係る歯車機構は、上述した例のように増速機として機能するものに限らず、減速機として機能するものであってもよい。その場合には、駆動側歯車の歯元側の表面粗さを歯先側の表面粗さより小さくすればよい。また、駆動側歯車に限らず、従動側歯車における歯面の表面粗さを歯先側と歯元側とで異なるようにしてもよい。すなわち、歯車機構が増速機として機能する場合には、従動側歯車における歯元側の表面粗さを歯先側の表面粗さより小さくすればよく、歯車機構が減速機として機能する場合には、従動側歯車における歯先側の表面粗さを歯元側の表面粗さより小さくすればよい。
【００２８】
また、歯車機構は、駆動側歯車と従動側歯車とが噛み合って動力を伝達するため、上述したように一方の歯車についてのみ歯面の表面粗さを変化させずに、双方の歯面の表面粗さを変化させるように構成してもよい。すなわち、歯車機構が増速機として機能する場合には、駆動側歯車の歯先側の表面粗さを歯元側の表面粗さより小さくするとともに、従動側歯車の歯元側の表面粗さを歯先側の表面粗さより小さくすればよく、減速機として機能する場合には、駆動側歯車の歯元側の表面粗さを歯先側の表面粗さより小さくするとともに、従動側歯車の歯先側の表面粗さを歯元側の表面粗さより小さくすればよい。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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