(57)【要約】【課題】撓み噛合い式歯車装置の外歯歯車として必要な靭性を確保しつつ、より高い硬さを有することでピッチングのより生じにくい外歯歯車を得る。【解決手段】剛性を有する内歯歯車１８と、可撓性を有し内歯歯車１８に内接噛合する外歯歯車１６と、該外歯歯車１６を撓み変形させる起振体１４と、を備えた撓み噛合い式歯車装置１２の外歯歯車１６の製造方法において、外歯歯車１６は、素材がＳＮＣＭ４３９またはＳＣＭ４４０で構成され、焼入れ工程と、該焼入れ工程によって焼入れされた外歯歯車１６の基材１６ｍを、１５０℃〜２２０℃から焼戻す焼戻し工程と、を含む。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
剛性を有する内歯歯車と、可撓性を有し前記内歯歯車に内接噛合する外歯歯車と、該外歯歯車を撓み変形させる起振体と、を備えた撓み噛合い式歯車装置の外歯歯車の製造方法において、
前記外歯歯車は、素材がＳＮＣＭ４３９またはＳＣＭ４４０で構成され、
焼入れ工程と、
該焼入れ工程によって焼入れされた前記外歯歯車の基材を、１５０℃〜２２０℃から焼戻す焼戻し工程と、
を含むことを特徴とする撓み噛合い式歯車装置の外歯歯車の製造方法。
【請求項２】
請求項１において、
前記焼戻し工程が、前記外歯歯車の基材を、１７０℃〜２１０℃から焼戻す焼戻し工程である
ことを特徴とする撓み噛合い式歯車装置の外歯歯車の製造方法。
【請求項３】
請求項１または２において、
前記焼戻し工程が、油冷による焼戻し工程である
ことを特徴とする撓み噛合い式歯車装置の外歯歯車の製造方法。
【請求項４】
剛性を有する内歯歯車と、可撓性を有し前記内歯歯車に内接噛合する外歯歯車と、該外歯歯車を撓み変形させる起振体と、を備えた撓み噛合い式歯車装置であって、
前記外歯歯車は、素材がＳＮＣＭ４３９またはＳＣＭ４４０で構成され、ブリネル硬さが５００ＨＢ以上で、かつ、シャルピー衝撃値が６５Ｊ／ｃｍ２以上である
ことを特徴とする撓み噛合い式歯車装置。
【請求項５】
請求項４において、
前記シャルピー衝撃値が７０Ｊ／ｃｍ２以上である
ことを特徴とする撓み噛合い式歯車装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、撓み噛合い式歯車装置の外歯歯車の製造方法および撓み噛合い式歯車装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１に、撓み噛合い式の歯車装置が開示されている。この撓み噛合い式の歯車装置は、剛性を有する内歯歯車と、可撓性を有し前記内歯歯車に内接噛合する外歯歯車と、該外歯歯車を撓み変形させる起振体と、を備えている。
【０００３】
この撓み噛合い式の歯車装置では、入力軸の回転によって起振体を回転し、外歯歯車を撓ませながら内歯歯車に内接噛合させている。すると、内歯歯車と外歯歯車との間に歯数差に起因する相対回転が発生するため、該内歯歯車と外歯歯車の相対回転を、減速出力として取り出している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１１−１５８０７２号公報（図１〜図４）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
この撓み噛合い式の歯車装置の外歯歯車は、起振体による撓み変形を繰り返しながら内歯歯車と噛合する部材であることから、高いレベルでの靭性が求められる。そのため、従来は、焼入れをした後、５００℃からの焼戻しを含む工程によって製造し、相応の靭性を確保するようにしていた。
【０００６】
しかしながら、このような焼戻しを行う結果、硬さの確保が難しくなり、例えば高面圧での運転を長時間続けると、歯面や歯先にピッチングが生じることがあるという問題があった。
【０００７】
本発明は、このような従来の問題を解消するためになされたものであって、撓み噛合い式歯車装置の外歯歯車として必要な靭性を確保しつつ、より高い硬さを有することでピッチングのより生じにくい外歯歯車を製造する方法を提供することをその課題としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、剛性を有する内歯歯車と、可撓性を有し前記内歯歯車に内接噛合する外歯歯車と、該外歯歯車を撓み変形させる起振体と、を備えた撓み噛合い式歯車装置の外歯歯車の製造方法において、前記外歯歯車は、素材がＳＮＣＭ４３９またはＳＣＭ４４０で構成され、焼入れ工程と、該焼入れ工程によって焼入れされた前記外歯歯車の基材を、１５０℃〜２２０℃から焼戻す焼戻し工程と、を含む構成とすることにより、上記課題を解決したものである。
【０００９】
発明者は、試験・研究により、撓み噛合い式歯車装置の外歯歯車として、ＳＮＣＭ４３９またはＳＣＭ４４０で構成される素材を使用したときに、１５０℃〜２２０℃からの焼戻しを行うことにより、必要な靭性を確保しつつ、より硬い表面を有する外歯歯車を製造することができるという知見を得た。
【００１０】
本発明は、この知見に基づいてなされたものである。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、撓み噛合い式歯車装置の外歯歯車として必要な靭性を確保しつつ、より高い硬さを有することでピッチングのより生じにくい外歯歯車を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施形態の一例に係る製造方法にて製造された外歯歯車が組み込まれた撓み噛合い式歯車装置の全体構成の一例を示す斜視図
【図２】図１の軸心を含む断面図
【図３】図２の矢視ＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う断面図
【図４】上記実施形態に係る製造方法における焼入れ、焼戻しの手順を示す工程図
【図５】ＳＮＣＭ４３９における焼戻し温度とシャルピー衝撃値およびブリネル硬さとの関係を示すグラフ
【図６】ＳＣＭ４４０における焼戻し温度とシャルピー衝撃値およびブリネル硬さとの関係を示すグラフ
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態の一例を詳細に説明する。
【００１４】
図１は、本発明の実施形態の一例に係る製造方法にて製造された外歯歯車が組み込まれた撓み噛合い式歯車装置の全体構成の一例を示す斜視図、図２は、図１の軸心Ｏ１を含む断面図、図３は、図２の矢視ＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う断面図である。
【００１５】
この撓み噛合い式歯車装置１２は、剛性を有する内歯歯車１８と、可撓性を有し前記内歯歯車１８に内接噛合する外歯歯車１６と、該外歯歯車１６を撓み変形させる起振体１４と、を備える。
【００１６】
以下、各構成要素について順に説明してゆく。
【００１７】
起振体１４には、径方向の中央に図示せぬ入力軸が入力される入力軸孔１４Ａが形成されている。入力軸孔１４Ａにはキー溝１４Ｂが設けられている。起振体１４の断面は、２つの円弧を繋ぎ合わせることで、長軸Ｘ−Ｘおよび短軸Ｙ−Ｙを有する非円形形状とされている。
【００１８】
起振体１４の外周には、起振体軸受２０が配置されている。起振体軸受２０は、内輪２２、外輪２４、ころ（転動体）２６、および該ころ２６の位置を規制するリテーナ２８を備える。なお、内輪２２は、後述する第２の起振体軸受２０−２と共通である。
【００１９】
起振体軸受２０の外周には、該起振体軸受２０の外周に沿って弾性変形する（可撓性を有する）外歯歯車１６が組み込まれている。外歯歯車１６は、基部１６Ａおよび外歯部１６Ｂから構成されている。基部１６Ａは、起振体軸受２０の外輪２４と一体化され、起振体１４の外周に沿って弾性変形する。外歯部１６Ｂは、基部１６Ａと一体化され、基部１６Ａの変形に倣って弾性変形する。外歯歯車１６の素材の構成や製造方法等については後に詳述する。
【００２０】
外歯歯車１６の外歯部１６Ｂは、内歯歯車１８に内接噛合している。内歯歯車１８は、剛性を有した部材で構成され、図示せぬケーシングと一体化・固定されている。内歯歯車１８の内歯の数は外歯歯車１６の外歯部１６Ｂの外歯の数よりも２の倍数（この実施形態では２）だけ多い。
【００２１】
この実施形態では、以上のような構成要素からなる撓み噛合い機構を有し、入力軸の回転によって起振体１４を回転させることにより、該起振体１４の長軸Ｘ−Ｘ位置の近傍で外歯歯車１６の外歯部１６Ｂと内歯歯車１８とを噛合させ、歯数差に起因して発生する外歯歯車１６と内歯歯車１８の相対回転（この例では内歯歯車１８が固定されているため外歯歯車１６の自転）を取り出す構成としている。
【００２２】
外歯歯車１６は、撓みながら自転するため、該撓み成分を吸収しつつ自転成分のみを取り出す必要がある。この自転成分のみを取り出す構成として、この実施形態では、撓み噛合い機構の起振体１４および外歯歯車１６の基部１６Ａを軸方向に（軸心と平行に）延在させている。そして、延在させた起振体１４と基部１６Ａとの間に、（起振体軸受２０と同一の構成で、内輪２２が共通とされた）第２の起振体軸受２０−２を配置すると共に、延在された基部１６Ａの外周に外歯部１６Ｂと同一の動きをする第２の外歯部１６Ｂ−２を形成している。そして、該第２の外歯部１６Ｂ−２と同一の歯数の内歯を備えた剛性を有する出力歯車３２を、該第２の外歯部１６Ｂ−２と「等速噛合」させている。
【００２３】
この等速噛合は、「長軸Ｘ−Ｘ位置の近傍では深く噛合し合って動力の伝達を行うが、短軸Ｙ−Ｙ位置の近傍では浅く噛合しているため（或いは全く噛合していないため）動力の伝達は行わない」という構成の噛合である。長軸Ｘ−Ｘ位置および短軸Ｙ−Ｙ位置は回転するが、噛み合っている外歯部１６Ｂの外歯と出力歯車３２の内歯は、常に同一の歯同士が噛合しており変化しない。この等速噛合によって外歯歯車１６の外歯部１６Ｂ（および第２の外歯部１６Ｂ−２）の撓みを吸収しつつ、該外歯部１６Ｂ（１６Ｂ−２）の自転成分のみを出力歯車３２から取り出すことが可能である。
【００２４】
この等速噛合による取り出し構成は、（いわゆるカップ型と称される外歯歯車を使用した取り出し構成と比較して）各構成要素の軸方向の各位置での伝達トルクをより均一化できるため、転動体として（「玉」ではなく）耐荷重性の高い「ころ２６」を使用できるようになるというメリットがある。なお、ころ２６は、ほぼ円柱体で構成され、自転、公転を行うと共に、径方向にも変位する。
【００２５】
ここで、外歯歯車１６の素材および製造方法について説明する。
【００２６】
本実施形態では、外歯歯車１６の基材（外歯歯車１６を製造するために熱処理等を行っている段階の部材：便宜上、符号１６ｍを用いて完成後の外歯歯車１６と区別する）として、素材がＳＮＣＭ４３９で構成される外歯歯車基材１６ｍを採用した。ＳＮＣＭ４３９は、ニッケル、クロム、モリブデンの三種が入っている鋼材であり、ＪＩＳ  Ｇ４０５３の「機械構造用合金鋼鋼材」に規定されている１１種のニッケルクロムモリブデン鋼鋼材（ＳＮＣＭ材）の一種である。ＳＮＣＭ４３９は、焼入れ性が良く、より深くまで硬さが保証されることから、撓み噛合い式歯車装置１２の外歯歯車１６を構成する素材として好適である。
【００２７】
このＳＮＣＭ４３９で構成される外歯歯車基材１６ｍを、図４に示される手順で焼入れし、その後、焼戻し温度を種々変化させ、焼戻し温度と靭性（シャルピー衝撃値）および硬さ（ブリネル硬さ）との関係を試験・計測したところ、図５に示すような結果が得られた。以下、詳述する。
【００２８】
先ず、ＳＮＣＭ４３９で構成される外歯歯車素材１６ｍを焼入れする。具体的には、１２０分から１８０分の時間を掛けて、１分間に４．７℃〜７．０℃の昇温速度で外歯歯車基材１６ｍの温度を上昇させ、８４０℃まで上昇した時点で１０分間保持する。その後、油冷により、約１０分かけて１分間に８４℃ずつ冷却し、さらに空冷により約５０分かけて１分間に約１．２℃ずつ冷却する。ここまでが焼入れ工程である。
【００２９】
一方、焼戻し工程は、１２０分から１８０分の時間を掛けて、１分間に４．７℃〜７．０℃の昇温速度で、所定の焼戻し温度にまで上昇させた後（図４では、焼戻し温度２００℃の例が示されている）、該焼戻し温度で１０分間保持し、その後、油冷によって所定時間（図４の例では約２．４分）かけて１分間に８４℃の冷却速度で冷却し、さらに、空冷により１分間に１．２℃の冷却速度で所定時間（図４の例では約５０分間）冷却する。なお冷却用のオイルの温度は、６０℃に設定した。
【００３０】
この手順をベースとして２０℃から７００℃までの複数の焼戻し温度で焼戻しを行い、それぞれの外歯歯車基材１６ｍのシャルピー衝撃値とブリネル硬さを測定した。測定した結果をプロットしたのが図５のグラフである。
【００３１】
なお、シャルピー衝撃試験は、ＪＩＳ  Ｚ２２４２に規定されている「金属材料のシャルピー衝撃試験方法」に準拠している。試験片としては、ＪＩＳ  Ｚ２２４２の項目６．１に規定する標準試験片である長さ５５ｍｍ、一辺が１０ｍｍの正方形断面を持つものを使用した。この試験片に、項目６．２．１に規定するＶノッチを形成した。試験温度は２３℃±５℃（室温）である。試験機の据付および検証は、ＪＩＳ  Ｂ７７２２に従っている。また、試験には半径２ｍｍの衝撃刃を用いた。試験手順はＪＩＳ  Ｚ２２４２の項目８に従っている。
【００３２】
一方、ブリネル硬さ試験は、ＪＩＳ  Ｚ２２４３に規定される試験法に準拠している。
【００３３】
具体的には硬合金球の圧子を、特定の試験荷重（この試験例では３０００ｋｇｆの力）で試験片の表面に押し込み、その試験荷重Ｐを解除した後、表面に残った窪みの直径ｄを測定する。ブリネル硬さは、所定の計算式にしたがって試験荷重Ｐを窪みの表面積で除した値に比例する数値として求められる。なお、試験温度は、１０℃〜３５℃の室温である。本試験では、外歯歯車基材１６ｍ自体が非常に硬いため、圧子には超硬合金を用いた。
【００３４】
図５のグラフから読み取れるように、ブリネル硬さは、定性的傾向として、焼戻し温度が高いほど低減していることがわかる。一方、シャルピー衝撃値は、焼戻し温度が３００℃〜４００℃の近傍で低い値をとるが、４００℃を超えると、次第に高くなっていることがわかる。撓み噛合い式歯車装置の外歯歯車の場合、繰り返される撓み変形に耐え得る靭性を確保するには、６５Ｊ／ｃｍ２程度、好ましくは７０Ｊ／ｃｍ２程度のシャルピー衝撃値が必要であり、この観点で、従来は約５００℃から焼戻しが行われていた。
【００３５】
しかし、焼戻し温度が５００℃の場合、図５から明らかなようにブリネル硬さは、約４００ＨＢ程度しか得られない。そのため、例えば高面圧で長時間の運転を行うと、歯面あるいは歯先にピッチングが発生することがあるという問題があった。
【００３６】
しかしながら、焼戻し温度を５００℃から低下させてくると、シャルピー衝撃値は、焼戻し温度が３００℃程度までは低下を続けるが、３００℃より低温となると、再び上昇に転じ、２００℃の近傍でピークが生じる事実が確認できた。このピークの値は、７０Ｊ／ｃｍ２を超えており、焼戻し温度５００℃の場合に得られていた値以上である。
【００３７】
一方、ブリネル硬さは、（焼戻し温度が低下すればするほど）一層高い値が得られる。焼戻し温度２００℃では、優に５５０ＨＢを超えるブリネル硬さが得られている。これは、換言するならば、焼戻し温度を２００℃の近傍に設定することにより、従来と同等のシャルピー衝撃値（靭性）を確保しながら、硬さを大きく増大させることができることを意味する。具体的には、ブリネル硬さで４００ＨＢ程度から５５０ＨＢ程度に増大させることができる。
【００３８】
なお、図５から読み取れるように、シャルピー衝撃値は、焼戻し温度が２００℃の近傍でピークが生じているものの、２００℃より高温側の領域と低温側の領域とでは、状況は対称ではない。
【００３９】
すなわち、例えば、焼戻し温度が２００℃よりも高温側の領域では、シャルピー衝撃値は、２００℃よりも高まるに従って、急速に低下している。また、ブリネル硬さも焼戻し温度が２００℃よりも高まるに従って低下している。
【００４０】
これに対し、２００℃よりも低温側の領域では、シャルピー衝撃値は、焼戻し温度を２００℃よりも低くしていっても、高温側ほどには急速に低下していない。また、ブリネル硬さは、２００℃よりもさらに上昇しており、より硬い素材が得られている。
【００４１】
これらを勘案すると、焼戻し温度は２００℃近傍が最も好ましく、２００℃より低い領域では、マイナス５０℃まで、高い領域ではプラス２０℃程度まで（１５０℃〜２２０℃）が許容範囲であると言える。実用上は、（２００℃−３０℃）から（２００℃＋１０℃）の範囲、すなわち１７０℃〜２１０℃が範囲が好ましく、この範囲であれば、確実に必要な靭性を確保しつつ、硬さを従来より増大させることができる。
【００４２】
そこで、本実施形態では、この知見に基づき、外歯歯車１６（外歯歯車基材１６ｍ）の素材をＳＮＣＭ４３９で構成すると共に、焼戻し温度を２００℃に設定して外歯歯車１６を製造している。具体的には、外歯歯車基材１６ｍに対し、図４を用いて説明した焼入れ工程によって焼入れを行い、該焼入れ工程によって焼入れされた外歯歯車基材１６ｍを、２００℃から焼戻す焼戻し工程を経て製造するようにしている。
【００４３】
前述したように、この焼戻し温度は、１５０℃〜２２０℃程度が撓み噛合い式の外歯歯車としての許容範囲であり、好ましくは１７０℃〜２１０℃、ベストは２００℃である。
【００４４】
なお、焼戻し工程における冷却は、空冷よりも油冷の方が好ましい。それは、油冷の方がより冷却速度等を正確に制御できるため、品質のばらつきが少ないためである。尤も、本発明の場合、焼戻し工程での焼戻し温度自体が２００℃と低いため、空冷によって冷却するようにしてもよい。
【００４５】
図６は、外歯歯車１６の素材を、ＳＣＭ４４０で構成した場合の、図５相当のグラフである。ＳＣＭ４４０は、ＪＩＳ  Ｇ４０５３  機械構造用合金鋼鋼材に規定のあるクロムモリブデン鋼鋼材（ＳＣＭ材）の一種である。なお、焼入れ、焼戻しの手順は図４と同様である。
【００４６】
図６から読み取れるように、外歯歯車１６の素材をＳＣＭ４４０で構成した場合においても、ＳＮＣＭ４３９と同様の定性的傾向が得られることが確認できる。すなわち、外歯歯車１６の素材を、ＳＣＭ４４０で構成した場合においても、同様に２００℃の近傍において、靭性（シャルピー衝撃値）のピークが発生している。しかも、その値は、８０Ｊ／ｃｍ２近くにまで達しており、ＳＮＣＭ４３９よりむしろ優れている。また、ブリネル硬さについても、焼戻し温度２００℃において５００ＨＢを超えており、十分な硬さが得られている。撓み噛合い式歯車装置の外歯歯車の場合、５００ＨＢが確保されていれば、実用上十分であり、ピッチングも生じにくい。図６のグラフから読み取れるように、ＳＣＭ４４０での数値的許容範囲についても、焼戻し温度は、１５０℃〜２２０℃程度が撓み噛合い式歯車装置の外歯歯車としての許容範囲であり、好ましくは１７０℃〜２１０℃、ベストは２００℃であると言える。
【００４７】
要するならば、本発明は、外歯歯車の素材として、ＳＣＭ４４０を採用した場合においても、靭性を８０Ｊ／ｃｍ２程度に確保した上で、硬さをより高めることができ、許容範囲を含めて、ＳＮＣＭ４３９と同様の構成で製造することにより、同等または同等以上の作用効果が得られる。
【００４８】
本発明は、このような外歯歯車素材を用いて製造された外歯歯車を有する撓み噛合い式歯車装置という点に着目した場合、『剛性を有する内歯歯車と、可撓性を有し前記内歯歯車に内接噛合する外歯歯車と、該外歯歯車を撓み変形させる起振体と、を備えた撓み噛合い式歯車装置であって、前記外歯歯車は、素材がＳＮＣＭ４３９またはＳＣＭ４４０で構成され、ブリネル硬さが５００ＨＢ以上で、かつ、シャルピー衝撃値が６５Ｊ／ｃｍ２以上、好ましくは７０Ｊ／ｃｍ２以上であることを特徴とする撓み噛合い式歯車装置』と捉えることもできる。
【符号の説明】
【００４９】
１２…撓み噛合い式歯車装置
１４…起振体
１６…外歯歯車
１６ｍ…外歯歯車基材
１８…内歯歯車
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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