(57)【要約】【課題】歯面強度の向上を可能にした歯車装置の設計方法、歯車装置の製造方法、および、歯車装置を提供する。【解決手段】歯車装置１は、駆動回転軸２０Ａに対して歯すじ方向がねじれている駆動歯２１を有する駆動歯車２０と、駆動歯車２０に従動し、従動回転軸３０Ａに対して歯すじ方向がねじれている従動歯３１を有する従動歯車３０とを備える。駆動歯２１および従動歯３１の各々について、噛み合い始めの歯すじ端を基準にして噛み合い終り側の歯すじ端が設計歯面に対して凸となるように公差を規定することにより、歯すじ方向における相対誤差を噛み合い終り側の歯すじ端で凸にする。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１回転軸に対して歯すじ方向がねじれている第１歯を有する第１歯車と、
前記第１歯車に従動し、第２回転軸に対して歯すじ方向がねじれている第２歯を有する第２歯車とを備えた歯車装置の設計方法であって、
歯すじ方向における前記第１歯と前記第２歯との相対公差を噛み合い終り側の歯すじ端で凸にする
歯車装置の設計方法。
【請求項２】
前記第１歯および前記第２歯の双方において、噛み合い始め側の歯すじ端を基準として噛み合い終り側の歯すじ端が凸となるように歯すじ方向における公差を設定する
請求項１に記載の歯車装置の設計方法。
【請求項３】
前記第１歯および前記第２歯の双方において、噛み合い終り側の歯すじ端の公差の下限値を０に設定する
請求項２に記載の歯車装置の設計方法。
【請求項４】
第１回転軸に対して歯すじ方向がねじれている第１歯を有する第１歯車と、
前記第１歯車に従動し、第２回転軸に対して歯すじ方向がねじれている第２歯を有する第２歯車とを備えた歯車装置の製造方法であって、
歯すじ方向における前記第１歯と前記第２歯との相対誤差が噛み合い終り側の歯すじ端で凸になるように前記第１歯車と前記第２歯車とを製造する
歯車装置の製造方法。
【請求項５】
第１回転軸を有して前記第１回転軸に対して歯すじ方向がねじれている第１歯を有する第１歯車と、
前記第１歯車に従動し、第２回転軸に対して歯すじ方向がねじれている第２歯を有する第２歯車とを備えた歯車装置であって、
歯すじ方向における前記第１歯と前記第２歯との相対誤差が噛み合い終り側の歯すじ端で凸である
歯車装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、歯車装置の設計方法、歯車装置の製造方法、および、歯車装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車のトランスミッションに代表される動力伝達用の歯車装置には、必要な動力を長期間にわたって損傷することなく伝えることが求められる。歯車装置に生じる損傷としては、歯元の折損や歯面の焼き付きの他、ピッチングやスポーリングと呼ばれる歯面の剥離が挙げられる。これらの各損傷は、その発生メカニズムが異なるため、歯車装置を設計する際には、各損傷に対する強度を検討し、使用条件に応じた発生時期が要求寿命を上回ることが求められる。
【０００３】
歯車装置の寿命は、歯面の剥離に対する強度である歯面強度が支配的となってきている。これは、材料や熱処理の改良、および、ショットピーニング等によって歯元の折損に対する強度が向上したこと、また、潤滑油の極圧性能が向上して通常の運転では歯面の焼き付きが生じなくなったことが要因である。歯面の設計方法としては、例えば特許文献１のような設計方法が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第４６２８０８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、近年では、エンジンのダウンサイジング等によってトランスミッションに作用する機械的な負荷が高まっている。特に貨物自動車等の商用車においては、一般的な乗用車よりもトランスミッションに作用する機械的な負荷が大きいばかりか積算走行距離も長くなる。そのため、上述した歯面強度の向上は極めて重要なものである。
【０００６】
本発明は、歯面強度の向上を可能にした歯車装置の設計方法、歯車装置の製造方法、および、歯車装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決する歯車装置の設計方法は、第１回転軸に対して歯すじ方向がねじれている第１歯を有する第１歯車と、前記第１歯車に従動し、第２回転軸に対して歯すじ方向がねじれている第２歯を有する第２歯車とを備えた歯車装置の設計方法であって、歯すじ方向における前記第１歯と前記第２歯との相対公差を噛み合い終り側の歯すじ端で凸にする。
【０００８】
上記課題を解決する歯車装置の製造方法は、第１回転軸に対して歯すじ方向がねじれている第１歯を有する第１歯車と、前記第１歯車に従動し、第２回転軸に対して歯すじ方向がねじれている第２歯を有する第２歯車とを備えた歯車装置の製造方法であって、歯すじ方向における前記第１歯と前記第２歯との相対公差が噛み合い終り側の歯すじ端で凸になるように前記第１歯車と前記第２歯車とを製造する。
【０００９】
上記課題を解決する歯車装置は、第１回転軸を有して前記第１回転軸に対して歯すじ方向がねじれている第１歯を有する第１歯車と、前記第１歯車に従動し、第２回転軸に対して歯すじ方向がねじれている第２歯を有する第２歯車とを備えた歯車装置であって、歯すじ方向における前記第１歯と前記第２歯との相対誤差が噛み合い終り側の歯すじ端で凸である。
【００１０】
本発明者は、歯面強度について鋭意研究した結果、互いに噛み合う一対の歯における歯すじ方向の誤差の相対値である相対誤差が噛み合い終り側の歯すじ端で凸となることで歯面強度が向上することを見出した。上記構成によれば、第１歯と第２歯とにおける相対誤差が噛み合い終り側の歯すじ端で凸となることから、各歯車における歯面強度を向上させることができる。これにより、歯面の剥離を起きにくくすることができる。
【００１１】
上記構成では、前記第１歯および前記第２歯の双方において、噛み合い始め側の歯すじ端を基準として噛み合い終り側の歯すじ端が凸となるように歯すじ方向における公差を設定することが好ましい。
上記構成によれば、第１歯および第２歯の双方において噛み合い終り側の歯すじ端が凸となるように歯すじ方向の公差が設定されることにより、第１歯と第２歯との噛み合い終り側の歯すじ端をより確実に凸にすることができる。
【００１２】
上記構成では、前記第１歯および前記第２歯の双方において、噛み合い終り側の歯すじ端の公差の下限値を０に設定することが好ましい。
上記構成によれば、第１歯および第２歯の双方を設計歯面に近づけつつ、噛み合い終り側の歯すじ端を凸にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】歯車の各歯に規定される歯すじ方向と歯形方向とを示す斜視図。
【図２】歯車装置の一実施形態の斜視構造を示す斜視図。
【図３】（ａ）噛み合い始めを示す模式図、（ｂ）噛み合い終りを示す模式図。
【図４】（ａ）駆動歯の噛み合い歯面における接触線の動きを示す模式図、（ｂ）従動歯の噛み合い歯面における接触線の動きを示す模式図。
【図５】歯すじ方向に設定される公差の一例を示す模式図。
【図６】（ａ）局所当たりが生じる一対の歯の形状を示す模式図、（ｂ）歯すじ誤差が生じている歯にクラウニングを行った場合の形状を示す模式図。
【図７】耐久試験に用いた駆動歯車の歯面形状の一例を示す図。
【図８】耐久試験に用いた駆動歯車の歯面形状の一例を示す図。
【図９】耐久試験に用いた従動歯車の歯面形状の一例を示す図。
【図１０】噛み合い始め側の歯すじ端が凸である駆動歯車の耐久試験の結果の一例を示すグラフ。
【図１１】噛み合い終り側の歯すじ端が凸である駆動歯車の耐久試験の結果の一例を示すグラフ。
【図１２】駆動歯車および従動歯車に設定される歯すじ方向の公差の一例を示す模式図。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
図１〜図１２を参照して、歯車装置の設計方法、歯車装置の製造方法、および、歯車装置の一実施形態について説明する。
図１に示すように、歯車１０の歯１１においては、歯幅の延びる方向が歯すじ方向として規定され、歯元１２と歯先１３とを結ぶ方向が歯形方向として規定される。
【００１５】
図２に示すように、歯車装置１は、一対のはすば歯車で構成された歯車装置であり、第１歯車である駆動歯車２０と第２歯車である従動歯車３０とを有している。駆動歯車２０は、第１回転軸である駆動回転軸２０Ａを回転中心に有して、その駆動回転軸２０Ａに対して歯すじ方向が右にねじれている複数の駆動歯２１を有している。従動歯車３０は、駆動回転軸２０Ａと平行な従動回転軸３０Ａを回転中心に有して、その従動回転軸３０Ａに対して歯すじ方向が駆動歯車２０の反対方向である左にねじれている従動歯３１を有している。なお、「右にねじれている」とは、回転軸を垂直方向に沿って配置したときに、歯の下部に対して歯の上部が右側に位置していることをいう。歯車装置１は、第１歯である駆動歯２１の各々と第２歯である従動歯３１の各々とが互いに噛み合い可能に構成されている。歯車装置１は、図示されない動力源からの動力が駆動歯車２０に伝達されると、駆動歯車２０が駆動回転軸２０Ａを回転中心にして回転し、駆動歯車２０に従動する従動歯車３０が従動回転軸３０Ａを回転中心にして駆動歯車２０の反対方向に回転する。はすば歯車は、平歯車に比べて強度および静粛性に優れていることから、自動車のトランスミッションといった動力伝達装置に用いられる。
【００１６】
図３（ａ）に示すように、互いに噛み合う駆動歯２１と従動歯３１とにおいては、駆動歯２１の歯元２２と従動歯３１の歯先３３とで噛み合いが開始される。また、図３（ｂ）に示すように、駆動歯２１の歯先２３と従動歯３１の歯元３２とで噛み合いが終了する。
【００１７】
図４（ａ）および図４（ｂ）に示すように、駆動歯２１の噛み合い歯面２６および従動歯３１の噛み合い歯面３６に細線で描かれている斜線は、噛み合っているときに駆動歯２１と従動歯３１とが接触する部分を示す接触線２７，３７である。駆動回転軸２０Ａに対して右にねじれている駆動歯２１において、接触線２７は、噛み合い始め側の歯元２２から噛み合い終り側の歯先２３に向かって移動する。一方、従動回転軸３０Ａに対して左にねじれている従動歯３１において、接触線３７は、噛み合い始め側の歯先３３から噛み合い終り側の歯元３２に向かって移動する。
【００１８】
図５に示すように、上述した駆動歯２１および従動歯３１の双方を示す歯１１の加工図面には、設計した歯面形状である設計歯面１５に対して加工時に許容される誤差の範囲として、下限値と上限値とで構成される公差Ｄが規定される。こうした公差Ｄは、歯形方向および歯すじ方向の双方に対して規定される。
【００１９】
通常、歯すじ方向における公差Ｄにおいて、上限値には、噛み合い始め側の歯すじ端を基準として噛み合い終り側の歯すじ端が設計歯面に対して凸となる許容値であるプラス許容値Ｒ１が設定される。また、下限値には、噛み合い始め側の歯すじ端を基準として噛み合い終り側の歯すじ端が設計歯面１５に対して凹となる許容値であるマイナス許容値Ｒ２とが設定される。そして、これらプラス許容値Ｒ１の絶対値およびマイナス許容値Ｒ２の絶対値には同じ値が設定される。なお、設計歯面１５に対して実際に生じた誤差を歯すじ誤差という。
【００２０】
また、図６（ａ）に示すように、互いに噛み合う一対の歯１１ａ，１１ｂにおいて、一方の歯１１ａの噛み合い歯面１６ａにおいて設計歯面１５ａに対する歯すじ誤差１８ａが生じている場合、他方の歯１１ｂの噛み合い歯面１６ｂに対して歯すじ端が局所的に接触するに局部当たりが生じる。こうした局部当たりが生じる部位は接触圧力が極めて高くなるため、噛み合い歯面１６ａ，１６ｂに損傷が生じやすい。そのため、歯１１ａに、図６（ｂ）に示すように歯すじ形状に丸みを付与するクラウニングが行なわれる。クラウニングが行なわれることにより、局部当たりが緩和されて歯面の損傷が生じにくくなる。
【００２１】
本発明者は、歯すじ誤差が噛み合い始め側の歯すじ端で凸になる場合と噛み合い終り側の歯すじ端で凸になる場合とで歯面強度に差異があるかについて耐久試験を行なうことにより調査した。耐久試験においては、表１に示す諸元の駆動歯車および従動歯車をＳＣＭ４２０Ｈ（ＪＩＳ）で作製し、歯切り後、ガス浸炭焼き入れを施したうえで歯面を研削した。そして、最終工程としてショットピーニングを施した。このショットピーニングは、トランスミッションに用いられる歯車に対して行なわれる標準的なピーニング強度のものである。
【００２２】
【表１】
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【００２３】
駆動歯車および従動歯車ともに、試験前においては、噛み合いピッチ円付近における歯面近傍の硬さ（深さ０．１ｍｍの位置で測定）はＨｖ７７２〜８０８、有効硬化層深さは１．１〜１．２ｍｍ、歯幅中央部において歯形方向で測定した歯面粗さ（最大高さＲｚ  ＪＩＳ  Ｂ０６０１，２００１）は１．７〜２．０μｍであった。
【００２４】
こうした駆動歯車および従動歯車の歯面形状を図７〜図９に示す。図７は、噛み合い始め側の歯すじ端を凸にした駆動歯車の歯面形状の一例を示している。図８は、噛み合い終り側の歯すじ端を凸にした駆動歯車の歯面形状の一例を示している。図９は、クラウニングを付与した従動歯車の歯面形状の一例を示している。
【００２５】
図７および図８に示すように、駆動歯車に歯すじ誤差を与え、噛み合い始め側が凸になる駆動歯車ＴＢと噛み合い終り側が凸となる駆動歯車ＴＥとを用意した。歯すじ誤差量は、双方の駆動歯車ＴＢ，ＴＥともに有効歯幅範囲で３２μｍとした。
【００２６】
図９に示すように、従動歯車にクラウニングを付与した。クラウニング量は１０，２０μｍであり、この値は歯すじ検査範囲を両端−１０％とした場合、すなわち歯幅の８０％の範囲を検査範囲とした場合の値である。図９において「Ｃｒ１０」は、試験歯車に対して１０μｍのクラウニングを付与したことを示している。
【００２７】
また、駆動歯車ＴＢ，ＴＥおよび従動歯車には歯先修整を付与した。この歯先修整は、作用線上において歯先から４．２ｍｍの位置から歯先を直線状に修整した。以下では、駆動歯車に付与した歯先修整量をＫｄ、従動歯車に付与した歯先修整量をＫｆで示す。
【００２８】
耐久試験は、動力循環式歯車試験機を用いて行った。試験歯車の回転数は、１５００ｒｐｍ（従動歯車側）とした。潤滑には、マニュアルトランスミッション油（８０Ｗ−９０、ＧＬ５）を用い、油温９０±２℃、吹き付け油量１．２Ｌ／ｍｉｎでかみこみ側から強制給油した。そして、はじめになじみ運転を行ない、その後一定のトルクを負荷してピッチングまたはスポーリングによる歯面損傷が発生するまで耐久運転した。なじみ運転は、低負荷から耐久運転時のトルクまで決められたトルク段階で負荷を増やしていく方式であり、各トルク段階での繰り返し数は、２．０×１０＾４とした。
【００２９】
歯面損傷が生じたことを示す歯面強度限界の繰返し数である破断繰り返し数Ｎｆは、次の基準に従って決定した。すなわち、耐久運転中、一定の繰返し数ごとに試験歯車を試験機から取り外し、歯面に発生した損傷部の面積である損傷面積を測定し、損傷面積が全噛み合い歯面の２％に到達したとき、若しくは、１つの歯面において損傷面積が４％に到達したときを歯面強度限界に設定した。この歯面強度限界の基準は、本発明者がこれまで行なった歯面強度に関する多くの実験から、歯面の摩耗量および運転中の振動・騒音と損傷面積との関係から総合的に照合して決定したものである。
【００３０】
図１０および図１１に耐久試験の結果の一例を示す。図１０は、噛み合い始め側の歯すじ端が凸である駆動歯車ＴＢの耐久試験の結果の一例を示し、図１１は、噛み合い終り側の歯すじ端が凸である駆動歯車ＴＥの耐久試験の結果の一例を示す。図１０および図１１において、縦軸は駆動歯車のトルクＴ、横軸は破断繰り返し数Ｎｆである。この破断繰り返し数Ｎｆにはなじみ運転は含まれていない。
【００３１】
図１０において、「Ｋｆ」は従動歯車の各歯に付与した歯先修整量Ｋｆを示し、図１１において「Ｋｄ」は駆動歯車の各歯に付与した歯先修整量Ｋｄを示している。たとえば、図１１において「Ｃｒ１０−Ｋｄ１０」は従動歯車の各歯に１０μｍのクラウニングを付与し、駆動歯車ＴＥの各歯に１０μｍの歯先修整量を付与したことを示している。
【００３２】
ここで、駆動歯車ＴＢについて従動歯車の歯先修整量Ｋｆ、駆動歯車ＴＥについて駆動歯車の歯先修整量Ｋｄをパラメーターとしているのは、一対の歯車の噛み合いは、駆動歯車の歯元と従動歯車の歯先で始まり、駆動歯車の歯先と従動歯車の歯元で終わる。そのため、歯車の各歯に歯先修整を施した場合、噛み合い始め側の損傷には従動歯車の歯先修整量Ｋｆが影響を及ぼし、噛み合い終り側の損傷には駆動歯車の歯先修整量Ｋｄが影響を及ぼすためである。
【００３３】
図１０に示すように、噛み合い始め側が凸となるように歯すじ誤差を付与した駆動歯車ＴＢにおいては、従動歯車にクラウニングが付与されていない場合（Ｃｒ０−Ｋｆ３０）での破断繰返し数の計算値Ｎｆｃ１よりも破断繰り返し数Ｎｆが小さくなることが認められた。一方、図１１に示すように、噛み合い終り側が凸となるように歯すじ誤差を付与した駆動歯車ＴＥにおいては、従動歯車に対してクラウニングが付与されていない場合（Ｃｒ０−Ｋｄ３１）での破断繰返し数の計算値Ｎｆｃ２よりも破断繰り返し数Ｎｆが大きくなることが認められた。すなわち、駆動歯車における歯すじ誤差と従動歯車における歯すじ誤差との相対的な誤差である相対誤差が噛み合い終り側の歯すじ端で凸になることにより歯面強度が向上することが認められた。
【００３４】
以上のことから、駆動歯２１の公差と従動歯３１の公差とを、これらの公差の相対値である相対公差が噛み合い終り側の歯すじ端で凸となるように設定する。この相対公差について、駆動歯２１および従動歯３１の双方において噛み合い始め側の歯すじ端を基準として噛み合い終り側の歯すじ端に公差が付与された場合を例にとって説明する。この場合、相対公差は、駆動歯２１の公差の上限値と従動歯３１の公差の上限値との加算値が相対上限値に設定され、駆動歯２１の公差の下限値と従動歯３１の公差の下限値との加算値が相対下限値に設定される。すなわち、相対公差は、駆動歯２１の公差と従動歯３１の公差とを合成した公差であって、駆動歯２１の設計歯面と従動歯３１の設計歯面とを共通する面としたときに、噛み合い始め側の歯すじ端を基準とした噛み合い終り側の歯すじ端の公差を示している。そして、上記相対下限値には、０若しくはプラス許容値が設定される。
【００３５】
こうして設計された駆動歯車２０および従動歯車３０は、例えば、歯車材に対してホブやピニオンカッター、ラックカッターによって噛み合い始め側の歯すじ端を基準として歯切りされたのち、ガス浸炭焼き入れが施されたうえで歯面が研削される。その後、ショットピーニングが行なわれることにより製造される。そして、駆動歯車２０の駆動歯２１と従動歯車３０の従動歯３１とが互いに噛み合うように、これら駆動歯車２０と従動歯車３０とが組み付けられることにより歯車装置１が製造される。
【００３６】
歯車装置１においては、駆動歯２１の歯すじ誤差と従動歯３１の歯すじ誤差との相対誤差が噛み合い終り側の歯すじ端で凸となっている。これにより、駆動歯車２０および従動歯車３０において歯面強度を向上させることができる。
【００３７】
上記実施形態によれば、以下に列挙する効果が得られる。
（１）駆動歯２１および従動歯３１の各々の公差を、歯すじ方向における相対誤差が噛み合い終り側の歯すじ端で凸となるように設定することで、駆動歯車２０および従動歯車３０の歯面強度を向上させることができる。
【００３８】
（２）図１２に示すように、駆動歯２１および従動歯３１の双方において、噛み合い始め側の歯すじ端を基準として噛み合い終り側の歯すじ端が設計歯面に対して凸となるように公差Ｄが設定されることにより、相対誤差を噛み合い終り側の歯すじ端で凸にすることができる。こうした構成の駆動歯車２０および従動歯車３０は、噛み合い歯面２６，３６において噛み合い終り側の歯すじ端を凸にする歯すじ誤差を有している。そのため、駆動歯車２０においては、各駆動歯２１間における隙間が噛み合い始め側から噛み合う終り側へ向けて徐々に狭くなり、従動歯車３０においても、各従動歯３１間における隙間が噛み合い始め側から噛み合い終り側へ向けて徐々に狭くなる。
【００３９】
（３）図１２に示すように、駆動歯２１および従動歯３１の双方において、歯すじ方向における公差Ｄの下限値は０に設定されることが好ましい。こうした構成によれば、駆動歯２１の噛み合い歯面２６および従動歯３１の噛み合い歯面３６の各々を設計歯面に近づけつつ、噛み合い終り側の歯すじ端を凸にすることができる。なお、駆動歯２１の公差と従動歯３１の公差とで上限値であるプラス許容値Ｒ１の値が異なっていてもよい。
【００４０】
なお、上記実施形態は、以下のように適宜変更して実施することもできる。
・駆動歯車と従動歯車とを備えた歯車装置において、噛み合い始め側の歯すじ端を基準とする相対公差の下限値が噛み合い終り側の歯すじ端で凸となるように設定すればよい。
【００４１】
例えば、駆動歯車２０および従動歯車３０の双方において、噛み合い始め側の歯すじ端を基準として噛み合い終り側の歯すじ端に公差Ｄが付与される場合がある。こうした場合、一方の歯車において公差Ｄの下限値がマイナス許容値に設定され、他方の歯車において公差Ｄの下限値が該マイナス許容値の絶対値以上のプラス許容値に設定されてもよい。
【００４２】
また、例えば、駆動歯車２０および従動歯車３０のいずれか一方には噛み合い始め側の歯すじ端を基準として噛み合い終り側に公差Ｄｅが規定され、他方には噛み合い終り側の歯すじ端を基準として噛み合い始め側に公差Ｄｂが規定される場合がある。この場合、公差Ｄｅの下限値には、公差Ｄｂの上限値以上の値が設定される。
【００４３】
・歯車装置は、はすば歯車に限らず、駆動歯車および従動歯車の各々において、回転軸に対して歯すじ方向がねじれている歯車で構成されている歯車装置であればよい。たとえば、やまば歯車、まがりばかさ歯車、ハイポイドギヤ等の歯車装置であってもよい。また、回転軸に対する歯すじ方向のねじれは直線状に限らず曲線状であってもよい。
【符号の説明】
【００４４】
１…歯車装置、１０…歯車、１１，１１ａ，１１ｂ…歯、１２…歯元、１３…歯先、１５，１５ａ…設計歯面、１６ａ，１６ｂ…噛み合い歯面、１８ａ…歯すじ誤差、２０…駆動歯車、２０Ａ…駆動回転軸、２１…駆動歯、２２…歯元、２３…歯先、２６…噛み合い歯面、２７…接触線、３０…従動歯車、３０Ａ…従動回転軸、３１…従動歯、３２…歯元、３３…歯先、３６…噛み合い歯面、３７…接触線。
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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