(57)【要約】【課題】表面の硬度が母材の硬度よりも低いコーティングと母材との密着性を向上させることができる歯車を提供する。【解決手段】歯を形成する母材１が、該母材１の硬度よりも低い硬度の材料により被覆された歯車において、前記硬度が低い材料により被覆されて形成された被覆層２，３は、前記歯に作用する荷重が予め定められた所定値よりも大きい領域の母材１の表面に、厚み方向で前記母材１の表面側に向けて硬度が高くなるように形成された傾斜層部２を備えている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
歯を形成する母材が、該母材の硬度よりも低い硬度の材料により被覆された歯車において、
前記硬度が低い材料により被覆されて形成された被覆層は、前記歯に作用する荷重が予め定められた所定値よりも大きい領域の母材の表面に、厚み方向で前記母材の表面側に向けて硬度が高くなるように形成された傾斜層部を備えていることを特徴とする歯車。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、歯を形成する母材の表面に軟質のコーティング処理を施して形成された歯車に関し、特にその歯面の強度を向上させるために圧縮残留応力を付与する加工が施された歯車に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、歯面を熱処理することに伴って不可避的に生じる不完全焼き入れ層を高硬度粒材を吹き付けて剥離させ、その不完全焼き入れ層が剥離された歯面にショットピーニング加工を行うことで圧縮残留応力を付与するように構成された歯車が記載されている。また、特許文献２に記載された歯車は、歯面の耐摩耗性や耐焼付き性を向上させるために、歯面にニッケルメッキを施している。このように歯面に母材と硬度が異なるニッケルメッキを施す場合には、歯車がトルクを伝達する際の母材とメッキ層との撓み量が異なることにより、メッキ層が剥離する可能性がある。そのため、特許文献２には、メッキ層と母材との密着性を向上させるために、ニッケルメッキを施した後に、熱処理を施している。したがって、メッキ層の硬度を向上させて母材とメッキ層との硬度差を低下させるとともに、メッキ層と母材との間に拡散層を形成することができる。なお、特許文献２には、熱処理を施した後に更に球状の粒子を歯面に吹き当てることでメッキ層と母材との密着性が更に向上する、と記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−１６６３６６号公報
【特許文献２】特開平８−３９４３２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、歯面に圧縮残留応力を付与するためにショットピーニング加工を行うと、歯面の表面粗さが粗くなってトルクの伝達効率が低下する。そのため、迅速に歯面の表面粗さが良好となるように、硬度が低いコーティングにより母材の表面を被覆することが考えられる。しかしながら、コーティングの表面の硬度を低くすると、母材の硬度とコーティングの硬度とが異なってしまい、母材とコーティングとの密着性が低くなる。そのため、大きなトルクを伝達するときにコーティングが母材の表面から剥離する可能性がある。
【０００５】
この発明は上述した事情を背景としてなされたものであって、表面の硬度が母材の硬度よりも低いコーティングと母材との密着性を向上させることができる歯車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】
【０００６】
上記の目的を達成するために、請求項１の発明は、歯を形成する母材が、該母材の硬度よりも低い硬度の材料により被覆された歯車において、前記硬度が低い材料により被覆されて形成された被覆層は、前記歯に作用する荷重が予め定められた所定値よりも大きい領域の母材の表面に、厚み方向で前記母材の表面側に向けて硬度が高くなるように形成された傾斜層部を備えていることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【０００７】
この発明によれば、歯に作用する荷重が予め定められた所定値よりも大きい領域の母材の表面に、厚み方向で母材の表面側に向けて硬度が高くなるように形成された傾斜層部を備えている。したがって、被覆層と母材の表面との硬度の差を小さくすることができるので、その被覆層と母材との密着性を向上させることができる。また、その被覆層の表面の硬度を低く維持することができるので、ショットピーニング加工などを行って被覆層の表面粗さが粗くなった場合であっても、迅速にその表面粗さを良好にすることができ、その結果、トルクの伝達効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】この発明に係る歯車の歯面をコーティングした例を示す断面図である。
【図２】はすば歯車の歯面に作用する荷重の分布を示すための作用平面図である。
【図３】傾斜層を形成する領域を示す作用平面図である。
【図４】傾斜層の硬度の変化を示す図である。
【図５】母材に傾斜層を形成した例を示す断面図である。
【図６】ショットピーニング加工を行ったときの歯面の状態を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
この発明は、平歯車やはすば歯車などの種々の歯車に適用できる。それらの歯車は、一般的に、歯面の強度を向上させるために、研削などにより歯形を形成した後に、その歯面の表面に粒子を吹き付けるショットピーニング加工などにより圧縮残留応力を付与する。このように粒子を吹き付けて圧縮残留応力を付与する場合には、歯面の表面粗さが粗くなる。一方、歯車の噛み合い損失は、歯面の摩擦係数と、歯面に作用する荷重と、トルク伝達時の歯面の滑り速度との積に基づいて変化する。その歯面の摩擦係数は、歯面に形成される油膜を介してトルクを伝達する割合と、金属接触によりトルクを伝達する割合とに基づくものである。具体的には、油膜を介してトルクを伝達する割合に、その油膜を介してトルクを伝達する際の摩擦係数を積算した値と、金属接触によりトルクを伝達する割合に、金属接触によりトルクを伝達する際の摩擦係数を積算した値とを合算した値となる。したがって、金属接触によりトルクを伝達する際の摩擦係数は、油膜を介してトルクを伝達する際の摩擦係数よりも大きいので、歯面の表面粗さが粗いと金属接触によりトルクを伝達する割合が大きくなって、歯車がトルクを伝達する際の摩擦係数が大きくなる。
【００１０】
そのため、この発明に係る歯車は、切削などにより形成された歯形の表面に、その歯形を形成する母材の硬度よりも硬度が低い材料によりコーティング処理を行い、その後に、ショットピーニング加工などを行うように構成されている。このように母材にコーティング処理を行うことにより、ショットピーニング加工により歯面の表面粗さが粗くなったとしても、なじみ運転などにより相手側の歯面に合わせて迅速に表面粗さを是正すること、または表面粗さを小さくすることができる。すなわち、歯面の摩擦係数を低下させることができ、その結果、トルクの伝達効率を迅速に向上させることができる。
【００１１】
また、この発明に係る歯車は、硬度の異なる母材とコーティングとの密着性を向上させるため、言い換えると、コーティングの耐剥離性を向上させるために、コーティングの硬度を厚み方向で変化させるように構成されている。具体的には、コーティングの表面側の硬度よりも母材側の硬度が高くなるようにコーティングの硬度を厚み方向で連続的に変化させるように構成されている。以下の説明では、厚み方向で硬度が異なるように形成されたコーティングの層を傾斜層と記す。なお、傾斜層は、従来知られている物理的蒸着法（ＰＶＤ法）により硬度の異なる元素を母材の表面に付着させて行うことができる。
【００１２】
さらに、所定の捩れ角を有するはすば歯車などは、歯面に作用する荷重が異なる。図２には、はすば歯車がトルクを伝達する際に歯面に作用する荷重の分布を、作用平面上に示してある。なお、捩れ角とは、互いに噛み合う歯車が噛み合うときに滑りが生じないピッチ面と歯車の歯面との交線である歯筋が、軸線方向に対して傾斜している角度であり、作用平面とは、互いに噛み合う歯車の基礎円筒の外周面に接触する平面である。なおまた、互いに噛み合う歯車の基礎円筒の外周面との接線が作用線であって、図２に示す例では縦軸で示し、その基礎円筒の軸長、言い換えると、歯車の幅が歯幅であって、図２に示す例では横軸で示してある。
【００１３】
はすば歯車は、一方の歯先側または歯元側から、他方の歯元側または歯先側に向けて噛み合いが進行する。すなわち、作用平面の対角線方向に噛み合いが進行する。一方、歯が噛み合ってトルクを伝達する時には、その歯面が楕円状に潰れて接触する。その楕円の長軸方向が接触線と称されており、接触線は、噛み合い進行方向に交差する。したがって、図２に示す例では、左側の歯元から右側の歯先に向かって噛み合いが進行し、接触線が左側の歯先から右側の歯元に向けた方向となる。
【００１４】
また、はすば歯車は、捩れ角を有しているので、複数の歯が同時に他の歯車に噛み合ってトルクを伝達する。そのようにトルクを伝達する場合には、ピッチ円上で接触する箇所で最も大きい荷重を受けることとなり、各接触線上では、その接触線の長さ方向での中央部が最も大きい荷重を受ける。そのため、歯面に作用する荷重を作用平面上で示すと図２のようになる。具体的には、歯幅方向および作用線方向における中央部の荷重が最も大きくなり、噛み合いが進行する方向において中央部から歯先側および歯元側に離れるに連れて荷重が低下する。また、接触線の長さ方向において噛み合いが進行する方向を挟んで両端側に向かうに連れて荷重が小さくなる。なお、上述したように歯面に作用する荷重の分布は、研削などにより形成された歯形を測定し、その測定された形状を基に接触シミュレーションなどにより荷重を算出することができる。
【００１５】
したがって、この発明に係る歯車は、上述したように歯面に作用する荷重Ｇを算出して、その荷重Ｇとコーティングの耐荷重Ｈとの比（Ｈ／Ｇ）が、安全率などを考慮して予め定められた所定値以上となる領域Ａの母材１の表面に、傾斜層２を形成するように構成されている。図３は、その傾斜層２を形成する領域を示す作用平面図であり、図３でハッチングを付している領域Ａに傾斜層２を形成する。また、図１は、図３におけるI-I線に沿う断面図であり、図１における上方側から下方側に向けて硬度が高くなるように傾斜層２が形成され、その傾斜層２の外側の部分、言い換えると、傾斜層２が形成された部分よりも歯元側および歯先側の部分は、傾斜層２の表面の硬度とほぼ同一の硬度に形成されている。なお、傾斜層２は、図４に示すように母材１の表面との距離に応じて連続的に変化するように形成されていることが好ましいが、複数の硬度の層を積層して形成したものであってもよい。
【００１６】
つぎに、この発明に係る歯車の製造方法について説明する。図５および図６は、製造方法の一例を説明するための断面図である。まず、研削により歯形が形成され、その歯形の形状を測定する。ついで、上述したように測定された歯形に基づいて歯面に作用する荷重を接触シミュレーションにより算出して、その算出された荷重とコーティングの耐荷重との比に基づいて傾斜層２を形成する領域Ａを定める。
【００１７】
そのように傾斜層２を形成する領域Ａが定められた後に、図５に示すように傾斜層２を母材１の表面に形成する。なお、傾斜層２を形成する場合には、母材１の他の表面は、マスキングしておく。ついで、傾斜層２を形成した後に、傾斜層２の表面をマスキングした状態で母材１の他の表面を、アルミニウムや銅またはマグネシウムなどの軟質の材料により被覆する。この場合、図１に示すように傾斜層２と同一の厚みになるように母材１の表面を被覆する。なお、以下の説明では、軟質の材料の被覆層を軟質のコーティング３と称する。そして、母材１の表面を傾斜層２と軟質のコーティング３とにより被覆した後に、図６に示すようにショットピーニング加工により圧縮残留応力を付与する。
【００１８】
上述したように比較的大きな荷重が作用する領域Ａを傾斜層２により被覆することで、傾斜層２と母材１との密着性を向上させることができるとともに、その傾斜層２の表面の硬度を比較的低く維持することができる。その結果、ショットピーニング加工などにより歯面の表面粗さが粗くなったとしても、なじみ運転などにより相手側の歯面に合わせて迅速に表面粗さが是正され、または表面粗さが小さくなるので、トルクの伝達効率を向上させることができる。また、歯面に作用する荷重が大きい領域Ａにのみ傾斜層２を形成しているので、加工コストを低減することができる。さらに、密着性を向上させるために母材１の表面粗さを粗くする必要がないので、その表面粗さに起因して傾斜層２の表面粗さが粗くなることを抑制することができるとともに、加工工数あるいは加工コストが増大することを抑制することができる。
【符号の説明】
【００１９】
１…母材、  ２…傾斜層、  ３…（軟質の）コーティング、  Ａ…（高荷重が作用する）領域。
【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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