(57)【要約】【課題】母材の表面に形成された被覆層の偏摩耗を抑制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歯車に噛み合いかつ該第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、それら各歯車の歯を形成する母材の表面が所定の硬度の材料により被覆された歯車機構において、前記第１歯車と前記第２歯車とのうち低回転数で回転する歯車における母材５の表面を被覆する第１被覆層の表面の硬度が、歯先から歯元に向けて硬度が低下するように形成され、前記第１歯車と前記第２歯車とのうち高回転数で回転する歯車における母材５の表面を被覆する第２被覆層の表面の硬度が、歯元から歯先に向けて硬度が低下するように形成されている。【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歯車に噛み合いかつ該第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、それら各歯車の歯を形成する母材の表面が所定の硬度の材料により被覆された歯車機構において、
前記第１歯車と前記第２歯車とのうち低回転数で回転する歯車における母材の表面を被覆する第１被覆層の表面の硬度が、歯先から歯元に向けて硬度が低下するように形成され、
前記第１歯車と前記第２歯車とのうち高回転数で回転する歯車における母材の表面を被覆する第２被覆層の表面の硬度が、歯元から歯先に向けて硬度が低下するように形成されている
ことを特徴とする歯車機構。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、被覆層が形成された歯が噛み合ってトルクを伝達する歯車機構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に記載された歯車機構は、複数の歯車を有する装置のうち捩じり振動やトルク変動により大きなトルクが作用する歯車を選択して、その歯車のみに浸炭処理、ショットピーニング加工、窒化処理、高周波焼き入れなどの表面硬化処理を施して他の歯車よりも歯面の硬度を向上させるように構成されている。
【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２００７−１００９４４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、互いに噛み合う歯車は、それらの歯車が噛み合う箇所での平均歯面速度が速くなるにつれて、噛み合い接触している歯面の間に介在する油膜厚さが厚くなる。また、互いに噛み合う歯車は、金属接触してトルクを伝達する割合と、それら歯車の歯面の間に介在する油膜を介してトルクを伝達する割合とに応じてトルク伝達時の摩擦係数が変化する。具体的には、油膜を介してトルクを伝達する割合が大きくなるにつれてトルク伝達時の摩擦係数が低下する。したがって、噛み合い位置が変化して平均歯面速度が変化することにより、トルク伝達時の摩擦係数が変化することになる。そのため、噛み合い位置に応じて摩耗の仕方が異なることとなり、歯面が偏摩耗する可能性がある。
【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、母材の表面に形成された被覆層の偏摩耗を抑制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】
【０００６】
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歯車に噛み合いかつ該第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、それら各歯車の歯を形成する母材の表面が所定の硬度の材料により被覆された歯車機構において、前記第１歯車と前記第２歯車とのうち低回転数で回転する歯車における母材の表面を被覆する第１被覆層の表面の硬度が、歯先から歯元に向けて硬度が低下するように形成され、前記第１歯車と前記第２歯車とのうち高回転数で回転する歯車における母材の表面を被覆する第２被覆層の表面の硬度が、歯元から歯先に向けて硬度が低下するように形成され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、回転数が異なる２つの歯車が噛み合ってトルクを伝達するように構成されている。このように回転数が異なる２つの歯車が噛み合ってトルクを伝達する歯車機構では、低回転数で回転する歯車における歯元側が噛み合ってトルクを伝達する際に、その歯面と他方の歯面との間に介在する油膜厚さが、低回転数で回転する歯車における歯先側が噛み合ってトルクを伝達する際に、その歯面と他方の歯面との間に介在する油膜厚さよりも厚くなる。また、高回転数で回転する歯車における歯先が噛み合ってトルクを伝達する際に、その歯面と他方の歯面との間に介在する油膜厚さが、高回転数で回転する歯車における歯元側が噛み合ってトルクを伝達する際に、その歯面と他方の歯面との間に介在する油膜厚さよりも厚くなる。そのため、低回転数で回転する歯車における母材の表面を被覆する第１被覆層の表面の硬度を歯先から歯元に向けて硬度が低下するように形成するとともに、高回転数で回転する歯車における母材の表面を被覆する第２被覆層の表面の硬度を歯元から歯先に向けて硬度が低下するように形成することにより、各歯車における歯先と歯元とで摩耗量が異なること、すなわち偏摩耗することを抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】この発明における被覆層の構成を説明するための断面図である。
【図２】平均歯面速度の変化を説明するための図である。
【図３】油膜厚さの分布を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
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、一般的には、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、その歯に研削する。また、歯面の強度を向上させるために、歯面に微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。そのようにショットピーニング加工を行う場合には、歯面に微粒子を吹き付けることにより歯面の表面粗さが粗くなるので、研削された母材の表面に硬度が低い材料の被覆層を形成する。なお、歯面に作用する荷重に応じて母材の表面に硬度が高い材料の被覆層を形成する場合や、歯面の噛み合い損失に応じて母材の表面に硬度が高い材料の被覆層を形成する場合もある。したがって、この発明における被覆層は、母材の表面を被覆するものであればよく、その硬度が母材の硬度よりも高いか否かを限定するものではない。
【００１０】
上記のように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周速の平均値（以下、平均歯面速度と記す。）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（周速）、ｕ２は他方の歯車における噛み合い部の歯面速度（周速）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。
【００１１】
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、より具体的には、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。
【００１２】
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つれて平均歯面速度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。
【００１３】
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と従動側歯車における歯先側とが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と従動側歯車における歯元側とが噛み合っているときには、平均歯面速度ｕが遅くなる。
【００１４】
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ｈｃ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ｈｃがピッチ円上での油膜厚さｈｃ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ｈｃが薄くなる。なお、図３は油膜厚さｈｃの変化を模式的に示したものであり、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ｈｃを示している。
【００１５】
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
【００１６】
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／ｈｃ）
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る。したがって、油膜厚さｈｃ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。
【００１７】
そのため、この発明に係る歯車機構は、母材の表面を被覆する被覆層の表面の硬度を歯先側から歯元側に向けて変化させるように構成されている。具体的には、従動側歯車の回転数が駆動側歯車の回転数よりも高回転数になるとき、すなわち増速機として機能するように構成されているときには、駆動側歯車における歯元側の硬度を歯先側の硬度よりも低くし、従動側歯車における歯先側の硬度を歯元側の硬度よりも低くするように構成されている。また、従動側歯車の回転数が駆動側歯車の回転数よりも低回転数となるとき、すなわち減速機として機能するように構成されているときには、駆動側歯車における歯先側の硬度を歯元側の硬度よりも低くし、従動側歯車における歯元側の硬度を歯先側の硬度よりも低くするように構成されている。すなわち、互いに噛み合ってトルクを伝達する歯車のうち、相対的に高回転数で回転する方の歯車は、歯元側から歯先側に向けて表面の硬度が低下するように構成され、相対的に低回転数で回転する方の歯車は、歯先側から歯元側に向けて表面の硬度が低下するように構成されている。
【００１８】
具体的には、歯たけ方向における油膜厚さｈｃの変化率と硬度の変化率とが一致するように被覆層の表面の硬度を連続的に変化させ、または図１に示すように所定の長さ毎に被覆層の表面の硬度を段階的に変化させるように構成されている。なお、図１には、増速段として機能する歯車機構における駆動側歯車の断面図を示しており、図１における左側が歯先側、右側が歯元側を示している。以下の説明では、図１における左側から順に、第１被覆層１、第２被覆層２、第３被覆層３、第４被覆層４と記す。したがって、図１に示す例では、第１被覆層１、第２被覆層２、第３被覆層３、第４被覆層４の順に表面の硬度が低下するように構成されている。
【００１９】
上述したように平均歯面速度ｕに基づいて求めることができる油膜厚さｈｃに応じて被覆層の表面の硬度を変化させることにより、噛み合い位置毎に摩耗の仕方が変化することを抑制することができる。その結果、歯面が偏摩耗してしまうことを抑制することができ、ひいてはトルク伝達時に異音が生じることを抑制することができる。
【００２０】
また、母材５の硬度は一般的に均一である。そのため、各被覆層１，２，３，４と母材５との密着性を向上させるために、図１に示す各被覆層１，２，３，４は、厚み方向に硬度が変化するように構成されている。具体的には、各被覆層１，２，３，４の表面の硬度を母材５の表面の硬度よりも低くなるように形成している場合には、各被覆層１，２，３，４は、厚み方向で母材５の表面側に向けて硬度が高くなるように形成され、母材５の表面に付着する部分の硬度と母材５の硬度との差が小さくなるように形成されている。なお、上述したように厚み方向で硬度が異なる被覆層を形成する場合には、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付着させて形成すればよい。
【００２１】
つぎに、図１に示す被覆層を形成する方法について説明する。まず、上述したように歯面（母材５の表面）を研削するとともに、平均歯面速度ｕに基づいて求められる油膜厚さｈｃの分布を算出する。ついで、算出された油膜厚さｈｃに基づいて母材５の表面に各被覆層１，２，３，４を形成する。このように被覆層１，２，３，４を形成する場合には、まず、いずれか一つの被覆層１（２，３，４）を形成する母材５の表面以外をマスキングしてその被覆層１（２，３，４）を形成し、その後に、他の一つの被覆層２（１，３，４）を形成する母材５の表面以外および既に形成された被覆層１（２，３，４）の表面をマスキングして、他の一つの被覆層２（１，３，４）を形成する。このように順に各被覆層１，２，３，４を形成する。そして、各被覆層１，２，３，４が形成された後に、歯面強度を向上させるために、ショットピーニング加工を行う。つまり、歯面に圧縮残留応力を付与する。
【００２２】
上述したように各被覆層１，２，３，４を厚み方向で硬度が変化するように構成するとともに、母材５とその母材５に付着する部分との硬度差を小さくすることにより、歯面に荷重が作用した際に母材５と被覆層１，２，３，４における母材５に付着する部分とで生じる撓み変形する量の差を小さくすることができる。そのため、各被覆層１，２，３，４が母材５から剥離することを抑制することができる。言い換えると、耐剥離性を向上させることができる。
【符号の説明】
【００２３】
１，２，３，４…被覆層、  ５…母材。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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