(57)【要約】【課題】表面の硬度が母材の硬度よりも高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４が、該母材４の硬度よりも高い硬度の材料により被覆された歯車において、前記硬度が高い材料により被覆されて形成された被覆層は、厚み方向で前記母材４の表面側に向けて硬度が低くなるように形成された傾斜層部３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高い硬度の材料により被覆された歯車において、
前記硬度が高い材料により被覆されて形成された被覆層は、厚み方向で前記母材の表面側に向けて硬度が低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。
【請求項２】
前記傾斜層部は、トルク伝達時に生じる噛み合い損失が予め定められた所定値以上の領域の前記母材の表面に形成され、
前記トルク伝達時に生じる噛み合い損失が予め定められて所定値未満の領域の前記母材の表面が、前記傾斜層部の表面の硬度よりも低い硬度の材料により被覆されていることを特徴とする請求項１に記載の歯車。
【請求項３】
前記傾斜層部は、前記歯が噛み合い始める噛み合い開始位置および前記歯が噛み合い終わる噛み合い終了位置の少なくともいずれか一方の位置に形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の歯車。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、歯面にコーティング処理を施し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。一方、互いに噛み合う歯の位置に応じて歯面に作用する荷重や噛み合い損失が変化する。または、歯面に作用する荷重や剛性の相違あるいは不可避的に生じる歯面の形状の相違によりトルクを伝達する際に歯が撓み変形する場合がある。そのため、比較的硬度が低いコーティングと比較的硬度が高いコーティングとにより母材の表面を被覆するとすれば、その母材の表面の硬度よりも硬度が高い材料で被覆する箇所では、コーティングと母材との硬度が異なってしまい、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高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高い硬度の材料により被覆された歯車において、前記硬度が高い材料により被覆されて形成された被覆層は、厚み方向で前記母材の表面側に向けて硬度が低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。
【０００７】
請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記傾斜層部は、トルク伝達時に生じる噛み合い損失が予め定められた所定値以上の領域の前記母材の表面に形成されていることを特徴とするものである。
【０００８】
請求項３の発明は、請求項１または２の発明において、前記傾斜層部は、前記歯が噛み合い始める噛み合い開始位置および前記歯が噛み合い終わる噛み合い終了位置の少なくともいずれか一方の位置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】
【０００９】
この発明によれば、母材の表面がその母材の硬度よりも高い硬度の材料により被覆されており、その母材の表面を被覆する被覆層は、厚み方向で母材の表面側に向けて硬度が低くなるように形成されている。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。
【００１０】
また、トルク伝達時に生じる噛み合い損失が予め定められた所定値以上の領域の母材の表面を、硬度の高い材料により被覆し、噛み合い損失が前記所定値未満の領域の母材の表面を、傾斜層部の表面の硬度よりも低い硬度の材料により被覆されているので、被覆された歯面が偏摩耗することを抑制することができる。その結果、歯面形状が崩れることにより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。
【００１１】
さらに、歯が噛み合い始める噛み合い開始位置および歯が噛み合い終わる噛み合い終了位置の少なくともいずれか一方の位置に傾斜層部を形成することにより、トルク伝達時に歯が撓み変形するなどに起因して被覆層が剥離することを抑制することができる。その結果、歯面形状が崩れることにより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。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【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作用平面図である。
【図３】接触線方向において歯面に作用する荷重の分布を示す図である。
【図４】トルク伝達時に生じる滑り速度の分布を示す作用平面図である。
【図５】接触線方向において歯面で生じる滑り速度の分布を示す図である。
【図６】接触線方向において歯面で生じる噛み合い損失の分布を示す図である。
【図７】第１傾斜層および第２傾斜層ならびに軟質のコーティングを形成する領域を示す作用平面図である。
【図８】母材に第１傾斜層を形成した例を示す断面図である。
【図９】母材に第１傾斜層および第２傾斜層を形成した例を示す断面図である。
【図１０】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。
【図１１】第１傾斜層、第２傾斜層、第３傾斜層および軟質のコーティングを形成する領域を示す作用平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
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。
【００１４】
そのため、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低い硬度の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場合がある。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。
【００１５】
一方、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、作用線上の位置を図２に縦軸で示し、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、歯幅方向での位置を横軸で示してある。
【００１６】
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。
【００１７】
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Ｐ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、図３に示すように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、図３における縦軸は荷重の大きさを示し、横軸は接触線の長さ方向の位置を示し、その横軸における中央部が噛み合い進行方向と交差する位置である。上述した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。
【００１８】
さらに、一般的な歯車は、ピッチ円Ｐ上で互いの歯が転がり接触するように、歯面の形状がインボリュート曲線により形成されている。そのため、接触線が所定の長さを有すると、ピッチ円Ｐからずれた位置では滑りが生じる。この滑りは、図４および図５に示すようにピッチ円Ｐからの距離に比例して増大する。なお、図５における縦軸は滑り速度（絶対値）を示し、横軸は接触線の長さ方向の位置を示し、その横軸における中央部がピッチ円Ｐの位置である。
【００１９】
従来知られているように噛み合い損失は、歯面の摩擦係数と、歯面に作用する荷重と、滑り速度との積に基づいて変化する。したがって、接触線の中央部がピッチ円Ｐ上となる位置で歯が噛み合っている場合には、図６に示すように接触線上での各位置で噛み合い損失が生じる。なお、図６における縦軸は噛み合い損失の大きさを示し、横軸は接触線の長さ方向の位置を示し、その横軸における中央部がピッチ円Ｐの位置である。
【００２０】
図６に示すように噛み合い損失は、接触線上における各部分で一律でない。そのため、この発明における歯車は、噛み合い損失の大きさに応じて歯面の硬度を設定することにより、偏摩耗などにより歯面の形状が崩れることを抑制するように、ひいては歯面の形状が崩れることによる異音の発生を抑制するように構成されている。具体的には、上記図６に示すように定められる噛み合い損失が予め定められた所定値以上の領域におけるコーティングの表面の硬度を、所定値未満の領域におけるコーティングの表面の硬度よりも高くなるように構成されている。すなわち、噛み合い損失が上述した所定値以上の領域における母材の表面を、その母材の硬度よりも高い硬度の材料により被覆し、他の部分、言い換えると、噛み合い損失が上述した所定値未満の領域における母材の表面を、その母材の硬度よりも低い硬度の材料により被覆するように構成されている。
【００２１】
一方、上述したように母材の硬度より高い硬度の材料または低い硬度の材料により母材の表面を被覆する場合には、コーティングの表面に作用する荷重に応じて撓み変形する量が、母材の表面とコーティングとで相違する。そのため、この発明に係る歯車は、コーティングの硬度を厚み方向で変化させて母材に付着する部分の硬度と、母材の表面の硬度との差を小さくするように構成されている。具体的には、母材の硬度よりも高い硬度の材料を母材に付着させる部分では、コーティングの厚み方向において表面側から母材側に向けて硬度が低下するように構成され、母材の硬度よりも低い硬度の材料に母材に付着させる部分では、コーティングの厚み方向において表面側から母材側に向けて硬度が増大するように構成されている。以下の説明では、母材の硬度よりも低い硬度であり、かつ厚み方向で硬度が変化するように構成されたコーティングを第１傾斜層と記し、母材の硬度よりも高い硬度であり、かつ厚み方向で硬度が変化するように構成されたコーティングを第２傾斜層と記す。なお、各傾斜層は、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形成することができる。
【００２２】
図７は、各傾斜層を形成する領域を説明するための作用平面図である。図７に示す例では、まず、上述したように接触シミュレーションなどにより算出された歯面に作用する荷重分布に基づいて歯面に作用する荷重が予め定められた荷重以上の領域Ａ、より具体的には、接触シミュレーションにより算出された荷重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に、第１傾斜層１を形成している。また、その荷重分布と歯面で生じる滑り速度とに基づいて算出される噛み合い損失が、予め定められた損失以上の領域Ｂに、第２傾斜層２を形成している。なお、他の部分Ｃには、大きな荷重が作用するや噛み合い損失が大きくなることがないので、母材の表面の硬度よりも低い硬度の材料によりコーティングを行っており、そのコーティングの硬度は、厚み方向で一定に形成されている。以下の説明では、厚み方向で一定に形成されたコーティングの層を、軟質のコーティング３と記す。
【００２３】
図７におけるI-I線に沿う断面図を図１に示している。上述したように歯面に作用する荷重は、作用線方向および歯幅方向における中央部が最大となり、その中央部から離れるに連れて荷重が低下する。したがって、図１および図７に示すように第１傾斜層１は、作用線方向および歯幅方向における中央部を中心としたほぼ円形の領域Ａにおける母材４の表面に形成される。一方、上述したように滑り速度は、ピッチ円Ｐ上では「０」となり、ピッチ円Ｐからの距離が離れるに連れて増大するので、図７に示すように作用線方向においてピッチ円Ｐから所定の幅では噛み合い損失が比較的小さい。そのため、その領域Ｃにおける母材４の表面に、軟質のコーティング３が付されている。他方、ピッチ円Ｐからの所定の距離が離れてかつ作用する荷重が比較的高い領域Ｂでは、噛み合い損失が大きくなるので、その領域Ｂにおける母材４の表面には、第２傾斜層２が形成されている。
【００２４】
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８ないし図１０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第１傾斜層１を形成する領域Ａを定める。
【００２５】
そのように第１傾斜層１を形成する領域Ａが定められた後に、図８に示すように第１傾斜層１を母材４の表面に形成する。なお、第１傾斜層１を形成する場合には、母材４の他の表面は、マスキングしておく。ついで、第１傾斜層１を形成した後に、噛み合い損失が予め定められた所定値以上となる領域Ｂに、図９に示すように第２傾斜層２を母材４の表面に形成する。なお、第２傾斜層２を形成する場合には、第１傾斜層１の表面および噛み合い損失が予め定められた所定値未満の領域Ｃの母材４の表面に、マスキングをしておく。そして、第１傾斜層１および第２傾斜層２の表面をマスキングした状態で母材４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。つまり、軟質のコーティング３を形成する。この場合、図１に示すように各傾斜層１，２と同一の厚みになるように母材４の表面を被覆する。そして、母材４の表面を各傾斜層１，２と軟質のコーティング３とにより被覆した後に、図１０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。
【００２６】
上述したように歯面に作用する噛み合い損失に応じてコーティングの表面の硬度を設定することにより、トルクを伝達することによるコーティングの表面の形状、言い換えると、歯面形状が崩れることを抑制することができる。すなわち、偏摩耗することを抑制することができる。その結果、歯面が偏摩耗することにより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。また、コーティングの表面の硬度が、母材４の表面の硬度と異なるように形成した場合であっても、コーティングの硬度を厚み方向で変化させて母材４に付着する部分での硬度差を小さくすること、すなわち傾斜層とすることにより、各傾斜層１，２と母材４との密着性を向上させることができる。言い換えると、耐剥離性を向上させることができる。さらに、第１傾斜層１の表面の硬度は小さいので、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。そのため、歯面全体として金属接触する割合を迅速に低減することができるので、トルクの伝達効率を向上させることができる。
【００２７】
一方、トルク伝達時に歯が撓み変形する場合がある。この撓み変形は、研削により形成される歯形の加工誤差や、歯の耐久性を向上させるために歯元の厚みを増大させるなど歯を形成する上で不可避的に生じる形状の変化、あるいは歯面に作用する荷重の大きさと剛性との関係から生じるものであり、特に、歯元および歯先側で撓み変形し易い。そのように歯元や歯先が撓み変形するとインボリュート曲線に形成された位置で歯車同士が噛み合わないことにより、歯先または歯元が相手側の歯に干渉する可能性がある。そのため、この発明に係る歯車は、噛み合いが進行する方向における歯先と歯元との母材４の表面に、その母材４の硬度よりも高い硬度の材料のコーティングを付すように構成されている。具体的には、上述した第２傾斜層２と同様に表面の硬度が母材の硬度よりも高く、かつ厚み方向で表面側から母材４側に向けて硬度が低下して母材４とその母材４に付着するコーティングの部分との硬度差を小さくするように、噛み合い進行方向における歯先と歯元とに第３傾斜層５が形成されている。
【００２８】
この第３傾斜層５を形成する領域Ｄを図１１に示してある。図１１に示す例は、左側の歯元側から右側の歯先側に向けて噛み合いが進行するように構成された歯車であって、歯が撓み変形したときに相手側の歯と干渉する可能性が高い領域Ｄに、第３傾斜層５が形成されている。なお、図１１に示す例では、第１傾斜層１および第２傾斜層２ならびに軟質のコーティング３が第３傾斜層５に加えて形成されており、それら各傾斜層１，２および軟質のコーティング３は上述した例と同様に形成されている。
【００２９】
また、第３傾斜層５は、第２傾斜層２と同様に形成することができる。したがって、上述した例と同様に第１傾斜層１と第２傾斜層２を形成した後に、それら各傾斜層１，２の表面をマスキングして第３傾斜層５を形成し、その後に、軟質のコーティング３を形成することにより、図１１に示すように各傾斜層１，２，５と軟質のコーティング３とを形成することができる。そして、圧縮残留応力を付与するために、各傾斜層１，２，５および軟質のコーティング３を形成した後に、ショットピーニング加工を行う。なお、図１１に示すように噛み合い進行方向における歯先および歯元の両方に第３傾斜層５を形成することが好ましいが、歯先と歯元とのいずれか一方に第３傾斜層５が形成されていてもよい。
【００３０】
上述したように歯車を形成することにより、図１などに示すように形成された歯車と同様の効果に加えて、トルク伝達時に歯が撓み変形することにより噛み合い進行方向における歯先および歯元が干渉して歯先や歯元が摩耗して、歯面形状が崩れることを抑制すること、すなわち、偏摩耗することを抑制することができる。その結果、歯面が偏摩耗することにより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。また、厚み方向で硬度が変化しかつ母材４に付着する部分の硬度と母材４の硬度との差を小さくすることにより、母材４と第３傾斜層５との密着性を向上させることができる。
【００３１】
なお、図１１では、第１傾斜層１および第２傾斜層２を形成した例を示しているが、それら各傾斜層１，２を形成せずに、軟質のコーティング３と第３傾斜層５とのみを形成したものであってもよい。
【符号の説明】
【００３２】
１，２，５…傾斜層、  ３…（軟質の）コーティング、  ４…母材、  Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ…領域、  Ｐ…ピッチ円。
【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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