(57)【要約】【課題】歯面の潤滑性を高め、歯面の剥離損傷や焼付損傷を防止する歯車及び噛合アッセンブリを提供する。【解決手段】動力を伝達する負荷運転に伴ってミクロオイルプール５を生成する歯面１を備える。これにより、動力を伝達する負荷運転に伴って歯面１にミクロオイルプール５を生成するので、歯面１の潤滑性を高め、歯面１の剥離損傷や焼付損傷を防止することができる。【選択図】図１１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
動力を伝達する負荷運転に伴ってミクロオイルプールを生成する歯面を備えたことを特徴とする歯車。
【請求項２】
負荷運転前の歯面に対して微小な鱗片状のささくれをランダムな方向で備えた請求項１に記載の歯車。
【請求項３】
負荷運転前の歯面に施される処理条件として、負荷運転前の歯面の粗さを１〜５μｍにすること、負荷運転前の歯面の表層に粒径０.０２〜０.７μｍの微細結晶組織を備えること、負荷運転前の歯面の表層に−１３００〜−２２００ＭＰａの残留圧縮応力を付与することの少なくとも１つを備えた請求項１に記載の歯車。
【請求項４】
一対の歯車の歯面が噛み合うように構成した噛合アッセンブリであって、噛み合う歯面の少なくとも一方に請求項１〜３に記載の歯車を備えてなることを特徴とする噛合アッセンブリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、歯面の強度を向上する歯車及び噛合アッセンブリに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に、歯車は、駆動歯車と従動歯車の歯面が滑り転がり接触して動力を伝達しており、動力を伝達する負荷運転の際には、歯面同士の直接接触を防ぐように油により歯面の間に潤滑油膜を生成し、接触面の摩擦や摩耗を減らして損傷を防いでいる。
【０００３】
又、潤滑油膜の生成を促すために、歯面にはマイクロディンプル（微小な窪み）を形成することが提案されており、マイクロディンプルは、微細なオイル溜まり（ミクロオイルプール）として作用し、潤滑性の向上に寄与している。
【０００４】
ここで、歯面にマイクロディンプルを形成する際には、歯面に高硬度な粒子を高速度で衝突させるショットピーニング処理により、歯面に微小な塑性変形を起こしてマイクロディンプルを形成している。
【０００５】
なお、ショットピーニング処理により歯面にマイクロディンプルを作成する先行技術文献情報としては下記の特許文献１等がある。
【特許文献１】特開２００５−２０１２９５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、一般に動力を伝達する歯車は、歯面が潤滑油膜で完全に分離される流体潤滑状態ではなく、微視的には金属の直接接触が起きる混合潤滑状態や境界潤滑状態であり、運転に伴い歯面が摩耗するため、マイクロディンプルを形成した場合であっても、運転初期のなじみ過程や定常運転の過程において、歯面の摩耗と共にマイクロディンプルが消滅し、ミクロオイルプールとしての作用や効果が失われるという問題点があった。
【０００７】
又、歯車は、潤滑性の消失に伴い、歯面の剥離損傷（ピッチング、スボーリング）や歯面の焼付損傷（スコーリング、スカッフィング）を生じる虞があった。
【０００８】
本発明は上述の実情に鑑みてなしたもので、歯面の潤滑性を高め、歯面の剥離損傷や焼付損傷を防止する歯車及び噛合アッセンブリを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、動力を伝達する負荷運転に伴ってミクロオイルプールを生成する歯面を備えたことを特徴とする歯車に係るものである。
【００１０】
本発明は、負荷運転前の歯面に対して微小な鱗片状のささくれをランダムな方向で備えることが好ましい。
【００１１】
本発明は、負荷運転前の歯面の処理条件として、負荷運転前の歯面の粗さを１〜５μｍにすること、負荷運転前の歯面の表層に粒径０.０２〜０.７μｍの微細結晶組織を備えること、負荷運転前の歯面の表層に−１３００〜−２２００ＭＰａの残留圧縮応力を付与することの少なくとも１つを備えることが必要であり、これら全てを備えることが好ましい。
【００１２】
本発明の一対の歯車の歯面が噛み合うように構成した噛合アッセンブリであって、噛み合う歯面の少なくとも一方に上記発明の歯車を備えてなることを特徴とする噛合アッセンブリ、に係るものである。
【００１３】
このように本発明の歯車及び噛合アッセンブリによれば、動力を伝達する負荷運転に伴って歯面にミクロオイルプールを生成するので、歯面の潤滑性を高め、歯面の剥離損傷や焼付損傷を防止することができる。
【００１４】
負荷運転前に歯車の歯面に施される処理条件において、負荷運転前の歯面に対して微小な鱗片状のささくれをランダムな方向で備えると、動力を伝達する負荷運転に伴って歯面にミクロオイルプールを生成するので、歯面の潤滑性を高め、歯面の剥離損傷や焼付損傷を好適に防止することができる。
【００１５】
負荷運転前に歯車の歯面に施される処理条件において、負荷運転前の歯面の粗さを１〜５μｍにすること、負荷運転前の歯面の表層に粒径０.０２〜０.７μｍの微細結晶組織を備えること、負荷運転前の歯面の表層に−１３００〜−２２００ＭＰａの残留圧縮応力を付与することの少なくとも一つを備えると、動力を伝達する負荷運転に伴い、微小な亀裂の進展により小さな剥離を起してミクロオイルプールを生成するので、歯面の潤滑性を高め、歯面の剥離損傷や焼付損傷を好適に防止することができる。又、負荷運転前に歯車の歯面に施される処理条件の全てを備える場合には、動力を伝達する負荷運転に伴い、微小な亀裂の進展により好適に小さな剥離を起こしてミクロオイルプールを確実に生成するので、更にミクロオイルプールを長時間維持することができる。
【００１６】
負荷運転前の歯面の粗さを１〜５μｍにすると、運転開始後のなじみ過程において歯面が適度に摩耗してプラトー領域の形成を促すので、ミクロオイルプールを容易に形成することができる。
【００１７】
負荷運転前の歯面に対して微小な鱗片状のささくれをランダムな方向で備えると、歯面に加工目がないので、発生した微小な亀裂は小さなピットを生成するに止まり、大きなピットへの進展を防止し、ミクロオイルプールを形成することができる。
【００１８】
負荷運転前の歯面の表層に粒径０.０２〜０.７μｍの微細結晶組織を備えると、歯面に対して浅い角度で進展して小さな剥離を生じるので、ミクロオイルプールを形成することができる。
【００１９】
負荷運転前の歯面の表層に−１３００〜−２２００ＭＰａの残留圧縮応力を付与すると、圧縮の残留応力は亀裂の進展を抑制するので、発生した微小な亀裂が大きなピットに進展することを防止し、ミクロオイルプールを形成することができる。
【発明の効果】
【００２０】
以上、述べたように、本発明によれば、動力を伝達する負荷運転に伴って歯面にミクロオイルプールを生成するので、歯面の潤滑性を高め、歯面の剥離損傷や焼付損傷を防止することができるという優れた効果を奏し得る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。
【００２２】
図１〜図１１は本発明を実施する形態の歯車及び噛合アッセンブリを示すものである。
【００２３】
歯車は、合金鋼を用いて歯面に浸炭焼入れを施したものであって、図２に示す如く、歯面１に対して１〜５μｍ、詳しくは２〜３μｍの粗さを備えると共に、図３、図４に示す如く、歯面１に対して微小な鱗片状のささくれ２をランダムな方向で備えており、鱗片状のささくれ２は、表面方向において約数μｍ〜約１００μｍピッチのうねりが重層したテクスチャ（肌理や表面模様）、詳しくは数μｍの細かなうねりと４０〜１００μｍの大きなうねりとが重層したテクスチャにより形成されている。又、歯面１の表層から深さ約１０μｍの領域には、図５、図６に示す如く、粒径０.０２〜０.７μｍの微細結晶組織、詳しくは粒径０.０５〜０.５μｍの微細結晶組織を備えると共に、歯面１の表層には、図７に示す如く、−１３００〜−２２００ＭＰａの残留圧縮応力、詳しくは−１６００〜−２０００ＭＰａの残留圧縮応力を付与している。ここで、歯車の構成は、歯面１を介して他方の部材へ動力を伝達するものならば特に限定されるものでなく、はすば歯車、平歯車、内歯車、ラック、すぐばかさ歯車、曲がり歯かさ歯車、ねじ歯車、ウォームギヤ、ハイポイドギヤ等のどのようなものでも良い。
【００２４】
噛合アッセンブリ（噛合集合体）は、種々の歯車を適宜組み合わせて少なくとも一対の歯車を構成すると共に、噛み合う歯面１の少なくとも一方に、上記の歯面１の粗さ、微小な鱗片状のささくれ２、微細結晶組織、残留圧縮応力を備えた歯車を備えるものである。ここで、噛合アッセンブリの構成は、一方の歯車から歯面１を介して他方の歯車へ動力を伝達するならば特に限定されるものでなく、どのような構成でも良い。
【００２５】
歯車の一例を具体的に示すと、歯車は、モジュール３.５、ねじれ角２３°のはすば歯車であり、鋼材（ＳＣＭ４２０Ｈ）を歯切り後、ガス浸炭焼入れを施し、歯面１を研削して歯車を準備し、歯面強度向上方法で処理したものである。
【００２６】
歯面強度向上方法は、歯車の歯面１に微細で高硬度な粒子を高速度で衝突させる微粒子ピーニング処理を、異なる二条件で連続して行う２段ピーニングで行ったものであり、１段目のピーニング処理は、歯車に対し、直圧エア式により、所定の条件下で、材質ＳＫＨ、中心粒径７０〜１５０μｍ、硬度７００〜１０００Ｈｖのショット粒を投射して処理し、２段目のピーニング処理は、歯車に対し、直圧エア式により、所定の条件下で、材質ＳＫＨ、中心粒径２０〜７０μｍ、硬度７００〜１０００Ｈｖのショット粒を投射して処理する。ここで微粒子ピーニング処理は１段目のピーニングのみでも本発明の効果を確認できた。
【００２７】
この歯面強度向上方法により、微細な粒子の高速度の衝突に伴い歯車１が削食されると共に歯面１が高温になって極表面層が溶け、その直後に急激な空冷によって、歯車切り（ホブ盤、ギヤシェーパ等による）もしくは歯面仕上げ（シェービング、研削等による）における加工目が図１に示すように消え、負荷運転前の歯面１の粗さを２〜３μｍにし、負荷運転前の歯面１に対して微小な鱗片状のささくれ２（先端部が細かく裂けた平面状の開裂部）をランダムな方向に配するテクスチャが得られる。又、高温度の雰囲気下でピーニング処理による強塑性加工が施されることにより、表層部の組織が微細化され、負荷運転前の歯面１の表層に粒径０.０５〜０.５μｍの微細結晶組織を備え、同時に、負荷運転前の歯面１の表層に−１６００〜−２０００ＭＰａの残留圧縮応力を付与するものとなる。ここで、微小な鱗片状のささくれ２のうち、数μｍの細かなうねりは、ショット粒が歯面１を擦った痕と考えられ、４０〜１００μｍの大きなうねりは、ショット粒が衝突した塑性変形痕と考えられる。
【００２８】
又、歯面強度向上方法による処理前と処理後の歯面１を走査型電子顕微鏡により観察して比較すると、処理前の歯面１には、図１２に示す如く研削目やシェービング目等の加工目を完全に残すものであるのに対し、処理後の歯面１には、図１に示す如く、歯面１に２〜３μｍの粗さを形成すると共にランダムな方向に向かう微小な鱗片状（平面状）のささくれ２を形成している。又、歯面１の表層断面を透過型電子顕微鏡により観察して比較すると、処理前の歯面１の表層断面には、図５（Ａ’）に示す如く表面から深さ約１３μｍまで略均一な数μｍの結晶構造からなるマルテンサイト組織を備え、処理後の歯面１の表層断面には、図５（Ａ）に示す如く表面から深さ１０μｍ前後まで粒径０.０５〜０.５μｍの微細結晶組織を備えている。更に、歯面強度向上方法による微粒子ピーング処理を、インペラ式の従来ショットによるピーンニング処理や、エア式のハードショットによるピーニング処理と比較すると、図７に示す如く、歯面強度向上方法による微粒子ピーング処理は、表面から深さ約３０μｍまで−１３００〜−２２００ＭＰａの残留圧縮応力を付与し、他のピーニング処理は、表面から深さ約３０μｍまで−４００〜−１３００ＭＰａの残留圧縮応力を付与している。
【００２９】
以下、本発明の歯車及び噛合アッセンブリを実施する形態例を説明する。
【００３０】
歯車又は噛合アッセンブリを用いて負荷運転した際には、他方の対象物の歯車等に対して、ささくれ２の縁部が他方の歯面１の突起を削いで摩耗し、図８、図９に示す如く、歯面１にプラトー面３を作成して歯面１のなじみ性が向上する。続いて負荷運転を行うと、プラトー面３が高面圧になって微小な亀裂４を生じ、この微小な亀裂４の適度な進展により、小さな剥離を起して微小ピット（窪み）に成長し、この微小ピットが、図１０に示す如く、大きさ５〜２０μｍ、深さ０.５〜１μｍのミクロオイルプール５になる。ここで、歯面１の表面に生じた微小な亀裂４は、歯面１の表面層における粒径０.０５〜０.５μｍの微細結晶組織や−１３００〜−２２００ＭＰａの残留圧縮応力により、図１１に示す如く、亀裂の伸展角度が歯面１に対して浅く、適切に伸展して小さな剥離を生じるものになっている。又、歯面１の表面層における粒径０.０５〜０.５μｍの微細結晶組織は、通常の焼入れ鋼組織（マルテンサイト組織）と異なり、高靱性の特性を有して歯面１に対し小さく剥離を形成させることの起因となっている。
【００３１】
一方、一般の歯車では、図１２に示す如く歯面１に生じている表面の加工目（突起）が運転開始に伴い摩耗して滑らかになり、歯車の幾何学的条件や運転条件によって決まる接触面を形成し、なじみ過程において微小突起先端同士が金属接触して摩耗し、平坦な微小プラトー領域を形成し、図１３に示す如くプラトー面３が高面圧になって亀裂Ａを生じ、この亀裂Ａが大きなピットＢとして成長し、最終的に歯面１に、大きな剥離損傷（ピッチング、スボーリング）を生じ、歯車を運転不能に至らしめる。ここで、歯面１の表面に生じた亀裂Ａは、歯面１の表面層の通常のマルテンサイト組織や−１３００ＭＰａ未満の残留圧縮応力により、図１４に示す如く、亀裂の伸展角度が歯面１に対して深く、大きなピットＢを介して大きな剥離Ｃを生じるものである。
【００３２】
大きさ５〜２０μｍ、深さ０.５〜１μｍのミクロオイルプール５を生じた後に更に負荷運転を続けると、歯車の間の混合潤滑又は境界潤滑の領域での運転により、歯面１では微視的に金属の直接接触を生じ、歯面１は負荷運転に伴って摩耗し、ミクロオイルプール５は次第に消滅する。次に、ミクロオイルプール５の消滅により歯面１に局所的に微小な凝着（焼き付き）を起して微小な亀裂４を生じ、先の工程と同様に、運転に伴って微小な亀裂４が適度に進展し、小さな剥離を起こして微小ピット（窪み）に成長し、この微小ピットが、再び大きさ５〜２０μｍ、深さ０.５〜１μｍのミクロオイルプール５となる。
【００３３】
このように、本形態例の歯車及び噛合アッセンブリによれば、動力を伝達する負荷運転に伴って歯面１にミクロオイルプール５を生成するので、歯面１の潤滑性を高め、歯面１の剥離損傷や焼付損傷を防止することができる。ここで、予め塑性加工等によりミクロオイルプール５を作成した場合には、歯面１の摩耗と共に消滅するため、ミクロオイルプール５を適切に維持することができない。
【００３４】
負荷運転前に歯車１の歯面に施される処理条件において、負荷運転前の歯面に対して微小な鱗片状のささくれをランダムな方向で備えると、動力を伝達する負荷運転に伴って歯面１にミクロオイルプールを生成するので、歯面の潤滑性を高め、歯面の剥離損傷や焼付損傷を好適に防止することができる。
【００３５】
負荷運転前に歯車の歯面１に施される処理条件において、負荷運転前の歯面１の粗さを１〜５μｍにすること負荷運転前の歯面１の表層に粒径０.０２〜０.７μｍの微細結晶組織を備えること、負荷運転前の歯面１の表層に−１３００〜−２２００ＭＰａの残留圧縮応力を付与することの少なくとも一つを備えると、動力を伝達する負荷運転に伴い摩耗によって平坦なプラトー領域を形成し、プラトー面３が高面圧になって歯車の歯面１に微小な亀裂４を生じ、微小な亀裂４の進展により小さな剥離を起してミクロオイルプール５を形成するので、歯面の潤滑性を高め、歯面の剥離損傷や焼付損傷を好適に防止することができる。
【００３６】
又、負荷運転前に歯車の歯面１に施される処理条件において、負荷運転前の歯面１の粗さを１〜５μｍにすること負荷運転前の歯面１の表層に粒径０.０２〜０.７μｍの微細結晶組織を備えること、負荷運転前の歯面１の表層に−１３００〜−２２００ＭＰａの残留圧縮応力を付与することの全てを備える場合には、動力を伝達する負荷運転に伴い、微小な亀裂の進展により好適に小さな剥離を起こしてミクロオイルプールを確実に生成するので、更にミクロオイルプールを長時間維持することができる。ここで、歯面１の処理条件を満たさない場合には、歯面１の摩耗と共にピットが歯面１から大きく剥離し、ミクロオイルプール５を製造することができない可能性が高い。
【００３７】
更に、このような負荷運転前に歯車の歯面１に施される処理条件により、ミクロオイルプール５の発生、歯面１の摩耗によるミクロオイルプール５の消滅、潤滑性の悪化、微小な凝着の発生、微小な亀裂４の発生、ミクロオイルプール５の再発生を繰り返すので、歯面１の摩耗による歯面１の剥離損傷や焼付損傷を好適に防止し、長時間の負荷運転を行うことができる。ここで、歯面１の処理条件を満たさない場合には、ミクロオイルプール５の再発生を行うことができない。
【００３８】
負荷運転前の歯面１の粗さを１〜５μｍにすると、運転開始後のなじみ過程において歯面１が適度に摩耗してプラトー領域の形成を促すので、ミクロオイルプール５を容易に形成することができる。又、負荷運転前の歯面１の粗さを粒径２〜３μｍにすると、運転開始後のなじみ過程において歯面１の摩耗により好適にプラトー領域の形成を促すので、ミクロオイルプール５を一層容易に形成することができる。
【００３９】
負荷運転前の歯面１に対して微小な鱗片状のささくれ２をランダムな方向で備えると、歯面１に加工目がないので、発生した微小な亀裂４は小さなピットを生成するに止まり、大きなピットへの進展を防止し、ミクロオイルプール５を形成することができる。又、鱗片状のささくれ２は、約数μｍ〜約１００μｍピッチのうねりがランダムに重層したテクスチャにより形成したものであると、大きなピットへの進展を防止し、好適にミクロオイルプール５を形成することができる。更に、鱗片状のささくれ２は、数μｍのうねりと４０〜１００μｍのうねりが重層したテクスチャにより形成したものであると、大きなピットへの進展を防止し、一層好適にミクロオイルプール５を形成することができる。ここで、一般の歯面１のように加工目が存在すると、この加工目に沿って微小な亀裂４が発生しやすく、これがピットとして成長し、更にこれらのピットが繋がって大きく進展し、大きな剥離を生じる。
【００４０】
負荷運転前の歯面１の表層に粒径０.０２〜０.７μｍの微細結晶組織を備えると、歯面１に対して浅い角度で進展するので、小さな剥離を生じ、ミクロオイルプール５を形成することができる。又、負荷運転前の歯面１の表層に粒径０.０５〜０.５μｍの微細結晶組織を備えると、歯面１に対して適切に浅い角度で進展して小さな剥離を生じるので、好適にミクロオイルプール５を形成することができる。
【００４１】
負荷運転前の歯面１の表層に−１３００〜−２２００ＭＰａの残留圧縮応力を付与すると、圧縮の残留応力は亀裂の進展を抑制するので、発生した微小な亀裂４が大きなピットに進展することを防止し、ミクロオイルプール５を形成することができる。又、負荷運転前の歯面１の表層に−１５００未満−２０００ＭＰａ以上の残留圧縮応力を付与すると、圧縮の残留応力は亀裂の進展を抑制するので、発生した微小な亀裂４が大きなピットに進展することを防止し、好適にミクロオイルプール５を形成することができる。
【００４２】
なお、本発明の歯車及び噛合アッセンブリは、上述の図示例にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明を実施する形態例における負荷運転前の歯車の歯面の状態を示す写真である。
【図２】本発明を実施する形態例の歯車の歯面の粗さをグラフである。
【図３】本発明を実施する形態例の歯面に形成された微小な鱗片状のささくれを概念的に示す断面図である。
【図４】本発明を実施する形態例の歯面に形成された微小な鱗片状のささくれを概念的に示す斜視図である。
【図５】本発明を実施する形態例における負荷運転前の歯車の表層断面（Ａ）と、通常の負荷運転前の歯車の表層断面（Ａ’）とを示す写真である。
【図６】本発明を実施する形態例における負荷運転前の歯車の表層断面を拡大して示す拡大写真である。
【図７】歯車の歯面に付与された残留応力であって、歯面強度向上方法の微粒子ピーニング処理、インペラ式ショットのピーニング処理、エア式ハードショットのピーニング処理、ピーニング処理のなしの状態を示すグラフである。
【図８】本発明を実施する形態例における負荷運転（数時間）後の歯車の歯面の状態を示す写真である。
【図９】本発明を実施する形態例におけて歯車の歯面に形成されたプラトー面を概念的に示す断面図である。
【図１０】本発明を実施する形態例における負荷運転（２０〜５０時間）後の歯車の歯面の状態を示す写真である。
【図１１】本発明を実施する形態例において亀裂からミクロオイルプールを形成する状態を概念的に示す断面図である。
【図１２】負荷運転前の一般の歯車の歯面の状態を示す写真である。
【図１３】負荷運転（所定時間）後の一般の歯車の歯面の状態を示す写真である。
【図１４】亀裂から大きな剥離を形成する状態を概念的に示す断面図である。
【符号の説明】
【００４４】
１  歯面
２  ささくれ
５  ミクロオイルプール
【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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【図１３】
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【図１４】
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