JP6286054B2

JP6286054B2 - 歯車対

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Publication number: JP6286054B2
Application number: JP2016545008A
Authority: JP
Inventors: 武道山下; 馬渕　豊; 豊馬渕; 武刈屋; 森　隆夫; 隆夫森; 後藤　正; 正後藤; 浩康永見
Original assignee: Aichi Machine Industry Co Ltd; Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Aichi Machine Industry Co Ltd; Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2014-08-28
Filing date: 2015-06-12
Publication date: 2018-03-07
Anticipated expiration: 2035-06-12
Also published as: EP3187752B1; US20170234417A1; EP3187752A1; EP3187752B2; US10578200B2; JPWO2016031347A1; WO2016031347A1; EP3187752A4; CN106662234B; CN106662234A

Description

本発明は、相互に噛み合って対を成す第１歯車と第２歯車とを備えた歯車対に関するものである。

従来の歯車対としては、例えば特許文献１に記載されたものがある。特許文献１に記載の歯車対は、相互に噛み合って対を成す第１歯車及び第２歯車を備え、各歯車の歯面の算術平均粗さＲａ、最大高さＲｙ、スキューネスＲｓｋ、及び算術平均粗さと最大高さの比Ｒｙ／Ｒａを規定したものである。これにより、歯面間の油溜まり量を多くして歯面相互の摩擦係数を小さくし、歯面の耐焼き付き性と耐摩耗性の向上とともに歯車の動力伝達効率を向上させている。

日本国特開２００４−３０８８１７号公報

しかしながら、上記したような従来の歯車対にあっては、歯車の歯面の表面粗さを規定することにより、歯車の伝達性能の向上を実現するのであるが、その一方で、両歯車の歯面の表面粗さが異なる場合、不可避的に生じる歯先・歯元間の接触時の片当たりがピッチング疲労寿命に大きく影響し、歯車の伝達性能向上と歯面のピッチング疲労寿命の向上とがトレードオフの関係にあることから、これらを両立させることが困難であった。

本発明は、上記従来の状況に鑑みて成されたもので、一対の歯車の合成粗さ向上による伝達効率の向上を実現し、歯車の伝達効率の向上と歯面のピッチング疲労寿命の向上とを安価に両立させることができる歯車対を提供することを目的としている。

本発明に係わる歯車対は、相互に噛み合って対を成す第１歯車と第２歯車とを備えた歯車対であって、第１歯車の歯面の算術平均粗さがＲａ０．１０未満であり、第２歯車の歯面の算術平均粗さがＲａ０．１５以上であり、第１歯車の歯数が、第２歯車の歯数よりも少ないことを特徴としている。

本発明に係わる歯車対は、上記構成を採用したことにより、一対の歯車の合成粗さ向上による伝達効率の向上を実現し、歯車の伝達効率の向上と歯面のピッチング疲労寿命の向上とを安価に両立させることができる。

本発明に係わる歯車対は、相互に噛み合って対を成す第１歯車と第２歯車とを備えている。第１歯車は、ヘリカル歯車、平歯車、及びはすば歯車のうちのいずれかの歯車を用いることができる。他方、第２歯車は、同様に、ヘリカル歯車、平歯車、及びはすば歯車のうちのいずれかの歯車を用いることができる。

そして、歯車対は、第１歯車の歯面の算術平均粗さがＲａ０．１０未満であり、第２歯車の歯面の算術平均粗さがＲａ０．１５以上であるものとしている。また、歯車対は、より望ましい実施形態として、第１歯車の歯面の算術平均粗さをＲａ０．０５以下とし、また、第２歯車の歯面の算術平均粗さをＲａ０．３０以上としている。

このように、歯車対は、第１歯車の歯面の算術平均粗さＲａを小さくし、これに対して、第２歯車の歯面を少し粗いものにする。この種の歯車対では、歯面の算術平均粗さの小さい方が、力の伝達効率は良くなるのであるが、双方の歯面の算術平均粗さを小さくするとピッチング特性の低下が認められる。そこで、歯車対では、第１歯車に対して第２歯車の歯面を粗くすることで、いわゆる初期馴染みを与えている。そして、第１歯車の歯面の算術平均粗さをＲａ０．１０未満とし、第２歯車の歯面の算術平均粗さをＲａ０．１５以上とすることで、コーティング無しでも耐ピッチング性を改善することができる。これにより、歯車対は、歯車の伝達効率向上と歯面のピッチング疲労寿命の向上を安価に両立させることができる。

また、歯車対は、第１歯車の歯数が、第２歯車の歯数よりも少ないものとしている。つまり、歯車対は、第１歯車と第２歯車とで回転伝達を行った場合、歯数が少ない第１歯車の方が歯面の摺動回数が多くなる。これにより、歯車対は、歯数の少ない第１歯車の歯面の算術平均粗さＲａを小さくし、これに対して、第２歯車の歯面が粗いものとなり、応力負荷回数の多い第１歯車に歯先・歯元の片当たりによる摩耗を生じさせて、結果的にピッチング疲労寿命を軽減させる。

さらに、歯車対は、第１歯車及び第２歯車の歯面の表面粗さにおいて、算術平均粗さをＲａとし、最大高さをＲｙとし、スキューネスをＲｓｋとしたときに、第１歯車及び第２歯車のいずれのＲｓｋも負であり、且つＲａに対するＲｙの比（Ｒｙ／Ｒａ）が、いずれも６以上である構成としている。このように、歯面のＲｓｋを負にすることで、回転伝達の際に局所的な接触が回避されるとともに面圧が低減され、ピッチングが発生し難くなる。

さらに、歯車対は、第１歯車及び第２歯車の歯面の二乗平均平方根高さＲｑ１及びＲｑ２において、双方を組み合わせた二乗平均粗さ（合成粗さ）Ｒｒｍｓを、Ｒｒｍｓ＝√（Ｒｑ１^２＋Ｒｑ２^２）とした場合、Ｒｒｍｓ＜０．４である構成としている。

歯車対は、より好ましい実施形態として、第１歯車の歯面の表面硬さが、第２歯車の歯面の表面硬さよりも小さいものとしており、第１歯車及び第２歯車のうちの少なくとも第２歯車の表面に、硬質な表面処理を施すことで表面硬さの差異を設けている。

また、歯車対は、上記の硬質な表面処理が、ダイヤモンドライクカーボン膜（以下、「ＤＬＣ膜」と記載する）の成膜処理とすることができ、より望ましくは、ＤＬＣ膜の水素量を１ａｔ％以下としている。さらに、歯車対は、第１歯車及び第２歯車の少なくとも一方の歯車の歯面の表面を平滑化する研磨方法が、バレル式研磨方法である。

ここで、歯車対について、粗さの異なる多数の組合せで試験し、損傷した歯車の歯面を詳細に観察して分析した結果、不可避的に生じる歯先・歯元間の接触時の片当たりが、ピッチング疲労寿命に大きく影響することが判明した。

具体的には、上記第１歯車のように、歯数が少なくて摺動回数が多い歯車の歯面において、片当たり時に発生する摩耗量と、ピッチング疲労寿命との間に正の相関関係のあることが判明し、摩耗が多いほど片当たり時の応力集中が軽減され、結果的にピッチングに繋がる亀裂進展の減速に繋がることを見出した。

このため、歯車対は、歯面の粗さ低減によるメタルコンタクトの低減には、歯車双方の歯面の表面粗さ低減が有効ではあるが、歯先・歯元の片当たりを緩和するためには、片当たりにより生じる摩耗を考慮し、歯車の歯面の表面粗さと摩耗の生じやすい組合せとすることが重要である。

歯車対は、上記の考えに基づくと、歯先・歯元の片当たりにより摩耗の生じる側と反対側の歯車の表面粗さが大、又は表面硬さが大であることが必須条件となる。また、歯車対は、基材の硬さのみでなく、歯面への熱処理やコーティングを付加することで、歯先・歯元の片当たりにより摩耗を促進する方法も有効である。

さらに、歯車対は、第１歯車及び第２歯車の双方の歯面の硬さがほぼ等しい場合、歯先・歯元の片当たりにより加速される歯面のピッチング疲労寿命が、応力負荷回数に大きく依存するため、歯数の大小によって疲労の生じる側がおおよそ決まる。応力負荷回数の多い側は、相対的に歯数の少ない歯車（主として第１歯車）であり、歯数の少ない歯車側に歯先・歯元の片当たりによる摩耗が生じることが、結果的にピッチング疲労寿命の軽減に繋がる。

さらに、歯車対は、力の伝達効率を向上させるには、歯面の表面粗さの向上のみでなく、歯形の端部の角部が平滑加工時に付帯的に研磨され、エッジ部が優先的に研磨によりダレが発生するような加工、例えばバレル研摩のような加工法が、結果的に歯先・歯元の片当たりを軽減することとなるため有効である。

さらに、歯車対は、各歯車の歯面へのコーティングにおいて、ＤＬＣ膜の成膜は、メタルコンタクトが生じる際の接点の摩擦低減に有効である。とくに、水素を含まないＤＬＣ膜は、潤滑油中の油性剤を優先的に表面に物理吸着し、２面間のメタルコンタクトを妨げることとなり、摩擦低減に有効である。また、ＤＬＣ膜は、水素を含まない方が一般的に硬度が高く、歯先・歯元の片当たりにより生じる摩耗を促す点においても有効である。

歯車対について、歯面の表面粗さの異なる多数の組合せで試験し、損傷した歯車の歯面を詳細に観察して分析した。その結果を表１及び表２に示す。なお、実施例（表１）及び比較例（表２）の歯車は、いずれもヘリカル歯である。

表１，２における左下の数字１〜１２は、以下の構成（１）〜（１２）に相当する。
（１）第１歯車の歯面の算術平均粗さがＲａ０．１０未満であり、第２歯車の歯面の算術平均粗さがＲａ０．１５以上である。
（２）第１歯車の歯数が、第２歯車の歯数よりも少ない。
（３）第１歯車の歯面の算術平均粗さがＲａ０．０５以下である。
（４）第２歯車の歯面の算術平均粗さがＲａ０．３０以上である。
（５）第１歯車及び第２歯車のいずれのＲｓｋも負であり、且つＲａに対するＲｙの比（Ｒｙ／Ｒａ）が、いずれも６以上である。
（６）歯車の種類
（７）第１歯車及び第２歯車を組み合わせた二乗平均粗さ（合成粗さ）Ｒｒｍｓが、Ｒｒｍｓ＜０．４である。
（８）第１歯車の歯面の表面硬さが、第２歯車の歯面の表面硬さよりも小さい。
（９）少なくとも第２歯車の表面に硬質な表面処理を施した。
（１０）硬質な表面処理がＤＬＣ膜である。
（１１）ＤＬＣ膜の水素量が１ａｔ％以下である。
（１２）少なくとも一方の歯車の歯面を平滑化する研磨方法がバレル式研磨方法である。

表１に示すように、実施例１及び実施例２は、上記構成（１）〜（３）を満足するもので、合成粗さＲｒｍｓも小さいことから、高い伝達効率と長いピッチング疲労寿命を示すものとなった。

実施例３は、上記構成（１）〜（３）及び（９）〜（１２）を満足するもので、水素フリーのＤＬＣ膜の効果と相まって、最も伝達効率の高い仕様の一つとなった。しかしながら、第１歯車の歯面に耐摩耗性の高いＤＬＣ膜を成膜したことで、実施例１及び２に比べてピッチング疲労寿命は短かいものの、標準的な仕様である比較例４よりもピッチング疲労寿命は長いものとなった。

実施例４は、上記構成（１）及び（２）を満たすもので、高い伝達効率と長いピッチング疲労寿命を示すものとなった。

実施例５は、歯数が多い側の歯車（実施例５では第１歯車）の歯面を平滑化し、歯数が少ない側の歯車（実施例５では第２歯車）の歯面を粗いままにした例であって、合成粗さＲｒｍｓが小さいために伝達効率が高い値を示す一方、歯数が少ない側の歯車の馴染み性が劣ることから、実施例１及び２に比べてピッチング疲労寿命が短いものの、比較例４に対してはピッチング疲労寿命が長いものとなった。

実施例６は、上記構成（３）及び（４）を満たすもので、これにより馴染み性が著しく向上し、高い伝達効率を示しつつ、実施例の中で最も長いピッチング疲労寿命を示すものとなった。

実施例７は、第１歯車と第２歯車の合成粗さＲｒｍｓが上記構成（４）の０．４以下を満足しないため、実施例の中で最も低い伝達効率を示したが、比較例４に対しては高い値を示すものとなった。

実施例８は、第１歯車と第２歯車の表面硬さの差が最も大きく、このために馴染み性が向上し、比較的長いピッチング疲労寿命を示すものとなった。

実施例９は、上記構成（９）に規定したように、歯数の多い歯車の歯面に硬質の表面処理を行った例であって、上記構成（１０）及び（１１）の水素フリーのＤＬＣ膜を有しており、実施例の中で最も高い伝達効率を示し、また、比較的長いピッチング疲労寿命を示すものとなった。

実施例１０は、第２歯車の歯面の表面処理が、プラズマＣＶＤ方式による水素含有ＤＬＣ膜であるため、上記構成（１０）を満たしておらず、実施例９に対し伝達効率が劣るものの、比較例４に対しては著しく高い伝達効率を示すものとなった。

実施例１１は、第１歯車の平滑仕上げ方法が、他の実施例がバレル研摩方法であるのに対して、歯車用の研削砥石による加工である。そのため、その他の実施例に比べて低い伝達効率を示したが、比較例４に対しては高い伝達効率を示すものとなった。

上記の実施例に対して、表２に示す比較例１及び２は、第１歯車及び第２歯車を共に平滑に仕上げたもので、上記構成（１）を満たしていない例である。そのため、合成粗さＲｒｍｓが非常に小さく、その結果、伝達効率も約９６％と高い値を示す一方で、ピッチング疲労寿命が比較例４に対して大幅に低下する結果となった。試験後の歯車の形状を確認した結果、ピッチングの発生していない歯面においては、いずれも軽微な摩耗しか生じておらず、第１歯車と第２歯車の間での馴染みが十分進んでいなかったことが、ピッチング疲労寿命を低下させた原因と考えられる。

比較例３は、比較例１及び２と同様に、第１歯車と第２歯車をともに平滑に仕上げ、その後、ＤＬＣ膜を成膜した仕様の組み合わせであり、上記構成（１）を満たさないものである。試験の結果、合成粗さＲｒｍｓが最も小さく、第１歯車及び第２歯車に水素フリーのＤＬＣ膜を成膜したので、伝達効率は最も高い値を示したが、比較例４に対してもピッチング疲労寿命は大幅に低下した。

比較例４及び５は、第１歯車及び第２歯車の表面粗さが共に粗く、合成粗さＲｒｍｓが高いために、伝達効率は低かった。比較例６は、第２歯車のスキューネスＲｓｋが正の値であり、試験中、表面粗さの突起先端の摩耗により多量の摩耗粉が発生し、その結果、ピッチング疲労寿命の低下につながった可能性が考えられる。

以上のように、歯車対は、実施例１〜１１の組み合わせで評価を行ったところ、いずれも一対の歯車の合成粗さ向上による伝達効率向上を実現し、歯車の伝達効率の向上と歯面のピッチング疲労寿命の向上とを安価に両立させるものとなった。しかも、各実施例の歯車対は、歯面の温度計測の結果、伝達効率とほぼ対応する温度低減効果を示しており、歯車接点での摩擦係数が低下していることを間接的に裏付けた結果となった。

本発明に係わる歯車対は、上記実施形態のみに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で構成を適宜変更したり組み合わせたりすることが可能である。

Claims

相互に噛み合って対を成す第１歯車と第２歯車とを備えた歯車対であって、第１歯車の歯面の算術平均粗さがＲａ０．１０未満であり、第２歯車の歯面の算術平均粗さがＲａ０．１５以上であり、
第１歯車の歯数が、第２歯車の歯数よりも少ないことを特徴とする歯車対。
第１歯車の歯面の算術平均粗さがＲａ０．０５以下であることを特徴とする請求項１に記載の歯車対。
第２歯車の歯面の算術平均粗さがＲａ０．３０以上であることを特徴とする請求項１又は２に記載の歯車対。
第１歯車及び第２歯車の歯面の表面粗さにおいて、算術平均粗さをＲａとし、最大高さをＲｙとし、スキューネスをＲｓｋとしたときに、第１歯車及び第２歯車のいずれのＲｓｋも負であり、且つＲａに対するＲｙの比（Ｒｙ／Ｒａ）が、いずれも６以上であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の歯車対。
第１歯車が、ヘリカル歯車、平歯車、及びはすば歯車のうちのいずれかの歯車であり、第２歯車が、ヘリカル歯車、平歯車、及びはすば歯車のうちのいずれかの歯車であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の歯車対。
第１歯車及び第２歯車の歯面の二乗平均平方根高さＲｑ１及びＲｑ２において、双方を組み合わせた二乗平均粗さＲｒｍｓを、Ｒｒｍｓ＝√（Ｒｑ１^２＋Ｒｑ２^２）とした場合、Ｒｒｍｓ＜０．４であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の歯車対。
第１歯車の歯面の表面硬さが、第２歯車の歯面の表面硬さよりも小さいことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の歯車対。
第１歯車及び第２歯車のうちの少なくとも第２歯車の表面に、硬質な表面処理を施したことを特徴とする請求項７に記載の歯車対。
硬質な表面処理が、ダイヤモンドライクカーボン膜の成膜処理であることを特徴とする請求項８に記載の歯車対。
ダイヤモンドライクカーボン膜の水素量が１ａｔ％以下であることを特徴とする請求項９に記載の歯車対。
第１歯車及び第２歯車の少なくとも一方の歯車の歯面の表面を平滑化する研磨方法が、バレル式研磨方法であることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載の歯車対。