JPH11264453A - 高面圧強度歯車およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 加工費の増大および新たな加工工程の付加を
することなく、歯車の伝達トルクが大きい場合でも、歯
面の面圧強度を向上させることができる高面圧強度歯車
およびその製造方法を提供する。 【解決手段】 噛み合う歯面２（左歯面２ａおよび右刃
面２ｂ）に最表面が略菱形状３ａでその略重心位置３ｂ
が最も深くされている略菱形錘状とされている凹状の油
溜り部３を歯先４から歯元５にかけて連続的に形成す
る。この歯面は、被削歯車を回転させる回転テーブルま
たはホブ軸を相対的に振動させて形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば減速機，増
速機，変速機等の伝導機構に用いられる高面圧強度歯車
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、歯車の噛み合う歯面の面圧強度
は、歯の表面起点で発生すると言われているピッチング
損傷に支配される。このピッチングは、歯当たりや表面
粗さに起因する局所的な過度に高い応力と潤滑油膜、材
料強度の関係により発生する。すなわち、ピッチング強
度の向上を図るためには、歯面粗さを含む歯車精度の向
上、潤滑油膜の安定した生成、材料強度そのものの向上
が考えられる。

【０００３】このような面圧強度の向上については、材
料・熱処理・加工の各分野で取り組まれており、これら
各分野の技術を組み合わせることにより、より面圧強度
の向上が図られている。特に、面圧強度の高い歯車には
浸炭鋼に浸炭焼き入れ処理が施され、表面が硬化するよ
うに処理されるのが一般的である。この浸炭鋼において
は焼き入れ性の向上（浸炭異常層の低減）を図るために
ＭｏやＣｒなどを適量添加した材料の開発が行われてお
り、また浸炭焼き入れにおいても表面の不完全焼き入れ
層を抑制するための雰囲気の適正化（真空化など）が実
施されている。このように前記材料・熱処理分野の技術
は、歯車にかかる負荷に対する面圧許容値の向上を図る
ものである。

【０００４】一方、加工分野の技術では、被削歯車を高
精度に加工して歯面の粗さを小さくすることにより、歯
面の接触面積を増加させ面粗さに起因する局所的な過度
に高い応力を抑制するように処理している。また、歯面
粗さを小さくすることは、噛み合う歯面間の潤滑油膜の
形成を安定化させて、実質上の負荷の低減が図られる。
こうして面圧強度の向上を図ることができる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記高
精度加工により歯面の粗さを小さくして面圧強度を向上
させるためには、特殊な加工技術および加工工程が必要
であり、加工費が増大するという問題点がある。また、
前記歯面粗さが小さくされた場合であっても、面圧が高
くなることにより噛み合う歯面間に潤滑油膜を生成させ
るのが困難となる問題点がある。

【０００６】前記潤滑油膜の厚みは、潤滑油種類（粘性
等）や温度の影響を受け、最終油膜厚みは次式（１）で
求められる。 ｈ_min=２．６５Ｇ^0.54Ｕ^0.7Ｗ^-1.13Ｒ ……（１） Ｇ＝ａＥ’：剛性係数 Ｕ＝η₀ｕ／（Ｅ’Ｒ）：潤滑係数 Ｗ＝ｗ／（Ｅ’Ｒ）：荷重係数 Ｒ＝（１／Ｒ₁＋１／Ｒ₂）^-1：ピッチ点での相対曲率半
径 Ｅ’＝２／｛（１−ｖ₁ ²）／Ｅ₁＋（１−ｖ₂ ²）／
Ｅ₂｝：相対縦弾性係数 ａ：潤滑油の圧力―粘度係数（ｍｍ²／ｋｇｆ） η₀：大気中における潤滑油の粘度（ｋｇｓ／ｍｍ） ｕ：ピッチ点における転がり速度（ｍｍ／ｓ） ｗ：単位歯幅当たりの負荷重（ｋｇｆ／ｍｍ） ｖ₁，ｖ₂：噛み合い歯車のポアソン比 Ｅ₁，Ｅ₂：噛み合い歯車の縦弾性係数（ｋｇｆ／ｍｍ）

【０００７】前記式（１）からも明らかなように、負荷
重が大きくなると最小油膜厚みは小さくなり、噛み合う
歯面間に潤滑油膜を生成させるのが困難となる。したが
って、例えば建設機械の終減速装置など伝達トルクが大
きい伝導機構として用いられる場合では、噛み合う歯面
の最終油膜厚みが小さくなり、その歯面の粗さを考慮す
ると安定した油膜形成が行われておらず、これら歯面が
金属接触状態で噛み合い面圧強度が低下してしまう問題
点がある。また、更なる伝達トルクの向上を考慮する
と、噛み合う歯面の金属接触は避けられないものとなる
問題点がある。

【０００８】本発明は、このような問題点を解消するた
めになされたもので、加工費の増大および新たな加工工
程の付加を招くことなく、歯車の伝達トルクが大きい場
合でも、歯面の面圧強度を向上させることができる高面
圧強度歯車およびその製造方法を提供することを目的と
するものである。

【０００９】

【課題を解決するための手段および作用・効果】第１発
明による高面圧強度歯車は、前述された目的を達成する
ために、歯面に油膜形成状態を維持する凹形状の油溜り
部を備えることを特徴とするものである。

【００１０】第１発明においては、別の歯車の歯面と噛
み合う歯面に凹形状の油溜り部が形成されており、この
油溜り部に潤滑油が貯溜するようにされている。こうし
て前記歯面同士が噛み合う際に、例えば歯面にかかる負
荷重が大きく歯面同士が金属接触状態である場合であっ
てもその噛み合い点における歯面間に潤滑作用が付加さ
れる。したがって、歯面に加わる実際上の負荷の低減を
図ることができ、面圧強度を向上させることができる効
果を奏する。

【００１１】第１発明においては、前記油溜り部は歯面
全体に連続的に設けられているのが望ましい。こうする
ことにより、前記歯面の噛み合い点が歯車の回転にとも
ない移動した場合であっても、常に安定した潤滑作用を
付加することができる効果を奏する。

【００１２】第１発明においては、前記油溜り部の凹形
状が球の一部もしくは略多角錐状であるのが望ましい。
また、その油溜り部の深さが１から２０μｍであるのが
望ましい。また、互いに噛み合う歯車のうち、少なくと
も一方の歯車の歯面に前記油溜り部が設けられるのが望
ましい。

【００１３】第２発明による高面圧強度歯車の製造方法
は、前記請求項１乃至５のうちのいずれかに記載の高面
圧強度歯車を製造する製造方法であって、前記凹形状の
油溜り部を凹凸反転させた同形状の凸形状の油溜り形成
部を表面に有する歯車工具を用いて、切削加工仕上げ時
に前記油溜り形成部の凸形状を前記歯面に転写させて凹
状の油溜り部を形成することを特徴とするものである。

【００１４】第２発明においては、前記凹形状の油溜り
部を凹凸反転させた同形状の凸形状の油溜り形成部を表
面に有する歯車工具を、従来の歯車加工方法と同様に形
成された歯車の歯面に噛み合わせることにより、その油
溜り形成部が歯面に押し当てられその形状が転写され
る。こうして歯面に凹状の油溜り部が形成される。

【００１５】第２発明によれば、特殊な加工技術を要す
ることなく、その数や形状に応じた凹状の油溜り部を容
易に、かつ安価に歯面に形成することができる効果を奏
する。

【００１６】第３発明の高面圧強度歯車の製造方法は、
被削歯車を回転させる回転テーブルとこの被削歯車を切
削するホブとを互いに直交する軸周りに回転させて前記
被削歯車を切削加工するホブ盤を用いて、前記請求項１
乃至５のうちのいずれかに記載の高面圧強度歯車を製造
する製造方法であって、前記回転テーブルまたはホブの
回転駆動軸を制御して、前記被削歯車に形成される歯面
に凹状の油溜り部を形成することを特徴とするものであ
る。

【００１７】第３発明においては、前記ホブの回転と前
記回転テーブルの回転との同期を互いにずらすことによ
り行われるのが望ましい。このようにホブの各切刃と被
削歯車との回転同期をずらすことにより、ホブの刃先が
被削歯車に形成される歯面に接触して凹状の油溜り部が
形成される。

【００１８】この場合、前記回転テーブルを駆動させる
ウォーム軸を偏心させるか、または前記ホブを回転させ
るホブ軸に小ねじり振動を与えることにより、前記ホブ
の回転と前記回転テーブルの回転との同期がずらされる
のが望ましい。前記ウォーム軸を偏心させることにより
被削歯車に規則的な振動が与えられ、前記ホブ軸に小ね
じり振動を与えることにより前記被削歯車に接触するホ
ブに振動が与えられる。このように被削歯車とホブとに
相対的な振動が与えられることにより、被削歯車に形成
される歯面に凹状の油溜り部が形成される。

【００１９】第３発明によれば、従来の歯車製造技術に
用いられるホブ盤を使用し従来工程の中で加工でき、加
工条件への制約もないことから加工費を増大させること
なく容易にかつ高効率に高面圧強度歯車を製造すること
ができる効果を奏する。

【００２０】

【発明の実施の形態】次に、本発明による高面圧強度歯
車およびその製造方法の具体的な実施の形態につき、図
面を参照しつつ説明する。

【００２１】本発明の一実施例にかかる高面圧強度歯車
の歯面の斜視図（ａ）およびその歯面の展開図（ｂ）が
図１に示されている。

【００２２】本実施例の高面圧強度歯車（歯１つのみ図
示）１は、別の歯車の歯面と噛み合う歯面２（左歯面２
ａおよび右刃面２ｂ）に凹状の油溜り部３が歯先４から
歯元５にかけて連続的に形成されている。この油溜り部
３は、最表面が略菱形状３ａでその略重心位置３ｂが最
も深くされている略菱形錘状とされている。また、前記
油溜り部３の最表面の略菱形状３ａの大きさは、歯先４
から歯元５にかけて徐々に小さくなるようにされてい
る。

【００２３】前記油溜り部３のそれぞれの重心を通る位
置（図１（ａ）点線Ａ）および前記油溜り部３の重心と
端部との中間を通る位置（図１（ａ）点線Ｂ）の歯面形
状を深さ方向に計測した結果図が図２に示されている。
図示されるように、点線Ａ位置の歯面の深さ形状は点線
Ｂ位置の歯面の深さ形状に比べて深く、かつ凹凸が大き
くなるように形成されている。なお、前記油溜り部３の
略重心位置３ｂの深さは、約２０μｍとされている。

【００２４】次いで、前述のように形成される歯面２を
有する高面圧強度歯車１が動力循環式歯車試験機１１に
装着されて面圧強度の評価試験が行われる。前記動力循
環式歯車試験機１１の外観上面図（ａ），外観側面図
（ｂ），部分断面図（ｃ）および試験条件（ｄ）が図３
に示されている。

【００２５】この動力循環式歯車試験機１１は、駆動部
１１ａが方向変換ギアボックス１１ｂに接続され、この
方向変換ギアボックス１１ｂは、並列配置のトルク測定
部１１ｃと供試ギアボックス（Ａ，Ｂ）１１ｄ，１１ｅ
とを介してトルク制御ギアボックス１１ｆに接続されて
いる。なお、図３（ａ）中の矢印Ａは、トルクの伝達方
向を示している。

【００２６】前記供試ギアボックスＡ（Ｂ）１１ｄ（１
１ｅ）においては、図３（ｃ）の断面図に示されるよう
に、内部に駆動側の回転軸１１ｈと従動側の回転軸１１
ｇとが挿入されており、それぞれ供試歯車１１ｊ（駆動
側），１１ｋ（従動側）が噛み合うように配設されてい
る。一方、上部には潤滑油供給口（図示せず）が設けら
れ、前記供試歯車１１ｊ（駆動側），１１ｋ（従動側）
が噛み合い回転する際に噛み合い上部から潤滑油が供給
される。

【００２７】このように構成される動力循環式歯車試験
機１１に、本実施例の高面圧強度歯車１が前記供試歯車
１１ｊ，１１ｋとして駆動側の回転軸１１ｈと従動側の
回転軸１１ｇとにそれぞれ装着され、前記駆動部１１ａ
よりトルク制御ギアボックス１１ｆを介して駆動側の回
転軸１１ｈにトルクが伝達される。こうして高面圧強度
歯車１がこの駆動側の回転軸１１ｈ周りに回転され、従
動側の回転軸１１ｇに装着される高面圧強度歯車１が前
記高面圧強度歯車１に噛み合って回転する。そして、図
３（ｄ）中に示される試験条件により負荷条件の最大面
圧を変化させ、歯面に発生するピッチング発生状況に判
定基準を設け、面圧強度の評価試験が行われる。

【００２８】前記面圧強度の評価試験の結果が従来の歯
車の面圧強度と比較されつつ図４に示されている。図示
されるように、本実施例の高面圧強度歯車１の面圧強度
は２５０ｋｇ／ｍｍ²であり、従来の歯車の面圧強度２
０７ｋｇ／ｍｍ²に比べて約２０％向上されているのが
確認された。なお、駆動側もしくは従動側の回転軸に装
着される供試歯車のうち、いずれか一方は通常の歯車を
用いていても同様の効果を得ることができる。

【００２９】本実施例によれば、前記油溜り部３が潤滑
油溜りとしての役割を果たし常に油膜が形成される効果
を奏する。この油溜り部が歯先から歯元にかけて連続的
に形成されているため、歯面の噛み合い点（線）の移動
に対しても安定した潤滑作用を付加することができる。
したがって、例えば負荷重が非常に大きく、歯面同士が
金属接触状態の中でも歯面全体の面圧強度向上を実現す
ることができるという効果を奏する。

【００３０】次に、本発明の高面圧強度歯車１の製造方
法について説明する。図５に前記高面圧強度歯車１を製
造するホブ盤（ＮＣ制御）１２の駆動系統図が示されて
いる。前記ホブ盤１２は、被削歯車（円筒形状で前記高
面圧強度歯車1の成形前の状態、すなわち歯の形成され
ていない歯車）を回転させる回転テーブル１３とこの被
削歯車を切削するホブ１４とを備えており、これら回転
テーブル１３とホブ１４とを互いに直交する軸周りに回
転させる構造である。

【００３１】前記回転テーブル１３に設けられたウォー
ムホィール１３ａと噛み合うようにウォーム歯車１５が
設けられ、このウォーム歯車１５にはウォーム軸１６を
介してギアボックス（Ｇ．Ｂ）１９およびＡＣサーボモ
ータ１８が接続されている。また、前記ＡＣサーボモー
タ１８は制御装置１７に接続されてその駆動が制御され
る。前記ウォーム歯車１５は、前記制御装置１７により
ＡＣサーボモータ１８が駆動され、この駆動力が前記ギ
アボックス１９を介してウォーム軸１６に伝達されるこ
とによりウォーム軸１６周りに回転され、そのウォーム
歯車１５と噛み合うウォームホィール１３ａを有する回
転テーブル１３が回転する。

【００３２】一方、前記ホブ１４には、ホブ軸２０を介
してギアボックス２１およびＡＣスピンドルモータ２２
が接続されている。また、前記ＡＣスピンドルモータ２
２は、前記制御装置１７内のＡＣスピンドルモータコン
トロールユニット１７ａに接続され、その駆動が制御さ
れる。このホブ１４は、前記ＡＣスピンドルモータコン
トロールユニット１７ａにより前記ＡＣスピンドルモー
タ２２が駆動され、この駆動力がギアボックス２１を介
してホブ軸２０に伝達されることによりホブ１４が回転
される。また、前記ギアボックス２１はインクレメンタ
ルエンコーダ２３を介して前記制御装置１７内のテーブ
ル制御部１７ｂに接続されており、このインクレメンタ
ルエンコーダ２３により前記ホブ１４の回転数等が検出
され、この検出値が前記制御装置１７内のテーブル制御
部１７ｂに入力される。

【００３３】本実施例の高面圧強度歯車１において、前
記ホブ盤１２を用いて製造する際には、前記被削歯車を
回転させる回転テーブル１３を駆動させるウォーム軸１
６が偏心されており、この回転テーブル１３とホブ１４
とが互いに直交する軸周りに回転され、このホブ１４が
前記被削歯車に接触して歯面が形成される。前記回転テ
ーブル１３は偏心されたウォーム軸１６周りに回転され
るウォーム歯車１５により駆動されるため、この回転テ
ーブル１３の回転中に規則的な振動が加えられる。この
ようにホブ１４により歯面が形成されている状態で被削
歯車に回転方向の振動が加えられるため、歯面２の歯先
から歯元にかけて規則的に油溜り部３が形成される。こ
の場合、ウォーム軸１６により、機械的に振動が付与さ
れているため、ホブ１４と被削歯車間の剛性も十分にあ
り、従来のホブ切りと同等の加工条件の設定が可能であ
る。

【００３４】本実施例の製造方法によれば、従来の歯車
製造技術に用いるホブ盤と略同様のものを使用し、加工
条件への制約がないことより加工費を増加させることが
なく、また新たな加工工程を加える必要がないため、高
効率に歯面に油溜り部が形成されている高面圧強度歯車
を製造することができるという効果を奏する。

【００３５】本実施例において、油溜り部の深さが約２
０μｍとされているが、これに限らず、例えば歯車の大
きさ，形状または歯車の伝達トルクなどに応じて任意に
設定することができる。

【００３６】本実施例においては、油溜り部が歯先から
歯元にかけて徐々に小さくなるようにされているが、こ
れに限らず、歯面上の油溜り部がすべて同じ大きさでも
良く、また歯先から歯元にかけて徐々に大きくなっても
良い

【００３７】本実施例の製造方法においては、ホブ盤の
ウォーム軸が偏心されて回転テーブルに振動が加えられ
ているが、これに限らず、例えばウォーム軸を偏心させ
ない状態でホブ軸に小さなねじり振動を与えてもよく、
前記ホブと被削歯車とが相対的に振動されていればよ
い。また、前記ホブ盤の制御装置により、前記ホブと回
転テーブルとの回転同期をずらすようにして歯車の歯面
に歯先から歯元にかけて連続的な油溜り部を設けるよう
にしても良い。

【００３８】また、本実施例の製造方法においては、Ｎ
Ｃ制御可能なホブ盤が用いられているが、これに限ら
ず、非ＮＣ制御タイプのホブ盤３１を用いるようにして
も良い。この非ＮＣ制御タイプのホブ盤３１は、図６に
その駆動系統図が示されるように、互いに直交する軸周
りに回転する回転テーブル３２とホブ３３が設けられ、
前記回転テーブル３２はウォーム歯車３４がウォーム軸
３５周りに回転することにより駆動され、このウォーム
軸３５はアイドル歯車３６により回転され、その回転速
度は割り出し換え歯車３７により調整されている。一
方、前記ホブ３３はホブ軸３８周りに回転され、このホ
ブ軸３８は速度変換歯車３９を介してモータ４０により
駆動されている。このように構成される非ＮＣ制御タイ
プのホブ盤３１を用いて、前記ウォーム軸３５を偏心さ
せる、あるいは前記ホブ軸３８に小さなねじり振動を加
えることにより、新たな工程を加えることなく歯面に歯
先から歯元にかけて連続的な油溜り部が形成される高面
圧強度歯車を形成することができる。

【００３９】また、本実施例の製造方法の別態様として
は、前記油溜り部を反転させた形状の凸部を設ける歯車
型工具（図示省略）を従来の歯車加工方法と同様に形成
された歯車の歯面に噛み合わせて回転させることによ
り、歯面に所定の形状の油溜り部を有する高面圧強度歯
車を製造する方法もある。こうして特殊な技術を必要と
することなく、容易にかつ安価に高面圧強度歯車を製造
することができる。

【００４０】本実施例においては、凹形状でかつその凹
形状が略菱形錘状の油溜り部が歯面に歯先から歯元にか
けて連続的に形成されているが、これに限らず、その凹
形状は例えば球の一部，三角錐状または四角錘状等でも
よく、その油溜り部の形状は任意に設定することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本発明の一実施例に係る高面圧強度歯
車の歯面の斜視図（ａ）およびその展開図（ｂ）であ
る。

【図２】図２は、歯面の深さ方向の形状を表す計測結果
図である。

【図３】図３は、重力循環式歯車試験機の外観上面図
（ａ），外観平面図（ｂ），部分断面図（ｃ）および試
験条件（ｄ）である。

【図４】図４は、面圧強度の評価試験結果比較図であ
る。

【図５】図５は、本実施例の高面圧強度歯車１を製造す
るホブ盤（ＮＣ制御）の駆動系統図である。

【図６】図６は、非ＮＣ制御のホブ盤の駆動系統図であ
る。

【符号の説明】

１ 高面圧強度歯車 ２ 歯面 ２ａ 左歯面 ２ｂ 右歯面 ３ 油溜り部 ４ 歯先 ５ 歯元 １１ 動力循環式歯車試験機 １１ａ 駆動部 １１ｂ 方向変換ギアボックス １１ｃ トルク測定部 １１ｄ 供試ギアボックスＡ １１ｅ 供試ギアボックスＢ １１ｆ トルク制御ギアボックス １１ｇ 従動側回転軸 １１ｈ 駆動側回転軸 １１ｊ，１１ｋ 供試歯車 １２ ホブ盤（ＮＣ制御） １３，３２ 回転テーブル １４，３３ ホブ １５，３４ ウォーム歯車 １６，３５ ウォーム軸 １７ 制御装置 １７ａ ＡＣスピンドルモータコントロールユニット １７ｂ テーブル制御部 １８ ＡＣサーボモータ １９，２１ ギアボックス ２０，３８ ホブ軸 ２２ ＡＣスピンドルモータ ２３ インクレメンタルエンコーダ ３１ 非ＮＣ制御ホブ盤 ３６ アイドル歯車 ３７ 割り出し換え歯車 ３９ 速度変換歯車 ４０ モータ

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 歯面に油膜形成状態を維持する凹形状の
   油溜り部を備えることを特徴とする高面圧強度歯車。
2. 【請求項２】 前記油溜り部は歯面全体に連続的に設け
   られている請求項１に記載の高面圧強度歯車。
3. 【請求項３】 前記油溜り部の凹形状が球の一部もしく
   は略多角錐状である請求項１または２に記載の高面圧強
   度歯車。
4. 【請求項４】 前記油溜り部の深さが１から２０μｍで
   ある請求項１乃至３のうちのいずれかに記載の高面圧強
   度歯車。
5. 【請求項５】 互いに噛み合う歯車のうち、少なくとも
   一方の歯車の歯面に前記油溜り部が設けられる請求項１
   乃至４のうちのいずれかに記載の高面圧強度歯車。
6. 【請求項６】 前記請求項１乃至５のうちのいずれかに
   記載の高面圧強度歯車を製造する製造方法であって、 前記凹形状の油溜り部を凹凸反転させた同形状の凸形状
   の油溜り形成部を表面に有する歯車工具を用いて、切削
   加工仕上げ時に前記油溜り形成部の凸形状を前記歯面に
   転写させて凹状の油溜り部を形成することを特徴とする
   高面圧強度歯車の製造方法。
7. 【請求項７】 被削歯車を回転させる回転テーブルとこ
   の被削歯車を切削するホブとを互いに直交する軸周りに
   回転させて前記被削歯車を切削加工するホブ盤を用い
   て、前記請求項１乃至５のうちのいずれかに記載の高面
   圧強度歯車を製造する製造方法であって、 前記回転テーブルまたはホブの回転駆動軸を制御して、
   前記被削歯車に形成される歯面に凹状の油溜り部を形成
   することを特徴とする高面圧強度歯車の製造方法。
8. 【請求項８】 前記回転テーブルまたはホブの回転駆動
   軸の制御は、前記ホブの回転と前記回転テーブルの回転
   との同期を互いにずらすことにより行われる請求項７に
   記載の高面圧強度歯車の製造方法。
9. 【請求項９】 前記回転テーブルを駆動させるウォーム
   軸を偏心させるか、または前記ホブを回転させるホブ軸
   に小ねじり振動を与えることにより、前記ホブの回転と
   前記回転テーブルの回転との同期がずらされる請求項８
   に記載の高面圧強度歯車の製造方法。