| 【発明の名称】 |
高接触疲労寿命歯車及びその製造方法 |
| 【発明者】 |
【氏名】戸田 正弘
【氏名】三木 武司
【氏名】加田 修
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| 【要約】 |
【課題】自動車部品の小型軽量化，高出力化にともない、歯車は負荷が高くなり、ピッチング疲労寿命向上が最大の課題である。歯車鋼材の高合金化はコスト高となり、ショットピーニングによる残留応力付与による方法も表面の肌荒れを招くことになりその効果は不明であり、簡易で有効な対策が見出されていない。
【解決手段】表面硬化処理を施された歯車であって、この歯車に組み合わされる歯車との歯元側歯当たり位置より歯元側から、少なくとも歯元側歯当たり位置まで、少なくとも０．２ｍｍ深さまでの加工硬化層が設けられていることを特徴とする高接触疲労寿命歯車。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 表面硬化処理を施された歯車であって、この歯車に組み合わされる歯車との歯元側歯当たり位置より歯元側から、少なくとも歯元側歯当たり位置まで、少なくとも０．２ｍｍ深さまでの加工硬化層が設けられていることを特徴とする高接触疲労寿命歯車。
【請求項２】 加工硬化層表面の粗さＲmax が３μｍ以下であることを特徴とする請求項１記載の高接触疲労寿命歯車。
【請求項３】 歯車に表面硬化処理を施した後に、この歯車に組み合わされる歯車との歯元側歯当たり位置より歯元側から、少なくとも歯元側歯当たり位置まで、予め実働面圧以上の負荷を与えることを特徴とする高接触疲労寿命歯車の製造方法。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、自動車および工作機械などに用いられる歯車に係わり、特に自動車のトランスミッション等の駆動伝達系に使用される鋼製の高強度歯車に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】自動車の駆動系に用いられる歯車は、一般的に鍛造後、焼きならし、歯切り加工された後に浸炭或いは窒化処理などの表面硬化処理を行い、表面の硬さを上げている。しかし、車両重量の軽量化のための部品サイズの小型化、及びエンジンの高出力化等に伴い、歯車に対する負荷が大きくなり、とりわけ歯面に発生するピッチングに対する疲労強度向上が要求されるようになってきた。
【０００３】歯車のピッチング疲労強度向上に関しては、特開平１−２６４７２７号公報に開示されるように熱処理後にショットピーニングを行い歯車に圧縮残留応力を付与する方法が提案されている。しかし、特開平３−１０７４１８号公報にはショットピーニングにより歯面のピッチング疲労はかえって低下するとの記載もある。また、ショットピーニング後は歯車表面が荒れるため、使用時の騒音問題も有している。
【０００４】歯車表面にＴｉＣ，ＴｉＮなどの硬質皮膜を蒸着させる方法が、特開昭６２−１９９７６５号公報あるいは”日本機械学会論文集（Ｃ編）５９巻５５７号２７２頁（１９９３年）”に報告されている。しかし皮膜成膜時に９５０℃までの再加熱するため、騒音で問題となる熱歪みが生じる。しかし、硬質なセラミックス皮膜が形成されているため、研削等による熱歪みの除去が困難である問題を有している。
【０００５】さらには、ピッチング疲労特性に優れた鋼材として各種鋼材が”特殊鋼４４巻３号３９〜４８頁（１９９５年）”に報告されているが、いずれもＣｒ，Ｍｏ，Ｎｉ等の合金元素を添加、成分調整を行っており、素材コスト高を招くことになる。この様に、高負荷荷重下における歯車のピッチング疲労特性に関して、その疲労強度を向上させる工業的に有益な技術は、未だ見出されていないのが実状である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、自動車のトランスミッション等の駆動伝達系に使用される歯車において、ピッチング疲労強度の優れた高強度歯車を提供せんとするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明では、製造された歯車に単純な負荷を与えることでピッチング疲労特性を飛躍的に向上させる方法であり、その要旨は、（１）表面硬化処理を施された歯車であって、この歯車に組み合わされる歯車との歯元側歯当たり位置より歯元側から、少なくとも歯元側歯当たり位置まで、少なくとも０．２ｍｍ深さの加工硬化層が設けられていることを特徴とする高接触疲労寿命歯車であり、更に、（２）加工硬化層表面の粗さＲmax が３μｍ以下であることを特徴とする（１）記載の高接触疲労寿命歯車である。また、（３）歯車に表面硬化処理を施した後に、この歯車に組み合わされる歯車との歯元側歯当たり位置より歯元側から、少なくとも歯元側歯当たり位置まで、予め実働面圧以上の負荷を与えることを特徴とする高接触疲労寿命歯車の製造方法、にある。
【０００８】
【発明の実施の形態】以下に本発明の実施の形態を詳細に説明する。ピッチング寿命が課題となるのは、歯車の周速が速く、かつ歯車の接触面圧が高い条件下で使用される場合であり、この様な条件下で用いられる歯車では一般に浸炭処理、或いは窒化処理等の表面硬化処理が施されている。
【０００９】組み合わされた歯車において、ピッチングによる剥離は歯底近傍の噛み合い開始部から発生し、歯先方向へ進展する。これは、”浸炭焼入れの実際（１９７９年）日刊工業新聞社刊 Ｐ２２７”に記載されているように、歯元側では接触面圧の移動方向と歯車の滑り方向とが異なり歯面に沿って引張応力が生じるため、歯元側でピッチングが発生すると考えられる。
【００１０】図１に歯車歯面と歯当たり部分の模式図を示す。歯車の噛み合い開始部である歯元側の歯当たり位置をＡ点、歯先側の位置をＢ点とすると、歯車の接触は、Ａ点から始まりＢ点で終了する。近年歯車の使用条件は厳しく接触面圧が高くなり、表面硬化処理が施されていても歯車同士の接触時には塑性変形を生じる状態で使用されることになる。特に、未使用の歯車が初めて歯車と接触するのはＡ点であり、Ａ点は初めて接触面圧を受け、Ａ点近傍の歯面は塑性ひずみを受けて硬化する。Ａ点で歯車同士が接触した後Ａ点からＢ点に荷重点は移行するが、Ａ点以降は加工硬化された歯面上を荷重点が移行することになる。従って、Ａ点近傍において歯面の塑性変形が最大となり、この塑性変形によって発生する歯面に沿った方向の引張応力もＡ点近傍で最も大きくなるる。さらにその後、歯車が繰返し負荷を受けることになっても、常に加工硬化された歯面が接触負荷を受けることになり、Ａ点での塑性変形量が最も大きく、発生する引張応力も高く、Ａ点でピッチングが発生しやすい。
【００１１】そこで、未使用の歯車において、組み合わされる歯車での歯当たり位置であるＡ点に予め負荷を与え、加工硬化させておけば、実際の歯車使用時には常に加工硬化を受けた歯面が負荷を受けることになる。しかし、実際の歯車ではその精度上歯元側歯当たり位置であるＡ点を明確に規定できない。そのため、Ａ点より歯元側から少なくともＡ点まで加工硬化層を設ける必要がある。即ち、本発明は、表面硬化処理を施された歯車であって、この歯車に組み合わされる歯車との歯元側歯当たり位置より歯元側から、少なくとも歯元側歯当たり位置まで、少なくとも０．２ｍｍ深さまでの加工硬化層を設けた高接触疲労寿命歯車である。
【００１２】その加工硬化層が０．２ｍｍより浅いと、その後に所定の歯車と組み合わせて使用した際にＡ点が塑性変形を受けることになり、予め加工硬化層を設けておく効果は小さい。加工硬化層は、歯当たり位置であるＡ点より歯元側からＡ点まで必要であるが、Ａ点を越えて有っても何ら問題ない。但し、加工硬化させることによりＡ点で歯面が荒れるとそこからピッチンングが発生する可能性がある。そこで、加工硬化層表面の荒れによるピッチング疲労寿命の低下を抑制するため、粗さをＲmax３μｍ以下とした。
【００１３】なお、本発明において加工硬化層とは、後述する負荷方法によってビッカース硬さで３０ポイント以上硬化した部分とする。硬化量が少ないと、実働時にＡ点において塑性変形により生じる引張応力が大きくなり、ピッチング寿命が向上せず、また、ビッカース硬さはバラツキもあることから、硬化量は３０ポイント以上とする。
【００１４】未使用の歯車への初期負荷、即ちＡ点より歯元側から予めかける負荷が実働面圧より小さいと、歯面に与えられる加工硬化が小さく、実働時にＡ点はさらに塑性変形を受けることになり、予め負荷をかける効果が無いからである。予め負荷する位置をＡ点より歯元側から少なくともＡ点までとするのは、実歯車ではその精度上Ａ点を明確に規定できないこと、及び予め負荷を与える際の精度を考慮し、ＡＡ点が必ず加工硬化される様にするためである。
【００１５】なお硬化層を得るための方法は、プレス等により歯当たり位置Ａ点より歯元側に負荷した後に、その負荷を歯面に沿って滑らせて負荷を与えていく方法、またプレス等により、負荷を断続的に逐次歯元側から歯先側へ与える方法などがある。さらに、歯元側歯当たり位置より少なくとも歯元側に接触位置を有する歯車と組み合わせる予め接触駆動させることにより加工硬化層を設ける方法も考えられる。
【００１６】
【実施例】用いた歯車の材質はＳＣｒ４２０であり、浸炭焼入れ焼戻し処理を行ってる。歯車形状はモジュール４、圧力角２０゜、仕上げ精度はＪＩＳ０級、ないし１級の歯車である。駆動側歯車は、歯数２１，ピッチ円直径φ８４，歯幅１０ｍｍであり、受動側歯車は、歯数２９，ピッチ円直径φ１１６，歯幅２２ｍｍである。各歯車とも浸炭焼入れ焼戻し後、歯切り加工、研削工程を経て作られており、表面粗さはＲmax ２μｍ前後である。
【００１７】ピッチング疲労試験は動力循環式歯車試験機により行い、ピッチング寿命の判定は、一定時間毎にピッチング損傷している面積を測定し、面積率で３％に達した時点を寿命とした。疲労試験は駆動側歯車回転数４０００ｒｐｍ、潤滑にはオートマチックミッション用オイルを用い、給油量は歯車のかみ込み側から２．２１/minとし、油温は約４０℃で行った。歯車の接触面圧計算はヘルツの式を用いた。
【００１８】本歯車試験機に駆動側、及び受動側歯車を設置し１，６００ＭＰａの面圧で疲労試験を行った結果、１．０×１０７回でもピッチングは発生しなかった。ところが、２，１００ＭＰａの高面圧下で疲労試験を行った結果が表１の比較例１であり、ピッチング寿命は１．８×１０６回と短く、駆動側歯車からピッチング損傷していた。そして、比較例１での駆動側歯車の歯面接触跡から歯車の歯元側歯当たり位置であるＡ点、及び歯先側のＢ点位置を決定した。
【００１９】加工硬化層を得るためには、φ０．５〜φ１０．０の超硬製ピンを用い、ピンの両端にベアリングを設けた治具と、荷重制御可能なプレス機で負荷を与えた。Ａ点より歯元側の所定の位置に超硬ピンで負荷した後、歯面に沿って超硬ピンを転がしながら負荷し、ピンを歯先側へ滑らせた。その際、ピンと歯面に油を塗布した。これにより、超硬ピンは歯面に転がりながら負荷を連続的に付与させている。
【００２０】研削ままでの歯車の硬さはマイクロビッカース硬度計（ＭＨｖ）５０ｇで測定し、表面でＭＨｖ７０４，深さ０．２ｍｍ位置でＭＨｖ６９８であり、ＭＨｖ７００前後であった。加工硬化層の確認は、Ａ点より０．４ｍｍ歯元側位置、Ａ点位置において表面、及び深さ０．２ｍｍでの硬さ測定した。表１に本発明例１〜６と比較例１〜７で硬さ分布、Ａ点での表面粗さ、疲労試験結果を示す。
【００２１】
【表１】
【００２２】本発明例１〜５は加工硬化層がＡ点位置より０．４ｍｍ歯元側からＡ点位置まである。本発明例６，及び本発明例７は、加工硬化層がＡ点位置より０．４ｍｍ歯元側からＡ点位置より０．４ｍｍ歯先側まである。また、いずれもＡ点での粗さはＲmax ３μｍ以下であり、ピッチングは１．０×１０７回まで発生しなかった。そこで、疲労実験は１．０×１０７回で中止して表中には≧１０で表記した。
【００２３】これに対し、比較例１〜３は加工硬化層を持たないためピッチング寿命は２．２×１０６回以下と短い。比較例４は、Ａ点より０．４ｍｍ歯元側において深さ０．１ｍｍではＭＨｖ７３０あるものの、深さ０．２ｍｍでＭＨｖ７１５であり、加工硬化層が薄くなっている。この比較例４でのピッチング寿命も２．２×１０６回と短かい結果であった。比較例５，及び比較例６はＡ点より歯先側に加工硬化層が有るのの、Ａ点位置より０．４ｍｍ歯元側では加工硬化層が無い場合であり、これらのピッチング寿命は４．４×１０６回以下であり、本発明例の半分以下であった。
【００２４】比較例７は、研削後歯車にショットピーニングを行って加工硬化層を得た物である。加工硬化を施す部分であるＡ点位置より０．４ｍｍ歯元側からＡ位置より０．４ｍｍ歯先側にショット玉が照射されるように他はゴムによるマスキングを施してショットピ−ニングを行った。ショットピーニング条件は、φ０．８のショット玉を用いアークハイト０．６ｍｍＡで実施した。
【００２５】表１には比較例７での粗さが示されているが、ショット後は歯面が荒れるためＲmax １２．５であり、疲労試験でのピッチング寿命も３．１×１０６回と短い。表２には加工硬化層を得るための超硬ピン押し付け位置と押し付け時の面圧を示す。
【００２６】
【表２】
【００２７】本発明例ではいずれもＡ点位置より歯元側から押し付けを開始しており、押し付け荷重も疲労試験での負荷面圧より多くなるように設定した。押し付けは、Ａ位置及びＡ点位置より歯先で徐荷するようにした。表２より、本発明例７〜１１では１．０×１０７回でもピッチングが発生しなかった。比較例８は押し付けを行わない場合であり、ピッチング寿命は１．９×１０６回であった。比較例９，及び比較例１０は押し付け位置は本発明例７〜１１と同じであるが、負荷面圧が疲労試験時の面圧より低い場合であり、いずれもピッチング寿命は１．８×１０６回、１．８×１０６回と短かった。比較例１１，比較例１２は押し付け開始位置がＡ点、及びＡ点より０．２ｍｍ歯先からの場合であり、本発明例に比べピッチング寿命が半分以下であった。
【００２８】
【発明の効果】本発明では、未使用の歯車に単純な負荷を与えることにより、使用時のピッチング寿命を飛躍的に向上することができる。このことは歯車の受ける負荷荷重を増大できる、或いは歯車自体の小型軽量化が可能となり、歯車を多く用いる自動車、建築用機械の小型軽量化を実現し、燃費改善など多大の効果をもたらす。
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| 【出願人】 |
【識別番号】０００００６６５５
【氏名又は名称】新日本製鐵株式会社
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| 【出願日】 |
平成１０年（１９９８）２月１３日 |
| 【代理人】 |
【弁理士】
【氏名又は名称】石田 敬 （外３名）
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| 【公開番号】 |
特開平１１−２３０３１２ |
| 【公開日】 |
平成１１年（１９９９）８月２７日 |
| 【出願番号】 |
特願平１０−３１６８９ |
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