| 【発明の名称】 |
複合歯車 |
| 【発明者】 |
【氏名】小方 智寿
【氏名】永吉 英昭
【氏名】五家 政人
【氏名】吉田 敏樹
【氏名】遠藤 誠一
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| 【要約】 |
【課題】歯部を高強度として信頼性が向上し、高減衰能として運転時の騒音を低下し、また適切な幅にして所定空間に納めることができ、自動車用デーゼルエンジンのタイミングギヤに適用できる複合歯車を得る。
【解決手段】歯部を鋼材とし、ボス部を片状黒鉛鋳鉄材、バーミキュラ鋳鉄材、または球状黒鉛鋳鉄材の何れかよりなる高減衰能材とし、歯部とボス部とを摩擦圧接して、摩擦圧接部の主要部を軸方向断面視で略平行またはテーパとする。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 歯部を鋼材とし、ボス部を高減衰能材とし、前記歯部とボス部とを摩擦圧接して得られることを特徴とする複合歯車。
【請求項２】 前記摩擦圧接の主要部が軸方向断面視で略平行であることを特徴とする請求項１に記載の複合歯車。
【請求項３】 前記摩擦圧接の主要部が軸方向断面視でテーパであることを特徴とする請求項１に記載の複合歯車。
【請求項４】 前記ボス部が、片状黒鉛鋳鉄材、バーミキュラ鋳鉄材、または球状黒鉛鋳鉄材の何れかよりなることを特徴とする請求項１乃至請求項３何れか１項に記載の複合歯車。
【請求項５】 前記複合歯車が、自動車用デーゼルエンジンのタイミングギヤであることを特徴とする請求項１乃至請求項４何れか１項に記載の複合歯車。
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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、特にエンジンやモータ等において高速回転で使用され、ひとつの歯車において異材質を組み合わせた複合歯車に関する。
【０００２】
【従来の技術】自動車用ディーゼルエンジンのタイミングギヤなど、高速回転で使用される歯車には、従来炭素鋼や合金鋼などが使用されていた。しかしこれらの材料は減衰能が低いため、歯車どうしを組み合わせて使用する場合にその騒音が大きくなってしまう。このような騒音を低下させる手段が研究されてきていた。
【０００３】例えば、炭素鋼や合金鋼に比べて減衰能が高い材料により歯車を製造するものとして、「自動車技術，Ｖｏｌ．５０，Ｎｏ．５，１９９６．２３〜２８頁」には、「オーステンパ球状黒鉛鋳鉄 タイミングギヤの開発」と題して、ダクタイル鋳鉄をオーステンパ処理して歯車を製造する記載がある。これによれば、従来の鋼材による歯車と同等の強靭性を確保しつつ、低振動、低騒音の実現が可能であるとしている。
【０００４】また、歯車を軸に取り付ける際に、歯車と軸との間に減衰能の高い材料を介在させることにより騒音を低下させるものが、実開昭６１−１９８７６３号公報、実開昭６２−１３１１５５号公報等に開示されている。
【０００５】また、単一材料により一体成形される歯車ではなく、複数の異種材料の部品を組み合わせる複合歯車の研究もされてきている。例えば、歯部を強度に優れた炭素鋼などの材料とし、ボス部を減衰能の高い鋳鉄などの材料として組み合わせものが、実開昭６０−７３９６２号公報に記載されている。
【０００６】一方、特開平６−１０９１０１号公報には、Ｃｕ合金からなる歯部と中空または中実の軸部とを摩擦圧接する軸一体型歯車の開示がある。これによれば、短時間で接合でき、接合強度の優れた、油圧機械、工作機械などの各種産業機械における機械構造用鋼、工具鋼などと摺動する耐摩耗Ｃｕ合金製歯車になるとしている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従来の歯車においては以下に述べる問題点があった。まず、ダクタイル鋳鉄をオーステンパ処理して歯車を製造すると、歯車強度の向上は図られているものの、疲労強度や衝撃強度の関してはその効果が少ないことがあり、適用範囲が限定されてしまうことがある。
【０００８】また、歯車と軸との間に減衰能の高い材料を配置すると、部品の増加に伴い、加工や組立の工数も増大する。
【０００９】また、従来の複合歯車は、歯部とボス部とを焼き嵌めにより組み合わせることが一般的であることから、両者の嵌合部に高い加工精度が要求され、製造コストが高くなることがある。
【００１０】一方、前記特開平６−１０９１０１号公報に記載の歯車は、耐摩耗性はあるが、高強度ではなく、また同公報に記載はないがまだまだ減衰能が不足する。また通常、摩擦圧接は接合する両部材の端面を突き合わせて行われるが、突き合わせると歯車の幅が広くなって、所定空間に納めることが困難となる場合がある。
【００１１】本発明の課題は、上記従来の課題に対してなされたもので、歯部を高強度として信頼性が向上し、高減衰能として運転時の騒音を低下し、また適切な幅にして所定空間に納めることができ、例えば、自動車用デーゼルエンジンのタイミングギヤに適用できる複合歯車を得ることにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】本発明者らは、上記課題について鋭意研究した。そして、歯部を鋼材とし、ボス部を片状黒鉛鋳鉄材、バーミキュラ鋳鉄材、球状黒鉛鋳鉄材の何れかの高減衰能材として、歯部とボス部とを摩擦圧接することにより、歯部が高強度となって信頼性が向上され、またボス部が高減衰能となって運転時の騒音が低下でき、また適切な幅として所定空間に納めることができ、自動車用デーゼルエンジンのタイミングギヤに適用できる複合歯車が得られるとの知見を得て本発明に想到した。
【００１３】すなわち、本発明は、歯部を鋼材とし、ボス部を高減衰能材とし、前記歯部とボス部とを摩擦圧接して得られることを特徴とする。
【００１４】そして、摩擦圧接部の主要部が軸方向断面視で略平行であることを特徴とする。
【００１５】または、摩擦圧接部が軸方向断面視でテーパであることを特徴とする。
【００１６】そして、前記ボス部が、片状黒鉛鋳鉄材、バーミキュラ鋳鉄材、または球状黒鉛鋳鉄材の何れかよりなることを特徴とする。
【００１７】また、前記複合歯車が、自動車用デーゼルエンジンのタイミングギヤであることを特徴とする。
【００１８】摩擦圧接により複合歯車とすれば、摩擦圧接前の加工などの処理が簡単であり、また接合強度が大きくなって信頼性が高くなる。
【００１９】歯部を鋼材とすれば、摩擦圧接前または摩擦圧接後に高周波焼入れなどの熱処理が容易に行え、歯車の用途に応じた歯元強度や硬度などの機械的特性を付与させることができる。
【００２０】ボス部を、片状黒鉛鋳鉄材、バーミキュラ鋳鉄材、または球状黒鉛鋳鉄材の何れかとすれば、高減衰能を有する複合歯車となる。例えば、片状黒鉛鋳鉄材の減衰能は炭素鋼（Ｓ４５０Ｃ）の約１０倍であり、大きな減衰効果すなわち騒音抑制効果が得られる。また、バーミキュラ鋳鉄材、球状黒鉛鋳鉄材の減衰能は炭素鋼（Ｓ４５Ｃ）の約２倍であって片状黒鉛鋳鉄よりも劣るが、引張強度は片状黒鉛鋳鉄の２倍以上であることから、強度が必要とされる場合に使用することが好ましい。
【００２１】摩擦圧接は固相接合であり発熱を少なくして接合できるので、ボス部として片状黒鉛鋳鉄材、バーミキュラ鋳鉄材、球状黒鉛鋳鉄材などの高炭素材を使用する場合に、この高炭素材の組織内にセメンタイトを生成することが少なく、接合部の引張強さおよび疲労強度が、高炭素鋼材の母材と同等またはそれ以上にすることができる。
【００２２】摩擦圧接部が軸方向断面視で略平行またはテーパとすれば、歯車を適切な幅にして所定空間に納めることができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】（実施の形態１）図１は、鋼材からなる歯部２と、高減衰能材からなるボス部３とを接合させ、その接合部１ｃを軸心方向断面視で略平行に形成した複合歯車１の断面図であり、（ａ）は摩擦圧接前、（ｂ）は摩擦圧接後を示す。図１（ａ）の摩擦圧接前、鋼材からなる歯部２は、幅２ｂ、内径２ｄで、外周２ａに多数の歯２ｔを形成している。一方、高減衰能材からなるボス部３は、歯部２の幅２ｂと同じとした幅３ｂで、外径３ｄ、内径３ｇとしている。そして、ボス部３の外径３ｄは、歯部２の内径２ｄより若干大きく、例えば内径２ｄが５０ｍｍの場合、外径３ｄを＋０．１〜＋１．５ｍｍ大きくしている。
【００２４】図３は摩擦圧接装置５の要部側面図であり、６は主軸、７はスライド、８は電動機、９はブレーキである。摩擦圧接は次のとおり行う。まず、歯部２の外周２ａを主軸６のチャック６ａで締めて取り付け、ボス部３の内径３ｇをスライド７のチャック７ａで締めて取り付ける。次に、電動機８を回転してこの回転力を主軸６に伝達し、主軸６を回転させつつスライド７を主軸６側（図で左側）に移動して、歯部２の内径２ｄ右端面２ｈと、ボス部３の外径３ｄ左端面３ｉを接触させて摩擦発熱させる。そして、歯部２の左端面２ｉにボス部３の左端面３ｉが到着するまでスライド７を移動させ、摩擦発熱を継続させる。この摩擦発熱工程後、ブレーキ９により主軸６を急停止させ、アプセット工程でさらに金属的に結合させる。これにより、図１（ｂ）のように、軸方向断面視で接合面１ｃの主要部が略平行となり、接合面１ｃの面積が大きく、歯部２が高強度で信頼性を有し、またボス部３が高減衰能材のため運転時の騒音が低下し、さらに幅１ｂを適切に小さくして所定空間に納めることができる複合歯車となる。
【００２５】なお、歯部２の多数の歯２ｔを摩擦圧接前に形成した例を示したが、加工代を付与して摩擦圧接後に、歯１ｔ、幅１ｂ、その他ボス部が嵌合する軸孔、キー溝などを形成しても良く、また、歯部２とボス部３の摩擦圧接装置５での主軸６またはスライド７への取り付けは適宜選択できる。
（実施の形態２）図２は、鋼材からなる歯部２と高減衰能材からなるボス部３３とを接合させ、その接合部４を軸心方向断面視でテーパに形成した複合歯車１の断面図であり、（ａ）は摩擦圧接前、（ｂ）は摩擦圧接後を示す。図２（ａ）の摩擦圧接前、鋼材からなる歯部２は、幅２ｂ、内径を２ｅから２ｆと次第に大きいテーパとし、外周２ａに多数の歯２ｔを形成している。一方、高減衰能材からなるボス部３は、歯部２の幅２ｂと同じとした幅３ｂで、外径を３ｅから３ｆと次第に大きいテーパとしている。そして、ボス部３の外径３ｅから３ｆは、歯部２の内径２ｅから２ｆより若干大きく、例えば内径２ｅが５０ｍｍ、内径２ｆが５５ｍｍの場合、外径３ｅおよび外径３ｆをそれぞれ＋０．１〜＋１．５ｍｍ大きくしている。
【００２６】摩擦圧接は、前記実施の形態１と同様に図４の摩擦圧接装置５により行う。まず、歯部２の外周２ａを主軸６のチャック６ａで締めて取り付け、ボス部３の内径３ｇをスライド７のチャック７ａで締めて取り付ける。次に。電動機８を回転してこの回転力を主軸６に伝達し、主軸６を回転させつつスライド７を主軸６側（図で左側）に移動して、歯部２の内径２ｅ〜２ｆと、ボス部３の外径３ｅ〜３ｆ間で接触させて摩擦発熱させる。そして、歯部２の左端面２ｉまでボス部３の左端面３ｉが到着するまで、スライド７を移動させ、摩擦発熱を継続させる。この摩擦発熱工程後、ブレーキ９により主軸６を急停止させ、アプセット工程でさらに金属的に結合させる。これにより、図２（ｂ）のように、軸方向断面矢視で接合面１ｄの主要部がテーパ５となり、接合面１ｄの面積が大きく、歯部２が高強度で信頼性を有し、またボス部３が高減衰能で運転時の騒音が低下し、さらに幅１ｂを適切に小さくして所定空間に納めることができる複合歯車となる。
【００２７】
【実施例】モジュール２．５、歯数５０枚、ピッチ円直径１２５、歯幅２５ｍｍで表１に示す平歯車を作製した。表１で、実施例１は、歯部をＳ４５Ｃ、ボス部を片状黒鉛鋳鉄材（ＪＩＳ）ＦＣ２００として、前述の実施の形態１により、摩擦圧接後の歯部とボス部の接合面の主要部が軸方向断面視で略平行として作製した複合歯車、実施例２は、歯部をＳ４５Ｃ、ボス部をバーミキュラ黒鉛鋳鉄材（ＪＩＳ）ＦＣＶ３００として、前述の実施の形態１により、摩擦圧接後の歯部とボス部の接合面の主要部が軸方向断面視で略平行として作製した複合歯車、実施例３は、歯部をＳ４５Ｃ、ボス部を球状黒鉛鋳鉄材（ＪＩＳ）ＦＣＤ３７０として、前述の実施の形態２により、摩擦圧接後の歯部とボス部の接合面の主要部が軸方向断面視でテーパとして作製した複合歯車である。一方、比較例１は歯部とボス部を複合した複合歯車でなく、Ｓ４５Ｃ一体の歯車である。
（表１）
歯部 ボス部 接合方法 接合部軸方向断面 実施例１ Ｓ４５Ｃ ＦＣ ２００ 摩擦圧接 略平行 実施例２ Ｓ４５Ｃ ＦＣＶ３００ 摩擦圧接 略平行 実施例３ Ｓ４５Ｃ ＦＣＤ３７０ 摩擦圧接 テーパ 比較例１ Ｓ４５Ｃ 一体【００２８】次に、歯部２に加速度ピックアップセンサを貼付したうえで、その対向部をインパルスハンマで打撃して衝撃を与え、時間経過に対する電圧値とインパルスの比の振動波形を計測することにで減衰能を測定した。その結果を図４〜図７に示す。
【００２９】図４で、歯部をＳ４５Ｃ、ボス部をＦＣ２００として摩擦圧接した複合歯車は、約０．０５秒で振動波形が収束されている。図５で、歯部をＳ４５Ｃ、ボス部をＦＣＶ３００として摩擦圧接した複合歯車は、約０．１３秒で振動波形が収束されている。図６で、歯部をＳ４５Ｃ、ボス部をＦＣＤ３７０として摩擦圧接した複合歯車は、約０．１３秒で振動波形が収束されている。一方、図７で、歯部とボス部がＳ４５Ｃ一体の歯車は、約０．２秒で振動波形が収束されている。以上の結果から、実施例１〜３の複合歯車は、減衰が速くて振動の抑制効果があり減衰能に優れている。そして、実施例１〜３の複合歯車は、自動車用デーゼルエンジンのタイミングギヤに使用して騒音が抑制される。
【００３０】
【発明の効果】本発明の複合歯車によれば、歯部を高強度として信頼性を向上し、ボス部を高減衰能として運転時の騒音を低下できて、また幅を適切に小さくして所定空間に納めることができる。そして、このような複合歯車は自動車用デーゼルエンジンのタイミングギヤに適用できる。
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| 【出願人】 |
【識別番号】０００００５０８３
【氏名又は名称】日立金属株式会社
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| 【出願日】 |
平成１１年１０月２２日（１９９９．１０．２２） |
| 【代理人】 |
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| 【公開番号】 |
特開２００１−１２４１８０（Ｐ２００１−１２４１８０Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１３年５月８日（２００１．５．８） |
| 【出願番号】 |
特願平１１−３０１２６７ |
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