JP2013036500A - コンケーブテーパコニカル歯車 - Google Patents

Abstract

【課題】歯面が中凹であるとともに歯筋方向において歯厚断面が先細りになるようにテーパが施されるテーパリード状であり、かつ、歯筋方向における歯丈寸法を一定にすることによって、歯元近傍における曲げ疲労強度を向上させるようにしたコンケーブテーパコニカル歯車を提供することを目的とする。
【解決手段】斜交軸を介して噛合い、かつ、歯面の歯筋方向における歯底径およびＭｉｎｏｒ Ｔ．Ｉ．Ｆ．径が一定であることを特徴とするコンケーブテーパコニカル歯車である。
【選択図】図８

Description

本発明のコンケーブテーパコニカル歯車は、外観的には歯先面が軸に対して平行、或いは歯先面が軸に対して傾斜した円錐状である。歯車軸の関係位置から言えば傘歯車では軸同士が直交するのに対して本発明のコンケーブコニカル歯車は、斜交軸を介して相方の歯車と噛合う。自動車、船舶等のトランスミッションの動力伝達に一部採用されているに過ぎない。歯形から言えば、本発明のコンケーブテーパコニカル歯車は、歯面が中凹のコンケーブ歯車と、歯厚の断面が歯筋方向において次第に先細りになるテーパリード歯車とを合体したもので、かつ、歯底径が歯筋方向において一定である。実用面では、本発明のコンケーブコニカル歯車は、前輪駆動（ＦＷＤ）或いは後輪駆動（ＲＷＤ）をベースにした全輪駆動（ＡＷＤ）の自動車に採用され、動力伝達部位に斜交軸を実現することによってトランスミッションからデファレンシャルまでのスパンをコンパクトにしてプロペラシャフトを短軸化し、その結果駆動輪のスピンターンを可能とし小回りの旋回が利くスポーツ車には最適であると思われる。

本論に入る前に歯車用語について、ヘリカル歯車を例にして図９を参照しながら説明する。歯形を拡大して斜視図として示し、各部位の名称を以下の通り定義する。ヘリカル歯１は、符号Ａ〜Ａ’間で示す歯先面１１、その左右に符号Ａ〜Ｂ間で示す歯面１２、符号Ｂ〜Ｂ’間で示す歯底面１３、他に歯端面１４および歯元１６から構成される。ここで、符号Ａ、Ａ’は歯車同士の噛み合い始めと終わりの点で、歯面１２と歯先面１１との境界点であり、また符号Ｂ、Ｂ’は歯車同士の噛み合い始めと終わりの点で歯元１６に相当し、歯面１２と歯底面１３との境界点である。歯面の符号Ａ〜Ｂ間に噛み合いピッチ点Ｐがあり、夫々の歯形の噛み合いピッチ点Ｐを結ぶ円弧が噛み合いピッチ円径（Ｍａｔｉｎｇ Ｐｉｃｈ Ｃｉｒｃｌｅ Ｄｉａ）で、以下ＰＣＤと称する。また、歯底面１３の符号Ｂ、Ｂ’間の最も凹んだ点を符号Ｄとし、夫々の歯形の符号Ｄ点を連続して結ぶ円弧を歯底径Ｒと称する。また、夫々の歯元の符号Ｂ、Ｂ’を連続して結ぶ円弧が最小噛み合いインボリュート径（Ｍｉｎｏｒ Ｔｒｕｅ Ｉｎｖｏｌｕｔｅ Ｆｉｌｌｅｔ Ｄｉａ）で、以下Ｍｉｎｏｒ Ｔ．Ｉ．Ｆ．径と称する。ところで、他に類似の刻みピッチ円径という用語があって、これは歯車固有のもので歯車単体の歯数に軸直角モジュールを乗じたもので、相手の歯車とは関係ない個別の用語である。これに対して、噛合いＰＣＤは、噛み合う相互歯車の中心間距離を歯数比の逆比率で配分した点を連続して結んだ線であり、この噛合いＰＣＤ上の噛み合いピッチ点Ｐにおいて、歯車同士が噛み合って転がり運動によって相互の歯車が回転し、滑り運動は生じない。この噛み合いピッチ点Ｐにおいて歯車同士が噛み合う際に面圧が最も高くなり、延いてはピッチング等の微小な剥離が生じて歯車の寿命を短縮する。他に、最小曲率半径とは、噛み合いピッチ点Ｐの近傍を構成する複数の曲面の中で、夫々の曲率半径の最小のものをいう。また、歯元の符号Ｂと歯底の符号Ｄとの間の曲面を歯元近傍と呼ぶ。

ところで、直交軸又は斜交軸上で相互に噛合う１対の歯車を、夫々の軸に取り付け、これらの歯車の歯面の相互の噛合いを介して、これらの軸間において回転の伝達を行うようにすることは、一般的に広く行われている。例えば、直交軸を介して噛合う場合は、傘歯車、インボリュート傘歯車、コンケーブコニカル歯車、コンケーブテーパコニカル歯車、コンケーブコニカルインボリュート歯車、テーパコニカル歯車等がある。しかしながら、この直交軸を介して噛合う場合は、自動車のプロペラシャフトが長くなって小回りが効かないのでスポーツカーには向かない。一方、斜交軸を介して噛合う場合は、プロペラシャフトが短軸化されスピンが効くのでスポーツカーにとって理想的である。そのために、コンケーブテーパコニカル歯車が開発され、これを全輪駆動車に実現しようとする動きがある。この歯車は、歯面が中凹のクラウニングで、かつ、歯厚断面が歯筋の方向において先細りのテーパリードの歯車である。そして、このコンケーブテーパコニカル歯車は、ホブ或いはシェーバ加工によって歯形が形成されたものである。そのため、加工手法が原因して歯底が歯筋方向で変化し、歯筋の手前から奥になるに従って歯底が斜めに深く削られる。このコンケーブテーパコニカル歯車によると、歯筋方向において歯底径およびＭｉｎｏｒ Ｔ．Ｉ．Ｆ．径が一定とはならない。従って、このような従来のコンケーブテーパコニカル歯車では、歯先面から歯底面までの高さの歯丈が歯筋方向で変化して高くなるので、歯元近傍での曲げ応力が大きくなり、自動車の動力伝達用の歯車としては致命的である。しかも、現在ではホブ或いはシェーバによる加工手段を採用したコンケーブコニカル歯車の専用加工機は開発されていないので、コンケーブテーパコニカル歯車を量産的に得ることは困難であり、自動車用途の歯車としては実現性に乏しい。

一方、交差軸又は食い違い軸間で噛合うコンケーブ円すい歯車に関し、以下のような提案がなされている。はすばコンケーブ円すい形歯車を製造するには、すぐばコンケーブ円すい形歯車における関係式をそのまま適用することができず、試行錯誤的な加工によっては、所定のコンケーブ歯面を確実に得ることが困難であった。そこで、この課題を解決するために、はすばコンケーブ円すい形歯車の製造方法を考案し、この方法でつくられる歯車についての解析を行い、歯車諸元や主曲率半径とラック型回転工具のピッチ円半径やねじれ角との関係を明らかにし、歯面間の接触を線接触に近づけて歯当たり面積を広げることにより、より大きな動力の伝達が可能で、しかも、動力伝達が滑らかで歯車騒音を小さくできるはすばコンケーブ円すい形歯車を提供するものである。

特許第３５７７４２２号

以上の通りであって、まとめると従来のコンケーブコニカル歯車には以下のような問題点がある。

従来のコンケーブテーパコニカル歯車は、歯底径ＲおよびＭｉｎｏｒ Ｔ．Ｉ．Ｆ．径が一定ではなく、かつ、歯厚の断面が歯筋の手前から奥になるにつれて先細りになる。さらに、このようなコンケーブコニカル歯車では、歯筋方向において歯丈が高くなるとともに歯厚の断面が細くなるので歯元近傍で曲げ応力が大きくなり、動力伝達用の歯車としては致命的となる。しかも、未だに、ホブ或いはシェーバ等によるコンケーブコニカル歯車の歯切り専用機が開発されておらず、コンケーブテーパコニカル歯車を量産的に得ることが困難であり、従来のコンケーブテーパコニカル歯車は一部メーカ（ベンツ社、ＢＭＷ社）の自動車にしか採用されていない。

そこで、本願発明は以上のような課題に着目してなされたもので、歯面が中凹であるとともに歯筋方向において歯厚断面が先細りになるようにテーパが施されるテーパリード状であり、かつ、歯筋方向における歯丈寸法を一定にすることによって、歯元近傍における曲げ疲労強度を向上させるようにしたコンケーブテーパコニカル歯車を提供することを目的とする。

ＮＣ加工技術を駆使することによって、歯底径および一定に延いてはＭｉｎｏｒ Ｔ．Ｉ．Ｆ．径を一定にできる金型に辿り着き、これを出願人が得意とする半密閉鍛造成形工法に適用する着想へと展開した。近年ではＮＣ加工技術の進歩によって如何なる形状のコニカル歯車の金型をも得ることができる。コニカル歯車の形状を変えた金型の試行錯誤を繰り返し、これに基づきコンケーブテーパコニカル歯車を試作したところ、歯底径を一定に延いてはＭｉｎｏｒ Ｔ．Ｉ．Ｆ．径を一定にできるという知見を得た。そして、曲げ疲労強度を向上させた斜交歯車を実現させた。本願発明はかかる知見を基に具現化したもので、請求項１の発明は、斜交軸を介して噛合い、かつ、歯面の歯筋方向における歯底径およびＭｉｎｏｒ Ｔ．Ｉ．Ｆ．径が一定であることを特徴とするコンケーブテーパコニカル歯車である。請求項２の発明は、前記請求項１の特徴に加えて、前記歯面は、インボリュートヘリコイド曲面、サイクロイドヘリコイド曲面、トロコイドヘリコイド曲面、円弧ヘリコイド曲面、リマソンヘリコイド曲面、三次元座標曲面、エピトロコイドヘリコイド曲面、ペリトロコイドヘリコイド曲面の夫々単独の曲面から構成され、かつ、前記歯筋方向において歯厚断面が先細りになるテーパリード状に形成されることを特徴とするコンケーブテーパコニカル歯車である。請求項３の発明は、前記請求項１の特徴に加えて、前記歯面は、インボリュートヘリコイド曲面、サイクロイドヘリコイド曲面、トロコイドヘリコイド曲面、円弧ヘリコイド曲面、リマソンヘリコイド曲面、三次元座標曲面、エピトロコイドヘリコイド曲面、ペリトロコイドヘリコイド曲面の夫々単独の曲面から構成され、かつ、前記歯筋方向において前記歯面に中窪みのクラウニングが施されることを特徴とするコンケーブテーパコニカル歯車である。請求項４の発明は、前記請求項１の特徴に加えて、前記歯面は、インボリュートヘリコイド曲面、サイクロイドヘリコイド曲面、トロコイドヘリコイド曲面、円弧ヘリコイド曲面、リマソンヘリコイド曲面、三次元座標曲面、エピトロコイドヘリコイド曲面、ペリトロコイドヘリコイド曲面の夫々単独の曲面から構成され、かつ、前記歯筋方向において歯厚断面が先細りになるテーパリード状に形成されるとともに、前記歯筋方向において前記歯面に中窪みのクラウニングが施されることを特徴とするコンケーブテーパコニカル歯車である。請求項５の発明は、前記請求項１の特徴に加えて、歯先面が軸方向に対して円錐状であることを特徴とするコンケーブテーパコニカル歯車である。請求項６の発明は、前記請求項１の特徴に加えて、歯先面が軸方向に対して平行であることを特徴とするコンケーブテーパコニカル歯車である。請求項７の発明は、前記請求項１の特徴に加えて、半密閉鍛造成形によって歯が形成されることを特徴とするコンケーブテーパコニカル歯車である。

コニカル歯車の歯形状に、歯面に中凹みを有するとともに歯厚の断面が歯筋方向において薄くなるテーパリードの歯面を適用させ、かつ、歯底径およびＭｉｎｏｒ Ｔ．Ｉ．Ｆ．径を一定にすることによって、歯底面における応力集中を回避して曲げ疲労強度を改善した。一方、生産性からは、半密閉鍛造成形工法を採用することによって、如何なる形状を有する歯面形状をも実現し、量産を可能とした。この歯面形状を有するコンケーブテーパコニカル歯車を全輪駆動（ＡＷＤ）の自動車に採用することによって、動力伝達部位に斜交軸を実現してトランスミッションからデファレンシャルまでのスパンをコンパクトにしてプロペラシャフトを短軸化し、その結果駆動輪のスピンターンを可能とし小回りの旋回が利くスポーツ車に有効等の効果を奏する。

本発明の実施例における中凹かつテーパリードのコニカル歯車を示す斜視図である。 同上、第一の製造方案であり冷間鍛造により歯を成形する工程図である。 同上、第二の製造方案であり熱間鍛造で歯を荒成形し、次いで冷間鍛造歯を仕上げ成形する工程図である。 同上、冷間鍛造によって歯形を鍛造するための金型図である。 同上、横パンチの詳細説明図である。 同上、歯先面にテーパを施したテーパリード歯形の斜視図である。 同上、歯面に中凹を施した中凹クラウニング歯形の斜視図である。 同上、中凹かつテーパリードのコニカル歯車の歯面形状を示す拡大図である。 歯車用語の説明図である。

本願発明の実施の形態を、添付図面に例示した本願発明の実施例に基づいて以下に具体的に説明する。

本実施例は、スパー歯車又はヘリカル歯車を対象とし、図１〜７を参照しながら説明する。図１は、中凹で、かつ、テーパリードのコニカル歯車を示す斜視図である。図２は、第一の製造方案であり冷間鍛造により歯を成形する工程図である。図３は、第二の製造方案であり熱間鍛造で歯を荒成形し、次いで歯を冷間鍛造で仕上げ成形する工程図である。図４は、冷間鍛造によって歯形を下げ鍛造するための金型図である。図５は、横パンチの詳細説明図である。図６は、歯先面にテーパを施したテーパリード歯形の斜視図である。図７は、歯面に中凹を施した中凹クラウニング歯形の斜視図である。

本実施例におけるコンケーブコニカル歯車の代表的な例を図１に示し、以下に歯車の各部の名称を説明する。コンケーブコニカル歯車Ｗは、外周に円錐状に形成されたヘリカル歯１の周列、内側にボス５、その中を軸方向に軸孔３が貫通する。ヘリカル歯１は、歯筋方向に歯先面１１、その左右に歯面１２、これらを立ち上げる歯底面１３および歯筋方向上下の歯端面１４および歯元１６から構成される。ここで、歯先面１１から歯底面１３までの距離を歯丈１５と称し、本実施例の歯丈寸法は、歯筋方向において変化が無く一定である。即ち、歯底径が歯筋方向において一定である。本図では、歯先面は軸に対して傾斜した円錐形の場合を示したが、歯先面が軸に対して平行な場合もある。なお、ヘリカル歯１の歯面形状の詳細については後述する。

本実施例のコンケーブコニカル歯車の製造プロセスを、図２および図３の工程図に基づき説明する。二つの方案によって歯を形成し、第一の方案では冷間鍛造によって仕上げの歯出し成形を行い、第二の方案では熱間鍛造によって荒歯を成形し、次いで冷間鍛造によって仕上げの歯出し成形を行う。先ず、第一の方案について図２を参照して説明する。先ず、図２の工程（１）に示すように、クラッチ歯車に適した円柱の素材Ｗ１を、工程（２）のように所定の軸長に例えばビレットシャーによって切断した円盤状の素材Ｗ２を得る。この場合、素材の材質として歯車に適した鋼材、例えば、ＳＣ鋼、ＳＣＲ鋼、ＳＣＭ鋼、ＳＮＣ鋼、ＳＮＣＭ鋼等を使用することができる。次に、工程（３）に示すように、素材Ｗ２を例えば１１５０℃に加熱して第一の熱間鍛造のＨＦ１を施すことによって中央に凹んだ穴Ｗ３１を有する素材Ｗ３を得る。次に、工程（４）に示すように素材Ｗ３を焼鈍して素材Ｗ４を得て、工程（５）に示すようにショットブラスト処理を施して素材Ｗ５を得る。次いで工程（６）に示すように、第二の熱間鍛造のＨＦ２を施すことによって素材の中心を二段孔Ｗ６１が貫通し、素材Ｗ６を得る。次に、工程（７）に示すように、後の冷間鍛造工程で歯面が形成される部位である外周面Ｗ７２に機械加工を施し、後の冷間鍛造工程の際基準軸となる穴Ｗ７１に機械加工を施した素材Ｗ７を得る。次に、工程（８）に示すように、素材Ｗ７に潤滑剤を塗布するボンデライト処理を施して素材Ｗ８を得る。次に、工程（９）に示すように、上下逆にした素材Ｗ８に第一の冷間鍛造のＣＦ１を施すことによって下段外周に荒ヘリカル歯１０を形成し、上段にボス５を形成した素材Ｗ９を得る。そして、工程（１０）に示すように、素材Ｗ９に潤滑剤を塗布するボンデライト処理を施して素材Ｗ１０を得る。次に、工程（１１）に示すように、素材Ｗ１０に第二の冷間鍛造のＣＦ１２施し、サイジング成形によって荒歯を痩せさせ仕上げたヘリカル歯１を有する素材Ｗ１１を得る。最後に、工程（１２）に示すように、機械加工を施すことによって軸孔が仕上げられて軸孔３が得られ、上段のボス５と下のフランンジ６の中心を貫通する。フランンジ６の外周面にはヘリカル歯１の周列が形成され、コンケーブコニカル歯車Ｗを得る。以上の工程の歯先面は軸に対して傾斜した円錐形を示したが、歯先面が軸に対して平行な場合もある。以上の上下工程をまとめると、工程（３）および（６）は熱間鍛造であり、工程（９）および（１１）は冷間鍛造である。

次に、第二の方案について図３を参照しながら説明する。円柱の素材Ｗ１の工程（１）から、熱間鍛造を経てショットブラスト処理をした工程（５）までは第一の法案と同じである。次に、工程（６）に示すように、第二の熱間鍛造のＨＦ２を施すことによって下段の外周に荒ヘリカル歯１０の周列が形成されるとともに、その形成に伴って上面外周に鍔状のバリＷ６３がはみ出し、上段にボス５０を形成した素材Ｗ６０が得られる。次いで、工程（７）に示すように素材Ｗ６０を焼鈍して素材Ｗ７０を得て、次に工程（８）に示すように素材Ｗ７０にショットブラスト処理を施して素材Ｗ８０を得る。次いで、第三の熱間鍛造のＨＦ３を施すことによって、素材の中心を二段穴Ｗ９１が貫通し、かつ、荒ヘリカル歯１０の上面外周に少しはみ出したバリＷ９３を有する素材Ｗ９０を得る。次に、工程（１０）に示すようにこの素材Ｗ９０に機械加工を施すことによって、素材の中心を穴Ｗ１０１が貫通し、バリＷ９３を削り落した素材Ｗ１００を得る。次に、工程（１１）で潤滑材を塗布するボンドライト処理を施して得た素材１１０を、工程（１２）に示すように、第一の冷間鍛造のＣＦ１を施すことによって上段にボス５を形成した素材Ｗ１２０を得る。次いで、工程（１３）に示すように、素材Ｗ１２０に潤滑剤を塗布するボンデライト処理を施して素材Ｗ１３０を得る。次に、工程（１４）に示すように、素材Ｗ１３０に半密閉鍛造成形による第二の冷間鍛造のＣＦ２を施すことによって、外周面の荒ヘリカル歯１０にサイジング成形によって痩せさせ仕上げたヘリカル歯１の周列を有する素材Ｗ１４０を得る。最後に、工程（１５）に示すように、機械加工を施すことによって軸孔が仕上げられて軸孔３が得られ、上段のボス５と下のフランンジ６の中心を貫通する。下段の外周面にはヘリカル歯１の周列が形成されている。以上の工程の歯先面は軸方向から傾斜した円錐形に示したが、歯先面が軸方向に平行な場合もある。以上の工程をまとめると、工程（３）、（６）、および（９）は熱間鍛造であり、工程（１２）および（１４）は冷間鍛造である。

ここで、第一方案の工程（１１）或いは、第二方案の工程（１４）における半密閉鍛造成形によるコニカル歯車のヘリカル歯１を仕上げ形成する冷間鍛造金型方案について図４を参照しながら説明する。金型は上ラム側と下ベッド側に上下に分離される。以下、第一方案の工程（１１）、第二方案の工程（１４）は同じ成形方案なので、第一方案の工程（１１）に基づいて歯形成形について説明する。本図の左半分は前工程の素材Ｗ１０と金型との関係を断面図で示し、右半分は歯面を仕上げ成形した素材Ｗ１１と金型との関係を示す。上ラムＵの側は外側の上ダイ型Ｑ１とこの内周を上下に摺動する上パンチＰ１が主要部を構成する。下ラムＶの側は外側のダイ型Ｑ３、この内周の傾斜したテーパＱ３１を摺動する内側の横パンチＰ２が主要部を構成する。その他、前工程の左半分で示す素材Ｗ１３の内径を貫通するマンドレルＰ３、仕上げ成形された右半分で示す素材Ｗ１４を上方へ突き上げるエジェクタピンＰ４からなる。横パンチＰ２はヘリカル歯１における周列の歯数に分割された構造で、これらは放射状に可動し、その先端部に歯形を形成する歯型Ｔ１を設ける。以上の金型の構成に基づいて、上ラムＵが下降して下ラムＶに接近すると、上ダイ型Ｑ１と上パンチＰ１の上ラム側の金型および下ラム側のダイＱ２、ダイＱ３によって素材Ｗ１３が密閉され、半密閉鍛造成形が施されてコンケーブコニカル歯車が形成される。先ず、左半分の歯形の仕上げ前について以下に説明する。工程（１０）で得られた素材Ｗ１０の荒ヘリカル歯１０を下側にし、横パンチＰ２の内周側の歯型Ｔ１の位置に合わせてセットする。素材Ｗ１０の内周には工程（９）を経た荒ヘリカル歯１０が形成されており、ダイ型Ｑ２の歯型Ｔ２に荒ヘリカル歯１０を合わせて位置決めする。次いで、本図の右半分において、上方から上パンチＰ１が下降し、上パンチＰ１が素材Ｗ１０を横パンチＰ２の中で加圧しながら押し下げる。こ時、横パンチＰ２は外側のダイＱ３のテーパ面Ｑ３１の傾斜に倣って、内側へ寄りながら下方に移動する。この横パンチＰ２の動きによって、横パンチＰ２の歯型Ｔ１によって荒ヘリカル歯１０がヘリカル歯１へとサイジング成形により仕上げ成形される。このようにして、工程（１１）において、ヘリカル歯１が完成し素材Ｗ１１が得られる。次に、本図右半分のヘリカル歯１を有する素材Ｗ１１が以下のように上方へノックアウトされる。即ち、成形が完了すると上パンチＰ１が上昇、後退する。次に、下方のエジェクタピン４によって素材Ｗ１１が上方へ押されることによって、歯型Ｔ１からヘリカル歯１が離れる。同時に、マンドレルＰ３に沿って素材Ｗ１１が上方へノックアウトされる。

以上、横パンチＰ２の断面の動きを説明したが、以下に横パンチＰ２の平面的な動きの詳細を説明する。工程（１１）において、ヘリカル歯１を完成させる成形型の詳細について、横パンチＰ２の平面構造を示す図５を参照しながら説明する。同図（ａ）は歯型Ｔ１および素材Ｗ１１の荒ヘリカル歯１０を水平面で切った断面を示し、横パンチＰ２は素材Ｗ１１の一歯当たり中央のセグメントＰ２０、左右のセグメントＰ２１、２１に３分割される。そして、これらのセグメントＰ２０、左右のセグメントＰ２１、２１は、外側のテーパＱ３１の傾斜に倣って放射方向に移動し、これらの三つのセグメントによって形成される凹みは歯型Ｔ１を構成する。なお、三つのセグメントは、外周からリング状のダイＱ３によって強固に締着され、このダイＱ３の内周面にはテーパＱ３１が傾斜して設けられる。この状態において、横パンチＰ２の上方には上パンチＰ１が配備されており、その上パンチＰ１が下降することによって素材Ｗ１０が歯型Ｔ１を構成するキャビティ内に押し込み加圧され、据え込み鍛造される。同図（b）に示すように、横パンチＰ２を外周側からバックアップするダイＱ３には下方に狭まるテーパＱ３１を設けてあるので、上パンチＰ１が下降すると、三つのセグメントは夫々矢印ａ、ｂ、ｃの方向に移動し素材Ｗ１０を加圧する。上パンチＰ１により素材Ｗ１０をキャビティ内に押し込むと同時に、横パンチＰ２は素材Ｗ１０の押し込み圧によって、三つのセグメントが金属製のリング状のダイＱ３に許容されている伸び量の範囲内にて、放射状に拡がる方向へ移動し、キャビティが押し拡げられる。キャビティの押し拡がりに伴って三つのセグメントの境には間隙が生じ、歯形形成部の歯型Ｔ１の部分は若干大きくなる。この状態で素材Ｗ１０外周部の張り出し量は歯形形成部が若干大きくなることにより必要な歯形部分のボリュームが確保されるが、細部の張り出しは不完全である。加圧力が解除されると、三つのセグメントはそれまで伸ばされていたダイＱ３の作用で、いわゆるスプリングバックが働き、三つのセグメントが中心に向かって一斉に収束する方向へ移動する。それに伴い、それまで拡大されていたキャビティが一気に収縮し、歯形は三つのセグメントの戻り力によって矯正され、欠肉のないシャープな歯形のヘリカル歯１を有する素材Ｗ１１が形成される。即ち、据え込み時に歯形を一旦ボリュームアップさせておき、再加圧で型締めすることによってシェイプアップして歯形の精度アップを図る。以上述べた加圧過程では、加圧力の作用でキャビティは一旦拡がり、加圧力が失われると前記加圧力に匹敵する力で収縮して型締め作用が働くので、再加圧するための加圧力は不要である。また、三つのセグメントが放射方向に移動することで、キャビティが拡がると同時に３つのセグメント同士の境に間隙が生じ、その隙間からキャビティ内に閉じこめられたエアが抜けるので、キャビティ内に塵や埃が入っていてもエアと一緒にキャビティ外へ吹き飛ばされ、歯形の表面精度に影響しない。更に、高い加圧力が加わっても、３つのセグメントの移動により応力集中が吸収されるのでダイの破壊が防止される。このように過剰な加圧力を一つのヘリカル歯１当たり、３つのセグメントの移動により吸収して型に加わる負担を軽減すると共に、吸収した過剰圧力を型締めに利用して素材Ｗ１０を二段階に加圧するので、ダイを破損から守ると共に、素材Ｗ１１の歯形の精度アップと歯形の欠肉防止を解決できる。

以上の工程を経てコンケーブテーパコニカル歯車が完成し、ここで、本実施例のコンケーブテーパコニカル歯車における歯形の詳細について説明する。第一の特徴は、歯筋方向において歯厚断面が先細りになるテーパを有し、この歯形を図６に示すようにテーパリード歯と称する歯形からなる。ここで、テーパは一般的に歯筋方向において左右対称であるが、左右非対称のテーパを有する歯形もある。図中の二点鎖線は、比較のためにテーパを加えない歯形を示す。実線が本実施例の第一の特徴であるテーパリード歯であり、符号Ａ、Ａ’、Ｂ、Ｂ’で囲まれた部位が歯面である。実線で示す歯車の各部の名称を以下に説明し、コンケーブコニカル歯車のヘリカル歯１は、歯筋方向に歯先面１１、その左右に歯面１２、これらを立ち上げる歯底面１３および歯筋方向上下の歯端面１４、１４および歯元１６から構成される。歯先面１１には歯筋方向手前から奥側へ先細りになるようにテーパを施しており、手前側の大幅Ｓ１と奥側の小幅Ｓ２の差は例えば１μｍ〜０．５ｍｍである。

次に、本実施例のコンケーブテーパコニカル歯車におけるヘリカル歯の第二の特徴は、歯面に中凹のクラウニングを施し、かつ、捩れ角を有する螺旋曲面を備え、この歯面を図７に示し、歯面は中凹クラウニング歯と称する歯形から構成される。ヘリカル歯１は、歯筋方向に歯先面１１、その左右に歯面１２、これらを立ち上げる歯底面１３および歯筋方向上下の歯端面１４、１４および歯元１６から構成されることは同じである。図中の二点鎖線は、比較のため中窪み修正を加えない歯形を示す。実線が本実施例の特徴の第二項である中凹クラウニングの歯面であり、符号Ａ、Ａ’、Ｂ、Ｂ’で囲まれた部位が歯面である。ここで、本図の噛み合いピッチ円Ｐ、Ｐを結ぶ線上において、窪み量Ｎは例えば１μｍ〜０．５ｍｍである。

本実施例のコンケーブコニカル歯車の歯面の特徴は、歯筋方向において歯厚断面が先細りになるテーパリード歯と称する歯形を有し、歯面に中凹のクラウニングを施し、かつ、歯底径が一定なので、延いてはＭｉｎｏｒ Ｔ．Ｉ．Ｆ．径を一定にすることができるところにある。これらの特徴を併せ持つ本実施例のコンケーブコニカル歯車の歯形を図８に示す。本実施例のコンケーブコニカル歯車のヘリカル歯１は、歯筋方向に歯先面１１、その左右に歯面１２、これらを立ち上げる歯底面１３および歯筋方向上下の歯端面１４、１４および歯元１６から構成される。歯面１１は、インボリュートヘリコイド曲面から構成される。その他、歯面はサイクロイドヘリコイド曲面、トロコイドヘリコイド曲面、円弧ヘリコイド曲面、リマソンヘリコイド曲面、カムフェースに採用される三次元座標曲面、エピトロコイドヘリコイド曲面、ペリトロコイドヘリコイド曲面でもよい。

本実施例のコンケーブテーパコニカル歯車の構成は以上の通りであり、以下に作用或いは効果について述べる。本実施例のコンケーブテーパコニカル歯車のヘリカル歯の第一の特徴である、歯筋方向において歯厚断面が先細りになるバックテーパをかける。このテーパリード状にすることにより、以下の作用効果を有する。従来のインボリュート曲面の歯車同士の噛み合いに比べて、テーパがかからないストレートのコニカル歯車との噛み合いの場合、ケース剛性不足による片当たりを避けることができ、歯当りが中央に寄るので耐曲げ強度は優位になる。本実施例のコンケーブテーパコニカル歯車は歯面が凹クラウニングなので、噛合う相方は凸クラウニングであれば歯面がテーパであってもストレートでも噛合う。従って、歯車同士の噛合いは本実施例の凹みクラウニングと、相方の凸クラウニングとの面接触となるので、接触面積が大きくなって耐面圧強度が向上する。

本実施例のコンケーブテーパコニカル歯車におけるヘリカル歯の第二の特徴である、歯面に中凹のクラウニングを施すことにより、以下の作用効果を有する。本実施例のコンケーブテーパコニカル歯車は相方の中凸クラウニングのヘリカル歯車との噛み合いになり、歯当たりを広くとることができるので伝達効率を向上させるとともに、噛み合いの際の変動荷重を少なくして伝達力のロスを低減できる。そして、相方の中凸クラウニングの歯車との噛み合いになるので、凹面と凸面との相互接触面積をかせぐことができ面圧疲労強度が向上する。なお、本実施例のコンケーブテーパコニカル歯車はヘリカル歯なので、噛合う相方もヘリカル歯であれば、歯筋方向において歯厚断面が先細りになるバックテーパをかけたものでもよく、或いはバックテーパかけないストレート状のものでもよい。

次に、本実施例のコニカル歯車は、歯筋方向において歯底径ＲおよびＭｉｎｏｒ Ｔ．Ｉ．Ｆ．径が一定であり、歯筋方向において歯丈が一定となる。従来の歯面をホブ或いはシェーバ等の機械加工によると、歯筋方向で歯丈が変化して高くなり歯元近傍での耐曲げ応力が大きくなるが、本実施例のコンケーブコニカル歯車では、歯筋方向において歯元近傍での耐曲げ応力が小さく、自動車車等の動力伝達用の歯車として有効である。また、コンケーブテーパコニカル歯車の歯面の機械加工によると、歯切り専用機が開発されていないので、量産的に得ることが困難であるが、本実施例のコンケーブテーパコニカル歯車は、半密閉鍛造成形工法によって歯形を形成するので、量産性に優れ自動車に採用できる。

本実施例のコンケーブコニカル歯車を採用することにより、トランスミッションとプロペラシャフトとの連結において斜交軸を実現することが可能である。その結果、トランスミッションからデファレンシャルまでのスパンをコンパクトにしてプロペラシャフトが短縮可能となり、駆動輪のスピンターンが自在であり小回りの旋回が利くスポーツ車に最適である。一般的に、本実施例のコンケーブテーパコニカル歯車は、前輪駆動（ＦＷＤ）又は後輪駆動（ＲＷＤ）をベースにした全輪駆動（ＡＷＤ）の自動車に採用すると効果がある。通常、ユニバーサルジョイントを作用しても斜交軸を実現できるが、この場合は回転を上げることができない、リダクションを落とせないので致命的である。

その他、従来の機械加工により歯切りをしたコンケーブテーパコニカル歯車では、歯筋方向においてＭｉｎｏｒ Ｔ．Ｉ．Ｆ．径が斜めに変化して一定にならないので、噛合い率が変化してギヤノイズを引き起こす。それに対し、本実施例のコンケーブテーパコニカル歯車では、Ｍｉｎｏｒ Ｔ．Ｉ．Ｆ．径が一定になるので噛合い率が変化せずギヤノイズを引き起こすことがない。さらに、本実施例のコンケーブテーパコニカル歯車では、ＰＣＤと外径も一定で一様な歯形断面となるので、歯底面における応力集中がなく曲げ強度が向上する。また、本実施例のコンケーブテーパコニカル歯車の歯面は、一般的にインボリュートヘリコイド曲面を採用するのでノイズが発生して多少の騒音を生じるが、サイクロイドヘリコイド曲面を選択することによって騒音問題を解消できる。その他、機械加工により歯切りをした従来のコンケーブテーパコニカル歯車では、噛合いの際に歯底と相手歯車の外径とのトップクリアランスが変化するので、油が圧縮されてオイルの乱流化により歯車間の焼付きが起こる。それに対して、本実施例のコンケーブテーパコニカル歯車では、噛合いの際にトップクリアランスが一定になるので歯車の焼付きを起こすことがない。

本願発明のコニカル歯車は、自動車、船舶の変速機の用途に限らず、車軸長が短縮されて小回りが利くようになるので建設車両等の産業車両や軍用車両の歯車用途に好適である。即ち、４輪の他、６輪、８輪の建設車両や軍用車両では、斜交軸を実現できるので軸間距離を短縮してさせてコンパクトな設計を可能とし、車両の小回りが効くようになるので便利である。特種な例として、以下の作業車用のトランスファー装置に適用可能である。走行用のエンジンによって発電機を駆動し、その電力を利用して作業を行う排水ポンプ車や照明車などでは、プロペラシャフトラインに、走行用の出力軸と動力取出し軸とを備えたトランスファー装置を設置し、その動力取出し軸から発電機を駆動することが通常行われている。この用途においては、トランスファー装置を傾斜させて据え付けることなく動力取出し軸を水平に配置しながらも、走行用出力軸を傾斜して配置できる。この部位に本発明のコンケーブテーパコニカル歯車を採用することによって据付けが簡素になると共に短いプロペラになるので、発電機の据付けスペースも節約でき、車両をコンパクトにすることが可能となる。

Ａ、Ａ’、Ｂ、Ｂ’、Ｃ、Ｄ、Ｌ 符号
Ｎ 窪み量
Ｓ１ 大幅、Ｓ２ 小幅
Ｐ 噛み合いピッチ点
ＰＣＤ 噛み合いピッチ円径
Ｒ 歯底径
Ｍｉｎｏｒ Ｔ．Ｉ．Ｆ． 最小噛み合いインボリュート径
ＬＰＣ 全展開長さ
Ｕ 上ラム、Ｖ 下ラム
Ｐ１ 上パンチ、Ｐ２ 横パンチ、Ｐ３ マンドレル、Ｐ４ エジェクタピン
Ｑ１ 上ダイ
Ｑ２、Ｑ３ ダイ
Ｔ１ 歯型
Ｗ コンケーブコニカル歯車
Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３、Ｗ４、Ｗ５、Ｗ６、Ｗ７、Ｗ８、Ｗ９、Ｗ１０、Ｗ１１、Ｗ６０、Ｗ７０、Ｗ８０、Ｗ９０、Ｗ１００、Ｗ１１０、Ｗ１２０、Ｗ１３０、Ｗ１４０、Ｗ１５０ 素材
Ｗ３１ 凹み、Ｗ６１ 荒軸径、Ｗ７１ 仕上げ内径、Ｗ７２ 外周面
Ｗ８１
Ｗ６３、Ｗ９３ バリ
Ｗ２１ 凸部、Ｗ３１ 内径部、Ｗ３２ 端面バリ、Ｗ３３ 中バリ
ａ、ｂ、ｃ 矢印
１ ヘリカル歯、１０ 荒ヘリカル歯
３ 軸孔
５、５０ ボス
１１ 歯先面
１２ 歯面、１３ 歯底面、１４ 歯端面、１５ 歯丈、１６ 歯元

Claims (7)

1. 斜交軸を介して噛合い、
   かつ、歯面の歯筋方向における歯底径および最小噛み合いインボリュート径が一定であることを特徴とするコンケーブテーパコニカル歯車。
2. 前記歯面は、インボリュートヘリコイド曲面、サイクロイドヘリコイド曲面、トロコイドヘリコイド曲面、円弧ヘリコイド曲面、リマソンヘリコイド曲面、三次元座標曲面、エピトロコイドヘリコイド曲面、ペリトロコイドヘリコイド曲面の夫々単独の曲面から構成され、
   かつ、前記歯筋方向において歯厚断面が先細りになるテーパリード状に形成されることを特徴とする請求項１記載のコンケーブテーパコニカル歯車。
3. 前記歯面は、インボリュートヘリコイド曲面、サイクロイドヘリコイド曲面、トロコイドヘリコイド曲面、円弧ヘリコイド曲面、リマソンヘリコイド曲面、三次元座標曲面、エピトロコイドヘリコイド曲面、ペリトロコイドヘリコイド曲面の夫々単独の曲面から構成され、
   かつ、前記歯筋方向において前記歯面に中窪みのクラウニングが施されることを特徴とする請求項１記載のコンケーブテーパコニカル歯車。
4. 前記歯面は、インボリュートヘリコイド曲面、サイクロイドヘリコイド曲面、トロコイドヘリコイド曲面、円弧ヘリコイド曲面、リマソンヘリコイド曲面、三次元座標曲面、エピトロコイドヘリコイド曲面、ペリトロコイドヘリコイド曲面の夫々単独の曲面から構成され、
   かつ、前記歯筋方向において歯厚断面が先細りになるテーパリード状に形成されるとともに、
   前記歯筋方向において前記歯面に中窪みのクラウニングが施されることを特徴とする請求項１記載のコンケーブテーパコニカル歯車。
5. 歯先面が軸方向に対して円錐状であることを特徴とする請求項１記載のコンケーブテーパコニカル歯車。
6. 歯先面が軸方向に対して平行であることを特徴とする請求項１記載のコンケーブテーパコニカル歯車。
7. 半密閉鍛造成形によって歯が形成されることを特徴とする請求項１記載のコンケーブテーパコニカル歯車。

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