齿轮及齿轮驱动装置的制作方法

专利名称：齿轮及齿轮驱动装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及齿轮及齿轮驱动装置，其可以适用于例如汽车传动装置的 动力传递部或齿轮泵使用的齿轮及齿轮驱动装置。
背景技术：
例如，特许文献1中公开有在齿面上随机地设置有无数个微小凹坑的
齿轮。其设定如下该微小凹坑的平均面积为35 150pim2，占微小凹坑表 面的比率为10~40%，设置微小凹坑的表面粗糙度平均为Rmax0.6 2.5nm， 设置微小凹坑的齿面的表面粗糙度的参数Sk值为Sk《一1.6。由此，通过 提高表面的油膜形成能力，充分形成齿轮的齿面间的油膜，能够防止由齿 轮的表面起点剥离等润滑不良引起的损伤，提高耐久性。 专利文献1:实开平4-56254号公报
近年来，使用以汽车传动装置为主的齿轮的部位小型化、高输出化越 来越升级，润滑油的低粘度化等使用环境具有高负荷，高温化倾向。因此， 对于齿轮来说，正在向比目前为止更严酷的润滑环境变化，越来越容易发 生润滑不良引起的磨损和表面起点型剥离、高面压化引起的疲劳寿命的降 低、在异物环境下的剥离。即，由于传动装置的多级化，对其所使用的齿 轮进行作用的力矩和负载、还有转速有增大的倾向，对齿轮要求所谓的小 型化及高旋转对应化的机能。随之，齿轮的润滑条件变得越来越严酷，容 易发生润滑不良引起的磨耗和损伤。因此，即使齿轮齿面的诸条件按照所 述特许文献1记载的那样设定，有时也不能充分发挥其效果。

发明内容
本发明的课题是提供一种齿轮及使用该齿轮的齿轮驱动装置，该齿轮 能够充分地进行高速旋转的齿轮的齿面间的油膜形成，能够防止腐蚀、摩 擦、划痕的发生，防止温度上升和磨耗，从而能够提高耐久性。为解决上述课题，本发明的齿轮在齿面上随机地设置有无数个微小凹 形状的凹坑，其特征在于，设置所述凹坑的面的轴向的表面粗糙度参数
Ryni在0.8|am ^Ryni^2.3(am的范围内。
另外，所谓参数Ryni是每基准长的最大高度的平均值，即从粗糙度 曲线在其平均线的方向抽取基准长度，在粗糙度曲线的纵倍率的方向测定 的其抽取部分的峰顶线和谷底线的间隔的值(ISO 4287:1997)。
如上述，在本发明的齿轮中，将设置齿面凹坑的面的轴向的表面粗糙 度参数Ryni规定在0.8pm以上、2.3pm以下的范围内，由此，即使在稀薄 润滑的情况下也能够防止油膜破裂，在油膜厚度非常薄的条件下也能够得 到长寿命。
另外，在该齿轮中，用参数Rqni表示设置所述凹坑的面的轴向的表 面粗糙度时，将其设定为0.13pm以上、0.5(im以下，由此能够进一步实 现齿面油膜形成能力的提高。所谓参数Rqni是在测定长度的区间对从粗 糙度中心线到粗糙度曲线的高度的偏差的自乘进行积分，得到的在其区间 平均值的平方根，别名也叫做自乘平均平方根粗糙度。Rqni是根据放大记 录的截面曲线、粗糙度曲线用数值计算求得的，将粗糙度计的触针向宽度 方向及圆周方向移动而进行测定。
另外，在该齿轮中，设置所述凹坑的面的轴向的表面粗糙度参数 Rymax设定在1.3 3.0(im的范围内时，能够进一步提高油膜形成能力。这 里，参数Rymax是每基准长的最大高度的最大值(ISO 4287:1997)。
另外，在该齿面，将设置所述凹坑的面的轴向的表面粗糙度参数Sk 值和宽度方向、圆周方向的Sk值都设定为一1.3以下，由此，微小凹形状 的凹坑成为积油部，即使被压縮向滑动方向、直角方向的油的泄露也少， 油膜形成优异，能够发挥极力抑制表面损伤的效果。另外，所谓参数Sk 指粗糙度曲线的变形度(斜度)(ISO 4287:1997)、是了解凹凸分布的非对 称性的标准统计量。在高斯分布那种对称的分布中，Sk值近似为0，去除 凹凸的凸部时取负值、相反的场合取正值。
另外，在该齿轮中，将设置所述凹坑的面的凹坑的面积率设定为 35 75%的范围内时，能够进一步提高油膜形成能力。
另外，在该齿轮的表面也可以形成富氮化层，富氮化层是形成于齿面的增加了氮含量的层，例如，可以通过渗碳氮化、氮化、渗氮等处理而形 成。在形成富氮化层的基础上，在其富氮化层中奥氏体晶粒的粒度标号超 过10号越多奥氏体粒径越细，由此，可以显著改善疲劳寿命。奥氏体粒 径的粒度标号在IO号以下，疲劳寿命没有较大改善，因此设定为超过IO 号的范围，通常设定为n号以上。奥氏体粒径越细越理想，但是，通常 难以得到超过13号的粒度标号。另外，就奥氏体晶粒而言，其在热处理 中加热至相变点以上的温度时出现，被冷却时则相变为其它的组织，但是， 相变后还残留有奥氏体晶界的痕迹，奥氏体晶粒是指按照该痕迹形成的晶 粒。
优选所述富氮化层的氮含量范围为0.1%~0.7%的范围。另一方面，氮 含量比0.1%少时没有效果，尤其是在混入异物的条件下疲劳寿命降低。氮 含量比0.7%多时，会出现称为空穴的空孔。残留奥氏体过多则硬度下降且 寿命縮短。对于形成于齿面的富氮化层，氮含量是在齿面表层5(Vm的值， 例如可以用EPMA (波长分散型X线微量分析器)进行测定。
如上所述，根据本发明，随机地设置有微小凹形状的凹坑，因此齿面 成为微小凹面且容易形成油膜。而且该凹坑成为油积存部位，确实地进行 滑动面的油膜形成。因此，能够降低温度上升，并且能够缓和啮合齿轮的 齿面彼此的金属接触，即使在高速旋转区域，也能够防止腐蚀(Pitting)、 磨损(Abrasion)及划痕(Scoring)的发生。因此，即使在低粘度、稀薄 润滑下、且油膜厚度非常薄的条件下，也可以延长该齿轮及齿轮驱动装置 的寿命。另外，通过改良齿轮表层的疲劳寿命，可以获得优异的耐断裂强 度及耐经年尺寸变化。


图1是汽车用传动装置的部分剖面图； 图2是齿轮的主要部分的放大立体图3是表示齿轮的微观组织、特别是奥氏体晶粒的图，(A)是本发明 例的齿轮，(B)是现有齿轮。
图4 (A)表示图解图3 (A)的奥氏体晶界，(B)表示图解图3 (B) 的奥氏体晶界。图5是滚针轴承的剖面图6是用于寿命试验的滚针轴承的剖面图7是试验装置的部分立体图8是实施例1的试验结果；
图9是平齿轮试验机的部分立体图10是实施例2的(a)比较例的试验结果及(b)、 (c)实施例的试 验结果；
图11是实施例3的试验结果。
符号说明 2、输入轴
4、 输出轴
5、 中间轴 7、齿轮
10、滚动轴承 12、滚针轴承
具体实施例方式
下面，根据

本发明的实施例。
图1表示用于汽车的传动装置的一例，在箱体1内串联配置有输入轴 2、主动小齿轮3及输出轴4，迸而，中间轴5和回动轴6与输出轴4平行 地配置，齿轮7组安装于上述主动小齿轮3和各轴2、 4、 5上，通过自箱 体1外部的操作而改变各齿轮7组的啮合，由此，将输入轴2的嵌入使输 出轴4变速或反转而取出。在该传动装置中，伴随输入轴2的旋转，积存 于汽车油盘(图示省略)的油飞溅到齿轮7上，润滑齿轮7组、轴承8、 9 等，然后返回到油盘。即，该传动装置具备齿轮驱动装置，该齿轮驱动装 置具有通过驱动力驱动的驱动齿轮、和相对于所述驱动齿轮，通过啮合 而被驱动的被驱动齿轮。
图2表示构成齿轮驱动装置的一部分的齿轮7。该齿轮的齿面7a为随 机地形成有无数个独立的微小凹坑的微小粗糙面。就该微小粗糙面而言，设置微小凹坑的面的表面粗糙度参数Ryni为0.8^nSRyniS2.3imi的范围 内，且轴向的表面粗糙度的参数Sk值为一1.3以下，优选一4.9^SkS—1.3 的范围。另外，设置有凹坑的面的轴向的表面粗糙度参数Rymax为 1.3^Rymax S3.0(im。另外，该面的轴向的表面粗糙度的参数Rqni为 0.13,SRqni￡0.5jLim。作为用于得到该微小粗糙面的表面加工处理，通过 特殊的滚筒研磨可以得到所希望的加工面。但是，并不局限于此，例如也 可以使用喷丸等进行。
齿轮7的齿面7a的表层通过渗碳氮化、氮化、渗氮等处理而形成富 氮化层，在该富氮化层的奥氏体晶粒的粒度标号设定为超过10号的范围， 例如设定为12号。另外，齿面4a的表层50pm的含氮量设定为0.1~0.7% 范围内。
图3表示齿轮的微观组织、特别是奥氏体晶粒的图。图3 (A)是奥 氏体粒径为JIS规格的粒度标号12号的齿轮(本发明实施例)，图3 (B) 是粒度标号为10号齿轮(比较例)。另外，图4 (A)及图4 (B)表示图 解上述图3 (A)及图3 (B)的奥氏体晶粒粒度。图3 (A)的平均粒径 是用切片法测定的结果为5.6pm。
这样一来，本发明的齿轮驱动装置的齿轮通过随机地设置无数个微小
凹形状的凹坑，齿面成为微小的粗糙面，从而容易形成油膜。而且该凹坑 成为积油部，因此能够确实地进行滑动面的油膜形成。因此，能够减少温 度上升，并且能够缓和啮合齿轮7的齿面7a间的金属接触，即使在高速 旋转区域也能够防止发生腐蚀、磨擦及划痕。能够实现长寿命化。尤其是， 由于将设置凹坑的面的表面粗糙度参数Ryni设定在0.8^im^Ryni^2.3pm的
范围内，因此即使在稀薄润滑情况下也能够防止油膜破裂，即使在油膜厚 度极端稀薄的情况下也能够得到长寿命。另外，由于将Sk值设定在一1.3 以下，在微小凹形状的凹坑内能够确实地形成积油部，即使被压縮时也少 有向滑动方向、直角方向泄露油的情况，油膜形成优异且能够发挥极力抑
制表面损伤的效果。
另外，通过将设置有凹坑的面的轴向的表面粗糙度参数Rymax设定为
1.3￡Rymax g.Opm或通过将该面的轴方向的表面粗糙度的参数Rqni设定 为0.13|_im5Rqni^).5|Lim，能够进一步提高油膜形成能力。在该齿轮表层具有富氮化层，该富氮化层的奥氏体结晶粒的粒度标号 超过10号，因此奥氏体粒径微细，能够大幅度改善疲劳寿命。
富氮化层的氮含量小于0.1%时，在混入异物的条件下疲劳寿命降低， 相反，氮含量大于0.7%时，形成称为空穴的空孔，残留奥氏体过多硬度降
低，因此寿命縮短。因此，将氮含量设定在0.1% 0.7%的范围内，能够实
现齿轮的长寿命化。
因此，本发明的齿轮在低粘度、稀薄润滑下，油膜厚度在极端薄的条 件下也能够得到长寿命，使用了这种齿轮的本发明的齿轮驱动装置能够获 得长寿命。另外，通过改良表层的疲劳寿命，能够得到优异的耐断裂强度 和耐时效尺寸变化。
这样一来，本发明的齿轮耐腐蚀性、耐磨损性及耐划痕性能优异，因
此作为图l所示的汽车用传动装置的齿轮7最适宜。另外，汽车用自动变 速装置(AT)通常使用2 3组行星齿轮机构，将这些行星齿轮机构的载体、 内齿轮通过离合器结合而变动减速比的结构。因此，优选对这种行星齿轮 机构的太阳轮、行星齿轮及内齿轮等施予本发明的表面性状。
但是，在啮合的一对齿轮中，即使只对一个齿轮的齿面实施满足本发 明表面性状的表面处理，也能够充分得到长寿命等效果，但是，对两个齿 轮的齿面实施满足本发明表面性状的表面处理具有更显著的效果
另外，作为本发明的齿轮当然也可以使用于汽车用传动装置以外的种 种的齿轮驱动装置。
为表示本发明的实用性，首先，进行齿轮的寿命评价。齿轮的齿面与 相对侧的齿面滚动接触及滑动接触，该接触为以滚动轴承的滚道和轨道轮 的接触状态为准的形态。因此，认为齿轮的寿命评价可以按照滚动轴承的 寿命试验评价进行评价。从该观点出发，本发明者们用后述的条件进行了 滚动轴承的寿命试验。对于称为滚动轴承的转动体和轨道轮的构成要素测 定用这些参数表示的表面性状时， 一个位置的测定值作为代表值也可以信 赖，但是，例如，也可以测定在直径方向相对的两个位置。另外，本实施 例中测定的参数Ryni、 Rymax、 Sk、 Rqni的测定方法、条件如下。
参数计算标准JISB0601:1994 (Surfcom JIS 1994)截止种类高斯(Gaussian)
测定长度
截止波长0.25mm 测定倍率x 10000 测定速度0.30mm/s
测定位置滚轴中央部 测定数2
测定装置表面粗糙度测定器萨福克姆(Surfcom) 1400A (东京精密 株式会社)
另外，为了进行凹坑的定量测定，可以将滚轴表面放大，用市售的图 像分析系统根据其图像进行定量化。另外，只要应用特开2001-183124公 示的表面性状检査方法及表面性状检查装置就可以稳定且高精度地进行 测定。该方法是向具有曲率的检查表面照射光且用照相机拍摄检查表面， 测定该照相机拍摄的检查表面的图像的辉度，利用按照该测定的辉度的明 亮部分和昏暗部分的对比度形成的明暗图案，对检查表面的表面性状进行 检査的表面性状检查方法，使光与照相机的光轴方向一致后进行照射，以 使被测定的图像的辉度分布的表示峰值的位置在照相机的光轴上一致的 方式，定位检査表面，由此抑制由检查表面的曲率引起的遮光(辉度分布)。 另外，使光与照相机的光轴方向一致后进行照射，对于被测定的图像的辉 度分布，该辉度分布以与表示峰值的位置相当的检查表面的部位作为原 点，在将曲率的对称轴设定为一个轴的正交二维坐标中，用近似函数对沿 正交的各坐标轴的一维的辉度分布分别进行近似，以利用它们的近似函数 除去图像的辉度分布的方式，将辉度分布的峰值作为基准值，对相当于坐 标各位置的测定的图像的辉度进行修正，根据该修正后的辉度的明暗图案 对检査表面的表面性状迸行检查，由此，能够按照未遮光的明暗图案检査 表面性状。另外，对于称为滚动轴承的转动体和轨道轮的构成要素测定其 凹坑的面积率、平均面积时，和上述参数同样， 一个位置的测定值作为代 表值也可以信赖，例如，可以测定在直径方向相对的两个位置。测定条件
面积率在观察视野范围内比二值化临界值((明部的辉度+暗部的辉
9度)/2)更小的像素(黑)所占的比例 平均面积黑的面积的合计/总数
观察视野826^imx620jim
测定位置滚轴中央部 测定数2
图5表示供试验的滚动轴承的一例。该滚动轴承10是将作为转动体
的针状滚轴(roiler) 12装入外轮13的针状滚动轴承，用针状滚轴12支 承相对轴14。制作在针状滚轴表面实施了与加工面不同的表面处理的多种 类的针状滚动轴承，对进行寿命试验的结果进行说明。如图6所示，应用 于寿命试验的针状滚动轴承为外径D产33mm、内径dr=25mm、针状滚轴 12的直径D-4mm、长L-25.8mm，是使用了 15根针状滚轴的附带保持器 15的轴承。作为试验轴承，制作针状滚轴的表面粗糙度精度不同的五种轴 承。即，研磨后实施了超精加工的轴承A (比较例)、随机地形成有无数 个微小的凹形状的凹坑的轴承B (比较例)、轴承C (实施例)、轴承D (实 施例)及轴承E (实施例)。
使用的试验装置为图7中概略图表示的径向载荷试验机16，在旋转轴 17的两侧安装有试验轴承10，付与旋转和载荷后进行试验。用于试验的 内圈(相对轴)的精加工其研磨加工精度为Ra0.10 0.16^im。外圈(外轮) 也同样。试验条件如下。
轴承径向载重2000kgf
旋转数4000rpm
润滑剂Crisec (夕'J七夕)油H8 (在试验条件下为2cst) 图8表示各试验轴承的表面加工面的特性值参数一览表及在油膜参数 八=0.13下的寿命试验结果。如同图所示，各试验轴承对于无凹坑的轴承A 的寿命比为轴承B为1.6倍、轴承C为2.0倍、轴承D为3.8倍、轴承 E为4.0倍。由该数据可知，针状滚轴表面以满足本发明表面形状的方式 进行了表面处理的轴承C、 D及E即使在油膜参数A-0.13这样的低粘度、 稀薄的非常严酷的润滑条件下，也能够得到无凹坑的轴承A的2倍以上的 长寿命的试验结果。因此，将齿面设定为上述数值范围的本发明的齿轮能 够得到高的长寿命的效果。实施例2
下面，使用图9所示的平齿轮疲劳试验机实施齿轮的耐腐蚀试验，评 价腐蚀强度。在图9中，驱动侧齿轮31 (齿数29枚)和从动侧齿轮32 (齿 数32枚)安装于各自的旋转轴33、 34的一侧，驱动侧的轴33由未图示 的电动机驱动。另外，由安装于驱动侧轴33的载荷杆35及重锤36形成 负载扭矩的构造。驱动侧齿轮31准备经过本发明的表面处理的和未经过 处理的两类。试验条件等详细情况如下。
试验机平齿轮疲劳试验机
驱动侧齿轮外径cp79mm、内径cp35mm、齿宽度8.2mm、 SCr420 (渗 碳处理)、齿数29枚
从动侧齿轮外径cp79mm、内径cp35mm、齿宽度15mm、 SCr420 (渗 碳处理)、齿数30枚
转速3500rpm
扭矩19kgf-m润滑油温度80°C
润滑油ATF油
图10 (a) (c)表示齿轮腐蚀试验的数据。图10 (a)表示驱动侧 及从动侧的任何齿轮都不实施表面处理时的结果(比较例)，图10 (b)表 示使用了对驱动侧齿轮的齿面以满足本发明的表面性状的方式实施了表 面处理时的结果(实施例)，图10 (c)表示使用了对驱动侧齿轮及从动侧 齿轮的齿面以满足本发明的表面性状的方式实施了表面处理时的结果(实 施例)。通过这些图可以确认，与图10 (a)的场合相比，在图10 (b)的 场合，腐蚀寿命提高2倍以上，在图10 (c)的场合提高3倍以上。
实施例3
下面，制作实施品1 5和比较品1 3，且对它们进行氮含量和混入异 物条件下的试验片寿命的关系的试验，图11表示其结果。在该试验中， 实施品及比较品使用图5、图6所示的针状滚柱轴承，在滚轴的表面随机 地形成有无数个如图8实施例所示的微小凹形状的凹坑。另外，结晶粒度 的测定按照JISG 0551的钢的奥氏体结晶粒度的试验方法进行。试验条件 如下。径向载荷17.64kN 轴向载荷1.47kN 旋转速度2000rpm
混入硬质异物lg/L
由图11可知，对于实施品1~5，氮含量和混入异物后的寿命存在大致 成比例的关系。但是，氮含量为0.72的比较品3混入异物后的寿命极端降 低，与此对照，可以将氮含量的上限设定为0.7。另外，由实施品1和比 较品1可知，可以将氮含量的下限设定为0.1。另外，与氮含量在上述范 围内的比较品2的寿命降低相对照，优选奥氏体的结晶粒度为超过10的 值。
本次公开的实施方式应认为是通过所有的方面进行的示例，是没有限 制的。本发明的范围意图上不是通过上述的说明而是通过权利要求范围表 示的，且包括与权利要求范围均等的意思及范围内的所有的变更。
权利要求
1、一种齿轮，其在齿面上随机地设置有无数个微小凹形状的凹坑，其特征在于，设置有所述凹坑的面的轴向的表面粗糙度参数Ryni在0.8μm≤Ryni≤2.3μm的范围内。
2、 如权利要求l所述的齿轮，其特征在于，设置有所述凹坑的面的轴向的表面粗糙度参数Rqni在0.13pm ^Rqni^.5pm的范围内。
3、 如权利要求1或2所述的齿轮，其特征在于， 设置有所述凹坑的面的轴向的表面粗糙度参数Rymax在1.3 3.0jiim的范围内。
4、 如权利要求1~3中任一项所述的齿轮，其特征在于， 设置有所述凹坑的面的轴向的表面粗糙度参数Sk值为一 1.3以下。
5、 如权利要求1 4中任一项所述的齿轮，其特征在于， 在设置有所述凹坑的面中的凹坑的面积率为35 75%的范围内。
6、 如权利要求1~5中任一项所述的齿轮，其特征在于， 所述齿轮在表层具有富氮化层，且所述富氮化层中的奥氏体结晶粒的粒度标号在超过10号的范围。
7、 如权利要求1 6中任一项所述的齿轮，其特征在于， 所述富氮化层的氮含量在0.1% 0.7%的范围。
8、 如权利要求1 7中任一项所述的齿轮，其特征在于， 所述氮含量是齿面的表层5(Him中的值。
9、 一种齿轮驱动装置，其具有通过驱动力驱动的驱动齿轮、和相 对于所述驱动齿轮，通过啮合而被驱动的被驱动齿轮，所述齿轮驱动装置 的特征在于，驱动齿轮和被驱动齿轮的至少任一方是权利要求1 8中任一项所述的 齿轮。
全文摘要
本发明提供一种齿轮及齿轮驱动装置，其能够充分地进行高速旋转的齿轮的齿面间的油膜形成，能够防止腐蚀、摩擦、划痕的发生，防止温度上升和磨耗，从而能够提高耐久性。在齿面上随机地设置无数个微小凹形状的凹坑，设置所述凹坑的面的表面粗糙度参数Ryni在0.8μm≤Ryni≤2.3μm的范围内。由此，齿面可以得到高的油膜形成能力，即使在低粘度、稀薄润滑下且在油膜厚度极端薄的条件下，也可以得到长寿命。
文档编号F16H1/04GK101321973SQ20068004540
公开日2008年12月10日 申请日期2006年9月29日 优先权日2005年10月3日
发明者中野贺泰, 佐藤正范, 阿部克史 申请人:Ntn株式会社