高强度齿轮

摘要

提供避免在动力传递时在齿根弯曲应力局部变高从而提高了齿根抗弯强度的齿轮。在通过Hofer 30°切线法所确定的危险截面位置，曲率半径最大。从危险截面位置到第1连接点X1及第2连接点Y1，曲率半径均固定或者均减少。在齿根线段23内存在曲率半径比危险截面位置处的曲率半径小的点A1、B1。在齿根线段23内，最大曲率半径为最小曲率半径的3倍以下。在剖视视图中，危险截面位置为圆弧的一部分，而且，该圆弧向危险截面位置的两侧延伸。由此，最大弯曲应力变小，能实现齿根抗弯强度的提升。

权利要求

1.一种高强度齿轮，具有在剖视视图中齿顶线段、齿面线段、齿根线段及齿底线段依次相连的齿形，其特征在于，在通过Hofer 30°切线法所确定的危险截面位置曲率半径最大，从所述危险截面位置到作为所述齿面线段与所述齿根线段的边界点的第1连接点，曲率半径固定或减少，而且，从所述危险截面位置到作为所述齿根线段与所述齿底线段的边界点的第2连接点，曲率半径固定或减少，在所述齿根线段内存在曲率半径比所述危险截面位置处的曲率半径小的点，在所述齿根线段内，最大曲率半径为最小曲率半径的3倍以下，所述危险截面位置是圆弧的一部分，而且，所述圆弧向所述危险截面位置的两侧延伸。

2.根据权利要求1所述的高强度齿轮，其中，

以所述危险截面位置为基准，所述圆弧向所述齿顶线段方向及所述齿根线段方向，分别以齿高方向尺寸延伸模数的0.05倍以上。

3.根据权利要求1或2所述的高强度齿轮，其特征在于，所述高强度齿轮包含铁系合金。

说明书

高强度齿轮

技术领域

[0001] 本发明涉及具有能降低动力传递时在齿根产生的弯曲应力的齿根形状的高强度齿轮。

背景技术

[0002] 齿轮，对于在工业、农业、建筑业等行业中所使用的产业机械和/或汽车而言是必不可少的机械元件。这些齿轮在被施加高负载的严酷条件下使用，因此恐会由于在齿根产生的弯曲应力而发生齿的折损。

[0003] 在作为齿轮的制造方法而言最为通常的切齿加工中，对齿根抗弯强度有很大影响的齿根形状，由切齿工具的刀尖形状唯一确定。通常，为了提高齿根抗弯强度，会尽可能地增大切齿工具的刀尖的圆度，在该圆度过大的情况下，在齿轮使用时会对齿与齿的啮合造成负面影响，因此通过上述刀尖形状的改变来提升齿根抗弯强度是有限的。

[0004] 另一方面，通过锻造加工和/或粉末冶金法等制作出的齿轮，能在不与对象齿轮的齿顶干涉的范围内进行齿根形状的自由设计，有可能能制作出与通过切齿加工制作出的齿轮相比齿根抗弯强度优异的齿轮。在日本专利第5520374号公报(专利文献1)中公开了一种齿轮，该齿轮是通过热锻造制造的变速器用齿轮，齿底面由使齿根附近的最小曲率半径极大化的自由曲面构成。根据专利文献1，使最小曲率半径极大从而缓和应力集中，使得齿根抗弯强度提升。

[0005] 另外，在日本特开2015-1248号公报(专利文献2)中公开了一种齿轮，该齿轮从齿底朝向齿面具有第1渐开线部、圆弧部、第2渐开线部、第3渐开线部及齿面连接曲线部。根据专利文献2，当然能使得在齿底侧区域产生的拉伸应力和压缩应力的所谓局部交变状态的应力变动幅度均一化、最大应力振幅位置不会产生在齿底中央或其附近，还能使得最大应力振幅位置不会产生在齿底侧区域整体，能使齿的耐久性提升。

发明内容

[0006] 发明要解决的课题

[0007] 但是，在专利文献1中，关于齿根形状没有明确记载曲率半径成为最小的位置。在剖视视图中，若将曲率半径成为最小的位置为齿底圆附近的情况与曲率半径成为最小的位置为通过Hofer 30°切线法所确定的危险截面位置(以下有时简称为“危险截面位置”)附近的情况进行比较，则即使最小曲率半径相同，产生的弯曲应力也大为不同。即，根据曲率半径成为最小的位置，齿根抗弯强度恐会比通过切齿加工制作出的齿轮的齿根抗弯强度低。另外，在专利文献2中，齿底中心附近是曲率半径变化的渐开线曲线，因此有可能在曲率最大的齿底中心附近以外的点发生破损，恐不能充分得到齿根抗弯强度。

[0008] 本发明是鉴于上述情况而做出的，目的在于提供降低了动力传递时在齿根产生的弯曲应力、实现了高强度化的高强度齿轮。

[0009] 用于解决课题的技术方案

[0010] 为了解决上述课题，本发明人们，针对具有在剖视视图中齿顶线段、齿面线段、齿根线段及齿底线段依次相连的齿形的高强度齿轮，对能降低在齿根(上述齿根线段所示的部分)产生的弯曲应力的齿根线段的形状进行了研究。其结果，尤其是关于该齿根线段得到了下述见解：通过对特定位置(危险截面位置)处的曲率半径、齿根线段自身的形状、上述特定位置以外的位置处的曲率半径、最大曲率半径与最小曲率半径的关系加以改良，能降低在齿根产生的弯曲应力、进而得到齿根抗弯强度优异的高强度齿轮。

[0011] 另外，本发明人们得到了下述见解：通过对危险截面位置附近的齿底线段施加进一步的改良，能进一步降低在齿根产生的弯曲应力、进而得到齿根抗弯强度更优异的高强度齿轮。

[0012] 基于以上见解，本发明人们完成了发明。其主旨如下。

[0013] [1]一种高强度齿轮，具有在剖视视图中齿顶线段、齿面线段、齿根线段及齿底线段依次相连的齿形，其特征在于，在通过Hofer 30°切线法所确定的危险截面位置处曲率半径最大，从上述危险截面位置到作为上述齿面线段与上述齿根线段的边界点的第1连接点，曲率半径固定或减少，而且，从上述危险截面位置到作为上述齿根线段与上述齿底线段的边界点的第2连接点，曲率半径固定或减少，在上述齿根线段内存在曲率半径比上述危险截面位置处的曲率半径小的点，在上述齿根线段内，最大曲率半径为最小曲率半径的3倍以下，上述危险截面位置是圆弧的一部分，而且，上述圆弧向上述危险截面位置的两侧延伸。

[0014] [2]根据上述[1]所述的齿轮，其特征在于，以上述危险截面位置为基准，上述圆弧向上述齿顶线段方向及上述齿根线段方向，分别以齿高方向尺寸延伸模数的0.05倍以上。

[0015] [3]根据上述[1]或[2]所述的齿轮，其特征在于，包含铁系合金。

[0016] 发明效果

[0017] 在本发明涉及的高强度齿轮中，尤其是关于剖视视图中的齿根线段的形状，对特定位置(危险截面位置)处的曲率半径、齿根线段自身的形状、上述特定位置以外的位置处的曲率半径、最大曲率半径与最小曲率半径的关系加以改良。另外，在本发明涉及的高强度齿轮中，进一步关于危险截面位置附近的齿底线段也加以改良。其结果，根据本发明的高强度齿轮，能降低在齿根产生的弯曲应力、进而提高齿根抗弯强度。

附图说明

[0018] 图1是表示通过切齿加工制作出的以往的齿轮的齿形线段的图。

[0019] 图2是表示本实施方式的高强度齿轮的齿形线段的图。

[0020] 图3是表示进行了齿根抗弯强度的比较的、各种齿轮的齿形线段的图(以往例)。

[0021] 图4是表示进行了齿根抗弯强度的比较的、各种齿轮的齿形线段的图(本发明例)。

[0022] 图5是表示进行了齿根抗弯强度的比较的、各种齿轮的齿形线段的图(比较例)。

具体实施方式

[0023] 以下详细说明本发明的高强度齿轮的实施方式。此外，以下的实施方式并不限定本发明。另外，上述实施方式的构成要素中包含本领域技术人员能够置换且容易的、或者实质上相同的要素。进一步，上述实施方式所含的各种方式可以在本领域技术人员容易想到的范围内任意组合。

[0024] ＜本发明人们的见解＞

[0025] 本说明书中，高强度齿轮的各部分(齿顶、齿面、齿根及齿底)在该齿轮的法面(以下有时简称为“截面”)上的形状，在齿向上侧突出的状态下如下这样定义。所谓齿面线段是指在与对象齿轮啮合并传递转矩时与对象手齿轮接触的线段，在外齿轮的情况是向外侧凸的线段，在内齿轮的情况下是向内侧凸的线段。所谓齿顶线段是指将1个齿的左右上述齿面线段的上端相连、与上述齿面线段向同一方向凸且由齿顶圆的一部分构成的圆弧状线段。所谓齿根线段是指与上述齿面线段的下端相连的线段。所谓齿底线段是指两端分别与不同的齿根线段的与上述齿面线段相反侧的一端相连、与上述齿面线段向同一方向凸且由齿底圆的一部分构成的圆弧状线段。

[0026] 在提升齿轮的齿根抗弯强度时，减小施加于齿根的最大弯曲应力是有效的。通常，在剖视视图中，齿根的弯曲应力在危险截面位置附近成为最大，随着从危险截面位置离开而减少。但是，即使一定程度地从危险截面位置离开，在曲率半径过小的情况下，有时也会产生极端的应力集中，在该位置齿根弯曲应力成为最大。也就是说，以合适地控制最大弯曲应力为前提，在谋求齿轮的齿根抗弯强度提升时，根据距危险截面位置的距离来设定合适的曲率半径是有效的。

[0027] 因此，本发明人们得到了下述见解：如果在剖视视图中，使齿根弯曲应力成为最大的可能性高的危险截面位置处的曲率半径为最大，并且随着从危险截面位置朝向齿面及齿根双方，使曲率半径均不发生变化或者使其均减少，另外，使齿根线段内存在曲率半径比危险截面位置处的曲率半径小的部分，进一步使齿根线段中的最大曲率半径为最小曲率半径的3倍以下(优选为2倍以下)以使得不发生极端的应力集中，则能使最大弯曲应力充分减小，进而能实现齿根抗弯强度的提升。

[0028] 另外，本发明人们在使得危险截面位置附近的线段为曲率逐渐变化的渐开线曲线的基础上，为了使齿底区域中的应力振幅某种程度地平均化且整体上减低，也考虑了尽可能地增大危险截面位置处的曲率半径。但是，发现了：在危险截面位置附近的线段是渐开线曲线的情况下，若随着从危险截面位置分离而使曲率半径极端地变化，则在不是危险截面位置的另一点会出现应力振幅成为最大的位置。因此，本发明人们得到了下述见解：通过使得危险截面位置附近成为不是渐开线曲线而是曲率半径不发生变化的区域，能够不使应力振幅成为最大的上述另一点存在，能进一步实现齿根抗弯强度的提升。以下，与以往方式的齿轮(图1所示的代表例)进行对比，来说明本实施方式的高强度齿轮(图2所示的代表例)。

[0029] ＜以往方式＞

[0030] 图1是表示通过切齿加工制作出的以往的正齿轮的齿形线段的图(剖视图)。更具体而言，在该图所示的例子中，将模数设为1.25、将齿数设为36、将齿形设为粗牙、将转位系数设为0、将螺旋角设为0°、而且将压力角设为20°，将切齿工具的刀尖R设为模数的0.38倍以使得在对齿与齿的啮合没有负面影响的范围内齿根的圆度尽可能地变大。该图所示的齿形线段由圆弧状的齿顶线段11(向上凸)、作为渐开线曲线的齿面线段12(向上凸)、作为次摆线(trochoid)曲线的齿根线段13(向下凸)和圆弧状的齿底线段14(向上凸)构成。此外，齿面线段12与齿根线段13的边界点是第1连接点X0，齿根线段13与齿底线段14的边界点是第2连接点Y0。

[0031] 在图1所示的例子中，关于齿根线段13，第1连接点X0的附近位置处的曲率半径约为1.2mm，随着从该附近位置朝向齿底线段14，曲率半径变小，第2连接点Y0的附近位置处的曲率半径约为0.6mm。此外，该图中的危险截面位置处的曲率半径约为0.7mm。

[0032] ＜本实施方式＞

[0033] 图2是示出作为正齿轮的本实施方式的高强度齿轮的齿形的图(剖视图)。该图所示的高强度齿轮具有齿顶线段21、齿面线段22、齿根线段23及齿底线段24依次相连的齿形。该图所示的齿顶线段21及齿面线段22与图1所示的齿顶线段11及齿面线段12相同。图2所示的齿根线段23是在第1连接点X1与齿面线段22平滑相连并且在第2连接点Y1与齿底线段24平滑相连的曲线。在此，所谓平滑相连是指2条线段彼此的切线在连接点相等。

[0034] 另外，在图2所示的例子中，在通过Hofer 30°切线法所确定的危险截面位置曲率半径最大。即，在图2所示的例子中，关于齿根线段23，危险截面位置处的曲率半径为0.8mm、最大。

[0035] 进一步，在图2所示的例子中，从危险截面位置到作为齿面线段22与齿根线段23的边界点的第1连接点X1(在包含点A1的区域)曲率半径固定或减少，而且，从危险截面位置到作为齿根线段23与齿底线段24的边界点的第2连接点Y1(在包含点B1的区域)曲率半径固定或减少。

[0036] 进一步，在图2所示的例子中，在齿根线段23内存在曲率半径比危险截面位置处的曲率半径小的点，在齿根线段23内，最大曲率半径成为最小曲率半径的3倍以下。即，关于齿根线段23，第1连接点X1的附近位置处的曲率半径以及第2连接点Y1的附近位置处的曲率半径最小，均约为0.5mm。因此，如上所述，危险截面位置处的曲率半径为0.8mm(最大)，所以在齿根线段23内最大曲率半径成为最小曲率半径的1.6倍(3倍以下)。

[0037] 而且，在图2所示的例子中，详情虽未图示，但是，危险截面位置成为圆弧的一部分、且该圆弧向危险截面位置的两侧延伸。

[0038] 在具有以上这样的构成的、图2所示的高强度齿轮中，在剖视视图中，使齿根弯曲应力成为最大的可能性高的危险截面位置处的曲率半径为最大，并且随着从危险截面位置朝向齿面及齿根双方，使曲率半径均不发生变化或者使其均减少，另外，使齿根线段内存在曲率半径比危险截面位置处的曲率半径小的部分，进一步使齿根线段中的最大曲率半径为最小曲率半径的3倍以下(优选为2倍以下)以使得不发生极端的应力集中。另外，该图所示的高强度齿轮使危险截面位置附近成为了曲率半径不发生变化的区域。因此，根据该高强度齿轮，根据距危险截面位置的距离来设定合适的曲率半径，而且，使应力振幅成为最大的点为危险截面位置，因此能实现齿根抗弯强度的提升。

[0039] 此外，关于从危险截面位置到图2示出的第1连接点X1的齿形、以及从危险截面位置到图2示出的第2连接点Y1的齿形，如果包含危险截面位置的点不是圆弧的端点，则在该圆弧的两侧既可以形成另一圆弧(曲率半径不发生变化)，也可以形成渐开线曲线(曲率半径变化)。但是，在包含危险截面位置的圆弧与另一圆弧和/或渐开线曲线的接点，两曲线的切线必须一致。两曲线的切线一致，因此能抑制该点处的破损、能进一步实现齿根抗弯强度的提升。

[0040] 另外，在图2所示的例子中，优选的是，包含危险截面位置的圆弧，以危险截面位置为基准，向齿顶线段方向及齿根线段方向，分别以齿高方向尺寸延伸模数的0.05倍以上。在此，所谓模数是指齿轮的节圆直径除以齿数所得的值。如果该圆弧在2个方向上延伸模数的0.05倍以上，则能够使得齿根弯曲应力不会在非危险截面位置以外的另一点成为最大。

[0041] 进一步，图2所示的齿轮的原材料也可以是铁系合金。在此，所谓铁系合金是以铁为主成分且包含其他元素的合金，可以举出例如碳素钢、合金钢、表面硬化钢、氮化用钢、不锈钢、马氏体时效钢、因瓦合金、可伐合金、铁硅铝磁性合金、铁锰合金等。

[0042] ＜基于有限要素解析法的研究＞

[0043] 本发明人们为了研究齿根形状对齿根抗弯强度的影响，通过有限要素法解析推定出了齿轮使用时(动力传递时)在齿根产生的弯曲应力的大小。此外，解析条件如下这样设定。即，将具有图1及图2所示的齿形的正齿轮的旋转固定，对任意一个齿的顶端附近施加力。施加力的位置在具有与齿轮的中心轴相同的中心轴的直径46.5mm的圆筒的表面与齿面相交的直线上，力的朝向为与齿面垂直的方向。假定齿轮为钢制的，设为杨氏模量207GPa、泊松比0.3的弹性体，设为平面形变状态而进行了解析。此外，施加的力相对于齿宽100mm设为35kN。

[0044] 有限要素法解析的结果，关于通过切齿加工制作出的图1所示的以往的齿轮，推定为在齿根产生的最大主应力的最大值为502MPa。相对于此，关于图2所示的本实施方式涉及的高强度齿轮，推定为该最大主应力的最大值为469MPa。因此，关于本实施方式的高强度齿轮，使危险截面位置附近的曲率半径最大且没有曲率半径极端小的部分，因此可以认为抑制了最大主应力的最大值。

[0045] 根据以上内容，根据本实施方式的高强度齿轮，以合适地控制最大弯曲应力为前提，在谋求齿轮的齿根抗弯强度的提升时，根据距危险截面位置的距离来设定合适的曲率半径，由此能抑制在动力传递时在齿根产生的最大弯曲应力、进而能实现齿轮的高强度化。

[0046] 实施例

[0047] 如上所述，证实了本实施方式的高强度齿轮(图2所示的代表例)相对于以往方式的齿轮(图1所示的代表例)起到了本申请预定的效果，以下进一步详细地将这些方式进行比较。此外，本实施方式的高强度齿轮的齿根形状不限定于以下所示的例子。

[0048] 如上所述，为了研究齿根形状对齿根抗弯强度的影响，通过有限要素法解析推定出了齿轮使用时(动力传递时)在齿根产生的弯曲应力的大小。图3～图5是分别表示进行了齿根抗弯强度的比较后的、各种齿轮的齿形线段的图(剖视图)(图3：以往例、图4：本发明例、图5比较例)。此外，这些图中的虚线全部是与齿形中心线成30°的角度的线，该线与齿面(该图的齿面线段所示的部分)相切的位置是危险截面位置。另外，从图3到图5之中，点X0、点X2～点X8分别表示第1连接点，点Y0、点Y2～点Y8分别表示第2连接点，点A3、点A4、点A7分别表示从危险截面位置到第1连接点X3、X4、X7的区域所含的点，点B2、点B2’、点B3、点B4、点B5、点B6分别表示从危险截面位置到第2连接点Y2、Y3、Y4、Y5、Y6的区域所含的点，点C2表示处于危险截面位置的点。

[0049] 图3(a)所示的例子(以往例1)是通过切齿加工制作出的例子(图1所示的例子)，将模数设为1.25、将齿数设为36、将齿形设为粗齿、将转位系数设为0、将螺旋角设为0°、而且将压力角设为20°，将切齿工具的刀尖R设为模数的0.38倍以使得在对齿与齿的啮合没有负面影响的范围内齿根的圆度尽可能地变大。另外，如上所述，关于齿根线段，第1连接点X0的附近位置处的曲率半径约为1.2mm，随着从该附近位置朝向齿底线段，曲率半径变小，第2连接点Y0的附近位置处的曲率半径约为0.6mm。此外，该图中的危险截面位置处的曲率半径约为0.7mm。

[0050] 关于图3(b)所示的例子(以往例2)，齿顶线段及齿面线段与图3(a)所示的例子相同，但是齿根线段的形状与图3(a)所示的例子不同。从齿顶线段终端到危险截面位置之间是渐开线曲线。齿顶线段终端附近的曲率半径约为0.7mm，随着朝向危险截面位置，曲率半径变大，危险截面位置处的曲率半径为0.8mm。从危险截面位置到B2之间是渐开线曲线。随着从危险截面位置朝向B2，曲率半径变小，B2附近的曲率半径约为0.6mm。从B2到B2’之间是圆弧，曲率半径为0.6mm。从B2’到第2连接点(齿底线段终端)Y2之间是渐开线曲线。随着从B2’朝向齿底线段终端，曲率半径变小，齿底线段终端附近的曲率半径约为0.3mm。

[0051] 关于图4(a)～(c)及图5(a)、(b)所示的例子(发明例1到3及比较例1、2)，齿顶线段及齿面线段与图3(a)所示的例子相同，但是齿根线段的形状不同。关于图5(c)所示的例子(比较例3)，齿顶线段及齿面线段与图3(a)所示的例子相同，但是(图示的)一方的齿面线段的端部(第1连接点X8)与(未图示)另一方的齿面线段的端部，以不经由齿底线段而是在连接点共用切线的方式通过单独的圆弧来连接。

[0052] 接下来，解析条件如以下这样设定。即，将具有图3～图5所示的齿形的正齿轮的旋转固定，对任意一个齿的顶端附近施加力。施加力的位置在具有与齿轮的中心轴相同的中心轴的直径46.5mm的圆筒的表面与齿面相交的直线上，力的朝向为与齿面垂直的方向。假定齿轮为钢制的，设为杨氏模量207GPa、泊松比0.3的弹性体，设为平面形变状态而进行了解析。此外，施加力相对于齿宽100mm为35kN。在这样的条件下，推定齿根处的最大主应力的最大值(MPa)，根据该结果求出关于齿根处的最大主应力的最大值的相对于以往例的比。将以上解析条件示于表1，将解析结果示于表2。

[0053] [表1]

[0054]

[0055] [表2]

[0056] 表2

[0057]

[0058] 如表1、2所示，关于本发明例1到3(图4(a)到(c))，均使危险截面位置处的曲率半径为最大，并且随着从危险截面位置朝向齿面及齿根这两方，使曲率半径均不发生变化或者使其均减少，另外，使齿根线段内存在曲率半径比危险截面位置处的曲率半径小的部分，进一步使齿根线段中的最大曲率半径为最小曲率半径的3倍以下以使得不发生极端的应力集中。另外，关于本发明例1到3，使危险截面位置附近成为曲率半径不发生变化的区域。因此，关于本发明例1到3，可知：根据距危险截面位置的距离来设定合适的曲率半径，而且，使应力振幅成为最大的点为危险截面位置，因此最大主应力的最大值相对于以往例1、2大幅降低，实现了齿根抗弯强度的提升。

[0059] 相对于此，关于比较例1到3(图5(a)～(c))，不满足危险截面位置处的曲率半径最大、最大曲率半径为最小曲率半径的3倍以下、及曲率半径存在变化中的某一项，因此不具有本申请预定的齿形。因此，关于比较例1到3，可知：最大主应力的最大值不会相对于以往例1、2大幅降低，没有实现齿根抗弯强度的提升。

[0060] 根据以上结果，根据具有本申请预定的齿根形状的齿轮，证实了齿根弯曲应力的抑制作用。此外，本发明不仅能应用于正齿轮，也能广泛地应用于斜齿齿轮、内齿轮、伞齿轮、蜗轮(worm gear)、准双曲面齿轮等的齿根形状。另外，本发明的齿轮的齿面不限于渐开线曲线，可以是任何曲线。进一步，本发明的齿轮的原材料可以是任何材料，例如可以使用以铁系合金为代表的金属和/或树脂。

[0061] 附图标记说明

[0062] 11、21 齿顶线段

[0063] 12、22 齿面线段

[0064] 13、23 齿根线段

[0065] 14、24 齿底线段

[0066] A1、A3、A4、A7 从危险截面位置到第1连接点的区域所含的点

[0067] B1、B2、B2’、B3、B4、B5、B6 从危险截面位置到第2连接点的区域所含的点[0068] C2 处于危险截面位置点

[0069] X0～X8 第1连接点

[0070] Y0～Y7 第2连接点