齿轮及制造齿轮的方法.pdf

提供了齿轮，在所述齿轮中，相互啮合的齿的齿根面被抛光并且精整成具有预定的表面结构。在所述齿轮中，在精整之后且在使用之前，齿根面的算术平均粗糙度Ra等于或小于0.15μm，并且峰值高度Rpk满足0.01μm

权利要求书
1.  齿轮，其特征在于，所述齿轮包括：
啮合在一起的齿，所述齿具有齿根面，所述齿根面被抛光并精整 成具有预定的表面结构，
在精整之后，所述齿的齿根面的算术平均粗糙度Ra等于或小于 0.15μm，并且峰值高度Rpk满足0.01μm≤Rpk≤0.1μm。

2.  一种通过抛光齿的齿根面并由此将所述齿的齿根面精整成具有 预定的表面结构来制造齿轮的方法，其中，所述齿啮合在一起以传递 动力，其特征在于，
所述方法包括将所述齿的齿根面抛光成具有等于或小于0.15μm 的算术平均粗糙度Ra并且峰值高度Rpk满足0.01μm≤Rpk≤0.1μm。

说明书齿轮及制造齿轮的方法
发明背景
技术领域
本发明涉及齿轮，所述齿轮通过啮合并一起旋转来传递转矩，并 且所述齿轮具有对应于这些齿轮中的齿数的转速比，并且本发明涉及 一种制造齿轮的方法。更加特别地，本发明涉及齿根面的表面结构。
背景技术
当通过啮合的齿轮来传递动力时，由于齿根面处发生的不可避免 的滑动而造成动力损耗。因此，已经尝试在保持齿根面强度的同时减 小齿根面处的摩擦系数。为了减小齿根面处的摩擦系数，必须减小齿 根面的粗糙度，以减小所谓的金属接触并且可靠地保持润滑油形成的 油膜。例如，在日本专利申请公报No.7-293668(JP 7-293668 A)中 描述的技术中，平台状齿根面被形成为具有等于或者高于“－5”且等于 或小于“－0.2”的齿根面的粗糙度曲线的偏斜度Rsk。这种构造用于增 加针对诸如点蚀和刮擦的损坏的强度，并且因为齿根面呈平台状，所 以金属接触减小能力和润滑油保持能力均能够得以提高，而且能够减 小摩擦系数。而且，在JP 7-293668 A中描述的用于制造齿轮的方法中， 抛光之前的齿根面的最大粗糙度Rmax等于或小于5μm，平均粗糙度 Ra为0.5μm，并且表面被对应地移除为厚度为最大粗糙度的0.2倍至 2倍的粗糙度。
此外，国际专利申请No.2004/081156描述了电动助力转向装置的 驱动齿轮的表面粗糙度，并且指出齿根面的算术平均粗糙度Ra为 0.008μm至0.15μm。这种构造用于减小齿根面上的所谓突出部和凹陷 部，提高动力传递效率，并且还防止因不充分润滑导致的耐久性的降 低和使用寿命的缩短。日本专利申请公报No.2011-137492(JP 2011-137492A)指出带式无级传动装置中的带轮的表面处的峰值高度 Rpk等于或小于0.09μm，并且JP 2011-137492 A中描述的构造能够提 高油保持能力。
在如JP 7-293668A中描述的那样齿根面呈平台状且粗糙度曲线 的偏斜度Rsk处于上述负值范围内的情况下，尖锐的突出部分的尺寸 减小，由此减小摩擦系数。然而，在如JP 7-293668A中指出的那样在 抛光之前增大最大粗糙度Rmax和算术平均粗糙度Ra的情况下，以 及在如JP 7-293668A中描述的那样通过化学抛光和电解抛光获得平 台状并且通过抛光去除的厚度为最大粗糙度Rmax的0.2倍至2倍的 情况下，虽然尖锐的突出部分最初被抛光、溶解并移除，但是由于之 后整个表面被抛光并且凸出部分被优先地抛光，所以称作“谷”的下陷 部分或者凹陷部的深度减小。结果，在JP 7-293668A中描述的构造中， 齿根面经受所谓的平整，并且油保持能力退化。
与此同时，在如国际专利申请No.2004/081156中描述的那样齿根 面的算术平均粗糙度在0.008μm至0.15μm的范围内的情况下，油保 持能力明显提高，但是由于在通过齿轮传递动力的情况下摩擦系数和 动力传递效率不仅仅取决于油保持能力，所以国际专利申请No. 2004/081156中公开的技术未必能够提高动力传递效率。JP  2011-137492 A中公开的技术涉及带型无级传动装置中的带轮的表面 形状，而在本申请中，通过啮合齿轮的齿来传递动力，并且因此，表 面所需的理想特性在技术上显著不同。
发明内容
本发明的目的在于提供齿轮，所述齿轮即便在油膜较薄时也能够 减小摩擦系数并提高动力传递效率，本发明的目的还在于提供一种制 造齿轮的方法。
根据本发明的第一方面，在相互啮合的齿的齿根面被抛光并精整 成具有预定表面结构的齿轮中，在精整之后，齿根面的算术平均粗糙 度Ra等于或小于0.15μm，并且峰值高度Rpk满足 0.01μm≤Rpk≤0.1μm。可以在使用之前将齿根面的算术平均粗糙度Ra 应用于齿轮。
根据本发明的第二方面，一种用于通过抛光啮合在一起以传递动 力的齿的齿根面并且由此将齿根面精整成具有预定表面结构来制造齿 轮的方法，包括将齿根面抛光至算术平均粗糙度Ra等于或小于 0.15μm并且峰值高度Rpk满足0.01μm≤Rpk≤0.1μm。
根据本发明的第一方面和第二方面，即使在油膜厚度减小(例如 由于相互啮合的齿的齿根面的相对速度减小)的情况下，也能够减小 摩擦系数并且能够提高动力传递效率。此外，能够获得动力传递效率 从开始使用时起就非常好的齿轮。已经基于油膜厚度的差异通过实验 澄清了表面结构的影响摩擦系数的特定特征，并且，因为能够通过代 表显示出这些特定特征的表面结构的因素来调节表面结构，所以齿轮 的动力传递效率非常好。
附图说明
下面将参照附图描述本发明的示例性实施例的特征、优势和技术 以及工业意义，在所述附图中，相同的附图标记表示相同的元件，并 且其中：
图1是用于解释算术平均粗糙度的示意性简图；
图2是用于解释峰值高度的示意性简图；
图3是用于解释齿根面的粗糙度、油膜厚度和金属共用部分的比 率之间的关系的示意性简图；
图4图解了代表表面结构的因素对摩擦系数的贡献率；
图5图解效率如何在长期磨合操作中收敛为预定值；
图6图解了的突出部组合的均方根如何在长期磨合操作中收敛为 预定值；
图7A示出了在测量算术平均粗糙度和效率之间的关系的过程中 获得的结果，并且图7B示出了在测量峰值高度和效率之间的关系的 过程中获得的结果；
图8是表示比较示例的齿轮和本发明的示例的齿轮的算术平均粗 糙度和峰值高度的简图；和
图9A、9B、9C和9D示出了针对不同转速在比较示例和本发明 的示例中获得的针对每个传递转矩的效率。
具体实施方式
根据本发明的一个实施例的齿轮适于在车辆和多种工业机器中传 递相对大的动力，例如适于用在传动装置中。此外，所述齿轮通常为 斜齿圆柱齿轮，但是也可以是具有其它结构的齿轮，例如直齿圆柱齿 轮。根据本实施例的齿轮基本上由与制造典型的传统齿轮的处理相同 的处理制造而成。因此，通过诸如滚扎、车削或者切齿的处理利用原 材料形成原料坯件、磨齿或者对齿实施适当的表面处理，然后抛光 (polishing)齿根面。抛光方法可以是适当的传统方法，例如化学抛 光、电解抛光或者使用树脂的树脂抛光。
在本实施例中，等于或小于0.15μm的算术平均粗糙度Ra和等于 或大于0.01μm且小于或等于0.1μm的峰值高度Rpk被设定为通过相 互啮合来传递动力的齿的表面结构(surface texture)。在这种情况下， 算术平均粗糙度Ra由日本工业标准(JIS)B0601(2001)规定，并 且是通过如下方法获得的值：从粗糙度曲线Z(x)对与沿着粗糙度曲 线的平均线的方向的基准长度相对应的一部分进行取向，将从被取样 的部分的平均线到测量曲线的偏差的绝对值(高度、深度)相加，并 且求平均值。图1中示意性地示出了算术平均粗糙度。峰值高度Rpk 由JIS B0671(2002)规定，并且是平滑化的粗糙度曲线的评定长度 ln的芯部上的峰值高度的平均值。图2中示意性地示出了峰值高度。
在本实施例中，由于以下原因，将峰值高度Rpk设定成等于或小 于0.1μm。在通过一对相互啮合的齿轮传递动力的情况下，在齿根面 处发生不可避免的滑动，并且摩擦导致的动力损耗影响动力传递效率。 当齿根面在齿根面之间存在油膜的情况下相接触时，构成齿的金属同 时也在其它部分处相互接触。因此，整体的摩擦系数μ满足μ＝(1－α) μL+αμS。这里，μ是油膜共用部分的摩擦系数，μS是金属共用部分的 摩擦系数，α是金属共用部分的比率，并且可以通过以下方程α＝A·log (D)D＝∑R/h来表示α，其中A是常数，并且例如是“0.5”。在这个 方程中，h是油膜厚度，并且∑R是表面上的凹陷部和突出部的高度。 图3中示意性地示出了油膜厚度h和高度∑R之间的关系。由于金属 共用部分的摩擦系数μS是油膜共用部分的摩擦系数μL的数倍至几十 倍，所以明显的是，从减小整体的摩擦系数μ(在下文中简称为“摩擦 系数”)的观点来看，优选地是提高油膜保持特性，即，降低金属接触 比率。
齿根面的油膜保持能力取决于齿根面的表面结构。因此，齿根面 的表面结构影响摩擦系数μ。图4示出了通过检查决定表面结构的因 素对摩擦系数μ的贡献率而获得的结果。油膜厚度随着齿根面的相对 滑动速率的减小而减小，并且随着油膜变得更薄，算术平均粗糙度Ra 的贡献度下降而峰值高度Rpk的贡献度增大。因此，为了即使在膜厚 度较薄(作为降低摩擦系数μ条件，这是严格的条件)的情况下也获 得期望的低摩擦系数μ，必须使峰值高度Rpk最优化。
与此同时，由于伴随动力传递的不可避免的滑动，所以齿根面被 磨损，并且相互啮合齿的齿根面逐渐磨合(broken in)。图5示出了 通过检查磨合能力获得的结果。针对通过将齿根面抛光(磨齿)至预 定初始粗糙度(最大高度)Rz获得的齿轮和通过剃削齿根面使得其初 始粗糙度(最大高度)变为抛光的齿轮的齿根面的粗糙度Rz的“2.4 倍”获得的齿轮获得图5中示出的磨合调查结果。连续实施以恒定转速 传递预定转矩的操作，并且作为结果，测量对于各个工作负荷(MJ) 的效率。图5中示出的结果表明动力传递效率随着齿根面的粗糙度Rz 的增大而降低，但是在操作长时间继续的情况下，不管初始粗糙度Rz 的值如何，效率都收敛到预定值。
针对上述齿轮，还已经检查了长期磨合操作导致的齿根面的形状 变化。图6示出了通过将突出部组合的均方根粗糙度测量为齿根面形 状的变化所获得的结果。已经确定的是，随着操作时间的延长(即， 随着工作负荷的增加)，平均粗糙度减小的趋势变弱，并且平均粗糙度 最后几乎收敛为略大于这时的操作条件下的油膜厚度的粗糙度。
上述结果表明，在实施长期磨合操作的情况下，相互啮合的齿根 面磨合，效率收敛为预定值，并且齿根面的表面结构(特别地，粗糙 度)相应地收敛为预定值。因此，由平衡上述方程表示的油膜和金属 的负荷分配的收敛产生的形状显然是在长期磨合操作之后的表面形 状。此外，认为实现长期磨合操作之后的表面形状的齿根面表面的移 除量具有阈值，使得在这个移除量以下，效率降低，并且在这个移除 量以上，移除量不必要地增加，从而导致齿根面表面损坏并且成本增 加。这表明能够根据表示长期磨合操作之后的表面形状的齿根面表面 的移除量来制造这样的表面结构，在所述表面结构中，能够最小化齿 根面表面的突出部分的移除量并且能够平衡油膜和金属的负荷分配。 图7A示出了根据上述假设通过实验确定的算术平均粗糙度Ra和动力 传递效率之间的关系。图7B示出了通过实验确定的峰值高度Rpk和 动力传递效率之间的关系。
在图7A中，在横坐标上标绘出算术平均粗糙度Ra(μm)，并且 在纵坐标上标绘出效率(％)。“R2”是表示结果吻合直线的程度的确 定因素。这个因素具有非常高的值“0.95”。通过适当的方法移除齿根 面上的突出部来制造算术平均粗糙度大于0.15μm的三个测试齿轮和 算术平均粗糙度小于0.15μm的一个测试齿轮，并且测量这些齿轮的 效率。在图7A中，在括号中标绘出了在实施长期磨合操作直到效率 和突出部组合的均方根粗糙度收敛到相应的预定值为止之后关于两 个齿轮的测量结果。这个结果表明，为了最小化齿根面表面上的突出 部分的移除量并且平衡油膜和金属的负荷分配，算术平均粗糙度Ra 必须等于或小于0.15μm。
因此，在齿根面的算术平均粗糙度Ra超过0.15μm或者为接近 0.15μm的值的情况下，相对于最终能够利用所述齿轮实现的效率而 言，效率降低，并且车辆的燃料效率降级，直到在长期操作之后齿轮 彼此磨合为止。
与此同时，图7B示出了针对上述四个测试齿轮测量的效率和峰 值高度Rpk之间的关系。在图7B中，在括号中标绘出了在实施长期 磨合操作直到效率和突出部组合的均方根粗糙度收敛为相应的预定值 为止之后，关于两个齿轮的测量结果。这些结果表明，为了最小化齿 根面表面上的突出部分的移除量并且平衡油膜和金属的负荷分配，峰 值高度Rpk必须等于或小于0.1μm。
因此，在齿根面的峰值高度Rpk超过0.1μm或者为接近0.1μm的 值的情况下，对于最终能够利用所述齿轮实现的效率而言，效率降低， 并且车辆的燃料效率降低，直到在长期操作之后齿轮彼此磨合为止。
下面描述用于获得图7A和图7B中示出的测量结果的测试齿轮的 规格。驱动齿轮和从动齿轮均为斜齿圆柱齿轮，扭转角为“36°”，模数 为“2”，压力角为“16.5°”，驱动齿轮中的齿数为“35”，从动齿轮中的 齿数为“25”，并且中心距为“74mm”。测量效率的转速被假定为车辆 巡航状态的情况下的转速，并且输入转矩是在车辆巡航状态中发生的 转矩，在车辆的巡航状态中，齿轮将承载负荷。
这里作为参考解释油膜厚度。油膜厚度通过以下齐滕登方程 (Chittenden's equation)计算，但是也可以使用用于计算油膜厚度的 其它方法。
[公式1]
h c R x = 4.31 ( ηou E R r ) 0.68 ( αE ) 0.49 ( W E R x 2 ) - 0.073 [ 1 - exp { - 1.23 ( R y / R x ) 2 / 3 } ] ]]>
这里，E是辊材料的弹性常数，u是平均滚动速度(＝(u1+u2)/2)， Rx是由(Rx1-1+Rx2-1)-1表示的值，其中，Rx1、Rx2代表接触的椭圆体 的相互正交的主曲率表面的半径，Ry是由(Ry1-1+Ry2-1)-1表示的值， 其中，Ry1、Ry2代表其它主曲率表面的半径，η0是大气压力下的油粘 度，并且α是油粘度－压力系数，其在常用矿物油中约为“20Gpa-1”。
通过测试和测量获得的上述结果表明，在本实施例的齿轮中，把 等于或大于0.01μm且等于或小于0.1μm的峰值高度Rpk和等于或小 于0.15μm的算术平均粗糙度Ra当作齿根面的表面结构。利用本实施 例的制造方法，在抛光齿根面时，抛光实施为使得能够获得例如如上 所述的峰值高度Rpk和算术平均粗糙度Ra。峰值高度Rpk的下限值 被设定为“0.01μm”，这是因为通过留下突出的峰部，能够确保齿根面 的所谓的两层横截面结构并且能够提供用作油储存部的凹陷部，由此 提高了油膜保持能力。这里提及的峰值高度Rpk和算术平均粗糙度 Ra是在已经抛光齿根面之后且在使用齿轮之前的阶段的值。因此，利 用本实施例的齿轮或者通过本实施例的方法(在该方法中，实施处理 以获得上述表面结构)制造的齿轮，事先形成了通常在长期操作之后 才能达到的表面结构。因此，能够从开始使用时起便获得较高的动力 传递效率，并且能够提高车辆的燃料效率。此外，由于减小了齿根面 的摩擦系数，所以防止或者抑制损坏齿根面，这对于传统齿轮而言是 不可能的。
下面描述本实施例的具体示例和比较示例。这些示例中的齿轮规 格与上述测试齿轮的规格相同。峰值高度Rpk和算术平均粗糙度Ra 在本实施例规定的范围之外的齿轮代表比较示例(A、B和C)，并且 那些参数在本实施例规定的范围之内的齿轮代表本发明的示例(D)。 这些示例中的转速分别是N1、N2、N3和N4(N1＜N2＜N3＜N4)， 并且针对传递转矩逐渐增大至一百几十Nm的情况测量效率。图8示 出了比较示例以及本实施例中的示例中的算术平均粗糙度Ra和峰值 高度Rpk，并且图9A至图9D示出了通过测量效率获得的结果。
针对比较示例和本发明的示例的所有齿轮而言，效率伴随着传递 的转矩的减小和转速的增大而提高。在本发明的示例中，效率高于比 较示例中的效率，并且效率提高效果在较低的低转速条件下变得更为 显著。