금속환상기어를 금속보스부에 결합하는 방법
제1도는 본 발명의 링기어 및 차동장치케이스의 세로단면도. 제2도는 링기어와 차동케이스의 결합부를 확대해서 나타내는 세로단면도. 제3도는 소성유동결합전에 있어서의 상기한 링기어와 차동케이스의 결합부를 나타내는 개략도. 제4도는 상기한 실시예에 관한 금속링기어를 보스부에 연결하는 제조방법을 설명하기 위한 유통도. 제5도는 상기한 링기어의 침탄경화처리의 일예를 나타내는 그래프. 제6도는 상기한 링기어의 템퍼링처리의 일예를 나타내는 그래프. 제7도는 링기어의 톱니부에의 쇼트피이닝처리를 나타내는 세로단면도. * 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 2 : 링기어 2a : 톱니부 3 : 기어케이스 9 : 쇼트피이닝장치
본 발명은 금속제보스(boss)부에 결합해서 사용되는 금속제의 환상기어의 결합방법에 관한 것이다. 종래로부터 예를 들면, 자동차등의 차량에 장비되는 차동장치의 링기어 (ring gear)를 차동장치케이스에 결합시키는 경우등과 같이 금속제의 환상기어를 금속제보스부에 결합시키는 경우, 그 결합방법으로서 소위 소성유동결합이나 리벳 (rivet)결합등 금속소재의 소성변형에 의해 양자를 결합시키는 방법이 알려져 있다. 예를 들면, 일본국 특개소61-42445호 공보에는 소성유동결합에 의해 링기어를 차동장치케이스에 결합시키는 방법이 개시되어 있다. 그러한 결합방법을 채용하므로서 보울트/너트등을 사용한 나사결합에 의한 경우에 비해 기어조립품의 경량화 및 부품비용의 삭감 및 조립작업공수의 저감등을 달성할 수가 있다. 그런데, 환상기어를 제조하는 경우, 그 톱니부의 강도 및 내마모성을 확보하기 위해 적어도 기어부에 대해 그 강도 및 경도를 높이기 위한 열처리가 시행된다. 이 경우, 특히 침탄경화 또는 질화경화등의 표면경화열처리를 시행하므로서 경화된 표면부에 압축잔류응력을 발생시켜서 경화에 의한 내마모성의 향상만이 아니고, 반복하중의 작용에 대한 피로특성을 향상시킬수가 있다. 또, 부재표면에 다수의 소정의 입자크기의 강철구를 고속으로 충돌시키는 소위 쇼트피이닝(shotpeening)을 시행하므로서 부재표면이 스케일(scale)제거 혹은 소재의 조정등 표면성상을 개량할 뿐만 아니라, 부재표면부에 압축잔류응력을 부여할 수 있는 것이 알려져 있다. 그런데, 그러한 환상기어를 금속제보스부에 결합시킴에 있어서, 상기한 바와같이 소성유동결합 또는 리벳결합등 금속소재의 소성변형에 의해 양자를 결합하는 결합방법을 사용한 경우 금속소재의 소성변형에 따라환상기어에 내부압력이 작용하는 결과로 기어외부원주에 새겨진 톱니부의 이의 저부에는 원주방향의 인장응력이 작용하므로서 기어의 피로수명에 악영향을 미친다고 하는 문제가 있었다. 즉, 표면경화열처리가 시힌된 것이라도 보스부와의 결합에 의해 톱니부의 이의 저부에는 인장응력이 결과로 표면부의 압축잔류응력이 감소하고, 소정의 피로강도를 안정해서 얻는 것이 어렵게 된다. 또, 상기와 같은 결합방법을 채용한 경우 환상기어의 톱니부에 변형이 생겨서 정밀도가 손상되고 상대기어와의 맞물림이 나빠져서 소음발생원이 되는 것을 생각할 수 있다. 본 발명은 상기한 제문제를 감안하여 이루어진 것으로서, 금속제보스부에 결합해서 사용되는 금속제의 환상기어를 제조함에 있어서, 소성유동결합이나 리벳결합등 금속소재의 소성변형에 의해 양자를 결합시킨 다음, 톱니부의 피로강도, 톱니부의 정밀도를 충분히 유지할 수 있는 결합방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. 이 때문에 본원의 제 1의 발명은 금속제환상기어와 금속제보스부를 금속소재의 소성변형에 의한 결합방법으로 결합하고, 그 후에 상기한 환상기어의 톱니부에 쇼트피이닝을 시행하는 것을 특징으로 하는 것이다. 또한 본원 제 2의 발명은 상기한 제 1의 발명에 있어서 상기한 환상기어와 보스부를 상기한 결합방법으로 결합시킨후 상기한 환상기어의 톱니부를 연삭끝마무리하고 그후에 환상기어의 톱니부에 쇼트피이닝을 시행하는 것을 특징으로 하는 것이다. 다시 또 본원의 제 3의 발명은 상기한 제1 또는 제 2의 발명에 있어서 상기한 환상기어와 보스부는 그 보스부측이 가압되어서 소성유동결합되어 있는 것을 특징으로 하는 것이다. 다시 또 본원의 제 4의 발명은 상기한 제1 및 제 2의 발명에 있어서 상기한 환상기어와 보스부는 리벳결합되어 있는 것을 특징으로 하는 것이다. 다시 또 본원의 제 5발명은 상기한 제1 내지 제 4의 발명에 있어서 상기한 보스부가 주철제이며 상기한환상기어는 강철제로서 적어도 그 톱니부에 표면경화열처리가 시행되어 있는 것을 특징으로 하는 것이다.다시 또 본원의 제 6의 발명은 상기한 제 5의 발명에 있어서 상기한 환상기어는 차량용의 차동장치의 링기어이며 상기한 보스부는 상기한 차동장치의 기어케이스인 것을 특징으로 하는 것이다. 본원의 제 1의 발명에 의하면 상기한 결합방법으로 양자를 결합한후에 상기한 환상기어의 톱니부에 쇼트피이싱을 시행하도록 했기 때문에 이 쇼트피이닝에 의해 환상기어의 톱니부의 이의 저부에 압축잔류응력을 부여할 수가 있고 결합후에 있어서의 링기어의 피로수명의 향상을 도모할 수가 있다. 또 본원의 제 2의 발명에 의하면 상기한 제 1의 발명에 있어서 상기한 결합방법으로 양자를 결합후에 상기한 환상기어의 톱니무에 연삭끝마무리를 시행하도록 했기 때문에 제 1의 발명과 같은 효과를 갖는 외에 결합후에 있어서의 기어의 톱니부의 정밀도를 충분히 유지할 수가 있고 상대기어와의 맞물림시에 있어서의 소음발생을 억제할 수가 있다. 다시 또 본원의 제 3의 발명에 의하면 상기한 제1 또는 제 2의 발명에 있어서 상기한 환상기어와 보스부는 그 보스부측이 가압되어서 소성유동결합되어 있도록 했기 때문에 이 소성유동결합후에 있어서의 환상기어의 톱니부의 피로강도 및 정밀도 유지에 있어서 제1 또는 제 2의 발명과 같은 효과를 나타낼 수가 있다. 또 본원의 제 4의 발명에 의하면 상기한 제1 또는 제 2의 발명에 있어서 상기한 환상기어와 보스부는 리벳결합되도록 했기 때문에 이 리벳결합후에 있어서의 환상기어의 톱니부의 피로강도 및 정밀도 유지에 있어서 제1 또는 제 2의 발명과 같은 효과를 나타낼 수가 있다. 다시 또 본원의 제 5의 발명에 의하면 상기한 제1 내지 제 4의 발명에 있어서 상기한 보스부가 주철제이며 상기한 환상기어는 강철제로서 적어도 그 톱니부에 표면경화열처리를 시행하도록 했기 때문에 이 표면경화열처리에 의해 환상기어의 톱니부에 압축잔류응력을 발생시킬 수가 있음과 동시에 보스부측의 가압에 의한 소성유동결합 또는 리벳결합후에 환상기어의 톱니부에 대해 쇼트피이닝을 실시해서 압축잔류응력을 부여하므로서 결합에 의한 톱니부의 이의 저부에 있어서의 압축잔류응력의 저하를 보충해서 충분한 피로강도를 확보할 수가 있다. 또 결합후에 상기한 환상기어의 톱니부에 연삭끝마무리를 시행하므로서 그 톱니부의 정밀도를 충분히 유지해서 상대기어와의 맞물림시에 있어서의 소음발생을 억제할 수가 있다. 또한 본원 제 6의 발명에 의하면 상기한 제 5의 발명에 있어서 상기한 환상기어는 차량용 차동장치의 링기어이며 상기한 보스부는 상기한 차동장치의 기어케이스이므로 링기어를 기어케이스에 결합할 경우에 상기한 제 5의 발명과 같은 효과를 줄 수가 있으며 링기어의 사용조건에 비해서 충분한 톱니부의 피로강도 확보와 톱니부의 정밀도유지를 도모할 수가 있다. [실시예] 다음에 본 발명의 실시예를, 예로는 자동차의 차동장치케이스에 링기어를 조립하는 방법에 적용한 경우에 대해 첨부도면을 참조해서 설명한다. 제1도는 본실시예에 관한 자동차의 차동장치 (1)의 링기어 (2) 및 차동장치케이스(3)의 세로단면설명도인바, 이 도면에 나타내는 바와 같이 외부원주부에 톱니부(2a)를 갖는 상기한 링기어(2)는 그 내부원주부가 차동장치케이스(3)의 한쪽단말측에 형성된 날부(3a)의 외부원주부에 결합되므로서 차동장치(1)의 일부를 구성하고 있다. 제4도의 유통도에 따라 설명하면, 상기한 차동장치케이스(3)은 단계(#1)에서 소정형상으로 주조된 주철소재를 단계 (#2')에서 기계가공해서 소정의 치수로 끝마무리해서 얻어진 것으로서, 본실시예에서는 상기한 주철소재로서 구체상 흑연주철(예를들면, 일본공업규격(JIS)G5502에 규정된 FCD45)을 사용했다. 한편, 링기어 (2)는 단계(#1)에서 강철소재를 기계가공해서 소정의 형상치수로 끝마무리한 후 단계(#2)에서 주로 그 톱니부(2a)에 소정의 표면경화열처리를 시행해서 얻어진 것으로서 본실시예에서는 상기한 강철소재로서 침탄용의 크롬강강재(예를들면, 일본공업규격(JIS)G4104에 규정된 SCr420)를 사용했다. 또한, 상기한 단계 (#1)에서의 기계가공에 앞서 링기어 (2)를 예를들면 단조등에 의해 예비성형하도록 해도된다. 또, 본실시예에서는 상기한 표면강화열처리로서 침탄경화처리를 행하였다. 이 침탄경화 및 그후에 계속되는 템퍼링 (tempering)처리의 개요를 제5도 및 제6도의 그래프에 나타낸다. 즉, 제5도의 그래프에 나타내는 바와 같이 링기어소재를 900-950℃의 온도범위 (본실시예에서는 930℃)로 가열하고, 1.5-4시간(본실시예에서는 약 100분간) 그 온도로 유지해서 침탄 및 확산처리를 행하고, 그후 850℃까지 온도를 내려서 소정시간 그 온도로 유지한다. 또한, 본실시예에서는 확산처리를 종료하고 나서 850℃에서의 온도유지종료까지의 시간은 약 80분으로 했다. 그리고, 200-250℃ (본실시예에서는 230℃)의 솔트탱크에 소정시간(약 5분간) 침지시켜서 경화를 행했다. 그 후, 제6도의 그래프에 나타내는 바와 같이 130-170℃의 온도범위 (본실시예에서는 170℃)에서 1-2시간(본실시예에서는 90분) 유지한 후 공냉해서 템퍼링을 행했다. 이 표면경화열처리를 행한 후에 링기어 (2)의 톱니부(2a)의 이의 저부에 생긴 잔류응력을 측정한 바, 250Mpa(메가파스칼)이며, 링기어 (2)의 사용조건에 비추어서 충분한 압축잔류응력이 발생해 있었다. 또한, 상기한 침탄경화 대신에 질화경화등 다른 표면경화열처리에 의해 링기어 (2)의 톱니부(2a)에 열처리를 시행하도록 해도 된다. 이상과 같이해서 얻어진 링기어(2)를 차동장치케이스(3)에 대해 결합시켰다 (제4도의 단계 #3). 본실시예에서는 차동장치케이스(3)측을 가압하고, 소위 소성유동결합법에 의해 양자(2) (3)을 결합시켰다. 다음에 이 소성유동결합법에 대해 설명한다. 우선, 차동장치케이스(3)의 날부(3a)의 외측에 링기어 (2)를 끼워맞추어 압축삽입시킨다. 이때, 제3도로부터 잘 알 수 있는 바와 같이 링기어 (2)의 끼워맞춘면(내부원주면)에는 원주방향의 홈(2c,2c,2d,2d)가 예를들면, 상하 2개씩 형성되어 있다. 또, 차동장치케이스(3)의 날부(3a)의 위쪽 및 아래쪽에는 한쌍의 펀치 (punch) (5) (6)이 배치되고, 그 펀치(5) (6)에는 차동장치케이스(3)에 대해 위쪽 또는 아래쪽으로부터 압축삽입되는 펀치부(5a) (6a)와 압축삽입시에 차동장치케이스(3)의 상면 또는 하면에 맞닿아서 펀치부(5a) (6a)의 압축삽입량을 소정치로 규제하는 규제면(5b) (6b)가 일체로 형성되어 있다. 또한, 보다 바람직스럽게는 하측펀치 (6)의 펀치부(6a)의 가압면적은 상측펀치 (5)의 펀치부(5a)의 가압면적보다 적게 설정되어 있고, 양 펀치부(5a) (6a)가 상하로부터 압축삽입된 때에는 하측의 펀치부(6a)쪽이 우선적으로 압축삽입되고, 그 규제면(6b)가 상측보다도 먼저 차동장치케이스(3)에 맞닿아서 그 차동장치케이스(3)의 하면측을 지지하므로서 결합시에 있어서의 변형방지를 도모할 수 있도록 설정되어 있다.다시 또, 보다 바람직하게는 상하에 형성된 홈(2c)(26)의 공간부의 용적은 상하의 펀치부(5a) (6a)의 가압면적의 차이에 대응해서 하측의 홈(26)쪽이 상측의 홈(2c)보다도 적게 설정되어 있고, 펀치부(5a) (6a)의 압축삽입에 의해 상하부분에서 거의 일정하게 소성유동이 생기도록 되어 있다. 상기와 같이 차동장치케이스(3)의 날부(3a)의 외측에 링기어 (2)를 끼워맞추어 압축삽입한 후 상하한쌍의 펀치(5)(6)을 차동장치케이스(3)의 날부(3a)의 끼워맞춤면(외부원주면)의 근방에 있어서, 상하방향으로부터 가압하여 그 펀치부(5a) (6a)를 차동장치케이스(3)내에 압축삽입시키므로서 차동장치케이스(3)의 내부에서 소성유동을 발생시키게 하고, 제 2도에 나타내는 바와 같이 링기어 (2)의 끼워맞춤면(내부원주면)의 각홈(2c)(2d)내에 차동장치케이스(3)의 구체상흑연주철이 충전되고 강고히 결합된다.이 소성유동결합에 의한 결합후 링기어 (2)의 톱니부(2a)의 이의 저부에 있어서의 잔류응력을 측정한바, -55Mpa이며, 결합전에 비해 압축잔류응력이 대폭 적어져 있었다. 또한, 본실시예에서는 링기어 (2)를 차동장치케이스(3)에 소성유동결합시킨 후 이 소성유동결합에 의해 링기어(2)의 톱니부(2a)에 생긴 변형을 제거하기 위해 필요에 따라 그 톱니부(2a)에 연삭끝마무리 (소위 하아드가공(hard finish)가 시행되고, 톱니부(2a)의 정밀도를 유지해서 상대기어와의 양호한 맞물림을 유지하도록 하고 있다. 또, 본실시예에서는 상기한 소성유동결합에 의한 압축잔류응력의 저하를 보충하고, 상기한 링기어(2)의 톱니부(2a)의 이의 저부에 충분한 압축잔류응력을 부여하기 위해 단계(#4)에서 링기어 (2)의 톱니부(2a)에 쇼트피이닝을 실시하도록 하고 있다. 즉, 제 7도에 나타내는 바와 같이 결합후의 링기어 (2)의 바깥쪽의 적소에 기어외부원주부로부터 소정의 간격을 두고 쇼트피이닝장치 (9)를 배치하고, 링기어 (2)를 차동장치 (1)의 중심축주위로 회전시키면서 그 기어 (2)의 톱니부(2a)로 향해서 사출탄(강철구)를 충돌시켜서 쇼트피이닝을 행했다. 쇼트피이닝은 사출탄의 사출속도를 50-60m/초(일반사출)과 80-100m/초(하아드사출)의 2가지로 변경해서 행하였다. 그리고, 각각의 경우에 대해 쇼트피이닝후에 있어서의 링기어 (2)의 톱니부(2a)의 이의 저부의 잔류응력을 측정한바, 일반사출에서 -310MPa, 하아드사출에서 -760MPa까지 압축잔류응력치가 상승해 있었다. 이상 설명한 바와 같이, 본 실시예에 의하면 강철제의 링기어 (2)의 톱니부(2a)의 표면경화열처리 (침탄경화)를 시행하므로서 그 톱니부(2a)에 압축잔류응력을 발생시킬 수가 있음과 동시에 구체상흑연주철제의 차동장치케이스(3)측을 가압하여 양자(2) (3)을 소성유동결합시킨후에 링기어 (2)의 톱니부(2a)에 대해 쇼트피이닝을 시행해서 압축잔류응력을 부여하므로서 소성유동결합에 의한 톱니부(2a)의 이의 저부에 있어서의 압축잔류응력의 저하를 보충해서 충분한 피로강도를 확보할 수 있는 것이다. 또, 양자(2) (3)을 결합시킨 후에 상기한 링기어 (2)의 톱니부(2a)에 연삭끝마무리를 시행하므로서 그 톱니부(2a)의 정밀도를 충분히 유지해서 상대기어와의 맞물림시에 있어서의 소음발생을 억제할 수가 있다. 또한, 상기한 실시예는 링기어 (2)와 차동장치케이스(3)과를 결합시키는데 있어서, 소위 소성유동결합법을 사용한 것이었으나, 이 소성유동결합에 한정되지 않고, 금속소재의 소성변형에 의해 결합시키는 다른 방법 예를들면, 리벳결합을 채용한 경우에도 리벳의 체결에 의해 리벳의 축방향에 있어서의 압축변형에 수반해서 리벳구멍부분으로부터 링기어 (2)에 내부압력이 작용하여 링기어 (2)의 톱니부(2a)의 이의 저부에 인장응력이 발생하는 결과로 톱니부(2a)에 변형이 생겨서 정밀도의 저하를 가져옴과 동시에, 링기어 (2)의 피로강도에 악영향을 미치는 경우가 있다. 이와 같은 경우에는 이 리벳결합후에 상기한 쇼트피이닝을 시행해서 압축잔류응력을 부여하므로서 상기한 리벳결합에 의한 압축잔류응력의 저하를 보충하고, 상기한 링기어(2)의 톱니부(2a)의 피로강도를 충분히 확보할 수가 있고, 또 결합후에 톱니부(2a)를 연삭끝마무리하므로서 그 정밀도를 유지해서 상대기어와의 양호한 맞물림을 유지할 수가 있다. 또한, 상기한 실시예는 자동차의 차동장치의 링기어의 제조방법에 적용한 경우의 것이었으나, 본 발명은상기한 경우에 한정되지 않고 금속제의 보스부에 결합해서 사용되는 다른 각종의 금속제환상기어를 결합하는 경우에 대해 금속소재의 소성변형에 의해 양자를 결합하는 때에는 유효하게 적용할 수 있는 것은 물론이다. |
