マイクロマシン歯車の損傷モード解析とマイクロ化限界に関する研究

• 研究課題/領域番号: 07455074
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 研究分野: 設計工学・機械要素・トライボロジー
• 研究機関: 京都大学
• 研究代表者: 久保 愛三 京都大学, 工学研究科, 教授 (10027899)
• 研究分担者: 野中 鉄也 京都大学, 工学研究科, 助手 (00180761) ; 藤尾 博重 京都大学, 工学研究科, 助教授 (90026097) ; 矢部 寛 京都大学, 工学研究科, 教授 (30025936)
• 研究期間 (年度): 1995 – 1997
• 研究課題ステータス: 完了 (1997年度)
• 配分額: 8,900千円 (直接経費: 8,900千円); 1997年度: 400千円 (直接経費: 400千円); 1996年度: 1,100千円 (直接経費: 1,100千円); 1995年度: 7,400千円 (直接経費: 7,400千円)
• キーワード: 歯車 / マイクロマシン / 信頼性 / 強度 / 損傷 / コンタミナント / 歯車精度 / 損傷モード / マイクロ歯車 / 歯面強度

研究概要

今までの歯車装置の設計法に準拠してマイクロマシン用歯車装置を設計すると、その強度的信頼性が著しく不足する問題が出てきている。この状況を解明するため、モジュール1.0mmから0.1mmの歯車を用いた実験的ならびに理論的研究の結果、以下の成果を得た。
1.歯車の製作精度、組み付け精度が歯車の応力状態に及ぼす影響は、モジュールが小さくなるほど大きくなる。この結果、許容負荷はモジュールに比例して小さくなると通常考えられているより、さらに小さくなることを確認した。この現象には、歯面形状の狂いより組み立て時の軸平行度の狂いの影響がきわめて大きいこと、ある程度の軸アライメント誤差の狂いが避けられない場合は、歯面形状精度の向上が信頼性の向上に結びつかないことを明らかにし、これらの評価法を提案した。
2.潤滑油中に存在するコンタミナントがかみ合いに巻き込まれた場合、歯面が損傷を受けるのは当然であるが、極小モジュールの歯車の場合には、コンタミナントを介しての負荷が歯元隅肉部の局所曲げ応力値を極端に高めることを明らかにした。これに対し、歯面損傷による歯面形状精度の劣化が歯元応力を高める程度は、通常歯車の場合に比較して大差ないものである。
3.極小モジュールの歯車の場合には、潤滑油中に存在するコンタミナントがかみ合い開始時に歯の頂部および裏歯面の間にかみ込まれ得ることを明らかにし、歯の折損を引き起こすのに十分のほど大きな歯元応力が発生することを発見した。また、この現象を実験的に検証した。
4.歯車歯面の熱処理変質層の厚さはモジュールに無関係であるので、モジュールが小さいほど変質層の厚さは相対的に厚くなる。このもろい変質層が剥離して潤滑油中のコンタミナントとなり、また、歯面形状が劣化することが、信頼性低下の大きな原因であることを発見した。