多くの部分新しいエネルギー減速ギアそして自動車用ギアプロジェクトでは、ギア研削後にショットピーニングが必要ですが、これは歯面品質を低下させ、システムのNVH性能にさえ影響します。本論文では、さまざまなショットピーニングプロセス条件とショットピーニング前後のさまざまな部品の歯面粗さを検討しました。結果は、ショットピーニングによって歯面粗さが増加することを示しています。これは、部品の特性、ショットピーニングプロセスパラメータ、およびその他の要因によって影響を受けます。既存のバッチ生産プロセス条件下では、ショットピーニング後の最大歯面粗さは、ショットピーニング前の3.1倍です。歯面粗さがNVH性能に及ぼす影響について議論し、ショットピーニング後の粗さを改善するための対策を提案します。

上記のような背景のもと、本稿では以下の3つの側面から議論する。

ショットピーニング工程パラメータが歯の表面粗さに与える影響。

既存のバッチ生産プロセス条件下でのショットピーニングによる歯面粗さの増幅度。

歯の表面粗さの増加がNVH性能に与える影響とショットピーニング後の粗さを改善するための対策。

ショットピーニングとは、高硬度で高速運動する多数の小さな弾丸を部品の表面に衝突させる加工法です。弾丸の高速衝突により、部品の表面にピットが発生し、塑性変形が生じます。ピットの周囲の組織はこの変形に抵抗し、残留圧縮応力を生成します。多数のピットが重なり合うことで、部品表面に均一な残留圧縮応力層が形成され、部品の疲労強度が向上します。ショットピーニングは、ショットピーニングによって高速を得る方法によって、図1に示すように、一般的に圧縮空気ショットピーニングと遠心力ショットピーニングに分けられます。

圧縮空気ショットピーニングは、圧縮空気を動力としてガンからショットを噴射します。遠心ショットブラストは、モーターを使用してインペラを高速回転させ、ショットを投射します。ショットピーニングの主要なプロセスパラメータには、飽和強度、被覆率、およびショットピーニング媒体の特性（材質、サイズ、形状、硬度）が含まれます。飽和強度は、ショットピーニングの強度を特徴付けるパラメータであり、アーク高さ（つまり、ショットピーニング後のアルメン試験片の曲がり具合）で表されます。被覆率とは、ショットピーニング後のピットで覆われた面積とショットピーニングされた領域の総面積の比率を指します。一般的に使用されるショットピーニング媒体には、鋼線切断ショット、鋳鋼ショット、セラミックショット、ガラスショットなどがあります。ショットピーニング媒体のサイズ、形状、硬度にはさまざまなグレードがあります。トランスミッションギアシャフト部品の一般的なプロセス要件を表1に示します。

試験部品はハイブリッドプロジェクトの中間軸ギア1/6です。ギア構造を図2に示します。研削後、歯面微細構造はグレード2、表面硬度は710HV30、有効硬化層深さは0.65mmで、いずれも技術要件を満たしています。ショットピーニング前の歯面粗さを表3に、歯形精度を表4に示します。ショットピーニング前の歯面粗さは良好で、歯形曲線は滑らかであることがわかります。

テスト計画とテストパラメータ

試験には圧縮空気ショットピーニング機が使用される。試験条件上、ショットピーニング材の特性（材質、サイズ、硬度）の影響を検証することはできない。そのため、試験ではショットピーニング材の特性は一定であり、飽和強度と被覆率がショットピーニング後の歯面粗さに与える影響のみを検証する。試験スキームについては表2を参照のこと。試験パラメータの具体的な決定プロセスは以下のとおりである。アルメンクーポン試験により飽和曲線（図3）を描き、飽和点を決定し、圧縮空気圧力、鋼材ショット流量、ノズル移動速度、ノズルと部品間の距離などの設備パラメータを固定する。

テスト結果

ショットピーニング後の歯面粗さデータを表3に、歯形精度データを表4に示す。4つのショットピーニング条件において、ショットピーニング後に歯面粗さが増加し、歯形曲線が凹凸になっていることがわかる。噴射後の粗さと噴射前の粗さの比を用いて、粗さ倍率を特徴付ける（表3）。4つのプロセス条件で粗さ倍率が異なることがわかる。

ショットピーニングによる歯面粗さの拡大のバッチ追跡

セクション3のテスト結果から、異なるプロセスでのショットピーニング後の歯の表面粗さの増加の程度はさまざまであることがわかります。 ショットピーニングによる歯の表面粗さの増幅を十分に理解し、サンプル数を増やすために、5項目、5種類、合計44個の部品を選択し、バッチ生産ショットピーニングプロセスの条件下でショットピーニング前後の粗さを追跡しました。 歯車研削後の追跡部品の物理的および化学的情報とショットピーニングプロセス情報については、表5を参照してください。 ショットピーニング前の前面と背面の歯の表面の粗さと倍率データを図4に示します。 図4は、ショットピーニング前の歯の表面粗さの範囲がRz1.6μm〜Rz4.3μmであることを示しています。 ショットピーニング後、粗さが増加し、分布範囲はRz2.3μm〜Rz6.7μmです。 ショットピーニング前には最大粗さが3.1倍まで増幅される可能性があります。

ショットピーニング後の歯面粗さに影響を与える要因

ショットピーニングの原理から、高硬度かつ高速移動するショットは部品表面に無数のピットを残し、これが残留圧縮応力の発生源となることがわかります。同時に、これらのピットは表面粗さを増加させます。表6に示すように、ショットピーニング前の部品特性とショットピーニング工程パラメータは、ショットピーニング後の粗さに影響を与えます。本論文の第3節では、4つの工程条件下で、ショットピーニング後の歯面粗さがそれぞれ異なる程度に増加していることが示されています。この試験では、ショット前の粗さと工程パラメータ（飽和強度または被覆率）という2つの変数があり、ショットピーニング後の粗さとそれぞれの影響因子との関係を正確に判断することはできません。現在、多くの学者がこの点について研究を行い、有限要素シミュレーションに基づくショットピーニング後の表面粗さの理論的予測モデルを提案しています。このモデルは、さまざまなショットピーニング工程の対応する粗さ値を予測するために使用されています。

実際の経験と他の研究者の研究に基づき、表6に示すように、様々な要因の影響モードを推測することができます。ショットピーニング後の粗さは多くの要因によって総合的に影響を受けており、それらは残留圧縮応力に影響を与える重要な要因でもあります。残留圧縮応力を確保することを前提にショットピーニング後の粗さを低減するためには、多数の工程試験を実施し、パラメータの組み合わせを継続的に最適化する必要があります。

歯面粗さがシステムのNVH性能に与える影響

ギア部品は動的な伝達システムの一部であり、歯面粗さはNVH性能に影響を与えます。実験結果によると、同じ荷重と速度の場合、表面粗さが大きいほどシステムの振動と騒音が大きくなり、荷重と速度が増加すると、振動と騒音はより顕著に増加します。

近年、新エネルギー減速機のプロジェクトは急速に増加しており、高速・大トルク化への発展傾向を示しています。現在、当社の新エネルギー減速機の最大トルクは354N・m、最高回転数は16000r/minであり、将来的には20000r/min以上に向上する予定です。このような動作条件下では、歯面粗さの増加がシステムのNVH性能に与える影響を考慮する必要があります。

ショットピーニング後の歯面粗さの改善策

歯車研削後のショットピーニング処理は、歯車歯面の接触疲労強度と歯底の曲げ疲労強度を向上させることができます。歯車設計プロセスにおいて強度上の理由からこの処理を使用する必要がある場合、システムのNVH性能を考慮すると、ショットピーニング後の歯車歯面粗さは、以下の観点から改善できます。

a. ショットピーニング工程のパラメータを最適化し、残留圧縮応力を確保することを前提に、ショットピーニング後の歯面粗さの増幅を制御する。これには多くの工程試験が必要であり、工程の汎用性は高くない。

b. 複合ショットピーニング工程を採用しています。つまり、通常強度のショットピーニングが完了した後、さらに別のショットピーニングを追加します。ショットピーニング工程で増加した強度は通常小さくなります。ショット材の種類とサイズは、セラミックショット、ガラスショット、またはより小さなサイズの鋼線カットショットなど、調整可能です。

c. ショットピーニング後、歯面研磨、フリーホーニングなどの工程が追加されます。

本稿では、異なるショットピーニング処理条件とショットピーニング前後の異なる部品の歯の表面粗さを研究し、文献に基づいて以下の結論を導き出しました。

◆ ショットピーニングにより歯の表面粗さが増加しますが、これはショットピーニング前の部品の特性、ショットピーニングプロセスのパラメータなどの要因の影響を受け、これらの要因も残留圧縮応力に影響を与える重要な要因です。

◆ 既存のバッチ生産工程条件下では、ショットピーニング後の歯面粗さの最大値はショットピーニング前の3.1倍であった。

◆ 歯面粗さが増加すると、システムの振動と騒音が増加します。トルクと速度が大きいほど、振動と騒音の増加は顕著になります。

◆ ショットピーニング後の歯面粗さは、ショットピーニング工程パラメータの最適化、複合ショットピーニング、ショットピーニング後の研磨またはフリーホーニングの追加などによって改善できます。ショットピーニング工程パラメータの最適化により、粗さの増幅を約1.5倍に抑制することが期待されます。