JP2004197878A - 針状ころ軸受用の保持器及び針状ころ軸受 - Google Patents

Abstract

【課題】コストを増大させることなく耐久性を確保できる針状ころ軸受用の保持器及び針状ころを提供する。
【解決手段】一対の環状部１２ａと、環状部１２ａを連結する複数の柱部１２ｂとよりなる針状ころ軸受用の保持器１２は、カーボン濃度が０．０８〜０．３％以下の鉄系の板材をせん断打ち抜き加工することによって、柱部１２ｂが形成され、せん断打ち抜き加工時の加工硬化により、加工後における少なくとも柱部１２ｂの付け根の硬度が、加工前よりも増大するようになっているので、疲労強度を向上させることができ、一方、保持器１２の素材を、溶接処理される場合を除き温度がＡ_１変態点以下に維持される処理を施すことで、例えば焼き入れ処理などの高温処理中に生じる粒界酸化を抑制して、柱部１２ｂのクラック等を防止することが可能となる。
【選択図】 図４

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、針状ころ軸受用の保持器及び針状ころに関し、特に耐久性を向上させることができる針状ころ軸受用の保持器及び針状ころ軸受に関する。
【０００２】
【従来の技術】
車両等に搭載されている自動変速機において、一般的には遊星歯車機構が用いられている。ここで、針状ころ軸受は、細径のころを用いていることから、内輪外径と外輪内径との差が小さいスペースにも収めることができるので、遊星歯車機構の遊星歯車を回転自在に支持するために用いると、それを搭載した自動変速機のコンパクト化に寄与するので好ましいといえる（特許文献１参照）。
【特許文献１】
特開２００２−３４９６４７号公報
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、近年は、燃費の向上などを目的として、自動変速機においても多段化される傾向がある。しかるに、現在は４速が主流である自動変速機を、例えば５速或いは６速に多段化しようとすると、動力を伝達する遊星歯車機構の遊星歯車の公転速度が増大するということがある。このような場合、遊星歯車を回転自在に支持する針状ころ軸受のころの挙動を抑制するために、保持器が重要な意義を持つ。
【０００４】
ここで、保持器の硬度を向上させるには、鋼製の保持器に焼き入れ等の処理を行うことが考えられる。しかるに、本発明者の研究によれば、焼き入れ処理を行った保持器を備えた針状ころ軸受を、遊星歯車機構の遊星歯車を支持する場合と同様な条件で試験を行ったところ、特に外輪案内である場合、保持器の柱部付け根に割れが発生することが判明した。これは、焼き入れ処理により粒界酸化が生じ、柱部の疲労強度が低下することが原因と考えられる。なお、遊星歯車機構の遊星歯車を支持する場合、針状ころ軸受には遊星歯車の自転と公転により、保持器の柱部に強く頻度の高い繰り返し応力が発生し、転動体がころの場合には、スキュー効果による繰り返し応力が付加される。
【０００５】
より具体的には、遊星歯車は自転しながら太陽歯車の周囲を公転しているが、このとき針状ころ軸受におけるころは、内輪の周囲を公転すると共に、太陽歯車の周囲を公転するので、それらを合成した公転速度はころの位置によって異なり、それにより異なる遠心力を受ける。ここで、遠心力により正の加速力をうけたころは保持器の柱部に追突し、負の加速力を受けたころは保持器の柱部から追突されるというように、交互の力を受けることとなり、従って保持器の柱部の付け根が受ける応力値や応力繰返数が増大し、保持器の柱部の付け根からの疲労クラックあるいは保持器の柱部の付け根が接続された環状部の疲労クラックが起こる恐れがある。また、本来的に回転するころにはスキューが発生するため、さらに保持器の柱部の付け根に負荷される応力やその繰返数が増大する。すなわち、針状ころ軸受が自転しさらに公転するような使われ方をすると焼入処理を施した保持器でも疲労強度が不足するという課題がある。
【０００６】
これに対し、鋼製の保持器に焼き入れ等の処理を行わなければ、粒界酸化が生じないので、柱部のクラックを抑えることはできるが、表面硬度を増大させることができないため、摩耗強度や耐摩耗性に劣るという問題がある。
【０００７】
本発明は、かかる問題点に鑑みて成されたものであり、コストを増大させることなく耐久性を確保できる針状ころ軸受用の保持器及び針状ころ軸受を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の針状ころ軸受用の保持器は、一対の環状部と、前記環状部を連結する複数の柱部とよりなる針状ころ軸受用の保持器において、
カーボン濃度が０．０８〜０．３％以下の鉄系の板材を機械加工することによって、前記柱部が形成され、前記機械加工により、加工後における少なくとも前記柱部の付け根の硬度が、加工前よりも増大するようになっており、
更に、機械加工された板材を、溶接処理される場合を除き温度がＡ_１変態点以下に維持される処理を施すことで形成されることを特徴とする。
【０００９】
【作用】
本発明の針状ころ軸受用の保持器は、一対の環状部と、前記環状部を連結する複数の柱部とよりなる針状ころ軸受用の保持器において、カーボン濃度が０．０８〜０．３％以下の鉄系の板材を機械加工することによって、前記柱部が形成され、前記機械加工により、加工後における少なくとも前記柱部の付け根の硬度が、加工前よりも増大するようになっているので、疲労強度を向上させることができ、一方、機械加工された板材を、溶接処理される場合を除き温度がＡ_１変態点以下に維持される処理を施すことで、例えば焼き入れ処理などの高温処理中に生じる粒界酸化を抑制して、前記柱部のクラック等を防止することが可能となる。
【００１０】
たとえば鋼製の保持器における柱部の付け根の疲労強度を向上させるには、通常、焼入処理あるいは、浸炭焼入処理、あるいは浸炭窒化焼入処理を実施し、組織をマルテンサイト主体の組織にすることが行われる。しかしながら、保持器のポケット（隣接する柱部の隙間であって、ころの保持部）が、せん断打ち抜き加工で作製される場合には、その切断面には微小なクラックを内在する破断面を含む（図６参照）。この破断面とは、せん断加工において、パンチ刃先が保持器材料（鋼）の側面に押し付けられながら擦られてできる滑らかなせん断面に引き続き形成されるむしれ面であり、微小なクラックを内在する一種の破面である。この面を含む材料を、焼入れ処理すると、マルテンサイト変態による急激な体積変化（粒界酸化）のために、内在するクラックが進展する傾向がある。従って、この進展したクラックを起点とする保持器の割れが使用中に発生しやすくなる。このような理由により、せん断打ち抜き加工を実施する鋼製の保持器においては、焼入処理あるいは、浸炭焼入処理、あるいは浸炭窒化焼入処理を行っても、平滑面ほどの疲労強度改善を達成できないのが現実である。
【００１１】
本発明においては、このような問題点を解決するために、溶接処理される場合を除き温度がＡ_１変態点以下に維持されるようにし、すなわち従来の技術常識に反して焼入れ処理を実施することなく、疲労強度改善を図ることができる。保持器の材料組織としては、せん断打ち抜き加工が可能なフェライト及びパーライトの混合組織（フェライト及び炭化物の混合組織ともいえる）が必要である。しかしながら、せん断打ち抜き加工が可能なフェライト及びパーライトの混合組織のままでは、疲労強度が不足する。そこで、この問題を解決すべく、フェライト及びパーライトの混合組織のままで疲労強度の向上を図るため、鋼の成分を調節し、冷間加工の一種であるポケットせん断突き抜き加工を利用し、ポケット内周面の材料（鋼）の加工硬化を利用し疲労強度を向上させるのである。加工硬化の度合いは、材料の化学成分等に依存するが、なかでも炭素濃度は大きな因子であるので、炭素濃度を０．０８％以上にすることが必要である（図７参照）。炭素濃度を上げるとさらに大きな加工硬化を得られるが、炭素濃度が０．３％を越えると経済的なせん断打ち抜き加工が困難となるので、炭素濃度範囲を０．０８〜０．３％とすることが必要である。この他、焼入れ処理を行うことなく、柱部付け根の疲労強度向上方法として、ショットピーニングがある。これは、マルテンサイト変態を使用することなく硬度を向上できるので、破断面に内在される微小クラックを拡大せず、ポケットのせん断打ち抜き加工を実施する保持器の疲労強度向上に有効な方法である。
【００１２】
以上のような特徴を有するため、前記針状ころ軸受は、例えば自転と共に公転するような遊星歯車装置の遊星歯車を回転自在に支持するために用いられても、耐摩耗性及び信頼性を両立できる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して以下に詳細に説明する。図１は、本実施の形態にかかる針状ころ軸受を含む車両の自動変速機１の断面図である。図１において、不図示のエンジンから出力されるトルクは、トルクコンバータ２を介して伝達され、更に複数列組み合わせれた遊星歯車機構３を介して複数段に減速され、その後出力軸４に連結された不図示のドライブトレーンに出力されるようになっている。
【００１４】
遊星歯車機構３の作動原理を図２に示す。図２において、太陽歯車３ａの周囲に３つの遊星歯車３ｂが噛合しつつ等配されて、不図示のキャリヤにより回転自在に支持されている。遊星歯車３ｂは、その周囲のリングギヤ３ｃに噛合している。
【００１５】
まず、１速の場合、図２（ａ）に示すように、太陽歯車３ａをドライブ側とし、遊星歯車３ｂ（キャリヤ）をドリブン側とし、リングギヤ３ｃを固定することで、大きな減速比が得られる。次に、２速の場合、図２（ｂ）に示すように、太陽歯車３ａを固定し、遊星歯車３ｂ（キャリヤ）をドリブン側とし、リングギヤ３ｃをドライブ側とすることで、中程度の減速比が得られる。更に、３速の場合、図２（ｃ）に示すように、太陽歯車３ａを固定し、遊星歯車３ｂ（キャリヤ）をドライブ側とし、リングギヤ３ｃをドリブン側とすることで、小さな減速比が得られる。尚、後退の場合、図２（ｄ）に示すように、太陽歯車３ａをドリブン側とし、遊星歯車３ｂ（キャリヤ）を固定し、リングギヤ３ｃをドライブ側とすることで、入力に対して出力を逆転させることができる。
【００１６】
図３は、キャリヤ３ｄと遊星歯車３ｂとを分解して示す部分斜視図である。遊星歯車３ｂは、中央に開口（外輪）３ｆを有し、キャリヤ３ｄは、軸（内輪）３ｅを有している。軸３ｅと開口３ｆとの間に針状ころ軸受１０が配置され、回転自在に支承されるようになっている。針状ころ軸受１０は、複数のころ１１と、それらを保持する保持器１２とからなっている。
【００１７】
図４は、保持器１２の斜視図である。保持器１２は、一対の環状部１２ａを複数の柱部１２ｂで連結した構成を有している。
【００１８】
ここで、例えば図２（ｂ）に示す場合においては、遊星歯車３ｂは太陽歯車３ａの周囲を高速自転しながら回転するため、針状ころ軸受１０のころ１１は、遠心力により正の加速力をうけて先行する保持器１２の柱部１２ｂに追突し、あるいは負の加速力を受けて後を追う保持器１２の柱部１２ｂから追突されるというように、交互の力を受けることとなり、従って保持器１２の柱部１２ｂの付け根が受ける応力値や応力繰返数が増大する。このような条件下でも十分な疲労強度をを有するように、本実施の形態の保持器は以下のようにして作製される。
【００１９】
本実施の形態にかかる保持器１２は、図５に示すように、細長い板材をパンチを用いたせん断打ち抜き加工により柱部１２ｂを等間隔に形成し（ステップＳ１０１）、その後板材を丸めて両端を溶接して環状部１２ａを形成し（ステップＳ１０２）、更に焼き入れ処理を行わない軟窒化処理を行って（ステップＳ１０３）、表面硬化処理を行っている。すなわち、本実施の形態の保持器１２のように、焼き入れ処理を行わなければ、処理温度がＡ_１変態点を超えることがなく、粒界酸化が起きないので、遊星歯車２ｂを回転自在に支持する場合にも、割れなどが発生しにくいものとなっている。又、せん断打ち抜き加工時に、柱部１２ｂに加工硬化が生じ、表面硬度が増大するので、更に疲労強度を増大させることができる。従って、軟窒化処理は必ずしも必須の工程ではない。
【００２０】
（実施例）
以下に、本発明者が行った試験結果を述べる。Ｓ１０Ｃ帯鋼をせん断加工により、図６に示すような矩形試験片ＴＰを作製した。試験片ＴＰは、せん断加工面が、表面側のせん断面Ｐ１と、裏面側の破断面Ｐ２とからなる。この矩形試験片ＴＰを、その両端を下方から支持部Ｓ１，Ｓ２で支持し、中央上方を押圧部Ｓ３で押圧する３点曲げ疲労試験に供試した。せん断加工面ヘの処理としては、せん断加工のままのものと浸炭窒化焼入処理したものを作製した。表面層の硬さ（０．０５ｍｍ深さの硬さ）は、せん断加工のままのものはＨｖ２５０、浸炭窒化焼入したものはＨｖ７００であった。なお、せん断加工の影響を受けない素材の硬さはＨｖ１５０であり、せん断加工時の加工硬化で硬さがＨｖ１００高くなっている。
【００２１】
疲労強度（寿命時間）の最大値は、浸炭窒化焼入処理したものの方がせん断加工のままのものより高いが、ばらつきが大きく、最小値で比較すると、せん断加工のままのものの方が逆に長い（表１参照）。これは、破断面に内在した微小クラックが、浸炭窒化焼入れ処理により進展し、有害化する場合があることを示している。
【表１】

【００２２】
図７は、保持器材料の炭素（カーボン）濃度とせん断加工における硬度変化との関係を示す図である。図７から明らかなように、炭素濃度が低いと、加工硬化が生じにくいという傾向がある。従って、加工硬化で、Ｈｖ８０以上の硬度変化を得ようとすると、炭素濃度を０．０８％以上にすることが必要である。一方、図７から明らかなように、炭素濃度を上げるとさらに大きな加工硬化を得られるが、炭素濃度が０．３％を越えると経済的なせん断打ち抜き加工が困難となる。よって、炭素濃度範囲を０．０８〜０．３％とすることが必要である。
【００２３】
保持器ポケット内周面において、柱部の付け根は、一般的にころは接触せず、耐摩耗性は不要であるが、保持器がころと接触する部分や内外輪と接触する部分は、一般的に耐摩耗性が必要である。その場合には、焼き入れ処理を含まない軟窒化処理等の表面硬化処理が効果的である。
【００２４】
図８は、別な実施の形態にかかる保持器１２’の斜視図である。かかる保持器１２’は、同様に板材からせん断打ち抜き加工により形成されてなり、一対の環状部１２ａ’を複数の柱部１２ｂ’で連結した構成を有しているが、図２の実施の形態と異なり、柱部１２ｂ’の軸線方向中央がくぼみ、かつ保持器１２’の軸線方向両端が半径方向に折り曲げられて、折り曲げ部１２ｃ’を形成している。すなわち、周方向断面がＭ字形状となっているため、いわゆるＭ形保持器と呼ばれるものである。
【００２５】
以上、本発明を実施例を参照して説明してきたが、本発明は上記実施の形態に限定して解釈されるべきではなく、適宜変更・改良が可能であることはもちろんである。例えば、本発明は針状ころ軸受に限らず、通常のころ軸受にも適用できる。
【００２６】
【発明の効果】
本発明の針状ころ軸受用の保持器は、一対の環状部と、前記環状部を連結する複数の柱部とよりなる針状ころ軸受用の保持器において、カーボン濃度が０．０８〜０．３％以下の鉄系の板材を機械加工することによって、前記柱部が形成され、前記機械加工により、加工後における少なくとも前記柱部の付け根の硬度が、加工前よりも増大するようになっているので、疲労強度を向上させることができ、一方、機械加工された板材を、溶接処理される場合を除き温度がＡ_１変態点以下に維持される処理を施すことで、例えば焼き入れ処理などの高温処理中に生じる粒界酸化を抑制して、前記柱部のクラック等を防止することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施の形態にかかる針状ころ軸受を含む車両の自動変速機の断面図である。
【図２】遊星歯車機構の作動原理を示す図である。
【図３】キャリヤ３ｄと遊星歯車３ｂとを分解して示す部分斜視図である。
【図４】本実施の形態にかかる保持器の斜視図である。
【図５】保持器の製作工程を示す図である。
【図６】本発明者らが行った疲労試験を説明する図である。
【図７】保持器材料の炭素（カーボン）濃度とせん断加工における硬度変化との関係を示す図である。
【図８】別な実施の形態にかかる保持器の斜視図である。
【符号の説明】
１ 自動変速機
２ トルクコンバーター
３ 遊星歯車機構
４ 出力軸
１０ 針状ころ軸受
１１ ころ
１２，１２’ 保持器

Claims (3)

1. 一対の環状部と、前記環状部を連結する複数の柱部とよりなる針状ころ軸受用の保持器において、
   カーボン濃度が０．０８〜０．３％以下の鉄系の板材を機械加工することによって、前記柱部が形成され、前記機械加工により、加工後における少なくとも前記柱部の付け根の硬度が、加工前よりも増大するようになっており、
   更に、機械加工された板材を、溶接処理される場合を除き温度がＡ_１変態点以下に維持される処理を施すことで形成されることを特徴とする針状ころ軸受用の保持器。
2. 前記針状ころ軸受は、遊星歯車装置の遊星歯車を回転自在に支持するために用いられること特徴とする請求項１に記載の針状ころ軸受用の保持器。
3. 請求項１又は２に記載の針状ころ軸受用の保持器を用いたことを特徴とする針状ころ軸受。

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