JP2005076651A - Rolling bearing and belt-type continuously variable transmission using it - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、車両のベルト式無段変速機のプーリ軸を支持する用途に好適な転がり軸受に関する。
【0002】
【従来の技術】
ベルト式無段変速機は、自動変速機の変速機構として、ベルト駆動のプーリの半径を連続的に変える機構を有するものである。例えば図4に示すように、平行に配置された入力軸(駆動軸)1と出力軸(従動軸)2にそれぞれプーリ3,4が設けられており、これらのプーリ3,4間に金属製のベルト5が巻き付けてある。このベルト5は、厚さ0.2mm程度の薄板を10枚程度重ねた構造の2条のリング51に、多数の薄い(厚さ2mm程度の)摩擦片52を取り付けた構造となっており、この摩擦片52が押し合う時の押力で動力を伝えるものである。
【0003】
このベルト5を介して、入力軸プーリ(プライマリプーリ)3から出力軸プーリ(セカンダリプーリ)4に駆動力の伝動がなされる。両プーリ3,4は、各軸1,2に固定された固定円錐板31,41と、油圧機構によって軸方向に移動可能な可動円錐板32,42とで構成され、両円錐板32,42によってV字状のプーリ溝が形成されている。
【0004】
これらのプーリ3,4の各可動円錐板32,42を軸方向に移動して溝幅を変え、ベルト5がプーリ3,4に接触する位置(プーリの有効回転半径)を変更することで、変速比を無段階に変えることができる。例えば、入力軸プーリの溝幅を縮小するとともに出力軸プーリの溝幅を拡大すれば、入力軸プーリの有効回転半径は小さくなり、出力軸プーリの有効回転半径は大きくなるため、大きな変速比が得られる。
【0005】
各プーリ3,4の固定円錐板31,41が一体化された軸部(プーリ軸)31a,41aは、ラジアル玉軸受6,7により支持されている。これらのプーリ軸31a,41aは、軸出力を後段に伝達する際に、反力としてスラスト荷重を受ける。そのため、このスラスト荷重によって各ラジアル玉軸受6,7が軸方向に変位して、入力軸プーリ3と出力軸プーリ4とで溝幅方向の中心がずれる(所謂「芯ずれ」が生じる)ことを防止する必要がある。前記芯ずれが大きくなると、ベルト9が蛇行してリング51と摩擦片52とが不適切に接触することで損傷に至る場合もあるし、ラジアル玉軸受6,7にすべりが生じて発熱量が大きくなる場合もある。
【0006】
この対策として、特許文献1には、プーリ軸を支持する玉軸受について、内輪及び外輪の軌道溝の曲率半径(R)のボール直径(D)に対する比(R/D)を、通常の標準設計値(0.53)よりも小さくすること(内輪で50.1〜50.9%、外輪で50.1〜51.9%)が記載されている。この比(R/D)が小さいほどスラスト荷重によって玉軸受が軸方向にずれ難いため、前述のプーリ間の芯ずれは生じ難くなる。
【0007】
一方、ベルト式無段変速機の潤滑油としては、トルクコンバータ、歯車機構、油圧機構、湿式クラッチ等を円滑に作動させて動力を伝達するために、トラクション係数の高い自動変速機用潤滑油(ATF:Automatic Transmission Fluid)や無段変速機用潤滑油(CVTF:Continuously Variable Transmission Fluid)などの専用油が使用されている。
【0008】
これらの潤滑油中で使用される転がり軸受の場合には、軌道輪と転動体との間に生じる接線力が増大し、通常の接触面圧が最も大きい接触楕円中心部(軌道溝の溝幅方向の中心部)から離れた部位、つまり、PV値(接触面圧と速度との積)が最も大きくなる部位で潤滑膜が破壊され、金属接触の頻度が高くなることにより、発熱が起こることが多い。
【0009】
特に、近年、2.5Lを超える大型のエンジンに適用可能なベルト式無段変速機が切望されているが、このようなベルト式無段変速機に使用される転がり軸受の場合には非常に高いトルクがかかり、発熱が起こりやすくなると推測される。また、ベルトが樹脂製の乾式ベルト式無段変速機に使用される転がり軸受の場合には、ベルトによるトルクの伝達が無給油環境下で行われることから油潤滑が困難であるため、グリース潤滑されるが、油潤滑の場合と比べて発熱が起こりやすい。
【0010】
このような発熱は、軸受の硬さの低下や残留オーステナイトの分解の要因となる。したがって、ベルト式無段変速機に適用される転がり軸受では、高温環境下での硬さの維持及び寸法安定性が必要となる。また、ベルト式無段変速機で適用される転がり軸受では、上述した高温環境下での問題に加え、厳しい潤滑条件で使用されることに起因するピーリング疲労も問題となっている。
【0011】
この対策として、特許文献2には、内輪及び玉の全体の残留オーステナイト量を5%以下とし、且つ、内輪又は外輪の軌道面の残留オーステナイト量を10%以上とした4点接触玉軸受を用いることが記載されている。ここでは、全体の残留オーステナイト量を5%以下とすることにより、発熱時の殘留オーステナイトの分解による寸法変化を小さくするとともに、軌道面の残留オーステナイト量を10%以上とすることにより、表面疲労を抑制している。
【0012】
【特許文献1】
特公平8−30526号公報
【特許文献2】
特開平10−292859号公報
【0013】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した特許文献1に記載の技術は、ベルト式無段変速機のベルトの耐久性を高めるためになされたものであるため、プーリの回転軸を支持する転がり軸受の寿命については言及されていない。
また、上述した特許文献2に記載の技術は、高温環境下での組織変化に対する抵抗性を有するものではないため、高温での硬さ低下及び寸法安定性劣化を起因とする摩耗やピーリング疲労など、ベルト式無段変速機特有の疲労を抑制する点では未だ改善の余地があった。
そこで、本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、高温環境下での硬さ及び寸法安定性を確保することで、ベルト式無段変速機に好適に用いることができる長寿命な転がり軸受を提供することを課題としている。
【0014】
【課題を解決するための手段】
このような課題を解決するために、本発明は、内輪と、外輪と、前記内輪及び前記外輪との間に転動自在に配設された複数の転動体と、を備えた転がり軸受において、前記内輪、前記外輪及び前記転動体の少なくとも一つは、質量比で、Cが0.3〜0.6%、Siが0.5〜2.0%、Moが0.5〜1.5%、SiとMoとが合計で1.6%以上含まれる合金鋼を所定形状に加工した後、浸炭又は浸炭窒化処理と焼入れ処理と200〜400℃での高温焼戻し処理とを施すことにより、転がり面をなす表層部の残留オーステナイト量が12体積%以下で、前記表層部の炭素含有率が0.8〜1.2質量%となっていることを特徴とする転がり軸受を提供する。
【0015】
本発明はまた、内輪と、外輪と、前記内輪及び前記外輪との間に転動自在に配設された複数の転動体と、を備えた転がり軸受において、前記内輪、前記外輪及び前記転動体の少なくとも一つは、質量比で、Cが0.3〜0.6%、Siが0.5〜2.0%、Moが0.5〜1.5%、SiとMoとが合計で1.6%以上含まれる合金鋼を所定形状に加工した後、浸炭又は浸炭窒化処理と焼入れ処理と240〜400℃での高温焼戻し処理とを施すことにより、転がり面をなす表層部の残留オーステナイト量が6体積%以下で、前記表層部の炭素含有率が0.8〜1.2質量%となっていることを特徴とする転がり軸受を提供する。
【0016】
本発明の転がり軸受によれば、内輪、外輪、及び転動体の少なくとも一つを、上記特定の合金鋼で形成するとともに、転がり面の残留オーステナイト量及び炭素含有率を上記構成にすることにより、高温環境下で使用される場合であっても硬さ及び寸法安定性を確保することができるようになるため、寿命を長くすることができる。
【0017】
また、本発明の転がり軸受において、前記合金鋼は、Crが0.5〜3.0%の範囲で含まれ、残部がFe及び不可避不純物であることが好ましい。
さらに、本発明の転がり軸受において、窒素含有率が、0.5質量%以下となっていることが好ましい。これによれば、転がり軸受の耐摩耗性及び耐焼付き性をさらに向上させることができるため、寿命をさらに長くすることができる。
【0018】
さらに、本発明の転がり軸受において、前記内輪及び前記外輪の間に形成され前記転動体が内設された空隙部は、シールド部材又はシール部材で密封されていることが好ましい。これによれば、転がり軸受内部に摩耗金属粉などが混入することを防止できるようになるため、転がり軸受の寿命をさらに長くすることができる。
【0019】
本発明はさらに、ベルトが巻き付けられたプーリと、当該プーリの回転軸を支持する軸受と、を備えたベルト式無段変速機において、前記軸受は、本発明の転がり軸受であることを特徴とするベルト式無段変速機を提供する。
本発明のベルト式無段変速機によれば、高温環境下で使用されても長寿命な転がり軸受でプーリの回転軸を支持しているため、耐久性を長期間保持することができる。
【0020】
なお、本発明の転がり軸受における「転がり面」とは、内輪及び外輪の軌道面や、転動体の転動面を示す。また、「表層部」とは、表面から20μmの深さまでの部分を示す。さらに、「残留オーステナイト量」及び「炭素含有率」、並びに「窒素含有率」は、いずれも研削仕上げ後の完成状態における転がり面での値を示す。
【0021】
以下、本発明における各数値限定の臨界的意義について説明する。
〔C:0.3〜0.6質量%〕
C(炭素)は、焼入れ、焼戻し後の硬さを向上させるために必要な元素である。Cが0.3%未満であると、軸受として使用する際に剪断応力が働く深さまで必要な硬さとするために、浸炭又は浸炭窒化処理の時間を長くする必要があり、熱処理生産性が低下するとともに、コスト的に不利になる。一方、Cの含有量が0.6%を超えると、表層部だけでなく芯部まで殘留オーステナイト量が多くなってしまうため、高温環境下での寸法安定性が阻害される場合がある。また、素材の段階で巨大な炭化物が発生するため、機械加工性及び靱性が低下する。
【0022】
〔Si:0.5〜2.0質量%〕
Si(珪素)は、高温での殘留オーステナイトの分割を遅延させ、組織を安定化させるとともに、焼戻し軟化抵抗性を向上させるために有効な元素である。この効果を得るためには、Siを0.3%以上含有させる必要がある。しかし、含有量が多すぎると、機械的強度の低下、被削性の低下、及び浸炭窒化性が低下するため、その上限を2.0%以下とする。
【0023】
〔Mo:0.5〜1.5質量%〕
Mo(モリブデン)は、上述したCr以上の優れた固溶強化能を有し、且つ、焼戻し軟化抵抗性の向上に有効な元素である。また、Moは、高温でも微細な炭化物を形成することができる元素であるため、高温で十分な硬さを得るために必須の元素である。この効果を得るためには、Moを0.5%以上含有させる必要がある。しかし、含有量が多すぎると、機械的強度の低下、被削性の低下、及び浸炭窒化性が低下するため、その上限を1.5%以下とする。
【0024】
〔SiとMoとの合計の含有量:1.6質量%以上〕
ベルト式無段変速機のプーリ軸を支持する軸受として使用される材料には、高温での優れた寸法安定性と高硬度であることが要求される。したがって、高温での寸法安定性が得られるSiと、高硬度が得られるMoとを複合して添加することが必須条件となる。本発明者らは、SiとMoとの両者の性能向上の効果を十分に引き出すために、合金鋼中に含まれるSiとMoとの合計の含有量を1.6%以上とする必要があることを見出した。
【0025】
〔浸炭又は浸炭窒化処理、焼入れ処理、及び高温での焼戻し処理について〕
合金鋼からなる素材の表面近傍に圧縮残留応力を生じさせることにより、耐ピーリング性が向上することが知られている(例えば、特開平5−288257号公報参照)。本発明では、中炭素合金鋼及び中炭素合金鋼に浸炭又は浸炭窒化処理を施すことにより、表面近傍に炭素含有率の勾配を設け、表面の圧縮残留応力を付与することで耐ピーリング性の向上を図った。
【0026】
すなわち、本発明の合金鋼に、浸炭又は浸炭窒化処理と、焼入れ処理と、高温での焼戻し処理とを施すことにより、表層部に圧縮残留応力を付与できるとともに、表層部の残留オーステナイト量を少なくすることが可能となる。残留オーステナイトは、高温環境下でマルテンサイトに変態し、この変態時に寸法変化が生じるため、軸受の内輪及び外輪の隙間を減少させ、ピーリング疲労を増大させる起因となる。このため、高温での焼戻し処理を行うことにより、残留オーステナイト量が最も多く存在する表層部において12体積%以下、より好ましくは6体積%以下とする。この焼戻し温度は、表層部の残留オーステナイト量を12%以下とするには200〜400℃とするのが好ましく、表層部の残留オーステナイト量を6%以下とするには240〜400℃とするのが好ましい。
【0027】
〔転がり面をなす表層部の炭素含有率:0.8〜1.2質量%〕
軸受として十分な転がり疲労強度を得るためには、合金鋼を所定形状に加工し、熱処理を行った後の部材の転がり面をなす表層部の炭素含有率を0.8%以上とする必要がある。一方、前記表層部の炭素含有率が1.2%を超えると、巨大炭化物が形成されやすくなり、このような巨大炭化物が欠陥となって転がり疲労寿命が低下する場合がある。
【0028】
〔転がり面をなす表層部の窒素含有率:0.5質量%以下〕
N(窒素)は、耐摩耗性及び耐焼付き性を向上させるために有効な元素である、このため、浸炭又は浸炭窒化処理により、部材の転がり面をなす表層部に分布させることが有効である。しかし、N含有率が0.5%を超えると、浸炭又は浸炭窒化処理の時間を長くする必要があり、熱処理生産性が低下するとともに、コスト的に不利になる。また、熱処理後に研削がし難くなるため、軸受の仕上げ工程である研磨工程の生産性が低下する。
【0029】
また、本発明の合金鋼には、本発明の効果を損なわない範囲で以下に示す元素を添加するようにしてもよい。
〔Cr:0.5〜3.0質量%〕
Cr(クロム)は、焼入れ性及び焼戻し軟化抵抗性を向上させるために有効な元素である。また、微細炭化物を均一に形成する析出硬化により、高温焼戻しを行っても十分な表面硬さが得られるとともに、基地の強靱性を向上させることができる。さらに、硬くて微細なCr炭化物により耐摩耗性を向上させることができる。さらに、Crは炭化物形成元素であり、浸炭窒化層のC含有率を高めることができるため、浸炭阻害性を有するSiの含有量を多くしても合金鋼の浸炭窒化性を高めることができる。
【0030】
これらの効果を得ることができ、且つ、必要な表面硬さとしてHRC(ロックウェル硬さ)60以上を確保するために、Crの含有量の下限を0.5%以下とする。一方、含有量が3.0質量%を超えると、合金鋼からなる素材の段階で巨大炭化物が生じ、この巨大炭化物の周りで応力集中が発生するため、軸受の寿命を低下させることになる。この巨大炭化物を微細化しようとすると、高温での焼入れが必要となり、熱処理生産性が低下する。但し、巨大炭化物を低減させる観点から、Crの上限値を1.8%以下とすることが好ましい。
【0031】
〔Mn:0.2〜2.0質量%〕
Mn(マンガン)は、製鋼時に脱酸剤や脱硫剤として作用するとともに、焼入れ性を向上させるために有効な元素である。この効果を得るためには、Mnを0.2%以上含有させる必要がある。しかし、含有量が多すぎると、非金属介在物の発生量が多くなるため、寿命が低下するとともに、鍛造性や被削性などの機械加工性が低下する。よって、Mnの含有量の上限は、2.0%とする。
【0032】
〔O:10ppm以下〕
O(酸素)は、酸化物系非金属介在物(特に、Al2 O3 )生成元素であり、寿命を低下させる作用を有するため、その含有量は10ppm以下とする必要がある。
〔Al:100〜400ppm〕
Al(アルミニウム)は、Оと同様にAl2 O3 などの酸化物系非金属介在物を生成するが、Al自体は結晶粒の粗大化を防止する作用を有するため、100〜400ppm範囲で含有することが好ましい。
【0033】
〔P:0.02質量%以下〕
P(リン)は、転がり寿命及び靭性を低下させる元素である。このため、Pの含有量は0.02%以下とすることが好ましい。
〔S:0.02質量%以下〕
S(硫黄)は、被削性を向上させる元素であるが、Mnと結合して転がり疲れ寿命を低下させる硫化物介在物を形成する。この被削性は、S以外の元素を添加することで向上させることもできるので、Sの含有量は0.02%以下とすることが好ましい。
【0034】
〔Ni:2.0質量%以下〕
Ni(ニッケル)は、強力なオーステナイト安定化元素であり、δ−フェライトの生成を抑えるとともに、基地に固溶して靭性を向上させることで、高温特性を向上させる作用がある。しかし、含有量が多すぎると、残留オーステナイトが生成して十分な焼入れ硬さが得られなくなるため、Niの含有量は2.0%以下とすることが好ましい。
【0035】
〔Cu:0.05〜2.0質量%〕
Cu(銅)は、Niと同様にオーステナイト安定化作用を有する元素であり、焼入れ硬さを低下させるδ−フェライトの生成を抑え、耐食性や耐酸性を向上させる作用がある。この効果を得るためには、Cuは0.05%以上、好ましくは5.0%以上含有させることが好ましい。しかし、含有量が多すぎると、軸受製造工程のうち熱間鍛造工程において熱間割れを生じる場合があるため、その上限は2.0%以下とする。
〔その他不可避不純物:100ppm以下〕
上記元素及びFe(鉄)以外の元素として、Ti(チタン)やNb(ニオブ)などの不可避不純物の含有量は、それぞれ100ppm以下とすることが好ましい。
【0036】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
まず、表1に示す合金成分からなる合金鋼A〜Sを用いて、呼び番号6207のラジアル玉軸受(内輪35mm,外輪72mm,幅17mm)用の内輪及び外輪を作製した。このとき、内輪の軌道溝の曲率半径R1と玉の直径Dとの比(R1/D)及び外輪の軌道溝の曲率半径R2と玉の直径Dとの比(R2/D)は、いずれも51%となるように形成した。
【0037】
【表1】
【0038】
各合金鋼を所定形状に成形加工した後に、熱処理として、840〜920℃に加熱して3〜20時間の浸炭又は浸炭窒化処理を行った後、油焼入れを行った。その後、後述する表2に示す温度で、1.5〜2.0時間の焼戻しを行った。
熱処理後に、研削仕上げ加工と超仕上げ加工とを行い、内輪及び外輪の軌道面の表面粗さは0.01〜0.04μmRa程度とした。
そして、完成させた内輪及び外輪と、SUJ2製で浸炭窒化処理がなされている玉と、金属製の保持器とを用いて試験軸受を組み立てた後、内輪及び外輪の間に形成され玉が内設された空隙部をシール部材で密封した。なお、ラジアル内部すきまは、「C3すきま」以下とした。
【0039】
表2に、各試験軸受について、内輪及び外輪を形成した合金鋼の「鋼種記号」と、「焼戻し温度」と、「軌道面の表面C濃度(炭素含有率)」及び「軌道面の表面N濃度(窒素含有率)」と、「軌道面の表面残留γ(オーステナイト)量」と、「軌道面の表面硬さ(Hv)」とをそれぞれ示す。ここで、C濃度及びN濃度は発光分光分析装置を用いて測定し、同様に、残留γ量はX線分析装置、表面硬さはビッカース硬度計を用いてそれぞれ測定した。また、「表面」とは、仕上げ加工後の軌道面表面から20μmまでの表層部のことを指す。さらに、表2において、各構成が本発明の範囲から外れるものには下線を施した。
【0040】
【表2】
【0041】
次に、これらの試験軸受について、図1に示すベルト式無段変速機ユニットを用いて寿命試験を行った。このベルト式無段変速機ユニットでは、プライマリプーリ3の入力軸1及びセカンダリプーリ4の出力軸2が、それぞれ一対の転がり軸受6a,6b,7a,7bで支持されている。この四個の転がり軸受のうち、プライマリフロント軸受(すなわち、プライマリプーリ3よりもエンジン側で入力軸1を支持する転がり軸受)6aとして、各試験軸受を取り付けた。これ以外の転がり軸受6b,7a,7bとしては、各試験で同じものを使用した。また、このベルト式無段変速機ユニットのベルト5は、図4と同様に、厚さ0.2mmの鋼製薄板を10枚重ねた構造の二条のリング51に、280枚の厚さ2mmの摩擦片52を取り付けた構造であり、ベルト長は600mmである。
【0042】
寿命試験は、下記に示す試験条件で試験軸受を回転させ、回転中の振動を測定した。そして、軸受の振動値が初期振動値の2倍となった時点で回転を終了し、この時点までの回転時間を寿命とした。結果は、表2に併せて示す。なお、表2中の寿命は、試験軸受No.31の寿命を1とした場合の相対値で示す。
<試験条件>
回転速度:1000〜10000min−1
P(負荷荷重)/C(動定格荷重):max0.2
潤滑油:無段変速機用潤滑油(昭和シェル製、NS−1)
油温度:100〜160℃
【0043】
また、各試験軸受の内輪及び外輪を形成した合金鋼中のSiとMoとの合計の含有量と、得られた寿命比との関係を、図2にグラフで示す。
さらに、各試験軸受の内輪及び外輪の軌道面の表面残留γ量と、得られた寿命比との関係を、図3にグラフで示す。なお、図3では、SiとMoとの合計の含有量が本発明の範囲内の試験軸受についてのみ示した。
これらの結果から分かるように、No.1〜20の試験軸受は、内輪及び外輪を、合金成分が本発明の範囲内である合金鋼で形成し、軌道面の表面C濃度が0.8〜1.2質量%で、且つ、軌道面の残留γ量が12体積%以下であるため、これら全てを満たしていないNo. 21〜32の試験軸受よりも、軸受寿命を長くすることができる。
【0044】
No.1〜20のうち、No.1〜9、No.11、No.13〜15、及びNo.18〜20は、いずれも寿命が5以上とより長寿命となっているが、No.10、No.12、及びNo.16、No. 17は、いずれも寿命が5未満となっていた。この結果より、軌道面の残留γ量が6体積%以下とすると、より長寿命な軸受が得られることが分かる。
【0045】
これに対して、No.21〜23、No.25〜27、及びNo.31では、いずれもSiとMoとの合計の含有量が本発明の範囲を外れているため、高温環境下での硬さ及び寸法安定性を十分に確保できないため、短寿命となっていた。また、No.24では、焼戻し温度及び残留γ量が本発明の範囲を外れているため、寸法安定性の劣化及び凝着の促進が起こり、短寿命となっていた。さらに、No.28では、表面C濃度が本発明の範囲よりも低いため、十分な表面硬さが得られず、短寿命となっていた。さらに、No.29では、表面C濃度が本発明の範囲よりも高いため、表面に粗大な炭化物が生成されるため、短寿命となっていた。また、No. 32は、Siの含有率が本発明の範囲より高いため、機械的強度が低下し、短寿命となっていた。
【0046】
このように、Si及びMoの合計の含有量が高い合金鋼を用いたことで高温での硬さ及び寸法安定性を向上させるとともに、高温での焼戻しにより残留オーステナイト量を低減させたことで高温での耐表面疲労を向上させることができる。すなわち、内輪及び外輪が本発明の範囲を満たすNo.1〜20の構成とすることにより、高温環境下及び厳しい潤滑条件下で使用されるベルト式無段変速機に使用しても、長寿命な転がり軸受が得られる。
【0047】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の転がり軸受によれば、内輪、外輪、及び転動体の少なくとも一つを、特定の合金鋼で形成するとともに、転がり面をなす表層部の残留オーステナイト量及び炭素含有率を特定の範囲に限定することにより、高温環境下で使用される場合であっても、硬さ及び寸法安定性が確保され、寿命が長くなる。
また、本発明のベルト式無段変速機によれば、高温環境下でも長寿命な転がり軸受でプーリの回転軸を支持することによって、長期間安定してプーリを回転させることができるため、耐久性を長期間保持することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施形態で寿命試験に使用したベルト式無段変速機を示す概略構成図である。
【図2】実施形態の結果から得られた、合金鋼中のSiとMoとの合計の含有量と寿命との関係を示すグラフである。
【図3】実施形態の結果から得られた、内輪及び外輪の軌道面の残留オーステナイト量と寿命との関係を示すグラフである。
【図4】車両のベルト式無段変速機の一例を示す断面図である。
【符号の説明】
1 入力軸(駆動軸)
2 出力軸(従動軸)
3 入力軸プーリ(プライマリプーリ)
31 固定円錐板
32 可動円錐板
4 出力軸プーリ(セカンダリプーリ)
41 固定円錐板
42 可動円錐板
5 ベルト
51 リング
52 摩擦片
6,7 ラジアル玉軸受[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a rolling bearing suitable for use in supporting a pulley shaft of a belt type continuously variable transmission of a vehicle.
[0002]
[Prior art]
The belt-type continuously variable transmission has a mechanism for continuously changing the radius of a belt-driven pulley as a transmission mechanism of an automatic transmission. For example, as shown in FIG. 4,
[0003]
The driving force is transmitted from the input shaft pulley (primary pulley) 3 to the output shaft pulley (secondary pulley) 4 via the
[0004]
By moving the movable
[0005]
Shaft portions (pulley shafts) 31 a and 41 a in which the fixed
[0006]
As a countermeasure,
[0007]
On the other hand, as a lubricating oil for a belt type continuously variable transmission, a lubricating oil for an automatic transmission having a high traction coefficient (in order to transmit power by smoothly operating a torque converter, a gear mechanism, a hydraulic mechanism, a wet clutch, etc.) Special oils such as ATF (Automatic Transmission Fluid) and continuously variable transmission lubricating oil (CVTF) are used.
[0008]
In the case of rolling bearings used in these lubricating oils, the tangential force generated between the bearing ring and the rolling element increases, and the center of the contact ellipse where the normal contact surface pressure is the largest (the groove width of the raceway groove). The lubricant film is destroyed at a part away from the center of the direction), that is, a part where the PV value (product of contact surface pressure and speed) is the largest, and heat is generated by increasing the frequency of metal contact. There are many.
[0009]
In particular, in recent years, a belt-type continuously variable transmission that can be applied to a large engine exceeding 2.5L has been eagerly desired. In the case of a rolling bearing used in such a belt-type continuously variable transmission, It is estimated that high torque is applied and heat generation is likely to occur. Also, in the case of a rolling bearing used in a dry belt type continuously variable transmission made of resin, torque lubrication by the belt is performed in an oil-free environment, so oil lubrication is difficult. However, heat generation is likely to occur compared to oil lubrication.
[0010]
Such heat generation causes a decrease in bearing hardness and a decomposition of retained austenite. Therefore, a rolling bearing applied to a belt-type continuously variable transmission requires maintenance of hardness and dimensional stability in a high temperature environment. Further, in rolling bearings applied in belt type continuously variable transmissions, in addition to the above-described problems under high temperature environments, peeling fatigue due to use under severe lubricating conditions is also a problem.
[0011]
As a countermeasure,
[0012]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Publication No. 8-30526 [Patent Document 2]
Japanese Patent Laid-Open No. 10-292859
[Problems to be solved by the invention]
However, since the technique described in
Moreover, since the technique described in
Therefore, the present invention has been made in view of the above circumstances, and has a long life that can be suitably used for a belt-type continuously variable transmission by ensuring hardness and dimensional stability in a high-temperature environment. It is an object to provide a rolling bearing.
[0014]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve such a problem, the present invention provides a rolling bearing comprising an inner ring, an outer ring, and a plurality of rolling elements that are arranged to roll between the inner ring and the outer ring. At least one of the inner ring, the outer ring, and the rolling element has a mass ratio of C of 0.3 to 0.6%, Si of 0.5 to 2.0%, and Mo of 0.5 to 1.5. %, By processing alloy steel containing 1.6% or more of Si and Mo into a predetermined shape, and then performing carburizing or carbonitriding treatment and quenching treatment, and high temperature tempering treatment at 200 to 400 ° C., There is provided a rolling bearing characterized in that the amount of retained austenite in a surface layer part forming a rolling surface is 12% by volume or less and the carbon content of the surface layer part is 0.8 to 1.2% by mass.
[0015]
The present invention also relates to a rolling bearing comprising an inner ring, an outer ring, and a plurality of rolling elements that are freely rollable between the inner ring and the outer ring, the inner ring, the outer ring, and the rolling element. At least one of the mass ratio is 0.3 to 0.6% for C, 0.5 to 2.0% for Si, 0.5 to 1.5% for Mo, and Si and Mo in total Residual austenite in the surface layer part forming the rolling surface by performing carburizing or carbonitriding treatment, quenching treatment and high-temperature tempering treatment at 240 to 400 ° C. after processing alloy steel contained in 1.6% or more Provided is a rolling bearing characterized in that the amount is 6% by volume or less, and the carbon content of the surface layer part is 0.8 to 1.2% by mass.
[0016]
According to the rolling bearing of the present invention, at least one of the inner ring, the outer ring, and the rolling element is formed of the specific alloy steel, and the amount of retained austenite and the carbon content of the rolling surface are configured as described above. Even when used in a high temperature environment, the hardness and dimensional stability can be ensured, so the life can be extended.
[0017]
In the rolling bearing of the present invention, it is preferable that the alloy steel includes Cr in a range of 0.5 to 3.0%, and the balance is Fe and inevitable impurities.
Furthermore, in the rolling bearing of the present invention, the nitrogen content is preferably 0.5% by mass or less. According to this, since the wear resistance and seizure resistance of the rolling bearing can be further improved, the life can be further extended.
[0018]
Furthermore, in the rolling bearing according to the present invention, it is preferable that a gap formed between the inner ring and the outer ring and in which the rolling element is provided is sealed with a shield member or a seal member. According to this, since it becomes possible to prevent wear metal powder and the like from being mixed inside the rolling bearing, the life of the rolling bearing can be further extended.
[0019]
The present invention further includes a belt-type continuously variable transmission including a pulley around which a belt is wound and a bearing that supports a rotating shaft of the pulley, wherein the bearing is the rolling bearing according to the present invention. Provided is a belt type continuously variable transmission.
According to the belt type continuously variable transmission of the present invention, even if the belt type continuously variable transmission is used in a high-temperature environment, the long-life rolling bearing supports the rotating shaft of the pulley, so that durability can be maintained for a long time.
[0020]
In addition, the “rolling surface” in the rolling bearing of the present invention indicates the raceway surfaces of the inner ring and the outer ring and the rolling surface of the rolling element. The “surface layer portion” indicates a portion from the surface to a depth of 20 μm. Furthermore, “residual austenite amount”, “carbon content”, and “nitrogen content” all indicate values on the rolling surface in a finished state after grinding finish.
[0021]
Hereinafter, the critical significance of each numerical limitation in the present invention will be described.
[C: 0.3 to 0.6% by mass]
C (carbon) is an element necessary for improving the hardness after quenching and tempering. When C is less than 0.3%, it is necessary to lengthen the time for carburizing or carbonitriding to reduce the heat treatment productivity in order to obtain the necessary hardness up to the depth at which shear stress acts when used as a bearing. In addition, it is disadvantageous in terms of cost. On the other hand, if the C content exceeds 0.6%, the amount of retained austenite increases not only to the surface layer portion but also to the core portion, so that dimensional stability in a high temperature environment may be hindered. In addition, since a large amount of carbide is generated at the material stage, the machinability and toughness are lowered.
[0022]
[Si: 0.5 to 2.0% by mass]
Si (silicon) is an element effective for delaying the division of retained austenite at high temperature, stabilizing the structure, and improving resistance to temper softening. In order to acquire this effect, it is necessary to contain 0.3% or more of Si. However, if the content is too large, the mechanical strength decreases, the machinability decreases, and the carbonitridability decreases, so the upper limit is made 2.0% or less.
[0023]
[Mo: 0.5 to 1.5% by mass]
Mo (molybdenum) is an element having an excellent solid solution strengthening ability higher than that of Cr described above and effective in improving the temper softening resistance. Further, Mo is an element that can form fine carbides even at high temperatures, and is therefore an essential element for obtaining sufficient hardness at high temperatures. In order to acquire this effect, it is necessary to contain Mo 0.5% or more. However, if the content is too large, the mechanical strength decreases, the machinability decreases, and the carbonitridability decreases, so the upper limit is made 1.5% or less.
[0024]
[Total content of Si and Mo: 1.6% by mass or more]
A material used as a bearing for supporting a pulley shaft of a belt type continuously variable transmission is required to have excellent dimensional stability and high hardness at a high temperature. Therefore, it is an essential condition to add Si in which dimensional stability at high temperature is obtained and Mo in which high hardness is obtained in combination. The present inventors need to make the total content of Si and Mo contained in the alloy steel 1.6% or more in order to sufficiently bring out the performance improvement effect of both Si and Mo. I found out.
[0025]
[Carburizing or carbonitriding, quenching, and tempering at high temperatures]
It is known that peeling resistance is improved by generating a compressive residual stress in the vicinity of the surface of a material made of alloy steel (see, for example, JP-A-5-288257). In the present invention, medium carbon alloy steel and medium carbon alloy steel are subjected to carburizing or carbonitriding treatment, thereby providing a gradient of carbon content in the vicinity of the surface and improving the peel resistance by applying a compressive residual stress on the surface. I planned.
[0026]
That is, by subjecting the alloy steel of the present invention to carburizing or carbonitriding treatment, quenching treatment, and tempering treatment at a high temperature, it is possible to impart compressive residual stress to the surface layer portion and reduce the amount of retained austenite in the surface layer portion. It becomes possible to do. Residual austenite is transformed into martensite in a high temperature environment, and a dimensional change occurs during this transformation. This reduces the gap between the inner ring and the outer ring of the bearing and increases peeling fatigue. For this reason, by performing a tempering process at a high temperature, the surface layer portion where the amount of retained austenite is the largest is 12 volume% or less, more preferably 6 volume% or less. The tempering temperature is preferably 200 to 400 ° C. to make the amount of retained austenite in the surface layer portion 12% or less, and 240 to 400 ° C. to make the amount of retained austenite in the
[0027]
[Carbon content of the surface layer portion forming the rolling surface: 0.8 to 1.2% by mass]
In order to obtain sufficient rolling fatigue strength as a bearing, it is necessary that the carbon content of the surface layer portion forming the rolling surface of the member after the alloy steel is processed into a predetermined shape and heat-treated is 0.8% or more. is there. On the other hand, if the carbon content of the surface layer portion exceeds 1.2%, giant carbides are likely to be formed, and such giant carbides may become defects and the rolling fatigue life may be reduced.
[0028]
[Nitrogen content of the surface layer portion forming the rolling surface: 0.5% by mass or less]
N (nitrogen) is an effective element for improving the wear resistance and seizure resistance. Therefore, it is effective to distribute it in the surface layer portion forming the rolling surface of the member by carburizing or carbonitriding. . However, if the N content exceeds 0.5%, it is necessary to lengthen the time for the carburizing or carbonitriding treatment, which decreases the heat treatment productivity and is disadvantageous in terms of cost. Further, since it becomes difficult to grind after the heat treatment, the productivity of the polishing process, which is a finishing process of the bearing, is lowered.
[0029]
Moreover, you may make it add the element shown below to the alloy steel of this invention in the range which does not impair the effect of this invention.
[Cr: 0.5 to 3.0% by mass]
Cr (chromium) is an effective element for improving hardenability and temper softening resistance. Further, by precipitation hardening that uniformly forms fine carbides, sufficient surface hardness can be obtained even when high-temperature tempering is performed, and the toughness of the base can be improved. Furthermore, wear resistance can be improved by the hard and fine Cr carbide. Furthermore, since Cr is a carbide forming element and can increase the C content of the carbonitriding layer, the carbonitriding property of the alloy steel can be increased even if the Si content having carburization inhibition is increased.
[0030]
In order to obtain these effects and to ensure an HRC (Rockwell hardness) of 60 or more as a necessary surface hardness, the lower limit of the Cr content is set to 0.5% or less. On the other hand, if the content exceeds 3.0% by mass, giant carbides are generated at the stage of the material made of alloy steel, and stress concentration occurs around the giant carbides, so that the life of the bearing is reduced. When trying to refine this giant carbide, quenching at a high temperature is required, and the heat treatment productivity is lowered. However, from the viewpoint of reducing giant carbides, the upper limit value of Cr is preferably 1.8% or less.
[0031]
[Mn: 0.2 to 2.0% by mass]
Mn (manganese) acts as a deoxidizer and desulfurizer during steel making and is an effective element for improving hardenability. In order to acquire this effect, it is necessary to contain 0.2% or more of Mn. However, if the content is too large, the amount of non-metallic inclusions increases, so that the life is shortened and the machinability such as forgeability and machinability is lowered. Therefore, the upper limit of the Mn content is set to 2.0%.
[0032]
[O: 10 ppm or less]
O (oxygen) is an oxide-based non-metallic inclusion (in particular, Al 2 O 3 ) generating element and has a function of reducing the life, so that its content needs to be 10 ppm or less.
[Al: 100 to 400 ppm]
Al (aluminum) produces oxide-based non-metallic inclusions such as Al 2 O 3 in the same manner as O, but Al itself has an action of preventing the coarsening of crystal grains, so it is contained in the range of 100 to 400 ppm. It is preferable to do.
[0033]
[P: 0.02% by mass or less]
P (phosphorus) is an element that decreases rolling life and toughness. For this reason, the P content is preferably 0.02% or less.
[S: 0.02 mass% or less]
S (sulfur) is an element that improves machinability, but combines with Mn to form sulfide inclusions that reduce the rolling fatigue life. Since this machinability can be improved by adding an element other than S, the S content is preferably 0.02% or less.
[0034]
[Ni: 2.0% by mass or less]
Ni (nickel) is a strong austenite stabilizing element and has the effect of improving high temperature characteristics by suppressing the formation of δ-ferrite and improving toughness by solid solution in the matrix. However, if the content is too large, retained austenite is generated and sufficient quenching hardness cannot be obtained, so the Ni content is preferably 2.0% or less.
[0035]
[Cu: 0.05 to 2.0% by mass]
Cu (copper) is an element having an austenite stabilizing action like Ni, and has an action of suppressing the formation of δ-ferrite which lowers the quenching hardness and improving the corrosion resistance and acid resistance. In order to obtain this effect, Cu is preferably contained in an amount of 0.05% or more, preferably 5.0% or more. However, if the content is too large, hot cracking may occur in the hot forging process in the bearing manufacturing process, so the upper limit is made 2.0% or less.
[Other inevitable impurities: 100 ppm or less]
As elements other than the above elements and Fe (iron), the contents of inevitable impurities such as Ti (titanium) and Nb (niobium) are preferably 100 ppm or less, respectively.
[0036]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
First, inner and outer rings for a radial ball bearing (inner ring 35 mm, outer ring 72 mm, width 17 mm) having a nominal number 6207 were produced using alloy steels A to S made of the alloy components shown in Table 1. At this time, the ratio (R1 / D) of the curvature radius R1 of the raceway groove of the inner ring and the diameter D of the ball and the ratio (R2 / D) of the curvature radius R2 of the raceway groove of the outer ring and the diameter D of the ball are both. It was formed to be 51%.
[0037]
[Table 1]
[0038]
After forming each alloy steel into a predetermined shape, as a heat treatment, it was heated to 840 to 920 ° C. and subjected to carburizing or carbonitriding treatment for 3 to 20 hours, followed by oil quenching. Thereafter, tempering was performed at a temperature shown in Table 2 described later for 1.5 to 2.0 hours.
After the heat treatment, grinding finishing and super finishing were performed, and the surface roughness of the raceway surfaces of the inner ring and the outer ring was set to about 0.01 to 0.04 μmRa.
Then, after assembling the test bearing using the completed inner and outer rings, balls made of SUJ2 and carbonitrided, and a metal cage, the balls formed between the inner and outer rings The provided gap was sealed with a sealing member. The radial internal clearance was set to “C3 clearance” or less.
[0039]
Table 2 shows the “steel type symbol”, “tempering temperature”, “surface C concentration (carbon content) of the raceway surface”, and “surface N of the raceway surface” for each test bearing. “Concentration (nitrogen content)”, “Surface residual γ (austenite) amount of raceway surface”, and “Surface hardness (Hv) of raceway surface” are shown. Here, the C concentration and the N concentration were measured using an emission spectroscopic analyzer, and similarly, the residual γ amount was measured using an X-ray analyzer, and the surface hardness was measured using a Vickers hardness meter. Further, the “surface” refers to a surface layer portion from the surface of the raceway surface after finishing to 20 μm. Further, in Table 2, those components that are out of the scope of the present invention are underlined.
[0040]
[Table 2]
[0041]
Next, a life test was conducted on these test bearings using the belt type continuously variable transmission unit shown in FIG. In this belt type continuously variable transmission unit, the
[0042]
In the life test, the test bearing was rotated under the test conditions shown below, and vibration during rotation was measured. Then, the rotation was terminated when the vibration value of the bearing became twice the initial vibration value, and the rotation time up to this point was regarded as the life. The results are also shown in Table 2. The life in Table 2 is the test bearing no. The relative value when the lifetime of 31 is set to 1 is shown.
<Test conditions>
Rotational speed: 1000 to 10000 min −1
P (load load) / C (dynamic load rating): max0.2
Lubricating oil: Lubricating oil for continuously variable transmission (made by Showa Shell, NS-1)
Oil temperature: 100-160 ° C
[0043]
FIG. 2 is a graph showing the relationship between the total content of Si and Mo in the alloy steel forming the inner and outer rings of each test bearing and the obtained life ratio.
Furthermore, the relationship between the surface residual γ amount on the raceway surfaces of the inner and outer rings of each test bearing and the obtained life ratio is shown in a graph in FIG. In FIG. 3, only the test bearings in which the total content of Si and Mo is within the scope of the present invention are shown.
As can be seen from these results, no. In the
[0044]
No. 1-20, no. 1-9, no. 11, no. 13-15, and Nos. 18 to 20 all have a longer life of 5 or more. 10, no. 12, and no. 16, no. No. 17 had a lifetime of less than 5. From this result, it can be seen that when the residual γ amount on the raceway surface is 6% by volume or less, a bearing having a longer life can be obtained.
[0045]
In contrast, no. 21-23, no. 25-27 and No. In No. 31, the total content of Si and Mo is out of the scope of the present invention, so that the hardness and dimensional stability under a high temperature environment cannot be sufficiently ensured, resulting in a short life. No. In No. 24, the tempering temperature and the amount of residual γ were outside the range of the present invention, so that the dimensional stability was deteriorated and the adhesion was promoted, resulting in a short life. Furthermore, no. In No. 28, since the surface C concentration was lower than the range of the present invention, sufficient surface hardness could not be obtained and the life was short. Furthermore, no. In No. 29, since the surface C concentration was higher than the range of the present invention, coarse carbides were generated on the surface, so the life was short. No. In No. 32, since the Si content was higher than the range of the present invention, the mechanical strength was lowered and the life was short.
[0046]
In this way, the use of alloy steel with a high total content of Si and Mo improves the hardness and dimensional stability at high temperatures and reduces the amount of retained austenite by tempering at high temperatures. Can improve surface fatigue resistance. That is, No. 1 in which the inner ring and the outer ring satisfy the scope of the present invention. With the configuration of 1 to 20, a long-life rolling bearing can be obtained even when used in a belt-type continuously variable transmission that is used under a high temperature environment and severe lubrication conditions.
[0047]
【The invention's effect】
As described above, according to the rolling bearing of the present invention, at least one of the inner ring, the outer ring, and the rolling element is formed of a specific alloy steel, and the amount of retained austenite and carbon content in the surface layer portion that forms the rolling surface. By limiting the rate to a specific range, even when used in a high temperature environment, the hardness and dimensional stability are ensured and the life is extended.
Further, according to the belt type continuously variable transmission of the present invention, the pulley can be stably rotated for a long period of time by supporting the pulley rotating shaft with a long-life rolling bearing even in a high temperature environment. Sex can be maintained for a long time.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing a belt type continuously variable transmission used for a life test in an embodiment.
FIG. 2 is a graph showing the relationship between the total content of Si and Mo in alloy steel and the life obtained from the results of the embodiment.
FIG. 3 is a graph showing the relationship between the amount of retained austenite on the raceway surfaces of the inner and outer rings and the life obtained from the results of the embodiment.
FIG. 4 is a cross-sectional view showing an example of a belt type continuously variable transmission of a vehicle.
[Explanation of symbols]
1 Input shaft (drive shaft)
2 Output shaft (driven shaft)
3 Input shaft pulley (primary pulley)
31 Fixed
41 Fixed
Claims (6)
前記内輪、前記外輪及び前記転動体の少なくとも一つは、質量比で、Cが0.3〜0.6%、Siが0.5〜2.0%、Moが0.5〜1.5%、SiとMoとが合計で1.6%以上含まれる合金鋼を所定形状に加工した後、浸炭又は浸炭窒化処理と焼入れ処理と200〜400℃での高温焼戻し処理とを施すことにより、転がり面をなす表層部の残留オーステナイト量が12体積%以下で、前記表層部の炭素含有率が0.8〜1.2質量%となっていることを特徴とする転がり軸受。In a rolling bearing comprising an inner ring, an outer ring, and a plurality of rolling elements that are arranged to roll between the inner ring and the outer ring,
At least one of the inner ring, the outer ring, and the rolling element has a mass ratio of C of 0.3 to 0.6%, Si of 0.5 to 2.0%, and Mo of 0.5 to 1.5. %, By processing alloy steel containing 1.6% or more of Si and Mo into a predetermined shape, and then performing carburizing or carbonitriding treatment and quenching treatment, and high temperature tempering treatment at 200 to 400 ° C., A rolling bearing characterized in that the amount of retained austenite in a surface layer portion forming a rolling surface is 12% by volume or less, and the carbon content of the surface layer portion is 0.8 to 1.2% by mass.
前記内輪、前記外輪及び前記転動体の少なくとも一つは、質量比で、Cが0.3〜0.6%、Siが0.5〜2.0%、Moが0.5〜1.5%、SiとMoとが合計で1.6%以上含まれる合金鋼を所定形状に加工した後、浸炭又は浸炭窒化処理と焼入れ処理と240〜400℃での高温焼戻し処理とを施すことにより、転がり面をなす表層部の残留オーステナイト量が6体積%以下で、前記表層部の炭素含有率が0.8〜1.2質量%となっていることを特徴とする転がり軸受。In a rolling bearing comprising an inner ring, an outer ring, and a plurality of rolling elements that are arranged to roll between the inner ring and the outer ring,
At least one of the inner ring, the outer ring, and the rolling element has a mass ratio of C of 0.3 to 0.6%, Si of 0.5 to 2.0%, and Mo of 0.5 to 1.5. %, After processing alloy steel containing Si and Mo in total 1.6% or more into a predetermined shape, carburizing or carbonitriding treatment and quenching treatment, and high-temperature tempering treatment at 240 to 400 ° C., A rolling bearing characterized in that the amount of retained austenite in the surface layer portion forming the rolling surface is 6% by volume or less, and the carbon content of the surface layer portion is 0.8 to 1.2% by mass.
前記軸受は、請求項1乃至5のいずれか一項に記載の転がり軸受であることを特徴とするベルト式無段変速機。In a belt-type continuously variable transmission including a pulley around which a belt is wound and a bearing that supports a rotating shaft of the pulley,
The belt-type continuously variable transmission according to any one of claims 1 to 5, wherein the bearing is a rolling bearing according to any one of claims 1 to 5.
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