JP2006161091A

JP2006161091A - ピニオンシャフト

Info

Publication number: JP2006161091A
Application number: JP2004352886A
Authority: JP
Inventors: Aiko Ando; 愛子安藤; Yoichi Matsumoto; 洋一松本
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2004-12-06
Filing date: 2004-12-06
Publication date: 2006-06-22

Abstract

【課題】曲がりを抑制して耐久性の向上を図ることができるピニオンシャフトを提供する。
【解決手段】変速機の遊星歯車機構のピニオンＰ１を針状ころ５１を介して回転可能に支持するピニオンシャフトＣであって、素材として、０．９〜１．５重量％の炭素、０．９〜１．２重量％のクロム、０．４〜０．８重量％の珪素、０．９〜１．２重量％のマンガンを含有し、窒素の重量％を０．０３以下とする鋼を用い、表面硬さをＨｖ７５０以上に焼入れ硬化させ、且つ表面の残留オーステナイト量を１５〜５０体積％とすると共に、芯部の残留オーステナイト量を０体積％とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば自動車の自動変速機等の遊星歯車機構を構成するピニオンを針状ころを介して回転可能に支持するピニオンシャフトに関する。

従来のこの種のピニオンシャフトとしては、例えば、素材として、０．５〜１．２重量％の炭素、０．０５〜０．４重量％の窒素を含有する鋼を用い、高周波焼入れによりビッカース硬さをＨｖ６５０以上とし、且つ残留オーステナイト量が１５〜４０体積％である表面層を設けると共に、芯部の残留オーステナイト量を０体積％とすることで、耐転がり疲労性に優れ、塑性変形が生じにくいピニオンシャフトとしたものが提案されている（例えば特許文献１参照）。
特開２００２−４００３号公報

しかしながら、最近は、自動車の自動変速機等の使用条件が厳しくなり、上記特許文献１記載のピニオンシャフトでは、耐久性が不足する場合がある。
即ち、ピニオンシャフトは、通常、焼入れ鋼が使用されるが、不可避的に内在する残留オーステナイト組織のために、８０°Ｃ以上の高温使用において、残留オーステナイト組織が分解し体積膨張を生じる。

８０°Ｃ以上の温度でピニオンシャフトが弾性変形すると、圧縮応力が作用する部分よりも引っ張り応力が作用する部分の残留オーステナイト組織の分解速度が速いために、一般的に、ピニオンシャフトは、キャリヤヘの取り付け部に対し、そこから離れるほど弓状に塑性曲がりを発生するようになり、その速度は、ピニオンシャフトの温度が高いほど、遊星歯車の公転速度が速いほど、また、ピニオンシャフトが細く長いほど、ピニオンに負荷されるトルクが高いほど、大きくなる。

最近の自動車の自動変速機等においては、小型化のために遊星歯車機構のピニオンシャフトを細くすることが要求されており、このため、ピニオンシャフトには弾性曲がりに加えて、上述した塑性曲がりが発生しやすい。ピニオンシャフトに曲がりが発生すると、ピニオンシャフトと針状ころとが均一に接触しなくなり、エッジ当たりが生じてピニオンシャフトの耐久性が低下するという問題が生じる。
本発明はこのような不都合を解消するためになされたものであり、曲がりを抑制して耐久性の向上を図ることができるピニオンシャフトを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に係る発明は、変速機の遊星歯車機構のピニオンを針状ころを介して回転可能に支持するピニオンシャフトであって、
素材として、０．９〜１．５重量％の炭素、０．９〜１．２重量％のクロム、０．４〜０．８重量％の珪素、０．９〜１．２重量％のマンガンを含有し、窒素の重量％を０．０３以下とする鋼を用い、表面硬さをＨｖ７５０以上に焼入れ硬化させ、且つ表面の残留オーステナイト量を１５〜５０体積％とすると共に、芯部の残留オーステナイト量を０体積％としたことを特徴とする。
請求項２に係る発明は、請求項１において、最低硬さがＨｖ３００以上であることを特徴とする。

本発明によれば、ピニオンシャフトの素材として、０．９〜１．５重量％の炭素、０．９〜１．２重量％のクロム、０．４〜０．８重量％の珪素、０．９〜１．２重量％のマンガンを含有し、窒素の重量％を０．０３以下とする鋼を用い、表面硬さをＨｖ７５０以上に焼入れ硬化させ、且つ表面の残留オーステナイト量を１５〜５０体積％とすると共に、芯部の残留オーステナイト量を０体積％としているので、ピニオンシャフトの曲がりが抑制されてピニオンシャフトと針状ころとが均一に接触し、これにより、エッジ当たりが回避されて耐久性の向上を図ることができる。

以下、本発明の実施の形態の一例を図を参照して説明する。図１は本発明の実施の形態の一例である遊星歯車機構のピニオンシャフトの周辺構造を示す断面図、図２はピニオンシャフトの寿命試験機の断面図である。
図１において符号Ｃは本発明の実施の形態の一例であるピニオンシャフトであり、このピニオンシャフトＣは両端部が遊星歯車機構のキャリヤＱに取り付けられ、中央部にはラジアル針状ころ軸受５０を介してピニオンＰ１が回転可能に支持されている。ラジアル針状ころ軸受５０は、複列に配置された針状ころ５１と、各列の針状ころ５１を転動可能に保持する保持器５２と、各列の保持器５２間に配置されたスペーサ５３とを備えており、また、ピニオンＰ１の端面とキャリヤＱとの間にはワッシャＷが介装されている。

ピニオンシャフトＣ内には、図１の右端面から軸線に沿って延設された袋孔Ｃａと、袋孔Ｃａの途中から半径方向に延設されてピニオンシャフトＣの周囲において各列の軸受空間に開口する径孔Ｃｂとが形成されている。そして、ラジアル針状ころ軸受５０は、ピニオンシャフトＣの外部より袋孔Ｃａ及び径孔Ｃｂを介して供給される潤滑剤により潤滑される。なお、スペーサ５３の軸線方向幅は、スペーサ５３を挟んでいる両脇列の針状ころ５１の長さ以上であることが望ましく、また、その外径は、保持器５２と略同等であるのが好ましい。また、スペーサ５２とピニオンシャフトＣ及びピニオンＰ１との間には、所定のクリアランスが設けられているが、スペーサ５３とピニオンシャフトＣとは摺接しない構造になっている。

ここで、この実施の形態では、ピニオンシャフトＣの素材として、０．９〜１．５重量％の炭素、０．９〜１．２重量％のクロム、０．４〜０．８重量％の珪素、０．９〜１．２重量％のマンガンを含有し、窒素の重量％を０．０３以下とする鋼を用い、表面硬さをＨｖ７５０以上に焼入れ硬化させ、且つ表面の残留オーステナイト量を１５〜５０体積％とすると共に、芯部の残留オーステナイト量を０体積％とし、更に、ピニオンシャフトＣの最低硬さをＨｖ３００以上としている。
これにより、ピニオンシャフトＣの曲がり量を抑制してピニオンシャフトＣと針状ころ５１との接触状態を均一にし、エッジ当たりを回避して耐久性の向上を図るようにしている。

以下、詳述する。
ピニオンシャフトＣの曲がり量を抑制するには、経時的に増大するシャフト塑性曲がり量を抑制することが重要である。そのためには、ピニオンシャフトＣ全体に渡り、径方向中心部には残留オーステナイト組織が存在しないことが有効である。ピニオンシャフトＣの表面層にも残留オーステナイト組織がないことが塑性曲がり抑制の観点からは望ましいが、転がり疲れ強さを著しく低下させるので、最適値としてピニオンシャフトＣの表面において１５〜５０体積％の残留オーステナイト濃度を持つことが必要である。

但し、これのみでは不十分で、残留オーステナイト組織を安定化させ、その分解速度を遅れさせることが重要である。そのためには、ピニオンシャフトＣの素材の鋼に０．９〜１．５重量％の炭素、０．４〜０．８重量％の珪素、０．９〜１．２重量％のマンガンを含有させることが必要である。窒素は珪素との親和力が強く、窒素が０．０３重量％を超えて含有されると、珪素の上記効果が著しく低下するので、窒素濃度は０．０３重量％以下であることが必要である。

また、高周波焼入れを容易とするためにクロム濃度を１．２重量％以下としながらも、転がり疲れ強さを確保するために０．９重量％以上のクロムを含有することが必要である。更に、ピニオンシャフトＣの塑性曲がりを抑制するためには、ピニオンシャフトＣの最低硬さ（一般的にはシャフトの径方向中心部の硬さ）をＨｖ３００以上、好ましくはＨｖ４００以上にすることも有効である。更に、ピニオンシャフトＣの表面硬さは転がり疲れの観点からＨｖ７５０以上とすることが必要である。

表１に示す化学成分の鋼からピニオンシャフトを作製し、図２に主要部を示す試験機で回転耐久試験を行なった。なお、ピニオン内のピニオンシャフト、保持器及び針状ころの構造は図１と略同様にした。

試験機は、ピニオンＰ１を公転させながら自転させるもので、サンギヤ回転軸１０５が軸受により回転自在に支持され、サンギヤ回転軸１０５の右端にはサンギヤＳが形成されている。
また、キャリヤ回転軸１０７が軸受により回転自在に支持され、キャリヤ回転軸１０７の左端にはキャリヤＱが取り付けられている。キャリヤ回転軸１０７の内部に設けられた通路１０７ａと、キャリヤＱ内部に形成された通路Ｑａと、ピニオンシャフトＣの袋孔Ｃａ及び径孔Ｃｂとを介して所定量の潤滑剤を針状ころ軸受５０の軸受空間に供給するようになっている。また、ピニオンシャフトＣは針状ころ軸受５０を介してピニオンＰ１を回転自在に支持している。

そして、ピニオンシャフトＣの直径２０ｍｍ、長さ８５ｍｍで、径孔Ｃｂの孔径φ７ｍとした。ピニオンシャフトＣには、ピニオンＰ１、針状ころ５１、保持器５２、スペーサ５３及びワッシャＷに負荷される遠心力が作用する。また、ピニオンＰ１の公転速度を調整し、針状ころ軸受５０に動定格荷重の４０％の荷重が負荷されるようにした。なお、ピニオンＰ１からの廃油温度は１２０°Ｃで、油の粘度グレードはＶＧ７である。

また、ピニオンシャフトＣの硬化層深さ（Ｈｖ５５０以上の表面層厚さ）は１．１ｍｍとした。熱処理は、前処理として、ピニオンシャフトＣの焼入れを行ない、Ａ１点以下の温度で焼き鈍しを行なった後に、高周波焼入れを行った。熱処理後の表面の残留オーステナイト量は、表面を約５０μｍ電解研摩した後に測定した。
表２に、試験に用いたピニオンシャフトＣの素材の化学成分、表面硬さ（Ｈｖ）、芯部硬さ（Ｈｖ）、表面の残留オーステナイト量γ_R、芯部の残留オーステナイト量γ_Rを示す。なお、ビッカース硬さの測定は測定荷重３００ｇで行なった。
寿命試験は、計算寿命の３倍で打ち切ったが、それまでにピニオンシャフトＣがフレーキングした場合を不合格（表中ＮＧ）、フレーキングがない場合を合格（表中ＯＫ）とした。結果を表２に併せて示す。

表２から明らかなように、ピニオンシャフトＣの素材の化学成分、表面硬さ（Ｈｖ）、芯部硬さ（Ｈｖ）、表面の残留オーステナイト量γ_R及び芯部の残留オーステナイト量γ_Rが本発明範囲内であるＮｏ．１〜Ｎｏ．３はいずれも、ピニオンシャフトＣにフレーキングは発生しておらず、ピニオンシャフトＣの曲がりが抑制されてピニオンシャフトＣと針状ころ５１とが均一に接触し、エッジ当たりが回避されて耐久性が向上したことが確認できた。

これに対し、Ｎｏ．４〜Ｎｏ．１６については、ピニオンシャフトＣの素材の化学成分、表面硬さ（Ｈｖ）、芯部硬さ（Ｈｖ）、表面の残留オーステナイト量γ_R及び芯部の残留オーステナイト量γ_Rのいずれかが本発明範囲外（表中下線で示す）であるため、計算寿命の３倍に到達する前にフレーキングが発生した。なお、ピニオンシャフトＣの熱処理は、前処理として、焼入れに代えて浸炭焼入れ、浸炭窒化焼入れ、或いは焼ならし、焼き鈍しをしてもよいが、炭素、窒素の重量％をそれぞれ１．５以下、０．０３以下とする必要がある。

本発明の実施の形態の一例である遊星歯車機構のピニオンシャフトの周辺構造を示す断面図である。ピニオンシャフトの耐久試験機の主要部を示す断面図である。

符号の説明

Ｃピニオンシャフト
Ｐ１ピニオン
５１針状ころ

Claims

変速機の遊星歯車機構のピニオンを針状ころを介して回転可能に支持するピニオンシャフトであって、
素材として、０．９〜１．５重量％の炭素、０．９〜１．２重量％のクロム、０．４〜０．８重量％の珪素、０．９〜１．２重量％のマンガンを含有し、窒素の重量％を０．０３以下とする鋼を用い、表面硬さをＨｖ７５０以上に焼入れ硬化させ、且つ表面の残留オーステナイト量を１５〜５０体積％とすると共に、芯部の残留オーステナイト量を０体積％としたことを特徴とするピニオンシャフト。
最低硬さがＨｖ３００以上であることを特徴とする請求項１に記載したピニオンシャフト。