JP2006291302A - ピニオンシャフト及びプラネタリギヤ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高温下において高速回転で使用しても長寿命なピニオンシャフト及びプラネタリギヤ装置を提供する。
【解決手段】プラネタリギヤ装置のピニオンギヤ３を回転自在に支持するピニオンシャフト５を、かしめによってキャリヤ４に固定した。このピニオンシャフト５は、高炭素クロム軸受鋼で構成されている。そして、浸炭窒化処理及び焼鈍し処理に続いて、ピニオンシャフト５の外周面のうち転走面となる部分のみに組織調整処理と高周波焼入れ処理とが施され、さらに焼戻し処理が施されている。ピニオンシャフト５の表層部の残留オーステナイト量は１５体積％以上であり、芯部の残留オーステナイト量は０体積％、芯部の硬さはＨｖ３００以下である。また、芯部のうち少なくとも長手方向端部は、フェライトと球状炭化物とを有している。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ピニオンシャフト及びプラネタリギヤ装置に関する。

例えば自動車の自動変速機に用いられるプラネタリギヤ装置は、サンギヤ，リングギヤ，及びキャリヤを備えており、これらの回転要素は出力軸の周りに同心に配されている。また、サンギヤ及びリングギヤに噛み合うピニオンギヤが、キャリヤに固定されたピニオンシャフトに、軸受用ころを介して回転自在に支持されている。そして、各回転の遠心力によって各回転要素に潤滑油が供給されるように、油路が備えられている。

しかしながら、プラネタリギヤ装置の構造は、ピニオンギヤが自転しながら公転するという複雑なものであるので、十分な潤滑油をピニオンシャフト及び軸受用ころに供給することは困難であった。また、各回転要素の中ではピニオンギヤの回転速度が最も高いので、ピニオンギヤを支持するピニオンシャフトには、ピニオンギヤに作用する遠心力を支えるために大きな荷重が負荷される傾向があった。

したがって、従来のプラネタリギヤ装置においては、ピニオンシャフトはＪＩＳ鋼種ＳＫ５等で構成され、焼入れが施されて、転動部材として必要な硬さ（Ｈｖ６５０以上）が付与されていた。そして、焼入れ法として高周波焼入れ法を採用することにより、軸受用ころが転走する部分（転走面）のみに高周波焼入れが施され、高周波焼入れが施されていない端部をかしめることによってピニオンシャフトがキャリアに固定されていた。

近年、自動車の低燃費化の要求がますます強まっており、低燃費化を目的としてトランスミッションの小型化や高効率化が行われている。そのため、ピニオンギヤの回転速度が高まっているので、ピニオンシャフトに負荷される荷重が増大し且つ温度が上昇し、さらに潤滑油量が減少する傾向となっている。
その結果、前述のような従来のピニオンシャフトでは、潤滑不良等による剥離寿命が問題となる場合があった。このような場合には、ピニオンシャフトをＪＩＳ鋼種ＳＵＪ２で構成し、浸炭窒化処理等を施して寿命を確保していたが、そうすると、ピニオンシャフトをかしめによってキャリアに固定することができないので、キャリヤにねじ穴を加工してピニオンシャフトをねじで固定する必要があることから、プラネタリギヤ装置のコストが高くなるという問題点があった。

また、前述した荷重の増大及び温度の上昇のために、変形や早期剥離（滑りの増大に伴って摩耗が生じ、その摩耗による面荒れから早期剥離が生じる）が発生しやすく、寿命が不十分となるという問題があった。
これに対して、使用条件の高温化，高速化に伴う滑りの発生や潤滑不良による早期剥離を防止するためには、摩耗による面荒れを抑制するため表面の窒素濃度を高くすることが有効である。窒素は、浸炭窒化処理によって表面に容易に添加することが可能であるが、オーステナイトを安定化させる元素であるので、焼入れ後の残留オーステナイト量が高くなる。

特許文献１，２には、浸炭窒化処理後に放冷するか、あるいは、焼入れ処理後に高温での焼き戻し処理を施すことにより、芯部の残留オーステナイトを分解させ、さらに、外周面のうち軸受用ころの転走面となる部分に高周波焼入れ処理を施して、ピニオンシャフトを製造する方法が開示されている。このようにして製造されたピニオンシャフトは、長手方向端部には高周波焼入れ処理が施されておらず硬化されていないから、端部をかしめてキャリアに固定することができ、且つ、残留オーステナイトにより耐久性も十分に備えている。また、この方法によれば、プラネタリギヤ装置を安価に製造することができる。
特開２００２−４００３号公報 特開２００４−３４０２２１号公報 日本熱処理技術協会編，「熱処理技術入門」，大河出版，ｐ．２７８

しかしながら、トランスミッションの多段化による空間容積の減少に伴い、ピニオンシャフトがますます小径化しており、油穴の存在を考慮すると、有効肉厚は非常に薄くなっている。したがって、高周波焼入れ処理の際には、残留オーステナイトの積算量を小さくするために、高出力・短時間加熱によって急激な熱勾配を与えた後に急冷しなければならない。この短時間加熱により表層部に溶け込む炭素及び窒素の量は減少し、結果として表面の耐久性を左右する残留オーステナイトが少なくなるという問題があった。

つまり、小径のピニオンシャフトにおいては、浸炭窒化処理で表面に窒素を浸入させても、その後の焼入れ条件の都合上、満足な量の残留オーステナイトを生成できず、耐久性が低下するという問題があった。
そこで、本発明は、上記のような従来のピニオンシャフト及びプラネタリギヤ装置が有する問題点を解決し、高温下において高速回転で使用しても長寿命なピニオンシャフト、及び高温下において高速回転で使用しても長寿命で安価なプラネタリギヤ装置を提供することを課題とする。

上記課題を解決するため、本発明は次のような構成からなる。すなわち、本発明に係る請求項１のピニオンシャフトは、プラネタリギヤ装置において使用され、同心に配されたサンギヤ及びリングギヤに噛み合うピニオンギヤを回転自在に支持するピニオンシャフトであって、下記の５つの条件を満足することを特徴とする。
条件１：高炭素クロム軸受鋼で構成されている。
条件２：浸炭窒化処理、焼鈍し処理、転走面となる部分への高周波加熱と冷却による組織調整処理、高周波焼入れ処理、焼戻し処理の順序で熱処理が施されている。
条件３：残留オーステナイト量が１５体積％以上である表層部を備えている。
条件４：残留オーステナイト量が０体積％で、硬さがＨｖ３００以下である芯部を備えている。
条件５：前記芯部のうち少なくとも長手方向端部は、フェライトと球状炭化物とを有している。

また、本発明に係る請求項２のプラネタリギヤ装置は、サンギヤと、該サンギヤと同心に配されたリングギヤと、前記サンギヤ及び前記リングギヤに噛み合う１個以上のピニオンギヤと、前記ピニオンギヤを回転自在に支持するピニオンシャフトと、前記サンギヤ及び前記リングギヤと同心に配され前記ピニオンギヤが固定されたキャリヤと、を備えるプラネタリギヤ装置において、前記ピニオンシャフトを請求項１に記載のピニオンシャフトとし、このピニオンシャフトを前記キャリヤにかしめによって固定したことを特徴とする。

本発明のピニオンシャフトは、高温下において高速回転で使用しても長寿命である。また、本発明のプラネタリギヤ装置は、高温下において高速回転で使用しても長寿命であり且つ安価である。

本発明に係るピニオンシャフト及びプラネタリギヤ装置の実施の形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。図１に示すプラネタリギヤ装置は、図示しない軸が挿通されたサンギヤ１と、該サンギヤ１と同心に配されたリングギヤ２と、サンギヤ１及びリングギヤ２に噛み合う１個以上（図１においては３個）のピニオンギヤ３と、サンギヤ１及びリングギヤ２と同心に配されピニオンギヤ３を回転自在に支持するキャリヤ４と、を備えている。

ピニオンギヤ３の中心には、かしめによりキャリヤ４に固定されたピニオンシャフト５が挿通されており、また、ピニオンシャフト５の外周面とピニオンギヤ３の内周面との間には図示されない複数の針状ころが配されていて、これによりピニオンギヤ３はピニオンシャフト５を軸として回転自在とされている。
このピニオンシャフト５は、高炭素クロム軸受鋼（ＳＵＪ２）で構成されている。そして、浸炭窒化処理及び焼鈍し処理に続いて、ピニオンシャフト５の外周面のうち前記針状ころが転走する部分（転走面）のみに、高周波誘導加熱と冷却による組織調整処理と高周波焼入れ処理とが施され、さらに焼戻し処理が施されている。なお、ピニオンシャフト５を製造する際には、高炭素クロム軸受鋼で構成された鋼材を所定の寸法（例えば外径８〜２０ｍｍ、長さ２４ｍｍ）に旋削加工を施した後に、前述のような一連の熱処理を施し、さらに仕上げ研削加工を施すとよい。

このような熱処理が施された結果、ピニオンシャフト５には表層部と芯部とが形成され、表層部の残留オーステナイト量は１５体積％以上となり、芯部の残留オーステナイト量は０体積％、芯部の硬さはＨｖ３００以下となる。また、芯部のうち少なくとも長手方向端部は、フェライトと球状炭化物とを有している。
ピニオンシャフト５の端部には高周波焼入れ処理が施されておらず、硬化されていないので、前述したようにピニオンシャフト５はその端部をかしめることによってキャリヤ４に固定することができる。よって、このプラネタリギヤ装置は、安価に製造することができる。

次に、ピニオンシャフトに施す熱処理について説明する。非特許文献１によれば、高周波焼入れを施す前に組織の調整を行うことにより、有効硬化層深さを変化させることができる。これは、焼入れ前の組織における炭化物の存在状態によって、高温短時間の加熱時の非平衡な炭化物の溶解量が変化することに起因する。焼戻しマルテンサイト組織の場合が、炭化物の分散状態が微細均一で最も優れる。

一方、マルテンサイト組織又はパーライト組織の変態点以下での軟化焼鈍し処理の場合は、炭化物の球状化が進行し、炭素及び窒素の短時間での溶解には不向きである。したがって、残留オーステナイトの増加を見込むには、焼戻しマルテンサイト組織とすることが最適となる。
しかしながら、ピニオンシャフトをかしめによってキャリヤに固定するためには、かしめられる非焼入れ硬化部の硬さはＨｖ３００以下に限定される。これを達成するためには、表面の窒素の影響もあって、変態点に近い６５０℃以上での焼戻し処理（焼鈍し処理）が必要となる。このように、耐久性とかしめ性とは相反する組織を必要とするため、ピニオンシャフトの小径化によって、ますます両立が困難となっている。

そこで、本発明者らは、鋭意検討の結果、ピニオンシャフトの耐久性とかしめ性とを両立させる熱処理を見出した。すなわち、球状化焼鈍し処理によりピニオンシャフトの端部のかしめ性を良好な状態にした後、高周波加熱により変態点以上に加熱して生地組織をパーライト組織とする組織調整処理を施し、さらに高周波焼入れ処理及び焼戻し処理を施すという熱処理である。

さらに具体的に説明すると、浸炭窒化処理の後に、硬さを可能な限り低下させるために焼鈍し処理を施す。このままの状態では、小径の場合は短時間加熱の高周波焼入れ処理では十分な量の残留オーステナイトが得られず、耐久性を満足できない。そこで、高周波加熱により一旦炭化物を溶解させ、その後に変態点以下まで冷却すれば、生地組織のパーライト組織分率が増加し、良好な高周波焼入れ特性を示すようになる。

ここで、高周波焼入れ処理において、加熱後の６００℃までの冷却速度を５℃／ｓ以上とすると、表面にマルテンサイト組織が形成されて再加熱時にいわゆる焼戻し割れが発生するおそれがあるので、組織はパーライト組織とすることが好ましい。そうすれば、焼戻しマルテンサイト組織ほどではないが、球状化炭化物に比べて、高周波焼入れ処理時の短時間加熱により溶解しやすいので、残留オーステナイトの確保が容易となる。一方、かしめられる端部は、変態点以上に加熱されないから、硬さは焼鈍し処理後のＨｖ３００以下のままであり、良好なかしめ性を有している。
このように、高い周波数且つ短時間加熱での高周波焼入れでも、耐久性とかしめ性に優れた小径のピニオンシャフトを製造することができる。

次に、ピニオンシャフトの素材として好ましい高炭素クロム軸受鋼について説明する。ピニオンシャフトは、炭素，クロム，ケイ素等の合金元素を含有する高炭素クロム軸受鋼で構成することが好ましく、合金元素の作用及び好ましい含有量は以下の通りである。
〔炭素の含有量について〕
炭素（Ｃ）は、基地をマルテンサイト化して焼入れ・焼戻し後の硬さを向上させるために必要な元素である。炭素の含有量が０．８質量％未満の亜共析組織では、オーステナイト＋セメンタイト二相域焼鈍し処理が困難となる。一方、１．２質量％超過であると、製鋼の段階において粗大炭化物が析出しやすいので、転動部材としての転動疲労寿命が不十分となるおそれがある。よって、炭素の含有量は、０．８質量％以上１．２質量％以下が好ましい。

〔クロムの含有量について〕
クロム（Ｃｒ）は焼入れ性及び焼戻し軟化抵抗性を向上させるのに有効な元素であり、基地を強化して転動疲労寿命を向上させる。また、微細な炭化物を形成して耐摩耗性を向上させる働きも有する。さらに、炭化物形成元素であるため、浸炭窒化層の炭素濃度を高める作用があり、浸炭窒化特性の向上にも有効である。
また、クロムはセメンタイトに溶け込んで炭化物の球状化を促進する元素であるので、クロムの含有量は０．５質量％以上とすることが好ましい。しかし、多量に添加しても上記効果が飽和してしまうばかりか、コストアップを招いたり、生地強度を高めてかしめ性を悪化させたりするので、クロムの含有量は２．５質量％以下とすることが好ましい。

〔ケイ素の含有量について〕
ケイ素（Ｓｉ）は、製鋼時の脱酸剤として必要な元素であり、また、焼戻し軟化抵抗性を高めて高温環境における寿命の向上に有効な元素である。このような効果を十分に発揮させるためには、ケイ素の含有量は０．２質量％以上とすることが好ましい。しかしながら、多量に添加しても寿命向上効果が飽和してしまうばかりか、鋼材の被削性及びかしめ性が低下してコストが上昇するため、上限を１．２質量％とすることが好ましい。

〔マンガンの含有量について〕
マンガン（Ｍｎ）は、製鋼時の脱酸剤及び脱硫剤として必要な元素であり、また、焼入れ性を向上させるのに有効な元素であるため、０．２質量％以上含有させることが好ましい。しかし、含有量を高くしすぎると非金属介在物が多くなり、かえって寿命が低下するおそれがある。また、鋼材の鍛造性及び被削性等の機械加工性が低下するため、上限は１．２質量％とすることが好ましい。
〔酸素の含有量について〕
酸素（Ｏ）は、転動疲労寿命に有害な酸化物系の非金属介在物を形成するため、その含有量は極力低くする必要がある。寿命に悪影響を及ぼさないためには、１２ｐｐｍ以下とすることが好ましく、９ｐｐｍ以下とすることがより好ましい。

〔ピニオンシャフトの表面の窒素濃度について〕
窒素（Ｎ）は、炭素と同様に基地をマルテンサイト化する作用を有しており、且つ、残留オーステナイトを増加させ、耐久性を向上させるので、必要不可欠な元素である。このような効果を十分に発揮させるためには、表面の窒素濃度は０．０５質量％以上とすることが好ましく、０．１質量％以上とすることがより好ましい。一方、窒素は残留オーステナイトを安定化させる作用を有しており、耐久性の向上には好ましいが、表面の窒素濃度を０．３質量％超過としてもその効果は飽和し、かえって生産性を阻害することとなる。よって、表面の窒素濃度は０．３質量％以下とすることが好ましい。

〔表層部の残留オーステナイト量について〕
残留オーステナイトは生地のマルテンサイトよりも軟質なため、ピニオンシャフトの表層部に残留オーステナイトが多く存在すると、表面損傷を与える負荷条件下においては効果的に変形エネルギーを吸収し、転走面へのダメージを抑えて高い耐久性を付与する効果がある。十分な耐久性を得るためには、表層部の残留オーステナイト量は１５体積％以上とする必要がある。ただし、表層部の残留オーステナイト量が３０体積％を超えると、前記効果が飽和してしまうばかりか、高温での寸法安定性が低下するおそれがある。よって、表層部の残留オーステナイト量は３０体積％以下とすることが好ましい。
なお、本発明における表層部とは、ピニオンシャフトの外周面とピニオンギヤの内周面との間に配されたころの直径をＤａとすると、ピニオンシャフトの表面からＤａの２％の深さ位置までの部分を意味する。

〔芯部の残留オーステナイト量について〕
残留オーステナイトは表面疲労型の寿命を向上させることに対しては有効であるが、長い接触部分を有する針状のころから荷重を受けるピニオンシャフトの場合は、高温で応力を受けることにより分解して転走面が変形するおそれがあるため、多量に存在するとかえって高温での寿命を低下させるおそれがある。よって、ピニオンシャフトの芯部の残留オーステナイト量は０体積％とする必要がある。

〔焼鈍し処理及び高周波誘導加熱による組織調整処理について〕
浸炭窒化処理の後に、硬さを可能な限り低下させるために焼鈍し処理を施す。ただし、炭化物は球状化するので、このままの状態では、小径の場合は短時間加熱の高周波焼入れ処理では十分な量の残留オーステナイトが得られず、耐久性を満足できない。そこで、高周波加熱により一旦炭化物を溶解させ、その後にＡｒ₁ 変態点以下まで冷却すれば、生地組織のパーライト組織分率が増加し、良好な高周波焼入れ特性を示すようになる。
ここで、高周波焼入れ処理において、加熱後の６００℃までの冷却速度を５℃／ｓ以上とすると、表面にマルテンサイト組織が形成されて再加熱時にいわゆる焼戻し割れが発生するおそれがあるので、組織はパーライト組織とすることが好ましい。
〔ピニオンシャフトの有効肉厚について〕
ピニオンシャフトの有効肉厚ｔは、外径Ｄとピニオンシャフトに設けられた油穴の直径ｄとから、ｔ＝（Ｄ−ｄ）／２で定義される。この有効肉厚ｔが７ｍｍ以下であると、前述の焼鈍し処理による耐久性の向上がより顕著となる。

〔実施例〕
以下に、さらに具体的な実施例を示して、本発明を説明する。高炭素クロム軸受鋼に下記のような熱処理を施して製造したピニオンシャフト（外径１２ｍｍ、長さ２４ｍｍ）を用意して、耐久試験を行った。
熱処理は、まず８５０℃，３時間の浸炭窒化処理を施した後に油冷又は放冷し、さらに表１に示すような温度で焼鈍し処理を施した。続いて、外周面のうち転走面となる部分のみに組織調整処理及び高周波焼入れ処理を施した後に、焼戻し処理を施した。この組織調整処理は、高周波誘導加熱（周波数１２０ｋＨｚ、電圧８０ｋＶ、電流６０Ａ）により８００〜９５０℃に３〜１０秒間加熱した後、Ａｒ₁ 変態点以下に空冷するというものである。また、高周波焼入れ処理は、高周波誘導加熱（周波数１２０ｋＨｚ、電圧８０ｋＶ、電流６０Ａ）により８００〜９５０℃に３〜１０秒間加熱した後、水溶液を噴射して冷却するというものである。さらに、焼戻し処理は、１８０℃で２時間保持した後に冷却するというものである。
なお、比較例１〜１０については、組織調整処理は施さなかった。また、比較例６は浸炭窒化処理は施さず、比較例７は浸炭窒化処理の代わりに８４０℃，１時間の焼入れ処理を施した。

次に、耐久試験の方法について、図２を参照しながら説明する。キャリアに相当する部材（図示せず）にかしめにより固定されたピニオンシャフト１０が外輪１１に挿通されており、ピニオンシャフト１０の外周面と外輪１１の内周面との間に転動自在に介装された複数のニードルローラー１２（外径２ｍｍ、長さ１５ｍｍ）によって、ピニオンシャフト１０が回転可能とされている。このピニオンシャフト１０には図示のように潤滑油の給油孔１０ａが設けてあり、端面の開口部１０ｂに注入された潤滑油が円筒面に開口する給油孔１０ａから転走面に給油されるようになっている。

ラジアル荷重５０００Ｎ、回転速度８０００ｍｉｎ^-1、潤滑油の温度１３０℃の条件でピニオンシャフト１０を回転させ、ピニオンシャフト１０に剥離が生じるまでの時間を寿命として評価した。なお、ラジアル荷重は、図示しないサポート軸受を介して外輪１１に負荷した。また、供給する潤滑油の温度１３０℃であるが、試験中のピニオンシャフトの温度は、発熱によりさらに高温になっていると思われる。さらに、比較例５の寿命の５倍の時間回転させても寿命に至らなかった場合は、そこで試験を打ち切った。

耐久試験の結果を表１に示す。なお、表１中の寿命の数値は、比較例５のＬ₁₀寿命を１とした場合の相対値で示してある。また、表層部及び芯部の残留オーステナイト量（γ_R 量）はＸ線回折装置で測定した値である。さらに、表１中のかしめ荷重の数値は、比較例６のかしめ荷重を１とした場合の相対値で示してある。ただし、比較例７は、かしめではなくピンにより固定している。

実施例１〜６のピニオンシャフトは、このような高温下においても、比較例５と比べて２倍以上の優れた寿命を有していた。これに対して、従来例１〜３は、残留オーステナイトの確保のために焼鈍し処理の温度が低く、芯部の硬さが高いので、かしめ荷重が大きくなった。また、従来例４，５は、かしめ荷重は良好であったが、残留オーステナイト量が少ないため耐久性が低かった。従来例６は、焼入れ前の組織が球状化焼鈍し組織であるので、転走面（表層部）の残留オーステナイト量が少ない。従来例７は、芯部の残留オーステナイト量が多いため、試験中に寸法変化が生じてしまい、短時間で破損した。

さらに、実施例４〜６及び従来例８〜１０は、ピニオンシャフトの有効肉厚の影響を調査したものであるが、耐久性のために必要な残留オーステナイト量は、薄肉品においてもその減少が少なく、薄肉品に対して効果的であることが確認できる。
なお、図３のグラフは、芯部の硬さとかしめ荷重との関係をプロットしたものであり、図４のグラフは、表層部の残留オーステナイト量と寿命との関係をプロットしたものである。

本発明のピニオンシャフト及びプラネタリギヤ装置は、自動車，工作機械等の減速機や変速機に使用可能である。

本発明の一実施形態であるプラネタリギヤ装置の分解斜視図である。 ピニオンシャフトの耐久試験の方法を説明する断面図である。 芯部の硬さとかしめ荷重との関係を説明するグラフである。 表層部の残留オーステナイト量と寿命との関係を説明するグラフである。

符号の説明

１ サンギヤ
２ リングギヤ
３ ピニオンギヤ
４ キャリヤ
５，１０ ピニオンシャフト
１２ ニードルローラー（ころ）

Claims (2)

1. プラネタリギヤ装置において使用され、同心に配されたサンギヤ及びリングギヤに噛み合うピニオンギヤを回転自在に支持するピニオンシャフトであって、下記の５つの条件を満足することを特徴とするピニオンシャフト。
   条件１：高炭素クロム軸受鋼で構成されている。
   条件２：浸炭窒化処理、焼鈍し処理、転走面となる部分への高周波加熱と冷却による組織調整処理、高周波焼入れ処理、焼戻し処理の順序で熱処理が施されている。
   条件３：残留オーステナイト量が１５体積％以上である表層部を備えている。
   条件４：残留オーステナイト量が０体積％で、硬さがＨｖ３００以下である芯部を備えている。
   条件５：前記芯部のうち少なくとも長手方向端部は、フェライトと球状炭化物とを有している。
2. サンギヤと、該サンギヤと同心に配されたリングギヤと、前記サンギヤ及び前記リングギヤに噛み合う１個以上のピニオンギヤと、前記ピニオンギヤを回転自在に支持するピニオンシャフトと、前記サンギヤ及び前記リングギヤと同心に配され前記ピニオンギヤが固定されたキャリヤと、を備えるプラネタリギヤ装置において、
   前記ピニオンシャフトを請求項１に記載のピニオンシャフトとし、このピニオンシャフトを前記キャリヤにかしめによって固定したことを特徴とするプラネタリギヤ装置。

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