JP2006342904A - ピニオンシャフト及びプラネタリギヤ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 研磨取りしろを少なくすることができるとともに、表面のＣ，Ｎの含有率のばらつきを小さくする。
【解決手段】 ピニオンシャフト４ｅは、０．５〜１．２重量％のＣを含有する鋼で形成され、Ｎ含有率：０．０５〜０．４重量％、高周波焼入れによるビッカース硬さ：Ｈｖ６５０以上及び残留オーステナイト量：１５〜４０体積％とした表面層が設けられ、シャフト長さＬ（ｍｍ）、シャフト径Ｄａ（ｍｍ）、軸方向油穴の径ｂ（ｍｍ）、軸方向油穴の長さｌ（ｍｍ）とした場合に、２０ｍｍ≦Ｄａ−ｂのとき、ｌ≧３Ｌ／５の関係を満足し、５ｍｍ≦Ｄａ−ｂ＜２０ｍｍのとき、ｌ≧（−Ｄａ＋ｂ＋６５ｍｍ）Ｌ／７５の関係を満足し、Ｄａ−ｂ＜５ｍｍのとき、ｌ≧４Ｌ／５の関係を満足する。
【選択図】 図３

Description

本発明は、例えば、自動車、工作機械等の減速機や変速機に好適に用いることができる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従来のプラネタリギヤ装置は、図４に示すように、サンギヤ４ｂ、リングギヤ４ａ及びキャリヤ４ｄ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設されている。また、サンギヤ４ｂ及びリングギヤ４ａに噛み合うピニオン４ｃが、キャリヤ４ｄに固定されたピニオンシャフト４ｅに、２列のころ（転動体）１１を介して回転自在に支持されている。

ピニオンシャフト４ｅには、軸方向の略中央部の外周面から径方向内方に延びる径方向油穴４ｇと、軸方向の端面から軸方向に沿って延びて、前記径方向油穴４ｇに連通する軸方向油穴４ｆとが設けられている。潤滑油はピニオンシャフト４ｅの軸方向端面の軸方向油穴４ｆの開口から該シャフト４ｅ内を通って、径方向油穴４ｇから２列のころ１１間（軸受部）に供給されるようになっている。また、２列のころ１１間には、スペーサ１２が介装され、ピニオン４ｃの両端部には、ころ押え１３が設けられている。

ところで、プラネタリギヤ装置の構造は、ピニオン４ｃ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２列のころ１１間（軸受部）に供給することが難しく、また、各回転要素の中ではピニオン４ｃの回転速度が最も高いので、ピニオン４ｃを支持するピニオンシャフト４ｅには、ピニオン４ｃ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にある。

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４ｅをＪＩＳ鋼種ＳＫ５等で形成し、ころ１１が転走する部分に高周波焼入れを施して、転動部材として必要な硬さ（Ｈｖ６５０以上）を付与している。また、潤滑不良等による剥離寿命が問題となる場合には、ピニオンシャフト４ｅをＪＩＳ鋼種ＳＵＪ２等で形成し、浸炭窒化処理等を施して必要な寿命を確保している。

しかし、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自動変速機の小型化や高効率化が行われピニオン４ｃの回転速度が高まっている。そのため、ピニオンシャフト４ｅに負荷される荷重が増大し、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４ｅでは、変形や早期剥離（滑りの増大に伴って摩耗が生じ、この摩耗による面荒れから早期剥離に至る）が発生しやすく、寿命が不十分となるという問題が生じている。

そこで、ピニオンシャフト４ｅを０．５〜１．２重量％の炭素を含有する鋼で形成するとともに、窒素を０．０５〜０．４重量％含有し、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が１５〜４０体積％とした表面層を設け、さらに芯部の残留オーステナイトを０ｖｏｌ％とすることにより、早期剥離の防止対策を行うようにした技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

また、２列のころ１１間に介装されたスペーサ１２の内周部に切欠きを施すことにより、２列のころ１１間に供給される潤滑油量を増大させるようにした技術が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
特開２００２−４００３号公報 特開２００５−１６７１０号公報

ところで、潤滑油供給のためには、ピニオンシャフト４ｅ内の軸方向油穴４ｆ及び径方向油穴４ｇは必要不可欠のものであるが、２列のころ１１への油供給は、各ころ１１に均一に、且つ十分に行う必要があるため、径方向油穴４ｇはピニオンシャフト４ｅの軸方向の略中央部に設けられている。したがって、軸方向油穴４ｆの軸方向長さは、ピニオンシャフト４ｅの長さの略１／２となっている。

しかしながら、このように軸方向油穴４ｆがピニオンシャフト４ｅの全長に設けられてなく、ピニオンシャフト４ｅの肉厚が軸方向で異なっている場合、ピニオンシャフト４ｅの外径面に上記特許文献１のような高周波焼入れを行うと、ピニオンシャフト４ｅに曲がりが生じて、熱処理後の研磨の取りしろが大きくなるという問題が生じ、また、ピニオンシャフト４ｅの曲がり量を少なくするために軸方向油穴４ｆの長さを長くすると、コストアップになるという問題が生じる。

更に、研磨の取りしろが大きくなると、コストアップの要因となるばかりでなく、浸炭窒化したものにおいては、表面のＣ，Ｎの含有率が大きく異なるという問題も生じる。
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、研磨取りしろを少なくすることができるとともに、表面のＣ，Ｎの含有率のばらつきを小さくすることができ、これにより、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、プラネタリギヤ装置のサンギヤ及びリングギヤに噛み合うピニオンを回転自在に支持するとともに、外周面から径方向内方に延びる径方向油穴と、軸方向の端面から軸方向に沿って延びて、前記径方向油穴に連通する軸方向油穴とを備えたピニオンシャフトであって、
０．５〜１．２重量％の炭素（Ｃ）を含有する鋼で形成するとともに、窒素（Ｎ）含有率：０．０５〜０．４重量％、高周波焼入れによるビッカース硬さ：Ｈｖ６５０以上及び残留オーステナイト量：１５〜４０体積％とした表面層を設け、
シャフト長さＬ（ｍｍ）、シャフト径Ｄａ（ｍｍ）、軸方向油穴の径ｂ（ｍｍ）、軸方向油穴の長さｌ（ｍｍ）とした場合に、２０ｍｍ≦Ｄａ−ｂのとき、ｌ≧３Ｌ／５の関係を満足し、５ｍｍ≦Ｄａ−ｂ＜２０ｍｍのとき、ｌ≧（−Ｄａ＋ｂ＋６５ｍｍ）Ｌ／７５の関係を満足し、Ｄａ−ｂ＜５ｍｍのとき、ｌ≧４Ｌ／５の関係を満足することを特徴とする。

請求項２に係る発明は、サンギヤ及びリングギヤに噛み合うピニオンと、キャリヤに取り付けられて、前記ピニオンを複数の転動体を介して回転可能に支持するピニオンシャフトとを備えたプラネタリギヤ装置であって、
前記ピニオンシャフトとして、請求項１に記載したピニオンシャフトを用いたことを特徴とする。
ここで、本発明における表面層とは、表面から２％Ｄａ（転動体径）までの部分及び表面から絶対値深さで０．１ｍｍまでの部分のうち、深い方を意味する。

本発明によれば、ピニオンシャフトの高周波焼入れによる曲がり量を少なくすることができるため、仕上げ研磨取りしろが少なくなり、低コスト化を図ることができる。また、研磨取りしろが少なくなるために、表面窒素濃度、残留オーステナイト量、硬さのばらつきが小さくなり、安定した耐久性を得ることが可能となる。

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ピニオンシャフトを備えた車両の自動変速機を示す断面図、図２は本発明の実施の形態の一例であるピニオンシャフトを備えたプラネタリギヤ装置の分解斜視図、図３は本発明の実施の形態の一例であるピニオンシャフトをプラネタリギヤ装置に組み込んだ状態を示す断面図である。

まず、図１を参照して、本発明の実施の形態の一例であるピニオンシャフトを備えた車両の自動変速機から説明すると、この自動変速機１は、エンジンのクランクシャフト２から出力されるトルクが、トルクコンバータ３を介して伝達され、更に複数列組み合わされたプラネタリギヤ装置４，５，６等を介して複数段に減速され、その後、デファレンシャルギヤ７及びドライブシャフト８を介して、車輪（図示せず）出力されるようになっている。

プラネタリギヤ装置４，５，６は、いずれも略同一構造であるため、プラネタリギヤ装置４について説明すると、プラネタリギヤ装置４は、図２及び図３に示すように、内歯を有するリングギヤ４ａと、外歯を有するサンギヤ４ｂと、リングギヤ４ａ及びサンギヤ４ｂに噛合するピニオン４ｃと、キャリヤ４ｄに取り付けられて、ピニオン４ｃを複数のころ１１を介して回転可能に支持するピニオンシャフト４ｅとを備えている。

ピニオンシャフト４ｅ内には、ピニオンシャフト４ｅには、軸方向の略中央部の外周面から径方向内方に延びる径方向油穴４ｇと、軸方向の端面から軸方向に沿って延びて、前記径方向油穴４ｇに連通する軸方向油穴４ｆとが設けられている。潤滑油はピニオンシャフト４ｅの軸方向端面の軸方向油穴４ｆの開口から該シャフト４ｅ内を通って、径方向油穴４ｇから２列のころ１１間（軸受部）に供給されるようになっている。また、２列のころ１１間には、スペーサ１１２が介装され、該スペーサ１１２の内周部には、切欠き１１２ａが形成されている。

ここで、この実施の形態では、ピニオンシャフト４ｅを、０．５〜１．２重量％の炭素（Ｃ）を含有する鋼で形成するとともに、軌道面を構成する外周面に、窒素（Ｎ）含有率：０．０５〜０．４重量％、高周波焼入れによるビッカース硬さ：Ｈｖ６５０以上及び残留オーステナイト量：１５〜４０体積％とした表面層を設け、これにより、優れた耐転がり疲労特性を付与している。

また、ピニオンシャフト４ｅのシャフト長さＬ（ｍｍ）、シャフト径Ｄａ（ｍｍ）、軸方向油穴４ｆの径ｂ（ｍｍ）、軸方向油穴４ｆの長さｌ（ｍｍ）とした場合に、２０ｍｍ≦Ｄａ−ｂのとき、ｌ≧３Ｌ／５の関係を満足し、５ｍｍ≦Ｄａ−ｂ＜２０ｍｍのとき、ｌ≧（−Ｄａ＋ｂ＋６５ｍｍ）Ｌ／７５の関係を満足し、Ｄａ−ｂ＜５ｍｍのとき、ｌ≧４Ｌ／５の関係を満足している。

これにより、ピニオンシャフト４ｅの外周面に高周波焼入れを施した際に、ピニオンシャフト４ｅの熱処理変形を１００μｍ以下とすることができるため、研磨取りしろの削減が可能となり、コストダウンとなるだけでなく、ピニオンシャフト４ｅの外周面に、窒素（Ｎ）含有率：０．０５〜０．４重量％、高周波焼入れによるビッカース硬さ：Ｈｖ６５０以上及び残留オーステナイト量：１５〜４０体積％とした表面層を、各数値がばらつくことなく、確実、且つ容易に設けることが可能となる。

次に、上記の各数値の臨界的意義について説明する。
（ピニオンシャフトの鋼のＣ（炭素）含有率：０．５〜１．２重量％）
炭素濃度が０．５重量％未満であると、高周波焼入れにより前記表面層及び高周波焼入れ部の硬さを安定してＨｖ６５０（ＨＲＣ５８）以上とすることが難しくなる。ピニオンシャフトの寸法がどのようなものであっても好ましい硬さであるＨｖ６５０（ＨＲＣ５８）以上とするためには、下限を０．５重量％とする必要がある。なお、浸炭窒化法により浸炭する場合においては、前記表面層に微細な（０．５〜１．０μｍ）炭窒化物を形成するためにも、炭素は０．５重量％以上必要である。また、炭素含有率が１．２重量％を超えると、鋼中に巨大な炭化物が生成しやすくなり、転がり寿命を低下させる。

（表面層の窒素濃度：０．０５〜０．４重量％）
窒素を炭素とともに焼入れ後の組織に固溶すると、マトリックスを強化する効果がある。このことにより、表面硬さが向上し、焼戻し抵抗性も向上することから、広い温度範囲にわたって耐摩耗性を得ることができ、これにより、ピニオンシャフトの寿命を向上することができる。窒素濃度が０．０５重量％未満では、耐摩耗性が不十分となり、表面層の残留オーステナイト量を１５体積％以上とすることが困難となる。また、窒素濃度が０．４重量％を越えると、熱処理後の加工（研磨，研削等）に時間を要し、後加工コストが増大する。耐摩耗性と後加工コストとを最適なものとするには、０．１〜０．３重量％とすることがより好ましい。

（表面層の硬さ：ビッカース硬さＨｖ６５０（ＨＲＣ５８）以上）
表面層の硬さがＨｖ６５０未満であると、表面層の硬さが不十分であるため表面疲労（転動疲労）が早期に発生し、ピニオンシャフトの寿命が低下する。
（表面層の残留オーステナイト量：１５〜４０体積％）
例えば、自動車のトランスミッションやエンジン駆動系で使用される場合には、潤滑油に摩耗粉などの異物が混入したり、潤滑油の供給不足から表面疲労が生じやすくなる。

本発明においては、表面を硬くすることや表面に炭窒化物を存在させることのほかに、残留オーステナイトによる一種のダンパー効果によって表面疲労を減ずることができることを見いだした。残留オーステナイト量が１５体積％未満では、表面疲労を緩和するダンパー効果が少なく、ピニオンシャフトの疲労寿命が低下する。また、残留オーステナイト量が４０体積％を越えると、表面硬さを減じてしまうので、耐摩耗性や耐表面疲労性がかえって損なわれる。
残留オーステナイト量を２０〜３５体積％とすれば、優れた疲労寿命が安定して得られるので、さらに好ましい。

（軸方向油穴の長さ）
軸方向油穴４ｆの長さｌ（ｍｍ）が、２０ｍｍ≦Ｄａ−ｂのとき、ｌ≧３Ｌ／５の関係を満足し、５ｍｍ≦Ｄａ−ｂ＜２０ｍｍのとき、ｌ≧（−Ｄａ＋ｂ＋６５ｍｍ）Ｌ／７５の関係を満足し、Ｄａ−ｂ＜５ｍｍのとき、ｌ≧４Ｌ／５の関係を満足することにより、高周波焼入時にピニオンシャフトの曲がりを１００μｍ以下にすることができるため、研磨取りしろを削減することができ、表面の窒素濃度、表面硬さ、残留オーステナイト量を上述した範囲にすることが容易になる。
なお、本発明のサンギヤ、リングギヤ、ピニオン、径方向油穴、軸方向油穴、ピニオンシャフト、キャリヤ、転動体等の構成は、上記実施の形態に例示したものに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。

次に、本発明におけるピニオンシャフトについて、熱処理実験を行った結果を説明する。ピニオンシャフトを形成する鋼としては、表１に示すような組成を有するＳＵＪ２、Ｓ５５Ｃを用いた。

熱処理は、次の条件で行った。
浸炭窒化：ＲＸガス＋エンリッチガス＋アンモニアガス雰囲気で２〜５時間
調質：８５０°Ｃで焼き入れ、４００°Ｃで焼き戻し
高周波焼入れ：周波数３０ｋＨｚ、電圧１０ｋＶ、電流１０Ａ、転動軸の送り速度２〜 ８ｍ／ｓｅｃ、冷却水３５Ｌ／ｍｉｎ
焼戻し：１６０〜１８０°Ｃで１．５〜２時間
異なるシャフト径を持つピニオンシャフトについて熱処理を行い、熱処理後のピニオンシャフトの曲がり量について測定を行った。得られた結果を表２に示す。なお、表２には熱処理後に得られた表面層の窒素濃度、残留オーステナイト量、硬さ（Ｈｖ）についても示した。

また、表２中の必要な条件式は、シャフト長さＬ（ｍｍ）、シャフト径Ｄａ（ｍｍ）、軸方向油穴４ｆの径ｂ（ｍｍ）、軸方向油穴４ｆの長さｌ（ｍｍ）とした場合に、次の条件式（１）〜（３）とする。
条件式（１）
２０ｍｍ≦Ｄａ−ｂのとき、ｌ≧３Ｌ／５
条件式（２）
５ｍｍ≦Ｄａ−ｂ＜２０ｍｍのとき、ｌ≧（−Ｄａ＋ｂ＋６５ｍｍ）／７５
条件式（３）
Ｄａ−ｂ＜５ｍｍのとき、ｌ≧４Ｌ／５

表２に示すように、実施例１〜８のピニオンシャフトはＳＵＪ２を用いており、軸方向油穴の長さｌは本発明を満足するものである。ピニオンシャフトの曲がり量は５〜１３μｍと小さくなっており、熱処理後の研磨取りしろを小さくすることができる。研磨取りしろを小さくすることの効果として、表面窒素濃度、残留オーステナイト量、硬さのばらつきを小さくすることができ、ピニオンシャフトの耐久性を向上させることが可能となる。また、実施例９〜１１はＳ５５Ｃを用いているが、軸方向油穴の長さｌは本発明を満足するものであり、ＳＵＪ２の実施例１〜８と同様の結果が得られている。

これに対し、比較例１〜４は、ＳＵＪ２を用いているものの、軸方向油穴の長さｌが本発明を満たすものではなく、高周波焼入れ後のピニオンシャフトの曲がり量が５０〜８０μｍと大きくなっており、熱処理後の仕上げ研磨代が多くなってしまっている。そのため、表面窒素濃度、残留オーステナイト量、硬さのばらつきが大きく、耐久性が低下する可能性がある。比較例５，６はＳ５５Ｃを用いているが、軸方向油穴の長さｌが本発明を満たすものではなく、ＳＵＪ２の比較例１〜４と同様の結果であった。

本発明の実施の形態の一例であるピニオンシャフトを備えた車両の自動変速機を示す断面図である。 本発明の実施の形態の一例であるピニオンシャフトを備えたプラネタリギヤ装置の分解斜視図である。 本発明の実施の形態の一例であるピニオンシャフトをプラネタリギヤ装置に組み込んだ状態を示す断面図である。 従来のプラネタリギヤ装置の一例を示す要部断面図である。

符号の説明

４ プラネタリギヤ装置
４ａ リングギヤ
４ｂ サンギヤ
４ｃ ピニオン
４ｄ キャリヤ
４ｅ ピニオンシャフト
４ｆ 軸方向油穴
４ｇ 径方向油穴
１１ ころ（転動体）

Claims (2)

1. プラネタリギヤ装置のサンギヤ及びリングギヤに噛み合うピニオンを回転自在に支持するとともに、外周面から径方向内方に延びる径方向油穴と、軸方向の端面から軸方向に沿って延びて、前記径方向油穴に連通する軸方向油穴とを備えたピニオンシャフトであって、
   ０．５〜１．２重量％の炭素（Ｃ）を含有する鋼で形成するとともに、窒素（Ｎ）含有率：０．０５〜０．４重量％、高周波焼入れによるビッカース硬さ：Ｈｖ６５０以上及び残留オーステナイト量：１５〜４０体積％とした表面層を設け、
   シャフト長さＬ（ｍｍ）、シャフト径Ｄａ（ｍｍ）、軸方向油穴の径ｂ（ｍｍ）、軸方向油穴の長さｌ（ｍｍ）とした場合に、
   ２０ｍｍ≦Ｄａ−ｂのとき、ｌ≧３Ｌ／５の関係を満足し、５ｍｍ≦Ｄａ−ｂ＜２０ｍｍのとき、ｌ≧（−Ｄａ＋ｂ＋６５ｍｍ）Ｌ／７５の関係を満足し、Ｄａ−ｂ＜５ｍｍのとき、ｌ≧４Ｌ／５の関係を満足することを特徴とするピニオンシャフト。
2. サンギヤ及びリングギヤに噛み合うピニオンと、キャリヤに取り付けられて、前記ピニオンを複数の転動体を介して回転可能に支持するピニオンシャフトとを備えたプラネタリギヤ装置であって、
   前記ピニオンシャフトとして、請求項１に記載したピニオンシャフトを用いたことを特徴とするプラネタリギヤ装置。

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