JP2008164091A - 等速ジョイント用ボール - Google Patents

Abstract

【課題】材質が安価な鋼材であっても、耐久性に優れる等速ジョイント用ボールを構成する。
【解決手段】転動ボール（等速ジョイント用ボール）１６において、表面３０からの深さが０．１ｍｍである第１部位３２、深さが０．２ｍｍである第２部位３４の圧縮残留応力を、例えば、−１１８０ＭＰａ、−１０２０ＭＰａとする等、−１０００ＭＰａ以上に設定する。また、第１部位３２から第２部位３４にわたる部位の圧縮残留応力も、−１０００ＭＰａ以上に設定することが好ましい。
【選択図】図２

Description

本発明は、等速ジョイントを構成する外輪部材と内輪部材との間に介在される等速ジョイント用ボールに関する。

自動車車体には、内燃機関等のエンジンからの駆動力をタイヤまで伝達するべく、複数個の回転軸と、回転軸同士の間に介装された等速ジョイントとを有する駆動力伝達機構が搭載される。例えば、ドライブシャフトとハブとは、外輪部材と内輪部材との間に転動ボールが介在されたバーフィールド型等速ジョイントを介して互いに変位自在に連結されている。

近年、自動車の燃料消費率を向上させる目的で、自動車車体、ひいては該自動車車体を構成する各種の部材を軽量化することが種々検討されている。この観点から、バーフィールド型等速ジョイントにも一層の軽量化、換言すれば、小型化が希求されている。

しかしながら、小形状の部材は一般的に剛性が低く、このため、バーフィールド型等速ジョイントでは、外輪部材や転動ボール等の耐久性が低下することになる。これを回避するべく、特許文献１では、外輪部材及び内輪部材のボール溝の表面粗さを１０〜３０μｍに設定するとともに、化成処理を施した後、さらに潤滑剤皮膜を形成することが提案されている。

一方、転動ボールの長寿命化に関しては、特許文献２に、転動ボールの材質として軸受鋼ないし軸受鋼相当材を採用するとともに、この転動ボールに窒化処理を施して表面残留オーステナイト量を増加させ、さらに、耐圧砕荷重処理を施すことが有効であるとの開示がある。

特開２０００−１４５８０４号公報 特開２００２−１２２１４５号公報

特許文献２記載の手法は、軸受鋼ないし軸受鋼相当材からなる転動ボールを用いるために材料コストが高騰し、これに伴って高価格になってしまうという不具合がある。

本発明は上記した問題を解決するためになされたもので、安価な材質を用いた場合であっても耐久性に優れる等速ジョイント用ボールを提供することを目的とする。

本発明者らは、ＳＵＪ２等の安価な鋼材からなる等速ジョイント用ボールを小型化すると剥離や割れ等の欠陥が発生し易くなる原因につき究明する過程で、前記欠陥が生じた部位の金属組織に、ナイタール腐食液を用いた際に白色を呈する白色組織が生成しているとの知見を得た。そして、白色組織が、鋼材に含まれる炭素が減少することに起因して生成することから、欠陥が発生する理由が、金属組織（鋼材）に含まれる炭素が減少して強度・靭性が低下したためであると推察した。

等速ジョイント用ボールは、等速ジョイントを介して連結された回転軸が回転動作する際、外輪部材のボール溝、又は内輪部材のボール溝に対して摺接する。換言すれば、転動ボールと、外輪部材及び内輪部材との間で相対的な転がり・滑りが生じ、これに伴ってせん断応力とともに摩擦熱が発生する。本発明者らは、このようにしてせん断応力及び摩擦熱が発生することによって、炭素が減少すると考えた。

そこで、等速ジョイント用ボールに大きな圧縮残留応力を付与することが想起される。この場合、前記の転がり・滑りに伴ってせん断応力が生じると、圧縮残留応力がこれを吸収するからである。しかしながら、例えば、等速ジョイント用ボールの表面の圧縮残留応力を−１０００ＭＰａと大きくしても、欠陥が生じることを回避することは困難である。

本発明者らは、この理由につき鋭意検討を重ね、等速ジョイント用ボールの表面からの深さが０．１〜０．２ｍｍである部位に集中して発生しているとの知見と併せ、ヘルツ応力の理論と同様に、表面よりも内部でせん断応力が最大となっているとの結論に達し、本発明をするに至った。

すなわち、本発明は、等速ジョイントを構成する外輪部材と内輪部材との間に介在され、前記外輪部材から前記内輪部材に、又はその逆方向に回転力を伝達する等速ジョイント用ボールであって、
表面からの深さが０．２ｍｍである部位における圧縮残留応力が−１０００ＭＰａ以上であることを特徴とする。ここで、本発明における「−１０００ＭＰａ以上」は、−１０００ＭＰａよりも絶対値が大きい負の数値であることを意味する。すなわち、例えば、−１２００ＭＰａは−１０００ＭＰａよりも大きい圧縮残留応力であり、一方、−９５０ＭＰａは−１０００ＭＰａよりも小さい圧縮残留応力である。

上記したように、金属組織からの炭素の減少、ひいてはせん断応力の作用は、等速ジョイント用ボールの表面からの深さが０．１〜０．２ｍｍである部位で最も大きくなると推察される。そこで、表面からの深さが０．２ｍｍである部位における圧縮残留応力を−１０００ＭＰａ以上と大きくする。これにより、該等速ジョイント用ボールと外輪部材及び内輪部材との間に相対的な転がり・滑りが生じて該等速ジョイント用ボールの内部にせん断応力が発生した際、該せん断応力が前記圧縮残留応力によって効果的に吸収され、その結果、炭素が減少することが抑制される。

このことから諒解されるように、所定の深さの圧縮残留応力を大きくすることにより、炭素が減少すること、ひいては強度や靭性が低下して欠陥が発生することを回避することができる。このため、等速ジョイント用ボールの材質として安価な鋼材を採用することも可能となるので、耐久性に優れる等速ジョイント用ボールを低コストで作製することもできる。

上記したように、欠陥は、等速ジョイント用ボールの表面からの深さが０．１〜０．２ｍｍである範囲内で発生し易い。従って、本発明においては、表面からの深さが０．１ｍｍである部位から０．２ｍｍである部位にわたって圧縮残留応力が−１０００ＭＰａ以上であることが好ましい。この深さ範囲の全般にわたって圧縮残留応力を大きくすることにより、欠陥発生を抑制することが一層容易となる。

亀裂は、前記範囲内（表面からの深さ０．１〜０．２ｍｍ）の比較的表面側で発生し易い。このため、表面からの深さが０．１ｍｍである部位の圧縮残留応力は、深さが０．２ｍｍである部位に比して大きいことが好ましい。このように表面側の方の圧縮残留応力を大きくすることにより、該表面側に亀裂が発生することを抑制することができるからである。

表面からの深さが０．１ｍｍである部位の圧縮残留応力は、例えば、−１１５０ＭＰａ以上に設定すればよい。

本発明においては、等速ジョイント用ボールにおける欠陥発生の原因となる白色組織が生成し易い部位（表面からの深さ０．１〜０．２ｍｍ）の圧縮残留応力を大きくすることで、該等速ジョイント用ボールと外輪部材及び内輪部材との間に相対的な転がり・滑りが生じたときに該部位に発生したせん断応力を吸収するようにしている。このため、白色組織が生成することが抑制されるので、安価な鋼材であっても欠陥が発生し難くなる。

換言すれば、本発明によれば、表面からの深さが０．２ｍｍである部位の圧縮残留応力を−１０００ＭＰａ以上と大きくしたことにより、安価な鋼材からなる等速ジョイント用ボールであっても、耐久性に優れるものを構成することができる。

以下、本発明に係る等速ジョイント用ボールにつき好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。

図１は、バーフィールド型等速ジョイント（以下、単に等速ジョイントともいう）１０の概略断面図である。この等速ジョイント１０は、外輪部材１２と、内輪部材１４とを有し、これら外輪部材１２と内輪部材１４との間に、本実施の形態に係る転動ボール１６（等速ジョイント用ボール）が介在されている。

外輪部材１２は、軸部１８と、開口した筒状部２０とを有し、該筒状部２０の湾曲した内壁には、互いに等角度で離間した６個のボール溝２２ａ〜２２ｆが設けられている。

筒状部２０の内部には、前記内輪部材１４がリテーナ２４に保持された状態で挿入されている。ここで、内輪部材１４には、直径方向外方に膨出するように湾曲した外周面を切り欠くようにして、外輪部材１２のボール溝２２ａ〜２２ｆと同数個のインナ側ボール溝２６ａ〜２６ｆが設けられている。また、一端面から他端面にかけて貫通孔２７が設けられている。この貫通孔２７には、ドライブシャフトＤＳが嵌合される。

一方、リテーナ２４には、該リテーナ２４の内壁から外壁まで貫通した窓２８が設けられている。前記転動ボール１６は、この窓２８に収容されるとともに、外輪部材１２のボール溝２２ａ〜２２ｆと内輪部材１４のインナ側ボール溝２６ａ〜２６ｆに挿入されている。

ここで、前記転動ボール１６の表面近傍の断面を拡大して図２に示す。該図２中の参照符号３０、３２、３４は、それぞれ、転動ボール１６の表面、該表面３０からの深さが０．１ｍｍである第１部位、該表面３０からの深さが０．２ｍｍである第２部位を表す。また、参照符号Ｏは、転動ボール１６の中心である。

図３に、直径が１９／３２インチである転動ボール１６の表面３０からの深さと圧縮残留応力との関係をグラフにして示す。本実施の形態に係る転動ボール１６において、表面３０、第１部位３２、第２部位３４における圧縮残留応力は、それぞれ、−１２００ＭＰａ、−１１８０ＭＰａ、−１０２０ＭＰａであり、いずれも−１０００ＭＰａ以上である。また、図３から諒解されるように、第１部位３２から第２部位３４にわたる部位の圧縮残留応力も−１０００ＭＰａ以上を示す。

なお、この場合、転動ボール１６は、軸受鋼であるＳＵＪ２から形成されている。

このような構成の転動ボール１６が組み込まれた前記等速ジョイント１０（図１参照）は、自動車車体に搭載されて駆動力伝達機構を構成し、エンジンからの駆動力をタイヤまで伝達する役割を果たす。

自動車が走行する際に運転者がステアリングを操作することで進路変更が行われたり、凹凸が大きな道路を通過したりすることに伴い、ドライブシャフトＤＳが変位する。このため、等速ジョイント１０では、転動ボール１６が外輪部材１２のボール溝２２ａ〜２２ｆ、内輪部材１４のインナ側ボール溝２６ａ〜２６ｆに摺接する。すなわち、転動ボール１６と、外輪部材１２及び内輪部材１４との間で相対的な転がり・滑りが生じ、せん断応力とともに摩擦熱が発生する。

このせん断応力及び摩擦熱は、特に、転動ボール１６の第１部位３２から第２部位３４（図２参照）にわたる部位に負荷を及ぼす。この負荷により、該部位の金属組織から炭素が減少する。

炭素が減少した金属組織は、ナイタール腐食液で腐食させた際に白色を呈する、いわゆる白色組織となる。この白色組織は脆性であり、従って、剥離や亀裂の原因となる。

しかしながら、本実施の形態においては、図３に示されるように、第１部位３２から第２部位３４にわたって圧縮残留応力が−１０００ＭＰａ以上に設定されている。圧縮残留応力がこのように大きい部位では、前記のせん断応力が作用した際、該せん断応力が吸収される。従って、炭素が減少して白色組織となる組織変化が起こり難くなる。

すなわち、本実施の形態によれば、転動ボール１６の第２部位３４に大きな圧縮残留応力を予め付与したことに伴って表面３０からの深さが０．１ｍｍ（第１部位３２）から０．２ｍｍ（第２部位３４）にわたる部位の圧縮残留応力を大きくし、これにより該部位にせん断応力を吸収させるようにしたので、この部位に白色組織が生成することを抑制することができる。

第２部位３４よりも深い部位では、白色組織が元々生成し難い。従って、第１部位３２から第２部位３４にわたる部位の圧縮残留応力を大きくすることのみで、転動ボール１６全体にわたって、剥離や亀裂の原因である白色組織が生成することを回避することができる。

そして、このように白色組織が生成することを回避するようにした結果、ＳＵＪ２のような安価な鋼材からなる転動ボール１６であっても、剥離や亀裂が生じることが防止される。すなわち、長寿命を示す転動ボール１６を低コストで作製することが可能となる。

転動ボール１６に上記のような圧縮残留応力を付与するにあたっては、例えば、特開昭６１−２７０３３１号公報又は特開平１１−１９８２８号公報に記載された公知の処理方法・装置を用いるようにすればよい。すなわち、焼入れ・焼戻しが施された転動ボール１６を複数個バレルに収容し、次に、バレルを回転させて転動ボール１６とバレルの内壁、又は転動ボール１６同士を衝突させるようにすればよい。この衝突が繰り返されることにより、転動ボール１６に圧縮残留応力が付与される。

転動ボール１６において、圧縮残留応力が最大となる深さは、転動ボール１６の直径寸法や処理条件に応じて変化する。例えば、直径が３／８インチの転動ボール１６に対し、特開平１１−１９８２８号公報に記載の装置を用いて処理を行う場合、バレルと軸線が同一であり且つ該バレルと逆方向に回転する支持軸の回転数を５０ｒｐｍ、処理時間を９０分としたとき、表面３０からの深さが０．１ｍｍの部位（第１部位３２）の残留圧縮応力が最大となり、その値はおよそ−９６０ＭＰａである。また、前記支持軸の回転数を６５ｒｐｍ、処理時間を９０分としたとき、表面３０からの深さが０．１５ｍｍの部位の残留圧縮応力が最大となり、その値はおよそ−１０００ＭＰａである。

このことから諒解されるように、支持軸の回転数を上昇させることによって、転動ボール１６における圧縮残留応力の最大値と、この最大値をとる深さとを制御することが可能となる。例えば、図３に示すように、直径１９／３２インチの転動ボール１６における第１部位３２及び第２部位３４の各圧縮残留応力を−１１８０ＭＰａ、−１０２０ＭＰａとするには、支持軸の回転数を５０ｒｐｍに設定し、回転時間を２．５時間とすればよい。

図３には、支持軸の回転数を低くし、直径が１９／３２インチであり且つ表面３０からの深さが０．１ｍｍ、０．２ｍｍである部位の各圧縮残留応力が−８７０ＭＰａ、−５００ＭＰａである比較例１、同一直径で且つ表面からの深さが０．１ｍｍ、０．２ｍｍである部位の各圧縮残留応力が−５１０ＭＰａ、−３８０ＭＰａである比較例２の転動ボールにおける表面からの深さと圧縮残留応力との関係が併せて示されている。すなわち、比較例１、２の転動ボールにおいては、白色組織が生成し易い部位の圧縮残留応力は、−１０００Ｍｐａ以下である。

以上の本実施の形態に係る転動ボール１６、及び比較例１、２の転動ボールにつき、耐久試験を行った。なお、この耐久試験においては、各転動ボールを用いてバーフィールド型等速ジョイントを組み立て、該バーフィールド型等速ジョイントとトリポート型等速ジョイントとの間に軸部材を橋架するとともに両等速ジョイントの軸部を試験装置に支持し、この状態で、前記トリポート型等速ジョイントの軸部を回転させ、転動ボールに損傷が生じるまでのサイクル数を評価した。ここで、バーフィールド型等速ジョイントと前記軸部材とがなす角度を１０°とするとともに、回転数を１７００ｒｐｍと一定とし且つ回転トルクを１０ｋｇｆｍ又は１２ｋｇｆｍのいずれかに設定した。

結果を、図４に併せて示す。この図４から、比較例１、２の転動ボールに比して本実施の形態に係る転動ボール１６の方が、損傷に至るまでのサイクル数を表す耐久サイクル数が大きいこと、換言すれば、耐久性に優れることが明らかである。

図３及び図４からは、本実施の形態に係る転動ボール１６と、比較例２の転動ボールとで表面の圧縮残留応力が略同等であるにも関わらず（図３参照）、両ボールの耐久性に著しい差があることも分かる。このことから、第２部位３４における圧縮残留応力を−１０００Ｍｐａ以上とし、これにより白色組織が生成し易い第１部位３２から第２部位３４にわたって圧縮残留応力を大きくすることで、転動ボールの耐久性が向上することが認められる。

なお、上記した実施の形態では、転動ボール１６の材質としてＳＵＪ２を選定するようにしているが、その他の鋼材であってもよいことはいうまでもない。すなわち、本発明は、転動ボール１６の材質が如何なる鋼材であっても適用可能である。

本実施の形態に係る等速ジョイント用ボール（転動ボール）が組み込まれて構成されたバーフィールド型等速ジョイントの概略断面図である。 図１の転動ボールの要部拡大断面図である。 本実施の形態に係る転動ボール、及び比較例１、２の転動ボールにおける表面からの深さと圧縮残留応力との関係を示すグラフである。 本実施の形態に係る転動ボール、及び比較例１、２の転動ボールにおける耐久サイクル数とトルク負荷との関係を示すグラフである。

符号の説明

１０…バーフィールド型等速ジョイント １２…外輪部材
１４…内輪部材 １６…転動ボール
２２ａ〜２２ｆ…ボール溝 ２４…リテーナ
２６ａ〜２６ｆ…インナ側ボール溝 ３０…表面
３２…第１部位 ３４…第２部位
ＤＳ…ドライブシャフト

Claims (4)

1. 等速ジョイントを構成する外輪部材と内輪部材との間に介在され、前記外輪部材から前記内輪部材に、又はその逆方向に回転力を伝達する等速ジョイント用ボールであって、
   表面からの深さが０．２ｍｍである部位における圧縮残留応力が−１０００ＭＰａ以上であることを特徴とする等速ジョイント用ボール。
2. 請求項１記載の等速ジョイント用ボールにおいて、表面からの深さが０．１ｍｍである部位から０．２ｍｍである部位にわたって圧縮残留応力が−１０００ＭＰａ以上であることを特徴とする等速ジョイント用ボール。
3. 請求項２記載の等速ジョイント用ボールにおいて、表面からの深さが０．１ｍｍである部位の圧縮残留応力が０．２ｍｍである部位に比して大きいことを特徴とする等速ジョイント用ボール。
4. 請求項３記載の等速ジョイント用ボールにおいて、表面からの深さが０．１ｍｍである部位の圧縮残留応力が−１１５０ＭＰａ以上であることを特徴とする等速ジョイント用ボール。

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