JP2009001847A - トランスミッション用転動部材およびトランスミッション用転がり軸受 - Google Patents

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Abstract

【課題】合金元素の含有量を抑制しつつ、苛酷な環境下において長寿命なトランスミッション用転動部材および転がり軸受を提供する。
【解決手段】トランスミッション用の深溝玉軸受1の外輪11、内輪12、玉13は、0.3〜0.4%の炭素、0.3〜0.7%の珪素、0.3〜0.8%のマンガン、0.5〜1.2%のニッケル、1.6〜2.5%のクロム、0.1〜0.7%のモリブデンおよび0.2〜0.4%のバナジウムを含有し、残部鉄および不純物からなり、珪素+マンガンの含有量は1.0%以下、ニッケル+クロムの含有量は2.3%以上、クロム+モリブデン+バナジウムの含有量は3.0%以下である鋼から構成され、硬化処理層が形成され、硬化処理層の表層部の硬度は、725〜800HV、表層部の炭化物の最大粒径は10μm以下、面積率は7〜25%以下、内部の硬度は450〜650HVである。
【選択図】図2

Description

本発明は、トランスミッション用転動部材およびトランスミッション用転がり軸受に関し、より特定的には、軸受の内部に異物が混入し、高温に曝されるなどの苛酷な環境下において使用されるトランスミッション用転動部材およびトランスミッション用転がり軸受に関するものである。
自動車や産業機械などに用いられるトランスミッション(変速機)においては、トランスミッションに含まれるギアの摩耗や欠けが発生する。そのため、トランスミッションに使用されるトランスミッション用転がり軸受の内部には、ギアの摩耗や欠けにより発生した硬質の異物が侵入する場合がある。その結果、トランスミッション用転がり軸受を構成するトランスミッション用転動部材は、上記異物の侵入に起因した表面損傷が発生しやすい等の問題がある。
これに対し、トランスミッション用転動部材およびトランスミッション用転がり軸受の寿命向上等を目的として多くの検討がなされ、種々の対策が提案されている(たとえば特許文献1〜6参照)。
特開2004−125138号公報 特開2006−9887号公報 特開2003−176826号公報 特開2004−44719号公報 特開2003−336642号公報 特開平8−135666号公報
しかしながら、近年、装置の高効率化を目的として、トランスミッションが従来よりも高い温度、たとえば180℃程度で使用される場合がある。また、同様に装置の高効率化を目的として、従来よりも粘度の小さい潤滑油が採用される場合もある。さらに、潤滑油の量が低減される、潤滑油の交換サイクルが長くなり潤滑油が長期間使用されるなどの傾向もある。そのため、潤滑油の特性の劣化や潤滑油中における異物の量の増加などが問題となる場合もある。このような状況の下、トランスミッション用軸受においては、異物の噛み込みのほか、油膜切れなどに起因して、ピーリング、摩耗、表面起点剥離などの損傷が益々発生しやすくなっている。
また、従来、トランスミッション用転動部材に対して浸炭窒化処理を実施する対策が、トランスミッション用転がり軸受の長寿命化に効果的であるとされていた。しかし、トランスミッション用転がり軸受が高温環境下で使用される場合、浸炭窒化処理により増加した残留オーステナイトが分解し、これに伴って転がり軸受の寸法が変化してしまうという問題が発生する。
このような使用環境の苛酷化を考慮すると、上述の特許文献1〜6に記載された構成をトランスミッション用転がり軸受に採用するのみでは、トランスミッション用転がり軸受に発生する上記損傷への対策は必ずしも十分であるとはいえない。
また、上述のような環境下で使用されるトランスミッション用転がり軸受においては、転動部材同士の金属接触により出現する金属新生面を触媒として、潤滑油などの潤滑剤が分解して水素が発生し、当該水素の転動部材への侵入により、短期間で転走面に剥離が生じる現象(水素脆性剥離)も問題となっている。
また、上記問題点を解消するための従来の技術においては、トランスミッション用転動部材を構成する鋼に添加される合金元素の量が多いため、加工が困難である、製造コストが高い、浸炭や浸炭窒化を実施した場合に炭化物の粗大化や偏析が発生しやすく、割れ強度が劣る、などの問題があった。
そこで、本発明の目的は、トランスミッション用転動部材を構成する鋼において加工性の低下や製造コストの上昇等を招来する合金元素の含有量を抑制しつつ、軸受の内部に異物が混入し、高温に曝されるなどの苛酷な環境下においても長寿命なトランスミッション用転動部材およびトランスミッション用転がり軸受を提供することである。
本発明の一の局面におけるトランスミッション用転動部材は、複数の歯車よりなるギア機構を備え、当該歯車の噛み合わせにより段階的に変速比を変化させるトランスミッションにおいて、回転体を当該回転体の周囲の部材に対して回転可能に支持するトランスミッション用転がり軸受を構成するトランスミッション用転動部材である。このトランスミッション用転動部材は、0.3質量%以上0.4%質量%以下の炭素と、0.3質量%以上0.7質量%以下の珪素と、0.3質量%以上0.8質量%以下のマンガンと、0.5質量%以上1.2質量%以下のニッケルと、1.6質量%以上2.5質量%以下のクロムと、0.1質量%以上0.7質量%以下のモリブデンと、0.2質量%以上0.4質量%以下のバナジウムとを含有し、残部鉄および不純物からなり、珪素の含有量とマンガンの含有量との和は1.0質量%以下であり、ニッケルの含有量とクロムの含有量との和は2.3質量%以上であり、クロムの含有量とモリブデンの含有量とバナジウムの含有量との和は3.0質量%以下である鋼から構成されている。表面を含む領域には、内部よりも炭素含有量の大きい硬化処理層が形成されている。硬化処理層の表層部の硬度は、725HV以上800HV以下であり、当該表層部に分布する炭化物の最大粒径は10μm以下であり、当該表層部における炭化物の面積率は、7%以上25%以下である。そして、上記内部の硬度は、450HV以上650HV以下である。
本発明の他の局面におけるトランスミッション用転動部材は、入力軸の回転が無段階に変化して出力軸に伝達される無段変速機において用いられ、当該入力軸および出力軸のいずれかを回転可能に支持するトランスミッション用転がり軸受を構成するトランスミッション用転動部材である。このトランスミッション用転動部材は、0.3質量%以上0.4%質量%以下の炭素と、0.3質量%以上0.7質量%以下の珪素と、0.3質量%以上0.8質量%以下のマンガンと、0.5質量%以上1.2質量%以下のニッケルと、1.6質量%以上2.5質量%以下のクロムと、0.1質量%以上0.7質量%以下のモリブデンと、0.2質量%以上0.4質量%以下のバナジウムとを含有し、残部鉄および不純物からなり、珪素の含有量とマンガンの含有量との和は1.0質量%以下であり、ニッケルの含有量とクロムの含有量との和は2.3質量%以上であり、クロムの含有量とモリブデンの含有量とバナジウムの含有量との和は3.0質量%以下である鋼から構成されている。表面を含む領域には、内部よりも炭素含有量の大きい硬化処理層が形成されている。硬化処理層の表層部の硬度は、725HV以上800HV以下であり、当該表層部に分布する炭化物の最大粒径は10μm以下であり、当該表層部における炭化物の面積率は、7%以上25%以下である。そして、上記内部の硬度は、450HV以上650HV以下である。
ここで、硬化処理層は、たとえば浸炭処理または浸炭窒化処理により形成された浸炭層または浸炭窒化層である。また、硬化処理層の表層部とは、硬化処理層の表面からの距離が0.1mm以内の領域である。
本発明のトランスミッション用転動部材では、トランスミッション用転動部材を構成する鋼において、水素脆性剥離を助長するおそれのある珪素の含有量が低減されるとともに、クロム、バナジウム、モリブデンなどの合金元素の含有量のバランスが適切に調整されつつ含有量が抑制される。また、本発明のトランスミッション用転動部材では、硬化処理層の表層部における炭化物の大きさや面積率、およびトランスミッション用転動部材における硬度分布が適切な範囲に調整される。その結果、本発明のトランスミッション用転動部材によれば、トランスミッション用転動部材を構成する鋼において加工性の低下や製造コストの上昇等を招来する合金元素の含有量を抑制しつつ、軸受の内部に異物が混入し、高温に曝されるなどの苛酷な環境下においても長寿命なトランスミッション用転動部材を提供することができる。
ここで、本発明のトランスミッション用転動部材を構成する鋼の成分範囲を上記の範囲に限定した理由について説明する。
炭素:0.3質量%以上0.4%質量%以下
トランスミッション用転動部材に対して浸炭処理または浸炭窒化処理などを実施することにより、割れ強度を確保し、かつ表層部に圧縮応力を付与することができる。しかし、従来の浸炭鋼(肌焼鋼)のような低炭素鋼、たとえば炭素量が0.3質量%未満の鋼をトランスミッション用転動部材の素材として採用した場合、内部硬度が低く、大きな荷重や衝撃が作用した場合に十分な強度が得られない。したがって、炭素含有量は、十分な内部硬度確保のため、0.3質量%以上とした。一方、素材の炭素量が0.4質量%を超えると、加工性が低下し、また浸炭や浸炭窒化を実施した場合にトランスミッション用転動部材の表層部に発生する圧縮応力が低下するとともに、トランスミッション用転動部材の靱性も低下する。したがって、炭素含有量は0.4質量%以下とした。
珪素:0.3質量%以上0.7質量%以下
従来、珪素は安価でありながら、耐熱性を与える元素であるため、積極的に活用されてきた。しかし、軸受の内部に異物が混入し、高温に曝されるなどの苛酷な環境下において使用されるトランスミッション用転動部材においては、高い珪素含有量は水素脆性剥離を助長する懸念がある。また、耐熱性は、他の合金元素で補うことが可能である。これらを考慮し、また他の合金元素の添加による加工性、旋削・研削性の低下を考慮し、珪素の含有量は0.7質量%以下とした。一方、珪素は、鋼の素地を強化し、トランスミッション用転動部材の強度および転動疲労寿命を向上させる機能を有する。珪素の含有量が0.3質量%未満となると、当該機能が十分に発揮されない。したがって、珪素量は、0.3質量%以上とした。
マンガン:0.3質量%以上0.8質量%以下
マンガンは、トランスミッション用転動部材の焼入性の向上、転動疲労寿命の向上のためには必須の合金元素であるが、珪素同様、加工性を阻害する。そのため、他の合金元素の含有量を増加させることによる焼入性の向上、転動疲労寿命の向上とのバランスから、添加量は0.8質量%以下とした。一方、マンガンは、製鋼過程における脱酸に必須の元素であることを考慮し、その含有量は、通常の高合金鋼に含まれるレベルである0.3質量%を下限値とした。
ニッケル:0.5質量%以上1.2質量%以下
ニッケルは、トランスミッション用転動部材の高温での転動疲労寿命確保に必須であり、高温での耐食性や耐酸化性を向上させる。この効果を確保するため、ニッケルの含有量は、0.5質量%以上とした。一方、ニッケルの含有量が多いと、トランスミッション用転動部材中の残留オーステナイト量が増加し、トランスミッション用転動部材に必要な硬度を確保することが困難になる。また、ニッケルは比較的高価な合金元素であり、含有量が増加すると鋼材コストが上昇する。そのため、ニッケルの含有量は、1.2質量%以下とした。
クロム:1.6質量%以上2.5質量%以下
クロムは、トランスミッション用転動部材の転動疲労寿命や高温での硬度の確保には必須の元素である。また、トランスミッション用転動部材を構成する鋼の素地に溶け込むことで、ニッケルと同様に耐酸化性および耐食性を向上させる。通常の軸受鋼(JIS規格)でも、クロムは1.5質量%程度含まれており、高温環境下において十分な特性を確保するためには、これより多い含有量が必要である。したがって、クロムの含有量は、1.6質量%以上とした。一方、クロムは、鋼中において炭化物を形成する。クロムの含有量が多くなり、大型の炭化物が形成された場合、転動疲労寿命を低下させるおそれがあることや、モリブデンやバナジウムなど炭化物を形成する他の合金元素の含有量とのかねあいを考慮して、クロムの含有量は2.5質量%以下とした。
モリブデン:0.1質量%以上0.7質量%以下
モリブデンは鋼の焼入性を向上させること、炭化物を形成することにより焼戻軟化抵抗を向上させることから、高温環境下におけるトランスミッション用転動部材の転動疲労寿命の確保に必須である。また、モリブデン炭化物や炭窒化物が水素をトラップするとも考えられ、水素脆性剥離の抑制にも効果がある。このような効果を確保するためには、モリブデンの含有量は、0.1質量%以上とする必要がある。一方、モリブデンは高価な元素であり、コスト面からできるだけ含有量は少なく抑える必要があるので、クロムおよびバナジウムの含有量との関係を考慮し、その添加量を0.7質量%以下とした。
バナジウム:0.2質量%以上0.4質量%以下
バナジウムは微細な炭化物を形成して粒界(オーステナイト結晶粒界)に析出し、結晶粒を微細化してトランスミッション用転動部材の強度や靱性を向上させる。さらに、炭化物が水素のトラップサイトとして機能し、水素脆性剥離を抑制する効果を有する。特に、トランスミッション用転動部材が高温で浸炭または浸炭窒化処理され、高温焼戻が実施される場合、その効果が顕著になる。このような効果を確保するためには、0.2質量%以上の添加が必要である。一方、バナジウムは高価な元素であり、コスト面からできるだけ添加は少なく抑える必要があるので、クロム、モリブデンの添加量との関係を考慮し、その含有量を0.4質量%以下とした。
なお、リン、硫黄、アルミニウム、チタンなどの不純物元素の含有量は、軸受用鋼では通常低いレベルに抑えられている。本発明のトランスミッション用転動部材を構成する鋼においても同様に、不純物元素の含有量は低いレベルに抑制されることが好ましい。具体的には、以下の範囲抑制されることが好ましい。
リン:0.03質量%以下
偏析による靱性の低下、転動疲労寿命の低下を抑制するため、0.03質量%以下とすることが好ましい。
硫黄:0.03質量%以下
マンガンと結合して上記マンガンの効果を低下させるとともに、転動疲労寿命を低下させるおそれのある非金属介在物を形成するので、0.03質量%以下とすることが好ましい。
アルミニウム:0.05質量%以下
耐熱性を向上させる効果があるものの、非金属介在物の原因になりやすいので、0.05質量%以下とすることが好ましい。
チタン:0.003質量%以下
非金属介在物であるTiN(窒化チタン)を形成し、トランスミッション用転動部材の転動疲労寿命低下の原因となるとともに、水素脆性剥離の剥離起点となるおそれがあるので、0.003質量%以下とすることが好ましい。
また、本発明者は、トランスミッション用転動部材を構成する鋼における各合金元素の含有量のバランスに関して詳細に検討した。その結果、以下の関係を満足することにより、トランスミッション用転動部材の高温での硬度および耐摩耗性の向上のほか、焼戻軟化抵抗性の向上、さらには水素脆性剥離の抑制を達成し、かつ合金元素の含有量を抑制しつつ、軸受の内部に異物が混入し、高温に曝されるなどの苛酷な環境下においても長寿命なトランスミッション用転動部材を提供することができることを見出した。
すなわち、珪素およびマンガンは、いずれもトランスミッション用転動部材の加工性を低下させる。珪素の含有量とマンガンの含有量との和が1.0質量%を超えると、加工性が低下し、トランスミッション用転動部材の製造コストが上昇するおそれがある。そのため、珪素の含有量とマンガンの含有量との和は、1.0質量%以下とする必要がある。
また、ニッケルおよびクロムは、上述のように、いずれもトランスミッション用転動部材の耐食性および耐酸化性を向上させる。高温環境下で使用されるトランスミッション用転動部材においては、ニッケルの含有量とクロムの含有量との和は、2.3質量%以上必要である。
クロム、モリブデンおよびバナジウムは、いずれも鋼中において炭化物を形成する傾向がある。クロムの含有量とモリブデンの含有量とバナジウムの含有量との和が3.0質量%を超えると、鋼中に大型の炭化物が形成され、トランスミッション用転動部材の転動疲労寿命や割れ強度が低下するおそれがある。したがって、クロムの含有量とモリブデンの含有量とバナジウムの含有量との和は、3.0質量%以下とする必要がある。
さらに、本発明のトランスミッション用転動部材の硬度およびトランスミッション用転動部材に含まれる炭化物に関する構成を上記の範囲に限定した理由は以下のとおりである。
トランスミッション用転動部材に形成された硬化処理層の表層部、特にトランスミッション用転動部材の転走面下の表層部は転動疲労を受ける。当該表層部の硬度が725HV(61HRC)未満である場合、トランスミッション用転動部材の転動疲労寿命が不十分となるおそれがある。そのため、硬化処理層の表層部の硬度は、725HV以上とする必要がある。一方、硬化処理層の表層部の硬度を、800HVを超える範囲とするためには、当該表層部にクロムなどの炭化物を所定量以上形成する必要がある。この場合、後述のように、トランスミッション用転動部材の転動疲労寿命や加工性が低下するおそれがある。そのため、硬化処理層の表層部の硬度は、800HV以下とする必要がある。
トランスミッション用転動部材に形成された硬化処理層の表層部、特にトランスミッション用転動部材の転走面下の表層部に存在する大型の炭化物は、転動疲労を受けた場合に応力集中源となり、破壊起点となり得る。当該表層部に、10μmを超える炭化物が存在する場合、トランスミッション用転動部材の転動疲労寿命が低下するおそれがある。そのため、当該表層部に分布する炭化物の最大粒径は、10μm以下とする必要がある。なお、厳しい環境下で使用される場合、より小さい炭化物が転動疲労寿命を低下させる可能性がある。そのため、上記炭化物の最大粒径は、5μm以下であることが好ましい。
トランスミッション用転動部材に形成された硬化処理層の表層部における炭化物量が多くなると、当該表層部の加工性、特に研削を行なう場合の加工性が低下する。表層部における炭化物の面積率が25%を超えると、当該表層部の加工性が低下して加工コストの上昇、加工精度の低下等の問題を生じるおそれがある。そのため、硬化処理層の表層部における炭化物の面積率は、25%以下とする必要がある。一方、炭化物の面積率が7%未満では、トランスミッション用転動部材の耐摩耗性が不足し、転動疲労寿命が低下する可能性がある。そのため、硬化処理層の表層部における炭化物の面積率は、7%以上とする必要がある。なお、加工性を一層向上させるためには、炭化物の面積率は20%以下であることが好ましい。
ここで、炭化物とは、たとえばFeC(セメンタイト)、またはクロムやモリブデンなどの合金元素によってFeが置換された炭化物(M3Cと示される)、もしくはM23C6やM7C3などである。
硬化処理層より内側の領域であるトランスミッション用転動部材の内部、より具体的にはトランスミッション用転動部材の表面から深さ1.0mm以上の領域である内部の硬度が450HV未満である場合、トランスミッション用転動部材に比較的大きな荷重が採用した場合に当該内部において割れが発生する可能性がある(内部割れ)。そのため、内部の硬度は450HV以上とする必要がある。一方、内部の硬度が650HVを超える場合、靭性が低下し、トランスミッション用転動部材に衝撃的な力が作用した場合に容易に破壊するおそれがある。そのため、内部の硬度は650HV以下とする必要がある。
なお、硬化処理層の表層部における炭化物の最大粒径および面積率は、たとえば、以下のように調査することができる。すなわち、トランスミッション用転動部材を切断し、切断面を研磨した後、ピクラル(ピクリン酸アルコール溶液)にて腐食する。そして、表層部に該当する領域をランダムに20視野(倍率400倍、視野面積0.6mm)観察し、画像処理装置などを用いて炭化物の最大粒径および面積率を調査する。また、上記硬化処理層の表層部の硬度および内部の硬度は、たとえば、トランスミッション用転動部材を切断し、硬化処理層の表層部および内部の硬度をビッカース硬度計により測定することにより調査することができる。
上記トランスミッション用転動部材において好ましくは、トランスミッション用転動部材を構成する鋼において、モリブデンの含有量とバナジウムの含有量との和は、0.6質量%以上である。
モリブデンおよびバナジウムは、いずれも微細な炭化物や炭窒化物を形成する。そして、当該炭化物および炭窒化物は水素のトラップサイトとして機能し、水素脆性剥離を抑制する。モリブデンの含有量とバナジウムの含有量との和を0.6質量%以上とすることにより、この効果が十分に発揮される。
上記トランスミッション用転動部材において好ましくは、トランスミッション用転動部材を構成する鋼において、モリブデンの含有量とバナジウムの含有量との和は、クロムの含有量の半分以下である。
モリブデンおよびバナジウムは、上述のように比較的高価な合金元素である。モリブデンの含有量とバナジウムの含有量との和を、クロムの含有量の半分以下とすることにより、製造コストを抑制することができる。
上記トランスミッション用転動部材において好ましくは、トランスミッション用転動部材を構成する鋼において、珪素の含有量は、モリブデンの含有量とバナジウムの含有量との和以下である。
上述のように、珪素は、水素脆性剥離を助長するおそれがある一方、モリブデンおよびバナジウムは水素脆性剥離を抑制する機能を有する。珪素の含有量を、モリブデンの含有量とバナジウムの含有量との和以下とすることにより、トランスミッション用転動部材の水素脆性剥離を十分に抑制することができる。
上記トランスミッション用転動部材において好ましくは、500℃の温度に60分間保持する処理が行なわれた場合の、硬化処理層の表層部の硬度は、550HV以上である。
トランスミッション用転動部材が高温環境下にて使用された場合、トランスミッション用転動部材の硬度が低下し、軸受内部に異物が混入した場合に表面に圧痕がつきやすくなって転動疲労寿命が低下するおそれがある。これに対し、500℃の温度に60分間保持する処理が行なわれた場合でも、硬化処理層の表層部、特に転走面下の表層部が550HV以上の硬度を有していることにより、高温環境下における転動疲労寿命が十分に確保される。
本発明に従ったトランスミッション用転がり軸受は、軌道部材と、軌道部材に接触し、円環状の軌道上に配置される複数の転動体とを備えている。そして、軌道部材および転動体の少なくともいずれか一方は、上述の本発明のトランスミッション用転動部材である。
本発明のトランスミッション用転がり軸受によれば、上記本発明のトランスミッション用転動部材を備えていることにより、トランスミッション用転動部材を構成する鋼において合金元素の含有量を抑制しつつ、軸受の内部に異物が混入し、高温に曝されるなどの苛酷な環境下においても長寿命なトランスミッション用転がり軸受を提供することができる。
以上の説明から明らかなように、本発明のトランスミッション用転動部材およびトランスミッション用転がり軸受によれば、トランスミッション用転動部材を構成する鋼において加工性の低下や製造コストの上昇等を招来する合金元素の含有量を抑制しつつ、軸受の内部に異物が混入し、高温に曝されるなどの苛酷な環境下においても長寿命なトランスミッション用転動部材およびトランスミッション用転がり軸受を提供することができる。
以下、図面に基づいてこの発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において、同一または相当する部分には同一の参照番号を付し、その説明は繰返さない。
(実施の形態1)
以下、本発明の一実施の形態である実施の形態1におけるトランスミッション用転がり軸受を備えたトランスミッションについて説明する。図1は、実施の形態1におけるトランスミッションであるマニュアルトランスミッションの構成を示す概略断面図である。
図1を参照して、マニュアルトランスミッション100は、常時噛合い式のマニュアルトランスミッションであって、入力シャフト111と、出力シャフト112と、カウンターシャフト113と、ギア(歯車)114a〜114kと、ハウジング115とを備えている。
入力シャフト111は、トランスミッション用転がり軸受である深溝玉軸受1によりハウジング115に対して回転可能に支持されている。この入力シャフト111の外周にはギア114aが形成され、内周にはギア114bが形成されている。
一方、出力シャフト112は、一方側(図中右側)において深溝玉軸受1によりハウジング115に回転可能に支持されているとともに、他方側(図中左側)において転がり軸受120Aにより入力シャフト111に回転可能に支持されている。この出力シャフト112には、ギア114c〜114gが取り付けられている。
ギア114cおよびギア114dはそれぞれ同一部材の外周と内周に形成されている。ギア114cおよびギア114dが形成される部材は、転がり軸受120Bにより出力シャフト112に対して回転可能に支持されている。ギア114eは、出力シャフト112と一体に回転するように、かつ出力シャフト112の軸方向にスライド可能なように、出力シャフト112に取り付けられている。
また、ギア114fおよびギア114gの各々は同一部材の外周に形成されている。ギア114fおよびギア114gが形成されている部材は、出力シャフト112と一体に回転するように、かつ出力シャフト112の軸方向にスライド可能なように、出力シャフト112に取り付けられている。ギア114fおよびギア114gが形成されている部材が図中左側にスライドした場合には、ギア114fはギア114bと噛合い可能であり、図中右側にスライドした場合にはギア114gとギア114dとが噛合い可能である。
カウンターシャフト113には、ギア114h〜114kが形成されている。カウンターシャフト113とハウジング115との間には、2つのスラストニードルころ軸受2が配置され、これによってカウンターシャフト113の軸方向の荷重(スラスト荷重)が支持されている。ギア114hは、ギア114aと常時噛合っており、かつギア114iはギア114cと常時噛合っている。また、ギア114jは、ギア114eが図中左側にスライドした場合に、ギア114eと噛合い可能である。さらに、ギア114kは、ギア114eが図中右側にスライドした場合に、ギア114eと噛合い可能である。
次に、マニュアルトランスミッション100の変速動作について説明する。マニュアルトランスミッション100においては、入力シャフト111に形成されたギア114aと、カウンターシャフト113に形成されたギア114hとの噛み合わせによって、入力シャフト111の回転がカウンターシャフト113へ伝達される。そして、カウンターシャフト113に形成されたギア114i〜114kと出力シャフト112に取り付けられたギア114c、114eとの噛み合わせ等によって、カウンターシャフト113の回転が出力シャフト112へ伝達される。これにより、入力シャフト111の回転が出力シャフト112へ伝達される。
入力シャフト111の回転が出力シャフト112へ伝達される際には、入力シャフト111およびカウンターシャフト113の間で噛合うギアと、カウンターシャフト113および出力シャフト112の間で噛合うギアとを変えることによって、入力シャフト111の回転速度に対して出力シャフト112の回転速度を段階的に変化させることができる。また、カウンターシャフト113を介さずに入力シャフト111のギア114bと出力シャフト112のギア114fとを直接噛合わせることによって、入力シャフト111の回転を出力シャフト112へ直接伝達することもできる。
以下に、マニュアルトランスミッション100の変速動作をより具体的に説明する。ギア114fがギア114bと噛合わず、ギア114gがギア114dと噛合わず、かつギア114eがギア114jと噛合う場合には、入力シャフト111の駆動力は、ギア114a、ギア114h、ギア114jおよびギア114eを介して出力シャフト112に伝達される。これが、たとえば第1速とされる。
ギア114gがギア114dと噛合い、ギア114eがギア114jと噛合わない場合には、入力シャフト111の駆動力は、ギア114a、ギア114h、ギア114i、ギア114c、ギア114dおよびギア114gを介して出力シャフト112に伝達される。これが、たとえば第2速とされる。
ギア114fがギア114bと噛合い、ギア114eがギア114jと噛合わない場合には、入力シャフト111はギア114bおよびギア114fとの噛合いにより出力シャフト112に直結され、入力シャフト111の駆動力は直接出力シャフト112に伝達される。これが、たとえば第3速(トップ)とされる。
上述のように、この実施の形態1のマニュアルトランスミッション100は、入力シャフト111および出力シャフト112をハウジング115に対して回転可能に支持するために、深溝玉軸受1を備えている。また、マニュアルトランスミッション100は、カウンターシャフト113をハウジング115に対して回転可能に支持するために、スラストニードルころ軸受2を備えている。さらに、マニュアルトランスミッション100は、出力シャフト112を入力シャフト111に対して回転可能に支持するために、転がり軸受120A(ラジアルころ軸受)を備えているとともに、ギア114cおよびギア114dが形成される部材を、出力シャフト112に対して回転可能に支持するために、転がり軸受120B(ラジアルころ軸受)を備えている。上記深溝玉軸受1、スラストニードルころ軸受2および転がり軸受120A,120Bは、複数の歯車よりなるギア機構を備え、歯車の噛み合わせにより段階的に変速比を変化させるマニュアルトランスミッション100において、回転体を当該回転体の周囲の部材に対して回転可能に支持する、トランスミッション用転がり軸受である。
以下、実施の形態1におけるトランスミッション用転がり軸受について説明する。図2は、実施の形態1におけるトランスミッション用転がり軸受としての深溝玉軸受の構成を示す概略断面図である。また、図3は、図2の要部を拡大して示した概略部分断面図である。
図2および図3を参照して、実施の形態1におけるトランスミッション用転がり軸受としての深溝玉軸受1は、トランスミッション用転動部材である第1軌道部材としての外輪11と、トランスミッション用転動部材である第2軌道部材としての内輪12と、トランスミッション用転動部材である複数の転動体としての玉13と、保持器14とを備えている。外輪11には、円環状の第1転走面しての外輪転走面11Aが形成されている。内輪12には、外輪転走面11Aに対向する円環状の第2転走面としての内輪転走面12Aが形成されている。また、複数の玉13には、転動体転走面としての玉転走面13A(玉13の表面)が形成されている。そして、当該玉13は、外輪転走面11Aおよび内輪転走面12Aの各々に玉転走面13Aにおいて接触し、円環状の保持器14により周方向に所定のピッチで配置されることにより円環状の軌道上に転動自在に保持されている。以上の構成により、深溝玉軸受1の外輪11および内輪12は、互いに相対的に回転可能となっている。
さらに、図2および図3を参照して、トランスミッション用転動部材としての外輪11、内輪12および玉13は、0.3質量%以上0.4%質量%以下の炭素と、0.3質量%以上0.7質量%以下の珪素と、0.3質量%以上0.8質量%以下のマンガンと、0.5質量%以上1.2質量%以下のニッケルと、1.6質量%以上2.5質量%以下のクロムと、0.1質量%以上0.7質量%以下のモリブデンと、0.2質量%以上0.4質量%以下のバナジウムとを含有し、残部鉄および不純物からなり、珪素の含有量とマンガンの含有量との和は1.0質量%以下であり、ニッケルの含有量とクロムの含有量との和は2.3質量%以上であり、クロムの含有量とモリブデンの含有量とバナジウムの含有量との和は3.0質量%以下である鋼から構成されている。
さらに、外輪11、内輪12および玉13の表面を含む領域には、それぞれの内部11C,12C,13Cよりも炭素含有量の大きい硬化処理層11B,12B,13Bが形成されている。硬化処理層11B,12B,13Bの表層部の硬度は、725HV以上800HV以下である。また、硬化処理層11B,12B,13Bの表層部に分布する炭化物の最大粒径は、10μm以下であり、当該表層部における炭化物の面積率は、7%以上25%以下である。さらに、外輪11、内輪12および玉13のそれぞれの内部11C,12C,13Cの硬度は、450HV以上650HV以下である。
本実施の形態のトランスミッション用転動部材としての外輪11、内輪12および玉13では、外輪11、内輪12および玉13を構成する鋼において、水素脆性剥離を助長するおそれのある珪素の含有量が低減されるとともに、クロム、バナジウム、モリブデンなどの合金元素の含有量のバランスが適切に調整されつつ含有量が抑制されている。また、本実施の形態の外輪11、内輪12および玉13では、硬化処理層11B,12B,13Bの表層部における炭化物の大きさや面積率、および外輪11、内輪12および玉13における硬度分布が適切な範囲に調整されている。その結果、本実施の形態の外輪11、内輪12および玉13は、外輪11、内輪12および玉13を構成する鋼において加工性の低下や製造コストの上昇等を招来する合金元素の含有量が抑制されつつ、軸受の内部に異物が混入し、高温に曝されるなどの苛酷な環境下においても長寿命なトランスミッション用転動部材となっている。また、本実施の形態のトランスミッション用転がり軸受としての深溝玉軸受1は、転動部材を構成する鋼において合金元素の含有量が抑制されつつ、軸受の内部に異物が混入し、高温に曝されるなどの苛酷な環境下においても長寿命なトランスミッション用転がり軸受となっている。
また、本実施の形態の外輪11、内輪12および玉13においては、これらを構成する鋼において、モリブデンの含有量とバナジウムの含有量との和は、0.6質量%以上であることが好ましい。これにより、水素のトラップサイトとして機能するモリブデンおよびバナジウムの微細な炭化物や炭窒化物が形成され、水素脆性剥離の発生が抑制される。
また、本実施の形態の外輪11、内輪12および玉13においては、これらを構成する鋼において、モリブデンの含有量とバナジウムの含有量との和は、クロムの含有量の半分以下であることが好ましい。これにより、これらの製造コストを抑制することができる。
また、本実施の形態の外輪11、内輪12および玉13においては、これらを構成する鋼において、珪素の含有量は、モリブデンの含有量とバナジウムの含有量との和以下であることが好ましい。これにより、珪素による水素脆性剥離の助長を抑制しつつ、モリブデンおよびバナジウムにより水素脆性剥離を一層抑制することができる。
また、本実施の形態の外輪11、内輪12および玉13においては、500℃の温度に60分間保持する処理が行なわれた場合の、硬化処理層11B,12B,13Bの表層部の硬度は、550HV以上であることが好ましい。これにより、高温環境下における転動疲労寿命が十分に確保される。
図4は、実施の形態1におけるトランスミッション用転がり軸受としてのスラストニードルころ軸受の構成を示す概略断面図である。図4を参照して、本発明の実施の形態1におけるトランスミッション用転がり軸受としてのスラストニードルころ軸受、トランスミッション用軌道部材としての軌道輪およびニードルころ(針状ころ)の構成について説明する。
図4を参照して、実施の形態1のスラストニードルころ軸受2は、上記深溝玉軸受1と基本的には同様の構成を有し、同様の効果を奏する。しかし、スラストニードルころ軸受2は、軌道部材および転動体の構成において、深溝玉軸受1とは異なっている。すなわち、スラストニードルころ軸受2は、円盤状の形状を有し、互いに一方の主面が対向するように配置されたニードルころ軸受用転動部材(軌道部材)としての一対の軌道輪21と、ニードルころ軸受用転動部材(針状ころ)としての複数のニードルころ23と、円環状の保持器24とを備えている。複数のニードルころ23は、ニードルころ23の外周面であるころ転走面23Aにおいて、一対の軌道輪21の互いに対向する一方の主面に形成された軌道輪転走面21Aに接触し、かつ保持器24により周方向に所定のピッチで配置されることにより円環状の軌道上に転動自在に保持されている。以上の構成により、スラストニードルころ軸受2の一対の軌道輪21は、互いに相対的に回転可能となっている。
そして、スラストニードルころ軸受2の軌道輪21は、深溝玉軸受の外輪11および内輪12に、スラストニードルころ軸受2のニードルころ23は深溝玉軸受の玉13にそれぞれ相当し、同様の素材からなるとともに、同様の構成の硬化処理層および内部を有している。その結果、本実施の形態の軌道輪21およびニードルころ23は、軌道輪21およびニードルころ23を構成する鋼において加工性の低下や製造コストの上昇等を招来する合金元素の含有量が抑制されつつ、軸受の内部に異物が混入し、高温に曝されるなどの苛酷な環境下においても長寿命なトランスミッション用転動部材となっている。また、本実施の形態のトランスミッション用転がり軸受としてのスラストニードルころ軸受2は、転動部材を構成する鋼において合金元素の含有量が抑制されつつ、軸受の内部に異物が混入し、高温に曝されるなどの苛酷な環境下においても長寿命なトランスミッション用転がり軸受となっている。
図5は、実施の形態1におけるトランスミッション用転がり軸受としてのスラストニードルころ軸受の変形例の構成を示す概略断面図である。図5を参照して、本発明の実施の形態1におけるトランスミッション用転がり軸受としてのスラストニードルころ軸受の変形例について説明する。
図5を参照して、スラストニードルころ軸受3は、基本的には図4に基づいて説明したスラストニードルころ軸受2と同様の構成を有している。しかし、スラストニードルころ軸受3は、転動体の構成において、スラストニードルころ軸受2とは異なっている。
すなわち、スラストニードルころ軸受3は、内周側のニードルころ23と外周側のニードルころ23とを含む複列(2列)のニードルころ23を備えている。この場合、保持器24は、2枚の環状の部材24aと24bとが互いに接するように重ね合わされて構成されていることが好ましい。この環状の部材24aの内周側端部が環状の部材24b側へ折り曲げられて加締められ、かつ環状の部材24bの外周側端部が環状の部材24a側へ折り曲げられて加締められていることが好ましい。これにより、2枚の環状の部材24a、24bを加締固定して強固に一体化させることができる。
なお、ここでは複列のニードルころ23のうち内周側および外周側のニードルころ23の長さL1およびL2を同一としているが、使用条件によってL1≦L2、L2≦L1を選択できる。外周側のニードルころ23の長さL2を内周側のニードルころ23の長さL1よりも長く、たとえば1.2倍の長さとすることにより、外径側の負荷容量を上げることが好ましい。
なお、上記以外のスラストニードルころ軸受3の構成は、上述のスラストニードルころ軸受2の構成とほぼ同じであるため同一の部材については同一の符号を付し、その説明を省略する。
次に、本実施の形態におけるトランスミッション用転動部材およびトランスミッション用転がり軸受の製造方法を説明する。図6は、実施の形態1におけるトランスミッション用転動部材およびトランスミッション用転がり軸受の製造方法の概略を示す流れ図である。
図6を参照して、まず工程(S100)において、0.3質量%以上0.4%質量%以下の炭素と、0.3質量%以上0.7質量%以下の珪素と、0.3質量%以上0.8質量%以下のマンガンと、0.5質量%以上1.2質量%以下のニッケルと、1.6質量%以上2.5質量%以下のクロムと、0.1質量%以上0.7質量%以下のモリブデンと、0.2質量%以上0.4質量%以下のバナジウムとを含有し、残部鉄および不純物からなり、珪素の含有量とマンガンの含有量との和は1.0質量%以下であり、ニッケルの含有量とクロムの含有量との和は2.3質量%以上であり、クロムの含有量とモリブデンの含有量とバナジウムの含有量との和は3.0質量%以下である鋼から構成される鋼材を準備する鋼材準備工程が実施される。具体的には、たとえば上記成分を有する棒鋼や鋼線などが準備される。
次に工程(S200)において、上記鋼材を成形することにより、トランスミッション用転動部材の概略形状に成形された鋼製部材を作製する成形工程が実施される。具体的には、たとえば上記棒鋼や鋼線などに対して鍛造、旋削などの加工が実施されることにより、図2〜図5に示される外輪11、内輪12、玉13、軌道輪21、ニードルころ23などの概略形状に成形された鋼製部材が作製される。上記工程(S100)および(S200)は、トランスミッション用転動部材の概略形状に成形された鋼製部材が準備される鋼製部材準備工程を構成する。
次に、工程(S300)において、鋼製部材に対して、浸炭処理または窒化処理が実施された後、A点以上の温度からM点以下の温度に冷却されることにより、当該鋼製部材が焼入硬化される焼入硬化工程が実施される。その後、工程(S400)において、焼入硬化された鋼製部材が、150℃以上300℃以下の温度域に加熱されて焼戻される焼戻工程が実施される。上記工程(S300)および(S400)は、鋼製部材が熱処理される熱処理工程を構成する。この熱処理工程の詳細については後述する。
次に工程(S500)において、仕上げ工程が実施される。具体的には、熱処理工程が実施された鋼製部材に対して研削加工などの仕上げ加工が実施されることにより、外輪11、内輪12、玉13、軌道輪21、ニードルころ23などが仕上げられる。これにより、本実施の形態におけるトランスミッション用転動部材の製造方法が完了し、トランスミッション用転動部材としての外輪11、内輪12、玉13、軌道輪21、ニードルころ23などが完成する。
さらに、工程(S600)において、組立て工程が実施される。具体的には、工程(S100)〜(S500)において作製された外輪11、内輪12、玉13、軌道輪21、ニードルころ23と、別途準備された保持器14,24などとが組合わされて、上記実施の形態におけるトランスミッション用転がり軸受としての深溝玉軸受1、スラストニードルころ軸受2,3などが組立てられる。これにより、本実施の形態におけるトランスミッション用転がり軸受の製造方法が完了しトランスミッション用転がり軸受としての深溝玉軸受1、スラストニードルころ軸受2,3などが完成する。
次に、熱処理工程の詳細について説明する。図7は、実施の形態1におけるトランスミッション用転動部材の製造方法に含まれる熱処理工程を説明するための図である。図7において、横方向は時間を示しており右に行くほど時間が経過していることを示している。また、図7において、縦方向は温度を示しており上に行くほど温度が高いことを示している。
図7を参照して、工程(S200)において作製された鋼製部材は、まず、A点以上の温度である温度Tに加熱され、時間tだけ保持される。このとき、鋼製部材は、たとえばRXガスおよびアンモニアガスを含む雰囲気中において加熱される。これにより、鋼製部材の表面付近の炭素濃度および窒素濃度が所望の濃度に調整される。以上の手順により、浸炭窒化処理が完了する。その後、鋼製部材が、A点以上T以下の温度である温度Tにまで冷却され、温度Tで時間tだけ保持される拡散処理が実施される。これにより、鋼製部材に侵入した炭素および窒素が拡散し、熱処理後に残留する炭化物量や残留オーステナイト量を制御することができる。その後、鋼製部材が、たとえば油中に浸漬されることにより(油冷)、A点以上の温度からM点以下の温度に冷却される。これにより、1次焼入が完了する。さらに、鋼製部材が、A点以上T以下の温度である温度Tに再度加熱され、時間tだけ保持された後、たとえば油中に浸漬されることにより(油冷)、A点以上の温度からM点以下の温度に冷却される。これにより、2次焼入が完了する。以上の工程により、焼入硬化工程が完了する。
さらに、焼入硬化された鋼製部材がA点以下の温度である温度Tに加熱され、時間tだけ保持された後、たとえば室温まで空冷(放冷)されることにより焼戻工程が実施される。以上の工程により、本実施の形態における熱処理工程が完了する。
ここで、温度Tは、たとえば900℃以上980℃以下の温度であり、本実施の形態における鋼製部材を構成する鋼の成分組成を考慮すると、特に930℃以上960℃以下の温度であることが好ましい。また、温度Tは、たとえば850℃以上960℃以下の温度であり、本実施の形態における鋼製部材を構成する鋼の成分組成を考慮すると、特に900℃以上960℃以下の温度であることが好ましい。一方、時間tは、たとえば360分間以上720分間以下、時間tは、たとえば90分間以上300分間以下である。また、温度Tは、たとえば800℃以上900℃以下の温度であり、本実施の形態における鋼製部材を構成する鋼の成分組成を考慮すると、特に840℃以上880℃以下の温度であることが好ましい。一方、時間tは、たとえば20分間以上60分間以下である。
また、浸炭窒化処理が実施される際のカーボンポテンシャル(C)値は、たとえば0.9以上1.4以下であり、本実施の形態における鋼製部材を構成する鋼の成分組成を考慮すると、特に1.1以上1.3以下であることが好ましい。一方、拡散処理が実施される際および2次焼入が実施される際のC値は、それぞれ、たとえば0.6以上1.2以下、および0.6以上1.0以下とすることができる。さらに、浸炭窒化処理が実施される際の雰囲気中のアンモニア濃度は、たとえば5体積%以上20体積%以下であり、本実施の形態における鋼製部材を構成する鋼の成分組成を考慮すると、特に8体積%以上15体積%以下であることが好ましい。
また、温度Tは、たとえば150℃以上300℃以下の温度であり、本実施の形態における鋼製部材を構成する鋼の成分組成を考慮すると、特に200℃以上260℃以下の温度であることが好ましい。一方、時間tは、たとえば60分間以上180分間以下である。
ここで、A点とは、鋼を加熱するときに、鋼の組織がフェライトからオーステナイトへ変態を開始する温度に相当する点を示す。また、M点とは、オーステナイト化した鋼を冷却するときに、鋼の組織がマルテンサイト化を開始する温度に相当する点を示す。また、カーボンポテンシャルとは、浸炭脱炭反応が平衡に達し、鋼が含有する炭素濃度が一定の値となったときの、鋼の表層部が含有する炭素濃度を示し、鋼を加熱する雰囲気における浸炭能力を示す値である。すなわち、カーボンポテンシャルが高いほど浸炭能力が高い。雰囲気ガスのカーボンポテンシャルは、たとえば雰囲気ガスの温度と、雰囲気ガスの組成、すなわち一酸化炭素と酸素との濃度、あるいは一酸化炭素と二酸化炭素との濃度とを計測することにより、算出することができる。
図8は、トランスミッション用転動部材の製造方法に含まれる熱処理工程の変形例を説明するための図である。図8において、横方向は時間を示しており右に行くほど時間が経過していることを示している。また、図8において、縦方向は温度を示しており上に行くほど温度が高いことを示している。図8を参照して、本実施の形態における熱処理工程の変形例の詳細を説明する。
図8を参照して、本実施の形態の変形例における熱処理工程は、上記本実施の形態における熱処理工程と、基本的には同様に実施される。ただし、上記実施の形態における熱処理工程の浸炭窒化処理に代えて、本変形例では、浸炭処理が実施される。すなわち、工程(S200)において作製された鋼製部材は、まず、A点以上の温度である温度Tに加熱され、時間tだけ保持される。このとき、鋼製部材は、たとえばRXガスを含む雰囲気中において加熱される。これにより、鋼製部材の表面付近の炭素濃度が所望の濃度に調整される。以上の手順により、浸炭処理が完了する。その後、鋼製部材がA点以上T以下の温度である温度Tにまで冷却され、温度Tで時間tだけ保持される拡散処理が実施される。これにより、鋼製部材に侵入した炭素が拡散し、熱処理後に残留する炭化物量や残留オーステナイト量を制御することができる。その後、鋼製部材が、たとえば油中に浸漬されることにより(油冷)、A点以上の温度からM点以下の温度に冷却される。これにより、1次焼入が完了する。さらに、鋼製部材が、A点以上T以下の温度である温度Tに再度加熱され、時間tだけ保持された後、たとえば油中に浸漬されることにより(油冷)、A点以上の温度からM点以下の温度に冷却される。これにより、2次焼入が完了する。以上の工程により、焼入硬化工程が完了する。
さらに、焼入硬化された鋼製部材がA点以下の温度である温度Tに加熱され、時間tだけ保持された後、たとえば室温まで空冷(放冷)されることにより焼戻工程が実施される。以上の工程により、本実施の形態の変形例における熱処理工程が完了する。
ここで、温度Tは、たとえば900℃以上980℃以下の温度であり、本実施の形態における鋼製部材を構成する鋼の成分組成を考慮すると、特に930℃以上960℃以下の温度であることが好ましい。また、温度Tは、たとえば850℃以上960℃以下の温度であり、本実施の形態における鋼製部材を構成する鋼の成分組成を考慮すると、特に900℃以上960℃以下の温度であることが好ましい。一方、時間tは、たとえば360分間以上720分間以下、時間tは、たとえば90分間以上300分間以下である。また、温度Tは、たとえば800℃以上900℃以下の温度であり、本実施の形態における鋼製部材を構成する鋼の成分組成を考慮すると、特に850℃以上880℃以下の温度であることが好ましい。一方、時間tは、たとえば20分間以上60分間以下である。
また、浸炭処理が実施される際のカーボンポテンシャル(C)値は、たとえば0.9以上1.4以下であり、本実施の形態における鋼製部材を構成する鋼の成分組成を考慮すると、特に1.1以上1.3以下であることが好ましい。一方、拡散処理が実施される際および2次焼入が実施される際のC値は、それぞれ、たとえば0.6以上1.2以下、および0.6以上1.0以下とすることができる。
また、温度Tは、たとえば150℃以上300℃以下の温度であり、本実施の形態における鋼製部材を構成する鋼の成分組成を考慮すると、特に180℃以上240℃以下の温度であることが好ましい。一方、時間tは、たとえば60分間以上180分間以下である。
なお、上記実施の形態およびその変形例における熱処理工程においては、浸炭窒化処理または浸炭処理の後に2次焼入が実施されている。これにより、トランスミッション用転動部材を構成する鋼のオーステナイト結晶粒(旧オーステナイト結晶粒)の粒度番号を大きく(結晶粒径を小さく)することが可能となり、鋼の組織を微細化することができる。その結果、トランスミッション用転動部材の転動疲労寿命、靭性などを向上させることができる。一方、上記実施の形態およびその変形例における熱処理工程においては、トランスミッション用転動部材の使用環境を考慮して、上記2次焼入を省略することもできる。これにより、トランスミッション用転動部材の製造コストを低減することができる。
上記熱処理工程により、トランスミッション用転動部材としての外輪11、内輪12、玉13、軌道輪21、ニードルころ23の表面、より具体的には転走面11A,12A,13A,21A,23Aを含む領域には、浸炭層または浸炭窒化層である硬化処理層11B,12B,13Bなどが形成される。そして、硬化処理層11B,12B,13Bなどの表層部の硬度は725HV以上800HV以下、硬化処理層11B,12B,13Bなどの表層部に分布する炭化物の最大粒径は10μm以下、硬化処理層11B,12B,13Bなどの表層部における炭化物の面積率は7%以上25%以下とし、また硬化処理層11B,12B,13Bなどの表層部より内側の領域である内部11C,12C,13Cなどの硬度は、450以上650HV以下とすることができる。
上記本実施の形態におけるトランスミッション用転動部材の製造方法では、鋼製部材準備工程において、加工性の低下や製造コストの上昇等を招来する合金元素の含有量が抑制され、かつ高温での硬度および耐摩耗性の向上のほか、焼戻軟化抵抗性の向上、さらには水素脆性剥離の抑制が可能な上記成分組成を有する鋼からなる鋼製部材が準備される。そして、焼入硬化工程において、当該鋼製部材に硬化処理層11B,12B,13Bなどが形成された上で、焼戻工程において鋼製部材が適切な温度域に加熱されて焼戻が実施される。その結果、上記本実施の形態におけるトランスミッション用転動部材の製造方法によれば、トランスミッション用転動部材を構成する鋼において加工性の低下や製造コストの上昇等を招来する合金元素の含有量を抑制しつつ、軸受の内部に異物が混入し、高温に曝されるなどの苛酷な環境下においても長寿命なトランスミッション用転動部材を製造することができる。
(実施の形態2)
以下、本発明の一実施の形態である実施の形態2におけるトランスミッション用転がり軸受を備えたトランスミッションについて説明する。図9は、実施の形態2における、オートマチックトランスミッションのトルクコンバータ部の構成を示す断面模式図である。
図9を参照して、実施の形態2におけるオートマチックトランスミッションは、トルクコンバータ200と、プラネタリギア機構(図示しない)とを備えている。トルクコンバータ200は、インペラ201と、ステータ202と、タービン203とを含んでいる。
インペラ201とステータ202との間、およびステータ202とタービン203との間には、スラストニードルころ軸受210が配置されている。すなわち、スラストニードルころ軸受210は、ステータ202を挟んで互いに対面するインペラ201とタービン203とを有するトルクコンバータ200を備えるオートマチックトランスミッションにおいて、ステータ202とインペラ201との間およびステータ202とタービン203との間に配置され、スラスト荷重を受けるトランスミッション用転がり軸受としてのオートマチックトランスミッション用転がり軸受である。
このトルクコンバータ200においては、エンジンの出力軸に連結されるインペラ201と、オートマチックトランスミッションの入力軸に連結されるタービン203とが互いに対向するように配置される。また、ステータ202は、ケーシングに固定されたステータシャフトに一方向クラッチ204を介して取り付けられる。このステータ202は、それぞれ椀状に形成されたインペラブレード201aとタービンブレード203aとの間で還流する流体を、これらの内径側でタービン203側からインペラ201側へ戻す際に、流体の流れ方向を変えてインペラ201に順方向の回転力を付与し、伝達トルクを増幅する。
インペラ201とステータ202との間のスラストニードルころ軸受210は、ニードルころ23と、保持器24と、軌道盤205a,205bとを備えている。軌道盤205aはインペラハブ201bに組み付けられ、軌道盤205bはステータ202側に組み付けられている。
一方、ステータ202とタービン203との間のスラストニードルころ軸受210は、ニードルころ23と、保持器24と、軌道盤206a,206bとを備えている。軌道盤206aはタービンハブ203bに組み付けられ、軌道盤206bはステータ202側に組み付けられている。
そして、実施の形態2のスラストニードルころ軸受210およびこれを構成する軌道盤205a、205b、206a、206bおよびニードルころ24は、図4および図5に基づいて説明したスラストニードルころ軸受2,3と同様の構成を有している。スラストニードルころ軸受210の軌道盤205a,205bおよび軌道盤206a,206bの各々は、スラストニードルころ軸受2および3の軌道輪21に対応する。そのため、本実施の形態の軌道盤205a、205b,206a,206bおよびニードルころ23は、軌道盤205a、205b,206a,206bおよびニードルころ23を構成する鋼において加工性の低下や製造コストの上昇等を招来する合金元素の含有量が抑制されつつ、軸受の内部に異物が混入し、高温に曝されるなどの苛酷な環境下においても長寿命なトランスミッション用転動部材となっている。また、本実施の形態のトランスミッション用転がり軸受としてのスラストニードルころ軸受210は、転動部材を構成する鋼において合金元素の含有量が抑制されつつ、軸受の内部に異物が混入し、高温に曝されるなどの苛酷な環境下においても長寿命なトランスミッション用転がり軸受となっている。なお、実施の形態2のスラストニードルころ軸受210は、実施の形態1と同様の製造方法により製造することができる。
(実施の形態3)
図10は、本発明の一実施の形態である実施の形態3におけるトランスミッションとしてのオートマチックトランスミッションのギア機構部の構成を示す概略断面図である。また、図11は、図10の領域XIを拡大して示す断面模式図である。
図10および図11を参照して、ギア機構部300において、軸301はメインシャフトであり、ケース302内に前後のラジアル玉軸受306によって回転可能に支持されている。軸301の外周には、シンクロハブ304が設けられ、その片側に隣接してアイドルギア305がラジアルころ軸受308を介して回転自在に設けられている。アイドルギア305は、3速メインギアであり、シンクロハブ304側にクラッチギア305aを有している。3速メインギアであるアイドルギア305から見てシンクロハブ304とは反対側(図10および図11においてアイドルギア305の右側)における軸301の外周には、軸拡径部309が形成されている。軸拡径部309の右側には、その段面309aに接して他のアイドルギア307が転がり軸受を介して軸301に回転自在に設けられている。他のアイドルギア307は、他のシンクロハブに係脱する2速メインギアである。
軸311はカウンターシャフトであり、上記軸301と平行にケース302内にラジアルころ軸受313等の軸受で回転自在に支持されている。この軸311には軸301側の上記アイドルギア305,307に噛み合うギア315,317が各々固定状態に設けられている。
3速メインギアであるアイドルギア305の幅面と、メインシャフトである軸301の軸拡径部309の段面309bとの間には、アイドルギア305と径が同じで歯数が異なるシザーズギア(すなわち介在用のギア)318が、アイドルギア305の幅面に接して軸301に回転可能に設けられる。これらアイドルギア305およびシザーズギア318は、カウンターシャフトである軸311の同じギア315に噛み合う。なお、シザーズギア318は、アイドルギア305と同じギア315に噛み合い可能なものであれば良いが、この実施の形態では、ピッチ円、歯先円、および歯元円のいずれの径もアイドルギア305と同じ径としてある。上記シザーズギア318と上記軸拡径部309の段面309bとの間には、支持構造として介在するスラストニードルころ軸受3が備えられている。
図11を参照して、スラストニードルころ軸受3は、実施の形態1と同様、ニードルころ23と、保持器24と、軌道輪21とを備えている。スラストニードルころ軸受3の上記シザーズギア318に接する側の軌道輪21は軸301に対して回転可能であり、軸拡径部309の段面309bに接する側の軌道輪21は、軸301に固定されている。
上記構成によれば、シンクロハブ304がアイドルギア305のクラッチギア305aに噛み合うシフト状態のとき、軸301とアイドルギア305は同期回転するが、シザーズギア318の歯数はアイドルギア305と異ならせてあるので、軸301とシザーズギア318とは相対的に回転することとなる。その結果、スラストニードルころ軸受3におけるシザーズギア318に接する側の軌道輪21と段面309bに接する側の軌道輪21との間に相対回転が生じ、ニードルころ23も自転および公転することとなる。
ここで、実施の形態3のラジアル玉軸受306は、図2および図3に基づいて説明した深溝玉軸受1と同様の構成を有している。また、スラストニードルころ軸受3は、図5に基づいて説明したスラストニードルころ軸受3と同様の構成を有している。さらに、ラジアルころ軸受308,313は、その軌道部材および転動体において、深溝玉軸受1およびスラストニードルころ軸受3と同様の構成を有している。
そのため、本実施の形態のトランスミッション用転動部材である、ラジアル玉軸受306、スラストニードルころ軸受3およびラジアルころ軸受308,313を構成する軌道部材および転動体は、当該軌道部材および転動体を構成する鋼において加工性の低下や製造コストの上昇等を招来する合金元素の含有量が抑制されつつ、軸受の内部に異物が混入し、高温に曝されるなどの苛酷な環境下においても長寿命なトランスミッション用転動部材となっている。また、本実施の形態のトランスミッション用転がり軸受としてのラジアル玉軸受306、スラストニードルころ軸受3およびラジアルころ軸受308,313は、転動部材を構成する鋼において合金元素の含有量が抑制されつつ、軸受の内部に異物が混入し、高温に曝されるなどの苛酷な環境下においても長寿命なトランスミッション用転がり軸受となっている。なお、実施の形態3のラジアル玉軸受306、スラストニードルころ軸受3およびラジアルころ軸受308,313は、実施の形態1と同様の製造方法により製造することができる。
(実施の形態4)
図12は、本発明の一実施の形態である実施の形態4におけるトランスミッションである無段変速機を含む変速機構の構成を示す概略断面図である。また、図13は、図12の領域XIIIを拡大して示す断面模式図である。図12および図13を参照して、実施の形態4における無段変速機を含む変速機構の構成を説明する。
図12を参照して、エンジン(図示せず)において発生した駆動力は、クランクシャフト(図示せず)からトルクコンバータ(図示せず)と前後進切換機構410とを介して、無段変速機400に伝達される。
前後進切換機構410は、プラネタリギア機構と、多板クラッチ415,416とを含んでいる。プラネタリギア機構は、軸401aに支持部材413を介して固定されたリングギア413aと、プライマリ軸401に固定されたサンギア401bと、支持部材412に回転可能に支持されたプラネタリピニオン412aとを有している。このプラネタリピニオン412aは、リングギア413aおよびサンギア401bの各々に噛み合っている。
多板クラッチ415は、支持部材412の外周とハウジング406の内周との間に後退用ブレーキとして組み込まれている。また、多板クラッチ416は、プライマリ軸401の外周と支持部材413の内周との間に前進用クラッチとして組み込まれている。また、多板クラッチ415、416の各々に油圧を供給できる機構(図示せず)が設けられている。
油圧を供給して多板クラッチ(前進用クラッチ)416を接続状態にすると、軸401aの回転はプライマリ軸401に正方向に伝達される。また、油圧を供給して多板クラッチ(後退用ブレーキ)415を接続状態にすると、軸401aの回転はプライマリ軸401に逆方向に伝達される。これにより、前進と後進とを制御することができる。
無段変速機400は、前後進切換機構410に連結される入力側のプライマリ軸401と、このプライマリ軸401に設けられるプライマリプーリ402と、プライマリ軸401に回転軸が平行になるように配置される出力側のセカンダリ軸403と、セカンダリ軸403に設けられるセカンダリプーリ404と、プライマリプーリ402およびセカンダリプーリ404の双方に掛け渡されるベルト405とを含んでいる。
プライマリプーリ402は、プライマリ軸401に固定される固定プーリ402aと、これに対向してプライマリ軸401にボールスプラインなどにより軸方向に摺動自在に装着される可動プーリ402bとを有している。この可動プーリ402bが軸方向に摺動することにより、プーリのコーン面間隔、つまりプーリ溝幅が可変となっている。
セカンダリプーリ404は、セカンダリ軸403に固定される固定プーリ404aと、これに対向してセカンダリ軸403にボールスプラインなどにより軸方向に摺動自在に装着される可動プーリ404bとを有している。この可動プーリ404bが軸方向に摺動することにより、プーリのコーン面間隔、つまりプーリ溝幅が可変となっている。
そして、両方のプーリの溝幅を変化させることにより、ベルト405のプライマリプーリ402との接触径とセカンダリプーリ404との接触径とが変化する。これにより、プライマリプーリ402、セカンダリプーリ404それぞれに対するベルト405の巻付け径の比率が変化する。このため、プライマリ軸401の回転が無段階に変速されてセカンダリ軸403に伝達される。すなわち、無段変速機400は、入力軸であるプライマリ軸401の回転が無段階に変化して出力軸であるセカンダリ軸403に伝達される無段変速機である。
そして、実施の形態4においては、プライマリ軸401およびセカンダリ軸403を回転可能に支持するために、ラジアル玉軸受407が設けられている。また、入力側の軸401aおよびプライマリ軸401や、出力側のセカンダリ軸403のスラスト荷重を受けるために、スラストニードルころ軸受3が設けられている。
図13を参照して、スラストニードルころ軸受3は、たとえばプライマリ軸401を回転可能に支持するラジアル玉軸受407の内輪と支持部材412との間、支持部材412とサンギア401bとの間、サンギア401bと支持部材413との間、支持部材413とハウジング406との間などに配置される。各スラストニードルころ軸受3は、ニードルころ23と、ニードルころ23を保持するための2枚の保持器24a,24bとを有している。このニードルころ23は、複列に配置されている。
ここで、実施の形態4のラジアル玉軸受407は、図2および図3に基づいて説明した深溝玉軸受1と同様の構成を有している。また、スラストニードルころ軸受3は、図5に基づいて説明したスラストニードルころ軸受3と同様の構成を有している。
そのため、本実施の形態のトランスミッション用転動部材である、ラジアル玉軸受407およびスラストニードルころ軸受3を構成する軌道部材および転動体は、当該軌道部材および転動体を構成する鋼において加工性の低下や製造コストの上昇等を招来する合金元素の含有量が抑制されつつ、軸受の内部に異物が混入し、高温に曝されるなどの苛酷な環境下においても長寿命なトランスミッション用転動部材となっている。また、本実施の形態のトランスミッション用転がり軸受としてのラジアル玉軸受407およびスラストニードルころ軸受3は、転動部材を構成する鋼において合金元素の含有量が抑制されつつ、軸受の内部に異物が混入し、高温に曝されるなどの苛酷な環境下においても長寿命なトランスミッション用転がり軸受となっている。なお、実施の形態4のラジアル玉軸受407およびスラストニードルころ軸受3は、実施の形態1と同様の製造方法により製造することができる。
上記実施の形態1〜4においては、本発明のトランスミッション用転がり軸受の一例として、ラジアル玉軸受、スラストニードルころ軸受およびラジアルころ軸受について説明したが、本発明のトランスミッション用転がり軸受はこれらに限られない。たとえば、本発明のトランスミッション用転がり軸受は、スラスト玉軸受であってもよい。
以下、実施例1について説明する。本発明のトランスミッション用転動部材を構成する鋼からなる鋼材に対して、本発明のトランスミッション用転動部材の製造方法における熱処理工程を実施した試験片(試験片No.1〜4)を作製し、その材質特性を調査する試験を行なった。また、比較例として、本発明のトランスミッション用転動部材を構成する鋼の成分範囲外の鋼からなる鋼材に対して、本発明のトランスミッション用転動部材の製造方法における熱処理工程を実施した試験片(試験片No.5〜8)、および一般に軸受用の鋼として採用される現用鋼(JIS規格SCM420およびSUJ2)に対して一般的な熱処理工程を実施した試験片(試験片No.9および10)を作製し、同様にその材質特性を調査する試験を行なった。試験の具体的手順は以下のとおりである。
まず、試験の対象となる試験片の作製方法について説明する。はじめに、表1に示す化学成分を有する鋼材を準備した。表1において、主要化学成分については、炭素(C)、珪素(Si)、マンガン(Mn)、ニッケル(Ni)、クロム(Cr)、モリブデン(Mo)およびバナジウム(V)の各含有量が質量%で示されており、記載された成分の残部は鉄および不可避的不純物である。そして、上記鋼材を試験片の概略形状に成形し、成形部品とした。試験片の形状は直径φ12mm×長さL22mmである。なお、表1において、比較例の試験片を構成する鋼が化学成分において本発明のトランスミッション用転動部材を構成する鋼と異なる点が、備考欄に示されている。
Figure 2009001847
次に、現用鋼からなる成形部品以外の成形部品に対して、図7に基づいて説明した熱処理工程を実施した。ここで、Tは940℃でtは570分、Tは940℃でtは210分、Tは850℃でtは30分、浸炭窒化処理が行なわれる温度がTである期間のC値は1.2、浸炭窒化処理における雰囲気中のアンモニア濃度は10体積%、Tは280℃でtは120分間とした。
一方、SCM420からなる成形部品に対しては、920℃、C値1.0の雰囲気中で480分間保持することにより浸炭処理および拡散処理を実施した後、850℃に冷却し、その後急冷することにより1次焼入を実施した。さらに、850℃に再加熱し、その後急冷することにより、2次焼入を実施した。そして、180℃に加熱して120分間保持することにより焼戻を実施した。また、SUJ2からなる成形部品に対しては、850℃に加熱して40分間保持した後、急冷することにより焼入を実施した。その後、当該成形部品を180℃に加熱して120分間保持することにより焼戻を実施した。
さらに、焼入および焼戻が実施された成形部品に対して、仕上げ加工を実施することにより、本実施例における試験片を完成させた。
次に、本実施例における材質特性の評価項目および評価方法について説明する。上述の手順により完成した試験片に対し、硬化処理層の表層部の硬度(表層硬度)、表層部に分布する炭化物の最大粒径(最大炭化物径)、表層部における炭化物の面積率(炭化物面積率)、内部の硬度(内部硬度)を測定し、また500℃の温度に60分間保持する処理を行なった後の表層部の硬度(500℃焼戻硬度)を測定し、材質特性の評価を行なった。
最大炭化物径および炭化物面積率の測定は、以下のように行なった。まず、試験片を切断し、切断面を研磨した後、ピクラルにて腐食した。そして、表層部に該当する領域をランダムに20視野(倍率400倍、視野面積0.6mm)観察し、画像処理装置を用いて炭化物の最大粒径および面積率を調査した。また、表層硬度および内部硬度の測定は、試験片を切断し、硬化処理層の表層部および内部の硬度をビッカース硬度計により測定することにより調査した。また、500℃焼戻硬度は、試験片を500℃の温度に60分間保持する処理を行なった後、表層硬度と同様に硬度を測定した。試験結果を表2に示す。なお、表2において、評価結果が好ましい範囲外となった測定値には、下線が付されている。また、表2において、比較例の試験片が、材質特性において本発明のトランスミッション用転動部材と異なる点が備考欄に示されている。
Figure 2009001847
表2を参照して、表層硬度に関しては、全ての試験片が好ましい範囲である725HV以上800HV以下の硬度を有している。しかし、現用鋼(比較例)である試験片No.9および10は、他の試験片の焼戻の温度が280℃であるのに対し、硬度を確保するために焼戻の温度が180℃とされている。その結果、500℃焼戻硬さにおいては硬度の低下が大きくなり、好ましい硬度範囲である550HV以上を確保することができていない。そのため、試験片No.9および10と同様の成分組成を有する鋼からなり、同様に熱処理されたトランスミッション用転動部材は、高温環境下において使用される場合、十分な転動疲労寿命を確保できない可能性がある。
また、最大炭化物径に関しては、比較例である試験片No.5〜8において、好ましい範囲である10μm以下を確保することができていない。そのため、試験片No.5〜8と同様の成分組成を有する鋼からなり、同様に熱処理されたトランスミッション用転動部材は、大型の炭化物が硬化処理層の表層部に存在するため、当該炭化物を起点とした剥離が発生し、転動疲労寿命が低下するおそれがある。
また、炭化物面積率に関しては、比較例である試験片No.6、7および9において、好ましい範囲である7%以上25%以下を確保することができていない。そのため、炭化物面積率が高い試験片No.6、7と同様の成分組成を有する鋼からなり、同様に熱処理されたトランスミッション用転動部材は、表層部の加工性が低下して加工コストの上昇、加工精度の低下等の問題を生じるおそれがある。一方、炭化物面積率が低い試験片No.9と同様の成分組成を有する鋼からなり、同様に熱処理されたトランスミッション用転動部材は、耐摩耗性が不足し、転動疲労寿命が低下する可能性がある。
また、内部硬度に関しては、比較例である試験片No.9および10において、好ましい範囲である450HV以上650HV以下を確保することができていない。そのため、内部硬度の低い試験片No.9と同様の成分組成を有する鋼からなり、同様に熱処理されたトランスミッション用転動部材は、転動部材に比較的大きな荷重が採用した場合に内部割れが発生する場合がある。一方、内部硬度の高い試験片No.10と同様の成分組成を有する鋼からなり、同様に熱処理されたトランスミッション用転動部材は、靭性が低下し、トランスミッション用転動部材に衝撃的な力が作用した場合に容易に破壊するおそれがある。
これに対し、本発明の実施例である試験片No.1〜4は、表層硬度、最大炭化物径、炭化物面積率、内部硬度および500℃焼戻硬度のすべての材質特性の項目において、好ましいの範囲を確保している。そのため、試験片No.1〜4と同様の成分組成を有する鋼からなり、同様に熱処理されたトランスミッション用転動部材は、軸受の内部に異物が混入し、高温に曝されるなどの苛酷な使用環境においても長寿命であるものと考えられる。
以下、実施例2について説明する。本発明のトランスミッション用転動部材の特性を評価するため、本発明のトランスミッション用転動部材と同様の構成を有する試験片(試験片No.1〜4)、本発明の範囲外の構成を有する試験片(試験片No.5〜8)、および一般に軸受用の鋼として採用される現用鋼(JIS規格SCM420およびSUJ2)に対して一般的な熱処理工程を実施した試験片(試験片No.9および10)を作製し、その特性を評価する試験を行なった。試験項目は、(1)転動疲労寿命試験、(2)摩耗試験、(3)超音波疲労試験、(4)ピーリング試験、(5)スミアリング試験、(6)リング圧壊試験、(7)リング回転割れ疲労試験、(8)寸法安定率試験、(9)軸受寿命試験の9項目である。以下、各試験の試験手順、試験条件について説明する。
(1)転動疲労寿命試験
上記実施例1の試験片No.1〜10と同様の化学成分を有し、同様の熱処理が実施された直径φ12mm長さL22mmの円筒状の試験片を作製した。そして、表3に示す試験条件で転動疲労寿命試験を行なった。
Figure 2009001847
転動疲労寿命試験は、φ12点接触試験機を用いて行なわれた。図14は、φ12点接触試験機の主要部の構成を示す概略正面図である。また、図15は、φ12点接触試験機の主要部の構成を示す概略側面図である。なお、図15においては、φ12点接触試験機の一部が断面で示されている。図14および図15を参照して、転動疲労寿命試験の試験機について説明する。
図14および図15を参照して、φ12点接触試験機30は、駆動ローラ32と、案内ローラ33と、鋼球34とを備えている。そして、転動疲労寿命試験片31は、駆動ローラ32によって駆動され、鋼球34と接触して回転する。鋼球34は、案内ローラ33にガイドされて、転動疲労寿命試験片31との間で高い面圧を及ぼし合いながら転動する。潤滑油は強制循環により給油される。以上のようにφ12点接触試験機30を運転し、5個の試験片を用いて、1個の試験片で場所を変えて2回の試験ができるので試験数は10回とし、試験片に剥離が発生するまでの荷重の負荷回数(寿命)を調査した。そして、得られた寿命を統計的に解析し、累積破損確率が10%となる転動疲労寿命を算出した。
(2)摩耗試験
この試験は、高温のために潤滑条件が悪い場合の、トランスミッション用転動部材の摩耗状態を推定できる試験である。上記実施例1の試験片No.1〜10と同様の化学成分を有し、同様の熱処理が実施された平板状の試験片を作製した。その後、試験片の一方の主面を鏡面仕上げし、当該鏡面仕上げされた面を試験面とした。そして、表4に示す試験条件で摩耗試験を行なった。
Figure 2009001847
摩耗試験は、サバン型摩耗試験機を用いて行なわれた。図16は、サバン型摩耗試験機の主要部の構成を示す概略正面図である。また、図17は、サバン型摩耗試験機の主要部の構成を示す概略側面図である。図16および図17を参照して、サバン型摩耗試験機について説明する。
図16および図17を参照して、サバン型摩耗試験機40は、ロードセル43とエアスライダ44とを備えている。平板形状の摩耗試験片41はエアスライダ44に保持され、摩耗試験時に負荷される重錘42による荷重はロードセル43により検出される。そして、摩耗試験片41の鏡面研磨された表面と、相手材45の外周面とを接触させ、相手材45を回転させる。摩耗試験片41と相手材45との接触面には直接潤滑油が供給されず、相手材45の一部が潤滑油46に浸漬される。
以上のようにサバン型摩耗試験機40を運転し、相手材を60分間回転させた後の試験片の摩耗体積を測定した。そして、当該摩耗体積の逆数で各試験片の耐摩耗性を評価した。
(3)超音波疲労試験
この試験は、引張−圧縮モードでの高速疲労試験であって、表面滑りなどによる表面引張応力に対する疲労強度が評価可能な試験である。また、短時間で評価できるので、電解チャージなどにより水素を鋼中に侵入させた状態で試験を行なうことができる。これにより、水素脆性剥離に対する抵抗性を推定することができる。上記実施例1の試験片No.1〜10と同様の化学成分を有し、同様の熱処理が実施された試験片を作製した。試験片の形状は、中央部に、外径が小さくなった部分であるノッチが形成された丸棒状とした。作製された試験片に対して、まず、表5に示す条件で水素チャージを実施した(超音波疲労試験(水素チャージあり))。その後、表6に示す条件で超音波疲労試験を実施した。また、同様の手順で作製し、水素チャージを省略した試験片についても同様の条件で超音波疲労試験を実施した(超音波疲労試験(水素チャージなし))。
Figure 2009001847
Figure 2009001847
超音波疲労試験は、超音波疲労試験機を用いて行なわれた。図18は、超音波疲労試験機の主要部の構成を示す模式図である。図18を参照して、超音波疲労試験機について説明する。
図18を参照して、超音波疲労試験機50は、超音波疲労試験片51が固定される部位に連結されるホーン部52と、ホーン部52に接続されるPZT(チタン酸ジルコン酸鉛)振動子53と、PZT振動子53に接続される増幅器54と、増幅器54に接続されたパーソナルコンピュータなどの制御装置55とを備えている。さらに、超音波疲労試験機50は、超音波疲労試験片51がセットされた状態において、超音波疲労試験片51のホーン部52に連結される側とは反対側の端部に対向するようにすき間ゲージ56が配置され、すき間ゲージ56はオシロスコープ57に接続される。
そして、超音波疲労試験片51を超音波疲労試験機50にセットし、制御装置55により出力を制御しつつ、増幅器54を介してPZT振動子53に電力を入力することにより、超音波振動を発生させる。この超音波振動を、ホーン部52を介して超音波疲労試験片51に伝達することにより超音波疲労試験片51を共振させる。このとき、超音波疲労試験片51の直径が最も細い部分において、軸方向の引張圧縮の応力振幅が最大となる。一方、オシロスコープ57に接続されたすき間ゲージ56により、超音波疲労試験片51の振動の状態を管理する。
以上のように超音波疲労試験機50を運転し、超音波疲労試験片51が剥離または破断するまでの応力の繰り返し数を調査した。さらに、当該調査を種々の応力について実施し、その結果が正規分布に従うとの仮定の下、当該結果を統計的に解析して10%の試験片が応力の繰り返し数10回で破断すると予測される応力(10回疲労強度)を算出し、水素が侵入した状態での疲労強度を評価した。
(4)ピーリング試験
この試験は、試験片を潤滑油膜が切れる条件で転動させ、表面に金属接触による疲れ損傷(ピーリング)を起こさせるもので、潤滑が十分でない場合の表面損傷に対する抵抗性を調査することができる。上記実施例1の試験片No.1〜10と同様の化学成分を有し、同様の熱処理が実施された円盤状の試験片を作製した。そして、作製された試験片を用いて、表7に示す条件でピーリング試験を実施した。
Figure 2009001847
ピーリング試験は、2円筒型転動試験機を用いて行なわれた。図19は、2円筒型転動試験機の主要部の構成を示す模式図である。図19を参照して、2円筒型転動試験機について説明する。
図19を参照して、2円筒型転動試験機60には、第1軸63まわりに回転可能なように円盤状の第1試験片(相手試験片)61がセットされるとともに、第2軸64まわりに回転可能なように円盤状の第2試験片(試験片)62がセットされる。第1軸63と第2軸64とは平行に配置されており、相手試験片61と試験片62とは互いに外周面が接触するように、第1軸63および第2軸64のそれぞれの一方の端部にセットされる。また、第1軸63および第2軸64の他方の端部には、いずれも回転速度計65とスリップリング66とが配置されている。
そして、相手試験片61に潤滑油が滴下されつつ、駆動軸としての第1軸63が回転する。これにより、相手試験片61が回転するとともに、試験片62が相手試験片61と接触しつつ、相手試験片61に従動して回転する。以上のように2円筒型転動試験機60を運転し、所定の回転数である4.8×10回の回転が終了したところで第1軸63の回転を停止した。そして、試験片62が2円筒型転動試験機60から取り外され、試験片62の外周面に発生したピーリングの面積が調査され、試験片62の外周面の面積に対するピーリングの面積の割合(ピーリング面積率)が算出された。そして、当該ピーリング面積率の逆数により、耐ピーリング強度を評価した。
(5)スミアリング試験
上記実施例1の試験片No.1〜10と同様の化学成分を有し、同様の熱処理が実施された円盤状の試験片を作製した。そして、作製された試験片を用いて、表8に示す条件でスミアリング試験を実施した。
Figure 2009001847
スミアリングは、上記ピーリング試験において使用した図19の2円筒型転動試験機を用いて行なわれた。まず、ピーリング試験と同様に、試験片を試験機にセットした。そして、第1試験片61に潤滑油を滴下しつつ、第1試験片61が200rpmの回転速度で回転するとともに、第2試験片62の回転速度を200rpmから徐々に増加させ、試験片の表面にスミアリングが生じた時点で試験を中止し、そのときの相対回転速度を記録した。そして、この相対回転速度により、各試験片のスミアリングに対する抵抗性を評価した。なお、スミアリングの生じた相対回転速度が大きいほど、スミアリングの発生に対する抵抗性が大きいことを示している。
(6)リング圧壊試験
上記実施例1の試験片No.1〜10と同様の化学成分を有し、同様の熱処理が実施されたリング状の試験片を作製した。そして、作製された試験片を用いて、リング圧壊試験を実施した。
図20は、リング圧壊試験の試験片の形状を示す概略断面図である。図20を参照して、リング圧壊試験について説明する。
図20を参照して、圧壊試験片71は外径60mm、内径45mm、幅15mmの円環状の形状を有している。そして、荷重方向72の向きに荷重が徐々に負荷されて、圧壊試験片71が破壊された時点における荷重が測定される。その後、得られた破壊荷重が、下記に示す曲がり梁の応力計算式(A)〜(C)により応力値に換算される。
すなわち、図20の圧壊試験片71の凸表面(圧壊試験片71の中心線から+eの距離にある面)における繊維応力をσ、凹表面(圧壊試験片71の中心線から−eの距離にある面)における繊維応力をσとすると、σおよびσは下記の式によって求められる(機械工学便覧A4編材料力学A4−40参照)。ここで、Nは圧壊試験片71の軸を含む断面の軸力、Aは横断面積、eは外半径、eは内半径(図20参照)を表わす。また、κは曲がり梁の断面係数である。
σ=(N/A)+{M/(Aρ)}[1+e/{κ(ρ+e)}]・・・(A)
σ=(N/A)+{M/(Aρ)}[1−e/{κ(ρ−e)}]・・・(B)
κ=−(1/A)∫{η/(ρ+η)}dA・・・(C)
そして、当該応力値を試験片の圧壊値として評価した。
(7)リング回転割れ疲労試験
上記実施例1の試験片No.1〜9と同様の化学成分を有し、同様の熱処理が実施された円環状の試験片を作製した。そして、表9に示す条件でリング回転割れ疲労試験を実施した。
Figure 2009001847
リング回転割れ疲労試験は、リング回転割れ疲労試験機を用いて行なわれた。図21は、リング回転割れ疲労試験機の主要部の構成を示す模式図である。図21を参照して、リング回転割れ疲労試験機について説明する。
図21を参照して、リング回転割れ疲労試験機80は、円筒状の形状を有する駆動ローラ82と、負荷ローラ83と、案内ローラ84とを備えている。駆動ローラ82、負荷ローラ83および案内ローラ84は、回転軸が平行になるとともに、外周面がリング回転割れ疲労試験片81に接触可能なように配置される。そして、リング回転割れ疲労試験機80は、給油ノズル86をさらに備え、当該給油ノズル86によりパッド85に給油され、リング回転割れ疲労試験片81に対して潤滑油を給油可能な構成となっている。
次に、試験の手順を説明する。まず、リング回転割れ疲労試験片81が、駆動ローラ82、負荷ローラ83および案内ローラ84に外周面において接触するように配置される。そして、リング回転割れ疲労試験片81は、駆動ローラ82および負荷ローラ83により径方向に圧縮される応力を負荷されつつ、駆動ローラ82が回転することにより駆動され、案内ローラ84に案内されて回転する。以上のようにリング回転割れ疲労試験機80を運転し、10個の試験片を用いて試験数は10回とし、リング回転割れ疲労試験片81の外周面に割れが発生するまでの時間を調査し、当該時間を割れ寿命とした。そして、得られた寿命を統計的に解析し、累積破損確率が10%となる寿命を算出し、リング回転割れ疲労強度を評価した。
(8)寸法安定率試験
図20に示すリング圧壊試験に用いた圧壊試験片71と同様の試験片を作製した。その後、150℃の温度に1000時間保持する処理を行ない、試験片の当該処理前後における外径の変化率を測定した。そして、測定された変化率の逆数を寸法安定率として、試験片の寸法安定性を評価した。
(9)軸受寿命試験
上記実施例1の試験片No.1、2、6、7、9および10と同様の化学成分を有し、同様の熱処理が実施されたJIS規格6206型番軸受の内輪および外輪を作製した。そして、当該内輪および外輪と、JIS規格SUJ2からなり、浸炭窒化処理が実施された鋼球とを組み合わせて深溝玉軸受を作製した。この深溝玉軸受を、潤滑油中に硬質の異物を混入させた表10に示す条件で動作させ、内輪または外輪に剥離が発生するまでの平均時間を当該軸受の寿命として評価した。なお、試験数はそれぞれ6個とした。
Figure 2009001847
次に、試験結果について説明する。表11に本実施例における試験結果を示す。表11においては、各試験結果が、現用鋼であるSUJ2を用いて作製されたNo.10の試験片の試験結果に対する比で示されている。すなわち、表11における数値が1よりも大きい場合、現用鋼を用いた従来の試験片よりも特性が優れていたといえる。なお、超音波疲労試験および寸法安定率試験に関しては、現用鋼であるSCM420を用いて作製されたNo.9の試験片の試験結果に対する比で示されている。また、軸受寿命試験については、試験により得られた寿命(単位:時間)が記載されている。以下、表11を参照して、上記(1)〜(9)の試験結果について説明する。
Figure 2009001847
(1)転動疲労寿命試験
No.1〜8の試験片は、いずれも従来の構成を有するNo.9および10の試験片に対して、長寿命となっている。しかし、比較例であるNo.5〜8の試験片の寿命は、最大でNo.10の2.3倍であり、2倍未満のものも含まれている。これに対し、本発明の実施例であるNo.1〜4の試験片はいずれもNo.10の2.6倍以上の寿命を有しており、比較例に比べてより長寿命となっている。
(2)摩耗試験
No.1〜8の試験片は、いずれも従来の構成を有するNo.9および10の試験片に対して、高い耐摩耗性を有している。しかし、比較例であるNo.5〜8の試験片の耐摩耗性は、No.9および10の1.4〜2.0倍である。これに対し、本発明の実施例であるNo.1〜4の試験片は、比較例であるNo.5〜8の試験片と同等の硬度であるにもかかわらず、いずれもNo.9および10の2.1倍以上の耐摩耗性を有しており、比較例に比べてより高い耐摩耗性を有している。これは、比較例であるNo.5〜8の試験片に比べて、実施例であるNo.1〜4の試験片は、最大炭化物径が小さいことが影響しているものと考えられる。
(3)超音波疲労試験
水素チャージを行なわなかった場合の試験では、No.1〜8の試験片は、いずれも従来の構成を有するNo.9の試験片に対して、長寿命となっている。一方、水素チャージを行なった場合の試験でも、No.1〜8の試験片は、従来の構成を有するNo.9の試験片に対して、長寿命となっている。しかし、比較例であるNo.5〜8の試験片の寿命は、No.9の1.2〜1.6倍である。これに対し、本発明の実施例であるNo.1〜4の試験片は、いずれもNo.9の1.6倍以上の寿命を有しており、比較例に比べてより長寿命となっている。これは、比較例であるNo.5〜8の試験片を構成する鋼の珪素含有量が好ましい範囲よりも多いことや、最大炭化物径が好ましい範囲よりも大きいことが影響しているものと考えられる。
(4)ピーリング試験
No.1〜8の試験片は、いずれも従来の構成を有するNo.10の試験片に対して、耐ピーリング強度が高くなっている。しかし、比較例においては、耐ピーリング強度が、No.10の2.0倍未満であるものも含まれる(No.6〜8)。これに対し、本発明の実施例であるNo.1〜4の試験片は、いずれもNo.9の2.2倍以上の寿命を有しており、比較例に比べてより高強度となっている。
(5)スミアリング試験
No.1〜8の試験片は、いずれも従来の構成を有するNo.10の試験片に対して、耐スミアリング強度が高くなっている。しかし、比較例においては、耐スミアリング強度が、No.10の1.5倍以下であるものも含まれる(No.5、7)。これに対し、本発明の実施例であるNo.1〜4の試験片は、いずれもNo.9の1.9〜2.0倍の耐スミアリング強度を有しており、安定して高強度となっている。これは、本発明の実施例であるNo.1〜4の試験片を構成する鋼が高い耐熱性を有しているためであると考えられる。
(6)リング圧壊試験
No.1〜8の試験片は、いずれも従来の構成を有するNo.10の試験片よりもリング圧壊強度が低く、従来の構成を有するNo.9の試験片以上のリング圧壊強度を有している。これは、No.9の試験片は、従来の浸炭鋼を浸炭処理し、焼入した試験片であるため、内部硬度が低いのに対し、No.10の試験片は、従来の軸受鋼を焼入した試験片であるため、内部硬度が高いからである。そして、比較例であるNo.5〜8の試験片のリング圧壊強度は、No.10の70〜75%である。これに対し、本発明の実施例であるNo.1〜4の試験片は、いずれもNo.10の85%以上のリング圧壊強度を有しており、比較例に比べてより高強度となっている。
(7)リング回転割れ疲労試験
No.1〜8の試験片は、いずれも従来の構成を有するNo.10の試験片に対して、長寿命となっている。しかし、比較例であるNo.5〜8の試験片は、No.10の4.0〜5.0倍となっている。これに対し、本発明の実施例であるNo.1〜4の試験片は、No.10の5.0〜5.6倍の寿命を有しており、比較例に比べてより長寿命となっている。
(8)寸法安定率試験
No.1〜8の試験片は、いずれも従来の構成を有するNo.9の試験片に比べて、極めて高い寸法安定性を有していることが分かる。これは、従来の構成を有するNo.9およびNo.10の試験片が、180℃で焼戻が行なわれているのに対し、No.1〜8の試験片は、280℃で焼戻が実施されたことに起因するものと考えられる。なお、SUJ2からなるNo.10の試験片寸法安定性は、SCM420からなるNo.9の試験片の寸法安定性よりも小さくなっている。
(9)軸受寿命試験
表11を参照して、No.1、2、6および7の軸受は、いずれも従来の構成を有するNo.9およびNo.10の軸受に対して、長寿命となっている。しかし、比較例であるNo.6および7の軸受は、59時間〜64時間で軌道輪に剥離が発生した。これに対し、本発明の実施例であるNo.1および2の軸受は、軌道輪が280℃という高温で焼戻されて作製され、残留オーステナイト量が低減されているにもかかわらず、現用鋼からなるNo.10の軸受の4倍を超える76〜81時間の寿命を有していた。
なお、潤滑油中に硬質の異物が混入する環境下(異物混入環境)において転がり軸受を長寿命化する技術として、従来から、軌道輪および転動体に対して浸炭窒化処理を施す対策が知られている。そこで、現用鋼であるJIS規格SUJ2からなる軌道輪に対して浸炭窒化を実施したもの、および当該軌道輪に対してさらに高温焼戻(230℃)を実施したものについて、表10と同様の条件で軸受寿命試験を実施した。その結果、浸炭窒化を実施したものの寿命は47時間、さらに高温焼戻を実施したものの寿命は25時間であった。このことから、本発明の実施例であるNo.1および2の軸受は、異物混入環境における従来の長寿命化対策が実施された軸受よりも長寿命であるといえる。
以上(1)〜(9)の試験結果より、本発明のトランスミッション用転動部材は、従来のトランスミッション用転動部材に比べて、耐久性に優れていることが確認された。
なお、これまでの説明においては、浸炭窒化後に焼入を実施した試験片を用いて実施した試験結果について実施例として説明したが、浸炭後に焼入を実施した他の試験片を用いて同様に試験を実施した。その結果、浸炭窒化後に焼入を実施した試験片に比べての焼戻軟化抵抗性が僅かに低下するものの、その他の特性において遜色ない結果を示すことを確認している。
浸炭後に焼入を実施した場合の熱処理は、図8に基づいて説明した上記実施の形態の変形例における熱処理工程と同様の工程により行なった。ここで、図8において、Tは960℃でtは570分、Tは940℃でtは210分、Tは850℃でtは30分、浸炭処理が行なわれる温度がTである期間のC値は1.2、Tは260℃、tは120分間とした。
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。この発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味、および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
本発明のトランスミッション用転動部材およびトランスミッション用転がり軸受は、軸受の内部に異物が混入し、高温に曝されるなどの苛酷な環境下においても使用されるトランスミッション用転動部材およびトランスミッション用転がり軸受に、特に有利に適用され得る。
実施の形態1におけるマニュアルトランスミッションの構成を示す概略断面図である。 実施の形態1における深溝玉軸受の構成を示す概略断面図である。 図2の要部を拡大して示した概略部分断面図である。 実施の形態1におけるスラストニードルころ軸受の構成を示す概略断面図である。 実施の形態1におけるスラストニードルころ軸受の変形例の構成を示す概略断面図である。 実施の形態1におけるトランスミッション用転動部材およびトランスミッション用転がり軸受の製造方法の概略を示す流れ図である。 実施の形態1におけるトランスミッション用転動部材の製造方法に含まれる熱処理工程を説明するための図である。 トランスミッション用転動部材の製造方法に含まれる熱処理工程の変形例を説明するための図である。 実施の形態2におけるオートマチックトランスミッションのトルクコンバータ部の構成を示す断面模式図である。 実施の形態3におけるオートマチックトランスミッションのギア機構部の構成を示す概略断面図である。 図10の領域XIを拡大して示す断面模式図である。 実施の形態4における無段変速機を含む変速機構の構成を示す概略断面図である。 図12の領域XIIIを拡大して示す断面模式図である。 φ12点接触試験機の主要部の構成を示す概略正面図である。 φ12点接触試験機の主要部の構成を示す概略側面図である。 サバン型摩耗試験機の主要部の構成を示す概略正面図である。 サバン型摩耗試験機の主要部の構成を示す概略側面図である。 超音波疲労試験機の主要部の構成を示す模式図である。 2円筒型転動試験機の主要部の構成を示す模式図である。 リング圧壊試験の試験片の形状を示す概略断面図である。 リング回転割れ疲労試験機の主要部の構成を示す模式図である。
符号の説明
1 深溝玉軸受、2,3 スラストニードルころ軸受、11 外輪、11A 外輪転走面、11B,12B,13B 硬化処理層、11C,12C,13C 内部、12 内輪、12A 内輪転走面、13 玉、13A 玉転走面、14,24,24a,24b 保持器、21 軌道輪、21A 軌道輪転走面、23 ニードルころ、23A 転走面、30 φ12点接触試験機、31 転動疲労寿命試験片、32 駆動ローラ、33 案内ローラ、34 鋼球、40 サバン型摩耗試験機、41 摩耗試験片、42 重錘、43 ロードセル、44 エアスライダ、45 相手材、46 潤滑油、50 超音波疲労試験機、51 超音波疲労試験片、52 ホーン部、53 振動子、54 増幅器、55 制御装置、56 すき間ゲージ、57 オシロスコープ、60 2円筒型転動試験機、61 第1試験片(相手試験片)、62 第2試験片(試験片)、63 第1軸、64 第2軸、65 回転速度計、66 スリップリング、71 圧壊試験片、72 荷重方向、80 リング回転割れ疲労試験機、81 リング回転割れ疲労試験片、82 駆動ローラ、83 負荷ローラ、84 案内ローラ、85 パッド、86 給油ノズル、100 マニュアルトランスミッション、111 入力シャフト、112 出力シャフト、113 カウンターシャフト、114a〜k ギア、115 ハウジング、120A,120B 転がり軸受、200 トルクコンバータ、201 インペラ、201a インペラブレード、201b インペラハブ、202 ステータ、203 タービン、203a タービンブレード、203b タービンハブ、204 一方向クラッチ、205a,205b,206a,206b 軌道盤、210 スラストニードルころ軸受、300 ギア機構部、301,311 軸、302 ケース、304 シンクロハブ、305,307 アイドルギア、305a クラッチギア、306 ラジアル玉軸受、308,313 ラジアルころ軸受、309 軸拡径部、309a,309b 断面、315,317 ギア、318 シザーズギア、400 無段変速機、401 プライマリ軸、401a 軸、401b サンギア、402 プライマリプーリ、402a 固定プーリ、402b 可動プーリ、403 セカンダリ軸、404 セカンダリプーリ、404a 固定プーリ、404b 可動プーリ、405 ベルト、406 ハウジング、407 ラジアル玉軸受、410 前後進切替機構、412 支持部材、412a プラネタリピニオン、413 支持部材、413a リングギア、415,416 多板クラッチ。

Claims (7)

  1. 複数の歯車よりなるギア機構を備え、前記歯車の噛み合わせにより段階的に変速比を変化させるトランスミッションにおいて、回転体を前記回転体の周囲の部材に対して回転可能に支持する、トランスミッション用転がり軸受を構成するトランスミッション用転動部材であって、
    0.3質量%以上0.4%質量%以下の炭素と、0.3質量%以上0.7質量%以下の珪素と、0.3質量%以上0.8質量%以下のマンガンと、0.5質量%以上1.2質量%以下のニッケルと、1.6質量%以上2.5質量%以下のクロムと、0.1質量%以上0.7質量%以下のモリブデンと、0.2質量%以上0.4質量%以下のバナジウムとを含有し、残部鉄および不純物からなり、珪素の含有量とマンガンの含有量との和は1.0質量%以下であり、ニッケルの含有量とクロムの含有量との和は2.3質量%以上であり、クロムの含有量とモリブデンの含有量とバナジウムの含有量との和は3.0質量%以下である鋼から構成され、
    表面を含む領域には、内部よりも炭素含有量の大きい硬化処理層が形成され、
    前記硬化処理層の表層部の硬度は、725HV以上800HV以下であり、
    前記表層部に分布する炭化物の最大粒径は、10μm以下であり、
    前記表層部における前記炭化物の面積率は、7%以上25%以下であり、
    前記内部の硬度は、450HV以上650HV以下である、トランスミッション用転動部材。
  2. 入力軸の回転が無段階に変化して出力軸に伝達される無段変速機において用いられ、前記入力軸および前記出力軸のいずれかを回転可能に支持する、トランスミッション用転がり軸受を構成するトランスミッション用転動部材であって、
    0.3質量%以上0.4%質量%以下の炭素と、0.3質量%以上0.7質量%以下の珪素と、0.3質量%以上0.8質量%以下のマンガンと、0.5質量%以上1.2質量%以下のニッケルと、1.6質量%以上2.5質量%以下のクロムと、0.1質量%以上0.7質量%以下のモリブデンと、0.2質量%以上0.4質量%以下のバナジウムとを含有し、残部鉄および不純物からなり、珪素の含有量とマンガンの含有量との和は1.0質量%以下であり、ニッケルの含有量とクロムの含有量との和は2.3質量%以上であり、クロムの含有量とモリブデンの含有量とバナジウムの含有量との和は3.0質量%以下である鋼から構成され、
    表面を含む領域には、内部よりも炭素含有量の大きい硬化処理層が形成され、
    前記硬化処理層の表層部の硬度は、725HV以上800HV以下であり、
    前記表層部に分布する炭化物の最大粒径は、10μm以下であり、
    前記表層部における前記炭化物の面積率は、7%以上25%以下であり、
    前記内部の硬度は、450HV以上650HV以下である、トランスミッション用転動部材。
  3. 前記鋼において、モリブデンの含有量とバナジウムの含有量との和は、0.6質量%以上である、請求項1または2に記載のトランスミッション用転動部材。
  4. 前記鋼において、モリブデンの含有量とバナジウムの含有量との和は、クロムの含有量の半分以下である、請求項1〜3のいずれか1項に記載のトランスミッション用転動部材。
  5. 前記鋼において、珪素の含有量は、モリブデンの含有量とバナジウムの含有量との和以下である、請求項1〜4のいずれか1項に記載のトランスミッション用転動部材。
  6. 500℃の温度に60分間保持する処理が行なわれた場合の、前記表層部の硬度は、550HV以上である、請求項1〜5のいずれか1項に記載のトランスミッション用転動部材。
  7. 軌道部材と、
    前記軌道部材に接触し、円環状の軌道上に配置される複数の転動体とを備え、
    前記軌道部材および前記転動体の少なくともいずれか一方は、請求項1〜6のいずれか1項に記載のトランスミッション用転動部材である、トランスミッション用転がり軸受。
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