JP2009168164A - Pinion shaft - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、遊星歯車装置に使用されるピニオンシャフトに関する。 The present invention relates to a pinion shaft used in a planetary gear device.
例えば自動車の自動変速機に用いられる遊星歯車装置は、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。
ピニオンシャフトの外周面(転走面)上をころが転走すると、数GPaの高い接触応力が発生する。このため、ピニオンシャフトに使用される材料には、硬く負荷に耐え転がり疲労寿命が優れ且つ滑りに対する耐摩耗性が良好であることが要求される。このような要求を満足するため、従来においては、例えば、SUJ2,SUJ3等の軸受鋼や、SCM420等の肌焼材や、SK5等の高周波焼入れ材が使用されている。
For example, a planetary gear set used in an automatic transmission of an automobile includes a sun gear, a ring gear, and a carrier, and these rotating elements are arranged concentrically around an output shaft. Further, a pinion gear meshing with the sun gear and the ring gear is rotatably supported on a pinion shaft fixed to the carrier via bearing rollers.
When the roller rolls on the outer peripheral surface (rolling surface) of the pinion shaft, a high contact stress of several GPa is generated. For this reason, the material used for the pinion shaft is required to be hard and to withstand a load, to have excellent rolling fatigue life, and to have good wear resistance against sliding. Conventionally, for example, bearing steels such as SUJ2 and SUJ3, case-hardening materials such as SCM420, and induction hardening materials such as SK5 are used.
また、ピニオンシャフトは転走面に数GPaの高面圧下で繰り返し剪断応力を受けるため、剪断応力に耐えて転がり疲労寿命が優れていることが要求される。このような要求を満足するため、従来においては、例えば、SUJ2,SUJ3に浸炭処理,浸炭窒化処理等の熱処理を施し、引き続いて高周波焼入れを施して、表面硬さを確保するとともに転がり疲労寿命を向上させている。
しかしながら、高周波焼入れにおいては瞬間的に高温に加熱された後に急冷されるが、加熱過程においてピニオンシャフトの表面に大きな体積膨張が生じ、軸方向両端面や内部にマルテンサイト変態に伴う熱処理歪みが発生する場合があった。また、急冷過程においては、焼入れ部と非焼入れ部との間の温度差による熱歪み(熱膨張によるもの)が発生することにより、材料に過大な内部応力が発生する場合があった。そして、このような熱処理歪みや内部応力により材料自体の強度が低下するため、ピニオンシャフトは破損や摩耗が生じやすい傾向があった。特に、軸方向端面に溝を有するピニオンシャフトの場合は、溝のエッジ部に応力が集中しやすいので、該応力集中部の材料の強度が大きく低下するおそれがあった。
そこで、本発明は、上記のような従来技術が有する問題点を解決し、焼入れに伴う材料強度の低下が抑制されており、破損や摩耗が生じにくいピニオンシャフトを提供することを課題とする。
However, in induction hardening, it is rapidly cooled after being heated to a high temperature instantaneously, but during the heating process, a large volume expansion occurs on the surface of the pinion shaft, and heat treatment distortion due to martensitic transformation occurs on both axial ends and inside. There was a case. Further, in the rapid cooling process, excessive internal stress may be generated in the material due to the occurrence of thermal distortion (due to thermal expansion) due to the temperature difference between the quenched portion and the non-quenched portion. And since the intensity | strength of material itself falls by such heat processing distortion and internal stress, there existed a tendency for a pinion shaft to generate | occur | produce a breakage and abrasion easily. In particular, in the case of a pinion shaft having a groove on the end face in the axial direction, stress tends to concentrate on the edge portion of the groove, so that the strength of the material of the stress concentration portion may be greatly reduced.
Therefore, an object of the present invention is to solve the above-described problems of the prior art and to provide a pinion shaft in which a decrease in material strength due to quenching is suppressed and damage and wear are unlikely to occur.
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、遊星歯車装置に使用され、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の中心孔に挿通されて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であって、下記の3つの条件を満足することを特徴とする。
条件A:軸方向両端面の少なくとも一方に溝を有する。
条件B:高周波焼入れによる表面硬化層が外周面に形成されている。
条件C:前記表面硬化層のビッカース硬さと、前記表面硬化層以外の部分である非硬化部のビッカース硬さとの差が、350以上550以下である。
In order to solve the above-described problems, the present invention has the following configuration. That is, the pinion shaft according to
Condition A: A groove is provided on at least one of both axial end faces.
Condition B: A surface hardened layer by induction hardening is formed on the outer peripheral surface.
Condition C: The difference between the Vickers hardness of the surface hardened layer and the Vickers hardness of the non-hardened portion other than the surface hardened layer is 350 or more and 550 or less.
また、本発明に係る請求項2のピニオンシャフトは、請求項1に記載のピニオンシャフトにおいて、さらに下記の2つの条件を満足することを特徴とする。
条件D:軸長が直径の5倍以上である。
条件E:前記表面硬化層は、前記外周面のうち軸方向中央部に形成され軸方向両端部には形成されておらず、前記軸方向端面から前記表面硬化層までの軸方向距離が5mm以上である。
The pinion shaft according to
Condition D: The axial length is not less than 5 times the diameter.
Condition E: The hardened surface layer is formed at the axial center portion of the outer peripheral surface and is not formed at both axial end portions, and the axial distance from the axial end surface to the hardened surface layer is 5 mm or more. It is.
本発明のピニオンシャフトは、焼入れに伴う材料強度の低下が抑制されているので、焼入れより発生する応力が集中しやすい部位を有していても、破損や摩耗が生じにくい。 In the pinion shaft of the present invention, since the decrease in material strength accompanying quenching is suppressed, even if the pinion shaft has a portion where stress generated by quenching tends to concentrate, breakage and wear hardly occur.
本発明に係るピニオンシャフトの実施の形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。図1に示す遊星歯車装置は、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。
An embodiment of a pinion shaft according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings. 1 includes a
ピニオンギヤ3に形成された中心孔3aには、かしめ等の慣用の固着手段によりキャリヤ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の中心孔3a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。
A
次に、図2を参照しながら、ピニオンシャフト5について詳細に説明する。このピニオンシャフト5は、高炭素クロム軸受鋼(SUJ2)等の鋼材で構成されている。ただし、鋼材の種類はSUJ2に限定されるものではなく、SUJ3等の他種の軸受鋼や、SCM420等の肌焼材や、SK5等の高周波焼入れ材を用いてもよい。
そして、ピニオンシャフト5には潤滑油の給油路10が設けてあり、軸方向両端面5a,5aの一方に開口する開口部10aに注入された潤滑油が、外周面5b(円筒面)に開口する給油口10bから転走面(外周面5bのうち前記針状ころが転走する部分)に給油されるようになっている。
Next, the
The
また、軸方向両端面5a,5aの他方には、給油口10bの位置合わせのための溝12が形成されている。すなわち、給油口10bの位置によって潤滑を制御するので、この溝12は、ピニオンシャフト5をキャリヤ4に固定する際に、給油口10bがキャリヤ4の中心に対して所定の位置関係となるように(例えば、給油口10bがキャリヤ4の中心に向くように)するために使用される。なお、溝12は、軸方向両端面5a,5aに形成されていてもよい。
Moreover, the groove |
さらに、このピニオンシャフト5は、浸炭処理又は浸炭窒化処理と焼鈍しとが施されており、それに続いて、ピニオンシャフト5の外周面5bのうち転走面のみに高周波焼入れが施されている。この高周波焼入れにより、転走面には表面硬化層14が形成されている。表面硬化層14以外の部分、すなわち、表面硬化層14の内側部分(ピニオンシャフト5の径方向中心部)及び軸方向両端部は、焼入れが施されておらず硬化されていない非硬化部15となっており、表面硬化層14と非硬化部15とのビッカース硬さの差が350以上550以下となるように、高周波焼入れが施されている。
Further, the
前述したように、高周波焼入れの際には、熱処理歪みや内部応力により材料自体の強度が低下するおそれがあり、特に、軸方向端面に溝を有するピニオンシャフトの場合は、溝のエッジ部に応力が集中しやすいので、該応力集中部の材料の強度が大きく低下するおそれがあった。その結果、ピニオンシャフトは割れ,クラック等の破損や摩耗が生じやすい傾向があった。 As described above, during induction hardening, the strength of the material itself may decrease due to heat treatment distortion or internal stress. Particularly, in the case of a pinion shaft having a groove on the axial end surface, stress is applied to the edge of the groove. Since it tends to concentrate, the strength of the material of the stress concentration portion may be greatly reduced. As a result, the pinion shaft tended to be easily broken and worn, such as cracks and cracks.
しかしながら、本実施形態のピニオンシャフト5は、表面硬化層14の硬さが前述のように規定されているので、高周波焼入れの際に前述の熱処理歪みや内部応力が発生しにくい。そのため、熱処理歪みや内部応力による材料強度の低下が抑制されており、軸方向端面5aに溝12を有していて応力集中部が存在する場合でも該応力集中部の材料強度の低下が抑制されているので、本実施形態のピニオンシャフト5は破損や摩耗が生じにくい。このようなピニオンシャフト5を備える本実施形態の遊星歯車装置は、自動車の自動変速機に好適に用いることができる。
However, in the
表面硬化層14のビッカース硬さと非硬化部15のビッカース硬さとの差が350未満であると(すなわち両硬さの差が小さいと)、軸方向端部の靱性が低くなるため、高周波焼入れの際の熱処理歪みや内部応力により材料自体の強度が低下するおそれがある。特に、軸方向端面5aに溝12を有していて応力集中部が存在する場合には、該応力集中部の材料自体の強度が低下しやすい。
When the difference between the Vickers hardness of the surface hardened
一方、前記両硬さの差が550超過であると、非硬化部15のビッカース硬さが不十分となるおそれがあるため、ピニオンシャフト5の軸方向端部をキャリヤ4に固定する際に必要な硬さを満足できず、軸方向端部が摩耗するおそれがある。
なお、ピニオンシャフト5の寸法については、特に限定されるものではないが、軸長Lは直径dの5倍以上であることが好ましい。5倍未満であると、高周波焼入れの際に発生する熱処理歪みや内部応力が大きくなるので、軸方向端面5aに溝12を有していて応力集中部が存在する場合には、該応力集中部の材料自体の強度が低下するおそれがある。
On the other hand, if the difference between the two hardnesses exceeds 550, the Vickers hardness of the
The dimension of the
また、表面硬化層14は、ピニオンシャフト5の外周面5bのうち転走面のみ(軸方向中央部)に形成されるため、外周面5bの軸方向両端部には形成されていないが、表面硬化層14(有効硬化層)のうち軸方向端面5aに最も近い部分と軸方向端面5aとの軸方向距離Aは5mm以上とすることが好ましい。そうすれば、軸方向端面5aの溝12の応力集中部に外部から衝撃等が加えられた際の耐衝撃性が高くなる。
Further, since the hardened
〔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。SUJ2製又はSUJ3製の鋼材を所定の寸法に旋削加工した後、後述する熱処理を施し、さらに仕上げ研削加工を施すことにより、ピニオンシャフトを製造した。得られたピニオンシャフトの直径d及び長さL、並びに、表面硬化層のビッカース硬さH1、非硬化部のビッカース硬さH2、及び両硬さの差H1−H2を、表1に示す。なお、ピニオンシャフトの軸方向端面には、該端面の中心を通る直線状の溝が形成されている。この溝の幅は1mm、深さは1mm、長さは直径dと同じである。
〔Example〕
Hereinafter, the present invention will be described with reference to more specific examples. A pinion shaft was manufactured by turning a steel material made of SUJ2 or SUJ3 to a predetermined size, then subjecting to a heat treatment to be described later, and further performing a finish grinding process. Table 1 shows the diameter d and length L of the pinion shaft obtained, the Vickers hardness H1 of the surface hardened layer, the Vickers hardness H2 of the non-cured portion, and the difference H1−H2 between the two hardnesses. A linear groove passing through the center of the end face is formed on the end face in the axial direction of the pinion shaft. The width of this groove is 1 mm, the depth is 1 mm, and the length is the same as the diameter d.
熱処理の内容は以下の通りである。旋削加工した鋼材に浸炭窒化処理を施した後、高温焼戻しを施した。続いて、外周面のうち転走面となる部分のみに高周波焼入れを施した後に、低温焼戻しを施した。
熱処理が終了したら、これらのピニオンシャフトの軸方向端面を光学顕微鏡にて観察し、溝に破損がないか調査した。結果を表1に示す。実施例1〜4のピニオンシャフトは、両硬さの差H1−H2が350以上550以下の範囲内であるので、溝に破損は見られなかった。これに対して、比較例1,3のピニオンシャフトは、両硬さの差H1−H2が350未満であるので、溝に破損が見られた。
The contents of the heat treatment are as follows. The turned steel material was carbonitrided and then subjected to high temperature tempering. Subsequently, induction quenching was performed only on the portion of the outer peripheral surface that would be the rolling surface, followed by low temperature tempering.
When the heat treatment was completed, the end surfaces in the axial direction of these pinion shafts were observed with an optical microscope to investigate whether the grooves were damaged. The results are shown in Table 1. In the pinion shafts of Examples 1 to 4, the difference in both hardnesses H1 to H2 was in the range of 350 to 550, and no breakage was observed in the grooves. On the other hand, the pinion shafts of Comparative Examples 1 and 3 had a difference in hardness between H1 and H2 of less than 350, so that the grooves were damaged.
さらに、日本精工株式会社製プラネタリニードル試験機を用いて、これらのピニオンシャフトの摩耗試験を行った。すなわち、ピニオンシャフトの軸方向両端部5mm以内の範囲をS45C材で固定し、0〜1000Nの荷重を20時間繰り返し負荷した。そして、サーフコム形状測定器を用いて、軸方向端面の形状を測定することにより、軸方向端面の摩耗の有無を調査した。結果を表1に示す。
実施例1〜4のピニオンシャフトは、両硬さの差H1−H2が350以上550以下の範囲内であるので、軸方向端面に摩耗は見られなかった。これに対して、比較例2,4のピニオンシャフトは、両硬さの差H1−H2が550超過であるので、軸方向端面に摩耗が見られた。
Furthermore, the abrasion test of these pinion shafts was performed using a planetary needle testing machine manufactured by NSK Ltd. That is, the range within 5 mm of both axial ends of the pinion shaft was fixed with S45C material, and a load of 0 to 1000 N was repeatedly applied for 20 hours. And the presence or absence of abrasion of an axial direction end surface was investigated by measuring the shape of an axial direction end surface using a surf comb shape measuring device. The results are shown in Table 1.
In the pinion shafts of Examples 1 to 4, since the difference H1-H2 in both hardnesses was in the range of 350 to 550, no abrasion was observed on the axial end face. In contrast, in the pinion shafts of Comparative Examples 2 and 4, since the difference H1-H2 between the two hardnesses exceeded 550, wear was observed on the axial end surface.
次に、前述と同様にしてピニオンシャフトを製造し、強度試験を行った。得られたピニオンシャフトの直径d、長さL、及びこれらの比L/dを、表2に示す。また、表面硬化層のビッカース硬さH1、非硬化部のビッカース硬さH2、及び両硬さの差H1−H2を、表2に併せて示す。さらに、表面硬化層(有効硬化層)のうち軸方向端面に最も近い部分と軸方向端面との軸方向距離Aを、表2に併せて示す。なお、ピニオンシャフトの軸方向端面には、該端面の中心を通る直線状の溝が形成されている。この溝の幅は1mm、深さは1.5mm、長さは直径dと同じである。 Next, a pinion shaft was manufactured in the same manner as described above, and a strength test was performed. Table 2 shows the diameter d, the length L, and the ratio L / d of the obtained pinion shaft. Table 2 also shows the Vickers hardness H1 of the surface hardened layer, the Vickers hardness H2 of the non-cured portion, and the difference H1−H2 between the two hardnesses. Further, Table 2 shows the axial distance A between the portion of the surface hardened layer (effective hardened layer) closest to the axial end face and the axial end face. A linear groove passing through the center of the end face is formed on the end face in the axial direction of the pinion shaft. The width of this groove is 1 mm, the depth is 1.5 mm, and the length is the same as the diameter d.
これらのピニオンシャフトの強度試験は、日本精工株式会社製プラネタリニードル試験機を用いて行った。すなわち、ピニオンシャフトの軸方向両端部5mm以内の範囲をS45C材で固定して、ピニオンシャフトの軸方向中央部に0〜5000Nの荷重を繰り返し負荷し、軸方向端面の溝が破損するまでの時間を測定した。結果を表2に示す。
実施例12,13,15,及び16のピニオンシャフトは、軸方向距離Aが5mm以上であるので、軸方向距離Aが5mm未満である実施例11,14と比べて、繰り返し荷重が負荷されても溝に破損が生じにくかった。
The strength tests of these pinion shafts were performed using a planetary needle tester manufactured by NSK Ltd. That is, the time until the axial end surface of the pinion shaft is damaged within 5 mm is fixed with S45C material, a load of 0 to 5000 N is repeatedly applied to the axial central portion of the pinion shaft, and the groove on the axial end surface is damaged. Was measured. The results are shown in Table 2.
Since the pinion shafts of Examples 12, 13, 15, and 16 have an axial distance A of 5 mm or more, compared to Examples 11 and 14 in which the axial distance A is less than 5 mm, a repeated load is applied. Also, it was difficult for the groove to break.
1 サンギヤ
2 リングギヤ
3 ピニオンギヤ
3a 中心孔
4 キャリヤ
5 ピニオンシャフト
5a 軸方向端面
5b 外周面
12 溝
14 表面硬化層
15 非硬化部
DESCRIPTION OF
Claims (2)
条件A:軸方向両端面の少なくとも一方に溝を有する。
条件B:高周波焼入れによる表面硬化層が外周面に形成されている。
条件C:前記表面硬化層のビッカース硬さと、前記表面硬化層以外の部分である非硬化部のビッカース硬さとの差が、350以上550以下である。 A pinion shaft that is used in a planetary gear device and is inserted through a central hole of a pinion gear that meshes with a sun gear and a ring gear that are concentrically arranged to rotatably support the pinion gear, and satisfies the following three conditions: And pinion shaft.
Condition A: A groove is provided on at least one of both axial end faces.
Condition B: A surface hardened layer by induction hardening is formed on the outer peripheral surface.
Condition C: The difference between the Vickers hardness of the surface hardened layer and the Vickers hardness of the non-hardened portion other than the surface hardened layer is 350 or more and 550 or less.
条件D:軸長が直径の5倍以上である。
条件E:前記表面硬化層は、前記外周面のうち軸方向中央部に形成され軸方向両端部には形成されておらず、前記軸方向端面から前記表面硬化層までの軸方向距離が5mm以上である。 Furthermore, the following two conditions are satisfied, The pinion shaft of Claim 1 characterized by the above-mentioned.
Condition D: The axial length is not less than 5 times the diameter.
Condition E: The hardened surface layer is formed at the axial center portion of the outer peripheral surface and is not formed at both axial end portions, and the axial distance from the axial end surface to the hardened surface layer is 5 mm or more. It is.
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