JP2010185548A - 転がり軸受 - Google Patents

Abstract

【課題】パイロット軸受等のように、軸の内外径、ギア内径等が直接転動体の軌道面となり、潤滑剤の入り難い環境で使用される入り難い環境で使用される転がり軸受における転動体の寿命を高める。
【解決手段】潤滑剤の入り難い環境で使用され、組み込まれる軸やギア等が直接転動体の軌道面となる転がり軸受であって、Ｓｉを０．２質量％以上、Ｍｎを０．３質量％以上の割合で含有する高炭素クロム鋼製で、かつ表面の窒素濃度が０．２〜２．０質量％である転動体を備えることを特徴とする転がり軸受。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば変速機のパイロット部を支持するパイロット軸受のように、軸の内外径、ギア内径等が直接転動体の軌道面となり、潤滑剤の入り難い環境で使用される転がり軸受に関する。

自動車の変速機として、例えば特許文献１に記載された構造が知られている。即ち、図１に示されるように、入力軸１０は、ハウジング４６に軸受４３を介して回転自在に支持されており、その端部には軸方向に窪んだ凹部１１が形成されている。凹部１１は、出力軸２０の凸部２１が挿入される大径部１１ａとその大径部１１ａを加工するために形成された下穴部１１ｂとからなる。一方、出力軸２０の端部には、凹部１１の大径部１１ａ内に挿入される凸部２１が形成されている。そして、入力軸１０の凹部１１と出力軸２０の凸部２１との間に、互いに相対回転可能とすべく、パイロット軸受３０が設けられている。

ハウジング４６には、ハウジング４６を伝わって落下する潤滑油（以下、油とする）を、入力軸１０の外周部に形成された油貯留スペース３１に案内するハウジング油通路４８が形成されている。ハウジング油通路４８は、軸受４３の上側から前方（図において左側を前方とする）に延びており、油貯留スペース３１は、入力軸１０と、軸受４３と、ハウジング４６と、ハウジング４６と入力軸１０との間に設けられたオイルシール４２とで区画されたスペースに形成される。

そして、入力軸１０には、油貯留スペース３１に充填された油を凹部１１内へ供給するための油通路１が形成される。油通路１は、入力軸１０の外部と凹部１１とを連通する油溝２と、その油溝２が形成された部分の入力軸１０の外周に嵌入された軸受４３の内周面４３ａとによって囲まれて形成される。

油溝２は、外周部に油貯留スペース３１が形成される位置から凹部１１の下穴部１１ｂが形成されている部分まで延びており、その深さは、凹部１１の下穴部１１ｂが形成されている部分の肉厚よりも深い。従って、油溝２と下穴部１１ｂとが交差する部分は、貫通した状態となる。

軸受４３の内周面４３ａの径は、入力軸１０の外径と等しく、軸受４３の内周面４３ａと入力軸１０とは、油溝２以外の部分で接触している。このため、油溝２は、軸受４３ａの内周面によって蓋された状態となる。

ハウジング４６を伝わって落下する油は、ハウジング油通路４８を通って、油貯留スペース３１内に充填された後、油導入部３から油通路１内に流入する。このとき、油の流れ方向と、油導入部３とのなす角度が小さいため、流入時の抵抗は小さく、油は効率よく油導入部３に流入できる。そして、油通路１に流入した油は、油の流入圧力と、入力軸１０の回転によって与えられた運動エネルギによって凹部１１側へと移動し、油通路１から排出された油は、凹部１１の大径部１１ｂ内に移動してパイロット軸受３０を潤滑する。

特開２００２−２２７９７５号公報

上記のように、ベアリング軸受３０は入力軸１０と出力軸２０に囲まれ、外部から閉ざされているため、油通路１を工夫しても油の供給が困難になっており、潤滑不良による焼付きや摩耗、異物噛み込みによる表面損傷（圧痕形成）や、軸１０．２０の撓みによる過大面圧により剥離を起すことがある。特に、転動体の表面状態が悪化している場合、転動体表面に形成された圧痕が内外輪の軌道面に転写され、その部分から剥離が起きることがある。

更には、変速機では、パイロット軸受３０を製造するメーカーと、入力軸１０や出力軸２０を製造するメーカーとが異なる場合が多く、パイロット軸受３０の転動面となる出力軸１０の凹部１１や凸部２１の表面粗さや寸法精度、幾何精度等が必ずしも最適な状態で提供されるとは限らず、摩耗や焼付きの原因となり、寿命の低下を招くこともある。

そして、パイロット軸受３０にこのような損傷や剥離が起こった場合、入力軸１０や出力軸２０をはじめとする全ての部品を交換しなければならない。

そこで本発明は、パイロット軸受等のように、軸の内外径、ギア内径等が直接転動体の軌道面となり、潤滑剤の入り難い環境で使用される入り難い環境で使用される転がり軸受における転動体の寿命を高めることを目的とする。

上記目的を達成するために本発明は、潤滑剤の入り難い環境で使用され、組み込まれる軸やギア等が直接転動体の軌道面となる転がり軸受であって、Ｓｉを０．２質量％以上、Ｍｎを０．３質量％以上の割合で含有する高炭素クロム鋼製で、かつ表面の窒素濃度が０．２〜２．０質量％である転動体を備えることを特徴とする転がり軸受を提供する。

本発明によれば、転動体表面の窒素濃度を高めて強化したため、圧痕の発生及び内外輪の転動体への転写を抑えることができ、更には潤滑不良による焼付きや摩耗に対する耐性も強く、軸受全体として長寿命を図ることができる。そのため、パイロット軸受等のように、軸の内外径、ギア内径等が直接転動体の軌道面となり、潤滑剤の入り難い環境で使用される転がり軸受においても転動体のみの強化で軸受全体の寿命向上が得られ、特に有用となる。

変速機の一例を示す断面図である。 耐圧痕性試験について示す説明図である。 表層部のＮ含有率と、圧痕深さとの関係を示す図である。 耐摩耗性試験について示す説明図である。 表層部のＮ含有率と、摩耗量との関係を示す図である。 表層部のＮ含有率と、吸収エネルギーとの関係を示す図である。

以下、本発明に関して詳細に説明する。

本発明は、例えば変速機のパイロット軸受に好適に適用できる。パイロット軸受の種類や構造には制限がなく、例えば図１に示したパイロット軸受３０を例示することができるが、本発明では、パイロット軸受３０の転動体を、Ｓｉを０．２質量％以上、Ｍｎを０．３質量％以上の割合で含有する高炭素クロム鋼製とし、更に表面の窒素濃度を０．２〜２．０質量％とする。

Ｓｉ量を０．２質量％以上としたのは、表層部の残留オーステナイトを安定化するためと、焼戻し軟化抵抗性のあるＳｉの添加で高温軟化を防止するためである。尚、Ｓｉ量の上限は、窒素導入のための窒化処理や浸炭窒化処理における窒素の侵入を阻害することを考慮すると１．２質量％が適当である。

Ｍｎ量を０．３質量％以上としたのは、焼入れ性を確保して芯部まで焼入れするとともに、表層部の残留オーステナイト量を高めるためである。尚、Ｍｎ量の上限は、過度の添加により冷間加工性の低下や焼き割れの原因となるとともに、表層部の残留オーステナイト量が過多となって軟化の原因となるため、２．０質量％以下が適当である。

また、Ｃ含有量は、基本的な焼入れ硬度を確保するために０．３〜１．２質量％であることが好ましい。

更に、Ｃｒ含有量は０．５〜２．０質量％であることが好ましい。Ｃｒ量が０．５質量％未満では、高温においても必要な表面硬度を維持できる程度の炭化物が形成されず、２．０質量％を越えると炭化物が粗大化して表面剥離の起点になり易くなる。

上記の高炭素クロム鋼を窒化処理または浸炭窒化処理し、表面の窒素濃度を０．２〜２．０質量％、好ましくは０．３〜２・０質量％とすることにより、摩耗や圧痕発生を大幅に抑制することができる。尚、窒化処理及び浸炭窒化処理は公知の方法で構わず、処理ガス組成や加熱温度、加熱時間等を適宜設定して上記の窒素濃度にする。また、処理後に焼入れ処理や焼戻し処理することが好ましく、転動部材として必要な硬さ（例えば、Ｈｖ７５０以上）が得られるような条件で行う。

尚、パイロット軸受３０の内外輪、即ち入力軸１０及び出力軸２０には制限は無く、通常の熱処理品でよい。

以下、本発明の効果を実施例に基づいて検証した結果について説明する。

（試験体の作製）
高炭素クロム軸受鋼二種（ＳＵＪ２）からなる素材を所定形状に加工した後、混合ガス（ＲXガス＋エンリッチガス＋アンモニアガス）を導入した炉内において８３０〜８５０℃で１〜３時間加熱保持することによる浸炭窒化と、油焼入れと、１８０〜２４０℃で２時間加熱保持することによる焼戻しを施して、円筒状の試験体（内径：１６ｍｍ，外径：３０ｍｍ，幅：７ｍｍ）を作製した。

尚、ＳＵＪ２からなる素材は、Ｃ含有率が０．９９質量％で、Ｓｉ含有率が０．２５質量％で、Ｍｎ含有率が０．４０質量％で、Ｃｒ含有率が１．４９質量％の鋼である。そして、浸炭窒化の条件を変えることにより、熱処理後における試験体の外周面（表面）をなす表層部（表面から５０μｍの深さまでの部分）の窒素含有率を調節した。尚、何れの試験体も、表層部の硬さをＨｖ７５０〜７８０とし、表層部の残留オーステナイト量を２０〜３０体積％とした。

各試験体の表層部の窒素含有率を電子線マイクロアナライザ（ＥＰＭＡ）を用いて、加速電圧１５ｋＶで測定した。また、各試験体を用いて、（１）耐圧痕性試験、（２）耐摩耗性試験及び（３）シャルピー衝撃試験を行った。

（１）耐圧痕性試験
耐圧痕性試験は、図２に示すように、試験体Ａの外周面に直径２ｍｍの鋼球Ｂを載せて、５ＧＰａで押し付けることで行った。この試験では、鋼球Ｂを押し付けた後に試験体Ａの外周面に形成される圧痕深さを測定した。そして、得られた結果に基づいて、表層部のＮ含有率と圧痕深さとの関係を求め、図３に示した。

図３より、表層部の窒素含有率が多くなる程、圧痕深さが浅くなり、表層部の窒素含有率を０．２質量％以上とすると、圧痕深さが２５０ｎｍ以下となることが分かった。

（２）耐摩耗性試験
耐摩耗性試験は、図４に示すように、一対の試験体Ｃ，Ｄの両外周面を接触させた状態で配置した後、面圧０．８ＧＰａ、滑り率３０％の条件下で、駆動側の試験体Ｃを回転速度１０ｍｉｎ^−１で、従動側の試験体Ｄを回転速度７ｍｉｎ^−１で２０時間回転させることで行った。この試験では、回転前後の各試験体Ｃ，Ｄの質量差を測定し、これらの平均値を摩耗量として測定した。尚、各試験体Ｃ，ＤはモータＥにより回転させて、従動側の試験体Ｄの回転速度はギアＦで調節した。そして、得られた結果に基づいて、表層部の窒素含有率と摩耗量との関係を求め、図５に示した。

図５より、表層部の窒素含有率が多くなる程、摩耗量が少なくなり、表層部の窒素含有率を０．２質量以上とすると、摩耗量が０．０２ｇ以下となることが分かった。

（３）シャルピー衝撃試験
シャルピー衝撃試験は、ＪＩＳ Ｚ ２２４２に規定されたシャルピー衝撃試験方法で行った。そして、得られた結果に基づいて、表層部の窒素含有率と吸収エネルギーとの関係を求めた。結果を図６を示す。

図６より、表層部の窒素含有率が２．０質量％よりも大きくなると、吸収エネルギーが小さくなり、表層部に十分な靱性が得られなくなることが分かった。

以上の結果より、表層部に耐圧痕性、耐摩耗性及び靱性の全てを付与するためには、表層部の窒素含有率を０．２質量％以上２．０質量％以下にすればよいことが確認できた。

１ 油通路
２ 油溝
１０ 入力軸
２０ 出力軸
３０ パイロット軸受
４３ 軸受

Claims (2)

1. 潤滑剤の入り難い環境で使用され、組み込まれる軸やギア等が直接転動体の軌道面となる転がり軸受であって、
   Ｓｉを０．２質量％以上、Ｍｎを０．３質量％以上の割合で含有する高炭素クロム鋼製で、かつ表面の窒素濃度が０．２〜２．０質量％である転動体を備えることを特徴とする転がり軸受。
2. 変速機のパイロット部を支持するパイロット軸受であることを特徴とする請求項１記載の転がり軸受。

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