JP4421334B2 - 軸受 - Google Patents

Description

本発明は軸受に関し、より具体的には高温環境下で使用されて高耐久性を有する軸受に関するものである。

エンジンの動弁機構の１つであるロッカーアームには、軸受を使用するタイプがある。このようなタイプのロッカーアームにおける軸受は高温雰囲気（約１３０〜１４０℃）で使用されており、その熱の影響により軸受が経年寸法変化を起こすことがある。上記のロッカーアーム用軸受の他に、ＣＶＴ(Continuous Variable Transmission)、ＡＴ(Automatic Transmission)ミッションなどのトランスミッションの遊星歯車用軸受についても同様のことがいえる。

ロッカーアームに軸受を固定する方法には、圧入タイプと軸端かしめタイプとがある。圧入タイプでは、転動軸を構成する鋼の光輝焼入（ズブ焼入）焼戻を行なうが、軸端かしめタイプでは、転動軸の転走面のみ硬化させるべく高周波熱処理を実施する。かしめを行なうタイプでは、かしめ加工を行う必要があり、端部でのかしめ加工を容易化するために、上記高周波焼入処理において軸方向に沿って硬度管理を行なう方法が提案されている（たとえば特許文献１参照）。
特開平５−３２１６１６号公報

しかしながら、上記ロッカーアーム軸受の転動軸に高周波焼入処理を施した場合に、重要な問題であるのにもかかわらず残留オーステナイトの制御や、使用中の寸法変化による不具合などについてはまったく説明がなされていない。上記高周波熱処理を施された鋼部品は、硬さ確保のために加熱温度を高くするので、光輝焼入（ズブ焼入）焼戻した場合に比べて残留オーステナイトが多く生成される傾向にある。上記残留オーステナイトは熱的に不安定なため、熱影響を受けてマルテンサイトへと変態する。そのマルテンサイトへの変態に際し寸法変化（膨張）を伴うことは周知の事実である。

ロッカーアーム用の軸受は、外輪、ころ（転動体）は軸受鋼の光輝焼入焼戻により製造され、内輪に相当する転動軸は高周波焼入処理され、その後に焼戻処理が施される。外輪、ころ、転動軸のすべての部品は同じ素材が用いられているにも拘らず熱処理条件が異なるために、製品の残留オーステナイト量が異なり、この結果、使用中に熱影響を受けて生じる寸法変化量も部品によって異なる。

上述のように、高周波焼入処理および焼戻処理を施された転動軸は、光輝焼入焼戻に比べ、残留オーステナイト量が多く生成する。このため、過酷な使用条件下で発生する熱の影響によって他の部品よりも寸法変化が大きく生じる。このため、使用前は適正なラジアル隙間や、円周方向隙間が過少となり、摩耗や焼付きの原因になり得る。

上記の転動軸は、両端部をかしめ加工するために高周波焼入されないので残留オーステナイトは両端部には存在しないため、中央部において寸法変化を起こしやすい。特に、滑りタイプの軸受では、軸の寸法変化により局部的に面圧が大きくなると、かじり、摩耗などが発生するため、寸法変化を抑える必要がある。

本発明は、使用中に高温環境に配置される軸受において、高周波焼入処理された部品の高周波焼入層を調整することにより耐久性を向上させた軸受を提供することを目的とする。

本発明の軸受は、内輪である高炭素クロム軸受鋼を用いて形成された転動軸を含み、その転動軸に周波数５０ｋＨｚ、加熱温度８５０〜９００℃、最高温度までの加熱時間１．２秒の高周波焼入処理の後に焼戻温度１８０℃、焼戻時間２時間で焼戻を行なう、または、転動軸に周波数１５０ｋＨｚ、加熱温度８５０〜９００℃、最高温度までの加熱時間１．０秒の高周波焼入処理の後に焼戻温度１６０℃、焼戻時間２時間で焼戻を行なう軸受において、転動軸の高周波焼入層の表面における硬度をＨＲＣ５９〜６５とし、その表面における残留オーステナイト量を３０％以下とする。

上記の構成により、高温環境下において変形量を抑制し、耐転動疲労特性などの性能を向上させることができる。残留オーステナイトはＸ線回折などにより測定することができる。

また、本発明の別の軸受は、内輪である高炭素クロム軸受鋼を用いて形成された転動軸を含み、その転動軸に周波数５０ｋＨｚ、加熱温度８５０〜９００℃、最高温度までの加熱時間１．２秒の高周波焼入処理の後に焼戻温度１８０℃、焼戻時間２時間で焼戻を行なう、または、転動軸に周波数１５０ｋＨｚ、加熱温度８５０〜９００℃、最高温度までの加熱時間１．０秒の高周波焼入処理の後に焼戻温度１６０℃、焼戻時間２時間で焼戻を行なう軸受において、前記転動軸の高周波焼入層の表面における硬度をＨＲＣ５９〜６５とし、その転動軸の２３０℃、２時間保持後の寸法変化率を５×１０^−４以下とする。

上記のように高周波熱処理条件を調整することにより、転動軸の高周波焼入層における高温環境での寸法変化を抑え、その結果、過少隙間を防ぐことができる。また、滑りタイプのローラフォロアなどでは、局部的な面圧増加を防ぐことができ、摩耗、かじり等を防ぐことができる。

（実施の形態１）
図１〜３は、本発明の実施の形態におけるロッカーアーム用軸受を示す断面図である。図１〜図３を参照して、いずれの軸受１０も、図示していないカムと接触する外輪２と、ころ３と、ロッカーアーム部５と、ロッカーアーム部にかしめ加工により固定される内輪１とを備えている。内輪１は、ころと接触する転走面に高周波焼入処理が施され、残留オーステナイト量が調整された高周波焼入層１ａが形成されている。高周波焼入による硬化層は、かしめ加工部１ｂには及ばないようにされ、このためかしめ加工部は、高周波焼入層よりは大幅に低い硬度を有している。転動軸は、ＪＩＳＧ４８０５ ＳＵＪ２（Ｃ：０.９５〜１.１０重量％、Ｓｉ：０.１５〜０.３５重量％、Ｍｎ：０.５０重量％、Ｐ：０.０２５重量％以下、Ｓ：０.０２５重量％以下、Ｃｒ：１.３０〜１.６０重量％）を用いて形成されている。この転動軸用の鋼素材はＳＵＪ２に限定されず、たとえばＳ５３ＣやＳＫ５などを用いてもよい。

図１に示す軸受の転動軸の高周波焼入層１ａでは、ほぼ一定の深さで高周波焼入層が形成されており、その一定の深さは図２〜図３に示す高周波焼入層よりも浅い。図２に示す転動軸の高周波焼入層１ａは、中央部で深くなる形状を有している。図３に示す転動軸の高周波焼入層１ａは、転動軸の中心軸にまで及び、転動軸全断面にわたって形成されている。

上記の軸受１０の転動軸１の高周波焼入層１ａでは、高周波焼入処理（焼戻を含む）を行ったあと、その表面において硬度はＨＲＣ５９〜６５の範囲に調整され、その表面において残留オーステナイト量は３０％以下である。

図４〜図６は、図１〜図３に示す転動軸の使用後の形状を示す図である。図４〜図６を参照して分かるように、一般に、高周波焼入層が深く、その体積率が大きいほど、使用後の寸法変化率も大きい。図６に示す転動軸にのみ寸法変化率の定義式を示すが、図４および図５に示す転動軸においても同様の定義式が適用されることはいうまでもない。上記転動軸の寸法変化率の導出における転動軸直径の測定は、中央部で行なう。

図１〜図３に示す軸受１０の転動軸１は、上記残留オーステナイト量に関係なく、高周波焼入層の表面における硬度ＨＲＣ５９〜６５であり、その転動軸の２３０℃に２時間加熱処理した前後の寸法変化率が５×１０^-4以下である。前記加熱処理は寸法変化率をみるための加速処理であり、上記寸法変化率の測定は未使用の転動軸に対して適用される。

高温雰囲気で使用される軸受は、寸法変化率の抑制という意味で、図３よりは図１および図２の高周波焼入層の形状であることが望ましい。これは、図１→図２→図３のように高周波焼入層が深くなるほど、焼入温度が高くなる結果、残留オーステナイト量も増える傾向にあるからである。しかし、図３に示す高周波焼入層の形状でも、その表面の残留オーステナイトを３０％以下にすることは可能である。

高周波焼入においては、上記残留オーステナイト量になるように、条件を設定する。このとき高周波コイルの変更をする場合もある。

図７および図８に高周波焼入処理の条件を示す。図７に示す条件では、５０ｋＨｚという比較的低い周波数を用いるので電力は、表面電流で遮蔽されることなく比較的深い位置にまで投入される。このため図２または図３に示す高周波焼入層を形成するのに適している。加熱温度は８５０〜９００℃と低目にすることにより、未固溶の炭化物を多くして焼入後の残留オーステナイト量を抑制することができる。最高温度までの加熱時間は、１.２秒という短時間で行うため、オーステナイト粒径は比較的微細にすることができる。上記、高周波焼入の後に焼戻を行う。図７の場合は、１８０℃というやや高い温度にする。この焼戻温度を高めにすることによっても残留オーステナイトの分解量を増やして、残留オーステナイト量を減らすことができる。

図８では、１５０ｋＨｚという高い周波数を用いるので、電力が浸透する深さは図７の場合よりも浅くなり、図１または図２に示す高周波焼入層を形成するのに適している。この場合、最高温度までは１.０秒という短時間で加熱する。焼戻温度は、高周波焼入の条件が残留オーステナイトを抑制する条件であるため、１６０℃という低目の温度にする。

上記のように、焼戻条件を含む高周波焼入条件を調整することにより、任意の形状および任意の残留オーステナイト量の高周波焼入層を形成することができる。このような製造条件を目標とする残留オーステナイト量、硬さまたは寸法変化率、硬さとなるように設定する。この結果、高温環境で使用して高耐久性を示す軸受を提供することが可能になる。

図９は、上記のロッカーアーム用軸受において、ころを含まず、外輪と内輪である転動軸とが接触するタイプの滑り軸受を示す図である。このような軸受１０において、転動軸１の高周波焼入層を上記の範囲に設定することにより、高温環境で高い耐久性を確保できる軸受を提供することができる。

（実施の形態２）
図１０は、本発明の実施の形態２における軸受を示す図である。このＡＴミッション５０に用いられる遊星歯車の軸受である。図１０において、この軸受は、遊星歯車である外輪４２と、内輪である転動軸４８と、外輪と転動軸との間に介在するころ４６とを含む。外輪４２に設けた歯車の歯は、太陽歯車軸４１に固定されその太陽歯車軸と連動する太陽歯車と、互いにかみ合うように配置される。内輪４８は、その端部においてかしめ加工され、キャリア４４に固定される。

図１０に示す転動軸は、ＪＩＳＧ４８０５ ＳＵＪ２（Ｃ：０.９５〜１.１０重量％、Ｓｉ：０.１５〜０.３５重量％、Ｍｎ：０.５０重量％、Ｐ：０.０２５重量％以下、Ｓ：０.０２５重量％以下、Ｃｒ：１.３０〜１.６０重量％）を用いて形成されている。この転動軸用の鋼素材はＳＵＪ２に限定されず、たとえばＳ５３ＣやＳＫ５などを用いてもよい。

上記の遊星歯車の転動軸４８の高周波焼入層では、高周波焼入処理（焼戻を含む）を行ったあと、その表面における硬度はＨＲＣ５９〜６５の範囲に調整され、表面の残留オーステナイト量を３０％以下とする。

上記遊星歯車の転動軸４８は、上記残留オーステナイト量に関係なく、高周波焼入層の表面における硬度をＨＲＣ５９〜６５とし、その転動軸の２３０℃に２時間保持したあとの寸法変化率を５×１０^-4以下とすることができる。この寸法変化率は未使用の転動軸に対して適用される。

上記の転動軸を用いることにより、高温環境下での過酷な使用条件においても耐久性を有する遊星歯車用軸受を確保することができる。

上述した実施の形態を含めて、本発明の実施の形態の変形例を羅列的に説明する。

上記の転動軸では、軸受以外の他の部材に、かしめ加工により固定されるための端部が高周波焼入層に含まれない。

端部は硬度が低いため容易にかしめ加工することができる。

ロッカーアーム用のローラフォロア軸受であって、転動軸における前記ロッカーアームにかしめ加工により固定するための両端部が前記高周波焼入層に含まれないようにできる。

この構成により、高温での耐久性に優れ、かしめ加工も容易なロッカーアーム用軸受を提供することができる。

ＣＶＴ、ＡＴミッションなどのトランスミッションの遊星歯車用の軸受であって、転動軸においてキャリアにかしめ加工により固定するための両端部が高周波焼入層に含まれないようにできる。

この構成により、高温での耐久性に優れ、かしめ加工も容易なＡＴミッションの遊星歯車用軸受を提供することができる。

上記の転動軸は、さらに窒素富化層を有することができる。

この構成により、表面の残留オーステナイトを容易にマルテンサイト変態しないように安定化することができ、変形防止に役立つ。また非常に過酷な応力条件下でマルテンサイト変態する場合は転動疲労に対する耐久性を向上させる。

上記軸受において、内輪である転動軸は、外輪との間に転動体を介在させず該外輪と接するタイプの滑り軸受であってもよい。

上記のように、滑りタイプのローラフォロアでは、局部的な面圧増加を防ぐことができ、摩耗、かじり等を防ぐことができる。

今回開示された実施の形態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。本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。

本発明の軸受を用いることにより、高温環境の過酷な使用条件下であっても、寸法変化の小さい転動軸を含む信頼度の高い軸受を提供できるので、自動車用のロッカーアームの軸受や、ＣＶＴ、ＡＴミッションなどのトランスミッションの遊星歯車用軸受を中心に広範に利用されることが期待される。

本発明の実施の形態１におけるロッカーアーム用軸受の一例を示す図である。 本発明の実施の形態１におけるロッカーアーム用軸受の他の例を示す図である。 本発明の実施の形態１におけるロッカーアーム用軸受の別の例を示す図である。 図１に示す転動軸の使用後の形状を示す図である。 図２に示す転動軸の使用後の形状を示す図である。 図３に示す転動軸の使用後の形状を示す図である。 本発明の実施の形態１における高周波焼入れのヒートパターンと焼戻のヒートパターンの一例を示す図である。 本発明の実施の形態１における高周波焼入れのヒートパターンと焼戻のヒートパターンの他の例を示す図である。 本発明の実施の形態１におけるロッカーアーム用軸受の変形例である滑り軸受を示す図である。 本発明の実施の形態２におけるＡＴミッションの遊星歯車の軸受を示す図である。

符号の説明

１ 転動軸（内輪）、１ａ 高周波焼入層、１ｂ かしめ加工部、３ ころ（転動体）、５ ロッカーアーム部、１０ ロッカーアーム用軸受、４１ 太陽歯車軸、４２ 外輪、４４ キャリア、４６ ころ（転動体）、４８ 転動軸（内輪）、５０ ＡＴミッション。

Claims (8)

1. 内輪である高炭素クロム軸受鋼を用いて形成された転動軸を含み、その転動軸に周波数５０ｋＨｚ、加熱温度８５０〜９００℃、最高温度までの加熱時間１．２秒の高周波焼入処理の後に焼戻温度１８０℃、焼戻時間２時間で焼戻を行なう、または、転動軸に周波数１５０ｋＨｚ、加熱温度８５０〜９００℃、最高温度までの加熱時間１．０秒の高周波焼入処理の後に焼戻温度１６０℃、焼戻時間２時間で焼戻を行なう軸受において、前記転動軸の高周波焼入層の表面における硬度をＨＲＣ５９〜６５とし、その表面における残留オーステナイト量を３０％以下とする、軸受。
2. 内輪である高炭素クロム軸受鋼を用いて形成された転動軸を含み、その転動軸に周波数５０ｋＨｚ、加熱温度８５０〜９００℃、最高温度までの加熱時間１．２秒の高周波焼入処理の後に焼戻温度１８０℃、焼戻時間２時間で焼戻を行なう、または、転動軸に周波数１５０ｋＨｚ、加熱温度８５０〜９００℃、最高温度までの加熱時間１．０秒の高周波焼入処理の後に焼戻温度１６０℃、焼戻時間２時間で焼戻を行なう軸受において、前記転動軸の高周波焼入層の表面における硬度をＨＲＣ５９〜６５とし、その転動軸の２３０℃、２時間保持後の寸法変化率を５×１０^−４以下とする、軸受。
3. 前記転動軸において、前記軸受以外の他の部材にかしめ加工により固定するための端部が前記高周波焼入層に含まれない、請求項１または２に記載の軸受。
4. ロッカーアーム用のローラフォロア軸受であって、前記転動軸において前記ロッカーアームにかしめ加工により固定するための両端部が前記高周波焼入層に含まれない、請求項３に記載の軸受。
5. トランスミッションの遊星歯車用の軸受であって、前記転動軸においてキャリアにかしめ加工により固定するための両端部が前記高周波焼入層に含まれない、請求項３に記載の軸受。
6. 前記転動軸は、さらに窒素富化層を有する、請求項１〜５のいずれかに記載の軸受。
7. 前記軸受において、前記内輪である転動軸は、外輪との間に転動体を介在させず該外輪と接するタイプの滑り軸受である、請求項１〜６のいずれかに記載の軸受。
8. 前記高炭素クロム軸受鋼は、ＪＩＳ規格ＳＵＪ２である、請求項１〜７のいずれかに記載の軸受。

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