JP4475985B2 - ジョイント用爪付き転動軸 - Google Patents

Description

この発明は、各種の用途、例えばブレーキアクチュエータ等に使用され、軸受によって回転自在に支持され、外径面の一部が針状ころ軸受の転走面となるジョイント用爪付き転動軸に関する。

ブレーキアクチュエータ等に使用されて軸受によって回転自在に支持され、針状ころ軸受の転走面を有する転動軸としては、軸の形状やコスト面を考慮して、機械構造用中炭素鋼（Ｓ５３Ｃ等）に高周波熱処理を行い、針状ころ軸受のころが転走する転走面等の硬さの必要な部分のみを硬化させたものが使用されている。
この他に、軸受に対し軸の転走面の剥離が早期に起こる場合は、高炭素クロム軸受鋼（ＳＵＳ２等）に高周波熱処理、光輝熱処理、浸炭窒化処理を行ったり、機械構造用マンガン鋼（ＳＭｎ４２０等），マンガンクロム鋼（ＳＭｎＣ４２０等），クロム鋼（ＳＣｒ４２０等），クロムモリブデン鋼（ＳＣＭ４１５等），ニッケルクロム鋼（ＳＮＣ４１５等），ニッケルクロムモリブデン鋼（ＳＮＣＭ４２０等）に、高周波熱処理，浸炭熱処理（高濃度浸炭を含む），浸炭窒化処理等を行う。

また、最近、ブレーキアクチュエータ等の部品は、小型化、軽量化、省スペース化および低コスト化が要求されており、軸同士の連結を行うジョイント部分も、カップリング等は使用せず、軸の一端にジョイント用爪部を形成し、軸同士を直接に連結するものも使用され始めている。

上記ジョイント部分に要求されている小型化、軽量化、省スペース化、および低コスト化が、転動軸を支持する軸受の周辺にも要求されてきている。
このため、軸受についても小型・軽量化に伴う長寿命化仕様の軸受が使用され始め、軸受と同様に転動軸にも長寿命化仕様のものが必要とされている。
軸の転動疲労寿命を向上させるためには、表面の硬さを硬くし（ＨＲＣ６０以上）、かつＣｒ等の材料に含まれる合金成分や、Ｃ，Ｎ等の熱処理により侵入する成分も必要不可欠となる。

しかし、これら転動疲労寿命を向上するのに必要な要因は、材料のねじり強度等の静的破壊強度を劣化させる要因となる。
したがって、ブレーキアクチュエータ等に使用され、ころ転走面を有するジョイント用爪付き転動軸は、転走面の長寿命化とジョイント用爪部のねじり強度向上が必要とされている。

この発明の目的は、転走面の長寿命化と、ジョイント用爪部のねじり強度を向上との相反する２つの要求を満足できるジョイント用爪付き転動軸を提供することである。

この発明のジョイント用爪付き転動軸は、端部にジョイント用爪部を有し軸受によって回転自在に支持され、外径面の一部が針状ころ軸受のころの転走面となる鋼製のジョイント用爪付き転動軸において、転動軸の全体に表面硬化のための熱処理を施した後、ジョイント用爪部に高周波焼戻しを行ったものであることを特徴とする。
この構成によると、転動軸の全体に表面硬化のための熱処理を施したため、軸の転走面の長寿命化が得られる。しかし、熱処理により表層部の炭素濃度や窒素濃度が高いため、このままではジョイント用爪部のねじり強度は、例えば、機械構造用中炭素鋼（Ｓ５３Ｃ）に高周波熱処理を行ったものと比較すると低い。よって、前記熱処理後に、ジョイント爪部に高周波焼戻しを行うことにより、ジョイント用爪部の靭性が高まり、ジョイント用爪部のねじり強度が向上する。また、高周波焼戻しは局部的な処理が行えるため、軸の転走面への影響が避けやすい。

転動軸の材料となる鋼に含まれる合金元素としては、Ｃ（炭素）が０．１〜１．２ｗｔ％、Ｃｒ（クロム）が０．２〜２．０ｗｔ％含まれる。
炭素は、０．１ｗｔ％未満では表面硬さをＨＲＣ６０以上とする熱処理を実施するのに、熱処理工程が複雑になり、処理時間が長く、コストが高くなる。また、その他の合金成分、例えば転動疲労寿命向上に効果があるＣｒ等を含む鋼が一般的に無く、材料自体の入手が困難である。１．２ｗｔ％を超えると鋼中に巨大な炭化物（１０μｍ以上）が生成されやすくなり、転動疲労寿命を低下させ、かつ、ジョイント用爪部のねじり強度を低下させる。 Ｃｒは、０．２ｗｔ％未満では転動疲労寿命向上に実質的に効果が無い。２．０ｗｔ％を超えるとクロムの炭化物を多く形成し、ジョイント用爪部のねじり強度を低下させる。

なお、転動軸の全体に表面硬化のために行う熱処理としては、例えば、鋼が高炭素クロム軸受鋼（ＳＵＪ２等）である場合は、光輝熱処理または浸炭窒化処理としても良く、また鋼が機械構造用クロムモリブデン鋼（ＳＣＭ４１５等）である場合は、浸炭熱処理（高濃度浸炭を含む）または浸炭窒化処理としても良い。

この発明のジョイント用爪付き転動軸は、表層部に窒素富化層を有する。
表層部に窒素富化層を有する場合、窒素富化層が無い場合と比べ、繰返し応力に対する疲労寿命が向上し、延いては転動疲労寿命も向上するという利点が得られる。

この発明において、ジョイント用爪部の表面硬さがＨＶ５２０〜６８０である。表面硬さの下限はＨＶ５３０以上であることがより好ましい。
ジョイント用爪部の表面硬さがＨＶ６８０を超えると、表面硬度が高いためにジョイント用爪部のねじり強度が低く、またＨＶ５２０未満であると、表面硬度が低いために爪部の内部の塑性流動または表面の塑性変形によって爪部に永久変形が発生する。したがってジョイント用爪部の表面硬さは、ＨＶ５２０〜６８０の範囲が好ましい。

この発明のジョイント用爪付き転動軸は、端部にジョイント用爪部を有し軸受によって回転自在に支持され、外径面の一部が針状ころ軸受のころの転走面となる鋼製のジョイント用爪付き転動軸において、転動軸の全体に表面硬化のための熱処理を施した後に、ジョイント用爪部に高周波焼戻しを行ったものであり、材料となる鋼に含まれる合金元素として、炭素を０．１〜１．２ｗｔ％、クロムを０．２〜２．０ｗｔ％含み、表層部に窒素富化層を有し、ジョイント用爪部の表面硬さがＨＶ５２０〜６８０であるため、転走面の長寿命化と、ジョイント用爪部のねじり強度を向上という相反する２つの要求を満足できるものとなる。

この発明の第１の実施形態を図１ないし図３と共に説明する。このジョイント用爪付き転動軸１は、一端にジョイント用爪部２を有し、複数の軸受４によって回転自在に支持される鋼製のものであり、外径面における長さ方向の一部が、針状ころ軸受５のころ６が転走する転走面３となる。針状ころ軸受５は、外輪７内にその内径面を転走する複数のころ６を配置し、これら複数のころ６を保持器８で保持したものである。外輪７は、ローラとして用いられるものであっても、またハウジング（図示せず）等に固定されるものであっても良い。
転走面３は、ジョイント用爪付き転動軸１の他の部分と同心で同径のものであっても、また偏心軸となった部分（図示せず）の外径面であっても良い。転走面３は、ころ６の長さよりも軸方向に若干広い範囲とされる。転走面３は、ジョイント用爪付き転動軸１の１箇所のみに設けられていても、また複数箇所に設けられていても良い。
軸受４は、深溝玉軸受等の転がり軸受である。軸受４は、内輪１１および外輪１２の間に転動体１３が介在したものであり、内輪１２がこのジョイント用爪付き転動軸１の外径面に嵌合する。軸受４の外輪１２はハウジング（図示せず）の内面に嵌合する。

ジョイント用爪部２は、図２のように他の軸９と回転伝達等のために連結される部分であり、転動軸１の一端に形成した平坦部分とされている。図２の例では、ジョイント用爪部２は、他の軸９の端部に設けられたスリット１０に嵌合するものとされる。ジョイント用爪部２は、図２の例の他に、例えば同図の例のような平坦部分とされて、その平坦部分の先端に切欠（図示せず）が設けられたものであっても、また断面が正方形状等に形成された部分であっても良い。

ジョイント用爪付き転動軸１の材質およびその熱処理例を説明する。ジョイント用爪付き転動軸１の材料は鋼であり、例えば高炭素クロム軸受鋼（ＳＵＪ２等）、または機械構造用クロムモリブデン鋼（ＳＣＭ４１５等）等とされる。ジョイント用爪付き転動軸１の材料となる鋼は、これに含まれる合金元素として、炭素を０．１〜１．２ｗｔ％、クロムを０．２〜２．０ｗｔ％含むものであることが好ましい。
このジョイント用爪付き転動軸１は、素材から図１のような完成品形状または略完成品形状に機械加工や塑性加工によって形成された後、図３に工程図を示すように、各熱処理を施す。

まず、ジョイント用爪付き転動軸１の全体に表面硬化のための熱処理を施す（ステップＳ１）。熱処理後の表面硬さはＨＲＣ６０以上とすることが好ましい。この表面硬化のための熱処理は、例えば、光輝熱処理、浸炭熱処理（高濃度浸炭を含む）、または浸炭窒化処理等である。
材質との関係で好ましい熱処理形態を示すと、鋼が高炭素クロム軸受鋼（ＳＵＪ２等）である場合は、光輝熱処理または浸炭窒化処理が好ましい。鋼が機械構造用クロムモリブデン鋼（ＳＣＭ４１５等）である場合は、浸炭熱処理（高濃度浸炭を含む）または浸炭窒化処理が好ましい。
この軸全体の熱処理（Ｓ１）の後、ジョイント用爪部２（図１）の高周波焼戻しを行う（Ｓ２）。高周波焼戻し後のジョイント用爪部の表面硬さは、ＨＶ５２０〜６８０の範囲が好ましい。表面硬さの下限は、ＨＶ５３０以上とすることが好ましい。これによりジョイント用爪付き転動軸１が完成する。

この構成のジョイント用爪付き転動軸１によると、表面硬化のための熱処理を施したため、転走面３の長寿命化が得られる。しかし、この状態では、合金成分としてＣｒ等が入っており、表層部は炭素濃度や窒素濃度が高いため、このままではジョイント用爪部２のねじり強度は、例えば機械構造用中炭素鋼に高周波熱処理を行ったものと比較すると低くなる。しかし、ジョイント用爪部２には高周波焼戻しを施すため、ジョイント用爪部２の靱性が高まり、ねじり強度が向上する。これにより、転走面３の長寿命化と、ジョイント用爪部２のねじり強度の向上との２つの相反する要求を満足することができる。

転動軸の材料となる鋼に含まれる合金元素としては、上記のようにＣ（炭素）が０．１〜１．２ｗｔ％、Ｃｒ（クロム）が０．２〜２．０ｗｔ％含まれるのとしているため、次の利点が得られる。
炭素は、０．１ｗｔ％未満では表面硬さをＨＲＣ６０以上とする熱処理を実施するのに、熱処理工程が複雑になり、処理時間が長く、コストが高くなる。また、その他の合金成分、例えば転動疲労寿命向上に効果があるＣｒ等を含む鋼が一般的に無く、材料自体の入手が困難である。１．２ｗｔ％を超えると鋼中に巨大な炭化物（１０μｍ以上）が生成されやすくなり、転動疲労寿命を低下させ、かつ、ジョイント用爪部のねじり強度を低下させる。Ｃｒは、０．２ｗｔ％未満では転動疲労寿命向上に実質的に効果が無い。２．０ｗｔ％以上を超えるとクロムの炭化物を多く形成し、ジョイント用爪部のねじり強度を低下させる。これらの問題が、ＣおよびＣｒを上記の範囲で含むことで解消される。

このジョイント用爪付き転動軸１は、表層部に窒素富化層を有するものであっても良い。窒素富化層は、ジョイント用爪付き転動軸１の全体の表層部に有するものでっても、また転走面３の部分のみに有するものであっても良い。
表層部に窒素富化層を有する場合、窒素富化層が無い場合と比べ、繰返し応力に対する疲労寿命が向上し、延いては転動疲労寿命も向上するという利点が得られる。

ジョイント用爪部２の表面硬さは、硬すぎても好ましくないが、表面硬さおよび内部硬さがある硬さ以下になると、ねじりを加えたときに爪部２が塑性変形を起こし、爪部２の永久変形を発生させ、ジョイント用爪部２としての機能を果たさなくなる。そのため、ジョイント用爪部の表面硬さは、上記のＨＶ５２０〜６８０の範囲が好ましい。

次に、ねじり強度および転動寿命についての試験例を説明する。各供試体は、図１の例において、転走面３をジョイント用爪付き転動軸１の一般部分よりも大径の偏心部分としたものである。また、ジョイント用爪部２は、先端に切欠を有するものである。
供試体となる実施例品としては、転走面の長寿命化として、代表的な高炭素クロム軸受鋼（ＳＵＪ２）に浸炭窒化処理を行い、その後、ジョイント用爪部に高周波焼戻しを行ったもの（実施例品（１））と、機械構造用クロムモリブデン鋼（ＳＣＭ４１５）に浸炭窒化処理を行い、その後、ジョイント用爪部に高周波焼戻しを行ったもの（実施例品（２））とを製作した。
比較例品としては、機械構造用中炭素鋼（Ｓ５３Ｃ）に高周波熱処理を行ったもの（比較例品（１）と、高炭素クロム軸受鋼（ＳＵＪ２）に浸炭窒化処理を行ったものとを製作した。各比較例品の形状，寸法は実施例品と同じである。
供試体の個数は各５０個とした。

ねじり試験の試験機には、図５，図６に示すねじり試験機を用いた。この試験機は、図６のように供試体となるジョイント用爪付き転動軸１の一端をチャック２１で把持し、ジョイント用爪部２を対向側のチャック２２のスリット２２ａに嵌合させ、ねじり負荷を与えるものである。転動軸１の爪無し側端には、図５のようにモータ２３より減速機２４を介して回転トルクを負荷する。爪部２を嵌合させたチャック２２は、支持体２５で回転および軸方向移動自在に支持しておき、チャック軸２６に固定したアーム２７と固定台２８との間にロードセル２９を介在させて回転止めする。また、チャック２２の軸方向移動を検出するレーザ変位測定器３０が設けてある。レーザ変位測定器３０の測定値は回転角度（Ｘ値）として、またロードセル２９の検出値はストレインアンプ３１を介してトルク値（Ｙ値）としてＸＹレコーダに入力され、記録される。

試験条件は、上記試験機において、回転速度０．０２ｒ／ｍｉｎで、ジョイント用爪付き転動軸１にチャック２１側からトルクを負荷した。

寿命試験については、その条件を、荷重：２ｋＮ、回転速度：６０００ｒ／ｍｉｎ、潤滑油：ブレーキフルード、として行った。

両試験の結果を表１にまとめて示す。表面硬さの測定位置は、ジョイント用爪部におけるせん断応力が大きくなる箇所であり、爪部の先端面から０．５mmの位置とした。供試体となるジョイント用爪付き転動軸の爪部は、先端面に直径が爪幅の３／１程度の半円状の切欠（図示せず）を有するものであり、詳しくはその切欠の底から０．５mm離れた位置を表面硬さの測定位置とした。
各供試体の爪部のねじり強度は、その供試体個数（５０個）の平均である。
寿命比は、比較例品（１）の寿命を「１」として、その倍率で示した。

表１より、実施例品（１），（２）は、各々ねじり強度が４４Ｎ・ｍ，３６Ｎ・ｍであって、ジョイント用爪部として必要なねじり強度が確保でき、また寿命比も各々「３．２」、および「２．６」と優れていることがわかる。比較例品（１）は、ねじり強度は３８Ｎ・ｍであり満足できるが、寿命比が「１」であり、不十分であった。比較例品（２）は寿命比が「３．２」と優れているが、ねじり強度が２４Ｎ・ｍと不十分であった。
この結果に示されるように、従来品（比較例品（１），（２））は、ねじり強度と寿命とのいずかが満足できないものであったが、実施例品は、ねじり強度と寿命との両方が満足できるものとなることがわかる。

図７は、上記実施例品（１）となる高炭素クロム軸受鋼（ＳＵＪ２）に浸炭窒化処理を施し、その後にジョイント用爪部２の高周波焼戻しを行ったジョイント用爪付き転動軸１について、表面硬さを種々変えた試験例のねじり強度の測定結果を示す。
図中のプロット点を●で示す各例は、高周波焼戻し温度が低く、表面硬さが高いため、ジョイント用爪部のねじり強度が低い。また、▲で示す各例は、高周波焼戻温度が高く、表面硬さが低いため、爪部内部の塑性流動または表面の塑性変形により爪部に永久変形が発生した。
よって、この実施形態の適用範囲は、表面硬さがＨＶ５２０〜６８０の範囲が最適であった。

図５は、この発明の他の実施形態を示す。この実施形態は、図１ないし図３に示した第１の実施形態において、転走面３の高周波熱処理（Ｓ３）を加えたものである。高周波熱処理（Ｓ３）としては、高周波焼入れを行い、さらに炉焼戻しを行う。
最初に行うジョイント用爪付き転動軸１の全体の表面硬化のための熱処理は、後の高周波熱処理（Ｓ３）を考慮して、表面硬さを低い値までとすれば良い。

この実施形態の場合、ジョイント用爪部の高周波焼戻しの際に、転走面に焼戻しの影響が及んでも、転走面となる軸表面部分に高周波熱処理を施すことで、表面硬度を再度高めることができ、より一層転動寿命の長いものとできる。

この発明のジョイント用爪付き転動軸は、例えば、ブレーキアクチュエータや、一般産業機械等の転動軸に適用することができる。

この発明の第１の実施形態にかかるジョイント用爪付き転動軸の正面図である。 そのジョイント用爪部とこれに連結する軸の部分斜視図である。 同ジョイント用爪付き転動軸の熱処理の工程説明図である。 この発明の他の実施形態にかかるジョイント用爪付き転動軸の熱処理の工程説明図である。 ねじり試験機の構成説明図である。 そのジョイント用爪付き転動軸をチャックする部分の斜視図である。 ねじり強度の試験結果のグラフである。

符号の説明

１…ジョイント用爪付き転動軸
２…ジョイント用爪部
３…転走面
４…軸受
５…針状ころ軸受
６…ころ

Claims (1)

1. 端部にジョイント用爪部を有し軸受によって回転自在に支持され、外径面の一部が針状ころ軸受のころの転走面となる鋼製のジョイント用爪付き転動軸において、転動軸の全体に表面硬化のための熱処理を施した後に、ジョイント用爪部に高周波焼戻しを行ったものであり、材料となる鋼に含まれる合金元素として、炭素を０．１〜１．２ｗｔ％、クロムを０．２〜２．０ｗｔ％含み、表層部に窒素富化層を有し、ジョイント用爪部の表面硬さがＨＶ５２０〜６８０であることを特徴とするジョイント用爪付き転動軸。

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