JP4811072B2

JP4811072B2 - ピニオンシャフト

Info

Publication number: JP4811072B2
Application number: JP2006078151A
Authority: JP
Inventors: 幸一山本; 浩道武村
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2006-03-22
Filing date: 2006-03-22
Publication date: 2011-11-09
Anticipated expiration: 2026-03-22
Also published as: JP2007255485A

Description

この発明は、プラネタリギヤ装置のサンギヤおよびリングギヤに螺合するピニオンギヤを、転動体を介して回転自在に支持するピニオンシャフトに関する。

ラジアルニードル軸受では、軸の面を内輪軌道面として使用する（すなわち、軸に転動体である針状ころを転がり接触させる）ことが多い。例えば、自動車用オートマチックトランスミッションの遊星歯車機構（プラネタリギヤ装置）では、ピニオンシャフトの長さ方向中央部の外周面が内輪軌道面に、ピニオンギヤの内周面が外輪軌道面になっており、ピニオンシャフトとピニオンギヤの間に多数の針状ころが配置されている。

このようなラジアルニードル軸受の軸は、転がり疲労特性を向上することと、衝撃荷重が大きい場合であっても塑性変形を生じ難くすることが課題となっている。この課題を解決するために、下記の特許文献１には、ラジアルニードル軸受の内輪を兼ねる軸（転動軸）を、０．５〜１．２ｗｔ％の炭素を含有する鋼で構成するとともに、芯部の残留オーステナイト量を０とし、表面層の窒素含有率を０．０５〜０．４ｗｔ％とし、表面層の硬さをＨｖ６５０以上とし、表面層の残留オーステナイト量を１５〜４０ｖｏｌ％とすることが開示されている。

また、この文献には、前記構成の軸の製造方法として、浸炭窒化後に焼入れ・調質（高温焼戻し）を施して、軸の全体の硬さをＨｖ３００〜５００（望ましくはＨｖ４００〜５００）にし、次いで高周波焼入れと焼戻しを行って表層部の硬さをＨｖ６５０以上にする方法が記載されている。この方法では、芯部の残留オーステナイト量が０となり、芯部の硬さがＨｖ３００〜５００（望ましくはＨｖ４００〜５００）となる。
特開２００２−４００３号公報

近年、遊星歯車機構の使用条件は、高荷重（例えば４０００Ｎ以上）、高速回転（例えば８０００ｍｉｎ^-1以上）、高温（例えば１２０℃以上）、低潤滑油量（例えば、１ピニオン当たり供給量３０ｍｌ／ｍｉｎ以下）等のように過酷になってきており、このような過酷な条件での寿命が長いことが求められているが、特許文献１に記載の技術では不十分である。
本発明の課題は、このような過酷な条件での寿命が長いピニオンシャフトを提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明は、プラネタリギヤ装置のサンギヤおよびリングギヤに螺合するピニオンギヤを、転動体を介して回転自在に支持するピニオンシャフトであって、「ＪＩＳＧ４８０５」で規定されているＳＵＪ１〜ＳＵＪ５のいずれかの鋼材を所定形状に加工した後、浸炭窒化、焼入れ、第１の焼戻し、転動体の軌道面となる部分への高周波焼入れ、第２の焼戻しをこの順に行うことにより製造され、第１の焼戻し温度は２５０〜５００℃の範囲であり、第２の焼戻し温度は１５０〜１８０℃の範囲であり、前記軌道面の表層部（表面から深さ１００μｍまでの部分）は、炭素含有率が０．９７質量％以上１．８質量％以下、窒素含有率が０．０５質量％以上０．５質量％以下であり、硬さがビッカース硬さ（Ｈｖ）で６５０以上９００以下、残留オーステナイトが２０体積％以上４５体積％以下になっており、高周波焼入れにより形成された硬化層の深さ（ｄ）がシャフトの直径（Ｄ）の３．０％以下であり（ｄ／Ｄ≦０．０３０を満たしており）、芯部は、硬さがビッカース硬さ（Ｈｖ）で６５０以上７５０以下であり、残留オーステナイトが０になっていることを特徴とするピニオンシャフトを提供する。

なお、プラネタリギヤ装置のサンギヤおよびリングギヤに螺合するピニオンギヤを、転動体を介して回転自在に支持するピニオンシャフトの製造方法であって、「ＪＩＳＧ４８０５」で規定されているＳＵＪ１〜ＳＵＪ５のいずれかの鋼材を所定形状に加工した後、浸炭窒化、焼入れ、第１の焼戻し、転動体の軌道面となる部分への高周波焼入れ、第２の焼戻しをこの順に行い、第１の焼戻し温度は２５０〜５００℃の範囲とし、第２の焼戻し温度は１５０〜１８０℃の範囲とし、前記軌道面の表層部（表面から深さ１００μｍまでの部分）は、炭素含有率を０．９７質量％以上１．８質量％以下、窒素含有率を０．０５質量％以上０．５質量％以下、硬さをビッカース硬さ（Ｈｖ）で６５０以上９００以下、残留オーステナイトが２０体積％以上４５体積％以下に、芯部は、硬さをビッカース硬さ（Ｈｖ）で４５０以上７５０以下、残留オーステナイトを０にすることを特徴とするピニオンシャフトの製造方法で製造されるピニオンシャフトは、下記の構成(1) 〜(6) を満たす。
(1) 「ＪＩＳＧ４８０５」で規定されているＳＵＪ１〜ＳＵＪ５のいずれかの鋼材を所定形状に加工した後、浸炭窒化、焼入れ、第１の焼戻し、転動体の軌道面となる部分への高周波焼入れ、第２の焼戻しをこの順に行うことにより製造されたものである。
(2) 第１の焼戻し温度は２５０〜５００℃の範囲であり、第２の焼戻し温度は１５０〜１８０℃の範囲である。第２の焼戻し温度は通常の低温焼戻し温度である。
(3) 前記軌道面の表層部は、炭素含有率が０．９７質量％以上１．８質量％以下、窒素含有率が０．０５質量％以上０．５質量％以下である。
(4) 前記軌道面の表層部は、硬さがビッカース硬さ（Ｈｖ）で６５０以上９００以下、残留オーステナイトが２０体積％以上４５体積％以下になっている。
(5) 芯部の硬さがビッカース硬さ（Ｈｖ）で４５０以上７５０以下になっている。
(6) 芯部の残留オーステナイトが０になっている。

このピニオンシャフトは、所定形状に加工された鋼材（ＳＵＪ１〜ＳＵＪ５のいずれか）に対する熱処理を、浸炭窒化、焼入れ、第１の焼戻し、転動体の軌道面となる部分への高周波焼入れ、第２の焼戻しの順に行うことで得られるが、その際に、第１の焼戻し温度を２５０〜５００℃の範囲で行うことにより、５００℃を超える温度で行った場合と比較して、熱処理後の残留オーステナイトのバラツキを少なくすることができるとともに、高周波焼入れ時の熱変形を小さくすることができる。好ましくは３００〜４５０℃の範囲で行う。

第１の焼戻し温度が５００℃を超えると、焼戻し過程で、Ｆｅ₃Ｃ（セメンタイト）の凝集による粗大化、低炭素マルテンサイト中からのセメンタイトの析出により、マルテンサイトが炭素量の著しく少ないα相（フェライト）に変化し、同様に炭窒化物や窒化物が析出して、α相の窒素濃度が著しく低下する。すなわち、パーライト組織中に固溶している炭素および窒素濃度が著しく低下する。そして、次工程の高周波焼入れ時に、これらの炭化物、炭窒化物、窒化物がオーステナイト相に溶け込み難くなり、その含有率にバラツキが生じることで、熱処理後の残留オーステナイトのバラツキが大きくなるとともに、軸の長さ方向のバラツキが大きくなる。さらに、表層部の残留オーステナイト量を２０体積％以上にできなくなる場合がある。

第１の焼戻し温度が２５０℃未満であると、芯部の残留オーステナイトを０にすることができない。芯部の残留オーステナイトが０であることにより、高温で使用した時に残留オーステナイトが分解して塑性変形が生じることが防止され、ピニオンシャフトの曲がりや膨張が軽減される。その結果、プラネタリギヤ装置（ラジアルニードル軸受）とした時に、ニードルとピニオンシャフトの接触がエッジロード（端部に局所的な面圧が生じる状態）となって転がり寿命が低下することを防止できる。

芯部の硬さがビッカース硬さ（Ｈｖ）で４５０未満であると、ピニオンシャフトの弾性変形による曲がりが大きくなり、プラネタリギヤ装置（ラジアルニードル軸受）とした時に、ニードルとピニオンシャフトの接触がエッジロードとなって、転がり寿命の低下につながる。芯部の硬さがビッカース硬さ（Ｈｖ）で７５０を超えると、ピニオンシャフトとして使用した時に衝撃荷重で折損し難くなるための十分な靱性が得られない。
なお、芯部の硬さがビッカース硬さ（Ｈｖ）で４５０以上であっても、５００℃を超える温度で第１の焼戻しを行った場合には、表層部の残留オーステナイト量が不足する場合や、炭化物や炭窒化物が粗大化する場合がある、という理由で転がり寿命が低下する。

ピニオンシャフトの転動体の軌道面となる部分の表層部の炭素含有率が０．９７質量％未満であると、表層部の残留オーステナイト量が２０体積％未満となる場合がある。前記表層部の炭素含有率が１．８質量％を超えると、粗大炭化物が生成し易くなり、転動寿命を低下させる恐れがある。前記表層部の窒素含有率が０．０５質量％未満であると、微細な炭窒化物が減少し、耐摩耗性が不足する恐れがある。前記表層部の窒素含有率が０．５質量％を超えると、炭窒化物が多くなって加工し難くなり易い。Ｍｓ点が低下し過ぎず、残留オーステナイト量が多くなり過ぎないためには、前記表層部の窒素含有率が０．３質量％以下であることが好ましい。

前記表層部の残留オーステナイトが２０体積％未満であると、プラネタリギヤ装置（ラジアルニードル軸受）とした時の表面起点剥離に対する耐性が不十分となる。前記表層部の残留オーステナイトが４５体積％を超えると、硬さが不十分となり、軌道面として必要な機械的強度が得られない。
前記表層部の硬さがビッカース硬さ（Ｈｖ）で６５０未満であると、軸受として必要な機械的強度が得られない。前記表層部の硬さがビッカース硬さ（Ｈｖ）で９００を超えると、残留オーステナイト２０体積％以上を確保できない。

本発明のピニオンシャフトは、プラネタリギヤ装置のサンギヤおよびリングギヤに螺合するピニオンギヤを、転動体を介して回転自在に支持するピニオンシャフトであって、上記構成(1) 〜(4)(6)および下記の構成(7) (8) を満たすことを特徴とする。
(7) 芯部の硬さがビッカース硬さ（Ｈｖ）で６５０以上７５０以下になっている。
(8) 高周波焼入れにより形成された硬化層の深さ（ｄ）がシャフトの直径（Ｄ）の３．０％以下である（ｄ／Ｄ≦０．０３０を満たしている）。なお、前記構成(4) を満たすための、シャフトの直径に対する硬化層深さの比「ｄ／Ｄ」の下限値は０．００５（ｄがＤの０．５％）である。

この比「ｄ／Ｄ」が大きいほど、ピニオンシャフトの径方向で残留オーステナイトが０でない部分の割合が高くなり、使用中に残留オーステナイト量の分解による塑性変形が大きくなって、ピニオンシャフトが曲がり易くなる。ピニオンシャフトの直径（Ｄ）は７ｍｍ〜２０ｍｍ程度であるため、ｄ／Ｄ≦０．０３０を満たすための硬化層深さ（ｄ）の好ましい上限は０．２１ｍｍ〜０．６０ｍｍ程度となる。

転がり軸受の最大剪断応力は、接触表面から０．０５〜０．２０ｍｍ程度の深さとされており、０．１０ｍｍ以下の深さ位置に亀裂が発生して転がり疲労が生じることが多い。ｄ／Ｄ≦０．０３０を満たしているピニオンシャフトがこの剪断応力を受ける場合、芯部の硬さがＨｖ６５０（ＨＲＣ５８）以上を満たしていると、剪断応力による転がり寿命の低下を抑制できる。

よって、上記構成(1) 〜(4)(6)〜(8) を満たすことにより、剪断応力による転がり寿命の低下を抑制できる。
また、プラネタリギヤ装置のサンギヤおよびリングギヤに螺合するピニオンギヤを、転動体を介して回転自在に支持するピニオンシャフトとして、上記構成(1) 〜(6) および下記の構成(9) 満たすことを特徴とするピニオンシャフトが挙げられる。
(9) 転動体の軌道面となる部分の表層部の硬さから芯部の硬さを差し引いた値がビッカース硬さ（Ｈｖ）で１００以上３００以下である。

この硬さの差がビッカース硬さ（Ｈｖ）で１００未満であると、衝撃荷重で折損し易くなる。３００を超えると、ピニオンシャフトの弾性変形による曲がりが大きくなり、プラネタリギヤ装置（ラジアルニードル軸受）とした時に、ニードルとピニオンシャフトの接触がエッジロードとなって、転がり寿命の低下につながる。

本発明のピニオンシャフトによれば、特許文献１に記載の転動軸と比較して、過酷な条件での寿命が長くなる。

以下、本発明の実施形態について説明する。
ピニオンシャフト用の素材として、ＳＵＪ２とＳＵＪ３からなる棒状素材を用意し，これらを加工して、直径１２．４５ｍｍ、長さ４０ｍｍの軸を得た。この軸（ピニオンシャフト１）は、図１に示すように、軸線に沿って延びる平行路２１と、軸の長さ方向中心位置で、軸の径方向に沿って延びる垂直路２２とからなる油穴２を有する。

次に、各軸に対して、浸炭窒化、焼入れ、第１の焼戻し、転動体の軌道面となる部分への高周波焼入れ、第２の焼戻しの順に、図２に示す熱処理を行った。また、各サンプルで第１の焼戻しの温度を下記の表１に示す値に変えた。第１の焼戻しの保持時間は３Ｈ、第２の焼戻しの保持時間は１．２Ｈとした。
浸炭窒化の雰囲気は、Ｒｘガス＋エンリッチガス＋アンモニアガス（アンモニアガス濃度１〜７vol ％）雰囲気とした。

高周波焼入れは、周波数３０ｋＨｚ、電圧１０ｋＶ、電流１０Ａ、送り速度８〜１５ｍｍ／秒、冷却水量３５リットル／分の条件で行った。また、各サンプルで高周波焼入れ深さ（ｄ）を変えることで、シャフトの直径（Ｄ）に対する比（ｄ／Ｄ）を変えた。
熱処理後のサンプルNo. １〜２７のピニオンシャフトについて、表層部の硬さ（Ｈｖ）および残留オーステナイト量（γ_R）と、芯部の残留オーステナイト量（γ_R）と硬さ（Ｈｖ）を測定した。

これらの結果も下記の表１に示す。
また、表層部（表面から深さ１００μｍまでの部分）の炭素含有率と窒素含有率を測定したところ、炭素含有率は１．１〜１．５質量％であり、窒素含有率は０．１〜０．２質量％であった。。
また、各サンプルのピニオンシャフト１を組み込んだプラネタリギヤ装置を、図１に示す試験機にかけて下記の条件で転がり疲れ寿命試験を行った。

この試験機は、ピニオンシャフト１の一端を固定する一方のキャリア３を回転させる回転軸４と、サンギヤ５の回転軸６を回転自在に支持する支持構造７を備えている。ピニオンシャフト１の他端は他方のキャリア８に固定される。キャリア３とその回転軸４はボルト４３により固定されている。キャリア３と回転軸４には、ピニオンシャフト１の油穴２に通じる油穴３１，４１が形成されている。

ピニオンシャフト１とピニオンギヤ１１との間に、針状ころ１２とこれを保持する保持器１３が配置されている。サンギヤ５とピニオンギヤ１１が螺合している。ピニオンシャフト１の両端のキャリヤ８，３とピニオンギヤ１１との間の部分に、ワッシャー９１，９２が取り付けられている。
ピニオンギヤ１１と針状ころ１２はＳＵＪ２製で、ずぶ焼き後に焼戻し処理がなされた通常品を使用した。針状ころ１２の直径は３．０ｍｍとした。

なお、潤滑油は、油路４１，３１，２を介してピニオンシャフト１とピニオンギヤ１１の間に供給し、ピニオンシャフト１、ピニオンギヤ１１、針状ころ１２のいずれかに破損が生じた時点までの回転時間を「転がり寿命疲れ寿命」とした。また、ＳＵＪ２からなる素材を用い、熱処理として、８２０℃での「ずぶ焼き」後に２００℃で焼戻しを行って得られた通常品のピニオンシャフト（表層部の硬さＨｖ７３８、表層部の残留オーステナイト９、芯部の硬さＨｖ７２５、芯部の残留オーステナイト１０）を用いて同じ試験を行い、その時の「転がり寿命疲れ寿命」を「１」とした時の寿命比を算出した。
＜回転試験条件＞
ピニオンシャフトの自転速度：１００００ｍｉｎ^-1
基本動定格荷重（Ｃ）：１５７００Ｎ
基本静定格荷重（Ｃ０）：１５４００Ｎ
ラジアル荷重：５０００Ｎ
計算寿命：Ｌ₁₀＝７６時間
Ｐ／Ｃ＝０．３２
潤滑油：ＡＴＦ
油温度：１００℃
潤滑油供給量：１０ｍｌ／ｍｉｎ

また、No. １〜２７のピニオンシャフトと前述の通常品のピニオンシャフトについて、アムスラー試験機を用いた折損試験を行った。具体的には、ピニオンシャフトの両端をＶブロックで固定し、ピニオンシャフトの中央に固定用キーを置いて瞬時に力を加え、ピニオンシャフトが破損する時の荷重を測定して「折損荷重」とした。また、各サンプルの荷重測定値について、通常品のピニオンシャフトの値を「１」とした比を算出した。
これらの結果も下記の表１に併せて示す。

この表から、本発明の実施例に相当する、前記構成(1) 〜(6) を満たすサンプルNo. ２〜５，７〜１０，１５〜１９，２１〜２５のピニオンシャフトは、寿命比が３．５〜７．９で、折損荷重比が２．０〜３．８であったのに対して、比較例に相当する、前記構成(1) 〜(6) を満たさないサンプルNo. １，６，１１〜１４，２０，２６，２７は、寿命比が１．４〜２．６で、折損荷重比が１．４〜４．９であった。なお、No. １２は特許文献１の転動軸に相当する。

また、本発明の実施例のうち、前記構成(1) 〜(4)(6)〜(8) を満たすサンプルNo. ３、１６、１８、１９は寿命比が６．３〜７．９であり、特に寿命が長いことが分かる。
また、本発明の実施例のうち、前記構成(9) を満たすサンプルNo. ２〜５、７，８，１５〜１９，２１〜２３は寿命比が３．７〜７．９であり、前記構成(9) を満たさないサンプルNo. ９，１０，２４，２５よりも寿命が長いことが分かる。

また、サンプルNo. ２〜５，７〜１０，１５〜１９，２１〜２６の結果を、寿命（比）と第１の焼戻し温度との関係で表したグラフを図３に示す。No. ２６は前記構成(1) (3) 〜(6) を満たすが前記構成(2) の「第１の焼戻し温度５００℃以下」を満たさない例である。このグラフから、５００℃を超える温度で第１の焼戻しを行ったピニオンシャフトは、プラネタリギヤ装置とした時に、上述の過酷な条件で十分な寿命が得られないことが分かる。

〔表層部の残留オーステナイト量のバラツキについて〕
第１の焼戻し温度の違いによる、表層部の残留オーステナイト量のバラツキの違いを調べた。先ず、前記と同じ方法でピニオンシャフトを作製する際に、第１の焼戻し温度を、ＳＵＪ２からなる素材を用いたものについては３００℃、４８０℃、５２０℃の各温度で行い、ＳＵＪ３からなる素材を用いたものについては２５０℃、４５０℃、６７０℃の各温度で行った。各条件のものを１００本ずつ作製した。

各ピニオンシャフトの高周波焼入れされた部分を、表面から深さ５０μｍまで電解研磨し、この研磨面の残留オーステナイト量をＸ線回折装置により測定した。その結果を、素材がＳＵＪ２であるものについては図４に、素材がＳＵＪ３であるものについては図５に、それぞれ度数分布グラフとして示す。
ＳＵＪ２製のピニオンシャフトで、残留オーステナイト量の平均値は、３００℃の時に２８体積％、４８０℃の時に２６体積％、５２０℃の時に２４体積％であり、バラツキを示す「残留オーステナイト量の最大値と最小値の差」は、３００℃の時に１０体積％、４８０℃の時に１０体積％、５２０℃の時に１４体積％であった。

ＳＵＪ３製のピニオンシャフトで、残留オーステナイト量の平均値は、２５０℃の時に３９体積％、４５０℃の時に３７体積％、６７０℃の時に３４体積％であり、バラツキを示す「残留オーステナイト量の最大値と最小値の差」は、２５０℃の時に９体積％、４５０℃の時に１０体積％、６７０℃の時に１５体積％であった。
このように、残留オーステナイト量のバラツキは、第１の焼戻し温度が２５０〜４８０℃の場合には１０体積％以下になっているが、５２０℃の場合には１４体積％、６７０℃の場合いは１５体積％となっていた。

実施形態で作製したピニオンシャフトおよびその試験に使用した装置を示す断面図である。実施形態で行った熱処理を示す図である。実施形態の試験結果を、寿命（比）と第１の焼戻し温度との関係で表したグラフである。第１の焼戻し温度を３００℃、４８０℃、５２０℃として作製した各１００本のＳＵＪ２製ピニオンシャフトについて、表層部の残留オーステナイト量の測定結果を示す度数分布グラフである。第１の焼戻し温度を２５０℃、４５０℃、６７０℃として作製した各１００本のＳＵＪ３製ピニオンシャフトについて、表層部の残留オーステナイト量の測定結果を示す度数分布グラフである。

符号の説明

１ピニオンシャフト
１１ピニオンギヤ
１２針状ころ
１３保持器
２油穴
３キャリア
４回転軸
４１油穴
５サンギヤ
６回転軸
８キャリア

Claims

プラネタリギヤ装置のサンギヤおよびリングギヤに螺合するピニオンギヤを、転動体を介して回転自在に支持するピニオンシャフトであって、
「ＪＩＳＧ４８０５」で規定されているＳＵＪ１〜ＳＵＪ５のいずれかの鋼材を所定形状に加工した後、浸炭窒化、焼入れ、第１の焼戻し、転動体の軌道面となる部分への高周波焼入れ、第２の焼戻しをこの順に行うことにより製造され、第１の焼戻し温度は２５０〜５００℃の範囲であり、第２の焼戻し温度は１５０〜１８０℃の範囲であり、
前記軌道面の表層部は、炭素含有率が０．９７質量％以上１．８質量％以下、窒素含有率が０．０５質量％以上０．５質量％以下であり、硬さがビッカース硬さ（Ｈｖ）で６５０以上９００以下、残留オーステナイトが２０体積％以上４５体積％以下になっており、
高周波焼入れにより形成された硬化層の深さ（ｄ）がシャフトの直径（Ｄ）の３．０％以下であり（ｄ／Ｄ≦０．０３０を満たしており）、
芯部は、硬さがビッカース硬さ（Ｈｖ）で６５０以上７５０以下であり、残留オーステナイトが０になっていることを特徴とするピニオンシャフト。