JP4872371B2

JP4872371B2 - 遊星歯車機構用ピニオンシャフト

Info

Publication number: JP4872371B2
Application number: JP2006036854A
Authority: JP
Inventors: 幸一山本; 浩道武村
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2006-02-14
Filing date: 2006-02-14
Publication date: 2012-02-08
Anticipated expiration: 2026-02-14
Also published as: JP2007217725A

Description

本発明は、例えば自動車、一般産業機械、工作機械等の遊星歯車機構に用いられるピニオンシャフトに関する。

近年、駆動伝達の高効率化を目的として遊星歯車機構が高荷重下で使用される場合が増加しており、ピニオンシャフトにトルクと遠心力による大きな荷重が発生している現状がある。このような高荷重環境下で使用されるピニオンシャフトにおいては、耐転がり疲労性等を高め耐久性を向上させることが求められている。

転がり疲労性が不十分となっている理由の多くは、潤滑剤の汚染や供給不足によってピニオンシャフト軌道面の表面で発生している表面疲労に対する耐性（耐表面疲労性）の低下にある。この耐表面疲労性を向上させるためには、疲労を受ける表面層の残留オーステナイト量を調整する必要があることが判明している。

さらに、表面層に最適な残留オーステナイトが存在したとしても、高荷重環境で使用されるピニオンシャフトにおいては、前記ピニオンシャフトに発生する応力が弾性限界以内の応力であったとしても、前記応力による残留オーステナイトの経時的な分解（フェライトとセメンタイトへの変態）に伴って塑性変形が生じることが判明している。したがって、この耐転がり疲労性の不足と塑性変形により結果として耐久性が低下してしまう。

これら対策として、ピニオンシャフトの必要な部位にだけ熱硬化処理を施して寿命の延長化（耐転がり疲労性の向上）を図るものがある。その一例として、軸受で使用される転動軸においては，耐転がり疲労性を高めるために、前記転動軸の表面層に高周波焼入れを施して、ビッカース硬さがＨｖ６５０以上で且つ残留オーステナイト量が１５〜４０体積％である前記表面層を設けるとともに、前記転動軸に発生する応力（弾性限界以内の応力）による残留オーステナイトの経時的な分解に伴う塑性変形を防止するために前記表面層以外の部分（芯部）の硬さをＨｖ３００〜５００（望ましくはＨｖ４００〜５００）とし且つ前記表面層以外の部分（芯部）の残留オーステナイト量を０体積％として製造するものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００２−４００３号公報

しかしながら、特許文献１に記載の転動軸では芯部の硬さをＨｖ３００〜５００としているので、遊星歯車機構動作時におけるトルクや遠心力による大きな荷重によって曲がるといった問題があるため、それ以上に高い耐久性が求められる。

したがって、本発明では上記のような問題点を鑑み、高荷重環境下でも耐転がり疲労性に優れるとともに塑性変形の生じにくい遊星歯車機構用ピニオンシャフトを提供することを目的とする。

本発明の目的は、下記構成により達成される。
（１）両端部がキャリアに取り付けられ、ピニオンギアを複数の転動体を介して回転可能に支持する遊星歯車機構用ピニオンシャフトにおいて、前記ピニオンシャフトは高周波焼入れ処理された表面硬化層を有し、前記表面硬化層の硬さがＨｖ６５３以上であり且つ前記表面硬化層の残留オーステナイト量が１０〜４０体積％であるとともに、前記ピニオンシャフトの芯部の硬さがＨｖ５１３以上であり且つ前記芯部の残留オーステナイト量が０体積％であることを特徴とする遊星歯車機構用ピニオンシャフト。

（２）（１）に記載の遊星歯車機構用ピニオンシャフトにおいて、前記ピニオンシャフトが高周波焼入れ処理される前にサブゼロ処理されることを特徴とした遊星歯車機構用ピニオンシャフト。

本発明によれば、遊星歯車機構用ピニオンシャフトが高周波焼入れ処理された表面硬化層を有し、前記表面硬化層の硬さがＨｖ６５３（即ち、ＨＲＣ５８）以上であり且つ前記表面硬化層の残留オーステナイト量が１０〜４０体積％であるとともに、前記ピニオンシャフトの芯部の硬さがＨｖ５１３（即ち、ＨＲＣ５０）以上であり且つ前記芯部の残留オーステナイト量が０体積％であるので、高荷重環境下でも耐転がり疲労性に優れる（寿命延長効果）とともに弾性変形を抑制し且つ塑性変形の生じにくい高剛性な遊星歯車機構用ピニオンシャフトを提供することができる。

以下、本発明の実施形態について図を参照しながら説明する。図１は、遊星歯車機構の分解図、図２は本発明の実施の形態の一例である遊星歯車機構用ピニオンシャフトを説明するための断面図、図３は弾性変形が誘発する塑性変形の原理を説明するための説明図、図４は評価試験のための熱処理条件を示す図である。

図１に本発明の実施形態の一例である遊星歯車機構の１０の要部を示す。遊星歯車機構１０は、内歯を有するリングギア１１と、外歯を有する太陽ギア１２と、リングギア１１及び太陽ギア１２に噛合する３つのピニオンギア１３と、３つのピニオンシャフト１５により前記ピニオンギア１３を回転自在に支持するととともに、自らも回転可能なキャリア１４とを具備している。前記ピニオンシャフト１５は、両端部がキャリア１４に取り付けられ、転動体としての図示しない複数のニードルころ（針状ころ）を介して、ピニオンギア１３を回転可能に支持している。

本発明に係るピニオンシャフト１５の実施形態の一例を、図２を参照して説明する。ピニオンシャフト１５は、ＳＵＪ２、ＳＵＪ３，ＳＫ５等の炭素鋼からなり、高周波焼入れ処理された表面硬化層１６を有し、前記表面硬化層１６の硬さがＨｖ６５３（即ち、ＨＲＣ５８）以上であり且つ表面硬化層１６の残留オーステナイト量が１０〜４０体積％であるとともに、前記ピニオンシャフト１５の芯部１７の硬さがＨｖ５１３（即ち、ＨＲＣ５０）以上であり且つ前記芯部１７の残留オーステナイト量が０体積％として形成される。

このピニオンシャフト１５は、外周面の表面から絶対値深さで０．０５ｍｍ以上で前記ピニオンシャフトの直径Ｄａの２％に相当する深さ以下の部分に０．０５〜０．４ｗｔ％の窒素を侵入された（浸炭窒化処理（表面Ｃ，Ｎ富化））後、焼入れ処理にて硬化され、さらに残留オーステナイト量が０体積％となるようにサブゼロ処理が行われ、その後高周波焼入れ処理を施して、最後に靭性が向上するように焼き戻し処理をして形成される。この結果、外周面の表面から絶対値深さで０．０５ｍｍ以上で前記ピニオンシャフトの直径Ｄａの２％に相当する深さに表面硬化層１６が形成される。

なお、前述したピニオンシャフト１５の熱処理工程において、浸炭窒化処理を省略し、焼入れ処理後サブゼロ処理を行い、その後高周波焼入れ処理を施して残留圧縮応力と硬さ増大により寿命延長効果を得るようにしてもよい。また、浸炭窒化処理と焼入れ処理の後にサブゼロ処理の代わりに焼戻しを施して高周波焼入れ処理を行うようにしてもよい。

したがって、本実施形態によれば、ピニオンシャフト１５の芯部１７の硬さをＨｖ５１３（即ち、ＨＲＣ５０）以上とすることにより、遊星歯車機構のトルク及び遠心力によりピニオンシャフト１５に大きな荷重が作用して大きな曲げ力が発生しても、剛性を高めることにより使用中の弾性変形を抑制することができる。これにより、使用中に大きな荷重がピニオンシャフト１５に負荷されても前記ピニオンシャフト１５自体の弾性変形量を小さくすることができ、シャフト１５の曲がりが原因で引き起こされる転がり疲労寿命の低下を抑制することができる。

また、本実施形態によれば、芯部１７の残留オーステナイト量を０体積％としているので、例えば図３に示すような弾性変形を繰り返した場合に誘発される塑性変形を抑制することができる。

例えば、図３ではシャフトに対して２回の荷重を負荷した場合に弾性変形により誘発される塑性変形の様子の一例を示している。即ち、この場合では１回目の荷重負荷で５μｍ変形し、荷重除荷で弾性変形分の２μｍが元に戻って変形量は３μｍとなり、引き続き２回目の荷重負荷で８μｍ（３μｍ＋５μｍ）変形し、荷重徐荷で弾性変形分の２μｍが元に戻って変形量は６μｍとなり、荷重徐荷後も変形量が残る。したがって、上記構成によれば弾性変形が誘発した塑性変形を抑制することにより、繰り返し使用に対するピニオンシャフト１５の耐久性を結果的に高めることができ、ピニオンシャフト１５のエッジロードや隙間が減少し、寿命低下を抑制できる。

さらに、ピニオンシャフト１の表面は硬さがＨｖ６５３（即ち、ＨＲＣ５８）以上の高周波焼入れ表面硬化層１６であり、且つ残留オーステナイト量が１０〜４０体積％であるため、転がり疲労寿命を著しく延長することが可能となる。

また、本実施形態は本発明の一例を示したものであって、本発明は本実施形態に限定されるものではない。例えば、本実施形態においては遊星歯車機構用ピニオンシャフトについて説明したが、本発明のシャフトは他の種類のシャフトに対して適応可能である。また、単にシャフトに限らず、他のシャフトを用いた装置に対しても適応可能である。

次に、本発明の範囲内である実施例１〜８のピニオンシャフト、本発明の範囲外である比較例１〜６のピニオンシャフトについて転がり疲れ寿命試験及びクリープ曲げ試験を行い、その結果について表１を参照して説明する。

熱処理条件は、図４に示す通り実施例１，６が熱処理条件（イ）、実施例２，７，８が熱処理条件（ロ）、実施例３，４、５と比較例２，３が熱処理条件（ハ）、比較例４，５が熱処理条件（ニ）とした。この熱処理条件に基づき、試行分ピニオンシャフトを形成して試験を行った。また、比較例１はＳＵＪ２のずぶ焼鋼、比較例６はＳＫ５のずぶ焼鋼とした。

図４に示した（イ）〜（ニ）の熱処理条件を次に詳細に示す。
（イ）この熱処理条件では８５０°Ｃ（０．５時間均熱後、２．５時間保持）で浸炭窒化処理（表面Ｃ，Ｎ富化）を行った後、焼入れ処理を行い、そして残留オーステナイト量が０体積％となるように−１００°Ｃでサブゼロ処理（２０分保持）をし、８５０〜９００°Ｃの高周波焼入れ処理を施して、最後に１６０°Ｃで焼戻し処理を行った。

（ロ）この熱処理条件では、８２０〜８５０°Ｃで焼入れ処理を行った後、残留オーステナイト量が０体積％となるように−１００°Ｃでサブゼロ処理（２０分保持）を行い、そして８５０〜９００°Ｃの高周波焼入れ処理を施して、最後に１６０°Ｃで焼戻し処理を行った。

（ハ）この熱処理条件では、８５０°Ｃ（０．５時間均熱後、２．５時間保持）で浸炭窒化処理（表面Ｃ，Ｎ富化）を行った後、焼入れ処理を行い、そして残留オーストナイト量が０体積％となるように３００〜５００°Ｃで焼戻し処理をし、そして８５０〜９００°Ｃの高周波焼入れ処理を施して１６０°Ｃで焼戻し処理を行った。

（ニ）この熱処理条件では、８５０°Ｃ（０．５時間均熱後２．５時間保持）で浸炭窒化処理（表面Ｃ，Ｎ富化）を行った後、２２０°Ｃで焼戻し処理を行った。

（ハ）の熱処理条件における３００〜５００°Ｃでの焼戻し処理については、ＳＵＪ２，３やＳＫ５の場合、焼戻し温度を３００°Ｃ以下とすると、残留オーステナイト量が０より大きくなり、また５００°Ｃ以上とすると芯部硬さがＨｖ５１３（即ち、ＨＲＣ５０）を満足しないことがあるので注意を要する。

（転がり疲れ寿命試験）
これら熱処理条件で形成された試験片について、転がり疲れ寿命試験を行った。転がり疲れ寿命試験に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た。また、前記転がり疲れ寿命試験条件は次の通りである。
（転がり疲れ寿命試験条件）
試験軸受：ピニオンシャフト外径Ｄ＝φ１２．４５ｍｍ，φ３．０ｍｍの総ころ仕様
基本動定格荷重Ｃ：１５７００Ｎ
基本静定格荷重Ｃ０：１５４００Ｎ
ラジアル荷重：６０００Ｎ
ピニオン自転数：１２０００ｍｉｎ^-1
計算寿命：Ｌ１０：３５時間
Ｐ／Ｃ：０．３９
潤滑油（油温）：ＡＴＦ（１００°Ｃ）
油量：１０ｍｌ／ｍｉｎ

転がり疲れ寿命試験はニードルころ（針状ころ）、ピニオンシャフト、ピニオンギアの少なくとも一つが破損した時点で中止し、そのときまでの試験稼働時間を軸受の転がり疲れ寿命として計測して評価を行った。また、ニードルころとピニオンギアは実施例及び比較例全て共通で、ＳＵＪ２のずぶ焼鋼を用いた。全ての実施例及び比較例を比較例１の転がり疲れ寿命を１とした相対比で表した。この試験結果を表１に併せて示す。

表１に示すように、実施例１〜８の転がり疲れ寿命比の値は、いずれも比較例に比べて延長されている。また、比較例２〜５は浸炭窒化処理が施され表面層の硬さ及び残留オーステナイト量が本発明の範囲内であったが、芯部の硬さ及び残留オーステナイト量が本発明の範囲外であった。特に比較例４、比較例５は、芯部の残留オーステナイト量が１０〜１２体積％と高く、塑性変形が生じやすいので短寿命となっている。また、比較例２，比較例４は芯部の残留オーステナイト量は本発明の範囲内であったが、前記芯部の硬さが本発明の範囲外であったため、比較例４，比較例５よりも寿命が長かったものの、実施例に比べ短寿命となっている。この結果より、表面硬化層の硬さ及び前記表面硬化層の残留オーステナイト量と、芯部の硬さ及び前記芯部の残留オーステナイト量が本発明の範囲を満たすことにより、比較例と比べ転がり疲れ寿命が著しく延長されていることがわかる。

（クリープ曲げ試験）
次に、ピニオンシャフトの曲がりに対する芯部の残留オーステナイト及び硬さの影響を評価するために、ピニオンシャフトのクリープ曲げ試験を行った。試験条件は、１５０°Ｃ以下で４０００Ｎの荷重を加えて１０時間保持した後、ピニオンシャフトの軸方向曲がり量を測定して行った。測定はピニオンシャフト両端部を０としたときの荷重負荷方向で最も曲がり量の大きい部位の値を用いた。試験結果を表１に併せて示す。

表１に示すように、実施例１〜８のピニオンシャフトのクリープ試験曲がり量は１μｍ〜３μｍの範囲の値で収まっているに対し、比較例１〜６は５μｍ〜１６μｍの範囲となり大きな値を示している。したがって、この結果により、表面硬化層の硬さ及び前記表面硬化層の残留オーステナイト量と、芯部の硬さ及び前記芯部の残留オーステナイト量が本発明の範囲を満たすことにより、比較例と比べクリープ曲げ試験による曲がり量が極めて小さいピニオンシャフトとなっていることがわかる。

また、転がり疲れ寿命とクリープ試験の結果から試験条件が高荷重、高温度で油膜形成性の劣化、ピニオンシャフトの曲がりが大きくなった場合にニードルころ（針状ころ）がエッジロードとなり見かけの転がり荷重（面圧）が高くなり寿命の劣化を引き起こしたものと考えられる。本発明では結果的にこの問題を解決することができた。

以上のことから、表面硬化層の硬さ及び前記表面硬化層の残留オーステナイト量と、芯部の硬さ及び前記芯部の残留オーステナイト量を本発明の範囲内にして遊星歯車機構用ピニオンシャフトを形成することにより、耐転がり疲労性に優れる（寿命延長効果）とともに弾性変形を抑制し且つ塑性変形の生じにくい高剛性なピニオンシャフトとすることができる。

本発明の実施形態の一例である遊星歯車機構の分解図である。本発明の実施形態の一例である遊星歯車機構用ピニオンシャフトを説明するための断面図である。弾性変形が誘発する塑性変形の原理を説明するための説明図である。評価試験のための熱処理条件を示す図である。

符号の説明

１０遊星歯車機構
１１リンクギア
１２太陽ギア
１３ピニオンギア
１４キャリア
１５ピニオンシャフト
１６表面硬化層
１７芯部

Claims

両端部がキャリアに取り付けられ、ピニオンギアを複数の転動体を介して回転可能に支持する遊星歯車機構用ピニオンシャフトにおいて、
前記ピニオンシャフトは高周波焼入れ処理された表面硬化層を有し、前記表面硬化層の硬さがＨｖ６５３以上であり且つ前記表面硬化層の残留オーステナイト量が１０〜４０体積％であるとともに、
前記ピニオンシャフトの芯部の硬さがＨｖ５１３以上であり且つ前記芯部の残留オーステナイト量が０体積％であることを特徴とする遊星歯車機構用ピニオンシャフト。
請求項１に記載の遊星歯車機構用ピニオンシャフトにおいて、
前記ピニオンシャフトが高周波焼入れ処理される前にサブゼロ処理されることを特徴とした遊星歯車機構用ピニオンシャフト。