JP4878755B2 - 一方向クラッチの粉末金属クラッチレース及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、一般的に、一方向クラッチにかかわり、さらに詳細には、かかるクラッチのレースの製造にかかわる。

一方向クラッチの基本的な動作原理は当業者によく知られている。内側要素と外側要素の相対的な回転を１つの方向で阻止することによりクラッチを介するトルクの伝達を可能にするが、内側要素と外側要素は反対方向ではオーバーランまたは自由回転することができる。現代の事実上全ての乗用車の自動変速装置は、その動作レンジ間でシフトを行う際１つのトルクパスから別のパスへの切換えを滑らかにするために１またはそれ以上の一方向クラッチを用いている。オーバーランニングクラッチまたはフリーホイールとしても知られる最もありふれた一方向クラッチタイプには、
１）ローラー型一方向クラッチ、
２）スプラグ型一方向クラッチ、及び
３）ラチェット型一方向クラッチがある。

ローラー型及びスプラグ型は１９５０年の初期以来製造されている。ラチェット型クラッチの製造は１９９０年の中頃始まった。これら全ての一方向クラッチ装置はそれらが使用される特定の用途に応じて満足すべき動作を行う。これら全てのクラッチの基本的構成要素としては、外側レース、内側レース、これらのレースをインターロックできる一組の係止要素（ローラー、スプラグまたは爪）、及び係止要素を作動させるばねが含まれる。

ローラー型及びスプラグ型一方向クラッチのレースは、最初は、伝統的な機械加工（旋削、ブローチ削）に従って、錬鋼から作られていた。このプロセスは現在も依然として使用されている。使用する代表的なスティールとして、ＳＡＥ １０６０、ＳＡＥ ５０６０、ＳＡＥ ５１２０、ＳＡＥ ５１３０、ＳＡＥ ５１６０がある。レース表面の所要の接触疲労強度、またレースのバルク部の所要の伸張疲労強度を得るために、これらの部品は表面上でＨＲＣ５５−６０、コアでＨＲＣ２５−３２に熱処理するのが一般的である。

レース製造における主要な改良は、米国特許第３，７７２，９３５号に紹介されている。この特許に記載されたプロセスは、粉末金属を突き固めて焼結することにより予備成形ブランクを形成した後、その予備成形物を高温鍛造により部品の形に成形し、レース全体を通して完全で均等な密度にするものである。最後に、レースを熱処理する。粉末鍛造プロセスの重要な利点は機械加工を減らせることである。このプロセスの熱処理ステップに対する改良は、米国特許第３，９９２，７６３号及び４，００２，４７１号に示されている。

別の粉末鍛造プロセスが米国特許第５，９６６，５８１号に記載されている。突き固め焼結した予備成形物を鍛造ステップにかける前にローラー磨き仕上げ工具により加工する。ローラー磨き仕上げプロセスと鍛造法を組み合わせると、高温鍛造され完全に緻密化された最終的なクラッチレースの疲労寿命が増加すると言われている。

米国特許第５，９６６，５８１号に記載された別の方法は、突き固め焼結した予備成形物を表面にガラスビーズまたは砂を噴射して冷間加工した後、高温鍛造するものである。この方法によると、ローラー磨き仕上げで得られるよりも粗い表面仕上げが得られる。

従って、粉末金属を突き固めて焼結することにより形成した予備成形物ブランクをローラーで磨き仕上げした後に高温鍛造法により所望の形状の完全緻密化部品にする一方向クラッチ機構のレースの製造が当該技術分野で認められるが、従来技術は、正味形状の突き固めた焼結済み粉末金属クラッチレースコンポーネントを作製し、仕上げ表面を冷間加工して所与の用途にとって適当な機械的特性及び適当な表面仕上げを得る可能性については否定的な教示を行っている。

本発明の目的は、粉末金属より成る一方向クラッチレースの処理を改良して技術進歩を図ることにある。

発明の概要

本発明によると、一方向クラッチの粉末金属レースコンポーネントを鍛造によらずに製造する方法であって、鉄系粉末金属を調製し、鉄系粉末金属を突き固め、焼結して、コア密度が６．８と７．６ｇ／ｃｃの間にあり、レース表面を有する正味形状に近い焼結済み
一方向クラッチレースコンポーネントを作製し、レース表面を冷間加工して、密度がコア密度より高い冷間加工層を形成し、表面仕上げが２０と３５μインチの間にある表面にするステップより成る一方向クラッチレースの粉末金属レースコンポーネントの製造方法が提供される。
また、本発明によると、一方向クラッチの粉末金属クラッチレースコンポーネントであって、レース表面を有する一方向レースコンポーネントの形状を有する、鉄系粉末金属を突き固め、焼結した本体より成り、本体のコア密度は６．８と７．６ｇ／ｃｃの間にあり、レース表面は密度がコア密度よりも大きい粉末金属の冷間加工層を有し、表面仕上げが２０と３５μインチの間にある一方向クラッチの粉末金属レースコンポーネントをも提供される。
さらに、本発明によると、一方向クラッチの粉末金属レースを鍛造によらずに製造する方法であって、鉄系粉末金属を突き固めて生のレース予備成形物を形成し、生のレース成形物を機械加工して特徴部分を形成し、生のレース予備成形物を焼結してコア密度を６．８と７．６ｇ／ｃｃの間にするとともに、レース表面を形成し、レース表面を冷間加工して、密度がコア密度より大きい冷間加工層を形成し、表面仕上げが２０と３５μインチの間にある表面にするステップより成る一方向クラッチの粉末金属レースの製造方法をも提供される。

本発明は、優れた機械的特性を備えるだけでなく冷間加工された受け入れ可能なカム表面仕上げを実現する一方向クラッチレースコンポーネントを製造する簡単な方法を提供するという利点を有する。

本発明のさらに別の利点は、密度が一様でない一方向クラッチレースコンポーネント、即ち、コアは比較的高密度であるが完全に緻密化されておらず、所要の機械的特性と、レース表面上の正味形状の表面仕上げを得るためにカム表面の表皮または表皮層が冷間加工により大きな密度にされた一方向クラッチレースコンポーネントを製造できることである。密度が一様でないことにより、所望の強度及び耐磨耗性を得るためのコンポーネントの鍛造工程なしに優れた強度、耐疲労性及び耐磨耗性を有する一方向クラッチレースが製造される。高温鍛造を必要としないため製造が単純化され、一方向クライアントのカムレースのコストが減少する。当業者は、粉末鍛造コンポーネントの製造コストがコンポーネントをプレス加工及び焼結による製造コストの１．５乃至２．０倍であることを認める。付加的コストは鍛造ステップ及び高温鍛造工具の比較的短い寿命に付随するものである。

鍛造ステップをなくすことにより、コンポーネントの全体寸法公差が粉末鍛造部品にとって典型的なレンジからプレス加工及び焼結部品にとって典型的なレンジへ小さくなるという別の利点が得られる。さらに、冷間加工した表面はさらに小さな公差を有する。

鍛造ステップをなくす別の利点として、鍛造法により実現可能なものよりも格段に複雑な正味形状の幾何学的特徴部分（ボス、油チャンネル、段部など）の製造がプレス加工及び焼結プロセスにより可能になるため、二次加工の必要性が大きく減少することがある。

ローラー型一方向クラッチのカムに用いる表面のような正味形状のレース表面の場合に
は、本願において述べるようなレース表面の冷間成形プロセスを用いると、レース表面の仕上げが実質的に改善される。表１は、米国特許第５，９６６，５８１号に従って改良されたブローチ削り、粉末鍛造にとって典型的な、また、本発明による表面仕上げを要約したものである。

表１．ブローチ削り、粉末鍛造により、また本発明により、製造される
ローラー型一方向クラッチカムの典型的な表面仕上げ
表面仕上げ ブローチ削り 粉末鍛造 USP5,966,581号により 本発明
改良された粉末鍛造
Ｒａ[μｍ] １−３ ２−３．２ ０．９−１．０ ０．７−０．８
Ｒａ[μインチ] ４０−１２０ ７７−１２７ ３５−４１ ２７−３０

この表面仕上げの改良によりクラッチレースの耐接触疲労（スポーリング）性が優れたものとなり、所与のクラッチのトルク容量が大きくなる。

鍛造ステップを不要にすることにより、優れた金属学的品質の軸受けレース材料が得られる。高温粉末鍛造プロセスには２つの有害な効果があることがよく知られている。第１に、鍛造プロセス時に鋼予備成形物を１０００°−１１３０°の温度に加熱して空気に露出させるため、部品の表面上に酸化物が形成される。これらの酸化物は、表面上に現れるが、０．１−０．２ｍｍの典型的な深さに介在物として取り込まれもする。第２に、予備成形物が流れて型と接触すると、表面の材料が急速に冷却される。この冷却により材料の降伏強度が急速に増加するが、これは細孔の崩壊にとって有害である。このため、粉末鍛造物の表面には深さがほぼ０．２−０．４ｍｍの細孔が存在する。これら微細構造の欠陥、酸化物及び細孔はレースの接触疲労強度に有害な効果がある。本発明により提案されるように高温鍛造ステップをなくして冷間成形工程を導入すると、冷間成形層に事実上細孔及び酸化物の介在物が存在しない（即ち、本質的に０である）優れた品質のレース表面が得られる。下記の表２及び３は、本発明により実現される細孔及び酸化物の数量の改善を典型的な粉末鍛造合金の比較例と共に示す。

表２．粉末鍛造及び本発明による粉末金属合金の典型的な細孔の数量
表面からの距離(mm) 粉末鍛造の細孔範囲(%) 本発明の細孔範囲(%)
０ ２−１０ ０
０．１ １−８ ０
０．２ ０．５−５ ０
０．３ ０．２−３ ０
０．４ ０−０．５ ０
０．５ ０ ０

表３．粉末鍛造及び本発明による粉末金属合金の典型的な介在物の数量
材料 直径100μm以上の介在物/cm² 直径150μm以上の介在物/cm²
鍛造粉末 ０．８３ ０
本発明 ０．０−０．１ ０

小さい寸法公差、表面仕上げの改良及び優れた金属学的微細構造が組合わさって、大きいトルク容量の一方向クラッチが得られる。この表面仕上げの改善によりクラッチレースの耐接触疲労（スポーリング）性が優れたものとなるが、粉末鍛造レース付き一方向ローラークラッチと本発明に従って製造されたレースを有する一方向ローラークラッチとの打撃器テストの予備的結果に示されるように、この耐接触疲労性の改善により所与のクラッチのトルク容量が大きくなる。

最後に、本発明のもう１つの重要なコスト上の利点は、突き固めた物を焼結前の生の状態で機械加工（例えば、半径方向潤滑孔の穿孔）を行えることである。この重要なコストの削減は、切断速度を大きくできることと相俟って工具の摩耗が非常に小さいことにより生じる。生の状態での機械加工作業は予備成形物を鍛造する場合は不可能である。

図１ａ及び１ｂは、中心軸Ａの周りに位置する内側クラッチレース１２と、内側クラッチレースの周りに同心的に位置する外側クラッチレースまたはカム１４とを有する代表的なローラー型一方向クラッチ１０を示す。内側レース１２及び外側レースまたはカム１４は、１またはそれ以上のローラー２０と協働してクラッチレース１２、１４の１つの方向での回転は可能にするが反対方向の回転を阻止するように係止するほぼ対向するレース表面１６、１８を有する。ローラー型一方向クラッチの一般的な構成及び動作は当業者によく知られているため、さらに詳述しない。かかるローラー型一方向クラッチ機構に関するさらに詳細な説明は引用特許１に見ることができる。

本発明は、図１ａ及び１ｂに示すタイプのローラー型一方向クラッチ機構に加えて、さらに、複数のスプラグ要素がレース表面間で作用して１つの方向での回転は許容するが反対方向の回転は阻止する図２に示すようなスプラグ型一方向クラッチ１０´と、複数の爪部材が複数のノッチを有する内側レース及び複数のポケット表面を有する外側レースと作用して１つの方向での回転は許容するが反対方向の回転は阻止する図３に示すようなラチェット型一方向クラッチ１０”を含む他の種々の一方向クラッチのためのクラッチレースの製造を企図するものである。もちろん、内側レース１２及び外側レース１４のレース表面の特定の構成は、用途の特定の必要条件により決まる一方向クラッチの特定のタイプにより異なる。

本発明の好ましい実施例によるクラッチレースの製造をさらに詳細に説明すると、図４は、鉄系粉末金属を突き固め焼結して正味形状に近い形にした外側クラッチレースまたはカム１４の断面図である。この粉末金属は、予め合金化した鋼粉末、鉄元素粉末と１またはそれ以上の合金粉末金属添加物の混合物、または予め合金化した鉄粉末と鉄元素粉末の結合物（さらに粉末金属合金を添加するか添加しないもの）よりなる。粉末金属はまた、グラファイト、及びＭｎＳ、ＣａＦ₂などのような機械加工性を改善する適当な添加物を含むものでもよい。本発明は、材料が一方向クラッチレースへの使用に適切である限り任意特定の鉄系組成物に限定されるものではない。

正味形状に近いとは、突き固め焼結したクラッチレースコンポーネント１４が焼結後最終形状に近い形に成形されており、クラッチレース用として粉末金属のバルク部は所望の最終密度になるように突き固め焼結されていることを意味する。主要な例外としてカム表面１８があるが、以下に述べるように、これにはさらに冷間加工処理を施して熱処理を受ける待機状態にする。従って、突き固め焼結した後、図４に示す段階にある外側クラッチレース１４は約６．８と７．６ｇ／ｃｃの間のコア密度（材料の完全理論密度の約８７−９７％に匹敵する）を有し、これにより所望のクラッチレースの用途に用いるために必要な伸張疲労強度及び靭性が与えられる。カム表面１８はまた、所望の最終形状に非常に近い形状を有する突き固め焼結された状態に成形されているのが好ましいが、以下に述べるようにカム表面１８を後でさらに緻密化できるように１ｍｍの１０分の１の数倍だけわずかに寸法不足にしてある。

ほぼ正味形状の突き固め焼結した外側クラッチレースコンポーネント１４のカム表面１８は冷間加工してこのカム表面に緻密化された層２２を形成するが、この層２２の粉末金属材料の密度はコア密度より高く、正味形状の最終的な表面仕上げになっているため、外側クラッチレース１４を使用状態にするためにさらにカム表面１８を冷間加工以上に機械加工する必要はない。最終的な表面は２０乃至３５μインチの仕上げであるのが好ましい。緻密化層２２は、深さが好ましくは０．２乃至１．５ｍｍ、さらに好ましくは０．３５乃至０．８ｍｍの本質的に完全緻密化された（即ち、完全理論密度の９９％以上の）領域を有するのが好ましい。クラッチレースコンポーネント１４の強力であるが比較的密度の低いコア２３が裏側にあるカム表面１８の高緻密化された薄い層２２は、クラッチレースの用途に適した所望の最終形状、表面仕上げ及び耐接触疲労性と共に所要の強度及び靭性を与える。図８は、本発明に従って製造された合金のころがり接触疲労テストの結果を軸受け用の高品質錬鋼と比較したグラフである。接触疲労実験は棒上のボールによるテスト装置により行った。その結果を表４に要約するが、これから、本発明に従って製造されたレースは粉末鍛造合金だけでなく錬鋼の接触疲労強度にマッチするかそれを超えることがわかる。

表４．本発明の合金、粉末鍛造合金及び軸受け用錬鋼合金のころがり接触疲労寿命。
本発明の合金は本発明のプロセスにより作製され、テストは棒上のボール
による装置で行われた。
材料 ５４１９ＭＰａのＢ１０寿命［１０⁶サイクル］
本発明のＤＭ−２０７ １３．７３
本発明のＤＭ−２０５ ９．６５
錬鋼ＡＩＳＩ４６２０ ８．１２
錬鋼ＡＩＳＩ８６２０ １０．１７
鍛造合金ＦＬ−４６８０ ２．４７
錬鋼ＡＩＳＩ５２１００ ６．７−９．３

層２２の緻密化後のカム表面１８の表面仕上げは２０乃至３５μインチの範囲にあり、さらに好ましくは約２０乃至３０ピンチの範囲内にある。図９は、本発明の方法に従って製造された一方向クラッチカムの表面仕上げ測定結果を示す典型的なグラフである。比較のために、図１０は、粉末鍛造により製造された一方向クラッチの表面仕上げ測定結果を示す典型的なグラフである。

外側レース１４の層２２を緻密化する好ましい方法は、緻密化工具２４をカム表面１８にわたり横方向に押し付けることにより、カム表面１８が１またはそれ以上の成形部分２６ａ、２６ｂ、２６ｃなどに遭遇してそれにより表面がさらに突き固め緻密化され、最終的な用途のための所望の形状と表面仕上げを有する緻密化層２２が得られるようにする方法である。図５に示すように、成形部分２６は所望のカム表面１８の形状に成形されているが、層２２の所望の緻密化を実現するために幾分寸法不足にしてある。

内側クラッチレース１２は、レース表面１６に緻密化層２８を提供するために一般的に同じ態様で製造される。かくして、外側クラッチレース１４の特性及び製造に関する上記説明は内側クラッチレースの製造にも同様にあてはまるため、その部分を引用する。内側クラッチレース１２は外側にカム表面１８を備えているため、緻密化層２８の形成に用いる緻密化工具３０は外側クラッチレース１４の層２２の緻密化に用いるものとは幾分異なり、図６及び７に略示する。この工具３０は、一方向クラッチ用として製造される最終的なレース表面１６の一般的に同じ形状を有する１またはそれ以上の成形部分３２ａ、３２ｂ、３２ｃなどを有するが、成形部分３２ａ、３２ｂ、３２ｃは層２８を緻密化するためにわずかに寸法不足にしてある。図１１は、上述したような層２２よりも低いコア密度を有するように突き固め焼結されたレースのコアが裏側にある内側または外側クラッチレース１２、１４のレース表面１６または１８上に形成された層２２または２８を示す拡大部分断面図である。図１２はレースの表面の密度分布を示す。密度は緻密化層の顕微鏡写真の画像を処理することにより測定した。

図１ｂは、本発明によると、焼結前に予備成形物の特徴部分を生の状態で機械加工できることをさらに示している。図示の生の状態で機械加工された半径方向潤滑孔３４は焼結前にほぼ正味形状に形成されたものであり、焼結後の機械加工または仕上げは不要である。

本発明の多数の変形例及び設計変更が上記説明に鑑みて可能であることが明らかであろう。従って、頭書の特許請求の範囲内において、本発明は特に図示説明したものとは異なる態様で実施できることを理解されたい。本発明は特許請求の範囲により規定される。

本発明により製造されるレースコンポーネントを備えたローラー型一方向クラッチの一例を示す等角投影図である。 カム表面に生の状態で穿孔した半径方向潤滑孔を示す図１の一方向クラッチの断面図である。 本発明に従って製造されたクラッチレースコンポーネントを備えたスプラグ型一方向クラッチの一例を示す断面図である。 本発明に従って製造されたクラッチレースコンポーネントを備えたラチェット型一方向クラッチの一例を示す断面図である。 外側カムレース及び関連の緻密化工具を示す概略的断面図である。 図４の線５−５に沿う断面図である。 内側クラッチレース及び関連の緻密化工具を示す断面図である。 図６の線７−７に沿う断面図である。 本発明に従って製造された鉄系焼結合金と錬鋼の接触疲労テスト結果を示すワイブル図である。 本発明の方法に従って製造された一方向クラッチカムの表面仕上げ測定結果を示す典型的なグラフである。 粉末鍛造法により製造された一方向クラッチカムの表面仕上げ測定結果を示す典型的なグラフである。 本発明によるカムレースコンポーネントの概略的部分断面図である。 緻密化層の顕微鏡写真の画像処理により測定したレース表面の密度分布を示す。

Claims (7)

1. 一方向クラッチの粉末金属レースコンポーネントを鍛造によらずに製造する方法であって、
   鉄系粉末金属を調製し、
   鉄系粉末金属を突き固め、焼結して、正味形状に近い形にすることにより、コア密度が６．８と７．６ｇ／ｃｃの間にあり、レース表面を有する焼結済み一方向クラッチレースコンポーネントを作製し、
   緻密化工具をレース表面上にわたり横方向に押付けることにより、レース表面を冷間加工して、その表面に、密度がコア密度より高くかつ正味形状の最終表面仕上げが２０と３５μインチの間にある冷間加工層を形成するステップより成る一方向クラッチの粉末金属レースコンポーネントの製造方法。
2. 冷間加工層の密度は完全理論密度の９９％より大きい請求項１の方法。
3. 一方向クラッチの粉末金属クラッチレースコンポーネントであって、
   レース表面を有する一方向クラッチレースコンポーネントの形状を有する、鉄系粉末金属を突き固め、焼結した本体より成り、
   本体のコア密度は６．８と７．６ｇ／ｃｃの間にあり、
   本体は、レース表面に、局部的な密度がコア密度よりも大きくかつ最終表面仕上げが２０と３５μインチの間にある粉末金属の冷間加工層を含む、
   一方向クラッチの粉末金属クラッチレースコンポーネント。
4. 冷間加工層の密度は完全理論密度の少なくとも９９％である請求項３の粉末金属レースコンポーネント。
5. 一方向クラッチの外側レースを構成する請求項３の粉末金属クラッチレースコンポーネント。
6. 一方向クラッチの内側レースを構成する請求項３の粉末金属クラッチレースコンポーネント。
7. 一方向クラッチの粉末金属レースコンポーネントを鍛造によらずに製造する方法であって、
   鉄系粉末金属を突き固めて生のレース予備成形物を形成し、
   生のレース成形物を機械加工して特徴部分を形成し、
   生のレース予備成形物を焼結してコア密度を６．８と７．６ｇ／ｃｃの間にするとともに、レース表面を形成し、
   緻密化工具をレース表面上にわたり横方向に押付けることにより、レース表面を冷間加工して、その表面に、密度がコア密度より大きくかつ最終表面仕上げが２０と３５μインチの間にある冷間加工層を形成するステップより成る一方向クラッチの粉末金属レースコンポーネントの製造方法。

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