JP5472398B2

JP5472398B2 - 遊星歯車用支持軸の製造方法

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Publication number: JP5472398B2
Application number: JP2012180007A
Authority: JP
Inventors: 康宏荒木; 浩道武村
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2012-08-15
Filing date: 2012-08-15
Publication date: 2014-04-16
Anticipated expiration: 2028-07-03
Also published as: JP2013029198A

Description

本発明は、例えば自動車用自動変速機やトランスアスクルを構成する遊星歯車装置に組み込まれる遊星歯車をキャリアに対して回転自在に支持する為の、遊星歯車用支持軸の製造方法の改良に関する。

自動車用自動変速機を構成する遊星歯車装置が従来から、例えば特許文献１〜６等、多くの刊行物に記載されて広く知られると共に、広く実施されている。この従来から知られた遊星歯車装置は、例えば図２〜４に示す様に、外周面に歯１ａを形成した太陽歯車１と、この太陽歯車１と同心に配置され、内周面に歯２ａを形成したリング歯車２との間に、複数個（一般的には３〜４個）の遊星歯車３、３を、円周方向に関して等間隔に配置している。そして、これら複数個の遊星歯車３、３の外周面に形成した歯３ａを、上記両歯１ａ、２ａに噛合させている。

上記複数個の遊星歯車３、３は、それぞれ支持軸４の周囲に、それぞれ複数本ずつのニードル５、５を介して回転自在に支持している。これら各支持軸４の基端部（図３〜４の右端部）は、上記太陽歯車１を中心として回転自在なキャリア６の基板７に支持固定している。図示の例では、上記各支持軸４の基端部をこの基板７に形成した通孔８ａに締まり嵌めで内嵌すると共に、これら各支持軸４と基板７との間に係止ピン９を掛け渡して、これら各支持軸４が上記通孔８ａから脱落するのを防止している。

又、図示の例では、上記太陽歯車１を円筒状に形成し、上記基板７を、断面Ｌ字形で全体を円輪状に形成している。そして、図３に示す様に、この基板７の内周縁部に形成した円筒部１０を、回転軸１１の外周面にスプライン係合させている。上記太陽歯車１は、この回転軸１１の周囲に、この回転軸１１に対する相対回転を自在に支持している。又、上記リング歯車２は上記各部材１、６、１１の周囲に、これら各部材１、６、１１に対する相対回転を自在に支持している。

又、上記各支持軸４の先端部（図３〜４の左端部）は、上記基板７と共に上記キャリア６を構成する、円輪状に形成された連結板１２に形成した通孔８ｂに内嵌固定し、上記各支持軸４の先端部同士を連結している。これら複数の支持軸４の中間部外周面で、上記キャリア６と上記連結板１２との間部分は、円筒面状の内輪軌道１３としている。一方、上記遊星歯車３の内周面は、円筒面状の外輪軌道１４としている。そして、これら内輪軌道１３と外輪軌道１４との間部分に前記各ニードル５、５を設けて、上記遊星歯車３を、上記支持軸４の中間部周囲で連結板１２とキャリア６との間部分に、回転自在に支持している。尚、上記各支持軸４の内部には、図４に示す様に、通油孔として機能する軸方向孔１５及び径方向孔１６を設け、上記各ニードル５、５の設置部分に潤滑油を送り込み自在としている。即ち、上記各支持軸４の中心部に設けた、上記軸方向孔１５の上流端を、上記キャリア６の基板７内に設けた潤滑油供給路１７に通じさせると共に、上記径方向孔１６の両端部を、上記軸方向孔１５の内周面と外周面とに開口させている。そして、遊星歯車式変速機の運転時に、上記各ニードル５、５の設置部分に潤滑油を送り込み自在としている。

上述の様な遊星歯車３及び支持軸４等を含んで構成する遊星歯車装置は、例えば、前記回転軸１１を駆動軸又は従動軸とし、上記太陽歯車１又は上記リング歯車２の中心を従動軸又は駆動軸に結合する。そして、何れの歯車１、２、３を回転自在とし、何れの歯車１、２、３を回転不能とするかを切り換える事により、上記駆動軸と従動軸との間の変速並びに回転方向の変換を行う。この様な遊星歯車装置自体の構成及び作用は、従来から周知であり、本発明の要旨とも関係しないから、全体構造の図示並びに詳しい説明は省略する。

ところで、上述の様な遊星歯車装置の運転時に上記支持軸４の外周面（ラジアルニードル軸受の内輪軌道１３）乃至表面層部分には、上記各ニードル５、５の転動面との転がり接触に基づいて大きな面圧（高面圧）が加わり、この表面層部分に、数ＧＰａ程度にも達する、大きな接触応力が発生する。この為に従来から、上記支持軸４を構成する金属材料として、硬くて大きな負荷に耐えられ、転がり疲れ寿命が長く、且つ、滑りに対する耐摩耗性の良好なものを選択使用している。具体的には、ＳＣＭ４２０（ＪＩＳＧ４１０５）等の肌焼き鋼、ＳＫ５（ＪＩＳＧ４４０１）等の炭素工具鋼、ＳＵＪ２〜４（ＪＩＳＧ４８０５）等の高炭素クロム軸受鋼、Ｓ７０Ｃ（ＪＩＳＧ４８０２）等のばね用冷間圧延鋼が使用されている。

又、上記支持軸４の外周面乃至は表面層部分は、上記各ニードル５、５の公転運動に基づき、高面圧下で繰り返し剪断応力を受ける為、転がり疲れ寿命確保の面から、厳しい使用条件となる。この為、上述の様な金属材料により造られる上記支持軸４の表面層部分には、浸炭処理や浸炭窒化処理等の表面熱処理を施して、上記繰り返し加わる剪断応力に拘らず（この剪断応力に耐えて）、上記表面層部分の転がり疲れ寿命を確保できる様にしている。更にこの表面層部分には、上記表面熱処理に加えて（この表面熱処理に引き続いて）高周波焼き入れ等により焼き入れ処理を施して焼き入れ硬化層を形成する事により、表面硬度を確保して、転がり疲れ寿命の一層の向上を図っている。

例えば、特許文献５には、支持軸をＳＵＪ２〜４等の高炭素クロム軸受鋼により造り、この支持軸の表面層部分に浸炭処理や浸炭窒化処理等の表面熱処理を施した後、この支持軸に高周波焼き入れ処理を施す事が記載されている。そして、硬度がＨｖ７００〜Ｈｖ９００で、残留オーステナイト量γ_Ｒが１５〜４０容量％である、焼き入れ硬化層を形成すると共に、芯部の硬度をＨｖ２００〜Ｈｖ５００とする事が記載されている。又、特許文献６には、高周波焼き入れ処理により表面層部分に、硬度がＨｖ５５０以上である有効硬化層深さが、軸方向孔の内周面から外周面迄の距離の０. ７５倍以下である、焼き入れ硬化層を形成する事が記載されている。

この様な特許文献５、６に記載された遊星歯車用支持軸の場合、外径が十分にあり、外周面と軸方向孔１５の内周面との径方向距離（軸方向孔１５を形成した部分の径方向厚さ）を十分に確保できる場合には良いが、外径が小さくなると、耐衝撃性の確保が難しくなる。例えば、支持軸の外径が１０mm以下であり、軸方向孔の内径が１mm以上であり、外周面とこの軸方向孔の内周面との径方向距離が３mm以下の場合に、耐衝撃性の確保が難しくなる。この理由に就いて、図５を参照しつつ説明する。

小型の遊星歯車式変速機を構成する為、上記支持軸の外径を１０mm以下とするにも拘らず、潤滑性確保の為に上記軸方向孔の内径を１mm以上確保すると、上記支持軸の外周面とこの軸方向孔の内周面との径方向距離を３mmを越えて確保する事が難しくなる場合がある。特に、上記軸方向孔の内径が４mm以上になると、上記径方向距離を３mmを越えて確保する事は不可能になる。言い換えれば、上記支持軸のうちで上記軸方向孔を形成した部分の、径方向に関する厚さ寸法が小さくなる。そして、この部分の熱容量が小さくなる。これに対して、上記支持軸のうちで上記軸方向孔から軸方向に外れた部分の熱容量は比較的大きくなる。

この様に、熱容量が軸方向に関して不均一な支持軸に、高周波焼き入れにより焼き入れ硬化層を形成すると、この焼き入れ硬化層の径方向厚さが不均一になる。具体的には、図５に示す様に、支持軸４の軸方向の一部で、軸方向孔１５から軸方向に外れた、熱容量が大きな部分では、温度上昇が遅れる分、焼き入れ硬化層１８ａの厚さｈが小さくなる。これに対して、上記軸方向孔１５の周囲に位置する、熱容量が小さな部分では、温度上昇が早くなる分、焼き入れ硬化層１８ｂの厚さＨが大きくなる。そして、上記軸方向孔１５から軸方向に外れた部分の焼き入れ硬化層１８ａの厚さｈを確保しようとした場合、この軸方向孔１５の周囲に位置する焼き入れ硬化層１８ｂがこの軸方向孔１５にまで達し、この部分に未硬化の金属層が存在しなくなってしまう。言い換えれば、断面全体が焼き入れ硬化された状態となる。特に、支持軸４の外周面と上記軸方向孔１５の内周面との径方向距離が３mm以下しかない場合には、この様な状態が出現し易くなる。そして、軸方向の一部にしても、断面全体が焼き入れ硬化された場合には、当該部分の靱性が低下し、上記支持軸４の耐衝撃性が損なわれる。

この為従来は、小径でしかも或る程度の長さを有する遊星歯車用支持軸で靱性を確保する為には、図６に示す様に、軸方向孔１５及び径方向孔１６（例えば図５参照）を持たない支持軸４ａを使用せざるを得なかった。但し、この様な支持軸４ａは、この支持軸４ａの外周面と遊星歯車３の内周面との間の円筒状空間内に設けるラジアルニードル軸受（図３〜４参照）を潤滑する為の潤滑油を、この円筒状空間の軸方向端部から送り込む必要がある。この為、必要とする潤滑油量を確保する事が難しく、高荷重、高速回転等、運転条件が厳しくなると、十分な耐久性を確保する事が難しくなる。尚、特許文献７には、外周面をラジアルニードル軸受用の内輪軌道とした軸の熱処理方法に就いて記載されているが、上述の様な課題を解決する事を示唆する記述は存在しない。

特開平７−３１７８８５号公報特開平１１−２７０６６１号公報特開２００２−２３５８４１号公報実開昭６３−１２５２５４号公報特開２００６−２９２０２５号公報特開２００６−２９２０２６号公報特開２００２−４００３号公報

本発明は、上述の様な事情に鑑みて、小径で中間部外周面に十分な硬さを有する焼き入れ硬化層を備え、しかも十分な靱性を有する遊星歯車用支持軸の製造方法を実現すべく発明したものである。

本発明の製造方法の対象となる遊星歯車用支持軸は、前述した従来から知られている遊星歯車用支持軸と同様に、軸方向孔と、径方向孔と、焼き入れ硬化層とを有する。
このうちの軸方向孔は、遊星歯車用支持軸の中心軸部に形成されたもので、軸方向一端面に開口すると共に、軸方向中間部に迄達する。
又、上記径方向孔は、上記軸方向孔の奥部と上記遊星歯車用支持軸の外周面とを連通させるもので、この遊星歯車用支持軸の軸方向中間部に、この遊星歯車用支持軸の径方向に形成されている。
又、上記焼き入れ硬化層は、上記遊星歯車用支持軸の軸方向中間部を高周波焼き入れする事により、この軸方向中間部の外周寄り部分に設けられている。
又、両端部を遊星歯車式変速機を構成するキャリアに支持固定し、この焼き入れ硬化層を設けた部分の周囲に遊星歯車を回転自在に支持する。
又、本発明の製造方法の対象となる遊星歯車用支持軸は、その外径が１０mm以下である。
又、上記軸方向孔及び上記径方向孔の内径が１mm以上である。
又、上記遊星歯車用支持軸の外周面と上記軸方向孔の内周面との径方向距離が３mm以下である。
又、上記焼き入れ硬化層は、軸方向両端部を除く部分に、その径方向厚さが０．４〜２．０mmの範囲で、軸方向全長に亙ってほぼ均一の厚さに形成されている。
更に、この焼き入れ硬化層よりも径方向内側部分である芯部の残留オーステナイト量が０〜３容量％であり、この焼き入れ硬化層の残留オーステナイト量が１５〜５０容量％である。

特に、本発明の遊星歯車用支持軸の製造方法は、焼き入れ処理を施さずに生のままでの硬さがＨｖ２００〜５００である金属材料を使用し、この金属材料から形成した同じく生のままの中間素材に対して、前記径方向孔を切削加工により形成し、その後、上記焼き入れ硬化層を設ける部分に、浸炭窒化処理・高温焼き戻し処理を施した後、高周波焼き入れ・低温焼き戻し処理を施す事により上記焼き入れ硬化層を形成してから上記軸方向孔を形成する。
上述の様な工程により、上記焼き入れ硬化層を形成する事で、芯部の残留オーステナイト量を０〜３容量％とし、表面（焼き入れ硬化層）の残留オーステナイト量を１５〜５０容量％にできる。又、高周波焼き入れや浸炭窒化処理に先立って切削加工を施す事もできるし、この切削加工と高周波焼き入れとの間に高温焼き戻しを施す事もできる。

上述の様な本発明の製造方法によれば、優れた特性を有する遊星歯車用支持軸を安定して造る事ができる。即ち、本発明の製造方法の場合には、この遊星歯車用支持軸に焼き入れ硬化層を形成してから軸方向孔を形成する。この焼き入れ硬化層を形成する為の高周波焼き入れ時（加熱時）にはこの軸方向孔が存在しない為、上記遊星歯車用支持軸の熱容量が、軸方向に関して不均一にならないか、仮になっても不均一の程度を抑えられる（ほぼ均一にできる）。この為、上記焼き入れ硬化層を形成すべき部分の軸方向全長に亙ってこの焼き入れ硬化層を、ほぼ均一の厚さに形成できる。上記軸方向孔は、この焼き入れ硬化層を形成した後に、この焼き入れ硬化層よりも径方向内側の、焼き入れ硬化されていない部分に形成するので、上記軸方向孔を形成する作業は容易に行える。又、この軸方向孔と上記焼き入れ硬化層との間に、焼き入れ硬化されていない（生の）部分を確実に残せる。この結果、上記優れた特性を有する遊星歯車用支持軸を安定して造れる。

本発明の実施の形態の１例である遊星歯車用支持軸の製造方法を工程順に示す断面図。遊星歯車装置の１例を、軸方向から見た状態で示す正面図。図２のＸ−Ｘ断面図。図３のＹ部拡大断面図。小径の遊星歯車用支持軸の外周面部分に高周波焼き入れ処理を施す事により生じる不都合を説明する為の、遊星歯車用支持軸の断面図。この不都合を解消する為に、従来から実施されていた遊星歯車用支持軸の断面図。

図１は、本発明の実施の形態の１例として、予め所定の寸法・形状に加工した、（Ａ）に示す中間素材１９に、孔あけ加工及び焼き入れの為の熱処理を施して、（Ｄ）に示す遊星歯車用支持軸２０とする工程を示している。
先ず、アンコイラから引き出した、外径が１０mm以下である長尺な素材（断面円形の線材）を所定長さ（完成後の長さである２０〜８０mmに、軸方向両端面の形状を整える為に必要とする削り代を加えた長さ）に切断する。尚、上記素材の材質としては、前述した様な、ＳＣＭ４２０、ＳＫ５、ＳＵＪ２〜４、Ｓ７０Ｃ等が使用可能である。又、何れの材質を使用する場合でも、金属材料自体の（焼き入れせずに生のままの状態での）硬さが、Ｈｖ２００〜５００程度のものを使用する。この硬さがＨｖ２００未満の場合には、完成後の遊星歯車用支持軸２０の曲げ剛性を確保する事が難しくなる。これに対して、上記硬さがＨｖ５００を越えると、軸方向両端部をキャリアにかしめ固定すべく、この軸方向両端部を拡径（直径を広げる方向に塑性変形）しにくくなる。又、完成後の遊星歯車用支持軸２０の靱性確保も難しくなる。

何れの材質を使用するにしても、所定長さに切断した素材は、その後、鍛造等の塑性加工、或は旋削等の切削加工を施す事により、（Ａ）に示す様な、軸方向両端面に円すい台状の円形凹部２１ａ、２１ｂを形成した、上記中間素材１９とする。この中間素材１９は、未だ何れの部分にも焼き入れ硬化層を形成しておらず、全体が生のままである。

この様な中間素材１９には、続く工程で、軸方向中間部の１乃至複数個所に径方向孔１６を、ほぼこの中間素材１９の中心部まで形成して、（Ｂ）に示す様な第二中間素材２２とする。上記径方向孔１６を穿設する作業は、ボール盤等を使用した切削加工により行うが、上記中間素材１９は、焼き入れ硬化せずに全体が生のままである為、この切削加工は容易に行える。又、上記径方向孔１６の内径Ｒ_１６は、１mm以上（例えば１〜４mm程度）とする。

上記径方向孔１６を形成した上記第二中間素材２２には、次の工程で高周波焼き入れ処理を施す。そして、（Ｃ）に示す様な第三中間素材２３とする。この第三中間素材２３は、軸方向中間部に焼き入れ硬化層１８を形成すると共に、軸方向両端部で上記両円形凹部２１ａ、２１ｂの周囲部分は、焼き入れ硬化せずに生のままとしている。上記焼き入れ硬化層１８の、径方向に関する厚さ（Ｈｖ５５０以上の部分の径方向に関する厚さ）Ｔは、０．４〜２．０mmとする。この焼き入れ硬化層１８を形成する為の高周波焼き入れ時（加熱時）には、未だ軸方向孔１５｛図１の（Ｄ）｝が存在しない。この為、上記第二中間素材２２の熱容量を、焼き入れ硬化層１８を形成しない軸方向両端部を除き、軸方向に関してほぼ均一にできる。この為、上記焼き入れ硬化層１８を形成すべき部分の軸方向全長に亙ってこの焼き入れ硬化層１８を、ほぼ均一の厚さに形成できる。上記径方向孔１６の存在に基づく熱容量の差は、この焼き入れ硬化層１８の厚さ寸法を不均一にする要因とはなりにくい。この焼き入れ硬化層１８の表面硬さ（上記第三中間素材２３の外周面部分の硬さ）は、Ｈｖ６５０〜９００程度にする。この硬さがＨｖ６５０未満の場合には、ラジアルニードル軸受の内輪軌道としての機能を有する外周面部分の転がり疲れ寿命を、十分に確保できない。これに対して、上記硬さがＨｖ９００を越えると、焼き入れ処理に伴って割れ等の損傷が発生し易くなる。又、上記焼き入れ硬化層１８の厚さを２．０mm以下に抑える事も難しくなる。

この様にして、上記焼き入れ硬化層１８を形成した上記第三中間素材２３には、次の工程で上記軸方向孔１５を形成して、（Ｄ）に示した遊星歯車用支持軸２０とする。即ち、ボール盤等を使用した切削加工により、上記第三中間素材２３の軸方向端面に形成した円形凹部２１ａの底面中心部から上記径方向孔１６を少しだけ過ぎた部分にまで、上記軸方向孔１５を形成する。この軸方向孔１５の内径は１mm以上（例えば１〜４mm）としている。又、この軸方向孔１５の内周面と上記遊星歯車用支持軸２０の外周面との径方向距離を３mm以下とする。この軸方向孔１５を形成する、上記第三中間素材２３の径方向中心部は、上記焼き入れ硬化層１８よりも径方向内側の、焼き入れ硬化されていない生の（比較的軟らかい）部分であるから、上記軸方向孔１５を形成する作業は容易に行える。又、この軸方向孔１５と上記焼き入れ硬化層１８との間に、焼き入れ硬化されていない（生の）部分を確実に残せる。

即ち、上述の様な本例の製造方法によれば、上記焼き入れ硬化層１８の径方向厚さを、実質的全長に亙り、０．４〜２．０mmの範囲に規制できる。そして、外径が１０mm以下の小径の遊星歯車用支持軸２０で、潤滑油の供給量を確保すべく、上記軸方向孔１５及び上記径方向孔１６の内径を１mm以上確保して、外周面とこの軸方向孔１５の内周面との径方向距離が３mm以下になっても、全長が８０mm以下であれば、必要とされる靱性を十分に確保できる。

１太陽歯車
１ａ歯
２リング歯車
２ａ歯
３遊星歯車
３ａ歯
４、４ａ支持軸
５ニードル
６キャリア
７基板
８ａ、８ｂ通孔
９係止ピン
１０円筒部
１１回転軸
１２連結板
１３内輪軌道
１４外輪軌道
１５軸方向孔
１６径方向孔
１７潤滑油供給路
１８、１８ａ、１８ｂ焼き入れ硬化層
１９中間素材
２０遊星歯車用支持軸
２１ａ、２１ｂ円形凹部
２２第二中間素材
２３第三中間素材

Claims

軸方向一端面に開口すると共に、軸方向中間部に迄達する軸方向孔を中心部に、この軸方向孔の奥部と外周面とを連通させる径方向孔を軸方向中間部に、軸方向中間部の外周寄り部分に焼き入れ硬化層を、それぞれ有し、両端部を遊星歯車式変速機を構成するキャリアに支持固定し、この焼き入れ硬化層を設けた部分の周囲に遊星歯車を回転自在に支持するものであり、その外径が１０mm以下であり、上記軸方向孔及び上記径方向孔の内径が１mm以上であり、外周面とこの軸方向孔の内周面との径方向距離が３mm以下であり、上記焼き入れ硬化層は、軸方向両端部を除く部分に、その径方向厚さが０．４〜２．０mmの範囲で、軸方向全長に亙ってほぼ均一の厚さに形成されており、この焼き入れ硬化層よりも径方向内側部分である芯部の残留オーステナイト量が０〜３容量％であり、この焼き入れ硬化層の残留オーステナイト量が１５〜５０容量％である遊星歯車用支持軸を造る為に、焼き入れ処理を施さずに生のままでの硬さがＨｖ２００〜５００である金属材料を使用し、この金属材料から形成した同じく生のままの中間素材に対して、前記径方向孔を切削加工により形成し、その後、上記焼き入れ硬化層を設ける部分に、浸炭窒化処理・高温焼き戻し処理を施した後、高周波焼き入れ・低温焼き戻し処理を施す事により上記焼き入れ硬化層を形成してから上記軸方向孔を形成する事を特徴とする遊星歯車用支持軸の製造方法。
軸方向両端面に円形凹部を形成し、上記軸方向孔の一方の開口部をこれら両円形凹部のうちの一方の円形凹部の底面に開口させ、外周面のうちの、軸方向に関してこれら両円形凹部と整合する部分に、上記焼き入れ硬化層を形成しない、請求項１に記載した遊星歯車用支持軸の製造方法。