(57)【要約】【課題】  開口部の強度が低下し易い軸方向中心孔１４及び分岐孔１５、１５を有する構造で、折損に結び付く様な重大な損傷が発生する事のない支持軸４ａを実現する。【解決手段】  高炭素クロム軸受鋼に高周波熱処理を施す事により、硬度がＨｖ７００〜Ｈｖ９００である表面硬化層１７を形成し、芯部１８の硬度をＨｖ２００〜Ｈｖ５００とする。このうちの表面硬化層１７により、内輪軌道１２として機能する外周面の転がり疲れ寿命を確保する。又、上記芯部１８により、上記各孔１４、１５の開口部で発生した亀裂の伝播を抑えて、上記損傷を防止する。【選択図】  図１
2006292025.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
中心部に軸方向中心孔を、この軸方向中心孔の内周面と外周面との間に分岐孔を、それぞれ有し、遊星歯車式変速機を構成す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に於いて、高炭素クロム軸受鋼に高周波熱処理を施す事により形成された、硬度がＨｖ７００〜Ｈｖ９００である表面硬化層を有し、且つ、芯部の硬度がＨｖ２００〜Ｈｖ５００である事を特徴とする遊星歯車用支持軸。
【請求項２】
表面硬化層の残留オーステナイト量γR が１５〜４０容量％である、請求項１に記載した遊星歯車用支持軸。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の遊星歯車用支持軸は、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改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
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１〜４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。
【０００３】
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の基端部を上記キャリア６に形成した通孔７ａに締まり嵌めで内嵌すると共に、これら各支持軸４と上記キャリア６との間に係止ピン８を掛け渡して、これら各支持軸４が上記通孔７ａから脱落するのを防止している。
【０００４】
又、図示の例では、上記太陽歯車１を円筒状に形成し、上記キャリア６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、このキャリア６の内周縁部に形成した円筒部９を、回転軸１０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１０の周囲に、この回転軸１０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、１０の周囲に、これら各部材１、６、１０に対する相対回転自在に支持している。
【０００５】
又、上記各支持軸４の先端部（図３〜４の左端部）は、円輪状に形成された連結板１１に形成した通孔７ｂに内嵌固定し、これら各支持軸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１１との間部分は、円筒面状の内輪軌道１２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１３としている。そして、これら内輪軌道１２と外輪軌道１３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１１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中心孔１４及び分岐孔１５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、上記軸方向中心孔１４の上流端を、上記キャリア６内に設けた潤滑油供給路１６に通じさせると共に、上記分岐孔１５の両端部を、上記軸方向中心孔１４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。
【０００６】
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１０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なう。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。
【０００７】
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１２）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、転がり疲労寿命が長く、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、ＳＣｒ４２０等の肌焼き鋼、ＳＫ５等の高周波焼入れ鋼、ＳＵＪ２やＳＵＪ３等の高炭素クロム軸受鋼が使用されている。
【０００８】
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）高周波熱処理を施す事により、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。
【０００９】
ところが、遊星歯車装置に組み込まれる上記支持軸４の場合には、特有の形状、構造に起因して、次の様な問題を生じる。即ち、この支持軸４の内部には、上記各ニードル５、５の転動面と前記内輪軌道１２及び前記外輪軌道１３との転がり接触部に潤滑油を供給する為に、軸方向中心孔１４及び分岐孔１５が形成されている。一方、上記支持軸４の表面層部分の硬度を向上させるべく、この支持軸４に上記高周波熱処理に伴う焼き入れを行なう際には、高周波加熱により温度上昇した上記支持軸４の表面を急冷する為に冷却水を、この支持軸４の表面に向けて噴射する。従って、上記焼き入れ作業時には、この支持軸４の表面が先に冷やされ、引き続き芯部に向かって冷やされていく。この為、この支持軸４の表面でマルテンサイト変態が始まる温度域（例えば、ＳＵＪ２の場合で、２００〜３００℃）で上記支持軸４に、熱処理変態応力と熱的内部応力とが生じる。このうちの熱的内部応力は、この支持軸４の表面と芯部との温度差に基づき、この表面と芯部との熱膨張差により発生する。
【００１０】
この様な熱処理変態応力及び熱的内部応力は、上記支持軸４の一部に、亀裂に結び付く、大きな引っ張り応力となって加わる可能性がある。特に、上記軸方向中心孔１４及び分岐孔１５の端部で上記支持孔４の表面（軸方向端面又は外周面）に存在する開口の周縁部に存在するエッジ部の様に、薄肉で熱容量の小さな部分に冷却水が直接吹き付けられると、この部分の温度が急激に低下し、この部分に瞬間的に熱応力を誘発させて、この部分の材料強度を低下させる可能性がある。そして、この部分に亀裂等の損傷が発生すると、この損傷が上記支持軸４の芯部にまで伝播し、この支持軸４全体が折損する可能性がある。従来は、遊星歯車式変速機の運転時に上記支持軸４に加わる力は限られていた為、上述の様な支持軸４の折損等の故障が発生する事はなかった。これに対して、近年、自動車用エンジンの出力向上等により、上記支持軸４に加わる力が大きくなる傾向にあり、上述の様な折損を確実に防止できる技術の実現が求められている。
【００１１】
特許文献５には、ラジアルニードル軸受を構成する軸の表面硬化層の硬度をＨｖ６５０以上とし、残留オーステナイト量を１５〜４０容量％とする事で、この表面硬化層の転がり疲れ寿命の確保と塑性変形防止とを図る発明が記載されている。又、上記特許文献５には、上記軸の塑性変形を防止する為に、芯部の硬度をＨｖ３００〜５００とし、残留オーステナイト量を０容量％とする事も記載されている。但し、この様な特許文献５に記載された発明は、内部に給油用の孔等を持たない、充実体である軸の、転がり疲れ寿命の確保と塑性変形防止とを目的としたもので、内部に給油用の孔を有する支持軸の折損防止を目的としたものではない。
【００１２】
【特許文献１】特開平７−３１７８８５号公報
【特許文献２】特開平１１−２７０６６１号公報
【特許文献３】特開２００２−２３５８４１号公報
【特許文献４】実開昭６３−１２５２５４号公報
【特許文献５】特開２００２−４００３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明は、上述の様な事情に鑑み、潤滑油供給用の孔の開口周縁部の様に、強度が低下し易い部分を有する場合でも、折損に結び付く様な重大な損傷が発生する事のない遊星歯車用支持軸を実現すべく発明したものである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明の遊星歯車用支持軸は、従来から知られている遊星歯車用支持軸と同様に、中心部に軸方向中心孔を、この軸方向中心孔の内周面と外周面との間に分岐孔を、それぞれ有する。そして、遊星歯車式変速機を構成する遊星歯車をキャリアに対して回転自在に支持する為に使用する。
特に、本発明の遊星歯車用支持軸は、ＳＵＪ２、ＳＵＪ３、或いはＳＵＪ４等の高炭素クロム軸受鋼に高周波熱処理を施す事により造られたもので、硬度がＨｖ７００〜Ｈｖ９００である表面硬化層を有し、且つ、芯部の硬度がＨｖ２００〜Ｈｖ５００である。
【００１５】
尚、上記表面硬化層は、高周波熱処理による焼き入れ硬化層とする事が、この表面硬化層を低コストで得られる事から好ましい。この場合に、上記高周波熱処理に先立って上記遊星歯車用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す事が、この表面層部分に繰り返し加わる剪断応力に拘らず、この表面層部分の転がり疲れ寿命を確保する面からは好ましい。
【発明の効果】
【００１６】
上述の様に構成する本発明によれば、優れた転がり疲れ寿命を有し、しかも、潤滑油供給用の孔の開口周縁部の様に、強度が低下し易い部分を有する遊星歯車用支持軸でも、折損の様な重大な故障を有効に防止できる。
先ず、硬度がＨｖ７００〜Ｈｖ９００である表面硬化層を有する為、表面層部分の転がり疲れ寿命を確保できる。尚、この表面硬化層の硬度がＨｖ７００未満の場合には、伝達すべき動力が大きくなる等、使用条件が厳しい場合に、上記遊星歯車用支持軸の外周面（ラジアルニードル軸受の内輪軌道）の転がり疲れ寿命を確保する事が難しくなる。これに対して、上記表面硬化層の硬度がＨｖ９００を越えると、この表面硬化層の靱性が不足し、この表面硬化層に亀裂等の損傷が発生し易くなる。
【００１７】
又、上記遊星歯車用支持軸の芯部の硬度を、Ｈｖ２００〜Ｈｖ５００の範囲に規制している為、この遊星歯車用支持軸の剛性を確保しつつ、表面部分で生じた亀裂の伝播を抑えて、この遊星歯車用支持軸に折損等の重大な故障が発生する事を防止できる。
即ち、上記芯部の硬度がＨｖ５００以下である為、前述した様な焼き入れ処理に伴う上記遊星歯車用支持軸表面の急冷に伴って、マルテンサイト変態が始まる温度域で発生する熱処理変態応力と、前述した様に上記遊星歯車用支持軸の表面と芯部との熱膨張差に基づいて生じる熱的内部応力とにより、例え表面部分に亀裂が発生したとしても、この亀裂が芯部にまで伝播する事を防止できる。この結果、上記遊星歯車用支持軸に、折損の様な重大な故障が発生する事を防止できる。
又、上記遊星歯車用支持軸の表面で軸方向中心孔や分岐孔の開口周縁部分に存在する薄肉部分（エッジ部）の様な応力集中部に、これら各孔の加工作業等に起因して発生した、微細な（ミクロ的な）亀裂が存在する場合でも、この亀裂が芯部にまで伝播する事を防止できる。
【００１８】
尚、この様な亀裂の伝播防止の為には、上記芯部の硬度をＨｖ５００以下に抑える必要がある。この芯部硬度がＨｖ５００を越えると、この芯部の靱性が著しく低くなり、上記マルテンサイト変態が始まる温度域で、上記遊星歯車用支持軸の表面で軸方向中心孔や分岐孔の開口周縁部分に存在する薄肉部分の様な応力集中部に亀裂が発生し易くなる。又、この様な応力集中部で発生した亀裂が芯部にまで伝播する事を十分に防止できなくなる。これに対して、上記芯部の硬度がＨＶ２００未満の場合には、上記遊星歯車用支持軸全体としての剛性が低くなり、この遊星歯車用支持軸全体としての強度を十分に確保できなくなる可能性がある。
【実施例】
【００１９】
本発明の効果を確認する為に行なった実験に就いて説明する。この実験には、図１に模式的に示した様な、支持軸４ａを使用した。この様な支持軸４ａを、出願人会社製の遊星歯車式変速機用の試験機に組み込んで、以下の条件で耐久試験を行なった。尚、上記支持軸４ａの表面硬化層１７を斜格子模様で示した。
支持軸４ａの外径Ｄ＝１６. ７mm
各ニードル５、５（図３〜４参照）の外径＝３. ５mm（総ニードル型）
分岐孔１５、１５の内径＝４mm
ラジアルニードル軸受の基本動定格荷重Ｃ＝２１５００Ｎ
同基本静定格荷重Ｃ0 ＝２２０００Ｎ
運転時に付与したラジアル荷重＝１００００Ｎ
遊星歯車３（図３〜４参照）の回転速度＝７０００min-1 
ラジアルニードル軸受の計算寿命Ｌ10＝４４時間
潤滑油種類及び油温＝ＡＴＦ、１００℃
【００２０】
上記耐久試験は、上記支持軸４ａの表面硬化層１７の硬度及び残留オーステナイト量と芯部１８の硬度との組み合わせを種々（本発明の技術的範囲に属する実施例を３種類と、本発明の技術的範囲から外れる比較例を３種類との合計６種類に）異ならせて行なった。そして、上記支持軸４ａ、各ニードル５、５、遊星歯車３（図２〜４参照）のうちの少なくとも１個が破損した時点で中止し、その時点まで運転時間を、当該支持軸４ａを含むラジアルニードル軸受の転がり疲れ寿命とした。この結果を次の表１に示す。
【００２１】
【表１】
2006292025.tif 000003
【００２２】
上述の様な条件で行なった耐久試験の結果を表す、上記表１から明らかな通り、本発明の技術的範囲に属する支持軸４ａを組み込んだラジアルニードル軸受の場合、優れた転がり疲れ寿命を有し、しかも、折損の様な重大な故障に結び付く、亀裂の発生を防止できる。尚、比較例１の場合、支持軸４ａの芯部１８の硬度がＨｖ２００に達していない為、この支持軸４ａの剛性が低く、ラジアル荷重に基づいてこの支持軸４ａが曲げ変形し易い。この為、転がり接触部の一部の面圧が高くなり易く、転がり疲れ寿命を必ずしも十分に確保できなかった。又、比較例２、３の場合には、支持軸４ａの芯部１８の硬度がＨｖ５００を越えている為、この支持軸４ａに、折損の様な重大な故障に結び付く可能性がある、亀裂が発生した。
【００２３】
尚、上述した耐久試験を行なうのに、上記支持軸４ａを構成する金属材料は、高炭素クロム軸受鋼２種（ＳＵＪ２）を使用した。但し、本発明を実施する場合に、高炭素クロム軸受鋼３種又は４種（ＳＵＪ３、ＳＵＪ４）等、他の高炭素クロム軸受鋼を使用する事もできる。又、上記支持軸４ａの表面に浸炭窒化処理を施す事により、この支持軸４ａの表面硬化層１７の硬度を確保しつつ、この表面硬化層１７の残留オーステナイト量γR を１５〜４０容量％にすれば、上記支持軸４ａの転がり疲れ寿命をより向上させる事ができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の実施例を示す、遊星歯車用支持軸の断面図。
【図２】従来構造の遊星歯車装置の第１例を示す略側面図。
【図３】図２のＡ−Ａ断面図。
【図４】同じく部分拡大断面図。
【符号の説明】
【００２５】
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
７ａ、７ｂ  通孔
８    係止ピン
９    円筒部
１０    回転軸
１１    連結版
１２    内輪軌道
１３    外輪軌道
１４    軸方向中心孔
１５    分岐孔
１６    潤滑油供給路
１７    表面硬化層
１８    芯部
【図１】
2006292025.tif 000004
【図２】
2006292025.tif 000005
【図３】
2006292025.tif 000006
【図４】
2006292025.tif 000007