(57)【要約】【課題】塑性変形が生じにくいピニオンシャフトを提供する。【解決手段】ラジアルニードル軸受１は、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のピニオンギアに好適に使用されるものであり、外輪２と、ピニオンシャフト３と、外輪２とピニオンシャフト３との間に転動自在に配された複数の転動体４と、を備えている。このピニオンシャフト３は、０．４質量％以上１．５質量％以下のケイ素を含有する鋼で構成されているとともに、残留オーステナイト量が０体積％である芯部３ｂと、該芯部３ｂの周囲に配された表層部３ａと、を備えている。表層部３ａの表面硬さはＨｖ７００以上であり、表層部３ａの残留オーステナイト量は１５体積％以上５０体積％以下であり、残留圧縮応力は４００ＭＰａ以上１２００ＭＰａ以下である。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
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のピニオンギアに使用されるラジアルニードル軸受のピニオンシャフトにおいて、０．４質量％以上１．５質量％以下のケイ素を含有する鋼で構成するとともに、残留オーステナイト量が１５体積％以上５０体積％以下で残留圧縮応力が４００ＭＰａ以上１２００ＭＰａ以下である表層部と、残留オーステナイト量が０体積％である芯部とを設け、表面硬さをＨｖ７００以上としたことを特徴とするピニオンシャフト。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、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のピニオンギアに使用されるラジアルニードル軸受のピニオンシャフトに関する。
【背景技術】
【０００２】
ラジアルニードル軸受のピニオンシャフトには、耐転がり疲労性に優れ塑性変形が生じにくいという性能が要求される。従来、このようなピニオンシャフトとしては、例えば、０．５質量％以上１．２質量％以下の炭素を含有する鋼で構成され、焼入れにより形成されたビッカース硬さＨｖが６５０以上の表面層を有するものが知られている（特許文献１を参照）。
【０００３】
この表面層の窒素濃度は０．０５質量％以上０．４質量％以下で、残留オーステナイト量は１５体積％以上４０体積％以下であるとともに、表面層の内側の芯部の残留オーステナイト量は０体積％である。なお、ここで言う塑性変形とは、負荷される荷重とラジアルニードル軸受による発熱との相乗効果により、ピニオンシャフトが弓状に湾曲する現象である。
【特許文献１】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】
【０００４】
しかしながら、不安定組織である残留オーステナイトが表面層に１５体積％以上４０体積％以下存在しているので、ピニオンシャフトの塑性変形を完全に防止することは困難であった。ピニオンシャフトが塑性変形すると、ピニオンシャフトとローラとの接触面圧の分布に傾きが生じ、接触面圧の局部的な増加が起こるため、ピニオンシャフトの寿命が著しく低下するおそれがあった。
そこで、本発明は上記のような従来技術が有する問題点を解決し、塑性変形が生じにくいピニオンシャフトを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
前記課題を解決するため、本発明は次のような構成からなる。すなわち、本発明に係る請求項１のピニオンシャフトは、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のピニオンギアに使用されるラジアルニードル軸受のピニオンシャフトにおいて、０．４質量％以上１．５質量％以下のケイ素を含有する鋼で構成するとともに、残留オーステナイト量が１５体積％以上５０体積％以下で残留圧縮応力が４００ＭＰａ以上１２００ＭＰａ以下である表層部と、残留オーステナイト量が０体積％である芯部とを設け、表面硬さをＨｖ７００以上としたことを特徴とする。
このような構成であれば、高温下で荷重が負荷されてもピニオンシャフトに塑性変形が生じにくく、耐久性が優れている。
【０００６】
ここで、上記の各数値の臨界的意義について説明する。
〔鋼中のケイ素の含有量について〕
ケイ素の含有量が０．４質量％以上であれば、表層部の残留圧縮応力が４００ＭＰａ以上であることとの相乗効果により、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のピニオンギアに使用されるラジアルニードル軸受が曝される温度域、すなわち−３０℃から１５０℃において残留オーステナイト組織が安定化されるので、ピニオンシャフトに塑性変形が生じにくい。一方、表面硬さをＨｖ７００以上とするためには、鋼中のケイ素の含有量を１．５質量％以下とする必要がある。このような効果をより一層得るためには、鋼中のケイ素の含有量は０．４質量％以上１．１質量％以下とすることが好ましい。
【０００７】
なお、ピニオンシャフトの硬さを高めるためには、鋼中の炭素の含有量を０．９質量％以上１．５質量％以下とすることが好ましく、ピニオンシャフトの転がり疲労高度を高めるためには、鋼中のクロムの含有量を０．９質量％以上１．６質量％以下とすることが好ましく、残留オーステナイト量を高めるためには、鋼中のマンガンの含有量を０．２５質量％以上１．２質量％以下とすることが好ましい。
【０００８】
〔表面硬さについて〕
表面硬さがＨｖ７００未満であると、ピニオンシャフトの耐久性が低くなる。
〔表層部の残留圧縮応力について〕
表層部の残留圧縮応力が４００ＭＰａ以上であれば、鋼中のケイ素の含有量が０．４質量％以上であることとの相乗効果により、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のピニオンギアに使用されるラジアルニードル軸受が曝される温度域、すなわち−３０℃から１５０℃において残留オーステナイト組織が安定化されるので、ピニオンシャフトに塑性変形が生じにくい。ただし、１２００ＭＰａを超えるとオーバーショットピーニングとなってしまい、微細クラックが生じて耐久性が低下するおそれがある。
【０００９】
〔表層部の残留オーステナイト量について〕
残留オーステナイト量が１５体積％未満では、表面疲労を緩和するダンパー効果が不十分となるため、ピニオンシャフトの耐久性が低下する。一方、５０体積％を超えると、塑性変形の大きさが無視できない程度になってしまうおそれがある。
〔芯部の残留オーステナイト量について〕
残留オーステナイトが存在すると、マルテンサイトへの変態によって塑性変形が生じる。表層部の残留オーステナイト量の影響も多少はあるが、芯部はピニオンシャフトの体積の大部分を占めることから、芯部に残留オーステナイトが存在すると、ピニオンシャフトに塑性変形が生じやすく、ピニオンシャフトの曲がりが大きくなる。よって、芯部の残留オーステナイト量を０体積％とすれば、表層部に残留オーステナイトが存在しても、ピニオンシャフトの塑性変形はほとんど生じない。
【発明の効果】
【００１０】
本発明のピニオンシャフトは塑性変形が生じにくい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明に係るピニオンシャフトの実施の形態を、図１を参照しながら詳細に説明する。図１に示すラジアルニードル軸受１は、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のピニオンギアに好適に使用されるものであり、外輪２と、内輪に相当する円柱状のピニオンシャフト３と、外輪２とピニオンシャフト３との間に転動自在に配された複数の転動体４と、外輪２とピニオンシャフト３との間に複数の転動体４を保持する図示しない保持器と、で構成されている。このピニオンシャフト３は、相手部材である転動体４に対して相対的に転動するものである。なお、保持器は備えていなくてもよい。
【００１２】
このピニオンシャフト３は、０．４質量％以上１．５質量％以下のケイ素を含有する鋼で構成されているとともに、残留オーステナイト量が０体積％である芯部３ｂと、該芯部３ｂの周囲に配された表層部３ａと、を備えている。この表層部３ａの表面は、転動体４の軌道面を構成するものであり、その表面硬さはＨｖ７００以上とされている。また、表層部３ａの残留オーステナイト量は１５体積％以上５０体積％以下であり、残留圧縮応力は４００ＭＰａ以上１２００ＭＰａ以下である。
【００１３】
このような構成から、ピニオンシャフト３は、ラジアルニードル軸受１の使用時に高温下で荷重が負荷されても塑性変形が生じにくく、優れた耐久性を有している。また、表層部３ａを備えていることから、ピニオンシャフト３の軌道面は優れた耐疲労性を有している。
なお、表層部３ａの残留オーステナイト量及び残留圧縮応力は、ピニオンシャフト３の表面を電解研摩等により研摩して約５０μｍの研摩加工影響層を除去した後の表面について値である。
〔実施例〕
以下に実施例を示して、本発明をさらに具体的に説明する。以下のような方法により、上記実施形態のピニオンシャフト３とほぼ同様の構成のピニオンシャフトを製造した。なお、ピニオンシャフトの素材である鋼としては、表１に示すような組成を有する３種の鋼を用いた。
【００１４】
【表１】
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【００１５】
前記鋼製の円柱状部材の外周面のうち軌道面に相当する部分に高周波焼入れを施して、硬化層（表層部）を形成した。この高周波焼入れは、円柱状部材の外周面の径方向外方にコイルを配置し、高周波加熱した後に冷却することにより行うことができる。本実施例においては、コイルと円柱状部材とが軸方向に相対的に移動しながら連続的に焼入れを行う、いわゆる移動焼入れを採用したが、コイルと円柱状部材との相対位置を固定して焼入れを行う、いわゆる一発焼入れでもよい。なお、高周波焼入れの条件は、周波数３０ｋＨｚ、電圧１０ｋＶ、電流１０Ａ、円柱状部材の送り速度２〜８ｍ／ｓ、冷却水の量３５Ｌ／ｍｉｎである。
【００１６】
次に、高周波焼入れを施した円柱状部材に焼戻しを施した後、６００ＭＰａの残留圧縮応力（表面から５０μｍ内側の位置での値）を付与するためにショットピーニング加工を施して、実施例１〜３のピニオンシャフトを得た。得られたピニオンシャフトは直径２０ｍｍ、長さ８５ｍｍであり、軸方向中央部に直径７ｍｍの油穴が設けられている。また、実施例１〜３のピニオンシャフトの硬化層（表層部）の残留オーステナイト量は、それぞれ２０体積％，３体積％，２０体積％であり、芯部の残留オーステナイト量は全て０体積％である。さらに、Ｈｖ５５０以上の有効硬化層深さは全て約１．５ｍｍであり、表面硬さは全てＨｖ８００である。なお、残留オーステナイト量及び残留圧縮応力は、Ｘ線回折装置により測定した。
【００１７】
このようにして得られた実施例１〜３のピニオンシャフトを、図２に示すような装置に装着して駆動し、変形量の調査を行った。図２の装置は、キャリヤ１１に回転自在に支持されたピニオンギア１２を自転させながら公転させるものであり、ピニオンギア１２，ケージアンドローラ１３，及びピニオンギア１２の両端のワッシャーに負荷される遠心力が、ピニオンシャフト１４に作用するようになっている。
【００１８】
ピニオンギアの公転速度（キャリヤの回転速度）を９０００ｍｉｎ-1、ピニオンギアの自転速度を１２１５０ｍｉｎ-1として前記装置を駆動し、５０時間経過毎にピニオンシャフトの変形量（曲がり量）を測定した。なお、公転速度は、ピニオンギアに動定格荷重の５５％の荷重が負荷されるような速度とした。また、ピニオンギアの潤滑には、ＩＳＯ粘度グレードがＩＳＯ  ＶＧ７である潤滑油を用い、ピニオンギアからの廃油温度は１２０℃であった。
【００１９】
結果を図３のグラフに示す。このグラフから分かるように、曲がり量は実施例２が最も大きく、実施例３が最も小さかった。
ここで、実施例２及び実施例３のそれぞれについて、ショットピーニング加工の有無と曲がり量との関係を調査した。結果を図４のグラフに示す。なお、ショットピーニング加工を施していないことを除いては実施例２と同様のものを比較例Ａ、ショットピーニング加工を施していないことを除いては実施例３と同様のものを比較例Ｂと示してある。比較例Ａの表層部の残留圧縮応力は１００ＭＰａ、表層部の残留オーステナイト量は１０体積％、表面硬さは約Ｈｖ８００である。また、比較例Ｂの表層部の残留圧縮応力は１００ＭＰａ、表層部の残留オーステナイト量は２５体積％、表面硬さは約Ｈｖ８００である。図４のグラフから、ショットピーニング加工を施して残留圧縮応力を付与した場合の方が、曲がり量が小さいことが分かる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の一実施形態であるピニオンシャフトを備えたラジアルニードル軸受の断面図である。
【図２】ピニオンシャフトの変形量を測定する装置の構造を説明する図である。
【図３】ピニオンシャフトの変形量を示すグラフである。
【図４】ショットピーニング加工の有無と変形量との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００２１】
１      ラジアルニードル軸受
２      外輪
３      ピニオンシャフト
３ａ    表層部
３ｂ    芯部
４      転動体
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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