(57)【要約】【課題】高周波焼入れする軌道面のすべりを伴う転がり揺動運動に対する寿命を向上させ、かつコストが従来製品並の等速ジョイントの軌道輪および転がり揺動運動支持部品を提供することである。【解決手段】本発明の等速ジョイントの軌道輪１、２は、合金元素として、少なくとも、炭素を０．５質量％以上０．７質量％以下、シリコンを０．５質量％以上１．０質量％以下、マンガンを０．５質量％以上１．０質量％以下含有し、残部が鉄および不可避不純物を含む成分組成の鋼を用い、かつ軌道面が高周波焼入れされた構成を有する。【選択図】　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
合金元素として、少なくとも、炭素を０．５質量％以上０．７質量％以下、シリコンを０．５質量％以上１．０質量％以下、マンガンを０．５質量％以上１．０質量％以下含有し、残部が鉄および不可避不純物を含む成分組成の鋼を用い、かつ軌道面が高周波焼入れされた構成を有する、等速ジョイントの軌道輪。
【請求項２】
炭素、シリコン、マンガンの各含有率（質量％）をＣ％、Ｓｉ％、Ｍｎ％としたとき、下式において、Ｌ≧５０を満足する成分組成を有する鋼を用いることを特徴とする、請求項１に記載の等速ジョイントの軌道輪。
Ｌ＝１０５．４×（Ｃ％）−０．８４×（Ｓｉ％）１．１８×（Ｍｎ％）１．２４
【請求項３】
請求項１または２に記載の等速ジョイントの軌道輪を備えた、転がり揺動運動支持部品。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高周波焼入れを行なって製造される等速ジョイントの軌道輪および転がり揺動運動支持部品に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
等速ジョイントが作動角をとってトルク伝達するとき、鋼球は軌道輪の軌道面上を転がりとすべりを伴って揺動運動する。従来、軌道面に高周波焼入れする等速ジョイントの軌道輪の材質には主に中炭素鋼であるＳ５３Ｃが用いられている。該用途では比較的荷重条件が軽いことや、部品形状が複雑なことから、加工性と低コストとを重視した材料選択がなされてきた。しかし、近年、省エネルギ化、コンパクト化による高面圧化や使用環境の過酷化に伴い、材料にはすべりを伴う転がり揺動運動に対する長寿命化が求められるようになってきている。
【０００３】
なお、等速ジョイントは、たとえば以下の特許文献１〜３に開示されている。
【０００４】
【特許文献１】
特公昭６０−３９８９７号公報
【特許文献２】
実公昭６３−２６６５号公報
【特許文献３】
特開昭６２−２３３５２２号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、省エネルギ化、コンパクト化に伴い、等速ジョイントの軌道輪はさらに厳しい条件下で使用されるようになってきており、すべりを伴う転がり揺動運動に対して長寿命を発揮する新たな材料が必要になってきている。
【０００６】
それゆえ本発明の目的は、高周波焼入れする軌道面のすべりを伴う転がり揺動運動に対する寿命を向上させ、かつコストが従来製品並の等速ジョイントの軌道輪および転がり揺動運動支持部品を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の等速ジョイントの軌道輪は、合金元素として、少なくとも、炭素を０．５質量％以上０．７質量％以下、シリコンを０．５質量％以上１．０質量％以下、マンガンを０．５質量％以上１．０質量％以下含有し、残部が鉄および不可避不純物を含む成分組成の鋼を用い、かつ軌道面が高周波焼入れされた構成を有するものである。
【０００８】
本願発明者は、鋭意検討した結果、上記の成分組成とすることにより、コスト上昇を抑えつつ、高周波焼入れする軌道面のすべりを伴う転がり揺動運動に対する寿命を向上できることを見出した。これにより、高周波焼入れする軌道面のすべりを伴う転がり揺動運動に対する寿命を向上させ、かつコストが従来製品並の等速ジョイントの軌道輪を得ることができる。
【０００９】
炭素量を０．５質量％以上０．７質量％以下としたのは、以下の理由による。つまり、高周波焼入れで一定以上の硬度を確保するのに必要な炭素量が０．５質量％以上であることから、それを下限とした。一方、炭素は炭化物を作り、安定した硬度を得るためには多い方がよいが、多すぎると素材硬度が高くなり加工性が低下する。また、成分偏析防止のための高温拡散熱処理（ソーキング）や、炭化物球状化などの特別な熱処理が必要でコストアップにつながることから、０．７質量％を上限とした。
【００１０】
シリコン含有量を０．５質量％以上１．０質量％以下としたのは、以下の理由による。つまり、シリコンは素地を強化する元素であり、高温にさらされたときの軟化を抑制し、大荷重の繰返しによる組織変化や亀裂発生を抑制する作用があるため、それらの作用が顕著に得られる組成として、下限を０．５質量％とした。一方、シリコンの含有量を増やしても、後述のマンガンほどは素材硬度の上昇に寄与しないが、増やしすぎると冷間加工性、熱間加工性を阻害するので１．０質量％を上限とした。
【００１１】
マンガン含有量を０．５質量％以上１．０質量％以下としたのは、以下の理由による。つまり、マンガンは、鋼の焼入れ性を改善し、鋼中に固溶して鋼を強靭化するとともに、転がり疲労に有益な残留オーステナイトを増やす。しかし、マンガンはシリコンと同様に素地を強化する他、炭化物中にも入り込み炭化物の硬度を上げる作用もあるため、素材硬度の上昇に効く。したがって、添加しすぎると加工性や被削性が低下する。これらの観点から、マンガン含有量の下限を０．５質量％に、上限を１．０質量％に規定した。
【００１２】
上記の等速ジョイントの軌道輪において好ましくは、炭素、シリコン、マンガンの各含有率（質量％）をそれぞれＣ％、Ｓｉ％、Ｍｎ％としたとき、下式において、Ｌ≧５０を満足する成分組成を有する鋼が用いられる。
【００１３】
Ｌ＝１０５．４×（Ｃ％）−０．８４×（Ｓｉ％）１．１８×（Ｍｎ％）１．２４
これにより、合金元素Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎの含有量がわかれば、上記の予測式によってＬ５０を精度よく予測できるので、上記予測式から求まるＬ５０の値が５０時間以上となる合金成分構成であれば、コスト上昇を抑えつつ、高周波焼入れする軌道面のすべりを伴う転がり揺動運動に対する寿命を向上することができる。
【００１４】
本発明の転がり揺動運動支持部品は、上記の等速ジョイントの軌道輪を備えている。
【００１５】
上記の等速ジョイントの軌道輪を備えることにより、コスト上昇を抑えつつ、高周波焼入れをする軌道面のすべりを伴う転がり揺動運動に対する寿命を向上できる転がり揺動運動支持部品を得ることができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図に基づいて説明する。
【００１７】
図１は本発明の一実施の形態における等速ジョイントとして固定ジョイントの構成を示す一部断面図である。また図２は図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う概略断面図であり、図３は図１の固定ジョイントが角度をなした様子を示す一部断面図である。なお、図１は図２のＩ−Ｉ線に沿う断面図に対応する。
【００１８】
図１〜図３を参照して、この固定ジョイント１０は、２軸に対応付けられた内輪１および外輪２と、それらの間に介在せしめられたトルク伝達用のボール３と、そのボール３を保持するボールケージ４とを有している。ボール３は、内輪１の外周面および外輪２の内周面のそれぞれに等配形成されたボール溝１ａ、２ａに嵌め込まれている。
【００１９】
内輪１の外周面および外輪２の内周面は、図１に示すようにジョイント中心Ｏより左右に等距離だけずらされた点Ａ、Ｂに曲率中心を持つ曲線状、すなわちボール溝１ａ、２ａを転動するボール３の中心点の軌跡が点Ａ、Ｂに曲率中心を持つ曲線とされている。これにより、ボール３は常に２軸のなす角の２等分面上に配向されており、いかなる作動角、いかなる回転角においても等速性が確保されている。
【００２０】
すなわち、この種の等速ジョイント１０における等速性は、トルク伝達をなすボール３の位置が、２軸のなす角の２等分面上にあることを必要かつ十分条件とする。このため、図３に示すように２軸がθの角度をとったとき、ジョイント１０は外輪２の球面状内周面とボールケージ４の球面状外周面との間およびボールケージ４の球面状内周面と内輪１の球面状外周面との間の相互案内によって、これらの球面の中心Ｏを中心として角度をとる。このとき、ボール３はＯ点よりずれた位置に中心を持つ外輪２および内輪１のそれぞれのボール溝２ａ、１ａに案内されて両軸のなす角の２等分平面上まで移動する。
【００２１】
この場合、ボールケージ４は、ジョイント１０の角度中心を決定する以外に、トルクが伝達されたときにボール３に作用するボール溝１ａ、２ａから飛び出そうとする力を外輪２の球面状内周面および内輪１の球面状外周面とともに支え、ボール３を所定の位置に確保する。このとき、ジョイント１０の角度中心Ｏから外輪２のボール溝２ａの中心Ｂに至る距離と、内輪１のボール溝１ａの中心Ａに至る距離とが等しく設定されている。このため、ボール３の中心ＰからＡおよびＢのそれぞれに至る距離はともに等しく、△ＯＡＰと△ＯＢＰとは３辺が相等しいため互いに合同である。よって、ボール３の中心Ｐの両軸からの距離Ｌは互いに等しくなり、ボール３は両軸のなす角の２等分面上にあって、等速性が確保されるのである。
【００２２】
このような等速ジョイントの一種である固定ジョイント１０において、軌道輪となる内輪１と外輪２との少なくともいずれかは、合金元素として、少なくとも、炭素を０．５質量％以上０．７質量％以下、シリコンを０．５質量％以上１．０質量％以下、マンガンを０．５質量％以上１．０質量％以下含有し、残部が鉄および不可避不純物を含む成分組成の鋼を用い、かつ軌道面が高周波焼入れされた構成を有している。
【００２３】
また、軌道輪となる内輪１と外輪２との少なくともいずれかには、炭素、シリコン、マンガンの各含有率（質量％）をＣ％、Ｓｉ％、Ｍｎ％としたとき、下式において、Ｌ≧５０を満足する成分組成を有する鋼が用いられることが好ましい。
【００２４】
Ｌ＝１０５．４×（Ｃ％）−０．８４×（Ｓｉ％）１．１８×（Ｍｎ％）１．２４
なお、上記においては等速ジョイントの一種として固定ジョイントについて説明したが、これ以外に、等速ジョイントとしてダブルオフセットジョイントやトリポートジョイントが用いられてもよい。以下、これらの各等速ジョイントについて説明する。
【００２５】
図４は、本発明の一実施の形態における等速ジョイントの１種としてダブルオフセットジョイントの構成を示す一部断面図である。図４を参照して、ダブルオフセットジョイント１１０は、直線状案内溝１０２ａを設けた円筒状内表面を備える中空外方部材１０２と、この外方部材１０２の案内溝１０２ａと協働してボールトラックを形成する溝１０１ａを設けた外表面を備える内方部材１０１と、各溝１０１ａ、１０２ａに配されたトルク伝達ボール１０３と、トルク伝達ボール１０３を収容するボールポケットを備えたケージ１０４とで構成されている。
【００２６】
トルク伝達ボール１０３は、外方部材１０２の円筒状内表面および内方部材１０１の部分球面状外表面にて各々案内されている。継手軸上においてボール中心線の両側に等量ずらして配置した曲率中心を有する部分球面状内外表面を備えた内方部材１０１の外表面とケージ１０４の内表面との各半径が同一に形成されて球面接触させられるとともに、ボール１０３がケージ１０４のボールポケットへ適当なしめ代を持たせて収容されている。
【００２７】
このダブルオフセットジョイント１１０においても、軌道輪となる内方部材１０１と外方部材１０２との少なくともいずれかは、合金元素として、少なくとも、炭素を０．５質量％以上０．７質量％以下、シリコンを０．５質量％以上１．０質量％以下、マンガンを０．５質量％以上１．０質量％以下含有し、残部が鉄および不可避不純物を含む成分組成の鋼を用い、かつ軌道面が高周波焼入れされた構成を有している。
【００２８】
また、軌道輪となる内方部材１０１と外方部材１０２との少なくともいずれかには、炭素、シリコン、マンガンの各含有率（質量％）をＣ％、Ｓｉ％、Ｍｎ％としたとき、下式において、Ｌ≧５０を満足する成分組成を有する鋼が用いられることが好ましい。
【００２９】
Ｌ＝１０５．４×（Ｃ％）−０．８４×（Ｓｉ％）１．１８×（Ｍｎ％）１．２４
図５は、本発明の一実施の形態における等速ジョイントとしてトリポートジョイントの構成を示す部分断面図である。また図６は図５のＶＩ−ＶＩ線に沿う概略断面図であり、図７は図５のトリポートジョイントが角度をなした様子を示す一部断面図である。
【００３０】
図５〜図７を参照して、トリポートジョイント２１０は、軸方向の３本の円筒型トラック溝２０２ａを内面に有する外輪２０２と、その外輪２０２の内側に配置されたトリポート部材２０１と、トリポート部材２０１の半径方向外周側に突設した脚軸２０１ａと、各脚軸２０１ａの外側に回転可能に取り付けられた球面ローラ２０３とから構成されている。球面ローラ２０３は、軸方向にスライド可能なように円筒型トラック溝２０２ａの両側のローラ案内面に係合されている。
【００３１】
このような等速ジョイントの一種であるトリポートジョイント２１０において、軌道輪となる外輪２０２は、合金元素として、少なくとも、炭素を０．５質量％以上０．７質量％以下、シリコンを０．５質量％以上１．０質量％以下、マンガンを０．５質量％以上１．０質量％以下含有し、残部が鉄および不可避不純物を含む成分組成の鋼を用い、かつ軌道面が高周波焼入れされた構成を有している。
【００３２】
また、軌道輪となる外輪２０２には、炭素、シリコン、マンガンの各含有率（質量％）をＣ％、Ｓｉ％、Ｍｎ％としたとき、下式において、Ｌ≧５０を満足する成分組成を有する鋼が用いられることが好ましい。
【００３３】
Ｌ＝１０５．４×（Ｃ％）−０．８４×（Ｓｉ％）１．１８×（Ｍｎ％）１．２４
なお、上記の等速ジョイントの軌道輪を備えた転がり揺動運動の支持部品に本発明は広く適用することが出来る。
【００３４】
【実施例】
以下、本発明の実施例について説明する。
【００３５】
表１に示すように、本発明例としてＡ１〜Ａ５の合金成分を有する鋼と、比較例としてＢ１〜Ｂ８の本願発明の範囲を外れる合金成分を有する鋼とを素材とし、高周波焼入れ（ＨＲＣ５９以上の硬度の硬化層が表面から約２ｍｍの深さに形成される）を施した往復動転がりすべり試験片を製作した。なお、表１の備考に記載のとおり、比較例Ｂ１は従来鋼のＳ５３Ｃである。
【００３６】
【表１】
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【００３７】
表１の１０鋼種を等速ジョイントの動きを模擬した往復動転がりすべり試験によって評価した。
【００３８】
図８（ａ）、（ｂ）は往復動転がりすべり試験機の基本部分の模式図を示す。図８（ａ）、（ｂ）を参照して、試験片とスラスト軸受（ＪＩＳにおける軸受の呼び番号：５１３０５）との間には３個の鋼球（３／８″）が保持器により等配にセットされている。上側（スラスト軸受側）を揺動駆動すると、その運動が上の反転ロッドを介して反転輪に伝えられる。そしてその反転輪の動きが下の反転ロッドを介して下側（試験片側）に伝えられ、下側は上側とは逆方向に揺動運動する。反転輪と上下の反転ロッドとの位置関係はｂ＞ａなので、図中矢印の長さで表現したように下側の揺動スパンの方が上側の揺動スパンより大きくなる。保持器は固定されており、鋼球と保持器ポケットとの間には若干の隙間がある。したがって、試験片上を鋼球が揺動する際、揺動の中央付近では順転がり、両端では鋼球と保持器との干渉によりすべりを伴うことになる。
【００３９】
表２にこの往復動転がりすべり試験の条件を示す。表２においてすべり率とは、上下の揺動距離の差から求めた平均的な値である。
【００４０】
【表２】
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【００４１】
剥離の検出は間欠運動にて行なった。まず、２０時間のならし運転を行ない、剥離の有無を確認した。剥離がなければ、新しい鋼球に交換した。次いで、５時間の試験を行ない、剥離の有無の確認を行なった。この５時間の試験を剥離が生じるまで繰返し、剥離した時点で寿命とした。試験ｎ数は６個以上とし５０％寿命（Ｌ５０）で評価した。表３に上記の往復動転がりすべり試験の結果を示す。
【００４２】
【表３】
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【００４３】
表３における予測Ｌ５０とは、実測Ｌ５０を目的変量、合金元素Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎの量を従属変量として回帰分析を行ない、得られた以下の予測式（１）を用いて求めた値である。
【００４４】
Ｌ５０＝１０５．４×（Ｃ％）−０．８４×（Ｓｉ％）１．１８×（Ｍｎ％）１．２４…（１）
なお、上記式においてＣ％、Ｓｉ％、Ｍｎ％とは、合金元素Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎの各々の含有率（質量％）を示している。
【００４５】
図９は、表３に示した実測Ｌ５０と予測Ｌ５０との関係を示す図である。表３および図９の結果より、実測Ｌ５０と予測Ｌ５０との間には良い相関があることがわかる。Ｓ５３Ｃ（比較例Ｂ１）の実測Ｌ５０は３９．４時間であったのに対し、予測Ｌ５０は２３．９時間であった。安価な合金元素Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎのみによる構成であることを考えると、少なくともＳ５３Ｃの予測Ｌ５０の２倍以上である５０時間であるＬ５０を有することが望ましい。開発鋼Ａ１〜Ａ５のＬ５０は実測値、予測値ともに５０時間を超えている。なお、合金元素Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎの量がわかれば、予測式（１）によってＬ５０を精度よく予測できるので、今回の実施例の合金成分構成だけでなく、予測式（１）から求まるＬ５０の値が５０時間以上となる構成であれば、上記の要求を満たすことができる。
【００４６】
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【００４７】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の等速ジョイントの軌道輪および転がり揺動運動支持部品によれば、安価なＣ、Ｓｉ、Ｍｎの含有量を最適化した鋼を用いることにより、高周波焼入れする軌道面のすべりを伴う転がり揺動運動に対する寿命を向上させ、かつ従来のＳ５３Ｃ製品並のコストを実現することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態における等速ジョイントとして固定ジョイントの構成を示す一部断面図であり、図２のＩ−Ｉ線に沿う概略断面図である。
【図２】図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う概略断面図である。
【図３】図１の固定ジョイントが角度をなしたときの様子を示す概略断面図である。
【図４】本発明の一実施の形態における等速ジョイントとしてダブルオフセットジョイントの構成を示す一部断面図である。
【図５】本発明の一実施の形態における等速ジョイントしてトリポートジョイントの構成を示す一部断面図である。
【図６】図５のＶＩ−ＶＩ線に沿う概略断面図である。
【図７】図５のトリポートジョイントが角度をなしたときの様子を示す概略断面図である。
【図８】往復動転がりすべり試験機の基本部分の模式図である。
【図９】往復動転がりすべり試験での寿命の実測値と予測値との関係を示す図である。
【符号の説明】
１　内輪、１ａ　ボール溝、２　外輪、２ａ　ボール溝、３　ボール、４　ボールケージ、１０　固定ジョイント、１０１　内方部材、１０１ａ　溝、１０２外方部材、１０２ａ　直線状案内溝、１０３　トルク伝達ボール、１０４　ケージ、１１０　ダブルオフセットジョイント、２０１　トリポート部材、２０１ａ　脚軸、２０２　外輪、２０２ａ　円筒型トラック溝、２０３　球面ローラ、２１０　トリポートジョイント。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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