(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
遊星歯車装置に使用され、同心に配されたサンギヤ及びリングギヤに噛み合うピニオンギヤの中心孔に挿通されて前記ピニオンギヤを回転自在に支持するピニオンシャフトであって、下記の７つの条件を満足することを特徴とするピニオンシャフト。
条件Ａ：軸方向両端面の一方に、応力が集中しやすい部位である溝を有する。
条件Ｂ：高周波焼入れによる表面硬化層が外周面に形成されており、この表面硬化層のビッカース硬さは７３０以上８５０以下である。
条件Ｃ：前記表面硬化層のビッカース硬さと、前記表面硬化層以外の部分である非硬化部のビッカース硬さとの差が、３５０以上５５０以下である。
条件Ｄ：軸長が直径の５倍以上である。
条件Ｅ：前記表面硬化層は、前記外周面のうち軸方向中央部に形成され軸方向両端部には形成されておらず、前記軸方向端面から前記表面硬化層までの軸方向距離が５ｍｍ以上である。
条件Ｆ：潤滑油の給油路を有し、軸方向両端面の他方に開口する開口部に注入された潤滑油が、前記外周面に開口する給油口から転走面に給油されるようになっており、前記溝は、前記給油口の位置合わせのために形成されている。
条件Ｇ：前記溝の形状は、軸方向端面の中心を通る直線状であり、前記溝の長さはピニオンシャフトの直径と同一である。
【請求項２】
サンギヤと、該サンギヤと同心に配されたリングギヤと、前記サンギヤ及び前記リングギヤに噛み合う１個以上のピニオンギヤと、前記ピニオンギヤの中心孔に挿通されて前記ピニオンギヤを回転自在に支持するピニオンシャフトと、を備え、前記ピニオンシャフトが請求項１に記載のピニオンシャフトであることを特徴とする遊星歯車装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、遊星歯車装置に使用されるピニオンシャフト及び遊星歯車装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば自動車の自動変速機に用いられる遊星歯車装置は、サンギヤ，リングギヤ，及びキャリヤを備えており、これらの回転要素は出力軸の周りに同心に配されている。また、サンギヤ及びリングギヤに噛み合うピニオンギヤが、キャリヤに固定されたピニオンシャフトに、軸受用ころを介して回転自在に支持されている。
ピニオンシャフトの外周面（転走面）上をころが転走すると、数ＧＰａの高い接触応力が発生する。このため、ピニオンシャフトに使用される材料には、硬く負荷に耐え転がり疲労寿命が優れ且つ滑りに対する耐摩耗性が良好であることが要求される。このような要求を満足するため、従来においては、例えば、ＳＵＪ２，ＳＵＪ３等の軸受鋼や、ＳＣＭ４２０等の肌焼材や、ＳＫ５等の高周波焼入れ材が使用されている。
【０００３】
また、ピニオンシャフトは転走面に数ＧＰａの高面圧下で繰り返し剪断応力を受けるため、剪断応力に耐えて転がり疲労寿命が優れていることが要求される。このような要求を満足するため、従来においては、例えば、ＳＵＪ２，ＳＵＪ３に浸炭処理，浸炭窒化処理等の熱処理を施し、引き続いて高周波焼入れを施して、表面硬さを確保するとともに転がり疲労寿命を向上させている。
【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、高周波焼入れにおいては瞬間的に高温に加熱された後に急冷されるが、加熱過程においてピニオンシャフトの表面に大きな体積膨張が生じ、軸方向両端面や内部にマルテンサイト変態に伴う熱処理歪みが発生する場合があった。また、急冷過程においては、焼入れ部と非焼入れ部との間の温度差による熱歪み（熱膨張によるもの）が発生することにより、材料に過大な内部応力が発生する場合があった。そして、このような熱処理歪みや内部応力により材料自体の強度が低下するため、ピニオンシャフトは破損や摩耗が生じやすい傾向があった。特に、軸方向端面に溝を有するピニオンシャフトの場合は、溝のエッジ部に応力が集中しやすいので、該応力集中部の材料の強度が大き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、焼入れに伴う材料強度の低下が抑制されており、破損や摩耗が生じにくいピニオンシャフト及び遊星歯車装置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】
上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、遊星歯車装置に使用され、同心に配されたサンギヤ及びリングギヤに噛み合うピニオンギヤの中心孔に挿通されて前記ピニオンギヤを回転自在に支持するピニオンシャフトであって、下記の７つの条件を満足することを特徴とする。
条件Ａ：軸方向両端面の一方に、応力が集中しやすい部位である溝を有する。
条件Ｂ：高周波焼入れによる表面硬化層が外周面に形成されており、この表面硬化層のビッカース硬さは７３０以上８５０以下である。
条件Ｃ：前記表面硬化層のビッカース硬さと、前記表面硬化層以外の部分である非硬化部のビッカース硬さとの差が、３５０以上５５０以下である。
【０００６】
条件Ｄ：軸長が直径の５倍以上である。
条件Ｅ：前記表面硬化層は、前記外周面のうち軸方向中央部に形成され軸方向両端部には形成されておらず、前記軸方向端面から前記表面硬化層までの軸方向距離が５ｍｍ以上である。
条件Ｆ：潤滑油の給油路を有し、軸方向両端面の他方に開口する開口部に注入された潤滑油が、前記外周面に開口する給油口から転走面に給油されるようになっており、前記溝は、前記給油口の位置合わせのために形成されている。
条件Ｇ：前記溝の形状は、軸方向端面の中心を通る直線状であり、前記溝の長さはピニオンシャフトの直径と同一である。
【発明の効果】
【０００７】
本発明のピニオンシャフト及び遊星歯車装置は、焼入れに伴う材料強度の低下が抑制されているので、焼入れより発生する応力が集中しやすい部位を有していても、破損や摩耗が生じにくい。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
本発明に係るピニオンシャフト及び遊星歯車装置の実施の形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。図１に示す遊星歯車装置は、図示しない軸が挿通されたサンギヤ１と、該サンギヤ１と同心に配されたリングギヤ２と、サンギヤ１及びリングギヤ２に噛み合う１個以上（図１においては３個）のピニオンギヤ３と、サンギヤ１及びリングギヤ２と同心に配されピニオンギヤ３を回転自在に支持するキャリヤ４と、を備えている。
【０００９】
ピニオンギヤ３に形成された中心孔３ａには、かしめ等の慣用の固着手段によりキャリヤ４に固定されたピニオンシャフト５が挿通されており、また、ピニオンシャフト５の外周面とピニオンギヤ３の中心孔３ａの内周面との間には図示されない複数の針状ころが配されていて、これによりピニオンギヤ３はピニオンシャフト５を軸として回転自在とされている。
【００１０】
次に、図２を参照しながら、ピニオンシャフト５について詳細に説明する。このピニオンシャフト５は、高炭素クロム軸受鋼（ＳＵＪ２）等の鋼材で構成されている。ただし、鋼材の種類はＳＵＪ２に限定されるものではなく、ＳＵＪ３等の他種の軸受鋼や、ＳＣＭ４２０等の肌焼材や、ＳＫ５等の高周波焼入れ材を用いてもよい。
そして、ピニオンシャフト５には潤滑油の給油路１０が設けてあり、軸方向両端面５ａ，５ａの一方に開口する開口部１０ａに注入された潤滑油が、外周面５ｂ（円筒面）に開口する給油口１０ｂから転走面（外周面５ｂのうち前記針状ころが転走する部分）に給油されるようになっている。
【００１１】
また、軸方向両端面５ａ，５ａの他方には、給油口１０ｂの位置合わせのための溝１２が形成されている。すなわち、給油口１０ｂの位置によって潤滑を制御するので、この溝１２は、ピニオンシャフト５をキャリヤ４に固定する際に、給油口１０ｂがキャリヤ４の中心に対して所定の位置関係となるように（例えば、給油口１０ｂがキャリヤ４の中心に向くように）するために使用される。なお、溝１２は、軸方向両端面５ａ，５ａに形成されていてもよい。
【００１２】
さらに、このピニオンシャフト５は、浸炭処理又は浸炭窒化処理と焼鈍しとが施されており、それに続いて、ピニオンシャフト５の外周面５ｂのうち転走面のみに高周波焼入れが施されている。この高周波焼入れにより、転走面には表面硬化層１４が形成されている。表面硬化層１４以外の部分、すなわち、表面硬化層１４の内側部分（ピニオンシャフト５の径方向中心部）及び軸方向両端部は、焼入れが施されておらず硬化されていない非硬化部１５となっており、表面硬化層１４と非硬化部１５とのビッカース硬さの差が３５０以上５５０以下となるように、高周波焼入れが施されている。
【００１３】
前述したように、高周波焼入れの際には、熱処理歪みや内部応力により材料自体の強度が低下するおそれがあり、特に、軸方向端面に溝を有するピニオンシャフトの場合は、溝のエッジ部に応力が集中しやすいので、該応力集中部の材料の強度が大きく低下するおそれがあった。その結果、ピニオンシャフトは割れ，クラック等の破損や摩耗が生じやすい傾向があった。
【００１４】
しかしながら、本実施形態のピニオンシャフト５は、表面硬化層１４の硬さが前述のように規定されているので、高周波焼入れの際に前述の熱処理歪みや内部応力が発生しにくい。そのため、熱処理歪みや内部応力による材料強度の低下が抑制されており、軸方向端面５ａに溝１２を有していて応力集中部が存在する場合でも該応力集中部の材料強度の低下が抑制されているので、本実施形態のピニオンシャフト５は破損や摩耗が生じにくい。このようなピニオンシャフト５を備える本実施形態の遊星歯車装置は、自動車の自動変速機に好適に用いることができる。
【００１５】
表面硬化層１４のビッカース硬さと非硬化部１５のビッカース硬さとの差が３５０未満であると（すなわち両硬さの差が小さいと）、軸方向端部の靱性が低くなるため、高周波焼入れの際の熱処理歪みや内部応力により材料自体の強度が低下するおそれがある。特に、軸方向端面５ａに溝１２を有していて応力集中部が存在する場合には、該応力集中部の材料自体の強度が低下しやすい。
【００１６】
一方、前記両硬さの差が５５０超過であると、非硬化部１５のビッカース硬さが不十分となるおそれがあるため、ピニオンシャフト５の軸方向端部をキャリヤ４に固定する際に必要な硬さを満足できず、軸方向端部が摩耗するおそれがある。
なお、ピニオンシャフト５の寸法については、特に限定されるものではないが、軸長Ｌは直径ｄの５倍以上であることが好ましい。５倍未満であると、高周波焼入れの際に発生する熱処理歪みや内部応力が大きくなるので、軸方向端面５ａに溝１２を有していて応力集中部が存在する場合には、該応力集中部の材料自体の強度が低下するおそれがある。
【００１７】
また、表面硬化層１４は、ピニオンシャフト５の外周面５ｂのうち転走面のみ（軸方向中央部）に形成されるため、外周面５ｂの軸方向両端部には形成されていないが、表面硬化層１４（有効硬化層）のうち軸方向端面５ａに最も近い部分と軸方向端面５ａとの軸方向距離Ａは５ｍｍ以上とすることが好ましい。そうすれば、軸方向端面５ａの溝１２の応力集中部に外部から衝撃等が加えられた際の耐衝撃性が高くなる。
【００１８】
〔実施例〕
以下に、さらに具体的な実施例を示して、本発明を説明する。ＳＵＪ２製又はＳＵＪ３製の鋼材を所定の寸法に旋削加工した後、後述する熱処理を施し、さらに仕上げ研削加工を施すことにより、ピニオンシャフトを製造した。得られたピニオンシャフトの直径ｄ及び長さＬ、並びに、表面硬化層のビッカース硬さＨ１、非硬化部のビッカース硬さＨ２、及び両硬さの差Ｈ１−Ｈ２を、表１に示す。なお、ピニオンシャフトの軸方向端面には、該端面の中心を通る直線状の溝が形成されている。この溝の幅は１ｍｍ、深さは１ｍｍ、長さは直径ｄと同じである。
【００１９】
【表１】
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【００２０】
熱処理の内容は以下の通りである。旋削加工した鋼材に浸炭窒化処理を施した後、高温焼戻しを施した。続いて、外周面のうち転走面となる部分のみに高周波焼入れを施した後に、低温焼戻しを施した。
熱処理が終了したら、これらのピニオンシャフトの軸方向端面を光学顕微鏡にて観察し、溝に破損がないか調査した。結果を表１に示す。実施例１〜４のピニオンシャフトは、両硬さの差Ｈ１−Ｈ２が３５０以上５５０以下の範囲内であるので、溝に破損は見られなかった。これに対して、比較例１，３のピニオンシャフトは、両硬さの差Ｈ１−Ｈ２が３５０未満であるので、溝に破損が見られた。
【００２１】
さらに、日本精工株式会社製プラネタリニードル試験機を用いて、これらのピニオンシャフトの摩耗試験を行った。すなわち、ピニオンシャフトの軸方向両端部５ｍｍ以内の範囲をＳ４５Ｃ材で固定し、０〜１０００Ｎの荷重を２０時間繰り返し負荷した。そして、サーフコム形状測定器を用いて、軸方向端面の形状を測定することにより、軸方向端面の摩耗の有無を調査した。結果を表１に示す。
実施例１〜４のピニオンシャフトは、両硬さの差Ｈ１−Ｈ２が３５０以上５５０以下の範囲内であるので、軸方向端面に摩耗は見られなかった。これに対して、比較例２，４のピニオンシャフトは、両硬さの差Ｈ１−Ｈ２が５５０超過であるので、軸方向端面に摩耗が見られた。
【００２２】
次に、前述と同様にしてピニオンシャフトを製造し、強度試験を行った。得られたピニオンシャフトの直径ｄ、長さＬ、及びこれらの比Ｌ／ｄを、表２に示す。また、表面硬化層のビッカース硬さＨ１、非硬化部のビッカース硬さＨ２、及び両硬さの差Ｈ１−Ｈ２を、表２に併せて示す。さらに、表面硬化層（有効硬化層）のうち軸方向端面に最も近い部分と軸方向端面との軸方向距離Ａを、表２に併せて示す。なお、ピニオンシャフトの軸方向端面には、該端面の中心を通る直線状の溝が形成されている。この溝の幅は１ｍｍ、深さは１．５ｍｍ、長さは直径ｄと同じである。
【００２３】
【表２】
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【００２４】
これらのピニオンシャフトの強度試験は、日本精工株式会社製プラネタリニードル試験機を用いて行った。すなわち、ピニオンシャフトの軸方向両端部５ｍｍ以内の範囲をＳ４５Ｃ材で固定して、ピニオンシャフトの軸方向中央部に０〜５０００Ｎの荷重を繰り返し負荷し、軸方向端面の溝が破損するまでの時間を測定した。結果を表２に示す。
実施例１２，１３，１５，及び１６のピニオンシャフトは、軸方向距離Ａが５ｍｍ以上であるので、軸方向距離Ａが５ｍｍ未満である実施例１１，１４と比べて、繰り返し荷重が負荷されても溝に破損が生じにくかった。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【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る遊星歯車装置の分解斜視図である。
【図２】ピニオンシャフトの断面図である。
【符号の説明】
【００２６】
１      サンギヤ
２      リングギヤ
３      ピニオンギヤ
３ａ    中心孔
４      キャリヤ
５      ピニオンシャフト
５ａ    軸方向端面
５ｂ    外周面
１２      溝
１４      表面硬化層
１５      非硬化部
【図１】
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【図２】
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