(57)【要約】【課題】キャリアにかしめにより固定されるピニオンシャフトにおいて、優れた転がり疲れ寿命を備えつつ、かしめ割れを生じ難くする。【解決手段】  プラネタリギア装置用ピニオンシャフト４において、キャリア５に固定されるかしめ部４Ａの表層部の硬さをＨｖ２００以上Ｈｖ３００以下とし、表面粗さ（Ｒａ）を３．１μｍ以下とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
同心に配置されるサンギア及びリングギアと、前記サンギア及び前記リングギアの間に配置され、前記サンギア及び前記リングギアに噛み合うピニオンギアと、前記ピニオンギアの回転軸であるピニオンシャフトと、前記ピニオンシャフトがかしめにより固定されるキャリアと、を備えたプラネタリギア装置で使用され、前記キャリアに固定されるかしめ部を有するピニオンシャフトにおいて、
前記かしめ部は、表層部の硬さがＨｖ２００以上Ｈｖ３００以下で、表面粗さ（Ｒａ）が３．１μｍ以下であることを特徴とするピニオンシャフト。
【請求項２】
同心に配置されるサンギア及びリングギアと、前記サンギア及び前記リングギアの間に配置され、前記サンギア及び前記リングギアに噛み合うピニオンギアと、前記ピニオンギアの回転軸であるピニオンシャフトと、前記ピニオンギア及び前記ピニオンシャフトの間に転動自在に配置される転動体と、前記ピニオンシャフトがかしめにより固定されるキャリアと、を備えたプラネタリギア装置で使用され、前記キャリアに固定されるかしめ部と、前記転動体と転がり接触する転がり面と、を有するピニオンシャフトの製造方法において、
鋼からなる素材をピニオンシャフトの形状に加工して、前記かしめ部となる部分の表面粗さ（Ｒａ）を３．１μｍ以下とした後、周面全体に浸炭又は浸炭窒化処理を施し、その後、前記転がり面となる部分に高周波焼入れ及び焼戻しを施すことを特徴とするピニオンシャフトの製造方法。
【請求項３】
同心に配置されるサンギア及びリングギアと、前記サンギア及び前記リングギアの間に配置され、前記サンギア及び前記リングギアに噛み合うピニオンギアと、前記ピニオンギアの回転軸であるピニオンシャフトと、前記ピニオンシャフトがかしめにより固定されるキャリアと、を備えたプラネタリギア装置において、
前記ピニオンシャフトの前記キャリアに固定されるかしめ部は、表層部の硬さがＨｖ２００以上Ｈｖ３００以下で、表面粗さ（Ｒａ）が３．１μｍ以下であることを特徴とするプラネタリギア装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ピニオンシャフト及びその製造方法と、プラネタリギア装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車等の自動変速機に用いられるプラネタリギア装置は、同心に配置されるサンギア及びリングギアと、このサンギア及びリングギアに噛み合うピニオンギアと、を備えている。このピニオンギアの回転軸であるピニオンシャフトは、キャリアに固定されている。また、ピニオンギアの内周面とピニオンシャフトの外周面との間には、複数のころが転動自在に配置され、ピニオンギアの内周面及びピニオンシャフトの外周面はそれぞれ軌道面として機能している。
【０００３】
このプラネタリギア装置は、ピニオンシャフトのピニオンギアが自転しながら公転するという複雑な構造を有するため、ピニオンギアの内周面及びピニオンシャフトの外周面ところの転動面との間の転がり面で潤滑不良が生じ易いという問題があり、これらの転がり面には高い耐表面疲労性が要求されている。
また、プラネタリギア装置の回転要素のうち、ピニオンギアの回転速度が最も速いため、ピニオンギアを支持するピニオンシャフトには、ピニオンギアに作用する遠心力を支えるために大きな荷重が加えられるとともに、使用温度が高くなるという問題がある。
【０００４】
さらに、近年、自動車の低燃費化への要求が高まるにつれて、自動変速機の小型化や高効率化が行われている。このため、ピニオンギアの回転速度がより高速になるため、ピニオンシャフトに加えられる荷重がより増大し、且つ、ピニオンシャフトの使用温度がより高くなってきている。
さらに、プラネタリギアの小型軽量化や高速回転化に伴って、ピニオンシャフトをキャリアへ固定する方法としては、固定強度が高く、且つ、部品数が少なく、その構造が簡易であることが要求されてきている。よって、近年、ピニオンシャフトをピンによりキャリアに固定する従来の方法に代わって、ピニオンシャフトの端部をキャリアにかしめにより固定する方法が採用されている。
すなわち、ピニオンシャフトにおいて、転がり面として機能する外周面は必要な転がり疲れ寿命が得られる硬さとし、かしめ部となる端部はかしめ固定可能な硬さとする必要がある。
【０００５】
特許文献１には、ピニオンシャフトを、高炭素クロム軸受鋼２種（ＳＵＪ２）からなる素材を所定形状に加工した後、浸炭窒化焼入れと、焼鈍処理と、転がり面となる表層部のみに高周波焼入れ及び焼戻しとを施すことで作製し、表層部の残留オーステナイト量及び硬さを高くして転がり疲れ寿命を長くし、且つ、芯部の残留オーステナイトをゼロとして変形を抑制することが提案されている。また、この特許文献１に記載のピニオンシャフトでは、端部に高周波焼入れ処理が施されていないため、端部の硬さが低く、この端部をキャリアにかしめにより固定することができる。
【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】
【０００６】
ところで、上述した特許文献１に記載のピニオンシャフトは、ピニオンシャフトの全面に粒界酸化や初析炭化物を含む浸炭層又は浸炭窒化層が形成された後に、その転がり面をなす表層部に高周波焼入れ及び焼戻しと研磨処理が施されることで作製されている。
このため、ピニオンシャフトのかしめ部となる端部では、キャリアにかしめ固定可能な硬さとなってはいるが、研磨されずに残存した浸炭層又は浸炭窒化層の影響を受けて、キャリアにかしめ固定する塑性加工時にかしめ割れが生じる場合がある。
【０００７】
ここで、ピニオンシャフトにおいてかしめ割れを生じ難くするために、浸炭又は浸炭窒化処理時のカーボンポテンシャルを低下させる手段が考えられるが、この手段を用いると転がり面の硬さが不十分となり、必要な転がり疲れ寿命が得られなくなる場合がある。
そこで、本発明は、キャリアにかしめにより固定されるピニオンシャフトにおいて、優れた転がり疲れ寿命を備えつつ、かしめ割れを生じ難くすることを課題としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
このような課題を解決するために、本発明は、同心に配置されるサンギア及びリングギアと、前記サンギア及び前記リングギアの間に配置され、前記サンギア及び前記リングギアに噛み合うピニオンギアと、前記ピニオンギアの回転軸であるピニオンシャフトと、前記ピニオンシャフトがかしめにより固定されるキャリアと、を備えたプラネタリギア装置で使用され、前記キャリアに固定されるかしめ部を有するピニオンシャフトにおいて、前記かしめ部は、表層部の硬さがＨｖ２００以上Ｈｖ３００以下で、表面粗さ（Ｒａ）が３．１μｍ以下であることを特徴とするピニオンシャフトを特徴とするピニオンシャフトを提供する。
【０００９】
本発明はまた、同心に配置されるサンギア及びリングギアと、前記サンギア及び前記リングギアの間に配置され、前記サンギア及び前記リングギアに噛み合うピニオンギアと、前記ピニオンギアの回転軸であるピニオンシャフトと、前記ピニオンシャフトがかしめにより固定されるキャリアと、を備えたプラネタリギア装置において、前記ピニオンシャフトの前記キャリアに固定されるかしめ部は、表層部の硬さがＨｖ２００以上Ｈｖ３００以下で、表面粗さ（Ｒａ）が３．１μｍ以下であることを特徴とするプラネタリギア装置を提供する。
【００１０】
本発明者らは、ピニオンシャフトに生じるかしめ割れの原因について鋭意検討を重ねた結果、以下に示す見解を得た。すなわち、かしめ割れは、浸炭又は浸炭窒化処理により析出した初析炭化物を起点として発生し、伝播していることを見出した。ここで、ピニオンシャフトにおいてかしめ加工が施される部分は角部であるため、浸炭又は浸炭窒化処理時に侵入する炭素が集まり易く、初析炭化物が析出され易いことが知られているが、本発明者らはさらに、旋盤加工等の成形加工により形成される表面の凹凸部のうち、旋盤加工が過剰に施される表面凸部にも、初析炭化物が析出され易いことを見出した。
【００１１】
そこで、本発明者らは、上述したように浸炭又は浸炭窒化処理時のカーボンポテンシャルを低下させる手段ではなく、ピニオンシャフトのかしめ部の表面粗さを小さくする手段を用いることで、初析炭化物の析出量を少なくすることにより、転がり疲れ寿命を損なうことなく、ピニオンシャフトのかしめ割れを生じ難くできることを見出し、本発明をなすに至った。
本発明によれば、ピニオンシャフトのかしめ部の表層部の硬さ及び表面粗さ（Ｒａ）を特定することにより、かしめ割れの原因となる初析炭化物量が少なくなるため、優れた転がり疲れ寿命を備えつつ、かしめ割れを生じ難くできる。  
【００１２】
以下、本発明に係るピニオンシャフトのかしめ部の構成について説明する。
＜表面粗さ（Ｒａ）：３．１μｍ以下＞
上述したように、かしめ部の表面粗さ（Ｒａ）が荒い場合には、その表面の凸部に浸炭又は浸炭窒化処理時に初析炭化物が析出され易く、かしめ部に存在する初析炭化物の量が多くなるため、かしめ加工時に初析炭化物を起点としたかしめ割れが生じ易くなる。よって、かしめ部に存在する初析炭化物の量を少なくするために、かしめ部の表面粗さ（Ｒａ：算術平均粗さ，ＪＩＳ  Ｂ  ０６０１ー１９９４に規定）を３．１μｍ以下、好ましくは１．６μｍ以下とする。なお、かしめ部の表面粗さを調節する方法としては、例えば、浸炭又は浸炭窒化処理前の旋盤加工等で表面粗さを調節して、浸炭又は浸炭窒化処理時に析出する初析炭化物を予め低減させる方法や、浸炭又は浸炭窒化後に研磨加工等で表面粗さを調節して、浸炭又は浸炭窒化処理時に析出した初析炭化物を削り取る方法が挙げられる。
【００１３】
＜表層部の硬さ：Ｈｖ２００〜３００＞
かしめ部をなす表層部の硬さがＨｖ３００よりも大きい場合には、存在する初析炭化物の量に関わらず、冷間加工性等のかしめ加工性が劣化するため、かしめ部の表面粗さ（Ｒａ）を本発明範囲内としても、かしめ割れが生じる場合がある。
一方、かしめ部をなす表層部の硬さを小さくする程、冷間加工性等のかしめ加工性が良好になるが、Ｈｖ２００よりも小さくするには高温及び長時間の焼戻しが必要となるため、生産性が劣化する。よって、かしめ部をなす表層部の硬さはＨｖ２００以上３００以下とする。
【００１４】
このような構成のピニオンシャフトを得るための製造方法として、本発明はさらに、同心に配置されるサンギア及びリングギアと、前記サンギア及び前記リングギアの間に配置され、前記サンギア及び前記リングギアに噛み合うピニオンギアと、前記ピニオンギアの回転軸であるピニオンシャフトと、前記ピニオンギア及び前記ピニオンシャフトの間に転動自在に配置される転動体と、前記ピニオンシャフトがかしめにより固定されるキャリアと、を備えたプラネタリギア装置で使用され、前記キャリアに固定されるかしめ部と、前記転動体と転がり接触する転がり面とを有するピニオンシャフトの製造方法において、鋼からなる素材をピニオンシャフトの形状に加工して、前記かしめ部となる部分の表面粗さ（Ｒａ）を３．１μｍ以下とした後、周面全体に浸炭又は浸炭窒化処理を施し、その後、前記転がり面となる部分に高周波焼入れ及び焼戻しを施すことを特徴とするピニオンシャフトの製造方法を提供する。
【００１５】
この方法によれば、浸炭又は浸炭窒化処理前にかしめ部となる部分の表面粗さ（Ｒａ）を３．１μｍ以下に調節した後、周面全体に浸炭又は浸炭窒化処理を施し、その後、転がり面となる部分に高周波焼入れ及び焼戻しを施すことにより、転がり面となる部分に必要な硬さ（Ｈｖ７００以上）が得られるとともに、かしめ部となる部分にかしめ可能な硬さが得られ、且つ、かしめ割れの原因となる初析炭化物が析出し難くなる。よって、優れた転がり疲れ寿命を備えつつ、かしめ割れが生じ難いピニオンシャフトを製造できる。
【００１６】
ここで、浸炭又は浸炭窒化処理前にかしめ部の表面粗さ（Ｒａ）の調整方法としては、例えば、旋盤加工において、旋盤の回転速度を速くしたり、旋盤の送り幅を狭くする方法が挙げられる。
なお、本発明におけるかしめ部とは、キャリアに固定される際にかしめ加工が施される部分であり、例えば、ピニオンシャフトの端面や、端面と周面との角部や、転がり面以外の周面を指す。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、キャリアにかしめにより固定されるピニオンシャフトにおいて、そのかしめ部の表層部の硬さをＨｖ２００以上Ｈｖ３００以上とし、そのかしめ部の表面粗さ（Ｒａ）を３．１μｍ以下とすることにより、優れた転がり疲れ寿命を備えつつ、かしめ割れを生じ難くできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明に係るプラネタリギア装置の一例を示す分解斜視図である。図２は、図１に示すＡ−Ａ断面図である。
このプラネタリギア装置は、図１及び図２に示すように、同心に配置されたサンギア１及びリングギア２と、このサンギア１及びリングギア２に噛み合う１個以上（図１においては３個）のピニオンギア３と、このピニオンギア３の回転軸であるピニオンシャフト４と、このピニオンシャフト４の端面（かしめ部）４Ａがかしめにより固定されるキャリア５と、を備えている。
また、ピニオンシャフト４の外周面（転がり面）４ａとピニオンギア３の内周面３ａとの間には、複数の針状ころ（転動体）６が転動自在に配置されている。なお、図１及び図２では、サンギア１の外周面、リングギア２の内周面、及びピニオンギア３の外周面に形成される歯部は省略している。
【００１９】
本実施形態では、ピニオンシャフト４を以下に示す手順で作製した。
まず、ＳＵＪ２からなる素材を旋削によりピニオンシャフトの形状に加工した。なお、本実施形態では、旋削の周速及び送り量を調節することにより、ピニオンシャフトのかしめ部となる端面（部分）の表面粗さ（Ｒａ）を変化させた。
次に、ピニオンシャフトの周面全体に対して、浸炭処理又は浸炭窒化処理を以下に示す条件で施した後放冷し、さらに、焼鈍処理を以下に示す条件で施した。なお、浸炭処理は、アンモニアガスを導入した炉内において、８２０〜８８０℃で１〜５時間加熱保持することにより行った。また、浸炭窒化処理は、混合ガス（エンリッチガス＋Ｒｘガス＋アンモニアガス）を導入した炉内において、８２０〜９２０℃で１〜５時間加熱保持することにより行った。さらに、焼鈍処理は、真空中の炉内において、６００〜７２０℃で１〜５時間加熱保持することにより行った。
【００２０】
次に、ピニオンシャフトの転がり面となる外周面（部分）に対して、高周波焼入れ処理及び焼戻し処理を以下に示す条件で施して、ピニオンシャフトの転がり面となる表層部（表面から２００μｍまでの部分）の硬さをＨｖ７５０〜８００とした。
なお、高周波焼入れ処理は、高周波加熱（周波数１００ｋＨｚ、電圧３〜６ｋＶ、電流２．５〜５．５Ａ）により９００〜９５０℃で３〜５秒加熱保持した後に、噴射冷却した。また、焼戻し処理は、１８０℃で２時間保持した後に冷却した。次に、ピニオンシャフトの外周面に対して研削加工を施して、ピニオンシャフト４を完成させた。
【００２１】
このようにして得られたピニオンシャフト４のうち、破壊検査用のサンプルを用いて、そのかしめ部４Ａの表面粗さ（Ｒａ）と表層部の硬さ（Ｈｖ）を、以下に示す手順で測定した。
なお、表面粗さ（Ｒａ）は、公知の表面粗さ測定器（Ｔａｙｌｏｒ  Ｈｏｂｓｏｎ社製，フォームタリサーフＰＧＩ）を用いて、ピニオンシャフト４の端面で５箇所測定し、その平均値を算出した。また、表層部の硬さ（Ｈｖ）は、ＪＩＳ  Ｚ  ２２４４に規定されたビッカース硬さ試験法に基づいて、ピニオンシャフト４の端面から０．１ｍｍ深さ位置のビッカース硬さを測定した。
【００２２】
また、得られたピニオンシャフト４のうち、破壊検査用のサンプルを用いて、かしめ部４Ａの耐かしめ割れ性を評価した。この評価は、ピニオンシャフト４のかしめ部４Ａに、５８．８ＭＮ（６ｔｏｎ）のかしめ荷重を加えることで行った。そして、各サンプルで１００個の評価を行って、かしめ部４Ａにかしめ割れが発生しているか否かを確認し、１００個のうち全てにかしめ割れが発生していない場合を「○」とし、かしめ割れが１個発生した場合を「△」とし、かしめ割れが２個以上発生した場合を「×」として、表１に併せて示した。
【００２３】
次に、得られたピニオンシャフト４のうち寿命試験用サンプルと、ＳＵＪ２製でずぶ焼入れ及び焼戻しが施され、転がり面をなす表層部の硬さをＨｖ６５０以上としたピニオンギア３及びころ６と、を上述したプラネタリギア装置に組み込んで、寿命試験を行った。  この寿命試験は、ラジアル荷重４９００Ｎ、回転速度８０００ｍｉｎ-1とした条件下でピニオンシャフト４を回転させることで行った。そして、ピニオンシャフト４の外周面４ａに剥離が生じるまでの回転時間を寿命として、表１に示すＮｏ．１３の寿命と比べて同一又はそれ以上であったサンプルを「○」、それ以下であったサンプルを「×」として評価し、表１に併せて示した。
【００２４】
【表１】
2007321866.tif 000003
【００２５】
表１に示すように、ピニオンシャフト４のかしめ部４Ａにおいて、表層部の硬さをＨｖ２００以上Ｈｖ３００以下とし、表面粗さ（Ｒａ）を３．１μｍ以下としたＮｏ．１〜Ｎｏ．１２では、転がり疲れ寿命が長く、かしめ割れの発生率が１％以下であった。
一方、Ｎｏ．１３〜Ｎｏ．１５では、ピニオンシャフト４のかしめ部４Ａの表面粗さ（Ｒａ）が本発明範囲外であったため、浸炭又は浸炭窒化処理による初析炭化物の析出量が多く、かしめ割れの発生率が２％以上であった。
【００２６】
また、Ｎｏ．１６，Ｎｏ．１７では、ピニオンシャフト４のかしめ部４Ａをなす表層部の硬さ（Ｈｖ）が本発明範囲外であったため、良好な冷間加工性が得られず、かしめ割れの発生率が２％以上であった。
以上の結果から、ピニオンシャフト４のかしめ部４Ａにおいて、表層部の硬さをＨｖ２００以上Ｈｖ３００以下とし、表面粗さ（Ｒａ）を３．１μｍ以下とすることにより、転がり疲れ寿命が長くなるとともに、かしめ割れが生じ難くなることを確認できた。
【００２７】
なお、本実施形態では、ピニオンシャフト４のかしめ部４Ａとして、ピニオンシャフト４の端面を本発明構成としたが、ピニオンシャフト４においてキャリア５にかしめにより固定される部分を本発明構成とするのであればこれに限らない。例えば、ピニオンシャフトの転がり面以外の外周面や、ピニオンシャフトの外周面と端面との角部を、本発明構成としてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明に係るプラネタリギア装置の一例を示す分解斜視図である。
【図２】図１に示すＡ−Ａ断面図である。
【符号の説明】
【００２９】
１      サンギア
２      リングギア
３      ピニオンギア
４      ピニオンシャフト
４Ａ    かしめ部
５      キャリア
６      ころ（転動体）
【図１】
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【図２】
2007321866.tif 000005