(57)【要約】【課題】遊星歯車装置の各構成部品の摺動部における耐焼付き性、耐摩耗性、耐カジリ性を向上させる。【解決手段】  遊星歯車装置のピニオンシャフト１０、針状ころ、ピニオンギアは、摺動部に焼入れ硬化された表面層１１を母材１０ａ表面に有しており、表面層１１の表面粗さＲａが１ｎｍ〜１００ｎｍである。また、表面層１１は、ＤＬＣ膜で形成された硬質膜１２を有しており、硬質膜１２の塑性変形硬さは、１５ＧＰａ〜３０ＧＰａであるとともに、硬質膜１２のヤング率（等価弾性係数）は、１００ＧＰａ〜２５０ＧＰａであり、更に硬質膜１２の膜厚は、０．１μｍ〜５μｍであり、好ましくは０．５μｍ〜３μｍである。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ピニオンギアの中心に針状ころ軸受を介して相対回転自在に挿通され、両端部をキャリアで支持されたピニオンシャフトを有する遊星歯車装置において、
ピニオンシャフト、針状ころ、ピニオンギアの各摺動部が、焼入れ硬化された表面層を有するとともに、これらの表面層の少なくとも一つが、ダイヤモンドライクカーボン膜で形成された硬質膜を有しており、
前記表面層の表面粗さＲａが１ｎｍ〜１００ｎｍであり、かつ、前記硬質膜の塑性変形硬さが１５ＧＰａ〜３０ＧＰａであることを特徴とする遊星歯車装置。
【請求項２】
前記ダイヤモンドライクカーボン膜で形成された硬質膜のヤング率が、１００ＧＰａ〜２５０ＧＰａであることを特徴とする請求項１記載の遊星歯車装置。
【請求項３】
前記ダイヤモンドライクカーボン膜で形成された硬質膜の下地として、ＷＣ、ＳｉＣ、ＴｉＣ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｗ、Ｓｉのいずれかで形成される中間層を有することを特徴とする請求項１又は２記載の遊星歯車装置。
【請求項４】
前記ダイヤモンドライクカーボン膜で形成された硬質膜の膜厚は、０．１μｍ〜５μｍであることを特徴とする請求項１，２又は３記載の遊星歯車装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、車両用自動変速機等に用いられる遊星歯車装置に関し、特に遊星歯車装置の各構成部品の摺動部の耐久性を向上させるための構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、車両用自動変速機に用いられる遊星歯車装置は知られている。遊星歯車装置は、ピニオンギアの中心に針状ころ軸受を介して相対回転自在に挿通され、両端部をキャリアで支持されたピニオンシャフトを有する。
このような遊星歯車装置においては、ピニオンシャフトに針状ころが転走すると、数ＧＰａの高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としては、硬くて負荷に耐えられ、転がり寿命が長く、更に滑りに対する耐摩耗性の良好なものが要求される。
【０００３】
従来、これらの要求を満たすため、ピニオンシャフトの材料としては、例えばＳＣｒ４２０等の肌焼き鋼、ＳＵＪ２やＳＫ５等の高周波焼入れ鋼が使用され、又はＳＵＪ２やＳＵＪ３等の高周波焼入れ鋼の表面に表面熱処理（浸炭や浸炭窒化等）を行い、更に高周波熱処理を行うことにより、表面硬さの確保及び疲労寿命の延長を図ったものが使用されている。
【０００４】
しかし、近年、車両用自動変速機に使用される遊星歯車装置の使用環境は、過酷さを増しており、上述した従来の材料で形成されたピニオンシャフトでは、異物混入を伴う潤滑条件、高温等の過酷な潤滑条件で、満足な耐久性を確保することができないという問題があった。
【０００５】
そこで例えば、米国特許第３２１６８６９号明細書には、高炭素クロム軸受鋼を窒化又は浸炭窒化処理して表層部に残留圧縮応力を形成させ、同時に窒化物を施して高硬度とさせることにより、耐熱性及び転がり寿命を改善させる鋼の熱処理方法が開示されている。
【０００６】
また、特開平７−１９００７２号公報には、ＳＵＪ３鋼相当の高Ｓｉかつ高Ｍｎの合金鋼を用いるとともに、浸炭窒化処理後に８３０〜８７０℃から焼入れし、更に１６０〜１９０℃の温度範囲に焼戻しして、表層部の残留オーステナイトを２５〜５０％とする転がり軸受の熱処理方法が開示されている。
【特許文献１】米国特許第３２１６８６９号明細書
【特許文献２】特開平７−１９００７２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、上述した特許文献１又は特許文献２に記載の熱処理方法で処理した鋼を用いても、小型化及び高トルク容量化された近年の車両用自動変速機においては、十分な耐久性を得ることができない。特に、潤滑が枯渇した状態や高温で油膜形成性が劣化した状態、また高速・低荷重域での使用環境では、焼付きやスミアリングを発生してしまい、早期に剥離等の損傷を招くという問題があった。
また、車両用自動変速機の遊星歯車装置では、転がり軸受が公転するため、スキューが発生し易く、滑りが大きくなることによる焼付きや磨耗により、軸受寿命を著しく低下させるという問題があった。
【０００８】
本発明は、各構成部品の摺動部における耐焼付き性、耐摩耗性、耐カジリ性を向上させることができ、これにより長寿命かつ高耐久性を確保することができる遊星歯車装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の上記目的は、下記構成により達成される。
（１）  ピニオンギアの中心に針状ころ軸受を介して相対回転自在に挿通され、両端部をキャリアで支持されたピニオンシャフトを有する遊星歯車装置において、
ピニオンシャフト、針状ころ、ピニオンギアの各摺動部が、焼入れ硬化された表面層を有するとともに、これらの表面層の少なくとも一つが、ダイヤモンドライクカーボン膜で形成された硬質膜を有しており、
前記表面層の表面粗さＲａが１ｎｍ〜１００ｎｍであり、かつ、前記硬質膜の塑性変形硬さが１５ＧＰａ〜３０ＧＰａであることを特徴とする遊星歯車装置。
【００１０】
（２）  ダイヤモンドライクカーボン膜で形成された硬質膜のヤング率が、１００ＧＰａ〜２５０ＧＰａであることを特徴とする前記（１）記載の遊星歯車装置。
【００１１】
（３）  ダイヤモンドライクカーボン膜で形成された硬質膜の下地として、ＷＣ、ＳｉＣ、ＴｉＣ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｗ、Ｓｉのいずれかで形成される中間層を有することを特徴とする前記（１）又は（２）記載の遊星歯車装置。
【００１２】
（４）  ダイヤモンドライクカーボン膜で形成された硬質膜の膜厚は、０．１μｍ〜５μｍであることを特徴とする前記（１）、（２）又は（３）記載の遊星歯車装置。
【００１３】
前記（１）記載の遊星歯車装置では、表面層の表面粗さＲａが１ｎｍ〜１００ｎｍであることにより、相手部材に対して粗さを起因とするピーリングや剥離等を抑制させることができる。
【００１４】
ここで例えば、表面層の表面粗さＲａが１ｎｍ未満であると、繰り返し荷重が作用することによって硬質膜の密着性が劣化し、硬質膜自体の性能を発揮することができない場合が生じる。一方、表面層の表面粗さＲａが１００ｎｍより大きいと、硬質膜自体が２μｍ以下程度と非常に薄いため、硬質膜が粗い表面に沿って形成されてしまい、粗い表面の突起が相手部材を攻撃して剥離を生じさせる原因となる恐れがある。
【００１５】
また、硬質膜の塑性変形硬さが１５ＧＰａ〜３０ＧＰａであることにより、耐焼付き性、耐摩耗性、耐カジリ性を向上させることができる。
【００１６】
ここで例えば、硬質膜の塑性変形硬さが１５ＧＰａ未満であると、硬質膜の本来有する性能を発揮することができない。一方、硬質膜の塑性変形硬さが３０ＧＰａより大きいと、硬質膜中に圧縮応力が高まるため、硬質膜自体の密着性が十分に得られず、硬質膜の破壊を招く原因となる恐れがある。
【００１７】
前記（２）記載の遊星歯車装置では、硬質膜のヤング率（等価弾性係数）が１００ＧＰａ〜２５０ＧＰａであることにより、耐焼付き性、耐摩耗性、耐カジリ性を向上させることができる。
【００１８】
ここで例えば、硬質膜のヤング率が１００ＧＰａ未満であると、硬質膜の本来有する性能を発揮することができない。一方、硬質膜のヤング率が２５０ＧＰａより大きいと、硬質膜のヤング率が母材のヤング率より大きくなり、繰り返し荷重が作用することによって硬質膜より母材が先に変形するため、硬質膜の破壊を招く恐れがある。
【００１９】
前記（３）記載の遊星歯車装置では、硬質膜の下地として、ＷＣ、ＳｉＣ、ＴｉＣ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｗ、Ｓｉのいずれかで形成される中間層を有することにより、膜質の自由度が高くなり、硬質膜の密着力を向上させることができるとともに、自己潤滑性、低摩擦係数及び耐摩耗性等の硬質膜が本来有する性能を十分に発揮させることができる。これにより、遊星歯車装置の長寿命化が図られる。
【００２０】
前記（４）記載の遊星歯車装置では、硬質膜の膜厚が０．１μｍ〜５μｍ、好ましくは０．５μｍ〜３μｍであることにより、硬質膜の本来有する性能が発揮され、良好な摺動性、耐摩耗性、母材との良好な密着性が確保される。
【００２１】
ここで例えば、硬質膜の膜厚が０．１μｍより薄くなると、母材表面の露出が大きくなり、硬質膜の性能が低下されるため、摺動性及び耐摩耗性が低下する。一方、硬質膜の膜厚が５μｍより大きくなると、膜厚内の内部応力が大きくなり、硬質膜と母材との密着性が損なわれる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明の遊星歯車装置によれば、各構成部品の摺動部における耐焼付き性、耐摩耗性、耐カジリ性を向上させることができ、これにより長寿命かつ高耐久性を確保することができる。
【００２３】
本発明により得られる遊星歯車装置は、車両用自動変速機の遊星歯車装置として、耐高負荷、高耐久性、高信頼性を要求される場合に好適に用いられる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、図示実施形態により、本発明を説明する。
図１は、本発明の一実施形態である遊星歯車装置のピニオンシャフトを示す要部概略断面図であり、図２は、図１のＡ部拡大断面図、図３は、ピニオンシャフトへのＤＬＣの成膜に用いたアンバランスドマグネトロンスパッタ装置を示す概略構成図である。
【００２５】
図１及び図２を参照すると、遊星歯車装置は、ピニオンギアの中心に針状ころ軸受を介して相対回転自在に挿通され、両端部をキャリアで支持されたピニオンシャフト１０を有する。
【００２６】
遊星歯車装置の各構成部品（ピニオンシャフト１０、針状ころ、ピニオンギア）は、摺動部に焼入れ硬化された表面層１１を母材１０ａ表面に有する。また、表面層１１は、ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）膜で形成された硬質膜１２と、硬質膜１２の下地として形成される中間層１３とから構成される。
【００２７】
表面層１１の表面粗さＲａが１ｎｍ〜１００ｎｍである。表面層１１の表面粗さＲａが１ｎｍ〜１００ｎｍであることにより、相手部材に対して粗さを起因とするピーリングや剥離等が抑制される。
【００２８】
硬質膜１２の塑性変形硬さは、１５ＧＰａ〜３０ＧＰａである。硬質膜１２の塑性変形硬さが１５ＧＰａ〜３０ＧＰａであることにより、耐焼付き性、耐摩耗性、耐カジリ性が向上される。
【００２９】
また、硬質膜１２のヤング率（等価弾性係数）は、１００ＧＰａ〜２５０ＧＰａである。硬質膜１２のヤング率が１００ＧＰａ〜２５０ＧＰａであることにより、耐焼付き性、耐摩耗性、耐カジリ性が向上される。
【００３０】
更に、硬質膜１２の膜厚は、０．１μｍ〜５μｍであり、好ましくは０．５μｍ〜３μｍである。硬質膜１２の膜厚が０．１μｍ〜５μｍ、好ましくは０．５μｍ〜３μｍであることにより、硬質膜１２の本来有する性能が発揮され、良好な摺動性、耐摩耗性、母材との良好な密着性が確保される。
【００３１】
硬質膜（ＤＬＣ膜）１２の成膜法としては、非平衡型マグネトロンスパッタリング法やパルスレーザーアーク蒸着法、プラズマＣＶＤ等が挙げられる。例えば、神戸製鋼所社製のアンバランスドマグネトロンスパッタリング装置（ＵＢＭＳ装置５０４）、神鋼精機社製の熱陰極プラズマＣＶＤ装置（ＰＩＧ式薄膜作成装置）を用いることができる。それらの中でも、等価弾性係数及び塑性変形硬さを独立に制御しやすい非平衡型マグネトロンスパッタリング法が望ましい。
【００３２】
硬質膜１２の下地としての中間層１３は、ＷＣ、ＳｉＣ、ＴｉＣ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｗ、Ｓｉのいずれかで形成される。硬質膜１２の下地として中間層１３を有することにより、膜質の自由度が高くなり、硬質膜１２の密着力を向上させることができるとともに、自己潤滑性、低摩擦係数及び耐摩耗性等の硬質膜が本来有する性能を十分に発揮させることができる。これにより、遊星歯車装置の長寿命化が図られる。
【００３３】
ピニオンシャフトへのＤＬＣの成膜には、図３に示すアンバランスドマグネトロンスパッタ装置１００を用いることができる。
図３を参照すると、アンバランスドマグネトロンスパッタ装置１００は、真空槽１１０と、真空槽１１０内に配置された回転テーブル１１２と、回転テーブル１１２を挟んで対向配置された１対の陰極１１３と、気体導入口１１４，１１５と、真空ポンプ１１６とで構成されている。なお、符号１１７は、回転テーブル１１２の回転軸を示す。
【００３４】
このようなアンバランスドマグネトロンスパッタ装置１００では、最初に、回転テーブル１１２にピニオンシャフトを載せ、２つの陰極１１３の一方には、タングステンカーバイドからなるターゲット１１８を取り付けるとともに、陰極１３の他方には、カーボンからなるターゲット１１９を取り付ける。
次に、真空槽１１０内を排気して圧力１×１０-4Ｐａ以下とした状態で、気体導入口１１４からＡｒガスを導入しながら回転テーブル１１２に対してＤＣバイアスの印加を行うことにより、クリーニングを行う。
そして、気体導入口１１４からＡｒガスを、気体導入口１１５からＣＨ4 をＡｒ：ＣＨ4＝１０：１となるように導入させ、回転テーブル１１２を回転させながら、ターゲット１１８，１１９にＤＣバイアスを印加させる。これにより、ピニオンシャフトの外周面全体に、タングステンカーバイドを分散状態で含有するダイヤモンドライクカーボン層（ＷＣ＋ＤＬＣ）を形成させる。
【００３５】
ＤＬＣ膜の塑性変形硬さの測定については、（マイクロ）ビッカース硬度計ではなく、静電容量型で制御できる微小硬度計及びナノインテンデータを用いることが望ましい。なお、この際、押し込み探さをＤＬＣ膜の膜厚範囲内とする必要がある。
【００３６】
また、ヤング率（等価弾性係数）の測定についても、塑性変形硬さの測定と同様に、微小硬度計及びナノインテンデータを使用し、荷重−除荷曲線の弾性変形量から等価弾性係数を求めることが望ましい。
【００３７】
これら塑性変形硬さ及びヤング率の測定は、より具体的には、エリオニクス社製微小硬度計を用いて行うことができる。
【００３８】
次に、本実施形態の遊星歯車装置のピニオンシャフト（実施例１〜１１）と、比較例としてのピニオンシャフト（比較例１〜７）について、試験１及び試験２を行った。
【００３９】
なお、本試験において、各実施例１〜１１及び各比較例１〜７におけるピニオンシャフト、針状ころ、ピニオンギアの各構成部品は、全て共通とした。
【００４０】
また、ピニオンシャフトには、図３に示すアンバランスドマグネトロンスパッタ装置１００を用いてＤＬＣ膜を形成した。
【００４１】
また、本試験において、中間層、硬質膜厚、硬質膜塑性変形硬さ、母材表面粗さ、硬質膜ヤング率はそれぞれ、ピニオンシャフト、針状ころ、ピニオンギアの各構成部品に共通の値である。また、材質ＳＵＪ２及びＳＫ５は、日本工業規格材であり、ＥＳ１（０．４５Ｃ−１３Ｃｒ０．１４Ｎ）は、日本精工グレードであり、いずれも焼入れ硬化された表面層を有する。
【００４２】
試験１では、高速・低荷重条件下で、許容回転速度を示すＤｍＮ値を２４．７万とした場合に、ピニオンシャフト、針状ころ、ピニオンギアの各構成部品に、Ｌ１０寿命までに焼付きや磨耗等の損傷が発生するか否かを、総ころ仕様で試験した。
【００４３】
すなわち、以下に示す試験条件１により、表１に示す各実施例１〜１１及び各比較例１〜７について同一条件で試験を行い、計算寿命Ｌ１０＝２６０時間まで回転させた状態で、各構成部品の少なくとも一つに、剥離、焼付き、スミアリング等の損傷が生じたか否かを、表１中、○：損傷なし、△：微小焼付きあり、×：剥離及び焼付きありの３種で表示した。
【００４４】
試験条件１
試験機：日本精工株式会社製プラネタリニードル試験機
試験軸受：ピニオンシャフト外径Ｄ＝φ１２．４５ｍｍ、φ３．０ｍｍの総ころ仕様
基本動定格荷重Ｃ：１５７００Ｎ
基本静定格荷重Ｃ０：１５４００Ｎ
ラジアル荷重：３０００Ｎ
ピニオン自転数：１６０００ｒｐｍ
計算寿命：Ｌ１０＝２６０時間
ＤｍＮ値：２４．７万
潤滑油：ＡＴＦ
油温：１００℃
油量：３０ｍｌ／ｍｉｎ
【００４５】
各実施例１〜１１及び各比較例１〜７の条件及び結果を、表１に示す。
【００４６】
【表１】
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【００４７】
表１から、各比較例１〜７の構成では、剥離、焼付き等の損傷が生じているが、各実施例１〜１１の構成によれば、軸受が総ころ仕様でありＤｍＮが２４．７万という高速運転条件であっても損傷が生じないことが分かる。
【００４８】
また試験２では、高速・高荷重条件下で高温度や潤滑不足（油量：１０ｍｌ／ｍｉｎ）により油膜形成性が劣化した場合を想定し、ピニオンシャフト、針状ころ、ピニオンギアの各構成部品に、剥離や焼付き等の損傷が発生するか否かを、総ころ仕様で試験した。
【００４９】
すなわち、以下に示す試験条件２により、各実施例１〜１１及び各比較例１〜７について同一条件で試験を行うとともに、各構成部品の少なくとも一つに、剥離、焼付き、スミアリング等の損傷が生じた時点で試験を中止し、その時点までの試験稼動時間を、転がり疲れ寿命とした。その際、比較例１の転がり疲れ寿命を１とした場合の比で、他の全ての実施例１〜１１及び比較例２〜７の転がり疲れ寿命を表示した。
【００５０】
試験条件２
試験機：日本精工株式会社製プラネタリニードル試験機
試験軸受：ピニオンシャフト外径Ｄ＝φ１２．４５ｍｍ、φ３．０ｍｍの総ころ仕様
基本動定格荷重Ｃ：１５７００Ｎ
基本静定格荷重Ｃ０：１５４００Ｎ
ラジアル荷重：７０００Ｎ
ピニオン自転数：１００００ｒｐｍ
Ｐ／Ｃ：０．４５
潤滑油：ＡＴＦ
油温：１００℃
油量：１０ｍｌ／ｍｉｎ
【００５１】
表１から、各実施例１〜１１の構成によれば、各比較例１〜７に比較して転がり寿命が著しく延長されたことが分かる。
【００５２】
以上のように上記実施形態によれば、遊星歯車装置の各構成部品（ピニオンシャフト１０、針状ころ、ピニオンギア）は、摺動部に焼入れ硬化された表面層１１を有しており、表面層１１の表面粗さＲａが１ｎｍ〜１００ｎｍである。また、表面層１１は、ＤＬＣ膜で形成された硬質膜１２を有しており、硬質膜１２の塑性変形硬さは、１５ＧＰａ〜３０ＧＰａであるとともに、硬質膜１２のヤング率（等価弾性係数）は、１００ＧＰａ〜２５０ＧＰａであり、更に硬質膜１２の膜厚は、０．１μｍ〜５μｍであり、好ましくは０．５μｍ〜３μｍである。
【００５３】
したがって、遊星歯車装置の各構成部品の摺動部における耐焼付き性、耐摩耗性、耐カジリ性を向上させることができ、例えば作動中における潤滑油の枯渇した状態、高温度に起因する油膜形成性の劣化した状態、高速・低荷重域やスキュー等の発生に起因する滑りの増大した状態でも、各構成部品の円滑かつ確実な作動を確保することができる。
【００５４】
これにより、遊星歯車装置の長寿命かつ高耐久性を確保することができ、当該遊星歯車装置を適用された車両用自動変速機の小型化及び高トルク容量化を図ることができるとともに、重量軽減による車両の低燃費化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本発明の一実施形態である遊星歯車装置のピニオンシャフトを示す要部概略断面図である。
【図２】図１のＡ部拡大断面図である。
【図３】ピニオンシャフトへのＤＬＣの成膜に用いたアンバランスドマグネトロンスパッタ装置を示す概略構成図である。
【符号の説明】
【００５６】
１０  ピニオンシャフト
１０ａ  母材
１１  表面層
１２  硬質膜
１３  中間層
【図１】
2007186733.tif 000004
【図２】
2007186733.tif 000005
【図３】
2007186733.tif 000006