(57)【要約】【課題】高温，高速回転，高負荷等の厳しい条件下で使用されても変形が生じにくく長寿命で且つ安価な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のピニオンシャフト３は、０．９質量％以上１．１質量％以下の炭素、０．９質量％以上１．２質量％以下のクロム、０．４質量％以上０．８質量％以下のケイ素、及び０．９質量％以上１．２質量％以下のマンガンを含有する鋼で構成され、端面に開口し軸方向に延びる偏心穴６を有している。ピニオンシャフト３には２回以上の高周波焼入れ処理が施され、残留オーステナイト量が１５体積％以上４０体積％以下である表層部３ａと、残留オーステナイト量が０体積％である芯部３ｂと、が形成されている。表層部３ａの炭素濃度は０．９質量％以上１．１質量％以下、窒素濃度は０．０５質量％以下である。表層部３ａの表面硬さはＨｖ７５０以上であり、軸方向端部の硬さはＨｖ３００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、下記の４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１：０．９質量％以上１．１質量％以下の炭素、０．９質量％以上１．２質量％以下のクロム、０．４質量％以上０．８質量％以下のケイ素、及び０．９質量％以上１．２質量％以下のマンガンを含有する鋼で構成されている。
条件２：転走面となる部分には、２回以上の高周波焼入れ処理が施されていて、残留オーステナイト量が１５体積％以上４０体積％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、が形成されている。
条件３：前記高周波焼入れ処理が施された前記転走面となる部分の表面硬さは、Ｈｖ７５０以上であり、前記高周波焼入れ処理が施されていない軸方向端部の硬さはＨｖ３００以下である。
条件４：前記表層部の炭素濃度は０．９質量％以上１．１質量％以下であり、窒素濃度は０．０５質量％以下である。
【請求項２】
端面に開口し軸方向に延びる偏心穴を有することを特徴とする請求項１に記載のピニオンシャフト。
【請求項３】
請求項２に記載のピニオンシャフトを製造する方法であって、円柱状の素材の端面に軸方向に延びる偏心穴を設ける穴加工工程と、前記偏心穴を設けた素材のうち転走面となる部分に高周波焼入れ処理を２回以上施す熱処理工程と、前記熱処理工程後の素材の軸方向端部に旋削加工を施し、前記遊星歯車機構を構成するキャリアに取り付け可能な形状とする旋削工程と、を備えることを特徴とするピニオンシャフトの製造方法。
【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】
車両等に搭載されているオートマチックトランスミッションには、一般的に遊星歯車機構が用いられており、その構成部品の一つであるピニオンギアは、回転やトルク伝達による荷重を受ける軸受及びピニオンシャフトを内部に有している。このピニオンシャフトには、外周面の軸方向中央部に給油穴が設けられており、その給油穴を通じ、キャリアの公転による遠心力を利用した給油法や強制的な給油法により、軸受に潤滑油が供給されている。
【０００３】
このようなオートマチックトランスミッションは現在のところ４速が主流であるが、５〜７速への多段化と小型化とが進められている。小型化のためにラビニョウ型と呼ばれる遊星歯車機構が採用され始めているが、本機構は遊星歯車を共用する２つの遊星歯車機構を組み合わせたものであり、共用するピニオンギアが長大であるため、それを支持するピニオンシャフトも長く曲がりやすい。また、多段化によりピニオンシャフトは高温，高速回転，高負荷という条件で使用されることとなるので、ピニオンシャフトには弾性曲がりに加えて、残留オーステナイトが分解し体積膨張することによる塑性曲がりが生じ、局部的な接触面圧の増加が起こり、ピニオンシャフトの寿命が著しく低下するおそれがある。よって、ピニオンシャフトには曲がりが生じにくく長寿命であることが求められるので、これらを実現するための材料や熱処理が必要とされている。
【０００４】
例えば、０．５〜１．２質量％の炭素、０．０５〜０．４質量％の窒素を含有する鋼を用い、表面硬さをＨｖ６５０以上に焼入れ硬化させ、表面の残留オーステナイト量を１５〜４０体積％とするとともに芯部の残留オーステナイト量を０体積％としたピニオンシャフトが提案されている（特許文献１を参照）。
このピニオンシャフトは、浸炭窒化処理を行った後に焼鈍して、その後に高周波焼入れ処理を施すことにより、表面の残留オーステナイト量の増大を図るとともに芯部の残留オーステナイト量を０体積％としている。その結果、塑性変形が生じにくく耐転がり疲労性に優れている。
【０００５】
一方、給油穴の位置や径の最適化を図ることにより、ピニオンシャフトに潤滑油をより多く取り込んで発熱を生じ難くし、ピニオンシャフトの変形を抑えるという対策も行われている。
【特許文献１】特開２００２−４００３号公報
【特許文献２】特開２００５−７６８１２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１に記載のピニオンシャフトは、高周波焼入れ前に浸炭窒化処理及び焼鈍し処理を必要とするため、コストが高いという問題点がある。
また、特にラビニョウ機構では、ロングピニオン用シャフトとショートピニオン用シャフトとで公転半径が異なるため、遠心力によって供給油量にアンバランスが生じやすいこと、及び、キャリアに潤滑油路を２経路作る必要があることから、潤滑油路を共通化することにより潤滑油の供給性能向上及びコスト削減を行いたいとの要求がある。そして、それを実現するには、ロングピニオン用シャフトとショートピニオン用シャフトの給油穴を軸中心から偏心させることが必要となる。
【０００７】
しかしながら、一般的な加工手順においては、熱処理後の研削代が必要な外周部以外を所定の形状（潤滑油の供給油路となる穴（端面の中心に開口し軸方向に延びる穴）、及び、外周面への潤滑油の供給口となる給油穴を含む）に加工し、熱処理した後に外周部を研削して仕上げるという手順となるが、前述のような偏心シャフトは肉厚部と肉薄部を有するため、肉厚のアンバランスにより熱処理時に大きく曲がるおそれがある。
【０００８】
熱処理時に変形が生じると、熱処理前に切削加工で仕上げた軸方向端部の形状が、研削残りが存在する状態又は余計に研削した状態に変化してしまう。すなわち、軸受に挿入するために設ける面取り加工や、ピニオンシャフトをキャリアに加締めにより固定するための形状や、止め輪のための形状が崩れ、軸受への組込が困難になったり、キャリアへの固定が困難となったりする。
【０００９】
また、中実シャフトを高周波焼入れした後に、端面に開口し軸方向に延びる穴及び外周面の給油穴を開ける手法によって、曲がりの少ないピニオンシャフトを製造する方法が提案されている（特許文献２を参照）。しかしながら、端面に開口し軸方向に延びる穴については軟らかい芯部を加工するので問題ないが、外周面の給油穴については、表面が硬化されているために、穴開け加工に用いるドリルの寿命が短くなる等の問題が生じる。
【００１０】
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、高温，高速回転，高負荷等の厳しい条件下で使用されても変形が生じにくく長寿命で且つ安価なピニオンシャフトを提供することを課題とする。また、端面に開口し軸方向に延びる偏心穴を有していても熱処理時に変形が生じにくく、軸受への組込やキャリアへの固定が容易なピニオンシャフトの製造方法を提供することを併せて課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
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、下記の４つの条件を満足することを特徴とする。
条件１：０．９質量％以上１．１質量％以下の炭素、０．９質量％以上１．２質量％以下のクロム、０．４質量％以上０．８質量％以下のケイ素、及び０．９質量％以上１．２質量％以下のマンガンを含有する鋼で構成されている。
【００１２】
条件２：転走面となる部分には、２回以上の高周波焼入れ処理が施されていて、残留オーステナイト量が１５体積％以上４０体積％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、が形成されている。
条件３：前記高周波焼入れ処理が施された前記転走面となる部分の表面硬さは、Ｈｖ７５０以上であり、前記高周波焼入れ処理が施されていない軸方向端部の硬さはＨｖ３００以下である。
条件４：前記表層部の炭素濃度は０．９質量％以上１．１質量％以下であり、窒素濃度は０．０５質量％以下である。
【００１３】
また、本発明に係る請求項２のピニオンシャフトは、請求項１に記載のピニオンシャフトにおいて、端面に開口し軸方向に延びる偏心穴を有することを特徴とする。
さらに、本発明に係る請求項３のピニオンシャフトの製造方法は、請求項２に記載のピニオンシャフトを製造する方法であって、円柱状の素材の端面に軸方向に延びる偏心穴を設ける穴加工工程と、前記偏心穴を設けた素材のうち転走面となる部分に高周波焼入れ処理を２回以上施す熱処理工程と、前記熱処理工程後の素材の軸方向端部に旋削加工を施し、前記遊星歯車機構を構成するキャリアに取り付け可能な形状とする旋削工程と、を備えることを特徴とする。
【００１４】
ピニオンシャフトの曲がり量を抑制するためには、経時的に増大するピニオンシャフトの塑性曲がり量を抑制することが重要である。そのためには、径方向中心部（芯部）にはピニオンシャフト全長にわたって残留オーステナイト組織が存在しないことが有効である。表層部にも残留オーステナイト組織が存在しないことが塑性曲がり抑制の観点からは望ましいが、転がり疲れ強さを著しく低下させるので、１５体積％以上４０体積％以下の残留オーステナイトを有することが必要である。
【００１５】
ただし、残留オーステナイト量を規定しただけでは不十分であり、残留オーステナイト組織を安定化させ、その分解速度を低下させることが重要である。そのためには、ピニオンシャフトを、０．９質量％以上１．１質量％以下の炭素、０．４質量％以上０．８質量％以下のケイ素、及び０．９質量％以上１．２質量％以下のマンガンを含有する鋼で構成する必要がある。
【００１６】
また、高周波焼入れを容易とするために、鋼中のクロム濃度を１．２質量％以下とするとともに、転がり疲れ強さを確保するために、鋼中のクロム濃度を０．９質量％以上とする必要がある。
さらに、表層部に必要量の残留オーステナイトを確保するためには、表層部の炭素濃度を０．９質量％以上１．１質量％以下とし、窒素濃度を０．０５質量％以下とする必要がある。また、コスト面からも、窒素濃度は０．０５質量％以下とすることが好ましく、０．０４質量％以下とすることがより好ましい。
【００１７】
さらに、転走面となる部分に高周波焼入れ処理を１回施すことにより、炭化物を溶かし込み、さらに高周波焼入れ処理を１回以上施すことにより、前述のような量の残留オーステナイトを表層部に析出させることができる。
さらに、ピニオンシャフトの耐久性を十分なものとするためには、高周波焼入れ処理が施された前記転走面となる部分の表面硬さは、Ｈｖ７５０以上である必要があり、ピニオンシャフトのキャリアへの加締めによる取り付けやすさを考慮すると、高周波焼入れ処理が施されていない軸方向端部の硬さはＨｖ３００以下である必要がある。
【発明の効果】
【００１８】
本発明のピニオンシャフトは、高温，高速回転，高負荷等の厳しい条件下で使用されても変形が生じにくく長寿命で且つ安価である。また、本発明のピニオンシャフトの製造方法は、端面に開口し軸方向に延びる偏心穴を有していても熱処理時に変形が生じにくく、軸受への組込やキャリアへの固定が容易である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
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。
【００２０】
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が、潤滑油の給油穴として、端面に開口し軸方向に延びる偏心穴６（ピニオンシャフト３の径方向中心からずれた位置に開口する穴）が設けられている。なお、保持器は備えていなくてもよい。
このピニオンシャフト３は、０．９質量％以上１．１質量％以下の炭素、０．９質量％以上１．２質量％以下のクロム、０．４質量％以上０．８質量％以下のケイ素、及び０．９質量％以上１．２質量％以下のマンガンを含有する鋼で構成されている。
【００２１】
ピニオンシャフト３の外周面のうち軸方向端部（長手方向端部）以外の部分には、２回以上の高周波焼入れ処理が施されていて、残留オーステナイト量が１５体積％以上４０体積％以下である表層部３ａと、残留オーステナイト量が０体積％である芯部３ｂと、が形成されている。この表層部３ａの炭素濃度は０．９質量％以上１．１質量％以下、窒素濃度は０．０５質量％以下とされている。また、表層部３ａの表面は転動体４の転走面（転動体４が転がり接触する部分）を構成し、その表面硬さはＨｖ７５０以上とされている。高周波焼入れ処理が施されていない軸方向端部の硬さはＨｖ３００以下である。
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，高速回転，高負荷等の厳しい条件下におかれても、変形が生じにくく長寿命である。また、浸炭窒化処理及び焼鈍し処理が必要ないので、製造コストが安価である。
【００２２】
次に、上記のようなピニオンシャフトの製造方法を、図２を参照しながら説明する。まず、前述のような鋼で構成された円柱状の素材の端面に軸方向に延びる偏心穴を設け、軸方向端部に加工を施していない状態で、２回以上高周波焼入れを施し、転走面となる部分を硬化させる（図２の（ａ）を参照）。この時、軸方向両端部の硬さはＨｖ３００以下の軟化状態のままとする。
この時点においては円柱状の素材は５０〜２００μｍ反った状態となるので、外周面を研削することにより反りを取る。なお、ピニオンシャフトが非常に長いために径方向の傾きは小さくなるので、端面については機能に影響を与えることはない。
【００２３】
研削後に、軸方向端部のみに旋削加工を施す。旋削加工の内容は、ピニオンシャフトを軸受に挿入するために設ける面取り加工や、ピニオンシャフトをキャリアに加締めにより固定するための形状加工等である（図２の（ｂ）を参照）。軸方向端部の硬さがＨｖ３００以下であるため、反りを取るための外周面の研削後に軸方向端部の旋削加工が行いやすくなり、良好な精度の端部形状を得ることができる。そして、最後に超仕上げを実施することにより、ピニオンシャフトを完成する。
【００２４】
熱処理前に切削加工を施して軸方向端部の形状を仕上げると、熱処理時の変形により、軸方向端部の形状が、研削残りが存在する状態又は余計に研削した状態に変化してしまう。すなわち、軸受に挿入するために設ける面取り加工や、ピニオンシャフトをキャリアに加締めにより固定するための形状や、止め輪のための形状が崩れ、軸受への組込が困難になったり、キャリアへの固定が困難となったりする。
【００２５】
しかしながら、上記のような製造方法によれば、軸受に挿入するために設ける面取り加工や、ピニオンシャフトをキャリアに加締めにより固定するための形状や、止め輪のための形状を崩すことなく、偏心穴を有するピニオンシャフトを製造することができる。
なお、熱処理により形成される硬化層の深さ（硬化層深さ）は、ピニオンシャフトが使用される条件における最大せん断応力位置よりも深い必要がある。反りを取るために外周面を研削する際に硬化層も一部取り除かれるので、最も研削量が多い部分においても研削後の硬化層深さは前記最大せん断応力位置よりも深い必要がある。なお、硬さがＨｖ５５０以上である部分の深さが、０．５ｍｍ以上２．５ｍｍ以下であることが好ましい。
【００２６】
〔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。表１に示すような組成の鋼で構成され、表層部の炭素濃度及び窒素濃度、表層部の表面硬さ、表層部の残留オーステナイト量、芯部の残留オーステナイト量が表１に示すような値であることを除いては、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。このピニオンシャフトの直径は２０ｍｍ、長さは８５ｍｍで、給油穴である偏心穴を有し、外周面の軸方向中央部に前記偏心穴と連続する直径７ｍｍの穴が開口している。なお、表層部の残留オーステナイト量は、表面を約５０μｍ電解研磨した後に測定した。また、表面硬さＨｖは、測定荷重３００ｇで測定した。
【００２７】
【表１】
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【００２８】
そして、図３に示すような試験機にピニオンシャフトを組み込んで回転試験を行い、その耐久性を評価した。この試験機は、キャリヤに回転自在に支持されたピニオンギアを自転させながら公転させるものであり、ピニオンギア，ケージアンドローラ，及びピニオンギア両端のワッシャーに負荷される遠心力が、ピニオンシャフトに作用するようになっている。ピニオンギアの公転速度を調整して、軸受に動定格荷重の４０％の荷重が負荷されるようにした。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の温度は１２０℃であった。
【００２９】
計算寿命の３倍まで回転試験を行って、ピニオンシャフトに破損がなかった場合は合格、フレーキングが生じた場合は不合格とした。
実施例である試験番号１，２は、同一の熱処理パターンで高周波焼入れを２回施したものであるが、表１から分かるように、回転試験によりピニオンシャフトに破損は生じなかった。
従来例である試験番号３は、まず浸炭窒化焼入れを施し、さらにＡ１点以下の温度で焼鈍しを施した後に、高周波焼入れを施したものである。ピニオンシャフトの耐久性は合格であったものの、製造コストが高いという問題点や、熱処理による変形でキャリアへの固定が困難となるという問題点があった。
【００３０】
また、比較例である試験番号４は、試験番号３と同様の熱処理であるが、表層部の残留オーステナイト量が多すぎるため、短寿命であった。比較例である試験番号５は、熱処理がずぶ焼入れであるため短寿命であった。比較例である試験番号６は、試験番号１，２と同様の熱処理であるが、表面硬さが不十分であるため短寿命であった。比較例である試験番号７は、高周波焼入れ処理が１回のみであるため、表層部の残留オーステナイト量が不十分となり、短寿命であった。比較例である試験番号８〜１３は、鋼の組成が本発明の要件を満たしていないため、短寿命であった。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【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】本発明のピニオンシャフトの製造方法を説明する図である。
【図３】ピニオンシャフトの耐久性を評価する装置の構造を説明する図である。
【符号の説明】
【００３２】
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
６      偏心穴
【図１】
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【図２】
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【図３】
2007131890.tif 000006