JP2008019965A - 遊星歯車装置及び転がり軸受 - Google Patents

Abstract

【課題】高速回転で且つすべりが生じやすいような条件下で使用された場合でも、摩耗等の表面損傷が生じ難く優れた転がり疲れ寿命を有する遊星歯車装置及び転がり軸受を提供する。
【解決手段】遊星歯車装置は、サンギヤ１と、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に噛み合いサンギヤ１の周りを公転する複数のピニオンギヤ３と、を備えている。ピニオンギヤ３の中心穴にピニオンシャフト５が挿通されており、この中心穴の内面３ａとピニオンシャフト５の外周面５ａとの間には、複数の針状ころ６が転動自在に配され、ピニオンギヤ３の中心穴の内面３ａとピニオンシャフト５の外周面５ａところ６とで構成される転がり軸受により、ピニオンギヤ３がピニオンシャフト５を軸として回転自在とされている。そして、針状ころ６の転動面のうち面積率で７５％以上の部分に、固体潤滑剤で構成された潤滑被膜が被覆されている。
【選択図】図２

Description

本発明は遊星歯車装置に関する。また、本発明は、遊星歯車装置に使用される転がり軸受に関する。

通常、転がり軸受にはＰ／Ｃ（Ｐ：動等価荷重、Ｃ：基本動定格荷重) が５％（一般的には８．３％）を超えるように荷重が負荷されないと、転動体の転動が阻害されてすべりが発生するため、焼付きが生じて許容回転速度を満足しないことが知られている。
特に、遊星歯車装置においてピニオンギヤを回転自在に支持するために使用される転がり軸受（以降は遊星歯車装置用軸受と記すこともある）では、ピニオンギアからピニオンシャフトへの力の伝達が円滑に行われるように、はすば歯車が使用されているため、ころのスキューによるすべりが発生しやすく、プラネタリーシャフトの走行跡がねじれた形状となる。また、この遊星歯車装置用軸受は、１００００ｍｉｎ^-1を超える高速回転下で使用される。

遊星歯車装置用軸受は、保持器を有していない総ころ針状ころ軸受であるから、ｄｍＮ値１５〜３０万よりも低い回転速度で使用する必要があり、これが許容回転速度の目安となる。総ころ針状ころ軸受に生じやすい不具合としては、潤滑不足による焼付きや転動体のピーリング損傷があるが、特に微小焼付き（スミアリング）が問題となっている。
このような問題を解決して転がり軸受等の装置の転がり疲れ寿命を向上させる技術として、軌道面や転動面に種々の処理を施す技術が提案されている。例えば、特許文献１では、スラスト荷重を受けながらすべり接触するすべり面を備えた機械部品において、すべり面に独立した微小くぼみを無数にランダムに設け、この微小くぼみの平均面積を３５〜１５０μｍ² 、微小くぼみの占める面積率を１０〜４０％とすることが提案されている。

また、特許文献２では、平均粒子径が約１〜２０μｍの二硫化モリブデンを約９５質量％以上含有した二硫化モリブデン投射用材料からなる固体潤滑被膜を、金属，樹脂，ガラス，セラミックスのいずれかからなる物質表面に形成することが提案されている。さらに、特許文献３では、ねじ軸，ナット，及びボールの少なくとも一つの摺接面に、二硫化モリブデンの微粒子を固着させて、厚さ０．５μｍ以下の固体潤滑被膜を形成することが提案されている。
特許第２５４８８１１号公報 特開２００２−３３９０８３号公報 特開２００４−６０７４２号公報

しかしながら、前述の特許文献１に記載の技術では、低粘度の潤滑油が使用されたり、潤滑油量が不十分である場合には、微小くぼみ内に潤滑油を十分に保持できず、摩耗等の表面損傷を効果的に防止することは難しかった。また、前述の特許文献２では、固体潤滑被膜の材料を特定しただけであるため、摩耗等の表面損傷を生じ難くするという点でさらなる改善の余地がある。さらに、前述の特許文献３に記載の技術では、固体潤滑被膜の密着性が不十分である場合があり、固体潤滑被膜が容易に脱落することが考えられる。
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、高速回転で且つすべりが生じやすいような条件下で使用された場合でも、摩耗等の表面損傷が生じ難く優れた転がり疲れ寿命を有する遊星歯車装置及び転がり軸受を提供することを課題とする。

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の遊星歯車装置は、中心に位置するサンギヤと、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い前記サンギヤの周りを公転するピニオンギヤと、前記ピニオンギヤの中心穴に挿通され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、前記ピニオンギヤの中心穴の内面と前記ピニオンシャフトの外周面との間に転動自在に配された複数のころと、を備える遊星歯車装置において、前記ころの転動面のうち面積率で７５％以上の部分に、固体潤滑剤で構成された潤滑被膜が被覆されていることを特徴とする。

また、本発明に係る請求項２の遊星歯車装置は、請求項１に記載の遊星歯車装置において、前記潤滑被膜の厚さが０．１μｍ以上８μｍ以下であることを特徴とする。
さらに、本発明に係る請求項３の遊星歯車装置は、請求項１又は請求項２に記載の遊星歯車装置において、前記ころの転動面のうち前記潤滑被膜が被覆された部分に、深さが０．１μｍ以上５μｍ以下の微小くぼみが形成されていることを特徴とする。

さらに、本発明に係る請求項４の転がり軸受は、中心に位置するサンギヤと、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い前記サンギヤの周りを公転するピニオンギヤと、を備える遊星歯車装置に使用され、前記ピニオンギヤを回転自在に支持する転がり軸受であって、前記ピニオンギヤの中心穴に挿通されたピニオンシャフトの外周面と、前記ピニオンギヤの中心穴の内面と、前記ピニオンシャフトの外周面と前記ピニオンギヤの中心穴の内面との間に転動自在に配された複数のころと、で構成されるとともに、前記ころの転動面のうち面積率で７５％以上の部分に、固体潤滑剤で構成された潤滑被膜が被覆されていることを特徴とする。

さらに、本発明に係る請求項５の転がり軸受は、請求項４に記載の転がり軸受において、前記潤滑被膜の厚さが０．１μｍ以上８μｍ以下であることを特徴とする。
さらに、本発明に係る請求項６の転がり軸受は、請求項４又は請求項５に記載の転がり軸受において、前記ころの転動面のうち前記潤滑被膜が被覆された部分に、深さが０．１μｍ以上５μｍ以下の微小くぼみが形成されていることを特徴とする。

このような遊星歯車装置及び転がり軸受は、ころの転動面のうち面積率で７５％以上の部分に潤滑被膜が被覆されており、ころの転動面に良好な潤滑性が付与されているので、ピニオンギヤの中心穴の内面やピニオンシャフトの外周面と摺接することによる摩耗や発熱が生じにくい。よって、高速回転で且つすべりが生じやすいような条件下で使用された場合でも、ころ，ピニオンギヤ，ピニオンシャフトにスミアリング，焼付き，摩耗，ピーリング等の表面損傷が生じ難く、転がり疲れ寿命が優れている。

ころの転動面のうち潤滑被膜が被覆されている部分の割合が面積率で７５％未満であると、潤滑性が不十分となり、前述のような表面損傷が生じて転がり疲れ寿命が不十分となるおそれがある。このような不都合がより生じにくくするためには、ころの転動面のうち面積率で９５％以上の部分に潤滑被膜を被覆することが好ましく、１００％が最も好ましい。

また、潤滑被膜の厚さが０．１μｍ未満であると、潤滑性が不十分となるおそれがあり、８μｍ超過であると、潤滑被膜の強度が不十分となるおそれがある。さらに、微小くぼみに潤滑被膜が充填されることにより潤滑被膜の密着性が高まるが、微小くぼみの深さが０．１μｍ未満であると、潤滑被膜の良好な密着性が得られないおそれがある。ただし、５μｍ超過としても、それ以上の効果は期待できないので、微小くぼみの深さは５μｍ以下とすることが好ましい。

本発明の遊星歯車装置及び転がり軸受は、高速回転で且つすべりが生じやすいような条件下で使用された場合でも、摩耗等の表面損傷が生じ難く優れた転がり疲れ寿命を有する。

本発明に係る遊星歯車装置及び転がり軸受の実施の形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、遊星歯車装置の分解斜視図であり、図２は、図１の遊星歯車装置に使用された転がり軸受の断面図である。
図１の遊星歯車装置は、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に噛み合いサンギヤ１の周りを公転する複数（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。

ピニオンギヤ３の中心には穴が形成されており、この中心穴に、キャリヤ４に固定されたピニオンシャフト５が挿通されている。また、ピニオンギヤ３の中心穴の内面３ａとピニオンシャフト５の外周面５ａとの間には、複数の針状ころ６が転動自在に配されていて、ピニオンギヤ３の中心穴の内面３ａとピニオンシャフト５の外周面５ａと複数のころ６とで構成される転がり軸受により、ピニオンギヤ３がピニオンシャフト５を軸として回転自在とされている。
そして、針状ころ６の転動面（ピニオンギヤ３の中心穴の内面３ａやピニオンシャフト５の外周面５ａとの接触部分）のうち面積率で７５％以上の部分に、固体潤滑剤で構成された潤滑被膜（図示せず）が被覆されている。

このような遊星歯車装置は、潤滑被膜によって優れた潤滑性が付与されるので、高速回転で且つすべりが生じやすいような条件下で使用された場合でも、針状ころ６の転動面，ピニオンギヤ３の中心穴の内面３ａ，ピニオンシャフト５の外周面５ａにスミアリング，焼付き，摩耗，ピーリング等の表面損傷が生じ難く、優れた転がり疲れ寿命を有する。なお、この潤滑被膜は、少なくとも針状ころ６の転動面に被覆してあればよいが、これに加えてピニオンギヤ３の中心穴の内面３ａ又はピニオンシャフト５の外周面５ａに被覆してもよいし、前記３面全てに被覆してもよい。

この潤滑被膜の厚さは、０．１μｍ以上８μｍ以下であることが好ましい。さらに、針状ころ６の転動面のうち少なくとも潤滑被膜が被覆された部分には、深さ０．１μｍ以上５μｍ以下の微小くぼみを形成することが好ましい。ピニオンギヤ３の中心穴の内面３ａやピニオンシャフト５の外周面５ａに潤滑被膜を被覆する場合には、その部分にも微小くぼみを形成することが好ましい。

この潤滑被膜は、固体潤滑剤の粉末を投射するショットピーニング法により形成することが好ましい。また、固体潤滑剤の種類は特に限定されるものではなく、例えばフッ化グラファイト，二硫化モリブデン，ポリテトラフルオロエチレン，ポリエチレン，フッ素樹脂，ナイロン，ポリアセタール，ポリオレフィン，ポリエステル，金属石鹸，二硫化タングステン，窒化ホウ素，黒鉛，フッ化カルシウム，フッ化バリウム，錫，錫合金が使用可能である。
なお、本実施形態においては、遊星歯車装置に使用する転がり軸受の例として針状ころ軸受をあげて説明したが、転がり軸受の種類は針状ころ軸受に限定されるものではなく、円筒ころ軸受等の他種のころ軸受にも本発明を適用可能である。

〔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。図１，２に示した遊星歯車装置とほぼ同様の構成の遊星歯車装置を用意して、駆動試験を行い、１００時間駆動後のピニオンシャフトのスミアリングの発生状況を評価した。
試験に用いた遊星歯車装置のピニオンシャフトの直径，針状ころの直径，及びＰＣＤは、表１，２に示す通りである。また、いずれの遊星歯車装置の場合も、針状ころの数は１８個、針状ころの長さは１０ｍｍとし、ラジアルすき間は０．０１〜０．０４ｍｍ、円周方向すき間は０．１〜０．４ｍｍとした。さらに、ピニオンシャフトの素材はＳＫ８５、ピニオンギヤの素材はＳＣＭ４２０、針状ころの素材はＳＵＪ２とした。

さらに、遊星歯車装置の駆動条件、すなわちピニオンギヤの自転速度及び公転速度は表１，２に示す通りであり、そのような条件で駆動している際のｄｍＮ値及びすべり速度を表１，２に併せて示してある。なお、針状ころの潤滑は、１２０℃の自動変速機用潤滑油（ＡＴＦ）で行い、その量はピニオンギア１個当たり０．１Ｌ／ｍｉｎとした。

さらに、針状ころの転動面に被覆されている潤滑被膜は、以下の通りである。実施例１〜９については、針状ころの転動面のうち面積率で８５％の部分に、二硫化モリブデン（ＭｏＳ₂ ）で構成された平均厚さ０．５μｍの潤滑被膜が被覆されている。なお、針状ころの転動面のうち潤滑被膜が被覆された部分には、ショットピーニング処理により深さ０．５μｍの微小くぼみが形成されている。比較例１〜９については、潤滑被膜は被覆されていないが、針状ころの転動面には、バレル処理により深さ０．３μｍの微小くぼみが形成されている。

ここで、固体潤滑剤で構成された潤滑被膜を被覆する方法について説明する。潤滑被膜を被覆する方法は特に限定されるものではないが、ショットピーニング処理を採用した。潤滑被膜の形成にはショットピーニング装置を用い、ショット材である固体潤滑剤としては、平均粒径５μｍ以下（ＪＩＳ Ｒ６００１の規定による）の二硫化モリブデン粉末を用いた。噴射圧力は１９６〜８８２ｋＰａ、噴射時間１０〜２０ｍｉｎである。なお、１回の処理に用いる針状ころの質量は１〜６ｋｇが好ましい。

潤滑被膜の厚さは、潤滑被膜を被覆する前後でマイクロメータ等によって針状ころの直径を測定することにより求めることができる。あるいは、電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いて測定してもよい。電子顕微鏡を用いる場合は、まず潤滑被膜を備えた針状ころの転動面に、熱硬化性樹脂であるポリアミドイミドのピロリドン溶液を塗布し、１７５℃で２時間加熱して硬化させ、潤滑被膜の保護膜を形成した。この針状ころを切断してエポキシ樹脂に埋め込み、針状ころの切断面をバフ研磨で鏡面仕上げした。さらに、凹凸を付けるために、３％ピクラール溶液で５秒間腐食した後、スパッタによりナノオーダーのクロム層を表面に被覆して通電性を付与した。そして、電子顕微鏡により、切断面を例えば５０００倍の倍率で例えば３０視野観察した。各視野において潤滑被膜の厚さを数点測定し、これらの平均値を求め、この平均値をその視野の潤滑被膜の厚さとした。そして、３０視野の潤滑被膜の厚さの平均値を求めた。

次に、潤滑被膜の面積率は、潤滑被膜が被覆された針状ころの転動面を電子顕微鏡等で例えば１０００倍に拡大して観察して、潤滑被膜が被覆されている部分の面積を測定し、これと顕微鏡観察した部分の面積（例えば０．１ｍｍ² ）とから求めることができる。あるいは、電子線マイクロアナライザー（ＥＰＭＡ）を用いて測定してもよい。以下に、その一例を示す。電子線マイクロアナライザーにより、潤滑被膜が被覆された針状ころの転動面を２０００倍の倍率で３０視野観察し、潤滑被膜が形成されている部分のうち一辺２００μｍの正方形部分を１０００倍に拡大して、モリブデンの特性Ｘ線強度を測定する。そして、潤滑被膜を被覆する前の特性Ｘ線強度の１０倍以上の強度が観測された領域に潤滑被膜が被覆されているとして、その結果を画像解析することにより潤滑被膜が被覆されている部分の面積率を得て、３０視野の平均値を算出する。

次に、微小くぼみの形成方法は特に限定されるものではないが、ショットピーニング処理及びバレル処理を採用した。ショットピーニング処理は、ショットピーニング装置を用いて行った。ショット材にはＪＩＳ Ｒ６００１に規定された平均粒径４５μｍの鋼球，ＳｉＣ，ＳｉＯ₂ ，Ａｌ₂ Ｏ₃ ，ガラスビーズ等が使用可能であり、噴射圧力１９６〜８８２ｋＰａ、噴射時間１０〜２０ｍｉｎの条件で、ショット材を針状ころの転動面に噴射した。なお、一度に処理する針状ころの量は１〜６ｋｇが好ましい。

バレル処理は、種々のメディアや添加剤を配合したものを用いて針状ころの転動面に大きな凹凸を形成する粗加工と、プラトー部の粗さを整える仕上げ加工とを行った。なお、針状ころの転動面に、ショットピーニング処理とバレル処理との両方を施してもよい。
微小くぼみの深さを測定する方法は、以下の通りである。三次元非接触表面形状計測システムにより、針状ころの転動面を１００倍の倍率で３０視野観察し、得られた画像を断面プロファイルに変換した。そして、Ｘ方向及びＹ方向それぞれの５つの断面において、微小くぼみの深さを測定し、それらの結果を平均した。

次に、駆動試験の結果について説明する。比較例１〜６は、全てスミアリングが発生した。比較例１，４，７については、ピニオンシャフトの硬さが試験前のＨｖ７２０から試験後にはＨｖ５５０に低下し、微小焼付きが生じたことが確認された。また、比較例２，３，５，８については、駆動１００時間後にピニオンシャフトの硬さがＨｖ４５０に低下し、塑性流動を伴ったスミアリングが発生したことが確認された。特に、比較例６，９は、極めて短時間で異常振動が発生したため試験を停止した。そして、ピニオンシャフト及び針状ころにスミアリングの発生が確認されるとともに、ピニオンシャフトの硬さがＨｖ３９０に低下していた。

これに対して、実施例１〜５及び７，８は、駆動１００時間後のピニオンシャフトの硬さの低下はほとんど認められず、スミアリングの発生の程度もほとんど発生なしか又は同条件の比較例と比べて軽度であった。すべり速度の大きい実施例６，９については、スミアリングの発生により試験を停止したが、同条件の比較例６，９と比べると長時間駆動することができた（すなわち、遊星歯車装置が長寿命であった）。

なお、本駆動試験に用いた遊星歯車装置においては、転がり軸受の針状ころは単列仕様であったが、複列仕様としても同様の試験結果であった。また、ピニオンシャフトの素材をＳＫ８５からＳＵＪ２に変更しても、同様の試験結果であった。
次に、実施例８の遊星歯車装置において潤滑被膜の面積率及び厚さ、並びに、微小くぼみの有無及び深さを種々変更したものを用意して、実施例８と同様の駆動条件で駆動試験を行った。そして、スミアリングが発生して振動値，トルク，温度の少なくとも一つが所定値を超えた時点で寿命に至ったと判定し、試験を終了した。結果を表３〜５に示す。なお、表３〜５における寿命の数値は、比較例１１の寿命を１とした場合の相対値で示してある。

表３〜５から分かるように、潤滑被膜を備えている実施例１１〜３２は、潤滑被膜を備えていない比較例１１と比べて５倍以上長寿命であった。特に、針状ころの転動面に微小くぼみを形成した実施例１９〜２６及び２９〜３２は、微小くぼみを有していない実施例１１〜１８及び２７，２８と比べて、より長寿命であった。また、比較例１１〜１７のような潤滑被膜を有していないものや、有していても面積率が７５％未満のものは、短寿命であった。

本発明の一実施形態である遊星歯車装置の分解斜視図である。 図１の遊星歯車装置に使用された転がり軸受の構造を示す断面図である。

符号の説明

１ サンギヤ
２ リングギヤ
３ ピニオンギヤ
３ａ ピニオンギヤの中心穴の内面
４ キャリヤ
５ ピニオンシャフト
５ａ ピニオンシャフトの外周面
６ 針状ころ

Claims (6)

1. 中心に位置するサンギヤと、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い前記サンギヤの周りを公転するピニオンギヤと、前記ピニオンギヤの中心穴に挿通され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、前記ピニオンギヤの中心穴の内面と前記ピニオンシャフトの外周面との間に転動自在に配された複数のころと、を備える遊星歯車装置において、前記ころの転動面のうち面積率で７５％以上の部分に、固体潤滑剤で構成された潤滑被膜が被覆されていることを特徴とする遊星歯車装置。
2. 前記潤滑被膜の厚さが０．１μｍ以上８μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の遊星歯車装置。
3. 前記ころの転動面のうち前記潤滑被膜が被覆された部分に、深さが０．１μｍ以上５μｍ以下の微小くぼみが形成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の遊星歯車装置。
4. 中心に位置するサンギヤと、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い前記サンギヤの周りを公転するピニオンギヤと、を備える遊星歯車装置に使用され、前記ピニオンギヤを回転自在に支持する転がり軸受であって、前記ピニオンギヤの中心穴に挿通されたピニオンシャフトの外周面と、前記ピニオンギヤの中心穴の内面と、前記ピニオンシャフトの外周面と前記ピニオンギヤの中心穴の内面との間に転動自在に配された複数のころと、で構成されるとともに、前記ころの転動面のうち面積率で７５％以上の部分に、固体潤滑剤で構成された潤滑被膜が被覆されていることを特徴とする転がり軸受。
5. 前記潤滑被膜の厚さが０．１μｍ以上８μｍ以下であることを特徴とする請求項４に記載の転がり軸受。
6. 前記ころの転動面のうち前記潤滑被膜が被覆された部分に、深さが０．１μｍ以上５μｍ以下の微小くぼみが形成されていることを特徴とする請求項４又は請求項５に記載の転がり軸受。

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