JP2010002032A - トランスミッション用転がり軸受 - Google Patents

Abstract

【課題】トランスミッション用転がり軸受の水素脆化による特異性剥離をより充分に抑制し、好ましくは軸受に振動が生じることなく、特に軸受と一体のプーリに取り付けたベルトを損傷させないトランスミッション用転がり軸受とすることである。
【解決手段】潤滑油を供給して潤滑される自動車トランスミッションに使用される転がり軸受の内輪１、外輪２および転動体３を１．５〜６％のＣｒ含有鋼で形成し、軸受部品の表面にＣｒの酸化皮膜〔ＦｅＣｒＯ₄〕１ａ、２ａ、３ａを形成し、これらの軸受部品の表面に浸炭窒化処理層を設ける。所定量のＣｒを含有する１以上の軸受部品の表面に浸炭窒化処理層を設けることにより、水素脆性現象の発生抑制性が改善され、それを損なうことなく転がり軸受の疲労寿命および耐摩耗性も改善される。
【選択図】図１

Description

この発明は、自動車等のトランスミッションにおける歯車装置などに適用されるトランスミッション用転がり軸受に関するものである。

自動車等のトランスミッションは、エンジンからの駆動力を変速して駆動軸などへ伝達する主変速機であり、マニュアルタイプとオートマチックタイプに大別され、また車輌の駆動方式によって前輪駆動（ＦＷＤ）用トランスアクスル、後輪駆動（ＲＷＤ）用トランスミッション、および四輪駆動（４ＷＤ）用トランスファ（副変速機）がある。

転がり軸受は、例えばメインシャフトとメインドライブギヤとの間に介在するように取り付けられ、このようなトランスミッション用転がり軸受は、回転に伴って油浴の油が潤滑油として軸受内部に流入する。

自動車のトランスミッションは、近年、ミッションのＡＴ化、ＣＶＴ化および低燃費化等のために低粘度の油が使われる傾向にある。低粘度オイルが使用される環境化では、（１）油温が高い、（２）油量が少ない、（３）予圧抜けが発生するなどの悪条件が重なった場合に、潤滑不良に起因する非常に短寿命の表面起点剥離が面圧の高い内輪軌道面に生じることがある。

このような表面起点の特異的な剥離による転がり軸受の短寿命対策としては、その構成部品の材料自体によって特異性剥離を防止できることが、本願の出願人による先行技術によって知られており、具体的には潤滑油または潤滑グリースで潤滑される自動車トランスミッション用転がり軸受の部品が、１．５〜６％Ｃｒ含有鋼から成り、その転走面に水素の侵入を防止するためのＣｒの酸化皮膜が形成されている自動車トランスミッション用転がり軸受が知られている（特許文献１、２）。

特許第３００９２５４号公報 特開２００６−２６６３１４号公報

しかし、上記した従来技術によるトランスミッション用転がり軸受においては、水素脆化による特異性剥離を抑制することに加えて、疲労寿命も耐摩耗性をも併せて改善できるようにする技術が求められている。

また、トランスミッション用転がり軸受に表面起点剥離による短寿命が起きる場合には、併せて軸受の回転時にアキシャル方向に振動(ガタツキと呼ばれる現象も含む)が起こる場合があり、このような複合的な動作不良の状態に至ると、回転軸のプーリに巻き掛けたベルトが摩耗損傷しやすくなるという問題点もある。

そこで、この発明の課題は、上記した問題点を解決して、トランスミッション用転がり軸受の水素脆化による特異性剥離を抑制すると共に、疲労寿命も耐摩耗性も併せて改善し、それによって軸受に振動が生じることなく、回転軸のプーリに巻き掛けたベルトの損傷もないトランスミッション用転がり軸受とすることである。

上記の課題を解決するために、この発明においては、潤滑油で潤滑されるトランスミッション用転がり軸受の軌道輪および転動体から選ばれる１以上の軸受部品がＣｒを１．５〜６％含有する鋼で形成されたトランスミッション用転がり軸受において、前記所定量のＣｒを含有する１以上の軸受部品の表面に浸炭窒化処理層を設けたことを特徴とするトランスミッション用転がり軸受としたのである。

上記したように構成されるこの発明のトランスミッション用転がり軸受は、１．５〜６％Ｃｒ含有鋼が、空気中で使用される際には金属表面に効果的な厚みの強い緻密なＣｒの酸化皮膜〔ＦｅＣｒＯ₄ 〕が形成されているため、水素を発生させやすい過酷な潤滑条件おいても軌道輪や転動体が常に不活性である。

そのような不活性なＣｒの酸化皮膜により、潤滑油の分解を促進するような活性面が形成されないため、水素の発生が抑制される。また、軌道輪を構成する鋼材料自体がＣｒを含有することにより、Ｃｒの酸化皮膜は、常に一定の酸化抑制性を示す厚さを保ち、これにより潤滑油の分解により生ずる水素が鋼中に侵入することを常に防止し、安定して水素脆化が起こり難くなる。

そのような作用を充分に奏するように、軌道溝は、転動体直径(Ｄ)の１００〜１０２％の曲率直径(Ｃd)の円曲面からなる軌道溝であることが好ましい。
この発明でいう軌道輪は、内輪または外輪の単体のことをいい、軌道溝は、前記軌道輪における転動体が転がる円弧の溝のことをいう。

軌道溝が、転動体直径(Ｄ)の１０２％以下の曲率直径(Ｃd)の円曲面からなる軌道溝であることにより、転動体と軌道溝の接触面積が充分に確保されて転動体の軌道溝に接する面圧が低くなるため、Ｃｒの酸化皮膜は損傷され難くなり、また酸化抑制性を充分に示す厚さを安定的に保って水素脆性を確実に防止することができる。

また、この発明では、所定量のＣｒを含有する１以上の軸受部品の表面に浸炭窒化処理層を設けたことにより、Ｃｒの酸化皮膜による水素脆性現象の発生抑制を損なうことなく転がり軸受の疲労寿命および耐摩耗性をも改善することができる。

すなわち、浸炭窒化処理されたＣｒ含有鋼からなる軸受部品は、酸化抑制性を示すＣｒ酸化皮膜によって被覆され、さらに浸炭窒化処理層によっても表面は硬く形成され、かつ浸炭窒化処理層以深の内部は柔らかい。そのため、表面で水素脆性現象の発生抑制性が改善され、かつ転がり軸受の疲労寿命および耐摩耗性も改善される。

このような作用によって転がり軸受部品の軌道溝や、それに接する転動体の表面は水素脆性による剥離がなく粗面になることはなく、軸受が回転した際の軸方向（アキシャル）のガタツキ（振動）は抑制され、トランスミッションに用いるベルトなどの損耗も防止または抑制できる。

このように改良された自動車トランスミッション用転がり軸受は、使用される潤滑油が低粘度で転がり面に金属の活性面が形成されやすい無断変速機用転がり軸受であっても、軌道輪の酸化皮膜は充分に厚く形成され、水素脆化による特異性剥離が確実に防止され、疲労寿命および耐摩耗性も改善される。

この発明は、潤滑油で潤滑されるトランスミッション用転がり軸受において、その所定軸受部品を所定量のＣｒを含有する鋼で形成して水素の侵入を防止するためのＣｒの酸化皮膜を形成し、かつ軸受部品の表面に浸炭窒化処理層を設けたので、トランスミッション用転がり軸受の水素脆化による特異性剥離をより充分に抑制し、しかも軸受の疲労寿命および耐摩耗性も改善することができる利点がある。

さらに、このようなトランスミッション用転がり軸受は、軸受に振動が生じることなく、特に軸受にプーリを介して取り付けたベルトを損傷させないトランスミッション用転がり軸受となる利点もある。

また、所定の曲率直径(Ｃd)の円曲面からなる軌道溝を形成したトランスミッション用転がり軸受は、上記の作用効果が、より確実に奏されるトランスミッション用転がり軸受になる。

この発明の実施形態を以下に添付図面に基づいて説明する。
図１、２に示すように、実施形態は、潤滑油を供給して潤滑される自動車トランスミッションに使用される転がり軸受（深溝玉軸受）であり、内輪１の軌道溝１ｃと外輪２の軌道溝２ｃとの間に配置された転動体３を回転自在に保持器４で保持し、外輪２がハウジングＨに固定されており、内輪１は回転軸Ａを支持している。

実施形態の内輪１、外輪２および転動体３は、いずれもがＣｒ含有量１．５〜６％、より正確には２〜６％のＣｒ含有鋼からなる。これらは他の実施形態では、少なくとも１つの部品が前記所定のＣｒ含有鋼で構成されていればよく、その他の構成材料としてはＳＵＪ２鋼などの鋼材なども採用できる。

このような材料で形成される内輪１、外輪２および転動体３からなる軸受部品の表面には、水素脆性を防止するのに充分な作用のある緻密なＣｒの酸化皮膜［ＦｅＣｒＯ₄］１ａ、２ａ、３ａが形成されており、転動体３が接する内輪１と外輪２の表面のうち、軌道溝１ｃと軌道溝２ｃも不活性になっている。

１．５〜６％Ｃｒ含有鋼には、空気に触れた際に金属表面に強く緻密なＣｒの酸化皮膜［ＦｅＣｒＯ₄］が水素脆性抑制に効果的な厚さで形成されるため、金属表面は常に不活性な状態が維持され、そのような状態が一時的に損なわれても修復可能である。このために、潤滑不良時に発生しやすい水素の鋼中への侵入は安定的に防止され、特異性剥離現象が充分に防止されている。

１．５〜６％Ｃｒ含有の鋼を採用する理由は、１．５％未満のＣｒ含有鋼を使用した軸受部品では軌道溝などに特異性剥離が起こる可能性があり、Ｃｒ含有量が６％を越えると、焼入温度が高くなり、熱処理コストなどの実用性を持たせるためには６％以下であることが望ましいからである。

さらに、この実施形態の転がり軸受の軸受部品の表面には、浸炭窒化処理層が設けられている。
軸受部品の表面に浸炭窒化処理層を設けるには、定法に従って軸受部品を収容した浸炭性ガス雰囲気中に０．５〜１．０％程度のアンモニア（ＮＨ_３）を添加し、８５０〜８８０℃程度に加熱された雰囲気中で軸受部品を０．５〜３時間程度の処理時間で浸炭窒化処理する。
このような処理により、雰囲気中に生成した一酸化炭素（ＣＯ）が鋼の表面で活性化炭素（Ｃ）となり、浸炭作用が奏され、被処理鋼の表面は硬く内部が柔らかくなる。

またこのような処理における窒化作用は、アンモニアが熱分解した発生期の窒素（Ｎ）が活性化窒素として、これに親和性の高いＣｒおよびＣｒ酸化皮膜を含有する鋼の表面から進入し、硬い窒化物を生成するのであり、これによってさらに被処理鋼の表面は硬くなる。

このようにして浸炭窒化処理されたＣｒ含有鋼からなる軸受部品は、表面は硬く、内部は柔らかく、しかも表面は酸化抑制性を示すＣｒ酸化皮膜によって被覆されて水素脆性現象の発生抑制性が改善され、その作用を損なうことなく、転がり軸受の疲労寿命および耐摩耗性も改善できるものになる。
そのため、軸受回転時のアキシャル方向の遊動を発生させるような表面剥離がなく、回転時の振動（いわゆるガタツキ）を減少させ、回転軸の回転に伴って駆動されるベルトの損傷も防止される。

実施形態の転がり軸受においては、軌道溝１ｃ、２ｃは、転動体直径(Ｄ)に対して１０２％以下の曲率直径の円曲面で形成され、好ましくは転動体直径(Ｄ)に対して１００〜１０２％の曲率直径の円曲面で形成されている。

軌道溝１ｃ、２ｃが、転動体直径(Ｄ)に対して１０２％を超える曲率直径では、転動体３が軌道溝１ｃ、２ｃに対して接する面積が相当に減少し、そのために接触面の面圧が相当に上昇する結果、潤滑油による潤滑不良の状態になりやすく、そのとき水素脆化による特異性剥離も起こりやすくなるからである。

この発明に採用できる自動車トランスミッション用転がり軸受の形式や種類などの態様は、特に限定されるものではなく、例えば深溝玉軸受、アンギュラ玉軸受、円筒ころ軸受、円錐ころ軸受などを採用できる。

［実施例１、２］
図１に示す構造の深溝玉軸受（内径５０ｍｍ、外径８０ｍｍ、幅１６ｍｍ）の内輪１と外輪２と転動体３の全ての軸受部品を１．８％Ｃｒ含有鋼により形成し、全ての軸受部品に対して、アンモニア（ＮＨ_３）ガス雰囲気下で浸炭窒化処理を行なった。

そして、内輪に形成された軌道溝の曲率直径Ｃｄ_ｉが転動体直径(Ｄ)に対して１０２％（実施例１）または１００％（実施例２）であり、外輪に形成された軌道溝の曲率直径Ｃｄ_ｏについても転動体直径(Ｄ)に対して１０２％（実施例１）または１００％（実施例２）であるように形成した。

［実施例３］
実施例１において、内輪１および外輪２については、表面に浸炭窒化層を設け、その他の部品については軸受鋼で形成し、それ以外は実施例１と全く同様に形成した深溝玉軸受を形成した。

［加減速耐久試験］
これらの転がり軸受に対する耐久試験においては、トランスミッションでの使用状態に相当する条件を作り出すため、潤滑油（水グリコール（松村石油ハイドールＨＡＷ−３２））を用いて試験温度７５℃、回転数５００〜２５００ｒｐｍで加減速耐久試験を行なった。
この耐久試験の結果、実施例１〜３は、耐久（寿命）時間はいずれも５０時間以上であり、いずれも内輪および外輪の軌道面に剥離が生じなかった。

［異物潤滑寿命試験］
異物潤滑寿命試験として、鋼微粉０．３ｇ／リットルを混入したＡＴＦ油（オートマチックオイルＶＧ３２）を循環給油し、ラジアル荷重Ｆｒ：８３００Ｎ、回転速度２６００ｒｐｍの条件で寿命試験を供試軸受に対して行なった。

［比較例１］
実施例１の部品に代えて、浸炭窒化処理を行なわなかったこと以外は、全く同様にして比較例１の転がり軸受を調製し、これに対して上記の加減速耐久試験および異物潤滑寿命試験を同じ条件で行なった。
その結果、比較例１の加減速耐久試験では剥離は認められなかったが、異物潤滑寿命時間は１５３時間であり、内輪または外輪の軌道溝に剥離が生じていた。

［比較例２］
比較例１の部品に代えて、内輪に形成された軌道溝の曲率直径Ｃｄ_ｉを転動体直径(Ｄ)に対して１０３％としたこと以外は、全く同様にして比較例２の転がり軸受を作製し、これに対して上記の異物潤滑寿命試験を同じ条件で３個について行なった。
その結果、耐久（寿命）時間は１０９時間、１１２時間、１２０時間と短く、それぞれ（脆性）剥離が認められた。

実施形態の要部断面図 実施形態の要部を分解して示す断面図

符号の説明

１ 内輪
１ａ、２ａ、３ａ 酸化皮膜
１ｃ、２ｃ 軌道溝
２ 外輪
３ 転動体
４ 保持器
Ｈ ハウジング
Ａ 回転軸

Claims (6)

1. 潤滑油で潤滑されるトランスミッション用転がり軸受の軌道輪および転動体から選ばれる１以上の軸受部品がＣｒを１．５〜６％含有する鋼で形成されたトランスミッション用転がり軸受において、
   前記所定量のＣｒを含有する１以上の軸受部品の表面に浸炭窒化処理層を設けたことを特徴とするトランスミッション用転がり軸受。
2. 軸受部品の表面に水素の侵入を防止するクロム酸化皮膜が形成されている請求項１に記載のトランスミッション用転がり軸受。
3. クロム酸化皮膜が形成されている軸受部品の表面が、少なくとも軌道溝を含む軸受部品の表面である請求項１または２に記載のトランスミッション用転がり軸受。
4. 前記軌道輪の軌道溝が、転動体直径の１０２％以下の曲率直径の円曲面からなる軌道溝である請求項１に記載のトランスミッション用転がり軸受。
5. 軌道溝が、転動体直径の１００〜１０２％の曲率直径の円曲面からなる軌道溝である請求項４に記載のトランスミッション用転がり軸受。
6. トランスミッション用転がり軸受が、無断変速機用の転がり軸受である請求項１〜５のいずれかに記載のトランスミッション用転がり軸受。

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