JP2001181784A

JP2001181784A - 動力伝達部品および駆動装置

Info

Publication number: JP2001181784A
Application number: JP36080199A
Authority: JP
Inventors: Kikuo Maeda; 喜久男前田; Yukio Fujii; 幸生藤井
Original assignee: NTN Corp; NTN Toyo Bearing Co Ltd
Current assignee: NTN Corp
Priority date: 1999-12-20
Filing date: 1999-12-20
Publication date: 2001-07-03

Abstract

(57)【要約】【課題】トラクションドライブのこま部やＣＶＴ装置
のプーリ部、カム駆動装置のカムなどのように、用途
上、大きなすべりを伴う動力伝達部品に表面損傷が生じ
難く、かつ長い耐久寿命を確保できる仕様を提供する。【解決手段】上記転動部品を、少なくとも合金元素と
して質量％で、Ｓｉを０．３％以上で３．０％以下含有
し、かつ、Ｎｉを０．１％以上で３．０％以下、Ｍｎを
０．２％以上で１．５％以下、Ｃｒを０．３％以上で
５．０％以下含有する鋼材で形成し、その表面硬さをロ
ックウェル硬さＨＲＣ５８以上とすることにより、転動
疲労特性と耐ピーリング、耐スミアリング損傷性に優れ
たものとし、高すべり条件下で使用される動力伝達部品
の耐久寿命を延長したのである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、トラクションド
ライブのこま部やＣＶＴ（Continuously Variable Tran
smission）装置のプーリ部、カム駆動装置のカムなどの
ように、用途上、すべりを伴いながら動力を伝達する部
品およびそれらから構成された駆動装置に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】トラクションドライブやＣＶＴのように
ころがりあるいはころがりすべりにより動力を伝達する
装置が高能率化のために採用される機運にある。これら
の摩擦駆動、動力伝達装置の動力伝達部である、こまや
プーリなどの転動部品には、その機構上、表面に接線力
やすべりが作用する。これまではこれらの部品には軸受
鋼や浸炭鋼などの軸受用鋼が転動疲労特性に優れる理由
から用いられてきた。

【０００３】しかし、一層の高能率化のためには、今後
更にすべりや接線力が増加し、かつ表面温度も上昇する
ことが考えられ、この場合には、通常の軸受用鋼ではピ
ーリングやスミアリングという表面損傷が生じやすく、
この発生強度がその製品機能を左右すると考えられる。
言い換えれば、耐表面損傷特性に優れる材料開発が必要
である。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上述したように、ころ
がりすべりにより動力を伝達する装置では、これらの摩
擦駆動部品、動力伝達部品には、その機構上、絶えず接
線力やすべりが作用する。これにより表面が高温になっ
たり、トラクション油や潤滑油がせん断発熱し、油膜が
薄くなる結果、ピーリングやスミアリング等の表面損傷
が問題になる。また、接線力が作用する条件での転動疲
労のため、材料の塑性流れが生じたりすることも考えら
れ、その場合には更にピーリング発生が加速されたり、
本来の転動疲労寿命が短くなる現象も現れる。

【０００５】そこで、この発明の課題は、高接線力、高
すべり条件下でも表面損傷が生じ難く、かつ高温となる
雰囲気条件化でも長い耐久寿命を確保できる摩擦駆動、
動力伝達装置の動力伝達部品を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めに、この発明の動力伝達部品は、少なくとも合金元素
として質量％で、Ｃ（炭素）を０．６％以上１．３％以
下、Ｓｉ（シリコン）を０．３％以上３．０％以下、Ｎ
ｉ（ニッケル）を０．１％以上３．０％以下、Ｍｎ（マ
ンガン）を０．２％以上１．５％以下、Ｃｒ（クロム）
を０．３％以上５．０％以下含有する鋼材で形成され、
高温での軟化抵抗性を与えられるとともに、表面硬さを
ロックウェル硬さＨＲＣ５８以上とした構成を有してい
る。

【０００７】この発明では、上述のような合金組成とす
ることにより、局部的に大きな温度上昇が生じても、表
面の軟化が防止され、耐表面損傷強度が向上するととも
に、転動寿命にも優れた動力伝達用の転動部品を得るこ
とができる。以下、各合金元素の含有量について説明す
る。

【０００８】Ｓｉを０．３％以上３．０％以下含有させ
たのは、Ｓｉには、高温にさらされた場合の軟化を抑制
し、耐熱性を改善する作用があるためである。Ｓｉ含有
量が０．３％未満ではその効果が得られないため、下限
を０．３％とした。またＳｉ含有量の増加に伴って耐熱
性は向上するが、Ｓｉが３．０％を越えて多量に含有さ
れると、その効果は飽和し、かつ、熱間加工性や被削性
が低下するので、上限を３．０％とした。

【０００９】Ｎｉを０．１％以上３．０％以下で含有さ
せたのは、以下の理由による。Ｎｉは、鋼中に固溶して
マトリックスを強化するとともに、特に部品が高温下で
使用された場合に、転動疲労過程における組織の変化を
抑制し、かつ高温域での硬さの低下も抑制する。したが
って、Ｎｉは高温環境下での転動疲労特性と耐表面損傷
性を向上させる効果を有する。これらの効果を得るため
には、Ｎｉを０．１％以上含有させる必要があるので、
Ｎｉを添加する場合の下限を０．１％とした。しかし、
３．０％を越えてＮｉを含有させると、焼き入れ処理時
に多量の残留オーステナイトが生成されて、所定の硬さ
を得られなくなり、また鋼材コストも高価になるので、
上限を３．０％とした。

【００１０】ＭｎとＣｒは、いずれも鋼材の焼入れ性を
改善し、Ｍｎは鋼中に固溶して鋼を強靱化し、Ｃｒは炭
化物を形成して鋼を強化する。Ｍｎ含有量の下限を０．
２％、Ｃｒ含有量の下限を０．３％としたのは、これら
の効果を得るためである。また、Ｍｎ含有量の上限を
１．５％としたのは被削性の低下を避けるためであり、
Ｃｒ含有量の上限を５．０％としたのは大形の炭化物の
生成による脆化を防止するためである。これらの元素は
また、転動寿命特性を向上させることが明らかになって
いる。

【００１１】これらの合金成分の作用で、局部的に大き
な温度上昇が生じても、表面の軟化が防止され、耐表面
損傷強度が向上するとともに、転動寿命にも優れた動力
伝達用の転動部品材質にすることが出来るが、さらに、
以下の量のＶ（バナジウム）やＭｏ（モリブデン）の添
加により一層の特性向上が図れる。

【００１２】Ｖは、炭素と結合して微細な炭化物を析出
させ、結晶粒を微細化して強度、靱性を改善するととも
に、高温での軟化を抑制する。したがって、上述したＮ
ｉと同様に、Ｖは高温環境下での転動疲労特性と耐表面
損傷性を向上させる効果を有する。この効果を得るため
に、Ｖ含有量の下限を０．０５％とした。上限を１．０
％としたのは、１．０％を越えてＶを多量に含有させる
と、被削性と熱間加工性が低下するからである。

【００１３】Ｍｏは、鋼の焼入れ性を改善するととも
に、焼戻し脆性を防止し、さらに高温域での軟化も抑制
する。したがって、Ｍｏも高温環境下での転動疲労特性
と耐表面損傷性を向上させる効果を有する。この効果を
得るために、Ｍｏ含有量の下限を０．０５％とした。Ｍ
ｏ含有量を０．２５％以上にすると被削性が低下し、か
つ鋼材コストも上昇するので、上限を０．２５％未満と
した。

【００１４】上述した各合金元素の働きで、軸受が高温
にさらされることを想定し、予め高温の焼戻し処理を施
されても、その表面硬さをロックウェル硬さＨＲＣ５８
以上とすることにより、前記ピーリングやスミアリング
等の表面損傷の発生を防止することができる。

【００１５】前記の転動部品の表層に浸炭窒化層を形成
し、この浸炭窒化層中の残留オーステナイト量（つま
り、浸炭窒化層に対する残留オーステナイト量）を１０
体積％以上とすることにより、表面層に高い靱性を付与
して、亀裂の発生や進展を抑え、耐ピーリング特性や耐
久寿命をさらに延ばすことができる。

【００１６】すなわち、浸炭窒化処理で表面層の窒素含
有量を高めると、表面層のＭｓ点（マルテンサイト変態
開始温度）が低くなり、これを焼き入れすると、表面層
に未変態のオーステナイトが多く残留する。残留オース
テナイトは、高い靱性と加工硬化特性を有し、亀裂の発
生や進展を抑える働きをする。また、Ｍｓ点が低下した
表面層は、マルテンサイト変態が内部よりも遅れて始ま
るので、表面層には圧縮の残留応力が形成され、表面層
の疲労強度が向上する結果、ピーリング強度や転動寿命
が向上する。浸炭窒化層の残留オーステナイト量を１０
体積％以上としたのは、これらの効果を得るためであ
る。また、浸炭窒化による窒素の侵入は耐熱性の付与の
点でも有利であり、耐スミアリング特性も向上する。

【００１７】更に接線力（引張応力）が作用する条件で
の表面損傷に及ぼす圧縮応力の好影響を加えるため、構
成部品を高周波焼入れし、表面層に圧縮応力を形成する
ことで表面起点型の損傷の発生を防止し、転動寿命に加
え、耐ピーリング強度、耐スミアリング強度を向上でき
る。この場合、表面層に高周波焼入れ組織が生ずる。

【００１８】上記の動力伝達部品は、遊星コーン型動力
伝達装置、コーン型ＣＶＴ装置、およびトロイダル型Ｃ
ＶＴ装置のいずれかとして用いられることが好ましい。
このような過酷な摺動条件が要求される動力伝達装置に
対して本発明の動力伝達部品は好適である。

【００１９】また上記の動力伝達部品により入力軸の動
力を出力軸に伝達できる駆動装置を構成することによ
り、良好な転動寿命、耐ピーリング強度および耐スミア
リング強度を有する駆動装置を得ることができる。

【００２０】

【実施例】（本発明例）まず表１に示す１１種類の化学
成分を有する鋼を素材として、後述の各処理を施した転
動寿命、ピーリング、スミアリング強度評価用の本発明
例の試験片（本発明例１〜１１）を用意した。本発明例
１〜６の試験片は焼入れ焼戻し処理を施したものとし、
本発明例７〜１０の試験片は浸炭窒化処理を施した試験
片とし、本発明例１１の試験片は高周波焼入れしたもの
とした。

【００２１】

【表１】

【００２２】浸炭窒化しない試験片（本発明例１〜６，
１１）の熱処理については、８４０℃〜８６０℃に加熱
したのち油浴中へ焼入れし、ＨＲＣ５８以上を得るよう
に３５０℃までの温度で焼戻しを行なった。また、浸炭
窒化した試験片（本発明例７〜１０）では、焼入れ前の
加熱をアンモニアガスが添加された浸炭性雰囲気中で行
い、浸炭窒化処理も施した。浸炭窒化処理を施したもの
については、焼戻し温度を２３０℃とした。高周波焼入
れ試験片（本発明例１１）は表面下１ｍｍ深さまで硬化
させ、表層がＨＲＣ５８以上を確保できる焼戻を行なっ
た。（比較例）また表１に示すように７種類の化学成分を有
する鋼を素材として、上記と同様の条件での焼入れ焼戻
し処理や浸炭窒化処理を施した試験片（比較例１〜７）
を準備した。比較例１〜４として、高炭素クロム軸受鋼
ＳＵＪ２、ＳＵＪ３および本発明の化学成分範囲を外れ
る２種類の化学成分を有する鋼を焼入れ焼戻し処理した
試験片を用意した。また比較例５〜７として、ＳＵＪ２
を素材として浸炭窒化処理も施した試験片も用意した。

【００２３】上記本発明例および比較例の試験片サンプ
ルについて、転動寿命試験、ピーリング試験、スミアリ
ング試験を実施した。各試験の概要と結果は以下の通り
である。

【００２４】（１）転動疲労試験転動疲労試験は、高面圧、高負荷速度の条件で、加速的
にサンプルを疲労させて評価した。以下の表２に示す試
験条件で試験を行った。この試験では、サンプル数Ｎを
１０とし、疲労強度をＬ１０寿命（サンプルの９０％が
破損しないで使える負荷回数）で評価した。この試験結
果を表３に示す。

【００２５】

【表２】

【００２６】

【表３】

【００２７】比較例１および３については、高温の３０
０℃で焼戻したものと通常の１８０℃で焼戻したものと
を用意した。比較例の３００℃焼戻し品では著しく寿命
が低下するが、さらに高温の３５０℃で焼戻した本発明
例１〜６は、１８０℃の低温で焼戻した比較例１〜４
や、浸炭窒化処理後１８０℃焼戻しした比較例５〜７よ
りも寿命が長い。３００℃で焼戻しした比較例１および
３は更に短寿命であり、今回の本発明例との差が更に大
きい。浸炭窒化処理した本発明例７〜１０は２３０℃焼
戻しで１０％以上の残留オーステナイトを確保し、かつ
硬度も高いことから、上記の本発明例１〜６よりさらに
長寿命になる傾向がある。本発明例１１の高周波焼入品
は本発明例１の素材を用い、高周波焼入しているが、本
発明例１より長寿命である。

【００２８】（２）ピーリング試験ピーリング試験は、円筒部に緩やかな曲率を有するリン
グ状の試験片を駆動軸と、この駆動軸に平行な従動軸と
に取り付け、両試験片の円筒面を互いに押し当てて転動
させて行なった。各試験片の寸法は、直径４０ｍｍ、高
さ１２ｍｍ、円筒部の副曲率半径６０ｍｍとし、駆動軸
側試験片の円筒面はＲmax ３μｍの粗さに研削仕上げ、
従動軸側試験片の円筒面は鏡面仕上げされた。ピーリン
グ強度については、試験終了時の従動軸側試験片円筒面
のピーリング発生面積率で評価した。以下の表４に示す
試験条件でピーリング試験を行った。なお、駆動軸側お
よび従動軸側の両試験片は、同種のサンプルのものをペ
アとして用いた。

【００２９】

【表４】

【００３０】試験結果を表３に併せて示す。本発明例の
試験片は、いずれもピーリング発生面積率が３％以下で
あり、優れたピーリング強度を示す。更に高周波焼入れ
によりピーリング発生率は少なくなっている。比較例の
各試験片は、標準熱処理品では本発明例の３倍以上の大
きなピーリング発生面積率になっている。

【００３１】比較例のものも浸炭窒化によりピーリング
強度は向上しているが、本発明例の浸炭窒化なしのもの
には及ばない。

【００３２】（３）スミアリング試験スミアリング試験は、ピーリング試験と同じ装置を用い
て、ピーリング試験と同一形状の２つのリング状試験片
を同様に転動させて行なった。この試験の場合には、従
動軸は一定速度で回転駆動され、駆動軸は従動軸と等速
回転から徐々に増速される点が異なる。また、従動軸側
試験片の円筒面が駆動軸側試験片と同じ表面粗さＲmax
３μｍに仕上げられる点も異なる。スミアリング強度
は、試験片の円筒面にスミアリングが発生した時点の駆
動軸と従動軸の速度比で評価した。以下の表５に示す試
験条件でスミアリング試験を行った。なお、この試験に
おいても、摺動されるペアの試験片は同種のサンプルの
ものとした。

【００３３】

【表５】

【００３４】試験結果を表３に併せて示す。本発明例の
試験片は、比較例１に対して、いずれも１．４倍以上の
大きな速度比までスミアリングが発生しない。高周波焼
入れしたものでは、更にスミアリング強度が向上してい
る。比較例の各試験片は、高温焼戻すると本発明例の半
分程度の速度差でスミアリングが発生している。

【００３５】比較例でも浸炭窒化すると若干スミアリン
グ強度は向上するが、本発明例には及ばない。

【００３６】以上の各試験結果より、本発明例のもの
は、ピーリングやスミアリングが生じ難く、かつ優れた
転動疲労特性を示し、表面損傷が生じ易いすべりや接線
力を伴う転動部品に適した性能を有することがわかるこ
のような優れた性能を有する本発明の合金を、遊星コー
ン型動力伝達装置、コーン型ＣＶＴ装置、またはトロイ
ダル型ＣＶＴ装置に適用した場合について以下に説明す
る。

【００３７】（ａ）遊星コーン型動力伝達装置図１は、遊星コーン型動力伝達装置の構成を概略的に示
す一部断面斜視図である。図１を参照して、入力軸１に
嵌合された太陽コーン６は、これに圧接している数個の
遊星コーン３を伝動回転（自転）させる。遊星コーン３
は、他方の円錐面を固定されたリング５の内周面にそれ
ぞれ圧接し、リング５の内周面を自転しながら公転運動
する。この公転速度が遊星コーンホルダ４により自動調
圧機構７を経て出力軸２に伝えられる。

【００３８】この際、たとえばハンドル操作によりリン
グ５が遊星コーン３の円錐面に沿って移動する。これに
より、遊星コーン３のリング５に対する接触有効径が変
化し、それだけ遊星コーン３の公転速度が変化して、出
力軸２の回転速度が入力軸１の回転速度に対して無段階
に変化する。

【００３９】このような遊星コーン型動力伝達装置にお
いて、たとえば遊星コーン３やリング５や太陽コーン６
に、上記した本発明例の鋼材が用いられる。

【００４０】（ｂ）コーン型ＣＶＴ装置図２は、コーン型ＣＶＴ装置の構成を概略的に示す断面
図である。図２を参照して、入力軸１１に固定されたリ
ング１５は、その内周面にてダブルコーン１３に圧接さ
れる。ダブルコーン１３は、キャリア１４に支持され、
リング１５の内周面を自転しながら公転運動することで
ドライブコーン１６を伝動回転させる。このドライブコ
ーン１６の回転により回転駆動力が出力軸１２に伝えら
れる。

【００４１】このコーン型ＣＶＴ装置においては、キャ
リア１４が移動することにより、ダブルコーン１３のリ
ング１５に対する接触有効径が変化し、それだけダブル
コーン１３の公転速度が変化する。これにより、出力軸
１２の回転速度が入力軸１１の回転速度に対して無段階
に変化する。

【００４２】このようなコーン型ＣＶＴ装置において、
たとえばダブルコーン１３やリング１５やドライブコー
ン１６に、上述した本発明例の鋼材が用いられる。

【００４３】（ｃ）トロイダル型ＣＶＴ装置図３は、トロイダル型ＣＶＴ装置の構成を概略的に示す
断面図である。図３を参照して、入力軸２１のトルクは
ローリングカムおよびカムローラを経て入力ディスク２
２に伝えられる。入力ディスク２２に伝えられたトルク
は、さらにパワーローラ２３を介して出力ディスク２４
へと伝達される。出力ディスク２４は入力軸２１には繋
がっていないため入力軸２１を軸にした空回りをする。
これにより、出力ディスク２４に固定された歯車２５が
回転し、この歯車２５の歯車部２５ａを介して他の歯車
部にトルクが伝達され、たとえば出力軸に出力される。

【００４４】このトロイダル型ＣＶＴ装置においては、
パワーローラ２３の傾きによって駆動力伝達時の変速比
が決定する。すなわち、変速比は、（出力ディスク２４
とパワーローラ２３との接触部における出力ディスクの
回転半径）÷（入力ディスク２２とパワーローラ２３と
の接触部における入力ディスク２２の回転半径）により
決まる。このようにパワーローラ２３の傾きを連続的に
変化させることにより、無段階の変速比を得ることがで
きる。

【００４５】このようなトロイダル型ＣＶＴ装置におい
て、たとえば入力ディスク２２やパワーローラ２３や出
力ディスク２４に、上述した本発明例の鋼材が用いられ
る。

【００４６】なお、本発明の動力伝達部品およびそれを
用いた駆動装置は、上記した図１〜図３の構成のものに
限られず、広くすべりを伴いながら転動する動力伝達部
品およびそれを用いた駆動装置である。

【００４７】今回開示された実施の形態はすべての点で
例示であって制限的なものではないと考えられるべきで
ある。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求
の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味お
よび範囲内でのすべての変更が含まれることが意図され
る。

【００４８】

【発明の効果】以上のように、この発明は、トラクショ
ンドライブのこま部やＣＶＴ装置のプーリ部、カム駆動
装置のカムなどのように、用途上、大きなすべりを伴う
動力伝達部品を、少なくとも合金元素として質量％で、
Ｃを０．６％以上１．３％以下、Ｓｉを０．３％以上
３．０％以下、Ｎｉを０．１％以上３．０％以下、Ｍｎ
を０．２％以上１．５％以下、Ｃｒを０．３％以上５．
０％以下含有する鋼材で形成し、その表面硬さをロック
ウェル硬さＨＲＣ５８以上としたので、転動疲労特性と
耐表面損傷性に優れたものとし、高接線力、高すべり条
件下で使用される上記転動部品の耐久寿命を延長、信頼
性を向上することができる。

【００４９】また、合金元素として質量％で、Ｖを０．
０５％以上で１．０％以下、Ｍｏを０．０５％以上で
０．２５％添加することにより、前記転動疲労特性と耐
表面損傷性をさらに向上させることができる。

【００５０】更には表層に浸炭窒化層を形成し、この浸
炭窒化層の残留オーステナイト量を１０体積％以上とす
ることにより、表面層に高い靱性を付与して、亀裂の発
生や進展を抑え、耐久寿命をさらに延ばすことができ
る。また、高周波焼入れを組み合わせ、表面層に圧縮応
力を作ることで、更に長寿命の材質にすることが出来
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】遊星コーン型の動力伝達装置の一部断面斜視
図である。

【図２】コーン型ＣＶＴ装置の構成を概略的に示す断
面図である。

【図３】トロイダル型ＣＶＴ装置の構成を概略的に示
す断面図である。

【符号の説明】

３遊星コーン、５，１５リング、６太陽コーン、
１３ダブルコーン、１６ドライブコーン、２２入
力ディスク、２３パワーローラ、２４出力ディス
ク。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｆ１６Ｈ 15/52 Ｆ１６Ｈ 15/52 ＢＡＦターム(参考） 3J051 AA03 BA03 BA05 BB01 BB04 BC03 BD02 BE02 BE09 CA05 EC03 EC04 EC08 FA01 3J101 AA01 BA10 BA50 BA70 DA02 DA03 EA02 FA31 GA11 4K028 AA03 AB01 AB06 AC08

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】少なくとも合金元素として質量％で、Ｃ
を０．６％以上１．３％以下、Ｓｉを０．３％以上３．
０％以下、Ｎｉを０．１％以上３．０％以下、Ｍｎを
０．２％以上１．５％以下、Ｃｒを０．３％以上５．０
％以下含有する鋼材で形成され、表面硬さがロックウェ
ル硬さＨＲＣ５８以上であることを特徴とする、動力伝
達部品。
【請求項２】前記鋼材に、合金元素として質量％で、
Ｖを０．０５％以上１．０％以下、Ｍｏを０．０５％以
上０．２５％未満含有する、請求項１に記載の動力伝達
部品。
【請求項３】前記鋼材の表面に浸炭窒化層が形成され
ており、前記浸炭窒化層中における残留オーステナイト
量が１０体積％以上である、請求項１または２に記載の
動力伝達部品。
【請求項４】表面に高周波焼入れ組織を有する、請求
項１または２に記載の動力伝達部品。
【請求項５】遊星コーン型動力伝達装置、コーン型Ｃ
ＶＴ装置およびトロイダル型ＣＶＴ装置のいずれかに用
いられる、請求項１〜４のいずれかに記載の動力伝達部
品。
【請求項６】請求項１〜５のいずれかに記載の動力伝
達部品により入力軸の動力が出力軸へ伝達される駆動装
置。