1
早稲田大学大学院情報生産システム研究科
博士論文審査結果報告書
論 文 題 目
自 動 車 用 変 速 機 の 微 小 転 動 接 触 領 域 に お け る 転 動 疲 労 寿 命 設 計 手 法
に 関 す る 研 究
申 請 者 安江 悠好
情報生産システム工学専攻 生産機械システム研究
２ ０ １ ３ 年 ９ 月
2
自 動 車 市 場 は 新 興 国 で の 需 要 増 加 も あ り 拡 大 し て い る ． 一 方 ， 欧 州 や 韓 国 メ ー カ の 参 入 で 競 争 が 激 し く な っ て い る た め ， よ り 付 加 価 値 の 高 い 自 動 車 の 開 発 が 必 要 に な っ て い る ． 現 在 ， 環 境 問 題 を 背 景 と し て 自 動 車 に は 低 排 出 ガ ス 化 が 求 め ら れ て い る ． 排 出 ガ ス 低 減 対 策 の ひ と つ と し て ， ト ラ ン ス ミ ッ シ ョ ン を 小 型 軽 量 化 し ， 質 量 あ た り の 伝 達 ト ル ク を 大 き く し て 動 力 伝 達 効 率 を 向 上 さ せ る こ と が 有 効 で あ る ． 高 ト ル ク 化 は ト ラ ン ス ミ ッ シ ョ ン の 歯 車 歯 面 や 転 が り 軸 受 転 動 面 の 接 触 圧 力 を 増 加 さ せ る た め ， 転 動 面 損 傷 が 生 じ や す く な る 不 具 合 を 伴 う ． 損 傷 防 止 の た め に は 負 荷 を 受 け る 接 触 領 域 を 増 や す 必 要 が あ り ， 従 来 負 荷 を 受 け 持 た せ な か っ た 歯 面 端 部 な ど を 負 荷 領 域 と し て 使 用 す る こ と が 考 え ら れ る ． し か し ， 端 部 の 損 傷 形 態 や 損 傷 発 生 限 界 が 解 明 さ れ て い な い た め ， 端 部 接 触 を 許 容 す る 設 計 は 困 難 で あ り ， 端 部 の 接 触 及 び 潤 滑 現 象 の 解 明 と 合 理 的 な 損 傷 防 止 策 の 構 築 が 待 望 さ れ て い た ．
端 部 の 転 動 面 設 計 手 法 を 構 築 す る に 当 た り ， 解 決 し な け れ ば な ら な い 大 き な 課 題 は 次 の 二 点 で あ っ た ． 一 つ め は ， 端 部 エ ッ ジ の よ う な 曲 率 半 径 が 微 小 な 転 動 面 の 転 動 疲 労 損 傷 の 発 生 限 界 ， 特 に サ イ ズ の 影 響 の 解 明 で あ る ． 一 般 的 に サ イ ズ が 小 さ く な る と ， 同 じ 接 触 圧 力 で は 小 サ イ ズ の 方 の 寿 命 が 長 い と す る 従 来 の 考 え 方 の 検 証 で あ る ． 二 つ め は ， 端 部 の ト ラ イ ボ ロ ジ ー 特 性 ， 特 に 弾 性 流 体 潤 滑( E l a s t o h y d r o d y n a m i c L u b r i c a t i o n : E H L )最 小 油 膜 厚 さ 位 置 と 損 傷 開 始 点 の 関 係 や 過 大 接 触 圧 力 に よ る 塑 性 変 形 進 行 状 況 の 解 明 で あ る ． 表 面 粗 さ 突 起 干 渉 を 伴 う 混 合 潤 滑 状 態 で は 最 小 油 膜 厚 さ 位 置 が 転 動 疲 労 の 最 弱 部 分 で あ る と さ れ て い る こ と の 検 証 で あ る ．
本 論 文 は こ れ ら の 問 題 を 解 決 す る た め に 行 っ た 検 討 結 果 を ま と め ， そ の 結 果 に 基 づ い た 微 小 接 触 転 動 面 の 転 動 疲 労 設 計 手 法 を 示 し た も の で ， 全 体 で ７ 章 か ら 構 成 さ れ て い る ． 以 下 そ の 概 要 を 述 べ て 評 価 を 加 え て 行 く ．
第 1 章 「 序 論 」 で は ， 自 動 車 の 市 場 動 向 と そ れ に 伴 う ト ラ ン ス ミ ッ シ ョ ン の 構 造 変 化 と 主 要 部 品 で あ る 歯 車 や 転 が り 軸 受 の 転 動 面 の 技 術 課 題 を ま と め て い る ． 自 動 車 市 場 の 主 な ニ ー ズ は 低 排 出 ガ ス 化 で ， ト ラ ン ス ミ ッ シ ョ ン の 課 題 は 軽 量 化 と そ れ に 伴 う 高 ト ル ク 化 で あ る こ と が 示 さ れ て い る ．
第 2 章 「 転 が り 軸 受 ， 歯 車 に お け る 転 動 面 設 計 手 法 と 課 題 」 で は ， 自 動 車 の ニ ー ズ に 対 応 す る た め の ト ラ ン ス ミ ッ シ ョ ン 用 歯 車 と 転 が り 軸 受 の 転 動 面 疲 労 寿 命 設 計 手 法 の 課 題 を 示 し て い る ． 第 一 の 課 題 は ， 接 触 端 部 な ど 油 膜 厚 さ が 薄 く な る 条 件 で の 転 動 疲 労 寿 命 の 検 討 で あ る ． 表 面 起 点 き 裂 型 の 転 動 疲 労 寿 命 を 律 則 す る 条 件 を E H L 最 小 油 膜 厚 さ と 表 面 粗 さ の 比 と し て 良 い か の 確 認 が 必 要 で あ る ． 第 二 の 課 題 は ， 高 ト ル ク 化 に 伴 い 転 動 面 端 部 を 接 触 さ せ て 広 い 接 触 面 積 を ト ル ク 伝 達 に 使 用 す る 場 合 の ， 転 動 疲 労 損 傷 防 止 の た め の 局 所 接 触 圧 力 許 容 値 を 明 ら か に す る 点 で あ る ．端 部 相 対 曲 率 半 径 は 1 m m 以 下 と 微 小 で あ り ， 接 触 面 積 と 応 力 体 積 は 従 来 の 接 触 条 件 に 比 較 し 極 端 に 小 さ く な る た め ， 端 部 に 従 来 の 転 動 疲 労 寿 命 設 計 手 法 が 適 用 で き る か が 不 明 で あ る
3
こ と を 指 摘 し ， 解 決 す べ き 技 術 課 題 を 明 確 に 示 し て い る ．
第 3 章 「 混 合 流 体 潤 滑 条 件 下 に お け る 転 動 面 の 初 期 な じ み 現 象 に 及 ぼ す
E H L 油 膜 厚 さ 分 布 の 影 響 」 で は ， 転 動 接 触 領 域 で 最 も 接 触 の 厳 し い 位 置 が 最
小 油 膜 厚 さ 部 分 に あ る こ と を 確 認 し た 実 験 検 討 結 果 を 示 し て い る ． 接 触 領 域 内 で 表 面 粗 さ 突 起 の 接 触 と 非 接 触 が 生 じ る 運 転 条 件 を 解 析 で 求 め ， 油 膜 厚 さ 分 布 を 固 定 す る た め に 平 板 上 の 一 定 の 位 置 で 鋼 球 を す べ り 接 触 さ せ る 実 験 を 行 い ， 点 接 触 の す べ り 接 触 面 に 生 じ る 運 転 初 期 の 接 触 痕 と E H L 油 膜 厚 さ 分 布 パ タ ー ン を 比 較 し て い る ． 接 触 痕 の 形 状 が 馬 蹄 型 を 示 し ， 油 膜 厚 さ 分 布 の 最 小 油 膜 領 域 形 状 と 一 致 す る こ と が 観 察 さ れ て い る ． こ れ に よ っ て 最 小 油 膜 厚 さ 位 置 が 最 も 厳 し い 接 触 位 置 に な る こ と の 物 理 的 裏 付 け が 取 れ ， 表 面 粗 さ
と E H L 最 小 油 膜 厚 さ の 比 を 転 動 疲 労 設 計 に 使 用 し て も 問 題 が な い こ と を 明
ら か に し て い る ． こ れ ま で 未 確 認 で あ っ た 最 小 油 膜 厚 さ 位 置 で 最 も 厳 し い 接 触 が 生 じ る こ と を 実 験 で 実 証 し た の は 世 界 で 初 め て で あ り ，高 く 評 価 で き る ．
第 4 章 「 微 小 相 対 曲 率 半 径 を 有 す る 接 触 面 の 転 動 疲 労 寿 命 に 与 え る 潤 滑 状 態 と 相 対 曲 率 半 径 サ イ ズ の 影 響 」 で は ， 転 動 体 サ イ ズ と 転 動 疲 労 寿 命 の 関 係 を 明 ら か に し て い る ． 微 小 サ イ ズ で あ る 接 触 面 端 部 の 局 所 接 触 圧 力 部 分 の 転 動 疲 労 寿 命 の 設 計 に ， 従 来 と 同 様 の 手 法 を 用 い て 問 題 な い か を 確 認 す る た め 転 動 体 サ イ ズ を 変 え た 転 動 疲 労 実 験 を 実 施 し て い る ． ス ラ ス ト 玉 軸 受 試 験 機 を 用 い ， 相 対 曲 率 半 径 を 0 . 2 5 m m か ら 3 m m ま で 変 化 さ せ た 4 種 類 の 実 験 を 行 い ，転 動 疲 労 寿 命 が 接 触 繰 返 し 数 で 1 0７回 に な る 接 触 圧 力 を 比 較 し て い る ． 転 動 面 が 潤 滑 油 膜 で 完 全 に 分 離 さ れ な い 混 合 潤 滑 状 態 で の 表 面 起 点 き 裂 型 転 動 疲 労 寿 命 に は サ イ ズ の 影 響 が な い こ と ， 転 動 面 が 油 膜 で 分 離 さ れ る 流 体 潤 滑 状 態 で の 内 部 起 点 き 裂 型 転 動 疲 労 寿 命 に は サ イ ズ の 影 響 が 出 て ， 相 対 曲 率 半 径 が 小 さ い 場 合 の 転 動 疲 労 寿 命 が 長 い こ と を 確 認 し て い る ． 混 合 潤 滑 状 態 下 で は サ イ ズ の 影 響 が 出 な い こ と は ， 従 来 の 設 計 手 法 で は 考 慮 さ れ て い な い 新 た な 知 見 で あ る ． こ の 結 果 よ り 相 対 曲 率 半 径 が 小 さ い た め に 油 膜 厚 さ が 薄 く 混 合 潤 滑 状 態 に な る 端 部 の 表 面 起 点 き 裂 型 転 動 疲 労 の 防 止 設 計 は ， 従 来 の 大 サ イ ズ の 場 合 と 同 様 接 触 圧 力 を 求 め る こ と で 実 施 で き る こ と が わ か っ た ． 相 対 曲 率 半 径 が 1 m m を 下 回 る 条 件 で の 転 動 疲 労 寿 命 試 験 を 実 施 し ， 転 動 疲 労 寿 命 と 転 動 体 サ イ ズ の 関 係 が 潤 滑 状 態 と 関 連 す る こ と を 明 ら か に し た 点 は 初 め て で あ り ， 高 く 評 価 で き る ．
第 5 章 「 接 触 面 端 部 の 塑 性 変 形 を 伴 う 接 触 条 件 下 に お け る 転 動 面 接 触 状 態 の 変 化 」 で は ， 端 部 の 局 所 接 触 圧 力 が 材 料 の 弾 性 限 界 を 超 え ， 塑 性 変 形 が 生 じ る 場 合 の 端 部 形 状 変 化 の 確 認 を 実 施 し て い る ． 光 干 渉 式 E H L 油 膜 厚 さ 測 定 試 験 機 を 用 い ， 円 筒 転 動 面 端 部 の 形 状 変 化 に 伴 う 油 膜 厚 さ 変 化 を 観 察 し て い る ． 端 部 の 局 所 接 触 圧 力 が 弾 性 限 界 を 超 え る が ， 端 部 以 外 は 弾 性 限 界 以 下 と な る 実 験 条 件 を 設 定 し ， 転 動 繰 返 し に 伴 う 形 状 変 化 を 連 続 観 察 し た ． 実 験 の 結 果 ， 端 部 塑 性 変 形 に 伴 っ て 端 部 接 触 圧 力 ピ ー ク が 内 側 （ 中 央 部 ） へ 移 動 し ， そ の 最 大 値 が 緩 和 さ れ る こ と が 明 ら か に さ れ た ． こ の 結 果 よ り 端 部 が 塑
4
性 変 形 し ， 運 転 初 期 の 局 所 接 触 圧 力 が 材 料 の 弾 性 限 界 を 超 え る 条 件 で あ っ て も 疲 労 損 傷 を 生 じ ず に 運 転 が で き る 場 合 が あ る こ と が わ か っ た ． 接 触 繰 返 し に 伴 う 端 部 の 塑 性 変 形 進 行 の 観 察 は 本 例 が 初 め て で あ り ， 端 部 接 触 さ せ ， か つ 塑 性 変 形 を 許 容 す る 設 計 が 可 能 で あ る こ と を 明 ら か に し た 点 は 評 価 で き る ．
第 6 章 「 自 動 車 用 ト ラ ン ス ミ ッ シ ョ ン の 設 計 手 法 へ の 適 用 と 今 後 の 課 題 」 で は ， 得 ら れ た 結 果 か ら 新 た な 転 動 疲 労 寿 命 設 計 手 法 を 提 案 し ， 実 製 品 へ の 適 用 例 を 示 し て い る ． 提 案 手 法 を 前 輪 駆 動 車 用 マ ニ ュ ア ル ト ラ ン ス ミ ッ シ ョ ン 設 計 へ 適 用 し て い る ． 設 計 例 で は ， 伝 達 ト ル ク 容 量 を そ の ま ま に し た 場 合
に 約 5 . 6 %の 軽 量 化 が 見 込 ま れ た ．端 部 を 接 触 さ せ な い 従 来 手 法 で は 軽 量 化 が
困 難 な 状 態 で あ っ た が ， 端 部 接 触 を 許 容 す る 設 計 を 行 う こ と に よ っ て 1 ラ ン ク 小 容 量 の ト ラ ン ス ミ ッ シ ョ ン と 同 程 度 ま で 軽 量 化 で き る こ と を 明 ら か に し て い る ． エ ン ジ ン の 高 ト ル ク に 対 応 す る た め 多 く の 自 動 車 メ ー カ が 容 量 の 大 き な ト ラ ン ス ミ ッ シ ョ ン に シ フ ト し つ つ あ る 中 で ， 従 来 の サ イ ズ を 使 用 で き る た め ， 小 形 ト ラ ン ス ミ ッ シ ョ ン を 用 い る こ と は 車 両 質 量 や 伝 達 効 率 の 面 で 大 き な 優 位 性 を 持 つ こ と が で き る こ と を 示 し て い る ． ま た 軽 量 化 に よ る 効 果 と し て ト ラ ン ス ミ ッ シ ョ ン の 種 類 を 削 減 で き る た め ， 少 機 種 大 量 生 産 に よ る 開 発 と 製 造 コ ス ト の 低 減 が で き る こ と を 示 し て い る ． 提 案 し た 手 法 は 量 産 中 の ト ラ ン ス ミ ッ シ ョ ン に 適 用 さ れ ， 年 間 約 6 6 万 台 の ト ラ ン ス ミ ッ シ ョ ン の 軽 量 化 に 貢 献 し て い る ． 微 小 接 触 や 端 部 接 触 の 基 本 現 象 を 解 明 し て ， そ の 結 果 を 実 際 の 製 品 に 適 用 す る こ と に 成 功 し た 点 は 高 く 評 価 で き る ．
第 7 章 「 総 括 」 で は ， 各 章 の 結 果 を 要 約 し ， 総 括 と し て い る ．
以 上 が 本 研 究 の 概 要 で あ る が ， こ れ を 要 約 す る と ， 自 動 車 ト ラ ン ス ミ ッ シ ョ ン の 小 型 軽 量 化 の 市 場 ニ ー ズ を 満 た す た め に ， 歯 車 な ど の 端 部 接 触 時 の 諸 現 象 を 解 明 し ， 従 来 使 用 さ れ て い な い 接 触 領 域 端 部 ま で 有 効 に 活 用 で き る こ と を 示 し て い る ． 特 に ， 微 小 転 動 接 触 領 域 に お け る 転 動 疲 労 最 弱 部 の 確 認 ， 転 動 体 サ イ ズ と 転 動 疲 労 寿 命 の 関 係 ， 及 び 端 部 塑 性 変 形 挙 動 の 解 明 は 自 動 車 用 ト ラ ン ス ミ ッ シ ョ ン 設 計 に 新 た な 知 見 を 提 供 す る 有 効 な 結 果 で あ る ． 本 研 究 成 果 は ， 自 動 車 用 ト ラ ン ス ミ ッ シ ョ ン に 関 す る 先 駆 的 な 研 究 開 発 と し て 評 価 で き ， ま た 学 術 的 に も 新 規 性 が あ り ， 自 動 車 工 学 及 び 動 力 伝 達 シ ス テ ム 技 術 分 野 の 発 展 に 貢 献 す る も の と 言 え る ． よ っ て ， 本 論 文 は 博 士(工 学)の 学 位 論 文 と し て 価 値 あ る も の と 認 め る ．
2 0 1 3 年 7 月 3 1 日
審 査 員
主 査 早 稲 田 大 学 教 授 工 学 博 士(九 州 大 学) 松 本 將 早 稲 田 大 学 教 授 工 学 博 士(ア ー ヘ ン 工 科 大 学) 巽 宏 平 早 稲 田 大 学 教 授 工 学 博 士(早 稲 田 大 学) 李 羲 頡
