特開 2024-53571 ギヤシャフト及びトランスミッション

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024053571

(43)【公開日】2024-04-16

(54)【発明の名称】ギヤシャフト及びトランスミッション

(51)【国際特許分類】

   F16H 55/17 20060101AFI20240409BHJP

   B23K 26/21 20140101ALI20240409BHJP

   B23K 15/00 20060101ALI20240409BHJP

   B23K 9/16 20060101ALI20240409BHJP

   B23K 10/02 20060101ALI20240409BHJP

【ＦＩ】

F16H55/17 B

B23K26/21 N

B23K15/00 501D

B23K9/16 K

B23K10/02 A

【審査請求】未請求

【請求項の数】9

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022159862

(22)【出願日】2022-10-04

(71)【出願人】

【識別番号】000005522

【氏名又は名称】日立建機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001829

【氏名又は名称】弁理士法人開知

(72)【発明者】

【氏名】宮城 雅徳

(72)【発明者】

【氏名】清水 政男

(72)【発明者】

【氏名】藤永 晃

(72)【発明者】

【氏名】高橋 毅

【テーマコード（参考）】

3J030

4E001

4E066

4E168

【Ｆターム（参考）】

3J030BC03

3J030BD07

4E001AA03

4E001CA00

4E001DA01

4E001DA02

4E001DD02

4E066BD03

4E066CA08

4E066CA14

4E168BA54

4E168BA83

4E168CB07

4E168DA02

4E168DA28

4E168EA17

4E168FB03

(57)【要約】

【課題】表面硬化処理による高強度を備えつつ、ギヤとシャフトが割れなく溶接されて小型化に貢献することができる建設機械用のギヤシャフト及びこれを用いたトランスミッションを提供する。
【解決手段】鉄を主成分とする素材からなるギヤ及びシャフトが溶接で接合されたギヤシャフトにおいて、上記ギヤ及び上記シャフトの表面は、上記素材よりも高硬度な表面硬化層で被覆されており、上記ギヤ及び上記シャフトを接合する溶接部は、リング状であり、上記ギヤ及び上記シャフトの上記溶接部は、上記ギヤ及び上記シャフトの上記表面硬化層からリング状に露出した上記素材の露出部に設けられており、上記溶接部は、上記表面硬化層よりも炭素含有量が低く、上記溶接部について、ビッカース硬さｘ［Ｈｖ］と、溶け込み深さＤ及びビード幅Ｗのアスペクト比ｙ（Ｄ／Ｗ）との間に、ｙ≧０．０２９８ｘ－１０．９８の関係が成立するギヤシャフトを提供する。
【選択図】図６

【特許請求の範囲】

【請求項1】

鉄を主成分とする素材からなるギヤ及びシャフトが溶接で接合されたギヤシャフトにおいて、
前記ギヤ及び前記シャフトの表面は、前記素材よりも高硬度な表面硬化層で被覆されており、
前記ギヤ及び前記シャフトを接合する溶接部は、リング状であり、
前記ギヤ及び前記シャフトの前記溶接部は、前記ギヤ及び前記シャフトの前記表面硬化層からリング状に露出した前記素材の露出部に設けられており、
前記溶接部は、前記表面硬化層よりも炭素含有量が低く、
前記溶接部について、ビッカース硬さｘ［Ｈｖ］と、溶け込み深さＤ及びビード幅Ｗのアスペクト比ｙ（Ｄ／Ｗ）との間に、ｙ≧０．０２９８ｘ－１０．９８の関係が成立する
ことを特徴とするギヤシャフト。

【請求項2】

請求項１に記載のギヤシャフトにおいて、
前記溶接部は、前記ギヤ及び前記シャフトの前記素材の前記露出部において表面の素材部分が溶融し凝固した部分であることを特徴とするギヤシャフト。

【請求項3】

請求項１に記載のギヤシャフトにおいて、
前記溶接部の炭素含有量は、０．２８ｍａｓｓ％以下であることを特徴とするギヤシャフト。

【請求項4】

請求項１に記載のギヤシャフトにおいて、
前記溶接部の炭素含有量は、０．２３ｍａｓｓ％以下であることを特徴とするギヤシャフト。

【請求項5】

請求項１に記載のギヤシャフトにおいて、
前記アスペクト比ｙは、ｙ≧０．０２４５ｘ－７．３３関係が成立することを特徴とするギヤシャフト。

【請求項6】

請求項１に記載のギヤシャフトにおいて、
前記溶接部の溶け込み深さＤが、６ｍｍ以上１６ｍｍ以下であることを特徴とするギヤシャフト。

【請求項7】

請求項２に記載のギヤシャフトにおいて、
前記素材の前記露出部は、前記溶接部のビード幅よりも幅広であることを特徴とするギヤシャフト。

【請求項8】

請求項２に記載のギヤシャフトにおいて、
前記溶接部は、前記素材が、レーザ溶接、電子ビーム溶接、レーザ・アークハイブリット溶接、又はプラズマ溶接により溶融して凝固した部分であることを特徴とするギヤシャフト。

【請求項9】

請求項１に記載のギヤシャフトを含むトランスミッション。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ギヤシャフト及びトランスミッションに関する。

【背景技術】

【0002】

Ｎｉ基超合金と鉄鋼材料とを溶接する際、Ｎｉ基超合金及び鉄鋼材料の突合せ部に電子ビームを周期的に偏向させながら照射することで、溶接部の割れを抑制する技術がある（特許文献１）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１２－６１４９９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

トランスミッションのギヤシャフトは、ギヤとシャフトを含んで構成され、動力源の動力をトルクや回転数、回転方向を変えて活軸に伝達する部品である。建設機械におけるトランスミッションでは、焼き嵌め構造や一体成形構造が多く用いられる。昨今の省エネルギー化の観点からトランスミッションの小型化が求められているが、焼き嵌め構造や一体成形構造では組立や加工に関する構造上の制約から小型化が難しい場合がある。それに対し、溶接構造は小型化に有利であり、電子ビーム溶接やレーザ溶接による溶接構造がギヤシャフトに採用される場合がある。

【0005】

但し、溶接構造でギヤシャフトを小型化するためには深い溶込み深さを要するところ、トランスミッションに用いられるＳＣＭ４１５等の材料は割れ感受性が高い。そのため、トランスミッションに用いるギヤシャフトにおいて、６ｍｍを超えるような深い溶込み深さを確保しつつ、それでいて溶接割れのない溶接部を形成することは困難であった。

【0006】

前述した特許文献１では、Ｎｉ基超合金と鉄鋼材料の異種金属の接合において、突合せ部に照射する電子ビームを周期的に偏光させることで、溶融池を攪拌して偏析を抑制し、割れのない溶接部を形成する。しかし、建設機械に用いるトランスミッションの部品は、浸炭、窒化、浸窒等の表面硬化処理がされており、割れ感受性の高さから、電子ビームを周期的に偏光させても溶接割れを回避することは難しいのが実情である。

【0007】

本発明の目的は、表面硬化処理による高強度を備えつつ、ギヤとシャフトが割れなく溶接されて小型化に貢献することができる建設機械用のギヤシャフト及びこれを用いたトランスミッションを提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0008】

上記目的を達成するために、本発明は、鉄を主成分とする素材からなるギヤ及びシャフトが溶接で接合されたギヤシャフトにおいて、上記ギヤ及び上記シャフトの表面は、上記素材よりも高硬度な表面硬化層で被覆されており、上記ギヤ及び上記シャフトを接合する溶接部は、リング状であり、上記ギヤ及び上記シャフトの上記溶接部は、上記ギヤ及び上記シャフトの上記表面硬化層からリング状に露出した上記素材の露出部に設けられており、上記溶接部は、上記表面硬化層よりも炭素含有量が低く、上記溶接部について、ビッカース硬さｘ［Ｈｖ］と、溶け込み深さＤ及びビード幅Ｗのアスペクト比ｙ（Ｄ／Ｗ）との間に、ｙ≧０．０２９８ｘ－１０．９８の関係が成立するギヤシャフトを提供する。

【発明の効果】

【0009】

本発明によれば、表面硬化処理による高強度を備えつつ、ギヤとシャフトが割れなく溶接されて小型化に貢献することができる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】本発明の一実施形態に係るトランスミッションを適用する建設機械の一例であるホイールローダの側面図

【図2】図１に示したホイールローダに備わった動力伝達装置の右前方から見た斜視図

【図3】図２に示した動力伝達装置の一部破断右側面図

【図4】図３に示した動力伝達装置の部分断面図

【図5】本発明の一実施形態に係るギヤシャフトの模式的な斜視図

【図6】図５中のVI－VI線による矢視断面図

【図7】本発明の一実施形態に係るギヤシャフトに備わった溶接部の模式的な断面図

【図8】様々な条件で形成した溶接部についてアスペクト比と硬さの関係に注目して高温割れの発生の有無を調査した結果を表す図

【図9】ギヤとシャフトとを溶接する溶接設備の一例を示す模式図

【図10】本発明の一実施形態に係るギヤシャフトの製造工程（表面硬化処理前）の説明図

【図11】本発明の一実施形態に係るギヤシャフトの製造工程（機械加工後）の説明図

【図12】本発明の一実施形態に係るギヤシャフトの製造工程（溶接前）の説明図

【図13】本発明の一実施形態に係るギヤシャフトの製造工程（溶接後）の説明図

【図14】溶接部について表面硬化層を形成して溶接した場合と表面硬化層の形成を抑制して溶接した場合とで溶接品質について検証した結果をまとめた表

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下に図面を用いて本発明の実施の形態を説明する。

【0012】

－建設機械－
図１は本発明の一実施形態に係るトランスミッションを適用する建設機械の一例であるホイールローダの側面図である。図１において図中の左側を前方とする。本実施形態では、本発明に係るトランスミッションの適用対象の一例としてホイールローダを例示するが、トランスミッションを搭載するホイールショベル等の他の建設機械にも本発明は適用可能である。

【0013】

図１に示したホイールローダ１は、ホイール式の作業車両の代表例であり、左右の前車輪２が設けられた前部車体３と左右の後車輪４が設けられた後部車体５とが、センタヒンジ６を介して左右方向に屈曲可能に連結されたアーティキュレート式の車両である。前部車体３の下側には、左右方向に延びるフロントアクスル（前車軸）１１が設けられ、フロントアクスル１１の両端に左右の前車輪２が取り付けられている。後部車体５の下側には、左右方向に延びるリヤアクスル（後車軸）１２が設けられ、リヤアクスル１２の両端には左右の後車輪４が取り付けられている。

【0014】

前部車体３には、ローダバケット８ａを備えた作業機８が俯仰動可能に設けられている。後部車体５には、キャブ（運転室）９、原動機（エンジン）１０、油圧ポンプ１５、動力伝達装置２０等が搭載されている。動力伝達装置２０の入力軸には原動機１０の出力軸が連結され、油圧ポンプ１５の回転軸は動力伝達装置２０の第１の出力軸（内軸４１）に連結されている。動力伝達装置２０の第２の出力軸６２（図３）には、前側のプロペラシャフト１３を介してフロントアクスル１１が、後側のプロペラシャフト１４を介してリヤアクスル１２がそれぞれ連結されており、出力軸６２の出力により前車輪２及び後車輪４が回転する。前部車体３と後部車体５との間にはステアリングシリンダ７が設けられており、このステアリングシリンダ７を伸縮させることにより、前部車体３と後部車体５とが左右方向に屈曲してホイールローダ１が操舵される。

【0015】

－動力伝達装置－
図２は動力伝達装置２０の右前方から見た斜視図、図３は一部破断側面図、図４は部分断面図である。動力伝達装置２０は原動機１０の回転出力を油圧ポンプ１５や前車輪２及び後車輪４に伝達する役割を果たし、図４に示すように、ケーシング３０、伝達軸４０、トルクコンバータ５０、トランスミッション６０、及びロックアップ装置７０を含んで構成されている。

【0016】

・ケーシング
ケーシング３０は、動力伝達装置２０の外殻を構成する部材であり、フロントケーシング３０ａ、中間ケーシング３０ｂ、リヤケーシング３０ｃ及びカバー３０ｄといった複数の分割パーツを連結して構成されている。フロントケーシング３０ａは椀型に形成されたケーシング３０の前部パーツである。フロントケーシング３０ａの上部には、外部に油圧ポンプ１５が取り付けられている。また、フロントケーシング３０ａの下部からは、出力軸６２が前後に突出している。リヤケーシング３０ｃは、筒状に形成されたケーシング３０の後部パーツである。トルクコンバータ５０やロックアップ装置７０は、リヤケーシング３０ｃの内部に配置されている。中間ケーシング３０ｂは、筒状に形成されたケーシング３０の前後方向の中間部のパーツであり、フロントケーシング３０ａとリヤケーシング３０ｃとの間に介在し、フロントケーシング３０ａとリヤケーシング３０ｃとを連結している。トランスミッション６０は、中間ケーシング３０ｂの内部に配置されている。カバー３０ｄは、リヤケーシング３０ｃの後端部を塞ぐプレート状の部材である。カバー３０ｄからは、動力伝達装置２０の入力軸としての継手４５が後方に突出している。

【0017】

図４に示したように、フロントケーシング３０ａの内部には、軸受３１が取り付けられている。カバー３０ｄには、軸受３２が取り付けられている。また、中間ケーシング３０ｂには軸受３３が取り付けられている。これら軸受３１～３３は前後に間隔を空けて配置されており、互いの中心軸が一致するように同軸上に配置されている。また、リヤケーシング３０ｃの上部の外壁には、潤滑油を循環させる循環ポンプ８０（図２）が取り付けられている。リヤケーシング３０ｃの内部空間における上部には循環ポンプ８０に動力を伝達するポンプ駆動歯車（不図示）が収容されている。

【0018】

・伝達軸
伝達軸４０は前後方向に水平に延び、内軸４１とこれを包囲する外軸４２とを含んで構成されている。内軸４１と外軸４２は同心であり、互いに独立して回転可能な内軸４１と外軸４２とで二重構造とすることにより、伝達軸４０を介して原動機１０の動力を油圧ポンプ１５及び走行系の２系統に分配して伝達できるように構成されている。また、外軸４２の内部に内軸４１を収めた構成とすることで、動力伝達装置２０の小型化にも貢献する。

【0019】

内軸４１は、一端が継手４３を介して油圧ポンプ１５の回転軸１５ａに連結され、他端が回転筒体４４及び継手４５を介して作業車両に搭載された原動機１０（図１）の出力軸（不図示）に連結されている。これにより、原動機１０の出力軸と油圧ポンプ１５の回転軸１５ａとが内軸４１を介して同軸に連結されている。また、内軸４１の後端部は、回転筒体４４が上記軸受３２に支持されることにより、ケーシング３０（カバー３０ｄ）に対して回転自在に支持されている。回転筒体４４には、トルクコンバータ５０のリング型のカバープレート５４がボルト等で連結されている。

【0020】

外軸４２は、原動機１０の出力軸の回転をトランスミッション６０に伝達する筒状の中空軸である。この外軸４２は、筒状の第１分割軸４２ａと筒状の第２分割軸４２ｂに分割されている。第１分割軸４２ａと第２分割軸４２ｂとが同軸に連結されて長尺の１本の外軸４２を構成している。外軸４２の内側には内軸４１が通されている。また、外軸４２の後部（第１分割軸４２ａの後部）にはトルクコンバータ５０の二次回転体５３が、外軸４２の前部（第２分割軸４２ｂの前部）には出力ギヤ４６が、それぞれ溶接で結合されている（後述）。

【0021】

外軸４２は、長手方向の一端部（第２分割軸４２ｂの前端部）が上記軸受３１によりケーシング３０（フロントケーシング３０ａ）に対して回転自在に支持されている。外軸４２の長手方向の他方部（第１分割軸４２ａの後端部）は、上記二次回転体５３と上記カバープレート５４との間に介在する軸受５６で支持されることにより、内軸４１に対して回転自在に支持されている。また、外軸４２の長手方向の中間部は、ケーシング３０（中間ケーシング３０ｂ）に対して上記軸受３３を介して回転自在に支持されている。このように長手方向の両端部と中間部の３か所で第１の軸受３１、第２の軸受５６及び第３の軸受３３により支持することで、前後方向に水平に伸びる長尺の外軸４２の撓みを抑えている。なお、この外軸４２に沿って、原動機１０から油圧ポンプ１５に向かって、ロックアップ装置７０、トルクコンバータ５０、トランスミッション６０がこの順番でケーシング３０の内部に配置されている。上記の出力ギヤ４６は軸受３１及び軸受３３の間に、二次回転体５３は軸受３３及び軸受５６の間に位置している。

【0022】

・トルクコンバータ
トルクコンバータ５０は、流体継手の一種であり、図４に示すように、固定軸５１、一次回転体５２、二次回転体５３等を含んで構成されている。固定軸５１はケーシング３０に対してトルクコンバータ５０を取り付けるフランジ管型の部品であり、内側に伝達軸４０（内軸４１及び外軸４２）を通した状態で中間ケーシング３０ｂの後端面にボルト（不図示）により固定されている。

【0023】

一次回転体５２は、トルクコンバータ５０の外郭を構成する部品であって中空のドーナツ型に形成されており、後部にボルトで装着したカバープレート５４が回転筒体４４にボルトで連結されることで、内軸４１を介して原動機１０の出力軸に連結している。一次回転体５２は軸受５５を介して固定軸５１の外周面に回転自在に支持されている。回転筒体４４がケーシング３０のカバー３０ｄに軸受３２を介して回転自在に支持されているので、一次回転体５２は軸受５５，５６を介してケーシング３０に対して回転自在に支持されている。また一次回転体５２には、内部にポンプインペラ５２ａが備えられている。一次回転体５２の内部は循環ポンプ８０から供給される潤滑油で満たされている。更に一次回転体５２の前部にはギヤ５７が固定されている。リヤケーシング３０ｃに収容されたポンプ駆動歯車（不図示）にギヤ５７を介して動力が伝達され、これによりエンジン駆動中は循環ポンプ８０が常時駆動される。

【0024】

二次回転体は、タービンランナ５３ａを含んで構成されており、外軸４２の後端部に結合されており、軸受５６を介して一次回転体５２（カバープレート５４）に回転可能に支持されている。つまり原動機１０の出力軸と一体に回転する一次回転体５２に対して、外軸４２と一体に回転する二次回転体５３が相対回転する構造である。タービンランナ５３ａは一次回転体５２の内部に収納されている。

【0025】

従って、原動機１０の回転がトルクコンバータ５０の一次回転体５２に伝達されると、ポンプインペラ５２ａの回転に伴って一次回転体５２の内部に潤滑油の流れが発生する。そして、一次回転体５２の内部に発生した潤滑油の流れによってタービンランナ５３ａが回転し、二次回転体５３を介して外軸４２が回転する。このような原理により、トルクコンバータ５０は、内軸４１と外軸４２とを流体を介して間接的に接続し原動機１０の動力を外軸４２に伝達する。

【0026】

・ロックアップ装置
ロックアップ装置７０は、トルクコンバータ５０の流体を介することなく、原動機１０の回転をトランスミッション６０に直接伝達する装置である。具体的には、ロックアップ装置７０は油圧駆動式のクラッチを含んで構成されており、トルクコンバータ５０のカバープレート５４と一次回転体５２との間に介在し原動機１０の出力軸と一体に回転する。そして、二次回転体５３と固定関係にあるディスクをクラッチで挟み込むことにより一次回転体５２と二次回転体５３とを摩擦力で連結する。こうして一次回転体５２と二次回転体５３とを連結することで、ロックアップ装置７０はトルクコンバータ５０の潤滑油の流れを介することなく原動機１０の動力を外軸４２ひいてはトランスミッション６０に機械的に直接伝達する。ディスクとクラッチとの連結を解けば、トルクコンバータ５０の潤滑油を介して原動機１０の動力が外軸４２に伝達される状態に復帰する。

【0027】

－トランスミッション－
トランスミッション６０は、入力ギヤ６１に入力された回転を変速して出力軸６２に出力する機構を含んで構成された装置である。入力ギヤ６１は、ケーシング３０（中間ケーシング３０ｂ）の内部において外軸４２に取り付けられた出力ギヤ４６と噛み合っている。出力軸６２は、ケーシング３０の下部においてケーシング３０の前後に突出しており、前後のプロペラシャフト１３，１４に連結されている。これにより外軸４２の回転がトランスミッション６０を介して変速されて前車輪２及び後車輪４に伝達される。

【0028】

－動作－
ホイールローダ１の原動機１０を始動させると、原動機１０の回転出力が継手４５を介して内軸４１に伝達される。内軸４１を介して伝達される動力により油圧ポンプ１５と一次回転体５２とが回転する。一次回転体５２の回転はギヤ５７を介して循環ポンプ８０に伝達される。また、油圧ポンプ１５から吐出される圧油は、オペレータの操作に応じて作業機用の油圧アクチュエータ（不図示）に供給され、これにより作業機８が駆動される。

【0029】

一方、一次回転体５２が回転することでポンプインペラ５２ａにより一次回転体５２の環状の内部空間に潤滑油の流れが発生し、タービンランナ５３ａが回転して二次回転体５３と共に外軸４２が回転する。外軸４２の回転は出力ギヤ４６を介してトランスミッション６０に伝達され、オペレータによる走行操作に応じてトランスミッション６０が動作して前車輪２及び後車輪４が回転しホイールローダ１が走行する。前述したロックアップ装置７０は、例えばホイールローダ１の走行速度が設定速度以上になるとコントローラ（不図示）の指令により作動し、一次回転体５２と二次回転体５３を直結して原動機１０の回転出力を外軸４２に対して機械的に直接伝達する。

【0030】

－ギヤシャフト－
以上に説明した動力伝達装置２０には、本発明に係るギヤシャフトが採用される。具体的には、例えば入力ギヤ６１や出力ギヤ４６、又はギヤ５７等の各ギヤに本発明を適用することができる。以下、本発明に係るギヤシャフトについて説明する。

【0031】

図５は本発明の一実施形態に係るギヤシャフトの模式的な斜視図、図６は図５中のVI－VI線による矢視断面図である。図５に示したギヤシャフト９０は、例えば入力ギヤ６１を模式化したものであるが、ギヤシャフト９０について以下に説明する溶接に関する特徴は、出力ギヤ４６やギヤ５７等の他のギヤにも同様に適用可能である。ギヤシャフト９０は、ギヤ９１とシャフト９２とを備え、これらギヤ９１及びシャフト９２を溶接で一体に接合したものである。ギヤ９１及びシャフト９２の互いの中心軸は一致している。ギヤ９１及びシャフト９２は、少なくとも１箇所（本実施形態では２箇所）が円周溶接されて接合されている。つまり、ギヤ９１及びシャフト９２を接合する溶接部（溶接金属）９３ａ，９３ｂは、ギヤシャフト９０の中心線Ｃを中心とするリング状に形成されている。ギヤ９１及びシャフト９２の溶接部９３ａ，９３ｂを除く部分の大部分は、図６においてハッチングで表示された素材部分Ｍよりも高硬度な表面硬化層（例えば浸炭層）Ｈで被覆されている。素材部分Ｍは、材質がギヤ９１及びシャフト９２を形成する素材そのままの部分である。すなわち、溶接部９３ａ及び９３ｂは、ギヤ９１及びシャフト９２における表面硬化層Ｈが設けられずに素材部分Ｍがリング状に露出した部分（表面硬化層Ｈから露出したギヤ９１及びシャフト９２の素材部分Ｍの露出部）に設けられている。素材部分Ｍの材質は、鉄を主成分とする材料であり、例えばＳＣＭ４１５、ＳＣＭ４２０、Ｓ２５Ｃ、ＳＴＫＭ１３Ａ等の低炭素鋼である。これら４種のいずれかの材質を採用するとして、ギヤ９１及びシャフト９２の素材の炭素含有量は、０．２８ｍａｓｓ％以下、好ましくは０．２３ｍａｓｓ％以下である。

【0032】

溶接部９３ａ，９３ｂは、ギヤ９１及びシャフト９２の表面硬化層Ｈからリング状に露出した素材部分Ｍで形成される突合せ部分が溶融し凝固した部分である（後述）。そのため、溶接部９３ａ，９３ｂの炭素含有量は素材部分Ｍと実質的に変わらず、例えば０．２８ｍａｓｓ％以下、或いは０．２３ｍａｓｓ％以下である。対して表面硬化層Ｈは、浸炭、浸窒、又は窒化等といった表面硬化処理をギヤ９１及びシャフト９２に施して形成された表層の部位であり、ギヤ９１及びシャフト９２の素材部分Ｍに比べて炭素含有量が高い。そのため、表面硬化層Ｈよりも溶接部９３ａ，９３ｂは炭素含有量が低い。

【0033】

図７は溶接部９３ａ，９３ｂの模式的な断面図である。図７に示した断面は、円周形の溶接部９３ａ，９３ｂの中心線Ｃを通る平面で切断した溶接部９３ａ，９３ｂの断面を表している。本実施形態の溶接部９３ａ，９３ｂは、溶け込み深さＤとビード幅Ｗとのアスペクト比ｙ（＝Ｄ／Ｗ）と、硬さ（例えばビッカース硬さ）ｘとの間に、ｙ≧０．０２９８ｘ－１０．９８の関係が成立するように構成されている。より好ましくは、溶接部９３ａ，９３ｂは、ｙ≧０．０２４５ｘ－７．３３関係が成立するように構成される。溶け込み深さＤ、ビード幅Ｗ、硬さｘは、溶接部９３ａ，９３ｂについての値であることは言うまでもない。本実施形態において、溶接部９３ａの溶込み深さＤは１２ｍｍ程度、溶接部９３ｂの溶込み深さＤは６ｍｍ程度が、一例として想定される。

【0034】

－溶接部のアスペクト比と硬さの関係－
図８は様々な条件で形成した溶接部についてアスペクト比と硬さ（ビッカース硬さ）の関係に注目して高温割れの発生の有無を調査した結果を表す図である。図８に示す各データは、図９で後述する溶接設備１００を用い、レーザ出力、溶接速度（回転ステージ１０７の回転速度）、焦点位置、ビーム形状等のパラメータを調整して形成した様々なアスペクト比ｙの溶接部９３ａ，９３ｂを評価したものである。また、建設機械のトランスミッション６０への適用を考慮して、ギヤシャフト９０に適用する溶接部９３ａ，９３ｂには強度面で６ｍｍ以上の溶け込み深さＤが望まれる。小型化を想定したギヤシャフト９０の設計寸法上、１６ｍｍを超える溶け込み深さＤは不要である。そこで、溶け込み深さＤを６ｍｍ以上１６ｍｍ以下の範囲に設定し、溶接部９３ａ，９３ｂのアスペクト比ｙと硬さｘのデータを種々収集した。

【0035】

実験の結果、各溶接部９３ａ，９３ｂの硬さｘについては、いずれのデータもほぼ４００Ｈｖ以上５５０Ｈｖ以下に収まっていた。そして、図８に示されるように、溶接部９３ａ，９３ｂの溶込み形状のアスペクト比ｙが大きく硬さｘが低いほど、高温割れが抑制される傾向が見出された。同図において右下に位置するデータでは高温割れが発生しているが、左上に位置するデータは６ｍｍ－１６ｍｍと溶け込み深さＤが深いにも関わらず高温割れを起こしていない。アスペクト比ｙが大きい場合には、凝固時の熱ひずみが抑制されるため、高温割れが抑制されるものと考えられる。硬さｘが低い場合には、凝固時の変形能が大きいため、高温割れに対する耐性があると考えられる。

【0036】

上記傾向から図８において右上がりの直線を仮想し、高温割れが発生しなかったデータ群の下部に複数点で接する関係式として、ｙ＝０．０２９８ｘ－１０．９８の関係式が得られた。図８のデータにおいて、この関係式で規定される線から上側に位置する条件であれば、６－１６ｍｍの深い溶け込み深さＤを持ちつつ、溶接割れを起こさない溶接部９３ａ，９３ｂが得られ得る。同じく右上がりの直線を仮想し、高温割れが発生したデータ群の上部に複数点で接する関係式として、ｙ≧０．０２４５ｘ－７．３３の関係式が得られた。図８のデータにおいて、この関係式で規定される線から上側に位置するデータは、いずれも６－１６ｍｍの深い溶け込み深さＤを持ちつつ溶接割れを起こしていない。

【0037】

－ギヤシャフトの製造方法－
図９はギヤ９１とシャフト９２とを溶接する溶接設備の一例を示す模式図である。同図に示した溶接設備１００は、レーザ発振器１０１、光ファイバ１０２、レーザ加工ヘッド１０３、シールドノズル１０４、高周波誘導加熱コイル１０５、高周波誘導加熱電源１０６、回転ステージ１０７等を備えている。レーザ発振器１０１が発振するレーザ１０８は、例えば波長１０７０ｎｍのファイバレーザである。シールドノズル１０４から供給されるシールドガス１０９には、アルゴンガスを用いることができる。

【0038】

図９の溶接設備１００において、レーザ発振器１０１から発振されるレーザ１０８は、光ファイバ１０２及びレーザ加工ヘッド１０３を通じて、回転ステージ１０７上にセットされたギヤシャフト９０のギヤ９１及びシャフト９２の突合せ部に照射される。レーザ照射中に回転ステージ１０７を駆動してギヤシャフト９０を中心線Ｃ周りに回転させることにより、円周溶接が行われる。溶接前にギヤシャフト９０に設置した高周波誘導加熱コイル１０５に高周波誘導加熱電源１０６から給電し、ギヤシャフト９０を２５０℃程度に予熱した状態で溶接を実施することが好ましい。但し、予熱方法や予熱温度は、この例に限定されない。ギヤシャフト９０のギヤ９１及びシャフト９２の突合せ部にレーザ１０８を照射することにより、突合せ部においてギヤ９１とシャフト９２の一部が溶融し混ざり合い、ギヤ９１及びシャフト９２の突合せ部に溶接部９３ａが形成される。溶接部９３ｂは、回転ステージ１０７の回転軸を水平にして、ギヤシャフト９０を横向きに倒した状態で、同様の施工を行うことで形成することができる。

【0039】

なお、図９ではレーザ溶接装置を例示したが、溶接部９３ａ，９３ｂの形成には、電子ビーム溶接、レーザ・アークハイブリット溶接、プラズマ溶接等の他方式の溶接を適用することもできる。

【0040】

図１０－図１３はギヤシャフト９０の製造工程の説明図である。前述した通りギヤ９１及びシャフト９２の溶接部９３ａ，９３ｂを除く部分の大部分は、表面硬化層Ｈで被覆されている。それに対し、溶接部９３ａ，９３ｂは、ギヤ９１及びシャフト９２の素材部分Ｍが溶融し凝固したものである。表面硬化層Ｈは、前述した通りギヤ９１及びシャフト９２の素材部分Ｍに浸炭等の表面硬化処理を施して形成される。ギヤシャフト９０の所要強度を確保する上で表面硬化層Ｈは必要であるが、表面硬化層Ｈに溶け込み深さＤの大きな溶接部９３ａ，９３ｂを形成すると、溶接部９３ａ，９３ｂに割れが生じ易い。

【0041】

そこで、本実施形態のギヤシャフト９０は、製造過程でギヤ９１及びシャフト９２をそれぞれ表面硬化処理する際に、局所的に表面硬化層Ｈのない部分を確保する。具体的には、溶接部９３ａ，９３ｂを形成する溶接予定部について、例えば防炭によって表面硬化処理の影響が及ばないようにする、又は機械加工により表面硬化層Ｈを除去することで、素材部分Ｍが表面に露出した状態とする。図１０－図１３においては、防炭処理と機械加工の双方を実施する例を説明する。

【0042】

図１０は表面硬化処理前のギヤ９１及びシャフト９２の部分断面を模式的に表した図である。ギヤ９１はリング状の部品であるが、同図では互いの溶接予定部付近の部分断面を並べて表示してある。表面硬化処理前の段階において、半製品としてのギヤ９１及びシャフト９２には、表面処理後に機械加工により削り落とす加工代９４が備わっている。これら加工代９４は、後の溶接工程で溶接部９３ａ，９３ｂを形成するギヤ９１及びシャフト９２の開先表面９５、突合せ面９６、開先底９７の全面を覆う。この加工代９４は、溶接工程においてギヤ９１及びシャフト９２の表面として露出する部位に対し、後に削り落とされる駄肉部分として突出して設けられている。加工代９４の厚みは、少なくとも１ｍｍ、好ましくは２ｍｍ程度である。突合せ面９６の寸法（開先表面９５と開先底９７の間隔）は、溶け込み深さＤ（６－１６ｍｍ程度）に応じて適切な寸法に設定する。

【0043】

そして、図１０に示したギヤ９１及びシャフト９２の加工代９４の表面全体に防炭材９８を塗布し、ギヤ９１及びシャフト９２をそれぞれ表面硬化処理（例えば浸炭処理）し、表面硬化処理後に加工代９４を機械加工により除去する。突合せ面９６については、全面を防炭し表面硬化層Ｈの形成を回避することが好ましい。開先表面９５、つまり表面硬化層Ｈで覆われずギヤ９１及びシャフト９２の表面に素材部分Ｍが露出する部位については、溶接部９３ａ，９３ｂのビード幅Ｗ以上の所定範囲（例えば突合せ面９６の両側１０ｍｍ程度）に形成する。すなわち、本実施形態においては、溶接部９３ａ及び９３ｂが設けられる素材部分Ｍの露出部である開先表面９５は、溶接部９３ａ及び９３ｂのビード幅Ｗよりも幅広である。このように表面硬化層Ｈのない開先表面９５が確保されるように、加工代９４によるカバー範囲や防炭範囲を適切に設定する。防炭範囲を必要以上に広く設定しないようにして、後に溶接部９３ａ，９３ｂが形成される部位、及び溶接部９３ａ，９３ｂの形成に伴う温度変化の影響を強く受ける部位以外には、極力広く表面硬化層Ｈが形成されるようにする。開先底９７については、開先表面９５と同程度か、開先底９７に到達する溶接部９３ａ，９３ｂの幅（裏ビード幅）よりも大きい程度に設定する。

【0044】

図１１は機械加工後のギヤ９１及びシャフト９２の部分断面を模式的に表した図である。図１１に示した通り、浸炭処理によりギヤ９１及びシャフト９２の表面には表面硬化層Ｈが形成される。また、ギヤ９１及びシャフト９２の対向面（突合せ面９６及び開先底９７を含む）及び開先表面９５には、防炭し加工代９４を除去したことで素材部分Ｍが表面に露出している。

【0045】

図１２はギヤ９１及びシャフト９２を嵌め合わせた状態（溶接前）を模式的に表した図である。ギヤ９１はリング状であるため、図１２においてギヤ９１に対して下からシャフト９２を通し、ギヤ９１及びシャフト９２を嵌め合わせる。必要に応じて焼き嵌めを行っても良い。ギヤ９１及びシャフト９２を嵌め合わせ、互いの突合せ面９６が密着し、ギヤ９１及びシャフト９２の互いの開先表面９５が面一となる状態とする。これに伴ってギヤ９１及びシャフト９２の互いの開先底９７も密着する。ギヤ９１及びシャフト９２を嵌め合わせると、溶接前の段階において、リング状に素材部分Ｍが露出する開先表面９５を除き、ギヤシャフト９０の表面は表面硬化層Ｈで被覆された状態となる。

【0046】

図１３はギヤ９１及びシャフト９２を溶接し完成したギヤシャフト９０の部分断面を模式的に表した図である。溶接設備１００（図９）を用い、先に図９で説明したように開先表面９５に沿ってレーザ１０８を照射して円周溶接を実施し、溶接部９３ａ，９３ｂを順次形成する。これにより図１及び図２に示したギヤシャフト９０が完成する。

【0047】

なお、本実施形態では、開先表面９５等に防炭処理と機械加工（加工代９４の設置）の双方を行って表面硬化層Ｈの形成を確実に抑制する例を説明したが、機械加工を行わず、部分的な防炭処理のみを行っても、表面硬化層Ｈの形成を抑制することはできる。この場合も、表面硬化層Ｈのない開先表面９５等を形成し、表面硬化層Ｈよりも炭素含有量の低い溶接部９３ａ，９３ｂを形成することができる。反対に、防炭処理を行わず、機械加工で表面硬化層Ｈを部分的に除去することでも、表面硬化層Ｈのない開先表面９５等を形成し、表面硬化層Ｈよりも炭素含有量が低い溶接部９３ａ，９３ｂを形成することができる。

【0048】

上記したように、本実施形態に係るギヤシャフト９０は、鉄を主成分とする素材からなるギヤ９１及びシャフト９２が溶接で接合されて構成されている。ギヤ９１及びシャフト９２の表面は、素材部分Ｍよりも高硬度な表面硬化層Ｈで被覆されている。ギヤ９１及びシャフト９２を接合する溶接部９３ａ，９３ｂは、リング状である。このギヤ９１及びシャフト９２の溶接部９３ａ，９３ｂは、ギヤ９１及びシャフト９２の表面硬化層Ｈからリング状に露出した素材部分Ｍの露出部（開先表面９５）に設けられている。溶接部９３ａ，９３ｂは、表面硬化層Ｈよりも炭素含有量が低い。また、溶接部９３ａ，９３ｂについて、ビッカース硬さｘ［Ｈｖ］と、溶け込み深さＤ及びビード幅Ｗのアスペクト比ｙ（Ｄ／Ｗ）との間に、ｙ≧０．０２９８ｘ－１０．９８の関係が成立する。

【0049】

－効果－
（１）本実施形態によれば、ギヤシャフト９０の表面は大部分が表面硬化層Ｈで被覆されており、建設機械のトランスミッション６０に用いるギヤシャフトとして所要強度を備えている。そして、ギヤ９１及びシャフト９２を溶接で接合する構造であるため、ギヤシャフト９０を小型に構成することができ、トランスミッション６０の小型化にも貢献する。ギヤ９１とシャフト９２の溶接部９３ａ，９３ｂは、６－１６ｍｍの深い溶け込み深さＤが確保され、強度も十分に確保される。このとき、ギヤ９１とシャフト９２は円周溶接され、溶接部９３ａ，９３ｂはリング状に繋がるため、６－１６ｍｍもの深い溶け込み深さＤを持つ溶接部９３ａ，９３ｂを形成する場合、溶融した金属が凝固する際の力の逃げ場が制約されて割れ易い。

【0050】

それに対し、ギヤ９１とシャフト９２とを接合する溶接部９３ａ，９３ｂを、ギヤ９１とシャフト９２の素材部分Ｍで形成し、表面硬化層Ｈに比べて溶接部９３ａ，９３ｂの炭素含有量を低下させることで、割れ、特に低温割れを抑制できる。溶接部９３ａ，９３ｂの炭素含有量は素材部分Ｍと同程度であり、０．２８ｍａｓｓ％以下、或いは０．２３ｍａｓｓ％以下である。また、溶接部９３ａ，９３ｂについて、硬さｘと、溶け込み深さＤ及びビード幅Ｗのアスペクト比ｙとの間に、ｙ≧０．０２９８ｘ－１０．９８の関係が成立するように構成したことで、図８の検証結果の通り、割れ、特に高温割れの発生を抑制できる。溶接部９３ａ，９３ｂについて、ｙ≧０．０２４５ｘ－７．３３関係が成立するように構成すれば、高温割れの発生をより効果的に抑制できる。

【0051】

以上の通り、本実施形態によれば、表面硬化処理による高強度を備えつつ、ギヤ９１とシャフト９２が割れなく溶接されて小型化に貢献することができる建設機械用のギヤシャフト９０及びこれを用いたトランスミッション６０を提供することができる。

【0052】

図１４は溶接部９３ａ，９３ｂについて表面硬化層Ｈを形成して溶接した場合と表面硬化層Ｈの形成を抑制して溶接した場合とで溶接品質について検証した結果をまとめた表である。同図に示した通り、防炭処理等をせずに開先表面９５に表面硬化層Ｈが形成された状態でギヤ９１及びシャフト９２を溶接した場合には、溶接部９３ａ，９３ｂに高温割れ及び低温割れが双方とも発生した（番号１）。それに対し、開先表面９５を防炭処理した場合、或いは開先表面９５の表面硬化層Ｈを除去した場合、防炭の範囲を変えて幾つか実施したテストにおいて高温割れも低温割れも抑制することができた（番号２－５）。表面硬化層（浸炭層）Ｈのない開先表面９５を形成することで、割れ感受性を高める炭素が溶接部９３ａ，９３ｂに濃化することを抑制し、割れの発生を抑制できたものと考えられる。

【符号の説明】

【0053】

６０…トランスミッション、９０…ギヤシャフト、９１…ギヤ、９２…シャフト、９３ａ，９３ｂ…溶接部、９５…開先表面（露出部）、Ｄ…溶け込み深さ、Ｈ…表面硬化層、Ｍ…素材部分、Ｗ…ビード幅、ｘ…硬さ、ｙ…アスペクト比

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】