JP2001012461A - デファレンシャルギヤのピニオン軸支持用円錐ころ軸受 - Google Patents

デファレンシャルギヤのピニオン軸支持用円錐ころ軸受

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roller bearing
pinion shaft
bearing
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健一 安部
Takaaki Shiratani
隆明 白谷
Akira Ishimaru
彰 石丸
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 疲れ寿命及び軸受剛性を十分に確保しつつ、
低トルク化を図り、自動車の省燃費化に寄与する。 【解決手段】 ピニオン軸を支持する円錐ころ軸受6a
の接触角αを22〜28度とする。又、円錐ころ9aの
大径側端面の直径Da と長さLとの比を0.51〜1.
0とする。更に、ころ数係数kを1.16〜1.32と
する。

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、自動車のデファ
レンシャルギヤ(最終減速機)を構成するピニオン軸を
ケーシング(デフケース)の内側に回転自在に支持する
為の円錐ころ軸受の改良に関する。
【0002】
【従来の技術】自動車の動力伝達系の途中に設けてプロ
ペラシャフトの回転を減速すると同時に回転方向を直角
に変換するデファレンシャルギヤは、図1に示す様に構
成される。ケーシング1の内側前寄り(図1の右寄り)
部分にはピニオン軸2を配設している。このピニオン軸
2の前端部(図1の右端部)で上記ケーシング1の前端
開口部から突出した部分に固設した結合フランジ3に
は、図示しないプロペラシャフトの後端部を連結自在で
ある。又、上記ピニオン軸2の後端部(図1の左端部)
には減速小歯車4を固定し、この減速小歯車4と減速大
歯車5とを互いに噛合させている。この減速大歯車5
は、上記ケーシング1の後部(図1の左部)内側に、回
転のみ自在に支持されている。又、上記ピニオン軸2の
中間部前後2個所位置は、前後1対の円錐ころ軸受6
a、6bにより、上記ケーシング1に対して回転自在に
支持している。
【0003】これら各円錐ころ軸受6a、6bは、それ
ぞれ1個ずつの外輪7a、7b及び内輪8a、8bと、
それぞれ複数個ずつの円錐ころ9a、9bとから構成さ
れている。外輪7a、7bの内周面には円錐凹面状の外
輪軌道10a、10bが、内輪8a、8bの外周面には
円錐凸面状の内輪軌道11a、11bが、それぞれ形成
されている。上記外輪7a、7bは上記ケーシング1の
一部に内嵌固定し、上記内輪8a、8bは上記ピニオン
軸2の中間部前後2個所位置に外嵌固定している。
【0004】図2は、この様なデファレンシャルギヤの
ピニオン軸2(図1)を支持する為の円錐ころ軸受6a
(6bも同様)を取り出して示している。従来のデファ
レンシャルギヤに組み込まれている円錐ころ軸受6a
は、上記外輪軌道10aが外輪7aの中心軸に対し傾斜
している角度である接触角αが20度前後であり、円錐
ころ9aの大径側端部の直径Da と円錐ころ9aの長さ
Lとの比Da /Lが0.4〜0.9であり、ころ数係数
kが1.1〜1.3程度であった。又、内輪8aの内径
に就いては、自動車の種類により、又、装着位置の前後
により相違するが、本発明の対象となる円錐ころ軸受の
場合には、凡そ55mm以下である。
【0005】尚、上記ころ数係数kとは、外輪軌道10
a(10b)と内輪軌道11a(11b)との間に円錐
ころ9a(9b)が詰まっている程度を表すべく、ピッ
チ円上に等間隔に並んだ円錐ころ9a(9b)の中心同
士を結んだ距離に対する円錐ころ9a(9b)の大径側
端部の直径Da の比率の逆数であり、次式で表される。 k=(dm /Da )・sin (180°/z) 尚、この式中、dm は複数の円錐ころ9a(9b)のピ
ッチ円の(大径側端部での)直径を、zは円錐ころ9a
(9b)の数を、それぞれ表している。k=1とは、円
錐ころ9a(9b)が隙間なく詰っている状態を示し、
kの値が大きくなる程、円錐ころ9a(9b)の数が少
なくなる。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】上述の様に構成される
従来のデファレンシャルギヤのピニオン軸支持用円錐こ
ろ軸受の場合、疲れ寿命、軸受剛性等、デファレンシャ
ルギヤに組み込まれる円錐ころ軸受に要求される最低限
の性能は十分に満たしているが、回転トルクが必ずしも
十分に小さいとは言えなかった。近年、自動車の省燃費
化に対する要求が強くなっており、上記円錐ころ軸受に
関しても、動力の伝達ロスを低く抑えるべく、回転トル
クをより小さくする事を要求される様になっている。但
し、回転トルクを小さくする事で疲れ寿命や軸受剛性が
低下し過ぎる事は好ましくない。本発明はこの様な事情
に鑑みて、疲れ寿命及び軸受剛性を確保しつつ、回転ト
ルクの小さいデファレンシャルギヤのピニオン軸支持用
円錐ころ軸受を得るべく考えたものである。
【0007】
【発明に至る過程】円錐ころ軸受の疲れ寿命、軸受剛
性、回転トルクに影響する要素として、次の〜に示
した4通りの要素が考えられる。 ころ数係数k 円錐ころの大径側端部の直径Da 円錐ころの大径側端部の直径Da と円錐ころの長さ
Lとの比Da /L 接触角α
【0008】そこで、これら〜の各要素が、上記疲
れ寿命、軸受剛性(アキシャル剛性及びラジアル剛
性)、回転トルク(低トルク性)に及ぼす影響に就いて
考察し、その結果を次の表1に示した。この表1中の矢
印は、当該要素が当該性能に及ぼす影響を示しており、
上向きの矢印は、当該要素の値が大きくなる程当該性能
が向上(疲れ寿命が長く、軸受剛性が高く、回転トルク
が低くなって低トルク性が向上)する事を表している。
反対に、下向きの矢印は、当該要素の値が大きくなる程
当該性能が低下(疲れ寿命が短く、軸受剛性が低く、回
転トルクが高くなって低トルク性が低下)する事を表し
ている。更に、この表中の最右欄に記載した数値は、デ
ファレンシャルギヤのピニオン軸支持用円錐ころ軸受と
して、採用可能な値の範囲を示している。ころ数係数k
及び比Da /Lは無次元、直径Da の単位はmm、接触角
αの単位は度(°)である。尚、デファレンシャルギヤ
用の円錐ころ軸受には、使用時にアキシャル方向の荷重
とラジアル方向の荷重とが加わる。次の表1は、これら
両方向の荷重の大きさが同じであるとして作成した。
【0009】
【表1】
【0010】この表1の記載から明らかな様に、ころ数
係数k、比Da /L、直径Da 、接触角αを単純に変化
させる事により、円錐ころ軸受の疲れ寿命、軸受剛性、
回転トルクに関する性能を同時に向上させる事はできな
い。そこで本発明者は、多くの実験を行なって、実用上
十分な疲れ寿命と軸受剛性とを確保し、しかも回転トル
クを低減できるデファレンシャルギヤのピニオン軸支持
用円錐ころ軸受を発明した。
【0011】
【課題を解決するための手段】本発明のデファレンシャ
ルギヤのピニオン軸支持用円錐ころ軸受は、従来から知
られているデファレンシャルギヤのピニオン軸支持用円
錐ころ軸受と同様に、前端部をプロペラシャフトの後端
部に連結自在とし、後端部に減速大歯車と噛合する減速
小歯車を固定したピニオン軸の中間部前後2個所位置を
ケーシングに対して回転自在に支持する。
【0012】特に、本発明のデファレンシャルギヤのピ
ニオン軸支持用円錐ころ軸受に於いては、接触角αが2
2〜28度であり、円錐ころの大径側端部の直径Da
円錐ころの長さLとの比Da /Lが0.51〜1.0で
あり、複数の円錐ころのピッチ円の直径をdm とし、円
錐ころの数をzとした場合に、k=(dm /Da )・si
n (180°/z)で表されるころ数係数kが1.16
〜1.32である。
【0013】
【作用】上述の様に構成される本発明のデファレンシャ
ルギヤのピニオン軸支持用円錐ころ軸受の場合には、実
用上十分な疲れ寿命及び軸受剛性を確保しつつ、回転ト
ルクを低減できる。従って、デファレンシャルギヤに要
求される性能を確保しつつ、このデファレンシャルギヤ
部分での動力損失を低減して、自動車の省燃費化に寄与
できる。
【0014】尚、接触角αを26〜28度の範囲に規制
すると同時に比Da /Lを0.7〜1.0の範囲に規制
すれば、上記回転トルクの低減効果がより向上する。
又、接触角αを22〜24度の範囲に規制すると同時に
比Da /Lを0.51〜0.8の範囲に規制すれば、接
触角αを26〜28度の範囲に規制した場合に比べて回
転トルクの低減効果は小さいが、ラジアル剛性を十分に
確保できる。接触角αを24〜26度の範囲に規制すれ
ば、中間の特性を得られる。更に、各円錐ころの大径側
端面と、内輪の大径側外周面に形成された鍔部の片面で
上記大径側端面が摺接する面との表面粗さを、何れも
0.1μRa以下に規制すれば、より回転トルクの低減
を図れると同時に、耐焼き付き性の向上も図れる。
【0015】
【実施例】本発明の効果を確認する為に、本発明者が行
なった実験の一部に就いて説明する。次の表2及び表3
は、この実験に使用した6種類の円錐ころ軸受の諸元を
示している。このうちのA〜Cの3種類の円錐ころ軸受
は、ピニオン軸2(図1)の中間部前側(図1の右側)
を支持する、比較的小径のものを、D〜Fの3種類の円
錐ころ軸受は、同じく中間部後側(図1の左側)を支持
する、比較的大径のものを、それぞれ示している。又、
A、Dの2種類の円錐ころ軸受は、従来からデファレン
シャルギヤに組み込まれていたものを、B、C、E、F
の4種類の円錐ころ軸受は、本発明に属するものを、そ
れぞれ示している。尚、実験に使用した円錐ころ軸受
は、外輪、内輪、円錐ころの何れの部材も、高炭素クロ
ム軸受鋼であるSUJ 2(JIS G 4805)を
使用した。但し、これら各部材は、クロム鋼であるSC
r 420H、SCr 430H、SCr 440H
(JIS G 4052)、中炭素モリブデン鋼、中炭
素クロムマンガン鋼により構成する事もできる。又、構
成各部材の材料は、必ずしも同一である必要はなく、各
部材ごとに異種材料を組み合わせ使用する事もできる。
【0016】
【表2】
【表3】
【0017】これら表2及び表3に示した6種類の円錐
ころ軸受を含む多数の円錐ころ軸受に就いて、図3に示
す様な実験装置を使用して、疲れ寿命、軸受剛性、回転
トルクを測定した。円錐ころ軸受6a(又は6b)の内
輪8a(又は8b)を外嵌固定したホルダ12は、駆動
軸13の上端部にテーパ嵌合して、この駆動軸13によ
り回転駆動される。又、外輪7a(又は7b)は外側ホ
ルダ14を介してハウジング15の内側に内嵌固定して
いる。このハウジング15内には、給油孔16を通じて
所定の潤滑油を供給自在としている。又、上記ハウジン
グ15の上面には、静圧パッド17を介して、所定のア
キシャル荷重を付与自在としている。更に、上記ハウジ
ング15の外周面に固定した腕片18の先端部と図示し
ない固定の部分との間にはロードセル19を設けて、上
記駆動軸13の回転時に上記ハウジング15に加わる動
トルク(=円錐ころ軸受6a(又は6b)の回転トル
ク)を測定自在としている。尚、動トルクを低減させる
目的は、前述した様に省燃費化を図る為である。従っ
て、省燃費化の面からは影響の少ないラジアル荷重は、
動トルク測定時に付与しなかった。即ち、デファレンシ
ャルギヤの運転時には、スラスト荷重は常に加わったま
まとなるが、大きなラジアル荷重が加わるのは、急加減
速時等、限られた場合であり、運転時間全体に占める割
合は少ない。従って、ラジアル荷重による動トルクの変
化が燃費性能に及ぼす影響はスラスト荷重に比べて小さ
い。そこで、動トルク測定の実験時に付与する荷重は、
スラスト荷重のみとした。
【0018】第一の実験結果として、先ず円錐ころ軸受
の内径dと組幅W(図2参照)との積と、この円錐ころ
軸受の動トルク(=回転トルク)との関係を、図4に示
す。この図4は、横軸に上記内径dと組幅Wとの積を、
縦軸に上記駆動軸13(図3)を3000r.p.m.で回転
させた場合に於ける円錐ころ軸受の動トルクを、それぞ
れ表している。又、丸で囲んだA〜Fの符号は、前記表
2及び表3の左端欄に対応する。尚、上記積が小さい
程、当該円錐ころ軸受が小型である事を表している。こ
の図4の記載から明らかな通り、本発明のデファレンシ
ャルギヤのピニオン軸支持用円錐ころ軸受は、大きさが
同じ場合には、従来品に比べて動トルクが小さい。
【0019】次に、図5は、A〜Fの各円錐ころ軸受に
就いて、回転速度と動トルクとの関係を求める為に行な
った実験の結果を示している。実験は#90で油温が8
0℃のギヤオイルを600cc/minの割合で供給し、30
0kgf のアキシャル荷重を付与しつつ行なった。この図
5のうち(A)はピニオン軸2の中間部前側を支持する
比較的小径の円錐ころ軸受に就いての実験結果を、
(B)は同じく中間部後側を支持する比較的大径の円錐
ころ軸受に就いての実験結果を、それぞれ示している。
この図5からも、本発明のデファレンシャルギヤのピニ
オン軸支持用円錐ころ軸受が、従来品に比べて動トルク
が小さい事が分る。
【0020】上述の様に、本発明の円錐ころ軸受は、接
触角αと、円錐ころの大径側端部の直径Da と円錐ころ
の長さLとの比Da /Lと、ころ数係数kとを規制する
事により動トルクを小さく抑えられる。この動トルクを
更に低減すると共に、極端な潤滑不良の場合にも焼き付
きが生じない様にすべく、耐焼き付き性を向上させる為
には、各円錐ころの大径側端面と、内輪の大径側外周面
に形成された鍔部の片面で上記大径側端面が摺接する面
との表面粗さを、何れも0.1μRa以下に規制する事
が効果がある。これら両面の表面粗さを規制する事によ
る効果を知る為に行なった実験の結果に就いて、図6〜
7により説明する。
【0021】先ず、上記表面粗さが動トルクに及ぼす影
響に就いての実験は、前記表2及び表3中、Bに対応す
る諸元を有する円錐ころ軸受を使用して、#90で油温
が80℃のギヤオイルを600cc/minの割合で供給し、
900kgf のアキシャル荷重を付与しつつ行なった。先
ず、回転速度と動トルクとの関係を示す図6で、破線イ
は上記両面の表面粗さを0.3μRaとした比較例に就
いての実験結果を、実線ロは上記両面の表面粗さを0.
1μRaとしたものに就いての実験結果を、それぞれ表
している。この図6から明らかな通り、上記両面の表面
粗さを何れも0.1μRa以下に規制する事で、実用回
転域での動トルクを大幅に低減できる。尚、前記図4〜
5にその結果を示した実験では、上記両面の粗さを何れ
も0.1μRa以下に規制して行なった。
【0022】次に、図7は、上記両面の表面粗さが耐焼
き付き性に及ぼす影響に就いて示している。耐焼き付き
性に就いての実験は、試験すべき円錐ころ軸受に、#9
0のギヤオイルを0.2cc付着させ、1000kgf のア
キシャル荷重を加えつつ4000r.p.m.で回転させて、
焼き付きが発生するまでの時間を測定する事で行なっ
た。この実験の結果を示す図7で、縦軸は焼き付き発生
までの時間(秒)を、横軸は上記両面の2乗平均粗さ
[={(円錐ころの大径側端面の表面粗さ)2 +(鍔部
の片面で上記大径側端面が摺接する面の表面粗さ)2
1/2 ]を、それぞれ表している。この図7に記載した複
数の点のうち、3個の▲印は上記両面の表面粗さを何れ
も0.1μRa以下に規制した円錐ころ軸受に関する実
験結果を、残りの○印は上記両面の表面粗さがこれより
も粗い円錐ころ軸受に関する実験結果を、それぞれ表し
ている。これら図6〜7の記載から明らかな通り、上記
両面の表面粗さを何れも0.1μRa以下に規制する事
により、実用回転域での動トルクを大幅に低減すると同
時に耐焼き付き性を向上させる事ができる。
【0023】上述した様に、本発明のデファレンシャル
ギヤのピニオン軸支持用円錐ころ軸受は、従来から知ら
れているデファレンシャルギヤのピニオン軸支持用円錐
ころ軸受に比べて動トルクを低減する事ができるが、疲
れ寿命及び軸受剛性に就いても、実用上十分な値を確保
できる。これら疲れ寿命及び軸受剛性に就いては、前記
表2及び表3に記載した様な軸受諸元が分れば、計算に
より求める事ができる。
【0024】図8は、前記表2及び表3に記載されたA
〜Fの6種類の円錐ころ軸受の疲れ寿命を計算により求
めた結果を示している。縦軸は、従来品であるA、D両
円錐ころ軸受の疲れ寿命を1とし、他の円錐ころ軸受の
寿命をこれらA、D両円錐ころ軸受の寿命に対する割合
として記載している。この図8から明らかな通り、本発
明のデファレンシャルギヤのピニオン軸支持用円錐ころ
軸受は、従来品とほぼ同等の疲れ寿命を確保できる。
【0025】次に、図9は前記表2及び表3に記載され
たA〜Fの6種類の円錐ころ軸受を、AとDとの組み合
わせ、BとEとの組み合わせ、CとFとの組み合わせ
で、それぞれピニオン軸2(図1)の中間部前後2個所
位置に装着し、このピニオン軸2を回転自在に支持した
状態での、アキシャル軸受剛性を計算により求めた結果
を示している。縦軸は、従来品であるA、D両円錐ころ
軸受によりピニオン軸2を支持した場合のアキシャル軸
受剛性(変位量)を1とし、他の円錐ころ軸受を組み合
わせた場合のアキシャル軸受剛性をこれらA、D両円錐
ころ軸受を組み合わせた場合のアキシャル軸受剛性に対
する割合として記載している。尚、縦軸の値は、所定の
アキシャル荷重を付与した場合に於ける変位量の比とし
て表しているので、数値が低い程軸受剛性は高い。この
図9から明らかな通り、本発明のデファレンシャルギヤ
のピニオン軸支持用円錐ころ軸受によりピニオン軸2を
支持した場合には、従来の場合と同等若しくはそれ以上
のアキシャル軸受剛性を得られる。
【0026】次に、図10は、図9と同様の条件で、ラ
ジアル軸受剛性を計算した結果を示している。上記図9
の場合と同様に、縦軸の値は所定のラジアル荷重を付与
した場合に於ける変位量の比として表しているので、数
値が低い程軸受剛性は高い。この図10から明らかな通
り、本発明のデファレンシャルギヤのピニオン軸支持用
円錐ころ軸受によりピニオン軸2を支持した場合には、
従来の場合よりもラジアル軸受剛性が低くなる。従っ
て、B、E両円錐ころ軸受を組み合わせた場合には、従
来のA、D両円錐ころ軸受を組み合わせた場合と同様
に、高出力エンジン搭載車のデファレンシャルギヤに実
施できるが、C、F両円錐ころ軸受を組み合わせた場合
には、出力の小さなエンジンを搭載した自動車のデファ
レンシャルギヤに実施できる。
【0027】以上に説明した各実験を含む前記多くの実
験の結果を考慮する事により、本発明者は、接触角を2
2〜28度の範囲に、円錐ころ軸受を構成する円錐ころ
の大径側端部の直径Da とこの円錐ころの長さLとの比
a /Lを0.51〜1.0の範囲に、ころ数係数kを
1.16〜1.32の範囲に、それぞれ規制した、特有
の構造を持つ円錐ころ軸受が、デファレンシャルギヤの
ピニオン軸を支持する為の円錐ころ軸受として特に有用
な作用・効果を得られると考えるに至った。そこで、次
の表4のG1〜G8に表した様に、上記3種類(前記
)の限定要素に関し、それぞれ上記した上限値と下
限値とを組み合わせた8種類の試料に就いて、デファレ
ンシャルギヤのピニオン軸を支持する為の円錐ころ軸受
に必要な性能を測定したところ、十分な性能を得られる
事が分った。
【0028】
【表4】
【0029】上述の説明及び上記表4の記載から、本発
明の範囲は、この表4のG1〜G8で表される8個の点
をその頂点とする平行6面体(例えば直方体乃至は立方
体)の内側で表される事が分る。又、これらG1〜G8
で規定した8種類の試料に就いて、各円錐ころの大径側
端面と、内輪の大径側外周面に形成された鍔部の片面で
上記大径側端面が摺接する面との表面粗さを、何れも
0.1μRa以下に規制すれば、前記B、C、E、Fと
同様に、良好な結果を得られる事も分った。
【0030】
【発明の効果】本発明のデファレンシャルギヤのピニオ
ン軸支持用円錐ころ軸受は、以上に述べた通り構成され
作用するので、デファレンシャルギヤに要求される性能
を確保しつつ、このデファレンシャルギヤ部分での動力
損失を低減して、自動車の省燃費化に寄与できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】デファレンシャルギヤの1例を示す縦断側面
図。
【図2】円錐ころ軸受の1例を示す半部断面図。
【図3】実験装置の縦断面図。
【図4】円錐ころ軸受の大きさと動トルクとの関係を示
す図。
【図5】回転速度と動トルクとの関係を示す線図。
【図6】摺接面の表面粗さが動トルクに及ぼす影響を示
す、回転速度と動トルクとの関係を示す線図。
【図7】摺接面の表面粗さが耐焼き付き性に及ぼす影響
を示す線図。
【図8】疲れ寿命の比を示すグラフ。
【図9】アキシャル軸受剛性の比を示すグラフ。
【図10】ラジアル軸受剛性の比を示すグラフ。
【符号の説明】
1 ケーシング 2 ピニオン軸 3 結合フランジ 4 減速小歯車 5 減速大歯車 6a、6b 円錐ころ軸受 7a、7b 外輪 8a、8b 内輪 9a、9b 円錐ころ 10a、10b 外輪軌道 11a、11b 内輪軌道 12 ホルダ 13 駆動軸 14 外側ホルダ 15 ハウジング 16 給油孔 17 静圧パッド 18 腕片 19 ロードセル

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 前端部をプロペラシャフトの後端部に連
    結自在とし、後端部に減速大歯車と噛合する減速小歯車
    を固定したピニオン軸の中間部前後2個所位置をケーシ
    ングに対して回転自在に支持するデファレンシャルギヤ
    のピニオン軸支持用円錐ころ軸受に於いて、接触角αが
    22〜28度であり、円錐ころの大径側端部の直径Da
    と円錐ころの長さLとの比Da /Lが0.51〜1.0
    であり、複数の円錐ころのピッチ円の直径をdm とし、
    円錐ころの数をzとした場合に、k=(dm /Da )・
    sin (180°/z)で表されるころ数係数kが1.1
    6〜1.32である事を特徴とするデファレンシャルギ
    ヤのピニオン軸支持用円錐ころ軸受。
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