JP2005076674A - 自動車トランスミッション用円錐ころ軸受 - Google Patents

Abstract

【課題】過酷潤滑条件下で予圧抜けが発生しても極短時間での表面起点剥離を発生させない自動車トランスミッション用円錐ころ軸受を提供すること。
を提供する。
【解決手段】 予圧抜けが発生した状態での軌道面最大面圧を３０００ＭＰａ未満とした。
【選択図】図２

Description

本発明は自動車のトランスミッションの軸支持部に使用される円錐ころ軸受に関する。

自動車トランスミッションの軸支持部には円錐ころ軸受が使用されている。この円錐ころ軸受は例えば図１に示すように円錐状の軌道面１を有する外輪２と、円錐状の軌道面３を有しこの軌道面３の大径側に大鍔面４、小径側に小鍔面５が設けられた内輪６と、外輪２と内輪６の各軌道面１、３の間に転動自在に配列された複数の円錐ころ７と、円錐ころ７を所定の円周方向等配位置に保持する保持器８とで構成される。内輪６の大鍔面４と小鍔面５間との間の距離は、円錐ころ７の長さよりもわずかに長く設計されている。

前記円錐ころ７は、外輪２と内輪６の各軌道面１、３と線接触し、円錐ころ７および各軌道面１、３の各円錐角頂点が、円錐ころ軸受の中心線上の一点Ｏで一致するように設計されている。これにより、円錐ころ７は各軌道面１、３に沿って転がり運動をすることができる仕組みである。

円錐ころ軸受では各軌道面１、３の円錐角が異なるので、各軌道面１、３から円錐ころ７に加わる荷重の合力が円錐ころ７を前記内輪６の大鍔面４側に押す方向に作用する。従って、円錐ころ７は、軸受使用時に大端面９が大鍔面４に押し付けられて案内され、大端面９と大鍔面４とはすべり接触することになる。一方、前記内輪６の大鍔面４と小鍔面５間の距離は円錐ころ７の長さよりもわずかに長く設計されているので、図１（ｂ）に拡大して示すように、小鍔面５は円錐ころ７の小端面１０とは接触せず、両者の間にはわずかな隙間が存在する。なお、小鍔面５は円錐ころ７の小端面１０に対して外側にやや傾斜した面で形成される。

円錐ころ軸受は、その使用中の円錐ころ７の軸方向移動を防止し、円錐ころ７を外輪及び内輪６の各軌道面１、３と安定して線接触させるために、軸方向の予圧が負荷される。 しかし、使用によって円錐ころ７の大端面９と大鍔面４との間の金属接触、及び円錐ころ７のスキュー時における大端面９のエッジ部と大鍔面４との接触による、いわゆる鍔かじりの発生等により、前記の予圧が次第に低下する、いわゆる予圧抜け現象が発生する。
予圧と軸受寿命の関係は、適当な大きさの予圧（アキシャルすき間が負の領域）が有る場合は、寿命比（Ｌ／Ｌ₀ ）（Ｌは、すき間・予圧を考慮した寿命、Ｌ₀ はすき間０の場合の寿命）が１以上となるが、アキシャルすき間がゼロから正の領域に入ると予圧抜けが発生し、寿命比は次第に低下する。

（エッジ応力の抑制）
従来の自動車トランスミッション用円錐ころ軸受は、内外輪の相対傾き角（ミスアライメント）などの取付け誤差等を考慮し、最大荷重条件下でも取付け誤差等によって発生するエッジ応力による寿命低下を防ぐため、ある程度の取付け誤差が生じても大きなエッジ応力が発生しないように、軌道面１または３或いは円錐ころの外周面にクラウニングを形成するか、或いは軸受内部設計（ころの太さ、長さ、本数）によってエッジ応力を抑制している。大きなクラウニングほどエッジ応力の抑制に効果的であるが、クラウニングが増大（曲率半径の減少）すると円錐ころと軌道面との接触面積が減少して最大面圧が増大するので、中庸的な値が選択されている。従来のクラウニングの大きさの設計は、エッジ応力の上限値をまず最初に定め、所定の計算式で当該上限値から逆算する方法でクラウニングの大きさを決定しているといえる。

（表面起点剥離）
一方、自動車トランスミッションには、近年、ミッションのＡＴ化、ＣＶＴ化、低燃費化等のため、低粘度の油が使われる傾向にあるが、低粘度オイルが使用される環境化では、（１）油温度が高い（２）油の流量が少ない（３）予圧抜けが発生する等の悪条件が重なると、高面圧の内輪軌道面での潤滑不良（油膜切れ）に起因した非常に短寿命の表面起点剥離が生じることがある。

円錐ころ軸受の寿命増大に関する従来技術は、いずれもクラウニングを中心とした形状等に関連するものばかりであり、最大面圧の絶対値に関する検討は特になされていない（特許文献１〜４参照）。
特開２０００−２３５７４９号 実開平５−２２８４５号 実用新案登録第２５５４８８２号 特開２００１−３９４１号

表面起点剥離の発生率は、本願発明者の実験によると、エッジ応力の如何によるのではなく、クラウニング形状や軸受内部設計の違いによる最大面圧如何によることが判明した。

しかるに、従来のクラウニングや軸受内部の設計にあたっては、エッジ応力による寿命低下防止を第１目的として面圧分布が均一になるような設計のみがなされているため、軌道面最大面圧による表面起点剥離の問題が未解決のままとなっていた。

潤滑不良に起因する非常に短寿命の表面起点剥離は、過酷潤滑条件下で予圧抜けが発生した場合に発生する。これは予圧抜けにより軸受内の負荷分布が小さく（負荷域が狭く）なるためであるが、本願発明者は以下に述べるように、短寿命表面起点剥離が発生する際の最大面圧の閾値が３０００ＭＰａであることを実験により見出し、本発明に至ったものである。

表１は、軸受内部設計によりころの長さ、太さ、本数を異ならせることにより最大面圧を種々異ならせた５種類の軸受Ａ〜Ｅ各９個を使用して予圧抜けにより短寿命剥離する個数を調べた。中央から左側欄がアキシアル隙間０ｍｍでぎりぎり予圧有りの状態、右側がアキシアル隙間０．３ｍｍで完全に予圧抜けした状態での結果を示す。軸受Ｅは軸受Ｂと同じ軸受内部設計であるが、クラウニング形状を軸受Ｂよりも極端に浅く（曲率半径を大きく）した。

図２から分かるように、最大面圧が３０００ＭＰａ以上になると短寿命剥離（寿命１５時間以下）が急に発生し、３０００ＭＰａ以上は面圧が大きくなるほど短寿命剥離する軸受個数が増大することが分かる。また、短寿命剥離が発生しない場合の寿命時間は、短寿命剥離する場合の平均１５時間の１０倍以上であることも確認された。
なお、図２の試験の条件は、軸受Ａ〜Ｅのサイズ：φ４５×φ８１×１６、材質：浸炭鋼、回転数：２５００ｒｐｍ．、負荷荷重：１９．１ｋＮである。

一方、エッジ応力による寿命は、図２の軸受Ｅに示すようにクラウニングが浅いと取付け誤差の増大により急低下するが（２００→４０→２０）、軸受Ｂはある程度クラウニングの深さがあるので軸受Ｅほど寿命が低下しない（２００→１２１→３９）。そして取付け誤差３／１０００以下では、軸受Ｂと軸受Ｅは図２の表面起点剥離の短寿命（１５時間）よりも寿命が長い（エッジ応力による寿命低下は計算も可能である）。
なお、図２と図３の試験で使用した潤滑条件は、油種：ＶＧ１．５グレード、油温：約９０℃（自然昇温）、油量：軸芯レベルである。

尚、図１、２に示した試験は試験での不具合再現性を高めるため油膜パラメータΛ＝０．２の条件で試験を実施しているが、表３に示す通り、Λ＜０．６で短寿命剥離が発生している。

即ち、Λ＜０．６となる過酷潤滑条件下では、荷重負荷や温度上昇による予圧抜けを想定した状態での軌道面最大面圧が３０００ＭＰａ未満となるクラウニング、或いは内部設計とすることにより、潤滑不良に起因する短寿命での表面起点剥離の発生を防止することが可能である。

なお、この試験は潤滑不良の程度を表すパラメータとして油膜パラメータで整理し、充分な潤滑油量のある条件下で試験確認を行ったが、他方、潤滑油量が少なくなると計算上の油膜パラメータは０．６以上あってもこのような破損が発生することを確認した。これは潤滑油量の不足により、局部的に油膜切れが発生するためであると考えられる。実際、トランスミッションに使用される内径φ２０〜φ４５程度の円すいころ軸受では、潤滑油供給量が１００ｍｌ／ｍｉｎ程度以下になると潤滑不良に起因する不具合が発生しやすくなることが分かっている。このため、潤滑油供給量が１００ｍｌ／ｍｉｎ程度以下になる潤滑不良の場合も、Ａ≦０．６と同様に扱う必要があると考えられる。油膜厚さは潤滑油の動粘度に比例して大きくなることが知られているが（油膜厚さは回転速度にも比例して大きくなる）、自動車トランスミッションに使用される円すいころ軸受で例えば油膜パラメータΛ≦０．６であれば、運転時の潤滑油の動粘度は１Ｏｃｓｔ程度以下に相当し、近年のミッションのＡＴ化、ＣＶＴ化、低燃費化等のため採用される低粘度の油に十分対応することができる。

本発明は、以上の見地から、過酷潤滑条件下で予圧抜けが発生しても、短寿命での剥離を発生させないよう、エッジ応力による疲労寿命低下と、潤滑不良に起因する非常に短寿命での表面起点剥離（最大面圧の大きさが影響）の寿命時間のバランスを考慮し、極短時間での破損発生を防止できるクラニング或いは軸受内部設計とした軸受を提供しようとするものである。

本発明は、予圧抜けが発生した状態での軌道面最大面圧を３０００ＭＰａ未満とした自動車トランスミッション用円錐ころ軸受に係るものである。

本発明は、自動車トランスミッション用円錐ころ軸受の軌道面最大面圧を３０００ＭＰａ未満としたから、油膜パラメータが０．６未満ないし潤滑油供給量が１００ｍｌ／ｍｉｎ未満となる過酷潤滑条件下で予圧抜けが発生しても、短寿命の表面起点剥離を防止することが出来る。油膜パラメータが０．６未満である条件下で使用される請求項１記載の円錐ころ軸受。

本発明の自動車トランスミッション用円錐ころ軸受は、予圧抜けが発生した状態でも軌道面最大面圧が３０００ＭＰａ以上とはならないようにしている。従来のクラウニングの設計方法ではまずエッジ応力を抑制することが第1目的であったが、軌道面最大面圧が３０００ＭＰａを越える場合は、ミスアライメントでエッジ応力が増大して剥離寿命が到来するよりも先に軌道面最大面圧による表面起点剥離が発生するので、結局、従来のクラウニングの設計方法では軸受寿命が比較的短くなってしまう。従って、自動車トランスミッション用円錐ころ軸受では予圧抜けが発生しても軌道面最大面圧を３０００ＭＰａ未満とする設計がよい。具体的には、負荷荷重の条件から、予圧抜け状態で最大面圧３０００ＭＰａ未満となるように、図１の軌道面１または３或いは円錐ころ７の外周面に所定形状のクラウニングを形成するか、或いは軸受内部設計（ころの太さ、長さ、本数）を行う。

（ａ）は円錐ころ軸受の断面図、（ｂ）は円錐ころの拡大図。 予圧抜けによる短寿命剥離試験の結果を示す図。 ミスアライメントによる短寿命剥離試験の結果を示す図。 油膜パラメータの違いによる短寿命剥離試験の結果を示す図。

符号の説明

１ 軌道面
２ 外輪
３ 軌道面
４ 大鍔面
５ 小鍔面
６ 内輪
７ 円錐ころ
８ 保持器
９ 大端面
１０ 小端面

Claims (1)

1. 予圧抜けが発生した状態での軌道面最大面圧を３０００ＭＰａ未満としたことを特徴とする自動車トランスミッション用円錐ころ軸受。