JP2005180501A - ころ軸受およびこれを備えた動力伝達装置 - Google Patents

Abstract

【課題】軸方向の潤滑油流れを円滑にするため、保持器の外径面とこれの外側に配置される外側環状部材の内径面との間のすきまの大きさを容易に設定可能とする。
【解決手段】保持器７の外径面とこれの外側に配置される外側環状部材（遊星歯車）３の内径面との間のすきまを、保持器の外径をＤ２、遊星歯車の内径をＤ１、（Ｄ１−Ｄ２）／Ｄ２×１００（％）で表される曲率比をＲとして曲率比Ｒ＝２．５〜４．０（％）を満たすように、設定した構成。
【選択図】図４

Description

本発明は、ころ軸受およびこれを備えた動力伝達装置に関する。

ころ軸受として例えば特許文献１に開示されるものがある。このころ軸受は、変速機用のものであり、保持器の案内形式を内径案内とし、変速用の歯車の内径と保持器の外径とのすきまをころ径の１５〜２０％に設定したことにより、潤滑油膜が軸方向に通過しやすい構造としたものである。
特開平１１−３３６７７０号

上記ころ軸受の構造では、上記すきまの設定を変速用の歯車の内径と保持器の外径ところ径との三者間の対応により行うものであるから、当該すきまの設定が必ずしも容易ではないという課題があった。

このようなころ軸受を遊星歯車式等の動力伝達装置において遊星転動体とこれに挿入される支持軸との間に介装して用いる場合、ころ軸受の寿命向上が要求されており、上記すきまの設定は重要である。

本発明によるころ軸受は、保持器の外径面とこれの外側に配置される外側環状部材の内径面との間のすきまを、保持器の外径をＤ２、外側環状部材の内径をＤ１、（Ｄ１−Ｄ２）／Ｄ２×１００（％）で表される曲率比をＲとして曲率比Ｒ＝２．５〜４．０（％）を満たすように、設定したことを特徴とする。

本発明によると、上記設定としたことにより外側環状部材内径面と保持器外径面と間のすきまの大きさを潤滑油膜が軸方向に通過しやすく確保できるものとなる。この場合の設定は、ころ軸受のころ径を考慮する必要がなくなり、保持器外径と外側環状部材内径との二者だけを考慮するだけで済み、その設定を容易に行うことができる。また、そのすきまを従来よりも大きくできる。

一般に、外輪と太陽軸との間に複数の遊星転動体を介装し、これら複数の遊星転動体それぞれの中心孔にころ軸受を介して支持軸をそれぞれ挿入してなる遊星式動力伝達装置において、ころ軸受の保持器の外側に配置される外側環状部材である遊星転動体には太陽軸周りの公転運動により大きな遠心力が作用する。そのため、このような動力伝達装置の遊星転動体と当該ころ軸受の内径側に配置される支持軸との間を潤滑油が流出して貧潤滑もしくは無潤滑になりやすい。

本発明では、このような状況において当該遊星転動体内径と保持器外径の２つの要素に基づいて上記曲率比に設定して遊星転動体内径面と保持器外周面との間のすきまの大きさを決めてころ軸受の軸受耐久寿命を延長することができる。

この理由としては、上記すきまを従来のころ軸受の場合に比べて大きくしていることから、外側環状部材である遊星転動体が回転しているときの遠心力により潤滑油が外輪内径面にはりついたような状態になっても、保持器が潤滑油の流れを遮断してしまうことなくすきまに入り込み、軸受部分への潤滑油の供給が円滑に行われるようになったためであると考えられる。

すきまの大きさを外側環状部材内径の２．５〜４．０％の範囲としたのは、この範囲を外れると保持器がころを抱きにくくなる等の理由によることと、上記範囲が最も軸受耐久寿命が延びたという実験結果に基づいている。

本発明の好ましい実施態様として、保持器における少なくとも外側環状部材内径面との接触部に、硬質膜もしくは軟質膜がコーティングされている。

このように、保持器に硬質膜もしくは軟質膜を施すことで、使用時にも保持器が保護されて、いっそう確実に軸受耐久寿命を延長することができる。

硬質膜として、ＤＬＣ膜、ＣｒＮ膜、およびＣｒ_２Ｎ膜等のクロム系の薄膜、ＴｉＮ膜、ＴｉＣ膜、およびＴｉＣＮ膜等のチタン系の薄膜等が含まれる。これら薄膜の一種、あるいは複数種の組み合わせで硬質膜を構成してもよい。この種の硬質膜の硬度は、上記保持器母材表面の硬化層より極めて高く、かつ、低摩擦係数であるので潤滑性に富んだものである。これら硬質膜の硬度等の調整は容易に可能である。

軟質膜として、Ａｇ膜、Ｃｕ膜等が用いられる。このような軟質膜であっても、保持器を保護するのに充分な効果を有し、硬質膜とした場合と同様に、軸受耐久寿命を延長することができる。

本発明の動力伝達装置は、外輪と太陽軸との間に複数の遊星転動体を介装し、各遊星転動体それぞれにころ軸受を介して支持軸をそれぞれ挿入した動力伝達装置であって、当該ころ軸受において、保持器の外径面と遊星転動体の内径面との間のすきまを、保持器の外径をＤ２、遊星転動体の内径をＤ１、（Ｄ１−Ｄ２）／Ｄ２×１００（％）で表される曲率比をＲとして曲率比Ｒ＝２．５〜４．０（％）を満たすように設定したことを特徴とする。

本発明のころ軸受では、保持器の外径を外側環状部材の内径に対して所定の曲率比に設定するだけで、潤滑油の流れを円滑としてころ軸受の寿命が延びるよう当該外側環状部材の内径面と保持器の外径面とのすきまを設定できる。

図１ないし図４を参照して、本発明の最良の実施形態を説明する。図１は、本発明のころ軸受を含む遊星式動力伝達装置の正面図、図２は、図１の装置の縦断側面図、図３は、図１の一部を拡大した正面図、図４は、本発明のころ軸受の保持器の半部の断面図で、保持器の表面部の拡大断面形状を併せて示している。図５は、図４の保持器の製造過程を示すための表面部の拡大断面図である。図には、遊星歯車式動力伝達装置を例に挙げている。本実施形態の動力伝達装置は、歯車結合により動力を伝達するものに適用して説明する。

図１ないし図４を参照して、本実施形態の遊星歯車式動力伝達装置は、歯車結合型で、太陽歯車１と、この太陽歯車１の外周側に間隔をおいて配置されたリング歯車２と、太陽歯車（太陽軸）１とリング歯車（外輪）２との間に当該歯車１，２と噛み合う状態で設けられた複数の遊星歯車（遊星転動体）３と、太陽歯車１の軸方向一方側に同軸に配置されたキャリア４とを備えている。

各遊星歯車３は、キャリア４に突設された支持軸５に回転自在に支持されている。遊星歯車３の内周面と、支持軸５の外周面との間に、保持器７と針状ころ８とからなる針状ころ軸受６が介装されている。

ここで、針状ころ軸受６からみて、遊星歯車３は、保持器７の外側に配置される外側環状部材となる。支持軸５は、保持器７の内側に配置される内側軸体として機能する。

これらの図では、針状ころ軸受６の保持器７として、プレスと溶接とにより造られる門型の保持器を示している。この保持器７は、針状ころ８を収容するポケット７１を、円周方向に所定間隔を置いて複数有しており、内周の軸方向中間個所に凹部７２が形成されている。保持器７は、遊星歯車３の内径面にガイドされるタイプである。

各ポケット７１の軸方向中間個所には、円周方向外側への広がり凹部７３が形成されている。円周方向に隣り合うポケット７１，７１間に柱部７４が形成され、各柱部７４は、軸方向両側の環状部７５間に渡されてこれらを一体にしている。保持器７の径方向高さ（肉厚）は、針状ころ８の径φの６０％以上の肉厚を有している。

かつ、遊星歯車３の内径面３ａと保持器７の外径面７０ａとの間のすきまδを（遊星歯車３の内径Ｄ１−保持器７の外径Ｄ２）／遊星歯車３の内径Ｄ１の式で規定される曲率比をＲとして、Ｒ＝２．５〜４．０％の範囲を満たす値に設定している。これは、換言すれば、遊星歯車３の内径面３ａと保持器７の外径面７０ａとの間のすきまδの大きさを、遊星歯車３の内径Ｄ１の２．５〜４．０％の範囲となるよう設定している、ということになる。

従来の針状ころ軸受において遊星歯車３の内径Ｄ１と保持器７の外径Ｄ２とで関係付けられる曲率比は、１．０％程度であったのに対し、本実施形態では、従来のそれよりも大きく２．５〜４．０％の範囲に設定していることになる。なお、保持器７の静的圧縮強度は少なくとも５００Ｎ（ニュートン）を有している。

保持器７の母材７ａは、鋼材としており、母材７ａの表面部のうち、少なくとも案内面となる外周面７ｂの一部を図４の一点鎖線円Ａに拡大して示すように、熱硬化処理による硬化層７ｃが形成されている。そして、硬化層７ｃの表面に、硬化層７ｃよりも高い硬度を有しかつ硬化層７ｃの層厚と比べて薄い膜厚のＤＬＣ膜（硬質膜）９が成膜されている。ＤＬＣとはダイヤモンドライクカーボンの通称である。

その詳細を、図４と、図５の（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）とを参照して、保持器７の製造工程の順に説明する。なお、保持器７の母材７ａには、主としてＳＰＣＤ等の炭素鋼、もしくはＳＣＭ４１５等の浸炭鋼が採用される。保持器７がもみ抜き型であるときは、母材７ａにＳＵＪ２等の軸受鋼を用いるとよい。

保持器７の母材７ａをプレスと溶接とにより円筒形状に成形する。その円筒にした母材７ａの表面を研磨する。母材７ａの外周表面に対して浸炭焼入れ焼戻しにより硬化層７ｃを形成する。硬化層７ｃの表面硬さをＨＶ４５０〜６００、好ましくはＨＶ４６０〜５６０に設定する。浸炭の場合、焼戻し温度を約３００℃の温度に設定することが好ましい。

硬化層７ｃの深さを０．１ｍｍ以上とする。この場合、母材７ａの芯部には未硬化の生材である母材７ａの硬度を有する部分を残すことで、外殻の硬度を高く内部をそれに比べて低い硬度として保持器７全体に所望の柔軟性を付与する。この柔軟性の付与という観点からすると、硬化層７ｃの深さを最大０．５ｍｍに設定することが好ましい。硬化層７ｃは上述の処理以外に浸炭窒化や窒化等の他の熱硬化処理により形成してもよい。

こうして形成した硬化層７ｃの表面には、通常、図４の（Ａ）で示すような変質層である酸化物層１０が生成される。硬化層７ｃの表面に酸化物層１０が残存した状態で当該酸化物層１０の表面に硬化膜７ｂを成膜しても、当該硬化膜７ｂが剥離しやすい。

そこで、本実施形態では、硬化層７ｃを形成した後に、ショットブラスト、サンドブラスト等の機械的な方法、もしくはエッチング等の化学的な方法により、酸化物層１１を除去し、図４の（Ｂ）に示すように、硬化層７ｃの表面（母材７ａの外周面７ｂでもある）から酸化物を除去して当該表面を清浄化する。この場合、酸化物層１１の除去の結果として、硬化層７ｃの表面部での酸素濃度が２ｐｐｍ以下になっていることが好ましい。

次に、酸化物を除去した硬化層７ｃの表面７ｂに対して研磨を行い、図４の（Ｃ）に示すように、硬化層７ｃの表面７ｂを平滑化する。その表面粗さを、最大高さＲy３以下に設定する。

清浄かつ平滑にした硬化層７ｃの表面７ｂに対して、硬質膜であるＤＬＣ膜９を成膜する。ＤＬＣ膜９の膜厚は、下地である硬化層７ｃの表面粗さ（Ｒy３以下）に対応して、２〜３μｍに設定する。ＤＬＣ膜９の表面粗さは、十点平均粗さＲz０．１以上で、１．０以下の範囲に収まればよい。

ＤＬＣ膜９は、ＰＶＤ処理法の中で例えばスパッタリング法により成膜することができる。ＤＬＣ膜９の成膜時の温度は、浸炭処理の焼戻し温度３００℃よりも低い温度、好ましくは２００℃以下とする必要がある。これは、ＤＬＣ膜９の成膜時の熱で、硬化層７ｃに硬度低下等の変質現象が起こらないようにするためである。

このほかＤＬＣ膜９の成膜を行うに際し、浸炭処理の焼戻し温度より低い温度であれば、ＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ法、イオンビーム形成法、イオン化蒸着法等、他の方法による成膜も、成膜方法は特に問わない。

硬質膜としては、ＤＬＣ膜９のほかに、ＣｒＮ膜等のクロム系の薄膜や、ＴｉＮ膜、ＴｉＣ膜等のチタン系の薄膜等がある。これらの膜の成膜方法も特に限定しない。その膜厚、表面粗さは、ＤＬＣ膜９と同様の値にする。また、成膜時の温度は３００℃より低い温度、好ましくは２００℃以下とする必要がある。これは上記と同様の理由からである。

このように、ＤＬＣ膜９の成膜を焼戻し温度３００℃より低い温度で行って硬化層７ｃに硬度低下等の変質現象を防止することで、保持器７はその環状部７５の圧縮強度として、例えば５００Ｎ以上となるよう管理して製造されることとなる。

例えば、遊星歯車３の内径面３ａと保持器７の外径面７０ａとのすきまδを、（遊星歯車３の内径Ｄ１−保持器７の外径Ｄ２）／遊星歯車３の内径Ｄ１、で規定される曲率比として、３．９％に設定し、保持器７の硬化層７ｃの表面に上記２〜３μｍのＤＬＣ膜９をコーティングした構成の針状ころ軸受６と、従来の、曲率比が１．０％程度の針状ころ軸受との軸受耐久寿命を比較する実験を行った結果、本実施形態では従来よりも軸受耐久寿命が４．５倍であった。

これは、保持器７の外周面と針状ころ８の外接円との間のすきまδが従来の針状ころ軸受のそれと比べて大きくなっているため、針状ころ軸受６が使用されている遊星歯車３が回転しているときの遠心力により潤滑油が遊星歯車３の内径面３ａに張り付いたような状態になっても、保持器７の潤滑油の流れを遮断してしまうことなく、潤滑油はすきまδに入り込むから、軸受部分への潤滑油の供給が円滑に行われるようになったためであると考えられる。

また、保持器７においては、ＤＬＣ膜９のコーティングを焼戻し温度３００℃より低い温度で行うことで硬化層７ｃに硬度低下等の変質現象を防止しているから、保持器７は、使用に耐え得る必要な圧縮強度を確保できている。

さらにＤＬＣ膜９の表面が、相手面に対する案内面となって、低い摩擦係数で相手面に接触することになり、摩耗、焼付きが防止できる。ＤＬＣ膜９は潤滑作用を有しており、その表面が相次いで案内面となるので、長期にわたって母材７ａの摩耗、焼付きを防止し、上記したすきまδの設定と併せて、保持器７の長寿命化を図ることができる。

なお、本発明の保持器７では、その製造にあたり、熱硬化処理により硬化層７ｃを形成するのに伴って硬化層７ｃの表面に生成された酸化物層１１を除去して、硬化層７ｃの清浄な表面にＤＬＣ膜９を成膜しているから、母材７ａとＤＬＣ膜９との密着性が良好で、ＤＬＣ膜９の剥離が生じにくい。また、母材７ａ表面が硬化層７ｃとなることで、その弾性定数がＤＬＣ膜９の弾性定数に近づいており、弾性定数の違いによる剥離が生じにくい。

このほか、ＤＬＣ膜９の下地となる、母材７ａの硬化層７ｃの表面７ｂが平滑化されているので、これに応じてＤＬＣ膜９の表面も平滑になり、ＤＬＣ膜９が案内面となった場合、すべり摩擦抵抗が小さい。

上記実施形態では、プレスと溶接により造られる門型の保持器７を示したが、本発明は、他のタイプの保持器、例えば、もみ抜きにより造られるＭ型の保持器等にも適用可能であり、すきまδを上記のように設定することで、ころ軸受６の軸受耐久寿命を延ばすことができる。さらに保持器７にＤＬＣ膜９をコーティングすることにより、いっそう効果的にころ軸受６の軸受耐久寿命を延ばすことができる。

上記実施形態では、硬質膜の一例としてＤＬＣ膜９を挙げたが、硬質膜をＣｒＮ膜としてもよいし、この場合も同様の作用効果が得られる。また硬質膜に代えてＡｇ、Ｃｕ等を被膜として施すこともでき、この場合も従来に比べてころ軸受６の軸受耐久寿命を延ばすことができた。

本発明の保持器７を有するころ軸受６は、遊星歯車３に限らず、遊星ローラとその支持軸との間に介装してもよく、また、一般に、ケージアンドローラ型のころ軸受が設けられる個所に使用することができる。

本発明のころ軸受が適用される動力伝達装置としては上述の歯車結合形に限らず摩擦結合形にも適用することができる。この摩擦結合としては、太陽歯車１に代えて外周面に歯車面がなく摩擦面がある太陽軸とし、リング歯車２に代えて内周面に歯車面がなく摩擦面がある外輪とし、遊星歯車３に代えて内周面と外周面に歯車面が無く摩擦面がある遊星転動体とし、これら三者間の摩擦結合により動力を伝達する遊星摩擦式動力伝達装置にも適用することができる。

本発明のころ軸受の保持器を含む遊星式動力伝達装置の正面図 図１の装着の縦断側面図 図１の一部を拡大した正面図 本発明のころ軸受の保持器の半部の断面図 図４の保持器の製造過程を示すための表面部の拡大断面図

符号の説明

３ 遊星歯車（外側環状部材）
５ キャリア
６ 針状ころ軸受
７ 保持器

Claims (6)

1. 保持器の外径面とこれの外側に配置される外側環状部材の内径面との間のすきまを、保持器の外径をＤ２、外側環状部材の内径をＤ１、（Ｄ１−Ｄ２）／Ｄ２×１００（％）で表される曲率比をＲとして曲率比Ｒ＝２．５〜４．０（％）を満たすように、設定したことを特徴とするころ軸受。
2. 保持器の少なくとも外側環状部材の内径面と接触する部分に、硬質膜を成膜したことを特徴とする請求項1に記載のころ軸受。
3. 硬質膜がＤＬＣ膜であることを特徴とする請求２に記載のころ軸受。
4. 保持器の少なくとも外側環状部材の内径面と接触する部分に、軟質膜を成膜したことを特徴とする請求項1に記載のころ軸受。
5. 軟質膜がＡｇからなる膜である、ことを特徴とする請求項４記載のころ軸受。
6. 外輪と太陽軸との間に複数の遊星転動体を介装し、各遊星転動体それぞれにころ軸受を介して支持軸をそれぞれ挿入した動力伝達装置であって、
   当該ころ軸受において、保持器の外径面と遊星転動体の内径面との間のすきまを、保持器の外径をＤ２、遊星転動体の内径をＤ１、（Ｄ１−Ｄ２）／Ｄ２×１００（％）で表される曲率比をＲとして曲率比Ｒ＝２．５〜４．０（％）を満たすように設定したことを特徴とする動力伝達装置。

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