JP2005308074A - 円錐ころ軸受 - Google Patents

Abstract

【課題】 円錐ころ軸受の回転トルクを、円錐ころの振動を抑えることで効果的に低減する。
【解決手段】 本発明の円錐ころ軸受１において、内輪軌道面１１にはその内径方向に窪んだ凹状クラウニング、外輪軌道面２１にはその内径方向に突出した凸状クラウニング、転動面３１にはその外形方向に突出した凸状クラウニングを施した。
【選択図】 図１

Description

本発明は、たとえば、自動車等のトランスミッションやディファレンシャル装置に使用される円錐ころ軸受に関する。

近年、自動車等の省燃費化に対する要求が高まっており、それらに搭載されるトランスミッション装置やディファレンシャル装置の回転軸を支持するために用いられている円錐ころ軸受に関してもその回転トルクの低減化が望まれている。
その中で、円錐ころ軸受の回転トルクを低減する方法として、円錐ころの転動面や内外輪の軌道面に、その面外方向に突出したクラウニングを施して転がり摩擦を低減する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

実開平３−１１３号公報（第６頁）

上記のようなクラウニングによる回転トルクの低減化を効果的に図るには、そのクラウニング量をある程度大きくすることが必要である。しかしながら、クラウニングを大きくし過ぎると、転動面と軌道面との接触面積が大きく減少するので、当該円錐ころの軌道内での据わりが悪化し、大きな振動が発生する場合があった。この振動は、転動面と軌道面との接触面を不安定なものにし、かえって当該円錐ころ軸受の回転トルクの増加の原因になるという問題があった。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、円錐ころの振動を抑えることで回転トルクをより効果的に低減できる円錐ころ軸受の提供をその目的とする。

本発明は、内周に外輪軌道面を有する外輪と、外周に内輪軌道面を有する内輪と、それぞれの軌道面の相互間に介在しかつ転動面を有する複数の円錐ころとを備えた円錐ころ軸受において、前記内外輪の軌道面のうちの一方側軌道面にはこの一方側軌道面に対して突出するように形成された凸状クラウニングが施され、他方側軌道面にはこの他方側軌道面に対して窪むように形成された凹状クラウニングが施され、前記円錐ころの転動面にはこの転動面に対して突出するように形成された凸状クラウニングが施されていることを特徴としている。

上記のように構成された円錐ころ軸受によれば、凹状クラウニングが施された他方側軌道面が、凸状クラウニングが施された前記円錐ころの転動面に沿うように接触するので、他方側軌道面に対する前記円錐ころの据わりを良好にできる。これにより、当該円錐ころ軸受の内外輪の回転に伴って前記円錐ころが回転した場合にも、その回転軸のぶれ等により発生する振動を抑えることができる。よって、クラウニング量をある程度大きくしても、前記両軌道面と前記転動面とを安定してころがり接触させることができ、両者間の転がり摩擦を安定させつつ低減できる。

また、上記円錐ころ軸受において、前記内外輪の軌道輪および円錐ころの転動輪に施されたクラウニングは、円弧クラウニングでありかつその全クラウニング量（＝外輪クラウニング量＋内輪クラウニング量＋ころクラウニング量×２）が５０μｍ以上であることが好ましい。
この場合、前記転動面と前記内外輪の軌道面との接触面積を適度に減少させることができ、油潤滑で使用される円錐ころ軸受の転がり摩擦の中で大きな割合を占める転がり粘性抵抗を低減することができる。従って、内外輪と円錐ころとの転がり摩擦を低減することができ、当該円錐ころ軸受の回転トルクをより低減できる。

また、上記円錐ころ軸受において、前記凹状クラウニングが施された他方側軌道面のクラウニング量は、前記ころクラウニング量より小さいことが好ましい。
この場合、前記他方側軌道面と前記円錐ころの転動面との接触面をより小さくすることができる。従って、前記円錐ころの振動を抑えつつ前記他方側軌道面と前記円錐ころの転動面との転がり摩擦を低減し、当該円錐ころ軸受の回転トルクをより効果的に低減できる。

以上のように、本発明の円錐ころ軸受は、円錐ころの振動を抑え、前記軌道面と転動面とを安定してころがり接触させることで両者間の転がり摩擦を安定させつつ低減できる。よって、当該円錐ころ軸受の回転トルクを効果的に低減することができる。

次に、本発明の好ましい実施形態について添付図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の実施形態である円錐ころ軸受要部の軸方向断面図である。なお、図１では、その構成の理解を容易にするため、当該軸受に施されているクラウニングを強調して示している。
図中、本実施形態に係る円錐ころ軸受１は、外周に円錐面からなる内輪軌道面１１が形成された内輪１０と、内周に同じく円錐面からなる外輪軌道面２１が形成された外輪２０の間に、外周に円錐面からなる転動面３１が形成された転動自在の複数の円錐ころ３０と、内外輪の軌道面１１，２１とで形成される軌道上周方向に前記複数の円錐ころ３１を所定の間隔で転動自在に保持している保持器４０とを備えている。

また図のように、この円錐ころ軸受１における内外輪軌道面のうちの一方側軌道面である外輪軌道面２１には、その軸方向断面において内径方向に突出した（一方側軌道面に対して突出した）断面円弧状の凸状クラウニングが施されている。また、他方側軌道面である内輪軌道面１１には、その軸方向断面において内径方向に窪んだ（他方側軌道面に対して窪んだ）断面円弧状の凹状クラウニングが施されている。そして、転動面３１には、その軸方向断面において外径方向に突出した（転動面に対して突出した）断面円弧状の凸状クラウニングが施されている。

図２（ａ）は、円錐ころ３０の軸方向の断面における上半分の輪郭を示す図である。
図中、円錐ころ３０の外周面には、内外輪の軌道面１１，２１と転がり接触する転道面３１と、転動面３１の軸方向両端に滑らかに連続するように形成された面取り部３２ａ，３３ａとが設けられている。面取り部３２ａ，３３ａは、円錐ころ３０の小径側端面３２および大径側端面３３に対しても滑らかに連続するように形成されている。転動面３１には、ごく僅かに外径方向に突出した断面円弧状の凸状クラウニングが施されている。図２（ｂ）は図２（ａ）における転動面３１のころ接触有効範囲幅ＬＲの端点Ａと端点Ｂとの間のクラウニング形状のみを模式的に示す図である。

ここで、本発明者らは、円錐ころ３０のクラウニング量（以下、ころクラウニング量ともいう）を、転動面３１のころ接触有効範囲幅ＬＲより定まるクラウニングの円弧中心点とその弦との幅寸法と規定した。以下、ころクラウニング量の算出方法について説明する。
図２（ａ）中、円錐ころ３０の中心軸方向に対する転動面３１の幅をＬ１、転動面３１のテーパー角度をγ、転動面３１の両端部に形成されている面取り部３２ａ，３３ａの曲面を転動面全幅から除くための範囲幅をＳ１，Ｓ２としたとき、上述のころ接触有効範囲幅ＬＲは、下記式（１）より得られる。
ＬＲ＝Ｌ１／ｃｏｓ（γ／２）−（Ｓ１＋Ｓ２） ・・・（１）

上記式（１）におけるＳ１，Ｓ２は、軸受のサイズによって一定の幅が定められる。
図２（ｂ）において、ころ接触有効範囲幅ＬＲにおけるクラウニングの弦Ｇの中点Ｃ２とクラウニングの円弧中心Ｏとを通過する直線Ｍは、弦Ｇと直交しかつころ接触有効範囲幅ＬＲにおけるクラウニング円弧中心点Ｃ１を通過する。
本発明者らは、このクラウニング円弧中心点Ｃ１と中点Ｃ２とで定まる幅寸法をころクラウニング量ＣＲとした。そして、図示のようにクラウニング円弧の半径をＲＲとすると、このころクラウニング量ＣＲは、下記式（２）により求められる。
ＣＲ＝ＲＲ−｛ＲＲ２−（ＬＲ／２）^２｝^１／２ ・・・（２）

次に図３（ａ）は、外輪２０の軸方向の断面における輪郭を示した図である。この図において外輪軌道面２１に施されたクラウニング形状を示している。
図中、外輪２０の内周面には、円錐ころ３０の転動面３１と転がり接触する外輪軌道面２１が設けられている。この外輪軌道面２１には、例えば、内径方向に突出した断面円弧状の凸状クラウニングが施されている。また、外輪軌道面２１の両端部から外輪２０の軸端部に向かって、それぞれ面取り部２２ａ，２３ａが設けられており、外輪２０の小内径側端面２２および大内径側端面２３に対して滑らかに連続するように形成されている。

本発明者らは、外輪２０のクラウニング量（以下、外輪クラウニング量ともいう）を、外輪軌道面２１の外輪接触有効範囲幅ｌｒより定まるクラウニングの円弧中心点とその弦との幅寸法であるｃｒと規定した。以下、外輪クラウニング量ｃｒの算出方法について説明する。
図３（ａ）中、外輪２０の軸方向に対する外輪軌道面２１の幅をＬ２、外輪軌道面２１のテーパー角度をθ、外輪軌道面２１の両端部に形成されている面取り部２２ａ，２３ａの曲面を外輪軌道面全幅から除くための範囲幅をＴ１，Ｔ２としたとき、上述の外輪接触有効範囲幅ｌｒは、下記式（３）より得られる。
ｌｒ＝Ｌ２／ｃｏｓ（θ／２）−（Ｔ１＋Ｔ２） ・・・（３）

尚、上式（３）中、Ｔ１，Ｔ２は、軸受のサイズによって一定の幅が定められる。また、このＴ１，Ｔ２は外輪接触有効範囲幅ｌｒが上述したころ接触範囲幅ＬＲと略同一となるように設定される。

図３（ｂ）は、図３（ａ）中に示す外輪軌道面２１の外輪接触有効範囲幅ｌｒの端点ａと端点ｂとの間のクラウニングの断面形状を模式的に示している。図中、外輪接触有効範囲幅ｌｒにおけるクラウニングの弦ｇの中点ｃ２とクラウニングの円弧中心ｏとを通過する直線ｍは、弦ｇと直交しかつ外輪接触有効範囲幅ｌｒにおけるクラウニング円弧中心点ｃ１を通過する。
本発明者らは、このクラウニング円弧中心点ｃ１と中点ｃ２とで定まる幅寸法を外輪クラウニング量ｃｒとした。そして、図のようにクラウニング円弧の半径をｒｒとすると、外輪クラウニング量ｃｒは、下記式（４）により求められる。
ｃｒ＝ｒｒ−｛ｒｒ２−（ｌｒ／２）^２｝^１／２ ・・・（４）

上記の外輪クラウニング量ｃｒは、外輪軌道面２１に凸状クラウニングが施されている場合について説明したが、例えば、外輪軌道面２１の軸方向断面において径方向に窪んだ断面円弧状の凹状クラウニングが施されている場合にも同様にして上記式（３），（４）により外輪クラウニング量ｃｒは求められる。

また、内輪１０の内輪軌道面１１に対しても外輪２０と同様に円弧クラウニングが施されており、この内輪１０のクラウニング量（以下内輪クラウニング量ともいう）も外輪２０と同様にして求めることができる。

そして、本発明者らは、上記のころクラウニング量、外輪クラウニング量、内輪クラウニング量から、下記式（５）に基づいて全クラウニング量を算出した。
全クラウニング量＝外輪クラウニング量＋内輪クラウニング量＋ころクラウニング量×２ ・・・（５）

ただし、上記式（５）より全クラウニング量を算出する際、内外輪軌道面１１，２１が凹状クラウニングの場合には、そのクラウニング量は負の値として導入する。

次に、本発明者らが本発明の実施形態である円錐ころ軸受の回転トルクを実験的に測定し、全クラウニング量との関係について検証した結果を説明する。
まず、円錐ころ軸受の回転トルクの測定方法としては、例えば軸受試験装置を用い、実施例品である円錐ころ軸受を試験装置に設置した後、内外輪の一方を回転させ、内外輪の他方に作用する回転トルクを測定した。試験条件として、上記実施形態で示した構成の円錐ころ軸受（ＪＩＳ３０３０６相当品）を用い、潤滑油にはディファレンシャル装置用ギヤオイルを用い、擬似的な与圧負荷としてアキシャル荷重４ｋＮを与え、回転速度３００ｒｐｍ，２０００ｒｐｍの２種類の回転速度で行った。

また、試験時の潤滑条件としては、回転速度３００ｒｐｍの際には、常温の潤滑油を試験前に適量塗布するのみで以後給油を行わずに試験した。一方、回転速度２０００ｒｐｍの際には、油温３２３Ｋ（５０℃）の潤滑油を０．５Ｌ／ｍｉｎで循環供給しつつ試験を行った。潤滑油の供給方法を回転速度に応じて異なる方法にしたのは、それぞれの回転速度における必要最小限の潤滑油量だけ供給し、潤滑油が過剰供給になる場合に発生する潤滑油の攪拌抵抗の影響をできるだけ無くし、転がり摩擦による回転トルクを抽出するためである。本試験に供した上記円錐ころ軸受には、その全クラウニング量が種々異なる値に設定された実施例品を用意し、それぞれについて回転トルクを測定して、前記全クラウニング量と回転トルクとの関係を把握し、回転トルクを低減させる値の範囲を特定した。

図４は、全クラウニング量と測定した円錐ころ軸受のトルク比（回転トルク／所定値）との関係を示した散布図である。この図から明らかなように、全クラウニング量が５０μｍ以下の場合では、トルク比は大きな幅をもって分散しているが、全クラウニング量が増加するに従って、分散しているトルク比の中の最大値が序々に低下する傾向を示している。そして、全クラウニング量が５０μｍ以上の場合、トルク比は、全クラウニング量が５０μｍ以上の場合と比較してより低い値の範囲に安定して分布していることが判る。

このように、円錐ころ軸受のトルク比すなわち回転トルクと、全クラウニング量との関係について実験的に測定し検証した結果、全クラウニング量は５０μｍ以上という条件を満たすことで、転動面と軌道面との接触面積を適度に減少させることができ、円錐ころ軸受の回転トルクを減少させることができる、との知見を得た。

次に、上述した円錐ころ軸受のクラウニング量に関する知見に基づき、本実施形態に係る円錐ころ軸受１のクラウニング量を設定し、一定回転速度に保持した状態における回転トルクの変動幅を測定、比較した結果について説明する。
試験に供した円錐ころ軸受にはＪＩＳ３０３０６相当品を用い、実施例品としては上記本実施形態の円錐ころ軸受１を用い、比較例品として内外輪ともに凸状クラウニングが施された円錐ころ軸受を用いた。

実施例品の各クラウニング量は、上記式（５）に基づき、外輪クラウニング量を４０μｍ、内輪クラウニング量を１０μｍ、ころクラウニング量を１５μｍ、全クラウニング量を６０μｍに設定した。このとき、実施例品の円錐ころ軸受１の内輪軌道面１１には凹状クラウニングが施されているので、この場合の内輪クラウニング量は上述したように負の値として取り扱い、全クラウニング量を算出している。一方、比較例品の各クラウニング量は、外輪クラウニング量を４０μｍ、内輪クラウニング量を２０μｍ、ころクラウニング量を２μｍ、全クラウニング量を６４μｍに設定した。
試験条件としては、アキシャル荷重４ｋＮ、回転速度３００ｒｐｍで、潤滑油を試験前に適量塗布した後は以後給油を行わずに円錐ころ軸受を一定回転で保持したときの回転トルクの変動幅を測定した。

図５は、一定回転速度に保持した状態における円錐ころ軸受の回転トルクを測定した試験結果を示すグラフである。縦軸は回転トルク比を示しており図の上方へ行くほど高い回転トルクであることを示しており、横軸は試験の経過時間を示している。
図中（ａ）は実施例品の試験結果、（ｂ）は比較例品の試験結果である。これをみると、一定回転に保持した状態における比較例品の回転トルク比の変動幅Ｑ２と実施例品の回転トルク比の変動幅Ｑ１とを比較すると、変動幅Ｑ１の方が変動幅Ｑ２に対して非常に小さくなっている。これは、実施例品における内外輪軌道面１１，２１と転動面３１との間の転がり摩擦力が、比較例品と比べてより安定していることを示している。つまり、実施例品における内外輪軌道面１１，２１と転動面３１とは、より安定したころがり接触を成しており、円錐ころ３０が回転した際の回転軸のぶれ等により発生する振動が抑えられていることを示している。

また、実施例品と比較例品とは、全クラウニング量は略同等であるが、実施例品のころクラウニング量は１５μｍ、比較例品のころクラウニング量は２μｍとされており、実施例品のころクラウニング量の方が大きく設定されている。ころクラウニング量を大きくすれば内外輪軌道面１１，２１と転動面３１との接触面積が小さくなり、その転がり粘性抵抗が低減されることで回転トルクが低減される効果が期待できる。しかし、逆に円錐ころ３０の内外輪軌道面１１，２１に対する据わりが悪化し、円錐ころ３０の振動が比較例品以上に増大することが考えられる。にもかかわらず、実施例品における回転トルクの変動幅Ｑ１は狭まっており、この点からも円錐ころ３０の振動が効果的に抑えられていることが判る。

このように本実施形態に係る円錐ころ軸受１は、凹状クラウニングが施された内輪軌道面１１が、凸状クラウニングが施された転動面３１に沿うように接触するので、内輪軌道面１１に対する据わりが良好となる。これにより、円錐ころ３０が回転する際にも、その回転軸のぶれ等により発生する振動を抑えることができる。従って、前記振動により発生する回転トルクの変動幅を狭めることで当該変動幅における極大値を低下させることができ、円錐ころ軸受１の回転トルクを低減することができる。

次に、上記試験にて用いた実施例品および比較例品の回転速度に対する回転トルクの変化を測定し、両者を比較した。図６は、その結果を示したグラフである。図をみると、実施例品の回転トルクは、すべての回転速度において、実施例品の回転トルクより低い値を示していることが判る。これは、上述したように、実施例品において、円錐ころ３０の振動を抑えつつ、ころクラウニング量を比較例品と比べて大きく設定することができたので、内外輪軌道面１１，２１との転がり摩擦が減少したためである。

このように本実施形態に係る円錐ころ軸受１は、内輪軌道面１１に凹状クラウニングを施したので、円錐ころ３０の振動を抑えることができる。そしてこの結果、ころクラウニング量をより大きく設定することが可能となり、円錐ころ軸受１の回転トルクを効果的に低減することができる。また、本実施形態では、ころクラウニング量を大きく設定したが、凸状クラウニングである外輪クラウニング量をより大きく設定してもよい。

また、上記実施例品において、内輪クラウニング量は１０μｍとし、ころクラウニング量は１５μｍとしている。このように凹状クラウニングが施された内輪クラウニング量は、ころクラウニング量より小さいことが好ましい。この場合、凹状クラウニングが施された内輪クラウニング量がころクラウニング量より小さい場合には、円錐ころ３０の内輪軌道面１１に対する据わりを良好に保ちつつ、内輪軌道面１１と円錐ころ３０の転動面３１との接触面をより小さくすることができるので、内輪軌道面１１と円錐ころの転動面３１との転がり摩擦を低減し、当該円錐ころ軸受１の回転トルクをより低減することができる。

尚、本発明の円錐ころ軸受は、上記各実施形態に限定されるものではなく、例えば、外輪軌道面２１に凹状クラウニングを施し、内輪軌道面１１に凸状クラウニングを施した構成としても良い。また、本実施形態において、内外輪軌道面および転動面は、断面円弧状のクラウニング形状としたが、例えば、台形クラウニング、対数曲線クラウニング、台形クラウニングと円弧クラウニングの複合クラウニング、またはこれらに近似させた曲線からなるクラウニング等、種々のクラウニング形状を適用しても良い。

本発明の実施形態に係る円錐ころ軸受要部の軸方向断面図である。 円錐ころのクラウニングの形状を示す図であり、（ａ）は円錐ころの断面上半分の輪郭を示し、（ｂ）は円錐ころの転動面に施されたクラウニング形状を模式的に示している。 外輪のクラウニングの形状を示す図であり、（ａ）は外輪の輪郭を示し、（ｂ）は外輪の軌道面に施されたクラウニング形状を模式的に示している。 全クラウニング量と円錐ころ軸受のトルク比との関係を示した散布図である。 一定回転速度に保持した状態における円錐ころ軸受の回転トルクを測定した試験結果を示すグラフであり、（ａ）は実施例品、（ｂ）は比較例品の試験結果である。 回転速度に対する回転トルクの変化を示すグラフである。

符号の説明

１ 円錐ころ軸受
１０ 内輪
１１ 内輪軌道面
２０ 外輪
２１ 外輪軌道面
３０ 円錐ころ
３１ 転動面

Claims (3)

1. 内周に外輪軌道面を有する外輪と、外周に内輪軌道面を有する内輪と、それぞれの軌道面の相互間に介在しかつ転動面を有する複数の円錐ころとを備えた円錐ころ軸受において、
   前記内外輪の軌道面のうちの一方側軌道面にはこの一方側軌道面に対して突出するように形成された凸状クラウニングが施され、他方側軌道面にはこの他方側軌道面に対して窪むように形成された凹状クラウニングが施され、前記円錐ころの転動面にはこの転動面に対して突出するように形成された凸状クラウニングが施されていることを特徴とする円錐ころ軸受。
2. 前記凸状クラウニングおよび前記凹状クラウニングは、円弧クラウニングでありかつその全クラウニング量（＝外輪クラウニング量＋内輪クラウニング量＋ころクラウニング量×２）が５０μｍ以上である請求項１記載の円錐ころ軸受。
3. 前記凹状クラウニングが施された他方側軌道面のクラウニング量は、前記ころクラウニング量より小さい請求項２記載の円錐ころ軸受。

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