JP2006022935A - 円すいころ軸受 - Google Patents

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Abstract

【課題】 低粘度、希薄潤滑下で極端に油膜厚さが薄い条件下でも長寿命が得られるようにする。
【解決手段】
内輪2と、外輪3と、内外輪2,3間に転動自在に配された複数の円すいころ4と、円すいころ4を円周所定間隔に保持する保持器5とを備えた円すいころ軸受1において、ころ係数{γ=(ころ本数×ころ平均径)/(π×PCD)}を0.94より大きくし、少なくとも円すいころ4の表面に、微小凹形状のくぼみをランダムに無数に設け、くぼみを設けた面の面粗さパラメータRyniを0.4μm≦Ryni≦1.0μmの範囲内とし、かつ、Sk値を−1.6以下とする。

Description

この発明は円すいころに関するもので、たとえば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すいころ軸受に適用することができる。
自動車トランスミッションは、近年、ミッションのAT化、CVT化および低燃費化等のために低粘度の油が使われる傾向にある。低粘度オイルが使用される環境化では、(1)油温が高い、(2)油量が少ない、(3)予圧抜けが発生するなどの悪条件が重なった場合に、潤滑不良に起因する非常に短寿命の表面起点剥離が面圧の高い内輪軌道面に生じることがある。
この表面起点剥離による短寿命対策としては最大面圧低減が直接的かつ有効な解決策である。最大面圧を低減するためには軸受寸法を変更するか、軸受寸法を変えない場合は軸受のころ本数を増大させる。ころ直径を減少させないでころ本数を増やすためには保持器のポケット間隔を狭くしなければならないが、そのためには保持器のピッチ円を大きくして外輪側にできるだけ寄せる必要がある。
保持器を外輪内径面に接するまで寄せた例として、図7に記載の円すいころ軸受がある(特許文献1参照)。この円すいころ軸受61は保持器62の小径側環状部62aの外周面と大径側環状部62bの外周面を外輪63内径面と摺接させて保持器62をガイドし、保持器62の柱部62cの外径面に引きずりトルクを抑制するため凹所64を形成して、柱部62cの外径面と外輪63の軌道面63aの非接触状態を維持するようにしている。保持器62は、小径側環状部62aと、大径側環状部62bと、小径側環状部62aと大径側環状部62bとを軸方向に繋ぎ外径面に凹所64が形成された複数の柱部62cとを有する。そして柱部62c相互間に円すいころ65を転動自在に収容するための複数のポケットが設けられている。小径側環状部62aには、内径側に一体に延びたつば部62dが設けられている。図7の円すいころ軸受は、保持器62の強度向上を図るもので、保持器62の柱部62cの周方向幅を大きくするために保持器62を外輪63の内径面に接するまで寄せた例である。
特開2003−28165号公報 特開平2−168021号公報(第2頁左上欄第14行〜右上欄第2行) 特開平6−042536号公報(段落番号0009)
近年、自動車トランスミッションをはじめ転がり軸受が使用される部位は小型化、高出力化がますます進んでおり、潤滑油の低粘度化等使用環境が高荷重・高温化する傾向にある。このため軸受にとっては今まで以上に厳しい潤滑環境へと変化しており、潤滑不良による摩耗や表面起点型剥離がますます発生しやすくなってきている。
特許文献2、特許文献3に、転動体の表面に微小な凹凸を形成して油膜形成能力を向上させた転がり軸受が記載されている。これら従来の微小凹部形状のくぼみは面粗さをパラメータRqniで表示したとき、軸方向面粗さRqni(L)と円周方向面粗さRqnj(C)との比の値Rqni(L)/Rqni(C)の値が1.0以下となり(Rqni≧0.10)、あわせて面粗さのパラメータSk値が−1.6以下となるようにしており、これにより相手面が粗面でも仕上げ面のよい面でも長寿命になるようにしているが、低粘度、希薄潤滑下で油膜厚さが極端に薄い場合にはその効果が十分に発揮できない場合がある。
また、特許文献1記載の円すいころ軸受61では、保持器62を外輪63の内径面に接するまで外径に寄せて保持器62の柱部62cの周方向幅を大きくしている。また、保持器62の柱部62cに凹所64があるので、板厚が必然的に薄くなって保持器62の剛性が低下し、軸受61の組立て時の応力によって保持器62が変形したり、軸受61の回転中に保持器62が変形したりする等の可能性もある。一方、特許文献1記載の円すいころ軸受以外の従来の典型的な保持器付き円すいころ軸受は、図8のように外輪71と保持器72との接触を避けた上で、保持器72の柱幅を確保し、適切な保持器72の柱強度と円滑な回転を得るために、次式で定義されるころ係数γ(ころの充填率)を、通常0.94以下にして設計している。
ころ係数γ=(Z・DA)/(π・PCD)
ここで、Z:ころ本数、DA:ころ平均径、PCD:ころピッチ円径。
なお、図8で符号73は円すいころ、74は柱面、75は内輪、θは窓角である。
この発明は負荷容量アップと軌道面の面圧過大による早期破損を防止することを目的とする。
この発明の円すいころ軸受は、内輪と、外輪と、前記内輪と前記外輪との間に転動自在に配された複数の円すいころと、前記円すいころを円周所定間隔に保持する保持器とを備えた円すいころ軸受において、ころ係数γが0.94を越え、少なくとも転動体の表面に、微小凹形状のくぼみをランダムに無数に設け、前記くぼみを設けた面の面粗さパラメータRyniが0.4μm≦Ryni≦1.0μmの範囲内であり、かつ、Sk値が−1.6以下であることを特徴とするものである。
ここに、パラメータRyniは基準長毎最大高さの平均値すなわち、粗さ曲線から、その平均線の方向に基準長さだけ抜き取り、この抜き取り部分の山頂線と谷底線との間隔を粗さ曲線の縦倍率の方向に測定した値である(ISO 4287:1997)。
パラメータSkは粗さ曲線の歪み度(スキューネス)を指し(ISO 4287:1997)、凹凸分布の非対称性を知る目安の統計量であり、ガウス分布のような対称な分布ではSk値は0に近くなり、凹凸の凸部を削除した場合は負、逆の場合は正の値をとることになる。Sk値のコントロールは、バレル研摩機の回転速度、加工時間、ワーク投入量、チップの種類と大きさ等を選ぶことにより行える。Sk値を幅方向、円周方向とも−1.6以下とすることにより、微小凹形状のくぼみが油溜りとなり、圧縮されても滑り方向、直角方向への油のリークは少なく、油膜形成に優れ、油膜形成状況は良好で、表面損傷を極力抑える効果がある。
請求項2の発明は、請求項1の円すいころ軸受において、前記くぼみを設けた面の面粗さパラメータRymaxが0.4〜1.0であることを特徴とする。パラメータRymaxは基準長毎最大高さの最大値である(ISO 4287:1997)。
請求項3の発明は、請求項1の円すいころ軸受において、前記くぼみを設けた面の面粗さをパラメータRqniで表示したとき、軸方向面粗さRqni(L)と円周方向面粗さRqni(C)との比の値Rqni(L)/Rqni(C)が1.0以下であることを特徴とする。パラメータRqniとは、粗さ中心線から粗さ曲線までの高さの偏差の自乗を測定長さの区間で積分し、その区間で平均した値の平方根であり、別名自乗平均平方根粗さともいう。Rqniは拡大記録した断面曲線、粗さ曲線から数値計算で求められ、粗さ計の触針を幅方向および円周方向に移動させて測定する。
請求項4の発明は、請求項1ないし3のいずれかの円すいころ軸受において、ポケットの窓角を55°以上80°以下にしたことを特徴とする。窓角とは一つのころの周面に当接する柱部の案内面のなす角度をいう。窓角を55°以上としたのは、ころとの良好な接触状態を確保するためであり、80°以下としたのは、これ以上大きくなると半径方向への押し付け力が大きくなり、自己潤滑性の樹脂材であっても円滑な回転が得られなくなる危険性が生じるからである。なお、通常の保持器では窓角は25°〜50°となっている。
請求項5の発明は、請求項1ないし4のいずれかの円すいころ軸受において、前記保持器を機械的強度、耐油性および耐熱性に優れたエンジニアリング・プラスチックで構成したことを特徴とする。保持器に樹脂材を使用することにより、鉄板製保持器に比べ、保持器重量が軽く、自己潤滑性があり、摩擦係数が小さいという特徴があるため、軸受内に介在する潤滑油の効果と相俟って、外輪との接触による摩耗の発生を抑えることが可能になる。これらの樹脂は鋼板と比べると重量が軽く摩擦係数が小さいため、軸受起動時のトルク損失や保持器摩耗の低減に好適である。
エンジニアリング・プラスチックは、汎用エンジニアリング・プラスチックとスーパー・エンジニアリング・プラスチックを含む。以下に代表的なものを掲げるが、これらはエンジニアリング・プラスチックの例示であって、エンジニアリング・プラスチックが以下のものに限定されるものではない。
〔汎用エンジニアリング・プラスチック〕ポリカーボネート(PC)、ポリアミド6(PA6)、ポリアミド66(PA66)、ポリアセタール(POM)、変性ポリフェニレンエーテル(m−PPE)、ポリブチレンテレフタレート(PBT)、GF強化ポリエチレンテレフタレート(GF−PET)、超高分子量ポリエチレン(UHMW−PE)
〔スーパー・エンジニアリング・プラスチック〕ポリサルホン(PSF)、ポリエーテルサルホン(PES)、ポリフェニレンサルファイド(PPS)、ポリアリレート(PAR)、ポリアミドイミド(PAI)、ポリエーテルイミド(PEI)、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)、液晶ポリマー(LCP)、熱可塑性ポリイミド(TPI)、ポリベンズイミダゾール(PBI)、ポリメチルベンテン(TPX)、ポリ1,4−シクロヘキサンジメチレンテレフタレート(PCT)、ポリアミド46(PA46)、ポリアミド6T(PA6T)、ポリアミド9T(PA9T)、ポリアミド11,12(PA11,12)、フッ素樹脂、ポリフタルアミド(PPA)
この発明によれば、円すいころ軸受のころ係数γをγ>0.94にすることにより、負荷容量がアップするばかりでなく、軌道面の最大面圧を低下させることができるため、過酷潤滑条件下での極短寿命での表面起点剥離を防止することができる。また、少なくとも円すいころの表面に、微小凹形状のくぼみをランダムに無数に設けることによって、油膜形成能力が向上し、低粘度・希薄潤滑下で極端に油膜厚さが薄い条件下でも長寿命となる。とくに、前記くぼみを設けた面の面粗さパラメータRyniを0.4μm≦Ryni≦1.0μmの範囲内に設定し、従来よりも小さく抑えたことにより、希薄潤滑下でも油膜切れを防ぐことが可能で、従来品に比べ、極端に油膜厚さが薄い条件下でも長寿命を得ることができる。また、Sk値については、−1.6以下が表面凹部の形状、分布が加工条件により油膜形成に有利な範囲である。
以下、本発明の実施の形態を図1〜図4に基づいて説明する。図1(A)(B)に示す実施の形態の円すいころ軸受1は、円すい状の軌道面2aを有し、この軌道面2aの小径側に小つば部2b、大径側に大つば部2cを有する内輪2と、円すい状の軌道面3aを有する外輪3と、内輪2の軌道面2aと外輪3の軌道面3aとの間に転動自在に配された複数の円すいころ4と、円すいころ4を円周等間隔に保持する保持器5とで構成される。ここで、円すいころ軸受1は、ころ係数γがγ>0.94となっている。
保持器5は、例えばPPS、PEEK、PA、PPA、PAI等のスーパーエンプラで一体成形されたもので、小径側環状部5aと、大径側環状部5bと、小径側環状部5aと大径側環状部5bとを軸方向に繋ぐ複数の柱部5cとを備えている。なお、保持器材料としては、PPS、PEEK、PA、PPA、PAI等のスーパーエンプラを使用するほか、必要に応じて、強度増強のため、これら樹脂材料またはその他のエンジニアリング・プラスチックに、ガラス繊維または炭素繊維などを配合したものを使用してもよい。
柱面5dの窓角θは、下限窓角θminが図2のように55°であり、上限窓角θmaxが図3のように80°である。窓角は、図8のように保持器が外輪から離間している典型的な保持器付き円すいころ軸受では、大きくて約50°である。下限窓角θminを55°以上としたのは、ころとの良好な接触状態を確保するためであり、窓角55°未満ではころとの接触状態が悪くなる。すなわち、窓角を55°以上とすると、保持器強度を確保した上でγ>0.94として、かつ、良好な接触状態を確保できるのである。また、上限窓角θmaxを80°以下としたのは、これ以上大きくなると半径方向への押し付け力が大きくなり、自己潤滑性の樹脂材であっても円滑な回転が得られなくなる危険性が生じるからである。
図4に軸受の寿命試験の結果を示す。図4中、「軸受」欄の「比較例」が保持器と外輪とが離れた典型的な従来の円すいころ軸受、「実施例1」が本発明の円すいころ軸受のうち従来品に対してころ係数γのみをγ>0.94とした円すいころ軸受、「実施例2」がころ係数γをγ>0.94とし、かつ、窓角を55°〜80°の範囲にした本発明の円すいころ軸受である。試験は、過酷潤滑、過大負荷条件下で行なった。同図より明らかなように、「実施例1」は「比較例」の2倍以上の長寿命となる。さらに、「実施例2」の軸受はころ係数が「実施例1」と同じ0.96であるが、寿命時間は「実施例1」の約5倍以上にもなる。なお、「比較例」、「実施例1」および「実施例2」の寸法はφ45×φ81×16(単位mm)、ころ本数は24本(「比較例」)、27本(「実施例1」、「実施例2」)、油膜パラメータΛ=0.2である。
次に、本発明の変形実施例を図5および図6に基づき説明する。同図に示す円すいころ軸受1は、エンジニアリング・プラスチックで一体成形した保持器5の柱部5cの外径面に、外輪軌道面側に向けて凸状を成す突起部5fを形成したものである。その他は前述した保持器5と同じである。この突起部5fは図6に示すように柱部5cの横断方向の断面輪郭形状が円弧状を成している。この円弧状の曲率半径Rは外輪軌道面半径Rより小さく形成されている。これは突起部5fと外輪軌道面との間に良好な楔状油膜が形成されるようにするためであり、望ましくは突起部の曲率半径Rは外輪軌道面半径Rの70〜90%程度に形成するとよい。70%未満であると楔状油膜の入口開き角度が大きくなりすぎて却って動圧が低下する。また90%を超えると楔状油膜の入口角度が小さくなりすぎて同様に動圧が低下する。また、突起部5fの横幅Wは望ましくは柱部5cの横幅Wの50%以上となるように形成する(W≧0.5×W)。50%未満では良好な楔状油膜を形成するための充分な突起部5fの高さが確保できなくなるためである。なお、外輪軌道面半径Rは大径側から小径側へと連続的に変化しているので、突起部5fの曲率半径Rもそれに合わせて大径側環状部5bの大きな曲率半径Rから小径側環状部5aの小さな曲率半径Rへと連続的に変化するようにする。
図5および図6の円すいころ軸受1は以上にように構成されているため、軸受1が回転して保持器5が回転し始めると、外輪軌道面と保持器5の突起部5fとの間に楔状油膜が形成される。この楔状油膜は軸受1の回転速度にほぼ比例した動圧を発生するので、保持器5のピッチ円径(PCD)を従来より大きくして外輪軌道面に近接させても、軸受1を大きな摩耗ないしトルク損失を生じることなく回転させることが可能となり、無理なくころ本数を増加させることが可能となる。
上述の実施の形態の円すいころ軸受では、円すいころの転動面および端面ならびに内外輪の軌道面(さらに円すいころ軸受の内輪については大つば面)の少なくとも一つに、微小凹形状のくぼみをランダムに無数に形成して微小粗面化してある。この微小粗面は、くぼみを設けた面の面粗さパラメータRqniが0.4μm≦Rqni≦1.0μmの範囲内であり、かつ、Sk値が−1.6以下、好ましくは−4.9〜−1.6の範囲である。また、くぼみを設けた面の面粗さパラメータRymaxが0.4〜1.0である。さらに、面粗さを各表面の軸方向と円周方向のそれぞれで求めてパラメータRqniで表示したとき、軸方向面粗さRqni(L)と円周方向面粗さRqni(C)の比の値Rqni(L)/Rqni(C)が1.0以下になっている。このような微小粗面を得るための表面加工処理としては、特殊なバレル研摩によって、所望の仕上げ面を得ることができるが、ショット等を用いてもよい。
円すいころ軸受の場合、図1(B)から理解できるように、運転中、円すいころ4の転動面が内輪2および外輪3の軌道と転がり接触するほか、円すいころ4の大端面が内輪2の大つば2cの内側面と滑り接触する。したがって、円すいころ4の場合、転動面のほか大端面にも微小凹形状のくぼみをランダムに無数に形成させてもよい。同様に、内輪2の場合、軌道面のほか大つば2cの内側面にも微小凹形状のくぼみをランダムに無数に形成させてもよい。
パラメータRyni、Rymax、Sk、Rqniの測定方法、条件を例示するならば次のとおりである。なお、これらのパラメータで表される表面性状を、転がり軸受の転動体や軌道輪といった構成要素について測定する場合、一ヶ所の測定値でも代表値として信頼できるが、たとえば直径方向に対向する二ヶ所を測定するとよい。
パラメータ算出規格:JIS B 0601:1994(サーフコム JIS 1994)
カットオフ種別:ガウシアン
測定長さ:5λ
カットオフ波長:0.25mm
測定倍率:×10000
測定速度:0.30mm/s
測定箇所:ころ中央部
測定数:2
測定装置:面粗さ測定器サーフコム1400A(東京精密株式会社)
次に、円すいころの転動面を滑らかな面に仕上げた従来の円すいころ軸受A,B(比較例)と、円すいころの転動面に微小凹形状のくぼみをランダムに無数に形成した軸受C〜E(比較例)ならびに軸受F,G(実施例)について行った寿命試験について説明する(表1参照)。使用した軸受A〜Gはいずれも、外輪の外径が81mm、内輪の内径が45mmの円すいころ軸受である。なお、比較例の軸受A,Bにおけるころの転動面は、研削後にスーパーフィニッシュ(超仕上げ)を施して加工され、くぼみ加工を施してない。比較例の軸受C〜Eならびに実施例の軸受F,Gのころの転動面は、バレル研磨特殊加工によって微小凹形状のくぼみがランダムに無数に形成してある。なお、Rqni(L/C)については、ころ軸受C〜Gは1.0以下であり、ころ軸受A,Bは1.0前後である。
Figure 2006022935
図9に示す2円筒試験機を使用してピーリング試験を行い、金属接触率を評価した。図9において、駆動側円筒32(D円筒:Driver)と従動側円筒34(F円筒:Follower)は各々の回転軸の片端に取り付けられ、2本の回転軸36,38はそれぞれプーリ40,42を介して別々のモータで駆動できるようになっている。D円筒2側の軸36をモータで駆動し、F円筒34はD円筒32に従動させる自由転がりにした。F円筒34は、表面処理に関して比較例と実施例の2種類を用意した。試験条件等詳細は表2のとおりである。
Figure 2006022935
金属接触率の比較データを図10に示す。同図は横軸が経過時間、縦軸が金属接触率を表し、図10(B)は実施例の軸受におけるころの転動面の金属接触率を、図10(A)は比較例の軸受におけるころの転動面の金属接触率を、それぞれ示す。これらの図を対比すれば、比較例に比べて実施例では金属接触率が改善されていることを明暸に確認できる。言い換えれば、油膜形成率(=100%−金属接触率)が、実施例の軸受の方が比較例の軸受に比べて、運転開始時で10%程度、試験終了時(2時間後)で2%程度、向上している。
本発明に係る円すいころ軸受は、自動車のトランスミッションに組み込むほか、自動車のデファレンシャルや、自動車用歯車装置以外の用途に使用することも可能である。
(A)は本発明の円すいころ軸受の横断面図、(B)は同軸受の縦断面図。 窓角が下限の円すいころ軸受の部分拡大断面図。 窓角が上限の円すいころ軸受の部分拡大断面図。 軸受の寿命試験の結果を示す図。 本発明の変形例に係る円すいころ軸受の部分断面図。 図5の保持器の柱部の断面図。 保持器を外輪側に寄せた従来の円すいころ軸受の断面図。 従来の別の円すいころ軸受の部分拡大断面図。 2円筒試験機の全体概略図。 Aは比較例の金属接触率を示すグラフ、Bは実施例の金属接触率を示すグラフ。
符号の説明
1 円すいころ軸受
2 内輪
2a 軌道面
2b 小つば部
2c 大つば部
3 外輪
3a 軌道面
4 円すいころ
5 保持器
5a 小径側環状部
5b 大径側環状部
5c 柱部
5d 柱面
5f 突起部

Claims (5)

  1. 内輪と、外輪と、前記内輪と前記外輪との間に転動自在に配された複数の円すいころと、前記円すいころを円周所定間隔に保持する保持器とを備えた円すいころ軸受において、
    ころ係数γが0.94を越え、少なくとも転動体の表面に、微小凹形状のくぼみをランダムに無数に設け、前記くぼみを設けた面の面粗さパラメータRyniが0.4μm≦Ryni≦1.0μmの範囲内であり、かつ、Sk値が−1.6以下であることを特徴とする円すいころ軸受。
  2. 前記くぼみを設けた面の面粗さパラメータRymaxが0.4〜1.0の範囲内であることを特徴とする請求項1の円すいころ軸受。
  3. 前記くぼみを設けた面の面粗さをパラメータRqniで表示したとき、軸方向面粗さRqni(L)と円周方向面粗さRqni(C)との比の値Rqni(L)/Rqni(C)が1.0以下であることを特徴とする請求項1または2の円すいころ軸受。
  4. 前記保持器のポケットの窓角を55°以上80°以下にしたことを特徴とする請求項1ないし3のいずれかの円すいころ軸受。
  5. 前記保持器を機械的強度、耐油性および耐熱性に優れたエンジニアリング・プラスチックで構成したことを特徴とする請求項1ないし4のいずれかの円すいころ軸受。
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