JP2006112560A

JP2006112560A - 円すいころ軸受

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Publication number: JP2006112560A
Application number: JP2004301869A
Authority: JP
Inventors: Yasuhiro Uehori; 康裕上堀; Takashi Tsujimoto; 崇辻本
Original assignee: NTN Corp; NTN Toyo Bearing Co Ltd
Current assignee: NTN Corp
Priority date: 2004-10-15
Filing date: 2004-10-15
Publication date: 2006-04-27

Abstract

【課題】異物混入下でも長い耐久寿命を確保できる円すいころ軸受を提供する。また、円すいころ軸受の耐焼付き性および耐予圧抜け性を向上させる。
【解決手段】浸炭軸受鋼で形成された内輪10、外輪20、円すいころ30の各部品表面に、炭素含有量0.80重量％以上、ロックウエル硬さHRC58以上で、かつ、残留オーステナイト量25〜35堆積％の浸炭窒化層10ａ、20ａ、30ａを形成するとともに、内輪10の軌道面12の両端部に、その幅が軌道面10の幅の20％以下のクラウニングを形成し、円すいころ30の円すいの頂点から内輪10の大つば面18までの距離Ｒ_BASEに対する円すいころ30の大端面32の曲率半径Ｒの比の値Ｒ/Ｒ_BASEを0.75以上0.87以下とし、かつ、円すいころ30の大端面32の端面振れを３μｍ以下とした。
【選択図】図４

Description

この発明は円すいころ軸受に関する。

円すいころ軸受は転動体として円すいころを用いたラジアル軸受であって、図１に示すように、内輪１０と外輪２０と円すいころ３０と保持器４０とで構成される。内輪１０は外周に円すい面状の軌道１２を有し、軌道１２の両側に小つば１４と大つば１６を備えている。外輪２０は内周に円すい面状の軌道２２を有する。円すいころ３０は内外輪１２，２２の軌道１２，２２間に転動自在に介在させてある。保持器４０は円周方向に所定間隔に配置した複数のポケットを有し、各ポケットに円すいころ３０が収容される。

円すいころ軸受では円すいころ３０と内外輪１０，２０の軌道１２，２２とが線接触しており、内外輪１０，２０の軌道１２，２２と円すいころ３０の円すいの頂点が、図２に示すように、軸受中心軸上の一点Ｏに集まるように設計され、ラジアル荷重と一方向のアキシアル荷重を受けることができる。内輪１０の軌道１２と外輪２０の軌道１２では円すい角が違うため、各軌道から円すいころ３０に加わる荷重の合力が円すいころ３０を内輪１０の大つば１６に向けて押す方向に作用する。このため、円すいころ３０はその大端面３２が内輪１０の大つば１６に押し付けられた状態で案内され、ここで滑り接触をする。詳しくは、図３に示すように、大つば面１８はその母線ｙが軸受の中心軸に対して所定角をなすフラット面とされ、このフラット面に円すいころ３０の大端面３２が滑り接触する。

円すいころ軸受は、ラジアル荷重とアキシアル荷重およびそれらの合成荷重を負荷するのに適した軸受で、負荷能力も大きいため、自動車や建設機械等におけるデファレンシャルやトランスミッション等の動力伝達装置の歯車支持用に多く用いられている。

図９に自動車のデファレンシャルを示す。このデファレンシャルは、ハウジング５１に二つの円すいころ軸受５２，５３で回転自在に支持されたドライブピニオン５４と、このドライブピニオン５４とかみ合うリングギヤ５５と、このリングギヤ５５が取り付けられ、一対の円すいころ軸受５６でハウジング５１に回転自在に支持された差動歯車ケース５７と、この差動歯車ケース５７の中に配設されたピニオン５８と、ピニオン５８とかみ合う一対のサイドギヤ５９とで基本的に構成され、これらがギヤオイルの封入されたハウジング５１内に収納されている。このギヤオイルは前記各円すいころ軸受５２，５３，５６の潤滑油にもなっている。
実用新案登録第２５８４６２３号公報特開２０００−１６１３４８号公報

上述したデファレンシャル等の動力伝達装置は、多くの歯車のかみ合い部や回転部材の摺動部を有するため、これらの部位で発生する金属摩耗粉等の異物がハウジングに封入されたギヤオイルに混入する。これらの摩耗粉は、高負荷で回転する歯車軸を支持する円すいころ軸受の中に入り込み、円すいころ軸受の耐久寿命面で問題となることがある。

この発明の課題は、異物混入下でも長い耐久寿命を確保できる円すいころ軸受を提供することである。

この発明の円すいころ軸受は、外周に円すい面状の軌道を有するとともに軌道の両側に大つばと小つばを形成した内輪と、内周に円すい面状の軌道を有する外輪と、内輪の軌道と外輪の軌道との間に介在させた複数の円すいころと、円すいころを円周方向で所定間隔に保つための保持器とを具備し、前記内輪、外輪、円すいころの各表面に、炭素含有量０．８０重量％以上で、かつ、ロックウエル硬さＨＲＣ５８以上の浸炭窒化層を形成し、この浸炭窒化層の残留オーステナイト量を２５〜３５体積％とし、前記内輪の軌道面の両端部にクラウニングを形成し、これらの各端部におけるクラウニングの幅を、内輪の軌道面幅の２０％以下とし、前記円すいころの円すいの頂点から内輪の大つば面までの距離Ｒ_BASEに対する円すいころの大端面の曲率半径Ｒの比の値Ｒ/Ｒ_BASEを０．７５以上０．８７以下とし、かつ、円すいころの大端面の端面振れを３μｍ以下としたことを特徴とすものである。

内輪、外輪および円すいころの表面に浸炭窒化層を形成したのは次の理由による。通常の浸炭焼入れにより得られる浸炭層の残留オーステナイトは、高い靭性と加工硬化特性を有し、これを適度に含ませることにより、浸炭層の硬度を確保した上で、亀裂の発生や進展を抑える働きをするが、熱に対して不安定な難点がある。これに対して、適切な条件で浸窒処理を施すと、窒素原子が残留オーステナイト中に固溶し、残留オーステナイトを熱に対して安定化する役割をする。この浸窒処理で得られた浸炭窒化層には、通常の浸炭層よりも大きな圧縮の残留応力が形成されるため、疲労強度をさらに高めることもできる。

残留オーステナイト量を２５〜３５体積％としたのは、浸炭窒化層に適度の靭性を付与し、異物の噛み込みによる過大な応力増加を緩和するためである。すなわち、残留オーステナイト量が２５体積％未満では靭性が不足し、残留オーステナイト量が３５体積％を越えると、硬度が低下し過ぎて塑性変形による表面粗さの劣化を招く。

上記のような浸炭窒化層の組織は、次のような処理工程で形成することができる。すなわち、浸炭雰囲気中の炭素ポテンシャルを０．８％以上にして所定時間加熱保持した後、油中で冷却して所定時間加熱保持して窒化処理を行う。浸炭工程中に同時に窒化処理も行う方法を採用することもできる。なお、残留オーステナイト量を調整するために、サブゼロ処理や焼戻し処理を行ってもよい。

内輪の軌道面の両端部にクラウニングを形成したのは、ころと内輪の軌道面における過大なエッジロードの発生を防止するためであり、これらのクラウニングの幅を内輪の軌道面幅の２０％以下としたのは、２０％を越えると軌道面中央部の接触面圧が過大となるからである。

ころ大端面の曲率半径Ｒは、従来、０．９０≦Ｒ／Ｒ_BASE≦０．９７（Ｒ_BASE：円すいころの円すいの頂点から内輪大つば面までの距離）であったが、この場合、大つば面と円すいころ大端面との間の最小油膜厚さ比は０．９以下であって、高速回転のためには必ずしも満足のいく値ではなかった。本発明者等は、実験に基づき、前記最小油膜厚さ比を０．９５以上にできるＲの最適値が０．７５≦Ｒ／Ｒ_BASE≦０．８７であることを見出し、これを具現化させたものである。

また、従来、端面振れの許容値は、最も小さい等級１（円すいころの呼び直径Ｄｗが３ｍｍ以上１０ｍｍ以下）の場合でも４μｍとされていた。円すいころの大端面の端面振れを３μｍ以下としたことによって、円すいころ大端面と内輪大つば面の接触圧力の変動が小さくなり、油膜形成を阻害する要因が低減する。

請求項２の発明は、請求項１の円すいころ軸受において、前記内輪軌道面のクラウニングが形成された両端部を除く部分に、緩やかな曲率のクラウニングが形成されていることを特徴とするものである。このような構成を採用することにより、軌道面での面圧分布をより均一にすることができる。
請求項３の発明は、請求項１の円すいころ軸受において、円すいころの大端面の表面粗さを０．０２μｍＲａ以下としたことを特徴とするものである。このような構成を採用することによって、油膜厚さに対して面粗さが小さくなり、油膜形成を阻害する要因が低減する。より具体的に述べると、油膜厚さに対して面粗さが大きいと金属接触することになるが、面粗さが小さければ金属接触することがなく油膜を破断しない。

この発明の円すいころ軸受は、外輪、内輪および円すいころの各部品の表面に、炭素含有量０．８０重量％以上で、かつ、ロックウエル硬さＨＲＣ５８以上の浸炭窒化層を形成し、この浸炭窒化層の残留オーステナイト量を２５〜３５体積％とするとともに、内輪軌道面の両端部に、その幅が軌道面の幅の２０％以下のエッジクラウニングを形成したので、軌道面での接触面圧を均一化して焼付きを防止し、かつ、部品表面の浸炭窒化層を適度な靭性を有する材質に安定して保ち、異物混入下での耐久寿命を著しく改善することができる。また、円すいころの円すいの頂点から内輪の大つば面までの距離Ｒ_BASEに対する円すいころの大端面の曲率半径Ｒの比の値Ｒ/Ｒ_BASEを０．７５以上０．８７以下とし、かつ、円すいころの大端面の端面振れを３μｍ以下に抑えたことで、内輪の大つばと円すいころの大端面との間の最適油膜形成を促し、耐焼付き性および耐予圧抜け性を向上させたものである。予圧抜けとは、周知のとおり、摩耗等によって予圧が次第に減少する現象をいう。

以下、図面に従って本発明の実施の形態を説明する。

図１（ａ）に示すように、円すいころ軸受は内輪１０と外輪２０と円すいころ３０と保持器４０とで構成される。内輪１０は外周に円すい面状の軌道１２を有し、軌道１２の両側に小つば１４と大つば１６を備えている。符号１８は内輪１０の大つば面すなわち円すいころ３０の大端面３２と接する面を表している。外輪２０は内周に円すい面状の軌道２２を有する。円すいころ３０は内外輪１０，２０の軌道１２，２２間に転動自在に介在させてある。保持器４０は円周方向に所定間隔に配置した複数のポケットを有し、各ポケットに円すいころ３０が収容される。

図１および図２に示すように、円すいころ３０と内外輪１０，２０の軌道１２，２２とが線接触しており、内外輪１０，２０の軌道１２，２２と円すいころ３０の円すい（円すい角：β）の頂点（Ｏ）が軸受中心軸上の一点Ｏに集まるように設計されている。内輪１０の軌道１２と外輪２０の軌道２２では円すい角が違うため、各軌道１２，２２から円すいころ３０に加わる荷重の合力が円すいころ３０を内輪１０の大つば１６に向けて押す方向に作用する。このため、円すいころ３０はその大端面３２が内輪１０の大つば面１８に押し付けられた状態で案内され、両者は滑り接触をする。

内輪１０、外輪２０、円すいころ３０の各部品は、いずれも浸炭軸受鋼ＳＣｒ４３５で形成され、図１（ｂ）に示すように、これらの各部品の表面に、炭素含有量０．８０重量％以上、ロックウエル硬さＨＲＣ５８以上で、かつ、残留オーステナイト量２５〜３５体積％の浸炭窒化層１０ａ，２０ａ，３０ａが形成されている。なお、この実施の形態では前記各部品の素材としてＳＣｒ４３５を用いたが、このほかにＳＣＭ４２０、ＳＣＭ４３０、ＳＣＭ４３５、ＳＣｒ４２０、ＳＣｒ４３０、ＳＡＥ５１３０，ＳＡＥ８６２０等の軸受用鋼を用いることができる。

また、図４に示すように、内輪１０の軌道面１２の両端部には、幅Ｗｃが軌道面１２の幅Ｗの２０％以下のエッジクラウニングＣ₂が形成され、これらの各クラウニングＣ₂の間の中央部には、非常に緩い曲率のセンタークラウニングＣ₁が形成されている。なお、クラウニングＣ₂のドロップ量ｄ₂は２０μｍになっており、クラウニングＣ₂部の外側にはぬすみ部１９が設けられている。

円すいころ３０の大端面３２の曲率半径Ｒは、円すいの頂点（Ｏ）から内輪１０の大つば面１８までの距離をＲ_BASEとすると、０．７５≦Ｒ／Ｒ_BASE≦０．８７の範囲内に設定してある。言い換えれば、円すいの頂点（Ｏ）から内輪１０の大つば面１８までの距離Ｒ_BASEに対する円すいころ３０の大端面３２の曲率半径Ｒの比の値Ｒ/Ｒ_BASEを０．７５以上０．８７以下としてある。

円すいころ３０の大端面３２の曲率半径Ｒが油膜厚さに及ぼす影響をKARNAの式から求めてグラフにしたものを図５に示す。同図より明らかなように、従来の０．９０≦Ｒ/Ｒ_BASE≦０．９７の範囲では油膜が比較的薄いことが分かる。また、油膜厚さ比が０．９５以上となるのは０．６５≦Ｒ/Ｒ_BASE≦０．８７の範囲であるが、この範囲の中でもＲ/Ｒ_BASE＜０．７５では、大端面３２の接触面積が比較的小さくなるため、結果として接触面圧が高くなり、耐焼付き性にとって却って不利になることが実験によって確認された。このため、曲率半径Ｒの最適値は結局、０．７５≦Ｒ/Ｒ_BASE≦０．８７の範囲であることが分かった。

図６は、Ｒ/Ｒ_BASEの値が小さ過ぎても大き過ぎても、それぞれ耐焼付き性にとって不利であることを示す実験結果であって、この実験は、軸受（型番Ｍ８６６４９/１０）を使用し、円すいころ３０の曲率半径Ｒの値を４種類、つまり、Ｒ/Ｒ_BASEで表したとき、０．７２、０．７８、０．９０、０．９７に異ならせた円すいころを、２個一組、合計８個の軸受に組み込み、回転数７０００ｒｐｍ、荷重６５０ｋｇｆの条件に置き、潤滑油の作用下で外輪外周面の温度上昇を測定したものである。実験の結果から、Ｒ/Ｒ_BASE＜０．７５と、０．８７＜Ｒ/Ｒ_BASEの範囲は、温度の上昇傾向がはっきりしてくる領域であり、耐焼付き性にとって不利であることが確認された。

図７は円すいころ軸受の焼付き試験における結果を示し、横軸はアキシアルすきま、縦軸は焼付き時間（分）を表している。この試験では円すいころ大端面の曲率半径Ｒの値を変えた軸受を使用している。すなわち、Ｒ/Ｒ_BASEの値を比較例１は０．９７、比較例２は０．９０、実施例は０．７８としたものである。比較例１、２はアキシアルすきまを１００μｍ程度に増やしても５分以内に焼付きを生じたが、実施例の軸受はアキシアルすきま９０μｍ程度で温度が安定して焼付きは見られなかった。

円すいころ３０の大端面３２は端面振れを３μｍ以下、より好ましくは１μｍ以下とする。端面振れはＪＩＳＢ１５０６に規定された方法によって測定する。具体的には、図８に示すように、円すいころ３０を支持台５に置き、大端面３２の周辺に近いところで当て金６に点接触させ、その端面でその接触点と円すいころ３０の中心軸に対して対称の位置に測定子７を当て、円すいころ３０を回転させて行う。円すいころ３０の端面振れは、円すいころ３０を１回転させたときの測定器の読みの最大値と最小値との差として求める。

さらに、円すいころ３０の大端面３２はホーニング仕上とし、表面粗さを０．０２０μｍＲａ以下とする。ちなみに従来は０．０６３μｍＲａ以下とされていた。なお、円すいころ３０の大端面３２の表面粗さは、たとえば加工限界として０．０１μｍを下限とする。

円すいころ３０の大端面３２の曲率半径Ｒが耐焼付き性に及ぼす影響を確認するため、焼付き試験を行なった。試験条件は次のとおりである。
試験軸受：３０２０６
Ｒ／Ｒ_BASE（％）：８０（実施例）／９５（比較例）
端面振れ：１μｍ
面粗さ：０．０２μｍＲａ
回転速度：５０００ｒｐｍ（Ｖ＝６．２ｍ／ｓ）
焼付き試験の結果を表１に示す。なお、表１中、○は焼付きなし、×は焼付き発生、−は未試験を表す。

表１から明らかなとおり、Ｒ／Ｒ_BASEが８０％のもの（実施例）は、内輪大つば面の接触面圧が７．０kgf/mm²でも焼付きが発生しなかった。一方、Ｒ／Ｒ_BASEが９５％のもの（比較例）は内輪大つば面の接触面圧を５．５に下げても焼付きが発生した。このことから、Ｒ／Ｒ_BASE０．７５以上０．８７以下の範囲内であれば、良好な耐焼付き性が得られることがわかる。また、最適油膜形成が実現できることから、円すいころ大端面と内輪大つば面の摩耗が防止され、耐予圧抜け性が向上することは容易に推定できる。

以下に実施例および比較例を挙げる。

（実施例）
図１に示した、浸炭軸受鋼ＳＣｒ４３５製の外輪、内輪および円すいころの各部品の表面に炭素含有量０．８０重量％以上、ロックウエル硬さＨＲＣ５８以上で、残留オーステナイト量が２５〜３５体積％の範囲にある浸炭窒化層が形成され、図４に示すように、内輪軌道面１２の両端部にその幅Ｗｃが軌道面幅Ｗの２０％以下のエッジクラウニングＣ₂が形成された円すいころ軸受（表２中の実施例１〜５）を用意した。なお、実施例１ないし３の円すいころ軸受には、内輪軌道面１２の中央部にクラウニング量ｄ₁が２μｍのセンタークラウニングＣ₁を形成し、実施例４および５の円すいころ軸受は、センタークラウニングなしとした。軸受の寸法はいずれも内径４０ｍｍ、外径６８ｍｍである。

（比較例）
浸炭軸受鋼ＳＣｒ４３５製の内輪、外輪および円すいころの各部品の表面に、実施例と同様に、炭素含有量０．８０重量％以上、ロックウエル硬さＨＲＣ５８以上の浸炭窒化層が形成され、浸炭窒化層の残留オーステナイト量が本願の範囲を外れる円すいころ軸受（表１中の比較例１〜４）と、浸炭窒化層の残留オーステナイト量は本発明の範囲内であるが、エッジクラウニングの幅が本発明の範囲を越えるか、内輪軌道面の全幅にわたってフルクラウニングが形成された円すいころ軸受（表１中の比較例５〜７）を用意した。比較例２および４は、エッジクラウニングの幅も本願の範囲を越えている。また、残留オーステナイト量およびエッジクラウニングの幅が本願の範囲内で、熱処理を通常の浸炭焼入れのみとした円すいころ軸受（表１中の比較例８）も用意した。各軸受の寸法は実施例と同じである。

上記実施例および比較例の円すいころ軸受を、異物が混入した潤滑油を封入したケースの中に配置された回転軸に取り付け、異物混入寿命試験を実施した。試験条件は以下のとおりである。
負荷荷重：１１．７６ｋＮ
回転数：１５００ｒｐｍ
潤滑油：タービンＶＧ５６（油浴）
異物：ガスアトマイズ金属粉（粒径１００〜１８０μｍ、硬度ＨＶ７００〜８００、混入量１ｇ／リットル）

試験結果を表２に示す。表中の寿命比は、熱処理が通常の浸炭焼入れのみの比較例８の耐久寿命を基準値としたものであり、各円すいころ軸受の耐久寿命は、Ｌ₁₀寿命（９０％の軸受が破損しないで使える時間）で評価した。なお、表中の焼付き有りのものは、いずれも軌道面の中央部で焼付きを生じたものである。

実施例の円すいころ軸受は、いずれも寿命比が４倍以上の優れた耐久寿命を示し、かつ、軌道面中央部での焼付きも生じていないことがわかる。一方、残留オーステナイト量が本発明の範囲を外れる比較例１〜４は、実施例の円すいころ軸受の半分程度の寿命比しかなく、クラウニングの幅も大きい比較例２および４は、軌道面中央部で焼付きも生じている。また、残留オーステナイト量は本発明の範囲内であるが、クラウニングの幅が大きい比較例５および６は、寿命比は優れているが、軌道面中央部で焼付きを生じている。ドロップ量ｄ₂が極端に小さい比較例７は、軌道面の端部で剥離を生じ、寿命比が殆ど改善されていない。

以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明はこれに限定されることなく種々の変形が可能である。たとえば、本発明は２列以上の複列円すいころ軸受にも応用可能である。

（ａ）は本実施の形態を示す円すいころ軸受の縦断面図、（ｂ）は要部拡大図である。図１の円すいころ軸受の設計仕様を説明するための断面図である。図１の円すいころ軸受における内輪大つば面部分の拡大図である。図１の円すいころ軸受における内輪の軌道面の拡大図である。円すいころ大端面の曲率半径が油膜厚さに及ぼす影響を示すグラフである。円すいころ大端面の曲率半径と軸受温度上昇との関係を示すグラフである。アキシアルすきまと焼付き時間の関係を示すグラフである。（ａ）は端面振れ測定装置の正面図、（ｂ）は側面図である。デファレンシャルの縦断面図である。

符号の説明

１０内輪
１０ａ浸炭窒化層
１２軌道
１４小つば
１６大つば
１８大つば面
１９ぬすみ部
Ｃ１，Ｃ２クラウニング
２０外輪
２０ａ浸炭窒化層
２２軌道
３０円すいころ
３０ａ浸炭窒化層
３２大端面
４０保持器

Claims

外周に円すい面状の軌道を有するとともに軌道の両側に大つばと小つばを形成した内輪と、内周に円すい面状の軌道を有する外輪と、内輪の軌道と外輪の軌道との間に介在させた複数の円すいころと、円すいころを円周方向で所定間隔に保つための保持器とを具備し、
前記内輪、外輪、円すいころの各表面に、炭素含有量０．８０重量％以上で、かつ、ロックウエル硬さＨＲＣ５８以上の浸炭窒化層を形成し、この浸炭窒化層の残留オーステナイト量を２５〜３５体積％とし、
前記内輪の軌道面の両端部にクラウニングを形成し、これらの各端部におけるクラウニングの幅を、内輪の軌道面幅の２０％以下とし、
前記円すいころの円すいの頂点から内輪の大つば面までの距離Ｒ_BASEに対する円すいころの大端面の曲率半径Ｒの比の値Ｒ/Ｒ_BASEを０．７５以上０．８７以下とし、かつ、円すいころの大端面の端面振れを３μｍ以下としたことを特徴とする円すいころ軸受。
前記内輪軌道面のクラウニングが形成された両端部を除く部分に、緩やかな曲率のクラウニングが形成されていることを特徴とする請求項１の円すいころ軸受。
前記円すいころの大端面の表面粗さを０．０２μｍＲａ以下としたことを特徴とする請求項１の円すいころ軸受。