JP2006242262A - Tapered roller bearing - Google Patents
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本発明は、例えば、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関する。 The present invention relates to a tapered roller bearing used, for example, in a shaft support portion of an automobile transmission.
例えば、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は、円すい状の軌道面を有する外輪と、円すい状の軌道面を有し、この軌道面の小径側端部に小鍔部、大径側端部に大鍔部をそれぞれ有する内輪と、外輪の軌道面と内輪の軌道面との間に転動自在に配された複数の円すいころと、転動体である円すいころを円周方向等間隔に保持する鋼板製の保持器とを備えている。 For example, a tapered roller bearing used for a shaft support portion of an automobile transmission has an outer ring having a conical raceway surface, a conical raceway surface, and a small flange portion at a small diameter side end of the raceway surface, The inner ring having a large flange at the end on the large-diameter side, a plurality of tapered rollers arranged to roll between the raceway surface of the outer ring and the raceway surface of the inner ring, and a tapered roller as a rolling element And a steel plate retainer that is held at equal intervals in the direction.
この円すいころ軸受には、保持器が外輪の軌道面と当接しない非接触状態を維持するように組み付けられたものや、外輪の軌道面に当接する案内面を有する保持器が組みつけられたもの(例えば、特許文献1参照)がある。後者のように保持器が外輪と接触するタイプのものは、前者のように保持器が外輪と接触しないタイプのものに比べ、保持器の強度を確保し易いことから、円すいころの充填率を高めることが可能なため、軌道面での最大面圧を低減することが容易である。しかしながら、保持器が外輪と接触するタイプでは、保持器の外周面が外輪の軌道面に接触してその接触部分での摩耗を促進し、引きずりトルクの増大を引き起こす可能性がある。 This tapered roller bearing was assembled so as to maintain a non-contact state in which the cage does not contact the raceway surface of the outer ring, or a cage having a guide surface that abuts the raceway surface of the outer ring. There exists a thing (for example, refer patent document 1). The latter type in which the cage comes into contact with the outer ring is easier to secure the strength of the cage than the former type in which the cage does not come into contact with the outer ring. Since it can be increased, it is easy to reduce the maximum surface pressure on the raceway surface. However, in the type in which the cage is in contact with the outer ring, the outer circumferential surface of the cage may come into contact with the raceway surface of the outer ring to promote wear at the contact portion and cause an increase in drag torque.
一方、円すいころ軸受を含む転がり軸受では、ピーリング損傷などの潤滑不良に起因する損傷を防止する手段として、転動体の表面あるいは内外輪の軌道面をランダムな微小粗面に形成し、その微小粗面の粗さを一定範囲に抑えるようにしたものがある(例えば、特許文献2,3参照)。しかしながら、音響が悪化することから、玉軸受には、特許文献2,3に開示されたような手段を採用することが困難である。また、ディンプル形成のために専用の加工設備が必要であり、コストアップの要因となる。 On the other hand, in a rolling bearing including a tapered roller bearing, as a means for preventing damage caused by poor lubrication such as peeling damage, the surface of the rolling element or the raceway surface of the inner and outer rings is formed on a random minute rough surface, and the minute rough surface is formed. Some have the surface roughness kept within a certain range (see, for example, Patent Documents 2 and 3). However, since the sound deteriorates, it is difficult to adopt means as disclosed in Patent Documents 2 and 3 for the ball bearing. In addition, a dedicated processing facility is required for forming the dimples, which increases the cost.
また、転動体の表面下あるいは内外輪の軌道面下に0.05〜0.5μm厚さの化合物反応膜層を形成することにより、低摩耗で耐荷重性、耐焼付き性を十分に向上させた転がり軸受がある(例えば、特許文献4参照)。しかしながら、ピーリング損傷などの潤滑不良に起因する剥離寿命についてはその効果が明確に開示されていない。
ところで、自動車のトランスミッションには、近年、ミッションのAT・CVT化、低燃費化などのため、低粘度オイルが使用される傾向にあり、また、ミッションの小型化・高出力化により、使用環境が高荷重・高温化する傾向にある。 By the way, in recent years, low-viscosity oil tends to be used for automobile transmissions for the purpose of AT / CVT missions and fuel efficiency reductions, and the use environment has been reduced due to the miniaturization and high output of missions. There is a tendency for high loads and high temperatures.
そのため、軸受にとっては厳しい潤滑環境へと変化しており、潤滑不良による金属接触の発生に起因する非常に短寿命での表面起点剥離が内外輪の軌道面などに発生しやすくなってきているというのが現状である。 Therefore, the bearing has changed to a harsh lubricating environment, and surface-origin separation with a very short life due to the occurrence of metal contact due to poor lubrication is becoming more likely to occur on the raceway surface of the inner and outer rings. is the current situation.
そこで、本発明は前述の問題点に鑑みて提案されたもので、その目的とするところは、潤滑不良による金属接触の発生に起因する非常に短寿命での表面起点剥離の発生を未然に防止し得る円すいころ軸受を提供することにある。 Therefore, the present invention has been proposed in view of the above-mentioned problems, and its object is to prevent the occurrence of surface-origin separation in a very short life due to the occurrence of metal contact due to poor lubrication. It is an object of the present invention to provide a tapered roller bearing.
前述の目的を達成するための技術的手段として、軸受軌道面の油膜形成能力を高め、金属接触の発生率を低くすることが有効であり、また、軌道面の最大面圧の差異がその金属接触の発生率に影響するため、軌道面の最大面圧が低くなるように軸受内の円すいころの充填率を増大させることも有効である。 As a technical means for achieving the above-mentioned object, it is effective to increase the oil film forming ability of the bearing raceway surface and reduce the occurrence rate of metal contact, and the difference in the maximum surface pressure of the raceway surface is the metal surface. In order to influence the incidence of contact, it is also effective to increase the filling rate of the tapered rollers in the bearing so that the maximum surface pressure of the raceway surface is lowered.
そこで、本発明は、内輪と外輪の両軌道面間に、保持器により転動自在に保持された複数の円すいころを介在させた円すいころ軸受において、ころ係数γがγ>0.94であり、かつ、前記軌道面あるいは円すいころの少なくとも一方にリン酸金属塩被膜を形成し、前記軌道面と転動体の被膜厚さの合計を10nm以上としたことを特徴とする。なお、ころ係数γ(ころの充填率)は、γ=(Z・DA)/(π・PCD)の式で定義される。ここで、Z:ころ本数、DA:ころ平均径、PCD:ころピッチ円径、である。 Therefore, the present invention provides a tapered roller bearing in which a plurality of tapered rollers are interposed between both raceway surfaces of the inner ring and the outer ring so as to be freely rollable by a cage, and the roller coefficient γ is γ> 0.94. In addition, a metal phosphate salt film is formed on at least one of the raceway surface or the tapered roller, and the total film thickness of the raceway surface and the rolling element is 10 nm or more. The roller coefficient γ (roller filling rate) is defined by the equation: γ = (Z · DA) / (π · PCD). Here, Z: number of rollers, DA: roller average diameter, PCD: roller pitch circle diameter.
本発明では、ころ係数γをγ>0.94としたことにより、軌道面の最大面圧を低下させることができるので、軌道面の面圧過大による早期破損を防止することができる。また、内外輪の軌道面あるいは転動体の少なくとも一方の軸受金属表面に親油性の高いリン酸金属塩被膜を形成したことにより、希薄潤滑環境下での軸受軌道面の油膜形成能力を高め、金属接触の発生率を低くすることができるので、潤滑不良による金属接触の発生に起因する非常に短寿命での表面起点剥離の発生を防止することが可能となる。また、前記軌道面と転動体の被膜厚さの合計は10nm以上とする必要がある。この被膜厚さの合計が10nmより小さいと、希薄潤滑環境下での軸受軌道面の油膜形成能力を高めることが困難となり、所望の効果を発揮させることができない。 In the present invention, by setting the roller coefficient γ to γ> 0.94, the maximum surface pressure of the raceway surface can be reduced, so that early damage due to excessive surface pressure of the raceway surface can be prevented. In addition, by forming a highly lipophilic metal phosphate salt film on the bearing surface of at least one of the raceway surfaces of the inner and outer rings or rolling elements, the ability to form an oil film on the bearing raceway surface in a dilute lubrication environment is increased. Since the occurrence rate of contact can be reduced, it is possible to prevent the occurrence of surface-origin separation in a very short lifetime due to the occurrence of metal contact due to poor lubrication. The total film thickness of the raceway surface and the rolling element needs to be 10 nm or more. If the total film thickness is less than 10 nm, it is difficult to increase the oil film forming ability of the bearing raceway surface in a dilute lubrication environment, and a desired effect cannot be exhibited.
前述のリン酸金属塩被膜は、内外輪あるいは転動体を、リン酸トリクレジルを含むリン酸トリエステル溶液中に浸漬して形成することが可能である。なお、リン酸トリクレジルを含むリン酸トリエステル溶液とは、リン酸トリエステル溶液の代表例としてリン酸トリクレジルを使用する意味である。また、このリン酸金属塩被膜の形成においては、軸受の寸法変化や処理工数を考慮すると、70nmより大きな厚みを有するリン酸金属塩被膜を形成することは困難であることから、リン酸金属塩被膜の厚さは70nm以下とすることが望ましい。 The aforementioned metal phosphate salt coating can be formed by immersing the inner and outer rings or rolling elements in a phosphate triester solution containing tricresyl phosphate. The phosphate triester solution containing tricresyl phosphate means that tricresyl phosphate is used as a representative example of the phosphate triester solution. Further, in the formation of the metal phosphate salt film, it is difficult to form a metal phosphate salt film having a thickness larger than 70 nm in consideration of the dimensional change of the bearing and the number of processing steps. The thickness of the coating is desirably 70 nm or less.
本発明によれば、ころ係数γをγ>0.94としたことにより、軌道面の最大面圧を低下させることができるので、軌道面の面圧過大による早期破損を防止することができるのに加え、内外輪の軌道面あるいは転動体の少なくとも一方の軸受金属表面に親油性の高いリン酸金属塩被膜を形成し、また、前記軌道面と転動体の被膜厚さの合計は10nm以上としたことにより、希薄潤滑環境下での軸受軌道面の油膜形成能力を高め、金属接触の発生率を低くすることができるので、潤滑不良による金属接触の発生に起因する非常に短寿命での表面起点剥離の発生を防止することが可能となる。その結果、信頼性の高い長寿命の転がり軸受を提供することができる。 According to the present invention, by setting the roller coefficient γ to γ> 0.94, the maximum surface pressure of the raceway surface can be reduced, so that early damage due to excessive surface pressure of the raceway surface can be prevented. In addition, a highly oleophilic metal phosphate film is formed on the raceway surfaces of the inner and outer rings or at least one bearing metal surface of the rolling element, and the total film thickness of the raceway surface and the rolling element is 10 nm or more. As a result, the oil film forming ability of the bearing raceway surface in a dilute lubrication environment can be increased and the incidence of metal contact can be reduced, so the surface with a very short life resulting from the occurrence of metal contact due to poor lubrication. It is possible to prevent the occurrence of starting point peeling. As a result, a highly reliable long-life rolling bearing can be provided.
本発明の実施形態における円すいころ軸受は、円すい状の軌道面を有する外輪と、円すい状の軌道面を有し、この軌道面の小径側端部に小鍔部、大径側端部に大鍔部をそれぞれ有する内輪と、外輪の軌道面と内輪の軌道面との間に転動自在に配された複数の円すいころと、転動体である円すいころを円周方向等間隔に保持する鋼板製の保持器とを備えている。この円すいころ軸受は、内輪に軸(図示せず)が同軸的に挿着され、外輪がハウジング(図示せず)の内径に取り付けられることにより、例えば自動車のトランスミッションの軸支持部に組み付けられる。 The tapered roller bearing in the embodiment of the present invention has an outer ring having a conical raceway surface, a conical raceway surface, a small flange portion at a small diameter side end portion of the raceway surface, and a large flange portion at a large diameter side end portion. A steel plate that holds inner rings each having a flange, a plurality of tapered rollers that are freely rollable between a raceway surface of the outer ring and a raceway surface of the inner ring, and tapered rollers that are rolling elements at equal intervals in the circumferential direction. And a cage made of metal. This tapered roller bearing is assembled to a shaft support portion of a transmission of an automobile, for example, by a shaft (not shown) being coaxially inserted into an inner ring and an outer ring being attached to the inner diameter of a housing (not shown).
従来の円すいころ軸受は、外輪と保持器との接触を避けた上で保持器の柱幅を確保し、適切な保持器の柱強度と円滑な回転を得るために、ころ係数γをγ≦0.94としていた。ここで、保持器の径寸法を変更することなく、単純にころの充填率を高めようとすると、保持器の柱が細くなり、充分な柱強度を確保することが困難となる。一方、保持器の柱強度を確保するため、保持器と外輪とのすきまが小さくなる方向に保持器の径寸法を大きくすると、保持器の外周面が外輪の軌道面に接触してその接触部分での摩耗を促進し、引きずりトルクの増大を引き起こす可能性がある。 In the conventional tapered roller bearing, the roller coefficient γ is set to γ ≦ in order to secure the column width of the cage while avoiding contact between the outer ring and the cage, and to obtain appropriate cage column strength and smooth rotation. It was 0.94. Here, if the roller filling rate is simply increased without changing the diameter of the cage, the columns of the cage become thin, and it becomes difficult to ensure sufficient column strength. On the other hand, when the diameter of the cage is increased in the direction in which the clearance between the cage and the outer ring is reduced in order to ensure the column strength of the cage, the outer peripheral surface of the cage comes into contact with the raceway surface of the outer ring and the contact portion May accelerate wear and cause an increase in drag torque.
そこで、この実施形態の円すいころ軸受においては、保持器と外輪とのすきまが小さくなる方向に保持器の径寸法を大きくし、かつ、運転中、保持器が外輪の軌道面と常に当接しない非接触状態を維持する径寸法とすることにより、ころ係数γ(ころの充填率)をγ>0.94としている。これにより、保持器の柱強度を確保すると共に、ころの充填率を高めることが可能となる。 Therefore, in the tapered roller bearing of this embodiment, the diameter of the cage is increased in the direction in which the clearance between the cage and the outer ring is reduced, and the cage does not always contact the raceway surface of the outer ring during operation. By setting the diameter to maintain a non-contact state, the roller coefficient γ (the roller filling rate) is set to γ> 0.94. Thereby, it is possible to secure the column strength of the cage and increase the filling rate of the rollers.
一方、この円すいころ軸受は、その材質およびラジアル軸受、スラスト軸受などの形式を特に限定するものではないが、内外輪および転動体はリン酸被膜処理が可能な金属製のものであり、例えば軸受鋼、肌焼鋼、ステンレス鋼、鉋金、鉛やスズを配合したホワイトメタルその他の軸受合金からなる材質が可能である。 On the other hand, the tapered roller bearing is not particularly limited in its material and type of radial bearing, thrust bearing, etc., but the inner and outer rings and the rolling elements are made of metal that can be treated with a phosphoric acid coating. Materials made of steel, case-hardened steel, stainless steel, plating, white metal containing lead and tin, and other bearing alloys are possible.
前述の円すいころ軸受において、内外輪の軌道面あるいは転動体の少なくとも一方の軸受金属表面に親油性の高いリン酸金属塩被膜を形成する。これにより、希薄潤滑環境下での軸受軌道面の油膜形成能力を高め、金属接触の発生率を低くすることができるので、潤滑不良による金属接触の発生に起因する非常に短寿命での表面起点剥離の発生を防止することが可能となる。 In the tapered roller bearing described above, a highly lipophilic metal phosphate metal salt coating is formed on at least one of the bearing metal surfaces of the raceway surfaces of the inner and outer rings or the rolling elements. As a result, the oil film forming ability of the bearing raceway surface in a dilute lubrication environment can be increased and the incidence of metal contact can be lowered, so that the surface starting point with a very short life resulting from the occurrence of metal contact due to poor lubrication The occurrence of peeling can be prevented.
また、軌道面と転動体の軸受金属表面に形成されたリン酸金属塩被膜の厚さ合計を10nm以上とする。この被膜厚さの合計が10nmより小さいと、希薄潤滑環境下での軸受軌道面の油膜形成能力を高めることが困難となり、所望の効果を発揮させることができない。 Further, the total thickness of the metal phosphate coating formed on the raceway surface and the bearing metal surface of the rolling element is set to 10 nm or more. If the total film thickness is less than 10 nm, it is difficult to increase the oil film forming ability of the bearing raceway surface in a dilute lubrication environment, and a desired effect cannot be exhibited.
このリン酸金属塩被膜は、内外輪あるいは転動体を、リン酸トリクレジルを含むリン酸トリエステル溶液中に浸漬して形成することが可能である。このリン酸トリエステルは、(RO)3P=O(式中、Rはアリール基、脂肪族炭化水素基、脂環族炭化水素基を表す)で表される有機リン酸化合物であり、可塑剤などとして市販の工業用材料を用いることができる。これらのリン酸トリエステルの代表例としては、リン酸トリクレジル(CH3C6H4O)3POが挙げられる。 This metal phosphate film can be formed by immersing inner and outer rings or rolling elements in a phosphate triester solution containing tricresyl phosphate. This phosphate triester is an organic phosphate compound represented by (RO) 3 P═O (wherein R represents an aryl group, an aliphatic hydrocarbon group, or an alicyclic hydrocarbon group). Commercially available industrial materials can be used as the agent. A typical example of these phosphate triesters is tricresyl phosphate (CH 3 C 6 H 4 O) 3 PO.
また、このリン酸金属塩被膜の形成においては、軸受の寸法変化や処理工数を考慮すると、70nmより大きな厚みを有するリン酸金属塩被膜を形成することは困難であることから、リン酸金属塩被膜の厚さは70nm以下が好適である。さらに、リン酸金属塩被膜を形成するに際しては、反応速度を上げるために加温しながら行えばよい。 Further, in the formation of the metal phosphate salt film, it is difficult to form a metal phosphate salt film having a thickness larger than 70 nm in consideration of the dimensional change of the bearing and the number of processing steps. The thickness of the coating is preferably 70 nm or less. Furthermore, when forming the metal phosphate salt film, heating may be performed to increase the reaction rate.
本出願人は、ころ係数γがγ≦0.94の従来品と、ころ係数γがγ>0.94の軸受Aと本発明品について、過酷潤滑・過大負荷条件下の寿命試験を実施した。その試験結果は、図1に示すとおりである。なお、軸受Aは、鉄板製の保持器を使用して外輪と保持器が、運転中、常に接触するものである。同図からも明らかなように本発明品については、従来品および軸受Aに対して異常が発生せず、寿命時間の点でも顕著な効果が得られた。 The present applicant conducted a life test under severe lubrication and overload conditions on a conventional product with a roller coefficient γ ≦ γ4, a bearing A with a roller coefficient γ> 0.94, and the product of the present invention. . The test results are as shown in FIG. The bearing A uses a steel plate cage, and the outer ring and the cage are always in contact during operation. As is apparent from the figure, the product of the present invention did not cause any abnormality with respect to the conventional product and the bearing A, and a remarkable effect was obtained in terms of life time.
また、本出願人は、転がり軸受を構成する内外輪あるいは転動体を、リン酸トリクレジルの100%原液に浸漬し、その軸受金属表面にリン酸金属塩被膜を形成した。 Further, the present applicant dipped the inner and outer rings or rolling elements constituting the rolling bearing in a 100% stock solution of tricresyl phosphate to form a metal phosphate salt film on the surface of the bearing metal.
ここで、前述の特許文献4で開示されているように、0.05〜0.5μmの化合物反応膜層を形成すると、低摩耗で耐荷重性、耐焼付き性を向上させることができるとされているが、これほど厚い被膜を形成するには、長時間の浸漬が必要であり、製品コストを考慮すると自動車用転がり軸受には不適である。 Here, as disclosed in the above-mentioned Patent Document 4, when a compound reaction film layer of 0.05 to 0.5 μm is formed, load resistance and seizure resistance can be improved with low wear. However, in order to form such a thick film, it is necessary to immerse for a long time, and considering the product cost, it is not suitable for a rolling bearing for automobiles.
そこで、リン酸金属塩被膜の形成における処理温度と処理時間は、軸受の寸法変化や処理工数を考慮し、150℃×100hを上限として処理可能なリン酸金属塩被膜を形成した軸受を製作し、過酷潤滑環境下での表面起点剥離に対する改善効果を確認した。なお、150℃×100hを上限処理条件とした時に形成可能なリン酸金属塩被膜の厚さは、最大70nmであった。 Therefore, the processing temperature and processing time in the formation of the metal phosphate film are considered in consideration of the dimensional change of the bearing and the number of processing steps, and a bearing with a metal phosphate film that can be processed at an upper limit of 150 ° C. × 100 h is manufactured. The improvement effect on the surface-origin peeling was confirmed under severe lubrication environment. The maximum thickness of the metal phosphate coating film that can be formed when 150 ° C. × 100 h is the upper limit treatment condition was 70 nm.
リン酸金属塩被膜の厚み測定は、X線光電子分光分析(XPS分析)にて行った。このXPS分析は、試料表面にX線を照射し、試料の最外表面(約数オングストローム)より放出される光電子のエネルギー解析によって試料表面の元素の情報(定性、定量)および結合状態を得るが、さらにアルゴン(Ar)イオン銃を用いて試料表面をスパッタしながら測定を行うことにより、元素の深さ方向、すなわち試料表面下の分布状態の解析を可能としたものである。 The thickness of the metal phosphate coating was measured by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS analysis). In this XPS analysis, the sample surface is irradiated with X-rays, and the information (qualitative and quantitative) and the binding state of the elements on the sample surface are obtained by analyzing the energy of photoelectrons emitted from the outermost surface of the sample (about several angstroms). Furthermore, by performing measurement while sputtering the sample surface using an argon (Ar) ion gun, the depth direction of the element, that is, the distribution state under the sample surface can be analyzed.
本出願人は、前述のようにして形成したリン酸金属塩被膜の厚さを変更し、過酷潤滑下での寿命試験を実施した。その試験データは、図2に示すとおりである。その結果、内外輪の軌道面と転動体のリン酸金属塩被膜の厚さ合計が10nm以上であれば、過酷潤滑環境下での軸受軌道面の油膜形成能力を高めることが可能になり、潤滑不良による金属接触の発生に起因する非常に短寿命での表面起点剥離の発生を防止することが可能になることが確認された。 The present applicant changed the thickness of the metal phosphate coating formed as described above and conducted a life test under severe lubrication. The test data is as shown in FIG. As a result, if the total thickness of the raceway surfaces of the inner and outer rings and the metal phosphate coating on the rolling elements is 10 nm or more, it becomes possible to increase the oil film forming ability of the bearing raceway surface under severe lubrication environment. It has been confirmed that it is possible to prevent the occurrence of surface-origin peeling with a very short lifetime due to the occurrence of metal contact due to a defect.
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US8167503B2 (en) * | 2007-06-08 | 2012-05-01 | Ntn Corporation | Taper roller bearing |
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