JP2007127219A - デファレンシャル用円すいころ軸受 - Google Patents

Abstract

【課題】軸受の剛性を低下させることなく低トルクを実現する。
【解決手段】デファレンシャル用円すいころ軸受1は、内輪2と、外輪3と、複数の円すいころ4と、保持器5とからなり、ころ係数γが0.94を越え、保持器5が、円すいころ4の小端面側で連なった環状部6と、円すいころ4の大端面側で連なった環状部7と、両環状部を連結する複数の柱部8とからなり、柱部8の内径面の両側に円すいころ4の転動面と接するテーパ面8aが形成してあり、テーパ面の幅方向の長さ寸法Ｌが、円すいころ4の平均直径の5％以上11％未満である。
【選択図】図１

Description

この発明は自動車のデファレンシャル用円すいころ軸受に関する。

一般的な自動車のデファレンシャルを例示すると図７のとおりである。同図の上が車体前方、下が車体後方である。デファレンシャルケース４１の前部にドライブピニオン軸４２を配置し、一対の円すいころ軸受４４，４５で回転自在に支持させてある。ドライブピニオン軸４２の前端部はプロペラシャフト（図示せず）と連結し、後端部には、リングギヤ（減速大歯車）４６とかみ合うドライブピニオンギヤ（減速小歯車）４３を固定し、あるいは一体に形成してある。

リングギヤ４６は差動歯車ケース４７に取り付けてあり、差動歯車ケース４７は一対の円すいころ軸受４８，４９でデファレンシャルケース４１に対して回転自在に支持される。差動歯車ケース４７の内部に、一対のピニオンギヤ５０と、これとかみ合う一対のサイドギヤ５１とがそれぞれ配置してある。ピニオンギヤ５０はピニオン軸５２に固定し、サイドギヤ５１はスラストワッシャを介して差動歯車ケース４７に装着してある。図示してない左右のドライブシャフトが、それぞれに対応するサイドギヤ５１にセレーション等によりトルク伝達可能に結合される。

プロペラシャフトの駆動トルクは、ドライブピニオンギヤ４３→リングギヤ４６→差動歯車ケース４７→ピニオンギヤ５０→サイドギヤ５１→ドライブシャフトという経路で伝達される。一方、タイヤの駆動抵抗は、ドライブシャフト→サイドギヤ５１→ピニオンギヤ５０へと伝達される。

ところで、円すいころ軸受は、外径面に軌道面を設けた内輪と、内径面に軌道面を設けた外輪と、内輪と外輪の軌道面間に介在させた複数のころと、これらのころを保持する保持器とからなる。保持器は、円すいころの小端面側で連なった環状部と、円すいころの大端面側で連なった環状部と、これらの環状部同士を連結する複数の柱部とを有し、隣り合った柱部間に円すいころを収納するためのポケットが画成してある。このような保持器では、円すいころの転動面と接する柱部の内径面の両側にテーパ面を設け、円すいころの転動面に接触疵が生じないようにしている。従来、このテーパ面の幅方向の長さ寸法Ｌは、ころの平均直径Ｄの１１〜２０％とするのが一般的である。

自走車両のデファレンシャルやトランスミッション等の動力伝達軸を支持する円すいころ軸受は、一部が油浴に漬かった状態で使用され、その回転に伴って油浴の油を潤滑油とする油浴潤滑状態となる。このように油浴潤滑状態で使用される円すいころ軸受では、円すいころの転動面と保持器の柱部内径面のテーパ面との間も、これらの面で形成されるくさび空間に入り込む潤滑油で潤滑される。
特開平０９−０９６３５２号公報 特開平１１−２１０７６５号公報 特開２００３−３４３５５２号公報

従来の、保持器の柱部テーパ面の長さ寸法Ｌをころの平均直径Ｄの１１〜２０％とした円すいころ軸受は、ころの転動面と柱部テーパ面との間に比較的大きいくさび空間が形成され、多量の潤滑油がくさび空間に入り込む。このくさび空間からころの転動面と保持器のテーパ面との界面に入る潤滑油の量は限られているので、このように多量の潤滑油がくさび空間に入り込むと、これらの潤滑油の逃げ場がなくなって軸受回転の抵抗となり、トルク損失が大きくなるという問題がある。また、このように潤滑油が軸受内部へ流入するころ軸受では、保持器の回転に対する潤滑油の流動抵抗も、無視できないトルク損失の要因となる。

したがって、軸受内部に潤滑油が流入する円すいころ軸受における潤滑油の流動抵抗によるトルク損失を低減させる必要がある。以上が低トルク化のために油の流動抵抗を減少させる方法であるが、大幅な低トルク化を行うためには、ころがり粘性抵抗が低下するように軸受諸元を変更することが必要である。しかしながら、従来の低トルク化手法（特許文献１〜３参照）では、定格荷重を低下させない低トルク化は可能であるが、軸受剛性がいくらか低下する。

この発明の主要な目的は、軸受剛性を低下させることなく、低トルク化を実現することにある。

この発明は、ころ本数を減らさず、あるいは増加させつつ、ころピッチ径（ＰＣＤ）を小さくすることによって、課題を解決したものである。図１０は円すいころ軸受においてＰＣＤを変化させたときの剛性比（−●−）およびトルク比（−○−）を表したものである。ころの弾性変形量を計算確認した結果、図１０に示すように、ＰＣＤを小さくすると軸受のトルクは大幅に低下するが、軸受剛性はあまり低下しないといった知見を得た。そこで、ころ本数を減らさないか増加させつつ、ＰＣＤを小さくすることによって、剛性を低下させずにトルクを低減させることができる。

この発明のデファレンシャル用円すいころ軸受は、内輪と、外輪と、前記内輪と前記外輪との間に介在させた複数の円すいころと、前記円すいころをポケットに保持する保持器とからなり、ころ係数γが０．９４を越え、前記保持器が、前記円すいころの小端面側で連なった環状部と、前記円すいころの大端面側で連なった環状部と、前記両環状部を連結する複数の柱部とからなり、前記柱部の内径面の両側に前記ころの転動面と接するテーパ面が形成してあり、前記テーパ面の幅方向の長さ寸法が、前記ころの平均直径の５％以上１１％未満であり、前記保持器が、中立状態では外輪と非接触で、径方向に動かすと外輪と接触することを特徴とするものである。

ころ係数γ（ころの充填率）は（ころ本数×ころ平均径）／（π×ＰＣＤ）で表されるパラメータであって、ころ平均径が一定とした場合、γの値が大きいほどころ本数が多いことを意味する。従来の典型的な保持器付き円すいころ軸受ではころ係数γを通常０．９４以下に設定しているのに対し、ころ係数γが０．９４を越えるということは、従来と比較して、ころ充填率ひいては軸受剛性が高いことを意味する。

ころの転動面と接する保持器の柱部のテーパ面の幅方向の長さ寸法を、ころの平均直径の１１％未満、好ましくは９％以下とすることにより、ころの転動面とテーパ面との間にあまり大きなくさび空間が形成されないようにして、くさび空間に入り込む潤滑油の量を少なくし、潤滑油の逃げ場がなくなることによるトルク損失を低減できるようにした。なお、テーパ面の幅方向の長さ寸法をころの平均直径の５％以上としたのは、５％未満では、ころの外径面とのテーパ面との弾性接触領域がテーパ面の幅よりも大きくなるおそれがあるからである。

請求項２の発明は、請求項１のデファレンシャル用円すいころ軸受において、前記柱部の厚さ寸法が、前記ころの平均直径の５％以上１７％未満であることを特徴とするものである。これにより、柱部の厚みを薄くして、保持器の回転に対する潤滑油の流動抵抗を小さくし、トルク損失をより低減させることができる。ここで、柱部の厚さ寸法をころの平均値の５％以上としたのは、５％では保持器の剛性を十分に確保できないからである。

請求項３の発明は、請求項１または２のデファレンシャル用円すいころ軸受において、保持器のポケットの窓角が５５°以上８０°以下であることを特徴とするものである。窓角とは、保持器の柱部の、ころの転動面と接する面がなす角度をいう。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４の発明は、請求項１ないし３のいずれかのデファレンシャル用円すいころ軸受において、保持器が機械的強度、耐油性および耐熱性に優れたエンジニアリング・プラスチックで形成してあることを特徴とするものである。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。また、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。

この発明によれば、剛性を低下させることなくトルク損失を減少させることができる。すなわち、この発明のころ軸受は、ころ係数γが０．９４を越えないような設定とすることにより、ころ本数を減らさず、あるいは増加させつつ、ころピッチ径（ＰＣＤ）を小さくすることができ、剛性を低下させることなく低トルク化が実現する。しかも、ころ係数γを０．９４より小さく抑えることにより、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、ころの転動面と接する保持器の柱部のテーパ面の幅方向の長さ寸法を、ころの平均直径の５％以上１１％未満としたことにより、ころの転動面とテーパ面との間にあまり大きなくさび空間が形成されず、くさび空間に入り込む潤滑油の量が少なくなる。したがって、潤滑油の逃げ場がなくなることによるトルク損失が減少し、この面からも低トルク化を促進することができる。

さらに、円すいころ軸受の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。したがって、デファレンシャルの小型化、長寿命化に貢献できる。

以下、図面に従ってこの発明の実施の形態を説明する。まず、図２に示す実施の形態の円すいころ軸受１は、内輪２と外輪３と円すいころ３と保持器４とを主要な構成要素としている。内輪２は外周に円すい状の軌道面２ａが形成してあり、外輪３は内周に円すい状の軌道面３ａが形成してある。内輪２の軌道面の２ａと外輪３の軌道面３ａとの間に複数の円すいころ４が転動自在に介在させてある。各円すいころ４は保持器５のポケット内に収容され、内輪２の小つば２ｂと大つば２ｃとで軸方向移動を規制される。なお、既述の図７を参照して述べると、デファレンシャルケース２１には潤滑油を貯留させてあり、各円すいころ軸受４５，４６，４８は、下部が潤滑油の油浴に漬かった状態で回転し、油浴の潤滑油が軸受内部へ流入する。

円すいころ軸受１は、ころ係数γ＞０．９４となっている。ころ係数（ころの充填率）γは次式で表される。
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。

ここで、従来の典型的な保持器付き円すいころ軸受の場合、図１１に示すように外輪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、通常、ころ係数γを０．９４以下にして設計している。図１１中、符号７３，７４，７５は、それぞれ、円すいころ、柱面、内輪を指し、符号θは窓角を表している。

保持器５は鉄板製であって、油への浸漬による材質劣化（耐油性）を気にせず使用できる。保持器５は、鉄板製に代えて、例えばＰＰＳ、ＰＥＥＫ、ＰＡ、ＰＰＡ、ＰＡＩ等のスーパーエンプラで一体成形してもよい。また、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。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）

保持器５は、図１（Ａ）に示すように、円すいころ４の小端面側で連なった環状部６と、円すいころ４の大端面側で連なった環状部７と、これらの環状部６，７を連結する複数の柱部８とからなり、隣り合った柱部８間に台形状のポケット９が画成される。柱面８ａがなす角度すなわち窓角θは、例えば２５°〜５０°である。

図１（Ｂ）に示すように、柱部８の内径面の両側には、円すいころ４の転動と接するテーパ面８ａが形成してある。このテーパ面８ａの幅方向の長さ寸法Ｌは、円すいころ４の平均直径Ｄの５％以上１１％未満、たとえば７％に設定するのが望ましい。このような構成とすることにより、円すいころ４の転動面とテーパ面８ａとの間にあまり大きなくさび空間が形成されることはない。また、柱部８の厚さ寸法Ｔは、円すいころ４の平均直径Ｄの５％以上１７％未満、たとえば１０％に設定するのが望ましい。このような構成とすることにより、保持器５の回転に対する潤滑油の流動抵抗を小さく抑えることができる。

図１（Ｂ）に示したテーパ面の長さ寸法Ｌを円すいころの平均直径Ｄの７％とした保持器を用いた円すいころ軸受（実施例）と、テーパ面の長さ寸法Ｌを円すいころの平均直径Ｄの１３％とした従来の保持器を用いた円すいころ軸受（比較例）とを用意した。円すいころ軸受の寸法は、いずれも、外径１００ｍｍ、内径４５ｍｍ、幅２７．２５ｍｍとした。また、保持器の柱部の厚さ寸法Ｔは、実施例のものが円すいころの平均直径Ｄの１３％、比較例のものが１７％とした。

実施例と比較例の円すいころ軸受について、縦型トルク試験機を用いたトルク測定試験を行った。試験条件は次のとおりである。
・アキシアル荷重：３００ｋｇｆ
・回転速度 ：３００〜２０００ｒｐｍ（１００ｒｐｍピッチ）
・潤滑条件 ：油浴潤滑（潤滑油：７５Ｗ−９０）

図３は、上記トルク測定試験の結果を示し、同図のグラフの縦軸は、比較例のもののトルクに対する実施例のもののトルクの低減率を表す。テーパ面の長さ寸法Ｌを円すいころの平均直径Ｄの７％と小さくした実施例のものは、低速回転から高速回転まで顕著なトルク低減効果が認められ、試験の最高回転速度である２０００ｒｐｍでも１２．０％のトルク低減率が得られている。この実施例のトルク低減効果には、柱部の厚さ寸法Ｔを薄くして、保持器の回転に対する潤滑油の流動抵抗を小さくした効果も含まれている。

保持器５の柱面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。従来の、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（図１１）では、窓角は大きくても約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°以上にすると、保持器強度を確保した上でγ＞０．９４とし、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。同図の「軸受」欄中、「比較例１」は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（図１１参照）である。「比較例２」は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である。「実施例」はころ係数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。寸法（単位ｍｍ）はいずれもφ４５×φ８１×φ１６で、ころ本数は「比較例１」が２４、「比較例２」、「実施例」が２７であった。試験は、過酷潤滑（油膜パラメータΛ＝０．２）、過大負荷条件下で行った。図４から明らかなように、「比較例２」は「比較例１」の２倍以上の長寿命となった。「実施例」の軸受はころ係数が「比較例２」と同じ０．９６であるが、寿命時間は「比較例２」の約５倍以上にもなった。

次に、図５に示す変形例について説明する。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８の外径面に、外輪軌道面側に向けて凸状となった突起部８ｂ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８ｂは図６に示すように柱部８の横断方向の断面輪郭形状が円弧状をしている。この円弧状の曲率半径Ｒ₂は外輪軌道面半径Ｒ₁より小さくしてある。これは突起部８ｂ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Ｒ₂は外輪軌道面半径Ｒ₁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。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８ｂの横幅Ｗ₂は望ましくは柱部８の横幅Ｗ₁の５０％以上となるように形成する（Ｗ₂≧０．５Ｗ₁）。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８ｂ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Ｒ₁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８ｂの曲率半径Ｒ₂もそれに合わせて大径側環状部７の大きな曲率半径Ｒ₂から小径側環状部６の小さな曲率半径Ｒ₂へと連続的に変化するようにする。

図５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８ｂとの間にくさび状油膜が形成される。このくさび状油膜は軸受１の回転速度にほぼ比例した動圧を発生させるので、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。

以上、この発明の実施の形態につき説明したが、この発明は前記実施の形態に限定されることなく種々の変形が可能である。

（Ａ）はこの発明の実施の形態を示す保持器の展開平面図、（Ｂ）は図１（Ａ）のＢ−Ｂ矢視図 （Ａ）はこの発明の実施の形態を示す円すいころ軸受の横断面図、（Ｂ）は図２（Ａ）の円すいころ軸受の縦断面図 トルク測定試験の結果を示すグラフ 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７の保持器の柱部の断面図。 一般的な自動車デファレンシャルの断面図 円すいころ軸受においてころピッチ径（ＰＣＤ）を変化させたときの剛性比（−●−）およびトルク比（−○−）の変化を表した線図 従来の技術を示す円すいころ軸受の部分拡大断面図

符号の説明

１，１ａ，１ｂ 円すいころ軸受
２ 内輪
２ａ 軌道面
２ｂ 小つば
２ｃ 大つば
３ 外輪
３ａ 軌道面
４ 円すいころ
５ 保持器
６ 環状部（ころ小端面側）
７ 環状部（ころ大端面側）
８ 柱部
８ａ テーパ面（柱面）
８ｂ 突起部
９ ポケット

Claims (4)

1. 内輪と、外輪と、前記内輪と前記外輪との間に介在させた複数の円すいころと、前記円すいころをポケットに保持する保持器とからなり、
   ころ係数γが０．９４を越え、
   前記保持器が、前記円すいころの小端面側で連なった環状部と、前記円すいころの大端面側で連なった環状部と、前記両環状部を連結する複数の柱部とからなり、前記柱部の内径面の両側に前記ころの転動面と接するテーパ面が形成してあり、前記テーパ面の幅方向の長さ寸法が、前記ころの平均直径の５％以上１１％未満であるデファレンシャル用円すいころ軸受。
2. 前記柱部の厚さ寸法が、前記ころの平均直径の５％以上１７％未満である請求項１の円すいころ軸受。
3. 前記保持器のポケットの窓角が５５°以上８０°以下である請求項１または２のデファレンシャル用円すいころ軸受。
4. 前記保持器が機械的強度、耐油性および耐熱性に優れたエンジニアリング・プラスチックで形成してある請求項１ないし３のいずれかのデファレンシャル用円すいころ軸受。
   
   
   

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