JP2007218369A - 遊星歯車機構用ころ軸受 - Google Patents

Abstract

【課題】遊星歯車の高速公転に伴う遊星歯車内径面や保持器外径面の早期摩耗や焼付き等を有効に低減可能とすること。
【解決手段】複数のころ（針状ころ）１８ａとこれらころ１８ａを位置決め保持する保持器１８ｂとで構成されるケージアンドローラタイプであってかつ遊星歯車１６の内径面に保持器１８ｂの外径面が案内される遊星歯車機構用ころ軸受（針状ころ軸受）１８において、保持器１８ｂの外径寸法を遊星歯車１６の内径寸法の９５％以上、９７％以下に設定した構成。
【選択図】図５

Description

本発明は、自動車等の自動変速機における遊星歯車機構に組み込む針状ころ軸受等のころ軸受に関するものであり、より詳しくは、複数のころとこれらころを位置決め保持する保持器とで構成されるケージアンドローラタイプであって、遊星歯車の内径面に保持器外径面が案内（外径案内）される遊星歯車機構用ころ軸受に関するものである。

自動車の燃費向上のため自動変速機においても多段化されてきている。そのため、例えば４速を５速や６速に多段化すると動力伝達装置である遊星歯車機構の遊星歯車の自転および公転の速度が増大化する。そのため、遊星歯車とその内部に挿通される遊星歯車支持軸との間に介装されるギヤインナ軸受である針状ころ軸受には、保持器を用いない総ころタイプの針状ころ軸受ではなく、複数の針状ころとこれら針状ころを位置決め保持する保持器とで構成されるケージアンドローラタイプの針状ころ軸受（以下、このタイプのものを保持器付き針状ころ軸受と総称する）が用いられるようになってきている。このような遊星歯車機構においては、太陽歯車とリング歯車とを同心配置し、太陽歯車とリング歯車との間に複数の遊星歯車を配置し、これら遊星歯車それぞれの支持軸（遊星歯車支持軸）をキャリアに結合して公転自在に保持している（特許文献１）。

上記構成の遊星歯車機構では、遊星歯車は自転しつつ太陽歯車周囲を公転しているので、遊星歯車を遊星歯車支持軸に支持する針状ころ軸受には上記公転による遠心力が負荷されることになる。この針状ころ軸受の保持器は公転による遠心力により外輪である遊星歯車の内径面に押し付けられるため、遊星歯車と保持器との間で摺動が生じることになる。このような摺動は、針状ころ軸受の引きずり抵抗を増大させ、早期の摩耗や焼付き、保持器の変形等を招来するおそれがある。また、保持器の外径案内面の面粗度が悪い場合ではブレーキング現象により遊星歯車内径面に接触した保持器の回転速度の急激な低下を引き起こして、保持器の柱部に針状ころが衝突し、当該柱部に繰り返し応力が与えられることにより疲労破壊を発生させるおそれもある。
特開２００４−２０４８９８号公報

本発明により解決すべき課題は、遊星歯車の公転により保持器に遠心力が付与されて該保持器外径面が遊星歯車内径面と摺動接触しても、保持器外径面の早期摩耗や焼付き、保持器の変形等を防止することができるように、その摺動抵抗を小さく抑制することを可能にすることである。

本発明による遊星歯車機構用ころ軸受は、複数のころとこれらころを位置決め保持するケージアンドローラタイプの保持器とを備え該保持器の外径面が遊星歯車の内径面に案内される遊星歯車機構用ころ軸受において、当該保持器の外径寸法が、遊星歯車内径寸法の９５％以上、９７％以下に設定されていることを特徴とするものである。

保持器の外径寸法が、遊星歯車内径寸法の９５％未満に設定されると、保持器外径面を遊星歯車内径面に案内する上では不都合を来たすようになり、遊星歯車内径寸法の９７％超に設定されると、保持器外径面が遊星歯車内径面と摺動接触するときに、保持器外径面の早期摩耗や焼付き、保持器の変形等を防止する効果が低下してくる。

本発明によると、保持器の外径寸法が、遊星歯車内径寸法の９５％以上、９７％以下の適正範囲に設定されていることにより、遊星歯車の公転速度が高速になって保持器に大きい遠心力が負荷されても、当該ころ軸受の保持器の外径面は遊星歯車の内径面に強く押し付けられずに済み、遊星歯車と保持器との間の摺動抵抗は小さくて済む。その結果、保持器外径面の摩耗を低く抑えてその焼付きや、ひいては保持器の変形を防止することができるようになる。

なお、本発明では、保持器外径面に鍍金や塗布等により摩耗や焼付きの防止膜を設ける必要がないから、そうした膜を設けることによる余分なコストもかからずに済むうえ、膜が無くても長期の使用における耐久性を向上することができる。

本発明によれば、遊星歯車の高速公転により保持器に大きい遠心力が付与されても、保持器外径面における遊星歯車内径面との摺動による早期摩耗や焼付き等を抑制することができる。

本発明の実施の形態に係る遊星歯車機構用ころ軸受を説明する。本実施の形態に適用するころ軸受は自動車の自動変速機の遊星歯車機構に組み込まれるケージアンドローラタイプの針状ころ軸受である。自動車における自動変速機は、一般に、エンジンが運転中にトルク変動を生ずることから、このトルク変動を吸収緩和し、かつ、トルク増大を目的としてトルク伝動系にトルクコンバータを設けるとともに、トルクコンバータに補助変速機として遊星歯車機構を備えている。遊星歯車機構は、トルクコンバータから伝えられた回転力を設定されたギア比に変換するものである。トルクコンバータはそれ自身、トルク増大、変速作用があるが、自動車用として十分な動力性能を持たせ、且つ逆転（後退）させる必要があるために、遊星歯車機構が設けられている。すなわち、エンジンのクランクシャフトから出力されるトルクはトルクコンバータを介して伝達され、複数列に組み合わせた遊星歯車機構を介して複数段に減速される。

以下、図面を参照して説明する。
図１は、本実施の形態の針状ころ軸受を組み込んだ遊星歯車機構の軸方向に沿う断面図、図２は図１の（２）−（２）に沿う断面図、図３は、同遊星歯車機構の針状ころ軸受周囲部分を拡大して示す断面図、図４は、図３に示す針状ころ軸受のみを拡大して示す断面図である。

これらの図を参照して、遊星歯車機構１０は、外歯歯車である太陽歯車１２と、内歯歯車であるリング歯車１４とを同心円上に配置し、太陽歯車１２とリング歯車１４との間に外歯歯車である複数の遊星歯車１６を配置している。これら太陽歯車１２、リング歯車１４および遊星歯車１６はその歯筋が軸方向に対し斜めのハスバ歯車となっている。各遊星歯車１６は針状ころ軸受１８を介して遊星歯車支持軸２０に回転自在に支持されている。遊星歯車支持軸２０内には図で右方から軸方向に沿い中央で外径面に抜ける油路２１が形成されている。各遊星歯車支持軸２０は互いに軸方向両側に平行に延びてその両端は図中左右の遊星歯車キャリア２２ａ，２２ｂに連結固定されている。遊星歯車キャリア２２ａ，２２ｂは、図示略の連結部で一体連結されている。遊星歯車キャリア２２ａ，２２ｂと遊星歯車１６との対向側面間にはワッシャ１９が介装されている。

太陽歯車１２は回転軸２４に軸方向スプラインにより嵌合されて一体回転可能に連結され、遊星歯車キャリア２２は図示略の回転軸に連結され該回転軸の回転により複数の遊星歯車１６を太陽歯車１２とリング歯車１４との間を公転自在としている。リング歯車１４は図示略の回転軸に連結されている。

遊星歯車機構１０は、これら回転軸を入力側、出力側としたり、特定の回転軸を固定（回転不可）としたりすることにより、太陽歯車１２の回転、遊星歯車１６の公転(遊星歯車キャリア２２の回転)、リング歯車１４の回転の３つの回転要素のうち、１つを固定、１つを入力、１つを出力に接続して、複数の減速比や回転方向の切り替えを行うようになっている。

例えば、リング歯車１４を固定し、太陽歯車１２を入力回転させると、遊星歯車１６は自転しつつ公転し、遊星歯車キャリア２２が出力回転する。また、遊星歯車キャリア２２を固定し、太陽歯車１２を入力回転すると、遊星歯車１６が自転し、リング歯車１４が出力逆回転する。また、太陽歯車１２を固定し、リング歯車１４を入力回転すると、遊星歯車１６が自転しつつ公転し、遊星歯車キャリア２２が出力回転する。

上記構成を備えた遊星歯車機構１０において、遊星歯車１６と遊星歯車支持軸２０の外径面との間に実施の形態の針状ころ軸受１８が介装されている。この針状ころ軸受１８は、複数の針状ころ１８ａと、これら針状ころ１８ａを位置決め保持する保持器１８ｂとで構成されるケージアンドローラタイプである。針状ころ軸受１８は遊星歯車１６の内径面を外輪軌道とし、遊星歯車支持軸２０の外径面を内輪軌道とし、その保持器１８ｂの外径面は遊星歯車１６の内径面で案内される外径案内となっている。

保持器１８ｂは、一対の円環部１８ｂ１を複数の柱部１８ｂ２で連結した構成を有し、円周方向で隣接する柱部１８ｂ２の間を針状ころ１８ａを保持するポケット孔１８ｂ３とするとともに、柱中央部１８ｂ４は内径側に屈曲縮径し、柱中央部１８ｂ４の軸方向両側の柱両側部１８ｂ６で拡径した構成からなる。

保持器１８ｂは柱部１８ｂ２を上記構成として柱中央部１８ｂ４で針状ころ１８ａのころピッチ円径より内径側を支持し、柱両側部１８ｂ６で針状ころ１８ａのころピッチ円径より外径側を支持して針状ころ１８ａの抜け止めと保持とを行う。保持器１８ｂにおいて最大外径を有し外径案内面となる外径面は円環部１８ｂ１の外径面である。保持器１８ｂは一枚の板材をパンチ加工により打ち抜いて柱部１８ｂ２を形成し、丸め加工して両端を溶接することにより保持器としている。

保持器１８ｂの外径面はその面粗度を向上させるため必要に応じて表面処理を施すことができる。この表面処理は、遊星歯車１６の内径面との摺動に伴う摺動抵抗を減ずることができるような処理層として、摩擦低減層、潤滑付与層等を形成することができる。
保持器１８ｂは、上記逆Ｍ型ではなく、柱部１８ｂ２を外径面が軸方向一定で軸方向中央の内径面において拡径して油路２１からの油供給を円滑とする環状凹部１８ｂ５を設けた柱中央部１８ｂ５とした門型構成とすることができる。この門型保持器１８ｂでは外径が軸方向に一様である。

以上において、本実施の形態では、保持器１８ｂの外径寸法Ｄ１を、遊星歯車１６の内径寸法Ｄ２の９５％以上、９７％以下の範囲に設定したことに特徴を有する。この場合、保持器１８ｂの外径寸法を、遊星歯車１６の内径寸法の９５％以上、９７％以下に設定したのであるが、保持器１８ｂの外径寸法が製作誤差等により遊星歯車１６の内径寸法の９５％未満あるいは９７％超になる場合があり、このような場合、上記９５％と９７％の数値は、実質的な数値であると考えるべきで、当該誤差により９５％より若干小さい数値や９７％より若干大きい数値であっても、本発明の作用効果を達成することができる場合は、当該数値範囲に含むと解釈すべきである。

以上の構成を備えた遊星歯車機構１０では、キャリア２２が高速回転して遊星歯車１６が高速公転し、針状ころ軸受１８の保持器１８ｂに大きい遠心力が作用しても、保持器１８ｂの外径寸法Ｄ１は、遊星歯車１６の内径寸法Ｄ２の９５％以上、９７％以下の適正範囲に設定されているから、保持器１８ｂの外径面は遊星歯車１６の内径面に押し付けられた時に保持器１８ｂの外径面と遊星歯車１６の内径面との摺動抵抗を小さくすることができ、それら摺動面での異常な摩耗や焼付きが抑制される。

図５（ａ）（ｂ）を参照してそのことを具体的に説明する。図５（ａ）は保持器の外径寸法Ｄ１が遊星歯車１６の内径寸法Ｄ２の９５％以上、９７％以下の場合、図５（ｂ）は保持器の外径寸法Ｄ１が遊星歯車１６の内径寸法Ｄ２の９７％超の場合である。図５（ａ）（ｂ）のいずれにも遊星歯車１６は矢印Ａ方向に高速公転していて、保持器１８ｂには矢印Ｂ方向の遠心力が作用している。ただし、保持器１８ｂの重量は上記いずれの外径寸法Ｄ１においても同一であると仮定している。図５（ａ）では保持器１８ｂの外径寸法Ｄ１が遊星歯車１６の内径寸法Ｄ２の９５％以上、９７％以下の適正範囲内であって、外径寸法Ｄ１と内径寸法Ｄ２との寸法差が適正に確保されている。そのため、保持器１８ｂに上記遠心力が作用して当該保持器１８ｂが遠心力方向に移動しても、保持器１８ｂと遊星歯車１６の内径面との接触面積は小さく抑制される。その結果、遊星歯車が高速公転に伴い高速自転している状態で、保持器１８ｂの外径面と遊星歯車１６の内径面とがその接触面積で摺動しても、保持器１８ｂの外径面や遊星歯車１６の内径面に異常な摩耗や焼付きの発生は抑制される。

一方、図５（ｂ）では保持器１８ｂの外径寸法Ｄ１が遊星歯車１６の内径寸法Ｄ２の９７％超であって、外径寸法Ｄ１と内径寸法Ｄ２との寸法差が極めて小さくなり、保持器１８ｂに上記遠心力が作用して当該保持器１８ｂが遠心力方向に移動したときの遊星歯車１６の内径面と保持器１８ｂの外径面との接触圧や接触面積が増大する。そして、このように遊星歯車１６の内径面と保持器１８ｂの外径面との接触圧や接触面積が増大している状態で遊星歯車１６がその高速公転により高速自転しているので、それら接触面間での摺動摩擦が過大となって保持器１８ｂの外径面や遊星歯車１６の内径面に異常な摩耗や焼付きが発生するようになる。

以上に述べた本実施の形態の構成を以下に説明する実験で実証した。

具体的に上記寸法設定を行う。
遊星歯車１６の公転速度を５８９２ｒ／ｍｉｎ、
遊星歯車１６の公転半径を９０ｍｍ、
遊星歯車１６の遠心加速度を３４０４Ｇ、
遊星歯車１６の自転速度を９８９６ｒ／ｍｉｎ、
潤滑油をＡＴＦ、
潤滑油量を６０ｃｃ／ｍｉｎ、
潤滑油温を１２０℃、
保持器１８ｂの重量を５．０ｇ、
保持器１８ｂに作用する遠心力を１７１Ｎ、
遊星歯車１６の内径を２４．５６２ｍｍ、
とする。

一方、保持器１８ｂとして外径寸法がそれぞれ２３．３ｍｍ、２３．６ｍｍ，２３．８ｍｍ．２４．１ｍｍ，２４．３ｍｍの保持器１８ｂを準備し、各外径寸法の保持器１８ｂそれぞれに対して、それらの外径面ならびに各保持器１８ｂ毎に遊星歯車１６の内径面における摩耗、焼付きの発生の状態を確かめた。なお、実験に用いた保持器１８ｂの個数は各外径寸法２３．３ｍｍ、２３．６ｍｍ，２３．８ｍｍ．２４．１ｍｍ，２４．３ｍｍそれぞれに対して２個である。

実験の結果、外径寸法が２４．１ｍｍ以上の保持器１８ｂではそのすべてにおいて最短では３時間、最長でも８時間で保持器１８ｂの外径面、遊星歯車１６の内径面に異常な摩耗、焼付きが発生した。

外径寸法が２３．３ｍｍ以下の保持器１８ｂではその実験したすべての保持器が１３０時間でも保持器１８ｂの外径面、遊星歯車１６の内径面に上記した異常な摩耗、焼付きは発生しなかった。外径寸法が２３．３ｍｍ未満の保持器１８ｂについては、その外径面が遊星歯車１６の内径面に案内されなくなるので、実験を実施しなかった。

以上の実験から、内径寸法２４．５６２ｍｍの遊星歯車１６に対しては、外径寸法２３．８ｍｍ以下の保持器１８ｂ、すなわち、外径寸法が遊星歯車１６の内径寸法の９７％以下であれば、その外径面の摩耗が抑えられ、焼付きが発生しなかった。

上記実験においては、遊星歯車１６の内径寸法を一定の２４．５６２ｍｍとし、保持器１８ｂの外径寸法を代えることにより行われたものであるが、遊星歯車１６に作用する遠心加速度が３０００Ｇ以上であれば、上記実験による遊星歯車１６の内径寸法と保持器１８ｂの外径寸法との関係は、遊星歯車１６の内径寸法を１００％とし、それに対する保持器１８ｂの外径寸法の％値で一般化することができる。

このことより、保持器１８ｂの外径寸法は、遊星歯車１６の内径寸法の９７％以下であれば、遊星歯車１６の内径面、保持器１８ｂの外径面の摩耗が低く抑えられ、焼付きが発生しないことが判る。なお、保持器１８ｂは外径案内であるので、保持器１８ｂの外径寸法は、遊星歯車１６の内径寸法の９５％以上であることが必要である。

遊星歯車機構の軸方向に沿う断面図である。 図１の（２）−（２）に沿う断面図である。 図１に示す針状ころ軸受を含む要部の拡大断面図である。 図２に示す針状ころ軸受の拡大断面図である。 （ａ）は保持器の外径寸法が適正範囲にあるときの当該保持器と遊星歯車との摺動状態を示し、（ｂ）は保持器の外径寸法が適正範囲を超えているときの当該保持器と遊星歯車との摺動状態を示す模式図である。

符号の説明

１０ 遊星歯車機構
１２ 太陽歯車
１４ リング歯車
１６ 遊星歯車(内径寸法Ｄ２)
１８ 針状ころ軸受
１８ａ 針状ころ
１８ｂ 保持器(外径寸法Ｄ１)
２０ 遊星歯車支持軸

Claims (1)

1. 複数のころとこれらころを位置決め保持するケージアンドローラタイプの保持器とを備え該保持器の外径面が遊星歯車の内径面に案内される遊星歯車機構用ころ軸受において、当該保持器の外径寸法が、遊星歯車内径寸法の９５％以上、９７％以下に設定されている、ことを特徴とする遊星歯車機構用ころ軸受。

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