JP2008051308A - 車輪用軸受装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】車輪用軸受装置において，軸受剛性を低下させることなく，低トルク化を実現する。
【解決手段】車輪用軸受装置は，内周に２列のアウタレース44を有する外方部材と，外周に２列のインナレース34を有する内方部材と，アウタレース44とインナレース34との間に転動自在に介在させた円すいころ46と，各列の円すいころ46を円周方向で所定間隔に保持する保持器48とを備え，ころ係数γが0.94を越え，少なくとも円すいころ46の表面に微小凹形状のくぼみをランダムに無数に設け，くぼみを設けた表面の面粗さパラメータRyniが0.4μｍ≦Ryni≦1.0μｍの範囲内で，かつ，Sk値の上限が-1.6であり，保持器48が，円すいころ46の小端面側で連なる小環状部と，円すいころ46の大端面側で連なる大環状部と，これらの環状部を連結する複数の柱部とからなり，隣接する柱部間に，円すいころ46の小径側を収納する部分が狭幅側，大径側を収納する部分が広幅側となった台形状のポケットが形成してあり，狭幅側の柱部に切欠きが設けてある。
【選択図】図１

Description

この発明は車輪用軸受装置に関する。
車輪用軸受装置では，モーメント荷重が作用することから，転がり軸受を２個１組で使用する場合が多く，ハブとユニット化したいわゆるハブ・ベアリングでは，円すいころ軸受や複列アンギュラ玉軸受などの複列転がり軸受が使用されている。
円すいころ軸受は，外径面の軌道面の両側に小つばと大つばが設けられた内輪と，内径面に軌道面が設けられた外輪と，内輪と外輪の軌道面間に配列された複数の円すいころと，これらの円すいころをポケットに収納して保持する保持器とからなり，保持器には，円すいころの小径端面側で連なる小環状部と，円すいころの大径端面側で連なる大環状部と，これらの環状部を連結する複数の柱部とからなり，ポケットが，円すいころの小径側を収納する部分が狭幅側，大径側を収納する部分が広幅側となる台形状に形成されたものが用いられている。
円すいころ軸受を有する車輪用軸受装置では、円すいころの小径側からグリースが軸受内部に流入する一方、保持器外径側と内径側からもグリースが軸受内部に流入する。保持器外径側から流入するグリースは外輪となる外方部材の軌道面（アウタレース）に沿って円すいころの大径側へ通過する。保持器内径側から流入するグリースは内輪の軌道面（インナレース）に沿って円すいころの大径側へ通過する。
このようにグリースなどの潤滑剤が外部から流入する部位に使用される円すいころ軸受には，保持器のポケットに切欠きを設けて，保持器の外径側と内径側とに分かれて流入する潤滑剤がこの切欠きを通過するようにし，軸受内部での潤滑剤の流通を向上させるようにしたものがある（特許文献１，２参照）。特許文献１に記載されたものでは，図２２（Ａ）に示すように，保持器５のポケット９間の柱部８の中央部に切欠き１０ｄを設け，潤滑剤に混入する異物が軸受内部に滞留しないようにしている。また，特許文献２に記載されたものでは，図２２(Ｂ)に示すように，保持器５のポケット９の軸方向両端の小環状部６と大環状部７に切欠き１０ｅを設け，保持器の外径側から流入する潤滑剤が内輪側へ流れやすくなるようにしている。なお，各図中に記入したポケット９の各寸法は，後述するトルク測定試験における比較例に用いたものの値である。
特開平０９−３２８５８号公報（第３図） 特開平１１−２０１１４９号公報（第２図） 特開平０９−０９６３５２号公報 特開平１１−０２１０７６５公報 特開２００３−３４３５５２号公報
上述したように、潤滑剤が保持器の外径側と内径側とに分かれて軸受内部へ流入する円すいころ軸受では，保持器の内径側から内輪側へ流入する潤滑剤の割合が多くなると，トルク損失が大きくなることが分かった。この理由は，以下のように考えられる。すなわち，保持器の外径側から外輪側へ流入する潤滑剤は，外輪の内径面には障害物がないので，その軌道面に沿って円すいころの大径側へスムーズに通過して軸受内部から流出するが，保持器の内径側から内輪側へ流入する潤滑剤は，内輪の外径面には大つばがあるので，その軌道面に沿って円すいころの大径側へ通過したときに大つばで堰き止められ，軸受内部に滞留しやすくなる。このため，保持器の内径側から内輪側へ流入する潤滑剤の割合が多くなると，軸受内部に滞留する潤滑剤の量が多くなり，この滞留する潤滑剤が軸受回転に対する流動抵抗となってトルク損失が増大するものと考えられる。
したがって，軸受内部に潤滑剤が流入する円すいころ軸受における潤滑剤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潤滑剤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３〜５参照）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，軸受剛性はいくらか低下する。
この発明の目的は，車輪用軸受装置において，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，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。すなわち、この発明の車輪用軸受装置は，内周に２列のアウタレースを有する外方部材と，外周に２列のインナレースを有する内方部材と，アウタレースとインナレースとの間に転動自在に介在させた円すいころと，各列の円すいころを円周方向で所定間隔に保持する保持器とを備え，前記外方部材が，車体に固定するためのフランジ部を有し内周面に２列のアウタレースを形成した複列外輪であり，前記内方部材が，車輪を固定するためのフランジをもったハブと，ハブに嵌合させた内輪とで構成され，ころ係数γが０．９４を越え，少なくとも前記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，前記くぼみを設けた表面の面粗さパラメータRyniが０．４μｍ≦Ryni≦１．０μｍの範囲内で，かつ，Sk値の上限が−１．６であり，前記保持器が，円すいころの小端面側で連なる小環状部と，円すいころの大端面側で連なる大環状部と，これらの環状部を連結する複数の柱部とからなり，隣接する柱部間に，円すいころの小径側を収納する部分が狭幅側，大径側を収納する部分が広幅側となった台形状のポケットが形成してあり，狭幅側の柱部に切欠きが設けてあることを特徴とするものである。
ころ係数γが０．９４を越えるようにすることによって，ころ本数を増加させつつころＰＣＤを小さくできる。これにより，軸受剛性を低下させることなく，低トルク化を実現できる。また，ころ本数を増加させることによって，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。
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，ころ係数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以下にして設計しているので，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。
図２３は円すいころ軸受においてころピッチ円径（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。図２３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ことが，ころの弾性変形量を計算確認した結果として得られた。そこで，ころ本数を減らさないか増加させつつＰＣＤを小さくすれば，剛性を低下させずにトルクを低減させることができる。
少なくとも円すいころの表面に，微小凹形形状のくぼみをランダムに無数に設け，このくぼみを設けた表面の面粗さパラメータRyniを０．４μm≦Ryni≦１．０μmとし，かつ，Sk値の上限を−１．６とすることにより，円すいころの表面に満遍なく潤滑剤を保持させて，軸受内部に滞留する潤滑剤の量を減らしても，円すいころと内外輪との接触部を十分に潤滑することができる。
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）。また，Sk値は粗さ曲線のひずみ度，すなわち，粗さの凹凸分布の非対称性を表す値であり（ISO 4287:1997），ガウス分布のように対称な分布ではSk値は０に近くなり，凹凸の凸部を削除した場合は負の値，逆に凹部を削除した場合は正の値となる。Sk値のコントロールは，バレル研磨機の回転速度，加工時間，ワーク投入量，研磨チップの種類と大きさ等を選ぶことにより行うことができる。Sk値の上限を幅方向，円周方向とも−１．６とすることにより，無数の微小凹形形状のくぼみに満遍なく潤滑剤を保持することができる。したがって，圧縮されても滑り方向，直角方向への潤滑剤のリークは少なく，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。
また，保持器の台形状のポケットの狭幅側の柱部に切欠きを設けることにより，次のような作用が得られる。すなわち，保持器の内径側から内輪側へ流入した潤滑剤を，この切欠きを通して外輪側へ速やかに逃がすことができる。その結果，内輪の軌道面に沿って大つばに至る潤滑剤の流動抵抗によるトルク損失が低減する。
請求項２の発明は，請求項１の車輪用軸受装置において，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の範囲内であることを特徴とするものである。パラメータRymaxは基準長毎最大高さの最大値である（ISO4287:1997）。
請求項３の発明は，請求項１または２の車輪用軸受装置において，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ものである。パラメータRqni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ともいう。パラメータ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から３のいずれかの車輪用軸受装置において，前記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，ころの転動面と接する柱部の側面がなす角度をいう。窓角の下限を５５°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る。窓角の上限を８０°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のいずれかの車輪用軸受装置において，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剤の効果と相俟って，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。
請求項６の発明は，請求項１ないし５のいずれかの車輪用軸受装置において，ポケットの狭幅側の小環状部にも切欠きが設けてあ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，保持器の内径側から内輪側へ流入する潤滑剤をこの切欠きからも外輪側へ逃がしてやることができる。したがって，内輪の軌道面に沿って大つばに至る潤滑剤の量がより少なくなり，潤滑剤の流動抵抗によるトルク損失がさらに低減する。
請求項７の発明は，請求項１ないし６のいずれかの車輪用軸受装置において，ポケットの広幅側の少なくとも柱部に切欠きが設けてあ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，円すいころをバランスよく柱部に接触させることができる。
請求項８の発明は，請求項１から７のいずれかの車輪用軸受装置において，ポケットの狭幅側に設けた切欠きの合計面積が，ポケットの広幅側に設けた切欠きの合計面積よりも広い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，内輪の軌道面に沿って大つばに至る潤滑剤の量をより少なくして，潤滑剤の流動抵抗によるトルク損失をさらに低減させることができる。
請求項９の発明は，請求項１から８のいずれかの車輪用軸受装置において，保持器の小環状部の軸方向外側に，内輪の小つばの外径面に対向させた径方向内向きのつばが設けてあり，前記つばの内径面と内輪の小つばの外径面との間のすきまの上限が小つばの外径寸法の２．０％であ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，保持器の内径側から内輪側へ流入する潤滑剤の量を少なくし，潤滑剤の流動抵抗によるトルク損失をより低減させることができる。
請求項１０の発明は，請求項１から９のいずれかの車輪用軸受装置において，前記複列の円すいころの一方をボールに代えたことを特徴とするものである。
請求項１１の発明は，請求項１から１０のいずれかの車輪用軸受装置において，前記複列の転動体のピッチ円径がインナ側とアウタ側で異なることを特徴とするものである。
請求項１２の発明は，請求項１から１１のいずれかの車輪用軸受装置において，前記複列の転動体の数がインナ側とアウタ側で異なることを特徴とするものである。
請求項１３の発明は，請求項１から９，１１，１２のいずれかの車輪用軸受装置において，前記複列の転動体のサイズがインナ側とアウタ側で異なることを特徴とするものである。
この発明によれば，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ができる。すなわち，保持器の台形状ポケットの狭幅側の柱部に切欠きを設けることにより，保持器の内径側から内輪側へ流入した潤滑剤を，この切欠きを通して外輪側へ速やかに逃がすことができるため，内輪の軌道面に沿って大つばに至る潤滑剤の量が少なくなり，軸受内部に滞留する潤滑剤の量が減少して，潤滑剤の流動抵抗によるトルク損失が低減する。また，ころ係数γが０．９４を越える設定とすることによって，ころ本数を増加させつつ，ころＰＣＤを小さくできる。これにより，軸受剛性を低下させることなく，低トルク化を実現できる。ころ係数γが０．９４を越える設定とすることにより，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。
さらに，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を得ることができる。とくに，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。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，図面に従ってこの発明の実施の形態を説明する。
図１に示す実施例１は，ハブ２２と複列転がり軸受とをユニット化したもので，いわゆる２．５世代のハブ・ベアリングである。複列転がり軸受は，軸受外輪に相当する外方部材と，軸受内輪に相当する内方部材と，両部材間に介在する転動体とで構成される。実施例１は複列円すいころ軸受を用いた例で，転動体４６はアウタ側もインナ側も円すいころであり，その数およびピッチ円径ＰＣＤも同一である。
ハブ２２は等速自在継手の外側継手部材１２のステム部１４を受け入れる軸孔２４を有している。ハブ２２は外周にハブフランジ２６を有し，ハブフランジ２６にはホイールディスク（図示せず）を固定するためのハブボルト３０が植え込んである。
複列円すいころ軸受は，一対の内輪３２と，外輪３８と，円すいころ４６と，保持器４８とを主要な構成要素としている。内輪３２が内方部材を構成し，外輪３８が外方部材を構成する。内輪３２は外周にインナレース３４を有し，ハブ２２の円筒状をしたスリーブ２８の外周面に嵌合させてある。アウタ側の内輪３２は大つば３６をハブ２２に当ててあり，インナ側の内輪３２は大つば３６を外側継手部材１２の肩部２０に当ててある。外側継手部材１２のステム部１４をハブ２２の軸孔２４に挿入し，軸端の雄ねじ部１６にナット１８を締め付けることにより，外側継手部材１２の肩部２０との間にハブ２２を固定する。
外輪３８の外周にはボルト穴４２をもったフランジ４０が形成してある。ボルト穴４２に通したボルト５４を締め付けることにより外輪３８を車体５２に固定する。外輪３８は内周に２列の軌道すなわちアウタレース４４を有している。内輪３２のインナレース３４と外輪３８のアウタレース４４との間に２列の転動体ここでは円すいころ４６が介在させてある。各列の転動体４６は保持器４８で円周方向に所定間隔に保持される。
軸受内部に充填した潤滑剤の漏れを防止し，また，外部から異物が侵入するのを防止するため，外輪３８の両端開口部と内輪３２の大つば３６との間にシール５０が装着してある。
図２に示す実施例２は，２列のインナレース３４のうちの一方をハブ２２に直接形成したもので，いわゆる３世代ハブ・ベアリングの例である。この場合，ハブ２２と内輪３２とで内方部材を構成する。
図３に示す実施例３は，実施例１において，複列の転動体のピッチ円径ＰＣＤをインナ側とアウタ側で異ならせたものである。ここでは，アウタ側転動体のピッチ円径ＰＣＤをインナ側転動体のピッチ円径ＰＣＤより大きくしてある。
図４に示す実施例４は，実施例２において，複列の転動体のピッチ円径ＰＣＤをインナ側とアウタ側で異ならせたものである。ここでは，アウタ側転動体のピッチ円径ＰＣＤをインナ側転動体のピッチ円径ＰＣＤより大きくしてある。
図５に示す実施例５は，複列の転動体４６をインナ側とアウタ側で異ならせたものである。具体的には，アウタ側の転動体４６をボールに変更して，アンギュラ玉軸受を構成している。この実施例５は従動輪の場合を例示したもので，ハブ２２は中実で，符号２０で示すようにハブフランジ２６とは反対側の軸端をかしめることによって内輪３２の軸方向位置決めがしてある。
図６に示す実施例６はいわゆる３世代ハブ・ベアリングの例である。実施例５との相違点は，実施例５が一対の分離型内輪３２を用いていたのに対して，２列のインナレース３４のうちの一方，ここではアウタ側のインナレース３４がハブ２２に直接形成してある点である。複列の転動体４６は，アウタ側がボール，インナ側が円すいころで，その数およびピッチ円径ＰＣＤは同一である。この場合，実施例２と同様に，ハブ２２と内輪３２とで内方部材を構成する。
図７に示す実施例７は，実施例５において，複列の転動体４６のピッチ円径ＰＣＤをインナ側とアウタ側で異ならせたものである。ここでは，アウタ側転動体４６のピッチ円径ＰＣＤをインナ側転動体４６のピッチ円径ＰＣＤより大きくしてある。
図８に示す実施例８は，実施例６において，複列の転動体４６のピッチ円径ＰＣＤをインナ側とアウタ側で異ならせたものである。ここでは，アウタ側転動体４６のピッチ円径ＰＣＤをインナ側転動体４６のピッチ円径ＰＣＤより大きくしてある。
上述の各実施例では，転動体の数をインナ側とアウタ側で同数としてあるが，インナ側とアウタ側で異ならせてもよい。あるいは，インナ側とアウタ側で転動体のサイズを異ならせてもよい。
次に，車輪用軸受装置を構成する複列転がり軸受の構成要素につき，単列の円すいころ軸受を例にとって説明する。図９に示すように，円すいころ軸受１は，内輪２と，外輪３と，円すいころ４と，保持器５とで構成されている。内輪２は外周に円すい状の軌道面２ａを有し，外輪３は内周に円すい状の軌道面３ａを有する。内輪２の軌道面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に形成されたポケット内に収容され，内輪２の軌道面２ａの両側に設けた小つば２ｂと大つば２ｃとで軸方向への移動を規制されている。
円すいころ軸受１は，ころ係数γがγ＞０．９４となっている。ころ係数γはころの充填率を表し，次式で定義される。
ころ係数γ＝（Ｚ・ＤＡ）／（π・ＰＣＤ）
ここに，
Ｚ：ころ本数
ＤＡ：ころ平均径
ＰＣＤ：ころピッチ円径。
比較のために，図２１を参照して従来の技術に言及すると，同図に示す円すいころ軸受は，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あって，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（ころの充填率）を０．９４以下にして設計している。なお，図２１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。
また，図示は省略するが，円すいころ４の全表面には微小凹形状のくぼみがランダムに無数に設けてある。このくぼみを設けた表面は，面粗さパラメータRyniが０．４μｍ≦Ryni≦１．０μｍ，かつ，Sk値が−１．６以下としてある。
保持器５は，図９（Ｂ）に示すように，円すいころ４の小端面側で連なる小環状部６と，円すいころ４の大端面側で連なる大環状部７と，これらの小環状部６と大環状部７を連結する複数の柱部８とを含んでいる。そして，図１０に示すように，隣り合った柱部８間にポケット９が形成される。保持器に，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剤の効果と相俟って，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。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。
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のポケット９は台形状で，円すいころ４の小径側を収納する部分が狭幅側，大径側を収納する部分が広幅側となる。ポケット９の狭幅側と広幅側には，それぞれ両側の柱部８に２つずつ，外径側から内径側まで切り通した切欠き１０ａ，１０ｂが設けてある。各切欠き１０ａ，１０ｂの寸法（単位mm）は，いずれも深さ１．０，幅４．６となっている。なお，図面に例示した切欠き１０ａ，１０ｂは，保持器５の半径方向に切り通した溝の形態をしているが，保持器５の内径側と外径側を連絡して潤滑油の円滑な通過を許容することができる限り，形状や寸法は任意である。
図１１および図１２に保持器５の変形例を示す。図１１に示す変形例は，ポケット９の狭幅側の小環状部６にも切欠き１０ｃを設けたものである。そして，狭幅側の３つの切欠き１０ａ，１０ｃの合計面積が，広幅側の２つの切欠き１０ｂの合計面積よりも広くなっている。なお，切欠き１０ｃは深さ１．０mm，幅５．７mmとしてある。
図１２に示す変形例は，狭幅側の柱部８の各切欠き１０ａの深さが１．５mmと広幅側の柱部８の各切欠き１０ｂよりも深く，狭幅側の各切欠き１０ａの合計面積が，広幅側の各切欠き１０ｂの合計面積よりも広くなっている。
図１３に示すように，保持器５の小環状部６の軸方向外側には，内輪２の小つば２ｂの外径面に対向させた径方向内向きのつば１１が設けてあり，このつば１１の内径面と内輪２の小つば２ｂの外径面との間のすきまδは，小つば２ｂの外径寸法の２．０％以下に狭く設定してある。
次に，図１４および図１５を参照して柱部８の側面すなわち柱面５ａがなす角度すなわち窓角θについて述べると，下限窓角θminが５５°（図１４），上限窓角θmaxが８０°である（図１５）。下限窓角θminを５５°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°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。比較のために従来の技術に言及するならば，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２１）では，窓角は大きくても約５０°である。
図１６に軸受の寿命試験の結果を示す。同図中，「軸受」欄の「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２１参照）である。「比較例２」はこの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°の範囲にしたこの発明の円すいころ軸受である。寸法（単位mm）はいずれもφ４５×φ８１×１６で，ころ本数は「比較例１」が２４，「比較例２」と「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１６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る。さらに，「実施例」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倍以上にもなる。
次に，図１７に基づきこの発明の変形実施例を説明する。図１７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３の軌道面側に向けて凸状となった突起部５ｂ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。
突起部５ｂは柱部８の横断方向の断面輪郭形状が円弧状をしている。この円弧状の輪郭の曲率半径Ｒ２は外輪の軌道面の半径Ｒ１より小さい。これは，突起部５ｂと外輪の軌道面との間に良好なくさび状油膜が形成されるようにするためである。望ましくは，突起部の曲率半径Ｒ２は外輪の軌道面の半径Ｒ１の７０〜９０％程度に形成するとよい。突起部の曲率半径Ｒ２が７０％未満では，くさび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。突起部の曲率半径Ｒ２が９０％を越えると，くさび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。
突起部５ｂ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％未満では良好なくさび状油膜を形成するための充分な突起部５ｂの高さが確保できなくなるためである。なお，外輪の軌道面の半径Ｒ１は大径側から小径側へと連続的に変化しているので，それに合わせて突起部５ｂの曲率半径Ｒ２も大環状部７の大きな曲率半径Ｒ２から小環状部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１７に示す実施の形態の円すいころ軸受１は以上の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５ｂ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やすことが可能となる。
上述の各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９（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）
測定長さ：５λ
カットオフ種別：ガウシアン
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，バレル研摩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 2008051308
図１８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。同図において，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３２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 2008051308
金属接触率の比較データを図１９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１９（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，図１９（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，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瞭に確認できる。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。
別の実施例として，図１０に示した保持器を用いた円すいころ軸受（実施例１）と，図１１に示した保持器を用いた円すいころ軸受（実施例２）を用意した。また，比較例として，ポケットに切欠きのない保持器を用いた円すいころ軸受（比較例１）と，図２２に示した保持器を用いた円すいころ軸受（比較例２，３）を用意した。なお，各円すいころ軸受は，寸法（単位mm）が外径１００，内径４５，幅２７．２５であり，ポケットの切欠き以外の部分は同じである。
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。試験条件は以下のとおりである。
アキシアル荷重：３００ｋｇｆ
回転速度：３００〜２０００r/min（１００r/minピッチ）
潤滑条件：油浴潤滑（潤滑油：７５Ｗ−９０）
図２０に試験結果を示す。同図のグラフの縦軸は，ポケットに切欠きのない保持器を用いた比較例１のトルクに対するトルク低減率を表す。ポケットの柱部中央部に切欠きを設けた比較例２や，ポケットの小環状部と大環状部に切欠きを設けた比較例３も，トルク低減効果が認められるが，ポケットの狭幅部側の柱部に切欠きを設けた実施例１は，これらの比較例よりも優れたトルク低減効果が認められ，狭幅側の小環状部にも切欠きを設け，狭幅側の切欠きの合計面積を広幅側のそれよりも広くした実施例２は，さらに優れたトルク低減効果が認められる。
また，試験の最高回転速度である２０００r/minにおけるトルク低減率は，実施例１が９．５％，実施例２が１１．５％であり，車輪用軸受装置等における高速回転での使用条件でも優れたトルク低減効果を得ることができる。なお，比較例２と比較例３の回転速度２０００r/minにおけるトルク低減率は，それぞれ８．０％と６．５％である。
実施例１の車輪用軸受装置の縦断面図 実施例２の車輪用軸受装置の縦断面図 実施例３の車輪用軸受装置の縦断面図 実施例４の車輪用軸受装置の縦断面図 実施例５の車輪用軸受装置の縦断面図 実施例６の車輪用軸受装置の縦断面図 実施例７の車輪用軸受装置の縦断面図 実施例８の車輪用軸受装置の縦断面図 （Ａ）は円すいころ軸受の横断面図，（Ｂ）は同軸受の縦断面図 図９の円すいころ軸受における保持器の展開平面図 保持器の変形例を示す図１０と類似の展開平面図 保持器の別の変形例を示す図１０と類似の展開平面図 図９（Ｂ）の部分拡大図 窓角が下限の円すいころ軸受の部分拡大横断面図 窓角が上限の円すいころ軸受の部分拡大横断面図 軸受の寿命試験の結果を示す図 （Ａ）は保持器の変形例を示す円すいころ軸受の部分拡大横断面図，（Ｂ）は図１７（Ａ）における柱部の部分拡大図 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 トルク測定試験の結果を示すグラフ 従来の技術を示す円すいころ軸受の部分横断面図 （Ａ）は従来の技術を示す保持器の展開平面図，（Ｂ）は従来の技術を示す保持器の展開平面図 円すいころ軸受においてころピッチ円径（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
符号の説明
１ 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 小環状部
７ 大環状部
８ 柱部
９ ポケット
１０ａ，１０ｂ，１０ｃ 切欠き
１１ つば
１２ 外側継手部材
１４ ステム部
１６ 雄ねじ部
１８ ナット
２０ 肩部
２２ ハブ
２４ 軸孔
２６ フランジ
２８ スリーブ
３０ ハブボルト
３２ 内輪
３４ インナレース
３６ 大つば
３８ 外輪
４０ フランジ
４２ ボルト孔
４４ アウタレース
４６ 円すいころ
４８ 保持器
５０ シール
５２ 車体
５４ ボルト

Claims (13)

  1. 内周に２列のアウタレースを有する外方部材と，外周に２列のインナレースを有する内方部材と，アウタレースとインナレースとの間に転動自在に介在させた円すいころと，各列の円すいころを円周方向で所定間隔に保持する保持器とを備え，
    前記外方部材が，車体に固定するためのフランジ部を有し内周面に２列のアウタレースを形成した複列外輪であり，
    前記内方部材が，車輪を固定するためのフランジをもったハブと，ハブに嵌合させた内輪とで構成され，
    ころ係数γが０．９４を越え，
    少なくとも前記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，前記くぼみを設けた表面の面粗さパラメータRyniが０．４μｍ≦Ryni≦１．０μｍの範囲内で，かつ，Sk値の上限が−１．６であり，
    前記保持器が，円すいころの小端面側で連なる小環状部と，円すいころの大端面側で連なる大環状部と，これらの環状部を連結する複数の柱部とからなり，隣接する柱部間に，円すいころの小径側を収納する部分が狭幅側，大径側を収納する部分が広幅側となった台形状のポケットが形成してあり，狭幅側の柱部に切欠きが設けてある車輪用軸受装置。
  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の範囲内である請求項１の車輪用軸受装置。
  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が５５°以上８０°以下である請求項１から３のいずれかの車輪用軸受装置。
  5. 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から４のいずれかの車輪用軸受装置。
  6. ポケットの狭幅側の小環状部にも切欠きが設けてある請求項１から５のいずれかの車輪用軸受装置。
  7. ポケットの広幅側の少なくとも柱部に切欠きが設けてある請求項１から６のいずれかの車輪用軸受装置。
  8. ポケットの狭幅側に設けた切欠きの合計面積が，ポケットの広幅側に設けた切欠きの合計面積よりも広い請求項７の車輪用軸受装置。
  9. 保持器の小環状部の軸方向外側に，内輪の小つばの外径面に対向させた径方向内向きのつばが設けてあり，前記つばの内径面と内輪の小つばの外径面との間のすきまの上限が小つばの外径寸法の２．０％である請求項１から８のいずれかの車輪用軸受装置。
  10. 前記複列の転動体のうちのいずれか一方をボールとした請求項１から９のいずれかの車輪用軸受装置。
  11. 前記複列の転動体のピッチ円径がインナ側とアウタ側で異なる請求項１から１０のいずれかの車輪用軸受装置。
  12. 前記複列の転動体の個数がインナ側とアウタ側で異なる請求項１から１１のいずれかの車輪用軸受装置。
  13. 前記複列の転動体のサイズがインナ側とアウタ側で異なる請求項１から９，１１，１２のいずれかの車輪用軸受装置。
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