JP2008185191A - 転がり軸受装置 - Google Patents

Abstract

【課題】昇温に伴う軸受ハウジングと軸との寸法変化の差が大きくても予圧を維持することができる転がり軸受装置を提供する。
【解決手段】円錐ころ軸受１１の外輪３２の軸方向外端面と、これに対向する軸受ハウジング２５の側壁面２５Ａとの間にリング状の中空弾性体４０を配置する。中空弾性体４０の内部には、固体であるリング状部材４１と液体４２とを封入する。
【選択図】 図１

Description

この発明は、円錐コロ軸受、アンギュラ玉軸受などの予圧をかけて使用する転がり軸受を組み込んだ転がり軸受装置に関する。

円錐ころ軸受やアンギュラ玉軸受は、軸方向の予圧をかけた状態で使用される。例えば、トランスミッションユニット等の自動車用のギア式駆動伝達ユニットには、その要所（例えばトランスミッションユニットでは終減速装置部分）に円錐ころ軸受が採用されており、図６（ａ）に示すように、円錐ころ軸受１１１の内輪１３３に回転軸１１５を圧入するとともに、トランスミッションケースの軸受ハウジング１２５に外輪１３２を圧入し、その後に軸方向一方側（矢印ａ）へ向けて予圧を付与するようになっている。予圧を与えると、外輪１３２は円錐ころ１３４の傾斜した転動面上での分力を受けて軸方向及び径方向に変位し、その右端面１３２ｃと外周面１３２ｂとが軸受ハウジング１２５の内端面１２５ｃと内周面１２５ａとに押しつけられて予圧が支持される。

一方、近年は軽量化の一環として、トランスミッションケース（軸受ハウジング）をＡｌ合金などの軽金属で構成することが行なわれている。Ａｌは構造材料中でも線膨張係数が最も高く（室温で約２３．５×１０^−６／℃：以下、線膨張係数の単位はｐｐｍ／℃と略記する））、回転軸や円錐ころ軸受を構成する鋼（Ｆｅ系材料）の線膨張係数（室温で約１２ｐｐｍ／℃）とは相当の差がある。

回転軸と軸受ハウジングとが同じ材料である場合、温度による寸法変化も同じであるので、円錐ころ軸受にかかる予圧に大きな変化はない。しかし、軸受ハウジングを軽金属で構成すると、温度上昇によって軸受ハウジングが回転軸よりも大きく寸法変化し、予圧が抜けてしまうおそれがある。
具体的には、図６（ｂ）に示すように、トランスミッションが昇温すると、軸受ハウジング１２５及び回転軸１１５が膨張するが、その膨張による寸法変化の差によって、外輪１３２の内周軌道面１３２ａが円錐ころ１３４の転動面から矢印ｂ方向に離間する。つまり、円錐ころ軸受１１１のアキシャル隙間及びラジアル隙間が温度により大きく変化し、予圧不足となる。このような予圧不足は、ギヤのガタツキを招き、騒音発生の原因となる。

下記特許文献１には、内輪の軸方向端面とこれに対向する回転軸の側壁面との間に環状の板バネを介装し、この板バネの弾性復元力によって予圧を付与する技術が開示されている。この技術では、昇温によって軸受ハウジングが回転軸よりも大きく寸法変化したときでも、その寸法差が板バネの弾性変形範囲内であれば、バネ力によって予圧をかけることが可能であるが、昇温に伴う軸受ハウジングと回転軸との寸法変化の差が大きくなるほど板バネの弾性変形量が小さくなり、バネ力が減少するので、十分な予圧を付与し難くなる。
特開２００３−１８４８７３号公報

本発明は、このような実情に鑑みてなされたものであり、昇温に伴う軸受ハウジングと軸との寸法変化の差が大きくても予圧を維持することができる転がり軸受装置を提供することを目的とする。

本発明の転がり軸受装置は、転動体と、この転動体が転動する軌道面を外周に備えた内輪と、前記転動体が転動するとともに前記転動体からの径方向荷重と軸方向一方側へ向く荷重とを受ける軌道面を内周に備え、且つ、第１の線膨張係数を有する外輪と、を備えた転がり軸受と、
前記外輪の外周面が嵌合する内周面を備え、且つ、第１の線膨張係数よりも大きい第２の線膨張係数を有する軸受ハウジングと、
前記内輪の内周面に嵌合し、且つ、前記第２の線膨張係数よりも小さい第３の線膨張係数を有する軸と、
前記外輪の軸方向一方側の端面とこれに対向する軸受ハウジングの外輪支持面との間、又は、前記内輪の軸方向他方側の端面とこれに対向する前記軸の内輪支持面との間に配置され、弾性材料により中空構造に形成された中空弾性体と、を備え、
中空弾性体の内部に、前記第２の線膨張係数よりも大きな第４の線膨張係数を有する固体部材と、液体とが封入されていることを特徴とする。

これによれば、昇温によって軸受ハウジングが軸よりも軸方向に大きく膨張すると、転がり軸受に対する予圧が減少しようとするが、昇温によって中空弾性体内の固体部材と液体も膨張し、中空弾性体が弾性変形して膨らむため、軸受ハウジングと軸との間の寸法変化の差を吸収し、転がり軸受にかかる予圧を維持することができる。

前記固体部材は、合成樹脂製であることが好ましい。これによって、高い線膨張係数を容易に得ることができる。
また、前記液体は、当該転がり軸受装置で用いられる潤滑油と同種のものであることが好ましい。これによって仮に中空弾性体が破損して液体が漏れたとしても転がり軸受装置に対して悪影響を及ぼすことはない。

本発明によれば、昇温に伴う軸受ハウジングと軸との寸法変化の差が大きくても予圧を維持することができる。

図１は、本発明の第１実施形態に係る転がり軸受装置を示す側面断面図である。この転がり軸受装置は、トランスミッション１０に転がり軸受１１を組み込むことにより構成されている。トランスミッション１０は、ケース１２と、ケース１２の内部に組み込まれたギヤボックス１３と、ギヤボックス１３を貫通するように互いに平行に設けられた入力軸１４及び出力軸（軸）１５とを備えている。入力軸１４及び出力軸１５は、ギヤボックス１３内の変速ギヤ１６により連動して回転するようになっている。

変速ギヤ１６は、例えば、マニュアルタイプとされており、入力軸１４に互いに歯数の異なる複数枚の入力ギヤ１８を設けるとともに、出力軸１５に互いに歯数の異なる出力ギヤ１９を設け、得るべき変速比又は前進／後退の区別に応じて、入力軸１４上のギヤ１８と出力軸１５上のギヤ１９との噛み合いの組み合わせを切り替えることによって変速可能となっている。これら入力ギヤ１８及び出力ギヤ１９にはスパーギヤやヘリカルギヤが用いられる。また、変速ギヤ１６は、遊星ギヤ機構等を用いたオートマチックタイプであってもよい。

入力軸１４の両端は、ケース１２内の内側に固定された円筒ころ軸受２１及び玉軸受２２によりそれぞれ回転可能に支持されている。出力軸１５の両端は、円錐ころ軸受１１，２３によりそれぞれ支持されている。軸方向一方側（左側）の円錐ころ軸受１１は、ケース１２と一体の軸受ハウジング２５に嵌合され、軸方向他方側（右側）の円錐ころ軸受２３は、ケース１２と一体の軸受ハウジング２６に当て止め固定されている。双方の円錐ころ軸受１１，１３には、定位置予圧方式によって予圧が付与されている。

図２は、本発明の要部を拡大して示す断面図である。左側の円錐ころ軸受１１は、外輪３２と、内輪３３と、外輪３２及び内輪３３の間に配置された複数の円錐ころ（転動体）３４とを備えている。外輪３２の外周面は、軸受ハウジング２５の内周面に嵌合され、外輪３２の内周面には、円錐ころ３４が斜接して転動する内周軌道面３２ａが形成されている。内輪３３の外周面には、円錐ころ３４が斜接して転動する外周軌道面３３ａが形成され、内輪３３の内周面には出力軸１５が嵌合されている。内輪３３と円錐ころ３４との接触角および円錐ころ３４と外輪３２との接触角は、軸方向内側（右側）から軸方向外側（左側）に向けて拡径するように設定されている。なお、ここで接触角は、ＪＩＳＢ０１０４−１９９１に規定された呼び接触角に準じる。
これらの構成は、右側の円錐ころ軸受２３（図１）についても、軸方向内側が左側に、軸方向外側が右側になる点以外は、同様である。

外輪３２の軸方向外側（左側）の端面と、この端面に対向する軸受ハウジング２５の側壁面（外輪支持面）２５Ａとの間には、本発明に係る中空弾性体４０が介在している。この中空弾性体４０は、ゴム等の弾性材料により形成され、内部が中空である。また、中空弾性体４０は、断面４角形のリング状に形成され、軸受ハウジング２５の内周面に嵌合可能な寸法の外径と、外輪３２の内径と略同一の内径とを有している。中空弾性体４０の内部には、固体であるリング状部材（固体部材）４１と、液体４２とが封入されている。

リング状部材４１は４角形断面の中実構造となっている。また、リング状部材４１は、中空弾性体４０内に隙間をあけて収められるように、中空弾性体４０内部の内外径及び軸方向幅よりも小さい内外径及び軸方向幅を有している。
液体４２は、中空弾性体４０とリング状部材４１との間に形成される隙間に充填され、中空弾性体４０内で密封されている。液体４２としては、好ましくは油が用いられ、例えば、トランスミッション１０内の潤滑に用いられる潤滑油（ギヤオイル）と同種のものが用いられる。

なお、中空弾性体４０に使用するゴムの材質は、液体（油）４２との接触を考慮して、機械的強度と耐油性とを両立できるゴム、例えば、ニトリルゴム（特に、水素化ニトリルゴム）、アクリルゴム、シリコンゴム及びフッ素ゴム等が好適である。

円錐ころ軸受１１の外輪３２は、第１の線膨張係数を有している。これに対して、軸受ハウジング２５は、第１の線膨張係数よりも大きい第２の線膨張係数を有している。また、出力軸１５は、第２の線膨張係数よりも小さい第３の線膨張係数を有している。リング状部材４１は、第２の線膨張係数よりも大きい第４の線膨張係数を有している。

例えば、円錐ころ軸受１１は、外輪３２、内輪３３及び転動体３４が、いずれも鋼製（例えば、軸受鋼、はだ焼鋼、浸炭鋼）にて形成され、軸受ハウジング２５は、軽金属製（Ａｌ又はＭｇのいずれかを主成分（５０質量％以上の含有率）とする金属製）にて形成され、出力軸１５は、鋼製（例えば、機械構造用低合金鋼製）にて形成されている。リング状部材４１は、合成樹脂製にて形成されている。

好ましくは、軸受ハウジング２５は、加工性及び耐食性の観点からＡｌまたはＡｌ合金が使用され、Ａｌ合金としては、例えばダイキャスト用Ａｌ合金が使用される。本実施形態では、ケース１２（図１）もＡｌ合金製であり、軸受ハウジング２５はケース１２の内面に一体化されている。また、リング状部材４１は、好ましくは、ポリアミド系樹脂（ポリアミド６６（ＰＡ６６）等）が使用される。

軸受ハウジング２５の構成主成分であるＡｌの線膨張係数（第２の線膨張係数）は２３〜２４ｐｐｍ／℃、出力軸１５及び円錐ころ軸受１１の構成主成分であるＦｅの線膨張係数（第１，第３の線膨張係数）は、約１２〜１３ｐｐｍ／℃である。リング状部材４１の構成主成分であるＰＡ６６の線膨張係数（第４の線膨張係数）は、約１００ｐｐｍ／℃である。また、液体４２としての潤滑油の熱膨張率は、約７６０ｐｐｍ／℃である。
また、一般に、自動車のトランスミッションにおける軸受使用環境温度は−４０℃以上１５０℃以下の範囲（寒冷地及び高速連続運転等を除いた通常到達温度は、５０℃以上８０℃以下）である。

円錐ころ軸受１１及び円錐ころ軸受２３には、軸受ハウジング２５，２６、出力軸１５等の寸法設定によって予め軸方向外方へ向く予圧が付与されている。
トランスミッション１０の温度が比較的低温で一定に保たれている場合、軸受ハウジング２５、外輪３２、出力軸１５の熱膨張による寸法変化の差はさほど生じず、予圧も一定に保たれる。

トランスミッション１０が昇温すると、出力軸１５よりもトランスミッション１０及び軸受ハウジング２５，２６の方が線膨張係数が大きいため、トランスミッション１０及び軸受ハウジング２５，２６が大きく膨張し、外輪３２が円錐ころ３４から離間しようとする。
この際、外輪３２と軸受ハウジング２５との間には中空弾性体４０が介在し、中空弾性体４０内のリング状部材４１は、トランスミッション１０や軸受ハウジング２５よりも線膨張係数が大きいため、トランスミッション１０や軸受ハウジング２５よりも比率的に大きく膨張する。また、液体４２も昇温により場合によっては気化し、体積が増大（膨張）する。

そして、リング状部材４１及び液体４２が膨張すると、中空弾性体４０が軸方向及び径方向に弾性変形して膨らみ、トランスミッション１０及び軸受ハウジング２５と、出力軸１５との寸法変化の差を埋めるとともに、外輪３２を軸方向内方（右方向）へ押圧し、予圧を維持する。
したがって、昇温によって予圧不足となることはほとんど無く、ギヤのガタツキや騒音の発生を好適に防止することができる。

なお、リング状部材４１は、トランスミッション１０や軸受ハウジング２５よりも線膨張係数が大きいが、これらよりも寸法は小さいため、昇温による実質的な寸法変化はトランスミッション１０や軸受ハウジング２５よりも小さくなる。しかしながら、中空弾性体４０には、さらに熱膨張率が高い液体４２も封入されていることから、リング状部材４１単独ではカバーしきれないトランスミッション１０及び軸受ハウジング２５と出力軸１５との寸法変化の差を液体４２によって補うことができる。

トランスミッション１０の変速やクラッチ（図示略）の断接等によって、出力軸１５を介して円錐ころ軸受１１に衝撃荷重が加わった場合、液体４２や中空弾性体４０の弾性によって衝撃荷重を吸収することができる。
一方、中空弾性体４０内にリング状部材４１が設けられていないと、衝撃荷重による中空弾性体４０の変形が過度となり、出力軸１５のガタツキやギヤの衝突音が大きくなる恐れがあるが、中空弾性体４０内にはリング状部材４１も設けられているので、中空弾性体４０の過度の変形を防止することができる。

液体４２として、トランスミッション１０で用いられる潤滑油と同種のものを用いると、仮に中空弾性体４０が破損して液体４２が漏れたとしても、トランスミッション１０に悪影響を及ぼすことはない。

図３は、本発明の第２実施形態に係る要部の拡大図である。本実施形態は、中空弾性体４０が、円錐ころ軸受１１における内輪３３の軸方向内側（右側）の端面と、出力軸１５の側壁面（内輪支持面）１５Ａとの間に介在しているものである。本実施形態においても第１実施形態と同様の作用効果を奏する。

図４（Ａ）は、本発明の第３の実施形態に係る要部の拡大図である。本実施形態は、中空弾性体４０の内周側に規制部材５０を備えたものであり、その他の構成は第１実施形態（図２）と同様である。
この規制部材５０は、軸受ハウジング２５に一体形成され、側壁面２５Ａから軸方向内方（右方）に突出している。また、規制部材５０は環状に形成されている。

規制部材５０の環状の外周面５０ａは、中空弾性体４０の内周面４０ａに当接し、この内周面４０ａを径方向内側から保持している。そのため、中空弾性体４０の径方向内方への膨張が規制され、昇温に伴う中空弾性体４０の膨張方向を軸方向に集中させることができる。

また、中空弾性体４０は、規制部材５０よりも軸方向内方に突出するように、寸法が設定されている。そのため、出力軸１５側からの衝撃荷重を中空弾性体４０によって好適に緩和することができる。

図４（Ｂ）は、第３実施形態の変形例を示す要部の拡大図である。この変形例では、規制部材５０が軸受ハウジング２５とは別体の部材として構成されている。
この場合、規制部材５０は、適宜手段によって軸受ハウジング２５に固定される。例えば、軸受ハウジング２５にネジ穴を形成し、規制部材５０に貫通孔を形成し、この貫通孔に挿入したネジをネジ穴に螺合することによって、規制部材５０を固定することができる。また、軸受ハウジング５０に規制部材５０を接着してもよい。

別の固定方法として、規制部材５０の軸方向外端部（左端部）に径方向外方に延びる拡径部を設け、この拡径部を軸受ハウジング２５の内周面に圧入することができる。この場合、規制部材５０の圧入が熱膨張によって緩むことがないように、軸受ハウジング２５と同じ熱膨張係数の材料で規制部材５０を形成することが好ましい。

図４（Ａ）（Ｂ）に示す規制部材５０は、中空弾性体４０の内周面４０ａを保持する外周面５０ａを少なくとも有していればよい。したがって、規制部材５０は、環状に形成するに限らず板状（円板状）に形成することもできる。
また、規制部材５０は、低温時（中空弾性体４０の熱膨張が小さいとき）に、その外周面５０ａと中空弾性体４０の内周面４０ａとの間の少なくとも一部に、隙間ができるように形成されていてもよい。この場合、出力軸１５側から軸方向の衝撃荷重が付与されたとしても、中空弾性体４０内の液体４２が移動して中空弾性体４０が上記隙間に膨らむことによって、衝撃を緩和することが可能である。

また、規制部材５０の外周面５０ａと中空弾性体４０の内周面４０ａとを圧着や接着によって一体化することもできる。この場合、規制部材５０は、軸受ハウジング２５と一体形成（図４（Ａ））又は軸受ハウジング２５に固定（図４（Ｂ））しなくてもよい。更にこの場合、規制部材５０が軸受ハウジング２５と別体であれば、規制部材５０及び中空弾性体４０を軸受ハウジング２５に一体的に組み込むことができる。

図５は、本発明の第４実施形態に係る要部の拡大図である。本実施形態は、中空弾性体４０の外周側に規制部材５２を備えたものであり、その他の構成は、第２実施形態（図３）と同様である。
この規制部材５２は環状に形成され、環状の内周面５２ａを有している。内周面５２ａの軸方向内側（右側）は出力軸１５の外周面１５ｂに圧入され、軸方向外側（左側）は、中空弾性体４０の外周面４０ｂに当接し、この外周面４０ｂを径方向外側から保持している。そのため、中空弾性体４０の径方向外方への膨張が規制され、昇温に伴う中空弾性体４０の膨張方向を軸方向に集中させることができる。

中空弾性体４０は、規制部材５２よりも軸方向外方に突出するように配置されており、これによって、出力軸１５側からの衝撃荷重を中空弾性体４０によって好適に緩和することができる。

規制部材５２は、中空弾性体４０の外周面４０ｂを保持するための環状の内周面５２ａを少なくとも有していればよい。
また、規制部材５２は、別の固定方法により出力軸１５に固定してもよい。例えば、出力軸１５に径方向のネジ穴を形成し、規制部材５２に径方向の貫通孔を形成し、この貫通孔に挿入したネジを出力軸１５のネジ穴に螺合することによって、規制部材５２を出力軸１５に固定することができる。また、規制部材５２を出力軸１５に接着してもよい。

また、規制部材５２は、低温時（中空弾性体４０の熱膨張が小さいとき）に、その内周面５２ａと中空弾性体４０の外周面４０ｂとの間の少なくとも一部に、隙間ができるように形成されていてもよい。この場合、出力軸１５側から軸方向の衝撃荷重が付与されたとしても、中空弾性体４０内の液体４２が移動して中空弾性体４０が上記隙間に膨らむことによって、衝撃を緩和することが可能である。

また、規制部材５２の内周面５２ａと中空弾性体４０の外周面４０ｂとは、圧着や接着等によって一体化することができる。この場合、規制部材５２は、出力軸１５に固定（一体化）しなくてもよい。更にこの場合、規制部材５２と中空弾性体４０とを出力軸１５に一体的に組み込むことができる。

本発明は、上記各実施形態に限定されることなく適宜設計変更可能である。例えば、中空弾性体４０はリング状に形成されているが、周方向に分断した円弧形状に形成するとともに複数の中空弾性体４０を周方向所定間隔に配置してもよい。中空弾性体４０は、右側の円錐ころ軸受２３に対しても設けることができる。
リング状部材４１の断面形状は、四角形に限らず他の多角形や円形とすることができる。多角形とする場合には、接触によって中空弾性体４０を破らないように角部をＲ形状にするのが好ましい。

上記実施形態では、トランスミッションに用いられる転がり軸受装置を示しているが、四輪駆動車の駆動分配軸用のギヤユニット等、他の装置にも適用することができる。また、転がり軸受としては、円錐ころ軸受に限らずアンギュラ玉軸受、深みぞ玉軸受等の予圧を使用する他の転がり軸受であってもよい。

本発明の第１実施形態に係る転がり軸受装置であるトランスミッションを示す断面図である。 転がり軸受装置の要部の拡大断面図である。 本発明の第２実施形態に係る転がり軸受装置の要部の拡大断面図である。 本発明の第３実施形態に係る転がり軸受装置の要部の拡大断面図である。 本発明の第４実施形態に係る転がり軸受装置の要部の拡大断面図である。 従来の転がり軸受装置の要部の拡大断面図である。

符号の説明

１０ トランスミッション（転がり軸受装置）
１１ 円錐ころ軸受（転がり軸受）
１５ 出力軸（軸）
２５ 軸受ハウジング
３２ 外輪
３３ 内輪
３４ 円錐ころ（転動体）
４０ 中空弾性体
４１ リング状部材（固体部材）
４２ 液体

Claims (3)

1. 転動体と、この転動体が転動する軌道面を外周に備えた内輪と、前記転動体が転動するとともに前記転動体からの径方向荷重と軸方向一方側へ向く荷重とを受ける軌道面を内周に備え、且つ、第１の線膨張係数を有する外輪と、を備えた転がり軸受と、
   前記外輪の外周面が嵌合する内周面を備え、且つ、第１の線膨張係数よりも大きい第２の線膨張係数を有する軸受ハウジングと、
   前記内輪の内周面に嵌合し、且つ、前記第２の線膨張係数よりも小さい第３の線膨張係数を有する軸と、
   前記外輪の軸方向一方側の端面とこれに対向する軸受ハウジングの外輪支持面との間、又は、前記内輪の軸方向他方側の端面とこれに対向する前記軸の内輪支持面との間に配置され、弾性材料により中空構造に形成された中空弾性体と、を備え、
   中空弾性体の内部に、前記第２の線膨張係数よりも大きい第４の線膨張係数を有する固体部材と、液体とが封入されていることを特徴とする転がり軸受装置。
2. 前記固体部材が、合成樹脂製である請求項１記載の転がり軸受装置。
3. 前記液体が、当該転がり軸受装置内で用いられる潤滑油と同種のものである請求項１又は２記載の転がり軸受装置。

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