JP2008196594A - 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】円すいころ軸受は、ころ係数γが0.94を越え、内輪2、外輪3および円すいころ4をそれぞれ酸素含有量が9ppm以下の鋼で形成し、これらの各表面に炭素含有量0.80重量％以上でロックウエル硬さＨＲＣ58以上の浸炭窒化層を形成し、この浸炭窒化層の残留オーステナイト量を25〜35体積％とし、内輪2の大つば面2bが、円すいころ大端面4aに接触する円錐面aと、この円錐面の外側に滑らかに連なり、円すいころ大端面4aから離隔する方向に湾曲する逃げ面bとで構成され、保持器5が、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、これらの環状部を連結する複数の柱部8とからなり、隣接する柱部8間に、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台形状のポケット9が形成され、ポケット9の狭幅側の柱部8に切欠き10a,10b,10cが設けてある。
【選択図】図１

Description

この発明は円すいころ軸受に関し、たとえば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車両用歯車軸支持装置における軸受に利用することができる。

円すいころ軸受は、外径面に軌道面を設け、その軌道面の軸方向両側に小つばと大つばを配置した内輪と、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円すいころと、円すいころをポケットに収納して保持する保持器を主要な構成要素としている。保持器は、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、両環状部を連結する複数の柱部とからなる。ポケットは隣り合った柱部間に形成され、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、下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が潤滑油として軸受内部に流入する。このような用途に使用される円すいころ軸受では、潤滑油が円すいころの小径側から軸受内部に流入し、保持器よりも外径側から流入する潤滑油は外輪の軌道面に沿って円すいころの大径側へ通過し、保持器よりも内径側から流入する潤滑油は内輪の軌道面に沿って円すいころの大径側へ通過する。

このように潤滑油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油がこの切欠きを通過するようにし、軸受内部での潤滑油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１４（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、潤滑油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１４（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油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０９−０３２８５８号公報 特開平１１−２０１１４９号公報 特開平０９−０９６３５２号公報 特開平１１−２１０７６５号公報 特開２００３−３４３５５２号公報

上述したように潤滑油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油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油は、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油は、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油の割合が多くなると、軸受内部に滞留する潤滑油の量が多くなり、この滞留する潤滑油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、転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、ころピッチ円径（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１６は円すいころ軸受におい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１６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。

すなわち、この発明の円すいころ軸受は、内輪と、外輪と、内輪と外輪との間に転動自在に配された複数の円すいころと、円すいころを円周所定間隔に保持する保持器とからなり、ころ係数γが０．９４を越え、前記内輪、外輪および円すいころを、それぞれ酸素含有量が９ｐｐｍ以下の鋼で形成し、これらの各表面に、炭素含有量０．８０重量％以上で、かつロックウエル硬さＨＲＣ５８以上の浸炭窒化層を形成し、この浸炭窒化層の残留オーステナイト量を２５〜３５体積％とし、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る台形状のポケットが形成してあり、ポケットの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（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以下にして設計しているのに対し、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。

また、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、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油を、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油の量が少なくなり、軸受内部に滞留する潤滑油の量が減少する。したがって、潤滑油の流動抵抗によるトルク損失が低減する。

内輪、外輪および円すいころの各部品を酸素含有量が９ｐｐｍ以下の鋼で形成したのは、酸化物で形成される鋼中の非金属介在物を極力低減させて、部品の機械的性質と疲労特性を高め、清浄な潤滑油下での軸受寿命を十分に確保するためである。酸素含有量が９ｐｐｍ以下の鋼は、溶鋼に脱ガス処理を施す方法等により得ることができる。

内輪、外輪および円すいころの表面に浸炭窒化層を形成したのは次の理由による。通常の浸炭焼入れにより得られる浸炭層の残留オーステナイトは、高い靭性と加工硬化特性を有し、これを適度に含ませることにより、浸炭層の硬度を確保した上で、亀裂の発生や進展を抑える働きをするが、熱に対して不安定という難点がある。これに対して、適切な条件で浸窒処理を施すと、窒素原子が残留オーステナイト中に固溶し、残留オーステナイトを熱に対して安定化する役割をする。この浸炭処理で得られた浸炭窒化層には、通常の浸炭層よりも大きな圧縮の残留応力が形成されるため、疲労強度をさらに高めることもできる。

残留オーステナイト量を２５〜３５体積％としたのは、浸炭窒化層に適度の靭性を付与し、異物の噛み込みによる過大な応力増加を緩和するためである。すなわち、残留オーステナイト量が２５体積％未満では靭性が不足し、残留オーステナイト量が３５体積％を越えると、硬度が低下しすぎて塑性変形による表面粗さの劣化を招く。

上記のような浸炭窒化層の組織は、次のような処理工程で形成することができる。すなわち、浸炭雰囲気中の炭素ポテンシャルを０．８％以上にして所定時間加熱保持した後、油中で冷却して浸炭焼入れを行い、この後、アンモニアガス中で所定時間加熱保持して窒化処理を行う。浸炭工程中に同時に窒化処理も行う方法を採用することもできる。なお、残留オーステナイト量を調整するために、サブゼロ処理や焼戻し処理を行ってもよい。

請求項２の発明は、請求項１の円すいころ軸受において、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る。窓角を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。なお、通常の保持器では窓角は２５°〜５０°となっている。

請求項３の発明は、請求項１または２の円すいころ軸受において、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。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４の発明は、請求項１ないし３のいずれかの円すいころ軸受において、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油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油の量がより少なくなり、潤滑油の流動抵抗によるトルク損失がさらに低減する。

請求項５の発明は、請求項１ないし４のいずれかの円すいころ軸受において、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６の発明は、請求項５の円すいころ軸受において、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油の量をより少なくして、潤滑油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７の発明は、請求項１ないし６のいずれかの円すいころ軸受において、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油の量を少なくし、潤滑油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８の発明は、請求項１ないし７のいずれかの円すいころ軸受において、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、この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で、かつ、Ｓｋ値が−１．６以下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、円すいころの表面に満遍なく潤滑油を保持させて、軸受内部に滞留する潤滑油の量を減らしても、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、Ｓｋ値を−１．６以下とすることにより、無数の微小凹形形状のくぼみに満遍なく潤滑油を保持することができる。

請求項１ないし８のいずれかの円すいころ軸受は自走車両の動力伝達軸を支持する軸受として好適である（請求項９）。

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外径側から内径側まで切り通した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油を、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油の量が少なくなり、軸受内部に滞留する潤滑油の量が減少して、潤滑油の流動抵抗によるトルク損失が低減する。

ころ係数γが０．９４を越える設定とすることにより剛性の低下を防止することができる。また、ころ係数γをγ＞０．９４にすることにより、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。

とくに、ギヤオイルが封入されたハウジング内に、歯車軸が円すいころにより回転自在に支持された車両用歯車軸支持装置における前記円すいころ軸受に適用することにより、デファレンシャルやトランスミッション等のメンテナンス周期を著しく延長できる。

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１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の両側に設けた大つば２ｂと小つば２ｃとで軸方向への移動を規制されている。

ここで、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、図１５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、保持器から外輪が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の柱強度を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。なお、図１５で符号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、図１（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２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（ｍｍ）は、いずれも深さ１．０、幅４．６とされている。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３および図４に保持器５の変形例を示す。図３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の寸法（ｍｍ）は深さ１．０、幅５．７としてある。図４に示す変形例は、狭幅側の柱部８の各切欠き１０ａの深さが１．５ ｍｍ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５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２ｃ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２ｃの外径面との間のすきまδは、小つば２ｃの外径寸法の２．０％以下にく設定してある。

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。

図２に示した保持器を用いた円すいころ軸受（実施例１）と、図３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２１（Ａ）、（Ｂ）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（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６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、デファレンシャルやトランスミッション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。

保持器５は樹脂で一体成形され、小径側環状部６と、大径側環状部７と、小径側環状部６と大径側環状部７とを連結する複数の柱部８とを備えている。なお、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）

図７および図８を参照して柱部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７）、上限窓角θmax.が８０°である（図８）。窓角は、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（図１５）では、大きくても約５０°である。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。

図９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」が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１５）、「比較例２」が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、「実施例」がころ係数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。試験は、過酷潤滑、過大負荷条件下で行なった。同図より明らかなように、「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」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倍以上にもなる。なお、「比較例１」、「比較例２」および「実施例」の寸法はφ４５×φ８１×１６（単位ｍｍ）、ころ本数は２４（「比較例１」）、２７（「比較例２」、「実施例」）、油膜パラメータΛ＝０．２である。

図１０および図１１に示す変形例は、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３ａ側に向けて凸状を成す突起部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。この突起部５ｂは図１１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成している。この円弧状の曲率半径Ｒ₂は外輪３の軌道面３ａの半径Ｒ₁より小さくしてある。これは、突起部５ｂと外輪３の軌道面３ａ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５ｂの曲率半径Ｒ₂は外輪３の軌道面３ａの半径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％を越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％未満では良好な楔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３の軌道面３ａ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、突起部５ｂの曲率半径Ｒ₂もそれに合わせて大環状部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１０および図１１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との間に楔状油膜が形成される。この楔状油膜は軸受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）を従来よりも大きくして外輪３の軌道面３ａ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。

図１２は、上述の円すいころ軸受を使用し得る自動車のデファレンシャルの構成を例示したものである。このデファレンシャルは、プロペラシャフト（図示省略）に連結され、デファレンシャルケース２１内に挿入したドライブピニオン２２が差動歯車ケース２３に取り付けたリンギギヤ２４とかみ合い、差動歯車ケース２３の内部に取り付けたピニオンギヤ２５が、差動歯車ケース２３に左右から挿入されたドライブシャフト（図示省略）を結合するサイドギヤ２６とかみ合って、エンジンの駆動力をプロペラシャフトから左右のドライブシャフトに伝達するようになっている。このデファレンシャルでは、動力伝達軸であるドライブピニオン２２と差動歯車ケース２３が、それぞれ一対の円すいころ軸受１ａ，１ｂで支持してある。

デファレンシャルケース２１はシール部材２７ａ，２７ｂ，２７ｃで密封され、内部にており潤滑油が貯留される。各円すいころ軸受１ａ，１ｂはこの潤滑油の油浴に下部が漬かった状態で回転する。各円すいころ軸受１ａ，１ｂが高速で回転してその下部が油浴に漬かると、図５に矢印で示すように、油浴の潤滑油が円すいころ４の小径側から保持器５の外径側と内径側とに分かれて軸受内部へ流入し、保持器５の外径側から外輪３へ流入した潤滑油は、外輪３の軌道面３ａに沿って円すいころ４の大径側へ通過して軸受内部から流出する。一方、保持器５の内径側から内輪２側へ流入する潤滑油は、保持器５の外径側から流入する潤滑油よりも遥かに少なく、かつ、このすきまδから流入する潤滑油の大半は、ポケット９の狭幅側の柱部８に設けた切欠き１０ａを通過して、保持器５の外径側へ移動する。したがって、そのまま内輪２の軌道面２ａに沿って大つば２ｃに至る潤滑油の量は非常に少なくなり、軸受内部に滞留する潤滑油の量を減らすことができる。

図１３は、上述の円すいころ軸受を使用し得る自動車のトランスミッションの構成を例示したものである。このトランスミッションは同期噛合式のもので、同図の左側がエンジン側、右側が駆動車輪側である。メインシャフト４１とメインドライブギヤ４２との間に円すいころ軸受４３が配置してある。この例では、メインドライブギヤ４２の内周に円すいころ軸受４３の外輪軌道面が直接形成してある。メインドライブギヤ４２は、円すいころ軸受４４でケーシング４５に対して回転自在に支持される。メインドライブギヤ４２にクラッチギヤ４６が連結され、クラッチギヤ４６に近接してシンクロ機構４７が配置してある。

シンクロ機構４７は、セレクタ（図示省略）の作動によって軸方向（同図の左右方向）に移動するスリーブ４８と、スリーブ４８の内周に軸方向移動自在に装着したシンクロナイザーキー４９と、メインシャフト４１の外周に嵌合させたハブ５０と、クラッチギヤ４６の外周（コーン部）に摺動自在に装着したシンクロナイザーリング５１と、シンクロナイザーキー４９をスリーブ４８の内周に弾性的に押圧する押さえピン５２およびスプリング５３とを備えている。

同図に示す状態では、スリーブ４８およびシンクロナイザーキー４９が押さえピン５２によって中立位置に保持されている。この時、メインドライブギヤ４２はメインシャフト４１に対して空転する。一方、セレクタの作動により、スリーブ４８が同図に示す状態から例えば軸方向左側に移動すると、スリーブ４８に従動してシンクロナイザーキー４９が軸方向左側に移動し、シンクロナイザーリング５１をクラッチギヤ４６のコーン部の傾斜面に押し付ける。これにより、クラッチギヤ４６の回転速度が落ち、逆にシンクロ機構４７側の回転速度が高められる。そして、両者の回転速度が同期した頃、スリーブ４８がさらに軸方向左側に移動して、クラッチギヤ４６とかみ合い、メインシャフト４１とメインドライブギヤ４２との間がシンクロ機構４７を介して連結される。これにより、メインシャフト４１とメインドライブギヤ４２とが同期回転する。

上述の円すいころ軸受１の内輪２、外輪３および転動体４の少なくとも一つの軸受部品は窒素富化層を有する。窒素富化層を形成させるための処理の具体例として浸炭窒化処理を含む熱処理について説明する。

図１に示した実施の形態の円すいころ軸受１は、内輪２、外輪３および円すいころ４の各部品がいずれも酸素含有量が９ｐｐｍ以下の浸炭軸受鋼ＳＣｒ４３５で形成され、これらの各部品の表面に、炭素含有量０．８０重量％以上、ロックウェル硬さＨＲＣ５８以上で、かつ残留オーステナイト量２５〜３５体積％の浸炭窒化層が形成されている。

なお、前記各部品の素材としては、ＳＣｒ４３５のほか、ＳＣＭ４２０、ＳＣＭ４３０、ＳＣＭ４３５、ＳＣｒ４２０、ＳＣｒ４３０、ＳＡＥ５１３０、ＳＡＥ８６２０等の軸受用鋼を用いることができる。また、この発明は種々の形態の円すいころ軸受への適用が可能である。

実施例として、酸素含有量が９ｐｐｍ以下の浸炭軸受鋼ＳＣｒ４３５製の内輪、外輪および円すいころの各部品の表面に炭素含有量０．８０重量％以上、ロックウェル硬さＨＲＣ５８以上で、残留オーステナイト量が２５〜３５体積％の範囲にある浸炭窒化層が形成された円すいころ軸受（表１中の実施例１〜５）を用意した。軸受の寸法は、いずれも内径４０ｍｍ、外径６８ｍｍである。

比較例としては、酸素含有量が９ｐｐｍを越える通常の浸炭軸受鋼ＳＣｒ４３５製の内輪、外輪および円すいころの各部品の表面に、実施例と同様に、炭素含有量０．８０重量％以上、ロックウェル硬さＨＲＣ５８以上で、残留オーステナイト量が２５〜３５体積％の範囲にある浸炭窒化層が形成された円すいころ軸受（表１中の比較例１〜５）と、各部品を形成する浸炭軸受鋼ＳＣｒ４３５の酸素含有量は９ｐｐｍ以下で、その表面の浸炭窒化層の残留オーステナイト量がこの発明の範囲を外れる円すいころ軸受（表１中の比較例６，７）を用意した。また、各部品に酸素含有量が９ｐｐｍを越える通常の浸炭焼入れのみとした円すいころ軸受（表１中の比較例８）も用意した。各軸受の寸法は実施例と同じである。

上記実施例および比較例の円すいころ軸受を、異物が混入された潤滑油を封入したケース内に配置された回転軸に取り付けた異物混入寿命試験と、清浄な潤滑油が循環給油されるケース内に配置された回転軸に取り付けた清浄油寿命試験とを実施した。

試験条件は以下の通りである。
（異物混入寿命試験）
負荷荷重：１１．７６ｋＮ
回転数：１５００ｒ／ｍｉｎ
潤滑油：タービンＶＧ５６（油浴）
異物：ガスアトマイズ金属粉（粒径１００〜１８０μｍ、硬度ＨＶ７００〜８００、混入量１ｇ／リットル)
（清浄油寿命試験）
負荷荷重：２１．５６ｋＮ
回転数：２０００ｒ／ｍｉｎ
潤滑油：タービンＶＧ５６（油浴）

試験結果を表１に示す。標中の異物混入寿命試験および清浄油寿命試験の耐久寿命は、Ｌ１０寿命（９０％の軸受が破損しないで使える時間）で評価した。また、寿命比は、素材および熱処理とも通常の条件で製造した比較例８の耐久寿命を基準値とした。

実施例の円すいころ軸受は、異物混入寿命試験および清浄油寿命試験のいずれにおいても優れた耐久寿命を示すことがわかる。一方、浸炭窒化層の残留オーステナイト量がこの発明の範囲内で、鋼中の酸素含有量が多い比較例１〜５は、異物混入寿命試験では優れた耐久寿命を示すが、清浄油寿命試験の耐久性が劣っている。また、鋼中の酸素含有量は少ないが、浸炭窒化層の残留オーステナイト量がこの発明の範囲を外れる比較例６，７は、清浄油寿命試験での耐久寿命は比較的高い値を示すが、異物混入寿命試験の耐久寿命が劣っている。

述べたように、内輪、外輪および円すいころの各部品を、酸素含有量が９ｐｐｍ以下の鋼で形成し、これらの各表面に、炭素含有量０．８０重量％以上で、かつロックウェル硬さＨＲＣ５８以上の浸炭窒化層を形成し、この浸炭窒化層の残留オーステナイト量を２５〜３５体積％とすることにより、部品の機械的性質と疲労特性を高めるとともに、部品表面の浸炭窒化層を適度な靭性を有する材質に安定して保ち、異物混入下での耐久寿命を著しく改善することができる。

また、上述の円すいころ軸受で歯車軸を支持するようにした車両用車軸支持装置は、ギヤオイルに異物が混入する使用条件下でも耐久寿命が向上し、歯車軸支持装置が組み込まれたデファレンシャル等の動力伝達装置のメンテナンス周期を著しく延長することができる。

ここに開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。この発明の範囲は上記した説明ではなく特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

（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）は同軸受の縦断面図 図１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２と類似の展開平面図 保持器の別の変形例を示す図２と類似の展開平面図 図１（Ｂ）の部分拡大図 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 保持器の変形例を示す円すいころ軸受の部分横断面図 図１０の部分拡大図 一般的な自動車トランスミッションの断面図 一般的な自動車デファレンシャルの断面図 （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 従来の技術を示す円すいころ軸受の部分拡大横断面図 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

１，１ａ，１ｂ 円すいころ軸受
２ 内輪
２ａ 軌道面
２ｂ 大つば面
２ｃ 小つば面
３ 外輪
３ａ 軌道面
４ 円すいころ
４ａ 大端面
４ｂ ぬすみ
４ｃ 小端面
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

Claims (9)

1. 内輪と、外輪と、内輪と外輪との間に転動自在に配された複数の円すいころと、円すいころを円周所定間隔に保持する保持器とからなり、
   ころ係数γが０．９４を越え、
   前記内輪、外輪および円すいころを、それぞれ酸素含有量が９ｐｐｍ以下の鋼で形成し、これらの各表面に、炭素含有量０．８０重量％以上で、かつロックウエル硬さＨＲＣ５８以上の浸炭窒化層を形成し、この浸炭窒化層の残留オーステナイト量を２５〜３５体積％とし、
   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る台形状のポケットが形成してあり、ポケットの狭幅側の柱部に切欠きが設けてある円すいころ軸受。
2. ポケットの窓角が５５°以上８０°以下である請求項１の円すいころ軸受。
3. 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または２の円すいころ軸受。
4. 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ないし３のいずれかの円すいころ軸受。
5. 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ないし４のいずれかの円すいころ軸受。
6. 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５の円すいころ軸受。
7. 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ないし６のいずれかの円すいころ軸受。
8. 少なくとも円すいころの表面に、無数の微小凹形状のくぼみがランダムに設けてあり、この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で、かつ、Ｓｋ値が−１．６以下である請求項１ないし７のいずれかの円すいころ軸受。
9. 自走車両の動力伝達軸を支持する請求項１ないし８のいずれかの円すいころ軸受。

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