JP2008309270A - 円すいころ軸受 - Google Patents

Abstract

【課題】疲労寿命を低下させることなく、フレッティングの発生を抑制できる円すいころ軸受を提供する。
【解決手段】外輪２３と、内輪２２と、外輪２３と内輪２２との間に介在する円すいころ２４と、円すいころ２４を保持する保持器２５とを備え、外輪２３が内輪に対して空転する空転状態と、外輪２３が内輪２２と同期回転するシフト状態とに切り替わる自動車用変速機のアイドラ部位に用いられる円すいころ軸受である。外輪軌道面角度を２αとし、ころ角度をβとしたときに、α／β≧４．９とした。
【選択図】図１

Description

本発明は、円すいころ軸受に関し、特に自動車用変速機（トランスミッション）のアイドラ部位に用いる円すいころ軸受に関する。

この変速機の一例として、図６に示す同期噛合式変速機がある。この変速機では、所定間隔で平行配置された主軸５と副軸（図示省略）とがミッションケース（図示せず）に回転自在に支持され、その主軸５は出力軸（駆動車輪側）に連動され、副軸は入力軸（エンジン側）に連動される。

副軸には、副軸歯車６が一体（又は別体）に設けられ、主軸５には円すいころ軸受Ａを介して主軸歯車１が回転自在に装着される。主軸歯車１の外周面の中央部分には副軸歯車６と常時噛合する歯部１ａが一体に設けられ、両端部分にはクラッチギヤ７が係合連結される。クラッチギヤ７は、外周にスプライン歯７ａ、一側に円錐形のコーン７ｂを一体に有し、クラッチギヤ７に近接してシンクロ機構８が配設される。

シンクロ機構８は、セレクタ（図示せず）の作動によって軸方向（同図で左右方向）に移動するスリーブ８１と、スリーブ８１の内周に軸方向移動自在に装着されたシンクロナイザーキー８２と、主軸５の外周に係合連結されたハブ８３と、クラッチギヤ７のコーン７ｂの外周に摺動自在に装着されたシンクロナイザーリング８４と、シンクロナイザーキー８２をスリーブ８１の内周に弾性的に押圧する押さえピン８５及びスプリング８６とを具備する。

同図に示す状態では、スリーブ８１及びシンクロナイザーキー８２が押さえピン８５によって中立位置に保持されている。この時、主軸歯車１は副軸歯車６の回転を受けて主軸５に対して空転する。一方、セレクタの作動により、スリーブ８１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８１に従動してシンクロナイザーキー８２が軸方向左側に移動し、シンクロナイザーリング８４をクラッチギヤ７のコーン７ｂの傾斜面に押し付ける。これにより、クラッチギヤ７側の回転速度が落ち、逆にシンクロ機構８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８１がさらに軸方向左側に移動して、クラッチギヤ７のスプライン歯７ａに噛み合い、主軸歯車１と主軸５との間がシンクロ機構８を介して連結される。これにより、副軸歯車６の回転が主軸歯車１によって所定の変速比で減速されて、主軸５に伝達される。この時、主軸歯車１は、主軸５及び円すいころ軸受Ａの軸受内輪２と同期回転する。

自動車の同期噛合式変速機の主軸歯車機構に用いた前記円すいころ軸受Ａは、軸受外輪と兼用した主軸歯車１と、外周面に軌道面２ａを有し、主軸５の外周に嵌装された一対の軸受内輪２と、主軸歯車１の複列の軌道面１ｃと一対の軸受内輪２の軌道面２ａとの間に配された複列の円すいころ３と、各列の円すいころ３をそれぞれ保持する一対の保持器４とで構成される。

ところで、前述した変速時、主軸歯車１と軸受内輪２とが同期回転することにより、転動体であるころ３が軌道面１ｃ、２ａ上で停止した状態となる。一方、外部からの振動などが繰り返し作用すると、ころ３と軌道面１ｃ、２ａとの間に繰り返しの微小滑りが生じ、相対的な繰り返しの微小滑りにより接触面が摩耗するフレッティングと称する現象が問題となることがある。

そこで、前述したフレッティングを抑制するために主軸歯車及び軸受内輪の軌道面やころにパーカー処理（リン酸被膜処理）を施してころと軌道面との摩擦抵抗を低減するようにするのも可能である。しかしながら、パーカー処理被膜は損耗するおそれがあり、長期にわたる良好なフレッティング抑制効果を期待することはできない。

また、従来には、円すいころの円周不等配、円すいころを保持する保持器の円周方向の重量アンバランス、円すいころの重量の不等によるアンバランス手段等を備えたものがある（特許文献１）。すなわち、保持器重心を回転中心からずらすことで、慣性モーメントを利用し、停止状態から相対回転を生じさせるものである。
特開２０００−１９３０６９号公報

しかしながら、保持器のポケットを不等ピッチ等とするには、等ピッチと比べてころ本数を減少させる必要があり、負荷容量低下を招いて軸受寿命が短くなって好ましくない。このため、トランスミッションのアイドラ部位に用いる円すいころ軸受には、耐フレッティング性向上と軸受寿命向上の両立が求められる。

本発明は、上記課題に鑑みて、疲労寿命を低下させることなく、フレッティングの発生を抑制できる円すいころ軸受を提供する。

本発明の円すいころ軸受は、外輪と、内輪と、外輪と内輪との間に介在する円すいころと、円すいころを保持する保持器とを備え、外輪が内輪に対して空転する空転状態と、外輪が内輪と同期回転するシフト状態とに切り替わる自動車用変速機のアイドラ部位に用いられる円すいころ軸受において、外輪軌道面角度を２αとし、ころ角度をβとしたときに、α／β≧４．９としたものである。

フレッティング摩耗はころと軌道面との接触面圧が２２００ＭＰａを超える状態で同期回転すると発生することを本発明者は試験確認した。また、軸受の必要寿命から必要な動定格荷重が決まってくるが、接触面圧が２２００ＭＰａを下回るようにするためには、さらに動定格荷重に対する静定格荷重の割合も決まってくる。一方、動定格荷重に対する静定格荷重の割合は、外輪軌道面角度に対するころ角度の比率に相関関係がある。すなわち、外輪軌道面角度を２αとし、ころ角度をβとしたときに、α／β≧４．９とすることで、ころと軌道面との接触面圧が２２００ＭＰａを下回らせることができる。

本発明の他の円すいころ軸受は、外輪と、内輪と、外輪と内輪との間に介在する円すいころと、円すいころを保持する保持器とを備え、外輪が内輪に対して空転する空転状態と、外輪が内輪と同期回転するシフト状態とに切り替わる自動車用変速機のアイドラ部位に用いられる円すいころ軸受において、円すいころの表面にＭｏＳ２処理を施すとともに、外輪軌道面角度を２αとし、ころ角度をβとしたときに、α／β≧４．７５としたものである。

ＭｏＳ２処理とは、被コーティング部材の表層部（母材表層部）にＭｏＳ２（二硫化モリブデン）を被覆する処理であって、例えば、母材表層部を熱で溶解し二硫化モリブデンを母材に取入れて再結晶させるものである。このため、この被覆層は、摩滅に対して強く、剥がれ難く、摺動抵抗低減効果に優れている。このように、円すいころの表面にＭｏＳ２処理を施すことによって、円すいころと、外輪及び内輪の転動面との摩擦抵抗を低減できる。

ころ係数γが０．９４を越えるようにしたり、保持器のポケットの窓角を５５°以上８０°以下としたりできる。ここで、ころ係数γは、次式で定義される。また、ポケット（周方向に沿って隣合う柱部間）の窓角とは、柱部の、円すいころの転動面と接する面がなす角度をいう。

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

前記保持器は樹脂製にて構成することができる。樹脂として、例えば、ポリアミドもしくは、ポリフェニレンサルファイド等のエンジニアリングプラスチックを採用できる。

本発明の円すいころ軸受では、円すいころと軌道面との接触面圧が２２００ＭＰａを下回らせることができるので、疲労寿命を低下させることなく、フレッティングの発生を抑制できる。

特に、円すいころの表面にＭｏＳ２処理を施すことによって、円すいころと軌道面との接触面圧が２２００ＭＰａを下回らなくても、２２００ＭＰａ近傍の面圧で、フレッティングの発生を防ぐことができ、α／β≧４．７５であってもよい。このため、外輪軌道面角度ところ角度との関係設定が容易となって設計の自由度が広がる。

ころ係数γが０．９４を越えるようにすれば、中立状態においては外輪と保持器との接触を避けた上で、保持器の柱幅を大きくすることができる。このため、軸受寸法を変更することなく、負荷容量を総ころ軸受（保持器を用いていない軸受）のレベルまで上げることが可能となる。これによって、接触面圧を低減でき、停止状態での面圧が緩和され、耐フレッティング性が向上する。しかも、保持器と円すいころとは良好な接触状態を確保することができ、ころは円滑な回転が得られる。

また、保持器の窓角を５５°以上としたことによって、円すいころとの良好な接触状態を確保することができ、保持器の窓角を８０°以下としたことによって、半径方向への押し付け力が大きくならず、円滑な回転が得られる。

保持器を樹脂製とすることによって、重量が軽くなるとともに、摩擦係数が小さくなり、軸受起動時のトルク損失や保持器摩耗の低減に好適となる。特に、ポリアミドもしくは、ポリフェニレンサルファイド等のエンジニアリングプラスチックが好適である。

本発明に係る円すいころ軸受の実施形態を図１〜図５に基づいて説明する。

図１は本発明の円すいころ軸受を使用した自動車用トランスミッション（同期噛合式変速機）を示している。主軸と副軸とが所定間隔で平行に配置され、主軸が駆動車輪側の出力軸に連動され、副軸がエンジン側の入力軸に連動される。すなわち、副軸には副軸歯車が設けられ、副軸歯車に、本発明の円すいころ軸受の外輪を構成する主軸歯車が噛合している。

すなわち、円すいころ軸受は、円すい状の軌道面２２ａを有する一対の内輪２２と、円すい状の一対の軌道面２３ａを有する外輪２３と、内輪２２の軌道面２２ａと外輪２３の軌道面２３ａとの間に転動自在に配された複数の円すいころ２４と、円すいころ２４を円周等間隔に保持する保持器２５とを備える。内輪２２は、小径側に小つば２２ｂが設けられているとともに大径側に大つば２２ｃが設けられている。

また、外輪２３は、その外周面に副軸の副軸歯車に噛合する歯部２７が設けられ、その軸方向端部には、図示省略のクラッチギヤが噛合する歯部２８が設けられている。そして、図示省略するが、クラッチギヤに近接してシンクロ機構が配置される。

すなわち、ニュートラル時には、外輪（主軸歯車）２３は内輪２２に対して空転するが、外輪（主軸歯車）２３による変速時には、シンクロ機構を介した連動によって外輪（主軸歯車）２３は内輪２２及び主軸と同期回転する。

外輪軌道面角度を２αとし、ころ角度をβとしたときに、α／β≧４．９とする。円すいころ２４と軌道面２３ａとの接触面圧は、軸受の必要寿命から必要な動定格荷重と、動定格荷重に対する静定格荷重の割合等で決まる。また、動定格荷重に対する静定格荷重の割合は、外輪軌道面角度に対するころ角度の比率に相関関係がある。このため、α／β≧４．９とすることによって、円すいころ２４と軌道面２３ａとの接触面圧が２２００ＭＰａを下回らせることができる。

なお、図２と図３に示すように、保持器２５は小径側環状部２５ａと、大径側環状部２５ｂと、小径側環状部２５ａと大径側環状部２５ｂとを軸方向に繋ぐ複数の柱部２５ｃとを備えている。柱部２５ｃの柱面２５ｄの窓押し角（窓角）θ（図５参照）は、例えば、５５°以上８０°以下とする。

ころ係数γが０．９４を越えるように設定している。ここで、ころ係数γは、次式で定義される。また、ポケット（周方向に沿って隣合う柱部間）１８の窓角θとは、柱部の、円すいころ２４の転動面と接する面がなす角度をいう。

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

保持器２５としては、例えば、金属板を円すい台形状にプレス成形した後、各ポケット１８をプレス打抜きして形成される。金属板としては、冷間圧延鋼板（ＳＰＣ）や熱間圧延軟鋼板（ＳＰＨ）等の圧延鋼板、及びばね鋼等を使用することができる。また、冷間圧延鋼板（ＳＰＣ）や熱間圧延軟鋼板（ＳＰＨ）であれば、その表面に浸炭窒化処理やガス軟窒化処理等の表面硬化処理を施すのが好ましい。

ここで、浸炭窒化とは、浸炭と同時に窒化処理も行う方法であって、炭素Ｃと窒素Ｎを拡散させる方法であり、例えば、通常のガス浸炭性ガス雰囲気中にアンモニア（ＮＨ３）（０．５〜１．０％程度）を添加し例えば、８５０℃前後の温度で行う。また、ガス軟窒化処理とは、軟窒化をガスによって行う方法であり、この処理にはアンモニアガスと浸炭性ガスを混合して使う場合と、尿素を分解して用いる方法とがある。アンモニアガスと浸炭性ガスを１：１の割合で混合して用いる軟窒化は、ガス軟窒化の主流をなす。

また、保持器２５としては、鉄板製のものに代えて、樹脂製すなわちエンジニアリングプラスチック製としてもよい。ここで、エンジニアリングプラスチックとは、合成樹脂のなかで主に耐熱性が優れ、強度が必要とされる分野に使うことができるものであって、エンプラと略される。また、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とがあり、この保持器２５に用いるエンジニアリングプラスチックには両者を含む。以下に代表的なものを掲げる。なお、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には、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）等がある。また、スーパーエンジニアリングプラスチックには、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）等がある。

円すいころの表面にＭｏＳ２処理を施すのが好ましい。ここで、ＭｏＳ２処理とは、被コーティング部材の表層部（母材表層部）にＭｏＳ２（二硫化モリブデン）を被覆する処理であって、例えば、母材表層部を熱で溶解し二硫化モリブデンを母材に取入れて再結晶させるものである。このため、この被覆層は、摩滅に対して強く、剥がれ難く、摺動抵抗低減少効果に優れている。

保持器２５の外径としては、図３（Ａ）の状態から同図に矢印で示すように保持器２５を軸方向小径側に移動させ（図３（Ｂ））、次に図４（Ａ）のように径方向下側に移動させると、外輪２３と保持器２５の一部が接触し、この軸受が回転して図４（Ｃ）のように保持器２５がセンタリングされると、保持器２５と外輪２３が全周にわたり所定すきまをあけて非接触となるような寸法に設定してある。言い換えれば、そのような寸法とは、保持器２５が軸中心に配置され、図３（Ｂ）のように保持器２５が小径側に寄った状態では保持器２５と外輪２３の間にすきまが存在するが、保持器２５を軸中心から径方向に移動させると外輪２３と保持器２５が接触するような寸法である。

これにより、運転初期（図４（Ｂ））には外輪２３と保持器２５は接触するが、運転中（図４（Ｃ））は非接触となることから、接触による引きずりトルクの増大や摩耗を抑制することができる。なお、鉄板製保持器の場合は底拡げやかしめ作業が必要であるが、樹脂製保持器の場合は不要となるため、必要な寸法精度を確保することが容易である。ここで、「底拡げ」とは、円すいころ２４を組み込んだ保持器２５を内輪２２に組み付ける時、ころが内輪２２の小つば２２ｂを乗り越えるように保持器２５の小径側の柱部の径を大きく拡げることをいう。「かしめ作業」とは、前述のように大きく拡げた保持器２５の小径部の柱部を外側から型で押して元に戻すことをいう。

本発明の円すいころ軸受によれば、円すいころ２４と軌道面２３ａとの接触面圧が２２００ＭＰａを下回らせることができるので、疲労寿命を低下させることなく、フレッティングの発生を抑制できる。特に、円すいころ２４の表面にＭｏＳ２処理を施すことによって、円すいころ２４と、外輪２３及び内輪２２の転動面２３ａとの摩擦抵抗を低減できる。すなわち、円すいころの表面にＭｏＳ２処理を施すことによって、円すいころと軌道面との接触面圧が２２００ＭＰａを下回らなくても、２２００ＭＰａ近傍の面圧で、フレッティングの発生を防ぐことができ、α／β≧４．７５であってもよい。このため、外輪軌道面角度ところ角度との関係設定が容易となって設計の自由度が広がる。

保持器２５の中立状態では保持器２５と外輪２３とが非接触となってすきまが生じ、この中立状態から径方向の保持器２５の移動により保持器２５の一部が外輪と接触するようにしたことによって、ＰＣＤを上げることができ、しかも、ころ係数γが０．９４を越えるので、中立状態においては外輪２３と保持器２５との接触を避けた上で、保持器２５の柱幅を大きくすることができる。このため、軸受寸法を変更することなく、負荷容量を総ころ軸受（保持器を用いていない軸受）のレベルまで上げることが可能となる。これによって、接触面圧を低減でき、停止状態での面圧が緩和され、耐フレッティング性が向上する。しかも、保持器２５と円すいころ２４とは良好な接触状態を確保することができ、円すいころ２４は円滑な回転が得られる。

また、保持器２５の窓角θを５５°以上としたことによって、円すいころ２４との良好な接触状態を確保することができ、保持器２５の窓角θを８０°以下としたことによって、半径方向への押し付け力が大きくならず、円滑な回転が得られる。すなわち、窓角θが５５°未満であれば、円すいころ２４との良好な接触状態を得られにくく、窓角θが８０°を越えれば、半径方向への押し付け力が大きくなりすぎて、円滑な回転が得られにくくなる。

なお、保持器２５を鉄板製とすることによって、保持器２５の剛性を高めることができ、長期に亘って安定して円すいころ２４を保持することができる。しかも、耐油性に優れ、油への浸漬による材質劣化を防止できる。保持器２５を樹脂製とすれば、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となる。

以上、本発明の実施形態につき説明したが、本発明は前記実施形態に限定されることなく種々の変形が可能であって、例えば、配置される円すいころ２４の数は任意である。また、保持器２５として、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。

外輪軌道面角度に対するころ角度を種々変更したサンプル品を形成して、各サンプル品についてフレッティングの発生の有無を調べた。その結果を次の表１に示す。表１において、サンプルａは、α＝１２°３０′、β＝３°３５′であり、α／β＝３．４９である。サンプルｂは、α＝１４°、β＝３°３１′であり、α／β＝３．９８である。サンプルｃは、α＝１７°、β＝３°４５′であり、α／β＝４．５３である。サンプルｄは、α＝１８°３′、β＝３°４９′であり、α／β＝４．７３である。サンプルｅは、α＝１９°２′、β＝３°５４′であり、α／β＝４．８８である。サンプルｆは、α＝２０°、β＝３°４６′であり、α／β＝５．３１である。なお、各サンプルには、標準ころ（ＭｏＳ２が施されていないころ）と、ＭｏＳ２ころ（ＭｏＳ２が施されているころ）の２種類がある。従来のこの種の円すいころでは概ね、α／β＜４．６となっている。

この表１からわかるように、α／β＝４．７３であれば、最大接触面圧が２２００ＭＰａとなり、標準ころではフレッティングの発生があり、ＭｏＳ２ころでは、軽度のフレッティングの発生があった。また、α／β＝４．８８であれば、最大接触面圧が２１００ＭＰａとなり、標準ころで軽度のフレッティングの発生があったが、ＭｏＳ２ころでは、フレッティングの発生はなかった。α／β＝５．３１であれば、最大接触面圧が１９５０ＭＰａであり、標準ころおよびＭｏＳ２ころにフレッティングの発生がなかった。

このため、標準ころの場合、α／β≧４．９であれば、フレッティングの発生がなく、ＭｏＳ２ころの場合、α／β≧４．７５であれば、フレッティングの発生がないことがわかる。

本発明の実施形態を示す円すいころ軸受を使用した自動車用トランスミッションの要部断面図である。 前記円すいころ軸受の横断面図である。 前記円すいころ軸受を示し、（Ａ）は軸方向移動前の縦断面図であり、（Ｂ）は軸方向移動後の縦断面図である。 前記円すいころ軸受を示し、（Ａ）は静止時の保持器と外輪との関係を示す断面図であり、（Ｂ）は回転初期の保持器と外輪との関係を示す断面図であり、（Ｂ）は回転中の保持器と外輪との関係を示す断面図である。 前記円すいころ軸受の要部拡大断面図である。 従来の自動車用トランスミッションの要部断面図である。

符号の説明

２２ 内輪
２３ 外輪
２４ 円すいころ
２５ 保持器

Claims (6)

1. 外輪と、内輪と、外輪と内輪との間に介在する円すいころと、円すいころを保持する保持器とを備え、外輪が内輪に対して空転する空転状態と、外輪が内輪と同期回転するシフト状態とに切り替わる自動車用変速機のアイドラ部位に用いられる円すいころ軸受において、
   外輪軌道面角度を２αとし、ころ角度をβとしたときに、α／β≧４．９としたことを特徴とする円すいころ軸受。
2. 外輪と、内輪と、外輪と内輪との間に介在する円すいころと、円すいころを保持する保持器とを備え、外輪が内輪に対して空転する空転状態と、外輪が内輪と同期回転するシフト状態とに切り替わる自動車用変速機のアイドラ部位に用いられる円すいころ軸受において、
   円すいころの表面にＭｏＳ２処理を施すとともに、外輪軌道面角度を２αとし、ころ角度をβとしたときに、α／β≧４．７５としたことを特徴とする円すいころ軸受。
3. ころ係数γが０．９４を越えることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の円すいころ軸受。
4. 保持器のポケットの窓角を５５°以上８０°以下にしたことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載の円すいころ軸受。
5. 前記保持器は樹脂製であることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の円すいころ軸受。
6. 前記樹脂製の保持器は、ポリアミドもしくは、ポリフェニレンサルファイドであることを特徴とする請求項５記載の円すいころ軸受。

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