JP2012172730A - ピニオン軸用回転支持装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ピニオンギヤ側の転がり軸受のアキシアル剛性を十分に確保できると共に、運転時の動トルク及び運転開始時の起動トルクを十分に低減できる構造を実現する。
【解決手段】ピニオンギヤ１０側の転がり軸受として、タンデム型の複列アンギュラ玉軸受１３ａを使用すると共に、内輪軌道１８ａ、１８ｂの曲率半径Ｒｉと各玉１９ａ、１９ｂの直径Ｂｄとの比（Ｒｉ／Ｂｄ）を、０．５２≦Ｒｏ／Ｂｄに規制する。又、上記タンデム型の複列アンギュラ玉軸受１３ａの内輪軌道、外輪軌道および玉のうちどれか一つ以上に、浸炭処理或いは浸炭窒化処理のいずれかを施す。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば自動車のデファレンシャル装置や四輪駆動車のトランスファー装置を構成するピニオン軸用回転支持装置の改良に関するものである。

従来より、自動車のデファレンシャル装置や四輪駆動車のトランスファー装置は、通常、一端部にピニオンギヤを設けたピニオン軸を備えており、このピニオン軸をハウジングの内側に、軸方向に離隔して設けた１対の転がり軸受によって、回転自在に、且つ、両方向のアキシアル荷重を支承可能に支持する構造を有している。この種のピニオン軸用回転支持装置としては、ピニオンギヤ側の軸受と反ピニオンギヤ側の軸受の両方を円すいころ軸受で構成し、両軸受を互いに背面合わせに配置し、予圧を付加した状態でハウジング内に収容したものがある。ピニオンギヤ側の軸受には比較的大きなアキシアル荷重が作用することから、反ピニオンギヤ側の軸受よりも大型の円すいころ軸受を用いている。ところが、円すいころ軸受は大きな摩擦抵抗が作用するので回転トルクが大きく、したがって、トランスファ装置の効率の低下を招く不都合がある。燃費向上、軸受部の摩擦トルク減少を目的として、この種の軸受装置にタンデム型の複列アンギュラ玉軸受を用いるものがある。

図５は、従来構造のタンデム型の複列アンギュラ玉軸受を組み込んだデファレンシャル装置を示している。このデファレンシャル装置は、自動車の動力伝達系の途中に設けてプロペラシャフトの回転を減速すると同時に回転方向を直角に変換する為のもので、ハウジングであるケース（不図示）の内側の前寄り（「前後方向」は車両の前後方向によるもので、図５の右側が「前」、左側が「後」）部分に１対の環状壁２ａ、２ｂを、前後方向に離隔して設けている。これら両環状壁２ａ、２ｂの内側にはピニオン軸３を、１対のアンギュラ玉軸受１３、１４によって、回転自在に、且つ、両方向のアキシアル荷重を支承可能に支持している。比較的大きなアキシアル荷重を支承するピニオンギヤ１０側（図５の左側）の転がり軸受として、タンデム型の複列アンギュラ玉軸受１３を使用している。このタンデム型の複列アンギュラ玉軸受１３は、ピニオン軸３にピニオンギヤ１０側から反ピニオンギヤ１０側に向けて作用するアキシアル荷重を支承可能である。一方、比較的小さなアキシアル荷重を支承する反ピニオンギヤ１０側（図５の右側）の転がり軸受として、単列アンギュラ玉軸受１４を使用している。この単列アンギュラ玉軸受１４は、上記ピニオン軸３に反ピニオンギヤ１０側からピニオンギヤ１０側に向けて作用するアキシアル荷重を支承可能である。

ピニオンギヤ１０側に配置されたタンデム型の複列アンギュラ玉軸受１３は、外輪１５の内周面に形成した、それぞれがアンギュラ型である複列の外輪軌道１６ａ、１６ｂと、内輪１７の外周面に形成した、それぞれがアンギュラ型である複列の内輪軌道１８ａ、１８ｂとの間に、両列毎に複数個ずつの玉１９ａ、１９ｂを、両玉列２０ａ、２０ｂ同士で互いに同じ向きの接触角を付与した状態で配置して成り、且つ、ピニオンギヤ１０側の玉列２０ａのピッチ円直径を、反ピニオンギヤ１０側の玉列２０ｂのピッチ円直径よりも大きくしている。一方、反ピニオンギヤ１０側に配置された単列アンギュラ玉軸受１４は、外輪２１の内周面に形成したアンギュラ型の外輪軌道２２と、内輪２３の外周面に形成したアンギュラ型の内輪軌道２４との間に、複数個の玉２５を、接触角を付与した状態で転動自在に設けて成る。

又、このピニオン軸３の前端部には、環状の結合部材８を外嵌固定している。この結合部材８の前端部を構成する結合フランジ９は、上記ケースの前端開口部から外部に突出した部分に配置している。この結合フランジ９には、図示しないプロペラシャフトの後端部を連結自在である。一方、上記ピニオン軸３の後端部には、ピニオンギヤ１０を固設しており、このピニオンギヤ１０とリングギヤ（不図示）とを互いに噛合させている。このリングギヤは、上記ケースの内側の後部に、回転のみ自在に支持している。

ところで、近年、自動車の省燃費化に対する要求が強くなっており、上述の様なデファレンシャル装置並びにトランスファー装置を構成する、ピニオン軸用回転支持装置に組み込む１対の転がり軸受に関しても、動力の伝達ロスを低く抑えるべく、動トルク（回転抵抗）及び起動トルクをより小さくする事が要求される様になっている。但し、上述した従来構造の場合には、当該トルクが必ずしも十分に小さいとは言えなかった。

本発明に関連する先行技術文献として、特許文献１があるが、この特許文献１に記載された発明は、ピニオン軸用回転支持装置に組み込まれる１対の転がり軸受として、タンデム型の複列アンギュラ玉軸受を使用し、軸受部材が窒素富化層を有している。この為、熱処理を施した内輪、外輪および玉の疲労特性を長寿命化させることが可能となり、ＰＣＤを小さくすることで低トルク化を図ると共に、内輪内径及び外輪外径寸法を小さくすることで複列アンギュラ軸受のコンパクト化を図っている。

特開２００８−０２００１６号公報

しかしながら、この先行技術には、反ピニオンギヤ側の転がり軸受として単列アンギュラ玉軸受を使用した場合に比べて、負荷容量を大きくできる反面、動トルク（回転抵抗）が大きくなる為、自動車の省燃費化に対する要求に応える事は難しいという問題がある。また、上記従来構造の図５の場合には、上記ピニオン軸３を回転自在に支持する為の１対の転がり軸受として、タンデム型の複列アンギュラ玉軸受１３と単列アンギュラ玉軸受１４とを使用している為、１対の単列円すいころ軸受を使用した場合に比べて、運転時の動トルクの低減を図れると共に、運転開始時の起動トルクの低減を図れる。但し、この様な従来構造の図５の場合にも、これらトルクの更なる低減を図る面からは、十分に検討がなされているとは言えず、未だ改良の余地がある。

本発明のピニオン軸用回転支持装置は、上述の様な事情に鑑み、ピニオン軸を回転自在に支持する為の１対の転がり軸受のうち、ピニオンギヤ側のタンデム型の複列アンギュラ玉軸受に関して、軸受寿命を十分に確保できると共に、運転時の動トルク及び運転開始時の起動トルクを十分に低減できる構造を実現すべく発明したものである。

本発明のピニオン軸用回転支持装置は、自動車のデファレンシャル装置や四輪駆動車のトランスファー装置を構成する為に使用可能なもので、一端部にピニオンギヤを設けたピニオン軸をハウジングの内側に、軸方向に離隔して設けた１対の転がり軸受によって、回転自在に、且つ、両方向のアキシアル荷重を支承可能に支持して成る。

特に、本発明のピニオン軸用回転支持装置に於いては、上記両転がり軸受のうち、ピニオンギヤ側の転がり軸受が、上記ピニオン軸にピニオンギヤ側から反ピニオンギヤ側に作用するアキシアル荷重を支承可能な、タンデム型の複列アンギュラ玉軸受｛ピニオンギヤ側の玉列のピッチ円直径（及び軌道径）が反ピニオンギヤ側の玉列のピッチ円直径（及び軌道径）よりも大きく、且つ、両列の接触角の向きが同じである、並列組み合わせ型の複列アンギュラ玉軸受｝である。そして、複数の軌道を有するタンデム型の複列アンギュラ玉軸受を構成する内輪軌道の曲率半径をＲｉとし、同じく玉の直径をＢｄとした場合に、少なくとも１つの軌道が
０．５２≦Ｒｉ／Ｂｄ
なる関係を満たす。

本発明を実施する場合に好ましくは、反ピニオンギヤ側の転がり軸受が、上記ピニオン軸に反ピニオンギヤ側からピニオンギヤ側に作用するアキシアル荷重を支承可能な、単列アンギュラ玉軸受である。

又、本発明を実施する場合に好ましくは、タンデム型の複列アンギュラ玉軸受を構成する内輪軌道、外輪軌道および玉のうちどれか一つ以上に、浸炭処理或いは浸炭窒化処理のいずれかを施す。

内輪溝Ｒ比（Ｒｉ／Ｂｄ）を大きくすることによりトルクを減少することができるが、同時に動定格荷重が低減し、軸受寿命は短くなる。そのため、従来は溝Ｒ比をある程度以上には大きく出来ないという制限があったが、特殊熱処理により軸受部材の疲労特性を向上させることで、溝Ｒ比を大きくしても軸受の寿命が維持されるため、トルク低減と長寿命化とを両立することができる。本発明によれば、特殊熱処理による部材の寿命向上と、溝Ｒ比増大によるトルク低減効果とを関連付け、低トルクかつ長寿命となるピニオン軸受用回転支持装置を提供することができる。また、上述の様な構成を有する本発明のピニオン軸用回転支持装置の場合には、ピニオン軸を回転自在に支持する為の１対の転がり軸受のうち、ピニオンギヤ側の転がり軸受に関して、アキシアル剛性を十分に確保できると共に、運転時の動トルク及び運転開始時の起動トルクを十分に低減できるという効果が有る。

本発明の実施の形態を示す、図５のＡ部に相当する拡大断面図。 溝Ｒ比とトルクとの関係を示す図。 内輪溝Ｒ比とトルクとの関係を示す図。 内輪溝Ｒ比と軸受寿命との関係を示す図。 従来構造のピニオン軸用回転支持装置を示す半部断面図。

図１は、本発明の実施の形態を示している。尚、本例のピニオン軸用回転支持装置の特徴は、運転時の動トルク及び運転開始時の起動トルクを十分に低減するべく、ピニオンギヤ１０（図５参照）側に配置したタンデム型の複列アンギュラ玉軸受１３の構造を工夫した点にある。その他の部分の構造及び作用・効果に就いては、前述の図５に示した従来構造の例とほぼ同様であるから、同等部分に関する図示並びに説明は、省略若しくは簡略にし、以下、本例の特徴部分を中心に説明する。

本例のピニオン軸用回転支持装置の場合にも、上記図５に示した従来構造の例の場合と同様に、ピニオンギヤ１０側の転がり軸受として、ピニオン軸３にピニオンギヤ１０側から反ピニオンギヤ１０側に向けて作用するアキシアル荷重を支承可能な、図１に示す様な、タンデム型の複列アンギュラ玉軸受１３ａを使用している。一方、反ピニオンギヤ１０側の転がり軸受として、上記ピニオン軸３に反ピニオンギヤ１０側からピニオンギヤ１０側に向けて作用するアキシアル荷重を支承可能な、図５に示す様な、単列アンギュラ玉軸受１４を使用している。

ピニオンギヤ１０側に配置された上記タンデム型の複列アンギュラ玉軸受１３ａは、外輪１５ａの内周面に形成したアンギュラ型の外輪軌道１６ａ、１６ｂと、内輪１７ａの外周面に形成したアンギュラ型の内輪軌道１８ａ、１８ｂとの間に、複数個の玉１９ａ、１９ｂを、転動自在に設けて成る。図１における複数個の玉１９ａと１９ｂの直径は同径であるが、異径とする事もできる。さらに、両玉列２０ａ、２０ｂ同士の間でピッチ円直径の大きさを異ならせており、ピニオンギヤ１０側の玉列２０ａのピッチ円直径を、反ピニオンギヤ１０側の玉列２０ｂのピッチ円直径よりも大きくしている。又、上記外輪１５ａは、ケースの内側に設けた環状壁２ａに内嵌固定されており、上記内輪１７ａは、上記ピニオン軸３の中間部に外嵌固定されている。

特に本例の場合には、上記タンデム型の複列アンギュラ玉軸受１３ａに関して、上記内輪軌道１８ａ、１８ｂの（断面形状の）曲率半径をＲｉとし、上記各玉１９ａ、１９ｂの直径をＢｄとした場合に、曲率半径Ｒｉと直径Ｂｄとの比である内輪溝Ｒ比（Ｒｉ／Ｂｄ）を、０．５２≦Ｒi／Ｂｄに規制している。

本例の場合には、上記タンデム型の複列アンギュラ玉軸受１３ａを構成する軌道輪（外輪１５ａ及び内輪１７ａ）の材料として、ＳＵＪ２、ＳＵＪ３（高炭素クロム軸受鋼２種、３種）等の軸受鋼、軸受鋼に表面硬化層（窒素富化層）を得るべく浸炭処理或いは浸炭窒化処理を施したもの、又は、Ｓ５３Ｃ等の中炭素鋼にＳｉ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｍｏ等の合金元素を必要に応じて添加した合金鋼に浸炭処理或いは浸炭窒化処理を施したものを使用できる。特に、本例のピニオン軸用回転支持装置を、高速回転且つ高温条件下で使用する場合には、上記合金鋼の中でも、焼戻し軟化抵抗性を向上させる等の効果を得られるＳｉを多く含有した合金鋼に、浸炭処理或いは浸炭窒化処理を施したものを使用する事が好ましい。又、ステンレス鋼（例えばマルテンサイト系ステンレス鋼）や炭素鋼等の鉄系合金を使用する事もできる。

更に、上記タンデム型の複列アンギュラ玉軸受１３ａを構成する両玉列２０ａ、２０ｂの各玉１９ａ、１９ｂの材料としても、ＳＵＪ２、ＳＵＪ３等の軸受鋼、軸受鋼に浸炭処理或いは浸炭窒化処理を施したもの、又は、中炭素鋼にＳｉ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｍｏ等を必要に応じて添加した合金鋼に浸炭処理或いは浸炭窒化処理を施したもの等を使用できる。又、上記各玉１９ａ、１９ｂは、セラミック製としても良い。

上述の様な構成を有する本例のピニオン軸用回転支持装置の場合には、前記ピニオン軸３を回転自在に支持する為の１対の転がり軸受のうち、ピニオンギヤ１０側に配置したタンデム型の複列アンギュラ玉軸受に関して、アキシアル剛性を十分に確保できると共に、運転時の動トルク及び運転開始時の起動トルクを十分に低減できる。

即ち、本例の場合には、ピニオンギヤ１０側の転がり軸受として、タンデム型の複列アンギュラ玉軸受１３ａを使用すると共に、内輪溝Ｒ比（Ｒｉ／Ｂｄ）を、０．５２≦Ｒｉ／Ｂｄに規制している。この為、上記内輪軌道１８ａ、１８ｂと上記各玉１９ａ、１９ｂの転動面との接触面積が小さくなり、運転時の動トルク及び起動トルクを十分に低減できる。溝Ｒ比と動トルクとの関係は図２より、外輪よりも内輪の溝Ｒ比増大がトルク低減に有効であること、また図３より内輪溝Ｒ比を０．５２以上とした場合に、トルクが十分に低くなることから、少なくとも内輪溝Ｒ比を０．５２以上とする。内輪溝Ｒ比が０．５２未満になると、上記内輪軌道１８ａ、１８ｂと上記各玉１９ａ、１９ｂの転動面との接触面積が大きくなり、トルクを十分には低減する事ができなくなる。

更に、本例の場合には、ピニオンギヤ１０側に配置したタンデム型の複列アンギュラ玉軸受１３ａに関して、内輪軌道、外輪軌道あるいは玉のいずれか一つ以上に浸炭処理等の特殊熱処理を施している。特殊熱処理は、特に内輪の寿命が短いため、少なくとも内輪には施すことが望ましい。軸受部材と熱処理の組合せは、玉＝浸炭処理・内輪＝浸炭処理のように異部材・同熱処理でも良いし、玉＝浸炭処理・内輪＝浸炭窒化処理といった異部材・異熱処理でもよい。軸受寿命は、図４に示すように内輪溝Ｒ比を大きくすると低下するが、特殊熱処理を施すことにより軸受部材の疲労特性が向上し、内輪溝Ｒ比が小さい場合と同等以上の軸受寿命を維持することができる。

以上の様な本例のピニオン軸用回転支持装置によれば、ピニオンギヤ１０側のタンデム型の複列アンギュラ玉軸受１３ａのアキシアル剛性が高い為、ピニオンギヤとリングギヤとの噛合部での異音の発生を有効に防止できる。又、このタンデム型の複列アンギュラ玉軸受１３ａの動トルク及び起動トルクを十分に低減できる為、自動車の省燃費化に対する要求に十分に応える事ができる。

本発明のピニオン軸用回転支持装置は、自動車のデファレンシャル装置や四輪駆動車のトランスファー装置に限られず、各種産業機械の動力伝達装置に適用することができる。

２ａ、２ｂ 環状壁
３ ピニオン軸
８ 結合部材
９ 結合フランジ
１０ ピニオンギヤ
１３、１３ａ 複列アンギュラ玉軸受
１４ 単列アンギュラ玉軸受
１５ 外輪
１６ａ、１６ｂ 外輪軌道
１７ 内輪
１８ａ、１８ｂ 内輪軌道
１９ａ、１９ｂ 玉
２０ａ、２０ｂ 玉列
２１ 外輪
２２ 外輪軌道
２３ 内輪
２４ 内輪軌道
２５ 玉

Claims (3)

1. 一端部にピニオンギヤを設けたピニオン軸をハウジングの内側に、軸方向に離隔して設けられた１対の転がり軸受により、回転自在に、且つ、両方向のアキシアル荷重を支承可能にして支持して成るピニオン軸用回転支持装置に於いて、上記両転がり軸受のうち、ピニオンギヤ側の転がり軸受が、上記ピニオン軸にピニオンギヤ側から反ピニオンギヤ側に作用するアキシアル荷重を支承可能なタンデム型の複列アンギュラ玉軸受であり、
   この複数の軌道を有するタンデム型の複列アンギュラ玉軸受を構成する内輪軌道の曲率半径をＲｉとし、同じく玉の直径をＢｄとした場合に、少なくとも１つの軌道が
   ０．５２≦Ｒｉ／Ｂｄ
   なる関係を満たすことを特徴とするピニオン軸用回転支持装置。
2. 反ピニオンギヤ側の転がり軸受が、上記ピニオン軸に反ピニオンギヤ側からピニオンギヤ側に作用するアキシアル荷重を支承可能な単列アンギュラ玉軸受であることを特徴とする請求項１に記載したピニオン軸用回転支持装置。
3. タンデム型の複列アンギュラ玉軸受を構成する内輪軌道、外輪軌道および玉のうちどれか一つ以上に、浸炭処理或いは浸炭窒化処理のいずれかを施したことを特徴とする請求項１または２に記載したピニオン軸用回転支持装置。

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