JP2014234901A - 転がり軸受 - Google Patents

Abstract

【課題】切削加工が不要で、外輪を厚肉化することなく耐クリープ性の向上を図る。【解決手段】（Ａ）外輪の外輪軌道面を設けた部分の最小肉厚をｈ、転動体の直径をＤａとしたときに０．１５≰ｈ／Ｄａ≰０．３５であり、（Ｂ）外周面の中心線平均粗さ（Ｒａ）が０．０２μｍ≰Ｒａ≰０．２２μｍであり、かつ、（Ｃ）Ｒａ−（ｈ／Ｄａ）＋０．１３≰０である転がり軸受。【選択図】図２

Description

本発明は、外輪の外周面をハウジングに嵌合させ、内輪の内周面を軸部材に嵌合させ、外輪を固定輪とし、内輪を回転輪として使用される転がり軸受に関する。

自動車用トランスミッションでは、図１に示すように、ハウジング４０の内側に軸部材５０を配置し、この軸部材５０を複数の転がり軸受により回転自在に支持している。この転がり軸受は、外輪１０と、内輪２０と、各軌道面１０ａ，２０ａ間に転動自在に配設された複数の玉３０と、から構成されている。また、外輪１０の外周面１０ｂはハウジング４０の内周面４０ｂに締り嵌め等により嵌合され、内輪２０の内周面２０ｂは軸部材５０の外周面５０ｂに締り嵌め等により嵌合されている。そして、この転がり軸受は、外輪１０を固定輪として、内輪２０を回転輪として使用されるようになっている。

このような自動車用トランスミッションでは、装置全体の軽量化を図るために、アルミニウム製またはアルミニウム合金製のハウジング４０を用いることが多い。この場合、ハウジング４０を構成するアルミニウムまたはアルミニウム合金の熱膨張係数が、外輪１０を構成する軸受鋼等の熱膨張係数よりも大きくなるため、装置の使用に伴って軸受温度が上昇すると、ハウジング４０に対する外輪１０の締め代が低下して、ハウジング４０の内周面４０ｂで外輪１０が回転することにより、クリープが発生する可能性がある。

このようなクリープが発生すると、ハウジング４０と外輪１０との嵌合面（クリープの発生時に互いに摺接する面）に摩耗が生じ、その結果、回転機械装置の回転支持部にがたつきが生じて、回転機械装置の性能が劣化する。

クリープ発生を防止するために、従来では、外輪の外周面にスリットを形成したり、外輪の肉厚を厚くするなどの対策が講じられており、本出願人も特許文献１において、外輪の外輪軌道面を設けた部分の最小肉厚をｈ、転動体の直径をＤａとしたときに、０．４０≦ｈ／Ｄａ≦０．８０とすることを提案している。

特許第４１１４４２２号公報

しかしながら、特許文献１に記載の外輪の肉厚を厚くした場合、軸受全体として大型化を招く。また、外輪の外周面にスリット形成するには、切削加工が別途必要になる。そこで、本発明は、切削加工が不要で、外輪を厚肉化することなく耐クリープ性の向上を図ることを目的とする。

上記課題を解決するために、本は下記に示す転がり軸受を提供する。
（１）外輪と、内輪と、前記外輪及び前記内輪との間に転動自在に配設される転動体とを備えるとともに、前記外輪の外周面をハウジングに嵌合させ、前記内輪の内周面を軸部材に嵌合させ、前記外輪を固定輪とし、前記内輪を回転輪として使用される転がり軸受において、下記（Ａ）〜（Ｃ）を満たすことを特徴とする転がり軸受。
（Ａ）前記外輪の外輪軌道面を設けた部分の最小肉厚をｈ、前記転動体の直径をＤａとしたときに、０．１５≦ｈ／Ｄａ≦０．３５である
（Ｂ）前記外周面の中心線平均粗さ（Ｒａ）が、０．０２μｍ≦Ｒａ≦０．２２μｍである
（Ｃ）Ｒａ−（ｈ／Ｄａ）＋０．１３≦０である
（２）前記外輪の外周面が、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなるハウジングにすきま嵌めで嵌合されていることを特徴とする上記（１）記載の転がり軸受。
（３）前記外輪の外周面の全面積の７５％以上９５％以下が、固体潤滑剤被膜で被覆されていることを特徴とする上記（１）または（２）記載の転がり軸受。
（４）前記固体潤滑剤被膜の膜厚が、０．１μｍ以上２μｍ以下であることを特徴とする上記（３）記載の転がり軸受。
（５）前記固体潤滑剤被膜が、全量の９０質量％以上の割合でスズを含有することを特徴とする上記（３）または（４）記載の転がり軸受。

本発明の転がり軸受は、外輪の外周面が平滑であり、本質的に耐クリープ性に優れることに加え、外輪の肉厚を、外周面の粗さの度合に応じて、耐クリープ性を実現できる最小の肉厚に設定したため、外輪を必要以上に大径化することもない。

自動車用トランスミッションの一例を示す断面図である。 本発明の転がり軸受の一例を示す断面図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。

本発明において、転がり軸受の種類には制限はなく、ここでは図２に示すような玉軸受を例示して説明する。玉軸受は、外輪軌道面１ａを有する外輪１と、内輪軌道面２ａを有する内輪２と、両軌道面１ａ，２ａ間に転動自在に配設された複数の玉３とを備える。また、玉軸受は、図１に示したように、外輪１の外周面１ｂがハウジングに嵌合し、内輪２の内周面が軸部材に嵌合している。

外輪１は金属製であり、例えばＳＵＪ２、ＳＣＭ４２０、ＳＣｒ４２０、ＳＣＲ４２０、ＳＵＳ４４０等に、焼入れ及び焼戻し処理を施したり、浸炭又は浸炭窒化処理と焼入れ及び焼戻し処理とを施したりしたものが使用される。また、図示されるように、外輪１の外輪軌道面１aを設けた部分の最小肉厚をｈ、玉３の直径をＤａとしたときの（ｈ／Ｄａ）比が０．１５≦ｈ／Ｄａ≦０．３５となるように、外輪１を薄くする。従来では、特許文献１にも示すように、耐クリープ性を高めるために外輪１の肉厚を厚くすることが行われているが、本発明によれば、後述する規定を加えることにより耐クリープ性を高めることができ、外輪１の肉厚を薄くすることができる。より好ましくは、０．２０≦ｈ／Ｄａ≦０．３５である。

また、外輪１の外周面１ｂは、中心線平均粗さ（Ｒａ）が０．０２〜０．２２μｍ、好ましくは０．０３〜０．１５μｍとなるように調整されている。外輪１の外周面をこのような平滑面にすることにより、ハウジングが摩耗し難くなり、耐クリープ性が良好になる。尚、このような表面粗さにするには、ＳＦ(超仕上げ)加工やバフ研磨、ショットピーニング加工を適宜組み合わせればよい。

更に、（ｈ／Ｄａ）比と、Ｒａとの関係において、Ｒａ−（ｈ／Ｄａ）＋０．１３≦０を満足する。（ｈ／Ｄａ）比が小さくなると外輪１の肉厚が薄くなり、クリープが起こり易くなるが、Ｒａを小さくすることによりクリープを起こし難くなる。逆に、（ｈ／Ｄａ）比が大きいと、Ｒａがある程度大きくてもクリープを起こし難くなる。即ち、前記関係式を満足することにより、外輪１の外周面１ｂの粗さの度合を基に、クリープが起こりにくい外輪１の肉厚の最小値を規定することができ、外輪１の肉厚を必要以上に厚くすることがなくなり、軸受の大径化や、それに伴う材料コスト増を最小限に抑えることができる。

また、外輪１の外周面１ｂには固体潤滑剤被膜５が形成されていることが好ましい。固体潤滑剤被膜５により、ハウジングの摩耗をより少なくすることができる。固体潤滑剤被膜５は、外周面１ｂの全面積の７５％以上９５％以下の割合（面積率）で形成されることが好ましい。固体潤滑剤被膜５の面積率が７５％未満では、固体潤滑剤被膜５が形成されていない部分が多すぎて、摩耗抑制効果が十分に得られない。一方、固体潤滑剤被膜５の面積率が９５％を超えても摩耗抑制効果の更なる向上が得られない。また、後述するように固体潤滑剤被膜５をショットピーニング法で形成することが好ましいが、ショットピーニング法により９５％を超える面積率で固体潤滑剤被膜５を形成するには長時間を要し、製造コスト及び材料コストの増加を招くだけである。

固体潤滑剤被膜５の膜厚は、０．１μｍ以上２μｍ以下が好ましい。膜厚が０．１μｍ未満では、固体潤滑剤被膜５が早期に摩滅して摩耗抑制効果を長期間維持できなくなるとともに、０．１μｍ未満の薄い膜厚で均一に形成するのは困難である。一方、膜厚が２μｍを越えると膜強度が低くなり、固体潤滑剤被膜５が剥落するおそれがある。また、ショットピーニング法により２μｍを超える厚い固体潤滑剤被膜５を形成するには長時間を要するため、製造コスト及び材料コストの増加を招くだけである。

尚、固体潤滑剤被膜５の素材には制限はないが、二硫化モリブデン、二硫化タングステン、窒化ホウ素、金属石けん、フッ素樹脂、ポリアミド、ポリアセタール、ポリオレフィン、ポリエステル、ポリエチレン、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）、黒鉛、フッ化カルシウム、フッ化バリウム、スズ、スズ合金、銅、銅合金等が挙げられる。特に、スズまたはスズ合金が好ましく、スズ合金ではスズを９０質量％以上含有することが好ましい。

固体潤滑剤被膜５を形成する方法にも限定はなく、焼成法、スプレー噴霧法、浸漬法、ショットピーニング法等が挙げられるが、固体潤滑剤被膜５の密着性が高まることからショットピーニング法が特に好ましい。

上記玉軸受は、外輪１の外周面１ｂをハウジングの内周面に嵌合して使用されるが、軽量化のためにハウジングがアルミニウム製またはアルミニウム合金製である場合にはすきま嵌めで嵌合される。尚、すきまの寸法は８〜２０μｍが適当である。アルミニウムまたはアルミニウム合金の熱膨張係数が外輪１を構成するＳＵＪ２等の熱膨張係数よりも大きくなり、ハウジングに対する外輪１の締め代が低下するため、クリープが発生しやすくなる。しかし、外輪１の外周面１ｂの表面状態と、外輪１の肉厚との関係を上記のように規定し、好ましくは固体潤滑剤被膜５を形成することにより円滑な滑りが生じてハウジングの摩耗が抑えられる。

尚、外輪１の外周面１ｂと、ハウジングの内周面との間で、油膜パラメータΛが０．０１≦Λ≦０．３０を満たすことが好ましい。外輪１の外周面には防錆油が塗布されていることが多く、油膜厚さ、外周面及びハウジングの表面粗さ、軸受に加わる圧力等により油膜マラメータΛをこのような範囲に調整してハウジングに嵌合する。

本実施形態では、本発明を、玉軸受に適用した場合について説明したが、これに限らず、例えば、円筒ころ軸受や円錐ころ軸受等、その他の転がり軸受に適用してもよい。

以下に実施例及び比較例を挙げて本発明を更に説明するが、本発明はこれにより何ら制限されるものではない。

（実施例１〜１９及び比較例１〜９）
下記諸元の深溝玉軸受を用意した。
・軸受内径：３０ｍｍ
・軸受外径：５１．８〜５４．３ｍｍ（ｈ／Ｄａ＝０．１２〜０．３５の範囲）
・軸受幅：１３ｍｍ
・玉径：９／３２インチ（７．１４４ｍｍ）
・内外輪及び玉の材質：ＳＵＪ２
・表面硬さ：ＨＲＣ５８〜６４
・表面の残留オーステナイト量：１０体積％

そして、外輪の外周面をＳＦ加工、バフ研磨及びショットピーニング加工を組み合わせて処理し、中心線平均粗さ（Ｒａ）を測定した。尚、ショットピーニング加工の条件は以下の通りである。
・ショット材：ＳｉＣ
・ショット材の粒度：＃１２０〜＃４００
・噴射圧力：０．１〜０．５ＭＰａ
・噴射距離：１５０ｍｍ
・噴射時間：各軸受とも１分間

また、実施例６〜１２では、粗面化した面上に、ショットピーニング法により固体潤滑剤被膜（ＳｎまたはＭｏＳ_２）を形成した。処理条件は下記の通りであり、被膜の面積率及び膜厚を測定した。
・ショット材の平均粒径：４５μｍ
・噴射圧力：０．５ＭＰａ
・噴射距離：１５０ｍｍ
・噴射時間：各軸受とも１分間

尚、固体潤滑剤被膜の面積率は、以下に示すようにして測定した。
先ず、ＥＰＭＡ（電子プローブマイクロアナライザ）を用いて、外輪の表面の観察（２０００倍、３０視野分）を行った。次に、外輪の表面の２００μｍ四方を１０００倍に拡大し、固体潤滑剤被膜が形成される前の元素特性Ｘ線強度の１０倍以上のＸ線強度が検出された部分を固体潤滑剤被膜が形成されている領域として判定した。そして、３０視野分の結果を画像解析し、固体潤滑剤被膜の面積率の平均値を算出し、表１に示した。尚、表１に示す面積率は、観察視野の面積を１００％とした時の値であり、例えば、固体潤滑剤被膜の面積率が７５％とは、観察視野に空孔部（固体潤滑剤被膜が形成されていない部分）が２５％存在する固体潤滑剤被膜を示す。

また、固体潤滑剤被膜の厚さは、以下に示すようにして測定した。
先ず、固体潤滑剤被膜の保護を目的として、破壊検査用の外輪の表面に、ポリアミドイミドをピロリンドンに溶解した化合物を形成した後、１００℃で２時間保持することにより表面層を硬化させた。次に、破壊検査用の外輪を切断してエポキシ樹脂に埋め込み、その切断面にバフ研磨で鏡面仕上げを施した後、３％ピクラールで５秒間腐食させることで、切断面に凹凸を形成した。次に、スパッタリング法により、切断面にナノオーダーのクロム層を形成して通電性を付与した後、電子顕微鏡を用いて５０００倍で３０視野分の観察を行った。このとき、１視野中で、横方向に固体潤滑剤被膜の断面層が観察されるように設置し、縦方向（固体潤滑剤被膜の厚さ方向）に沿って６区間に分割して、各区間の被膜厚さを算出した。そして、６区間の被膜厚さの平均値から算出される１視野の平均被膜厚さを用いて、３０視野分の平均被膜厚さを算出した。結果を表１に示す。

そして、このようにして得られた外輪を用いて上記の深溝玉軸受を組み立て、軸受の外輪の外周面を、アルミニウム合金（Ａ５０５６）製のハウジングの内周面にすきま嵌めにて嵌合させ、内輪の内周面を炭素鋼製の軸部材の外周面に嵌合させた。尚、外輪の外周面とハウジングの内周面との隙間は、８０℃における値で８〜１７μｍとし、油膜パラメータΛを０．０１≦Λ≦０．３０に調整した。そして、下記条件で内輪を回転させることにより、摩耗試験を行った。

＜摩耗試験条件＞
・試験荷重：６９５８Ｎ（Ｐ/Ｃ＝０．５３）
・回転数：３９００ｍｉｎ^-1
・潤滑剤：強制供給循環（ＶＧ３２程度）
・試験温度：８０℃
・回転時間：１２０時間

試験終了後にハウジングから軸受を外し、ハウジングの内周面を観察して摩耗量を測定した。結果を表１に、比較例１の摩耗量を１００とする相対値で示す。

表１に示すように、（Ａ）外輪の（ｈ／Ｄａ）比が０．１５〜０．３５で、（Ｂ）外周面のＲａが０．０２〜０．２２μｍで、かつ、（Ｃ）Ｒａ−（ｈ／Ｄａ）＋０．１３≦０である実施例は、（Ａ）〜（Ｃ）の何れかを満足しない比較例に比べて摩耗量が少なくなっている。

また、実施例の中でも、実施例６〜１２のように、更に固体潤滑剤被膜を形成した場合に摩耗量をより抑えることができ、中でも固体潤滑剤としてスズを用いることが好ましい。固体潤滑剤被膜の膜厚は０．１〜２μｍの範囲であり、外周面の７５〜９５面積％を覆うように形成されることがより好ましい。

１ 外輪
１ａ 外輪軌道面
１ｂ 外周面
２ 内輪
２ａ 内輪軌道面
３ 玉
５ 固体潤滑剤被膜

Claims (5)

1. 外輪と、内輪と、前記外輪及び前記内輪との間に転動自在に配設される転動体とを備えるとともに、前記外輪の外周面をハウジングに嵌合させ、前記内輪の内周面を軸部材に嵌合させ、前記外輪を固定輪とし、前記内輪を回転輪として使用される転がり軸受において、下記（Ａ）〜（Ｃ）を満たすことを特徴とする転がり軸受。
   （Ａ）前記外輪の外輪軌道面を設けた部分の最小肉厚をｈ、前記転動体の直径をＤａとしたときに、０．１５≦ｈ／Ｄａ≦０．３５である
   （Ｂ）前記外周面の中心線平均粗さ（Ｒａ）が、０．０２μｍ≦Ｒａ≦０．２２μｍである
   （Ｃ）Ｒａ−（ｈ／Ｄａ）＋０．１３≦０である
2. 前記外輪の外周面が、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなるハウジングにすきま嵌めで嵌合されていることを特徴とする請求項１記載の転がり軸受。
3. 前記外輪の外周面の全面積の７５％以上９５％以下が、固体潤滑剤被膜で被覆されていることを特徴とする請求項１または２記載の転がり軸受。
4. 前記固体潤滑剤被膜の膜厚が、０．１μｍ以上２μｍ以下であることを特徴とする請求項３記載の転がり軸受。
5. 前記固体潤滑剤被膜が、全量の９０質量％以上の割合でスズを含有することを特徴とする請求項３または４記載の転がり軸受。

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