JP2020190290A - 軸受装置 - Google Patents

Abstract

【課題】転がり軸受の軌道輪を軸又はハウジングである相手部材にすきま嵌めした軸受装置において、軌道輪の強度低下を避けつつ、転がり軸受に負荷されるラジアル荷重の方向が変動する場合であっても、優れたクリープ抑制効果を得る。【解決手段】相手部材２は、軌道輪５との嵌め合い面２ａから径方向深さをもった溝部２ｂを有する。溝部２ｂは、軌道輪５の軌道面５ａから径方向に直下の位置で円周方向全周に延び、転がり軸受３に負荷されるラジアル荷重の範囲内で最大のラジアル荷重Ｆを負荷された場合の荷重負荷圏で軌道輪５の嵌め合い面５ｂと溝部２ｂの溝底面との間に径方向隙間ｇを残せるように形成する。【選択図】図１

Description

この発明は、軸とハウジング間に転がり軸受が介在する軸受装置に関する。

軸とハウジング間に作用するラジアル荷重を受ける転がり軸受の軌道輪は、軸の外周又はハウジングの内周に嵌合される。軌道輪、軸、ハウジングにそれぞれ形成される嵌め合い面は、通常、円筒面状である。軌道輪の内周又は外周に形成された嵌め合い面と、軸又はハウジングに形成された嵌め合い面との間の嵌め合いは、荷重条件、装置の組立て性等を考慮して、しまり嵌め、普通嵌め、すきま嵌めの中から選択される。すきま嵌めされた軌道輪は、クリープする、すなわち、その嵌合の相手部材である軸又はハウジングに対して円周方向に位置ずれを起こすことがある。

例えば、自動車のトランスミッションの軸を転がり軸受を介してハウジングに支持する軸受装置では、ハウジングへの組み付けを容易にするため、転がり軸受の外方の軌道輪がハウジングにすきま嵌めされている。このため、荷重負荷時や高速回転時の軸のアンバランス荷重などにより、外方の軌道輪がクリープすることがある。

クリープの機序として、軌道輪の表面に進行波が発生し、その進行波が軌道輪自体を移送させることが知られている。すなわち、転動体荷重が軌道輪の軌道面に作用すると、その直下で軌道輪の表面が突出し、波打つ。軸受が回転すると転動体も公転するため、その表面の波打ちが進行波となる。軌道輪の表面に発生する進行波は、転がり軸受の負荷圏にわたり円周方向および半径方向へのぜん動運動的な挙動をとる。その進行波が相手部材を転動体の公転方向と逆方向に移送しようとするが、相手部材（軸又はハウジング）の抵抗で逆に押し戻される形となり、結果、軌道輪が転動体の公転方向、すなわち軸受回転と同方向に回転するクリープを起こすことになる。

このような機序のクリープを抑制するため、従来、軌道輪又は軌道輪の嵌合相手となる相手部材（軸もしくはハウジング）に溝部を形成することが行われている（特許文献１〜３）。

特許文献１の軸受装置では、軌道輪又は相手部材の嵌め合い面から径方向深さをもって円周方向全周に連続する溝部が形成されている。

特許文献２、３の軸受装置では、軌道輪にクリープ抑制用の溝部を形成せず、ハウジングにだけ溝部が形成されている。その溝部は、ハウジングの嵌め合い面の円周方向長さよりも短い有限の溝底面をもっている。

特許文献１等の溝部は、ラジアル荷重を受ける軌道輪の負荷圏において、軌道輪の進行波が相手部材に伝わることを抑え、クリープの発生を抑制する。

特許第４４６６４７３号公報 特開２０１７−１３７８９６号公報 特開２００９−１７４５５６号公報

しかしながら、特許文献１のように溝部を軌道輪の全周に形成すると、軸のアンバランス荷重等でラジアル荷重の方向が変動する場合でも溝部が必ず荷重負荷圏に位置するため、クリープ抑制効果を得ることが可能だが、その反面、軌道輪の強度低下が懸念される。

また、軌道輪又は相手部材に形成する溝部の径方向深さが溝部形成部位における径方向の最大弾性変形量以下に設定されているため、軸とハウジング間で転がり軸受に最大のラジアル荷重が負荷されて軌道輪の軌道面直下で最大弾性変形（波状のピーク）が生じたとき、その軌道輪の最大の弾性変形部位において溝部の溝底面と、これに対向する嵌め合い面とが接触することになる。この接触部で前述の進行波をある程度受けるため、軌道輪のクリープを許す懸念がある。

一方、特許文献２、３のように溝部をハウジング等の相手部材に円周方向に部分的に形成すると、転がり軸受に負荷されるラジアル荷重の方向と溝部の位置が一致しない場合、クリープ抑制効果を発揮できない場合ある。例えば、ラジアル荷重が静止荷重であって、その荷重方向と溝部の位置が合っていない場合や、軸のアンバランス荷重等でラジアル荷重の方向が変動する場合には、溝部が荷重負荷圏に位置せず、クリープ抑制効果を発揮できない場合がある。

上述の背景に鑑み、この発明が解決しようとする課題は、転がり軸受の軌道輪を軸又はハウジングである相手部材にすきま嵌めした軸受装置において、軌道輪の強度低下を避けつつ、転がり軸受に負荷されるラジアル荷重の方向が変動する場合であっても、優れたクリープ抑制効果を得ることである。

上記の課題を達成するため、この発明は、軸と、前記軸を取り囲むハウジングと、前記軸と前記ハウジングとの間に介在する転がり軸受とを備え、前記転がり軸受が、複数の転動体と、前記軸と前記ハウジングのうちのいずれか一方である相手部材とすきま嵌めされた軌道輪とを有し、前記軌道輪が、前記転動体の走路となる軌道面を有し、前記軌道輪と前記相手部材が、円周方向に延びる嵌め合い面を有する軸受装置において、前記相手部材が、前記軌道面から径方向に直下の位置で前記嵌め合い面から径方向深さをもって円周方向全周に延びる溝部を有し、前記溝部が、前記転がり軸受に負荷されるラジアル荷重の範囲内で最大のラジアル荷重を負荷された場合の荷重負荷圏で前記軌道輪の嵌め合い面と当該溝部の溝底面との間に径方向隙間を残せるように形成されている構成を採用した。

上記構成によれば、相手部材が軌道輪の軌道面から径方向に直下の位置で嵌め合い面から径方向深さをもって円周方向全周に延びる溝部を有するので、転がり軸受に負荷されるラジアル荷重の方向が変動する場合であっても、クリープ抑制効果が得られる。ここで、転がり軸受に負荷されるラジアル荷重の範囲内で最大のラジアル荷重を負荷された場合でも、その荷重負荷圏で軌道輪の嵌め合い面と溝部の溝底面との間に径方向隙間を残せるので、軌道面直下で波状変形する軌道輪の嵌め合い面が相手部材の溝部の溝底面と接触して進行波が溝部の溝底面に伝わることがない。このため、優れたクリープ抑制効果が得られる。また、軌道輪にクリープ抑制用の溝部形成が不要なため、軌道輪の強度低下が避けられる。なお、軌道輪の嵌め合い面が相手部材の溝部の溝底面と接触して摩耗する懸念がないという副次的な利点も得られる。

また、前記転動体が、玉からなり、前記溝部の幅中央が、前記軌道面の幅中央から径方向に直下の位置にあり、前記溝部の幅が、前記軌道面の幅以下であって、前記転がり軸受に負荷されるラジアル荷重の範囲内で最大のラジアル荷重を負荷された場合の前記軌道面と前記転動体の接触楕円の長径以上に設定されているとよい。転がり軸受が玉軸受の場合、転動体としての玉と軌道面の点接触が楕円状になるが、通常、その接触楕円が軌道面から食み出ることはない。このため、相手部材の溝部の幅中央が軌道面の幅中央から径方向に直下の位置にあれば、ラジアル荷重による軌道輪の波状変形を溝部に逃がすことができる。ここで、溝部の幅が、軌道面の幅以下であって、前述の最大のラジアル荷重を負荷された場合の軌道面と転動体の接触楕円の長径以上であれば、溝部の両側にある軌道輪と相手部材の嵌め合い領域でラジアル荷重を受けて軌道輪の過剰な波状変形を避けつつ、溝部でクリープ抑制を図ることができる。

また、前記軌道面と前記軌道輪の嵌め合い面間で径方向に最小の軌道輪肉厚をＨとし、前記溝部の径方向深さをδとしたとき、０．００５Ｈ≦δ≦０．１Ｈに設定されているとよい。最小の軌道輪肉厚Ｈを大きくする程、ラジアル荷重による波状変形が小さくなるので、クリープ抑制に有利となるが、軸受サイズが大型化するため、最小の軌道輪肉厚Ｈを大きくすることに限界がある。その最小の軌道輪肉厚Ｈに対して溝部の径方向深さδが小さくなる程、クリープ抑制効果が期待できなくなり、大きくなる程、ラジアル荷重による軌道輪の溝部対向部付近のたわみ、応力が大きくなる。そのたわみ、応力を抑えた形状にするため、０．００５Ｈ≦δ≦０．１Ｈの関係を満足することが好ましい。

上述のように、この発明は、上記構成の採用により、転がり軸受の軌道輪を軸又はハウジングである相手部材にすきま嵌めした軸受装置において、軌道輪の強度低下を避けつつ、転がり軸受に負荷されるラジアル荷重の方向が変動する場合であっても、優れたクリープ抑制効果を得ることができる。

この発明の実施形態に係る軸受装置を示す正面図 図１のＩＩ−ＩＩ線の断面図 図２の溝部付近の軌道輪の拡大図

この発明の一例としての実施形態に係る軸受装置を添付図面に基づいて説明する。

図１、図２に示すように、実施形態に係る軸受装置は、軸１と、軸１を取り囲むハウジング２と、軸１とハウジング２との間に介在する転がり軸受３とを備える。

以下、転がり軸受３の設計上の回転中心線と軸１の回転中心線とが一致する理想的な状態において、その回転中心に沿った方向のことを「軸方向」という。また、その回転中心線回りに一周する円周に沿った方向のことを「円周方向」という。また、その回転中心線に直交する方向のことを「径方向」という。

軸１は、ハウジング２に対して相対的に回転する。軸１は、例えば、自動車のトランスミッションに備わる伝達軸である。

軸１は、円周方向に延びる嵌め合い面１ａを有する。この嵌め合い面１ａは、軸１の回転中心線と同心の円筒面状に形成されている。

ハウジング２は、軸１に対して静止し、転がり軸受３を径方向に支持する。ハウジング２は、例えば、自動車のトランスミッションケースの一部として形成された隔壁である。

ハウジング２は、円周方向に延びる嵌め合い面２ａを有する。この嵌め合い面２ａは、軸１の嵌め合い面１ａを外方から取り囲む円筒面状に形成されている。嵌め合い面２ａの中心線は、軸１の回転中心線と同心に設定されている。

転がり軸受３は、ハウジング２に対して軸１を回転自在に支持する。この軸受装置の運転中、軸１の嵌め合い面１ａとハウジング２の嵌め合い面２ａ間で転がり軸受３にラジアル荷重Ｆが負荷される。

転がり軸受３は、軸１に取り付けられた内方の軌道輪４と、ハウジング２に取り付けられた外方の軌道輪５と、これら両軌道輪４、５間に介在する複数の転動体６と、これら転動体６間の円周方向の間隔を保つ保持器７とを備える。

転がり軸受３は、転動体６が玉からなる深溝玉軸受になっている。

内方の軌道輪４は、外周側で円周方向に延びる軌道面４ａを有し、内周側で円周方向に延びる嵌め合い面４ｂを有する環状の軸受部品である。軌道面４ａは、内方の軌道輪４の表面のうち、転動体６が転がる走路となり、かつ転がり軸受３に負荷されたラジアル荷重Ｆを支持する部分である。軌道面４ａは、円周方向全周において転動体６と呼び接触角０°で接触可能になっている。その嵌め合い面４ｂは、軸１の嵌め合い面１ａと同心の円筒面状に形成されている。その嵌め合い面４ｂの幅（軸方向長さ）は、円周方向全周で一定である。

内方の軌道輪４の嵌め合い面４ｂと軸１の嵌め合い面１ａ間の嵌め合いは、締め代をもったしまり嵌めに設定されている。内方の軌道輪４は、そのしまり嵌めにより、軸１と一体に回転するように固定されている。

外方の軌道輪５は、内周側で円周方向に延びる軌道面５ａを有し、外周側で円周方向に延びる嵌め合い面５ｂを有する環状の軸受部品である。軌道面５ａは、外方の軌道輪５の表面のうち、転動体６が転がる走路となり、かつ転がり軸受３に負荷されたラジアル荷重Ｆを支持する部分である。軌道面５ａは、円周方向全周において転動体６と呼び接触角０°で接触可能になっている。

外方の軌道輪５は、軸１とハウジング２のうちのいずれか一方である相手部材としてのハウジング２とすきま嵌めされている。

外方の軌道輪５の嵌め合い面５ｂは、内方の軌道輪４の嵌め合い面４ｂ及びハウジング２の嵌め合い面２ａと同心の円筒面状に形成されている。その嵌め合い面５ｂは、外方の軌道輪５の外径を規定する。その嵌め合い面５ｂの径寸は、ハウジング２の嵌め合い面２ａの直径よりも小径である。外方の軌道輪５の嵌め合い面５ｂと、ハウジング２の嵌め合い面２ａとは、軸１から転がり軸受３に負荷されるラジアル荷重Ｆによって接触させられる。

相手部材としてのハウジング２は、円周方向全周に延びる溝部２ｂを有する。溝部２ｂは、軌道輪５の軌道面５ａから径方向に直下の位置に形成されている。

溝部２ｂは、嵌め合い面２ａから径方向深さδをもっている。溝部２ｂの溝底面は、軸方向及び円周方向に沿った円筒面状になっている。嵌め合い面２ａに対する溝部２ｂの径方向深さδは、実質的に溝部２ｂの全周で一定になっている。

図１、図３に示すように、溝部２ｂの幅Ｗ_１を軸方向に二等分する幅中央の位置は、軌道面５ａの幅Ｗ_２を軸方向に二等分する幅中央の位置から径方向に直下の位置にある。溝部２ｂの幅Ｗ_１は、軌道面５ａの幅Ｗ_２以下に設定されている。これは、溝部２ｂの両側において嵌め合い面２ａと軌道輪５の嵌め合い面５ｂの嵌合幅を確保し、ラジアル荷重Ｆによる軌道輪５の嵌め合い面５ｂの過剰な変形を抑えるためである。溝部２ｂの幅Ｗ_１は、溝部２ｂの全周で一定になっている。

さらに、転がり軸受３に負荷されるラジアル荷重Ｆの範囲内で最大のラジアル荷重Ｆを負荷された場合の軌道面５ａと転動体６の接触楕円の長径Ｌａを考えたとき、溝部２ｂの幅Ｗ_１は、接触楕円の長径Ｌａ以上に設定されている。これは、軌道輪５の嵌め合い面５ｂのうちの前述のラジアル荷重Ｆが作用する波状変形領域と、溝部２ｂの溝底面とを十分に対向させるためである。

ここで、最大のラジアル荷重Ｆは、この軸受装置の運転中に転がり軸受３に負荷されるラジアル荷重Ｆの変動範囲内で最も大きなラジアル荷重Ｆである。また、接触楕円の長径Ｌａは、荷重負荷圏において最大の荷重を受ける転動体６での値であり、解析的にはＨｅｒｔｚの弾性接触理論に基づいて求められ、実測的には、転動体６からのラジアル荷重Ｆによって軌道面５ａに僅かな塑性変形として生じる接触痕の存在する軸方向領域の幅として求められる。なお、図３においては、接触楕円の長径Ｌａを示すため、軌道面５ａ上の接触楕円を紙面に投影して模式的に描いた。

図２に示すように、外方の軌道輪５の軌道面５ａと嵌め合い面５ｂ間で径方向に最小の肉厚を外輪肉厚Ｈとしたとき、溝部２ｂの最大の径方向深さδは、０．０１Ｈ≦δ≦０．０５Ｈに設定することが好ましい。これは、ラジアル荷重Ｆによる外方の軌道輪５のたわみ、応力を抑えた形状にするためである。

転がり軸受３を軸１とハウジング２間に組み込むと、図１、図２に示すように、外方の軌道輪５の嵌め合い面５ｂとハウジング２との間には、溝部２ｂによる径方向隙間ｇが生じる。

転がり軸受３のうち、ラジアル荷重Ｆを受ける荷重負荷圏は、転がり軸受３の略半周に及ぶ。その荷重負荷圏の円周方向中央部は、そのラジアル荷重Ｆの荷重方向に対応の位置となる（図１においてラジアル荷重Ｆの矢線方向延長上の位置に相当）。外方の軌道輪５は、その荷重負荷圏において転動体６を介してラジアル荷重Ｆを軌道面５ａで受けるため、弾性変形を生じる。このとき、転がり軸受３の荷重負荷圏においては、外方の軌道輪５の嵌め合い面５ｂ（特に軌道面５ａの直下の部位）が波状に変形することになる。その波状の径方向高さは、その荷重負荷圏の円周方向中央部で最大となり、その円周方向中央部から遠くなる程に小さくなる。

溝部２ｂの径方向深さδは、最大のラジアル荷重Ｆを負荷された場合の転がり軸受３の荷重負荷圏において、前述の波状の最大の径方向高さよりも大きく設定されている。なお、径方向隙間ｇ、径方向深さδは、その大きさを誇張して描いている。実際に生じる軌道輪５の波状変形では、嵌め合い面５ｂに対する波状の比高が最大でも数μｍのオーダーになることが一般的である。

溝部２ｂは、前述の径方向深さδ及び幅Ｗ_１の設定により、転がり軸受３に最大のラジアル荷重Ｆを負荷された場合の荷重負荷圏で溝部２ｂの溝底面とハウジング２の嵌め合い面２ａとの間に径方向隙間ｇを残せるように形成されている。

この軸受装置の運転中、軸１とハウジング２間で転がり軸受３に最大のラジアル荷重Ｆが負荷された場合の転がり軸受３の荷重負荷圏において、外方の軌道輪５は、嵌め合い面５ｂと、ハウジング２の嵌め合い面２ａとの接触部において径方向に支持される。このとき、その荷重負荷圏に位置する外方の軌道輪５の外周部分が波状に変形しても、ハウジング２の溝部２ｂの溝底面と接触できず、嵌め合い面５ｂが僅かな波状変形による進行波を嵌め合い面２ａに伝えるかもしれないが、僅かな波状変形を受ける嵌め合い面２ａからの反力は軌道輪５をクリープさせる程の力にならない。

図１〜図３に示すこの軸受装置は、上述のようなものであり、相手部材が軌道輪の軌道面から径方向に直下の位置で嵌め合い面から径方向深さをもって円周方向全周に延びる溝部を有するので、転がり軸受３に負荷されるラジアル荷重Ｆの方向が静止又は変動するいずれの場合であっても、その荷重方向の直線上に溝部２ｂが存在する。このため、ラジアル荷重Ｆによる軌道輪５の波状変形を相手部材（ハウジング２）の溝部２ｂに逃がし、その波状変形が進行波としてハウジング２の嵌め合い面２ａ側に伝わることを溝部２ｂで抑えて、軌道輪５のクリープを抑制することができる。

ここで、この軸受装置は、転がり軸受３に負荷されるラジアル荷重Ｆの範囲内で最大のラジアル荷重Ｆを負荷された場合でも、その荷重負荷圏で軌道輪５の嵌め合い面５ｂと溝部２ｂの溝底面との間に径方向隙間ｇを残せるので、軌道面５ａの直下で波状変形する軌道輪５の嵌め合い面５ｂが相手部材（ハウジング２）の溝部２ｂの溝底面と接触して進行波が溝部２ｂの溝底面に伝わることがない。このため、この軸受装置は、優れたクリープ抑制効果を得ることができる。

また、この軸受装置は、軌道輪５にクリープ抑制用の溝部形成が不要なため、軌道輪５の強度低下を避けることができる。また、軌道輪５の嵌め合い面５ｂが相手部材（ハウジング２）の溝部２ｂの溝底面と接触して摩耗する懸念もない。

このように、この軸受装置は、転がり軸受３の軌道輪５を相手部材（ハウジング２）にすきま嵌めした状態において、転がり軸受３に負荷されるラジアル荷重Ｆの方向と溝部２ｂの位置が一致しない場合であっても軌道輪５の溝部２ｂでクリープ抑制を図れるようにしつつ、軌道輪５の強度低下を抑えることができる。

また、この軸受装置は、転動体６が玉からなり、溝部２ｂの幅Ｗ_１の中央が軌道面５ａの幅Ｗ_２の中央から径方向に直下の位置にあり、溝部２ｂの幅Ｗ_１が軌道面５ａの幅Ｗ_２以下であって、転がり軸受３に負荷されるラジアル荷重Ｆの範囲内で最大のラジアル荷重Ｆを負荷された場合の軌道面５ａと転動体６の接触楕円の長径Ｌａ以上に設定されているので、ラジアル荷重Ｆによる軌道輪５の嵌め合い面５ｂの波状変形を溝部２ｂに逃がし、溝部２ｂの両側にある嵌め合い面２ａ，５ｂの嵌め合い領域でラジアル荷重Ｆを受けて軌道輪５の過剰な波状変形を避けつつ、溝部２ｂでクリープ抑制を図ることができる。

また、この軸受装置は、軌道輪５の軌道面５ａと嵌め合い面５ｂ間で径方向に最小の軌道輪肉厚をＨとし、溝部２ｂの最大の径方向深さをδとしたとき、０．００５Ｈ≦δ≦０．１Ｈに設定されているので、ラジアル荷重Ｆによる軌道輪５の溝部２ｂとの対向部付近のたわみ、応力を抑えた形状にすることができる。

この軸受装置では、相手部材（ハウジング２）のみに溝部２ｂを形成したが、溝部の形状や配置は、軸受装置の荷重条件、ラジアル荷重の方向性、最大のラジアル荷重Ｆの大きさ、荷重負荷圏において軌道輪の嵌め合い面と相手部材の嵌め合い面との接触で軌道輪に与えられる回転力等を考慮して適宜に決定すればよい。例えば、軸と内方の軌道輪とをすきま嵌めする場合、軸に溝部を形成すればよい。

また、この軸受装置では、溝部２ｂの径方向深さδ、幅Ｗ_１を溝部２ｂの全周で実質的に一定にしているが、これらを一定にする必要はなく、どのような方向の最大のラジアル荷重Ｆであっても、その荷重負荷圏において溝部の溝底面と軌道輪の嵌め合い面を接触不可であればよい。

また、この軸受装置では、玉軸受を例示したが、この発明はころ軸受に適用することも可能である。

今回開示された実施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。したがって、本発明の範囲は上記した説明ではなくて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。

１ 軸
２ ハウジング（相手部材）
２ａ 嵌め合い面
２ｂ 溝部
３ 転がり軸受
５ 外方の軌道輪（軌道輪）
５ａ 軌道面
５ｂ 嵌め合い面
６ 転動体

Claims (3)

1. 軸と、前記軸を取り囲むハウジングと、前記軸と前記ハウジングとの間に介在する転がり軸受とを備え、前記転がり軸受が、複数の転動体と、前記軸と前記ハウジングのうちのいずれか一方である相手部材とすきま嵌めされた軌道輪とを有し、前記軌道輪が、前記転動体の走路となる軌道面を有し、前記軌道輪と前記相手部材が、円周方向に延びる嵌め合い面を有する軸受装置において、
   前記相手部材が、前記軌道面から径方向に直下の位置で前記嵌め合い面から径方向深さをもって円周方向全周に延びる溝部を有し、前記溝部が、前記転がり軸受に負荷されるラジアル荷重の範囲内で最大のラジアル荷重を負荷された場合の荷重負荷圏で前記軌道輪の嵌め合い面と当該溝部の溝底面との間に径方向隙間を残せるように形成されていることを特徴とする軸受装置。
2. 前記転動体が、玉からなり、
   前記溝部の幅中央が、前記軌道面の幅中央から径方向に直下の位置にあり、前記溝部の幅が、前記軌道面の幅以下であって、前記最大のラジアル荷重を負荷された場合の前記軌道面と前記転動体の接触楕円の長径以上に設定されている請求項１に記載の軸受装置。
3. 前記軌道面と前記軌道輪の嵌め合い面間で径方向に最小の軌道輪肉厚をＨとし、前記溝部の径方向深さをδとしたとき、０．００５Ｈ≦δ≦０．１Ｈに設定されている請求項１又は２に記載の軸受装置。

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