JP2021127834A - 円錐ころ軸受 - Google Patents

Abstract

【課題】円錐ころ軸受の低回転域のトルクを低減する。【解決手段】内輪１と外輪２と円錐ころ３とを有する円錐ころ軸受１０において、内輪１の大鍔面１１ａと円錐ころ３の大径端面３ａとのうち少なくともいずれかが下記の要件（ａ）〜（ｃ）の少なくとも（ａ）、（ｂ）を満たす。（ａ）粗さ曲線の算術平均高さ（Ｒａ）が０．００２μｍ≦Ｒａ≦０．１μｍを満たす。（ｂ）粗さ曲線の負荷曲線より求まる実際の突出山部高さ（Ａｃｔｕａｌ ｐｅａｋ ｈｅｉｇｈｔ：ＡＰＨ）の突出山部平均高さ（Ｒｐｋ）に対する比（ＡＰＨ／Ｒｐｋ）が０．５≦ＡＰＨ／Ｒｐｋ≦２．１を満たす。（ｃ）粗さ曲線のクルトシス（Ｒｋｕ）が７．５≦Ｒｋｕ≦３０を満たし、粗さ曲線のスキューネス（Ｒｓｋ）が−５≦Ｒｓｋ≦−０．５を満たす。【選択図】図１

Description

この発明は、円錐ころ軸受に関する。

円錐ころ軸受は、外周面に軌道面を有する内輪と、内周面に軌道面を有する外輪と、内輪の軌道面および外輪の軌道面との間に転動自在に配置された複数の円錐ころを有する。
円錐ころは、円錐体の尖端部が、底面と平行な面で切断された形状を有し、底面の直径が切断面の直径よりも大きい。つまり、円錐ころは大径の端面（大径端面）と小径の端面（小径端面）とを有する。この円錐ころの大径端面と接触可能とされている大鍔面と小径端面と接触可能とされている小鍔面が、内輪の大鍔部および小鍔部にそれぞれ設けられている。

円錐ころ軸受の作動中は、内輪の大鍔面と円錐ころの大径端面とが摺接するため、接触面間に摩擦が発生する。低回転域では、トルク損失の大部分が、円錐ころの大径端面と内輪の大鍔面とのすべり摩擦に起因する。

図８は、このような円錐ころ軸受が使用されている、特許文献１中にその従来技術として記載された自動車のトランスファー１００の一例を示したものである。このトランスファー１００は、ケーシング（ギヤボックス）１０１内に、傘ピニオン軸１０５と、リングギヤ１０６と、デファレンシャル（ディファレンシャル）１０７が配置されている。傘ピニオン軸１０５は、互いに間隔をおかれた２つの円錐ころ軸受１１１、１１２を介して、ケーシング１０１に支承されている。これらの円錐ころ軸受１１１、１１２は、ねじ山付き部材１１０により軸方向に予圧が付与されている。

デファレンシャル１０７は、デフケース１７１と、デフケース１７１に固定されたピニオンシャフト１７２の両端に回転自在に支持されたピニオンギヤ（デファレンシャルギヤ）１７３と、各ピニオンギヤ１７３と噛み合うサイドギヤ１７４とで構成されている。各サイドギヤ１７４にアクスルシャフト１０８の一端が結合され、アクスルシャフト１０８の他端側は、それぞれ不図示の等速ジョイント等を介して、駆動輪と連結されている。

傘ピニオン軸１０５の先端の傘ピニオンギヤ１５１が、リングギヤ１０６と噛み合っている。このリングギヤ１０６は、デフケース１７１のフランジ部１７１ａに固定されている。デフケース１７１の両端の円筒部１７１ｂは、一対の円錐ころ軸受１１３、１１３を介してケーシング１０１に支承されている。傘ピニオン軸１０５の回転により、傘ピニオンギヤ１５１とリングギヤ１０６を介して、デファレンシャル１０７が駆動する。

このトランスファー１００には、傘ピニオン軸１０５を支持する円錐ころ軸受１１１、１１２を構成する円錐ころの端面と内輪の縁部との間に摩耗が生じて、滑り摩擦が発生するという問題がある。特許文献１には、この問題を解決するために、すなわちトルク低減のために内輪または外輪の軌道面、ころの転動面、ころの端面、およびころの端面と接触する鍔面の少なくともいずれかである対象面を以下の要件を満たすものとすることが記載されている。

その要件とは、直径１０μｍ以上５０μｍ以下の円形の開口部を有する多数のくぼみが１０μｍ以上２００μｍ以下の間隔で形成され、表面粗さを示す粗さ曲線の算術平均高さ（Ｒａ）が０．１〜０．２μｍであり、スキューネス（Ｒｓｋ）が−１．０〜−０．２であり、クルトシス（Ｒｋｕ）が３〜７である。

また、対象面が上記要件を満たすようにするための表面処理方法として、被処理面に対して、モース硬度が６以上であり、直径が１０μｍ以上１００μｍ以下の球状粒子（例えば、シリカ粒子、アルミナ粒子、鋼製粒子）を投射することで凹凸を形成するショットブラスト工程を行うことが記載されている。さらに、上述の表面処理方法として、ショットブラスト工程を行った後に、ショットブラスト工程で生じた凸部を除去する凸部除去工程を行う方法も記載されている。

特開２０１１−１９６５４３号公報

ところで、図８に示すトランスファー１００において、デファレンシャル１０７をケーシング１０１に回動自在に支持している一対の円錐ころ軸受１１３、１１３は、不図示の駆動輪と同じ回転速度で回転する。従い、市街地走行時（信号停車〜約６０ｋｍ／ｈ）においては、低回転域で使用される頻度が多くなる。低回転域では、前述したとおりトルク損失の大部分が、円錐ころの大径端面と内輪の大鍔面とのすべり摩擦に起因する。このため、このすべり摩擦を低減させることで、低回転域における必要なトルクを低減でき、動力伝達の高効率化や省燃費化に貢献することが可能となる。

本発明の課題は、円錐ころ軸受の低回転域のトルクを低減することである。

本発明の上記課題は、下記の構成により達成される。
（１）外周面に軌道面を有する内輪と、
内周面に軌道面を有する外輪と、
前記内輪の軌道面および前記外輪の軌道面との間に転動自在に配置された複数の円錐ころと、
前記内輪に形成され、前記円錐ころの大径端面に接触する大鍔面を有する大鍔部を備え、
前記大鍔面と前記大径端面とのうち少なくともいずれかは、下記の要件（ａ）〜（ｃ）の少なくとも（ａ）、（ｂ）を満たす円錐ころ軸受。
（ａ）粗さ曲線の算術平均高さ（Ｒａ）が０．００２μｍ≦Ｒａ≦０．１μｍを満たす。
（ｂ）粗さ曲線の負荷曲線より求まる実際の突出山部高さ（Ａｃｔｕａｌ ｐｅａｋ ｈｅｉｇｈｔ：ＡＰＨ）の突出山部平均高さ（Ｒｐｋ）に対する比（ＡＰＨ／Ｒｐｋ）が０．５≦ＡＰＨ／Ｒｐｋ≦２．１を満たす。
（ｃ）粗さ曲線のクルトシス（Ｒｋｕ）が７．５≦Ｒｋｕ≦３０を満たし、粗さ曲線のスキューネス（Ｒｓｋ）が−５≦Ｒｓｋ≦−０．５を満たす。

この発明の円錐ころ軸受によれば、内輪または外輪の大鍔面と円錐ころの大径端面とのうち少なくともいずれかを、表面粗さパラメータが特定の範囲になるようにすることで、低回転域のトルクを低減することができる。

この発明の一実施形態に相当する円錐ころ軸受の一部を示す断面図である。 実施例の円錐ころの大径端面の粗さ曲線を示すグラフである。 図２の粗さ曲線から得られた負荷曲線を示すグラフである。 比較例の円錐ころの大径端面の粗さ曲線を示すグラフである。 図４の粗さ曲線から得られた負荷曲線を示すグラフである。 実施例で行った試験で使用した縦型内輪回転式試験機を示す断面図である。 実施例の試験で得られた結果（ トルク） を示すグラフである。 従来のトランスファーの一例を示す図である。

以下、この発明の実施形態について説明するが、この発明は以下に示す実施形態に限定されない。以下に示す実施形態では、この発明を実施するために技術的に好ましい限定がなされているが、この限定はこの発明の必須要件ではない。図１の円錐ころ軸受１０は、外周面に軌道面１ａを有する内輪１と、内周面に軌道面２ａを有する外輪２と、両軌道面１ａ，２ａ間に転動自在に配置された複数の円錐ころ３と、円錐ころ３を一つずつ保持するポケット４１を有する保持器４で構成されている。円錐ころ３は、大径端面３ａと小径端面３ｂを有する。

内輪１の外周面の軸方向で軌道面１ａを挟んだ両側に、大鍔部１１と小鍔部１２が形成されている。大鍔部１１は、円錐ころ３の大径端面３ａと接触可能な大鍔面１１ａを有する。小鍔部１２は、円錐ころ３の小径端面３ｂと接触可能な小鍔面１２ａを有する。

円錐ころ３の大径端面３ａは、下記の要件（ａ）〜（ｃ）の全てを満たす。
（ａ）粗さ曲線の算術平均高さ（Ｒａ）が０．００２μｍ≦Ｒａ≦０．１μｍを満たす。
（ｂ）粗さ曲線の負荷曲線より求まる実際の突出山部高さ（Ａｃｔｕａｌ ｐｅａｋ ｈｅｉｇｈｔ：ＡＰＨ）の突出山部平均高さ（Ｒｐｋ）に対する比（ＡＰＨ／Ｒｐｋ）が０．５≦ＡＰＨ／Ｒｐｋ≦２．１を満たす。
粗さ曲線の負荷曲線については、ＪＩＳ Ｂ０６７１−２：２００２／ＩＳＯ１３５６５−２：１９６６に定められている。ＡＰＨは、粗さ曲線のコア部の上にある実際の突出山部の高さであり、粗さ曲線の負荷曲線から求めることができる。Ｒｐｋは、粗さ曲線のコア部の上にある突出山部の平均高さである。
（ｃ）粗さ曲線のクルトシス（Ｒｋｕ）が７．５≦Ｒｋｕ≦３０を満たし、粗さ曲線のスキューネス（Ｒｓｋ）が−５≦Ｒｓｋ≦−０．５を満たす。

＜要件（ａ）について＞
算術平均高さ（Ｒａ）が大きいほど表面に摩耗や焼き付きが生じ易くなるため、円錐ころ３の大径端面３ａの算術平均高さ（Ｒａ）は小さい方がよいが、小さすぎると円錐ころ３の大径端面３ａにかじりが発生する可能性があり、加工コストの点でも不利になる。算術平均高さ（Ｒａ）が０．００２μｍ≦Ｒａ≦０．１μｍの範囲内であると、この範囲を外れる場合よりも、表面性能とコスト面で有利になる。

つまり、要件（ａ）を満たすことで、円錐ころ３の大径端面３ａに、摩耗や焼き付き、かじりが発生しにくくすることができる。また、より好ましくは０．００μｍ≦Ｒａ≦０．０６μｍであるとさらに表面性能とコスト面で有利になる。

＜要件（ｂ）について＞
ＪＩＳでは、コア部の上にある突出高さを表すパラメータとして、実際の突出山部の高さではなく、「突出山部の平均高さＲｐｋ」を採用している。その理由は、平均高さを用いることで、異常に高い突起の影響を排除し、値のばらつきを抑えるためと考えられる。
しかし、周囲より異常に高い突起の存在は、固体間の直接接触を引き起し、高い摩擦や焼き付き、異常摩耗の原因となる。

そこで、本発明者等は、ＪＩＳでは定められていない「実際の突出山部の高さＡＰＨ」を用い、ＡＰＨ／Ｒｐｋをパラメータとして採用することにした。ＡＰＨとＲｐｋが近い値であることは、摩擦や摩耗に悪影響を及ぼす異常に高い突起が表面に存在しないことを表すため、ＡＰＨ／Ｒｐｋは表面の潤滑特性を示すパラメータとなる。

ＡＰＨ／Ｒｐｋが２．１を超えることは、摩擦や摩耗に悪影響を及ぼす異常に高い突起（突出山部）が表面に多く存在することを表す。また、通常の表面ではＡＰＨ／Ｒｐｋが０．５未満になることはない。つまり、０．５≦ＡＰＨ／Ｒｐｋ≦２．１を満たす表面は、良好な潤滑特性を示す表面であると言える。

よって、要件（ｂ）を満たすことで、円錐ころ３の大径端面３ａと内輪１の大鍔面１１ａとの間の潤滑性が良好になり、高い摩擦や焼き付き、異常摩耗を抑制することが期待できる。つまり、ＡＰＨ／Ｒｐｋをパラメータとして採用し、その範囲を特定することが、低トルク化の実現に寄与する。また、０．５≦ＡＰＨ／Ｒｐｋ≦２．０の範囲にあるのがより好ましい。

＜要件（ｃ）について＞
Ｒｋｕは表面の高さ分布の尖り具合を表すパラメータであって、突出した山部や谷部が存在して尖っている場合、Ｒｋｕの値は大きくなる。要件（ｂ）を満たす表面には異常に高い突起（突出山部）が存在しないため、Ｒｋｕの値が大きいことは突出した谷部が存在することを示す。この谷部は潤滑剤を接触面に供給するリザーバー（油溜まり）となる。

Ｒｋｕの値が小さい場合、油溜まりとなる突出した谷部の数が少ないため、接触面を十分に潤滑することが難しくなる。一方、Ｒｋｕの値が大き過ぎる場合には、突出した谷部の尖り具合が大きく谷部の幅が狭いため、十分な量の潤滑剤を保持することが困難になる。７．５≦Ｒｋｕ≦３０を満たす表面は、油溜まりとして適当な数および尖り具合の谷部を有する表面となる。また、より好ましくは８≦Ｒｋｕ≦１５であると最適な谷部を有する表面となる。

Ｒｓｋは、平均線を中心としたときの山部と谷部の対称性を表すパラメータであって、突出した山部が多い場合はＲｓｋの値が大きくなり、突出した谷部が多い場合はＲｓｋの値が小さくなる。突出した山部が少ないほど固体間の直接接触が防止できるため、表面の潤滑特性を良好にするためには、Ｒｓｋの値は小さい方がよい。ただし、現実的な表面ではＲｓｋの値に下限があり、−５≦Ｒｓｋ≦−０．５が適切な範囲となる。また、より好ましくは−３≦Ｒｓｋ≦−０．９である。

よって、要件（ｂ）と要件（ｃ）の両方を満たすことで、要件（ｂ）を満たすが要件（ｃ）を満たさない場合と比較して、円錐ころ３の大径端面３ａと内輪１の大鍔面１１ａとの間の潤滑性が良好になる。

以上の説明から分かるように、この実施形態の円錐ころ軸受１０によれば、円錐ころ３の大径端面３ａを要件（ａ）〜（ｃ）を全て満たす表面にすることで、低回転域のトルクを低減することができる。

また円錐ころ軸受を潤滑する潤滑油の粘度が５０ｃＳｔ＠４０℃以下のように低くすることで、潤滑油の攪拌抵抗が下がり低トルクになる。但しこのような場合、良好な潤滑を維持することが難しく、焼付きや磨耗といった表面損傷が発生する可能性がある。しかしながら、要件（ａ）〜（ｃ）を全て満たす表面にすることで、たとえ潤滑油の粘度が５０ｃＳｔ＠４０℃ 以下といった低粘度潤滑下でも低いトルクを維持できる。

高炭素クロム軸受鋼二種（ＳＵＪ２）からなる素材に対して一般的な熱処理が施された円錐ころ３の場合、大径端面３ａのみを要件（ａ）〜（ｃ）の全てを満たす表面にする方法としては、以下の方法が挙げられる。その一例は、大径端面３ａを目の粗い砥石で研磨することで、大径端面３ａの表面に比較的大きな凹凸を形成した後に、目の細かい砥石で研磨して、表面の凸部を除去する方法である。他の例は、大径端面３ａを目の粗い砥石で研削することで、大径端面３ａの表面に比較的大きな凹凸を形成した後に、ショットピーニング、バレル加工、ラップ研磨、またはバフ研磨を行って表面の凸部を除去する工程を行う方法である。

なお、上記実施形態では、円錐ころ３の大径端面３ａのみを要件（ａ）〜（ｃ）の全てを満たす表面にしているが、図１の円錐ころ軸受１０の場合には、内輪１の大鍔面１１ａのみを要件（ａ）〜（ｃ）全てを満たす表面にしてもよいし、これら両方を要件（１）〜（３）の全て満たす表面にしてもよい。

また、内輪ではなく外輪に鍔を設けてもよい（図示しない）。この場合円錐ころ３の小径端面３ｂおよび外輪に形成された円錐ころの小径端面に接触可能とされた鍔部の少なくともいずれか、もしくは両面を要件（ａ）〜（ｃ）の全てを満たす表面としてもよい。

図１の構造を有する円錐ころ軸受１０として、呼び番号ＨＲ３２００８ＸＪ（軸受内径：４０ｍｍ、軸受外径：６８ｍｍ、最大幅：１９ｍｍ）の円錐ころ軸受を試験用に作製した。

内輪１、外輪２、円錐ころ３は、以下のようにして作製した。先ず、ＳＵＪ２からなる素材を各形状に加工した後、油焼入れと焼戻しを行った。これにより、内輪１、外輪２、円錐ころ３の硬さがＨＲＣ５８〜６４（Ｈｖ６５０〜８００）の範囲となるようにした。また、円錐ころ３の大径端面３ａ以外に対しては通常の研削工程および仕上げ工程を行った。

次に、サンプル１〜６（実施例１〜６）では、円錐ころ３の大径端面３ａのみを、目の粗い砥石で研削することで、大径端面３ａの表面に凹凸を形成した後に、目の細かい砥石で研磨またはバフ研磨にて表面の凸部を除去する工程を行った。図２は、大径端面３ａの粗さ曲線（ＪＩＳ Ｂ０６０１：２００１に基づいて測定）の一例を示したものである。この粗さ曲線と、この粗さ曲線からＪＩＳ Ｂ０６７１−２：２００２に基づいて得られた図３に示す負荷曲線から、Ｒａ、ＡＰＨ、Ｒｐｋ、Ｒｋｕ、Ｒｓｋを得た。また、ＡＰＨ／Ｒｐｋを算出した。

サンプル７〜９（比較例１〜３）では、円錐ころ３の大径端面３ａのみを、目の細かい砥石で研削することで大径端面３ａの表面に凹凸を形成し、表面の凸部を除去する工程は行っていない。図４は、大径端面３ａの粗さ曲線（ＪＩＳ Ｂ０６０１：２００１に基づいて測定）の一例を示したものである。この粗さ曲線と、この粗さ曲線からＪＩＳ Ｂ０６７１−２：２００２に基づいて得られた図５に示す負荷曲線から、Ｒａ、ＡＰＨ、Ｒｐｋ、Ｒｋｕ、Ｒｓｋ、ＲＳｍを得た。また、ＡＰＨ／Ｒｐｋを算出した。

なお、計測にはテイラーホブソン社製非接触式測定器（ＣＣＩ ＭＰーＨＳ）を使用した。Ｒａ、Ｒｋｕ、Ｒｓｋの計測の際にはカウシアンフィルタ（フィルタサイズ０．０８ｍｍ）を使用し，ＡＰＨ、Ｒｐｋを計測の際にはダブルガウシアンフィルタ（フィルタサイズ０．０８ｍｍ）を使用した。

上述のようにして得られた内輪１、外輪２、およびサンプル１〜９の各円錐ころ３と、ＳＰＣＣ製のかご形保持器４を用いて、実施例および比較例の円錐ころ軸受１０を組み立て、図６に示す装置を用いて回転試験を行った。図６の装置は、縦型内輪回転式試験機であり、主軸２１と、主軸２１を回転自在に支持する支持軸受２２と、本体部２３と、静圧軸受２４とからなる。静圧軸受２４は、本体部２３の軸方向上端面に設けてある。この試験機は、試験軸受である円錐ころ軸受１０の内輪１を主軸２１の軸方向一端部２１ａに外嵌させ、外輪２を本体部２３に内嵌させて使用される。

静圧軸受２４の上方からアキシャル荷重Ｆａが付与できる。本体部２３の側面に棒材２５を介してロードセル２６が接続されている。このロードセル２６で本体部２３に加わる動摩擦トルクが検出できる。本体部２３には、試験軸受の内部に潤滑油Ｊを供給する通路２７が形成されている。この通路２７は、本体部２３の側面に開口している。試験軸受の温度を測定する熱電対２８も備えている。

この装置に、試験軸受として実施例および比較例の円錐ころ軸受１０をそれぞれ取り付けて、温度５８℃±１℃の鉱油（粘度グレード：ＩＳＯ ＶＧ３２）を、供給速度１０００ｍｌ／ｍｉｎで供給しながら、Ｆａ＝４ｋＮ、回転速度２５０ｍｉｎ^-1の条件で内輪１を回転させて、トルクを測定した。また、比較例１の円錐ころ軸受のトルク測定値を「１」としたトルク比を算出した。

これらの結果を表１に示す。表１中の円錐ころの大径端面の表面粗さパラメータは、円錐ころ軸受に組み立てられる円錐ころの平均値である。ＨＲ３２００８ＸＪの場合、円錐ころは２２本あり、２２本の円錐ころ大径端面を測定し、その平均値を表１に示した。また、トルク比を図７にグラフで示す。

この結果から以下のことが分かる。円錐ころ３の大径端面３ａの表面粗さの違いだけで、円錐ころ軸受１０の低回転域のトルクに差が生じる。大径端面３ａのＲａが０．００２μｍ≦Ｒａ≦０．１μｍであり、ＡＰＨ／Ｒｐｋが０．５≦ＡＰＨ／Ｒｐｋ≦２．１であり、Ｒｋｕが７．５≦Ｒｋｕ≦３０であり、Ｒｓｋが−５≦Ｒｓｋ≦−０．５である実施例の円錐ころ軸受は、低回転域のトルクを比較例の円錐ころ軸受より低減することができる。

なお、本発明の用途は、従来例として例示したトランスファーに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。例えば、トランスミッション用等低回転域のトルク低減を必要とする用途に使用することができる。

１ 内輪
１ａ 内輪の軌道面
１１ 大鍔部
１２ 小鍔部
１１ａ 大鍔面
１２ａ 小鍔面
２ 外輪
２ａ 外輪の軌道面
３ 円錐ころ
３ａ 大径端面
３ｂ 小径端面
４ 保持器
１０ 円錐ころ軸受

Claims (1)

1. 外周面に軌道面を有する内輪と、
   内周面に軌道面を有する外輪と、
   前記内輪の軌道面および前記外輪の軌道面との間に転動自在に配置された複数の円錐ころと、
   前記内輪に形成され、前記円錐ころの大径端面に接触する大鍔面を有する大鍔部を備え、
   前記大鍔面と前記大径端面とのうち少なくともいずれかは、下記の要件（ａ）〜（ｃ）の少なくとも（ａ），（ｂ）を満たす円錐ころ軸受。
   （ａ）粗さ曲線の算術平均高さ（Ｒａ）が０．００２μｍ≦Ｒａ≦０．１μｍを満たす。（ｂ）粗さ曲線の負荷曲線より求まる実際の突出山部高さ（Ａｃｔｕａｌ ｐｅａｋ ｈｅｉｇｈｔ：ＡＰＨ）の突出山部平均高さ（Ｒｐｋ）に対する比（ＡＰＨ／Ｒｐｋ）が０．５≦ＡＰＨ／Ｒｐｋ≦２．１を満たす。
   （ｃ）粗さ曲線のクルトシス（Ｒｋｕ）が７．５≦Ｒｋｕ≦３０を満たし、粗さ曲線のスキューネス（Ｒｓｋ）が−５≦Ｒｓｋ≦−０．５を満たす。

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