JP3725735B2 - 円錐ころ軸受および車両用歯車軸支持装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、円錐ころ軸受と車両用歯車軸支持装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術および発明が解決しようとする課題】
円錐ころ軸受は、ラジアル荷重とアキシャル荷重、およびそれらの合成荷重を負荷するのに適した軸受で、負荷能力も大きいため、自動車や建設機械等の車両におけるデファレンシャルやトランスミッション等の歯車軸支持装置に多く用いられている。
【０００３】
図１は、本願の実施形態の車両用歯車軸支持装置を備えた自動車のデファレンシャルを示す。このデファレンシャルは、ハウジング１に２つの円錐ころ軸受２、３で回転自在に支持されたドライブピニオン４と、このドライブピニオン４に噛み合うリングギヤ５と、このリングギヤ５が取り付けられ、一対の円錐ころ軸受６でハウジング１に回転自在に支持された差動歯車ケース７と、この差動歯車ケース７の中に配設されたピニオン８と、ピニオン８と噛み合う一対のサイドギヤ９とで基本的に構成され、これらがギヤオイルの封入されたハウジング１内に収納されている。このギヤオイルは前記各円錐ころ軸受２、３、６の潤滑油にもなっている。
【０００４】
上記デファレンシャル等の動力伝達装置は、多くの歯車の噛み合い部や回転部材の摺動部を有するため、これらの部位で発生する金属摩耗粉等の異物がハウジングに封入されたギヤオイルに混入する。これらの摩耗粉は、高負荷で回転する歯車軸を支持する円錐ころ軸受の中に侵入し、転動体の転走面に噛み込まれて、転動体や軌道輪に表面剥離を生じさせる可能性がある。この表面剥離は、異物の噛み込みで生じた圧痕からの亀裂の発生と進展に因るものと考えられている。
【０００５】
このような亀裂の発生と進展を抑制するために、特公昭６２−２９４８７号公報には、軸受材料としてＳＵＪ３相当鋼を用い、これを高温焼入れして残留オーステナイトを増加させ、同時に亀裂敏感性を抑制するため、焼入れ過程の冷却速度を遅く制御する技術が開示され、特開平７−１９００７２号公報には、軌道輪の材料にＳＵＪ３相当鋼を用い、上述の熱処理に浸炭窒化処理を加えて表層部の残留オーステナイトをさらに増加させる技術が開示されている。
【０００６】
近年、デファレンシャル等の動力伝達装置では、高速回転時の回転効率を高めるため、粘度の低い潤滑油を使用する機運があり、金属間接触の増大による軸受部での発熱が大きくなる傾向がある。この場合に、円錐ころは熱容量が小さく、かつ他の部材との接触による熱の拡散も少ないので、最も温度上昇が大きくなる。このため、円錐ころに前記表面剥離が発生し易くなり、前述した特公昭６２−２９４８７号公報に開示の材料を用いても十分な耐久寿命を確保できない問題がある。
【０００７】
一方、円錐ころ軸受では、各円錐ころが、その大端面を内輪の大鍔面で案内されながら転動するため、内輪の大鍔面にはスラスト荷重が負荷される。前述した特開平７−１９００７２号公報に開示の材料を内輪に用いると、異物侵入時の転動寿命は大幅に改善されるが、スラスト荷重を受ける鍔部の疲労強度が低下する問題がある。
【０００８】
そこで、この発明の課題は、異物混入下でも長い耐久寿命を確保できる円錐ころ軸受と車両用歯車軸支持装置を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、この発明は、外周に軌道面を有し、鍔が設けられた内輪と、内周に軌道面を有する外輪と、前記両軌道面の間に転動自在に配列された複数の円錐ころを備えた円錐ころ軸受において、前記円錐ころを、重量比にして、Ｃ：０．８〜１．５％、Ｓｉ：０．４〜１．２％、Ｍｎ：０．８〜１．５％およびＣｒ：０．５〜１．８％を含有する鋼を素材として形成し、前記内外輪のうち、少なくとも内輪を、重量比にして、Ｃ：０．４％以下を含有する肌焼鋼を素材として形成し、これらの円錐ころおよび内外輪の表層部に、それぞれ浸炭窒化層を形成した構成を採用したものである。
【００１０】
前記円錐ころの素材とする鋼の組成について、Ｃ量を０．８〜１．５％としたのは、基本的な焼入れ硬度を確保するとともに、残留オーステナイト量を増加させるためである。
【００１１】
Ｓｉ量を０．４％以上としたのは、表層部の残留オーステナイトを安定化するためであり、上限を１．２％としたのは、これを越えると浸炭窒化処理の過程で、炭素と窒素の侵入を阻害するからである。
【００１２】
Ｍｎ量を０．８〜１．５％としたのは、焼入れ性を確保して芯部まで焼入れするとともに、表層部の残留オーステナイト量を高めるためである。過度のＭｎ量の添加は、冷間加工性の低下や焼き割れの原因となるとともに、表層部の残留オーステナイト量が過多となって軟化の原因となるため、上限を１．５％とした。
【００１３】
Ｃｒ量を０．５〜１．８％としたのは、０．５％未満では炭化物が十分に形成されず、１．８％を越えると炭化物が粗大化して表面剥離の起点となり易くなるからである。
【００１４】
前記内外輪のうち、少なくとも内輪の素材とする鋼について、Ｃ量０．４％以下を含有する肌焼鋼としたのは、内輪鍔部の疲労強度を確保するためである。すなわち、Ｃ量が０．４％を越えると、焼入れ時の内部硬度が硬くなって靱性が劣化し、疲労強度が低下する。なお、外輪については、後述する浸炭窒化層を形成できるものであればよく、内輪と同様の肌焼鋼の他に各種軸受鋼を採用することもできる。
【００１５】
上述した各組成の鋼を素材とした円錐ころおよび内外輪の表層部に、それぞれ浸炭窒化層を形成して、表層部の炭素および窒素含有量を高めることにより、表層部のＭｓ点（マルテンサイト変態開始温度）が内部よりも低くなるので、焼入れ後の残留オーステナイト量を、内部よりも表層部で多くすることができる。
【００１６】
残留オーステナイトは、高い靱性と加工硬化特性を有し、亀裂の発生や進展を抑える働きをするが、熱に対して不安定な点がある。前記表層部の浸炭窒化層に侵入した窒素原子は、残留オーステナイトを熱に対して安定化する役割をする。また、Ｍｓ点が低下した表層部では、焼入れ時のマルテンサイト変態が内部より遅れて始まるので、表層部には圧縮の残留応力が形成され、表層部の疲労強度を高めることもできる。
【００１７】
前記円錐ころおよび内外輪の各表層部の残留オーステナイト量を２０〜４０体積％とすることにより、各表層部に適度の靱性を付与し、異物の噛み込みによる過大な応力増加を緩和することができる。すなわち、残留オーステナイト量が２０体積％未満では靱性が不足し、残留オーステナイト量が４０体積％を越えると、硬度が低下し過ぎて塑性変形による表面粗さの劣化を招く。互いに摺動し合う円錐ころの大端面と内輪の大鍔面では、この表面粗さの劣化により、焼き付きが生じる可能性もある。
【００１８】
異物を噛み込んだ場合や、表面温度上昇が大きい場合には、亀裂の起点が表面やごく表層（表面から０．１ｍｍ以内）となる可能性が高いので、上述した表層部の材質改良により円錐ころ軸受の長寿命化を図ることができる。
【００１９】
上述した浸炭窒化層は、浸炭性雰囲気にアンモニアガスを添加した高温ガス中で浸炭窒化処理したのち、所定の温度から焼入れすることにより形成することができる。なお、残留オーステナイト量を調整するために、サブゼロ処理を熱処理工程の中に組み入れてもよい。
【００２０】
また、この発明は、ギヤオイルが封入されたハウジング内に、歯車軸が円錐ころ軸受により回転自在に支持された車両用歯車軸支持装置において、前記円錐ころ軸受の円錐ころを、重量比にして、Ｃ：０．８〜１．５％、Ｓｉ：０．４〜１．２％、Ｍｎ：０．８〜１．５％およびＣｒ：０．５〜１．８％を含有する鋼を素材として形成し、前記円錐ころ軸受の内外輪のうち、少なくとも内輪を、重量比にして、Ｃ：０．４％以下を含有する肌焼鋼を素材として形成し、これらの円錐ころおよび内外輪の表層部に、それぞれ浸炭窒化層を形成した構成を採用し、デファレンシャルやトランスミッション等のメインテナンス周期を著しく延長できるようにした。
【００２１】
上記車両用歯車軸支持装置において、前記円錐ころおよび内外輪の各表層部の残留オーステナイト量を２０〜４０体積％とすることにより、各表層部に適度の靱性を付与し、異物の噛み込みによる過大な応力増加を緩和することができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、図１および図２に基づき、この発明の実施形態を説明する。図１は、実施形態の車両用歯車軸支持装置を備えた自動車のデファレンシャルを示す。このデファレンシャルは、前述したように、ドライブピニオン４の軸と、リングギヤ５が取り付けられた差動歯車ケース７の軸に、それぞれ円錐ころ軸受２、３、６を用いた実施形態の歯車軸支持装置が採用されている。
【００２３】
図２は、代表例として円錐ころ軸受６を拡大して示す。この円錐ころ軸受６は、円錐状の軌道面１０を有し、この軌道面１０の大径側に大鍔面１１、小径側に小鍔面１２が設けられた内輪１３と、円錐状の軌道面１４を有する外輪１５と、内外輪１３、１５の各軌道面１０、１４の間に転動自在に配列された複数の円錐ころ１６と、各円錐ころ１６を所定の円周方向間隔に保持する保持器１７とを備えている。
【００２４】
前記内外輪１３、１５および円錐ころ１６の各部品は、表１に実施例として示す化学成分を有する鋼を各素材として、アンモニアガスが添加された８６０℃の浸炭性雰囲気中で浸炭窒化処理したのち、油中へ焼入れして製造したものであり、各部品の表層部には、残留オーステナイト量が２０〜４０体積％の浸炭窒化層が形成されている。なお、円錐ころ軸受２、３の各部品も、同様の素材を用いて、同様の熱処理を施したものである。
【００２５】
【表１】

【００２６】
以下に実施例および比較例を挙げる。
【００２７】
【実施例】
表１に実施例１〜７として示す化学成分、熱処理、および表層部の残留オーステナイト量の組み合わせとした円錐ころと内外輪を用いた円錐ころ軸受を用意した。軸受の寸法は、いずれも内径４０ｍｍ、外径６８ｍｍ、幅１９ｍｍである。
【００２８】
【比較例】
表１に比較例１〜８として示す化学成分、熱処理、および表層部の残留オーステナイト量の組み合わせとした円錐ころと内外輪を用いた円錐ころ軸受を用意した。軸受の寸法は、いずれも実施例と同じである。比較例１、２は、円錐ころの化学成分が本願の範囲を外れるもの、比較例３〜５は、内輪の化学成分が本願の範囲を外れるもの、比較例６、７は、内外輪の熱処理が本願の範囲を外れるもの、比較例８は、内外輪が単なるずぶ焼入れで熱処理されたものである。
【００２９】
上記実施例および比較例の円錐ころ軸受について、異物混入寿命試験と内輪鍔の疲労試験を実施した。各試験の概要と結果は以下の通りである。
【００３０】
（１）異物混入寿命試験
異物が混入された潤滑油浴中の回転軸に円錐ころ軸受を取り付け、以下の条件で寿命試験を行った。各円錐ころ軸受の試験サンプル数はいずれもＮ＝１０とし、耐久寿命はＬ１０寿命（サンプルの９０％が破損しないで使える時間）で評価した。なお、サンプルの破損は、いずれも円錐ころまたは内外輪の表面剥離によるものである。
・負荷荷重：１７．６４ ｋＮ
・回転数 ：２０００ ｒｐｍ
・潤滑油 ：タービンＶＧ５６
・異物 ：ガスアトマイズ金属粉（粒径１００〜１８０μｍ、
硬度ＨＶ７００〜８００、混入量１ｇ／リットル）
（２）内輪鍔の疲労試験
固定した内輪の鍔部に、直径１０ｍｍのころの軸端を予荷重を付与して押圧し、ころの軸方向に繰返し荷重を負荷して、以下の条件で疲労試験を行った。疲労限界は鍔のぬすみ部に発生する割れで判定した。試験サンプル数はいずれもＮ＝３とし、Ｓ−Ｎ曲線から求めた、繰返し回数１０⁵ 回に相当する限界負荷荷重で疲労強度を評価した。
・負荷荷重：２．９４，３．９２，４．９０ｋＮ（予荷重０．４９ｋＮ）
・負荷速度：８００ｃｐｍ（cycle per minute)
【００３１】
【表２】

【００３２】
各試験結果を表２に示す。表中の寿命比と疲労強度比は、比較例８の値を基準値とした。実施例の円錐ころ軸受は、異物混入寿命試験におけるＬ１０寿命が１００時間以上、内輪鍔の疲労試験における疲労強度比が２．０倍以上であり、いずれの試験においても良好な結果が得られている。
【００３３】
これに対して、円錐ころの化学成分が本願の範囲を外れる比較例１、２は、内輪鍔の疲労強度は優れているが、異物混入寿命試験のＬ１０寿命が１００時間に満たない。また、内輪の化学成分が本願の範囲を外れる比較例３〜５は、Ｌ１０寿命は１００時間を越えるものがあるが、内輪鍔の疲労強度が低い。これは、内輪のＣ量が多いため、熱処理後の内部硬度が高すぎるためである。内外輪に浸炭窒化処理が施されていない比較例６〜８は、いずれの試験結果も劣っている。
【００３４】
【発明の効果】
以上のように、この発明の円錐ころ軸受は、円錐ころを、重量比にして、Ｃ：０．８〜１．５％、Ｓｉ：０．４〜１．２％、Ｍｎ：０．８〜１．５％およびＣｒ：０．５〜１．８％を含有する鋼を素材として形成し、内外輪のうち、少なくとも内輪を、重量比にして、Ｃ：０．４％以下を含有する肌焼鋼を素材として形成し、これらの円錐ころおよび内外輪の表層部に、それぞれ浸炭窒化層を形成したので、異物が侵入したり、軸受部での発熱が大きい使用条件下でも表面剥離の発生を抑制でき、かつ内輪鍔の疲労強度も高めて、長い耐久寿命を確保することができる。
【００３５】
また、この発明の車両用歯車軸支持装置は、上述した円錐ころ軸受で歯車軸を支持するようにしたので、歯車軸支持装置が組み込まれたデファレンシャル等の車両の動力伝達装置のメインテナンス周期を著しく延長することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態の歯車軸支持装置が組み込まれたデファレンシャルの縦断面図
【図２】図１の円錐ころ軸受を示す縦断面図
【符号の説明】
１ ハウジング
２、３ 円錐ころ軸受
４ ドライブピニオン
５ リングギヤ
６ 円錐ころ軸受
７ 差動歯車ケース
８ ピニオン
９ サイドギヤ
１０ 軌道面
１１ 大鍔面
１２ 小鍔面
１３ 内輪
１４ 軌道面
１５ 外輪
１６ 円錐ころ
１７ 保持器

Claims (2)

1. 外周に軌道面を有し、鍔が設けられた内輪と、内周に軌道面を有する外輪と、前記両軌道面の間に転動自在に配列された複数の円錐ころを備えた円錐ころ軸受において、前記円錐ころを、重量比にして、Ｃ：０．８〜１．５％、Ｓｉ：０．４〜１．２％、Ｍｎ：０．８〜１．５％およびＣｒ：０．５〜１．８％を含有し、残部がＦｅと不可避的不純物元素からなる鋼を素材として形成し、前記内外輪のうち、少なくとも内輪を、重量比にして、Ｃ：０．４％以下を含有する肌焼鋼を素材として形成し、これらの円錐ころおよび内外輪の表層部に、それぞれ浸炭窒化層を形成し、前記円錐ころおよび内輪、外輪のすべてにおいて各表層部の残留オーステナイト量を２０〜４０体積％とした円錐ころ軸受。
2. ギヤオイルが封入されたハウジング内に、歯車軸が円錐ころ軸受により回転自在に支持された車両用歯車軸支持装置において、前記円錐ころ軸受の円錐ころを、重量比にして、Ｃ：０．８〜１．５％、Ｓｉ：０．４〜１．２％、Ｍｎ：０．８〜１．５％およびＣｒ：０．５〜１．８％を含有し、残部がＦｅと不可避的不純物元素からなる鋼を素材として形成し、前記円錐ころ軸受の内外輪のうち、少なくとも内輪を、重量比にして、Ｃ：０．４％以下を含有する肌焼鋼を素材として形成し、これらの円錐ころおよび内外輪の表層部に、それぞれ浸炭窒化層を形成し、前記円錐ころおよび内輪、外輪のすべてにおいて各表層部の残留オーステナイト量を２０〜４０体積％とした車両用歯車軸支持装置。

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