JP4593208B2 - 円すいころ軸受 - Google Patents

Description

この発明は、たとえば自動車のトランスミッションの軸支持部に使用される円すいころ軸受に関する。

自動車のトランスミッション（主変速機）は大別するとマニュアルタイプとオートマチックタイプがあり、また車輌の駆動方式によって前輪駆動（ＦＷＤ）用トランスアクスル、後輪駆動（ＲＷＤ）用トランスミッション、および四輪駆動（４ＷＤ）用トランスファ（副変速機）がある。これらは、エンジンからの駆動力を変速して駆動軸などへ伝達するものである。

図８は、自動車のトランスミッションの一構成例を示している。このトランスミッションは同期噛合式のもので、同図で左方向がエンジン側、右方向が駆動車輪側である。メインシャフト４１とメインドライブギヤ４２との間に円すいころ軸受４３が介在させてある。この例では、メインドライブギヤ４２の内周に円すいころ軸受４３の外輪軌道面が直接形成してある。メインドライブギヤ４２は、ケーシング４５に対しては円すいころ軸受４４で回転自在に支持される。メインドライブギヤ４２にクラッチギヤ４６が取り付けてあり、クラッチギヤ４６に近接してシンクロ機構４７が配設してある。

シンクロ機構４７は、セレクタ（図示省略）の作動によって軸方向（同図で左右方向）に移動するスリーブ４８と、スリーブ４８の内周に軸方向移動自在に装着されたシンクロナイザーキー４９と、メインシャフト４１の外周に取り付けたハブ５０と、クラッチギヤ４６の外周（コーン部）に摺動自在に装着されたシンクロナイザーリング５１と、シンクロナイザーキー４９をスリーブ４８の内周に弾性的に押圧する押さえピン５２およびスプリング５３とを備えている。

同図に示す状態では、スリーブ４８およびシンクロナイザーキー４９が押さえピン５２によって中立位置に保持されている。このとき、メインドライブギヤ４２はメインシャフト４１に対して空転する。一方、セレクタの作動により、スリーブ４８が同図に示す状態から例えば軸方向左側に移動すると、スリーブ４８に伴ってシンクロナイザーキー４９が軸方向左側に移動し、シンクロナイザーリング５１をクラッチギヤ４６のコーン部の傾斜面に押し付ける。これにより、クラッチギヤ４６の回転速度が落ち、逆にシンクロ機構４７側の回転速度が高められる。そして、両者の回転速度が同期した頃、スリーブ４８がさらに軸方向左側に移動してクラッチギヤ４６とかみあい、メインシャフト４１とメインドライブギヤ４２とがシンクロ機構４７を介して連結される。これにより、メインシャフト４１とメインドライブギヤ４２とが同期回転する。

ところで、自動車トランスミッションは、近年、ミッションのＡＴ化、ＣＶＴ化、低燃費化等のため、低粘度の油が使われる傾向にある。低粘度オイルが使用される環境下では、（１）油温度が高い、（２）油の流量が少ない、（３）予圧抜けが発生する、などといった悪条件が重なった場合に、潤滑不良に起因する非常に短寿命の表面起点剥離が面圧の高い内輪軌道面に生じることがある。

これには軌道面の最大面圧の差異がその発生率に影響するため、最大面圧低減が直接的かつ有効な解決策である。最大面圧を低減させるためには、軸受寸法を変更するか、軸受寸法を変更できない場合には軸受のころの充填率を増やす。ころ直径を減少させないでころ本数を増やし、かつ、保持器のポケット間隔を確保するためには、保持器のピッチ円を大きくして外輪側にできるだけ寄せる必要がある。

保持器を外輪内径面に接するまで寄せた例として、図９に示す円すいころ軸受がある（特許文献１参照）。この円すいころ軸受６１は、保持器６２の小径側環状部６２ａの外周面と大径側環状部６２ｂの外周面を外輪６３の内径面と摺接させて保持器６２をガイドし、保持器６２の柱部６２ｃの外径面に引きずりトルクを抑制するため凹所６４を形成して、柱部６２ｃの外径面と外輪６３の軌道面６３ａの非接触状態を維持するようにしている。保持器６２は、小径側環状部６２ａと、大径側環状部６２ｂと、小径側環状部６２ａと大径側環状部６２ｂとを軸方向に繋ぎ外径面に凹所６４が形成された複数の柱部６２ｃとを有する。そして、柱部６２ｃ相互間に円すいころ６５を転動自在に収容するための複数のポケットが設けられている。小径側環状部６２ａには、内径側に一体に延びた鍔部６２ｄが設けられている。図９の円すいころ軸受は、保持器と外輪とが接触しない従来タイプに比べ、ころの充填率を多くすることが可能なため、軌道面の面圧過大による早期破損を防止することが可能になる。
特開２００３−２８１６５号公報 特開平１１−２１０７６５号公報

特許文献１記載の円すいころ軸受６１は、保持器と外輪とが接触しないタイプに比べてころの充填率を高め、軌道面最大面圧を低減させることが可能である。しかし、保持器と軌道面中央部を非接触とするため、その部分の板厚が薄くなるというデメリットがある。すなわち、保持器６２の柱部６２ｃに凹所６４があるので板厚が必然的に薄くなって保持器６２の剛性が低下し、軸受６１の組立て時の応力によって保持器６２が変形したり、軸受６１の回転中に保持器６２が変形する等の可能性もある。保持器６２の剛性を高めようとすると保持器６２の径寸法が大きくなるため、外輪接触部での摺接によるトルク増大、いわゆる引きずりトルクを引き起こす可能性がある。

一方、特許文献１記載の円すいころ軸受以外の従来の典型的な保持器付き円すいころ軸受は、図１０のように外輪７１と保持器７２との接触を避けた上で、保持器７２の柱幅を確保し、適切な保持器７２の柱強度と円滑な回転を得るために、次式で定義されるころ係数（ころの充填率）γを、通常、０．９４以下にする必要がある（特許文献２参照）。
ころ係数γ＝（Ｚ・ＤＡ）／（π・ＰＣＤ）
ここで、Ｚ：ころ本数、ＤＡ：ころ平均径、ＰＣＤ：ころピッチ円径。なお、図１０で符号７３は円すいころ、７４は柱面、７５は内輪、θは窓角を示す。

保持器７２のポケット寸法をそのままにして単純にころ充填率を高めようとすると、保持器７２の柱７２ａが細くなり、充分な柱強度を確保することができない。一方、柱強度を確保するため、保持器と外輪とのすきまが小さくなる方向に保持器径を変更（径寸法を大きく）すると、特許文献１に紹介されているように、保持器の外輪接触部での摩耗を促進し、引きずりトルクの増大を引き起こすおそれがある。

本発明の目的は、保持器剛性を低下させることなくころ収容本数を増大可能であって、しかも、引きずりトルクを発生させない円すいころ軸受を提供することにある。

本発明は、内輪と、外輪と、前記内輪と前記外輪との間に転動自在に配された複数の円すいころと、前記円すいころを円周所定間隔に保持する保持器とを備えた、保持器が軸中心に位置した状態で保持器と外輪とが接触しないタイプの円すいころ軸受において、（ころ本数×ころ平均径）／（π×ＰＣＤ）で表されるころ係数が０．９４を越え、ポケット柱面のころの当たり幅が左右共にポケット軸方向中央位置に対しポケット長さの１０％以上確保され、保持器を中立位置から小径側に軸方向移動させた状態で径方向に移動させると外輪と接触するように保持器外径を設定したことを特徴とするものである。また、ポケット柱面のころの当たり幅を、左右共にポケット軸方向中央位置に対しポケット長さの１０％以上確保して、ころから保持器に作用する荷重が局部的に集中したり、偏って負荷されたりすることによって、異常な摩耗が発生したり、応力集中による破損が発生したりしないようにしてある。これらにより、ころ係数γをγ＞０．９４とすることが可能となった。

保持器が軸中心に位置した状態で保持器と外輪とが接触しないタイプの円すいころ軸受において、保持器を中立位置から小径側に軸方向移動させた状態で径方向に移動させると外輪と接触する保持器外径を設定することにより、保持器外径を外輪軌道面に近づけ、しかも、軸受運転中には外輪と保持器との接触が殆ど発生しないようにしている。保持器外径を外輪軌道面に近づけることにより、隣接する円すいころ間の間隔を詰めても、保持器の柱部の幅を確保することができる。したがって、（ころ本数×ころ平均径）／（π×ＰＣＤ）で表されるころ係数γをγ＞０．９４とすることが可能となった。
ここで、保持器について中立位置とは、保持器が軸方向のどちらにも偏らず円すいころの小端面と保持器のポケット内壁面との間および円すいころの大端面と保持器のポケット内壁面との間にほぼ均等なすきまが形成された状態、かつ、径方向について軸受中心と保持器の仮想中心が一致した状態（各ポケットすきまが均等な状態）を意味する。

請求項２の発明は、請求項１の円すいころ軸受において、保持器が鉄板製であることを特徴とするものである。鉄板製保持器は耐油性（油への浸漬による材質劣化）を気にせず使用できるというメリットがある。

請求項３の発明は、請求項１の円すいころ軸受において、保持器が樹脂製であることを特徴とするものである。すなわち、保持器は鉄板製のほか、樹脂製すなわちエンジニアリング・プラスチック製としてもよい。樹脂製保持器は軸受の組立において底広げ、かしめといった作業が不要となるため、所要の寸法精度を確保する事が容易である。また、樹脂製保持器は鉄板製に比べ保持器重量が軽く、自己潤滑性があり、摩擦係数が小さいという特徴があるため、軸受内に介在する潤滑油の効果と相俟って、外輪との接触による摩耗の発生を抑えることが可能になる。また、樹脂製保持器は重量が軽く摩擦係数が小さいため、軸受起動時のトルク損失や保持器摩耗の低減に好適である。

エンジニアリング・プラスチックは、汎用エンジニアリング・プラスチックとスーパー・エンジニアリング・プラスチックを含む。以下に代表的なものを掲げるが、これらはエンジニアリング・プラスチックの例示であって、エンジニアリング・プラスチックが以下のものに限定されるものではない。

〔汎用エンジニアリング・プラスチック〕ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリアミド６（ＰＡ６）、ポリアミド６６（ＰＡ６６）、ポリアセタール（ＰＯＭ）、変性ポリフェニレンエーテル（ｍ−ＰＰＥ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、ＧＦ強化ポリエチレンテレフタレート（ＧＦ−ＰＥＴ）、超高分子量ポリエチレン（ＵＨＭＷ−ＰＥ）
〔スーパー・エンジニアリング・プラスチック〕ポリサルホン（ＰＳＦ）、ポリエーテルサルホン（ＰＥＳ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリアリレート（ＰＡＲ）、ポリアミドイミド（ＰＡＩ）、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、液晶ポリマー（ＬＣＰ）、熱可塑性ポリイミド（ＴＰＩ）、ポリベンズイミダゾール（ＰＢＩ）、ポリメチルベンテン（ＴＰＸ）、ポリ１，４−シクロヘキサンジメチレンテレフタレート（ＰＣＴ）、ポリアミド４６（ＰＡ４６）、ポリアミド６Ｔ（ＰＡ６Ｔ）、ポリアミド９Ｔ（ＰＡ９Ｔ）、ポリアミド１１，１２ （ＰＡ１１，１２）、フッ素樹脂、ポリフタルアミド（ＰＰＡ）

本発明によれば、円すいころ軸受のころ係数γをγ＞０．９４とすることが可能になり、軌道面の最大面圧を低下させることができる。したがって、過酷潤滑条件下での極短寿命での表面起点剥離を防止することができる。また、保持器の接触による引きずりトルクを発生させないため、保持器ポケット部の摩耗も最小限とすることができる。

表１に、過酷潤滑、過大負荷条件下の寿命試験結果を示す。比較例１はころ係数０．８６の従来品である。比較例２は鉄板製保持器付きで運転時に外輪と保持器が接触するようにした点を除き実施例と同じである。

表１に示す試験結果から明らかなように、比較例１は内輪剥離を起こし、寿命時間は１６．４ｈであった。比較例２は、保持器摩耗によるトルク増大のため、寿命時間４０．２ｈで停止した。実施例は２００ｈでも全く異常が認められなかった。なお、同じ試験条件の場合、ＪＩＳによる計算寿命は９２．２ｈである。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

図１に示すように、この実施の形態の円すいころ軸受１は、円すい状の軌道面２ａを有し、この軌道面２ａの小径側に小つば２ｂ、大径側に大つば２ｃを有する内輪２と、円すい状の軌道面３ａを有する外輪３と、内輪２の軌道面２ａと外輪３の軌道面３ａとの間に転動自在に配された複数の円すいころ４と、円すいころ４を円周等間隔に保持する保持器５とで構成される。

保持器５はここでは鉄板製であって、油への浸漬による材質劣化（耐油性）を気にせず使用できる。保持器５は、鉄板製に代えて、例えばＰＰＳ、ＰＥＥＫ、ＰＡ、ＰＰＡ、ＰＡＩ等のスーパーエンプラで一体成形してもよい。保持器５は小径側環状部５ａと、大径側環状部５ｂと、小径側環状部５ａと大径側環状部５ｂとを軸方向に繋ぐ複数の柱部５ｃとを備えている。柱面５ｄの窓角θは、例えば２５°〜５０°である。

図２（Ａ）は中立状態における円すいころ軸受を示し、円すいころ４の小端面と保持器５のポケット内壁面との間のすきまと、円すいころ４の大端面と保持器５のポケット内壁面との間のすきまがほぼ均等である。図２（Ａ）の状態から同図に矢印で示すように保持器５を小径側に軸方向移動させ、円すいころ４の大端面と保持器５のポケット内壁面とが当たると図２（Ｂ）の状態となり、外輪３と保持器５との間の半径方向すきまが小さくなる。図２（Ｂ）の状態から図３（Ａ）のように径方向下側に保持器５を移動させると、外輪３と保持器５が接触し、軸受が回転して図３（Ｃ）のように保持器５がセンタリングされると、保持器５と外輪３が全周にわたり所定すきまをあけて非接触となるような寸法に設定してある。言い換えれば、そのような保持器５の寸法とは、保持器５が軸中心に配置され、図２（Ｂ）のように保持器５が小径側に寄った状態では保持器５と外輪３の間にすきまが存在するが、保持器５を軸中心から径方向に移動させると外輪３と保持器５が接触するような寸法である。具体的には、保持器５の外径と、周方向に向かい合ったポケット内壁面間距離と、軸方向に向かい合ったポケット内壁面間距離が該当する。これにより、運転初期（図３（Ｂ））には外輪３と保持器５は接触するが、運転中（図３（Ｃ））はセンタリングにより非接触となることから、接触による引きずりトルクの増大や摩耗を抑制することができる。

なお、鉄板製保持器の場合は底広げやかしめ作業が必要であるが、樹脂製保持器の場合はこれらが不要となるため、必要な寸法精度を確保することが容易である。ここで、「底広げ」とは、ころを組み込んだ保持器５を内輪に組み付ける時、ころが内輪の小つばを乗り越えるように保持器５の小径側の柱部の径を大きく拡げることをいう。「かしめ作業」とは、前述のように大きく拡げた保持器５の小径部の柱部を外側から型で押して元に戻すことをいう。

図４〜８は、保持器の内径側から見たポケットを示し、ポケット柱面（柱の側面）にころの当たりを二点差線で示してある。いずれの場合も、ポケット柱面のころの当たり幅を、ポケットの軸方向中央位置すなわちポケット中央位置からポケット長さの１０％以上確保してある。ころから保持器に作用する荷重が局部的に集中したり、偏って負荷されたりすることによって、異常な摩耗が発生したり、応力集中による破損が発生したりしないようにするためである。具体的には、図４の場合、ころ当たり幅は、ポケット中央位置から軸方向両側にそれぞれポケット長さの１０％以上にわたって確保されている。したがって、ポケット中央位置でのころ当たり幅はポケット長さの２０％以上となっている。図５の場合は、ころの当たりが図中の左側寄りになっているが、ポケット中央位置から右側にもポケット長さの１０％以上のころ当たり幅が確保されている。図６の場合は、図５と逆にころの当たりが図中の右側寄りになっているが、ポケット中央位置から左側にもポケット長さの１０％以上のころ当たり幅が確保されている。図７は、図中上側のポケット柱面と図中下側のポケット柱面とでころの当たりが逆方向に片寄っている場合であるが、いずれも、ポケット中央位置から少なくともポケット長さの１０％以上のころ当たり幅が確保されている。

以上、本発明の実施の形態につき説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されることなく種々の変形が可能である。例えば、保持器材料としてＰＰＳ、ＰＥＥＫ、ＰＡ、ＰＰＡ、ＰＡＩ等のスーパーエンプラを例示したが、必要に応じて、強度増強のため、これらの樹脂材料またはその他のエンジニアリング・プラスチックに、ガラス繊維または炭素繊維などを配合したものを使用してもよい。

本発明に係る円すいころ軸受は、自動車のトランスミッションに組み込むほか、自動車のデファレンシャルや、自動車用歯車装置以外の用途に使用することも可能である。

（Ａ）は円すいころ軸受の横断面図、（Ｂ）は縦断面図。 （Ａ）は保持器が軸方向に移動する前の円すいころ軸受の縦断面図、（Ｂ）は保持器が移動した後の円すいころ軸受の縦断面図。 （Ａ）は静止時の円すいころ軸受の横断面略図、（Ｂ）は回転初期の円すいころ軸受の横断面略図、（Ｃ）は回転中の円すいころ軸受の横断面略図。 保持器のポケットの略図。 保持器のポケットの略図。 保持器のポケットの略図。 保持器のポケットの略図。 自動車トランスミッションの要部断面図。 従来の円すいころ軸受の縦断面図。 別の従来の円すいころ軸受の横断面図。

符号の説明

１ 円すいころ軸受
２ 内輪
２ａ 軌道面
２ｂ 小つば
２ｃ 大つば
３ 外輪
３ａ 軌道面
４ 円すいころ
５ 保持器
５ａ 小径側環状部
５ｂ 大径側環状部
５ｃ 柱部
５ｄ 柱面

Claims (3)

1. 内輪と、外輪と、前記内輪と前記外輪との間に転動自在に配された複数の円すいころと、前記円すいころを円周所定間隔に保持する保持器とを備えた、保持器が軸中心に位置した状態で保持器と外輪とが接触しないタイプの円すいころ軸受において、
   （ころ本数×ころ平均径）／（π×ＰＣＤ）で表されるころ係数が０．９４を越え、
   ポケット柱面のころの当たり幅が左右共にポケット軸方向中央位置に対しポケット長さの１０％以上確保され、
   保持器を中立位置から小径側に軸方向移動させた状態で径方向に移動させると外輪と接触するように保持器外径を設定したことを特徴とする円すいころ軸受。
2. 保持器が鉄板製であることを特徴とする請求項１の円すいころ軸受。
3. 保持器が樹脂製であることを特徴とする請求項１の円すいころ軸受。

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