JP4994643B2

JP4994643B2 - 円すいころ軸受

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Publication number: JP4994643B2
Application number: JP2005327884A
Authority: JP
Inventors: 崇辻本
Original assignee: NTN Corp
Current assignee: NTN Corp
Priority date: 2005-11-11
Filing date: 2005-11-11
Publication date: 2012-08-08
Anticipated expiration: 2025-11-11
Also published as: JP2007132468A

Description

この発明は円すいころ軸受に関し、たとえば自走車両の動力伝達軸を支持する軸受に利用することができる。

円すいころ軸受は、外径面に軌道面を設けた内輪と、内径面に軌道面を設けた外輪と、内輪と外輪の軌道面間に介在させた複数の円すいころと、これらの円すいころを保持する保持器とからなる。保持器は、円すいころの小端面側で連なった環状部と、円すいころの大端面側で連なった環状部と、これらの環状部同士を連結する複数の柱部とを有し、隣り合った柱部間に円すいころを収納するためのポケットが画成してある。このような保持器では、ころの転動面と接する柱部の内径面の両側にテーパ面を設け、ころの転動面に接触疵が生じないようにしている。従来、このテーパ面の幅方向の長さ寸法Ｌは、ころの平均直径Ｄの１１〜２０％とするのが一般的である。

自走車両のデファレンシャルやトランスミッション等の動力伝達軸を支持する円すいころ軸受は、一部が油浴に漬かった状態で使用され、その回転に伴って油浴の油を潤滑油とする油浴潤滑状態となる。このように油浴潤滑状態で使用されるころ軸受では、ころの転動面と保持器の柱部内径面のテーパ面との間も、これらの面で形成されるくさび空間に入り込む潤滑油で潤滑される。
特開平０９−０９６３５２号公報特開平１１−２１０７６５号公報特開２００３−３４３５５２号公報

従来の、保持器の柱部テーパ面の長さ寸法Ｌをころの平均直径Ｄの１１〜２０％としたころ軸受は、ころの転動面と柱部テーパ面との間に比較的大きいくさび空間が形成され、多量の潤滑油がくさび空間に入り込む。このくさび空間からころの転動面と保持器のテーパ面との界面に入る潤滑油の量は限られているので、このように多量の潤滑油がくさび空間に入り込むと、これらの潤滑油の逃げ場がなくなって軸受回転の抵抗となり、トルク損失が大きくなるという問題がある。また、このように潤滑油が軸受内部へ流入するころ軸受では、保持器の回転に対する潤滑油の流動抵抗も、無視できないトルク損失の要因となる。

したがって、軸受内部に潤滑油が流入するころ軸受における潤滑油の流動抵抗によるトルク損失を低減させる必要がある。以上が低トルク化のために油の流動抵抗を減少させる方法であるが、大幅な低トルク化を行うためには、ころがり粘性抵抗が低下するように軸受諸元を変更することが必要である。しかしながら、従来の低トルク化手法（特許文献１〜３参照）では、定格荷重を低下させない低トルク化は可能であるが、軸受剛性がいくらか低下する。

この発明の主要な目的は、軸受剛性を低下させることなく、低トルク化を実現することにある。

この発明は、ころ本数を減らさず、あるいは増加させつつ、ころピッチ円径（ＰＣＤ）を小さくすることによって、課題を解決したものである。図１１は円すいころ軸受においてＰＣＤを変化させたときの剛性比（−●−）およびトルク比（−○−）を表したものである。ころの弾性変形量を計算確認した結果、図１１に示すように、ＰＣＤを小さくすると軸受のトルクは大幅に低下するが、軸受剛性はあまり低下しないといった知見を得た。そこで、ころ本数を減らさないか増加させつつ、ＰＣＤを小さくすることによって、剛性を低下させずにトルクを低減させることができる。

この発明の円すいころ軸受は、外径面に軌道面を設けた内輪と、内径面に軌道面を設けた外輪と、前記内輪の軌道面と前記外輪の軌道面との間に介在させた複数の円すいころと、前記ころをポケットに保持する保持器とからなり、前記保持器が、前記円すいころの一方の端部側で連なる環状部と、前記円すいころの他方の端部側で連なった環状部と、前記両環状部を連結する複数の柱部とからなり、前記柱部の内径面の両側に前記円すいころの転動面と接するテーパ面が形成してあり（ただし、柱部８の縁を折り曲げたものを除く。）、前記テーパ面の幅方向の長さ寸法が、前記円すいころの平均直径の５％以上１１％未満で、ころピッチ径を小さくすることにより、前記円すいころが、ころピッチ円上におけるころ間隔が（ころ径／ころ本数）未満になるように均等に配置してあることを特徴とするものである。

円すいころを、ころピッチ円上におけるころ間隔が（ころ径／ころ本数）未満になるように均等に配置することにより、ころ本数を減らさず、あるいは増加させつつ、ころピッチ円径（ＰＣＤ）を小さくすることができる。

ころの転動面と接する保持器の柱部のテーパ面の幅方向の長さ寸法を、ころの平均直径の１１％未満、好ましくは９％以下とすることにより、ころの転動面とテーパ面との間にあまり大きなくさび空間が形成されないようにして、くさび空間に入り込む潤滑油の量を少なくし、潤滑油の逃げ場がなくなることによるトルク損失を低減させるようにした。なお、テーパ面の幅方向の長さ寸法をころの平均直径の５％以上としたのは、５％未満では、ころの外径面とテーパ面との弾性接触領域がテーパ面の幅よりも大きくなるおそれがあるからである。

請求項２の発明は、請求項１のころ軸受において、前記柱部の厚さ寸法が、前記ころの平均直径の５％以上１７％未満であることを特徴とするものである。これにより、柱部の厚みを薄くして、保持器の回転に対する潤滑油の流動抵抗を小さくし、トルク損失をより低減させることができる。なお、柱部の厚さ寸法をころの平均直径の５％以上としたのは、５％未満では保持器の剛性を十分に確保できないからである。

請求項３の発明は、請求項２の円すいころ軸受において、保持器のポケットの窓角が５５°以上８０°以下であることを特徴とするものである。窓角とは、柱部の、ころの転動面と接する面がなす角度をいう。窓角を５５°以上としたのは、ころとの良好な接触状態を確保するためであり、８０°以下としたのは、これ以上大きくなると半径方向への押し付け力が大きくなり、自己潤滑性の樹脂材であっても円滑な回転が得られなくなる危険性が生じるからである。なお、通常の保持器では窓角は２５°〜５０°となっている。

請求項４の発明は、請求項１ないし３のいずれかの円すいころ軸受において、保持器が機械的強度、耐油性および耐熱性に優れたエンジニアリング・プラスチックで形成してあることを特徴とするものである。保持器に樹脂材を使用することにより、鉄板製保持器に比べ、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。これらの樹脂は鋼板と比べると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を低減させる上で有利である。

上述の各円すいころ軸受は、自走車両の動力伝達軸を支持するものに好適である（請求項５）。

この発明によれば、剛性を低下させることなくトルク損失を減少させることができる。すなわち、この発明の円すいころ軸受は、ころピッチ円上におけるころ間隔が（ころ径／ころ本数）未満になるようにしたことにより、ころ本数を減らさず、あるいは増加させつつ、ころピッチ円径（ＰＣＤ）を小さくすることができる。また、ころの転動面と接する保持器の柱部のテーパ面の幅方向の長さ寸法を、ころの平均直径の５％以上１１％未満としたことにより、ころの転動面とテーパ面との間にあまり大きなくさび空間が形成されず、くさび空間に入り込む潤滑油の量が少なくなる。したがって、潤滑油の逃げ場がなくなることによるトルク損失が減少し、この面からも低トルク化を促進することができる。

さらに、この発明によれば、負荷容量がアップするばかりでなく、軌道面の最大面圧を低下させることができるため、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。

以下、図面に従ってこの発明の実施の形態を説明する。円すいころ軸受１は、図１に示すように、内輪２と外輪３と円すいころ４と保持器５とを主要な構成要素としている。内輪２は外周に円すい状の軌道面２ａが形成してあり、外輪３は内周に円すい状の軌道面３ａが形成してある。内輪２の軌道面２ａと外輪３の軌道面３ａとの間に複数の円すいころ４が転動自在に介在させてある。各円すいころ４は保持器５のポケット内に収容され、内輪２の小つば２ｂと大つば２ｃとで軸方向移動を規制される。

ここで、円すいころ軸受１は、ころピッチ円上におけるころ間隔が（ころ径／ころ本数）未満となっている。ちなみに、従来の典型的な保持器付き円すいころ軸受は、図１２に示すように、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γを、通常０．９４以下にして設計している。
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。
図１２中、符号７３，７４，７５は、それぞれ、円すいころ、柱面、内輪を指し、符号θは窓角を表している。

保持器５は、図２（Ａ）に示すように、円すいころ４の小端面側で連なった環状部６と、円すいころ４の大端面側で連なった環状部７と、これらの環状部６，７を連結する複数の柱部８とからなり、隣り合った柱部８間に台形状のポケット９が画成される。図２（Ｂ）に示すように、柱部８の内径面の両側には、円すいころ４の転動面と接するテーパ面８ａが形成してある。このテーパ面８ａの幅方向の長さ寸法Ｌは、円すいころ４の平均直径Ｄの５％以上１１％未満、たとえば７％に設定するのが望ましい。このような構成とすることにより、円すいころ４の転動面とテーパ面８ａとの間にあまり大きなくさび空間が形成されることはない。また、柱部の厚さ寸法Ｔは、円すいころ４の平均直径Ｄの５％以上１７％未満、たとえば１０％に設定するのが望ましい。このような構成とすることにより、保持器５の回転に対する潤滑油の流動抵抗を小さく抑えることができる。

図２（Ｂ）に示したテーパ面の長さ寸法Ｌを円すいころの平均直径Ｄの７％とした保持器を用いた円すいころ軸受（実施例）と、テーパ面の長さ寸法Ｌを円すいころの平均直径Ｄの１３％とした従来の保持器を用いた円すいころ軸受（比較例）とを用意した。円すいころ軸受の寸法は、いずれも、外径１００ｍｍ、内径４５ｍｍ、幅２７．２５ｍｍとした。また、保持器の柱部の厚さ寸法Ｔは、実施例のものが円すいころの平均直径Ｄの１３％、比較例のものが１７％とした。

実施例と比較例の円すいころ軸受について、縦型トルク試験機を用いたトルク測定試験を行った。試験条件は次のとおりである。
・アキシアル荷重：３００ｋｇｆ
・回転速度：３００〜２０００ｒｐｍ（１００ｒｐｍピッチ）
・潤滑条件：油浴潤滑（潤滑油：７５Ｗ−９０）

図３は、上記トルク測定試験の結果を示し、同図のグラフの縦軸は、比較例のもののトルクに対する実施例のもののトルクの低減率を表す。テーパ面の長さ寸法Ｌを円すいころの平均直径Ｄの７％と小さくした実施例のものは、低速回転から高速回転まで顕著なトルク低減効果が認められ、試験の最高回転速度である２０００ｒｐｍでも１２．０％のトルク低減率が得られている。この実施例のトルク低減効果には、柱部の厚さ寸法Ｔを薄くして、保持器の回転に対する潤滑油の流動抵抗を小さくした効果も含まれている。

図４および図５を参照して、柱部８の、ころの転動面と接する面８ａがなす角度すなわち窓角θについて述べると、下限窓角θminが５５°（図４）、上限窓角θmaxが８０°（図５）である。従来の、保持器が外輪から離間している典型的な保持器付き円すいころ軸受（図１２参照）では、窓角は大きくても約５０°である。ここでは窓角を大きめに設定することにより、ころピッチ円上におけるころ間隔を（ころ径／ころ本数）未満にしてある。下限窓角θminを５５°としたのは、ころとの良好な接触状態を確保するためであり、窓角５５°未満ではころとの接触状態が悪くなる。すなわち、窓角を５５°以上にすると、保持器強度を確保した上で、ころピッチ円上におけるころ間隔を（ころ径／ころ本数）未満にして、かつ、良好な接触状態を確保できるのである。また、上限窓角θmaxを８０°としたのは、これ以上大きくなると半径方向への押し付け力が大きくなり、自己潤滑性の樹脂材であっても円滑な回転が得られなくなる危険性が生じるからである。

図６に軸受の寿命試験の結果を示す。同図の「軸受」欄中、「比較例１」は保持器と外輪とが離れた典型的な従来の円すいころ軸受（図１２参照）である。「比較例２」がこの発明の円すいころ軸受のうち従来品に対してピッチ円上におけるころ間隔のみが（ころ径／ころ本数）未満となっている円すいころ軸受、「実施例」がピッチ円上におけるころ間隔のみが（ころ径／ころ本数）未満で、かつ、窓角が５５°〜８０°の範囲であるこの発明の円すいころ軸受である。試験は、過酷潤滑、過大負荷条件下で行った。同図より明らかなように、「比較例２」は「比較例１」の２倍以上の長寿命となる。さらに、「実施例」の軸受はころ係数が「比較例２」と同じ０．９６であるが、寿命時間は「比較例２」の約５倍以上にもなる。なお、「比較例１」、「比較例２」および「実施例」の寸法はφ４５×φ８１×１６（単位ｍｍ）、ころ本数は２４本（「比較例１」）、２７本（「比較例２」、「実施例」）、油膜パラメータΛ＝０．２である。

保持器５は、例えばＰＰＳ、ＰＥＥＫ、ＰＡ、ＰＰＡ、ＰＡＩ等のスーパーエンプラで一体成形することができる。また、必要に応じて、強度増強のため、これら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。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）

次に、図７に示す変形例について説明する。同図に示す円すいころ軸受１は、エンジニアリング・プラスチックで一体成形した保持器５の柱部８の外径面に、外輪軌道面側に向けて凸状となった突起部８ｂを形成したものである。その他は前述した保持器５と同じである。この突起部８ｂは図８に示すように柱部８の横断方向の断面輪郭形状が円弧状をしている。この円弧状の曲率半径Ｒ₂は外輪軌道面半径Ｒ₁より小さくしてある。これは、突起部８ｂと外輪軌道面との間に良好なくさび状油膜が形成されるようにするためである。望ましくは突起部の曲率半径Ｒ₂は外輪軌道面半径Ｒ₁の７０〜９０％程度に形成するとよい。７０％未満では、くさび状油膜の入口開き角度が大きくなりすぎて却って動圧が低下する。９０％を超えると、くさび状油膜の入口角度が小さくなりすぎて同様に動圧が低下する。

また、突起部８ｂの横幅Ｗ₂は望ましくは柱部８の横幅Ｗ₁の５０％以上とする（Ｗ₂≧０．５Ｗ₁）。５０％未満では良好なくさび状油膜を形成するための十分な突起部８ｂの高さが確保できなくなるためである。なお、外輪軌道面半径Ｒ₁は大径側から小径側へと連続的に変化しているので、突起部８ｂの曲率半径Ｒ₂もそれに合わせて大径側環状部７の大きな曲率半径Ｒ₂から小径側環状部６の小さな曲率半径Ｒ₂へと連続的に変化するようにする。

図７の円すいころ軸受１は以上のように構成されているため、軸受１が回転して保持器５が回転し始めると、外輪軌道面と保持器５の突起部８ｂとの間にくさび状油膜が形成される。このくさび状油膜は軸受１の回転速度にほぼ比例した動圧を発生するので、保持器５のピッチ円径（ＰＣＤ）を従来よりも大きくして外輪軌道面に近接させても、軸受１を大きな摩耗ないしトルク損失を生じることなく回転させることが可能となり、無理なくころ本数を増加させることが可能となる。

図９に、この発明の円すいころ軸受を使用し得る自動車のデファレンシャルの概略構成を示す。このデファレンシャルは、エンジンの駆動力をプロペラシャフト（図示省略）から左右のドライブシャフト（図示省略）に伝達する働きをするもので、デファレンシャルケース２１内に配置したドライブピニオン２２が、差動歯車ケース２３に取り付けたリングギヤ２４とかみ合い、差動歯車ケース２３の内部に取り付けたピニオンギヤ２５が、差動歯車ケース２３に左右から挿入したドライブシャフトと結合するサイドギヤ２６とかみ合う。このデファレンシャルでは、動力伝達軸であるドライブピニオン２２と差動歯車ケース２３が、それぞれ一対の円すいころ軸受１ａ，１ｂで支持してある。デファレンシャルケース２１には潤滑油を貯留させてシール部材２７ａ，２７ｂ，２７ｃで密封してあり、各円すいころ軸受１ａ，１ｂは、下部が潤滑油の油浴に漬かった状態で回転し、油浴の潤滑油が軸受内部へ流入する。

図１０に、この発明による円すいころ軸受を使用し得る自動車のトランスミッションの概略構成を示す。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。

このトランスミッションは同期噛合式のもので、図１０の左側がエンジン側、右側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が配置してある。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、円すいころ軸受４４でケーシング４５に対して回転自在に支持させてある。メインドライブギヤ４２にクラッチギヤ４６を連結させ、そのクラッチギヤ４６に近接させてシンクロ機構４７が配置してある。

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（同図の左右方向）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したシンクロナイザーキー４９と、メインシャフト４１に取り付けたハブ５０と、クラッチギヤ４６の外周（コーン部）に摺動自在に装着し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。

図１０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。この時、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、それ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側の回転速度が高まる。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とかみ合い、メインシャフト４１とメインドライブギヤ４２との間がシンクロ機構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。

（Ａ）はこの発明の実施の形態を示す保持器の展開平面図、（Ｂ）は図１（Ａ）のＢ−Ｂ矢視図（Ａ）はこの発明の実施の形態を示す円すいころ軸受の横断面図、（Ｂ）は図２（Ａ）の円すいころ軸受の縦断面図トルク測定試験の結果を示すグラフ窓角が下限の円すいころ軸受の部分拡大断面図窓角が上限の円すいころ軸受の部分拡大断面図軸受の寿命試験の結果を示す図この発明の変形例に係る円すいころ軸受の部分断面図図７の保持器の柱部の断面図一般的な自動車デファレンシャルの断面図一般的な自動車トランスミッションの断面図円すいころ軸受においてころピッチ円径（ＰＣＤ）を変化させたときの剛性比（−●−）およびトルク比（−○−）の変化を表した線図従来の円すいころ軸受の部分拡大断面図

符号の説明

１ａ，１ｂ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
６環状部（ころ小端面側）
７環状部（ころ大端面側）
８柱部
８ａテーパ面
８ｂ突起部
９ポケット

Claims

外径面に軌道面を設けた内輪と、内径面に軌道面を設けた外輪と、前記内輪の軌道面と前記外輪の軌道面との間に介在させた複数の円すいころと、前記ころをポケットに保持する保持器とからなり、前記保持器が、前記円すいころの一方の端部側で連なる環状部と、前記円すいころの他方の端部側で連なった環状部と、前記両環状部を連結する複数の柱部とからなり、前記柱部の内径面の両側に前記円すいころの転動面と接するテーパ面が形成してあり（ただし、柱部８の縁を折り曲げたものを除く。）、前記テーパ面の幅方向の長さ寸法が、前記円すいころの平均直径の５％以上１１％未満で、ころピッチ径を小さくすることにより、前記円すいころが、ころピッチ円上におけるころ間隔が（ころ径／ころ本数）未満になるように均等に配置してある円すいころ軸受。
前記柱部の厚さ寸法が、前記円すいころの平均直径の５％以上１７％未満である請求項１の円すいころ軸受。
前記保持器のポケットの窓角が５５°以上８０°以下である請求項１または２の円すいころ軸受。
前記保持器が機械的強度、耐油性および耐熱性に優れたエンジニアリング・プラスチックで形成してある請求項１ないし３のいずれかの円すいころ軸受。
自走車両の動力伝達軸を支持するものである請求項１ないし４のいずれかの円すいころ軸受。