JP5081571B2 - シェル形針状ころ軸受 - Google Patents

Description

この発明は、シェル形針状ころ軸受、特に、転がり抵抗を低減したシェル形針状ころ軸受に関するものである。

従来の自動変速機は、例えば、特開２００６−１６１８６７号公報（特許文献１）に記載されている。同公報に記載されている自動変速機は、入力軸と、出力軸と、入力軸の回転を変速して出力軸に伝達する変速機構とを備える。また、変速機構は、歯車等で構成される複数の遊星歯車機構や一方向クラッチ等を含む。

上記構成の自動変速機において、入力軸、出力軸、および歯車等は軸受によって回転自在に支持されている。ここで、従来の自動変速機には、薄肉の金属製のブッシュのみで構成されるすべり軸受（以下「メタル軸受」という）が多数採用されている。
特開２００６−１６１８６７号公報

近年、自動変速機のコンパクト化の要請に伴い、自動変速機に組み込まれる軸受の厚み寸法削減の要望が強く、メタル軸受が採用されている。また、環境への配慮から自動変速機に使用される潤滑油は低粘度化が進み、滑油量も削減される傾向にある。したがって、希薄潤滑下でも焼き付き等のトラブルを生じない薄型の軸受が必要となる。

さらに、自動変速機に採用される軸受にはそれ程大きな負荷容量は求められていないが、入力軸の駆動力を出力軸にスムーズに伝達する観点からトルク損失の低減、すなわち、転がり抵抗の小さな軸受が求められている。

そこで、この発明の目的は、コンパクトで希薄潤滑下でも使用可能な軸受であって、かつトルク損失の少ないシェル形針状ころ軸受を提供することである。

この発明に係るシェル形針状ころ軸受は、内径面に軌道面を有するシェル外輪と、シェル外輪の軌道面に沿って配置される複数の針状ころとを備える。そして、針状ころの本数をｚ、針状ころのころ径をＤａ、および軌道面に配置される複数の針状ころそれぞれの自転中心を結んだ円の直径をＤｐとすると、数式１を満たす。

軸受の回転によって生じるトルク損失は、軸受に組み込まれる転動体の数が増加するのに応じて大きくなる。同様に、軸受の負荷容量も転動体の数が増加するのに応じて大きくなる。したがって、トルク損失を低減する観点からは数式２を、自動変速機等に使用される軸受に必要な負荷容量を維持する観点からは数式３を満たすのが望ましい。

好ましくは、シェル外輪の軌道面における板厚をｔとすると、Ｄａ≦１．５ｍｍ、および２０≦Ｄｐ／Ｄａ≦４０を満たす。さらに好ましくは、シェル外輪の軌道面における板厚をｔとすると、０．３≦ｔ／Ｄａ≦０．７を満たす。

針状ころのころ径をＤａ≦１．５ｍｍとし、ころ径とＰＣＤとの関係を２０≦Ｄｐ／Ｄａ≦４０とし、シェル外輪の板厚を０．３≦ｔ／Ｄａ≦０．７とすることにより、シェル形針状ころ軸受の厚み寸法を従来のメタル軸受と同等とすることができる。また、針状ころ軸受は、少量の潤滑油で大きな荷重を支持することができるという特徴を有する。

好ましくは、シェル形針状ころ軸受は、合成樹脂によって形成された保持器をさらに備える。従来のシェル形針状ころ軸受には、金属材料をプレス加工や溶接して形成された金属製保持器が採用されることが多かった。しかし、これらの金属製保持器は、柱幅をあまり太くすることができないので、針状ころを収容するポケットの数を柔軟に変更することができなかった。そこで、形状の自由度の高い樹脂材料によって保持器を形成することにより、ころ本数ｚを上記の範囲内に設定することが可能となる。

なお、保持器の材料としては、熱による膨張や変形が少なく、高強度で耐熱性に優れた材料が望ましい。例えば、６６ナイロン、４６ナイロン、ＰＰＳ等が挙げられる。さらに、グラスファイバーやカーボンファイバー等の繊維状充填材によって強度を高める等してもよい。

一実施形態として、保持器は、その円周上に軸受の軸線方向に延びる分割線を有する。上記構成とすることにより、シェル外輪への保持器およびころの組込が容易になり、安価なシェル形針状ころ軸受を提供することができる。

好ましくは、シェル外輪は、軸方向両端部から径方向内側に突出する鍔部を有する。そして、シェル外輪の外径面および鍔部における表面硬さは、略同一である。

この発明によれば、軸受の厚み寸法を削減すると共に希薄潤滑下でも焼き付き等のトラブルを回避することができる。さらに、針状ころの本数を所定範囲内に制限することによって、トルク損失を低減したシェル形針状ころ軸受を得ることができる。

図１〜図３を参照して、この発明の一実施形態に係るシェル形針状ころ軸受１１を説明する。なお、図１はシェル形針状ころ軸受１１の周方向断面図、図２はシェル形針状ころ軸受１１の軸方向断面図、図３は保持器１４を示す図である。また、図３は理解を容易とするために針状ころ１３の本数を削減して作図している。

まず、図１および図２を参照して、シェル形針状ころ軸受１１は、シェル外輪１２と、軌道面に沿って配置される複数の針状ころ１３と、隣接する針状ころ１３の間隔を保持する保持器１４とを備える。シェル外輪１２は、内径面に軌道面を有すると共に、軸方向両端部に径方向内側に突出する鍔部１２ａ，１２ｂを有する。また、シェル外輪１２の外径面および鍔部１２ａ，１２ｂの表面硬さを略同一に設定する。

このシェル形針状ころ軸受１１は、針状ころ１３と軌道面とが線接触するので、軸受投影面積が小さい割に高負荷容量と高剛性が得られる利点を有している。したがって、負荷容量を維持しつつ、径方向の厚み寸法を削減することができる点で好適である。また、シェル形針状ころ軸受１１は、従来のメタル軸受と比較すると希薄潤滑下での使用に適している。

次に、図３を参照して、保持器１４は、円周上の一箇所に軸受の軸線方向に延びる分割線を有し、全体としてＣ型形状の一体型保持器である。この保持器１４は、例えば、６６ナイロン、４６ナイロン、ＰＰＳ等の熱による膨張や変形が少なく、高強度で耐熱性に優れた合成樹脂を射出成型して製造される樹脂製保持器である。また、これに加えて、グラスファイバーやカーボンファイバー等の繊維状充填材を充填して強度を高める等してもよい。

上記構成の保持器１４は、円周上の一箇所に分割線を有しているので、シェル外輪１２への組み込みが可能となる。また、保持器１４の材料として弾性変形能の高い合成樹脂を採用することにより、組み込みがさらに容易となる。一方、樹脂材料は金属材料と比較して一般的に強度が低い。そのため、グラスファイバーやカーボンファイバー等の繊維状充填材を充填することによって、必要な強度を確保することが望ましい。

上記構成のシェル形針状ころ軸受１１において、シェル外輪１２の軌道面における板厚をｔ、針状ころ１３の本数をｚ、針状ころ１３のころ径をＤａ、軌道面に配置される複数の針状ころ１３それぞれの自転中心を結んだ円の直径（以下、「ピッチ円直径」または「ＰＣＤ」という）をＤｐとすると、上記の各種寸法をＤａ≦１．５ｍｍ、２０≦Ｄｐ／Ｄａ≦４０、０．３≦ｔ／Ｄａ≦０．７、および数式４の範囲内に設定する。

ピッチ円の円周長さ（Ｄｐ×π）をころ径の実数倍（「Ｄａ×４」または「Ｄａ×２．５」）で除すと、シェル外輪１２の軌道面に配置可能な針状ころ１３の本数ｚが算出される。ここで、分母は隣接する針状ころ１３の間隔を示すので、ころ径Ｄａを一定とすれば、数値（「４」または「２．５」を指す）が小さい程、針状ころ１３の本数ｚは増加する。

そして、針状ころ軸受１１の回転によって生じるトルク損失は、軸受に組み込まれる針状ころ１３の本数ｚが増加するのに応じて大きくなる。同様に、針状ころ軸受１１の負荷容量も針状ころ１３の本数ｚが増加するのに応じて大きくなる。

したがって、トルク損失を低減する観点からは、隣接する針状ころ１３の間隔を「Ｄａ×２．５」以下に、針状ころ軸受１１に必要な負荷容量を維持する観点からは、「Ｄａ×４」以上に設定するのが望ましい。

上記の各寸法関係を満たすシェル形針状ころ軸受の実施例の各種寸法を表１に示す。

次に、シェル形針状ころ軸受のころ本数と軸受の回転によって生じるトルク損失との関係を説明する。なお、実験には実施例１のシェル形針状ころ軸受を使用し、ころ本数を変えてトルク損失量を測定した。結果を図４に示す。

図４を参照して、針状ころの本数が増加するとトルク損失は直線的に増加することが確認された。具体的には、ころ本数をｘ（本）、トルク損失をｙ（Ｎｍ）とすると、ｙ＝０．０００９ｘ＋０．０１０６の関係を有する。

ここで、従来のシェル形針状ころ軸受には４７本以上の針状ころが収容されており、４７本の針状ころを組み込んだときのトルク損失は約０．０５３Ｎｍであった。このトルク損失量は、自動車の自動変速機に使用される軸受としては無視できない程大きく、さらなるトルク損失量の低減が求められている。そこで、実施例１のシェル形針状ころ軸受に収容可能なころ本数ｚは、４６本以下とする。この値は、表１の各種寸法を数式２に代入して得られる値と一致する。

一方、ころ本数の減少に伴ってシェル形針状ころ軸受の負荷容量も減少する。ここで、自動変速機に採用される軸受に必要な負荷容量を維持するためには、２９本以上のころが必要であると考えられる。この値は、表１の各種寸法を数式３に代入して得られる値と一致する。また、実施例１のシェル形針状ころ軸受に２９本の針状ころを収容した場合に生じるトルク損失量は約０．０３７Ｎｍであり、自動変速機に使用される軸受としては十分に小さな値であるといえる。

上記の観点から、シェル形針状ころ軸受１１に収容する針状ころ１３の本数ｚは、数式４の範囲内であることが望ましい。なお、ころ本数を削減することにより、部品コストを抑えて低廉なシェル形針状ころ軸受を得ることができる。また、ころ本数を削減することにより、保持器１４の隣接するポケットの間隔が大きくなる。すなわち、柱部を太くすることができるので、保持器１４を樹脂材料で形成した場合でも必要な強度を得ることができる。

次に、シェル形針状ころ軸受１１の厚み寸法を削減する観点からは、針状ころ１３の直径は小さい（Ｄａ≦１．５ｍｍ）方が望ましい。また、ころ径を小さくするとシェル形針状ころ軸受１１の負荷容量も低下するが、自動車の変速機等に使用されるメタル軸受には大きな荷重は負荷されないため、この発明において負荷容量低下は大きな問題とはならない。

また、ころ径に対してシェル外輪１２の板厚を大きく設定しすぎると（ｔ／Ｄａ＞０．７）、シェル形針状ころ軸受１１の厚み寸法削減の要請に反する。一方、ころ径に対して板厚が小さすぎると（ｔ／Ｄａ＜０．３）、シェル外輪１２の強度が低下し、ハウジングに圧入する際に鍔部１２ａ，１２ｂの変形を伴うおそれがある。なお、表１に示す各実施例は、ｔ／Ｄａ≒０．６７（実施例１〜３）、およびｔ／Ｄａ＝０．５（実施例４）であり、いずれも上記の範囲内に設定されている。

さらに、ＰＣＤに対してころ径が大きすぎても（Ｄｐ／Ｄａ＜２０）、シェル形針状ころ軸受１１の厚み寸法削減の要請に反する。一方、ＰＣＤに対してころ径が小さすぎると（Ｄｐ／Ｄａ＞４０）、隣接する針状ころ１３の間隔が広くなりすぎて軸受に負荷される荷重を適切に支持することができない。なお、隣接する針状ころ１３の間隔は、シェル形針状ころ軸受１１に収容する針状ころ１３の本数を増やすことによって調節することができるが、この発明ではトルク損失低減の観点からころ本数を制限しており、ころ本数を柔軟に変更することはできない。

なお、従来のシェル形針状ころ軸受には、プレス加工によって形成されたプレス保持器や溶接によって形成された溶接保持器等が採用されることが多かった。しかし、これらの保持器は、製造上の制約から柱部をあまり太くすることができない。したがって、針状ころを収容するポケットの数を柔軟に変更することができなかった。そこで、形状の自由度の高い樹脂製保持器とすることにより、ポケットの数、すなわち、針状ころ１３の本数ｚを上記の範囲内に設定することが可能となる。

上記の実施形態におけるシェル外輪１２は、一体型外輪の例を示したが、これに限ることなく、複数の外輪部材を組み合わせて形成した分割型外輪であってもよい。軸受を軸方向から組み込むことが難しい機器に使用する場合には、分割型外輪が適しているといえる。同様に、保持器１４についても任意の形態のものを採用することができる。

また、図４において、軸受１個についてのトルク損失の低減効果はそれ程大きくないが、自動車の自動変速機のような多数の軸受が組み込まれている機器に採用することによって、この発明は特に大きな効果を発揮する。

さらに、上記の実施形態におけるシェル形針状ころ軸受１１は、自動車等の自動変速機だけでなく、厚み寸法の低減、潤滑油量の削減、およびトルク損失の低減が必要なあらゆる機器に適用することができる。

以上、図面を参照してこの発明の実施形態を説明したが、この発明は、図示した実施形態のものに限定されない。図示した実施形態に対して、この発明と同一の範囲内において、あるいは均等の範囲内において、種々の修正や変形を加えることが可能である。

この発明は、シェル形針状ころ軸受に有利に利用される。

この発明の一実施形態に係るシェル形針状ころ軸受の周方向断面図である。 この発明の一実施形態に係るシェル形針状ころ軸受の軸方向断面図である。 図１に示すシェル形針状ころ軸受に使用される保持器を示す図である。 この発明の一実施形態に係るシェル形針状ころ軸受を使用して、ころ本数と軸受トルクとの関係を測定した結果を示すグラフである。

符号の説明

１１ シェル形針状ころ軸受、１２ シェル外輪、１２ａ，１２ｂ 鍔部、１３ 針状ころ、１４ 保持器。

Claims (6)

1. 希薄潤滑下で使用可能な軸受であって、
   内径面に軌道面を有するシェル外輪と、
   前記シェル外輪の軌道面に沿って配置される複数の針状ころと、
   隣接する前記針状ころ間に柱部を有し、隣接する前記針状ころの間隔を保持する保持器とを備え、
   前記針状ころの本数は、前記針状ころの本数をｚ、前記針状ころのころ径をＤａ、および前記軌道面に配置される前記複数の針状ころそれぞれの自転中心を結んだ円の直径をＤｐとすると、
   

   

   を満たす、シェル形針状ころ軸受。
2. Ｄａ≦１．５ｍｍ、および２０≦Ｄｐ／Ｄａ≦４０を満たす、請求項１に記載のシェル形針状ころ軸受。
3. 前記シェル外輪の軌道面における板厚をｔとすると、
   ０．３≦ｔ／Ｄａ≦０．７を満たす、請求項１または２に記載のシェル形針状ころ軸受。
4. 前記保持器は、合成樹脂によって形成される、請求項１〜３のいずれかに記載のシェル形針状ころ軸受。
5. 前記保持器は、その円周上に軸受の軸線方向に延びる分割線を有する、請求項４に記載のシェル形針状ころ軸受。
6. 前記シェル外輪は、軸方向両端部から径方向内側に突出する鍔部を有し、
   前記シェル外輪の外径面および前記鍔部における表面硬さは、略同一である、請求項１〜５のいずれかに記載のシェル形針状ころ軸受。

Images