JP5428217B2 - ラジアル針状ころ軸受 - Google Patents

Description

本発明は、例えば車両用自動変速機の遊星歯車機構に用いられるラジアル針状ころ軸受に関する。

車両等に搭載されている自動変速機において、一般的には遊星歯車機構が用いられている。ところで、近年は、燃費の向上などを目的として、自動変速機においても多段化される傾向がある。しかるに、現在は４速が主流である自動変速機を、例えば５速或いは６速に多段化し且つ小型化を図るため、いわゆるラビニョ型と呼ばれる遊星歯車機構を用いる場合がある。ラビニョ型遊星歯車機構は、遊星歯車を共用する２つの遊星歯車機構を組み合わせたものであり、例えば特許文献１に記載されている。

ここで、ラビニョ型遊星歯車機構における一つの特徴は、共用する遊星歯車の軸線方向幅が大きくなるために、それを支持するピニオンシャフトにおいて径に対する軸線方向長さが長くなる、即ち細長くなるということである。一方、ピニオンシャフトを支持する転がり軸受として、遊星歯車の高速化に伴い、針状ころ軸受の仕様として保持器を持ついわゆるケージアンドローラが広く用いられるようになった。

ここでラビニョ型遊星歯車機構は、自身の公転運動により遠心力が働くと同時に、歯車との噛合いによる荷重が作用するため、ピニオンシャフトが、キャリアの取付け部に対し、そこから離れるほど弓状に塑性曲がりが発生し弾塑性変形することが知られている。その曲がりは、遊星歯車の公転運動が速いほど、シャフト径が細いほど、付加されるトルクが高いほど、周辺温度が高いほど大きくなる傾向にある。

この弾塑性変形の影響により、キャリア取付け部側の転がり接触面の面圧が高くなることでエッジロードが発生し、シャフト又はころ転動面にフレーキングが生ずるという問題を誘発する。

これに対し、特許文献２では複数列に配置されたケージアンドローラ同士の間にスペーサを配置し、ピニオンシャフトの曲がりが最大となるシャフト軸方向中央部に、転動するころを移動させないようにしている。
実開平４−１２６０５５号公報 特開２００５−３２５９９２号公報

このスペーサは外径案内で使用されるため、遊星歯車の内径面と摺動する。このため、使用状況に応じた耐摩耗性を備えている必要がある。また、同時に低コストで製造可能であることが望ましい。

本発明は、上述した問題点に鑑みてなされたものであり、低コストかつ使用状況に応じた耐摩耗性を兼ね備え、ころの円滑な転動を確保できるラジアル針状ころ軸受を提供することを目的とする。

本発明の上記目的は、下記の構成により達成される。
（１） 車両用自動変速機の遊星歯車機構におけるピニオンシャフトとピニオンギヤとの
間に配置されるラジアル針状ころ軸受において、
複列に配置されたころと、各列の前記ころを保持する複数の保持器と、隣接する前記保
持器同士の間に配置されたスペーサと、を有し、
前記スペーサは板状材を円筒状に丸め、両端を溶接により固着させ、
前記スペーサは複数のポケットを備え、
前記ポケットの幅をＷ、数をＮ、前記スペーサの外径をＤとしたときに、
（Ｗ×Ｎ）/Ｄπ＝０．４〜０．６であって、
前記スペーサの表面硬さがＨＶ４００以上であり、
外径研削加工にて仕上処理されていることを特徴とするラジアル針状ころ軸受。
（２） 前記スペーサは、外周面が前記ピニオンギヤの内周面に沿って面一に形成されることを特徴とする（１）に記載のラジアル針状ころ軸受。
（３） 溶接位置は、円周方向で隣り合うポケット間に位置することを特徴とする（１）
又は（２）に記載のラジアル針状ころ軸受。

本発明によれば、スペーサが板状材を円筒状に丸め、両端を溶接により固着させて製作することが可能なため、特殊な工法を用いることなく容易に且つ低コストで製造することが可能である。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して以下に詳細に説明する。図１は、本実施の形態にかかるラジアル針状ころ軸受を含む車両の自動変速機の一部を示す断面図である。

図１において、ケース１０内において、不図示のトルクコンバータのタービン出力回転をプラネタリギヤセット１２に伝達する入力部材を構成する入力軸１１は、プラネタリギヤセット１２のフロントサンギヤ１３側に配置されている。また、カウンタドライブギヤ１４は、ケース１０の後壁を挟んでプラネタリギヤセット１２のリヤサンギヤ１５側に配置されている。そして、プラネタリギヤセット１２の内周側には、プラネタリギヤセット１２の支持軸を構成するサンギヤ軸２０が配置され、本形態においては、この軸は、リヤサンギヤ１５と一体化され、プラネタリギヤセット１２とカウンタドライブギヤ１４とを貫通して延在している。

入力軸は、ケース１０に支持されて、トルクコンバータのタービンと、各クラッチ１６，１７、１８と、第１のワンウェイクラッチＯＣ１に連結されている。詳しくは、入力軸１１は、オイルポンプカバーで構成されるケース１０の前壁に固定した中空のステータシャフト１９に前端部付近をブッシュを介して、また後端部付近をニードルベアリングを介して支持され、前端をスプライン係合でタービンハブ（不図示）に連結され、後端を各クラッチ１８，１７，１６のドラム側の油圧サーボシリンダ内周側部材２１に第１ワンウェイクラッチＯＣ１のインナレースを経て連結されている。

サンギヤ軸２０は、一方側の端部をクラッチ１８及び第１ワンウェイクラッチＯＣ１を介して入力軸１１に連結され、他方側の端部をカウンタドライブギヤ１４を貫通した外側でブレーキ２２を介してケース１０に連結されている。詳しくは、サンギヤ軸２０は、前端を入力軸１１後端の凹部にブッシュを介して支持され、後端部付近をブッシュを介してリングギヤフランジ２３の軸部内周に支持され、その外周に嵌合するカウンタドライブギヤ１４のボス部及びローラベアリング経由で最終的にケース１０の後壁に支持されている。そして、サンギヤ軸２０の前端部側は、スプライン係合でクラッチ１８のハブ２４側に連結されている。また、サンギヤ軸２０の後端は、スプライン係合でブレーキ２２のハブ２５側に連結されている。

プラネタリギヤセット１２は、そのフロントサンギヤ１３とキャリヤＱがブッシュを介してそれぞれサンギヤ軸２０に支持され、リングギヤ２６がそれにスプライン係合で連結されたリングギヤフランジ２３経由で該部材にスプライン係合連結されたカウンタドライブギヤ１４に固定されることで、結果的にボールベアリング２７を介してケース１０の後壁に支持されている。プラネタリギヤセット１２のフロントサンギヤ１３は、クラッチ１７のハブ２８側に連結され、キャリヤＱは、クラッチ１６のハブ２９と、ブレーキ３０のハブ３１と、第２ワンウェイクラッチＯＣ２のインナレースとに並列的に連結されている。

このギヤトレインにおいて、入力軸１１をそれぞれ、フロントサンギヤ１３に連結するクラッチ１７、リヤサンギヤ１５に連結するクラッチ１７及びキャリヤＱに連結するクラッチ１６は、それら各クラッチの油圧サーボと摩擦部材を纏めて入力軸１１とサンギヤ軸２０の連結部の外周に配置されている。まず、クラッチ１７は、ケース１０の前壁を構成するオイルポンプボディにボルト止め固定されたオイルポンプカバーから延びるボス部３２の外周に回転自在に嵌合させた内周側部材２１と、それに内周側を固定したドラム３３により囲われる内側に、クラッチ１７のドラムを兼ねるピストン３４を回止め嵌合させた油圧サーボと、ドラム３３の先端内周の内側とフロントサンギヤ１３に内周側を連結させて配置されたハブ２８の外周にそれぞれスプライン係合連結された摩擦部材４０とで構成されている。

次に、クラッチ１８は、クラッチ１７のピストンを兼ねて内周側部材２１に摺動自在に嵌挿されたドラム３４と、内周側部材２１とドラム３４とで囲われるシリンダ内側に嵌挿されたピストン３５からなり、ピストン３５の背後に遠心油圧のキャンセル室を備える油圧サーボと、ドラム３４の先端内周と、更にその内周に内周側を入力軸１１に連結させて配置されたハブ２４の外周とにそれぞれスプライン係合連結された摩擦部材３６とで構成されている。そして、このクラッチ１８のハブ２４には第１ワンウェイクラッチＯＣ１のアウタレースが固定されている。

クラッチ１６は、クラッチ１７のドラム３３をピストンとして、逆に該ピストに被されるように嵌まるピストン３７がドラム３８に連結された構成とされ、遠心油圧のキャンセル室を備える油圧サーボと、プラネタリギヤセット１２のキャリヤＱにリベット止めされた第２ワンウェイクラッチＯＣ２のインナレースに連結されたハブ２９の外周とドラム３８の内周にスプライン係合連結された摩擦部材３９とで構成されている。

このように纏めて配置された各クラッチの油圧サーボにおいて、各クラッチに共通の内周側部材２１とクラッチ１７のドラムとクラッチ１６のピストンを兼ねる部材３３が軸方向に不動の部材とされ、クラッチ１８は、ドラム３４とピストン３５共に軸方向可動部材とされている。したがって、ボス部３２の油路からのサーボ油圧の供給によりクラッチ１７は、自身のドラム３３とクラッチ１８のドラム３４との間で摩擦部材４０を挟持して係合させ、クラッチ１８は、クラッチ１７のドラム３３に反力を取り、自身のピストン３５を押し出すことでクラッチ１７のピストン３４を兼ねる自身のドラムとピストン３５の間で摩擦部材３６を挟持して係合させ、クラッチ１６は、自身のドラム３８をクラッチ１７のドラム３３に対して軸方向に前進させることでそれらの間で摩擦部材３９を挟持して係合させることになる。

次に、ブレーキ３０は、ケース１０の後壁に内蔵させた油圧サーボと、第２ワンウェイクラッチＯＣ２のインナレースから延びるハブ３１とケース１０の周壁にスプライン係合させた摩擦部材４２とで構成され、摩擦部材４２は、プラネタリギヤセット１２のリングギヤ２６の径方向外側に配置されている。そして、これと並列配置の第２ワンウェイクラッチＯＣ２は、前記のようにインナレースをプラネタリギヤセット１２のキャリヤＱにリベット止め連結され、アウタレースをケース１０の周壁にスプライン係合させてプラネタリギヤセット１２の径方向外側のほぼ軸方向中央部に配置されている。

ブレーキ２２は、ケース１０の後壁より外側に配置されており、そこに配置されたカウンタギヤ対を覆うカバー１０ａと、サンギヤ軸２０の最後部に固定されたハブ２５とにスプライン係合させてカウンタギヤ対より後方に配置された摩擦部材４３と、ケース１０の後壁に内蔵させた油圧サーボとで構成されている。

このギヤトレインにおいて、第１速（１ｓｔ）を選択すると、入力軸からの回転がクラッチ１７経由でフロントサンギヤ１３に入力され、第２ワンウェイクラッチＯＣ２の係合により係止されたキャリヤＱに反力を取って、リングギヤ２６に出力される最大減速比の減速回転が、カウンタギヤ対を経て副変速部のリングギヤに伝達され、不図示のディファレンシャル装置から車両の駆動輪に伝達される。

次に、第２速（２ｎｄ）は、入力軸１１からも回転がクラッチ１７経由でフロントサンギヤ１３に入力され、ブレーキ２２の係合により係止されたリヤサンギヤ１５に反力を取って、リングギヤ２６に減速回転が出力される。この回転は、副変速部のリングギヤに入力され、不図示のディファレンシャル装置から車両の駆動輪に伝達される。

また、第３速（３ｒｄ）は、主軸部側については第２速と同様とされ、副軸部側のクラッチを係合させることで達成される。この場合、主変速部からの回転がクラッチの係合による直結状態のプラネタリギヤを経て、不図示のディファレンシャル装置から車両の駆動輪に伝達される。

更に、第４速（４ｔｈ）は、主変速部側のプラネタリギヤセット１２、副変速部側のプラネタリギヤが共に直結状態となり、入力軸１１の入力回転が、カウンタギヤ対による減速がないものとして、そのまま不図示のディファレンシャル装置から車両の駆動輪に伝達される。

図２は、本実施の形態にかかるプラネタリギヤセットのピニオンシャフト（遊星歯車）周辺を示す断面図である。図３は、スペーサの斜視図である。図２に示すように、針状ころ軸受５０は、複列に配置されたころ５１，５１と、各列のころ５１，５１を保持する保持器５２，５２と、保持器５２，５２間に配置されたスペーサ５３とからなり、キャリヤＱに取付けられたピニオンシャフトＣの周囲に配置されて、ロングピニオンＰ１を回転自在に支持している。ピニオンシャフトＣ内には、図２の右端面から軸線に沿って延在する袋孔Ｃａと、袋孔Ｃａの途中から半径方向に延在しピニオンシャフトＣの周面において、保持器５２，５２内に対向するようにして開口する径孔Ｃｂ、Ｃｂとが形成されている。針状ころ軸受５０は、ピニオンシャフトＣの外部より袋孔Ｃａ及び径孔Ｃｂ、Ｃｂを介して供給される潤滑油により潤滑されるようになっている。尚、スペーサ５３の軸線方向幅は、スペーサ５３を挟んでいる両脇列のころ５１，５１の長さ以上であることが望ましく、またその外径は、保持器５２，５２と同じであると好ましい。尚、スペーサ５３とピニオンシャフトＣ及びピニオンギヤＰ１との間には、所定のクリアランスがあるが、スペーサ５３とピニオンシャフトＣとは摺動しない。なお、各列のころ５１，５１と保持器５２，５２はユニット化されケージアンドローラを構成している。

図３に示すように、スペーサ５３は円筒状であって、半径方向に貫通した矩形孔であるポケット５３ａを、周方向に等間隔に１２個設けている。なお、「ポケット」は、形状を特に長方形に限定するものではなく、さらにスペーサの内周と外周との間を貫通するものの他、内径面または外径面に設けられた凹部のようなものであってもよい。

スペーサ５３は、図４（ａ）に示すように、例えば鋼板（ＳＰＣＣ、ＳＰＣＥ材等）、炭素鋼（Ｓ＊＊Ｃ材）、クロム（モリブデン）鋼（ＳＣＲ，ＳＣＭ材）軸受鋼（ＳＵＪ材）、帯鋼（ＳＫ材）等からなる板状材に、複数のポケット５３ａを形成し（図４（ｂ）参照）、その後にプレス加工等にて円筒状に丸め、両端を溶接により固着させて成形する（図４（ｃ）参照）。最後に、外径研削加工にて仕上げ処理を行いスペーサ５３が製造される。

プラネタリギヤセットの動作時には、ピニオンギヤＰ１はピニオンシャフトＣの周囲を自転すると共に、キャリヤＱの回転に応じて公転する。従って、針状ころ軸受５０も公転し、ころ５１、保持器５２、スペーサ５３は、遠心力で外方に付勢され、これによりピニオンシャフトＣに曲げ応力が作用する。

本実施形態によれば、スペーサ５３を設けることにより、ピニオンギヤＰ１とピニオンシャフトＣとの間隔を維持することで、ころ５１の円滑な回転を確保できる。また、ピニオンシャフトＣの曲がりが最も大きくなる中央に配置したスペーサ５３にポケット５３ａを設けることで、慣性力が低下するため、ピニオンシャフトＣの曲がりを効果的に抑制することができる。スペーサ５３自体は、ピニオンギヤＰ１の回転を支持する機能がなく、本来的に大きなラジアル力が付与されないため、軽量化のためにポケット５３ａを形成しても、特に針状ころ軸受５０の機能や寿命を低下させることがない。

スペーサ５３のポケット５３ａの数を増やしたり、寸法を大きくすれば、その分軽量化が図れるが、その分強度が低下する。そこで、円周方向長さと数とを適宜選択して、動作時にころ５１などから付与されるスラスト力に抗することができる強度と、軽量化とをバランスさせることが望ましい。例えばポケット５３ａの幅Ｗ，数をＮ，スペーサ５３の外径をＤとしたときに、
（Ｗ×Ｎ）/Ｄπ＝０．４〜０．６
とすることが望ましい。

また、本実施形態によれば、板状材をプレス成形により円筒状に丸め、両端を溶接により固着させることにより成形されるため、特殊な工法を用いることなく容易に且つ低コストで製造することができる。また、ポケット５３ａを設ける場合には、ポケット成形、プレス成形は連続工程で製作が可能なため、容易に低コストで製造することができる。

また、スペーサ５３を成形した後、外径研削加工前に、軸受の使用状況に応じて熱処理を施して耐摩耗性を向上させても良い。例えば、炭素鋼（Ｓ＊＊Ｃ材）、軸受鋼（ＳＵＪ材）、帯鋼（ＳＫ材）等に焼入れ焼戻し処理を施し、所定の硬度を得る手法、或いは鋼板（ＳＰＣＣ、ＳＰＣＥ材等）やクロム（モリブデン）鋼（ＳＣＲ，ＳＣＭ材）に浸炭窒化を施し、硬度を得る手法にて耐摩耗性の向上を図ることが可能である。更には、表面にリン酸塩被覆を施すことも可能である。ただし、スペーサ５３の肉厚が薄い場合や、径寸法が大きい場合（内径φ３０以上）、熱処理による変形の影響を大きく受ける。この変形が大きなスペーサを使用した場合、楕円変形等の影響によりスペーサの外径面と、遊星歯車の内径面とが局部的に接触することになり早期破損を誘発することが懸念される。この様な場合は、低温処理を特徴とした窒化処理を施すことで変形抑制と高硬度化の両立が可能である。なお、窒化処理として、ガス窒化、塩浴窒化、イオン窒化等があるが、例えばイソナイト処理（パーカー熱処理工業）、ＮＶ窒化処理（エア・ウォーター株式会社）等が該当する。

次に、本発明に係るラジアル針状ころ軸受の実施例について説明する。
[実施例１]
[耐久性比較実験１]
耐久性を検証のため、表１に記載の５段階の硬さのスペーサを用いて、ラジアル針状ころ軸受の耐久性試験を以下の仕様、以下の条件で行なった。なお、スペーサ外径面の使用条件は過酷設定とするため、幅寸法を狭く（１０ｍｍ）し、潤滑油の供給油量を０．０１Ｌ／ｍｉｎとし、硬さ以外は全て同一の条件で試験を行なった。

＜軸受（ケージアンドローラ）仕様＞
ピニオンギヤ内径：２２ｍｍ
ピニオンシャフト径：１７ｍｍ
軸受幅：１９ｍｍ
基本動定格荷重Ｃｒ：１３０００Ｎ
基本静定格荷重Ｃ_０ｒ：１５０００Ｎ
＜スペーサ仕様＞
材質：ＪＩＳ ＳＰＣＣ
ポケット数：１２
外径：２１．８ｍｍ
幅：１０ｍｍ
厚さ：１．５ｍｍ
＜試験条件＞
キャリア公転数：１００００ｒｐｍ（固定）
ピニオン自転数：３０００ｒｐｍ以上（変動）
キャリア公転半径：４０ｍｍ
潤滑油供給量：０．０１Ｌ／ｍｉｎ

耐久性比較試験の結果を表１に示す。
ＨＶ２００のスペーサにおいては２００００ｒｐｍの自転数にて外径面にかじりの兆候が見られ、更に回転数を大きくするとかじりや焼付きの損傷に進展した。一方で、４００００ｒｐｍの非常に過酷な条件下ではＨＶ４００、ＨＶ４５０のスペーサでは軽微なかじりを誘発したものの、ＨＶ２００のスペーサに比べて耐久性が向上することを確認した。

この耐久性比較試験の結果より、スペーサはＨＶ２００以上であればピニオン自転数が１５０００ｒｐｍ以下の回転数で使用可能であり、ＨＶ４００以上であればピニオン自転数が３５０００ｒｐｍ以下の回転数で使用可能であり、ＨＶ７５０以上であれば、少なくとも４００００ｒｐｍ以下の回転数において使用可能であることがわかる。これにより、使用状況において、適宜熱処理を施すことにより、例えば比較的回転数が低い場合には簡単な処理にてスペーサを製造することができ、製造コストを抑えることができる。

[実施例２]
[耐久性比較実験２]
また、耐久性の検証のため、スペーサを成形した後、外径研削加工前に、熱処理を施さないスペーサを用いて、以下の仕様、以下の条件で耐久性試験を行なった。

＜軸受（ケージアンドローラ）仕様＞
ピニオンギヤ内径：２２ｍｍ
ピニオンシャフト径：１７ｍｍ
軸受幅：１９ｍｍ
基本動定格荷重Ｃｒ：１３０００Ｎ
基本静定格荷重Ｃ_０ｒ：１５０００Ｎ
＜スペーサ仕様＞
材質：ＪＩＳ ＳＰＣＣ
熱処理：未処理
ポケット数：１２
外径：２１．８ｍｍ
幅：１９ｍｍ
厚さ：１．５ｍｍ
＜試験条件＞
キャリア公転数：７０００ｒｐｍ（固定）
ピニオン自転数：３０００ｒｐｍ以上（変動）
キャリア公転半径：４０ｍｍ
潤滑油供給量：０．１Ｌ／ｍｉｎ

耐久性比較試験の結果を表２に示す。この耐久性比較試験の結果より、回転数が２００００ｒｐｍの高速回転域ではケージアンドローラの保持器外径面にかじりや焼付きが発生したのに対し、スペーサに異常は認められなかった。従って、使用状況によっては、スペーサに熱処理を施さなくても、十分に機能を果たすことを確認することができた。これにより、熱処理を省略することで製造コストを低減することができる。この場合、さらに熱処理による変形を考慮する必要がない点で外径研削加工において削りムラが発生する可能性が極めて低い。

以上、本発明を実施例を参照して説明してきたが、本発明は上記実施の形態に限定して解釈されるべきではなく、適宜変更・改良が可能であることはもちろんである。本発明は、ラビニョ型遊星歯車機構に限らず、その他のタイプの遊星歯車機構に用いる針状ころ軸受に適用できる。

本実施の形態にかかるラジアル針状ころ軸受を含む自動変速機１の一部断面図である。 本実施の形態にかかるプラネタリギヤセットのピニオンシャフト周辺を示す断面図である。 スペーサの斜視図である。 スペーサの製造方法を説明する説明図である。

符号の説明

１０ ケース
１０ａ カバー
１１ 入力軸
１２ プラネタリギヤセット
１３ フロントサンギヤ
１４ カウンタドライブギヤ
１５ リヤサンギヤ
１６ クラッチ
１７ クラッチ
１８ クラッチ
１９ ステータシャフト
２０ サンギヤ軸
２１ 内周側部材
２２ ブレーキ
２３ リングギヤフランジ
２４ ハブ
２５ ハブ
２６ リングギヤ
２７ ボールベアリング
２８ ハブ
２９ ハブ
３０ ブレーキ
３１ ハブ
３２ ボス部
３３ ドラム
３３ 部材
３４ ドラム
３５ ピストン
３６ 摩擦部材
３７ ピストン
３８ ドラム
３９ 摩擦部材
４０ 摩擦部材
４２ 摩擦部材
４３ 摩擦部材
５０ 軸受
５２ 保持器
５２ 保持器
５３ スペーサ
５３ａ ポケット
Ｃ ピニオンシャフト
ＯＣ１ ワンウェイクラッチ
ＯＣ２ ワンウェイクラッチ
Ｐ１ ピニオンギヤ
Ｑ キャリヤ

Claims (3)

1. 車両用自動変速機の遊星歯車機構におけるピニオンシャフトとピニオンギヤとの間に配置されるラジアル針状ころ軸受において、
   複列に配置されたころと、各列の前記ころを保持する複数の保持器と、隣接する前記保持器同士の間に配置されたスペーサと、を有し、
   前記スペーサは板状材を円筒状に丸め、両端を溶接により固着させ、
   前記スペーサは複数のポケットを備え、
   前記ポケットの幅をＷ、数をＮ、前記スペーサの外径をＤとしたときに、
   （Ｗ×Ｎ）/Ｄπ＝０．４〜０．６であって、
   前記スペーサの表面硬さがＨＶ４００以上であり、
   外径研削加工にて仕上処理されていることを特徴とするラジアル針状ころ軸受。
2. 前記スペーサは、外周面が前記ピニオンギヤの内周面に沿って面一に形成されることを特徴とする請求項１に記載のラジアル針状ころ軸受。
3. 溶接位置は、円周方向で隣り合うポケット間に位置することを特徴とする請求項１又は２に記載のラジアル針状ころ軸受。

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