JP6035732B2 - 転がり軸受 - Google Patents

Description

本発明は、転がり軸受に関し、特に、クリープ現象の発生を抑制でき、自動車のベルト式無段変速機の回転軸の支持に好適な転がり軸受に関する。

自動車用の自動変速機用の変速ユニットとしてベルト式無段変速機が、例えば特公平８−３０５２６号公報等に記載されている様に、従来から各種考えられ、その一部は実際に使用されている。図２は、この様なベルト式無段変速機の基本構造を略示している。このベルト式無段変速機は、互いに平行に配置された入力側回転軸１と出力側回転軸２とを有する。これら各回転軸１、２は、特許請求の範囲に記載した固定の部分である、図示しない変速機ケースの内側に、それぞれ１対ずつの転がり軸受３、３により、回転自在に支持している。

これら各転がり軸受３、３はそれぞれ、図３に詳示する様に、互いに同心に設けられた外輪４と内輪５とを有する。このうちの外輪４は、内周面に外輪軌道６を、内輪５は外周面に内輪軌道７を、それぞれ有する。そして、これら外輪軌道６と内輪軌道７との間に複数の転動体８、８を、保持器９により保持した状態で、転動自在に設けている。それぞれがこの様に構成される、上記各転がり軸受３、３は、それぞれの外輪４を上記変速機ケースの一部に内嵌固定し、それぞれの内輪５を上記入力側回転軸１又は上記出力側回転軸２に外嵌固定している。そして、この構成により、これら両回転軸１、２を上記変速機ケースの内側に、回転自在に支持している。尚、上記各転がり軸受３、３として従来は、外輪４、内輪５、各転動体８、８を、一般的な軸受鋼２種（ＳＵＪ２）により造ったものを使用していた。

上記両回転軸１、２のうちの入力側回転軸１は、エンジン等の駆動源１０により、トルクコンバータ或は電磁クラッチ等の発進クラッチ１１を介して回転駆動される。又、上記入力側回転軸１の中間部で１対の転がり軸受３、３の間に位置する部分に駆動側プーリ１２を設け、この駆動側プーリ１２と上記入力側回転軸１とが同期して回転する様にしている。この駆動側プーリ１２を構成する１対の駆動側プーリ板１３ａ、１３ｂ同士の間隔は、駆動側アクチュエータ１４で一方（図２の左方）の駆動側プーリ板１３ａを軸方向に変位させる事により調節自在である。即ち、上記駆動側プーリ１２の溝幅は、上記駆動側アクチュエータ１４により拡縮自在である。

一方、上記出力側回転軸２の中間部で１対の転がり軸受３、３の間に位置する部分に従動側プーリ１５を設け、この従動側プーリ１５と上記出力側回転軸２とが同期して回転する様にしている。この従動側プーリ１５を構成する１対の従動側プーリ板１６ａ、１６ｂ同士の間隔は、従動側アクチュエータ１７で一方（図２の右方）の従動側プーリ板１６ａを軸方向に変位させる事により調節自在である。即ち、上記従動側プーリ１５の溝幅は、上記従動側アクチュエータ１７により拡縮自在である。そして、この従動側プーリ１５と上記駆動側プーリ１２とに、無端ベルト１８を掛け渡している。この無端ベルト１８としては、金属製のものを使用している。

上述の様に構成するベルト式無段変速機では、前記駆動源１０から上記発進クラッチ１１を介して上記入力側回転軸１に伝達された動力は、上記駆動側プーリ１２から上記無端ベルト１８を介して、上記従動側プーリ１５に伝達される。尚、この無端ベルト１８として従来から、押し付け方向に動力を伝達するものと、引っ張り方向に動力を伝達するものとが知られている。何れにしても、上記従動側プーリ１５に伝達された動力は、上記出力側回転軸２から減速歯車列１９、デファレンシャルギヤ２０を介して駆動輪２１、２１に伝達される。上記入力側回転軸１と出力側回転軸２との間の変速比を変える場合には、上記両プーリ１２、１５の溝幅を互いに関連させつつ拡縮する。

例えば、上記入力側回転軸１と出力側回転軸２との間の減速比を大きくする場合には、上記駆動側プーリ１２の溝幅を大きくすると共に、上記従動側プーリ１５の溝幅を小さくする。この結果、上記無端ベルト１８の一部でこれら両プーリ１２、１５に掛け渡された部分の径が、上記駆動側プーリ１２部分で小さく、上記従動側プーリ１５部分で大きくなり、上記入力側回転軸１と出力側回転軸２との間で減速が行なわれる。反対に上記入力側回転軸１と出力側回転軸２との間の増速比を大きく（減速比を小さく）する場合には、上記駆動側プーリ１２の溝幅を小さくすると共に、上記従動側プーリ１５の溝幅を大きくする。この結果、上記無端ベルト１８の一部でこれら両プーリ１２、１５に掛け渡された部分の径が、上記駆動側プーリ１２部分で大きく、上記従動側プーリ１５部分で小さくなり、上記入力側回転軸１と出力側回転軸２との間で増速が行なわれる。

上述の様に構成され作用するベルト式無段変速機の運転時には、各可動部に潤滑油を供給して、これら各可動部を潤滑する。ベルト式無段変速機の場合に使用する潤滑油としては、ＣＶＴフルード（ＡＴＦ兼用油を含む）を使用している。この理由は、金属製の無端ベルト１８と駆動側、従動側両プーリ１２、１５との摩擦係合部の摩擦係数を増大し、且つ、安定させる為である。そして、上記ＣＶＴフルードを３００ｍｌ／ｍｉｎ以上の流量で上記摩擦部に循環させ、この摩擦部を潤滑している。又、上記ＣＶＴフルードの一部は、前記各転がり軸受３、３の内部を（例えば２０ｍｌ／ｍｉｎ以上の流量で）通過して、これら各転がり軸受３、３の転がり接触部を潤滑する。従って、これら各転がり軸受３、３の内部に、上記無端ベルト１８と上記両プーリ１２、１５との摩擦に伴って発生する摩耗紛や、前記減速歯車列１９部分での摩擦に伴って発生したギア紛等の異物が、ＣＶＴフルードに混入した状態で入り込む可能性が高い。この様な異物は、上記各転がり軸受３、３の転がり接触部を損傷して、その耐久性を低下させる原因となる。

この為従来は、上記各転がり軸受３
、３ の軸受サイズを大きくし、或は各転動体８、８の直径Ｄａを大きくする等により、上記各転がり軸受３、３の基本動定格荷重を大きくし、これら各転がり軸受３、３の寿命に余裕を持たせていた。ところが、この様に基本動定格荷重を確保すべく上記各転動体８、８の直径Ｄａを大きくすると、上記ベルト式無段変速機の小型軽量化を図る為には、前記外輪４の肉厚Ｔ
を小さく（薄く）する必要がある。しかも、この外輪４ を固定する前記変速機ケースの剛性が低い場合に、この様に外輪４の肉厚Ｔを小さくすると、この外輪４が弾性変形し易くなると共に、この変形に伴ってこの外輪４
に過大な曲げ応力が加わり、上記各転がり軸受３、３の寿命が低下する可能性がある。

また、このような曲げ応力が繰り返し負荷されると、外輪４の外径面が玉の通過周期に応じて波打ち状に弾性変形し、転がり軸受３，３の外輪４と前記変速機ケースとの間にクリープ現象が発生しやすくなり、直接的に転がり軸受の寿命を低下させなくとも、クリープ現象に伴い発生した摩耗粉の影響により、上記転がり軸受３，３の寿命が低下したり、ケース自体が摩耗して、半径方向のガタ等が大きくなり、ベルトの寿命が低下したり、ギアの噛み合い制度が低下することによってベルトのノイズやギア音が発生する場合がある。

また、一般に前記外輪４と前記変速機ケースは隙間嵌めで使用されるが、図２の軸受３のように、ベルト張力方向と異なる別の外部荷重（ギヤ反力等）が作用するような場合ではレイアウトによっては、それぞれの荷重が打ち消しあい、軸受に作用する荷重が極めて小さく、無負荷に近い状態となる場合も考えられる。この場合、軸受の動摩擦によって外輪が引きずられて、回転し、荷重変動に応じてクリープが加速し同様の不具合を生じる可能性がある。

特公平８−３０５２６号公報

本発明は、この様な事情に鑑みて、アルミニウム合金製の様に、剛性の低い変速機ケースに外輪を固定し、且つ、特に２方向以上の複合荷重が作用する場合において、外輪４と変速機ケースとの間のクリープ現象を効果的に抑制でき、長期にわたって耐久性を保持する転がり軸受を実現すべく発明したものである。

本発明の転がり軸受は、外輪と、内輪と、複数個の転動体とを備える。このうちの外輪は、内周面に外輪軌道を有する。又、上記内輪は、外周面に内輪軌道を有する。又、上記各転動体は、上記外輪軌道と内輪軌道との間に転動自在に設けられている。そして、上記外輪外周の少なくとも一部には弾性体が取り付けられている。さらに、本発明の転がり軸受に於いては、上記外輪の軸方向中央部で上記外輪軌道を設けた部分の最小肉厚（径方向に関する厚さ）をｈとし、上記各転動体の直径をＤａとした場合に、０．４Ｄａ≦ｈ≦０．８Ｄａ、より好ましくは０．４Ｄａ≦ｈ≦０．６Ｄａを満たし、外輪の幅に関しては１．２Ｄａ以上である。

上述の様に構成する本発明の転がり軸受を、例えばベルト式無段変速機用転がり軸受として使用の場合には、粘度の低いＣＶＴフルードを使用し、しかも、剛性の低い変速機ケースに組み込む場合でも、耐クリープ性と剥離寿命を十分に確保する事が可能になる。即ち、例えばアルミニウム合金製の様に、剛性の低い変速機ケースに外輪を固定する場合でも、外輪が弾性変形したり、この変形に伴って、外輪に過大な応力が加わる事を防止できる。この為、粘度の低いＣＶＴフルードを使用する事や、転がり軸受の内部に潤滑油を多量に（例えば２０ｍｌ／ｍｉｎ）を大きく上回る程）流通させない事により、外輪軌道及び内輪軌道と各転動体の転動面との転がり接触部に介在させる油膜の強度を確保しにくい場合でも、この転がり接触部で金属接触の発生を防止して、剥離寿命を十分に確保する事が可能になる。従って、必要とする耐久性を確保する為に、上記転がり軸受を大型化する必要がなくなり、入力側回転軸及び出力側回転軸の回転支持部を小型且つ軽量に構成できると共に、回転抵抗の低減を図れる。この結果、ベルト式無段変速機の小型・軽量化及び伝達効率の向上を図れる。

さらに、外輪外径面が玉の通過周期に応じて波打ち状に弾性変形するのを抑制し、且つ、外輪外径面に装着された弾性体が軸受外輪と変速機ケースの間に介在することになるため、２方向以上の荷重が打ち消しあい、無負荷に近い状態となった場合においても軸受外輪と変速機ケースとの間で発生するクリープを抑制することができる。

また、所定の外輪幅とすることによって、変速機ケースとの接触面積も大きくなり、接触荷重が大きい場合においても、好適にクリープ現象を抑制することができる。

本発明の実施の形態の１例を示す、図３と同様の断面図。 本発明の対象となる転がり軸受を備えたベルト式無段変速機を組み込んだ車両の駆動系の略断面図。 転がり軸受を取り出して示す拡大断面図。

図１は、本発明の実施の形態の１例を示している。尚、本発明の特徴は、ベルト式無段変速装置用の入力側、出力側両回転軸１、２（図２参照）を支持する為の転がり軸受３ａ
の構造を工夫し、変速機ケースの剛性が低い場合でも、この転がり軸受３ａの耐久性を十分に確保する点にある。その他の部分の構造及び作用は、前述の図３ に示した構造を含めて、従来から知られているベルト式無段変速機用転がり軸受と同様であるので、同等部分には同一符号を付して、重複する説明を省略若しくは簡略にし、以下、本発明の特徴部分を中心に説明する。

本例の場合は、外輪４ａの軸方向中央部で外輪軌道６を設けた部分の（径方向に関する）最小肉厚をｈとし、各転動体８、８の直径をＤａとした場合に、０．４Ｄａ≦ｈ≦０．８Ｄａ、より好ましくは０．４Ｄａ≦ｈ≦０．６Ｄａを満たす様に、上記外輪４ａの寸法を規制している。又、上記外輪４ａ及び内輪５の軸方向に関する幅Ｗを、１．２Ｄａ≦Ｗ≦２．５Ｄａを満たす範囲に規制している。この様な本例の転がり軸受３ａの場合には、粘度の低いＣＶＴフルードを使用し、しかも、剛性の低い変速機ケースに組み込む場合でも、剥離寿命を十分に確保する事が可能になる。

即ち、アルミニウム合金の如く、軽量ではあるが剛性の低い変速機ケースに上記外輪４ａを固定する場合でも、この外輪４ａの肉厚ｈを徒に大きく（厚く）する事なく、この外輪４ａが弾性変形したり、この変形に伴ってこの外輪４ａに過大な応力が加わる事を防止できる。この為、粘度の低いＣＶＴフルードを使用したり、上記転がり軸受３ａの内部に潤滑油を多量に（例えば２０ｍｌ／ｍｉｎを大きく上回る程）流通させない事で、外輪軌道６及び内輪軌道７と各転動体８、８の転動面との転がり接触部に介在させる油膜の強度を確保しにくい場合でも、この転がり接触部で金属接触が発生する事を防止して、剥離寿命を十分に確保する事が可能になる。入力側回転軸１
及び出力側回転軸２ の回転支持部を小型且つ軽量に構成できると共に、回転抵抗の低減を図れる。この結果、ベルト式無段変速機の小型・軽量化及び伝達効率の向上を図れる。そのうえ、外輪４ａと変速機ケースとの間でのクリープ現象も抑制されるため、信頼性が大幅に改善できる。

尚、上記外輪４ａの最小肉厚ｈが０．８Ｄａを超える場合には、上記転がり軸受３ａに転動体８、８を組み込みにくくなる。即ち、この転がり軸受３ａを自動組立装置で組み立てる場合、通常最後に組み込む転動体８は、上記外輪４ａを弾性変形させた状態で組み込む。この為、上記最小肉厚ｈが０．８Ｄａを超える場合には、上記外輪４ａを弾性変形させる為に必要な荷重が大きくなり、上記外輪４ａや転動体８、８に損傷が生じ易くなり、自動組立装置で組み立てる事ができなくなる可能性がある。一方、上記最小肉厚ｈが０．４Ｄａよりも小さい場合には、上記外輪４ａを固定する変速機ケースの剛性が低い場合に、この外輪４ａが弾性変形し易くなり、上記外輪軌道６や内輪軌道７、各転動体８、８の転動面に早期剥離が生じ、クリープ耐久性が低下する場合がある。

又、上記外輪４ａ及び内輪５の軸方向に関する幅Ｗは、これら外輪４ａ及び内輪５の弾性変形を防止する点や変速機ケースとの接触面積の増大の観点からは、大きいほど好ましい。ところが、上記幅Ｗを大きくすると、これら外輪４ａ及び内輪５の質量も大きくなる。即ち、上記幅Ｗが２．５Ｄａを超える場合には、上記外輪４ａ及び内輪５の質量が大きくなり過ぎて、ベルト式無段変速機の伝達効率が低下する可能性がある。一方、上記幅Ｗが１．２Ｄａよりも小さい場合には、上記外輪４ａ及び内輪５の剛性が低下して、これら外輪４ａ及び内輪５が弾性変形し易くなる可能性がある。従って、上記幅Ｗは、１．２Ｄａ以上で２．５Ｄａ以下の範囲に収める事が好ましい。

又、本例の場合、上記外輪４の内周面と内輪５の外周面との間で複数の転動体８、８を設置した部分の両端開口部に、シール部材を設けていない。但し、駆動側、従動側各プーリ１２、１５や無端ベルト１８（図２
参照）の摩耗紛等、異物が多く侵入する可能性が大きい場合は、転がり軸受の軸方向寸法が許す限り、上記シール部材を設ける事が好ましい。この様なシール部材としては、ＴＭシールの他、金属板製で非接触型のもの、接触型或は非接触型のニトリルシールやアクリルシール又はフッ素シール等を、使用温度を勘案して選択使用できる。

又、上記各転動体８、８を転動自在に保持する保持器９の構造及び材質に関しては、特に限定しないが、使用時の回転速度が特に早い場合には、合成樹脂製の冠型保持器を使用する事が、保持器と転動体との間の摩擦を低減すると共に、硬い摩耗粉の発生を抑えて長寿命化を図る面からは好ましい。

更に、本例の場合、転がり軸受３ａを構成する外輪４ａ、内輪５、転動体８、８を、それぞれ残留オーステナイト量γＲが５〜１５容量％である軸受鋼２種（ＳＵＪ２）により構成している。但し、ベルト式無段変速機内部に存在し、ＣＶＴフルードに混入して上記転がり軸受３ａの転動体８、８の設置空間を通過する異物の量が多い場合には、外輪４ａ、内輪５、転動体８、８を構成する鋼材を浸炭処理若しくは浸炭窒化処理する事が好ましい。この様な処理により、上記外輪４ａ、内輪５、転動体８、８の表面の残留オーステナイト量を２０〜４５容量％とすると共に、この表面の硬度をＨＲＣ６２〜６７程度にすれば、上記異物によるこの表面の損傷を防止して、上記転がり軸受３ａの耐久性向上を図れる。更に、この転がり軸受３ａの使用温度が１５０℃以上に達する場合には、上記外輪４ａ、内輪５、転動体８、８に、残留オーステナイト量を０〜５％
程度に抑える、寸法安定化処理を施す事が好ましい。この場合に、前記シール部材として、耐熱性ゴムを備えたものを使用する事も好ましい。

又、転がり軸受３ａが、図示の様な単列深溝型玉軸受の場合に限らず、アンギュラ型等の他の型式の玉軸受、更には円筒ころ軸受や円すいころ軸受、ニードル軸受等、他の軸受の場合でも、同様の作用・効果を得られる。

更に、本例の場合、外輪４ａの外周に溝３１を形成し、Ｏリング３２をはめ込んでいる。この溝３１とＯリング３２の関係は、変速機ケースに外輪４ａがはめ込まれてＯリングが潰された場合のＯリングのつぶし率（Ｏリング直径の変化率）が１０〜３５％であり、かつ、その場合の溝３１の全容積に対してＯリングが占める体積である充填率が６０〜９５％となるように設定されている。

Ｏリング３２は、ゴム等に代表される弾性体（ニトリルゴム、アクリルゴム、フッ素ゴム等）であることが好ましい。また、Ｏリングの断面形状も上記つぶし率と充填率が維持できれば任意に選定できる。また、図１に示した形態では溝３１を２つ設けたが、軸受外径サイズが大きい程、弾性体とケースの接触面積が大きくなり、耐クリープ力が向上するため、仕様条件によっては、１つもしくは３つ以上設けてもよい。

このＯリングの効果により、外輪４ａと変速機ケースとの間の接触荷重が小さい状況で転がり軸受３ａが回転しても、変速機ケースと外輪４ａとの間でのクリープ現象の発生を抑制でき、２方向の変動荷重条件においても広範囲にクリープを防止することが可能となる。

本発明の転がり軸受は、耐久性と耐クリープ性にすぐれており、自動車のベルト式変速機のプーリ軸支持用の軸受の他、各種機械要素に好適に使用できる。

１ 入力側回転軸
２ 出力側回転軸
３、３ａ 転がり軸受
４、４ａ 外輪
５ 内輪
６ 外輪軌道
７ 内輪軌道
８ 転動体
９ 保持器
１０ 駆動源
１１ 発進クラッチ
１２ 駆動側プーリ
１３ａ、１３ｂ 駆動側プーリ板
１４ 駆動側アクチュエータ
１５ 従動側プーリ
１６ａ、１６ｂ 従動側プーリ板
１７ 従動側アクチュエータ
１８ 無端ベルト
１９ 減速歯車列
２０ デファレンシャルギヤ
２１ 駆動輪

Claims (1)

1. 潤滑油で潤滑される自動車の変速機用の転がり軸受であって、
   内周面に外輪軌道を有する外輪と、外周面に内輪軌道を有する内輪と、これら外輪軌道と内輪軌道との間に転動自在に設けられた複数個の転動体とを備え、上記外輪を固定の部分に内嵌支持し、上記内輪を回転する部分に外嵌支持して、上記内輪が上記回転する部分から受ける２方向以上の複合外部荷重が打ち消し合うことで、上記固定の部分に対して上記外輪が無負荷に近い状態でも使用される転がり軸受に於いて、上記外輪の軸方向中央部で上記外輪軌道を設けた部分の最小肉厚をｈとし、上記各転動体の直径をＤａとした場合に、０．４Ｄａ≦ｈ≦０．８Ｄａを満たし、かつ、上記外輪の外周に設けられた溝にフッ素ゴム製の弾性体が少なくとも1つ以上装着されており、
   上記外輪が内嵌支持される上記固定の部分と、上記外輪との嵌めあいが隙間ばめであり、
   上記外輪が内嵌支持される上記固定の部分に、上記外輪が固定された状態において、上記弾性体のつぶし率が１０〜３５％であり、かつ、上記溝の全容積に対して上記弾性体が占める体積である充填率が６０〜９５％であることを特徴とする転がり軸受。

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