JP6825317B2 - 円すいころ軸受及び動力伝達装置 - Google Patents

Description

本発明は、円すいころ軸受及び動力伝達装置に関する。

円すいころ軸受は、同サイズの他の転がり軸受と比較して負荷容量が大きく、剛性が高いという特徴を有するため、幅広く用いられており、その一例として、自動車のトランスミッション装置やデファレンシャル装置等の駆動伝達装置に使用されている。

図５は、従来の円すいころ軸受の断面図である。この円すいころ軸受は、内輪１０１と、外輪１０２と、これらの間に設けられている複数の円すいころ１０３と、複数の円すいころ１０３を保持している環状の保持器１０４とを備えている。円すいころ軸受では、軸受回転の際、円すいころ１０３の大端面１０５が、内輪１０１の大鍔部１０９に滑り接触する。そこで、大端面１０５を凸曲面状とし、大鍔部１０９の鍔面（側面）１０８を凹曲面状とすることで、これら大端面１０５と鍔面１０８との間の滑り摩擦抵抗を低減しようとしている（例えば、特許文献１参照）。

実開平５−７５５２０号公報

しかし、円すいころ１０３の大端面１０５及び大鍔部１０９の鍔面１０８の各曲率半径をどの程度の値に設定すべきかについて具体的な指針が明確になっていない。このため、曲率半径の大きさによっては滑り摩擦抵抗を充分に低減できない場合があるかもしれない。

また、前記滑り摩擦抵抗は、大端面１０５と鍔面１０８との間に生じる接触面圧の他、これらの間に形成される油膜厚さの影響を大きく受ける。つまり、接触面圧が小さく油膜が厚いほど滑り摩擦抵抗は低減される。
そこで、本発明は、円すいころ軸受において、内輪の大鍔部と円すいころとの間に生じる接触面圧の低下と、これらの間に形成される油膜厚さの増大とを両立させることを目的とする。

本発明の円すいころ軸受は、外周側に内軌道面を有していると共に当該内軌道面の軸方向一方側に径方向外側へ突出している大鍔部を有する内輪と、内周側に外軌道面を有している外輪と、前記内軌道面及び前記外軌道面に転がり接触する複数の円すいころと、複数の前記円すいころを保持する環状の保持器と、を備え、前記円すいころは、軸方向一方側に凸曲面状の大端面を有し、前記大鍔部は、前記大端面と接触する凹曲面状の鍔面を有し、前記大端面と前記鍔面との接触位置から前記円すいころのコーンセンタまでの距離をＲ、前記大端面の曲率半径をＲｒ（ただし、Ｒｒ＜Ｒ）、前記鍔面の曲率半径をＲｉ（ただし、Ｒｉ＞Ｒ）とすると、２≦（Ｒｉ−Ｒ）／（Ｒ−Ｒｒ）≦１０の関係を満たしている。

この円すいころ軸受によれば、内輪の大鍔部と円すいころとの間に生じる接触面圧の低下と、これらの間に形成される油膜厚さの増大とを両立することができる。

また、前記大端面と前記鍔面とが接触することで生じる接触楕円は、当該鍔面の径方向外側端縁よりも径方向内側に位置しているのが好ましい。
この場合、円すいころの大端面において、エッジロードにより接触面圧が局所的に大きくなるのを防ぐことができる。

また、本発明の動力伝達装置は、ハウジングと、当該ハウジング内に設けられている動力伝達軸と、当該動力伝達軸を回転自在に支持する軸受とを備え、前記軸受が前記円すいころ軸受である。
この動力伝達装置によれば、動力伝達軸を支持する軸受は前記円すいころ軸受と同じ作用効果を奏することから、動力伝達軸の回転性能を高めることが可能となる。

本発明によれば、内輪の大鍔部と円すいころとの間に生じる接触面圧の低下と、これらの間に形成される油膜厚さの増大とを両立することができる。この結果、軸受回転時における大鍔部と円すいころとの間の滑り摩擦抵抗を低減することが可能となる。

本発明の円すいころを備えているデファレンシャル装置の断面図である。 円すいころ軸受の断面図である。 内輪及び円すいころの形状を説明するためのイメージ図である。 横軸を「（Ｒｉ−Ｒ）／（Ｒ−Ｒｒ）」とし、縦軸を「接触面圧」及び「１／楕円率」とした場合の計算結果を示すグラフである。 従来の円すいころ軸受の断面図である。

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は、本発明の円すいころを備えているデファレンシャル装置の断面図である。このデファレンシャル装置５１は、自動車のエンジンの出力を伝達する動力伝達経路に配置されており、エンジンの出力をデファレンシャル装置５１の両側（図１の紙面貫通方向の両側）それぞれ配置された駆動軸（図示せず）に伝達する。

デファレンシャル装置５１は、エンジンの出力を伝達するためのプロペラシャフト（図示せず）と一体回転するピニオン軸（動力伝達軸）５２と、このピニオン軸５２の端部に設けられているピニオンギヤ５３と、このピニオンギヤ５３の回転に伴い動作する差動ギヤ機構５４と、これらを収容するハウジング５５とを備えている。ピニオン軸５２は、ハウジング５５内で一対の円すいころ軸受１によって回転自在に支持されている。また、ハウジング５５には、潤滑油供給路５６が形成されており、この潤滑油供給路５６は、図中の矢印で示すように潤滑油を誘導し一対の円すいころ軸受１に与える。円すいころ軸受１は、この潤滑油によって潤滑される。

図２は、円すいころ軸受１の断面図である。円すいころ軸受１は、内輪２と、外輪３と、これら内輪２と外輪３との間に設けられた複数の円すいころ４と、これら円すいころ４を周方向に沿って所定間隔毎に保持している保持器１０とを備えている。

内輪２は、軸受鋼や機械構造用鋼等を用いて形成された環状の部材であり、その外周側に内軌道面２ａを有している。内軌道面２ａは、軸方向一方側（図２では右側）から軸方向他方側（図２では左側）に向けて縮径する円すい形状を有している。外輪３は、内輪２と同様、軸受鋼や機械構造用鋼等を用いて形成された環状の部材であり、その内周側に外軌道面３ａを有している。外軌道面３ａは、内軌道面２ａに対向しており、軸方向一方側から軸方向他方側に向けて縮径する円すい形状を有している。

円すいころ４は、軸受鋼等を用いて形成された部材であり、内輪２と外輪３との間に介在し、内軌道面２ａ及び外軌道面３ａに転がり接触する。円すいころ４は、円すい台形状を有し、軸方向一方側に大端面４ｂを有し、軸方向他方側に直径が大端面４ｂよりも小さい小端面４ａを有している。

保持器１０は、全体として環状であり、円すいころ４の軸方向一方側に位置する大環状部１２と、円すいころ４の軸方向他方側に位置する小環状部１１と、これら大環状部１２と小環状部１１とを連結している複数の柱部１３とを有している。大環状部１２と小環状部１１との間であって、周方向で隣り合う柱部１３の間が、円すいころ４を収容するポケットとなる。

内輪２は、更に、内軌道面２ａの軸方向一方側に、径方向外側へ突出している大鍔部７を有している。また、内輪２は、内軌道面２ａの軸方向他方側に、径方向外側へ突出している小鍔部５を有している。大鍔部７は、その軸方向他方側に、円すいころ４の大端面４ｂが接触する鍔面７ｂを有している。この鍔面７ｂは凹曲面状に形成されている。この形状を具体的に説明すると、図３に示すように、鍔面７ｂは、所定の点Ｐを中心とする仮想球面７１に沿った凹曲面形状を有している。図３は、内輪２及び円すいころ４の形状を説明するためのイメージ図である。なお、図３では、説明のために鍔面７ｂと円すいころ４の大端面４ｂとを離しているが、実際は接触した状態にある。図３において、前記仮想球面７１の曲率半径（半径）、つまり、鍔面７ｂの曲率半径（半径）をＲｉとしている。前記点Ｐは、鍔面７ｂの中心点となる。

図２において、円すいころ４の大端面４ｂは凸曲面状に形成されており、内輪２が有する大鍔部７の鍔面７ｂに接触する。軸受（本実施形態では内輪２）が回転すると、大端面４ｂは鍔面７ｂに滑り接触する。大端面４ｂの形状を具体的に説明すると、図３に示すように、大端面４ｂは、所定の点Ｑを中心とする仮想球面７２に沿った凸曲面形状を有している。図３において、前記仮想球面７２の曲率半径（半径）、つまり、大端面４ｂの曲率半径（半径）をＲｒとしている。前記点Ｑは、大端面４ｂの中心点となる。

前記のとおり、円すいころ４の大端面４ｂは凸曲面形状を有しており、内輪２の鍔面７ｂは凹曲面形状を有していることから、両者が接触すると、これら大端面４ｂと鍔面７ｂとの間には楕円形の接触面が生じる。以下、この楕円形の接触面を接触楕円と呼ぶ。図３では、この接触楕円Ｓをイメージとして付記しているが、実際ではこの接触楕円Ｓは、大端面４ｂと鍔面７ｂとの間に発生する。接触楕円Ｓの全ては鍔面７ｂの範囲内に形成される。つまり、図３において、鍔面７ｂの径方向外側端縁３１と径方向内側端縁３２との間の範囲に接触楕円Ｓが生じる。

図３において、接触楕円Ｓの中心をＣ１としている。また、接触楕円Ｓの寸法に関して、鍔面７ｂの内周側から外周側に向かう方向（径方向）の寸法を「ｂ」とし、その直交方向（周方向）を「ａ」としている。この接触楕円Ｓの楕円率は「ｂ／ａ」となる。

鍔面７ｂの曲率半径Ｒｉと大端面４ｂの曲率半径Ｒｒとの関係について説明する。
ここで、鍔面７ｂと大端面４ｂとの接触位置から円すいころ４のコーンセンタＣ０までの距離を「Ｒ」とする。なお、コーンセンタＣ０は、円すいころ４の円すい形状（外周面形状）の頂点を意味する。また、鍔面７ｂと大端面４ｂとの接触位置は、接触楕円Ｓの中心Ｃ１を意味する。そして、大端面４ｂの曲率半径Ｒｒは前記距離Ｒよりも小さく（Ｒｒ＜Ｒ）、鍔面７ｂの曲率半径Ｒｉは前記距離Ｒよりも大きい（Ｒｉ＞Ｒ）。

そして、本実施形態の円すいころ軸受１では、曲率半径Ｒｒ、曲率半径Ｒｉ、及び距離Ｒは、次の式（１）を満たす関係にある。
２≦（Ｒｉ−Ｒ）／（Ｒ−Ｒｒ）≦１０ ・・・ （１）

図４は、横軸を前記式（１）中の「（Ｒｉ−Ｒ）／（Ｒ−Ｒｒ）」とし、縦軸を「接触面圧」及び「１／楕円率」とした場合の計算結果を示すグラフである。「接触面圧」は、鍔面７ｂと大端面４ｂとの間で生じる接触面圧であり、「１／楕円率」は、前記接触楕円Ｓによる値である。
接触面圧及び楕円率を算出するための接触楕円Ｓの寸法ａ，ｂは、ヘルツの式を用いた接触理論により求められる。なお、この際に用いられる変数として、円すいころ４と内輪２の縦弾性係数を２０７．９ＧＰａ、ポアソン比を０．３、荷重を基本動定格荷重の４０％になるアキシャル荷重としている。また、図４では、接触楕円Ｓの寸法ｂを一定とし、寸法ａを変数とした場合のグラフである。

接触楕円Ｓの形状が変化すると、鍔面７ｂと大端面４ｂとの間に生じる接触面圧及び楕円率は変化する。この接触面圧及び楕円率は、円すいころ軸受１の性能に影響する。すなわち、接触面圧を低下させることで、鍔面７ｂと大端面４ｂとの間の摩耗を防止し、軸受寿命を延ばすことができ、また、楕円率（ｂ／ａ）が大きくなると、鍔面７ｂと大端面４ｂとの間における油膜の厚さが増加する。なお、図３に示す形態の接触楕円Ｓの楕円率（ｂ／ａ）が大きくなると油膜が厚くなることは一般的に知られているが、これに関する論文として「R.J.Chittenden, D.Dowson, J.F.Dunn, C.M.Taylor: Proc.R.Soc.Lond, A397(1985)271」が知られている。

図４では、楕円率の逆数（１／楕円率）を指標としている。前記のとおり楕円率（ｂ／ａ）を大きくする油膜が厚くなり好ましい。楕円率の逆数の場合、その値が小さくなると油膜が厚くなる。

図４に示すように、前記式（１）中の寸法比「（Ｒｉ−Ｒ）／（Ｒ−Ｒｒ）」を２以上とすることで、鍔面７ｂと大端面４ｂとの接触面圧を低減することができ、また、前記寸法比「（Ｒｉ−Ｒ）／（Ｒ−Ｒｒ）」を１０以下とすることで、楕円率の逆数（ａ／ｂ）が小さくなり（つまり、楕円率（ｂ／ａ）が大きくなり）、鍔面７ｂと大端面４ｂとの間に形成される油膜を厚くすることができる。つまり、前記式（１）の条件を満たすことで、図２において、内輪２の大鍔部７（鍔面７ｂ）と円すいころ４（大端面４ｂ）との間に生じる接触面圧の低下と、これらの間に形成される油膜厚さの増大とを両立することができる。これにより、内輪２の大鍔部７と円すいころ４との間において好ましい接触形態が得られ、軸受回転時における大鍔部７と円すいころ４との間の滑り摩擦抵抗を低減することが可能となる。また、この滑り摩擦抵抗を低減することで、円すいころ軸受１の回転抵抗が低減され、また、大鍔部７と円すいころ４との間の発熱を抑制したり、摩耗を防止したりすることが可能となる。

なお、前記寸法比「（Ｒｉ−Ｒ）／（Ｒ−Ｒｒ）」の下限値を「２」とする以外に、「３」としてもよく、更には下限値を「４」とするのが好ましい。また、前記寸法比「（Ｒｉ−Ｒ）／（Ｒ−Ｒｒ）」の上限値を「１０」とする以外に、「９」としてもよく、更には「８」とするのが好ましい。
内輪２の大鍔部７と円すいころ４との間における接触形態を良好にするためには、これらの間に形成される油膜厚さがより重要であり、この点に着目すると、前記寸法比「（Ｒｉ−Ｒ）／（Ｒ−Ｒｒ）」の上限値を「６」又は「５」とするのが好ましく、この場合、寸法比（Ｒｉ−Ｒ）／（Ｒ−Ｒｒ）は、２以上であり、６（又は５）以下となる。この場合、油膜厚さを大きくすることができるため、面圧が多少大きくなっても軸受の昇温を抑えることができる。

また、本実施形態では、図３により説明したように、円すいころ４の大端面４ｂと内輪２の鍔面７ｂとが接触することで生じる接触楕円Ｓは、この鍔面７ｂの径方向外側端縁３１よりも径方向内側に位置している。このため、円すいころ４の大端面４ｂにおいて、エッジロードにより接触面圧が局所的に大きくなるのを防ぐことができる。また、図４において一定値と設定している接触楕円Ｓの寸法ｂについては、鍔面７ｂの径方向の寸法（つまり、径方向外側端縁３１と径方向内側端縁３２との間の寸法）よりも僅かに小さい値とするのが好ましい。
なお、鍔面７ｂにおける接触楕円Ｓの位置（中心Ｃ１の位置）を設定する手段としては、点Ｐ、点Ｑ、コーンセンタＣ０の位置を調整すればよい。本実施形態では、図３に示すように円すいころ軸受１の中心線Ｌ０を含む断面において、点Ｐ、点Ｑ及びコーンセンタＣ０は、共通する直線Ｌ１上に位置しているが、これら点Ｐ、点Ｑ、コーンセンタＣ０は、共通する直線Ｌ１上に位置していなくてもよい。

そして、図１は、前記構成を有する円すいころ軸受１を備えたデファレンシャル装置５１を示している。このデファレンシャル装置５１は、ハウジング５５と、このハウジング５５内に設けられているピニオン軸（動力伝達軸）５２と、このピニオン軸５２を回転自在に支持する軸受とを備えており、この軸受が前記円すいころ軸受１である。このデファレンシャルによれば、ピニオン軸５２を支持する円すいころ軸受１において、前記のとおり（図２参照）、内輪２の大鍔部７（鍔面７ｂ）と円すいころ４（大端面４ｂ）との間に生じる接触面圧の低下と、これらの間に形成される油膜厚さの増大とを両立することができるので、ピニオン軸５２の回転抵抗を低減する等の回転性能を高めることが可能となる。

以上のとおり開示した実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではない。つまり、本発明の円すいころ軸受は、図示する形態に限らず本発明の範囲内において他の形態のものであってもよい。例えば、保持器１０は図示した形態以外のものであってもよい。また、前記実施形態では、円すいころ軸受１をデファレンシャル装置に適用する場合について例示したが、トランスミッション装置等の他の動力伝達装置に適用することもできる。または、円すいころ軸受１を動力伝達装置以外の回転機器に適用することができる。

１：円すいころ軸受 ２：内輪 ２ａ：内軌道面
３：外輪 ３ａ：外軌道面 ４：円すいころ
４ｂ：大端面 ７：大鍔部 ７ｂ：鍔面
１０：保持器 ３１：径方向外側端縁 ３２：径方向内側端縁
５１：デファレンシャル装置（動力伝達装置） ５２：ピニオン軸（動力伝達軸）
５５：ハウジング Ｃ０：コーンセンタ
Ｃ１：中心（接触位置） Ｒ：距離
Ｒｒ：大端面の曲率半径 Ｒｉ：鍔面の曲率半径
Ｓ：接触楕円

Claims (3)

1. 外周側に内軌道面を有していると共に当該内軌道面の軸方向一方側に径方向外側へ突出している大鍔部を有する内輪と、内周側に外軌道面を有している外輪と、前記内軌道面及び前記外軌道面に転がり接触する複数の円すいころと、を備え、
   前記円すいころは、軸方向一方側に凸曲面状の大端面を有し、
   前記大鍔部は、前記大端面と接触する凹曲面状の鍔面を有し、
   前記大端面と前記鍔面との接触位置から前記円すいころのコーンセンタまでの距離をＲ、前記大端面の曲率半径をＲｒ（ただし、Ｒｒ＜Ｒ）、前記鍔面の曲率半径をＲｉ（ただし、Ｒｉ＞Ｒ）とすると、
   ２≦（Ｒｉ−Ｒ）／（Ｒ−Ｒｒ）≦１０
   の関係を満たしている、円すいころ軸受。
2. 前記大端面と前記鍔面とが接触することで生じる接触楕円は、当該鍔面の径方向外側端縁よりも径方向内側に位置している、請求項１に記載の円すいころ軸受。
3. ハウジングと、当該ハウジング内に設けられている動力伝達軸と、当該動力伝達軸を回転自在に支持する軸受とを備え、前記軸受が請求項１又は２に記載の円すいころ軸受である、動力伝達装置。

Images