JP6838899B2 - 円すいころ軸受 - Google Patents

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Description

本発明は、円すいころ軸受に関する。
自動車用途や産業機械用途に使用される円すいころ軸受は、大きな荷重やミスアライメントに対処するために、円すいころ軸受の軌道面(ころの転動面を含む)に発生する接触面圧を適正な大きさに抑える必要がある。円すいころ軸受の軌道面の接触面圧(エッジ面圧)を適正な範囲にするには、クラウニングの付与が必要である。具体的には、内輪、外輪およびころの各々にクラウニングを付与する手法や、ころにのみ大きなクラウニングあるいは対数クラウニングを付与する手法など、これまでに様々な手法が試みられている。
このような手法の中で、接触面圧を最も適正化し、軌道面内部に発生する応力の最小化により軸受寿命の延長が図れる手法として、特許文献1は、Johns−Goharの式に3つの設計パラメータを導入して整理した対数クラウニング式およびころ軸受を提案している。
また、面圧を適正化するクラウニング形状には、クラウニング形状を問わず転動体又は軌道輪の中心からのころの母線方向の2点のクラウニングドロップ量の範囲を規定した特許文献2がある。その他、特許文献3は、ころに対数クラウニングを付与すると共に、内輪、外輪のどちらか一方にも対数クラウニングを付与することを提案している。
特許第5037094号公報 特許第3731401号公報 特開2010−106974号公報
クラウニングを付与する場合は、内外輪の加工コストを低減するために、内外輪のクラウニングは、転動体としてのころに集約し、ころの転動面にドロップ量の大きな単一アールのクラウニングあるいは対数クラウニングを付与することが好ましい。従い、内外輪にはドロップ量の小さな単一アールのクラウニング形状やクラウニング形状のないストレート形状の軌道面とすることが好ましいことが判明した。
ところが、荷重を受けた際の弾性変形状態において、単一アールのクラウニングは軸方向の中央部の接触長さが短くなってしまうことから、中央部の面圧が高くなり、早期に剥離が生じて軸受寿命が低下するという問題が判明した。
また、対数クラウニングの場合においても端部でのドロップ量が大きくなるため、研削加工上、クラウニング領域においてはある程度の軸方向幅が必要となることから、結果として、中央部の軸方向幅が短くなり、中央部の面圧が高くなって、わずかに軸受寿命が低下するという問題に至った。これに着目したのが本発明である。
本発明は、上記の問題に鑑み、接触面圧の抑制、長寿命化を低コストで実現する円すいころ軸受を提供することを目的とする。
本発明者は、上記の目的を達成するために種々検討した結果、円すいころの転動面に対数クラウニングを付与し、その母線方向中央部のストレート部の軸方向幅を設定するという軸受機能面と、軌道輪の軌道面もコスト上昇を生じないクラウニング形状を設定するという加工コスト面の両方に着目し、コスト抑制と長寿命化を最大限に発揮できるクラウニングの組合せについての着想により、本発明に至った。
前述の目的を達成するための技術的手段として、本発明は、 外周に円錐状の軌道面を有する内輪と、内周に円錐状の軌道面を有する外輪と、前記両軌道面間に組込まれた複数の円すいころと、この円すいころを収容する保持器とからなるトランスミッション用又はデファレンシャル用の円すいころ軸受において、前記内輪および外輪のうち少なくとも前記内輪の軌道面には、その母線方向の中央部に設けられた中央曲線と、この中央曲線の母線方向の両側に設けられ、前記中央曲線よりも曲率半径の小さい端部曲線とからなる複合曲線のカットクラウニングが形成され、前記円すいころの転動面には、その母線方向の中央部に設けられたストレート部と、このストレート部の母線方向の両側に対数クラウニング部が形成されており、前記内輪の軌道面の有効軌道面幅をLGとし、前記円すいころの転動面の前記ストレート部の幅をLW1としたとき、0.7≦LW1/LG<0.95であり、前記対数クラウニング部のドロップ量をDr、前記円すいころの直径をDw、前記内輪の軌道面のカットクラウニングのドロップ量をDcとしたとき、0.003≦(Dr+Dc)/Dw≦0.03の範囲にあることを特徴とする。
上記の構成により、円すいころ軸受の接触面圧を抑制し、長寿命化を低コストで実現することができる。特に、対数クラウニング部のドロップ量をDr、円すいころの直径をDw、内輪の軌道面のカットクラウニングのドロップ量をDcとしたとき、0.003≦(Dr+Dc)/Dw≦0.03の範囲にあることより、エッジ面圧を適正な値にすることができ、かつ、加工性もよく、製造コストを低減することができる。また、トランスミッション用、デファレンシャル用として好適である。
本発明によれば、円すいころ軸受の接触面圧を抑制し、長寿命化を低コストで実現することができる。
本発明の一実施形態に係る円すいころ軸受を示す縦断面図である。 図1の円すいころを拡大した正面図である。 図2のB部を拡大した図である。 図1の内輪を拡大した縦断面図である。 図4の内輪の軌道面の母線方向の形状を示す模式図である。 図1の円すいころ軸受が使用される自動車用トランスミッションを示す縦断面図である。 図1の円すいころ軸受が使用される自動車用デファレンシャルを示す縦断面図である。
本発明の一実施形態に係る円すいころ軸受を図1〜図5に基づいて説明する。図1は、本実施形態の円すいころ軸受の中心線から上側半分を示す縦断面図である。
図1に示すように、円すいころ軸受1は、内輪12、外輪13、内輪12と外輪13との間に組込まれた円すいころ14、円すいころ14を保持する保持器15からなる。内輪12は外周に円錐状の軌道面12aが形成され、小径側に小つば部12bが設けられ、大径側に大つば部12cが設けられている。外輪13は内周に円錐状の軌道面13aが形成されている。内輪12の軌道面12aと外輪13の軌道面13aとの間に複数の円すいころ14が組み込まれている。各円すいころ14は、保持器15のポケット15aに収容され、円周方向等間隔に保持されている。
内輪12の軌道面12aと大つば部12cの大つば面12eとが交わる隅部に研削逃げ部12fが形成され、軌道面12aと小つば部12bの小つば面12dとが交わる隅部に研削逃げ部12gが形成されている。内輪12の軌道面12aには研削逃げ部12f、12gが設けられているので、軌道面12aの有効軌道面幅LG(図4参照)は円すいころ14の転動面16の有効転動面幅LW(図2参照)より小さい。
図1に示すように、円すいころ14の外周には、円錐状の転動面16が形成され、小径側に小端面14a、大径側に大端面14bが形成され、円すいころ14は、その大端面14bが内輪12の大つば面12eで受けられる。円すいころ14の転動面16は、図2に示すように、母線方向の中央部分のストレート部16aと両端部のクラウニング部16b、16cとからなる。図2に示すクラウニング部16b、16cのドロップ量は誇張して表示している。クラウニング部16b、16cの詳細は後述する。図1に示すように、保持器15は、小径側環状部15bと、大径側環状部15cと、小径側環状部15bと大径側環状部15cとを軸方向に繋ぐ複数の柱部15dとからなる。
本実施形態の円すいころ軸受の概要は以上のとおりである。次に、本実施形態の円すいころ軸受の特徴的な構成を図2〜図5に基づいて説明する。図2は、図1の円すいころを拡大した正面図で、図3は、図2のB部を拡大した図で、図4は、図1の内輪を拡大した縦断面図で、図5は、図4の内輪の軌道面の母線方向の形状を示す模式図で、母線方向寸法に対して半径方向寸法(図の上下方向)を500〜1000倍程度の倍率で表示したものである。
本実施形態の円すいころ軸受の特徴的な構成は、円すいころの転動面に対数クラウニングを付与し、その中央部のストレート部の軸方向幅を設定するという軸受機能面と、軌道輪の軌道面もコスト上昇を生じないクラウニング形状を設定するという加工コスト面の両方に着目し、コスト抑制と長寿命化を最大限に発揮できるクラウニングの組合せについての着想により得られたもので、対数クラウニングは円すいころにのみ施され、内輪および外輪のうち少なくとも内輪の軌道面には、従来のカットクラウニングが施されたものである。
図2に示すように、円すいころ14の転動面16は、母線方向の中央部分のストレート部16aと両端部の対数クラウニング部(以下、単にクラウニング部ともいう)16b、16cとからなる。円すいころ14の有効転動面幅はLWで、ストレート部16aの幅はLW1である。円すいころ14の大径側の直径がころ径Dwである。クラウニング部16b、16cの端部には接線角度αが形成されている。
ここで、円すいころ14に施された対数クラウニングに関して説明する。クラウニング部16b、16cの母線は、一例として、次式で表される対数クラウニングの対数曲線に基づいて求められる。この対数クラウニング式は、本出願人の特許第5037094号公報に記載されたものを引用した。
上記の対数クラウニング式中の設計パラメータK1、K2およびzmが設計の対象となる。対数クラウニングの数理的最適化手法について説明する。設計パラメータK2を定めた上で、対数クラウニングを表す関数式中のK1、zmを適切に選択することによって、最適な対数クラウニング設計することができる。クラウニングは一般的に接触部の面圧もしくは応力の最大値を低下させるように設計する。ここでは、転動疲労寿命は、Misesの降伏条件に従って発生すると考え、Misesの相当応力の最大値を最小にするようにK1、zmを選択する。K1、zmは適当な数理的最適化手法を用いて選択することが可能である。数理的最適化手法のアルゴリズムには種々のものが提案されているが、その一つである直接探索法は、関数の微係数を使用せずに最適化を実行することが可能であり、目的関数と変数が数式によって直接的に表現できない場合に有用である。ここでは、直接探索法の一つであるRosenbrock法を用いてK1、zmを求める。
本実施形態における円すいころ14のクラウニング部16b、16cの形状は、上記の数式によって求められた対数曲線クラウニングとした。ただし、上記の数式に限られるものではなく、他の対数クラウニング式を用いて対数曲線を求めてもよい。
図2に示す円すいころ14のクラウニング部16b、16cには上記の数式で求められた対数クラウニングの対数曲線に近似する形状のクラウニングが形成されている。円すいころ14の大端面14b側に形成された対数クラウニング部16bの詳細を図3に基づいて説明する。図3はクラウニング16b部のドロップ量を理解しやすいように図2に示す円すいころ14よりも更に誇張して表示している。クラウニング部16bは、ストレート部16aに大きな曲率半径R1、R2、R3をもつ3つの円弧が滑らかに接続され複合的な円弧形状で構成されている。そして、クラウニング部16bのドロップ量として、第1のゲートのドロップ量Dr1、中間の第2のゲートのドロップ量Dr2、最大の第3のゲートのドロップ量Dr3を規定することにより、対数曲線に近似したクラウニング形状となる。ドロップ量Dr3が、本明細書および特許請求の範囲におけるDrである。また、前述した数式1中のzmに相当する。これにより、エッジ面圧を回避し軸方向の面圧分布を均一化できる。ドロップ量は、サイズや型番によって異なるが、最大でも50μm程度である。小端面14aに形成されたクラウニング部16cは、クラウニング部16bと同様であるので、説明を省略する。本明細書および特許請求の範囲における円すいころの転動面のストレート部は、直線状の他、ドロップ量が数μm程度のクラウニングのある概略直線状のものを含む意味で用いる。
次に、内輪12および外輪13のうち少なくとも内輪12の軌道面12aに施されたカットクラウニングについて図4および図5に基づいて説明する。内輪12の軌道面12aは、その母線方向の中央部に曲率半径R4の大きい中央曲線C1からなるクラウニング中央部12r1が形成され、このクラウニング中央部12r1は幅LG1を有する。クラウニング中央部12r1の中央曲線C1の曲率半径R4は、クラウニング中央部12r1の両端で5μm程度のドロップ量が生じる極めて大きなものである。
クラウニング中央部12r1の母線方向の両側にカットクラウニング部12r2、12r3が形成されている。カットクラウニング部12r2を形成する端部曲線C2の曲率半径R5およびカットクラウニング部12r3を形成する端部曲線C3の曲率半径R6は、いずれも中央曲線C1の曲率半径R4より小さい。クラウニング中央部12r1とカットクラウニング部12r2、12r3との間は、それぞれ滑らかな曲線で接続されている。カットクラウニング部12r2は幅LG2を有し、カットクラウニング部12r2のドロップ量はDc1であり、カットクラウニング部12r3は幅LG3を有し、カットクラウニング部12r3のドロップ量はDc2である。このドロップ量Dc1、Dc2は、例えば、高荷重下、あるいは、高いミスアライメント環境下でのエッジロードの発生を防止するに必要な値に設定され、15〜20μm程度である。特許請求の範囲におけるカットクラウニングのドロップ量Dcは、上記のドロップ量Dc1とDc2を総称したものである。
本実施形態では、クラウニング中央部12r1の母線方向の両側に形成されるカットクラウニング部12r2、12r3、その幅LG2、LG3、端部曲線C2、C3、曲率半径R5、R6およびドロップ量Dc1、Dc2が互いに異なるものを例示したが、これに限られず、カットクラウニング部12r2、12r3、その幅LG2、LG3、端部曲線C2、C3、曲率半径R5、R6およびドロップ量Dc1、Dc2の一部あるいは全部が互いに同じ場合もある。
図4に示すように、内輪12の軌道面12aには研削逃げ部12f、12gが設けられているので、軌道面12aの有効軌道面幅はLGとなる。有効軌道面幅LGは、クラウニング中央部12r1の幅LG1と両側のカットクラウニング部12r2、12r3の幅LG2、LG3とを加算したものでもある。
以上では、内輪12の軌道面12aのクラウニング中央部12r1および両側のカットクラウニング部12r2、12r3を説明したが、外輪13の軌道面13aにカットクラウニングを施す場合には、内輪12のクラウニングと同様であるので、説明は省略する。
次に、前述した円すいころ14の転動面16にストレート部と対数クラウニング部を形成すると共に、内輪12の軌道面12aに、クラウニング中央部とカットクラウニング部を施した場合について、円すいころ14のストレート部の幅LW1と内輪12の有効軌道面幅LGの比を異ならせて、対数クラウニング端部でのドロップ量Dr(Dr3)と、その接線角度α、加工性および接触面圧値の変化度合についての検証結果を表1に示す。
表1に示す検証においては、円すいころのストレート部の幅LW1と輪の有効軌道面幅LGとの比較とし、比LW1/LGを異ならせて評価した。この理由は、内輪の軌道面にカットクラウニングが施されているので、内輪の有効軌道面幅LGとの比の方がより即応した検証結果が得られるとの考えによる。内輪の有効軌道面幅LGと後述する段落0038の表2に示す円すいころの有効転動面幅LWとの比LW/LGは1.1〜1.2程度である。比LW/LGが1.1〜1.2程度であるため、表1のLW1/LG=0.6は表2のLW1/LW=0.5とほぼ同義であり、LW1/LG=0.6の場合はクラウニングを円すいころに集約するのが加工上望ましいことから、カットクラウニングは不要とした。
表1に示すように、中央部の接触面圧を効果的に下げるためには、内輪の有効軌道面幅LGに対するころのストレート部の幅LW1の比LW1/LGは、0.7以上とすることが望ましい。本実施形態の円すいころ軸受1では、円すいころの対数クラウニング部のドロップ量を超仕上げ加工が可能な範囲に設定した上で、ドロップ量の不足分は、内輪ないしは外輪の従来のカットクラウニングで補うことにより、比LW1/LGが0.9以上でも問題なく加工できる。ただし、比LW1/LGが0.95になると、ころ端部での接線角度αが大きくなり過ぎて加工が困難であることが確認できた。
ここで、円すいころ端部の接触角度αが大きくなり過ぎると超仕上げ加工が困難になる理由を説明する。図示は省略するが、円すいころの超仕上げ加工は、例えば、一対のフィードドラムに形成された案内ねじ面に円すいころを支持し、円すいころを回転させながらフィードドラム間を通し送りされ、その際、ころ外周面が砥石により超仕上げ加工される。円すいころのストレート部と対数クラウニング部を超仕上げ加工するために円すいころの姿勢を変化させる。このためにフィードドラムの案内ねじ面のねじ底角度を変化させているが、円すいころ端部の接触角度αが大きくなり過ぎると加工が困難になる。
以上の検証結果より、比LW1/LGを0.7≦LW1/LG<0.95の範囲とすることにより、接触面圧の低減およびエッジロードの発生を抑えることができ、かつ、加工性もよく、製造コストを低減することができる。
これに対して、開発過程の知見として、内輪の軌道面はストレート形状で、円すいころのみに対数クラウニングを施した場合の検証結果を表2に示す。
表2に示すように、円すいころにのみ対数クラウニングを施した場合は、ころの有効転動面幅LWに対するストレート部の幅LW1の比LW1/LWが0.9以上になると、ころ端部での接線角度αが大きくなり過ぎて、加工が困難である。また、比LW1/LWが0.45では、中央部の接触面圧が増加することから実用不可となった。
図1に示す円すいころ14の小端面14aと小つば面12dとのすきまSを0.4mm以下に設定したので、スキューの抑制効果が得られると共に、円すいころ軸受1の組込時の馴染み回転を減らし組付け性も良好となる。上記のすきまSは、例えば、自動車用トランスミッションに使用される円すいころ軸受のサイズでは0.4mm以下であるが、大きなサイズの円すいころ軸受の場合は、すきまSは0.5mm以上のものもある。
図2および図4に示すころ径Dwに対するころと内輪のクラウニングの合計ドロップ量Dr+Dcの比(Dr+Dc)/Dwは、0.003≦(Dr+Dc)/Dw≦0.03の範囲とすることにより、エッジ面圧を適正な値にすることができ、かつ、加工性もよく、製造コストを低減することができる。(Dr+Dc)/Dwが0.003より小さいとエッジ面圧が大きくなり、(Dr+Dc)/Dwが0.03より大きいとドロップ量Drが大きくなり過ぎて製造困難となる。
以上説明したように、本実施形態の円すいころ軸受1は、円すいころの対数クラウニング部のドロップ量を超仕上げ加工が可能な範囲に設定した上で、ドロップ量の不足分は、内輪ないしは外輪の従来のカットクラウニングで補うことにより、ストレート部を長く確保し、接触面圧の低減およびエッジロードの発生を抑えることができ、かつ、加工性もよく、製造コストを低減することができるという顕著な効果を有する。
最後に、本実施形態の円すいころ軸受1の好適な用途として、自動車用トランスミッションおよび自動車用デファレンシャルの概要を図6および図7に基づいて説明する。図6は自動車用トランスミッションの要部の縦断面図で、図7は自動車用デファレンシャルの縦断面図である。
図6に示すトランスミッション30は同期噛合式変速機の一例である。ミッションケース31に円すいころ軸受11を介して入力軸32が回転自在に支持され、入力軸32と同軸上に、主軸33が配置されている。入力軸32と主軸33は、パイロット部の円すいころ軸受12により、相対回転可能に支持されている。図示は省略するが、主軸33の他の部位も円すいころ軸受によって支持されている。入力軸32および主軸33と所定間隔で平行配置された副軸34は、円すいころ軸受13と他の円すいころ軸受(図示省略)によって支持されている。入力軸32には入力軸歯車35が一体に設けられ、副軸34の副軸歯車36に常時噛合っている。
主軸33にはアイドラ部の円すいころ軸受14を介して主軸歯車(以下、単に歯車ともいう)43が回転自在に装着されている。主軸歯車43は、副軸34の歯車37に常時噛合っている。本実施形態に係る円すいころ軸受は、上記の円すいころ軸受11〜14および図示を省略した他の円すいころ軸受を指す。シンクロ機構39は、セレクタ(図示省略)の作動によって軸方向(図6の左右方向)移動し変速操作が行われる。
次に、デファレンシャルを図7に基づいて説明する。図は一般的な自動車のデファレンシャルの縦断面図である。デファレンシャルケース100の入力側にドライブピニオン軸101が収容され、一対の円すいころ軸受15、16により回転自在に支持される。ドライブピニオン軸101の一端部にはプロペラシャフト102が連結され、他端部にはリンクギヤ(減速大歯車)103とかみ合うドライブピニオンギヤ(減速小歯車)104が一体に設けられている。
リンクギヤ103は差動歯車ケース105に連結され、差動歯車ケース105は一対の円すいころ軸受17、18によりデファレンシャルケース100に対して回転自在に支持される。差動歯車ケース105の内部に、一対のピニオンギヤ106と、これとかみ合う一対のサイドギヤ107とがそれぞれ配設される。ピニオンギヤ106はピニオン軸108に装着され、サイドギヤ107は差動歯車ケース105に装着されている。サイドギヤ107の内径部に左右のドライブシャフト(図示省略)が連結(セレーション連結等)される。本実施形態の円すいころ軸受は、上記の円すいころ軸受15〜18である。プロペラシャフト102の駆動トルクは、ドライブピニオンギヤ104→リンクギヤ103→差動歯車ケース105→ピニオンギヤ106→サイドギヤ107→ドライブシャフトという経路で伝達される。
本発明は前述した実施形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、さらに種々の形態で実施し得ることは勿論のことであり、本発明の範囲は、特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲に記載の均等の意味、および範囲内のすべての変更を含む。
1 円すいころ軸受
12 内輪
12a 軌道面
12b 小つば部
12c 大つば部
12d 小つば面
12e 大つば面
12f 研削逃げ部
12g 研削逃げ部
12r1 クラウニング中央部
12r2 カットクラウニング部
13 外輪
13a 軌道面
14 円すいころ
14a 小端面
14b 大端面
15 保持器
16 転動面
16a ストレート部
16b 対数クラウニング部
16c 対数クラウニング部
C1 中央曲線
C2 端部曲線
Dc カットクラウニング部ドロップ量
Dr 対数クラウニング端部ドロップ量
Dw ころ径
LG 有効軌道面幅
LG1 クラウニング中央部幅
LG2 カットクラウニング部幅
LW 有効転動面幅
LW1 ストレート部幅
S すきま

Claims (1)

  1. 外周に円錐状の軌道面を有する内輪と、内周に円錐状の軌道面を有する外輪と、前記両軌道面間に組込まれた複数の円すいころと、この円すいころを収容する保持器とからなるトランスミッション用又はデファレンシャル用の円すいころ軸受において、
    前記内輪および外輪のうち少なくとも前記内輪の軌道面には、その母線方向の中央部に設けられた中央曲線と、この中央曲線の母線方向の両側に設けられ、前記中央曲線よりも曲率半径の小さい端部曲線とからなる複合曲線のカットクラウニングが形成され、
    前記円すいころの転動面には、その母線方向の中央部に設けられたストレート部と、このストレート部の母線方向の両側に対数クラウニング部が形成されており、
    前記内輪の軌道面の有効軌道面幅をLGとし、前記円すいころの転動面の前記ストレート部の幅をLW1としたとき、0.7≦LW1/LG<0.95であり、
    前記対数クラウニング部のドロップ量をDr、前記円すいころの直径をDw、前記内輪の軌道面のカットクラウニングのドロップ量をDcとしたとき、0.003≦(Dr+Dc)/Dw≦0.03の範囲にあることを特徴とする円すいころ軸受。
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