JP6858050B2 - 円錐ころ軸受 - Google Patents

Description

この発明は、円錐ころ軸受に関する。

近年の自動車用トランスミッションおよびデファレンシャルなどについては、小型化が要請されている。そのため、これらの機械装置における軸受に許容されるスペースは小さくなってきている。したがって、軸受には小型でかつ高荷重に耐えることが求められる。

また、上述した自動車用の機械装置においては、アルミハウジングの採用など軽量化のための構成が採用されてきている。この結果、機械装置のケース剛性が低下する場合がある。この場合、機械装置を構成する軸受に対して外力が加わり、ころの軸傾きが大きくなることがあるが、このような高ミスアライメント環境下においても軸受には高い耐久性が求められる。

上記のような要請に対応するため、上述した自動車用の機械装置に適用される軸受の一種として、円錐ころ軸受が知られている（たとえば、特開２０１４−２３８１５３号公報参照）。

また、上述した円錐ころ軸受などの軸受に適用できる技術として、特開２００３−２２６９１８号公報には、軸受部品の鋼をＡ₁変態点を超える浸炭窒化処理温度で浸炭窒化処理後、Ａ₁変態点未満の温度に冷却した後、Ａ₁変態点以上で浸炭窒化処理の温度未満の焼入れ温度に再加熱する軸受部品の熱処理方法が開示されている。このような熱処理方法により得られた軸受部品は、転動疲労に対して長寿命であり、かつ高い割れ強度を有し、かつ経年寸法変化率の増大が抑制されている。

特開２００９−１９７９０４号公報には、潤滑が希薄な転がり機械要素においても、特殊な材料の使用や、特殊な熱処理や表面処理等の加工を施すことなく、接触面の表面損傷を容易かつ効果的に防止できる転がり機械要素が開示されている。

特開２０１０−２５５７３０号公報には、面圧や接触部の応力を低減し軸受の長寿命化を図ると共に、軌道面の加工不良を未然に解消しつつ、ころの両端部のドロップ量の低減を図り、加工効率の向上を図ることができる円錐ころ軸受が開示されている。

特開２０１４−２３８１５３号公報 特開２００３−２２６９１８号公報 特開２００９−１９７９０４号公報 特開２０１０−２５５７３０号公報

円錐ころ軸受は高剛性であり高荷重に耐えることが可能であり、上述した技術を適用して特性の改善がなされているが、上記機械装置の信頼性や性能の向上を図る観点から、円錐ころ軸受のさらなる長寿命化および耐久性の向上が求められている。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、この発明の目的は、長寿命かつ高い耐久性を有する円錐ころ軸受を提供することである。

本開示に係る円錐ころ軸受は、外輪と、内輪と、複数の円錐ころとを備える。外輪は、内周面において外輪軌道面を有する。内輪は、外周面において内輪軌道面を有し、外輪の内側に配置される。複数の円錐ころは、外輪軌道面と内輪軌道面との間に配列される。複数の円錐ころは、外輪軌道面および内輪軌道面と接触する転動面を有する。外輪、内輪および複数の円錐ころのうちの少なくともいずれか１つは、外輪軌道面、内輪軌道面または転動面の表面層に形成された窒素富化層を含む。表面層の最表面から窒素富化層の底部までの距離は０．２ｍｍ以上である。ころ係数γが０．９０を超えている。円錐ころの転動面にはクラウニングが形成されている。

クラウニングのドロップ量の和は、円錐ころの転動面の母線をｙ軸とし、母線直交方向をｚ軸とするｙ−ｚ座標系において、Ｋ_１，Ｋ_２，ｚ_ｍを設計パラメータ、Ｑを荷重、Ｌを円錐ころにおける転動面の有効接触部の母線方向長さ、Ｅ’を等価弾性係数、ａを円錐ころの転動面の母線上にとった原点から有効接触部の端部までの長さ、Ａ＝２Ｋ_１Ｑ／πＬＥ’としたときに、下記の式（１）で表される。

上記によれば、長寿命かつ高い耐久性を有する円錐ころ軸受を提供することができる。

実施の形態１に係る円錐ころ軸受を示す縦断面図である。 実施の形態１に係る円錐ころ軸受において、窒素富化層を説明するための部分断面図である。 実施の形態１に係る円錐ころ軸受のころのクラウニング部および中央部での窒素富化層の形状を説明するための図である。 実施の形態１に係る円錐ころ軸受のころの対数クラウニングの形状を説明するための図である。 クラウニング形状の一例を示すｙ−ｚ座標図である。 実施の形態１に係る円錐ころ軸受を示す横断面図である。 実施の形態１に係る円錐ころ軸受の保持器の展開平面図である。 輪郭線が対数関数で表されるクラウニングを設けたころを示す図である。 部分円弧のクラウニングとストレート部を設けたころの輪郭線と、ころの転動面における接触面圧を重ねて示した図である。 実施の形態１に係る円錐ころ軸受の製造方法のフローチャートである。 実施の形態１における熱処理方法を説明するための図である。 実施の形態１における熱処理方法の変形例を説明するための図である。 実施の形態１に係る軸受部品のオーステナイト粒界を示す図である。 従来の軸受部品のオーステナイト粒界を示す図である。 実施の形態２に係る円錐ころ軸受の部分断面図である。 図１５に示される円錐ころ軸受のころのクラウニング形状を示す図である。 図１５に示される円錐ころ軸受のころの母線方向座標とドロップ量との関係を表す図である。 Ｍｉｓｅｓの相当応力の最大値と対数クラウニングパラメータとの関係を表す図である。 実施の形態２に係る円錐ころ軸受の変形例を示す図である。 実施の形態２に係る円錐ころ軸受の他の変形例を示す図である。 実施の形態に係る円錐ころ軸受を備えるデファレンシャルを示す縦断面図である。 実施の形態に係る円錐ころ軸受を備えるトランスミッションを示す縦断面図である。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付しその説明は繰返さない。

（実施の形態１）
＜円錐ころ軸受の構成＞
図１は、本発明の実施の形態に係る円錐ころ軸受の断面模式図である。図２は、図１に示した円錐ころ軸受の部分断面模式図である。図３は、図１に示した円錐ころ軸受の円錐ころの部分断面模式図である。図４は、図３に示した円錐ころの拡大部分断面模式図である。図１〜図４を用いて本実施の形態に係る円錐ころ軸受を説明する。

図１に示す円錐ころ軸受１０は、外輪１１と、内輪１３と、複数の円錐ころ（以下では単に、ころと呼ぶこともある）１２と、保持器１４とを主に備えている。外輪１１は、環形状を有し、その内周面に外輪軌道面１１Ａを有している。内輪１３は、環形状を有し、その外周面に内輪軌道面１３Ａを有している。内輪１３は、この内輪軌道面１３Ａの大径側および小径側に大つば部４１および小つば部４２をそれぞれ有する。内輪１３は、内輪軌道面１３Ａが外輪軌道面１１Ａに対向するように外輪１１の内周側に配置されている。なお、以下の説明において、円錐ころ軸受１０の中心軸に沿った方向を「軸方向」、中心軸に直交する方向を「径方向」、中心軸を中心とする円弧に沿った方向を「周方向」と呼ぶ。

ころ１２は、外輪１１の内周面上に配置されている。ころ１２はころ転動面１２Ａを有し、当該ころ転動面１２Ａにおいて内輪軌道面１３Ａおよび外輪軌道面１１Ａに接触する。複数のころ１２は合成樹脂からなる保持器１４により周方向に所定のピッチで配置されている。これにより、ころ１２は、外輪１１および内輪１３の円環状の軌道上に転動自在に保持されている。また、円錐ころ軸受１０は、外輪軌道面１１Ａを含む円錐、内輪軌道面１３Ａを含む円錐、およびころ１２が転動した場合の回転軸の軌跡を含む円錐のそれぞれの頂点が軸受の中心線上の１点で交わるように構成されている。このような構成により、円錐ころ軸受１０の外輪１１および内輪１３は、互いに相対的に回転可能となっている。なお、保持器１４は樹脂製に限らず、金属製であってもよい。

外輪１１、内輪１３、ころ１２を構成する材料は鋼であってもよい。当該鋼は、窒素富化層１１Ｂ、１２Ｂ、１３Ｂ以外の部分で、少なくとも炭素を０．６質量％以上１．２質量％以下、珪素を０．１５質量％以上１．１質量％以下、マンガンを０．３質量％以上１．５質量％以下含む。上記鋼は、さらに２．０質量％以下のクロムを含んでいてもよい。

上記の構成において、炭素が１．２質量％を超えると、球状化焼鈍を行なっても素材硬度が高いので冷間加工性を阻害し、冷間加工を行なう場合に十分な冷間加工量と、加工精度を得ることができない。また、浸炭窒化処理時に過浸炭組織になりやすく、割れ強度が低下する危険性がある。他方、炭素含有量が０．６質量％未満の場合には、所要の表面硬さと残留オーステナイト量を確保するのに長時間を必要としたり、再加熱後の焼入れで必要な内部硬さが得られにくくなる。

Ｓｉ含有率を０．１５〜１．１質量％とするのは、Ｓｉが耐焼戻し軟化抵抗を高めて耐熱性を確保し、異物混入潤滑下での転がり疲労寿命特性を改善することができるからである。Ｓｉ含有率が０．１５質量％未満では異物混入潤滑下での転がり疲労寿命特性が改善されず、一方、Ｓｉ含有率が１．１質量％を超えると焼きならし後の硬度を高くしすぎて冷間加工性を阻害する。

Ｍｎは浸炭窒化層と芯部の焼入れ硬化能を確保するのに有効である。Ｍｎ含有率が０．３質量％未満では、十分な焼入れ硬化能を得ることができず、芯部において十分な強度を確保することができない。一方、Ｍｎ含有率が１．５質量％を超えると、硬化能が過大になりすぎ、焼きならし後の硬度が高くなり冷間加工性が阻害される。また、オーステナイトを安定化しすぎて芯部の残留オーステナイト量を過大にして経年寸法変化を助長する。さらに、鋼が２．０質量％以下のクロムを含むことにより、表層部においてクロムの炭化物や窒化物を析出して表層部の硬度を向上しやすくなる。Ｃｒ含有率を２．０質量％以下としたのは、２．０質量％を超えると冷間加工性が著しく低下したり、２．０質量％を超えて含有しても上記表層部の硬度向上の効果が小さいからである。

なお、本開示の鋼は、言うまでもなくＦｅを主成分とし、上記の元素の他に不可避的不純物を含んでいてもよい。不可避的不純物としては、リン（Ｐ）、硫黄（Ｓ）、窒素（Ｎ）、酸素（Ｏ）、アルミ（Ａｌ）などがある。これらの不可避的不純物元素の量は、それぞれ０．１質量％以下である。

また異なる観点から言えば、外輪１１および内輪１３は、軸受用材料の一例である鋼材、たとえばＪＩＳ規格ＳＵＪ２からなるものであることが好ましい。ころ１２は、軸受用材料の一例である鋼材、たとえばＪＩＳ規格ＳＵＪ２により構成されてもよい。また、ころ１２は、他の材料、たとえばサイアロン焼結体により構成されていてもよい。

図２に示すように、外輪１１の軌道面１１Ａおよび内輪１３の軌道面１３Ａには窒素富化層１１Ｂ、１３Ｂが形成されている。内輪１３では、窒素富化層１３Ｂが軌道面１３Ａから小鍔面および大鍔面にまで延在している。窒素富化層１１Ｂ、１３Ｂは、それぞれ外輪１１の未窒化部１１Ｃまたは内輪１３の未窒化部１３Ｃより窒素濃度が高くなっている領域である。また、ころ１２の転動面１２Ａを含む表面には窒素富化層１２Ｂが形成されている。ころ１２の窒素富化層１２Ｂは、ころ１２の未窒化部１２Ｃより窒素濃度が高くなっている領域である。窒素富化層１１Ｂ、１２Ｂ、１３Ｂは、たとえば浸炭窒化処理、窒化処理など従来周知の任意の方法により形成できる。

なお、ころ１２のみに窒素富化層１２Ｂを形成してもよいし、外輪１１のみに窒素富化層１１Ｂを形成してもよいし、内輪１３のみに窒素富化層１３Ｂを形成してもよい。あるいは、外輪１１、内輪１３、ころ１２のうちの２つに窒素富化層を形成してもよい。また、窒素富化層１１Ｂ、１２Ｂ，１３Ｂに関して、最表面から０．０５ｍｍの深さ位置での窒素富化層における窒素濃度が０．１質量％以上であってもよい。

図３に示すように、ころ１２の転動面１２Ａ（図２参照）は、クラウニング部２２、２４と中央部２３とを含む。クラウニング部２２、２４は転動面１２Ａの両端部に位置し、クラウニングが形成されている。中央部２３は、クラウニング部２２、２４の間を繋ぐように配置されている。中央部２３にはクラウニングは形成されておらず、ころ１２の回転軸である中心線２６に沿った方向での断面における中央部２３の形状は直線状である。ころ１２の小端面１７とクラウニング部２２との間には面取り部２１が形成されている。大端面１６とクラウニング部２４との間にも面取り部２５が形成されている。

ここで、ころ１２の製造方法において、窒素富化層１２Ｂを形成する処理（浸炭窒化処理）を実施するときには、ころ１２にはクラウニングが形成されておらず、ころ１２の外形は図４の点線で示される加工前表面１２Ｅとなっている。この状態で窒素富化層が形成された後、仕上げ加工として図４の矢印に示すようにころ１２の側面が加工され、図３および図４に示すように、クラウニングが形成されたクラウニング部２２、２４が得られる。

窒素富化層の厚さ：
ころ１２における窒素富化層１２Ｂの深さ、すなわち窒素富化層１２Ｂの最表面から窒素富化層１２Ｂの底部までの距離は、０．２ｍｍ以上となっている。具体的には、面取り部２１とクラウニング部２２との境界点である第１測定点３１、小端面１７から距離Ｗが１．５ｍｍの位置である第２測定点３２、ころ１２の転動面１２Ａの中央である第３測定点３３において、それぞれの位置での窒素富化層１２Ｂの深さＴ１、Ｔ２、Ｔ３が０．２ｍｍ以上となっている。ここで、上記窒素富化層１２Ｂの深さとは、ころ１２の中心線２６に直交するとともに外周側に向かう径方向における窒素富化層１２Ｂの厚さを意味する。なお、窒素富化層１２Ｂの深さＴ１、Ｔ２、Ｔ３の値は、面取り部２１、２５の形状やサイズ、さらに窒素富化層１２Ｂを形成する処理および上記仕上げ加工の条件などのプロセス条件に応じて適宜変更可能である。たとえば、図４に示した構成例では、上述のように窒素富化層１２Ｂが形成された後にクラウニング２２Ａが形成されたことに起因して、窒素富化層１２Ｂの深さＴ２は他の深さＴ１、Ｔ３より小さくなっているが、上述したプロセス条件を変更することで、上記窒素富化層１２Ｂの深さＴ１、Ｔ２、Ｔ３の値の大小関係は適宜変更することができる。

また、外輪１１および内輪１３における窒素富化層１１Ｂ、１３Ｂについても、その最表面から窒素富化層１１Ｂ、１３Ｂの底部までの距離である窒素富化層１１Ｂ、１３Ｂの厚さは０．２ｍｍ以上である。ここで、窒素富化層１１Ｂ、１３Ｂの厚さは、窒素富化層１１Ｂ、１３Ｂの最表面に対して垂直な方向における窒素富化層１１Ｂ，１３Ｂまでの距離を意味する。

クラウニングの形状：
ころ１２のクラウニング部２２、２４に形成されたクラウニングの形状は、以下のように規定される。すなわち、クラウニングのドロップ量の和は、ころ１２の転動面１２Ａの母線をｙ軸とし、母線直交方向をｚ軸とするｙ−ｚ座標系において、Ｋ_１，Ｋ_２，ｚ_ｍを設計パラメータ、Ｑを荷重、Ｌをころ１２における転動面１２Ａの有効接触部の母線方向長さ、Ｅ’を等価弾性係数、ａをころ１２の転動面の母線上にとった原点から有効接触部の端部までの長さ、Ａ＝２Ｋ_１Ｑ／πＬＥ’としたときに、下記の式（１）で表される。

図５は、クラウニング形状の一例を示すｙ−ｚ座標図である。図５では、ころ１２の母線をｙ軸とし、ころ１２の母線上であって内輪１３又は外輪１１ところ１２の有効接触部の中央部に原点Ｏをとると共に、母線直交方向（半径方向）にｚ軸をとったｙ−ｚ座標系に、上記式（１）で表されるクラウニングの一例を示している。図５において縦軸はｚ軸、横軸はｙ軸である。有効接触部は、ころ１２にクラウニングを形成していない場合の内輪１３又は外輪１１ところ１２との接触部位である。また、円錐ころ軸受１０を構成する複数のころ１２の各クラウニングは、通常、有効接触部の中央部を通るｚ軸に関して線対称に形成されるので、図５では、一方のクラウニング２２Ａのみを示している。

荷重Ｑ、有効接触部の母線方向長さＬ、および、等価弾性係数Ｅ’は、設計条件として与えられ、原点から有効接触部の端部までの長さａは、原点の位置によって定められる値である。

上記式（１）において、ｚ（ｙ）は、ころ１２の母線方向位置ｙにおけるクラウニング２２Ａのドロップ量を示しており、クラウニング２２Ａの始点Ｏ１の座標は（ａ−Ｋ_２ａ，０）であるから、式（１）におけるｙの範囲は、ｙ＞（ａ−Ｋ_２ａ）である。また、図５では、原点Ｏを有効接触部の中央部にとっているので、ａ＝Ｌ／２となる。さらに、原点Ｏからクラウニング２２Ａの始点Ｏ１までの領域は、クラウニングが形成されていない中央部（ストレート部）であるから、０≦ｙ≦（ａ−Ｋ_２ａ）のとき、ｚ（ｙ）＝０となる。

設計パラメータＫ_１は荷重Ｑの倍率、幾何学的にはクラウニング２２Ａの曲率の程度を意味している。設計パラメータＫ_２は、原点Ｏから有効接触部の端部までの母線方向長さａに対するクラウニング２２Ａの母線方向長さｙｍの割合を意味している（Ｋ_２＝ｙｍ／ａ）。設計パラメータｚ_ｍは、有効接触部の端部におけるドロップ量、即ちクラウニング２２Ａの最大ドロップ量を意味している。

ここで、後述する図８に示したころのクラウニングは、設計パラメータＫ_２＝１であってストレート部の無いフルクライニングであり、エッジロードが発生しない十分なドロップ量が確保されている。しかしながら、ドロップ量が過大であると、加工時に、材料取りされた素材から生じる取代が大きくなり、コスト増大を招くこととなる。そこで、以下のように、設計パラメータＫ_１，Ｋ_２，ｚ_ｍの最適化を行う。

設計パラメータＫ_１，Ｋ_２，ｚ_ｍの最適化手法としては種々のものを採用することができ、例えば、Ｒｏｓｅｎｂｒｏｃｋ法等の直接探索法を採用することができる。ここで、ころの転動面における表面起点の損傷は面圧に依存するので、最適化の目的関数を面圧とすることにより、希薄潤滑下における接触面の油膜切れを防止するクラウニングを得ることができる。

また、ころに対数クラウニングを施す場合、ころの加工精度を確保するためには転動面の中央部分に全長の１／２以上の長さのストレート部（中央部２３）を設けるのが好ましい。この場合は、Ｋ_２を一定の値とし、Ｋ_１，ｚ_ｍについて最適化すればよい。

ころ係数：
図１および図６に示すように、内輪１３は、円錐状の軌道面１３Ａを有し、この軌道面１３Ａの大径側に大つば部４１、小径側に小つば部４２を有する。円錐ころ軸受１０は、ころ係数γ＞０．９０となっている。ここで、ころ係数γは、ころ本数Ｚ、ころ平均径ＤＡ、ころピッチ円径ＰＣＤとして、関係式γ＝（Ｚ・ＤＡ）／（π・ＰＣＤ）で定義される。

保持器の形状：
図７に示すように、上記保持器１４は、円錐ころ１２の小径端面側で連なる小環状部１０６と、円錐ころ１２の大径端面側で連なる大環状部１０７と、これらの小環状部１０６と大環状部１０７を連結する複数の柱部１０８とからなり、円錐ころ１２の小径側を収納する部分が狭幅側、大径側を収納する部分が広幅側となる台形状のポケット１０９が形成されている。ポケット１０９の狭幅側と広幅側には、それぞれ両側の柱部１０８に２つずつ切欠き１１０ａ、１１０ｂが設けられており、各切欠き１１０ａ、１１０ｂの寸法は、いずれも深さ１．０ｍｍ、幅４．６ｍｍとされている。

窒素富化層の結晶組織：
図１３は、本実施の形態に係る円錐ころ軸受を構成する軸受部品のミクロ組織、特に旧オーステナイト結晶粒界を図解した模式図である。図１３は、窒素富化層１２Ｂにおけるミクロ組織を示している。本実施の形態における窒素富化層１２Ｂにおける旧オーステナイト結晶粒径はＪＩＳ規格の粒度番号が１０以上となっており、従来の一般的な焼入れ加工品と比べても十分に微細化されている。

＜各種特性の測定方法＞
窒素濃度の測定方法：
外輪１１、ころ１２、内輪１３などの軸受部品について、それぞれ窒素富化層１１Ｂ，１２Ｂ、１３Ｂが形成された領域の表面に垂直な断面について、ＥＰＭＡ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｐｒｏｂｅ Ｍｉｃｒｏ Ａｎａｌｙｓｉｓ）により深さ方向で線分析を行う。測定は、各軸受部品を測定位置から表面に垂直な方向に切断することで切断面を露出させ、当該切断面において測定を行う。たとえば、ころ１２については、図３に示した第１測定点３１〜第３測定点３３のそれぞれの位置から、中心線２６と垂直な方向にころ１２を切断することで切断面を露出させる。当該切断面において、ころ１２の表面から内部に向かって０．０５ｍｍの位置となる複数の測定位置にて、上記ＥＰＭＡにより窒素濃度について分析を行う。たとえば、上記測定位置を５か所決定し、当該５か所での測定データの平均値をころ１２の窒素濃度とする。

また、外輪１１および内輪１３については、軌道面１１Ａ、１３Ａにおいて軸受の中心軸方向における中央部を測定位置として、中心軸および当該中心軸に直交する径方向に沿った断面を露出させた後、当該断面について上記と同様の手法により窒素濃度の測定を行う。

最表面から窒素富化層の底部までの距離の測定方法：
外輪１１および内輪１３については、上記窒素濃度の測定方法において測定対象とした断面につき、表面から深さ方向において硬度分布を測定する。測定装置としてはビッカース硬さ測定機を用いることができる。５００℃×１ｈの焼き戻し処理後の円錐ころ軸受１０の外輪１１および内輪１３において、深さ方向に並ぶ複数の測定点、たとえば０．５ｍｍ間隔に配置された測定点において硬度測定を実施する。そして、ビッカース硬さがＨＶ４５０以上の領域を窒素富化層とする。

また、ころ１２については、図３に示した第１測定点３１での断面において、上記のように深さ方向での硬度分布を測定し、窒素富化層の領域を決定する。

粒度番号の測定方法：
旧オーステナイト結晶粒径の測定方法は、ＪＩＳ規格Ｇ０５５１：２０１３に規定された方法を用いる。測定を行う断面は、窒素富化層の底部までの距離の測定方法において測定を行った断面とする。

クラウニング形状の測定方法：
ころ１２のクラウニング形状について、任意の方法により測定できる。たとえば、ころ１２の形状を表面性状測定器により測定することにより、クラウニング形状を測定してもよい。

＜円錐ころ軸受の作用効果＞
以下一部重複する部分もあるが、上述した円錐ころ軸受の特徴的な構成を列挙する。

本開示に従った円錐ころ軸受１０は、外輪１１と内輪１３と複数の円錐ころであるころ１２とを備える。外輪１１は、内周面において外輪軌道面１１Ａを有する。内輪１３は、外周面において内輪軌道面１３Ａを有し、外輪１１の内側に配置される。複数のころ１２は、外輪軌道面１１Ａと内輪軌道面１３Ａとの間に配列され、外輪軌道面１１Ａおよび内輪軌道面１３Ａと接触する転動面１２Ａを有する。外輪１１、内輪１３および複数のころ１２のうちの少なくともいずれか１つは、外輪軌道面１１Ａ、内輪軌道面１３Ａまたは転動面１２Ａの表面層に形成された窒素富化層１１Ｂ、１３Ｂ、１２Ｂを含む。表面層の最表面から窒素富化層１１Ｂ、１２Ｂ、１３Ｂの底部までの距離Ｔ１は０．２ｍｍ以上である。ころ係数γは０．９０を超えている。ころ１２の転動面１２Ｂにはクラウニング２２Ａが形成されている。クラウニング２２Ａのドロップ量の和は、ころ１２の転動面１２Ｂの母線をｙ軸とし、母線直交方向をｚ軸とするｙ−ｚ座標系において、Ｋ_１，Ｋ_２，ｚ_ｍを設計パラメータ、Ｑを荷重、Ｌをころ１２における転動面１２Ａの有効接触部の母線方向長さ、Ｅ’を等価弾性係数、ａをころ１２の転動面の母線上にとった原点から有効接触部の端部までの長さ、Ａ＝２Ｋ_１Ｑ／πＬＥ’としたときに、下記の式（１）で表される。

なお、荷重Ｑ、有効接触部の母線方向長さＬ、および等価弾性係数Ｅ’は設計条件として与えられ、原点から有効接触部の端部までの長さａは原点の位置に応じて定められる値である。

このようにすれば、外輪１１、内輪１３、円錐ころとしてのころ１２の少なくともいずれか１つにおいて窒素富化層１１Ｂ、１２Ｂ、１３Ｂが形成されているので、転動疲労に対して長寿命な円錐ころ軸受１０を実現できる。

また、ころ１２の転動面１２Ａに上記式（１）によりドロップ量の和が表されるような、輪郭線が対数関数で表されるクラウニング（いわゆる対数クラウニング）を設けているので、従来の部分円弧で表されるクラウニングを形成した場合より局所的な面圧の上昇を抑制でき、ころ１２の転動面１２Ａにおける摩耗の発生を抑制できる。

また、ころ係数γが０．９０を超えているので、円錐ころ軸受１０の負荷容量がアップするばかりでなく、軌道面１２Ａの最大面圧を低下させることができるため、過酷潤滑条件下での極短寿命での表面起点剥離を防止することができる。特に、近年では、円錐ころ軸受が組み込まれる装置（例えば、トランスミッション又はデファレンシャル等の自動車の動力伝達装置）では、使用される潤滑油の粘度が低下しているため、円錐ころ軸受が従来に比べて過酷な潤滑環境下に置かれる傾向にある。そこで、ころ係数γが０．９０を超える範囲に設定することで、上記のような低粘度の潤滑油が使用される装置に組み込まれたとしても。円錐ころ軸受１０を長寿命化することができる。

ここで、上述した対数クラウニングの効果についてより詳細に説明する。図８は、輪郭線が対数関数で表されるクラウニングを設けたころの輪郭線と、ころの転動面における接触面圧を重ねて示した図である。図９は、部分円弧のクラウニングとストレート部との間を補助円弧としたころの輪郭線と、ころの転動面における接触面圧を重ねて示した図である。図８および図９の左側の縦軸は、クラウニングのドロップ量(単位：ｍｍ）を示している。図８および図９の横軸は、ころにおける軸方向での位置（単位：ｍｍ）を示している。図８および図９の右側の縦軸は、接触面圧（単位：ＧＰａ）を示している。

円錐ころの転動面の輪郭線を部分円弧のクラウニングとストレート部とを有する形状に形成した場合、図９に示すように、ストレート部、補助円弧及びクラウニング相互間の境界における勾配が連続であっても、曲率が不連続であると接触面圧が局所的に増加する。そのため、十分な膜厚の潤滑膜が形成されていないと、金属接触による摩耗が生じやすくなる。接触面に部分的に摩耗が生じると、その近辺で、より金属接触が生じやすい状態となるため、接触面の摩耗が促進され、円錐ころが損傷に至る不都合が生じる。

そこで、接触面としての円錐ころの転動面に、輪郭線が対数関数で表されるクラウニングを設けた場合、例えば図８に示すように、図９の部分円弧で表されるクラウニングを設けた場合と比べて局所的な面圧が低くなり、接触面に摩耗を生じ難くすることができる。したがって、円錐ころの転動面上に存在する潤滑剤の微量化や低粘度化により潤滑膜の膜厚が薄くなる場合においても、接触面の摩耗を防止し、円錐ころの損傷を防止することができる。なお、図８及び図９には、ころの母線方向を横軸とすると共に母線直交方向を縦軸とする直交座標系に、内輪又は外輪ところの有効接触部の中央部に横軸の原点Ｏを設定してころの輪郭線を示すと共に、面圧を縦軸として接触面圧を重ねて示している。このように、上述のような構成を採用することで長寿命かつ高い耐久性を示す円錐ころ軸受１０を実現できる。

上記円錐ころ軸受１０において、窒素富化層１１Ｂ、１２Ｂ、１３Ｂにおける旧オーステナイト結晶粒径はＪＩＳ規格の粒度番号が１０以上であってもよい。

このようにすれば、外輪１１、内輪１３、円錐ころとしてのころ１２の少なくともいずれか１つにおいて旧オーステナイト結晶粒径が十分微細化された窒素富化層１１Ｂ、１２Ｂ、１３Ｂが形成されているので、高い転動疲労寿命を有した上で、シャルピー衝撃値、破壊靭性値、圧壊強度などを向上させることができる。

上記円錐ころ軸受１０において、最表面から０．０５ｍｍの深さ位置での窒素富化層１１Ｂ、１２Ｂ、１３Ｂにおける窒素濃度が０．１質量％以上である。この場合、窒素富化層１１Ｂ、１２Ｂ，１３Ｂの最表面における窒素濃度を十分な値とできることから、窒素富化層１１Ｂ、１２Ｂ、１３Ｂの最表面の硬度を十分高くすることができる。また、上述した旧オーステナイト結晶粒径の粒度、窒素富化層の底部までの距離、窒素濃度といった条件は、図３の第１測定点３１において少なくとも満足されていることが好ましい。

上記円錐ころ軸受１０において、窒素富化層１１Ｂ、１２Ｂ、１３Ｂが形成された外輪１１、内輪１３、およびころ１２のうちの少なくともいずれか１つは鋼により構成される。当該鋼は、窒素富化層１１Ｂ、１２Ｂ、１３Ｂ以外の部分、つまり未窒化部１１Ｃ、１２Ｃ、１３Ｃにおいて、少なくとも炭素（Ｃ）を０．６質量％以上１．２質量％以下、珪素（Ｓｉ）を０．１５質量％以上１．１質量％以下、マンガン（Ｍｎ）を０．３質量％以上１．５質量％以下含む。上記円錐ころ軸受において、鋼は、さらに２．０質量％以下のクロムを含んでいてもよい。この場合、本実施の形態において規定する構成の窒素富化層１１Ｂ、１２Ｂ、１３Ｂを後述する熱処理などを用いて容易に形成できる。

上記円錐ころ軸受１０において、上記式（１）における設計パラメータＫ_１，Ｋ_２，ｚ_ｍのうちの少なくとも１つが、ころ１２と外輪１１またはころ１２と内輪１３との接触面圧を目的関数として最適化されていてもよい。

上記設計パラメータＫ₁，Ｋ₂，ｚ_mは、接触面圧、応力及び寿命のうちのいずれかを目的関数として最適化して定められるところ、表面起点の損傷は接触面圧に依存する。ここで、上記実施の形態によれば、接触面圧を目的関数として最適化して設計パラメータＫ₁，Ｋ₂，ｚ_mを設定するので、潤滑剤が希薄な条件においても接触面の摩耗を防止できるクラウニングが得られる。

上記円錐ころ軸受１０において、外輪１１または内輪１３の少なくともいずれか１つは、窒素富化層１１Ｂ、１３Ｂを含む。この場合、外輪１１または内輪１３の少なくともいずれかにおいて、結晶組織が微細化された窒素富化層１１Ｂ、１３Ｂが形成されることで、長寿命かつ高耐久性を有する外輪１１または内輪１３を得ることができる。

上記円錐ころ軸受１０において、ころ１２は窒素富化層１２Ｂを含む。この場合、ころ１２において、結晶組織が微細化された窒素富化層１２Ｂが形成されることで、長寿命かつ高耐久性を有するころ１２を得ることができる。

＜円錐ころ軸受の製造方法＞
図１０は、図１に示した円錐ころ軸受の製造方法を説明するためのフローチャートである。図１１は、図１０の熱処理工程における熱処理パターンを示す模式図である。図１２は、図１１に示した熱処理パターンの変形例を示す模式図である。図１４は、比較例としての軸受部品のミクロ組織、特に旧オーステナイト結晶粒界を図解した模式図である。以下、円錐ころ軸受の製造方法を説明する。

図１０に示すように、まず部品準備工程（Ｓ１００）を実施する。この工程（Ｓ１００）では、外輪１１、内輪１３、ころ１２、保持器１４などの軸受部品となるべき部材を準備する。なお、ころ１２となるべき部材には、まだクラウニングは形成されておらず、当該部材の表面は図４の点線で示した加工前表面１２Ｅとなっている。

次に、熱処理工程（Ｓ２００）を実施する。この工程（Ｓ２００）では、上記軸受部品の特性を制御するため、所定の熱処理を実施する。たとえば、外輪１１、ころ１２、内輪１３、のすくなくともいずれか１つにおいて本実施形態に係る窒素富化層１１Ｂ、１２Ｂ、１３Ｂを形成するため、浸炭窒化処理または窒化処理と、焼入れ処理、焼戻処理などを行う。この工程（Ｓ２００）における熱処理パターンの一例を図１１に示す。図１１は、１次焼入れおよび２次焼入れを行う方法を示す熱処理パターンを示す。図１２は、焼入れ途中で材料をＡ₁変態点温度未満に冷却し、その後、再加熱して最終的に焼入れる方法を示す熱処理パターンを示す。これらの図において、処理Ｔ₁では鋼の素地に炭素や窒素を拡散させまた炭素の溶け込みを十分に行なった後、Ａ₁変態点未満に冷却する。次に、図中の処理Ｔ₂において、処理Ｔ₁よりも低温に再加熱し、そこから油焼入れを施す。その後、たとえば加熱温度１８０℃の焼き戻し処理を実施する。

上記の熱処理によれば、普通焼入れ、すなわち浸炭窒化処理に引き続いてそのまま１回焼入れするよりも、軸受部品の表層部分を浸炭窒化しつつ、割れ強度を向上させ、経年寸法変化率を減少することができる。上記熱処理工程（Ｓ２００）によれば、焼入れ組織となっている窒素富化層１１Ｂ、１２Ｂ、１３Ｂにおいて、旧オーステナイト結晶粒の粒径が、図１４に示した従来の焼入れ組織におけるミクロ組織と比較して２分の１以下となる、図１３に示したようなミクロ組織を得ることができる。上記の熱処理を受けた軸受部品は、転動疲労に対して長寿命であり、割れ強度を向上させ、経年寸法変化率も減少させることができる。

次に、加工工程（Ｓ３００）を実施する。この工程（Ｓ３００）では、各軸受部品の最終的な形状となるように、仕上げ加工を行う。ころ１２については、図４に示したように切削加工などの機械加工によりクラウニング２２Ａおよび面取り部２１を形成する。

次に、組立工程（Ｓ４００）を実施する。この工程（Ｓ４００）では、上記のように準備された軸受部品を組み立てることにより、図１に示した円錐ころ軸受１０を得る。このようにして、図１に示した円錐ころ軸受１０を製造することができる。
（実験例１）
＜試料＞
試料として、試料Ｎｏ．１〜４までの４種類の円錐ころを試料として準備した。円錐ころの型番は３０２０６とした。円錐ころの材質としてはＪＩＳ規格ＳＵＪ２材（１．０質量％Ｃ−０．２５質量％Ｓｉ−０．４質量％Ｍｎ−１．５質量％Ｃｒ）を用いた。

試料Ｎｏ．１については、浸炭窒化焼入れを実施した後、図５に示した本実施の形態に係る対数クラウニングを両端部に形成した。浸炭窒化処理温度を８４５℃、保持時間を１５０分間とした。浸炭窒化処理の雰囲気はＲＸガス＋アンモニアガスとした。試料Ｎｏ．２については、試料Ｎｏ．１と同様に浸炭窒化焼入れを実施した後、図９に示した部分円弧クラウニングを形成した。

試料Ｎｏ．３については、図１１に示した熱処理パターンを実施した後、図５に示した本実施の形態に係る対数クラウニングを両端部に形成した。浸炭窒化処理温度を８４５℃、保持時間を１５０分間とした。浸炭窒化処理の雰囲気は、ＲＸガス＋アンモニアガスとした。最終焼入れ温度は８００℃とした。

試料Ｎｏ．４については、図１１に示した熱処理パターンを実施した後、図５に示した本実施の形態に係る対数クラウニングを両端部に形成した。試料の最表面から０．０５ｍｍの深さ位置での窒素富化層における窒素濃度を０．１質量％以上とするために、浸炭窒化処理温度を８４５℃、保持時間を１５０分間とした。浸炭窒化処理の雰囲気は、ＲＸガス＋アンモニアガスとした。最終焼入れ温度は８００℃とした。更に、炉内雰囲気を厳密に管理した。具体的には、炉内温度のムラ及びアンモニアガスの雰囲気ムラを抑制した。上述した試料Ｎｏ．３および試料Ｎｏ．４が本発明の実施例に対応する。試料Ｎｏ．１および試料Ｎｏ．２は比較例に対応する。

＜実験内容＞
実験１：寿命試験
寿命試験装置を用いて寿命試験を行った。試験条件としては、試験荷重：Ｆｒ＝１８ｋＮ、Ｆａ＝２ｋＮ、潤滑油：タービン油５６、潤滑方式：油浴潤滑、という条件を用いた。寿命試験装置では、被試験体としての２つの円錐ころ軸受は、支持軸の両端を支持するように配置されている。該支持軸の延在方向の中央部、すなわち２つの円錐ころ軸受の中央部には、該支持軸を介して円錐ころ軸受にラジアル荷重を負荷するための円筒ころ軸受が配置されている。そして、荷重負荷用の円筒ころ軸受にラジアル荷重を負荷することで、被試験体としての円錐ころ軸受にラジアル荷重を負荷する。また、アキシアル荷重は、寿命試験装置のハウジングを介して一方の円錐ころ軸受から支持軸に伝わり、他方の円錐ころ軸受にアキシアル荷重が負荷される。これにより、円錐ころ軸受の寿命試験が行われる。

実験２：偏荷重時の寿命試験
上記実験１の寿命試験と同様の試験装置を用いた。試験条件としては、基本的に上記実験１での条件と同様であるが、ころの中心軸について２／１０００ｒａｄの軸傾きを負荷した状態とし、偏荷重が印加された状態で試験を行った。

実験３：回転トルク試験
試料Ｎｏ．１〜４について、縦型トルク試験機を用いたトルク測定試験を行った。試験条件としては、試験荷重：Ｆａ＝７０００Ｎ、潤滑油：タービン油５６、潤滑方式：油浴潤滑、回転数：５０００ｒｐｍ、という条件を用いた。

＜結果＞
実験１：寿命試験
試料Ｎｏ．４が最も良好な結果を示し、長寿命であると考えられた。試料Ｎｏ．２および試料Ｎｏ．３は、試料Ｎｏ．４の結果には及ばないものの、良好な結果を示し、十分実用に耐え得ると判断された。一方、試料Ｎｏ．１については、最も短い寿命を示す結果となった。

実験２：偏荷重時の寿命試験
試料Ｎｏ．４および試料Ｎｏ．３が最も良好な結果を示し、長寿命であると考えられた。次に、試料Ｎｏ．１が試料Ｎｏ．４および試料Ｎｏ．３には及ばないものの、比較的良好な結果を示した。一方、試料Ｎｏ．２は上記実験１の時の結果より悪い結果を示し、偏荷重条件により短寿命化したものと考えられる。

実験３：回転トルク試験
試料Ｎｏ．１、試料Ｎｏ．３、試料Ｎｏ．４が十分小さな回転トルクを示し良好な結果となった。一方、試料Ｎｏ．２は回転トルクが他の試料より大きくなっていた。

以上の結果から、総合的に試料Ｎｏ．４がいずれの試験においても良好な結果を示し、総合的に最も優れた結果となった。また、試料Ｎｏ．３も、試料Ｎｏ．１および試料Ｎｏ．２と比べて良好な結果を示した。
（実験例２）
＜試料＞
上記の実験例１における試料Ｎｏ．４を用いた。

＜実験内容＞
表面から０．０５ｍｍの深さ位置での窒素濃度測定：
試料Ｎｏ．４について、窒素濃度の測定と窒素富化層の深さ測定を実施した。測定方法としては、以下のような方法を用いた。すなわち、図３に示した第１〜第３測定点において、中心線と垂直な方向に試料としての円錐ころを切断することで切断面を露出させる。当該切断面において、試料の表面から内部に向かって０．０５ｍｍの位置となる複数の測定位置にて、上記ＥＰＭＡにより窒素濃度について分析を行う。第１〜第３測定点における断面のそれぞれにて、上記測定位置を５か所決定し、当該５か所での測定データの平均値を各測定点での窒素濃度とした。

窒素富化層の底部までの距離の測定：
上記第１〜第３測定点での断面において、５００℃×１ｈの焼き戻し処理後の円錐ころ軸受１０において、深さ方向に０．５ｍｍ間隔で並ぶ複数の測定点において硬度測定を実施した。そして、ビッカース硬さがＨＶ４５０以上の領域を窒素富化層とし、当該硬度がＨＶ４５０となった位置の深さを窒素富化層の底部とした。

窒素富化層における粒度番号の測定：
旧オーステナイト結晶粒径の測定方法は、ＪＩＳ規格Ｇ０５５１：２０１３に規定された方法を用いた。測定を行う断面は、窒素富化層の底部までの距離の測定方法において測定を行った断面とした。

＜結果＞
表面から０．０５ｍｍの深さ位置での窒素濃度測定：
第１測定点については、窒素濃度が０．２質量％となり、第２測定点については窒素濃度が０．２５質量％となり、第３測定点については窒素濃度が０．３質量％となった。いずれの測定点でも、測定結果は本願発明の範囲に入るものとなった。

窒素富化層の底部までの距離の測定：
第１測定点については、窒素富化層の底部までの距離が０．３ｍｍとなり、第２測定点については当該距離が０．３５ｍｍとなり、第３測定点については当該距離が０．３ｍｍとなった。いずれの測定点でも、測定結果は本願発明の範囲に入るものとなった。

窒素富化層における粒度番号の測定：
第１測定点から第３測定点のいずれにおいても、窒素富化層での旧オーステナイト結晶粒径はＪＩＳ規格の粒度番号が１０番以上となっていた。

（実施の形態２）
実施の形態２に係る円錐ころ軸受は、基本的に実施の形態１に係る円錐ころ軸受１０と同様の構成を備えるが、ころ転動面のクラウニング形成部分において内輪軌道面１３Ａに非接触である非接触部クラウニング部分２８の母線の曲率Ｒ８が、内輪軌道面１３Ａに接触する接触部クラウニング部分２７の母線の曲率Ｒ７よりも小さく設定している点で異なる。

実施の形態２に係る円錐ころ軸受は、図１および図１５に示すように、内輪１３と、外輪１１と、これら内外輪間に介在する複数個のころ１２とを備えている。内輪１３の外周には内輪軌道面１３Ａが形成され、この内輪軌道面１３Ａの大径側および小径側に大つば部４１および小つば部４２をそれぞれ有する。内輪軌道面１３Ａと大つば部４１とが交わる隅部には、研削逃げ部４３が形成され、内輪軌道面１３Ａと小つば部４２との隅部には、研削逃げ部４４が形成されている。上記内輪軌道面１３Ａは、内輪軸方向に延びる母線が直線となっている。外輪１１の内周には、内輪軌道面１３Ａに対向する外輪軌道面１１Ａが形成され、鍔無しとされ、外輪軌道面１１Ａは外輪軸方向に延びる母線が直線となっている。

図１５、図１６に示すように、ころ１２の外周のころ転動面にはクラウニングを形成し、ころ１２の両端には面取り部２１，２５が施されている。ころ転動面のクラウニング形成部分を、接触部クラウニング部分２７と、非接触部クラウニング部分２８とに形成している。これらのうち接触部クラウニング部分２７は、内輪軌道面１３Ａの軸方向範囲にあって内輪軌道面１３Ａに接する。非接触部クラウニング部分２８は、内輪軌道面１３Ａの軸方向範囲から外れて内輪軌道面１３Ａに非接触となる。

これら接触部クラウニング部分２７と非接触部クラウニング部分２８は、ころ軸方向に延びる母線が、互いに異なる関数で表されかつ互いに接続点Ｐ１で滑らかに連続する線である。上記接続点Ｐ１の近傍において、非接触部クラウニング部分２８の母線の曲率Ｒ８を、接触部クラウニング部分２７の母線の曲率Ｒ７よりも小さく設定している。

ところで、円錐ころ軸受においては、内輪１３側の接触部と外輪１１側の接触部とでは、内輪１３側の方が周方向の等価半径が小さいから面圧が高くなる。したがって、クラウニングの設計においては、内輪１３側の接触について検討すれば良い。

円錐ころ軸受、呼び番号３０３１６に基本動定格荷重の３５％のラジアル荷重が作用し、ミスアライメントが１／６００である場合について検討する。このとき、ミスアライメントは、ころ１２の小径側でなく大径側で面圧が高くなる方向に傾くとする。上記基本動定格荷重とは、内輪１３を回転させ外輪１１を静止させた条件で、一群の同じ軸受を個々に運転したとき、低格寿命が１００万回転になるような、方向と大きさが変動しない荷重をいう。上記ミスアライメントは、外輪１１を嵌合した図示外のハウジングと、内輪１３を嵌合した軸との心ずれであり、傾き量として上記のような分数にて表記する。

上記接触部クラウニング部分２７の母線は、上記式（１）で表される対数クラウニングの対数曲線により形成されている。

クラウニングの加工精度を確保するためには、ころ１２の外周に、ころ全長Ｌ１の１／２以上のストレート部分が存在することが望ましい。そこで、ころ全長Ｌ１の１／２をストレート部分とし、ころ軸方向中央を基準として、小径側の部分と大径側の部分とで対称のクラウニングであるとすれば、対数クラウニングの式（１）中の設計パラメータのうち、Ｋ_２は固定され、Ｋ_１とｚ_ｍが設計の対象となる。

ところで、後述の数理的最適化手法を用いてクラウニングを最適化すると、本条件では、図１７の「対数」のようなクラウニングとなる。このとき、ころ１２のクラウニングの最大ドロップ量は６９μｍである。ところが、図１７中のＧの領域は、図１５の内輪１３の研削逃げ部４３，４４と相対するＥの領域であり内輪１３とは接触しない。このため、ころ１２の上記Ｇの領域は、対数クラウニングである必要はなく、直線もしくは円弧あるいはその他の関数としても差し支えない。ころ１２の上記Ｇの領域が直線、円弧、その他の関数であっても、ころ全体が対数クラウニングの場合と同一の面圧分布となり、機能上何ら遜色はない。

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。
対数クラウニングを表す関数式である式（１）中のＫ_１、ｚ_ｍ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を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の降伏条件にしたが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Ｋ_１、ｚ_ｍを選択する。

Ｋ_１、ｚ_ｍ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Ｋ_１、ｚ_ｍの最適値を求める。

円錐ころ軸受、呼び番号３０３１６に基本動定格荷重の３５％のラジアル荷重が作用し、ミスアライメントが１／６００である場合では、Ｍｉｓｅｓの相当応力の最大値ｓ_{Ｍｉｓｅｓ＿ｍａｘ}と対数クラウニングパラメータＫ_１、ｚ_ｍは図１８のような関係にある。Ｋ_１、ｚ_ｍに適当な初期値を与え，Ｒｏｓｅｎｂｒｏｋ法の規則にしたがってＫ_１、ｚ_ｍを修正していくと，図１８中の最適値の組合せに到達し，ｓ_{Ｍｉｓｅｓ＿ｍａｘ}は最小となる。

ころ１２と内輪１３との接触を考える限りにおいては、図１７におけるＧの領域のクラウニングは、どのような形状でも良いが、外輪１１との接触や加工時の砥石の成形性を考慮すれば、対数クラウニング部との接続点Ｐ１において、対数クラウニング部の勾配より小さな勾配となることは望ましくない。Ｇの領域のクラウニングについて、対数クラウニング部の勾配より大きな勾配を与えることは、ドロップ量が大きくなるため、これも望ましくない。すなわち、Ｇの領域のクラウニングと対数クラウニングは、その接続点Ｐ１で勾配が一致して滑らかに繋がるように設計されることが望ましい。図１７において、ころ１２のＧの領域のクラウニングを、直線とした場合を点線にて例示し、円弧とした場合を太実線にて例示する。Ｇの領域のクラウニングを直線とした場合、ころ１２のクラウニングのドロップ量Ｄｐは例えば３６μｍとなる。Ｇの領域のクラウニングを円弧とした場合、ころ１２のクラウニングのドロップ量Ｄｐは例えば４０μｍとなる。

以上説明した円錐ころ軸受によると、ころ１２の外周のころ転動面にクラウニングを形成したため、内輪軌道面１３Ａのみにクラウニングを形成する場合よりも、ころ転動面に砥石を必要十分に作用させ得る。よって転動面に対する加工不良を未然に防止できる。ころ転動面に形成したクラウニングにより、面圧や接触部の応力を低減し円錐ころ軸受の長寿命化を図ることができる。さらに、接触部クラウニング部分２７と、非接触部クラウニング部分２８との接続点Ｐ１の近傍において、非接触部クラウニング部分２８の母線の曲率Ｒ8が、接触部クラウニング部分２７の母線の曲率Ｒ７よりも小さいため、ころ１２の両端部のドロップ量Ｄｐの低減を図ることができる。したがって、例えば従来の単一円弧クラウニングのものより研削量を抑え、ころ１２の加工効率の向上を図り、製造コストの低減を図ることができる。

非接触部クラウニング部分２８の母線は、大径側の部分および小径側の部分のいずれか一方または両方が円弧であっても良い。この場合、ころ転動面全体の母線を例えば対数曲線で表すものより、ドロップ量Ｄｐの低減を図ることができる。したがって、研削量の低減を図れる。図１９に示すように、上記非接触部クラウニング部分２８の母線は、大径側の部分および小径側の部分のいずれか一方または両方が直線であっても良い（図１９の例では大径側の部分のみ直線）。この場合、非接触部クラウニング部分２８の母線を円弧とする場合よりもさらにドロップ量Ｄｐの低減を図ることができる。

接触部クラウニング部分２７の母線の一部または全部が対数クラウニングで表されても良い。この対数クラウニングで表される接触部クラウニング部分２７により、面圧や接触部の応力を低減し円錐ころ軸受の長寿命化を図ることができる。図２０に示すように、接触部クラウニング部分２７の母線が、ころ軸方向に沿って平坦に形成されたストレート部分２７Ａと、対数クラウニングの対数曲線で形成された部分２７Ｂとによって表されても良い。

この発明の他の実施形態として、円錐ころ軸受において、クラウニングを、ころ１２に設けると共に内輪１３にも設けても良い。この場合、ころ１２のドロップ量と内輪１３のドロップ量との和が、上記の最適化されたドロップ量と等しくなるようにする。これらクラウニングにより、面圧や接触部の応力を低減し円錐ころ軸受の長寿命化を図ることができる。さらに、従来の単一円弧クラウニングのものより研削量を抑え、ころ１２の加工効率の向上を図り、製造コストの低減を図ることができる。

＜作用効果＞
この発明に従った円錐ころ軸受１０は、外輪１１、内輪１３、およびころ１２を含む円錐ころ軸受１０であって、少なくともころ１２の外周のころ転動面１２Ａにクラウニングを形成し、ころ転動面１２Ａのクラウニング形成部分を、内輪軌道面１３Ａの軸方向範囲にあって内輪軌道面１３Ａに接する接触部クラウニング部分２７と、内輪軌道面１３Ａの軸方向範囲から外れて内輪軌道面１３Ａに非接触となる非接触部クラウニング部分２８とに形成し、これら接触部クラウニング部分２７と非接触部クラウニング部分２８は、ころ軸方向に延びる母線が、互いに異なる関数で表されかつ互いに接続点Ｐ１で滑らかに連続する線であり、上記接続点Ｐ１の近傍において、非接触部クラウニング部分２８の母線の曲率Ｒ８が、接触部クラウニング部分２７の母線の曲率Ｒ７よりも小さいことを特徴とする。

上記「滑らかに連続する」とは、角を生じずに連続することであり、理想的には、接触部クラウニング部分２７の母線と、非接触部クラウニング部分２８の母線とが、互いの連続点において、共通の接線を持つように続くことで、すなわち上記母線が上記連続点で連続的微分可能な関数であることである。

この構成によると、ころ１２の外周のころ転動面１２Ａにクラウニングを形成したため、内輪軌道面１３Ａのみにクラウニングを形成する場合よりも、ころ１２の転動面１２Ａに砥石を必要十分に作用させ得る。よって転動面１２Ａに対する加工不良を未然に防止できる。転動面１２Ａに形成したクラウニングにより、面圧や接触部の応力を低減し円錐ころ軸受１０の長寿命化を図ることができる。さらに、接触部クラウニング部分２７と、非接触部クラウニング部分２８との接続点Ｐ１の近傍において、非接触部クラウニング部分２８の母線の曲率Ｒ８が、接触部クラウニング部分２７の母線の曲率Ｒ７よりも小さいため、ころ１２の両端部のドロップ量の低減を図ることができる。したがって、例えば従来の単一円弧クラウニングのものより研削量を抑え、ころ１２の加工効率の向上を図り、製造コストの低減を図ることができる。

上記非接触部クラウニング部分２８の母線は、大径側の部分および小径側の部分のいずれか一方または両方が円弧であっても良い。この場合、ころ転動面１２Ａ全体の母線を例えば対数曲線で表すものより、ドロップ量の低減を図ることができる。したがって、研削量の低減を図れる。

上記非接触部クラウニング部分２８の母線は、大径側の部分および小径側の部分のいずれか一方または両方が直線であっても良い。この場合、非接触部クラウニング部分２８の母線を円弧とする場合よりもさらにドロップ量の低減を図ることができる。

上記接触部クラウニング部分２７の母線の一部または全部が対数クラウニングで表されても良い。この対数クラウニングで表される接触部クラウニング部分２７により、面圧や接触部の応力を低減し円錐ころ軸受１０の長寿命化を図ることができる。

上記接触部クラウニング部分２７の母線が、ころ軸方向に沿って平坦に形成されたストレート部分と、対数クラウニングの対数曲線で形成された部分とによって表されても良い。

上記非接触部クラウニング部分２８の母線のうち、対数クラウニングの対数曲線で形成された部分との接続部を、同対数曲線の勾配と一致させても良い。この場合、接触部クラウニング部分２７の母線と非接触部クラウニング部分２８の母線とを、接続点Ｐ１でより滑らかに連続させ得る。

上記接触部クラウニング部分２７の母線を、上記式（１）で表される対数クラウニングの対数曲線により形成しても良い。

上記式（１）のうち、少なくともＫ_１、ｚ_ｍについて数理的最適化手法を利用して最適設計しても良い。

内輪軌道面１３Ａにクラウニングが施されており、この内輪軌道面１３Ａのクラウニングのドロップ量と、ころ１２の外周のクラウニングのドロップ量との和が所定の値となるものであっても良い。

（実施の形態３）
実施の形態３に係る円錐ころ軸受は、実施の形態１に係る円錐ころ軸受１０と基本的に同様の構成を備えるが、図６に示される柱面１４ｄの窓角θが４６度以上６５度以下であることが特定されている点で、異なる。柱面１４ｄは、柱部１０８において、上記切欠きが形成されていない部分のポケット１０９に面している面である。

上述した円錐ころ軸受の特徴的な構成を要約すれば、円錐ころ軸受１０は、図６に示すように保持器１４をさらに備える。保持器１４は、周方向に所定の間隔で配置されている複数のポケットを含み、複数の円錐ころ１２の各々を複数のポケットの各々に収容保持している。ポケットの窓角θは４６度以上６５度以下である。

窓角θの下限である下限窓角θｍｉｎを４６度以上としたのは、ころ１２と保持器１４との良好な接触状態を確保するためであり、窓角θが４６度未満ではころ１２と保持器１４との接触状態が悪くなる。すなわち、窓角θを４６度以上とすると、保持器１４の強度を確保した上でころ係数γ＞０．９０として、かつ、良好な接触状態を確保できるのである。また、窓角θの上限である上限窓角θｍａｘを６５度以下としたのは、これ以上窓角θが大きくなると半径方向への押し付け力が大きくなり、自己潤滑性の樹脂材により保持器１４を形成しても円滑なころ１２の回転が得られなくなる危険性が生じるからである。なお、窓角θは、保持器１４が外輪１１から離間している典型的な保持器付き円錐ころ軸受では、大きくて約５０度である。

表１に軸受の寿命試験の結果を示す。表１中、「軸受」欄の「試料Ｎｏ．７」が保持器と外輪とが離れた典型的な従来の円錐ころ軸受、「試料Ｎｏ．５」が本発明の円錐ころ軸受のうち従来品に対してころ係数γのみを０．９０超えとした円錐ころ軸受、「試料Ｎｏ．６」がころ係数γを０．９０超えとし、かつ、窓角θを４６度以上６５度以下の範囲にした本発明の円錐ころ軸受である。試験は、過酷潤滑、過大負荷条件下で行なった。表１より明らかなように、「試料Ｎｏ．５」は「試料Ｎｏ．７」の２倍以上の長寿命となる。さらに、「試料Ｎｏ．６」の軸受はころ係数が「試料Ｎｏ．５」と同じ０．９６であるが、寿命時間は「試料Ｎｏ．５」の約５倍以上にもなる。なお、「試料Ｎｏ．７」、「試料Ｎｏ．５」および「試料Ｎｏ．６」の寸法はφ４５×φ８１×１６（単位ｍｍ）、ころ本数は２４本（「試料Ｎｏ．７」）、２７本（「試料Ｎｏ．５」、「試料Ｎｏ．６」）、油膜パラメータΛ＝０．２である。

＜円錐ころ軸受の適用例＞
上記実施の形態１〜３に係る円錐ころ軸受の用途の一例について説明する。実施の形態１〜３に係る円錐ころ軸受１０は、デファレンシャル又はトランスミッション等の自動車の動力伝達装置に組み込まれると好適である。すなわち、上記実施の形態１〜３に係る円錐ころ軸受１０は、自動車用円錐ころ軸受として用いると好適である。以下、図２１および図２２を用いて実施の形態１〜３に係る円錐ころ軸受の適用例を説明する。

図２１は、上述した円錐ころ軸受１０を使用した自動車のデファレンシャルを示す。このデファレンシャルは、プロペラシャフト（図示省略）に連結され、デファレンシャルケース１２１に挿通されたドライブピニオン１２２が、差動歯車ケース１２３に取り付けられたリングギヤ１２４と噛み合わされ、差動歯車ケース１２３の内部に取り付けられたピニオンギヤ１２５が、差動歯車ケース１２３に左右から挿通されるドライブシャフト（図示省略）に連結されるサイドギヤ１２６と噛み合わされて、エンジンの駆動力がプロペラシャフトから左右のドライブシャフトに伝達されるようになっている。このデファレンシャルでは、動力伝達軸であるドライブピニオン１２２と差動歯車ケース１２３が、それぞれ一対の円錐ころ軸受１０ａ、１０ｂで支持されている。

図２２は、上述した円錐ころ軸受１０を使用した自動車のマニュアルトランスミッションを示す。図２２に示したマニュアルトランスミッション１００は、常時噛合い式のマニュアルトランスミッションであって、入力シャフト１１１と、出力シャフト１１２と、カウンターシャフト１１３と、ギア（歯車）１１４ａ〜１１４ｋと、ハウジング１１５とを備えている。

入力シャフト１１１は、円錐ころ軸受１０によりハウジング１１５に対して回転可能に支持されている。この入力シャフト１１１の外周にはギア１１４ａが形成され、内周にはギア１１４ｂが形成されている。

一方、出力シャフト１１２は、一方側（図中右側）において円錐ころ軸受１０によりハウジング１１５に回転可能に支持されているとともに、他方側（図中左側）において転がり軸受１２０Ａにより入力シャフト１１１に回転可能に支持されている。この出力シャフト１１２には、ギア１１４ｃ〜１１４ｇが取り付けられている。

ギア１１４ｃおよびギア１１４ｄはそれぞれ同一部材の外周と内周に形成されている。ギア１１４ｃおよびギア１１４ｄが形成される部材は、転がり軸受１２０Ｂにより出力シャフト１１２に対して回転可能に支持されている。ギア１１４ｅは、出力シャフト１１２と一体に回転するように、かつ出力シャフト１１２の軸方向にスライド可能なように、出力シャフト１１２に取り付けられている。

また、ギア１１４ｆおよびギア１１４ｇの各々は同一部材の外周に形成されている。ギア１１４ｆおよびギア１１４ｇが形成されている部材は、出力シャフト１１２と一体に回転するように、かつ出力シャフト１１２の軸方向にスライド可能なように、出力シャフト１１２に取り付けられている。ギア１１４ｆおよびギア１１４ｇが形成されている部材が図中左側にスライドした場合には、ギア１１４ｆはギア１１４ｂと噛合い可能であり、図中右側にスライドした場合にはギア１１４ｇとギア１１４ｄとが噛合い可能である。

カウンターシャフト１１３には、ギア１１４ｈ〜１１４ｋが形成されている。カウンターシャフト１１３とハウジング１１５との間には、２つのスラストニードルころ軸受が配置され、これによってカウンターシャフト１１３の軸方向の荷重（スラスト荷重）が支持されている。ギア１１４ｈは、ギア１１４ａと常時噛合っており、かつギア１１４ｉはギア１１４ｃと常時噛合っている。また、ギア１１４ｊは、ギア１１４ｅが図中左側にスライドした場合に、ギア１１４ｅと噛合い可能である。さらに、ギア１１４ｋは、ギア１１４ｅが図中右側にスライドした場合に、ギア１１４ｅと噛合い可能である。

次に、マニュアルトランスミッション１００の変速動作について説明する。マニュアルトランスミッション１００においては、入力シャフト１１１に形成されたギア１１４ａと、カウンターシャフト１１３に形成されたギア１１４ｈとの噛み合わせによって、入力シャフト１１１の回転がカウンターシャフト１１３へ伝達される。そして、カウンターシャフト１１３に形成されたギア１１４ｉ〜１１４ｋと出力シャフト１１２に取り付けられたギア１１４ｃ、１１４ｅとの噛み合わせ等によって、カウンターシャフト１１３の回転が出力シャフト１１２へ伝達される。これにより、入力シャフト１１１の回転が出力シャフト１１２へ伝達される。

入力シャフト１１１の回転が出力シャフト１１２へ伝達される際には、入力シャフト１１１およびカウンターシャフト１１３の間で噛合うギアと、カウンターシャフト１１３および出力シャフト１１２の間で噛合うギアとを変えることによって、入力シャフト１１１の回転速度に対して出力シャフト１１２の回転速度を段階的に変化させることができる。また、カウンターシャフト１１３を介さずに入力シャフト１１１のギア１１４ｂと出力シャフト１１２のギア１１４ｆとを直接噛合わせることによって、入力シャフト１１１の回転を出力シャフト１１２へ直接伝達することもできる。

以下に、マニュアルトランスミッション１００の変速動作をより具体的に説明する。ギア１１４ｆがギア１１４ｂと噛合わず、ギア１１４ｇがギア１１４ｄと噛合わず、かつギア１１４ｅがギア１１４ｊと噛合う場合には、入力シャフト１１１の駆動力は、ギア１１４ａ、ギア１１４ｈ、ギア１１４ｊおよびギア１１４ｅを介して出力シャフト１１２に伝達される。これが、たとえば第１速とされる。

ギア１１４ｇがギア１１４ｄと噛合い、ギア１１４ｅがギア１１４ｊと噛合わない場合には、入力シャフト１１１の駆動力は、ギア１１４ａ、ギア１１４ｈ、ギア１１４ｉ、ギア１１４ｃ、ギア１１４ｄおよびギア１１４ｇを介して出力シャフト１１２に伝達される。これが、たとえば第２速とされる。

ギア１１４ｆがギア１１４ｂと噛合い、ギア１１４ｅがギア１１４ｊと噛合わない場合には、入力シャフト１１１はギア１１４ｂおよびギア１１４ｆとの噛合いにより出力シャフト１１２に直結され、入力シャフト１１１の駆動力は直接出力シャフト１１２に伝達される。これが、たとえば第３速とされる。

上述のように、マニュアルトランスミッション１００は、回転部材としての入力シャフト１１１および出力シャフト１１２をこれに隣接して配置されるハウジング１１５に対して回転可能に支持するために、円錐ころ軸受１０を備えている。このように、上記実施の形態１〜３に係る円錐ころ軸受１０は、マニュアルトランスミッション１００内において使用することができる。そして、トルク損失が低減され、かつ耐焼付き性および寿命が向上した円錐ころ軸受１０は、転動体と軌道部材との間に高い面圧が付与されるマニュアルトランスミッション１００内での使用に好適である。

ところで、自動車の動力伝達装置であるトランスミッション又はデファレンシャル等においては、省燃費化のために、潤滑油（オイル）の粘度を低下させたり、少油量化を図る傾向にあり、円錐ころ軸受において、十分な油膜が形成され難いことがある。また、トランスミッション又はデファレンシャルが低温環境下（例えば、−４０℃〜−３０℃）で使用されると、潤滑油の粘度が上がるため、特に始動時には、当該潤滑油が円錐ころ軸受に十分に供給されないことがある。このため、トランスミッション又はデファレンシャル等の自動車の動力伝達装置に使用される円錐ころ軸受には、耐焼き付き性および寿命の向上が要求されている。よって、耐焼き付き性および寿命が向上した上記実施の形態１〜３に係る円錐ころ軸受１０をトランスミッション又はデファレンシャルに組み込むことで上記要求を満たすことができる。

以上のように本発明の実施の形態について説明を行ったが、上述の実施の形態を様々に変形することも可能である。また、本発明の範囲は上述の実施の形態に限定されるものではない。本発明の範囲は、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むことが意図される。

１０，１０ａ，１０ｂ 軸受、１１ 外輪、１１Ａ，１３Ａ 軌道面、１２Ａ 転動面、１１Ｂ，１２Ｂ，１３Ｂ 窒素富化層、１１Ｃ，１２Ｃ，１３Ｃ 未窒化部、１２Ｅ 加工前表面、１３ 内輪、１４ 保持器、１４ｄ 柱面、１６ 大端面、１７ 小端面、１８ 大鍔面、１９ 小鍔面、 ２１ 面取り部、 ２２、２４ クラウニング部、２２Ａ クラウニング、２３ 中央部、２６ 中心線、２７ 接触部クラウニング部分、２７Ａ ストレート部分、２７Ｂ 部分、２８ 非接触部クラウニング部分、３１ 第１測定点、３２ 第２測定点、３３ 第３測定点、４１ 大つば部、４２ 小つば部、４３，４４ 研削逃げ部、１００ マニュアルトランスミッション、１０６ 小環状部、１０７ 大環状部、１０８ 柱部、１０９ ポケット、１１１ 入力シャフト、１１２ 出力シャフト、１１３ カウンターシャフト、１１４ａ〜１１４ｋ ギア、１１５ ハウジング、１２１ デファレンシャルケース、１２２ ドライブピニオン、１２３ 差動歯車ケース、１２４ リングギヤ、１２５ ピニオンギヤ、１２６ サイドギヤ。

Claims (8)

1. 内周面において外輪軌道面を有する外輪と、
   外周面において内輪軌道面を有し、前記外輪の内側に配置された内輪と、
   前記外輪軌道面と前記内輪軌道面との間に配列され、前記外輪軌道面および前記内輪軌道面と接触する転動面を有する複数の円錐ころとを備え、
   前記外輪、前記内輪および前記複数の円錐ころのうちの少なくともいずれか１つは、前記外輪軌道面、前記内輪軌道面または前記転動面の表面層に形成された窒素富化層を含み、
   前記表面層の最表面から前記窒素富化層の底部までの距離は０．２ｍｍ以上であり、
   ころ係数γが０．９０を超えており、
   前記円錐ころの前記転動面にはクラウニングが形成され、
   前記クラウニングのドロップ量の和は、前記円錐ころの前記転動面の母線をｙ軸とし、母線直交方向をｚ軸とするｙ−ｚ座標系において、Ｋ_１，Ｋ_２，ｚ_ｍを設計パラメータ、Ｑを荷重、Ｌを前記円錐ころにおける前記転動面の有効接触部の母線方向長さ、Ｅ’を等価弾性係数、ａを前記円錐ころの前記転動面の母線上にとった原点から前記有効接触部の端部までの長さ、Ａ＝２Ｋ_１Ｑ／πＬＥ’としたときに、式（１）で表され、
   前記円錐ころの面取り部と、前記円錐ころの前記転動面において前記クラウニングが形成されたクラウニング形成部分との境界点である第１測定点における前記距離をＴ１とし、前記円錐ころの小端面から１．５ｍｍの位置である第２測定点における前記距離をＴ２とし、前記円錐ころの前記転動面の中央である第３測定点における前記距離をＴ３とすれば、前記Ｔ２は前記Ｔ１よりも小さく、前記Ｔ２は前記Ｔ３よりも小さい、円錐ころ軸受。
   

   
2. 前記窒素富化層における旧オーステナイト結晶粒径はＪＩＳ規格の粒度番号が１０以上である、請求項１に記載の円錐ころ軸受。
3. 前記最表面から０．０５ｍｍの深さ位置での前記窒素富化層における窒素濃度が０．１質量％以上である、請求項１または２に記載の円錐ころ軸受。
4. 前記式（１）のＫ₁，Ｋ₂，ｚ_mの少なくとも１つが、面圧を目的関数として最適化されている、請求項１〜３のいずれか１項に記載の円錐ころ軸受。
5. 前記クラウニング形成部分は、前記内輪軌道面の軸方向範囲にあって前記内輪軌道面に接する接触部クラウニング部分と、前記内輪軌道面の軸方向範囲から外れて前記内輪軌道面に非接触となる非接触部クラウニング部分とを含み、
   前記接触部クラウニング部分と前記非接触部クラウニング部分とにおいては、ころ軸方向に延びる母線が、互いに異なる関数で表されかつ互いに接続点で滑らかに連続する線であり、
   前記接続点の近傍において、前記非接触部クラウニング部分の母線の曲率が、前記接触部クラウニング部分の母線の曲率よりも小さい、請求項１〜４のいずれか１項に記載の円錐ころ軸受。
6. 前記非接触部クラウニング部分の母線は、大径側の部分および小径側の部分のいずれか一方または両方が直線である、請求項５に記載の円錐ころ軸受。
7. 前記接触部クラウニング部分の母線の一部または全部が対数クラウニングで表される、請求項５または６に記載の円錐ころ軸受。
8. 周方向に所定の間隔で配置されている複数のポケットを含み、前記複数の円錐ころの各々を前記複数のポケットの各々に収容保持している保持器をさらに備え、
   前記ポケットの窓角が４６度以上６５度以下である、請求項１〜７のいずれか１項に記載の円錐ころ軸受。

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