JP6869071B2 - 円錐ころ軸受 - Google Patents
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Description
上記保持器は、円錐ころの小径端面側で連なる小環状部と、円錐ころの大径端面側で連なる大環状部と、これらの環状部を連結する複数の柱部とを含む。
<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。
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、端面17から距離Wが1.5mmの位置である第2測定点32、ころの転動面の中央である測定点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。
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、K1,K2,zm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=2K1Q/πLE’としたときに、下記の式(1)で表される。
図1および図6に示すように、内輪13は、円すい状の軌道面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。ここで、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。
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。
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。
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。
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において、深さ方向に並ぶ複数の測定点、たとえば0.02mm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HV475以上の領域を窒素富化層とする。
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。
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3次元形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。
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。
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。
(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。
実験1:寿命試験
寿命試験装置を用いた。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。
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。
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。
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。
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。
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。
(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。
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。
500℃×1hの焼き戻し処理後の円錐ころの上記第1〜第3測定点での断面において、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。
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。
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。
<実施例試料>
図15に示した、円錐ころの大端面の曲率半径Rが、R/RBASE=0.75以上0.87以下の範囲に入り、内輪の大鍔面の表面粗さRaが0.12μmで、小鍔面が円錐ころの小端面と平行な研削加工面で形成され、第1隙間が0.4mm以下の寸法規制範囲内に入れられた円錐ころ軸受(表1中の試料No.5〜8)を用意した。軸受の寸法は、いずれも内径40mm、外径68mmである。
R/RBASEの値が本願の範囲を外れ、かつ内輪の小鍔面が円錐ころの小端面に対して外側に傾斜し、第1隙間が0.4mmを越える円錐ころ軸受(表1中の試料No.9〜11)を用意した。各軸受の寸法は実施例と同じである。
図15〜図18を参照して、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、円錐ころ12の大端面16の曲率半径Rと、O点から内輪13の大鍔面18までの距離RBASEとの比R/RBASEが、0.75以上0.87以下であること、および内輪13の小鍔面は、軌道面13Aに配列された円錐ころ12の小端面17と平行な研削加工面に仕上げられている。
本実施の形態2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と基本的に同等の構成を備えているため、実施の形態1に係る円錐ころ軸受10と同様の効果を奏することができる。
実施の形態3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。
対数クラウニングを表す関数式(1)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を設計することができる。
この発明の円錐ころ軸受は、内外輪およびころを含む円錐ころ軸受であって、少なくともころの外周のころ転動面にクラウニングを形成し、ころ転動面のクラウニング形成部分を、内輪軌道面の軸方向範囲にあって内輪軌道面に接する接触部クラウニング部分と、内輪軌道面の軸方向範囲から外れて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に形成し、これら接触部クラウニング部分と非接触部クラウニング部分は、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、上記接続点の近傍において、非接触部クラウニング部分の母線の曲率が、接触部クラウニング部分の母線の曲率よりも小さいことを特徴とする。
(実施の形態4)
実施の形態4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、保持器14の切欠きの構成が異なっている。
実施例として、図7に示した保持器を用いた円錐ころ軸受(実施例1)と、図29に示した保持器を用いた円錐ころ軸受(実施例2)を用意した。また、比較例として、ポケットに切欠きのない保持器を用いた円錐ころ軸受(比較例1)と、保持器のポケット間の柱部の中央部に切欠きを設けている円錐ころ軸受(比較例2)と、保持器のポケットの軸方向両端の小環状部と大環状部に切欠きを設けている円錐ころ軸受(比較例3)を用意した。なお、各円錐ころ軸受は、寸法が外径100mm、内径45mm、幅27.25mmであり、ポケットの切欠き以外の部分は同じである。
・アキシアル荷重:300kgf
・回転速度 :300〜2000rpm(100rpmピッチ)
・潤滑条件 :油浴潤滑(潤滑油:75W−90)
図32は、上記トルク測定試験の結果を示す。図32のグラフの縦軸は、ポケットに切欠きのない保持器を用いた比較例1のトルクに対するトルク低減率を表す。ポケットの柱部中央部に切欠きを設けた比較例2や、ポケットの小環状部と大環状部に切欠きを設けた比較例3も、トルク低減効果が認められるが、ポケットの狭幅側の柱部に切欠きを設けた実施例1は、これらの比較例よりも優れたトルク低減効果が認められ、狭幅側の小環状部にも切欠きを設け、狭幅側の切欠きの合計面積を広幅側のそれよりも広くした実施例2は、さらに優れたトルク低減効果が認められる。
実施の形態5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。
上記実施の形態1〜5に係る円錐ころ軸受1A,1Bの用途の一例について説明する。上述したように、実施の形態1〜5に係る円錐ころ軸受は、デファレンシャルおよびトランスミッションに好適である。すなわち、実施の形態1〜5に係る円錐ころ軸受を自動車用円錐ころ軸受として用いると好適である。ここでは、図33に示したデファレンシャルへの適用例以外の、実施の形態1〜5に係る円錐ころ軸受の他の適用例について説明する。
Claims (10)
- 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と前記内輪軌道面よりも大径側に配置された大鍔面とを有し、前記外輪の内側に配置された内輪と、
前記外輪軌道面および前記内輪軌道面と接触する転動面と前記大鍔面と接触する大端面とを有し、前記外輪軌道面と前記内輪軌道面との間に配列される複数の円錐ころと、
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とを備え、
ころ係数γが0.90を越えており、
前記保持器は、前記円錐ころの小径端面側で連なる小環状部と、前記円錐ころの大径端面側で連なる大環状部と、これらの環状部を連結する複数の柱部とを含み、
前記ポケットが、前記円錐ころの小径側を収納する部分が狭幅側となり、かつ大径側を収納する部分が広幅側となる台形状に形成されており、
前記保持器の前記ポケットの前記狭幅側の前記柱部に切欠きを前記小環状部と前記柱部との境界から前記大環状部の方へ幅をもたせて設けたことにより、前記保持器の内径側から前記内輪側へ流入する潤滑油が前記切欠きから外径側の前記外輪側へ速やかに逃げるようにし、前記小環状部の前記ポケット側の縁を、前記ポケットの狭幅側の底辺部分が前記柱部まで延びた形状とし、
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、
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、K1,K2,zm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=2K1Q/πLE’としたときに、式(1)で表され、
前記円錐ころの前記大端面と前記クラウニングとの間には面取り部が形成されており、
前記大端面の中央部には、凹部が形成されており、
前記大端面の外周部には、前記凹部と接続されている内周端および前記面取り部と接続されている外周端を有する凸部が形成されており、
前記円錐ころの前記大端面の研削加工後の曲率半径を実曲率半径R process としたとき、前記実曲率半径R process と基準曲率半径Rとの比率R process /Rが0.8以上である、円錐ころ軸受。
- 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と前記内輪軌道面よりも大径側に配置された大鍔面とを有し、前記外輪の内側に配置された内輪と、
前記外輪軌道面および前記内輪軌道面と接触する転動面と前記大鍔面と接触する大端面とを有し、前記外輪軌道面と前記内輪軌道面との間に配列される複数の円錐ころと、
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とを備え、
ころ係数γが0.90を越えており、
前記保持器は、前記円錐ころの小径端面側で連なる小環状部と、前記円錐ころの大径端面側で連なる大環状部と、これらの環状部を連結する複数の柱部とを含み、
前記ポケットが、前記円錐ころの小径側を収納する部分が狭幅側となり、かつ大径側を収納する部分が広幅側となる台形状に形成されており、
前記保持器の前記ポケットの前記狭幅側の前記柱部に切欠きを前記小環状部と前記柱部との境界から前記大環状部の方へ幅をもたせて設けたことにより、前記保持器の内径側から前記内輪側へ流入する潤滑油が前記切欠きから外径側の前記外輪側へ速やかに逃げるようにし、前記小環状部の前記ポケット側の縁を、前記ポケットの狭幅側の底辺部分が前記柱部まで延びた形状とし、
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、
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 1 Q/πLE’としたときに、式(1)で表され、
前記円錐ころの前記大端面と前記クラウニングとの間には面取り部が形成されており、
前記大端面の中央部には、凹部が形成されており、
前記大端面の外周部には、前記凹部と接続されている内周端および前記面取り部と接続されている外周端を有する凸部が形成されており、
前記円錐ころの転動軸に沿った断面において、前記円錐ころの前記大端面は、前記凸部の前記外周端と前記面取り部とを接続している点C1、C4、前記凸部の前記内周端と前記凹部とを接続している点C2、C3、前記大端面上の前記点C1と前記点C2との中間点P5、および前記大端面上の前記点C3と前記点C4との中間点P6を含み、
前記断面において、前記点C1、前記中間点P5、前記点C2を通る円弧の曲率半径を実曲率半径R process 、前記点C1、前記中間点P5、前記中間点P6、および前記点C4を通る仮想円弧の曲率半径を仮想曲率半径R virtual としたとき、前記実曲率半径R process と前記仮想曲率半径R virtual との比率R process /R virtual が0.8以上である、円錐ころ軸受。 - 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または2に記載の円錐ころ軸受。
- 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1〜3のいずれか1項に記載の円錐ころ軸受。
- 前記式(1)のK1,K2,zm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1〜4のいずれか1項に記載の円錐ころ軸受。
- 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1〜5のいずれか1項に記載の円錐ころ軸受。 - 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円弧である、請求項6に記載の円錐ころ軸受。
- 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6または7に記載の円錐ころ軸受。
- 前記ポケットの前記狭幅側の前記小環状部にも切欠きが設けられている、請求項1〜8のいずれか1項に記載の円錐ころ軸受。
- 前記大端面の表面粗さRaが0.10μm以下であり、前記大鍔面の表面粗さRaが0.063μm以下である、請求項1〜9のいずれか1項に記載の円錐ころ軸受。
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