JPWO2005080813A1

JPWO2005080813A1 - 円錐ころ軸受

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Publication number: JPWO2005080813A1
Application number: JP2006510268A
Authority: JP
Inventors: 川口　幸志; 幸志川口; 譲高橋; 荻野　清; 清荻野; 松山　博樹; 博樹松山
Original assignee: JTEKT Corp
Current assignee: JTEKT Corp
Priority date: 2004-02-19
Filing date: 2005-02-21
Publication date: 2007-10-25
Anticipated expiration: 2025-02-21
Also published as: EP1722117B1; US8641290B2; CN100422586C; EP1722117A4; CN1922412A; KR20060129395A; JP4730299B2; WO2005080813A1; US20080101742A1; KR20120091470A; EP1722117A1

Abstract

本発明の円錐ころ軸受は、円錐ころの転動面と内外輪の軌道面にクラウニングを施し、そのクラウニングにおける全クラウニング量と各軌道面および転動面のクラウニング量を好適に規定した。これによって、内外輪と円錐ころとの転がり摩擦を低減し、当該円錐ころ軸受の回転トルクの低減化を実現した。

Description

本発明は、例えば、自動車等におけるディファレンシャル装置、トランスアクスル等のピニオンギヤ軸支持装置や、トランスミッション等に好適に使用される円錐ころ軸受に関する。

近年、自動車等の省燃費化に対する要求が高まっており、それらに搭載されるトランスミッション装置やディファレンシャル装置の回転軸を支持するために用いられている円錐ころ軸受に関してもその回転トルクの低減化が望まれている。
その中で、円錐ころ軸受の回転トルクを低減する方法として、円錐ころの転動面や内外輪の軌道面にクラウニングを施して転がり摩擦を低減する方法がある。
このような方法として、例えば、特開２００３−１３００５９号公報に記載されているように、軌道面を円弧クラウニング形状とすることで回転トルクの低減化を図る方法や、特開２００１−６５５７４号公報に記載されているように、ころの転動面とそれに接する軌道面とに対数曲線に近似させたクラウニング形状とする方法が提案されている。

上記従来例では、転動面あるいは軌道面のクラウニングの形状を数値で規定することで円錐ころ軸受の性能向上化が図られていた。しかしながら、クラウニングを量として着目し、そのクラウニング量を規定することで円錐ころ軸受の回転トルクを低減するという試みはなされていなかった。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、ころの転動面及び内外輪の軌道面にクラウニングを施し、そのクラウニング量を規定することにより回転トルクを低減できる円錐ころ軸受の提供をその目的とする。

本発明の円錐ころ軸受は、クラウニングが施された外輪軌道面を有する外輪と、クラウニングが施された内輪軌道面を有する内輪と、クラウニングが施された転動面を有するとともに前記両軌道面の相互間に転動自在に配置された複数の円錐ころとを備え、
全クラウニング量（＝外輪クラウニング量＋内輪クラウニング量＋ころクラウニング量×２）が５０μｍ以上、
外輪クラウニング率（＝外輪クラウニング量／全クラウニング量）が４０％以上、
ころクラウニング率（＝（ころクラウニング量×２）／全クラウニング量）が２０％以下であることを特徴としている。

上記のように構成された円錐ころ軸受によれば、前記円錐ころの転動面及び内外輪の軌道面に施されたクラウニングの全クラウニング量、外輪クラウニング率、及びころクラウニング率が好適な値に設定されているので、それぞれの転動面及び軌道面における接触面積を適度に減少させるとともに、内外輪と円錐ころとの間の転がり粘性抵抗を低減できる。従って、これらの転がり摩擦を低減でき、当該円錐ころ軸受の回転トルクの低減を図ることができる。

上記円錐ころ軸受において、内輪クラウニング率（＝内輪クラウニング量／全クラウニング量）が１０％以上であることが好ましい。

この場合、前記内輪軌道面と前記転動面との接触面における軸方向両端部付近の接触荷重を減少させることができる。これにより、いわゆるエッジロードが作用した場合にもその作用を低減し、軸受寿命の低下を防止することができる。

本発明の一実施形態に係る円錐ころ軸受の軸方向断面図である。内輪のクラウニング（複合クラウニングの場合）の形状を示す図であり、（ａ）は内輪の輪郭を示し、（ｂ）は内輪の軌道面に施されたクラウニング形状を模式的に示している。内輪のクラウニング（フルクラウニングの場合）の形状を示す図であり、（ａ）は内輪の輪郭を示し、（ｂ）は内輪の軌道面に施されたクラウニング形状を模式的に示している。円錐ころのクラウニングの形状を示す図であり、（ａ）は、円錐ころ３０の軸方向の断面における上半分の輪郭を示し、（ｂ）は円錐ころの転動面に施されたクラウニング形状を模式的に示している。外輪のクラウニングの形状を示す図であり、（ａ）は外輪の輪郭を示し、（ｂ）は外輪の軌道面に施されたクラウニング形状を模式的に示している。全クラウニング量と円錐ころ軸受のトルク比との関係を示した散布図である。外輪クラウニング率と円錐ころ軸受のトルク比との関係を示した散布図である。ころクラウニング率と円錐ころ軸受のトルク比との関係を示した散布図である。内輪クラウニング率と円錐ころ軸受のトルク比との関係を示した散布図である。

次に、本発明の好ましい実施形態について添付図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る円錐ころ軸受の軸方向断面図である。
図中、本実施形態に係る円錐ころ軸受１は、外周に円錐面からなる内輪軌道面１１を有する内輪１０と、内周に円錐面からなる外輪軌道面２１を有する外輪２０と、外周に円錐面からなる転動面３１を有するとともに両軌道面１１，２１の相互間に転動自在に配置された複数の円錐ころ３０と、この複数の円錐ころ３０を周方向に所定の間隔で保持している保持器４０とを備えている。そして、内輪軌道面１１、外輪軌道面２１、及び転動面３１には、本発明の特徴的構成であるクラウニングが施されている。

ここで、一般的なクラウニングの考え方について、内輪を例に説明する。図２（ａ）は、内輪軌道面１１にクラウニングを施した内輪１０の軸方向の断面における輪郭を誇張して示した図である。図中、円錐ころ３０の転動面３１と転がり接触する内輪軌道面１１には、径方向外方にわずかに突出したクラウニングが施されている。このクラウニングは、円弧を上底とする台形的形状の複合クラウニングを示している。

以下に、内輪１０のクラウニング量（以下、内輪クラウニング量ともいう）の算出方法について説明する。図２（ａ）において、内輪１０の軸方向に対する内輪軌道面１１の幅をＳＫ、内輪軌道面１１のテーパ角度をβ、内輪軌道面１１の両端部に形成されている図示の面取り寸法をＬ１，Ｌ２したとき、軌道長さＬＲＩは、下記式（１）より得られる。
ＬＲＩ＝ＳＫ／ｃｏｓβ−（Ｌ１＋Ｌ２）・・・（１）

ここで、ＬＲＩ’＝０．６ＬＲＩとなる長さＬＲＩ’を、軌道長さＬＲＩの中間点から図示のようにとり、ＬＲＩ’の寸法両端に対応する内輪軌道面１１上の点を、Ａ’及びＢ’とする。なお、この場合Ａ’、Ｂ’は円弧の端点Ａe、Ｂeより内側にあるが、Ａ’、Ｂ’がそれぞれ円弧の端点Ａe、Ｂeと一致してもよい。

図２の（ｂ）は、図２の（ａ）に示す内輪軌道面１１の軌道長さＬＲＩの端点Ａと端点Ｂとの間のクラウニングの断面形状を模式的に示したものである。（ｂ）において、長さＬＲＩ’におけるクラウニングの弦Ｇ’の中点Ｃ２’とクラウニングの円弧中心Ｏとを通過する直線Ｍは、弦Ｇ’と直交しかつ長さＬＲＩ’におけるクラウニング円弧中心点Ｃ１を通過する。そして、このクラウニング円弧中心点Ｃ１から、軌道長さＬＲＩにおけるクラウニングの弦Ｇの中点Ｃ２までの距離寸法を、内輪１０のクラウニング量ＣＲＩとした。
なお、内輪クラウニングの形状は、図２に示すような円弧を上底とする台形的形状のみならず、単一の円弧形状の他、複数の円弧で形成される形状や、対数クラウニング、楕円クラウニング等、全ての種類のクラウニング形状であってもよく、これらの全てのクラウニング形状において上述のクラウニング量の考え方が適用できる。

また、上記クラウニングの考え方は、ころや外輪に対しても同様に適用することができる。さらに、上記クラウニング量の定義は、ころや外輪に対しても適用可能である。
なお、軌道長さ（転動面長さ）の範囲において複数の形状を組み合わせてなるクラウニングを複合クラウニングといい、軌道長さの範囲において単一の円弧形状からなるクラウニングをフルクラウニングという。

次に、クラウニング形状が、フルクラウニングである場合のクラウニングの考え方と、これに基づくクラウニング量の考え方について説明する。また同時に、円錐ころと外輪におけるクラウニングの考え方についても説明する。
図３（ａ）は、内輪軌道面１１にフルクラウニングを施した内輪１０の軸方向の断面における輪郭を示した図である。図において、軌道長さＬＲＩは、図２の（ａ）の場合における式（１）と同様であり、
ＬＲＩ＝ＳＫ／ｃｏｓβ−（Ｌ１＋Ｌ２）
である。

一方、図３の（ｂ）は、（ａ）に示す内輪軌道面１１の軌道長さＬＲＩの端点Ａと端点Ｂとの間のクラウニングの断面形状を模式的に示したものである。図中、軌道長さＬＲＩにおけるクラウニングの弦Ｇの中点Ｃ２とクラウニングの円弧中心Ｏとを通過する直線Ｍは、弦Ｇと直交しかつ軌道長さＬＲＩにおけるクラウニング円弧中心点Ｃ１を通過する。そして、このクラウニング円弧中心点Ｃ１と中点Ｃ２とで定まる距離寸法を内輪クラウニング量ＣＲＩとした。すなわち、図示のようにクラウニング円弧の半径をＲＣＩとすると、内輪クラウニング量ＣＲＩは、下記式（２）により求められる。
ＣＲＩ＝ＲＣＩ−｛ＲＣＩ^２−（ＬＲＩ／２）^２｝^１／２・・・（２）

図４（ａ）は、円錐ころ３０の軸方向の断面における上半分の輪郭を示す図である。図中、円錐ころ３０には、内外輪の軌道面１１，２１と転がり接触する転道面３１が設けられている。また転動面３１の両端部には、それぞれ面取り部３２ａ，３３ａが設けられており、円錐ころ３０の小径側端面３２及び大径側端面３３に対して滑らかに連続するように形成されている。また、転動面３１には、ごく僅かに外径方向に突出したフルクラウニングが施されている。

以下に、円錐ころ３０のクラウニング量（以下、ころクラウニング量ともいう）の算出方法について説明する。図４（ａ）中、円錐ころ３０の中心軸方向に対する転動面３１の幅をＬ、転動面３１のテーパ角度をγ、転動面３１の両端部に形成されている面取り部３２ａ，３３ａの曲面を転動面の全幅から除く幅寸法をＳ１，Ｓ２とした時、上述のころ有効長さＬＷＲは、下記式（３）より得られる。
ＬＷＲ＝Ｌ／ｃｏｓ（γ／２）−（Ｓ１＋Ｓ２）・・・（３）
なお、上式（３）中Ｓ１，Ｓ２は、軸受のサイズによって一定の値が定められる。

図４（ｂ）は、図４（ａ）中に示す転動面３１のころ有効長さＬＷＲの端点Ａと端点Ｂとの間のクラウニング形状を模式的に示す図である。図中、ころ有効長さＬＷＲにおけるクラウニングの弦Ｇの中点Ｃ２とクラウニングの円弧中心Ｏとを通過する直線Ｍは、弦Ｇと直交しかつころ有効長さＬＷＲにおけるクラウニング円弧中心点Ｃ１を通過する。
本発明者らは、このクラウニング円弧中心点Ｃ１と中点Ｃ２との距離寸法をころクラウニング量ＣＲとした。そして、図のようにクラウニング円弧の半径をＲＣとすると、ころクラウニング量ＣＲは、下記式（４）により求められる。
ＣＲ＝ＲＣ−｛ＲＣ^２−（ＬＷＲ／２）^２｝^１／２・・・（４）

次に、軌道面にフルクラウニングを施した外輪２０のクラウニング量（以下、外輪クラウニング量ともいう）の算出方法について説明する。図５（ａ）は、外輪軌道面２１にフルクラウニングを施した外輪２０の軸方向の断面における輪郭を誇張して示した図である。図中、円錐ころ３０の転動面３１と転がり接触する外輪軌道面２１には、径方向内方に突出した断面円弧状のクラウニングが施されている。また、外輪軌道面２１の両端部から外輪２０の軸端面に向かって、それぞれ面取り部２２ａ，２３ａが設けられている。これら面取り部２２ａ，２３ａは、それぞれ、外輪２０の小内径側端面２２及び大内径側端面２３に対して滑らかに連続するように形成されている。

図５（ａ）中、外輪２０の軸方向に対する外輪軌道面２１の幅をＳＢ、外輪軌道面２１のテーパ角度をα、外輪軌道面２１の両端部に形成されている面取り部２２ａ，２３ａの曲面を外輪軌道面の全幅から除く幅寸法をＴ１，Ｔ２とした時、上述の軌道長さＬＲＯは、下記式（５）より得られる。
ＬＲＯ＝ＳＢ／ｃｏｓα−（Ｔ１＋Ｔ２）・・・（５）
尚、上式（５）中、Ｔ１，Ｔ２は、軸受のサイズによって一定の値が定められる。

図５（ｂ）は、図５（ａ）中に示す外輪軌道面２１の軌道長さＬＲＯの端点Ａと端点Ｂとの間のクラウニングの断面形状を模式的に示したものである。図中、軌道長さＬＲＯにおけるクラウニングの弦Ｇの中点Ｃ２とクラウニングの円弧中心Ｏとを通過する直線Ｍは、弦Ｇと直交しかつ軌道長さＬＲＯにおけるクラウニング円弧中心点Ｃ１を通過する。
本発明者らは、このクラウニング円弧中心点Ｃ１と中点Ｃ２とで定まる距離寸法を外輪クラウニング量ＣＲＯとした。そして、図のようにクラウニング円弧の半径をＲＣＯとすると、外輪クラウニング量ＣＲＯは、下記式（６）により求められる。
ＣＲＯ＝ＲＣＯ−｛ＲＣＯ^２−（ＬＲＯ／２）^２｝^１／２・・・（６）

以上のようにして、フルクラウニングを施した場合の円錐ころ及び内外輪のクラウニング量を求めることができる。
なお、フルクラウニングを施した円錐ころ３０及び内外輪１０，２０に対して、上述した一般的なクラウニングの考え方に基づきクラウニング量を算出することができるのはもちろんである。すなわち、図２において長さＬＲＩ’を求めたのと同様に、円錐ころ３０の場合はＬＷＲに対するＬＷＲ’を、また、外輪２０の場合は、ＬＲ０に対するＬＲ０’を、それぞれ導出すればよい。このようにして一般的なクラウニングの考え方に基づき求めたクラウニング量は、フルクラウニングの考え方（図４，図５）に基づき求めた値とほぼ一致する。

そして、本発明者らは、上記のころクラウニング量、内輪クラウニング量、外輪クラウニング量から、下記式（７），（８），（９），（１０）に基づいて全クラウニング量、外輪クラウニング率、ころクラウニング率、内輪クラウニング率を算出した。
全クラウニング量＝外輪クラウニング量＋内輪クラウニング量＋ころクラウニング量×２・・・（７）
外輪クラウニング率＝外輪クラウニング量／全クラウニング量・・・（８）
ころクラウニング率＝ころクラウニング量×２）／全クラウニング量・・・（９）
内輪クラウニング率＝内輪クラウニング量／全クラウニング量・・・（１０）

そして、本実施形態の円錐ころ軸受１の円錐ころ３０及び内外輪１０，２０は、全クラウニング量が５０μｍ以上、外輪クラウニング率が４０％以上、ころクラウニング率が２０％以下に設定されている。

ここで、本発明者らが行った、円錐ころ軸受の回転トルクと、全クラウニング量及び各クラウニング率との関係を明らかにするための検証試験の結果について説明する。
本試験に供した円錐ころ軸受としては、その全クラウニング量及び各クラウニング率が種々異なる値に設定された図１に示す構成の円錐ころ軸受（ＪＩＳ３０３０６相当品）を多数用意し、これらの回転トルクを実験的に測定した。
円錐ころ軸受の回転トルクの測定方法としては、例えば軸受試験装置を用い、実施例品である円錐ころ軸受を試験装置に設置した後、内外輪の一方を回転させ、内外輪の他方に作用する回転トルクを測定した。試験条件としては、潤滑油にディファレンシャル装置用ギヤオイルを用い、擬似的な与圧負荷としてアキシャル荷重４ｋＮを与え、回転速度３００ｒｐｍ，２０００ｒｐｍの２種類の回転速度で行った。

また、試験時の潤滑条件としては、回転速度３００ｒｐｍの際には、常温の潤滑油を試験前に適量塗布するのみで以後給油を行わずに試験した。一方、回転速度２０００ｒｐｍの際には、油温３２３Ｋ（５０℃）の潤滑油を毎分０．５リットルで循環供給しつつ試験を行った。潤滑油の供給方法を回転数に応じて異なる方法にしたのは、それぞれの回転数における必要最小限の潤滑油量だけ供給し、潤滑油が過剰供給になる場合に発生する潤滑油の攪拌抵抗の影響をできるだけ無くし、転がり摩擦による回転トルクを抽出するためである。
上述のようにして、全クラウニング量及び各クラウニング率が種々異なる値に設定された円錐ころ軸受のそれぞれについて、回転トルクを測定した。そして、前記全クラウニング量及び各クラウニング率と回転トルクとの関係を把握することで、回転トルクを低減させる値の範囲を特定した。

図６は、全クラウニング量と測定した円錐ころ軸受のトルク比（回転トルク／所定値）との関係を示した散布図である。この図から明らかなように、全クラウニング量が５０μｍ以下の場合では、トルク比は大きな幅をもって分散しているが、全クラウニング量が増加するに従って、分散しているトルク比の中の最大値が序々に低下する傾向を示している。そして、全クラウニング量が５０μｍ以上の場合、トルク比は、全クラウニング量が５０μｍ以上の場合と比較して、より低い値の範囲に安定して分布していることが判る。
なお、上記全クラウニング量は、１００μｍを超えると、円錐ころ及び内外輪に過大なクラウニングが施されることになり、円錐ころが安定して転動できなくなる恐れがある。従って、全クラウニング量は、１００μｍ以下であることが好ましい。

次に図７は、外輪クラウニング率と円錐ころ軸受のトルク比との関係を示した散布図である。この図から明らかなように、外輪クラウニング率が４０％以下の場合では、外輪クラウニング率が増加するに従ってトルク比の中の最大値が序々に低下する傾向を示している。そして、外輪クラウニング率が４０％以上の場合では、トルク比は、外輪クラウニング率が４０％以下の場合と比較して、より低い値の範囲に安定して分布していることが判る。

図８は、ころクラウニング率と円錐ころ軸受のトルク比との関係を示した散布図である。この図から明らかなように、ころクラウニング率が２０％以上の場合では、ころクラウニング率が減少するに従ってトルク比の中の最大値が序々に低下する傾向を示している。そして、ころクラウニング率が２０％以下の場合では、トルク比は、ころクラウニング率が２０％以上の場合と比較して、より低い値の範囲に安定して分布していることが判る。

図９は、内輪クラウニング率と円錐ころ軸受のトルク比との関係を示した散布図である。この図から明らかなように、内輪クラウニング率の変化に対して、トルク比は略一定の範囲で安定している。すなわち内輪クラウニング率は、円錐ころ軸受のトルク比に対して、顕著な相関が認められなかった。但し、内輪クラウニング率は、これを１０％以上に設定することによって、内輪軌道面１１と、転動面３１との接触面における軸方向両端部付近の接触荷重を減少させることができる。これにより、いわゆるエッジロードが作用した場合にもその作用を低減し、当該軸受寿命の低下を防止することができる。

以上のように、円錐ころ軸受の回転トルク比すなわち回転トルクと、全クラウニング量及び各クラウニング率との関係について実験的に測定し検証した結果、全クラウニング量は５０μｍ以上、外輪クラウニング率は４０％以上、ころクラウニング率は２０％以下という条件を満たすことで、円錐ころ軸受の回転トルクが減少することを確認できた。

また、外輪クラウニング率は、１００％であってもよいが、上述のように内輪クラウニング率が１０％以上施されることを考慮すると、９０％以下であることがより好ましい。
また、ころクラウニング率が０％の場合、外輪クラウニング率及び内輪クラウニング率が上記所定の値の範囲であれば、回転トルク低減の効果は得られる。従って、ころクラウニング率は、０％以上、２０％以下の範囲で設定されればよい。
また、内輪クラウニング率は、外輪クラウニング率が４０％以上施されることから、６０％以下であることが好ましい。

上記検証試験において、測定された円錐ころ軸受の回転トルクは、潤滑油の攪拌抵抗の影響をできるだけ無くした状態で測定された値であり、円錐ころと内外輪間の転がり粘性抵抗が大きく寄与した状態の回転トルクである。
つまり、上記検証試験の結果によれば、円錐ころ３０の転動面及び内外輪の軌道面に施された各クラウニングの全クラウニング量、外輪クラウニング率、及びころクラウニング率を上記条件とすることで、内外輪と円錐ころとの間の転がり粘性抵抗が低減されていると解される。
すなわち、本実施形態に係る円錐ころ軸受１によれば、上述のように、円錐ころ３０と内外輪１０，２０との間の転がり粘性抵抗を低減させることができ、これらの転がり摩擦を低減できる。その結果、円錐ころ軸受１としての回転トルクを低減することができる。
特に、ディファレンシャル装置等の車両用ピニオンギヤ軸支持装置では、比較的高粘度のギヤ用潤滑油で軸受の潤滑が行われるため、これに用いられる軸受の転がり粘性抵抗は大きくなる傾向にある。従って、本発明による円錐ころ軸受をピニオンギヤ軸支持装置に用いることで、その回転トルク低減効果は顕著に現れる。

また、本発明者らは、本実施形態の円錐ころ軸受の回転トルク低減効果を検証すべく、実施例品及び比較例品を用いて回転トルクの測定を行った。本発明に係る実施例品としては、全クラウニング量が６４μｍ、外輪クラウニング量が４０μｍ、ころクラウニング量が２μｍ、内輪クラウニング量が２０μｍに設定された円錐ころ軸受を用いた。このときの実施例品に係る円錐ころ軸受の外輪クラウニング率は６２．５％、ころクラウニング率は６．２５％、内輪クラウニング率は３１．２５％である。比較例品としては、内外輪及び円錐ころにクラウニングが施されていない実施例品と同じサイズの円錐ころ軸受を用意し、両者の回転トルクを同条件にて測定し、比較した。
その結果、上記実施例品に係る円錐ころ軸受では、比較例品に係る円錐ころ軸受と比較して、その回転トルクを概ね５５％低減できることが確認できた。

尚、本発明の円錐ころ軸受は、上記各実施形態に限定されるものではなく、軸受の構成や、円錐ころの転動面及び内外輪の軌道面の形状等は、本発明の趣旨に基づいて適宜変更することができる。

Claims

クラウニングが施された外輪軌道面を有する外輪と、クラウニングが施された内輪軌道面を有する内輪と、クラウニングが施された転動面を有するとともに前記両軌道面の相互間に転動自在に配置された複数の円錐ころとを備え、
全クラウニング量（＝外輪クラウニング量＋内輪クラウニング量＋ころクラウニング量×２）が５０μｍ以上、
外輪クラウニング率（＝外輪クラウニング量／全クラウニング量）が４０％以上、
ころクラウニング率（＝（ころクラウニング量×２）／全クラウニング量）が２０％以下であることを特徴とする円錐ころ軸受。
内輪クラウニング率（＝内輪クラウニング量／全クラウニング量）が１０％以上である請求項１記載の円錐ころ軸受。