JPWO2005100809A1 - 円錐ころ軸受、円錐ころ軸受装置及びこれを用いた車両用ピニオン軸支持装置 - Google Patents

Abstract

ころ充填率が０．７〜０．９２の範囲にあり、かつ、ころ径に対するころ長さが１．１〜１．７の範囲にあるようにして、油の攪拌抵抗及び転がり粘性抵抗を低減することで回転トルクを低減する。また、外輪クラウニング半径をＲＣＯ、軌道長さをＬＲＯ、内輪クラウニング半径をＲＣＩ、軌道長さをＬＲＩとして、外輪クラウニングパラメータ（＝ＲＣＯ／ＬＲＯ）は３０〜１５０であり、かつ、内輪クラウニングパラメータ（＝ＲＣＩ／ＬＲＩ）は５０〜２６０であるクラウニングを施すことにより、転がり粘性抵抗を低減して、回転トルクを低減する。

Description

本発明は、自動車や産業機械のディファレンシャルギヤ装置等に使用される円錐ころ軸受に関する。

円錐ころ軸受は、玉軸受に比べて高負荷容量で高剛性であるという特性を有するため、このような特性を要する自動車のディファレンシャルギヤ装置やトランスアクスル装置等の車両用ピニオン軸支持装置に使用されている。しかしながら、回転トルク（損失）が大きいという欠点も有するため、内外輪の軌道面や円錐ころの転動面にクラウニングを施して転がり摩擦を低減することが提案されている（例えば、特開２００３−１３００５９号公報及び特開２００１−６５５７４号公報参照。）。

上記従来例では、軌道面又は転動面のクラウニングの形状を規定することで円錐ころ軸受の性能向上が図られていた。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等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。他方、ディファレンシャルギヤ装置等における円錐ころ軸受の回転トルクの主たる要因は、円錐ころの転がり粘性抵抗及び油の攪拌抵抗であるが、これらを如何にして低減するかの指針は明確になっていなかった。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、円錐ころ軸受の回転トルクを、多面的要因を考慮して効果的に低減することを目的とする。

本発明は、外輪と、内輪と、これらの間に介在する複数の円錐ころと、当該円錐ころの保持器とを備えた円錐ころ軸受において、ころ数をｚ、ころ有効長さをＬＷＲ、ころ平均径をＤＷ、ころＰＣＤをｄｍとするとき、
ｚ・ＤＷ／（π・ｄｍ）で表されるころ充填率が０．７〜０．９２の範囲にあり、かつ、ＬＷＲ／ＤＷで表されるころ径に対するころ長さが１．１〜１．７の範囲にあるとともに、前記外輪のクラウニング半径をＲＣＯ、軌道長さをＬＲＯ、前記内輪のクラウニング半径をＲＣＩ、軌道長さをＬＲＩとするとき、外輪クラウニングパラメータ（＝ＲＣＯ／ＬＲＯ）は３０〜１５０であり、かつ、内輪クラウニングパラメータ（＝ＲＣＩ／ＬＲＩ）は５０〜２６０であることを特徴とするものである。
このような円錐ころ軸受においては、ころ充填率を小さい範囲に維持しつつ、ころ長さ／ころ径を小さくすることにより、油の攪拌抵抗及び転がり粘性抵抗が低減される。また、上記のクラウニングパラメータの設定によって、転がり粘性抵抗が低減される。従って、回転トルクを効果的に低減することができる。

また、本発明は、外輪と、内輪と、これらの間に介在する複数の円錐ころと、当該円錐ころの保持器とを備えた円錐ころ軸受において、ころ数をｚ、ころ有効長さをＬＷＲ、ころ平均径をＤＷ、ころＰＣＤをｄｍとするとき、
ｚ・ＤＷ／（π・ｄｍ）で表されるころ充填率が０．７〜０．９２の範囲にあり、かつ、ＬＷＲ／ＤＷで表されるころ径に対するころ長さが１．１〜１．７の範囲にあるとともに、前記外輪及び内輪の各軌道面及び前記円錐ころの転動面にはクラウニングが施され、
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ものである。
このような円錐ころ軸受においては、ころ充填率を小さい範囲に維持しつつ、ころ長さ／ころ径を小さくすることにより、油の攪拌抵抗及び転がり粘性抵抗が低減される。また、上記のクラウニング量の設定によって、転がり粘性抵抗が低減される。

また、上記円錐ころ軸受において、内輪の内径をｄ、前記外輪の外径をＤとするとき、ころ径パラメータ（２ＤＷ／（Ｄ−ｄ））が０．４４〜０．５２の範囲にあるようにしてもよい。
この場合、同サイズの従来品と比較してころ径が大きいため、軸受内部の自由空間体積が増えて、油が軸受内部を流れやすくなり、攪拌抵抗が低減される。

また、上記円錐ころ軸受の内外輪間の軸方向一端側に、油の流入を抑制する油流入抑制手段を設けた円錐ころ軸受装置を構成してもよい。この油流入抑制手段は、保持器の小径側端部に、外輪に近接した位置から径方向内方に延びる環状部を形成し、その内周側端部を前記内輪に近接させることにより当該内輪との間にラビリンスシールを構成してなるものであってもよい。また、円錐ころ軸受を構成しない別部材を油流入抑制手段として設けることにより、円錐ころ軸受装置を構成してもよい。例えば、軸受ハウジングにラビリンスを設ければよい。
この場合、軸受内部への油の流入が抑制され、転がり粘性抵抗や油の攪拌抵抗が低減される。これにより、回転トルクが低減される。

また、上記円錐ころ軸受において、外輪接触角を２５度〜３０度の範囲としてもよい。
この場合、ポンプ作用が増大し、油の排出が促進されるので、油の攪拌抵抗が低減される。これにより、回転トルクが低減される。

また、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）を１０％以上としてもよい。
この場合、内輪軌道面と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、当該軸受寿命の低下を防止することができる。

また、本発明の車両用ピニオン軸支持装置は、ピニオン軸のピニオンギヤ側及びその逆側にそれぞれ円錐ころ軸受が配置され、ピニオンギヤ側には油流入抑制手段を有する円錐ころ軸受装置を設けたものである。
このような車両用ピニオン軸支持装置においては、油が流入しやすいヘッド側の円錐ころ軸受における油の流入を油流入抑制手段（例えばラビリンスシール）によって抑制し、回転トルクを低減することができる。

本発明の一実施形態に係る、ヘッド側の円錐ころ軸受の軸方向断面図である。 本発明の一実施形態に係る、テール側の円錐ころ軸受の軸方向断面図である。 内輪の輪郭及びクラウニング（複合クラウニングの場合）の形状を示す図である。 内輪の軌道面に施されたクラウニング（複合クラウニングの場合）の形状を模式的に示す図である。 内輪の輪郭及びクラウニング（フルクラウニングの場合）の形状を示す図である。 内輪の軌道面に施されたクラウニング（フルクラウニングの場合）の形状を模式的に示す図である。 円錐ころの断面上半分の輪郭及びクラウニングの形状を示す図である。 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す図である。 外輪の輪郭及びクラウニングの形状を示す図である。 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す図である。 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。 ヘッド側における回転速度に対する回転トルクの変化を示すグラフである（実施例１，２，比較例１）。 テール側における回転速度に対する回転トルクの変化を示すグラフである（実施例１，２，比較例１）。 回転速度に対する回転トルクの変化を示すグラフである（実施例３，比較例２）。 回転速度に対する回転トルクの変化を示すグラフである（実施例４，比較例３）。 ディファレンシャルギヤ装置の断面図である。

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１９は、本実施形態の円錐ころ軸受を用いた、車両用ピニオン軸支持装置としての自動車のディファレンシャルギヤ装置１００の断面図である。このディファレンシャルギヤ装置１００は、ケース１１０内に、図示しないドライブシャフトにより回転駆動されるピニオン軸１２０と、差動変速機構１３０とを備えている。ピニオン軸１２０の先端にはピニオンギヤ１２１が設けられ、これが、差動変速機構１３０のリングギヤ１３１と噛み合っている。ピニオン軸１２０は、ピニオンギヤ１２１側（以下、ヘッド側という。）の円錐ころ軸受１Ｈと、その逆側（以下、テール側という。）の円錐ころ軸受１Ｔとによって、ケース１１０に対して回転自在に支持されている。また、ケース１１０には、一対の円錐ころ軸受１Ｈ，１Ｔ間に図の矢印で示すように油を導入して当該軸受の軌道面を潤滑するための潤滑油供給路１１１が形成されている。

ここで上記ディファレンシャルギヤ装置１００の潤滑動作について説明する。ケース１１０の底部にはディファレンシャルギヤ装置１００の内部全体を潤滑するための潤滑油（図示せず。）が貯留されている。差動変速機構１３０のリングギヤ１３１は、車両が前進駆動状態において図中の矢印で示す方向に回転駆動されるようになっており、このリングギヤ１３１の回転により、ケース１１０の底部に貯留されている潤滑油を上方に跳ね上げる。跳ね上げられた潤滑油は、潤滑油供給路１１１を通って、一対の円錐転がり軸受１Ｈ，１Ｔ間に導かれ、当該軸受内に供給される。ヘッド側の円錐ころ軸受１Ｈ内を通過した潤滑油は、ケース１１０の底部に戻される。また、テール側の円錐ころ軸受１Ｔ内を通過した潤滑油は、図示しない還流路を通過してケース１１０の底部に戻される。このようにして、油は、ディファレンシャルギヤ装置１００の内部を循環している。

図１及び図２はそれぞれ、ヘッド側の円錐ころ軸受１Ｈ及びテール側の円錐ころ軸受１Ｔの軸方向断面図である。各図において、円錐ころ軸受１Ｈ，１Ｔは、外周に円錐面からなる内輪軌道面１１が形成された内輪１０と、内周に円錐面からなる外輪軌道面２１が形成された外輪２０と、内外輪間に介在し、外周に円錐面からなる転動面３１が形成された転動自在の複数の円錐ころ３０と、これらの円錐ころ３０を周方向に所定間隔で保持する保持器４０とを備えている。

また、円錐ころ軸受１Ｈ，１Ｔにおいて、内輪１０の大径側（図の右方）及び小径側（図の左方）にはそれぞれ、円錐ころ３０の軸方向への移動を規制する大径鍔部１２及び小径鍔部１３が形成されている。さらに、図１に示すヘッド側の円錐ころ軸受１Ｈには、小径鍔部１３から内輪１０左端に至る部分に、外径が小径鍔部１３よりも小さい円筒状部１４が形成されている。一方、保持器４０の小径側（図の左方）端部には、外輪２０に近接した位置から径方向内方に延びる環状部４１が形成されている。この環状部４１の内周側端部は、内輪１０の円筒状部１４の外周面及び小径鍔部１３の側面に近接し、これによってラビリンスシールＳが構成されている。このように保持器４０と内輪１０との間にラビリンスシールＳが構成されていることにより、図の左方から軸受内部に油が流入することを抑制できる。なお、テール側の円錐ころ軸受１Ｔには、このようなラビリンスシールは設けられていない。

仮に、上記のようなラビリンスシールＳがヘッド側の円錐ころ軸受１Ｈに設けられていなかったとすると、当該円錐ころ軸受１Ｈには多量の油が正面側（図１９における円錐ころ軸受１Ｈの左側）及び背面側（同右側）から供給され、流入する油の量は、テール側の円錐ころ軸受１Ｔよりもヘッド側の円錐ころ軸受１Ｈの方が多くなる。従って、ヘッド側の円錐ころ軸受１Ｈにおいては油の攪拌抵抗が大きくなる。他方、テール側の円錐ころ軸受１Ｔは、低温始動時に油が供給されにくく、そのため、焼き付き易いという問題がある。
そこで、ヘッド側の円錐ころ軸受１Ｈに上記ラビリンスシールＳを設け、油の流入を抑制して当該円錐ころ軸受１Ｈの油の攪拌抵抗を低減するとともに、ラビリンスシールＳが無かったならばヘッド側の円錐ころ軸受１Ｈに流入するはずの油の一部をテール側の円錐ころ軸受１Ｔに供給する。これにより、テール側の円錐ころ軸受１Ｔの潤滑が向上し、焼き付きにくくすることができる。なお、テール側の円錐ころ軸受１Ｔへの油の供給度合いが過度のときは、当該円錐ころ軸受１Ｔにも適度なラビリンスシールを設ければよい。

次に、具体的な設計指針について説明する。
円錐ころ軸受１Ｈ，１Ｔの回転トルクを低減するには、油の攪拌抵抗及び転がり粘性抵抗を低減することが有効である。まず、攪拌抵抗を低減するには、軸受内部に流入した油を速やかに排出すればよい。そこで、油の流出を促進する手段を設ける。具体的には、円錐ころの充填率を小さくして、円錐ころ間の周方向隙間を大きく確保する。しかし、充填率を小さくすれば負荷容量が低下するので、これを補うべく、ころ径（平均径）を大きくする。また、ころの長さを短くすることにより、油に触れる面積の低減を図る。さらに、外輪接触角を大きくしてポンプ作用を促進させる。一方、油の流入そのものを抑制することが攪拌抵抗の低減に寄与すると考えられるので、少なくともヘッド側の円錐ころ軸受１Ｈには、流入抑制手段として上述のようにラビリンスシールＳを設ける。
また、上記の充填率を小さくすること、及び、ころ径を大きくして長さを短くすること（すなわち太短くすること）は、いずれも転動面積の削減につながるので、転がり粘性抵抗の低減が期待される。さらに、クラウニングを軌道面や転動面に施すことにより転がり粘性抵抗が低減されると考えられる。

なお、車両用ピニオン軸支持装置の一例としてディファレンシャルギヤ装置について説明したが、同じくピニオン軸支持であるトランスアクスル装置の場合も、同様な構成である。

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３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、クラウニングを誇張して示した図である。図中、円錐ころ３０（図１，図２）の転動面３１（図１，図２）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である。

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３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４は、図３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４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までの距離を、内輪クラウニング量ＣＲＩとした。
なお、内輪クラウニングの形状は、図４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、各種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やクラウニング量の定義は、ころや外輪に対しても同様に適用することができる。
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、フルクラウニングの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。
図５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、クラウニングを誇張して示した図である。図において、軌道長さＬＲＩは、図３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６は、図５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６において、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。
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７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７において、円錐ころ３０の外周面には、ほぼ直線状の転動面３１と、転動面３１の軸方向両端から滑らかに下がるように形成された面取り部３２ａ，３３ａとが設けられている。面取り部３２ａ，３３ａは円錐ころ３０の小径側端面３２及び大径側端面３３に対しても、滑らかに連続するように形成されている。直線状に見える転動面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。図８は、図７における転動面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のみを模式的に示す図である。

本発明者らは、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。）を、転動面３１のころ有効長さＬＷＲより定まるクラウニングの円弧中心点とその弦との距離と規定した。以下、ころクラウニング量の算出方法について説明する。
図７において、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の曲面の図示の寸法をＳ１，Ｓ２としたとき、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）

上記式（３）におけるＳ１，Ｓ２は、軸受のサイズによって一定の幅が定められる。
図８において、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との距離を、ころクラウニング量ＣＲ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、図９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、クラウニングを誇張して示した図である。図９において、外輪２０の内周面には、円錐ころ３０の転動面３１と転がり接触する外輪軌道面２１が設けられている。この外輪軌道面２１には径方向内方に突出したフル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２２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。これらの面取り部２２ａ，２３ａは、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。

本発明者らは、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。）を、外輪軌道面２１の軌道長さＬＲＯより定まるクラウニングの円弧中心点とその弦との距離であるＣＲＯと規定した。以下、外輪クラウニング量ＣＲＯの算出方法について説明する。
図９において、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の曲面の図示の寸法をＣ７，ＣＬ０としたとき、上述の軌道長さＬＲＯは、下記式（５）より得られる。
ＬＲＯ＝ＳＢ／ｃｏｓα−（Ｃ７＋ＣＬ０） ・・・（５）
なお、上式（５）においてＣ７，ＣＬ０は、軸受のサイズによって一定の値が定められる。

一方、図１０は、図９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１０において、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との距離を、外輪クラウニング量ＣＲＯ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３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、ＬＲＯに対するＬＲＯ’を、それぞれ導出し、円弧中心点を求めてからクラウニング量を求めればよい。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３，図４）に基づき求めた値とほぼ一致する。

次に、以上のようにして求めた外輪２０のクラウニング半径ＲＣＯ，軌道長さＬＲＯより、（ＲＣＯ／ＬＲＯ）を外輪クラウニングパラメータと定義する。また、内輪１０のクラウニング半径ＲＣＩ，軌道長さＬＲＩより、（ＲＣＩ／ＬＲＩ）を内輪クラウニングパラメータと定義する。
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）

次に、本発明者らが本発明の実施形態による円錐ころ軸受の回転トルクを実験的に測定し、上記クラウニングパラメータ、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検証した結果について説明する。
まず、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、上記実施形態で示した構成の円錐ころ軸受（ＪＩＳ３０３０６相当品）を用い、潤滑油にはディファレンシャルギヤ装置用ギヤオイルを用い、擬似的な予圧負荷としてアキシャル荷重４ｋＮを与え、回転速度３００［ｒ／ｍｉｎ］，２０００［ｒ／ｍｉｎ］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３００［ｒ／ｍｉｎ］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２０００［ｒ／ｍｉｎ］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。本試験に供した上記円錐ころ軸受には、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実施例品を用意し、それぞれについて回転トルクを測定して、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し、回転トルクを低減させる値の範囲を特定した。

図１１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より小さい場合では、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より小さい場合と比較して、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、全クラウニング量が１００μｍより大きくなると、ころの挙動が不安定となってトルクが増加する。従って、全クラウニング量は１００μｍ以下が望ましい。

次に図１２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％より小さい場合では、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％より小さい場合と比較して、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、外輪クラウニング率が８５％より大きくなると、内輪ところとの間にエッジロードが作用した場合に寿命低下を招く。従って、外輪クラウニング率は８５％以下が望ましい。

図１３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％より大きい場合では、ころクラウニング率が減少するに従ってトルク値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、トルク値は、ころクラウニング率が２０％より大きい場合と比較して、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、ころクラウニング率が５％より小さくなると、接触面積増加によるトルクの増加や、エッジロード発生による寿命低下を招く。従って、ころクラウニング率は５％以上が望ましい。

図１４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、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。なお、内輪クラウニング率を５５％より大きくすると、全クラウニング量との関係から外輪クラウニング率を小さくすることになり、トルクが増加する。従って、内輪クラウニング率は５５％以下が望ましい。

以上のように、円錐ころ軸受の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、クラウニング量として、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を低減させることができる、との知見を得た。

次に、具体的な数値を設定した円錐ころ軸受の実施例１，２（それぞれヘッド側及びテール側）及び比較例１（ヘッド側及びテール側）のデータを表１に示す。クラウニングに関しては、表に示したクラウニング量・率の範囲内で、実施例１では前述の条件（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）を満足させる。一方、比較例１はこの条件を満たさないクラウニングの数値範囲が設定されている。さらに、ヘッド側に関しての実施例３及び比較例２、テール側に関しての実施例４及び比較例３のデータを表２にそれぞれ示す。なお、表１，２中の、長さを表す数値の単位はｍｍである。
また、表１及び２において、実施例１は、内外輪共にフルクラウニング（軌道面の断面形状が円弧のみ）が施されたものであり、他の実施例及び比較例は、外輪のみフルクラウニングで内輪は複合クラウニング（円弧を上底とする台形的形状）が施されている。

また、表１の実施例１，２及び比較例１について、回転トルクを測定した結果を図１５，図１６に示す。図１５はヘッド側、図１６はテール側の円錐ころ軸受についてのグラフである。回転トルク測定条件としては、アキシャル荷重４ｋＮ、回転速度２５０〜４０００［ｒ／ｍｉｎ］、潤滑油はギヤオイル７５Ｗ−９０、油温５０℃、油量は、軸受背面側が油で完全に満たされるように供給した。

また、表２の実施例３及び比較例２について、回転トルクを測定した結果を図１７に示す。
また、表２の実施例４及び比較例３について、回転トルクを測定した結果を図１８に示す。

図１５，図１６より、ヘッド側の回転トルクは、２５０〜４０００［ｒ／ｍｉｎ］の回転速度全範囲にわたって、比較例１に対して実施例１，２では著しく低減された。また、テール側の回転トルクに関しても、比較例１に対して実施例１，２は低減され、特に油流入抑制機構を設けた実施例１では著しく低減された。
また、図１７においても、ヘッド側の回転トルクは、５００〜３０００［ｒ／ｍｉｎ］の回転速度全範囲にわたって、比較例２に対して実施例３では著しく低減されている。
また、図１８においても、テール側の回転トルクは、５００〜３０００［ｒ／ｍｉｎ］の回転速度全範囲にわたって、比較例３に対して実施例４ではかなり低減されている。

以上のように、実施例１〜４のすべてにおいて、比較例に対して、回転トルクの低減が実現されている。そこで、表１及び表２のデータのうち、所定の項目について実施例と比較例との数値範囲を比較してみると、以下の表３のようになる。

表３より、ころ長さ／径、ころ径パラメータ、外輪クラウニングパラメータ及び内輪クラウニングパラメータについては、実施例と比較例との数値差が明確に出ている。特に、ころ長さ／径、外輪クラウニングパラメータ及び内輪クラウニングパラメータについては、実施例と比較例との差が歴然としており、回転トルク低減に対する支配的な要因であることがわかる。このうち、クラウニングパラメータの上記数値範囲の設定によっては、転がり粘性抵抗が低減されると解される。従って、前述のように全クラウニング量、外輪クラウニング率及びころクラウニング率を規定することとは別の視点、すなわち、クラウニングを外輪クラウニングパラメータ及び内輪クラウニングパラメータで規定することによって、転がり粘性抵抗が低減され、それによる回転トルクの低減が実現できる。
但し、上記クラウニングパラメータに関しては、上記数値範囲に若干の上下の許容範囲や、比較例との数値差を考慮して、外輪クラウニングパラメータ（ＲＣＯ／ＬＲＯ）は３０〜１５０、内輪クラウニングパラメータ（ＲＣＩ／ＬＲＩ）は５０〜２６０が、回転トルク低減を実現するために設定されるべき範囲であると解される。

一方、表３において、ころ充填率に関しては、実施例の数値範囲が比較例の数値範囲を包含しており、両者に有意な差はないが、一般に、充填率を大きくすることが回転トルクの増大を招くことは自明である。しかし、充填率は負荷容量との関係もあって単に小さくすればよいというものではなく、ころ長さ／径と密接な関係を有する。従って、ころ充填率をなるべく小さい範囲に維持しつつ、ころ長さ／径を小さくすることが、回転トルク（油の攪拌抵抗及び転がり粘性抵抗に起因するもの）の低減効果をもたらすと解される。

具体的には、ころ充填率（ｚ・ＤＷ／(π・ｄｍ)）は、表３の実施例の数値範囲を含む範囲として、０．７〜０．９２とすることが好ましい。下限を０．７としたのは、これより小さくなると軸受の負荷容量や剛性が不足するからである。また、上限を０．９２としたのは、これより大きくなるとポンプ作用が不足して油の排出効果が低下し、油の攪拌抵抗と転がり粘性抵抗とが十分に低減されないからである。
また、ころ長さ／ころ径（ＬＷＲ／ＤＷ）は、表３の実施例の数値範囲を含む範囲として、１．１〜１．７とすることが好ましい。下限を１．１としたのは、これより小さくなると、ころ径が大きくなり転がり粘性抵抗が大きくなるからである。上限を１．７としたのは、これより大きくなると、ころ径が小さくなり、負荷容量が小さくなるからである。
一方、ころ径パラメータ（２ＤＷ／（Ｄ−ｄ））に関しては、表３の実施例の数値範囲を含む範囲として、０．４４〜０．５２とすることが好ましい。下限を０．４４としたのは、これより小さくなると、軸受内部の自由空間体積が減り、油が流れにくくなって、油の攪拌抵抗の低減効果が十分でなくなるからである。また、上限を０．５２としたのは、これより大きくなると軸受サイズ（内外輪径）に対してころ径が大きすぎて、軸受全体の形状バランスが好ましくなく、一般機器への適用が困難になるからである。

また、散布図（図１１〜図１４）から知得した前述の条件（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）を満たす実施例１及び２と、条件を満たさない比較例１とは、図１５，図１６において回転トルクに歴然たる差を生じていることから、当該条件を満たすことにより結果的に回転トルクが低減できる事実がここでも確認された。
さらに、ラビリンスにより油の流入を抑制したことも、回転トルク低減に寄与していると考えられる。また、外輪接触角αを２８．８１１度と大きくして油の排出促進を図ったことも、回転トルク低減に効果をもたらすものと考えられる。なお、この外輪接触角αは、この値の前後の２５度〜３０度で同様の効果が期待できる。

Claims (9)

1. 外輪と、内輪と、これらの間に介在する複数の円錐ころと、当該円錐ころの保持器とを備えた円錐ころ軸受において、
   ころ数をｚ、ころ有効長さをＬＷＲ、ころ平均径をＤＷ、ころＰＣＤをｄｍとするとき、
   ｚ・ＤＷ／（π・ｄｍ）で表されるころ充填率が０．７〜０．９２の範囲にあり、かつ、ＬＷＲ／ＤＷで表されるころ径に対するころ長さが１．１〜１．７の範囲にあるとともに、
   前記外輪のクラウニング半径をＲＣＯ、軌道長さをＬＲＯ、前記内輪のクラウニング半径をＲＣＩ、軌道長さをＬＲＩとするとき、外輪クラウニングパラメータ（＝ＲＣＯ／ＬＲＯ）は３０〜１５０であり、かつ、内輪クラウニングパラメータ（＝ＲＣＩ／ＬＲＩ）は５０〜２６０であることを特徴とする円錐ころ軸受。
2. 外輪と、内輪と、これらの間に介在する複数の円錐ころと、当該円錐ころの保持器とを備えた円錐ころ軸受において、
   ころ数をｚ、ころ有効長さをＬＷＲ、ころ平均径をＤＷ、ころＰＣＤをｄｍとするとき、
   ｚ・ＤＷ／（π・ｄｍ）で表されるころ充填率が０．７〜０．９２の範囲にあり、かつ、ＬＷＲ／ＤＷで表されるころ径に対するころ長さが１．１〜１．７の範囲にあるとともに、
   前記外輪及び内輪の各軌道面及び前記円錐ころの転動面にはクラウニングが施され、
   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。
3. 前記内輪の内径をｄ、前記外輪の外径をＤとするとき、ころ径パラメータ（２ＤＷ／（Ｄ−ｄ））が０．４４〜０．５２の範囲にある請求項１又は２に記載の円錐ころ軸受。
4. 請求項１又は２に記載の円錐ころ軸受の内外輪間の軸方向一端側に、油の流入を抑制する油流入抑制手段を設けた円錐ころ軸受装置。
5. 前記油流入抑制手段は、前記保持器の小径側端部に、前記外輪に近接した位置から径方向内方に延びる環状部を形成し、その内周側端部を前記内輪に近接させることにより当該内輪との間にラビリンスシールを構成してなるものである請求項４記載の円錐ころ軸受装置。
6. 外輪接触角が２５度〜３０度の範囲である請求項１又は２に記載の円錐ころ軸受。
7. 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又は２に記載の円錐ころ軸受。
8. ピニオン軸のピニオンギヤ側及びその逆側にそれぞれ円錐ころ軸受が配置され、ピニオンギヤ側には請求項４記載の円錐ころ軸受装置が設けられている車両用ピニオン軸支持装置。
9. ピニオン軸のピニオンギヤ側及びその逆側にそれぞれ円錐ころ軸受が配置され、ピニオンギヤ側には請求項５記載の円錐ころ軸受装置が設けられている車両用ピニオン軸支持装置。

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