JP2010071433A

JP2010071433A - 円すいころ軸受

Info

Publication number: JP2010071433A
Application number: JP2008242088A
Authority: JP
Inventors: Takumi Takeuchi; 匠竹内; Daiki Maejima; 大紀前島; Kinji Yugawa; 謹次湯川
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2008-09-22
Filing date: 2008-09-22
Publication date: 2010-04-02

Abstract

【課題】スキューの発生を抑制するとともに、ころの有効長さを短縮させ、回転トルクの低減化を可能とする円すいころ軸受を提供する。
【解決手段】相対回転可能に対向配置され、内周部に軌道面４ｒを有する外輪４および外周部に軌道面２ｒを有する内輪２と、軌道面間へ転動可能に組み込まれる複数の円すいころとを備えた円すいころ軸受であって、外輪および内輪の少なくとも一方には、その軌道面に周方向の全周に亘って２つのクラウニング部42,44,22,24が並列して設けられ、これらの間には、これらと円すいころとの接触部位をそれぞれ１箇所ずつに限定するために、２つのクラウニング部の境界側端部42a,44a,22a,24aを周方向の全周に亘って凹状に窪ませて成る溝部46,26を形成し、２つのクラウニング部は同一幅寸法に設定するとともに、その幅寸法をａ、溝部の幅寸法をｂとした場合、０．３＜ｂ／ａ＜１．０なる関係に設定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば、鉄道車両、鉄鋼機械、工作機械、建設機械などの一般産業用機械、並びに自動車などの回転軸を回転自在に支持するための円すいころ軸受、特に、自動車用トランスミッションに組み込まれる円すいころ軸受に関する。

従来から、例えば、自動車や鉄道車両の車軸、建設機械の回転軸などには径方向へ非常に大きな荷重が加わるため、これらの軸を回転自在に支持する軸受として、当該荷重に対する負荷能力に優れた各種のころ軸受が用いられている。この場合、ころの種類には、円すいころ、円筒ころおよび特殊ころ(球面ころや中空ころ等)などがあり、当該ころは、その種類(形状)に応じた各種タイプの保持器によって回転自在に保持された状態で軸受に組み込まれ、当該軸受の軌道輪間を保持器とともに公転(転動)している。

ところで、昨今の天然資源の枯渇に対する危機感から一般産業機械や自動車の燃料使用効率(端的には、燃費)の向上は、社会的な急務となっている。したがって、例えば、これら機械の回転部分(車軸や回転軸など)に使用される各種軸受においても、燃料の使用効率の向上を図るためのより一層の技術改良が求められている。これらの軸受において、燃料の使用効率向上を図るためには、軸受の回転抵抗となるトルクの低減が非常に有効となる。すなわち、軸受の回転トルクが低減されることで、動力源(例えば、エンジンやモータなど)への負荷を低減させることができ、結果として、燃料の使用効率向上を図ることが可能となる。

軸受の回転トルクの増大を防止し、これを低減させるためには、回転トルクそのものの低減を図ることが重要であるのみならず、回転トルクを増大させる要因の一つであるころのスキューを抑制することが非常に有効となる。なお、転動中にころがスキューを起こした場合、これに伴って保持器が振れ回り、余計な回転抵抗を発生させるため、結果として軸受の回転トルクを増大させる。

ここで、軸受の回転トルクを低減化させるに当たり、かかる回転トルクについて簡単に補足しておく。一例として、軸受タイプが円すいころ軸受である場合を想定すると、当該軸受の回転トルクは、転がり抵抗(軌道面の転がり摩擦)(Ｍ_Ｒ)、軌道輪に形成されたつば面の滑り摩擦(Ｍ_Ｓ)、攪拌抵抗の３つの負荷要因で表すことができる。
転がり抵抗は、外輪と円すいころ、円すいころと内輪、円すいころと保持器の間にそれぞれ存在する抵抗であり、攪拌抵抗は、軸受内部に封入された潤滑剤(例えば、潤滑油やグリース)と軸受(外内輪、円すいころ、保持器)との抵抗である。これに対し、つば面の滑り摩擦は、極低速の回転領域のみで発生する。このため、通常の回転状態における軸受の回転トルクは、転がり抵抗と攪拌抵抗でそのほとんどが占められており、その比率は、軸受内部に封入される潤滑剤の量、さらには、前記潤滑剤の粘度にもよるが、転がり抵抗が全体の７割程度、攪拌抵抗が全体の３割程度であることが経験的に知られている。

したがって、円すいころ軸受の回転トルクを低減させるためには、転がり抵抗を減少させることが極めて有効となる。なお、転がり抵抗(Ｍ_Ｒ)は、以下に示す数式(１)および(２)を用いて、数式(３)により求めることができる。

上記数式(３)に示すように、転がり抵抗(Ｍ_Ｒ)の大きさは、ころの有効長さ(Ｌ_ｗｅ)に反比例しており、ころの有効長さ(Ｌ_ｗｅ)を短くすることで、転がり抵抗(Ｍ_Ｒ)を減少させることができる。なお、ころの有効長さ(Ｌ_ｗｅ)は、円すいころが外輪および内輪と実際に接触する部位の長さ(実際の接触長さ)のことを意味している。したがって、ころの有効長さ(Ｌ_ｗｅ)である、円すいころと外内輪との実際の接触長さを短くすること(別の捉え方をすれば、円すいころと外内輪との接触部位(領域)を縮小させること)で、転がり抵抗(Ｍ_Ｒ)を減少させることが可能となり、結果として、円すいころ軸受の回転トルクを低減させることができる。

以上を踏まえ、転がり抵抗(Ｍ_Ｒ)の減少、ひいては軸受の回転トルクの低減を図るため、ころの有効長さ(円すいころと外内輪の実際の接触長さ)を短縮すべく、従来から、各種の改良を加えた円すいころ軸受の構成が知られている。
例えば、特許文献１には、外内輪の軌道面、あるいは円すいころの転動面のいずれか一方を周方向に沿ってクラウニングさせた円すいころ軸受の構成が開示されている。これにより、円すいころは、その転動面が外内輪の軌道面とクラウニング部の近傍でのみ接触するため、当該ころの有効長さを短くすることができる。

一例として、図３(ａ)から(ｃ)に示すように、外輪５４および内輪５２の軌道面54r,52rにクラウニング部54c,52cをそれぞれ１つだけ設けた構成(１山クラウニング)とした場合、当該１山のクラウニング部54c,52cを拡大させることで、円すいころ(図示しない)と軌道面54r,52rの実際の接触長さは短縮され、転がり抵抗を減少させることができ、軸受の回転トルクを低減させることも可能となる。
実開昭６２−８２２号公報

しかしながら、上述したように軸受の回転トルクを増大させる要因の一つであるころのスキューを抑制するという観点からすれば、図３(ａ)から(ｃ)に示すような１山のクラウニング部54c,52cを拡大させることは、逆にスキューを誘発させる虞があり、軸受の回転トルクの低減効果(転がり抵抗の減少効果)を低下させてしまう可能性がある。

本発明は、このような課題を解決するためになされており、その目的は、円すいころを外輪もしくは内輪と常に２点で接触させ、転動中における円すいころの姿勢を安定させてスキューの発生を抑制するとともに、ころの有効長さ(円すいころと外内輪の実際の接触長さ)を短縮させ、回転トルクの低減化を図ることが可能な円すいころ軸受を提供することにある。

このような目的を達成するために、本発明に係る円すいころ軸受は、相対回転可能に対向配置され、内周部に軌道面を有する外輪および外周部に軌道面を有する内輪と、前記軌道面間へ転動可能に組み込まれる複数の円すいころとを備えている。かかる円すいころ軸受において、前記外輪および前記内輪の少なくとも一方には、その軌道面に周方向の全周に亘って２つのクラウニング部が並列して設けられ、前記２つのクラウニング部の間には、これらのクラウニング部と前記円すいころとの接触部位をそれぞれ１箇所ずつに限定するために、当該２つのクラウニング部の境界側端部を周方向の全周に亘って凹状に窪ませて成る溝部が形成されており、前記２つのクラウニング部は同一幅寸法に設定され、その幅寸法をａ、前記溝部の幅寸法をｂとした場合、０．３＜ｂ／ａ＜１．０なる関係に設定する。

本発明の円すいころ軸受によれば、外輪軌道面および内輪軌道面のうち、少なくともいずれか一方を２山クラウニング形状とし、当該２山のクラウニング部の間に全周に亘って溝部を形成することで、外内輪と円すいころとを当該円すいころの転動中、常に２点で接触させることができる。これにより、転動中における円すいころの姿勢を安定させてスキューの発生を抑制することができるとともに、ころの有効長さ(円すいころと外内輪の実際の接触長さ)を短縮させ、軸受の回転トルクの低減化を図ることができる。
結果として、円すいころ軸受を長期に亘ってスムーズに回転させることができ、一般産業機械や自動車などの燃料の使用効率向上を図ることが可能となる。

以下、本発明の円すいころ軸受について、添付図面を参照して説明する。なお、本発明の円すいころ軸受は、例えば、鉄道車両、鉄鋼機械、工作機械、建設機械などの一般産業用機械、並びに自動車などの回転軸を回転自在に支持するために用いることができ、特に自動車用トランスミッション(デファレンシャル装置)に組み込まれる軸受を実用例として想定することができるが、これには限定されない。

かかる円すいころ軸受(以下、単に軸受ともいう)は、相対回転可能に対向配置され、内周部に軌道面を有する外輪および外周部に軌道面を有する内輪と、前記軌道面間へ転動可能に組み込まれる複数の円すいころとを備えている。外内輪構成の一例として、図１(ａ),(ｂ)に外輪４の構成を示すとともに、図２(ａ),(ｂ)に内輪２の構成を示している。

この場合、内輪２は、軸方向の一端側から他端側(図２(ｂ)の右端側から左端側)へ向かうに従ってその径が縮径した台形円筒状を成しており、外輪４は、当該内輪２の外側を同心状に覆うことが可能な円環状を成している。
内輪２には、外周部にその両端(図２(ｂ)の左端及び右端)を一対のつば部2a,2bで挟まれた軌道面(内輪軌道面)２ｒが形成されており、外輪４には、当該内輪軌道面２ｒと対向可能な軌道面(外輪軌道面)４ｒが内周部に形成されている。そして、内外輪2,4は、内輪軌道面２ｒの両端に設けられた大径のつば部２ａと小径のつば部２ｂによって転動体である円すいころ(図示しない)を保持するとともに案内しつつ、当該円すいころを内輪軌道面２ｒと外輪軌道面４ｒとの間で転動させる。

なお、ここでは、内輪２が軸受の回転軸(軸受中心軸)周りに回転する回転輪であり、外輪４が当該内輪２に対して静止した状態となる静止輪である場合を一例として想定している。ただし、外輪を回転輪とするとともに、内輪を静止輪とした軸受構成とすることも可能であり、内外輪をいずれも回転輪とした軸受構成とすることも可能である。また、外輪に対し、その軌道面の両端につば部を設けた構成とすることも可能である。

ここで、円すいころは、大径側の端面と小径側の端面が同心上に配置され、その周面(転動面)が大径側端面側から小径側端面側へ向かうに従って徐々に縮径された構成を成している。このような構成を成す円すいころは、前記大径側端面と前記小径側端面の中心を結んだ軸(ころ中心軸)を軸受中心軸に対して所定角度(接触角)だけ傾斜させた状態で、内輪２のつば部2a,2bによって保持、案内され、前記ころ中心軸周りに回転(自転)するとともに、前記軸受中心軸周りに転動(公転)する。

したがって、内輪軌道面２ｒは、円すいころの傾斜した転動面に沿って軸受中心軸方向(図２(ａ)の左右方向)に対して傾斜した状態となっており、外輪軌道面４ｒは、ころ中心軸に対して内輪軌道面４ｒと線対称となるように、前記傾斜した転動面に沿って前記軸受中心軸方向に対し傾斜した状態となっている。その一方で、内輪２の内周部は、軸受中心軸方向に沿って略一定の径(内径)を成した構造となっており、外輪４の外周部は、当該軸方向に沿って略一定の径(外径)を成した構造となっている。

なお、円すいころは、周方向に沿って当該円すいころを挿入して保持するためのポケットが並んで形成された環状の保持器や、内輪軌道面２ｒと外輪軌道面４ｒとの間で周方向に隣り合う円すいころの間に介在する間座(分離型の保持器)などで、１つずつ回転自在に保持した状態で、軌道面2r,4r間を転動させればよい。これにより、各円すいころは、その転動面が相互に接触することなく軌道面2r,4r間を所定間隔(一例として、等間隔)で転動することができ、結果として、当該各円すいころが相互に接触して摩擦が生じることによる焼付きなどを防止することができる。

本実施形態において、外輪４および内輪２の少なくとも一方には、その軌道面4r,2rに周方向の全周に亘って２つのクラウニング部が並列して設けられている。図１(ａ),(ｂ)には、外輪軌道面４ｒに２つのクラウニング部42,44を設けた外輪４の構成が一例として示されており、図２(ａ),(ｂ)には、内輪軌道面２ｒに２つのクラウニング部22,24を設けた内輪２の構成が一例として示されている。

図１(ａ),(ｂ)に示す構成において、外輪軌道面４ｒに設けられた各クラウニング部42,44は、いずれも他方のクラウニング部との境界側42a,44aからその反対側42b,44bに至るまで、その略中間部位が最も膨出した状態となるように、凸曲状に膨らんだ形状(中高形状)を成しており、２つのクラウニング部42,44のうち、一方のクラウニング部(一例として、クラウニング部４２)が傾斜構造を成す外輪軌道面４ｒの小径側を構成し、他方のクラウニング部(一例として、クラウニング部４４)が外輪軌道面４ｒの大径側を構成している。

なお、この場合、２つのクラウニング部42,44は、いずれもその幅寸法(図１(ｂ)に示す距離ａ１)が同一寸法に設定されている。その際、各クラウニング部42,44の幅寸法ａ１は、円すいころの最大径をＤとした場合、当該最大径の２０％よりも大きな寸法(ａ１＞Ｄ×０．２)に設定すればよい。ただし、２つのクラウニング部42,44の幅寸法を異なる寸法に設定することも可能である。
また、２つのクラウニング部42,44の膨出高さ(例えば、クラウニング時の曲率半径など)は、円すいころの大きさなどに応じて任意に設定すればよく、ここでは特に限定しない。

そして、外輪軌道面４ｒの２つのクラウニング部42,44の間には、これらのクラウニング部42,44と円すいころとの接触部位をそれぞれ１箇所ずつに限定するために、当該２つのクラウニング部42,44の境界側端部42a,44aを周方向の全周に亘って凹状に窪ませて成る溝部４６が形成されている。

この場合、溝部４６は、その幅寸法(図１(ｂ)に示す距離ｂ１)が各クラウニング部42,44の幅寸法(同図に示す距離ａ１)に対して大きくなり過ぎることを防止すべく、０．３＜ｂ１／ａ１＜１．０なる関係に設定されている。すなわち、溝部４６の幅寸法ｂ１は、各クラウニング部42,44の幅寸法ａ１の３０％よりも大きく、１００％よりも小さな所定の寸法に設定すればよい。

なお、溝部４６は、各クラウニング部42,44の幅寸法ａ１に対して前記関係(０．３＜ｂ１／ａ１＜１．０)を満たす幅寸法ｂ１に設定して構成すればよいが、０．２＜ｂ１／ａ１＜１．０なる関係を満たす幅寸法(溝部幅寸法ｂ１が、各クラウニング部幅寸法ａ１の２０％よりも大寸)に設定することも可能である。

また、図１(ｂ)には、断面形状が矩形状を成す溝部４６の構成を一例として示しているが(点線円内参照)、溝部４６の形状は、このような断面視矩形状には限定されず、例えば、断面の輪郭形状が円形や楕円形状、あるいはＵ字状やＶ字状などであってもよい。
いずれの場合においても、溝部４６の窪み寸法(深さ)は、２つのクラウニング部42,44と円すいころとの接触部位を各クラウニング部42,44の１箇所ずつに限定することが可能となるように、これらのクラウニング部42,44の大きさなどに応じて任意に設定すればよい。

このように、外輪軌道面４ｒに対し、２つのクラウニング部42,44を設けるとともに、これらのクラウニング部42,44の間に溝部４６を形成することで、外輪４と円すいころ、具体的には、外輪軌道面４ｒところ転動面とを常に２点(各クラウニング部42,44で一箇所ずつ)で接触させることができる。すなわち、円すいころは、外輪４と常に２点で接触した状態で外輪軌道面４ｒと内輪軌道面２ｒの間を転動するため、転動中における当該円すいころの姿勢を常時安定させることができる。この結果、スキューの発生を有効に抑制することができ、円すいころ軸受の回転トルクの低減化を図ることができる。

そして、２つのクラウニング部42,44の間に溝部４６を形成することで、例えば、円すいころ軸受に対して急激な径方向への荷重が負荷されたような場合であっても、円すいころと外輪４とが面当たりすることを防止できるため、外輪４と円すいころ(外輪軌道面４ｒところ転動面)とを常に２点で接触させることが可能となる。したがって、ころの有効長さ(円すいころと外輪４の実際の接触長さ)を確実に短縮させることができ、結果として、円すいころ軸受の回転トルクの低減化をより一層図ることができる。

また、図２(ａ),(ｂ)に示す構成において、内輪軌道面２ｒに設けられた各クラウニング部22,24は、いずれも他方のクラウニング部との境界側22a,24aからその反対側22b,24bに至るまで、その略中間部位が最も膨出した状態となるように、凸曲状に膨らんだ形状(中高形状)を成しており、２つのクラウニング部22,24のうち、一方のクラウニング部(一例として、クラウニング部２２)が傾斜構造を成す内輪軌道面２ｒの小径側を構成し、他方のクラウニング部(一例として、クラウニング部２４)が内輪軌道面２ｒの大径側を構成している。

なお、この場合、２つのクラウニング部22,24は、いずれもその幅寸法(図２(ｂ)に示す距離ａ２)が同一寸法に設定されている。その際、各クラウニング部22,24の幅寸法ａ２は、円すいころの最大径をＤとした場合、当該最大径の２０％よりも大きな寸法(ａ２＞Ｄ×０．２)に設定すればよい。ただし、２つのクラウニング部22,24の幅寸法を異なる寸法に設定することも可能である。
また、２つのクラウニング部22,24の膨出高さ(例えば、クラウニング時の曲率半径など)は、円すいころの大きさなどに応じて任意に設定すればよく、特に限定されない。

そして、内輪軌道面２ｒの２つのクラウニング部22,24の間には、これらのクラウニング部22,24と円すいころとの接触部位をそれぞれ１箇所ずつに限定するために、当該２つのクラウニング部22,24の境界側端部22a,24aを周方向の全周に亘って凹状に窪ませて成る溝部２６が形成されている。

この場合、溝部２６は、その幅寸法(図２(ｂ)に示す距離ｂ２)が各クラウニング部22,24の幅寸法(同図に示す距離ａ２)に対して大きくなり過ぎることを防止すべく、０．３＜ｂ２／ａ２＜１．０なる関係に設定されている。すなわち、溝部２６の幅寸法ｂ２は、各クラウニング部22,24の幅寸法ａ２の３０％よりも大きく、１００％よりも小さな所定の寸法に設定すればよい。

なお、溝部２６は、各クラウニング部22,24の幅寸法ａ２に対して前記関係(０．３＜ｂ２／ａ２＜１．０)を満たす幅寸法ｂ２に設定して構成すればよいが、０．２＜ｂ２／ａ２＜１．０なる関係を満たす幅寸法(溝部幅寸法ｂ２が、各クラウニング部幅寸法ａ２の２０％よりも大寸)に設定することも可能である。

また、図２(ｂ)には、断面形状が矩形状を成す溝部２６の構成を一例として示しているが(点線円内参照)、溝部２６の形状は、このような断面視矩形状には限定されず、例えば、断面の輪郭形状が円形や楕円形状、あるいはＵ字状やＶ字状などであってもよい。
いずれの場合においても、溝部２６の窪み寸法(深さ)は、２つのクラウニング部22,24と円すいころとの接触部位を各クラウニング部22,24の１箇所ずつに限定することが可能となるように、これらのクラウニング部22,24の大きさなどに応じて任意に設定すればよい。

このように、内輪軌道面２ｒに対し、２つのクラウニング部22,24を設けるとともに、これらのクラウニング部22,24の間に溝部２６を形成することで、内輪２と円すいころ、具体的には、内輪軌道面２ｒところ転動面とを常に２点(各クラウニング部22,24で一箇所ずつ)で接触させることができる。すなわち、円すいころは、内輪２と常に２点で接触した状態で内輪軌道面２ｒと外輪軌道面４ｒの間を転動するため、転動中における当該円すいころの姿勢を常時安定させることができる。この結果、スキューの発生を有効に抑制することができ、円すいころ軸受の回転トルクの低減化を図ることができる。

そして、２つのクラウニング部22,24の間に溝部２６を形成することで、例えば、円すいころ軸受に対して急激な径方向への荷重が負荷されたような場合であっても、円すいころと内輪２とが面当たりすることを防止できるため、内輪２と円すいころ(内輪軌道面２ｒところ転動面)とを常に２点で接触させることが可能となる。したがって、ころの有効長さ(円すいころと内輪２の実際の接触長さ)を確実に短縮させることができ、結果として、円すいころ軸受の回転トルクの低減化を一層図ることができる。

以上のように、本実施形態によれば、外輪軌道面４ｒおよび内輪軌道面２ｒのうち、少なくともいずれか一方を２山クラウニング形状とし、当該２山のクラウニング部42,44,22,24の間に全周に亘って溝部46,26を形成することで、軸受の回転トルクが格段に低減され、円すいころ軸受を長期に亘ってスムーズに回転させることができ、一般産業機械や自動車などの燃料の使用効率向上を図ることが可能となる。

なお、２山のクラウニング形状および溝構造とするのは、外輪軌道面４ｒと内輪軌道面２ｒのいずれか一方のみであってもよいが、これらの双方を２山のクラウニング形状および溝構造としてもよい。この場合、円すいころの転動中、外輪軌道面４ｒところ転動面、並びに内輪軌道面２ｒところ転動面をいずれも常に２点接触とすることが可能となる。また、円すいころと外輪４の実際の接触長さ、並びに円すいころと内輪２の実際の接触長さをいずれも短縮させることができ、ころの有効長さをさらに短縮させることが可能となる。したがって、円すいころのスキュー抑制効果、および軸受回転トルクの低減効果をいずれもより一層高めることができる。

また、上述した本実施形態においては、外輪軌道面４ｒおよび内輪軌道面２ｒのうち、少なくともいずれか一方を２山のクラウニング形状および溝構造とする場合を想定しているが、これに代えて、あるいはこれに加えて、円すいころの転動面を２山のクラウニング形状および溝構造としても、同様のスキュー抑制効果および軸受回転トルクの低減効果を得ることができる。

本発明の一実施形態に係る円すいころ軸受の外輪構成を示す図であって、(ａ)は、全体構成を示す斜視図、(ｂ)は、外輪軌道面のクラウニング部と溝部の構成を説明するための図。本発明の一実施形態に係る円すいころ軸受の内輪構成を示す図であって、(ａ)は、全体構成を示す斜視図、(ｂ)は、内輪軌道面のクラウニング部と溝部の構成を説明するための図。従来の円すいころ軸受の構成例を示す図であって、(ａ)は、外輪の全体構成を示す斜視図、(ｂ)は、内輪の全体構成を示す斜視図、(ｃ)は、内輪軌道面の要部を拡大して示す図。

符号の説明

２内輪
２ｒ内輪軌道面
４外輪
４ｒ外輪軌道面
２２，２４内輪クラウニング部
２２ａ，２４ａ内輪クラウニング部境界側端部
２６内輪溝部
４２，４４外輪クラウニング部
４２ａ，４４ａ外輪クラウニング部境界側端部
４６外輪溝部

Claims

相対回転可能に対向配置され、内周部に軌道面を有する外輪および外周部に軌道面を有する内輪と、前記軌道面間へ転動可能に組み込まれる複数の円すいころとを備えた円すいころ軸受であって、
前記外輪および前記内輪の少なくとも一方には、その軌道面に周方向の全周に亘って２つのクラウニング部が並列して設けられ、前記２つのクラウニング部の間には、これらのクラウニング部と前記円すいころとの接触部位をそれぞれ１箇所ずつに限定するために、当該２つのクラウニング部の境界側端部を周方向の全周に亘って凹状に窪ませて成る溝部が形成されており、
前記２つのクラウニング部は同一幅寸法に設定され、その幅寸法をａ、前記溝部の幅寸法をｂとした場合、０．３＜ｂ／ａ＜１．０なる関係に設定されていることを特徴とする円すいころ軸受。