JP2006342882A - 遊星歯車支持用ラジアルころ軸受 - Google Patents

Abstract

【課題】 負荷容量の確保と高速運転とが可能で、しかも十分な信頼性及び耐久性を得られる遊星歯車支持用ラジアルころ軸受を実現する。
【解決手段】 遊星軸４の外周面とこの遊星軸４の周囲に配置された遊星歯車３の内周面との間に設ける遊星歯車支持用ラジアルころ軸受を、複数本のころ５ａ、５ｂを設けて保持器を設けない、総ころ型とする。そして、鋼製のころ５ａ、５ａとセラミック製のころ５ｂ、５ｂとを、円周方向に関して交互に配置する。この構成により、上記各ころ５ａ、５ｂの本数と軸方向長さとを確保し、しかも、円周方向に隣り合うころ５ａ、５ｂの転動面同士の摩擦を抑えて、上記課題を解決する。
【選択図】 図１

Description

本発明の遊星歯車支持用ラジアルころ軸受は、例えば自動車用自動変速機やトランスアスクルを構成する遊星歯車装置に組み込まれる遊星歯車をキャリアに対して回転自在に支持する為の、遊星歯車支持用ラジアルころ軸受の改良に関する。尚、本明細書及び特許請求の範囲中のころには、外径に対する長さの比が大きい、ニードルも含む。

自動車用自動変速機を構成する遊星歯車装置が従来から、例えば特許文献１、２等、多くの刊行物に記載されて、広く知られている。この従来から知られた遊星歯車装置は、例えば図２〜３に示す様に、外周面に歯１ａを形成した太陽歯車１と、この太陽歯車１と同心に配置され、内周面に歯２ａを形成したリング歯車２との間に、複数個（一般的には３〜４個）の遊星歯車３、３を、円周方向に関して等間隔に配置している。そして、これら複数個の遊星歯車３、３の外周面に形成した歯３ａを、上記両歯１ａ、２ａに噛合させている。

上記複数個の遊星歯車３、３は、それぞれ遊星軸４の周囲に、それぞれ複数のころ５、５を介して回転自在に支持している。これら各遊星軸４の基端部（図３の右端部）は、上記太陽歯車１を中心として回転自在なキャリア６に支持固定している。図示の例では、上記各遊星軸４の基端部を上記キャリア６に形成した通孔７ａに締まり嵌めで内嵌すると共に、これら各遊星軸４と上記キャリア６との間に係止ピン８を掛け渡して、これら各遊星軸４が上記通孔７ａから脱落するのを防止している。

又、図示の例では、上記太陽歯車１を円筒状に形成し、上記キャリア６を、断面Ｌ字形で全体を円輪状に形成している。そして、図３に示す様に、このキャリア６の内周縁部に形成した円筒部９を、回転軸１０の外周面にスプライン係合させている。上記太陽歯車１は、この回転軸１０の周囲に、この回転軸１０に対する相対回転を自在に支持している。又、上記リング歯車２は上記各部材１、６、１０の周囲に、これら各部材１、６、１０に対する相対回転自在に支持している。

又、上記各遊星軸４の先端部（図２〜３の左端部）は、円輪状に形成された連結板１１に形成した通孔７ｂに内嵌固定し、これら各遊星軸４の先端部同士を連結している。これら複数の遊星軸４の中間部外周面で、上記キャリア６と上記連結板１１との間部分は、円筒面状の内輪軌道１２としている。一方、上記遊星歯車３の内周面は、円筒面状の外輪軌道１３としている。そして、これら内輪軌道１２と外輪軌道１３との間部分に前記各ころ５、５から成るラジアルころ軸受１４を設けて、上記遊星歯車３を、上記遊星軸４の中間部周囲で連結板１１とキャリア６との間部分に、回転自在に支持している。

上述の様な遊星歯車３及び遊星軸４等を含んで構成する遊星歯車装置は、例えば、前記回転軸１０を駆動軸又は従動軸とし、上記太陽歯車１又は上記リング歯車２の中心を従動軸又は駆動軸に結合する。そして、何れの歯車１、２、３を回転自在とし、何れの歯車１、２、３を回転不能とするかを切り換える事により、上記駆動軸と従動軸との間の変速並びに回転方向の変換を行なう。この様な遊星歯車装置自体の構成及び作用は、従来から周知であり、本発明の要旨とも関係しないから、全体構造の図示並びに詳しい説明は省略する。

自動車用の自動変速機に組み込まれる遊星歯車装置は、上記遊星歯車３が自転しながら前記太陽歯車１の周囲を公転するという複雑な構造を有する為に、この遊星歯車３を回転自在に支持する為のラジアルころ軸受１４に、必ずしも十分な潤滑油を送り込めない可能性がある。この為、少ない潤滑油でも転がり接触面、即ち、上記各ころ５、５の転動面及び上記内輪軌道１２及び上記外輪軌道１３の転がり疲れ寿命を確保する必要がある。一方、近年に於ける自動車の低燃費化の一環として、遊星歯車装置の使用条件がより厳しくなっており、例えば、小型化により遊星歯車３の回転速度が速くなっている。しかも、近年に於ける自動車用エンジンの高出力化により、上記ラジアルころ軸受１４を構成する前記各ころ５、５の転動面と、上記内輪軌道１２及び上記外輪軌道１３との転がり接触部の面圧が増大する傾向にあり、数ＧＰａ程度に達する場合もある。

上述の様な事情を考慮した場合、上記ラジアルころ軸受１４として、高速運転が可能で、且つ、負荷容量の大きなものを使用する必要がある。ラジアルころ軸受１４の高速運転を可能にする為には、複数本のころを保持器により転動自在に保持した、保持器付のもの（Ｃ＆Ｒ仕様）とする事が考えられる。保持器付のラジアルころ軸受は、保持器が各ころを案内する（各ころの転動面同士が擦れ合う事を防止すると共にスキューを防止する）為、限界回転数が高い（高速運転が可能）と言った利点がある反面、負荷容量の確保の面からは不利である。即ち、保持器を設ける分、ラジアルころ軸受に組み込めるころの本数が少なくなり、各ころの軸方向長さに関しても短くなる事が避けられない。これら各ころの本数が少なくなる事も、軸方向長さが短くなる事も、何れもラジアルころ軸受の負荷容量の低下に結び付く。

ラジアルころ軸受の負荷容量を確保する面からは、このラジアルころ軸受として、保持器を設けない、所謂総ころ型のものを使用する事が考えられる。総ころ型のラジアルころ軸受の場合には、円周方向に隣り合うころの転動面同士の間隔を小さくして、組み込み可能なころの本数を多くできるだけでなく、これら各ころの軸方向長さを確保して、負荷容量の確保を図れる。但し、総ころ型のラジアルころ軸受の場合、円周方向に隣り合うころの転動面同士が高速で（各ころの転動面の周速の２倍の速度で）擦れ合う為、ころ相互間の摩擦が大きくなるだけでなく、これら各ころがスキューし易い。この為、総ころ型のラジアルころ軸受は、高負荷には耐えられるにしても、そのままでは、高速運転には不向きである。

この様な事情に鑑みて、総ころ型のラジアルころ軸受の高速運転を可能にする為に、各ころの材質を工夫する事が考えられる。遊星歯車装置に組み込むラジアルころ軸受を構成するころの材質として一般的には、高炭素クロム軸受鋼を使用する。ところが、高炭素クロム軸受鋼製のころでは、上述の様な、総ころ型のラジアルころ軸受の高速運転と言った問題に、十分に対応する事は難しい。そこで、窒化珪素等のセラミックス製のころを使用した、総ころ型のラジアルころ軸受を使用する事が考えられる。例えば、窒化珪素は、上記高炭素クロム軸受鋼に比べて、軽量であり、高硬度、高耐摩耗性を有する。この為、窒化珪素製のころを使用して総ころ型のラジアルころ軸受を構成すれば、小型・軽量で、高速運転が可能なラジアルころ軸受を実現できるものと考えられる。

但し、上記窒化珪素等のセラミックは、靱性が低く、このセラミックにより構成したころは、衝撃荷重等、ラジアルころ軸受に加わる荷重が急激に変動した場合に、折れ、欠け等の破壊を生じ易いと言った欠点を有している。特に、セラミックは高炭素クロム軸受鋼等の鋼材に比べて縦弾性係数が大きい為、セラミック製のころ同士が衝撃的に接触した場合に、衝突部で、欠け、割れ等の損傷を発生し易い。又、セラミック製のころがスキューした場合に、このころの転動面に加わる剪断力により、このころが破壊する可能性もある。

特開平１１−２７０６６１号公報 特開２００２−２３５８４１号公報

本発明は、上述の様な事情に鑑み、負荷容量の確保と高速運転とが可能で、しかも十分な信頼性及び耐久性を得られる遊星歯車支持用ラジアルころ軸受を実現すべく発明したものである。

本発明の遊星歯車支持用ラジアルころ軸受は、例えば図２〜３に示す様に、遊星歯車式変速機を構成する遊星歯車３をキャリア６に対して回転自在に支持する為のものであり、このキャリア６に支持された遊星軸４の外周面に設けた内輪軌道１２と、この遊星軸４の周囲に配置された上記遊星歯車３の内周面に設けた外輪軌道１３との間に設けられる。この様な本発明の遊星歯車支持用ラジアルころ軸受は、複数本のころ５ａ、５ｂを設けて保持器を設けない、総ころ型である。

特に、本発明の遊星歯車支持用ラジアルころ軸受に於いては、図１に示す様に、鋼製のころ５ａ、５ａとセラミック製のころ５ｂ、５ｂとを、円周方向に関して交互に配置している。即ち、これらころ５ａ、５ｂの総数を偶数本とし、鋼製のころ５ａ、５ａの転動面と、セラミック製のころ５ｂ、５ｂの転動面とが近接対向若しくは摺接する様にしている。

尚、本発明を実施する場合に好ましくは、請求項２に記載した様に、上記各セラミック製のころ５ｂ、５ｂの３点曲げ強度を３００ＭＰａ以上とする。
又、本発明を実施する場合に好ましくは、請求項３に記載した様に、上記各ころ５ａ、５ｂの全長Ｌと外径Ｄとの比（Ｌ／Ｄ）を、１５以下とする。

上述の様に構成する本発明の遊星歯車支持用ラジアルころ軸受によれば、負荷容量の確保と高速運転とが可能で、しかも十分な信頼性及び耐久性を得られる遊星歯車支持用ラジアルころ軸受を実現できる。
先ず、負荷容量の確保は、保持器を持たない総ころ型とする事により図られる。即ち、前述した様に、総ころ型のラジアルころ軸受の場合には、円周方向に隣り合うころ５ａ、５ｂの転動面同士の間隔を小さくして、組み込み可能なころ５ａ、５ｂの総数を多くできるだけでなく、これら各ころ５ａ、５ｂの軸方向長さを確保して、負荷容量の確保を図れる。

又、高速運転が可能で、しかも十分な信頼性及び耐久性を得られる事は、鋼製のころ５ａ、５ａとセラミック製のころ５ｂ、５ｂとを交互に配置する事により図られる。即ち、遊星歯車支持用ラジアルころ軸受の運転時には、円周方向に隣り合うころ５ａ、５ｂの転動面同士の各擦れ合い部を構成する１対の転動面同士が、これら各ころ５ａ、５ｂの自転運動に基づいて、反対方向に相対変位し、上記各擦れ合い部の擦れ合い速度が速くなる。この場合でも、上記各ころ５ａ、５ｂの配置を上述の様にする事により、上記各擦れ合い部で、同種の金属（鋼）同士が擦れ合う事がなくなる。即ち、これら各擦れ合い部の擦れ合い状態は、何れも、鋼とセラミックとの、異種材料同士の擦れ合い状態となる。この為、擦れ合いに基づく摩擦抵抗を低く抑えられる他、高速回転、高面圧下で鋼製のころ同士が擦れ合った場合に生じる、凝着（焼き付き）や著しい摩耗を抑制する事ができる。そして、総てのころを鋼製とした総ころ型のラジアルころ軸受に比べて、高速化及び低トルク化が可能になり、更にラジアルころ軸受の寿命の確保を図れる。

更に、セラミック製のころ５ｂ、５ｂ同士の間に鋼製のころ５ａ、５ａを配置した事により、これら各セラミック製のころ５ｂ、５ｂの損傷を抑えられる。即ち、上記凝着や著しい摩耗を抑制する事は、総てのころをセラミック製とした総ころ型のラジアルころ軸受によっても実現できる。但し、セラミックは鋼に比べて縦弾性係数が遥かに大きく（弾性変形量が少なく）、耐衝撃性が鋼に比べて劣る（脆い）。この為、総てのころをセラミック製とした総ころ型のラジアルころ軸受の場合には、円周方向に隣り合うころ同士が勢い良く衝突したり、或いは公転中心軸と自転中心軸とが非平行になるスキューが発生した場合に、セラミック製のころに、欠けや亀裂等の損傷を発生し易くなる。

これに対して本発明の遊星歯車支持用ラジアルころ軸受の場合には、セラミック製のころ５ｂ、５ｂ同士の間に、縦弾性係数が比較的小さい（弾性変形量が比較的多い）、鋼製のころ５ａ、５ａを配置しているので、上記セラミック製のころ５ｂ、５ｂの損傷防止を図れる。即ち、円周方向に隣り合うころ同士が勢い良く衝突した場合に、上記各鋼製のころ５ａ、５ａが弾性変形する事によりこの衝撃を緩和する。又、多少のスキューが発生した場合にも、これら各鋼製のころ５ａ、５ａが弾性変形する事により、セラミック製のころ５ｂ、５ｂに加わる力を緩和する。これらにより、これら各セラミック製のころ５ｂ、５ｂに、欠けや亀裂等の損傷が発生する事を防止できる。

尚、上記各セラミック製のころ５ｂ、５ｂの損傷防止効果をより確実にする為には、請求項２に記載した発明の様に、これら各セラミック製のころ５ｂ、５ｂの３点曲げ強度を３００ＭＰａ以上確保する事が好ましい。この３点曲げ強度を３００ＭＰａ以上確保すれば、上記各ころ５ａ、５ｂがスキューして、このうちの各セラミック製のころ５ｂ、５ｂに剪断応力が加わった場合でも、これら各セラミック製のころ５ｂ、５ｂに破壊に至る様な、亀裂等の損傷が生じる事を防止できる。逆に言えば、これら各セラミック製のころ５ｂ、５ｂの３点曲げ強度が３００ＭＰａ未満の場合には、使用条件が厳しくなると、スキューに基づく剪断応力により、上記各セラミック製のころ５ｂ、５ｂが破断する可能性を否定できなくなる。

又、上記各セラミック製のころ５ｂ、５ｂの損傷防止効果をより一層確実にする為には、請求項３に記載した発明の様に、これら各セラミック製のころ５ｂ、５ｂの全長Ｌと外径Ｄとの比（Ｌ／Ｄ）を１５以下に抑える事が好ましい。この比を１５以下に抑えれば、スキュー等に基づいて上記各セラミック製のころ５ｂ、５ｂに剪断応力が加わっても、これら各セラミック製のころ５ｂ、５ｂの破壊を抑える事ができる。これら各セラミック製のころ５ｂ、５ｂの全長Ｌと外径との比（Ｌ／Ｄ）が１５よりも大きい場合には、これら各セラミック製のころ５ｂ、５ｂに大きな剪断応力が付加された場合に、これら各セラミック製のころ５ｂ、５ｂに、亀裂等の損傷を発生する可能性を生じる。尚、鋼製のころ５ａ、５ａに関しては、破断防止の面から全長Ｌと外径Ｄとの比（Ｌ／Ｄ）を１５以下に抑える必要性はない。但し、同一のラジアルニードル軸受の組み込むころ５ａ、５ｂの全長Ｌ及び外径Ｄは総て等しくする必要上、上記各鋼製のころ５ａ、５ａに就いても、上記比（Ｌ／Ｄ）を１５以下に抑える。

更に、本発明の実施に使用するセラミック材料は、特に限定する事はない。３点曲げ強度が３００ＭＰａ以上のものが好ましく使用できる事は、前述の通りである。この点を考慮すれば、上記セラミック材料として、窒化珪素、サイアロン、炭化珪素等の非酸化物系セラミックスを、好ましく使用できる。これに対して、本発明の実施に使用する鋼としては、例えば、高炭素クロム軸受鋼であるＳＵＪ２や、このＳＵＪ２に表面処理したものが、好ましく使用できる。

本発明の効果を確認する為に行なった実験に就いて説明する。この実験では、下記の表１に示した、本発明の技術的範囲に属するもの５種（実施例１〜５）と、本発明の技術的範囲から外れるもの６種（比較例１〜６）との、合計１１種の試料（図２〜３に示す様な遊星歯車支持用ラジアルころ軸受）を作成し、それぞれに就いて、転がり疲れ寿命等（各部の転がり疲れ寿命及び破壊寿命のうちの最も短い部分の寿命）を測定した。転がり疲れ寿命等は、ころ５、５ａ、５ｂ、遊星軸４、遊星歯車３のうちの少なくとも１個の部材が破損した時点で中止し、その時点までの試験稼働時間を、当該遊星歯車支持用ラジアルころ軸受の転がり疲れ寿命等とした。試験条件は次の通りである。
試験器 ： 出願人会社製のプラネタリころ試験器
潤滑油及び油温 ： ＡＴＦ、１００℃
潤滑油量 ： ０. ０５Ｌ／min
目標寿命 ： ４０ｈ
ピニオンシャフト ： 出願人会社製の特殊高周波仕様シャフト
鋼製ころ ： ＳＵＪ２製
セラミックス製ころ ： 窒化珪素製

上記表１中、実施例１と比較例１と、実施例２と比較例２と、実施例３と比較例３と、実施例４と比較例４とは、それぞれ、ころの並びが異なる以外、仕様及び試験条件は同じである。請求項１〜３に記載した条件を総て満たしている実施例１、２、４、５の転がり疲れ寿命等の値と、本発明の技術的範囲から外れる比較例１、２、４、５の転がり疲れ寿命等の値とを比較すれば明らかな通り、上記請求項１〜３に記載した条件を総て満たした構造によれば、転がり疲れ寿命等を大幅に向上させる事ができる。特に、実施例４、５と比較例４、５とを比較すれば明らかな通り、上記請求項１〜３に記載した条件を総て満たした構造は、高速回転下での転がり疲れ寿命等確保の面から、総てのころを金属製としたり、或いはセラミック製とした場合に比べて、大きな効果を得られる。
又、請求項１、３に記載した条件を同時に満たしている実施例３の転がり疲れ寿命等と、本願発明の技術的範囲から外れる比較例３の転がり疲れ寿命等とを比較すれば明らかな通り、請求項１、３に記載した条件を同時に満たす事により、転がり疲れ寿命等を延長する事ができる。尚、比較例６の、総てのころを全長Ｌと外径Ｄとの比（Ｌ／Ｄ）が大きいセラミックス製とした場合には、この比以外の条件が同じである、上記比較例５に比べても、転がり疲れ寿命等が低くなった。この事から、上記比を小さく抑える事（請求項３に記載した条件）が、転がり疲れ寿命等の確保の面から有効である事が分かる。

本発明の遊星歯車支持用ラジアルころ軸受を示す、図３の拡大Ａ−Ａ断面に相当する図。 本発明の対象となるラジアルころ軸受を組み込む遊星歯車装置の１例を示す略側面図。 図２のＢ−Ｂ断面図。

符号の説明

１ 太陽歯車
１ａ 歯
２ リング歯車
２ａ 歯
３ 遊星歯車
３ａ 歯
４ 遊星軸
５、５ａ、５ｂ ころ
６ キャリア
７ａ、７ｂ 通孔
８ 係止ピン
９ 円筒部
１０ 回転軸
１１ 連結版
１２ 内輪軌道
１３ 外輪軌道
１４ ラジアルころ軸受

Claims (3)

1. 遊星歯車式変速機を構成する遊星歯車をキャリアに対して回転自在に支持する為、このキャリアに支持された遊星軸の外周面とこの遊星軸の周囲に配置された上記遊星歯車の内周面との間に設けられる、複数本のころを設けて保持器を設けない、総ころ型の遊星歯車支持用ラジアルころ軸受に於いて、鋼製のころとセラミック製のころとを、円周方向に関して交互に配置した事を特徴とする遊星歯車支持用ラジアルころ軸受。
2. セラミック製のころの３点曲げ強度が３００ＭＰａ以上である、請求項１に記載した遊星歯車支持用ラジアルころ軸受。
3. 各ころの全長Ｌと外径Ｄとの比（Ｌ／Ｄ）が１５以下である、請求項１〜２のうちの何れか１項に記載した遊星歯車支持用ラジアルころ軸受。

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