JP4484771B2 - 円すいころ軸受の設計方法 - Google Patents

Description

この発明は、自動車のトランスミッション等に使用される円すいころ軸受に関する。

円すいころ軸受は、通常、その内輪の背面側に大鍔を有する。この大鍔の円すいころ側の側面は略円すい面とされており、球面の一部で構成されるころ大端面と接触する。この内輪大鍔ところ大端面との接触部では、相対運動にすべりを伴うため、高荷重で使用される自動車トランスミッション用の円すいころ軸受では油膜が薄くなり金属接触を発生する可能性がある。
従来、円すいころ軸受の大鍔部の潤滑性向上のための技術として、大鍔に周方向溝を形成することで金属接触を防止する方法（例えば特許文献１）、ころ大端面にランダムな研削痕を設け、この研削痕の谷部に潤滑油を溜める方法（例えば特許文献２）、ころ大端面に微小くぼみを点在させて、そのくぼみ内に潤滑油を溜める方法（例えば特許文献３）、ころ大端面と内輪大鍔の接触部におけるいずれか一方の接触面に自己潤滑性のある皮膜をコーティングする方法（例えば特許文献４）、ころ大端面と内輪大鍔の接触部におけるいずれか一方の接触面にセラミック皮膜をコーティングする方法（例えば特許文献５）などが提案されている。

潤滑性向上の方法としては、このほか油膜の形成能を向上させることも考えられる。油膜の形成能を支配する要因の一つとして、ころ大端面の曲率半径がある。ころ大端面と内輪大鍔との接触点では、内輪大鍔面の曲率半径に対して、ころ大端面の曲率半径はやや小さく製作される。具体的には、内輪の軌道面となる円すい面の頂点から前記接触点までの距離をｒ_b とし、ころ大端面の曲率半径をｒ_m としたとき、ｒ_m ／ｒ_b ＝０．８〜０．９７程度である。ここで、Ｒ＝ｒ_m ／ｒ_b はころ端面Ｒ比と呼ばれる値である。このころ端面Ｒ比に関する従来技術として、特許文献６〜特許文献８などが知られている。
特許文献８では、最小油膜厚さ比を０．９５以上にできるころ端面Ｒ比の最適値が、０．７５〜０．８５であると述べられている。
特開２００５−２４０２９号公報 特開２００３−２６９４６８号公報 特開平１０−１１０７３３号公報 特開平９−２８７６１６号公報 特開平９−１７７７７４号公報 特開２００２−２１３４５６号公報 特開２０００−１７０７７４号公報 実開平０５−０８７３３０号公報

しかし、特許文献１〜５に開示される潤滑性向上の方法は、特殊な加工工程を要するため、製造コストが増大する。
また、特許文献６〜８に開示されるころ端面Ｒ比の設計技術では、使用条件にかかわらず、一律にころ端面Ｒ比を与えており、必ずしも最適値とは言いがたい。ころ端面Ｒ比の最適値は、耐焼付き性、油膜形成性、回転中のころの姿勢の安定性、加工性などによって検討されるべきであり、使用条件によって最適値は異なる。

この発明の目的は、使用条件に対して最適なころ端面Ｒ比とすることで、ころ大端面と内輪大鍔との接触部における最小油膜厚さを最大とでき、公差内では極端な油膜厚さの低下がなく、耐焼付き性に優れ、かつころの製造コストをできるだけ低く抑えることができる円すいころ軸受の設計方法を提供することである。

この発明における円すいころ軸受の設計方法は、円すいころの大端面が球面、内輪の大鍔の円すいころ側の側面が略円すい面である円すいころ軸受とする場合に、
荷重条件が軽荷重または普通荷重の範囲である、Ｐ／Ｃ≦１２％の範囲で使用される軸受であり、ころ端面Ｒ比を８６〜９２％とし、荷重条件が重荷重の範囲である、基本動定格荷重Ｃに対する動等価ラジアル荷重Ｐの割合Ｐ／Ｃが、Ｐ／Ｃ＞１２％の範囲で使用される軸受とする場合に、
前記Ｒの値であるころ端面Ｒ比を８４〜８８％とすることを特徴とする。
Ｐ／Ｃは、基本動定格荷重Ｃに対する動等価ラジアル荷重Ｐの割合である。
ころ端面Ｒ比は、内輪の軌道面となる円すい面の頂点から、円すいころの大端面と上記大鍔との接触点までの距離をｒ_b 、円すいころの大端面の曲率半径をｒ_m としたときに、次式、Ｒ＝ｒ_m ／ｒ_b 、で示されるＲの値である。

なお、上記軽荷重、普通荷重、重荷重の区分は、後述のように、ＪＩＳＢ１５６６の参考付表３注(1) における荷重区分である。

この構成によると、ＥＨＬ（elastohydrodynamic lubrication）理論、つまり弾性流体潤滑理論に基づく計算結果から、円すいころの大端面と内輪の大鍔の接触部での最小油膜厚さを最大にできる。そのため、公差内で極端な油膜厚さの低下がなく、内輪大鍔での耐焼付き性を向上させることができる。また、円すいころ軸受用の円すいころを大量生産する場合、ころ端面Ｒ比が１に近いほど低いコストで高精度に製作できるが、この発明によると、使用条件に応じて、ころ端面Ｒ比をできるだけ大きくするため、円すいころの製造コストをできるだけ低く抑えて高精度に製作できる。

この発明の円すいころ軸受の設計方法は、荷重条件が軽荷重または普通荷重で使用される軸受とする場合に、ころ端面Ｒ比を８６〜９２％とし、荷重条件が重荷重の範囲である、基本動定格荷重Ｃに対する動等価ラジアル荷重Ｐの割合Ｐ／Ｃが、Ｐ／Ｃ＞１２％の範囲で使用される軸受とする場合に、前記Ｒの値であるころ端面Ｒ比を８４〜８８％とするため、使用条件に対して最適なころ端面Ｒ比とできて、円すいころの大端面と内輪の大鍔の接触部での最小油膜厚さを最大にでき、公差内で極端な油膜厚さの低下がなく、内輪大鍔での耐焼付き性を向上させることができる。しかも、使用条件に対してころ端面Ｒ比を１にできるだけ近い値とするため、円すいころの製造コストをできるだけ低く抑えて高精度に製作できる。

この発明の一実施形態を図１ないし図５と共に説明する。この実施形態の円すいころ軸受１は、図１（Ａ）に断面図で示すように、内輪２と、外輪３と、これら内外輪２，３間に介在した円すいころ４とを有し、内外輪２，３間に軸方向の予圧を付与可能とした単列の円すいころ軸受である。内輪２は、外径面に円すい面とされた軌道面２ａを有し、外径の大径側および小径側に大鍔２ｂおよび小鍔２ｃをそれぞれ有する。外輪３は、内輪２の軌道面２ａに対向する内径面に円すい面とされた軌道面３ａを有する。上記両軌道面２ａ，３ａ間に複数個の円すいころ４が転動自在に介在している。これら円すいころ４は、保持器５により円周方向に所定間隔を隔てて保持されている。

円すいころ４の大端面４ａは球面とされ、内輪２の大鍔２ｂの円すいころ４側の側面である内輪大鍔面２ｂａ（図１（Ｂ））は、略円すい面とされている。内輪２の軌道面２ａである円すい面の頂点Ａから、円すいころ４の大端面４ａと内輪大鍔２ｂとの接触点Ｂまでの距離をｒ_b 、円すいころ４の大端面４ａの曲率半径をｒ_m としたときに、次式、
Ｒ＝ｒ_m ／ｒ_b
で示されるＲの値を、ころ端面Ｒ比と呼ぶ。

この実施形態は、荷重条件ところ端面Ｒ比との関係につき、荷重条件が軽荷重または普通荷重の範囲、つまり基本動定格荷重Ｃに対する動等価ラジアル荷重Ｐの割合Ｐ／Ｃが、Ｐ／Ｃ≦１２％の範囲で使用される軸受であり、ころ端面Ｒ比を８６〜９２％としたものである。
荷重条件が重荷重、つまりＰ／Ｃが、Ｐ／Ｃ＞１２％の範囲で使用される軸受とする場合は、ころ端面Ｒ比を８４〜８８％とする。

この実施形態における円すいころ軸受１のように、円すいころ４の大端面４ａを球面、内輪大鍔２ｂの側面２ｂａを略円すい面とした円すいころ軸受において、円すいころ４を大量生産する場合、上記ころ端面Ｒ比が１に近いほど低コストで高精度に製作できる。
また、この円すいころ軸受１の運転中に円すいころ４がスキューした場合、ころ大端面４ａ上の接触点Ｂは正規の位置から摺動方向に移動する。これによってスキューを矯正しようとする力のモーメントが発生するが、ころ端面Ｒ比が大きいほど、小さなスキュー角で大きなモーメントが発生する。したがって円すいころ４の姿勢の安定性の観点からは、ころ端面Ｒ比は大きいほうが望ましい。

一方、ころ端面Ｒ比が大きいほど、前記接触点Ｂでの接触楕円が大きくなる。接触楕円の長軸半径は内輪大鍔２ｂの周方向に存在する。円すいころ４がスキューし接触点Ｂが移動したとき、ころ端面Ｒ比が大きいほど接触楕円はころ大端面４ａと内輪大鍔面２ｂａの接触可能な領域からはみ出し易くなる。接触楕円がはみ出すと、エッジ部で過大な圧力が発生し、焼付きが生じる原因となる。焼付きが生じるとき、ころ大端面４ａと内輪大鍔面２ｂａの間には油膜が形成されておらず、金属接触状態となっている。このとき、円すいころ４には内輪大鍔面２ｂａとの摩擦によってスキューが生じる。

スキューによる接触点Ｂの移動量は、詳細な理論検討結果によれば、軌道面２ａの影響をほとんど受けず、鍔部での力のモーメントの釣り合いによって決定される。すなわち、次式の鍔荷重と摩擦力のころ重心まわりのモーメントの釣り合いである。
Ｑｄ＝μＱｌ
Ｑ：鍔荷重 ｄ：接触点Ｂの周方向移動量
μ：摩擦係数
ｌ：接触点Ｂところ重心の距離

接触楕円の大きさはＨertzの式によって計算できる。ここから、接触楕円がはみ出さない限界の荷重が求められ、例えば図２に示すグラフのようになる。このグラフから、ころ端面Ｒ比が小さいほど、耐焼付き性が良いことが分かる。

焼付くためには金属接触を生じる必要があるが、油膜が厚ければ金属接触は生じ難い。このことから、同一の運転条件で最小油膜厚さが最大となるころ端面Ｒ比を与えることが、耐焼付き性向上の一手段となることが分かる。そこで、ころ大端面４ａと内輪大鍔面２ｂａの潤滑状態について、ＥＨＬ理論に基づいて計算したところ、図３〜図６にグラフで示す結果が得られた。
すなわち、図３や図４のグラフによると、回転速度や潤滑粘度をパラメータとして変化させても、最小油膜厚さを最大とするころ端面Ｒ比はほとんど変化しない。ところが、図５のグラフによると、鍔荷重をパラメータとして変化させると、最小油膜厚さを最大とするころ端面Ｒ比が変化し、鍔荷重が大きくなるほど、ころ端面Ｒ比の最適値が小さくなっている。また、最適値より小さいころ端面Ｒ比では、最小油膜厚さの減少はわずかであるが、最適値より大きいころ端面Ｒ比では、最小油膜厚さは急激に減少する。なお、図５のグラフにおいて、Ｐ／Ｃは、基本動定格荷重Ｃに対する動等価ラジアル荷重Ｐの割合を表す。

以上の計算結果によると、油膜の形成性にとって最適なころ端面Ｒ比は荷重に依存し、円すいころ軸受１の設計において、鍔荷重が小さいときはころ端面Ｒ比を大きくし、鍔荷重が大きいときはころ端面Ｒ比を小さくすれば良いことが分かる。また、製造上、ころ端面Ｒ比には公差を与える必要があるが、上記計算結果によれば最適値以下を公差範囲に設定しなければならないことが分かる。

ここで、ＪＩＳ１５６６参考付表３注(1) に、「軽荷重，普通荷重及び重荷重は，動等価ラジアル荷重が使用する軸受の基本動定格荷重のそれぞれ６％以下、６％を超え１２％以下及び１２％を超える荷重を言う。」とある。上記特許文献８と同様に、最小油膜厚さの最大値に対して５％減まで許容するとすれば、図５より図６が得られる。
図６によると、軽荷重の目安とされるＰ／Ｃ≦６％の軸受では、ころ端面Ｒ比を８６〜９３とし、普通荷重の目安とされる６％＜Ｐ／Ｃ≦１２％の軸受では、ころ端面Ｒ比を８３〜９２％とし、重荷重の目安とされるＰ／Ｃ＞１２％の軸受では、ころ端面Ｒ比を８４〜８８％とすることが望ましいことがわかる。
この実施形態では、軽荷重で使用される軸受と、普通荷重で使用される軸受とにつき、ころ端面Ｒ比は、その望ましい範囲の共通範囲でとなる８６〜９２％とした。
すなわち、円すいころ軸受の設計方法として、上記のように、軽荷重および普通荷重の場合と、重荷重の場合とで、上記のようにころ端面Ｒ比の範囲をそれぞれ設定した。

このように、この実施形態では、荷重条件が軽荷重または普通荷重の範囲で使用される軸受の場合には、ころ端面Ｒ比を８６〜９２％とし、また荷重条件が重荷重の範囲で使用される軸受の場合は、ころ端面Ｒ比を８４〜８８としたため、いずれも、ころ大端面４ａと内輪大鍔２ｂの接触部での最小油膜厚さが最大となり、公差内で極端な油膜厚さの低下がなくて、内輪大鍔２ｂでの耐焼付き性を向上させることができる。しかも、円すいころ４の製造コストをできるだけ低く抑えることができる。

（Ａ）はこの発明の一実施形態にかかる円すいころ軸受の断面図、（Ｂ）は同円すいころ軸受の部分拡大断面図である。 円すいころ軸受におけるころ端面Ｒ比と接触楕円がはみ出さない限界鍔荷重との関係を、摩擦係数をパラメータとして示すグラフである。 円すいころ軸受におけるころ端面Ｒ比と最小油膜厚さとの関係を、回転速度をパラメータとして示すグラフである。 円すいころ軸受におけるころ端面Ｒ比と最小油膜厚さとの関係を、潤滑油粘度をパラメータとして示すグラフである。 円すいころ軸受におけるころ端面Ｒ比と最小油膜厚さとの関係を、鍔荷重をパラメータとして示すグラフである。 Ｐ／Ｃところ端面Ｒ比の関係を示すグラフである。

符号の説明

２…内輪
２ａ…内輪軌道面（円すい面）
２ｂ…大鍔
２ｂａ…内輪大鍔面
４…円すいころ
４ａ…大端面
Ａ…内輪円すい面の頂点 Ｂ…大端面・大鍔の接触点 ｒ_b …頂点・接触点間の距離 ｒ_m …大端面の曲率半径

Claims (1)

1. 円すいころの大端面が球面、内輪の大鍔の円すいころ側の側面が略円すい面である円すいころ軸受の設計方法であって、
   荷重条件が軽荷重または普通荷重の範囲である、基本動定格荷重Ｃに対する動等価ラジアル荷重Ｐの割合Ｐ／Ｃが、Ｐ／Ｃ≦１２％の範囲で使用される軸受とする場合に、
   内輪の軌道面となる円すい面の頂点から、円すいころの大端面と上記大鍔との接触点までの距離をｒ_b 、円すいころの大端面の曲率半径をｒ_m としたときに、次式、
   Ｒ＝ｒ_m ／ｒ_b
   で示されるＲの値であるころ端面Ｒ比を８６〜９２％とし、
   荷重条件が重荷重の範囲である、基本動定格荷重Ｃに対する動等価ラジアル荷重Ｐの割合Ｐ／Ｃが、Ｐ／Ｃ＞１２％の範囲で使用される軸受とする場合に、
   前記Ｒの値であるころ端面Ｒ比を８４〜８８％とすることを特徴とする円すいころ軸受の設計方法。

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