JP4987281B2

JP4987281B2 - 円すいころ軸受

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Publication number: JP4987281B2
Application number: JP2005310321A
Authority: JP
Inventors: 崇辻本
Original assignee: NTN Corp
Current assignee: NTN Corp
Priority date: 2005-10-25
Filing date: 2005-10-25
Publication date: 2012-07-25
Anticipated expiration: 2025-10-25
Also published as: JP2007120548A

Description

この発明は円すいころ軸受に関し、たとえば自走車両のデファレンシャルやトランスミッション等の動力伝達軸を支持する軸受に適用することができる。

円すいころ軸受は、外径面に軌道面を設け、その軌道面の軸方向両側に小つばと大つばを配置した内輪と、内径面に軌道面を設けた外輪と、内輪と外輪の軌道面間に介在させた複数の円すいころと、円すいころをポケットに収納して保持する保持器を主要な構成要素としている。保持器は、円すいころの小端面側で連なる小環状部と、円すいころの大端面側で連なる大環状部と、両環状部を連結する複数の柱部とからなる。ポケットは隣り合った柱部間に形成され、円すいころの小径側を収納する部分が狭幅側、大径側を収納する部分が広幅側となった台形状である。

自走車両のデファレンシャルやトランスミッション等の動力伝達軸を支持する円すいころ軸受は、下部が油浴に漬かった状態で使用され、その回転に伴って油浴の油が潤滑油として軸受内部に流入する。このような用途に使用される円すいころ軸受では、潤滑油が円すいころの小径側から軸受内部に流入し、保持器よりも外径側から流入する潤滑油は外輪の軌道面に沿って円すいころの大径側へ通過し、保持器よりも内径側から流入する潤滑油は内輪の軌道面に沿って円すいころの大径側へ通過する。

このように潤滑油が外部から流入する部位に使用される円すいころ軸受には、保持器のポケットに切欠きを設けて、保持器の外径側と内径側とに分かれて流入する潤滑油がこの切欠きを通過するようにし、軸受内部での潤滑油の流通を向上させるようにしたものがある（特許文献１、２参照）。特許文献１に記載されたものでは、図２１（Ａ）に示すように、保持器５のポケット９間の柱部８の中央部に切欠き１０ｄを設け、潤滑油に混入する異物が軸受内部に滞留しないようにしている。また、特許文献２に記載されたものでは、図２１（Ｂ）に示すように、保持器５のポケット９の軸方向両端の小環状部６と大環状部７に切欠き１０ｅを設け、保持器の外径側から流入する潤滑油が内輪側へ流れやすくなるようにしている。なお、各図中に記入したポケット９の各寸法は、後述するトルク測定試験における比較例に用いたものの値である。
特開平０９−０３２８５８号公報特開平１１−２０１１４９号公報特開平０９−０９６３５２号公報特開平１１−２１０７６５号公報特開２００３−３４３５５２号公報

上述したように潤滑油が保持器の外径側と内径側とに分かれて軸受内部へ流入する円すいころ軸受では、保持器の内径側から内輪側へ流入する潤滑油の割合が多くなると、トルク損失が大きくなることが分かった。この理由は、以下のように考えられる。

すなわち、保持器の外径側から外輪側へ流入する潤滑油は、外輪の内径面には障害物がないので、その軌道面に沿って円すいころの大径側へスムーズに通過して軸受内部から流出するが、保持器の内径側から内輪側へ流入する潤滑油は、内輪の外径面には大鍔があるので、その軌道面に沿って円すいころの大径側へ通過したときに大鍔で堰き止められ、軸受内部に滞留しやすくなる。このため、保持器の内径側から内輪側へ流入する潤滑油の割合が多くなると、軸受内部に滞留する潤滑油の量が多くなり、この滞留する潤滑油が軸受回転に対する流動抵抗となってトルク損失が増大するものと考えられる。

したがって、軸受内部に潤滑油が流入する円すいころ軸受における潤滑油の流動抵抗によるトルク損失を低減させる必要がある。以上が低トルク化のために油の流動抵抗を減少させる方法であるが、大幅な低トルク化を行うためには、転がり粘性抵抗が低下するように軸受諸元を変更することが必要である。しかしながら、従来の低トルク化手法（特許文献３〜５参照）では、定格荷重を低下させない低トルク化は可能であるが、軸受剛性はいくらか低下する。

この発明の主要な目的は、軸受剛性を低下させることなく、低トルク化を実現することにある。

この発明は、ころ本数を減らさず、あるいは増加させつつ、ＰＣＤを小さくすることによって、課題を解決したものである。図２３は円すいころ軸受においてころピッチ径（ＰＣＤ）を変化させたときの剛性比（−●−）およびトルク比（−○−）を表したものである。図２３に示すように、ＰＣＤを小さくすると軸受のトルクは大幅に低下するが、軸受剛性はあまり低下しないことが、ころの弾性変形量を計算確認した結果として得られた。そこで、ころ本数を減らさないか増加させつつ、ＰＣＤを小さくすることによって、剛性を低下させずにトルクを低減させることができる。

すなわち、この発明の円すいころ軸受は、内輪と、外輪と、内輪と外輪との間に転動自在に配された複数の円すいころと、円すいころを円周所定間隔に保持する保持器とからなり、ころ係数γが０．９４を越え、前記内輪、外輪および転動体のうち少なくともいずれか一つの部材が、窒素富化層を有し、かつ、前記窒素富化層におけるオーステナイト結晶粒の粒度番号が１０番を越える範囲にあり、前記保持器が、円すいころの小端面側で連なる小環状部と、円すいころの大端面側で連なる大環状部と、これらの環状部を連結する複数の柱部とからなり、隣接する柱部間に、円すいころの小径側を収納する部分が狭幅側、大径側を収納する部分が広幅側となる台形状のポケットが形成してあり、ポケットの狭幅側の柱部と小環状部の中央部に、前記保持器と前記内輪との間に流入した潤滑油を前記外輪側へ速やかに逃がすための切欠きが設けてあることを特徴とするものである。

ころ係数γ（ころの充填率）は（ころ本数×ころ平均径）／（π×ＰＣＤ）で表されるパラメータであって、ころ平均径が一定とした場合、γの値が大きいほどころ本数が多いことを意味する。従来の典型的な保持器付き円すいころ軸受ではころ係数γを通常０．９４以下にして設計しているのに対し、ころ係数γが０．９４を越えるということは、従来と比較して、ころ充填率ひいては軸受剛性が高いことを意味する。

窒素富化層は、軌道輪（外輪もしくは内輪）または転動体の表層に形成された窒素含有量が増加した層であって、たとえば浸炭窒化、窒化、浸窒などの処理によって形成させることができる。窒素富化層における窒素含有量は、好ましくは０．１％〜０．７％の範囲である。窒素含有量が０．１％より少ないと効果がなく、とくに異物混入条件での転動寿命が低下する。窒素含有量が０．７％より多いと、ボイドと呼ばれる空孔ができたり、残留オーステナイトが多くなりすぎて硬度が出なくなったりして短寿命になる。軌道輪に形成された窒素富化層については、窒素含有量は、研削後の軌道面の表層５０μｍにおける値であって、たとえばＰＭＡ（波長分散型Ｘ線マイクロアナライザ）で測定することができる。

また、オーステナイト結晶粒の粒度番号が１０番を越えるほどオーステナイト粒径が微細であることにより、転動疲労寿命を大幅に改良することができる。オーステナイト粒径の粒度番号が１０番以下では、転動疲労寿命は大きく改善されないので、１０番を越える範囲とする。通常、１１番以上とする。オーステナイト粒径は細かいほど望ましいが、通常、１３番を越える粒度番号を得ることは難しい。なお、上記の軸受部品のオーステナイト粒は、窒素富化層を有する表層部でも、それより内側の内部でも変化しない。したがって、上記の結晶粒度番号の範囲の対象となる位置は、表層部および内部とする。オーステナイト結晶粒は、たとえば焼入れ処理を行った後も焼入れ直前のオーステナイト結晶粒界の痕跡が残っており、その痕跡に基づいた結晶粒をいう。

また、保持器の台形状ポケットの狭幅側の柱部と小環状部の中央部に切欠きを設けることにより、次のような作用が得られる。すなわち、保持器の内径側から内輪側へ流入した潤滑油を、これらの切欠きを通して外輪側へ速やかに逃がすことができる。その結果、内輪の軌道面に沿って大つばに至る潤滑油の量が少なくなり、軸受内部に滞留する潤滑油の量が減少する。したがって、潤滑油の流動抵抗によるトルク損失が低減する。

ポケットの狭幅側の小環状部にも切欠きが設けてあることにより、保持器の内径側から内輪側へ流入する潤滑油をこの切欠きからも外輪側へ逃がしてやることができる。したがって、内輪の軌道面に沿って大つばに至る潤滑油の量がより少なくなり、潤滑油の流動抵抗によるトルク損失がさらに低減する。

この発明によれば、軸受剛性を低下させることなく、低トルク化を実現することができる。すなわち、保持器の台形状ポケットの狭幅側の柱部と小環状部の中央部に外径側から内径側まで切り通した切欠きを設けることにより、保持器の内径側から内輪側へ流入した潤滑油を、これらの切欠きを通して外輪側へ速やかに逃がすことができるため、内輪の軌道面に沿って大つばに至る潤滑油の量が少なくなり、軸受内部に滞留する潤滑油の量が減少して、潤滑油の流動抵抗によるトルク損失が低減する。

ころ係数γが０．９４を越える設定とすることにより剛性の低下を防止することができる。また、ころ係数γをγ＞０．９４にすることにより、負荷容量がアップするばかりでなく、軌道面の最大面圧を低下させることができるため、過酷潤滑条件下での極短寿命での表面起点剥離を防止することができる。

さらに、この発明の円すいころ軸受は、窒素富化層を形成した上で、オーステナイト粒径を粒度番号で１１番以上に微細化したため、転動疲労寿命が大きく改善され、優れた耐割れ強度や耐経年寸法変化を得ることができる。

以下、図面に従ってこの発明の実施の形態を説明する。まず、図１に示す実施の形態の円すいころ軸受１は、内輪２と、外輪３と、円すいころ４と、保持器５とで構成されている。内輪２は外周に円すい状の軌道面２ａを有し、外輪３は内周に円すい状の軌道面３ａを有する。内輪２の軌道面２ａと外輪３の軌道面３ａとの間に複数の円すいころ４が転動自在に介在させてある。各円すいころ４は保持器５に形成されたポケット内に収容され、内輪２の軌道面２ａの両側に設けた小つば２ｂと大つば２ｃとで軸方向への移動を規制されている。

ここで、円すいころ軸受１は、ころ係数γがγ＞０．９４となっている。ころ係数γはころの充填率を表し、次式で定義される。
ころ係数γ＝（Ｚ・ＤＡ）／（π・ＰＣＤ）
ここに、
Ｚ：ころ本数
ＤＡ：ころ平均径
ＰＣＤ：ころピッチ径。

比較のため、図２２を参照して従来の技術に言及すると、同図に示す円すいころ軸受は、保持器から外輪が離間している典型的な保持器付き円すいころ軸受であって、外輪７１と保持器７２との接触を避けた上で、保持器７２の柱幅を確保し、適切な保持器７２の柱強度を円滑な回転を得るために、通常、ころ係数γを０．９４以下にして設計している。なお、図２２で符号７３，７４，７５は、それぞれ、円すいころ、柱面、内輪を指し、符号θは窓角を表している。

保持器５は、図１（Ｂ）に示すように、円すいころ４の小端面側で連なる小環状部６と、円すいころ４の大端面側で連なる大環状部７と、これらの小環状部６と大環状部７を連結する複数の柱部８とを含んでいる。そして、図２に示すように、隣り合った柱部８間にポケット９が形成される。

保持器９のポケット９は台形状で、円錐ころ４の小径側を収納する部分が狭幅側、大径側を収納する部分が広幅側となる。ポケット９の狭幅側と広幅側には、それぞれ両側の柱部８に２つずつ、外径側から内径側まで切り通した切欠き１０ａ、１０ｂが設けてある。各切欠き１０ａ、１０ｂの寸法は、いずれも深さ１．０ｍｍ、幅４．６ｍｍとされている。狭幅側だけでなく広幅側にも切欠きを設けることにより、円錐ころをバランスよく柱部に接触させることができる。なお、図面に例示した切欠きは、保持器５の半径方向に切り通した溝の形態をしているが、保持器５の内径側と外径側を連絡して潤滑油の円滑な通過を許容することができる限り、形状や寸法は任意である。

図３および図４に保持器５の変形例を示す。図３に示す変形例は、ポケット９の狭幅側の小環状部６にも切欠き１０ｃを設けたものである。そして、狭幅側の３つの切欠き１０ａ、１０ｃの合計面積が、広幅側の２つの切欠き１０ｂの合計面積よりも広くなっている。なお、切欠き１０ｃは深さ１．０ｍｍ、幅５．７ｍｍとしてある。図４に示す変形例は、狭幅側の柱部８の各切欠き１０ａの深さが１．５ｍｍと広幅側の柱部８の各切欠き１０ｂよりも深く、狭幅側の各切欠き１０ａの合計面積が、広幅側の各切欠き１０ｂの合計面積よりも広くなっている。図３、図４に例示したような構成を採用することにより、内輪の軌道面に沿って大鍔に至る潤滑油の量をより少なくして、潤滑油の流動抵抗によるトルク損失をさらに低減させることができる。

図５に示すように、保持器５の小環状部６の軸方向外側には、内輪２の小鍔２ｂの外径面に対向させた径方向内向きのつば１１が設けてあり、このつば１１の内径面と内輪２の小鍔２ｂの外径面との間のすきまδは、小鍔２ｂの外径寸法の２．０％以下に狭く設定してある。このような構成を採用することにより、保持器の内径側から内輪側へ流入する潤滑油の量を少なくし、潤滑油の流動抵抗によるトルク損失をより低減させることができる。

また、図示は省略するが、円錐ころ４の全表面には微小凹形形状のくぼみがランダムに無数に設けてある。このくぼみを設けた表面は、面粗さパラメータＲｙｎｉが０．４μｍ≦Ｒｙｎｉ≦１．０μｍ、かつ、Ｓｋ値が−１．６以下としてある。このような構成を採用することにより、円錐ころの表面に満遍なく潤滑油を保持させて、軸受内部に滞留する潤滑油の量を減らしても、円錐ころと内輪、外輪との接触部を十分に潤滑することができる。
パラメータＲｙｎｉは、基準長毎最大高さの平均値、すなわち、粗さ曲線からその平均線の方向に基準長さだけ抜き取り、この抜き取り部分の山頂線と谷底線との間隔を粗さ曲線の縦倍率の方向に測定した値である（ＩＳＯ４２８７：１９９７）。また、Ｓｋ値は粗さ曲線のひずみ度、すなわち、粗さの凹凸分布の非対称性を表す値であり（ＩＳＯ４２８７：１９９７）、ガウス分布のように対称な分布ではＳｋ値は０に近くなり、凹凸の凸部を削除した場合は負の値、逆に凹部を削除した場合は正の値となる。Ｓｋ値のコントロールは、バレル研磨機の回転速度、加工時間、ワーク投入量、研磨チップの種類と大きさ等を選ぶことにより行うことができ、Ｓｋ値を−１．６以下とすることにより、無数の微小凹形形状のくぼみに満遍なく潤滑油を保持することができる。

図２に示した保持器を用いた円すいころ軸受（実施例１）と、図３に示した保持器を用いた円すいころ軸受（実施例２）を用意した。また、比較例として、ポケットに切欠きのない保持器を用いた円すいころ軸受（比較例１）と、図２１（Ａ）、（Ｂ）に示した保持器を用いた円すいころ軸受（比較例２，３）を用意した。なお、各円すいころ軸受は、寸法が外径１００ｍｍ、内径４５ｍｍ、幅２７．２５ｍｍであり、ポケットの切欠き以外の部分は同じである。

実施例と比較例の円すいころ軸受について、縦型トルク試験機を用いたトルク測定試験を行った。試験条件は以下のとおりである。
アキシアル荷重：３００ｋｇｆ
回転速度：３００〜２０００ｒｐｍ（１００ｒｐｍピッチ）
潤滑条件：油浴潤滑（潤滑油：７５Ｗ−９０）

図６に試験結果を示す。同図のグラフの縦軸は、ポケットに切欠きのない保持器を用いた比較例１のトルクに対するトルク低減率を表す。ポケットの柱部中央部に切欠きを設けた比較例２や、ポケットの小環状部と大環状部に切欠きを設けた比較例３も、トルク低減効果が認められるが、ポケットの狭幅部側の柱部に切欠きを設けた実施例１は、これらの比較例よりも優れたトルク低減効果が認められ、狭幅側の小環状部にも切欠きを設け、狭幅側の切欠きの合計面積を広幅側のそれよりも広くした実施例２は、さらに優れたトルク低減効果が認められる。

また、試験の最高回転速度である２０００ｒｐｍにおけるトルク低減率は、実施例１が９．５％、実施例２が１１．５％であり、デファレンシャルやトランスミッション等における高速回転での使用条件でも優れたトルク低減効果を得ることができる。なお、比較例２と比較例３の回転速度２０００ｒｐｍにおけるトルク低減率は、それぞれ８．０％と６．５％である。

保持器５は樹脂で一体成形され、小径側環状部６と、大径側環状部７と、小径側環状部６と大径側環状部７とを連結する複数の柱部８とを備えている。なお、保持器材料としては、ＰＰＳ，ＰＥＥＫ，ＰＡ，ＰＰＡ，ＰＡＩ等のスーパーエンプラを使用するほか、必要に応じて、強度増強のため、これら樹脂材料またはその他のエンジニアリング・プラスチックに、ガラス繊維または炭素繊維などを配合したものを使用してもよい。

エンジニアリング・プラスチックは、汎用エンジニアリング・プラスチックとスーパー・エンジニアリング・プラスチックを含む。以下に代表的なものを掲げるが、これらはエンジニアリング・プラスチックの例示であって、エンジニアリング・プラスチックが以下のものに限定されるものではない。

〔汎用エンジニアリング・プラスチック〕ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリアミド６（ＰＡ６）、ポリアミド６６（ＰＡ６６）、ポリアセタール（ＰＯＭ）、変性ポリフェニレンエーテル（ｍ−ＰＰＥ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、ＧＦ強化ポリエチレンテレフタレート（ＧＦ−ＰＥＴ）、超高分子量ポリエチレン（ＵＨＭＷ−ＰＥ）

〔スーパー・エンジニアリング・プラスチック〕ポリサルホン（ＰＳＦ）、ポリエーテルサルホン（ＰＥＳ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリアリレート（ＰＡＲ）、ポリアミドイミド（ＰＡＩ）、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、液晶ポリマー（ＬＣＰ）、熱可塑性ポリイミド（ＴＰＩ）、ポリベンズイミダゾール（ＰＢＩ）、ポリメチルベンテン（ＴＰＸ）、ポリ１，４−シクロヘキサンジメチレンテレフタレート（ＰＣＴ）、ポリアミド４６（ＰＡ４６）、ポリアミド６Ｔ（ＰＡ６Ｔ）、ポリアミド９Ｔ（ＰＡ９Ｔ）、ポリアミド１１，１２（ＰＡ１１，１２）、フッ素樹脂、ポリフタルアミド（ＰＰＡ）

図７および図８を参照して柱部５ａがなす角度すなわち窓角θについて述べると、下限窓角θminが５５°（図７）、上限窓角θmaxが８０°である（図８）。窓角は、保持器が外輪から離間している典型的な保持器付き円すいころ軸受（図２２）では、大きくても約５０°である。下限窓角θminを５５°としたのは、ころとの良好な接触状態を確保するためであり、窓角５５°未満ではころとの接触状態が悪くなる。すなわち、窓角を５５°以上とすると、保持器強度を確保した上でγ＞０．９４として、かつ、良好な接触状態を確保できるのである。また、上限窓角θmaxを８０°としたのは、これ以上大きくなると半径方向への押し付け力が大きくなり、自己潤滑性の樹脂材であっても円滑な回転が得られなくなる危険性が生じるからである。

図９に軸受の寿命試験の結果を示す。同図中、「軸受」欄の「比較例１」が保持器と外輪とが離れた典型的な従来の円すいころ軸受（図２２）、「比較例２」がこの発明の円すいころ軸受のうち従来品に対してころ係数γのみをγ＞０．９４とした円すいころ軸受、「実施例」がころ係数γをγ＞０．９４とし、かつ、窓角を５５°〜８０°の範囲にしたこの発明の円すいころ軸受である。試験は、過酷潤滑、過大負荷条件下で行なった。同図より明らかなように、「比較例２」は「比較例１」の２倍以上の長寿命となる。さらに、「実施例」の軸受はころ係数が「比較例２」と同じ０．９６であるが、寿命時間は「比較例２」の約５倍以上にもなる。なお、「比較例１」、「比較例２」および「実施例」の寸法はφ４５×φ８１×１６（単位ｍｍ）、ころ本数は２４本（「比較例１」）、２７本（「比較例２」、「実施例」）、油膜パラメータΛ＝０．２である。

図１０および図１１に示す変形例は、エンジニアリング・プラスチックで一体成形した保持器５の柱部８の外径面に、外輪３の軌道面３ａ側に向けて凸状を成す突起部５ｂを形成したものである。その他は前述した保持器５と同じである。この突起部５ｂは図１１に示すように柱部８の横断方向の断面輪郭形状が円弧状を成している。この円弧状の曲率半径Ｒ₂は外輪３の軌道面３ａの半径Ｒ₁より小さくしてある。これは、突起部５ｂと外輪３の軌道面３ａとの間に良好な楔状油膜が形成されるようにするためであり、望ましくは突起部５ｂの曲率半径Ｒ₂は外輪３の軌道面３ａの半径Ｒ₁の７０〜９０％程度に形成するとよい。７０％未満であると楔状油膜の入口開き角度が大きくなりすぎて却って動圧が低下する。９０％を越えると楔状油膜の入口角度が小さくなりすぎて同様に動圧が低下する。また、突起部５ｂの横幅Ｗ₂は望ましくは柱部８の横幅Ｗ₁の５０％以上となるように形成する（Ｗ₂≧０．５Ｗ_１）。５０％未満では良好な楔状油膜を形成するための充分な突起部５ｂの高さが確保できなくなるためである。なお、外輪３の軌道面３ａの半径Ｒ₁は大径側から小径側へと連続的に変化しているので、突起部５ｂの曲率半径Ｒ₂もそれに合わせて大環状部７の大きな曲率半径Ｒ₂から小環状部６の小さな曲率半径Ｒ₂へと連続的に変化するようにする。

図１０および図１１の円すいころ軸受１は以上のように構成されているため、軸受１が回転して保持器５が回転し始めると、外輪軌道面と保持器５の突起部５ｂとの間に楔状油膜が形成される。この楔状油膜は軸受１の回転速度にほぼ比例した動圧を発生させるので、保持器５のピッチ径（ＰＣＤ）を従来よりも大きくして外輪３の軌道面３ａに近接させても、軸受１を大きな摩耗ないしトルク損失を生じることなく回転させることが可能となり、無理なくころ本数を増加させることが可能となる。

図１２は、上述の円すいころ軸受を使用し得る自動車のデファレンシャルの構成を例示したものである。このデファレンシャルは、プロペラシャフト（図示省略）に連結され、デファレンシャルケース２１内に挿入したドライブピニオン２２が差動歯車ケース２３に取り付けたリンギギヤ２４とかみ合い、差動歯車ケース２３の内部に取り付けたピニオンギヤ２５が、差動歯車ケース２３に左右から挿入されたドライブシャフト（図示省略）を結合するサイドギヤ２６とかみ合って、エンジンの駆動力をプロペラシャフトから左右のドライブシャフトに伝達するようになっている。このデファレンシャルでは、動力伝達軸であるドライブピニオン２２と差動歯車ケース２３が、それぞれ一対の円すいころ軸受１ａ，１ｂで支持してある。

デファレンシャルケース２１はシール部材２７ａ，２７ｂ，２７ｃで密封され、内部にており潤滑油が貯留される。各円すいころ軸受１ａ，１ｂはこの潤滑油の油浴に下部が漬かった状態で回転する。各円すいころ軸受１ａ，１ｂが高速で回転してその下部が油浴に漬かると、図５に矢印で示すように、油浴の潤滑油が円すいころ４の小径側から保持器５の外径側と内径側とに分かれて軸受内部へ流入し、保持器５の外径側から外輪３へ流入した潤滑油は、外輪３の軌道面３ａに沿って円すいころ４の大径側へ通過して軸受内部から流出する。一方、保持器５の内径側から内輪２側へ流入する潤滑油は、保持器５の外径側から流入する潤滑油よりも遥かに少なく、かつ、このすきまδから流入する潤滑油の大半は、ポケット９の狭幅側の柱部８に設けた切欠き１０ａを通過して、保持器５の外径側へ移動する。したがって、そのまま内輪２の軌道面２ａに沿って大つば２ｃに至る潤滑油の量は非常に少なくなり、軸受内部に滞留する潤滑油の量を減らすことができる。

図１３は、上述の円すいころ軸受を使用し得る自動車のトランスミッションの構成を例示したものである。このトランスミッションは同期噛合式のもので、同図の左側がエンジン側、右側が駆動車輪側である。メインシャフト４１とメインドライブギヤ４２との間に円すいころ軸受４３が配置してある。この例では、メインドライブギヤ４２の内周に円すいころ軸受４３の外輪軌道面が直接形成してある。メインドライブギヤ４２は、円すいころ軸受４４でケーシング４５に対して回転自在に支持される。メインドライブギヤ４２にクラッチギヤ４６が連結され、クラッチギヤ４６に近接してシンクロ機構４７が配置してある。

シンクロ機構４７は、セレクタ（図示省略）の作動によって軸方向（同図の左右方向）に移動するスリーブ４８と、スリーブ４８の内周に軸方向移動自在に装着したシンクロナイザーキー４９と、メインシャフト４１の外周に嵌合させたハブ５０と、クラッチギヤ４６の外周（コーン部）に摺動自在に装着したシンクロナイザーリング５１と、シンクロナイザーキー４９をスリーブ４８の内周に弾性的に押圧する押さえピン５２およびスプリング５３とを備えている。

同図に示す状態では、スリーブ４８およびシンクロナイザーキー４９が押さえピン５２によって中立位置に保持されている。この時、メインドライブギヤ４２はメインシャフト４１に対して空転する。一方、セレクタの作動により、スリーブ４８が同図に示す状態から例えば軸方向左側に移動すると、スリーブ４８に従動してシンクロナイザーキー４９が軸方向左側に移動し、シンクロナイザーリング５１をクラッチギヤ４６のコーン部の傾斜面に押し付ける。これにより、クラッチギヤ４６の回転速度が落ち、逆にシンクロ機構４７側の回転速度が高められる。そして、両者の回転速度が同期した頃、スリーブ４８がさらに軸方向左側に移動して、クラッチギヤ４６とかみ合い、メインシャフト４１とメインドライブギヤ４２との間がシンクロ機構４７を介して連結される。これにより、メインシャフト４１とメインドライブギヤ４２とが同期回転する。

上述の円すいころ軸受１の内輪２、外輪３および転動体４の少なくとも一つの軸受部品は窒素富化層を有する。窒素富化層を形成させるための処理の具体例として浸炭窒化処理を含む熱処理について説明する。

図１４は、この発明の実施の形態における転がり軸受の熱処理方法を説明する図であり、図１５はその変形例を説明する図である。図１４は一次焼入れおよび二次焼入れを行う方法を示す熱処理パターンであり、図１５は焼入れ途中で材料をＡ１変態点温度未満に冷却し、その後、再加熱して最終的に焼入れする方法を示す熱処理パターンである。これらの図において、処理Ｔ１では鋼の素地に炭素や窒素を拡散させたまま炭素の溶け込みを十分に行った後、Ａ１変態点未満に冷却する。次に、図中の処理Ｔ２において、Ａ１変態点温度以上かつ処理Ｔ１よりも低温に再加熱し、そこから油焼入れを施す。

上記の熱処理により、従来の浸炭窒化焼入れすなわち浸炭窒化処理に引き続いてそのまま１回焼入れするよりも、表層部分を浸炭窒化しつつ、割れ強度を向上させ、経年寸法変化率を減少させることができる。上記図１４または図１５の熱処理パターンによって製造されたこの発明の転がり軸受は、オーステナイト結晶粒の粒径が従来の２分の１以下となるミクロ組織を有している。上記の熱処理を受けた軸受部品は、転動疲労に対して長寿命であり、割れ強度を向上させ、経年寸法変化率も減少させることができる。結晶粒の微細化のために二次焼入れ温度を下げる熱処理工程をとるため、残留オーステナイト量が表層および内部で減少する結果、すぐれた耐割れ強度や耐経年寸法変化を得ることができるのである。

図１６は、軸受部品のミクロ組織、とくにオーステナイト粒を示す図である。図１６（Ａ）は本発明例の軸受部品であり、図１６（Ｂ）は従来の軸受部品である。すなわち、図１４に示す熱処理パターンを適用したこの発明の実施の形態である転がり軸受の軌道輪のオーステナイト結晶粒度を図１６（Ａ）に示す。また、比較のため、従来の熱処理方法による軸受鋼のオーステナイト結晶粒度を図１６（Ｂ）に示す。図１７（Ａ）および図１７（Ｂ）に、上記図１６（Ａ）および図１６（Ｂ）を図解したオーステナイト結晶粒度を示す。これらオーステナイト結晶粒度を示す組織より、従来のオーステナイト粒径はＪＩＳ規格の粒度番号で１０番であり、図１４または図１５による熱処理方法によれば１２番の細粒を得ることができる。図１６（Ａ）の平均粒径は、切片法で測定した結果、５．６μｍであった。

次に、この発明の実施例について説明する。
（実施例１）
ＪＩＳ規格ＳＵＪ２材（１．０重量％Ｃ−０．２５重量％Ｓｉ−０．４重量％Ｍｎ−１．５重量％Ｃｒ）を用いて、（１）水素量の測定、（２）結晶粒度の測定、（３）シャルピー衝撃試験、（４）破壊応力値の測定、（５）転動疲労試験の各試験を行った。表１にその結果を示す。

各試料の製造履歴は次のとおりである。
試料Ａ〜Ｄ（本発明例）：浸炭窒化処理８５０℃、保持時間１５０分間。雰囲気は、ＲＸガスとアンモニアガスとの混合ガスとした。図１４に示す熱処理パターンにおいて、浸炭窒化処理温度８５０℃から一次焼入れを行い、次いで浸炭窒化処理温度より低い温度域７８０℃〜８３０℃に加熱して二次焼入れを行った。ただし、二次焼入れ温度７８０℃の試料Ａは焼入れ不足のため試験の対象から外した。
試料Ｅ，Ｆ（比較例）：浸炭窒化処理は、本発明例Ａ〜Ｄと同じ履歴で行い、二次焼入れ温度を浸炭窒化処理温度８５０℃以上の８５０℃〜８７０℃で行った。
従来浸炭窒化処理品（比較例）：浸炭窒化処理８５０℃、保持時間１５０分間。雰囲気は、ＲＸガスとアンモニアガスとの混合ガスとした。浸炭窒化処理温度からそのまま焼入れを行い、二次焼入れは行わなかった。
普通焼入れ品（比較例）：浸炭窒化処理を行わずに、８５０℃に加熱して焼入れした。二次焼入れは行わなかった。

次に、試験方法について説明する。
（１）水素量の測定
水素量は、ＬＥＣＯ社製ＤＨ−１０３型水素分析装置により、鋼中の非拡散性水素量を分析した。拡散性水素量は測定していない。このＬＥＣＯ社製ＤＨ−１０３型水素分析装置の仕様は次のとおりである。
分析範囲：０．０１〜５０．００ｐｐｍ
分析精度：±０．１ｐｐｍまたは±３％Ｈ（いずれか大なる方）
分析感度：０．０１ｐｐｍ
検出方式：熱伝導度法
試料重量サイズ：１０ｍｇ〜３５ｍｇ（最大：直径１２ｍｍ×長さ１００ｍｍ）
加熱炉温度範囲：５０℃〜１１００℃
試薬：アンハイドロンＭｇ（ＣｌＯ_４）_２、アスカライトＮａＯＨ
キャリアガス：窒素ガス、ガスドージングガス：水素ガス、いずれのガスも純度９９．９９％以上、圧力４０ｐｓｉ（２．８ｋｇｆ／ｃｍ^２）

測定手順の概要は以下のとおりである。専用のサンプラーで採取した試料をサンプラーごと上記の水素分析装置に挿入する。内部の拡散性水素は窒素キャリアガスによって熱伝導度検出器に導かれる。この拡散性水素は本実施例では測定しない。次に、サンプラーから試料を取り出し、抵抗加熱炉内で加熱し、非拡散性水素を窒素キャリアガスによって熱伝導度検出器に導く。熱伝導度検出器において熱伝導度を測定することによって非拡散性水素量を知ることができる。

（２）結晶粒度の測定
結晶粒度の測定は、ＪＩＳＧ０５５１の鋼のオーステナイト結晶粒度試験方法に基づいて行った。

（３）シャルピー衝撃試験
シャルピー衝撃試験は、ＪＩＳＺ２２４２の金属材料のシャルピー衝撃試験方法に基づいて行った。試験片は、ＪＩＳＺ２２０２に示されたＵノッチ試験片（ＪＩＳ３号試験片）を用いた。

（４）破壊応力値の測定
図１８は、静圧壊強度試験（破壊応力値の測定）の試験片を示す図である。図中のＰ方向に荷重を負荷して破壊されるまでの荷重を測定する。その後、得られた破壊荷重を、下記の曲がり梁の応力計算式により応力値に換算する。なお、試験片は図１８に示す試験片に限られず、他の形状の試験片を用いてもよい。

図１８の試験片の凸表面における繊維応力をσ_１、凹表面における繊維応力をσ_２とすると、σ_１およびσ_２は下記の式によって求められる（機械工学便覧Ａ４編材料力学Ａ４−４０）。ここで、Ｎは円環状試験片の軸を含む断面の軸力、Ａは横断面積、ｅ_１は外半径、ｅ_２は内半径を表す。また、κは曲がり梁の断面係数である。
σ_１＝（Ｎ／Ａ）＋｛Ｍ／（Ａρ_０）｝［１＋ｅ_１／｛κ（ρ_０＋ｅ_１）｝］
σ_２＝（Ｎ／Ａ）＋｛Ｍ／（Ａρ_０）｝［１−ｅ_２／｛κ（ρ_０−ｅ_２）｝］
κ＝−（１／Ａ）∫Ａ｛η／（ρ_０＋η）｝ｄＡ

（５）転動疲労寿命
転動疲労寿命試験の試験条件を表２に示す。また、図１９は、転動疲労寿命試験機の概略図であって、図１９（Ａ）は正面図、図１９（Ｂ）は側面図である。図１９（Ａ）および図１９（Ｂ）において、転動疲労寿命試験片１８は、駆動ロール１２によって駆動され、ボール１６と接触して回転する。ボール１６は３／４インチのボールであり、案内ロール１４にガイドされて転動疲労寿命試験片１８との間で高い面圧を及ぼし合いながら転動する。

表１に示した実施例Ｉの試験結果を説明すると次のとおりである。
・水素量
浸炭窒化処理したままの従来浸炭窒化処理品は、０．７２ｐｐｍと非常に高い値となっている。これは、浸炭窒化処理の雰囲気に含まれるアンモニア（ＮＨ_３）が分解して水素が鋼中に浸入したためと考えられる。これに対し、試料Ｂ〜Ｄは、水素量は０．３７〜０．４０ｐｐｍと半分近くまで減少している。この水素量は普通焼入れ品と同レベルである。

・結晶粒度
結晶粒度は二次焼入れ温度が、浸炭窒化処理時の焼入れ（一次焼入れ）の温度より低い場合、すなわち試料Ｂ〜Ｄの場合、オーステナイト粒は、結晶粒度番号１１〜１２と顕著に微細化されている。試料ＥおよびＦならびに従来浸炭窒化処理品および普通焼入れ品のオーステナイト粒は、結晶粒度番号１０であり、本発明例の試料Ｂ〜Ｄより粗大な結晶粒となっている。

・シャルピー衝撃試験
表１によれば、従来浸炭窒化処理品のシャルピー衝撃値は５．３３Ｊ／ｃｍ^２であるのに対して、本発明例の試料Ｂ〜Ｄのシャルピー衝撃値は６．３０〜６．６５Ｊ／ｃｍ^２と高い値が得られている。この中でも、二次焼入れ温度が低い方がシャルピー衝撃値が高くなる傾向を示す。普通焼入れ品のシャルピー衝撃値は６．７０Ｊ／ｃｍ^２と高い。

（４）破壊応力値の測定
上記破壊応力値は、耐割れ強度に相当する。表１によれば、従来浸炭窒化処理品は２３３０ＭＰａの破壊応力値となっている。これに比して、試料Ｂ〜Ｄの破壊応力値は２６５０〜２８４０ＭＰａと改善された値が得られている。普通焼入れ品の破壊応力値は２７７０ＭＰａであり、試料Ｂ〜Ｄの改良された耐割れ強度は、オーステナイト結晶粒の微細化と並んで、水素含有率の低減による効果が大きいと推定される。

（５）転動疲労試験
表１によれば、普通焼入れ品は浸炭窒化層を表層部に有しないことを反映して、転動疲労寿命Ｌ₁₀は最も低い。これに比して従来浸炭窒化処理品の転動疲労寿命は３．１倍となる。試料Ｂ〜Ｄの転動疲労寿命は従来浸炭窒化処理品より大幅に向上する。試料Ｅ，Ｆは、従来浸炭窒化処理品とほぼ同等である。

上記をまとめると、本発明例の試料Ｂ〜Ｄは、水素含有率が低下し、オーステナイト結晶粒度が１１番以上に微細化され、シャルピー衝撃値、耐割れ強度および転動疲労寿命も改善される。

（実施例ＩＩ）
次に、実施例ＩＩについて説明する。下記のＸ材、Ｙ材およびＺ材について、一連の試験を行った。熱処理用素材には、ＪＩＳ規格ＳＵＪ２材（１．０重量％Ｃ−０．２５重量％Ｓｉ−０．４重量％Ｍｎ−１．５重量％Ｃｒ）を用い、Ｘ材〜Ｚ材に共通とした。Ｘ材〜Ｚ材の製造履歴は次のとおりである。
Ｘ材（比較例）：普通焼入れのみ（浸炭窒化処理せず）
Ｙ材（比較例）：浸炭窒化処理後にそのまま焼入れ（従来の浸炭窒化焼入れ）。浸炭窒化処理温度８４５℃、保持時間１５０分間。浸炭窒化処理の雰囲気は、ＲＸガス＋アンモニアガスとした。
Ｚ材（本発明例）：図１４の熱処理パターンを施した軸受鋼。浸炭窒化処理温度８４５℃、保持時間１５０分間。浸炭窒化処理の雰囲気は、ＲＸガス＋アンモニアガスとした。最終焼入れ温度は８００℃とした。

（１）転動疲労寿命
転動疲労寿命の試験条件および試験装置は、上述したように、表２および図１９に示すとおりである。この転動疲労寿命試験の結果を表３に示す。表３によれば、比較例のＹ材は、同じく比較例で普通焼入れのみを施したＸ材のＬ₁₀寿命（試験片１０個中の１個が破損する寿命）の３．１倍を示し、浸炭窒化処理による長寿命化の効果が認められる。これに対して、本発明例のＺ材は、Ｂ材の１．７４倍、またＸ材の５．４倍の長寿命を示している。この改良の主因はミクロ組織の微細化によるものと考えられる。

（２）シャルピー衝撃試験
シャルピー衝撃試験は、Ｕノッチ試験片を用いて、上述のＪＩＳＺ２２４２に準じた方法により行った。試験結果を表４に示す。浸炭窒化処理を行ったＹ材（比較例）のシャルピー衝撃値は、普通焼入れのＸ材（比較例）より高くないが、Ｚ材はＸ材と同等の値が得られた。

（３）静的破壊靭性値の試験
図２０は、静的破壊靭性試験の試験片を示す図である。この試験片のノッチ部に、予き列を約１ｍｍ導入した後、３点曲げによる静的荷重を加え、破壊荷重Ｐを求めた。破壊靭性値（Ｋ１ｃ値）の算出には次に示す（Ｉ）式を用いた。また、試験結果を表５に示す。予き裂深さが浸炭窒化層深さよりも大きくなったため、比較例のＸ材とＹ材とには違いはない。しかし、本発明例のＺ材は比較例に対して約１．２倍の値を得ることができた。
Ｋ１ｃ＝（ＰＬ√ａ／ＢＷ^２）｛５．８−９．２（ａ／Ｗ）＋
４３．６（ａ／Ｗ）^２−７５．３（ａ／Ｗ）^３＋７７．５（ａ／Ｗ）^４｝ ……（Ｉ）

（４）静圧壊強度試験
静圧壊強度試験は、上述のように図２０に示す形状のものを用いた。図中、Ｐ方向に荷重を負荷して、静圧壊強度試験を行った。試験結果を表６に示す。浸炭窒化処理を行っているＹ材は普通焼入れのＸ材よりもやや低い値である。しかしながら、本発明例のＺ材は、Ｙ材よりも静圧壊強度が向上し、Ｘ材と遜色ないレベルが得られている。

（５）経年寸法変化率
保持温度１３０℃、保持時間５００時間における経年寸法変化率の測定結果を、表面硬度、残留オーステナイト量（５０μｍ深さ）と併せて表７に示す。残留オーステナイト量の多いＹ材の寸法変化率に比べて、本発明例のＺ材は２分の１以下に抑制されていることがわかる。

（６）異物混入下における転動寿命試験
玉軸受６２０６を用い、標準異物を所定量混入させた異物混入下での転動疲労寿命を評価した。試験条件を表８に、試験結果を表９に示す。Ｘ材に比べ、従来の浸炭窒化処理を施したＹ材は約２．５倍になり、また、本発明例のＺ材は約２．３倍の長寿命が得られた。本発明例のＺ材は、比較例のＹ材に比べて残留オーステナイト量が少ないものの、窒素の浸入と微細化されたミクロ組織の影響でほぼ同等の長寿命が得られている。

上記の結果より、Ｚ材すなわち本発明例は、従来の浸炭窒化処理では困難であった転動疲労寿命の長寿命化、割れ強度の向上、経年寸法変化率の低減の３項目を同時に満足することができることがわかった。

（実施例ＩＩＩ）
表１０に、窒素含有量と異物混入条件下の転動寿命との関係について行った試験の結果を示す。なお、比較例１は標準焼入れ品、比較例２は標準の浸炭窒化品である。比較例３はこの発明実施例と同様の処理を施したものの窒素量のみ過多の場合である。試験条件は次のとおりである。
供試軸受：円すいころ軸受３０２０６（内／外輪、ころ共にＪＩＳによる高炭素クロム軸受鋼２種（ＳＵＪ２）製）
ラジアル荷重：１７．６４ｋＮ
アキシアル荷重：１．４７ｋＮ
回転速度：２０００ｒｐｍ
硬質の異物混入１ｇ／Ｌ

表１０より、実施例１〜５に関しては、窒素含有量と異物寿命はほぼ比例関係にあることがわかる。ただし、窒素含有量が０．７２の比較例３では異物混入下の転動寿命が極端に低下していることに照らし、窒素含有量は０．７を上限とするのがよい。

ここに開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。この発明の範囲は上記した説明ではなく特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

（Ａ）はこの発明の実施の形態を示す円すいころ軸受の横断面図（Ｂ）は同軸受の縦断面図図１の円すいころ軸受における保持器の展開平面図保持器の変形例を示す図２と類似の展開平面図保持器の別の変形例を示す図２と類似の展開平面図図１（Ｂ）の部分拡大図トルク測定試験の結果を示すグラフ窓角が下限の円すいころ軸受の部分拡大断面図窓角が上限の円すいころ軸受の部分拡大断面図軸受の寿命試験の結果を示す図保持器の変形例を示す円すいころ軸受の部分横断面図図１０の部分拡大図一般的な自動車トランスミッションの断面図一般的な自動車デファレンシャルの断面図円すいころ軸受の熱処理方法を説明する図円すいころ軸受の熱処理方法の変形例を示す図（Ａ）は本発明例の軸受部品のミクロ組織、とくにオーステナイト粒界を示す組織図（Ｂ）は従来の軸受部品のミクロ組織、とくにオーステナイト粒界を示す組織図（Ａ）は図１６（Ａ）を図解したオーステナイト粒界を示す組織図（Ｂ）は図１６（Ｂ）を図解したオーステナイト粒界を示す組織図静圧壊強度試験（破壊応力値の測定）の試験片を示す図（Ａ）は転動疲労寿命試験機の概略図（Ｂ）は転動疲労寿命試験機の側面図静的破壊靭性試験の試験片を示す図（Ａ）は従来の技術を示す保持器の展開平面図（Ｂ）は従来の技術を示す保持器の展開平面図従来の技術を示す円すいころ軸受の部分拡大横断面図円すいころ軸受においてころピッチ径（ＰＣＤ）を変化させたときの剛性比（−●−）およびトルク比（−○−）の変化を表した線図

符号の説明

１，１ａ，１ｂ円すいころ軸受
２内輪
２ａ軌道面
２ｂ小つば
２ｃ大つば
３外輪
３ａ軌道面
４円すいころ
５保持器
６小環状部
７大環状部
８柱部
９ポケット
１０ａ，１０ｂ，１０ｃ切欠き
１１つば

Claims

内輪と、外輪と、内輪と外輪との間に転動自在に配された複数の円すいころと、円すいころを円周所定間隔に保持する保持器とからなり、
ころ係数γが０．９４を越え、
前記内輪、外輪および転動体のうち少なくともいずれか一つの部材が、窒素富化層を有し、かつ、前記窒素富化層におけるオーステナイト結晶粒の粒度番号が１０番を越える範囲にあり、
前記保持器が、円すいころの小端面側で連なる小環状部と、円すいころの大端面側で連なる大環状部と、これらの環状部を連結する複数の柱部とからなり、隣接する柱部間に、円すいころの小径側を収納する部分が狭幅側、大径側を収納する部分が広幅側となる台形状のポケットが形成してあり、ポケットの狭幅側の柱部と小環状部の中央部に、前記保持器と前記内輪との間に流入した潤滑油を前記外輪側へ速やかに逃がすための切欠きが設けてある円すいころ軸受。