JP2007051714A - 円錐ころ軸受、及びこれを用いた車両用ピニオン軸支持装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 回転トルクを低減できる円錐ころ軸受、及び車両用ピニオン軸支持装置を提供する。
【解決手段】
本発明による円錐ころ軸受は、内輪の軌道面及び円錐ころの転動面の表面硬さが、それぞれ６３〜６９ＨＲＣに設定されている。また、外輪及び内輪の各軌道面、及び円錐ころの転動面にはクラウニングが施され、全クラウニング量が５０μｍ以上、外輪クラウニング率が４０％以上、ころクラウニング率が２０％以下に設定されている。
【選択図】 なし

Description

本発明は、例えば、自動車等におけるディファレンシャルギヤ装置、トランスアクスルギヤ装置等のピニオン軸支持装置や、トランスミッション等に好適に使用される円錐ころ軸受、及び車両用ピニオン軸支持装置に関する。

近年、自動車等の省燃費化に対する要求が高まっており、それらに搭載されるトランスミッション装置やディファレンシャルギヤ装置の回転軸を支持するために用いられている円錐ころ軸受に関してもその回転トルクの低減化が望まれている。
その中で、円錐ころ軸受の回転トルクを低減する方法として、円錐ころの転動面や内外輪の軌道面にクラウニングを施して転がり摩擦を低減する方法がある。
このような方法として、例えば、下記特許文献１に記載されているように、軌道面を円弧クラウニング形状とすることで回転トルクの低減化を図る方法や、下記特許文献２に記載されているように、ころの転動面とそれに接する軌道面とに対数曲線に近似させたクラウニング形状とする方法が提案されている。

上記従来例では、転動面あるいは軌道面のクラウニングの形状を数値で規定することで円錐ころ軸受の性能向上化が図られていた。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。

特開２００３−１３００５９号公報（図３） 特開２００１−６５５７４号公報（図４）

ところで、上述のように、転動面あるいは軌道面にクラウニングを施すことで、当該円錐ころ軸受の回転トルクを低減することができるが、その反面、軸受寸法や、使用条件によっては、転動面と軌道面との接触面圧を増加させるため、接触面の摩耗や表面剥離の発生が顕著となり、転がり軸受の寿命が低下する場合がある。このため、上記接触面圧を低減すべく、円錐ころ軸受の主寸法を比較的大きく設定せざるを得ない場合があり、さらなる低トルク化や小型化を阻害するという問題があった。
また、特に、転動面と軌道面との接触面圧が高いと、使用状態の潤滑油に混入しているギヤの摩耗粉等の異物が転動面と軌道面との間に介在することで、接触面の表面剥離の発生を促進し、当該円錐ころ軸受の寿命低下を顕著なものとしていた。
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、円錐ころの転動面及び内外輪の軌道面のクラウニングを量として規定することにより回転トルクを低減するとともに、転動面と軌道面との接触面が高面圧となる場合においても、軸受寿命の低下を抑えることができる円錐ころ軸受、及び車両用ピニオン軸支持装置を提供することを目的とする。

本発明は、鋼材よりなる内外輪と、これらの間に介在するとともに鋼材よりなる複数の円錐ころと、当該円錐ころの保持器とを備え、前記内外輪の各軌道面、及び前記円錐ころの転動面にクラウニングが施されている円錐ころ軸受において、前記内輪の軌道面及び前記円錐ころの転動面の表面硬さが、それぞれ６３〜６９ＨＲＣであるとともに、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している。

上記のように構成された円錐ころ軸受によれば、前記転動面及び各軌道面に施されたクラウニングの全クラウニング量、外輪クラウニング率、及びころクラウニング率が好適な値に設定されているので、それぞれの転動面及び軌道面における接触面積を適度に減少させるとともに、内外輪と円錐ころとの間の転がり粘性抵抗を低減することができ、その結果、回転トルクを低減することができる。
さらに、上記円錐ころ軸受は、円錐ころの転動面、及び内輪の軌道面の表面硬さが好適な値に設定されているので、転動面と軌道面との接触面圧が高面圧となる場合においても、これらに表面剥離が生じるのを抑制することができる。

上記円錐ころ軸受において、前記内輪の軌道面における表面残留オーステナイト量が１３ｗｔ％以上、２５ｗｔ％未満であることが好ましい。上記表面残留オーステナイト量が２５ｗｔ％以上であると、当該円錐ころ軸受の軸受寿命にばらつきが生じるとともに、転動面及び軌道面に表面剥離が発生し易くなる恐れがある。
内輪軌道面の表面残留オーステナイト量を上記のように設定することで、円錐ころ軸受の寿命のばらつきを抑えるとともに、円錐ころ及び内輪軌道面に表面剥離が生じるのをより効果的に抑制することができる。

上記円錐ころ軸受において、前記内輪が、浸炭焼入処理されていることが好ましい。
この場合、内輪の表面は上記のような比較的高い硬さとしつつ、その芯部は、表面と比較して低い硬さとすることができる。これによって、内輪全体としての靭性を確保することができる。

また、本発明はピニオン軸と、このピニオン軸を支持すべく前記ピニオン軸のピニオンギヤ側及びその逆側にそれぞれ配置される転がり軸受とを有する車両用ピニオン軸支持装置において、前記ピニオン軸のピニオンギヤ側及びその逆側にそれぞれ配置される転がり軸受の内、少なくとも一方が上記の円錐ころ軸受であることを特徴としている。
上記の車両用ピニオン軸支持装置によれば、上述したように、それぞれの転動面及び軌道面における接触面積を適度に減少させるとともに、内外輪と円錐ころとの間の転がり粘性抵抗を低減することができ、回転トルクを低減できるので、当該装置の回転損失を低減できる。また、転動面と軌道面との接触面圧が高面圧となる場合においても、これらに表面剥離が生じるのを抑制し、軸受寿命の低下を抑制できるので、当該装置の寿命を延ばすことができる。

本発明の円錐ころ軸受、及び車両用ピニオン軸支持装置によれば、転動面及び軌道面における接触面積を適度に減少させるとともに、内外輪と円錐ころとの間の転がり粘性抵抗を低減することができるので、回転トルクを低減することができる。また、転動面及び軌道面に上述のクラウニングを施すことに伴って両者間の接触面圧が高くなる場合においても、転動面及び軌道面に表面剥離が生じるのを抑制することができるので、軸受寿命の低下を抑えることができる。

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１は、本発明の一実施形態に係る円錐ころ軸受の軸方向断面図である。
図中、本実施形態に係る円錐ころ軸受１は、外周に円錐面からなる内輪軌道面１１を有する内輪１０と、内周に円錐面からなる外輪軌道面２１を有する外輪２０と、外周に円錐面からなる転動面３１を有するとともに両軌道面１１，２１の相互間に転動自在に配置された複数の円錐ころ３０と、この複数の円錐ころ３０を周方向に所定の間隔で保持している保持器４０とを備えている。
円錐ころ３０は、例えば、ＳＵＪ２やＳＡＥ５２１００等の軸受鋼よりなり、所定の熱処理によって、転動面３１を含む表面硬さが６３〜６９ＨＲＣとされている。また、内外輪１０、２０は、例えば、ＳＣｒ４２０やＳＡＥ５１２０等の肌焼鋼よりなり、かつ軌道面１１、２１を含む表面硬さが６３〜６９ＨＲＣ、表面の残留オーステナイト量が１３ｗｔ％以上、２５ｗｔ％未満とされている。

内輪１０及び円錐ころ３０の表面硬さの下限値が６３ＨＲＣであれば、当該円錐ころ軸受１を摩耗粉等の異物が混入した潤滑油中で使用した場合の円錐ころ軸受１の寿命低下を抑制することができる。このことは、次のような実験結果から判明した。
すなわち、表面硬さ６２ＨＲＣ、粒径１５０μｍ以下の異物としての焼入鋼粉末が濃度０．０３ｗｔ％で加えられた粘度８５Ｗ−９０のギヤオイル中で、円錐ころ軸受の寿命試験を行い、その際の、内輪１０の表面硬さと寿命比（寿命／所定値）との関係を把握した。その結果を図２に示す。なお、本試験における、外輪及び円錐ころは、上述の条件を満たすとともに、ほぼ同一の仕様に設定されたものを用いた。また、内輪１０の軌道面１１と転動面３１との面圧は、約１．９ＧＰａ、２．０ＧＰａの２種類に設定し、それぞれについて試験を行った。

図中、実線は面圧２．０ＧＰａの場合、破線は面圧１．９ＧＰａの場合を示している。図から明らかなように、面圧２．０ＧＰａの場合には、表面硬さが６２ＨＲＣより大きくなると、寿命比は顕著に大きくなっている。また、面圧１．９ＧＰａの場合においても、表面硬さが６２ＨＲＣより大きくなると、わずかではあるが寿命比は大きくなっている。
従って、内輪１０の表面硬さを６３ＨＲＣ以上とすることで、当該円錐ころ軸受１の寿命が長くなる。
また、面圧の違いに着目すると、面圧２．０ＧＰａの場合の方が、１．９ＧＰａの場合と比較して、寿命比の増大効果が高くなっており、内輪１０の表面硬さを６３ＨＲＣ以上とすることで、特に高面圧の環境下において効果的であることが判る。

上記試験のように、硬い異物が混入した潤滑油中で円錐ころ軸受を使用した場合、軌道面と転動面との間に異物が介在し、この異物が軌道面表面に圧痕を生じさせる。異物による圧痕は、それ自身が表面剥離の原因となるとともに、この圧痕の周囲に形成される盛り上がり部により、円錐ころ３０の転動面３１に表面剥離を生じさせる恐れがある。
上記のように内輪１０及び円錐ころ３０の表面硬さを６３ＨＲＣ以上とすることで、軌道面及び転動面における異物による圧痕の発生が抑制されるものと解される。従って、これにより軌道面及び転動面に表面剥離が生じるのを抑制でき、当該転がり軸受の寿命低下を抑制することができる。

また、内輪１０の表面残留オーステナイト量を２５ｗｔ％未満とする理由は、次のような実験の結果から判明したことである。
すなわち、内輪１０の表面残留オーステナイト量が異なる多数の円錐ころ軸受に対して寿命試験を行い、この試験による寿命データをワイブル確率紙にプロットしたときのワイブル分布の回帰直線の傾きを求めた。そして、この傾きと表面残留オーステナイト量（γＲ）との関係を調べた結果を図３に示す。
図によると、表面残留オーステナイト量が２５ｗｔ％以上になると、上記の傾きの値が急激に小さくなっており、軸受寿命のばらつきの度合いが大きくなることが判る。このように、軸受寿命のばらつきの度合いが大きくなると製品の品質上不都合である。このため、内輪１０の表面残留オーステナイト量は、２５ｗｔ％未満としている。

また更に、以下のような実験を行った。すなわち、まず所定の表面硬さに調整した２枚の鋼製の円盤を用意するとともに、一方の円盤表面の同心円上にビッカース圧子により複数の圧痕を形成した。図４にその圧痕の断面の模式図を示す。円盤Ｅの表面Ｅ１に形成された圧痕５０は、ビッカース圧子を表面Ｅ１に対して垂直に一定荷重をもって押し込むことで形成される。このとき、図のように圧痕５０の周囲には表面Ｅ１から盛り上がった盛り上がり部５１が形成される。
そして、一方に圧痕５０が形成された２枚の円盤の間に複数の鋼製のボールを介在させ、両円盤にスラスト荷重を掛けながら相対回転させ、前記複数のボールを圧痕５０が形成された同心円上で転動させた。このようにすることで、盛り上がり部５１に対してボールを通過させることで、盛り上がり部５１に応力を付与し、このときの盛り上がり部５１の高さｈと、ボールによる応力付与回数との関係を把握した。
その結果を図５に示す。なお、図５中の実線は、条件１（円盤の表面硬さ６２．２ＨＲＣ、表面残留オーステナイト量１６．９ｗｔ％）で実験したものであり、破線は、条件２（同６２．９ＨＲＣ、３１．５ｗｔ％）で実験したものである。

図５において、条件１では、盛り上がり部５１の高さｈは、応力付与回数の増加に応じて序々に小さくなるが、条件２の場合、条件１と比較して、応力付与回数が多くなってもある程度以上には小さくなっておらず、表面残留オーステナイト量が多いと盛り上がり部５１の高さｈが小さくならず、盛り上がり部５１が比較的高い状態で維持されてしまうことが判る。
この原因としては、盛り上がり部５１に応力が付与された場合に、この応力によって盛り上がり部５１は、高さｈが小さくなるようにつぶされるが、表面残留オーステナイト量が多いと、盛り上がり部５１がつぶされる際に加工硬化を起こしやすく、その結果、盛り上がり部５１の硬さが高くなり、応力が付与されたとしても、ある程度以上には小さくならないものと解される。一方、表面残留オーステナイト量が少ないと、盛り上がり部５１は、応力を受けてつぶされたとしても加工硬化を起こし難いため、継続して応力が付与されることで序々につぶされて高さｈが小さくなっていく。
つまり、表面残留オーステナイト量が多いと、盛り上がり部５１が残存し易くなるということが上記実験結果から言える。また、上述したように、円錐ころ軸受において、軌道面と転動面との間に異物が介在し、異物等が軌道面に押しつけられることで圧痕が形成され、この圧痕の周囲に盛り上がり部が生じると、円錐ころ３０の転動面３１に表面剥離を生じさせる恐れがある。従って、表面残留オーステナイト量は少なくすることで、盛り上がり部５１が形成されたとしても、盛り上がり部５１が残存し難くなり、転動面３１に表面剥離が生じるのを抑制することができる。

以上、図２、図５の実験結果から、内輪１０の表面残留オーステナイト量を２５ｗｔ％未満とすることが好ましく、このようにすることで、当該円錐ころ軸受の寿命のばらつきを抑えるとともに、円錐ころ及び内輪軌道面に表面剥離が生じるのをより効果的に抑制し、当該円錐ころ軸受の寿命低下を効果的に抑制することができる。

内輪１０は、上述した肌焼鋼を用いて所定の形状に形成した素材に、たとえば浸炭焼入処理を施した後、予備焼戻し処理を行なった後にサブゼロ処理を行ない、さらに本焼戻し処理を行うことにより製造される。

浸炭焼入処理は、９００〜９５０℃に所定時間保持することにより行われる。浸炭焼入処理後の表面硬さは５５〜６５ＨＲＣ、残留オーステナイト量は３０〜６５ｗｔ％程度となる。予備焼戻し処理は、１００〜１３０℃で１時間以上保持することにより行われる。サブゼロ処理は、−５０〜−１００℃で１時間以上保持することにより行われる。サブゼロ処理後の表面硬さは６３〜６９ＨＲＣ、残留オーステナイト量は１３〜２５ｗｔ％程度となる。

また、内輪１０は、以下のようにして製造することもできる。すなわち、素材に上記と同様な浸炭焼入処理を施した後、２次焼入処理を行い、さらに上記と同様な予備焼戻し処理およびサブゼロ処理を行なった後に、本焼戻し処理を行うことによって製造される。この２次焼入処理は、８００〜８５０℃に０．５時間以上加熱保持した後、たとえば油冷により焼入することによって行われる。
本焼戻し処理は、１４０〜１７５℃に２時間以上保持することにより行われる。

このような方法によれば、所望の残留オーステナイト量が得られる。すなわち、予備焼戻し処理を行なわないでサブゼロ処理を行なった場合、オーステナイトが分解してマルテンサイトになり易く、残留オーステナイト量が少なくなるが、予備焼戻しを行なうことにより、浸炭焼入処理後の不安定な残留オーステナイトが安定化し、サブゼロ処理を行なってもマルテンサイトになりにくくなる。
なお、上記方法において、サブゼロ処理の処理温度を適宜調整することにより、予備焼戻し処理を施す必要がなくなる場合もある。

さらに、内輪１０は、以下のようにして製造することもできる。すなわち、素材に上記と同様な浸炭焼入処理を施した後、２次焼入処理を行い、さらに上記と同様な本焼戻し処理を行うことによって製造される。この方法の場合、２次焼入処理は、プレスに保持した状態で９００〜９５０℃に加熱した後すぐに急冷するプレス焼入法により行われる。また、この２次焼入処理は、８００〜８５０℃に０．５時間以上加熱保持した後、たとえば油冷により焼入することによっても行われる。２次焼入処理後の表面硬さは６３〜６９ＨＲＣ、表面残留オーステナイト量は１３〜２５ｗｔ％程度となる。
このような方法によれば、本焼戻し処理の前の２次焼入処理により、残留オーステナイトの安定化と硬さの増加が得られる。

内輪１０は、上記の浸炭焼入処理を含む熱処理を施すことによって、その表面は高炭素濃度となり、上述のように比較的高い硬さとなるが、内輪１０の芯部は、ほぼ素材の炭素濃度が維持されかつ比較的低い温度で焼き入れされるので、芯部硬さは、４５ＨＲＣ以下といったように、表面付近と比較して比較的低い硬さとなる。これによって、内輪１０全体として高い靭性を確保することができ、耐衝撃性を増すことができる。
さらに、例えば当該円錐ころ軸受１を自動車の部品等に適用した場合、自動車が走行する際に生じる振動が、当該円錐ころ軸受１にも伝わり、この振動が円錐ころ軸受に対して繰り返し応力として作用し、円錐ころ軸受の軸受寿命を低下させる恐れがある。
このような場合、本実施形態の円錐ころ軸受によれば、上記のように高い靭性が確保されているので、上記のような繰り返し応力を許容し、その寿命低下を抑制することができる。

円錐ころ３０は、上述した軸受鋼等を用いて所定の形状に形成した後、８００〜８５０℃に０．５時間以上保持して焼入する普通焼入処理を行い、ついで−５０〜−８０℃に１時間以上保持した後空冷するサブゼロ処理を行い、その後１４０〜１８０℃に２時間以上保持した後空冷する焼戻し処理を行うことにより形成される。円錐ころ３０の表面硬さは内輪１０と同程度の６３〜６９ＨＲＣとなっているのがよい。
なお、ここでは円錐ころ３０には軸受鋼を用いたが、内輪１０と同様肌焼鋼を用いて形成し、上述の熱処理を施すことによって、円錐ころ３０が、表面硬さ６３〜６９ＨＲＣであるとともに、表面残留オーステナイト量を１３ｗｔ％以上、２５ｗｔ％未満となるようにされていてもよい。

外輪２０は、上述した肌焼鋼を用いて所定の形状に形成した素材に、以下に示す条件で熱処理される。すなわち、９３０℃に５時間保持して浸炭を行った後に８５０℃まで降温して０．５時間保持し焼入する通常の浸炭焼入処理と、１８０℃に２時間保持した後に空冷する本焼戻し処理を上記順序で行う。この場合外輪２０の表面硬さは６１〜６２ＨＲＣ、表面残留オーステナイト量は２５〜３０ｗｔ％程度となる。
なお、外輪２０においても、上述した内輪１０に対する熱処理を行ない、表面硬さ６３〜６９ＨＲＣであるとともに、表面残留オーステナイト量を１３ｗｔ％以上、２５ｗｔ％未満となるようにされていてもよく、この場合、より効果的に当該円錐ころ軸受の寿命が低減するのを防止することができる。

上記のように熱処理され所定の表面硬さ、表面残留オーステナイト量に調整された内外輪１０、２０及び円錐ころ３０の各軌道面１１、２１、及び転動面３１には、本発明の特徴的構成の一つであるクラウニングが施されている。

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６（ａ）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誇張して示した図である。図中、円錐ころ３０の転動面３１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を示している。

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６（ａ）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６の（ｂ）は、図６の（ａ）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。（ｂ）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までの距離寸法を、内輪１０のクラウニング量ＣＲＩとした。
なお、内輪クラウニングの形状は、図６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、全ての種類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は、ころや外輪に対しても同様に適用することができる。さらに、上記クラウニング量の定義は、ころや外輪に対しても適用可能である。
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、クラウニング形状が、フルクラウニングである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。また同時に、円錐ころと外輪におけるクラウニングの考え方についても説明する。
図７（ａ）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示した図である。図において、軌道長さＬＲＩは、図６の（ａ）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７の（ｂ）は、（ａ）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。図中、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。そして、このクラウニング円弧中心点Ｃ１と中点Ｃ２とで定まる距離寸法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８（ａ）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。図中、円錐ころ３０には、内外輪の軌道面１１，２１と転がり接触する転道面３１が設けられている。また転動面３１の両端部には、それぞれ面取り部３２ａ，３３ａが設けられており、円錐ころ３０の小径側の端面である小端面３２及び大端面３３に対して滑らかに連続するように形成されている。また、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。

以下に、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）の算出方法について説明する。図８（ａ）中、円錐ころ３０の中心軸方向に対する転動面３１の幅であるころ長さを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の曲面を転動面の全幅から除く幅寸法を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）
なお、上式（３）中Ｓ１，Ｓ２は、軸受のサイズによって一定の値が定められる。

図８（ｂ）は、図８（ａ）中に示す転動面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を模式的に示す図である。図中、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。
本明細書では、このクラウニング円弧中心点Ｃ１と中点Ｃ２との距離寸法をころクラウニング量ＣＲとしている。そして、図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、軌道面にフルクラウニングを施した外輪２０のクラウニング量（以下、外輪クラウニング量ともいう）の算出方法について説明する。図９（ａ）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誇張して示した図である。図中、円錐ころ３０の転動面３１と転がり接触する外輪軌道面２１には、径方向内方に突出した断面円弧状の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２０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。これら面取り部２２ａ，２３ａは、それぞれ、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。

図９（ａ）中、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の曲面を外輪軌道面の全幅から除く幅寸法をＴ１，Ｔ２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−（Ｔ１＋Ｔ２） ・・・（５）
尚、上式（５）中、Ｔ１，Ｔ２は、軸受のサイズによって一定の値が定められる。

図９（ｂ）は、図９（ａ）中に示す外輪軌道面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。図中、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。
本明細書では、このクラウニング円弧中心点Ｃ１と中点Ｃ２とで定まる距離寸法を外輪クラウニング量ＣＲＯとしている。そして、図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６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、ＬＲ０に対するＬＲ０’を、それぞれ導出すればよい。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８，図９）に基づき求めた値とほぼ一致する。

そして、本明細書では、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ている。
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）

本実施形態の円錐ころ軸受は、上記全クラウニング量、外輪クラウニング率、及びころクラウニング率をそれぞれ規定することで、軸受寿命の低下を抑制しつつその回転トルクを低減させるものであり、以下にこれらの値と、回転トルクとの関係を明らかにするための検証試験の結果について説明する。

本試験に供した円錐ころ軸受としては、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図１に示す構成の円錐ころ軸受（ＪＩＳ３０３０６相当品）を多数用意し、これらの回転トルクを実験的に測定した。
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。試験条件としては、潤滑油にディファレンシャルギヤ装置用ギヤオイルを用い、擬似的な与圧負荷としてアキシャル荷重４ｋＮを与え、回転速度３００ｒｐｍ，２０００ｒｐｍの２種類の回転速度で行った。このような回転速度領域に設定することで、実用状態の回転トルクが測定される。

また、試験時の潤滑条件としては、回転速度３００ｒｐｍ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２０００ｒｐｍ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。
上述のようにして、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円錐ころ軸受のそれぞれについて、回転トルクを測定した。そして、前記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することで、回転トルクを低減させる値の範囲を特定した。

図１０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以下の場合では、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以上の場合と比較して、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、上記全クラウニング量は、１００μｍを超えると、円錐ころ及び内外輪に過大なクラウニングが施されることになり、円錐ころが安定して転動できなくなる恐れがある。従って、全クラウニング量は、１００μｍ以下であることが好ましい。

次に図１１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％以下の場合では、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％以下の場合と比較して、より低い値の範囲に安定して分布していることが判る。

図１２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％以上の場合では、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、ころクラウニング率が２０％以下の場合では、トルク比は、ころクラウニング率が２０％以上の場合と比較して、より低い値の範囲に安定して分布していることが判る。

図１３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、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。

以上のように、円錐ころ軸受の回転トルク比、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、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、円錐ころ軸受の実用状態における回転トルクを低減させることができる、という知見を得た。

また、外輪クラウニング率は、１００％であってもよいが、上述のように内輪クラウニング率が１０％以上施されることを考慮すると、９０％以下であることがより好ましい。
また、ころクラウニング率が０％の場合、外輪クラウニング率及び内輪クラウニング率が上記所定の値の範囲であれば、回転トルク低減の効果は得られる。従って、ころクラウニング率は、０％以上、２０％以下の範囲で設定されればよい。
また、内輪クラウニング率は、外輪クラウニング率が４０％以上施されることから、６０％以下であることが好ましい。

上記検証試験において、測定された円錐ころ軸受の回転トルクは、潤滑油の攪拌抵抗の影響をできるだけ無くした状態で測定された値であり、円錐ころと内外輪間の転がり粘性抵抗が大きく寄与した状態の回転トルクである。
つまり、上記検証試験の結果によれば、円錐ころの転動面及び内外輪の軌道面に施された各クラウニングの全クラウニング量、外輪クラウニング率、及びころクラウニング率を上記条件とすることで、内外輪と円錐ころとの間の転がり粘性抵抗が低減されていると解される。
すなわち、本実施形態に係る円錐ころ軸受１によれば、上述のように、円錐ころ３０と内外輪１０、２０との間の転がり粘性抵抗を低減させることができ、これらの転がり摩擦を低減できる。その結果、円錐ころ軸受としての回転トルクを低減することができる。
特に、ディファレンシャルギヤ装置のピニオン軸を支持する車両用ピニオン軸支持装置では、比較的高粘度のギヤ用潤滑油で軸受の潤滑が行われるため、この装置においてピニオン軸を支持する軸受の転がり粘性抵抗は大きくなる傾向にある。従って、本発明の円錐ころ軸受をピニオン軸支持装置に用いることで、その回転トルク低減効果は顕著に現れる。

また、上記クラウニングに関する各条件による円錐ころ軸受の回転トルク低減効果を検証すべく、上述の条件を満たしている（全クラウニング量が６４μｍ、外輪クラウニング量が４０μｍ、ころクラウニング量が２μｍ、内輪クラウニング量が２０μｍに設定）本実施形態に係る円錐ころ軸受と、内外輪及び円錐ころにクラウニングが施されていない同じサイズの円錐ころ軸受を用意し、両者の回転トルクを同条件にて測定し比較した。
その結果、本実施形態の円錐ころ軸受では、クラウニングが施されていないものと比較して、その回転トルクを概ね５５％低減できることが確認できた。

また、上述した各条件を満たす本実施形態の円錐ころ軸受において、転動面と軌道面との接触面圧は、使用条件によっては、２．８ＧＰａ以上となる場合がある。一方、クラウニングが施されていない一般的な円錐ころ軸受における同条件下での接触面圧は約２．５ＧＰａであり、本実施形態の円錐ころ軸受の接触面圧は、一般的な円錐ころ軸受と比較して高くなっている。しかし、本実施形態の円錐ころ軸受は、転動面と軌道面との接触面圧が２．８ＧＰａ以上となるような高い面圧である場合においても、内輪及び円錐ころの表面硬さ及び表面残留オーステナイト量を好適に設定することで、軸受寿命の低下を抑制することができる。

（実施例）
次に、具体的な数値を設定した円錐ころ軸受の実施例品及び比較例品（１、２）について、比較検討した結果について説明する。以下、実施例品及び比較例品の製造方法について説明する。
本発明に係る実施例品は、以下のようにして製造した。内外輪の材質にはＳＡＥ５１２０を用い、これを加工することで内外輪素材を形成し、この内外輪素材に次の条件で熱処理を施した。すなわち、９３０℃に５時間保持して浸炭を行なった後に８５０℃の焼入れ温度に降温して０．５時間保持し、焼入れする通常の浸炭焼入れ処理と、１２０℃に１時間保持した後に空冷する予備焼戻し処理と、−１００℃に１時間保持して放置するサブゼロ処理と、１６０℃に２時間保持した後に空冷する本焼戻し処理を上記順序で行った。こうして、内外輪を製造した。
一方、ＳＵＪ２材を用いて円錐ころの素材をつくり、この素材に、８３０℃に４０分間保持して焼入する普通焼入処理と、−８０℃に１時間保持した後に放置するサブゼロ処理と、１６０℃に２時間保持した後に空冷する本焼戻し処理とを上記順序で行なった熱処理を施してころを製造した。そして、上記内外輪及び円錐ころを用いて、実施例品としての円錐ころ軸受を組立てた。

次に、比較例品１の製造方法について説明する。内外輪の材質にはＳＡＥ５１２０を用い、これを加工することで内外輪素材を形成し、この内外輪素材に次の条件で熱処理を施した。すなわち、９３０℃に５時間保持して浸炭を行なった後に８５０℃の焼入れ温度に降温して０．５時間保持し、焼入れする通常の浸炭焼入れ処理と、１８０℃に２時間保持した後に空冷する本焼戻し処理を上記順序で行った。こうして、内外輪を製造した。
一方、ＳＵＪ２材を用いて円錐ころの素材をつくり、この素材に次の条件で熱処理を施した。すなわち、８３０℃に３０分間保持して焼入する普通焼入処理と、１８０℃に２時間保持した後に空冷する本焼戻し処理とを上記順序で行なった熱処理を施した。こうして内外輪および円錐ころを製造し、これらを用いて比較例品１としての円錐ころ軸受を組立てた。

次に、比較例品２の製造方法について説明する。内外輪及び円錐ころの材質にはＳＵＪ２を用い、これを加工することで円錐ころ軸受用の内外輪及び円錐ころの素材を形成し、これら各素材に次の条件で熱処理を施した。すなわち、８３０℃に３０分間保持して焼入する普通焼入処理と、１８０℃に２時間保持した後に空冷する本焼戻し処理とを上記順序で行なった熱処理を施した。こうして内外輪および円錐ころを製造し、これらを用いて比較例品２としての円錐ころ軸受を組立てた。

上述のようにして製造された実施例品及び比較例品１及び２の内外輪及び円錐ころの表面硬さと表面残留オーステナイト量を測定した結果を、表１に示す。

なお、実施例品及び比較例品１、２における各軌道面及び転動面のクラウニングに関しては、全て、上述の条件（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）を満たすように設定した。

上記実施例品及び比較例品１、２を用い、粘度８５Ｗ−９０のギヤオイル中に、表面硬さ６２ＨＲＣ、粒径１５０μｍ以下の異物としての焼入鋼粉末を濃度０．０３ｗｔ％で加えた異物混入油と、前記異物が加えられていない清浄油と、を潤滑油とした寿命試験をそれぞれ行い、比較例品１の寿命を１とした場合のそれぞれの寿命比を調べた。その結果を図１４に示す。

図１４の（ａ）は清浄油中の寿命試験結果、（ｂ）は異物混入油中の寿命試験結果を示している。（ａ）では、実施例品の寿命比は、比較例品１、２と比較して約２倍となっている。一方、（ｂ）では、実施例品の寿命比は、比較例品１、２と比較して約１１倍となっており、実施例品は異物混入油中での寿命比が顕著に大きくなっていることが判る。
上記試験では、転動面及び軌道面に所定のクラウニングが施されており、これらの接触面圧は比較的高い状態となっている。さらに、図１４（ｂ）においては、潤滑油中に異物が混入しているので、軸受寿命はより大きく低下することが考えられる。しかし、実施例品では、いずれの場合においてもその寿命の低下が抑制されており、特に異物混入油では、より効果的に寿命低下が抑制されている。
以上のように、本発明の円錐ころ軸受よれば、転動面と軌道面との接触面圧が高い状況下においても、その寿命の低下を効果的に抑制できることが確認できた。

なお、上記で行った円錐ころ軸受の寿命試験は、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ギヤ装置等の車両用ピニオン軸支持装置に組み込まれた場合を想定し、潤滑油に焼入鋼粉を混入することで、潤滑油中に混入するギヤ等の摩耗粉を擬似的に再現し、より実機に近い状態で試験したものである。従って、本発明の円錐ころ軸受は、車両用ピニオン軸支持装置等、潤滑油に異物が多数混入している異物油で潤滑される条件下において、軸受寿命の低下を効果的に抑制できることが明らかである。このことより、本発明の円錐ころ軸受は、ピニオン軸と、このピニオン軸を支持すべく前記ピニオン軸のピニオンギヤ側及びその逆側にそれぞれ配置される転がり軸受とを有する車両用ピニオン軸支持装置における、転がり軸受として好適に用いることができる。

本発明の一実施形態に係る円錐ころ軸受の軸方向断面図である。 内輪の表面硬さと寿命比との関係を示したグラフである。 円錐ころ軸受の寿命試験による寿命データをワイブル確率紙にプロットしたときのワイブル分布の回帰直線の傾きと、表面残留オーステナイト量との関係を示したグラフである。 圧痕の断面の模式図である。 盛り上がり部の高さと応力付与回数との関係を示したグラフである。 内輪のクラウニング（複合クラウニングの場合）の形状を示す図であり、（ａ）は内輪の輪郭を示し、（ｂ）は内輪の軌道面に施されたクラウニング形状を模式的に示している。 内輪のクラウニング（フルクラウニングの場合）の形状を示す図であり、（ａ）は内輪の輪郭を示し、（ｂ）は内輪の軌道面に施されたクラウニング形状を模式的に示している。 円錐ころのクラウニングの形状を示す図であり、（ａ）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し、（ｂ）は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している。 外輪のクラウニングの形状を示す図であり、（ａ）は外輪の輪郭を示し、（ｂ）は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している。 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。 実施例品及び比較例品について寿命試験を行った結果を示すグラフである。

符号の説明

１ 円錐ころ軸受
１０ 内輪
１１ 内輪軌道面
２０ 外輪
２１ 外輪軌道面
３０ 円錐ころ
３１ 転動面

Claims (4)

1. 鋼材よりなる内外輪と、これらの間に介在するとともに鋼材よりなる複数の円錐ころと、当該円錐ころの保持器とを備え、前記内外輪の各軌道面、及び前記円錐ころの転動面にクラウニングが施されている円錐ころ軸受において、
   前記内輪の軌道面及び前記円錐ころの転動面の表面硬さが、それぞれ６３〜６９ＨＲＣであるとともに、
   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。
2. 前記内輪の軌道面における表面残留オーステナイト量が１３ｗｔ％以上、２５ｗｔ％未満である請求項１に記載の円錐ころ軸受。
3. 前記内輪が浸炭焼入処理されている請求項１又は２に記載の円錐ころ軸受。
4. ピニオン軸と、このピニオン軸を支持すべく前記ピニオン軸のピニオンギヤ側及びその逆側にそれぞれ配置される転がり軸受とを有する車両用ピニオン軸支持装置において、
   前記ピニオン軸のピニオンギヤ側及びその逆側にそれぞれ配置される転がり軸受の内、少なくとも一方が請求項１に記載の円錐ころ軸受であることを特徴とする車両用ピニオン軸支持装置。

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