JP2007205429A - ピニオン軸用玉軸受 - Google Patents

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Abstract

【課題】 ディファレンシャル装置におけるピニオン軸の軸受として円すいころ軸受に代えて玉軸受を採用することでトルクの低減を図ることが考えられるが、負荷荷重に対する玉および軌道面（軌道輪）の耐荷重性等を考慮する必要がある。
【解決手段】 ピニオン軸７を軸心回りに支持する複列玉軸受１０において、その内外輪部材１１，１３のうち少なくとも内輪部材１３に浸炭窒化表面処理を施し、内輪部材１３の、少なくとも内輪軌道面１３ａ，１３ｂの硬さを玉１７，１８の硬さと実質的に同一に設定したことにより、軸受として耐荷重性に優れ軸受寿命が延長される。
【選択図】図２

Description

本発明は、例えば、車両に付設されるディファレンシャル装置などに用いられるピニオン軸を支持するための玉軸受に関する。
一般に、車両に付設されるディファレンシャル装置には、ケースにピニオン軸が内装され、そのヘッド側およびテール側は、軸受装置を介して回転自在に設けられている（例えば、特許文献１参照）。
図７に示すように、上記ディファレンシヤル装置７０におけるピニオン軸７１の両側を支持する軸受装置として円すいころ軸受７２，７３が用いられている。
特開平１１−４８８０５号（第３頁，第１図）
上記従来の軸受装置では、ピニオン軸７１の両側の支持に円すいころ軸受７２，７３が用いられている。このためピニオン軸７１の回転時のトルクが大きくなってしまう。
そこで、円すいころ軸受７２，７３に代えて玉軸受を採用することでトルクの低減を図ることが考えられるが、この場合、負荷荷重に対する玉およびその軌道面（軌道輪）の耐荷重性等を充分考慮する必要がある。
本発明のピニオン軸用玉軸受は、ピニオン軸の外周面に外嵌する内輪部材と、この内輪部材に同心に配置される外輪部材と、前記内輪部材の外周面に形成された内輪軌道面と前記外輪部材の内周面に形成された外輪軌道面との間に配置される複数個の玉とを備え、前記内外輪及び玉を高炭素クロム軸受鋼又は浸炭軸受用鋼で形成するとともに、前記内外輪部材のうち少なくとも前記内輪部材に浸炭窒化処理、かつ硬化熱処理されて転がり表面層を形成することで、前記内輪軌道面の硬さが前記玉の表面硬さと実質的に同一とされている。
上記構成のように、内外輪部材のうち、少なくとも内輪部材の内輪軌道面の硬さを玉の表面硬さと実質的に同一としたことにより、耐荷重性が向上し、軸受寿命が延長する。
さらに、前記ピニオン軸用玉軸受における前記玉の表面硬さがロックウェルＣ硬さで６３〜６７に設定され、内輪部材の表面硬さがロックウェルＣ硬さで６２〜６７に設定されるとともに表面残留オーステナイト量が２０％〜４５％に設定されている。
このため、軌道面に金属紛などによる圧痕が生じにくく、仮に生じたとしても、玉が軌道面を転動する動作に伴ない、圧痕における盛上がり部の高さが経時的に、短時間で小さくなる。
本発明に用いられる高炭素クロム軸受鋼としては、ＪＩＳ規格ＳＵＪ２，ＳＵＪ３鋼や、ＳＡＥ５２１００鋼などがあり、浸炭軸受用鋼としては、ＪＩＳ規格ＳＣｒ４２０材やＳＣｒ４３５、ＳＣＭ４３０、ＳＣＭ４３５、ＳＣｒ４３０材、またはＳＡＥ５１２０，５１３０，８６２０材などがある。
以上の説明から明らかな通り、本発明によれば、軸受の耐荷重性が向上し、寿命を延長させることができる。
以下、本発明の実施の形態に係るピニオン軸用玉軸受を、ディファレンシャル装置のピニオン軸を支持する玉軸受を例に、図面に基づいて説明する。
図１はディファレンシャル装置の概略構成を示す断面図、図２はピニオン軸支持用複列玉軸受の使用状態を示す拡大断面図、図３は複列玉軸受の単体拡大断面図である。
まずディファレンシャル装置１の全体構成を説明する。図１に示すように、ディフアレンシャル装置１は、ディファレンシャルケース２を有する。このディファレンシャルケース２は、フロントケース３とリヤケース４とからなり、両者３，４は、ボルト・ナット２ａにより取付けられている。フロントケース３の内方に、軸受装着用の環状壁２７Ａ，２７Ｂが形成されている。
ディファレンシャルケース２は、左右の車輪を差動連動する差動変速機構５、一側にピニオンギヤ６を有するピニオン軸（ドライブピニオン）７を内装している。ピニオンギヤ６は、差動変速機構５のリングギヤ８に噛合されている。ピニオン軸７の軸部９は、一側に比べて他側ほど小径となるよう段状に形成されている。
ピニオン軸７の軸部９は、その一側を、玉軸受としての第一の複列アンギュラ玉軸受（以下単に「複列玉軸受」という）１０を介して環状壁２７Ａに、軸心回りに回転自在に支持されている。ピニオン軸７の軸部９は、その他側を、玉軸受としての第二の複列アンギュラ玉軸受（以下単に「複列玉軸受」という）２５を介して環状壁２７Ｂに軸心回りに回転自在に支持されている。
図２に示すように、第一の複列玉軸受１０は、ピニオン側の大径外輪軌道面１１ａおよび反ピニオン側の小径外輪軌道面１１ｂを有する単一の第一の外輪部材１１と、第一の組品２１とから構成されている。第一の複列玉軸受１０は、第一の外輪部材１１に第一の組品２１をピニオン側から反ピニオン側に向けて軸心方向から組付けることで構成されている。
第一の外輪部材１１は、環状壁２７Ａの内周面に嵌着されている。この第一の外輪部材１１として、肩おとし外輪が用いられている。この第一の外輪部材１１の大径外輪軌道面１１ａと小径外輪軌道面１１ｂとの問に、小径外輪軌道面１１ｂより大径で大径外輪軌道面１１ａに連続する平面部１１ｃが形成されている。この構成により、第一の外輪部材１１の内周面は斜面形に形成されている。
第一の組品２１は、第一の外輪部材１１の大径外輪軌道面１１ａに径方向で対向する大径内輪軌道面１３ａ、および小径外輪軌道面１１ｂに径方向で対向する小径内輪軌道面１３ｂを有する単一の第一の内輪部材１３と、ピニオン側の大径側玉群１５および反ピニオン側の小径側玉群１６と、各玉群１５，１６を構成する玉１７，１８を円周方向等配位置に保持する樹脂製保持器１９，２０とから構成されている。第一の内輪部材１３として肩おとし内輪が用いられている。第一の内輪部材１３は、ピニオン軸７に挿通されている。
大径内輪軌道面１３ａと小径内輪軌道面１３ｂとの間に、小径内輪軌道面１３ｂより大径で大径内輪軌道面１３ａに連続する平面部１３ｃが形成されている。この構成により、第一の内輪部材１３の外周面は段状に形成されている。
第一の内輪部材１３における端面は、ピニオンギヤ６の端面に軸心方向から当接し、第一の内輪部材１３は、ピニオンギヤ６の端面と、ピニオン軸７の軸部９の途中に外嵌された予圧設定用の塑性スペーサ２３とで軸心方向から挟まれている。
図３に示すように、第一の複列玉軸受１０において、大径側玉群１５における玉１７の直径と、小径側玉群１６における玉１８の直径とは等しく形成され、各玉群１５，１６のピッチ円直径Ｄ１，Ｄ２はそれぞれ異なる。すなわち、大径側玉群１５のピッチ円直径Ｄ１は、小径側玉群１６のピッチ円直径Ｄ２より大きく設定されている。このようにピッチ円直径Ｄ１，Ｄ２が異なる玉群１５，１６を有する第一の複列玉軸受１０は、タンデム型の複列玉軸受と称される。
第一の複列玉軸受１０において、玉１７，１８は、例えばＪＩＳ ＳＵＪ２またはＳＡＥ５２１００等の軸受鋼から形成され、表面硬さはＨＲＣ（ロックウェルＣ硬さ）６２〜６６に設定されている。
第一の外輪部材１１および第一の内輪部材１３は、材質的には例えば、Ｃを０．１〜１．０ｗｔ％含むＪＩＳ ＳＣｒ４２０材や、ＳＡＥ５１２０材等の浸炭鋼よりなる。そして第一の外輪部材１１および第一の内輪部材１３は、浸炭窒化、あるいは高濃度浸炭等の熱処理が施され、これにより、第一の外輪部材１１および第一の内輪部材１３における、例えば表面から５０μｍまでの表面硬さは、玉１７，１８の表面硬さと実質的に等しいＨＲＣ６３〜６７に設定されている。さらに、表面残留オーステナイト量は２０％以上かつ２５％以下に設定されている。
第一の外輪部材１１および第一の内輪部材１３の製造方法は、次に記す通りである。すなわち、浸炭鋼より所定の形状に形成した加工済み軸受部品素材に、浸炭焼入れ処理を施し、続いて予備焼戻し処理を行った後にサブゼロ処理を行い、さらに本焼戻し処理を行うものである。
浸炭焼入れ処理は、９００〜９５０℃の温度中に所定時間保持することで行われる。この際、浸炭焼入れの地の表面硬さはＨＲＣ５５〜６５、残留オーステナイト量は３０〜６５％程度となる。予備焼戻し処理は、１１０〜１３０℃で１時間以上保持することで行われる。サブゼロ処理は、−５０〜−８０℃で１時間以上保持することで行われる。サブゼロ処理後の表面硬さはＨＲＣ６３〜６８、残留オーステナイト量は２０〜２５％程度となっている。
そして、上記と同様な浸炭焼入れ処理を施した後、２次焼入れ処理を行い、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った後に、本焼戻し処理を行う。この２次焼入れ処理は、８００〜８５０℃に０・５時間以上加熱処理した後、例えば油冷することで行われる。本焼戻し処理は、１４０〜１７５℃に２時間以上保持することで行われる。
このような方法により、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わないでサブゼロ処理を行った場合、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、予備焼戻しを行うことにより、浸炭焼入れ処理後の不安定な残留オーステナイトが安定化し、サブゼロ処理を行ってもマルテンサイトになりにくくなる。なお、上記製造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こともある。
なおこの種の転がり軸受において、従来、第一の外輪部材１１および第一の内輪部材１３の表面硬さは、ともにＨＲＣ６０〜６４に設定されていた。
ところで、この実施の形態では、図３に示すように、第一の複列玉軸受１０において、大径内輪軌道面１３ａ，小径内輪軌道面１３ｂは実質的に同一の曲率半径に形成され、この曲率半径をＲｉとする。また第一の複列玉軸受１０において大径外輪軌道面１１ａ，小径外輪軌道面１１ｂは実質的に同一の曲率半径に形成され、この曲率半径をＲｏとする。さらに、玉１７，１８の直径をＢｄとする。そして、曲率半径：Ｒｉ，曲率半径：Ｒｏ，直径：Ｂｄの関係は、下記（１）、（２）、（３）式を満足している。
Ｒｉ＜Ｒｏ…（１）
０．５０２・Ｂｄ≦Ｒｉ≦０．５１２・Ｂ ｄ…（２）
０．５１０・Ｂｄ≦Ｒｏ≦０．５２０・Ｂ ｄ…（３）
曲率半径：Ｒｏは、曲率半径：Ｒｉに対して１％大きく設定されている。具体的に、例えばＲｉ＝０．５０５・Ｂｄの場合、Ｒｏ＝０．５１５・Ｂｄとする。
なおこの種の転がり軸受において、従来は０．５１５・Ｂｄ≦Ｒｉ≦０．５２５・Ｂｄ，０・５２５・Ｂｄ≦Ｒｏ≦０．５３５・Ｂｄといった設定がなされていた。
またこの実施の形態では、玉１７と内外輪軌道面１１ａ，１３ａとが接触する二点を結んだ作用線Ａ１とラジアル平面とのなす角、すなわち接触角をθ１とし、玉１８と内外輪軌道面１１ｂ，１３ｂとが接触する二点を結んだ作用線Ａ２とラジアル平面とのなす角、すなわち接触角をθ２とした場合、θ１＝θ２に設定されている。そしてθ１，θ２は下記（４）式を満足している。
２０°≦（θ１，θ２）≦４５°………（４）
具体的に、例えばθ１，θ２＝２０°，２５°，３０°，３５°，４０°，４５°の何れかに設定されている。
図２に示すように、第二の複列玉軸受２５は、ピニオン側の小径外輪軌道面１２ａおよび反ピニオン側の大径外輪軌道面１２ｂを有する単一の第二の外輪部材１２と、第二の組品２２とから構成されている。第二の複列玉軸受２５は、第二の外輪部材１２に第二の組品２２を反ピニオン側からピニオン側へ向けて軸心方向から組付けることで構成されている。この第二の外輪部材１２には、大径外輪軌道面１２ａと小径外輪軌道面１２ｂとの間に、小径外輪軌道面１２ｂより大径で大径外輪軌道面１２ａに連続する平面部１２ｃが形成されている。
この構成により、第二の外輪部材１２の内周面は斜面形に形成されている。第二の外輪部材１２は、環状壁２７Ｂの内周面に嵌着されている。この第二の外輪部材１２として、肩おとし外輪が用いられている。
第二の組品２２は、第二の外輪部材１２の小径外輪軌道面１２ａに径方向で対向する小径内輪軌道面１４ａ、および大径外輪軌道面１２ｂに径方向で対向する大径内輪軌道面１４ｂを有する単一の第二の内輪部材１４と、ピニオン側の小径側玉群２８および反ピニオン側の大径側玉群２９と、各玉群２８，２９を構成する玉３０，３１を円周方向等配位置に保持する保持器３２，３３とから構成されている。第二の内輪部材１４として肩おとし内輪が用いられている。第二の内輪部材１４は、ピニオン軸７に挿通され、第二の内輪部材１４は、予圧設定用の塑性スペーサ２３と遮蔽板３７とで軸心方向から挟まれている。
小径内輪軌道面１４ａと大径内輪軌道面１４ｂとの間に、大径内輪軌道面１４ｂより小径で小径内輪軌道面１４ａに連続する平面部１４ｃが形成されている。この構成により、第一の内輪部材１４の外周面は段状に形成されている。
この第二の複列玉軸受２５において、小径側玉群２８における玉３０の直径と大径側玉群２９における玉３１の直径とは等しく形成され、各玉群２８，２９のピッチ円直径（符号省略）はそれぞれ異なる。すなわち、小径側玉群２８のピッチ円直径は、大径側玉群２９のピッチ円直径より小さく設定されている。この第二の複列玉軸受２５もタンデム型の複列玉軸受である。
第二の複列玉軸受２５は、第一の複列玉軸受１０に比べて径が小さく設定された構成である。具体的には、第一の外輪部材１１に比べて第二の外輪部材１２の径が小さく形成され、第一の内輪部材１３に比べて第二の内輪部材１４の径が小さく形成され、第二の複列玉軸受２５の玉群２９のピッチ円直径は、第一の複列玉軸受１０の玉群１５のピッチ円直径Ｄ１に比べて小さく設定され、第二の複列玉軸受２５の玉群２８のピッチ円直径は、第一の複列玉軸受１０の玉群１６のピッチ円直径Ｄ２に比べて小さく設定されている。
第一の複列玉軸受１０および第二の複列玉軸受２５における、大径側玉群１５，２９の玉１７，３１の直径と小径側玉群１６，２８の玉１８，３０の直径とは等しく形成されている。また、第一の複列玉軸受１０および第二の複列玉軸受２５の構成要素（外輪部材，内輪部材，玉，保持器）を形成する材料はそれぞれ同様であり、接触角については第一の複列玉軸受１０と第二の複列玉軸受２５とで方向が反対となるだけで、角度の大きさは同一であるため、これらの説明は省略する。
ところで、本発明の実施の形態におけるディファレンシャル装置１では、図１に示すように、フロントケース３の外壁と一側の環状壁２７Ａの間に、オイル循環路４０が形成されており、このオイル循環路４０のオイル入口４１は、オイル循環路４０のリングギヤ８側に開口され、オイル循環路４０のオイル出口４２は、環状壁２７Ａ，２７Ｂ間に開口されている。
ディファレンシャル装置１は、コンパニオンフランジ４３を有する。このコンパニオンフランジ４３は、胴部４４と、この胴部４４に一体的に形成されるフランジ部４５とを有する。胴部４４は、ピニオン軸７の軸部９の他側、すなわち不図示のドライブシャフト側に外嵌するものである。
胴郡４４の一側端面と第二の複列玉軸受２５の第二の内輪部材１４端面との間に、前記遮蔽板３７が介装されている。胴部４４の外周面とフロントケース３の他側開口内周面との間に、オイルシール４６が配置されている。オイルシール４６を覆うためのシール保護カップ４７が、フロントケース３の他側開口部に取付けられている。軸部９の他側外端部にねじ部４８が形成され、このねじ部４８は、フランジ郡４５の中心凹部４３ａに突出している。ねじ部４８に、ナット４９が螺着されている。
このように、ねじ部４８にナット４９が螺着されることで、第一の複列玉軸受１０の第一の内輪部材１３、および第二の複列玉軸受２５の第二の内輪部材１４がピニオンギヤ６の端面とコンパニオンフランジ４３の端面とで軸心方向に挟み込まれ、遮蔽板３７および塑性スペーサ２３を介して、第一の複列玉軸受１０の玉１７，１８および第二の複列玉軸受２５の玉３０，３１に対して所定の予圧が付与された状態となる。
上記構成のディファレンシャル装置１では、ディファレンシャルケース２内には、オイル５０が運転停止状態において所定のレベルにて貯留されている。オイル５０は、運転時にリングギヤ８の回転に伴って跳ね上げられ、フロントケース３内のオイル循環路４０を通って第一の複列玉軸受１０、および第二の複列玉軸受２５の上部に供給されるように導かれ、第一の複列玉軸受１０および第二の複列玉軸受２５を潤滑するようディファレンシャルケース２内を循環する。
この実施の形態では、反ピニオン６側に比べて大きな荷重が働くピニオンギヤ６側の玉軸受として、摩擦抵抗の小さい第一の複列玉軸受１０を用いている。これにより、従来用いていた円すいころ軸受に比べて回転トルクが小さくなり、ディファレンシャル装置１の効率を向上させることができる。しかも、単列の玉軸受でなく、複列の玉軸受を用いたことにより、単列の玉軸受に比べて負荷容量を大きくすることができ、十分な支持剛性が得られる。
加えて、第一の複列玉軸受１０として、ピニオンギヤ６側の大径側玉群１５のピッチ円直径Ｄ１を、小径側玉群１６のピッチ円直径Ｄ２に比べて大きくしたタンデム型の第一の複列玉軸受１０を用いたことにより、両列の玉１７，１８が同径であれば、より大きな荷重が働くピニオンギヤ６側の大径側玉群１５における玉１７の数を増加させることができ、このため大きな負荷に耐え得る。
ところで、上記のようなディファレンシャル装置１では、金属摩耗粉がディファレンシャルケース２内に発生する。この金属摩耗粉は、オイル５０に混じって第一の複列玉軸受１０内に入り込み、内外輪軌道面に至る。
しかし、前記式（２），（３）に示すように、内輪軌道面１３ａ，１３ｂの曲率半径Ｒｉおよび外輪軌道面１１ａ，１１ｂの曲率半径Ｒｏを、ともに従来の値に比べて小さくすることにより、玉１７，１８と内輪軌道面１３ａ，１３ｂおよび外輪軌道面１１ａ，１１ｂとの接触面積（受け面）が大きくなり、面圧が小さくなって内外軌道面に圧痕がつき難い。また、前記式４に示すように、接触角θ１，θ２を従来の値（２０°≦θ１，θ２≦２５°）に比べて大きく設定することにより、アキシャル荷重に対する負荷容量が大きくなる。
上記のように本究明の実施の形態では、内外軌道面に圧痕がつき難いが、玉１７，１８の転動に伴ない内外軌道面に、図４の拡大図に示すような圧痕が生じる場合がある。しかし、従来第一の外輪部材１１の表面硬さは、ＨＲＣ６０〜６４に設定されているのに対し、この実施の形態における第一の外輪部材１１および第一の内輪部材１３の表面硬さはＨＲＣ６２〜６７とされ、表面残留オーステナイト量は２０％以上かつ２５％未満に設定されている。このため、玉１７，１８が軌道面を転動する動作に伴ない、経時的に（短時間で）圧痕における盛上がり部の高さｈが小さくなる。
図５は横軸を表面硬さ（ＨＲＣ）とし、縦軸を圧痕における盛上がり部６０の高さｈ（μｍ）としたグラフ図である。図６は横軸を応力繰返し数（回）とし、縦軸を圧痕における盛上がり部６０の高さｈ（μｍ）として、実験により得られたグラフ図である。
図６において、○は表面硬さＨＲＣ６２．２、表面残留オーステナイト量が１６・９％の試験片を用いた場合であり、□は表面硬さＨＲＣ６２．９、表面残留オーステナイト量が３１．５％の試験片を用いた場合のデータを示している。
図６から、残留オーステナイト量が多いと、応力繰返し数が多くなっても或る程度以上は小さくならないことがわかる。表面残留オーステナイト量が多いと盛上がり部６０の高さｈが小さくならないのは、盛上がり部６０が加工硬化を起こすことに起因すると考えられる。
このように本発明の実施の形態によれば、内外軌道面に圧痕が生じたとしても、これは短時間でもって軸受に悪影響をおよぼさない大きさに小さくなる。なお以上の作用効果は、第二の複列玉軸受２５についても同様である。
上記実施の形態では、第一の複列玉軸受１０および第二の複列玉軸受２５を、車両のディファレンシャル装置１のピニオン軸支持用軸受に用いた例を示したが、これに限定されるものではない。すなわち、軸あるいはハウジングの一方に複列玉軸受の構成部品である一方の軌道輪を取付けておき、軸あるいはハウジングの他方に、複列玉軸受の他の構成部品を組付けて、軸をハウジングに対して挿通する構成の装置であれば適用可能である。
本発明の実施の形態におけるディファレンシャル装置の概略構成を示す断面図である。 同じくピニオン軸支持用複列玉軸受の使用状態を示す拡大断面図である。 同じく複列玉軸受の単体拡大断面図である。 同じく軌道面に発生した圧痕を示す拡大図である。 同じく横軸を表面硬さとし縦軸を圧痕における盛上がり部の高さとしたグラフ図である。 同じく横軸を応力繰返し数とし縦軸を圧痕における盛上がり部の高さとしたグラフ図である。 従来のディフアレンシヤル装置の概略構成を示す断面図である。
符号の説明
１ ディファレンシャル装置
２ ディファレンシャルケース
５ 差動変速機構
７ ピニオン軸
１０ 第一の複列アンギュラ玉軸受
１１ 第一の外輪部材
１１ａ 大径外輪軌道面
１１ｂ 小径外輪軌道面
１３ 第一の内輪部材
１３ａ 大径内輪軌道面
１３ｂ 小径内輪軌道面
１７，１８ 玉
２５ 第二の複列アンギュラ玉軸受
２７Ａ 環状壁

Claims (2)

  1. ピニオン軸の外周面に外嵌する内輪部材と、この内輪部材に同心に配置される外輪部材と、前記内輪部材の外周面に形成された内輪軌道面と前記外輪部材の内周面に形成された外輪軌道面との間に配置される複数個の玉とを備え、
    前記内外輪及び玉を高炭素クロム軸受鋼又は浸炭軸受用鋼で形成するとともに、
    前記内外輪部材のうち少なくとも前記内輪部材に浸炭窒化処理、かつ硬化熱処理されて転がり表面層を形成することで、前記内輪軌道面の硬さが前記玉の表面硬さと実質的に同一とされた、ことを特徴とするピニオン軸用玉軸受。
  2. 請求項１記載のピニオン軸用玉軸受において、
    前記玉の表面はロックウェルＣ硬さで６３〜６７に設定され、内輪部材の表面はロックウェルＣ硬さで６２〜６７に設定されるとともに表面残留オーステナイト量が２０％〜４５％に設定された、ことを特徴とするピニオン軸用玉軸受。
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