JP2010286120A - 円錐ころ軸受の設計方法 - Google Patents

Abstract

【課題】円錐ころの大径側端面と内輪の大径鍔部の端面との間の潤滑性を向上させ、焼付の発生を抑制することができる円錐ころ軸受の設計方法を提供する。
【解決手段】外輪と、内輪と、これらの間に介在する複数の円錐ころと、当該円錐ころの保持器とを備えた円錐ころ軸受において、前記円錐ころの大径側端面の曲率半径をＲａとし、前記内輪の大径側鍔部の端面の曲率半径をＲｂとしたときに、Ｒａ＜Ｒｂとし、前記外輪のクラウニング半径をＲＣＯ、軌道長さをＬＲＯとするとき、ＲＣＯ／ＬＲＯで規定される外輪クラウニングパラメータを３０〜１５０とする。更に、前記内輪のクラウニング半径をＲＣＩ、軌道長さをＬＲＩとするとき、ＲＣＩ／ＬＲＩで規定される内輪クラウニングパラメータを５０〜２６０とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、自動車や産業機械のディファレンシャルギヤ装置等に使用される円錐ころ軸受の設計方法に関する。

円錐ころ軸受は、玉軸受に比べて高負荷容量で高剛性であるという特性を有するため、このような特性を要する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装置等の車両用ピニオン軸支持装置に使用されている。
かかる円錐ころ軸受においては、従来より、円錐ころの大径側端面と内輪の大径鍔部の端面のすべり摩擦を低減して回転トルクを小さくするために、当該円錐ころの大径側端面を凸曲面状に形成していた。その際、円錐ころの大径側端面と内輪の大径鍔部の端面の潤滑性を向上させるため、通常、前記大径側端面の曲率半径が内輪の大径鍔部の端面の曲率半径と同程度になるようにしていた。そして、円錐ころの加工においては、前記大径側端面の曲率半径の公差を＋／−（プラス／マイナス）としていた（例えば、大径側端面の曲率半径をＲａとすると、プラス側公差としてＲａ×０．０４、マイナス側公差としてＲａ×０．１としていた）。

しかしながら、前記の場合において、プラス側の公差で円錐ころが加工されると、円錐ころの大径側端面と内輪の大径鍔部の端面との当たり位置が高くなる（図１におけるｅの値が大きくなる）ことから、前記大径側端面と大径鍔部の端面との間の潤滑性が悪くなり、その結果、当該大径側端面又は大径鍔部の端面が焼き付き易くなるという問題があった。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、円錐ころの大径側端面と内輪の大径鍔部の端面との間の潤滑性を向上させ、前記大径側端面又は大径鍔部の端面に焼付きが発生するのを抑制することができる円錐ころ軸受の設計方法を提供することを目的としている。

本発明の円錐ころ軸受の設計方法は、外輪と、内輪と、これらの間に介在する複数の円錐ころと、当該円錐ころの保持器とを備えた円錐ころ軸受の設計方法において、
前記円錐ころの大径側端面の曲率半径をＲａとし、前記内輪の大径側鍔部の端面の曲率半径をＲｂとしたときに、Ｒａ＜Ｒｂとし、
前記外輪のクラウニング半径をＲＣＯ、軌道長さをＬＲＯとするとき、ＲＣＯ／ＬＲＯで規定される外輪クラウニングパラメータを３０〜１５０とし、且つ、
前記内輪のクラウニング半径をＲＣＩ、軌道長さをＬＲＩとするとき、ＲＣＩ／ＬＲＩで規定される内輪クラウニングパラメータを５０〜２６０とすることを特徴としている。

本発明の円錐ころ軸受の設計方法では、円錐ころの大径側端面の曲率半径Ｒａが内輪の大径側鍔部の端面の曲率半径Ｒｂよりも小さくされているので、円錐ころの大径側端面と内輪の大径側鍔部の端面との当たり位置を低くすることができ、前記大径側端面と大径鍔部の端面との間の潤滑性が向上され、その結果、当該大径側端面又は大径鍔部の端面の焼付きを抑制することができる。
また、前記外輪のクラウニング半径をＲＣＯ、軌道長さをＬＲＯとするとき、ＲＣＯ／ＬＲＯで規定される外輪クラウニングパラメータを３０〜１５０とし、且つ、前記内輪のクラウニング半径をＲＣＩ、軌道長さをＬＲＩとするとき、ＲＣＩ／ＬＲＩで規定される内輪クラウニングパラメータを５０〜２６０としているので、転がり粘性抵抗が低減される。

前記外輪及び内輪の各軌道面並びに前記円錐ころの転動面にクラウニングを施し、
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で規定される全クラウニング量を５０μｍ以上とし、
外輪クラウニング量／全クラウニング量で規定される外輪クラウニング率を４０％以上とし、
（ころクラウニング量×２）／全クラウニング量で規定されるころクラウニング率を２０％以下とすることができる。このようにクラウニング量を設定することによって、転がり粘性抵抗が低減される。

ころ有効長さをＬＷＲ、ころ平均径をＤＷとするとき、ＬＷＲ／ＤＷで表されるころ径に対するころ長さの比を１．１〜１．７の範囲とすることができる。この場合、ころ長さ／ころ径を小さくすることにより、油の攪拌抵抗及び転がり粘性抵抗が低減される。その結果、回転トルクを小さくすることができる。

また、前記円錐ころ軸受の設計方法において、内輪の内径をｄ、前記外輪の外径をＤとするとき、２ＤＷ／（Ｄ−ｄ）で規定されるころ径パラメータを０．４４〜０．５２の範囲にしてもよい。この場合、同サイズの従来品と比較してころ径が大きいため、軸受内部の自由空間体積が増えて、油が軸受内部を流れやすくなり、攪拌抵抗が低減される。

また、上記円錐ころ軸受の設計方法において、外輪軌道角度（外輪接触角）を２５度〜３０度の範囲としてもよい。この場合、ポンプ作用が増大し、油の排出が促進されるので、油の攪拌抵抗が低減される。これにより、回転トルクが低減される。

また、上記円錐ころ軸受の設計方法において、内輪クラウニング量／全クラウニング量で規定される内輪クラウニング率を１０％以上としてもよい。この場合、内輪軌道面と転動面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。

本発明の円錐ころ軸受の設計方法によれば、円錐ころの大径側端面と内輪の大径鍔部の端面との間の潤滑性を向上させ、前記大径側端面又は大径鍔部の端面に焼付きが発生するのを抑制することができる。

本発明の設計方法により得られる円錐ころ軸受の一例の軸方向断面図である。 内輪の輪郭及びクラウニング（複合クラウニングの場合）の形状を示す図である。 内輪の軌道面に施されたクラウニング（複合クラウニングの場合）の形状を模式的に示す図である。 内輪の輪郭及びクラウニング（フルクラウニングの場合）の形状を示す図である。 内輪の軌道面に施されたクラウニング（フルクラウニングの場合）の形状を模式的に示す図である。 円錐ころの断面上半分の輪郭及びクラウニングの形状を示す図である。 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す図である。 外輪の輪郭及びクラウニングの形状を示す図である。 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す図である。 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。 実施例又は比較例に係る円錐ころ軸受の焼付寿命を示すグラフである。 円錐ころの大径側端面の曲率半径Ｒａ及び内輪の大径側鍔部の端面の曲率半径Ｒｂを説明する図である。

以下、添付図面を参照しつつ、本発明の円錐ころ軸受の設計方法の実施の形態について詳細に説明をする。
図１は、本発明の設計方法により得られる円錐ころ軸受の一例の軸方向断面図である。この円錐ころ軸受は、車両用ピニオン軸支持装置としての自動車のディファレンシァルギヤ装置のピニオンギヤ側において用いられ、外周に円錐面からなる内輪軌道面１１が形成された内輪１０と、内周に円錐面からなる外輪軌道面２１が形成された外輪２０と、内外輪間に介在し、外周に円錐面からなる転動面３１が形成された転動自在の複数の円錐ころ３０と、これらの円錐ころ３０を周方向に所定間隔で保持する保持器４０とを備えている。また、内輪１０の大径側（図の右方）及び小径側（図の左方）にはそれぞれ、円錐ころ３０の軸方向への移動を規制する大径鍔部１２及び小径鍔部１３が形成されている。さらに、前記内輪軌道面１１の大径鍔部１２側及び小径鍔部１３側の各端部には、断面円弧状の切欠きからなる逃げ部５０、５１が形成されている。

また、本実施の形態では、小径鍔部１３から内輪１０左端に至る部分に、外径が小径鍔部１３よりも小さい円筒状部１４が形成されている。一方、保持器４０の小径側（図の左方）端部には、外輪２０に近接した位置から径方向内方に延びる環状部４１が形成されている。この環状部４１の内周側端部は、内輪１０の円筒状部１４の外周面及び小径鍔部１３の側面に近接し、これによってラビリンスシールＳが構成されている。このように保持器４０と内輪１０との間に油流入抑制手段であるラビリンスシールＳが構成されていることにより、図の左方から軸受内部に油が流入することを抑制できる。

本発明の特徴は、かかる円錐ころ軸受において、図１５に示されるように、円錐ころ３０の大径側端面３３の曲率半径をＲａとし、前記内輪１０の大径側鍔部１２の端面１２ａの曲率半径をＲｂとしたときに、Ｒａ＜Ｒｂとしたことである。円錐ころの大径側端面の曲率半径Ｒａを内輪の大径側鍔部の端面の曲率半径Ｒｂよりも小さくすることで、円錐ころの大径側端面と内輪の大径側鍔部の端面との当たり位置を低くすることができ、前記大径側端面と大径鍔部の端面との間の潤滑性が向上され、その結果、当該大径側端面又は大径鍔部の端面の焼付きを抑制することができる。

また、前記外輪のクラウニング半径をＲＣＯ、軌道長さをＬＲＯとするとき、ＲＣＯ／ＬＲＯで規定される外輪クラウニングパラメータを３０〜１５０とし、且つ、前記内輪のクラウニング半径をＲＣＩ、軌道長さをＬＲＩとするとき、ＲＣＩ／ＬＲＩで規定される内輪クラウニングパラメータを５０〜２６０とすることである。これにより、転がり粘性抵抗が低減される。

また、本発明では、前記内輪や外輪のクラウニング量、又は円錐ころの形状を所定の範囲に規定することにより、回転トルクを低減させることができる。
すなわち、円錐ころ軸受における回転トルク（損失）が大きいという欠点を克服するために、内外輪の軌道面や円錐ころの転動面にクラウニングを施して転がり摩擦を低減することが提案されているが、従来より提案されている円錐ころ軸受では、軌道面又は転動面のクラウニングの形状を規定することで円錐ころ軸受の性能向上が図られていた。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等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。他方、ディファレンシャルギヤ装置等における円錐ころ軸受の回転トルクの主たる要因は、円錐ころの転がり粘性抵抗及び油の攪拌抵抗であるが、これらを如何にして低減するかの指針は明確になっていなかった。

そこで、本発明では、前述したように内輪や外輪のクラウニング量、又は円錐ころの形状を所定の範囲に規定することで、回転トルクを効果的に低減させている。
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２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、クラウニング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である。

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２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の内軸軌道角度を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３は、図２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３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までの距離を、内輪クラウニング量ＣＲＩとした。

なお、内輪クラウニングの形状は、図３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、各種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前述のクラウニング量の考え方が適用できる。
また、前記クラウニングの考え方やクラウニング量の定義は、ころや外輪に対しても同様に適用することができる。
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、フルクラウニングの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。
図４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、クラウニングを誇張して示した図である。図において、軌道長さＬＲＩは、図２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５は、図４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５において、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。
本明細書では、このクラウニング円弧中心点Ｃ１と中点Ｃ２との距離を内輪クラウニング量ＣＲＩとしている。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６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６において、円錐ころ３０の外周面には、ほぼ直線状の転動面３１と、転動面３１の軸方向両端から滑らかに下がるように形成された面取り部３２ａ，３３ａとが設けられている。面取り部３２ａ，３３ａは円錐ころ３０の小径側端面３２及び大径側端面３３に対しても、滑らかに連続するように形成されている。直線状に見える転動面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。図７は、図６における転動面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のみを模式的に示す図である。
本明細書では、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。）を、転動面３１のころ有効長さＬＷＲより定まるクラウニングの円弧中心点とその弦との距離と規定している。以下、ころクラウニング量の算出方法について説明する。

図６において、円錐ころ３０の中心軸方向に対する転動面３１の幅をＬ、転動面３１の角度（ころ角度）をγ、転動面３１の両端部に形成されている面取り部３２ａ，３３ａの曲面の図示の寸法をＳ１，Ｓ２としたとき、前述のころ有効長さＬＷＲは、下記式（３）より得られる。
ＬＷＲ＝Ｌ／ｃｏｓ（γ／２）−（Ｓ１＋Ｓ２） ・・・（３）
前記式（３）におけるＳ１，Ｓ２は、軸受のサイズによって一定の幅が定められる。
図７において、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との距離を、ころクラウニング量ＣＲとしている。すなわち、図示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、図８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、クラウニングを誇張して示した図である。図８において、外輪２０の内周面には、円錐ころ３０の転動面３１と転がり接触する外輪軌道面２１が設けられている。この外輪軌道面２１には径方向内方に突出したフル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。これらの面取り部２２ａ，２３ａは、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。
本明細書では、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。）を、外輪軌道面２１の軌道長さＬＲＯより定まるクラウニングの円弧中心点とその弦との距離であるＣＲＯと規定している。以下、外輪クラウニング量ＣＲＯの算出方法について説明する。

図８において、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の外輪軌道角度を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の曲面の図示の寸法をＣ７，ＣＬ０としたとき、前述の軌道長さＬＲＯは、下記式（５）より得られる。
ＬＲＯ＝ＳＢ／ｃｏｓα−（Ｃ７＋ＣＬ０） ・・・（５）
なお、上式（５）においてＣ７，ＣＬ０は、軸受のサイズによって一定の値が定められる。

一方、図９は、図８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９において、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との距離を、外輪クラウニング量ＣＲＯとしている。すなわち、図示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、前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２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、ＬＲＯに対するＬＲＯ’を、それぞれ導出し、円弧中心点を求めてからクラウニング量を求めればよい。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２〜３）に基づき求めた値とほぼ一致する。

次に、以上のようにして求めた外輪２０のクラウニング半径ＲＣＯ，軌道長さＬＲＯより、（ＲＣＯ／ＬＲＯ）を外輪クラウニングパラメータと定義する。また、内輪１０のクラウニング半径ＲＣＩ，軌道長さＬＲＩより、（ＲＣＩ／ＬＲＩ）を内輪クラウニングパラメータと定義する。
そして、本明細書では、前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）

次に、種々の円錐ころ軸受の回転トルクを実験的に測定し、回転トルクと、前記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検証した結果について説明する。
まず、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、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、前記実施の形態で示した構成の円錐ころ軸受（ＪＩＳ３０３０６相当品）を用い、潤滑油にはディファレンシャルギヤ装置用ギヤオイルを用い、擬似的な予圧負荷としてアキシャル荷重４ｋＮを与え、回転速度３００［ｒ／ｍｉｎ］，２０００［ｒ／ｍｉｎ］の２種類の回転速度で行った。

また、試験時の潤滑条件としては、回転速度３００［ｒ／ｍｉｎ］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２０００［ｒ／ｍｉｎ］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速度に応じて異なる方法にしたのは、それぞれの回転速度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。本試験に供した前記円錐ころ軸受には、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ものを用意し、それぞれについて回転トルクを測定して、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し、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より小さい場合では、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より小さい場合と比較して、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、全クラウニング量が１００μｍより大きくなると、ころの挙動が不安定となってトルクが増加する。従って、全クラウニング量は１００μｍ以下が望ましい。

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％より小さい場合では、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％より小さい場合と比較して、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、外輪クラウニング率が８５％より大きくなると、内輪ところとの間にエッジロードが作用した場合に寿命低下を招く。従って、外輪クラウニング率は８５％以下が望ましい。

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％より大きい場合では、ころクラウニング率が減少するに従ってトルク値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、トルク値は、ころクラウニング率が２０％より大きい場合と比較して、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、ころクラウニング率が５％より小さくなると、接触面積増加によるトルクの増加や、エッジロード発生による寿命低下を招く。従って、ころクラウニング率は５％以上が望ましい。

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、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。なお、内輪クラウニング率を５５％より大きくすると、全クラウニング量との関係から外輪クラウニング率を小さくすることになり、トルクが増加する。従って、内輪クラウニング率は５５％以下が望ましい。

以上のように、円錐ころ軸受の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、クラウニング量として、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、円錐ころ軸受の回転トルクを低減させることができる、との知見を得た。

また、前記実験において、クラウニングパラメータを算出したところ、外輪クラウニングパラメータ（ＲＣＯ／ＬＲＯ）は３０〜１５０、内輪クラウニングパラメータ（ＲＣＩ／ＬＲＩ）は５０〜２６０が、回転トルク低減を実現することが判明した。
さらに、ころ長さ／ころ径（ＬＷＲ／ＤＷ）は、１．１〜１．７とするのが好ましいことが分かった。下限を１．１としたのは、これより小さくなると、ころ径が大きくなり転がり粘性抵抗が大きくなるからである。上限を１．７としたのは、これより大きくなると、ころ径が小さくなり、負荷容量が小さくなるからである。

一方、ころ径パラメータ（２ＤＷ／（Ｄ−ｄ））に関しては、０．４４〜０．５２とするのが好ましいことが分かった。下限を０．４４としたのは、これより小さくなると、軸受内部の自由空間体積が減り、油が流れにくくなって、油の攪拌抵抗の低減効果が十分でなくなるからである。また、上限を０．５２としたのは、これより大きくなると軸受サイズ（内外輪径）に対してころ径が大きすぎて、軸受全体の形状バランスが好ましくなく、一般機器への適用が困難になるからである。
また、外輪軌道角度αは、２５度〜３０度の範囲で回転トルクの低減に効果があることが判明した。

つぎに、前述したクラウニング量又はクラウニングパラメータの条件を満たすとともに、円錐ころの大径側端面の曲率半径をＲａとし、前記内輪の大径側鍔部の端面の曲率半径をＲｂとしたときに、Ｒａ＜Ｒｂである円錐ころ軸受について、検証実験を行った。図１４は本発明の設計方法により得られる円錐ころ軸受の焼付寿命を示すグラフである。実験に用いた円錐ころ軸受は、実施例及び比較例のいずれも軸受内径ｄ＝３０ｍｍ、軸受外径Ｄ＝７４ｍｍ、組巾Ｔ＝
２４ｍｍであった。アキシアル荷重は１０００ｋｇｆであり、最初にオイルを塗布したままで給油をせずに実験をした。
図１４より明らかなように、本発明の円錐ころ軸受の設計方法によれば、給油遅れや潤滑不良といった条件下においても焼付寿命を大幅に長くすることができる。

１０ 内輪
１１ 内輪軌道面
１２ 大径鍔部
１３ 小径鍔部
１４ 円筒状部
２０ 外輪
２１ 外輪軌道面
３０ 円錐ころ
３１ 転動面
３２ 小径側端面
３３ 大径側端面
４０ 保持器
５０ 逃げ部
Ｓ ラビリンスシール

Claims (6)

1. 外輪と、内輪と、これらの間に介在する複数の円錐ころと、当該円錐ころの保持器とを備えた円錐ころ軸受の設計方法において、
   前記円錐ころの大径側端面の曲率半径をＲａとし、前記内輪の大径側鍔部の端面の曲率半径をＲｂとしたときに、Ｒａ＜Ｒｂとし、
   前記外輪のクラウニング半径をＲＣＯ、軌道長さをＬＲＯとするとき、ＲＣＯ／ＬＲＯで規定される外輪クラウニングパラメータを３０〜１５０とし、且つ、
   前記内輪のクラウニング半径をＲＣＩ、軌道長さをＬＲＩとするとき、ＲＣＩ／ＬＲＩで規定される内輪クラウニングパラメータを５０〜２６０とすることを特徴とする円錐ころ軸受の設計方法。
2. 前記外輪及び内輪の各軌道面並びに前記円錐ころの転動面にクラウニングを施し、
   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で規定される全クラウニング量を５０μｍ以上とし、
   外輪クラウニング量／全クラウニング量で規定される外輪クラウニング率を４０％以上とし、
   （ころクラウニング量×２）／全クラウニング量で規定されるころクラウニング率を２０％以下とする請求項１に記載の円錐ころ軸受の設計方法。
3. ころ有効長さをＬＷＲ、ころ平均径をＤＷとするとき、ＬＷＲ／ＤＷで表されるころ径に対するころ長さの比を１．１〜１．７の範囲にする請求項１又は２に記載の円錐ころ軸受の設計方法。
4. 前記内輪の内径をｄ、前記外輪の外径をＤとするとき、２ＤＷ／（Ｄ−ｄ）で規定されるころ径パラメータを０．４４〜０．５２の範囲にする請求項３に記載の円錐ころ軸受の設計方法。
5. 外輪軌道角度αを２５度〜３０度の範囲とする請求項１〜４のいずれかに記載の円錐ころ軸受の設計方法。
6. 内輪クラウニング量／全クラウニング量で規定される内輪クラウニング率を１０％以上とする請求項２〜５のいずれかに記載の円錐ころ軸受の設計方法。

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