特開 2024-115780 転がり軸受

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024115780

(43)【公開日】2024-08-27

(54)【発明の名称】転がり軸受

(51)【国際特許分類】

   F16C 33/58 20060101AFI20240820BHJP

   F16C 19/06 20060101ALI20240820BHJP

【ＦＩ】

F16C33/58

F16C19/06

【審査請求】未請求

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023021611

(22)【出願日】2023-02-15

(71)【出願人】

【識別番号】000102692

【氏名又は名称】ＮＴＮ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100130513

【弁理士】

【氏名又は名称】鎌田 直也

(74)【代理人】

【識別番号】100074206

【弁理士】

【氏名又は名称】鎌田 文二

(74)【代理人】

【識別番号】100130177

【弁理士】

【氏名又は名称】中谷 弥一郎

(72)【発明者】

【氏名】川口 隼人

(72)【発明者】

【氏名】藤掛 泰人

(72)【発明者】

【氏名】田中 慎太郎

【テーマコード（参考）】

3J701

【Ｆターム（参考）】

3J701AA02

3J701AA32

3J701AA42

3J701AA52

3J701AA62

3J701BA54

3J701BA56

3J701BA69

3J701DA01

3J701DA09

3J701DA11

3J701EA02

3J701EA03

3J701FA35

3J701GA11

3J701GA24

3J701XB01

3J701XB03

3J701XB26

3J701XB31

(57)【要約】

【課題】外輪が固定側部材にすきま嵌めされる転がり軸受において、外輪の破断を防止しつつクリープを抑制する。
【解決手段】外輪２の外周に、固定側部材であるハウジング１０との嵌め合い面２ｂと、その嵌め合い面２ｂを全幅にわたって分断し、ハウジング１０の内周面１０ａに対して嵌め合い面２ｂよりも大きい径方向隙間をもって対向する逃げ面２ｃとが形成されており、その逃げ面２ｃは、粗さがＲａ５．０μｍ以下に加工されている構成の転がり軸受１とした。この構成によれば、外輪２の逃げ面２ｃによって外輪２のクリープを抑制することができ、かつ逃げ面２ｃの粗さの規制により、逃げ面２ｃにおける応力集中による亀裂の進展およびそれに起因する外輪２の破断を防止することができる。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

外輪（２）と、内輪（３）と、前記外輪（２）と前記内輪（３）との間に転動自在に配される複数の転動体（４）とを備え、前記外輪（２）が外部の固定側部材（１０）の円筒面状の内周面（１０ａ）にすきま嵌めされた状態で、前記内輪（３）が取り付けられる回転軸（２０）を回転自在に支持する転がり軸受（１）において、
前記外輪（２）は、その外周に周方向に延びる円筒面状の嵌め合い面（２ｂ）と、前記嵌め合い面（２ｂ）を全幅にわたって分断し、前記固定側部材（１０）の内周面（１０ａ）に対して嵌め合い面（２ｂ）よりも大きい径方向隙間をもって対向する逃げ面（２ｃ）とを有し、
前記外輪（２）の逃げ面（２ｃ）は、粗さがＲａ５．０μｍ以下に加工されていることを特徴とする転がり軸受（１）。

【請求項2】

前記外輪（２）の嵌め合い面（２ｂ）と逃げ面（２ｃ）との間に、単一の円弧面からなる単一Ｒ形状または複数の円弧面を周方向に繋いだ複合Ｒ形状を有し、前記嵌め合い面（２ｂ）と前記逃げ面（２ｃ）とを滑らかに連続させるつなぎ部（２ｄ）が形成されている請求項１に記載の転がり軸受（１）。

【請求項3】

前記外輪（２）の逃げ面（２ｃ）の形状が単一の円弧面からなる単一Ｒ形状である請求項１または２に記載の転がり軸受（１）。

【請求項4】

前記外輪（２）が軸受鋼または硬化熱処理を施した鋼材で形成されている請求項１または２に記載の転がり軸受（１）。

【請求項5】

前記外輪（２）の外周に前記逃げ面（２ｃ）が複数形成されている請求項１または２に記載の転がり軸受（１）。

【請求項6】

前記外輪（２）の嵌め合い面（２ｂ）の径方向寸法に対する逃げ面（２ｃ）の最大の径方向深さをｓとし、前記外輪（２）の軌道面（２ａ）と嵌め合い面（２ｂ）との間の最小厚さをｔとしたとき、ｓ／ｔ≧１．０×１０^－２に設定されている請求項１または２に記載の転がり軸受（１）。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

この発明は、固定側部材の内周面にすきま嵌めされた状態で回転軸を支持する転がり軸受に関する。

【背景技術】

【0002】

自動車のトランスミッションやモータ、eAxle（電動車の駆動ユニット）のシャフトを支持する深溝玉軸受等の転がり軸受は、通常、外部の固定側部材であるハウジングへの組み付けを容易にするために、外輪がハウジングの円筒面状の内周面にすきま嵌めされている。このため、荷重負荷時や高速回転時のシャフトのアンバランス荷重によって、外輪がハウジングに対してクリープ（周方向に位置ずれする現象）を起こすことがある。

【0003】

転がり軸受の軌道輪（外輪および内輪）のクリープのメカニズムとして、軌道輪の表面に進行波が発生し、その進行波が軌道輪自体を移送させることが知られている。すなわち、転がり軸受の玉やころ等の転動体の荷重が軌道輪の軌道面に作用すると、その直下で軌道輪の表面が突出して波打つ。転がり軸受が回転すると転動体も公転するため、軌道輪の表面の波打ちが進行波となる。その進行波は、転がり軸受の荷重負荷域全体にわたって、周方向および径方向へのぜん動運動的な挙動をとる。そして、外輪が固定側部材であるハウジングにすきま嵌めされている場合、その進行波がハウジングを転動体の公転方向と逆の方向に移送しようとするが、ハウジングの抵抗で逆に押し戻される形となり、その結果、外輪が転動体の公転方向つまり軸受回転と同じ方向に位置ずれするクリープが発生することになる。

【0004】

これに対し、特許文献１では、外輪の外周に、周方向に延びる円筒面状の嵌め合い面を全幅にわたって分断し、ハウジングの内周面に対して嵌め合い面よりも大きい径方向隙間をもって対向する逃げ面を形成することが提案されている。この逃げ面は、設定範囲内の最大のラジアル荷重（例えば、基本動定格荷重の０．４倍）を負荷された場合の荷重負荷域で、ハウジングの内周面との間に径方向隙間を残せるように形成される。

【0005】

この構成によれば、外輪の逃げ面が荷重負荷域にない状態で転がり軸受にラジアル荷重が負荷されたときに、外輪に一旦クリープが生じても、外輪の逃げ面が荷重負荷域に入ると、外輪の逃げ面とハウジングの内周面とが接触しない部分で外輪の波状変形がクリープを生じさせる進行波として作用しなくなるので、それ以降の外輪のクリープを抑制することができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開２０２０－４５９８７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

しかしながら、上記のように外輪の外周に逃げ面を形成した転がり軸受では、外輪の逃げ面のある周方向領域がその他の領域よりも薄肉となり強度が低くなっているので、荷重を受けた際の応力集中等により外輪が破断するおそれがある。

【0008】

そこで、この発明は、外輪が固定側部材にすきま嵌めされる転がり軸受において、外輪の破断を防止しつつクリープを抑制することを課題とする。

【課題を解決するための手段】

【0009】

上記の課題を解決するために、この発明の発明者らは、外輪に逃げ面を形成した転がり軸受（深溝玉軸受）について、運転実験を行い、外輪の逃げ面を含む表層部の状態を調査した結果、外輪の逃げ面の粗さが大きくなると逃げ面から亀裂が発生しやすくなるという知見を得た。すなわち、外輪の逃げ面は嵌め合い面とは別の工程で加工されており、その加工後の粗さは平均値でＲａ６．３μｍ程度であったが、加工方法によってはかなり大きくなる場合があった。そして、逃げ面の粗さが大きいと、逃げ面が荷重負荷域に入って逃げ面に引張応力が作用したときに、その表面の凹凸の谷底部分に応力集中による亀裂が生じ、その亀裂が進展して破断に至る場合があると考えられる。そこで、種々の条件での数値解析および実験に基づいて、外輪の亀裂進展が生じない逃げ面の粗さ範囲を設定するようにしたのである。

【0010】

具体的には、外輪と、内輪と、前記外輪と前記内輪との間に転動自在に配される複数の転動体とを備え、前記外輪が外部の固定側部材の円筒面状の内周面にすきま嵌めされた状態で、前記内輪が取り付けられる回転軸を回転自在に支持する転がり軸受において、前記外輪は、その外周に周方向に延びる円筒面状の嵌め合い面と、前記嵌め合い面を全幅にわたって分断し、固定側部材の内周面に対して嵌め合い面よりも大きい径方向隙間をもって対向する逃げ面とを有し、前記外輪の逃げ面は、粗さがＲａ５．０μｍ以下に加工されている構成を採用した（構成１）。

【0011】

上記構成１の転がり軸受では、外輪に逃げ面を形成することによって外輪のクリープを抑制することができ、かつ逃げ面の粗さをＲａ５．０μｍ以下とすることにより、逃げ面の凹凸の谷底部分からの亀裂進展による外輪の破断を防止することができる。

【0012】

ここで、上記構成１においては、前記外輪の嵌め合い面と逃げ面との間に、単一の円弧面からなる単一Ｒ形状または複数の円弧面を周方向に繋いだ複合Ｒ形状を有し、前記嵌め合い面と前記逃げ面とを滑らかに連続させるつなぎ部が形成されている構成とすることが望ましい（構成２）。

【0013】

すなわち、外輪の嵌め合い面と逃げ面とが直接つながっている場合は、外輪の荷重負荷域が嵌め合い面と逃げ面の境界を含む状態になると、その境界付近に逃げ面で受けられない荷重が集中し、過大な接触圧力いわゆるエッジロードが発生する。そして、このエッジロードによって嵌め合い面と逃げ面の境界付近には高いせん断応力が生じ、亀裂が発生して破断に至るおそれがある。これに対して、上記構成２を採用すれば、嵌め合い面と逃げ面との間のつなぎ部付近での接触面積が大きくなり、エッジロードの発生が抑えられるので、エッジロードによる外輪の破断も防止できるようになる。

【0014】

また、上記構成１または２において、前記外輪の逃げ面の形状は単一の円弧面からなる単一Ｒ形状とするとよい（構成３）。すなわち、逃げ面を平面とすると、外輪の肉厚が薄くなり、必要な強度が足りなくなる可能性があるが、この構成３を採用すれば、必要な強度を確保しやすくなる。

【0015】

上記構成１乃至３のいずれにおいても、外輪の逃げ面の硬さは、通常の軸受の外周面と同様にＨＲＣ６０～６５であることが望ましい。そのためには、前記外輪を軸受鋼で形成するか、あるいは焼入れ焼き戻し、浸炭焼入れ、浸窒等の硬化熱処理を施した鋼材で形成するとよい（構成４）。

【0016】

また、上記構成１乃至４のいずれにおいても、前記外輪の外周には前記逃げ面を複数形成してもよい（構成５）。

【0017】

また、上記構成１乃至５のいずれにおいても、前記外輪の嵌め合い面の径方向寸法に対する逃げ面の最大の径方向深さをｓとし、前記外輪の軌道面と嵌め合い面との間の最小厚さをｔとしたとき、ｓ／ｔ≧１．０×１０^－２に設定することが望ましい（構成６）。このようにすれば、後述するように、転がり軸受の使用条件として、負荷される最大のラジアル荷重を基本動定格荷重の０．４倍に設定した場合、その最大のラジアル荷重によって外輪が弾性変形しても、荷重負荷域の逃げ面と固定側部材の内周面との間に確実に径方向隙間を残せることが数値解析によって確認されたからである。

【発明の効果】

【0018】

この発明の転がり軸受は、上述したように、外輪の外周に円筒面状の嵌め合い面を全幅にわたって分断する逃げ面を形成し、その逃げ面の粗さをＲａ５．０μｍ以下としたものであるから、逃げ面における応力集中による外輪の破断を防止しつつ、外輪のクリープを抑制することができる。

【図面の簡単な説明】

【0019】

【図1】この発明の実施形態の転がり軸受のハウジングへの組込状態を示す斜視図（ハウジングは左半部のみ図示）

【図2】図１の転がり軸受の使用状態の正面図

【図3】図１の外輪の正面図

【図4】図１の外輪の逃げ面の形状を説明する正面図

【図5】図１の外輪の逃げ面の深さを説明する正面図

【図6】図１の転がり軸受の静的破壊試験の結果を示すグラフ

【図7】図１の外輪の変形例の要部の正面図

【図8】図１の外輪の別の変形例の正面図

【発明を実施するための形態】

【0020】

以下、図面に基づきこの発明の実施形態を説明する。この実施形態の転がり軸受１は、図１および図２に示すように、外輪２と、内輪３と、外輪２と内輪３との間に転動自在に配される複数の転動体としての玉４と、玉４を周方向に等間隔で保持する保持器５とを備えた深溝玉軸受であり、その外輪２が外部の固定側部材としてのハウジング１０の円筒面状の内周面１０ａにすきま嵌めされた状態で、内輪３が取り付けられる回転軸２０を回転自在に支持するものである。

【0021】

ここで、回転軸２０は、例えば、自動車のトランスミッションに備わる伝達軸であり、ハウジング１０は、例えば、自動車のトランスミッションケースの一部として形成される隔壁である。そして、転がり軸受１は、ハウジング１０と回転軸２０の間で作用するラジアル荷重を受けるようになっている。

【0022】

この転がり軸受１の内輪３は、外周に周方向に延びる軌道面３ａを有し、内周に周方向に延びる円筒面状の嵌め合い面３ｂを有し、回転軸２０の外周面２０ａに締まり嵌めで取り付けられて、回転軸２０と一体に回転するものである。

【0023】

一方、外輪２は、図１乃至図３に示すように、内周に周方向に延びる軌道面２ａを有し、外周に周方向に延びる円筒面状の嵌め合い面２ｂと、嵌め合い面２ｂを全幅にわたって分断し、ハウジング１０の内周面１０ａに対して嵌め合い面２ｂよりも大きい径方向隙間をもって対向する逃げ面２ｃとを有している。

【0024】

外輪２の嵌め合い面２ｂは、その径方向寸法がハウジング１０の内周面１０ａの直径よりも小径であり、回転軸２０から転がり軸受１に負荷されるラジアル荷重によってハウジング１０の内周面１０ａに接触させられる。

【0025】

外輪２の逃げ面２ｃの周方向長さは、図３に示すように、外輪２の中心まわりの角度αで規定することができる。逃げ面２ｃの周方向長さに対応する角度αは、図２に示すように玉４のピッチ角度をθとしたとき、例えば、０＜α≦２θに設定することができるが、ラジアル荷重による外輪２のたわみや応力を抑えられる形状とするため、０．５θ≦α≦θに設定することが好ましい。

【0026】

また、逃げ面２ｃの形状は、単一の円弧面からなる単一Ｒ形状とされている。これにより、図４に示すように、逃げ面２ｃと外輪２の軌道面２ａとの間の最小の肉厚ｈ_１が、逃げ面２ｃの形状を平面（図中の二点鎖線）とした場合の肉厚ｈ_２よりも厚くなり、必要な強度を確保しやすくなっている。なお、逃げ面の形状は、この実施形態のように単一Ｒ形状とすることが強度や加工性の点で好ましいが、複数の円弧面を周方向に繋いだ複合Ｒ形状としてもよいし、強度が確保されるのであれば平面とすることもできる。

【0027】

ここで、逃げ面２ｃの形状および寸法を決定する際には、転がり軸受１に設定範囲内の最大のラジアル荷重を負荷された場合の荷重負荷域で、逃げ面２ｃとハウジング１０の内周面１０ａとの間に径方向隙間を残せるように考慮する必要がある。

【0028】

そこで、図５に示すように、外輪２の嵌め合い面２ｂの径方向寸法に対する逃げ面２ｃの最大の径方向深さをｓとし（図中の二点鎖線は嵌め合い面２ｂの仮想延長線を示す）、外輪２の軌道面２ａと嵌め合い面２ｂとの間の最小厚さをｔとして、その両者の比ｓ／ｔによって外輪２の逃げ面２ｃとハウジング１０の内周面１０ａとの接触の有無がどのように変化するかを、負荷荷重を変化させて数値解析した。その結果を表１に示す。なお、表中のＰは負荷荷重、Ｃは基本動定格荷重である。

【0029】

【表1】

【0030】

表１からわかるように、ｓ／ｔが大きいほど、当然ながら外輪２の逃げ面２ｃはハウジング１０の内周面１０ａに接触しにくくなり、ｓ／ｔが１．０×１０^－２以上であれば、Ｐ／Ｃ＝０．４でも接触は生じない。そして、この転がり軸受では、通常の安全率を考慮した使用条件として、負荷される最大のラジアル荷重を基本動定格荷重の０．４倍（Ｐ／Ｃ＝０．４）に設定しているので、その最大のラジアル荷重が負荷されたときでも、荷重負荷域の逃げ面２ｃとハウジング１０の内周面１０ａとの間に径方向隙間を残せるように、逃げ面２ｃの形状および寸法をｓ／ｔ≧１．０×１０^－２の条件で設計している。

【0031】

また、逃げ面２ｃの硬さは、通常の軸受の外周面と同様にＨＲＣ６０～６５であることが望ましい。そのためには、外輪２を軸受鋼で形成するか、あるいは焼入れ焼き戻し、浸炭焼入れ、浸窒等の硬化熱処理を施した鋼材で形成するとよい。

【0032】

そして、逃げ面２ｃの粗さは、外輪２の破断を防止するため、次のようにして設定されている。

【0033】

すなわち、逃げ面２ｃの加工方法としては、旋削、研削、プランジカットや鍛造等を採用することができるが、前述のように、その加工によって生じる表面の凹凸が大きいと、その凹凸の谷底部分に応力集中による亀裂が生じて破断に至る場合があると考えられることから、逃げ面２ｃの粗さと亀裂進展の有無との関係を数値解析によって調査した。その結果を表２に示す。

【0034】

【表2】

【0035】

表２からわかるように、逃げ面２ｃの粗さがＲａ５．０μｍ以下であれば亀裂進展は生じないという結果が得られた。このため、実施形態の転がり軸受１では外輪２の逃げ面２ｃの粗さをＲａ５．０μｍ以下に設定している。

【0036】

そして、この実施形態の転がり軸受１について静的破壊試験を行ったところ、図６に示すように、破断荷重が基本静定格荷重の約１１倍となり、十分な強度を有していることが確認された。

【0037】

この転がり軸受１は、上記の構成であり、外輪２の外周に円筒面状の嵌め合い面２ｂを全幅にわたって分断する逃げ面２ｃを形成し、その逃げ面２ｃの粗さをＲａ５．０μｍ以下に加工したので、逃げ面２ｃにおける応力集中による外輪２の破断を防止しつつ、外輪２のクリープを抑制することができる。

【0038】

図７は上述した実施形態の外輪２の変形例を示す。この変形例では、外輪２の嵌め合い面２ｂと逃げ面２ｃとの間に、単一の円弧面からなる単一Ｒ形状を有し、嵌め合い面２ｂと逃げ面２ｃとを滑らかに連続させるつなぎ部２ｄを形成している。図中のａは嵌め合い面２ｂとつなぎ部２ｄとの境界を、ｂは逃げ面２ｃとつなぎ部２ｄとの境界をそれぞれ示している。ここで、「滑らかに連続する」とは、嵌め合い面２ｂと逃げ面２ｃの間に稜線状の角をもたないことをいう。なお、つなぎ部２ｄの形状は、複数の円弧面を周方向に繋いだ複合Ｒ形状としてもよい。

【0039】

外輪２の外周に上記のようなつなぎ部２ｄを形成することにより、外輪２の荷重負荷域が嵌め合い面２ｂと逃げ面２ｃを同時に含む状態になっても、その間のつなぎ部２ｄ付近の接触面積が大きくなり、エッジロードの発生が抑えられるので、エッジロードによる外輪２の破断も防止することができる。

【0040】

図８は上述した実施形態の外輪２の別の変形例を示す。この変形例では、外輪２の外周に等間隔で４つの逃げ面２ｃを形成している。このように逃げ面２ｃの数を増やせば、逃げ面２ｃを一つだけ形成した場合（図３参照）に比べて、逃げ面２ｃが荷重負荷域にない状態で転がり軸受１にラジアル荷重が負荷されたときに、クリープによって逃げ面２ｃが荷重負荷域に入るまでの回転角度が小さくなるので、より短時間でクリープを抑制できるようになる。

【0041】

今回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て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。

【0042】

例えば、この発明は、実施形態のような深溝玉軸受に限らず、外輪が外部の固定側部材にすきま嵌めされた状態で回転軸を支持する転がり軸受に有効に適用することができる。

【符号の説明】

【0043】

１ 転がり軸受
２ 外輪
２ａ 軌道面
２ｂ 嵌め合い面
２ｃ 逃げ面
２ｄ つなぎ部
３ 内輪
４ 玉（転動体）
１０ ハウジング（固定側部材）
１０ａ 内周面
２０ 回転軸

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】