JP4626183B2

JP4626183B2 - 転がり軸受、およびそれを用いたハイブリッド自動車または燃料電池自動車用トランスミッション

Info

Publication number: JP4626183B2
Application number: JP2004150160A
Authority: JP
Inventors: 義晃坂尻; 浩道武村
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2003-05-20
Filing date: 2004-05-20
Publication date: 2011-02-02
Anticipated expiration: 2024-05-20
Also published as: JP2005003198A

Description

本発明は、例えば自動車トランスミッションやハイブリッド自動車または燃料電池自動車のモータ支持或いはモータに直結したギア支持に用いられるのに好適な転がり軸受、およびそれを用いたハイブリッド自動車または燃料電池自動車用トランスミッションに関する。

従来の転がり軸受として、図３に示す転がり軸受５０は、内輪５１と、外輪５２と、内外輪５１，５２間に相対回転自在に配された複数の転動体である玉５３と、玉５３を転動自在に保持する鉄製波形プレス保持器５４と、を備える。内輪５１は、外径面の中央部に内輪軌道面５５を有し、外輪５２は、内径面の中央部に外輪軌道面５６を有する。

図４に示すように、転がり軸受５０に用いられる鉄製波形プレス保持器５４は、非分離形の軸受に用いられるものであり、ポケット５７を形成するための凹部５８，５９を有した２つの環状の金属部材６０，６１を組み合わせてリベット６２にて結合することにより形成されている。鉄製波形プレス保持器５４のポケット５７における転動体案内面の曲率は、玉５３表面の曲率よりも小さく設定されており、鉄製波形プレス保持器５４と玉５３との間に潤滑油による油膜を形成することで、これらの摺動部分の摩耗を抑制している。

また、転がり軸受の他の構成例として、図５に示す転がり軸受７０は、外周面に内輪軌道７２を有する内輪７１と、内周面に外輪軌道７４を有する外輪７３と、内輪軌道７２および外輪軌道７４の間に介挿され、軸受７０の周方向に複数配置され転動体となる玉７５と、玉７５を軸受７０の周方向に等間隔に配置する保持器７６とから構成される。保持器７６は、鋼板を打ち抜きして２つの環状部材７７，７８を形成し、これらの環状部材７７，７８の表面に被覆樹脂部７９を成形したものを、軸受７０の軸方向両端部から玉７５を保持するよう組み合わせ、図示しないリベットにより互いを固定することで構成される。被覆樹脂部７９としては、６６ナイロンにガラス繊維を５〜３０％含有したものである（例えば、特許文献１参照）。
特開２００２−３２３０４６号公報（第３頁、第１図）

昨今、転がり軸受は、ハイブリッド自動車や燃料電池自動車のモータ支持或いはモータに直結したギア支持に用いられることが多い。それらの場合、転がり軸受は、従来のトランスミッションでの使用条件よりも高速回転で使用される。また、自動車を高速で運転中に、急旋回時等に転がり軸受に荷重が負荷されなくなり、転動体と軌道面との間で公転滑り、所謂スキッディングが発生してしまうことがある。そして、このスキッディングが過剰に発生すると、転動体と軌道面との間の油膜が破断し、それによって、金属接触や金属摩耗が発生し、最終的に、焼付き等のスキッディング損傷に至ることになる。また、高速回転により、転動体と金属製保持器との間で金属接触が起こり、金属摩擦が発生し、その影響により、転がり軸受の寿命が低下することがある。

通常、転がり軸受における転動体の動きは、負荷圏では回転輪に駆動されて転がり、また非負荷圏では負荷圏での転動による慣性で回転しながら再び負荷圏に突入する。荷重が小さいと、複数のうち僅かの転動体しか負荷されなくなり、負荷圏が狭くなり非負荷圏が広くなるので、負荷圏で駆動される時間に比べ、慣性で回る時間の割合が大きくなる。このとき、転動体と保持器がともに公転することになるが、保持器が常に負荷圏の転動体と連動して回転するので、非負荷圏の転動体は保持器に押されて公転する。同時に、転動体は保持器の案内面と接触するので、自転が減速する。

このため、負荷圏に再突入するときに転動体の自転速度と駆動輪の回転速度とのバランスが崩れ、駆動輪と転動体との間に滑りが発生する。さらに、回転速度が大きくなると、遠心力により転動体に対し外輪に押し付けられる力が働き、外輪と転動体との摩擦力が大きくなるので、駆動輪と転動体とが滑り易くなる。このため、回転速度が高速になるほど、転動体のスキッディングが発生し易くなる。したがって、上述の転がり軸受５０では、金属製の鉄製波形プレス保持器５４を用いているため、スキッディングが発生して寿命が低下するおそれがある。

また、ハイブリッド自動車や燃料電池自動車は、年々低燃費化が進んでいる。トランスミッション内のギアや軸受の攪拌抵抗を低減するために潤滑油は低粘度化（例えば、４０℃において２５ｃＳｔ以下、１００℃において７．０ｃＳｔ以下）、或いは流量少量化が進んでいる。このため、軸受においては、潤滑不足に起因した発熱が大きくなり、場合によっては焼付きが発生する可能性がある。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、転動体と保持器の案内面との間での摩擦を小さくし非負荷圏における転動体の自転減速を抑えることによりスキッディングに起因した損傷を防止し、さらに、耐焼付き性にも優れて、軸受寿命の延長を図ることができるとともに低トルクで静粛性に優れた転がり軸受、およびそれを用いたハイブリッド自動車または燃料電池自動車用トランスミッションを提供することにある。

本発明の上記目的は、下記の構成により達成される。
（１）ｄｍ・ｎ≧６５万において使用される自動車トランスミッション用の転がり軸受であって、
内輪軌道面を有する内輪と、
外輪軌道面を有する外輪と、
前記内輪軌道面と前記外輪軌道面との間に相対回転自在に配された複数の転動体と、
前記転動体を転動自在に保持する保持器と、を備え、
前記保持器が、グラスファイバーを１５〜３５重量％含有するナイロン系樹脂によって成形されている冠型保持器であり、前記内輪軌道面の内輪溝半径と前記外輪軌道面の外輪溝半径は、前記転動体の直径の０．５１５倍以上であり、油潤滑下で使用され、ハイブリッド自動車又は燃料電池自動車において、モータ支持に使用されることを特徴とする転がり軸受。
（２）（１）に記載の転がり軸受を用いたハイブリッド自動車トランスミッション。
（３）（１）に記載の転がり軸受を用いた燃料電池自動車用トランスミッション。

本発明の転がり軸受によれば、ｄｍ・ｎ≧６５万において使用される自動車トランスミッション用、特にハイブリッド自動車または燃料電池自動車において油潤滑下でモータ支持に使用される転がり軸受における保持器が、グラスファイバーを１５〜３５重量％含有するナイロン系樹脂によって成形される冠型保持器であり、内輪軌道面の内輪溝半径と外輪軌道面の外輪溝半径は、前記転動体の直径の０．５１５倍以上であり、油潤滑下で使用される。
したがって、転動体と転動体案内面との摩擦係数において、ナイロン系樹脂により成形された保持器が、鉄製保持器の約１／１０であるため、転動体と転動体案内面の間での摩擦係数が小さくなることによって、非負荷圏における転動体の自転の減速を抑制し、結果として、転動体のスキッディングに起因した損傷が防止され、さらに、耐焼付き性に優れて、それによって、軸受寿命の延長を図ることができるとともに自動車トランスミッションにおいて低トルクで静粛性に優れた運転を実現できる。

以下、本発明の転がり軸受の実施の形態例を図１及び図２に基づいて詳細に説明する。
図１は本発明の一実施形態の転がり軸受の半断面図、図２は図１に示す転がり軸受に用いた保持器の外観斜視図である。

図１に示すように、本発明の一実施形態の転がり軸受１０は、内輪１１と、外輪１２と、転動体である玉１３と、保持器１４と、から構成されている。転がり軸受１０は、開放形の深溝玉軸受であって、ｄｍ・ｎ≧６５万（ｄｍ：転動体ピッチ円径，ｎ：回転数）で自動車トランスミッションに、ハイブリッド自動車または燃料電池自動車におけるモータ支持或いはモータに直結したギア支持に使用される。

内輪１１は、内輪外径面１５の中央部に凹状をなす内輪軌道面１６が形成されている。内輪１１は、例えば、自動車トランスミッション等の回転軸に外嵌され、回転輪として機能する。

外輪１２は、外輪内径面１７の中央部に凹状をなす外輪軌道面１８が形成されている。外輪１２は、例えば、自動車トランスミッション等のハウジングに内嵌され、固定輪として機能する。

玉１３は、内輪１１の内輪軌道面１６と、外輪１２の外輪軌道面１８との間に相対回転自在に配されている。なお、本実施形態では、玉径をＤａとすると、内輪軌道面１６の内輪溝半径（Ｒｉ）が０．５１５×Ｄａ以上で、且つ、外輪軌道面１８の外輪溝半径（Ｒｅ）が０．５１５×Ｄａ以上であることが好ましい。

保持器１４は、ナイロン系樹脂を素材として成形された冠形保持器であり、円周方向に複数形成されたポケット１９に玉１３を転動自在に保持している。保持器１４の成形に用いられるナイロン系樹脂としては、４６ナイロンや６６ナイロンが好適である。特に、グラスファイバーを１５〜３５重量％含有するナイロン系樹脂で成形することがより好ましい。保持器１４のポケット１９における転動体案内面の曲率は、玉１３の表面の曲率よりも小さく設定されているため、保持器１４と玉１３との間に潤滑油による油膜を形成することにより、これらの摺動部分での摩耗を抑制している。

図２に示すように、ナイロン系樹脂により成形された保持器１４は、ポケット１９が、円環形状をなす保持器本体２０上に柱部２１を介して円周方向に等間隔で複数形成されている。

本実施形態の転がり軸受１０によれば、ｄｍ・ｎ≧６５万において使用される自動車トランスミッション、ハイブリッド自動車または燃料電池自動車においてモータ支持或いはモータに直結したギア支持に使用される。ここで、保持器１４は、ナイロン系樹脂によって成形される。

ここで、一般に、固定部材を鋼、回転部材を鋼で構成した場合には、動摩擦係数は０．４７（面間圧力は０．８３ｋｇｆ／ｃｍ^２、滑り速度６．２ｃｍ／ｓ、ドライ状態）になることが知られている。また、固定部材をフェノール樹脂とし、回転部材を鋼とした場合には、動摩擦係数は０．５２に上昇する。一方、固定部材をナイロン樹脂とし、回転部材を鋼とした場合には、動摩擦係数は０．１に低下することが知られている。

本発明は、上記特性を考慮したもので、公転回転運動を行なう保持器１４を固定部材とし、自転運動を行なう玉１３を回転部材と見なすことができる。高速回転で使用される環境下では、潤滑油の供給が困難となり、玉１３と保持器１４間で滑りが発生するが、本発明における実験により、保持器１４をナイロン樹脂、玉１３を鋼とした場合、潤滑環境下においては鉄製保持器の動摩擦係数の約１／１０に低下することが確認される。

したがって、玉１３と保持器１４におけるポケット１９の転動体案内面との摩擦係数において、ナイロン系樹脂により成形された保持器１４が、鉄製保持器の約１／１０であるため、玉１３と転動体案内面の間での摩擦係数が小さくなることによって、非負荷圏における玉１３の自転の減速を抑制し、結果として、玉１３のスキッディングに起因した損傷が防止され、さらに、耐焼付き性に優れて、それによって、軸受寿命の延長を図ることができるとともに自動車トランスミッション、ハイブリッド自動車または燃料電池自動車において低トルクで静粛性に優れた運転を実現できる。

次に、本発明の転がり軸受に用いたナイロン系樹脂製の保持器の特性を確認するため、標準設計６３０８（内径ｄ＝φ４０ｍｍ，外径Ｄ＝φ９０ｍｍ，幅Ｂ＝２３ｍｍ，転動体ピッチ円径ｄｍ＝６５ｍｍ，カタログ上許容回転数＝９０００ｒｐｍ（油潤滑時））の標準軸受鋼２種の深溝玉軸受に、鉄製波形プレス保持器と、冠形樹脂製保持器とを組み付けて回転試験を行い、スキッディングの発生の有無を確認した。この深溝玉軸受では、外輪がハウジングに固定された固定輪とした。また、ナイロン系樹脂保持器はグラスファイバー（ＧＦ）を２５重量％含有したものを使用した。
[試験条件]
ラジアル荷重：５０Ｎ（軸自重）
回転数：１１０００ｒｐｍ（ｄｍ・ｎ＝７１．５万）
試験温度：５０℃
ｎ数：鉄製波形プレス保持器５個，冠形樹脂製保持器５個

表１により明らかなように、(１)〜(５)の形態では、いずれも鉄製波形プレス保持器（鉄製保持器）には、スキッディングに起因する損傷が発生したのに対し、４６ナイロン（ＧＦ２５重量％含有）により成形した冠形樹脂製保持器及び６６ナイロン（ＧＦ２５重量％含有）により成形した冠形樹脂製保持器は、いずれも異常は発見されなかった。

以上の結果、４６ナイロン（ＧＦ２５重量％含有）を用いて成形した冠形樹脂製保持器及び６６ナイロン（ＧＦ２５重量％含有）を用いて成形した冠形樹脂製保持器には、スキッディングに起因した損傷は確認されず、玉１３と転動体案内面の間での摩擦係数が小さくなることによって、非負荷圏における玉１３の自転の減速を抑制したことが確認された。

次に、実施例１において優れた耐スキッディング性を示した４６ナイロン、６６ナイロンに、含有量を５〜４０重量％の範囲で変化させたグラスファイバー（ＧＦ）を充填して成形したナイロン系保持器をそれぞれｎ＝５個づつ準備して試験を行った。なお、試験条件は実施例１と同様の条件とする。試験結果を図６に示す。

図６から明らかなように、グラスファイバーの含有量が１５〜３５重量％である場合には、いずれの保持器においてもスキッディングが発生せず良好な結果が得られた。一方、グラスファイバーの含有量が１０重量％以下、あるいは４０重量％以上の場合には、多数の保持器でスキッディングの発生が見られた。

グラスファイバーの含有量が１０重量％以下でスキッディングが発生するのは、高速回転時に保持器ポケットの爪部が遠心力により外径方向に広がり、玉を拘束して、結果として玉の自転を減速させるためと考えられる。
一方、グラスファイバーの含有量が４０重量％以上でスキッディングが発生するのは、保持器の強度が高いため、保持器を軸受に組み込む際（玉を保持器ポケットに押し込む）、保持器が塑性変形してしまい、ポケットの形状がくずれ、結果として玉の自転を減速させるためと考えられる。
以上の結果から、グラスファイバーを１５〜３５重量％含有するナイロン系樹脂で成形した冠形樹脂保持器がより優れていることが確認された。

次に、実施例１で使用した標準設計６３０８の標準軸受鋼２種の深溝玉軸受に、鉄製波形プレス保持器と、４６ナイロンからなる冠形樹脂保持器とを組付けて回転試験を行い、耐焼付き性について確認した。この深溝玉軸受は、実施例１同様、外輪がハウジングに固定される固定輪とし、内輪は回転軸に外嵌される回転輪とした。試験条件を以下に示す。なお、内輪溝半径（Ｒｉ）は、０．５０５×転動体直径（Ｄａ）とし、外輪溝半径（Ｒｅ）は、０．５３０×転動体直径（Ｄａ）とする。
[試験条件]
ラジアル荷重：８１００Ｎ（０．２Ｃｒ）
回転数：１２０００ｒｐｍ
潤滑油量：潤滑油塗布のみ
使用油粘度：４０℃：２２．５（ｃＳｔ）、１００℃：６．２（ｃＳｔ）
ｎ数：鉄製保持器５個、樹脂保持器５個

表２に示されるように、鉄製保持器では、焼付き時間の平均が２．８分であるのに対して、４６ナイロンからなる樹脂保持器では、平均が９９．１分と大幅に増加している。従って、樹脂製保持器を用いることで耐焼付き性が向上することが確認された。

次に、４６ナイロンからなる樹脂製保持器の内輪溝半径（Ｒｉ）と外輪溝半径（Ｒｅ）を変更し、実施例３の試験条件を用いて、同様の試験を行なった。表３は、ｎ＝５個の焼付き時間の平均値を示す。

表３から明らかなように、内輪溝半径（Ｒｉ）が０．５１５×Ｄａ以上で、且つ、外輪溝半径（Ｒｅ）が０．５１５×Ｄａ以上である場合に、実施例３で使用された冠形樹脂保持器よりさらに長い焼付き時間が与えられる。
従って、内輪溝半径（Ｒｉ）及び外輪溝半径（Ｒｅ）を共に０．５１５×Ｄａ以上である冠形樹脂保持器を用いることで耐焼付き性が極めて向上する。

なお、本発明に係る転がり軸受は、上述した実施の形態例に限定されるものではなく、適宜な変形、改良等が可能である。
例えば、ナイロン系樹脂により保持器を成形するに際し、ガラス繊維やカーボン繊維等を含有することにより補強するのが好ましい。
また、転がり軸受として、深溝玉軸受に代えて、アンギュラ玉軸受や各種ころ軸受に本発明を適用しても良い。
そして、保持器として、冠形保持器に代えて、もみ抜き保持器等に本発明を適用しても良い。
そしてまた、開放形の深溝玉軸受に代えて、シールド形や非接触シール形或いは接触シール形としても良い。

本発明の一実施形態の転がり軸受の半断面図である。図１に示した転がり軸受に用いた保持器の外観斜視図である。従来の転がり軸受の半断面図である。図３に示した転がり軸受に用いた保持器の外観斜視図である。従来の他の構成例における転がり軸受の一部破断外観図である。グラスファイバーの含有量とスキッディング発生数の関係を示すグラフである。

符号の説明

１０転がり軸受
１１内輪
１２外輪
１３玉（転動体）
１４冠形樹脂製保持器（保持器）
１６内輪軌道面
１８外輪軌道面

Claims

ｄｍ・ｎ≧６５万において使用される自動車トランスミッション用の転がり軸受であって、
内輪軌道面を有する内輪と、
外輪軌道面を有する外輪と、
前記内輪軌道面と前記外輪軌道面との間に相対回転自在に配された複数の転動体と、
前記転動体を転動自在に保持する保持器と、を備え、
前記保持器が、グラスファイバーを１５〜３５重量％含有するナイロン系樹脂によって成形されている冠型保持器であり、前記内輪軌道面の内輪溝半径と前記外輪軌道面の外輪溝半径は、前記転動体の直径の０．５１５倍以上であり、油潤滑下で使用され、ハイブリッド自動車又は燃料電池自動車において、モータ支持に使用されることを特徴とする転がり軸受。
請求項１に記載の転がり軸受を用いたハイブリッド自動車用トランスミッション。
請求項１に記載の転がり軸受を用いた燃料電池自動車用トランスミッション。