JP5128216B2 - 保持器付き針状ころ用保持器および保持器付き針状ころ - Google Patents

Description

この発明は保持器付き針状ころの保持器に関し、トランスミッション用遊星歯車などの高速回転下で使用される保持器付き針状ころに利用することができる。
保持器付き針状ころ（needle roller and cage assembly）は、針状ころを保持器に分離しないように組み付けたもので、ラジアル形とスラスト形があるが、ここではラジアル形を対象とする。

一般に、自動車のトランスミッションには遊星歯車装置が用いられ、遊星歯車装置の遊星歯車を支持するための軸受として保持器付き針状ころが使用されている。保持器付き針状ころは、多数の針状ころと保持器とで構成され、支持軸の外周面を内側軌道面とし、遊星歯車の内周面を外側軌道面として利用することから、トランスミッションのコンパクト化に寄与している。
特開２００４−２３２７２６号公報 特許第３７３５１６０号公報 特開平１１−５１０６０号公報

トランスミッションなどの遊星歯車に使用される軸受は、ギアからの荷重に加えて、公転運動により遠心力が作用する。このため、高速回転特有の現象として、ころに作用する遠心力が高くなり、ころと保持器が衝突する際の保持器に発生する応力が大きくなり、保持器の強度や耐久性上問題があった。
そこで、この発明の目的は、保持器付き針状ころの保持器の高速回転下における耐久性を向上させることにある。

ところで、特許文献２には、保持器のポケットの隅に、円周方向に陥入したぬすみを設け、ぬすみ深さをころ径の５％と設定することが記載されている。しかし、この数値では応力低減の効果が十分でないことが判明した。

また、特許文献３には、保持器端面方向に陥入したぬすみを設けることが記載されている。ぬすみの陥入が端面方向であれ周方向であれ応力が低減する効果に関する限りは大差ないかもしれないが、特許文献３のものは円すいころ軸受であり、針状ころ軸受とは保持器に作用する荷重が異なる。まず、円すいころ軸受の場合、内輪または外輪でころの軸方向の荷重を受けるため、保持器はころから軸方向の荷重を受けない。そのため、ぬすみを保持器端面側に陥入させても保持器が破損する心配がなく、周方向の荷重が作用した場合の発生応力を低減させることができる。針状ころ軸受、とりわけ保持器付き針状ころの場合、内輪および外輪がないため、保持器はころから軸方向、周方向の荷重を受ける。回転するころが保持器と接触することで、保持器が摩耗するいわゆる「ドリリング摩耗」が発生する。そのため、端面側のストレート部をできるだけ長くしてころと保持器の接触面圧を下げる必要がある。

この発明は、軸方向に離間した一対の環状部と、円周方向に所定間隔で位置し前記環状部どうしを連結する柱部とからなり、隣り合った柱部間に、四隅に円周方向にのみ陥入した第一のぬすみを設けたポケットを形成し、柱部の軸線方向中央に位置する部分を針状ころのピッチ円の内径側に配置し、柱部の軸線方向両側に位置する部分を針状ころのピッチ円の半径方向外側に配置したＭ型保持器において、前記ポケットの第一のぬすみのぬすみ深さｄ１と最小柱幅Ｐminを、式Ｐmin／５≦ｄ１≦Ｐmin／３が成立するように設定し、かつ、第一のぬすみのぬすみ深さｄ１とぬすみの曲率半径Ｒを、式ｄ１≦Ｒ≦２ｄ１が成立するように設定し、前記柱部の軸線方向中央に位置する部分と前記柱部の軸線方向両側に位置する部分をつなぐ部分に第二のぬすみを形成し、前記柱部の軸線方向中央に位置する部分と前記柱部の軸線方向両側に位置する部分をころ案内部としたことを特徴とするものである。

保持器の応力を下げるには、高い応力が発生するポケットの隅の丸みの曲率半径を大きくすることが有効であるが、設計上ぬすみ深さを大きくしないと曲率半径を大きくすることはできない。しかし、曲率半径を大きくすると最小柱幅の寸法が小さくなり、保持器の強度が落ちることになる。ぬすみ深さ、曲率半径を変えた保持器のＦＥＭ解析を実施し、上記の式を満たす値が、柱強度を確保しつつ、ぬすみ部分に発生する応力を低減できる寸法であることを確認した。

保持器付き針状ころは、多数の針状ころと保持器とで構成され、支持軸の外周面を内側軌道面とし、遊星歯車の内周面を外側軌道面として利用するようになっている。一例として、トランスミッション用遊星歯車装置の遊星歯車を支持する軸受として利用することができる。針状ころは、通常、直径が５ｍｍ以下で、端面は平坦面である。

この発明によれば、保持器の板厚を増加させることなく柱強度を確保するとともに、ポケットのぬすみ部の局部応力を緩和することができる。したがって、遠心力が増加する高速回転下においても保持器の破損を防ぐことができ、軸受の耐久性が向上する。

以下、この発明の実施の形態を図面を参照して説明する。

まず、保持器付き針状ころの使用例として遊星歯車装置について簡単に述べる。遊星歯車装置は、図４（Ａ）に示すように、内歯を有するリングギア２と、外歯を有する太陽ギア４と、リングギア２および太陽ギア４と噛み合った３つの遊星歯車６と、各遊星歯車６を回転自在に支持するピニオンシャフト８ａをもち自らも回転可能なキャリヤ８とで構成されている。

図４（Ｂ）に示すように、保持器付き針状ころ１０はピニオンシャフト８aと遊星歯車６の間に組み込んである。保持器付き針状ころ１０は、複数の針状ころ１２と、それらを円周方向に所定間隔に保持する保持器１４とからなり、ピニオンシャフト（内輪）８ａと遊星歯車（外輪）６との間に配置され、遊星歯車６をピニオンシャフト８ａ上に回転自在に支持している。そして、ピニオンシャフト８ａの外周面が針状ころ１２のための内側軌道面となり、遊星歯車６の内周面が針状ころ１２のための外側軌道面となる。ピニオンシャフト８ａの内部には、外部から潤滑油を導くための油路８ｂが形成してある。針状ころ１２は、直径が５ｍｍ以下で、端面は平坦面（図２（Ｃ）および図４（Ｂ）参照）とするほか、種々形状のものが知られている。

保持器１４は、図２に示すように、一対の環状部１６を複数の柱部１８で連結した構成を有している。隣接する柱部１８の間の空間が針状ころ１２を収容するための空間すなわちポケット２０となる。柱部１８の断面形状は概ねＭ字形である（図２（Ｃ））。このような断面形状を有することからこの保持器１４はＭ型保持器と呼ばれる。軸線方向中央に、縮径した、言い換えれば保持器１４の軸芯側に寄った縮径部１８ａを有し、この縮径部１８ａの軸線方向両側から環状部１６にかけての、縮径部１８ａから見て拡径した部分の外周面を案内面１８ｂとしている。つまり、この保持器１４は回転時、遊星歯車６（図４）の内周面で案内されるいわゆる外輪案内で用いられる。

ポケット２０の平面形状は図１に示すとおりである。ポケット２０は、保持器１４の円周方向を短辺、軸方向を長辺とする概ね長方形状で、短辺の長さをポケット幅と呼び、符号ｗはポケット幅寸法を表している。長辺は針状ころ１２の案内をする。ポケット２０の四隅に、円周方向に陥入した曲率半径Ｒのぬすみ２２が形成してあり、符号ｄ１はぬすみ２２の円周方向への寸法すなわちぬすみ深さを表している。長辺には２箇所にぬすみ２４が形成してあり、このぬすみ２４のぬすみ深さもぬすみ２２と同じぬすみ深さｄ１としてある。ぬすみ深さｄ１は柱部１８から見ると最小柱幅を規定し、図１（Ｂ）に示すように符号Ｐminは最小柱幅寸法を表している。つまり、ぬすみ深さｄ１と最小柱幅Ｐminはトレードオフの関係にある。

ぬすみ深さｄ１とぬすみ２２の曲率半径Ｒは、次の式（１）を満足するように設定する。
ｄ１ ≦ Ｒ ≦ ２ｄ１ …（１）

また、ぬすみ深さｄ１と最小柱幅Ｐminが式（２）を満たすように設定する。
Ｐmin／５ ≦ ｄ１ ≦ Ｐmin／３ …（２）

式（１）によりぬすみ深さｄ１を大きくすると最小柱幅Ｐminが小さくなり、ぬすみ２２部分の応力が高くなる。そのため、式（２）によりぬすみ２２の曲率半径Ｒを大きく取ることにより、応力を緩和する。ぬすみ深さｄ１が十分でない状態で曲率半径Ｒを大きくしようとすると、針状ころ１２とポケット２０の周壁が干渉するため（図３参照）、ぬすみ深さｄ１の寸法規定が必要となる。

ここで、図３（Ａ）はぬすみがまったくない例、図３（Ｂ）はぬすみ２２はあるがぬすみ深さｄ１が小さい場合の例、図３（Ｃ）はぬすみ深さｄ１が大きい場合の例を示している。各図中、実線はポケット２０の輪郭を表し、破線はころの輪郭を表している。

以上のようにして、保持器１４の板厚を増加させることなく、柱部１８の強度を確保するとともに、ぬすみ２２の曲率半径Ｒおよびぬすみ２２部分の局部応力を緩和することができる。したがって、遠心力が増加する高速回転下においても保持器１４の破損を防ぐことができ、軸受の耐久性が向上する。

保持器１４のぬすみ深さｄ１とぬすみ２２の曲率半径Ｒを変えた比較例の保持器と実施例の保持器とについて、高速回転時の強度試験を行なったところ、表１に示すような結果を得た。試験条件は表２に示すとおりである。

表１中、応力比とは、ぬすみ深さｄ１：０．３ｍｍ、ぬすみ曲率半径Ｒ：０．５ｍｍの仕様（比較例２）における応力を基準として、それに対する比較例、実施例の保持器の応力の比で、応力比の値が小さい方が保持器強度は高くなる。当該応力は、ポケット２０のぬすみ２２部分で測定した応力を意味する。保持器２０の最大応力が発生する部位すなわち保持器の最弱部がぬすみ２２部分であるため、その部分の応力値を比較したものである。

表１における比較例１および比較例２ならびに実施例３を使用して、３種類の試験条件で試験を行なった結果、表２に示すように、比較例１および比較例２はいずれの試験条件下でも破損に至った。具体的には、比較例１および比較例２の保持器はどの条件でもポケットのぬすみ部分が破損した。これに対して実施例３の保持器は、比較例１および比較例２が破損した時間と同時間で試験をしても破損せず、継続使用が可能な状態であった。

（Ａ）は実施の形態を説明するための保持器のポケットの展開平面図、（Ｂ）は保持器の一部分の展開平面図である。 （Ａ）は保持器の正面図、（Ｂ）は斜視図、（Ｃ）は保持器付きころの断面図である。 （Ａ）（Ｂ）（Ｃ）はポケットのぬすみ部分の拡大図である。 （Ａ）は遊星歯車装置の略図、（Ｂ）は遊星歯車を支持する軸受部分の断面図である。

符号の説明

１０ 保持器付き針状ころ
１２ 針状ころ
１４ 保持器
１６ 環状部
１８ 柱部
２０ ポケット
２２ ぬすみ
２４ ぬすみ

Claims (5)

1. 軸方向に離間した一対の環状部と、円周方向に所定間隔で位置し前記環状部どうしを連結する柱部とからなり、隣り合った柱部間に、四隅に円周方向にのみ陥入した第一のぬすみを設けたポケットを形成し、柱部の軸線方向中央に位置する部分を針状ころのピッチ円の内径側に配置し、柱部の軸線方向両側に位置する部分を針状ころのピッチ円の半径方向外側に配置したＭ型保持器において、前記ポケットの第一のぬすみのぬすみ深さｄ１と最小柱幅Ｐminを、式Ｐmin／５≦ｄ１≦Ｐmin／３が成立するように設定し、かつ、第一のぬすみのぬすみ深さｄ１とぬすみの曲率半径Ｒを、式ｄ１≦Ｒ≦２ｄ１が成立するように設定し、前記柱部の軸線方向中央に位置する部分と前記柱部の軸線方向両側に位置する部分をつなぐ部分に第二のぬすみを形成し、前記柱部の軸線方向中央に位置する部分と前記柱部の軸線方向両側に位置する部分をころ案内部とした保持器付き針状ころ用保持器。
2. 請求項１の保持器を有する保持器付き針状ころ。
3. 針状ころの端面がＦ端面である請求項２の保持器付き針状ころ。
4. 針状ころの直径が５ｍｍ以下である請求項３の保持器付き針状ころ。
5. トランスミッション用遊星歯車装置用である請求項２から４のいずれか１項の保持器付き針状ころ。

Images