JP2018194039A

JP2018194039A - スラストころ軸受

Info

Publication number: JP2018194039A
Application number: JP2017095774A
Authority: JP
Inventors: 中島　義仁; Yoshihito Nakajima; 義仁中島
Original assignee: JTEKT Corp
Current assignee: JTEKT Corp
Priority date: 2017-05-12
Filing date: 2017-05-12
Publication date: 2018-12-06
Also published as: US10422376B2; DE102018111025A1; CN108869534A; US20180328407A1

Abstract

【課題】長寿命化が図られたスラストころ軸受を提供する。【解決手段】放射状に配置された複数のころ５と、複数のころ５を転動可能に保持する環状の保持器４と、保持器４の軸方向における一側に配置され、複数のころ５が転動する第１の軌道面２ａが形成された環状のアウタレース２と、保持器４の軸方向における他側に配置され、複数のころ５が転動する第２の軌道面３ａが形成された環状のインナレース３とを備え、第１の軌道面２ａと第２の軌道面３ａのうち少なくとも一方の軌道面のビッカース硬さが８００以上かつ９５０以下であり、複数のころ５の外周面のビッカース硬さが６９７以上かつ８００未満である。【選択図】図１

Description

本発明は、スラストころ軸受に関する。

従来、軸方向のスラスト力を受けながら回転部材を支持するスラストころ軸受が様々な用途に用いられている。スラストころ軸受は、放射状に配置された複数の円柱状のころを備え、例えば自動車の自動変速機において非回転部材と回転部材との間に介挿され、回転軸方向のスラスト力を受けながら回転部材の回転を円滑にするために用いられる。

スラストころ軸受は、放射状に配置された複数のころを転動可能に保持する環状の保持器と、軸方向において保持器を挟み込むように配置され、複数のころが転動する軌道面が形成された一対の軌道部材（レース）とを有している。

特許文献１には、ころに熱処理後のショットピーニング処理による表面硬化層を形成したスラストころ軸受が開示されている。

特開２００３−２３９９８１号公報

スラストころ軸受は、その使用状況によっては、特にレースの軌道面において、その表面が剥離するフレーキングと呼ばれる現象が発生し易いことが本発明者らによって確認されている。これは、スラストころ軸受の構成上、レースの径方向におけるころの両端部で転動距離が異なるために、使用時に軌道面に対してころが滑ってレースに負荷がかかりやすいためと考えられる。

そのため、特許文献１のようにころの表面の硬度を高くしても、使用状況によっては十分な耐久性が得られず、寿命が短くなってしまうおそれがあった。

そこで、本発明は、長寿命化が図られたスラストころ軸受を提供することを目的とする。

本発明は、上記の目的を達成するために、放射状に配置された複数のころと、前記複数のころを転動可能に保持する保持器と、前記保持器の軸方向における一側に配置され、前記複数のころが転動する第１の軌道面が形成された環状の第１の軌道部材と、前記保持器の軸方向における他側に配置され、前記複数のころが転動する第２の軌道面が形成された環状の第２の軌道部材とを備え、前記第１及び第２の軌道面の少なくとも一方の軌道面は、ビッカース硬さが８００以上かつ９５０以下であり、前記複数のころの外周面のビッカース硬さが６９７以上かつ８００未満であるスラストころ軸受を提供する。

本発明によれば、長寿命化が図られたスラストころ軸受を提供することができる。

本発明の一実施の形態に係るスラストころ軸受を示す図であり、（ａ）は回転軸線を含む平面で切断した断面図、（ｂ）は（ａ）の一部拡大図である。アウタレースを示す図であり、（ａ）はインナレース側から見た平面図、（ｂ）はインナレースと反対側から見た平面図である。インナレースをアウタレース側から見た平面図である。保持器をインナレース側から見た平面図である。軌道面の表面からの深さと残留圧縮応力との関係を示すグラフ図である。本発明の実施例及び比較例における累積破損率と寿命との関係を示すグラフ図である。

［実施の形態］
本発明の実施の形態について、図１乃至図６を参照して説明する。なお、以下に説明する実施の形態は、本発明を実施する上での好適な具体例として示すものであり、技術的に好ましい種々の技術的事項を具体的に例示している部分もあるが、本発明の技術的範囲は、この具体的態様に限定されるものではない。

（スラストころ軸受１の全体構成）
図１は、本実施の形態に係るスラストころ軸受１を示す図であり、（ａ）は保持器４の回転軸Ｏを含む平面で切断した断面図、（ｂ）は（ａ）の一部拡大図である。

スラストころ軸受１は、放射状に配置された複数の円柱状のころ５と、複数のころ５を転動可能に保持する環状の保持器４と、保持器４の軸方向における一側に配置され、複数のころ５が転動する第１の軌道面２ａが形成された環状の第１の軌道部材としてのアウタレース２と、保持器４の軸方向における他側に配置され、複数のころ５が転動する第２の軌道面３ａが形成された環状の第２の軌道部材としてのインナレース３とを備えている。

このスラストころ軸受１は、例えば自動車の自動変速機に用いられ、インナレース３の内周側に挿通された軸状の回転部材と、アウタレース２に面したハウジングの支持部との間に介挿され、保持器４に保持された複数のころ５の転動により、軸方向のスラスト力を受けながら回転部材の回転を円滑にする。

（アウタレース２の説明）
図２は、アウタレース２を示す図であり、（ａ）はインナレース３側から見た平面図、（ｂ）はインナレース３と反対側から見た平面図である。

アウタレース２は、鋼板等の金属からなり、複数のころ５が転動する第１の軌道面２ａが形成された環状の第１の軌道部２１と、第１の軌道部２１の外周端から第１の軌道面２ａに対して垂直に延出された短円筒状の外周壁部２２と、外周壁部２２の先端側（第１の軌道面２ａとは反対側）の端部に設けられた複数の係止突起２３とを一体に有している。第１の軌道面２ａは、回転軸Ｏに対して垂直な平面上にあり、後述するインナレース３の第２の軌道面３ａに対向して配置される。

複数の係止突起２３は、アウタレース２の外周側の縁部における複数箇所に設けられ、外周壁部２２の内周面２２ａから径方向内側に向かって突出している。複数の係止突起２３は、保持器４を係止して第１の軌道面２ａから離間する方向の保持器４の移動を規制する。それぞれの係止突起２３は、例えばステーキング（かしめ）によって、外周壁部２２の先端側の端部を内側に屈曲して形成されている。

本実施の形態では、４つの係止突起２３をアウタレース２の周方向に沿って等間隔（９０°ごと）に設けているが、係止突起２３の数はこれに限定されるものではない。保持器４がアウタレース２に対して第１の軌道面２ａから離間する方向に移動すると、保持器４の外周側の端部が係止突起２３に当接し、保持器４のアウタレース２に対するさらなる軸方向の移動が抑止される。

（インナレース３の説明）
図３は、インナレース３をアウタレース２側から見た平面図である。

インナレース３は、鋼板等の金属からなり、複数のころ５が転動する第２の軌道面３ａが形成された環状の第２の軌道部３１と、第２の軌道部３１の内周端から第２の軌道面３ａに対して垂直に延出された短円筒状の内周壁部３２と、内周壁部３２の先端側（軌道面３ａとは反対側）の端部に設けられた複数の係止突起３３とを一体に有している。第２の軌道面３ａは、アウタレース２の第１の軌道面２ａに平行となるように配置される。

複数の係止突起３３は、インナレース３の内周側の縁部における複数箇所に設けられ、内周壁部３２の外周面３２ａから径方向外側に向かって突出している。複数の係止突起３３は、保持器４を係止して軌道面３ａから離間する方向の保持器４の移動を規制する。それぞれの係止突起３３は、例えばステーキング（かしめ）によって、内周壁部３２の先端側の端部を外側に屈曲して形成されている。

本実施の形態では、４つの係止突起３３をインナレース３の周方向に沿って等間隔（９０°ごと）に設けている。保持器４がインナレース３に対して第２の軌道面３ａから離間する方向に移動すると、保持器４の内周側の端部が係止突起３３に当接し、保持器４のインナレース３に対するさらなる軸方向の移動が抑止される。

（保持器４の説明）
図４は、保持器４をインナレース３側から見た平面図である。

保持器４は、複数のころ５を保持する複数の保持孔４ａの外側に形成された外側円環部４１と、保持孔４ａの内側に形成された内側円環部４２と、外側円環部４１と内側円環部４２とを径方向に連結する複数の柱部４３とを一体に備える。外側円環部４１及び内側円環部４２は同心状に形成され、柱部４３と共に保持孔４ａを形成する。保持孔４ａは、保持器４の径方向に沿って長辺が延び、保持器４を厚さ方向（軸方向）貫通する長方形状の貫通孔である。

保持器４には、放射状に配置された複数のころ５を転動可能に保持するように、複数のころ５と同数の複数（本実施の形態では３９個）の保持孔４ａが放射状に形成されている。本実施の形態では、保持器４が鋼板をプレス等によって打ち抜き及び屈曲して形成されている。保持器４を軸方向から見た場合に、保持器４の周方向における保持孔４ａの中心部間の間隔は、ころ５の転動面である外周面の円周長さよりも狭く形成されている。

（アウタレース２、インナレース３、及び複数のころ５の硬度等の説明）
上記のように構成されたスラストころ軸受１の長寿命化を図るためには、ころ５の硬度を高くすることが一般的であるが、本実施の形態では、ころ５の外周面の硬度よりもアウタレース２及びインナレース３の第１及び第２の軌道面２ａ，３ａの硬度を高くすることにより、スラストころ軸受１の長寿命化を図っている。

具体的には、本実施の形態に係るスラストころ軸受１では、第１の軌道面２ａ及び第２の軌道面３ａの両軌道面のビッカース硬さが８００以上かつ９５０以下であり、複数のころ５の外周面のビッカース硬さが６９７以上かつ８００未満である。ただし、第１の軌道面２ａ及び第２の軌道面３ａのうち一方の軌道面のビッカース硬さが８００以上かつ９５０以下であれば、ころのビッカース硬さが一対のレースのビッカース硬さよりも高い従来のスラストころ軸受に比較して、スラストころ軸受１の長寿命化が見込まれる。なお、ビッカース硬さ８００以上かつ９５０以下は、ロックウェル硬さ６４．０以上かつ６８．２以下に相当し、ビッカース硬さ６９７以上かつ８００未満は、ロックウェル硬さ６０．０以上かつ６４．０未満に相当する。以下、アウタレース２及びインナレース３を単にレース２，３といい、第１及び第２の軌道面２ａ，３ａを単に軌道面２ａ,３ａという。

本実施の形態では、ショットピーニングにより軌道面２ａ，３ａの表面を硬化させた。ショットピーニングのショット材としては、鉄からなるものを用いるとよい。なお、ショット材としてガラスからなるものを用いた場合、ガラスの破片が軌道面２ａ，３ａに残留するおそれがあるため、ショット材としてガラスからなるものを用いることは好ましくない。

ショットピーニングは、レース２，３の軌道面２ａ，３ａのみに行ってもよいし、レース２，３の表面全体に対して行ってもよい。ショットピーニングの条件（ショット圧やショット材の粒径等）は特に限定するものではない。ただし、ショットピーニングが不足すると十分な硬度が得られず、過度であると靱性の低下が生じるおそれがある。また、ショットピーニングによる硬化層が厚すぎると、レース２，３全体の靱性が低下して寿命が低下するおそれが生じる。そのため、ショットピーニングの条件は、残留圧縮応力のピークが軌道面２ａ，３ａの表面から深さ１５μｍより小さい範囲となり、かつ、残留圧縮応力のピーク値が７５０〜２０００ＭＰａ（７５０ＭＰａ以上かつ２０００ＭＰａ以下）となるように、適宜設定するとよい。なお、残留圧縮応力の測定は、Ｘ線応力測定法により行うことができる。

図５は、レース２，３の軌道面２ａ，３ａの表面からの深さと残留圧縮応力との関係を示すグラフ図である。なお、図５では、ショット加工した１０個のサンプルを用い、当該サンプルの残留圧縮応力の平均値を示している。図５に示すように、ショットピーニングによる硬化層は非常に薄く、表面から深さ１５μｍより小さい範囲に残留圧縮応力のピークが存在している。

なお、レース２，３の材質として硬いものを用いることで軌道面２ａ，３ａの硬度を確保することも考えられるが、この場合、係止突起２３，３３の加工が困難となったり、外周壁部２２や内周壁部３２の曲げ加工時に割れが生じたりするおそれが生じる。本実施の形態のようにショットピーニングにより軌道面２ａ，３ａの表面を硬化させることで、係止突起２３，３３の加工等を容易としつつも、軌道面２ａ，３ａの表面の硬度を高めてフレーキングの発生を抑制することが可能になる。

本実施の形態では、レース２，３として、ショットピーニングを実施する前における表面のビッカース硬さが６７５以上かつ７７５以下（ロックウェル硬さ５９以上かつ６３以下）なるものを用いた。レース２，３の材質としては、ＳＡＥ１０７５やＳＫ８５等の鋼材を用いることができる。なお、軌道面２ａ，３ａの表面を硬化する方法はショットピーニングに限らず、例えばバニシング加工を用いてもよい。

レース２，３は、プレス加工により成形した後に熱処理を行い、その後軌道面２ａ，３ａにショットピーニングを行うことにより形成される。なお、軌道面２ａ，３ａの表面のビッカース硬さを測定する際には、測定荷重を１．９４Ｎとしたマイクロビッカース硬さ試験を用いる。これは、ショットピーニングによる硬化層は非常に薄いため、測定荷重を大きくすると、荷重を負荷した際に硬化層を突き破ってしまうおそれがあるためである。

複数のころ５の表面のビッカース硬さを６９７以上かつ８００未満とするのは、ころ５の表面のビッカース硬さが６９７未満であると、ころ５の表面にフレーキングが発生しやすくなり、ころ５の表面のビッカース硬さを８００以上とするためには、特殊な加工を要して製造工程の複雑化及び高コスト化をまねくおそれがあるためである。

ころ５としては、普通焼入れ焼戻し材を用いてもよいが、より硬度の高い浸炭窒化焼入れ焼戻し材を用いることがより望ましい。ころ５は、その外周面に窒素を０．０１ｍａｓｓ％以上かつ１．００ｍａｓｓ％以下含むとよい。ころ５として浸炭窒化焼入れ焼戻し材を用いることにより、さらなる長寿命化が可能になる。

（実験結果）
レース２，３としてショットピーニング加工を施したものを用い、ころ５として普通焼入れ焼戻し材を用いた実施例１、及び、レース２，３としてショットピーニング加工を施したものを用い、ころ５として浸炭窒化焼入れ焼戻し材を用いた実施例２について、累積破損率と寿命との関係を求めた。結果を図６に示す。なお、図６では、レース２，３としてショットピーニング加工を行わないものを用い、ころ５として普通焼入れ焼戻し材を用いた比較例の結果も併せて示している。図６に示すように、比較例と比べて、本発明の実施例１，２は長寿命であり、ころ５として浸炭窒化焼入れ焼戻し材を用いた実施例２が最も長寿命であることが分かる。

（実施の形態の作用及び効果）
以上説明したように、本実施の形態では、複数のころ５の外周面のビッカース硬さがレース２，３における軌道面２ａ，３ａのビッカース硬さよりも低いので、軌道面２ａ，３ａにおけるフレーキングの発生が抑制され、上記の実験結果に示すように長寿命なスラストころ軸受１を実現することができる。また、本実施の形態では、軌道面２ａ，３ａの表面のビッカース硬さが８００以上かつ９５０以下であり、複数のころ５の外周面における表面のビッカース硬さが６９７以上かつ８００未満であるので、スラストころ軸受１の製造を容易としながら上記の効果を確実に奏することができる。

なお、複数のころ５の外周面のビッカース硬さを軌道面２ａ，３ａのビッカース硬さよりも低くすることで、ころ５の外周面には負荷がかかりやすくなるが、ころ５は転動することで荷重がかかる部位が常に変わるため、摩耗やフレーキングの発生が抑えられている。

（付記）
以上、本発明を実施の形態に基づいて説明したが、これらの実施の形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施の形態の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない点に留意すべきである。

また、本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変形して実施することが可能である。上記実施の形態では、第１の軌道面２ａ及び第２の軌道面３ａのビッカース硬さが共に８００〜９５０（８００以上かつ９５０以下）である場合について説明したが、これに限らず、第１の軌道面２ａのみ、もしくは第２の軌道面３ａのみがビッカース硬さ８００〜９５０であってもよい。すなわち、第１及び第２の軌道面２ａ，３ａのうち少なくとも一方の軌道面がビッカース硬さ８００〜９５０であれば、本発明の効果を奏することができる。また、この場合、ビッカース硬さが８００〜９５０である一方の軌道面が、その表面から深さ１５μｍより小さい範囲に残留圧縮応力のピークを有し、かつ当該残留圧縮応力のピーク値が７５０ＭＰａ以上かつ２０００ＭＰａ以下であるとよい。

１…スラストころ軸受
２…アウタレース（第１の軌道部材）
２ａ…第１の軌道面
２１…第１の軌道部
３…インナレース（第２の軌道部材）
３ａ…第２の軌道面
３１…第２の軌道部
４…保持器

Claims

放射状に配置された複数のころと、
前記複数のころを転動可能に保持する保持器と、
前記保持器の軸方向における一側に配置され、前記複数のころが転動する第１の軌道面が形成された環状の第１の軌道部材と、
前記保持器の軸方向における他側に配置され、前記複数のころが転動する第２の軌道面が形成された環状の第２の軌道部材とを備え、
前記第１及び第２の軌道面の少なくとも一方の軌道面は、ビッカース硬さが８００以上かつ９５０以下であり、前記複数のころの外周面のビッカース硬さが６９７以上かつ８００未満である、
スラストころ軸受。
前記少なくとも一方の軌道面は、その表面から深さ１５μｍより小さい範囲に残留圧縮応力のピークを有し、かつ当該残留圧縮応力のピーク値が７５０ＭＰａ以上かつ２０００ＭＰａ以下である、
請求項１に記載のスラストころ軸受。
前記複数のころは、その外周面に窒素を０．０１ｍａｓｓ％以上かつ１．００ｍａｓｓ％以下含む、
請求項１又は２に記載のスラストころ軸受。