NACHITECHNICALREPORT
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22B3

Vol.

March/2011■ 新商品・適用事例紹介「駆動系ユニット用軸受の抵抗低減技術」―ELT軸受（Extra Low Torque Bearing）の開発―

機能部品事業Technology for Reducing Resistance of a Bearing for Drive Unit---Development of Extra-low Torque Bearing "ELT Bearing"〈キーワード〉抵抗低減・円すいころ軸受・玉軸受・線接触・点接触・疲労寿命

軸受事業部／技術部／自動車技術

冨成

敬史

Takafumi TOMINARI

「駆動系ユニット用軸受の抵抗低減技術」―ELT軸受（Extra Low Torque Bearing）の開発―

要旨

駆動系ユニット（トランスミッションやディファレンシャ抵抗低減要求

ル）の軸支持には転がり軸受を使用している。転が地球環境保護の視点からCO 2排出量低減の動り軸受単体での損失抵抗は小さいものであるが、自きは年々強くなっている。自動車の燃費向上は重それらの抵抗動車の燃費向上が急務となっており、（トランスミッションやディ要な課題であり、駆動系ユニット低減も強く望まれるようになってきた。

ファレンシャルなど）では軽量化と各部の効率向上

一般的に、支持剛性や疲労寿命の観点から円すそれらの抵いころ軸受を用いるケースが非常に多く、抗低減が大きな課題となっている。
そこで円すいころ軸受に対し、支持剛性や疲労寿命の低下を伴わずに大幅な抵抗低減を可能とする並 列 型 複 列アンギュラ玉 軸 受（ E x t r a - L o w ＥＬＴ軸受）を開発した。
Torque軸受；以下、Abstract
A roller bearing is used for the support ofdrive shaft for a drive unit（transmission or differential）. Resistance loss of a roller bearing itself issmall. However, it has become an urgent matter
to improve fuel efficiency, and the reduction of
the bearing resistance has been strongly demanded. Generally, a tapered roller bearing is usedin so many cases from the viewpoint of support
rigidity and fatigue life, so it is a major challenge
to reduce resistance.
Thus, NACHI has developed Tandem Double-row Angular Contact Ball Bearing（Extra-lowTorque Bearing - - - ELT Bearing） that enables
the substantial reduction of resistance, replacing
a tapered roller bearing.

11.駆動系ユニットのが急務となっている。
駆動系ユニットでは入力荷重が大きな軸の支持※1に円すいころ軸受を組合せて配置し、予圧を与えて使用することが多く、それらの抵抗低減は軸受側の課題となっている。
円すいころ軸受については、既に転がり抵抗の発生メカニズムが明らかにされており、理論式に基づく机上検証から軸受内部諸元を最適化することで抵抗低減を図ってきた。
しかし、その延長線上では、これ以上の大幅な抵抗低減は期待できなくなってきている。
一方、玉軸受は点接触のため、接触面積が小さく、転がり抵抗の面で非常に有利であるが、疲労寿命や支持剛性の面で入力荷重の大きな部位には不適といわれてきた。
ここでは、実質的な支持剛性や疲労寿命の低下
ころ軸受から玉軸受への転換を図り、を伴うことなく、大幅な抵抗低減を可能にしたＥＬＴ軸受の事例をまじえ、軸受の抵抗低減技術を紹介する。

2.円すいころ軸受の転がり抵抗発生メカニズム
円すいころ軸受の転がり抵抗については、各軸受メーカーにおいて理論化されている。NACHIにおいても理論構築〜検証実験を進め、机上検討段
1）階で転がり抵抗の予測が可能となっている。

ころ端面のす転がり運動領域でのトルクをＴＲ、これらの値は互べり部分でのトルクをＴSとすると、いに影響をおよぼし合うことなく独立に計算するこ
これらの和として軸受トルクＴを求めることとができ、これらに保持ができる（図2）。実際の測定値には、器摺動摩擦や潤滑油の攪拌抵抗が加わるが、過多

図1 ＥＬＴ軸受の潤滑環境でない限りは、ほぼ計算値に近い値が観測される。
ＴR＝ｆr･Ｌ0.69･ｄｐｃ1.69･ΣＱ0.31･（ν･Ｎ）0.69
ＴＳ＝ｅ･cosθ･sinα･μ･ΣＱ･ｅｘｐ（−1.8Λr1.2）
Ｌ；ころ長さ dpc；ころピッチ円径 Q；転動体荷重
ν；潤滑油動粘度 N；内輪回転数 α；接触角fr；潤滑剤による係数 Λr；つば部の油膜パラメークe;ころ端面のつばあたり高さ

損失トルク

軸受トルクT＝TS＋TR

TS項

TR 項
転がり運動に拘わるもの→TR

つば荷重のすべり摩擦に拘わるもの→TS

回転数rpm

図2

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円すいころ軸受 トルクＴの構成

2

「駆動系ユニット用軸受の抵抗低減技術」―ELT軸受（Extra Low Torque Bearing）の開発―

3. 円すいころ軸受の抵抗低減技術
図2に示すように、回転数とＴＲ、ＴSの関係は低回

1）小型化による抵抗低減

転域ではＴSの影響が大きく、高回転域ではＴＲの影

ＴＲの低 減に最も効 果 的な因 子は、ころピッチ響が大きくなる。
したがって、狙いの回転数によって6 9 乗で影 響す
円 径の縮 小であり、理 論 式より1．

抵抗低減に影響する因子が異なることが判る。

ることがわかる。したがって、軸 受 の小 型 化は軽

例えば、ディファレンシャルにおいて、プロペラシャフト量 化 の 達 成 のみならず 、抵 抗 低 減 にも非 常 にと同じ回転数で回るピニオン軸受ではＴＲの低減が有 効な手 段 である。しかし、この場 合 、おのずと重要であり、タイヤと同じ回転数で回るサイド軸受で軸 径も小さくなってしまうので、軸 剛 性の低 下やはＴSの低減が重要となる。最終減速比を4.00、車速疲労寿命面の低下といった背反事項がでてくる。

タイヤ半径300mmとすれば、サイド軸受は60km/h、（図3）ピニオン軸受は約2120rpmで回転する。
約530rpm、軸受の損失エネルギーＱは標準軸受

低トルク仕様Ｑ（kW）＝0.1047×軸受トルクＴ（N･m）×回転数n（rpm）
で求めることができ、軸受トルクと回転数に比例する。
ピニオン軸受とサイド軸受の軸受トルクＴが同じ仮に、場合、ピニオン軸受による損失はサイド軸受の４倍に相当する。このことより抵抗低減を図るにはピニオン軸受のＴＲを低減することがより効果的と考えられる。

小型化仕様（軸径ダウン）

標準軸受
低トルク仕様軸たわ 0みmm

小型化仕様（軸径ダウン）

図33

軸受小型化による背反（軸剛性低下）

2）内部諸元適正化による抵抗低減

3）寿命的余裕の活用

残された因子による抵抗低減は、いかに転動体Ｑを小さくするには、組 み 合 せ て使 用 する軸荷重Qを小さくするか、いかに接触長さＬを短くでき受 の疲 労 寿 命 のバランスを図ることになる。アンるかで決まってくる。

バランスが存 在 するということは、寿 命 の短い列Qは外力の軸受内部への分散として現れるもの

はＱの極 小 化により寿 命 向 上を図り、寿 命 の長であり、内部諸元の適正化によりQを極小化する方

い 列は 背 反を生じない 範 囲 で抵 抗 低 減を達 成法はあり得る。それに寄与する大きな因子は接触角する方策が打てる余裕を持 つことを示している。

αであり、アキシアル荷重が大きければαを大きくし、ラこれと同様の発想が軸受単体にも適用できる。

ジアル荷重が大きければαを小さくするなど、外力に軸 受の疲 労 寿 命は主に回 転 輪の接 触に支 配さ応じたαの適正化が可能である。このとき同時に、軸れており、固 定 輪ではかなり余 裕を持っている。

受寿命も結果として向上することになる。
（図4）

そこで、疲 労 寿 命 の 低 下を伴 わない 範 囲 で固元々ディファレンシャ
このようにQを小さくする手法は、定 輪 の 接 触 長さを短くすることで、大きな抵 抗ルのサイド軸受などの疲労寿命向上を目的として、低 減 効 果を得ることが可 能となる。回 転 輪 の接外力に応じて組み合せる軸受の内部諸元の適正触 長さを大きく、固 定 輪 の接 触 長さを短くするに化を行なったことに端を発している。

は、固 定 輪 側 軌 道 のクラウニングを大きくするこ

当時は、抵抗低減よりも疲労寿命のバランスをと※2とで容易に得ることができる。

ることが狙いであったが、同時に転がり抵抗も小さく以 上 の様な手 法を合 せて用いることで、標 準なるという付帯効果を生んでいたことになる。
（図5）

的な円 すいころ軸 受を選 定した場 合に比 べ 、およそ3 0％の抵 抗 低 減を達 成させることが可 能でQ2ある。これをN A C H I ではＳＬＴ（ S u p e r - L o w -Q1Torque）軸受として、市場に投入し続けてきた。

Fa

Fa

接触角α大接触角α小アキシアル荷重Fa 大 Q 1＜Q 2

FrQ1

Fr

Q2

アキシアルアキシアル

寿命

反アキシアル側軸受接触角α大最小値の向上アキシアル側軸受

反アキシアル側軸受

アキシアル側軸受

接触角α小

ラジアル荷重F r 大 Q 1＞Q 2
軸受予圧

図4

外力に応じた接触角αの適正化

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図5

左右軸受の適正化による寿命向上事例

4「駆動系ユニット用軸受の抵抗低減技術」―ELT軸受（Extra Low Torque Bearing）の開発―

4. 玉軸受への転換
1）並列型複列アンギュラ玉軸受（ELT軸受）

ピニオン軸はフロント軸受とリヤ軸受の組み合せで年 々、軸 受 へ の 抵 抗 低 減 の 要 望 は 強くなっ支持されるが、円すいころ軸受同士の組み合せでは、ているが 、円 す いころ軸 受 の 抵 抗 低 減 は 従 来

フロント軸受の疲労寿命にかなりの余裕がある。こ

技術の延長線では限界に近いレベルにきている。

れを単純に単列の玉軸受に置き換えるとリヤ軸受

一 方 、玉 軸 受については、点 接 触であるがゆの疲労寿命を下回ってしまうが、2列配置とし負荷えに、支 持 剛 性 の低 下、疲 労 寿 命 の低 下など乗容量を大きくすることでリヤ軸受と同等の疲労寿命り越えねばならない課 題があり、大きな抵 抗 低 減を得ることが可能である。
（図7）

効 果が期 待できるものの円 すいころ軸 受から玉また、アキシアル荷重による変位量自体は円すい（表1）軸受へ の転換は難しいと捉えられてきた。

ころ軸受よりも大きくなるが、アキシアル荷重が大き

N A C H Iではこれらの技 術 課 題に積 極 的に取いと荷重〜変位の勾配（＝剛性）に大きな差は出組み、円すいころ軸 受から玉 軸 受 へ の転 換を可（図8）てこない。

能にした並 列 型 複 列アンギュラ玉 軸 受（ E x t r a -したがって、反アキシアル荷重側に配置されるフL o w - T o r q u e 軸 受 ）を開 発し、ディファレンシャル

ロント軸受では、複列玉軸受化により疲労寿命と支ピニオン軸 のフロント軸 受として、市 場 へ の投 入持剛性の低下を補うことが可能である。

を開 始している。
（図6）

ただ、アキシアル荷重が大きな領域でのアキシア

表1 ころ軸受と玉軸受の一般的な特性比較

3433.523.5

F軸受
φ92

寿命R軸受

φ40×○
◎○×
◎

φ110

◎
○×
○
○×

φ45

耐久性
合成荷重負荷転がり抵抗
予圧調整可剛性
潤滑敏感性

48

R軸受
48340F軸受

5000

10000

15000

予圧N

46R軸受

φ40φ45

φ100

φ110

F軸受
寿
命
05000

10000

15000

予圧N

図7 フロントELT軸受適用での疲労寿命
開発仕様

従来仕様
ピニオン軸受部

リヤ軸受
SLT軸受
サイド軸受部

アキシアル変位

フロント軸受ELT軸受

大荷重領域の剛性に差はない

サイド軸受
SLT軸受
アキシアル荷重

図6 ＥＬＴ軸受の採用事例

5

図8 アキシアル荷重とアキシアル変位量の比較

ル剛性が円すいころ軸受と変わらなくても、ELT軸円すいころ軸受では時間の経過につれて、焼き付受のアキシアル変位量自体は大きくなる。フロント軸ＥＬＴ軸受では、かなりの時きの発生が見られたが、受をＥＬＴ軸受とした場合、リヤ軸受が分担する外間使用しても焼き付きの発生はなかった。
ＥＬＴ軸受は円すいころ軸受
これらのことからも、力アキシアル荷重は増加するため、リヤ軸受の接触角を大きくするなど、リヤ〜フロント軸受の組み合せにとって代わる可能性を持った軸受といえる。

での最適化が必要となる。

軸受単体および組み合せ使用時において、転がり抵抗の比較を行なった。
軸受単体での転がり抵抗は、円すいころ軸受に損失トルク2）ＥＬＴ軸受の妥当性検証
30〜50％低減（図9）
比べ、30〜50%の抵抗低減効果を確認できた。

円すい Fa=2000N
円すい Fa=3000N
ELT
Fa=2000N
ELT
Fa=3000N

また、車両走行モードでの軸受による累積損失の計算を行ない、大幅な損失低減効果が得られること

01000

（図10）
を確認できた。

図9

2000

3000

4000
回転数rpm

軸受単体での転がり抵抗比較低下が無いことを確認できた。
（図11）
円すいころ軸受と玉軸受を組み合せて配置する
こと自身が初めての試みであるため、実機を模擬した耐久試験装置に「円すいころ+ＥＬＴ軸受」を組4834

寿命に対して十分な耐久性を有することを確認済みである。

483433.523.5φ110
φ45

み合せて配置した疲労寿命の確認を行ない、計算

図10

無負荷負荷あり無負荷負荷あり

46φ40
φ100すいころ+ＥＬＴ軸受」の組み合せでも支持剛性の標準粘度
標準粘度
低粘度
低粘度

φ110
φ45

「円かみ合い点の変位量比較を行なった。その結果、

φ40φ92を模擬した試験装置を製作し、最大トルク時の歯車走行モード 軸受累積損出［KJ］

さらに、支持剛性の検証として、ディファレンシャル

走行モードでの軸受累積損失の比較

3）付帯効果：ELT＋円すいころ：円すいころ＋円すいころ

φ110
φ45

変位量

潤滑が届きにくい部位であり、攪拌抵抗低減のため

04834性は有効と考えられる。
この付帯効果を評価するために、運転条件下で給油のON/OFFを繰り返す焼き付き評価試験を行なった。

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22B346φ110φ45の潤滑油量低減が進行している現在では、
この特-300-250

噛合い点

特にピニオン部のフロント軸受は、歯車による飛沫33.5
23.5

φ40φ1004834部が存在しないため、焼き付き敏感性が低くなる。

φ40φ92玉軸受には、円すいころ軸受のようにすべり摩擦-50-200-150-100
ラジアル荷重負荷点からの距離0

図11 ディファレンシャル模擬での軸剛性比較

65. 更なる抵抗低減へ向けて
本稿ではディファレンシャル ピニオン軸のフロント従来技術の延長線上では限界に来ている事象

軸受へのＥＬＴ軸受適用事例を紹介してきたが、当を解決するには、常識では難しいとか困難だとか言然のことながら、リヤ軸受もＥＬＴ軸受とした方がよりわれているところに解決の糸口が存在するように思大きな抵抗低減が期待できる。

われる。現在否定されている事柄も視点を変えるこ

リヤ軸受ともにＥＬＴしかしながら、フロント軸受、とや新たに発見された技術などから肯定される事柄

軸受を適用した場合、円すいころ軸受と同一サイズへと変化していく可能性は十分あると思われる。の軸受では、疲労寿命の低下、支持剛性の低下をNACHIでは疲労寿命・耐圧痕強度を向上させる

これらを満足させるには軸受補うことは困難であり、ための材料・熱処理技術や実機状態を模擬したサイズの大型化が必要となる。また、予圧は起動トル解析技術などの開発にも継続的にとり組んでおり、ク値による管理が一般的であるが、玉軸受には、円それらの技術の融合からさらなる軸受の抵抗低減をすいころ軸受のようなつば面の滑りトルクが存在し押しすすめ、地球環境保護に貢献していく。

ないため、起動トルク自身が非常に小さく、新たな予（図12）
圧管理手法の検討が必要と考えられる。

Rr

34.5

30 °

30 °

30 °

3434

損失トルク
（2000rpm）

ベース仕様○（△52％）◎（△80％）

剛性（軸たわみ）◎○△予圧管理
耐焼付き性
ウエイト○×○△○△×◎×

図1230 °

φ85

φ4030 °

φ1104034φ8830 °Fr504034φ35φ88
φ35φ40Fr3625.5φ90

26ELT＋
ELT

Rr

φ4036Fr50°

262040°40°

概略図3627.5φ97

Rr

円すい（SLT）＋
ELT

φ35

円すい＋円すい円すいころ軸受・ＥＬＴ軸受 比較事例

用語解説

引用文献

※1 予圧
軸受組み付け時に負のすきまとなるようにあらかじめ付加するアキシア
ル荷重のこと。

1）円すいころ軸受のトルク発生理論式の検証・補填とその応用…不二越技報
vol.50 No.1 1994

※2 クラウニング
軌道ところの接触端部に生じる応力集中を防ぐことを主目的とした軌
道面またはころ表面のごくわずかな曲率のこと。

NACHI TECHNICAL REPORT

Vol.22B3March / 2011〈発行〉 2011年3月10日
株式会社 不二越 開発本部
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