NACHITECHNICALREPORT

Components

34B4

Vol.

October/2018■ 新商品・適用事例紹介「複列４点接触玉軸受」
機能部品事業"Double Row 4 Point Contact Ball Bearing"〈キーワード〉

玉軸受・多点接触・低トルク・軸受剛性
外輪クリープ・小型化・デフサイド・長寿命軸受事業部／技術部

河合 敏宏

Toshihiro Kawai

「複列４点接触玉軸受」

要旨

1. はじめに

近年、世界規模で環境規制がすすみ、自動車に電気自動車やハイブリッド車などを中心にパワーおいて電動車両の普及が重要である。駆動系ユニットトレーンの電動化が加速するとみられている。電気にも電費改善が必要で、使用される転がり軸受に自動車においては動力源のモーターに加え、複数段おいてもさらなる低トルク化が求められている。

変 速がない減 速 機のみ搭 載される場 合もある。

一般的には、支持剛性が必要な部位で円すい

減速機の場合、構成する部品点数は少なく、減速ころ軸受を用いる場合が多く、トルク低減の課題はするためのギヤや回転支持部に使用される転がり大きい。

軸受などが主な部品である。そのため、転がり軸受

そこで、玉軸受でありながら、円すいころ軸受に対し、支持剛性を確保しつつ、大幅なトルク低減を可能にした「複列4点接触玉軸受」を開発した。

へのトルク低減要求はますます高まっている。
例えば、減速機のデフサイドのような入力荷重が大きな軸の支持軸受には円すいころ軸受を用い、支持剛性を確保するため、予圧を与えて使用されることが多い。しかし、デフサイドはその他の軸に比べAbstract
In recent years, environmental regulations
have become stricter in a global scale and thishas emphasized spread of an electric vehicle in
the automobile industry.   This also requires
improvement of electric consumption in a drive
unit and further lower torque of rolling bearing
in the vehicle.     Generally, a tapered roller bearing is quite
often used in the locations that require rigid
support, posing a significant challenge of torquereduction.       NACHI has developed“Double-row 4-point
Contact Ball Bearing”that has substantiallylower torque than a tapered roller bearing while
ensuring rigid support in spite of a ball bearing.

1

回転数が低く、円すいころ軸受の場合、内輪大つば部の油膜形成が不十分となる領域で、すべり抵抗が大きくなる。さらに今後、潤滑油の低粘度化がすす
むと、内輪大つば部のすべり抵抗はますます顕著になり、効率面での課題がある。
一方で、玉軸受は転がり抵抗が小さく、効率面で有利であるが、支持剛性では不利となり、デフサイドには使用しにくい面がある。
そこで、支持剛性を確保しつつ、円すいころ軸受に対し、大幅なトルク低減を可能にした「複列4点接触玉軸受」を提案する。

2. 開発目標
図1に示すように、円すいころ軸受は高剛性であるが、トルクは大きい。一方、深みぞ玉軸受は点接触であるため、トルクは小さくなるが、剛性は低い。
そこで、円すいころ軸受に対する支持剛性低下を最小限に抑え、円すいころ軸受より大幅なトルク低減し、かつ低負荷時に深みぞ玉軸受とほぼ同等のトルクである軸受を開発目標とした。目標達 成のため、新構造として、4点接触玉軸受を複列化した軸受を開発した。

悪い

軸受トルク

静定格荷重増加による小型化

円すいころ軸受

複列化、多点接触化による高剛性化
荷重分散による耐外輪クリープ性向上
ELT軸受
複列4点接触玉軸受

円すいころ軸受から玉軸受化によるトルク低減

良い

単列4点接触玉軸受
単列深みぞ玉軸受

軸受剛性
図1

NACHI TECHNICAL REPORT34B4

Vol.

開発の狙い

2

「複列４点接触玉軸受」

3. 開発品の特徴

4. 評価結果「複列4点接触玉軸受」は従来の4点接触玉軸受を1）トルク測定結果複列化した軸受である。図2に開発品の外観、図3に表1にある軸受サイズの「複列4点接触玉軸受」と開発品の特 徴を示す。4点接触 玉軸受は深みぞ円すいころ軸受で、軸受トルク測定を実 施した。

玉軸受に対し、玉が外内輪と4点で接触するため、

図4、図5にトルク測定比較結果を示す。

高剛性であるが複列化することで、より高剛性とする条 件 ①の純スラスト荷重 条 件では円すいころことが可能になった。4点 接 触 構 造は深 みぞ 玉軸受の場 合、低回転時に内輪 大 つば 部の油 膜軸受に対し、差動すべり抵抗やスピンが大きいが、形成不足によりすべり抵抗が大きいが、「複列4点接触角や軌道曲率、内部すきまなどを最適設計し、接触玉軸受」にすることで、大幅にトルク低減した。

低トルク化を可能とした。

とくにデフサイドは低速回転であり、円すいころ軸受の場合、内輪大つば部のすべり抵抗の寄与度が外輪樹脂保持器高くなるので、玉軸受化がトルク低減に有利になるといえる。
条件②のラジアル荷重が主となる条件では、「複列4点 接 触 玉 軸 受 」の場 合、8点 接 触 状 態となるものの、円すいころ軸受に対し、36%以上のトルク低減になった。
また実機では円すいころ軸受の場合、予圧を与えて内輪使用されることが多いが、「複列4点接触玉軸受」は予圧を与えなくても使用できることから、よりトルク鋼球低減の効果は大きい。
図2

開発品外観

2）剛性計算、測定結果
図6にある解析モデルを用い、デフサイド軸受の軸受形式を変更し、ギヤ噛みあい点変位量を計算した。
軸受サイズ：内径φ50×外径φ90×幅20
軸受予圧：円すいころ軸受のみ2kN
図7に噛みあい点変位比の計算結果を示す。
円すいころ軸受に対し、変位 比は大きくなるが、深みぞ玉

単列4点接触複列化

深みぞ玉軸受に対し、大幅に変位比が小さくなる。
スラスト変位がとくに小さくなる理由は、4点接触の軌道部がゴシックアーチ形状となっており、スラストガタが小さいためである。
また図8にあるデフサイド軸を簡易的に模擬した試験機にて、変位量を実測した。図9に結果を示すが、机上計算同様に「複列4点接触玉軸受」の変位量が小さくなることを確認した。実機においても「複列4点接触 玉軸受」を使用することで、支持剛性が複列4点接触

図33

開発品断面図向上する。

表1トルク測定条件

軸受サイズ

内径φ30×外径φ60×幅19荷重,N

条件① スラスト荷重 4,000
条件② ラジアル荷重 1,480 スラスト荷重 264

油種

ギヤ油

油量

軸中心

油温,℃70

図6条件①1.5

噛みあい点変位比

軸受トルク比10.501,0002,0003,000

ラジアル変位
スラスト変位

864204,500

円すいころ軸受（予圧2kN）

回転数（rpm）

図4

軸受トルク比解析モデル

噛みあい点変位（円すいころ軸受比）

10

複列4点接触玉軸受
円すいころ軸受

1.5

デフサイド軸受

噛みあい点

図7

トルク測定結果（純スラスト荷重）条件②複列4点接触玉軸受

深みぞ玉軸受噛みあい点変位計算結果

スラスト荷重複列4点接触玉軸受
円すいころ軸受

ラジアル荷重複列4点接触玉軸受

10.5

0

1,000

1,500

2,000

2,500

3,000

LH軸受
ラジアル変位

回転数（rpm）

図5

トルク測定結果（合成荷重）

図8

LH軸受

50
ラジアル変位量（μm）

試験装置

複列4点接触玉軸受 実測
深みぞ玉軸受 実測

403020
1000

1,000

2,000

3,000

4,000

ラジアル荷重（N）（スラスト荷重=ラジアル荷重の52%）

図9
NACHI TECHNICAL REPORT

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ラジアル変位測定結果
4

「複列４点接触玉軸受」

3）昇温試験結果
4点接触構造は軌道部の差動すべり抵抗が大きく、さらに複列化による発熱大の懸念があるため、昇温値の確認を実 施した。軌道部の接触状態による差異を確認するため、表2にある3水準で実測した。
図10に昇温試験結果を示す。

表2

昇温試験条件

軸受サイズ

内径φ30×外径φ60×幅19荷重条件

条件②条件③条件①8点接触状態 4点接触状態 8点接触状態

荷重比
Fr：ラジアル荷重
Fa：スラスト荷重

Fa/Fr＝0.25 Fa/Fr＝1.0

Fa/Fr＝0

最大軌道面圧,MPa 2,600

条件①、③のようなスラスト荷重に対し、ラジアル回転数,rpm

1,000 〜 10,000

荷重の割合が大きく、8点接触状態となる条件では、

油種,油量

ギヤ油

軸中心

予想どおり昇温が大きくなった。ただし、いずれの条件においても軸受に異常はなく、十分な実用性が140あることを確認した。

「複列4点接触玉軸受」は純ラジアル荷重条件が最も計算寿命が長くなるが、昇温試験では発熱が軸受温度（℃）4）耐久評価結果

条件①条件②条件③120100806040

最も大きい結果であり、耐久性を確 認するため、

20異物油中耐久試験を実施した。表3に試験条件、

002,000

4,000

図11に試験結果を示す。

6,0008,000

10,000

回転数（rpm）

試験は3Gr実施したが、いずれも異常な昇温もなく、

図10

昇温試験結果

表3耐久試験条件

試験時間は計算寿命を上回り、異物噛み込み痕起点の表面起点はくりであることを確認した。
軸受サイズ

内径φ50×外径φ90×幅20荷重,N

ラジアル荷重 14,408

回転数,rpm

3,000

油種,油量

ギヤ油

油温,℃

100傾き,rad1/1,000

異物

硬質鉄粉

スラスト荷重 0下玉浸漬

径：～ 150μm

量：100ppm

250

試験時間（hr）

200150計算
寿命

1005001Gr

図1152Gr

耐久試験結果3Gr5）外輪クリープ評価結果
転動体

最近では、玉軸受を使用した場合、小型軽量化の影響から軸受の外輪クリープによるハウジング摩耗が転がり問題となることが増えてきている。外輪クリープにはメカニズムの違いにより幾つかの種 類があるが、デフサイドのように負荷 荷重が大きい部 位では、外輪の円周方向ひずみによるクリープ（以下、外輪荷重開放によるのび圧縮による収縮

外輪ひずみクリープ）が発生しやすい。図12に外輪ひずみクリープのメカニズムを示す。1）外輪ひずみクリープ対策として、外輪の厚肉化が有効とされているが、外輪外径寸法を大きくすることで、搭載性悪化や質量増加の背反がある。
「複列4点接触 玉軸受」は図13のように転動体圧縮によるのび開放による収縮

外輪−ハウジング間の微小すべり固着点ハウジング
図12

外輪クリープメカニズム

荷重が分散されるので、荷重負荷時の外輪外径面の変形量を小さくすることが可能である。図14に外輪

単列深みぞ

4点接触

複列4点接触外径面の変位解析におけるコンター図を示す。また
本解析に使用した軸受サイズ、荷重条件は表3と同じとしている。
つまり外輪外 径を大きくすることなく、クリープ防止を抑制し、ハウジング摩耗を低減することができるので、軸受の小型化にも貢献できる。
：外輪軌道

：鋼球

：接触点

：鋼球−軌道接触部での荷重

図13：転動体荷重

転動体荷重の比較

深みぞ玉軸受

4点接触玉軸受

複列4点接触玉軸受

図14
NACHI TECHNICAL REPORT

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外輪変位計算結果
6

5. 結論
軸受剛 性と低トルク化を両立させた「複 列4点接触玉軸受」を開発した。
デフサイド軸受を低トルク化するために開発した軸受であるが、それ以外の部位においても、円すいころ軸受に対しての低トルク化や深みぞ玉軸受の小型化が可能である。
今後もさらに転がり軸受の商品開発をすすめ、自動車の省エネルギー化に貢献していきたい。

参考文献
１）展・坂尻・武村・湯川：NSK Technical Journal,No.680（2006）13.

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October / 2018〈発行〉2018 年 10 月 15 日
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