資料

オートマチックトランスミッションのプラネタリ用針状ころ軸受の技術動向
Technical Trends of Planetary Needle Roller Bearings for Automatic Transmissions
千原勝彦

K. CHIHARA

T. SATOU佐藤崇彦

For improving the fuel economy of vehicles to counter the environmental crisis, automatic transmissions (ATs) havebecome multi-steps and need high-speed revolution in planetary bearings. On the other hand, planetary bearings for ATs
are used under severe conditions such as moment and centrifugal force. This article describes characteristics and design
technique of planetary bearing and shows newly developed planetary bearing corresponding to high-speed revolution.
Key Words: Needle roller bearing, planetary gear, automatic transmission, cage and rollerに変わり，保持器付き針状ころ（ケージ＆ローラ）

1．はじめにが使用される例が増えている．
乗用車の変速機はイージードライブを実現する

本報ではＡＴ用プラネタリ軸受について，その自動変速機が主流となってきている．小排気量車

特徴と技術動向について紹介する．
大ではベルト式無段変速機の採用車種が増加しているが，トルクの大きい大排気量車ではプラネタリ

６速

遠心加速度，Gギヤ機構で変速を行うステップ式オートマチックトランスミッション（以下ＡＴと称す）が主流となっている．
最近の地球環境問題に対応して，ＡＴでの低燃費化対策として，軽量化と多段化による減速比の小拡大が進められている．このため，図1に示すよ

５速

４速

うにＡＴのプラネタリギヤインナに用いられる針低高
キャリア回転速度

状ころ軸受（以下プラネタリ軸受と称す）
はより高速回転への対応が必要となって来ている．

図1 ＡＴの多段化による影響
Effects of AT multi-staging

また，軽量化と取扱い性の良さもあり，プラネタリ軸受の主流であった総ころ形の針状ころ軸受

トルクコンバータ

ワンウェイ
Rr プラネタリギヤ クラッチ アウトプットシャフト
Fr プラネタリギヤ

オートマチック・トランスミッション（ＡＴ）（ＦＲ車用）

コントロールバルブ

インプットシャフト

ピニオンギヤ
キャリヤ
サンギヤ

リングギヤ
プラネタリギヤ用針状ころ軸受

図242

プラネタリギヤ（遊星歯車）

ＦＲ車用オートマチック トランスミッション
Automatic transmission for FR vehicle

Koyo Engineering Journal No.168 (2005)

−オートマチックトランスミッションのプラネタリ用針状ころ軸受の技術動向−

2．プラネタリギヤユニットの構造と軸受設計
図2に単純遊星ギヤ機構を用いたＦＲ車用ＡＴの一例を示す．最近ではダブルピニオンタイプやしかし，クラウニングによりエッジロードの発生が避けられても，ころ端部で面圧が高くなる事は避けられない．一般にころ軸受の総回転寿命Lはa式で表すことができる．
10

ラビニオタイプなど各種の機構を用いて多段化しC ─3
L＝ ─PたＡＴが多くなっているが，基本的な問題は単純

Ｃ：軸受の動定格荷重

遊星ギヤ機構と同じである．

Ｐ：ラジアル荷重a

しかし，a式ではモーメントによるころ端部で3．モーメントに対応した軸受設計3.1の面圧上昇が考慮されていないため，プラネタリ軸受の寿命はa式で得られた値よりも短くなって軸受寿命しまう．

ＡＴのプラネタリギヤにはヘリカルギヤが用モーメントによる面圧の上昇はギヤ諸元（ねじいられているので，ギヤインナのプラネタリ軸れ角やかみあいピッチ円径など）
やギヤユニット

受には接線力Ft，半径方向力Fr，およびねじりの伝達トルクによって変化する．このため実際の角による軸方向力Faが作用している
（図3）
．軸方

ギヤ諸元と各速度段の伝達トルクおよび各速度段向力Faは軸受にモーメントとして作用する．モの使用割合から，速度段ごとの面圧を計算して寿ーメントはラジアル荷重に付加される形で作用命低下率を求め，これをもとに軸受の寿命を計算するため，モーメントによりギヤが傾く．このしている．

ため、ころ端部の面圧が非常に高くなり限界をこれまでの例からラジアル荷重だけの場合に比超えるとエッジロードが発生する．エッジロー

べてモーメントを考慮した寿命は30%〜5%程度

ドは軸受寿命を極端に低下させるため，適正なに低下することがわかっている．

クラウニングを与えてエッジロードを防止する

3.2

必要がある
（図4）
．

軸受の許容回転速度は転動体のピッチ円径と回リングギヤ
Fr

Fa

耐焼付き性
（許容回転速度）Ｍ

Ft

転速度を乗じたDmN値で評価される事が多いが，モーメント負荷圏

Fa

荷重が大きい
（面圧が高い）場合にはＣ／Ｐで決まる補正係数を考慮する必要がある
（図5）
．

ｒ1
Fa

Ｍ0.9サンギヤ

図3 プラネタリギヤに作用する力Force on planetary gear

補正係数

FtＲFaFr

ラジアル負荷圏

0.80.70.60.5

エッジロード

456789101112131415Ｃ／Ｐ

高面圧部

図5 荷重の大きさと補正係数
Loads vs. correction factors

面圧しかし，前項で述べたようにプラネタリ軸受の場合，モーメントにより面圧が大きく変わるため単純にＣ／Ｐによる補正係数を用いることはでき
ころ中心
ころ中心からの距離

図4 ころの面圧分布
Contact stress distribution on roller surfaceない．
そこで前項で述べたモーメントを考慮した接触面圧にDmNを乗じた値（「転がりＰＶ値」と呼称）と供給油量を種々変えて焼付き性を評価し，許容回転速度を求めた（図6）．

Koyo Engineering Journal No.168 (2005)43

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1 000

さらに，ころにはサンギヤ中心の公転による遠供給油量，ml/min

総ころ形
ケージ＆ローラ

ＯＫ領域

心力が働いているため，この遠心力によりころ１本１本が保持器に負荷を与える．

100

これらの力は保持器の自転により繰り返し作用するため，保持器に発生する応力が疲労限以下と10なるように設計する必要がある．ＦＥＭ解析の実ＮＧ領域

施例を図8に示す．
002.0

4.0

6.0

8.0
−１10.08

転がりＰＶ値，MPa・mm・min （×10 ）

図6 焼付き性試験結果
Results of seizure test

4．遠心力を考慮した軸受設計
4.1

プラネタリギヤの公転による遠心力

図7に単純遊星ギヤ機構における各ギヤの動きと軸受の挙動を示す．図 7 のA，Bの状態では，プラネタリ軸受には公転による遠心力が自転により繰り返し荷重として作用するモードである．
例えばキャリアの半径を50mm，回転速度を

図8−16 000min とすると，公転により生じる遠心加速

ＦＥＭ解析結果
FEM analysis度は約2 000Ｇにもなるため，プラネタリ軸受ではギヤのかみあいによる荷重以外に遠心力による5．高速回転対応プラネタリ用軸受

荷重を考慮した軸受設計が必要である．

5.1

4.2

軽量高強度保持器

プラネタリギヤのさらなる高速回転化に対応し保持器の設計

保持器には遠心加速度により，保持器自身の質量による遠心力が作用する．
また，この遠心力により保持器はギヤ内径に押し付けられてギヤと一緒に回転しようとする．しかし，ころはギヤの約１／２の速度で公転するたて開発したプラネタリギヤ用軸受の特徴を図9に示す．大きな遠心加速度に対応するため，保持器の板厚を薄くして軽量化することで遠心力を小さくし，さらにリブ形状の改善をしてより高強度な形状としている．

め，保持器外径とギヤ内径の摩擦力に相当する力でころが保持器を押し返すことになる．

固定要素
入力要素
出力要素

Ａ
リングギヤ
サンギヤ
キャリア
キャリア
サンギヤ

Ｂ
サンギヤ
リングギヤ
キャリア
キャリア リングギヤ

Ｃ
キャリア
サンギヤ
リングギヤ自転+公転

自転+公転

自転

ギヤ機構の動き

軸受の挙動
軸受の回転方向と荷重の方向

図7 プラネタリギヤの基本動作
Basic movement of planetary gear

44

Koyo Engineering Journal No.168 (2005)

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開発品

試料軸受部

従来品

キャリア

形状
質量，g

4.4

4.9

2 000Ｇでの発生応力，MPa170

270

18.4／24.5

17.5／22.9

定格荷重C／C0，kN

図9 開発品と従来品
Developed vs. conventional

5.2

プラネタリギヤサンギヤ

図11 試験機の構造
Structure of test rig

軽量高強度保持器の評価結果

5.2.1

3 500

疲労強度試験（静的評価）

1.6倍向上遠心加速度，Gリブ強度を確認するため油圧パルス形疲労試験機を用いて圧縮疲労試験を実施した．試験結果を
図10に示す．
図10より，開発品は薄肉化により軽量となっているがリブ形状改善により高強度であることが3 000
2 500
2 000
1 500確認された．

従来品

開発品

図12 遊星歯車試験結果
Results of planetary gear test

大従来品
開発品
荷重，N6．おわりにプラネタリギヤユニットはＡＴ以外にもベルト式ＣＶＴの前後進の切換部やハイブリッドカーの動力切換部，あるいは電気自動車のモーター減速

小103104105106107

繰返し数，サイクル機構などにも用いられており，コンパクトさと同軸上で変速可能と言う特徴から，今後もますます適用範囲が広がることが予想される．

図10 疲労試験結果
Result of fatigue test

5.2.2

遊星歯車試験（動的評価）

今後も引き続きＡＴ向けで培ってきた技術を用いてより多くのアプリケーションに対応できる製品を開発していきたい．

ギヤ内径と保持器の摩擦やころがり保持器に与える負荷など，遠心力を考慮した，より実機に近い条件での保持器強度を評価するため，図11に示す遊星歯車試験機で試験を行った．

参考文献
１）両 角 岳 彦 ： 図 解

基礎編，三栄書房（1991）
82．

図12に示す通り，開発品は従来品に対し1.6倍の遠心加速度に対応可能なことが確認できた．

Koyo Engineering Journal No.168 (2005)

自動車のテクノロジー

筆者

千原勝彦*
K. CHIHARA

佐藤崇彦*
T. SATOU*

自動車軸受技術部

軸受事業本部45