自動車
更新日：2020.04.03
“究極の形”を
量産ラインで実現
長寿命・低トルクの
「自動車用ULTAGE円すいころ軸受」
“究極の形”を
“究極”の円すいころ軸受の量産を目指して
自動車の動力伝達部に欠かすことができない円すいころ軸受。開発者に与えられたミッションは、自動車用に最適な”究極”の円すいころ軸受を量産対応できる仕様で開発することだった。
NTNが長年にわたって培ってきた“ころ”形状のノウハウの転用、自動車用軸受ならではの課題の克服、さまざまな苦難を乗り越え完成したのが「自動車用ULTAGE円すいころ軸受」である。
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清水 康宏
自動車事業本部
自動車軸受技術部 -
川井 崇
自動車事業本部
自動車軸受技術部
世界最高水準の軸受のすごさとは
ころ（ローラ）を用いる円すいころ軸受
自動車はタイヤが回転して走る。回転する軸を支える部品が「軸受（ベアリング）」だ。
軸受は、軸を滑らかに回転させるために必要な部品だ。摩擦によるエネルギー損失や発熱を防ぎつつ、回転を支える役割が求められる。軸受は、自動車のほかにもありとあらゆる機械に使われており、NTNは世界でもトップクラスのマーケットシェアを誇る。
軸受にはいくつかの種類があり、転動体に玉（ボール）を使うのが「玉軸受（ボールベアリング）」、ころ（ローラ）を使うのが「ころ軸受（ローラベアリング）」だ。ころには円筒状のものや円すい状のものが使われる。
世界最高水準の新世代軸受ULTAGE
NTNは、2017年4月に、長寿命・低トルクを実現した「自動車用ULTAGE（アルテージ）円すいころ軸受」を発表した。
「ULTAGE」とは、NTNが自社商品につけているブランド名で、「究極」を意味する「Ultimate」と、あらゆる「場面」での活躍を意味する「Stage」を組み合わせた造語である。NTNが世界最高水準と認める新世代軸受にのみ、その名を冠している。
この「自動車用ULTAGE円すいころ軸受」は、従来品と比べてカタログスペックで動定格荷重を1.3倍、許容回転速度を約10％向上することに成功した。自動車事業本部 自動車軸受技術部部長の清水康宏いわく、「他社のカタログスペックと比較しても世界最高水準で、だからこそ『ULTAGE』のブランド名をつけた」とのこと。その性能と技術の高さが評価され、2017年10月には、モノづくり日本会議／日刊工業新聞社主催の「“超”モノづくり部品大賞」において、「自動車部品賞」を受賞した。
自動車用ULTAGE
「円すいころ軸受」
世界最高水準の高負荷容量と高速回転性能を実現した自動車用円すいころ軸受。産業機械用の大形円すいころ軸受で採用した、転がり疲労寿命を最大化するころ形状の最適設計技術を、新たに小形シリーズ向けに適用することで、従来品比で1.3倍の高負荷容量と、2.5倍以上の軸受定格寿命を実現。また、ころと内輪および保持器とのすべり接触部の形状最適化により、許容回転速度を約10%向上した。
無段変速機（CVT）※緑枠部分が円すいころ軸受の適用部位
円すいころ軸受は、自動車のトランスミッション（変速機）やデファレンシャル（差動装置）などの動力伝達部に使用される。自動車の省燃費化が進む中、これらの部位は軽量化や高出力化が進んでいるため、軸受には高い負荷容量や、低トルク化、高速回転性能などが求められる。
低トルク損失と長寿命化を実現する鍵は
“ころ”形状にあり
なぜ円すいころ軸受なのか
円すいころ軸受は、一般的に大型自動車や、トランスミッション（変速機）やデファレンシャルギア（差動装置、通称デフ）など、荷重が大きくなる箇所で多く使われている。なぜ、それらに円すいころ軸受が使われるのか。その理由を、自動車軸受技術部主査の川井崇は次のように語る。
「例えば、軽自動車や中型車ぐらいまでは、変速機や差動装置に玉軸受が多く使われます。玉軸受は、転動体と、内輪や外輪との接触部が点であるため、軸受のなかではもっともトルク損失が小さいのが利点です。ただ、玉軸受にも弱点があります。それが荷重に弱いこと。特に軸方向のアキシアル荷重に弱いのが、大型車で玉軸受が使われない理由です。変速機や差動装置では、ギアから反発力を受けて垂直方向だけではなく軸方向にも大きな荷重がかかり、例えば大型車のような高荷重条件になると、玉軸受では耐えられなくほど大きくなります。その点、円すいころ軸受は、垂直方向と軸方向の双方の荷重に強いのが特長です」
図：円すいころ軸受の構造
外輪・内輪にころが「線」で接触するため、それらと「点」で接触する玉軸受と比べて高い荷重を受けることができる
円すいころ軸受の”弱点”
とはいえ、円すいころ軸受にも弱点はある。ころと、外輪や内輪、保持器との接触部が増え、トルク損失が増えることだ。そのため燃費が悪くなり、ころの接触部で温度も上がる。そこから劣化が進み、寿命にも影響を与えるのだ。
軸方向の荷重に強い円すいころ軸受を使い、トルク損失を最小化して寿命を延ばす――。そんな“究極”の円すいころ軸受を実現したのが、NTNの「自動車用ULTATE円すいころ軸受」なのである。
唯一無二の性能を支える“理想の曲面”
ULTAGEで低トルク損失と長寿命化を実現できたのは、ころの外径面に施した「特殊クラウニング」と呼ぶ特殊な曲面の賜物だ。
通常の円すいころ軸受でも、ころと内輪・外輪の接触を滑らかにして劣化を抑えるため、ころの外径面には曲面加工を施すのだが、「特殊クラウニング」は、曲面の形状が特殊だ。通常施す半径が一定のカーブなのに対し、「特殊クラウニング」は少しずつ半径を変えて特殊な曲面を実現している。このクラウニングのことを、清水は次のように語る。
「当社の研究部門が20年以上前から研究し、何千パターンというクラウニングの形状を検討したうえで辿り着いた“理想の曲面”です。これを実現するのが設計者の悲願、会社の悲願でしたが、特殊なクラウニングを形にするのはそう簡単ではありませんでした」
NTNでは、「自動車用ULTAGE円すいころ軸受」を開発する前に、産業機械用の円すいころ軸受で、まず特殊クラウニングの実現を試みていた。そのとき開発実務に携わっていたのが清水である。
「産業機械用の軸受は自動車用のものより大きく、量産個数も少ない。サイズが大きいため加工がしやすく、量産個数が少ないため、一つ一つを丁寧に加工することができます。それでも、開発に５年の歳月がかかりました」
産業機械用の円すいころ軸受にも、やはり「ULTAGE」のブランドを冠した。2014年に商品が完成すると、同じ技術を自動車用軸受にも導入するために、清水が部署を異動し、経験を生かして川井とともに開発に取り組んだ。
自動車用の軸受の開発の難しさはどこにあったのだろうか。開発実務を担当した川井は次のように振り返る。
「産業機械用のものより小さいため、加工が難しくなったこと。自動車用は製造個数が多く、量産に対応できるように設計や製造プロセスを見直す必要がありました」
上司の立場で開発を見守っていた清水は、川井の奮闘を称える。
「産業機械用で５年かかったところを、自動車用では３年で商品化に漕ぎ着けました。“究極の形”を量産ラインで実現するという難しさがありながら、短い時間でよく頑張ってくれました」
長寿命化により本体の小型化・軽量化を実現
自動車の電動化を後押し
結果、「自動車用ULTAGE円すいころ軸受」は、従来品と比べて動定格荷重を1.3倍、許容回転速度を約10%向上させ、世界最高水準のカタログスペックを実現した。寿命が伸びるということは、従来と同程度の寿命でよければ、軸受を小型化・軽量化できることにつながる。川井は、その意義を強調する。「近年は、自動車の電動化・ハイブリッド化で車載部品が増え、軸受に許されるサイズ制約が厳しくなっています。加えて、ハイブリッド化でエンジンとモータで軸受にかかる負荷も増えています。つまり、小型・軽量でありながら大きな負荷に耐える軸受が求められるようになっているのです」
「NTNの軸受だからこそ」というお客さまからの声
川井は続ける。「自動車メーカさんからのこうした厳しい要求に、ULTAGEなら応えられる。あるメーカさんからは、『NTNの軸受でなければ実現できなかった』と言われたこともあります。世界ナンバーワンを目指す意気込みでやってきたことが報われた思いです」
“究極の形”を量産ラインで実現したことが、比類なき性能につながっているのだ。
- ※取材内容、および登場する社員の所属はインタビュー当時のものです。
