JP2003156050A - スラストニードル軸受 - Google Patents
スラストニードル軸受Info
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Abstract
加をできるだけ抑えるとともに、軌道輪の摩耗が小さ
く、耐表面損傷特性に優れたスラストニードル軸受を提
供する。 【解決手段】 クラウニング付きのころと、少なくとも
表層0.1mmの深さまで粒径0.6μm以上の炭化物
を単位面積当り10000個/mm2以上、40000
個/mm2未満有する軌道輪とを備える。
Description
軸受に関し、より具体的には、スラスト負荷が断続的に
作用する形態で使用されるスラストニードル軸受、たと
えばカーエアコンの斜板式コンプレッサに使用されるス
ラストニードル軸受に関するものである。
ろ(転動体)と、保持器とで構成されており、単純な構
造でありながら高負荷容量と高剛性とを実現できるな
ど、種々の利点を有する軸受である。このため、過酷な
使用条件が課せられるカーエアコンの斜板式コンプレッ
サには、スラストニードル軸受が使用されている。
状態でもその基本構造に由来して、ころと軌道輪との間
には差動すべりが生ずることが避けられない。スラスト
軸受は、平面の軌道面を有する軌道輪の上に、転動体と
しての円筒状のころを配置し、ころと軌道輪とが線接触
する構造になっている。このため、軸受の回転中心が、
ころの公転中心と一致することを基本構造としている。
この場合、ころの周面の周速度は、同じ速度であるが、
一方、ころと転がり接触する軌道輪は、軸受の回転中心
から外径に向かうほど回転の周速度は大きくなる。この
ため、ころと軌道輪との周速度差は、ころの両端部で最
大となる。理論上では、軸受のピッチ円上のみで純転が
り運動を行い、ピッチ円上の点からころの両端部に向け
て、ころと軌道輪との周速度差が大きくなり、差動すべ
りが増大する。この差動すべりは、ころの長さに比例し
て大きくなる。
べりは、上記基本構造に由来して、他の形式の軸受と比
較して大きい。このため、この差動すべりが原因となっ
て、ころのエッジ部で軌道輪との間でエッジ応力(エッ
ジロード)が発生しやすく、軌道輪の転走部のエッジ部
に表面起点型の剥離が発生しやすくなる。
ころ本数が多く、内部隙間も狭いため、潤滑油が転走面
に行き渡りにくい。このため、上記の大きな差動すべり
と組み合わされ、転がり接触面の潤滑油膜形成に悪影響
が生じる。この結果、他の軸受に比べ摩擦損失や摩耗が
大きく、ころ端面付近に応力集中が発生し、荷重条件に
よってはエッジ部に表面起点型の剥離が生じやすい。
する方策としては、差動すべり自体を減少させるため、
ころ長さを短くしたり、保持器のポケットの1つに2個
のころを収納した複列形式の軸受が使用されている。ま
た、ころ端部に応力(エッジロード)が発生する問題に
対処して、ころにクラウニングを形成する等の対策が形
成されている(特開平9-14131号公報)。さら
に、ころや内外輪については材質の改善により長寿命化
を図ってきた(たとえば、特願平10-359462
号、特願平11-373256号)。
持器のポケット1つに2個のころを入れた複列型のもの
は、従来のころ長さで単列型のものに比べ、ころ端面の
相対滑りが減少し、摩擦損失や摩耗が減少し、転走後エ
ッジ部の剥離寿命を向上させることができる。また、特
願平10−359462号や特願平11-373256
号で述べた材質を用いることにより、長い耐久寿命を確
保することができる。また、ころにクラウニングを付す
方策により、ころ端面付近の応力集中を防ぎ、従来品に
比べ、剥離寿命を向上させている。
向として、省資源、省エネルギ指向、部品のコンパクト
化のため、使用条件はより苛酷なものとなっている。た
とえば、上述のカーエアコン用の斜板式コンプレッサの
スラストニードル軸受には、8000rpm程度の高速
回転で中心からオフセットしたスラスト荷重が作用す
る。その上、潤滑の問題が加わる。
用いられるスラストニードル軸受の潤滑においては、軸
受の潤滑油と冷媒とが混合された状態にあり、コンプレ
ッサの圧縮と膨張とにより、潤滑油の液化と気化とが繰
り返される。また、冷媒の混入があるため、潤滑油の量
が減少するという問題が生じる。さらに、地球温暖化防
止等の環境問題の観点から、エアコン用のコンプレッサ
には、冷媒としてHCFC134a等の代替フロンが使
用される。これらの代替フロンは従来使用されていた冷
媒と比較して、自己潤滑性が乏しいとされている。軸受
の潤滑油は、この代替フロンと混合し動粘度が低下し、
軸受の油膜形成が非常に劣化する。このため、潤滑性能
の劣化から軸受の転動体や軌道輪に剥離や摩耗等の表面
損傷を生じ、短寿命となる問題がある。
グを付したころを2列以上で配列した複列ころ構造が提
案された(特願2001−292742)。さらに、表
層0.1mmの深さまで炭化物を高密度で析出させた軌
道輪を使用することにより、軌道輪の摩耗を減少させ耐
久性を向上させる提案もなされた(特願2001-19
5749)。しかしながら、使用条件は、さらにコンパ
クト化の度合いを強めており、上記の改良を超える、表
面損傷が小さく耐剥離寿命に優れたスラストニードル軸
が求められている。たとえば、これまでよりも大幅に耐
表面損傷性能を向上させないと、製造コスト低減の観点
からプレス加工されたまま使用される軌道輪と組み合わ
せて使用されるスラストニードル軸受の表面損傷を、根
本的に低減することはできない。
接触面圧の増加をできるだけ抑えるとともに、軌道輪の
摩耗が小さく耐表面損傷特性に優れたスラストニードル
軸受を提供することを目的とする。
ル軸受は、クラウニング付きのころと、少なくとも表層
0.1mmの深さまで粒径0.6μm以上の炭化物を単
位面積当り10000個/mm2以上、40000個/
mm2未満有する軌道輪とを備える(請求項1)。
形成によりエッジ部の差動すべりを無くし、負荷を低減
することができる。また、軌道輪では、炭化物が変形抵
抗として働くため、表層の材料強度を向上させる。さら
に、ころと軌道輪との間の差動すべりや潤滑不良によっ
て、軌道輪表面が発熱しても塑性流動の発生を抑制する
ことができる。
mの深さまで粒径0.6μm以上の炭化物を単位面積当
り10000個/mm2以上析出させることにより、上
述のように、炭化物が表層部の塑性変形の抵抗として作
用する。この塑性変形の抵抗の効果をより高いレベルで
得るためには、望ましくは14000個/mm2以上析
出させる。また、上記炭化物が40000個/mm2を
超えると耐剥離性がかえって低下する。なお、粒径は、
その炭化物が球形でない場合は、方向について平均化し
た平均粒径である。
ばSCM415材を被処理材として、浸炭処理時間を8
90℃×1h、炉内雰囲気をカーボンポテンシャル1.
5〜2.0%とし、焼入れ条件を840℃×0.5h、
炉内雰囲気をカーボンポテンシャル1.0〜2.0%と
した後、油焼入れすることにより得ることができる。ま
た、浸炭鋼のほかに軸受鋼や炭素鋼等にも適用すること
ができる。
て、薄膜直接観察、抽出レプリカ観察、または2段レプ
リカ観察によって測定してもよいし、走査型電子顕微鏡
により表面研磨エッチングしたサンプルの表面を観察し
てもよい。
部の差動すべりを無くし、負荷を低減し、軌道輪では、
上記炭化物を表層に備えることにより、主として塑性変
形抵抗を向上させることができる。上記クラウニング付
きころと、表層へ高密度炭化物分布させた軌道輪との組
み合わせによって、従来のスラストニードル軸受に別々
にこれら要件を付加して加算した効果を大幅に超える、
画期的に大きな耐表面剥離特性を得ることができる。す
なわち、上記の耐表面剥離性能の大幅な向上は、ころへ
のクラウニング付加と軌道輪表層における炭化物の高密
度分布との相乗効果として実現することができる。ま
た、軌道輪やころでは、摩耗量は非常に小さくなる。
スラストニードル軸受は、主軸に固定された斜板を当該
主軸の周りに回転させることにより、ピストンを往復運
動させる斜板式コンプレッサにおいて、主軸の回転運動
およびピストンの往復運動に伴って発生するスラスト荷
重を受けるために、少なくとも斜板に接する部位に備え
られるスラストニードル軸受である。このスラストニー
ドル軸受では、クラウニング付きのころと、ころに接触
し、少なくとも表層0.1mmの深さまで粒径0.6μ
m以上の炭化物を単位面積当り10000個/mm2以
上、40000個/mm2未満有する軌道輪とを備える
(請求項2)。
ドル軸受には、軌道輪ところとの間に差動すべりが発生
する。この差動すべりは転がり接触面の油膜形成に悪影
響を及ぼし、潤滑油の潤滑性を低下させる。その上、た
とえば、上記のカーエアコン用斜板式コンプレッサ用ス
ラストニードル軸受では、潤滑油がエアコンの冷媒等で
薄められた状態で使用される。このため、さらに潤滑を
効かすことができず、転がり接触面に発熱が生じ、表面
剥離などの表面損傷を受け易い。しかし、上記のよう
に、クラウニング付きのころと、表層の高密度炭化物分
布を制御した軌道輪とを組み合わせることにより、たと
えば、カーエアコンの冷媒と潤滑油とが混合した潤滑条
件下でも、画期的に優れた耐表面剥離特性を得ることが
できる。この耐表面剥離性能は、ころや軌道輪に別々に
上記要件を付した効果を加算した効果を大幅に超える、
画期的に改善された相乗効果を得ることができる。
少なくとも2列の複列で配列された複数のころを含み、
そのころの少なくとも1つにクラウニングが形成される
ことができる(請求項3)。
小さい複列に分散させることができる。また、クラウニ
ング付与によりエッジ部の負荷を低減することができ
る。この結果、耐表面剥離寿命を大幅に向上させること
ができる。また、摩擦トルクも低減することができ、た
とえばカーエアコン運転の電力費を低減することができ
る。
軌道輪の少なくとも表層0.1mmの深さまでの範囲に
おける炭化物が、面積率で0.8%以上、10%未満の
範囲で析出する分布とすることができる(請求項4)。
離寿命の両者を高めることができる。上記面積率の炭化
物を得るには、たとえばSCM415材を被処理材とし
て、浸炭処理時間を890℃×1h、炉内雰囲気をカー
ボンポテンシャル1.5〜2.0%とし、焼入れ条件を
840℃×0.5h、炉内雰囲気をカーボンポテンシャ
ル1.0〜2.0%とした後、油焼入れする。SCM4
15などの浸炭鋼のほかに軸受鋼や炭素鋼等にも適用す
ることができる。
少なくとも2列で配列された複列ころを有し、外径側の
ころ列のころは、内径側のころ列のころのクラウニング
量よりも小さい量のクラウニングが付されているか、ま
たはクラウニングが付されない構成とすることができる
(請求項5)。
動接触部を大きく減少させないので、外径側のころ列の
負荷容量を向上させ、外径側の個々のころの負荷面圧を
減少させる。このため、外径側ころの剥離を防止し、外
径側ころと転動する軌道輪の剥離を防止することができ
る。
ころを保持する保持器を有し、その保持器が1つのポケ
ットに径方向に沿って軸方向を合わせた2つ以上のころ
を収納するポケットを配列した構造を備える(請求項
6)。
させ、ころ1本当りのスキュー量を減少させることがで
きる。
ころを保持する保持器を有し,その保持器が1つのころ
を収納するポケットを少なくとも2列の複列で有する構
造を備えることができる(請求項7)。
スキューの低減を得ることができる。また、摩擦トルク
も低減させ、たとえばカークーラ用の斜板式コンプレッ
サニ用いられた場合、運転電力費用を低減することがで
きる。
少なくとも2列で配列された複列ころを有し、外径側の
ころ列のころの長さを、内径側のころ列のころの長さと
同等以上にすることができる(請求項8)。
べりを減少させ、外径側のころ列の転動接触部を内径側
ころよりも大きくし、負荷容量を向上させることができ
る。
ころの端面形状を外側に向けて凸の曲面状とすることが
できる(請求項9)。
低減し、またころ端面と保持器ポケットとの干渉も低減
することができる。また、ころのスキューの低減や摩擦
トルクの低減も得ることができる。
少なくとも2列で配列された複列ころを有し、外径側の
ころ列のころ数を、内径側のころ列のころ数と同等以上
とすることができる(請求項10)。
を大きくすることができる。上記本発明のスラストニー
ドル軸受では、軌道輪の表面硬さが、ロックウェルCス
ケール硬さ(HRC)で58以上あることが望ましい
(請求項11)。
跡エッジ部の塑性流動を抑制し、かつ耐摩耗性を向上さ
せることができる。HRC58未満では、耐摩耗性の向
上が不十分であり、従来の軌道輪とほとんど同じ耐摩耗
性を有する。
ストニードル軸受は、図1または図2に示す斜板式コン
プレッサに用いられる。図1は片斜板タイプであり、図
2は可変容量片斜板タイプである。図示された斜板式コ
ンプレッサ1において、斜板3は主軸4に固定され、主
軸4とともに回転する。主軸はラジアル軸受5によって
支持されている。斜板3はシューなどを介してピストン
を往復運動させるので、主軸4の軸方向に平行にスラス
ト荷重が発生する。このため、斜板に接する部位にスラ
ストニードル軸受10aを介在させている。このスラス
トニードル軸受には、一般に、針状ころ軸受が用いられ
る。また、図1および図2の斜板式コンプレッサでは、
ハウジング2がスラスト荷重を負担する部位にもスラス
トニードル軸受10bが配置されている。
1a,11bと、両軌道輪間に配置された転動体(こ
ろ)12と、転動体12を案内保持する保持器13とか
らなるスラストニードル軸受を用いて試験を行った。こ
のスラストニードル軸受に用いた軌道輪、転動体および
保持器の構成を表1に示す。
(a1)軌道輪の炭化物密度および炭化物の面積率、
(a2)単列ころと複列ころの相違、(a3)ころ形状
(クラウニング付きか否か)について、条件を変化させ
て、上記要件の耐剥離寿命への影響を試験した。すなわ
ち上記要件を本発明の範囲内にすることにより、ころ端
面の差動すべりの減少、およびころ端面付近の応力集中
の減少により摩擦損失、磨耗が小さくなり、転走後エッ
ジ部の剥離寿命を向上させると考え、その効果を検証し
た。
内径:直径65mm、レース外径:直径85mmの軸受
を用い、試験温度:60〜80℃、荷重:1000kg
f、回転数:5000rpm、潤滑油:スピンドル油V
G2(油圧パラメータ、λ:0.101)の試験条件で
行なった。その試験結果を比較例(標準ころ、保持器仕
様のスラストニードル軸受を使用したもの)とともに、
表1に示す。
10%寿命で表わした。なお、ころ長さは単列の場合
7.8mm長さとし、2列の場合3.8mm長さ(×
2)とし、クラウニング量(ドロップ量)は5〜15μ
mとした。
ル1の寿命を1とすると、2列ころ仕様のサンプル2で
は、サンプル1の2.5倍の寿命延長がみられた。ま
た、クラウニング付きの単列ころのサンプル3では、サ
ンプル1の4.9倍の寿命延長が得られた。2列ころで
クラウニング付きのサンプル4の寿命は、サンプル1の
7.5倍の寿命延長が得られた。上記サンプル1〜4
は、いずれも比較例であり、軌道輪の炭化物の密度や面
積率が本発明の範囲内に入っていないものである。
ウニング付きの2列ころと、炭化物の密度および面積率
が本発明の範囲内に入る軌道輪とを備える本発明例のサ
ンプル5では、実にサンプル1の20.6倍となる。こ
の寿命延長は、サンプル2、3、4に比べて画期的に長
い。しかも、ころに剥離は全く発生していなかった。ま
た、モータの消費電流は、サンプル5で3.9Aと、サ
ンプル4と同程度で他のサンプルに比べ最も低く、摩擦
損失も小さいことを示している。
ラウニング形状を付加した保持器付きころと本発明の軌
道輪とを組合せたスラストニードル軸受は、摩擦損失お
よび摩耗を小さくし、転走後エッジ部で生じる表面起点
型の剥離寿命を画期的に向上させ、ころ外径に生じる剥
離を防止する効果があることが明らかとなった。
度炭化物分布させた軌道輪との組み合わせにより、従来
のスラストニードル軸受に別々にこれら要件を付加して
加算した効果を大幅に超える、画期的に大きな耐表面剥
離特性を得ることができる。すなわち、上記の耐表面剥
離性能の大幅な向上は、ころへのクラウニング付加と軌
道輪表層における炭化物の高密度分布との相乗効果とし
て実現することができる。
ろを用い、長さや端面形状を変えた保持器付きころと軌
道輪とを組合せた実施例2のスラストニードル軸受につ
いての試験結果を説明する。表2に示すように、本発明
の要件のうち、(b1)2列ころの外側ころ長さ、(b
2)クラウニング、(b3)保持器ポケット構造、(b
4)ころ端面形状、の各要件の剥離寿命への影響を検討
した。
を説明する図である。図4(a)は、上側軌道輪を除い
た状態の平面図であり、図4(b)は、図4(a)の断
面図である。このサンプル5では、1列のポケット列を
配置し、各ポケットにころ軸方向を径方向に合わせて2
個のころが収納されている。
受を説明する図である。図5(a)は、上側軌道輪を除
いた状態の平面図であり、図5(b)は、図5(a)の
断面図である。表2によれば、保持器にポケットを2列
設けたサンプル6では、ころが保持器によりさらに支持
され、ころスキューを低減させて、摩擦損失および摩耗
を小さくし、剥離寿命長さを本発明例のサンプル5の
1.5倍に向上させている。
ウニング形状を付し、外径側ころを内径側ころよりも小
さなクラウニング形状にしたサンプル7では、本発明例
のサンプル5と同等の剥離寿命長さを有している。ま
た、サンプル7における外径側ころにクラウニングを付
さなかったストレートのサンプル8も、サンプル5と同
等の寿命長さを有している。これらサンプル7および8
では、外径側の負荷容量を上げて、ころ外径側の剥離と
軌道輪外径側の剥離とを防止する作用が得られている。
2倍としたサンプル9(この場合、従来の内径側と外径
側とで同じ長さの2列ころに対し、内径側ころはその長
さよし短く、外径側ころはそれより長くした)では、外
径側の負荷容量を上げて、ころ外径剥離および軌道輪外
径側の剥離を防止するとともに、内径側ころの差動すべ
りを減少させ、サンプル5に比し寿命長さを1.7倍向
上させた。特に、内径側ころ長さを短くしたサンプル9
では、内径側ころの差動すべりが従来の2列ころより減
少した結果、寿命向上が顕著であった。
本数(ポケット数)を内径側列と同等以上にすることも
外径側の負荷容量を上げるので、同様の作用を得ること
ができ有効であることが明白である。この構成は、たと
えば図6に示すスラストニードル軸受として実現するこ
とができる。
状にしたサンプル10,11では、ころ同士の端面の干
渉を低減し、またころ端面と保持器ポケットとの干渉を
低減させる。さらに、ころのスキューを低減し、摩擦ト
ルクを低減させることも、表2の試験結果から明らかで
ある。
る本発明のスラストニードル軸受の効果を調べるため
に、サンプル5とサンプル1(標準軸受)、その他のサ
ンプル4,12を、表1と同一条件で一定時間(10時
間)転動させ、転走後端部の最大摩耗量(深さ)を測定
した結果を表3に示す。
ンプル1が1.5μm、サンプル4が0.7μm、サン
プル12が0.1μmであるのに対して、2列ころによ
るクラウニング形状を付加した保持器付きころと少なく
とも表層0.1mmの深さまで粒径0.6μm以上の炭
化物を単位面積当り39452個/mm2で、かつ面積
率9.64%析出させた軌道輪で構成されたサンプル5
は最大摩耗量が0.05μmと著しく耐摩耗性が向上し
た。
例示であって制限的なものではないと考えられるべきで
ある。たとえば、最も広くは、単列のクラウニング付き
のころと、表層に所定の高密度炭化物分布を有する軌道
輪とを備えるスラストニードル軸受ならば、本発明の対
象となる。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許
請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意
味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図
される。
軸受を用いることにより、ころ端面の相対滑りの減少と
ころ端面付近の応力集中の減少により摩耗が飛躍的に小
さくなり、また潤滑油が行き渡りにくい構造でも、軌道
輪およびころの転走後エッジ部の剥離寿命を著しく向上
させることができる。さらに、潤滑条件が過酷なカーエ
アコン用の斜板式コンプレッサに用いられ、安定した耐
久性を発揮することができる。
片斜板タイプの斜板式コンプレッサの断面図である。
可変容量片斜板タイプの斜板域コンプレッサの断面図で
ある。
受を示す図である。
ットにころを2本収納したころ配列のスラストニードル
軸受を示す図である。(a)は平面図であり、また
(b)は断面図である。
したスラストニードル軸受を示す図である。(a)は平
面図であり、また(b)は断面図である。
ットを2列配列し外径側ころ列のころ数を内径側ころ列
のころ数よりも多く配列したスラストニードル軸受を示
す平面図である。
ウジング、3 斜板、4 主軸、5 ラジアル軸受、1
0a,10b スラストニードル軸受、11a,11b
軌道輪、12,12a,12b 転動体(ころ)、1
3 保持器、14,14a,14b ポケット。
Claims (11)
- 【請求項1】 クラウニング付きのころと、 前記ころに接触し、少なくとも表層0.1mmの深さま
で粒径0.6μm以上の炭化物を単位面積当り1000
0個/mm2以上、40000個/mm2未満有する軌道
輪とを備える、スラストニードル軸受。 - 【請求項2】 主軸に固定された斜板を当該主軸の周り
に回転させることにより、ピストンを往復運動させる斜
板式コンプレッサにおいて、前記主軸の回転運動および
ピストンの往復運動に伴って発生するスラスト荷重を受
けるために、少なくとも前記斜板に接する部位に備えら
れるスラストニードル軸受であって、 クラウニング付きのころと、 前記ころに接触し、少なくとも表層0.1mmの深さま
で粒径0.6μm以上の炭化物を単位面積当り1000
0個/mm2以上、40000個/mm2未満有する軌道
輪とを備える、斜板式コンプレッサ用のスラストニード
ル軸受。 - 【請求項3】 少なくとも2列の複列で配列された複数
のころを含み、そのころの少なくとも1つに前記クラウ
ニングが形成されている、請求項1または2に記載のス
ラストニードル軸受。 - 【請求項4】 前記軌道輪の前記少なくとも表層0.1
mmの深さまでの範囲における炭化物が、面積率で0.
8%以上、10%未満の範囲で析出している、請求項1
〜3のいずれかに記載のスラストニードル軸受。 - 【請求項5】 少なくとも2列で配列された複列ころを
有し、外径側のころ列のころは、内径側のころ列のころ
のクラウニング量よりも小さい量のクラウニングが付さ
れているか、またはクラウニングが付されていない、請
求項1〜4のいずれかに記載のスラストニードル軸受。 - 【請求項6】 前記ころを保持する保持器を有し、その
保持器が1つのポケットに径方向に沿って軸方向を合わ
せて2つ以上のころを収納するポケットを配列した構造
を備える、請求項1〜5のいずれかに記載のスラストニ
ードル軸受。 - 【請求項7】 前記ころを保持する保持器を有し,その
保持器が1つのころを収納するポケットを少なくとも2
列の複列で有する構造を備える、請求項1〜5のいずれ
かに記載のスラストニードル軸受。 - 【請求項8】 少なくとも2列で配列された複列ころを
有し、外径側のころ列のころの長さを、内径側のころ列
のころの長さと同等以上にした、請求項1〜7のいずれ
かに記載のスラストニードル軸受。 - 【請求項9】 ころの端面形状が外側に向けて凸の曲面
状である、請求項1〜8のいずれかに記載のスラストニ
ードル軸受。 - 【請求項10】 少なくとも2列で配列された複列ころ
を有し、外径側のころ列のころ数を、内径側のころ列の
ころ数と同等以上とした、請求項1〜9のいずれかに記
載のスラストニードル軸受。 - 【請求項11】 前記軌道輪の表面硬さが、ロックウェ
ルCスケール硬さ(HRC)で58以上ある、請求項1
〜10のいずれかに記載のスラストニードル軸受。
Priority Applications (8)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2001357710A JP2003156050A (ja) | 2001-11-22 | 2001-11-22 | スラストニードル軸受 |
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