JP2005042892A - 玉軸受 - Google Patents

Abstract

【課題】 モーメント荷重の有無を問わず使用可能な汎用性を持つ玉軸受を提供する。
【解決手段】 玉軸受１の内輪３と外輪５に、軸方向両側に形成され、それぞれボールと接触角もって接触可能の第一の軌道面Ａと、第一の軌道面Ａの間に形成され、ボール半径以上の曲率半径Ｒ２を有する第二の軌道面Ｂとをそれぞれ設ける。モーメント荷重の負荷時にはボール６を内輪３および外輪５二形成された第一の軌道面Ａの一方と接触させ、純アキシャル荷重の負荷時にはボールを内輪３および外輪５に形成された第二の軌道面Ｂと接触させる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、主にラジアル荷重の支持用として好適な玉軸受に関するものである。

自動車等の空調設備においては、冷凍サイクルを構成するコンプレッサとコンプレッサへの動力の伝達・遮断を切り替える電磁クラッチとの回転支持部に軸受が使用される。この電磁クラッチ用軸受では、自動車のエンジン周りでの補機の配置制限等から電磁クラッチプーリと軸受の相互の軸方向中心位置がずれる場合がある。従来では、図８に示すように電磁クラッチ用軸受として複列の玉軸受を使用しているが、この複列玉軸受において、上記のとおりプーリと軸受の軸方向中心に軸方向のずれが存在すると、軸受１０１にはベルトからのラジアル荷重Ｆがモーメント荷重として負荷され、これに伴って、軸受１０１の外輪１０５が軸受中心Ｏ周りで揺動して内輪１０３と外輪１０５の間に相対的な傾きを生じる。そのため外輪１０５のラジアル荷重Ｆが負荷された側が内径側に変位し、反対側が外径側に変位する。従って、荷重Ｆの負荷側で内輪軌道面１０２ａおよび外輪軌道面１０４ａとボール１０６ａとの接触圧が増大する一方、反対側では内輪軌道面１０２ｂおよび外輪軌道面１０４ｂとボール１０６ｂとの接触圧が低下し、さらには両者間に隙間を生じることとなる。そのため、反対側に存在するボール１０６ｂが径方向に移動可能となり、この移動するボール１０６ｂと各軌道面１０２ｂ、１０４ｂとが軸受０１の回転に伴って衝突することで異音・騒音を生じる。

この現象の対策を講じた軸受として、例えば特開平１１−３３６７９５号公報（特許文献１）、特開２０００−１７０７５２号公報（特許文献２）、特開２００１−３０４２７３号公報（特許文献３）、および特開２００３−６５３２６号公報（特許文献４）等に記載された玉軸受が知られている。

このうち、特許文献１〜３は、単列配置されたボールを外輪および内輪にそれぞれ二点ずつ接触させる、いわゆる四点接触玉軸受を使用するものである。この四点接触玉軸受では、モーメント荷重が負荷された場合でも、ボールと内輪の二つの接触点のうち、一方の接触点は離れるものの他方の接触点は接触状態が常に保たれ、かつボールと外輪の間でも同様の接触状態となる。これにより、ボールが常時外輪軌道面および内輪軌道面と接触するので、異音や騒音の発生が抑制される。

また、特許文献４は、内向きの接触角を持つ正面組み合わせの複列玉軸受を使用するもので、同様にモーメント荷重が負荷された場合でも外輪軌道面および内輪軌道面とボールとの間で隙間が生じにくいため、異音や騒音の発生が抑制可能となる。

この他、電磁クラッチ用軸受としては、特開２０００−２４０６６３号公報（特許文献５）記載のものも知られている。これは、玉軸受の外輪軌道面と内輪軌道面の曲率半径を一定範囲に特定したもので、内外輪のアキシャル変位を規制して電磁クラッチの回転体と被回転体との間に形成された隙間を保持することを目的としている。

特開平１１−３３６７９５号公報

特開２０００−１７０７５２号公報

特開２００１−３０４２７３号公報

特開２００３−６５３２６号公報

特開２０００−２４０６６３号公報

しかしながら、特許文献１〜３に記載された四点接触玉軸受では、モーメント荷重の負荷に対しては有効であるにしても、純ラジアル荷重、すなわち軸受の軸方向中心にラジアル荷重（純ラジアル荷重）が負荷されると、ボールが内輪および外輪とそれぞれ二点（軸受全体では四点）で接触する。この状態では接触部が純転がり接触状態とはならず、滑り接触を伴った転がり接触状態となるため、ボールと内・外輪との間で滑りで摩耗や発熱が生じる点が問題となる（特許文献５の段落０００８および０００９参照）。従って、この軸受は、プーリと軸受の軸方向中心に大きなずれを持つ場合のみ使用可能で、プーリと軸受の軸方向中心が一致する場合若しくはそのずれが小さい場合は使用が困難であり、汎用性に欠ける。

また、特許文献４記載の軸受は、軸方向寸法の長い複列軸受であるため、軽量化や低コスト化の要請に反し、かつ周辺部品の設計自由度の低下を招く点が問題となる。

さらに、特許文献５記載の軸受は、軌道面の曲率が特定範囲にあることを除けば通常の深溝玉軸受に準じる構成を有するものであるから、内外輪間のアキシャル変位およびモーメント剛性が四点接触玉軸受よりも劣り、従って、特に大きなモーメント荷重が負荷される場合、内外輪間の相対的な傾きが大きくなる不具合がある。

本発明は、かかる実情に鑑み、ラジアル荷重が負荷される条件下で、それがモーメント荷重であるか否かを問わず使用可能な高い汎用性を持つ玉軸受を提供するものである。

上記目的の達成のため、本発明は、内輪と、外輪と、内輪と外輪の間に配置されたボールとを有する玉軸受において、内輪と外輪の少なくとも一方が、軸方向両側に形成され、それぞれボールと接触角もって接触可能の第一の軌道面と、第一の軌道面の間に形成され、ボール半径よりも大きい曲率半径を有する第二の軌道面とを備えることを特徴とするものである。

この玉軸受においては、モーメント荷重が負荷されると、一方の軌道輪（例えば外輪）で軸方向両側の第一の軌道面のうち軸方向一方側がボールと非接触になり、軸方向他方側がボールと接触する（図３および図４参照）。この時、他方の軌道輪（例えば内輪）でも上記とは反対側（軸方向一方側）で軌道面がボールと接触する。そのため、従来の四点接触玉軸受と同様にボールが軸方向両側で常時内輪軌道面および外輪軌道面と接触可能となり、これにより異音や騒音の発生を防止することができる。また、深溝玉軸受のように軸受の軸方向中心上でボールと軌道面が一点接触するものではないから、当該軸受を使用する場合に比べ、軸受のアキシャル変位を抑えることができ、かつモーメント剛性も高めることができる。

一方、純ラジアル荷重が負荷されると、ボールは第一の軌道面とは非接触となるが、第二の軌道面と一点接触するから、接触部は純転がり接触に近い状態となる。従って、接触部における滑り減じ、摩耗量や発熱量を抑えることが可能となる。

以上から、この玉軸受は、モーメント荷重が負荷される場合のみならず、モーメント荷重が作用しない純ラジアル荷重下でも使用することができ、一つの軸受でモーメント荷重の有無を問わず対応可能となる。

以上に述べた各軌道面の異なる機能を担保するため、第一および第二の軌道面の何れか一方の軌道面と接触しているボールは、他方の軌道面とは非接触状態とするのが望ましい。

上記第一および第二の軌道面を有する軸受を仮に複列に配置すると、モーメント荷重で外輪が傾くことにより、二列のうち一方の列側では外輪が内輪側に押され、他方の列側では外輪が内輪から遠ざかるため、他方の列側でボールが内外輪軌道面に対して非接触となる。これに対し、上記のようにボールを単列に配置すれば、ボールと軌道面間に隙間が形成されることはなく、各ボールが第一の軌道面と一点ずつ接触した状態が常に保たれる。また、このようにボールを単列に配置すれば、複列に比べて軸受の軸方向寸法が短縮化されるため、軽量化や低コスト化、さらには周辺部品の設計自由度の向上を図ることが可能となる。

この玉軸受において、ボールと接触各を持って接触する第一の軌道面の具体的形状としては、ゴシックアーチ、楕円、放物線、双曲線の何れかの形状が生産性に優れを考えられる。

以上に述べた各玉軸受の外輪をベルトと接触する回転部材に固定することによりプーリを製作することができる。この玉軸受には、プーリがベルト張力を受ける関係でラジアル荷重が作用するが、上記玉軸受を使用することにより、ラジアル荷重が純ラジアル荷重であるかモーメント荷重であるかを問わず、同一の玉軸受で対応することが可能となるので、軸受の汎用性が高まる。

また、このプーリと、通電によって電磁力を発生するコイルと、従動部材とを備え、コイルで発生した電磁力で回転部材と従動部材とを吸着させて、回転部材の回転を従動部材に伝達する電磁クラッチにおいても同様にモーメント荷重の有無を問わず、同一の玉軸受で対応することが可能となる。この場合、上述のようにモーメント荷重下でも軸受のアキシャル変位量が少ないため、このアキシャル変位による回転部材と従動部材との間のクラッチ隙間への悪影響を防止することができ、クラッチの作動安定性や耐久性を向上させることができる。

この電磁クラッチにおいては、例えばベルトがエンジンによって駆動され、従動部材がコンプレッサの駆動軸に連結される。この電磁クラッチと、その従動側回転部材に連結したコンプレッサとで車両用空調装置を提供することができる。

本発明によれば、ラジアル荷重が負荷される条件下でも、それが純ラジアル荷重であるか、あるいはモーメント荷重であるかを問わず同一の玉軸受で対応することが可能となる。従って、この種の玉軸受の汎用性を高めることができ、低コスト化を図ることが可能となる。

以下、本発明の実施の形態を添付図面を参照して説明する。

図１は、本発明にかかる玉軸受１の断面図である。図示のように、この玉軸受は、外周に軌道面２を有する内輪３と、内周に軌道面４を有する外輪５と、内外輪３、５の軌道面２、４間に介在させた複数のボール６とを備えており、ボール６を単列に配した単列玉軸受として構成される。ボール６は保持器７によって円周方向の等配位置に保持され、内外輪３、５の間の軸受内部空間は、その軸方向両端に配したシール８によって密封されている。

図２および図３に示すように、本実施形態において内輪３および外輪５の各軌道面２、４は二種類の軌道面Ａ、Ｂで構成される（図面は内輪３の軌道面２を例示している）。

このうち、第一の軌道面Ａは、軸方向に離隔した二箇所に形成され、何れもいわゆる４点接触玉軸受の軌道面形状と同形状をなす。図示例の第一の軌道面Ａは、ゴシックアーチ形状をなし、軸受の軸方向中心のそれぞれ反対側に等距離ｅだけオフセットした位置に曲率中心があって、かつボール６の半径よりも大きい曲率半径Ｒ２を有する円弧状の輪郭を備える。従って、ボール６は二つの第一の軌道面Ａに対してそれぞれ接触角αをもった状態で接触可能となる。第一の軌道面Ａの形状は、ボールと接触角をもって接触するものである限り任意に選択でき、図示したゴシックアーチ形状に限らず、楕円、放物線、双曲線の何れかの形状とすることもできる。なお、図２中の破線は、後述する第二の軌道面Ｂが存在しない従来の四点接触玉軸受における軌道面形状を表すものである（図３も同じ）。

一方、第二の軌道面Ｂは、二つの第一の軌道面Ａの間に形成される。この第二の軌道面Ｂは円弧状の輪郭を備え、その曲率中心は軸受の軸方向中心Ｏ−Ｏ上にあり、かつその曲率半径Ｒ１はボール６の半径よりも大きい。従って、純ラジアル荷重下では、ボール６と第二の軌道面Ｂとが軸受中心Ｏ−Ｏ上で一点接触する。第一の軌道面Ａの曲率半径Ｒ１と第二の軌道面Ｂの曲率半径Ｒ２の大小関係は任意で、図２に示すようにＲ１＜Ｒ２とする他、図３に示すようにＲ１＞Ｒ２としてもよい。

この玉軸受１における作用を図４および図５に基づいて説明する。なお、図４および図５は、第一の軌道面や第二の軌道面の曲率の差は理解のため誇張して描いている。

玉軸受１にモーメント荷重（図面時計回り）が作用すると、外輪５が同方向に揺動して外輪５に傾きを生じる。その結果、ボール６は、外輪軌道面４のうち、左側の第一の軌道面４Ａと接触角αをもって接触する一方、右側の第一の軌道面４Ａとは非接触になる。また、ボール６と内輪軌道面２との接触態様は、外輪軌道面４におけるものと反対で、ボール６は右側の第一の軌道面２Ａと接触角αをもって接触する一方、左側の第一の軌道面２Ａとは非接触となる。このように各ボール６が軸方向反対側で内外輪３、５とそれぞれ一点ずつ接触した状態にあり、かつこの接触状態が常時維持されるため、ボール６の軌道面２、４との衝突による異音や騒音の発生を防止することが可能となる。また、ボール６と内輪軌道面２および外輪軌道面４との接触部が軸受の軸方向中心Ｏ−Ｏを挟む両側に存在するため、深溝玉軸受に比べてモーメント剛性が高まると共に、軸受のアキシャル変位量も少なくなる。

一方、玉軸受１に純アキシャル荷重が作用すると、図５に示すように、ボール６は軸受の軸方向中心上で内外輪３、５の第二の軌道面２Ｂ、４Ｂとそれぞれ一点接触し、第一の軌道面２Ａ、４Ａとは非接触となる。これによりボール６と内外輪３、５との接触部は純転がり接触に近い状態となるので、接触部における滑りを減じ、摩耗量や発熱量を抑えることが可能となる。

以上から、本発明によれば、 ラジアル荷重が作用するのであれば、それが純ラジアル荷重であるかモーメント荷重であるかを問わず、同一の玉軸受１で対応することが可能となる。従って、純ラジアル荷重用もしくはモーメント荷重用の専用品を製作していた従来に比べ、玉軸受の汎用性が高まってその低コスト化を図ることができる。

また、かかる効果は、モーメント荷重の方向を問わず単列の軸受で得られるため、複列玉軸受を用いる従来品に比べて特に軸方向寸法の大幅な小型化が可能となり、低コスト化、軽量化、さらには周辺機器の設計自由度の向上を図ることができる。

なお、以上の説明では、内輪軌道面２と外輪軌道面４の双方に第一の軌道面２Ａ、４Ａおよび第二の軌道面２Ｂ、４Ｂを設けた場合を例示したが、必ずしも双方の軌道面２、４に二種類の軌道面を設ける必要はなく、少なくとも一方の軌道輪に二種類の軌道面Ａ、Ｂが設けられていれば、他方の軌道輪の軌道面は、従来の深溝玉軸受と同様に、ボール６と一点接触する単一曲率からなる円弧状に形成しても同様の効果が得られる。

以上に述べた玉軸受１は、ラジアル荷重（モーメント荷重も含む）が負荷される用途に広く使用することができる。図６は、その一例でベルト伝動装置のプーリ１１に上記玉軸受１を適用した例である。

このプーリ１１は、自動車のタイミングベルトに使用されるアイドラプーリで、鋼板プレス製のプーリ本体１２と、プーリ１２本体の内径に嵌合した単列の玉軸受１とで構成される。プーリ本体１２は、図示しないベルトからの駆動力を受けて回転する回転部材で、内径円筒部１２ａ、内径円筒部１２ａの一端から外径側に延びたフランジ部１２ｂ、フランジ部１２ｂから軸方向に延びた外径円筒部１２ｃ、内径円筒部１２ａの他端から内径側に延びた鍔部１２ｄからなる環体である。内径円筒部１２ａの内周面には玉軸受１の外輪５が嵌合され、外径円筒部１２ｃの外周面には図示しないベルトと接触するプーリ周面１２ｅが設けられている。玉軸受１の内輪３は図示しない固定軸に嵌合されている。プーリ本体１２のプーリ周面１２ｅをベルトに接触させることにより、プーリ１１がアイドラとしての役割を果たす。

図示例のプーリ１１は、ベルトと軸受１の軸方向中心とが略一致しており、従ってベルト張力に基づく荷重は、純ラジアル荷重が支配的となる。この場合、軸受１は図５に示す接触状態となるので、ボール６と各軌道面２Ｂ、４Ｂとの接触状態が純転がり状態に近づき、四点接触玉軸受を使用する場合に比べて軸受１の発熱や摩耗を抑制することができる。もちろんプーリ１１において、ベルトと軸受１の軸方向中心にずれが存在する場合もあり、その場合、図４に示すように、ボール６は接触角αをもって内輪軌道面２および外輪軌道面４と接触し、四点接触玉軸受と同様の接触状態となって、軸受１からの異音や騒音の発生を防止する。

図６では、アイドラプーリに上記玉軸受１を適用した場合を例示したが、この玉軸受１は、その他にもベルト張力を調整するためのテンショナプーリ用の軸受としても使用することができる。また、タイミングベルトに限らず、自動車のエンジンに駆動される補機駆動用ベルトに使用するプーリにも同様に使用することができる。

図７は、この玉軸受１を電磁クラッチの回転支持部への使用例を示すもので、特に車両用空調装置のコンプレッサ用電磁クラッチ２１の概略構成を表す。図示のように、この電磁クラッチ２１では、コンプレッサ２０から回転自在に突出された駆動軸２２の先端に回転円盤２３が取り付けられ、さらに回転円盤２３に板ばね２４を介し、従動部材としてのアーマチュア２５が取り付けられている。コンプレッサハウジング２７からは駆動軸２２を取り囲むように円筒軸２８が延びており、この円筒軸２８に電磁クラッチ用玉軸受１の内輪３が固定されている。玉軸受１の外輪５にはプーリ３１が取り付けられている。プーリ３１は、ベルトの掛け渡し部３２とこの掛け渡し部３２の内周に固定した回転部材としてのロータ３３とからなり、ロータ３３のコンプレッサハウジング２７と反対側の端面３３ａはアーマチュア２５の端面２５ａと微小隙間ｇを介して対向し、ロータ３３の内周面に玉軸受１の外輪５が固定されている。ロータ３３の外周と内周の間に凹部３４が設けられ、この凹部３４にコンプレッサハウジング２７に固定したステータ３５がロータ３３と接触しないよう収容されている。ステータ３５内に収容されたコイル３６に通電すると、磁界が発生してアーマチュア２５がロータ３３に吸着され、プーリ３１の回転力がアーマチュア２５、板ばね２４、回転円盤２３、駆動軸２２を介してコンプレッサ２０に入力され、コンプレッサ２０が駆動する。

この電磁クラッチ２１の軸受１としても図１〜図３に示す玉軸受を使用することができる。この電磁クラッチ２１においては、図面からも明らかなようにベルトと軸受の軸方向中心に軸方向のずれが存在しているため、玉軸受１にはモーメント荷重が作用する。従って、この場合、ベルトの駆動中におけるボール６と内外輪３、５との接触状況は図４に示すモーメント荷重の負荷状態となる。

上述のようにモーメント負荷状態では、玉軸受１のアキシャル変位量が少なく、従って、アーマチュア２５とロータ３３との間のクラッチ隙間ｇの変動を来すこともない。アキシャル変位量が多いと、クラッチ隙間ｇを規定幅に維持できず、両者の意図しない接触による異常発熱や異常摩耗、あるいは電磁力の吸着力不足等を招き、耐久性や作動安定性にク影響を及ぼすおそれがあるが、上記玉軸受１を使用する限りこの種の弊害を回避することができる。

本発明にかかる玉軸受の断面図である。 本発明にかかる玉軸受の軌道面の拡大断面図である。 本発明にかかる玉軸受の軌道面の拡大断面図である。 モーメント荷重負荷時のボールと内外輪の接触状態を示す断面図である。 純アキシャル荷重負荷時のボールと内外輪の接触状態を示す断面図である。 玉軸受を使用したアイドラプーリの断面図である。 電磁クラッチ装置を概念的に示す断面図である。 従来の複列玉軸受にモーメント荷重が負荷された時の状態を示す断面図である。

符号の説明

１ 玉軸受
２ 内輪軌道面
３ 内輪
４ 外輪軌道面
５ 外輪
６ ボール
７ 保持器
８ シール
１１ プーリ
１２ プーリ本体（回転部材）
２０ コンプレッサ
２１ 電磁クラッチ
２２ 駆動軸
２５ アーマチュア（従動部材）
２７ コンプレッサハウジング
３２ 掛け渡し部
３３ ロータ（回転部材）
３４ 凹部
３５ ステータ
３６ コイル

Claims (8)

1. 内輪と、外輪と、内輪と外輪の間に配置されたボールとを有する玉軸受において、
   内輪と外輪の少なくとも一方が、軸方向両側に形成され、それぞれボールと接触角もって接触可能の第一の軌道面と、第一の軌道面の間に形成され、ボール半径よりも大きい曲率半径を有する第二の軌道面とを備えることを特徴とする玉軸受。
2. 第一および第二の軌道面の何れか一方の軌道面と接触しているボールが、他方の軌道面とは非接触状態にある請求項１記載の玉軸受。
3. ボールが単列に配置されている請求項１記載の玉軸受。
4. 第一の軌道面が、ゴシックアーチ、楕円、放物線、双曲線の何れかの形状である請求項１記載の玉軸受。
5. 請求項１〜４の何れかに記載した玉軸受の外輪を、ベルトと接触する回転部材に固定したことを特徴とするプーリ。
6. 請求項１〜４の何れかに記載したプーリと、通電によって電磁力を発生するコイルと、従動部材とを備え、コイルで発生した電磁力でプーリの回転部材と従動部材とを吸着させて、回転部材の回転を従動部材に伝達することを特徴とする電磁クラッチ。
7. ベルトがエンジンによって駆動され、かつ従動部材がコンプレッサの駆動軸に連結される請求項６記載の電磁クラッチ。
8. 請求項７に記載した電磁クラッチと、その従動側回転部材に駆動軸を連結したコンプレッサとを有する車両用空調装置。