JP2005240978A - 転がり軸受機構およびそれを用いた電動機器 - Google Patents

Abstract

【課題】予圧付与機能とダンピング機能を両立させる転がり軸受機構を提供すること。
【解決手段】軸受３の外輪８よりも径方向外側であって、ハウジング１１よりも内側には、中間リング１２が遊挿される。中間リング１２の内側には溝１３が設けられ、中間リング１２と外輪８との間で粘性潤滑剤を保持する。中間リング１２とハウジング１１との間にはダンパー材としてメカニカルダンパー１６が嵌装される。また、外輪８には軸受３の中心軸方向で予圧が付与される。転がり軸受機構を上記のように構成すると、予圧がダンパー材１６に吸収されることなく適切に外輪８に伝わる。ダンパー材２３は、軸受３から中間リング１２に伝わる振動を減衰させるように機能する。したがって、この転がり軸受機構は、超高速回転する軸を支持するものとして、適切な予圧を与え続けつつ、軸の振動をダンパー材によって減衰させることができる。
【選択図】 図３

Description

本発明は、転がり軸受機構およびそれを用いた電動機器に関し、更に詳しくは、ダンピング機能と予圧付与機能を分離作用させる機構を有する転がり軸受機構およびそれを用いた電動機器に関する。

図９は、電動コンプレッサーまたは電動過給器のような超高速小径主軸を有する機器の例を示す断面図である。ＤＮ値が１５０万を超えるような超高速小径主軸５０を有する機器では、アンギュラ等の転がり軸受５１、５２を用いて軸を支持するのが一般的である。また、主軸５０が超高速回転したときに転がり軸受の球がスキッディングしないように適当な予圧が当該転がり軸受５１、５２の外輪にかけられるのが一般的である。なお、電動過給器には内燃機関の排気エネルギーを利用する電動ターボチャージャー、内燃機関の出力軸からのエネルギーを利用する電動スーパーチャージャーがある。

図１０は、従来の転がり軸受機構を示す説明図である。上述したように、転がり軸受５１、５２の外輪５３には、ばねやゴム等の弾性材５４によって軸方向に予圧がかけられる。これによって、転動体たる球が内輪５５と外輪５３の間にしっかりと把持されながら、スキッディングすることなく回転し、軸を支持する。また、超高速小径主軸５０は、一般に、軸の固有振動に基づく危険速度を超えて使用せねばならず、回転数によっては振動を起こしやすくなるという特徴がある。そのため、当該振動を減衰させるべく、Ｏリングによるダンパー５６が外輪５３とハウジング５７との間に嵌装されるのが普通である。

図１１は、別のタイプの転がり軸受機構を示す説明図である。この転がり軸受機構では、潤滑油を利用したオイルダンパー５８が設けられている。このタイプの転がり軸受機構は、当該オイルダンパー５８によって、軸の振動を抑える。また、転がり軸受内部の転動体にも潤滑油５９を供給、排出するようにして転がり軸受６０の焼き付きを防止する。なお、スキッディングを防止するために予圧付与機構が必要な点は図１０の場合と同様である。電動過給器等の軸受では上記のような構成の軸受け機構が必要であるが、なんら特別な工夫をしないものも多い（たとえば、特許文献１、２）。

特開２０００-１７９４９８号公報 特開２００２-３３９７５７号公報

しかしながら、主軸支持のために転がり軸受を用いた電動コンプレッサー又は電動過給器は、自動車エンジンルームの非常に限られた空間に収める必要があり、且つできるだけコストを下げることを要求されている。それを実現するための手段としてオイルフリーがある。オイルフリーとすることにより、給排油の配管が不要となり、それによって低コスト化可能となる。さらに、そのような配管がなくなることによりスペースの余裕ができ、コンプレッサーの配置の自由度が増加する等のメリットが出てくる。

上記を実現する場合、転がり軸受機構についてオイルフリーとしなければならない。機械要素をオイルフリーにする場合、粘性潤滑剤であるグリースを封入して用いるのが一般的である。しかし、超高速回転する軸を支持する転がり軸受をグリース潤滑にした場合、グリースの劣化速度が大きくなってしまい、短期間で軸受の焼き付きを生じてしまうという問題点があった。

また、超高速主軸を対象とする以上、オイルフリー構造でも、ダンパー構造および適切な予圧をばねで与える構造が必要である。この場合、図１１に示したようなオイルダンパーは利用できないので、それ以外のダンパーが必要となる。そのようなものとしては、従来から図１０に示したようなＯリングが使用されていた。

しかし、Ｏリング又はそれ以外のものでダンパー機構を構成し、軸受外輪と軸受ハウジング間に入れると、その機構による摩擦抵抗や加工誤差のために軸受に適切な予圧を与えることが非常に困難となってしまっていた。つまり、極めて重要な働きをする予圧が、ダンパー構造に大部分消費されてしまい（図１０におけるＦ２、Ｆ３）、適切な予圧が与えられないことから超高速主軸用の軸受機構としては不適切となってしまっていた。

たとえば、Ｏリングはダンパー機能を確保するために設計・選択され、５０Ｎの荷重を許容するところ、小径軸受に予圧として必要な荷重が１５Ｎであった場合、ばね等で予圧を軸方向に与えてもほとんど予圧として機能できない。反対に、ダンパーの許容荷重が小さすぎるとダンパーとして機能させることができなくなる。

そこで、本発明は上記に鑑みてなされたものであって、予圧付与機能とダンピング機能とを分離することにより、両立させ、適切な予圧を転がり軸受に与えつつ、ダンピング機能も確保できる転がり軸受機構およびそれを用いた電動機器を提供することを目的とする。

上述の目的を達成するために、請求項１に係る転がり軸受機構は、転がり軸受と、前記転がり軸受の外輪よりも径方向外側であって、軸受ハウジングよりも内側に遊挿される中間リングと、前記外輪と前記中間リングとの間で粘性潤滑剤を保持する潤滑剤保持手段と、前記中間リングと前記軸受ハウジングとの間に嵌装されるダンパー材と、を有し、前記外輪は前記転がり軸受の中心軸方向で予圧付与手段から付勢されるようにしたものである。

潤滑剤保持手段は、外輪または中間リングに刻んだ溝に嵌入した２つのリングとして、その中に粘性潤滑剤を封入するものであってもよいし、シール材で外輪と中間リングとのわずかな隙間を封入するようにしてもよい。転がり軸受機構を上記のように構成すると、軸方向から付与される予圧によって外輪が軸方向に変位しやすくなる。したがって、予圧付与機能とダンピング機能が分離して働き、予圧付与手段からの力がダンパー材へ逃げるのを防止できる。

ダンパー材は、軸受から中間リングに伝わる振動を減衰させるように機能する。これらにより当該転がり軸受機構は、超高速回転する軸を支持する転がり軸受機構として、適切な予圧を与え続けつつ、危険速度を超える際の振動をダンパー材によって減衰させることができる。なお、上記粘性潤滑剤は、転がり軸受の転動体と一緒に封入させる粘性潤滑剤よりも高粘度のものを使用するのが好ましい。

また、請求項２に係る転がり軸受機構は、前記転がり軸受機構において、前記潤滑剤保持手段は、前記外輪の幅方向両端部に一周にわたって刻まれる溝と前記中間リングの内側表面との間、または前記中間リングに刻まれる溝と前記外輪の外側表面との間に封入リングを嵌入し、当該封入リングと前記外輪と前記中間リングとで粘性潤滑剤を封入して保持するようにしたものである。

金属や硬質樹脂等で形成されるリングを転がり軸受の外輪と中間リングとの間に嵌入することで、粘性潤滑剤を保持できる。また、軸受と同程度の剛性を有する素材を当該封入リングに用いれば、軸方向から付勢される予圧が当該封入リングに吸収されることを防止できる。

また、請求項３に係る転がり軸受機構は、転がり軸受と、前記転がり軸受の外輪よりも径方向外側であって、軸受ハウジングよりも内側に遊挿される中間リングと、保持器とともに前記外輪と前記中間リングとの間に嵌装され、軸方向に転動可能な転動体と、前記中間リングと前記軸受ハウジングとの間に嵌装されるダンパー材と、を有し、前記外輪は前記転がり軸受の中心軸方向で予圧付与手段から付勢されるようにしたものである。

外輪と中間リングとの間も転がり軸受のようになり、外輪が軸方向に変位容易となるから、予圧付与手段からの力がハウジング方向へ逃げることがなく、予圧がしっかりと外輪に伝わる。また、危険速度を超えることに起因して設けられるダンパー材は、中間リングと軸受ハウジングとの間に嵌装されるので、ダンピング機能が担保される。つまり、ダンピング機能を有しつつ、予圧を効率的に外輪に与えることができる。

また、請求項４に係る転がり軸受機構は、転がり軸受と、前記転がり軸受の外輪と軸受ハウジングとの間に嵌入され、前記転がり軸受の中心軸方向に変形しやすいヒンジ形状をなすダンパー材と、を有し、前記外輪は前記転がり軸受の中心軸方向で予圧付与手段から付勢されるようにしたものである。

外輪と軸受ハウジングとの間に転がり軸受の中心軸方向に変形しやすいヒンジ形状をなすダンパー材が嵌入されると、ばね等の予圧付与手段からの力が、ダンパー材の前記中心軸方向への変形によって外輪から転動体へと向かう方向で伝わる。これによって、当該力がダンパー材を伝わって軸受ハウジング方向に逃げることがなくなる。

また、請求項５に係る転がり軸受機構は、前記転がり軸受機構において、前記予圧付与手段は、前記外輪の予圧が付与される端面が磁化され、当該磁化した極性と同一極性を有する磁性体を前記外輪の前記端面に当接させるようにしたものである。

直接背面合わせで外輪同士が当接する場合は、外輪同士の向かい合う面を同極性に磁化してやればよい。また、単独に等しい軸受の場合は、外輪に当接するリングまたはカラーの端面を軸受の外輪の端面と同極性に磁化してやればいよい。このようにすると、互いに反発し合う方向に力が生じる。この力によって外輪を転動体に押しつけることにより予圧が与えられる。

また、請求項６に係る転がり軸受機構は、前記転がり軸受機構において、前記転がり軸受の内輪と前記外輪の間に供給される粘性潤滑剤は、前記転動体に向けて開口され、ハウジング外部に連通する管によって外部から供給されるようにしたものである。

ハウジング外部に連通する管から粘性潤滑剤が転動体に向けて供給されると、古くなった粘性潤滑剤が押し出され、新しい粘性潤滑剤と入れ替わりやすくなる。これにより粘性潤滑剤の劣化で軸受の能力が低下するのを防止できる。なお、当該粘性潤滑剤の供給は、定期的にしてもよいし、連続的にしてもよい。

また、請求項７に係る転がり軸受機構は、前記転がり軸受機構において、前記管の内部の粘性潤滑剤は、主軸が動作させる圧縮器による吐出圧力によって連続的に当該管から前記転動体に向けて押し出されるようにしたものである。

また、請求項８に係る電動コンプレッサーは、請求項１〜７のいずれか一つに記載の転がり軸受機構を有するようにしたものである。

また、請求項９に係る電動過給器は、請求項１〜７のいずれか一つに記載の転がり軸受機構を有するようにしたものである。

電動ターボチャージャー、若しくは電動スーパーチャージャーといった電動過給器、または電動コンプレッサーも超高速回転主軸を有する機器である。したがって、これらの電動機器の軸受に上記転がり軸受機構を適用すれば、オイルフリーでも適切な予圧とダンピング機能が与えられる。また、これらの電動機器から得られる吐出圧力は当然大気圧よりもはるかに高い圧力となる。これらの吐出圧力を利用すれば、管内にある粘性潤滑剤を押し出すのが容易となる。

本発明にかかる転がり軸受機構によれば、予圧付与機能とダンピング機能を分離することにより、両立させ、適切な予圧を転がり軸受に与えつつ、ダンピング機能も確保することができる。したがって、超高速回転主軸をメンテナンス性の高いオイルフリー構造にしても、焼き付きにくい転がり軸受機構を構築することができる。

以下に、本発明にかかる転がり軸受機構およびそれを用いた電動機器の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。

図１は、超高速回転主軸を有する電動ターボチャージャーを示す断面図である。電動ターボチャージャー１は、内燃機関が低回転のときに吸気の過給を補助するために設けられる機器で、超高速回転する主軸２を中心部に有する。当該主軸２は、一組のアンギュラ転がり玉軸受３（以後軸受３という。）で支持される。なお、電動スーパーチャージャーや電動コンプレッサーまたは電動コンプレッサーも同様に、超高速回転主軸を有し、超高速回転主軸を有する機器としては大きさが比較的小さいことが特徴である。たとえば、上記主軸２の径は１０〜１５ｍｍ程度の大きさである。

図２は、図１の軸受まわりを拡大したものを示す断面図である。一組の軸受３の間には外輪８のみに当接するスリーブ９が設けられ、当該スリーブ９には、転動体４に向けて開口され、且つハウジング１１の外部に連通する管５が穿設される。当該管５のハウジング１１外部側にはグリース等の粘性潤滑剤を注入するプラグ６が設けられる。当該注入は、定期的に行うようにするのが好ましい。

管５の内部の粘性潤滑剤は、ターボチャージャーが圧縮する気体の吐出圧力によって連続的に管５から転動体４に向けて押し出されるようにしてもよい。具体的にはターボチャージャーの圧縮室１０からの気体を上記管５に導き、管５内の圧力を上げるようにすればよい。また、上記管５が向けられる軸受３の反対側に、当該気体が流れる際の負圧を利用して粘性潤滑剤を排出する管を設けるようすれば、さらに効率的な粘性潤滑剤の補給ができる。

ハウジング１１外部に連通する管から粘性潤滑剤が転動体に向けて供給されると、古くなった粘性潤滑剤が押し出され、新しい粘性潤滑剤と入れ替わりやすくなる。これにより粘性潤滑剤の劣化で軸受の能力が低下するのを防止できる。なお、電動コンプレッサーや、電動スーパーチャージャー等でも同様なやり方で粘性潤滑剤を軸受３に供給することができる。

軸受３の外輪８よりも径方向外側であって、ハウジング１１よりも内側には、軸受３の幅よりも幅広な中間リング１２が遊挿される。中間リング１２の内側には溝１３および小さな隙間（図示省略）が設けられ、それらは潤滑剤保持手段として、中間リング１２と外輪８との間で粘性潤滑剤を保持する。中間リング１２とハウジング１１との間にはダンパー材としてメカニカルダンパー１６が嵌装される。また、外輪８には軸受３の中心軸方向で予圧が付与される。

具体的には、ばね１４で付勢されたスリーブ１５が外輪に当接させられる。図面左側の軸受３の外輪８には、当該スリーブ１５からの力がスリーブ９を介して伝わる。この他にも予圧付与手段は、図７、図８に示すようにシール材４１とスナップリング４２、若しくはゴム、シリコン等とスナップリング４４という構成にしてもよい。

上記潤滑剤保持手段は、溝１３と小さな隙間（図示省略）であるが、軸受両端部に極小リングを設け、その間にできる隙間に潤滑剤を保持するようにしてもよい。また、メカニカルダンパー１６は、その代替物として中間リング１２とハウジング１１の間に嵌装されるゴム・シリコン、耐熱・耐薬品性シール材としてもよい。

図３は、上記軸受まわりの機構を示す説明図である。既述したが、潤滑剤保持手段は、外輪８に刻んだ溝２０に嵌入した２つのリング２１として、その中に粘性潤滑剤２２を封入するものであってもよいし、シール材で粘性潤滑剤２２が封入されるわずかな隙間を封入するようにしてもよい。溝２０は、中間リング１２側に設けるようにしてもよい。さらに、図７に示すようにシール部材４１の外側に予圧用スナップリング４２を設け、粘性潤滑剤２２を封入してもよい。この場合にも粘性潤滑剤２２は、ハウジング外からねじで押し下げること等により供給できるようにしておくとよい。

転がり軸受機構を上記のように構成すると、軸方向からばね１４で付与される予圧によって外輪８が軸方向に変位しやすくなる。このため、予圧がダンパー材１６に吸収されることなく適切に外輪８に伝わり、矢印Ｆのように転動体４に外輪８を適切な力で押しつけることができる。したがって、軸受３に対する予圧付与機能が確保される。

ダンパー材２３は、軸受３から中間リング１２に伝わる振動を減衰させるように機能する。これらにより当該転がり軸受機構は、超高速回転する軸を支持する転がり軸受機構として、適切な予圧を与え続けつつ、危険速度を超える際の振動をダンパー材によって減衰させることができる。つまり、予圧付与機能とダンピング機能を両立させることができる。なお、上記粘性潤滑剤２２は、転がり軸受の転動体と一緒に封入させる粘性潤滑剤２２よりも高粘度のものを使用するのが好ましい。

図４は、この発明の実施例２に係る転がり軸受機構を示す断面図である。この発明は、基本的に実施例１と同様な構成であるが、軸方向に転動可能な転動体２５と保持器２６とが、外輪８と中間リング１２との間に嵌装される点が特徴である。このような構成にすると、外輪８と中間リング１２との間も転がり軸受のようになり、外輪８がすべり摩擦抵抗を受けず、軸方向に変位容易となるから、ばね１４等の予圧付与手段からの力がハウジング１１方向へ逃げることがなくなる。

また、予圧は、外輪８にしっかりと伝わるようになる。外輪８に予圧がしっかりと伝われば、矢印Ｆのように外輪８を転動体４に適切に押しつけることができ、転動体４のスキッディングが防止される。また、危険速度を超えることに起因して設けられるダンパー２３は、実施例１と同様に、中間リング１２とハウジング１１との間に嵌装されるので、ダンピング機能が担保される。

これらにより、この転がり軸受機構は、超高速回転する軸を支持する転がり軸受機構として、適切な予圧を与え続けつつ、危険速度を超える際の振動をダンパー材によって減衰させることができる。なお、転動体２５と保持器２６は、外輪８上から落ちないように、両側からスリーブで挟まれるようにしておく。

図５は、この発明の実施例３に係る転がり軸受機構を示す断面図である。この発明は、軸受３の外輪８とハウジング１１との間に軸受３の中心軸方向に変形しやすいヒンジ形状をなすダンパー３０を有する点が特徴である。同図では、ゴム等のダンパー３０が角形のくびれ部３１を有しているが、角形である必要はなく、一部がくびれていれば、その部分が変形しやすくなるので、十分ヒンジとして機能する。

このような構成にしても、外輪８がダンパー３０とのすべり摩擦抵抗を受けにくくなり、当該外輪８が軸方向に変位容易となるから、ばね１４等の予圧付与手段からの力がハウジング１１方向へ逃げることがなくなる。また、外輪８に予圧がしっかりと伝わる。外輪８に予圧がしっかりと伝われば、矢印Ｆのように外輪８を転動体４に適切に押しつけることができ、転動体４のスキッディングが防止される。また、危険速度を超えることに起因して設けられるダンパー２３は、軸受３に対するダンピング機能が担保される。ダンパー２３はゴムで形成してもよい。

これらにより、この転がり軸受機構は、超高速回転する軸を支持する転がり軸受機構として、適切な予圧を与え続けつつ、危険速度を超える際の振動をダンパー３０によって減衰させることができる。なお、外輪８が軸受３の中心軸方向で予圧付与手段１４から付勢される点は実施例１〜２と同様である。

図６は、この発明の実施例４に係る転がり軸受機構を示す説明図である。この発明では、外輪８の予圧が付与される端面３５が磁化され、当該磁化した極性（ＮかＳ）と同一極性を有する磁性体であるカラー３６を外輪８の端面３５に当接させる。カラー３６を用いない場合は、上記端面３５のそれぞれが磁性体であるから、これらを直接当接させる。この場合は、アンギュラ転がり玉軸受を背面合わせで用いるときに適用可能である。

このような構成にすると、軸受３間に互いに反発し合う力が生じる。この力によって矢印Ｆのように外輪を転動体に押しつける。すなわち、予圧が与えられる。ダンピングに関しては、実施例１〜３と同様のダンピング構造、すなわち、中間リングとハウジングの間にダンパー材を嵌装したり、ヒンジ形状のゴムを外輪とハウジングとの間に嵌装する構造を用いればよい。

このような構成にしても、転がり軸受機構は、超高速回転する軸を支持する転がり軸受機構として、適切な予圧を与え続けつつ、危険速度を超える際の振動をダンパー３０によって減衰させることができる。

以上のように、本発明にかかる転がり軸受機構は、ＤＮ値が１５０万を超えるような超高速回転小径主軸を有する電動コンプレッサー、電動過給器等において、当該軸を支持するための転がり軸受機構に係るものである。したがって、主に機械産業、電機産業において利用可能となるものである。

超高速回転主軸を有する電動ターボチャージャーを示す断面図である。 図１の軸受まわりを拡大したものを示す断面図である。 上記軸受まわりの機構を示す説明図である。 この発明の実施例２に係る転がり軸受機構を示す断面図である。 この発明の実施例３に係る転がり軸受機構を示す断面図である。 この発明の実施例４に係る転がり軸受機構を示す説明図である。 潤滑油保持手段を示す断面図である。 予圧付与手段を示す断面図である。 電動コンプレッサーまたは電動過給器のような超高速小径主軸を有する機器の例を示す断面図である。 従来の転がり軸受機構を示す説明図である。 図１０とは異なる従来の転がり軸受機構を示す説明図である。

符号の説明

１ 電動ターボチャージャー
２、５０ 主軸
３、５１、６０ 玉軸受
４、２５ 転動体
５ 管
８、５３ 外輪
９、１５ スリーブ
１０ 圧縮室
１１、５７ ハウジング
１２ 中間リング
１３、２０ 溝
１６ メカニカルダンパー
２１ リング
２２ 粘性潤滑剤
２３ ダンパー材
３０、５６ ダンパー
３５ 端面
３６ カラー
４１ シール材
４２、４４ スナップリング
５５ 内輪
５８ オイルダンパー

Claims (9)

1. 転がり軸受と、
   前記転がり軸受の外輪よりも径方向外側であって、軸受ハウジングよりも内側に遊挿される中間リングと、
   前記外輪と前記中間リングとの間で粘性潤滑剤を保持する潤滑剤保持手段と、
   前記中間リングと前記軸受ハウジングとの間に嵌装されるダンパー材と、
   を有し、前記外輪は前記転がり軸受の中心軸方向で予圧付与手段から付勢されることを特徴とする転がり軸受機構。
2. 前記潤滑剤保持手段は、前記外輪の幅方向両端部に一周にわたって刻まれる溝と前記中間リングの内側表面との間、または前記中間リングに刻まれる溝と前記外輪の外側表面との間に封入リングを嵌入し、当該封入リングと前記外輪と前記中間リングとで粘性潤滑剤を封入して保持することを特徴とする請求項１に記載の転がり軸受機構。
3. 転がり軸受と、
   前記転がり軸受の外輪よりも径方向外側であって、軸受ハウジングよりも内側に遊挿される中間リングと、
   保持器とともに前記外輪と前記中間リングとの間に嵌装され、軸方向に転動可能な転動体と、
   前記中間リングと前記軸受ハウジングとの間に嵌装されるダンパー材と、
   を有し、前記外輪は前記転がり軸受の中心軸方向で予圧付与手段から付勢されることを特徴とする転がり軸受機構。
4. 転がり軸受と、
   前記転がり軸受の外輪と軸受ハウジングとの間に嵌入され、前記転がり軸受の中心軸方向に変形しやすいヒンジ形状をなすダンパー材と、
   を有し、前記外輪は前記転がり軸受の中心軸方向で予圧付与手段から付勢されることを特徴とする転がり軸受機構。
5. 前記予圧付与手段は、前記外輪の予圧が付与される端面が磁化され、当該磁化した極性と同一極性を有する磁性体を前記外輪の前記端面に当接させることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の転がり軸受機構。
6. 前記転がり軸受の内輪と前記外輪の間に供給される粘性潤滑剤は、前記転動体に向けて開口され、ハウジング外部に連通する管によって外部から供給されることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載の転がり軸受機構。
7. 前記管の内部の粘性潤滑剤は、主軸が動作させる圧縮器による吐出圧力によって連続的に当該管から前記転動体に向けて押し出されることを特徴とする請求項６に記載の転がり軸受機構。
8. 請求項１〜７のいずれか一つに記載の転がり軸受機構を有することを特徴とする電動コンプレッサー。
9. 請求項１〜７のいずれか一つに記載の転がり軸受機構を有することを特徴とする電動過給器。

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