JP2005308018A - ニードル軸受及びコンプレッサ - Google Patents

Abstract

【課題】
潤滑油を増やすことが出来ず、潤滑油の交換も出来ないような使用環境において、摩耗紛等の異物が混入した状態でも軸受の寿命を抑制できるニードル軸受及びコンプレッサを提供する。
【解決手段】
ころ１６ｅの転動面（Ａ）、保持器１６ｈの摺動面（Ｂ）、及び軌道輪１６ｆ、１６ｇの軌道面（Ｃ）の少なくとも１つは、表面粗さをＲａ０．１以下としているので、摩耗抑制を図ることができる。
【選択図】 図３

Description

本発明は、コンプレッサ等に用いられると好適なニードル軸受及びそれを用いたコンプレッサに関する。

例えばカーエアコン用コンプレッサ（カークーラコンプレッサともいう）の一タイプとして、容量可変式のコンプレッサが知られている。一般的に、容量可変式のコンプレッサは、ハウジングに対して駆動軸をラジアル軸受により回転自在に支持し、この駆動軸に対して斜板を傾斜角度可変に連結し、この斜板に対し揺動板を摺動自在に取付けてある。斜板と揺動板との間にはスラスト軸受が配置されている。揺動板には、複数のピストンロッドの一端が円周方向等間隔に取付けてあり、このピストンロッドの他端はピストンに連結している。このピストンは、ハウジング内に設けられたシリンダの内部で摺動するように設けられ、このシリンダのボア内に流入される冷媒ガスを圧縮し吐出するようにしている。つまり、斜板が回転すると、揺動板が、いわゆるみそすり的動作をし、ピストンロッドを介してピストンを軸線方向に往復運動させ、冷媒ガスを圧縮し吐出するようになっている（特許文献１参照）。
特開２００２−２６６７５４号公報 特許第２５４１１６０号公報 特開平８−１６６０１４号公報

ところで、カーエアコン用コンプレッサの動作時には、斜板を介して駆動軸は大きな力を受けるので、かかる駆動軸をハウジングに対してスラスト方向に支持するスラスト軸受と、ラジアル方向に支持するラジアル軸受とが必要となる。ここで、スラストニードル軸受はころを放射状に複数本配列し、アキシアル荷重を受けて回転するものであり、軸方向高さが低い（薄い）にもかかわらず、非常に大きな荷重を受けることができるという特徴を有しているので、コンプレッサに用いられることが多い。

このようにスラストニードル軸受は、高荷重を受けるのに適しているが、最近では小型化、高出力化といった流れの中で、取り付け部の寸法の制約が発生し、所定の寸法にて性能（長寿命、耐摩耗性等）を満足することが求められてきている。

一方で、寸法制約から軸受のサイズを大きくすることは不可能なことが多く、熱処理、材料の変更等によって性能向上を図っている例が見られる（例えば特許文献２参照）。

ここで、スラストニードル軸受の用途としては、例えば、自動車用変速機、カーエアコン用コンプレッサ等があげられるが、これらの用途では潤滑油を頻繁に交換することが出来ない場合が多々あり、特にエアコン、冷蔵庫等のコンプレッサにあっては密閉式の構造であるため潤滑油の交換は出来ないような状況である。

これらのうち、例えばエアコン等のコンプレッサにおける使用環境は、冷媒であるフロンガス（カーエアコンの場合はＲ１３４ａ、冷凍機の場合はＲ１２、Ｒ２２等）とポリアルキレングリコール（ＰＡＧ）や鉱油が潤滑剤として少量封入されているだけであり、潤滑状態はミスト状になったこの潤滑油が冷媒であるフロンガスとともに配管中を循環しているだけであり、軸受にとって非常に厳しい潤滑条件であるといえる。

潤滑油は、その名の通り各部品の潤滑をするわけであるが、摺動部品等においては当然摩耗紛の発生がある。従って、これらの摩耗紛が軸受に入り込むと、これが異物となってフレーキングの原因になることが懸念され、軸受にフレーキングが生じると異音の発生を招き、或いは損傷が甚だしい場合は軸受のロック、焼き付きに至り、機械が作動不良となる場合も懸念される。

つまり、コンプレッサ内部は、軸受に供給される潤滑油が非常に少ない状態であり、軸受の摩耗、フレーキングといった損傷を発生しやすい状態になっているにもかかわらず、潤滑油を頻繁に交換することが出来ないような使用環境であるといえる。従って、このような使用環境に対して軸受の寿命を改善するためには、潤滑油量を増やすことが有効であるが、前述のように油は交換できず、また潤滑油を増やすと冷却効率を下げることになり適切な処置ではないといえる。

さらに、たとえば特許文献２等において、異物混入下では寿命が低下しにくいとしての効果が得られる旨が示されているが、コンプレッサにおいては潤滑状態が非常に厳しい環境のため、軸受および、軸受以外の部品から異物が発生すると（同時に）軸受部の摩耗も発生するため有効な手段にはなりえない。

また、特許文献３にて示されている技術は、初期の軸受摩耗に対しては効果が得られるが、摩耗紛等の異物が発生した状況においては効果が期待できないものである。さらには転動体と接触する部分の一部が樹脂で形成されているため、樹脂のはがれ等の問題がある。その上、保持器がころ持たせである場合は、ころ外径部で保持器を担いでいる状態のため、ころに付着した潤滑油、樹脂を削りおとしやすい状態となっているという問題もある。

本発明は、前述のような問題点に鑑みてなされたものであり、潤滑油を増やすことが出来ず、潤滑油の交換も出来ないような使用環境において、摩耗紛等の異物が混入した状態でも軸受の寿命を抑制できるニードル軸受及びコンプレッサを提供することを目的とする。

本発明のニードル軸受は、複数のころと、前記ころを保持する保持器と、軌道輪とからなるコンプレッサ用のニードル軸受において、
前記ニードル軸受は、酸素が存在しない環境下で用いられ、前記ころの転動面、前記保持器の摺動面、及び前記軌道輪の軌道面の少なくとも１つは、表面粗さをＲａ０．１以下としたことを特徴とする。

本発明のニードル軸受は、複数のころと、前記ころを保持する保持器と、軌道輪とからなるコンプレッサ用のニードル軸受において、前記ニードル軸受は、酸素が存在しない環境下で用いられ、前記ころの転動面、前記保持器の摺動面、及び前記軌道輪の軌道面の少なくとも１つは、表面粗さをＲａ０．１以下としたので、前記転動面、前記摺動面、前記軌道面の表面の粗さを向上することにより、前記ころと前記保持器或いは前記ころと前記軌道輪間に形成される油膜の形成性を向上することで、潤滑状態の改善が出来、軸受要素の金属同士の接触を防止し、軸受の摩耗による損傷を防止することができる。

前記前記ころの転動面、前記保持器の摺動面、及び前記軌道輪の軌道面のうち一方の面の粗さをσ_１とし、前記一方の面に対向する面の粗さをσ_２としたときに、その合成粗さσ＝√｛（σ_１）^２＋（σ_２）^２｝は、Ｒａ０．１以下であると好ましい。

軸受の潤滑状態を示す指標は、形成される油膜厚さと表面粗さの比である油膜パラメータ（Λ）によって表すことが出来る。この値Λは以下の式で表され、値が大きいほど潤滑状態が良いことを示す。
Λ＝ｈ／√｛（σ_１）^２＋（σ_２）^２｝
（ｈ：ＥＨＬ油膜厚さ σ：合成粗さ）

このΛが大きい場合には、２面間（例えば、ころと軌道輪）の微小突起間の金属接触が起こりにくいことになる。

さらには、酸素が存在しないような環境で使用される軸受の場合、粗さが悪いと金属接触が発生し、その部分の酸化膜が再生されず摩耗が進行するため、粗さを向上させておくことによって油膜の形成性を良くし、酸化膜を切れにくくして軸受を損傷させることなく使用することが可能になる（参考文献：潤滑 第３２巻 第１２号（１９８７）遷移金属の摩耗に及ぼす雰囲気の効果（三科 博司））。

前記前記ころの転動面、前記保持器の摺動面、及び前記軌道輪の軌道面に、バレル加工又は超仕上げ加工が施されていると好ましい。

前記前記ころの転動面、前記保持器の摺動面、及び前記軌道輪の軌道面に、炭窒化物を析出させてなると好ましい。

前記析出した炭窒化物の最大径が３μｍ以下であると好ましい。

一般に異物等の影響により応力集中してフレーキングが生じた場合の損傷に対しては、残留オーステナイト量を増やすことが有効とされているが、この残留オーステナイトは軟らかい組織であるため、軸受の摩耗に対しては逆効果であるが、熱処理技術により軸受レースの表面に微細な炭化物、チッ化物を析出させることにより軸受としての必要な硬さを確保しているものである。従って、これらの非常に硬い炭化物、チッ化物の効果により軸受としての硬さが得られているため、異物混入下での損傷に対して効果が得られる。

このような技術としては特許第２５９０６４５号に示されているように軸受材料に浸炭チッ化を施した後、２段階の熱硬化処理を行い、軸受の表面に存在する最大炭チッ化物径を３μｍ以下、表層における残留オーステナイト量を３０ｖｏｌ％以上３５ｖｏｌ％以下、および、表面硬さをＨｖ７８０以上Ｈｖ８２０以下とすることで得られる。

前記保持器は、ころ案内であると好ましい。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。図１は、本実施の形態にかかるニードル軸受が組み込まれたカーエアコンのコンプレッサの断面図であり、図２は、図１の構成をII方向に見た図である。

図１において、コンプレッサ１を構成するハウジング６は、中央の短円筒状の本体７をヘッドケース８と斜板ケース９とで軸線方向（図１の左右方向）両側から挟持し、更に複数本の結合ボルト（図示せず）により結合されて一体となっている。ヘッドケース８の内側には、低圧室１０、１０と高圧室１１とが設けられている。尚、高圧室１１内は勿論、低圧室１０、１０内も正圧である。又、本体７とヘッドケース８との間には平板状の隔壁板１２が挟持されている。図１で複数に分割されている如く表されている低圧室１０、１０は互いに連通しており、ヘッドケース８の外面に設けられた単一の吸入ポート１３（図２）に連通している。又、高圧室１１は、ヘッドケース８に設けられた吐出ポート（図示せず）に通じている。吸入ポート１３がエバポレータ（不図示）の出口に、不図示の吐出ポートをコンデンサ（不図示）の入口に、それぞれ連通させている。

ハウジング６内にはシャフト１４を、本体７と斜板ケース９とに掛け渡す状態で、回転自在に支持している。より具体的には、シャフト１４の両端部を１対のラジアルニードル軸受１５Ａ、１５Ｂにより、本体７と斜板ケース９とに対して回転自在に支持すると共に、１対のスラストニードル軸受１６Ａ、１６Ｂにより、このシャフト１４に加わるスラスト荷重を支承自在としている。

スラストニードル軸受１６Ａは、複数のころ１６ａと、これを軸線方向（図１で左右方向）に挟持する軌道輪１６ｂ、１６ｃと、ころ１６ａを保持する保持器１６ｄとを有している。更に、スラストニードル軸受１６Ｂは、複数のころ１６ｅと、これを軸線方向（図１で左右方向）に挟持する軌道輪１６ｆ、１６ｇと、ころ１６ｅを保持する保持器１６ｈとを有している。尚、これらスラストニードル軸受１６Ａ、１６Ｂはころ案内であると好ましい。

ラジアルニードル軸受１５Ａは、複数のころ１５ａと、外輪（軌道輪）１５ｂと、ころ１５ａを保持する保持器１５ｃとを有している。ラジアルニードル軸受１５Ｂは、複数のころ１５ｄと、外輪（軌道輪）１５ｅと、ころ１５ｄを保持する保持器１５ｆとを有している。尚、これらラジアルニードル軸受１５Ａ、１５Ｂはころ案内であると好ましい。

スラストニードル軸受１６Ａは、本体７の一部と上記シャフト１４の一端部（図１の右端側）に形成した段部１７との間に、皿ばね１８を介して設けている。又、スラストニードル軸受１６Ｂは、シャフト１４の中間部外周面に外嵌固定した円板部１９と斜板ケース９との間に配置している。ハウジング６を構成する本体７の内側でシャフト１４の周囲部分には、複数（例えば図示の例では、円周方向等間隔に６個）のシリンダ孔２０、２０を形成している。この様に本体７に形成した、複数のシリンダ孔２０、２０の内側には、それぞれピストン２１、２１の先半部（図１の右半部）に設けた摺動部２２、２２を、軸方向の変位自在に嵌装している。

ここでは、シリンダ孔２０、２０の底面とピストン２１、２１の先端面（図１の右端面）との間に設けられた空間を、圧縮室２３とする。又、斜板ケース９の内側に存在する空間は、斜板室２４とする。シャフト１４の中間部外周面でこの斜板室２４内に位置する部分おいて、斜板２５を、シャフト１４に対して所定の傾斜角度を持たせて固定し、この斜板２５がシャフト１４と共に回転する様にしている。斜板２５の円周方向複数個所と、各ピストン２１、２１とは、それぞれ１対ずつのスライディングシュー２６、２６により連結されている。この為、これら各スライディングシュー２６、２６の内側面（互いに対向する面）は平坦面として、同じく平坦面である斜板２５の両側面外径寄り部分に摺接するようになっている。又、これら各スライディングシュー２６、２６の外側面（相手スライディングシュー２６と反対側面）は球状凸面としている。更に、その内側面を斜板２５の両側面に当接させた状態で、これら両スライディングシュー２６、２６の外側面を単一球面上に位置させている。一方、各ピストン２１、２１の基端部（前記隔壁板１２から遠い側の端部で、図１の左端部）には、スライディングシュー２６、２６及び斜板２５と共に、駆動力伝達機構を構成する連結部２７、２７を、各ピストン２１、２１と一体に形成している。そして、これら各連結部２７、２７に、一対のスライディングシュー２６、２６を保持する為の保持部２８、２８を形成している。又、これら各保持部２８、２８には、各スライディングシュー２６、２６の外側面と密に摺接する球状凹面を、互いに対向させて形成している。

又、本体７の一部内周面で、各連結部２７、２７の外端部に整合する部分には、各ピストン２１、２１毎にそれぞれ１対ずつのガイド面（図示せず）を、円周方向に離隔して形成している。各連結部２７、２７の外端部は、このガイド面に案内されて、ピストン２１、２１の軸方向（図１の左右方向）の変位のみ自在である。従って、各ピストン２１、２１も、各シリンダ孔２０、２０内に、斜板２５の回転に伴う各ピストン２１、２１の中心軸回りの回転を防止されて、軸方向の変位のみ自在（回転不能）に嵌装されている。この結果、各連結部２７、２７は、シャフト１４の回転による斜板２５の揺動変位に伴って各ピストン２１、２１を軸方向に押し引きし、各摺動部２２、２２をシリンダ孔２０、２０内で軸方向に往復移動させる。

一方、低圧室１０及び高圧室１１と各シリンダ孔２０、２０とを仕切るべく、本体７とヘッドケース８との突き合わせ部に挟持している隔壁板１２には、低圧室１０と各シリンダ孔２０、２０とを連通させる吸入孔２９、２９と、高圧室１１と各シリンダ孔２０、２０とを連通させる吐出孔３０、３０とを、それぞれ軸線方向に貫通する状態で形成している。従って、各吸入孔２９、２９及び各吐出孔３０、３０の一端（図１の左端）でシリンダ孔２０、２０側の開口は、何れも各ピストン２１、２１の先端面と対向する。又、各シリンダ孔２０、２０内で、各吸入孔２９、２９の一端と対向する部分には、低圧室１０から各シリンダ孔２０、２０に向けてのみ冷媒ガスを流す、リード弁式の吸入弁３１、３１を設けている。又、高圧室１１内で、各吐出孔３０、３０の他端（図１の右端）開口と対向する部分には、各シリンダ孔２０、２０から高圧室１１に向けてのみ冷媒ガスを流す、リード弁式の吐出弁３２を設けている。この吐出弁３２には、各吐出孔３０、３０から離れる方向への変位を制限する、ストッパ３３を付設している。

上述の様に構成するコンプレッサ１のシャフト１４は、車両のエンジン（不図示）により無端ベルト４２を介して回転駆動される。この為に、図示の例の場合は、ハウジング６を構成する斜板ケース９の外側面（図１の左側面）中央に設けた支持筒部３４の周囲に従動プーリ３５を、複列ラジアル玉軸受３６により、回転自在に支持している。この従動プーリ３５は、断面コ字形で全体を円環状に構成しており、斜板ケース９の外側面に固定したソレノイド３７を、従動プーリ３５の内部空間に配置している。一方、シャフト１４の端部で支持筒部３４から突出した部分には取付ブラケット３８を固定しており、この取付ブラケット３８の周囲に磁性材製の環状板３９を、板ばね４０を介して支持している。この環状板３９はソレノイド３７への非通電時には、板ばね４０の弾力により、図に示す様に従動プーリ３５から離隔しているが、ソレノイド３７への通電時にはこの従動プーリ３５に向け吸着されて、この従動プーリ３５からシャフト１４への回転力の伝達を自在とする。即ち、ソレノイド３７と環状板３９と板ばね４０とにより、従動プーリ３５とシャフト１４とを係脱する為の電磁クラッチ４１を構成している。又、車両のエンジンのクランクシャフト（不図示）の端部に固定した駆動プーリと従動プーリ３５との間には、無端ベルト４２を掛け渡している。

本実施の形態にかかるカーエアコンのコンプレッサの動作について説明する。車室内の冷房或は除湿を行なう為、カーエアコンを作動させた場合には、電磁クラッチ４１を動作させて従動プーリ３５とシャフト１４とを係合させ、それにより無端ベルト４２を介して、車両のエンジンの動力をシャフト１４に伝達し、これを回転駆動する。この結果、斜板２５が回転して、複数のピストン２１、２１を構成する摺動部２２、２２をそれぞれシリンダ孔２０、２０内で往復移動させる。そして、この様な摺動部２２、２２の往復移動に伴って、吸入ポート１３から吸引された冷媒ガスが、低圧室１０、１０内から各吸入孔２９、２９を通じて圧縮室２３内に吸い込まれる。この冷媒ガスは、これら各圧縮室２３内で圧縮されてから、吐出孔３０、３０を通じて高圧室１１に送り出され、吐出ポートより吐出される。その後、高温・高圧の冷媒ガスはコンデンサで冷却され液冷媒となった後、急激に膨張させられ、低温・低圧の霧状冷媒となってエバポレータに流れ、ここで車室内に供給される空気を冷却し、その後冷媒ガスとなってコンプレッサに吸入される。

図３は、スラストニードル軸受１６Ｂの断面図である。図３において、ころ１６ｅの転動面に付着した潤滑油は、転動面に当接する保持器１６ｈの尖った接触部でかき落とされ、潤滑効果が薄れてしまう。これに対し、本実施の形態においては、ころ１６ｅの転動面（Ａ）、保持器１６ｈの摺動面（Ｂ）、及び軌道輪１６ｆ、１６ｇの軌道面（Ｃ）の少なくとも１つは、表面粗さをＲａ０．１以下としているので、摩耗抑制を図ることができる。尚、ころ１６ｅの転動面（Ａ）、保持器１６ｈの摺動面（Ｂ）、及び軌道輪１６ｆ、１６ｇの軌道面（Ｃ）の少なくとも１つはバレル加工又は超仕上げ加工が施されており、更に炭窒化物を析出させてなり、析出した炭窒化物の最大径が３μｍ以下であると好ましい。

本発明者らは、軌道輪粗さところ粗さとを変えたスラストニードル軸受を作り、以下の供試条件で耐久試験を行った後、軌道輪ところの粗さを測定した。測定結果を表１に示す。
供試条件
供試軸受：φ４０×φ６０×ｔ３、軌道輪板厚ｔ＝２（軸受の上下に各１枚使用）
アキシアル荷重：４，０００Ｎ
回転数：１，０００ｍｉｎ^−１
雰囲気：ＨＦＣ１３４ａ
潤滑油：ＰＡＧ
試験時間：１００時間

図４は、耐久試験供試前のころの形状（点線）と、耐久試験供試後のころの形状（点線）とを比較して示す図である。図に示すころの例では、１０μｍの摩耗が認められる。

測定結果によれば、表面粗さを向上させているものは摩耗が少なくなっていることがわかる。また、粗さがＲａ０．１以下であれば、摩耗低減効果が得られているが、Ｒａ０．０５であることでさらに効果があることがわかった。従って、Ｒａ０．０５以下にすると、より好ましい。

また、酸素が存在しない環境としては、例えばコンプレッサの内部において冷媒が充填されている場合があるが、この冷媒としてはＨＦＣ１３４ａ等のカーエアコン用フロン、二酸化炭素、メタンガス、アンモニア等が上げられる。

以上、本発明を実施の形態を参照して説明してきたが、本発明は上記実施の形態に限定されることなく、その発明の範囲内で変更・改良が可能であることはもちろんである。例えば、本発明はカーエアコン用のコンプレッサのみならず、それ以外のコンプレッサにも適用可能である。

本実施の形態にかかるニードル軸受が組み込まれたカーエアコンのコンプレッサの断面図である。 図１の構成をII方向に見た図である。 スラストニードル軸受１６Ｂの断面図である。 耐久試験供試前のころの形状（点線）と、耐久試験供試後のころの形状（点線）とを比較して示す図である。

符号の説明

１ カーエアコンのコンプレッサ
６ ハウジング
１４ シャフト
１５Ａ、１５Ｂ ラジアルニードル軸受
１６Ａ、１６Ｂ スラストニードル軸受

Claims (7)

1. 複数のころと、前記ころを保持する保持器と、軌道輪とからなるコンプレッサ用のニードル軸受において、
   前記ニードル軸受は、酸素が存在しない環境下で用いられ、前記ころの転動面、前記保持器の摺動面、及び前記軌道輪の軌道面の少なくとも１つは、表面粗さをＲａ０．１以下としたことを特徴とするニードル軸受。
2. 前記前記ころの転動面、前記保持器の摺動面、及び前記軌道輪の軌道面のうち一方の面の粗さをσ_１とし、前記一方の面に対向する面の粗さをσ_２としたときに、その合成粗さσ＝√｛（σ_１）^２＋（σ_２）^２｝は、Ｒａ０．１以下であることを特徴とする請求項１に記載のニードル軸受。
3. 前記前記ころの転動面、前記保持器の摺動面、及び前記軌道輪の軌道面に、バレル加工又は超仕上げ加工が施されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のニードル軸受。
4. 前記前記ころの転動面、前記保持器の摺動面、及び前記軌道輪の軌道面に、炭窒化物を析出させてなることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のニードル軸受。
5. 前記析出した炭窒化物の最大径が３μｍ以下であることを特徴とする請求項４に記載のニードル軸受。
6. 前記保持器は、ころ案内であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のニードル軸受。
7. 請求項１〜６のいずれかに記載のニードル軸受を用いたことを特徴とするコンプレッサ。
   

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