JP2005308137A - スラストニードル軸受及びその軌道輪 - Google Patents

Abstract

【課題】
コストを増大させることなく、寿命を確保できるスラストニードル軸受及びその軌道輪を提供する。
【解決手段】
スラストニードル軸受１６Ａ、１６Ｂは、表面窒素濃度のバラツキが０．１重量％以内であるので、過酷な潤滑条件で使用されても早期摩耗を抑制でき、長寿命をはかることができる。
【選択図】 図３

Description

本発明は、カーエアコンのコンプレッサや、自動車用変速機等に用いられると好適なスラストニードル軸受及びその軌道輪に関する。

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３３２６８３４号公報 特開２００２−３３９９８４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、カーエアコン用コンプレッサに用いられることが多い。

スラストニードル軸受において軌道輪であるレースは、薄いドーナツ形状をしており、このレースを熱処理して硬さを確保し、その後研磨加工やバレル加工等の後加工を施して、ころが転動する軌道面として使用可能なレベルの粗さに仕上げている。

ところが、かかるレースを熱処理すると変形が生じ、レースの大きさによっては無視できない量になる。例えば外径がφ１００ｍｍ程度ともなると熱処理時の変形が最大０．１ｍｍ程度にもなる場合があるため、板厚が厚く反りが矯正されない場合、従来技術では後工程である研磨によって、この反りを解消すべく反り量以上研磨して、軌道輪表裏の平面度を確保することが求められていた。このような研磨加工を行う場合、時には部分的には多く削る必要があるが、窒素濃度は表面からの深さに依存するため、大きく削られた部分の窒素濃度は低く、削り代の小さな部分は窒素濃度が高くなるという問題が生じた。

しかるに、窒素濃度はスラストニードル軸受にとってはレースの摩耗現象、疲れ寿命の延長をする上で重要な要素となっており、この窒素濃度が低い場合には早期に摩耗やフレーキングというような損傷を引き起こすことが懸念される。従って、第１の課題は、いかなる範囲にレースの窒素濃度を抑えれば、早期摩耗を回避できるかということである。

しかしながら、熱処理時の変形を取り去らねば、スラストニードル軸受としての機能を満足することができない。そこで、レースを片面ずつ研削することも考えられるが、両面を研磨する場合には工程が２回になりコストアップ要因となるという問題がある。このコストを抑えるために両頭研削盤を用いて両面を同時に研磨するにしても、両面を同じ状態で削ることは難しく表裏での品質が安定しないといった別な問題が生じることとなる。従って、第２の課題は、いかにして反りを抑えた軌道輪を形成できるかということである。

尚、特許文献２，３には、窒素濃度を向上させて耐久性を向上させる技術が開示されているが、かかる技術では窒素濃度を向上させるために、熱処理時間を増やすことが必要になり、手間がかかると共に、変形量もさらに大きくなることが懸念され非効率である。

本発明は、上述したような課題を達成すべくなされたものであり、コストを増大させることなく、寿命を確保できるスラストニードル軸受及びその軌道輪を提供することを目的とする。

本発明のスラストニードル軸受は、複数のころと、前記ころを保持する保持器と、前記ころが転動する軌道輪とを有するスラストニードル軸受において、
前記軌道輪の表面窒素濃度のバラツキが０．１重量％以内であることを特徴とする。

本発明のスラストニードル軸受は、複数のころと、前記ころを保持する保持器と、前記ころが転動する軌道輪とを有するスラストニードル軸受において、前記軌道輪の表面窒素濃度のバラツキが０．１重量％以内であるので、前記軌道輪の軌道面における早期摩耗を回避し、スラストニードル軸受の寿命を確保することができる。本発明は、上述した従来技術と比較しても、窒素濃度を必要最低限確保し、軌道面の研磨量も最低量にすることでコストを低減し、短い加工時間で大きな効果が得られるという点で優れているものである。

窒化層（適切な窒素濃度及び硬さを有する層）の形成方法としては、塩浴等による液体窒化処理や、ガス窒化処理や、イオン窒化処理が挙げられる。このうち、イオン窒化処理は処理温度が比較的高く、母材の耐熱性を考慮しても十分な下地の硬度が得られにくかったり、前記少なくとも一つの部品の表面に均一な窒化層を形成させることが困難な場合があるため、塩浴窒化処理あるいはガス窒化処理によることが好ましい。なお、好ましい窒化処理温度は４８０℃以下とする。また、窒化層は、特に処理温度が高い場合に、その最表面に数ミクロン程度の脆弱な化合物層（ξ相あるいはε相単相からなる擬似セラミックス層）が膜状に形成される場合があるため、窒化処理温度はさらに好ましくは４６０℃以下とする。また、このように処理温度がより低いものであると、窒化層がより緻密なものとなって粗悪なポーラス層も生成しない。

前記軌道輪の表面窒素濃度が０．０５〜０．５重量％以内であると好ましい。

前記軌道輪の平面度は、テーパ量が５／１０００以下であると好ましい。ここで、テーパ量とは、測定面における基準点から距離ｘ離れた位置の測定点が、基準点から距離ｙだけ高さが変化していたときに、ｘ／ｙで表すものとする。

前記軌道輪の平面度は、うねりが１００μｍ以下であると好ましい。ここで、「うねり」とは、軌道面の円周において最も高い位置と最も低い位置との差をいうものとする。

前記軌道輪は研削加工により形成されると好ましい。板材をプレスして形成される軌道輪の場合には、軌道輪が取り付けられる部位の平面度の影響を受けがちとなるためである。

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。

本実施の形態にかか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。軌道輪１６ｂ、１６ｃの表面は、窒素濃度０．０５重量％以上であり、そのバラツキは０．１重量％以内に抑えられている。更に、本実施の形態にかかる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。軌道輪１６ｆ、１６ｇの表面は、窒素濃度０．０５重量％以上であり、そのバラツキは０．１重量％以内に抑えられている。スラストニードル軸受１６Ｂの拡大した断面図を、図３に示す。

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。

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。

本実施の形態によれば、スラストニードル軸受１６Ａ、１６Ｂは、上述したように表面が窒素濃度０．０５重量％以上であり、且つ窒素濃度のバラツキが０．１重量％以内であるので、過酷な潤滑条件で使用されても早期摩耗を抑制でき、長寿命をはかることができる。

本発明者らが行った評価試験結果を以下に示す。供試したスラストニードル軸受の軌道輪において、実施例１〜５については、窒化処理後に、２２０℃以上２６０℃以下の温度でプレステンパー処理（軌道輪を型に押しつけて形状を矯正したままの状態で、所定の温度（テンパー温度）に保持する処理）を行い、更に研磨処理を施して所定の形状に仕上げた。一方、比較例１〜５については、同様な条件で窒化処理した後に、研磨処理を施して所定の形状に仕上げた。

かかる実施例１〜５と比較例１〜５について、ころが転動する軌道面において、任意の位置を基準とし周方向に等間隔に８点選び、各点の表面窒素濃度を測定したところ、表１，２に示す測定結果が得られた。実施例１〜５においては、最低窒素濃度は０．１２２重量％であり、その最大バラツキは０．０８９重量％であった。一方、比較例１〜５においては、最低窒素濃度は０．０２１重量％であり、その最大バラツキは０．２０４重量％であった。

更に、本発明者らは、実施例１〜５と比較例１〜５の軌道輪を組み込んだスラストニードル軸受において、以下の供試条件で耐久試験を行った。
供試条件
（１）使用軸受：内径φ７０×外径φ１００、ころ径φ３（ｍｍ）、
スラストニードル軸受
（２）回転数：１０００ｍｉｎ^−１
（３）アキシアル荷重：７０００Ｎ
（４）潤滑油：白灯油
（５）試験時間：１２０ｍｉｎ

耐久試験後のスラストニードル軸受を分解して、その軌道輪の摩耗量を調査したところ、実施例１〜５には顕著な摩耗は観察されなかったが、比較例１〜５の軌道輪には顕著な摩耗が観察された。尚、比較例５に関しては、窒素濃度のバラツキは０．１重量％以内ではあるが、最低窒素濃度が０．０３２重量％であったことから、顕著な摩耗が発生したものと考察される。

更に、本発明者らは、窒素濃度とテンパー温度とを変更してプレテンパー処理を行った後、軌道輪の反りと、その摩耗量とを求めた。その結果を表３に示す。

表３において、各欄中の度合いを表す用語は、数値を用いて定義すると以下のようになる。
（窒素濃度）
少：０．０５重量％未満
中：０．０５重量％以上、０．１５重量％未満
多：０．１５重量％以上
（テンパー温度）
低：１８０℃以上２００℃未満
中低：２００℃以上２２０℃未満
中高：２２０℃以上２４０℃以下
高：２４０℃以上
（そり）
小：テーパ量が５／１０００以下
中：テーパ量が５／１０００を超え１０／１０００以下
大：テーパ量が１０／１０００を超えている
（うねり）
小：０．１ｍｍ以下
中：０．１ｍｍを超え０．２ｍｍ以下
大：０．２ｍｍを超えている

表３の結果によれば、テンパー温度が低いと、軌道輪の反りが大きくなって、研磨量が増大し、結果として窒素濃度が低くなり、また面内でのバラツキも大きくなるということがわかった。

図４は、本実施の形態にかかるニードル軸受が組み込まれた手動式変速機（常時噛み合い式変速機）の断面図である。図４において、メインシャフト１０１上に配置されたギヤＧ１〜Ｇ３のいずれかを、カウンターシャフト１０２上に配置されたギヤユニットＧＵのギヤＧＵ１〜ＧＵ４のいずれかと動力伝達可能に噛合させることで、減速を実現するようになっている。本実施の形態にかかるスラストニードル軸受１１６は、ケース１０３と、ギヤユニットＧＵとの間に配置されて、スラスト力を受けるようになっている。

図５は、本実施の形態にかかるニードル軸受を含む車両の自動変速機の断面図である。図５において、各要素のスラスト力を受けるため、スラストニードル軸受２０１〜２１０が配置されている。以上のように、本発明のスラストニードル軸受は、カークーラコンプレッサに限らず、自動車用の有段変速機又は無断変速機の他、種々の機械に用いることができる。

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。

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。 本実施の形態にかかるニードル軸受が組み込まれた手動式変速機（常時噛み合い式変速機）の断面図である。 本実施の形態にかかるニードル軸受を含む車両の自動変速機の断面図である。

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、１１６、２０１〜２１０ スラストニードル軸受

Claims (6)

1. 複数のころと、前記ころを保持する保持器と、前記ころが転動する軌道輪とを有するスラストニードル軸受において、
   前記軌道輪の表面窒素濃度のバラツキが０．１重量％以内であることを特徴とするスラストニードル軸受。
2. 前記軌道輪の表面窒素濃度が０．０５〜０．５重量％以内であることを特徴とする請求項１に記載のスラストニードル軸受。
3. 前記軌道輪の平面度は、テーパ量が５／１０００以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載のスラストニードル軸受。
4. 前記軌道輪の平面度は、うねりが１００μｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のスラストニードル軸受。
5. 前記軌道輪は研削加工により形成されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のスラストニードル軸受。
6. 請求項１乃至５のいずれかに記載のスラストニードル軸受に用いることを特徴とする軌道輪。
   

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