JP2006105257A

JP2006105257A - 転がり軸受

Info

Publication number: JP2006105257A
Application number: JP2004292083A
Authority: JP
Inventors: Shuichi Yano; 修一矢野
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2004-10-05
Filing date: 2004-10-05
Publication date: 2006-04-20

Abstract

【課題】軸受すきまの大きさに影響されること無く高いモーメント剛性を確保しつつ、トルクや発熱量の増加を抑えて早期の焼き付け防止を図り、長期に亘って高い潤滑性を維持可能な転がり軸受を提供する。
【解決手段】各種自動車のエンジンを冷却するための冷却水を循環させる水ポンプに組み込まれた転がり軸受２であり、水ポンプは、ハウジング内に回転可能に配置された回転軸に固定されたインペラを備えている。転がり軸受は、ハウジングと回転軸との間に構成され、相対的に回転可能に対向配置された内輪構成部４及び外輪構成部６と、内外輪構成部4,6の軌道面4s,6s間に転動自在に配列された複数の転動体８とを備えており、内輪構成部及び外輪構成部の少なくとも一方の軌道面４ｓ(６ｓ)が非真円形状を成し、且つ、水ポンプに組み込んだ状態において、当該転がり軸受には所定の予圧が付加されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、各種自動車のエンジンを冷却するための冷却水を循環させる水ポンプに組み込まれた転がり軸受に関する。

各種自動車には、エンジンを冷却するためのラジエータが搭載されており、ラジエータからエンジン内に冷却水用パイプが配設されていると共に、冷却水用パイプには、水ポンプが連通接続されている。この場合、水ポンプを駆動することにより、ラジエータから冷却水用パイプを通って冷却水をエンジン内に循環させることができ、その際に冷却水により熱を奪うことでエンジンの温度上昇を一定温度内に保つことができる。

水ポンプとしては種々のタイプのものが知られているが、例えば図５(ａ)に示す水ポンプ１０は、ハウジング１２内に回転可能に配置された回転軸１４と、回転軸１４の一端側に固定されたプーリ１６と、回転軸１４の他端側に固定されたインペラ(羽根車)１８とを備えており、ハウジング１２と回転軸１４とは転がり軸受２を介して相対回転可能に連結されている。

この構成において、ハウジング１２は、その外周面に一体的に突設されたフランジ２０を介してエンジンのシリンダブロック(図示しない)に固定されている。この場合、プーリ１６に巻き掛けられたベルト(図示しない)をエンジンの駆動力を利用して走行させることにより、ハウジング１２に対して回転軸１４を所定方向に回転させることができる。これによりインペラ１８を回転させることが可能となり、その結果、ラジエータから冷却水用パイプ(図示しない)を通って冷却水をエンジン内に循環させることができる(例えば、特許文献１参照)。

なお、ハウジング１２と回転軸１４との間には、メカニカルシール２２が設けられており、冷却水をエンジン内に循環させている間(エンジン駆動中)、例えばウォータージャケット(図示しない)を通った熱水(水蒸気)が転がり軸受２に向けて漏出するのを防止している。また、メカニカルシール２２と転がり軸受２との間には、スリンガ２４が回転軸１４に固定されていると共に、スリンガ２４の外周縁に対向したハウジング１２には、給排孔２６が貫通されている。これによりメカニカルシール２２から漏出した熱水(水蒸気)は給排孔２６を通して外部に排出される。

このような冷却水の循環中、ハウジング１２と回転軸１４とを相対回転させる転がり軸受２として複列玉軸受２が適用されており、複列玉軸受２は、相対的に回転可能に対向配置された内輪構成部４及び外輪構成部６と、内外輪構成部4,6の軌道面4s,6s間に転動自在に配列された複数の転動体８とを備えている(ボール＆ボール仕様)。なお、この構成例において、内輪構成部４は、回転軸１４の外周に一体的に形成されている。具体的に説明すると内輪構成部４は、回転軸１４の軸本体１４ａの外周を部分的に大径化して形成されている。一方、外輪構成部６は、ハウジング１２の内周面に別体の外輪６を接着固定することで構成されている。
また、複列玉軸受２の両側には、シールリング(シール、シールド)２８が設けられており、これにより、軸受内に封入した潤滑剤(例えば、グリース、油)が外部に漏洩したり、外部から異物(例えば、水、塵埃)が軸受内に浸入するのを防止することができる。

ところで、転がり軸受２には、例えばハウジング１２と回転軸１４との間の取付環境や軸受運転時の熱膨張などを考慮して、内外輪構成部4,6と転動体８との間に所定量の軸受すきま(ラジアル内部すきま、アキシアル内部すきま、角すきま)が構成されている。この場合、軸受すきまが大き過ぎると、それに応じてハウジング１２と回転軸１４との相対位置や相対角度が変化し、その結果、インペラ１８がガタ付いたり揺動(傾斜)して、トルク制御を安定して行うことが困難になってしまう場合がある。

また、メカニカルシール２２の性能維持、プーリ１６に掛け渡されたベルトの異音発生防止や磨耗防止などを図るために、転がり軸受２のアキシアル内部すきまを抑える必要がある。この場合、例えば特許文献１(図５(ａ))のようなボール＆ボール仕様の転がり軸受２では、所定の接触角を設けて背面組合せ(ＤＢ)とすることにより対応が比較的容易であるが、ボール＆ローラ仕様の軸受では、玉列側でアキシアル方向の動きを規制する必要がある。

このような場合、例えば特許文献２に示すように、軸受すきまを極力小さく設定する構成も考えられるが、このような構成で水ポンプ１０を動作すると、転がり軸受２の温度上昇に伴って早期に焼き付きが生じる場合がある。
具体的に説明すると、転がり軸受２の運転中には転動体８と内輪構成部４と外輪構成部(外輪)６との間の温度差が生じるが、その際、例えば転動体８の温度が最も高く、内輪構成部４がそれに次ぎ、外輪構成部(外輪)６が最も低い温度になると、外輪構成部(外輪)６よりもその内部の部品(転動体８、内輪構成部４)の温度が高くなる。このとき部品の熱膨張は外輪構成部(外輪)６よりも大きな値となるため、例えば特許文献２のように軸受すきまを負の値に設定すると、内外輪構成部4,6と転動体８との間の接触面圧が高くなり、その結果、早期に焼き付きが生じる場合がある。このような焼き付きを防止するためには、例えば運転条件(例えば、プーリ１６の回転速度)や使用条件(例えば、転がり軸受２のすきま設定値)が制限されてしまうため、満足できるものでは無い。

更に、水ポンプ１０に組み込まれる転がり軸受２には、例えばプーリ１６に掛け渡されたベルト(図示しない)の張力により、回転軸１４を傾斜させようとする大きなモーメント荷重が加わる場合がある。このようなモーメント荷重は、転がり軸受２の中心とプーリ１６の中心とのオフセット量が増加するに従って大きくなる。この場合、回転軸１４やインペラ１８の回転動作を安定して行うために、転がり軸受２には高いモーメント剛性が要求される。

この要求に応える構成として、例えば特許文献１の発明では３点接触玉軸受を適用すると共に、例えば特許文献３の発明では４点接触玉軸受を適用することにより、所定のモーメント剛性を確保している。
しかし、内外輪構成部4,6と転動体８とを３点又は４点で接触させる構成では、接触点の数が増えるに従ってトルクや発熱量が増加し、このトルクや発熱量の増加に伴って転がり軸受自体の温度も上昇する。転がり軸受２の温度が上昇すると、上述したように内外輪構成部4,6と転動体８との間の接触面圧が高くなり、その結果、早期に焼き付きが生じる場合がある。また、転がり軸受２の温度上昇は、封入された潤滑剤の劣化(潤滑性の低下)を促進し、その結果、早期に焼き付きが生じる場合がある。
特開２００３−６５２８７号公報特開２００３−４９８３７号公報特開２００３−３４３５７５号公報

本発明は、このような問題を解決するためになされており、その目的は、軸受すきまの大きさに影響されること無く高いモーメント剛性を確保しつつ、トルクや発熱量の増加を抑えて早期の焼き付け防止を図り、長期に亘って高い潤滑性を維持可能な転がり軸受を提供することにある。

このような目的を達成するために、本発明は、各種自動車のエンジンを冷却するための冷却水を循環させる水ポンプに組み込まれた転がり軸受であって、水ポンプは、ハウジング内に回転可能に配置された回転軸と、回転軸の一端側に固定されたプーリと、回転軸の他端側に固定されたインペラとを備えており、回転軸とハウジングとは転がり軸受を介して相対回転可能に連結されていると共に、転がり軸受は、ハウジングと回転軸との間に構成され、相対的に回転可能に対向配置された内輪構成部及び外輪構成部と、内外輪構成部の軌道面間に転動自在に配列された複数の転動体とを備えており、内輪構成部及び外輪構成部の少なくとも一方の軌道面が非真円形状を成し、且つ、水ポンプに組み込んだ状態において、当該転がり軸受には所定の予圧が付加されている。
この発明では、複数の転動体において内外輪構成部に対して接触面圧を有する転動体と接触面圧の無い転動体とが混在することにより、転がり軸受は周方向に沿って部分的に予圧が付加された状態となる。この場合、非真円形状の軌道面は、所定の非真円量に対応した多角形状の歪円を成している。また、非真円量は、多角形状の歪円に対する外接円径から内接円径を減じて算出される。

本発明によれば、内輪及び外輪の少なくとも一方の軌道面が非真円形状を成し、且つ、水ポンプに組み込んだ状態において、当該転がり軸受に所定の予圧が付加されるため、軸受すきまの大きさに影響されること無く高いモーメント剛性を確保しつつ、トルクや発熱量の増加を抑えて早期の焼き付け防止を図り、長期に亘って高い潤滑性を維持可能な転がり軸受を実現することができる。

以下、本発明の一実施の形態に係る転がり軸受について添付図面を参照して説明する。
本実施の形態では、各種自動車のエンジンを冷却するための冷却水を循環させる水ポンプに組み込まれた転がり軸受を想定する。なお、水ポンプ１０は、図５(ａ)に示した構成例と同一であるため、以下では相違する部分の説明に止める。

本実施の形態に係る転がり軸受２は、水ポンプ１０のハウジング１２と回転軸１４との間に構成されており、図１(ａ),(ｂ)の基本構成図に示すように、相対的に回転可能に対向配置された内輪構成部４及び外輪構成部６と、内外輪構成部4,6の軌道面4s,6s間に転動自在に配列された複数の転動体(例えば、玉、ころ)８とを備えている。
なお、基本構成図では、内輪構成部４は単体としての内輪４を想定し、一方、外輪構成部６は単体としての外輪６を想定している。

このような転がり軸受２において、内輪構成部(内輪)４及び外輪構成部(外輪)６の少なくとも一方の軌道面４ｓ(６ｓ)が非真円形状を成し、且つ、水ポンプ１０に組み込んだ状態において、当該転がり軸受２には所定の予圧が付加されている。
本実施の形態では一例として、内輪構成部(内輪)４の軌道面４ｓが非真円形状を成しており、当該軌道面４ｓは、所定の非真円量に対応した多角形状の歪円を成している。なお、多角形状の歪円としては、例えば等径の三角形状や四角形状、或いはそれ以上の角度を成す形状(例えば、五角形状、六角形状など)を適用することができるが、本実施の形態では等径の三角形状の歪円を成す軌道面４ｓを想定する。

この場合、非真円量は、多角形状(等径の三角形状)の歪円に対する外接円径Ｒoutから内接円径Ｒinを減じて算出される。なお、非真円量は、転がり軸受２の使用環境や使用目的に応じて任意に設定することができるため、ここでは特に数値限定はしない。また、符号Ｒｂで示す円径は、外接円径Ｒout及び内接円径Ｒinを規定する際の基準円径である。
このような構成によれば、複数の転動体８において内外輪構成部(内外輪)4,6に対して接触面圧を有する転動体８と接触面圧の無い転動体８とが混在することになり、転がり軸受２は周方向に沿って部分的に予圧が付加された状態となる。

かかる状態は転がり軸受２の動作中にも維持され、内外輪構成部(内外輪)4,6が転動体８を介して相対的に回転する際、内外輪構成部(内外輪)4,6に対して接触面圧を有する転動体８の位置が周方向に変化することになるが、その間、内輪構成部(内輪)４の軌道面４ｓの外接円径Ｒoutは常にいずれかの転動体８に接した状態を維持する。

以上、本実施の形態によれば、内輪構成部(内輪)４の軌道面４ｓを非真円形状とすることにより、転がり軸受２の周方向に沿って部分的に予圧を付加した状態にすることができるため、軸受すきまの大きさに影響されること無くラジアル荷重及びアキシアル荷重並びにモーメント荷重に対して高いモーメント剛性を有する転がり軸受２を実現することができる。例えば図１(ｂ)に示すように、転がり軸受２の中心Ｔからオフセットされた位置にラジアル荷重Ｆｒが加わってもモーメント剛性の変化を小さくすることができる。この結果、転がり軸受２を安定して且つ滑らかに動作させることが可能となり、トルク制御を安定して行うことが可能となる。

更に、内輪構成部(内輪)４の軌道面４ｓを非真円形状とし部分的な予圧付加状態とすることにより、軸受すきまの大きさを問わず(軸受すきまが大きくても小さくても)、内輪構成部(内輪)４の軸線に対する外輪構成部(外輪)６の軸線の傾斜を(可能な限り)無くすることができる。この結果、内外輪構成部(内外輪)4,6の軌道面4s,6sと転動体８との間に潤滑剤を引き込み易くなり、潤滑不良による焼き付きも生じない。特に、耐熱性の潤滑剤を用いた転がり軸受２では、低温化での潤滑剤の流動性が低くなるが、この場合でも焼き付きが生じることはない。

ここで、三角形状の歪円を成す軌道面４ｓを有する内輪４を備えた転がり軸受２のモーメント剛性の計算結果について説明する。
この計算では呼び番号(開放形)６２０３の転がり軸受２を適用する。この場合、転がり軸受２は、内径が１７ｍｍ、外径が４０ｍｍ、幅が１２ｍｍであり、玉径は６.７４７ｍｍ、玉数は８個に設定した。また、ラジアル荷重Ｆｒ(図１(ｂ))は１０００Ｎとした。

軸受すきま：０、非真円量：０のモーメント剛性比を１(基準仕様Ｍ)としたときの非真円量とモーメント剛性比との関係(真円でラジアル内部すきま０ｍｍを基準)では、例えば図２に示すように、ラジアル内部すきま(軸受すきま)が正の値(例えば、０.０１ｍｍ、０.０２ｍｍ)でも歪量(非真円量)がある程度大きければ、基準仕様Ｍ(真円で軸受すきま：０ｍｍ、モーメント剛性比：１)の転がり軸受よりも高いモーメント剛性比が得られることが分る。
今回の計算結果では、ラジアル内部すきま：０.０１ｍｍで、非真円量：０.０３ｍｍ以上、及び、ラジアル内部すきま：０.０２ｍｍで、非真円量：０.０４ｍｍ以上の歪量(非真円量)があれば、基準仕様Ｍよりも大きなモーメント剛性比が得られた。なお、モーメント荷重は１Ｎｍとしている。

また、非真円量を一定(例えば、０.０２ｍｍ、０.０４ｍｍ)にしてモーメント荷重を変化させた場合、例えば図３に示すように、非真円形状の軌道面４ｓを有する転がり軸受２(軸受すきま：０ｍｍ)は、そのモーメント剛性比の変化が基準仕様(非真円量：０ｍｍ)に比べて小さくなっていることが分る。即ち、モーメント荷重の変化に鈍感になっている。これにより、非真円形状の軌道面４ｓを有する転がり軸受２は、その取付誤差や取付制限などから生じるオフセット荷重Ｆｒ(図１(ｂ))に対してモーメント剛性比が変化し難いという意味で、基準仕様よりも高いロバスト性(例えば、安定性、最適性)を有していることが分る。

更に、モーメント荷重を変化させた際の４点接触軸受と本実施の形態の非真円軸受(軸受すきま：０.０２ｍｍ、非真円量：０.０４ｍｍ、転動体径：６.３５ｍｍ)との軸受内部発熱比については、例えば図４に示すように、非真円軸受は４点接触軸受に比べて軸受内部の発熱量を小さくすることができる。この結果、従来に比べて、本実施の形態の転がり軸受２では、潤滑剤の劣化(潤滑性の低下)を生じさせることが無いと共に、早期に焼き付きが生じることも無い。なお、かかる比較では、回転数：12000ｒｐｍ、軸受温度：１２０℃に設定している。

このような転がり軸受２を組み込んだ水ポンプ１０(図５)によれば、水ポンプ１０の運転中、水ポンプ１０(図５(ａ))のハウジング１２と回転軸１４との相対位置や相対角度を変化させること無く、インペラ１８を安定して且つ滑らかに回転させることができる。

また、内輪構成部(内輪)４の軌道面４ｓを非真円形状にして、転がり軸受２の周方向に沿って部分的に予圧を付加した状態にしたことにより、軸受すきまの大きさを問わずラジアル荷重及びアキシアル荷重並びにモーメント荷重に対して高いモーメント剛性を確保することが可能になる。この場合、例えばプーリ１６に掛け渡されたベルト(図示しない)の張力により転がり軸受２の中心Ｔからオフセットされた位置にラジアル荷重Ｆｒが加わっても(図１(ｂ))、モーメント剛性の変化を小さくすることができるため、転がり軸受２を安定して且つ滑らかに動作させることが可能となる。この結果、水ポンプ１０を安定して且つ滑らかに動作させることができる。

更に、アキシアル内部すきまを小さくすることにより、転がり軸受２の高いモーメント剛性を確保しつつ、同時にメカニカルシール２２の耐水性能を維持向上させることができる。この結果、エンジン駆動中に例えばウォータージャケット(図示しない)を通った熱水(水蒸気)が転がり軸受２に向けて漏出するといった不具合の発生を抑制することが可能となる。

更にまた、本実施の形態の転がり軸受２は、非真円軸受は４点接触軸受に比べて軸受トルクを小さくすることができるため(図４)、運転中の転がり軸受２の発熱量を軽減することができる。この結果、従来の転がり軸受に比べて、潤滑剤の劣化(潤滑性の低下)を生じさせることが無いと共に、早期に焼き付きが生じることも無い。これにより、水ポンプ１０(回転軸１４、インペラ１８)の回転安定性及び円滑性を長期に亘って確保することが可能となる。更に、転がり軸受２の軸受トルクを小さくすることにより、水ポンプ１０の消費馬力の増大を抑えることも可能となる。

なお、上述した実施の形態において、転がり軸受２の種類については特に限定しなかったが、単列及び複列の軸受にも本発明を適用することができる。また、上述した実施の形態では等径の三角形状の歪円を成す軌道面４ｓを想定したが、当該内輪構成部(内輪)４の軌道面４ｓに代えて外輪構成部(外輪)６の軌道面６ｓを非真円形状にしても良いし、或いは、内外輪構成部(内外輪)4,6の軌道面4s,6sの双方を非真円形状にしても上記同様の効果を実現することができる。

また、上述した実施の形態において、水ポンプ１０に組み込まれた転がり軸受２は、内輪構成部４が回転軸１４の外周に一体的に形成された構成(図５(ａ))を想定したが、これに限定されることは無く、例えば図５(ｂ)に示すように、内輪構成部４を回転軸１４とは別体の内輪４で構成しても良い。この場合、内輪４は、回転軸１４(軸本体１４ａ)の外周面に接着固定すれば良い。なお、内輪４の構成は上述した内輪構成部４の場合と同様であるため、その説明は省略する。

また、例えば内輪構成部４を回転軸１４の外周に一体的に形成すると共に、外輪構成部６をハウジング１２の内周に一体的に形成した転がり軸受や、内輪構成部４を回転軸１４とは別体の内輪４で構成すると共に、外輪構成部６をハウジング１２の内周に一体的に形成した転がり軸受にも上述した実施の形態の構成を適用することができる。

本発明の一実施の形態に係る転がり軸受の軌道面と各転動体との関係を示す図であり、(ａ)は非真円形状の軌道面の構成を模式的に示す図、(ｂ)は同図(ａ)の模式図に対応した転がり軸受の構成例を示す図。軸受すきま：０、非真円量：０のモーメント剛性比を１としたときの非真円量とモーメント剛性比との関係を示す図。軸受すきま：０、非真円量：０のモーメント剛性比を１としたときのモーメント荷重とモーメント剛性比との関係を示す図。４点接触軸受のモーメント荷重：０、発熱比：１としたときのモーメント荷重と軸受内部発熱比との関係を示す図。 (ａ)は、本発明の転がり軸受が組み込まれた水ポンプの構成例を示す断面図、(ｂ)は、本発明の変形例に係る転がり軸受が組み込まれた水ポンプの構成例を示す部分断面図。

符号の説明

２転がり軸受
４内輪構成部(内輪)
４ｓ内輪構成部(内輪)の軌道面
６外輪構成部(外輪)
６ｓ外輪構成部(外輪)の軌道面
８転動体
１０水ポンプ
１２ハウジング
１４回転軸
１６プーリ
１８インペラ
２０フランジ
２２メカニカルシール
２４スリンガ
２６給排孔
２８シールリング

Claims

各種自動車のエンジンを冷却するための冷却水を循環させる水ポンプに組み込まれた転がり軸受であって、
水ポンプは、ハウジング内に回転可能に配置された回転軸と、回転軸の一端側に固定されたプーリと、回転軸の他端側に固定されたインペラとを備えており、回転軸とハウジングとは転がり軸受を介して相対回転可能に連結されていると共に、
転がり軸受は、ハウジングと回転軸との間に構成され、相対的に回転可能に対向配置された内輪構成部及び外輪構成部と、内外輪構成部の軌道面間に転動自在に配列された複数の転動体とを備えており、
内輪構成部及び外輪構成部の少なくとも一方の軌道面が非真円形状を成し、且つ、水ポンプに組み込んだ状態において、当該転がり軸受には所定の予圧が付加されていることを特徴とする転がり軸受。
複数の転動体において内外輪構成部に対して接触面圧を有する転動体と接触面圧の無い転動体とが混在することにより、転がり軸受は周方向に沿って部分的に予圧が付加された状態となることを特徴とする請求項１に記載の転がり軸受。
非真円形状の軌道面は、所定の非真円量に対応した多角形状の歪円を成していることを特徴とする請求項１又は２に記載の転がり軸受。
非真円量は、多角形状の歪円に対する外接円径から内接円径を減じて算出されることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の転がり軸受。