JP2006275233A - ニードル軸受 - Google Patents

Abstract

【課題】
潤滑状態が悪くても、接触部の摩耗を減少させることができるニードル軸受を提供する。
【解決手段】
スラストニードル軸受１６Ａ、１６Ｂ及びラジアルニードル軸受１５Ａ、１５Ｂは、上述したように各部が窒素濃度０．０３〜０．８０重量％以上であり、且つビッカース硬度がＨＶ＝６５３〜８３２であるように処理されており、且つ所定単位の表面に存在する微小な凹凸のうち、最も高い部分の位置を最表面位置としたときに、この最表面位置から深さ方向に２．０μｍシフトした位置で、所定単位の表面に平行な仮想平面を用いてころ及び軌道輪を切断した場合、その切断面の面積は、所定単位の表面の面積に対して９０％以上とするように処理されているので、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１

Description

本発明は、カーエアコンのコンプレッサや自動変速機用遊星歯車機構等に用いられると好適なニードル軸受に関する。

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 特開２００５−３０５８２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。かかる場合、ニードル軸受は針状の円筒ころを有しているので、軸線方向の厚さが薄く、カーエアコン用コンプレッサに用いることにより、構成をよりコンパクトにすることができる。

しかるに、一般的なカーエアコン用コンプレッサは、クランクの回転による力を、べルトを介して電磁クラッチ経由で回転運動により駆動軸に伝達しており、アイドリングのような低速回転から、加速時のような高速回転まで幅広い回転数の範囲で、しかもコンプレッサの能力も必要に応じて変化するため、回転数と荷重が複雑に組み合わさった状態で運転される。このような環境で使用されるため、当然スラストニードル軸受及びラジアルニードル軸受も同様に高速回転から低速回転、さらには無負荷状態から重負荷状態まで幅広い条件下で動作することになる。そのうえ、軸受の使用部位がカーエアコン用コンプレッサであることから、外部から多量の潤滑剤を供給することもできず、潤滑性確保という観点からも非常に厳しい条件下にあるといえる。

これに対し、一般的なニードル軸受のころ、軌道輪、保持器等は、通常の軸受鋼（一般的にはＳＵＪ２）を、焼入れ焼戻しの熱処理を行っている。このようなニードル軸受を、潤滑性が十分に確保されない使用条件下でカーエアコン用コンプレッサに適用した場合、接触部の油膜不良により早期に摩耗を引き起こすおそれがある。ところが、潤滑性を十分に確保するためには、十分な断面積の潤滑油供給路等をコンプレッサハウジングに形成しなくてはならず、コンプレッサハウジングの製造コストが増大し、又ハウジングがより大型化する。又、同様な問題は、高速回転が要求される近年の自動変速機用遊星歯車機構においても生じる。

これに対し特許文献２においては、ニードル軸受において、ころ、軌道輪、保持器のうち少なくとも１つの部品に関して、窒素濃度０．３重量％以上、ビッカース硬度ＨＶ６５３〜８３２、超仕上げ加工により表面粗さをＲａ０．１以下とすることにより、接触部の摩耗を抑制する技術が開示されている。

ところが、特許文献２のニードル軸受は、十分な潤滑油が供給できる状態で使用されることを前提としたものであるのに対し、例えば既存のカーエアコン用コンプレッサによっては、ニードル軸受に対して潤滑油の供給を十分い行えないものも存在する。従って、かかるカーエアコン用コンプレッサにおいて、従来技術のニードル軸受を用いるためには、十分な断面積の潤滑油供給路等をコンプレッサハウジングに新たに形成しなくてはならず、コンプレッサハウジングの製造コストが増大し、またコンプレッサ全体が大型化するという問題がある。

本発明は、上述したような問題点に鑑みてなされたものであり、潤滑状態が悪くても、接触部の摩耗を減少させることができるニードル軸受を提供することを目的とする。

本発明のニードル軸受は、ころ及び軌道輪のうち少なくとも一方が、バレル加工により仕上げ加工されており、その所定単位の表面に存在する微小な凹凸のうち、最も高い部分の位置を最表面位置としたときに、この最表面位置から深さ方向に２．０μｍシフトした位置で、前記所定単位の表面に平行な仮想平面を用いて前記ころ及び軌道輪のうち少なくとも一方を切断した場合、その切断面の面積は、前記所定単位の表面の面積に対して９０％以上とすることを特徴とする。

本発明のニードル軸受によれば、ころ及び軌道輪のうち少なくとも一方を、手間のかかる研磨やショットピーニングを用いることなく、バレル加工により仕上げ加工しているので、大量の部品の仕上げ加工を容易に行うことができる。又、ころ及び軌道輪のうち少なくとも一方の所定単位の表面に存在する微小な凹凸のうち、最も高い部分の位置を最表面位置としたときに、この最表面位置から深さ方向に２．０μｍシフトした位置で、前記所定単位の表面に平行な仮想平面を用いて前記ころ及び軌道輪のうち少なくとも一方を切断した場合、その切断面の面積は、前記所定単位の表面の面積に対して９０％以上とするので、潤滑状態が悪い環境下でも早期摩耗などを抑制することができる。

図５は、本発明の原理を説明するための図であり、図５（ａ）は、ころ及び軌道輪のうち少なくとも一方（以下、被測定部品とする）における所定単位の表面断面を拡大して示す図であり、図５（ｂ）は、被測定部品における所定単位の表面（相手部材と接触する表面全体の面積であり、ここではＡ×Ｂの矩形領域とする）を示す図である。図５（ａ）において、所定単位の表面内で最も高い部分ＨＰの位置から深さ方向に２．０μｍシフトした位置で、所定単位の表面に平行に仮想平面ＶＰを描いたとする。

ここで、被測定部品の表面に凹凸がないか十分小さいとすれば、仮想平面ＶＰが前記被測定部品と交わる範囲（即ち仮想平面で切断されたころ及び軌道輪のうち少なくとも一方の切断面の面積）は、Ａ×Ｂの全域となるはずである。しかしながら、被測定部品の表面には、加工時に生じた微細な凹凸が存在するので、その深さが部分ＨＰから２．０μｍを超えていた場合、超えている部分において、仮想平面ＶＰは外部に露出し、従って切断面に抜けが生じることとなる。これを示したのが図５（ｂ）であり、ハッチングで示す領域が、仮想平面ＶＰが被測定部品と交わる範囲（被測定部品の切断面であり、Ｒ１とする）であり、白抜きで示す領域が、仮想平面ＶＰが外部に露出した範囲（Ｒ２とする）である。白抜きで示す領域Ｒ２が多いほど、粗さが大きい面であることがわかる。

本発明によれば、１００・（領域Ｒ１の面積）／（Ａ×Ｂ）≧９０とすることで、表面に深い凹部を存在させないか、存在しても面積的に僅かに抑え、前記ころや前記軌道輪の間に存在する油膜の強度を高くし潤滑性を向上させ、表面に窒素濃度を付加することにより、耐摩耗性を向上すると共に、極表層部において圧痕起点型剥離の防止に有効な多量の残留オーステナイトを存在させることができ、摩耗、剥離等の早期の表面損傷を防止することができる。なお、所定単位の表面は、厳密に言えば曲面であるが、微小な範囲であるので、ここでは平面に近似している。

更に、前記ころ及び前記軌道輪のうち少なくとも一方が、窒素濃度０．０３〜０．８０重量％、ビッカース硬度ＨＶ６５３〜８３２であると、浸炭窒化処理等により表面に窒素を付加することで焼戻し抵抗が向上して高温時の強度が増大し、耐摩耗性が向上すると共に、極表層部において圧痕起点型剥離の防止に有効な多量の残留オーステナイトを存在させることができる。表面窒素濃度が０．０３重量％を下回ると高温時の強度が低下して耐摩耗性が低下するので、その下限値を０．０３重量％とした。尚、表面窒素濃度が０．８重量％を超えると軸受製造時における研削仕上げが困難になり、難研削のために軸受の生産性が低下するので、その上限値は０．８重量％であると好ましい。

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。

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。ころ１６ａ及び軌道輪１６ｂ、１６ｃの表面は、窒素濃度０．０３〜０．８０重量％以上であり、ビッカース硬度がＨＶ＝６５３〜８３２であり、且つ所定単位の表面に存在する微小な凹凸のうち、最も高い部分の位置を最表面位置としたときに、この最表面位置から深さ方向に２．０μｍシフトした位置で、所定単位の表面に平行な仮想平面を用いてころ１６ａ及び軌道輪１６ｂ、１６ｃを切断した場合、その切断面の面積は、前記所定単位の表面の面積に対して９０％以上とするように処理されている（図５参照）。

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。ころ１６ｅ及び軌道輪１６ｆ、１６ｇの表面は、窒素濃度０．０３〜０．８０重量％以上であり、ビッカース硬度がＨＶ＝６５３〜８３２であり、且つ所定単位の表面に存在する微小な凹凸のうち、最も高い部分の位置を最表面位置としたときに、この最表面位置から深さ方向に２．０μｍシフトした位置で、所定単位の表面に平行な仮想平面を用いてころ１６ｅ及び軌道輪１６ｆ、１６ｇを切断した場合、その切断面の面積は、前記所定単位の表面の面積に対して９０％以上とするように処理されている（図５参照）。

図３は、スラストニードル軸受１６Ｂの斜視図であり、図４は、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。ころ１５ａ及び外輪１５ｂは、窒素濃度０．０３〜０．８０重量％以上であり、ビッカース硬度がＨＶ＝６５３〜８３２であり、且つ所定単位の表面に存在する微小な凹凸のうち、最も高い部分の位置を最表面位置としたときに、この最表面位置から深さ方向に２．０μｍシフトした位置で、所定単位の表面に平行な仮想平面を用いてころ１５ａ及び外輪１５ｂを切断した場合、その切断面の面積は、前記所定単位の表面の面積に対して９０％以上とするように処理されている（図５参照）。

更に、本実施の形態にかか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。ころ１５ｄ及び外輪１５ｅは、窒素濃度０．０３〜０．８０重量％以上であり、ビッカース硬度がＨＶ＝６５３〜８３２であり、且つ所定単位の表面に存在する微小な凹凸のうち、最も高い部分の位置を最表面位置としたときに、この最表面位置から深さ方向に２．０μｍシフトした位置で、所定単位の表面に平行な仮想平面を用いてころ１５ｅ及び外輪１５ｄを切断した場合、その切断面の面積は、前記所定単位の表面の面積に対して９０％以上とするように処理されている（図５参照）。

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及びラジアルニードル軸受１５Ａ、１５Ｂは、上述したように各部が窒素濃度０．０３〜０．８０重量％以上であり、且つビッカース硬度がＨＶ＝６５３〜８３２であるように処理されており、且つ所定単位の表面に存在する微小な凹凸のうち、最も高い部分の位置を最表面位置としたときに、この最表面位置から深さ方向に２．０μｍシフトした位置で、所定単位の表面に平行な仮想平面を用いてころ及び軌道輪を切断した場合、その切断面の面積は、所定単位の表面の面積に対して９０％以上とするように処理されているので、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。

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の斜視図である。 スラストニードル軸受１６Ｂの断面図である。 本発明の原理を説明するための図である。

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 (2)

1. ころ及び軌道輪のうち少なくとも一方が、バレル加工により仕上げ加工されており、その所定単位の表面に存在する微小な凹凸のうち、最も高い部分の位置を最表面位置としたときに、この最表面位置から深さ方向に２．０μｍシフトした位置で、前記所定単位の表面に平行な仮想平面を用いて前記ころ及び軌道輪のうち少なくとも一方を切断した場合、その切断面の面積は、前記所定単位の表面の面積に対して９０％以上とすることを特徴とするニードル軸受。
2. 前記ころ及び前記軌道輪のうち少なくとも一方が、窒素濃度０．０３〜０．８０重量％、ビッカース硬度ＨＶ６５３〜８３２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。
   
   

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