JP2006329313A - ころ保持器およびこれを備えた複合型軸受 - Google Patents

Abstract

【課題】エンジン回りの動力伝達装置の軸支持用軸受として用いた場合、エンジンの燃費低減、回転トルク増大の抑制、騒音発生の抑制を可能にした複合軸受を提供すること。
【解決手段】軸方向長手のころ保持孔１５を円周方向複数備えたころ保持器１０において、円周方向のころ保持孔１５間の保持器柱１３の内径面に、溝形状が軸方向中央から軸方向両側で対称で、かつ、溝深さが円周方向一方側で連続的ないしは段階的に浅く、かつ、円周方向一端側の軸方向溝幅がころ保持孔１５の軸方向幅よりも短い動圧溝２０を備えた構成。
【選択図】図１

Description

本発明は、ころ保持器及びこれを備えた複合型軸受に関するものである。本明細書で、複合型軸受とは、転がり軸受としてもすべり軸受としても機能することができる軸受である。

近年、自動車等の車両においては信号待ち等で停車中にエンジンを自動停止してアイドリングを停止させ、発車時にエンジンを再始動させるようにして車両停車中の燃費の低減と排出ガス発生の抑制とを同時に達成するＳＴＯＰ＆ＧＯシステムが開発されてきている。

このようなシステムにおいては、エンジンの停止・始動の回数が増加するために、エンジンの回転動力を伝達するクランク軸やカム軸の軸受に用いる滑り軸受は、エンジン始動時の静摩擦力が大きいので、回転トルクが増大して、低燃費を図る上では不都合である、という課題がある。

そのため、滑り軸受に代えて静摩擦力が小さくエンジン始動時の回転トルクが小さい転がり軸受をクランク軸やカム軸の軸受に採用することが考えられる。しかしながら、転がり軸受は、高速回転時では潤滑油の粘性抵抗により回転トルクが滑り軸受よりも重くなり燃費がかえって増大するうえに、転動体の転走音が不快な高周波騒音となる、という課題がある。そこで、これら課題を解決するうえで、滑り軸受機能と転がり軸受機能とを兼備した複合軸受が考えられる。このような複合軸受の従来技術としては例えば特許文献１があるが、この特許文献１では、転がり軸受の内輪の内側あるいは外輪の外側に軸受合金をはめたりしただけのものであり、転がり軸受と滑り軸受の両機能を回転速度と関係して切り替えられるものではなく上記課題を解決することはできない。
特公昭４３−１９２４号公報

本発明により解決する課題は、回転速度が低いときは転がり軸受機能、回転速度が高いときは滑り軸受機能に切り替わり、例えば、エンジン回りの動力伝達装置の軸支持用軸受として用いた場合に、エンジンの燃費向上、回転トルク増大の抑制、騒音発生の抑制を可能にした複合軸受を提供することである。

本発明によるころ保持器は、軸方向長手のころ保持孔を円周方向複数備えたころ保持器において、円周方向のころ保持孔間の保持器柱の内径面に、溝形状が軸方向中央から軸方向両側で対称で、かつ、溝深さが円周方向一方側で連続的ないしは段階的に浅く、かつ、円周方向一端側の軸方向溝幅がころ保持孔の軸方向幅よりも短い動圧溝を備えたことを特徴とするものである。

本発明のころ保持器においては、ころ保持器の動圧溝と内輪の外径面との隙間は円周方向一方側に連続的ないしは段階的に狭くなっている。そのため、ころ保持器の円周方向一方への回転に伴い、動圧溝には油をその狭い隙間に引き摺り込ませる動圧が発生し、さらに、その狭い隙間に引き摺り込まれた油はさらにころと内輪の外径面との間のさらに狭い隙間に効果的に引き摺り込まれる結果、そのころを内輪の外径面から浮かせようとする動圧が発生する。

この動圧はころ保持器の回転速度が低い間はころを内輪の外径面から浮かせる程の大きさではないので、ころ保持器が低速回転している間は、ころは内輪の外径面に転動接触し、当該ころ保持器を備えた軸受は転がり軸受として機能する。

一方、ころ保持器が高速回転するようになると、上記動圧が増大するが、この高速回転によりころ保持器と共にころに作用する回転遠心力も増大するために、上記増大した動圧はころを内輪の外径面から浮かせる程の大きさとなり、結果、ころは内輪の外径面と非接触となる。この場合、ころと内輪の外径面との隙間には流入してくる油による１ないし数ミクロン程度の油膜が形成されるようになる結果、当該ころ保持器を備えた軸受は滑り軸受として機能する。

したがって、本発明のころ保持器を組み込んだ複合型軸受を例えば車両のクランク軸を支持する軸受用として用いた場合、エンジン停止の状態から始動させる低速回転時のときは転がり軸受として機能するからクランク軸との静摩擦力は小さくなりエンジンの動力伝達効率が上昇して燃費が向上する。一方、エンジンの回転数が上昇し、ころ保持器の回転速度が上昇すると、動圧溝からの潤滑油の圧送によりころが内輪から浮き、かつ、ころと内輪の外径面との隙間に油膜が介在するようになって、当該軸受は滑り軸受として機能する結果、回転トルクが低減して燃費が向上すると共にころと内輪との接触による不快な高周波騒音の発生が無い。

本発明においては、上記動圧溝の溝深さを円周方向一方に向けて連続的に浅く、かつ、その軸方向溝幅を、円周方向一方に向けて連続的に狭く、かつ、その円周方向一端側をころ保持孔の長手方向中央の近傍に絞り込んだ形状とすることが好ましい。この溝形状によるときは、動圧溝と内輪外径面との間にくさび状隙間が形成されるので、いわゆるくさび効果が顕著となって動圧力が効果的に発生して、複合型軸受を低速回転時には転がり軸受として、高速回転時には滑り軸受として切り替えることができる。

なお、動圧溝の溝深さが円周方向で一定であってもよい。

本発明においては特に、円周方向一方に向けて軸方向幅が狭く、その円周方向一方側端部がころの長手方向中央に絞り込まれている構成とすることで、ころにはその長手方向（軸方向）全体に均等に動圧力が作用するようになる。そのため、低速回転時に発生する動圧力はころを内輪外径面から浮かせるほどの大きさではないが、ころをころ保持孔内でスキューさせる可能性が抑制されるようになって好ましい。また、高速回転時ではころを内輪外径面から浮かせるときにころ全体を内輪外径面から均等に浮かせることができ、ころの一部が内輪外径面に接触し残部が内輪外径面に接触しているような状況の発生が抑制され、転がり軸受機能と滑り軸受機能とに効果的に切り替えることが可能となる。

本発明の複合型軸受は、外輪と、外輪の内径面に配置される複数のころと、これらころを円周方向等間隔に転動自在に保持するころ保持器とを備え、上記ころ保持器が、本発明の上記ころ保持器であり、かつ、上記ころ保持器の内径面の動圧溝が、該ころ保持器の回転速度に応じて当該複合型軸受を転がり軸受または滑り軸受として機能させる動圧を内輪外径面との間の隙間に発生することを特徴とするものである。

本発明の複合型軸受によると、低速回転時には転がり軸受として、高速回転時には滑り軸受として切り替えることができるので、車両のクランク軸を支持する軸受用として用いた場合、ＳＴＯＰ＆ＧＯシステムにおいて、エンジン停止と始動とが繰り返される状況下では、エンジン停止から始動直後の低速回転時に転がり軸受として機能することによってクランク軸との静摩擦力を小さく抑制できるのでエンジンの動力伝達効率が上昇して燃費が向上する。一方、エンジンの回転数が上昇した高速回転時には、ころが内輪から浮いて滑り軸受として機能する結果、回転トルクの増大を抑制することができるので燃費を向上することができると共にころと内輪との接触による不快な高周波騒音の発生が無い。

本発明のころ保持器は、軸受の内・外輪間に組み込むと、当該軸受を、ころ保持器の低速回転時では転がり軸受として、高速回転時ではすべり軸受として機能させることができるので、例えば、エンジン回りの動力伝達装置の軸支持用軸受として用いた場合に、エンジンの燃費向上、回転トルク増大の抑制、高周波騒音発生の抑制を可能にすることができる。

以下、添付した図面を参照して、本発明の実施の形態に係るころ保持器およびこれを備えた複合型軸受を説明する。図１ないし図５は本発明の実施の形態に係り、図１は、ころ保持器の斜視図、図２は、ころ保持器の一部を展開して示す拡大平面図、図３は、図２のＡ−Ａ線に沿う断面図、図４はころ保持器の保持器柱の内径側を拡大して示す斜視図である。図５（ａ）（ｂ）はころ保持器の低速回転時と高速回転時における動圧溝の作用説明に供する複合型軸受の部分断面図である。

これらの図を参照して、実施の形態のころ保持器１０は、プレス加工により成形された平板状の保持器素材を円環状に丸めた一つ割り保持器であり、その割り面１１において開口変形可能である。ころ保持器１０は、軸方向両側で対向する一対の円環部１２と、両円環部１２間に円周方向に架設される複数の保持器柱１３とを備え、円周方向間の保持器柱１３間の空孔を、転動体であるころ１４を保持するころ保持孔１５としている。ころ保持孔１５は円周方向両端の保持器柱１３と軸方向両側の円環部１２とにより画定されるものであるが、実施の形態の場合、円環部１２と保持器柱１３とはころ保持孔１５の軸方向両側を除いて円周方向において一致している。保持器柱１３は、ころＰＣＤよりも半径方向内側に位置して、ころ１４を内径側に抜け止め状態に保持する。

以上の構成を備えたころ保持器１０においては、円周方向のころ保持孔１５間の保持器柱１３の内径面に動圧溝２０を備えている。この動圧溝２０を平面展開した形状は軸方向中央から軸方向両側で対称な菱形形状の動圧溝になっている。この動圧溝２０は円周方向一方において軸方向両側で対向する溝側面２０ａと両溝側面２０ａを連成する溝底面２０ｂとで囲まれて形成されている。両溝側面２０ａは、互いの軸方向対向間が、円周方向中央で最大であり、円周方向両側で最小になっている。溝底面２０ｂはその深さが円周方向中央で最深であり、円周方向両側端で最浅になる傾斜面になっている。

菱形動圧溝２０はその円周方向中央から円周方向一方端までを円周方向一方端部２０ａを頂点とした平面視三角形の第１動圧溝２１と、円周方向中央から円周方向他方端までを円周方向他方端部２２ａを頂点とした平面視三角形の第２動圧溝２２とで構成している。

第１動圧溝２１は、円周方向中央から円周方向一方に向けて連続的に軸方向溝幅が狭くかつ溝深さが浅くなるとともに、円周方向一方側端部２１ａが当該円周方向一方に位置するころ保持孔１５の近傍にまで延設し、当該円周方向一方側端部２１ａの軸方向溝幅がころ保持孔１５の軸方向幅よりも短くかつころ保持孔２５の軸方向中央すなわち該ころ保持孔２５に保持されるころ１４の長手方向中央に絞り込まれた形状に形成されている。

第２動圧溝２２は、円周方向中央から円周方向他方に向けて連続的に軸方向溝幅が狭くかつ溝深さが浅くなるとともに、円周方向他方側端部２２ａが当該円周方向他方に位置するころ保持孔１５の近傍にまで延設し、当該円周方向他方側端部２２ａの軸方向溝幅がころ保持孔１５の軸方向幅よりも短くかつころ保持孔１５の軸方向中央すなわち該ころ保持孔１５に保持されるころ１４の長手方向中央に絞り込まれた形状に形成されている。

以上により、第１動圧溝２１は、図示略の内輪の外径面との間で円周方向一方に向けて対向隙間が狭くなるくさび状隙間を形成し、第２動圧溝２２は、内輪の外径面との間で円周方向他方に向けて対向隙間が狭くなるくさび状隙間を形成する動圧溝になっている。

図５（ａ）（ｂ）を参照して、ころ保持器１０が内輪３０に対して相対的に円周方向一方に向けて静止状態から回転を開始する場合を説明する。ころ保持器１０は外輪３１と共に複合型軸受４０を構成する。

すなわち、ころ保持器１０が内輪３０に対して相対的に円周方向一方に向けて静止状態から回転を開始した低速回転時においては第１動圧溝２１からは、ころ１４を内輪３０の外径面３０ａから浮かせる動圧力は発生せず、ころ１４は内輪３０の外径面３０ａに接触して転動している。この状態では複合型軸受４０は図５（ａ）で示すように転がり軸受として機能している。

ころ保持器１０の回転速度が上昇して高速回転するようになると、第１動圧溝２１からは、ころ１４を内輪３０の外径面３０ａから浮かせようとする動圧力が発生する。この場合、ころ１４には高速回転による回転遠心力が作用しているために、複合型軸受４０は、この回転遠心力と共に動圧力が補助的に作用し、結果、図５（ｂ）で示すようにころ１４が内輪３０の外径面３０ａから浮いて滑り軸受として機能するようになる。この場合、ころ１４と内輪３０の外径面３０ａとの間に１ないし数ミクロン程度の油膜が介在するようになって滑り軸受としての機能が効果的に達成される。図５（ｂ）ではころ１４と内輪３０の外径面３０ａとの間に油膜が介在する隙間が誇張して示されている。

上記の場合、第１動圧溝２１は円周方向一方に向けて溝端部２１ａがころ１４の長手方向中央に絞り込まれているので、第１動圧溝２１の溝端部２１ａに絞り込まれた動圧が効果的にころ１４に与えられる。また、第１動圧溝２１は軸方向中央に対して軸方向対称な形状になっているので、動圧が軸方向中央から軸方向両側に均衡良く発生し、これによって、低速回転時にころ１４が内輪３０の外径面３０ａに転動接触しているときにころ１４を内輪３０の外径面３０ａから浮かす程の動圧ではないが、その動圧の影響でころ１４がころ保持孔１５内部でスキューさせられずに済む。

ころ保持器１０の回転方向が円周方向他方の場合は、第２動圧溝２２により複合型軸受４０は転がり軸受機能と滑り軸受機能とに切り替わることができる。この第２動圧溝２２の詳しい作用は第１動圧溝２１と同様であるので説明を省略する。

以上のように本実施の形態によるころ保持器１０においては、当該ころ保持器１０を外輪３１と内輪３０との間に組み込むと、動圧溝２０の第１溝部２１が内輪３０の外径面との間に円周方向一方に向けて狭くなるくさび状隙間を形成し、ころ保持器１０の回転速度が低いときは、ころ１４を内輪から浮かせる大きさの動圧力が発生せず、ころ１４は内輪に接触して転がり軸受として機能し、回転速度が高くなると、動圧力が大きくなってころ１４が内輪から浮き、滑り軸受として機能させることができる。

なお、実施の形態のころ保持器１０は、プレス加工により製作することができるが、平板状の保持器素材ではなく、薄肉パイプ状の保持器素材でもよく、この保持器素材の内径側にダイスを配置し、外径側にパンチを配置し、パンチで、保持器素材のポケット部形成領域に穴あけ加工を施してころ保持孔１５を形成するとともに、ころ保持孔１５の穴あけ加工に際して、同時に保持器素材の内径面を半径方向から押圧加工して当該外径面に動圧溝２０を塑性変形により形成することができる。

また、実施の形態のころ保持器１０は、合成樹脂を射出成形することによっても、実施の形態の形状に製作することができる。合成樹脂としては、エンジニアリングプラスチック、例えばポリフェニレンスルファイド（ＰＰＳ）、ポリアミド６６、ポリアミド４６、直鎖状ポリフェニレンサルファイド、分枝状ポリフェニレンサルファイド等を、それぞれ充填材（補強材）を混入させた状態で使用することができる。充填材としては、ガラス繊維、カーボン繊維等の繊維系充填材や、シリカ粒子、アルミナ粒子等の粒子状充填材を使用することができる。

また、実施の形態の動圧溝２０は、図６（ａ）（ｂ）、図７（ａ）（ｂ）、図８（ａ）（ｂ）で示すように、軸方向幅が円周方向において一定でかつ円周方向一方に向けて溝深さが連続的ないしは段階的に溝深さが浅くなる溝形状とすることができる。

すなわち、図６（ａ）は他の実施の形態のころ保持器１０の部分斜視図、図６（ｂ）は図６（ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。図６（ａ）（ｂ）に示す動圧溝２０は、円周方向他方に半径方向の側面２０ｃを有し、円周方向一方に斜め勾配（円周方向一方に向けて連続的に溝深さを浅くする勾配）の底面２０ｄとからなる動圧溝である。

図７（ａ）はさらに他の実施の形態のころ保持器１０の部分斜視図、図７（ｂ）は図７（ａ）のＣ−Ｃ線断面図である。図７（ａ）（ｂ）に示す動圧溝２０は、円周方向他方の溝端部が半径方向の側面２０ｅで、円周方向途中が平坦な底面２０ｆで、円周方向一方が斜め勾配（円周方向一方に向けて連続的に溝深さを浅くする勾配）の底面２０ｇとからなる動圧溝である。

図８（ａ）はさらに他の実施の形態のころ保持器１０の部分斜視図、図８（ｂ）は図８（ａ）のＤ−Ｄ線断面図である。図８（ａ）（ｂ）に示す動圧溝２０は、円周方向他方の溝端部が半径方向の側面２０ｈで、円周方向途中に第１段目の底面２０ｉ、円周方向一方側に第１段目の底面２０面よりも浅い位置の第２段目の底面２０ｊ（円周方向一方に向けて段階的に溝深さを浅くする底面）とからなる動圧溝である。

図６ないし図８のいずれの動圧溝２０も、ころ保持器１０の回転速度の上昇により、低速回転時ではころ１４を内輪３０の外径面３０ａに転動接触させて転がり軸受として機能させ、高速回転時ではころ１４を内輪３０の外径面３０ａから浮かせて滑り軸受として機能させるようになっている。

ころ保持器１０は、図９で示すように、割り面１１を二つ有する二つ割りのころ保持器１０の構成とすることができる。図９で示すころ保持器１０は、図１のころ保持器１０とは一つ割りであるか、二つ割りであるかの相違があるのみで、他の構成は同一であるから、その詳しい説明は省略する。図９のころ保持器１０の割り面１１での結合構造の図示は略しているが、例えば割り面１１の形状を、Ｖ字形状、Ｓ字形状、鋸歯状、等とすることができる。

なお、上記図１〜図９に示した実施形態においては、ころ保持器に形成された動圧溝の溝深さがころ保持孔寄りほど連続的にあるいは段階的に浅くなるものを示したが、溝深さが一定であってもよい。

実施の形態の複合型軸受４０は、図１０で示すように、自動車等の車両の内燃機関における動力伝達装置であるコンロッド大端部５０の内径面とクランクピン６０の外径面との間に介装することができる。図１０を参照して、コンロッド大端部５０の内径面とクランクピン６０の外径面との間に実施の形態の複合型軸受４０が介装されている。この複合型軸受４０は針状ころ軸受である。スラストワッシャ７０はクランクピン６０にフリー状態で介装されている。８０はクランクウェブである。複合型軸受４０は、二つ割り外輪９０と、実施の形態のころ保持器１０と、このころ保持器１０に保持した針状ころ１４とを備える。

本発明の実施形態に係るころ保持器の斜視図である。 ころ保持器の一部を展開して示す拡大平面図である。 図２のＡ−Ａ線に沿う断面図である。 ころ保持器の保持器柱の内径側を拡大して示す斜視図である。 低速回転時と高速回転時における動圧溝の作用説明に供する複合型軸受の部分断面図である。 他の実施の形態に係り、（ａ）は動圧溝の変形を示すためのころ保持器の部分展開平面図、（ｂ）は図６（ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。 さらに他の実施の形態に係り、（ａ）は動圧溝の他の変形を示すためのころ保持器の部分展開平面図、（ｂ）は図７（ａ）のＣ−Ｃ線断面図である。 さらに他の実施の形態に係り、（ａ）は動圧溝の他の変形を示すためのころ保持器の部分展開平面図、（ｂ）は図８（ａ）のＤ−Ｄ線断面図である。 さらに他の実施の形態に係るころ保持器の斜視図である。 実施の形態の複合型軸受を組み込んだ動力伝達装置の断面図である。

符号の説明

１０ ころ保持器
１１ 割り面
１３ 保持器柱
１４ ころ
１５ ころ保持孔
２０ 動圧溝
２１ 第１動圧溝
２２ 第２動圧溝

Claims (3)

1. 軸方向長手のころ保持孔を円周方向複数備えたころ保持器において、円周方向のころ保持孔間の保持器柱の内径面に、溝形状が軸方向中央から軸方向両側で対称で、かつ、溝深さが円周方向一方側で連続的ないしは段階的に浅く、かつ、円周方向一端側の軸方向溝幅がころ保持孔の軸方向幅よりも短い動圧溝を備えた、ことを特徴とするころ保持器。
2. 上記動圧溝は、その溝深さが円周方向一方に向けて連続的に浅く、かつ、その軸方向溝幅が、円周方向一方に向けて連続的に狭く、かつ、その円周方向一端側がころ保持孔の長手方向中央の近傍に絞り込まれている、ことを特徴とする請求項１に記載のころ保持器。
3. 外輪と、外輪の内径面に配置される複数のころと、これらころを円周方向等間隔に転動自在に保持するころ保持器とを備え、上記ころ保持器が、請求項１または２に記載のころ保持器であり、かつ、上記ころ保持器の内径面の動圧溝が、該ころ保持器の回転速度に応じて当該複合型軸受を転がり軸受または滑り軸受として機能させる動圧を内輪外径面との間の隙間に発生する、ことを特徴とする複合型軸受。

Images