JP2008267543A - 転がり軸受 - Google Patents

Abstract

【課題】経時硬化や接触部分の摩耗を抑制したシール部材によって、長期間密封性を高く維持することの可能な転がり軸受を提供する。
【解決手段】転がり軸受は、相対回転可能に対向配置された軌道輪（外輪１０、内輪２０）と、これら軌道輪間に転動自在に組み込まれた複数個の転動体４０と、軸受内において軌道輪間を密封するシール７０を備えた転がり軸受であって、該シールは、フッ素系材料からなる。シールは、転がり軸受のアキシャル方向の内部すきまｄ２よりも大きな締め代ｄ１を有する場合もある。それらの転がり軸受は、吸気通路の断面積を変化させて吸気量を制御するスロットルバルブを備えたスロットル軸を軸支する。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば自動車のエンジンに備えられ、吸気量を制御するスロットルバルブを備えたスロットル軸を軸支する転がり軸受に関する。

例えば自動車のエンジンのスロットルボディには、エンジン出力を所望の状態にコントロールするため、吸気される吸気量を制御するスロットルバルブが備えられている。このスロットルバルブはスロットル軸に備えられ、該スロットル軸が所望の角度に揺動回転することによって、スロットルバルブが吸気通路（スロットルチャンバとも言う）を可変させてエンジンに流入する大気あるいは混合気の吸気量を制御している。
この場合において、スロットル軸の軸支部分から外気が流入するようなことがあれば、制御した所望の吸気量よりも多い大気が吸気されてしまったり、混合気の混合バランスが崩れてしまったりする虞がある。従って、スロットル軸を回転可能に軸支する転がり軸受の気密性を確保することが非常に重要な課題となる。

このような用途に使用される転がり軸受は、従来から一般的に、軌道輪（外輪、内輪）が相対回転可能に対向配置され、外輪の内径面には外輪軌道が周方向に連続して形成されているとともに、内輪の外径面には内輪軌道が周方向に連続して形成されており、当該内輪軌道と外輪軌道との間には、複数個の転動体が保持器によって等間隔に保持されて転動自在に組み込まれている。
さらに、軌道輪間（外輪と内輪との間）には、軸受内部を軸受外部から密封するためのシール部材が組み込まれている。このシール部材は、例えば、シールド構造のシール部材や接触シールや非接触シールが構成や種類に応じて組み込まれる。

吸気通路内の気密性を確保するために、従来は、スロットル軸を軸支する転がり軸受とは別に、断面コの字形のオイルシール（軸シール）を追加して配する場合があった。この場合、オイルシールは、スロットル軸の表面に弾性的に接するとともに、該オイルシールと同軸に配されたリテーナーに接して吸気通路内の気密性を確保している。
さらに、特許文献１では、上記構造に加えて、スロットル軸と転がり軸受の内輪との嵌合面にＯリングを介在させることによって、スロットル軸と転がり軸受との間をシールして、吸気通路の気密性を向上させている。
なお、上述したオイルシールやＯリングによるシールは、その都度、スロットルボディに合わせた専用の寸法で設計製作する必要があった。

ところが、近年ではコストダウン及び部品点数削減による効率化が求められる傾向が強くなったことから、そのような要求に応えるため、前記オイルシールやＯリングによるシールを使用せず、その代替となるシール部材を前記転がり軸受に付加して吸気通路の気密性を確保することも考えられるが、一般的な転がり軸受の寸法は規格によって定められているので、上述したオイルシールと同様の形状のシール部材や、シールを押さえ込むためのバネを新たに設置することは困難であった。
そこで、密封性が高くなるように専用設計したシール部材を軸受内に備えた転がり軸受を使用して吸気通路の気密性を確保していた。
特開平１１−２１０５０３

上述の転がり軸受のシール部材はエンジンの吸気側に配置されるので、その環境の最高温度である１３０度程度の高温に耐え得る材料として、一般的にニトリルゴム（ＮＢＲ）が選択されている。しかし、転がり軸受が前記環境下で継続的に使用された場合には、シール部材が熱によって経時硬化するとともに弾性が失われ、接触部分の摩耗が促進され、長期間にわたる使用では、徐々に設計当初の密封性が失われてしまう虞があった。
その対策として、予め、シール部材の経時硬化や接触部分の摩耗を考慮した大きな締め代をシール摺動部の初期設定値とすることも考えられる。しかし、その場合には、シール部材の摺動抵抗が増大するので、軸受の回転トルクが大きくなり、スロットルバルブの可動性が悪化し、エンジンのレスポンス低下を招く虞があった。
本発明は、このような課題を解決するためになされており、その目的は、経時硬化や接触部分の摩耗を抑制したシール部材によって、長期間密封性を高く維持することの可能な転がり軸受を提供することである。

上記課題を達成するために、本発明は、相対回転可能に対向配置された軌道輪と、これら軌道輪間に転動自在に組み込まれた複数個の転動体と、軸受内において軌道輪間を密封するシールを備えた転がり軸受であって、該シールは、フッ素系材料からなることを特徴とする転がり軸受としたことである。そのフッ素系材料はフッ素ゴムであっても良く、シールは、転がり軸受のアキシャル方向の内部すきまよりも大きな締め代を有する場合もある。それらの転がり軸受は、吸気通路の断面積を変化させて吸気量を制御するスロットルバルブを備えたスロットル軸を軸支する。

本発明によれば、経時硬化や接触部分の摩耗を抑制したシール部材によって、長期間密封性を高く維持することの可能な転がり軸受を提供することができる。

以下本発明の実施の一形態を添付図面に基づいて説明する。
本実施形態は、本発明に係る転がり軸受の一例として、自動車のエンジンのスロットルボディ（図示しない）の吸気通路において、スロットルバルブ（図示しない）を備えたスロットル軸（図示しない）を回転可能に軸支する転がり軸受に使用された場合を想定している。

転がり軸受は、図１に示すように、軌道輪（外輪１０、内輪２０）が相対回転可能に対向配置されている。
外輪１０の内径面には外輪軌道１１が周方向に連続して形成されているとともに、その外輪軌道１１の両端側（図中左右端側）には、それぞれ、後述するシール部材５０が嵌合する周方向溝１２が形成されている。
内輪２０の外径面には、内輪軌道２１が周方向に連続して形成されているとともに、その内輪軌道２１の両端側（図中左右端側）には、それぞれ、シール溝２２が形成され、そのシール溝２２は傾斜面２３を有している。
当該内輪軌道２１と外輪軌道１１との間には、複数個の転動体４０が保持器３０によって等間隔に保持されて転動自在に組み込まれている。

軸受内部の前記内輪軌道２１と外輪軌道１１との間であって、転動体４０と保持器３０の外部側（図中左右端側）には、それぞれ、軸受内部を軸受外部から密封するためのシール部材５０が組み込まれている。
シール部材５０は、芯金６０と、その芯金６０と一体に形成されたシール７０とからなる。
芯金６０は、円筒部６１と、その円筒部６１の一端から軸受内径方向に一体に延設された円環部６２とで、略逆Ｌ字形状に形成され、円環部６２の先端部（軸受内径方向端部）６３は、軸受内部側（転動体４０側）に曲折している。なお、円環部６２は軌道輪間の略２／３をカバーする長さに形成されている。

シール７０は、前記外輪１０の周方向溝１２と嵌合する嵌合部７１（外径部）と、その嵌合部７１から軸受内径方向に一体に延設された円環部７２と、その円環部７２の先端側（軸受内径方向側）に配されるシールリップ７３（内径部）とで構成されている。
なお、シール７０は、フッ素系材料で成形されている。その一例として、本実施形態では、フッ素ゴム（ＦＫＭ）を材料として成形されている。
嵌合部７１は、前記周方向溝１２の凹部領域の周面形状と略相似形状に形成され、該凹部領域に嵌合することによって、シール７０を所定位置に保持する。
前記嵌合部７１の軸受内径側と円環部７２の軸受内部側は、前記芯金６０の逆Ｌ字形状の外側面に沿って芯金６０と一体に形成されている。
円環部７２の先端部（内径部）は、前記芯金６０の円環部６２の先端部６３よりも軸受内径方向に延出して形成されるとともに、軸受内部側に向けて膨出したシールリップ７３を有する。このシールリップ７３は前記シール溝２２の傾斜面２３と摺接する。

なお、シールリップ７３は、その軸受内部側の先端面７４が前記傾斜面２３と所定の締め代ｄ１（図中寸法ｄ１参照）を有するように膨出している。
この場合において、締め代ｄ１は、転がり軸受のアキシャル方向内部すきま（図中、破線による内輪位置及び寸法ｄ２参照）よりも大きな寸法に設定されていれば良い。
これにより、転がり軸受の外輪１０と内輪２０がアキシャル方向の内部すきまによってずれた場合であっても、内部すきまｄ２より大きな締め代ｄ１によって、シールリップ７３の先端面７４が内輪２０の傾斜面２３に押し付けられる状態を維持できるので、密封状態が維持される。

また、本実施形態では、転がり軸受のシール７０の材料としてフッ素ゴム（ＦＫＭ）を選択したことにより、長期間にわたってシール７０の柔軟性が保たれるとともに弾性が劣化することも無くなった。さらに、シールリップ７３の先端面７４が内輪２０の傾斜面２３に長期間押し付けられた場合であっても、前記締め代が変化することがない。従って、本実施形態による転がり軸受をスロットル軸に使用した場合であっても、長期間にわたって転がり軸受の密封性が失われることが無く、スロットルボディの吸気通路の気密性を保つことができる。

なお、自動車のエンジンや走行中の振動が常時負荷される環境下において、スロットル軸を揺動回転可能に支持するため、転動体の大きさや外径や内径等の軸受寸法については、標準相当である必要があり、このため、本実施形態では、軸受内部設計は標準品に準じている。また、スロットルバルブを揺動させる目的で使用されるため、軸受寿命は殆ど影響しない。
例えば、本実施形態では、呼び寸法６９００番（内径１０ｍｍ、外形２２ｍｍ、幅６ｍｍ）の転がり軸受寸法が採用されている。

また、転がり軸受の内部を密封可能な限りにおいて、上述した転がり軸受の構成に限定されるものではなく、他の構成としても良い。
例えば、シール部材５０のシールリップ７３とシール溝２２の傾斜面２３との摺接構造は、他の構成であっても良い。一例をあげれば、シールリップ７３は、シール溝２２の底面２４と摺接しても良いし、または、複数のシールリップ７３が、それぞれ、シール溝２２の傾斜面２３と底面２４の双方に摺接しても良い。
あるいは、シールリップ７３と内輪２０との摺接によるシール構造を備えず、ラビリンス構造によって軸受内部を密封する構成であっても良い。
さらに、芯金６０を備えたシール部材５０は芯金６０を備えない構成としても良い。

次に、上述した効果を検証するための評価試験を実施したので、その結果について図２〜図４を参照して説明する。
まず、転がり軸受の使用環境の最高温度である１３０度の雰囲気中において、加熱時間の経過とともに、本実施形態に係る転がり軸受のシール７０の材料として選択したフッ素ゴム（ＦＫＭ）材料からなる試験片を実施品とし、従来の転がり軸受のシール７０の材料であるニトリルゴム（ＮＢＲ）材料からなる試験片を比較例とし、硬さの変化状態を比較する試験を実施した。
比較例の材料：ニトリルゴム（ＮＢＲ）
実施品の材料：フッ素ゴム（ＦＫＭ）
試験方法：摂氏１３０度の雰囲気中で１０００時間の加熱を行う過程において、
試験開始時の硬さを０ポイントとして、時間の経過に従って硬さの変化を
調べる。
（ＪＩＳ Ｋ６２５３に準じる加硫ゴム及び可塑性ゴムの硬さ試験）

本評価試験では図３のグラフ（ＪＩＳ Ｋ６２５３加熱試験結果）に示す試験結果を得た。
比較例ＮＢＲ（記号△、一点鎖線参照）は、加熱時間の経過とともに硬さが最大２６ポイントまで徐々に上昇している（硬さが増している）。
それに対して、実施品ＦＫＭ（記号○、実線参照）は、試験開始から試験終了まで、０ポイント付近を維持している。
これにより、硬さ変化において、比較例は加熱時間とともに硬度が増加しているので、このような状態では摺動による摩耗が著しくなることが判る。それに対して、実施品は過熱による影響を受けず、長期間にわたって柔軟な性質を維持可能であり、摺動による摩耗も抑制可能であることが証明された。

次に、転がり軸受の使用環境の最高温度である１３０度の雰囲気中において、加熱時間の経過とともに、本実施形態に係る転がり軸受のシール７０の材料として選択したフッ素ゴム（ＦＫＭ）材料からなる試験片を実施品とし、従来の転がり軸受のシール７０の材料であるニトリルゴム（ＮＢＲ）材料からなる試験片を比較例とし、伸び変化率の変化状態を比較する試験を実施した。
比較例の材料：ニトリルゴム（ＮＢＲ）
実施品の材料：フッ素ゴム（ＦＫＭ）
試験方法：摂氏１３０度の雰囲気中で１０００時間の加熱を行う過程において、
試験開始時の伸びを基準（０％）にして、時間の経過に従って
伸び変化率の変化を調べる。
（ＪＩＳ Ｋ６２５１に準じる加硫ゴムの引張試験）

本評価試験では図３のグラフ（ＪＩＳ Ｋ６２５１加熱試験結果）に示す試験結果を得た。
比較例ＮＢＲ（記号△、一点鎖線参照）は、加熱時間の経過とともに伸び率がマイナス側に変化した。特に５００時間経過以降は−１００％の伸び率を示している。
それに対して、実施品ＦＫＭ（記号○、実線参照）は、試験開始から試験終了まで、０ポイント付近を維持している。
これにより、伸び率の変化において、比較例は加熱時間とともに縮む傾向が見られ、このような状態では転がり軸受の密封状態が維持されないことが判る。それに対して、実施品は過熱による影響を受けず、長期間にわたって初期状態を維持可能であり、転がり軸受の密封状態の確保が可能であることが証明された。

次に、転がり軸受の使用環境の最高温度である１３０度の雰囲気中において、加熱時間の経過とともに、転がり軸受のシール７０の材料としてフッ素ゴム（ＦＫＭ）を選択した実施品と、従来のニトリルゴム（ＮＢＲ）を選択した比較例の締め代残存率の変化状態を比較する試験を実施した。
軸受サイズ：軸受呼び型番６９００（内径１０ｍｍ、外径２２ｍｍ、幅６ｍｍ）
回転数：１５０ｒ／ｍｉｎ（毎分１５０回転）
運転時間：４００Ｈｒ（４００時間）
比較例のシールの材料：ニトリルゴム（ＮＢＲ）
比較例の数：１６個体
実施品のシールの材料：フッ素ゴム（ＦＫＭ）
実施品の数：１６個体
試験方法：摂氏１３０度の雰囲気中、回転数１５０ｒ／ｍｉｎで４００時間の運転後、
使用前のシール締め代を基準（１００％）にして、シール締め代の変化率
を調べる。

本評価試験では図４のグラフに示す試験結果を得た。
比較例ＮＢＲの１６個体は、１５％〜３９％の締め代残存率を示している。
それに対して、実施品ＦＫＭの１６個体は、６９％〜９８％の締め代残存率を示している。
これにより、比較例ＮＢＲを材料とするシールでは、４００時間の運転後には締め代が極端に減少し、シールリップ７３を内輪２０の傾斜面２２に押し付ける力が弱くなり、軸受内部の密封性を損なう虞があることが判った。
それに対して、実施品ＦＫＭを材料とするシールでは、４００時間の運転後にも締め代の残存率が非常に良好であり、長期間にわたってシールリップ７３を内輪２０の傾斜面２３に押し付ける力を発揮し、軸受内部の密封性を維持可能であることが証明された。

本発明の一実施形態に係る転がり軸受の構成を示す断面図である。 ＪＩＳ Ｋ６２５３に準じた加熱試験結果を示すグラフである。 ＪＩＳ Ｋ６２５１に準じた加熱試験結果を示すグラフである。 締め代残存率を示すグラフである。

符号の説明

１０ 外輪
２０ 内輪
４０ 転動体
７０ シール
ｄ１ 締め代
ｄ２ 軸受内部すきま

Claims (4)

1. 相対回転可能に対向配置された軌道輪と、これら軌道輪間に転動自在に組み込まれた複数個の転動体と、軸受内において軌道輪間を密封するシールを備えた転がり軸受であって、
   該シールは、フッ素系材料からなることを特徴とする転がり軸受。
2. フッ素系材料はフッ素ゴムであることを特徴とする請求項１に記載の転がり軸受。
3. シールは、転がり軸受のアキシャル方向の内部すきまよりも大きな締め代を有することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の転がり軸受。
4. 吸気通路の断面積を変化させて吸気量を制御するスロットルバルブを備えたスロットル軸を軸支する請求項１〜請求項３のいずれかに記載の転がり軸受。

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