JP2008298215A

JP2008298215A - 転がり軸受、その転がり軸受を用いたモータ装置、及び転がり軸受装置

Info

Publication number: JP2008298215A
Application number: JP2007146357A
Authority: JP
Inventors: Toshiyuki Onishi; 寿幸大西; Hideki Megata; 秀樹米賀多
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2007-06-01
Filing date: 2007-06-01
Publication date: 2008-12-11

Abstract

【課題】高周波振動する箇所に用いた場合に、Ｏリングの持つヒステリシスのために、初期位置への復元が遅くなり、ハウジングと外輪がメタル接触し騒音が発生する。
【解決手段】外輪１３の外周面１３ａに周方向に沿って形成された凹溝１３ｂにＯリング１４が嵌め込まれてなる転がり軸受１において、上記ＯリングとしてヒステリシスＨが４０％以下の弾性材料を用いたもの。
但し、上記ヒステリシスＨは以下の定義による。
ヒステリシスＨ＝Ｓ１×１００／Ｓ２
Ｓ１：荷重印加曲線と荷重除去曲線で囲まれる面積。
Ｓ２：荷重印加曲線より下側の面積（横軸に変位、縦軸に荷重をとったときの荷重印加曲線と横軸で囲まれる略三角形の面積）。
【選択図】図１

Description

この発明は例えば永久磁石型回転電機などに好ましく使用することができる転がり軸受、その転がり軸受を用いたモータ装置、及び転がり軸受装置に関するものである。

従来の転がり軸受として、例えば外輪の外周面に形成された凹溝と、この凹溝内に嵌入され、上記凹溝から突出するＯリングとを備えた転がり軸受であって、上記Ｏリングの硬度がＨｓ６０〜７５であると共に、上記Ｏリングにおける上記凹溝からの突出量が上記Ｏリングの径の４〜４０％に設定されていることを特徴とするものがある（例えば、特許文献１参照。）。

特開２００２−１３０３０９号公報（第１頁、図１）

上記のように構成された従来の転がり軸受では、Ｏリングの硬度と凹溝からの突出量をそれぞれ所定の範囲に選ぶことによって、組付け性を良好にすると共に、外輪の耐クリープ性を高めているが、高周波振動する箇所に用いた場合に、Ｏリングの持つヒステリシスのために、初期位置への復元が遅くなり、ハウジングと外輪がメタル接触し騒音が発生する場合があるという課題があった。

この発明は上記のような従来技術の課題を解消するためになされたもので、高周波振動する箇所に用いても騒音を効果的に低減できる転がり軸受、その転がり軸受を用いたモータ装置、及び転がり軸受装置を提供することを目的とするものである。

この発明に係る転がり軸受は、外輪の外周面に周方向に沿って形成された凹溝にＯリングが嵌め込まれてなる転がり軸受において、上記ＯリングはヒステリシスＨが４０％以下の弾性材料からなることを特徴とするものである。
但し、上記ヒステリシスＨは以下の定義による。
ヒステリシスＨ＝Ｓ１×１００／Ｓ２
Ｓ１：荷重印加曲線と荷重除去曲線で囲まれる面積。
Ｓ２：荷重印加曲線より下側の面積（横軸に変位、縦軸に荷重をとったときの荷重印加曲線と横軸で囲まれる略三角形の面積）。
測定方法：ＪＩＳＫ６３８５防振ゴムの試験方法６．静的特性試験を参考にした往復路方式であって、以下の測定条件とする。
測定用試験片の大きさ：直径２９ｍｍφ×高さ１２．５ｍｍ
試験速度：２００ｍｍ／ｍｉｎ
試験荷重上限：１０Ｎ

この発明においては、Ｏリングとして上記ヒステリシスＨが４０％以下の弾性材料を使用することで、高周波振動する箇所に用いた場合でも、軸受が初期位置へ速やかに復帰できる。そのために保持部材と外輪がメタル接触する頻度が減り、騒音が効果的に低減できる。

実施の形態１．
図１〜図５は、この発明の実施の形態１による転がり軸受、その転がり軸受を用いたモータ装置、及び転がり軸受装置を説明するもので、図１は、モータ装置の回転軸に用いたときの転がり軸受部分の要部を示す断面図、図２は図１に示されたＯリングの素材を試験片として反発弾性を測定するときの方法を示す説明図、図３は図１に示されたＯリングの素材について測定された反発弾性の特性曲線及びヒステリシスＨの定義要素を説明する図、図４は図２に示す装置（方法）で測定された試験片の反発弾性を、縦軸に荷重Ｆ（Ｎ）、横軸に変位（たわみ）ｘ（ｍｍ）をとり、直交座標系でＦ−ｘの関係を連続的に記録した特性図、図５は図４に示す反発弾性の測定結果から得られたヒステリシスＨ（％）とモータの騒音（ｄｂ）との相関を示す図である。

図１に示すように、この発明の転がり軸受１は、内輪１１、所定数の転動体１２、外周面１３ａに周方向の凹溝１３ｂが設けられた外輪１３、凹溝１３ｂに装着された後述するヒステリシスＨが４０％以下の弾性材料からなるＯリング１４、及び転動体１２を保持するリテーナ１５などから構成されている。なお、この発明の転がり軸受装置２は上記転がり軸受１と、この転がり軸受１を保持する例えばハウジングなどの保持部材３からなっている。また、この発明のモータ装置４は上記転がり軸受１を、例えば電動油圧式パワーステアリング用モータの回転軸４１の反出力軸側の支持部材（ベアリング）として用いたものであり、この場合、保持部材３はハウジングまたはブラケットとして構成される。

上記Ｏリング１４の素材は、必ずしも限定されるものではないが、例えばＮＢＲ（ニトリルゴム）、Ｈ−ＮＢＲ（水素化ニトリルゴム）、ＡＣＭ（アクリルゴム）などのゴム系の弾性材料は好ましく用いることができる。本発明者らはＯリング１４を構成するこれらゴム系の弾性材料を含む各種素材の反発弾性のヒステリシスと騒音の関係について着目し、鋭意検討を重ねた結果、Ｏリング１４を構成する素材のヒステリシスＨを４０％以下にすることで、高周波動作時でも初期位置への復帰速度が速くなり、従ってハウジング等保持部材３とのメタル接触が発生し難くなり、騒音が小さく押えられることを見出し、この発明を完成させたものである。以下、実施の形態１についてこの発明をさらに詳細に説明する。

まず、Ｏリング１４に用いる素材のヒステリシスの測定は、ＪＩＳＫ６３８５防振ゴムの試験方法「６．静的特性試験」を参考に図２に示す方法で行なった。即ち、図２において、測定装置は、定盤などの硬い固定部からなる台座５と、台座５上に載置された圧縮永久歪み測定用の試験片６に対してたわみを与える測定針７と、測定針７を設定された任意の速度で図の上下方向に移動させると共に、試験片６に与えた荷重Ｆ（Ｎ）、及び変位（たわみ）ｘ（ｍｍ）を連続的に計測し得る図示省略している駆動手段、検知手段及び記録手段などに接続されたピストン８などからなる。なお、試験片６の大きさは直径２９ｍｍφ、高さ１２．５ｍｍとし、測定針７は、軸部７１の直径１．２５ｍｍφ、円錐状先端部７２のテーパー角度３５°、その先端７１ａの直径０．７９ｍｍφとし、試験速度は荷重印加時、荷重除去時共に２００ｍｍ／ｍｉｎとし、試験荷重上限は１０Ｎとした。

上記測定方法によってＯリングの素材の反発弾性を測定すると図３のような特性曲線が得られる。図３において、縦軸は試験片６に対して加えられた荷重Ｆ（Ｎ）、直交する横軸は試験片６の変位ｘ（ｍｍ）であり、荷重印加時Ｏ→Ａの曲線が得られ、荷重除去時Ａ→Ｏの曲線が得られる。両端矢印ＤはＯリング１４に用いる素材の試験片６にヒステリシスがあることを示している。図３に示すような特性図において、曲線Ｏ→Ａ及び曲線Ａ→Ｏで囲まれた灰色で示す部分の面積、即ち荷重印加曲線と荷重除去曲線で囲まれる面積をＳ１、点Ａから横軸に垂下した点をＢとしたときに荷重印加曲線の下側に形成される略三角形ＯＡＢの面積をＳ２としたときに、ヒステリシスＨ（％）を下記のように定義する。
ヒステリシスＨ＝Ｓ１×１００／Ｓ２

上記測定方法及び定義に基づいて反発弾性の異なる３種類のＯリングの素材、即ちＮＢＲ（ニトリルゴム）、Ｈ−ＮＢＲ（水素化ニトリルゴム）、及びＡＣＭ（アクリルゴム）について測定された特性試験の結果を図４に、また、上記各種素材からなる３種類のＯリングを図１のモータ装置の転がり軸受１に用い、回転軸４１を高速回転させたときに測定された騒音のレベルとヒステリシスＨとの相関を図５に示す。本測定結果から、Ｏリングの素材として用いる弾性材料のヒステリシスＨが小さくなると騒音が押えられることが分かる。なお、実用上の観点からヒステリシスＨは４０％以下（０％〜４０％）とすることが望ましい。なお、上記ヒステリシスＨが４０％を超えたものでは騒音の抑制が不十分となり、また、高周波動作時に初期位置への追従速度が遅くなるので好ましくない。

以上説明したようにこの発明の実施の形態１によれば、転がり軸受１の外輪１３の外周面１３ａに周方向に沿って形成された凹溝１３ｂに嵌め込まれるＯリング１４の上記ヒステリシスＨを４０％以下としたことで、高周波動作時でも初期位置への追従速度が速められ、その結果、ハウジングなどの保持部材３とのメタル接触が発生し難くなり、騒音が小さく押えられる効果が得られる。なお、高周波動作する回転機械、即ち回転数の高い回転機械としては、必ずしも限定されるものではないが、具体例としては高回転数で油圧脈動もある例えば特開２００４−２１００１７号公報に示されるような電動油圧式パワーステアリング用のモータ装置などがあり、このような回転機械に適用した場合には更に効果的である。また、Ｏリング１４の素材としてＨ−ＮＢＲを用いたときはヒステリシスＨが小さく（約２２％）、騒音も小さくできるので、特に好ましく用いることができる。

なお、上記実施の形態１では、Ｏリング１４を転がり軸受１の外輪１３の外周面１３ａに周方向に沿って形成された凹溝１３ｂに嵌め込む場合について説明したが、この発明の軸受装置として構成する場合には、保持部材３（図１）の内周面に周方向に沿った凹溝を形成し、該凹溝にＯリング１４を保持するようにしても差し支えない。その場合には外輪１３に凹溝１３ｂ及びＯリング１４を設けていない汎用の転がり軸受を用いることができるという利点がある。また、その場合も含めて、Ｏリング１４及び該Ｏリング１４を保持する凹溝は、軸方向に離間させて複数設けることもできる。また、該Ｏリング１４を複数設ける場合、外輪１３の外周面１３ａと保持部材３の内周面の双方に、例えば１つずつ設けても良い。さらに、Ｏリング１４を複数設ける場合、該Ｏリング１４の素材やヒステリシスＨが互いに異なるものを組み合わせて用いても良い。

また、上記実施の形態１では、Ｏリング１４として用いる弾性材料の種類を変えてヒステリシスＨを変えたが、同一の弾性材料、例えばＡＣＭを用いて加硫材等配合する材料の種類や配合割合等を変えてヒステリシスＨを４０％以下にするようにしても良い。さらにまた、Ｏリング１４として用いる弾性材料は例示したＮＢＲ、Ｈ−ＮＢＲ、ＡＣＭに限定されるものではない。また、Ｏリング１４の断面形状や、転動体１２の種類（形状）なども上記図１に例示した実施の形態に限定されるものではなく、例えばＯリング１４の断面形状を楕円形や四角形状にし、転動体１２を円柱体や円錐体に変更するなど種々の変形や変更が可能であることはいうまでもない。ところで、上記説明ではこの発明の転がり軸受及び転がり軸受装置をモータの回転軸の支持部材として用いたが、この発明の用途はモータに限定されないことは当然である。

この発明の実施の形態１による転がり軸受をモータ装置の回転軸に用いたときの転がり軸受部分の要部を示す断面図。図１に示されたＯリングの素材を試験片として反発弾性を測定するときの方法を示す説明図。図１に示されたＯリングの素材について測定された反発弾性の特性曲線及びヒステリシスＨの定義要素を説明する図。図２の装置で測定された試験片の反発弾性を、縦軸に荷重Ｆ（Ｎ）、横軸に変位ｘ（ｍｍ）をとり、直交座標系でＦ−ｘの関係を連続的に記録した特性図。図４に示す反発弾性の測定結果から得られたヒステリシスＨ（％）とモータの騒音（ｄｂ）との相関を示す図。

符号の説明

１転がり軸受、１１内輪、１２転動体、１３外輪、１３ａ外周面、１３ｂ凹溝、１４Ｏリング、１５リテーナ、２軸受装置、３保持部材、４モータ装置、４１回転軸、５台座、６試験片、７測定針、７１軸部、７２円錐状先端部、７２ａ先端、８ピストン。

Claims

外輪の外周面に周方向に沿って形成された凹溝にＯリングが嵌め込まれてなる転がり軸受において、上記ＯリングはヒステリシスＨが４０％以下の弾性材料からなることを特徴とする転がり軸受。
但し、上記ヒステリシスＨは以下の定義による。
ヒステリシスＨ＝Ｓ１×１００／Ｓ２
Ｓ１：荷重印加曲線と荷重除去曲線で囲まれる面積。
Ｓ２：荷重印加曲線より下側の面積（横軸に変位、縦軸に荷重をとったときの荷重印加曲線と横軸で囲まれる略三角形の面積）。
測定方法：ＪＩＳＫ６３８５防振ゴムの試験方法６．静的特性試験を参考にした往復路方式。
上記Ｏリングは、水素化ニトリルゴム（Ｈ−ＮＢＲ）からなることを特徴とする請求項１に記載の転がり軸受。
上記Ｏリングは、上記外輪の外周面に周方向に沿って設けられた凹溝に保持されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の転がり軸受。
上記請求項１〜請求項３の何れか１項に記載の転がり軸受を回転軸の支持部材として用いたことを特徴とするモータ装置。
外輪を有する転がり軸受と、上記外輪を保持する保持部材と、上記外輪と上記保持部材との間に介装されたＯリングとを備えたものにおいて、上記保持部材は、内周面に周方向に沿って設けられた上記Ｏリングを保持する凹溝を有し、かつ上記ＯリングはヒステリシスＨが４０％以下の弾性材料からなることを特徴とする転がり軸受装置。
但し、上記ヒステリシスＨは以下の定義による。
ヒステリシスＨ＝Ｓ１×１００／Ｓ２
Ｓ１：荷重印加曲線と荷重除去曲線で囲まれる面積。
Ｓ２：荷重印加曲線より下側の面積（横軸に変位、縦軸に荷重をとったときの荷重印加曲線と横軸で囲まれる略三角形の面積）。
測定方法：ＪＩＳＫ６３８５防振ゴムの試験方法６．静的特性試験を参考にした往復路方式。