JP2009014077A - 針状ころ軸受、およびクランクシャフト支持構造 - Google Patents

Abstract

【課題】回転軸への組み込みが容易な針状ころ軸受を提供する。
【解決手段】針状ころ軸受は、中心角が１８０°より大きい第１の外輪部材１３、および中心角が１８０°より小さい第２の外輪部材を円周方向に連ねて形成される円筒形状の外輪と、外輪の内径面に沿って配置される複数の針状ころ１５とを備え、外輪の内径寸法をＤ、および第１の外輪部材１３の内径面の円周方向端部を結ぶ線分の長さをＸとすると、０＜（Ｄ−Ｘ）／Ｄ≦０．００３を満たす。
【選択図】図１

Description

この発明は、針状ころ軸受に関し、特にクランクシャフトを回転自在に支持する針状ころ軸受に関するものである。

図９を参照して、従来のクランクシャフト１０１は、軸部１０２と、クランクアーム１０３と、隣接するクランクアーム１０３の間にコンロッドを配置するためのクランクピン１０４とを有する。

また、上記構成のクランクシャフト１０１の軸部１０２を回転自在に支持する転がり軸受が、例えば、特表平７−５０６８８９号公報（特許文献１）に記載されている。同公報に記載されている転がり軸受は、外輪と、外輪の内径面に沿って配置される複数の転動要素と、複数の転動要素を保持する保持器とを備える。

上記構成の転がり軸受は、軸部１０２に保持器付ころ、外輪、およびハウジングの順に組み込むことによって完成する。なお、クランクアーム１０３に挟まれた軸部１０２に径方向から組み込み可能とするために、外輪は、中心角が１８０°より大きい円弧形状の第１の部分と、中心角が１８０°より小さい円弧形状の第２の部分とを含む分割型外輪となっている。
特表平７−５０６８８９号公報

ここで、第１の部分の割り口寸法は保持器付ころの最大外径より小さいので、割り口を広げる方向に弾性変形させなければ組み込むことができない。また、第１の部分の弾性変形量は、第１の部分の中心角が大きくなるのに伴って大きくなる。一方、弾性変形能は、第１の部分の肉厚の増加に伴って小さくなる。したがって、軸受の寸法関係によっては、外輪を容易に組み込むことができない。

そこで、この発明の目的は、分割型外輪を有する軸受であって、回転軸への組み込みが容易な針状ころ軸受を提供することである。

この発明に係る針状ころ軸受は、中心角が１８０°より大きい第１の外輪部材、および中心角が１８０°より小さい第２の外輪部材を円周方向に連ねて形成される円筒形状の外輪と、外輪の内径面に沿って配置される複数の針状ころとを備える。そして、外輪の内径寸法をＤ、および第１の外輪部材の内径面の円周方向端部を結ぶ線分の長さをＸとすると、０＜（Ｄ−Ｘ）／Ｄ≦０．００３を満たす。

上記の寸法関係を満足すれば、組込時における外輪の弾性変形量を小さく（内径寸法Ｄの０．３％以下）抑えることができる。その結果、外輪の肉厚がある程度厚くても回転軸に容易に組み込むことが可能となる。

好ましくは、外輪は自然割りによって第１および第２の外輪部材に分割される。自然割りは、刃具等を用いて外輪を切断する方法と比較して製造工程および加工時間を短縮することができる。その結果、針状ころ軸受の生産性が向上する。

さらに好ましくは、外輪には光輝焼入れが施されている。そして、外輪の平均硬度は６５３Ｈｖ以上である。光輝焼入れを施すことにより、外輪に必要な機械的性質、特に表面硬さ（６５３Ｈｖ以上）を得ることができる。なお、本明細書中「Ｈｖ」とは、ビッカース硬さを指すものとする。

好ましくは、針状ころ軸受は、円周上に軸線方向に延びる分割線を有する分割型の保持器をさらに備える。外輪に加えて保持器も分割型とすることにより、さらに回転軸への組み込みが容易となる。

一実施形態として、保持器は、浸炭焼入れおよび浸炭窒化焼入れのうちのいずれか一方を施した金属材料によって形成されている。そして、保持器の平均硬度は４５０Ｈｖ以上である。他の実施形態として、保持器は、射出成形可能な合成樹脂によって形成されている。そして、保持器の耐熱温度は１２０℃以上である。

この発明に係るクランクシャフト支持構造は、クランクシャフトと、クランクシャフトを回転自在に支持する上記のいずれかに記載の針状ころ軸受とを備える。上記構成の針状ころ軸受を採用することにより、組立性に優れたクランクシャフト支持構造を得ることができる。

この発明によれば、上記の寸法関係とすることによって外輪の弾性変形量を小さく抑えることができるので、組立性に優れた針状ころ軸受およびクランクシャフト支持構造を得ることができる。

図１〜図３を参照して、この発明の一実施形態に係る針状ころ軸受１１を説明する。なお、図１は針状ころ軸受１１の寸法関係を示す図、図２は針状ころ軸受１１を示す図、図３は保持器１６を図２の矢印ＩＩＩの方向から見た矢視図である。

まず、図２および図３を参照して、針状ころ軸受１１は、外輪１２と、外輪１２の内径面に沿って配置される複数の針状ころ１５と、隣接する針状ころ１５の間隔を保持する保持器１６とを備える。上記構成の針状ころ軸受１１は、外輪１２と針状ころ１５とが線接触するので、軸受投影面積が小さい割りに高負荷容量と高剛性を得られる利点を有しており、自動車をはじめとして、あらゆる分野に広く利用されている。

図２を参照して、外輪１２は、円弧形状の複数の外輪部材を円周方向に連ねて形成される。また、複数の外輪部材の中には、中心角が１８０°より大きい外輪部材が１つ含まれている。この実施形態においては、中心角が１８０°より大きい第１の外輪部材１３、および中心角が１８０°より小さい第２の外輪部材１４の２つを組み合わせて円筒形状の外輪１２を構成している。

次に、保持器１６は、各々が半円形状である２つの保持器セグメント１７，１８を円周方向に連ねて形成されている。図３を参照して、保持器セグメント１７は、一対のリング部１７ａ，１７ｂ、および一対のリング部１７ａ，１７ｂの間に配置される複数の柱部１７ｃを含む。また、隣接する柱部１７ｃの間には、針状ころ１５を収容するポケット１７ｄが形成されている。なお、保持器セグメント１８の構成も共通するので、説明は省略する。

次に、上記構成の外輪１２の製造方法は特に限定されないが、例えば、以下の方法で製造することができる。まず、出発材料としてのパイプ材に旋削加工を施して所定の外径寸法、内径寸法、および厚み寸法の円筒部材を形成する。次に、所定の機械的性質を得るために熱処理を施す。具体的には、光輝焼入れによって平均硬度を６５３Ｈｖ以上にする。また、光輝焼入れによって生じた残留応力や内部ひずみを低減し、靭性の向上や寸法を安定化させるために焼戻を行うのが望ましい。

次に、円筒部材の表面、特に軌道面となる内径面に研削加工を施す。軌道面の表面粗さを所定値以下とすることにより、軌道面と針状ころ１５との間の摩擦抵抗を低減して、回転時のトルク損失や発熱を抑制することができる。その結果、長寿命で信頼性の高い針状ころ軸受１１を得ることができる。

次に、円筒部材に衝撃を加えて円周方向に２分割することにより第１および第２の外輪部材１３，１４を得る。このとき、分割部分の端面には研削加工等を施さないので、割れたときの凹凸が分割面に残っている。軸受使用時には、対応する端面を突合させることにより円筒形状の外輪１２を得る。

なお、分割部分（外径面、または端面）に予めＶ字溝等の切欠きを形成しておけば、Ｖ字溝の根元に応力集中が生じ、この部分を基点として分割することができる。その結果、所望の中心角の第１および第２の外輪部材１３，１４を容易に得ることができる。

このような製造方法を「自然割り」という。自然割りは、刃具等を用いて外輪１２を切断する方法と比較して製造工程および加工時間を短縮することができる。その結果、針状ころ軸受１１の生産性が向上する。

次に、上記構成の保持器１６の製造方法は特に限定されないが、例えば、以下の方法で製造することができる。まず、ＳＣＭ，ＳＣｒ，ＳＮＣＭ等の金属材料で形成されたパイプ材を所定の形状の円筒部材に加工する。次に、円筒部材の外径面に厚み方向に貫通する複数のポケット１７ｄ，１８ｄを形成する。

次に、所定の機械的性質を得るために円筒部材に熱処理を施す。具体的には、浸炭焼入れまたは浸炭窒化焼入れによって平均硬度を４５０Ｈｖ以上にする。また、上記の焼入れ後に焼戻を行うのが望ましい。そして、円筒部材を円周上の２箇所（１８０°の間隔）で切断して半円形状の保持器セグメント１７，１８を得る。

なお、本明細書中「半円形状の保持器セグメント」とは、中心角が厳密に１８０°であるものに限定されない。つまり、中心角が１８０°より僅かに小さいが、実質的に１８０°であると評価できるものについては、「半円形状の保持器セグメント」に含むものとする。

具体的には、保持器セグメント１７，１８の突合部分には、円筒部材を切断する刃具の厚みに相当する隙間が形成される。また、高温環境下で使用される場合には、熱膨張を考慮して予め保持器セグメント１７，１８の突合部分に微小な隙間を設けておく必要がある。しかし、上記のような理由で中心角を僅かに減じたものについては、「半円形状の保持器セグメント」に含むものとする。

次に、図１を参照して、針状ころ軸受１１の各種寸法関係を説明する。まず、外輪１２の内径寸法をＤ、および第１の外輪部材１３の内径面の円周方向端部を結ぶ線分ｌ_１の長さをＸ（「割り口寸法」という）とする。なお、外輪１２の内径寸法Ｄは、保持器１６に組み込まれた複数の針状ころ１５の外接円径に一致する。

割り口寸法Ｘは、第１の外輪部材１３の中心角が１８０°の時に最大（Ｘ＝Ｄ）となるので、この実施形態においては常にＸ＜Ｄを満たす。したがって、第１の外輪部材１３を保持器付ころ（ポケット１７ｄ，１８ｄに針状ころ１５を組み込んだ状態を指す）に組み込む場合における割り口の弾性変形量δは、δ＝Ｄ−Ｘ（＝δ_１＋δ_２）となる。

ここで、この発明に係る第１の外輪部材１３は、０＜δ／Ｄ＜０．００３（以下「式１」という）を満たすように各種寸法を設定する。例えば、外輪１２の内径寸法Ｄ＝４０ｍｍ、割り口寸法Ｘ＝３９．９ｍｍとすると、弾性変形量δ＝０．１ｍｍとなる（δ／Ｄ＝０．００２５）。

図４〜図７を参照して、針状ころ軸受１１をクランクシャフト１に組み込む方法を説明する。なお、図４は保持器付ころを組み込んだ状態を示す図、図５は第１の外輪部材１３を組み込んだ状態を示す図、図６は針状ころ軸受１１をクランクケース２上に載置した状態を示す図、図７は組み込み完了後の状態を示す図である。

図４を参照して、まず、保持器セグメント１７，１８のポケット１７ｄ，１８ｄに針状ころ１５を組み込んで保持器付ころを形成する。次に、保持器セグメント１７，１８（保持器付ころ）をそれぞれクランクシャフト１の径方向から組み込む。

次に、割り口寸法Ｘを広げる（Ｘ＋δ）方向に弾性変形させながら、第１の外輪部材１３を保持器付ころに組み込む。このとき、組み込みに必要な割り口の弾性変形量δを式１の範囲内に制限したので、第１の外輪部材１３の肉厚が厚くても容易に組み込むことができる。

次に、図５を参照して、第１の外輪部材１３を保持器付ころに組み込んだ後、第１の外輪部材１３を自然状態（弾性変形していない状態を指す）に戻す。このとき、割り口寸法Ｘは、針状ころ１５の外接円径（＝Ｄ）より小さくなるので、これ以降の組立工程において第１の外輪部材１３が脱落するのを防止することができる。

次に、図６を参照して、針状ころ軸受１１をクランクケース２に載置する。次に、図７を参照して、第２の外輪部材１４を第１の外輪部材１３の円周方向に連ねて配置し、円筒形状の外輪１２を形成する。これにより、針状ころ軸受１１の組立が完了する。さらに、針状ころ軸受１１にベアリングキャップ３を被せて、クランクケース２とベアリングキャップ３（以下、これらを総称して「ハウジング」という）とをボルト等で締結する。これにより、クランクシャフト支持構造の組立が完了する。

上記の組立方法によれば、第１の外輪部材１３が組立中に脱落する心配がなくなるので、針状ころ軸受１１の組立性が向上する。また、外輪１２の脱落を防止するサークリップ等を省略することができるので、部品点数の削減にも寄与する。

ここで、外輪１２を不等分割したことにより、第１および第２の外輪部材１３，１４の突合部分と、ハウジングの突合部分との位置は必ずずれることになる。その結果、クランクシャフト支持構造の径方向のはぐみずれを有効に防止することができる。

「はぐみずれ」とは、クランクケース２とベアリングキャップ３、および第１の外輪部材１３と第２の外輪部材１４とが径方向にずれて組立てられた状態を指す。これは、外輪を２等分割（中心角１８０°）し、外輪の突合部分とハウジングの突合部分とが一致したときに問題になる。

なお、上記の実施形態において、外輪１２を２分割（第１および第２の外輪部材１３，１４）した例を示したが、これに限ることなく、１つの中心角が１８０°を超えていれば、３分割以上であってもよい。

また、上記の実施形態において、半円形状の２つの保持器セグメント１７，１８によって保持器１６を構成した例を説明したが、これに限ることなく、クランクシャフト１に径方向から組み込み可能な任意の構成を採用することができる。例えば、３つの保持器セグメントを円周方向に連ねて円筒形状の保持器を形成してもよいし、各々の中心角を異ならせてもよい。

または、円周上の１箇所に軸線方向に延びる分割線を有する一体型保持器（いわゆる「Ｃ型保持器」）であってもよい。この場合、分割線を広げる方向に弾性変形させながらクランクシャフト１に組み込むことになるので、弾性変形能の高い樹脂材料で形成するのが望ましい。樹脂材料としては、射出成形可能な合成樹脂であることが望ましく、高温環境下で使用されるので、耐熱温度が１２０℃以上であることが望ましい。具体的には、ナイロン６６、またはナイロン４６等を採用することができる。

さらに、図８を参照して、分割部分の一方側端面に他方側に向かって突出する凸部２６ｅと、分割部分の他方側端面に凸部２６ｅを受け入れる凹部２６ｆとを形成する。そして、この凸部２６ｅと凹部２６ｆとを係合させて円筒形状の保持器２６を得るのが望ましい。なお、その他の構成は保持器１６と共通するので、説明は省略する。

さらに、針状ころ軸受１１は、自動車や二輪車等のあらゆるエンジンのクランクシャフトに適用可能である。また、エンジンの気筒数は単気筒であっても多気筒であってもよいが、図９のＰ部に示すような軸部１０２の両端にクランクアーム１０３が配置されている多気筒エンジン用のクランクシャフト１０１に適用することにより、より大きな効果が期待できる。

以上、図面を参照してこの発明の実施形態を説明したが、この発明は、図示した実施形態のものに限定されない。図示した実施形態に対して、この発明と同一の範囲内において、あるいは均等の範囲内において、種々の修正や変形を加えることが可能である。

この発明は、針状ころ軸受に有利に利用される。

図２に示す針状ころ軸受の各種寸法関係を示す図である。 この発明の一実施形態に係る針状ころ軸受を示す図である。 図２に示す保持器を矢印ＩＩＩの方向から見た矢視図である。 図２に示す針状ころ軸受をクランクシャフトに組み込む工程を示す図であって、保持器付ころを組み込んだ状態を示す図である。 図２に示す針状ころ軸受をクランクシャフトに組み込む工程を示す図であって、第１の外輪部材をクランクシャフトに組み込んだ状態を示す図である。 図２に示す針状ころ軸受をクランクシャフトに組み込む工程を示す図であって、針状ころ軸受をクランクケースに載置した状態を示す図である。 この発明の一実施形態に係るクランクシャフト支持構造を示す図である。 他の実施形態に係る保持器の突合部分を示す図である。 従来のクランクシャフトを示す図である。

符号の説明

１，１０１ クランクシャフト、２ クランクケース、３ ベアリングキャップ、１１ 針状ころ軸受、１２ 外輪、１３，１４ 外輪部材、１５ 針状ころ、１６，２６ 保持器、１７，１８ 保持器セグメント、１７ａ，１７ｂ，１８ａ，１８ｂ，２６ａ，２６ｂ リング部、１７ｃ，１８ｃ，２６ｃ 柱部、１７ｄ，１８ｄ，２６ｄ ポケット、２６ｅ 凸部、２６ｆ 凹部。

Claims (7)

1. 中心角が１８０°より大きい第１の外輪部材、および中心角が１８０°より小さい第２の外輪部材を円周方向に連ねて形成される円筒形状の外輪と、
   前記外輪の内径面に沿って配置される複数の針状ころとを備え、
   前記外輪の内径寸法をＤ、および前記第１の外輪部材の内径面の円周方向端部を結ぶ線分の長さをＸとすると、
   ０＜（Ｄ−Ｘ）／Ｄ≦０．００３を満たす、針状ころ軸受。
2. 前記外輪は、自然割りによって前記第１および第２の外輪部材に分割される、請求項１に記載の針状ころ軸受。
3. 前記外輪には、光輝焼入れが施されており、
   前記外輪の平均硬度は、６５３Ｈｖ以上である、請求項１または２に記載の針状ころ軸受。
4. 前記針状ころ軸受は、円周上に軸線方向に延びる分割線を有する分割型の保持器をさらに備える、請求項１〜３のいずれかに記載の針状ころ軸受。
5. 前記保持器は、浸炭焼入れおよび浸炭窒化焼入れのうちのいずれか一方を施した金属材料によって形成されており、
   前記保持器の平均硬度は、４５０Ｈｖ以上である、請求項４に記載の針状ころ軸受。
6. 前記保持器は、射出成形可能な合成樹脂によって形成されており、
   前記保持器の耐熱温度は、１２０℃以上である、請求項４に記載の針状ころ軸受。
7. クランクシャフトと、
   前記クランクシャフトを回転自在に支持する請求項１〜６のいずれかに記載の針状ころ軸受とを備える、クランクシャフト支持構造。

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