JP2009019728A

JP2009019728A - 軸受装置

Info

Publication number: JP2009019728A
Application number: JP2007184104A
Authority: JP
Inventors: Shinichi Sekido; 眞一関戸
Original assignee: JTEKT Corp
Current assignee: JTEKT Corp
Priority date: 2007-07-13
Filing date: 2007-07-13
Publication date: 2009-01-29

Abstract

【課題】回転軸上の滑り軸受の滑り機能と転がり軸受の転がり機能を完全に任意に分離でき、滑り軸受のフリクションを低減し、且つ転がり軸受の転がり疲労寿命を大きく延長できること。
【解決手段】ハウジング１１に収納された回転体を支持する滑り軸受２と、滑り軸受に並列に配設され、回転体を支持する転がり軸受である斜接玉軸受３とを軸受装置は有し、斜接玉軸受の外輪４ａを軸方向に移動させる移動機構である外輪可動部材８及び駆動装置１５を設け、駆動装置による外輪可動部材及び外輪の軸方向移動により斜接玉軸受のアキシャル隙間を変化させそれに比例的に変化する斜接玉軸受のラジアル隙間を変化させて、斜接玉軸受のラジアル隙間が滑り軸受のラジアル隙間より大きい場合に滑り軸受のみを機能させ、斜接玉軸受のラジアル隙間が滑り軸受のラジアル隙間より小さい場合に斜接玉軸受のみを機能させた。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば自動車のエンジンのクランクシャフトあるいはカムシャフトを支持する軸受装置、トランスミッションのギヤシャフトを支持する軸受装置及びその他の回転軸あるいは回転体を支持する軸受装置に関する。

今日地球温暖化対策の要求が強まり、その主要な指標としてＣＯ２削減が上げられ、例えば自動車においては、アイドリングストップ(信号待ちなどでのエンジン停止)が励行されている。また、産業社会全体でのフリクションの低減も温暖化対策の重要なテーマに掲げられ、回転体を支持する軸受装置においてもフリクション低減対策が求められている。
軸受装置の機構には大別して滑り軸受と転がり軸受が従来から使用されている。図１１に本発明者が行った滑り軸受と転がり軸受をそれぞれ単独で使用した場合の回転速度とフリクションの関係の評価結果を示すが、図１１のグラフ中の滑り軸受ａでは、始動直後に大きなフリクションを現し、その後にフリクションは低下して最小に達し、さらにその後は徐々にフリクションが増大するという傾向を有し、図中１１のグラフ中の転がり軸受ｂでは始動時はフリクションは略０でその後に漸増する傾向を有し、高速回転領域で滑り軸受と転がり軸受のフリクションが漸近するという傾向を示している。

フリクションを低減する目的で転がり軸受を使用することは一般的に行われている。一方で、滑り軸受においては、潤滑が適切な条件下ではその寿命は永久的であるが、転がり軸受においては、適切な潤滑や使用条件下においても、図１２のグラフに示すように転がり疲労を原因とする有限な寿命を有している。
そこで、従来より滑り軸受と転がり軸受の特性を生かすようにした滑り軸受と転がり軸受を回転軸上に並列に配置した軸受装置が提案されている。

従来の滑り軸受と転がり軸受を回転軸上に並列に配置した軸受装置としては、回転軸上に滑り軸受と回転軸に連結された部位を外輪とした円筒ころ軸受を配置した装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。
この軸受装置は、高速回転領域で外輪が自身の遠心力によって外側に膨張し外輪の軌道ところが片当り状態となって剛性が滑り軸受よりも低下した場合に、高剛性側の滑り軸受で回転軸を支持することができるとされている。
また、従来のもう１つの軸受装置は、上記の円筒ころ軸受に対して斜接玉軸受を使用したものである（例えば、特許文献２参照）。
さらに、滑り軸受と転がり軸受の機能を分離する機構を有する従来の別の軸受装置は、ディスクブレーキを装着した技術が提案されている（例えば、特許文献３参照）。
さらにまた、従来のもう１つ別の軸受装置は、滑り軸受と玉軸受を軸方向に間隔を置いて配置したものである（例えば、特許文献４参照）。
特開平１１−１３７５４号公報（第１頁、第１図）特開平２−３５２１６号公報（第１頁、第１図）特開平３−１１１１０３号公報（第１頁、第１図）特開平９−３１７７５８号公報（第１頁、第１図）

特許文献１に記載の従来の軸受装置においては、転がり軸受から滑り軸受への支持機能の切り替えが遠心力によっているため、低速領域あるいは任意の回転速度において切り替えることはできない。また、高速領域において転がり軸受と滑り軸受の完全な機能分離が機構上で保証されておらず、さらには高速領域で転がり軸受のころが片当り状態で運転されることが前提とされているために、転がり軸受の転がり疲労寿命を短縮させてしまうなどの問題を有している。

また、特許文献２に記載の従来の軸受装置も、上記同様に、転がり軸受から滑り軸受への支持機能の切り替えが遠心力によっているため、低速領域あるいは任意の回転速度において切り替えることはできず、また、高速領域において転がり軸受と滑り軸受の完全な機能分離が機構上で保証されていないという問題を有している。

さらに、特許文献３に記載の従来の軸受装置においては、転がり軸受として使用するときに転がり軸受用ハウジングを主軸台本体にディスクブレーキによってクランプし、転がり軸受のみの作用を行わせるが、ディスクブレーキが開放されている場合には、滑り軸受と転がり軸受が同時に作用する構造となっており、滑り軸受と転がり軸受の完全な機能分離は保証されていない。さらにこの装置では、低速領域で滑り軸受と転がり軸受が作用し、高速域で転がり軸受が作用するため、フリクション増大及び転がり軸受の転がり疲労寿命短縮という問題を有している。

さらにまた、特許文献４に記載の従来の軸受装置は、滑り軸受が作用することで発生した高圧の油が隙間空間である圧力室に導かれ、この油圧によって軸を軸方向に押し、これにより玉軸受に予圧を作用させることを特徴としており、滑り軸受と転がり軸受の機能分離は行われない。
このように特許文献１〜４に記載のいずれの従来の軸受装置も、滑り機能と転がり機能を完全に任意に分離する機構を有していないものである。

本発明は、かかる問題点を解決するためになされたもので、回転軸上に並列に配置された滑り軸受の滑り機能と転がり軸受の転がり機能を完全に任意に分離できるようにし、滑り軸受のフリクションを低減し、なお且つ転がり軸受の転がり疲労寿命を大きく延長することができる軸受装置を得ることを目的とする。

本発明に係る軸受装置は、ハウジング内で回転体を回転可能に支持する軸受装置であって、前記ハウジングに収納された前記回転体を支持する滑り軸受と、該滑り軸受に並列に配設され、前記回転体を支持する転がり軸受とを有し、該転がり軸受の内輪又は外輪を軸方向に移動させる移動機構を設け、該移動装置の駆動により前記内輪又は外輪を軸方向に相対移動させて前記転がり軸受のアキシャル隙間を変化させそれに比例的に変化する前記転がり軸受のラジアル隙間を変化させて、前記転がり軸受のラジアル隙間が前記滑り軸受のラジアル隙間より大きい場合に前記滑り軸受のみを機能させ、前記転がり軸受のラジアル隙間が前記滑り軸受のラジアル隙間より小さい場合に前記転がり軸受のみを機能させるようにしたものである。

本発明に係る軸受装置においては、ハウジング内で回転体を回転可能に支持する軸受装置であって、前記ハウジングに収納された前記回転体を支持する滑り軸受と、該滑り軸受に並列に配設され、前記回転体を支持する転がり軸受とを有し、該転がり軸受の内輪又は外輪を軸方向に移動させる移動機構を設け、該移動装置の駆動により前記内輪又は外輪を軸方向に相対移動させて前記転がり軸受のアキシャル隙間を変化させそれに比例的に変化する前記転がり軸受のラジアル隙間を変化させて、前記転がり軸受のラジアル隙間が前記滑り軸受のラジアル隙間より大きい場合に前記滑り軸受のみを機能させ、前記転がり軸受のラジアル隙間が前記滑り軸受のラジアル隙間より小さい場合に前記転がり軸受のみを機能させるようにしたので、例えば、滑り軸受のフリクションが大きい始動時等の回転速度の低い領域では転がり軸受のみを機能させてフリクションを低減し、高速回転領域では滑り軸受のみを機能させ、転がり軸受の転がり疲労寿命を延長させるという効果がある。

実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１の軸受装置の構成を示す断面図、図２は同軸受装置の右側面図、図３は同軸受装置の斜接玉軸受と滑り軸受との切替を示す説明図である。
図１、２において、回転軸１上には、その両端側にそれぞれリング状の滑り軸受２と転がり軸受である斜接玉軸受（アンギュラ玉軸受）３とが並列に配置されている。斜接玉軸受３は外輪４ａ、４ｂと、内輪５と、外輪４ａ、４ｂと内輪５との間に介装された複数の玉６とから構成されている。
各斜接玉軸受３の内輪５は回転軸１に装着されている。回転軸１の左端側の斜接玉軸受３の外輪４ｂは円筒状の外輪固定部材７の内周側に装着されている。回転軸１の右端側の斜接玉軸受３の外輪４ａは円筒状の外輪可動部材８の内周側に装着されている。その外輪可動部材８は一端外周にネジ溝９を有し、他端外周に扇状歯車１０を有している。

１１は回転軸１、滑り軸受２及び斜接玉軸受３を収容した円筒状のハウジングである。そのハウジング１１の右端内周に外輪可動部材８のネジ溝９と螺合するネジ溝１２が設けられている。そのハウジング１１の左端に外輪４ｂを装着した外輪固定部材７が装着固定されている。
そのハウジング１１の右端側外周にモーター及び減速機を内蔵する駆動装置１５が設けられている。１６は駆動装置１５の駆動歯車で、外輪可動部材８の扇状歯車１０と歯合している。１７は回転軸１の回転速度を検出する回転速度検出装置、１８は制御装置で、回転速度検出装置１７の回転速度検出信号に基づいて駆動装置１５を駆動制御する。

次に、本発明の実施の形態１の軸受装置の滑り軸受と斜接玉軸受がそれぞれ機能する場合について図３に基づいて説明する。
図３の（ａ）では、斜接玉軸受３の外輪４が内輪５と接触している玉６と接触し、滑り軸受２と回転軸１との間にラジアル隙間１０１を生じていることを表し、この状態では、軸受装置は斜接玉軸受３のみが機能していることを示している
図３の（ｂ）では、図３の（ａ）の状態から外輪４が軸方向に１０２で示された量だけ移動し、その時に、斜接玉軸受３の内部には、外輪４の移動量１０２と同量のアキシャル隙間１０３が発生し、比例してラジアル隙間１０４が発生することを示し、更に、この斜接玉軸受３の内部に発生したラジアル隙間１０４が、滑り軸受２と回転軸１との間のラジアル隙間１０１よりも大きいことを示している。
図３の（ｃ）は、図３の（ｂ）の状態で、回転軸１と内輪５及び玉６が、自重あるいは外部負荷により、１０５の方向に移動し、回転軸１と滑り軸受２が１０６の部位で接触し、さらに、斜接玉軸受３の内部には隙間１０７が残留しており、この時には、軸受装置は滑り軸受２のみが機能していることを示している。

次に、本発明の実施の形態１の軸受装置の作用について図１〜図３に基づいて説明する。
例えば、軸受装置の始動時に、図１に示す回転速度検出装置１７から制御装置１８に伝達された回転速度の信号が０の時、制御装置１８は駆動装置１５に対して例えば正転を指示し、その駆動装置１５は駆動歯車１６を正転させ、駆動歯車１６と歯合している扇状歯車１０を有する外輪可動部材８を正転させる。
そうすると、ハウジング１１のネジ溝１２に螺合するネジ溝９を有する外輪可動部材８が軸方向で図１の左方向に移動し、外輪４ａを同左方向に移動させ、図３（ａ）の状態を形成する。その状態で回転軸１が回転を開始すると軸受装置は斜接玉軸受３のみが機能を果たし続ける。

その後、回転軸１の回転速度が上昇し、制御装置１３が回転速度検出装置１７の回転速度検出信号の回転速度が設定された回転速度を越えたと判断したら、制御装置１３は駆動装置１５に対して逆転を指示する。そうすると、駆動装置１５は駆動歯車１６を逆回転させ、駆動歯車１６と歯合している扇状歯車１０を有する外輪可動部材８を逆回転させる。そうすると、ハウジング１１のネジ溝１２に螺合するネジ溝９を有する外輪可動部材８が軸方向で図１の右方向に移動し、外輪４ａを同右方向に移動させ、図３（ｂ）乃至（ｃ）の状態を形成する。その状態で回転軸１が回転すると軸受装置は滑り軸受２のみが機能を果たす状態に達する。

このように外輪可動部材８が軸方向で図１の右方向に移動し、外輪４ａを同右方向に移動させられたとき、外輪４ａの移動量１０２と同量のアキシャル隙間１０３が発生するため、回転軸１も右方向に移動可能となり、回転軸１が右方向に移動すると回転軸１の左端側の斜接玉軸受３の内輪５も移動し、外輪４ｂは固定されているため、内輪５の移動量１０２と同量のアキシャル隙間１０３が発生し、この斜接玉軸受３も図３（ｂ）乃至（ｃ）と同様の状態を形成し、機能を果たさない。
したがって、回転軸１が回転すると軸受装置は滑り軸受２のみが機能を果たす状態に達する。

さらに、制御装置１３が回転軸１の回転速度が下降傾向にあり、制御装置１３が回転速度検出装置１７の回転速度検出信号の回転速度が設定された回転速度を下回ったと判断したら、制御装置１８は駆動装置１５に対して正転を指示し、その駆動装置１５は駆動歯車１６を正回転させ、駆動歯車１６と歯合している扇状歯車１０を有する外輪可動部材８を正転させる。
そうすると、ハウジング１１のネジ溝１２に螺合するネジ溝９を有する外輪可動部材８が軸方向で図１の左方向に移動し、外輪４ａを同左方向に移動させ、図３（ａ）の状態を形成する。その状態で回転軸１が回転を開始すると軸受装置は斜接玉軸受３のみが機能を果たすようにする。
このようにして本発明の実施の形態１は、滑り軸受２と斜接玉軸受３が並列に配置された軸受装置において、滑り軸受２の滑り機能と斜接玉軸受３の転がり機能を完全に任意に分離することが可能である。

実施の形態２．
図４は本発明の実施の形態２の軸受装置の構成を示す断面図、図５は同軸受装置の側面図である。この実施の形態２において、上記実施の形態１と同様の構成は同一符号を付して重複した構成の説明を省略する。
この実施の形態２では、回転軸１の右端側の斜接玉軸受３の外輪４は円筒状の外輪可動部材２８の内周側に装着されている。その外輪可動部材２８はハウジング１１の右端側内周に軸方向に可動可能に装着されている。
ハウジング１１の右端側外周に駆動装置１５が実施の形態１とは９０度向きを変えて設けられている。なお、回転速度検出装置１７及び制御装置１８は図示を省略している。
駆動装置１５の駆動歯車１６には扇状歯車３３が歯合されている。３２は回転に伴い外輪可動部材２８を可動させるカムであり、カム３２と扇状歯車３３はハウジング１１に回転自在に支持された軸３４に締結されている。３５は外輪可動部材２８を図４において右方向常時付勢するコイルバネである。

この実施の形態２では、回転軸１の回転速度が０の場合又は回転軸１の回転速度が所定の回転速度を下回った場合には、制御装置（図示省略）は駆動装置１５に対して正転を指示し、その駆動装置１５は駆動歯車１６を正回転させ、駆動歯車１６と歯合している扇状歯車１０を正転させる。それに伴い、扇状歯車１０と軸３４に締結されているカム３２も正回転し、カム３２が外輪４を装着している外輪可動部材２８を軸方向で図４の左方向に移動させ、斜接玉軸受３のみを機能させる。
また、回転軸１の回転速度が所定の回転速度を越えた場合には、制御装置（図示省略）は駆動装置１５に対して逆転を指示し、その駆動装置１５は駆動歯車１６を逆転させ、駆動歯車１６と歯合している扇状歯車１０を逆転させる。それに伴い、扇状歯車１０と軸３４に締結されているカム３２も逆回転する。このとき、コイルバネ３５の付勢力によって外輪可動部材２８を軸方向で図４の右方向に移動させ、滑り軸受２のみを機能させるようにする。
このようにして本発明の実施の形態２も、滑り軸受２と斜接玉軸受３が並列に配置された軸受装置において、滑り軸受２の滑り機能と斜接玉軸受３の転がり機能を完全に任意に分離することが可能である。

実施の形態３．
図６は本発明の実施の形態３の軸受装置の構成を示す断面図である。
この実施の形態３２において、上記実施の形態１と同様の構成は同一符号を付して重複した構成の説明を省略する。
この実施の形態３では、実施の形態２と同様に、回転軸１の右端側の斜接玉軸受３の外輪４は円筒状の外輪可動部材２８の内周側に装着されている。その外輪可動部材２８はハウジング１１の右端側内周に軸方向に可動可能に装着されている。
また、ハウジング１１の右端側内周で外輪可動部材２８より右側に軸方向に可動して外輪可動部材２８を可動させる外輪駆動部材４２が設けられている。さらに、ハウジング１１の右端側内周に励磁の有無によって外輪駆動部材４２を軸方向に可動させる電磁石４３が設けられている。
その電磁石４３は制御装置１８により駆動制御され、その制御装置１８には回転速度検出装置１７が接続されている。４４は外輪可動部材２８を図４において右方向に常時付勢するコイルバネである。

この実施の形態３では、回転速度検出装置１７の回転速度の信号が０の場合や、回転軸１の回転速度が下降傾向にあり、回転速度検出装置１７の回転速度検出信号の回転速度が設定された回転速度を下回ったと判断した場合、制御装置１８は電磁石４３を励磁させて電磁石４３の吸引力により外輪駆動部材４２を図４の左方向に引き寄せ、外輪駆動部材４２が外輪４を装着している外輪可動部材２８を軸方向で図４の左方向に移動させ、斜接玉軸受３のみを機能させる。
また、回転軸１の回転速度が所定の回転速度を越えた場合には、制御装置１８は電磁石４３を非励磁とする。そうすると、コイルバネ３５の付勢力によって外輪可動部材２８を軸方向で図４の右方向に移動させ、滑り軸受２のみを機能させるようにする。このとき、外輪可動部材２８の右方向の移動に伴い外輪駆動部材４２も右方向に移動する。
このようにして本発明の実施の形態３も、滑り軸受２と斜接玉軸受３が並列に配置された軸受装置において、滑り軸受２の滑り機能と斜接玉軸受３の転がり機能を完全に任意に分離することが可能である。

実施の形態４．
図７は本発明の実施の形態４の軸受装置の構成を示す断面図である。
この実施の形態４は軸受装置の転がり軸受に円すいころ軸受４３を使用したものであり、実施の形態１の斜接玉軸受３の玉６の代わりにころ４４を用いいる。
この実施の形態４の作用は実施の形態１と同様であるので、作用の説明は省略する。

実施の形態５．
図８は本発明の実施の形態５の軸受装置の構成を示す断面図、図９は同軸受装置の深溝玉軸受と滑り軸受との切替を示す説明図である。
この実施の形態５は軸受装置の転がり軸受に深溝玉軸受５３を使用したものである。
外輪４の移動の構成は実施の形態１と同様の構成であるので、上記実施の形態１と同一符号を付して重複した構成及び作用の説明を省略する。

この実施の形態５において、滑り軸受２と深溝玉軸受５３とが外輪４の移動の有無によって滑り軸受２が機能したり、深溝玉軸受５３が機能したりすることの説明を図９に基づいてする。
図９の（ａ）で、深溝玉軸受５３の隙間をＲ１＋Ｒ２＋Ｒ３＋Ｒ４＝Ｒとし、滑り軸受２の隙間Ｓ１＋Ｓ２＝Ｓとし、Ｒ＞Ｓに設定された深溝玉軸受５３では、図９の（ｂ）に示すように、例えば回転軸１が下方に移動して、滑り軸受け２が機能したとき、
深溝玉軸受５３には、Ａの隙間が残留しているので、この状態では滑り軸受２のみが機能する。
図９の（ｃ）で、外輪４が軸方向で左に移動すると、玉６と内輪５と外輪４が接触し、深溝玉軸受５３の隙間は消滅するが、滑り軸受２の隙間Ｓ１、Ｓ２は残留しているので、この状態では、深溝玉軸受５３のみが作用するということになる。

上記実施の形態１、４、５において、外輪可動部材８は扇状歯車１０を有しているが、通常の歯車を有するようにしてもよい。また、上記実施の形態２において、扇状歯車３３を用いているが、通常の歯車を用いてもよい。
なお、上記実施の形態１〜４の滑り軸受２は通常の滑り軸受に加えて動圧軸受も含む概念である。

図１０は本発明の実施の形態３の軸受装置をカムシャフト支持装置に装着した状態を示す断面図である。
図１０において、７１は回転軸であるカムシャフト、７２はカムシャフト７１に設けられたカム、７３はカムシャフト７１に取り付けられたカムシャフト駆動車、７４はカムシャフト７１に設けられた滑り軸受、７５はカムシャフト７１に設けられた転がり軸受である。

本発明の実施の形態１の軸受装置の構成を示す断面図。同軸受装置の側面図。同軸受装置の斜接玉軸受と滑り軸受との切替を示す説明図。本発明の実施の形態２の軸受装置の構成を示す断面図。同軸受装置の側面図。本発明の実施の形態３の軸受装置の構成を示す断面図。本発明の実施の形態４の軸受装置の構成を示す断面図。本発明の実施の形態５の軸受装置の構成を示す断面図。同軸受装置の深溝玉軸受と滑り軸受との切替を示す説明図。本発明の実施の形態３の軸受装置をカムシャフト支持装置に装着した状態を示す断面図。転がり軸受と滑り軸受の回転速度とフリクションとの関係を示すグラフ。転がり軸受の回転速度と寿命との関係を示すグラフ。

符号の説明

１回転軸、２滑り軸受、３斜接玉軸受、４外輪、４ａ、４ｂ外輪、５内輪、６玉、７外輪固定部材、８外輪可動部材、９ネジ溝、１０扇状歯車、１１ハウジング、１２ネジ溝、１５駆動装置、１６駆動歯車、１７回転速度検出装、１８制御装置。

Claims

ハウジング内で回転体を回転可能に支持する軸受装置であって、
前記ハウジングに収納された前記回転体を支持する滑り軸受と、該滑り軸受に並列に配設され、前記回転体を支持する転がり軸受とを有し、
該転がり軸受の内輪又は外輪を軸方向に移動させる移動機構を設け、
該移動装置の駆動により前記内輪又は外輪を軸方向に相対移動させて前記転がり軸受のアキシャル隙間を変化させそれに比例的に変化する前記転がり軸受のラジアル隙間を変化させて、前記転がり軸受のラジアル隙間が前記滑り軸受のラジアル隙間より大きい場合に前記滑り軸受のみを機能させ、前記転がり軸受のラジアル隙間が前記滑り軸受のラジアル隙間より小さい場合に前記転がり軸受のみを機能させるようにしたことを特徴とする軸受装置。
前記転がり軸受は、斜接玉軸受、円すいころ軸受又は深溝玉軸受のいずれかであることを特徴とする請求項１記載の軸受装置。
前記回転軸の回転速度を検出する回転速度検出手段と、該回転速度検出手段からの回転速度の検出信号に基づいて前記移動機構を駆動制御する制御手段とを備え、
該制御手段は、前記回転速度検出手段から、転がり軸受のみを機能すべき回転速度信号を受けた場合は、前記移動機構を転がり軸受のラジアル隙間が前記滑り軸受のラジアル隙間よりも大きくなるように駆動し、滑り軸受のみを機能すべき回転速度信号を受けた場合は、前記移動機構を転がり軸受のラジアル隙間が滑り軸受のラジアル隙間よりも小さくなるように駆動させるように制御することを特徴とする請求項１又は２記載の軸受装置。