JP2009041753A

JP2009041753A - スラスト針状ころ軸受

Info

Publication number: JP2009041753A
Application number: JP2007210628A
Authority: JP
Inventors: Aiko Suzuki; 愛子鈴木
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2007-08-13
Filing date: 2007-08-13
Publication date: 2009-02-26

Abstract

【課題】高速回転時における保持器ところの双方の異常摩耗を抑制し、さらに潤滑性を向上させることでより高速性に優れたスラスト針状ころ軸受を提供する。
【解決手段】ころ１６ｅの表面硬度をα（ＨＶ）とし、保持器１６ｈの表面硬度をβ（ＨＶ）としたときに、その差がＨＶ１００以下であれば、いずれか一方の表面硬度が高くなりすぎて他方の早期摩耗を引き起こすような不具合が回避され、バランスよく双方の長寿命を確保することができる。
【選択図】図３

Description

本発明は、自動車や産業機械、特にカーエアコンのコンプレッサ、自動変速機用、事務機器等に用いられると好適なスラスト針状ころ軸受に関する。

例えばカーエアコン用コンプレッサ（カークーラコンプレッサともいう）の一タイプとして、容量可変式のコンプレッサが知られている。一般的に、容量可変式のコンプレッサは、ハウジングに対して駆動軸をラジアル軸受により回転自在に支持し、この駆動軸に対して斜板を傾斜角度可変に連結し、この斜板に対し揺動板を摺動自在に取付けてある。斜板と揺動板との間にはスラスト針状ころ軸受が配置されている。揺動板には、複数のピストンロッドの一端が円周方向等間隔に取付けてあり、このピストンロッドの他端はピストンに連結している。このピストンは、ハウジング内に設けられたシリンダの内部で摺動するように設けられ、このシリンダのボア内に流入される冷媒ガスを圧縮し吐出するようにしている。つまり、斜板が回転すると、揺動板が、いわゆるみそすり的動作をし、ピストンロッドを介してピストンを軸線方向に往復運動させ、冷媒ガスを圧縮し吐出するようになっている（特許文献１参照）。
特開２００２−２６６７５４号公報特開２００６−２７５２８５号公報

スラスト針状ころ軸受は、回転時に針状ころが遠心力により半径方向外側に移動し、保持器のポケット外側端面に当接して摺動する。ここで発生する摺動摩擦により保持器のポケット外側端面に摩耗が生じる。従来はスラスト針状ころ軸受に要求される回転速度が比較的低かったため、このような摩擦は軽微であり、軸受の性能上、特に問題とは認識されていなかった。しかし、近年は、自動車の性能向上による回転速度の増大に伴い、軸受回転速度も増加しつつある。軸受回転速度が増大すると、保持器のポケット外側端面がころの端面に削られるように早期に摩耗して、凹み状の異常摩耗痕が形成され保持器の強度が低下する。又、ころがそのような異常摩耗痕内に潜り込むと、円滑な回転が阻害され、引きずりトルクが増加し、軸受の温度上昇を招き、最悪の場合には軸受のフレーキングまたは焼付きが発生する恐れがある。従って、以上述べたようなころの潜り込み摩耗が、スラスト針状ころ軸受の更なる高速化に対する大きな障害になっていた。

前記の問題点を解決する方法としては、特許文献２に示すように、ころスキューを抑制することで保持器のポケット端面のころによる潜り込み摩耗を抑制することも可能である。しかしながら、保持器の表面硬度と、ころの表面硬度の差が大きい場合、異常摩耗を発生させることが本発明者の研究により新たに判明した。より具体的には、ころの表面硬度が保持器の表面硬度よりある程度小さい場合、保持器のポケット端面部よりも先にころ端面部に異常摩耗が発生することがわかった。また、ころの表面硬度が保持器の表面硬度よりある程度高い場合には、ころの端面部が保持器のポケット端面部へ潜り込むことで異常摩耗が発生することがわかった。

本発明は、上述した課題に鑑みてなされたものであり、高速回転時における保持器ところの双方の異常摩耗を抑制し、さらに潤滑性を向上させることでより高速性に優れたスラスト針状ころ軸受を提供することを目的とする。

本発明のスラスト針状ころ軸受は、ころと、前記ころを保持する保持器とを備えたスラスト針状ころ軸受において、
前記保持器は、板材を折り曲げて形成され、外側環状部と、内側環状部と、前記外側環状と前記内側環状部とを径方向に連結する複数の柱部とからなり、
前記ころの表面硬度をα（ＨＶ）とし、前記保持器の表面硬度をβ（ＨＶ）としたときに、以下の式を満たすことを特徴とする。
│α−β│≦１００（１）

本発明者は、前記ころの表面硬度と前記保持器の表面硬度のいずれか一方が他方に対して高くなりすぎると、高速回転時の激しい金属同士の接触により早期摩耗が引き起こされることを見出した。かかる知見に基づき、前記ころの表面硬度をα（ＨＶ）とし、前記保持器の表面硬度をβ（ＨＶ）としたときに、（１）式を満たすようにすれば、いずれか一方の表面硬度が高くなりすぎて他方の早期摩耗を引き起こすような不具合が回避され、バランスよく双方の長寿命を確保することが導出されたのである。

前記保持器は、ころ案内で用いられると好ましい。前記保持器がころ案内で用いられると、レース（軌道輪）案内で用いられる場合のように前記保持器が軌道面上の油膜をかき落としてしまうことが抑制され、潤滑性が長期にわたって維持され、耐久性及び耐焼付き性が向上する。尚、「ころ案内」とは、前記保持器が前記ころに対してスラスト方向に変位したときに、前記外輪又は前記内輪に当接する前に、前記ころによって変位が制限されることをいう。

前記ころの出っ張り量をγ、前記ころの面取り量をδ、前記ころの落ち量をε、前記保持器の板厚をζとしたときに、以下の式を満たすと好ましい。
γ＜δ （２）
（ε＋δ）＜ζ （３）

ここで、（２）式を満たすように、前記ころの出張量γを前記ころの面取り量δより小さく設定すると、前記ころの外径に対して前記ころの端面と前記保持器との理想接触幅が制限され、スキューによる応力集中が緩和され、接触位置もころ中心軸に近くなり、相対滑り速度が小さくなるので潜り込み損傷が緩和される。一方、前記ころの面取り量δが過大であると、前記ころが前記保持器に対して最も軌道輪側に変位した場合に、ころ端面の面取り部分が保持器ポケット端面と接触することでころの円滑回転に悪影響を与える恐れがあるが、（３）式を満たすように、（前記ころの落ち量ε＋前記ころの面取り量δ）を前記保持器の板厚ζより小さく設定すると、そのような不具合を回避でき、スラスト針状ころ軸受の耐久性が向上する。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。図１は、本実施の形態にかかるスラスト針状ころ軸受が組み込まれたカーエアコンのコンプレッサの断面図であり、図２は、図１の構成を矢印II方向に見た図である。

図１において、コンプレッサ１を構成するハウジング６は、中央の短円筒状の本体７をヘッドケース８と斜板ケース９とで軸線方向（図１の左右方向）両側から挟持し、更に複数本の結合ボルト（図示せず）により結合されて一体となっている。ヘッドケース８の内側には、低圧室１０、１０と高圧室１１とが設けられている。尚、高圧室１１内は勿論、低圧室１０、１０内も正圧である。又、本体７とヘッドケース８との間には平板状の隔壁板１２が挟持されている。図１で複数に分割されている如く表されている低圧室１０、１０は互いに連通しており、ヘッドケース８の外面に設けられた単一の吸入ポート１３（図２）に連通している。又、高圧室１１は、ヘッドケース８に設けられた吐出ポート（図示せず）に通じている。吸入ポート１３がエバポレータ（不図示）の出口に、不図示の吐出ポートをコンデンサ（不図示）の入口に、それぞれ連通させている。

ハウジング６内にはシャフト１４を、本体７と斜板ケース９とに掛け渡す状態で、回転自在に支持している。より具体的には、シャフト１４の両端部を１対のラジアル針状ころ軸受１５Ａ、１５Ｂにより、本体７と斜板ケース９とに対して回転自在に支持すると共に、１対のスラスト針状ころ軸受１６Ａ、１６Ｂにより、このシャフト１４に加わるスラスト荷重を支承自在としている。

スラスト針状ころ軸受１６Ａは、複数のころ１６ａと、これを軸線方向（図１で左右方向）に挟持する軌道輪１６ｂ、１６ｃと、ころ１６ａを保持する保持器１６ｄとを有している。本実施の形態にかかるスラスト針状ころ軸受１６Ｂは、複数のころ１６ｅと、これを軸線方向（図１で左右方向）に挟持する軌道輪１６ｆ、１６ｇと、ころ１６ｅを保持する保持器１６ｈとを有している。

ラジアル針状ころ軸受１５Ａは、複数のころ１５ａと、シェル型外輪１５ｂと、ころ１５ａを保持する保持器１５ｃとを有している。ラジアル針状ころ軸受１５Ｂは、複数のころ１５ｄと、外輪（軌道輪）１５ｅと、ころ１５ｄを保持する保持器１５ｆとを有している。

スラスト針状ころ軸受１６Ａは、本体７の一部と上記シャフト１４の一端部（図１の右端側）に形成した段部１７との間に、皿ばね１８を介して設けている。又、スラスト針状ころ軸受１６Ｂは、シャフト１４の中間部外周面に外嵌固定した円板部１９と斜板ケース９との間に配置している。ハウジング６を構成する本体７の内側でシャフト１４の周囲部分には、複数（例えば図示の例では、円周方向等間隔に６個）のシリンダ孔２０、２０を形成している。この様に本体７に形成した、複数のシリンダ孔２０、２０の内側には、それぞれピストン２１、２１の先半部（図１の右半部）に設けた摺動部２２、２２を、軸方向の変位自在に嵌装している。

ここでは、シリンダ孔２０、２０の底面とピストン２１、２１の先端面（図１の右端面）との間に設けられた空間を、圧縮室２３とする。又、斜板ケース９の内側に存在する空間は、斜板室２４とする。シャフト１４の中間部外周面でこの斜板室２４内に位置する部分おいて、斜板２５を、シャフト１４に対して所定の傾斜角度を持たせて固定し、この斜板２５がシャフト１４と共に回転する様にしている。斜板２５の円周方向複数個所と、各ピストン２１、２１とは、それぞれ１対ずつのスライディングシュー２６、２６により連結されている。この為、これら各スライディングシュー２６、２６の内側面（互いに対向する面）は平坦面として、同じく平坦面である斜板２５の両側面外径寄り部分に摺接するようになっている。又、これら各スライディングシュー２６、２６の外側面（相手スライディングシュー２６と反対側面）は球状凸面としている。更に、その内側面を斜板２５の両側面に当接させた状態で、これら両スライディングシュー２６、２６の外側面を単一球面上に位置させている。一方、各ピストン２１、２１の基端部（前記隔壁板１２から遠い側の端部で、図１の左端部）には、スライディングシュー２６、２６及び斜板２５と共に、駆動力伝達機構を構成する連結部２７、２７を、各ピストン２１、２１と一体に形成している。そして、これら各連結部２７、２７に、一対のスライディングシュー２６、２６を保持する為の保持部２８、２８を形成している。又、これら各保持部２８、２８には、各スライディングシュー２６、２６の外側面と密に摺接する球状凹面を、互いに対向させて形成している。

又、本体７の一部内周面で、各連結部２７、２７の外端部に整合する部分には、各ピストン２１、２１毎にそれぞれ１対ずつのガイド面（図示せず）を、円周方向に離隔して形成している。各連結部２７、２７の外端部は、このガイド面に案内されて、ピストン２１、２１の軸方向（図１の左右方向）の変位のみ自在である。従って、各ピストン２１、２１も、各シリンダ孔２０、２０内に、斜板２５の回転に伴う各ピストン２１、２１の中心軸回りの回転を防止されて、軸方向の変位のみ自在（回転不能）に嵌装されている。この結果、各連結部２７、２７は、シャフト１４の回転による斜板２５の揺動変位に伴って各ピストン２１、２１を軸方向に押し引きし、各摺動部２２、２２をシリンダ孔２０、２０内で軸方向に往復移動させる。

一方、低圧室１０及び高圧室１１と各シリンダ孔２０、２０とを仕切るべく、本体７とヘッドケース８との突き合わせ部に挟持している隔壁板１２には、低圧室１０と各シリンダ孔２０、２０とを連通させる吸入孔２９、２９と、高圧室１１と各シリンダ孔２０、２０とを連通させる吐出孔３０、３０とを、それぞれ軸線方向に貫通する状態で形成している。従って、各吸入孔２９、２９及び各吐出孔３０、３０の一端（図１の左端）でシリンダ孔２０、２０側の開口は、何れも各ピストン２１、２１の先端面と対向する。又、各シリンダ孔２０、２０内で、各吸入孔２９、２９の一端と対向する部分には、低圧室１０から各シリンダ孔２０、２０に向けてのみ冷媒ガスを流す、リード弁式の吸入弁３１、３１を設けている。又、高圧室１１内で、各吐出孔３０、３０の他端（図１の右端）開口と対向する部分には、各シリンダ孔２０、２０から高圧室１１に向けてのみ冷媒ガスを流す、リード弁式の吐出弁３２を設けている。この吐出弁３２には、各吐出孔３０、３０から離れる方向への変位を制限する、ストッパ３３を付設している。

上述の様に構成するコンプレッサ１のシャフト１４は、車両のエンジン（不図示）により無端ベルト４２を介して回転駆動される。この為に、図示の例の場合は、ハウジング６を構成する斜板ケース９の外側面（図１の左側面）中央に設けた支持筒部３４の周囲に従動プーリ３５を、複列ラジアル玉軸受３６により、回転自在に支持している。この従動プーリ３５は、断面コ字形で全体を円環状に構成しており、斜板ケース９の外側面に固定したソレノイド３７を、従動プーリ３５の内部空間に配置している。一方、シャフト１４の端部で支持筒部３４から突出した部分には取付ブラケット３８を固定しており、この取付ブラケット３８の周囲に磁性材製の環状板３９を、板ばね４０を介して支持している。この環状板３９はソレノイド３７への非通電時には、板ばね４０の弾力により、図に示す様に従動プーリ３５から離隔しているが、ソレノイド３７への通電時にはこの従動プーリ３５に向け吸着されて、この従動プーリ３５からシャフト１４への回転力の伝達を自在とする。即ち、ソレノイド３７と環状板３９と板ばね４０とにより、従動プーリ３５とシャフト１４とを係脱する為の電磁クラッチ４１を構成している。又、車両のエンジンのクランクシャフト（不図示）の端部に固定した駆動プーリと従動プーリ３５との間には、無端ベルト４２を掛け渡している。

本実施の形態にかかるカーエアコンのコンプレッサの動作について説明する。車室内の冷房或は除湿を行なう為、カーエアコンを作動させた場合には、電磁クラッチ４１を動作させて従動プーリ３５とシャフト１４とを係合させ、それにより無端ベルト４２を介して、車両のエンジンの動力をシャフト１４に伝達し、これを回転駆動する。この結果、斜板２５が回転して、複数のピストン２１、２１を構成する摺動部２２、２２をそれぞれシリンダ孔２０、２０内で往復移動させる。そして、この様な摺動部２２、２２の往復移動に伴って、吸入ポート１３から吸引された冷媒ガスが、低圧室１０、１０内から各吸入孔２９、２９を通じて圧縮室２３内に吸い込まれる。この冷媒ガスは、これら各圧縮室２３内で圧縮されてから、吐出孔３０、３０を通じて高圧室１１に送り出され、吐出ポートより吐出される。その後、高温・高圧の冷媒ガスはコンデンサで冷却され液冷媒となった後、急激に膨張させられ、低温・低圧の霧状冷媒となってエバポレータに流れ、ここで車室内に供給される空気を冷却し、その後冷媒ガスとなってコンプレッサに吸入される。

図３は、図１に示すスラスト針状ころ軸受１６Ｂの拡大断面図であり、図４は、図３に示す構成をIV-IV線で切断して矢印方向に見た図である。図３において、保持器１６ｈは、１枚の板材を折り曲げて形成されており、内側環状部１６ｈ１と、内側環状部１６ｈ１の半径方向外側に位置し内側環状部１６ｈ１と同方向に延在する外側環状部１６ｈ２と、内側環状部１６ｈ１と外側環状部１６ｈ２とを連結する複数の柱部１６ｈ３とを有している。尚、内側環状部１６ｈ１より２倍ほど軸線方向長が長い外側環状部１６ｈ２は、中程から半径方向外方に重ねるように折り曲げられて補強部１６ｈ９を構成している。ここで、内側環状部１６ｈ１と外側環状部１６ｈ２とが向いている方向（図３で下方）を開口側といい、その反対側（図３で上方）を反開口側という。

図３に示すように軸線方向にスラスト針状ころ軸受１６Ｂの断面をとったとき、柱部１６ｈ３の中間部１６ｈ４は、折り曲げられることで軌道輪１６ｇに近接している。隣接する柱部１６ｈ３の間は、ころ１６ｅを周方向に等間隔に保持するポケット部１６ｈ６となっている。

ここで、軌道輪１６ｇに近接した柱部１６ｈ３の中間部１６ｈ４と、軌道輪１６ｆに近接した柱部１６ｈ３の両方の端部（根元部）１６ｈ５により、ころ１６ｅの外周面を、スラスト針状ころ軸受１６Ｂの軸線方向両側から保持することで（図４参照）、軌道輪１６ｇ、１６ｆから分離したときに、保持器１６ｈよりころ１６ｅが落下するのを防止している。

保持器１６ｈはころ案内で用いられる。即ち動作時において、図５（ａ）に示すように、保持器１６ｈが軌道輪１６ｆ側に付勢されても、或いは図５（ｂ）に示すように、軌道輪１６ｇ側に付勢されても、軌道輪との間に隙間ｃができ、これらに当接摺動しないことから、保持器１６ｈが軌道面上の油膜をかき落としてしまう不具合が抑制され、潤滑性が長期にわたって維持され、耐久性及び耐焼付き性が向上する。

図３，４に示すように、ころ１６ｅは、全体として円筒状であるが、両端に面取り部１６ｅ１を形成している。

ころ１６ｅの出っ張り量（反開口側における保持器１６ｈの面からころ１６ｅの最大出っ張り位置までの距離）をγ、ころ１６ｅの面取り量（（ころ１６ｅの外径−端面１６ｅ２の外径）／２）をδ、ころ１６ｅの落ち量（開口側における保持器１６ｈの面からころ１６ｅの最大出っ張り位置までの距離）をε、保持器１６ｈの板厚をζとしたときに、以下の式を満たしている。
γ＜δ （２）
（ε＋δ）＜ζ （３）

ここで、（２）式を満たすように、ころ１６ｅの出張量γをころ１６ｅの面取り量δより小さく設定すると、ころ１６ｅの外径に対してころの端面１６ｅ２と保持器１６ｈとの理想接触領域（図４にダブルハッチングで示す）の周方向幅Δが制限され、スキューによる応力集中が緩和され、接触位置もころ１６ｅの中心軸に近くなり、相対滑り速度が小さくなるので潜り込み損傷が緩和される。一方、ころ１６ｅの面取り量δが過大であると、ころ１６ｅが保持器１６ｈに対して最も軌道輪側に変位した場合に、ころの端面１６ｅ２の面取り部１６ｅ１のみが保持器１６ｈのポケット部１６ｈ６端面と接触することでころ１６ｅの円滑回転に悪影響を与える恐れがある。そこで、（３）式を満たすように、（ころ１６ｅの落ち量ε＋ころ１６ｅの面取り量δ）を保持器１６ｈの板厚ζより小さく設定することで、ポケット部１６ｈ６が端面１６ｅ２に当接するようになり、かかる不具合を回避でき、スラスト針状ころ軸受の耐久性が向上する。

本発明者は、図１に示すスラスト軸受（ＰＣＤ＝６５mm）において、ころの表面硬度αと、保持器の表面硬度βとをそれぞれ変えて、無負荷の状態で回転数１５０００ｍｉｎ^-1にて５０時間動作させて試験を行った。その結果を表１に示す。又、上記試験において、摩耗した保持器を図６（ａ）に示し、摩耗したころを図６（ｂ）に示す。

表１より、高速試験条件下において、ころの表面硬度αと、保持器の表面硬度βとの差がＨＶ１００以内であると、保持器またはころの摩耗が小さくなることが分かった。これに対し、ころの表面硬度αよりも、保持器の表面硬度βがＨＶ１００より低いと、図６（ａ）に示すように、保持器のポケット部の端面中央が窪むように潜り込み摩耗（異常摩耗痕）Ａが生した。一方、ころの表面硬度αが、保持器の表面硬度βよりもＨＶ１００より低いと、図６（ｂ）に示すように、ころの端面中央が突出するように潜り込み摩耗（異常摩耗痕）Ｂが生した。

以上、本発明を実施の形態を参照して説明してきたが、本発明は上記実施の形態に限定されることなく、その発明の範囲内で変更・改良が可能であることはもちろんである。本発明のスラスト針状ころ軸受は、カークーラコンプレッサに限らず、自動車用の変速機や事務機器など、各種の機械に適用できる。

本実施の形態にかかる針状ころ軸受が組み込まれたカーエアコンのコンプレッサの断面図である。図１の構成を矢印II方向に見た図である。図１に示すスラスト針状ころ軸受１６Ｂの拡大断面図である。図３に示す構成をIV-IV線で切断して矢印方向に見た図である。スラスト針状ころ軸受１６Ｂの保持器を一方に付勢した状態を示す図である。保持器の摩耗及びころの摩耗を示す図である。

符号の説明

１カーエアコンのコンプレッサ
６ハウジング
１４シャフト
１５Ａ、１５Ｂラジアル針状ころ軸受
１６Ａ、１６Ｂスラスト針状ころ軸受

Claims

ころと、前記ころを保持する保持器とを備えたスラスト針状ころ軸受において、
前記保持器は、板材を折り曲げて形成され、外側環状部と、内側環状部と、前記外側環状と前記内側環状部とを径方向に連結する複数の柱部とからなり、
前記ころの表面硬度をα（ＨＶ）とし、前記保持器の表面硬度をβ（ＨＶ）としたときに、以下の式を満たすことを特徴とするスラスト針状ころ軸受。
│α−β│≦１００（１）
前記保持器は、ころ案内で用いられることを特徴とする請求項１に記載のスラスト針状ころ軸受。
前記ころの出っ張り量をγ、前記ころの面取り量をδ、前記ころの落ち量をε、前記保持器の板厚をζとしたときに、以下の式を満たすことを特徴とする請求項１に記載のスラスト針状ころ軸受。
γ＜δ （２）
（ε＋δ）＜ζ （３）