JP2009047243A

JP2009047243A - 玉軸受

Info

Publication number: JP2009047243A
Application number: JP2007214004A
Authority: JP
Inventors: Daisuke Fujimori; 大輔藤森
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2007-08-20
Filing date: 2007-08-20
Publication date: 2009-03-05

Abstract

【課題】自動車のエンジンルーム内において高温環境下等の過酷な条件で使用されても、安定した軸受性能を長期間にわたって維持することが可能な玉軸受を提供する。
【解決手段】アイドリングストップシステムに組み込まれた玉軸受１は、内輪２，外輪３，２列の玉４，及び樹脂材料製の冠形保持器５を備える大径，幅狭，且つ薄肉の軸受である。樹脂材料の種類は、スーパーエンジニアリングプラスチックや汎用エンジニアリングプラスチックが好ましく、これらの樹脂をガラス繊維及び炭素繊維の少なくとも一方からなる繊維強化材で強化した樹脂組成物としてもよい。その場合には、繊維強化材の含有量は樹脂組成物全体の１５質量％以上４０質量％以下とすることが好ましい。
【選択図】図２

Description

本発明は玉軸受に関する。

内燃機関の近傍に配された転がり軸受は、高温環境下で使用されることとなる。例えば、自動車のエンジンルーム内でエンジンの近傍に配された転がり軸受は、常時１３０℃程度の高温環境下で使用される。
例えば特許文献１には、クランク軸に固定され、エンジンルーム内で使用される複列の転がり軸受が開示されている。クランク軸の端部にはボルトが固定されているため、転がり軸受は断続的に不均一な荷重を受ける場合が多い。
特開２００７−３２４９２号公報

このような過酷な条件で使用される転がり軸受は、安定した軸受性能を長期間にわたって維持することが容易ではないという問題点を有していた。
そこで、本発明は前述のような従来技術が有する問題点を解決し、自動車のエンジンルーム内において高温環境下等の過酷な条件で使用されても、安定した軸受性能を長期間にわたって維持することが可能な玉軸受を提供することを課題とする。

前記課題を解決するため、本発明は次のような構成からなる。すなわち、本発明に係る請求項１の玉軸受は、内輪と、外輪と、前記内輪及び前記外輪の間に転動自在に配された複数の転動体と、前記内輪及び前記外輪の間に前記転動体を保持する保持器と、を備え、自動車のエンジンルーム内で使用される玉軸受において、前記保持器を樹脂材料で構成したことを特徴とする。

また、本発明に係る請求項２の玉軸受は、請求項１に記載の玉軸受において、前記樹脂材料がスーパーエンジニアリングプラスチックであることを特徴とする。
さらに、本発明に係る請求項３の玉軸受は、請求項１に記載の玉軸受において、前記樹脂材料が汎用エンジニアリングプラスチックであることを特徴とする。
さらに、本発明に係る請求項４の玉軸受は、請求項１に記載の玉軸受において、前記樹脂材料が、スーパーエンジニアリングプラスチックとガラス繊維及び炭素繊維の少なくとも一方からなる繊維強化材とを含有する樹脂組成物であり、この繊維強化材の含有量は樹脂組成物全体の１５質量％以上４０質量％以下であることを特徴とする。

さらに、本発明に係る請求項５の玉軸受は、請求項１に記載の玉軸受において、前記樹脂材料が、汎用エンジニアリングプラスチックとガラス繊維及び炭素繊維の少なくとも一方からなる繊維強化材とを含有する樹脂組成物であり、この繊維強化材の含有量は樹脂組成物全体の１５質量％以上４０質量％以下であることを特徴とする。
さらに、本発明に係る請求項６の玉軸受は、請求項１〜５のいずれか一項に記載の玉軸受において、前記保持器の組み込み時に前記保持器が変形することにより発生する応力を緩和する応力緩和手段を備えることを特徴とする。

本発明の玉軸受は、自動車のエンジンルーム内において高温環境下等の過酷な条件で使用されても、安定した軸受性能を長期間にわたって維持することが可能である。

本発明に係る玉軸受の実施の形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、玉軸受を備えるアイドリングストップシステムの構造を示す縦断面図である。
自動車の走行中には信号待ち等の理由により一時的に停車する場合があるが、停車中はエンジンをアイドリングさせていることが多い。しかしながら、燃料消費の節約や二酸化炭素を含む排気ガスの削減などを考えると、停車中はエンジンを停止させることが好ましい。このような事情から、走行中における一時的な停車時にはエンジンの運転を自動的に停止させ、発進時には運転者の始動要求に応じてエンジンの運転を再開させる、いわゆるアイドリングストップシステムを備える自動車が提案されている。

このようなアイドリングストップシステムにおいては、スタータモータとクランク軸との間に一方向クラッチ（逆方向入力遮断クラッチ）を設けることにより、スタータモータ側のギヤとエンジン側（クランク軸側）のリングギヤとを常時噛み合わせたものがある（特許文献１を参照）。また、アイドリングストップシステムはエンジンルーム内のエンジン近傍に配されているため、アイドリングストップシステムに組み込まれている転がり軸受は、常時１３０℃程度の高温環境下で使用されるとともに、エンジンオイルによって潤滑されている。

よって、アイドリングストップシステムに組み込まれる転がり軸受は、高温環境下での使用を考慮した構成とする必要があった。また、アイドリングストップシステムには、クランク軸が高速回転になった際にクランク軸とリングギヤとの結合を分離するために、一方向クラッチが組み込まれているが、この一方向クラッチも転がり軸受と同様にエンジンオイルによって潤滑されるので、転がり軸受の潤滑に使用されたエンジンオイルが一方向クラッチに供給されやすいような構造を転がり軸受が有していることが好ましかった。
本発明者らは、エンジンの近傍において高温環境下等の過酷な条件で使用されても、安定した軸受性能を長期間にわたって維持することが可能なアイドリングストップシステム用玉軸受について鋭意検討した結果、転動体を保持する保持器を樹脂材料で構成することによって上記目的が達成されることを見出した。

以下に、一方向クラッチとリングギヤと転がり玉軸受とを備えるアイドリングストップシステムの構造について、図１を参照しながら詳細に説明する。
図示しないエンジンのオイルパン３１の後端の上方には、ラダービーム３２を介してシリンダブロック側に回転可能に支持されたクランク軸１１の後端が配されている。このクランク軸１１の後端には、フライホイール３３，アウターレース支持部材３４，及びリングギヤ１２が取り付けられており、これらのうちアウターレース支持部材３４はフライホイール３３とともにクランク軸１１の後端にボルト締結にて固定されていて、クランク軸１１とともに回転するようになっている。

また、リングギヤ１２は、一方向クラッチ１３のインナーレース１３ａ及び玉軸受１を介して、クランク軸１１の後端の外周部に取り付けられている。このため、一方向クラッチ１３が解放状態にある場合には、リングギヤ１２はクランク軸１１の回転とは独立して回転可能である。そして、リングギヤ１２の外周縁部には歯部１２ａが形成されており、この歯部１２ａは図示しないスタータモータのピニオンギヤ１４に常時噛み合わされている。そのため、スタータモータから回転力が入力されることにより、リングギヤ１２が回転される。

なお、この玉軸受１は、インナーレース１３ａの内周面側に圧入により取り付けられている。そして、玉軸受１と一方向クラッチ１３のインナーレース１３ａとが２つの止め輪６，６によって固定されており、これによってリングギヤ１２の軸方向の動きが規制されている。止め輪６の断面形状（軸方向に平行な平面で破断した断面の形状）は、矩形でもよいが、内径側から外径側に向かって徐々に幅広となるような台形状でもよい。すなわち、止め輪６としてテーパースナップリングを用いてもよい。テーパースナップリングを用いれば、玉軸受１とインナーレース１３ａとを、ガタツキなく固定することができる。

さらに、アウターレース支持部材３４の外周部には、リングギヤ１２の内周部に取り付けられたインナーレース１３ａに対向するように、一方向クラッチ１３のアウターレース１３ｂが取り付けられている。このことにより、リングギヤ１２とアウターレース支持部材３４との間に、一方向の回転のみを伝達し逆方向の回転の入力を遮断する一方向クラッチ１３が構成されている。
この一方向クラッチ１３は、エンジン始動時にスタータモータがピニオンギヤ１４を介してリングギヤ１２を回転させる際、すなわちリングギヤ１２側からトルクが伝達される際には、アウターレース支持部材３４とリングギヤ１２とを係合状態とする。このことにより、スタータモータはクランク軸１１を回転させることができる。

エンジンが運転を開始することで、その出力によって、クランク軸１１に連動するアウターレース支持部材３４の回転がリングギヤ１２の回転よりも速くなると、一方向クラッチ１３は解放状態となる。このことにより、ピニオンギヤ１４とリングギヤ１２の歯部１２ａとが常時噛み合った状態でも、クランク軸１１の回転はスタータモータ側に伝達されないので、エンジン始動後のスタータモータの過回転を防止することができる。

なお、玉軸受１及び一方向クラッチ１３には潤滑のためにエンジンオイルが供給されるが、エンジンルームからのオイル漏れを防止するためにシール装置３５が設けられている。すなわち、一方向クラッチ１３のアウターレース１３ｂの外周面とリングギヤ１２の中間位置に形成された段差部との間、及び、オイルパン３１の後端の内周面とリングギヤ１２の前記段差部との間に、それぞれシール装置３５，３５が配されている。
このようなアイドリングストップシステムに組み込まれた玉軸受１は、内輪２，外輪３，２列の玉４，及び樹脂材料製の冠形保持器５を備える大径，幅狭，且つ薄肉の軸受である（玉軸受１の断面図を図２に示し、冠形保持器５の断面図を図３に示す）。

ここで、大径とは、玉軸受１のＰＣＤと玉４の直径ｄとの比（ＰＣＤ／玉４の直径ｄ）が１７以上２４以下であり、且つ、玉軸受１のＰＣＤと２列の玉４の中心間距離ａとの比（ＰＣＤ／２列の玉４の中心間距離ａ）が１２以上２４以下であることを意味する。また、幅狭とは、軸受幅ｂと玉４の直径ｄとの比（軸受幅ｂ／玉４の直径ｄ）が２．８以上３．２以下であることを意味する。さらに、薄肉とは、玉軸受１のＰＣＤと内外輪２，３の径方向の幅（厚さ）ｔ_i，ｔ_oとの比（ＰＣＤ／内外輪２，３の径方向の幅ｔ_i，ｔ_o）が２５以上３５以下であることを意味する。

なお、玉４の直径ｄは３．５〜４．８ｍｍ程度で、玉軸受１のＰＣＤは８０〜１２０ｍｍ程度である。また、冠形保持器５のポケットのＰＣＤと径方向の幅ｔとの比（ＰＣＤ／径方向の幅ｔ）は、３６以上６０以下が好ましく、４０以上５０以下がより好ましい。
冠形保持器５が樹脂材料で構成されているので、玉軸受１がエンジンの近傍に配され１３０℃程度の高温環境下で常時使用されても、安定した軸受性能を長期間にわたって維持することが可能である。また、玉軸受１は断続的に不均一な荷重を受けるが、冠形保持器５が金属と比べて柔軟性の高い樹脂材料で構成されているので、前記荷重を受けても問題なく使用することが可能である。なお、保持器の種類は冠形に限定されるものではないが、冠形保持器が最も好ましい。

樹脂材料の種類は特に限定されるものではないが、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ），ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ），ポリスルホン（ＰＳＵ），ポリエーテルスルホン（ＰＥＳ），ポリアリレート（ＰＡＲ），ポリアミドイミド（ＰＡＩ），ポリエーテルイミド（ＰＥＩ），ポリイミド（ＰＩ），液晶ポリマー（ＬＣＰ），フッ素樹脂（ＦＲ）等のスーパーエンジニアリングプラスチックが好ましい。これらのスーパーエンジニアリングプラスチックの中でも、耐熱性や生産性を考慮すると、ＰＰＳ，ＰＥＥＫが特に好ましい。

また、ポリアミド（ＰＡ），ポリアセタール（ＰＯＭ），ポリカーボネート（ＰＣ），変性ポリフェニレンエーテル（ＰＰＥ），ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ），ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ），超高分子量ポリエチレン（ＵＨＰＥ）等の汎用エンジニアリングプラスチックでもよい。ポリアミドとしては、ポリアミド４６やポリアミド６６があげられる。

なお、スーパーエンジニアリングプラスチック，汎用エンジニアリングプラスチックいずれの場合も、ガラス繊維及び炭素繊維の少なくとも一方からなる繊維強化材で強化した樹脂組成物とすることが好ましい。そうすれば、耐熱性及び寸法安定性が向上する。その場合には、繊維強化材の含有量は樹脂組成物全体の１５質量％以上４０質量％以下とすることが好ましい。なお、ガラス繊維や炭素繊維の代わりに各種ウィスカーを用いても差し支えない。また、ガラス繊維や炭素繊維とともに各種ウィスカーを併用してもよい。ただし、併用する場合には、繊維強化材の総含有量は樹脂組成物全体の１５質量％以上４０質量％以下とする。

前述したように、玉軸受１及び一方向クラッチ１３はエンジンオイルによって潤滑されるので、玉軸受１の潤滑に使用されたエンジンオイルが一方向クラッチ１３に供給されやすいような構造を玉軸受１が有していることが好ましい。本実施形態の玉軸受１においては、冠形保持器５の外径面と外輪３の内周面との間の隙間、及び、冠形保持器５の内径面と内輪２の外周面との間の隙間（以降は隙間と記す）を通ってエンジンオイルが玉軸受１の内部を軸方向に通過することができるので、玉軸受１の潤滑のために供給されたエンジンオイルが一方向クラッチ１３に供給されやすくなっており、一方向クラッチ１３の潤滑性がより確保されやすいという効果が得られる。

ここで、冠形保持器５を構成する樹脂材料をＰＰＳ又はＰＥＥＫとすると、冠形保持器５の真円度が良好となるとともに、軸受使用時の冠形保持器５の変形が抑制されるため、前記隙間を確保しやすい。特に、複数のゲートを有する金型又はディスクゲートを有する金型を用いて射出成形により製造することで、冠形保持器５の初期の真円度を０．３０ｍｍ以下とすることができる。複数のゲートを有する金型においては、３箇所以上のゲートを円周方向等間隔に配置することが好ましい。

なお、冠形保持器５は樹脂材料で構成されているが、樹脂材料の種類によっては冠形保持器５が変形しにくいために、ポケット５ａ内に玉４を組み込みにくい場合がある。例えばスーパーエンジニアリングプラスチック（特にＰＰＳ，ＰＥＥＫ）は耐熱性に優れているが、機械的強度が高いため冠形保持器５のツノ５ｂが変形しにくく（図４を参照）、ポケット５ａ内に玉４を組み込みにくい。その結果、軌道面上に円周方向等配に配された玉４を保持器５に組み込む際に、玉４が軌道溝の肩に乗り上げて傷付くおそれがある。この玉の傷付きを防止するため、転動体が複列の場合には、軌道面のみならず２つの軌道面に挟まれた部分を含む内外輪２，３の全周面（図５において点線で示された部分）に研磨を施すことが好ましく、肩の角部を滑らかな断面曲線状（断面円弧状）とすることが好ましい（図５において「Ｒ」と示された部分）。

そこで、ポケット５ａ内に玉４を組み込みにくい場合には、ポケット５ａの直径とツノ５ｂ，５ｂの先端の間隔Ｙ（ポケット５ａの入口の内径）との比を調節して、玉４を組み込みやすくするとよい。一旦組み込んでしまえば、保持器５が変形しにくいため、玉軸受１の使用時に玉４がポケット５ａから抜け出ることはほとんどない。玉４を組み込みやすくするためには、前記比を０．８５以上０．９５以下とすることが好ましい。なお、ポケット５ａの入口の内径Ｙは玉４の直径ｄよりも小さく、ポケット５ａの入口の外径Ｘは玉４の直径ｄよりも大きく設定されている（図４を参照）。
また、ポケット５ａ内に玉４を組み込みにくい場合には、ポケット５ａの個数を玉４の個数よりも多くする手段（本発明の構成要件である応力緩和手段に相当する）を採用してもよい。これにより、玉４を保持していないポケット５ａの部分において変形しやすくなるので、保持器５全体として変形しやすくなり、ポケット５ａ内に玉４を組み込みやすくなる。

しかも、ポケット５ａの個数を玉４の個数よりも多くすると、玉４が組み込まれていないポケット５ａを通ってエンジンオイルが玉軸受１の内部を軸方向に通過することができるので、玉軸受１の潤滑のために供給されたエンジンオイルが一方向クラッチ１３に供給されやすくなり、一方向クラッチ１３の潤滑性がより確保されやすいという効果が併せて得られることとなる。玉軸受１の内部を通過するエンジンオイルの量を十分に確保するためには、例えばポケット１つおきに玉４を組み込む等、ポケット５ａの個数を玉４の個数の２倍以上とすることが好ましい。この場合には、所定のポケット５ａに玉４が組み込まれているかを、チェッカーを用いて確認するとよい。

さらに、ポケット５ａ内に玉４を組み込みにくい場合には、保持器５のリム部（ポケット５ａとポケット５ａとの間の部分）の軸方向長さを通常の保持器よりも小さくする手段（本発明の構成要件である応力緩和手段に相当する）を採用してもよい（図４を参照）。図４において点線で示したリム部が、通常の保持器の軸方向長さである。これにより、ツノ５ｂの長さが長くなるとともに保持器５が変形しやすくなるので、ポケット５ａ内に玉４を組み込みやすくなる。

玉４を組み込みやすくするためには、リム部の軸方向長さを下記のように設定することが好ましい。すなわち、玉４の中心の軸方向位置とツノ５ｂの先端の軸方向位置とが同位置にある時に保持器５の変形が最大となるので、この時の玉４の端部（軸方向ポケット５ａ側の端部）の軸方向位置よりも、リム部の軸方向両端面のうち玉４の側を向く端面の軸方向位置が、ポケット５ａの底部寄りにあることが好ましい。言い換えれば、リム部の軸方向両端面のうち玉４の側を向く端面に沿う線に、玉４の中心の軸方向位置とツノ５ｂの先端の軸方向位置とが同位置にある時の玉４が接することがないように、リム部の軸方向長さを設定することが好ましい。なお、リム部の軸方向両端面のうち玉４の側を向く端面の軸方向位置は、ポケット５ａ内に収容されている時の玉４の中心の軸方向位置よりも、ポケット５ａの底部寄りにあることが好ましい。

しかも、リム部の軸方向長さを小さくすると、玉軸受１の内部をエンジンオイルが通過しやすくなるので、前述と同様に一方向クラッチ１３の潤滑性がより確保されやすいという効果が併せて得られることとなる。
さらに、本実施形態の玉軸受１は、冠形保持器５の径方向の幅に対して冠形保持器５の直径が大きいので、冠形保持器５の強度を十分に確保するためには、冠形保持器５の径方向の幅はできるだけ大きくする必要がある。しかしながら、この径方向の幅を大きくすると、前記隙間が小さくなってエンジンオイルの通過量が不十分となるおそれがあるとともに、冠形保持器５と内外輪２，３とが干渉しやすくなるおそれがある。よって、これらの問題が生じないようにしつつ径方向の幅をできるだけ大きくするためには、冠形保持器５の真円度を高くすることが好ましい。そのためには、冠形保持器５の真円度を０．３０ｍｍ以下とすることが好ましく、０．２０ｍｍ以下とすることがより好ましい。

そして、このような真円度の高い樹脂材料製の冠形保持器５を射出成形により製造するためには、複数のゲートを有する金型又はディスクゲートを有する金型を用いることが好ましい。複数のゲートは、保持器の内径面側又は外径面側に設けるとよく、冠形保持器５の径方向の幅（厚さ）の大きさに関係なく成形可能である。真円度は、得られた保持器の内径面の直径（又は外径面の直径）の最大値と最小値との差によって管理する。

この時、前記隙間をより確実に確保するために、内輪２の外周面の軸方向端部及び外輪３の内周面の軸方向端部に旋削，研削等の機械加工を施してもよい。その際に、内輪２の外周面や外輪３の内周面の形状に沿った形状の砥石（図６を参照）を用いた研削加工とすれば、軌道面の研削や軌道面に挟まれた部分の研削も同時に行うことができる。軌道面以外の部分の研削を行うことにより、熱処理により生成した酸化膜が取り除かれるため、この酸化膜由来の異物がエンジンオイルに混入することが防止される。
さらに、本実施形態の玉軸受１においては、組み込む玉４の数を通常の軸受よりも少なくすることが好ましい。例えば１５個が好ましい。玉４の数を通常の軸受よりも少なくすることにより、玉軸受１の低トルク化が可能であるとともに、玉軸受１の空転時の摩擦抵抗が低くなる。さらに、保持器５の設計が容易となる。

なお、本実施形態は本発明の一例を示したものであって、本発明は本実施形態に限定されるものではない。例えば、本実施形態においては、玉軸受として複列のアンギュラ玉軸受を例示して説明したが、本発明の玉軸受は、他の種類の様々な玉軸受に対して適用することができる。例えば、深溝玉軸受，自動調心玉軸受である。
また、内輪２，外輪３，玉４の材質は特に限定されるものではないが、ＳＵＪ２にズブ焼入れを施したものや、ＳＣＭ材に浸炭窒化処理を施したものが好ましい。
さらに、本実施形態においては転動体は２列であったが、単列でもよいし３列以上でもよい。さらに、この玉軸受１は、３点接触軸受でもよいし、４点接触軸受でもよい。

アイドリングストップシステムの構造を示す縦断面図である。図１のアイドリングストップシステムに組み込まれた玉軸受の縦断面図である。図２の玉軸受に組み込まれた冠形保持器の断面図である。図２の玉軸受に組み込まれた冠形保持器の部分側面図である。内周面に研磨が施された外輪の断面図である。砥石の形状を説明する図である。

符号の説明

１玉軸受
２内輪
３外輪
４玉
５冠形保持器
５ａポケット
５ｂツノ
６止め輪
１１クランク軸
１２リングギヤ

Claims

内輪と、外輪と、前記内輪及び前記外輪の間に転動自在に配された複数の転動体と、前記内輪及び前記外輪の間に前記転動体を保持する保持器と、を備え、自動車のエンジンルーム内で使用される玉軸受において、前記保持器を樹脂材料で構成したことを特徴とする玉軸受。
前記樹脂材料がスーパーエンジニアリングプラスチックであることを特徴とする請求項１に記載の玉軸受。
前記樹脂材料が汎用エンジニアリングプラスチックであることを特徴とする請求項１に記載の玉軸受。
前記樹脂材料が、スーパーエンジニアリングプラスチックとガラス繊維及び炭素繊維の少なくとも一方からなる繊維強化材とを含有する樹脂組成物であり、この繊維強化材の含有量は樹脂組成物全体の１５質量％以上４０質量％以下であることを特徴とする請求項１に記載の玉軸受。
前記樹脂材料が、汎用エンジニアリングプラスチックとガラス繊維及び炭素繊維の少なくとも一方からなる繊維強化材とを含有する樹脂組成物であり、この繊維強化材の含有量は樹脂組成物全体の１５質量％以上４０質量％以下であることを特徴とする請求項１に記載の玉軸受。
前記保持器の組み込み時に前記保持器が変形することにより発生する応力を緩和する応力緩和手段を備えることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の玉軸受。