JP2009174603A

JP2009174603A - 転がり軸受

Info

Publication number: JP2009174603A
Application number: JP2008012441A
Authority: JP
Inventors: Takamichi Tanaka; 孝道田中; Yoichi Matsumoto; 洋一松本
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2008-01-23
Filing date: 2008-01-23
Publication date: 2009-08-06

Abstract

【課題】抜熱性を促進して高発熱化を防止することで高速回転特性を改善することができる転がり軸受を提供する。
【解決手段】内周面に外輪軌道１２を有する外輪１１と、外周面に内輪軌道１４を有する内輪１３と、外輪軌道１２と内輪軌道１４との間に転動自在に設けられた転動体１５と、転動体１５を転動自在に保持する保持器１６と、を備え、保持器１６と外輪１１と間の空間への潤滑油供給を抑制する遮蔽板１７を外輪１１の軸方向端部の一方の側に具備し、且つ保持器１６の側面が、遮蔽板１７と僅かな隙間で近接し、保持器１６は、少なくとも回転中に保持器１６の内径面の遮蔽板１７側が、反遮蔽板側に比べて小径である転がり軸受１０。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば自動車用のオルタネータ、コンプレッサ用電磁クラッチ装置、プーリ支持装置、ウォータポンプ装置、電動モータ等の各種回転機械装置に組み込まれて、高速回転、高温環境下で使用される転がり軸受に関する。

転がり軸受の潤滑方法として、高速運転には、ポンプ等で潤滑油を軸受内部へ供給する強制潤滑方式のような油潤滑が有利であることが知られている（例えば、非特許文献１参照）。

従来の転がり軸受の一例として、図７に示すように、合成樹脂製で冠型の保持器１０１の外径面と、外輪１０２の内径面とを近接させ、この保持器１０１を外輪１０２案内により転動自在に支持した転がり軸受１００が知られている（例えば、特許文献１参照）。

上記特許文献１に開示された転がり軸受１００では、自己潤滑性、低摩擦性の観点から金属製保持器を避け、合成樹脂製の保持器１０１を使い、高速回転時に保持器１０１が振動することに対処して玉案内を避けて外輪１０２案内とし、回転トルク増大防止のためにポケット形状として球面を避けて円筒形を採用している。

また、従来の転がり軸受の他の一例として、図８に示すように、転動溝２０１、２０２を内輪２０３及び外輪２０４の幅方向Ｂ１の中心から長さＬＢ１だけずらして設け、玉２０５と内輪２０３又は外輪２０４の側面との距離が大きい側の空間に収納できる程度に保持器２０６のポケット２０７と保持器２０６の端面との間のポケット底の肉厚を大きくすることで保持器２０６の耐久性を向上しようとした転がり軸受２００が知られている（例えば、特許文献２参照）。

また、従来の転がり軸受の他の一例として、図９に示すように、外輪３０１及び内輪３０２の一対の軌道輪３０３，３０４のうち、少なくとも一方が、その一端若しくは両端が他方の軌道輪の幅寸法よりも所定量だけ突出し、保持器３０５が、一対の軌道輪３０３，３０４に沿って所定量だけ肉厚化され、密封板３０６が、突出した一端若しくは両端と他方の軌道輪との間に亘って設けられることで、高速回転時の保持器３０５の変形抑制を行うようにした転がり軸受３００が知られている（例えば、特許文献３参照）。

また、従来の転がり軸受の他の一例として、図１０に示すように、内輪４０１と外輪４０２との間から供給されたオイルが排出される側の内輪４０１の肩部４０３に、オイル排出端面側に向かってその径が大きくなるテーパを形成した転がり軸受４００が知られている（例えば、特許文献４参照）。

綿林英一著財団法人日本規格協会１９９９年０２月２０日発行転がり軸受マニュアル１８５頁特開２００２−２９５４８０号公報（図１）実開平４−１０５６３０号公報（図１）特開２００６−２２６４３８号公報（図１）特開平１１−２０１１７３号公報（図２）

しかし、電気自動車のモータ等のように高速回転が要求される軸受の使用環境下では、特許文献１、特許文献２、特許文献３、特許文献４のいずれの技術も、高速回転時の回転トルクや発熱の増大という点に、さらなる改善の余地がある。特に、発熱の増大は、自己潤滑性や低摩擦性等の観点から好適な樹脂製の保持器にとって強度低下をもたらす大きな要因となるために改善の必要性が大きい。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、抜熱性を促進して高発熱化を防止することで高速回転特性を改善することができる転がり軸受を提供することにある。

本発明の上記目的は、下記構成により達成される。
（１）内周面に外輪軌道を有する外輪と、外周面に内輪軌道を有する内輪と、前記外輪軌道と前記内輪軌道との間に転動自在に設けられた転動体と、前記転動体を転動自在に保持する保持器と、を備えた転がり軸受であって、
前記保持器と前記外輪と間の空間への潤滑油供給を抑制する遮蔽板を前記外輪の軸方向端部の一方の側に具備し、且つ前記保持器の側面が、前記遮蔽板と僅かな隙間で近接し、前記保持器は、内径面の前記遮蔽板側の端部が、少なくとも回転中に反遮蔽板側の端部に比べて小径であり、前記内径面が軸方向に対して傾斜していることを特徴とする転がり軸受。

（２）前記内輪の肩面のうち、前記遮蔽板側の肩面が、前記保持器の回転時における内径面の傾斜と同じ方向に傾斜していることを特徴とする前記（１）記載の転がり軸受。

（３）前記外輪軌道及び前記内輪軌道が、前記遮蔽板から離れる方向に軸受軸方向中心からオフセットされていることを特徴とする前記（１）又は（２）記載の転がり軸受。

前記（１）の構成によれば、遮蔽板が外輪の側面の一方の側に具備され、保持器の側面が、遮蔽板と僅かな隙間で近接することで、遮蔽板と保持器との隙間に潤滑油が流入することを抑制でき、保持器と外輪と間の空間への潤滑油供給を抑制することができる。軸受回転時の回転中心に近い方が、モーメントが小さいために、回転中心から遠い軸受内空間への潤滑油供給を遮蔽板により抑制することで、潤滑油による攪拌抵抗のモーメントが小さくなり、軸受の回転トルクを低減することができる。ここで、遮蔽板は、外輪に圧入等で固定されてもよいし、別体として単に外輪に密着させてもよい。そして、遮蔽板は、樹脂製の保持器との摩擦力を低減するために、樹脂製とするよりも金属製とすることが好ましい。

射出成形できる樹脂製の保持器に、潤滑油の排出性を向上させるためのポンプ作用を持たせるために、樹脂製の保持器は、少なくとも回転中は、遮蔽板に近い方から遠い方に向かって内径が大きい。つまり、静止時には、保持器の内径が遮蔽板からの距離に関係なく同一であっても、回転中、特に発熱が問題となる高速回転中に遠心力により保持器が弾性変形し、その内径が遮蔽板に近い方から遠い方に向かって大きくなればよい。したがって、抜熱性を促進して高発熱化を防止することで高速回転特性を改善することができる。

なお、遮蔽板の内径は、保持器の内径最小値と同程度にすることが好ましく、最大でも、転動体のＰＣＤ以下とする必要がある。また、軸受空間への潤滑油の吸排の方向が決まっている場合には、遮蔽板側から潤滑油が供給されるように転がり軸受を組み込むことが好ましい。

前記（２）の構成によれば、内輪の肩面のうち、遮蔽板に近い方の肩面を、保持器の内径面と同じ方向に傾斜させることで、ポンプ作用を更に強化することができる。

前記（３）の構成によれば、通常は、軸受幅は限定されるので、外輪軌道及び内輪軌道を、遮蔽板から離れる方向に軸受軸方向中心よりオフセットすることで、ポンプ作用を更に強化することができる。

本発明に係る転がり軸受によれば、抜熱性を促進して高発熱化を防止することができ、高速回転特性を改善することができる転がり軸受を提供できる。

以下、図を参照して本発明の複数の好適な実施形態を説明する。

（第１実施形態）
図１〜図４は本発明に係る転がり軸受の第１実施形態であって、図１は本発明の第１実施形態に係る転がり軸受の半断面図、図２は図１の転がり軸受に適用される保持器の一部破断外観斜視図、図３は図１の転がり軸受における保持器の弾性変形前の半断面図、図４は図１の転がり軸受における保持器の弾性変形時の半断面図である。

図１に示すように、本発明の第１実施形態である転がり軸受１０は、内周面に外輪軌道１２を有する外輪１１と、外周面に内輪軌道１４を有する内輪１３と、外輪軌道１２と内輪軌道１４との間に転動自在に設けられた転動体である玉１５と、玉１５を転動自在に保持する保持器１６と、遮蔽板１７と、を備える深溝玉軸受である。

保持器１６は、射出成形によって作成された樹脂製の冠型保持器であって、円周方向に複数のポケット１８を有し、外径面の遮蔽板１７側に外輪１１に向けて突出した突部１９を有する。

遮蔽板１７は、樹脂製の保持器１６との摩擦力を低減するために、樹脂製ではなく、例えばＳＰＣＣをプレス成形加工した金属製とされている。遮蔽板１７は、外輪１１の内周面の軸方向端部の一方の側に形成されている遮蔽板取付用凹部２０に加締めにより固定されることで、保持器１６と外輪１１と間の空間への潤滑油供給を抑制し、潤滑油の主たる流路を回転中心に近い保持器１６の内径側として、攪拌抵抗を減らして低発熱化を図っている。なお、遮蔽板１７は、外輪１１に圧入等で固定されてもよいし、別体として単に外輪１１に密着させてもよい。

ここで、遮蔽板１７の内径寸法Ｒ１は、保持器１６の最小内径寸法Ｒ２よりも大きく、玉１５のＰＣＤ寸法Ｒ３よりも小さい（Ｒ２＜Ｒ１＜Ｒ３）。

また、遮蔽板１７と保持器１６の端面との距離（例えば０．５ｍｍ）Ｄ１は、保持器１６の内径面と内輪１３の外径面との最小距離Ｄ２よりも小さい（Ｄ１＜Ｄ２）。これにより、遮蔽板１７と内輪１３との隙間から軸受空間内に流入した潤滑油は、遮蔽板１７と保持器１６との間よりも、保持器１６の内径面と内輪１３の外径面との間に多く流れ易くなり、最短距離で軸受空間を貫通する割合を増やすことができる。また、潤滑油は軸方向に流れるので、軸受空間内に潤滑油が溜まって攪拌抵抗を増大させるようにならない。

ここで、遮蔽板１７は、転がり軸受１０の回転中に遠心力により変形した保持器１６の端面と接触しても構わないが、両者が接触すると、回転トルクが増加するので好ましくない。したがって、回転トルクの増加を防止するためには、遮蔽板１７と保持器１６が接触しないことが好ましい。

図２に示すように、保持器１６は、ポケット１８の形状が、軸の中心に向かう円筒形状である。これにより、高速回転時に遠心力が働いて保持器１６が外径側に開いたときに、ポケット１８の内径側と玉１５とが接触することがなく、隙間が一定に保たれるために磨耗が防止される。保持器１６は、潤滑油の排出性を向上させるためのポンプ作用を持たせるために、少なくとも回転中は、遮蔽板１７に近い方から遠い方に向かって内径が大きくなる。つまり、静止時には、保持器１６の内径が遮蔽板１７からの距離に関係なく同一であっても、回転中、特に発熱が問題となる高速回転中に遠心力により保持器１６の開口端部側が弾性変形し、その内径が遮蔽板１７から離れる方向に向かって大きくなればよい。

保持器１６の材料としては、軽量であり、摩擦抵抗が小さい樹脂材が好ましく、４６ナイロンや６６ナイロン等のポリアミド系樹脂や、ポリブチレンテレフタレートやポリフェニレンサルサイド（ＰＰＳ）やポリアミドイミド（ＰＡＩ）や、熱可塑性ポリイミドや、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）や、ポリエーテルニトリル（ＰＥＮ）等が挙げられる。また、上記した樹脂に、１０〜５０ｗｔ％の繊維状充填材（例えば、ガラス繊維や炭素繊維等）を適宜添加することにより、保持器１６の剛性及び寸法精度の向上させることができる。

次に、図３及び図４を参照して、転がり軸受１０のポンプ作用について説明する。

図３に示すように、転がり軸受１０は、遮蔽板１７側から潤滑油が流入されるに際し、静止時に、保持器１６の流入側内径寸法Ｒ６と、反流入側内径寸法Ｒ７とがほぼ等しい。

図４に示すように、転がり軸受１０は、回転時に、保持器１６が遠心力によって外輪１１側に弾性変形するために、保持器１６は、反遮蔽板１７側の内径寸法Ｒ８が遮蔽板１７側の内径寸法Ｒ９よりも大きくなる（Ｒ９＜Ｒ８）。これにより、保持器１６が、少なくとも回転中に内径面の遮蔽板１７側が、反遮蔽板１７側に比べて小径となり、保持器１６の内径面により傾斜した潤滑油の流路が、保持器１６の弾性変形によって形成される。保持器１６の内径面が、軸方向に対する傾斜角度が５度程度のテーパ面２１になることにより、反遮蔽板１７側に流路が開くこととなってポンプ作用が効率良く行われる。

以上説明したように、第１実施形態の転がり軸受１０によれば、回転中心から遠い軸受内空間への潤滑油供給を抑制することで、回転中心に近い方に潤滑油が多く供給される。そして、回転中心寄りに供給された潤滑油は、潤滑油による攪拌抵抗のモーメントが小さいために、軸受の回転トルクを低減することができる。そのため、遮蔽板１７は、保持器１６と外輪１１と間の空間への潤滑油供給を抑制するように、外輪１１の軸方向端部の一方の側に具備される。また、保持器１６の側面が、遮蔽板１７と僅かな隙間で近接することで、遮蔽板１７と保持器１６との隙間に潤滑油が流入することを抑制できる。

また、保持器１６は、少なくとも回転中は、遮蔽板１７から離れる方向に向かって内径が大きくなる。静止時には、保持器１６の内径が遮蔽板１７からの距離に関係なく同一であっても、回転中、特に発熱が問題となる高速回転中に遠心力により保持器１６が弾性変形し、その内径が遮蔽板１７から離れる方向に向かって大きくなることで、潤滑油の排出性を向上させるためのポンプ作用を持たせることができる。したがって、抜熱性を促進して高発熱化を防止することで高速回転特性を改善することができる。

（第２実施形態）
次に、図５を参照して、本発明の転がり軸受に係る第２実施形態について説明する。図５は本発明に係る第２実施形態の転がり軸受の半断面図である。なお、以下の各実施形態において、上述した第１実施形態と重複する構成要素や機能的に同様な構成要素については、図中に同一符号あるいは相当符号を付することによって説明を簡略化あるいは省略する。

図５に示すように、本発明の第２実施形態である転がり軸受３０の保持器３１は、内径面に、軸方向に対する傾斜角度が５度程度のテーパ面３２が形成されている。

転がり軸受３０は、遮蔽板１７側から潤滑油が流入されるに際し、静止時に、保持器３１の反流入側内径寸法Ｒ１０が流入側内径寸法Ｒ１１よりも大きくなる（Ｒ１０＜Ｒ１１）。これにより、回転時にも、保持器３１の反流入側内径寸法Ｒ１０が流入側内径寸法Ｒ１１よりも大きくなっていることで、保持器３１の内径面の遮蔽板１７側が、反遮蔽板１７側に比べて小径となってポンプ作用が効率良く行われる。

（第３実施形態）
次に、図６を参照して、本発明の転がり軸受に係る第３実施形態について説明する。図６は本発明に係る第３実施形態の転がり軸受の半断面図である。

図６に示すように、本発明の第３実施形態である転がり軸受４０は、ポケット１８の底部が肉厚化されていて内径面にテーパ面４２が形成された保持器４１を備えている。更に、内輪１３の肩面２２，２３のうち、遮蔽板１７に近い方の肩面２３に、保持器４１のテーパ面（例えば５度）４２と同じ方向に、例えば１５度で傾斜させたテーパ面４３が形成され、外輪軌道１２及び内輪軌道１４が、遮蔽板１７から離れる方向に軸受軸方向中心位置Ａより距離Ｌ１だけオフセットされている。

第３実施形態の転がり軸受４０によれば、内輪１３の肩面２２，２３のうち、遮蔽板１７に近い方の肩面２３に、保持器４１のテーパ面４２と同じ方向に傾斜させたテーパ面４３を有することで、傾斜した流路が長くなって、ポンプ機能を更に強化することができる。更に、通常は、軸受幅は限定されるが、外輪軌道１２及び内輪軌道１４を、遮蔽板１７から離れる方向に軸受軸方向中心Ａより距離Ｌ１だけオフセットさせることで、ポンプ機能を更に強化して潤滑油の排出性を向上させることができる。

次に、本発明に係る転がり軸受の実施例について説明する。

[発熱比較試験]
まず、第２実施形態及び第３実施形態に係る転がり軸受において、以下の試験を行った。
「実施例１」
〈仕様〉
遮蔽板と保持器側面との距離：０．５ｍｍ
保持器内径最小値（５３．７ｍｍ）と内輪の肩部径（５１．５ｍｍ）の差：２．２ｍｍ
保持器の案内形式：外輪案内（保持器に突部を有することで、遠心力で保持器が外輪側に開いた時に、外輪の外輪軌道と肩部の境界エッジに摺動しないようにしている。）
保持器幅３．６ｍｍ
保持器内径面（テーパ面）角度：５度
軸受名番：日本精工株式会社製単列深溝玉軸受６９０９
軸受ＰＣＤ：５６．５ｍｍ
遮蔽板：ＳＰＣＣをプレス成形加工し、外輪端部に加締めて装着した。
遮蔽板内径：φ５３．７ｍｍ

「比較例１」
〈仕様〉
第２実施形態及び第３実施形態の転がり軸受に適用した保持器と同様の材料を用いて製作した冠型保持器を有する転がり軸受を用いた。
軸受名番：日本精工株式会社製単列深溝玉軸受６９０９
保持器材料：４６ナイロン（ガラス繊維を２５％充填）
玉のＰＣＤ：５６．５ｍｍ

〈試験条件〉
油量：０．８Ｌ／ｍｉｎ
軸受入口油温度：８５℃
回転数：２７６００ｒｐｍ（ｄｍＮ１５６万），３００００ｒｐｍ（ｄｍＮ１７０万）

なお、発熱温度は、軸受入口の油温度を図５に示す計測位置Ｂにおいて計測し、外輪温度を図５に示す計測位置Ｃにおいて計測し、発熱量（温度差）を比較した。試験結果を表１に示す。なお、カッコ内は実際の計測温度である。

表１から明らかなように、実施例１は、比較例１に比べて、２７６００ｒｐｍにおいて発熱が約３７％減少（１９℃→１２℃）し、３００００ｒｐｍにおいては約３０％減少（２７℃→１９℃）した。これにより、本発明の第１実施形態及び第２実施形態に係る転がり軸受が、抜熱性を促進して高発熱化を防止することで高速回転特性を改善できたことがわかる。

次に、第３実施形態に係る転がり軸受において、以下の試験を行った。

「実施例２」
〈仕様〉
軸受名番：日本精工株式会社製単列深溝玉軸受６９０９
保持器材料：４６ナイロン（ガラス繊維を２５％充填）
玉のＰＣＤ：５６．５ｍｍ
〈試験条件〉
油量：０．８Ｌ／ｍｉｎ
軸受入口油温度：８５℃
回転数：２７６００ｒｐｍ（ｄｍＮ１５６万），３００００ｒｐｍ（ｄｍＮ１７０万）

〈保持器の仕様〉
玉オフセット量：１．０ｍｍ
保持器幅：３．６ｍｍ
保持器内径面（テーパ面）角度：５度
保持器内径最小値（５２．５ｍｍ）と内輪の肩部径（４８．５ｍｍ）の差：４．０ｍｍ
保持器の案内型式：外輪案内
遮蔽板側内輪肩部テーパ（テーパ面）角度：１５度
遮蔽板と保持器側面との距離０．５ｍｍ
遮蔽板：ＳＰＣＣをプレス成形加工し、外輪端部に加締めて装着した。
遮蔽板内径：φ５３．７ｍｍ

なお、発熱温度は、実施例１と同様に、軸受入口油温度を図６に示す計測位置Ｂにおいて、外輪温度を図６に示す計測位置Ｃにおいて計測し、温度差（発熱量）を比較した。比較例１は実施例１の比較例１と同じである。試験結果を表１に示す。

表１から明らかなように、実施例２は、比較例１に比べて、２７６００ｒｐｍにおいて発熱が更に約３３％減少（１２℃→８℃）し、３００００ｒｐｍにおいては約４０％減少（１９℃→１３℃）した。これにより、実施例２のように、実施例１に加えて保持器内径側及び内輪の遮蔽板側にテーパ面を設けることで、ポンプ機能がさらに強化されたことにより、抜熱性を促進して高発熱化を防止し、高速回転特性を更に改善できたことがわかる。

なお、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、適宜、変形、改良等が自在である。その他、上述した実施形態における各構成要素の材質、形状、寸法、数値、形態、数、配置場所、等は本発明を達成できるものであれば任意であり、限定されない。

本発明の第１実施形態に係る転がり軸受の半断面図である。図１の転がり軸受に適用される保持器の一部破断外観斜視図である。図１の転がり軸受における保持器の弾性変形前の半断面図である。図１の転がり軸受における保持器の弾性変形時の半断面図である。本発明に係る第２実施形態の転がり軸受の半断面図である。本発明に係る第３実施形態の転がり軸受の半断面図である。特許文献１の転がり軸受の断面図である。特許文献２の転がり軸受の断面図である。特許文献３の転がり軸受の断面図である。特許文献４の転がり軸受の断面図である。

符号の説明

１０転がり軸受
１１外輪
１２外輪軌道
１３内輪
１４内輪軌道
１５玉（転動体）
１６保持器
１７遮蔽板
２２肩面
２３肩面
３０転がり軸受
３１保持器
４０転がり軸受
４１保持器

Claims

内周面に外輪軌道を有する外輪と、外周面に内輪軌道を有する内輪と、前記外輪軌道と前記内輪軌道との間に転動自在に設けられた転動体と、前記転動体を転動自在に保持する保持器と、を備えた転がり軸受であって、
前記保持器と前記外輪と間の空間への潤滑油供給を抑制する遮蔽板を前記外輪の軸方向端部の一方の側に具備し、且つ前記保持器の側面が、前記遮蔽板と僅かな隙間で近接し、前記保持器は、内径面の前記遮蔽板側の端部が、少なくとも回転中に反遮蔽板側の端部に比べて小径であり、前記内径面が軸方向に対して傾斜していることを特徴とする転がり軸受。
前記内輪の肩面のうち、前記遮蔽板側の肩面が、前記保持器の回転時における内径面の傾斜と同じ方向に傾斜していることを特徴とする請求項１記載の転がり軸受。
前記外輪軌道及び前記内輪軌道が、前記遮蔽板から離れる方向に軸受軸方向中心からオフセットされていることを特徴とする請求項１又は２記載の転がり軸受。