JP2009204122A

JP2009204122A - 転がり軸受

Info

Publication number: JP2009204122A
Application number: JP2008048664A
Authority: JP
Inventors: Hiroki Komata; 弘樹小俣
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2008-02-28
Filing date: 2008-02-28
Publication date: 2009-09-10
Anticipated expiration: 2028-02-28
Also published as: JP5029427B2

Abstract

【課題】自動車のエンジンルーム内において高温環境下で使用されても寸法変化が生じにくく長寿命な転がり軸受を提供する。
【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３，二列の玉４，および保持器５を備え、玉４は日本工業規格に規定されたＳＵＪ３製で、浸炭窒化焼入れが施された後に２３０℃以上３８０℃以下で焼戻しが施されている。これにより、この玉４は、その平均残留オーステナイト量が６体積％以下、硬さがＨＲＣ５７以上となっており、さらに、表面に形成されたＳｉ−Ｍｎ系炭窒化物の面積率が１．０％以上となっている。
【選択図】図２

Description

本発明は、自動車のエンジンルーム内で使用される転がり軸受に関する。

自動車は、その走行中に信号待ち等の理由で一時的に停車する場合がある。この際、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、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。そこで、近年、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。

例えば、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（例えば特許文献１参照）。
特開２００７−３２４９２号公報特開平１１−３０２２４号公報

ところで、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る転がり軸受は、エンジンルーム内のエンジン近傍に配される。例えば特許文献１には、リングギヤを支持するために、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玉軸受が開示されている。そのため、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、常時１３０℃程度の高温環境下で使用されることになる。また、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。
したがって、この種のエンジンルーム内で使用される転がり軸受は、高温により残留オーステナイトの分解に起因した組織変化を伴う寸法変化が生じやすく、これにより、軸受隙間が小さくなり、早期剥離や焼付き等が生じやすく、寿命低下等の軸受性能の低下が生じるおそれがあった。

ここで、このような高温環境下において、寸法安定性を向上させる手法として、例えば特許文献２に記載の技術が開示されている。同文献に記載の技術は、クランクシャフトを転がり軸受で支持した内燃機関のクランクシャフト支持構造において、転がり軸受における内輪および外輪の少なくとも一方に、所定の寸法安定化処理を施している。しかし、同文献に記載の技術は、例えば外輪のみに所定の寸法安定化処理を施した場合、外輪自体についてはその寸法変化が抑制されるものの、内輪については寸法変化を抑制する効果が得られないため、かえって隙間詰まりが生じてしまい、逆に短寿命となる可能性がある。
そこで、本発明は、このような問題点に着目してなされたものであって、自動車のエンジンルーム内において高温環境下で使用されても、寸法変化が生じにくく長寿命な転がり軸受を提供することを課題としている。

本発明者らは、エンジンの近傍において高温環境下で使用されても寸法変化が生じにくく長寿命なアイドリングストップシステム用転がり軸受について鋭意検討した結果、転動体の平均残留オーステナイト量等を制御する所定の寸法安定化処理によって上記目的が達成されることを見出した。
すなわち、上記課題を解決するために、本発明は、内輪、外輪、およびこれら内輪と外輪の間に転動自在に配された複数の転動体を備え、自動車のエンジンルーム内で使用される転がり軸受であって、前記転動体は、その平均残留オーステナイト量が６体積％以下、硬さがＨＲＣ５７以上となっており、さらに、その表面に形成されたＳｉ−Ｍｎ系炭窒化物の面積率が１．０％以上であることを特徴としている。

本発明に係る転がり軸受によれば、その平均残留オーステナイト量を６体積％以下、硬さをＨＲＣ５７以上とし、さらに、その表面に形成されたＳｉ−Ｍｎ系炭窒化物の面積率を１．０％以上とする所定の寸法安定化処理を、転動体に対して施しているので、例えば特許文献２に記載の技術に比べて、内輪と転動体間、および外輪と転動体間の隙間をバランス良く振り分けられる。そのため、転動体のみに所定の寸法安定化処理を施した場合であっても、隙間詰まりを確実に抑制することができる。したがって、自動車のエンジンルーム内において高温環境下で使用されても寸法変化が生じにくく長寿命とすることができる。なお、本発明に係る転がり軸受において、転動体の平均残留オーステナイト量を３体積％以下、硬さをＨＲＣ６０．５以上とすれば、自動車のエンジンルーム内において高温環境下で使用されても、寸法変化が生じにくく長寿命とする上でより好ましい。

ここで、本発明に係る転がり軸受において、前記転動体は、日本工業規格（ＪＩＳ）に規定されたＳＵＪ３で構成されているとともに、浸炭窒化焼入れが施された後に２３０℃以上３８０℃以下で焼戻しが施されていることは好ましい。また、浸炭窒化焼入れが施された後に２４０℃以上３５０℃以下で焼戻しが施されていることはより好ましい。このような構成であれば、比較的に安価なＳＵＪ３に浸炭窒化を施すことにより、転動体表面にＳｉ−Ｍｎ系炭窒化物を形成することができる。したがって、このＳｉ−Ｍｎ系炭窒化物の作用によって内輪と転動体間、あるいは外輪と転動体間の摩擦係数を低減できるため、摩擦に伴う発熱を低減することができ、長寿命とする上で一層好適である。

上述のように、本発明に係る転がり軸受は、転動体に対して、平均残留オーステナイト量等を制御する寸法安定化処理を施したので、自動車のエンジンルーム内において高温環境下で使用されても寸法変化が生じにくく長寿命である。

以下、本発明に係る転がり軸受の一実施形態について、図面を適宜参照しつつ説明する。なお、本実施形態は、本発明に係るエンジンルーム内で使用される転がり軸受として、アイドリングストップシステムで使用される複列のアンギュラ玉軸受（以下、単に「玉軸受」ともいう）に適用した例である。
以下に、一方向クラッチとリングギヤと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。なお、図１は、その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。

この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、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，およびリングギヤ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おり、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および玉軸受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。

ここで、上記玉軸受１は、インナーレース１３ａの内周面側に取り付けられている。そして、この玉軸受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、これにより、リングギヤ１２の軸方向の動きが規制されている。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。これにより、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。これにより、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。
そして、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。これにより、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、上記玉軸受１および一方向クラッチ１３には、潤滑のためにエンジンオイルが供給される。

ここで、こ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１は、内輪２，外輪３，２列の玉４，および樹脂材料製の冠形保持器である保持器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、保持器５の断面図を図３に示す）。
なお、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）ｔｉ，ｔｏとの比（ＰＣＤ／内外輪２，３の径方向の幅ｔｉ，ｔｏ）が２５以上３５以下であることを意味する。本実施形態の玉軸受１は、玉４の直径ｄが３．５〜４．８ｍｍ程度で、玉軸受１のＰＣＤが８０〜１２０ｍｍ程度である。また、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。

そして、この玉軸受１においては、内輪２および外輪３は、日本工業規格に規定されたＳＵＪ２鋼を所定形状に加工した後、８４０℃〜８６０℃で０．５〜１時間加熱した後に焼入を施し、さらに１６０℃〜１８０℃で１〜２時間の焼戻しを施すことによって得られている。
さらに、転動体である玉４は、ＳＵＪ３鋼を用いて所定の寸法安定化処理が施されて、その平均残留オーステナイト量の合計は６体積％以下とされ、硬さがＨＲＣ５７以上となっている。なお、硬さがＨＲＣ５７未満であると早期剥離が生じやすくなる。さらに、この玉４は、その表面に形成されたＳｉ−Ｍｎ系炭窒化物の面積率が１．０％以上である。

なお、平均残留オーステナイト量とは、その部材全体における残留オーステナイト量の平均値を意味する。例えば、表面から中心部までの残留オーステナイト量の分布を測定し、その平均値を算出することにより得ることができる。この玉４には、平均残留オーステナイト量を低減して、玉４の平均残留オーステナイト量を６体積％以下とするために、浸炭窒化焼入れが施された後に２３０℃以上３８０℃以下で焼戻しを行う熱処理（寸法安定化処理）を施している。

次に、この玉軸受１の作用・効果について説明する。
ここで、高温下においては残留オーステナイトの分解に起因する寸法変化（膨張）が生じる。しかし、仮に内輪または外輪のみに寸法変化を抑制する処理を施しても、逆に内輪２と玉４間、および外輪３と玉４間の隙間のバランスが崩れてしまうと、かえって隙間詰まりが生じてしまい、短寿命となる可能性がある。

そこで、この玉軸受１は、その平均残留オーステナイト量を６体積％以下、硬さをＨＲＣ５７以上とし、さらに、その表面に形成されたＳｉ−Ｍｎ系炭窒化物の面積率を１．０％以上とする所定の寸法安定化処理を、玉４に対して施しており、これにより、内輪２と玉４間、および外輪３と玉４間の隙間をバランス良く振り分けられるようにしている。そして、この玉４に対して施した、平均残留オーステナイト量の合計が６体積％以下とする所定の寸法安定化処理によって、残留オーステナイトの分解に起因する寸法変化が抑えられるので、隙間詰まりを抑制することができる。したがって、自動車のエンジンルーム内において高温環境下で使用されても、寸法変化が生じにくく長寿命とすることができる。

さらに、この玉軸受１によれば、玉４は、ＳＵＪ３で構成され、浸炭窒化焼入れが施された後に２３０℃以上３８０℃以下で焼戻しが施されて得られているので、比較的に安価なＳＵＪ３に浸炭窒化を施すことにより、転動体表面にＳｉ−Ｍｎ系炭窒化物を形成することができる。そのため、このＳｉ−Ｍｎ系炭窒化物の作用によって内輪と転動体間、あるいは外輪と転動体間の摩擦係数を低減できる。したがって、摩擦に伴う発熱を低減することができ、長寿命とする上で一層好適である。

なお、本発明に係る転がり軸受は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しなければ種々の変形が可能である。
例えば、本実施形態においては、転がり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、本発明の転がり軸受は、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。さらに、本実施形態において転動体は２列の玉であったが、単列でもよいし３列以上でもよい。また、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。また、転動体の形状も玉に限らず、例えばローラであってもよい。

また、内輪２，外輪３，玉４の材質についても特に限定されるものではなく、ＳＵＪ２ないしＳＵＪ３の他、種々の鋼材を使用することが可能である。しかし、玉４を比較的に安価に製造し、その表面にＳｉ−Ｍｎ系炭窒化物を形成して、このＳｉ−Ｍｎ系炭窒化物の作用によって内輪２と玉４間、あるいは外輪３と玉４間の摩擦係数を低減し、摩擦に伴う発熱を低減することで長寿命とする上では、玉４が、ＳＵＪ３で構成されていることは好ましい。

さらに、保持器５についても特に限定されるものではないが、樹脂材料製が好ましい。また、樹脂材料の種類も特に限定されるものではないが、いわゆるスーパーエンジニアリングプラスチックが好ましい。また、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、汎用エンジニアリングプラスチックの場合は、ガラス繊維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、耐熱性および寸法安定性が向上する。なお、ガラス繊維とともに、炭素繊維や各種ウィスカーを用いても差し支えない。保持器の素材をこれら樹脂材料とすれば、玉軸受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上で好適である。また、玉軸受１は断続的に不均一な荷重を受けるが、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、保持器の種類についても限定されるものではないが、冠形保持器が最も好ましい。

さらに、組み込む転動体の数についても特に限定されないが、例えば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。

〔実施例〕
以下、本発明の実施例を示してより具体的に説明する。
呼び番号６２０６の深溝玉軸受を、以下のようにして製造し、本発明の実施例１〜６、および比較例１〜５用として１１種類の深溝玉軸受を用意した。まず、内輪２および外輪３は、いずれも共通とし、ＳＵＪ２製の素材を用いて所定形状に加工し、その後、８４０℃〜８６０℃で０．５〜１時間加熱した後に焼入を施し、さらに１６０℃〜１８０℃で１〜２時間の焼戻しを施すことによって同様に製作した。

一方、玉４は、ＳＵＪ２あるいはＳＵＪ３製の素材を所定形状に成形し、浸炭窒化焼入れを施した後に、１８０℃以上４００℃以下で焼戻しを施すことによって製作した（なお、比較例については表１に示す条件で製作した）。そして、得られた内輪２，外輪３，および玉４を組み立てて深溝玉軸受（呼び番号６２０６）とし、これを用いてその内部に潤滑剤を供給しながら下記のような条件で回転させ、寿命を測定した。
荷重：Ｐ／Ｃ（Ｐ：動等価荷重、Ｃ：基本動定格荷重）＝０．４６
回転速度：３０００ｍｉｎ^−１
潤滑剤：ＩＳＯ粘度グレードがＩＳＯＶＧ６８であるオイル
雰囲気温度：１３０℃

用意した深溝玉軸受を、本発明の実施例１〜６、および比較例１〜５として表１に示す。また、表１に、各深溝玉軸受の玉４それぞれについて、玉４の鋼種、玉４に施した熱処理条件、焼戻し温度、品質（硬さ、平均残留オーステナイト量、表面に形成されたＳｉ−Ｍｎ系炭窒化物の面積率）、および寿命試験の結果を併せて示す。なお、表１における寿命の数値は、比較例１の軸受の寿命を１とした場合の相対値で示してある。

表１において、実施例１〜実施例６は、比較例１と比べて、２．５倍以上の寿命であり、いずれも長寿命であった。これら実施例１〜６は、いずれも転動体の平均残留オーステナイト量が６体積％以下であり、また、硬さがＨＲＣ５７以上となっており、さらに、その表面に形成されたＳｉ−Ｍｎ系炭窒化物の面積率が１．０％以上である。
このことから、高温環境下においては残留オーステナイトの分解に起因する寸法変化（膨張）が生じるが、転動体の平均残留オーステナイト量が６体積％以下であると寸法変化が生じにくくなり、これにより隙間詰まりが抑制され、内輪と転動体間、あるいは外輪と転動体間の摩擦係数を低減できるため、摩擦に伴う発熱を低減することができ、長寿命になったと考えられる。

これに対し、表１において、比較例２は、転動体の平均残留オーステナイト量が３．５体積％に低減されているため、上記実施例同様、転動体の寸法変化が生じにくくなり、これにより隙間詰まりが抑制され、１．８倍の寿命が得られていると考えられるが、素材がＳＵＪ２であり、転動体表面のＳｉ−Ｍｎ系炭窒化物が、面積率で０．２％と僅かしか得られなかったため、上記実施例１〜６と比較して短寿命であったと考えられる。

また、比較例３は、転動体の平均残留オーステナイト量が多く、隙間詰まりが生じたために短寿命（寿命比１．２）であったと考えられる。また、比較例４は、硬さがＨＲＣ５６となっており、硬さが低かったために短寿命（寿命比１．１）であったと考えられる。また、比較例５は、転動体の平均残留オーステナイト量が０．５体積％に抑えられてはいるものの、転動体表面のＳｉ−Ｍｎ系炭窒化物が面積率で０．７％と僅かしか得られなかったため、実施例１〜６と比較して、僅かに短寿命（寿命比２．２）であったと考えられる。
以上の寿命試験の結果から、転がり軸受の転動体を、ＳＵＪ３を用いて浸炭窒化を施し、その平均残留オーステナイト量を６体積％以下、硬さをＨＲＣ５７以上、その表面に形成されたＳｉ−Ｍｎ系炭窒化物の面積率を１．０％以上とすることによって、１３０℃程度の高温環境下で使用された場合であっても、長寿命にできることがわかる。

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。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保持器の断面図である。

符号の説明

１玉軸受（転がり軸受）
２内輪
３外輪
４玉（転動体）
５保持器
６止め輪
１１クランク軸
１２リングギヤ

Claims

内輪、外輪、およびこれら内輪と外輪の間に転動自在に配された複数の転動体を備え、自動車のエンジンルーム内で使用される転がり軸受であって、
前記転動体は、その平均残留オーステナイト量が６体積％以下、硬さがＨＲＣ５７以上となっており、さらに、その表面に形成されたＳｉ−Ｍｎ系炭窒化物の面積率が１．０％以上であることを特徴とする転がり軸受。
前記転動体は、日本工業規格に規定されたＳＵＪ３で構成されているとともに、浸炭窒化焼入れが施された後に２３０℃以上３８０℃以下で焼戻しが施されていることを特徴とする請求項１に記載の転がり軸受。