JP2013019532A - 両円すいころを用いたころがり旋回継手 - Google Patents

Abstract

【課題】 旋回継手から、スベリ摩擦の成分を完全にゼロにして、背圧導入を無くし、オルダムの伝達の変動を無くし、シム選定を容易にして渦巻き先端のチップシール、そのバックアップばねへの依存を無くして、起動時の貧潤滑にも対応する手段を安価に得る。
【解決手段】線材にＶ溝を転造成型してＨＲＣ６５に硬化した棒のＶ溝を真円度１ミクロン以下に研削し、棒から切り離すと両円すい体になる。これを安価な厚さ不同２ミクロン以下の、硬さがＨｖ７５０のミガキ圧延鋼板製ワッシャに並べて、相互差２ミクロン以下を得る。それを樹脂フイルムで固定して組み付ける。ワッシャ上の繰り返し負荷位置を移動させて延命。ころがり接触でのみ出来る厚さが０．０００３ｍｍの弾性流体潤滑油膜で、貧潤滑での摩耗課題を一掃。
【選択図】図１

Description

スクロール式の圧縮機及び膨張機のカップリングに関する。

空調用冷媒は、地球温暖化対策でＲ１３４ａから温暖化係数の低い自然冷媒の二酸化炭素、炭化水素、新合成冷媒ＨＦＯ１２３４ｙｆなどに変更されつつある。同時に車両の圧縮機は電動化並びに、高圧で小型化、高効率、静寂化と、一層の省エネが求められる。その対応に好適とされる、スクロール式は、一対の渦巻き体を向き合わせて、自転せずに旋回すると、冷媒を外側から吸い込み中心に向け緩やかに圧縮する、脈動が少なく簡素な構成を特徴とする。これを二酸化炭素冷媒に用いると、渦巻き側面には、１０ＭＰ以上の内圧を支える、自転させずに旋回駆動する旋回カップリングを要する。それは１トンもの偶力スラストを支え、渦巻きの先端をスキマも摩擦もゼロで摺接させて、高い機械効率でもって密封性を担保するメカニカルシールのバックアップ部材であり、少なくとも２０年以上、高速で圧縮動力を伝える耐久を要する。当然スラスト受け部は高い精度、と剛性、と低摩擦で摩耗ゼロ、が求められる。

因みに公開誌Ｍｉｔｓｕｂｉｓｈｉ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ ＡＤＶＡＮＣＥ Ｄｅｃｅｍｂｅｒ ２００７ １９Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ｒｅｐｏｒｔ によれば、当部位に背圧を印加して発生スラストと相殺させる方式のオルダム継手の場合、軸受け部位と渦巻き先端の摺動摩擦だけで圧縮損失の、３０％を占めるとされる。その理由は、軸受周辺が高負荷による変形片当り、温度変動での寸法の膨張収縮、旋回直径がψ５〜６ｍｍと小いため油の流体膜の形成力不足である。当該軸受（継手）の課題は、如何なる条件下でも、永続して渦巻きの先端のスキマがゼロ、摩擦がゼロで維持し、高剛性で安定した寸法精度、を保つ、ことであって、この１０年間に当部位では、軸受部のほか、自転阻止機構、渦巻き先端のチップシールの摩耗、摩擦、材質、バックアップスプリングを含め、２０００件を越えるおびただしい数の対策案が出願されている。

その主な例に、特開２０１０−１７４９０２の、軸受面に背圧を印加してスラスト荷重を相殺させ、接触面には、油溝又は、浮き島と称する突起を多数配列して、これにダイヤモンドライクカーボンの硬化皮膜を施す、と言った手段である。近時のアイドルストップによる繰り返し起動時の貧潤も加わると、従来の油膜に依存した手段では、過酷過ぎて到底成立しない。その上、自転阻止機構が、オルダムキーの往復摺接、及び特開２０１０−１７４９０２の旋回側と固定側を圧入固定したピンをリングで連結してトルクを伝達する方式では、１回転内に伝達加速度に不連続がありその不等速性とバックラッシュで、衝撃と振動を発し、静寂な運転環境には適さない。その上特開２０１１−１２７４６２、の如く、渦巻き先端のチップシールの摺動摩擦、摩耗、発熱変形の対策も必要となる。

これに対して、コロガリ接触になると、潤滑形態が全く違い、接点に３ＧＰａの超高圧で油が閉じ込められて弾性固化し、その厚さは、０．０００３ｍｍの強固なパッドで、これで金属接触を防ぐ、通称弾性流体潤滑（ＥＨＬ）に浮上するするもので、少量の潤滑で済み、摩耗は実質ゼロに等しい。接点のヘルツ弾性変形量も、面圧が３．５ＧＰａで０．００１ｍｍ以下であって、摩擦係数も通常μ＝０．００５で、スベリ接触の０．０５の十分の一で、しかも、２０００年以降の公開の学術誌では、接触面圧が、２．５ＧＰａ以下であれば、疲労剥離寿命は永久とされる。

以上を背景に、図８、示すところの、可塑性（例えば粘土）の真球のボールを、平板で向きを変えずに押さえながら旋回すると、ボールに存在した全てのスベリの要素が除去されて、右端に示す究極の純コロガリの、両円すいころ、に到る。（以降転動体、または単に、ころ、と称する）これを丸いポケット枠に入れて旋回すると、内壁とトロコイドを描いて滑らかに転がって旋回する。つまり高効率のころがり、キーで、且つ等速性のトルクカップリング、になる。その摩擦係数、μは、図８で実証の通り、実測値でμ＝０．０００３、以下に達する（スベリ軸受の場合μ＝０．０６）しかも、転動する相手は、単純な平坦なワッシャで済むので線接触による高い精度と剛性が得られ、負荷耐性が飛躍的に向上する。その上、スベリ成分が全く存在しないので、極度の貧潤滑にも耐え、摩耗も無く、剛性が高く寸法が安定することから、前述の三つの複合機能を充足する。これには当出願人の、特開平７−１１９７４１、及び特許３６３２１９５号、特開２０００−２４９１３９、特開２０１０−２６６０５７、がある。

特開平７−１１９７４１、ころ軸受両円錐ころ実施例（当出願人による） 特許３６３２１９５号、ころ軸受」同非分離化ユニット（当出願人） 特開２０００−２４９１３９上記の非分離の旋回連結ピンを、連結ピンと案内ピンとに分けた発明。 特開２０１０−２６６０５７（図９）：棒材にＶ溝を転造成型し、円錐ころの頂点先端に突起を設けた実施。（当出願人による） 特開２０１０−１７４９０２浮き島にダイアモンドライクカーボン皮膜 特開２０１１−１２７４６２チップシールの摺動摩擦、摩耗、中心部ほど高温での変形の対策。

前記両円錐ころを用いた前記特許３６３２１９５、特開２０００−２４９１３９を、ＣＯ２冷媒で使用する場合、ポンプの容積が小さくなり、渦巻きの外径寸法も小さくなる。そのため軸受の外径が制約され、ころの組み付け面積は狭い。更に運転時には、無用の長物と化す片面に３対の連結ピン、リベットに面積を取られ、その上コストもかかる。しかも前記出願ではＳＵＪ−２材使用のＨＲＣ６５の転動体が、軌道ワッシャの一点で永久に高面圧で繰り返し旋回するので、ワッシャが先に摩耗する。

次に、従来の組み付けは、図２の如く、旋回側と固定側の二つの部材をクランクベアリングの軸と外輪（符号２３、２４）、を嵌合する、その際にオルダムキー又は、ピンとリングを挟む（図２では、両円錐ころ１のユニットが入る位置）。ところが前記特許３６３２１９５号では、非分離のため、ユニットを予め旋回側か固定側の何れかにボルト等で固定しておき、もう片側をユニットの上に重ねるだけで、トルク伝達可能なバックラッシュの無い、キー又は凹凸の高精度でコスト高の嵌合部品を要する。
更に、両円すいころは、史上実績がないため、コストが高い。

前記特許３６３２１９５を分離可能とし、軌道輪と旋回ガイド部材ところのユニットを予め旋回側又は固定側の何れかに装着しておき、前記オルダムキーを中心に両側から合わせのと同じの、ころを挟むだけ、とする。ところが当該ころは、図３、の符号４３、のように外周が９０°の鋭角で尖ってい輪２３とを嵌合する際に、転動体１、のエッジ４３、が相手側の旋回ガイド穴の角部２７、とが全く触れなくする。そのためころの姿勢を高精度に揃えて保持する。また、軌道輪の転動負荷位置を満遍なく移動し早期剥離を防ぐ。

請求項１、について説明する。図４、の如く厚さが、０．１ミリのポリエチレンフィルム又は、０．１ミリ以下の鋼板に円形ポケット穴４５，４６、を転動体と同じ数だけ穿孔して、穴を重ねてずらすと、二つの円弧で囲まれた略楕円のポケット穴２５、が形成される。このポケット穴に、両円錐が連なった研削加工完了の棒材（図省略）の端から一個ずつ切り離して、順次図４、の窓２５、全てに挿入し、次に該楕円穴がせまく成る側に（図４、では５、を右に）寄せると、ころを挟むことができる。因みに前記ポリエチレンフィルムの穴でころを挟む力は最大４００ｇｆに達する。挟み終えたら二枚のフィルムが戻らぬにように図１、の薄板４、の外周窓３６、から、内側の薄板５、の外周に設けた舌部３４、３５、を露出させ、フック３７、に掛けて止める。下からは、図２、の軌道輪３、をあてがい落下を防ぐ。ころの上部は図１、の符号１、のように前記楕円穴２５、からころの体積の１／３〜１／５を露出させておく。

請求項２、について説明する。
図３、の符号４，５、の２枚の薄板で挟まれた全ての転動体１、を僅かに倒し傾斜角度１５、を設けて図２、の６２、のように傾ける、図１に示すクランクベアリングをマッチングする際に、エッジ２７、と、ころの外周４３、とは触れずに済む。
マッチング（組み立て）後は、両円錐ころ１、は、図２、のように軌道輪３、６０、と旋回ガイド穴２、と５１、とで、四方向から拘束される。組み立て前に要した薄板４，５での拘束は不要となり、図１、の内側の保持板５、の舌部３４、３５、を下方に押してフック３７、から外して、図４、では５、を左にスライドさせてころから遠ざける。

又は、二枚のフィルムが凹凸の弾性スナップ又は軽い接着（何れも図省略）で留めてある場合は、運転によるころの自転の自力で略楕円穴が拡張され、干渉しない位置まで押しやられる。仮に干渉しても前記ポリエチレンフィルムは、極めて薄くて軽いので、運転の妨げには全くならない。ころの必要な挟持力は自重５グラムの２ｇを加味した程度で足り、ころ数が１０個であれば、保持板をスライドさせて解除する力は、ころの数倍の１００グラム程度で済む。

請求項３について、説明する。
図２、の如く外側保持板の内側の保持板４、の外周に舌部を設け、継手の内周又は外周（図２では外周）に設けた切り欠き溝１０、の溝底４０、を経由して軌道輪３、の裏側まで回り込み、折り曲げた先端６、で軌道輪３、を軽く抱き脱落を防ぐ。すると、軌道輪３、は案内部材に対して円周方向に変位可能で、偏心した旋回荷重に連れて微速度で変位し、図２、の負荷接点１４、はコンスタントにローテーションされる。その安価な製法は、後述の実施の形態で説明する。

従来の作動効率の低下の主要因の摺動摩擦損失（前記技報の全体の３０％）が、大幅に減る。更に転がり接触特有の高い剛性と極端に少ない必要給油量で摩耗も無く、背圧印加の油圧回路と複雑な制御も不要で、コンタミにも強く、旋回側と固定側の渦巻き先端の摺接部のクリアランスが０．０１ｍｍ付近に設定出来ることから、チップシールに特段の摺接圧を要せず、そのため中心付近の高温による変形もない。そのためエンジニアリングプラスティックのポリエーテル・エーテル・ケトン（ＰＥＥＫ）材など高級材を要せず、バックアップスプリングも不要になる。しかも市場ニーズのアイドルストップによる貧潤起動を繰り返してもカジリ焼き付きがない。軸受けの幅寸法のばらつきも、０．０１以下が安定して得られ、組み立て時のシム選定が容易で、組み立て方法は現行のオルダム継手と同一でよい。また棒状のころ素材の一定範囲内（一台分の長さ約６〜１２センチの範囲）の径寸法の誤差が、０．００２ｍｍ以下であれば、ころの相互差は自動的に０．００２ｍｍ以下が担保されるので、計算寿命と実寿命が一致する。因みに特開２００４−１８３８０４のボール継手では、ボールを支える軌道の凹凸誤差（反り）が０．０６ｍｍと特願に開示されて居る。これに対して、本発明では０．００２ｍｍ、であり、ボールに比べて精度は、１／３０になる。またＥＶ、ハイブリッド車両におけるモータ走行時に顕在化する、オルダムキー及びピン＆リング式継手の不等速伝達によるトルク変動、衝撃音は当両円すいころでは皆無になる。また、当手段によれば、圧延ミガキ鋼板の軌道輪のため、前記特許３６３２１９５号で要した厚板の、砥石研削で生じた疲れ寿命に有害な、ナノレベルの微細クラックが存在しないので、負荷点の移動と相まって、耐久１２００時間以上を安価に得る。

本発明の実施例外観略視図 当発明の実施例断面略視図 当発明の模式図 当発明のころの挟持実施例略視図。 当発明のころの保持形態実施例略視図 当発明のころの保持形態実施例略視図 特許３６３２１９５号 特開２０００−２４９１３９実施例断面図 両円すいころの根拠の解説模式図

請求項１の実施形態を説明する。
図４に実施の概要の断面を示す。図４の符号１、の両円錐ころは、軸受鋼ＳＵＪ−２の線材に深いＶ溝を転造で成型し、炉中に縦に吊るして加熱、冷却で曲がりを防ぎ、ＨＲＣ６５に硬化する。これをセンタレス研削盤を用い、砥石をロータリドレスで頂角が９０度の三角山に成型し、Ｖ溝をインフィードで研削して、相互差、真円度とも０．００１ｍｍ以下に揃える。この三角山が連鎖した長さが約３０ｃｍ（台当りの使用数２０個の長さ）の棒体を得る。この棒の端から切り離した順に、図４、の略楕円の穴２５、又は図５、のころ保持空間５７にセットする。すると軸受一個内のころの相互差は、軸受けの設計原則の０．００２ｍｍ、以下が自動的に揃う。

図４、の軌道輪３、と旋回案内部材９、は、圧延材のＳＫ−３、等をプレスで抜き、熱処理で、硬さＨＶ７５０に硬化し、プレステンパーで反り歪みを取り、バレル研磨を施す、又は、サブゼロで残留オーステナイトを５％以下に抑えて経時歪みを無くす。ガイド部材９、のガイド穴はプレスで抜いた後、０．１ｍｍの取りしろのシェービングで仕上げる。

かくしてころ１、は、図４、に示す４及び５、のポリエチレン薄板又は、厚さが０．１ｍｍの外側の薄板鋼板４、のポケット丸穴４５、と、内側の薄板５、の穴４６、の一部が３８の如くＶ字形に直線で構成されており、その二つの接点と、突起４１、５８、で四方向から固定される。更に、反対側を外側保持板４、のポケット内周２６、でもって挟持され、下部からは軌道輪３、及び、旋回ガイド部材９、の穴の内壁４２、の合計７方向から強固に拘束される。

更なる実施例に、図５、に示す薄い鋼板またはポリエチレンフィルム４７、のポケット穴の空間５７と、穴の縁から高さがころの１辺の長さの６０％程度の僅かに傾斜した支柱５４、を金型でプレス成型で立ち上げ、その先をＴ字型に広げ、Ｔ字の両先端を折り曲げて つめ５５、５６を成型し、図６、のように、該つめと支柱の５４、と軌道輪３、と旋回案内部材９、の案内円内壁４２、とで傾斜を与えて拘束する。図１のベアリング２３、２４をマッチング後は、図６、の突起５３、を持ち上げてフックを外し、保持部材４７の爪５５，５６、を、ころの旋回円の外に（図６では左方向に）スライドして排除する。ツメを外す力は前記の通り１００グラム程度で済む。つめ５５、５６、はころの自転力でも自然に外れ、て、ころの旋回円の外に排除されるので、図１、及び図６、の戻り止めフックは、図示以外に凹凸の弾性スナップ、ノックピン止め、切り欠きに爪を掛ける、軽い接着など（図省略）でも良い。

請求項２の実施形態を説明する。
図１、の両円錐ころ１、が露出した部分が、相手側と支障なく嵌合するためには、薄板内側部材５、でもって片方に（図４では右方向）寄せて、ころの反対側、図２、の符号５９の面を、両円錐の頂点の突起の根元部、図１、の１２、（特開２０１０−２６６０５の図９に形状開示と同じ形状）のくびれ部位を、図１、の外側保持板４、の穴の内径２６、に当接して受け止めて、図１、の符号１５、のように倒して保持する。そのためにはころの先端６１、の長さが必要で、前述の転造成型した棒からの切り落とす製法が奏功する。更に旋回側の案内部材のポケット穴２７のエッジをプレス時の抜きだれの丸面にする。またころの傾斜によって、ころの先端のくびれ１２、と、穴２６と、が係合し、ころの傾斜による逆勾配と図４、の円穴のＶ字部位直線部との接点、及びつめ４１、とで抜け止め効果が増す。これにより従来の特許３６３２１９５（当出願人による）特開平１０−１８４６７６、で要したピン、リベットが不要で、その分ころの収容数が（約３０％）増す。

請求項３の実施形態を説明する。
発明を実施するための形態で述べた通りで、繰り返し集中して負荷する接点が移動する上、超高圧の閉じ込め油膜の繰り返し負荷には有害とされる研削加工で残留するナノレベルのクラックが、当薄板の圧延ミガキ鋼板には存在しないため、厚さ１．０ｍｍの安価なプレスワッシャで足りる。

請求項１、の実施例を図１、にて説明する。
請求項２、の実施例を図１、図２、図５、図６、に説明する。
請求項３、の実施例を、図２、符号６、に示す。

二酸化炭素冷媒などのヒートポンプ、膨張機、の、高速、高圧のスクロール圧縮機の渦巻き先端の気密性を維持し、摺動摩擦を下げる、長寿命のコロガリ継手。

１ 両円すいころ、２ 旋回案内ポケット穴、３ 軌道輪、４ 保持板外側、５ 保持板内側、６ 軌道輪保持つめ、９ 旋回案内部材、１１ 固定側部材、１２ 両円すいのくびれ、１４ 軌道の旋回面、１５ 両円すいの傾斜保持角度、２１ 旋回側部材、２３ ２４ クランクベアリング、２５ 略だ円穴、２６ 外側保持板のころのストッパー、２７ 旋回案内ポケットＲ面、３４、３５ 舌部突起、３６ 舌部突起取り出し窓、３７ フック固定溝、３８ 保持板内側のポケット穴直線部、４０ 切り欠き溝底、４２ 旋回案内円内壁 ４１、５８ ころ止めのつめ、４３ ころの外周、４４ 旋回側の案内部材、４５ 保持板外側のポケット穴、４６ 内側保持板のポケット円穴、５３ 戻り止めフック、５１ 旋回側案内ポケット、５４ 支柱、５５、５６、ころを保持するつめ、５７ ころ収容空間、５９ ころの外周面、６０ 旋回側軌道輪、６１ ころの先端、６２ ころの傾斜角度、

Claims (3)

1. 両円すいころが、固定側と旋回側の円形のポケット穴に案内されて旋回する、旋回ローラー継手において、両円すいころの軌道輪と接する面が、保持板から露出するように保持された、両円すいころを用いたころがり旋回継手。
2. 請求項１の両円すいころ継手の、両円錐ころの頂点を結ぶ線と、軌道平面との成す角度が４５度以下に傾斜して固定されている、両円すいころを用いたころがり旋回継手。
3. 請求項１の両円すいころ継手の軌道輪が、旋回案内部材と、相対変位が可能に連結されていて、接点位置が、ころの旋回によって移動することを特徴とした、両円すいころを用いたころがり旋回継手。

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