JP2014185769A

JP2014185769A - スラスト玉軸受

Info

Publication number: JP2014185769A
Application number: JP2013063931A
Authority: JP
Inventors: Kazuo Akagami; 和夫赤上; Hiroshi Sakamoto; 洋坂本; Toshiyoshi Kaku; 俊嘉郭
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2013-02-20
Filing date: 2013-03-26
Publication date: 2014-10-02

Abstract

【課題】レースの耐摩耗性を向上することができるスラスト玉軸受を提供する。
【解決手段】一対のレースと、複数の玉と、保持器とを備え、一対のレースの少なくとも一方に、玉と接する転動溝が少なくとも１つ設けられ、転動溝の半径は、玉の直径の６０％以上に設定され、転動溝の深さは、６０μｍ以下に設定され、一対のレース及び複数の玉の少なくとも一方が、Ｓｉ含有率が０．３質量％以上２．２質量％以下で、Ｍｎ含有率が０．３５質量％以上２．０質量％以下であるとともに、ＳｉとＭｎとの含有率の質量比（Ｓｉ／Ｍｎ）が５以下で、Ｃ含有率が０．３質量％以上１．２質量％以下で、Ｃｒ含有率が０．５質量％以上２．０質量％以下で、残部がＦｅ及び不可避不純物からなる鋼材を採用することを特徴とするスラスト玉軸受。
【選択図】図２

Description

本発明は、スラスト玉軸受に関し、より詳細には、冷凍冷蔵庫やエアコンなどの密封型のコンプレッサに使用されるスラスト玉軸受に関する。

冷凍冷蔵庫やエアコンなどの密封型のコンプレッサは、近年の環境対応にも応えるべく騒音の防止や、消費電力の低減化など高い効率化が求められている。その対策の一環として、コンプレッサのシャフトを回転自在に支承する部分に、スラスト玉軸受が使用される。この部分にスラスト玉軸受が使用されることにより、回転特性が向上してコンプレッサの効率が向上する。

従来のスラスト玉軸受としては、複数の玉をレースの周方向に複列に千鳥配置して高剛性とし軸受の長寿命化を図るものが知られている（例えば、特許文献１参照）。また、スラスト玉軸受の一対のレースのうち一方において、転動面側の面を外周に向かって傾斜させ、これにより、一対のレースの着座面に若干の傾きが生じても玉の片当たりを緩和して、低騒音、高効率を図るものが知られている（例えば、特許文献２参照）。また、玉１個の重量をｍ［ｇ］、玉の数をＺ［個］、玉の転動径をｄ［ｍｍ］、シャフトの最高回転数をｎ［ｒ／ｓ］、スラスト玉軸受に掛かる重力方向の荷重をＦａ［Ｎ］として、これらの値がＦａ＞２．０×１０^−３・ｍ・Ｚ・ｄ・ｎの関係式を満たすことにより、玉の滑りを低減して摩耗を防ぐものが知られている（例えば、特許文献３参照）。

特開平０８−３２００１８号公報特開２００８−０３８６９１号公報特開２００８−１２１６２８号公報

しかしながら、上記特許文献１〜３に記載のスラスト玉軸受では、上下レースの転動面がフラット形状であるため、上下レースに転動溝を有するスラスト玉軸受と比較して摩耗が発生しやすかった。また、スラスト玉軸受が冷凍冷蔵庫に内蔵されるコンプレッサに使用される場合、スラスト玉軸受にかかる荷重はシャフト及び回転子のみで２ｋｇ程度であるが、上述したように、上下レースの転動面がフラット形状であるため、接触面積が小さく、高面圧環境となる。さらに、軸受内部の潤滑油に冷媒が混入して、低粘度環境下での運転となるため、油膜が薄くなり、金属接触を起こして、摩耗が発生してしまう可能性が高かった。また、外部使用環境により、異物がレースや転動体間に混入し、異物による早期剥離が生じて、大幅に寿命が低下する場合も想定された。

本発明は、前述の事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、冷媒などの混入により潤滑油の油膜が薄くなり、金属接触が起こる環境下、及び異物混入が起こる環境下で使用されたとしても、レースの耐摩耗性を向上することができるスラスト玉軸受を提供することにある。

本発明の上記目的は、下記の構成により達成される。
（１）円環状に形成され、互いに軸方向で離間して平行配置される一対のレースと、一対のレース間に転動自在に配置される複数の玉と、一対のレース間に配置され、複数の玉を略等間隔に保持する保持器と、を備えるスラスト玉軸受であって、
一対のレースの少なくとも一方に、玉と接する転動溝が少なくとも１つ設けられ、前記転動溝の半径は、前記玉の直径の６０％以上に設定され、前記転動溝の深さは、６０μｍ以下に設定され、
一対のレース及び複数の玉の少なくとも一方が、Ｓｉ含有率が０．３質量％以上２．２質量％以下で、Ｍｎ含有率が０．３５質量％以上２．０質量％以下であるとともに、ＳｉとＭｎとの含有率の質量比（Ｓｉ／Ｍｎ）が５以下で、Ｃ含有率が０．３質量％以上１．２質量％以下で、Ｃｒ含有率が０．５質量％以上２．０質量％以下で、残部がＦｅ及び不可避不純物からなる鋼材を採用することを特徴とする。
（２）鋼材を所定形状に加工した後に、浸炭窒化又は窒化を含む熱処理が施されて得られ、前記鋼材を採用した前記レース若しくは前記玉において、転動面のＳｉ及びＭｎを含む窒化物の存在率は、面積比で１．０％以上７．５５％以下であるとともに、前記転動面をなす表層部のＮ含有率は、０．２質量％以上であることを特徴とする。
（３）レースの転動面をなす表層部の残留オーステナイト量をγＲ_ＡＢとし、前記玉の転動面をなす表層部の残留オーステナイト量をγＲ_Ｃとした時に、０≦γＲ_ＡＢ及び０≦γＲ_Ｃ≦５０を満たすとともに、γＲ_ＡＢ−１５≦γＲ_Ｃ≦γＲ_ＡＢ＋１５を満たすことを特徴とする。
（４）双方のレースは高炭素クロム鋼、炭素工具鋼、セラミックの中のいずれか一つからなることを特徴とする。
（５）転動溝は、レースがプレス加工されるときに同時に形成されることを特徴とする。
（６）本発明のスラスト玉軸受は、冷凍冷蔵庫又はエアコンに内蔵されるコンプレッサに使用されることを特徴とする。

本発明のスラスト玉軸受は、少なくとも一方のレースに所定な深さの転動溝を有するものであり、玉の転動位置が転動溝によって規制される為、玉に案内される保持器がシャフトに接触することを抑制できる。
更に、一対のレース及び／若しくは複数の玉は、所定な材質を採用することで、その耐摩耗性を向上することができるとともに、転動面同士の、油膜不足を起因とした金属摩耗や、異物の混入による早期剥離も抑制できる。これにより、スラスト玉軸受の長寿命化を図ることができるので、コンプレッサの信頼性を向上することができる。

本発明に係るスラスト玉軸受の一実施形態が使用されたコンプレッサを説明する断面図である。図１に示すスラスト玉軸受を説明する拡大断面図である。従来のスラスト玉軸受を説明する拡大断面図である。

以下、本発明に係るスラスト玉軸受の一実施形態が使用されたコンプレッサについて、図面に基づいて詳細に説明する。

本実施形態のコンプレッサ１０は、図１に示すように、密閉容器１１を有し、その内部に駆動系などが配置される構造である。密閉容器１１の内部には、固定子１２及び回転子１３を有する回転駆動部１４、回転駆動部１４の動作により圧縮又は膨張する冷媒（例えば、冷媒ガスなど）などが設けられている。なお、コンプレッサ１０は、冷凍冷蔵庫やエアコンなどに内蔵されている。

回転子１３は、圧入により一体化された状態でシャフト１５に連結される。シャフト１５は、回転子１３が固定される主軸部１６と、主軸部１６の上端部に形成される鍔部１７と、鍔部１７の上面に形成され、主軸部１６に対し偏心して配置される偏心軸部１８と、を有する。

シャフト１５の上部片側位置には、シリンダブロック２０が設けられる。シリンダブロック２０は、略円筒形の圧縮室２１を有する。この圧縮室２１にピストン２２が往復自在に嵌挿される。また、ピストン２２は、偏心軸部１８との間を連結部材２３により連結されている。

そして、シャフト１５の主軸部１６は、主軸受１９に対して上下方向に沿って挿通されている。また、シャフト１５の鍔部１７の下面と主軸受１９の上面との間にはスラスト玉軸受３０が配置されている。これらにより、シャフト１５が回転自在に支承されると共に、シャフト１５と回転子１３の重力方向の荷重（自重）が支持される。

スラスト玉軸受３０は、図２に示すように、円環状に形成され、互いに軸方向で離間して平行配置される上下一対の上下レース３１，３２と、上下レース３１，３２間に転動自在に配置される複数の玉３３と、上下レース３１，３２間に配置され、複数の玉３３を略等間隔に保持する保持器３４と、を備え、主軸部１６に遊嵌されている。なお、本実施形態では、潤滑成分が混合された冷媒が、上下レース３１，３２間の軸受空間を循環経路としている。

上下レース３１，３２は、円環状の平板でそれぞれ形成されており、上下レース３１，３２の玉３３と接する面には、転動溝３１ａ，３２ａがそれぞれ形成されている。そして、この転動溝３１ａ，３２ａの半径（曲率）Ｒは玉の直径Ｄの６０％以上に設定されると共に、転動溝３１ａ，３２ａの深さＨは６０μｍ以下に設定されている。また、転動溝３１ａ，３２ａは、上下レース３１，３２がプレス加工されるときに同時に形成される。

以上説明したように、本実施形態のスラスト玉軸受３０によれば、上下レース３１，３２に、玉３３と接する転動溝３１ａ，３２ａがそれぞれ設けられ、転動溝３１ａ，３２ａの半径Ｒが玉３３の直径Ｄの６０％以上に設定され、転動溝３１ａ，３２ａの深さＨが６０μｍ以下に設定されるため、玉３３の転動位置が転動溝３１ａ，３２ａによって規制され、玉３３に案内される保持器３４がシャフト１５に接触するのを防止することができる。これにより、玉３３とレース３１，３２との間の滑りを防止して、レース３１，３２の摩耗を防止することができるので、スラスト玉軸受３０の長寿命化を図ることができる。

そして、本実施形態では、上下レース３１，３２、複数の玉３３のいずれも、Ｓｉ含有率が０．３質量％以上２．２質量％以下で、Ｍｎ含有率が０．３５質量％以上２．０質量％以下であるとともに、ＳｉとＭｎとの含有率の質量比（Ｓｉ／Ｍｎ）が５以下で、Ｃ含有率が０．３質量％以上１．２質量％以下で、Ｃｒ含有率が０．５質量％以上２．０質量％以下で、残部がＦｅ及び不可避不純物からなる鋼材を素材として採用する。

また、上述の組成を有する鋼材は、所定形状に加工した後に、浸炭窒化又は窒化を含む熱処理が施されることが好ましい。これにより、上記鋼材を採用したレースと玉の転動面は、そのＳｉ及びＭｎを含む窒化物の存在率が、面積比で１．０％以上７．５５％以下であるとともに、転動面をなす表層部のＮ含有率が、０．２質量％以上であることが好ましい。更に、転動面をなす表層部の残留オーステナイト量をγＲ_ＡＢとし、転動面をなす表層部の残留オーステナイト量をγＲ_Ｃとした時に、０≦γＲ_ＡＢ及び０≦γＲ_Ｃ≦５０を満たすとともに、γＲ_ＡＢ−１５≦γＲ_Ｃ≦γＲ_ＡＢ＋１５を満たすことが好ましい。

なお、コストを考慮すると、複数の玉３３だけは上記の鋼材を使用し、上下レース３１，３２を軸受鋼等の一般的な素材を使用することができる。

また、使用条件により、上下レース３１，３２は、炭素工具鋼、高炭素クロム鋼、若しくはセラミックも使用することもできる。高炭素クロム鋼に関しては、異物混入と耐摩耗性向上の観点から、ＳＵＪ３や、浸炭窒化処理を施したＳＵＪ２、クロムマンガン添加鋼（内輪３１及び外輪３２を、Ｃ：０．１〜０．６質量％、Ｓｉ：０．１〜１．０質量％、Ｍｎ：０．２〜２．０質量％、Ｃｒ：０．２〜２．０質量％を含み、残部がＦｅ及び不可避不純物からなる鋼材）、若しくは内輪３１及び外輪３２をＣ：０．１〜０．６質量％、Ｓｉ：０．１〜２．０質量％、Ｍｎ：０．１〜２．０質量％、Ｃｒ：０．１〜２．０質量％、Ｍｏ：０．１〜２．０質量％を含み、残部がＦｅ及び不可避不純物からなる鋼材を選定することができる。なお、セラミックに関して、異物混入防止と耐摩耗性向上の観点から、炭化物系セラミックのタングステンカ−バイト、酸化物系のアルミナ、窒化物系の窒化ケイ素を選定することができる。

（実施例及び参考例、比較例）
まず、高炭素クロム軸受鋼三種（ＳＵＪ３）からなる素材に旋削加工を施して所定形状に加工した。次に、これに、混合ガス（Ｒｘガス＋プロパンガス＋アンモニアガス）を導入した炉内において８２０〜９００℃で２〜１０時間加熱保持することによる浸炭窒化と、油焼入れと、１６０〜２７０℃で２時間加熱保持することによる焼戻しとを施した。次に、これに研磨及びラッピングによる鏡面仕上げ加工を施すことにより、試験体を作製した。

なお、ＳＵＪ３からなる素材は、Ｃ含有率が１．０１質量％で、Ｓｉ含有率が０．５６質量％で、Ｍｎ含有率が１．１０質量％で、Ｃｒ含有率が１．１０質量％の鋼である。このとき、浸炭窒化の条件を変えることにより、表１に
示すように、熱処理後における試験体の表面をなす表層部のＮ含有率を調節した。なお、得られた試験体において、表層部の硬さはＨｖ７５０〜８２０とし、表層部の残留オーステナイト量は２０〜３０体積％とした。

上述のように試験体を材料として実施例と参考例の玉を作製する。これに対して、比較例１の玉は炭素工具鋼ＳＫ８５製のものである。

なお、実施例、参考例及び比較例のスラスト軸受は、いずれもレースの内径が１７ｍｍ、外径が２９ｍｍ、幅が１ｍｍで、直径３．１７５ｍｍの玉（１２個）、ポリアミド６６製の保持器を有するものであり、一対のレースが炭素工具鋼ＳＫ８５製で作製される。次に実施例と比較例の軸受の耐久試験について説明する。

（耐久試験）
試験軸受を下記条件にて回転させ、耐摩耗性能及び耐焼付性能を評価した。
・回転数：３５００ｒｐｍ
・温度：常温
・荷重：１．０ｋｇ（２箇所）、２．５ｋｇ（２箇所）
・潤滑油：タービン油（ＶＧ１０ＤＴＥ）を希釈液（白灯油（ケロシン））にて濃度５０％に希釈；希釈することにより潤滑の厳しい条件を再現。
・時間：１００時間

結果を表１に示すが、１００時間回転後も摩耗や焼付きが発生しない場合を「発生無し」、回転に不具合を生じるレベルの摩耗や焼付きが見られる場合を「発生有り」とした。また、１３０時間回転後も摩耗や焼付きが発生しない場合を「耐久性良い」とした。表１から、参考例の玉軸受は１００時間経過後に摩耗や焼付きが発生しないが、本発明の玉軸受はさらに良い耐久性があることを確認できた。

本実施形態のスラスト玉軸受３０によれば、冷媒などの混入により潤滑油の油膜が薄くなり、金属接触が起こる環境下で使用されたとしても、上下レース３１，３２の耐摩耗性を向上することができる。これにより、スラスト玉軸受３０の長寿命化を図ることができるので、コンプレッサ１０の信頼性を向上することができる。

また、本実施形態のスラスト玉軸受３０によれば、転動溝３１ａ，３２ａは、レース３１，３２がプレス加工されるときに同時に形成されるため、製造コストの上昇を抑制することができる。

なお、本発明は、上記実施形態に例示したものに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。例えば、上記実施形態では、転動溝が一列である場合を例示したが、これに限定されず、軌道溝は二列以上の複列であってもよい。また、上記実施形態では、上下レースの両方に転動溝が形成される場合を例示したが、これに限定されず、上下レースの一方のみに転動溝が形成されていてもよい。

１０コンプレッサ
３０スラスト玉軸受
３１上レース
３１ａ転動溝
３２下レース
３２ａ転動溝
３３玉
３４保持器
Ｒ転動溝の半径
Ｈ転動溝の深さ
Ｄ玉の直径

Claims

円環状に形成され、互いに軸方向で離間して平行配置される一対のレースと、前記一対のレース間に転動自在に配置される複数の玉と、前記一対のレース間に配置され、前記複数の玉を略等間隔に保持する保持器と、を備えるスラスト玉軸受であって、
前記一対のレースの少なくとも一方に、前記玉と接する転動溝が少なくとも１つ設けられ、前記転動溝の半径は、前記玉の直径の６０％以上に設定され、前記転動溝の深さは、６０μｍ以下に設定され、
前記一対のレース及び前記複数の玉の少なくとも一方が、Ｓｉ含有率が０．３質量％以上２．２質量％以下で、Ｍｎ含有率が０．３５質量％以上２．０質量％以下であるとともに、ＳｉとＭｎとの含有率の質量比（Ｓｉ／Ｍｎ）が５以下で、Ｃ含有率が０．３質量％以上１．２質量％以下で、Ｃｒ含有率が０．５質量％以上２．０質量％以下で、残部がＦｅ及び不可避不純物からなる鋼材を採用することを特徴とするスラスト玉軸受。
前記鋼材を所定形状に加工した後に、浸炭窒化又は窒化を含む熱処理が施されて得られ、前記鋼材を採用した前記レース若しくは前記玉において、その転動面のＳｉ及びＭｎを含む窒化物の存在率は、面積比で１．０％以上７．５５％以下であるとともに、前記転動面をなす表層部のＮ含有率は、０．２質量％以上であることを特徴とする請求項１のスラスト玉軸受。
前記レースの転動面をなす表層部の残留オーステナイト量をγＲ_ＡＢとし、前記玉の転動面をなす表層部の残留オーステナイト量をγＲ_Ｃとした時に、０≦γＲ_ＡＢ及び０≦γＲ_Ｃ≦５０を満たすとともに、γＲ_ＡＢ−１５≦γＲ_Ｃ≦γＲ_ＡＢ＋１５を満たすことを特徴とする請求項１又は２のスラスト玉軸受。
双方の前記レースは高炭素クロム鋼、炭素工具鋼、セラミックの中のいずれか一つからなることを特徴とする請求項１に記載のスラスト玉軸受。
前記転動溝は、前記レースがプレス加工されるときに同時に形成されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のスラスト玉軸受。
冷凍冷蔵庫又はエアコンに内蔵されるコンプレッサに使用されることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のスラスト玉軸受。