JP2018040445A

JP2018040445A - シール付軸受

Info

Publication number: JP2018040445A
Application number: JP2016175612A
Authority: JP
Inventors: 克明佐々木; Katsuaki Sasaki; 智洋水貝; Tomohiro Mizugai; 貴裕和久田; Takahiro Wakuta
Original assignee: NTN Corp; NTN Toyo Bearing Co Ltd
Current assignee: NTN Corp
Priority date: 2016-09-08
Filing date: 2016-09-08
Publication date: 2018-03-15
Anticipated expiration: 2036-09-08
Also published as: EP3511588A4; US10570962B2; WO2018047820A1; CN109690101A; US20190219102A1; JP6789739B2; CN109690101B; EP3511588A1; EP3511588B1

Abstract

【課題】シールトルクが小さく、軸受温度が上昇しにくいシール付軸受を提供する。
【解決手段】シール部材７は、内輪２と流体潤滑状態で摺接する複数の突起１５が周方向に間隔をおいて設けられたゴム製のシールリップ１０を有し、各突起１５は、周方向に沿った断面が０．４ｍｍ以上、９．０ｍｍ未満の半径Ｒをもつ円弧状となる形状とされている。
【選択図】図３

Description

この発明は、内輪と外輪の間にシール部材が設けられたシール付軸受に関する。

一般に、自動車のトランスミッション、ディファレンシャルギヤ、等速ジョイント、プロペラシャフト、ターボチャージャ、ハブ等の回転部や、工作機械、風力発電機の回転部には、転がり軸受が使用される。転がり軸受は、内輪と、内輪の径方向外側に同軸に設けられた外輪と、内輪と外輪の間の環状空間内に設けられた複数の転動体とを有する。

自動車のトランスミッションやディファレンシャルギヤの転がり軸受は、潤滑油の環境下で使用される。この潤滑油には、ギヤの摩耗粉等の異物が混在することが多い。このギヤの摩耗粉等が軸受内部に侵入すると、軸受が早期破損する原因となる。

そこで、ギヤの摩耗粉等の異物が、軸受内部に侵入するのを防止するため、自動車のトランスミッションやディファレンシャルギヤ等の転がり軸受として、一般に、シール付軸受が使用される（特許文献１）。シール付軸受は、内輪と外輪の間に形成される環状空間の端部開口を塞ぐ環状のシール部材を有し、シール部材には、一般に内輪の外周に全周にわたって摺接するゴム製のシールリップが設けられている。

特開２００２−３２７７６１号公報

ところで、シール付軸受は、シール部材のシールリップが内輪に摺接しているので、内輪と外輪が相対回転するとき、シールリップの摺接による回転抵抗（以下「シールトルク」という）が生じる。このシールトルクは、トランスミッションやディファレンシャルギヤ等の伝達効率を高めるためには、小さい方が好ましい。近年特に、自動車の一層の低燃費化が求められており、これに伴い、トランスミッションやディファレンシャルギヤ等に用いられるシール付軸受のシールトルクを更に小さくすることの重要性が高まっている。

また、シール付軸受は、シール部材のシールリップが内輪に摺接しているため、シールリップと内輪の間の摩擦熱によって、軸受の温度が上昇しやすい。

この発明が解決しようとする課題は、シールトルクが小さく、軸受温度が上昇しにくいシール付軸受を提供することである。

上記の課題を解決するため、この発明では、以下の構成のシール付軸受を提供する。
内輪と、
前記内輪の径方向外側に同軸に設けられた外輪と、
前記内輪と前記外輪の間に形成される環状空間に周方向に間隔をおいて組み込まれた複数の転動体と、
前記環状空間の端部開口を塞ぐ環状のシール部材とを有するシール付軸受において、
前記シール部材は、前記内輪と前記外輪の両軌道輪のうちの一方の軌道輪と流体潤滑状態で摺接する複数の突起が周方向に間隔をおいて設けられたゴム製のシールリップを有し、
前記各突起は、周方向に沿った断面が０．４ｍｍ以上、９．０ｍｍ未満の半径をもつ円弧状となる形状とされていることを特徴とするシール付軸受。

このようにすると、シールリップの各突起が、周方向に沿った断面が０．４ｍｍ以上、９．０ｍｍ未満の半径をもつ円弧状となる形状とされているので、各突起と軌道輪とが周方向に相対移動したときに、その各突起の表面に沿って、突起と軌道輪の間の摺接部に効果的に潤滑油が導入される。このとき、くさび膜効果により、シールリップの各突起と軌道輪の間の摺接部の潤滑状態が流体潤滑状態となり、シールリップの摺接による回転抵抗（シールトルク）を飛躍的に低減することが可能となる。また、シールリップと軌道輪の間の摩擦熱が発生しにくいため、軸受温度が上昇しにくい。

ここで、潤滑状態は、境界潤滑状態と流体潤滑状態とに区別され、境界潤滑状態は、摩擦面に吸着した潤滑油の数層の分子層（１０^−５〜１０^−６ｍｍ程度）からなる油膜で摩擦面を潤滑し、摩擦面の細かい凹凸の直接接触が生じている状態をいい、流体潤滑状態は、流体力学的な原理によって潤滑油の流体膜（例えば１０^−３〜１０^−１ｍｍ程度）を２面間に形成し、摩擦面の直接接触が生じていない状態をいう。くさび膜効果が発生し流体潤滑状態になると、摺動抵抗がほぼゼロになるため、従来シールでは不可能だった高周速での使用が可能となる。

前記各突起の周方向の間隔は、０．２ｍｍ以上、３．０ｍｍ以下にすると好ましい。

各突起の周方向の間隔を、３．０ｍｍ以下にすることにより、一般的な軸受の使用条件において、シールリップの各突起と軌道輪の間に形成される油膜の厚さを確保し、効果的にくさび膜効果を発生させることが可能となる。各突起の周方向の間隔を、０．２ｍｍ以上にすることにより、シールリップを製造するための金型の製作コストを低く抑えることができる。

前記各突起の高さは、０．０１ｍｍ以上、０．１０ｍｍ未満にすると好ましい。

突起の高さを、０．０１ｍｍ以上にすることにより、一般的な軸受の使用条件において、効果的にくさび膜効果を発生させることが可能となる。０．１０ｍｍ未満にすることにより、軸受内部に異物が侵入するのを効果的に防止することが可能となる。

自動車のトランスミッションの回転軸を回転可能に支持する転がり軸受として、上記各構成のシール付軸受を使用すると特に好適である。

この発明のシール付軸受は、シールリップの各突起が、周方向に沿った断面が０．４ｍｍ以上、９．０ｍｍ未満の半径をもつ円弧状となる形状とされているので、各突起と軌道輪とが周方向に相対移動したときに、その各突起の表面に沿って、突起と軌道輪の間の摺接部に効果的に潤滑油が導入される。このとき、くさび膜効果により、シールリップの各突起と軌道輪の間の摺接部の潤滑状態が流体潤滑状態となるので、シールリップの摺接による回転抵抗（シールトルク）を飛躍的に低減することが可能である。また、シールリップと軌道輪の間の摩擦熱が発生しにくいため、軸受温度が上昇しにくい。

この発明の実施形態にかかるシール付軸受を示す断面図図１のシールリップの近傍を示す拡大断面図図２のIII−III線に沿った断面図図１に示すシール付軸受を、自動車のトランスミッションの回転軸を回転可能に支持する転がり軸受として使用した状態を模式的に示す断面図比較例１（一般の接触シールを用いた軸受）、比較例２（一般の非接触シールを用いた軸受）、実施例１〜３（この発明の実施形態のシール付軸受）のそれぞれについて、回転トルクを測定する試験を行なったときの試験結果を示す図この発明の実施形態のシール付軸受について、突起の断面円弧半径Ｒとシールトルクとの対応関係を示す図この発明の実施形態のシール付軸受について、突起の周方向間隔Ｐとシールトルクとの対応関係を示す図この発明の実施形態のシール付軸受について、突起の高さＨと軸受内部に侵入する異物の粒径との対応関係を示す図

図１に、この発明の実施形態にかかるシール付軸受１を示す。このシール付軸受１は、内輪２と、内輪２の径方向外側に同軸に設けられた外輪３と、内輪２と外輪３の間に形成される環状空間４内に周方向に間隔をおいて組み込まれた複数の玉５と、その複数の玉５の周方向の間隔を保持する保持器６と、環状空間４の両側の端部開口を塞ぐ一対のシール部材７とを有する。

シール部材７は、環状の芯金８の表面にゴム材９（例えばニトリルゴム）を加硫接着して形成された環状の部材である。シール部材７の内径側端部には、ゴム製のシールリップ１０が設けられている。シールリップ１０は、芯金８の径方向内端から径方向内側に延びるゴム材９の一部分である。

外輪３の内周には、玉５が転走する軌道溝１１と、シール固定溝１２とが設けられている。軌道溝１１は、外輪３の内周を周方向に延びるように形成されている。軌道溝１１の内面には、玉５が転がり接触している。シール固定溝１２は、軌道溝１１を軸方向に挟む両側に設けられている。シール固定溝１２は、外輪３の内周の軸方向端部を周方向に延びるように形成されている。シール固定溝１２には、シール部材７の外径側端部が嵌め込んで固定されている。

内輪２の外周には、玉５が転走する軌道溝１３と、シール部材７のシールリップ１０が摺接するシール摺接面１４とが設けられている。軌道溝１３は、内輪２の外周を周方向に延びるように形成されている。軌道溝１３の内面には、玉５が転がり接触している。シール摺接面１４は、軌道溝１３を軸方向に挟む両側に設けられている。シール摺接面１４は、内輪２の外周の軸方向端部を周方向に延びるように形成されている。図では、シール摺接面１４として円筒状の面を例示したが、円錐状の面（例えば、シールリップ１０に摺接するシール摺接溝を内輪２の外周に形成したときのシール摺接溝の側面）を採用することも可能である。

図２、図３に示すように、シールリップ１０の内径側端部には、内輪２のシール摺接面１４と摺接する複数の突起１５が周方向に間隔をおいて設けられている。突起１５は、シールリップ１０のシール摺接面１４に対向する面（図では内径側を向く面）に、周方向に対して直交する方向に長く延びるように形成されている。

図３に示すように、各突起１５は、周方向に沿った断面が円弧状となる形状とされている。この断面形状において、突起１５の円弧半径Ｒは、０．４ｍｍ以上、９．０ｍｍ未満（好ましくは０．４ｍｍ以上、６．０ｍｍ以下、より好ましくは、０．４ｍｍ以上、３．０ｍｍ以下）である。突起１５の高さＨは、突起１５の表面の円弧の半径Ｒよりも小さく、０．０１ｍｍ以上、０．１０ｍｍ未満（好ましくは０．０１ｍｍ以上、０．０８ｍｍ以下、より好ましくは０．０１ｍｍ以上、０．０５ｍｍ以下）とされている。各突起１５の周方向の間隔Ｐは、０．２ｍｍ以上、３．０ｍｍ以下（好ましくは０．２ｍｍ以上、１．５ｍｍ以下）とされている。ここで、各突起１５の周方向に沿った断面は、シール摺接面１４に直交しかつ周方向に沿って延びる面に沿った突起１５の断面である。

上記のシール付軸受１は、図４に示すように、自動車のトランスミッションの回転軸（ここでは入力軸２０および出力軸２１）を回転可能に支持する転がり軸受として使用することが可能である。図４に示すトランスミッションは、エンジンの回転が入力される入力軸２０と、入力軸２０と平行に設けられた出力軸２１と、入力軸２０から出力軸２１に回転を伝達する複数のギヤ列２２_１〜２２_４と、各ギヤ列２２_１〜２２_４と入力軸２０または出力軸２１との間に組み込まれた図示しないクラッチとを有し、そのクラッチを選択的に係合させることで使用するギヤ列２２_１〜２２_４を切り替え、これにより、入力軸２０から出力軸２１に伝達する回転の変速比を変化させるものである。出力軸２１の回転は出力ギヤ２３に出力され、その出力ギヤ２３の回転がディファレンシャルギヤ等に伝達される。入力軸２０と出力軸２１は、それぞれシール付軸受１で回転可能に支持されている。また、このトランスミッションは、ギヤ２３の回転に伴うトランスミッションオイルのはね掛けにより、又はハウジング２４の内部に設けられたノズルからのトランスミッションオイルの噴射により、各シール付軸受１の側面にトランスミッションオイルが供給されるようになっている。

この実施形態のシール付軸受１は、外部から供給される潤滑油（トランスミッションオイル）が、周方向に隣り合う突起１５同士の間に形成される隙間１６（図３参照）に入り込み、シールリップ１０と内輪２の間を潤滑する。ここで、図３に示すように、シールリップ１０の各突起１５が、周方向に沿った断面が０．４ｍｍ以上、９．０ｍｍ未満の半径Ｒをもつ円弧状となる形状とされているので、内輪２の外周のシール摺接面１４が各突起１５に対して周方向に移動したときに、その各突起１５の表面に沿って、突起１５と内輪２の間の摺接部に効果的に潤滑油が導入される。このとき、くさび膜効果により、シールリップ１０の各突起１５と内輪２の間の摺接部の潤滑状態が流体潤滑状態となり、シールリップ１０の摺接による回転抵抗（シールトルク）が飛躍的に低減する。

また、このシール付軸受１は、シールトルクが小さいため、シールリップ１０と内輪２の間の摩擦熱が発生しにくい。さらに、外部から供給される潤滑油（トランスミッションオイル）が、周方向に隣り合う突起１５同士の間に形成される隙間１６（図３参照）を通って、シールリップ１０と内輪２の間を通過することにより、シールリップ１０と内輪２の間の摩擦熱が放熱される。そのため、軸受の温度上昇を極めて効果的に抑えることが可能である。

また、このシール付軸受１は、各突起１５の周方向の間隔Ｐが、３．０ｍｍ以下（好ましくは１．５ｍｍ以下）とされているので、一般的な軸受の使用条件において、シールリップ１０の各突起１５と内輪２の間に形成される油膜の厚さを確保し、効果的にくさび膜効果を発生させることが可能となっている。また、各突起１５の周方向の間隔Ｐが、０．２ｍｍ以上とされているので、シールリップ１０を製造するための金型の製作コストを低く抑えることが可能となっている。

また、このシール付軸受１は、突起１５の高さＨが、０．０１ｍｍ以上とされているので、一般的な軸受の使用条件において、効果的にくさび膜効果を発生させることが可能となっている。また突起１５の高さＨを０．０１ｍｍ以上とすることで、金型でシールリップ１０を製造するときに、確実に突起１５を形成することが可能となっている。また、突起１５の高さＨが、０．１０ｍｍ未満（好ましくは０．０８ｍｍ以下、より好ましくは０．０５ｍｍ以下）とされているので、軸受内部に異物が侵入するのを効果的に防止することが可能となっている。

この発明の実施形態のシール付軸受１を採用したときに、従来の接触シールと比較して、大幅にシールトルクを低減することが可能であることを確認するため、比較例１、比較例２、実施例１、実施例２、実施例３の軸受サンプルを準備し、その各軸受の回転トルクを測定する試験を行なった。

各サンプルの仕様は以下のとおりである。
＜比較例１＞
一般の接触シール（全周にわたって隙間なく内輪に接触するシールリップをもつシール部材）を用いたシール付軸受。
＜比較例２＞
一般の非接触シール（全周にわたって内輪に非接触のシール部材）を用いたシール付軸受。
＜実施例１＞
上記実施形態のシール付軸受１であって、突起１５の断面円弧半径Ｒが１．５ｍｍ、突起１５の周方向の間隔Ｐが０．４ｍｍ、突起１５の高さＨが０．０４ｍｍのもの。
＜実施例２＞
上記実施形態のシール付軸受１であって、突起１５の断面円弧半径Ｒが１．０ｍｍ、突起１５の周方向の間隔Ｐが１．１ｍｍ、突起１５の高さＨが０．０４ｍｍのもの。
＜実施例３＞
上記実施形態のシール付軸受１であって、突起１５の断面円弧半径Ｒが１．０ｍｍ、突起１５の周方向の間隔Ｐが０．５ｍｍ、突起１５の高さＨが０．０４ｍｍのもの。

試験条件は、以下のとおりである。
・シール部の周速度：２．５１ｍ／ｓ（１５００ｒｐｍ）
・温度：常温〜１２０℃

図５に試験結果を示す。実施例１、実施例２、実施例３の回転トルクは、いずれも比較例１に比べて著しく低く抑えられ、比較例２と同等程度である。この試験結果より、上記実施形態のシール付軸受１は、非接触シールよりもシール性能に優れた接触シールを用いながらにして、非接触シールと同程度の極めて優れたシールトルクを実現しており、一般のシール付軸受に比べて、飛躍的にシールトルクを低減することが可能であることが分かる。

また、この発明の実施形態のシール付軸受１を採用したときに、シールリップ１０と内輪２の間の摺接部の潤滑状態を、効果的に流体潤滑状態とすることができることを確認するため、突起１５の断面円弧半径Ｒが異なる複数のシール付軸受のサンプルを準備し、その各サンプルのシールトルクを計測する試験を行なった。

試験条件は次のとおりである。
・突起１５の高さＨ：０．０５ｍｍ
・シール部の周速度：２．５１ｍ／ｓ（１５００ｒｐｍ）
・潤滑油：ＣＶＴＦ１２０℃

図６に試験結果を示す。この試験結果によれば、突起１５の断面円弧半径Ｒが、０．４ｍｍ以上、９．０ｍｍ未満（好ましくは０．４ｍｍ以上、６．０ｍｍ以下、より好ましくは、０．４ｍｍ以上、３．０ｍｍ以下）において、シールトルクが極めて効果的に低減されている。ここで、突起１５の断面円弧半径Ｒが０．４ｍｍ以上、９．０ｍｍ未満のいずれにおいても、シールリップ１０と内輪２の間の摺接部の潤滑状態は流体潤滑状態となっていることが分かる。

さらに、突起１５の周方向の間隔Ｐを０．２ｍｍ以上、３．０ｍｍ以下（好ましくは０．２ｍｍ以上、１．５ｍｍ以下）に設定したときに、特に効果的にシールトルクを低減することが可能であることを確認するため、突起１５の周方向の設置間隔Ｐが異なる複数のシール付軸受１のサンプルを準備し、その各サンプルのシールトルクを計測する試験を行なった。

図７に試験結果を示す。この試験結果より、突起１５の周方向の間隔Ｐを０．２ｍｍ以上、３．０ｍｍ以下（好ましくは０．２ｍｍ以上、１．５ｍｍ以下）に設定したときに、くさび膜効果による油膜厚さが厚くなり、シールトルクを特に効果的に低減することを確認することができる。

また、突起１５の高さＨを、０．０１ｍｍ以上、０．１０ｍｍ未満（好ましくは０．０１ｍｍ以上、０．０８ｍｍ以下、より好ましくは０．０１ｍｍ以上、０．０５ｍｍ以下）とすることで、軸受のシール性能を確保することができることを確認するため、突起１５の高さＨが異なる複数のシール付軸受１のサンプルを準備し、その各サンプルの軸受内部に侵入する異物の粒径分布を測定する試験を行なった。

図８に試験結果を示す。この試験結果より、突起１５の高さＨを、０．０１ｍｍ以上、０．１０ｍｍ未満（好ましくは０．０１ｍｍ以上、０．０８ｍｍ以下、より好ましくは０．０１ｍｍ以上、０．０５ｍｍ以下）としたときに、軸受内部に侵入する異物の粒径が５０μｍ以下に抑えられていることが分かる。

一方、本願の発明者らは、転がり軸受の内部の潤滑油が異物を含む場合に、その異物の粒径と軸受寿命との関係について調査を行なったところ、軸受内部の潤滑油に含まれる異物の粒径が大きくなるにしたがって軸受寿命が低下する傾向が存在するが、軸受内部の潤滑油に含まれる異物の粒径が５０μｍ以下であれば、転がり軸受の寿命比（実際寿命の計算寿命に対する比）が、自動車のトランスミッションでの実用に十分耐えうる値（例えば７〜１０倍程度）を示すことを確認している。

したがって、突起１５の高さＨを、０．０１ｍｍ以上、０．１０ｍｍ未満（好ましくは０．０１ｍｍ以上、０．０８ｍｍ以下、より好ましくは０．０１ｍｍ以上、０．０５ｍｍ以下）としたときに、特に、自動車のトランスミッションでの実用において、軸受のシール性能を確保することが可能であることを確認することができる。

上記実施形態では、内輪回転型の軸受（シール部材７が外輪３に固定され、シール部材７の内径側端部に形成されたシールリップ１０が内輪２に摺接する軸受）を例に挙げて説明したが、この発明は、外輪回転型の軸受（シール部材７が内輪２に固定され、シール部材７の外径側端部に形成されたシールリップ１０が外輪３に摺接する軸受）に適用することも可能である。

また、上記実施形態では、自動車のトランスミッションの回転軸を回転可能に支持する転がり軸受として使用されるシール付軸受１を例に挙げて説明したが、この発明は、自動車のディファレンシャルギヤ、等速ジョイント、プロペラシャフト、ターボチャージャ、ハブ等の回転部や、工作機械、風力発電機の回転部に使用するシール付軸受にも適用することが可能である。

また、上記実施形態では、転動体として玉５を使用する形式の軸受を例に挙げて説明したが、この発明は、円筒ころまたは円すいころを転動体として使用する形式の軸受に適用してもよい。

また、上記実施形態では、環状空間４の両側にシール部材７を設けたシール付軸受１を例に挙げて説明したが、シール部材７は、環状空間４の片側にのみ設けるようにしてもよい。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１シール付軸受
２内輪
３外輪
４環状空間
５玉
７シール部材
１０シールリップ
１５突起
２０入力軸
２１出力軸
Ｒ半径
Ｈ高さ
Ｐ間隔

Claims

内輪（２）と、
前記内輪（２）の径方向外側に同軸に設けられた外輪（３）と、
前記内輪（２）と前記外輪（３）の間に形成される環状空間（４）に周方向に間隔をおいて組み込まれた複数の転動体（５）と、
前記環状空間（４）の端部開口を塞ぐ環状のシール部材（７）とを有するシール付軸受において、
前記シール部材（７）は、前記内輪（２）と前記外輪（３）の両軌道輪のうちの一方の軌道輪（２）と流体潤滑状態で摺接する複数の突起（１５）が周方向に間隔をおいて設けられたゴム製のシールリップ（１０）を有し、
前記各突起（１５）は、周方向に沿った断面が０．４ｍｍ以上、９．０ｍｍ未満の半径（Ｒ）をもつ円弧状となる形状とされていることを特徴とするシール付軸受。
前記各突起（１５）の周方向の間隔（Ｐ）が、０．２ｍｍ以上、３．０ｍｍ以下とされている請求項１に記載のシール付軸受。
前記各突起（１５）の高さ（Ｈ）が、０．０１ｍｍ以上、０．１０ｍｍ未満とされている請求項１または２に記載のシール付軸受。
自動車のトランスミッションの回転軸（２０，２１）を回転可能に支持する転がり軸受として使用される請求項１から３のいずれかに記載のシール付軸受。