JP2019132403A - 転がり軸受 - Google Patents

Abstract

【課題】低コストで保持器の耐久性の向上を図ることができる転がり軸受を提供する。
【解決手段】内輪１１と、内輪１１の外径側に配置された外輪１２と、内輪１１と外輪１２の間に配置された転動体１３と、転動体１３を保持する保持器１４と、を有し、エンジンのカムシャフト２０を支持してオイル潤滑環境下で使用される転がり軸受において、保持器１４の表面に表面改質層が形成されており、ビッカース硬さが４００Ｈｖ以上６５０Ｈｖ未満であることを特徴とする転がり軸受を構成する。
【選択図】図１

Description

この発明は、転がり軸受に関する。

自動車のエンジン周りにおいては、例えば、図１４に示すカムシャフト２０のジャーナル軸２１や、電装品や補機の回転部などを支持するために、転がり軸受（玉軸受）１０が用いられる。この転がり軸受１０の内部には、エンジンの回転に伴って駆動されるオイルポンプによってエンジンオイルが供給され、このオイルによって転がり軸受１０が潤滑される。

エンジンの高温環境下では、オイルの粘度が低下して潤滑作用が低下するため、軸受構成部品の摩耗が生じやすくなる。特にディーゼルエンジンにおいては、燃料の燃焼に伴って発生した煤、酸化物又はブローバイガスなどに係る異物がオイル中に混入しやすく、この異物が混入した状態で各部にオイルが供給される。このため、その異物が研磨材として作用し、オイルによって潤滑される軸受構成部品の摩耗が加速される。従来の玉軸受では、軸受構成部品の中で保持器がボールと比較して硬度が低いため、当該保持器のうちボールを保持するポケットの内面が摩耗しやすい。

ポケットの内面の摩耗が進行すると、ポケット内面とボールとの間の隙間が大きくなる。これにより、図１５および図１６に示すように、保持器１０４に作用した遠心力によってこの保持器１０４と内輪１０１または外輪１０２が直接接触することがある。保持器１０４と内外輪１０１、１０２の接触に伴う摩擦は、ボール１０３と内外輪１０１、１０２の軌道面との間の転がり摩擦より大きく、このボール１０３が荷重非負荷域から荷重負荷域に移動した際に、保持器１０４は隣り合うボール１０３と内外輪１０１、１０２によって強く押さえ付けられる。しかも、保持器１０４の公転に伴って、この押さえ付け力が繰り返し作用する。この結果、保持器１０４の内外輪１０１、１０２との対向部（図１５、図１６中のＡ部）に接触傷が生じたり、保持器１０４の曲げＲ部（図１５中のＢ部）に劣化が生じたりすることがある。

保持器に生じる接触傷や劣化を防止すべく、例えば、特許文献１に示す深溝玉軸受においては、高速回転性能を向上させるために、保持器に７２７℃以下で窒化処理を行い、その表面に、ビッカース硬さＨｖが６５０以上、厚さが１〜２０μｍの化合物層を形成している。

特開２００８−１７５３００号公報

特許文献１に示す深溝玉軸受は、保持器の劣化などの不具合は回避できる一方で、表面硬さを高めた保持器のポケット内面によって転動体が傷付き、軸受の回転安定性が損なわれる虞がある。これを防ぐためには、転動体の表面処理が必須となるが、それにより表面処理コストの増大を生じる問題がある。

そこで、この発明は、エンジンの回転軸を支持してかつオイル潤滑環境下で使用される転がり軸受において、低コストで保持器の耐久性の向上を図ることを課題とする。

上記の課題を解決するために、この発明においては、内輪と、前記内輪の外径側に配置された外輪と、前記内輪と前記外輪の間に配置された転動体と、前記転動体を保持する保持器と、を有し、エンジンの回転軸を支持してかつオイルによる潤滑環境下で使用される転がり軸受において、前記保持器の表面に表面改質層が形成されており、ビッカース硬さが４００Ｈｖ以上６５０Ｈｖ未満であることを特徴とする転がり軸受を構成した。

このように、保持器の表面硬さの範囲を規定することにより、転動体と保持器のポケット内面との間の摺動に伴う摩耗が抑制され、保持器と内外輪が直接接触することに起因して、保持器に不具合が生じるのを防止することができる。また、転動体の表面硬さは、保持器の表面硬さの上記範囲の上限値よりも大きいのが通常なので、保持器のポケット内面と転動体との当接によって転動体が傷付く虞はない。このため、転動体の表面処理が必須ではなく、表面処理の低コスト化を図ることができる。

前記構成においては、前記内輪、前記外輪、および、前記転動体のうち少なくとも一つの軸受部品の表面に表面改質層が形成されており、かつ、その表面硬さが、前記保持器の表面硬さよりも大きい構成とすることができる。このように、内外輪および転動体に表面改質層を形成することにより、軸受の一層の長寿命化を図ることができる。しかも、保持器の表面硬さよりも内外輪及び転動体のいずれか１つの軸受部品の表面硬さを大きくすることにより、保持器との接触によって当該軸受部品に傷が付くのを防止することができる。

前記各構成においては、前記保持器に、前記内輪および前記外輪の少なくとも一方に臨むように径方向に突出した複数の隆条体が形成されている構成とすることができる。このように、隆条体を形成することにより、長期間の使用に伴って保持器の摩耗が進行し、内外輪と保持器が接触する状態になった場合でも、この保持器に形成された隆条体が内外輪と接触することで接触面積（すべり面積）が低減し、摩擦力を減らすことができる。

また、内外輪と保持器に形成された隆条体とが周方向に相対回転する際に、内外輪表面のオイルが各隆条体によってかき集められ、この隆条体と内外輪との間の隙間に流れ込む。このとき、流れ込んだオイルの圧力によって、いわゆる「くさび膜効果」が生じる。このくさび膜効果によって、内外輪と保持器との間の隙間が押し広げられ、この内外輪と保持器が、オイルを介して非接触の状態（流体潤滑状態）となる。このため、内外輪と保持器が接触することに起因するトルク損失や摩耗を防止することができる。しかも、内外輪と保持器との間に、常にオイル膜が形成されていることにより、オイルダンパ作用が生じ、軸受使用時の振動を防止することができる。

前記各構成に係る転がり軸受によって、ディーゼルエンジンの回転軸を支持することができる。

この発明においては、保持器の表面に、ビッカース硬さが４００Ｈｖ以上６５０Ｈｖ未満の表面改質層を形成したので、転動体と保持器のポケット内面との間の摺動に伴う摩耗が抑制され、保持器の耐久性向上を図ることができるとともに、保持器の表面硬さとの関係で転動体の表面処理が必須ではないため、表面処理の低コスト化を図ることができる。

この発明に係る転がり軸受の第一実施形態を示す正面図 図１中のＩＩ−ＩＩ線に沿う断面図 図１に示す転がり軸受の要部の分解斜視図 図１に示す転がり軸受の変形例を示す断面図 図４に示す変形例の要部の分解斜視図 この発明に係る転がり軸受の第二実施形態を示す断面図 この発明に係る転がり軸受の第三実施形態を示す正面図 図７中のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線に沿う断面図 図７に示す転がり軸受の構成部材を図７中のＡ方向（内輪側）から見た矢視図 図８に示す転がり軸受の要部の分解斜視図 保持器に形成された隆条体の作用を示す要部の断面図 図８に示す転がり軸受の変形例を示す断面図 図１２に示す転がり軸受の構成部材を図７中のＡ方向（内輪側）から見た矢視図 転がり軸受のカムシャフトへの適用例を示す正面図 一般的な転がり軸受を示す正面図 図１５中のＸＶＩ−ＸＶＩ線に沿う断面図

この発明に係る転がり軸受１０の第一実施形態を図１から図３に示す。この転がり軸受１０は、自動車のエンジンの回転軸を支持する。また、転がり軸受１０は、その内部にグリースを封入するグリース潤滑環境下ではなく、オイルポンプから供給されるオイル（潤滑油）によって潤滑されるオイル潤滑環境下において使用される。オイル潤滑環境は、高温・高速回転環境下で使用される転がり軸受の潤滑方法として適している。本実施形態に係る転がり軸受１０は、エンジンの不完全燃焼により残留した煤などの異物が混入するエンジンオイルが軸受内部に供給される潤滑環境下で使用され、特に、ディーゼルエンジンのように、燃料（特に軽油）の燃焼に伴って発生した煤や酸化物、ブローバイガスなどに係る異物がエンジンオイル中に混入しやすい状況下で使用される。

この転がり軸受１０は、内輪１１、外輪１２、転動体１３、および、保持器１４を主要な構成要素としている。なお、本実施形態では、転がり軸受１０の設計上の回転中心である軸受中心軸に沿った方向を「軸方向」、軸受中心軸に直交する方向を「径方向」、軸受中心軸を中心とする円弧に沿う方向を「周方向」という。

内輪１１は、その内周に嵌め合い面１１ａが形成されている。そして、この嵌め合い面１１ａによって、例えば図１４に示すように、カムシャフト２０のジャーナル軸２１に嵌め込まれる。また、内輪１１は、軌道溝１１ｂと、この軌道溝１１ｂの軸方向両側に設けられる肩部１１ｃ、１１ｄとを有している。この内輪１１は、一般的な軸受鋼（ＪＩＳ規格ＳＵＪ２相当材料）によって構成されている。

外輪１２は、内輪１１の外径側に配置されており、エンジン周りの固定部材２２に固定されている。外輪１２には、その外周に嵌め合い面１２ａが形成されている。また、外輪１２は、軌道溝１２ｂと、この軌道溝１２ｂの軸方向両側に設けられる肩部１２ｃ、１２ｄとを有している。この外輪１２は、内輪１１と同様に、一般的な軸受鋼（ＪＩＳ規格ＳＵＪ２相当材料）で構成されている。

転動体１３は、内輪１１と外輪１２の間に介在するように複数個配置されている。転動体１３として、この実施形態においては鋼製の玉を使用している。すなわち、本実施形態の転がり軸受１０は、玉軸受である。この転動体１３は、周方向に互いに所定間隔を保つように、保持器１４によって保持されている。

この実施形態において採用される保持器１４は、転動体１３によって案内される転動体案内方式の保持器１４である。この保持器１４は、転がり軸受の軸方向に２分割された２個の分割保持器１４ａ、１４ｂを組み合わせた上で、両分割保持器１４ａ、１４ｂに挿通した鋲１４ｃを加締めることにより一体化したものである。この保持器１４（分割保持器１４ａ、１４ｂ）の素材として、この実施形態では冷間圧延鋼板（ＳＰＣＣ）を採用したが、ステンレス鋼板（ＳＵＳ）を始め、他の金属材を採用することもできる。

この転がり軸受１０を構成する保持器１４、内輪１１、外輪１２、および、転動体１３には、表１の「実施例」に示す熱処理が施されている。この熱処理によって、保持器１４の表面に、後述する表２に記載の表面硬さを有する表面改質層が形成される。また、この実施例と比較対照するために、同じ素材から構成される構成部材に対して、表１の「比較例」に示す一般的な熱処理を施した。

転動体１３には、ＡＳ処理（窒化処理）のみが行われているのに対して、内輪１１及び外輪１２には、ＡＳ処理に加えてＴＳ２処理（寸法安定化処理）が行われている。これにより、内輪１１及び外輪１２の表面硬さは、転動体１３の表面硬さよりも大きい。また、保持器１４には、軟窒化処理のみが行われている。この軟窒化処理によって、保持器には、６〜１０μｍの厚みの窒化層が形成されている。

上記の軟窒化処理を施した保持器１４の表面硬さをビッカース硬度計を用いて測定したところ、表２に示す結果となった。なお、この測定は、保持器表面の５箇所に荷重を負荷することによって行なった。この荷重の大きさは、０．０２５ｋｇとした。

この測定結果から、保持器１４の表面硬さは、ビッカース硬さＨｖが４００以上６５０未満の範囲内に制御されていることが確認された。なお、同様に転動体１３の表面硬さを測定したところ、ビッカース硬さＨｖが６５０以上（ロックウェル硬さＨＲＣが６２以上）であることが確認された。

実施例および比較例に係る転がり軸受１０の寿命試験の結果（保持器１４の不具合発生状況）を表３に示す。ここでいう不具合とは、保持器１４の内外輪１１、１２との対向部（図１５、図１６中のＡ部）における接触傷の発生や、保持器１４の曲げＲ部（図１５中のＢ部）の劣化などのことを指す。この寿命試験においては、転がり軸受１０の潤滑用のオイルとして、オイル中に２％の煤が混入し、純粋なオイルと比較すると粘度が高い環境スーツ油を使用した。

この実施例に係る保持器１４（軟窒化処理）は、４個の供試材のいずれにおいても不具合は生じなかった（試験は、６００時間で打ち切り終了）。その一方で、比較例に係る保持器（標準調質）は、１２個の供試材のうちの６個で不具合が生じた。このように、軟窒化処理によって保持器１４のビッカース硬さＨｖを４００以上６５０未満の範囲内とすることによって、この保持器１４のポケット内面において、転動体１３との摺動に伴う摩耗が防止される。これにより、保持器１３の摩耗に起因して、保持器１３と内外輪１１、１２が接触するのを回避して、この保持器１４に不具合が生じるのを防止することができる。

表１の熱処理を行った保持器１４の機能（異物潤滑下での転動体保持能力、耐久性など）と、その熱処理のために必要な製造工程能力（保持器１４の熱処理に要するコストや時間など）をまとめると表４のようになる。なお、表４中の「◎」は優れていること、「×」は劣っていることを示す。

保持器１４のビッカース硬さＨｖを４００未満とした場合、保持器１４の熱処理が短時間で終了するため、製造工程能力の点では優れているが、転動体１３との間の摺動に伴って、保持器１４のポケット内面が摩耗する虞がある。また、ビッカース硬さＨｖを６５０以上とした場合、保持器１４の摩耗防止の点では優れているが、保持器１４の熱処理に長時間を要するため、製造工程能力の点で問題がある。また、保持器１４の表面硬さが高すぎると、転動体１３の表面を傷付ける虞がある。これらに基づいて総合的に判断すると、保持器１４のビッカース硬さＨｖを４００以上６５０未満とすることによって、保持器１４の機能と製造工程能力の両立を図ることができる。

図１などに示した転がり軸受１０においては、保持器１４に軟窒化処理を施す一方で、転動体１３にはＡＳ処理を施したが、図４および図５に示すように、保持器１４と転動体１３の両方に同じ種類の表面改質層（例えば、軟窒化処理）を形成することもできる。また、保持器１４のみに表面改質層を形成することもできる。いずれの場合においても、転動体１３の傷付きを防止するために、保持器１４の表面硬さを転動体１３の表面硬さよりも低くするのが好ましい。

この発明に係る転がり軸受１０の第二実施形態を図６に示す。この転がり軸受１０の基本構成は、第一実施形態に係る転がり軸受１０と同じであるが、保持器１４の形態が異なっている。第二実施形態に係る保持器１４は、転動体１３によって案内される転動体案内方式の鉄板爪曲げ保持器である。この保持器１４は、転がり軸受１０の軸方向に２分割された２個の分割保持器１４ａ、１４ｂを組み合わせた上で、連結爪１４ｄを折り曲げることにより一体化したものである。この保持器１４（分割保持器１４ａ、１４ｂ）は、冷間圧延鋼板（ＳＰＣＣ）で構成されている。

この転がり軸受１０を構成する保持器１４、内輪１１、外輪１２、および、転動体１３には、表１の「実施例」に示す熱処理が施されている。この熱処理によって、保持器１４の表面に、表２に記載の表面硬さを有する表面改質層が形成される。このように表面改質層を形成することにより、この保持器１４のポケット内面において、転動体１３との摺動に伴う摩耗が防止される。これにより、保持器１４の摩耗に起因して、保持器１４と内外輪１１、１２が接触するのを回避して、この保持器１４に不具合が生じるのを防止することができる。

この発明に係る転がり軸受１０の第三実施形態を図７から図１１に示す。この転がり軸受１０の基本構成は、第一実施形態に係る転がり軸受１０と同じであるが、保持器１４の形態が異なっている。第三実施形態に係る保持器１４は、転動体１３によって案内される転動体案内方式の保持器１４である。この保持器１４は、転がり軸受１０の軸方向に２分割された２個の分割保持器１４ａ、１４ｂを組み合わせた上で、両分割保持器１４ａ、１４ｂに挿通した鋲１４ｃを加締めることにより一体化したものである。この保持器１４（分割保持器１４ａ、１４ｂ）は、冷間圧延鋼板（ＳＰＣＣ）で構成されている。

この保持器１４には、内輪１１の肩部１１ｃ、１１ｄ、および、外輪１２の肩部１２ｃ、１２ｄに臨むように、径方向に突出した複数の隆条体１５、１６が形成されている。この隆条体１５、１６は、軸方向から見て、周方向に所定間隔をもって形成されている（図７参照）。この実施形態においては、各隆条体１５、１６は、保持器１４の回転方向に対して垂直方向に延びる形状とされているが、この回転方向に対して、所定角度だけ傾斜した方向に延びる形状とすることもできる。

このように隆条体１５、１６を形成することにより、長期間の使用に伴って保持器１４の摩耗が進行し、仮に内外輪１１、１２と保持器１４が接触する状態になって場合でも、この保持器１４に形成された隆条体１５、１６が内外輪１１、１２の肩部１１ｃ、１１ｄ、１２ｃ、１２ｄと接触することで接触面積（すべり面積）が低減し、摩擦力を減らすことができる。

隆条体１５、１６の断面形状は適宜決めることができるが、図１１に示すように、半円柱状の頂部を有する形状とすることができる。例えば、内輪１１（の肩部１１ｃ、１１ｄ）と保持器１４との間に潤滑油２３が満たされた状態で内輪１１が保持器１４に対して軸周りに回転すると（図１１中の白抜き矢印参照）、この内輪１１の回転とともに潤滑油２３に同方向の流動が生じる（図１１中の黒矢印参照）。

この潤滑油２３は、各隆条体１５の周方向一方側にかき集められ、各隆条体１５の頂部と内輪１１との間のくさび形の隙間に入り込む。そして、潤滑油２３がこの隙間に入り込む際にその圧力が高まり、くさび膜効果が生じる。この潤滑油２３によるくさび膜効果によって、内輪１１と保持器１４（隆条体１５）との間の隙間が押し広げられ、内輪１１と保持器１４との間に所定厚さの潤滑油膜が形成される。ここで、内輪１１と保持器１４との間を完全に分離させる潤滑油膜があれば、内輪１１と保持器１４とが直接接触しない状態で摺動する流体潤滑状態となる。このため、内輪１１と保持器１４との間の安定的な潤滑状態が確保され、内輪１１と保持器１４との間の摩擦に伴うトルク損失や摩耗を大幅に低減することができる。なお、上記の隆条体１５の断面形状は例示に過ぎず、半楕円形状、台形、多角形など、適宜変更することができる。

図７などに示した転がり軸受１０においては、保持器１４に軟窒化処理を施す一方で、転動体１３にはＡＳ処理を施したが、図１２および図１３に示すように、保持器１４と転動体１３の両方に同じ種類の表面改質層（例えば、軟窒化処理）を形成することもできる。また、保持器１４のみに表面改質層を形成することもできる。いずれの場合においても、転動体１３の傷付きを防止するために、保持器１４の表面硬さを転動体１３の表面硬さよりも低くするのが好ましい。

上記各実施形態に係る転がり軸受１０はあくまでも例示に過ぎず、低コストで保持器１４の耐久性の向上を図る、というこの発明の課題を解決し得る限りにおいて、各部材の形状や配置、素材などを適宜変更することが許容される。

例えば、上記の各実施形態においては、エンジンの回転軸を支持する転がり軸受として、カムシャフトを支持する例を示して説明したが、これに限らず、クランクシャフト、バランスシャフト、ロッカーシャフトを支持する転がり軸受であってもよい。

また、隆条体１５、１６を形成した構成においては、保持器１４の内輪１１側または外輪１２側のいずれか一方のみに隆条体１５、１６を形成した態様とすることもできる。

１０ 転がり軸受
１１ 内輪
１２ 外輪
１３ 転動体
１４ 保持器
１５、１６ 隆条体

Claims (4)

1. 内輪（１１）と、前記内輪（１１）の外径側に配置された外輪（１２）と、前記内輪（１１）と前記外輪（１２）の間に配置された転動体（１３）と、前記転動体（１３）を保持する保持器（１４）と、を有し、エンジンの回転軸を支持してかつオイル潤滑環境下で使用される転がり軸受において、
   前記保持器（１４）の表面に表面改質層が形成されており、ビッカース硬さが４００Ｈｖ以上６５０Ｈｖ未満であることを特徴とする転がり軸受。
2. 前記内輪（１１）、前記外輪（１２）、および、前記転動体（１３）のうち少なくとも一つの軸受部品の表面に表面改質層が形成されており、かつ、その表面硬さが、前記保持器（１４）の表面硬さよりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の転がり軸受。
3. 前記保持器（１４）に、前記内輪（１１）および前記外輪（１２）の少なくとも一方に臨むように径方向に突出した複数の隆条体（１５、１６）が形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の転がり軸受。
4. ディーゼルエンジンの回転軸を支持する請求項１乃至３のいずれか１項に記載の転がり軸受。

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