JP4058601B2 - プーリ支持用単列軸受 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ベルトによって駆動されるカーエアコンコンプレッサ用電磁クラッチなどの自動車補機やベルトＣＶＴなどの自動車用プーリを支持するのに好適な多点接触玉軸受に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電磁クラッチなどの自動車補機用プーリを軸受で支持した場合、プーリに掛け回されるベルトの幅方向中心位置と軸受の軸方向中心位置とがずれている場合がある。この場合、ベルトの張力は、軸受にラジアル荷重を与えると同時に、上記ずれ（オフセット）量に比例したモーメント荷重を与える。モーメント荷重は、支持軸に対してプーリを傾けるように作用する。
ここで、プーリが大きく傾くと、ベルトが偏磨耗し、ベルト早期破損の原因となる。また、電磁クラッチの場合には、プーリの変位や傾きが大きくなると、クラッチＯＦＦの状態に必要な、クラッチ部材間の一定の隙間が確保されない。クラッチ部材間の隙間が大きくなると電磁クラッチの動作不良が生じ、逆に隙間が小さくなると部材の衝突や磨耗、異音発生などの不具合が生じる。したがって、このような用途には、従来、剛性の高い複列アンギュラ玉軸受が用いられてきた。
【０００３】
しかし、昨今、自動車のコンパクト化、コストダウン化に対応するため、プーリ支持用軸受を単列化する傾向がある。複列アンギュラ玉軸受は、単列玉軸受に比べて幅寸法が大きいため、昨今の自動車に要求される省スペース化には適さない。また、複列アンギュラ玉軸受は、構造上も大きさからも、単列玉軸受に比べてコスト高になる。
【０００４】
プーリ支持用単列軸受として、上記のようなプーリの変位や傾きを抑える必要から、モーメント剛性の高い４点接触玉軸受や、３点接触玉軸受を使おうとする動きがある（例えば、特開平１１−３３６７９５号公報、特開平１１−２１０７６６号公報、特開２０００−１２０６６８号公報等）。
【０００５】
また、複列アンギュラ玉軸受を使用した際に発生する異音抑制の観点から、４点接触玉軸受や３点接触玉軸受を使おうとする動きもある（例えば、特開平９−１１９５１０号公報、特開平９−１２６３０３号公報、特開２０００−１７０７５２号公報等）。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記４点接触玉軸受や３点接触玉軸受では、特開平１１−２１０７６６号公報で指摘されているように、転動体である玉と２点で接触する軌道輪上において、玉と軌道間のスピン運動によるすべりが大きく、過大な発熱、焼付き、磨耗などの問題が生じやすい。プーリ支持用軸受は自動車のエンジン近傍で使用されるため、使用条件によっては、軸受周囲の温度がかなりの高温になる。周囲が高温で、更に軸受内部の発熱が高いとき、軸受内部の温度、特に玉と内輪軌道との接触楕円内で、局所的に温度が著しく高くなることが想定できる。
この局所的な高温にさらされることで、軸受内部の潤滑グリースが劣化し、潤滑不良から最終的には軸受がロックしてしまう不具合が考えられる。高温下で使用されるプーリ支持用多点接触玉軸受では、転がり疲れ寿命に到達する前に、グリースの劣化による潤滑不良によって軸受の運転性能が損なわれてしまう可能性が高い。
【０００７】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、その目的は、モーメント荷重もしっかりと支持でき、高温下で使用されても異常発熱及び潤滑剤劣化が生じないプーリ支持用単列軸受を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の目的は、下記構成により達成される。
（１） 外周面に内輪軌道を有する内輪と、内周面に外輪軌道を有する外輪と、前記内輪軌道と前記外輪軌道との間に転動自在に設けられた複数の玉と、を備え、ベルト駆動されるプーリ支持用単列軸受において、グリース潤滑される４点接触玉軸受であって、ラジアル荷重が負荷される負荷中心が、軸受中心から軸方向にずれており、前記内輪軌道において前記軸受中心から前記負荷中心の側で第一の接触点を提供する第一溝のレスト角が、前記内輪軌道において前記軸受中心から前記負荷中心とは反対側で第二の接触点を提供する第二溝のレスト角より小さいことを特徴とするプーリ支持用単列軸受。
（２） 前記第一溝のレスト角と前記第二溝のレスト角との差が２°以上である（１）に記載のプーリ支持用単列軸受。
（３） 前記第一溝のレスト角が１０°〜１８°である（１）又は（２）に記載のプーリ支持用単列軸受。
（４） 前記内輪軌道のレスト角を前記外輪軌道のレスト角より小さくしたことを特徴とする（１）〜（３）のいずれかに記載のプーリ支持用単列軸受。
（５） 前記内輪軌道のレスト角と前記外輪軌道のレスト角との差が２°以上である（４）に記載のプーリ支持用単列軸受。
（６） 外周面に内輪軌道を有する内輪と、内周面に外輪軌道を有する外輪と、前記内輪軌道と前記外輪軌道との間に転動自在に設けられた複数の玉と、を備え、ベルト駆動されるプーリ支持用単列軸受において、グリース潤滑される３点接触玉軸受であって、ラジアル荷重が負荷される負荷中心が、軸受中心から軸方向にずれており、前記内輪軌道において前記軸受中心から前記負荷中心の側で第一の接触点を提供する第一溝のレスト角が、前記内輪軌道において前記軸受中心から前記負荷中心とは反対側で第二の接触点を提供する第二溝のレスト角より小さいことを特徴とするプーリ支持用単列軸受。
（７） 前記第一溝のレスト角と前記第二溝のレスト角との差が２°以上である（６）に記載のプーリ支持用単列軸受。
（８） 前記第一溝のレスト角が１０°〜１８°である（６）又は（７）に記載のプーリ支持用単列軸受。
（９） 前記軸受の向きを外部に表示するマークが設けられた（１）〜（８）のいずれかに記載のプーリ支持用単列軸受。
【０００９】
上記構成によれば、すべりが大きくなる軌道のレスト角を小さくすることにより、その軌道と玉との間にできる接触楕円内の局所的な発熱を抑えることができる。このため、潤滑剤の劣化が少なく、高温下での使用に耐えることができる。また、第一の接触点を提供する第一溝のレスト角と第二の接触点を提供する第二溝のレスト角とを異なる値にすると、２個の溝の両方についてレスト角を小さくしたとき（２個の溝を対称にしたとき）に比べて、プーリの変位や傾きを小さく抑えることができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を、図面に基づいて詳細に説明する。図１は自動車用プーリの構成を示す要部の拡大断面図である。この自動車用プーリ１は、カーエアコンコンプレッサ用電磁クラッチに関するものである。この電磁クラッチは、車両走行用エンジンに発生する回転動力を冷凍サイクルのコンプレッサに伝達したり遮断したりするものである。図１に示すように、コンプレッサハウジング２の中心から回転自在に突出した駆動軸３の先端部に回転円盤４が設けられ、回転円盤４の外周側には可撓部材５を介してアーマチュア６が取り付けられている。駆動軸３の周囲を囲むようにして、コンプレッサハウジング２と一体に円筒軸２ａが突出するように設けられ、その外周面に、多点接触玉軸受の一例である４点接触玉軸受１１の内輪１２が固定されている。
【００１１】
４点接触玉軸受１１の外輪１３には、ロータ７が外嵌されている。ロータ７の外周面には、プーリ７ａが一体的に設けられている。プーリ７ａの外周面に、想像線で示すようにベルト８が掛け回される。ロータ７のコンプレッサハウジング２側とは反対側の側面には、アーマチュア６と接触して摩擦力により回転力を伝達する摩擦面７ｂが形成されている。ロータ７のコンプレッサハウジング２側の側面には凹所７ｄが設けられている。凹所７ｄ内には、電磁コイル９が、ロータ７と接触しないように収容されている。電磁コイル９は、コンプレッサハウジング２に固定されている。
【００１２】
電磁コイル９の非励磁時には、摩擦面７ｂとアーマチュア６との間に隙間Ｇがあいている。
電磁コイル９に電流を流すと磁界が発生し、アーマチュア６が可撓部材５の弾性に抗して電磁コイル９側に引き付けられ、摩擦面７ｂに押圧接触する。この結果、プーリ７ａの回転力がアーマチュア６、回転円盤４、駆動軸３を介してコンプレッサを駆動するように伝達される。
ベルト８の幅方向中心位置αと、軸受１１の軸方向中心位置βとは、オフセット量δでずれており、軸受１１にはモーメント荷重が作用する。
【００１３】
上記４点接触玉軸受１１は、図２に示すように、内輪１２と外輪１３との間に複数の玉１４を転動自在に配設したものである。内輪１２の外径面には玉１４との第一の接触点を提供する第一溝１２ａと、玉１４との第二の接触点を提供する第二溝１２ｂとが設けられ、それらによって内輪軌道が形成されている。外輪１３の内径面にも、玉１４との第一の接触点を提供する第一溝１３ａと、玉１４との第二の接触点を提供する第二溝１３ｂとが設けられ、それらによって外輪軌道が形成されている。外輪軌道の断面形状は、玉１４とレスト角θoで接触するゴシックアーチ形状にされ、軸受の軸方向中心線βに対して対称な形状になっている。外輪１３の第一溝１３ａの曲率半径と第二溝１３ｂの曲率半径とは等しい（ＲO）。
なお、図２の左方に付した符号Ｄｐはピッチ円径を表し、Ｄａは玉１４の直径（玉径）を表している。
【００１４】
内輪軌道の断面形状は、玉１４とレスト角θiで接触するゴシックアーチ形状にされ、軸受の軸方向中心線βに対して対称な形状になっている。内輪１２の第一溝１２ａの曲率半径と第二溝１２ｂの曲率半径とは等しい（Ｒi）。
内輪１２のレスト角θiは、外輪１３のレスト角θoより小さくされており、好ましくは２°以上小さくされている。
【００１５】
玉１４は保持器１８によって転動自在に保持されている。玉１４を挟む軸方向両側に、シール部材１５，１５が設けられている。シール部材１５の外周部は、外輪１３の内径面に設けられた係止溝１７に固定され、シール部材１５の内周部（リップ部）は、内輪の外径面に設けられたシール溝１６の側面に接している。
潤滑方式としては、グリース潤滑を採用することができる。
【００１６】
以上のような４点接触玉軸受１１を自動車用プーリ１に用いることで、内輪１２の第一及び第二溝１２ａ，１２ｂと玉１４との間にできる接触楕円内のすべりが小さくなり、接触楕円内での局所的な発熱を抑えることができる。このため、潤滑剤劣化が少なく、高温下での使用に長期間耐えることができる。
【００１７】
図３に、多点接触玉軸受の別の例として、４点接触玉軸受の第２例を示す。この４点接触玉軸受２１は、内輪軌道の断面形状が、軸受の軸方向中心線βに対して非対称な形状になっている。内輪１２の第一溝１２ａのレスト角θi1は、内輪１２の第二溝１２ｂレスト角θi2より小さくされており、好ましくは２°以上小さくされている。軸方向中心線βに対してずれた軸方向位置（図１のα）にラジアル荷重がかかる場合、第一溝１２ａがラジアル荷重の軸方向位置に近くなるように、玉軸受２１は組み込まれる。玉軸受２１の外輪１３やシール部材１５に、どちら側に第一溝１２ａがあるかを示す識別マークを設けておくことができる。
第二溝１２ｂのレスト角θi2は、外輪１３の第一及び第二溝１３ａ，１３ｂのレスト角θoと同等であってもよいし、θoより小さくてもよい。
【００１８】
図４に、多点接触玉軸受の別の例として、３点接触玉軸受２１’を示す。図４に示すように、内輪１２の外径面には第一溝１２ａと第二溝１２ｂとが設けられ、それらによって内輪軌道が形成されている。一方、外輪１３の内径面には、単一の接触点で玉１４と接する外輪軌道１３ｄが形成されている。
他の構成は、図３に示した玉軸受２１と同様とすることができる。
【００１９】
図５に示すような、内輪軌道及び外輪軌道の双方を軸方向中心線βに対称なゴシックアーチ形状にされた従来品の４点接触玉軸受に、ラジアル荷重を負荷したときの運転状態を、計算機を用いた解析でシミュレートした。解析に用いた条件を表１に示す。ラジアル荷重は、軸受中心（図１〜図４に示したβ）から軸方向に４．３５ｍｍずれた（オフセットした）位置（図１のα）に負荷されるものとした。
【００２０】
【表１】
【００２１】
解析手法には「４点接触玉軸受の性能解析」（谷口、荒牧、正田；（社）日本トライボロジー学会、トライボロジー会議１９９６年春 東京 講演予稿集）に記載の方法を採用した。本解析によって計算される軸受の摩擦トルクは、実験によるトルク測定結果に一致することが報告されている。
ここでは、計算によって得られる最大ＰＶ値に注目する。ＰＶ値は、玉と内外輪軌道面の接触点における発熱や摩耗の指標として、しばしば用いられるパラメータである（例えば特開平１１−２１０７６６号公報など）。
玉と軌道との接触点は、実際には表面の弾性変形により、ヘルツの接触理論において楕円形で表される領域をもつ面となる。ＰＶ値は、この接触面内の面圧Ｐとすべり速度Ｖとの積である。解析では、各玉と各軌道との接触面内において、ＰＶ値を計算している。ＰＶ値に表面間のすべり摩擦係数μを乗じた値μＰＶは、単位面積・単位時間当たりのすべりによる摩擦損失（＝発熱）である。
【００２２】
図５の、４個の溝のレスト角がすべて等しい４点接触玉軸受５１に、ラジアル荷重１０００Ｎを負荷した際の、玉５４の各接触点における最大ＰＶ値を計算機によって解析した結果を図６に示す。図６に示すように、外輪５３にかかるラジアル荷重の位置に近い側の内輪軌道（第一溝）上のＰＶ値が、他の接触点に比べて大きくなった。
【００２３】
軸受の耐久性を低下させる高温下のグリース劣化については、玉一個分や、接触楕円一つ分といった局所的な発熱、温度上昇が影響していると考えられる。したがって、ＰＶ値に代表されるすべり発熱をできるだけ小さく抑えることによって、高温下で使用されるプーリ用軸受の寿命延長を図ることができる。
【００２４】
ＰＶ値を抑えるためには、接触楕円内のすべり速度Ｖを小さくすることが有効である。運転時に玉と軌道が接触するときの角度（接触角）を小さくすると、接触楕円内のスピン運動によるすべり速度Ｖを小さく抑えることができる。
しかし、軸受運転時の接触角は、運転条件（荷重、回転数）や軸受すきまなどの影響によって変化する。また、機械に組み込まれて運転している軸受の接触角を実際に測定することも難しい。したがって、単純に接触角の大きさを議論することは実用的ではない。そこで、本発明では、軸受運転時の接触角に及ぼす影響が大きく、また、測定も容易なレスト角に着目する。レスト角は、静止状態において、内輪又は外輪それぞれにある２つの溝の双方に玉を接触させたときの接触角として定義される。
【００２５】
まず、大きなＰＶ値が問題となっている内輪のレスト角を変えて計算を行った。結果を図７に示す。ここでは、内輪の第一及び第二溝の両方を同じレスト角としている。外輪軌道のレスト角は、表１の条件と同じである。
図７から、内輪軌道のレスト角を小さくすると、接触点における最大ＰＶ値が減少することがわかる。結果として、局所的な発熱が減少し、耐久時間延長の効果が期待できる。
【００２６】
次に、図６でＰＶ値が特に大きいとされた内輪第一溝のレスト角のみを変化させて計算を行った。結果を図８に示す。外輪軌道と、内輪第二溝のレスト角は、表１の条件と同じである。内輪第一溝のみのレスト角を小さくするとによっても、図７と同様、接触点における最大ＰＶ値が減少し、耐久時間延長の効果がある。
【００２７】
ＰＶ値の限界には諸説あるが、発明者らの研究では、計算によるＰＶ値が１．５〜２．０ＧＰａｍ／ｓを超えると、軌道面の摩耗が問題になることがわかっている（特開平１１−２１０７６６号公報）。ラジアル荷重２０００Ｎに対する計算結果から、図７における内輪軌道のレスト角、または図８における内輪第一溝のレスト角を１８度以下にしたとき、すなわち、図７における外輪軌道のレスト角と内輪軌道のレスト角の差、または図８における内輪第一溝のレスト角と内輪第二溝のレスト角の差を２度以上とすると、ＰＶ値が２．０ＧＰａｍ／ｓを下まわり、摩耗などの問題が発生しにくくなることが期待できる。
【００２８】
図７、図８に示した二通りの方法でレスト角を変化させた場合の、プーリ外径部（直径１１０ｍｍ）の軸方向変位を図９に示す。内輪第一溝、第二溝のレスト角をともに変化させて、対称断面の内輪としたときには、レスト角を小さくすると、プーリ外径部の変位が大きくなることがわかる。一方、内輪第一溝のレスト角のみを変化させた場合は、プーリ外径部の移動量はほとんど変化しない。ベルトがかかるプーリ外径部の変位が大きくなることは、ベルトの偏摩耗や、電磁クラッチの場合は、クラッチの動作不良などの問題が生じる可能性がある。プーリ軸受としての剛性を維持しながら、局所的な接触楕円内のすべり発熱を抑え、軸受の耐久時間延長を図るためには、４点接触玉軸受の２個の溝のうち、すべり発熱の大きい一方のレスト角を他方のそれに比べて小さくする方法が有効である。
【００２９】
実際の軸受では、レスト角を過度に小さくすると、運転中の接触角が極めて小さくなる。極端なケースでは、接触楕円が第一溝と第二溝の境界を越えて、反対側の溝にはみ出す可能性がある。こういった場合には、４点接触玉軸受として設計された剛性や摩擦トルクといった軸受の運転性能が期待できない。また、第一溝と第二溝の境界部（みぞ底）は、十分な形状精度や表面粗さを得ることが難しいことから、軸受寿命が短くなるなどの問題がある。以上の観点から、本発明でとりあげたレスト角の大きさには、下限が決定されると考えられる。この観点からレスト角の下限を１０度とすることが好ましい。
【００３０】
また、プーリや自動車用補機などへの組み付けを考慮すると、レスト角が第一溝、第二溝で異なる軸受には、オフセット荷重の方向に対して正しい向きに軸受を組み付けることができるように、方向を示す識別マークを表示することが好ましい。
【００３１】
なお、単列４点接触玉軸受の外輪上の２個の溝についても同様に、すべりの大きい側の溝のレスト角を、他方のレスト角よりも小さくすることによって、局所的な発熱を抑えて、グリース劣化を低減させる効果がある。
このとき、内外輪の対向する溝（玉１４の中心を挟んで対抗する溝；例えば内輪第一溝と外輪第二溝）のレスト角を一致させる必要はない。
【００３２】
なお、図４に示した３点接触玉軸受においても、玉と２点で接触する軌道輪上の２個の溝のレスト角に上記同様の違いをもたせることは、スピンすべりを低減し、発熱を抑制する効果がある。したがって、本発明は３点接触玉軸受に適用しても有効である。
なお、ここでは、カーエアコンコンプレッサ用電磁クラッチのような自動車補機用プーリについて説明したが、軸方向にオフセットされた大きなラジアル荷重を支持し、かつ軸方向の剛性が必要とされる、自動車に用いられるプーリやその支持軸受、たとえば、ベルト式ＣＶＴのプーリやその支持軸受に本発明を適用しても同様の効果が期待できる。
【００３３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る多点接触玉軸受によれば、軌道上の局所的な発熱を抑え、グリース劣化や摩耗による寿命低下を防ぐことができる。また、この多点接触玉軸受を適用した自動車用プーリは、所定の剛性を維持しながら、多点接触玉軸受が局所的な発熱の抑制、耐久時間延長等を可能にする構成であることから、自動車用プーリ自体の信頼性向上はもとより、自動車の信頼性向上をも図り得る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態である自動車用プーリの構成を示す要部の拡大断面図である。
【図２】多点接触玉軸受の第１例を示す断面図である。
【図３】多点接触玉軸受の第２例を示す断面図である。
【図４】多点接触玉軸受の第３例を示す断面図である。
【図５】従来品における玉と軌道との接触点の位置を示す模式的断面図である。
【図６】玉と軌道との接触点の位置と最大ＰＶ値との関係を示す特性図である。
【図７】レスト角と最大ＰＶ値との関係を示す特性図である。
【図８】レスト角と最大ＰＶ値との関係を示す特性図である。
【図９】レスト角とプーリ外径部の軸方向移動量との関係を示す特性図である。
【符号の説明】
１ 自動車用プーリ
７ａ プーリ
８ ベルト
１１，２１ ４点接触玉軸受（多点接触玉軸受）
１２ 内輪
１２ａ 第一溝
１２ｂ 第二溝
１４ 玉
【発明の属する技術分野】
本発明は、ベルトによって駆動されるカーエアコンコンプレッサ用電磁クラッチなどの自動車補機やベルトＣＶＴなどの自動車用プーリを支持するのに好適な多点接触玉軸受に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電磁クラッチなどの自動車補機用プーリを軸受で支持した場合、プーリに掛け回されるベルトの幅方向中心位置と軸受の軸方向中心位置とがずれている場合がある。この場合、ベルトの張力は、軸受にラジアル荷重を与えると同時に、上記ずれ（オフセット）量に比例したモーメント荷重を与える。モーメント荷重は、支持軸に対してプーリを傾けるように作用する。
ここで、プーリが大きく傾くと、ベルトが偏磨耗し、ベルト早期破損の原因となる。また、電磁クラッチの場合には、プーリの変位や傾きが大きくなると、クラッチＯＦＦの状態に必要な、クラッチ部材間の一定の隙間が確保されない。クラッチ部材間の隙間が大きくなると電磁クラッチの動作不良が生じ、逆に隙間が小さくなると部材の衝突や磨耗、異音発生などの不具合が生じる。したがって、このような用途には、従来、剛性の高い複列アンギュラ玉軸受が用いられてきた。
【０００３】
しかし、昨今、自動車のコンパクト化、コストダウン化に対応するため、プーリ支持用軸受を単列化する傾向がある。複列アンギュラ玉軸受は、単列玉軸受に比べて幅寸法が大きいため、昨今の自動車に要求される省スペース化には適さない。また、複列アンギュラ玉軸受は、構造上も大きさからも、単列玉軸受に比べてコスト高になる。
【０００４】
プーリ支持用単列軸受として、上記のようなプーリの変位や傾きを抑える必要から、モーメント剛性の高い４点接触玉軸受や、３点接触玉軸受を使おうとする動きがある（例えば、特開平１１−３３６７９５号公報、特開平１１−２１０７６６号公報、特開２０００−１２０６６８号公報等）。
【０００５】
また、複列アンギュラ玉軸受を使用した際に発生する異音抑制の観点から、４点接触玉軸受や３点接触玉軸受を使おうとする動きもある（例えば、特開平９−１１９５１０号公報、特開平９−１２６３０３号公報、特開２０００−１７０７５２号公報等）。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記４点接触玉軸受や３点接触玉軸受では、特開平１１−２１０７６６号公報で指摘されているように、転動体である玉と２点で接触する軌道輪上において、玉と軌道間のスピン運動によるすべりが大きく、過大な発熱、焼付き、磨耗などの問題が生じやすい。プーリ支持用軸受は自動車のエンジン近傍で使用されるため、使用条件によっては、軸受周囲の温度がかなりの高温になる。周囲が高温で、更に軸受内部の発熱が高いとき、軸受内部の温度、特に玉と内輪軌道との接触楕円内で、局所的に温度が著しく高くなることが想定できる。
この局所的な高温にさらされることで、軸受内部の潤滑グリースが劣化し、潤滑不良から最終的には軸受がロックしてしまう不具合が考えられる。高温下で使用されるプーリ支持用多点接触玉軸受では、転がり疲れ寿命に到達する前に、グリースの劣化による潤滑不良によって軸受の運転性能が損なわれてしまう可能性が高い。
【０００７】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、その目的は、モーメント荷重もしっかりと支持でき、高温下で使用されても異常発熱及び潤滑剤劣化が生じないプーリ支持用単列軸受を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の目的は、下記構成により達成される。
（１） 外周面に内輪軌道を有する内輪と、内周面に外輪軌道を有する外輪と、前記内輪軌道と前記外輪軌道との間に転動自在に設けられた複数の玉と、を備え、ベルト駆動されるプーリ支持用単列軸受において、グリース潤滑される４点接触玉軸受であって、ラジアル荷重が負荷される負荷中心が、軸受中心から軸方向にずれており、前記内輪軌道において前記軸受中心から前記負荷中心の側で第一の接触点を提供する第一溝のレスト角が、前記内輪軌道において前記軸受中心から前記負荷中心とは反対側で第二の接触点を提供する第二溝のレスト角より小さいことを特徴とするプーリ支持用単列軸受。
（２） 前記第一溝のレスト角と前記第二溝のレスト角との差が２°以上である（１）に記載のプーリ支持用単列軸受。
（３） 前記第一溝のレスト角が１０°〜１８°である（１）又は（２）に記載のプーリ支持用単列軸受。
（４） 前記内輪軌道のレスト角を前記外輪軌道のレスト角より小さくしたことを特徴とする（１）〜（３）のいずれかに記載のプーリ支持用単列軸受。
（５） 前記内輪軌道のレスト角と前記外輪軌道のレスト角との差が２°以上である（４）に記載のプーリ支持用単列軸受。
（６） 外周面に内輪軌道を有する内輪と、内周面に外輪軌道を有する外輪と、前記内輪軌道と前記外輪軌道との間に転動自在に設けられた複数の玉と、を備え、ベルト駆動されるプーリ支持用単列軸受において、グリース潤滑される３点接触玉軸受であって、ラジアル荷重が負荷される負荷中心が、軸受中心から軸方向にずれており、前記内輪軌道において前記軸受中心から前記負荷中心の側で第一の接触点を提供する第一溝のレスト角が、前記内輪軌道において前記軸受中心から前記負荷中心とは反対側で第二の接触点を提供する第二溝のレスト角より小さいことを特徴とするプーリ支持用単列軸受。
（７） 前記第一溝のレスト角と前記第二溝のレスト角との差が２°以上である（６）に記載のプーリ支持用単列軸受。
（８） 前記第一溝のレスト角が１０°〜１８°である（６）又は（７）に記載のプーリ支持用単列軸受。
（９） 前記軸受の向きを外部に表示するマークが設けられた（１）〜（８）のいずれかに記載のプーリ支持用単列軸受。
【０００９】
上記構成によれば、すべりが大きくなる軌道のレスト角を小さくすることにより、その軌道と玉との間にできる接触楕円内の局所的な発熱を抑えることができる。このため、潤滑剤の劣化が少なく、高温下での使用に耐えることができる。また、第一の接触点を提供する第一溝のレスト角と第二の接触点を提供する第二溝のレスト角とを異なる値にすると、２個の溝の両方についてレスト角を小さくしたとき（２個の溝を対称にしたとき）に比べて、プーリの変位や傾きを小さく抑えることができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を、図面に基づいて詳細に説明する。図１は自動車用プーリの構成を示す要部の拡大断面図である。この自動車用プーリ１は、カーエアコンコンプレッサ用電磁クラッチに関するものである。この電磁クラッチは、車両走行用エンジンに発生する回転動力を冷凍サイクルのコンプレッサに伝達したり遮断したりするものである。図１に示すように、コンプレッサハウジング２の中心から回転自在に突出した駆動軸３の先端部に回転円盤４が設けられ、回転円盤４の外周側には可撓部材５を介してアーマチュア６が取り付けられている。駆動軸３の周囲を囲むようにして、コンプレッサハウジング２と一体に円筒軸２ａが突出するように設けられ、その外周面に、多点接触玉軸受の一例である４点接触玉軸受１１の内輪１２が固定されている。
【００１１】
４点接触玉軸受１１の外輪１３には、ロータ７が外嵌されている。ロータ７の外周面には、プーリ７ａが一体的に設けられている。プーリ７ａの外周面に、想像線で示すようにベルト８が掛け回される。ロータ７のコンプレッサハウジング２側とは反対側の側面には、アーマチュア６と接触して摩擦力により回転力を伝達する摩擦面７ｂが形成されている。ロータ７のコンプレッサハウジング２側の側面には凹所７ｄが設けられている。凹所７ｄ内には、電磁コイル９が、ロータ７と接触しないように収容されている。電磁コイル９は、コンプレッサハウジング２に固定されている。
【００１２】
電磁コイル９の非励磁時には、摩擦面７ｂとアーマチュア６との間に隙間Ｇがあいている。
電磁コイル９に電流を流すと磁界が発生し、アーマチュア６が可撓部材５の弾性に抗して電磁コイル９側に引き付けられ、摩擦面７ｂに押圧接触する。この結果、プーリ７ａの回転力がアーマチュア６、回転円盤４、駆動軸３を介してコンプレッサを駆動するように伝達される。
ベルト８の幅方向中心位置αと、軸受１１の軸方向中心位置βとは、オフセット量δでずれており、軸受１１にはモーメント荷重が作用する。
【００１３】
上記４点接触玉軸受１１は、図２に示すように、内輪１２と外輪１３との間に複数の玉１４を転動自在に配設したものである。内輪１２の外径面には玉１４との第一の接触点を提供する第一溝１２ａと、玉１４との第二の接触点を提供する第二溝１２ｂとが設けられ、それらによって内輪軌道が形成されている。外輪１３の内径面にも、玉１４との第一の接触点を提供する第一溝１３ａと、玉１４との第二の接触点を提供する第二溝１３ｂとが設けられ、それらによって外輪軌道が形成されている。外輪軌道の断面形状は、玉１４とレスト角θoで接触するゴシックアーチ形状にされ、軸受の軸方向中心線βに対して対称な形状になっている。外輪１３の第一溝１３ａの曲率半径と第二溝１３ｂの曲率半径とは等しい（ＲO）。
なお、図２の左方に付した符号Ｄｐはピッチ円径を表し、Ｄａは玉１４の直径（玉径）を表している。
【００１４】
内輪軌道の断面形状は、玉１４とレスト角θiで接触するゴシックアーチ形状にされ、軸受の軸方向中心線βに対して対称な形状になっている。内輪１２の第一溝１２ａの曲率半径と第二溝１２ｂの曲率半径とは等しい（Ｒi）。
内輪１２のレスト角θiは、外輪１３のレスト角θoより小さくされており、好ましくは２°以上小さくされている。
【００１５】
玉１４は保持器１８によって転動自在に保持されている。玉１４を挟む軸方向両側に、シール部材１５，１５が設けられている。シール部材１５の外周部は、外輪１３の内径面に設けられた係止溝１７に固定され、シール部材１５の内周部（リップ部）は、内輪の外径面に設けられたシール溝１６の側面に接している。
潤滑方式としては、グリース潤滑を採用することができる。
【００１６】
以上のような４点接触玉軸受１１を自動車用プーリ１に用いることで、内輪１２の第一及び第二溝１２ａ，１２ｂと玉１４との間にできる接触楕円内のすべりが小さくなり、接触楕円内での局所的な発熱を抑えることができる。このため、潤滑剤劣化が少なく、高温下での使用に長期間耐えることができる。
【００１７】
図３に、多点接触玉軸受の別の例として、４点接触玉軸受の第２例を示す。この４点接触玉軸受２１は、内輪軌道の断面形状が、軸受の軸方向中心線βに対して非対称な形状になっている。内輪１２の第一溝１２ａのレスト角θi1は、内輪１２の第二溝１２ｂレスト角θi2より小さくされており、好ましくは２°以上小さくされている。軸方向中心線βに対してずれた軸方向位置（図１のα）にラジアル荷重がかかる場合、第一溝１２ａがラジアル荷重の軸方向位置に近くなるように、玉軸受２１は組み込まれる。玉軸受２１の外輪１３やシール部材１５に、どちら側に第一溝１２ａがあるかを示す識別マークを設けておくことができる。
第二溝１２ｂのレスト角θi2は、外輪１３の第一及び第二溝１３ａ，１３ｂのレスト角θoと同等であってもよいし、θoより小さくてもよい。
【００１８】
図４に、多点接触玉軸受の別の例として、３点接触玉軸受２１’を示す。図４に示すように、内輪１２の外径面には第一溝１２ａと第二溝１２ｂとが設けられ、それらによって内輪軌道が形成されている。一方、外輪１３の内径面には、単一の接触点で玉１４と接する外輪軌道１３ｄが形成されている。
他の構成は、図３に示した玉軸受２１と同様とすることができる。
【００１９】
図５に示すような、内輪軌道及び外輪軌道の双方を軸方向中心線βに対称なゴシックアーチ形状にされた従来品の４点接触玉軸受に、ラジアル荷重を負荷したときの運転状態を、計算機を用いた解析でシミュレートした。解析に用いた条件を表１に示す。ラジアル荷重は、軸受中心（図１〜図４に示したβ）から軸方向に４．３５ｍｍずれた（オフセットした）位置（図１のα）に負荷されるものとした。
【００２０】
【表１】
解析手法には「４点接触玉軸受の性能解析」（谷口、荒牧、正田；（社）日本トライボロジー学会、トライボロジー会議１９９６年春 東京 講演予稿集）に記載の方法を採用した。本解析によって計算される軸受の摩擦トルクは、実験によるトルク測定結果に一致することが報告されている。
ここでは、計算によって得られる最大ＰＶ値に注目する。ＰＶ値は、玉と内外輪軌道面の接触点における発熱や摩耗の指標として、しばしば用いられるパラメータである（例えば特開平１１−２１０７６６号公報など）。
玉と軌道との接触点は、実際には表面の弾性変形により、ヘルツの接触理論において楕円形で表される領域をもつ面となる。ＰＶ値は、この接触面内の面圧Ｐとすべり速度Ｖとの積である。解析では、各玉と各軌道との接触面内において、ＰＶ値を計算している。ＰＶ値に表面間のすべり摩擦係数μを乗じた値μＰＶは、単位面積・単位時間当たりのすべりによる摩擦損失（＝発熱）である。
【００２２】
図５の、４個の溝のレスト角がすべて等しい４点接触玉軸受５１に、ラジアル荷重１０００Ｎを負荷した際の、玉５４の各接触点における最大ＰＶ値を計算機によって解析した結果を図６に示す。図６に示すように、外輪５３にかかるラジアル荷重の位置に近い側の内輪軌道（第一溝）上のＰＶ値が、他の接触点に比べて大きくなった。
【００２３】
軸受の耐久性を低下させる高温下のグリース劣化については、玉一個分や、接触楕円一つ分といった局所的な発熱、温度上昇が影響していると考えられる。したがって、ＰＶ値に代表されるすべり発熱をできるだけ小さく抑えることによって、高温下で使用されるプーリ用軸受の寿命延長を図ることができる。
【００２４】
ＰＶ値を抑えるためには、接触楕円内のすべり速度Ｖを小さくすることが有効である。運転時に玉と軌道が接触するときの角度（接触角）を小さくすると、接触楕円内のスピン運動によるすべり速度Ｖを小さく抑えることができる。
しかし、軸受運転時の接触角は、運転条件（荷重、回転数）や軸受すきまなどの影響によって変化する。また、機械に組み込まれて運転している軸受の接触角を実際に測定することも難しい。したがって、単純に接触角の大きさを議論することは実用的ではない。そこで、本発明では、軸受運転時の接触角に及ぼす影響が大きく、また、測定も容易なレスト角に着目する。レスト角は、静止状態において、内輪又は外輪それぞれにある２つの溝の双方に玉を接触させたときの接触角として定義される。
【００２５】
まず、大きなＰＶ値が問題となっている内輪のレスト角を変えて計算を行った。結果を図７に示す。ここでは、内輪の第一及び第二溝の両方を同じレスト角としている。外輪軌道のレスト角は、表１の条件と同じである。
図７から、内輪軌道のレスト角を小さくすると、接触点における最大ＰＶ値が減少することがわかる。結果として、局所的な発熱が減少し、耐久時間延長の効果が期待できる。
【００２６】
次に、図６でＰＶ値が特に大きいとされた内輪第一溝のレスト角のみを変化させて計算を行った。結果を図８に示す。外輪軌道と、内輪第二溝のレスト角は、表１の条件と同じである。内輪第一溝のみのレスト角を小さくするとによっても、図７と同様、接触点における最大ＰＶ値が減少し、耐久時間延長の効果がある。
【００２７】
ＰＶ値の限界には諸説あるが、発明者らの研究では、計算によるＰＶ値が１．５〜２．０ＧＰａｍ／ｓを超えると、軌道面の摩耗が問題になることがわかっている（特開平１１−２１０７６６号公報）。ラジアル荷重２０００Ｎに対する計算結果から、図７における内輪軌道のレスト角、または図８における内輪第一溝のレスト角を１８度以下にしたとき、すなわち、図７における外輪軌道のレスト角と内輪軌道のレスト角の差、または図８における内輪第一溝のレスト角と内輪第二溝のレスト角の差を２度以上とすると、ＰＶ値が２．０ＧＰａｍ／ｓを下まわり、摩耗などの問題が発生しにくくなることが期待できる。
【００２８】
図７、図８に示した二通りの方法でレスト角を変化させた場合の、プーリ外径部（直径１１０ｍｍ）の軸方向変位を図９に示す。内輪第一溝、第二溝のレスト角をともに変化させて、対称断面の内輪としたときには、レスト角を小さくすると、プーリ外径部の変位が大きくなることがわかる。一方、内輪第一溝のレスト角のみを変化させた場合は、プーリ外径部の移動量はほとんど変化しない。ベルトがかかるプーリ外径部の変位が大きくなることは、ベルトの偏摩耗や、電磁クラッチの場合は、クラッチの動作不良などの問題が生じる可能性がある。プーリ軸受としての剛性を維持しながら、局所的な接触楕円内のすべり発熱を抑え、軸受の耐久時間延長を図るためには、４点接触玉軸受の２個の溝のうち、すべり発熱の大きい一方のレスト角を他方のそれに比べて小さくする方法が有効である。
【００２９】
実際の軸受では、レスト角を過度に小さくすると、運転中の接触角が極めて小さくなる。極端なケースでは、接触楕円が第一溝と第二溝の境界を越えて、反対側の溝にはみ出す可能性がある。こういった場合には、４点接触玉軸受として設計された剛性や摩擦トルクといった軸受の運転性能が期待できない。また、第一溝と第二溝の境界部（みぞ底）は、十分な形状精度や表面粗さを得ることが難しいことから、軸受寿命が短くなるなどの問題がある。以上の観点から、本発明でとりあげたレスト角の大きさには、下限が決定されると考えられる。この観点からレスト角の下限を１０度とすることが好ましい。
【００３０】
また、プーリや自動車用補機などへの組み付けを考慮すると、レスト角が第一溝、第二溝で異なる軸受には、オフセット荷重の方向に対して正しい向きに軸受を組み付けることができるように、方向を示す識別マークを表示することが好ましい。
【００３１】
なお、単列４点接触玉軸受の外輪上の２個の溝についても同様に、すべりの大きい側の溝のレスト角を、他方のレスト角よりも小さくすることによって、局所的な発熱を抑えて、グリース劣化を低減させる効果がある。
このとき、内外輪の対向する溝（玉１４の中心を挟んで対抗する溝；例えば内輪第一溝と外輪第二溝）のレスト角を一致させる必要はない。
【００３２】
なお、図４に示した３点接触玉軸受においても、玉と２点で接触する軌道輪上の２個の溝のレスト角に上記同様の違いをもたせることは、スピンすべりを低減し、発熱を抑制する効果がある。したがって、本発明は３点接触玉軸受に適用しても有効である。
なお、ここでは、カーエアコンコンプレッサ用電磁クラッチのような自動車補機用プーリについて説明したが、軸方向にオフセットされた大きなラジアル荷重を支持し、かつ軸方向の剛性が必要とされる、自動車に用いられるプーリやその支持軸受、たとえば、ベルト式ＣＶＴのプーリやその支持軸受に本発明を適用しても同様の効果が期待できる。
【００３３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る多点接触玉軸受によれば、軌道上の局所的な発熱を抑え、グリース劣化や摩耗による寿命低下を防ぐことができる。また、この多点接触玉軸受を適用した自動車用プーリは、所定の剛性を維持しながら、多点接触玉軸受が局所的な発熱の抑制、耐久時間延長等を可能にする構成であることから、自動車用プーリ自体の信頼性向上はもとより、自動車の信頼性向上をも図り得る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態である自動車用プーリの構成を示す要部の拡大断面図である。
【図２】多点接触玉軸受の第１例を示す断面図である。
【図３】多点接触玉軸受の第２例を示す断面図である。
【図４】多点接触玉軸受の第３例を示す断面図である。
【図５】従来品における玉と軌道との接触点の位置を示す模式的断面図である。
【図６】玉と軌道との接触点の位置と最大ＰＶ値との関係を示す特性図である。
【図７】レスト角と最大ＰＶ値との関係を示す特性図である。
【図８】レスト角と最大ＰＶ値との関係を示す特性図である。
【図９】レスト角とプーリ外径部の軸方向移動量との関係を示す特性図である。
【符号の説明】
１ 自動車用プーリ
７ａ プーリ
８ ベルト
１１，２１ ４点接触玉軸受（多点接触玉軸受）
１２ 内輪
１２ａ 第一溝
１２ｂ 第二溝
１４ 玉
Claims (9)
- 外周面に内輪軌道を有する内輪と、内周面に外輪軌道を有する外輪と、前記内輪軌道と前記外輪軌道との間に転動自在に設けられた複数の玉と、を備え、ベルト駆動されるプーリ支持用単列軸受において、
グリース潤滑される４点接触玉軸受であって、
ラジアル荷重が負荷される負荷中心が、軸受中心から軸方向にずれており、
前記内輪軌道において前記軸受中心から前記負荷中心の側で第一の接触点を提供する第一溝のレスト角が、前記内輪軌道において前記軸受中心から前記負荷中心とは反対側で第二の接触点を提供する第二溝のレスト角より小さいことを特徴とするプーリ支持用単列軸受。 - 前記第一溝のレスト角と前記第二溝のレスト角との差が２°以上である請求項１に記載のプーリ支持用単列軸受。
- 前記第一溝のレスト角が１０°〜１８°である請求項１又は２に記載のプーリ支持用単列軸受。
- 前記内輪軌道のレスト角を前記外輪軌道のレスト角より小さくしたことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のプーリ支持用単列軸受。
- 前記内輪軌道のレスト角と前記外輪軌道のレスト角との差が２°以上である請求項４に記載のプーリ支持用単列軸受。
- 外周面に内輪軌道を有する内輪と、内周面に外輪軌道を有する外輪と、前記内輪軌道と前記外輪軌道との間に転動自在に設けられた複数の玉と、を備え、ベルト駆動されるプーリ支持用単列軸受において、
グリース潤滑される３点接触玉軸受であって、
ラジアル荷重が負荷される負荷中心が、軸受中心から軸方向にずれており、
前記内輪軌道において前記軸受中心から前記負荷中心の側で第一の接触点を提供する第一溝のレスト角が、前記内輪軌道において前記軸受中心から前記負荷中心とは反対側で第二の接触点を提供する第二溝のレスト角より小さいことを特徴とするプーリ支持用単列軸受。 - 前記第一溝のレスト角と前記第二溝のレスト角との差が２°以上である請求項６に記載のプーリ支持用単列軸受。
- 前記第一溝のレスト角が１０°〜１８°である請求項６又は７に記載のプーリ支持用単列軸受。
- 前記軸受の向きを外部に表示するマークが設けられた請求項１〜８のいずれかに記載のプーリ支持用単列軸受。
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