JP4480636B2 - 針状ころ軸受 - Google Patents

Description

この発明は、自動車エンジン用クランクシャフト、カムシャフト、バランスシャフト、およびロッカーシャフト等を支持する針状ころ軸受に関するものである。

従来、図１に示すような自動車のクランクシャフト１等を支持する軸受としては、一般的に分割型の滑り軸受が使用されている。滑り軸受は負荷容量が高いので、高負荷環境下で使用される軸受として好適である。

しかし、近年では、環境への配慮から省燃費である自動車が求められるようになったことに伴い、滑り軸受に代えて針状ころ軸受が用いられることがある。針状ころ軸受は、滑り軸受と比較すると負荷容量は低いが、回転時の摩擦抵抗が小さいので、回転トルクの低減や、支持部分への給油量を減らすことが可能となる。

ただし、クランクシャフト１のクランクピン２を支持する針状ころ軸受は、軸方向に圧入して組み込むことができない。そこで、このような場所に使用される針状ころ軸受が、例えば、米国特許第１９２１４８８号公報（特許文献１）に記載されている。同公報によると、冷間圧延鋼板（ＳＰＣ材）等によって形成された針状ころ軸受３の外輪を、図２に示すように、軸受の軸線方向に延びる分割線によって、外輪部材４ａ，４ｂを有するように分割することにより、クランクピン２に組み込むことが可能となる。

また、図３に示すように、外輪７と、外輪７の軌道面上に転動自在に配置される複数の針状ころ８と、針状ころ８を保持する保持器９とを備える針状ころ軸受６を使用して軸５を支持する場合において、軸５の軸受両端部分の軸径を小さくして保持器９を径方向に突出させることによって、保持器９の軸方向へのずれを防止した針状ころ軸受６が、特表２００２−５２５５３３号公報（特許文献２）に記載されている。
米国特許第１９２１４８８号公報 特表２００２−５２５５３３号公報

図１に示したようなクランクシャフト１等は、回転時に所定の方向に偏った荷重が作用するので、軸受の外輪円周上は、負荷が集中する領域（以下、「負荷領域」という）と、大きな負荷がかからない領域（以下、「非負荷領域」という）とに分かれ、図２に示したような針状ころ軸受３を軸に組み込む場合には、外輪部材４ａ，４ｂの境界４ｃが非負荷領域に位置するように位置決めをする。

しかし、針状ころ軸受３は、外輪部材４ａ，４ｂがハウジングに嵌め合いによって固定されているに過ぎないので、回転時に荷重を受けると外輪部材４ａ，４ｂがハウジング内で回転する可能性がある。このとき、外輪部材４ａ，４ｂの境界４ｃが負荷領域に移動すると、針状ころの回転不良や外輪部材４ａ，４ｂの破損等のトラブルを引き起こす可能性がある。

また、図３に示したような針状ころ軸受６は、保持器９の軸方向へのずれを防止するために軸５の加工が必要となるので、加工コストが増大するという問題がある。

さらに、外輪部材４ａ，４ｂに使用される冷間圧延鋼板（ＳＰＣ材）は炭素含有量が０．０４ｗｔ％〜０．１５ｗｔ％と低いので、加工性が高い反面焼入れ性が低い。そのため、外輪部材４ａ，４ｂの転動面に必要な硬度（Ｈｖ６５３以上）を確保するためには、浸炭窒化処理が必要となる。しかし、浸炭窒化処理設備は他の熱処理設備と比較して設備費用が高額であり、かつ、炭素含有量の低い冷間圧延鋼板には深い浸炭層が形成されないので、軸受使用時に表面起点型剥離等のトラブルを発生させる恐れがある。

そこで、本発明の目的は、外輪のハウジング内での回転を防止可能で、保持器の軸方向規制手段を備えた針状ころ軸受であって、低価格で長寿命の外輪部材を備えた針状ころ軸受を提供することである。

この発明に係る針状ころ軸受は、軸受の軸線方向に延びる分割線によって分割された複数の外輪部材を有する外輪と、外輪の軌道面上に転動自在に配置される複数の針状ころと、複数の針状ころを保持する保持器とを備える。そして、外輪部材は、その円周方向中央からずれた位置にハウジングと係合して位置決めを行うための位置決め係合部と、幅方向端部に径方向内側に突出して保持器の軸方向への移動を規制する係合爪とを有する。また、外輪部材の炭素含有量は、０．１５ｗｔ％〜１．１ｗｔ％である。

上記構成のように、位置決め係合部を外輪部材に設けることによって、外輪の円周方向への回転を防止することができる。これにより、外輪部材の境界が負荷領域に移動することが無くなるので、針状ころの回転不良や外輪部材の破損等のトラブルを回避することができる。また、外輪部材の幅方向端部に係合爪を設けることにより、軸等の周辺構造に加工を施すことなく、保持器の軸方向の移動を規制することが可能となる。

また、炭素含有量が０．１５ｗｔ％以上の材料は、浸炭焼入処理によって外輪部材に求められる十分な硬度（Ｈｖ６５３以上）を得ることができる。浸炭焼入処理設備は浸炭窒化処理設備と比較して設備費用が安価となるので、低廉な針状ころ軸受を得ることができる。一方、炭素含有量が１．１ｗｔ％を超える材料は加工性が低く、プレス加工等により製造される外輪部材用の材料としては適さない。

好ましくは、外輪部材の炭素含有量は、０．５ｗｔ％〜１．１ｗｔ％である。さらに、０．５ｗｔ％以上の炭素を含有する材料は、光輝焼入処理や高周波焼入処理によっても十分な強度を得ることができる。光輝焼入処理設備や高周波焼入処理設備は、浸炭窒化処理設備や浸炭焼入処理設備と比較して設備費用が安価で、特に高周波焼入処理はガスを使用しない環境に優しい熱処理方法である。

好ましくは、外輪部材は、その円周方向中央部に位置し軸受使用時に負荷領域となる中間領域と、その円周方向端部に位置し軸受使用時に非負荷領域となる端部領域とを有し、位置決め係合部および係合爪は、中間領域を挟んで反対側の端部領域に位置する。

例えば、外輪部材の内径面側からバーリング加工によって位置決め係合部を形成した場合には、軌道面に凹部が形成されて平滑な面とはならない。この凹部が負荷領域に配置されると、凹部上を通過する針状ころの回転不良等のトラブルが発生する可能性がある。そこで、非負荷領域となる端部領域に配置することにより、これらのトラブルを回避することができる。また、係合爪を外輪部材の端部領域に配置することにより、保持器と係合爪との接触による回転不良や破損等のトラブルを防止することができる。

この発明は、位置決め突起により軸受使用時に外輪の円周方向に回転するのを防止可能で、かつ、係合爪により保持器の軸方向へのずれを防止可能な針状ころ軸受であって、外輪部材に炭素含有量の高い材料を使用することによって、安価な熱処理設備で十分な硬度を有する針状ころ軸受を得ることができる。

図４〜図６を参照して、この発明の一実施形態に係る針状ころ軸受１１を説明する。

針状ころ軸受１１は、図４（ａ）および（ｂ）に示すように、軸受の軸線方向に延びる分割線によって分割された２つの外輪部材１２を有する外輪１３と、外輪１３の軌道面上に転動自在に配置される複数の針状ころ１４と、針状ころ１４を保持する保持器１５とを備える。

外輪部材１２は、図５（ａ）に示すように、その円周方向中央からずれた位置にハウジングと係合して位置決めを行う位置決め係合部としての突起１２ａと、外輪部材１２の幅方向端部から径方向内側に突出し、保持器１５の軸方向への移動を規制する係合爪１２ｂとを有する。

また、図５（ｂ）および（ｃ）に示すように、外輪部材１２の円周方向の一方側端部は凸形状で他方側端部は凹形状であり、２つの外輪部材１２の凹凸を組み合わせることによって、円筒状の外輪１３を形成する。ここで、外輪１３の分割線は、外輪１３を径方向に分割できればよく、厳密に軸方向と一致していなくてもよいものとする。

保持器１５は樹脂材料で形成され、図６（ａ）に示すように、円周上の複数個所に針状ころ１４を収容するポケットを有する。また、図６（ｂ）に示すように、保持器１５は円周上の一箇所で軸線方向に切断されており、保持器１５を弾性変形させて軸へ組み込んだ後、切断部分の凸部１５ａと凹部１５ｂとを係合させる。

上記構成の針状ころ軸受１１は、外輪１３および保持器１５の一部が切断されているので、自動車のクランクシャフト、カムシャフト、バランスシャフト、およびロッカーシャフト等の軸方向に組立てできない箇所を支持する軸受として使用することができる。

また、外輪部材１２に突起１２ａを設けることによって、外輪１３の円周方向への回転を防止し、かつ、係合爪１２ｂを設けることによって、保持器１５の軸方向への移動を規制することができる。

ここで、外輪部材１２には、その円周方向中央部に軸受使用時に負荷領域となる中間領域１２ｄと、その円周方向両端部に軸受使用時に非負荷領域となる端部領域１２ｅとを設け、突起１２ａおよび係合爪１２ｂは、中間領域１２ｄを挟んで反対側の端部領域１２ｅに位置する。

突起１２ａと係合爪１２ｂとは、同じ側の端部領域に形成してもよいが、中間領域１２ｄを挟んで反対側の端部領域１２ｅに配置することにより、突起１２ａ、係合爪１２ｂ、および外輪部材１２それぞれの加工が容易となる。

さらに、外輪１３を２つの外輪部材１２で構成する場合においては、外輪部材１２の円周方向最外端１２ｃを基準とした中心角をφとすると、端部領域１２ｅは、５°≦φ≦４５°の範囲内とする。

これは、負荷領域となる中間領域１２ｄをできるだけ大きく設定するために、非負荷領域となる端部領域１２ｅは、外輪部材１２の両最外端からそれぞれ４５°以内に設定する必要がある。一方、端部領域１２ｅに配置される突起１２ａおよび係合爪１２ｂが外輪部材１２の円周方向最外端１２ｃに近すぎると、板状の外輪部材１２を円弧状に曲げ加工する場合などの曲げ応力の影響を受けることとなるので、円周方向最外端１２ｃから５°以上中間領域１２ｄ寄りとするのがよい。

上記の針状ころ軸受１１の外輪部材１２は、炭素含有量が０．１５ｗｔ％〜１．１ｗｔ％の材料によって形成される。例えば、ＳＣＭ４１５やＳ５０Ｃ等である。これらの材料は、炭素含有量が多いので熱処理による有効硬化深さが深くなる。その結果、浸炭焼入処理により外輪部材１２が必要とする硬度（Ｈｖ６５３以上）を得ることができる。浸炭焼入処理設備は、浸炭窒化処理設備と比較して設備費用が安価であるので、結果として低廉な針状ころ軸受を得ることができる。ただし、炭素含有量が１．１ｗｔ％を超えると加工性が低いので、プレス加工等によって製造される外輪部材１２には適さない。

また、炭素含有量が０．５ｗｔ％以上の材料、例えば、ＳＡＥ１０７０，ＳＫ５等の材料で外輪部材１２を形成すると、光輝焼入処理や高周波焼入処理によって十分な硬度を得ることができる。光輝焼入処理設備や高周波焼入処理設備は、浸炭窒化処理設備や浸炭焼入処理設備と比較して設備費用が安価で、特に高周波焼入処理はガスを使用しない環境に優しい熱処理設備である。

上記の実施形態において、外輪１３は、径方向に二分割された外輪部材１２で構成される例を示したが、これに限ることなく、任意の数に分割することとしてもよい。

上記の実施形態においては、各外輪部材１２に一箇所ずつ突起１２ａおよび係合爪１２ｂを配置する例を示したが、これに限ることなく、外輪１３の全周で一箇所にのみ配置してもよいし、各外輪部材１２の複数個所に配置することとしてもよい。

また、上記の実施形態においては、外輪部材１２の軸方向端部の一部に係合爪１２ｂを設けた例を示したが、外輪部材１２の軸方向端部全域に係合爪１２ｂを設けることとしてもよい。この場合においては、係合爪１２ｂの側面に保持器１５が引っ掛かる恐れがないので、係合爪１２ｂが負荷領域に位置しても回転不良等の問題は生じない。

さらには、保持器１５は、樹脂に限らず金属材料をプレス加工等によって形成することとしてもよいし、保持器１５を必要としない総ころ軸受であってもよい。

以上、図面を参照してこの発明の実施形態を説明したが、この発明は、図示した実施形態のものに限定されない。図示した実施形態に対して、この発明と同一の範囲内において、あるいは均等の範囲内において、種々の修正や変形を加えることが可能である。

この発明は、自動車のクランクシャフト、カムシャフト、バランスシャフト、およびロッカーシャフト等を支持する針状ころ軸受に有利に利用される。

自動車のクランクシャフトを示す図である。 径方向に分割可能な外輪を備える従来の針状ころ軸受を示す概略図である。 保持器の軸方向規制手段を備えた従来の針状ころ軸受を示す図である。 この発明の一実施形態に係る針状ころ軸受を示す図であって、（ａ）は正面図、（ｂ）はＡ−Ａ´における断面図である。 この発明の一実施形態に係る針状ころ軸受の外輪部材を示す図であって、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は（ａ）をＢ方向から見た図、（ｃ）は（ａ）をＣ方向から見た図である。 この発明の一実施形態に係る針状ころ軸受の保持器を示す図であって、（ａ）は正面図、（ｂ）は（ａ）のＤ−Ｄ´における断面図である。

符号の説明

１ クランクシャフト、２ クランクピン、３，６，１１ 針状ころ軸受、４ａ，４ｂ，１２ 外輪部材、４ｃ 境界、５ 軸、７，１３ 外輪、８，１４ 針状ころ、９，１５ 保持器、１２ａ 突起、１２ｂ 係合爪、１２ｃ 円周方向最外端、１２ｄ 中間領域、１２ｅ 端部領域、１５ａ 凸部、１５ｂ 凹部。

Claims (2)

1. 軸受の軸線方向に延びる分割線によって分割された複数の外輪部材を有する外輪と、
   前記外輪の軌道面上に転動自在に配置される複数の針状ころと、
   前記複数の針状ころを保持する保持器とを備え、
   前記外輪部材は、その円周方向中央からずれた位置に、ハウジングと係合して位置決めを行うための位置決め係合部と、幅方向端部に径方向内側に突出して前記保持器の軸方向への移動を規制する係合爪とを有し、
   前記外輪部材の炭素含有量は、０．１５ｗｔ％〜１．１ｗｔ％であり、
   前記外輪部材は、その円周方向中央部に位置し軸受使用時に負荷領域となる中間領域と、その円周方向端部に位置し軸受使用時に非負荷領域となる端部領域とを有し、
   前記位置決め係合部および前記係合爪は、前記中間領域を挟んで反対側の前記端部領域に位置する、針状ころ軸受。
2. 前記外輪部材の炭素含有量は、０．５ｗｔ％〜１．１ｗｔ％である、請求項１に記載の針状ころ軸受。

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