JP6920906B2 - 密封型転がり軸受 - Google Patents

Description

この発明は、自動車用プーリや電磁クラッチ等、外輪回転で使用される密封型転がり軸受に関する。

外輪回転で使用される密封型転がり軸受１１は、図７に示すように、外径面に内輪軌道溝１２ａを有する内輪１２と、内径面に外輪軌道溝１３ａを有する外輪１３と、内輪軌道溝１２ａおよび外輪軌道溝１３ａの間に配置される複数の玉１４と、隣接する玉４の間隔を保持する保持器（図示省略）と、内輪１２の外径面と外輪１３の内径面との間の空間を密封する環状のシール部材１６とを備えている。

前記軸受内部空間にはグリースＧｒが封入され、シール部材１６は、グリースＧｒの漏洩と、外部からの水その他の異物の侵入を防止している。

前記外輪１３の内径面の軸方向の両端部には、環状のシール部材１６を嵌合固定する外輪シール溝１３ｂが形成され、この外輪シール溝１３ｂに対して軸方向外側に、シール部材１６を挿入する際の入口部１３ｃが形成されている。

シール部材１６は、芯金１７とシールリング１８とで構成されている。芯金１７は円板状に成形したものである。シールリング１８は、芯金１７の周囲に一体的に加硫接着されている。

ところで、自動車用プーリや電磁クラッチ等、外輪回転で使用される密封型転がり軸受１１は、使用する回転速度が上昇する傾向にあり、例えば、毎分1万５千回転以上の高速回転で使用される。

このような高速の外輪回転で使用される密封型転がり軸受１１の場合、図７に薄墨で示すように、グリースＧｒが高速回転時の遠心力により、外輪１３の内径面に押し付けられ、シール部材１６に対して抜け出し方向に負荷を与える（黒矢印）。

このとき、シール部材１６の抜け出しを防止するためには、シール部材１６の外輪シール溝１３ｂに対する締め代を増加させる必要がある。

しかしながら、シール部材１６の外径を大きくし、外輪シール溝１３ｂに対する締め代を増加させると、シール部材１６の外輪シール溝１３ｂへの挿入性が悪化する。

従来、このシール部材の外輪シール溝への挿入性を改善するために、環状の芯金とこの芯金を覆うシールリングとからなるシール部材において、芯金の外径側の端部を、半径方向に弾性的に縮径可能な特殊形状にして、シール部材の外輪シール溝への挿入性を向上させるという技術が特許文献１に紹介されている。

特開２０１４−１４８９９２号公報

ところが、特許文献１のように、シール部材の芯金の外径側の端部を、半径方向に弾性的に縮径可能な特殊形状にすることは、コスト高になる。

また、外輪は、内周面の軌道溝や外輪シール溝を旋削加工した後に、熱処理されているので、熱処理変形により、入口部の内径面の真円度が悪化する。この真円度の悪化により、入口部でのシール挿入性も悪化するという問題があった。

そこで、この発明は、シール部材を備えた密封型転がり軸受において、コストを抑えつつ、外輪の外輪シール溝へのシール部材の挿入性を良好にしようとするものである。

前記の課題を解決するために、この発明は、外径面に内輪軌道溝を有する内輪と、内径面に外輪軌道溝と外輪シール溝とを有する外輪と、前記内輪軌道溝および前記外輪軌道溝の間に配置される複数の玉と、前記外輪シール溝に嵌め入れられて、前記外輪と前記内輪との間の軸受内部空間をシールするシール部材とを備え、前記外輪シール溝の軸方向の外側に、前記シール部材を嵌め入れられる際に接触する入口部が設けられていて、前記入口部の表面のみが、熱処理加工後に切削加工により追加工された面になり、前記シール部材の外径面の表面粗さがＲａ１．０〜２．５μｍであることを特徴とする。

前記入口部の真円度は、前記入口部の直径の１／１０００以下である。

また、前記入口部の内径面の表面粗さは、Ｒａ１．０〜０．５μｍが好ましい。

以上のように、本発明によれば、外輪シール溝の外側に設けられた入口部の表面のみが、熱処理面のままではなく、熱処理加工された後に、切削加工により追加工された面となっているので、コストを抑えつつ、当該入口部の真円度の悪化を改善することができ、シール部材の挿入性を向上させることができる。

本発明によれば、特に、入口部の真円度を入口部の直径の１／１０００以下にすることにより、シール部材の挿入性を向上させることができる。

また、本発明の別の態様、即ち、外輪シール溝の入口部の表面粗さをＲａ１．０〜０．５μｍにすると、シール部材と外輪シール溝の外側の入口部との摩擦力が小さくなり、シール部材の外輪シール溝への挿入性が向上する。

また、本発明の別の態様、即ち、環状の芯金を覆う弾性部材の外径面の表面粗さをＲａ１．０〜２．５μｍにすることによっても、シール部材と外輪シール溝の外側の入口部との摩擦力が小さくなり、シール部材の外輪シール溝への挿入性が向上する。

この発明の一実施形態に係る密封型転がり軸受の一部を拡大して示す縦断正面図である。 図１の部分拡大図であり、シール部材を外輪シール溝に挿入する前の状態を示している。 図１の部分拡大図であり、シール部材を外輪シール溝に挿入した後の状態を示している。 表面粗さがＲａ０．１μｍの金属平板にゴムシートを載せて引っ張った時の摩擦力を測定した際のグラフである。 表面粗さがＲａ０．１μｍの金属平板にゴムシートを載せて引っ張った時の摩擦力を測定した際のグラフである。 この発明の密封型転がり軸受をプーリ支持軸受として用いたコンプレッサを示す模式図である。 従来例の密封型転がり軸受の一部を拡大して示す縦断正面図である。

以下、この発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。

図１に示す実施形態の密封型転がり軸受１は、密封型の複列アンギュラ玉軸受である。

この密封型転がり軸受１は、外径面２ａに複列の内輪軌道溝２ｂを有する内輪２と、内径面３ａに前記内輪軌道溝２ｂに対面する位置に複列の外輪軌道溝３ｂを有する外輪３と、内輪軌道溝２ｂおよび外輪軌道溝３ｂの間に配置される複数の玉４と、玉４を保持する保持器５と、内輪２の外径面２ａと外輪３の内径面３ｂとの間の空間（軸受内部空間Ｓ１）を密封する環状のシール部材６とを備えている。本実施形態の密封型転がり軸受１は、自動車補機用軸受であり、例えば、後述するように、自動車の電磁クラッチに用いられる。

また、密封型転がり軸受１は、内輪２が固定されて外輪１が回転する外輪回転用軸受である。なお、以下の説明において、密封型転がり軸受１の中心軸に沿った方向を「軸方向」、当該中心軸に対して直交する方向を「径方向」と呼ぶ。

前記外輪３の内径面３ａの軸方向の両端部には、シール部材６を嵌合固定する外輪シール溝３ｃが形成されている。外輪シール溝３ｃの軸方向外側には、入口部３ｄが形成されている。入口部３ｄは、密封型転がり軸受１の製造工程において、外輪３のうちシール部材６が外輪シール溝３ｃに嵌め入れられる際の入口となる部分である。入口部３ｄは、シール部材６に嵌め入れられる際に、当該シール部材６と接触する。

入口部３ｄの内径は、外輪軌道溝３ｂと外輪シール溝３ｃとの間に位置する大径肩部３ｅの内径よりも小さい。入口部３ｄの内径面は、外輪シール溝３ｃの内面のうち底部よりも内径側に位置している。入口部３ｄの内径面は、軸方向と略平行に延びる水平面を有する。入口部３ｄの内径面には、その軸方向外縁に、面取り部が設けられている。

軸受内部空間Ｓ１にはグリースその他の潤滑材（本実施形態では、グリース）が封入され、シール部材６は、グリースの漏洩と、外部から水その他の異物の侵入を防止している。

シール部材６は、芯金７とシールリング８とで構成されている。芯金７は環状で、例えば、冷間圧延鋼板（ＪＩＳ規格のＳＰＣＣ系等）をプレス加工により円板状に成形したものである。シールリング８は、芯金７の周囲に一体的に加硫接着されている。シールリング８は、弾性部材である。シールリング８の材質としては、例えば、ニトリルゴム、フッ素ゴム、アクリルゴムなどを使用することができる。図２に示すシールリング８は、シール部材６を外輪シール溝３ｃに挿入する前の自然状態を示しており、シール部材６を外輪シール溝３ｃに嵌合固定すると、シールリング８の内径面に形成したシールリップ部８ａが、内輪２の外径面の軸方向の両端部に形成した内輪シール溝２ｃに、軸方向に接触する。

芯金７は、環状の立板部７ａと、立板部７ａの外径端部に設けられた軸方向内向きに延びる円筒部７ｂと、立板部７ａの内径端部に設けられた内向きに傾斜する傾斜部７ｃとからなる。

芯金７の立板部７ａの外径面には、外輪シール溝３ｃに嵌合固定されるシールリング８の外径圧入部８ｂが加硫接着されている。

また、芯金７の内向きの傾斜部７ｃの内径部には、シールリング８のシールリップ部８ａがくびれ部８ｃを介して加硫接着されている。

シール部材６は、図２の白抜き矢印に示すように、内輪２と外輪３の開口部の外側から嵌め込んで装着される。外輪シール溝３ｃに嵌合固定されるシールリング８の外径圧入部８ｂの外径面の直径Ｄａは、外輪シール溝３ｃの外側の入口部３ｄの直径Ｄｂよりも大きいので、シール部材６を装着する際には、シールリング８の外径圧入部８ｂの外径面８ｄが外輪シール溝３ｃの外側の入口部３ｄに当たって外径圧入部８ｂが径方向に弾性変形しながら外輪シール溝３ｃの外側の入口部３ｄを通過し、縮径したシールリング８の外径圧入部８ｂが外輪シール溝３ｃまで入ると、弾性変形したシールリング８の外径圧入部８ｂが元に戻って外輪シール溝３ｃに嵌合固定される。

密封型転がり軸受１が回転すると、軸受内部空間Ｓ１に封入されているグリースは、遠心力によって、外輪３の内径面３ａ側へと移動する。そして、外輪３の内径面３ａに押し付けられたグリースは、シール部材６の軸方向内側面に対して、当該内径面３ａに沿って軸受内部から軸受外部に向けて押圧力を生じさせる。

ここで、本実施形態の密封型転がり受１が用いられる自動車補機では、自動車の省スペース化に伴い、小型化が進んでいる。この小型化に伴う出力低下を補うために、自動車補機は高速回転する傾向にあり、当該補機に使用される軸受も高速回転する傾向にある。例えば、密封型転がり軸受１は、外輪３が毎分１万５千回転以上で回転する。このように、外輪３が高速回転することにより、グリースに作用する遠心力も大きくなるため、当該グリースによるシール部材６の押圧力も増加する傾向にある。そのため、この押圧力によって、シール部材６が軸方向外側に抜け出すのを防ぐ必要がある。

グリースの押圧力によって、シール部材６が軸方向外側へと抜け出すのを防ぐために、シール部材６のうち外径圧入部８ｂの嵌合力を増加させる必要がある。本実施形態では、外径圧入部８ｂの嵌合力を増加させるために、外輪シール溝３ｃに対するシール部材６の締め代を増加している。単に締め代を増加させただけでは、シール部材を外輪シール溝に嵌め入れる際に、入口部に対するシール部材の挿入性が悪化する。本実施形態では、以下に示す方法で、外輪３の入口部３ｄ（の内径面）の真円度を改善することで、シール部材６の挿入性の悪化を防いでいる。

まず、外輪３の製造工程について、説明する。外輪３は、鍛造工程、旋削工程、熱処理工程、切削工程、研削工程及び超仕上げ工程を経て製造される。鍛造工程では、外輪素材（例えば、ＳＵＪ２等の軸受鋼）を鍛造することによって、孔を有する環状の外輪原形物が得られる。鍛造工程において、外輪原形物は、ほぼ外輪３の形状となっており、外輪軌道溝３ｂと入口部３ｄを有している。その後、旋削工程において、外輪原形物に所定形状の外輪シール溝３ｃが形成される。外輪シール溝３ｃが形成された後、熱処理工程において、表面硬化が行われる。熱処理工程の完了後、外輪シール溝３ｃの外側に設けられた入口部３ｄのみが切削加工される。このように、外輪シール溝３ｃの外側の入口部３ｄは、その表面が熱処理面のままではなく、熱処理加工された後に、切削加工により追加工された面（切削面）に形成されている。

入口部３ｄの切削加工が完了した後、研削工程において、外輪原型物に幅面研削、外径面研削及び内径面研削が行われる。外輪軌道溝３ｂを砥石によって超仕上げ加工することで、外輪３が製造される。なお、研削工程と切削工程は、その順序を入れ替えてもよい。

外輪シール溝３ｃの外側の入口部３ｄの表面のみを、切削加工により追加工することにより、熱処理加工によって真円度が低下した入口部３ｄの内径面の真円度を、外輪シール溝３ｃの外側の入口部３ｄの直径の１／１０００以下に向上させている。

また、入口部３ｄの表面は、切削加工により追加工によって表面粗さをＲａ１．０〜０．５μｍにすることができる。

外輪シール溝３ｃの入口部３ｄの表面粗さをＲａ１．０〜０．５μｍに設定すると、シールリング８の外径圧入部８ｂを外輪３の外輪シール溝３ｃに挿入する際に、外輪シール溝３ｃの入口部３ｄの表面と、シールリング８の外径圧入部８ｂの外径面との摩擦力が小さくなり、シールリング８の挿入性が向上する。

即ち、金属面の表面粗さをＲａ１．０μｍにした場合と、Ｒａ０．１μｍにした場合とでは、金属面の表面粗さが粗いＲａ１．０μｍの方が、金属面の表面粗さが小さいＲａ０．１μｍよりも、ゴムシートを金属面で引っ張った際の摩擦力が小さくなるということを図４、図５で示す実験により確認することができた。

図４及び図５は、金属平板とゴムシート間の摩擦力の測定結果を示している。測定は、雰囲気温度２５℃にて表面粗さを変えた金属平板にゴムシート載せ、ゴムシートを引っ張った時の摩擦力を測定した。金属平板の表面粗さはＲａ１．０μmと、０．１μｍで、ゴムシートの材質はアクリルで硬度はＨＳ７０である。
図４に示すように、金属平板の表面粗さがＲａ０．１μｍにおける摩擦力は５０Ｎ近くあり、ゴムの復元力により摩擦力の変動も大きくなった。これに対して、図５に示す様に、金属平板の表面粗さがＲａ１．０μｍにおける摩擦力は２５Ｎより小さく、摩擦力の変動も小さくなった。これらの結果から、ゴムが接触する金属の表面の粗さは粗い方が摩擦力は小さく、変動も小さいということを確認することができた。

次に、シールリング８の外径圧入部８ｂの外径面の表面粗さを大きくしても、外輪シール溝３ｂの入口部３ｃの表面とシールリング８の外径圧入部８ｂの外径面の摩擦が小さくなり、シール挿入性を向上させることができる。

ただし、シールリング８の外径圧入部８ｂの外径面の表面粗さが、Ｒａ２．５μｍを超えると、外輪シール溝３ｂとシールリング８の外径圧入部８ｂの間からグリースが漏れるので、シールリング８の外径圧入部８ｂの外径面の表面粗さはＲａ２．５μm以下にすることが好ましい。

次に、本実施形態の密封型転がり軸受１を採用した自動車補機の一例として、自動車用カーエアコンのコンプレッサ２１につき、図６を参照して説明する。

図６に示すように、コンプレッサ２１は、ケーシング２２と、回転軸２９と、斜板３０と、ピストン３１と、電磁クラッチ３２とを備える。このコンプレッサ２１は、自動車用カーエアコンの蒸気圧縮式冷凍機等に組み込まれる。

ケーシング２２は、低圧室２６および高圧室２７を有するヘッドケース２３と、ピストン３１が往復運動する複数のシリンダ２８を有するシリンダケース２４と、斜板３０を収容する斜板ケース２５とをボルト（図示省略）によって固定している。

低圧室２６は、ヘッドケース２３に設けられた吸入ポート（図示省略）と、各シリンダ２８に連通する吸入孔２６ａと、吸入孔２６ａから冷媒蒸気の逆流を防止する弁２６ｂとを有する。また、吸入ポートは蒸気圧縮式冷凍機を構成するエバポレータ（図示省略）の出口に連通する。そして、吸入ポートから吸入した冷媒蒸気は吸入孔２６ａを通じてシリンダ２８に供給される。

一方、高圧室２７は、ヘッドケース２３に設けられた吐出ポート（図示省略）と、シリンダ２８に連通する吐出口２７ａと、吐出口２７ａから冷媒蒸気の逆流を防止する弁２７ｂとを有する。また、吐出ポートは蒸気圧縮式冷凍機を構成するコンデンサ（図示省略）の入り口に連通する。そして、ピストン３１によって圧縮されたシリンダ２８内部の冷媒蒸気が吐出口２７ａを通じて高圧室２７に供給される。

回転軸２９は、ケーシング２２および電磁クラッチ３２に連通し、ラジアル針状ころ軸受２９ａおよびスラスト針状ころ軸受２９ｂによって、シリンダケース２４および斜板ケース２５の２箇所で回転自在に支持されている。また、斜板ケース２５の内部で斜板３０を保持している。

斜板３０は、回転軸２９の回転軸線に直交する平面に対して所定角度傾いた状態で回転軸２９に固定連結されている。また、その円周上の複数箇所にはピストン３１がスライディングシュー３０ａによって連結されている。

ピストン３１は、斜板３０に連結されており、回転軸２９の回転に伴って、シリンダ２８の内部を軸線方向（図６中の左右方向）に往復運動する。また、シリンダ２８とピストン３１と囲まれる領域には、冷媒蒸気を圧縮する圧縮室２８ａが形成されている。

電磁クラッチ３２は、プーリ３３と、ソレノイド３４と、磁性環状板３５と、プーリ支持軸受としての密封型転がり軸受１とを有する。

プーリ３３は、外径面に無端ベルト３３ａを保持する溝３３ｂと、一方側端面にソレノイド３４を収容する凹み部３３ｃとを有し、密封型転がり軸受１によってケーシング２２に回転自在に支持されている。

ソレノイド３４は、凹み部３３ｃの内部に所定の隙間を設けた状態で配置されており、ケーシング２２に固定されている。磁性環状板３５は、磁性材料によって形成された円環形状の部材であって、プーリ３３を挟んでソレノイド３４と対面するように配置されている。また、板ばね３５ａによって回転軸２９に固定されている。この板ばね３５ａは、磁性環状板３５をプーリ３３から遠ざける方向に付勢する。

次に、上記構成のコンプレッサ２１の動作を説明する。まず、無端ベルト３３ａはエンジン（図示省略）によって回転駆動される駆動プーリ（図示省略）に掛け渡されている。そのため、プーリ３３は、エンジンの回転に伴って回転する。

ソレノイド３４の非通電時には、プーリ３３と磁性環状板３５との間には隙間が形成されている。その結果、プーリ３３の回転は回転軸２９に伝達されない。

一方、ソレノイド３４の通電時には、ソレノイド３４の吸着力によって磁性環状板３５が板ばね３５ａに逆らってプーリ３３に当接する。その結果、プーリ３３の回転が磁性環状板３５を介して回転軸２９に伝達される。

回転軸２９が回転すると、斜板３０に取り付けられたピストン３１がシリンダ２８の内部を往復運動する。ピストン３１が圧縮室２８ａの容積を大きくする方向（図６中の左方向）に移動すると、弁２６ｂが開放されて冷媒蒸気が低圧室２６から吸入孔２６ａを通って圧縮室２８ａに移動する。このとき、弁２７ｂは閉鎖されて高圧室２７内の冷媒蒸気が圧縮室２８ａに逆流するのを防止している。

次に、ピストン３１が圧縮室２８ａの容積を小さくする方向（図６中の右方向）に移動すると、ピストン３１が圧縮室２８ａ内の冷媒蒸気を圧縮すると共に、弁２７ｂが開放されて圧縮された冷媒蒸気が吐出口２７ａを通って高圧室２７に移動する。このとき、弁２６ｂは閉鎖されて圧縮室２８ａ内の冷媒蒸気が低圧室２６に逆流するのを防止している。

さらに、上記の実施形態における密封型転がり軸受１は、電磁クラッチ３２のプーリ３３を支持するために用いられた例を示したが、これに限ることなく、無段変速機（ＣＶＴ）等の任意の用途に用いることもできる。

また、上記した実施形態では、複列の玉軸受にこの発明を適用したが、単列の玉軸受にも適用することもできる。単列の玉軸受の場合、例えば、自動車補機用軸受としてアイドラプーリに用いられてもよい。

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。

前述の実施形態では、密封型転がり軸受１は、電磁クラッチに用いる軸受であったが、これに限らず、自動車エンジンのファンカップリング装置、フライホイールダンパ、オルタネータ、ウォータポンプ等に用いられてもよい。

１ ：密封型転がり軸受
２ ：内輪
２ａ ：外径面
２ｂ ：内輪軌道溝
２ｃ ：内輪シール溝
３ ：外輪
３ａ ：内径面
３ｂ ：外輪軌道溝
３ｃ ：外輪シール溝
３ｄ ：入口部
４ ：玉
６ ：シール部材
７ ：芯金
８ ：シールリング

Claims (3)

1. 外径面に内輪軌道溝を有する内輪と、内径面に外輪軌道溝と外輪シール溝とを有する外輪と、前記内輪軌道溝および前記外輪軌道溝の間に配置される複数の玉と、前記外輪シール溝に嵌め入れられて、前記外輪と前記内輪との間の軸受内部空間をシールするシール部材とを備え、前記外輪シール溝の軸方向の外側には、前記シール部材が嵌め入れられる際に接触する入口部が設けられていて、前記入口部の表面のみが、熱処理加工後に切削加工により追加工された面になり、前記シール部材の外径面の表面粗さがＲａ１．０〜２．５μｍである密封型転がり軸受。
2. 前記入口部の真円度が、前記入口部の直径の１／１０００以下であることを特徴とする請求項１に記載の密封型転がり軸受。
3. 前記入口部の内径面の表面粗さがＲａ１．０〜０．５μｍである請求項１または２に記載の密封型転がり軸受。

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