WO2018047820A1 - シール付軸受 - Google Patents

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Abstract

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。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。

Description

シール付軸受
 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(下記特許文献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22~22と、各ギヤ列22~22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22~22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:CVTF 120℃
 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。
 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:CVTF 120℃
 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 (4)

  1.  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。
  2.  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。
  3.  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。
  4.  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。
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