JP7071801B2 - 転がり軸受及びそれを備えた軸受構造 - Google Patents

Description

この発明は、転がり軸受及びそれを備えた軸受構造に関する。

一般に、電気自動車、ハイブリッド型自動車等において、モータの小型化の要請に伴ってより高速回転性の求められる軸を耐久性よく支持するために、低振動で耐久性に優れた転がり軸受が求められている。

従来、このような転がり軸受では、回転するとき、タービン油等の潤滑油の存在下で、外輪に保持器を接触させるようにしており、接触面に油膜が形成されやすいように保持器の外周面の数か所に回転方向に向かって斜降した傾斜面を設けている（特許文献１）。

転がり軸受をｄｍｎ値が６０万を超えるような高速回転域で回転させるとき、保持器外周の案内面が摩耗しないようにする対策としては、保持器を形成している樹脂を繊維で強化することが知られている（特許文献２）。

特開平２－７２２１９号公報 特開２０１０－１９７１号公報

しかし、上記した特許文献１の転がり軸受は、保持器の外周に数か所形成された傾斜面が潤滑油をかき集める機能が充分でなく、保持器と外輪の間の狭い空間に集められた潤滑油の圧力で緩衝性のある油膜が形成されるが、その性能は未だ充分であるとはいえない。

特に、転がり軸受が高速回転する状態だけではなく、それより少し低速で回転する状態では、保持器と外輪の間での油膜の形成能力は充分に期待できない。

そこで、この発明の課題は、上記した問題点を解決し、高速回転可能な転がり軸受の保持器と外輪との間に、比較的広い回転速度域でも潤滑油膜が安定して形成されやすいものとし、転がり軸受が油膜切れを起こすことなく、保持器と外輪の摩耗や振動を抑制して長時間安定して低トルクで回転できるようにすることである。

上記の課題を解決するために、この発明においては、外輪と、回転軸を保持する内輪と、前記外輪と前記内輪との間に介在する転動体と、前記転動体を回転自在に保持して、前記外輪に案内される保持器と、を備えた転がり軸受であり、この転がり軸受の軸方向から視て無端環状である前記保持器の外周面に、径方向外側に突出する複数の隆条部を周方向に間隔をあけて設け、前記隆条部は、軸方向に延びているものとし、又は周方向に対して傾斜する方向に延びているものとし、前記隆条部を前記外輪の内周面に潤滑油を介して接触可能に設けた転がり軸受としたのである。

上記したように構成されるこの発明の転がり軸受は、保持器の外周面に径方向外側に突出して、周方向に間隔をあけて設けられている複数の隆条部を有する。この隆条部は、径方向外側に突出して軸方向に延びるもの、または周方向に対して傾斜する方向に延びるものである。

したがって、それぞれの隆条部が外輪の内周面に潤滑油を介して接しながら保持器が外輪に対して相対回転するときに、各隆条部の回転進行方向に対する前面側でかき集められた潤滑油が、各隆条部の頂部に近づくにつれて末窄まり形の隙間に流れ込む。このとき流体である潤滑油同士は、押し合って流体内部の圧力を生じさせるから、いわゆる「くさび膜作用」が現れる。

すなわち、隙間内で流動する潤滑油は、圧力を高めて隙間を広げるように作用し、隆条部と外輪の内周面とが非接触状態に保たれる。潤滑油による「くさび膜作用」は、多数の隆条部を用いることにより比較的短い間隔で隆条部が配置される外輪内周面のほぼ全域に亘って同時に起こり、比較的広い回転速度域でも隆条部の頂部付近で効率よく「くさび膜作用」を奏する潤滑油膜が形成される。
ここで、保持器と外輪との間を完全に分離させる潤滑油膜があれば、保持器と外輪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。このような潤滑油膜を保持器と外輪との間で保つことにより、保持器及び外輪間を流体潤滑状態にすることができる。

このようにして保持器は、常に油膜切れによる焼き付きを起こすことなく、外輪との摩擦による摩耗や直接の接触による振動を抑制するから、長時間安定して低トルクで回転できる転がり軸受が得られる。

「くさび膜作用」を効率よく起こす隆条部の形状としては、半円柱状の頂部を有する形状が好ましい。外輪の内周面に接近した各隆条部の頂部に近い部分は、対向する円弧面同士が末窄まり（くさび）形の隙間を形成するから、短い距離で急激に狭まるくさび形を形成できる。

また、外輪の内周面に接近した各隆条部が、想定を超える厳しい摺動状態で接しても焼き付くような事態に至らないように、前記保持器自体が、鋼製の外輪などに対して摺動性のよい黄銅からなるものであることが好ましい。

このような特性を有する転がり軸受は、ｄｍｎ値（但し、ｄｍは軸受内径と軸受外径の平均値（ピッチ円径）であり、ｎは回転数である）が６０万以上で回転する高速回転軸を支持する軸受構造に適用できる。このような高速回転軸の例としては、トランスミッション用回転軸が有り、その他の転がり軸受であってもよい。

この発明は、転がり軸受の保持器の外周面に、径方向外側に突出する複数の隆条部を周方向に間隔を空けて設け、これら隆条部を前記外輪の内周面に潤滑油を介して接触可能に設けているので、保持器と外輪との間に、回転速度に拘わらず潤滑油膜が安定して形成されやすくなり、油膜切れによる焼き付きを起こすことなく、保持器と外輪の摩耗や振動を抑制して長時間安定して低トルクで回転できる転がり軸受となる利点がある。

第１実施形態の要部側面図 第１実施形態を示し、図１の断面図 第１実施形態に用いた保持器外観を示す斜視図 第１実施形態を示し、図３の保持器の要部を拡大して示す斜視図 潤滑油の作用を説明する第１実施形態の要部拡大断面図 第１実施形態の転がり軸受を組み込んだトランスミッションを示す断面図 第２実施形態に用いた保持器を示す斜視図 第３実施形態に用いた保持器を示す斜視図

この発明の実施形態を以下に添付図面に基づいて説明する。
図１～５に示すように、第１実施形態の転がり軸受１０は、外輪１と、回転軸２を保持する内輪３と、内輪３と外輪１との間に介在するボールである転動体４と、転動体４を回転自在に保持する保持器５を備えている。すなわち、転がり軸受１０は、玉軸受である。なお、以下の説明において、転がり軸受１０の中心軸Ｃ（図１の一点鎖線の交点に軸心を示し、図２の二点鎖線で軸線を示す。）に沿った方向を「軸方向」、当該中心軸Ｃに対して直交する方向を「径方向」と呼ぶ。

転がり軸受１０は、図６に示す自動車のトランスミッションなどに組み込んで用いられ、高速で回転する軸の保持に適用される。図示したトランスミッションは、マニュアル式であり、ハウジング１１内にインプットシャフト１２、アウトプットシャフト１３およびパイロットシャフト１４を直列に配置し、さらにカウンターシャフト１５とリバースシャフト１６をアウトプットシャフト１３と平行に配置した構造である。

リバースシャフト１６は、アウトプットシャフト１３とも係合するようになっている。各シャフト１２～１６には多数のギヤ群が設けられており、外部からの操作でシフトされるクラッチハブ１７で、これらのギヤ群の噛み合わせを変えることにより、インプットシャフト１２からアウトプットシャフト１３へのトルク伝達経路が適切に選択されるようになっている。

このようなトランスミッションでは、インプットシャフト１２、アウトプットシャフト１３、パイロットシャフト１４、カウンターシャフト１５、およびカウンターシャフト１５の一端側に取り付けられたギヤ部材１８が、それぞれ転がり軸受１０で支持されている。インプットシャフト１２、アウトプットシャフト１３、パイロットシャフト１４、カウンターシャフト１５は、転がり軸受１０によって支持される回転軸である。転がり軸受１０と、回転軸１２，１３，１４，１５とで転がり軸受構造が構成される。

トランスミッションの回転軸２は高速回転軸であるため、転がり軸受１０は、軸受内径と外径の平均（言い換えると、ピッチ円径）ｄｍ（ｍｍ）と毎分回転数ｎ（ｒｐｍ）との積であるｄｍｎ値が６０万以上の高速回転域で使用される。具体的には、トランスミッションの回転軸２を支持する転がり軸受１０は、ｄｍｎ値が１５０万以上の高速回転域で使用されることもある。
なお、回転軸２は、トランスミッションの回転軸以外であってもよく、例えば電気自動車、ハイブリッド自動車に搭載されるモータの主軸、工作機の回転軸であってもよい。因みに、電気自動車、ハイブリッド自動車に搭載されるモータの主軸又は工作機の回転軸を支持する軸受は、ｄｍｎ値が６０万以上、より高速の使用条件では１５０万を超える回転領域で使用される。

転がり軸受１０は、保持器５を外輪１の内周面１ａと接触可能に設けており、軸の回転によって保持器５は外輪１に案内される。すなわち、保持器５は、外輪案内形式である。

保持器５の材質は、特に限定されないが、金属素材を所定の形状に削り出したもみ抜き保持器であることが好ましく、本実施形態では、高力黄銅鋳物（ＪＩＳ Ｈ５１０２）を切削加工することで形成されたもみ抜き保持器（以下、黄銅もみ抜き保持器とも呼ぶ）である。黄銅は、銅を主成分とする亜鉛との合金であり、高力黄銅（High Strength Brass；ＨＢｓ）としては、その成分が（Ｃｕ－Ｚｎ－Ｍｎ－Ｆｅ－Ａｌ）であるＨＢｓＣ１またはＨＢｓＣ２、成分が、（Ｃｕ－Ｚｎ－Ａｌ－Ｍｎ－Ｆｅ）であるＨＢｓＣ３またはＨＢｓＣ４が挙げられる。

このような黄銅は、鋳造によりまたは粉末を焼結することにより、多孔質または非多孔質に成形することができる。多孔質の保持器として、内部の気孔に潤滑油を含浸しておくこともできる。高力黄銅鋳物は、高強度で自己潤滑性に優れており、高速回転する軸受に用いることに適している。なお、他の金属素材からなる保持器５として、炭素鋼（ＪＩＳ Ｇ４０５１）を切削加工したもみ抜き保持器であってもよく、また炭素鋼以外の他の軸受合金から形成されたものでもよい。

保持器５の素材は、上記したような金属ばかりでなく樹脂であってもよい。樹脂製保持器の主要成形材料となる樹脂は、所要の耐熱性や機械的強度を有する任意の合成樹脂を採用できるが、製造効率からみて射出成形可能なものが好ましい。成形用樹脂の具体例としては、ポリアミド６（ＰＡ６）樹脂、ポリアミド６－６（ＰＡ６６）樹脂、ポリアミド６－１０（ＰＡ６１０）樹脂、ポリアミド６－１２（ＰＡ６１２）樹脂、ポリアミド４－６（ＰＡ４６）樹脂、ポリアミド９－Ｔ（ＰＡ９Ｔ）樹脂、ポリアミド６－Ｔ（ＰＡ６Ｔ）樹脂、ポリメタキシレンアジパミド（ポリアミドＭＸＤ－６）樹脂などのポリアミド（ＰＡ）樹脂、ポリテトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ）樹脂、テトラフルオロエチレン・ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）樹脂であってもよく、エチレン－テトラフルオロエチレン共重合体（ＥＴＦＥ）樹脂などの射出成形可能なフッ素樹脂であってもよい。

また、低密度ポリエチレン、高密度ポリエチレン、超高分子量ポリエチレンなどのポリエチレン（ＰＥ）樹脂、ポリカーボネート（ＰＣ）樹脂、ポリアセタール（ＰＯＭ）樹脂、全芳香族ポリエステル樹脂、ＰＰＳ樹脂、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）樹脂、ポリアミドイミド（ＰＡＩ）樹脂、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）樹脂、射出成形可能なポリイミド（ＰＩ）樹脂などが挙げられる。なお、各合成樹脂は単独で使用してもよく、２種類以上混合したポリマーアロイであってもよい。

上記した素材からなる保持器５の形状は、軸方向から視て、無端環状である。すなわち、本実施形態の保持器５は、いわゆる冠型保持器でもなく、２つの保持器を組み合わせた分割型の保持器でもない。保持器５には、転動体４を保持する複数のポケット穴５ｃが設けられている。

転がり軸受１０に組み込まれた保持器５は、外輪１の内周面１ａと接触可能に設けられており、転がり軸受１０の運転されているときに保持器５は外輪１に案内される。すなわち、保持器５は、外輪案内形式である。

保持器５の外周面５ａには、当該外周面５ａから径方向外側に突出する複数の隆条部５ｂが周方向に間隔を空けて設けられている。また、隆条部５ｂは、外輪１の内周面１ａに潤滑油Ｒ（図５）を介して滑り接触可能に設けられている。

図３～５に示すように、隆条部５ｂは、軸方向に延びている。具体的には、隆条部５ｂは、保持器５の外周面５ａの軸方向両端部まで延びている。隆条部５ｂは、軸方向から視て、半円状である。

このような隆条部５ｂは、円環状の保持器５の周方向に等間隔で、できるだけ短い間隔で形成されていることが、所期した潤滑油膜による「くさび膜作用」を均等に発現させ、転がり軸受の回転を安定させるために好ましい。具体的には、隆条部５ｂは、周方向に０．３ｍｍ以上２．６ｍｍ以下の間隔で設定されていることが好ましい。
隆条部５ｂが周方向に短い間隔（ここでは、２．６ｍｍ以下）で並んでいると、保持器５の外周面５ａの周方向全周に亘って油膜が連続する状態に保たれ、各隆条部５ｂとの間のくさび効果が途絶えることなく生じ、保持器５と外輪１とが油膜によって完全に分離されて直接接触しない状態（すなわち流体潤滑状態）で軸受運転を行うことが可能となる。流体潤滑状態では、保持器及び外輪が実質的に摩耗せず、保持器及び外輪の摺動による発熱を抑えることができる。
したがって、従来では達成できなかった転がり軸受１０の高速回転の要求にも応えることが可能となる。

隆条部５ｂの形状は、図４に示すような半円柱状のもの、または少なくとも半円柱状の頂部を有するものであることが、周方向に比較的小さな間隔で効率よく潤滑油を集め、各隆条部の頂部に近い部分ほど末窄まり形の隙間を形成して、流体としての潤滑油に圧力勾配を形成するために好ましい。隆条部５ｂが半円柱状であるため、隆条部５ｂと外輪１の内周面１ａとの間には、当該隆条部５ｂの周方向端部から周方向中央部に近づくにつれて、隙間が小さくなるくさび形空間が形成される。

また、図示した半円柱状の頂部を有する隆条部５ｂ以外の形状であってもよく、例えば半楕円柱状、もしくは断面が台形、三角形、その他の多角形の柱状のもの、または周知形状の柱状のものなども採用可能な例として挙げられる。

図５に示すように、隆条部５ｂが外輪１の内周面１ａに潤滑油Ｒを介して接するとき、保持器５が外輪１に対して矢印方向（図中、左向き）に回転しながら案内される状態になると、各隆条部５ｂの回転進行方向に対する前面側にかき集められた潤滑油Ｒが、各隆条部５ｂの頂部に近づくにつれて末窄まり形の隙間に入り込み、この隙間で流体である潤滑油Ｒ同士が押し合い、狭い隙間ほど高い圧力勾配が形成されくさび膜作用が発現される。

この時に圧力を高められた潤滑油Ｒは、隙間を広げるように作用するから、隆条部５ｂと外輪１の内周面１ａとが非接触状態に保たれる。このような作用は、回転速度により程度の差はあるものの多数の隆条部５ｂが外輪１の内周面１ａの接近する部分に同時に起こるから、回転速度の高低に拘わらず潤滑油膜が外輪１の内周面１ａのほぼ全域にわたって、安定して形成される。

そのため、油膜切れによる焼き付きを起こすことなく、保持器５と外輪１の摩耗や振動が抑制されて、長時間安定して低トルクで転がり軸受は回転可能になる。

この発明に用いる潤滑油は、特定の種類に限定されるものではないが、高速回転可能な転がり軸受の潤滑に用いられるものと同じものを使用可能であり、種類は特に限定されない。

因みに、潤滑油は、潤滑グリースの状態で基油として使用されるものであってもよく、結果的に前記隆条部と前記外輪の内周面の間に流入する潤滑油をいうものである。

前記した潤滑グリースは、転がり軸受の要所に充填されている状態では、少なくとも基油と増ちょう剤とを含んでいる。基油は、潤滑油と同じものであり、例えば鉱油単独、または鉱油とポリ-α-オレフィン（以下、「ＰＡＯ」と称す）油との混合油である。鉱油としては、例えば、パラフィン系鉱油、ナフテン系鉱油等の通常潤滑油で使用されているものを使用し得る。鉱油としては、シクロヘキサン、シクロペンタン等のナフテン系鉱油は、自動車の低温での使用条件に優れている。

図７に示す第２実施形態に用いる保持器６は、第１実施形態で採用した隆条部５ｂに代えて、保持器６の外周面６ａに、周方向に対して傾斜する方向に延びる隆条部６ｂを周方向に等間隔を空けて多数設けたこと以外は、第１実施形態と全く同様に形成したものである。

また、図８に示す第３実施形態に用いる保持器７についても第１実施形態で採用した隆条部５ｂに代えて、保持器７の外周面７ａに、周方向に対して、くの字型に２方向に傾斜する方向に延びる隆条部７ｂを周方向に間隔を空けて多数設けたこと以外は、第１実施形態と全く同様に形成したものである。

このように隆条部６ｂ、７ｂを１方向または２方向に周方向に対して傾斜させて配置することで転がり軸受内の潤滑油を外部に排出できるため潤滑油の攪拌抵抗を低減できる。これにより、攪拌抵抗が減り、転がり軸受の低トルク化にも貢献する。

なお、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。

１ 外輪
１ａ 内周面
２ 回転軸
３ 内輪
４ 転動体
５、６、７ 保持器
５ａ、６ａ、７ａ 外周面
５ｂ、６ｂ、７ｂ 隆条部

Claims (4)

1. 外輪と、
   回転軸を保持する内輪と、
   前記外輪と前記内輪との間に介在する転動体と、
   前記転動体を回転自在に保持して、前記外輪に案内される保持器と、を備え、
   前記保持器は、軸方向から視て、無端環状であり、
   前記保持器には、その外周面に径方向外側に突出する複数の隆条部が周方向に全周に亘って０．３ｍｍ以上２．６ｍｍ以下の間隔をあけて設けられ、
   前記隆条部は、軸方向に延び、又は周方向に対して傾斜する方向に延び、
   前記隆条部が、前記外輪の内周面に潤滑油を介して接触可能に設けられている、転がり軸受。
2. 前記隆条部が、半円柱状の頂部を有するものである請求項１に記載の転がり軸受。
3. 前記保持器が、黄銅もみ抜き保持器である請求項１または２に記載の転がり軸受。
4. 請求項１～３のいずれか１項に記載の転がり軸受と、
   前記回転軸と、を備え、
   前記転がり軸受のピッチ円径ｄｍと回転数ｎとの積であるｄｍｎ値が６０万以上である、軸受構造。
   

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