(57)【要約】【課題】早期の焼き付けを防止して長期に亘り高い潤滑性を維持可能な高モーメント剛性の転がり軸受を提供する。【解決手段】自動車の各種駆動系に駆動力を伝達する種々のベルトを巻き掛けるための各種プーリ１０、或いは電磁クラッチの回転部分に回転力を与える種々のベルトを巻き掛けるための各種プーリを回転可能に支持する転がり軸受２であって、転がり軸受は、相対的に回転可能に対向配置された内輪４及び外輪６と、内外輪の軌道面4s,6s間に転動自在に配列された複数の転動体8a,8bとを備えており、複数の転動体は、異なる直径を有する２種類以上の転動体で構成されており、少なくとも非使用時において、最も大きな直径の転動体のラジアルすきまは負の値に設定され、且つ、最も小さな直径の転動体のラジアルすきまは正の値に設定されている。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
自動車の各種駆動系に駆動力を伝達する種々のベルトを巻き掛けるための各種プーリ、或いは電磁クラッチの回転部分に回転力を与える種々のベルトを巻き掛けるための各種プーリを回転可能に支持する転がり軸受であって、
転がり軸受は、相対的に回転可能に対向配置された内輪及び外輪と、内外輪の軌道面間に転動自在に配列された複数の転動体とを備えており、
複数の転動体は、異なる直径を有する２種類以上の転動体で構成されており、少なくとも非使用時において、最も大きな直径の転動体のラジアルすきまは負の値に設定され、且つ、最も小さな直径の転動体のラジアルすきまは正の値に設定されていることを特徴とする転がり軸受。
【請求項２】
最も大きな直径の転動体と最も小さな直径の転動体とは、線膨張係数及び縦弾性係数の少なくともいずれか一方が互いに異なっていることを特徴とする請求項１に記載の転がり軸受。
【請求項３】
最も大きな直径の転動体は、内外輪構成部の軌道面間に所定の順序で等間隔に配列されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の転がり軸受。
【請求項４】
最も大きな直径の転動体は、セラミックスで形成されており、一方、最も小さな直径の転動体は、鋼で形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の転がり軸受。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば自動車のエンジンのタイミングベルトや補機駆動用ベルトを巻き掛ける各種プーリ、或いは例えば電磁クラッチの回転部分に回転力を与えるベルトを巻き掛ける各種プーリを回転可能に支持する転がり軸受に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば自動車のエンジンのタイミングベルトや補機駆動用ベルトは、転がり軸受で回転可能に支持された各種プーリ(例えば、カムプーリやクランププーリなど)に巻き掛けられており、各種プーリに対するベルトの巻き掛け角度を調節することにより、ベルトに所望の張力が付与されている。このような構成のプーリユニットにおいて、例えば転がり軸受や各種プーリなどの構成部品の取付誤差により、各種プーリに巻き掛けられたベルトの幅方向中央位置と転がり軸受の幅方向中央位置とが一致しない場合がある。この場合、ベルトの張力が転がり軸受の幅方向中央位置からズレた部位に作用する。このため、そのズレ量に応じたモーメント荷重が転がり軸受に加わることにより、内輪中心と外輪中心とが相互に不一致となり内外輪が相対的に傾斜する。
【０００３】
かかる状態でベルトを走行させると、ベルトが偏磨耗したり、転がり軸受から異音が発生する場合がある。そこで、このような弊害を防止するために転がり軸受の角すきまを可能な限り小さく設定する要求がされている。なお、“角すきま”とは、内輪又は外輪の一方を固定し他方を傾けたときの傾き量を指す。
このような要求に応える構成として例えば、ラジアル内部すきまを極力小さく設定したり、すきま以外に溝半径(軌道曲率半径)も小さく設定する構成が考えられる。例えば特許文献１の発明では、ラジアル内部すきまを−１０〜＋７μｍに設定する構成が提案されている。
【０００４】
しかしながら、このような構成でベルトを走行させると、転がり軸受の温度上昇に伴って早期に焼き付きが生じる場合がある。具体的に説明すると、転がり軸受の運転中には転動体と内輪と外輪との間の温度差が生じるが、その際、例えば転動体の温度が最も高く、内輪がそれに次ぎ、外輪が最も低い温度になると、外輪よりもその内部の部品(転動体、内輪)の温度が高くなる。このとき部品の熱膨張は外輪よりも大きな値となるため、例えば特許文献１のようにラジアル内部すきまを極力小さく設定する構成にすると、転動体と内外輪との間の接触面圧が高くなり、その結果、早期に焼き付きが生じる場合がある。このような焼き付きを防止するためには、例えば運転条件(例えば、ベルトの走行速度)や使用条件(例えば、転がり軸受のすきま設定値)が制限されてしまうため、満足できるものでは無い。
【０００５】
また、例えば電磁クラッチの場合には、その構造上の制限からプーリの幅方向中心と転がり軸受の幅方向中心とがオフセットされた構成が一般的であるため、転がり軸受には高いモーメント剛性が要求されている。
かかる要求に応える構成として、例えば特許文献２の発明では４点接触玉軸受を適用すると共に、例えば特許文献３の発明では３点接触玉軸受を適用することにより、所定のモーメント剛性を確保している。
【０００６】
しかしながら、転動体と内外輪とを３点又は４点で接触させる構成では、接触点の数が増えるに従ってトルクや発熱量が増加し、このトルクや発熱量の増加に伴って転がり軸受自体の温度も上昇する。転がり軸受の温度が上昇すると、上述したように転動体と内外輪との間の接触面圧が高くなり、早期に焼き付きが生じる場合がある。また、転がり軸受の温度上昇は、転がり軸受に封入された潤滑剤の劣化(潤滑性の低下)を促進し、その結果、早期に焼き付きが生じる場合がある。
【特許文献１】特開２００３−４９８３７号公報
【特許文献２】特開平１１−３３６７９５号公報
【特許文献３】特開平９−１２６３０３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、このような問題を解決するためになされており、その目的は、早期の焼き付けを防止して長期に亘り高い潤滑性を維持可能な高モーメント剛性の転がり軸受を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
このような目的を達成するために、本発明は、自動車の各種駆動系に駆動力を伝達する種々のベルトを巻き掛けるための各種プーリ、或いは電磁クラッチの回転部分に回転力を与える種々のベルトを巻き掛けるための各種プーリを回転可能に支持する転がり軸受であって、転がり軸受は、相対的に回転可能に対向配置された内輪及び外輪と、内外輪の軌道面間に転動自在に配列された複数の転動体とを備えており、複数の転動体は、異なる直径を有する２種類以上の転動体で構成されており、少なくとも非使用時において、最も大きな直径の転動体のラジアルすきまは負の値に設定され、且つ、最も小さな直径の転動体のラジアルすきまは正の値に設定されている。
【０００９】
この発明において、最も大きな直径の転動体と最も小さな直径の転動体とは、線膨張係数及び縦弾性係数の少なくともいずれか一方が互いに異なっている。また、最も大きな直径の転動体は、内外輪構成部の軌道面間に所定の順序で等間隔に配列されている。この場合、最も大きな直径の転動体は、セラミックスで形成されており、一方、最も小さな直径の転動体は、鋼で形成されている。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、内外輪構成部の軌道面間に異なる直径を有する２種類以上の転動体を配列し、少なくとも非使用時において、最も大きな直径の転動体のラジアルすきまを負の値に設定し、且つ最も小さな直径の転動体のラジアルすきまを正の値に設定したことにより、早期の焼き付けを防止して長期に亘り高い潤滑性を維持可能な高モーメント剛性の転がり軸受を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の一実施の形態に係る転がり軸受について添付図面を参照して説明する。
本実施の形態では、例えば自動車の各種駆動系に駆動力を伝達する種々のベルトを巻き掛けるための各種プーリ、或いは例えば電磁クラッチの回転部分に回転力を与える種々のベルトを巻き掛けるための各種プーリを回転可能に支持する転がり軸受を想定する。
【００１２】
図１(ｃ)には、上述した各種プーリに転がり軸受２が組み込まれた構成例が示されており、転がり軸受２は、相対的に回転可能に対向配置された内輪４及び外輪６と、内外輪4,6の軌道面4s,6s間に転動自在に配列された複数の転動体(例えば、玉、ころ)とを備えている。この構成において、プーリ１０は外輪６の外周に装着されており、内輪４の内周にはスリーブ(シャフト)１２が装着されている。この場合、プーリ１０はスリーブ１２に対して転がり軸受２を介して相対的に回転可能に支持され、プーリ１０にベルト１４を巻き掛けることにより、当該ベルト１４をプーリ１０の回転に伴って所定方向に走行させることができる。なお、転がり軸受２に封入された潤滑剤(例えば、グリース、油)の漏洩防止と共に、異物(例えば、水、塵埃)の浸入防止を図るために、内外輪4,6間に密封板(図示しない)を配設しても良く、この場合、密封板としては、例えばシールやシールドを適用すれば良い。
【００１３】
このような転がり軸受２において、複数の転動体は、異なる直径を有する２種類以上の転動体(例えば、8a,8b)で構成されており、少なくとも非使用時において、最も大きな直径の転動体８ａのラジアルすきまは負の値に設定され、且つ、最も小さな直径の転動体８ｂのラジアルすきまは正の値に設定されている。この場合、ラジアルすきまの正負の設定値は、転がり軸受２の種類や大きさ、転動体8a,8bの形状や大きさなどに応じて最適な値に設定されるため、ここでは特に数値限定はしない。
【００１４】
なお、転動体の直径寸法差は、生産上のばらつきが１μｍ以下であることから、本実施の形態では、転動体の直径寸法差が１μｍ以下であるものは同一直径とみなす。
また、本実施の形態では一例として、互いに直径が異なる２種類の転動体(大径転動体８ａ、小径転動体８ｂ)を想定し、大径転動体８ａの配置状態を明確化するために、該当する大径転動体８ａにはハッチングを施している。
【００１５】
この場合、内外輪構成部(内外輪)4,6の軌道面4s,6s間に２種類の転動体8a,8bを配列した状態において、内外輪構成部(内外輪)4,6に対して接触面圧を有する大径転動体８ａと接触面圧の無い小径転動体８ｂとが混在することにより、転がり軸受２は周方向に沿って部分的に予圧が付加された状態となる。
【００１６】
かかる状態は転がり軸受２の動作中にも維持され、内外輪構成部(内外輪)4,6が転動体8a,8bを介して相対的に回転する際、内外輪構成部(内外輪)4,6に対して接触面圧の無い小径転動体８ｂの位置が周方向に変化することになるが、その間、内外輪構成部(内外輪)4,6に対して接触面圧を有する大径転動体８ａは、内外輪構成部(内外輪)4,6の軌道面4s,6sに常時接した状態を維持する。
【００１７】
また、大径転動体８ａと小径転動体８ｂとは、内外輪構成部(内外輪)4,6の軌道面4s,6s間に所定の順序で等間隔に配列することが好ましい。例えば図１(ａ)では、４個の大径転動体８ａと４個の小径転動体８ｂとを１個ずつ交互に等間隔に配列している。このような配列によれば、転がり軸受２は周方向に沿って等間隔に予圧付加状態となる。
【００１８】
このような構成によれば、例えば図１(ｂ)に示すように、転がり軸受２の中心Ｔからオフセットされた位置にラジアル荷重Ｆｒが加わってもモーメント剛性の変化を小さくすることができる。この結果、転がり軸受２を安定して且つ滑らかに動作させることが可能となり、トルク制御を安定して行うことが可能となる。
【００１９】
更に、転がり軸受２は周方向に沿って等間隔に予圧付加状態とすることにより、内輪４と外輪６とが相対的に傾斜するのを抑制することができる。この結果、内外輪4,6の軌道面4s,6sと転動体８との間に潤滑剤を引き込み易くなり、潤滑不良による異音や早期の焼き付きも生じない。特に、耐熱性の潤滑剤を用いた転がり軸受２では、低温化での潤滑剤の流動性が低くなるが、この場合でも異音や焼き付きが生じることはない。
【００２０】
また、本実施の形態の転がり軸受２において、大径転動体８ａと小径転動体８ｂとは、線膨張係数及び縦弾性係数の少なくともいずれか一方が互いに異なるように形成することが好ましい。この場合、大径転動体８ａは、例えば金属元素と非金属元素がイオン結合又は共有結合したセラミックスで形成し、一方、小径転動体８ｂは、例えば２パーセント以下の炭素を含有する鋼で形成すれば良い。なお、線膨張係数とは、例えば応力値が材料により定まる一定値を超えない範囲で、それにより生じる歪との間の比例関係(フックの法則)における比例定数(ヤング率)を示し、一方、縦弾性係数とは、材料が１℃上昇する毎に膨張する長さ方向の割合を示す。
【００２１】
この場合、例えば転がり軸受２を高温下で運転する際、２種類の転動体8a,8bの熱膨張量の違いにより、転動体相互の直径差が緩和されるため、転動体回転時の軸受振動を抑制することができると共に、全ての転動体8a,8bが荷重負荷を分担するようになるため、軸受内部の接触面圧が低減され転がり軸受２の転がり疲れ寿命を延命化することができる。
【００２２】
ここで、ラジアルすきまが負の値に設定された大径転動体８ａと正の値に設定された小径転動体８ｂとを備えた転がり軸受２の軸受温度の変化に対するモーメント剛性(図２(ａ))及び最大接触面圧(図２(ｂ))並びに転がり疲れ寿命(図２(ｃ))の各計算結果について説明する。
この計算では呼び番号(開放形)６２０３の転がり軸受２を適用する。この場合、転がり軸受２は、内径が１７ｍｍ、外径が４０ｍｍ、幅が１２ｍｍであり、玉径は７.９３８ｍｍ、玉数は８個に設定した。なお、ラジアル荷重Ｆｒ(図１(ｂ))を１０００Ｎ、モーメント荷重を１Ｎｍ、軸受初期すきまを０.０２２ｍｍとした。
【００２３】
また、ハウジング１２としては鋼製とし、その直径を４０ｍｍに設定した。この場合、ハウジング穴の交差を交差域クラスＰ７(−0.017/−0.042)とした。一方、回転軸１４としてはアルミニウム製とし、その直径を１７ｍｍに設定した。この場合、軸の交差を交差域クラスｈ６(0/−0.011)とした。
【００２４】
更に、転動体8a,8bは、その直径及び線膨張係数が互いに異なったものを用意し、これら転動体8a,8bを図１(ａ)に示すように等配させた。即ち、大径転動体８ａと小径転動体８ｂとを１個ずつ交互に配列させた。この場合、大径転動体８ａの直径を6.747＋0.006ｍｍ、線膨張係数を2.9×10−６に設定し、小径転動体８ｂの直径を6.747±0ｍｍ、線膨張係数を12.5×10−６に設定した。
【００２５】
まず、転がり軸受２の軸受温度の変化に対するモーメント剛性の変化について、上記の設定条件に従った本発明の転がり軸受２(発明品)と従来の軸受(従来品)とを比較した。この場合、図２(ａ)に示すように、発明品は常温時から高いモーメント剛性を有しており、そのモーメント剛性の変化が従来品に比べて小さくなっていることが分る。これにより、発明品は、例えば取付誤差や取付制限などから生じるオフセット荷重Ｆｒ(図１(ｂ))に対してモーメント剛性比が変化し難いという意味で、従来品よりも高いロバスト性(例えば、安定性、最適性)を有していることが分る。
【００２６】
次に、転がり軸受２の軸受温度の変化に対する最大接触面圧(図２(ｂ))及び転がり疲れ寿命(図２(ｃ))の変化について、発明品と従来品とを比較した。この場合、発明品は周方向に沿って等間隔に予圧付加状態となっており、負荷を受ける転動体(大径転動体８ａ)の数が少ない。このため、発明品は従来品に比べて接触面圧が増加すると共に、転がり疲れ寿命が低下している。しかしながら、このような変化量は実用上問題の無い範囲であり、特に軸受運転時の軸受温度(１２０℃近辺)では発明品と従来品とは同等レベル値となる。
【００２７】
ここで、本実施の形態の転がり軸受２を例えば図３(ａ)に示すようなプーリユニット16,18,20に組み込んだ構成例について考察する。かかる構成例において、図中上下２つのプーリユニット16,18は同一平面上に整列され、中央のプーリユニット２０は図中右方向に突出して配置されている。なお、各プーリユニット16,18,20の構成は図１(ｃ)と同様であるため、その詳細な説明は省略する。
【００２８】
このようなプーリユニット16,18,20にベルト１４を巻き掛けると、プーリユニット２０の突出量に応じて各プーリユニット16,18,20のプーリ１０には、例えば図１(ｂ)に示すようにオフセットされた位置にラジアル荷重Ｆｒが加わることで、転がり軸受２には更にモーメント荷重も作用することになる。
しかしながら、内外輪構成部(内外輪)4,6の軌道面4s,6s間に直径の異なる２種類の転動体8a,8bを配列し、転がり軸受２の周方向に沿って部分的に予圧を付加した状態にしたことにより、モーメント荷重に対して高いモーメント剛性を確保することができる。この場合、転がり軸受２を安定して且つ滑らかに動作させることができるため、早期の焼き付けを防止して長期に亘り高い潤滑性を維持することができる。この結果、各プーリユニット16,18,20を安定して且つ滑らかに動作させることができる。
【００２９】
また、本実施の形態の転がり軸受２を例えば図３(ｂ)に示すような電磁クラッチに組み込んだ構成例について考察する。かかる構成例において、転がり軸受２の外輪６は、磁性体製のロータ22,24を介してプーリ１０に接続され、ロータ22,24には、当該ロータ22,24を磁化させる電磁コイル２６が固定されている。また、ロータ22,24に対向した位置には、転がり軸受２と同心円状に形成されたアーマチュア28a,28b,28cが配設されており、アーマチュア28a,28b,28cは、ロータ22,24を磁化させた際に当該ロータ22,24に吸着するように構成されている。
【００３０】
電磁クラッチの場合には、その構造上の制限からプーリ１０の幅方向中心と転がり軸受２の幅方向中心とがオフセットされる場合が一般的であり、そのため、転がり軸受２には高いモーメント剛性が要求される。
そこで、本実施の形態の転がり軸受２を適用して、内外輪構成部(内外輪)4,6の軌道面4s,6s間に直径の異なる２種類の転動体8a,8bを配列し、転がり軸受２の周方向に沿って部分的に予圧を付加した状態にしたことにより、モーメント荷重に対して高いモーメント剛性を確保することができる。この場合、転がり軸受２を安定して且つ滑らかに動作させることができるため、早期の焼き付けを防止して長期に亘り高い潤滑性を維持することができる。この結果、電磁クラッチを安定して且つ滑らかに動作させることができる。
【００３１】
更に、本実施の形態の転がり軸受２は、３点及び４点接触軸受に比べて軸受トルクを小さくすることができるため、運転中の発熱量を軽減することができる。この結果、従来品に比べて、潤滑剤の劣化(潤滑性の低下)を生じさせることが無いため、潤滑不良による異音や早期の焼き付きが生じることも無い。これにより、プーリユニット16,18,20や電磁クラッチの回転安定性及び円滑性を長期に亘って確保することが可能となる。更にまた、転がり軸受２の軸受トルクを小さくすることにより、プーリユニット16,18,20や電磁クラッチの駆動に要する消費馬力の増大を抑えることも可能となる。
【００３２】
更にまた、高温環境下で使用されるプーリユニット16,18,20や電磁クラッチの転がり軸受２では、その大径転動体８ａの線膨張係数を小径転動体８ｂの線膨張係数よりも小さく設定することが好ましい。高温下で使用される転がり軸受２は、通常、運転時の負のすきまによる軸受焼き付けを防止するため、常温時の残留すきまが正の値に設定されているが、これが軸受ガタの要因となる。しかしながら、本実施の形態の転がり軸受２では、大径転動体８ａにより転がり軸受２の周方向に沿って部分的に予圧付加状態となるため、高温運転時には熱膨張量の違いにより転動体8a,8bの径相互差が緩和される。この場合、転動体回転時の軸受振動を抑制することができると共に、全ての転動体8a,8bが荷重負荷を分担するようになるため、軸受内部の接触面圧が低減され転がり軸受２の転がり疲れ寿命を延命化することができる。この結果、長期に亘ってプーリユニット16,18,20や電磁クラッチを安定して且つ滑らかに動作させることができる。
【００３３】
なお、上述した実施の形態では、互いに直径が異なる２種類の転動体8a,8bを想定したが、これに限定されることは無く、互いに直径が異なる３種類又はそれ以上の転動体を備えた転がり軸受２に対して本発明を適用することができることは言うまでも無い。更に、単列及び複列の軸受にも本発明を適用することができることは言うまでも無い。
【００３４】
また、上述した実施の形態では、大径転動体８ａと小径転動体８ｂとを１個ずつ交互に配列した転がり軸受２を例示して説明したが、これに限定されることは無く、例えば図４(ａ)に示すように２個の大径転動体８ａの間に１個の小径転動体８ｂを交互に介在させた配列構成や、例えば図４(ｂ)に示すように１個の大径転動体８ａの間に２個の小径転動体８ｂを交互に介在させた配列構成など、転がり軸受２の使用目的や使用環境に応じて任意の配列構成を適用することができる。なお、かかる配列構成でも上述した実施の形態と同様の効果を得ることができることは言うまでも無い。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】(ａ)は、本発明の一実施の形態に係る転がり軸受の断面図、(ｂ)は、同図(ａ)のＹ−Ｙ線に沿う断面図、(ｃ)は、本実施の形態の転がり軸受をプーリに組み込んだ構成例を部分的に示す断面図。
【図２】(ａ)は、軸受温度の変化に対するモーメント剛性の変化について発明品と従来品とを比較した結果を示す図、(ｂ)は、軸受温度の変化に対する最大接触面圧の変化について発明品と従来品とを比較した結果を示す図、(ｃ)は、軸受温度の変化に対する転がり疲れ寿命の変化について発明品と従来品とを比較した結果を示す図。
【図３】(ａ)は、本実施の形態の転がり軸受が組み込まれたプーリユニットの構成例を示す図、(ｂ)は、本実施の形態の転がり軸受が組み込まれた電磁クラッチの構成例を示す図。
【図４】(ａ)は、２個の大径転動体の間に１個の小径転動体を交互に介在させた転がり軸受の構成例を示す断面図、(ｂ)は、１個の大径転動体の間に２個の小径転動体を交互に介在させた転がり軸受の構成例を示す断面図。
【符号の説明】
【００３６】
２  転がり軸受
４  内輪
４ｓ  内輪の軌道面
６  外輪
６ｓ  外輪の軌道面
８ａ  大径転動体
８ｂ  小径転動体
１０  プーリ
【図１】
2006138448.tif 000003
【図２】
2006138448.tif 000004
【図３】
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【図４】
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