(57)【要約】【課題】軸受すきまの大きさを問わず高いモーメント剛性を確保しつつ、トルクや発熱量の増加を抑えて早期の焼き付け防止や異音の発生防止を図り、高温下及び低温下でも長期に亘り高い潤滑性を維持可能な転がり軸受を提供する。【解決手段】各種自動車のラジエータの冷却ファン１８を回転制御するファンカップリング１０に組込まれた転がり軸受２であり、ファンカップリングは、エンジンの回転運動を伝達するＶベルト３０と、Ｖベルトが巻き掛けられたプーリ２８と、プーリに締結されたファンカップリング用軸１６と、複数の冷却ファンが締結されたハウジング２０とを備え、ファンカップリング用軸とハウジングは転がり軸受を介して相対回転可能に連結され、転がり軸受は、内輪４及び外輪６の少なくとも一方の軌道面４ｓ(６ｓ)が非真円形状を成し且つファンカップリングに組み込んだ状態で所定の予圧が付加されている。【選択図】    図５
2006105256.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
各種自動車のラジエータを冷却するための冷却ファンの回転を制御するファンカップリングに組み込まれた転がり軸受であって、
ファンカップリングは、エンジンの回転運動を伝達するベルトと、ベルトが巻き掛けられたプーリと、プーリに締結されたファンカップリング用軸と、複数の冷却ファンが締結されたハウジングとを備えており、ファンカップリング用軸とハウジングとは転がり軸受を介して相対回転可能に連結されていると共に、
転がり軸受は、ファンカップリング用軸とハウジングとの間に組み込まれ、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、
内輪及び外輪の少なくとも一方の軌道面が非真円形状を成し、且つ、ファンカップリングに組み込んだ状態において、当該転がり軸受には所定の予圧が付加されていることを特徴とする転がり軸受。
【請求項２】
複数の転動体において内外輪に対して接触面圧を有する転動体と接触面圧の無い転動体とが混在することにより、転がり軸受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】
非真円形状の軌道面は、所定の非真円量に対応した多角形状の歪円を成し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】
非真円量は、多角形状の歪円に対する外接円径から内接円径を減じて算出され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、各種自動車のラジエータ(エンジンの冷却水を冷やすための冷却器)を冷却するための冷却ファンの回転を制御する装置(ファンカップリング)に組み込まれた転がり軸受に関する。
【背景技術】
【０００２】
各種自動車には、エンジンを冷却するためのラジエータが搭載されており、走行風により熱を奪うことでエンジンの温度上昇を一定温度内に保つようになっている。ところで、走行中のラジエータは風を受けて冷却効果が上がるが、停車中や低速走行中はそれが期待できない。そこで冷却ファンで強制的に空気の流れを作り冷却効果を高めている。
冷却ファンはラジエータとエンジンとの間にエンジンに対向して配置されており、エンジンの回転運動がベルトを介して冷却ファンに伝達されることで、エンジン駆動中、冷却ファンを常時回転させている。
【０００３】
この場合、冷却ファンの回転を制御するために、各種自動車には例えば図５に示すようなファンカップリング１０が設けられている(特許文献１参照)。
ファンカップリング１０は、水ポンプ１２の回転軸１４の一端側に直結されたファンカップリング用軸１６と、複数の冷却ファン１８が締結されたハウジング２０とを備えており、ファンカップリング用軸１６とハウジング２０とは転がり軸受２を介して相対回転可能に連結されている。
【０００４】
ファンカップリング用軸１６の先端には、ハウジング２０に対向してロータ２２が固定されており、ハウジング２０とロータ２２との対向面には、ラビリンス２４が形成されている。また、ファンカップリング用軸１６は、プーリシート２６を介してプーリ２８に締結されており、プーリ２８には、エンジン(図示しない)の回転運動を伝達するためのＶベルト３０が巻き掛けられている。なお、回転軸１４は、水ポンプ用軸受３２で回転自在に支持されており、その他端側にはインペラ(羽根車)Ｗが固定されている。また、ラビリンス２４の内側であって且つ転がり軸受２とハウジング２０とロータ２２との間のスペースには、粘性流体(例えば、シリコーンオイル)３４が封入されている。
【０００５】
このような構成によれば、エンジンの回転運動がＶベルト３０を介してプーリ２８に伝達されると、プーリ２８が所定方向に回転する。この回転運動は、プーリシート２６を介してファンカップリング用軸１６に伝達され、ファンカップリング用軸１６をプーリ２８と同一方向に回転させる。このとき、ロータ２２はファンカップリング用軸１６と一体となって回転するが、冷却ファン１８が締結されたハウジング２０には、ロータ２２や転がり軸受２の回転運動が間接的に伝達される状態となっている。この場合、プーリ２８が比較的低速で回転している状態では冷却ファン１８も同じ速度で回転するが、回転速度が上がると粘性流体３４により冷却ファン１８は空回り状態に維持され、それ以上回転が上がらなくなる。これによりトルク伝達力が制御されている。
【０００６】
ところで、転がり軸受２には、ファンカップリング用軸１６に対する取付状態や軸受運転時の熱膨張などを考慮して、内外輪4,6と転動体８との間に所定量の軸受すきま(ラジアル内部すきま、アキシアル内部すきま、角すきま)が構成されている。この場合、軸受すきまが大き過ぎると、それに応じてハウジング２０とロータ２２との相対位置や相対角度が変化し、その結果、ラビリンス２４が増減変化したりラビリンスが干渉して、トルク制御を安定して行うことが困難になってしまう場合がある。
この場合、例えば特許文献２に示すように、軸受すきまを極力小さく設定する構成も考えられるが、このような構成でファンカップリング１０を動作すると、転がり軸受２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。
【０００７】
具体的に説明すると、転がり軸受２の運転中には転動体８と内輪４と外輪６との間の温度差が生じるが、その際、例えば転動体８の温度が最も高く、内輪４がそれに次ぎ、外輪６が最も低い温度になると、外輪６よりもその内部の部品(転動体８、内輪４)の温度が高くなる。このとき部品の熱膨張は外輪６よりも大きな値となるため、例えば特許文献２のように軸受すきまを負の値に設定すると、転動体８と内外輪4,6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、Ｖベルト３０の走行速度)や使用条件(例えば、転がり軸受２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。
【０００８】
また、ファンカップリング１０を高温下で動作すると、転がり軸受２の軸受すきま(特に、ラジアル内部すきま)が大きくなり、内輪４の軸線に対して外輪６の軸線が傾斜し易い状態となる。このような状態でファンカップリング１０を動作すると、ハウジング２０とロータ２２との相対位置や相対角度が変化し、その結果、ラビリンス２４が増減変化したり干渉して、トルク制御を安定して行うことが困難になってしまう場合がある。そこで高温下においてラビリンス２４が干渉しないように、ファンカップリング１０に組み込む転がり軸受２は、軸受すきまが大きくなることを考慮して、予め軸受すきまを負(マイナス)の値に設定している。
【０００９】
これに対して、ファンカップリング１０を低温下で動作すると、転がり軸受２の軸受すきま(特に、ラジアル内部すきま)が小さくなり、内輪４の軸線に対して外輪６の軸線が傾斜し難い状態となる。しかし、このような状態でファンカップリング１０を動作すると、内外輪4,6の軌道面4s,6sと転動体８との間に潤滑剤(例えば、グリース、油)を引き込み難くなり、その結果、潤滑不良による異音(例えば、内外輪4,6と転動体８との衝突音)や焼き付きが生じる場合がある。この場合、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より一層低くなるため、異音や焼き付きが生じ易い。
【００１０】
更に、ファンカップリング１０に組み込まれる転がり軸受２には、冷却ファン１８の回転動作を安定して行うために、高いモーメント剛性が要求される。かかる要求に応える構成として、例えば特許文献３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４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。
【００１１】
しかし、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８と内外輪4,6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２の温度上昇は、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２０００−２９１６６５号公報
【特許文献２】特開２００３−４９８３７号公報
【特許文献３】特開平１１−３３６７９５号公報
【特許文献４】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】
【００１２】
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、軸受すきまの大きさを問わず高いモーメント剛性を確保しつつ、トルクや発熱量の増加を抑えて早期の焼き付け防止や異音の発生防止を図り、高温下及び低温下でも長期に亘り高い潤滑性を維持可能な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】
【００１３】
このような目的を達成するために、本発明は、各種自動車のラジエータを冷却するための冷却ファンの回転を制御するファンカップリングに組み込まれた転がり軸受であって、ファンカップリングは、エンジンの回転運動を伝達するベルトと、ベルトが巻き掛けられたプーリと、プーリに締結されたファンカップリング用軸と、複数の冷却ファンが締結されたハウジングとを備えており、ファンカップリング用軸とハウジングとは転がり軸受を介して相対回転可能に連結されていると共に、転がり軸受は、ファンカップリング用軸とハウジングとの間に組み込まれ、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、内輪及び外輪の少なくとも一方の軌道面が非真円形状を成し、且つ、ファンカップリングに組み込んだ状態において、当該転がり軸受には所定の予圧が付加されている。
このような発明では、複数の転動体において内外輪に対して接触面圧を有する転動体と接触面圧の無い転動体とが混在することにより、転がり軸受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。この場合、非真円形状の軌道面は、所定の非真円量に対応した多角形状の歪円を成している。また、非真円量は、多角形状の歪円に対する外接円径から内接円径を減じて算出される。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、内輪及び外輪の少なくとも一方の軌道面が非真円形状を成し、且つ、ファンカップリングに組み込んだ状態において、当該転がり軸受に所定の予圧が付加されるため、軸受すきまの大きさを問わず高いモーメント剛性を確保しつつ、トルクや発熱量の増加を抑えて早期の焼き付け防止や異音の発生防止を図り、高温下及び低温下でも長期に亘り高い潤滑性を維持可能な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】
【００１５】
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、各種自動車のラジエータ(エンジンの冷却水を冷やすための冷却器)を冷却するための冷却ファンの回転を制御する装置(ファンカップリング)に組み込まれた転がり軸受を想定する。なお、ファンカップリング１０は、図５に示した構成例と同一であるため、以下では相違する部分の説明に止める。
【００１６】
本実施の形態に係る転がり軸受２は、ファンカップリング１０のファンカップリング用軸１６とハウジング２０との間に組み込まれており、図１(ａ),(ｂ)に示すように、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)８とを備えている。なお、特に図示しないが転がり軸受２には、内外輪4,6間に密封板を設けることが可能であり、これにより、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)の浸入防止を図ることができる。なお、密封板としては、シールやシールドを適宜選択的に使用することができる。
【００１７】
このような転がり軸受２において、内輪４及び外輪６の少なくとも一方の軌道面４ｓ(６ｓ)が非真円形状を成し、且つ、ファンカップリング１０に組み込んだ状態において、当該転がり軸受２には所定の予圧が付加されている。
本実施の形態では一例として、内輪４の軌道面４ｓが非真円形状を成しており、当該軌道面４ｓは、所定の非真円量に対応した多角形状の歪円を成している。なお、多角形状の歪円としては、例えば等径の三角形状や四角形状、或いはそれ以上の角度を成す形状(例えば、五角形状、六角形状など)を適用することができるが、本実施の形態では等径の三角形状の歪円を成す軌道面４ｓを想定する。
【００１８】
この場合、非真円量は、多角形状(等径の三角形状)の歪円に対する外接円径Ｒoutから内接円径Ｒinを減じて算出される。なお、非真円量は、転がり軸受２の使用環境や使用目的に応じて任意に設定することができるため、ここでは特に数値限定はしない。また、符号Ｒｂで示す円径は、外接円径Ｒout及び内接円径Ｒinを規定する際の基準円径である。
このような構成によれば、複数の転動体８において内外輪4,6に対して接触面圧を有する転動体８と接触面圧の無い転動体８とが混在することになり、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。
【００１９】
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4,6が転動体８を介して相対的に回転する際、内外輪4,6に対して接触面圧を有する転動体８の位置が周方向に変化することになるが、その間、内輪４の軌道面４ｓの外接円径Ｒoutは常にいずれかの転動体８に接した状態を維持する。
【００２０】
以上、本実施の形態によれば、内輪４の軌道面４ｓを非真円形状とすることにより、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することができるため、軸受すきまの大きさを問わずラジアル荷重及びアキシアル荷重並びにモーメント荷重に対して高いモーメント剛性を有する転がり軸受２を実現することができる。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る。これにより、ハウジング２０とロータ２２との相対位置や相対角度が変化してラビリンス２４が増減変化したりラビリンスが干渉するといったような不具合の発生を無くすることができるため、トルク制御を安定して行うことが可能となる。
【００２１】
更に、内輪４の軌道面４ｓを非真円形状とし部分的な予圧付加状態とすることにより、軸受すきまの大きさを問わず、内輪４の軸線に対する外輪６の軸線の傾斜を(可能な限り)無くすることができる。このような状態でファンカップリング１０を高温下及び低温下で動作しても、ハウジング２０とロータ２２との相対位置や相対角度が一定状態に維持安定化され、ラビリンス２４が増減変化したり干渉することは無いため、トルク制御を安定して行うことできる。また、内外輪4,6の軌道面4s,6sと転動体８との間に潤滑剤(例えば、グリース、油)を引き込み易くなり(高温下及び低温下でも長期に亘り高い潤滑性を維持可能)、潤滑不良による異音(例えば、内外輪4,6と転動体８との衝突音)や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より一層低くなるが、この場合でも異音や焼き付きが生じることはない。
【００２２】
ここで、三角形状の歪円を成す軌道面４ｓを有する内輪４を備えた転がり軸受２のモーメント剛性の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６.７４７ｍｍ、玉数は８個に設定した。また、ラジアル荷重Ｆｒ(図１(ｂ))は１０００Ｎとした。
【００２３】
軸受すきま：０、非真円量：０のモーメント剛性比を１(基準仕様Ｍ)としたときの非真円量とモーメント剛性比との関係(真円でラジアル内部すきま０ｍｍを基準)では、例えば図２に示すように、ラジアル内部すきま(軸受すきま)が正の値(例えば、０.０１ｍｍ、０.０２ｍｍ)でも歪量(非真円量)がある程度大きければ、基準仕様Ｍ(真円で軸受すきま：０ｍｍ、モーメント剛性比：１)の転がり軸受よりも高いモーメント剛性比が得られることが分る。
今回の計算結果では、ラジアル内部すきま：０.０１ｍｍで、非真円量：０.０３ｍｍ以上、及び、ラジアル内部すきま：０.０２ｍｍで、非真円量：０.０４２ｍｍ以上の歪量(非真円量)があれば、基準仕様Ｍよりも大きなモーメント剛性比が得られた。なお、モーメント荷重は１Ｎｍとしている。
【００２４】
また、非真円量を一定(例えば、０.０２ｍｍ、０.０４ｍｍ)にしてモーメント荷重を変化させた場合、例えば図３に示すように、非真円形状の軌道面４ｓを有する転がり軸受２(軸受すきま：０ｍｍ)は、そのモーメント剛性比の変化が基準仕様(非真円量：０ｍｍ)に比べて小さくなっていることが分る。即ち、モーメント荷重の変化に鈍感になっている。これにより、非真円形状の軌道面４ｓを有する転がり軸受２は、その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、基準仕様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。
【００２５】
更に、モーメント荷重を変化させた際の４点接触軸受と本実施の形態の非真円軸受(軸受すきま：０.０２ｍｍ、非真円量：０.０４ｍｍ、転動体径：６.３５ｍｍ)との軸受内部発熱比については、例えば図４に示すように、非真円軸受は４点接触軸受に比べて軸受内部の発熱量を小さくすることができる。この結果、従来に比べて、本実施の形態の転がり軸受２では、潤滑剤の劣化(潤滑性の低下)を生じさせることが無いと共に、早期に焼き付きが生じることも無い。なお、かかる比較では、回転数：12000ｒｐｍ、軸受温度：１２０℃に設定している。
【００２６】
このような転がり軸受２を組み込んだファンカップリング１０(図５)によれば、ファンカップリング１０の運転中、ファンカップリング１０(冷却ファン１８)を安定して且つ滑らかに動作させることができる。
【００２７】
更に、内輪４の軌道面４ｓを非真円形状にして、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、軸受すきまの影響を受けること無くラジアル荷重及びアキシアル荷重並びに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可能になる。この場合、例えばファンカップリング１０の自重や外的負荷により転がり軸受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(図１(ｂ))、モーメント剛性の変化を小さくすることができるため、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る。その結果、ファンカップリング１０(冷却ファン１８)を安定して且つ滑らかに動作させることができる。
【００２８】
更にまた、本実施の形態の転がり軸受２は、非真円軸受は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(図４)、運転中の転がり軸受２の発熱量を軽減することができる。この結果、従来の転がり軸受に比べて、潤滑剤の劣化(潤滑性の低下)を生じさせることが無いと共に、早期に焼き付きが生じることも無い。この結果、ファンカップリング１０(冷却ファン１８)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。
【００２９】
なお、上述した実施の形態において、転がり軸受２の種類については特に限定しなかったが、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。また、上述した実施の形態では等径の三角形状の歪円を成す軌道面４ｓを想定したが、当該内輪４の軌道面４ｓに代えて外輪６の軌道面６ｓを非真円形状にしても良いし、或いは、内外輪4,6の軌道面4s,6sの双方を非真円形状にしても上記同様の効果を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の一実施の形態に係る転がり軸受の軌道面と各転動体との関係を示す図であり、(ａ)は非真円形状の軌道面の構成を模式的に示す図、(ｂ)は同図(ａ)の模式図に対応した転がり軸受の構成例を示す図。
【図２】軸受すきま：０、非真円量：０のモーメント剛性比を１としたときの非真円量とモーメント剛性比との関係を示す図。
【図３】軸受すきま：０、非真円量：０のモーメント剛性比を１としたときのモーメント荷重とモーメント剛性比との関係を示す図。
【図４】４点接触軸受のモーメント荷重：０、発熱比：１としたときのモーメント荷重と軸受内部発熱比との関係を示す図。
【図５】転がり軸受が組み込まれたファンカップリングの構成例を示す断面図。
【符号の説明】
【００３１】
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
８  転動体
１０  ファンカップリング
１２  水ポンプ
１４  回転軸
１６  ファンカップリング用軸
１８  冷却ファン
２０  ハウジング
２２  ロータ
２４  ラビリンス
２６  プーリシート
２８  プーリ
３０  Ｖベルト
【図１】
2006105256.tif 000003
【図２】
2006105256.tif 000004
【図３】
2006105256.tif 000005
【図４】
2006105256.tif 000006
【図５】
2006105256.tif 000007