(57)【要約】【課題】焼付きが生じにくく長寿命な転がり軸受装置を提供する。【解決手段】電動圧縮機は、略筒状のハウジング１と、ハウジング１の内部に同軸に配された回転軸２と、ハウジング１に回転軸２を回転自在に支持する一対のアンギュラ玉軸受１０，１０と、回転軸２の外周面に設けられたロータ５と、ロータ５に対向するようにハウジング１の内周面に設けられたステータ６と、を備えている。回転軸２の一端部にはインペラ３が取り付けられている。一対のアンギュラ玉軸受１０，１０は、背面組合せとされ、且つ、軸方向に間隔をあけて配されている。また、一対のアンギュラ玉軸受１０，１０の間にロータ５が配されている。さらに、反インペラ側のアンギュラ玉軸受１０の外輪１２のインペラ側の側面に予圧負荷用ばね２１が突き当てられていて、予圧負荷用ばね２１によりインペラ側から反インペラ側に向かう軸方向の定圧予圧が付与されている。【選択図】図１
2015007451.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ハウジングと、羽根車を備えた回転軸と、内輪と外輪との間に複数の転動体を転動自在に備え、前記ハウジングと前記回転軸との間に配されて前記回転軸を前記ハウジングに回転自在に支持する一対のアンギュラ玉軸受と、前記回転軸の外周面に設けられたロータと、前記ロータに対向するように前記ハウジングの内周面に設けられたステータと、を備える転がり軸受装置であって、前記一対のアンギュラ玉軸受を、軸方向に間隔をあけて配された背面組合わせ軸受とし、前記両アンギュラ玉軸受の間に前記ロータを配し、前記両アンギュラ玉軸受の一方の外輪に対して定圧予圧を付与したことを特徴とする転がり軸受装置。
【請求項２】
前記アンギュラ玉軸受に付与されるスラスト荷重と基本動定格荷重との比［スラスト荷重］／［基本動定格荷重］×１００（％）を１．５％以上５．１％以下としたことを特徴とする請求項１に記載の転がり軸受装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は転がり軸受装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ハウジングと、羽根車を端部に備えた回転軸と、ハウジングに回転軸を回転自在に支持する一対のアンギュラ玉軸受と、回転軸の外周面に設けられたロータと、ハウジングの内周面に設けられたステータと、を備え、ロータとステータとが径方向に対向配置された転がり軸受装置は、例えば車載用過給機や空気圧送機に組み込まれ、電動圧縮機、電動送風機として使用される（特許文献１を参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−３６９４７４号公報
【特許文献２】特開２００９−２０４００４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
一対のアンギュラ玉軸受は軸方向に間隔をあけて配されているが、羽根車の回転時に羽根車に発生するスラスト力を、羽根車に近い側のアンギュラ玉軸受が受けるので、一対のアンギュラ玉軸受が正面組合わせとされていると、予圧荷重に羽根車からのスラスト荷重が加わることにより、羽根車に近い側のアンギュラ玉軸受のスラスト荷重が高荷重となる。そのため、発熱が大きくなって、焼付きが生じるおそれがあった。
【０００５】
特許文献２に開示のターボチャージャ用軸受装置は、一対のアンギュラ玉軸受が背面組合わせとされているものの、両アンギュラ玉軸受の間には予圧ばねが設置されておりロータを配置することができないので、ロータを羽根車とは反対側の回転軸端に設ける必要があった。そうすると、ロータに起因するアンバランスが回転軸に生じ、回転の遠心力が大きくなるため、特にアンギュラ玉軸受がグリースで潤滑される場合には焼付きが生じやすくなるという問題があった。
そこで、本発明は上記のような従来技術が有する問題点を解決し、焼付きが生じにくく長寿命な転がり軸受装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記課題を解決するため、本発明の態様は、次のような構成からなる。すなわち、本発明の一態様に係る転がり軸受装置は、ハウジングと、羽根車を備えた回転軸と、内輪と外輪との間に複数の転動体を転動自在に備え、前記ハウジングと前記回転軸との間に配されて前記回転軸を前記ハウジングに回転自在に支持する一対のアンギュラ玉軸受と、前記回転軸の外周面に設けられたロータと、前記ロータに対向するように前記ハウジングの内周面に設けられたステータと、を備える転がり軸受装置であって、前記一対のアンギュラ玉軸受を、軸方向に間隔をあけて配された背面組合わせ軸受とし、前記両アンギュラ玉軸受の間に前記ロータを配し、前記両アンギュラ玉軸受の一方の外輪に対して定圧予圧を付与したことを特徴とする。
この転がり軸受装置においては、前記アンギュラ玉軸受に付与されるスラスト荷重と基本動定格荷重との比［スラスト荷重］／［基本動定格荷重］×１００（％）を１．５％以上５．１％以下としてもよい。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の転がり軸受装置は、一対のアンギュラ玉軸受を、軸方向に間隔をあけて配された背面組合わせ軸受とし、両アンギュラ玉軸受の間にロータを配し、両アンギュラ玉軸受の一方の外輪に対して定圧予圧を付与したので、焼付きが生じにくく長寿命である。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明に係る転がり軸受装置の一実施形態である電動圧縮機の構造を示す断面図である。
【図２】図１の電動圧縮機の変形例を示す断面図である。
【図３】アンギュラ玉軸受に付与されるスラスト荷重と基本動定格荷重との比［スラスト荷重］／［基本動定格荷重］と、アンギュラ玉軸受の耐久時間との関係を示すグラフである。
【図４】アンギュラ玉軸受に付与されるスラスト荷重と基本動定格荷重との比［スラスト荷重］／［基本動定格荷重］と、転動体と内輪の軌道面との間に発生する滑りの滑り速度との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
本発明に係る転がり軸受装置の実施の形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、本発明に係る転がり軸受装置の一実施形態である電動圧縮機の構造を示す断面図である。
図１の電動圧縮機は、略筒状のハウジング１と、ハウジング１の内部に同軸に配された回転軸２と、ハウジング１と回転軸２との間に配されてハウジング１に対して回転軸２を回転自在に支持する一対のアンギュラ玉軸受１０，１０と、を備えている。このアンギュラ玉軸受１０は、図１に示されるように、内輪１１と、外輪１２と、内輪１１及び外輪１２の間に転動自在に配された複数の転動体（玉）１３と、を備えている。
【００１０】
なお、アンギュラ玉軸受１０の内部（内輪１１の外周面と外輪１２の内周面との間に形成される内部空間）には、図示しない潤滑剤（例えばグリース、潤滑油）が封入されている。この潤滑剤により、アンギュラ玉軸受１０の内輪１１及び外輪１２の軌道面と転動体１３の転動面との潤滑がなされていて、摩擦の低減や焼付きの抑制がなされている。また、アンギュラ玉軸受１０は、保持器やシール装置を備えていてもよいが、備えていなくてもよい。
【００１１】
回転軸２の一端部（図１においては左方の端部）は、ハウジング１の開口部１ａから外部に突出している。ハウジング１の外部に突出した回転軸２の端部には、空気を圧縮するためのインペラ３（本発明の構成要件である羽根車に相当する）がナット２２によって取り付けられていて、インペラ３はハウジング１の外部に配されている。そして、ハウジング１の軸方向端部のうちインペラ３が位置する側の軸方向端部（図１においては左方の端部）には、インペラ３を内包する送気管２３が一体的に形成されている。
【００１２】
なお、ハウジング１の開口部１ａには、ラビリンスシール、メカニカルシール等の密封装置（図示せず）が備えられており、回転軸２とハウジング１との間を密封している。また、これ以降においては、軸方向両側のうち、インペラ３が位置する側（図１においては左側）を「インペラ側」、その反対側（図１においては右側）を「反インペラ側」と記すこともある。
一対のアンギュラ玉軸受１０，１０は、背面組合せ（ＤＢ）でハウジング１の内周面と回転軸２の外周面との間に介装され、且つ、軸方向に間隔をあけて配されている。２個のアンギュラ玉軸受１０，１０の内輪１１，１１は、回転軸２に圧入等により固定され、軸方向の変位が規制されている。
【００１３】
詳述すると、インペラ側のアンギュラ玉軸受１０の内輪１１とインペラ３との間には、回転軸２の外周面に嵌合された内輪間座２４が介在しており、インペラ側のアンギュラ玉軸受１０の内輪１１の両側面は、内輪間座２４及び回転軸２の軸方向略中間部に形成された段部２ａの側壁に突き当てられ、これにより該内輪１１の軸方向の変位が規制されている。
また、反インペラ側のアンギュラ玉軸受１０の内輪１１と段部２ａとの間には、後述するロータ５とともに内輪間座２５が介在しており、反インペラ側のアンギュラ玉軸受１０の内輪１１の両側面は、内輪間座２５及び回転軸２の反インペラ側端部に形成された段部２ａの側壁に突き当てられ、これにより該内輪１１の軸方向の変位が規制されている。
【００１４】
一方、２個のアンギュラ玉軸受１０，１０の外輪１２，１２はハウジング１に取り付けられているが、そのうち一方、例えば反インペラ側のアンギュラ玉軸受１０の外輪１２は、ハウジング１に対して軸方向に変位可能に嵌合固定（隙間嵌め）されている。そして、該外輪１２のインペラ側の側面には予圧負荷用ばね２１が突き当てられていて、予圧負荷用ばね２１によりインペラ側から反インペラ側に向かう軸方向の定圧予圧が付与されている。
【００１５】
また、２個のアンギュラ玉軸受１０，１０の外輪１２，１２のうち他方、例えばインペラ側のアンギュラ玉軸受１０の外輪１２は、予圧が付与されつつ、その両側面がハウジング１の突出部（径方向内方に突出する突出部）の側面と当接する状態で圧入固定されている。
このような構成により、２個のアンギュラ玉軸受１０には予圧が付与され、回転軸２がハウジング１の内側にがたつきなく回転自在に支持されている。
【００１６】
なお、少なくとも一方のアンギュラ玉軸受１０に定圧予圧を負荷することにより、アンギュラ玉軸受１０の軸方向の位置決めを正確にし、回転軸２の振れを抑え、転動体１３の滑りを抑制することができる。予圧の負荷方法としては、予圧負荷用ばね２１を用いた定圧予圧方式が好ましい。予圧負荷用ばね２１としては、例えば圧縮コイルばねを使用することができる。
【００１７】
さらに、電動圧縮機は、ロータ５とステータ６からなる電動モータを備えている。回転軸２の外周面の軸方向略中間部で且つ２個のアンギュラ玉軸受１０，１０の間の部分には、界磁マグネットを有するロータ５が締り嵌めにより固定されている。また、ハウジング１の内周面でロータ５の外周面と対向する部分には、ロータ５と径方向隙間を介してステータ６が固定されている。ロータ５は、複数枚の磁性金属薄板を軸方向に積層してなる積層コアとし、マグネットを有しない構成とすることもできる。また、ステータ６の種類は特に限定されるものではないが、例えば、複数枚の磁性金属薄板を軸方向に積層してなる積層コアに、電機子コイルを巻き付けることにより構成されるものがあげられる。
【００１８】
この電機子コイルを図示しないモータインバータに接続して通電すると、電動モータにより回転軸２が回転駆動されるので、回転軸２に固定されているインペラ３が回転する。そして、インペラ３の回転によって、空気が送気管２３内を圧送される。また、本実施形態の電動圧縮機は、回転軸２にロータ５及びアンギュラ玉軸受１０，１０が固定されているので、軽量化、小型化、高効率化、及びシステム簡略化がなされている。
【００１９】
このような本実施形態の電動圧縮機は、気体を圧縮する種々の用途に使用可能であり、例えば車載用過給機（電動モータ駆動方式の過給機）に好適に使用可能である。インペラ３が回転して空気を圧送している際には、回転軸２には反インペラ側からインペラ側に向かう方向のスラスト力（図１においては左方向のスラスト力）が作用するので、仮に一対のアンギュラ玉軸受１０，１０が正面組合わせとされていると、前記スラスト力を受けるインペラ側のアンギュラ玉軸受１０は、予圧荷重にインペラ３からのスラスト荷重が加わることによってスラスト荷重が高荷重となり、その結果、発熱が大きくなって、焼付きが生じやすくなる。
【００２０】
これに対して、本実施形態においては、一対のアンギュラ玉軸受１０，１０が背面組合わせとされているので、予圧荷重にインペラ３からのスラスト荷重が加えられたとしても、インペラ側のアンギュラ玉軸受１０のスラスト荷重は過大とはならず、発熱が生じにくい。そのため、本実施形態の電動圧縮機は、インペラ側のアンギュラ玉軸受１０に焼付きが生じにくく長寿命である。
【００２１】
また、本実施形態においては、一対のアンギュラ玉軸受１０，１０の間にロータ５が配されているので、ロータ５に起因するアンバランスが回転軸２に生じにくく、回転の遠心力が大きくなりにくい。よって、本実施形態の電動圧縮機は、アンギュラ玉軸受１０に焼付きが生じにくく長寿命である。特に、アンギュラ玉軸受１０がグリースで潤滑される場合であっても、焼付きが生じにくい。
【００２２】
ここで、予圧負荷用ばね２１によって反インペラ側のアンギュラ玉軸受１０に対して付与する定圧予圧の大きさについて説明する。
一対のアンギュラ玉軸受１０，１０は背面組合わせ軸受となっているので、反インペラ側のアンギュラ玉軸受１０が、インペラ３の回転によって生じる反インペラ側からインペラ側に向かう方向のスラスト荷重Ｆａを支承する軸受であり、インペラ側のアンギュラ玉軸受１０は、スラスト荷重Ｆａによってその予圧が減少するようになっている。
【００２３】
つまり、インペラ３の回転によって生じるスラスト荷重をＦａ（単位はＮ）、予圧をＦｐ（単位はＮ）、インペラ側のアンギュラ玉軸受１０に作用するスラスト荷重をＦａＡ（単位はＮ）、反インペラ側のアンギュラ玉軸受１０に作用するスラスト荷重をＦａＢ（単位はＮ）とすると、インペラ側のアンギュラ玉軸受１０に作用するスラスト荷重ＦａＡは、スラスト荷重Ｆａによって予圧が減少するから、インペラ側のアンギュラ玉軸受１０の予圧Ｆｐからスラスト荷重Ｆａを差し引いた値となり（ＦａＡ＝Ｆｐ−Ｆａ）、反インペラ側のアンギュラ玉軸受１０の予圧は変化しないから、反インペラ側のアンギュラ玉軸受１０に作用するスラスト荷重ＦａＢは、予圧と同一の値となる（ＦａＢ＝Ｆｐ）。
【００２４】
ただし、予圧は、インペラ３の回転によって生じる最大のスラスト荷重Ｆａｍａｘ（単位はＮ）よりも大きい値とし（Ｆｐ＞Ｆａｍａｘ）、インペラ３の回転によって生じるスラスト荷重Ｆａによって回転軸２がインペラ側に変位しないようにしている。
さらに、インペラ３の回転によって生じるスラスト荷重Ｆａによって、インペラ側のアンギュラ玉軸受１０の予圧が過小となり、転動体と軌道面との滑りが大きくなると、発熱が大きくなって焼付きが発生するおそれがあるので、インペラ側のアンギュラ玉軸受１０において焼付きが発生しない最小のスラスト荷重をＦａＡｍｉｎ（単位はＮ）とすると、インペラ側のアンギュラ玉軸受１０の予圧は、ＦａｍａｘとＦａＡｍｉｎの合計値以上（Ｆｐ≧Ｆａｍａｘ＋ＦａＡｍｉｎ）とすることが好ましい。
【００２５】
また、反インペラ側のアンギュラ玉軸受１０に過大な予圧を付与して面圧が高くなると、発熱して焼付きが発生しやすくなるので、反インペラ側のアンギュラ玉軸受１０において焼付きが発生しない最大の予圧をＦａＢｍａｘ（単位はＮ）とすると、反インペラ側のアンギュラ玉軸受１０の予圧は、ＦａＢｍａｘ以下（Ｆｐ≦ＦａＢｍａｘ）とすることが好ましい。
したがって、両アンギュラ玉軸受１０，１０に付与する予圧Ｆｐを下記式を満足するように設定すれば、両アンギュラ玉軸受１０，１０に焼付きが生じにくく長寿命とすることができる。
Ｆａｍａｘ＋ＦａＡｍｉｎ≦Ｆｐ≦ＦａＢｍａｘ
【００２６】
なお、本実施形態は本発明の一例を示したものであって、本発明は本実施形態に限定されるものではない。例えば、電動圧縮機を、図２に示す構成としてもよい。すなわち、図２に示す変形例の電動圧縮機は、予圧負荷用ばね２１である圧縮コイルばねを複数備えている。各圧縮コイルばねの直径は図１の例と比較すると小径であり、これら圧縮コイルばねがアンギュラ玉軸受１０の外輪１２の側面に沿って周方向に等配に並べられている。
また、圧縮コイルばねと反インペラ側のアンギュラ玉軸受１０との間には、圧縮コイルばねの反インペラ側軸方向端部とアンギュラ玉軸受１０の外輪１２の側面とに当接する外輪間座２７が配されており、外輪間座２７が圧縮コイルばねの付勢力を受けてアンギュラ玉軸受１０の外輪１２の側面に伝達するようになっている。
【００２７】
さらに、圧縮コイルばねのインペラ側軸方向端部に当接するハウジング１の突出部２８（径方向内方に突出する突出部）の側面からは、軸方向反インペラ側に突出する突起２９が複数設けられており、各突起２９が各圧縮コイルばねの内側にそれぞれ配されている。そして、突起２９の先端は、外輪間座２７に近接対向している。これにより、インペラ３の回転等によって想定以上のスラスト荷重が作用し、回転軸２がインペラ側に変位したとしても、外輪間座２７が突起２９の先端に当接し、突起２９がストッパーとして機能するので、インペラ３が送気管２３に接触するおそれがない。
【００２８】
また、本実施形態の電動圧縮機と同様の構成の転がり軸受装置は、電動送風機としても使用できる。電動送風機は気体を送る種々の用途に使用可能であり、例えば、燃料電池用の空気圧送機、水蒸気圧送機に好適に使用可能である。
さらに、アンギュラ玉軸受１０の軌道輪（内輪１１及び外輪１２）の材質は特に限定されるものではないが、鋼等の金属が好ましい。具体例としては、Ｍ５０等の耐熱鋼（耐熱性，耐摩耗性を必要とする場合）、ＳＵＳ４４０Ｃ等のステンレス鋼、ＳＵＪ２等の軸受鋼、浸炭鋼があげられる。
【００２９】
さらに、転動体１３の材質は特に限定されるものではないが、鋼等の金属やセラミックが好ましく、回転軸２が数万〜数十万ｒｐｍという高速回転で使用される場合にはセラミックがより好ましい。セラミックの具体例としては、窒化ケイ素（Ｓｉ3 Ｎ4 ）、アルミナ（Ａｌ2 Ｏ3 ）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、ジルコニア（ＺｒＯ2 ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等があげられる。
【００３０】
〔実施例〕
以下に実施例を示して、本発明をさらに具体的に説明する。バネを用いて所定のスラスト荷重（表１を参照）を付与したアンギュラ玉軸受に、さらにラジアル荷重を負荷した状態で回転試験を行い、焼付きが生じるまでの時間（耐久時間）を調査した。
回転試験は、内輪を一定速度で回転させながら外輪の温度を測定し、初期の温度から１０℃以上上昇した時点で焼付きが生じたと判断した。試験時間が１００時間に達しても焼付きが生じなかった場合は合格とし、１００時間以前に焼付きが生じた場合は不合格とした。
【００３１】
結果を表１及び図３のグラフに示す。なお、図３のグラフにおいては、合格の場合は○印、不合格の場合は×印をプロットしてある。また、アンギュラ玉軸受の諸元及び回転試験の条件を下記に示す。
外輪幅：１２ｍｍ
外径  ：２２ｍｍ
内径  ：８ｍｍ
基本動定格荷重：２７２０Ｎ
回転速度      ：１０万ｒｐｍ
ラジアル荷重  ：５０Ｎ
【００３２】
【表１】
2015007451.tif 000003
【００３３】
表１から分かるように、試験Ｎｏ．１及び試験Ｎｏ．６のアンギュラ玉軸受は不合格となり、試験Ｎｏ．２〜５のアンギュラ玉軸受は合格であった。
図３のグラフは、アンギュラ玉軸受に付与されたスラスト荷重（前述のＦａＡに相当する）と基本動定格荷重との比［スラスト荷重］／［基本動定格荷重］×１００（％）と、耐久時間との関係を示すグラフであるが、このグラフから、スラスト荷重と基本動定格荷重との比が１．５％以上５．１％以下であれば、試験時間が１００時間に達しても焼付きが発生しなかったことが分かる。
【００３４】
そして、図４のグラフは、アンギュラ玉軸受に付与されたスラスト荷重と基本動定格荷重との比［スラスト荷重］／［基本動定格荷重］×１００（％）と、転動体と内輪の軌道面との間に発生する滑りの滑り速度との関係を計算により求めたグラフであるが、このグラフから、焼付きが発生しない滑り速度は２５００ｍｍ／ｓ以下であることが分かる。
図４のグラフから分かるように、スラスト荷重が小さい領域では滑り速度が大きくなるため、転動体と内輪の軌道面との摩擦熱により焼付きが発生しやすくなり、スラスト荷重が大きい領域では面圧が高くなるため、軸受が発熱して焼付きが発生しやすくなる。
【００３５】
インペラの回転によって生じる最大のスラスト荷重Ｆａｍａｘが８０Ｎである場合は、上記の試験結果を前記式Ｆａｍａｘ＋ＦａＡｍｉｎ≦Ｆｐ≦ＦａＢｍａｘに代入すると、（８０＋４０）≦Ｆｐ≦１４０となるから、定圧予圧Ｆｐは１２０Ｎ以上１４０Ｎ以下に設定すべきであることが分かる。
【符号の説明】
【００３６】
１      ハウジング
２      回転軸
３      インペラ
５      ロータ
６      ステータ
１０      アンギュラ玉軸受
１１      内輪
１２      外輪
１３      転動体
２１      予圧負荷用ばね
【図１】
2015007451.tif 000004
【図２】
2015007451.tif 000005
【図３】
2015007451.tif 000006
【図４】
2015007451.tif 000007