JP2008019986A - ころ軸受 - Google Patents

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達夫 川瀬
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Abstract

【課題】 ころのスキューを極力少なくして、軌道輪につば等を設けることなくころの軸方向移動を防ぐことができ、かつ接触面圧の増大を防いで、振動や騒音の低減、および転動疲労寿命の延長を図ることができるころ軸受を提供する。
【解決手段】 ころ軸受は、保持器3と複数のころ2とを備え、これら複数のころ2が、内輪または軸4の外周面からなる内輪側周面4a、および外輪1の内周面1aに転接する。保持器3の内周面および外周面における円環部5の全体、および柱部6の円環部近傍部分6aが、内輪側周面4aおよび外輪内周面1aに滑り接触して滑り軸受として機能する。外輪内周面1aは、軸方向両端部が側縁に近づくに従って小径となる溝形である。
【選択図】図1

Description

この発明は、特に自動車用エンジンのクランク軸やカムシャフトの支持部、あるいはコンロッドとクランク軸およびピストンとの連結部等のような変動荷重を受ける箇所に使用するに適したころ軸受に関する。
図9は自動車用エンジンのクランク軸およびコンロッドを示している。クランク軸10は、回転中心軸10aと、バランスウェイト10bと、クランクピン10cとで構成され、回転中心軸10aが軸受12により回転自在に支持されている。コンロッド11は、両端の大径端部11aおよび小径端部11bにそれぞれピン挿入穴11cが形成されており、大径端部11aのピン挿入穴11cには前記クランクピン10cがコンロッド11に対して軸受13を介して回転自在に挿入され、小径端部11bのピン挿入穴11cにはピストンピン(図示せず)が軸受(図示せず)を介してコンロッド11に対して回転自在に挿入されている。
上記クランク軸10の支持部に用いられる軸受12や、コンロッド11とクランク軸10の連結部に用いられる軸受13は、ピストンの爆発的な往復運動に伴う変動荷重を受ける。このため、上記軸受としてころ軸受または針状ころ軸受が使用される場合、振動や騒音が大きいという問題がある。また、軸受の長寿命化が望まれている。これらの問題は、カムシャフトを支持する軸受についても言える。
このような問題に対する従来技術として、クランクシャフト用のものについては、転がり軸受のアウターレースの外周面とシャフト穴内周面との間にオイルフィルム部を形成して騒音の防止を図ったものがある(特許文献1)。また、金属メッキ槽等の高温、高荷重状態で使用されるものについては、ころの中間部が円筒状の内輪と接触し、ころの両端を凸状とし、凹球面の外輪と接触するようにしたものがある(特許文献2)。
自動車用エンジンに用いられる前記軸受12,13には、組立を容易にするために、2分割ころ軸受とすることが求められる場合がある。2分割ころ軸受の従来例としては、例えば特許文献3に記載のものがある。この従来例は、外輪に当たるハーフシェルが分割され、それがスリットの設けられた弾性的リングで取り囲んだ構造としたものである。
特開平6−229415号公報 特開平5−149328号公報 特表2002−525533号公報
自動車用エンジンに用いられる前記軸受12,13は、変動荷重により、ころが正規の転動面に対して傾くスキューという現象が生じやすい。スキューが生じると、ころの転動面と軌道輪の軌道面との接触部に滑りが生じて、ころが軸方向に移動し、軸受としての機能低下を招いてしまう。また、スキューは、軸受温度上昇、潤滑油劣化、軸受寿命低下の原因ともなる。ころの軸方向移動を防ぐには、軌道輪につばを設けることが考えられるが、つばを設けるのは、ころと軌道輪との接触抵抗が増大するという問題がある。
特許文献1に記載の軸受は、アウターレースの外周面とシャフト穴内周面との間に形成された間隙に潤滑油を充填してオイルフィルムとし、このオイルフィルムのクッション作用でラジアル方向の軸荷重を吸収しようとするものであり、スキューに対しては特別な対策がとられていない。また、特許文献2に記載の軸受は、軸の熱変形に対する対策が主眼であり、スキューによるころの軸方向移動を積極的に防止しようとするものではない。
この発明の目的は、ころのスキューを極力少なくして、軌道輪につば等を設けることなくころの軸方向移動を防ぐことができ、かつ接触面圧の増大を防いで、振動や騒音の低減、および転動疲労寿命の延長を図ることができるころ軸受を提供することである。
この発明のころ軸受は、一対の円環部およびこれら円環部間を繋ぐ円周方向複数箇所の柱部を有し隣合う柱部間がそれぞれポケットとなるリング状の保持器と、この保持器の前記各ポケットに保持された複数のころとを備え、これら複数のころが、内輪または軸の外周面からなる内輪側周面、および外輪の内周面に転接するものである。このころ軸受において、前記保持器の内周面および外周面における前記円環部の全体、および前記柱部の円環部近傍部分を、前記内輪側周面および外輪内周面に滑り接触して滑り軸受として機能するものとする。また、前記外輪内周面は、軸方向の両端部が側縁に近づくに従って小径となる溝形であり、前記ころは、軸方向の中央部の外周面が円筒面に形成されて前記内輪側周面と接触し、軸方向の両端部が先細り形状に形成されて前記外輪内周面と接触するものであり、前記ころと外輪の寸法関係につき、
Rr1を、ころと外輪とが接触する接触部の軸方向中央よりも外輪幅方向中央側のころ半径、
Rr2を、前記接触部の軸方向中央よりも外輪幅方向端部側のころ半径、
Ro1を、前記接触部の軸方向中央よりも外輪幅方向中央側の外輪内半径、
Ro2を、前記接触部の軸方向中央よりも外輪幅方向端部側の外輪内半径、
としたとき、
(Rr2/Rr1)<(Ro2/Ro1)
が成り立つ関係とした、ことを特徴とする。保持器内周面と内輪側周面との間、および保持器外周面と外輪内周面との間には潤滑油を保持させる。
この構成とすると、保持器の内周面および外周面における円環部の全体、および柱部の円環部近傍部分が滑り軸受として機能するため、保持器により軸荷重の一部を負担することができる。そのため、ころと内輪または軸との接触面圧、およびころと外輪との接触面圧を軽減することができる。接触面圧が低下することで、その接触箇所で生じる振動を低減し、かつ軸受の騒音を低減することができる。加えて、転動疲労に対する軸受寿命の延長が可能となる。
内輪側周面および外輪内周面との間で潤滑油を保持して滑り軸受として機能する箇所を、保持器の内周面および外周面における円環部の全体、および柱部の円環部近傍部分としているため、保持器の柱部における円環部近傍部分以外の部分については形状等に関する制約が少なく、柱部をころの保持に適した形状とすることができる。
また、上記ころと外輪の寸法関係は、ころ端(軸受の外部)方向に対して、外輪内周面の軸方向半径比をころの軸方向半径比よりも大きくしていることを意味する。この関係が成り立つと次の作用が得られる。すなわち、ころにスキューが生じ、ころが軸方向に移動しようとする場合、ころが外輪幅方向端部側へ移動する側のころと外輪との接触部において、ころの軸方向移動に伴うころの回転半径増大量の方が、ころの軸方向移動に伴う外輪の回転半径増大量よりも大きいことから、外輪幅方向端部側へ移動した側のころの周速度が増大して、同側のころと外輪との接触部が外輪幅方向中央側に戻されるようにころが動作する。換言すると、スキューしたころが自立的に軸受内側に方向を変えることから、スキュー角が増大しないということである。その結果、ころのスキューおよび軸方向移動が規制される。そのため、ころの軸方向移動を拘束するつば等の拘束手段を設ける必要がない。また、スキューの発生を抑えることができるため、ころと内輪または軸、およびころと外輪の接触面圧の増大を防ぐことができ、振動や騒音の低減、および軸受の疲労寿命の延長を図ることができる。
前記保持器の前記滑り軸受として機能する面に、油膜形成能力を高める手段を設けるのが良い。その場合、油膜形成能力を高める手段は、保持器の内周面および外周面に付与され、軸方向に垂直な断面が、円弧状、三角形状、若しくは長方形状等の波形となる断面形状、または前記保持器の内周面および外周面に分散して設けたディンプル若しくは突起とすることができる。
このように保持器の滑り軸受として機能する面に油膜形成能力を高める手段を設けると、保持器内周面と内輪側周面との間、および保持器外周面と外輪端部の内周面との間に形成される潤滑油の油膜が安定し、負荷能力が向上する。その安定した油膜によって外力を支持することにより、ころと内輪または軸との接触面圧、およびころと外輪との接触面圧を軽減することが可能になる。
前記外輪および前記保持器の両方、またはいずれか一方を、円周方向に並ぶ2個の分割体に分割すると良い。外輪や保持器を2個の分割体に分割すると、軸受の組立が容易になる。
この発明のころ軸受は、上記作用が得られるため、自動車用エンジンのクランク軸、またはコンロッドの支持軸受用として好適に使用することができる。
この発明のころ軸受は、一対の円環部およびこれら円環部間を繋ぐ円周方向複数箇所の柱部を有し隣合う柱部間がそれぞれポケットとなるリング状の保持器と、この保持器の前記各ポケットに保持された複数のころとを備え、これら複数のころが、内輪または軸の外周面からなる内輪側周面、および外輪の内周面に転接するものにおいて、前記保持器の内周面および外周面における前記円環部の全体、および前記柱部の円環部近傍部分を、前記内輪側周面および外輪内周面に滑り接触して滑り軸受として機能するものとし、前記外輪内周面は、軸方向の両端部が側縁に近づくに従って小径となる溝形であり、前記ころは、軸方向の中央部の外周面が円筒面に形成されて前記内輪側周面と接触し、軸方向の両端部が先細り形状に形成されて前記外輪内周面と接触するものであり、前記ころと外輪の寸法関係につき、
Rr1を、ころと外輪とが接触する接触部の軸方向中央よりも外輪幅方向中央側のころ半径、
Rr2を、前記接触部の軸方向中央よりも外輪幅方向端部側のころ半径、
Ro1を、前記接触部の軸方向中央よりも外輪幅方向中央側の外輪内半径、
Ro2を、前記接触部の軸方向中央よりも外輪幅方向端部側の外輪内半径、
としたとき、
(Rr2/Rr1)<(Ro2/Ro1)
が成り立つ関係としたため、ころのスキューを極力少なくして、軌道輪につば等を設けることなくころの軸方向移動を防ぐことができ、かつ接触面圧の増大を防いで、振動や騒音の低減、および転動疲労寿命の延長を図ることができる。
この発明の実施形態を図1〜図4と共に説明する。このころ軸受は、外輪1と、この外輪1の内周面1aに転接する複数のころ2と、リング状の保持器3とを有する。保持器3は、円周方向に並ぶ複数のポケット3aを有し、各ポケット3aにころ2が保持されている。内輪は無く、この軸受が支持する軸4の外周面からなる内輪側周面4aにころ2が転接するものとされている。外輪1と軸4との間の軸受空間は図示しない密封手段により密封されており、この密封された軸受空間内に潤滑油が保持されている。あるいは、図示しない潤滑油供給孔から潤滑油が供給され軸受空間内に潤滑油が保持される。図3に示すように、外輪1および保持器3は、それぞれ円周方向に並ぶ2個の外輪分割体1,1および保持器分割体3,3に2分割されている。
保持器3は、軸方向両端に位置する左右一対の円環部5と、これら円環部5間を繋ぐ円周方向複数個所の柱部6とからなり、隣合う柱部6間が、ころ2を保持するポケット3aとなっている。この実施形態では、円環部5の内周面および外周面は、内輪側周面4aおよび外輪内周面1aにそれぞれ沿う平滑面として形成されている。柱部6は、外周面が円環部5の外周面の延長面として形成された円環部近傍部分6aと、この円環部近傍部分6aよりも外径が若干小さく形成された大径部分6bと、この大径部分6bの内端に続き縮径側に屈曲した縮径部分6cと、左右の縮径部分6cの内端同士を繋ぐ小径部分6dとからなる。
保持器3が上記形状であることにより、保持器3の内周面における円環部5の全体と内輪側周面4aとの間の隙間に潤滑油が保持されると共に、保持器3の外周面における円環部5の全体および柱部6の円環部近傍部分6aと外輪内周面1aとの間の隙間に潤滑油が保持される。このように保持された潤滑油の油膜を介して、保持器3と軸4、および保持器3と外輪1とが互いに滑り接触する。このため、保持器3の内周面における円環部5の全体は、軸4と円滑に回転自在でありながらラジアル方向の荷重を支持することのできる滑り軸受として機能する。同様に、保持器3の外周面における円環部5の全体および柱部6の円環部近傍部分6aは、外輪1と円滑に回転自在でありながらラジアル方向の荷重を支持することのできる滑り軸受として機能する。すなわち、保持器3は、複数のころ2を等間隔に保持する役割と、ころ2と共に軸荷重の一部を負担する役割とを担っている。
図4に示すように、外輪1の内周面1aは、軸方向の両端部が側縁に近づくに従って小径となる溝形に形成されている。詳しくは、外輪内周面1aにおける軸方向中央部1aaはころ2と接触しないため任意の形状でよく、例えば円筒状であり、軸方向両端部1abは円すい台周面状とされている。また、ころ2は、軸方向の中央部2aの外周面が円筒面に形成され、軸方向の両端部2bが先細り形状に形成されている。詳しくは、軸方向の両端部2bは、外径側に凸となる曲面、例えば軸方向に沿う断面が円弧状となる曲面とされている。そして、ころ2の中央部2aが内輪側周面4aと接触し、かつころ2の両端部2bが外輪内周面1aの軸方向両端部1abと接触している。
外輪1およびころ2を上記形状としたことにより、両者の寸法関係につき次の関係が成り立つ(図4参照)。
(Rr2/Rr1)<(Ro2/Ro1)
ここで、
Rr1は、ころ2の端部2bと外輪内周面1aの軸方向両端部1abとが接触する接触部の軸方向中央Cよりも外輪幅方向中央側のころ半径、
Rr2は、前記接触部の軸方向中央Cよりも外輪幅方向端部側のころ半径、
Ro1は、前記接触部の軸方向中央Cよりも外輪幅方向中央側の外輪内半径、
Ro2は、前記接触部の軸方向中央Cよりも外輪幅方向端部側の外輪内半径、
とする。
ころ2の端部2bと外輪内周面1aの軸方向端部1abとの接触部は、幾何学上は点であるが、実際には外輪1およびころ2が変形するため、両者は面で接触する。接触部の軸方向中央Cとは、この接触面における軸方向の中央位置のことである。Rr1,Ro1は、接触部の軸方向中央Cよりも外輪幅方向中央側の任意位置Pにおけるころ半径および外輪内半径のことであり、上記任意位置Pは、前記接触部の軸方向中央Cに限りなく近い位置から外輪内周面1aの軸方向中央部1aaまでの位置、またはころの中央部2aまでのどの位置にとってもよい。また、Rr2,Ro2は、接触部の軸方向中央Cよりも外輪幅方向端部側の任意位置Qにおけるころ半径および外輪内半径のことであり、上記任意位置Qは、前記接触部の軸方向中央Cに限りなく近い位置から外輪1の末端、またはころ2の末端までのどの位置にとってもよい。図4のxは任意位置P,Q間の距離である。
上記構成のころ軸受は、保持器3の内周面における円環部5の全体および柱部6の円環部近傍部分6a、および保持器3の外周面における円環部5の全体が、滑り軸受として機能してラジアル方向の荷重を支持するため、ころ2と軸4との接触面圧、およびころ2と外輪1との接触面圧を軽減することができる。接触面圧が低下することで、ころ2と軸4との接触部およびころ2と外輪1との接触部で生じる振動を低減し、かつ軸受の騒音を低減することができる。加えて、転動疲労に対する軸受寿命の延長が可能となる。
上記したように、保持器円環部5と共に保持器柱部6の一部が滑り軸受として機能するものとしているが、柱部6のうち滑り軸受として機能するのは円環部近傍部分6aだけに限定しているため、柱部6全体の形状については制約が少なく、柱部6をころ2の保持に適した形状とすることができる。
この実施形態では、滑り軸受として機能する保持器柱部6の円環部近傍部分6aを保持器3の外周面に設けてあるが、円環部近傍部分6aを保持器3の内周面に設けてもよく、あるいは内周面および外周面の両方に設けても良い。
また、外輪1ところ2の寸法関係につき前記関係が成り立つと、次の作用が得られる。すなわち、ころ2にスキューが生じ、ころ2が軸方向に移動しようとする場合、ころ2が外輪幅方向端部側へ移動する側のころ2と外輪1との接触部において、ころ2の軸方向移動に伴うころ2の回転半径増大量の方が、ころ2の軸方向移動に伴う外輪1の回転半径増大量よりも大きいことから、外輪幅方向端部側へ移動した側のころ2の周速度が増大して、同側のころ2と外輪1との接触部が外輪幅方向中央側に戻されるようにころ2が動作する。換言すると、スキューしたころ2が自立的に軸受内側に方向を変えることから、スキュー角が増大しないということである。その結果、ころ2のスキューおよび軸方向移動が規制される。そのため、ころ2の軸方向移動を拘束するつば等の拘束手段を設ける必要がない。また、スキューの発生を抑えることができるため、接触面圧の増大を防ぐことができ、軸受の疲労寿命の延長を図ることができる。
このころ軸受は、上記作用が得られるため、例えば図9に示すクランク軸10支持用の軸受12や、コンロッド11とクランク軸10の連結部の軸受13に好適に使用することができる。軸受12に適用する場合、軸4はクランク軸10の回転中心軸10aである。また、軸受13に適用する場合、軸4はクランク軸10のクランクピン10cであり、外輪1はコンロッド11の大径端部11aである。このころ軸受は、上記軸受12,13の他に、コンロッド11の小径端部11bとピストンピン(図示せず)との連結部の軸受や、カムシャフト支持部の軸受にも使用することもできる。さらに、これら以外の変動荷重を受ける箇所の軸受として使用することができる。外輪1および保持器3がそれぞれ円周方向に並ぶ2個の外輪分割体1,1および保持器分割体3,3に2分割されているため、組立性が良好である。
図5〜図7は上記実施形態のものとは円環部5の内外表面の軸方向に垂直な断面形状が異なる保持器を示す。図5は円弧を連ねてなる波形の断面形状としたものである。図6は三角形状の凹凸となる波形の断面形状としたものである。図7は長方形状の凹凸となる波形状断面形状としたものである。なお、図示は省略するが、柱部6の円環部近傍部分6aの内周面または外周面も円環部5の内周面または外周面と同一断面形状とする。
保持器円環部5および柱部6の円環部近傍部分6aの表面を図5〜図7のいずれの断面形状にした場合でも、保持器3と軸4、あるいは保持器3と外輪1が相対運動する時、保持器3の内周面における円環部5全体と内輪側周面4aとの間、並びに保持器3の外周面における円環部5全体および柱部6の円環部近傍部分6aと外輪内周面1aとの間に油膜形成を促進することができる。このため、安定した油膜を得ることができ、その安定した油膜を介して保持器3が軸荷重の一部を支持することにより、ころ2と軸4との接触面圧、およびころ2と外輪1との接触面圧を軽減することが可能になる。
保持器3の内周面および外周面での油膜形成能力を高める手段としては、上記図5〜図7のように表面を波形となる断面形状とする代わりに、表面にディンプル若しくは突起を分散して設けたものとしても良い(図示省略)。
図8は、外輪内周面1aおよびころ2の形状が異なる例を示す。この外輪内周面1aは、軸方向中央部1aaに関しては、ころ2と接触しないため任意の形状でよく、例えば円筒状であり、軸方向両端部1abが内径側に凸となる曲面、例えば軸方向に沿う断面が円弧状となる曲面とされている。この場合も、外輪内周面1aは、軸方向の両端部が側縁に近づくに従って小径となる溝形である。また、ころ2は、軸方向の中央部2aの外周面が円筒面に形成され、軸方向の両端部2bが円すい台周面状とされている。この場合も、ころ2は、軸方向の両端部が先細り形状である。そして、ころ2の中央部2aが内輪側周面4aと接触し、かつころ2の両端部2bが外輪内周面1aの軸方向両端部1abと接触している。
外輪内周面1aおよびころ2を上記形状とした場合も、図4に示す形状である場合と同様に、(Rr2/Rr1)<(Ro2/Ro1)の関係が成り立ち、ころ2の軸方向移動を拘束するつば等の拘束手段を設けることなく、ころ2のスキューおよび軸方向移動を規制することができ、接触面圧の増大を防いで、軸受の疲労寿命の延長を図ることができる。
上記実施形態では、内輪が無く、ころ2が軸4に直接に接触する構成のころ軸受を例示しているが、この発明のころ軸受は、内輪を有する構成であっても良く、その場合も上記各実施形態と同様な作用効果が得られる。
この発明の実施形態にかかるころ軸受の一部を省略した図で、(A)はIA−O−IA断面図、(B)はIB−IB断面図で、(C)はIC−IC断面図である。 図1(B)のII部拡大図である。 同ころ軸受の2分割した外輪および保持器を示す正面図である。 同ころ軸受の外輪およびころの形状を示す説明図である。 異なる保持器を有するころ軸受の一部の断面図である。 さらに異なる保持器を有するころ軸受の一部の断面図である。 さらに異なる保持器を有するころ軸受の一部の断面図である。 異なるころ軸受の外輪およびころの形状を示す説明図である。 自動車用エンジンのクランク軸およびコンロッドを示す説明図である。
符号の説明
1…外輪
,1…外輪分割体
1a…外輪内周面
1aa…外輪内周面の軸方向中央部
1ab…外輪内周面の軸方向端部
2…ころ
2a…ころの軸方向中央部
2b…ころの軸方向端部
3…保持器
,3…保持器分割体
3a…ポケット
4…軸
4a…内輪側周面
5…円環部
6…柱部
6a…円環部近傍部分
C…接触部の軸方向中央

Claims (5)

  1. 一対の円環部およびこれら円環部間を繋ぐ円周方向複数箇所の柱部を有し隣合う柱部間がそれぞれポケットとなるリング状の保持器と、この保持器の前記各ポケットに保持された複数のころとを備え、これら複数のころが、内輪または軸の外周面からなる内輪側周面、および外輪の内周面に転接するころ軸受において、
    前記保持器の内周面および外周面における前記円環部の全体、および前記柱部の円環部近傍部分を、前記内輪側周面および外輪内周面に滑り接触して滑り軸受として機能するものとし、
    前記外輪内周面は、軸方向の両端部が側縁に近づくに従って小径となる溝形であり、前記ころは、軸方向の中央部の外周面が円筒面に形成されて前記内輪側周面と接触し、軸方向の両端部が先細り形状に形成されて前記外輪内周面と接触するものであり、
    前記ころと外輪の寸法関係につき、
    Rr1を、ころと外輪とが接触する接触部の軸方向中央よりも外輪幅方向中央側のころ半径、
    Rr2を、前記接触部の軸方向中央よりも外輪幅方向端部側のころ半径、
    Ro1を、前記接触部の軸方向中央よりも外輪幅方向中央側の外輪内半径、
    Ro2を、前記接触部の軸方向中央よりも外輪幅方向端部側の外輪内半径、
    としたとき、
    (Rr2/Rr1)<(Ro2/Ro1)
    が成り立つ関係とした、ことを特徴とするころ軸受。
  2. 請求項1において、前記保持器の前記滑り軸受として機能する面に、油膜形成能力を高める手段を設けたころ軸受。
  3. 請求項2において、前記油膜形成能力を高める手段が、保持器の内周面および外周面に付与され、軸方向に垂直な断面が、円弧状、三角形状、若しくは長方形状等の波形となる断面形状、または前記保持器の内周面および外周面に分散して設けたディンプル若しくは突起であるころ軸受。
  4. 請求項1〜請求項3のいずれか1項において、前記外輪および前記保持器の両方、またはいずれか一方を、円周方向に並ぶ2個の分割体に分割したころ軸受。
  5. 請求項1〜請求項4のいずれか1項において、自動車用エンジンのクランク軸、またはコンロッドの支持軸受用として用いられるものとしたころ軸受。
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