JP2009014076A - 針状ころ軸受、およびクランクシャフト支持構造 - Google Patents

Abstract

【課題】回転軸への組み込みが容易な針状ころ軸受を提供する。
【解決手段】針状ころ軸受は、中心角が１８０°より大きい第１の外輪部材１３、および小さい第２の外輪部材を含む外輪と、針状ころ１５と、一対のリング部、および一対のリング部の間に配置される複数の柱部１７ｃ，１８ｃを含む保持器１６とを備え、外輪の内径寸法をＤ、針状ころ１５の半径をｒ、保持器１６の外径寸法をｄ、第１の外輪部材１３の内径面の円周方向端部を結ぶ線分ｌ_１の長さをＸ、および外輪の中心を通り、線分ｌ_１に平行な直線ｌ_２上に柱部１７ｃを位置させたときに、その柱部１７ｃに隣接する針状ころ１５の中心と外輪の中心とを結ぶ直線ｌ_３と直線ｌ_２とのなす角をθとすると、ｄ＜Ｘ＜Ｄ、および式（１）を満たす。

【選択図】図１

Description

この発明は、針状ころ軸受に関し、特にクランクシャフトを回転自在に支持する針状ころ軸受に関するものである。

図９を参照して、従来のクランクシャフト１０１は、軸部１０２と、クランクアーム１０３と、隣接するクランクアーム１０３の間にコンロッドを配置するためのクランクピン１０４とを有する。

また、上記構成のクランクシャフト１０１の軸部１０２を回転自在に支持する転がり軸受が、例えば、特表平７−５０６８８９号公報（特許文献１）に記載されている。同公報に記載されている転がり軸受は、外輪と、外輪の内径面に沿って配置される複数の転動要素と、複数の転動要素を保持する保持器とを備える。

上記構成の転がり軸受は、軸部１０２に保持器付ころ、外輪、およびハウジングの順に組み込むことによって完成する。なお、クランクアーム１０３に挟まれた軸部１０２に径方向から組み込み可能とするために、外輪は、中心角が１８０°より大きい円弧形状の第１の部分と、中心角が１８０°より小さい円弧形状の第２の部分とを含む分割型外輪となっている。
特表平７−５０６８８９号公報

ここで、第１の部分の割り口寸法は保持器付ころの最大外径より小さいので、割り口を広げる方向に弾性変形させなければ組み込むことができない。また、第１の部分の弾性変形量は、第１の部分の中心角が大きくなるのに伴って大きくなる。一方、弾性変形能は、第１の部分の肉厚の増加に伴って小さくなる。したがって、軸受の寸法関係によっては、外輪を容易に組み込むことができない。

そこで、この発明の目的は、分割型外輪を有する軸受であって、回転軸への組み込みが容易な針状ころ軸受を提供することである。

この発明に係る針状ころ軸受は、中心角が１８０°より大きい第１の外輪部材、および中心角が１８０°より小さい第２の外輪部材を円周方向に連ねて形成される円筒形状の外輪と、外輪の内径面に沿って配置される複数の針状ころと、一対のリング部、および一対のリング部の間に配置される複数の柱部を含み、隣接する柱部の間に針状ころを収容するポケットが形成されている保持器とを備える。そして、外輪の内径寸法をＤ、針状ころの半径をｒ、保持器の外径寸法をｄ、第１の外輪部材の内径面の円周方向端部を結ぶ線分ｌ_１の長さをＸ、および外輪の中心を通り、線分ｌ_１に平行な直線ｌ_２上に柱部の中心（「円周方向の中央部」を指す）を位置させたときに、その柱部に隣接する針状ころの中心と外輪の中心とを結ぶ直線ｌ_３と直線ｌ_２とのなす角をθとすると、ｄ＜Ｘ＜Ｄ、および下記式（１）を満たす。

上記の寸法関係を満足することにより、第１の外輪部材を弾性変形させることなく組み込むことが可能となる。その結果、外輪の肉厚に拘らず容易に組立が可能な針状ころ軸受を得ることができる。

好ましくは、保持器は、各々が半円形状の２つの保持器セグメントを円周方向に連ねて形成されている。そして、針状ころ軸受は、保持器セグメントの２箇所の突合部分をそれぞれ直線ｌ_２上に位置させたときに式（１）を満たす。隣接する針状ころの間隔は、保持器セグメントの分割部分を含む位置で最大となる。そこで、上記構成とすれば、第１の外輪部材の割り口寸法Ｘを小さく、すなわち、第１の外輪部材の中心角を大きくすることができる。

好ましくは、外輪は自然割りによって第１および第２の外輪部材に分割される。自然割りは、刃具等を用いて外輪を切断する方法と比較して製造工程および加工時間を短縮することができる。その結果、針状ころ軸受の生産性が向上する。

さらに好ましくは、外輪には光輝焼入れが施されている。そして、外輪の平均硬度は６５３Ｈｖ以上である。光輝焼入れを施すことにより、外輪に必要な機械的性質、特に表面硬さ（６５３Ｈｖ以上）を得ることができる。なお、本明細書中「Ｈｖ」とは、ビッカース硬さを指すものとする。

一実施形態として、保持器は、浸炭焼入れおよび浸炭窒化焼入れのうちのいずれか一方を施した金属材料によって形成されている。そして、保持器の平均硬度は４５０Ｈｖ以上である。他の実施形態として、保持器は、射出成形可能な合成樹脂によって形成されている。そして、保持器の耐熱温度は１２０℃以上である。

この発明に係るクランクシャフト支持構造は、クランクシャフトと、クランクシャフトを回転自在に支持する上記のいずれかに記載の針状ころ軸受とを備える。上記構成の針状ころ軸受を採用することにより、組立性に優れたクランクシャフト支持構造を得ることができる。

この発明によれば、上記の寸法関係とすることによって外輪を変形させることなく組み込むことができるので、組立性に優れた針状ころ軸受およびクランクシャフト支持構造を得ることができる。

図１〜図３を参照して、この発明の一実施形態に係る針状ころ軸受１１を説明する。なお、図１は針状ころ軸受１１の寸法関係を示す図、図２は針状ころ軸受１１を示す図、図３は保持器１６を図２のＩＩＩの方向から見た矢視図である。

まず、図２および図３を参照して、針状ころ軸受１１は、外輪１２と、外輪１２の内径面に沿って配置される複数の針状ころ１５と、隣接する針状ころ１５の間隔を保持する保持器１６とを備える。上記構成の針状ころ軸受１１は、外輪１２と針状ころ１５とが線接触するので、軸受投影面積が小さい割りに高負荷容量と高剛性を得られる利点を有しており、自動車をはじめとして、あらゆる分野に広く利用されている。

図２を参照して、外輪１２は、円弧形状の複数の外輪部材を円周方向に連ねて形成される。また、複数の外輪部材の中には、中心角が１８０°より大きい外輪部材が１つ含まれている。この実施形態においては、中心角が１８０°より大きい第１の外輪部材１３、および中心角が１８０°より小さい第２の外輪部材１４の２つを組み合わせて円筒形状の外輪１２を構成している。

次に、保持器１６は、各々が半円形状である２つの保持器セグメント１７，１８を円周方向に連ねて形成されている。図３を参照して、保持器セグメント１７は、一対のリング部１７ａ，１７ｂ、および一対のリング部１７ａ，１７ｂの間に配置される複数の柱部１７ｃを含む。また、隣接する柱部１７ｃの間には、針状ころ１５を収容するポケット１７ｄが形成されている。なお、保持器セグメント１８の構成も共通するので、説明は省略する。

また、２つの保持器セグメント１７，１８の突合部分では柱部１７ｃ，１８ｃが隣り合っているので、突合部分の両側に配置される針状ころ１５の間隔は、他の部分と比較して大きくなっている。以下、保持器セグメント１７，１８の円周方向端部に配置される柱部を柱部１７ｅ，１８ｅとして、他の柱部と区別する。

次に、上記構成の外輪１２の製造方法は特に限定されないが、例えば、以下の方法で製造することができる。まず、出発材料としてのパイプ材に旋削加工を施して所定の外径寸法、内径寸法、および厚み寸法の円筒部材を形成する。次に、所定の機械的性質を得るために熱処理を施す。具体的には、光輝焼入れによって平均硬度を６５３Ｈｖ以上にする。また、光輝焼入れによって生じた残留応力や内部ひずみを低減し、靭性の向上や寸法を安定化させるために焼戻を行うのが望ましい。

次に、円筒部材の表面、特に軌道面となる内径面に研削加工を施す。軌道面の表面粗さを所定値以下とすることにより、軌道面と針状ころ１５との間の摩擦抵抗を低減して、回転時のトルク損失や発熱を抑制することができる。その結果、長寿命で信頼性の高い針状ころ軸受１１を得ることができる。

次に、円筒部材に衝撃を加えて円周方向に２分割することにより第１および第２の外輪部材１３，１４を得る。このとき、分割部分の端面には研削加工等を施さないので、割れたときの凹凸が分割面に残っている。軸受使用時には、対応する端面を突合させることにより円筒形状の外輪１２を得る。

なお、分割部分（外径面、または端面）に予めＶ字溝等の切欠きを形成しておけば、Ｖ字溝の根元に応力集中が生じ、この部分を基点として分割することができる。その結果、所望の中心角の第１および第２の外輪部材１３，１４を容易に得ることができる。

このような製造方法を「自然割り」という。自然割りは、刃具等を用いて外輪１２を切断する方法と比較して製造工程および加工時間を短縮することができる。その結果、針状ころ軸受１１の生産性が向上する。

次に、上記構成の保持器１６の製造方法は特に限定されないが、例えば、以下の方法で製造することができる。まず、ＳＣＭ，ＳＣｒ，ＳＮＣＭ等の金属材料で形成されたパイプ材を所定の形状の円筒部材に加工する。次に、円筒部材の外径面に厚み方向に貫通する複数のポケット１７ｄ，１８ｄを形成する。

次に、所定の機械的性質を得るために円筒部材に熱処理を施す。具体的には、浸炭焼入れまたは浸炭窒化焼入れによって平均硬度を４５０Ｈｖ以上にする。また、上記の焼入れ後に焼戻を行うのが望ましい。そして、円筒部材を円周上の２箇所（１８０°の間隔）で切断して半円形状の保持器セグメント１７，１８を得る。

なお、本明細書中「半円形状の保持器セグメント」とは、中心角が厳密に１８０°であるものに限定されない。つまり、中心角が１８０°より僅かに小さいが、実質的に１８０°であると評価できるものについては、「半円形状の保持器セグメント」に含むものとする。

具体的には、保持器セグメント１７，１８の突合部分には、円筒部材を切断する刃具の厚みに相当する隙間が形成される。また、高温環境下で使用される場合には、熱膨張を考慮して予め保持器セグメント１７，１８の突合部分に微小な隙間を設けておく必要がある。しかし、上記のような理由で中心角を僅かに減じたものについては、「半円形状の保持器セグメント」に含むものとする。

次に、図１を参照して、針状ころ軸受１１の各種寸法関係を説明する。なお、図１は、第１の外輪部材１３、保持器セグメント１７，１８の円周方向端部に位置する柱部１７ｃ，１８ｃ（すなわち、保持器セグメント１７，１８の突合部分）、およびこの柱部１７ｃ，１８ｃに隣接するポケット１７ｄ，１８ｄに収容されている針状ころ１５のみを実線で示し、それ以外を破線で示している。

まず、外輪１２の内径寸法をＤ、針状ころ１５の半径をｒ、および保持器１６の外径寸法をｄ、第１の外輪部材１３の内径面の円周方向端部を結ぶ線分ｌ_１の長さをＸ（「割り口寸法」という）とする。なお、外輪１２の内径寸法Ｄは、保持器１６に組み込まれた複数の針状ころ１５の外接円径に一致する。

また、外輪１２の中心を通り、線分ｌ_１に平行な直線ｌ_２上に保持器セグメント１７，１８の突合部分、すなわち柱部１７ｅ，１８ｅの境界部分を位置させる。このとき、実線で示した柱部１７ｅ，１８ｅに隣接する針状ころ１５の中心と外輪１２の中心とを結ぶ直線をｌ_３とする。そして、直線ｌ_２と直線ｌ_３とのなす角をθとする。

ここで、第１の外輪部材１３を弾性変形させずに組み込むためには、ｄ＜Ｘ＜Ｄ、および上記式（１）を満たす必要がある。以下、図４〜図７を参照して、針状ころ軸受１１をクランクシャフト１に組み込む方法を説明する。

なお、式（１）の左辺は、保持器セグメント１７，１８の突合部分に隣接する（最も直線ｌ_２に近い）針状ころ１５（図１の実線で示した針状ころ１５を指す）の位置における保持器付ころの直線ｌ_２の方向の幅寸法を指す。

図４を参照して、まず、保持器セグメント１７，１８のポケット１７ｄ，１８ｄに針状ころ１５を組み込んで保持器付ころを形成する。次に、保持器セグメント１７，１８（保持器付ころ）をそれぞれクランクシャフト１の径方向から組み込む。

次に、保持器１６の柱部１７ｃ，１８ｃを第１の外輪部材１３の挿入方向（図４の矢印Ａの方向）と直交する直線ｌ_２上（図１の直線ｌ_２と一致する）に配置しておく。この実施形態においては、保持器セグメント１７，１８の２箇所の突合部分、すなわち、隣接する針状ころ１５の間隔が最も大きい柱部１７ｅ，１８ｅの境界部分を直線ｌ_２上に配置している。そして、第１の外輪部材１３を径方向から組み込む。

ここで、弾性変形を伴わずに第１の外輪部材１３を組み込むためには、割り口寸法Ｘが第１の外輪部材１３の挿入方向に対して直交する方向（直線ｌ_２の方向）における保持器付ころの最大幅寸法より大きくなければならない。

保持器付ころの幅寸法が直線ｌ_２上で最も大きくなる場合、すなわち、最大幅寸法が保持器１６の外径寸法に一致する場合には、ｄ＜Ｘを満たさなければならない。一方、保持器セグメント１７，１８の突合部分に隣接する針状ころ１５の位置で保持器付ころの幅寸法が最も大きくなる場合には、上記の式（１）を満たさなければならない。

次に、図５を参照して、直線ｌ_２上の両側に針状ころ１５が位置するように保持器付ころを回転させる。ここで、割り口寸法Ｘは中心角が１８０°の時に最大（Ｘ＝Ｄ）となるので、この実施形態においては常にＸ＜Ｄを満たす。すなわち、割り口寸法Ｘは、針状ころ１５の外接円径より小さいので、上記の位置関係とすることにより、第１の外輪部材１３が脱落するのを防止することができる。

次に、図６を参照して、針状ころ軸受１１をクランクケース２に載置する。次に、図７を参照して、第２の外輪部材１４を第１の外輪部材１３の円周方向に連ねて配置し、円筒形状の外輪１２を形成する。これにより、針状ころ軸受１１の組立が完了する。さらに、針状ころ軸受１１にベアリングキャップ３を被せて、クランクケース２とベアリングキャップ３（以下、これらを総称して「ハウジング」という）とをボルト等で締結する。これにより、クランクシャフト支持構造の組立が完了する。

上記の組立方法によれば、第１の外輪部材１３が組立中に脱落する心配がなくなるので、針状ころ軸受１１の組立性が向上する。また、外輪１２の脱落を防止するサークリップ等を省略することができるので、部品点数の削減にも寄与する。

ここで、外輪１２を不等分割したことにより、第１および第２の外輪部材１３，１４の突合部分と、ハウジングの突合部分との位置は必ずずれることになる。その結果、クランクシャフト支持構造の径方向のはぐみずれを有効に防止することができる。

なお、「はぐみずれ」とは、クランクケース２とベアリングキャップ３、および第１の外輪部材１３と第２の外輪部材１４とが径方向にずれて組立てられた状態を指す。これは、外輪を２等分割（中心角１８０°）し、外輪の突合部分とハウジングの突合部分とが一致したときに問題になる。

なお、上記の実施形態において、外輪１２を２分割（第１および第２の外輪部材１３，１４）した例を示したが、これに限ることなく、１つの中心角が１８０°以上であれば、３分割以上であってもよい。

また、上記の実施形態において、第１の外輪部材１３を組み込む際に柱部１７ｅ，１８ｅを直線ｌ_２上に配置した例を示したが、他の柱部１７ｃ，１８ｃを配置した場合でも、上記の各種寸法関係を満足していれば、この発明の効果を得ることができる。ただし、式（１）の左辺の値は対象となる針状ころ１５が直線ｌ_２から遠いほど小さくなるので、上記の方法とすれば、第１の外輪部材１３の割り口寸法Ｘを小さく、すなわち、第１の外輪部材１３の中心角を大きくすることができる。

また、上記の実施形態において、半円形状の２つの保持器セグメント１７，１８によって保持器１６を構成した例を説明したが、これに限ることなく、クランクシャフト１に径方向から組み込み可能な任意の構成を採用することができる。例えば、３つの保持器セグメントを円周方向に連ねて円筒形状の保持器を形成してもよいし、各々の中心角を異ならせてもよい。

または、円周上の１箇所に軸線方向に延びる分割線を有する一体型保持器（いわゆる「Ｃ型保持器」）であってもよい。この場合、分割線を広げる方向に弾性変形させながらクランクシャフト１に組み込むことになるので、弾性変形能の高い樹脂材料で形成するのが望ましい。樹脂材料としては、射出成形可能な合成樹脂であることが望ましく、高温環境下で使用されるので、耐熱温度が１２０℃以上であることが望ましい。具体的には、ナイロン６６、またはナイロン４６等を採用することができる。

さらに、図８を参照して、分割部分の一方側端面に他方側に向かって突出する凸部２６ｅと、分割部分の他方側端面に凸部２６ｅを受け入れる凹部２６ｆとを形成する。そして、この凸部２６ｅと凹部２６ｆとを係合させて円筒形状の保持器２６を得るのが望ましい。なお、その他の構成は保持器１６と共通するので、説明は省略する。

さらに、針状ころ軸受１１は、自動車や二輪車等のあらゆるエンジンのクランクシャフトに適用可能である。また、エンジンの気筒数は単気筒であっても多気筒であってもよいが、図９のＰ部に示すような両端をクランクアームで挟まれた軸部を有する多気筒エンジンに使用されるクランクシャフトに適用することにより、より大きな効果が期待できる。

以上、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。

この発明は、針状ころ軸受に有利に利用される。

図２に示す針状ころ軸受の各種寸法関係を示す図である。 この発明の一実施形態に係る針状ころ軸受を示す図である。 図２に示す保持器を矢印ＩＩＩの方向から見た矢視図である。 図２に示す針状ころ軸受をクランクシャフトに組み込む工程を示す図であって、保持器付ころを組み込んだ状態を示す図である。 図２に示す針状ころ軸受をクランクシャフトに組み込む工程を示す図であって、第１の外輪部材をクランクシャフトに組み込んだ状態を示す図である。 図２に示す針状ころ軸受をクランクシャフトに組み込む工程を示す図であって、針状ころ軸受をクランクケースに載置した状態を示す図である。 この発明の一実施形態に係るクランクシャフト支持構造を示す図である。 他の実施形態に係る保持器の突合部分を示す図である。 従来のクランクシャフトを示す図である。

符号の説明

１，１０１ クランクシャフト、２ クランクケース、３ ベアリングキャップ、１１ 針状ころ軸受、１２ 外輪、１３，１４ 外輪部材、１５ 針状ころ、１６，２６ 保持器、１７，１８ 保持器セグメント、１７ａ，１７ｂ，１８ａ，１８ｂ，２６ａ，２６ｂ リング部、１７ｃ，１８ｃ，１７ｅ，１８ｅ，２６ｃ 柱部、１７ｄ，１８ｄ，２６ｄ ポケット、２６ｅ 凸部、２６ｆ 凹部。

Claims (7)

1. 中心角が１８０°より大きい第１の外輪部材、および中心角が１８０°より小さい第２の外輪部材を円周方向に連ねて形成される円筒形状の外輪と、
   前記外輪の内径面に沿って配置される複数の針状ころと、
   一対のリング部、および前記一対のリング部の間に配置される複数の柱部を含み、隣接する前記柱部の間に前記針状ころを収容するポケットが形成されている保持器とを備え、
   前記外輪の内径寸法をＤ、前記針状ころの半径をｒ、前記保持器の外径寸法をｄ、前記第１の外輪部材の内径面の円周方向端部を結ぶ線分ｌ_１の長さをＸ、および前記外輪の中心を通り、線分ｌ_１に平行な直線ｌ_２上に前記柱部の中心を位置させたときに、その柱部に隣接する前記針状ころの中心と前記外輪の中心とを結ぶ直線ｌ_３と直線ｌ_２とのなす角をθとすると、
   ｄ＜Ｘ＜Ｄ、および式（１）を満たす、針状ころ軸受。
   

   
2. 前記保持器は、各々が半円形状の２つの保持器セグメントを円周方向に連ねて形成されており、
   前記針状ころ軸受は、前記保持器セグメントの２箇所の突合部分をそれぞれ前記直線ｌ_２上に位置させたときに前記式（１）を満たす、請求項１に記載の針状ころ軸受。
3. 前記外輪は、自然割りによって前記第１および第２の外輪部材に分割される、請求項１または２に記載の針状ころ軸受。
4. 前記外輪には、光輝焼入れが施されており、
   前記外輪の平均硬度は、６５３Ｈｖ以上である、請求項１〜３のいずれかに記載の針状ころ軸受。
5. 前記保持器は、浸炭焼入れおよび浸炭窒化焼入れのうちのいずれか一方を施した金属材料によって形成されており、
   前記保持器の平均硬度は、４５０Ｈｖ以上である、請求項１〜４のいずれかに記載の針状ころ軸受。
6. 前記保持器は、射出成形可能な合成樹脂によって形成されており、
   前記保持器の耐熱温度は、１２０℃以上である、請求項１〜４のいずれかに記載の針状ころ軸受。
7. クランクシャフトと、
   前記クランクシャフトを回転自在に支持する請求項１〜６のいずれかに記載の針状ころ軸受とを備える、クランクシャフト支持構造。

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