JP2014159869A

JP2014159869A - 転がり軸受装置

Info

Publication number: JP2014159869A
Application number: JP2013172879A
Authority: JP
Inventors: Yasuhiro Ishimori; 康浩石森; Kei Jo; 慧徐; Kenichi Iso; 賢一磯; Takeshi Maejima; 武始前島
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2012-09-03
Filing date: 2013-08-23
Publication date: 2014-09-04

Abstract

【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転がり軸受１０，１０と、を備えている。回転軸２の一端部は、ハウジング１の開口部１ａから外部に突出していて、この回転軸２の端部には、空気を圧縮するためのインペラ３が取り付けられている。さらに、ハウジング１の内周面にはスリーブ８が圧入されており、スリーブ８の径方向内側に転がり軸受１０が配されている。そして、スリーブ８の内周面と転がり軸受１０の外輪１２の外周面との間には、径方向隙間Ｃが設けられている。径方向隙間Ｃの大きさは、スリーブ８に対する外輪１２の傾きが０．００２５ｒａｄ以下となるような大きさに設定されている。
【選択図】図２

Description

本発明は転がり軸受装置に関する。

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転がり軸受と、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）。

特開２００２−３６９４７４号公報

例えば、車載用過給機に用いられる電動圧縮機（転がり軸受装置）は、一般に数万〜数十万ｒｐｍという高い回転速度で使用されるので、転動体と軌道面との間に滑りが発生して焼付き、軸受寿命が低下するおそれがあった。そのため、上記のような転がり軸受装置には、焼付きの防止が要求されていた。
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、高い回転速度で使用されても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。

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転がり軸受と、前記ハウジングと前記転がり軸受の外輪との間に配されたスリーブと、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、前記外輪の外周面と前記スリーブの内周面との間に径方向隙間を設け、前記スリーブに対する前記外輪の傾きを０．００２５ｒａｄ以下としたことを特徴とする。

この転がり軸受装置においては、前記転がり軸受を玉軸受とし、前記内輪が備える軌道溝の溝半径を、前記転動体である玉の直径の５４％以上６０％以下とすることができる。

本発明の転がり軸受装置は、外輪の外周面とスリーブの内周面との間に径方向隙間を設け、スリーブに対する外輪の傾きを０．００２５ｒａｄ以下としたので、高い回転速度で使用されても焼付きが生じにくく長寿命である。

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における転がり軸受及びその周辺部分を拡大して示した部分断面図である。試験装置の構造を示す断面図である。転がり軸受装置の第１変形例である電動圧縮機の構造を示す断面図である。転がり軸受装置の第２変形例である電動圧縮機の構造を示す断面図である。転がり軸受装置の第３変形例である電動圧縮機の構造を示す断面図である。転がり軸受装置の第４変形例である電動圧縮機の構造を示す断面図である。

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。また、図２は、図１における転がり軸受及びその周辺部分を拡大して示した部分断面図である。
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に回転軸２を回転自在に支持する一対の転がり軸受１０，１０と、を備えている。この転がり軸受１０としては、例えば、図１，２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、を備えるアンギュラ玉軸受が使用される。

なお、転がり軸受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、図示しないグリースが封入されている。このグリースにより、転がり軸受１０の内輪１１、外輪１２、及び転動体１３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、転がり軸受１０は、図１のように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。

回転軸２の一端部（図１においては右方の端部）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においては右方の端部）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。

なお、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、ハウジング１や回転軸２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においては右方の端部）を「インペラ側端部」、その反対側の軸方向端部（図１においては左方の端部）を「反インペラ側端部」と記すこともある。

転がり軸受１０は２個用いられ、これら２個の転がり軸受１０，１０は、正面組合せ（ＤＦ）でハウジング１と回転軸２との間に介装され、且つ、軸方向に間隔を空けて配されている。また、図２に示すように、ハウジング１の内周面には、金属製の円筒形状部材であるスリーブ８が圧入されており、スリーブ８の径方向内側に転がり軸受１０が配されている。そして、スリーブ８の内周面と外輪１２の外周面との間には、微小な径方向隙間Ｃ（以下、「クリアランス」と記すこともある）が設けられている。

すなわち、２個の転がり軸受１０，１０は、回転軸２の外周面及びスリーブ８の内周面の間に配され、それぞれの内輪１１，１１が回転軸２に圧入等により固定され、それぞれの外輪１２，１２がスリーブ８に径方向隙間Ｃを介して保持されている。スリーブ８の内周面と外輪１２の外周面との間に径方向隙間Ｃが設けられているので、外輪１２，１２は軸方向に変位可能となっている。

そして、径方向隙間Ｃの大きさは、スリーブ８に対する外輪１２の傾き（以下、「ミスアライメント」と記すこともある）が０．００２５ｒａｄ以下（好ましくは０．００２０ｒａｄ以下）となるような大きさに設定されている。つまり、スリーブ８の中心軸線と外輪１２の中心軸線とのなす角度が、０．００２５ｒａｄ以下（好ましくは０．００２０ｒａｄ以下）となるように、径方向隙間Ｃの大きさが設定されている。なお、スリーブ８の軸方向長さは、外輪１２の幅以上とすることが好ましい。また、スリーブ８の厚さは、転がり軸受１０に作用するラジアル荷重によって変形しない厚さとすることが好ましい。

また、２個の転がり軸受１０，１０の間には、回転軸２の外周面に嵌合された内輪間座２４が介在している。そして、これら転がり軸受１０，１０の各内輪１１，１１は、その内側面（互いに対向する側面）が内輪間座２４に突き当てられ、その外側面（対向していない軸方向外側の側面）が、回転軸２の両端部近傍部分に形成された段部の側壁２ａに突き当てられている。これにより、２個の転がり軸受１０，１０の内輪１１，１１の軸方向の変位が規制されている。
一方、２個の転がり軸受１０，１０の外輪１２，１２のうち一方（図１においては左側の転がり軸受１０の外輪１２）は、その外側面（対向していない軸方向外側の側面）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により軸方向の予圧が付与されている。

このような構成により、予圧負荷用ばね２１が突き当てられている転がり軸受１０には予圧が付与され、ハウジング１の内側に回転軸２をがたつきなく回転自在に支持している。なお、転がり軸受１０として玉軸受を用いた場合は、予圧を負荷することにより、転がり軸受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。

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の外周面の軸方向中間部で且つ２個の転がり軸受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、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、図１に示すように、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６ａに、電機子コイル６ｂを巻き付けることにより構成されるものがあげられる。

この電機子コイル６ｂをモータインバータ２７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及び転がり軸受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。

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。車載用過給機に用いられる電動圧縮機は、一般に数万〜数十万ｒｐｍという高い回転速度で使用されるため、転動体と軌道面との間に滑りが発生して焼付きが生じやすい。しかしながら、本実施形態の電動圧縮機は、上記のようにスリーブ８の内周面と外輪１２の外周面との間にクリアランスＣが設けられていて、外輪１２が軸方向に変位可能となっているので、転がり軸受１０に適正な予圧を付与することができる。そして、転動体１３と内輪１１の軌道面との間の滑りが増加しない最低限の予圧を付与するので、滑りが増加せず転がり軸受１０の焼付きが生じにくい。

また、上記のようにスリーブ８の内周面と外輪１２の外周面との間に適正なクリアランスＣを設けて、スリーブ８に対する外輪１２の傾きを０．００２５ｒａｄ以下（好ましくは０．００２０ｒａｄ以下）としているので、公転する転動体１３と内輪１１の軌道面との間に発生する相対的な滑りを抑制している。そのため、転動体１３と内輪１１の軌道面との間に焼付きが生じにくいので、本実施形態の電動圧縮機は、数万〜数十万ｒｐｍという高い回転速度で使用されても焼付きが生じにくく長寿命である。

このとき、焼付きが発生しやすい内輪１１の軌道面（軌道溝）の溝半径を適切に設定することにより、焼付きの発生をより抑制することができる。すなわち、内輪１１が備える軌道溝の溝半径は、転動体１３である玉の直径の５４％以上６０％以下とすることが好ましい。このような構成とすれば、スリーブ８に対して外輪１２が傾斜（ミスアライメント）していても、公転する転動体１３と内輪１１の軌道面との間に発生する相対的な滑りが抑制されやすいので、焼付きの発生をより抑制することができる。

そして、このような構成は、反インペラ側端部に配置された転がり軸受１０（図１においては左側の転がり軸受１０）に対して適用することが特に好ましい。その理由は以下の通りである。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には反インペラ側端部からインペラ側端部に向かう方向の力（図１においては右方向の力）が作用する。よって、インペラ側端部に配置された転がり軸受１０は、インペラ３の回転速度の上昇に伴って予圧が高まり、公転する転動体１３と内輪１１の軌道面との間に発生する滑りが低下するのに対して、反インペラ側端部に配置された転がり軸受１０には、上記力が作用しないので、インペラ３の回転速度が上昇しても予圧は高まらず、予圧が過小になる場合もある。その結果、反インペラ側端部に配置された転がり軸受１０の滑りが相対的に高くなるので、インペラ側端部に配置された転がり軸受１０よりも焼付きが生じやすい。

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。
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、本実施形態においては、２個の転がり軸受１０，１０は、正面組合せ（ＤＦ）とされていたが、背面組合せ（ＤＢ）とすることもできる。

また、本実施形態においては、転がり軸受の例としてアンギュラ玉軸受をあげて説明したが、本発明においてはアンギュラ玉軸受以外の様々な種類の転がり軸受を使用することができる。例えば、深溝玉軸受，４点接触玉軸受，自動調心玉軸受，円筒ころ軸受，円すいころ軸受，針状ころ軸受，自動調心ころ軸受等のラジアル形の転がり軸受や、スラスト玉軸受，スラストころ軸受等のスラスト形の転がり軸受である。

さらに、本実施形態のように複数の転がり軸受を備える場合は、１種又は２種以上の転がり軸受を用いても差し支えない。そして、２種以上の転がり軸受を備える場合は、その種類の組み合わせは特に限定されない。さらに、回転軸２を支持する転がり軸受１０の数は、特に限定されるものではなく、１個でもよいし２個以上でもよい。
さらに、転がり軸受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。

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（Ｓｉ_３Ｎ_４）、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、ジルコニア（ＺｒＯ_２）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等があげられる。

本実施形態の電動圧縮機は、ハウジング２の内部に電動モータが設置されているため、この電動モータの発熱により、転がり軸受１０の温度が上昇し、転がり軸受１０の軌道面と転動体１３の転動面との間に存在する油膜が薄くなるおそれがある。転動体１３の材質として、一般的に使用する軸受鋼に比べて密度が小さいセラミックを使用すれば、回転軸２の回転時に転動体１３に作用する遠心力が小さくなり、転がり軸受１０に負荷される荷重を抑えて、発熱量の上昇を抑えることができる。

また、転動体１３が金属製である場合は、摩耗が発生して焼付きが生じるおそれがあるが、転動体１３をセラミック製とすれば、摩耗が抑制される。また、軌道輪１１，１２を耐熱鋼等の鋼製、転動体１３をセラミック製とすれば、軌道輪１１，１２と転動体１３とが異種材料であるため、上記油膜が不十分になっても両者の凝着が生じにくく、耐摩耗性，耐焼付き性が優れる。よって、転がり軸受１０が長寿命となり、その結果、電動圧縮機が長寿命となる。
なお、圧縮や圧送を行う気体が高温の場合は、軌道輪１１，１２の材質を耐熱鋼とし、転動体１３の材質をセラミックとすることが好ましいが、異質の材質であるため、線膨張係数の差による予圧変化が生じるおそれがある。よって、線膨張係数の差による予圧変化を抑えるため、定圧予圧とすることが好ましい。

図４は、本発明に係る転がり軸受装置の第１変形例である電動圧縮機の構造を示す断面図である。本変形では、インペラ側端部に配置され、インペラ３が回転して空気を圧送している際に作用する力（図４においては右方向の力）を支承しながら回転軸２を支持する転がり軸受１０の数を２個としている。従って、インペラ側端部に配置された転がり軸受１０はインペラ３の回転速度の上昇に伴って予圧が高まるが、２つの転がり軸受１０，１０により力を分担しているので、転動体１３と軌道面との面圧の上昇を抑制し、騒音の発生や軸受寿命の低下を防止する事ができる。

図５は、本発明に係る転がり軸受装置の第２変形例である電動圧縮機の構造を示す断面図である。本変形では、インペラ側端部に配置され、回転軸２を支持する転がり軸受１０ａとして、タンデム型の複列アンギュラ玉軸受を使用している。タンデム型の複列アンギュラ玉軸受の外輪１２ａは、複列の外輪軌道面が一体的に設けられた構造であり、その軸方向幅寸法は単列のアンギュラ玉軸受と比べて大きい。従って、スリーブ８に対するクリアランスが同じ場合でも、外輪１２ａの傾き（ミスアライメント）を小さくできる。また、図４の様な２つの転がり玉軸受１０を組み合わせた場合と比較して、軸方向寸法を小さくして軸受装置をコンパクトにしたり、転動体（玉）１３ａを大きくして負荷容量を増大する事ができる。

図６は、本発明に係る転がり軸受装置の第３変形例である電動圧縮機の構造を示す断面図である。本変形では、各転がり軸受１０を背面組合せ（ＤＢ）とすると共に、反インペラ側端部に配置され、インペラ３が回転して空気を圧送している際に作用する力を支承しながら回転軸２を支持する転がり軸受１０の数を２個としている。
図７は、本発明に係る転がり軸受装置の第４変形例である電動圧縮機の構造を示す断面図である。本変形では、各転がり軸受を背面組合せ（ＤＢ）とすると共に、反インペラ側端部に配置され、インペラ３が回転して空気を圧送している際に作用する力を支承しながら回転軸２を支持する転がり軸受１０ａとして、タンデム型の複列アンギュラ玉軸受を使用している。

〔実施例〕
図３に示す試験装置を用いて、本発明の転がり軸受装置の耐焼付き性を評価した。図３の試験装置は、略筒状のハウジング１０１と、ハウジング１０１の内部に同軸に配された回転軸１０２と、ハウジング１０１に回転軸１０２を回転自在に支持する一対の転がり軸受１１０，１１０と、を備えている。一対の転がり軸受１１０，１１０は、正面組合せとされている。

また、ハウジング１０１の内周面には金属製のスリーブ１０８が圧入されていて、一方の転がり軸受１１０（図３においては左側の軸受）はスリーブ１０８の内側に配されており、他方の転がり軸受１１０（図３においては右側の軸受）はハウジング１０１の内周面に直接嵌合されている。そして、スリーブ１０８の内周面と転がり軸受１１０の外輪の外周面との間には、クリアランスが設けられている。また、この転がり軸受１１０（図３においては左側の軸受）の外輪には、バネ１０４により軸方向の予圧が付与されている。なお、両転がり軸受１１０，１１０の外径は２２ｍｍ、内径は８ｍｍ、外輪の幅は１２ｍｍ（軸方向両端の面取り部を除くと１１．５ｍｍ）である。

所定のラジアル荷重を負荷しつつ回転速度１０万ｒｐｍで回転軸１０２を回転させ、転がり軸受１１０（図３においては左側の軸受）に焼付きが発生するまでの時間を測定した。なお、外輪温度を測定し、試験開始時の温度から１０℃上昇した時点で、焼付きが発生したと判定した。そして、１００時間回転させても焼付きが発生しなかった場合は合格とし、１００時間未満の回転で焼付きが発生した場合は不合格とした。
転がり軸受１１０に付与したアキシャル荷重（予圧）、回転軸１０２に負荷したラジアル荷重、スリーブ１０８に対する外輪の傾き（ミスアライメント）、及び焼付きが発生するまでの回転時間を表１に示す。ミスアライメントは、回転軸１０２に対する外輪の側面のアキシアル方向寸法変化量から求めた。

表１から分かるように、ミスアライメント（傾き）が大きい試験Ｎｏ．１及び試験Ｎｏ．２の転がり軸受は不合格となり、ミスアライメントが小さい試験Ｎｏ．３及び試験Ｎｏ．４の転がり軸受は合格であった。
ミスアライメントの値が大きいと滑りが大きくなり、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る。尚、予圧荷重を大きくすれば滑りは小さくなるが、転動体と軌道面との面圧が高くなり、騒音の発生や軸受寿命の低下等に繋がるため、必要以上に（必要とされる軸受剛性が得られる予圧量以上に）予圧を大きくすることは好ましくない。

次に、内輪が備える軌道溝の溝半径と耐焼付き性との関係について検討を行った。すなわち、内輪が備える軌道溝の溝半径が種々異なる転がり軸受を用意し、図３に示す試験装置を用いて、前述とほぼ同様にして耐焼付き性を評価した。なお、これらの転がり軸受においては、転動体である玉の直径は同一とし、内輪が備える軌道溝の溝半径を種々変更することにより、玉の直径に対する溝半径の割合（〔溝半径〕／〔玉の直径〕であり、以下「溝曲率比」と記す）を変化させた。
溝曲率比、回転軸１０２の回転速度、転がり軸受１１０に付与したアキシャル荷重（予圧）、回転軸１０２に負荷したラジアル荷重、試験環境温度、スリーブ１０８に対する外輪の傾き（ミスアライメント）、及び焼付きが発生するまでの回転時間を、表２に示す。

表２から分かるように、溝曲率比が小さい試験Ｎｏ．１１の転がり軸受は不合格となり、溝曲率比が大きい試験Ｎｏ．１２〜１５の転がり軸受は合格であった。
溝曲率比の値が小さいと滑りが大きくなり、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る。また、溝曲率比を大きくすれば滑りは小さくなるが、転動体と軌道面との面圧が高くなり、騒音の発生や軸受寿命の低下等に繋がるため、必要以上に（必要とされる軸受剛性が得られる予圧量以上に）溝曲率比を大きくすることは好ましくない。

１ハウジング
２回転軸
３インペラ
５ロータ
６ステータ
８スリーブ
１０、１０ａ転がり軸受
１１、１１ａ内輪
１２、１２ａ外輪
１３、１３ａ転動体
Ｃクリアランス

Claims

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転がり軸受と、前記ハウジングと前記転がり軸受の外輪との間に配されたスリーブと、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、前記外輪の外周面と前記スリーブの内周面との間に径方向隙間を設け、前記スリーブに対する前記外輪の傾きを０．００２５ｒａｄ以下としたことを特徴とする転がり軸受装置。
前記転がり軸受を玉軸受とし、前記内輪が備える軌道溝の溝半径を、前記転動体である玉の直径の５４％以上６０％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。