JP3854338B2

JP3854338B2 - プーリ

Info

Publication number: JP3854338B2
Application number: JP16788196A
Authority: JP
Inventors: 唯久鈴木; 基晴仁木
Original assignee: NTN Corp
Current assignee: NTN Corp
Priority date: 1995-08-21
Filing date: 1996-06-27
Publication date: 2006-12-06
Anticipated expiration: 2016-06-27
Also published as: JPH09119510A

Description

【０００１】
本発明は、自動車のエンジンのタイミングベルトや補機駆動用ベルト等と接触するプーリに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
プーリは、自動車のエンジンのタイミングベルトや補機駆動用ベルト等において、ベルトの巻掛け角を増大させ、ベルトに適当な張力を与えるために配置される。プーリとしては、ベルトが接触するプーリ周面を玉軸受外輪の外径に直接設けたもの（いわゆる笠型外輪）もあるが、図３に示すように、プーリ周面（11ｃ）を有するプーリ本体（11）と玉軸受（12）とを嵌合一体化した構成のものが多く使用されている。
【０００３】
プーリ本体（11）は鋼板プレス製で、ベルトを掛けるための外径円筒部（11ａ）、玉軸受（12）の外輪（12ａ）と嵌合する内径円筒部（11ｂ）を有する。プーリ周面（11ｃ）は、外径円筒部（11ａ）の外径に設けられる。玉軸受（12）は、プーリ本体（11）の内径円筒部（11ｂ）に嵌合された外輪（12ａ）、固定軸（図示省略）に嵌合される内輪（12ｂ）、内輪・外輪（12ｂ）（12ａ）の軌道面間に組込まれた複数のボール（12ｃ）を保持する保持器（12ｄ）、グリースを密封するシール（12ｅ）をそれぞれ有する。
【０００４】
この種のプーリでは、プーリ本体（11）がベルトから回転駆動力を受けて回転すると、これに嵌合された玉軸受（12）の外輪（12ａ）がプーリ本体（11）と一体となって回転する。
【０００５】
上記のようなプーリにおいて、玉軸受（12）は、通常、深溝玉軸受であり、外輪回転式のため接触角が付与されていないのが通例である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記のようなプーリを寒冷時に運転すると、プーリ仕様や運転条件によっては、特異音（笛吹き音）が発生する場合がある。この寒冷時の特異音、いわゆる冷時異音は市場において必ずしも100%発生するわけではなく、気温等に左右され、国内ではごく限られた地域（北海道等）でのみ発生する。また、自動車のエンジンの始動からごく短時間（長いものでも１分間）に発生し、その後は皆無である。さらに、玉軸受として単列の深溝玉軸受を使用する場合に多く発生し、複列アンギュラ玉軸受を使用する場合は、発生率が低くなる。
【０００７】
冷時異音はこのような複雑な性質を有し、再現するのが困難であったため、その発生原因については未だ明確には解明されていない。しかも自動車に使用されるプーリは、高温・高速で運転されるものであり、その耐久性も重要な特性の一つであるから、耐久性低下につながるような対策手段は採れない。
【０００８】
このような理由から、現在プーリの冷時異音対策としてこれといって決め手となる有効な手段が提供されていないのが実情である。
【０００９】
従来より冷時異音対策として、低温特性に優れたグリース（寒冷時においても、転動体と内・外輪の軌道面との接触部に油膜がむらなく形成されるもの）を使用することが検討されている。この対策手段は、寒冷時におけるグリースの潤滑性能を高めることによって冷時異音の発生を抑制しようとするものであり、かなりの効果が期待できる。しかし、グリースの粘度が低くなるため、高温時の潤滑性能に懸念があり、耐久性低下につながる可能性がある。
【００１０】
そこで、本発明は、プーリとしての機能を確保しつつ、耐久性、コスト面をも考慮に入れ、冷時異音の発生を効果的に抑制、または防止し得る手段を提供しようとするものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
一般に寒冷時には、グリースの基油粘度上昇による軌道面の油膜むら・不均一化が生じやすい。油膜むら、不均一化があると、転動体と軌道面との間の摩擦係数が微小な周期的変化を起こし、これにより転動体に自励振動が生じる。
【００１２】
本出願人は、冷時異音再現試験において、いくつかの発生メカニズムを確認した。
【００１３】
▲１▼ 冷時異音発生時のプーリ（外輪）は、軸方向に振動している。また、この周波数成分は、冷時異音（笛吹き音）の音響周波数と一致する。
【００１４】
▲２▼ 冷時異音が発生しない時は、この周波数成分は認められない。
【００１５】
▲３▼ 冷時異音発生時の周波数成分は、プーリ端面180゜測定位置２ヵ所で同位相である。
【００１６】
これらの検証から、冷時異音の発生メカニズムは、未だ完全には解明されていないものの、転動体の自励振動によってプーリ系が共振し、外輪が軸方向に振動（並進運動）する点が大きな発生要因になっていると考えられる。
【００１７】
本発明は、上記のような推論に基づき、冷時異音対策として、転動体の自励振動を効果的に抑制し得る構成を提供するものである。
【００１８】
すなわち、自動車のエンジンによって駆動されるベルトと接触するプーリ周面を有するプーリ本体を玉軸受の外輪外径に嵌合し、かつプーリ本体を鋼板プレス成形品のみで形成したプーリにおいて、上記玉軸受を単列に配置して、当該玉軸受に接触角を付与し、上記玉軸受のボールと、内輪又は外輪のうちの少なくとも外輪とを２点で接触させて、ボールの軸方向振動を規制した。これにより、転動体の挙動、特に軸方向への挙動が抑制されるので、その自励振動が効果的に抑制され、プーリの軸方向の高周波成分を抑制することが可能となる。ここで、「単列」とは、転動体の列数が１列であるものをいい、「接触角」とは、転動体に負荷される荷重の方向と軸受の中心軸に垂直な平面とがなす角をいう。接触角を大きくとればとるほど、転動体の自励振動抑制効果が大きくなるので、冷時異音を生じにくくする点では有利であるが、過度に大きくすると軸受寿命の低下等の弊害を招くおそれがあるので、接触角は、これらプラス点とマイナス点を比較考量して適切な範囲に設定する必要がある。
【００１９】
この時、内輪とボールとは１点で接触させてもよいし、２点で接触させてもよい。
【００２０】
玉軸受の外輪軌道溝をゴシックアーチ、楕円、放物線、双曲線の何れかの形状に形成すれば、ボールと外輪とを２点で接触させることができる。また、内輪軌道溝を同様の形状に形成すると、ボールと内輪とを２点で接触させることができる。
【００２１】
その他、上記プーリ本体と外輪とを一体形成してもよい。
【００２２】
本発明にかかるプーリ用玉軸受は、自動車のエンジンによって駆動されるベルトと接触するプーリ周面を有するプーリ本体に外輪外径が嵌合され、外輪の軸方向振動が前記プーリ本体のみに作用する玉軸受であって、単列に配置されると共に、接触角が付与され、ボールと、内輪又は外輪のうちの少なくとも外輪とを２点で接触させて、ボールの軸方向振動を規制したものである。
【００２３】
なお、上記構造は、エンジンルーム内に配置された冷却ファン（エンジンの冷却水を強制冷却するためのファン）にも適用することができる。すなわち、複数のブレードを有する回転部材を玉軸受の外輪外径に嵌合し、玉軸受の外輪の軸方向振動が前記回転部材のみに作用するファンにおいて、玉軸受を単列に配置して、当該玉軸受に接触角を付与し、玉軸受のボールと、内輪又は外輪のうちの少なくとも外輪とを２点で接触させて、ボールの軸方向振動を規制するのである。
【００２４】
本発明にかかるファン用玉軸受は、複数のブレードを有する回転部材に、外輪外径が嵌合され、外輪の軸方向振動が前記回転部材のみに作用する玉軸受であって、単列に配置されると共に、接触角が付与され、玉軸受のボールと、内輪又は外輪のうちの少なくとも外輪とを２点で接触させて、ボールの軸方向振動を規制したものである。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図１、図２、図４乃至図７に基づいて説明する。
【００２６】
図１（ａ）に示すプーリは、自動車のタイミングベルトに使用されるアイドラプーリで、鋼板プレス製のプーリ本体（１）と、プーリ本体（１）の内径に嵌合された単列の玉軸受（２）とで構成される。プーリ本体（１）は、内径円筒部（1a）、内径円筒部（1a）の一端から外径側に延びたフランジ部（1b）、フランジ部（1b）から軸方向に延びた外径円筒部（1c）、内径円筒部（1a）の他端から内径側に延びた鍔部（1d）からなる環体である。内径円筒部（1a）の内径には、玉軸受（２）の外輪（2a）が嵌合され、外径円筒部（1c）の外径には図示しないベルトが接触するプーリ周面（1e）が設けられている。このプーリ周面（1e）をベルトに接触させることにより、アイドラとしての役割を果たす。
【００２７】
図１（ｂ）は、プーリに嵌合される玉軸受（２）の断面図である。玉軸受（２）は４点接触軸受で、プーリ本体（１）の内径円筒部（1a）の内径に嵌合された外輪（2a）、図示されていない固定軸に嵌合される内輪（2b）、内・外輪（2b）（2a）の軌道面（3b）（3a）間に組み込まれた複数のボール（2c）、ボール（2c）を円周等間隔に保持する保持器（2d）、グリースを密封する一対のシール（2e）で構成され、外輪（2a）及び内輪（2b）はそれぞれ一体に形成されている。玉軸受（２）の外輪（2a）の軌道面（3a）、内輪（2b）の軌道面（3b）は曲率中心が２個存在する、いわゆるゴシックアーチ溝を形成している。従って、ボール（2c）との接触において所定の接触角αが付与され、ボール（2c）と外輪（2a）、及び、ボール（2c）と内輪（2b）がそれぞれ軌道面（3a）（3b）の最深部を間に挟んで２点で接触するようになる。なお、軌道面（3a）（3b）の形状はゴシックアーチ溝に限らず、その曲率がボール（2c）の曲率よりも大きい形状、例えば楕円、放物線、双曲線形状の溝であっても良い。
【００２８】
図２は、本発明にかかる４点接触玉軸受を組み込んだプーリを、本出願人が過去に冷時異音を再現した条件にて行なった試験条件と結果である。
【００２９】
上記のようにして玉軸受（２）に接触角αが付与されると、ボール（2c）の挙動、特に軸方向への挙動が抑制され、自励振動が効果的に抑制される。また、ゴシックアーチ溝を形成しているため、軌道面（3a）（3b）の底にはグリースの溜まり部（４）（５）が形成され、特に冷時におけるグリースの油膜形成に有利となる。
【００３０】
ところで、一般的な深溝玉軸受では、厳密にいえばボール（2c）と外輪（2a）とは、図４に示すように１点で接触すると考えられる。従って、ベルトを駆動した際には、外輪（2a）がボール（2c）との接触点を中心として揺動するいわゆる角振れを生じる場合が多い。これに対し、本発明では、上述のようにボール（2c）と外輪（2a）を二点接触させているので、外輪（2a）の角振れを小さくしてベルトの振動を抑制することができ、ベルトや軸受の耐久性向上が図られる。
【００３１】
以上、４点接触玉軸受について説明したが、玉軸受は４点接触玉軸受に限定されない。すなわち、少なくとも外輪（2a）とボール（2c）との間に接触角αが付与され、これらが２点接触している軸受であれば、ボールの挙動を相当量抑制することが可能であるので、冷時異音の発生を抑制することができる。従って、図５に示すように、内輪（2b）とボール（2c）とを１点で接触させた３点接触型の軸受でもよい。また、プーリ本体（１）と玉軸受（２）の外輪（2a）とを一体に成形し、玉軸受部に接触角αを付与しても同様の効果が得られる。
【００３２】
ところで、上述の冷時異音は、プーリに限らず、ラジエータの冷却水を強制冷却するための冷却ファンにおいても同様に生じ得る。図６（ａ）（ｂ）に示すように、このファン（30）は、環状のケース（回転部材）（35）の周囲に複数のブレード（31）を放射状に取り付け、このケース（35）を玉軸受（32）の外輪（32ａ）に嵌合したもので、エンジンによって駆動される主軸（33）（たとえばポンプシャフト等に連結される）に回転可能に取り付けられる。主軸（33）とファン（30）との間には、外気温の変動に応じて伝動、断絶を切換える温度対応型のクラッチ機構（34）が介装されており、このクラッチ機構（34）を介して主軸（33）からファン（30）へのトルク伝達が行なわれる。このクラッチ機構（34）の一構造例を以下に説明する。
【００３３】
主軸（33）の先端部には、主軸（33）と一体に回転するドライブディスク（36）が嵌合固定されている。ドライブディスク（36）の先端側には、円盤状のプレート（37）が配置されており、このプレート（37）は、ケース（35）との間でトルク伝達室となる第１チャンバ（39）を形成している。プレート（37）とカバー（38）との間には、オイル（トルク伝達用の粘性流体：シリコンオイル等）の溜り部となる第２チャンバ（40）が形成され、この第２チャンバ（40）内に、一端にバルブ（41）を取り付けると共に、他端をプレート（37）に固定した板バネ（42）が配置されている。カバー（38）にはバイメタル（43）が固定され、さらにこのバイメタル（43）には主軸（33）の軸線（Ｏ−Ｏ）と合致させてピストン（44）が装着されている。
【００３４】
以上の構成において、外気温が低い時には、図６（ａ）に示すように、バイメタル（43）がほとんど湾曲しないため、ピストン（44）は板バネ（42）を図面右側に押圧している。この時、板バネ（42）に取り付けたバルブ（41）は、プレート（37）の外径部に設けた穴（45）を突き抜けて第１チャンバ（39）内のドライブディスク（36）前面に圧接している。穴（45）は、図７に示すように、挿入穴（45ａ）とこれに連続させた流通穴（45ｂ）とからなり、バルブ（41）は挿入穴（45ａ）に嵌入している。ドライブディスク（36）とケース（35）側、すなわちバルブ（41）との間には、常に相対速度が存在しているため、ドライブディスク（36）とプレート（37）との間のオイル（散点で示す）は、堰としての役割を果たすバルブ（41）によりかき出されて流通穴（45ｂ）より第２チャンバ（40）に送り込まれる。この状態では、第１チャンバ（39）内のオイルはほとんど第２チャンバ（40）内に入り、第１チャンバ（39）にはごく僅かのオイルを残すのみとなるので、伝達トルクが小さくなり、ファン（30）の回転速度は小さくなる。なお、図７中の矢印はドライブディスク（36）の回転方向を示す。
【００３５】
外気温が高いと図６（ｂ）に示すように、バイメタル（43）が湾曲するため、バルブ（41）が図面左側に移動し、板バネ（42）の弾性によりピストン（44）が穴（45）から脱出する。従って、上述のかき出し作用がなくなり、第１及び第２チャンバ（39）（40）内のオイルは穴（45）を通じて同一油面となる。この時、オイルは第１チャンバ（39）の有効伝達面に満たされるので、所定のトルク伝達がなされ、ファン（30）の回転速度が早くなる。
【００３６】
以上のファン（30）において、玉軸受（32）を上述したプーリの玉軸受（２）と同様の構造とすれば、冷時異音の発生を確実に防止することが可能となる。
【００３７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明にかかるプーリは、プーリ本体に嵌合される（一体形成される）単列の玉軸受に接触角を付与した構成を有するので、プーリとして以下に挙げる特有の効果を奏する。
【００３８】
▲１▼ 玉軸受に接触角を付与することにより、転動体の挙動、特に軸方向への挙動が抑制されるので、冷時異音の発生要因の一つと考えられる転動体の自励振動が効果的に抑制される。
【００３９】
▲２▼ 玉軸受に接触角を付与することにより、プーリとして角振れを小さくできるため、ベルトの振動を抑制してベルトや軸受の耐久性向上に寄与でき、機能がアップする。
【００４０】
▲３▼ 軌道面の形状から、グリースの溜まり部が形成され、油膜形成に有利となる。
【００４１】
▲４▼ 上記効果は封入グリースの種類を問わず、低温特性に優れた低温グリースを使用した従来のプーリのように、高温耐久性の低下につながる心配がない。
【００４２】
▲５▼ 軸受構造を複雑化させることもなく、量産に適し、コスト的にも有利である。
【００４３】
なお、これらの効果は本発明をエンジン冷却水を強制冷却するためのファンに適用した場合にも同様に達成される。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）図は本発明の実施例を示す断面図であり、（ｂ）図は本発明のプーリに嵌合される玉軸受の断面図である。
【図２】本発明にかかる４点接触玉軸受を組み込んだプーリの性能試験を行なった際の試験条件及び結果を示す図である。
【図３】従来のプーリを示す断面図である。
【図４】外輪とボールとを１点接触させた際の外輪の角振れを示す断面図である。
【図５】３点接触させた玉軸受の断面図である。
【図６】冷却ファンの一構造例を示す断面図である。
【図７】クラッチ機構のプレートに設けた穴の形状を示す拡大正面図である。
【符号の説明】
１プーリ本体
1e プーリ周面
２玉軸受
2a 外輪
2b 内輪
2c ボール
2d 保持器
2e シール
3a 外輪軌道面
3b 内輪軌道面
4・5 グリース溜まり部
α 接触角
30 ファン
31 ブレード
32 玉軸受
33 主軸
34 クラッチ機構
35 回転部材（ケース）

Claims

自動車のエンジンによって駆動されるベルトと接触するプーリ周面を有するプーリ本体を玉軸受の外輪外径に嵌合し、かつプーリ本体を鋼板プレス成形品のみで形成したプーリにおいて、
上記玉軸受を単列に配置して、当該玉軸受に接触角を付与し、上記玉軸受のボールと、内輪又は外輪のうちの少なくとも外輪とを２点で接触させて、ボールの軸方向振動を規制したことを特徴とするプーリ。
玉軸受の外輪軌道溝がゴシックアーチ、楕円、放物線、双曲線の何れかの形状であることを特徴とする請求項１記載のプーリ。
玉軸受の内輪軌道溝がゴシックアーチ、楕円、放物線、双曲線の何れかの形状であることを特徴とする請求項２記載のプーリ。