JP4640003B2 - スラストニードル軸受を備えた回転支持部 - Google Patents

Description

本発明は、自動車用（手動或いは自動）変速機、エアコンディショナ用のコンプレッサ等の補機、エアコンプレッサ等の各種一般産業用機械装置を構成する、スラストニードル軸受を備えた回転支持部の改良に関する。

各種機械装置の回転支持部で、運転時にスラスト荷重が加わる部分に組み込む軸受として、スラストニードル軸受が、例えば特許文献１〜３に記載されている様に、従来から広く使用されている。図１は、このうちの特許文献１に記載されている、スラストニードル軸受を備えた回転支持部の１例を示している。この図１に示した構造は、自動車用手動変速機に組み込まれるメインシャフトにギヤを回転自在に支持する回転支持部に関するものである。図示しないクラッチ機構を介してエンジンのクランクシャフトに結合されたメインシャフト１は、大径部２と小径部３とを段部４で連続させた外周面形状を有する。又、全体を環状に形成されたギヤ５は、上記メインシャフト１の小径部３の外径よりも大きな内径を有する。

このギヤ５の内周面と上記小径部３の外周面との間にはラジアルニードル軸受６を、上記段部４とギヤ５の端面５ａとの間にはスラストニードル軸受７を、それぞれ設ける事により、メインシャフト１に対するギヤ５の回転を自在としている。上記ラジアルニードル軸受６を構成する複数のニードル８は保持器９により、スラストニードル軸受７を構成する複数のニードル１０は保持器１１により、それぞれ転動自在に保持している。更に、上記スラストニードル軸受７を構成するニードル１０とメインシャフト１の段部４との間には、肌焼鋼等の硬質金属板製で円輪状のレース１２を設けている。

このレース１２の内周部分は、上記段部４と反対側に折れ曲がった折れ曲がり部１３を形成し、この折れ曲がり部１３の先端面を上記ラジアルニードル軸受６の保持器９に近接させると共に、上記スラストニードル軸受７を構成する保持器１１の内周縁を上記折れ曲がり部１３の外周面に近接させて、これら両保持器９、１１同士の干渉を防止し、干渉により両軸受６、７の機能が損なわれない様にしている。

上述の様な回転支持部を構成する、上記スラストニードル軸受７に組み込む、上記レース１２の厚さ寸法に就いて従来は、摩耗防止の面からは特に考慮していなかった。この理由は、上記レース１２を添設する上記段部４が平坦面であり、このレース１２のうちで、上記各ニードル１０の転動面が転がり接触しているスラスト軌道面１４と反対側部分はその全面に亙って、上記段部４に当接している為である。即ち、このスラスト軌道面１４部分は、この段部４により全面に亙ってバックアップされていると考えて、上記レース１２の厚さ寸法を小さく抑え、上記内周部分の折れ曲がり部１３や、外周縁部分の円筒部１５の加工を容易に行なえる様にしている。

これに対して、レースを添設する面の一部に凹溝等の、当該レースをバックアップしない部分（非バックアップ部）が存在する場合には、スラスト転がり軸受の軌道輪に曲げ応力が加わる事が、例えば非特許文献１に記載される等により従来から知られている。この為、上記非バックアップ部が存在する構造に使用するスラスト転がり軸受用のレースの場合には、その厚さ寸法を大きくする事が、従来から行なわれている。但し、例えば図１に示す様に、スラスト軌道面１４全体がバックアップされている構造の場合には、加工容易性の面から、レースの厚さ寸法を小さく、具体的には、この厚さ寸法を、このレースと組み合わされるニードルの直径の０．３〜０．４倍程度に抑えていた。

上記スラスト軌道面全体がバックアップされている構造の場合に、上記厚さ寸法を上述の程度に抑えている理由は、次の通りである。即ち、ニードルの転動面とレースの軌道面との接触部の如き転がり接触下での、最大剪断応力の発生位置は、ニードル（転動体）の直径Ｄａの２％程度と考えられている。この場合に、通常のヘルツ理論では、上記最大剪断応力の発生位置を計算するのに、転がり接触下の深さを半無限大とするが、上記スラスト軌道面がバックアップされている場合には、最大剪断応力発生位置の１０倍、即ち、軌道表面からニードルの直径Ｄａの０．２倍程度の深さ位置迄を考慮すれば良い事が、経験的に知られている（例えば特許文献４の明細書の段落番号［００１３］部分参照）。要するに、最大剪断応力の発生位置より深部でも剪断応力が発生し、レースの疲れ寿命に影響を及ぼすが、このレースが支えられている（バックアップされている）場合には、軌道表面からニードルの直径Ｄａの０．２倍程度の深さ位置迄の剪断応力に就いて考慮すれば、レースの耐久性確保の面から特に問題はない事が、経験的に知られている。そこで、安全率を考慮して、上述の様に、レースの厚さ寸法をニードルの直径の０．３〜０．４倍程度にしていた。

前述の様な事情により、スラストニードル軸受を構成するレースを添設する部分に、凹溝、油孔等の非バックアップ部が存在する場合には、従来からこのレースの厚さ寸法を大きくする様にしていた。これに対して、上記部分にこの様な非バックアップ部が存在しない場合には、上述の様に、転がり接触に基づく剪断応力が影響する深さを大きく越えてまで、上記厚さ寸法を大きくする必要はないと考えられていた。ところが、本発明者等の研究により、上記非バックアップ部が存在しない、言い換えれば、レースを添設するバックアップ面がこのレースに対し、軌道面と反対側部分で全面に亙って当接していても、条件によっては、このレースの耐久性とは別に、上記バックアップ面が摩耗する可能性がある事が分かった。

この様なバックアップ面の摩耗が発生する理由に就いて、図２〜３により説明する。レース１２は、ニードル１０から加えられるスラスト荷重に基づき、図２に誇張して示す様に弾性変形する。従来は、上記レース１２のスラスト軌道面１４全体がバックアップされていれば、この様な弾性変形は殆ど生じないものと考えられていたが、実際上は生じる事が分かった。特に、肌焼鋼、浸炭鋼等の硬質金属により造られる上記レース１２の硬度はＨｖ６００〜８００であるのに対し、このレース１２をバックアップする、メインシャフト１（図１参照）や補機のハウジングを構成する金属材料の硬度はこれよりも低い。例えば、上記メインシャフト１等を構成する炭素鋼の硬度はＨｖ２００〜４００程度、上記ハウジングを構成するアルミニウム合金の硬度はＨｖ５０〜２００程度であり、何れも上記レース１２の硬度よりも低い。

従って、上記レース１２のスラスト軌道面１４全体が、上記メインシャフト１或いはハウジング等、スラスト荷重を支承する部材にバックアップされていたとしても、スラスト荷重が大きくなると、上記ニードル１０の転動に伴って上記レース１２が、図２に誇張して示す様に弾性変形する。スラストニードル軸受には、図３に示す様に複数本のニードル１０、１０が円周方向に関して等間隔に、放射状に配置されており、スラストニードル軸受の運転時には、上述の様な弾性変形が頻繁に繰り返される。即ち、上記レース１２は、図３に示す様に、上記各ニードル１０、１０が転がり接触している部分で、上記スラスト軌道面１４側が凹面となる方向に弾性変形し、円周方向に隣り合うニードル１０、１０同士の間では、平坦な状態にまで弾性的に復元する。

要するに、上記スラストニードル軸受の運転時に上記レース１２は、上記各ニードル１０、１０の公転運動に伴って、弾性変形した部分が円周方向に移動する。この弾性変形した部分は、上記メインシャフト１或いはハウジング等、スラスト荷重を支承する部材の側が凸面となる。この為、上記スラストニードル軸受の運転時に、上記レース１２と上記部材の表面（バックアップ面）との当接部は、頻繁に押し付けと解除とを繰り返す。そして、上記レース１２は、超音波モータの如き（或いは尺取虫の如き）挙動で、上記スラスト荷重を支承する部材に対し、緩徐に（低速で）回転する。この回転は緩徐ではあるが、接触面圧が高い為、長期間に亙る使用に伴って、（レース１２に比べて硬度が低い）上記スラスト荷重を支承する部材側のバックアップ面が摩耗する。前記非特許文献１には、この様な原因で発生するバックアップ面の摩耗に就いては記載されていない。

剛性の低いハウジングに軌道輪を組み付けた場合に、この軌道輪の弾性変形を防止する為の技術としては、特許文献４に記載されている技術が、従来から知られている。この従来技術の場合、ベルト式無段変速機のプーリを支持する為のラジアル転がり軸受の外輪の最小肉厚を、転動体の直径の０．４〜０．８倍とするものである。この最小肉厚をこの範囲に規制する事で、上記外輪の大型化を防止しつつ、外輪の弾性変形を抑え、転がり接触部を構成する各面の剥離寿命を確保できる。但し、上記特許文献４に記載された構造は、あくまでもラジアル転がり軸受内部の剥離寿命確保を図るものであって、スラストニードル軸受を構成するレースのバックアップ面の摩耗を防止する事に就いては、全く考慮していない。

特開平２−１６３５０９号公報 特開平８−１０９９２５号公報 特開２００１−４１２５２号公報 特開２００４−５２９６６号公報 武村浩道、村上保夫、古村恭三郎、「曲げ応力下における転がり寿命」トライボロジー会議予稿集（盛岡、１９９２−１０）、社団法人日本トライボロジー学会、１９９２年１０月、ｐ．７９３−７９６

本発明は、上述の様な事情に鑑みて、スラストニードル軸受を構成するレースのバックアップ面の剛性が低い場合でも、このバックアップ面の摩耗を防止できる構造を実現すべく発明したものである。

本発明のスラストニードル軸受を備えた回転支持部は、互いに相対回転する１対の部材の一部に設けられた、互いに平行な１対の平面同士の間に、スラストニードル軸受を設置する事により構成している。
このうちのスラストニードル軸受は、金属板製で円輪状に形成され、軸方向片側面をスラスト軌道面とした、少なくとも１枚のレースと、それぞれの中心軸をこのレースの直径方向に一致させた状態で、上記スラスト軌道面に沿って放射状に配列された複数本のニードルとを備える。
そして、上記レースの軸方向他側面のうちで少なくともスラスト軌道面と反対側部分を、このレースに対向する平面に対し全面に亙って当接させた状態で上記両平面同士の間に設けられ、これら両平面を設けた１対の部材同士の間に加わるスラスト荷重を支承しつつこれら両部材の相対回転を許容する。
特に、本発明のスラストニードル軸受を備えた回転支持部に於いては、上記レースの軸方向他側面を当接させる平面を有する部材が、補機のハウジングの如き、アルミニウム合金製であって、この平面の硬さがＨｖ２００以下である。そして、上記レースの厚さをＴとし、上記各ニードルの直径をＤａとした場合に、１．５mm≦Ｔ≦５mmで、且つ、０．５Ｄａ≦Ｔ≦１．５Ｄａを満たす。

上述の様に構成する本発明のスラストニードル軸受を備えた回転支持部は、図４に示す様に、レース１２ａの厚さをＴとし、上記各ニードルの直径をＤａとした場合に、１．５mm≦Ｔ≦５mmで、且つ、０．５Ｄａ≦Ｔ≦１．５Ｄａを満たす様に、十分に大きくしているので、このレース１２ａを添設するバックアップ面である平面を有する部材がアルミニウム合金製であって、この平面の硬さがＨｖ２００以下と、このバックアップ面の剛性が低い場合でも、このバックアップ面の摩耗を防止できる。尚、上記レース１２ａの厚さＴを、上記各ニードル１０の直径Ｄａとの関係で、１．５mm≦Ｔ≦５mmで、且つ、０．５Ｄａ≦Ｔ≦１．５Ｄａにすれば、上記バックアップ面の摩耗を抑えられる事は、後述する実験結果からも明らかであるが、理論的には、次の様に考えられる。

本発明の対象となる回転支持部に組み込むスラストニードル軸受は、前述の特許文献４に記載された発明の対象となるラジアル転がり軸受とは異なり、負荷圏と非負荷圏との概念が存在しない。言い換えれば、スラストニードル軸受の場合、全周が負荷圏であり、総てのニードル１０がスラスト荷重を負荷する。この面から、スラストニードル軸受の使用状態は、ラジアル転がり軸受の場合に比べて厳しいと言える。そこで、転がり接触下の深さを、前述した、従来から考えられている値である、最大剪断応力発生位置の１０倍の更に２．５倍（合計で２５倍）確保すれば、図４に示す様に、レース１２ａのスラスト軌道面１４の弾性変形が、このスラスト軌道面１４と反対側の面である、上記バックアップ面との当接面１６に迄は伝わらなくなると考えられる。

上記最大剪断応力発生位置は、前述した通り、上記各ニードル１０の直径Ｄａの２％（０．０２倍）であるから、上記レース１２ａの厚さＴを、上記最大剪断応力発生位置の２５倍、即ち、上記各ニードル１０の直径Ｄａの０．５倍（０．５Ｄａ＝０．０２Ｄａ×２５）以上、或は１．５mm以上確保すれば、これら各ニードル１０の転動面との転がり接触に基づく、上記レース１２ａのスラスト軌道面１４の変形が、上記バックアップ面との当接面１６に迄達する事を防止して、上記レース１２ａがこのバックアップ面を設けた部材に対し回転する事を防止し、このバックアップ面の摩耗を防止できる。

又、上記厚さ寸法Ｔを５mm以下に抑える事で、上記レース１２ａの重量が徒に嵩む事を防止できる。即ち、上記当接面１６の変形防止の面からは、上記厚さ寸法Ｔは大きい程良いが、この厚さ寸法Ｔを徒に大きくしても、効果が飽和し、重量が嵩むだけになる。又、厚さ寸法Ｔが５mmを越えるレース１２ａを造る場合、このレース１２ａのスラスト軌道面１４を平坦に加工する事が難しくなり、このスラスト軌道面１４に微妙なうねりが生じ易い。そして、うねりが生じた場合には、うねりの頂部並びに上記ニードル１０の転動面に過大な面圧が作用し、当該部分で早期剥離等の損傷が発生し易くなる。
これに対して、上記厚さ寸法Ｔを５mm以下に抑えれば、重量が徒に嵩む事を防止できるだけでなく、上記スラスト軌道面１４を平坦に加工し易くなって、上述の様な不都合を何れも解消できる。尚、上記厚さ寸法Ｔを５mm以下に抑え、しかもＴ≧０．５Ｄａなる条件を満たす為に、上記各ニードル１０の直径Ｄａは、１０．０mm以下に抑える。
又、直径Ｄａが小さなニードル１０を使用する場合にも、Ｔ≧０．５Ｄａに関係なく、上記厚さ寸法Ｔを１．５mm以上確保する事により、上記ニードル１０の転動面との接触部の弾性変形が、上記レース１２ａのスラスト軌道面１４と反対側の面である、バックアップ面との当接面１６に迄伝わる事を有効に防止できる。

又、上記厚さ寸法Ｔと上記直径Ｄａとの関係を、Ｔ≦１．５Ｄａとしているので、この直径Ｄａが比較的小さい場合にも、重量が徒に嵩む事を防止できる。尚、上記厚さ寸法Ｔを１．５mm以上確保し、しかもＴ≦１．５Ｄａなる条件を満たす為に、上記各ニードル１０の直径Ｄａは、１．０mm以上確保する。

本発明を実施する場合に好ましくは、請求項２に記載した発明の様に、上記各ニードル１０の長さ寸法をＬを、上記直径Ｄａの１．６〜４倍（１．６Ｄａ≦Ｌ≦４Ｄａ）とする。
本発明を実施してその作用・効果を得る場合に於いて、上記長さ寸法Ｌと直径Ｄａとの比Ｌ／Ｄａの値は、本来は直接関係しないが、この比Ｌ／Ｄａが小さ過ぎた（Ｌ／Ｄａ＜１．６である）場合には、上記各ニードル１０の挙動が不安定になり易い（スキューし易い）。又、上記比Ｌ／Ｄａが大き過ぎた（Ｌ／Ｄａ＞４である）場合には、上記各ニードル１０の転動面と前記スラスト軌道面１４との転がり接触部の差動滑りが大きくなる。
この為、何れの場合でも、本発明が解決しようとしている、バックアップ面の摩耗防止とは別の観点から、回転支持部の耐久性確保が難しくなる。
これに対して、１．６Ｄａ≦Ｌ≦４Ｄａなる要件を満たせば、上記各ニードル１０の挙動を安定させると共に、上記転がり接触部の差動滑りを低く抑えて、上記回転支持部の耐久性確保が容易になる。

本発明の効果を確認する為に行なった実験に就いて説明する。
この実験に使用したスラストニードル軸受は、内径が５０mm、外径が８０mm、各ニードル１０のピッチ円直径が６５mm、これら各ニードル１０の直径Ｄａが２．５mm、長さＬが８mm、これら各ニードルの数Ｚが４５個、基本動定格荷重Ｃａが３１５００Ｎ、基本静定格荷重Ｃｏａが１８３０００Ｎである標準仕様を基準として、複数種類用意した。具体的には、この標準仕様を基準として、上記各ニードル１０の直径Ｄａと数Ｚとを異ならせて、基本動定格荷重Ｃａがほぼ同じ値になる様に、各供試スラストニードル軸受の仕様を調整した。具体的には、次の(1) 〜(5) に示す５種類の仕様のものを用意した。
(1) 直径Ｄａが２mm、数Ｚが６６個
(2) 直径Ｄａが２．５mm、数Ｚが４５個
(3) 直径Ｄａが３mm、数Ｚが３３個
(5) 直径Ｄａが４mm、数Ｚが２０個
(6) 直径Ｄａが５mm、数Ｚが１４個

試験荷重Ｐａは基本動定格荷重Ｃａの１／２（Ｐ／Ｃ＝０．５）とし、レース１２ａを静止したまま、このレース１２ａのスラスト軌道面１４に対向する相手側軌道面を、３０００min^-1 で回転させた。使用した潤滑油はオートマチックフルード（ＡＴＦ）、試験温度は１００℃とした。この条件での計算寿命は５６時間である為、５０時間で実験を終了した。又、上記レース１２ａの当接面１６を当接させるバックアップ面を有する部材は、アルミニウム合金（ＡＤＣｌ２、硬さ：Ｈｖ１００〜２００）とし、試験後に上記バックアップ面の摩耗を測定した。

この様な条件で行なった実験の結果を、下記の表１に示す。

この表１の記載から明らかな通り、前記レース１２ａの厚さＴが前記各ニードル１０の直径Ｄａ以上（Ｔ／Ｄａ≧１）である場合（実施例１、３、５、９、１１）には、前記バックアップ面の摩耗は見られなかった。これは、上記レース１２ａが上記各ニードル１０の転動に伴って、上記バックアップ面に対し回転（クリープ）しなかった為と考えられる。上記レース１２ａの厚さＴが上記各ニードル１０の直径Ｄａ未満であるが、この直径Ｄａの０．５倍以上（０．５≦Ｔ／Ｄａ＜１）である場合（実施例２、４、６〜８、１０）には、上記バックアップ面に多少の摩耗が認められたが、その値は１〜２μｍ程度の僅少値に留まった。これは、上記レース１２ａが上記各ニードル１０の公転運動に伴って上記バックアップ面に対し回転するが、その回転速度が極低速で、回転トルクも低い為と考えられる。又、何れの実施例に就いても、スラスト軌道面１４及び各ニードル１０の転動面に、剥離等の重大な損傷は認められなかった。

上述の様な、本発明の技術的範囲に属する各実施例に対して、本発明の技術的範囲からは外れる比較例１〜５の場合には、厚さＴが１．０mm以下で、上記各ニードル１０の直径Ｄａに対する比も０．４以下（０．５未満）である為、上記バックアップ面に２０μｍを超える摩耗が認められた。そして、実験の終了間際に於いては、スラストニードル軸受の運転時に発生する振動の値が、初期値の２倍以上に高くなった。特に、上記レース１２ａの厚さＴが上記各ニードル１０の直径Ｄａの０．２倍しかない、比較例５の場合には、上記バックアップ面の摩耗が２００μｍにも達した。そして、摩耗紛がスラストニードル軸受の内部に侵入し、実験開始後２５時間経過した時点で、上記スラスト軌道面１４に、異物起点による表面損傷剥離が発生した。

更に、比較例６の場合には、上記レース１２ａの厚さが６mmと大きい為、このレース１２ａをプレスにより加工する過程で、上記スラスト軌道面１４にうねりが発生した。この結果、上記バックアップ面に摩耗は発生しなかったが、５０時間経過して実験を終了した時点でスラストニードル軸受を分解して内部を観察したところ、上記スラスト軌道面１４及び上記各ニードル１０の転動面に、剥離が認められた。
以上の実験結果を考察すれば、特許請求の範囲に記載した構造により、レース１２ａを添設するバックアップ面の剛性が低い場合でも、このバックアップ面の摩耗を防止できる事が分かる。

スラストニードル軸受の使用状態の１例を示す部分断面図。 ニードルとの接触に基づくレースの弾性変形状態を誇張して示す、図１のＡ−Ａ断面に相当する部分拡大断面図。 同じく、隣り合うニードル同士の間部分の状態も含めて示す、図２と同様の図。 本発明の場合に於ける、ニードルとの接触に基づくレースの弾性変形状態を誇張して示す、図２と同様の図。

１ メインシャフト
２ 大径部
３ 小径部
４ 段部
５ ギヤ
５ａ 端面
６ ラジアルニードル軸受
７ スラストニードル軸受
８ ニードル
９ 保持器
１０ ニードル
１１ 保持器
１２、１２ａ レース
１３ 折れ曲がり部
１４ スラスト軌道面
１５ 円筒部
１６ 当接面

Claims (2)

1. 互いに相対回転する１対の部材の一部に設けられた、互いに平行な１対の平面同士の間に、スラストニードル軸受を設置する事により構成され、
   このうちのスラストニードル軸受は、金属板製で円輪状に形成され、軸方向片側面をスラスト軌道面とした、少なくとも１枚のレースと、それぞれの中心軸の方向をこのレースの直径方向に一致させた状態で、上記スラスト軌道面に沿って放射状に配列された複数本のニードルとを備え、
   上記レースの軸方向他側面のうちで少なくともスラスト軌道面と反対側部分を、このレースに対向する平面に対し全面に亙って当接させた状態で上記両平面同士の間に設けられ、これら両平面を設けた１対の部材同士の間に加わるスラスト荷重を支承しつつこれら両部材の相対回転を許容するスラストニードル軸受を備えた回転支持部に於いて、
   上記レースの軸方向他側面を当接させる平面を有する部材がアルミニウム合金製であって、この平面の硬さがＨｖ２００以下であり、
   上記レースの厚さをＴとし、上記各ニードルの直径をＤａとした場合に、１．５mm≦Ｔ≦５mmで、且つ、０．５Ｄａ≦Ｔ≦１．５Ｄａを満たす事を特徴とするスラストニードル軸受を備えた回転支持部。
2. 各ニードルの長さ寸法をＬとした場合に、１．６Ｄａ≦Ｌ≦４Ｄａを満たす、請求項１に記載したスラストニードル軸受を備えた回転支持部。

Images