JP2005069404A

JP2005069404A - 密封型転がり軸受

Info

Publication number: JP2005069404A
Application number: JP2003301400A
Authority: JP
Inventors: Hiroya Achinami; 博也阿知波; Yukio Oura; 大浦　　行雄; Tatsuya Fukuda; 竜也福田
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2003-08-26
Filing date: 2003-08-26
Publication date: 2005-03-17

Abstract

【課題】外部からの異物の侵入を確実に防止すると共に、リップの吸着現象の発生がなく、安定した回転トルクが得られ、長寿命の密封型転がり軸受を提供する。
【解決手段】内周面に外輪軌道面１１ｃが形成された外輪１１と、外周面に内輪軌道面１２ｃが形成された内輪１２と、前記外輪軌道面１１ｃ及び前記内輪軌道面１２ｃ間に転動自在に配設された複数の転動体１３と、前記転動体１３の側方に設けられ、前記外輪１１と前記内輪１２の一方に形成されたシール溝１２ａにリップ２２ｃを摺接させて前記外輪１１と前記内輪１２の他方に装着された密封装置２０と、を備えた密封型転がり軸受１０であって、前記シール溝１２ａは、少なくとも前記リップ２２ｃが摺接する摺接面１２ｄにショットピーニング加工が施されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、密封型転がり軸受に関し、より詳細には、密封装置を備え、水、泥水、砂等の異物と接する条件下で使用されても異物の内部への侵入を防止することができ、自動車等の車両用機械に用いるのに好適な密封型転がり軸受に関する。

自動車のエンジンルームには、オルタネータ、エアコン用コンプレッサ等の補機類や、該補機類を駆動するためのプーリ等の回転部材が、転がり軸受に支持されて回転可能に配設されている。エンジン周りに配置される補機類やプーリは、水、泥水、砂等の異物が直接的或いは間接的に接する悪条件下で使用されており、転がり軸受も、これらの異物が侵入し易い条件下で使用されている。このため、転がり軸受内部に異物が侵入すると、内部に封入されたグリースを変質させたり、或いは異物が転動体と軌道面との間に噛み込まれて潤滑状態が悪化して、軸受性能を低下させたり、軸受寿命を低下させる場合がある。

上述したような環境で使用される転がり軸受としては、両側面に密封装置を配置し、内部にグリース等の潤滑剤を封入して、外部からの異物の侵入を防止するようにした密封型転がり軸受が用いられている。
また、近年、自動車の軽量化、コンパクト化に伴ってエンジンルーム内の空間が制約され、設置される機器類の軽量化、コンパクト化が強く要求されている。従って、転がり軸受の防塵、防水のためのメカニカルシール、ラビリンスシール、カバー等の設置が困難となり、密封装置は、従来以上の防塵性、防水性が求められている。

防塵性および防水性を向上させるために、密封装置のリップとシール溝との接触面積を増大させたり、リップの接触圧力（緊迫力）を増大させたりすることが一般に行われている。しかし、リップとシール溝との接触面積を増大させると、転がり軸受の回転に伴ってリップとシール溝との摩擦熱が増大したり、或いは、外部からの熱伝導によって転がり軸受の温度が上昇し、その後、転がり軸受が冷却されると転がり軸受内の圧力が負圧となる。このため、密封装置のリップがシール溝に強固に密着して軸受トルクが著しく上昇する、いわゆる吸着現象が発生する可能性があった。

吸着現象を防止するようにした従来の密封型転がり軸受としては、図３に示されるように、接触シールの内径側又は外径側に空気孔を一箇所若しくは複数箇所設けて密封型転がり軸受内外の圧力バランスを均一に保つようにした密封型転がり軸受１が開示されている（例えば、特許文献１参照。）。

従来の密封型転がり軸受１は、接触シール２を具備し、シール外径側（頭部）２ａが外輪３のシール溝３ａに装着されると共に、内輪４のシール溝４ａにシールリップ２ｂが軸方向から接触して摺接し、軸受の密封性を図っている。

接触シール２には、頭部２ａの外径面に軸方向に凹設された外径面空気孔５ａと、頭部２ａの内面に半径方向に凹設された内面空気孔５ｂとからなる空気孔５が形成されている。密封型転がり軸受１の内外の圧力バランスが崩れた場合、接触シール２に設けられた空気孔５を通して軸受内外の圧力調整を行って、圧力バランスを均一に保ち、接触シール２の吸着現象を防止するようになっている。
特開２０００−６５０７４号公報（図１）

しかしながら、特許文献１の密封型転がり軸受１では、水、泥水、砂等の異物が直接的、或いは間接的に接する厳しい条件下で用いられる車両用密封型転がり軸受等の場合、空気孔５から異物、特に水、泥水等の液状異物が密封型転がり軸受１の内部に侵入することがあり、軸受寿命を低下させる問題があった。

本発明は、前述した課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、外部からの異物の侵入を確実に防止すると共に、リップの吸着現象の発生がなく、安定した回転トルクが得られ、長寿命の密封型転がり軸受を提供することにある。

本発明は、以下の構成によって達成される。
（１）内周面に外輪軌道面が形成された外輪と、外周面に内輪軌道面が形成された内輪と、前記外輪軌道面及び前記内輪軌道面間に転動自在に配設された複数の転動体と、前記転動体の側方に設けられ、前記外輪と前記内輪の一方に形成されたシール溝にリップを摺接させて前記外輪と前記内輪の他方に装着された密封装置と、を備えた密封型転がり軸受であって、
前記シール溝は、少なくとも前記リップが摺接する摺接面にショットピーニング加工が施されていることを特徴とする密封型転がり軸受。
（２）前記ショットピーニング加工は、精密ショットピーニング加工であることを特徴とする（１）に記載の密封型転がり軸受。

本発明の密封型転がり軸受によれば、シール溝の少なくとも密封装置のリップが摺接する摺接面にショットピーニング加工を施したので、摺接面は凹凸が均一に分散した表面組織（テクスチャ）に形成される。また、適度の大きさの凹部には潤滑剤が保持され、流体膜を形成させることができる。これによって、摺接面とリップとの間は流体シールされ、密封性が確保されて外部からの異物の侵入を確実に防止すると共に、密封型転がり軸受の潤滑状況を長期間に亘って良好に維持して軸受寿命の長期化を図ることができる。また、温度変化などによって密封型転がり軸受内部の圧力が負圧となり、リップがシール溝の摺接面に強く押圧されても、シール溝とリップとの摩擦力を低減させることができ、リップの吸着現象の発生を阻止することができる。これにより、密封型転がり軸受の回転トルクの増大を防止することができる。

さらに、シール溝の摺接面に精密ショットピーニング加工が施されているので、小型の密封型転がり軸受、即ち、寸法が小さく加工し難いシール溝の全面に、凹凸を均一に形成することができ、吸着現象を有効に阻止することができる。また、旋削工程におけるバリや旋削目、熱処理工程におけるスケールや溶着物等を除去することができ、シールリップとの接触状態を改善することができる。

以下、本発明の一実施形態に係る密封型転がり軸受を図面に参照して詳細に説明する。
図１は本発明の一実施形態に係る密封型転がり軸受の要部縦断面図である。図１に示すように、密封型転がり軸受１０は、外輪１１と、内輪１２と、転動体である複数の玉１３と、保持器１４及び密封装置２０とを備えた深溝玉軸受である。

外輪１１は、内周面１１ｂに外輪軌道面１１ｃが形成されると共に、側端部にシール固定溝１１ａが設けられている。内輪１２は、外周面１２ｂに内輪軌道面１２ｃが形成されると共に、側端部にシール溝１２ａが設けられている。複数の玉１３は、保持器１４によって周方向に所定の間隔で保持され、外輪軌道面１１ｃ及び内輪軌道面１２ｃ間に転動自在に配設されている。

密封装置２０は、金属、合成樹脂等の剛性の高い板状材料がリング状に形成されたリング状芯金２１に、ゴム、合成樹脂等の弾性を有する弾性体２２が円環状に一体成形されて固着されており、弾性体２２の機械的強度がリング状芯金２１によって補強されている。密封装置２０の外周縁には、リング状芯金２１の外径部２１ａを弾性体２２で包み込んだ固定部２２ａが形成されており、外輪１１に設けられたシール固定溝１１ａ内に圧入・固定される。

また、リング状芯金２１の内周側には、弾性体２２が内周方向に延設されて円環状の首部２２ｂが形成されている。首部２２ｂの内周端には、密封型転がり軸受１０の軸方向内側に分岐した本発明のリップである第１リップ２２ｃと軸方向外側に分岐した第２リップ２２ｄが形成されており、首部２２ｂが根元部から屈曲することによって、第１リップ２２ｃと第２リップ２２ｄとは連動して変位するようになっている。

第１リップ２２ｃは、固定部２２ａがシール固定溝１１ａに圧入・固定されると、首部２２ｂを根元部から軸方向外側に屈曲させながら、シール溝１２ａの側壁１２ｄに所定の接触圧力（緊迫力）で接触し、摺接する。また、第２リップ２２ｄは、首部２２ｂが根元部から軸方向外側に屈曲することにより、シール溝１２ａの口元部外径面１２ｅとの間に僅かなクリアランスＣ１を形成して対向配置され、第２リップ２２ｄとシール溝１２ａの口元部外径面１２ｅとでラビリンスパッキンを構成して密封作用を行う。なお、第２リップ２２ｄは、口元部外径面１２ｅと軽く接触するようにしてもよい。

更に、首部２２ｂの根元部からは、密封型転がり軸受１０の軸方向内側に向かって第３リップ２２ｅが分岐して形成されている。第３リップ２２ｅは、首部２２ｂの根元部から分岐し、第１リップ２２ｃ及び第２リップ２２ｄから独立して形成されているので、首部２２ｂの屈曲に影響されることが少なく、第１リップ２２ｃ及び第２リップ２２ｄが変位しても殆ど変位することはない。第３リップ２２ｅは、内輪１２の外周面１２ｂとの間に僅かなクリアランスＣ２が形成されて対向配置され、ラビリンスパッキンを構成するようになっている。

シール溝１２ａの表面は、ショットピーニング加工が施されており、円周方向および軸方向に適度の大きさの凹凸が均一に分散した表面構成（テクスチャ）を有する。微視的には、シール溝１２ａの表面は、リップとの接触面を構成する凸部と、油だまりとして作用し、潤滑材を貯留して流体膜を構成する凹部とが、円周方向及び軸方向に均一に分散される。これにより、軸方向に正逆の２つの流れを形成して潤滑材を還流させることができ、シール溝１２ａの表面と密封装置２０は、適当な厚さの油膜を介してシールする、即ち、流体シールを構成し、密封性を確保している。
特に、凹部は油だまりとして作用するため、流体膜が発生しやすく、リップとシール溝１２ａの摺接面との摩擦が減少し、軸受トルクの増加を抑制することができる。

なお、ショットピーニング加工は、少なくとも密封装置２０の第１リップ２２ｃが摺接する摺接面であるシール溝１２ａの側壁１２ｄに施されていればよいが、シール溝１２ａの全体に施すようにしてもよい。

ショットピーニングの加工条件は、加工の対象となる軸受サイズ、特にシール溝１２ａの寸法、形状等によって適宜の条件を採用することができる。特に、カーエアコン用コンプレッサの電磁クラッチ用転がり軸受や、オルタネータ、アイドラプーリ等に用いられる転がり軸受では、シール溝１２ａが小さいので精密ショットピーニング加工を施すのが好ましく、例えば、ＷＰＣ（ＷｏｎｄｅｒＰｒｏｃｅｓｓＣｒａｆｔ）処理（株式会社不二製作所および株式会社不二機販から提供されるショットピーニング加工処理）が好適に用いられる。

本発明の密封型転がり軸受１０は、図１に示すように、両側端が密封装置２０によって密封されており、軸受空間に封入されたグリース（不図示）が玉１３と外輪軌道面１１ｃおよび内輪軌道面１２ｃとの潤滑を行う。第１リップ２２ｃは、首部２２ｂが根元部から軸方向外側に屈曲されてシール溝１２ａの側壁１２ｄに適宜の接触圧力で接触し、密封型転がり軸受１０をシールしている。

第２リップ２２ｄは、口元部外径面１２ｅと僅かなクリアランスＣ１で対向配置され、ラビリンスパッキンとして作用して、主に密封型転がり軸受１０の外部からの異物侵入を防止する。第２リップ２２ｄは、首部２２ｂが屈曲することによって第１リップ２２ｃと連動して変位するようになっており、例えば、第１リップ２２ｃが摩耗したり、シール溝１２ａの側壁１２ｄへの緊迫力が低減すると、図１において、首部２２ｂが根元部を中心として時計方向に回動変位する。この回動変位は、首部２２ｂの弾性力に基づく。これによって、第１リップ２２ｃはシール溝１２ａの側壁１２ｄに接触し、或いは緊迫力を強め、また、第２リップ２２ｄは口元部外径面１２ｅに接近する方向に変位してクリアランスＣ１を狭め、封止機能が維持される。

第３リップ２２ｅは、内輪１２の外周面１２ｂとクリアランスＣ２で対向配置され、ラビリンスパッキンとして作用し、主に、封入されたグリースが外部へ漏洩するのを防止する。第３リップ２２ｅは、首部２２ｂの根元部から分岐し、第１リップ２２ｃ及び第２リップ２２ｄから独立して形成されているので、例えば、第１リップ２２ｃが摩耗したり、シール溝１２ａの側壁１２ｄへの緊迫力が低減して首部２２ｂが根元部を中心として回動変位しても、その影響を殆ど受けることはない。即ち、第３リップ２２ｅと内輪１２の外周面１２ｂとのクリアランスＣ２は変化しない。従って、安定してグリースの外部への漏洩を防止する。

尚、第３リップ２２ｅを非接触としたので、回転トルクの増大を避けることができ、更に、封入されたグリースの基油を極少量、クリアランスＣ２を通過させて第１リップ２２ｃとシール溝１２ａの側壁１２ｄとの摺接面に供給し、潤滑させる。摺接面に供給されたグリースの基油は、ショットピーング加工によってシール溝１２ａの側壁１２ｄに形成された凹部に貯留されて、流体膜（油膜）を形成する。即ち、側壁１２ｄと第１リップ２２ｃとの摺接面は、油膜によって潤滑されると共に、流体シールされるので外部からの異物の侵入が阻止される。

また、側壁１２ｄと第１リップ２２ｃとの摩擦熱や外部からの熱伝導によって密封型転がり軸受１０の温度が上昇した後、冷却されると、密封型転がり軸受１０内部の圧力が負圧となって第１リップ２２ｃが側壁１２ｄに強く押圧されるが、側壁１２ｄと第１リップ２２ｃとの摺接面は油膜によって潤滑されているので、摩擦抵抗は極めて小さく、また回転トルクが増大することもない。

本実施形態に係る密封型転がり軸受によれば、シール溝の少なくとも密封装置のリップが摺接する摺接面にショットピーニング加工を施したので、摺接面は凹凸が均一に分散した表面組織（テクスチャ）に形成される。また、適度の大きさの凹部には潤滑剤が保持され、流体膜を形成させることができる。これによって、摺接面とリップとの間は流体シールされ、密封性が確保されて外部からの異物の侵入を確実に防止すると共に、密封型転がり軸受の潤滑状況を長期間に亘って良好に維持して軸受寿命の長期化を図ることができる。また、温度変化などによって密封型転がり軸受内部の圧力が負圧となり、リップがシール溝の摺接面に強く押圧されても、シール溝とリップとの摩擦力を低減させることができ、リップの吸着現象の発生を阻止することができる。これにより、密封型転がり軸受の回転トルクの増大を防止することができる。

また、本発明に係る密封型転がり軸受によれば、シール溝の摺接面に精密ショットピーニング加工が施されているので、小型の密封型転がり軸受、即ち、寸法が小さく加工し難いシール溝の全面に、凹凸を均一に形成することができ、吸着現象を有効に阻止することができる。更に、精密ショットピーニング加工により、旋削加工時にシール溝１２ａに付着したバリ、旋削目、或いは熱処理工程において付着したスケール、溶着物等を除去して表面を清浄化することができ、第１リップ２２ｃと側壁１２ｄとの接触状態が改善することができる。

次に、ショットピーニングが施された本発明の密封型転がり軸受に係る実施例と、ショットピーニングが施されていない比較例とを用いて、密封性、吸着現象の有無を確認した。

試験に供した密封型転がり軸受は、実施例及び比較例ともに、防塵・防水性の要求が厳しいエンジン補機である、カーエアコン用コンプレッサの電磁クラッチ用複列アンギュラ玉軸受が使用された。なお、アンギュラ玉軸受のサイズは、内径３５ｍｍ、外径５２ｍｍ、幅２０ｍｍとした。実施例に用いた密封型転がり軸受のシール溝には、全面に下記条件で精密ショットピーニング加工（ＷＰＣ処理）が施された。一方、比較例に用いた密封型転がり軸受のシール溝にはショットピーニング加工が施されず、従来のままとした。

＜精密ショットピーニング加工条件＞
研磨材
材質：ＳｉＯ₂
硬度：Ｈｖ９００
平均粒径：４５μｍ
噴射圧力：０．４ＭＰａ
噴射距離：７０ｍｍ
噴射時間：２０秒

実施例および比較例の密封型転がり軸受は共に、密封性を確認するために転がり軸受を水中に埋没させて回転する水没試験を実施し、吸着現象の有無については水没試験前後の軸受起動トルクの変化を確認することによって行った。水没試験の試験条件、判定方法は以下のとおりである。

＜試験条件＞
回転数（外輪回転）：３０００ｒｐｍ
ベルト荷重（ラジアル荷重）：２００Ｎ
水没状態：軸受中心を水面下１００ｍｍに位置させる（完全水没状態）
水温：制御せず
試験時間：２時間

＜判定方法＞
１．密封性：”試験後の軸受重量−試験前の軸受重量”を求め、重量増加を試験による水の侵入量として判定した。
２．吸着現象の有無：試験前後における軸受起動トルクを測定して判定した。

上記試験条件で水没試験を実施した結果、密封性については、実施例及び比較例、いずれの密封型転がり軸受とも、水の侵入量）は１００ｍｇ以下であり、双方に差異は認められなかった。

一方、吸着現象の有無については、試験前における比較例（従来品）の密封型転がり軸受の起動トルクを基準（１．０）として、水没試験前後における各軸受起動トルクを無次元化した図２に示される。図２に示すように、比較例の密封型転がり軸受の起動トルクは、水没試験後、略２．２に達し、吸着現象が強く発生していることが分かる。これに対して、シール溝にショットピーニング加工を施した実施例の密封型転がり軸受の起動トルクは、水没試験前で略０．６と小さい値を示し、リップの摩擦抵抗が小さいことが分かる。また、水没試験後においても、略１．３とリップの吸着現象の発生は軽度であり、比較例の密封型転がり軸受の略１／２程度の起動トルクとなっている。

以上の試験結果から、本発明の密封型転がり軸受は、密封性を保つと共に、吸着現象の防止に対して有効であることが実証された。

尚、本発明は、前述した実施形態及び実施例に限定されるものではなく、適宜、変形、改良等が可能である。
本実施形態では、密封装置は芯金を有するものとしたが、本発明はこれに限定されず、芯金を用いずに弾性体だけで構成されたものであってもよい。また、３個のリップを有する密封装置として説明したが、リップの数は３個に限定されず、１個のリップを有する密封装置であってもよく、密封装置の構成は従来のものも含めて任意である。

本実施形態では、密封装置が用いられる転がり軸受は深溝玉軸受として説明したが、これに限定されるものではなく、実施例で用いられたアンギュラ玉軸受や各種ころ軸受等の他の形式の転がり軸受においても適用することができ、同様の効果を得ることができる。また、内輪に形成されたシール溝にリップを摺接させる内輪摺接タイプの密封型転がり軸受を一例に説明したが、外輪に形成されたシール溝に密封装置のリップを摺接させた外輪摺接タイプの密封型転がり軸受であってもよい。

更に、シール溝に施すショットピーニング処理は、精密ショットピーニング処理に限定されるものではなく、他の条件でのショットピーニング処理であってもよい。例えば、特開２０００−１６１３７１号公報に示されるように、シール溝の摺接面に錫（Ｓｎ）等の母相を成す金属の粒体と、二硫化モリブデン（ＭｏＳ₂）、二硫化タングステン（ＷＳ₂）、チッ化ホウ素（ＢＮ）、フッ素樹脂（例えば、ＰＴＦＥ）等の固体潤滑剤の粒体とを混合して成る粒体を噴射して、母相中に固体潤滑剤が分散された被膜を形成させることも可能である。

本発明の一実施形態である密封型転がり軸受の要部縦断面図である。吸着現象の発生の有無を示す水没試験前後における起動トルクの変化を、従来の密封型転がり軸受の起動トルクを基準として無次元化して示すグラフである。特許文献１に開示されている密封型転がり軸受の縦断面図である。

符号の説明

１０密封型転がり軸受
１１外輪
１１ｂ内周面
１１ｃ外輪軌道面
１２内輪
１２ａシール溝
１２ｂ外周面
１２ｃ内輪軌道面
１２ｄ側壁（摺接面）
１３玉（転動体）
２０密封装置
２２ｃ第１リップ（リップ）

Claims

内周面に外輪軌道面が形成された外輪と、外周面に内輪軌道面が形成された内輪と、前記外輪軌道面及び前記内輪軌道面間に転動自在に配設された複数の転動体と、前記転動体の側方に設けられ、前記外輪と前記内輪の一方に形成されたシール溝にリップを摺接させて前記外輪と前記内輪の他方に装着された密封装置と、を備えた密封型転がり軸受であって、
前記シール溝は、少なくとも前記リップが摺接する摺接面にショットピーニング加工が施されていることを特徴とする密封型転がり軸受。
前記ショットピーニング加工は、精密ショットピーニング加工であることを特徴とする請求項１に記載の密封型転がり軸受。