特開 2024-34788 シェル形針状ころ軸受

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024034788

(43)【公開日】2024-03-13

(54)【発明の名称】シェル形針状ころ軸受

(51)【国際特許分類】

   F16C 19/46 20060101AFI20240306BHJP

   F16C 33/58 20060101ALI20240306BHJP

   F02D 9/10 20060101ALI20240306BHJP

   F02M 26/11 20160101ALI20240306BHJP

   F02M 26/70 20160101ALI20240306BHJP

【ＦＩ】

F16C19/46

F16C33/58

F02D9/10 C

F02M26/11 311C

F02M26/70 301

【審査請求】未請求

【請求項の数】3

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022139272

(22)【出願日】2022-09-01

(71)【出願人】

【識別番号】000102692

【氏名又は名称】ＮＴＮ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100130513

【弁理士】

【氏名又は名称】鎌田 直也

(74)【代理人】

【識別番号】100074206

【弁理士】

【氏名又は名称】鎌田 文二

(74)【代理人】

【識別番号】100130177

【弁理士】

【氏名又は名称】中谷 弥一郎

(72)【発明者】

【氏名】小川 勇樹

【テーマコード（参考）】

3G062

3G065

3J701

【Ｆターム（参考）】

3G062EC15

3G062EC16

3G065CA36

3G065HA15

3J701AA14

3J701AA24

3J701AA32

3J701AA43

3J701AA52

3J701AA62

3J701AA72

3J701BA54

3J701BA56

3J701BA63

3J701BA69

3J701BA70

3J701DA01

3J701DA09

3J701EA06

3J701FA08

3J701FA44

3J701GA21

3J701XB03

3J701XB26

3J701XB31

3J701XB33

3J701XE03

3J701XE30

(57)【要約】

【課題】耐腐食性に優れた材料を用い、焼き付きにくく製造しやすい外輪を有するシェル形針状ころ軸受を提供する。
【解決手段】シェル形外輪１の材質がオーステナイト系ステンレス材であり、少なくとも軸方向どちらか一方の外輪幅面１ｂにおいて、内径側面７ｂよりも外径側面７ａの方が粗いシェル形針状ころ軸受１０を用いる。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

シェル形外輪の材質がオーステナイト系ステンレス材であり、前記シェル形外輪の少なくとも軸方向どちらか一方の幅面において、内径側面よりも外径側面の方が粗いシェル形針状ころ軸受。

【請求項2】

前記幅面の前記外径側面の算術平均粗さＲａが０．２μｍ以上１．５μｍ以下である請求項１に記載のシェル形針状ころ軸受。

【請求項3】

自動車用電子スロットルボディ又は排ガス再循環装置に用いる、請求項１又は２に記載のシェル形針状ころ軸受。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

この発明は、主として自動車のシェル形針状ころ軸受に関する。

【背景技術】

【0002】

自動車には、エンジンへの吸気量を調整する電子制御スロットルボディ（ＥＴＢ）が備えられている。ＥＴＢには流路を開閉するスロットルバルブが設けられ、このスロットルバルブの回転を支える軸受には、はだ焼き鋼などの鉄製外輪が用いられていた。

【0003】

そのような用途で用いられるシェル形針状ころ軸受が例えば特許文献１に挙げられている。このシェル形針状ころ軸受は、次の通りである。まず外輪の材料となるクロムモリブデン鋼（ＳＣＭ４１５等）製の帯鋼を用意する。この帯鋼を外輪の形状となるように深絞り成形する。このとき、外輪の一方の縁のみ折り曲げている。この外輪に保持器と針状ころを組み込む。組み込んだ後、外輪の他方の縁を折り曲げて保持器と針状ころが外れないようにする。以上のように組み立ててから、浸炭窒化処理した後に焼入れと焼戻しを行う熱処理工程を行う。熱処理によりクロムモリブデン鋼の表面が硬化されたはだ焼き鋼となる。熱処理後に外輪の縁を曲げると端部分の硬度が変わってしまい、硬度が均一にならないという問題があったが組み立て後に熱処理を行うことで、外輪の両端部分を含めた全体の硬度を均一にすることができる。また、外輪の表層部に浸炭窒化処理による窒素富化層が形成されている。窒素富化層には残量オーステナイトが大量に存在し、これが塑性変形することで応力集中が緩和されて長寿命化が図られている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特許第３２１２８８０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

近年は低燃費化を目的として、ガソリンエンジンに排ガス再循環装置（ＥＧＲ）が採用されるようになっている。これにより、ＥＴＢのスロットルバルブ用軸受は、ＥＧＲによって循環された排ガス含有成分に曝されるようになった。特許文献１に記載のシェル形針状ころ軸受で採用されているようなクロムモリブデン鋼を熱処理したはだ焼き鋼の外輪では、排ガス含有成分による腐食が問題となってしまう。このような腐食しやすい環境で用いるシェル形針状ころ軸受では、より耐腐食性に優れた材料を外輪に用いる必要がある。このような耐腐食性に優れた材料としては、例えばオーステナイト系ステンレス材が挙げられる。

【0006】

しかしながら、オーステナイト系ステンレス材は、従来の鉄製軸受用材料に比べて加工硬化係数が高く、加工硬化しやすいという特徴がある。このため、オーステナイト系ステンレス材を用いて深絞り成形でシェル形針状ころ軸受の外輪を製造しようとすると、加工硬化の影響により、オーステナイト系ステンレス材が金型に凝着し、焼き付きなどの不具合が生じやすいという問題があった。

【0007】

上述の背景に鑑み、この発明が解決しようとする課題は、耐腐食性に優れた材料を用い、焼き付きにくく製造しやすい外輪を有するシェル形針状ころ軸受を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0008】

上記課題を解決するため、この発明は、
シェル形外輪の材質がオーステナイト系ステンレス材であり、前記シェル形外輪の少なくとも軸方向どちらか一方の幅面において、内径側面よりも外径側面の方が粗いシェル形針状ころ軸受という第一の構成を採用した。

【0009】

シェル形針状ころ軸受の外輪を帯鋼から形成するにあたり、筒状に変形した際に筒の底にあたる外輪の幅面は、外輪全体の中でも比較的加工度が小さく、元の材料の状態を残しやすい部位である。この部位において内径側面より外径側面の方が粗くなるには、元の材料が内径側面に位置することになる面よりも、外径側面に位置することになる面の方が粗くなっている。そのように外径側面に位置することになる面が粗くなっていると、その粗くなった凹部に深絞り成形の際に油溜まりが好適に形成される。これにより、焼き付き易いオーステナイト系ステンレス材であっても、焼き付きを抑えて成形することができる。

【0010】

また、この発明にかかるシェル形針状ころ軸受は、前記第一の構成に加えて、前記外輪幅面の前記外径側面の算術平均粗さＲａが０．２μｍ以上１．５μｍ以下である第二の構成を採用することができる。

【0011】

また、この発明にかかるシェル形針状ころ軸受は、前記第一又は第二の構成において、自動車用電子スロットルボディ又は排ガス再循環装置に用いる実施形態である第三の構成を採用することができる。

【発明の効果】

【0012】

この発明のシェル形針状ころ軸受を構成する外輪は、深絞り加工により外輪を形成した後ではなく、深絞り加工の前段階である帯鋼の状態で、外径側となる面を粗く加工しておくことで焼き付きなどの加工不具合を抑制して、好適に製造することができる。外輪を形成した後の熱処理工程や表面処理を省くことができるので、工程全体としては従来品の外輪と大差ない程度に低コストな工程で、耐腐食性に優れたシェル形針状ころ軸受を製造できる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】この発明にかかるシェル形針状ころ軸受の一の実施形態を示す断面図

【図2】（ａ）この発明にかかるシェル形針状ころ軸受に用いる帯鋼の製造手順の一連を示すフロー図、（ｂ）この発明にかかるシェル形針状ころ軸受の製造手順の一例を示すフロー図

【図3】（ａ）図１のシェル形針状ころ軸受に用いる外輪を深絞り成形した状態の断面図、（ｂ）（ａ）の底面に貫通孔を設けた状態の断面拡大図、（ｃ）（ｂ）に針状ころと保持器を組み込んだ状態の断面拡大図、（ｄ）（ｃ）の後に鍔部を形成させた状態の断面拡大図

【図4】この発明にかかるシェル形針状ころ軸受の一例を組み込んだ排ガス再循環装置のバルブ付近の例を示す断面図

【図5】この発明にかかるシェル形針状ころ軸受の一例を組み込んだスロットルボディの例を示す断面図

【発明を実施するための形態】

【0014】

この発明は、シェル形外輪１に特徴を有するシェル形針状ころ軸受１０である。図１に、この発明にかかるシェル形針状ころ軸受の一例としての実施形態を示す概略断面図を示す。示す形態は一例であり、この発明は図に示す実施形態に限定されるものではない。シェル形外輪１は、略円筒形の外径面１ａを有する。外径面の軸方向の両端の端部はどちらも径方向内側へと曲げられて、幅面１ｂ，１ｃを形成している。

【0015】

シェル形外輪１の内径側には複数個の針状ころ２が、シェル形外輪１に接して配置されている。それぞれの針状ころ２は保持器３によって回転自在に支持される。保持器３はシェル形外輪１よりも径が小さな略円筒状であり、針状ころ２の形状に応じて軸方向を向いた窓孔４が、円周方向に等間隔を空けて複数個空けられている。この窓孔４に収められた針状ころ２が、互いに等間隔を維持したまま回転する。シェル形針状ころ軸受１０は、多数の針状ころ２が、シェル形外輪１と中心を通る軸との間で荷重を支える。

【0016】

この発明にかかるシェル形針状ころ軸受１０は、シェル形外輪１の上記の幅面１ｂ、１ｃのうち少なくともどちらか一方の、外径側面及び内径側面の粗さが、内径側面よりも外径側面の方が粗い。ここでは、幅面１ｂが後述する製造手順において円筒状の底からなる例として説明する。この幅面１ｂの軸方向外側に位置する面を外径側面７ａ、この幅面の軸方向内側に位置する面を内径側面７ｂとする。なお、幅面１ｂだけでなく幅面１ｃも同様に粗さの条件を満たしていてもよい。

【0017】

その粗さについて説明する。この発明にかかるシェル形針状ころ軸受１０は、シェル形外輪１のどちらか一方の幅面１ｂの外径側面７ａの算術平均粗さＲａが、０．２μｍ以上１．５μｍ以下であることが望ましい。０．２μｍ未満であると深絞り成形時に油溜まりとなる部分が足りず、潤滑性が不足して焼き付きやすくなってしまう。一方で、１．５μｍを超えると、凹凸が強すぎるためにかえって深絞り成形がしにくくなってしまう。ただし、製造後の軸受としては外径側面７ａが粗いことによるデメリットは特にない。これに対して、この幅面１ｂの裏側となる内径側面７ｂの算術平均粗さＲａは、上記の外径側面７ａの算術平均粗さＲａよりも小さいことが必要であり、なおかつ０．３μｍ以下であると好ましい。

【0018】

この発明にかかるシェル形針状ころ軸受１０は、シェル形外輪１のどちらか一方の幅面１ｂの外径側面７ａの最大高さＲｚが、１．５μｍ以上１０．３μｍ以下であると好ましい。これに対して、対応する内径側面７ｂの最大高さＲｚは、上記の外径側面７ａの最大高さＲｚよりも小さいことが必要であり、なおかつ２．０μｍ以下であると好ましい。

【0019】

この発明にかかるシェル形針状ころ軸受１０は、シェル形外輪１のどちらか一方の幅面１ｂの外径側面７ａの最大谷深さＲｖが、１．０μｍ以上４．０μｍ以下であると好ましい。これに対して、対応する内径側面７ｂの最大谷深さＲｖは、上記の外径側面７ａの最大谷深さＲｖよりも小さいことが必要であり、なおかつ１．０μｍ以下であると好ましい。

【0020】

この発明にかかるシェル形針状ころ軸受１０は、シェル形外輪１のどちらか一方の幅面１ｂの外径側面７ａの山谷の偏り度Ｒｓｋが、－１．９μｍ以上１．６μｍ以下であると好ましい。これに対して、対応する内径側面７ｂの山谷の偏り度Ｒｓｋは、－０．５μｍ以上０．８μｍ以下であると好ましい。

【0021】

この発明にかかるシェル形針状ころ軸受１０は、シェル形外輪１のどちらか一方の幅面１ｂの外径側面７ａの尖り度Ｒｋｕが、１．２μｍ以上４．６μｍ以下であると好ましい。これに対して、対応する内径側面７ｂの尖り度Ｒｋｕは、２．２μｍ以上５．４μｍ以下であると好ましい。

【0022】

シェル形外輪１の内径側の針状ころと接触する面の粗さは、端部形成後に追加で内径側を加工しない限り、内径側面７ｂの粗さに近いものとなる。このため、内径側面７ｂが粗すぎると、外輪として針状ころの転がりを阻害しやすくなるので、粗さが小さいほど好ましい。

【0023】

この発明にかかるシェル形針状ころ軸受１０のシェル形外輪１は、オーステナイト系ステンレス材からなる。オーステナイト系ステンレス材は、常温でオーステナイト構造を主な組織とするステンレス鋼である。耐腐食性に寄与するクロムと、オーステナイト構造に寄与するニッケルとを有する。例えばＳＵＳ３０４が代表的なオーステナイト系ステンレス材として挙げられ、本発明においても好適に採用できる。

【0024】

シェル形外輪１に用いられるオーステナイト系ステンレス材の成分としては、例えばＮｉが６．０質量％以上１７．０質量％以下、Ｃｒが１６．０質量％以上２６．０質量％以下含有し、残部が微量成分とＦｅであるものを選択できる。ここで微量成分としては、例えば、Ｃが０．０８質量％以下、Ｓｉが１．０質量％以下、Ｍｎが２．０質量％以下、Ｐが０．０４５質量％以下、Ｓが０．０３０質量％以下であるとよい。また、これら以外にも、ＭｏやＣｕやＮを、シェル形針状ころ軸受の効果を阻害しない範囲で添加されていてもよい。

【0025】

シェル形針状ころ軸受１０の製造手順を、図２（ａ）及び（ｂ）を用いて説明する。まず、所定の配合比となるように調製したオーステナイト系ステンレス材の素材を用意する（Ｓ１１）。素材の成分としては、上記の例に示すＣｒとＮｉを含有するステンレス鋼が挙げられる。用意する素材の材料段階での硬さは２００ＨＶ以下であると好ましい。

【0026】

用意した素材を、まず熱間圧延（Ｓ１２）して、オーステナイト系ステンレス材の組織を維持したまま粗圧延してシート状にする。このシート状にした素材を冷却した後、さらに冷間圧延（Ｓ１３）して表面を平滑にした帯鋼とする。この帯鋼に対して、少なくとも一方の面にダル仕上げ（Ｓ１４）を行って表面を粗くする。ここで一方の面とは、後述の深絞り成形により、外径側面７ａとなる面である。

【0027】

ダル仕上げした段階での上記の一方の面の算術平均粗さＲａは、１．１μｍ以上３．６μｍ以下であると好ましい。最大高さＲｚは６．０μｍ以上１４．８μｍ以下であると好ましい。最大谷深さＲｖは３．１μｍ以上８．１μｍ以下であると好ましい。山谷の偏り度Ｒｓｋは－１．４μｍ以上０．９μｍ以下であると好ましい。尖り度Ｒｋｕは１．５μｍ以上２．７μｍ以下であると好ましい。このように外径側面となる面が粗くしてあることにより、深絞り成形時に油溜まりとなる部分が十分に確保でき、潤滑性を確保して焼き付きを防ぎやすくなる。なお、粗すぎると凹凸が強すぎるためにかえって深絞り成形しにくくなるので、いずれも粗すぎないことが好ましい。

【0028】

一方、内径側面となる他方の面はダル仕上げを行わず、冷間圧延鋼が通常有する水準の粗さであるとよい。例えば算術平均粗さＲａが０．０４μｍ以上０．１０μｍ以下であると好ましく、かつ最大高さＲｚが１．５０μｍ以下であると好ましい。その程度の平滑性が確保できれば、シェル形外輪１に加工した後の軌道面１ｄの粗さが軸受軌道面として使用可能な精度を確保しやすい。

【0029】

このように一方の面と他方の面との粗さが異なるようにした帯鋼（Ｓ２１）を、多段の深絞りにより、図３（ａ）に示すような円筒状に変形させる（Ｓ２２）。軸受としての精度を確保するためには、多段として５回以上で行うことが好ましい。深絞り成形の中で、外輪の板厚を減少させて最終的な軸受精度を確保する工程、いわゆるシゴキ加工は軸受の加工において１～３回程度行うのが一般的である。しかし、シゴキ加工では外輪外径と金型内径が強く擦れるため、外輪１の外径面１ａの粗さが滑らかになり加工中に油膜不足となり加工不具合になりやすい。加工硬化を伴い局所的な接触面圧の上昇が起きやすいオーステナイト系ステンレス材ではこの現象が顕著である。そのため、シゴキ加工の回数は少ない方が好ましい。このように、段階的に深絞り成形することにより、難加工材であるオーステナイト系ステンレス材の成形が可能となる。その際、外輪の材料板厚ｔｍｍに対し、完成品の外輪軌道面板厚が０．６ｔｍｍ以上０．９ｔｍｍ以下となるように加工すると、軸受精度を確保するという観点から好ましい。

【0030】

多段の深絞りにより円筒状に成形した後、底面５の中央部に貫通孔６を設けて開放させる（Ｓ２３）。この状態のシェル形外輪１付近の部分断面図を図３（ｂ）に示す。この形態はオープンエンド型の実施形態を製造するものである。ただし、この発明にかかるシェル形針状ころ軸受１０はオープンエンド型に限定されるものではなく、クローズエンド型でもよい。穿孔された側である一方の端部は、外径面１ａから内側へ折れ曲がった部分である幅面１ｂを残している。この発明にかかるシェル形針状ころ軸受１０は、この折れ曲がった部分である外輪の幅面１ｂにおいて、外径側面７ａが内径側面７ｂよりも粗くなっていることが必要であり、上記の条件を満たす粗さとなっているとよい。

【0031】

この端部が折れ曲がった幅面１ｂにひっかかるように、針状ころ２を保持器３で保持して、シェル形外輪１の内部に組み込む（Ｓ２４）。この組み込んだ状態の部分断面図を図３（ｃ）に示す。

【0032】

シェル形外輪１の内部に針状ころ２と保持器３を組み込んだ後で、シェル形外輪１の他方の端部を曲げて鍔部を形成し、針状ころ２と保持器３が抜けないようにして組み立てが完了する（Ｓ２５）。この端部を折り曲げてもう一方の幅面１ｃを形成させた状態の部分断面図を図３（ｄ）に示す。なお、図では保持器３が１つである実施形態を示しているが、保持器３が軸方向に複数個並んだ実施形態でもよい。

【0033】

この発明にかかるシェル形針状ころ軸受１０は、シェル形外輪１に用いたオーステナイト系ステンレス材が硬化したものであるため、上記の組み立て完了後に、熱処理を行わなくても必要な硬度を実現できる。ただし、必要に応じて熱処理を実施してもよい。また、外輪深絞りや貫通孔加工時に生じるバリ除去などを目的とした表面仕上げ加工を実施してもよい。

【0034】

また、シェル形外輪１の厚みは０．４ｍｍ以上１．０ｍｍ以下であると、強度と加工のしやすさの点から望ましい。

【0035】

また、この発明にかかるシェル形針状ころ軸受１０は、上記の部品の他にシールを有していてもよく、グリースが封入されていてもよい。

【0036】

シェル形外輪１の軌道面１ｄの硬さはＨＶ３００以上であると好ましく、ＨＶ４００以上であるとより好ましい。硬度が低すぎると軸受の寿命が短くなりすぎてしまう。従来の鉄製外輪の表面硬さはＨＶ７５０程度であるが、高速回転用ではなく、開閉するバルブの摺動を支える用途では回転数が少なく低ラジアル荷重であるためそこまでの硬さを必要としない。この発明にかかるシェル形針状ころ軸受１０を用いて支持するバルブとしては、例えば自動車用電子スロットルボディ（ＥＴＢ）や排ガス再循環装置（ＥＧＲ）のバルブが挙げられる。この発明にかかるシェル形針状ころ軸受は耐腐食性に優れたオーステナイト系ステンレス材であるため、自動車の排ガスに曝されるＥＴＢやＥＧＲのバルブであっても好適に使用できる。

【0037】

ＥＧＲのバルブをシェル形針状ころ軸受１０で支える形態例を図４に示す。ハウジング２０には排気ガス流路２１が設けられており、この排気ガス流路２１内にバルブ１３が設けられ、バルブ１３の回動に応じて排気ガス流路２１が開閉される。バルブ１３は回転軸１１に連結固定されている。この回転軸を、玉軸受１５とともにシェル形針状ころ軸受１０が支えている。この発明にかかるシェル形針状ころ軸受１０は、ハウジング２０に組み込む際にも変形しにくく、排気ガス流路２１から流れ込む排気ガスに曝されても耐腐食性を発揮できる。

【0038】

また、ＥＴＢのバルブをシェル形針状ころ軸受１０で支える形態例を図５に示す。スロットルバルブ装置３１は、内部に吸気通路が形成されたスロットルボディ３２を有する。このスロットルボディ３２であるハウジングに、２つのシェル形針状ころ軸受１０が圧入されている。シェル形針状ころ軸受１０がシャフト３３を支持し、シャフトに固定されたバルブ３４の回転を支える。吸気通路に導入された排ガス成分と接触しても、シェル形針状ころ軸受１０は耐腐食性を発揮する。

【符号の説明】

【0039】

１ シェル形外輪
１ａ 外径面
１ｂ、１ｃ 幅面
１ｄ 軌道面
２ 針状ころ
３ 保持器
４ 窓孔
５ 底面
６ 貫通孔
７ａ 外径側面
７ｂ 内径側面
１０ シェル形針状ころ軸受
１１ 回転軸
１３ バルブ
１５ 玉軸受
２０ ハウジング
２１ 排気ガス流路
３１ スロットルバルブ装置
３２ スロットルボディ
３３ シャフト
３４ バルブ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】