JP2019074196A - シール付玉軸受 - Google Patents

Abstract

【課題】軸受内部への所定粒径の異物侵入を防ぎつつ、軸受の高速運転に対応可能としながら、シールトルク及びグリースの攪拌抵抗を抑えて、シール付玉軸受の低トルク化を図る。【解決手段】軸受内部空間２と外部とを区切るシール部材６のシールリップ７に突起９を形成する。突起９に対して周方向に摺動するシール摺動面８と、シールリップ７との間には、突起９により、軸受内部空間２と外部とに連通し、かつ所定粒径の異物にとって通過不可な油通路１４が生じさせられる。軸受内部空間２に封入されたグリース１０の量を軸受全空間体積の１〜１０％にする。軸受回転中、外部から供給される潤滑油は、油通路１４を通って軸受内部空間２に流入する。突起９とシール摺動面８間でくさび効果が生じ、シールリップ７とシール摺動面８との間が流体潤滑状態となる。【選択図】図１

Description

この発明は、軸受内部にグリースが封入されたシール付玉軸受に関する。

例えば、自動車、各種建設用機械等の車両に搭載されたトランスミッション内にはギアの摩耗粉等の異物が混在する。このため、シール部材により、軸受内部空間への異物侵入を防ぎ、転がり軸受の早期破損を防止することが行われている。

また、転がり軸受の低トルク性が重視される用途では、ころ軸受に比して低トルクで回転する玉軸受が採用されている。

軸受の早期破損を防止することと低トルク性の両立が求められる用途、例えば車両のトランスミッション、デファレンシャル等の回転部を支持する用途では、内外の軌道輪によって形成される環状の軸受内部空間と外部との間をシール部材で区切ったシール付玉軸受が採用されている。その軸受内部空間には、初期潤滑剤としてグリースが封入されている。

一般的なシール部材は、ゴム状材料等で形成されたシールリップを有する。軌道輪、スリンガ等、シール部材に対して周方向に回転する軸受部品には、シールリップを滑り接触させるシール摺動面が形成されている。シールリップとシール摺動面が全周に亘って滑り接触する。

また、シール部材は、取り付け相手部材に嵌る周縁部を有する。その周縁部には、軸受内部空間と外部とに連通するスリットが形成されている。軸受回転中、シールリップとシール摺動面が全周に亘って滑り接触するが、外部から供給される潤滑油がスリットから軸受内部空間へ流入し、グリースが外部へ流出する。

シールリップとシール摺動面が全周で滑り接触すると、シールリップの引き摺り抵抗（シールトルク）が発生し、軸受トルクの一因となる。また、その滑り接触の摩擦は、軸受の温度上昇を促進する。この温度上昇が進むと、軸受内部空間及び外部間の圧力差による吸着作用を招き、その摩擦が大きくなる。

従来、シールトルクを抑えるため、シール摺動面にショットピーニングを施すことにより、最大粗さＲｙ２．５μｍ以下の微小凹凸を有するシール摺動面とし、その凹部に貯留した潤滑油によりシールリップ及びシール摺動面間の油膜形成を促進することが提案されている（特許文献１）。

特開２００７−１０７５８８号公報

しかしながら、車両等に対する省エネルギ化の要求は高まるばかりであり、それに組み込まれるシール付玉軸受に対しても一層の低トルク性が要求されている。

特許文献１のようなショットピーニングによる低トルク化は、シールリップとシール摺動面間のすべり面積を低減させることでもたらされているが、その低減に限界があるので、達成し得る低トルク化が限られていた。

また、軸受運転の初期は、潤滑油の温度が比較的低いため、潤滑油の粘度が比較的高く、油膜を形成し易い潤滑条件にあるが、運転継続で油温が上昇して粘度が低下すると、油膜が切れ易い潤滑条件となる。軸受を高速運転する程、シールリップに対するシール摺動面の相対的な周速が大となり、シールリップ及びシール摺動面間の摩擦に伴う発熱が大となるので、油温上昇やシールリップの摩耗が進み易くなる。このため、シール付玉軸受の高速運転や許容回転速度には、潤滑条件から限界がある。電気自動車（ＥＶ）では、駆動系の回転部を支持するシール付玉軸受の高速運転の要求が強いが、ショットピーニングによる低トルク化では要求に応えきれない。

シール部材と、これに対して周方向に回転する軸受部品との間に締め代を設定せず、シール部材を軸受部品に対して完全に非接触とすれば、シールトルクを無くすことは可能である。その代わり、シール部材及び軸受部品間の隙間の大きさについて所定粒径の異物侵入を防止できるような各種誤差の管理が難しくなる。

また、軸受内部空間では、玉や保持器によってグリースが攪拌される。そのグリースの攪拌抵抗も軸受トルクの一因となる。このため、シール付玉軸受の低トルク化には、グリースの攪拌抵抗を抑えることが好ましい。

上述の背景に鑑み、この発明が解決しようとする課題は、軸受内部への所定粒径の異物侵入を防ぎつつ、軸受の高速運転に対応可能としながら、シール付玉軸受の低トルク化を図ることである。

上記の課題を達成するため、この発明は、内輪と、前記内輪との間に環状の軸受内部空間を形成する外輪と、前記内輪と前記外輪との間に介在する複数の玉と、前記複数の玉を保持する保持器と、前記軸受内部空間と外部との間を区切るシール部材と、前記シール部材に設けられたシールリップと、前記シールリップに対して周方向に摺動するシール摺動面と、前記シールリップの少なくとも周方向一箇所に形成され、前記軸受内部空間及び外部間に亘って連通する油通路を前記シール摺動面及び当該シールリップ間に生じさせる突起と、前記軸受内部空間に封入されたグリースと、を備え、前記シールリップには、当該シールリップ及び前記シール摺動面間を流体潤滑状態にすることが可能な態様で前記突起が形成されており、前記グリースの量が軸受全空間体積の１〜１０％であるシール付玉軸受に構成したものである。ここで、軸受全空間体積は、内輪と外輪とシール部材によって囲まれた軸受内部空間の体積から全ての玉及び保持器の体積を差し引いた体積のことをいう。

上記構成によれば、シール摺動面及びシールリップ間において突起による油通路が生じ、油通路内の潤滑油が軸受回転に伴ってシール摺動面及びシールリップ間にくさび効果で引きずり込まれ、この間での油膜形成を促進する。このため、シールリップ及びシール摺動面間が流体潤滑状態となる。流体潤滑状態では、シールトルクを実質的に零に近づけ、シールリップが実質的に摩耗せず、シールリップ及びシール摺動面間の摺動による発熱を抑えることができる。したがって、シールリップに対するシール摺動面の相対的な周速として許容し得る速度も高くなり、従来では達成できなかったシール付玉軸受の高速運転の要求にも応えることが可能となる。また、油通路を通過可能な異物の粒径は、突起の高さに基づいて定めることができる。従い、侵入を防止すべき粒径を任意に定め、その所定粒径の異物が油通路から侵入しないようにすることが可能である。さらに、軸受内部空間と外部との間の通油性が油通路によって向上するため、転がり軸受の温度上昇が抑制され、ひいては、吸着作用も防止される。また、軸受内部空間と外部との間の通油性が向上すれば、初期潤滑剤として軸受内部空間に封入すべき初期封入グリースの量が少なくなる。その初期封入グリースの量を軸受全空間体積の１〜１０％に抑えることにより、グリースの攪拌抵抗が抑えられる。

好ましくは、前記シール摺動面の算術平均粗さＲａが１．０μｍ以下であるとよい。ここで、算出平均粗さＲａは、日本工業規格のＪＩＳ Ｂ ０６０１：２０１３において規定された算術平均粗さＲａのことをいう。シール摺動面の算術平均粗さＲａが１．０μｍ以下であれば、良好な流体潤滑状態を実現することができる。

上述のように、この発明は、上記構成の採用により、軸受内部空間への所定粒径の異物侵入を防ぎつつ、軸受の高速運転に対応可能としながら、シールトルク及びグリースの攪拌抵抗を抑えて、シール付玉軸受の低トルク化を図ることができる。

この発明の実施形態に係るシール付玉軸受を示す断面図 図１の図中右側のシール部材のシールリップ付近の拡大図 図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線の拡大断面図 実施形態に係るシールリップを軸方向から示す部分正面図 実施形態における流体潤滑モードの検討結果を示す潤滑領域図 図１のシール付玉軸受を備えるトランスミッションの一例を示す断面図

この発明の一例としての実施形態を図１〜図６に基づいて説明する。
図１に示すこのシール付玉軸受１００は、内輪１と、内輪１との間に環状の軸受内部空間２を形成する外輪３と、内輪１と外輪３との間に介在する複数の玉４と、これら複数の玉４を保持する保持器５と、軸受内部空間２と外部との間を区切る一対のシール部材６と、シール部材６に設けられたシールリップ７と、シールリップ７に対して周方向に摺動するシール摺動面８と、シールリップ７に形成された複数の突起９と、軸受内部空間２に封入されたグリース１０（図中にドット模様で示す。）と、を備える。

以下、シール付玉軸受１００の設計上の回転中心である軸受中心軸に沿った方向を「軸方向」という。軸方向に直交する方向を「径方向」という。軸受中心軸回りの円周方向を「周方向」という。

内輪１と外輪３は、それぞれ鋼製の軌道輪からなる。内輪１は、外側に軌道溝１１を有する。外輪３は、内側に軌道溝１２を有する。軸受内部空間２は、同軸に配置された内輪１の外周と外輪３の内周とによって規定される環状空間である。複数の玉４は、内側の軌道溝１１と外側の軌道溝１２との間に介在しながら公転する。保持器５は、複数の玉４を周方向に等配する環状の軸受部品になっている。内輪１、外輪３、複数の玉４及び保持器５は、単列の深溝玉軸受を構成している。

内輪１は、回転軸２００に取り付けられ、回転軸２００と一体に回転する。回転軸２００は、例えば、車両のトランスミッション又はデファレンシャルの回転部として設けられる。外輪３は、ハウジング、ギア等、前記回転軸からの荷重を負荷させる部材に取り付けられる。

外輪３の内周の端部に、シール部材６を保持するシール溝１３が形成されている。シール部材６は、その外周縁をシール溝１３に圧入することにより、外輪３に取り付けられる。

シール部材６のシールリップ７は、シール部材６の内周側で舌片状に突き出ている。シールリップ７は、ラジアルリップになっている。ここで、ラジアルリップは、軸方向に沿ったシール摺動面又は軸方向に対して４５°以内の鋭角の勾配をもったシール摺動面と密封作用を奏するシールリップであって、当該シール摺動面との間に径方向の締め代をもったもののことをいう。

シール摺動面８は、内輪１の外周に形成されている。シール摺動面８は、周方向全周に連続する円筒面状になっている。

図１のシール部材６のシールリップ７付近を図２に拡大して示す。図１、図２に示すように、シールリップ７の突起９は、軸受内部空間２及び外部間に亘って連通する油通路１４をシール摺動面８及びシールリップ７間に生じさせる。

シールリップ７に複数の突起９を形成しておけば、シールリップ７とシール摺動面８間のすべり面積が低減する。ここで、シールリップ７とシール摺動面８間の摩擦トルクＴは下の式１のように表されるので、すべり面積が低減すると、摩擦トルクＴが低減することが分かる。

シール部材６は、金属板製の芯金１５と、芯金の少なくとも内径部に付着した加硫ゴム材１６により形成されている。芯金１５は、周方向全周に連続する環状に形成されたプレス加工部品になっている。加硫ゴム材１６は、加硫成形されたゴム部になっている。シールリップ７は、加硫ゴム材１６により形成されている。加硫ゴム材としては、例えば、耐熱性、耐薬品性に優れたＡＣＭ（ポリアクリルゴム）、ＮＢＲ（ニトリル・ブタジエンゴム）、耐熱性に優れたＨＮＢＲ（水素化アクリロニトリル・ブタジエンゴム）、ＥＰＤＭ（エチレンプロピレンゴム）等が挙げられる。さらに他の加硫ゴム材として、例えば、ＦＫＭ（フッ素ゴム）、シリコンゴム等が挙げられる。

シール部材６は、例えば、芯金１５を型に入れて加硫ゴム材１６を加硫成形することにより、一体の部品として製造される。その加硫成形時に突起９がシールリップ７に形成される。加硫ゴム材１６は、芯金１５の全体に付着させてもよいし、芯金１５の内径部のみに付着させてもよい。

軸受内部空間２に対してシール部材６を境界とした外部側には、ギアの摩耗粉、クラッチの摩耗粉、微小砕石等、シール付玉軸受１００の組み込み先に応じた異物が存在する。このような粉状の異物は、潤滑油や雰囲気の流れによってシール部材６付近に到達し得る。シール部材６は、外部から軸受内部空間２への異物侵入を防止する。

軸受内部空間２に封入されたグリース１０は、シール付玉軸受１００の使用開始まで軸受内部空間２内で内輪１、外輪３等の鋼製部品を防錆することと、その使用開始当初、外部から潤滑油がシール付玉軸受１００に供給されるまで内輪１、外輪３、各玉４、保持器５、各シール部材６を潤滑することとを目的とした初期潤滑剤である。

グリース１０としては、耐フレッティング性が良好で、防錆性能に優れたものを採用することが好ましい。具体的には、基油が鉱油系、増ちょう剤がウレア等の非石けん系、添加剤としてスルフォネート系の防錆剤およびフェノール系の酸化防止剤が含まれたグリース、例えば、パイロックユニバーサルＮ６Ｃ（商品名；ＪＸエネルギー製）が挙げられる。グリース１０の基油の動粘度は、４０℃で１００ｍｍ^２／ｓ以下である。

シール付玉軸受１００の回転中、外部から潤滑油が跳ね掛け、オイルバス等の適宜の手段により供給される。その潤滑油は、シールリップ７とシール摺動面８との間から軸受内部空間２に入り込む。また、軸受内部空間２内の潤滑油やグリース１０は、シールリップ７とシール摺動面８との間から外部へ排出される。

図２中のＩＩＩ−ＩＩＩ線の断面図を図３に示す。この断面は、シールリップ７とシール摺動面８との間における隙間（油通路１４を含む）について、設計上、シール摺動面８との直交方向に最も狭いところでの様子を示すものである。また、シールリップ７を軸受内部空間側から軸方向に視たときの外観を図４に示す。図４は、図１に示すシール部材６の単独かつ自然な状態におけるシールリップ７の外形を描いたものである。ここで、自然な状態は、単独の状態にあるシール部材に外力が作用していない、すなわち当該シール部材が外力によって変形していない状態のことをいう（以下、この状態のことを単に「自然状態と呼ぶ」。）。

図２〜図４に示すように、シールリップ７の突起９は、シール摺動面８との直交方向、すなわちシール摺動面８に接する接線に垂直な法線方向に高さをもっている。シール摺動面８が軸受中心軸を中心とした円筒面状なので、これとの直交方向は、径方向に相当する。

シールリップ７及びシール摺動面８間に径方向の締め代が設定されている。この締め代により、シール摺動面８に径方向に押し付けられたシールリップ７が外部側へ曲がったゴム状弾性の変形を生じ、シールリップ７の緊迫力を生む。シール部材６の取り付け誤差、製造誤差等は、シールリップ７の曲がり具合の変化によって吸収される。

図４に示すように、シールリップ７は、自然状態においてシールリップ７の内径を規定する先端１７を有する。図２〜図４に示すように、突起９は、周方向と直交する向きに延びている。突起９は、シールリップ７の先端１７まで及んでおり、シール摺動面８との間に径方向の締め代をもった範囲の概ね全域に亘って延びている。

突起９は、シールリップ７の先端１７に向かって次第に低くなる形状となっている。このように、突起９がシールリップ７の先端１７に向かって次第に低くなる形状であれば、先端１７上のパーティングラインにおいてバリを発生しにくくすることができる。

突起９は、周方向幅ｗの両端から周方向幅ｗの中央に向かって次第にシール摺動面８に接近するＲ形状になっている。このＲ形状は、突起９の放射方向の全長に亘って与えられている。このため、突起９とシール摺動面８とが摺動接触し得る領域は、突起９の周方向幅ｗの中央を通る仮想アキシアル平面Ｐａｘ上に線状で存在する。突起９のＲ形状の曲率中心は、仮想アキシアル平面Ｐａｘ上にある。突起９の曲率半径Ｒ_１や曲率中心については、突起９をシールリップ７の先端１７に向かって次第に低くするため、シールリップ７の先端１７に向かって次第に曲率半径Ｒ_１の寸法を拡大し、かつ曲率中心を外部側へ移している。

突起９は、周方向に一定の間隔ｄで並んでいる。シールリップ７を軸方向から視た外観で考えると、複数の突起９が、間隔ｄに対応の一定のピッチ角度θで周方向に配置された放射状となって現れている。なお、放射中心は、図外のシール部材６の中心軸（軸受中心軸に一致）上にある。

放射状に配置された突起９間の間隔ｄ及び突起９の周方向幅ｗは、シールリップ７が各突起９上でのみシール摺動面８と摺動接触し得るものとなり、各突起９間に油通路１４が常に生じさせられるように設定されている。すなわち、シール部材６の取り付け時、シール摺動面８に接触する突起９がシールリップ７の緊迫力に抗して突っ張ることにより、突起９を境とした周方向両側において軸受内部空間２及び外部間に亘って連通する油通路１４が生じる。

油通路１４を通過可能な粒径は、突起９のシール摺動面８との直交方向の高さｈに基づいて定めることができる。従い、侵入を防止すべき粒径を任意に定め、その所定粒径の異物が油通路１４から軸受内部空間２へ侵入しないようにすることが可能である。

軸受の早期破損原因となるような摩耗粉は、粒径５０μｍ（０．０５ｍｍ）を超えるような異物である。突起９の高さｈを０．０７ｍｍ以下に設定しておけば、そのような摩耗粉が通過できない油通路１４を生じさせることができる。なお、粒径５０μｍを超える異物の通過を防止するため、突起９の高さｈは０．０４ｍｍ以下に設定することが好ましいが、公差を考慮して、０．０７ｍｍ以下と設定している。また、突起９の高さｈを０．０７ｍｍに設定することで、油通路１４の通油性を良好にすることができる。

突起９及びシール摺動面８間に生じる隙間は、油通路１４に周方向に近い側が大、突起９に周方向に近い側が小となるくさび状に形成されている。突起９の表面は、前述のくさび状に対応の曲面となっている。図３に示すように、内輪１の回転に伴い、シール摺動面８がシールリップ７に対して周方向に回転するとき（同図中に回転方向を矢線Ａで示す。）、油通路１４内の潤滑油（図中にドット模様で示す。）は、シール摺動面８の回転に伴ってシール摺動面８及び突起９間に引きずり込まれ、この間での油膜形成を促進する。このため、シールリップ７とシール摺動面８間の摩擦係数（μ）が低下し、シールトルクが低減する。さらに、軸受内部空間２及び外部間の通油性は、多数の油通路１４によって向上する。このため、シール付玉軸受１００の温度上昇が抑制され、ひいては、シールリップ７の吸着作用も防止される。

本願発明者が上述の通油性を確認する試験を実施したところ、１００ｍｌの潤滑油がシールリップ７とシール摺動面８間を貫通するのに必要な時間は、５００秒以下であった。一方、従来品（シールリップとシール摺動面が周方向全周で接触し、シール部材の外径部の一箇所に通油用の小さなスリットを形成したもの）でも同様の試験を実施したが、１００ｍｌの潤滑油がシールリップとシール摺動面間を貫通するのに必要な時間は、３７００秒を超えた。すなわち、シール付玉軸受１００では、従来品の約８倍の通油性を実現することができる。

このように良好な通油性がある場合、外部からシール付玉軸受１００の側面に供給される潤滑油で軸受内部空間２内を速やかに潤滑することができる。このため、軸受内部空間２に当初に封入するグリース１０の量を軸受全空間体積の１％以上１０％以下の範囲に抑えることが可能となる。この軸受全空間体積は、一対のシール部材６によって外部と区切られた軸受内部空間２の体積から、全ての玉４および保持器５の体積を差し引いた体積に相当する。軸受全空間体積の１０％以下という少量のグリース１０が軸受内部空間２に封入された状態からシール付玉軸受１００の使用が開始されるので、シール付玉軸受１００の回転中、グリース１０が玉４や保持器５によって攪拌され難くなり、グリース１０の攪拌抵抗が抑えられる。

このシール付玉軸受１００は、車両のトランスミッション内の回転部を支持する用途を想定している。車両のトランスミッション内に存在するシール付玉軸受への給油は、一般に、ギアの回転による跳ね掛け、オイルバス、ノズル噴射等の適宜の方式で行われる。よって、シール付玉軸受の内輪もしくは外輪に固定されるシール部材のシールリップ周辺には、潤滑油が存在している。給油される潤滑油は、トランスミッション内に存在するギア等の他の潤滑部分でも共通に用いられるものである。その潤滑油は、オイルポンプで循環されており、その循環経路に設けられたオイルフィルタによって濾過される。

本願の発明者は、車両で使用された潤滑油を車両の走行距離別に回収し、それら使用済み潤滑油に混ざっている異物の数、異物の粒径の分布、異物の材料を調べた。潤滑油は、オーマチックトランスミッション（ＡＴ）又はマニュアルトランスミッション（ＭＴ）の車両８台、無段変速機（ＣＶＴ）の車両１０台から回収した。回収対象とした車両のメーカー、車種、走行距離はばらばらである。ギアが多用されるＡＴ／ＭＴの方がＣＶＴよりも異物の粒径、異物の数ともに多い傾向が認められたが、変速機形式を問わず、異物の粒径の分布としては、５０μｍ以下のものが９９．９％以上を占めた。粒径５０μｍを超える異物の数は、走行距離が大きくなっても、ＡＴ／ＭＴの場合で１０００個未満、ＣＶＴの場合で２００個未満であった。このことは、近年、オイルフィルタの性能が向上し、潤滑油中の異物が微細化している（つまり大きな粒径の異物がオイルフィルタで取り除かれる）ことを示している。なお、この分布の測定には、ハイアックロイコ社製の型番８０００Ａの測定器にて、微粒きょう雑物質量法を用いた。

一方、軸受内部の潤滑油が異物を含む場合に、その異物の粒径と軸受寿命との関係について調査を行なったところ、粒径の大きな異物が多くなる程に軸受寿命が低下する傾向は存在するが、近年のトランスミッション内の環境のように粒径５０μｍ以上の異物が少々存在する程度であれば、シールが無い状態で異物が軸受内に入っても、転がり軸受の寿命比（実際寿命の計算寿命に対する比）が、自動車のトランスミッションでの実用に十分耐えうる値（例えば７〜１０倍程度）を示すことが分かった。

つまり、車両のトランスミッションやデファレンシャル等の駆動系の回転部支持に用いられるシール付玉軸受に対し、オイルフィルタで濾過される潤滑油を給油する場合、粒径５０μｍを超えるような大きな異物が軸受内部へ侵入することをシール部材で防止する限り、潤滑油に含まれる粒径５０μｍ以下の異物が軸受内部に侵入することを許容しても軸受寿命に問題を起こさない、といえる。そして、これを許容するのならば、シールリップとシール摺動面間での潤滑油の流通を潤沢に確保し、前述のくさび効果と相俟ってシールリップとシール摺動面間を流体潤滑状態にすることが実現可能である。

そこで、図２、図３に示す突起９の高さｈは、シール摺動面８と摺動接触し得る範囲内において最も高い位置で０．０７ｍｍに設定されている。この位置は、各突起９とシール摺動面８との間に設定された締め代が最大となるところでもある。軸受運転中、油通路１４の径方向の大きさは、突起９の高さｈよりも大きくなることはなく、実質的に０．０７ｍｍを超えない。このため、粒径５０μｍを超える異物が外部の潤滑油に含まれていたとしても、その異物が油通路１４を通過することは略起こらない、と考えられる。

突起９とシール摺動面８との間のくさび状の隙間におけるくさび角度は狭小側に向かって次第に小さくなることから、突起９とシール摺動面８とが摺動接触し得る線状領域（仮想アキシアル平面Ｐａｘ上）に近いところ程、くさび効果が強く生じる。したがって、その線状領域での油膜の油圧をより効果的に高め、突起９をシール摺動面８から完全に離れさせ、その線状領域での油膜を厚く生じさせ、突起９とシール摺動面８との間の潤滑状態を流体潤滑状態にすることが容易になる。

ここで、突起９とシール摺動面８との間を完全に分離させる油膜があれば、突起９に対してシール摺動面８が直接に接触しない状態で摺動する流体潤滑状態となる。このような油膜を各突起９とシール摺動面８との間で保つことにより、シールリップ７とシール摺動面８との間を流体潤滑状態にすることができる。

その流体潤滑状態を容易に実現するため、シールリップ７とシール摺動面８との間の締め代に基づくシールリップ７の緊迫力をなるべく弱く設定する方がよい。このため、シールリップ７のうち、外部側への曲げ変形を与える腰部をなるべく薄く形成している。

また、シール摺動面８の算術平均粗さＲａを小さくする方が、流体潤滑状態とするのに必要な油膜の厚さが小さくさなる。このため、シール摺動面８の算術平均粗さＲａは、１．０μｍ以下とされている。具体的には、シール摺動面８の算術平均粗さＲａは、０．０１μｍ以上１．０μｍ以下に設定されている。

また、周方向に隣り合う突起９間の間隔ｄが小さい程、つまり突起９の数が多い程、シールリップ７に対してシール摺動面８が相対的に周方向に回転したとき、１回転当りの突起９の通過回数が多くなり、シール摺動面８の周方向全周に亘って油膜が連続する状態に保たれ、各突起９との間のくさび効果が途絶えることなく生じ易くなるので、流体潤滑状態を保ち易くなる。

また、突起９の曲率半径Ｒ_１が大きい方が、くさび効果が発生し易くなる。シール付玉軸受１００の実使用環境下に近い温度８０℃におけるトルクについて、様々な突起９の曲率半径Ｒ_１の寸法でシール付玉軸受１００のトルク測定試験を行ったところ、突起９の曲率半径Ｒ_１が１．５ｍｍのときは、曲率半径Ｒ_１が０．２ｍｍ又は０．８ｍｍのときと比較してトルクが最小の値となった。突起９の曲率半径Ｒ_１が１．８ｍｍのときも、０．２ｍｍ又は０．８ｍｍのときと比較してトルクが小さくなった。くさび効果を発生し易く、かつ、低トルクを実現するため、公差を考慮して、突起９の曲率半径Ｒ_１は、１．５ｍｍ以上２．０ｍｍ以下の値が好ましい。

突起９とシール摺動面８間の油膜厚さが薄すぎると摩擦係数μが増大し、逆に厚すぎると異物の侵入抑制効果を悪化させる可能性が出てくるので、シール摺動面８の最大高さ粗さＲｚを上回る油膜厚さで適切に設定すればよい。ここで、最大高さ粗さＲｚは、ＪＩＳ規格のＢ０６０１：２０１３で規定された最大高さ粗さのことをいう。

通常、シール摺動面８の最大高さ粗さＲｚの値は、シール摺動面８の算術平均粗さＲａの約４倍になる。すなわち、シール摺動面８の算術平均粗さＲａが１．０μｍの場合、油膜厚さが４．０μｍを超えれば流体潤滑状態になると考えられる。

本願発明者は、突起９の高さｈが０．０７ｍｍの前提で、突起９間の間隔ｄが０．３ｍｍ以上２．６ｍｍ以下、突起９の周方向幅ｗが０．２ｍｍ以上１．０ｍｍ以下、かつ突起９の曲率半径Ｒ_１が０．１５ｍｍ以上２．０ｍｍ未満の範囲で突起９とシール摺動面８間の理論油膜厚さを計算した。その計算は、シールリップ７に対してシール摺動面８が相対的に周方向に回転する速度（周速）を０．０２〜２０．２ｍ／ｓの範囲で行なった。また、その計算は、潤滑油として、ＣＶＴのプーリとベルトの潤滑を行うＣＶＴＦを想定し、油温３０℃の場合と、油温１２０℃の場合とで行なった。その結果、これらの使用条件であれば、計算上、Ｇｒｅｅｎｗｏｏｄ−Ｊｏｈｎｓｏｎの決めた無次元数である粘性パラメータｇＶと弾性パラメータｇＥに基づく線接触の場合の潤滑領域図において、等粘度-剛体領域（Ｒ−Ｉモード）又は等粘度-弾性体領域（Ｅ−Ｉモード，ソフトＥＨＬ）のいずれかの潤滑モードに分布することが分かった。さらに、本願発明者は、突起９間の間隔ｄと、突起９及びシール摺動面８間の理論油膜厚さとの関係を計算で求め、また、突起９の曲率半径Ｒ_１と、突起９及びシール摺動面８間の理論油膜厚さとの関係を計算で求めた。理論油膜厚さは、Ｒ−ＩモードにおいてＭａｒｔｉｎの最小膜厚計算式を用い、Ｅ−ＩモードにおいてＨｅｒｒｅｂｒｕｇｈの最小膜厚計算式を用いた。

上述の計算の結果、突起９間の間隔ｄが２．６ｍｍより小さい場合に油膜が厚くなる傾向があることが分かった。したがって、突起９間の間隔ｄは、２．６ｍｍ以下に設定することが好ましい。なお、突起９間の間隔ｄが０．３ｍｍ未満になると、シールリップ７を金型で成形することが困難になるので、間隔ｄを０．３ｍｍ以上に設定することが好ましい。

また、突起９の曲率半径Ｒ_１が大きくなる程、理論油膜厚さも大きくなる傾向があることが分かった。突起９の曲率半径Ｒ_１が０．１５ｍｍ以上の場合、計算上、５μｍ以上の油膜を形成可能であることが分かった。突起９の高さｈを０．０７ｍｍに設定する場合、金型で成形することを考慮すると、突起９の曲率半径Ｒ_１を０．１５ｍｍ以上２．０ｍｍ未満に設定することが好ましい。また、突起９の高さｈを０．０７ｍｍに設定する場合、突起９の周方向幅ｗが曲率半径Ｒ_１に依存するので、突起９の周方向幅ｗを０．２ｍｍ以上１．０ｍｍ以下に設定することが好ましい。

これまでの計算結果等を踏まえ、シール付玉軸受１００では、図２〜図４に示すような突起９の高さｈが０．０７ｍｍに設定され、突起９間の間隔ｄが０．３ｍｍ以上２．６ｍｍ以下に設定され、突起９の周方向幅ｗが０．２ｍｍ以上１．０ｍｍ以下に設定され、かつ突起９の曲率半径Ｒ_１が０．１５ｍｍ以上２．０ｍｍ未満の範囲に設定されており、これにより、シール摺動面８の周速０．２ｍ／ｓ以上においてシールリップ７及びシール摺動面８間を流体潤滑状態にすることが可能な態様で複数の突起９がシールリップ７に形成されている。なお、その周速０．２ｍ／ｓ未満のときは、突起９とシール摺動面８間が境界潤滑状態になる。周速０．２ｍ／ｓは、車両のトランスミッションにおいて停止から速やかに到達する速度であるから、軸受運転時間の略全時間においてシールリップ７及びシール摺動面８間を流体潤滑状態にすることができる。

また、流体潤滑状態を実現できるか否かは、油膜パラメータΛ＞３を満足するか否かの理論計算で検討してもよい。油膜パラメータΛは、下の式２で求められる。

合成粗さＲ_ｒｍｓ[μｍ]は、下の式３で求められる。

最小膜厚ｈ_ｍｉｎ[μｍ]は、潤滑モードに応じた式で求められる。例えば、Ｅ−Ｉモードでは、下の式４に示すＨｅｒｒｅｂｒｕｇｈの最小膜厚計算式で求められる。

大気圧下での流体の粘度η_０[Ｐａ・ｓ]は、下の式５で求められる。

平均速度ｕ[ｍ／ｓ]は、下の式６で求められる。

シール付玉軸受１００では、シール部材６が内輪１に対して静止する外輪３に固定されるため、ｕ_２＝０である。その外輪３に対して内輪１が回転することによるシール摺動面８の１分当たりの回転速度をＮ[ｍｉｎ^−１]とすると、式６を下の式７に変換してｕ[ｍ／ｓ]を求めることができる。

等価曲率半径Ｒ[ｍ]は、下の式８で求められる。

単位長さ当りの荷重Ｗ[Ｎ／ｍ]は、下の式９で求められる。

弾性パラメータｇＥは、下の式１０で求められる。

等価縦弾性係数Ｅ’は、下の式１１で求められる。

油膜パラメータΛによる検討を幾つかの条件で例示する。この検討の各条件において想定した内輪１、潤滑油の仕様は、次の通りである。
・内輪のシール摺動面の半径：３２．１３５ｍｍ
・内輪のヤング率：２１０ＧＰａ
・内輪のポアソン比：０．３
・潤滑油の動粘度（４０℃）：２６ｍｍ^２／ｓ
・潤滑油の動粘度（１００℃）：６．２２ｍｍ^２／ｓ
・潤滑油の密度：８４０ｋｇ／ｍ^３
・潤滑油の粘度の圧力係数：９．６×１０^−９Ｐａ^−１
・突起のピッチ角度：２°
・シールリップの全周緊迫力：１Ｎ
・シールリップのヤング率：３．２８×１０^−３ＧＰａ
・シールリップのポアソン比：０．４９９９

この検討の各条件における突起諸元、運転条件、最小膜厚を下の表１に示し、各条件における潤滑モードの計算結果を図５に示す。

上述の条件１〜７の最小膜厚において、油膜パラメータΛ＞３を満足すれば、流体潤滑状態であると見做せる。そこで、合成粗さＲ_ｒｍｓについて検討する。この検討において、突起９の算術平均粗さＲａは、加硫成型で得られる一般的な値を想定して０．１１μｍとする。シール摺動面８の算術平均粗さＲａが１．０μｍである場合、式３で求まる合成粗さＲ_ｒｍｓは、１．２６μｍとなる。条件１〜５において合成粗さＲ_ｒｍｓが１．２６μｍの場合、式２で求まる油膜パラメータΛは３．０３以上になる。条件６、７において合成粗さＲ_ｒｍｓが１．２６μｍの場合、式２で求まる油膜パラメータΛは、条件６のときに０．７８、条件７のときに０．６６になる。すなわち、条件１〜５では、シールリップ７とシール摺動面８との間が流体潤滑状態となるが、条件６〜７では流体潤滑状態とならないことが分かる。例えば、シール摺動面８の算術平均粗さＲａを０．２３８μｍ以下にすれば、条件６においても油膜パラメータΛを３以上にすることができる。

このシール付玉軸受１００は、上述のようなものであり、軸受寿命に悪影響を及ぼすような粒径の異物の軸受内部空間２への侵入をシール部材６によって防ぎつつ、シールリップ７及びシール摺動面８間の摺動の摩擦係数μを流体潤滑によって極限まで低減し、ひいては、シールトルクを顕著に低減して軸受回転トルクの低トルク化を著しく図ることができる（図１、図３参照）。

さらに、シール付玉軸受１００は、従来であればシールリップの摩耗やシールリップ及びシール摺動面間の摺動による発熱の問題が起こるようなシール摺動面８の周速（例えば３０ｍ／ｓ以上）で運転される場合において、シールリップ７及びシール摺動面８間を直接接触のない流体潤滑状態とすることが可能なため、シールリップ７の摩耗を実質的に無くすと共に前述の発熱も抑えることができる。このため、シール付玉軸受１００は、従来達成できなかった高速運転の要求にも対応することが可能である。

さらに、シール付玉軸受１００は、軸受内部空間２と外部との間の通油性がシールリップ７とシール摺動面８間の油通路１４によって向上するため、初期潤滑剤として軸受内部空間２に封入すべきグリース１０の量を少なくし、軸受全空間体積の１〜１０％に抑えているので、軸受回転中、玉４や保持器５によって攪拌されるグリース１０の攪拌抵抗が抑えられる。

さらに、シール付玉軸受１００は、シール摺動面８の算術平均粗さＲａが１．０μｍ以下であるので、合成粗さＲ_ｒｍｓの値を抑え、良好な流体潤滑状態を実現することができる。

したがって、シール付玉軸受１００は、良好な流体潤滑状態によるシールトルクの極限の低減と、グリース１０の攪拌抵抗の抑制とによって、低トルク化を図ることができる。軸受内部空間２に封入されたグリース１０の量とシール摺動面８の算術平均粗さＲａとの関係について評価した結果を下の表２に示す。

表２の評価は、シール付玉軸受１００の低トルク性能を四段階に分けて評価したものである。グリース１０の量が軸受全体積の１〜１０％かつシール摺動面８の算術平均粗さＲａが１．０μｍ以下のとき、最も優れた低減性能が得られた。グリース１０の量が軸受全体積の１０％を超えると、シール摺動面８の算術平均粗さＲａを１．０μｍ以下にしても、低トルク性能に限界があった。これは、シールトルクの低減が限界に達し、グリース１０の攪拌抵抗がトルクの主因となるためと考えられる。

なお、シール付玉軸受１００は、突起９がＲ形状に形成されているので、シール部材６を外輪３に取り付ける際に突起９がシール摺動面８に擦られても、突起９が周方向に曲がってしまう懸念がなく、取り付け時にシールトルクの低減性能を損なう恐れがない。例えば、突起を尖った形状にした場合、シール部材の取り付け時にシール摺動面に擦られる多数の突起が周方向のどちら側に曲がるか分からず、シール摺動面との相対回転方向に対して適切なくさび状の隙間となる方へ全ての突起が曲がるように取り付けることは極めて困難である。不適切な向きに曲がった突起のところではくさび効果を満足に得ることができず、シールトルクの低減性能を損なうことになる。

また、シール付玉軸受１００は、シールリップ７の突起９によって油通路１４を形成しているので、シール摺動面８を周方向全周で同じ断面形状にすることができ、軌道輪にシール摺動面８を形成することが簡単である。

図６に、車両のトランスミッションの回転部を支持する転がり軸受として、この発明に係るシール付玉軸受を使用した例を示す。図示のトランスミッションは、段階的に変速比を変化させる多段変速機になっており、その回転部（例えば入力軸Ｓ１および出力軸Ｓ２）を回転可能に支持するシール付玉軸受として、上述のシール付玉軸受１００を備えている。

図示のトランスミッションは、エンジンの回転が入力される入力軸Ｓ１と、入力軸Ｓ１と平行に設けられた出力軸Ｓ２と、入力軸Ｓ１から出力軸Ｓ２に回転を伝達する複数のギア列Ｇ１〜Ｇ４と、各ギア列Ｇ１〜Ｇ４と入力軸Ｓ１または出力軸Ｓ２との間に組み込まれた図示しないクラッチとを有し、そのクラッチを選択的に係合させることで使用するギア列Ｇ１〜Ｇ４を切り替え、これにより、入力軸Ｓ１から出力軸Ｓ２に伝達する回転の変速比を変化させるものである。

出力軸Ｓ２の回転は出力ギアＧ５に出力され、その出力ギアＧ５の回転がデファレンシャル等に伝達される。入力軸Ｓ１と出力軸Ｓ２は、それぞれシール付玉軸受１００で回転可能に支持されている。また、図示のトランスミッションは、ギアの回転に伴う潤滑油のはね掛けにより、又はハウジングＨの内部に設けられたノズル（図示省略）からの潤滑油の噴射により、はね掛け又は噴射された潤滑油が各シール付玉軸受１００の側面にかかるようになっている。各シール付玉軸受１００においてシールトルク及びグリースの攪拌抵抗の低減による低トルク化が達成されているので、動力損失を低減することができる。特に、近年では、自動車の省燃費化の要求が強い。本実施形態に係るシール付玉軸受１００をトランスミッションの回転部を支持するために用いて、当該トランスミッションの動力損失を低減することによって、自動車の省燃費化の要求に応えることができる。

上述の実施形態では、突起がＲ形状のものを示したが、突起は、シール摺動面との相対的な周速が一定以上のときに流体潤滑状態とすることが可能なくさび効果を得られるように適宜の形状にすればよく、例えば、Ｒ面取り、Ｃ面取り等の面取り形状を採用することができる。

また、上述の実施形態では、突起を周方向に均一配置した例を示したが、不均一に配置することも可能である。

また、上述の実施形態では、シール部材を芯金と加硫ゴム材とから構成したものを例示したが、この発明は、単材により形成されるシール部材にも適用することも可能である。この場合、シールリップに所要の締め代を設定可能であればよく、例えば、シール部材の材料として、ゴム材又は樹脂材を用いることができる。

また、上述の実施形態では、シールリップをラジアルリップとしたが、この発明は、アキシアルリップに適用することも可能である。ここで、アキシアルリップは、径方向に沿ったシール摺動面又は径方向に対して４５°未満の鋭角の勾配をもったシール摺動面と密封作用を奏するシールリップであって、当該シール摺動面との間に軸方向の締め代をもったもののことをいう。

また、上述の実施形態では、内輪回転、ラジアル軸受を例示したが、この発明は、外輪回転、スラスト軸受に適用することも可能である。

今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。したがって、本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ 内輪
２ 軸受内部空間
３ 外輪
４ 玉
５ 保持器
６ シール部材
７ シールリップ
８ シール摺動面
９ 突起
１０ グリース
１４ 油通路
１００ シール付玉軸受
２００ 回転軸（回転部）
Ｓ１ 入力軸（回転部）
Ｓ２ 出力軸（回転部）

Claims (2)

1. 内輪と、
   前記内輪との間に環状の軸受内部空間を形成する外輪と、
   前記内輪と前記外輪との間に介在する複数の玉と、
   前記複数の玉を保持する保持器と、
   前記軸受内部空間と外部との間を区切るシール部材と、
   前記シール部材に設けられたシールリップと、
   前記シールリップに対して周方向に摺動するシール摺動面と、
   前記シールリップの少なくとも周方向一箇所に形成され、前記軸受内部空間及び外部間に亘って連通する油通路を前記シール摺動面及び当該シールリップ間に生じさせる突起と、
   前記軸受内部空間に封入されたグリースと、
   を備え、
   前記シールリップには、当該シールリップ及び前記シール摺動面間を流体潤滑状態にすることが可能な態様で前記突起が形成されており、
   前記グリースの量が軸受全空間体積の１〜１０％であるシール付玉軸受。
2. 前記シール摺動面の算術平均粗さＲａが１．０μｍ以下である請求項１に記載のシール付玉軸受。

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