JPH09144761A - 玉軸受、並びに当該軸受を備えるプーリ及びファン - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 プーリにおける冷時異音の抑制 【解決手段】 保持器２ｄは、例えば合成樹脂を射出成
形することによって形成されたいわゆるスナップオン形
式のもので、円周等配位置に複数のポケット３を備え、
ポケット３の軸方向一方側が環状基部４、軸方向他方側
が開口部５になっている。ポケット３の周縁は凹球面で
描かれ、ポケット３は環状基部４から開口部５にかけて
軸心側に傾斜した形状を有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は玉軸受、並びに当該
軸受を有するプーリ及びファンに関する。このプーリ
は、主として自動車のエンジンのタイミングベルト、補
機駆動用ベルト等に係止されるものをいい、ファンは、
上記エンジンの冷却水を強制冷却するためのものをい
う。

【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
面を玉軸受の外輪の外径に直接設けたもの（笠型外輪）
もあるが、図６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）を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・外輪（12ｂ）、
（12ａ）の軌道面間に組込まれた複数のボール（12
ｃ）、ボール（12ｃ）を保持する保持器（12ｄ）、グリ
ースを密封する一対のシール（12ｅ）を有する。

【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（1
2）の保持器（12ｄ）は合成樹脂からなるスナップオン
形式のもので、周縁が凹球面をなすポケットでボール
（12ｃ）を保持している。このポケットの径は、通常、
ボール（12ｃ）の直径Ｄに、０．２ｍｍ〜０．３ｍｍ程
度のポケットすきまを付加して設定され、収容保持され
たボール（12ｃ）が自由に転動できるようになってい
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（北海道など）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分間程度）に発生し、その後は皆無
である。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。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状であ
る。

【０００７】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、ボールと内・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。

【０００８】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又は防止し得る手段を提供しよ
うとするものである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本出願人は、冷時異音再
現試験において、以下に示す幾つかの現象を確認してい
る。 （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の音響周波
数と一致する。 （２）冷時異音が発生していない時は、この周波数成分
は認められない。 （３）冷時異音発生時の周波数成分は、プーリ端面１８
０度側定位置２箇所で同位相である。

【００１０】冷時異音発生のメカニズムは未だ完全には
解明されていないものの、上記の検証から、冷時異音の
発生源は軸受であり、それもボールの自励振動が大きな
要因になっていると考えられる。すなわち、寒冷時には
グリースの基油粘度上昇・稠度低下による軌道面の油膜
むら・不均一化が生じやすく、そのためにボールと軌道
面との間の摩擦係数が微小な周期的変化を起こし、これ
によりボールに自励振動が生じる。そして、このような
ボールの自励振動が外輪に伝わり、異音を発生すると思
われる。また、ボールの自励振動が外輪を介してプーリ
本体に伝わり、プーリ本体の固有振動と共振して増幅さ
れ、共鳴音となって拡大する場合もある。

【００１１】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、ボールの自励振動を効果的に抑制す
るため、合成樹脂製保持器のポケットを環状基部から開
口部に向けて漸次軸心側に傾斜させた構成を提供する。

【００１２】本発明に係わる合成樹脂製保持器は、ポケ
ットの軸方向一方側が環状基部、軸方向他方側が開口部
になったいわゆるスナップオン形式のものであるが、温
度低下時には環状基部に比べて開口部側の内径方向への
収縮変位が僅かに大きくなり、逆に温度上昇時には環状
基部に比べて開口部側の外径方向への膨張変位が僅かに
大きくなる。このような開口部側の温度変化に伴う内・
外径方向への変位は、この種の形状において、環状基部
と開口部側の剛性の違いに基づく熱変位の差に起因して
生じる。本発明は、この開口部側の温度変化に伴う変位
を利用して、冷温始動時には、保持器のポケットの外径
側周縁をボールに弾性的に接触させ又は近接させて、ボ
ールの挙動を保持器によって規制し、これによってボー
ルの自励振動を抑制する一方、通常運転時（軸受温度上
昇時）には、適切なポケットすきまを与え、ボールの自
由な転動を確保し、これによって耐久性への好ましくな
い影響を回避することをその基本的思想とするものであ
る。

【００１３】

【発明の実施の形態】図１に示すプーリは、自動車の補
機駆動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、円筒部（1a）、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）、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。
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）の外径には図示されていな
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）に図示されていないベルトが
接触することにより、アイドラとしての役割を果たす。

【００１４】図２に示すように、玉軸受（２）は、プー
リ本体１の円筒部（1a）の内径に嵌合される外輪（2
a）、図示されていない固定軸に嵌合される内輪（2
b）、内・外輪（2b）（2a）の軌道面間に組込まれた複
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）、およびグリースを保持する一対のシー
ル（2e）で構成される。

【００１５】図３に示すように、保持器（2d）は、例え
ば合成樹脂を射出成形することによって形成されたいわ
ゆるスナップオン形式のもので、円周等配位置に複数の
ポケット（３）を備え、ポケット（３）の軸方向一方側
が環状基部（４）、軸方向他方側が開口部（５）になっ
ている。ポケット（３）間は柱部（７）で仕切られ、柱
部（７）の先端から円弧状に延びた一対の爪（６）によ
って開口部（５）が構成されている。開口部（５）はボ
ール（2c）の直径よりも小さく設定され、また、爪
（６）は弾性変形可能なように薄く形成されている。組
込みに際しては、内・外輪（2b）（2a）の軌道面間に組
み入れられたボール（2c）に一対の爪（６）の先端を押
し当て、開口部（５）をボール（2c）によって弾性的に
押し広げながらポケット（３）にボール（2c）を収容す
る。ボール（2c）を収容した後は、弾性復元した一対の
爪（６）によって、保持器（2d）の脱落が防止される。

【００１６】この実施例において、ポケット（３）の周
縁は凹球面で描かれ、また、ポケット（３）の径はこの
種の保持器における一般的な値、すなわち、ボール（2
c）の直径Ｄに０．２ｍｍ〜０．３ｍｍ程度のポケット
すきまを付加して設定されている。ただし、これに限定
されるものではなく、ポケット（３）の径は使用条件等
に応じて最適設定すれば良い。

【００１７】図３（ｂ）に示すように、保持器（2d）の
ポケット（３）は環状基部（４）から開口部（５）にか
けて軸心側に傾斜した形状を有し、ポケット（３）の開
口部（５）における中心Ｏが、環状基部（４）側におけ
る中心Ｏ’に対して軸心側にδ０（設計値：常温状態に
おける値である。この値を「初期オフセット量」とす
る。）だけオフセットしている。上述したように、この
種の保持器（2d）においては、温度低下時には環状基部
（４）に比べて開口部（５）側の内径方向への収縮変位
が僅かに大きくなり、温度上昇時には環状基部（４）に
比べて開口部（５）側の外径方向への膨張変位が僅かに
大きくなる。このような開口部（５）側の変位が生じる
ため、オフセット量は温度変化に応じて変動し、ポケッ
ト（３）にボール（2c）を収容した状態では最小値ゼロ
から最大値ポケットすきま程度の範囲内の値をとり得
る。初期オフセット量δ０を定める一般的基準は、冷時
異音の抑制と耐久性の確保という二律背反の要求を達成
するという観点から、冷温始動時において冷時異音発生
の要因となるボールの自励振動を効果的に抑制すること
ができ、かつ、通常運転時においてボールの自由な転動
を確保するために適切なポケットすきま与えることがで
きるということにあるが、この実施例では、図４に示す
ように、冷温始動時においてポケット（３）の外径側周
縁（3a）（特に爪６の先端領域）がボール（2c）に弾性
的に接触し（オフセット量δ）、通常運転時（図示省
略）において最大ポケットすきまが確保されるように
（オフセット量ゼロ）、初期オフセット量δ０を設定し
ている。これは、保持器（2d）の材質・形状・寸法およ
び使用温度範囲によって決まる開口部（５）側の膨張収
縮変位量、ポケットすきまの値等を考慮して設定する。

【００１８】図４に示す冷温始動時には、ポケット
（３）の外径側周縁（3a）がボール（2c）に弾性的に接
触し（オフセット量δ）、ボール（2c）の挙動が保持器
（2d）によって拘束されるので、冷時異音の発生要因と
なるボール（2c）の自励振動が効果的に抑制される。ま
た、通常運転時には、開口部（５）側が外径方向に変位
し、ポケット（３）が中立位置でボール（2c）を保持す
るので（オフセット量ゼロ）、最大ポケットすきまが与
えられてボール（2c）の自由な転動が確保される。その
ため、軸受の耐久性に悪影響を及ぼさない。尚、冷温始
動時において、ポケット（３）の外径側周縁（3a）がボ
ール（2c）と弾性的に接触しなくても、ポケットすきま
が小さくなることによってボール（2c）の自励振動はか
なり抑制される。

【００１９】上記のような保持器（2d）を形成する合成
樹脂としては、例えば、ポリアミド（ＰＡ）、ポリアセ
タール（ＰＯＭ）、ポリエーテルサルフォン（ＰＥ
Ｓ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリ
アミドイミド（ＰＡＩ）、ポリエーテルイミド（ＰＥ
Ｉ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、熱可塑
性ポリイミド等の熱可塑性樹脂の他、フェノール樹脂、
全芳香族ポリイミド（ＰＩ）等の熱硬化性樹脂等を用い
ることができる。ただ、耐久性確保の観点から機械的
特性、摩耗特性、熱的特性に優れていること、開口部
（５）側の必要な内・外径方向の変位量を確保できるこ
と、製作コスト低減の観点から安価でかつ易成形性に
優れた材料であることが望ましいことを考慮すると、こ
れら合成樹脂の中でも、ポリアミド樹脂（ＰＡ）、ポリ
エーテルエーテルケトン樹脂（ＰＥＥＫ）が好ましいと
考えられ、その中でも、ポリアミド樹脂（ＰＡ）が特に
好ましいと考えられる。ポリアミドとしては、例えばポ
リアミド６、ポリアミド６−６、ポリアミド４−６、ポ
リアミド６−１０、ポリアミド６−１２、ポリアミド１
１、ポリアミド１２等を用いることができる。

【００２０】また、内封グリースによる潤滑を補助する
ため、上記ポリアミド樹脂にフッ素系樹脂等を含有させ
ても良い。保持器（2d）とボール（2c）との接触によっ
て、良好な潤滑性を有するフッ素系樹脂の転着被膜がボ
ール（2c）の表面などに形成されるので、ボール（2c）
の自励振動を誘起させる一因となるスティックスリップ
を防止する上で有効である。フッ素系樹脂としては、例
えばポリテトラフルオロエチレン樹脂（ＰＴＦＥ）、テ
トラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエ
ーテル共重合体樹脂（ＰＦＡ）、テトラフルオロエチレ
ン−ヘキサプロロプロピレン共重合体樹脂（ＦＥＰ）、
テトラフロオロエチレン−エチレン共重合体樹脂（ＥＴ
ＦＥ）、ポリクロロトリフロロエチレン樹脂（ＰＣＴＦ
Ｅ）、ポリビニルフルオライド樹脂（ＰＶＦ）等を用い
ることができ、その中でも、ＰＴＦＥ、ＰＦＡ、ＦＥ
Ｐ、ＥＴＦＥが望ましく、これらの中でも摩擦係数が最
も低いＰＴＦＥ（動摩擦係数０．１０）が特に望まし
い。

【００２１】また、本発明の効果を妨げない範囲で、各
種充填材を配合しても良い。充填材としては、ガラス繊
維、炭素繊維、アラミド繊維、チタン酸カリウムウィス
カ、ウォラストナイト、ホウ酸アルミニウムウィスカ、
硫酸カルシウムウィスカ等の補強材や、二硫化モリブデ
ン、グラファイト、カーボン、炭酸カルシウム、タル
ク、マイカ、カオリン、酸化鉄、ガラスビーズ、リン酸
化合物などの無機粉末、ポリイミド樹脂、芳香族ポリエ
ステル樹脂、ポリエーテルケトン樹脂、ポリフェニレン
サルファイド樹脂、シリコーン樹脂などの樹脂粉末、シ
リコーンオイル、フッ素オイル、ワックス、ステアリン
酸化合物などの内部滑材など種々の充填材を例示するこ
とができる。補強材の充填割合によって、保持器（2d）
の機械的強度などを調整することができる他、開口部
（５）側の変位量（オフセット量）も調整することがで
きる（充填材の配合割合によって材料の線膨張係数が変
わるため）。

【００２２】上記ポリアミド樹脂の成形方法としては、
射出成形、押出成形、モノマー注型、粉末成形などの種
々の公知の成形方法を採用することができるが、低コス
ト性、作業効率等を考慮して射出成形によるのが望まし
い。また、成形後に、熱処理、調質処理を行なっても良
い。熱処理は成形品の残留応力を緩和し、寸法安定性を
高めると共に、結晶化度を高め、機械特性を高めるため
に行なう。熱処理剤としては、水、流動パラフィン、焼
入れ油等を用いることができる。調質処理は、特に寸法
安定性を高めるため、強制的に短時間で平衡水分量まで
吸水させる処理である。沸騰水か酢酸カリウム水溶液な
どを用いて調質すると良い。

【００２３】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７（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（32
ａ）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のフランジ部にボ
ルト締めされる）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（3
4）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。

【００２４】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。

【００２５】以上の構成において、外気温が低い時に
は、図７（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
８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（45
ａ）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８中の矢印はドライブディスク（36）の回転方向
を示す。

【００２６】外気温が高いと図７（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（4
4）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。

【００２７】以上のファン（30）において、玉軸受（3
2）を上述のプーリで用いた玉軸受（２）の保持器（2
d）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。

【００２８】

【発明の効果】本発明は、以下に示す特有の効果を奏す
る。 （１）冷温始動時、保持器のポケットの外径側周縁がボ
ールに弾性的に接触して又は近接してボールの挙動を規
制することにより、ボールの自励振動が効果的に抑制さ
れるので、冷時異音の発生を抑制又は防止することがで
きる。また、通常運転時、保持器のポケット開口部側が
外径側に変位することにより、適切なポケットすきまが
付与され、ボールの自由な転動が確保されるので、耐久
性への好ましくない影響を回避することができる。 （２）上記のような効果は封入グリースの種類を問わず
得られるので、低温特性に優れた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。 （３）簡単な構成で冷時異音の発生を抑制又は防止する
ことができるので、コスト的にも有利である。

【００２９】上記効果を確認するため、試験を行なった
ところ図５に示すような極めて良好な結果が得られた。
尚、図５（ａ）は冷時異音発生再現試験の試験条件を示
し、図５（ｂ）はその結果を示している。

【００３０】なお、これら（１）〜（３）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】本発明の実施例を示す断面図である。

【図２】図１における玉軸受の拡大断面図である。

【図３】保持器のポケット周辺を示す平面図（図ａ）、
断面図（図ｂ）である。

【図４】保持器のポケット周辺を示す正面図（一部断
面）である。

【図５】冷時異音発生再現試験の試験条件（図ａ）、そ
の結果（図ｂ）を示す図である。

【図６】従来のプーリを示す断面図である。

【図７】冷却ファンの一構造例を示す断面図である。

【図８】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 ２ 玉軸受 2c ボール 2d 保持器 ３ ポケット ４ 環状基部 ５ 開口部 30 ファン 31 ブレード 32 玉軸受 33 主軸

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ボールを収容保持する複数のポケットが
   形成され、ポケットの周縁が凹球面をなし、ポケットの
   軸方向一方側が環状基部、軸方向他方側が開口部になっ
   た合成樹脂製の保持器を備え、 上記保持器のポケットが、上記環状基部から開口部に向
   けて漸次軸心側に傾斜した形状を有することを特徴とす
   る玉軸受。
2. 【請求項２】 ベルトが接触するプーリ周面を有するプ
   ーリ本体と、このプーリ本体に嵌合された請求項１の玉
   軸受とを備えたことを特徴とするプーリ。
3. 【請求項３】 上記プーリ本体の内径に、上記玉軸受の
   外側軌道面を直接形成したことを特徴とする請求項２の
   プーリ。
4. 【請求項４】 複数のブレードを有する回転部材を請求
   項１記載の玉軸受の外輪外径に嵌合したことを特徴とす
   るファン。
5. 【請求項５】 合成樹脂からなり、ボールを収容保持す
   る複数のポケットが形成され、ポケットの周縁が凹球面
   をなし、ポケットの軸方向一方側が環状基部、軸方向他
   方側が開口部をなし、かつ、ポケットが、上記環状基部
   から開口部に向けて漸次軸心側に傾斜した形状を有する
   ことを特徴とする玉軸受の保持器。