JP7186061B2

JP7186061B2 - 玉軸受

Info

Publication number: JP7186061B2
Application number: JP2018202771A
Authority: JP
Inventors: 誉幸北野
Original assignee: NTN Corp
Current assignee: NTN Corp
Priority date: 2018-10-29
Filing date: 2018-10-29
Publication date: 2022-12-08
Anticipated expiration: 2038-10-29
Also published as: WO2020090572A1; JP2020070814A

Description

本発明は、外輪案内形式の保持器を組み込んだ玉軸受に関する。

転動体としての玉を転動自在に保持する保持器を備えた玉軸受では、その保持器の案内形式として、内輪案内、転動体案内、外輪案内のうちのいずれかが採用されている。そのうちの外輪案内形式は高速で運転される玉軸受に適したものとされているが、外輪案内形式の保持器（以下、「外輪案内保持器」とも称する。）を組み込んだ玉軸受では、遠心力が作用する保持器の外周面と案内面である外輪内周面との間で潤滑剤不足による油膜切れを起こすことがある。特に、グリース潤滑されるものの場合、オイル潤滑されるもののように常に新鮮な潤滑剤が供給されるということがないので、軸受組立時に封入したグリースが保持器外周面と外輪内周面との間に残存しにくく、油膜切れを起こしやすい。

また、外輪案内保持器を組み込んだ玉軸受は、運転中に、保持器外周面と外輪内周面との間の案内隙間分だけ保持器が振れ回る可能性があり、特に玉径が大きいものでは、保持器自体の遠心力や慣性力も大きくなることから、高速回転域で保持器が追随できなくなって急激に振動が大きくなることがある。

ところで、特許文献１では、高速で運転される転がり軸受において、その軸受に潤滑油を供給する潤滑装置の故障時等に転動体と内外輪とが短時間で焼き付つくことを防止するために、転動体を保持する保持器の柱部の内輪と対向する側に凹部を形成して、その凹部に集まった潤滑油を内外輪の軌道溝の間で循環させることが提案されている。

実開平１－１７４６２９号公報（第３図）

外輪案内保持器を組み込んだ玉軸受においても、上記特許文献１で提案されているように保持器の柱部の内輪と対向する側に凹部を形成すれば、その凹部に集まった潤滑剤の一部が保持器外周面と外輪内周面との間に入り込んで、保持器と外輪との間の油膜切れの発生を抑える方向に作用すると考えられる。

しかしながら、特許文献１の保持器の凹部は底部が玉のピッチ円まで達しない程度の大きさしかないので、保持器外周面と外輪内周面との間に十分に潤滑剤を残存させることはできず、保持器と外輪との間の油膜切れの発生を抑える効果は僅かなものにとどまるおそれがある。

また、特許文献１には保持器の挙動に対する凹部の影響等についての記載はなく、高速回転域での保持器挙動の不安定さに起因する振動の問題は解決されない。

そこで、本発明は、外輪案内保持器を組み込んだ玉軸受において、保持器と外輪との間の油膜切れの発生を確実に抑えるとともに、高速回転域での振動を生じにくくすることを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明は、内周面に軌道溝が形成された外輪と、外周面に軌道溝が形成された内輪と、前記外輪の軌道溝と内輪の軌道溝との間に配される複数の玉と、前記各玉を転動自在に保持する外輪案内形式の保持器とを備え、前記保持器は、軸方向両側に配される環状部と、前記両環状部を軸方向で連結する状態で周方向に所定間隔で配される複数の柱部を有し、周方向で隣り合う前記柱部どうしの間に形成されるポケットに前記玉を保持するものである玉軸受において、前記保持器の少なくとも一部の柱部は、前記内輪と対向する側に凹部が形成され、前記凹部の周縁部が前記玉のピッチ円よりも径方向外側で前記玉と接触する構成を採用した。

上記の構成によれば、保持器の少なくとも一部の柱部は、内輪と対向する側に玉のピッチ円よりも径方向外側の位置まで入り込む凹部が形成されて、その凹部に多くの潤滑剤を保持できるので、保持器外周面と外輪内周面との間に潤滑剤が供給されやすく、保持器と外輪との間の油膜切れの発生を確実に抑えることができるうえ、軸受運転中には保持器が玉から受ける力によって常に案内面である外輪内周面に向かって押される状態で回転することになるので、高速回転域でも保持器の挙動が安定し、振動が生じにくいものとなる。

ここで、前記保持器の少なくとも一部の柱部は、具体的には、前記凹部の底部が平面または曲面であり、その凹部の底部が形成された部位の１か所で前記玉に接触するものとすることができる。

また、保持器の強度を確保するうえで、前記保持器の軸方向断面において、前記柱部の凹部の幅方向寸法は前記ポケットの幅方向寸法以下とすることが望ましい。

さらに、前記保持器の少なくとも一部の柱部は、前記内輪と対向する側だけでなく、前記外輪と対向する側にも凹部が形成されている構成とすることができる。このようにすれば、より多くの潤滑剤を保持できるようになるので、保持器外周面と外輪内周面との間へ潤滑剤をより安定して供給でき、保持器と外輪との間の油膜切れを一層発生しにくくすることができる。ただし、この場合には、保持器の柱部の径方向の肉厚が薄くなるので、その肉厚をｔ１、玉が受ける荷重をＱ、玉と外輪との間の摩擦係数をμ、保持器の材料の許容せん断強度をσｔ、柱部の周方向の肉厚をｔ２とするとき、ｔ１＞２・Ｑ・μ／（σｔ・ｔ２）という条件を満たすように保持器の設計を行う必要がある。

また、前記保持器の材料としては、耐熱性に優れ、軸受の高速運転に適したフェノール樹脂を採用するとよい。

本発明の玉軸受は、上述したように、保持器の少なくとも一部の柱部に形成した凹部に多くの潤滑剤を保持できるので、保持器外周面と外輪内周面との間に潤滑剤が供給されやすく、保持器と外輪との間の油膜切れの発生を確実に抑えることができるうえ、軸受運転中には保持器が玉から受ける力によって常に案内面である外輪内周面に向かって押される状態で回転するようにしたので、高速回転域でも保持器の挙動が安定し、振動が生じにくい。したがって、従来のものに比べて、高速回転での安定性および耐久性に優れたものとなっている。

第１実施形態の玉軸受の要部の縦断正面図図１の保持器の一部の内周側を見た斜視図図１の保持器寸法を説明する縦断正面図図１のIV－IV線に沿った断面図図１の玉軸受の高速運転試験（エアオイル潤滑）の結果を従来のものと対比して示すグラフ図１の玉軸受の高速運転試験（グリース潤滑）の結果を従来のものと対比して示すグラフ図１の玉軸受の保持器形状の変形例を示す要部の縦断正面図第２実施形態の玉軸受の要部の縦断正面図図８の玉軸受の保持器形状の変形例を示す要部の縦断正面図

以下、図面に基づき、本発明の実施形態を説明する。図１および図２は第１実施形態の玉軸受を示す。この玉軸受は、図１に示すように、内周面に軌道溝１ａが形成された外輪１と、外輪１の径方向内側に配され、外周面に軌道溝２ａが形成された内輪２と、外輪１の軌道溝１ａと内輪２の軌道溝２ａとの間に配される複数の玉３と、各玉３を転動自在に保持する外輪案内形式の保持器４とからなるアンギュラ玉軸受であり、高速回転する軸（図示省略）を支持するものである。その外輪１、内輪２および玉３は鋼製であり、保持器４はフェノール樹脂で形成されている。

前記外輪１の内周面には、軌道溝１ａの軸方向一側（図１中の左側）に肩部１ｂが、軸方向他側（図１中の右側）にカウンタボア１ｃがそれぞれ形成されている。また、内輪２の外周面には、軌道溝２ａの軸方向一側に小径肩部２ｂが、軸方向他側に大径肩部２ｃが形成されている。その内輪２の小径肩部２ｂは、潤滑剤の供給または排出を考慮し、通常よりも小径に設計されている。そして、外輪１と内輪２との間に形成される環状空間５（軸受内部）に図示省略した外部の潤滑装置から圧縮空気とともに潤滑油が供給されてエアオイル潤滑されるか、または環状空間５にグリースが充填されてグリース潤滑されるようになっている。

図１および図２に示すように、前記保持器４は、軸方向両側に配される環状部４１と、両環状部４１を軸方向で連結する状態で周方向に所定間隔で配される複数の柱部４２を有し、周方向で隣り合う柱部４２どうしの間に形成される円形のポケット４３に玉３を保持するものである。そして、その各柱部４２の内輪２と対向する側に、台形溝状の（底部および側壁が平面とされた）凹部４２ａが形成されている。

ここで、保持器４の各柱部４２の凹部４２ａは、図３に示すように、保持器４の軸方向断面において、幅方向寸法ｗ１がポケット４３の幅方向寸法ｗ２以下に設定されている。これにより、保持器４の強度設計が容易に行えるようになっている。

そして、図４に示すように、保持器４の各柱部４２は、凹部４２ａの周縁部のうち、凹部４２ａの底部が形成された部位の中央の１か所が、玉３のピッチ円Ｃよりも径方向外側で玉３と接触するようになっている。これにより、保持器４は、軸受運転中に、転動する玉３から常に外輪１の内周面に向かって押される方向の力を受ける。

この玉軸受は、上記の構成であり、保持器４の各柱部４２の内輪２と対向する側に、玉３のピッチ円Ｃよりも径方向外側の位置まで入り込む凹部４２ａが形成されているので、その凹部４２ａに多くの潤滑剤を保持できる。このため、保持器４の外周面と外輪１の内周面との間に潤滑剤が供給されやすく、保持器４と外輪１との間の油膜切れの発生を確実に抑えることができる。また、軸受運転中には、保持器４が玉３から受ける力によって常に案内面である外輪１の内周面に向かって押される状態で回転するので、高速回転域でも保持器４の挙動が安定し、振動が生じにくい。したがって、従来のものに比べて、高速回転での安定性および耐久性の向上を図ることができる。

また、この玉軸受では、保持器４の各柱部４２の凹部４２ａを従来よりも大きくしたうえ、内輪２の軸方向一側に形成される小径肩部２ｂを通常よりも小径としたことにより、保持器４と内輪２の外周面との間へ潤滑剤が供給されやすくなっている。したがって、グリース潤滑の場合はグリース封入量を増加させることができるし、エアオイル潤滑の場合は、従来不可能であった斜め方向からの潤滑油供給が可能となるので、隣接配置される軸受との間に設けられるノズル付き間座の寸法制約が緩和され、軸受周辺構造の設計自由度を向上させることができる。

次に、この実施形態の玉軸受の性能を確認するために行った高速運転試験について説明する。この高速運転試験では、内輪内径５０ｍｍ、外輪外径９０ｍｍ、幅２０ｍｍのアンギュラ玉軸受で、保持器の各柱部に実施形態の凹部が形成されたもの（実施例）と、保持器の柱部の各凹部が玉のピッチ円に達しない大きさに形成されているほかは実施例と同じ仕様のもの（従来例）について、まず、回転速度と外輪温度上昇の関係をエアオイル潤滑およびグリース潤滑で比較した。その結果を図５および図６に示す。

図５および図６からわかるように、エアオイル潤滑とグリース潤滑のいずれの場合も、高速回転となっても実施例の外輪温度上昇は従来例と同等以下であることを確認した。

続いて、上記と同じ実施例と従来例の玉軸受を、グリース潤滑として一定速度で長時間運転して、耐久性の比較を行った。その結果、従来例では、１３０００ｒｐｍで運転したときに約１４０時間で振動が発生し、分解すると保持器と外輪との間の油膜切れが生じていた。これに対し、実施例では、１３０００ｒｐｍで１５０時間運転しても振動等の異常は生じず、回転速度を上げて１４０００ｒｐｍで運転しても約１５０時間の運転を確認できた。これにより、実施例は、従来例に比べて高速回転での安定性および耐久性が大幅に向上していることが確認された。

図７は上述した第１実施形態の玉軸受の保持器形状の変形例を示す。この変形例の保持器４は、柱部４２の凹部４２ａの側壁を凹曲面で形成している。このようにすれば、柱部４２の凹部４２ａを台形溝状に形成した図１乃至図３の例と比べて、凹部４２ａの幅方向寸法が同じ場合、潤滑剤の保持量を多少なりとも増やすことができる。

図８は第２実施形態を示す。この実施形態の玉軸受は、第１実施形態をベースとし、保持器４の各柱部４２の外輪１と対向する側にも台形溝状の凹部４２ｂを形成したものである。したがって、第１実施形態に比べて、潤滑剤の保持量が大幅に増え、保持器４の外周面と外輪１の内周面との間へ潤滑剤をより安定して供給でき、保持器４と外輪１との間の油膜切れを一層発生しにくくすることができる。

なお、この第２実施形態では、保持器４の柱部４２の径方向の肉厚が第１実施形態よりも薄くなるので、その肉厚をｔ１、玉３が受ける荷重をＱ、玉３と外輪１との間の摩擦係数をμ、保持器４の材料の許容せん断強度をσｔ、柱部４２の周方向の肉厚をｔ２とするとき、ｔ１＞２・Ｑ・μ／（σｔ・ｔ２）という条件を満たすように保持器の設計を行う必要がある。

図９は第２実施形態の玉軸受の保持器形状の変形例を示す。この変形例の保持器４は、図７に示した第１実施形態の変形例と同様に、各柱部４２の凹部４２ａ、４２ｂの側壁を凹曲面で形成して、潤滑剤の保持量が図８の例よりも多くなるようにしている。

今回開示された実施の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。本発明の範囲は、上記した意味ではなく、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。

例えば、上述した各実施形態では、保持器の各柱部に凹部を形成したが、凹部を形成する柱部は一部のみとしてもよい。また、その凹部の底部は、各実施形態のような平面に限らず、曲面とすることもできる。

また、保持器の材料は、各実施形態のように耐熱性に優れたフェノール樹脂を用いることが好ましいが、軸受用保持器に一般に用いられている金属やセラミックス、フェノール樹脂以外の樹脂とすることもできる。なお、保持器の製作方法についての制約はなく、材料に応じてプレス加工、切削、成型等を選択すればよい。

そして、本発明は、実施形態のようなアンギュラ玉軸受以外の玉軸受、例えば深溝玉軸受等にももちろん適用することができる。

１外輪
１ａ軌道溝
２内輪
２ａ軌道溝
３玉
４保持器
５環状空間
４１環状部
４２柱部
４２ａ凹部（内輪側）
４２ｂ凹部（外輪側）
４３ポケット
Ｃ玉のピッチ円

Claims

内周面に軌道溝が形成された外輪と、外周面に軌道溝が形成された内輪と、前記外輪の軌道溝と内輪の軌道溝との間に配される複数の玉と、前記各玉を転動自在に保持する外輪案内形式の保持器とを備え、
前記保持器は、軸方向両側に配される環状部と、前記両環状部を軸方向で連結する状態で周方向に所定間隔で配される複数の柱部を有し、周方向で隣り合う前記柱部どうしの間に形成されるポケットに前記玉を保持するものである玉軸受において、
前記保持器の少なくとも一部の柱部は、前記内輪と対向する側に凹部が形成され、前記凹部の周縁部が前記玉のピッチ円よりも径方向外側で前記玉と接触することを特徴とする玉軸受。
前記保持器の少なくとも一部の柱部は、前記凹部の底部が平面または曲面であり、その凹部の底部が形成された部位の１か所で前記玉に接触することを特徴とする請求項１に記載の玉軸受。
前記保持器の軸方向断面において、前記柱部の凹部の幅方向寸法が前記ポケットの幅方向寸法以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の玉軸受。
前記保持器の少なくとも一部の柱部は、前記外輪と対向する側に凹部が形成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の玉軸受。
前記保持器の材料がフェノール樹脂であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の玉軸受。