JP2004124951A - 転がり軸受用保持器及び転がり軸受 - Google Patents
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Abstract
【課題】転動体案内形の合成樹脂製保持器を用いた場合においても、高速回転時に転動体の運動を阻害することなく、低発熱で信頼性の高い転がり軸受を提供する。
【解決手段】内輪１と外輪２との間に複数の玉３が玉案内形の保持器４を介して周方向に転動可能に配設されたアンギュラ玉軸受において、前記保持器４を合成樹脂製とし、且つ該合成樹脂の素材として、曲げ弾性率１００００ＭＰａ以上、比重２以下、吸水率１％以下（２３°Ｃ、浸漬２４時間）、ガラス転移点８０°Ｃ以上のものを用いる。
【選択図】 図１
【解決手段】内輪１と外輪２との間に複数の玉３が玉案内形の保持器４を介して周方向に転動可能に配設されたアンギュラ玉軸受において、前記保持器４を合成樹脂製とし、且つ該合成樹脂の素材として、曲げ弾性率１００００ＭＰａ以上、比重２以下、吸水率１％以下（２３°Ｃ、浸漬２４時間）、ガラス転移点８０°Ｃ以上のものを用いる。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、転動体案内形の合成樹脂製保持器及び該保持器を備えた転がり軸受に関する。
【０００２】
【従来の技術】
転がり軸受の一例である工作機械主軸用軸受においては、工作精度上向上のため、振動、音響等の特性が良好であることが求められる。また、近年においては、取り扱いやすさや、環境、コストに有効なグリース潤滑での高速回転性（高回転速度で長時間安定して使用できること）が求められている。
【０００３】
このような特性を満たすために、従来では、保持器を軽量で柔軟性に優れる合成樹脂製とし、該合成樹脂材としては、常温状態で軸受を使用する場合はポリアミド６６やポリアミド４６にガラス繊維等の短繊維を強化材として混入させた複合材料が多く用いられている。
また、アンギュラ玉軸受では、高速回転域で使用する場合は、ポリアミド系のプラスチック製保持器ではなく、外輪案内形のフェノール樹脂製保持器が多く用いられている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
近年、転がり軸受に対してより高速化の要求が強くなりグリース潤滑でｄｍ ｎ値が１００万も珍しくはなくなってきた。高速化に必要な技術は多々あるが、保持器も高速化に重要な役目を担っている。
保持器は転動体を保持し、転動体の公転、自転を円滑に回転させる役割をもっているが、逆に軸受回転時の遠心力による保持器の振れまわりや保持器の変形により転動体を拘束して転動体の運動を阻害してしまい、高速回転時に支障をきたしてしまうことがある。
【０００５】
このような転動体の運動の阻害は、軌道輪案内の保持器に比べて転動体案内の保持器の方がより顕著に起こってしまう。
即ち、転動体案内の保持器では、高速回転時の遠心力による保持器が振れ回りにより、転動体の持たせ部分が転動体を拘束して異常昇温し最終的に軸受の焼付きに至ることもある。
【０００６】
また、保持器の転動体の持たせ部と転動体との接触部分でのすべり摩擦により発熱し、転動体もたせ部分の温度が上がって軟化し、最終的には溶融してしまう問題もある。
従って、高速回転領域で使用される軸受には、外輪案内形のフェノール樹脂製保持器を採用することが主流となっている。
【０００７】
一方で、外輪案内形のフェノール樹脂製保持器を用いた転がり軸受においては、潤滑状態（油膜形成状態）が悪化すると保持器音が出る問題があり、転動体案内形の樹脂製保持器と比較すると音に関しては安定性に欠ける部分がある。
本発明はこのような技術的背景を鑑みてなされたものであり、高速回転時に転動体の運動を阻害することなく、低発熱で信頼性の高い転動体案内形の合成樹脂製保持器及び該保持器を備えた転がり軸受を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１に係る発明は、転がり軸受の内輪と外輪との間に配設される複数の転動体を周方向に転動可能に保持する転動体案内形の転がり軸受用保持器において、
曲げ弾性率１００００ＭＰａ以上、比重２以下、吸水率１％以下（２３°Ｃ、浸漬２４時間）、ガラス転移点８０°Ｃ以上の合成樹脂を素材としたことを特徴とする。
【０００９】
請求項２に係る発明は、内輪と外輪との間に複数の転動体が転動体案内形の保持器を介して周方向に転動可能に配設された転がり軸受において、
前記保持器を合成樹脂製とし、且つ該合成樹脂の素材として、曲げ弾性率１００００ＭＰａ以上、比重２以下、吸水率１％以下（２３°Ｃ、浸漬２４時間）、ガラス転移点８０°Ｃ以上のものを用いたことを特徴とする。
【００１０】
請求項３に係る発明は、請求項２において、前記転動体をセラミック製としたことを特徴とする。
請求項４に係る発明は、請求項２又は３において、ｄｍ ｎ値（ｄｍ ：軸受内径と外径との平均（ｍｍ）×ｎ：軸受回転速度（ｍｉｎ−１））が８０万以上で使用されることを特徴とする。
【００１１】
請求項５に係る発明は、請求項２〜４のいずれか一項において、工作機械主軸用スピンドルに使用されることを特徴とする。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図を参照して説明する。
図１は本発明の転がり軸受の実施の形態の一例である玉案内形の合成樹脂製保持器を備えたアンギュラ玉軸受を説明するための要部断面図、図２は玉案内形の合成樹脂製保持器の変形例を示す要部断面図、図３は荷重に対する保持器の変形量の計算に用いた保持器形状の一例を示す要部断面図、図４は保持器に負荷した荷重と保持器の変形量との関係を素材毎に比較したグラフ図、図５は回転数と保持器に作用する力との関係を示すグラフ図、図６は保持器素材の比重と保持器に作用する力との関係を示すグラフ図、図７は比較例としての外輪案内形のフェノール樹脂製保持器を備えたアンギュラ玉軸受を示す要部断面図、図８は実施例及び比較例毎に回転数と外輪の上昇温度との関係を比較したグラフ図、図９〜図１４は本発明の他の実施の形態を説明するための図である。
【００１３】
本発明の実施の形態の一例であるアンギュラ玉軸受は、図１に示すように、内輪１と外輪２との間に転動体としての複数の玉（例えばセラミック玉）３が玉案内形の保持器４を介して周方向に転動可能に配設されている。
ここで、この実施の形態では、保持器４を合成樹脂製とし、且つ該合成樹脂の素材として、曲げ弾性率１００００ＭＰａ以上、比重２以下、吸水率１％以下（２３°Ｃ、浸漬２４時間）、ガラス転移点８０°Ｃ以上のものを用いている。
【００１４】
これにより、例えば工作機械主軸用スピンドルの支持に玉案内形の合成樹脂製保持器４を組み込んだ転がり軸受を用いた場合においても、軸受の高速回転時（ｄｍ ｎ値８０万以上）の遠心力による保持器４の変形を抑制し、該保持器４が玉３を拘束することにより生じる異常昇温を防止することができる。この結果、高速回転時に玉３の運動を阻害することなく、低発熱で信頼性の高いものとすることができる。
【００１５】
なお、図１では、軸方向の左右の肉厚が同一の保持器４を組み込んだアンギュラ玉軸受を示したが、図２に示すように、軸方向の左右の肉厚が相違した保持器４を組み込んだアンギュラ玉軸受にも同様に本発明を適用できるのは勿論である。
保持器４を形成する合成樹脂の素材例としては、特許第２６２８６７４号公報に記載の直鎖状ポリフェニレンサルファイド樹脂（直鎖状ＰＰＳ樹脂）に強化繊維としてガラス繊維３０〜４０％若しくはカーボン繊維１５〜３０％を混入したもの、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）に強化繊維としてガラス繊維３０〜４０％若しくはカーボン繊維１５〜３０％を混入したもの、ポリイミド樹脂に強化繊維としてガラス繊維３０〜４０％若しくはカーボン繊維１５〜３０％を混入したもの等が挙げられる。
【００１６】
直鎖状ＰＰＳ樹脂は、重合段階で直鎖状に分子鎖を高分子量にまで生長させたもので、優れた耐熱性、耐油性、耐薬品性を示すと同時に高い機械的特性を有している。
直鎖状ＰＰＳ樹脂は、特開昭６１−７３３２号公報及び特開昭６１−６６７２０号公報に開示の方法により製造することができる。
【００１７】
この直鎖状ＰＰＳ樹脂は重合後、高温下で熱処理を受けておらず、また、架橋剤や分岐剤などの添加もなされていないが、分子量の目安となる溶融粘度は、溶融温度３１０°Ｃで剪断速度が２００ｓｅｃ−１で測定した場合、７００ポアース以上である。このような直鎖状ＰＰＳ樹脂は呉羽化学工業（株）より「フォートロンＫＰＳ（商品名）」として入手することができる。
【００１８】
直鎖状ＰＰＳ樹脂は前述のような靭性等の機械的性質が分岐状ＰＰＳ樹脂に比べて優れていることに加え、同一分子量では分岐状ＰＰＳ樹脂と比較して分子鎖間の絡み合いが大きくなるため、組成物の靭性を著しく向上させることができる。また、直鎖状ＰＰＳは成形収縮率が小さいため、成形物の寸法精度を向上させることもできる。
【００１９】
次に、合成樹脂の素材として、曲げ弾性率１００００ＭＰａ以上、比重２以下、吸水率１％以下（２３°Ｃ、浸漬２４時間）、ガラス転移点８０°Ｃ以上のものを用いる根拠について説明する。
合成樹脂の曲げ弾性率を１００００ＭＰａ以上としたのは、保持器の素材として曲げ弾性率の大きい合成樹脂を採用することで高速回転時の保持器変形を抑えて転動体を拘束しないようにするためである。
【００２０】
表１の▲１▼〜▲４▼の合成樹脂を素材とした保持器に荷重を負荷した際の保持器変形量を計算した結果を図４に示す。なお、図３に保持器変形量の計算に用いた保持器形状の一例を示す。
【００２１】
【表１】
【００２２】
次に、下記の条件で各回転数における保持器に作用する力を計算した結果を図５に示す。
保持器の内外径変肉：０．０６（保持器アンバランス要因）
ポケットピッチ不同：０．３０（保持器アンバランス要因）
保持器の比重 ：２（保持器重量に影響）
保持器半径方向動き量：０．５ｍｍ（保持器回転中心のズレ量）
図４及び図５から判るように、高速回転になれば、保持器に作用する力も大きくなり保持器の変形量も大きくなるが、この変形量は合成樹脂の曲げ弾性率が大きいほど小さくなる。
【００２３】
従って、保持器に曲げ弾性率が大きい合成樹脂素材を使用することにより、軸受の高速回転時の遠心力により保持器に力が作用しても変形を小さく抑えることができる。但し、曲げ弾性率を上げるために合成樹脂に混入する強化繊維の量が多くなりすぎたり、強化繊維として金属繊維を採用すると比重が大きくなって遠心力により保持器に作用する力を増大させてしまい、結局は保持器の変形を大きくしてしまう。
【００２４】
上記の条件で、回転数２００００ｍｉｎ−１時の各比重毎の保持器に作用する力を計算した結果を図６に示す。図６から、比重が大きい程、遠心力により保持器に作用する力が大きくなるのが判る。
この実施の形態では、合成樹脂の曲げ弾性率を１００００ＭＰａ以上とした場合に、ｄｍ ｎ値８０万以上の高速回転時の遠心力による保持器の変形を抑制し、該保持器が転動体を拘束することによる異常昇温を防止することを条件に、合成樹脂の比重を２以下、好ましくは１．５以下としている。
【００２５】
また、ガラス転移点に関しては、ガラス転移点以上に温度が上がると分子の運動性が大きくなり（ゴム状態）、保持器の変形が大きくなってしまうため、曲げ弾性率の大きい素材を使用しても転動体を拘束してしまう方向に働いてしまう。通常、高温で使用される場合はアニーリングを施して結晶化を進め、組織の構造の安定化を図ったりしているが、逆に脆くなるという欠点もある。
【００２６】
通常、工作機械主軸で使用される温度範囲は、機械の精度を確保する意味でも（熱変形を抑え加工精度を維持する）運転時の温度は６０°Ｃ以下が一般的な温度であるため、ガラス転移点が８０°Ｃ以上あれば、使用に問題ないといえる。
更に、吸水率に関しては、保持器を成形加工若しくは機械加工で製作した場合、大気中での保管だと、吸水率が大きいと水分を吸ってしまい寸法変化が生じてしまう。従って、当初狙っていた最適な保持器寸法からずれて安定した性能が得られなくなってしまう問題がある。特に転動体案内の場合、保持器の半径方向の動き量が性能を左右するため、製作時の寸法を維持する必要がある。そこで、吸水率を１％以下（２３°Ｃ、浸漬２４時間）と低くして安定した寸法の保持器を提供できるようにしている。
【００２７】
次に、アンギュラ玉軸受を用いての外輪温度上昇及び高速限界の回転評価試験について説明する。
試験軸受としては、図１に示す玉案内形の合成樹脂製保持器４を組み込んだアンギュラ玉軸受と図７に示す外輪案内形のフェノール樹脂製保持器４ａを組み込んだアンギュラ玉軸受とを、それぞれ２列背面組合せ（ＤＢ組合せ定位置予圧）としたものを用いた。
【００２８】
保持器以外の軸受仕様は、いずれも内径６５ｍｍ、外径１００ｍｍ、幅１８ｍｍ、玉径７．１４４ｍｍ、玉数２８個、接触角１８°とした。
また、図１に示すアンギュラ玉軸受については、保持器４の合成樹脂素材を表１の▲１▼〜▲４▼としたものを用い、▲１▼の合成樹脂素材（ポリアミド６６）の保持器４が組み込まれたアンギュラ玉軸受を比較例１、▲２▼の合成樹脂素材（ポリアミド４６）の保持器４が組み込まれたアンギュラ玉軸受を比較例２、▲３▼の合成樹脂素材（直鎖状ＰＰＳ樹脂）の保持器４が組み込まれたアンギュラ玉軸受を本発明例１、▲４▼の合成樹脂素材（ＰＥＥＫ）の保持器４が組み込まれたアンギュラ玉軸受を本発明例２とした。
【００２９】
なお、図７に示す外輪案内形のフェノール樹脂製保持器４ａを組み込んだアンギュラ玉軸受は従来高速領域で使用していた例として従来例１とした。
試験条件は次の通りである。
潤滑：グリース（イソフレックスＮＢＵ１５（商品名））
組込時アキシアルばね定数：１００Ｎ／μｍ
（予圧の影響を受けないように同じばね定数に設定）
駆動方法：ベルト
周囲温度：２５°Ｃ
試験結果を図８に示す。
【００３０】
図８から判るように、保持器の合成樹脂素材の曲げ弾性率が１００００ＭＰａ未満の比較例１及び比較例２は回転数が１６０００ｍｉｎ−１までは外輪温度上昇はほぼ同等であるが、外輪温度上昇が３０°Ｃを越えると比較例１が急激に外輪温度の上昇率が高くなり、比較例２と比較して高速限界も低い結果となった。
この時の比較例１の保持器４のリップ部（玉もたせ部）を調査したところ、一部溶融していた。
【００３１】
比較例１及び比較例２の保持器の合成樹脂素材の曲げ弾性率に大きな差はないが、軸受の温度が５５°Ｃ以上となり比較例１の保持器４の合成樹脂素材のガラス転移点近傍となり、保持器強度が急激に落ちて保持器４が変形し、玉３を拘束した結果であると推定される。
比較例２は回転数が２００００ｍｉｎ−１で急激に外輪温度が上昇し、２３０００ｍｉｎ−１ 付近で高速限界に至った。
【００３２】
これは、比較例２の保持器４の合成樹脂素材の曲げ弾性率が１００００ＭＰａ未満と低いため、保持器の強度不足が影響して遠心力による保持器変形により玉が拘束されたためと推測される。
一方、保持器の合成樹脂素材の曲げ弾性率が１００００ＭＰａ以上と大きい本発明例１は急激な外輪温度上昇の変曲点もなく、２５０００ｍｉｎ−１まで問題なく回転が可能であった。
【００３３】
また、本発明例１は従来例１と比較すると低速回転域では外輪の上昇温度は低く低発熱であった。但し、２２０００ｍｉｎ−１を超えるあたりで従来例１の外輪の上昇温度より高い結果となったが比較例１及び２と比較すると性能は大幅に上回っている。
また、保持器の合成樹脂素材の曲げ弾性率が２０２００ＭＰａと最も大きい本発明例２は一番安定しており、回転数２５０００ｍｉｎ−１までの外輪の温度上昇も最も低い結果となった。
【００３４】
次に、複列円筒ころ軸受（ＮＮ３０１９）を用いての外輪温度上昇及び高速限界の回転評価試験について説明する。
試験軸受としては、図９に示すように、内輪１０１と外輪１０２との間に複数のころ１０３が片持ちころ案内形の合成樹脂製保持器１０４を介して周方向に転動可能に配設された複列円筒ころ軸受と、図１０に示すように、内輪１０１と外輪１０２との間に複数のころ１０３が片持ちころ案内形の銅合金製保持器１０４ａを介して周方向に転動可能に配設された複列円筒ころ軸受とを用いた。
【００３５】
保持器以外の軸受仕様は、いずれも内径９５ｍｍ、外径１４５ｍｍ、幅３７ｍｍ，ころ径１１ｍｍ、ころ長さ１１ｍｍ、ころ数２８個×２とした。
また、図９に示す複列円筒ころ軸受については、保持器１０４の合成樹脂素材を表１の▲１▼、▲２▼、▲４▼としたものを用い、▲１▼の合成樹脂素材（ポリアミド６６）の保持器１０４が組み込まれた複列円筒ころ軸受を比較例３、▲２▼の合成樹脂素材（ポリアミド４６）の保持器１０４が組み込まれた複列円筒ころ軸受を比較例４、▲４▼の合成樹脂素材（ＰＥＥＫ）の保持器１０４が組み込まれた複列円筒ころ軸受を本発明例３とした。
【００３６】
なお、図１０に示す片持ちころ案内形の銅合金製保持器１０４ａを組み込んだ複列円筒ころ軸受は従来標準的に使用される例として従来例２とした。
試験条件は次の通りである。
潤滑：グリース（イソフレックスＮＢＵ１５：商品名）
組込時ラジアルすきま：０μｍ
駆動方法：ベルト
周囲温度：２５°Ｃ
図１１に結果を示す。
【００３７】
図１１から判るように、この例では保持器が片持ち形状なため、アンギュラ玉軸受以上に保持器の曲げ弾性率（剛性）が性能に影響をしている。
保持器の合成樹脂素材の曲げ弾性率が１００００ＭＰａ未満の比較例３及び比較例４は回転数が３０００ｍｉｎ−１までは外輪温度上昇はほぼ同等であるが、回転数が３０００ｍｉｎ−１を越えると比較例３が急激に外輪温度の上昇率が高くなり、比較例４と比較して高速限界も低い結果となった。
【００３８】
比較例４は回転数が５０００ｍｉｎ−１を過ぎると急激に外輪温度が上昇し、８０００ｍｉｎ−１ 付近で高速限界に至った。
これは、保持器の合成樹脂素材の曲げ弾性率が１００００ＭＰａ未満と低いことに加えて、保持器が片持ち形状のため、軸受回転時の遠心力による保持器の変形が円環部のみでなく柱部も持ち上がるように変形してしまうことにより保持器の動き量が大きくなり、また、回転中の保持器偏心量が大きくなって保持器に作用する力も増え、更に保持器を変形させてころを拘束する形となってしまうためと推測される。
【００３９】
保持器の合成樹脂素材の曲げ弾性率が２０２００ＭＰａと最も大きい本発明例３は一番安定しており、回転数１３０００ｍｉｎ−１までの外輪の温度上昇も保持器の強度が本発明例３より大きい従来例２（銅合金製保持器）より低く最も低い結果となった。
これは、単に銅合金と合成樹脂の摩擦係数の影響だけでなく比重の重い銅合金の方が保持器に作用する力が大きくなり、ころを拘束する力がＰＥＥＫ樹脂に比べ大きくなったことが要因と推定できる。
【００４０】
なお、複列円筒ころ軸受の保持器としては、図９に限らず、図１２の片持ちころ案内形の合成樹脂製保持器１０４や、図１３の両円環ころ案内形の合成樹脂保持器１０４ｂを用いることができ、また、図１４に示すように、内輪１１１と外輪１１２との間に複数の玉１１３が合成樹脂製の冠形保持器１１４を介して周方向に転動可能に配設された深溝玉軸受に本発明を適用しても複列円筒ころ軸受の場合と同様なことがいえる。
【００４１】
更に、図示は省略するが、単列円筒ころ軸受にも同じことがいえる。軸受のタイプ、用途に限らず、転動体案内形の保持器で高速回転する軸受全てにおいて本発明は有効である。
【００４２】
【発明の効果】
上記の説明から明らかなように、本発明によれば、高速回転時に転動体の運動を阻害することなく、低発熱で信頼性の高い転動体案内形の合成樹脂製保持器及び該保持器を備えた転がり軸受を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の転がり軸受の実施の形態の一例である玉案内形の合成樹脂製保持器を備えたアンギュラ玉軸受を説明するための要部断面図である。
【図２】玉案内形の合成樹脂製保持器の変形例を示す要部断面図である。
【図３】荷重に対する保持器の変形量の計算に用いた保持器形状の一例を示す要部断面図である。
【図４】保持器に負荷した荷重と保持器の変形量との関係を素材毎に比較したグラフ図である。
【図５】回転数と保持器に作用する力との関係を示すグラフ図である。
【図６】保持器素材の比重と保持器に作用する力との関係を示すグラフ図である。
【図７】比較例としての外輪案内形のフェノール樹脂製保持器を備えたアンギュラ玉軸受を示す要部断面図である。
【図８】実施例及び比較例毎に回転数と外輪の上昇温度との関係を比較したグラフ図である。
【図９】本発明の転がり軸受の他の実施の形態である片持ちころ案内形の合成樹脂製保持器を備えた複列円筒ころ軸受を説明するための要部断面図である。
【図１０】比較例としての片持ちころ案内形の銅合金製保持器を備えた複列円筒ころ軸受を示す要部断面図である。
【図１１】実施例及び比較例毎に回転数と外輪の上昇温度との関係を比較したグラフ図である。
【図１２】片持ちころ案内形の合成樹脂製保持器の変形例を示す要部断面図である。
【図１３】両円環ころ案内形保持器を備えた複列円筒ころ軸受を示す要部断面図である。
【図１４】冠形保持器を備えた深溝玉軸受を示す要部断面図である。
【符号の説明】
１…内輪
２…外輪
３…玉（転動体）
４…合成樹脂製保持器
【発明の属する技術分野】
本発明は、転動体案内形の合成樹脂製保持器及び該保持器を備えた転がり軸受に関する。
【０００２】
【従来の技術】
転がり軸受の一例である工作機械主軸用軸受においては、工作精度上向上のため、振動、音響等の特性が良好であることが求められる。また、近年においては、取り扱いやすさや、環境、コストに有効なグリース潤滑での高速回転性（高回転速度で長時間安定して使用できること）が求められている。
【０００３】
このような特性を満たすために、従来では、保持器を軽量で柔軟性に優れる合成樹脂製とし、該合成樹脂材としては、常温状態で軸受を使用する場合はポリアミド６６やポリアミド４６にガラス繊維等の短繊維を強化材として混入させた複合材料が多く用いられている。
また、アンギュラ玉軸受では、高速回転域で使用する場合は、ポリアミド系のプラスチック製保持器ではなく、外輪案内形のフェノール樹脂製保持器が多く用いられている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
近年、転がり軸受に対してより高速化の要求が強くなりグリース潤滑でｄｍ ｎ値が１００万も珍しくはなくなってきた。高速化に必要な技術は多々あるが、保持器も高速化に重要な役目を担っている。
保持器は転動体を保持し、転動体の公転、自転を円滑に回転させる役割をもっているが、逆に軸受回転時の遠心力による保持器の振れまわりや保持器の変形により転動体を拘束して転動体の運動を阻害してしまい、高速回転時に支障をきたしてしまうことがある。
【０００５】
このような転動体の運動の阻害は、軌道輪案内の保持器に比べて転動体案内の保持器の方がより顕著に起こってしまう。
即ち、転動体案内の保持器では、高速回転時の遠心力による保持器が振れ回りにより、転動体の持たせ部分が転動体を拘束して異常昇温し最終的に軸受の焼付きに至ることもある。
【０００６】
また、保持器の転動体の持たせ部と転動体との接触部分でのすべり摩擦により発熱し、転動体もたせ部分の温度が上がって軟化し、最終的には溶融してしまう問題もある。
従って、高速回転領域で使用される軸受には、外輪案内形のフェノール樹脂製保持器を採用することが主流となっている。
【０００７】
一方で、外輪案内形のフェノール樹脂製保持器を用いた転がり軸受においては、潤滑状態（油膜形成状態）が悪化すると保持器音が出る問題があり、転動体案内形の樹脂製保持器と比較すると音に関しては安定性に欠ける部分がある。
本発明はこのような技術的背景を鑑みてなされたものであり、高速回転時に転動体の運動を阻害することなく、低発熱で信頼性の高い転動体案内形の合成樹脂製保持器及び該保持器を備えた転がり軸受を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１に係る発明は、転がり軸受の内輪と外輪との間に配設される複数の転動体を周方向に転動可能に保持する転動体案内形の転がり軸受用保持器において、
曲げ弾性率１００００ＭＰａ以上、比重２以下、吸水率１％以下（２３°Ｃ、浸漬２４時間）、ガラス転移点８０°Ｃ以上の合成樹脂を素材としたことを特徴とする。
【０００９】
請求項２に係る発明は、内輪と外輪との間に複数の転動体が転動体案内形の保持器を介して周方向に転動可能に配設された転がり軸受において、
前記保持器を合成樹脂製とし、且つ該合成樹脂の素材として、曲げ弾性率１００００ＭＰａ以上、比重２以下、吸水率１％以下（２３°Ｃ、浸漬２４時間）、ガラス転移点８０°Ｃ以上のものを用いたことを特徴とする。
【００１０】
請求項３に係る発明は、請求項２において、前記転動体をセラミック製としたことを特徴とする。
請求項４に係る発明は、請求項２又は３において、ｄｍ ｎ値（ｄｍ ：軸受内径と外径との平均（ｍｍ）×ｎ：軸受回転速度（ｍｉｎ−１））が８０万以上で使用されることを特徴とする。
【００１１】
請求項５に係る発明は、請求項２〜４のいずれか一項において、工作機械主軸用スピンドルに使用されることを特徴とする。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図を参照して説明する。
図１は本発明の転がり軸受の実施の形態の一例である玉案内形の合成樹脂製保持器を備えたアンギュラ玉軸受を説明するための要部断面図、図２は玉案内形の合成樹脂製保持器の変形例を示す要部断面図、図３は荷重に対する保持器の変形量の計算に用いた保持器形状の一例を示す要部断面図、図４は保持器に負荷した荷重と保持器の変形量との関係を素材毎に比較したグラフ図、図５は回転数と保持器に作用する力との関係を示すグラフ図、図６は保持器素材の比重と保持器に作用する力との関係を示すグラフ図、図７は比較例としての外輪案内形のフェノール樹脂製保持器を備えたアンギュラ玉軸受を示す要部断面図、図８は実施例及び比較例毎に回転数と外輪の上昇温度との関係を比較したグラフ図、図９〜図１４は本発明の他の実施の形態を説明するための図である。
【００１３】
本発明の実施の形態の一例であるアンギュラ玉軸受は、図１に示すように、内輪１と外輪２との間に転動体としての複数の玉（例えばセラミック玉）３が玉案内形の保持器４を介して周方向に転動可能に配設されている。
ここで、この実施の形態では、保持器４を合成樹脂製とし、且つ該合成樹脂の素材として、曲げ弾性率１００００ＭＰａ以上、比重２以下、吸水率１％以下（２３°Ｃ、浸漬２４時間）、ガラス転移点８０°Ｃ以上のものを用いている。
【００１４】
これにより、例えば工作機械主軸用スピンドルの支持に玉案内形の合成樹脂製保持器４を組み込んだ転がり軸受を用いた場合においても、軸受の高速回転時（ｄｍ ｎ値８０万以上）の遠心力による保持器４の変形を抑制し、該保持器４が玉３を拘束することにより生じる異常昇温を防止することができる。この結果、高速回転時に玉３の運動を阻害することなく、低発熱で信頼性の高いものとすることができる。
【００１５】
なお、図１では、軸方向の左右の肉厚が同一の保持器４を組み込んだアンギュラ玉軸受を示したが、図２に示すように、軸方向の左右の肉厚が相違した保持器４を組み込んだアンギュラ玉軸受にも同様に本発明を適用できるのは勿論である。
保持器４を形成する合成樹脂の素材例としては、特許第２６２８６７４号公報に記載の直鎖状ポリフェニレンサルファイド樹脂（直鎖状ＰＰＳ樹脂）に強化繊維としてガラス繊維３０〜４０％若しくはカーボン繊維１５〜３０％を混入したもの、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）に強化繊維としてガラス繊維３０〜４０％若しくはカーボン繊維１５〜３０％を混入したもの、ポリイミド樹脂に強化繊維としてガラス繊維３０〜４０％若しくはカーボン繊維１５〜３０％を混入したもの等が挙げられる。
【００１６】
直鎖状ＰＰＳ樹脂は、重合段階で直鎖状に分子鎖を高分子量にまで生長させたもので、優れた耐熱性、耐油性、耐薬品性を示すと同時に高い機械的特性を有している。
直鎖状ＰＰＳ樹脂は、特開昭６１−７３３２号公報及び特開昭６１−６６７２０号公報に開示の方法により製造することができる。
【００１７】
この直鎖状ＰＰＳ樹脂は重合後、高温下で熱処理を受けておらず、また、架橋剤や分岐剤などの添加もなされていないが、分子量の目安となる溶融粘度は、溶融温度３１０°Ｃで剪断速度が２００ｓｅｃ−１で測定した場合、７００ポアース以上である。このような直鎖状ＰＰＳ樹脂は呉羽化学工業（株）より「フォートロンＫＰＳ（商品名）」として入手することができる。
【００１８】
直鎖状ＰＰＳ樹脂は前述のような靭性等の機械的性質が分岐状ＰＰＳ樹脂に比べて優れていることに加え、同一分子量では分岐状ＰＰＳ樹脂と比較して分子鎖間の絡み合いが大きくなるため、組成物の靭性を著しく向上させることができる。また、直鎖状ＰＰＳは成形収縮率が小さいため、成形物の寸法精度を向上させることもできる。
【００１９】
次に、合成樹脂の素材として、曲げ弾性率１００００ＭＰａ以上、比重２以下、吸水率１％以下（２３°Ｃ、浸漬２４時間）、ガラス転移点８０°Ｃ以上のものを用いる根拠について説明する。
合成樹脂の曲げ弾性率を１００００ＭＰａ以上としたのは、保持器の素材として曲げ弾性率の大きい合成樹脂を採用することで高速回転時の保持器変形を抑えて転動体を拘束しないようにするためである。
【００２０】
表１の▲１▼〜▲４▼の合成樹脂を素材とした保持器に荷重を負荷した際の保持器変形量を計算した結果を図４に示す。なお、図３に保持器変形量の計算に用いた保持器形状の一例を示す。
【００２１】
【表１】
次に、下記の条件で各回転数における保持器に作用する力を計算した結果を図５に示す。
保持器の内外径変肉：０．０６（保持器アンバランス要因）
ポケットピッチ不同：０．３０（保持器アンバランス要因）
保持器の比重 ：２（保持器重量に影響）
保持器半径方向動き量：０．５ｍｍ（保持器回転中心のズレ量）
図４及び図５から判るように、高速回転になれば、保持器に作用する力も大きくなり保持器の変形量も大きくなるが、この変形量は合成樹脂の曲げ弾性率が大きいほど小さくなる。
【００２３】
従って、保持器に曲げ弾性率が大きい合成樹脂素材を使用することにより、軸受の高速回転時の遠心力により保持器に力が作用しても変形を小さく抑えることができる。但し、曲げ弾性率を上げるために合成樹脂に混入する強化繊維の量が多くなりすぎたり、強化繊維として金属繊維を採用すると比重が大きくなって遠心力により保持器に作用する力を増大させてしまい、結局は保持器の変形を大きくしてしまう。
【００２４】
上記の条件で、回転数２００００ｍｉｎ−１時の各比重毎の保持器に作用する力を計算した結果を図６に示す。図６から、比重が大きい程、遠心力により保持器に作用する力が大きくなるのが判る。
この実施の形態では、合成樹脂の曲げ弾性率を１００００ＭＰａ以上とした場合に、ｄｍ ｎ値８０万以上の高速回転時の遠心力による保持器の変形を抑制し、該保持器が転動体を拘束することによる異常昇温を防止することを条件に、合成樹脂の比重を２以下、好ましくは１．５以下としている。
【００２５】
また、ガラス転移点に関しては、ガラス転移点以上に温度が上がると分子の運動性が大きくなり（ゴム状態）、保持器の変形が大きくなってしまうため、曲げ弾性率の大きい素材を使用しても転動体を拘束してしまう方向に働いてしまう。通常、高温で使用される場合はアニーリングを施して結晶化を進め、組織の構造の安定化を図ったりしているが、逆に脆くなるという欠点もある。
【００２６】
通常、工作機械主軸で使用される温度範囲は、機械の精度を確保する意味でも（熱変形を抑え加工精度を維持する）運転時の温度は６０°Ｃ以下が一般的な温度であるため、ガラス転移点が８０°Ｃ以上あれば、使用に問題ないといえる。
更に、吸水率に関しては、保持器を成形加工若しくは機械加工で製作した場合、大気中での保管だと、吸水率が大きいと水分を吸ってしまい寸法変化が生じてしまう。従って、当初狙っていた最適な保持器寸法からずれて安定した性能が得られなくなってしまう問題がある。特に転動体案内の場合、保持器の半径方向の動き量が性能を左右するため、製作時の寸法を維持する必要がある。そこで、吸水率を１％以下（２３°Ｃ、浸漬２４時間）と低くして安定した寸法の保持器を提供できるようにしている。
【００２７】
次に、アンギュラ玉軸受を用いての外輪温度上昇及び高速限界の回転評価試験について説明する。
試験軸受としては、図１に示す玉案内形の合成樹脂製保持器４を組み込んだアンギュラ玉軸受と図７に示す外輪案内形のフェノール樹脂製保持器４ａを組み込んだアンギュラ玉軸受とを、それぞれ２列背面組合せ（ＤＢ組合せ定位置予圧）としたものを用いた。
【００２８】
保持器以外の軸受仕様は、いずれも内径６５ｍｍ、外径１００ｍｍ、幅１８ｍｍ、玉径７．１４４ｍｍ、玉数２８個、接触角１８°とした。
また、図１に示すアンギュラ玉軸受については、保持器４の合成樹脂素材を表１の▲１▼〜▲４▼としたものを用い、▲１▼の合成樹脂素材（ポリアミド６６）の保持器４が組み込まれたアンギュラ玉軸受を比較例１、▲２▼の合成樹脂素材（ポリアミド４６）の保持器４が組み込まれたアンギュラ玉軸受を比較例２、▲３▼の合成樹脂素材（直鎖状ＰＰＳ樹脂）の保持器４が組み込まれたアンギュラ玉軸受を本発明例１、▲４▼の合成樹脂素材（ＰＥＥＫ）の保持器４が組み込まれたアンギュラ玉軸受を本発明例２とした。
【００２９】
なお、図７に示す外輪案内形のフェノール樹脂製保持器４ａを組み込んだアンギュラ玉軸受は従来高速領域で使用していた例として従来例１とした。
試験条件は次の通りである。
潤滑：グリース（イソフレックスＮＢＵ１５（商品名））
組込時アキシアルばね定数：１００Ｎ／μｍ
（予圧の影響を受けないように同じばね定数に設定）
駆動方法：ベルト
周囲温度：２５°Ｃ
試験結果を図８に示す。
【００３０】
図８から判るように、保持器の合成樹脂素材の曲げ弾性率が１００００ＭＰａ未満の比較例１及び比較例２は回転数が１６０００ｍｉｎ−１までは外輪温度上昇はほぼ同等であるが、外輪温度上昇が３０°Ｃを越えると比較例１が急激に外輪温度の上昇率が高くなり、比較例２と比較して高速限界も低い結果となった。
この時の比較例１の保持器４のリップ部（玉もたせ部）を調査したところ、一部溶融していた。
【００３１】
比較例１及び比較例２の保持器の合成樹脂素材の曲げ弾性率に大きな差はないが、軸受の温度が５５°Ｃ以上となり比較例１の保持器４の合成樹脂素材のガラス転移点近傍となり、保持器強度が急激に落ちて保持器４が変形し、玉３を拘束した結果であると推定される。
比較例２は回転数が２００００ｍｉｎ−１で急激に外輪温度が上昇し、２３０００ｍｉｎ−１ 付近で高速限界に至った。
【００３２】
これは、比較例２の保持器４の合成樹脂素材の曲げ弾性率が１００００ＭＰａ未満と低いため、保持器の強度不足が影響して遠心力による保持器変形により玉が拘束されたためと推測される。
一方、保持器の合成樹脂素材の曲げ弾性率が１００００ＭＰａ以上と大きい本発明例１は急激な外輪温度上昇の変曲点もなく、２５０００ｍｉｎ−１まで問題なく回転が可能であった。
【００３３】
また、本発明例１は従来例１と比較すると低速回転域では外輪の上昇温度は低く低発熱であった。但し、２２０００ｍｉｎ−１を超えるあたりで従来例１の外輪の上昇温度より高い結果となったが比較例１及び２と比較すると性能は大幅に上回っている。
また、保持器の合成樹脂素材の曲げ弾性率が２０２００ＭＰａと最も大きい本発明例２は一番安定しており、回転数２５０００ｍｉｎ−１までの外輪の温度上昇も最も低い結果となった。
【００３４】
次に、複列円筒ころ軸受（ＮＮ３０１９）を用いての外輪温度上昇及び高速限界の回転評価試験について説明する。
試験軸受としては、図９に示すように、内輪１０１と外輪１０２との間に複数のころ１０３が片持ちころ案内形の合成樹脂製保持器１０４を介して周方向に転動可能に配設された複列円筒ころ軸受と、図１０に示すように、内輪１０１と外輪１０２との間に複数のころ１０３が片持ちころ案内形の銅合金製保持器１０４ａを介して周方向に転動可能に配設された複列円筒ころ軸受とを用いた。
【００３５】
保持器以外の軸受仕様は、いずれも内径９５ｍｍ、外径１４５ｍｍ、幅３７ｍｍ，ころ径１１ｍｍ、ころ長さ１１ｍｍ、ころ数２８個×２とした。
また、図９に示す複列円筒ころ軸受については、保持器１０４の合成樹脂素材を表１の▲１▼、▲２▼、▲４▼としたものを用い、▲１▼の合成樹脂素材（ポリアミド６６）の保持器１０４が組み込まれた複列円筒ころ軸受を比較例３、▲２▼の合成樹脂素材（ポリアミド４６）の保持器１０４が組み込まれた複列円筒ころ軸受を比較例４、▲４▼の合成樹脂素材（ＰＥＥＫ）の保持器１０４が組み込まれた複列円筒ころ軸受を本発明例３とした。
【００３６】
なお、図１０に示す片持ちころ案内形の銅合金製保持器１０４ａを組み込んだ複列円筒ころ軸受は従来標準的に使用される例として従来例２とした。
試験条件は次の通りである。
潤滑：グリース（イソフレックスＮＢＵ１５：商品名）
組込時ラジアルすきま：０μｍ
駆動方法：ベルト
周囲温度：２５°Ｃ
図１１に結果を示す。
【００３７】
図１１から判るように、この例では保持器が片持ち形状なため、アンギュラ玉軸受以上に保持器の曲げ弾性率（剛性）が性能に影響をしている。
保持器の合成樹脂素材の曲げ弾性率が１００００ＭＰａ未満の比較例３及び比較例４は回転数が３０００ｍｉｎ−１までは外輪温度上昇はほぼ同等であるが、回転数が３０００ｍｉｎ−１を越えると比較例３が急激に外輪温度の上昇率が高くなり、比較例４と比較して高速限界も低い結果となった。
【００３８】
比較例４は回転数が５０００ｍｉｎ−１を過ぎると急激に外輪温度が上昇し、８０００ｍｉｎ−１ 付近で高速限界に至った。
これは、保持器の合成樹脂素材の曲げ弾性率が１００００ＭＰａ未満と低いことに加えて、保持器が片持ち形状のため、軸受回転時の遠心力による保持器の変形が円環部のみでなく柱部も持ち上がるように変形してしまうことにより保持器の動き量が大きくなり、また、回転中の保持器偏心量が大きくなって保持器に作用する力も増え、更に保持器を変形させてころを拘束する形となってしまうためと推測される。
【００３９】
保持器の合成樹脂素材の曲げ弾性率が２０２００ＭＰａと最も大きい本発明例３は一番安定しており、回転数１３０００ｍｉｎ−１までの外輪の温度上昇も保持器の強度が本発明例３より大きい従来例２（銅合金製保持器）より低く最も低い結果となった。
これは、単に銅合金と合成樹脂の摩擦係数の影響だけでなく比重の重い銅合金の方が保持器に作用する力が大きくなり、ころを拘束する力がＰＥＥＫ樹脂に比べ大きくなったことが要因と推定できる。
【００４０】
なお、複列円筒ころ軸受の保持器としては、図９に限らず、図１２の片持ちころ案内形の合成樹脂製保持器１０４や、図１３の両円環ころ案内形の合成樹脂保持器１０４ｂを用いることができ、また、図１４に示すように、内輪１１１と外輪１１２との間に複数の玉１１３が合成樹脂製の冠形保持器１１４を介して周方向に転動可能に配設された深溝玉軸受に本発明を適用しても複列円筒ころ軸受の場合と同様なことがいえる。
【００４１】
更に、図示は省略するが、単列円筒ころ軸受にも同じことがいえる。軸受のタイプ、用途に限らず、転動体案内形の保持器で高速回転する軸受全てにおいて本発明は有効である。
【００４２】
【発明の効果】
上記の説明から明らかなように、本発明によれば、高速回転時に転動体の運動を阻害することなく、低発熱で信頼性の高い転動体案内形の合成樹脂製保持器及び該保持器を備えた転がり軸受を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の転がり軸受の実施の形態の一例である玉案内形の合成樹脂製保持器を備えたアンギュラ玉軸受を説明するための要部断面図である。
【図２】玉案内形の合成樹脂製保持器の変形例を示す要部断面図である。
【図３】荷重に対する保持器の変形量の計算に用いた保持器形状の一例を示す要部断面図である。
【図４】保持器に負荷した荷重と保持器の変形量との関係を素材毎に比較したグラフ図である。
【図５】回転数と保持器に作用する力との関係を示すグラフ図である。
【図６】保持器素材の比重と保持器に作用する力との関係を示すグラフ図である。
【図７】比較例としての外輪案内形のフェノール樹脂製保持器を備えたアンギュラ玉軸受を示す要部断面図である。
【図８】実施例及び比較例毎に回転数と外輪の上昇温度との関係を比較したグラフ図である。
【図９】本発明の転がり軸受の他の実施の形態である片持ちころ案内形の合成樹脂製保持器を備えた複列円筒ころ軸受を説明するための要部断面図である。
【図１０】比較例としての片持ちころ案内形の銅合金製保持器を備えた複列円筒ころ軸受を示す要部断面図である。
【図１１】実施例及び比較例毎に回転数と外輪の上昇温度との関係を比較したグラフ図である。
【図１２】片持ちころ案内形の合成樹脂製保持器の変形例を示す要部断面図である。
【図１３】両円環ころ案内形保持器を備えた複列円筒ころ軸受を示す要部断面図である。
【図１４】冠形保持器を備えた深溝玉軸受を示す要部断面図である。
【符号の説明】
１…内輪
２…外輪
３…玉（転動体）
４…合成樹脂製保持器
Claims (5)
- 転がり軸受の内輪と外輪との間に配設される複数の転動体を周方向に転動可能に保持する転動体案内形の転がり軸受用保持器において、
曲げ弾性率１００００ＭＰａ以上、比重２以下、吸水率１％以下（２３°Ｃ、浸漬２４時間）、ガラス転移点８０°Ｃ以上の合成樹脂を素材としたことを特徴とする転がり軸受用保持器。 - 内輪と外輪との間に複数の転動体が転動体案内形の保持器を介して周方向に転動可能に配設された転がり軸受において、
前記保持器を合成樹脂製とし、且つ該合成樹脂の素材として、曲げ弾性率１００００ＭＰａ以上、比重２以下、吸水率１％以下（２３°Ｃ、浸漬２４時間）、ガラス転移点８０°Ｃ以上のものを用いたことを特徴とする転がり軸受。 - 前記転動体をセラミック製としたことを特徴とする請求項２記載の転がり軸受。
- ｄｍ ｎ値（ｄｍ ：軸受内径と外径との平均（ｍｍ）×ｎ：軸受回転速度（ｍｉｎ−１））が８０万以上で使用されることを特徴とする請求項２又は３記載の転がり軸受。
- 工作機械主軸用スピンドルに使用されることを特徴とする請求項２〜４のいずれか一項に記載の転がり軸受。
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-
2002
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