JP2004347001A

JP2004347001A - 人工衛星姿勢制御フライホイール用組合せ転がり軸受

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Publication number: JP2004347001A
Application number: JP2003143677A
Authority: JP
Inventors: Hideto Yui; 秀人由井; Yukio Oura; 大浦　　行雄
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2003-05-21
Filing date: 2003-05-21
Publication date: 2004-12-09

Abstract

【課題】人工衛星姿勢制御フライホイール用組合せ転がり軸受の潤滑油の量を適切化する。
【解決手段】人工衛星姿勢制御フライホイール用組合せ転がり軸受において、本発明は、内周部に軌道面が形成された外輪と、外周部に軌道面が形成された内輪と、外輪の軌道面と内輪の軌道面との間に組み込まれる複数の転動体と、外輪の内周部と内輪の外周部との間に配置され複数の転動体を保持する環状の保持器とを有してなる転がり軸受を一対組み合わせて構成され、転がり軸受の外輪の内径をｒ_ｏｉ、保持器の外径をｒ_ｒｏ、保持器の内径をｒ_ｒｉ、内輪の外径をｒ_ｉｏとしたときに、ｒ_ｏｉ ^２−ｒ_ｒｏ ^２＋ｒ_ｒｉ ^２−ｒ_ｉｏ ^２の値が、一対の転がり軸受の合せ面側よりも反合せ面側のほうが大きい構成とする。これによって反合せ面側に余剰な潤滑油が排出されやすくなり、軸受内の潤滑油の量が適切化される。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、転がり軸受に関し、特に、人工衛星の姿勢を制御するためのフライホイール用の組合せ転がり軸受に関する。
【０００２】
【従来の技術】
人工衛星の姿勢制御に用いられるフライホイールは、通常、はずみ車の回転軸上に配置された例えば一対の転がり軸受によって支持されている。このような転がり軸受として、フライホイールの構造上、単列転がり軸受を例えば二列組み合わせた、いわゆる組合せ軸受が用いられる。（例えば、特許文献１を参照。）
【０００３】
組合せ軸受を構成する転がり軸受には、転動体の組み込みを容易にするために、軸方向のいずれか一方にいわゆるカウンターボアを設けることが一般的である。カウンターボアとは、内輪または外輪の少なくとも一方の溝肩を全部または部分的に取り除いたものをいい、肩落しとも称される。（例えば、非特許文献１を参照。）
【０００４】
通常、保持器を外輪の内周面または内輪の外周面によって案内する軸受においては、保持器を両肩案内とするために、案内面のない側の外輪または内輪にカウンターボアを設けることが一般的である。すなわち、保持器が外輪案内の場合には、内輪にカウンターボアを設け、保持器が内輪案内の場合には、外輪にカウンターボアを設けることが一般的である。また、軸の長手方向においてカウンターボアをいずれの側に設けるかは、負担すべき負荷の方向を考慮し、反負荷側にカウンターボアを設けるようにする。
【０００５】
【特許文献１】
特開平１１−２９１９９４号公報（第３頁、図３等。）
【非特許文献１】
「ＪＩＳ用語解説シリーズ転がり軸受用語」（社）日本ベアリング工業会編日本規格協会刊１９９３年７月２０日第１版第１刷発行（第２９頁等。）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
人工衛星姿勢制御フライホイール用の軸受においては、例えば１０年以上潤滑油を補給せずに稼動させるといったメンテナンスフリー性が要求される。このため、軸受内に予め塗布する潤滑油の量が不十分であると、潤滑不良によって不具合が発生しうる。
【０００７】
一方、潤滑油の量が過剰であると、過剰な潤滑油が回転時に抵抗を発生し、トルク変動の原因となる。例えば、カウンターボアが合せ面側とする構造においては、組立前に塗布した潤滑油が軸受内から排出されにくいために、潤滑に不必要な油が軌道面走行部の両端に集まっており、そのため、回転トルクを安定させるまでに時間を要する。また、潤滑油の量が過剰であると、各摺動面部における油膜の厚さが不均一となる。特に、保持器と、外輪または内輪に設けられる案内面との摺動面や、保持器のポケット面と玉等の転動体との摺動面における油膜の厚さが不均一であると、保持器振動の発生する原因となり、保持器騒音が増大する場合がある。
【０００８】
また、上述したトルク変動は、運転時間の経過とともに低減するが、その後回転数が変動すると、軸受の接触角が変化することによって再びトルク変動が大きくなってしまうから、再度ならし運転が必要となる。そして、潤滑油を再び回転トルクが安定する量にするためには、さらに長い時間回転させ、潤滑油を外輪と保持器外径との隙間、または保持器内径と内輪外径との隙間から、軸受空間の外部に排出させる必要がある。
【０００９】
上述した問題に鑑み、本発明の課題は、人工衛星姿勢制御フライホイール用組合せ転がり軸受内の潤滑油の量を適切化することにある。
【００１０】
【課題を解決する手段】
本発明は、内周部に軌道面が形成された外輪と、外周部に軌道面が形成された内輪と、外輪の軌道面と内輪の軌道面との間に組み込まれる複数の転動体と、外輪の内周部と内輪の外周部との間に配置され複数の転動体を保持する環状の保持器とを有してなる転がり軸受を一対組み合わせて構成され、転がり軸受の外輪の内径をｒ_ｏｉ、保持器の外径をｒ_ｒｏ、保持器の内径をｒ_ｒｉ、内輪の外径をｒ_ｉｏとしたときに、ｒ_ｏｉ ^２−ｒ_ｒｏ ^２＋ｒ_ｒｉ ^２−ｒ_ｉｏ ^２の値が、一対の転がり軸受の合せ面側よりも反合せ面側のほうが大きいことを特徴とする人工衛星姿勢制御フライホイール用組合せ転がり軸受によって上述した課題を解決する。
【００１１】
本発明によれば、転がり軸受を軸方向から見たときの、外輪の内径と保持器の外径との間の隙間の面積と、保持器の内径と内輪の外径との間の隙間の面積との和が、一対の転がり軸受の合せ面側よりも反合せ面側の方が大きいから、この反合せ面側のこれらの隙間から、余剰な潤滑油が、組合せ転がり軸受の外部に排出されやすい。これによって、人工衛星姿勢制御フライホイール用組合せ転がり軸受の潤滑油の量が適切化される。この結果、各摺動面部における油膜厚さが均一化されてトルク変動が抑制され、安定したトルクを維持することができ、また、保持器振動および保持器騒音が低減されることから、軸受摩耗、焼付き等の不具合も生じにくくなる。
【００１２】
また、転がり軸受を軸方向から見たときに、外輪、内輪および保持器によって遮られない転動体の投影面積が、一対の転がり軸受の合せ面側よりも反合せ面側のほうが大きくなるようにしても、反合せ面側から余剰な潤滑油が排出されやすくなるから、同様の効果を得ることができる。
【００１３】
ところで、保持器振動を低減するためには、外輪の内周面または内輪の外周面に形成される案内面と、保持器との摺動面に作用する摩擦力を低減することが有効である。そこで、保持器が外輪の内周面によって案内されるいわゆる外輪案内の場合には、外輪の反合せ面側にカウンターボアを形成して片側案内としてもよい。また、保持器が内輪の外周面によって案内されるいわゆる内輪案内の場合には、内輪の反合せ面側にカウンターボアを形成して片側案内としてもよい。これらのようにすることによって、保持器振動を一層低減することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を適用してなる人工衛星姿勢制御フライホイール用組合せ転がり軸受の一実施形態について説明する。図１は、本実施形態の組合せ転がり軸受の断面を示す図である。図１に示すように、組合せ転がり軸受は、一対の単列アンギュラ玉軸受１、３を組み合わせて構成されている。軸受１、３は同様の構成を有するが、これらの合せ面に対して対照となるように配列されている。以下、軸受１について、詳細な構成を説明する。
【００１５】
軸受１は、外周部に軌道面が形成された内輪５と、内周部に軌道面が形成された外輪７と、内輪５と外輪７の軌道面間に組み込まれる転動体である複数の玉９と、玉９相互間の間隔を保持する環状の保持器１１とを有して構成されている。
【００１６】
内輪５は、ほぼ矩形の断面を有するリング状に形成されている。そして、内輪５の外周面の軸方向において中央部には、その周方向にわたって延在する溝状の軌道面１３が形成されている。軌道面１３は、玉９の表面に応じて設定された曲率の円弧状の溝断面を有する。そして、軌道面１３の両側の縁から、それぞれ隣接する端部６までにかけては、内輪５の外径はほぼ一定に形成されている。また、内輪５の内周面は、軸方向にわたってほぼ一定の内径に形成され、この内径は、支持対象である軸の外径に応じて設定される。
【００１７】
一方、外輪７には、軸受３との合せ面の反対側（以下、「反合せ面側」と称する。）の肩部に、いわゆるカウンターボア１４が形成されている。すなわち、外輪７はほぼ矩形の断面を有するリング状に形成されて内輪５とほぼ同心に配置され、その内周面の、軸方向において中央部には、その周方向にわたって延在する溝状の軌道面１５が形成されている。軌道面１５の溝断面形状は、玉９の表面に応じて設定された曲率の円弧状となっている。そして、軌道面１５を軸方向に挟んだ反合せ面側はいわゆるカウンターボア１４となっている。すなわち、溝深さは他方に比べて浅く設定され、また、軌道面１５の縁から端部８にかけては、徐々に径が大きくなるようにテーパ状に形成されている。一方、軌道面１５よりも合せ面側においては、軌道面１５の縁から端部１０までは、同一の径に形成されている。なお、この合せ面側の内周面は、保持器１１の外周面と接触し、摺動する案内面となっている。また、外輪７の外径は、全長にわたって、ほぼ同一の外径に形成されている。この外径は、軸受を収容するハウジングの寸法に応じて設定される。なお、内輪５と外輪７とは、軸方向の長さがほぼ等しく、また、両端面をほぼそろえて配置されている。
【００１８】
また、保持器１１は、矩形断面を有するリング状に形成されている。この保持器１１は、内輪５の外周面と外輪７の内周面との間に挟まれて配置され、内輪５および外輪７とほぼ同心に配置されている。保持器１１の軸方向長さは内輪５および外輪７よりも短く、その結果、保持器１１は、軸受の両端部において、内輪５および外輪７の端面から奥まっている。そして、保持器１１の内周面から外周面まで貫通し、その内部に玉９を収容するポケット１７が形成されている。ポケット１７は、保持器１１の周上にわたって、玉９の個数に応じて複数形成され、これによって各玉９列の周方向における間隔を規制している。また、ポケット１７は保持器１１をその径方向外側からみたときに円形に形成されている。
【００１９】
そして、本実施形態の場合には、軸受１の軸受３への合せ面側において、保持器１１の外周面と、外輪７の肩部の内周面との間隔が微小に設定され、これによって、外輪７の肩部の内周面は保持器を案内する案内面として働く。すなわち、この軸受１において、保持器１１は、いわゆる外輪案内となっている。
【００２０】
そして、軸受１は、その外輪７の内径をｒ_ｏｉ（ｏｉ：ｏｕｔｅｒｒｉｎｇ，ｉｎｎｅｒ）、保持器１１の外径をｒ_ｒｏ（ｒｏ：ｒｅｔａｉｎｅｒ，ｏｕｔｅｒ）、保持器１１の内径をｒ_ｒｉ（ｒｉ：ｒｅｔａｉｎｅｒ，ｉｎｎｅｒ）、内輪５の外径をｒ_ｉｏ（ｉｏ：ｉｎｎｅｒｒｉｎｇ，ｏｕｔｅｒ）としたときに、式１によって表される値が、軸受３との合せ面側よりも、その反対側である反合せ面側のほうが大きくなるように設定したことを特徴とする。
ｒ_ｏｉ ^２−ｒ_ｒｏ ^２＋ｒ_ｒｉ ^２−ｒ_ｉｏ ^２・・（式１）
図２は、軸受３におけるｒ_ｏｉ、ｒ_ｒｏ、ｒ_ｒｉおよびｒ_ｉｏの関係を示す図である。図２に示すように、ｒ_ｏｉおよびｒ_ｒｉの測定箇所は、玉９の中心よりも合せ面側または反合せ面側における、外輪の内径および保持器の内径が最小となる箇所である。一方、ｒ_ｒｏおよびｒ_ｉｏの測定箇所は、玉９の中心よりも合せ面側または反合せ面側における、保持器の外径および内輪の外径が最大となる箇所である。図２に示すように、軸受１においては、ｒ_ｒｏ、ｒ_ｒｉおよびｒ_ｉｏは合せ面側と反合せ面側とで等しく設定されているが、ｒ_ｏｉについては反合せ面側のほうが大きく、その結果、式１に示す値は、合せ面側よりも反合せ面側のほうが大きくなっている。
【００２１】
ところで、式１の値に対して、π／４を乗じた値は、軸受１を軸方向から見たときに、外輪７の内径と保持器１１の外径との間隔に形成される環状部の面積と、保持器１１の内径と内輪５の外径との間隔に形成される環状部の面積との和となる。したがって、式１の値が合せ面側よりも反合せ面側の方が大きいということは、換言すれば、軸受１を軸方向から見たときに、外輪７、保持器１１および内輪５によって遮られることなく見える玉９の軸方向投影面積が、合せ面側から見たときよりも、反合せ面側から見たときのほうが大きいということもできる。
【００２２】
なお、上述したように、軸受３は、軸受１と同様の構成を有し、軸受１と合せ面に対して対称となるように配列されているから、上述した軸受１と同様の特徴を備えている。
【００２３】
そして、組合せ軸受の使用開始に先立ち、軸受１、３の内部の各摺動面には、潤滑油が塗布される。この摺動面とは、軸受１を例にとって説明すると、具体的には、玉９と内輪側の軌道面１３との接触面、玉９と外輪側の軌道面１５との接触面、保持器１１の外周面と外輪７の内周面との接触面、玉９と保持器１１のポケット１７の内面等である。さらに、保持器１１を樹脂製として、保持器１１を構成する材料内に潤滑油を含浸させてもよい。
【００２４】
ここで、潤滑油の基油の種類としては、例えばエステル系、エーテル系、フッ素系、シリコン系、または合成炭化水素系等を用いることができる。また、フッ素化ポリマー油、フッ化ポリエーテル油、アルキルジフェニルエーテル油、ポリフェニルエーテル油、ポリオールエステル油、ポリアルファオレフィン油等を用いてもよい。また、これらの潤滑油は、単独で用いても、また複数種類を混合して用いてもよい。本実施形態のような人工衛星姿勢制御フライホイール用軸受は、ノーメンテナンスで用いられるので、主として組み込み時に外輪、内輪、玉および保持器に塗布した潤滑油または保持器に含浸させた潤滑油を用いて長期にわたり潤滑を行う。このため、潤滑油に求められる特性としては、低蒸気圧であること、耐熱性、耐薬品性、耐溶剤性に優れること、アウトガスの発生が少ないこと等が挙げられる。このような特性を備えたものとして、合成炭化水素が好適であり、例えばアルキル化したシクロペンタン系油を使用することが好ましい。
【００２５】
また、内輪５、外輪７および玉９の材料としては、特に限定されないが、錆等の腐食を防止して耐食性を向上するため、例えばＳＵＳ４４０Ｃ、ＳＵＳ４２０Ｃ等のマルテンサイト系ステンレス鋼や、ステンレス鋼に表面窒化処理を施したものを用いることができる。また、例えばＭ５０、ＳＫＨ４等の耐熱・耐食合金を用いることもできる。また、玉９の材料としては、上述した以外に、例えば窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）等のセラミックスを用いてもよい。この場合、セラミックスの焼結助剤として、例えばイットリア（Ｙ_２Ｏ_３）、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、その他窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、酸化チタン（ＴｉＯ_２）を混合したものや、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）や炭化珪素（ＳｉＣ）、ジルコニア（ＺｒＯ_２）等を用いることができる。
【００２６】
そして、本実施形態の組合せ軸受を人工衛星姿勢制御用フライホイールに装着し、回転を開始すると、内輪５、外輪７および玉９に塗布された潤滑油、保持器１１に含浸された潤滑油は、各摺動面の潤滑に必要な油量を残し、余剰な潤滑油は玉９および保持器１１の走行部を除いた空間に押しやられて移動する。このとき、外輪７の内径と保持器１１との間に形成される環状の隙間と、保持器１１の内径と内輪５の外径との間に形成される環状の隙間とのそれぞれの径方向断面積の和が軸受１の合せ面側よりも反合せ面側のほうが大きいから、余剰な潤滑油は、合せ面側からよりも反合せ面側からのほうが排出されやすい。特に、遠心力の作用によって、排出された余剰な油は外輪７の内周面に沿って移動する傾向をみせる場合があるが、本実施形態の場合には、外輪７の反合せ面側にカウンターボア１４が形成されているので、余剰な潤滑油が軌道面側に戻りにくい。
【００２７】
なお、上述したように、軸受３は、軸受１と同様の構成を有し、軸受１と合せ面に対して対称となるように配列されているから、上述した軸受１と同様の特徴を備えている。
【００２８】
以上のように、本実施形態によれば、軸受内の余剰な潤滑油が軸受の外部に排出されやすくかつ軸受の内部に戻りにくいから、軸受内の潤滑油の量を適切化することができる。このため、軸受内の各摺動部における油膜厚さが平準化されて、軸受の回転トルク変動が低減され、また保持器振動が抑制される。
【００２９】
また、保持器を外輪案内にしかつ外輪の反合せ面側にカウンターボアを形成することによって、保持器を片側の肩で案内する構成としたから、保持器と案内面との間に生ずる摩擦力が低減し、保持器振動が一層抑制される効果がある。
【００３０】
なお、本発明は上述した実施形態によって限定されるものではなく、内輪、外輪、保持器の形状や構成は適宜変更してもよい。また、玉の大きさ、個数等を変更してもよいし、転動体を玉ではなくころとしてもよい。また、上述した実施形態においては、保持器を外輪案内としたが、これを内輪案内としてもよい。なお、この場合には、保持器と内輪の案内面との摩擦力を低減して保持器振動を抑制するため、内輪の反合せ面側にカウンターボアを設けてもよい。また、内輪または外輪にカウンターボアを設けることに代えて、あるいはカウンターボアを設けるのとともに、保持器の内径または外径の少なくとも一方を合せ面側と反合せ面側とで異ならせることによって上述した式１の値を、合せ面側と反合せ面側とで異ならせるようにしてもよい。
【００３１】
【発明の効果】
本発明によれば、人工衛星姿勢制御フライホイール用組合せ転がり軸受の潤滑油量を適切にすることができる。これによって、回転トルク変動を抑制し、また保持器振動を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用してなる人工衛星姿勢制御フライホイール用組合せ転がり軸受の一実施形態の断面図である。
【図２】図１の人工衛星姿勢制御フライホイール用組合せ転がり軸受を構成する軸受の外輪内径ｒ_ｏｉ、保持器外径ｒ_ｒｏ、保持器内径ｒ_ｒｉおよび内輪外径ｒ_ｉｏの関係を示す図である。
【符号の説明】
１軸受
３軸受
５内輪
７外輪
９玉
１１保持器
１３軌道面
１４カウンターボア
１５軌道面
１７ポケット

Claims

内周部に軌道面が形成された外輪と、外周部に軌道面が形成された内輪と、前記外輪の軌道面と内輪の軌道面との間に組み込まれる複数の転動体と、前記外輪の内周部と内輪の外周部との間に配置され前記複数の転動体を保持する環状の保持器とを有してなる転がり軸受を一対組み合わせて構成され、前記転がり軸受の外輪の内径をｒ_ｏｉ、保持器の外径をｒ_ｒｏ、保持器の内径をｒ_ｒｉ、内輪の外径をｒ_ｉｏとしたときに、ｒ_ｏｉ ^２−ｒ_ｒｏ ^２＋ｒ_ｒｉ ^２−ｒ_ｉｏ ^２の値が、前記一対の転がり軸受の合せ面側よりも反合せ面側のほうが大きいことを特徴とする人工衛星姿勢制御フライホイール用組合せ転がり軸受。
内周部に軌道面が形成された外輪と、外周部に軌道面が形成された内輪と、前記外輪の軌道面と内輪の軌道面との間に組み込まれる複数の転動体と、前記外輪の内周部と内輪の外周部との間に配置され前記複数の転動体を保持する環状の保持器とを有してなる転がり軸受を一対組み合わせて構成され、前記転がり軸受を軸方向から見たときに、外輪、内輪および保持器によって遮られない転動体の投影面積が、前記一対の転がり軸受の合せ面側よりも反合せ面側のほうが大きいことを特徴とする人工衛星姿勢制御フライホイール用組合せ転がり軸受。
保持器は外輪の内周面によって案内され、外輪の反合せ面側にカウンターボアを形成したことを特徴とする請求項１または２に記載の人工衛星姿勢制御フライホイール用組合せ転がり軸受。
保持器は内輪の外周面によって案内され、内輪の反合せ面側にカウンターボアを形成したことを特徴とする請求項１または２に記載の人工衛星姿勢制御フライホイール用組合せ転がり軸受。