JP2007002973A - スラストころ軸受及びスラストころ軸受用保持器の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 高温・高速回転条件、高負荷条件等の過酷な使用条件下であったとしても、長期間の使用することができるスラストころ軸受、および、離型時に生じる保持器の変形を最小限にすることができるスラストころ軸受用保持器の製造方法を提供する。
【解決手段】 転動体である複数のころ２と、ころ２を円周方向に転動自在に保持する保持器３と、を備えるスラストころ軸受１であって、保持器３は、１５０℃で２３００ＭＰａ以上の曲げ弾性率を有するプラスチック材料からなり、射出成形する際の金型温度を５０〜１５０℃とし、成形後、アニール処理を施す。
【選択図】 図１

Description

本発明は、高温、且つ高速での回転を必要とされるオートマチックトランスミッション、トランスアクスル、カークーラコンプレッサ等の回転支持部に用いるのに好適なスラストころ軸受及びスラストころ軸受に組み込まれる保持器の製造方法に関する。

一般的に、スラストころ軸受は、ＦＧタイプのものが多く使用されている。このスラストころ軸受は、円環板状に形成される保持器を備えており、従来、この保持器として、鉄等の金属製のものが多く使用されてきたが、近年では、プラスチック製の保持器の使用が増加してきている。

従来、プラスチック製の保持器の材料としては、例えば、ポリアミド（ナイロン６、ナイロン６６）、ポリアセタール、ポリブチレンテレフタレート等の所謂エンジニアリングプラスチック単体や、これらのプラスチック材料にガラス繊維等の強化繊維を含有させた強化プラスチック材料（複合材料）が使用されている。

そのプラスチック材料の中でもナイロン６６は、材料コストと性能のバランスが良好なことから、プラスチック製保持器の材料として多用され、中程度の環境条件では卓越した性能が確認されている。

その他、従来のスラストころ軸受の保持器としては、保持器の成形工程での型抜き時の抵抗を少なくして、型抜き時に保持器のころ止め部が変形することを防止することができるプラスチック製の保持器が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開平９−７９２６９号公報（第３頁、第１図）

しかしながら、従来のプラスチック材料からなる保持器は、１２０℃以上での連続使用や、極圧添加剤添加油等の油類と常時又は間歇的に接触する等の使用条件下では、経時的に材料が劣化してしまう可能性がある。また、高温・高速回転（例えば、２００００ｍｉｎ^−１）での使用条件下では、耐熱性が不十分であると共に、高温での強度及び剛性が不足し、回転時に保持器が変形して、ころの姿勢を正常に維持できなくなり、保持器の摩耗や軸受の焼付きの原因となる可能性がある。

また、強化プラスチック材料の強化繊維の含有率を多くし、プラスチック材料の剛性を向上させることによって、高速回転に耐えるようにできるが、剛性を高くするのみでは、ポケットの周方向の最大幅よりも入口部の周方向の幅が小さい所謂パチン代を有する保持器の場合、射出成形工程での離型時にアンダーカット部が無理抜きとなり、樹脂が押しつぶされたり、のされたりして、保持器が変形してしまい、パチン代がなくなってしまうという問題がある。

さらに、上記特許文献１に記載のプラスチック製の保持器では、高温・高速回転での使用の際の必要なプラスチック材料の剛性の関係が開示されておらず、また、ころ止め部の形状が冠形保持器の爪部の発想と同様であり、爪部間に肉盗みを設けたものとなっていることから、ポケット数が多く、保持器幅の薄いスラストころ軸受用保持器の場合、全ての柱部に肉盗みを設けるのは金型作成上困難であり、さらに、保持器の柱強度が低下するため、軸受寿命が短くなるという問題がある。

本発明は、このような不都合を解消するためになされたものであり、その目的は、高温・高速回転条件、高負荷条件等の過酷な使用条件下であったとしても、長期間の使用することができるスラストころ軸受、および、離型時に生じる保持器の変形を最小限にすることができるスラストころ軸受用保持器の製造方法を提供することにある。

本発明の上記目的は、下記の構成により達成される。
（１） 転動体である複数のころと、ころを円周方向に転動自在に保持する保持器と、を備えるスラストころ軸受であって、保持器は、１５０℃で２３００ＭＰａ以上の曲げ弾性率を有するプラスチック材料からなることを特徴とするスラストころ軸受。
（２） 保持器は、ころを保持するポケットの周方向の最大幅をＰとし、ポケットの入口部の周方向の幅をＢとすると、Ｂ／Ｐ＝０．８６〜０．９４の関係が成立し、且つ入口部にパチン代を有することを特徴とする（１）に記載のスラストころ軸受。
（３） （１）又は（２）に記載のスラストころ軸受に組み込まれる保持器の製造方法であって、射出成形する際の金型温度を５０〜１５０℃とし、成形後、アニール処理を施すことを特徴とするスラストころ軸受用保持器の製造方法。
なお、ポケットの周方向の最大幅Ｐ及び入口部の周方向の幅Ｂは、直線距離を表す。

本発明のスラストころ軸受によれば、保持器は、１５０℃で２３００ＭＰａ以上の曲げ弾性率を有するプラスチック材料からなるため、保持器の耐熱性及び耐薬品性を向上することができる。また、保持器の強度及び剛性を十分に確保できるので、回転時の変形を防止することができる。さらに、保持器の靭性を適度なものにできるので、保持器の組込み性を向上することができる。これらにより、高温・高速回転条件、高負荷条件等の過酷な使用条件下であったとしても、スラストころ軸受を長期間に亘って使用することができる。

また、本発明のスラストころ軸受によれば、保持器は、ころを保持するポケットの周方向の最大幅をＰとし、ポケットの入口部の周方向の幅をＢとすると、Ｂ／Ｐ＝０．８６〜０．９４の関係が成立し、且つ入口部にパチン代を有するため、ころをポケット内に確実に保持することができる。

さらに、本発明のスラストころ軸受用保持器の製造方法によれば、射出成形する際の金型温度を５０〜１５０℃とするため、成形品の収縮を小さくし、保持器を所定寸法より若干大きめに成形することができる。これにより、離型時の無理抜きが緩和されるので、離型時に生じる保持器の変形を最小限にすることができる。また、成形後、アニール処理を施すことにより、結晶化を進行させるので、完成品として所定寸法の保持器を得ることができる。

以下、本発明に係るスラストころ軸受及びスラストころ軸受用保持器の製造方法の一実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
図１は本発明に係るスラストころ軸受を説明するための縦断面図、図２は図１に示すスラストころ軸受に組み込まれる保持器の平面図、図３は図２のＡ−Ａ線矢視断面図、図４は図３に示すポケットの変形例を説明するための断面図である。

まず、図１及び図２を参照して、本発明に係るスラストころ軸受について説明する。

本実施形態のスラストころ軸受１は、図１に示すように、転動体である複数のころ２と、複数のころ２を円周方向に転動自在に保持するプラスチック製の保持器３と、複数のころ２と転接する外輪軌道面５と保持器３の外周面と摺接する保持器案内面４ａとを有する外輪４と、を備えている。

スラストころ軸受１に組み込まれる保持器３は、図２に示すように、円環板状に形成されており、複数のころ２を転動自在に保持するポケット６が円周方向に等間隔で複数箇所形成されている。

また、保持器３は、図３に示すように、ポケット６の入口部７にパチン代Ｚを有している。具体的には、ポケット６の上側部の周方向両側にころ保持部８，８を形成することによって、パチン代Ｚを形成している。ころ保持部８は、保持部３の上面に開口を形成する段部９と、ころ２を保持する斜面部１０と、から構成される。また、ポケット６の下側部の周方向両端部には、ころ保持部１１，１１が形成されている（以下、図３のポケット形状を通常型と称する。）。なお、このポケット形状は、１５０℃で２３００〜３５００Ｍｐａ未満の曲げ弾性率のプラスチック材料からなる保持器に採用すると特に好ましい。

また、保持器３は、図３に示すように、ころ２を保持するポケット６の周方向の最大幅をＰとし、ポケット６の入口部７の周方向の幅をＢとすると、Ｂ／Ｐ＝０．８６〜０．９４の関係が成立するように形成される。

また、本実施形態の変形例として、図４に示すように、保持器３は、ポケット６の入口部７に射出成形の離型時に弾性変形可能な形状の弾性片１２を設けてもよい。具体的には、ころ保持部８の段部９に、ポケット６の長手方向に沿って凹溝１３を形成することによって、弾性片８を弾性変形可能にしている（以下、図４のポケット形状を可変型と称する。）。なお、このポケット形状は、１５０℃で３５００Ｍｐａ以上の曲げ弾性率のプラスチック材料からなる保持器に採用すると特に好ましい。

この場合、保持器３は、図４に示すように、ころ２を保持するポケット６の周方向の最大幅をＰとし、ポケット６の入口部７の周方向の幅をＢとすると、Ｂ／Ｐ＝０．８６〜０．９４の関係が成立するように形成され、また、ポケット６の段部９の径方向の幅をＡすると、Ａ／Ｐ＝１〜１．２の関係が成立するように形成され、さらに、保持器３の板厚をＨとし、保持器３の上面から凹溝１３の下端までの深さをｈとすると、ｈ／Ｈ＝０．１２〜０．２の関係が成立するように形成される。

そして、保持器３に使用されるプラスチック材料は、１５０℃以上の耐熱性を有する必要から、ナイロン４６（ＰＡ４６）、ナイロン６６（ＰＡ６６）、ポリフェニレンサルファィド（ＰＰＳ）及びポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）等の結晶性樹脂としている。また、１５０℃で２３００ＭＰａ以上の曲げ弾性率を有する必要、および、保持器３の組込み性を向上する必要から、樹脂組成物として、上記したプラスチック材料にガラス繊維又は炭素繊維を３０％含有させた強化プラスチック材料を使用している。

また、保持器３のプラスチック材料として、上記したプラスチック材料の他に、１５０℃以上の耐熱性を有するポリエーテルスルホン（ＰＥＳ）、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）、ポリアミドイミド（ＰＡＩ）、ポリイミド（ＰＩ）等の所謂スーパーエンジニアリングプラスチックを使用することができるが、保持器３の組込み性を重視し、保持器３に靭性が必要な場合は、スーパーエンジニアリングプラスチック以外のプラスチック材料を使用する方が好ましい。

また、上記したプラスチック材料（結晶性樹脂）は、射出成形時の溶融樹脂温度から金型に充填される際の金型温度により冷却速度が異なり、金型温度が低いと溶融樹脂は急冷されることになり、結晶化度が低くなる。反対に金型温度が高いと溶融樹脂は徐冷されることになり、結晶化度が高くなる。そして、結晶化度が低いと射出成形時の成形収縮が小さく、成形品の寸法が大きくなる。反対に結晶化度が高いと射出成形時の成形収縮が大きく、成形品の寸法が小さくなるという特性を有している。

このことから、スラストころ軸受１に組み込まれる保持器３の製造方法は、離型時の無理抜きを緩和し、離型時に生じる成形品の変形を最小限にする必要から、射出成形する際の金型温度を５０〜１５０℃とし、成形品の収縮を小さくして、保持器３を所定寸法より若干大きめに成形する。そして、成形後、アニール処理、即ち、結晶化を促進させる温度で所定時間保持することによって、成形品の結晶化度を進行させて、保持器３を完成品としての所定寸法に成形する。

従って、本実施形態のスラストころ軸受１によれば、保持器３は、１５０℃で２３００ＭＰａ以上の曲げ弾性率を有するプラスチック材料からなるため、保持器３の耐熱性及び耐薬品性を向上することができる。また、保持器３の強度及び剛性を十分に確保できるので、回転時の変形を防止することができる。さらに、保持器３の靭性を適度なものにできるので、保持器の組込み性を向上することができる。これらにより、高温・高速回転条件、高負荷条件等の過酷な使用条件下であったとしても、スラストころ軸受１を長期間に亘って使用することができる。

また、本実施形態のスラストころ軸受１によれば、保持器３は、ころ２を保持するポケット６の周方向の最大幅をＰとし、ポケット６の入口部７の周方向の幅をＢとすると、Ｂ／Ｐ＝０．８６〜０．９４の関係が成立し、且つ入口部にパチン代を有するため、ころ２をポケット６内に確実に保持することができる。

さらに、本実施形態のスラストころ軸受用保持器の製造方法によれば、射出成形する際の金型温度を５０〜１５０℃とするため、成形品の収縮を小さくし、保持器３を所定寸法より若干大きめに成形することができる。これにより、離型時の無理抜きが緩和されるので、離型時に生じる保持器３の変形を最小限にすることができる。また、成形後、アニール処理を施すことにより、結晶化を進行させるので、完成品として所定寸法の保持器３を得ることができる。

なお、本発明は、前述した実施形態に限定されるものではなく、適宜、変形、改良等が可能である。
例えば、本実施形態では、転がり軸受として、高温（１５０℃以上）・高回転（１００００〜２００００ｍｉｎ^−１）の使用条件下で使用されるオートマチックトランスミッション、トランスアクスル、カークーラコンプレッサ用のスラストころ軸受を例示したが、その他の高温・高速回転用軸受に本発明を適用してもよい。

以下に、本発明例である実施例の作用効果を確認するために行った各試験について説明する。なお、本発明は実施例に限定されるものではない。

各試験に使用する実施例及び比較例であるスラストころ軸受１は、図１に示すように、転動体である複数のころ２と、複数のころ２を円周方向に転動自在に保持するプラスチック製の保持器３と、複数のころ２と転接する外輪軌道面５と保持器３の外周面と摺接する保持器案内面４ａとを有する外輪４と、を備え、保持器３は、複数のころ２を転動自在に保持するポケット６が円周方向に等間隔に複数箇所形成されている。なお、保持器３は、下記のプラスチック材料を用いてインラインスクリュー式射出成形機にて成形し、具体的には、外径φ６８ｍｍ，内径φ５５ｍｍ，幅１．９ｍｍとし、形状は図１及び図２に示す保持器と同一とした。

実施例及び比較例に組み込まれる保持器のプラスチック材料は、以下の通りである。
（１）ＰＡ４６樹脂（ＤＳＭ社製：スタニールＴＷ２４１Ｆ６（登録商標））
（２）ＰＰＳ樹脂（ポリプラスチック（株）製：フォートロン２１３０Ａ１（登録商標））
（３）ＰＰＳ樹脂（呉羽化学工業（株）製：フォートロンＫＰＳ（登録商標），ＧＦ２０％）
（４）ＰＰＳ樹脂（呉羽化学工業（株）製：フォートロンＫＰＳ（登録商標），ＧＦ３０％）
（５）ＰＡ６６樹脂（ＢＡＳＦ（株）製：ウルトラミッド（登録商標），Ａ３ＨＧ３）
（６）ＰＡ６６樹脂（ＢＡＳＦ（株）製：ウルトラミッド（登録商標），Ａ３ＨＧ６）
（７）ＰＥＥＫ樹脂（ＶＩＣＴＲＥＸ（株）製：４５０ＧＬ３０（登録商標））
（８）ＰＥＥＫ樹脂（ＶＩＣＴＲＥＸ（株）製：４５０ＣＡ３０（登録商標））

[保持器製作試験]
本試験では、まず、射出成形で成形した保持器のポケット形状、特に、ポケットのパチン代について調査した。結果を表１に示す。なお、パチン代が所定寸法（Ｚ＝０．０５以上）あるものについては○、パチン代が微小寸法（Ｚ＝０．０２〜０．０５ｍｍ未満）あるものについては△、パチン代が無いものについては×とした。また、表１〜表４中のＧＦはガラス繊維、ＣＦは炭素繊維である。

表１から明らかなように、実施例１〜７の保持器は、いずれも射出成形工程での離型時に生じる塑性変形が少なく、所定寸法のパチン代を得ることができた。また、実施例１，２，５，６の保持器は、曲げ弾性率が高いプラスチック材料で製作したものであるが、ポケット形状を可変型にしているため、離型時の無理抜きが緩和され、所定寸法のパチン代を得ることができた。これに対して、比較例１，２の保持器は、ポケット形状を通常型にしているため、パチン代を得ることはできなかった。これらのことから、本発明のスラストころ軸受の保持器が、所定寸法のパチン代を有することがわかった。

本試験では、次に、通常の適正温度よりも低い金型温度（５０〜１５０°Ｃ）で射出成形した保持器のポケットのパチン代について調査した。結果を表２に示す。

表２から明らかなように、実施例９〜１２の保持器は、ポケット形状が通常型、且つ曲げ弾性率が高いプラスチック材料で製作した保持器であるにもかかわらず、ポケットにパチン代を得ることができた。また、成形後、アニール処理を施すことによって、パチン代の増加が確認され、完成品としての所定寸法の保持器を得ることができた。これらのことから、本発明のスラストころ軸受用保持器の製造方法によって、離型時の無理抜きが緩和され、離型時に生じる保持器の変形を最小限にできることがわかった。

[保持器組込み性試験]
本試験では、上記した実施例１〜８の保持器のポケットにころを手組みにて挿入し、その際の押圧力を確認した。具体的には、保持器を平板上に置き、ころをポケットの上に載せ、指にてころを押圧してポケットに挿入した。結果を表３に示す。なお、スムースに挿入できる場合を○、押圧力を要する場合を△とした。パチン代の無いものは−とした。

表３から明らかなように、実施例１〜４及び実施例７，８の保持器は、ころをポケットにスムースに挿入することができた。実施例５，６の保持器は、曲げ弾性率が高いプラスチック材料で製作したものであるため、ころの挿入に約３Ｎの押圧力を要したが、挿入によるポケットの入口部の破損又は白化は生じなかった。これに対して、比較例１，２の保持器は、パチン代がないため、ころがポケットから脱落した。これらのことから、本発明のスラストころ軸受の保持器が、適度な靭性を有していることがわかった。

[回転試験]
本試験では、上記した実施例１〜５及び実施例７の保持器と、比較例３，４の保持器とを組み込んだスラストころ軸受（外径φ７０ｍｍ，内径φ５０ｍｍ，幅３ｍｍ）を１個ずつ用意し、それぞれの回転試験後の保持器の変形量ｅ（図５参照）と、保持器の摩耗、破損等を測定して、保持器の耐久性及び耐摩耗性を評価した。結果を表４に示す。なお、耐久性については、保持器の変形量ｅが約０．０３ｍｍ程度のものを○、それ以上の変形をしたものを×とし、耐摩耗性については、特に摩耗していないものを○、やや摩耗（約０．０２ｍｍ）しているものを△とした。また、保持器の変形量ｅは工具顕微鏡、保持器の摩耗は実体顕微鏡にて測定した。

試験条件は、次の通りである。
試験機：高温・高速回転用試験機（日本精工（株）製）
雰囲気温度：１５０°Ｃ
回転速度：２００００ｍｉｎ^−１
試験荷重：アキシアル荷重５００Ｎ
試験時間：５０時間

表４から明らかなように、実施例１〜５及び実施例７の保持器は、いずれも変形量ｅが０．０２ｍｍ以下で、摩耗も殆ど確認されなかったことから、良好な回転耐久性及び耐摩耗性を有することがわかった。これに対して、曲げ弾性率が低いプラスチック材料で製作した比較例２１，２２の保持器は、変形量が大きいことから、回転耐久性が低いものであることがわかった。このことから、本発明のスラストころ軸受が、高温・高速回転の使用条件下であっても、良好な回転耐久性及び耐摩耗性を有することがわかった。

また、本試験結果と曲げ弾性率と変形量との関係から、高温・高速回転の使用条件下で使用されるスラストころ軸受では、保持器の組込み性、耐熱性、高温剛性が重要であり、特に、曲げ弾性率が１５０℃で２３００Ｍｐａ以上必要であることがわかった。

[耐熱性試験]
本試験では、まず、上記した実施例１，４，５と、比較例３の保持器を４セット（計１６個）用意し、それぞれを１５０°Ｃの熱風循環式恒温槽中に２５０時間、５００時間、７５０時間、１０００時間放置して、保持器の環境耐久性を評価するための熱劣化試験を実施し、次に、その熱劣化試験後の保持器を試料として、円環引張試験を実施した。

円環引張試験は、図６に示す円環引張治具２０，２０に熱劣化試験後の保持器をセットし、（株）島津製作所製の引張試験機（オートグラフＡＧ−１０ＫＮＧ（登録商標））を用いて１０ｍｍ／ｍｉｎの引張速度で円環引張治具２０，２０を矢印方向（図６参照）に引っ張ることにより実施して、それぞれの保持器の円環引張破断荷重を測定した。そして、熱劣化試験をしていない保持器を１００％として円環引張強度保持率を計算した。結果を図７に示す。

図７から明らかなように、実施例１，４，５の保持器は、熱劣化が少なく、１０００時間経後においても８０％以上の円環引張強度保持率を示していることから、耐熱性が非常に高いことがわかった。これに対して、比較例３の保持器は、熱劣化が進行しており、１０００時間経過後において６５％以下の円環引張強度保持率を示していることから、耐熱性が低いことがわかった。これらから、１５０°Ｃ以上の耐熱性を有するためには、本実施例で使用した１５０℃で２３００ＭＰａ以上の曲げ弾性率を有するプラスチック材料が必要であることがわかった。

本発明に係るスラストころ軸受を説明するための縦断面図である。 図１に示すスラストころ軸受に組み込まれる保持器の平面図である。 図２のＡ−Ａ線矢視断面図である。 図３に示すポケットの変形例を説明するための断面図である。 保持器の変形量を説明するための説明図である。 円環引張治具を用いた円環引張試験の説明図である。 保持器の耐熱性試験で強度の経時変化を円環引張強度保持率で示したグラフ図である。

符号の説明

１ スラストころ軸受
２ ころ
３ 保持器
４ 外輪
４ａ 保持器案内面
５ 外輪軌道面
６ ポケット
７ 入口部
８，１１ ころ保持部
９ 段部
１０ 斜面部
１２ 弾性片１２
１３ 凹溝
２０ 円環引張治具

Claims (3)

1. 転動体である複数のころと、前記ころを円周方向に転動自在に保持する保持器と、を備えるスラストころ軸受であって、
   前記保持器は、１５０℃で２３００ＭＰａ以上の曲げ弾性率を有するプラスチック材料からなることを特徴とするスラストころ軸受。
2. 前記保持器は、前記ころを保持するポケットの周方向の最大幅をＰとし、前記ポケットの入口部の周方向の幅をＢとすると、Ｂ／Ｐ＝０．８６〜０．９４の関係が成立し、且つ前記入口部にパチン代を有することを特徴とする請求項１記載のスラストころ軸受。
3. 請求項１又は２のいずれかに記載のスラストころ軸受に組み込まれる保持器の製造方法であって、射出成形する際の金型温度を５０〜１５０℃とし、成形後、アニール処理を施すことを特徴とするスラストころ軸受用保持器の製造方法。

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