JP2007285445A - 固体潤滑転がり軸受 - Google Patents

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Abstract

【課題】本発明は、斯かる実情に鑑み、タッチダウン軸受に使用した場合に多数回のタッチダウンに耐える高い耐久性を備えた固体潤滑転がり軸受を鉛フリーで提供することを目的とする。
【解決手段】本発明の固体潤滑転がり軸受は、内輪１と外輪２との間に配設するボール３を保持する保持器４に、周方向に長径を有する楕円形ポケット６を形成する。また、ポケット６の内面に固体潤滑剤の潤滑粉を貯留可能な凹部７を形成する。内輪１や外輪２の軌道面１ａ、２ａと保持器４に二硫化タングステンなどの固体潤滑剤の被膜５を形成する。
【選択図】図２

Description

本発明は、ターボ分子ポンプ等の磁気軸受装置の制御不能時に回転軸を支持するタッチダウン軸受として好適な固体潤滑転がり軸受に係り、特に保持器のポケット形状を楕円形にすると共にポケット内面に潤滑粉を貯留可能な凹部を形成した固体潤滑転がり軸受に関する。
従来の磁気軸受装置は、図３に示すように、磁気軸受１０で非接触支持された回転軸１１の両端部にタッチダウン軸受１２、１３を配置する。磁気軸受１０が突然の断線や停電等によって制御不能となった場合、タッチダウン軸受１２、１３が回転軸１１を支持して磁気軸受１０や回転軸１１の損傷を防止する。
図４（Ａ）は、この磁気軸受装置における下側のタッチダウン軸受１３の構造を示す。軸受１３は、２個のアンギュラ玉軸受１３ａ、１３ｂの正面組合せとして、ラジアル荷重とアキシャル荷重の両方を受ける。各アンギュラ玉軸受１３ａ、１３ｂは内輪１と外輪２との間に保持器４で保持される複数のボール３を有する。
図４（Ｂ）に示すように、ボール３は、保持器４の円周等配位置に形成された円形のポケット６ａ内に収容される。ボール３とポケット６ａとの間にはポケットすき間ｔ１が設けられる。各内輪１の組合せ面には研削加工によりすき間１６が設けられ、これにより内輪１の熱膨張により軸受１２、１３に予圧がかかるのを防止する。
上記構造のタッチダウン軸受１２は、内輪１が回転軸１１に対向し、その内径面がタッチダウン面１７になる。なお、図３においてハウジング１８側を回転させ、中央の軸に設けた磁気軸受によってハウジング１８を支持する構造では、タッチダウン軸受の外輪２が回転部材であるハウジング１８に対向し、その外径面でタッチダウンする。
回転軸１１が内輪１のタッチダウン面と接触すると、内輪１が急激に回転し始め、これに追従してボール３も急激に自転・公転運動を開始する。この時、非負荷域に位置するボール３と負荷域に位置するボール３との間には公転の遅れ・進みが発生する。このボール３の遅れ・進みによって保持器４に大きな引張り力或いは圧縮力が作用する。ボール３と保持器４とは周方向にポケットすき間ｔ１分だけ相対移動するが、従来の保持器４においてはポケット６ａが円形であり、周方向すき間ｔ１も比較的小さく設定されている。従って、ボール３の公転の遅れ・進みがそのままボール３とポケット６ａとの当たり具合に影響を及ぼす。保持器４に発生する引張り・圧縮力により、保持器４に疲労が生じたり、ポケットやボール３表面に偏摩耗が生じる。従って、従来のタッチダウン軸受は、数回のタッチダウンで使用不能となる場合があった。使用不能となったタッチダウン軸受を交換するには、磁気軸受装置を分解し、軸受１３ａ、１３ｂを交換した後、内輪１と回転軸１１の間の隙間を高精度に調整しつつ磁気軸受装置を組み立てる必要があり、組み立て作業に著しく手間がかかる。このような手間をなくすため、耐久性が高く、交換頻度の少ないタッチダウン軸受の提供が従来より要望されていた。
この要望に応えるものとして、例えば特許文献１の技術が提案されている。この技術はボールを保持する保持器ポケットを周方向に長径を有する楕円形としたものである。保持器のポケットを周方向に長い楕円形とすることにより、ボールとポケット内面との間の周方向すき間が増大する。この周方向すき間の増大により、タッチダウン時のボールの遅れ・進みが吸収され、保持器に作用する引張り或いは圧縮力が緩和される。
実開平５−６２７３４号公報
しかしながら、特許文献１をはじめ従来の固体潤滑転がり軸受は保持器材料に鉛含有銅系金属を使用したものが多かった。鉛は環境負荷物質に指定され現在では使用することが規制されている。
本発明は、斯かる実情に鑑み、タッチダウン軸受に使用した場合に多数回のタッチダウンに耐える高い耐久性を備えた固体潤滑転がり軸受を鉛フリーで提供することを目的とする。
前記課題を解決するため、請求項１の発明は、内輪と外輪との間に配設する転動体を保持する保持器に周方向に長径を有する転動体保持用の楕円形ポケットを形成すると共に、前記ポケットの内面に潤滑粉を貯留可能な凹部を形成したことを特徴とする。
楕円形ポケットによりボールの周方向すき間が増大し、このすき間の増大によりタッチダウン時のボールの遅れ・進みが吸収され、保持器に作用する引張り或いは圧縮力が緩和される。また、ポケットの内面に潤滑粉を貯留可能な凹部を形成したので、内外輪軌道面や保持器表面に形成した固体潤滑被膜が潤滑粉となって軸受内に飛散した場合、この潤滑粉を凹部内に一時的に貯留することができる。従って、ボール周りに固体潤滑剤が枯渇しそうになると凹部内の潤滑粉が供給されて軸受の潤滑性能が維持される。
請求項２の発明は、保持器を鉛フリーにすると共にその表面に固体潤滑被膜を形成したことを特徴とする。

鉛フリーの保持器材料としては例えば高力黄銅等の金属材料が好適である。固体潤滑剤としては、二硫化タングステンをはじめとして、二硫化モリブデン、黒鉛、ボロンナイトライト、ポリテトラフルオロエチレン、フッ化炭素、窒化ホウ素、炭酸カルシウム、アミノ酸化合物、ポリオキシベンゾイルポリエステル樹脂、ポリベンゾイミダゾール樹脂、液晶樹脂、アラミド樹脂のパルプ、ポリテトラフルオロエチレンなどを採用可能である。
請求項３の発明は、転動体をセラミックス製としたことを特徴とする。
これにより、タッチダウン時に内輪が急激に回転し始めてボールとの間で初期滑りが発生しても、摩擦熱によるボールとの凝着を防いで軸受耐久性を向上させる。
請求項４の発明は、請求項１に記載の固体潤滑転がり軸受を、磁気軸受で非接触支持される回転部材に隙間をもって装着したことを特徴とする。
本発明の固体潤滑転がり軸受によれば、保持器ポケットが周方向に長い楕円形であるから、ボールとポケット内面との間の周方向すき間が増大し、この周方向すき間の増大によりタッチダウン時のボールの遅れ・進みが吸収され、保持器に作用する引張り或いは圧縮力が緩和される。
また、ポケットの内面に潤滑粉を貯留可能な凹部を形成したので、保持器表面に形成された例えば二硫化タングステン等の固体潤滑剤被膜がボールの表面で削り取られて潤滑粉となった場合、この潤滑粉の一部を一時的に凹部内に貯留することができる。そしてボール表面等の潤滑被膜が転動接触によって削り取られて不足しそうになると、ポケットの凹部から新たな潤滑粉が補充されて潤滑成分の枯渇が防止される。
以下、本発明の固体潤滑転がり軸受を図３の下側のタッチダウン軸受１３に適用した実施の形態を図１及び図２に基づき説明する。この軸受１３の基本的な構成は図４の従来のものと同様であって、図４と同一の符号は同一種類の部材を表わす。本発明に係る固体潤滑転がり軸受ないしタッチダウン軸受は、２個のアンギュラ玉軸受１３ａ、１３ｂの正面組合せとしてラジアル荷重とアキシャル荷重の両方を受ける。軸受１３ａ、１３ｂは、それぞれ、内輪１、外輪２、ボール３、保持器４を有する。内輪１の内径面１ｂが回転軸１１に対するタッチダウン面となる。内輪１と外輪２の軌道面１ａ、２ａと、上側の軸受１３ａの内輪１上端面には、二硫化タングステン等の固体潤滑被膜５が形成される。保持器４は、高力黄銅等の鉛フリーの金属材料を素材として筒状に形成される。保持器４表面にも図示はしないが二硫化タングステン等の固体潤滑被膜を形成する。
保持器４に、ボール３を収容するポケット６ｂが円周等配位置に複数形成される。ポケット６ｂは周方向に長軸を有する楕円形に形成される。ボール３とポケット６ｂの周方向隙間はボール３がポケット６ｂの中央にある状態で片側でｔ２、両側合計すると２ｔ２である。この隙間ｔ２の大きさは従来よりも格段に大きいことは勿論である。ポケット６ｂの長軸方向両端部に、潤滑粉を一時的に貯留可能な凹部７が各一対で形成される。凹部７の形状は加工しやすいように保持器の径方向に均等断面で形成することができるが、半球状その他任意形状の凹部に形成してもよい。また、凹部の形成位置や数などは任意に変更可能である。
本発明の固体潤滑転がり軸受は以上のように構成され、回転軸１１のタッチダウン時には、回転軸１１の外周面１１ｂや段部が内輪１に接触して内輪１が急激に回転し始め、これに追従してボール３も急激に自転・公転運動を開始する。この時、ポケット６ｂの内面の固体潤滑被膜がボール３によって削り取られることにより、ボール３の表面や内外輪の軌道面１ａ、２ａに転着し潤滑被膜５を形成する。さらに、ポケット６ｂに凹部７を形成したことから、タッチダウン時のボール３の遅れ・進みにより、保持器４に作用する周方向の引張り、或いは圧縮力から発生する偏磨耗によって、ポケット６ｂ内面の固体潤滑被膜５が枯渇しかけても、凹部７からの潤滑粉が補充されるため固体潤滑剤の枯渇が防止される。これらにより、本発明の固体潤滑転がり軸受は多数回のタッチダウンにも耐え得る高い耐久性が備わる。
以上説明したように、本発明の固体潤滑転がり軸受は保持器を鉛フリーにしその表面に二硫化タングステン等の固体潤滑被膜を形成して潤滑性の向上を図り、さらに保持器のポケットを保持器の周方向に長径を有する楕円形に形成して保持器の応力緩和を図り、さらに潤滑粉を一時的に貯留する凹部を形成して潤滑剤の供給源としたから、タッチダウン軸受全体の寿命向上を図ることができる。更に、ボールの材質を窒化珪素等のセラミックスとすることにより、タッチダウン時に内輪が急激に回転し始めた際に発生する初期滑りによるボールとの凝着を防ぐことができ、軸受耐久性を向上させることができる。
以上、本発明の実施形態につき説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。
本発明の固体潤滑転がり軸受は、タッチダウン軸受だけでなく、その他の軸受用途にも適用可能である。
本発明に係る固体潤滑転がり軸受の断面図。 同軸受の保持器の展開図。 従来の磁気軸受装置の断面図。 （Ａ）は従来のタッチダウン軸受の断面図、（Ｂ）は保持器の展開図。
符号の説明
１ 内輪
１ａ 軌道面
１ｂ 内径面
２ 外輪
２ａ 軌道面
３ ボール
４ 保持器
５ 固体潤滑被膜
６ａ 円形ポケット
６ｂ 楕円形ポケット
７ 凹部
１０ 磁気軸受
１１ 回転軸
１２、１３ タッチダウン軸受
１３ａ、１３ｂ アンギュラ玉軸受
１６ すき間
１７ タッチダウン面

Claims (4)

  1. 内輪と外輪との間に配設する転動体を保持する保持器に周方向に長径を有する転動体保持用の楕円形ポケットを形成すると共に、前記ポケットの内面に潤滑粉を貯留可能な凹部を形成したことを特徴とする固体潤滑転がり軸受。
  2. 保持器を鉛フリーにすると共にその表面に固体潤滑被膜を形成したことを特徴とする請求項１に記載の固体潤滑転がり軸受。
  3. 転動体をセラミックス製としたことを特徴とする請求項１に記載の固体潤滑転がり軸受。
  4. 請求項１に記載の固体潤滑転がり軸受を、磁気軸受で非接触支持される回転部材に隙間をもって装着したことを特徴とするタッチダウン軸受。
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