JP2009092090A - 玉軸受 - Google Patents

Abstract

【課題】軽量、且つ、低コストに構成できて、玉軸受内部の低発熱化を図れる構造を実現する。
【解決手段】保持器６ｃの径方向に関する厚さ寸法Ｈ_6cを、外輪３の内周面と内輪５の外周面との間に存在して上記保持器６ｃ及び各玉７を設置している内部空間１７ａの、軸方向に関する幅寸法Ｗ_17a の１５〜２０％とする。これにより、上記課題を解決する。
【選択図】図１

Description

この発明は、工作機械や各種機械装置を構成する、主軸等の高速で回転する軸を、ハウジング等の固定の部分に対して回転自在に支持する為に使用される玉軸受の改良に関する。

旋盤、フライス盤、研削盤等の工作機械の主軸をハウジング等の固定の部分に対して回転自在に支持する為に従来から、図４に示す様な玉軸受１が使用されている。この玉軸受１は、内周面の軸方向中間部にアンギュラ型の外輪軌道２を有する外輪３と、外周面の軸方向中間部に深溝型の内輪軌道４を有する内輪５と、この内輪軌道４と上記外輪軌道２との間に接触角を持たせた状態で転動自在に、保持器６により保持された状態で設けられた複数個の玉７とから成る。このうちの外輪３は、内周面の一端部（図４の左端部）にのみ肩部８を設けている。これに対し、内周面の他端部（図４の右端部）には肩部を設けず、当該部分を上記肩部８よりも内径寸法が大きいカウンタボア９としている。

又、上記保持器６は、全体を円筒状に構成しており、軸方向中間部の円周方向複数個所に、それぞれポケット１０を形成している。又、上記保持器６のうち、軸方向に関してこれら各ポケット１０を形成した部分の両側部分に、それぞれが断面矩形で円環状の第一、第二リム部１１、１２を設けている。この様な保持器６は、上記各ポケット１０の内側に上記各玉７をそれぞれ１個ずつ転動自在に保持した状態で、上記外輪３の内周面と上記内輪５の外周面との間に配置している。

上記玉軸受１を構成する、上記外輪３と上記内輪５とは、使用時には高速で相対回転する。又、この玉軸受１を構成する上記保持器６も、この相対回転速度の凡そ１／２の速度で回転する。従って、この保持器６は、上記外輪３及び上記内輪５の相方に対し相対回転する。この為、この保持器６の内外両周面と、この内輪５の外周面及び上記外輪３の内周面との間の潤滑性が悪いと、これら互いに対向する周面同士の間に存在する流体（潤滑油）のせん断摩擦により、流体がこの保持器６に対して力（流体力）を及ぼす。この力は、抵抗となって玉軸受の回転トルク（回転抵抗）を増大させ、玉軸受を発熱させる一因となる。又、上記潤滑性が悪く玉軸受内部に十分な量の潤滑油を取り込む事ができないと、やはり軸受を発熱させてしまう。そこで、従来から、高速回転域における玉軸受の低発熱化を図る為に、玉軸受内の潤滑性を向上させ、玉軸受の回転トルクを低減する方法が考えられている。

図５には、低発熱化を図る事ができる玉軸受の構造として、特許文献１に記載されている玉軸受の構造の要部である、保持器６ａの表面の構造を示している。この保持器６ａの転動体案内面を除いた表面には、微小な凹部１５、１５から成る凹凸部を設けている。これら各凹部１５、１５は流体の整流効果をもたらす構造であり、軸受トルクを低減し、軸受内部の潤滑性を向上させる。この為、低発熱化を図る事ができる。

又、図６は、やはり低発熱化を図る事ができる玉軸受の構造として、特許文献２に記載されている玉軸受の構造を示している。この玉軸受を構成する保持器６ｂのポケット１０ａ、１０ａには、外周面に油溝を有する環状体１６、１６を内嵌している。そして、使用時に潤滑が不十分になった場合、上記油溝に保持される潤滑油を軸受内部に送り込む事で潤滑性を向上させる。

上述した様な特許文献１〜２の構造を採用すれば、高速域で使用される玉軸受の軸受内部の潤滑性を向上して、発熱を抑える事ができる。但し、上記特許文献１に記載された構造の場合、保持器６ａの表面に上記凹部１５、１５（図６参照）を形成する為に要するコストが嵩んでしまう事が考えられる。又、上記特許文献２の構造の場合、上記環状体１６、１６を造り、更に各ポケット１０ａ、１０ａ内に嵌め込む為の作業コストが嵩んでしまう事が考えられる。
この為、コストを抑えて低発熱化を図る事ができる玉軸受の実現が望まれている。

特開２００２−３７２０５２号公報 特開２００５−１８０６７１号公報

本発明は、上述の様な事情に鑑みて、潤滑性が優れ、内部の低発熱化を図る事ができる玉軸受の構造を、低コストで実現すべく発明したものである。

本発明の対象となる転がり軸受は、内周面に断面円弧形の外輪軌道を有する外輪と、外周面に断面円弧形の内輪軌道を有する内輪と、これら外輪軌道と内輪軌道との間に接触角を持たせた状態で転動自在に設けられた複数個の玉と、これら各玉を転動自在に保持する為の保持器とを備えている。
このうちの保持器は、軸方向両端部に設けられた、それぞれが円環状である１対のリム部同士を複数の柱部で結合して成る。又、これら両リム部の内側面と円周方向に隣り合う柱部同士の円周方向側面とにより周囲を囲まれる部分を、上記各玉を転動自在に保持する為のポケットとしている。又、上記保持器の内外両周面はこの保持器の中心軸に対し、上記接触角の方向に対応した方向に傾斜している。

特に、本発明の転がり軸受に於いては、上記保持器の径方向に関する厚さ寸法を、上記外輪の内周面と上記内輪の外周面との間に存在して上記保持器及び上記各玉を設置している内部空間の、軸方向に関する幅寸法の１５〜２０％としている。

この様な本発明を実施する場合に、好ましくは、請求項２に記載した様に、上記外輪の軸方向寸法及び内輪の軸方向寸法を互いに等しくする。そして、これら外輪及び内輪の軸方向端面を互いに一致させ、上記内部空間の幅寸法とこれら外輪及び内輪の幅寸法とを互いに等しくする。

上述の様に構成する本発明の玉軸受の場合、軸受内部の潤滑性に優れ、十分な軸受寿命を確保した玉軸受の構造を、低コスト且つ軽量に実現する事ができる。
先ず、径方向に関する厚さ寸法を、外輪の内周面と内輪の外周面との間に存在してこの保持器及び各玉を設置している内部空間の、軸方向に関する幅寸法の１５〜２０％とした保持器は、従来の保持器を製造する為の設備及び製造工程を殆ど変える事なく製造する事ができる。この為、設備コスト、部品コストが従来以上に嵩む事はない。
又、従来の保持器は、この保持器の径方向に関する厚さ寸法を上記内部空間の軸方向に関する幅寸法の２２〜２５％程度としている事が知られている。この為、本発明の構造にする事で、保持器の材料コストを節約できる。この為、低コスト化、且つ、軽量化を図る事ができる。
更に、一般に接触角を有する転がり軸受（アンギュラ玉軸受、円すいころ軸受等）では、軸受回転に伴う遠心ポンプ作用により軸受内部に油を引き込む作用（以下、「ポンプ作用」とする。）が働き、所定の方向への潤滑油流れが発生する。軸受内部の潤滑性は、軸受性能（寿命、焼付、トルクなど）に影響を与える事が広く知られている。本発明の構造は、上記保持器の径方向に関する厚さ寸法を、従来の保持器に比べて小さくする事で、玉軸受の内部空間の実効容積を増やし、ポンプ作用によりこの内部空間に取り入れる事ができる潤滑油の量を増やす事ができる。この為、十分な潤滑油を確保する事ができ、軸受内部の焼付等の発生を防止する事ができる。又、十分な潤滑油を確保する事で、軸受内部に異物が混入した場合にも、この異物を軸受外部へ排出し易くなる。この為、軸受寿命の向上も図る事ができる。又、保持器の内外両周面と、内輪の外周面及び外輪の内周面との距離を拡げて、対向する周面同士の間に存在する潤滑油によるせん断抵抗を低く抑えられる。

図１は、総ての請求項に対応する、本発明の実施の形態の１例を示している。尚、本例の特徴は、玉軸受１ａを構成する保持器６ｃの径方向に関する厚さ寸法を工夫した点にある。対象となる玉軸受１ａの基本構造等、その他の部分の構造及び作用は、前述の図４に示した玉軸受１と同様である。この為、同等部分には同一符号を付して、重複する説明を省略若しくは簡略にし、以下、本例の特徴部分を中心に説明する。

本例の場合には、上記玉軸受１ａを構成する保持器６ｃの内周面１３及び外周面１４をこの保持器６ｃの中心軸に対し、玉７の接触角αに対応した方向に傾斜させている。
又、この保持器６ｃの径方向に関する厚さ寸法Ｈ_6cを、外輪３の内周面と内輪５の外周面との間に存在してこの保持器６ｃ及び上記各玉７を設置している内部空間１７ａの軸方向に関する幅寸法Ｗ_17a の１５％〜２０％（０．１５Ｗ_17a ≦Ｈ_6c≦０．２０Ｗ_17a ）としている。尚、前記図４に示す従来構造の玉軸受１を構成する保持器６の場合、この保持器６の径方向に関する厚さ寸法は、前記内部空間１７の軸方向に関する幅寸法の約２５％である。この様に、従来構造では、保持器６の径方向に関する厚さ寸法は、内部空間１７の軸方向に関する幅寸法の２２％〜２５％とする事が知られている。

本例の場合、上記従来構造の玉軸受１の内部空間１７（図４参照）に比べて、上記玉軸受１ａの内部空間１７ａの実効容積（上記両周面１３、１４同士の間に存在する空間の全容積から、玉７及び保持器６ｃの容積を減じた、潤滑油が流通し得る部分の容積）を大きくする事ができる。これにより、接触角を持った玉７及び保持器６ｃの回転に基くポンプ作用により、上記内部空間１７ａに取り入れられる事ができる潤滑油の量も、従来構造に比べて多くできる。この為、潤滑性が向上し、上記玉軸受１ａの内部に焼付等が発生して損傷する事を防止できる。又、上記内部空間１７ａに取り入れられる潤滑油の量が増えると、上記玉軸受１ａの内部に異物が混入した場合にも、この異物をこの玉軸受１ａの外部へ排出し易くなり、この玉軸受１ａの寿命の向上を図る事ができる。
又、上記保持器６ｃの内周面１３と上記内輪５の外周面との間隔、同じく外周面１４と上記外輪３の内周面との間隔を、何れも十分に広くできる。この為、これら各周面同士の間に存在する潤滑油に作用するせん断抵抗を低くして、上記保持器６ｃの回転抵抗を低く抑えられる。
更に、上記従来構造の玉軸受１の保持器６に比べて上記保持器６ｃの径方向に関する厚さ寸法を小さくしている為、この保持器６ｃの容量を小さく抑える事ができる。これにより、材料コストの低減、且つ、軽量化を図る事ができる。

尚、上記保持器６ｃの径方向に関する厚さ寸法を、上記内部空間１７ａの軸方向に関する幅寸法の１５％よりも小さくした場合、上記内部空間１７ａの実効容積を更に増やす事ができる。但し、上記各玉７から上記保持器６ｃに加わる力、或は高速運転時に発生する遠心力に対する強度の低下を招いたり、この保持器６ｃが玉７を保持する部分の面積が減少する。この為、長期間に亙る使用によりこの保持器６ｃが磨耗した場合、径方向に関する上記玉７の移動量が過大となり、この保持器６ｃが破損等して軸受のロックが発生する危険性等が考えられる。この為、本発明の保持器６ｃの径方向に関する厚さ寸法の下限値は、上記内部空間１７ａの軸方向に関する幅寸法の１５％としている。

又、本発明は、図２に示す構造の玉軸受１ｂに適用する事もできる。この玉軸受１ｂは外輪３ａの軸方向に関する幅寸法Ｗ_3aに比べて、内輪５ａの軸方向に関する幅寸法Ｗ_5aが大きい。そして、上記外輪３ａの軸方向片端面と内輪５ａの軸方向片端面との軸方向位置を合わせている。又、この内輪５ａの片半部外周面をカウンタボアとしている。
この様な構造に本発明を採用する場合、上記外輪３ａの内周面と内輪５ａの外周面との間に存在して保持器６ｄ及び各玉７を設置している内部空間１７ｂの軸方向に関する幅寸法Ｗ_17b は、上記外輪３ａの軸方向幅寸法Ｗ_3aと等しくなる。
この様に、本発明を外輪と内輪の軸方向の寸法が異なる構造の玉軸受に本例を採用する場合には、内部空間の軸方向に関する幅寸法は、上記外輪と内輪の軸方向に関する幅寸法のうちの小さい方と等しくする（一方端面の軸方向位置を一致させる場合。両方の端面の軸方向位置が不一致の場合には、内外両輪のうち、径方向に重畳する部分の軸方向長さ。）。

本発明による低発熱効果を確認する為の試験を、以下の条件で行なった。本発明を適用した玉軸受と従来構造の玉軸受とを同じ試験環境で使用して、それぞれの玉軸受内部の温度上昇を測定し、比較した。
［本発明を採用した玉軸受の構成］
軸受幅：２９ｍｍ
外輪外径：１２０ｍｍ
内輪内径：５５ｍｍ
玉の直径：２２．２２５ｍｍ
玉の総数：１１（個）
保持器の径方向に関する厚さ寸法：４．６４ｍｍ（上記軸受幅の１６％）
［従来構造の玉軸受の構成］
軸受幅：２９ｍｍ
外輪外径：１２０ｍｍ
内輪内径：５５ｍｍ
玉の直径：２２．２２５ｍｍ
玉の総数：１１（個）
保持器の径方向に関する厚さ寸法：６．９６ｍｍ（上記軸受幅の２４％）
［試験条件］
アキシアル荷重：６５０ｋｇ
回転数：３０００min^-1
油面高さ：軸受ＰＣＤ位置
潤滑油：ＶＧ３２
試験時間：６（時間）

上記の様な条件で行なった試験の結果を図３に示す。従来構造の玉軸受の温度（図３に点線で示す温度）に比べて、本発明を採用した玉軸受の温度（図３に実線で示す温度）は使用時間の間、常に２〜５℃程度低い温度を保っている。この結果は、本例を採用した玉軸受が、有効に軸受内部の発熱を抑えている事を示している。

本発明の様に、保持器の径方向厚さを小さくする技術は、上述した実施の形態の１例の玉軸受１ａの保持器６ｃの様に、この保持器６ｃの内外両周面１３、１４がこの保持器６ｃの中心軸に対し、所定の方向に傾斜している構造に限らず、この傾斜の無い保持器に対して適用する事もできる。この様な構造に採用した場合にも、玉軸受の内部空間の実効容積が大きくなりこの内部空間内の潤滑油量を増やせる。この為、保持器がポンプ作用を発揮せず、本発明の場合よりは得られる効果は小さいが、軸受内部の低発熱効果や異物排除効果の向上を図れる。

本発明の実施の形態の１例を示す、玉軸受の部分断面図。 同じく別例を示す、玉軸受の部分断面図。 本発明の低発熱効果を確認する為に行なった試験の結果を示す線図。 従来構造の第１例を示す、玉軸受の部分断面図。 同じく第２例を示す、玉軸受の保持器の表面の部分拡大斜視図。 同じく第３例を示す、玉軸受の保持器の斜視図。

符号の説明

１、１ａ、１ｂ 玉軸受
２ 外輪軌道
３、３ａ 外輪
４ 内輪軌道
５、５ａ 内輪
６、６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄ 保持器
７ 玉
８ 肩部
９ カウンタボア
１０、１０ａ ポケット
１１ 第一リム部
１２ 第二リム部
１３ 内周面
１４ 外周面
１５ 凹部
１６ 環状体
１７、１７ａ、１７ｂ 内部空間

Claims (2)

1. 内周面に断面円弧形の外輪軌道を有する外輪と、外周面に断面円弧形の内輪軌道を有する内輪と、これら外輪軌道と内輪軌道との間に接触角を持たせた状態で転動自在に設けられた複数個の玉と、これら各玉を転動自在に保持する為の保持器とを備え、この保持器は、軸方向両端部に設けられた、それぞれが円環状である１対のリム部同士を複数の柱部で結合して成り、これら両リム部の内側面と円周方向に隣り合う柱部同士の円周方向側面とにより周囲を囲まれる部分を、上記各玉を転動自在に保持する為のポケットとしたものであって、上記保持器の内外両周面は中心軸に対し、上記接触角の方向に対応した方向に傾斜している玉軸受に於いて、上記保持器の径方向に関する厚さ寸法が、上記外輪の内周面と上記内輪の外周面との間に存在して上記保持器及び上記各玉を設置している内部空間の、軸方向に関する幅寸法の１５〜２０％である事を特徴とする玉軸受。
2. 外輪の軸方向寸法及び内輪の軸方向寸法が等しく、且つ、これら外輪及び内輪の軸方向端面が互いに一致しており、内部空間の幅寸法とこれら外輪及び内輪の幅寸法とが互いに等しい、請求項１に記載した玉軸受。

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