JP2012092919A

JP2012092919A - 転がり軸受

Info

Publication number: JP2012092919A
Application number: JP2010241737A
Authority: JP
Inventors: Yoshiaki Katsuno; 美昭勝野
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2010-10-28
Filing date: 2010-10-28
Publication date: 2012-05-17
Anticipated expiration: 2030-10-28
Also published as: JP5556590B2

Abstract

【課題】円周方向の一ヶ所に切断部を設けた構造の保持器を採用した場合でも、回転非同期振れ（ＮＲＲＯ）の増加を低く抑えることができる転がり軸受を提供する。
【解決手段】転がり軸受１０は、外周面に内輪軌道面１１ａを有する内輪１１と、内周面に外輪軌道面１２ａを有する外輪１２と、内輪軌道面１１ａと外輪軌道面１２ａとの間に転動自在に設けられた複数の転動体１３と、円周方向の少なくとも一カ所に切断部１４が形成され、複数の転動体１３を円周方向に略等間隔で保持する合成樹脂製の保持器１５と、を備える。そして、切断部１４を挟む２つのポケットに挿入する玉１３ａの径寸法を、その他のポケットに挿入される玉１３ｂの径寸法よりも大きくしている。
【選択図】図５

Description

本発明は、例えば、産業機械、ロボットの関節部や旋回機構部、工作機械の主軸、回転テーブルや主軸旋回機構部、医療機器、半導体／液晶製造装置、光学及びオプトエレクトロニクス装置等の回転支持部に用いられる転がり軸受に関する。

従来の転がり軸受として、図９に示すように、円周方向の一ヶ所に切断部１４を設けた合成樹脂製の冠形保持器１５が提案されている（例えば、特許文献１及び２参照）。特許文献１に記載の転がり軸受では、切断部１４を設けることで、内外輪及び玉と保持器との熱膨張係数の違い等により玉とポケット部１９との間に発生する突っ張り力を緩和して保持器の摩耗等を防止することが記載されている。

また、特許文献２に記載の転がり軸受では、円周方向の一ヶ所に切断部１４が設けられるとともに、切断部１４の円周方向幅を温度変化と吸水率変化による保持器の伸長分とし、軌道輪との案内すきまを確保することが記載されている。

ところで、特許文献１に記載の転がり軸受では、玉案内方式を採用して、玉とポケット１９との間の半径方向すきまは小さく設定されているので、軸受の回転による昇温で、軸受各部品（例えば、内輪、外輪及び玉が軸受鋼、保持器がポリアミド樹脂などの合成樹脂で形成されている場合）間の線膨張係数の差により保持器が相対的に膨張する際に、半径方向には膨張しにくく、相対膨張分は円周方向に向かう。

その結果、保持器の切断部１４の円周方向すきまΔＬが小さくなり、使用環境温度も含めて軸受の昇温値が高い場合、保持器の切断部１４の円周方向の端面同士が突っ張り干渉して、該干渉部での発熱や摩耗、損傷が生じるという問題がある。また、保持器がポリアミド樹脂などの一般的な汎用合成樹脂で形成されている場合は、空気中の水分を吸収して膨張することもあり、吸水による膨張量が加わることも問題である。

また、特許文献２に記載の転がり軸受では、切断部１４の円周方向幅を温度変化と吸水率変化による保持器の伸長分（温度膨張＋吸水膨張）としているが、切断部１４の円周方向幅が広くなりすぎてしまい、温度上昇が小さい条件や乾燥した雰囲気条件では、切断部１４の円周方向幅の変化が小さく、切断部１４を挟んだ部分での玉間の円周方向の距離が他の玉間の円周方向距離より大きくなり、玉の円周方向の不等配が発生する。

玉の円周方向の不等配が生じると、軸受の径方向の剛性が円周位相で不均一（玉の円周方向の不等配部の位相で剛性低下）になるため、軸受回転時に玉の公転周期に対応した振れ回り、いわゆるＮＲＲＯ値（内輪２回転に約１回の周期）が増加する。特に、回転精度が要求される工作機械の主軸、回転テーブル及び主軸の旋回機構部などの回転支持部に本軸受を使用した場合、回転軸の振れ回りが大きくなり（ＮＲＲＯ値が大）、フライス加工などでは加工面に縞模様が発生したり、旋盤加工などでは加工面の引き目不良や真円度悪化などが発生したりするという問題がある。

特開２００３−３３６６４０号公報特開２００６−２２６４９６号公報

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、円周方向の一ヶ所に切断部を設けた構造の保持器を採用した転がり軸受を、高回転精度が要求される用途に使用した場合でも、回転非同期振れ（ＮＲＲＯ）の増加を低く抑えることである。

上記目的を達成するために、請求項１に係る転がり軸受は、外周面に内輪軌道面を有する内輪と、内周面に外輪軌道面を有する外輪と、前記内輪軌道面と前記外輪軌道面との間に転動自在に設けられた複数の転動体と、円周方向の少なくとも一カ所に切断部が形成され、前記複数の転動体を円周方向に略等間隔で保持する合成樹脂製の保持器と、を備え、前記切断部を挟む２つのポケット部に挿入される転動体の径寸法を、その他のポケット部に挿入される転動体の径寸法よりも大きくしたことを特徴としている。

また、請求項２に係る転がり軸受は、外周面に内輪軌道面を有する内輪と、内周面に外輪軌道面を有する外輪と、前記内輪軌道面と前記外輪軌道面との間に転動自在に設けられた複数の転動体と、円周方向の少なくとも一カ所に切断部が形成され、前記複数の転動体を円周方向に略等間隔で保持する合成樹脂製の保持器と、を備え、前記切断部を挟む２つのポケット部に挿入される転動体の縦弾性率を、その他のポケット部に挿入される転動体の縦弾性率よりも大きくしたことを特徴としている。

さらに、請求項３に係る転がり軸受は、請求項１又は２に係る発明において、前記切断面の少なくとも一方に、潤滑剤を溜めるための凹溝部を設けたことを特徴としている。

さらに、請求項４に係る転がり軸受は、請求項１乃至３に係る発明において、前記転動体が、玉であることを特徴としている。

さらに、請求項５に係る転がり軸受は、請求項１乃至３に係る発明において、前記転動体が、円筒ころであることを特徴としている。

本技術の転がり軸受は以上のような構成としたため、軸受に高回転精度が要求される場合であっても、回転非同期振れ（ＮＲＲＯ）の増加を抑制することが可能となり、回転中に保持器と玉間突っ張り損傷などの不具合を生じることなく、かつ、回転精度に優れた転がり軸受の実現が可能となる。

本発明の第１実施形態に係る転がり軸受を説明するための要部断面図である。図１に示す転がり軸受に組み込まれた冠形保持器の断面図である。図１に示す転がり軸受に組み込まれた冠形保持器の部分的斜視図である。図２の矢印Ｂ方向から見た一部を破断した図である。図１に示す転がり軸受に組み込まれた冠形保持器と転動体の構成を説明するための要部断面図である。本発明の第２実施形態に係る転がり軸受に組み込まれた冠形保持器と転動体の構成を説明するための要部断面図である。本発明の第３実施形態に係る転がり軸受に組み込まれた冠形保持器と転動体の構成を説明するための要部断面図である。本発明の第４実施形態に係る転がり軸受に組み込まれた冠形保持器と転動体の構成を説明するための要部断面図である。従来の保持器を軸方向から見た要部断面図である。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。図１は本発明の第１の実施の形態を示す単列玉軸受を２列組み合わせた状態を示す要部断面図、図２は玉案内保持器を示す断面図、図３は保持器を径方向内側から見た部分斜視図、図４は図２の矢印Ｂ方向から見た矢視図、図５は図１に示す転がり軸受に組み込まれた冠形保持器と転動体の構成を説明するための要部断面図、図６は本発明の第２実施形態に係る転がり軸受に組み込まれた冠形保持器と転動体の構成を説明するための要部断面図、図７は本発明の第３実施形態に係る転がり軸受に組み込まれた冠形保持器と転動体の構成を説明するための要部断面図、図８は本発明の第４実施形態に係る転がり軸受に組み込まれた冠形保持器と転動体の構成を説明するための要部断面図である。

図１に示すように、本実施形態の転がり軸受１０（以下、幅狭玉軸受１０とも称す）は、アンギュラ玉軸受とされており、２列のアンギュラ玉軸受を背面組合せ（接触角がハの字となる配列）としている。各転がり軸受１０は、外周面に内輪軌道面１１ａを有する内輪１１と、内周面に外輪軌道面１２ａを有する外輪１２と、内輪軌道面１１ａと外輪軌道面１２ａとの間に転動自在に設けられた複数の玉（転動体）１３と、円周方向の一カ所に切断部１４（図５参照）が形成され、複数の玉１３を円周方向に略等間隔で保持する合成樹脂製の冠形保持器１５と、を備える。また、２列の幅狭玉軸受１０の各外輪１２の軸方向外側の端部内周面には、それぞれ非接触型のシール部材１６が装着されている。なお、シール部材１６は、接触型タイプでもよく、また、材料、形状は特に限定されない。

ここで、本実施形態では、軸方向の省スペース化を図るため、転がり軸受１０の軸方向断面幅Ｂと半径方向断面高さＨ（＝（外輪外径Ｄ−内輪内径ｄ）／２）との断面寸法比（Ｂ／Ｈ）をＢ／Ｈ＜０．６３としている。

なお、Ｂ／Ｈは、理論的にはＢ／Ｈ＞０であるが、現実的には、使用する玉径や保持器、シール部材の設計、選定等を加味すると、Ｂ／Ｈ＞０．１０、好ましくはＢ／Ｈ＞０．２０、より好ましくはＢ／Ｈ＞０．３０とする。

また、国際標準化機構（ＩＳＯ）で規定されている標準寸法玉軸受の場合、Ｂ／Ｈが１．０前後のものが多くを占める。したがって、Ｂ／Ｈ＜０．５に設定すれば、標準玉軸受約１列分の幅方向スペースで２列分の幅狭玉軸受１０を配設させることができ、省スペース化が図れる。

また、アンギュラ玉軸受の場合、１列では一方向の軸方向荷重しか受けられず、また、モーメント荷重を受けることはできないが、２列以上組合わせることで、両方向の軸方向荷重やモーメント荷重の負荷が可能となる。また、予圧を付加することもできるので、省スペース化と共にラジアル剛性やアキシャル剛性及びモーメント剛性なども大きくすることができる。

また、Ｂ／Ｈ＜０．２５に設定すれば、さらなる省スペース化と共に、標準玉軸受約１列分の幅方向スペースで４列の幅狭玉軸受を配設させることができ、さらに剛性の向上が可能である。

また、（Ｂ／Ｈ）＝０．６３未満とすることで、軸やハウジングに軸受を組み込んだ場合（特に、軸やハウジングとすきま嵌合で組み込んだ場合）、外輪を端面押え、内輪を軸受ナット等でそれぞれ固定した場合の内外輪の変形（特に真円度の悪化）を抑制することができると共に、変形によって生じるトルク不良や回転精度不良、あるいは、発熱増大、摩耗や焼付き等の不具合を防止することができる。

さらに、（Ｂ／Ｈ）＝０．６３未満とすることで、軸受の幅寸法が従来の標準単列玉軸受の約半分となるので、玉径も従来の玉軸受の半分程度となるが、逆に１列あたりの玉数が少なくとも２倍以上に増加し、軸受剛性は従来の玉軸受に対して増加する。

また、国際標準化機構（ＩＳＯ）で規定されている寸法系列が１８（例えば、６８２０）、１９（例えば、６９３８）、１０（例えば、７０１６Ａ）、０２（例えば、７２２４Ｃ）、０３（例えば、７３５０Ａ）などの標準寸法玉軸受では、軸受内径寸法がφ５ｍｍ〜φ５００ｍｍにおいては、断面寸法比（Ｂ／Ｈ）はＢ／Ｈ＝０．６３〜１．１７となっているが、本実施形態の幅狭玉軸受１０は、軸方向に幅狭としたので、上述の断面寸法比に該当しないものとなる。

本実施形態の幅狭玉軸受１０では、軸受の負荷容量や剛性を上げるために、円周方向に隣り合う玉１３間のピッチは極力小さくし、できる限り玉数を多くしている。通常の玉軸受では、玉数は多くとも３０〜４０個以下／１列程度であるが、本実施形態では、５０個以上、好ましくは６０個以上、より好ましくは７０個以上／１列としている。

アンギュラ玉軸受の場合、接触角は、大きなモーメント荷重を負荷した際に、内外輪みぞ肩部への玉と内外輪みぞ接触部の乗り上げを抑えるため、概ね６０°以下、望ましくは５０°以下、さらに望ましくは４０°以下がよいが、２０°未満の場合は、許容アキシャル荷重やモーメント剛性が低下するので好ましくない。本実施形態における適正な玉径は、シール部材等の装着有無により変化するが、剛性を増加させるため、極端に玉径を小さくすると、玉と内外輪の軌道みぞとの接触部間の面圧が増加し、耐圧痕性が低下するおそれがあるため、概ね、軸受幅（Ｂ）の３０〜９０％が望ましい。

更に、本実施形態では、玉１３の軸方向ピッチをできるだけ組合せ側端面の反対側にずらし（図１：Ｘ_１＞Ｘ_２）、保持器１５のリング部１７（図２〜図５参照）が軸受組合せ端面側になるように配置しており、リング部１７の軸方向肉厚を大きくし、また、モーメント剛性を上げるための作用点間距離を大きくとれるようにしている。

また、軸受の材料としては、標準の軸受鋼（ＳＵＪ２やＳＵＪ３）など、特に限定されないが、必要に応じて、これらの材料で、軸受の寸法安定性や耐摩耗性などの機械的性質を向上させるために、内輪１１及び外輪１２の少なくとも一方に、サブゼロ処理を施してもよい。

サブゼロ処理の方法としては、例えば、焼入れ直後に、液体窒素を用いて−１５０°Ｃ程度の雰囲気とし、本サブゼロ処理後に焼戻しを行なう。そして、サブゼロ処理と焼戻し処理とを数回繰り返す。冷却溶媒として、液体窒素使用のサブゼロ処理では、繰り返し回数は多くとも３回程度でかまわない。サブゼロ処理によって、組織中の残留オーステナイト（γＲ）がマルテンサイトに変態する。併せて、結晶粒の安定化も促進されるので、これにより経時寸法変化の防止と耐摩耗性などの機械的性質が向上する。

本実施形態の場合、内輪１１及び外輪１２の軸方向幅が狭いので、そりや真円度不良などの経時寸法変化が発生しやすい傾向がある。したがって、サブゼロ処理により、前記経時寸法変化を抑制することができ、特に、軸受精度が必要な工作機械の回転テーブルや主軸旋回機構部、印刷機械のドラム等の回転機構部などの回転支持部に本実施形態の幅狭玉軸受１０を使用する場合、軸受精度劣化による機器の精度不具合を防止でき、長期的に良好な機能を保持することができる。

また、例えば真空用途や腐食環境などでは、軸受鋼以外に、耐食材料であるステンレス鋼系材料（例えば、ＳＵＳ４４０Ｃ等のマルテンサイト系ステンレス鋼材料やＳＵＳ３０４等のオーステナイト系ステンレス鋼材料、ＳＵＳ６３０等の析出硬化系ステンレス鋼材料など）、チタン合金やセラミック系材料（例えば、Ｓｉ₃ Ｎ₄ ，ＳｉＣ，Ａｌ₂
Ｏ₃ ，ＺｒＯ₂など）を採用してもよい。

潤滑方法も特に限定されず、一般的な使用環境では、鉱油系グリースや合成油系（例えば、リチウム系、ウレア系等）のグリースや油を使用でき、真空用途などでは、フッ素系のグリースまたは油、あるいはフッ素樹脂、ＭＯＳ₂ などの固体潤滑剤を使用することができる。

玉案内保持器１５は、図２〜図４に示すように、リング部１７と、このリング部１７の一端部に周方向に略等間隔で複数箇所軸方向に突設された柱部１８と、各柱部１８間に形成されて玉１３を周方向に転動可能に保持する多数のポケット部１９と、このポケット部１９のリング部１７とは反対側の先端部に形成された玉１３の抜け出しを防止する一対の玉係止部とを備えた柔軟性のある冠形保持器の構成を有する。この保持器１５の材料は、例えば、ポリアミド、ポリアセタール、ポリフェニレンサルファイド等の合成樹脂材とし、必要に応じて、合成樹脂材にガラス繊維や炭素繊維等の補強材を混入した材料を用いる。

また、保持器１５は、図５に示すように、リング部１７の少なくとも円周方向の一箇所で互いに隣り合うポケット部１９間を予め切断して切断部１４を形成し、切断部１４を挟む２つのポケット部１９に挿入される転動体１３ａの径寸法を、その他のポケット部１９に挿入される転動体１３ｂの径寸法よりも大きくした構造としている。ここで、ΔＬは軸受の温度上昇や保持器の吸水を考慮した切断部１４の最適すき間である。

本実施形態のような幅狭玉軸受１０では、冠型保持器１５の円周方向に切断部１４を形成し、さらに、切断部１４を挟む２つのポケット部１９に挿入される転動体１３ａの径寸法を、その他のポケット部１９に挿入される転動体１３ｂの径寸法よりも大きくしたことで、以下のような効果を奏する。

即ち、図９に示す従来の保持器１５に、全て同じ径寸法の転動体１３を挿入する場合、切断部１４の部分では他の部分に比べて転動体１３間の円周方向ピッチが大きくなるため、転動体１３の不等配によって半径方向の剛性バランスに違いが生じ、それに起因して転動体１３の公転周期（＝保持器の回転周期）毎の回転振れ（回転非同期振れ：ＮＲＲＯ）が増加することが懸念される。

一方、本実施形態では、切断部１４を挟む２つのポケット部１９に挿入する転動体１３ａの径寸法を、その他のポケット部１９に挿入される転動体１３ｂの径寸法よりも大きくする構成としているので、転動体１３の不等配に起因する半径方向の剛性バランスの違いが相殺されるので、ＮＲＲＯの増加を抑制することが可能となる。また、転動体１３と保持器１５間の円周方向すきまは、所定の条件における軸受の温度上昇による保持器の相対膨張及び吸水膨張による円周方向すきま減少分などを見込み、減少後に円周方向すきまが０とならないすきまとする。

次に、図６を参照して、本発明の第２実施形態に係る転がり軸受１０を説明する。この転がり軸受１０では、切断部１４を挟む２つのポケット部１９に挿入する転動体１３ａの縦弾性率を、その他のポケット部１９に挿入される転動体１３ｂの縦弾性率よりも大きくしており、その他の構成は本発明の第１実施形態と同様である。このような構成とすることで、転動体１３の不等配に起因する半径方向の剛性バランスの違いが相殺されるので、ＮＲＲＯの増加を抑制することが可能となる。

次に、図７を参照して、本発明の第３実施形態に係る転がり軸受１０を説明する。この転がり軸受１０では、第１または第２の実施形態の転がり軸受１０において、保持器１５の切断部１４の切断面に潤滑剤を溜めるための凹溝２０ａを設けた構成としている。図７に示すように潤滑剤を保持する凹溝２０ａを設ければ、切断部１４における保持器１５の接触部の潤滑条件を向上させることが可能となる。また、図７に示すように凹溝２０aを軸方向に開口する形状にすれば、射出成形で保持器１５を製造する場合、型を軸方向に離型する方式（アキシャアルドロー方式）で型から保持器１５を取り出す際、型との干渉が無く取り出しが容易となる。なお、潤滑剤を保持する凹溝２０ａは、切断部の少なくとも一方に設ければ良い。

次に、図８を参照して、本発明の第４実施形態に係る転がり軸受１０を説明する。この転がり軸受１０では、第１または第２の実施形態の転がり軸受１０において第３実施形態と同様に潤滑剤を溜めるための凹溝２０ｂを設けた構造としているが、凹溝２０ｂの形状を溝開口部より溝底部の幅を広くした構成としている。図８に示すような凹溝２０ｂ形状とすれば、保持器回転時に遠心力が作用しても潤滑剤を凹溝２０ｂ内部に保持する効果が高まり、軸受回転時における切断部１４での摩擦による発熱がさらに軽減し、摩耗や損傷を確実に防止することができる。

本発明の転がり軸受は、例えば、産業機械、ロボットの関節部や旋回機構部、工作機械の主軸、回転テーブルや主軸旋回機構部、医療機器、半導体／液晶製造装置、光学及びオプトエレクトロニクス装置等の回転支持部に好適に利用できる。

１０転がり軸受
１１ａ内輪軌道面
１１内輪
１２ａ外輪軌道面
１２外輪
１３転動体
１４切断部
１５保持器
１６シール部材
１７リング部
１８柱部
１９ポケット部

Claims

外周面に内輪軌道面を有する内輪と、内周面に外輪軌道面を有する外輪と、前記内輪軌道面と前記外輪軌道面との間に転動自在に設けられた複数の転動体と、円周方向の少なくとも一カ所に切断部が形成され、前記複数の転動体を円周方向に略等間隔で保持する合成樹脂製の保持器と、を備えた転がり軸受において、前記切断部を挟む２つのポケット部に挿入される転動体の径寸法を、その他のポケット部に挿入される転動体の径寸法よりも大きくしたことを特徴とする転がり軸受。
外周面に内輪軌道面を有する内輪と、内周面に外輪軌道面を有する外輪と、前記内輪軌道面と前記外輪軌道面との間に転動自在に設けられた複数の転動体と、円周方向の少なくとも一カ所に切断部が形成され、前記複数の転動体を円周方向に略等間隔で保持する合成樹脂製の保持器と、を備えた転がり軸受において、前記切断部を挟む２つのポケット部に挿入される転動体の縦弾性率を、その他のポケット部に挿入される転動体の縦弾性率よりも大きくしたことを特徴とする転がり軸受。
前記切断面の少なくとも一方に、潤滑剤を溜めるための凹溝部を設けたことを特徴とする請求項１又は２に記載の転がり軸受。
前記転動体が、玉であることを特徴とする請求項１乃至３に記載の転がり軸受。
前記転動体が、円筒ころであることを特徴とする請求項１乃至３に記載の転がり軸受。