JP2013064495A

JP2013064495A - スラスト軸受

Info

Publication number: JP2013064495A
Application number: JP2012186843A
Authority: JP
Inventors: Masato Miyamoto; 真人宮本
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2011-08-29
Filing date: 2012-08-27
Publication date: 2013-04-11
Also published as: US8870465B2; DE212012000168U1; CN202971585U; US20130114921A1; WO2013031249A1

Abstract

【課題】保持器の破損を防止し、長寿命のスラスト軸受を提供する。
【解決手段】第１の軌道面を有する第１の軌道輪と、第２の軌道面を有する第２の軌道輪と、第１の軌道面及び第２の軌道面間に転動自在に配置された複数の転動体と、転動体を円周方向に亘って等間隔に保持する保持器と、を備えるスラスト軸受において、保持器が合成樹脂製で、かつ、ポケット隙間を転動体の直径の２〜５％としたことを特徴とするスラスト軸受。
【選択図】図２

Description

本発明は、油圧式無段変速機や油圧ポンプ、油圧モータ等に使用されるスラスト軸受に関する。

油圧式無段変速機や油圧ポンプ、油圧モータ等では、軸受としてスラスト軸受が組み込まれている。例えば、コンバインやトラクター、田植え機、芝刈り機等の農業機械では、ギアミッション方式から油圧式無段変速機への移行が進んでいる。このような油圧式無段変速機では、軸の回転力を油圧に変換させる際、または油圧を軸の回転力に変換させる際のピストン圧力を受ける部分に、スラスト軸受が採用されている（例えば特許文献１参照）。

特開２００３−１９４１８３号公報

スラスト軸受では、鉄製保持器が多く使用されているが、油圧式無段変速機用のスラスト軸受のような偏心荷重が加わる場合は、玉の遅れや進みによりポケット面に衝撃が加わり、保持器が破損することがある。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、保持器の破損を防止し、長寿命のスラスト軸受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）第１の軌道面を有する第１の軌道輪と、第２の軌道面を有する第２の軌道輪と、前記第１の軌道面及び前記第２の軌道面間に転動自在に配置された複数の転動体と、前記転動体を円周方向に亘って等間隔に保持する保持器と、を備えるスラスト軸受において、
前記保持器が合成樹脂製で、かつ、ポケット隙間を前記転動体の直径の２〜５％とした
ことを特徴とするスラスト軸受。
（２）前記保持器が、ガラス繊維を２０〜４０質量％の割合で含有する
ことを特徴とする（１）に記載のスラスト軸受。
（３）前記ガラス繊維が異形断面を有する
ことを特徴とする（２）に記載のスラスト軸受。
（４）前記保持器の合成樹脂がポリアミドである
ことを特徴とする（１）〜（３）の何れか１つに記載のスラスト軸受。
（５）前記保持器の合成樹脂が数平均分子量で１３０００〜３００００である
ことを特徴とする（１）〜（４）の何れか１つに記載のスラスト軸受。
（６）前記保持器が射出成形して得られる
ことを特徴とする（５）に記載のスラスト軸受。
（７）前記第１の軌道輪の溝底の深さをＸ１とし、
前記第２の軌道輪の溝底の深さをＸ２とし、
前記保持器の厚さをＹとし、
前記転動体の直径をＤとしたとき、
（Ｘ１／Ｄ）比を０．１５より大きく、０．３より小さくし、
（Ｘ２／Ｄ）比を０．１５より大きく、０．３より小さくし、
（Ｙ／Ｄ）比を０．４より大きく、０．６より小さくした
ことを特徴とする（１）〜（６）の何れか１つに記載のスラスト軸受。
（８）油圧式無段変速機に組み込まれる
ことを特徴とする（１）〜（７）の何れか１つに記載のスラスト軸受。

本発明のスラスト軸受は、保持器を合成樹脂製、好ましくはガラス繊維含有合成樹脂製とし、特定のポケット隙間量としたため、玉の遅れや進みによる保持器への衝撃を効果的に吸収でき、長寿命となる。

油圧式無段変速機の一例を示す断面図である。スラスト軸受の一例を示す断面図である。保持器の一例を示す断面図である。図２の上面図である。試験２の結果を示すグラフである。試験３の結果を示すグラフである。

以下、油圧式無段変速機を例示して、本発明のスラスト軸受について詳細に説明する。

図１は油圧式無段変速機の一例を示す断面図であるが、油圧式無段変速機３０は、図示しないエンジンから入力軸３１に伝達された回転駆動力を油圧力に変換する可変容量ポンプ３２と、油圧力を回転駆動力に戻して出力軸４０に伝達する可変容量モータ４１と、を備えており、入力軸３１に伝達された回転駆動力を前進側、後進側の駆動力に無段階に変更して出力軸４０から出力したり、この出力を停止したりする。

可変容量ポンプ３２は、入力軸３１と一体回動するシリンダブロック３３と、シリンダブロック３３の周方向複数箇所に配置され、ピストン室３４内を往復動するノーズピストン３５と、ガイドブロック３６のガイド面に沿って回動する斜板３７と、を備えている。可変容量ポンプ３２は、斜板３７が回動操作することで、ノーズピストン３５の往復動ストロークを変化し、ピストン室３４が吐出する油量を変化している。斜板３７には、スラスト軸受１０がノーズピストン３５の先端部と接触する位置に配置されており、スラスト軸受１０は斜板３７と共に回動する。

スラスト軸受１０は、図２に示すように、軸受外側の端面２１においてノーズピストン３５の先端部と接触し、第１の軌道面１１を有する第１の軌道輪１２と、斜板３７に固定され、第２の軌道面１３を有する第２の軌道輪１４と、第１の軌道面１１と第２の軌道面１３との間に転動自在に配置された複数の玉１５と、を備える。スラスト軸受１０の寸法は、油圧式無段変速機用として好適となるよう、内径が３０〜７２ｍｍ、外径が５２〜１１３ｍｍ、高さ（Ｈ）が１２〜２４ｍｍの範囲内において、それぞれ適宜設定される。さらに、スラスト軸受１０は、複数の玉１５を円周方向に亘って等間隔に保持する保持器１６を備える。

本発明では、保持器１６を、合成樹脂製とする。合成樹脂には制限はないが、耐熱性や耐疲労性等を考慮すると、芳香族ポリアミドやポリアミド４６、ポリアミド６６等のポリアミドが好ましい。芳香族ポリアミドは高融点、高強度であり、１３０〜１５０℃の高温での使用が可能である。また、ポリアミド４６も１２０〜１４０℃の耐熱性を有し、樹脂自体の衝撃強度・耐疲労性が高い。また、ポリアミド６６は、耐熱性は１００〜１２０℃であるが、衝撃強度、耐疲労性等のバランスがよく、材料コストも低い。

また、保持器１６は、補強用にガラス繊維を含有することが好ましい。ガラス繊維は断面が円形のものも使用できるが、断面が楕円や長円、まゆ形等の異形のものが好ましい。異形断面のガラス繊維は、円形断面のガラス繊維に比べて折れ難く、樹脂と混練し、射出成形した時に円形断面のガラス繊維に比べて長い状態で樹脂中に分散する。そのため、同一含有量で比較すると、円形断面のガラス繊維に比べて補強効果が高くなる。更に、異形断面のガラス繊維は、成形時に保持器表面と平行に面をなすように配向するため、面で荷重を受けることができ、耐荷重性に優れるようになり、更には径方向にも若干の補強効果が現われて補強効果がより高まるとともに、寸法変化の差異が小さくなるためヒケが発生し難くなる。

異形断面のガラス繊維の異形比（長径部と短径部との比率）は１．５〜５であることが好ましく、２〜４であることがより好ましい。異形比が１．５未満では機械的強度の向上等の効果が少なく、異形比が５を越えると扁平すぎて安定して製造するのが難しくなる。また、短径部は５〜１２μｍであることが好ましい。短径部が５μｍ未満では細すぎて製造時に破断、破損するため、低コストで安定した品質を保つのが難しく、実用性が低い。一方、短径部が１２μｍを越える場合は、異形比を考慮すると繊維が太すぎ、樹脂中での分散性に劣るようになり、樹脂部に強度ムラが発生するおそれがある。

円形断面のガラス繊維を使用する場合は、同一の配合量で繊維数が多くなることから、細径のものを用いることが好ましい。一般的な合成樹脂製保持器では、平均繊維径が１０〜１３μｍ程度であるが、平均繊維径が６〜８μｍのものを用いることが好ましい。

上記のガラス繊維は、樹脂との接着性を考慮して、片末端にエポキシ基やアミノ基等を有するシランカプッリング剤、あるいはエポキシ系、ウレタン系、アクリル系等のサイジング剤で表面処理したものを用いることが好ましい。

ガラス繊維の含有量は、保持器全量の２０〜４０質量％とすることが好ましく、２５〜３５質量％とすることがより好ましい。ガラス繊維の含有量が２０質量％未満では、補強効果が十分ではない。一方、ガラス繊維の含有量が多くなるほど流動性が低下し、射出成形に適さなくなる。また、ガラス繊維の含有量が多くなるほど保持器１６が撓みにくくなり、軸受組立の際に玉１５を組み込みにくくなる。これらを考慮すると、ガラス繊維の含有量の上限は４０質量％が好ましく、３５質量％がより好ましい。

また、射出成形を考慮して、上記の樹脂の分子量を、特定量のガラス繊維を含有した状態で射出成形が可能な流動性を示す範囲に調整することが好ましい。具体的には数平均分子量で１３０００〜３００００が好ましく、更に衝撃強度等の機械的強度を考慮すると数平均分子量で１８０００〜２６０００がより好ましい。数平均分子量が１３０００未満では、分子量が低すぎて機械的強度が低く、実用性が低い。これに対して数平均分子量が３００００を越える場合は、ガラス繊維を規定量含有した状態での溶融粘度が高すぎ、精度よく射出成形で製造することが困難になる。

上記の樹脂組成物には、必要に応じて各種の添加剤を添加することができるが、何れも一般的な合成樹脂製保持器に添加されるもので構わない。

また、ガラス繊維の一部を炭素繊維で代替することもできる。炭素繊維としては、例えばピッチ系またはＰＡＮ系の炭素繊維が挙げられる。更には、チタン酸カリウムウィスカーやホウ酸アルミニウムウィスカー等のウィスカー状補強材で代替することもできる。

保持器１６の形状には制限はないが、例えば図３及び図４に示す形状とすることができる。尚、図３は図２から玉１５を除いた状態を示す断面図であり、図４は図２の上面図である。図示されるように、保持器１６は、円環状の基部１６ａに複数のポケット１７が形成されており、更にポケット１７の周囲の複数箇所（図の例では等間隔で４箇所）に、基部１６ａよりも外方に突出した爪部１６ｂを設ける。また、爪部１６ｂのポケット側の面１６ｃは、組み立て時に玉１５を入れやすいように略垂直に立って弾性変形するようになっている。

但し、保持器１６のポケット隙間を、玉１５の直径Ｄの２〜５％とする。即ち、図４に示すように、玉１５の表面１５ａと、ポケット１７のポケット面１７ａと、の間隔を、玉１５の直径Ｄの２〜５％とする。このようなポケット隙間にすることにより、保持器１６の破損を効果的に防止できる。ポケット隙間が大きくなるほど、玉１５の移動距離が大きくなりポケット面１７ａへの衝撃も大きくなる。それとともに、ポケット同士の間隔が狭くなってポケット間の柱部分が薄くなって強度が低下する。そのため、玉１５の直径Ｄに対するポケット隙間の上限を５％とすることが好ましく、４％とすることがより好ましい。また、ポケット隙間を玉１５の直径の２％未満にすると、保持器１６への荷重最大値が大きくなって強度低下を招き、適さない。

また、本実施形態のように油圧式無段変速機３０に用いられるスラスト軸受１０は、径方向及び軸方向への合成荷重が負荷される状態で使用されるため、第１の軌道輪１２及び第２の軌道輪１４の溝肩に玉１５が乗り上げる虞がある。より詳細には、油圧式無段変速機３０のノーズピストン３５と接触するスラスト軸受１０は、ノーズピストン３５との接触角度が変化することにより第１の軌道輪１２に方向が変化する荷重を受け、玉１５と各軌道溝の接触点が軌道溝の肩部へと近づいて行く場合がある。この結果、接触楕円が軌道溝の肩部に乗り上げてしまういわゆるエッジロード状態が発生し、溝肩及び玉１５に塑性変形が生じてしまう場合がある。そこで、図２に示すように、本実施形態に係るスラスト軸受１０では、第１の軌道輪１２の溝底の軸方向深さをＸ１とし、第２の軌道輪１４の溝底の軸方向深さをＸ２としたとき、玉１５の直径Ｄ（玉径）との関係について、（Ｘ１／Ｄ）比を０．１５より大きく、０．３より小さくすると共に（０．１５＜Ｘ１／Ｄ＜０．３）、（Ｘ２／Ｄ）比を０．１５より大きく、０．３より小さくすることによって（０．１５＜Ｘ２／Ｄ＜０．３）、通常品よりも溝底の深さＸ１及びＸ２が大きく設定される。なお、一般に、通常品における（Ｘ１／Ｄ）比及び（Ｘ２／Ｄ）比は０．１程度である。このとき、図３も参照し、保持器１６の軸方向における厚さ、すなわち爪部１６ｂの軸方向長さをＹとすると、（Ｙ／Ｄ）比は、保持器１６と第１の軌道輪１２及び第２の軌道輪１４の溝肩との干渉が生じない範囲（Ｘ１／Ｄ＋Ｘ２／Ｄ＋Ｙ／Ｄ＜１）において十分な厚みとなるように、０．４より大きく、０．６より小さく設定される（０．４＜Ｙ／Ｄ＜０．６）。

尚、（Ｘ１／Ｄ）比及び（Ｘ２／Ｄ）比は、０．１５以下の範囲では玉１５の溝肩への乗り上げを抑制することができず、０．３以上の範囲では保持器１６の厚さＹが小さくなってしまい、玉１５の保持が不十分となってしまう。

また、本発明は、前述した各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、上記では本発明のスラスト軸受についてスラスト玉軸受を例示して説明したが、転動体として円筒ころや円錐ころを用いることもできる。

以下に実施例を挙げて本発明を更に説明するが、本発明はこれにより何ら制限されるものではない。

（試験１）
鉄製保持器と、ポリアミド６６にガラス繊維（サイジング剤処理品、断面まゆ形）を２５質量％配合した合成樹脂製保持器と、を用い、玉の遅れや進みを想定したモーメント荷重条件下で耐久試験を行った。試験軸受は日本精工株式会社製軸受「６２０４」を用い、潤滑剤としてタービン油を用いた。また、合成樹脂製保持器のポケット隙間を玉径の３％とした。試験条件は、回転数２０００ｍｉｎ^−１、モーメント荷重７３．５Ｎ・ｍ、雰囲気温度４０℃または１００℃とした。その結果、鉄製保持器が２０時間以内に破損したのに対し、合成樹脂製保持器は２０時間を越えても破損しなかった。

（試験２）
ポリアミド６６単独、ポリアミド６６に同ガラス繊維を２０質量％配合した樹脂組成物、ポリアミド６６に同ガラス繊維を３０質量％配合した樹脂組成物からなる試験片を用意し、ＡＳＴＭＤ６７１に準拠して曲げ疲労曲線を作成した。測定雰囲気は温度２３℃、湿度８５％ＲＨとし、サイクル数を１８００ｒｐｍとした。結果を図５に示す。尚、図中の縦軸Ｓは応力振幅であり、横軸Ｎは破断までの繰り返し数である。図示されるように、ガラス繊維の含有量が多くなるのに従って繰り返し応力が高まるが、一般的な油圧式無段変速機用スラスト軸受の保持器では応力振幅が５×１０^２ｋｇｆ／ｃｍ^２程度であるため、ガラス繊維の含有量を２０質量％以上にすればよいことがわかる。

（試験３）
ポリアミド６６に同ガラス繊維を３０質量％配合し、（ポケット隙間／玉径）比が異なる合成樹脂製保持器を作製した。そして、各保持器について荷重最大値を測定した。結果を図６に示すが、ポケット隙間が大きくなるほど荷重最大値が小さくなっているが、（ポケット隙間／玉径）比が２％で最小となり、（ポケット隙間／玉径）比が２％より大きくなるとほぼ飽和、もしくは若干上昇している。このことから、（ポケット隙間／玉径）比の最小値を２％とすればよいことがわかる。

１０スラスト軸受
１２第１の軌道輪
１４第２の軌道輪
１５玉（転動体）
１６保持器
１６ａ基部
１６ｂ爪部
１７ポケット
３０油圧式無段変速機
Ｄ玉の直径（転動体の直径）
Ｘ１第１の軌道輪の溝底の深さ
Ｘ２第２の軌道輪の溝底の深さ
Ｙ保持器の厚さ

Claims

第１の軌道面を有する第１の軌道輪と、第２の軌道面を有する第２の軌道輪と、前記第１の軌道面及び前記第２の軌道面間に転動自在に配置された複数の転動体と、前記転動体を円周方向に亘って等間隔に保持する保持器と、を備えるスラスト軸受において、
前記保持器が合成樹脂製で、かつ、ポケット隙間を前記転動体の直径の２〜５％とした
ことを特徴とするスラスト軸受。
前記保持器が、ガラス繊維を２０〜４０質量％の割合で含有する
ことを特徴とする請求項１に記載のスラスト軸受。
前記ガラス繊維が異形断面を有する
ことを特徴とする請求項２に記載のスラスト軸受。
前記保持器の合成樹脂がポリアミドである
ことを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載のスラスト軸受。
前記保持器の合成樹脂が数平均分子量で１３０００〜３００００である
ことを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載のスラスト軸受。
前記保持器が射出成形して得られる
ことを特徴とする請求項５に記載のスラスト軸受。
前記第１の軌道輪の溝底の深さをＸ１とし、
前記第２の軌道輪の溝底の深さをＸ２とし、
前記保持器の厚さをＹとし、
前記転動体の直径をＤとしたとき、
（Ｘ１／Ｄ）比を０．１５より大きく、０．３より小さくし、
（Ｘ２／Ｄ）比を０．１５より大きく、０．３より小さくし、
（Ｙ／Ｄ）比を０．４より大きく、０．６より小さくした
ことを特徴とする請求項１〜６の何れか１項に記載のスラスト軸受。
油圧式無段変速機に組み込まれる
ことを特徴とする請求項１〜７の何れか１項に記載のスラスト軸受。