JP2016089924A - 合成樹脂製保持器および玉軸受 - Google Patents

Abstract

【課題】軸受回転中の玉の遅れまたは進みによる破損が生じにくい合成樹脂製保持器を提供する。
【解決手段】合成樹脂製の２枚の環状体９の各対向面１０に、玉３を収容する複数のポケット１１が周方向に間隔をおいて形成され、各環状体９は、各ポケット１１の内面を形成する軸方向に凹に湾曲した弧状のポケット壁部１２と、隣り合うポケット壁部１２同士を連結する平板状の連結板部１３とからなる合成樹脂製保持器において、連結板部１３の軸方向の厚さＡを玉３の直径の３０％以下とし、ポケット１１の最も深い位置１１ａでのポケット壁部１２の厚さＢを玉３の直径の１０％以下とする。
【選択図】図３

Description

この発明は、合成樹脂製保持器、およびその合成樹脂製保持器を用いた玉軸受に関する。

一般に、玉軸受は、内輪と、外輪と、内輪と外輪の間に周方向に間隔をおいて組み込まれた複数の玉と、その玉を保持する保持器とからなる。そして、モータ用の玉軸受では、剛性の高い金属製保持器を採用したものが多かったが、近年においては、金属製保持器よりも静粛性が高く軽量な合成樹脂製保持器を採用したものが多くなってきている。

合成樹脂製保持器として、例えば、特許文献１，２に記載のものが知られている。この合成樹脂製保持器は、軸方向に対向する２枚の合成樹脂製の環状体からなり、その２枚の環状体の各対向面に、玉を収容する複数のポケットが周方向に間隔をおいて形成されている。

特開２００６−２２６４４８号公報 特開２００８−０６４１５７号公報

特許文献１の合成樹脂製保持器は、玉を収容するポケットの内面を形成する軸方向に凹に湾曲した弧状のポケット壁部と、隣り合うポケット壁部同士を連結する平板状の連結板部とからなる２枚の環状体で構成されている。この２枚の環状体は、一般に、ポリアミド等の熱可塑性樹脂にガラス繊維などの繊維強化材を２０〜３０重量％添加したものを射出成形して製造される。

この合成樹脂製保持器において、従来、連結板部の軸方向の厚さは、玉の直径の３２〜３３％程度に設定され、ポケット壁部の厚さは、玉の直径の１２〜１５％程度に設定されていた。

一方、合成樹脂製保持器は、金属製の保持器に比べて強度が低くなりやすい。そこで、合成樹脂製保持器の強度を高めるために、合成樹脂製保持器を構成する２枚の環状体の厚さを大きく設定したものが提案されている。例えば、特許文献２では、合成樹脂製保持器の強度を高めるため、隣り合うポケット壁部の間を連結するように連結板部と一体に形成した補強壁を設けている。この補強壁を設けると、各環状体の実質的な軸方向厚さが大きくなるので、合成樹脂製保持器の強度が向上する。

ところで、本願の発明者は、上述のような２枚の環状体からなる合成樹脂製保持器を設計するに際し、軸受回転中に生じる応力による保持器の破損を効果的に防止するためには、どのような形状の保持器が最適かを研究した。そして、ポケット壁部および連結板部の軸方向の厚さをいろいろ変更した環状体についてＦＥＭ解析（有限要素法解析）を行ない、その解析結果について検討をおこなった。

この検討の結果、従来は保持器の強度を高めるために保持器を構成する２枚の環状体の厚さを大きく設定することが通常の考え方であったが、これとは逆に、２枚の環状体の厚さを小さく設定すると、応力集中が生じにくくなり、結果として、軸受回転中に生じる応力による保持器の破損を効果的に防止することが可能であることが分かった。

この理由は次のように考えられる。すなわち、軸受回転中、玉と保持器の間には、玉の遅れまたは進みにより周方向の押圧力が作用する。このとき、従来のように２枚の環状体の厚さを大きく設定すると、保持器の各部位の剛性が高くなる分、比較的変形しやすい形状をもつ部位（例えば、ポケット壁部と連結板部が接続する屈曲した形状の部位や、ポケット壁部におけるポケットの最も深くなる部位）により応力が集中しやすくなる。一方、従来とは逆に２枚の環状体の厚さを小さく設定すると、玉の遅れまたは進みにより周方向の押圧力が保持器に作用したときに、その押圧力による応力が各部位に分散され、応力集中が生じにくくなり、その結果、保持器の破損が生じにくくなるものと考えられる。

この発明が解しようとする課題は、軸受回転中の玉の遅れまたは進みによる破損が生じにくい合成樹脂製保持器を提供することである。

上記の課題を解決するため、この発明においては、以下の構成の合成樹脂製保持器を提供する。
軸方向に対向する合成樹脂製の２枚の環状体を有し、
その２枚の環状体の各対向面には、玉を収容する複数のポケットが周方向に間隔をおいて形成され、
前記各環状体は、前記各ポケットの内面を形成する軸方向に凹に湾曲した弧状のポケット壁部と、隣り合うポケット壁部同士を連結する平板状の連結板部とからなる合成樹脂製保持器において、
前記連結板部の軸方向の厚さを、前記玉の直径の３０％以下とし、
前記ポケットの最も深い位置での前記ポケット壁部の厚さを、前記玉の直径の１０％以下としたことを特徴とする合成樹脂製保持器。

このようにすると、保持器を構成する２枚の環状体の厚さが小さいので、玉の遅れまたは進みにより周方向の押圧力が保持器に作用したときに、保持器が柔軟に変形して応力を分散することで、応力集中を防止することができる。そのため、軸受回転中の玉の遅れまたは進みによる破損が生じにくい。

前記連結板部の軸方向の厚さを、前記玉の直径の１５％〜２８％の範囲に設定し、
前記ポケットの最も深い位置での前記ポケット壁部の厚さを、前記玉の直径の５〜８％の範囲に設定することができる。

このようにすると、軸受回転中の玉の遅れまたは進みにより保持器に押圧力が作用したときに応力集中が生じるのを効果的に防止するとともに、保持器の強度を確保することができる。

前記ポケット壁部は、前記ポケットの最も深い位置を含む内面が前記環状体の半径方向を中心とする円筒面となるように形成することができる。

このようにすると、ポケットの最も深い位置を含む内面を凹球面とした場合と比較して、ポケット壁部におけるポケットの最も深い部位の柔軟性を高めることができ、これにより、ポケット壁部と連結板部が接続する部位に応力集中が生じるのを効果的に防止することが可能となる。

また、上述の寸法設定を採用することで、軸受回転中の玉の遅れまたは進みにより玉の質量の１５０倍相当の押圧力が前記玉から前記連結板部に作用したときに主応力が最大となる部位での主応力の大きさを３２Ｍｐａ以下とすることが可能である。これにより、保持器に生じる最大の応力を、合成樹脂製保持器を形成する合成樹脂の疲れ限度以下に抑えることができるので、軸受回転中に生じる応力による保持器の破損を効果的に防止することが可能である。

また、この発明では、上記の合成樹脂製保持器を用いた玉軸受として、内輪と、外輪と、内輪と外輪の間に周方向に間隔をおいて組み込まれた複数の玉と、その玉を保持する上記の合成樹脂製保持器とを有するものを提供する。

この発明の合成樹脂製保持器は、保持器を構成する２枚の環状体の厚さが小さいので、玉の遅れまたは進みにより周方向の押圧力が保持器に作用したときに、保持器が柔軟に変形して応力を分散し、応力集中を防止することができる。そのため、軸受回転中の玉の遅れまたは進みによる破損が生じにくい。

この発明の実施形態の合成樹脂製保持器を組み込んだ玉軸受を示す断面図 図１に示す保持器を構成する２枚の環状体のうち一方の環状体を他方の環状体に対する対向面の側から見た図 図１に示す保持器を、玉のピッチ円を含む仮想円筒面に沿って内径側から見た断面図 （ａ）は図３に示す保持器において、軸受回転中の玉の遅れまたは進みにより玉から周方向の押圧力が作用したときに生じる主応力分布をＦＥＭ解析した結果であって、内径側から見た主応力分布を示す図、（ｂ）は比較例の保持器において、軸受回転中の玉の遅れまたは進みにより玉から周方向の押圧力が作用したときに生じる主応力分布をＦＥＭ解析した結果であって、内径側から見た主応力分布を示す図 （ａ）は図４（ａ）の保持器を外径側から見た主応力分布を示す図、（ｂ）は図４（ｂ）の保持器を外径側から見た主応力分布を示す図

図１に、この発明の実施形態の合成樹脂製保持器を用いた玉軸受を示す。この玉軸受は、内輪１と、外輪２と、内輪１と外輪２の間に周方向に間隔をおいて組み込まれた複数の玉３と、玉３を保持する保持器４とを有する。

内輪１の外周には、周方向に延びる断面円弧状の軌道溝５が設けられ、外輪２の内周にも、周方向に延びる断面円弧状の軌道溝６が設けられ、これらの軌道溝５，６を玉３が転走するようになっている。玉３は鋼製である。

内輪１と外輪２の間には、玉３と保持器４を間にして軸方向に対向する一対のシール部材７が設けられている。シール部材７の外周は、外輪２の軌道溝６の溝肩に形成されたシール溝８に固定され、シール部材７の内周は内輪１の外周に摺接しており、このシール部材７で、内輪１と外輪２の間の環状空間に封入されたグリースが玉軸受の外部に漏れるのを防止している。

保持器４は、軸方向に対向する２枚の環状体９からなる。図２に示すように、２枚の環状体９の各対向面１０には、玉３を収容する複数のポケット１１が周方向に等間隔に形成されている。

各環状体９は、合成樹脂を射出成形して形成されている。２枚の環状体９は同一形状であり、同一の金型で成形することが可能である。各環状体９を形成する合成樹脂は、ポリアミド（例えばＰＡ４６）である。ポリアミドに代えて、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）等を採用することも可能である。また、各環状体９を形成する合成樹脂には、強度を高めるために、ガラス繊維が２０〜３０重量％添加されている。ガラス繊維に代えて、カーボン繊維、アラミド繊維等の繊維を添加することも可能である。

図３に示すように、各環状体９は、ポケット１１の内面を形成する弧状のポケット壁部１２と、隣り合うポケット壁部１２同士を連結する平板状の連結板部１３とからなる。ポケット壁部１２は、環状体９の周方向に等間隔に配置されている。

各ポケット壁部１２は、軸方向に凹に湾曲した弧状に形成されている。またポケット壁部１２は、ポケット１１の最も深い位置１１ａを含む内面が環状体９の半径方向を中心とする円筒面１４となるように形成されている。このようなポケット壁部１２として、厚さが一定の部分円筒体を採用することができる。ここで、ポケット壁部１２は、ポケット１１に収容した玉３の軸方向移動を規制し、連結板部１３は、ポケット１１に収容した玉３の周方向移動を規制している。

連結板部１３は、２枚の環状体９を結合したときに面接触する合わせ面１５を有する。合わせ面１５の中央には、軸方向に突出する結合爪１６と、もう一方の環状体９の結合爪１６を受け入れるように形成された結合孔１７とが設けられている。結合爪１６は、結合孔１７の内面に形成された段部１８に係合する鈎部１９を有する。これにより、２枚の環状体９を軸方向に近づけて結合爪１６を結合孔１７に挿入したときに、鈎部１９と段部１８が係合し、その係合によって結合爪１６が結合孔１７から抜け止めされ、２枚の環状体９が結合するようになっている。

連結板部１３の周方向両端には、玉３の外周に沿った凹球面２０が形成され、その凹球面２０でポケット１１内の玉３を案内するようになっている。凹球面２０と玉３の間の周方向隙間２１は、円筒面１４と玉３の間の軸方向隙間２２よりも小さく設定されている。凹球面２０の周囲には、凹球面２０と円筒面１４の間を接続する平坦面２３（図１参照）が形成されている。

連結板部１３は、合わせ面１５の一端に軸方向に突出する突出壁部２４を有し、合わせ面１５の他端に収容凹部２５を有する。収容凹部２５は、２枚の環状体９を結合したときに他方の環状体９の突出壁部２４を受け入れる部分である。この突出壁部２４および収容凹部２５を連結板部１３に設けることによって、２枚の環状体９を結合したときの環状体９の合わせ目が、ポケット１１の軸方向中央からずれた位置にくるようになっている。これにより、軸受回転中、玉３の遅れまたは進みにより玉３が連結板部１３に接触するときに、２枚の環状体９の合わせ目の位置に接触するのを防止することができるので、玉３を安定して保持することが可能となる。

突出壁部２４と収容凹部２５は、２枚の環状体９を結合した状態で、突出壁部２４と収容凹部２５の間に周方向および軸方向の隙間２７，２８が生じる大きさとされている。具体的には、２枚の環状体９を結合した状態で、突出壁部２４の凹球面２０とは反対側の側面と収容凹部２５の内面との間に周方向の隙間２７が形成され、突出壁部２４の軸方向の先端と凹球面２０の内面との間に軸方向の隙間２８が形成されている。これにより、環状体９を射出成形した後の収縮差により突出壁部２４と収容凹部２５が干渉するのを防止することができ、２枚の環状体９の連結板部１３の合わせ面１５同士を確実に密着させることが可能となっている。

連結板部１３の軸方向の厚さＡ（結合爪１６を除いた部分の軸方向の厚さ）は、玉３の直径の１３〜３０％の範囲、好ましくは１５％〜２８％の範囲に設定されている。また、ポケット１１の最も深い位置１１ａでのポケット壁部１２の厚さＢは、玉３の直径の４〜１０％の範囲、好ましくは５〜８％の範囲に設定されている。

ところで、合成樹脂製保持器４は、金属製の保持器に比べて強度が低くなりやすい。そのため、従来、合成樹脂製保持器４を設計するにあたっては、その強度を高めるために、合成樹脂製保持器４を構成する２枚の環状体９の厚さを大きく設定することが通常であった。

これに対し、この実施形態の合成樹脂製保持器４は、従来とは逆に、２枚の環状体９の厚さを比較的小さく設定することで、以下に説明するＦＥＭ解析の結果から分かるように応力集中が生じにくくなり、結果として、軸受回転中に生じる応力による保持器４の破損を効果的に防止することが可能となっている。

図４（ａ）および図５（ａ）は、上記実施形態の合成樹脂製保持器４において、軸受回転中の玉３の遅れまたは進みにより玉３から合成樹脂製保持器４に周方向の押圧力が作用したときに生じる主応力分布をＦＥＭ解析した結果を示す。このＦＥＭ解析は、玉３の質量の１５０倍相当の押圧力が玉３から連結板部１３に周方向に作用しているとの条件で主応力の分布を解析したものである。主応力は、各部位においてせん断応力成分が０となるように座標系を取ったときの垂直応力である。この解析に用いたモデルの連結板部１３の軸方向の厚さＡは玉３の直径の約２８％に相当し、ポケット壁部１２の厚さＢは玉３の直径の約８％に相当する。図４（ａ）は保持器４を内径側から見たときの主応力分布であり、図５（ａ）は保持器４を外径側から見た主応力分布である。

一方、図４（ｂ）および図５（ｂ）は、比較例の合成樹脂製保持器において、軸受回転中の玉の遅れまたは進みにより玉から合成樹脂製保持器に周方向の押圧力が作用したときに生じる主応力分布をＦＥＭ解析した結果を示す。この解析に用いたモデルの連結板部１３の軸方向の厚さは玉の直径の約３２％に相当し、ポケット壁部１２の厚さは玉の直径の約１２％に相当する。図４（ｂ）は保持器を内径側から見たときの主応力分布であり、図５（ｂ）は保持器を外径側から見た主応力分布である。

両解析結果を比較すると、比較例の合成樹脂製保持器を示す図４（ｂ）および図５（ｂ）では、主応力が最大となる部位において、２９〜３５ＭＰａ程度の高い応力が生じている。これに対し、上記実施形態の合成樹脂製保持器４を示す図４（ａ）および図５（ａ）では、主応力が最大となる部位（ポケット壁部１２と連結板部１３が接続する屈曲した形状の部位、およびポケット壁部１２におけるポケット１１の最も深くなる部位）においても、主応力の大きさが１８〜２３ＭＰａ程度に抑えられている。そして、合成樹脂製保持器を形成する合成樹脂としてＰＡ４６にガラス繊維を２０〜３０重量％配合したものを用いた場合、この合成樹脂の疲れ限度は３２Ｍｐａ程度なので、最大の主応力が３２Ｍｐａを超える比較例に比べて、最大の主応力が３２Ｍｐａに満たない上記実施形態の方が、破損防止の信頼性が極めて高いことが分かる。なお、疲れ限度は、日本工業規格ＪＩＳＫ７１１８−１９９５「硬質プラスチック材料の疲れ試験方法通則」に規定され、１０^７回の応力負荷試験に耐えるような応力の上限値である。

つまり、環状体の厚さを比較的大きく設定した比較例の合成樹脂製保持器よりも、環状体９の厚さを比較的小さく設定した上記実施形態の合成樹脂製保持器４の方が応力集中を生じにくく、これにより、軸受回転中に生じる応力による保持器４の破損を効果的に防止することが可能となっている。

この理由は次のように考えられる。すなわち、比較例のように２枚の環状体の厚さを大きく設定すると、保持器の各部位の剛性が高くなる分、比較的変形しやすい形状をもつ部位により応力が集中しやすくなる。一方、この実施形態のように、２枚の環状体９の厚さを小さく設定すると、保持器４が柔軟に変形することで、応力が各部位に分散され、応力集中が生じにくくなったものと考えられる。

以上のように、この実施形態の合成樹脂製保持器４は、保持器４を構成する２枚の環状体９の厚さが小さいので、玉３の遅れまたは進みにより周方向の押圧力が保持器４に作用したときに、保持器４が柔軟に変形して応力を分散することで、応力集中を防止することができる。そのため、軸受回転中の玉３の遅れまたは進みによる破損が生じにくい。

また、この合成樹脂製保持器４は、ポケット１１の最も深い位置１１ａを含む内面が環状体９の半径方向を中心とする円筒面１４となるようにポケット壁部１２が形成されている。そのため、ポケット１１の最も深い位置１１ａを含む内面を凹球面とした場合と比較して、ポケット壁部１２におけるポケット１１の最も深い部位の柔軟性が高い。これにより、ポケット壁部１２と連結板部１３が接続する部位に応力集中が生じるのを効果的に防止することが可能となっている。

上記実施形態では、２枚の環状体９を結合爪１６と結合孔１７とで結合した合成樹脂製保持器４を例に挙げて説明したが、この発明は、２枚の環状体９の連結板部１３同士をリベットで結合した合成樹脂製保持器にも適用することが可能である。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ 内輪
２ 外輪
３ 玉
４ 保持器
９ 環状体
１０ 対向面
１１ ポケット
１１ａ ポケットの最も深い位置
１２ ポケット壁部
１３ 連結板部
１４ 円筒面
Ａ，Ｂ 厚さ

Claims (5)

1. 軸方向に対向する合成樹脂製の２枚の環状体（９）を有し、
   その２枚の環状体（９）の各対向面（１０）には、玉（３）を収容する複数のポケット（１１）が周方向に間隔をおいて形成され、
   前記各環状体（９）は、前記各ポケット（１１）の内面を形成する軸方向に凹に湾曲した弧状のポケット壁部（１２）と、隣り合うポケット壁部（１２）同士を連結する平板状の連結板部（１３）とからなる合成樹脂製保持器において、
   前記連結板部（１３）の軸方向の厚さ（Ａ）を、前記玉（３）の直径の３０％以下とし、
   前記ポケット（１１）の最も深い位置（１１ａ）での前記ポケット壁部（１２）の厚さ（Ｂ）を、前記玉（３）の直径の１０％以下としたことを特徴とする合成樹脂製保持器。
2. 前記連結板部（１３）の軸方向の厚さ（Ａ）を、前記玉（３）の直径の１５％〜２８％の範囲に設定し、
   前記ポケット（１１）の最も深い位置（１１ａ）での前記ポケット壁部（１２）の厚さ（Ｂ）を、前記玉（３）の直径の５〜８％の範囲に設定した請求項１に記載の合成樹脂製保持器。
3. 前記ポケット壁部（１２）は、前記ポケット（１１）の最も深い位置（１１ａ）を含む内面が前記環状体（９）の半径方向を中心とする円筒面（１４）となるように形成されている請求項１または２に記載の合成樹脂製保持器。
4. 軸受回転中の玉（３）の遅れまたは進みにより玉（３）の質量の１５０倍相当の押圧力が前記玉（３）から前記連結板部（１３）に作用したときに主応力が最大となる部位での主応力の大きさが３２Ｍｐａ以下である請求項１から３のいずれかに記載の合成樹脂製保持器。
5. 内輪（１）と、外輪（２）と、内輪（１）と外輪（２）の間に周方向に間隔をおいて組み込まれた複数の玉（３）と、その玉（３）を保持する請求項１から４のいずれかに記載の合成樹脂製保持器（４）とを有する玉軸受。