JP2016200243A - 玉軸受 - Google Patents

Abstract

【課題】玉軸受において、音響性能の低下を抑制する。
【解決手段】玉軸受は、外周に内軌道面が形成されている内輪と、内周に外軌道面３１が形成されている外輪３と、内軌道面と外軌道面３１との間に介在している複数の玉と、複数の玉を周方向に間隔をあけて保持する保持器とを備えている。内軌道面及び外軌道面３１の内の少なくとも一方の軌道面に、周方向に連続した凹溝４１と周方向に連続した凸条４２とが交互に並んで設けられている。凹溝４１の幅は凹溝４１の深さよりも大きい。
【選択図】 図１

Description

本発明は、玉軸受に関する。

回転する軸を支持するために転がり軸受が用いられており、特に回転性能が良好である軸受、つまり高速回転の条件でも好適に用いることのできる軸受として玉軸受が知られている。玉軸受は、内輪と、外輪と、これら内輪と外輪との間に介在している複数の玉と、これら複数の玉を周方向に間隔をあけて保持する保持器とを備えている。

玉軸受では、回転性能の他に音響性能が要求される場合がある。例えば、特許文献１に示すように、内輪及び外輪の軌道面を粗面にして軌道面におけるオイルやグリース等の潤滑剤の保持力を高めることで、音響性能も高めようとする玉軸受がある。

特開２００３−１１３８４３号公報

特許文献１に記載の玉軸受では、軌道面での潤滑剤の保持力を高めるために、軌道面に溝状の凹部が形成されている。この凹部の深さは０．０３〜０．０８μｍであり、その幅も特許文献１の図４によれば同程度、又は深さよりも小さく設定されている。つまり、特許文献１に記載の玉軸受は、玉が転動する軌道面を微小な凹部によって「粗面」にした程度のものである。

このような特許文献１に記載の玉軸受によれば、軌道面を平滑にした場合と比べて潤滑剤の保持力を高めることは可能であるが、その保持力には限界がある。特に玉軸受が高速回転の条件で用いられる場合、回転に伴う軸受各部の発熱により潤滑剤の粘度が低下し、玉と軌道面との間における油膜形成性が低下する。この結果、玉と軌道面との間が金属接触し、音響性能の低下につながる可能性がある。

そこで、本発明は、音響性能の低下を抑制することが可能となる玉軸受を提供することを目的とする。

従来、軌道面に凹部を形成し、その凹部を大きくすれば潤滑剤の保持力を高め、油膜形成性を向上させることが可能となるが、この場合、玉が軌道面を転動した際の騒音が問題になると考えられていた。つまり、軌道面に形成する凹部を大きくして油膜形成性を高めることと、軌道面を平滑にすることによって玉が転動した際の音響性能を向上させることとは、背反する関係にあるというのが従来の知見であった。

しかし、本発明の発明者は、このような従来の知見にとらわれないで、新たな技術的手段を見出した。すなわち、本発明の玉軸受は、外周に内軌道面が形成されている内輪と、前記内輪の径方向外側に設けられていると共に内周に外軌道面が形成されている外輪と、前記内軌道面と前記外軌道面との間に介在している複数の玉と、前記複数の玉を周方向に間隔をあけて保持する保持器と、を備え、前記内軌道面及び前記外軌道面の内の少なくとも一方の軌道面に、周方向に連続した凹溝と周方向に連続した凸条とが交互に並んで設けられており、前記凹溝の幅は当該凹溝の深さよりも大きい。

本発明によれば、軌道面に幅広の凹溝が形成されることで、潤滑剤（オイル、グリース）の保持力を向上させることでき、玉と軌道面との間の油膜形成性が低下するおそれのある高速回転の条件で用いられる場合であっても、音響性能の低下を抑制することが可能となる。

また、前記凹溝の深さは、０．３μｍ以上、１μｍ以下であるのが好ましい。この場合、凹溝は深く、潤滑剤の保持力を高くすることができる。このため、高速回転の条件で用いられ潤滑剤の粘度が低下しても油膜形成性の低下を抑制する機能を、高めることが可能となる。

また、前記少なくとも一方の軌道面に前記玉が接触することで形成される接触楕円を通過する前記凸条が、２本以上であるのが好ましい。
軌道面と玉との間に形成される接触楕円を通過する凸条が１本である場合、玉がこの１本の凸条に沿って転動すると不安定となり音響性能に影響を与えるおそれがあるが、接触楕円を通過する凸条が２本以上であれば、玉はこれら凸条に沿って安定して転動し、音響性能低下の抑制に貢献することができる。

また、この玉軸受において、前記接触楕円を通過する前記凸条が、１０本以下であるのが好ましい。
この場合、玉を複数の凸条に沿って回転させることで音響性能の低下を抑制しつつ、軌道面と玉との間の接触楕円を通過する凸条の数を制限することで、凹溝の領域を確保することができ、潤滑剤の保持力を維持することが可能となる。

本発明の玉軸受によれば、軌道面における潤滑剤の保持力を向上させ、玉と軌道面との間の油膜形成性が低下するおそれのある高速回転の条件で用いられる場合であっても、音響性能の低下を抑制することが可能となる。

玉軸受の実施の一形態を示す縦断面図である。 外輪の内周面を説明する説明図である。 （Ａ）は、外軌道面の一部を拡大して示す断面図であり、（Ｂ）は、外軌道面を径方向内側から見た場合の説明図である。 玉軸受（実施品）の音響性能に関する試験結果を示す説明図である。 従来の玉軸受の音響性能に関する試験結果を示す説明図である。 音響性能に関する試験を行う玉軸受の説明図である。 （Ａ）は他の形態における外軌道面の一部を拡大して示す断面図であり、（Ｂ）はその外軌道面を径方向内側から見た場合の説明図である。 （Ａ）は更に別の形態における外軌道面の一部を拡大して示す断面図であり、（Ｂ）はその外軌道面を径方向内側から見た場合の説明図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は、玉軸受１の実施の一形態を示す縦断面図である。この玉軸受１は、内輪２と、この内輪２の径方向外側に設けられている外輪３と、これら内輪２と外輪３との間に設けられている複数の玉４と、これらの玉４を保持している環状の保持器５とを備えている。また、この玉軸受１の軸方向一方側及び他方側それぞれに、シール６が設けられている。本実施形態では、玉軸受１の中心線Ｃに平行な方向を軸方向と呼び、この中心線Ｃ回りの方向を周方向と呼ぶ。

内輪２は、軸受鋼や機械構造用鋼等を用いて形成された環状の部材であり、その外周に、玉４が転動する内軌道面２１が形成されている。内軌道面２１は、玉４の半径よりも僅かに大きな半径を有する断面円弧形状の凹周溝からなる。
外輪３は、軸受鋼や機械構造用鋼等を用いて形成された環状の部材であり、その内周に、玉４が転動する外軌道面３１が形成されている。外軌道面３１は、玉４の半径よりも僅かに大きな半径を有する断面円弧形状の凹周溝からなる。

玉４は、軸受鋼等を用いて形成された部材であり、内軌道面２１と外軌道面３１との間に複数介在し、これら内軌道面２１及び外軌道面３１を転動する。

保持器５は、玉４の軸方向一方側に位置する環状部１１と、この環状部１１から軸方向他方側に延在している複数の柱部１２とを有しており、いわゆる冠形の保持器である。環状部１１の軸方向他方側であって周方向で隣り合う柱部１２，１２の間が、玉４を収容するポケット１４となる。これにより、保持器５は、複数の玉４を周方向に間隔をあけて保持することができる。保持器５は、樹脂製（合成樹脂製）であり、射出成形によって成形することができる。

シール６は、円環状の部材であり、径方向外側部６ａが外輪３に取り付けられており、径方向内側部６ｂが内輪２に摺接可能となっている。シール６は、玉４が設けられている軸受内部のオイルやグリース（潤滑剤）が外部へ漏れるのを防いでいる。なお、シール６の構成は、これ以外であってもよく、また、シール６は省略されていてもよい。

図２は、外輪３の内周面を説明する説明図である。外輪３の外軌道面３１に、周方向に連続した凹溝４１と、周方向に連続した凸条４２とが、周方向に直交する方向に交互に並んで設けられている。なお、前記のとおり外軌道面３１は、断面円弧形状の凹周溝からなるため、凹溝４１と凸条４２とが並ぶ方向は、外軌道面３１を形成する円弧に沿う方向となる。凹溝４１は、玉軸受１の潤滑に用いられるオイルやグリースを外軌道面３１に保持する機能を有している。また、凸条４２は、玉４が外軌道面３１を転がる際のレールとして機能することができる。凹溝４１の断面形状はすべて同じであり、凸条４２の断面形状も同じである。図２では、説明をわかり易くするために凹溝４１及び凸条４２を実際よりも大きく記載している。

各凹溝４１は、例えば外輪３を回転させながら外軌道面３１に対してレーザを照射することで形成できるが、量産のためには、外軌道面３１に対して研磨等の仕上げ機械加工を行う際に同時に砥石によって凹溝４１を形成するのが好ましい。このようにして凹溝４１を、間隔をあけて形成することで隣り合う凹溝４１，４１間が凸条４２となる。

〔第１の形態〕
図３（Ａ）は、外軌道面３１の一部を拡大して示す断面図である。図３に示すように、外軌道面３１には、凹溝４１と凸条４２とが交互に並んで設けられている。
本形態では、凹溝４１の深さＨが１μｍである。なお、この深さＨは、隣の凸条４２の頂面４２ａからの寸法である。そして、凹溝４１の幅Ｂは５０μｍである。なお、この幅Ｂは凹溝４１の開口縁における幅寸法、つまり、凹溝４１を挟む両側の凸条４２，４２それぞれとの境界間の寸法である。このように凹溝４１の幅Ｂは深さＨよりも大きい（Ｂ＞Ｈ）。なお、図３（Ａ）では説明のために幅方向と深さ方向とで尺度が異なっている。そして、凹溝４１のピッチＰは１００μｍである。

図３（Ｂ）は、この外軌道面３１を径方向内側から見た場合の説明図である。なお、図３（Ｂ）では、円弧形状である外軌道面３１を平面に展開した状態として示している。図３（Ｂ）に示す楕円（Ｅ）は、外軌道面３１に玉４が接触することで形成される接触楕円Ｅを示している。この形態では、前記接触楕円Ｅを、６本の凸条４２が通過している。

ここで、玉４と外軌道面３１との接触楕円Ｅの形状は、玉４及び外輪３の特性に基づいてヘルツの計算により求めることができる。接触楕円Ｅが求められると、この接触楕円Ｅを、２本以上であり１０本以下の凸条４２が通過するように、凹溝４１の幅Ｂ及びピッチＰを設定することができる。そして、凹溝４１の幅Ｂが深さＨよりも大きい値となるように、深さＨを設定することができる。

図４は、図３に示す凹溝４１及び凸条４２が外軌道面３１に形成されている外輪３を備えた玉軸受１（以下、実施品という。）の音響性能に関する試験結果を示している。この試験では、図６（Ｂ）に示すように、玉軸受１を回転させた際に発生する振動を加速度ピックアップ５０により測定し、その振動値を音響性能として評価している。図４（Ａ）は加速度ピックアップ５０の出力信号から得られた振動値の時間変化（波形）を示しており、図４（Ｂ）はこの波形をＦＦＴ演算した結果である。

図５は、外軌道面に凹溝及び凸条が設けられていない外輪を備えた従来の（一般的な）玉軸受（以下、従来品という。）における試験結果を示している。なお、従来品と実施品とは型番（♯６２０２）が同じであり、凹溝４１及び凸条４２の有無のみが異なる。

試験条件として、図６（Ａ）に示すように、内輪２をスピンドル５１により回転させ、予圧負荷機構５２が外輪３から予圧を与えた状態とする。内輪２の回転速度は分速１８００回転であり、前記予圧として３０Ｎを作用させている。周囲温度は室温（常温）であり、玉軸受に潤滑剤としてＶＧ３２オイルを用いている。

図４（Ａ）と図５（Ａ）とを比較すると、実施品の振動値は従来品の振動値と同等であり、また、図４（Ｂ）と図５（Ｂ）とを比較すると、実施品のオーバーオール値は従来品のオーバーオール値と同等である。つまり、外軌道面３１に凹溝４１及び凸条４２が形成されていても音響性能に悪影響を与えていない。

以上のように、本実施形態の玉軸受１によれば、外軌道面３１に幅広の凹溝４１が形成されていることで、外軌道面３１におけるオイルの保持力を向上させることできる。したがって、油膜形成性が低下するおそれのある高速回転の条件で用いられる場合であっても、玉４と外軌道面３１との間、更には玉４と内軌道面２１との間において、油膜が確保されて金属接触となるのを抑制することができる。この結果、音響性能の低下が抑制され、従来品の音響性能と同等となる。

凹溝４１の深さＨは変更可能であり、この深さＨは、０．３μｍ以上、１μｍ以下とすることができる。この範囲に深さＨが設定されることで、凹溝４１は深くなり、高いオイル保持力を備えることができる。
外軌道面３１の凸条４２の頂面４２ａにおける表面粗さ（最大高さ）を０．０３μｍとした場合、凹溝４１の深さＨを、その１０倍以上としている。また、凹溝４１の深さＨが１μｍを超える値にすると、例えば砥石を用いた仕上げ機械加工による凹溝４１の形成が困難となる。

〔第２の形態〕
図７（Ａ）は、他の形態における外軌道面３１の一部を拡大して示す断面図である。図７（Ｂ）は、その外軌道面３１を径方向内側から見た場合の説明図である。図７（Ｂ）では、円弧形状である外軌道面３１を平面に展開した状態として示している。凹溝４１の深さＨ及び幅Ｂは、図３の形態と同じであり、それぞれ１μｍ及び５０μｍである。凹溝４１の幅Ｂは深さＨよりも大きい（Ｂ＞Ｈ）。凹溝４１のピッチＰは、図３に示す形態と比べると大きく、凹溝４１及び凸条４２の数は図３に示す形態よりも少ない。図７（Ｂ）に示すように２本の凸条４２が接触楕円Ｅを通過している。

ここで、外軌道面３１と玉４との間に形成される接触楕円Ｅを通過する凸条４２が、１本である場合、玉４がこの１本の凸条４２に沿って転動すると不安定となり音響性能に影響を与えるおそれがある。しかし、図７（ｂ）に示す形態では、接触楕円Ｅを通過する凸条４２が２本であるため、玉４はこれら凸条４２に沿って（載って）安定して転動することができる。これにより、玉軸受１における音響性能の低下の抑制に貢献することができる。なお、接触楕円Ｅを通過する凸条４２は、２本以上であればよく、これにより玉４はこれら凸条４２に沿って安定して転動することができると考えられる。

〔第３の形態〕
図８（Ａ）は、更に別の形態における外軌道面３１の一部を拡大して示す断面図である。図８（Ｂ）は、その外軌道面３１を径方向内側から見た場合の説明図である。図８（Ｂ）では、円弧形状である外軌道面３１を平面に展開した状態として示している。凹溝４１の深さＨは、図３の形態と同じであり、１μｍである。凹溝４１の幅Ｂは、図３の形態よりも小さく、３０μｍであるが、幅Ｂは深さＨよりも大きい（Ｂ＞Ｈ）。
そして、凹溝４１のピッチＰは、図３の形態よりも小さく、５０μｍである。つまり、図８に示す形態は、図３に示す形態と比べると、凹溝４１及び凸条４２の数が多くなっており、図８（Ｂ）に示すように１０本の凸条４２が接触楕円Ｅを通過している。

接触楕円Ｅを通過する凸条４２は１０本以下であるのが好ましく、凸条４２の数を１０本以下に制限している。つまり、１本ではなく複数本の凸条４２に沿って玉４を回転させることで音響性能の低下を抑制しつつ、接触楕円Ｅを通過する凸条４２の数を制限することで、接触楕円Ｅに含まれる凹溝４１の領域を確保することができ、オイルの保持力を維持させている。

〔各形態の玉軸受１について〕
以上より、前記各形態の玉軸受１によれば、外軌道面３１におけるオイルの保持力を向上させ、玉４と外軌道面３１との間の油膜形成性が低下するおそれのある高速回転の条件で用いられる場合であっても、音響性能の低下を抑制することが可能となる。高速回転の条件で用いられる機器として例えばモータがあり、前記各形態の玉軸受１は、モータの回転軸を支持する軸受として好適である。

なお、本発明では、内輪２の内軌道面２１及び外輪３の外軌道面３１の内の少なくとも一方の軌道面に、周方向に連続した凹溝４１と、周方向に連続した凸条４２とが、周方向に直交する方向に交互に並んで設けられていればよい。つまり、前記各形態では、凹溝４１及び凸条４２が外軌道面３１のみに形成されているが、内軌道面２１のみに形成されていてもよく、又は、外軌道面３１及び内軌道面２１の双方に形成されていてもよい。

以上のとおり開示した実施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。つまり、本発明の玉軸受は、図示する形態に限らず本発明の範囲内において他の形態のものであってもよい。
例えば、凹溝４１の断面形状は図示する形態以外であってもよく、例えばＵ字形とすることができる。また、外軌道面３１の全幅にわたって凹溝４１及び凸条４２を形成してもよいが、全幅ではなくて玉４と接触する可能性のある範囲、つまり負荷圏に凹溝４１及び凸条４２が形成されていればよい。
また、前記各形態では、凹溝４１の断面形状はすべて同じであり、凸条４２の断面形状も同じであるが、凹溝４１及び凸条４２それぞれに関して、断面形状は異なっていてもよい。

１：玉軸受 ２：内輪 ３：外輪 ４：玉
５：保持器 ２１：内軌道面 ３１：外軌道面
４１：凹溝 ４２：凸条 Ｂ：幅 Ｈ：深さ

Claims (4)

1. 外周に内軌道面が形成されている内輪と、前記内輪の径方向外側に設けられていると共に内周に外軌道面が形成されている外輪と、前記内軌道面と前記外軌道面との間に介在している複数の玉と、前記複数の玉を周方向に間隔をあけて保持する保持器と、を備え、
   前記内軌道面及び前記外軌道面の内の少なくとも一方の軌道面に、周方向に連続した凹溝と周方向に連続した凸条とが交互に並んで設けられており、
   前記凹溝の幅は当該凹溝の深さよりも大きい、玉軸受。
2. 前記凹溝の深さは、０．３μｍ以上、１μｍ以下である、請求項１に記載の玉軸受。
3. 前記少なくとも一方の軌道面に前記玉が接触することで形成される接触楕円を通過する前記凸条が、２本以上である請求項１又は２に記載の玉軸受。
4. 前記接触楕円を通過する前記凸条が、１０本以下である請求項３に記載の玉軸受。