JP2019007507A - 深溝玉軸受用冠型樹脂保持器 - Google Patents

Abstract

【課題】高速回転軸受に好適な深溝玉軸受用冠型樹脂保持器を提供する。【解決手段】円環状基部２と基部２の軸方向一側面から軸方向へ突出する複数の片持ち状弾性片３，３，…とを備え、周方向に隣り合う弾性片３，３間の球面状のポケットＰに転動体であるボールを保持する深溝玉軸受用冠型樹脂保持器１であって、基部２及び弾性片３，３，…の弾性片３，３，…が突出する側の軸方向側面の内径側部分全周の全部又は一部を、前記軸方向側面の外径側部分よりも段落ちさせた内側段落ち部４とし、内側段落ち部４は、ポケットＰの曲率中心と同じ曲率中心、又はポケットＰの曲率中心から軸方向若しくは径方向に離間した曲率中心で、ポケットＰの曲率半径よりも曲率半径が大きくなるように外方へオフセットした内側ポケット面４Ａを有する。【選択図】図４

Description

本発明は、深溝玉軸受の転動体であるボールが互いに接触しないように前記ボールを等間隔に分離した状態に保持する、合成樹脂製の深溝玉軸受用冠型保持器に関する。

深溝玉軸受の転動体であるボールが互いに接触しないように前記ボールを等間隔に分離した状態に保持する片円環型樹脂保持器として、深溝玉軸受用冠型樹脂保持器がある（例えば、特許文献１ないし３参照）。
深溝玉軸受用冠型樹脂保持器は、潤滑剤の供給が良好で軽量かつ低騒音であるため広く使用されており、円環状の基部と、前記基部の軸方向の一側面から軸方向へ突出する複数の片持ち状弾性片（爪部）とを備え、射出成形により一体成形される。

深溝玉軸受用冠型樹脂保持器を用いた軸受には、自動車の補機類、電気自動車やハイブリッド自動車のモーターなどに使用される軸受において、例えばｄｎ値を１５万ないし１００万程度に、より高速性能を高める要望がある。
軸受を高速回転させると、特定の回転速度から急激に軸受が発熱して温度上昇が大きくなる現象が知られている。軸受のこのような温度上昇を抑制することにより、軸受を含む装置の高精度化、及び冷却のための消費電力低減による省エネルギー化を図ることができる。
深溝玉軸受用冠型樹脂保持器を用いた軸受の高速回転時に急激に温度が上昇する現象の原因の一つとして、深溝玉軸受用冠型樹脂保持器の弾性片（爪部）が遠心力により変形して転動体であるボールと接触することが考えられる。

遠心力は回転速度の自乗に比例するので、高速回転になると遠心力が非常に大きくなる。
よって、高速回転軸受用の保持器では、特に遠心力による深溝玉軸受用冠型樹脂保持器の変形を抑制する必要がある。
深溝玉軸受用冠型樹脂保持器の遠心力による変形を抑制する対策案として、例えば以下の特許文献１ないし３の先行技術がある。
すなわち、特許文献１の深溝玉軸受用冠型樹脂保持器では、保持器（２４）の外径側の肉厚（径方向厚さＴ）を増加させて保持器（２４）の剛性を向上させることにより、保持器（２４）の遠心力による変形を抑制している。
また、特許文献２の深溝玉軸受用冠型樹脂保持器では、保持器（２５）の直径方向の肉厚を爪部（３８）の先端側に行くほど小さくするように内径側に傾斜面（５０）を形成して質量減少用切欠部（５２）を設けて軽量化することにより、保持器（２５）の遠心力による変形を抑制している。
さらに、特許文献３の深溝玉軸受用冠型樹脂保持器では、保持器（７ａ）の直径方向の肉厚を弾性片（１０ａ）の先端側に行くほど小さくするように外径側に傾斜面（１２）を形成して軽量化することにより、保持器（７ａ）の遠心力による変形を抑制している（図１）。

特開２００８−０２５６２７号公報 特開２０１２−１６３１７２号公報 特開２０００−１６１３６５号公報

以上の先行技術において、特許文献１のような保持器外径側の肉厚増加による剛性向上では、高速回転域において内径側で保持器と転動体のクリアランスが狭まって接触又は拘束が発生する。
また、特許文献２のような保持器内径側の除肉による軽量化では、内径側で転動体の抱えを失い、主に保持器外径側で転動体を抱えることになることから、遠心力による変形が発生すると保持器外径側と転動体のクリアランスが増大し、保持器のバタツキが大きくなる。
さらに、特許文献３のような保持器外径側の除肉による軽量化では、軸受の外輪内径とのクリアランス拡大は達成できるものの、遠心力による変形が発生した際に内径側で保持器と転動体のクリアランスが狭まって接触又は拘束が発生する。

そこで本発明が前述の状況に鑑み、解決しようとするところは、高速回転域における上記先行技術の不具合を解消して高速性能を高める要望に対応できる深溝玉軸受用冠型樹脂保持器を提供する点にある。

本発明に係る深溝玉軸受用冠型樹脂保持器は、前記課題解決のために、円環状基部と前記基部の軸方向一側面から軸方向へ突出する複数の片持ち状弾性片とを備え、
周方向に隣り合う前記弾性片間の球面状のポケットに転動体であるボールを保持する深溝玉軸受用冠型樹脂保持器であって、
前記基部及び前記弾性片の前記弾性片が突出する側の軸方向側面の内径側部分全周の全部又は一部を、前記軸方向側面の外径側部分よりも段落ちさせた内側段落ち部とし、
前記内側段落ち部は、
前記ポケットの曲率中心と同じ曲率中心、又は前記ポケットの曲率中心から軸方向若しくは径方向に離間した曲率中心で、前記ポケットの曲率半径よりも曲率半径が大きくなるように外方へオフセットした内側ポケット面を有することを特徴とする。

このような構成によれば、円環状基部及び片持ち状弾性片の前記弾性片が突出する側の軸方向側面の内径側部分全周の全部又は一部を、前記軸方向側面の外径側部分よりも段落ちさせた内側段落ち部とし、前記内側段落ち部の内側ポケット面がポケットよりも外方へオフセットしていることから、高速回転域において内径側で保持器と転動体のクリアランスが狭まって接触又は拘束が発生することがなく、ポケットよりも外方へオフセットしている内側ポケット面が高速回転域で転動体を抱えるので、高速回転域における保持器のバタツキを抑制できる。
その上、円環状基部及び片持ち状弾性片の前記弾性片が突出する側の軸方向側面の内径側部分全周の全部又は一部を、前記軸方向側面の外径側部分よりも段落ちさせた内側段落ち部としていることから、保持器の片持ち状弾性片の先端側部分を軽量化できるので、前記弾性片の遠心力による変形を抑制できる。
その上さらに、潤滑剤が減少しやすい内径側で、外方へオフセットした内側ポケット面が潤滑剤溜りとして機能するので、潤滑性を向上できる。

ここで、前記内側ポケット面のオフセット量は、前記ボールの直径の３％以上１０％以下であるのが好ましい実施態様である。

このような構成によれば、内側段落ち部の内側ポケット面のオフセット量が転動体であるボールの直径の３％以上１０％以下であるので、ｄｎ値１５万ないし１００万程度の高速回転域において保持器が遠心力により変形した際に、保持器と転動体とのクリアランスを僅少にできるので、高速回転域で前記内側ポケット面により転動体を安定かつ確実に保持できる。

また、前記弾性片の内径側に位置する前記内側段落ち部の段落ち面が、前記ポケットの曲率中心を含む径方向平面よりも前記弾性片の先端側に位置し、
周方向に隣り合う前記ポケット間における前記基部の前記弾性片が突出する側の軸方向側面の外径側部分が、前記ポケットの曲率中心を含む径方向平面よりも、前記基部の前記弾性片が突出する側と反対側の軸方向側面側に位置するのも好ましい実施態様である。

このような構成によれば、弾性片の内径側に位置する内側段落ち部の段落ち面が、前記ポケットの曲率中心を含む径方向平面よりも前記弾性片の先端側に位置するので、その剛性により弾性片の遠心力による変形を抑制する効果が大きくなる。そして、前記内側段落ち部の前記段落ち面の位置の範囲内で、前記段落ち面をなるべく弾性片の基端側に近づけることにより、保持器の爪先をより軽量化できる。
その上、周方向に隣り合うポケット間における基部の弾性片が突出する側の軸方向側面が、前記ポケットの曲率中心を含む径方向平面よりも、前記基部の前記弾性片が突出する側と反対側の軸方向側面側に位置するので、保持器の円環状基部を軽量化できる。

以上のように、本発明に係る深溝玉軸受用冠型樹脂保持器によれば、主に以下の（１）ないし（４）の作用効果を奏するので、遠心力による変形を抑制するための従来構造の不具合を解消して高速性能を高める要望に対応できる。
（１）円環状基部及び片持ち状弾性片の前記弾性片が突出する側の軸方向側面の内径側部分全周の全部又は一部を、前記軸方向側面の外径側部分よりも段落ちさせた内側段落ち部とし、前記内側段落ち部の内側ポケット面がポケットよりも外方へオフセットしているので、高速回転域において内径側で保持器と転動体のクリアランスが狭まって接触又は拘束が発生することがない。
（２）ポケットよりも外方へオフセットしている内側ポケット面が高速回転域で転動体を抱えるので、高速回転域における保持器のバタツキを抑制できる。
（３）円環状基部及び片持ち状弾性片の前記弾性片が突出する側の軸方向側面の内径側部分全周の全部又は一部を、前記軸方向側面の外径側部分よりも段落ちさせた内側段落ち部としていることから、保持器の片持ち状弾性片の先端側部分を軽量化できるので、前記弾性片の遠心力による変形を抑制できる。
（４）潤滑剤が減少しやすい内径側で、外方へオフセットした内側ポケット面が潤滑剤溜りとして機能するので、潤滑性を向上できる。

本発明の実施の形態に係る深溝玉軸受用冠型樹脂保持器が装着された軸受の要部拡大縦断面正面図である。 同じく転動体を省略した縦断面斜視図である。 本発明の実施の形態に係る深溝玉軸受用冠型樹脂保持器の斜視図である。 同じくポケットまわりを示す要部拡大縦断面斜視図である。 同じくポケット内で切断した要部拡大縦断面斜視図である。 同じく要部拡大横断面平面図である。 同じく内方から見た要部拡大斜視図である。 内側ポケット面に底部平面を設けた変形例を示す要部拡大縦断面斜視図である。 ポケット間の内径側の段落ち面を基部の外径側の軸方向側面と面一にした変形例を示す要部拡大縦断面斜視図である。 ポケット間の内径側の段落ち面を無くした変形例を示す要部拡大縦断面斜視図である。 図８の形状の保持器の遠心力による径方向変位のコンター図である。 低速回転域の状態を転動体とともに模式的に示す要部拡大横断面平面図である。 中速回転域の状態を転動体とともに模式的に示す要部拡大横断面平面図である。 高速回転域の状態を転動体とともに模式的に示す要部拡大横断面平面図である。

次に本発明の実施の形態を添付図面に基づき詳細に説明するが、本発明は、添付図面に示された形態に限定されず特許請求の範囲に記載の要件を満たす実施形態の全てを含むものである。
なお、以下において、上下方向を軸方向とした軸受に本発明の実施の形態に係る深溝玉軸受用冠型樹脂保持器の円環状基部を下側にして装着した状態を基準にして上下方向を定義し、この基準状態で径方向外側から見た図を正面図とする。
また、軸受の回転軸の方向を「軸方向」、軸方向に直交する方向を「径方向」という。

＜深溝玉軸受＞
図１の要部拡大縦断面正面図、及び図２の転動体を省略した縦断面斜視図に示す深溝玉軸受Ａは、本発明の実施の形態に係る深溝玉軸受用冠型樹脂保持器１が装着されたものである。深溝玉軸受Ａは、外周側に軌道面を有する内輪Ｃ、内周側に軌道面を有する外輪Ｄ、内輪Ｃ及び外輪Ｄの間を転動する転動体であるボールＢ，Ｂ，…、ボールＢ，Ｂ，…が互いに接触しないように等間隔に分離した状態を保持する冠型樹脂保持器１等を主要構成部品としている。内輪Ｃと外輪Ｄとの間には潤滑剤が封入され、内輪Ｃと外輪Ｄとの間の環状開口を塞ぐ、略円環状のシールＥ，Ｅが装着される。

＜冠型樹脂保持器＞
図３の斜視図、並びに図４及び図５の要部拡大縦断面斜視図に示すように、本発明の実施の形態に係る深溝玉軸受用冠型樹脂保持器１は、円環状基部２と、基部２の上面（軸方向の一側面）から上方へ突出する複数の片持ち状弾性片３，３，…とを備え、周方向に隣り合う弾性片３，３，…間のポケットＰ，Ｐ，…に転動体であるボールＢ，Ｂ，…を保持する。
対向する弾性片３，３及び当該弾性片３，３間の基部２の上面により球面状のポケットＰが形成される。

冠型樹脂保持器１は、射出成形により一体成形され、その成形材料は、例えば、脂肪族ナイロン（ＰＡ６６、ＰＡ４６等）、芳香族ナイロン（ＰＡ６Ｔ、ＰＡ９Ｔ等）、ＰＰＳ、ＰＥＥＫ等の熱可塑性樹脂材料であり、要求仕様に応じてガラス繊維や炭素繊維等の繊維強化材を添加してもよい。

図４及び図５に示すように、冠型樹脂保持器１は、基部２及び弾性片３，３，…の上面（弾性片３，３，…が突出する側の軸方向側面、ポケットＰ，Ｐ，…側の軸方向側面）の内径側部分を、前記上面の外径側部分よりも段落ちさせた内側段落ち部４としている。
すなわち内側段落ち部４は、ポケットＰの内径側の段落ち面４Ａ、弾性片３の内径側の段落ち面４Ｂ、及び隣り合うポケットＰ，Ｐ間の内径側の段落ち面４Ｃを有する。
ここで、段落ち面４Ｃ下方の最も薄い部分の軸方向の肉厚は、図５に示すポケット底肉厚Ｔ以上にする。
段落ち面４Ｃを設けることにより、軽量化しながら剛性を維持できるとともに、潤滑剤溜りとしても機能する。

図４及び図５の要部拡大縦断面斜視図に示す内側段落ち部４の段落ち面４Ａは、図７の内方から見た要部拡大斜視図に示すポケットＰの曲率中心Ｏを含む水平面（径方向平面）よりも上側の部分である先端面Ｆは円筒面であり、先端面Ｆ以外は球面状である。段落ち面４Ａの先端面Ｆ以外の球面状の部分は、図６の要部拡大横断面平面図に示すようにポケットＰと同じ曲率中心ＯでポケットＰの曲率半径Ｒ１よりも曲率半径Ｒ２が大きくなるように外方へオフセットしている内側ポケット面である。
そして、この内側ポケット面４Ａのオフセット量（Ｒ２−Ｒ１）は、ボールＢの直径の３％以上１０％以下に設定する。

また、円環状基部２の内周面２Ａは、ボールＢ，Ｂ，…のピッチ円直径よりも内径側に位置するように設定する。例えば、円環状基部２の内周面２Ａの位置は、ピッチ円直径の９５％ないしピッチ円直径未満とする。
なお、本実施形態では、円環状基部２の下面に溝を設けていないが、特許文献１の図２の符号３１のような肉ぬすみ用の溝を設けてもよい。それにより、保持器成形時の冷却速度を均一化しボイドやヒケを抑えることができる。

図７の内方から見た要部拡大斜視図に示すように、弾性片３の内径側に位置する内側段落ち部４の段落ち面４Ｂは、ポケットＰの曲率中心Ｏを含む水平面（径方向平面）よりも上側（弾性片３の先端側）に位置する（ポケットＰの曲率中心Ｏを含む径方向平面と弾性片３の内径側の段落ち面４Ｂとの距離Ｈ１参照）。それにより内側段落ち部４の弾性片３の内径側部分の剛性により弾性片３の遠心力による変形を抑制する効果が大きくなる。そして、曲率中心Ｏよりも高位置である内側段落ち部４の段落ち面４Ｂの高さ位置の範囲内で、段落ち面４Ｂをなるべく低くする（弾性片３の基端側に近づける）ことにより、保持器１の爪先を軽量化できる。

図３の斜視図及び図７の内方から見た要部拡大斜視図に示すように、周方向に隣り合うポケットＰ，Ｐ間における基部２の上面の外径側部分（軸方向側面）２Ｂは、ポケットＰの曲率中心Ｏを含む径方向平面よりも下側（基部２の弾性片３，３，…が突出する側と反対側の軸方向側面側）に位置する（ポケットＰの曲率中心Ｏを含む径方向平面と隣り合うポケットＰ，Ｐ間における基部２の外径側の軸方向側面２Ｂとの距離Ｈ２参照）。それにより、保持器１の円環状基部２を軽量化できる。
ここで、ポケットＰの曲率中心ＯよりボールＢの半径の１／２下げた位置までが距離Ｈ２の最大値である。その理由は、ボールＢ，Ｂ，…の進み遅れが発生した場合、片持ち状弾性片３の剛性が不足すると、遅いボールＢと速いボールＢに挟まれた片持ち状弾性片３が周方向に変形しようとした結果、ポケットＰの入口径がボールＢの直径よりも大きくなって保持器１が脱落する懸念があるからである。

＜変形例＞
図４及び図５に示す内側ポケット面４Ａのオフセット量によっては、内側ポケット面４Ａ底部の肉厚がポケット底肉厚Ｔよりも小さくなり過ぎるので、図８の要部拡大縦断面斜視図に示すように、内側ポケット面４Ａの底部に、ポケットＰの底に合わせた径方向平面部Ｇを設けてもよい。それにより、内側ポケット面４Ａの底部下方の円環状基部２の肉厚が大きくなるので、保持器１の剛性及び強度が高くなる。

図４で説明した隣り合うポケットＰ，Ｐ間の内径側の段落ち面４Ｃは、剛性確保に重点を置く場合には、図９の要部拡大縦断面斜視図に示すように基部２の外径側の軸方向側面２Ｂと面一にしてもよい。
また、軽量化に重点を置き他の部位で剛性が確保できる場合には、図１０の要部拡大縦断面斜視図に示すように段落ち面４Ｃを無くした形状にしてもよい。
以上のとおり、保持器１に設ける内側段落ち部４は、円環状基部２及び片持ち状弾性片３，３，…の弾性片３，３，…が突出する側の軸方向側面の内径側部分全周の全部又は一部に設ける。

＜内側段落ち部による弾性片の変形抑制＞
特許文献１の図２の形状の保持器、及び本実施形態の図８の形状の保持器について、遠心力による変形の大きさを比較するために、コンピュータによる数値解析を行った。
ポリアミド６６（ＰＡ６６）に２５重量％のガラス繊維を添加した材料のデータを用い、雰囲気温度を１２０℃、回転速度を２０，０００ｒｐｍとした場合について解析した。
本実施形態の図８の形状の保持器の遠心力による径方向変位のコンター図を図１１に示す。図１１に示す弾性片３の先端Ｓの径方向変位量は、本実施形態の図８の形状の保持器の方が、特許文献１の図２の形状の保持器よりも約２０％小さかった。

よって、本実施形態の保持器１の形状は、弾性片の遠心力による変形を抑制する効果が非常に大きいことが分かる。
このような弾性片の遠心力による変形を抑制する効果は、本実施形態の保持器１が、円環状基部２及び弾性片３，３，…の上面の内径側部分を、前記上面の外径側部分よりも段落ちさせた内側段落ち部４としていることによる。すなわち内側段落ち部４により保持器１の弾性片３，３，…の先端側部分を軽量化できるので、弾性片３，３，…の遠心力による変形を抑制できる。

＜内側ポケット面の作用＞
図１２Ａの要部拡大横断面平面図に示す低速回転域ではポケットＰの外径側とボールＢが適切なクリアランスを保持する。
図１２Ｂの要部拡大横断面平面図に示す中速回転域を経て図１２Ｃの要部拡大横断面平面図に示す高速回転域となった場合、ポケットＰの内径側及び内側ポケット面４Ａでクリアランスを確保する。

よって、図１２Ａの要部拡大横断面平面図に示す低速回転域から、図１２Ｂの要部拡大横断面平面図に示す中速回転域を経て図１２Ｃの要部拡大横断面平面図に示す高速回転域まで回転速度が上昇して保持器１に遠心力が作用しても、内側ポケット面４ＡがポケットＰよりも外方へオフセットしているので、高速回転域において内径側で保持器１とボールＢのクリアランスが狭まって接触又は拘束が発生することがない。その上、ポケットＰよりも外方へオフセットしている内側ポケット面４Ａが図１２Ｃの高速回転域でボールＢを抱えるので、高速回転域における保持器のバタツキを抑制できる。
さらに、潤滑剤が減少しやすい内径側で、外方へオフセットした内側ポケット面４Ａが潤滑剤溜りとして機能するので、潤滑性を向上できる。
さらにまた、内側ポケット面４Ａのオフセット量をボールＢの直径の３％以上１０％以下にしていることから、ｄｎ値１５万ないし１００万程度の高速回転域において保持器１が遠心力により変形した際に、保持器１とボールＢ，Ｂ，…とのクリアランスを僅少にできるので、高速回転域で内側ポケット面４ＡによりボールＢ，Ｂ，…を安定かつ確実に保持できる。

以上の説明においては、図６及び図７に示す曲率中心Ｏは、ポケットＰの曲率中心であるとともに内側ポケット面４Ａの曲率中心でもある場合を示した。
本発明は、内側ポケット面４Ａの曲率中心を、ポケットＰの曲率中心から軸方向又は径方向に離間させた場合であっても成立する。すなわち、内側ポケット面４Ａの曲率半径Ｒ２はポケットＰの曲率半径Ｒ１よりも大きく、内側ポケット面４Ａは、高速回転域において内径側で保持器１とボールＢのクリアランスが狭まって接触又は拘束が発生しないように、ポケットＰよりも外方へオフセットしていればよい。

Ａ 深溝玉軸受
Ｂ ボール（転動体）
Ｃ 内輪
Ｄ 外輪
Ｅ シール
Ｆ 先端面
Ｇ 径方向平面部
Ｈ１ ポケットの曲率中心を含む径方向平面と弾性片の内径側の段落ち面との距離
Ｈ２ ポケットの曲率中心を含む径方向平面と隣り合うポケット間における基部の外径側の軸方向側面との距離
Ｏ 曲率中心
Ｐ ポケット
Ｒ１，Ｒ２ 曲率半径
Ｓ 先端
Ｔ ポケット底肉厚
１ 深溝玉軸受用冠型樹脂保持器
２ 円環状基部
２Ａ 内周面
２Ｂ 外径側の軸方向側面
３ 弾性片
４ 内側段落ち部
４Ａ 内側ポケット面（段落ち面）
４Ｂ，４Ｃ 段落ち面

Claims (3)

1. 円環状基部と前記基部の軸方向一側面から軸方向へ突出する複数の片持ち状弾性片とを備え、
   周方向に隣り合う前記弾性片間の球面状のポケットに転動体であるボールを保持する深溝玉軸受用冠型樹脂保持器であって、
   前記基部及び前記弾性片の前記弾性片が突出する側の軸方向側面の内径側部分全周の全部又は一部を、前記軸方向側面の外径側部分よりも段落ちさせた内側段落ち部とし、
   前記内側段落ち部は、
   前記ポケットの曲率中心と同じ曲率中心、又は前記ポケットの曲率中心から軸方向若しくは径方向に離間した曲率中心で、前記ポケットの曲率半径よりも曲率半径が大きくなるように外方へオフセットした内側ポケット面を有することを特徴とする、
   深溝玉軸受用冠型樹脂保持器。
2. 前記内側ポケット面のオフセット量は、前記ボールの直径の３％以上１０％以下である、
   請求項１記載の深溝玉軸受用冠型樹脂保持器。
3. 前記弾性片の内径側に位置する前記内側段落ち部の段落ち面が、前記ポケットの曲率中心を含む径方向平面よりも前記弾性片の先端側に位置し、
   周方向に隣り合う前記ポケット間における前記基部の前記弾性片が突出する側の軸方向側面の外径側部分が、前記ポケットの曲率中心を含む径方向平面よりも、前記基部の前記弾性片が突出する側と反対側の軸方向側面側に位置する、
   請求項１又は２記載の深溝玉軸受用冠型樹脂保持器。