JP2021148250A - 転がり軸受用保持器および転がり軸受 - Google Patents

Abstract

【課題】比較的簡易な構造としながら、軸受のならし運転時の発熱を抑制できる転がり軸受用保持器、および該保持器を用いた転がり軸受を提供することを目的とする。【解決手段】保持器５は、転がり軸受において複数の転動体の各々を収容する複数のポケット６を備え、軌道輪により案内され、複数のポケット６は、円環状の保持器本体に、保持器周方向に一定間隔で設けられており、ポケット６は、ポケット内面６ａに保持器５の内周面５ａから外周面５ｂまで貫通した凹溝６ｂを有し、凹溝６ｂは、少なくともポケット６の保持器周方向の両端部に形成されている。【選択図】図２

Description

本発明は、転がり軸受用保持器および転がり軸受に関する。

転がり軸受では通常グリース潤滑が使用される。グリース潤滑は、軸受の取り付けの際に、あらかじめグリースを所定量封入するだけで長時間使用できるため、非常に簡単であり、最も一般的な潤滑方法として広く採用されている。

グリース潤滑の転がり軸受の潤滑性を向上させるため、例えば、保持器の案内面に凹部を設けた保持器が提案されている（特許文献１、特許文献２参照）。これらの保持器では、その凹部に保持されたグリースによって案内すきまに油膜が形成されることで、潤滑状態の改善を図っている。

特開２００７−２３２１７７号公報 特開２０１８−２０４７４０号公報

ところで、グリース潤滑では、グリースを封入し、軸受を主軸に組み付けた後、通常の運転をさせる前に慎重なならし運転が必要である。これは、グリースを軸受内部の全体に均一に行き渡らせるとともに、徐々にグリースを転がり接触部から排除して、不必要な抵抗がかからないようにするためである。ならし運転をせずに急に最高回転速度まで立ち上げると、軌道面および軌道面近傍の過剰グリースの撹拌抵抗により軸受内部の温度が急激に上昇し、グリースの成分に悪影響を与える場合や異常昇温により焼付きを招く場合がある。

ならし運転の方法として、例えば、（１）低速から回転を始め、軸受温度が安定したことを確認しながら、少しずつ回転速度を上げていく方法と、（２）軸受の最高回転速度付近まで数分間回し、これを２〜３回繰り返す方法がある。上記（１）の方法の場合、温度上昇によるグリースの劣化は少ないが、ならし運転の時間が長いのが欠点になる。また、（２）の方法の場合、ならし運転の時間を短縮できるが、立ち上がり時の急激な温度上昇により潤滑剤を劣化させる可能性がある。

上記特許文献１、２の保持器では、保持器の案内面に凹部を設けることでグリースを保持し、回転中の潤滑状態を改善することはできるが、ならし運転時の温度上昇を低減させる効果は期待できない。また、案内面などに凹部を加工する場合、ドリルによる穴加工が困難であったり、射出成形で保持器を作製する場合、凹部の部分の型がうまく離型できず（例えば、射出成形体が型から抜きづらい）、成形型の構造が複雑になるおそれがある。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、比較的簡易な構造としながら、軸受のならし運転時の発熱を抑制できる転がり軸受用保持器、および該保持器を用いた転がり軸受を提供することを目的とする。

本発明の転がり軸受用保持器は、転がり軸受において複数の転動体の各々を収容する複数のポケットを備え、軌道輪により案内される転がり軸受用保持器であって、上記複数のポケットは、円環状の保持器本体に、保持器周方向に一定間隔で設けられており、上記ポケットは、そのポケット内面に上記保持器の内周面から外周面まで貫通した凹溝を有し、該凹溝は、少なくとも上記ポケットの保持器周方向の両端部に形成されていることを特徴とする。

上記凹溝が、曲率半径０．０５ｍｍ〜０．８ｍｍの円弧溝であることを特徴とする。

上記ポケットにおいて、上記凹溝が形成されていないと仮定した場合のポケット内面の全体の面積に対する、上記凹溝の合計面積の割合が２０％〜７０％であることを特徴とする。

上記転がり軸受用保持器は、合成樹脂製であることを特徴とする。

本発明の転がり軸受は、内輪および外輪と、この内・外輪間に介在する複数の転動体と、上記転動体の周囲に充填されたグリースと、上記転動体を保持する保持器とを備える転がり軸受であって、上記保持器が本発明の転がり軸受用保持器であることを特徴とする。

上記転がり軸受は、５０００ｍｉｎ^−１以上の回転速度でならし運転が実施される軸受であることを特徴とする。

本発明の転がり軸受用保持器は、軌道輪により案内される保持器であり、複数のポケットが円環状の保持器本体に、保持器周方向に一定間隔で設けられており、ポケットが、そのポケット内面に保持器の内周面から外周面まで貫通した凹溝を有するので、ならし運転時において軸受の内輪側にあったグリースを凹溝を介して外輪側に排出させることができ、グリースによる粘性抵抗を低下させることができる。また、凹溝は、少なくともポケットの保持器周方向の両端部に形成されているので、回転時に転動体が保持器周方向の一方の端部に寄った場合でも外輪側へのグリースの排出をスムーズに行なうことができる。これにより、ならし運転時の発熱を抑制することができる。

本発明の転がり軸受は、内輪および外輪と、この内・外輪間に介在する複数の転動体と、転動体の周囲に充填されたグリースと、転動体を保持する上記本発明の保持器を備えてなるので、ならし運転時における外輪の温度上昇を抑制することができる。これにより、グリースの発熱自体が抑えられ、グリースの劣化を抑えることができるとともに、ならし運転時間を短縮することもできる。また、凹溝にグリースが入ることで、回転時において保持器と転動体の間で潤滑切れの発生を抑えることができる。

本発明の転がり軸受の一例を示す軸方向断面図である。 本発明の転がり軸受用保持器の一例を示す斜視図などである。 凹溝の断面形状を示す図である。 本発明の転がり軸受用保持器の他の例の展開した平面図である。 本発明の転がり軸受を用いたスピンドル装置を示す断面図である。 回転速度と外輪の温度上昇との関係を示す図である。

本発明の転がり軸受を図１に基づいて説明する。図１は、本発明の転がり軸受の一例であるアンギュラ玉軸受の軸方向断面図である。図１に示すように、アンギュラ玉軸受１は、内輪２と、外輪３と、内輪２と外輪３との間に介在する複数の玉４と、この玉４を周方向に一定間隔で保持する保持器５とを備えている。保持器５が、本発明の転がり軸受用保持器である。内輪２および外輪３と、玉４とは径方向中心線に対して所定の角度θ（接触角）を有して接触しており、ラジアル荷重と一方向のアキシアル荷重を負荷できる。玉４の周囲にはグリースが充填されており、アンギュラ玉軸受１はグリース潤滑で潤滑がなされる。

グリースを構成する基油としては、鉱油や合成油など、通常、転がり軸受に用いられるものであれば特に制限なく用いることができる。また、グリースを構成する増ちょう剤としても、金属石けんやウレア化合物など、通常、転がり軸受に用いられるものであれば特に制限なく用いることができる。なお、本発明の転がり軸受は、後述するように、ならし運転時の軸受温度の上昇を抑制できるため、耐熱温度が比較的低い鉱油やジエステル油などの基油なども使用することができる。

図１において、保持器５は外輪案内方式の保持器であり、該保持器の外周面の一部に外輪３に案内される外輪案内部を有している。図１の構成では、外輪案内部が外輪３の内周面と接触することで、保持器５が外輪３に案内される。なお、保持器の案内方式は、外輪案内方式に限らず、内輪案内方式でもよい。

保持器について、図２に基づいて説明する。図２（ａ）は、保持器５の一部斜視図であり、図２（ｂ）はＡ部分を平面上に展開した図である。図２（ａ）に示すように、保持器５は、もみ抜き型の保持器であり、円環状の保持器本体に転動体である玉を保持するポケット６が周方向に一定間隔で複数設けられている。複数のポケット６のそれぞれは、保持器５の外周面５ａおよび内周面５ｂに開口している。また、各ポケット６は、そのポケット内面６ａに、外周面５ａから内周面５ｂまで貫通した凹溝６ｂを２本ずつ有している。

なお、保持器５の外周面５ａまたは内周面５ｂには、グリース溜まりとなる凹部を形成してもよいが、構造の簡素化の観点から、図２（ａ）に示すように、凹部は形成しない方が好ましい。

図２（ｂ）の展開図において、上下方向が保持器周方向であり、左右方向が保持器軸方向である。図２（ｂ）に示すように、ポケット６の凹溝６ｂを除く部分は、ポケット径ｄの円形状である。ポケット径ｄは、例えば３ｍｍ〜２０ｍｍである。ポケット６において、保持器周方向の両端部には凹溝６ｂが形成されている。ポケット６における２つの凹溝６ｂは、保持器周方向に平行なポケット中心線Ｘ上にそれぞれ位置しており、ポケット周方向で等間隔の位置に形成されている。また、隣接するポケット間において、各ポケットの凹溝６ｂは互いに連通していない。凹溝６ｂの断面形状を図３（ａ）に示す。

図３（ａ）に示すように、凹溝６ｂは断面円弧状の円弧溝である。また、凹溝６ｂを設けたことで生じる凹溝６ｂの縁部６ｃには面取りが施されていてもよい。円弧溝の曲率半径ｒは０．０５ｍｍ〜０．８ｍｍであることが好ましく、０．２ｍｍ〜０．７ｍｍであることがより好ましい。曲率半径ｒを０．２ｍｍ〜０．７ｍｍの範囲内にすることで、溝幅をある程度確保することができ、グリースを円滑に通過させることができる。また、曲率半径ｒは、ポケット径ｄの１／５０〜１／１０倍であることが好ましく、１／３０〜１／２０倍であることがより好ましい。

また、凹溝６ｂにおいて、円弧溝の曲率半径ｒは、保持器の内周面から外周面にかけて一定でもよく、異なるようにしてもよい。例えば、保持器の内周面側から外周面側にグリースを円滑に通過させるため、内周面から外周面にかけて、曲率半径ｒが連続的にまたは段階的に小さくなるように形成してもよい。さらに、この場合、曲率半径ｒを０．２ｍｍ〜０．７ｍｍの範囲内で変化させることが好ましい。

なお、ポケットの凹溝の形状は、グリースを通過させるものであれば、形状は特に限定されず、例えば、断面矩形の角溝（図３（ｂ））や、断面三角形の三角溝（図３（ｃ））、アリ溝（図３（ｄ））などを採用できる。これらの溝の溝幅や溝深さは、適宜設定でき、保持器の内周面から外周面にかけて一定でもよく、異なるようにしてもよい。なお、射出成形時の無理抜きを考慮すると、円弧溝や、角溝、三角溝が好ましい。

本発明の転がり軸受用保持器の他の例を図４に示す。図４（ａ）、（ｂ）は、保持器の外周面を平面上に展開した図であり、各図において、上下方向が保持器周方向であり、左右方向が保持器の軸方向である。図４（ａ）、（ｂ）の保持器はいずれももみ抜き型の保持器であり、上述の保持器５に比べて、ポケットに更に多くの凹溝が形成されている。

図４（ａ）の保持器７は、円環状の保持器本体に転動体である玉を保持するポケット８が保持器周方向に一定間隔で複数設けられている。ポケット８では、保持器周方向の両端部の凹溝８ｂに加えて、それら両端部の凹溝８ｂから、ポケット中心Ｏを中心にしてそれぞれポケット周方向の両方向に等角度（例えば２０°）ずつずれた位置に凹溝８ｂが形成されている。保持器７において、ポケット８は保持器周方向の両側に５本ずつ凹溝８ｂを有し、合計で１０本の凹溝８ｂを有している。これら１０本の凹溝８ｂは、ポケット周方向で等間隔になっておらず、保持器７では、保持器軸方向の両側の部分には凹溝が形成されていない。なお、保持器軸方向の両側の部分とは、例えば、ポケットの保持器軸方向の両端部Ｐを中央として該中央からポケット周方向に３０°の範囲内の部分をいう。

図４（ｂ）の保持器９は、円環状の保持器本体に転動体である玉を保持するポケット１０が保持器周方向に一定間隔で複数設けられている。ポケット１０では、保持器周方向の両端部の凹溝１０ｂに加えて、それら両端部の凹溝１０ｂから、ポケット中心Ｏを中心にしてそれぞれポケット周方向の両方向に等角度（例えば２０°）ずつずれた位置に凹溝１０ｂが形成されており、ポケット周方向の全域に凹溝１０ｂが形成されている。保持器９において、ポケット１０は、合計で１８本の凹溝１０ｂを有している。これら１８本の凹溝１０ｂは、ポケット周方向で等間隔に形成されている。

図４（ａ）、（ｂ）では、凹溝として円弧溝を示している。円弧溝の曲率半径ｒの好ましい範囲は上述のとおりである。この円弧溝以外にも、図３で示すような各形状の溝を採用できる。また、図４（ａ）、（ｂ）に示す各ポケットの平面形状は、ポケット中心線Ｘに対して線対称である。

図４（ａ）、（ｂ）に示すような保持器周方向の両端部以外にも凹溝が形成される構成では、保持器周方向の両端部に形成される凹溝と、それ以外の位置に形成される凹溝とで溝の形状や大きさを異なるようにしてもよい。例えば、図４（ａ）の場合、保持器周方向の両端部に形成される凹溝８ｂの曲率半径ｒよりも、保持器周方向の両端部以外の位置に形成される凹溝８ｂの曲率半径ｒの方が小さくなるようにしてもよい。

本発明の転がり軸受用保持器は、ポケットにおいて、凹溝が形成されていないと仮定した場合のポケット内面の全体の面積に対する、凹溝の合計面積の割合（以下、凹溝率ともいう）が２０％〜９０％であることが好ましい。凹溝率は、以下の式（１）で算出できる。
凹溝率（％）＝（凹溝の合計面積／凹溝が形成されていないと仮定した場合のポケット内面の全体の面積）×１００・・・（１）
凹溝率を上記範囲にすることで、保持器の強度やウエルド強度を確保しつつ、グリースの移動を円滑に行うことができる。なお、凹溝の合計面積は、ポケットに形成された全ての凹溝の面積の和であり、例えば、図４（ａ）では１０本の凹溝の合計面積である。また、凹溝が形成されていないと仮定した場合のポケット内面の全体の面積は、仮想ポケットＣ（図２参照）のポケット内面の全体の面積である。凹溝率は、２０％〜７０％であることがより好ましく、２０％〜５０％であることがさらに好ましい。

本発明の転がり軸受用保持器は合成樹脂製であることが好ましい。樹脂材としては、射出成形が可能であり、保持器材料として十分な耐熱性や機械的強度を有するものであれば、任意のものを使用できる。例えば、ポリアミド（ＰＡ）樹脂、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）樹脂、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）樹脂、ポリイミド(ＰＩ)樹脂、ポリアミドイミド(ＰＡＩ)樹脂などを樹脂母材とし、炭素繊維、ガラス繊維などの強化繊維と、他の添加剤を配合した樹脂組成物を使用できる。

グリースの封入量は、所望の潤滑特性を確保できる範囲であれば特に限定されないが、軸受内空間における静止空間体積の５％〜５０％（体積比率）程度とすることが好ましい。ここで、静止空間体積とは、内輪と外輪とシール部材の空間体積における軸受回転時に転動体および保持器が通過しない空間の体積である。本発明によれば、グリース封入量を低減しても、ならし運転を円滑に行なうことができ、撹拌によるトルク低減が図れるとともに、グリース漏れの少ない転がり軸受が得られる。

本発明の転がり軸受は、上記の凹溝が形成された転がり軸受用保持器を備えるので、ならし運転時においてもグリースが内輪側から外輪側に円滑に排出され、グリースによる粘性抵抗が低下することで、外輪の温度上昇を抑制することができる。本発明の転がり軸受のならし運転の方法は、（１）低速から回転を始め、軸受温度が安定したことを確認しながら、少しずつ（例えば２０００ｍｉｎ^−１ずつ）回転速度を上げていく方法と、（２）軸受の最高回転速度付近まで数分間回し、これを２〜３回繰り返す方法のいずれの方法も適用できる。ただし、本発明の転がり軸受は、ならし運転の時間を短縮可能であることから、温度上昇によるグリースの劣化が少ない上記（１）の方法が好ましい。

また、本発明の転がり軸受は、５０００ｍｉｎ^−１以上の回転速度でならし運転が実施される軸受であることが好ましく、６０００ｍｉｎ^−１以上の回転速度でならし運転が実施される軸受であることがより好ましい。後述の実施例で示すように、本発明に係る転がり軸受は、回転速度６０００ｍｉｎ^−１においても顕著に外輪の温度上昇を抑制できるため、ならし運転で高回転速度まで回転させる軸受に好適である。このような軸受としては、高速回転用途の転がり軸受があり、具体的には、工作機械主軸用スピンドル装置に適用される軸受などが挙げられる。

図５は、図１のアンギュラ玉軸受を用いた工作機械主軸用スピンドル装置の例である。図５に示すように、スピンドル装置１１は、フロント側に２列のアンギュラ玉軸受１、リア側に単列の円筒ころ軸受１５を有しており、中央部に配置された、ステータ１３およびロータ１４を備えるビルトインモータ１２で駆動する高速仕様となっている。ビルトインモータ１２で駆動される回転軸は、アンギュラ玉軸受１および円筒ころ軸受１５で支持されている。円筒ころ軸受１５は内輪１６と、外輪１７と、円筒ころ１８と、保持器１９とで構成される。保持器１９は、例えば合成樹脂製である。なお、リア側の円筒ころ軸受１５は２列の構成でもあってもよい。

本発明に係る構成は、上記の形態に限らない。例えば、図１では、本発明の転がり軸受としてアンギュラ玉軸受を例に説明したが、本発明を適用できる軸受形式はこれに限定されず、他の玉軸受、円すいころ軸受、自動調心ころ軸受、針状ころ軸受などにも適用できる。

本発明に係るアンギュラ玉軸受の有効性を確認するために、アンギュラ玉軸受の回転試験を行った。

実施例１〜３、比較例
軸受には、内径７０ｍｍのアンギュラ玉軸受（型名ＨＳＥ０１４）を用いた。樹脂材料を用いて、実施例１〜３および比較例の保持器を射出成形により作製した。保持器は、外輪案内方式の保持器とした。保持器の各寸法は、内径φ８８ｍｍ、外径φ９５ｍｍ、ポケット径９ｍｍである。実施例１〜３の保持器のポケットの形状は、１８本の凹溝がポケット周方向に等間隔に形成された図４（ｂ）の形状であり、各凹溝の曲率半径および凹溝率は表１に示すとおりである。なお、比較例の保持器には、凹溝が形成されていない、通常の保持器を用いた。これらの保持器をアンギュラ玉軸受に組み込んで、グリースを封入し、軸方向両側にシール部材を設けて密封した試験用軸受を得た。

得られた試験用軸受を、図５に示される工作機械主軸用スピンドル装置１１のアンギュラ玉軸受１として適用した。なお、円筒ころ軸受１５は２列の構成を用いた。スピンドル装置１１の組み立てに際し、試験用軸受には定圧予圧により予圧が与えられた。

試験用軸受の潤滑方式はグリース潤滑とした。回転試験では、０〜８０００ｍｉｎ^−１までのならし運転を実施し、その際の外輪温度を測定した。具体的には、回転速度を２０００ｍｉｎ^−１、４０００ｍｉｎ^−１、６０００ｍｉｎ^−１、８０００ｍｉｎ^−１でそれぞれ２時間ずつ回転させた。各回転速度における外輪温度は、その回転速度に上げた直後に急上昇し、その後、時間経過とともに低下し、ある温度で安定する。このような推移を各回転速度で繰り返していく。図６には、回転速度と外輪の温度上昇の結果を示す。温度上昇の結果は、その回転速度での最高温度を示した。また、外輪の温度上昇の評価では、比較例に対して、温度上昇時に温度低下が確認されたものを「○」とした。結果を表１に示す。

まず、比較例の軸受では、図６に示すように、回転速度６０００ｍｉｎ^−１で外輪の温度上昇が大きくなっている。一方で、その後の回転速度８０００ｍｉｎ^−１では、外輪の温度上昇が回転速度６０００ｍｉｎ^−１に比べて抑えられている。この結果は、回転速度６０００ｍｉｎ^−１でなじみが完了したことを示している。そのため、この試験では、特に回転速度６０００ｍｉｎ^−１における顕著な温度上昇を抑制してなじみを完了させることが、グリースの劣化を防ぐためにも重要になる。

図６に示すように、実施例１〜３の軸受では、比較例の軸受よりも全ての回転速度域で温度上昇の低下が確認された。特に、回転速度６０００ｍｉｎ^−１では、比較例に比べて温度上昇を顕著に低下させることができた。また、凹溝の曲率半径０．５ｍｍで、凹溝率５０％の保持器を用いた実施例２の軸受は、比較例の軸受に対して、回転速度６０００ｍｉｎ^−１での外輪温度の上昇が約５℃低下した。

図６の結果より、特に、実施例１および実施例２の軸受では、回転速度６０００ｍｉｎ^−１でグラフが極大になっておらず、過度な温度上昇を発生させずに、ならし運転が実現できている。

このように、本発明の転がり軸受によれば、案内方式が外輪案内または内輪案内である保持器において、ならし運転時に軸受の内輪側にあったグリースが凹溝を通って外輪側に排出されることで、グリースによる粘性抵抗を低下させ、外輪の温度上昇を抑制することができる。これにより、グリースの発熱自体が低下することで、グリースの劣化を抑えることができると同時に、ならし運転時間を短縮することもできる。また、凹溝にグリースが入ることで、回転時において保持器と転動体の間で潤滑切れの発生を抑えることができる。

本発明の転がり軸受用保持器は、比較的簡易な構造としながら、転がり軸受のならし運転時の発熱を抑制できるので、種々の用途における転がり軸受用の保持器として広く利用できる。特に、高回転速度域でならし運転が行われる、高速回転条件下で使用される転がり軸受の保持器として好適に利用できる。具体的には、工作機械主軸用スピンドル装置の転がり軸受として好適である。

１ アンギュラ玉軸受（転がり軸受）
２ 内輪
３ 外輪
４ 玉
５ 保持器
６ ポケット
７ 保持器
８ ポケット
９ 保持器
１０ ポケット
１１ スピンドル装置
１２ ビルトインモータ
１３ ステータ
１４ ロータ
１５ 円筒ころ軸受
１６ 内輪
１７ 外輪
１８ 円筒ころ
１９ 保持器

Claims (6)

1. 転がり軸受において複数の転動体の各々を収容する複数のポケットを備え、軌道輪により案内される転がり軸受用保持器であって、
   前記複数のポケットは、円環状の保持器本体に、保持器周方向に一定間隔で設けられており、
   前記ポケットは、該ポケット内面に前記保持器の内周面から外周面まで貫通した凹溝を有し、該凹溝は、少なくとも前記ポケットの保持器周方向の両端部に形成されていることを特徴とする転がり軸受用保持器。
2. 前記凹溝が、曲率半径０．０５ｍｍ〜０．８ｍｍの円弧溝であることを特徴とする請求項１記載の転がり軸受用保持器。
3. 前記ポケットにおいて、前記凹溝が形成されていないと仮定した場合のポケット内面の全体の面積に対する、前記凹溝の合計面積の割合が２０％〜７０％であることを特徴とする請求項１または請求項２記載の転がり軸受用保持器。
4. 前記転がり軸受用保持器が合成樹脂製であることを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１項記載の転がり軸受用保持器。
5. 内輪および外輪と、この内・外輪間に介在する複数の転動体と、前記転動体の周囲に充填されたグリースと、前記転動体を保持する保持器とを備える転がり軸受であって、
   前記保持器が請求項１から請求項４までのいずれか１項記載の転がり軸受用保持器であることを特徴とする転がり軸受。
6. 前記転がり軸受は、５０００ｍｉｎ^−１以上の回転速度でならし運転が実施される軸受であることを特徴とする請求項５記載の転がり軸受。

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