JP4017827B2

JP4017827B2 - 玉軸受

Info

Publication number: JP4017827B2
Application number: JP2001019673A
Authority: JP
Inventors: 良信赤松; 篤正中村
Original assignee: NTN Corp
Current assignee: NTN Corp
Priority date: 2000-01-28
Filing date: 2001-01-29
Publication date: 2007-12-05
Anticipated expiration: 2021-01-29
Also published as: JP2001280352A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、ＨＤＤ用スピンドルモータ，各種ファンモータ，汎用モータ，自動車用電装補機などを代表とする、潤滑条件が厳しい条件で使用される玉軸受に関する。
【０００２】
【従来の技術と発明が解決しようとする課題】
モータの回転軸を支持する軸受や自助車電装補機のプーリに組み込まれる軸受には密封型深溝玉軸受が一般的に使用されており、回転トルクを低減している。密封型深溝玉軸受にはグリースが軸受内部に密封されており、軸受の寿命はボ−ルと軌道面でアキシアル荷重を受ける接触面内でのせん断の繰り返しによるグリースの寿命によって決定される。そのため、従来からグリースの性能向上が図られてきた。
【０００３】
密封型深溝玉軸受を使用する機械装置では、寿命の延長が永遠の課題であり、軸受の寿命は前記のようにグリ−スの寿命に大きく依存する。比較的小さな荷重を支えるモータ等でアキシアル荷重が負荷された玉軸受でも、一般に、軌道面ならびにボールのｌmm²前後の範囲が弾性変形して１μｍ前後のグリースの膜で荷重を支えている。グリースはボールの自転に伴い、内外輪の軌道面間を移動する。その際、ボールを周方向に配置している保持器のエッジによりグリースが掻き取られるため、軸受の回転に伴いボールと軌道面間の接触部へのグリースの供給量が少なくなった状態で玉軸受は使用されている。グリ−スの供給量が少なくなると、荷重を支えるグリース膜が薄くなり、軌道面の粗さに比較してグリース膜が小さい場合にはボールは軌道面と接触し、ボールおよび軌道面の表面が摩耗して軸受の振動が大きくなる。そのため、静粛性が要求されるハードディスクドライブやエアコンファンモータなどでは早期に軸受寿命となる。また、回転速度が大きな自動車補機用軸受では、焼付きが発生して軸受寿命となる。
【０００４】
保持器の外径面のエッジによりグリースが掻き取られることを防止することについては、ポケット開口縁に凹入部を設けて防止するものが提案されている（例えば特開平１１−１６６５４０）。この提案例では、リング状の保持器の内周面および外周面におけるポケット開口縁の一部で、面取り状の凹入部を設け、保持器ポケット面へのグリースの流入性を向上させている。上記凹入部として、面取り状とする代わりに、保持器の内周面から外周面に達する凹溝状とし、この凹溝状部分の中間部を、ポケット内面と略同一平面にするものも提案されている。
しかし、ポケット内面において、ボールとポケット内面との接触部でグリースの掻き取りが生じ、ポケット内面を通過するグリース量を十分に増加させることができないという問題があった。
【０００５】
また，ボケット内面を通過するグリース量を多くする方法として、ポケット内の縦断面形状を多角とするものや、ボールの自転軸に対する赤道部に対応するポケット部にボールと接触しない凹部を設けるものが提案されている（例えば、United States Patent４，２２５，１９９および実開昭５７−１２４６１７）。しかし、ポケット面とボ−ルが接触する面積が小さくなると、保持器の剛性が低下すること、面圧が増加するために面荒れが発生するという問題があり、適正な非接触部の形状が不明確であった。
【０００６】
この発明の目的は、軌道面へのグリ−スの供給量を増加させ、軸受の潤滑寿命を延長させることである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この発明の玉軸受は、内輪と外輪の間に介在した複数のボールをリング状の保持器に設けられたポケット内に保持し、上記保持器が、各ポケット毎に一対の爪を対向して突設した樹脂製で冠形のものであり、上記ポケットの内面を球面状とした玉軸受において、上記保持器のポケットの内面に、保持器の内径面から外径面まで貫通する半径方向の溝を設け、この溝の溝底縦断面形状を球面状のポケット内面と同心の円弧状とし、この溝の横断面形状を円弧状とし、上記玉軸受に負荷されるアキシアル荷重の大きさとラジアル内部隙間の大きさから、位置と大きさが決定される内外輪のボールと接して荷重を支持する接触面の全体を、上記溝の幅内に含ませたものである。
このように保持器の内面に半径方向に貫通した溝を設けたため、ボールに付着したグリース等の潤滑剤がポケット内面を通過する箇所に、空間が形成されることになる。そのため、ポケットの開口縁やポケットの内面で掻き取られることが防止され、十分な量の潤滑剤が他方の軌道面に移動できる。この半径方向の溝は、断面形状が円弧状であって、溝幅の中央が深く、両側縁が浅くなっているために、樹脂製射出成形保持器を製造する場合、ポケット面の入れ子の抜き取り時に無理な力が保持器の爪にかかることがない。
また、ポケット内で、上記溝から効果的に潤滑剤がボールへ供給される。そのため、軌道面へのグリースの供給量を増加させることができ、密封グリース封入軸受の潤滑寿命を延長させることができる。
この溝は、溝底の縦断面形状がポケット内面と同心の円弧状であるため、溝深さを適宜の深さに設計することで、ボールの表面に付着して移動するグリース量を、必要な量だけ確保することができる。
【０００８】
また、上記溝の幅が、ボール直径の３４％以上で最大が上記爪の開放側先端の手前までとされているため、接触角が発生しても、上記溝により、ボールに付着したグリースを効果的に潤滑必要箇所に導くことができ、また保持器の爪によるボールの案内性が確保される。
すなわち、上記溝により、ボールに付着したグリースを効果的に潤滑必要箇所に導くには、内外輪の軌道面のボールとの接触点が、上記溝の溝幅内に位置するように溝幅を設定することが必要である。玉軸受において、ラジアル内部隙間によりボールと軌道面には接触角が発生し、ボールの自転軸が傾くため、冠形の保持器を用いた一般的な設計の玉軸受において、上記のように径方向の溝を設けた場合に、接触点を溝幅内に含むためには、溝幅をボール直径の３４％以上とする必要がある。溝幅の最大としては、冠形の保持器では、爪の開放側の先端でボールを案内するため、この案内が妨げられない最大の幅であり、その爪の先端の手前までである。
【０００９】
この発明において、上記保持器の溝の軸方向位置は、ボ−ルの中心とすることが好ましい。
一般に、玉軸受では、内外輪の軌道面はボール径よりも僅かに大きな円孤状の断面形状とされていて、ボ−ルは軌道面の幅の一部に接する。また、軸受に作用する荷重の方向は、ラジアル方向とアキシアル方向があり、ラジアル荷重の場合は、ボールの中心と保持器ポケットの中心はずれないが、アキシアル荷重の場合は接触角が生じ、ボール配列のピッチ円の中心から軸方向にずれた位置で接触することになる。軸受の回転中には、軌道面におけるボ−ル接触楕円の両側の幅方向部分に潤滑剤の多い箇所が生じる。したがって、玉軸受の径方向溝を内外輪とボールが接触する楕円を含むようにすれば、ボールに付着したグリースを効果的に潤滑必要箇所に移動させることができる。このように、グリースを効果的に潤滑必要箇所に移動させるにつき、保持器の溝の軸方向中心位置を、ボールの中心とすることが、より一層好ましい。
【００１０】
この発明の玉軸受は、グリ−スを封入してシールを組み込んだものであっても良い。
グリースを封入してシールを組み込んだ軸受の場合、従来の技術の欄で説明したように、一般に封入グリースの寿命が軸受自体の寿命となる。そのため、この発明のように、ポケット内で、上記溝から効果的に潤滑剤がボールへ供給されるようにすることにより、軸受自体の寿命が向上する。
【００１１】
【発明の実施の形態】
この発明の一実施形態を図面と共に説明する。この玉軸受は、内輪６と外輪７の軌道面６ａ，７ａ間に複数のボール５を介在させ、これらのボール５を、保持器１に設けられた各ポケット２で各々保持したものである。各軌道面６ａ，７ａは、ボール径よりも若干大きな径の円弧状断面形状の円周溝で形成されている。外輪７には、内外輪６，７間の環状空間を密封するシール８を両側に取付け、この軸受を密封型の玉軸受としている。詳しくは、密封型深溝玉軸受としてある。シール８は、シールド板であっても良い。
【００１２】
保持器１は、図２，図３に示すように、冠形で樹脂製のものであり、リング状の保持器本体１ａの片方の幅面に、各ポケット２毎に一対の爪３，３を対向して突設した形状とされている。各ポケット２は、上記一対の爪３，３と、保持器本体１ａの凹部とで形成され、内面が球面状とされている。この保持器１は、射出成形等で形成される。
【００１３】
保持器１のポケット２の内面には、内径面から外径面まで貫通する半径方向の溝４が設けてある。この溝４は、横断面形状、つまり保持器１の軸方向に沿う断面形状が円孤状とされている。円弧の程度は、半円状であっても、それよりも浅い形状であっても良い。保持器１の溝４の位置は、ボール５の中心Ｏを含む軸方向位置であり、ボール５の中心Ｏと溝４の溝幅の中心とを一致させる。
【００１４】
図４に示すように、ポケット２の内面は、ボール５の直径ｄｗよりも僅かに大きな径の球面状である。径方向の溝４の底面の縦断面形状、つまり径力向に沿う断面形状は、ポケット内面と同心の円弧状であって、ポケット内面よりも大きな径（直径ｄｇ）とされている。直径ｄｇの値は、必要なグリ−スの移動量に応じて設計される。
径方向の溝４の幅（Ｌ_C＋Ｌ_D）（図１）は、ボール直径ｄｗ（図４）の３４％以上で、最大が爪３の開放側先端Ｅの手前までとする。
【００１５】
この構成の玉軸受によると、保持器１の内面に半径方向に貫通した溝４を設けたため、ボール５に付着したグリースがポケット内面を通過する箇所に、空間が形成されることになる。そのため、ポケット２の開口縁やポケット２の内面で掻き取られることが防止され、十分な量のグリ−スが他方の軌道面に移動できる。すなわち、従来の保持器では、爪３の内径面および外径面のエッジ部でグリースを掻き取るいわゆるワイパー作用により、ボール５に付着したグリースを他方の軌道面まで移動させることができなかったが、この実施形態によると、このような問題が解消される。
【００１６】
この半径方向の溝４は、横断面形状が円弧状であって、溝幅の中央が深く、両側縁が浅くなっているために、ポケット２内で溝４から効果的にグリ−スがボール５へ供給される。そのため、軌道面６ａ，７ａへのグリ−スの供給量を増加させることができ、密封グリース封入玉軸受の潤滑寿命を延長させることができる。
また、半径方向の溝４は、縦断面形状がポケット内面と同心の円弧状とされているため、溝深さを適宜の深さに設計することで、ボール５の表面に付着して移動するグリース量を、必要な量だけ確保することができる。
【００１７】
図１は、軸受にアキシアル方向予圧が外輪７の右側および内輪６の左側から負荷されている状態を示している。軸受はラジアル内部隙間が存在するため、アキシアル荷重を負荷した場合、接触角θが生じ、ボール５は外輪７とは点Ａで、内輪６とは点Ｂで各々接触する。点Ｏはボール５の中心である。アキシアル荷重の大きさとラジアル内部隙間の大きさから、内外輪６，７のボール５と接して荷重を支持する接触面（接触点Ａ，Ｂでの接触面）の大きさ、および位置が決定される。上記接触面はヘルツ接触面となる。軸受の回転中には接触面の回転方向と直交する両側にグリースの輪状の溜まりが形成される。すなわち潤滑量の多い箇所ができるわけである。したがって、ボール５に付着したグリースを効果的に移動させるためには、径方向溝４の溝方向中心を、ボール５の中心点Ｏと一致させれば良いことがわかる。加えて、径方向溝４の中心点（ボール５の中心点）Ｏからポケット開放側（爪３の開放側）への溝幅Ｌ_Cは、外輪７とボール５との接触面の幅における爪開放側端Ｃを含む必要がある。同様に、径方向溝４の中心点Ｏからポケット非開放側への溝幅Ｌ_Dは、内輪６とボール５との接触面の幅におけるポケット非開放側端Ｄを含む必要がある。
【００１８】
モータのスピンドル用軸受では、モータの振動を防止するため、図１のように純アキシアル荷重をばね（図示せず）等で与えており、この予圧荷重は一般に軸受の基本動定格荷重Ｃｒの０．０２以下である。したがって、軌道面とボールとのヘルツ接触楕円は非常に小さい。しかし、前記のようにラジアル内部隙間によりボールと軌道面には接触角が発生し、ボールの自転軸が傾くため、接触面を溝４内に含むためには、溝４の幅をボール直径の３４％以上とする必要がある。溝幅の最大としては、爪３の開放側の先端Ｅ（図３）でボールを案内するため、その先端Ｅの手前までである。つまり、最大幅は、溝４が形成されても、爪３の先端Ｅにボール３を案内する部分が残される範囲までである。
【００１９】
また，ラジアル荷重のみが負荷される自動車の電装補機用軸受の荷重は軽荷重（Ｆ／Ｃｒが０，０６以下、ＪＩＳＢ１５６６）であり、ヘルツ接触楕円を含む溝４の幅は、ボール直径の３４％以上あればよい。
【００２０】
なお、上記実施形態では、保持器１を冠形の樹脂製保持器としたが、保持器１が波形プレス保持器である場合にも、上記溝４を設けたことによる効果は、この発明と同様に得られる。その場合も、溝４の幅は、ボール直径の３４％以上とすることが好ましい。ただし、溝４の最大幅は、保持器の形状に応じて適宜の幅とされる。
【００２１】
【実施例】
（油膜形成試験１）
この発明の上記実施形態における保持器１と、径方向溝４の無い従来の保狩器および溝幅の狭い保持器との性能を実験的に確認した。試験軸受には深溝玉軸受６０８（内径８mm×外径２２mm×幅７mm）を使用した。ボール５は鋼球であり、直径寸法は４mmである。グリースは、増ちょう剤がウレアであり、基油はエステル系合成油である。基油の動粘度は４０℃で３３mm²／ｓである。雰囲気温度は６０℃、アキシアル予圧は５０Ｎとした。試験回転速度は１０５０ｒｐｍであり、内輪回転とした。保持器１は射出成形したナイロン製冠形保持器である。運転中の静止輪（外輪）と回転輪（内輪）間に接触抵抗を測定するる直流回路を構成し、抵抗値から軸受の油膜形成率を評価した。ここで、油膜形成率とは、軸受の印加電圧１Ｖに対して、試験中の静止輪と回転輪間の電圧降下Ｖから下式のように定義した。
油膜形成率＝１００×Ｖ
である。
なお、回転輪と測定回路との結線には回転軸端に取り付けた水銀スリップリングを用いた。
【００２２】
図５に結果を整理して示す。試験は、それぞれの保持器で９回実施し、図５には溝幅／ボール直径の比と、溝の無い保持器を使用した軸受の３個の試験の油膜形成率の最小値を分母とした油膜形成比との関係を示した。同図より、溝幅をボール直径の３５％以上とすることで、油膜の形成状態が改善できることが確認できた。
【００２３】
（潤滑寿命試験）
この発明の上記実施形態における保持器１と、径方向溝４の無い従来の保持器との性能を実験的に確認した。試験軸受には深溝玉軸受６２０４（内径２０mm×外径４７mm×幅１４mm）を使用した。ボール５は鋼球であり、直径寸法は７．９７３mmである。グリ−スは、増ちょう剤がリチウムであり、基油はエステル系合成油である。基油の動粘度は４０℃で１５mm²／ｓである。雰囲気温度は１２０℃、アキシアル荷重およびラジアル荷重をそれぞれ６７Ｎ負荷した。試験回転速度は１００００ｒｐｍであり、内輪回転とした。保持器１は、射出成形したナイロン製冠形保持器である。潤滑寿命は、試験中の軸受の温度上昇、駆動モータの負荷電流の増加，試験機の振動の増加により判定した。
【００２４】
図６に結果を示す。図中の潤滑寿命比は、試験軸受の寿命時間に対する溝無し保持器を使用した軸受の最短寿命との比である。同図より、溝幅をボール直径の３５％以上とすることで、軸受の長寿命化が達成できることが確認できた。
【００２５】
（油膜形成試験２）
この発明の上記実施形態における保持器１の溝深さが油膜形成に及ぼす影響を実験的に確認した。試験軸受には深溝玉軸受６０８（内径８mm×外径２２mm×幅７mm）を使用した。ボール５は鋼球であり、直径寸法は４mmである。グリースは増ちょう剤がウレアであり、基油はエステル系合成油である。基油の動粘度は４０℃で３３mm² ／ｓである。雰囲気温度は１００℃、アキシアル予圧は３０Ｎとした。油膜形成率の定義ならびに測定方法は、前記の油膜形成試験１と同じである。試験は、内輪の回転速度を直線的に増加し、回転数と油膜形成率の関係を求めた。保持器１は射出成形したナイロン形冠形保持器である。
【００２６】
図７に結果を示す。図中の縦軸は、溝の無い保持器を使用した軸受の油膜形成率が１００％に到達した回転数と溝付き保持器を使用した軸受の油膜形成率が１００％に到達した回転数との比である。一般に、ボールと軌道輪間に発生する油膜の厚さは速度の約０．７乗に比例する。したがって、低い回転数でも油膜が形成される軸受が、機械装置にとっては望ましい。同図より、溝幅は、この発明の場合は、溝深さを深くすると比例的に油膜を形成する回転速度が小さくなることが確認された。したがって、溝深さは油膜形成の向上に有効であるが、保持器の剛性などを考慮して最大の深さを個々の軸受の使用条件で決定することが望ましい。
【００２７】
【発明の効果】
この発明の玉軸受は、内輪と外輪の間に介在した複数のボールをリング状の保持器に設けられたポケット内に保持し、上記保持器が、各ポケット毎に一対の爪を対向して突設した樹脂製で冠形のものであり、上記ポケットの内面を球面状とした玉軸受において、上記保持器のポケットの内面に、保持器の内径面から外径面まで貫通する半径方向の溝を設け、この溝の溝底縦断面形状を球面状のポケット内面と同心の円弧状とし、この溝の横断面形状を円弧状としたため、ボールと軌道面間の潤滑膜の形成状態を良好にすることができて、軸受の潤滑寿命の長寿命化が実現できる。特に、上記玉軸受に負荷されるアキシアル荷重の大きさとラジアル内部隙間の大きさから、位置と大きさが決定される内外輪のボールと接して荷重を支持する接触面の全体を、上記溝の幅内に含ませたため、接触角が発生しても、上記溝により、ボールに付着したグリースを効果的に潤滑必要箇所に導くことができ、また保持器の爪によるボールの案内性が確保される。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施形様にかかる玉軸受の断面図である。
【図２】その保持器の一部にボールを保持した状態を示す外観斜視図である。
【図３】同玉軸受のＰＣＤ位置での軸方向に沿う部分断面図である。
【図４】同保持器を軸方向から見た玉中心位置での部分断面図である。
【図５】この発明の軸受の油膜形成を示した実験結果である。
【図６】この発明の軸受の潤滑寿命を示した実験結果である。
【図７】この発明の軸受の溝深さと油膜の関係を示した実験結果である。
【符号の説明】
１：保持器
２：ポケット
３：爪
４：径方向の溝
５：ボール
６：内輪
７：外輪
８：シール

Claims

内輪と外輪の間に介在した複数のボールをリング状の保持器に設けられたポケット内に保持し、上記保持器が、各ポケット毎に一対の爪を対向して突設した樹脂製で冠形のものであり、上記ポケットの内面を球面状とした玉軸受において、上記保持器のポケットの内面に、保持器の内径面から外径面まで貫通する半径方向の溝を設け、この溝の溝底縦断面形状を球面状のポケット内面と同心の円弧状とし、この溝の横断面形状を円弧状とし、上記玉軸受に負荷されるアキシアル荷重の大きさとラジアル内部隙間の大きさから、位置と大きさが決定される内外輪のボールと接して荷重を支持する接触面の全体を、上記溝の幅内に含ませた玉軸受。
上記保持器の溝の軸方向中心位置を、ボールの中心とした請求項１に記載の玉軸受。
グリ−スを封入してシールを組み込んだ請求項１または請求項２に記載の玉軸受。