JP4763033B2 - 合成樹脂製保持器およびアンギュラ玉軸受 - Google Patents

合成樹脂製保持器およびアンギュラ玉軸受 Download PDF

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Description

この発明は、高速回転に適した玉軸受用の合成樹脂製保持器およびアンギュラ玉軸受に関するものである。
工作機械の主軸のように、高速回転される回転軸を回転自在に支持する高速回転に適したアンギュラ玉軸受として特許文献１に記載されたものが従来から知られている。
図１５は、上記特許文献１に記載されたアンギュラ玉軸受を示す。このアンギュラ玉軸受は、外輪５０と内輪５１の間に合成樹脂製の保持器５２を組込み、その保持器５２の周方向に等間隔に形成された複数のポケット５３のそれぞれ内部にボール５４を収容し、そのボール５４によって外輪５０と内輪５１とを相対的に回転自在に支持している。
また、保持器５２に形成されたポケット５３を円筒形とし、その円筒形ポケット５３における円筒形内面５５の内径端にボール案内される円錐形案内面５６を設け、その円錐形案内面５６とボール５４との間に、周方向、軸方向および径方向に案内すきま５７を形成し、その案内すきま５７をボール５４とポケット５３の円筒形内面５５間に形成されるポケットすきま５８より小さくしている。
ここで、円錐形案内面５６の大径端の曲率半径ｒ１１は円筒形内面５５の曲率半径ｒ１２と同径とされている。
上記の構成から成る玉軸受においては、軸受の回転時、ボール５４は円錐形案内面５６と点接触し、その接触点まわりに潤滑剤を流入させることができるため、潤滑切れすることが少ないという特徴を有している。
また、保持器５２をボール案内する支持であるため、保持器５２の外周面および内周面は外輪５０および内輪５１に対して非接触の状態で回転することになり、摩擦音の発生がないという特徴も有している。
特開平７−４４３９号公報
ところで、図１５に示す従来のアンギュラ玉軸受においては、円錐形案内面５６とボール５４との接触によって保持器５２を支持する構成であるため、以下のような不都合がある。
すなわち、アンギュラ玉軸受が高速回転すると、自転しながら公転するボール５４は、図１６および図１７に示すように、円錐形案内面５６と点Ｂ１で接触する。このとき、ボール５４は図１５に示す自転軸ｂを中心に回転し、そのボール５４との接触によって保持器５２が軸方向に移動し、ボール５４との接触点Ｂ１は点Ｂ２に向けて移動しようとするが、点Ｂ２とその対向位置の点Ｂ２’間の距離は、点Ｂ１とその対向位置の点Ｂ１’間の距離より短いため、接触点は保持器５２の軸方向に移動しつつ円錐形案内面５６の大径端側にも移動して点Ｂ３の位置に移動することになる。
このように、アンギュラ玉軸受の高速回転時、ボール５２と円錐形案内面５６との接触点は点Ｂ１から点Ｂ３に移動し、保持器５２には径方向のスラスト力が誘起され、保持器５２に振れ回りが生じるという不都合がある。
上記のような保持器５２の振れ回りは、アンギュラ玉軸受の中心軸を縦向きとする縦軸姿勢で使用した場合に顕著である。
また、従来のアンギュラ玉軸受においては、外輪５０と保持器５２間に形成された外径側の潤滑剤充填空間５９と保持器５２と内輪５１間に形成された内径側の潤滑剤充填空間６０とが小さなポケットすきま５８および案内すきま５７で連通しているため、潤滑剤の流動性が悪く、潤滑剤の撹拌によって発熱し易いという不都合もある。
さらに、ボール５４と円錐形案内面５６とが曲率半径差の少ない曲面同士の接触であるため、自転するボール５４との接触によって潤滑剤が剪断される際の剪断力が大きく、軸受トルクも大きいという不都合もある。
この発明の課題は、高速回転時の振れ回りが少なく、軸受トルクの低減を図ることができる高速回転に適した合成樹脂製の保持器およびアンギュラ玉軸受を提供することである。
上記の課題を解決するために、この発明に係る合成樹脂製の保持器においては、合成樹脂から成る環状体にボールを収容する複数のポケットを形成した合成樹脂製保持器において、前記ポケットが円筒形とされ、そのポケットにおける円筒形内面の保持器周方向の前後で対向する位置の内径側端部に一対の円錐面を設け、その円錐面の小径端からポケット内方に向けて潤滑剤支持面を連設し、その潤滑剤支持面の内側にボール案内される直線状のボール案内縁を保持器の軸心に平行に設けた構成を採用したのである。
上記のように、保持器の軸心に平行する直線状のボール案内縁をボールで案内することにより、保持器が軸方向に移動しても、ボールとの接触点は単に保持器軸方向に移動するのみである。このため、保持器に径方向のスラスト力が発生せず、保持器の振れ回りを防止することができる。
また、ボールとボール案内縁との接触が点接触であるため、その接触部において潤滑剤が剪断される際の剪断力が小さく、軸受トルクを大幅に低減させることができる。
さらに、潤滑剤支持面で潤滑剤を保持することができるため、安定した潤滑性能を得ることができる。
また、保持器が軸方向に移動してポケットの保持器軸方向の円筒形内面がボールに接触した場合、その接触点はボールの自転軸近傍に位置するため、トルクむらが生じにくい。
この発明に係る合成樹脂製保持器において、ポケットの円筒形内面に、その円筒形内面を保持器周方向で対向する一対の円弧状内面と、保持器軸方向で対向する一対の円弧状内面とに４分割する径方向溝を設けると、保持器外径側に充填される潤滑剤と保持器内径側に充填される潤滑剤が４本の径方向溝で連通されるため、潤滑剤の流動性を向上させることができ、潤滑剤の撹拌による発熱を抑制することができる。
この発明に係るアンギュラ玉軸受においては、外輪と内輪との間に合成樹脂製の保持器を組込み、その保持器の周方向に間隔をおいて形成された複数のポケット内に外輪と内輪を相対的に回転自在に支持するボールを組込んだアンギュラ玉軸受において、前記ポケットが円筒形とされ、そのポケットにおける円筒形内面の保持器周方向の前後で対向する位置の内径側端部に一対の円錐面を設け、その円錐面の小径端からポケット内方に向けて潤滑剤支持面を連設し、その潤滑剤支持面の内側にボール案内される直線状のボール案内縁を保持器の軸心に平行に設けた構成を採用している。
この発明においては、上記のように、ポケットの円筒形内面における保持器周方向の前後で対向する位置の内径側端部に円錐面と、その円錐面の小径端にポケット内方に向く潤滑剤支持面と、その潤滑剤支持面の内側に保持器の軸心に平行する直線状のボール案内縁を設け、軸受の高速回転時に、直線状のボール案内縁をボールに接触させるようにしたので、保持器に径方向のスラスト力が発生するのを防止することができ、保持器の振れ回りを防止することができる。
また、潤滑剤支持面上において潤滑剤を保持することができるため、安定した潤滑性能を得ることができる。
以下、この発明の実施の形態を図１乃至図１４に基づいて説明する。図１乃至図６は、参考例としてのアンギュラ玉軸受を示す。図示のように、アンギュラ玉軸受は、外輪１と、その内側に設けられた内輪１１と、その両輪１、１１間に組込まれた保持器２１および保持器２１に保持されたボール３１とから成る。
保持器２１は、合成樹脂の成形品から成る。合成樹脂として、グラスファイバやカーボンファイバなどの充填材が添加されたポリアミド（ＰＡ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）やポリエーテルサルフォン（ＰＥＳ）が採用されている。
上記保持器２１は、環状体２２にボール３１を収容する複数のポケット２３を周方向に等間隔に形成した構成とされている。
ポケット２３は円筒形とされている。このポケット２３の円筒形内面２４には図３に示すように、径方向に貫通する４本の径方向溝２５が形成され、その径方向溝２５によってポケット２３の円筒形内面２４は、保持器周方向で対向する一対の円弧状内面２４ａと、保持器軸方向で対向する一対の円筒形内面２４ｂとに４分割されている。
図２に示すように、保持器周方向で対向する一対の円筒形内面２４ａのそれぞれ内径側端部にはボール案内される円錐形案内面２６が設けられている。
円錐形案内面２６の大径端における曲率半径ｒ１はポケット２３の円筒形内面における半径ｒ２より大径とされ、その円錐形案内面２６とボール３１との間に形成された案内すきま２７の大きさδはポケット２３の円筒形内面２４とボール３１との間に形成されたポケットすきま２８より小さくなっている。
ここで、円錐形内面２６の曲率半径が大きくなり過ぎると、保持器２１に強度的に必要な軸方向幅寸法を確保することができなくなる。このため、円錐形案内面２６の曲率半径ｒ１は、ポケット２３の円筒形内面２４の曲率半径の１１０％乃至１４０％程度が好ましい。
参考例としてのアンギュラ玉軸受は上記の構造から成り、図７は、そのアンギュラ玉軸受の使用の一例を示している。この例では、ハウジングＨ内に実施の形態で示す複数のアンギュラ玉軸受Ｘをその中心軸が同一となるよう上下方向に間隔をおいて取付け、その複数のアンギュラ玉軸受Ｘによって、モータＭにより回動される工作機械の主軸Ｓを回転自在に支持している。
上記のような使用状態において、主軸Ｓが高速回転すると、図１および図２に示すアンギュラ玉軸受のボール３１が自転しつつ公転する。
このとき、ボール３１と円錐形案内面２６との間に形成された案内すきま２７はボール３１とポケット２３の円筒形内面２４間に形成されたポケットすきま２８より小さいため、図４に示すように、ボール３１は円錐形案内面２６に接触する。
また、ボール３１は図１に示す自転軸ａを中心に自転し、そのボール３１との接触によって保持器２１が軸方向に移動する。
このため、ボール３１と円錐形案内面２６との接触点Ａ１は、円錐形案内面２６上で保持器軸方向に移動し乍ら径方向外側に移動する。すなわち、接触点は図６に示すように、点Ａ１から点Ａ２に向けて移動し、保持器２１には径方向および軸方向にスラスト力が誘起される。
このとき、円錐形案内面２６の大径端における曲率半径ｒ１はポケット２３における円筒形内面２４の曲率半径ｒ２より大きいため、上記両曲率半径を同じとする保持器（図１５に示す従来の保持器）に比較して、保持器２１の径方向変位が小さくなる。このため、保持器２１に負荷される径方向のスラスト力が軽減され、保持器２１の振れ回りが抑制されることになる。
また、円錐形案内面２６の大径端における曲率半径ｒ１を円筒形内面２４の曲率半径ｒ２より大きくしたことによって、ボール３１と円錐形案内面２６との曲率半径差はより大きくなり、その大きな曲率半径差によってボール３１の自転によって潤滑剤が剪断される際の剪断力が小さくなり、軸受トルクの低減を図ることができる。
さらに、ポケット２３の円筒形内面２４に４本の径方向溝２５を設けることによって、保持器２１の外径側に形成される潤滑剤の充填空間２９ａと内径側に形成される潤滑剤の充填空間２９ｂとが径方向溝２５で連通することになり、外径側充填空間２９ａと内径側充填空間２９ｂの相互間においてグリース等の潤滑剤の流動性を高めることができ、潤滑剤の撹拌による発熱を低減し、アンギュラ玉軸受の温度上昇を抑制することができる。
因みに、下記に示す寸法のボール３１および参考例品の保持器２１を外輪１および内輪１１間に組込んだアンギュラ玉軸受（参考例品）をグリース潤滑して外輪１の温度を測定したところ、図８に示す測定結果を得た。その比較として、図１５に示す従来の保持器５２を組込んだアンギュラ玉軸受（比較品）の外輪温度の測定結果を同時に掲載する。
記
ボール３１の外径Ｄ１＝８．７３１３ｍｍ
保持器２１の外径Ｄ２＝６７．７ｍｍ
保持器２１の内径Ｄ３＝６２ｍｍ
ポケット２３の内径ｄ１＝９．０ｍｍ
円錐形内面２６の曲率半径ｒ１＝６．５ｍｍ
径方向溝２５の曲率半径ｒ２＝０．８ｍｍ
なお、比較品のアンギュラ玉軸受における円錐形案内面５６における大径端の半径は４．５ｍｍであり、保持器５２の外径および内径は参考例品の保持器２１と同一である。
また、温度測定に際し、アンギュラ玉軸受に２ｋｇｆの予圧を負荷した。
上記の測定結果から明らかなように、参考例品のアンギュラ玉軸受では温度上昇が抑制されているのが理解できる。
ここで、円錐形案内面２６の大径端における曲率半径ｒ１がポケット２３の円筒形内面２４の曲率半径と同径であると、保持器２１の成形時に収縮バラツキが起きた場合に、ボール３１との接触点が軸方向にばらつく危険がある。その接触点のバラツキは、保持器案内時に軸方向にスラスト力を誘起し、保持器２１の振れ回りの原因となる。
しかしながら、参考例の保持器２１においては、円錐形案内面２６の曲率半径ｒ１がポケット２３の円筒形内面２４の曲率半径ｒ２より大きいため、保持器２１成形時の収縮バラツキによるボール３１との接触点の軸方向バラツキが抑制され、上記ボール３１によって円錐形案内面２６の保持器軸方向の中央部分が安定よく接触案内され、軸方向のスラスト力が誘起されるのを防止することができる。
図９乃至図１３は、この発明に係るアンギュラ玉軸受の実施の形態を示す。この実施の形態では、ポケット２３における円筒形内面２４の保持器周方向で対向する一対の円弧状内面２４ａの内径側端部に円錐面４０を設け、その円錐面４０の小径端からポケット２３の内方に向く潤滑剤支持面４１を連設し、その潤滑剤支持面４１の内側に、保持器２１の軸心に平行してボール３１に案内される直線状のボール案内縁４２を形成した点において参考例で示すアンギュラ玉軸受と相違している。
このため、参考例で示すアンギュラ玉軸受と同一の部分には同一の符号を付して説明を省略する。
上記の構成から成るアンギュラ玉軸受において、その軸受が高速回転されると、図１２に示すように、ボール案内縁４２がボール３１と接触する。このとき、ボール案内縁４２は保持器２１の軸心に平行する直線状であるため、保持器２１が軸方向に移動してもボール３１との接触点は単に保持器軸方向に移動するのみである。このため、保持器２１に径方向のスラスト力が発生せず、保持器２１の振れ回りを防止することができると共に、ボール３１の自転によって潤滑剤が剪断される際の剪断力が小さく、軸受トルクを大幅に低減化することができる。
また、ボール３１と接触するボール案内縁４２が直線であるため、射出成形時に必要な精度が得易く、精度の高い保持器２１を得ることができる。
さらに、潤滑剤支持面４１上において潤滑剤を保持することができるため、安定した潤滑性能を得ることができる。
その他、ポケット２３の円筒形内面２４に４本の径方向溝２５を形成しているため、参考例で示すアンギュラ玉軸受と同様に、軸受の温度上昇を抑制することができる。
因みに、図９乃至図１３に示す実施の形態のアンギュラ玉軸受（本発明品）の起動トルクを測定したところ、図１４（Ｉ）に示す測定結果を得た。その比較として、図１５乃至図１７に示すアンギュラ玉軸受（比較品）の起動トルクを測定した測定結果を図１４（ＩＩ）に示す。
ここで、測定に際し、本発明品では、軸受外径２６ｍｍ、軸受内径１０ｍｍ、軸受幅８ｍｍ、保持器外径１９．３ｍｍ、保持器内径１５．７ｍｍ、幅７．２ｍｍから成るアンギュラ玉軸受を採用した。また、比較品としてのアンギュラ玉軸受も上記ほぼ同様のサイズから成るアンギュラ玉軸受を採用した。
また、試験条件として、各アンギュラ玉軸受の中心軸を縦向きとし、軸方向荷重２ｋｇｆ、回転数４ｒｐｍとした。
上記の試験結果から明らかなように、実施の形態で示すアンギュラ玉軸受においては、起動トルク値にピークがなく、スムーズに回転していることが理解できる。
参考例としてのアンギュラ玉軸受を示す断面図 図１の縦断側面図 図１に示す保持器の平面図 アンギュラ玉軸受の高速回転時の状態を示す断面図 図４のＶ−Ｖ線に沿った断面図 保持器の一部分を示す斜視図 図１に示すアンギュラ玉軸受の使用の一例を示す断面図 アンギュラ玉軸受の高速回転時の外輪温度の測定結果を示すグラフ この発明に係るアンギュラ玉軸受の実施の形態を示す断面図 図９の縦断側面図 図９に示す保持器の平面図 アンギュラ玉軸受の高速回転時の状態を示す断面図 保持器の一部分を示す斜視図 （Ｉ）は本発明品のアンギュラ玉軸受の起動トルクの測定結果を示すグラフ、（II）は比較品のアンギュラ玉軸受の起動トルクの測定結果を示すグラフ 従来のアンギュラ玉軸受を示す断面図 ボールと保持器に形成されたポケットの接触状態を示す断面図 保持器の一部分を示す斜視図
符号の説明
１ 外輪
１１ 内輪
２１ 保持器
２２ 環状体
２３ ポケット
２４ 円筒形内面
２４ａ、２４ｂ 円弧状内面
２５ 径方向溝
４０ 円錐面
４１ 潤滑剤支持面
４２ ボール案内縁

Claims (4)

  1. 合成樹脂から成る環状体にボールを収容する複数のポケットを形成した合成樹脂製保持器において、前記ポケットが円筒形とされ、そのポケットにおける円筒形内面の保持器周方向の前後で対向する位置の内径側端部に一対の円錐面を設け、その円錐面の小径端からポケット内方に向けて潤滑剤支持面を連設し、その潤滑剤支持面の内側にボール案内される直線状のボール案内縁を保持器の軸心に平行に設けたことを特徴とする合成樹脂製保持器。
  2. 前記ポケットの円筒形内面に、その円筒形内面を保持器周方向で対向する一対の円弧状内面と、保持器軸方向で対向する一対の円弧状内面とに４分割する４本の径方向溝を設け、保持器周方向で対向する一対の円弧状内面の内径側端部に円錐面を設けた請求項１に記載の合成樹脂製保持器。
  3. 外輪と内輪との間に合成樹脂製の保持器を組込み、その保持器の周方向に間隔をおいて形成された複数のポケット内に外輪と内輪を相対的に回転自在に支持するボールを組込んだアンギュラ玉軸受において、前記ポケットが円筒形とされ、そのポケットにおける円筒形内面の保持器周方向の前後で対向する位置の内径側端部に一対の円錐面を設け、その円錐面の小径端からポケット内方に向けて潤滑剤支持面を連設し、その潤滑剤支持面の内側にボール案内される直線状のボール案内縁を保持器の軸心に平行に設けたことを特徴とするアンギュラ玉軸受。
  4. 前記ポケットの円筒形内面に、その円筒形内面を保持器周方向で対向する一対の円弧状内面と、保持器軸方向で対向する一対の円弧状内面とに４分割する４本の径方向溝を設け、保持器周方向で対向する一対の円弧状内面の内径側端部に円錐面を設けた請求項３に記載のアンギュラ玉軸受。
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