JP4793482B2 - 合成樹脂製の軸受用保持器、その製造方法および転がり軸受 - Google Patents

合成樹脂製の軸受用保持器、その製造方法および転がり軸受 Download PDF

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Description

本発明は、合成樹脂製の軸受用保持器に関し、特に、高温下において高速回転で使用される転がり軸受に好適に用いられる軸受用保持器、その製造方法および転がり軸受に関するものである。
従来から、高温下において高速回転で使用される軸受、例えば工作機械主軸支持用の軸受や、過給機、発電機などのガスタービンの主軸支持用の軸受に備える保持器は、黄銅や航空機用特殊金属（ＡＭＳ規格４６１６、ＡＭＳ規格６４１４）などで形成されている。
こうした保持器の材料を前述した金属材とする場合、軽量化に限界がある。この軽量化を考慮して、保持器を例えば綿布にフェノール樹脂を含浸させた材料とか、あるいは熱硬化性のポリイミド樹脂などの材料で形成した合成樹脂製の保持器が知られている。
しかしながら、前者のフェノール樹脂を材料とする場合、そのフェノール樹脂が熱硬化性を有するために成形金型を用いた射出による成形ができないこと、ポケットを別加工で形成する必要があることなどの理由で、製作に手間がかかる結果、量産が困難でかつ製作コストが高くつくものとなっていた。
一方、後者の熱硬化性のポリイミド樹脂を用いた保持器の場合、やはり旋削により製作する必要があるために製作コストが高くつくものとなっていた。
特開平８−２１４５０号公報
したがって、本発明の課題は、高温下において高速回転での使用に適したものとしつつ、かつ、製作コストの低減を可能とした合成樹脂製の軸受用保持器を提供することである。
本発明の他の課題は、成形金型を用いた射出による成形を可能とし、ポケットを別加工で形成することを不要とすることにより、製作に手間がかからず、旋削で製作する必要のない合成樹脂製の軸受用保持器を提供することである。
本発明のさらに他の課題は、安価なコストで上述した合成樹脂製の軸受用保持器を製造することのできる方法を提供することである。
本発明のさらに他の課題は、上述した合成樹脂製の軸受用保持器を備え、高温、高速回転用に適した転がり軸受を提供することである。
本発明の合成樹脂製の軸受用保持器は、少なくとも熱可塑性樹脂にポリベンゾイミダゾール（ＰＢＩ）からなる粒子が混合されている材料を用いて形成され、前記熱可塑性樹脂が、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）とされていることを特徴とする合成樹脂製でありもみ抜き形の軸受用保持器である。
本発明の合成樹脂製の軸受用保持器は、好ましくは、前記材料にさらに強化繊維が混合された材料を用いることによりその形成を射出成形で行うことが可能とされている。
熱可塑性樹脂は、射出成形できるものの、使用可能な上限温度が比較的低い。耐熱性樹脂は、使用可能な上限温度が比較的高いものの、射出成形が不可能であるから製造コストが高くつく旋削加工とせざるを得ない。
このような状況を考慮して本発明の保持器は、材料に熱可塑性樹脂を含むから、耐熱性樹脂であるポリべンゾイミダゾール（ＰＢＩ）を含んでいても射出成形によって形成することが可能である一方、耐熱性樹脂であるポリべンゾイミダゾール（ＰＢＩ）を含むから、高温での使用に耐えられる。
この場合、その材料にさらに強化繊維を混合すると、強度や耐熱性がさらに向上された保持器にすることができる。
本発明の第１の実施形態の軸受用保持器の斜視図。 図１の保持器の成形金型を示す縦断面図。 図２の（３）−（３）線断面の矢視図。 図１の保持器を備える転がり軸受の上半分の縦断面図。 図１の保持器を備える他の形態の転がり軸受の上半分の縦断面図。 本発明の第２の実施形態の軸受用保持器の斜視図。 本発明の第３の実施形態の軸受用保持器の斜視図。 本発明の第４の実施形態の軸受用保持器の斜視図。 図８の保持器を備える転がり軸受の上半分の縦断面図。 本発明の第５の実施形態の軸受用保持器の斜視図。 本発明の第６の実施形態の軸受用保持器の斜視図。 図４の転がり軸受の使用対象となる過給機の要部の縦断面図。
以下、本発明の詳細を図１ないし図１２に示す実施形態に基づいて説明する。
図１ないし図４は本発明の一実施形態にかかり、図１は、合成樹脂製の軸受用保持器の斜視図、図２は、図１の保持器の成形金型を示す縦断面図、図３は、図２の（３）−（３）線断面の矢視図、図４は、図１の保持器を用いた転がり軸受の上半分の縦断面図である。
まず、本発明の保持器の使用対象とする軸受として転がり軸受の構成を説明する。図４において、転がり軸受Ａは、内輪１、外輪２、複数の玉からなる転動体３および保持器４を備える。転がり軸受Ａは、保持器４を外輪２の内周面により案内する外輪案内形式になったアンギュラ玉軸受である。
内輪１の外周面において一方側の肩部と外輪２の内周面の他方側の肩部それぞれには、カウンタボア５，９が設けられる。カウンタボア５，９は、内輪１の軌道溝に転動体３の引っ掛かり代を残す状態にテーパ状に面取りされている。外輪２は、内周面の軸方向中央に軌道溝を有する。なお、図５に示すように、内輪１だけにカウンタボア５を設けてもよい。
保持器４は、合成樹脂製であり、図１に示すように、いわゆるもみ抜き形と呼ばれ、その円周等配の数カ所に径方向に貫通されたポケット６・‥と、外周面の軸方向中央部分には周溝７とを有する。保持器４は、図２および図３に示すような複数の成形金型ＤｌないしＤ４を用いて射出成形される。この成形後に成形金型Ｄ４・・・を放射方向に抜くときに、成形金型Ｄ４・・・それぞれの合わせ面によって筋状ばり８（パーティングライン）が形成されることになる。この筋状ばり８は、保持器４の案内面に位置すると外輪２内周面の潤滑油をかきとるように作用するので、それを防止するため、図１に示すように、筋状ばり８を保持器４の周溝７の底面においてポケット６間の領域に形成する。
保持器４は、熱可塑性樹脂に耐熱性樹脂からなる粒子を混合した材料、あるいは熱可塑性樹脂に耐熱性樹脂からなる粒子および強化繊維を混合した材料を用いて射出成形される。
以下に、前記材料について説明する。まず、熱可塑性樹脂としては、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）である。なお、参考例の熱可塑性樹脂としては、ポリエーテルケトン（ＰＥＫ）、ポリエーテルサルフォン（ＰＥＳ）、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）、ポリアミドイミド（ＰＡＩ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリアリルエーテルニトリル（ＰＥＮ）、熱可塑性ポリイミド樹脂（ＴＰＩ）のうちから少なくともいずれか１種が選択される。
耐熱性樹脂としては、ポリべンゾイミダゾール（ＰＢＩ）が挙げられる。
強化繊維としては、カーボン繊維、ガラス繊維、ポロン繊維、アラミド繊維、ウィスカーの他、無機系材料（酸化けい素、炭化けい素、窒化けい素、アルミナなど）あるいは有機系材料（ポリエチレン、ポリアリレートなど）により繊維状に形成されるものなどが挙げられる。
具体的には、熱可塑性樹脂としてポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）を、耐熱性樹脂としてポリベンゾイミダゾール（ＰＢＩ）を、強化繊維としてカーボン繊維を選択し、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）を３５ｗｔ％（±２％）、ポリべンゾイミダゾール（ＰＢＩ）を３５ｗｔ％、カーボン繊維を３０ｗｔ％の配分にしたものを用いることができる。なお、ポリべンゾイミダゾール（ＰＢＩ）としては、米国ヘキスト・セラニーズコーポレーション製の商品名セラゾールＴＦ−６０Ｃを用いることができる。このセラゾールＴＦ−６０Ｃの特性について下表１に示す。
Figure 0004793482
以上、保持器４を高温、高速回転での使用に耐え得るようにし、同時に、製造コストの低減を図るために、上述したような素材を組み合わせる。参考として、上述の保持器４であれば、例えば摂氏２００〜２５０℃にて連続使用が可能となり、また、短時間であれば３００℃でも使用が可能となる。
ところで、上記転がり軸受Ａを高温、高速回転での使用を前提に考えると、内輪１、外輪２および転動体３についても、高炭素クロム軸受鋼（ＪＩＳ親格ＳＵＪ２など）の他、下記するような耐熱材料あるいはセラミックスで形成するのが好ましい。
耐熱材料としては、マルテンサイト系ステンレス鋼（ＪＩＳ規格ＳＵＳ４４０Ｃ，ＳＵＳ４２０Ｃなど）、耐熱・耐食合金（ＡＩＳＩ規格Ｍ−５０、ＪＩＳ規格高速度工具鋼ＳＫＨ４など）、特開平３−２５３５４２号公報などに示される耐熱軸受用鋼などの金属が挙げられ、必要に応じて適当な硬化処理（焼入れ、焼戻しなど）が施される。前述の耐熱軸受用鋼は、具体的に、Ｃ（０．８ｗｔ％以上、１．５ｗｔ％以下）、Ｓｉ（０．５ｗｔ％以上、２．Ｏｗｔ％以下）、Ｍｎ（０．３ｗｔ％以上、２．Ｏｗｔ％以下）、Ｃｒ（１．３ｗｔ％以上、２．１ｗｔ％以下）、Ｍｏ（０．３ｗｔ％以上、１．Ｏｗｔ％以下）を有し、ＳｉとＭｏの合計が１．Ｏｗｔ％以上を満足する範囲で含有し、残部は鉄および不可避不純物の組成になるものである。
セラミックスとしては、窒化けい素（Ｓｉ3Ｎ4）を主体とし、それに焼結助剤として、イットリア（Ｙ2０3）およびアルミナ（Ａｌ2０3）、その他、適宜、窒化アルミ(ＡＩＮ)、酸化チタン(ＴｉＯ2)を混合したものや、アルミナ（Ａｌ2０3）や炭化けい素（ＳｉＣ）、ジルコニア(ＺｒＯ2)、窒化アルミ(ＡＩＮ)などを用いたものが挙げられる。
なお、本発明は上述した実施形態のみに限定されるものではなく、種々な応用や変形が考えられる。
例えば、上記実施形態では、転がり軸受Ａをアンギュラ玉軸受とした例を挙げているが、軸受形式は特に限定されない。例えば深溝型玉軸受などの玉軸受の他に、円筒ころ軸受、針状ころ軸受、円錐ころ軸受、球面ころ軸受などでもよい。これらの軸受形式に応じて、保持器４の形状としては、図６や図７に示すようないわゆる冠形とすることができる。
さらに、本発明の実施形態としては、図８、図９に示すようなものとすることができる。すなわち、図８の転がり軸受においては、内輪１１の外周面と外輪１２の内周面とには、それぞれ軌道溝１５，１６が軸方向中央から偏った位置に設けられている。内輪１１の外周面において幅広側の肩部と外輪１２の内周面の幅狭側の肩部とには、それぞれカウンタボア（肩おとし）１７，１８が設けられている。このカウンタポア１７，１８は、内・外輪１１，１２の軌道溝１５．１６に玉１３の引っ掛かり代を残す状態にテーパ状に面取りされることで形成されている。
また、図９に示すように、冠形保持器４０は、環状本体部４１と、環状本体部４１の円周数カ所から軸方向一側へ突出する突片４２と、周方向で隣り合う各突片４２間に設けられる玉収容用のポケット４３とを備えている。環状本体部４１は、外輪１２の幅広側の肩部で案内されるようになっている。突片４２の自由端側の外径面は、回転遠心力でもって径方向外向きに撓んでも、外輪１２に対して接触しないようにするために、自由端へ向けて斜降するテーパ状に形成されており、また、各突片４２の自由端側の周方向偏Ｗは、玉１３が抜け落ちない玉１３の直径よりも若干小さく設定され、さらに玉１３をポケット４３に入れやすくするために、先端部にＣ（カット）面取りまたは角度面取りが形成されている。さらに、ポケット４３の内面は、径方向に沿ってストレートに形成されている。
なお、冠形保持器４０の強度を考慮して、肉厚や軸方向幅が設定される。このような冠形保持器４０を内・外輪１１，１２の軸方向幅内に収めるために、内・外輪１１，１２の軌道溝１５，１６の形成位置を偏らせている。
また、保持器４０の形態としては、図９に示したものの他に、図１０、図１１に示すように、冠形保持器５０，６０の複数の突片５２，６２の径方向の厚さと環状本体部５１，６１の径方向の厚さよりも薄くしたものとしてもよい。このようにすると、各突片５２，６２が軽量化され、回転遠心力の影響を受けにくくなるため、回転遠心力によって各突片５２，６２が外側へ変形し、ポケット５３，６３の内周面と玉が干渉して転がり軸受の回転性能に悪影響を与えるといったことが防止できる。
ところで、上述した実施形態の転がり軸受Ａは、例えば自動車エンジンの過給機あるいはガスタービンの他、工作機械などに用いることができる。具体的に、上記転がり軸受Ａを用いた過給機を図１２に示す。図中、２０はハウジング、２１はタービン軸である。タービン軸２１の一端にはタービン羽根車２２が、タービン軸２１の他端にはコンプレッサ羽根車２３がそれぞれ取り付けられている。このタービン軸２１は、ハウジング２０の貫通孔２４に対して、図４に示す二つの転がり軸受Ａ，Ａおよびスリーブ２５を介して回転自在に支持されている。
前述の過給機において、二つの転がり軸受Ａの組み込み形態を説明する。内輪１，１は、タービン軸２１に対してタービン軸２１の段部２６および間座２７を介して軸方向に位置決めされた状態で中間嵌めにて外嵌されており、外輪２，２は、スリーブ２５の内周面段部に対してすきま嵌めにて嵌合されているとともに、軸方向に間座を介在させている。そして、両側の外輪２，２においてカウンタボア９，９の存在する側の肩部が、それぞれタービン羽根車２２、コンプレッサ羽根車２３の側に配置される。つまり、転がり軸受Ａが図４に示す状態で図１２のコンプレッサ羽根車２３の側に配置され、タービン羽根車２２の側では転がり軸受Ａが図４に示す状態を左右反対にした状態で配置される。これらの外輪２，２は、コイルバネ２８によって間座を介して軸方向で互いに引き離される向きに弾発付勢されている。
このような形態により、二つの転がり軸受Ａ，Ａが定圧予定を付与された状態になっており、これによりラジアル隙間を有する転がり軸受Ａ，Ａの転動体３が内・外輪１，２に対して斜接するように設定されている。このときの転動体３の接触角は、例えば１５°±５°となるようにラジアル隙間が管理されている。
スリーブ２５は、ハウジング２０の貫通孔２４に対して所要の隙間を介して嵌入されるような外径寸法に設定されている。さらにスリーブ２５の外周面の軸方向数箇所には、前述の隙間を可及的に大きく設定するために、周溝２９が形成されている。この隙間には、ハウジング２０に設けられる通路３０を介して潤滑油が供給されるようになっており、この隙間の潤滑油はタービン軸２１の振動を減衰するダンパとして機能するようになっている。
なお、この隙間に供給される潤滑油は、スリーブ２５および間座に設けてある小孔３１から二つの転がり軸受Ａ，Ａへ向けて噴射されるようになっている。この小孔３１から供給される潤滑油は、二つの転がり軸受Ａ，Ａの内輪１，１のカウンタボア５，５により受け入れられてから、軸受内部を通過して転がり軸受Ａ，Ａの潤滑と冷却とを行うようになっている。
このような過給機では、タービン軸２１が１０万ｒｐｍ以上の高速回転となり、連続使用で２００〜３００℃と高温になり、二つの転がり軸受Ａ，Ａにとっては苛酷な条件となるが、この転がり軸受Ａ，Ａは、各構成要素の素材を特別に選定しているから、優れた耐焼付性および、タービン軸２１の優れた回転安定性を発揮させることができるようになる。
なお、上記過給機において、タービン側のはうがコンプレッサ側よりも高温となるので、過給機のコンプレッサ側の転がり軸受を上記実施形態で説明した構成とし、タービン側の転がり軸受については、上記実施形態で説明した保持器４よりもさらに耐熱性に優れた旋削品からなる保持器を用いる構成にすれば、過給機の耐久性をより優れたものとすることができる。
Ａ 転がり軸受
１ 内輪
２ 外輪
３ 転動体（玉）
４ 保持器
D１〜D４ 成形金型

Claims (9)

  1. 少なくとも熱可塑性樹脂にポリベンゾイミダゾール（ＰＢＩ）からなる粒子が混合されている材料を用いて形成され、
    前記熱可塑性樹脂が、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）とされていることを特徴とする合成樹脂製でありもみ抜き形の軸受用保持器。
  2. 前記材料にさらに強化繊維が混合されて形成されていることを特徴とする請求項１に記載の合成樹脂製でありもみ抜き形の軸受用保持器。
  3. 前記形成が射出成形により行われていることを特徴とする請求項１または２に記載の合成樹脂製でありもみ抜き形の軸受用保持器。
  4. 合成樹脂を軸受用保持器の材料としかつ成形金型を用いて射出成形によりもみ抜き形である前記保持器を製造する方法において、
    前記材料として少なくとも熱可塑性樹脂にポリベンゾイミダゾール（ＰＢＩ）からなる粒子が混合され、
    前記熱可塑性樹脂が、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）を用いることを特徴とする軸受用保持器の製造方法。
  5. 内輪と、外輪と、前記内輪と外輪との間に配置される複数の転動体と、前記転動体を前記内輪と外輪との間に保持する保持器とを備え、前記保持器が、請求項１ないし４のいずれか一つに記載の合成樹脂製でありもみ抜き形の軸受用保持器のことを特徴とする転がり軸受。
  6. 過給機に使用される請求項５に記載の転がり軸受。
  7. ガスタービンの主軸支持に使用される請求項５に記載の転がり軸受。
  8. 工作機械の主軸支持に使用される請求項５に記載の転がり軸受。
  9. ２００〜２５０℃の高温下で使用される請求項５ないし８のいずれか一つに記載の転がり軸受。
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