JP5332744B2 - 転がり軸受 - Google Patents

Description

本発明は、冠形の保持器を有する転がり軸受に関する。

図９は、一般的な冠形の保持器を使用した転がり軸受の断面図である。この保持器１１４は、円環状の主部１１９と、この主部１１９の軸方向一方（左側）の側面から同方向に突出する柱部１２０を備え、周方向に隣接する柱部１２０の間に転動体１１７を収容するための収容空間（ポケット）１２１を形成している。このポケット１２１は保持器１１４の軸方向一方側（主部１１９とは反対側）で開放しており、保持器１１４は、転がり軸受１１０の軸方向中央を基準にして左右非対称の形状となっている。
また、下記特許文献１には、冠形保持器の内周面や外周面に周方向に延びる多数の細溝を形成することにより、周囲の潤滑剤の流れを整流して流体抵抗を低減する技術が開示されている。

２００３−２３２３６２号公報

図９に示すように、冠形の保持器１１４を有する転がり軸受１１０を油浴潤滑下で使用すると、保持器１１４が回転することによって柱部１２０がファンのように作用し、矢印ａで示すように内外輪１１２，１１１と主部１１９との間を通って軸受内部に潤滑油が引き込まれる。転がり軸受１１０内に吸引された潤滑油は矢印ｂのように転がり軸受１１０内で柱部１２０によって撹拌され、その後排出されるため、その撹拌抵抗により軸受トルクの損失が大きくなるという問題がある。また、特許文献１の技術では、保持器の内外周面と内外輪との間の潤滑油の周方向の流れを円滑にすることができるものの、転がり軸受内への潤滑油の引き込みを抑制することはできない。
本発明は、このような実情に鑑み、転がり軸受内への潤滑油の引き込みを抑制し、転がり軸受内における潤滑油の撹拌抵抗を低減することができる転がり軸受を提供することを目的とする。

本発明は、外側軌道輪と、内側軌道輪と、前記外側軌道輪及び前記内側軌道輪の間に転動可能に設けられた複数の転動体と、この複数の転動体の間隔を保持するとともに、前記外側軌道輪、前記内側軌道輪、又は前記転動体によって回転が案内される冠形の保持器と、を備えている転がり軸受であって、前記保持器が、円環状の主部と、この主部の軸方向一方側の側面から同方向に突出するとともに前記転動体を収容するためのポケットを互いの間に形成している周方向に複数の柱部とを備え、前記保持器を案内していない前記外側軌道輪及び前記内側軌道輪の一方又は双方と、前記主部との間に、潤滑油の流通を制限するシール隙間が形成されており、前記主部の軸方向他方側の側面が、少なくとも径方向外側部分において径方向外方に向かうに従って漸次前記軸方向他方側に位置するように傾斜する傾斜面に形成されていることを特徴としている。

この構成によれば、例えば、外側軌道輪が保持器を案内する軌道輪（案内軌道輪）である場合には、保持器を案内しない軌道輪（非案内軌道輪）である内側軌道輪と保持器の主部との間にシール隙間が形成され、内側軌道輪が案内軌道輪である場合には、非案内軌道輪である外側軌道輪と主部との間にシール隙間が形成される。また、保持器が転動体によって案内される場合には、外側軌道輪及び内側軌道輪の双方が非案内軌道輪となり、これら非案内軌道輪と主部との間にシール隙間が形成される。このシール隙間によって、主部と非案内軌道輪との間の潤滑油の流通が制限され、転がり軸受内に潤滑油が引き込まれるのを抑制することができる。
一方、外側軌道輪又は内側軌道輪が案内軌道輪である場合には、当該案内軌道輪と保持器との間には僅かな案内隙間が形成されるのみであり、当該案内隙間によって潤滑油の流通が制限されるため、当該案内隙間から転がり軸受内への潤滑油の引き込みが抑制される。

また、主部の軸方向他方側の側面付近に存在する潤滑油は、保持器の回転に伴う遠心力によって径方向外方へ流れながら、当該側面の傾斜によって主部から離反する方向に導かれる（図１の矢印Ａ参照）。したがって、主部と外側軌道輪との間から転がり軸受内部に潤滑油が引き込まれるのを抑制することができる。

また、この発明の場合、前記外側軌道輪の前記軸方向他方側の端部における内周面が、前記軸方向一方側から前記軸方向他方側に向かうに従って漸次径方向外側に位置するように傾斜する傾斜面に形成されていることが好ましい。これによって、主部の軸方向他方側の側面から径方向外方に流れる潤滑油をさらに外輪の傾斜面によって軸方向他方側へ導くことが可能となり、転がり軸受内へ潤滑油が引き込まれるのをより抑制することができる。

上記の各構成において、前記柱部の内周面は、前記軸方向他方側から前記軸方向一方側へ向かうに従って漸次径方向外側に位置するように傾斜する傾斜面に形成されていることが推奨される。この柱部の内周面の傾斜によって転がり軸受内に入り込んだ潤滑油を積極的に軸方向一方側へ導き、転がり軸受外へ排出することができる。

上記の各構成において、前記外側軌道輪及び前記内側軌道輪の一方の軌道輪が、前記保持器を案内していることが好ましい。この場合、案内軌道輪と保持器との間には僅かな案内隙間が形成されるのみであるため、当該案内隙間によって潤滑油の流通が制限され、当該案内隙間から転がり軸受内へ潤滑油が引き込まれるのを抑制することができる。
特に、外側軌道輪が保持器を案内していることが好ましく、これによって、内輪軌道輪が保持器を案内する場合に比べて転がり軸受内への潤滑油の引き込みをより抑制することができる。

本発明によれば、転がり軸受内への潤滑油が引き込まれるのを抑制し、転がり軸受内における潤滑油の撹拌抵抗を低減することができる。

本発明の第１の実施の形態に係る転がり軸受の断面図である。 図１に示される転がり軸受に使用される保持器を示す斜視図である。 本発明の第２の実施の形態に係る転がり軸受の断面図である。 本発明の第３の実施の形態に係る転がり軸受の断面図である。 本発明の第４の実施の形態に係る転がり軸受の断面図である。 本発明の第５の実施の形態に係る転がり軸受の断面図である。 本発明の第６の実施の形態に係る転がり軸受の断面図である。 本発明の第７の実施の形態に係る転がり軸受の断面図である。 従来技術に係る転がり軸受の断面図である。 保持器の案内方式を内輪案内および外輪案内とした場合の転がり軸受の回転速度と潤滑油の貫通油量との関係をそれぞれ示すグラフである。 保持器の背面角度を変化させた場合の転がり軸受の回転速度と潤滑油の貫通油量との関係を示すグラフである。 案内隙間を変化させた場合の転がり軸受の回転速度と潤滑油の貫通油量との関係を示すグラフである。 実施例および従来例の転がり軸受における、転がり軸受の回転速度と潤滑油の貫通油量との関係をそれぞれ示すグラフである。 実施例と従来例との双方について、転がり軸受の回転速度と軸受トルクとの関係をそれぞれ示すグラフである。

図１は、本発明の第１の実施の形態に係る転がり軸受の断面図であり、図２は、この転がり軸受に使用される保持器を示す斜視図である。転がり軸受１０は、外輪（外側軌道輪）１１、内輪（内側軌道輪）１２、転動体１７、及び保持器１４を備えている。外輪１１と内輪１２とは互いに径方向に対向するように配置され、外輪１１の内周面には凹曲面状の外輪軌道面１５が、内輪１２の外周面には凹曲面状の内輪軌道面１６がそれぞれ形成されている。外輪軌道面１５と内輪軌道面１６との間には、転動体としての複数の玉１７が転動可能に配置されている。外輪１１、内輪１２、及び玉１７は、例えば軸受鋼等の金属によって形成され、保持器１４は、例えば合成樹脂又は金属によって形成されている。

保持器１４は、円環状の主部１９と、この主部１９の軸方向一方（左側）の側面から同方向（左方向）に突出する複数の柱部２０とを備えている。複数の柱部２０は周方向に間隔をあけて設けられ、隣接する柱部２０の間には、玉１７を収容するためのポケット（収容空間）２１が形成されている。ポケット２１は、玉１７の半周以上の範囲を包囲するように形成されている。

保持器１４は、いわゆる内輪案内式とされており、内輪１２の外周面には保持器１４を案内する案内面２３が形成され、保持器１４の主部１９の内周面には被案内面２４が形成され、案内面２３と被案内面２４との間には微小な案内隙間Ｓ１が形成されている。保持器１４は、被案内面２４と案内面２３とが潤滑油を介して接触することによって内輪１２によって案内され、円滑に回転することが可能なように構成されている。この案内隙間Ｓ１の寸法は、例えば約０．１５ｍｍ（半径値）に設定される。

保持器１４の主部１９の外周面と、外輪１１の内周面との間にはシール隙間Ｓ２が形成されている。このシール隙間Ｓ２は、案内隙間Ｓ１よりも大きいが、主部１９の外周面と外輪１１の内周面との間の潤滑油の流通を制限することが可能な隙間であり、例えば約０．４ｍｍ（半径値）に設定される。
保持器１４の主部１９の軸方向他方側（右側）の側面は、径方向外方に向かうに従って漸次右側へ位置するように傾斜する傾斜面２６に形成されている。この傾斜面２６によって、主部１９の径方向外端部の軸方向寸法（肉厚）が、径方向内端部の軸方向寸法よりも大きくなっている。また、柱部２０の内周面は、右側から左側に向かうに従って漸次径方向外側に位置するように傾斜する傾斜面２７に形成されている。

外輪１１の内周面の右端部は、左側から右側に向かうに従って漸次径方向外側に位置するように傾斜する傾斜面２８に形成されており、この傾斜面２８の左端部と、主部１９の傾斜面２６の径方向外端部とは、軸方向の位置が略一致している。したがって、主部１９の右側面の傾斜面２６と、外輪１１の内周面の傾斜面２８とは概ね連続している。

以上のような構成の転がり軸受１０を油浴潤滑下で使用する場合について説明する。外輪１１を固定輪とし内輪１２を回転輪として使用する場合に、内輪１２とともに保持器１４が回転すると、柱部２０がファンのように作用して内輪１２及び外輪１１と主部１９との隙間Ｓ１，Ｓ２から潤滑油を引き込もうとする。しかしながら、本実施の形態の転がり軸受１０では、外輪１１と主部１９との間がシール隙間Ｓ２とされているので、当該シール隙間Ｓ２における潤滑油の流通が制限される。また、内輪１２と主部１９との間は案内隙間Ｓ１とされているため、当該案内隙間Ｓ１における潤滑油の流通も制限される。そのため、各隙間Ｓ１，Ｓ２から転がり軸受１０内への潤滑油の引き込みが抑制され、転がり軸受１０内における潤滑油の撹拌抵抗を低減することができる。よって、この撹拌抵抗に起因する軸受トルクの損失を低減することができる。

また、保持器１４の傾斜面２６によって、当該傾斜面２６の付近に存在する潤滑油は、保持器１４の回転に伴う遠心力で径方向外側へ流れながら右方向へ導かれるため（矢印Ａ参照）、当該潤滑油が外輪１１と主部１９とのシール隙間Ｓ２から転がり軸受１０内へ引き込まれるのを抑制することができる。さらに、外輪１１の傾斜面２８によって、潤滑油をさらに径方向外方且つ右方向へ導くことができるため（矢印Ｂ参照）、外輪１１と主部１９とのシール隙間Ｓ２から転がり軸受１０内へ潤滑油が引き込まれるのをより抑制することができる。

保持器１４の主部１９は、径方向内端部よりも径方向外端部の方が軸方向寸法（肉厚）が大きく形成されているので、外輪１１と主部１９との間のシール隙間Ｓ２を可及的に軸方向に長くすることができ、これによってシール性を高めることが可能となる。

さらに、柱部２０の内周面が傾斜面２７とされているので、各隙間Ｓ１，Ｓ２から転がり軸受１０内へ潤滑油が引き込まれたとしても、保持器１４の回転に伴って転がり軸受１０内の潤滑油が傾斜面２７に沿って左方向へ導かれ、転がり軸受１０外への潤滑油の排出が促される（矢印Ｃ参照）。したがって、この傾斜面２７の作用によっても転がり軸受１０内における撹拌抵抗を低減することができる。

図３は、本発明の第２の実施の形態に係る転がり軸受の断面図である。この実施の形態では、保持器１４における主部１９の右側面の径方向外側部分が傾斜面２６とされている。より具体的には、主部１９の径方向中央Ｃ１から径方向外端までの範囲が傾斜面２６とされ、径方向中央Ｃ１から径方向内端までの範囲は径方向に沿った平坦面に形成されている。また、傾斜面２６は凹曲面状に形成されている。
本実施の形態においても、上述した第１の実施の形態と同様の作用効果を奏する。そして、傾斜面２６が凹曲面とされているので、潤滑油をより右方向に導くことができ、シール隙間Ｓ２から転がり軸受１０内への潤滑油の引き込みをより抑制することができる。その他の構成については第１の実施の形態と同様であるため、詳細な説明は省略する。

図４は、本発明の第３の実施の形態に係る転がり軸受の断面図である。この実施の形態では、保持器１４の主部１９の右側面のうち、径方向中央Ｃ１から径方向外端までの範囲が傾斜面２６とされ、径方向中央Ｃ１から径方向内端までの範囲が、傾斜面２６とは逆向きの傾斜となる傾斜面３２とされている。また、傾斜面２６と傾斜面３２とは、互いに連続した凹曲面に形成されている。
本実施の形態では、主部１９の傾斜面２６が上記第２の実施の形態と同様に作用し、同様の効果を奏する。また、傾斜面３２が形成されることによって、主部１９の径方向内端部の軸方向寸法が、径方向外端部と同様に大きくなり、内輪１２と主部１９との間の案内隙間Ｓ１を軸方向に長くしてシール性を高めることができる。

図５は、本発明の第４の実施の形態に係る転がり軸受の断面図である。この実施の形態では、保持器１４の内周面の傾斜面２７が第１の実施の形態の傾斜面２７（図２参照）よりも傾斜角度が大きく形成され、保持器１４の左端部が尖った形状に形成されている。したがって、本実施の形態では、傾斜面２７による潤滑油の排出作用がより高まっている。なお、本実施の形態の傾斜面２７は、第２，第３実施の形態の保持器１４（図３及び図４参照）に対して適用することもできる。

図６は、本発明の第５の実施の形態に係る転がり軸受の断面図である。本実施の形態では、主部１９の外周面に径方向外方に突出する突起３４が全周に亘って形成され、この突起３４の先端面と外輪１１の内周面との間にシール隙間Ｓ２が形成されている。したがって、本実施の形態においても第１の実施の形態と同様の作用効果を奏する。また、本実施の形態では、第１〜第４の実施の形態と比較して保持器１４の体積が小さくなり、保持器１４の軽量化、材料の削減が可能となる。

図７は、本発明の第６の実施の形態に係る転がり軸受の断面図である。本実施の形態では、保持器１４の主部１９の外周面に径方向外方に突出する突起３４が全周に亘って形成され、外輪１１の内周面の右端部に、突起３４を入り込ませるための段部３６が形成されている。そして、この段部３６と突起３４の間には、Ｌ字形状に屈曲したシール隙間Ｓ２（ラビリンス隙間）が形成されている。したがって、本実施の形態では、シール隙間Ｓ２によるシール性能がより高められており、シール隙間Ｓ２から転がり軸受１０内への潤滑油の引き込みをより抑制することができる。

図８は、本発明の第７の実施の形態に係る転がり軸受の断面図である。本実施の形態では、外輪１１の内周面の左端部が、右側から左側に向かうに従って漸次径方向外側へ位置するように傾斜する傾斜面３８に形成されている。この傾斜面３８によって転がり軸受１０内に流入した潤滑油の排出を促進することが可能となる（矢印Ｄ参照）。

本発明は、上記各実施の形態に限定されることなく適宜設計変更可能である。例えば、上記の各実施の形態では、内輪案内式の保持器１４について説明したが、外輪案内式、転動体案内式の保持器１４であってもよい。前者の場合、外輪１１と保持器１４との間に案内隙間Ｓ１が形成されるとともに内輪１２と保持器１４の間にシール隙間Ｓ２が形成される。後者の場合、内輪１２と保持器１４の間、及び、外輪１１と保持器１４の間の双方にシール隙間Ｓ２が形成される。
本発明の転がり軸受は、車軸ケース内やミッションケース内等において油浴潤滑される転がり軸受として好適に使用することができるが、このような使用に限定されるものではない。

〔保持器の最適形状の検証〕
本願発明者は、本発明に係る転がり軸受（特に、図１に示す構造の転がり軸受）について、以下の３つの観点から保持器の最適形状を実験により検証した。
（１）保持器の案内方式（内輪案内又は外輪案内）
（２）保持器の背面角度（図１の傾斜面２６の角度α）
（３）案内隙間の寸法

評価の基準は、図１の転がり軸受の右側（主部１９側）に供給された潤滑油が内輪１２および外輪１１と主部１９との隙間Ｓ１，Ｓ２を通過して左側（柱部２０側）へ流出する単位時間あたりの量（貫通油量）とした。この貫通油量が大きいと転がり軸受内部の攪拌抵抗が増大し、軸受トルクの損失が大きくなることから、この貫通油量が小さいほど最適形状の保持器であると判断した。

図１０は、保持器の案内方式を内輪案内および外輪案内とした場合の転がり軸受（実施例）の回転速度と貫通油量との関係をそれぞれ示すグラフである。このグラフにおいて、従来例は、図９に示す玉案内方式の転がり軸受を用いた場合の回転速度と貫通油量との関係を示している。このグラフから明らかなように、実施例と従来例とでは、転がり軸受の回転速度に関わらず実施例の方が従来例よりも貫通油量が低減されている。したがって、実施例の場合、転がり軸受内部の潤滑油の攪拌抵抗が小さくなり、トルク損失の低減効果が高いことが分かる。さらに、実施例において、内輪案内と外輪案内とを比較すると、外輪案内の方が内輪案内よりも貫通油量が低減されている。したがって、トルク損失を低減するためには、外輪案内を採用した転がり軸受がより好適である。

図１１は、保持器の背面角度を変化させた場合の転がり軸受の回転速度と貫通油量との関係を示すグラフである。この実験では、内輪案内方式と外輪案内方式との双方において、保持器１４の主部１９の背面角度（垂直面に対する角度）αを４段階（０°、５°、１０°、１５°）に変化させ、それぞれの貫通油量を測定した。
このグラフでは、案内方式を内輪案内とした場合よりも外輪案内とした場合の方が回転速度に関わらず貫通油量が少ないことが分かる。また、いずれの案内方式においても背面角度αを１０°としたときの貫通油量が最も少なくなった。したがって、保持器１４の背面角度αは、０°、５°、１０°、１５°の４つのなかでは１０°とするのがより好適であるといえる。

なお、他の角度α＝０°、５°、１５°について検討すると、いずれも貫通油量に大差はなく、背面角度αが小さすぎても大きすぎても貫通油量を低減する効果が小さいことが分かる。これは、背面角度αが小さい場合、傾斜面２６による右方向（軸方向外方）への潤滑油の案内作用が小さくなり、外輪１１と保持器１４の主部１９との隙間からの潤滑油の流入が増大するためであると考えられ、また、背面角度αが大きいと、内輪１２の外周面に対向する主部１９の軸方向幅が必然的に小さくなり、内輪１２と主部１９との隙間からの潤滑油の流入が増大するためであると考えられる。

図１２は、案内隙間を変化させた場合の転がり軸受の回転速度と貫通油量との関係を示すグラフである。この実験では、図１０，図１１に示す実験において結果が良好であった外輪案内方式を採用し、案内隙間を直径値で０．２６ｍｍ、０．４１ｍｍ、０．５６ｍｍの３段階に変化させた。
図１２のグラフから明らかなように、案内隙間は、その寸法が小さいほど貫通油量が少なくなることが分かる。なお、保持器１４は、熱によって膨張すると外径が大きくなるため、案内隙間は、保持器１４が熱膨張した場合でも外輪１１に対して適切に摺接することが可能な最小限の寸法とするのが好ましい。本実験の場合、かかる熱膨張を加味したうえで、案内隙間（直径値）を０．２６ｍｍ〜０．３６ｍｍ程度とするのが好適である。

以上の実験から得られた各結果に基づけば、保持器１４の案内方式として外輪案内を採用し、保持器１４の背面角度αを１０°とし、さらに案内隙間を０．２６ｍｍ（直径値）とするのがより好適であると考えられる。このような形状の保持器１４を有する転がり軸受（実施例）と、図９に示す転がり軸受（従来例）とにおける、転がり軸受の回転速度と貫通油量との関係は図１３に示すようになる。この図１３のグラフから明らかなように、実施例の転がり軸受は従来例の転がり軸受よりも回転速度に関わらず貫通油量が大きく低減しており、具体的には１／１０程度、貫通油量が低減していることが分かる。

次に、上記の実施例（図１４に実施例１と表記）と従来例との双方について、転がり軸受の回転速度と軸受トルクとの関係を実験により測定した。その結果を図１４に示す。この図１４から明らかなように、実施例１は、従来例と比較して回転速度に関わらずトルクが低減していることが分かる。特に、回転速度が大きくなるほどトルク低減は顕著となり、約１００００ｒ／ｍｉｎの回転速度では１６％程度のトルクが低減した。

図１４において、実施例２は、実施例１に対して転がり軸受の内部諸元を変更したものである。具体的には、実施例１の外輪軌道面および内輪軌道面の表面粗さが０．０３２μｍとされているのに対して、実施例２の外輪軌道面および内輪軌道面の表面粗さは０．０１６μｍに半減され、実施例１の内輪軌道面の曲率が５０．５％とされているのに対して、実施例２の内輪軌道面の曲率は５３．０％に増大されている。
実施例１と実施例２とを比較すると、実施例２は実施例１に比べて回転速度に関わらずトルクがさらに低減されている。したがって、転がり軸受の内部諸元を適切に変更することによってもトルクを低減可能であることが分かる。また、従来例と実施例２とを比較すると、実施例２は従来例に比べてよりトルクが低減されている。したがって、保持器１４の形状を最適にするのに加えて転がり軸受の内部諸元をも最適化することが軸受トルクを低減するうえで極めて有効であるといえる。

１０ 転がり軸受
１１ 外輪
１２ 内輪
１４ 保持器
１７ 玉（転動体）
１９ 主部
２０ 柱部
２１ ポケット
２３ 内輪案内面
２４ 被案内面
２６ 傾斜面
２７ 傾斜面
２８ 傾斜面
３２ 傾斜面
３８ 傾斜面
４０ 傾斜面

Claims (5)

1. 外側軌道輪と、内側軌道輪と、前記外側軌道輪及び前記内側軌道輪の間に転動可能に設けられた複数の転動体と、この複数の転動体の間隔を保持するとともに、前記外側軌道輪、前記内側軌道輪、又は前記転動体によって回転が案内される冠形の保持器と、を備えている転がり軸受であって、
   前記保持器が、円環状の主部と、この主部の軸方向一方側の側面から同方向に突出するとともに前記転動体を収容するためのポケットを互いの間に形成している周方向に複数の柱部とを備え、
   前記保持器を案内していない前記外側軌道輪及び前記内側軌道輪の一方又は双方と、前記主部との間に、潤滑油の流通を制限するシール隙間が形成されており、
   前記主部の軸方向他方側の側面が、少なくとも径方向外側部分において径方向外方に向かうに従って漸次前記軸方向他方側に位置するように傾斜する傾斜面に形成されていることを特徴とする転がり軸受。
2. 前記外側軌道輪の前記軸方向他方側の端部における内周面が、前記軸方向一方側から前記軸方向他方側に向かうに従って漸次径方向外側に位置するように傾斜する傾斜面に形成されている請求項１に記載の転がり軸受。
3. 前記柱部の内周面が、前記軸方向他方側から前記軸方向一方側へ向かうに従って漸次径方向外側に位置するように傾斜する傾斜面に形成されている、請求項１又は２に記載の転がり軸受。
4. 前記外側軌道輪及び前記内側軌道輪の一方の軌道輪が、前記保持器を案内している請求項１〜３のいずれか１つに記載の転がり軸受。
5. 前記外側軌道輪が、前記保持器を案内している請求項１〜３のいずれか１つに記載の転がり軸受。

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