JP5604896B2

JP5604896B2 - アンギュラ玉軸受

Info

Publication number: JP5604896B2
Application number: JP2010032545A
Authority: JP
Inventors: 芳史杉田
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2010-02-17
Filing date: 2010-02-17
Publication date: 2014-10-15
Anticipated expiration: 2030-02-17
Also published as: JP2011169370A

Description

本発明は、アンギュラ玉軸受に関し、より詳細には、工作機械主軸やコンプレッサー等に適用される、高速回転可能なアンギュラ玉軸受に関する。

保持器の案内方式が内輪案内又は外輪案内である転がり軸受においては、軌道輪に接する保持器の内周面（あるいは外周面）と、軌道輪の接触面との間には適当なすきま（案内すきま）を設けており、該案内すきまは、軌道輪の保持器案内面の直径と、保持器の案内面の直径との差をいうものとされている。また、転動体を案内し、保持するために保持器のポケット内における転動体との間にすきまを設けている（ポケットすきま）。

従来のフェノール樹脂を用いた保持器では、強度が低いため高速回転時の遠心力による膨張量が大きいため、案内すきまを大きくする必要がある。案内すきまが大きいと高速回転域では、振動ならびにＮＲＲＯ（主としてＦｃ成分）が大きくなる問題がある。さらにフェノール樹脂を用いた保持器では、吸水により最大で１％膨張してしまう。

また、従来の保持器としては、高速時に保持器が振れ回ることによる軸のFc振れ発生を低減させることを目的として、ポリイミド樹脂やＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）樹脂等の剛性の高い樹脂を使用し、保持器の案内すきまを保持器の案内径に対して0.05〜0.4%とし、かつ保持器のポケットすきまを案内すきまの０．８〜１．８倍としたものが考案されている（例えば、特許文献１参照。）。

特開２００１−１２４７６号公報

ところで、特許文献１に記載の保持器において、上記樹脂材料を用いただけでは、高速回転時に依然としてすきまがなくなる可能性があり、その場合には、焼付きが発生してしまう。

本発明は、前述した課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、高速回転時の案内すきまの変化量を小さくすることで、案内すきまの設計値を小さくし、振動低減、及び発熱低減を実現することができるアンギュラ玉軸受を提供することにある。

本発明の上記目的は、下記の構成により達成される。
（１）外輪と、内輪と、前記外輪及び内輪との間に接触角を持って配置される複数の玉と、該複数の玉を円周方向に所定の間隔を持って保持する保持器と、を備え、該保持器の案内方式が外輪案内であるアンギュラ玉軸受であって、
前記保持器は、円周方向に所定の間隔で形成された複数のポケットを有し、
前記保持器の案内すきまは、前記保持器の案内径の０．４５％以下であり、
前記保持器は、密度が２ｇ／ｃｍ^３以下、曲げ弾性率が１２ＧＰａ以上、線膨張係数が
５×１０^−５／℃以下である、強化繊維が添加された合成樹脂材料からなり、
前記保持器の少なくとも案内面には、軸方向に延びる複数の凹溝が円周方向に形成されており、
前記保持器の外周面は、前記複数のポケットが開口する位置を含んで円周方向に亘って、前記案内面の外径よりも小径、且つ、前記凹溝の底部の外径よりも小径の一様外径で、凹状に形成され、
前記複数のポケットは、前記凹状に形成された部分にのみ開口していることを特徴とするアンギュラ玉軸受。
（２）前記凹溝の円周方向幅の総和は、前記保持器の外周長さの３０％以上であり、
前記保持器のポケットすきまが前記案内すきまの１．５〜２．５倍であることを特徴とする（１）に記載のアンギュラ玉軸受。

本発明のアンギュラ玉軸受によれば、案内方式が外輪案内である保持器において、保持器の案内すきまは、保持器の案内径の０．４５％以下であり、保持器は、密度が２ｇ／ｃｍ^３以下、曲げ弾性率が１２ＧＰａ以上、線膨張係数が５×１０^−５／℃以下である、強化繊維が添加された合成樹脂材料からなる。これにより、高速回転時の案内すきまの変化量を小さくすることで、案内すきまの設計値を小さくし、振動低減、及び発熱低減を実現することができる。

本発明の一実施形態に係るアンギュラ玉軸受を示す断面図である。（ａ）は、図１のアンギュラ玉軸受の保持器の斜視図であり、（ｂ）はその部分正面図である。ｄｍｎ値と保持器外径の遠心力による膨張量の関係の計算結果を示す。軸受が温度上昇した時の保持器材料の線膨張係数と案内すきま減少量の関係を示す。第１の変形例に係るアンギュラ玉軸受の断面図である。（ａ）は、図５のアンギュラ玉軸受の保持器の斜視図であり、（ｂ）はその部分正面図である。第２の変形例に係るアンギュラ玉軸受の保持器の部分正面図である。第３の変形例に係るアンギュラ玉軸受の保持器の部分斜視図である。（ａ）及び（ｂ）は、実施例１において、ＮＲＲＯを測定する装置を示す図である。実施例１において、図９に示す装置で測定されたＸ−Ｙリサージュ波形を示す図である。実施例１において、回転速度が１０８００ｍｉｎ^−１において、案内すきまとポケットすきまとＮＲＲＯとの関係を示すグラフである。実施例１において、回転速度とＮＲＲＯとの関係を示すグラフである。実施例２において、回転速度とＮＲＲＯとの関係を示すグラフである。実施例３において、保持器の凹溝の総幅に対する割合と、慣らし時間との関係を示すグラフである。（ａ）及び（ｂ）は、実施例４において、動トルクの測定装置の概略図である。実施例５において、回転速度と動トルクとの関係を示すグラフである。実施例５において、アキシアル荷重と動トルクとの関係を示すグラフである。実施例５において、保持器案内すきまと動トルクとの関係を示すグラフである。実施例６において、外輪温度上昇を測定するためのスピンドルを示す。実施例６において、回転速度と外輪温度上昇との関係を示すグラフである。

以下、本発明の一実施形態に係るアンギュラ玉軸受について図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、本実施形態のアンギュラ玉軸受を示す断面図である。アンギュラ玉軸受１は、内周面に外輪軌道面２ａを有する外輪２と、外周面に内輪軌道面３ａを有する内輪３と、外輪２の外輪軌道面２ａ及び内輪３の内輪軌道面３ａとの間に接触角αを持って配置される複数の玉４と、複数の玉４を円周方向に所定の間隔を持って保持する保持器１０と、を備える。

また、図２にも示すように、保持器１０は、円周方向に所定の間隔で形成された複数の円筒状のポケット１１を有し、保持器１０の軸方向両側に位置する一対のリング部１２のうち、一方のリング部１２が外輪２の外輪軌道面２ａに対して反カウンターボア側の内周面２ｂに案内される外輪案内方式である。保持器１０の案内すきま（外輪２の保持器案内面（内周面）２ｂの直径Ｄと、保持器１０の外周面の直径（案内径）ｄとの差＝２×ｇ）は、ＮＲＲＯを低減すべく、保持器案内径ｄの０．４５％以下に設定されている。さらに、ＮＲＲＯを低減すべく、保持器１０のポケットすきま（保持器１０のポケット１１の内径Ｄ１と玉４の直径ｄ１との差）は、案内すきま２×ｇの１．５〜２．５倍に設定されている。

また、保持器１０は、曲げ弾性率が１２ＧＰａ以上、吸水率が０．１％以下、線膨張係数が５×１０^−５／℃以下の強化繊維が添加された合成樹脂材料を採用し、高速回転時の案内すきまの変化量を小さくすることで、案内すきまの設計値を小さくしている。

保持器１０は、軸受の回転中に遠心力により膨張する。また、外輪２と保持器１０の線膨張係数の違いにより、軸受が温度上昇した際、両者の熱膨張量の違いからも案内すきまが小さくなる。

図３は、ｄｍｎ値と保持器外径の遠心力による膨張量の関係の計算結果を示す。保持器は玉４を保持するため、保持器１０の中心径は、ほぼＰＣＤと一致する。そのため横軸にｄｍｎ値をとると、保持器１０の膨張量は、保持器１０の肉厚による違いは若干あるが、軸受のサイズによらず図３に示すような計算結果になる。

実用可能な最大回転数３５０万では、密度２ｇ／ｃｍ^３、曲げ弾性率１２ＧＰａの時、保持器１０の外径膨張量が保持器案内径の０．１％となる。そのため、本発明の案内すきまを実現するため、保持器１０の遠心力による膨張量を保持器案内径の０．１％以下にするためには、密度を２ｇ／ｃｍ^３以下でかつ曲げ弾性率が１２ＧＰａ以上の材料を採用する必要がある。（もしくは曲げ弾性率/密度≧６ＧＰａ／（ｇ／ｃｍ^３）でもよい。)

また、図４は、回転中の軸受の温度条件が厳しい条件を想定し、外輪温度上昇が４０℃、保持器温度上昇が６０℃とした時の保持器材料の線膨張係数と案内すきま減少量の関係を示す。案内すきまの減少量は保持器外径に対する比としている。強化繊維を添加した樹脂材料では線膨張係数は射出成型時の樹脂の流動方向と直交方向の線膨張係数が異なるため、このような場合は両者の平均値を線膨張係数とする。図４のグラフから、線膨張係数が５×１０^−５の時に案内すきまの減少量が保持器案内径の０．２５％となる。このとき前述の遠心力膨張量とこの熱変形の膨張量をあわせても、初期案内すきまを０．４５％とした時には運転時の案内すきまは０にならない。そのため、保持器材料の線膨張係数を５×１０^−５以下にすることが必要である。さらには、案内面の焼付き防止やこれらの物性変化が生じてもすきまがなくならないことを考えると、図３、図４からｄｍｎが２００万以下で使用し、保持器材料の線膨張係数が２×１０^−５の材料を用いた場合、案内すきまは保持器案内径の０．１％以上必要であることが分かる。より好ましくは案内すきまが保持器案内径の０．２％以上であることが望ましい。

また、保持器１０は、樹脂材料の吸水性が高いと吸水により膨張して案内すきまが小さくなるため、吸水率が０．５％以下の材料を採用して、吸水による膨張を抑えることが必要になる。

このような高強度で、吸水性が低く、線膨張係数の小さい合成樹脂材料としては、例えば、ポリアミド・ポリフェニレンサルファイド（略称ＰＰＳ）・ポリエーテルエーテルケトン（略称ＰＥＥＫ）・ポリイミド、ポリアミドイミドなどが適用される。また、これらの合成樹脂材料のみでは、要求される強度が確保されないため、１２ＧＰａ以上の曲げ弾性率を確保できるように任意の強化繊維を添加すればよい。強化繊維の例としては、２５％（重量％）以上のガラス繊維や１５％（重量％）以上の炭素繊維などが挙げられる。

図２に示すように、保持器１０の少なくとも案内面（本実施形態では、一対のリング部１２の外周面）には、軸方向に延びる複数の凹溝１３がポケット１１と対応する位置で円周方向に所定の間隔で形成されている。凹溝１３の円周方向幅の総和は、保持器１０の外周長さの３０％以上に設定されている。これにより、保持器１０の案内すきまを小さくすることによる、グリースや潤滑油の排出性の悪化、初期の慣らし運転時間の長期化、回転中における保持器の自励振動や軸受の異常昇温による焼付き、温度の不安定などといった問題を解決することができる。

このように構成される保持器１０の案内方式が外輪案内であるアンギュラ玉軸受１では、保持器１０の案内すきまは、前記保持器の案内径の０．４５％以下であり、保持器１０は、密度が２ｇ／ｃｍ^３以下、曲げ弾性率が１２ＧＰａ以上、線膨張係数が５×１０^−５／℃以下である、強化繊維が添加された合成樹脂材料からなるので、高速回転時の案内すきまの変化量を小さくして、案内すきまの設計値を小さくすることができ、高速回転時の振動を低減することができる。

保持器１０の少なくとも案内面には、軸方向に延びる複数の凹溝１３が円周方向に形成されており、凹溝１３の円周方向幅の総和は、保持器１０の外周長さの３０％以上であるので、案内すきまを小さくした場合でも、軸受内部の潤滑剤の排出性が改善され、慣らし運転時間の短縮や、軸受の焼付きなどを防止することができる。

また、保持器のポケットすきまが案内すきまの１．５〜２．５倍であるので、ＮＲＲＯが小さくなり、高速回転時の振動をより低減することができる。

なお、本実施形態の凹溝１３は、両方のリング部１２の外周面に形成されているが、保持器１０の少なくとも案内面側（一方のリング部１２の外周面）に形成されればよい。また、本実施形態の凹溝１３は、軸方向に沿って形成されているが、軸方向に対して傾斜して設けられてもよく、曲線形状であってもよく、また、台形形状などであってもよい。

また、図５及び図６に示す第１の変形例のように、外周面のポケット１１周辺を凹状に形成することで、外輪２の案内面２ｂと外輪軌道面２ａの接続部分のエッジ２ｃで保持器１０の外周面があたることを避けることででき、保持器１０の偏摩耗を防止できる。なお、本実施形態では、保持器１０のポケット１１周辺は、凹溝１３の底部の外径より小径の一様外径とすることで、凹状に形成されている。

さらに、図７に示す第２の変形例のように、特許第３６０８６１１号公報と同様、パーティングライン１４が溝１５内部に位置するように溝１５を設けることで、金型成型で製作した保持器１０のバレル工程を省略し、コスト削減が可能となる。なお、図７では、この溝１５を上述した凹溝１３と併用して、潤滑剤の排出性をさらに改善できるが、凹溝１３自体にパーティングライン１４が位置するようにしてもよい。
また、保持器の案内方式が内輪案内の場合には、案内面となる保持器の内周面に複数の凹溝が形成されるようにしてもよい。

また、図８に示す第３の変形例のように、凹溝１３を設ける代わりに、保持器１０の案内面となるリング部１２の外周面の案内幅を狭くすることで、潤滑剤が軸受内部から排出されやすくすることで潤滑剤の排出性を改善して、潤滑剤の慣らし性を向上させてもよい。

なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものでなく、適宜、変形、改良等が可能である。

以下、本発明の有効性を確認するため、実施例１〜６の試験を行った。

（実施例１）
実施例１では、内径７０ｍｍのアンギュラ玉軸受（７０ＢＮＲ１０Ｈ）について、現行のフェノール樹脂製の外輪案内保持器Ａと、ＰＰＳにカーボンファイバーを添加した(以下、ＰＰＳ−ＣＦと呼ぶ)材料で製作し、表１に示すように案内すきまとポケットすきまを変化させた外輪案内保持器Ｂ〜Ｆを用いて、軸受単体での高速回転時のＮＲＲＯを測定した。案内すきまとポケットすきまは、保持器案内径（外径）に対する比（％）で示す。

また、ＮＲＲＯの測定では、図９に示すように、ハウジング３１に静圧パッドを介して予圧荷重を負荷することで、外輪をラジアル方向がフリーな状態で予圧(アキシアル荷重)を負荷し、精度の良いエアスピンドル３０で内輪を回転させる。そのときのハウジング３１のラジアル方向（ｘ,ｙ方向）の変位を非接触変位計３２，３３で測定し、図１０に示すようなＸ−Ｙリサージュ波形から非回転同期振れ（ＮＲＲＯ）を得る。試験軸受は、外輪、内輪及び玉を共通とし、保持器のみを入れ替えて、保持器のみのＮＲＲＯへの影響を評価した。

図１１及び図１２は、ＮＲＲＯ測定結果を示す。図１１に示すように、回転速度が１０８００ｍｉｎ^−１において、現行仕様の保持器Ａでは、ＮＲＲＯの値が２８５ｎｍになっているが、保持器Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、ＦはＮＲＲＯの値が１６０〜２１０ｎｍと大幅に低減できており、且つ案内すきまが０．１〜０．４５％の範囲ではＮＲＲＯの値に大きな差がなくなっていることから、案内すきまを小さくするとＮＲＲＯの値が小さくなること、案内すきまが０．４５％以下ではこれ以上すきまを小さくしてもＮＲＲＯに大きな変化がないことが分かる。以上より、案内すきまを保持器案内径の０．４５％以下にするとＮＲＲＯを低減できることがわかる。また、保持器Ｂ、Ｃ、Ｄの結果を比較するとポケットすきまが大きいほうがＮＲＲＯが小さくなることから、ポケットすきまは、案内すきまの１．５〜２．５倍とするとより好適である。また、図１２から回転速度が９０００ｍｉｎ^−１（ｄｍｎが１００万）以上になると保持器の違いによるＮＲＲＯの差が顕著に現れていることから、ｄｍｎが１００万以上の使用条件でより効果があることがわかる。

（実施例２）
実施例２では、内径４０ｍｍのアンギュラ玉軸受（４０ＢＮＲ１０ＨＴ）において、現行のフェノール樹脂製の保持器と本発明品の保持器を入れ替えて、図９の測定装置を用いて、軸受単体でのＮＲＲＯを測定した。現行のフェノール樹脂製の保持器の仕様は、案内すきまが保持器案内径の０．７５％、ポケットすきまは保持器案内径の０．８％でポケットすきまと案内すきまの比が１．０７となっている。本発明品の保持器の仕様は、材質がＰＰＳ−ＣＦ３０％（ポリプラスティック製フォートロン２１３０Ａ１)、案内すきまは保持器案内径の０．３６％、ポケットすきまは保持器案内径の０．８％でポケットすきまと案内すきまの比が２．２となっている。

図１３に示す測定結果から、本発明品の保持器を採用することで、回転速度が１２６００ｍｉｎ^−１（ｄｍｎが６７万）時でおよそ２０％のＮＲＲＯ低減効果があることがわかる。

（実施例３）
実施例３では、内径７０ｍｍのアンギュラ玉軸受（７０ＢＮＲ１０Ｈ）について、保持器によるグリース潤滑時の慣らし性の違いを確認した。評価する保持器は、（１）現行のフェノール樹脂製の保持器の案内すきまを０．５４％とし、ＰＰＳ−ＣＦからなる保持器の案内すきまを保持器案内径の０．３％としたもので、保持器外周面に凹溝を形成し、溝の総幅を保持器外周長さに対し、（２）０％（溝なし）、（３）２０％、（４）３０％、（５）４０％とした５種類の保持器を比較する。

評価方法は、グリースを軸受内部空間容積の１５％相当量を充填し、軸受単体でアキシアル荷重１５０Ｎを負荷し、４０００ｍｉｎ^−１で回転させた時にグリースの慣らし運転が終わるまでの時間で比較する。

図１４に示すように、評価結果は、（１）の保持器では３３秒、（２）の保持器では３００秒経過しても慣らしが終了しない、（３）の保持器では１２５秒、（４）の保持器では６７秒、（５）の保持器では５１秒となった。この結果、グリース潤滑で案内すきまを小さくした場合において、保持器外周に保持器外周長さに対し、凹溝を溝の総幅が少なくとも３０％以上になるように設けることで、正常に慣らし運転ができることが確認できた。

（実施例４）
実施例４では、内径７０ｍｍのアンギュラ玉軸受（７０ＢＮＲ１０Ｈ）について、外輪、内輪および玉を共通とし、保持器を入れ替えて、保持器の違いによる軸受の動トルクの変化を測定した。保持器は、現行のフェノール樹脂製の保持器と案内すきまを保持器案内径の０．３％としたＰＰＳ−ＣＦの保持器を用いた。

図１５は、動トルク測定方法の概略図を示す。本装置４０では、アキシアル荷重Ｆをエアシリンダ４１で、静圧パッド４２を介して、試験軸受に負荷している。内輪をスピンドル４３で回転させて、その時の軸受の動トルクをロードセル４４で測定している。また、静圧パッド４２とハウジング４５間は非接触となっており、回転方向の動きを拘束しないため、軸受の動トルクのみを取り出すことができる。

潤滑剤としてはＭＴＥグリースが使用されている。回転速度を５０００〜２００００ｍｉｎ^−１まで変化させて、アキシアル荷重を１００ｋｇｆとして測定した。また、回転速度が２００００ｍｉｎ^−１の時のみ、さらにアキシアル荷重を１５０、２００ｋｇｆとして測定した。これらの結果を図１６及び図１７に示す。

この結果、軸受の動トルクは、回転速度が１００００ｍｉｎ^−１から徐々に差が大きくなり、２００００ｍｉｎ^−１では、現行のフェノール樹脂製の保持器に対し、ＰＰＳ−ＣＦの保持器では、２０％低減している。

さらに、ＰＰＳ−ＣＦの保持器で案内すきまを変化させたときの動トルクを測定した。回転速度が２００００ｍｉｎ^−１、アキシアル荷重が２００ｋｇｆとした場合において、図１８に示すように、案内すきまが保持器案内径の０．２〜０．４％の保持器では、動トルクが０．７〜０．８ｋｇｆ・ｃｍであり、案内すきまが保持器案内径の０．６％の保持器と比較して約２０％の動トルク低減効果が確認できた。

（実施例５）
実施例５では、内径７０ｍｍのアンギュラ玉軸受（７０ＢＮＲ１０Ｈ）について、外輪、内輪及び玉を共通とし、保持器を入れ替えて、保持器の違いによる軸受の温度上昇の違いを測定した。保持器は、現行のフェノール樹脂製の保持器と案内すきまを保持器案内径の０．３％としたＰＰＳ−ＣＦの保持器を用いた。

図１９は、評価に用いたスピンドルを示す。７０ＢＮＲ１０Ｈのアンギュラ玉軸受を定位置予圧で組立し、回転軸５０をベルト５１で駆動することで回転試験を実施した。潤滑方式はオイル潤滑とし、５０００〜２００００ｍｉｎ^−１まで回転させて、その時の外輪温度を測定した。この結果、図２０に示すように、現行のフェノール保持器に対して、保持器案内径の０．３％としたＰＰＳ−ＣＦの保持器を用いた軸受では、２００００ｍｉｎ^−１時に外輪温度上昇が約２０％低減する効果が確認できた。

１アンギュラ玉軸受
２外輪
３内輪
４玉
１０保持器
１１ポケット
１３凹溝
α 接触角

Claims

外輪と、内輪と、前記外輪及び内輪との間に接触角を持って配置される複数の玉と、該複数の玉を円周方向に所定の間隔を持って保持する保持器と、を備え、該保持器の案内方式が外輪案内であるアンギュラ玉軸受であって、
前記保持器は、円周方向に所定の間隔で形成された複数のポケットを有し、
前記保持器の案内すきまは、前記保持器の案内径の０．４５％以下であり、
前記保持器は、密度が２ｇ／ｃｍ^３以下、曲げ弾性率が１２ＧＰａ以上、線膨張係数が
５×１０^−５／℃以下である、強化繊維が添加された合成樹脂材料からなり、
前記保持器の少なくとも案内面には、軸方向に延びる複数の凹溝が円周方向に形成されており、
前記保持器の外周面は、前記複数のポケットが開口する位置を含んで円周方向に亘って、前記案内面の外径よりも小径、且つ、前記凹溝の底部の外径よりも小径の一様外径で、凹状に形成され、
前記複数のポケットは、前記凹状に形成された部分にのみ開口していることを特徴とするアンギュラ玉軸受。
前記凹溝の円周方向幅の総和は、前記保持器の外周長さの３０％以上であり、
前記保持器のポケットすきまが前記案内すきまの１．５〜２．５倍であることを特徴とする請求項１に記載のアンギュラ玉軸受。