JP5724275B2 - 転がり軸受 - Google Patents

Description

本発明は、例えば、産業機械、ロボットの関節部や旋回機構部、工作機械の主軸、回転テーブルや主軸旋回機構部、医療機器、半導体／液晶製造装置、光学及びオプトエレクトロニクス装置等の回転支持部に用いられる転がり軸受に関する。

従来の転がり軸受として、図９に示すように、円周方向の一ヶ所に切断部を設けた合成樹脂製の冠形保持器が提案されている（例えば、特許文献１及び２参照）。特許文献１に記載の転がり軸受では、切断部を設けることで、内外輪及び玉と保持器との熱膨張係数の違い等により玉とポケットとの間に発生する突っ張り力を緩和して保持器の摩耗等を防止することが記載されている。

また、特許文献２に記載の転がり軸受では、円周方向の一ヶ所に切断部が設けられるとともに、切断部の円周方向幅を温度変化と吸水率変化による保持器の伸長分とし、軌道輪との案内すきまを確保することが記載されている。

ところで、特許文献１に記載の転がり軸受では、玉案内方式を採用して、玉とポケットとの間の半径方向すきまは小さく設定されているので、軸受の回転による昇温で、軸受各部品（例えば、内輪、外輪及び玉が軸受鋼、保持器がポリアミド樹脂などの合成樹脂で形成されている場合）間の線膨張係数の差により保持器が相対的に膨張する際に、半径方向には膨張しにくく、相対膨張分は円周方向に向かう。

その結果、保持器の切断部の円周方向すきまが小さくなり、使用環境温度も含めて軸受の昇温値が高い場合、保持器の切断部の円周方向の端面同士が突っ張り干渉して、該干渉部での発熱や摩耗、損傷が生じるという問題がある。また、保持器がポリアミド樹脂などの一般的な汎用合成樹脂で形成されている場合は、空気中の水分を吸収して膨張することもあり、吸水による膨張量が加わることも問題である。

また、特許文献２に記載の転がり軸受では、切断部の円周方向幅を温度変化と吸水率変化による保持器の伸長分（温度膨張＋吸水膨張）としているが、切断部の円周方向幅が広くなりすぎてしまい、温度上昇が小さい条件や乾燥した雰囲気条件では、切断部の円周方向幅の変化が小さく、切断部を挟んだ部分での玉間の円周方向の距離が他の玉間の円周方向距離より大きくなり、玉の円周方向の不等配が発生する。

玉の円周方向の不等配が生じると、軸受の径方向の剛性が円周位相で不均一（玉の円周方向の不等配部の位相で剛性低下）になるため、軸受回転時に玉の公転周期に対応した振れ回り、いわゆるＮＲＲＯ値（内輪２回転に約１回の周期）が増加する。特に、回転精度が要求される工作機械の主軸、回転テーブル及び主軸の旋回機構部などの回転支持部に本軸受を使用した場合、回転軸の振れ回りが大きくなり（ＮＲＲＯ値が大）、フライス加工などでは加工面に縞模様が発生したり、旋盤加工などでは加工面の引き目不良や真円度悪化などが発生したりするという問題がある。

特開２００３−３３６６４０号公報 特開２００６−２２６４９６号公報

本発明は、このような不都合を解消するためになされたものであり、その目的は、転動体の円周方向の不等配を抑制して、回転軸の振れ回りを小さく抑えることができる転がり軸受を提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１に係る転がり軸受は、外周面に内輪軌道面を有する内輪と、内周面に外輪軌道面を有する外輪と、前記内輪軌道面と前記外輪軌道面との間に転動自在に設けられた複数の転動体と、円周方向の少なくとも一カ所に切断部が形成され、前記複数の転動体を円周方向に略等間隔で保持する合成樹脂製の保持器と、を備え、前記切断部の相対する切断面の間に前記転動体を挿入し、軸受の温度上昇や保持器の吸水を考慮した前記切断部の最適すき間をΔＬとすると、前記転動体と前記切断面との間のすき間の距離はΔＬ／２であり、前記保持器は、リング部と、前記リング部の一端部に周方向に略等間隔で複数箇所軸方向に突設された柱部と、前記柱部間に形成されて前記転動体を周方向に転動可能に保持する複数のポケット部と、を有し、前記切断部は、円周方向に隣り合う前記ポケット部の間の前記柱部を切断して形成されており、前記切断面は、平坦面であり、前記切断面の少なくとも一方に、潤滑剤を溜めるための凹溝部を設け、前記凹溝部は、前記転動体と前記保持器の接触部からずれた位置に設けられ、且つ、軸方向に開口する形状とされることを特徴としている。

さらに、請求項２に係る転がり軸受は、請求項１に係る発明において、前記転動体が、玉であることを特徴としている。

さらにまた、請求項３に係る転がり軸受は、請求項１に係る発明において、前記転動体が、円筒ころであることを特徴としている。

本発明の転がり軸受によれば、転動体の円周方向の不等配を抑制して、回転軸の振れ回りを小さく抑えることができ、安定した回転性能を得ることができる。

本発明の第１実施形態に係る転がり軸受を説明するための要部断面図である。 図１に示す転がり軸受に組み込まれた冠形保持器の断面図である。 図１に示す転がり軸受に組み込まれた冠形保持器の部分的斜視図である。 図２の矢印Ｂ方向から見た一部を破断した図である。 図１に示す転がり軸受に組み込まれた冠形保持器と転動体の構成を説明するための要部断面図である。 本発明品と従来品とのＮＲＲＯを示すグラフ図である。 本発明の第２実施形態に係る転がり軸受に組み込まれた冠形保持器と転動体の構成を説明するための要部断面図である。 本発明の第３実施形態に係る転がり軸受に組み込まれた冠形保持器と転動体の構成を説明するための要部断面図である。 従来の保持器を軸方向から見た要部断面図である。

以下、本発明の実施の形態を図を参照して説明する。図１は本発明の第１の実施の形態を示す単列玉軸受を２列組み合わせた状態を示す要部断面図、図２は玉案内保持器を示す断面図、図３は保持器を径方向内側から見た部分斜視図、図４は図２の矢印Ｂ方向から見た矢視図、図５は図１に示す転がり軸受に組み込まれた冠形保持器と転動体の構成を説明するための要部断面図、図７は本発明の第２実施形態に係る転がり軸受に組み込まれた冠形保持器と転動体の構成を説明するための要部断面図、図８は本発明の第３実施形態に係る転がり軸受に組み込まれた冠形保持器と転動体の構成を説明するための要部断面図である。

図１に示すように、本実施形態の転がり軸受１０（以下、幅狭玉軸受１０とも称す）は、アンギュラ玉軸受とされており、２列のアンギュラ玉軸受を背面組合せ（接触角がハの字となる配列）としている。各転がり軸受１０は、外周面に内輪軌道面１１ａを有する内輪１１と、内周面に外輪軌道面１２ａを有する外輪１２と、内輪軌道面１１ａと外輪軌道面１２ａとの間に転動自在に設けられた複数の玉（転動体）１３と、円周方向の一カ所に切断部１４（図５参照）が形成され、複数の玉１３を円周方向に略等間隔で保持する合成樹脂製の冠形保持器１５と、を備える。また、２列の幅狭玉軸受１０の各外輪１２の軸方向外側の端部内周面には、それぞれ非接触型のシール部材１６が装着されている。なお、シール部材１６は、接触型タイプでもよく、また、材料、形状は特に限定されない。

ここで、本実施形態では、軸方向の省スペース化を図るため、転がり軸受１０の軸方向断面幅Ｂと半径方向断面高さＨ（＝（外輪外径Ｄ−内輪内径ｄ）／２）との断面寸法比（Ｂ／Ｈ）をＢ／Ｈ＜０．６３としている。

なお、Ｂ／Ｈは、理論的にはＢ／Ｈ＞０であるが、現実的には、使用する玉径や保持器、シール部材の設計、選定等を加味すると、Ｂ／Ｈ＞０．１０、好ましくはＢ／Ｈ＞０．２０、より好ましくはＢ／Ｈ＞０．３０とする。

また、国際標準化機構（ＩＳＯ）で規定されている標準寸法玉軸受の場合、Ｂ／Ｈが１．０前後のものが多くを占める。したがって、Ｂ／Ｈ＜０．５に設定すれば、標準玉軸受約１列分の幅方向スペースで２列分の幅狭玉軸受１０を配設させることができ、省スペース化が図れる。

また、アンギュラ玉軸受の場合、１列では一方向の軸方向荷重しか受けられず、また、モーメント荷重を受けることはできないが、２列以上組合わせることで、両方向の軸方向荷重やモーメント荷重の負荷が可能となる。また、予圧を付加することもできるので、省スペース化と共にラジアル剛性やアキシャル剛性及びモーメント剛性なども大きくすることができる。

また、Ｂ／Ｈ＜０．２５に設定すれば、さらなる省スペース化と共に、標準玉軸受約１列分の幅方向スペースで４列の幅狭玉軸受を配設させることができ、さらに剛性の向上が可能である。

また、（Ｂ／Ｈ）＝０．６３未満とすることで、軸やハウジングに軸受を組み込んだ場合（特に、軸やハウジングとすきま嵌合で組み込んだ場合）、外輪を端面押え、内輪を軸受ナット等でそれぞれ固定した場合の内外輪の変形（特に真円度の悪化）を抑制することができると共に、変形によって生じるトルク不良や回転精度不良、あるいは、発熱増大、摩耗や焼付き等の不具合を防止することができる。

さらに、（Ｂ／Ｈ）＝０．６３未満とすることで、軸受の幅寸法が従来の標準単列玉軸受の約半分となるので、玉径も従来の玉軸受の半分程度となるが、逆に１列あたりの玉数が少なくとも２倍以上に増加し、軸受剛性は従来の玉軸受に対して増加する。

また、国際標準化機構（ＩＳＯ）で規定されている寸法系列が１８（例えば、６８２０）、１９（例えば、６９３８）、１０（例えば、７０１６Ａ）、０２（例えば、７２２４Ｃ）、０３（例えば、７３５０Ａ）などの標準寸法玉軸受では、軸受内径寸法がφ５ｍｍ〜φ５００ｍｍにおいては、断面寸法比（Ｂ／Ｈ）はＢ／Ｈ＝０．６３〜１．１７となっているが、本実施形態の幅狭玉軸受１０は、軸方向に幅狭としたので、上述の断面寸法比に該当しないものとなる。

本実施形態の幅狭玉軸受１０では、軸受の負荷容量や剛性を上げるために、円周方向に隣り合う玉１３間のピッチは極力小さくし、できる限り玉数を多くしている。通常の玉軸受では、玉数は多くとも３０〜４０個以下／１列程度であるが、本実施形態では、５０個以上、好ましくは６０個以上、より好ましくは７０個以上／１列としている。

アンギュラ玉軸受の場合、接触角は、大きなモーメント荷重を負荷した際に、内外輪みぞ肩部への玉と内外輪みぞ接触部の乗り上げを抑えるため、概ね６０°以下、望ましくは５０°以下、さらに望ましくは４０°以下がよいが、２０°未満の場合は、許容アキシャル荷重やモーメント剛性が低下するので好ましくない。本実施形態における適正な玉径は、シール部材等の装着有無により変化するが、剛性を増加させるため、極端に玉径を小さくすると、玉と内外輪の軌道みぞとの接触部間の面圧が増加し、耐圧痕性が低下するおそれがあるため、概ね、軸受幅（Ｂ）の３０〜９０％が望ましい。

更に、本実施形態では、玉１３の軸方向ピッチをできるだけ組合せ側端面の反対側にずらし（図１：Ｘ_１＞Ｘ_２）、保持器１５のリング部１７（図２〜図５参照）が軸受組合せ端面側になるように配置しており、リング部１７の軸方向肉厚を大きくし、また、モーメント剛性を上げるための作用点間距離を大きくとれるようにしている。

また、軸受の材料としては、標準の軸受鋼（ＳＵＪ２やＳＵＪ３）など、特に限定されないが、必要に応じて、これらの材料で、軸受の寸法安定性や耐摩耗性などの機械的性質を向上させるために、内輪１１及び外輪１２の少なくとも一方に、サブゼロ処理を施してもよい。

サブゼロ処理の方法としては、例えば、焼入れ直後に、液体窒素を用いて−１５０°Ｃ程度の雰囲気とし、本サブゼロ処理後に焼戻しを行なう。そして、サブゼロ処理と焼戻し処理とを数回繰り返す。冷却溶媒として、液体窒素使用のサブゼロ処理では、繰り返し回数は多くとも３回程度でかまわない。サブゼロ処理によって、組織中の残留オーステナイト（γＲ）がマルテンサイトに変態する。併せて、結晶粒の安定化も促進されるので、これにより経時寸法変化の防止と耐摩耗性などの機械的性質が向上する。

本実施形態の場合、内輪１１及び外輪１２の軸方向幅が狭いので、そりや真円度不良などの経時寸法変化が発生しやすい傾向がある。したがって、サブゼロ処理により、前記経時寸法変化を抑制することができ、特に、軸受精度が必要な工作機械の回転テーブルや主軸旋回機構部、印刷機械のドラム等の回転機構部などの回転支持部に本実施形態の幅狭玉軸受１０を使用する場合、軸受精度劣化による機器の精度不具合を防止でき、長期的に良好な機能を保持することができる。

また、例えば真空用途や腐食環境などでは、軸受鋼以外に、耐食材料であるステンレス鋼系材料（例えば、ＳＵＳ４４０Ｃ等のマルテンサイト系ステンレス鋼材料やＳＵＳ３０４等のオーステナイト系ステンレス鋼材料、ＳＵＳ６３０等の析出硬化系ステンレス鋼材料など）、チタン合金やセラミック系材料（例えば、Ｓｉ₃ Ｎ₄ ，ＳｉＣ，Ａｌ₂
Ｏ₃ ，ＺｒＯ₂など）を採用してもよい。

潤滑方法も特に限定されず、一般的な使用環境では、鉱油系グリースや合成油系（例えば、リチウム系、ウレア系等）のグリースや油を使用でき、真空用途などでは、フッ素系のグリースまたは油、あるいはフッ素樹脂、ＭＯＳ₂ などの固体潤滑剤を使用することができる。

玉案内保持器１５は、図２〜図４に示すように、リング部１７と、このリング部１７の一端部に周方向に略等間隔で複数箇所軸方向に突設された柱部１８と、各柱部１８間に形成されて玉１３を周方向に転動可能に保持する多数のポケット部１９と、このポケット部１９のリング部１７とは反対側の先端部に形成された玉１３の抜け出しを防止する一対の玉係止部とを備えた柔軟性のある冠形保持器の構成を有する。この保持器１５の材料は、例えば、ポリアミド、ポリアセタール、ポリフェニレンサルファイド等の合成樹脂材とし、必要に応じて、合成樹脂材にガラス繊維や炭素繊維等の補強材を混入した材料を用いる。

また、保持器１５は、図５に示すように、リング部１７の少なくとも円周方向の一箇所で互いに隣り合うポケット部１９間を予め切断して切断部１４を形成し、切断部１４の相対する切断面の間に転動体１３を挿入したうえ、転動体１３と切断面間に所定のすき間ΔＬ／２を持たせた構造としている（ΔＬ：軸受の温度上昇や保持器の吸水を考慮した切断部１４の最適すき間）。

本実施形態のような幅狭玉軸受１０では、冠型保持器１５の円周方向に切断部１４を形成し、さらに、相対する切断面の間に転動体１３を挿入したことで、以下のような効果を奏する。

即ち、従来の転動体１３を挿入しない場合では、図９に示すように、切断部１４における転動体１３間の距離は（ΔＬ＋２・ΔＳ）となる一方（ΔＳ：保持器１５の柱部１８の強度を考慮した必要最小肉厚）、切断部１４の相対する切断面の間に転動体１３を挿入する場合では、図５に示すように、転動体１３間の距離は（ΔＬ／２＋ΔＳ）となる。つまり、切断部１４に転動体１３を挿入する本実施形態では、切断部１４に転動体１３を挿入しない場合に比べ、転動体１３の不等配を約１／２にすることができる。よって、上述のように転動体１３の不等配によって発生する玉の公転周期（保持器の回転周期）ごとの回転振れ（ＮＲＲＯ）の増加を大幅に抑制することが可能となる。

ここで、図６は、本発明品と従来品とのＮＲＲＯを示すグラフ図である。本発明品と従来品は、それぞれ２列背面組合せアンギュラ軸受（軸受内径：φ１７０ｍｍ、軸受外径：φ２１５ｍｍ、軸受幅：
１３．５ｍｍ、接触角：３５°、玉径：６．３５ｍｍ、玉数：８０個、玉ピッチ円径：φ１９２．５（Ｂ／Ｈ＝０．６０）、内輪・外輪及び玉の材料を軸受鋼（ＳＵＪ２、線膨張係数：１２．５×１０^−６（Ｋ^−１））を基本とし、冠形保持器（玉案内方式、ポリアミド６６、強化材混入なし、線膨張係数：８０×１０^−６（Ｋ^−１））の構成のみを変更させた場合の、本発明品と従来品のＮＲＲＯを比較した結果を示している。

図６の結果より、本発明品のＮＲＲＯは、従来品に比べて約１／２に減少していることがわかる。つまり、軸受に本発明の構成を採用することにより、転動体の不等配によって発生する玉の公転周期（保持器の回転周期）ごとの回転振れ（ＮＲＲＯ）の増加を大幅に抑制することが可能となった。

次に、図７を参照して、本発明の第２実施形態に係る転がり軸受に組み込まれた保持器１５を説明する。この保持器１５では、第１実施形態の切断面に、潤滑剤を溜めるための凹溝２０ａを設けた構成としている。図７に示すように潤滑剤を保持する凹溝２０ａを設ければ、転動体１３と保持器１５の接触部における潤滑条件を向上させることが可能となる。また、凹溝２０aは転動体１３と保持器１５の接触部からずれた位置に設けることが好ましい。さらに、図７に示すように凹溝２０aを軸方向に開口する形状にすれば、射出成形で保持器１５を製造する場合、型を軸方向に離型する方式（アキシャアルドロー方式）で型から保持器１５を取り出す際、型との干渉が無く取り出しが容易となる。なお、潤滑剤を保持する凹溝２０ａは、切断部の少なくとも一方に設ければ良い。

次に、図８を参照して、本発明の第３実施形態に係る転がり軸受に組み込まれた保持器１５を説明する。この保持器１５では、第２実施形態の切断面と同様に潤滑剤を溜めるための凹溝２０ｂを設けた構造としているが、凹溝２０ｂの形状を溝開口部より溝底部の幅を広くした構成としている。図８に示すような凹溝２０ｂ形状とすれば、保持器回転時に遠心力が作用しても潤滑剤を凹溝２０ｂ内部に保持する効果が高まり、軸受回転時における切断部１４での摩擦による発熱がさらに軽減し、摩耗や損傷を確実に防止することができる。その他の構成及び作用は、第１実施形態のものと同様である。

本発明の転がり軸受は、例えば、産業機械、ロボットの関節部や旋回機構部、工作機械の主軸、回転テーブルや主軸旋回機構部、医療機器、半導体／液晶製造装置、光学及びオプトエレクトロニクス装置等の回転支持部に好適に利用できる。

１０ 転がり軸受
１１ａ 内輪軌道面
１１ 内輪
１２ａ 外輪軌道面
１２ 外輪
１３ 転動体
１４ 切断部
１５ 保持器
１６ シール部材
１７ リング部
１８ 柱部
１９ ポケット部

Claims (3)

1. 外周面に内輪軌道面を有する内輪と、内周面に外輪軌道面を有する外輪と、前記内輪軌道面と前記外輪軌道面との間に転動自在に設けられた複数の転動体と、円周方向の少なくとも一カ所に切断部が形成され、前記複数の転動体を円周方向に略等間隔で保持する合成樹脂製の保持器と、を備えた転がり軸受において、
   前記切断部の相対する切断面の間に前記転動体を挿入し、
   軸受の温度上昇や保持器の吸水を考慮した前記切断部の最適すき間をΔＬとすると、前記転動体と前記切断面との間のすき間の距離はΔＬ／２であり、
   前記保持器は、リング部と、前記リング部の一端部に周方向に略等間隔で複数箇所軸方向に突設された柱部と、前記柱部間に形成されて前記転動体を周方向に転動可能に保持する複数のポケット部と、を有し、
   前記切断部は、円周方向に隣り合う前記ポケット部の間の前記柱部を切断して形成されており、
   前記切断面は、平坦面であり、
   前記切断面の少なくとも一方に、潤滑剤を溜めるための凹溝部を設け、
   前記凹溝部は、前記転動体と前記保持器の接触部からずれた位置に設けられ、且つ、軸方向に開口する形状とされることを特徴とする転がり軸受。
2. 前記転動体が、玉であることを特徴とする請求項１に記載の転がり軸受。
3. 前記転動体が、円筒ころであることを特徴とする請求項１に記載の転がり軸受。