JP6191716B2 - アンギュラ玉軸受 - Google Patents

Description

本発明は、アンギュラ玉軸受に関し、より詳細には、工作機械用スピンドルや、ボールねじ軸端支持を含む、鉄道、航空、一般産業機械、自動車等に適用されるアンギュラ玉軸受に関する。

現在、転がり軸受には様々な潤滑方法が使用されている。中でも、グリース潤滑はメンテナンスが不要であり、外部装置を必要としないことから、非常に安価であり、多くの場面で用いられている。

グリース潤滑では、一般的に、その機械を分解しない限り、外部からグリースが補給できないため、初期封入グリースによるグリース寿命を如何に延長させるかが、常に課題となっている。

グリースは、軸受の発熱や摩耗（転がり接触面（転動面）や滑り接触面の経時的、経年的な摩耗）により劣化し、その潤滑性能は徐々に低下していく。そのため、グリース寿命を延長させるためには、軸受の発熱、摩耗を可能な限り抑制することが重要となる。

転がり軸受の潤滑において、発熱、摩耗を抑制するためには、常に適正量を転動面に供給する必要がある。潤滑油の供給量が多い場合、潤滑油の攪拌抵抗により発熱し、少ない場合には、転動面に油膜が形成されず、金属接触が生じ、摩耗、発熱を生じさせる。特に、グリース潤滑では、油潤滑と比較して流動性が低いため、転動面への潤滑油供給量が安定せず、軸受の摩耗、発熱が生じやすい。

また、軸受運転時、封入されたグリースは軸受の軌道輪や保持器に堆積することになるが、堆積箇所や堆積量は、それらの形状によりランダムとなってしまい、転動面への潤滑油供給量が安定しない一因となっている。

特許文献１及び２では、グリース潤滑される転がり軸受において、保持器にグリースを堆積させて潤滑性能の向上を図ることが考案されている。特許文献１に記載の円筒ころ軸受のソリッド型保持器では、保持器ポケットの内周面に、グリース溜りとなる円周溝を形成して、ころ端面と軌道輪鍔部や保持器との滑り接触部における潤滑性能の向上を図っている。また、特許文献２に記載の転がり軸受用保持器では、保持器ポケットの内周面において、端部内周面部分の内径が中央部内周面部分の内径より小さな寸法とされるようにして、転動体の近傍に多くのグリースを堆積させて、高速用途における潤滑の信頼性を高めている。

実開平５−３０５５４号公報 特開２００６−３２９２１８号公報

ところで、特許文献１に記載の円筒ころ軸受では、保持器の内周面に堆積するグリースにおいて、ころ端面と軌道輪鍔部や保持器との滑り接触部に供給されるグリース量の増大を図ったものであり、グリースの転動体転動面へのグリース供給量に対しては考慮されていない。

また、特許文献２に記載の転がり軸受用保持器では、保持器の内周面の中央により多くのグリースを堆積させ、グリース寿命を延長させることを目的としており、堆積可能なグリース量は増大するが、同時に転動体へのグリース供給量が過多となり、異常発熱を引き起こし、グリース寿命が低下する可能性がある。

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、保持器に堆積するグリースに着目し、保持器から転動面へ供給されるグリース量を安定させ、グリース寿命の延長が可能な保持器を備えた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） 内周面に外輪軌道面を有する外輪と、
外周面に内輪軌道面を有する内輪と、
前記外輪軌道面と前記内輪軌道面との間に接触角を持って配置される複数の玉と、
前記複数の玉をそれぞれ保持する複数のポケットを有する保持器と、
を備え、グリース潤滑されるアンギュラ玉軸受であって、
前記保持器は、その径方向内側且つ軸方向中央部分に形成される、前記玉のピッチ円直径よりも内径が小さい凸部と、前記保持器の径方向内側で、且つ、該凸部の軸方向両側部分に形成される周溝部と、を有し、
前記保持器は、その断面形状において、前記保持器の軸方向中央位置から前記凸部の起立開始点までの軸方向距離が、前記玉の中心点から前記軸受回転軸への垂線から、前記起立開始点の径方向位置における前記玉の接触角線の位置までの軸方向距離よりも大きく、且つ、前記玉の中心点から前記軸受回転軸への垂線から、前記凸部の起立開始点の径方向位置と、前記玉の転動面の起立開始点側端線との交点までの軸方向距離よりも大きく、
前記保持器は、その断面形状において、前記保持器の軸方向中央位置から前記周溝部の軸方向外側の溝底開始点までの距離が、前記保持器の軸方向中央位置から前記ポケットの軸方向端部壁面までの距離よりも大きいことを特徴とするアンギュラ玉軸受。
（２） 前記保持器の軸方向中央位置において、前記凸部の内径端の内径が前記玉のピッチ円直径よりも小さく、且つ、前記ポケットの壁面と交差する外径部分の外径が前記玉のピッチ円直径よりも大きいことを特徴とする（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、保持器の径方向内側且つ軸方向中央部分に凸部を有する構成とし、凸部の起立開始点を玉の転動面との関係で規定したので、保持器から玉へのグリース供給位置を非転動面として、保持器から転動面へ供給されるグリース量を安定させ、グリース寿命の延長が可能となる。
また、保持器の径方向内側で、且つ、該凸部の軸方向両側部分に形成される周溝部を有し、保持器の軸方向中央位置から周溝部の軸方向外側の溝底開始点までの距離が、保持器の軸方向中央位置からポケットの軸方向端部壁面までの距離よりも大きくしたので、グリースの堆積可能量を大幅に増加できる。

（ａ）は、本発明の第１実施形態に係るアンギュラ玉軸受の断面図であり、（ｂ）は、保持器の断面図である。 図１のＩ−Ｉ線に沿った断面図である。 第１実施形態のアンギュラ玉軸受において、保持器の断面形状と、玉の転動面とのより好ましい関係を説明する断面図である。 （ａ）は、図１のアンギュラ玉軸受において、グリースが保持器に堆積した状態を示す断面図であり、（ｂ）は、グリースが玉に供給される様子を示す、玉を（ａ）のＩＶ方向から見た図である。 （ａ）は、従来のアンギュラ玉軸受において、グリースが保持器に堆積した状態を示す断面図であり、（ｂ）は、グリースが玉に供給される様子を示す、玉を（ａ）のＶ方向から見た図である。 （ａ）及び（ｂ）は、第１実施形態の変形例を示す保持器の断面図である。 本発明の第２実施形態に係るアンギュラ玉軸受の断面図である。 （ａ）〜（ｃ）は、本発明の変形例に係る冠型保持器の断面図である。 本発明の変形例に係るアンギュラ玉軸受の断面図である。

（第１実施形態）
以下、本発明の第１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に示すように、第１実施形態のアンギュラ玉軸受１０は、内周面に外輪軌道面１１ａを有する外輪１１と、外周面に内輪軌道面１２ａを有する内輪１２と、外輪軌道面１１ａと内輪軌道面１２ａとの間に接触角αを持って配置される複数の玉１３と、複数の玉１３をそれぞれ保持する複数のポケット２１を有する玉案内形式の保持器２０と、を備える。また、アンギュラ玉軸受１０は、内輪回転で使用され、初期封入によりグリース潤滑される。

保持器２０は、軸方向両端部に一対の円環部２２、２２と、一対の円環部２２、２２間に、周方向に所定の間隔で設けられ、一対の円環部２２、２２を連結するように軸方向に延びる複数の柱部２３と、を備え、軸方向中央位置に対して対称に形成されている。また、ポケット２１は、一対の円環部２２、２２と、隣接するポケット２１、２１によって画成され、円筒形状に形成されている。

また、保持器２０は、その径方向内側且つ軸方向中央部分に形成される凸部２４と、保持器２０の径方向内側で、且つ、凸部２４の軸方向両側部分に形成される一対の周溝部２５、２５と、を有する。即ち、凸部２４は、柱部２３の周溝部２５、２５が形成される溝底面２５ａから内径側に突出し、柱部２３の軸方向中央部分に周方向に亙って形成される。

図２にも併せて示すように、通常、保持器２０のポケット２１は、玉１３に対して、ある隙間を与えられて設計される。このとき、隙間を定めるためには、玉１３とポケット２１の壁面が接触した点における接線と、ポケット２１の壁面が平行となる。つまり、玉１３がポケット２１の壁面に接触する際、常に玉１３の大円（最大径部分＝赤道位置）が接触位置となる必要がある。従って、保持器２０の軸方向中央位置において、ポケット２１の壁面と交差する内径部分の内径ｄ１が玉１３のピッチ円直径ＰＣＤよりも小さく、且つ、ポケット２１の壁面と交差する外径部分の外径ｄ３が玉１３のピッチ円直径ＰＣＤよりも大きくなる必要がある。そのため、凸部２４は、玉１３のピッチ円直径ＰＣＤよりも内径ｄ１が小さく設定される（ｄ１＜ＰＣＤ）。また、保持器２０は、半径方向に対して動き量Δｄ１（直径隙間）を持っているため、ｄ１（ｄ２）＜ＰＣＤ−Δｄ１／２、且つ、ｄ３＞ＰＣＤ＋Δｄ１／２を満たすことが必要となる。

また、グリースは、基本的に、保持器２０の内周面の最も遠心力の大きい部位、つまり、内径の最も大きい部位を中心に堆積する。即ち、本実施形態では、グリースは、保持器２０の周溝部２５、２５に堆積する。また、周溝部２５、２５に堆積したグリースは、遠心力による流動によって、玉１３に接触することで、玉１３を通じて転動面に供給される。

このとき、転動面となっている玉１３の円周上に直接グリースが供給されると、グリース供給過多となり、発熱を引き起こすことから、玉１３の非転動面のみにグリースを供給するように、凸部２４と周溝部２５、２５との境界、即ち、凸部２４の起立開始点２４ａを設定している。

即ち、保持器２０は、その断面形状において、保持器２０の軸方向中央位置から凸部２４の起立開始点２４ａまでの軸方向距離Ａが、玉１３の中心点から軸受回転軸への垂線Ｖから、起立開始点２４ａの径方向位置における玉１３の接触角線Ｌの位置までの軸方向距離Ａ´よりも大きくなるように設定される（Ａ＞Ａ´）。なお、接触角線Ｌは、玉１３と外輪軌道面１１ａ及び内輪軌道面１２ａとの接触点を結ぶ線である。このとき、起立開始点２４ａ（＝溝底径）をｄ２とすると、Ａ´＝｜（ＰＣＤ−ｄ２）ｔａｎα／２｜となる。

また、玉１３と外輪軌道面１１ａ及び内輪軌道面１２ａとの接触は、接触楕円となることから、転動面は必ず幅Ｃを持つ。このため、Ａ＞Ａ´´とすることが好ましい。このとき、Ａ´´は、玉１３の中心点から軸受回転軸への垂線Ｖから、起立開始点２４ａの径方向位置と、転動面の起立開始点側端線（溝底側端線）との交点ｐまでの軸方向距離であり、Ａ´´＝｜（ＰＣＤ−ｄ２）ｔａｎα／２＋Ｃ／（２ｃｏｓα）｜となる。これにより、玉１３の非転動面のみにより確実に供給することができる。

なお、図３は、上記Ａ、Ａ´、Ａ´´の関係を満足するのに加え、凸部２４の起立面に付着したグリースも直接転動面に供給されないように考慮した場合の、保持器２０の形状を有するアンギュラ玉軸受１０ａを示している。この場合、保持器２０は、その断面形状において、保持器２０の軸方向中央位置から凸部２４の起立完了点２４ｂまでの軸方向距離Ｄが、玉１３の中心点から軸受回転軸への垂線Ｖから、起立完了点２４ｂの径方向位置（凸部２４の先端面）における玉１３の接触角線Ｌの位置までの軸方向距離Ｄ´よりも大きくなるように設定されることが好ましい（Ｄ＞Ｄ´）。また、上記と同様に、接触楕円を考慮すると、Ｄ´´は、玉１３の中心点から軸受回転軸への垂線Ｖから、起立完了点２４ｂの径方向位置（凸部２４の先端面）と、転動面の起立開始点側端線（溝底側端線）との交点ｑまでの軸方向距離となり、Ｄ＞Ｄ´´とすることがさらに好ましい。

また、グリースは、保持器２０の周溝部２５、２５に堆積するため、周溝部２５、２５が大きいほどグリースの堆積可能量が大きくなる。具体的には、保持器２０の軸方向中央位置から軸方向外側の溝底開始点２５ｂまでの距離Ｂと、保持器２０の軸方向中央位置からポケット２１の軸方向端部壁面までの距離Ｂ´は、Ｂ＞Ｂ´となることが望ましい。これにより、周溝部２５、２５のうち、幅方向においてＢ−Ｂ´間に相当する領域は、円環となるので、グリースの堆積可能量が大幅に増加する。

図４は、本実施形態の保持器２０を備えたアンギュラ玉軸受１０において、保持器２０に堆積したグリースＧが玉１３に供給される様子を示し、図５は、凸部や周溝部を有しない標準的な保持器２０´を備えたアンギュラ玉軸受１０´において、保持器２０´に堆積したグリースＧが玉１３に供給される様子を示している。

従って、図５に示すように、標準的な保持器２０´では、保持器２０´の内周面全体にグリースＧが堆積するため、玉１３へのグリース供給位置はランダムとなる。そして、玉１３の転動面に直接グリースＧが供給される場合、供給過多による異常発熱を引き起こす可能性がある。それに対して、図４に示す、本実施形態の保持器２０では、凸部２４及び周溝部２５、２５によって、周溝部２５、２５にほとんどのグリースＧが堆積するため、非転動面のみにグリースＧが供給される。そして、非転動面に供給されたグリースＧは、玉１３の自転による遠心力によって引き伸ばされながら転動面（玉周速最大位置）に向かって拡がっていく。このとき、グリースＧの拡散速度は、玉１３の自転速度に応じて上昇するが、基本的に転がり軸受が高速になるほど、必要なグリース量は増大するため、適正量を維持しやすい。また、非転動面にグリースＧが供給されるため、断続的に供給されたときにおいても、供給後、拡散中のグリースＧに混ざるため、転動面への供給量の変動が抑制できる。

なお、上記実施形態では、凸部２４の壁面、及び周溝部２５の壁面が、周溝部２５の溝幅が内径側で徐々に広がるように、傾斜して形成されているが、凸部２４の壁面、及び周溝部２５の壁面は、図６（ａ）に示す変形例のように、回転軸に対して垂直に沿って形成されてもよく、図６（ｂ）に示す変形例のように、曲面によって形成されてもよい。即ち、保持器２０は、凸部２４が内周面の最小内径、周溝部２５が内周面の最大内径となることで、上記効果を奏することができる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態に係るアンギュラ玉軸受１０Ａについて、図７を参照して詳細に説明する。なお、本実施形態は、保持器の形状において第１実施形態と異なるのみであるため、第１実施形態と同等部分については、同一符号を付して説明を省略或いは簡略化する。

第２実施形態における保持器２０ａは、第１実施形態と同様に、凸部２４を有する一方、その軸方向外側に、周溝部を有しておらず、保持器２０の軸方向端部から凸部２４の起立開始点２４ａまで一様内径の内周面で構成されている。基本的に、内輪回転軸受では、グリースは保持器２０の内周面に堆積するため、周溝部を有しない構成であっても、十分なグリース量を確保することができる。また、周溝部を有しないことにより、保持器２０の軸方向両端の内径を調節することによって、保持器２０の軽量化や剛性向上が可能となる。
その他の構成、及び作用については、第１実施形態のものと同様である。

尚、本発明は、前述した各実施形態に限定されるものではなく、適宜、変形、改良、等が可能である。
例えば、本発明は、図８に示すような冠型保持器にも適用可能である。冠型保持器２０ｂは、その構造上、保持器２０ｂのポケット２１は保持器軸方向に対して、片方が開口している必要がある。本発明の保持器では、少なくとも内径最小となる凸部２４を形成すれば、その効果が発揮できるため、冠型保持器２０ｂにも適用可能となっている。また、冠型保持器２０ｂにおいても、図８（ａ）に示すような、周溝部２５を凸部２４の両端部に形成するものが、最もグリース堆積可能量が大きくなり望ましいが、図８（ｂ）に示すような片側のみに周溝部２５を有するものや、図８（ｃ）に示すような周溝部なしの形状であっても、十分に効果を発揮することができる。

また、保持器の案内形式は、上記実施形態の玉案内方式に限定されず、外輪案内方式や内輪案内方式であってもよく、また、ポケット面は、円筒形状に限定されず、玉の球面に沿った形状であってもよい。さらに、保持器の材料についても、任意のものを適用することができる。

また、本発明のアンギュラ玉軸受では、上記実施形態のように、内輪１２の軸方向両側の肩部外径が同一寸法であってもよいし、図９に示すように、軸方向一方側の肩部が他方の肩部に対して小径に形成されていてもよい。なお、図１の断面図では、凸部２４の内径ｄ１が、内輪１２の肩部外径よりも小さく示されているが、組立性の観点から、内輪１２の少なくとも軸方向一方側の肩部外径は、凸部２４の内径ｄ１よりも小さく設計されている必要がある。

１０、１０Ａ アンギュラ玉軸受
１１ 外輪
１１ａ 外輪軌道面
１２ 内輪
１２ａ 内輪軌道面
１３ 玉
２０、２０ａ、２０ｂ 保持器
２１ ポケット
２２ 円環部
２３ 柱部
２４ 凸部
２５ 周溝部
Ｃ 転動面

Claims (2)

1. 内周面に外輪軌道面を有する外輪と、
   外周面に内輪軌道面を有する内輪と、
   前記外輪軌道面と前記内輪軌道面との間に接触角を持って配置される複数の玉と、
   前記複数の玉をそれぞれ保持する複数のポケットを有する保持器と、
   を備え、グリース潤滑されるアンギュラ玉軸受であって、
   前記保持器は、その径方向内側且つ軸方向中央部分に形成される、前記玉のピッチ円直径よりも内径が小さい凸部と、前記保持器の径方向内側で、且つ、該凸部の軸方向両側部分に形成される周溝部と、を有し、
   前記保持器は、その断面形状において、前記保持器の軸方向中央位置から前記凸部の起立開始点までの軸方向距離が、前記玉の中心点から前記軸受回転軸への垂線から、前記起立開始点の径方向位置における前記玉の接触角線の位置までの軸方向距離よりも大きく、且つ、前記玉の中心点から前記軸受回転軸への垂線から、前記凸部の起立開始点の径方向位置と、前記玉の転動面の起立開始点側端線との交点までの軸方向距離よりも大きく、
   前記保持器は、その断面形状において、前記保持器の軸方向中央位置から前記周溝部の軸方向外側の溝底開始点までの距離が、前記保持器の軸方向中央位置から前記ポケットの軸方向端部壁面までの距離よりも大きいことを特徴とするアンギュラ玉軸受。
2. 前記保持器の軸方向中央位置において、前記凸部の内径端の内径が前記玉のピッチ円直径よりも小さく、且つ、前記ポケットの壁面と交差する外径部分の外径が前記玉のピッチ円直径よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載のアンギュラ玉軸受。

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