JP2004156725A

JP2004156725A - 転がり軸受

Info

Publication number: JP2004156725A
Application number: JP2002323906A
Authority: JP
Inventors: Shohei Nakamura; 昌平中村
Original assignee: NTN Corp; NTN Toyo Bearing Co Ltd
Current assignee: NTN Corp
Priority date: 2002-11-07
Filing date: 2002-11-07
Publication date: 2004-06-03

Abstract

【課題】高価な複合材料製の保持器を用いることなく、高強度で、しかも、安価に製造することのできる転がり軸受を提供する。
【解決手段】内輪２と外輪４と転動体６と保持器８とで構成された転がり軸受において、保持器８を、ＰＴＦＥ製のリング状部材８ａと金属製のリング状部材８ｂとで構成する。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は転がり軸受に関するもので、主にロケットエンジン用ターボポンプ等の極低温条件下で高速回転する用途に用いられる。
【０００２】
【従来の技術】
液体ロケットエンジン用ターボポンプを図７に示し、その回転支持部に使用されているアンギュラ玉軸受の代表例を図８に示す。この軸受は内輪１２、外輪１４、複数の玉１６、保持器１８の４種類の部品で構成されている。保持器１８はガラス繊維とＰＴＦＥの複合材で形成され、保持器以外の部品の材料はマルテンサイト系ステンレス鋼である。
【０００３】
液体ロケットエンジン用ターボポンプの軸受は以下のような過酷な条件下で使用される。
１）液体水素あるいは液体酸素中という極低温（−２５３℃あるいは−１８３℃）条件
２）ｄｎ値１６８万（ｍａｘ．）の高速回転ｄｎ値＝軸受内輪内径（ｍｍ）×軸受内輪回転数（ｒｐｍ）
３）潤滑剤は保持器から転動体・軌道面へと転移するＰＴＦＥと、初期潤滑を担う内輪及び外輪軌道面と転動体のＰＴＦＥ被膜のみである。
【０００４】
【非特許文献１】
野坂正隆、「ロケットターボポンプ用軸受の保持器複合材の潤滑特性」、日本複合材料学会誌、第２０巻、第６号、１９９４年、ｐ２１５−２２３
【非特許文献２】
Ｔ．Ｊｅｔｔ、外２名、”ＥｖａｌｕａｔｉｏｎｏｆＢｅａｒｉｎｇＣｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎｓＵｓｉｎｇｔｈｅＳｉｎｇｌｅＢｅａｒｉｎｇＴｅｓｔｅｒｉｎＬｉｑｕｉｄＮｉｔｒｏｇｅｎ”、ＮＡＳＡＴｅｃｈｎｉｃａｌＭｅｍｏｒａｎｄｕｍ、ＮＡＳＡ、１９９１、ｐ．２，２５
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
図８のような構成の軸受には次のような問題点がある。保持器１８の材料がガラス織布を円筒状に積層したものにＰＴＦＥを含浸させて焼成した複合材であるため、Ａ）材料自体が非常に高価である。Ｂ）上記非特許文献１にもあるように、保持器形状に加工した後に、加工面にあるガラス繊維を溶解させるフッ酸処理が必要であるため、更に高価になる。Ｃ）製造方法が特殊であるため、生産性も低く、リードタイムも長期間必要である。Ｄ）ガラス織布が主に強度を支えているが、現状以上の高速回転を要求された場合、遠心力による応力に耐えることが困難になる。
【０００６】
したがって、当該軸受の強度を高め、安価かつ短納期で生産するためには、保持器材料を変更する必要がある。たとえば、上記のように積層した複合材ではなく、基本的な構造は金属材料で構成し、ポケットと案内面はＰＴＦＥとＣｕからなるＰＴＦＥ系樹脂（ＳａｌｏｘＭ）をインサートするタイプが挙げられる（非特許文献２のｐ．２及びｐ．２５参照）。このタイプであれば、金属材料を使用することにより保持器公転による遠心力に十分耐える強度を確保でき、滑り接触する保持器ポケット面と案内面にはＰＴＦＥの固体潤滑剤が供給されることになる。
【０００７】
しかしながら、この保持器でも、構造部材である金属部分の機械加工がかなり困難である。ＳａｌｏｘＭのポケット部品を収納するために従来の保持器以上の機械加工が必要である。
【０００８】
本発明の目的は、高価な複合材料製の保持器を用いることなく、高強度で、しかも、安価に製造することのできる転がり軸受を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、内輪２と外輪４と転動体６と保持器８とで構成された転がり軸受であって、保持器８がＰＴＦＥ製のリング状部材８ａと金属製のリング状部材８ｂとで構成されていることを特徴とするものである。金属製のリング状部材８ｂが保持器公転による遠心力に十分耐える強度を保持し、滑り接触する保持器ポケット面と保持器案内面にはＰＴＦＥの固体潤滑剤が供給されることになる。
【００１０】
ＰＴＦＥ製のリング状部材８ａと金属製のリング状部材８ｂとは互いにしまりばめで結合させることができる。はめあいだけで結合させることにより、最も容易に、安価に実施をすることができる。金属製のリング状部材８ｂに爪８ｄを設けてＰＴＦＥ製のリング状部材８ａに係合させることができ、そうすることにより、両者の結合強度を高めることができる。
【００１１】
保持器８のポケット穴８ｃを構成するＰＴＦＥ製のリング状部材８ａのポケット穴部分よりも金属製のリング状部材８ｂのポケット穴部分を大きくしておくことができ、そうすることによって、金属製のリング状部材８ｂが転動体６と接触することを防止できる。
【００１２】
外輪４の、保持器８と接触する面にＰＴＦＥ製のリング状部材４ａを組み込むことができる。
【００１３】
本発明の転がり軸受は、ロケットエンジンターボポンプの回転支持部に使用することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、図面に従って本発明の実施の形態を説明する。なお、内輪２と外輪４と転動体６と保持器８とからなる転がり軸受の基本的構成に関する限り、図８に関連して既述した従来のものと変わるところはない。
【００１５】
図１に示す実施の形態は、外輪案内保持器をもったアンギュラ玉軸受の場合の例である。アンギュラ玉軸受は転動体として玉を用いたアンギュラコンタクトラジアル軸受であって、この転がり軸受は内輪２と外輪４と玉６と保持器８とで構成されている。外輪４の両肩に保持器８をラジアル方向に案内するための保持器案内面を設けてある。外輪４の保持器案内面と保持器外径面とのラジアル方向のすきまを適切に保って、保持器の振れ回りを防ぐようにしている。
【００１６】
外輪４の保持器案内面は、ＰＴＦＥ製のリング状部材４ａの内周面によって形成されている。リング状部材４ａは、外輪４の両端部内周面に形成した環状溝にある程度のしめしろをもってはめ込んである。ここで、ある程度のしめしろとは、最低限、実際の使用時の温度条件において、線膨張係数の違いにより外輪とＰＴＦＥ製リング状部材４ａが分離しない程度の意である。
【００１７】
図２に保持器８の詳細を示す。保持器８はＰＴＦＥ製のリング状部材８ａと金属材料製のリング状部材８ｂとの二部材で構成されている。内周側のＰＴＦＥ製のリング状部材８ａの外周面に金属製のリング状部材８ｂをある程度のしめしろをもって結合させてある。ここで、ある程度のしめしろとは、最低限、使用時の温度条件において線膨張係数の違いによりＰＴＦＥ製リング状部材８ａと金属製リング状部材８ｂが分離しないこと、また、遠心力が加えられても比重の違いによって両者が分離しないことが必要であり、実際には、軌道輪案内面との接触による外力が加わるため、さらに大きなしめしろとする必要がある。
【００１８】
なお、両者（８ａ，８ｂ）とも半径方向に貫通したポケット穴８ｃを有しているが、金属製のリング状部材８ｂのポケット穴部分がＰＴＦＥ製のリング状部材８ａのポケット穴部分よりも若干大きい。これは、ポケット穴８ｃに組み込まれる玉６と金属製のリング状部材８ｂとが直接接触しないようにするためである。図２（ｃ）ではポケット穴の輪郭を太線で描くことにより、金属製のリング状部材８ｂのポケット穴部分の下にＰＴＦＥ製のリング状部材８ａがわずかに現れていることを表している。
【００１９】
金属製のリング状部材８ｂを構成する材料としては、例えばＳＵＳ４４０Ｃなどを用いることができるが、線膨張係数等を考慮してアルミ材等、別の材料を用いてもよい。ＰＴＦＥ部材と金属部材との結合強度を考慮すると両者の材料の線膨張係数が同等であるのが好ましい。
【００２０】
上述の実施の形態では、保持器８を構成するＰＴＦＥ製のリング状部材８ａと金属製のリング状部材８ｂとがはめあいだけで結合しているが、さらに確実に両者を結合させたい場合、図３（ａ）−（ｃ）に示すように、金属製のリング状部材８ｂに爪８ｄを設けてＰＴＦＥ製のリング状部材８ａの端面に係合させることもできる。金属製のリング状部材８ｂの軸方向両側の周縁部に複数の爪８ｄを等間隔に設け、これを半径方向内側に折り曲げて、ＰＴＦＥ製のリング状部材８ａを軸方向両側から保持するようにしたものである。
【００２１】
さらに、図３（ｄ）に示すように、ＰＴＦＥ製のリング状部材８ａに形成した凹部に爪８ｄをはまり込ませることによって保持器８の幅面を面一にしてもよく、そうすることにより、両者（８ａ，８ｂ）の結合強度が高まる。また、図３（ｅ）に示すように、ＰＴＦＥ製のリング状部材８ａに形成した凹部の断面形状を、保持器の半径方向内側ほど深くなるテーパ状にすることによって、爪８ｄを鋭角に折り曲げることができるため、両者（８ａ，８ｂ）の結合強度がさらに高まり、高いｄｎ条件下でも確実に固定することができる。
【００２２】
爪８ｄは、図３に例示したように互いに独立した複数の爪の態様とするほか、全周にわたって連続した態様とすることも可能である。
【００２３】
図４に示す実施の形態は、外輪案内で、かつ、片案内保持器を用いる場合の例である。ここでは、外輪４は一方（図４の右側）にのみ保持器案内面を有し、他方の肩を落として冷却効果とトルク低減を図ってある。保持器案内面は、図１の実施の形態と同様に、外輪４の内周面に形成した環状凹部にＰＴＦＥ製のリング状部材４ａをはめ込むことによって形成されている。ここでも、外輪４とリング状部材４ａとはある程度のしめしろをもって結合させてある。ここでも、ある程度のしめしろとは、最低限、実際の使用時の温度条件において、線膨張係数の違いにより外輪４とリング状部材４ａが分離しない程度の意である。保持器８としては図２あるいは図３に示したものを用いることができる。
【００２４】
図５に示す実施の形態は、内輪案内で、かつ、両側案内保持器を用いる場合の例である。この場合、内輪２の保持器案内面（内輪外周面）には、図１あるいは図３に示すようなＰＴＦＥ製のリング状部材４ａを組み込む必要はない。何故なら、図２あるいは図３に示す保持器８を用いれば、内輪２の保持器案内面と保持器８を構成するＰＴＦＥ部材８ａとが接触するためである。
【００２５】
図６に示す実施の形態は、内輪案内で、かつ、片側案内保持器を用いる場合の例である。基本的には図５の実施の形態と同様であるが、内輪２の一方（図６の右側）の肩を落としてあるため片側案内となっている点で異なる。
【００２６】
【発明の効果】
本発明は次のような効果を奏する。
１）高価な複合材料製の保持器が不要になるため安価な軸受になる。
２）ガラス織布を用いないのでフッ酸処理が不要になり、安価になる。
３）強度部材として金属材料を使用するため、強度向上が図れる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態を示す転がり軸受の断面図である。
【図２】（ａ）は保持器の断面図、
（ｂ）は図２（ａ）のｂ−ｂ断面図、
（ｃ）は図２（ａ）の部分平面図である。
【図３】（ａ）は保持器の断面図、
（ｂ）は側面図、
（ｃ）は部分平面図、
（ｄ）は改変例を示す断面図、
（ｅ）も改変例を示す断面図である。
【図４】第二の実施の形態を示す転がり軸受の断面図である。
【図５】第三の実施の形態を示す転がり軸受の断面図である。
【図６】第四の実施の形態を示す転がり軸受の断面図である。
【図７】液体酸素ターボポンプの半断面図である。
【図８】従来の技術を示す転がり軸受の断面図である。
【符号の説明】
２内輪
４外輪
４ａＰＴＦＥ製のリング状部材
６玉（転動体）
８保持器
８ａＰＴＦＥ製のリング状部材
８ｂ金属製のリング状部材
８ｃポケット
８ｄ爪

Claims

内輪と外輪と転動体と保持器とで構成された転がり軸受であって、前記保持器が金属製のリング状部材とＰＴＦＥ製のリング状部材とで構成されていることを特徴とする転がり軸受。
ＰＴＦＥ製のリング状部材のポケット穴部分よりも金属製のリング状部材のポケット穴部分を大きくしたことを特徴とする請求項１に記載の転がり軸受。
外輪の、保持器と接触する面にＰＴＦＥ製のリング状部材を組み込んだことを特徴とする請求項１または２に記載の転がり軸受。
ロケットエンジンターボポンプ用であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の転がり軸受。