JP6834760B2 - 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する。

一般に、工作機械の主軸用軸受には、円筒ころ軸受やアンギュラ玉軸受等の転がり軸受が使用されている。これらの転がり軸受の保持器としては、合成樹脂製のプラスチック保持器が用いられる。プラスチック保持器は、軽量なので回転時の遠心力が小さく、高速回転に有利である。
このような転がり軸受の潤滑法としては、グリース潤滑、オイルエア潤滑、ジェット潤滑等が適宜、選択されており、一般的には、低コストでメンテナンスも容易なことから初期封入によるグリース封入潤滑が利用されることが多い（例えば特許文献１参照）。

特開２０１４−９５４６９号公報

外輪案内方式のアンギュラ玉軸受では、外輪軌道面と外輪案内面の交差部位でできる軌道面エッジ部分と、保持器とが接触することにより、保持器が他の接触部分と比較し、非常に摩耗し易い。特に射出成形により作られる樹脂保持器では、表面の非晶質層が摩耗し、そこが起点となり、保持器案内面全体が早期に摩耗する。また、金属保持器においても同様に摩耗し易く、摩耗粉が発生し、潤滑状態が悪くなることで軸受全体の性能が低下する。この摩耗を防止することを目的として、エッジ逃し溝を保持器外径面に円周方向に沿って設けることがある。
しかしながら、グリースが保持器案内面を通り、保持器の軸方向外側へ移動するためには、保持器案内面と外輪案内面がグリースと接することによる上記のせん断による掻き出しが必要となる。また、エッジ逃し溝等が保持器外径面に形成されている場合、エッジ逃し溝に対面する外輪内径面の位置に溜まったグリースに排出するための力が働かない場合がある。その場合、グリースは再び転動体に付着し、軸受内を循環して保持器内径面に戻る。このようなグリースの挙動は、攪拌抵抗を大きくし、通常よりも発熱量を増大させ、軸受の寿命低下や焼付きの原因となる虞がある。これは、特にグリース潤滑でｄｍｎ値が８０万（ＰＣＤ（玉ピッチ円直径）×回転数）以上で使用するような工作機械主軸用軸受について顕著となる。

そこで本発明は、グリースの攪拌抵抗による発熱量を低減し、軸受寿命等の軸受性能の低下を抑制できるアンギュラ玉軸受を提供することを目的とする。

本発明は下記構成からなる。
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配置される複数の玉と、前記玉を周方向に間隔を有して保持する複数のポケットを有する外輪案内方式の保持器と、を備え、前記外輪の反カウンタボア側の内周面に外輪案内面が形成されたアンギュラ玉軸受であって、
前記保持器は、
前記外輪案内面に摺接可能な保持器案内面と、
前記保持器案内面よりも軸方向中央で円周方向に形成され、前記保持器案内面よりも小径な逃し面と、
を有し、
前記逃し面の前記保持器案内面側の端部は、軸方向に関して、前記外輪の前記外輪軌道面と前記外輪案内面との境界となるエッジ部と、前記ポケットの前記反カウンタボア側のポケット軸方向端部との間における、前記ポケット軸方向端部よりも軸方向内側に配置されるアンギュラ玉軸受。

本発明によれば、グリースの攪拌抵抗による発熱量を低減し、アンギュラ玉軸受の軸受寿命等の軸受性能の低下を抑制できる。

本発明の実施形態を説明するための図で、第１構成例のアンギュラ玉軸受の一部断面図である。 図１の要部拡大図である。 図２に示す保持器全体の外観斜視図である。 （Ａ）は図３に示す保持器の断面図、（Ｂ）は（Ａ）に示す保持器の要部正面図である。 保持器の保持器外径面及び外輪の一部断面拡大斜視図である。 外輪にグリースが付着するまでのグリース移動の様子を示す作用説明図である。 図６の一部を拡大した説明図である。 外輪案内面に付着したグリースが軸方向外側に排出されるまでの作用を説明する図で、（Ａ）はアンギュラ玉軸受の一部断面図、（Ｂ）は外輪に接するグリースが付着した保持器の要部正面図である。 （Ａ）は第２構成例の保持器の一部断面図、（Ｂ）は（Ａ）に示す保持器の要部正面図である。 グリースの排出性と保持器の耐摩耗性を試験した各保持器とその試験結果を示す説明図である。 試験に用いた軸受のグリース封入状態を示す一部断面図である。 試験に用いた軸受のグリース封入状態を示す一部側面図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
＜第１構成例＞
図１は本発明の実施形態を説明するための図で、アンギュラ玉軸受の一部断面図である。ここで説明するアンギュラ玉軸受は、工作機械の主軸等、高速回転する装置に用いられる一般的な転がり軸受であるが、これに限らず、他の構成のアンギュラ玉軸受であってもよい。

アンギュラ玉軸受１００は、内周面に外輪軌道面１１を有する外輪１３と、外周面に内輪軌道面１５を有する内輪１７と、複数の玉（転動体）１９と、複数のポケット２１を有する保持器２３と、を備える。

図２は図１の要部拡大断面図である。
複数の玉１９は、外輪軌道面１１及び内輪軌道面１５との間に接触角αを有して転動自在に配置される。保持器２３は、内輪１７と外輪１３との間に配置され、保持器外径面には周方向に間隔を有して複数のポケット２１が形成される。それぞれのポケット２１には、玉１９が転動自在に保持される。

図３は図２に示す保持器全体の外観斜視図である。
保持器２３は、保持器外径面の軸方向両端に、径方向外側へ突出する環状の被案内部２４，２５が形成される。ここで、被案内部２４，２５とは、外輪案内面２９によって案内され得る保持器２３側の案内面を意味する。本構成のアンギュラ玉軸受１００は、保持器２３の軸方向一端側（図１における左側）の被案内部２４における保持器案内面２７が、外輪１３の反カウンタボア側の外輪案内面２９に摺接して案内される外輪案内方式である。なお、本構成ではアンギュラ型の軸受であるため、実際に保持器２３が外輪１３に案内されるのは、片側の被案内部２４のみとなる。しかし、図示例の保持器２３は軸対象形状であり、被案内部２４，２５は互いに等価であるため、ここでは、いずれの被案内部２４，２５も「被案内部」と呼称する。

保持器２３は、合成樹脂を含む材料を用いた射出成形品である。保持器２３に使用可能な合成樹脂としては、例えば、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）、ＰＰＳ−ＣＦ（カーボン繊維強化ポリフェニレンサルファイド）等が挙げられる。その他にも、母材として、ＰＡ（ポリアミド）、ＰＡＩ（ポリアミドイミド）、熱可塑性ポリイミド、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）が利用可能で、強化繊維として、カーボン繊維、ガラス繊維、アラミド繊維等の有機繊維が利用可能である。

本構成においては、一方の被案内部２４が必須の構成であり、他方の被案内部２５は後述する構成例のように省略されていてもよい。

図４（Ａ）は図３に示す保持器の断面図、（Ｂ）は図３に示す保持器の要部正面図である。なお、図４（Ａ）は図４（Ｂ）のIV−IV断面図を示している。また、図５は保持器の保持器外径面及び外輪の一部断面拡大斜視図である。

一般に、軸受内に配置された保持器２３は、保持器案内面２７と外輪案内面２９（図２参照）との間の案内すきまと、ポケットすきまとの範囲で移動自在となる。そのため、外輪案内方式のアンギュラ玉軸受においては、外輪１３の外輪案内面２９と外輪軌道面１１との境界のエッジ部３３（図２参照）に、保持器２３が接触することがある。保持器２３がエッジ部３３に接触すると、保持器２３はエッジ部３３との接触部分から摩耗が進行する。そこで、本構成の保持器２３は、エッジ部３３と接触しないように、外輪１３のエッジ部３３との対面領域に、径方向内側に窪む逃し面（本構成例ではエッジ逃し溝３５）を設けてある。

エッジ逃し溝３５は、保持器外径面において、保持器案内面２７よりも軸方向中央側で円周方向に形成される。このエッジ逃し溝３５は、保持器案内面２７よりも小さな外径となって環状に形成される。つまり、エッジ逃し溝３５は、被案内部２４と被案内部２５との間で、保持器案内面２７の径方向高さから一段低く形成される。この段差によって、保持器２３が傾斜した場合でも、エッジ部３３が保持器２３に接触することがなくなり、エッジ部３３との接触による保持器２３の摩耗を未然に防止できる。本構成において、保持器２３は、エッジ逃し溝３５を溝幅方向（図４（Ｂ）の左右方向）に二等分する仮想線３７を境に、図４（Ｂ）において左右対称形状となる。

保持器２３は、保持器案内面２７とエッジ逃し溝３５との間に、円周方向に延在する周方向段部３８が形成される。周方向段部３８は、保持器案内面２７から、保持器案内面２７よりも低いエッジ逃し溝３５に落ち込む段差であり、エッジ逃し溝３５の両端部に形成される。周方向段部３８は、保持器の軸方向断面において、保持器半径方向外側へ向けた直線部を介して保持器案内面２７と接続される面である。図示例では垂直壁面であるが、断面が直線状であれば傾斜した面（円錐面）であってもよい。エッジ逃し溝３５の溝底面からの周方向段部３８の立ち上がり角度は、例えば９０°±１０°、好ましくは９０°±５°、更に好ましくは９０°±３°の範囲であればよい。

本構成のアンギュラ玉軸受１００は、周方向段部３８が、外輪軌道面１１と外輪案内面２９との境界となるエッジ部３３と、ポケット２１の反カウンタボア側の軸方向端（ポケット軸方向端部Ｐ）との間の領域Ａ（図４（B）参照）に配置される。つまり、周方向段部３８は、エッジ部３３よりも反カウンタボア側の軸方向外側で、且つ、ポケット軸方向端部Ｐよりも軸方向内側に配置される（Ｌ＞０）。

これにより、外輪１３のエッジ部３３は、保持器２３のエッジ逃し溝３５の対面位置に配置され、保持器２３が傾斜しても、エッジ部３３と保持器２３との接触が防止される。

次に、上記した構成の作用を説明する。
図６は外輪１３にグリースが付着するまでのグリース移動の様子を示す作用説明図である。
アンギュラ玉軸受１００をグリース潤滑で使用する際には、初期に慣らし運転を実施する。慣らし運転は、初期に封入したグリースが軸受内部から排出される所定の位置へ移動することによって完了する。

この慣らし運転では、まず、保持器２３がＭ方向（図５参照）に回転すると、矢印４５に示すように、保持器内径部のグリースが保持器２３の軸方向端部から直接外部へ排出される。また、グリースは、矢印４７に示すように、玉１９に接触、若しくはポケット内径面に沿って保持器外径側へ移動し、遠心力で外輪内径面に付着する。軸受内のグリースは玉１９を中心として、カウンタボア側と反カウンタボア側でほとんど交わらない。
カウンタボア側のグリースは、滞留位置５３へ留まる。一方、反カウンタボア側のグリースは、滞留位置４９に付着するが、従来構造の場合、滞留位置４９のグリースは軸方向外側へ移動する力が働かず、矢印４７から矢印５１の流れを繰り返す。

図７は図６の一部を拡大した説明図である。
本構成のアンギュラ玉軸受１００では、前述したように、エッジ逃し溝３５と保持器案内面２７との間の周方向段部３８が、外輪１３のエッジ部３３と、保持器２３のポケット軸方向端部Ｐとの間の領域Ａに配置される。従来構造のように、周方向段部３８が、ポケット軸方向端部Ｐよりも反カウンタボア側の軸方向端側に形成された場合には、エッジ逃し溝３５に付着したグリースは、エッジ逃し溝３５と玉１９とに付着しながら殆どが円周方向に移動し、軸方向端へ排出されにくくなる。

一方、本構成のアンギュラ玉軸受１００は、周方向段部３８が、ポケット軸方向端部Ｐよりも軸方向中央に向けて張り出して配置される。このため、ポケット縁の保持器案内面２７と同じ径の部分から排出されたグリースは、直接外輪案内面２９と保持器案内面２７の間に入り、これらの相対運動によるせん断により軸方向端へ排出される。そして、周方向段部３８が保持器半径方向に向けた断面直線状の面であることにより、エッジ逃し溝３５に付着したグリースが、周方向段部３８の表面に濡れ広がりやすくなる。しかも、グリースが周方向段部３８に溜まりやすくなり、保持器回転による遠心力で、グリースが径方向外側に移動されやすくなる。これにより、例えば周方向段部３８が円弧状である場合と比較して、グリースが、エッジ逃し溝３５から周方向段部３８を介して、保持器案内面２７と外輪案内面２９との間の案内すきまに入り込みやすくなる。よって、グリースの高い流動性が得られ、グリース排出がより活発となる。

図８（Ａ），（Ｂ）は外輪案内面２９に付着したグリースが軸方向外側に排出されるまでの作用を説明する図で、（Ａ）はアンギュラ玉軸受の一部断面図、（Ｂ）は外輪１３に接するグリースが付着した保持器の要部正面図である。
滞留位置４９のグリースは、外輪案内面２９と保持器案内面２７の間の狭い案内すきまに入り、保持器２３と外輪１３との相対運動によるせん断により、案内すきまから押し出されるように、軸方向外側へ排出される。

このように、アンギュラ玉軸受１００では、エッジ逃し溝３５が保持器外径面に形成されている場合であっても、ポケット２１から排出されたグリースの一部が直接案内面に入ることにより、一部のグリースが排出されるようになる。これにより、グリースが排出されないことによる攪拌抵抗の増大を防止し、発熱量の増大を抑制することが可能となる。

したがって、本実施形態のアンギュラ玉軸受１００によれば、グリースの案内面側からの排出性と、保持器外径面の耐摩耗性を向上させ、しかも、グリースの攪拌抵抗による発熱を低減し、軸受の寿命低下を抑制することができる。特にグリース潤滑でｄｍｎ値が８０万（ＰＣＤ（玉ピッチ円直径）×回転数）以上で使用される場合には、上記効果が顕著に得られる。

また、保持器が軸方向に関して対称形状に形成されているため、軸受の組立時に保持器２３の向きを意識する必要がなく、軸受の組立性を向上できる。

次に、他の構成例を説明する。
＜第２構成例＞
図９（Ａ）は第２構成例の保持器の一部断面図、（Ｂ）は（Ａ）に示す保持器の要部正面図である。なお、図９（Ａ）は図９（Ｂ）のIX−IX断面図を示している。
上記の保持器２３は、エッジ逃し溝３５を二分する仮想線３７（図４参照）を境に左右対称形状であったが、非対称な構成であってもよい。即ち、第２構成例の保持器２３Ａは、保持器外径面の軸方向一端のみに半径方向外側へ突出する被案内部２４を有する。保持器外径面には、被案内部２４に対し軸方向の反対側に、保持器案内面２７よりも小さな外径のエッジ逃し面５５が形成される。したがって、片側の保持器案内面２７とエッジ逃し面５５との間にのみ、周方向段部５７が形成される。保持器２３Ａのこれ以外の構成は、前述の保持器２３と同様である。

本構成の保持器２３Ａによれば、保持器２３Ａをシンプルな構造にでき、保持器２３Ａの耐久性と生産性とを共に高めることができる。

本構成の保持器２３Ａは、第１構成例の保持器２３と同様に、周方向段部５７の軸方向位置がポケット軸方向端部Ｐよりも軸方向内側に配置される。これにより、上記同様に玉とポケット２１とのすきま部分から掻き出されたグリースを、軸方向外側へより排出しやすくなる。

なお、本作用は、グリース潤滑のみならず、オイルエア潤滑やジェット潤滑等でも同様の効果が見込まれる。

このように、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、実施形態の各構成を相互に組み合わせることや、明細書の記載、並びに周知の技術に基づいて、当業者が変更、応用することも本発明の予定するところであり、保護を求める範囲に含まれる。

内径７０ｍｍのアンギュラ玉軸受（日本精工製 型番７０ＢＮＲ１０Ｈ）において、グリース（日本精工製 ＭＴＥグリース）を軸受の空間容積の１５％封入し、アンデロン測定機にて４０００ｍｉｎ^−１で２分間回転させた。その後、軸受を分解して保持器へのグリースの付着を観察することでグリースの排出性を確認した。試験に用いた保持器とその試験結果については、図１０に纏めて示している。また、試験実施前のグリース封入状態を図１１，図１２に示す。図１１は試験に用いた軸受の一部断面図で、図１２は図１１に示す軸受の一部側面図である。試験実施前に、シリンジ７１の先端を内輪１７の外周面と保持器２３の内周面との間に向けて、シリンジ７１からグリース７３を吐出する。グリース７３は、軸受の周方向に沿った玉１９同士の間にそれぞれ供給され、保持器２３の内径側のみに封入された状態となる。

比較例１の保持器は、保持器外径部にエッジ逃し溝がない、現在、最も一般的に使用される保持器形状を有する。つまり、円筒状の保持器本体に、径方向に貫通する複数のポケットが形成された保持器である。
比較例２の保持器は、比較例１の保持器の保持器外周面に、円周方向に沿って環状のエッジ逃し溝を設けたもので、エッジ逃し溝の軸方向幅は、ポケット径より大きい。また、外輪のエッジ部は、エッジ逃し溝の軸方向領域内に配置されている。
実施例１の保持器は、比較例２の保持器におけるエッジ逃し溝の軸方向幅を更に狭くしたもので、エッジ逃し溝の軸方向幅が、ポケット径より小さくされている。つまり、エッジ逃し溝の反カウンタボア側の端部は、外輪のエッジ部と、ポケット軸方向端部Ｐとの間に配置されている。
各保持器の材質は、カーボン繊維強化ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ−ＣＦ）である。

比較例１の保持器では、ポケットから排出されたグリースが保持器外径面と外輪案内面で形成される案内すきまに入り、案内すきまに入ったグリースは、保持器と外輪との相対運動により、せん断されながら案内面側の軸方向端部から排出された。しかし、保持器が外輪の軌道面エッジと接触する構成であるため、軌道面のエッジ位置を発生起点とする摩耗は発生する可能性がある。

比較例２の保持器では、保持器にグリースを封入して軸受を回転させると、グリースがポケットから径方向外側に排出される。しかし、試験後の保持器へのグリースの付着状態は、グリースが保持器案内部まで到達していなかった。これは、保持器外径面に移動したグリースに軸受の軸方向外側へ排出する力が働かないためであると考えられる。この状態で軸受を高速回転すると、グリースが軸受内部で循環し続け、攪拌抵抗による発熱及び案内面の潤滑不良によって、早期に軸受が損傷を受けるおそれがある。また、保持器の外径面の耐摩耗性は、グリースが摺動部に到達していなく、潤滑不良の状態であり、この状態で高速、もしくは長時間の回転させると早期に摩耗すると考えられる。

実施例１の保持器では、保持器外径面に設けたエッジ逃し溝の軸方向幅が、ポケット径より小さい。そのため、エッジ逃し溝のない比較例１と同様に、ポケットから移動したグリースが、外輪案内面と保持器案内面との間の案内すきまに入り込み、案内すきま内で、せん断されながら軸方向外側に排出される。また、この構成ではエッジ部の接触がなく、案内面にグリースが到達し、潤滑状態も良好であることから、十分な耐摩耗性があると考えられる。

実施例１と比較例１、２の各保持器は、いずれも軸方向に関して左右対称であるが、図９に示すような非対称の段付きの保持器でも同様の結果が得られた。なお、図１０に示す○印は良品レベル、×印は通常の使用条件では問題ないが、使用条件が過酷になる場合に不良品となり得るレベルを表す。

以上の通り、本明細書には次の事項が開示されている。
（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配置される複数の玉と、前記玉を周方向に間隔を有して保持する複数のポケットを有する外輪案内方式の保持器と、を備え、前記外輪の反カウンタボア側の内周面に外輪案内面が形成されたアンギュラ玉軸受であって、
前記保持器は、
前記外輪案内面に摺接可能な保持器案内面と、
前記保持器案内面よりも軸方向中央で円周方向に形成され、前記保持器案内面よりも小径な逃し面と、
を有し、
前記逃し面の前記保持器案内面側の端部は、軸方向に関して、前記外輪の前記外輪軌道面と前記外輪案内面との境界となるエッジ部と、前記ポケットの反カウンタボア側のポケット軸方向端部との間に配置されるアンギュラ玉軸受。
このアンギュラ玉軸受によれば、保持器の逃し面の端部が、外輪のエッジ部と、ポケットの反カウンタ側のポケット軸方向端部との間に配置されるため、エッジ部が保持器に干渉することを防止できる。また、ポケットから排出されたグリースの一部が直接、外輪案内面と保持器案内面との間の案内すきまに入るため、そのグリースは、双方の相対運動によるせん断によって軸方向へ移動する。これにより、従来、軸受内部で循環を繰り返すことになるグリースが、軸方向端部から排出されやすくなる。

（２） 前記逃し面の前記保持器案内面側の端部は、軸方向断面において、保持器半径方向外側へ向けた直線部を介して前記保持器案内面と接続される（１）に記載のアンギュラ玉軸受。
このアンギュラ玉軸受によれば、逃し面の端部が垂直面又は傾斜面からなる軸方向断面で直線部となる面を介して保持器案内面と接続されるため、グリースが円滑に軸受外に移動するようになる。

（３） 前記保持器は、軸方向に関して対称形状に形成されている（１）又は（２）のアンギュラ玉軸受。
このアンギュラ玉軸受によれば、保持器外径面において、軸方向に関して対称形状となるため、軸受の組立時に保持器の向きを意識する必要がなく、軸受の組立性を向上できる。

１１ 外輪軌道面
１３ 外輪
１５ 内輪軌道面
１７ 内輪
１９ 玉
２１ ポケット
２３ 保持器
２７ 保持器案内面
２９ 外輪案内面
３３ エッジ部
３５ エッジ逃し溝（逃し面）
３８ 周方向段部
１００ アンギュラ玉軸受
Ｐ ポケット軸方向端部

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配置される複数の玉と、前記玉を周方向に間隔を有して保持する複数のポケットを有する外輪案内方式の保持器と、を備え、前記外輪の反カウンタボア側の内周面に外輪案内面が形成されたアンギュラ玉軸受であって、
   前記保持器は、
   前記外輪案内面に摺接可能な保持器案内面と、
   前記保持器案内面よりも軸方向中央で円周方向に形成され、前記保持器案内面よりも小径な逃し面と、
   を有し、
   前記逃し面の前記保持器案内面側の端部は、軸方向に関して、前記外輪の前記外輪軌道面と前記外輪案内面との境界となるエッジ部と、前記ポケットの前記反カウンタボア側のポケット軸方向端部との間における、前記ポケット軸方向端部よりも軸方向内側に配置されるアンギュラ玉軸受。
2. 前記逃し面の前記保持器案内面側の端部は、軸方向断面において、保持器半径方向外側へ向けた直線部を介して前記保持器案内面と接続される請求項１に記載のアンギュラ玉軸受。
3. 前記保持器は、軸方向に関して対称形状に形成されている請求項１又は請求項２に記載のアンギュラ玉軸受。

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