WO1999001676A1 - Bague de roulement en resine synthetique, procede de fabrication de cette bague et roulement a rouleaux - Google Patents

Description

明細書

合成樹脂製の軸受用保持器、 その製造方法および転がり軸受 技術分野

本発明は、 合成樹脂製の軸受用保持器に閧し、 特に、 高温下において高速回転 で使用される転がり軸受に好適に用いられる軸受用保持器、 その製造方法および 転がり軸受に鬨するものである。 背景技術

従来から、 高温下において高速回転で使用される軸受、 例えば-下作機械主軸支 持用の軸受や、 過給機、 発電機などのガスタービンの主軸支持用の軸受に備える 保持器は、 黄銅や航空機用特殊金属 （ A M S規格 4 6 1 6、 A M S規格 6 4 1 4 ) などで形成されている。

こうした保持器の材料を前述した金属材とする場合、 軽量化に限界がある。 こ の軽量化を考慮して、 保持器を例えば綿布にフ Xノール樹脂を含浸させた材料と か、 あるいは熱硬化性のポリイミド樹脂などの材料で形成した合成樹脂製の保持 器が知られている。

しかしながら、 前者のフエノール樹脂を材料とする場合、 そのフエノール樹脂 が熱硬化性を有するために成形金型を用いた射出による成形ができないこと、 ポ ケットを別加工で形成する必要があることなどの理由で、 製作に手間がかかる結 果、 量産が困難でかつ製作コストが高くつくものとなっていた。

一方、 後者の熱硬化性のポリィミド樹脂を用いた保持器の場合、 やはり旋削に より製作する必要があるために製作コストが高くつくものとなっていた。

したがって、 本発明の目的は、 高温下において高速回転での使用に適したもの としつつ、 かつ、 製作コストの低減を可能とした合成樹脂製の軸受用保持器を提 供することである。

本発明の他の目的は、 成形金型を用いた射出による成形を可能とし、 ポケット を別加工で形成することを不要とすることにより、 製作に手間がかからず、 旋削 で製作する必要のない合成樹脂製の軸受用保持器を提供することである。

本発明のさらに他の目的は、 安価なコストで上述した合成樹脂製の軸受用保持 器を製造することのできる方法を提供することである。

本発明のさらに他の目的は、 上述した合成樹脂製の軸受用保持器を備え、 高溫 、 高速回転用に適した転がり軸受を提供することである。 発明の開示

[構成]

本発明の合成樹脂製の軸受用保持器は、 合成樹脂として熱可塑性樹脂に耐熱性 樹脂からなる粒子を混合した材料を用いていることによりその形成を射出成形で 行うことが可能とされている。

本発明の合成樹脂製の軸受用保持器は、 好ましくは、 前記材料にさらに強化繊 維が混合された材料を用いることによりその形成を射出成形で行うことが可能と されている。

本発明の合成樹脂製の軸受用保持器は、 好ましくは、 熱可塑性樹脂としてポリ エーテルエーテルケトン （PEEK) 、 ポリエーテルケトン （PEK) 、 ポリエ 一テルサルフォン （PES) 、 ボリエーテルィミド （PE I ) 、 ポリアミドィミ ド （PAI ) 、 ポリフエ二レンサルフアイド （PPS) 、 ポリアリルエーテル二 トリル（PEN) 、 熱可塑性ポリイミド樹脂（TP I )のうちから少なくともい ずれか 1種が選択され、 耐熱性樹脂としてはポリべンゾィミダゾール （ PB I ) が選択される。

[作用効果]

熱可塑性樹脂は、 射出成形できるものの、 使用可能な上限温度が比較的低い。 耐熱性樹脂は、 使用可能な上限温度が比較的高いものの、 射出成形が不可能であ るから製造コストが高くつく旋削加工とせざるを得ない。

このような状況を考慮して本発明の保持器は、 材料に熱可塑性樹脂を含むから 、 耐熱性樹脂を含んでいても射出成形によって形成することが可能である一方、 耐熱性樹脂を含むから、 高温での使用に耐えられる。

この場合、 その材料にさらに強化織維を混合すると、 強度や耐熱性がさらに向 上された保持器にすることができる。 図面の簡単な説明 図 1は本発明の第 1の実施形態の軸受用保持器の斜視図、 図 2は図 1の保持器 の成形金型を示す縦断面図、 図 3は図 2の （ 3 ) — （ 3 )線断面の矢視図、 図 4 は図 1の保持器を備える転がり軸受の上半分の縦断面図、 図 5は図 1の保持器を 備える他の形態の転がり軸受の上半分の縦断面図、 図 6は本発明の第 2の実施形 態の軸受用保持器の斜視図、 図 7は本発明の第 3の実施形態の軸受用保持器の斜 視図、 図 8は本発明の第 4の実施形態の軸受用保持器の斜視図、 図 9は図 8の保 持器を備える転がり軸受の上半分の縦断面図、 図 1 0は本発明の第 5の実施形態 の軸受用保持器の斜視図、 図 1 1は本発明の第 6の実施形態の軸受用保持器の斜 視図、 図 1 2は図 4の転がり軸受の使用対象となる過袷機の要部の縦断面図であ る。 発明を実施するための最良の形態

以下、 本発明の詳細を図 1ないし図 1 2に示す最良の実施形態に基づいて説明 する。

図 1ないし図 4は本発明の一実施形態にかかり、 図 1は、 合成樹脂製の軸受用 保持器の斜視図、 図 2は、 図 1の保持器の成形金型を示す縦断面図、 図 3は、 図 2の （ 3 ) — （ 3 ) 線断面の矢視図、 図 4は、 図 1の保持器を用いた転がり軸受 の上半分の縦断面図である。

まず、 本発明の保持器の使用対象とする軸受として転がり軸受の楕成を説明す る。 図 4において、 転がり軸受 Aは、 内輪 1、 外輪 2、 複数の玉からなる転動体 3および保持器 4を備える。 転がり軸受 Aは、 保持器 4を外輪 2の内周面により 案内する外輪案内形式になったアンギユラ玉軸受である。

内輪 1の外周面において一方側の肩部と外輪 2の内周面の他方側の肩部それぞ れには、 カウンタボア 5， 9が設けられる。 カウンタボア 5， 9は、 内輪 1の軌 道溝に転動体 3の引つ掛かり代を残す状態にテーパ状に面取りされている。 外輪 2は、 内周面の軸方向中央に軌道搆を有する。 なお、 図 5に示すように、 内輪 1 だけにカウンタボア 5を設けてもよい。

保持器 4は、 合成樹脂製であり、 図 1に示すように、 いわゆるもみ抜き形と呼 ばれ、 その円周等配の数力所に径方向に貫通されたポケット 6 · ■ · と、 外周面 の軸方向中央部分には周溝 7とを有する。 保持器 4は、 図 2および図 3に示すよ うな複数の成形金型 D 1ないし D 4を用いて射出成形される。 この成形後に成形 金型 D4 · · ■ を放射方向に抜くときに、 成形金型 D 4 · · ·それぞれの合わせ 面によって筋状ばり 8 (パーテイングライン） が形成されることになる。 この筋 状ばり 8は、 保持器 4の案内面に位置すると外輪 2内周面の潤滑油をかきとるよ うに作用するので、 それを防止するため、 図 1に示すように、 筋状ばり 8を保持 器 4の周瀵 7の底面においてボケット 6間の領域に形成する。

保持器 4は、 熱可塑性樹脂に耐熱性樹脂からなる粒子を混合した材料、 あるい は熱可塑性樹脂に耐熱性樹脂からなる粒子および強化繊維を混合した材料を用い て射出成形される。

以下に、 前記材料について説明する。

まず、 熱可塑性樹脂としては、 ポリエーテルエーテルケトン （PEEK) 、 ポ リエーテルケ卜ン （PEK) 、 ポリエーテルサルフォン （PES) 、 ポリエーテ ルイ ミド （ PE I〉 、 ポリアミドイミド （ PA I ) 、 ポリフヱニレンサルフアイ ド （PPS) 、 ポリアリルエーテル二トリル （PEN) 、 熱可塑性ポリイミド樹 脂（TP I )のうちから少なくともいずれか 1種が選択される。

耐熱性樹脂としては、 ポリべンゾィミグゾール（PB I )が挙げられる。 強化繊維としては、 カーボン繊維、 ガラス繊維、 ボロン繊維、 ァラミド繊維、 ゥイスカーの他、 無機系材料 （酸化けい素、 炭化けい素、 窒化けい素、 アルミナ など） あるいは有機系材料 （ポリエチレン、 ポリアリレートなど） により繊維状 に形成されるものなどが挙げられる。

具体的には、 熱可塑性樹脂としてポリエーテルエーテルケトン （PEEK) を 、 耐熱性樹脂としてポリべンゾイミダゾール （PB I ) を、 強化繊維としてカー ボン繊維を選択し、 ポリエーテルエーテルケトン （PEEK) を 35wt% (± 2%) 、 ポリべンゾィミダゾール （PB I ) を 35wt%、 カーボン繊維を 30 wt%の配分にしたものを用いることができる。 なお、 ポリべンゾイミダゾール ( PB I ) としては、 米国へキスト 'セラニーズコーポレーション製の商品名セ ラゾール TF— 60Cを用いることができる。 このセラゾール TF— 60Cの特 性について下表 1に示す。 【表 1】

以上、 保持器 4を高温、 高速回転での使用に耐え得るようにし、 同時に、 製造 コストの低減を図るために、 上述したような素材を組み合わせる。 参考として、 上述の保持器 4であれば、 例えば摂氏 200〜25 CTCにて連続使用が可能とな り、 また、 短時間であれば 30 (TCでも使用が可能となる。

ところで、 上記転がり軸受 Aを高温、 高速回転での使用を前提に考えると、 内 輪 1、 外輪 2および転動体 3についても、 高炭素クロム軸受鋼 （ J I S規格 SU J 2など） の他、 下記するような耐熱材料あるいはセラミックスで形成するのが 好ましい。

耐熱材料としては、 マルテンサイト系ステンレス鋼 （ J I S規格 SU S440 C， SUS420Cなど） 、 耐熱 .耐食合金（ A I S I規格 M— 50、 J I S規 格高速度工具鐧 SKH4など） 、 特開平 3— 253542号公報などに示される 耐熱軸受用鋼などの金属が挙げられ、 必要に応じて適当な硬化処理（焼入れ、 焼 戻しなど） が施される。 前述の耐熱軸受用鋼は、 具体的に、 C (0. 8wt i¾ 上、 1. 5wt%以下） 、 S i ( 0. 5wt%以上、 2. Owt%以下） 、 Mn ( 0. 3wt %以上、 2. 0wt%以下） 、 C r ( 1. 3wt %以上、 2. 1 w t %以下〉 、 Mo ( 0. 3wt%以上、 1. Owt %以下） を有し、 S iと Mo の合計が 1. 0wt%以上を満足する範囲で含有し、 残部は鉄および不可避不純 物の組成になるものである。

セラミックスとしては、 窒化けい素 （S i₃N₄) を主体とし、 それに焼結助剤 として、 イットリア （ Y₂0₃ ) およびアルミナ （ A 1₂0₃ ) 、 その他、 適宜、 窒 化アルミ （A 1 N) 、 酸化チタン （T i 0₂) を混合したものや、 アルミナ （ A 1₂0₃ )や炭化けい素 （ S i C ) 、 ジルコニァ （ Z r 0₂) 、 窒化アルミ （ A 1 N)などを用いたものが挙げられる。

なお、 本発明は上述した実施形態のみに限定されるものではなく、 種々な応用 や変形が考えられる。 例えば、 上記実施形態では、 転がり軸受 Aをアンギユラ玉 軸受とした例を挙げているが、 軸受形式は特に限定されない。 例えば深清型玉軸 受などの玉軸受の他に、 円筒ころ軸受、 針状ころ軸受、 円錐ころ軸受、 球面ころ 軸受などでもよい。 これらの軸受形式に応じて、 保持器 4の形状としては、 図 6 や図 7に示すようないわゆる冠形とすることができる。

さらに、 本発明の実施形態としては、 図 8、 図 9に示すようなものとすること ができる。 すなわち、 図 8の転がり軸受においては、 内輪 11の外周面と外輪 1 2の内周面とには、 それぞれ軌道溝 15， 16が軸方向中央から偏った位置に設 けられている。 内輪 11の外周面において幅広側の肩部と外輪 12の内周面の幅 狭側の肩部とには、 それぞれカウンタボア （肩おとし〉 17， 18が設けられて いる。 このカウンタボア 17, 18は、 内 ·外輪 11 , 12の軌道溝 15, 16 に玉 13の引つ掛かり代を残す状態にテーパ状に面取りされることで形成されて いる。

また、 図 9に示すように、 冠形保持器 40は、 環状本体部 41と、 環状本体部 41の円周数力所から軸方向一側へ突出する突片 42と、 周方向で隣り合う各突 片 42間に設けられる玉収容用のポケット 43とを備えている。 環状本体部 41 は、 外輪 12の幅広側の肩部で案内されるようになっている。 突片 42の自由端 側の外径面は、 回転遠心力でもって径方向外向きに橈んでも、 外輪 12に対して 接触しないようにするために、 自由端へ向けて斜降するテーパ状に形成されてお り、 また、 各突片 4 2の自由端側の周方向幅 Wは、 玉 1 3が抜け落ちないように 玉 1 3の直径よりも若干小さく設定され、 さらに玉 1 3をポケット 4 3に入れや すくするために、 先端部に C (カット） 面取りまたは角度面取りが形成されてい る。 さらに、 ポケット 4 3の内面は、 径方向に沿ってストレートに形成されてい る。 なお、 冠形保持器 4 0の強度を考慮して、 肉厚や軸方向幅が設定される。 こ のような冠形保持器 4 0を内 ·外輪 1 1， 1 2の軸方向幅内に収めるために、 内 '外輪 1 1， 1 2の軌道搆 1 5， 1 6の形成位置を偏らせている。

また、 保持器 4 0の形態としては、 図 9に示したものの他に、 図 1 0、 図 1 1 に示すように、 冠形保持器 5 0， 6 0の複数の突片 5 2 , 6 2の径方向の厚さと 環状本体部 5 1 , 6 1の径方向の厚さよりも薄くしたものとしてもよい。 このよ うにすると、 各突片 5 2， 6 2が軽量化され、 回転遠心力の影響を受けにくくな るため、 回転遠心力によって各突片 5 2， 6 2が外側へ変形し、 ポケット 5 3， 6 3の内周面と玉が干渉して転がり軸受の回転性能に悪影響を与えるといったこ とが防止できる。

ところで、 上述した実施形態の転がり軸受 Aは、 例えば自動車エンジンの過給 機あるいはガスタービンの他、 工作機械などに用いることができる。 具体的に、 上記転がり軸受 Aを用いた過耠機を図 1 2に示す。 図中、 2 0はハウジング、 2 1はタービン軸である。 タービン軸 2 1の一端にはタービン羽根車 2 2が、 ター ビン軸 2 1の他端にはコンプレッサ羽根車 2 3がそれぞれ取り付けられている。 このタービン軸 2 1は、 ハウジング 2 0の貫通孔 2 4に対して、 図 4に示す二つ の転がり軸受 A， Aおよびスリーブ 2 5を介して回転自在に支持されている。 前述の過耠機において、 二つの転がり軸受 Aの組み込み形態を説明する。 内輪 1 , 1は、 タービン軸 2 1に対してタービン軸 2 1の段部 2 6および間座 2 7を 介して軸方向に位置決めされた状態で中間嵌めにて外嵌されており、 外輪 2， 2 は、 スリーブ 2 5の內周面段部に対してすきま嵌めにて嵌合されているとともに 、 軸方向に間座を介在させている。 そして、 両側の外輪 2， 2においてカウンタ ボア 9， 9の存在する側の肩部が、 それぞれタービン羽根車 2 2、 コンプレッサ 羽根車 2 3の側に配置される。 つまり、 転がり軸受 Aが図 4に示す状態で図 1 2 のコンプレッサ羽根車 2 3の側に配置され、 タービン羽根車 2 2の側では転がり 軸受 Aが図 4に示す状態を左右反対にした状態で配置される。 これらの外輪 2 , 2は、 コイルパネ 2 8によって間座を介して軸方向で互いに引き離される向きに 弾発付勢されている。 このような形態により、 二つの転がり軸受 A , Aが定圧予 圧を付与された状態になっており、 これによりラジアル隙間を有する転がり軸受 A , Aの転動体 3が内 ·外輪 1 , 2に対して斜接するように設定されている。 こ のときの転動体 3の接触角は、 例えば 1 5 ° ± 5 ° となるようにラジアル隙間が 管理されている。

スリーブ 2 5は、 ハウジング 2 0の貫通孔 2 4に対して所要の隙間を介して嵌 入されるような外径寸法に設定されている。 さらにスリーブ 2 5の外周面の軸方 向数箇所には、 前述の隙間を可及的に大きく設定するために、 周溝 2 9が形成さ れている。 この隙間には、 ハウジング 2 0に設けられる通路 3 0を介して潤滑油 が供給されるようになっており、 この隙間の潤滑油はタービン軸 2 1の振動を減 衰するダンバとして機能するようになっている。 なお、 この隙間に供給される潤 滑油は、 スリーブ 2 5および間座に設けてある小孔 3 1から二つの転がり軸受 A ， Aへ向けて噴射されるようになっている。 この小孔 3 1から供給される潤滑油 は、 二つの転がり軸受 A , Aの内輪 1， 1のカウンタボア 5 , 5により受け入れ られてから、 軸受内部を通過して転がり軸受 A , Aの潤滑と冷却とを行うように なっている。

このような過給機では、 タービン軸 2 1が 1 0万 r p m以上の高速回転となり 、 連続使用で 2 0 0〜3 0 (TCと高温になり、 二つの転がり軸受 A， Aにとつて は苛酷な条件となるが、 この転がり軸受 A， Aは、 各構成要素の素材を特別に選 定しているから、 優れた耐焼付性および、 タービン軸 2 1の優れた回転安定性を 発揮させることができるようになる。

なお、 上記過耠機において、 タービン側のほうがコンプレッサ側よりも高温と なるので、 過袷機のコンプレッサ側の転がり軸受を上記実施形態で説明した構成 とし、 タービン側の転がり軸受については、 上記実施形態で説明した保持器 4よ りもさらに耐熱性に優れた旋削品からなる保持器を用いる構成にすれば、 過耠機 の耐久性をより優れたものとすることができる。

Claims

請求の範囲

1. 少なくとも熱可塑性樹脂に耐熱性樹脂からなる粒子が混合されている材料 を用いて形成されていることを特徴とする合成樹脂製の軸受用保持器。

2. 前記材料にさらに強化繊維が混合されて形成されていることを特徴とする 請求項 1に記載の合成樹脂製の軸受用保持器。

3. 前記形成が射出成形により行われていることを特徴とする請求項 1に記載 の合成樹脂製の軸受用保持器。

4. 前記熱可塑性樹脂が、 ポリエーテルエーテルケトン （PEEK) 、 ポリエ ーテルケトン （PEK) 、 ポリエーテルサルフォン （PES) 、 ポリエーテルィ ミド （PE I〉 、 ポリアミドイミド （PA I〉 、 ポリフエ二レンサルフアイド ( PPS) 、 ポリアリルエーテル二トリル （PEN) 、 熱可塑性ポリイミド樹脂（ TP I )のうちの少なくともいずれか 1種とされていることを特徴とする請求項 1に記載の合成樹脂製の軸受用保持器。

5. 前記耐熱性樹脂が、 ポリべンゾイミダゾール （PB I ) とされていること を特徴とする請求項 1に記載の合成樹脂製の軸受用保持器。

6. 合成樹脂を軸受用保持器の材料としかつ成形金型を用いて射出成形により 前記保持器を製造する方法において、

前記材料として少なくとも熱可塑性樹脂に耐熱性樹脂からなる粒子が混合され ているものを用いることを特徴とする軸受用保持器の製造方法。

7. 内輪と、 外輪と、 前記内輪と外輪との間に配置される複数の転動体と、 前 記転動体を前記内輪と外輪との間に保持する保持器とを備え、 前記保持器が、 少 なくとも、 熱可塑性樹脂に耐熱性樹脂からなる粒子が混合されてなる材料で形成 されていることを特徴とする転がり軸受。