JP2004301232A

JP2004301232A - 円筒ころ軸受用保持器

Info

Publication number: JP2004301232A
Application number: JP2003094839A
Authority: JP
Inventors: Hideto Torisawa; 秀斗鳥澤
Original assignee: NTN Corp; NTN Toyo Bearing Co Ltd
Current assignee: NTN Corp
Priority date: 2003-03-31
Filing date: 2003-03-31
Publication date: 2004-10-28

Abstract

【課題】側輪に片持ち構造の柱部を突設した櫛型保持器の高速回転時における柱部と、ころの異常接触を無くし、非繰り返し振れを抑制した円筒ころ軸受用保持器の提供。
【解決手段】円環状の側輪１２の片端面に等間隔で複数の柱部１３を突設した樹脂製の櫛型保持器１０で、隣接する柱部間のポケット１４を形成する柱部１３のポケット内周面１３ａが、ころＰＣＤより内径側及び外径側共にころ外周面に沿う円筒面１３ａ１、１３ａ２であり、内径側円筒面１３ａ１の柱自由端１３ｂ側に、柱自由端１３ｂに向かって内径が大きくなる直線状の面切取部２０を形成して、高速回転時の柱部変形でポケット内周面１３ａところ５が異常接触するのを面切取部２０で回避させる。
【選択図】図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、工作機械の主軸などの支持に用いられる円筒ころ軸受の保持器で、詳しくは、高速回転時の非繰り返し振れ（ＮＲＲＯ）、潤滑特性に優れた櫛型の円筒ころ軸受用保持器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
円筒ころ軸受に使用される櫛型保持器は、銅合金製と樹脂製に大別され、銅合金製保持器は樹脂製保持器に比べて高速回転時の耐変形性に優れるが、摩耗粉の問題があることから、摩耗紛問題の少ない樹脂製の櫛型保持器が賞用される傾向にある。樹脂製の櫛型保持器は、円環状側輪の片面に片持ち構造の複数の柱部を軸方向に突設している（例えば、特許文献１、特許文献２、特許文献３参照）。
【０００３】
上記特許文献１と特許文献２の保持器の概要を図５（Ａ）、（Ｂ）に示すと、同図の保持器１は樹脂製の櫛型保持器で、円環状の側輪２の内端面２ａに等間隔で複数の柱部３を一体に突設して、隣接する柱部３の間に、１つのころ５を保持するポケット４を形成している。ポケット４を形成する柱部３のポケット内周面３ａは、ころＰＣＤを境に外径側と内径側に分けられ、内径側が平坦面３ａ１であり、外径側がころ５の外周面に沿う円筒面３ａ２である。隣接する柱部３の円筒面３ａ２はころ外周面とほぼ同曲率で、ころ５を保持して保持器半径方向外方へのころ５の抜けを防止する。隣接する柱部３の平坦面３ａ１は、ころ外径より大きな間隔で平行に対向して、後述するように高速回転時に柱部３が保持器半径方向外方に変形しても、ころ５に異常接触しないようにしてある。
【０００４】
また、特許文献３に明示されてはいないが、樹脂製櫛型保持器の別の種類を図６（Ａ）、（Ｂ）に示す。この保持器１の図５に示す保持器と相違するところは、柱部３のポケット内周面３ｂである。このポケット内周面３ｂは、ころＰＣＤを境にした外径側と内径側の両面を共に、ころ外周面に沿う円筒面３ｂ１、３ｂ２にしている。この場合、外径側円筒面３ｂ２と内径側円筒面３ｂ２のいずれかにころ５が接触して保持される。
【０００５】
【特許文献１】
特開平１１−１６６５４４号公報（第００２７段、図１０）
【特許文献２】
特開２００１−３３００３７号公報（第０００３段、図１０）
【特許文献３】
実開平５−９４５３０号公報（図１）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
工作機械の主軸の支持に使用される円筒ころ軸受には、主要な特性として高速回転（通常、ｄ・ｎ値（＝内輪内径×回転数）６０万ｍｍ・ｒｐｍ以上）が可能であることと、軸受の非繰り返し振れが小さいことが要求される。図５の保持器を備えた円筒ころ軸受は、高速回転に適合するが、次の理由で円筒ころ軸受の非繰り返し振れを小さくする要求を満たすことが難しい。
【０００７】
すなわち、円筒ころ軸受の非繰り返し振れを小さくするためには、ころの等配精度を高くするよう、保持器の案内すきまを小さくする必要がある。逆に、保持器の案内すきまが大きくなると、高速回転時に保持器が軸受中心に対して偏心し、ころの等配が崩れることがある。例えば、図７（Ａ）に図５の保持器１を使用した円筒ころ軸受の断面を示す。なお、図７はころ数を少なくした概略図である。同図において、６は工作機械の主軸（図示省略）に嵌合される内輪、７は工作機械のハウジング（図示省略）に嵌合される外輪であり、図７（Ａ）は低速回転の通常運転時の概要を示している。このとき、保持器の初期案内すきまｇが充分に小さくて、保持器１は軸受中心Ｐに対して偏心しない状態にある。
【０００８】
工作機械の主軸が内輪６と共に高速回転すると、図７（Ｂ）に示すように保持器１が遠心力で半径方向外方に膨張し、この膨張で案内すきまｇが増大することがある。図８の破線で示す柱部３は、低速回転時のものであり、保持器１が高速回転すると図８の実線で示すように、柱部３が遠心力で保持器半径方向外方へと変形して、ポケット内周面３ａの外径側円筒面３ａ２での案内すきまｇ’が初期案内すきまｇより増大する。この増大する案内すきまｇ’の発生箇所は不定であり、図７（Ｂ）には図面上部のころ５の部所で発生した場合が示され、このとき保持器１は軸受中心Ｐから図７（Ｂ）の図面上部へと偏心する。このような保持器１の偏心方向と偏心量が一定せず、保持器１が偏心することで全数のころの公転中心が振れて、内輪６が不安定に振れる非繰り返し振れを起こす。この非繰り返し振れは、回転数の上昇に比例して悪化し、工作機械の主軸に取付けられた工具による加工精度を悪化させるなどの要因になっている。
【０００９】
図６の保持器１に示す柱部３のように、ポケット内周面３ｂをころＰＣＤを境に内外径側共に円筒面３ｂ１、３ｂ２にした場合や、図示しないが少なくとも内径側を円筒面にしたポケット内周面を持つ櫛型保持器を組込んだ円筒ころ軸受を高速回転させると、柱部３に遠心力が作用して、次のような挙動を示す。
【００１０】
柱部３が側輪２の片面から突出した片持ち構造であり、保持器断面の重心位置が柱部３にあるため、高速回転すると遠心力で図９（Ａ）、（Ｂ）に示すように円環状の側輪２が円錐台形状に変形し、個々の柱部３が保持器半径方向外方に弓なり状に変形する。図６の通常の運転状態の保持器１では、柱部３の長さに対する側輪２の幅（厚さ）が小さいため、高速回転すると変形は図９の円錐台変形が主体になる。特に、ＮＮ型などの複列円筒ころ軸受で二つの保持器を背面合わせで組込んだ仕様（図４、又は、特許文献３参照）では、側輪２の幅寸法がますます小さくなり、円錐台変形が顕著に現れる。この円錐台変形は、保持器の公転回転数と、保持器の寸法仕様（側輪の内径寸法、軸方向幅や径方向高さ、柱部の軸方向長さや周方向幅）と、保持器の材料（ヤング率、ポアソン比、密度）で一義的に決まる。また、工作機械用の軸受では、高速回転を容易とするために樹脂製保持器を採用しているため、合金製保持器と比較して上述変形が著しくなっている。
【００１１】
通常の運転状態（低速回転）では、上述の変形量は、ころと保持器柱部のポケット内周面とのすきまで吸収され、特に問題とならないのであるが、高速運転して変形量が増大すると、図９（Ｂ）の丸印で示す部分、つまり、柱部３のポケット内周面３ｂの内径側円筒面３ｂ１の柱自由端３ｃに在るエッジ部分３ｄがころ５と接触して接触面圧が増大することがある。このようにポケット内周面３ｂところ５の接触面圧が増大するといった異常接触が発生すると、案内すきまの潤滑材（グリース）が掻き取られて、潤滑不良による表面損傷が発生しやすくなり、高速回転させることが難しくなる。
【００１２】
なお、図９は柱部３の変形が分かりやすいように変形量を増大させて図示したものであり、実際の変形量は僅かである。
【００１３】
例えば、図６と同等の保持器の仕様が、ＰＣＤ＝φ１２６、保持器外径＝φ１３３、内径＝φ１２０、幅＝１０．５、側輪の幅＝約２．５であり、ＰＥＥＫ樹脂［ヤング率：１１．５Ｇｐａ、ポアソン比：０．３７、密度：１．４４ｇ／ｃｍ^３］の樹脂製品の場合で、保持器の回転数を３６５０ｒｐｍ（内輪回転数で８０００ｒｐｍに相当）としたとき、柱自由端の保持器半径方向外方の変形量は０．２２ｍｍである。
【００１４】
また、図６と同等の保持器の仕様が、ＰＣＤ＝φ１２６、保持器外径＝φ１３３、内径＝φ１２２、幅＝１１．３、側輪の幅＝約３．５であり、ＰＡ樹脂［ヤング率：６．５Ｇｐａ、ポアソン比：０．３、密度：１．３２ｇ／ｃｍ^３］の樹脂製品の場合で、保持器の回転数を３６５０ｒｐｍ（内輪回転数で８０００ｒｐｍに相当）としたとき、柱自由端の保持器半径方向外方の変形量は０．２３ｍｍである。
【００１５】
このような僅かな保持器柱部自由端の変形量でも、上記の異常接触が発生することが、各種の円筒ころ軸受において報告されており、高速回転時の信頼性に問題を残していた。
【００１６】
本発明の目的は、高速回転時における柱部ところの異常接触を抑制した、かつ、非繰り返し振れ（ＮＲＲＯ）と潤滑特性に優れた円筒ころ軸受用保持器を提供することにある。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記目的を達成するため、内輪と外輪と保持器１０に案内される複数のころ５からなる円筒ころ軸受であって、保持器１０は、円環状の側輪１２と、この側輪１２に軸方向に突設した複数の柱部１３を有する櫛型で、隣接する柱部間のポケット１４を形成する柱部１３のポケット内周面１３ａがころＰＣＤより内径側及び外径側共にころ外周面に沿う円筒面１３ａ１、１３ａ２であり、各ポケット円筒面１３ａ１、１３ａ２におけるころＰＣＤより内径側円筒面１３ａ１の柱自由端１３ｂ側に、柱自由端１３ｂに向かって内径が大きくなる面切取部２０を形成したことを特徴とする。
【００１８】
ここで、柱部１３のポケット内周面１３ａの内径側円筒面１３ａ１と外径側円筒面１３ａ２のいずれかがころ外周面に接触してころ５を保持し、両円筒面１３ａ１、１３ａ２ところ５との初期案内すきまを充分に小さく設定しておくことで、高速回転時の非繰り返し振れを問題ない程度に抑制することができる。一方の内径側円筒面１３ａ１における面切取部２０の形成位置は、高速回転時に柱部１３が変形して最も先にころ外周に当接するエッジ部分に相当し、このエッジ部分を削除することで高速回転時の柱部１３と、ころ１４との異常接触が回避されて、潤滑特性が改善される。
【００１９】
かかる面切取部２０の形状は、直線形状、曲線形状が可能である。面切取部２０の形状と寸法は、保持器の種類、仕様による高速回転時の変形量の解析に基づいて適宜に決めることができる。つまり、柱部１３の半径方向外方の変形（遠心力）は回転数の二乗に比例するため、上記のような変形量の解析に基づいて、簡単に、目的とする種種の回転数に対して、具体的な切取り寸法が決められる。
【００２０】
ただし、遠心力によって保持器が変形し、保持器柱部１３のポケット内周面１３ａの側輪１２側の基端部ｎがころ５の案内をするようになったとき、安定した案内をするためには、柱部１３の長さＷ３から面切取部２０の長さＷ２を差し引いた分の基端部長さＷ１は、ころ長さＷ３の３５％以上を確保することが望ましい。円筒ころ５の両端には通常ころ長さの１５〜２５％程度でクラウニングが施されているため、保持器ところが接触する範囲を保つためには、基端部長さＷ１はころ長さＷ３の３５％以上が必要であるためである。
【００２１】
本発明において、上記面切取部２０は、柱部ポケット内周面１３ａの保持器半径方向内方側エッジの一部から柱自由端１３ｂに向けて直線状に延在する形状であることが、高品質に安定して保持器を製作する上で有効である。
【００２２】
また、本発明においては、側輪１２の反柱部側の外端面１２ｂに潤滑材溜め用溝３０を形成することが望ましい。この場合の潤滑材はグリースなどで、複列ころ軸受のように一対の保持器の側輪を背中合わせに接触させて使用するような場合に、一対の側輪間の潤滑材が潤滑材溜め用溝に溜まった潤滑材で補足されて、潤滑特性の悪化が防止される。この場合、一対の側輪の両方の背面に潤滑材溜め用溝を形成することが望ましいが、一方の側輪の背面だけに形成するようにしてもよい。
【００２３】
また、本発明においては、側輪１２のポケット１４を形成する内端面１２ａに部分的に、ころ端面の中央部に接する突起４０を一体に形成することが望ましい。この側輪内端面１２ａの突起４０にころ端面の中央部が当接することで、内端面１２ａの突起周辺部と、ころ端面の周辺部の間に潤滑材溜め隙間が形成されて、側輪１２ところ端面との潤滑特性が良好になり、延いては保持器ところの潤滑特性が良好、かつ、安定したものとなる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、実施の形態を図１乃至図４を参照して説明する。
【００２５】
図１（Ａ）、（Ｂ）と図２（Ａ）、（Ｂ）に示される円筒ころ軸受用保持器１０は、ＰＰＳなどの樹脂製の櫛型保持器で、円環状の側輪１２と、この側輪１２に軸方向に片持ち構造で突設した複数の柱部１３を有し、隣接する柱部１３の間にポケット１４を形成する。隣接する柱部１３の対向する側面がポケット１４を形成するポケット内周面１３ａで、このポケット内周面１３ａがころＰＣＤを境に内径側と外径側に分けられ、内外径両側がころ外周面に沿う円筒面１３ａ１、１３ａ２にしてある。ポケット内周面１３ａのころＰＣＤより内径側円筒面１３ａ１と外径側円筒面１３ａ２は、図６のものと同様な曲率のころ保持面である。本発明の特徴の１つは、ポケット内周面１３ａの内径側円筒面１３ａ１の柱自由端１３ｂ側に、柱自由端１３ｂに向かって内径が大きくなる面切取部２０を形成したことである。
【００２６】
また、本発明の別の特徴の１つは、側輪１２の反ポケット側である外端面１２ｂに側輪１２と同心の円環状潤滑材溜め用溝３０を形成したことである。この溝３０は、後述する複列ころ軸受において特に有効となる。また、本発明の別の特徴の１つは、側輪１２のポケット側である内端面１２ａに部分的に、ころ端面の中央部と接触する突起４０を形成したことである。この突起４０により、内端面１２ａの突起４０周辺部ところ端面の間に潤滑材溜め隙間が形成される。これら溝３０と突起４０の作用は、図４を参照して後述する。
【００２７】
通常運転時においては、柱部１３のポケット内周面１３ａの内径側円筒面１３ａ１と外径側円筒面１３ａ２のいずれかがころ５を保持する。高速運転で柱部１３が半径方向外方に変形すると、ポケット内周面１３ａの内径側円筒面１３ａ１の柱自由端１３ｂ側がころ外周面に接近するが、この接近する部分が面切取部２０で面切りされた空間となっているために、ころ外周面との異常接触が回避される。
【００２８】
図６の場合と同様に、通常運転時における円筒面１３ａ１、１３ａ２ところ５との初期案内すきまを充分に小さく設定しておくことで、高速回転時の非繰り返し振れが問題ない程度まで小さく抑制できる。高速回転時に柱部１３が図３（Ａ）、（Ｂ）に示すように大きく変形した場合、ポケット内周面１３ａの内径側円筒面１３ａ１と外径側円筒面１３ａ２のいずれかがころ５を保持する。このとき、内径側円筒面１３ａ１の先端部が面切取部２０のために、ころ５との接触面積が少なくて、ころ５の保持は主として内径側円筒面１３ａ１の基端部ｎ側で行われる。この基端部ｎは、側輪１２の突起４０から面切取部２０までの区間である。基端部ｎは、通常運転時と同様にしてころ外周面に接触するため、潤滑グリースを掻き取るようなことがなくて、潤滑特性を良好に維持する。かつ、高速回転時に柱部１３が変形しても、最も先にころ外周に当接するエッジ部分に相当する部所が面切取部２０で切り取られた空間であるので、高速回転時の柱部１３ところ１４との異常接触が回避されて、高速回転が円滑に行われる。また、このように高速回転時の柱部１３ところ５の異常接触が回避され、潤滑特性が維持されるように、面切取部２０の形状、寸法が設定される。面切取部２０の形状は、直線状が樹脂製保持器を製造する金型の製作上に望ましい。
【００２９】
高速回転時における柱部１３の半径方向外方の変形量は回転数の二乗に比例するため、この変形量の解析に基づいて面切取部２０の具体的な切り取り寸法が決められる。例えば、前述した保持器の仕様が、ＰＣＤ＝φ１２６、保持器外径＝φ１３３、内径＝φ１２０、幅＝１０．５、側輪の幅＝約２．５であり、ＰＥＥＫ樹脂［ヤング率：１１．５Ｇｐａ、ポアソン比：０．３７、密度：１．４４ｇ／ｃｍ^３］の樹脂製品の場合で、保持器の回転数を３６５０ｒｐｍ（内輪回転数で８０００ｒｐｍに相当）としたときの柱自由端の保持器半径方向外方の変形量が０．２２ｍｍである保持器の場合、面切取部２０を柱自由端１３ｂから柱部１３の略中央までの範囲で、図２（Ｂ）で示すテーパ角度θを約２０°にして形成すればよい。
【００３０】
ただし、遠心力によって保持器１０が変形し、保持器柱部１３の内径側円筒面１３ａ１の基端部ｎがころ案内をするようになったとき、安定した案内をするためには、図２（Ｂ）のように柱部１３の長さから面切取部２０の長さＷ２を差し引いた基端部ｎの長さＷ１を、ころ長さＷ３の３５％以上になるよう設計する。通常においてころ５の両端にはころ長さＷ３の１５〜２５％程度でクラウニングが施されているため、高速回転時に保持器１０ところ５が良好に接触する範囲を保つためには、基端部ｎの長さＷ１がころ長さＷ３の３５％以上が必要であるためである。
【００３１】
図４は、複列円筒ころ軸受に一対の保持器１０，１０を背面合わせで組み込んだ実施の形態が示される。一対の保持器１０、１０で保持されたころ５が内輪６と外輪７の間に介装される。一対の保持器１０，１０は同一形状のもので、各々の側輪１２、１２同士が背面合わせで組み込まれる。この場合、一対の側輪１２，１２の背面（外端面）に形成した潤滑材溜め溝３０，３０が合致して両者間に潤滑材溜め空間が形成され、この空間に潤滑材のグリースが充填されて、一対の背面合わせした保持器１０，１０の間の潤滑性を良好にし、摩耗粉の発生を抑制する。また、摩耗粉の発生が抑制されることで、潤滑グリースの汚れが抑制されて、長期にわたり潤滑性が良好に維持される。
【００３２】
また、保持器１０の側輪１２に形成した突起４０がころ端面の中央部に接触して、ころ端面周辺部に潤滑材溜まりが形成されるので、内輪６の鍔面６’とすべり接触するころ端面に充分な潤滑グリースが供給されて、潤滑性が良好に維持され、高速回転時の発熱が抑制できて、尚一層に高速回転に適合する保持器構造にすることができる。
【００３３】
【発明の効果】
本発明によれば、高速回転時に櫛型保持器の柱部が遠心力で保持器半径方向外方に変形しても、柱部のポケット内周面ところ外周面との異常接触が面切取部で回避されて、ポケット内周面が潤滑材を掻き取るといった不具合発生がなくなり、高速回転時も潤滑特性が良好に維持できて、高速回転時の性能に優れた円筒ころ軸受用保持器が提供できる。また、高速回転で柱部が変形しても、柱部のポケット内周面の内径側円筒面と外径側円筒面のいずれかが所定の案内すきまでころを保持して、軸受の非繰り返し振れの悪化を抑制するので、工作機械の主軸などの高速回転時の異常な振れを問題ない程度まで抑制する高性能な円筒ころ軸受用保持器が提供できる。
【００３４】
また、複列円筒ころ軸受で保持器を背面組合せで使用するような場合、保持器の側輪の背面に形成した潤滑材溜め用溝が潤滑材補足をして、異常摩耗や摩耗粉の発生を抑えて、高速運転性能を上げる。
【００３５】
また、保持器の側輪にころ端面の中央部と接触する突起を設けることで、内輪の鍔面とすべり接触するころ端面に充分な潤滑材が供給されて発熱が抑制され、高速運転に適合する円筒ころ軸受用保持器が提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（Ａ）は本発明の実施の形態を示す保持器の部分正面図、（Ｂ）は保持器の部分平面図である。
【図２】（Ａ）は図１（Ａ）の保持器の部分拡大正面図、（Ｂ）はＴ１−Ｔ１線に沿う断面図である。
【図３】（Ａ）は高速回転時の保持器の変形を説明するための部分正面図、（Ｂ）はＴ２−Ｔ２線に沿う断面図である。
【図４】本発明の他の実施の形態を示す複列円筒ころ軸受の部分断面図である。
【図５】（Ａ）は従来の円筒ころ軸受用保持器の部分正面図、（Ｂ）はＴ３−Ｔ３線に沿う断面図である。
【図６】（Ａ）は他の従来の円筒ころ軸受用保持器の部分正面図、（Ｂ）はＴ４−Ｔ４線に沿う断面図である。
【図７】（Ａ）は図５の保持器を使用した円筒ころ軸受の概要を示す断面図、（Ｂ）は同じ円筒ころ軸受の高速回転時の保持器偏心を説明するための断面図である。
【図８】図５の保持器の変形を説明するための部分正面図である。
【図９】（Ａ）は図６の保持器の高速回転時の変形を説明するための正面図、（Ｂ）はＴ５−Ｔ５線に沿う断面図である。
【符号の説明】
５ころ
６内輪
７外輪
１０保持器
１２側輪
１２ａ側輪の内端面
１２ｂ側輪の外端面
１３柱部
１３ａポケット内周面
１３ａ１内径側円筒面
１３ａ２外径側円筒面
１３ｂ柱自由端
１４ポケット
２０面切取部
３０潤滑材溜め用溝
４０突起

Claims

内輪と外輪と保持器に案内される複数のころからなる円筒ころ軸受であって、
前記保持器は、円環状の側輪と、この側輪に軸方向に突設した複数の柱部を有する櫛型で、隣接する柱部間のポケットを形成する柱部のポケット内周面がころＰＣＤより内径側及び外径側共にころ外周面に沿う円筒面であり、
前記ポケット内周面における内径側円筒面の柱自由端側に、柱自由端に向かって内径が大きくなる面切取部を形成したことを特徴とする円筒ころ軸受用保持器。
前記面切取部が、柱部ポケット内周面の保持器半径方向内方側エッジの一部から柱自由端に向けて直線状に延在することを特徴とする請求項１記載の円筒ころ軸受用保持器。
前記側輪の反柱部側の外端面に潤滑材溜め用溝を形成したことを特徴とする請求項１又は２記載の円筒ころ軸受用保持器。
前記側輪のポケットを形成する内端面に部分的に、ころ端面の中央部に接する突起を一体に形成したことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の円筒ころ軸受用保持器。