JP2012097872A

JP2012097872A - 軸受用保持器

Info

Publication number: JP2012097872A
Application number: JP2010248149A
Authority: JP
Inventors: Masaki Sadamura; 正紀定村; Hiromichi Takemura; 浩道武村
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2010-11-05
Filing date: 2010-11-05
Publication date: 2012-05-24

Abstract

【課題】耐摩耗性及び耐摺動性を維持・向上させると共に、トルク損失の割合を低減させることを可能にする低コストの軸受用保持器を提供する。
【解決手段】相手部材に沿って配列された複数の転動体を１つずつ回転可能に保持する複数のポケットを有し、これら各転動体と共に相手部材に沿って公転する軸受用保持器であって、当該保持器には、その表面全体のうち、少なくとも相手部材及び各転動体に対向する部位に表面硬化処理が施されており、表面硬化処理において、保持器の該当部位には、スズ或いはスズを含有する金属材料をコーティングして、厚さ１〜２０μｍの範囲の被膜が形成されている。
【選択図】図３

Description

本発明は、相手部材との間で生じる発熱及び摩耗を低減させると共に、トルク損失を低減させることを可能にする軸受用保持器に関する。

従来、例えば自動車のオートマチックトランスミッション（ＡＴ）やトルクコンバータをはじめ部材相互が相対回転する部分には、各種の軸受が適用されている。その一例として、例えば特許文献１には、主にアキシアル荷重（或いは、アキシアル荷重及びラジアル荷重の双方の荷重）を支えて回転するスラストころ軸受が開示されている。

特許文献１のスラストころ軸受において、保持器には、相手部材（例えば、内外輪）と摺接する部分に、例えばダイヤモンドライクカーボン被膜材又はセラミック系被膜材によるコーティングが施されている。これにより、当該保持器と相手部材との間で生じる発熱及び摩耗等の低減が図られている。

特開２００６−１８９１３３号公報

ところで、上記した特許文献１の軸受を含めた各種の軸受では、軸受回転中にトルク損失が生ずることが知られている。ここで、トルク損失を引き起こす要因の割合としては、保持器と転動体との転がり抵抗が６０％、保持器と潤滑剤との攪拌抵抗が２０％、保持器と相手部材（例えば、内外輪）との摩擦抵抗が２０％程度と考えられている。

そこで、耐摩耗性及び耐摺動性を維持・向上させると共に、上記したトルク損失の割合を軽減することを可能にする軸受用保持器の開発が要望されている。具体的には、保持器に対して表面硬化処理を施すことで、保持器と転動体との転がり抵抗、並びに、保持器と相手部材（例えば、内外輪）との摩擦抵抗を軽減し、これら各抵抗によるトルク損失を引き起こす要因の割合（合計：８０％）を軽減することが要望されている。この場合、表面硬化処理では、耐摩耗性及び耐摺動性を維持・向上させつつ、低コスト化を図ることも要望されている。

本発明は、このような要望に応えるためになされており、その目的は、耐摩耗性及び耐摺動性を維持・向上させると共に、トルク損失の割合を低減させることを可能にする低コストの軸受用保持器を提供することにある。

このような目的を達成するために、本発明は、相手部材に沿って配列された複数の転動体を１つずつ回転可能に保持する複数のポケットを有し、これら各転動体と共に相手部材に沿って公転する軸受用保持器であって、当該保持器には、その表面全体のうち、少なくとも相手部材及び各転動体に対向する部位に表面硬化処理が施されており、表面硬化処理において、保持器の該当部位には、スズ或いはスズを含有する金属材料をコーティングして、厚さ１〜２０μｍの範囲の被膜が形成されている。
本発明において、上記した軸受用保持器は、スラスト軸受或いはラジアル軸受に適用され、複数の転動体を回転可能に保持する。

本発明によれば、耐摩耗性及び耐摺動性を維持・向上させると共に、トルク損失の割合を低減させることを可能にする低コストの軸受用保持器を実現することができる。

(ａ)は、本発明の一実施形態に係るスラスト軸受用保持器の配置構成を一部拡大して示す断面図、(ｂ)は、本発明の一実施形態に係るスラスト軸受用保持器の他の配置構成を一部拡大して示す断面図。 (ａ)は、図１に示されたスラスト軸受用保持器の全体構成を示す斜視図、(ｂ)は、同図(ａ)に示されたスラスト軸受用保持器の一方のレースの構成を一部拡大して示す斜視図、(ｃ)は、同図(ａ)に示されたスラスト軸受用保持器の他方のレースの構成を一部拡大して示す斜視図。スズ（Ｓｎ）をコーティングした保持器を適用した軸受と、スズ被膜が無い保持器を適用した軸受とにおいて、その回転数と動トルク値との関係を示す図。

以下、本発明の一実施形態に係る軸受用保持器について説明する。
本実施形態では、相手部材に沿って配列された複数の転動体を１つずつ回転可能に保持する複数のポケットを有し、これら各転動体と共に相手部材に沿って公転する軸受用保持器を想定する。ここで、軸受用保持器は、スラスト軸受或いはラジアル軸受に適用され、複数の転動体を回転可能に保持する。この場合、転動体としては、ころ又は玉を適用することができるが、ここでは一例として、ころを適用したスラストころ軸受用保持器を想定する。

また、スラストころ軸受用保持器の仕様の一例としては、図１(ａ)に示すように、相対回転可能に対向配置された中空円環状の一対のレース２,４（軌道盤ともいう）相互間に当該保持器６を組み込む第１仕様形態と、図１(ｂ)に示すように、例えば自動車のオートマチックトランスミッション（ＡＴ）などに設けられた各種の回転部材８に当該保持器６を直接組み込む第２仕様形態とを想定することができる。

ここで、図１(ａ)の第１仕様形態において、相手部材としては一対のレース２,４となり、一方、図１(ｂ)の第２仕様形態において、相手部材としては回転部材８となるが、以下では、第１仕様形態に係る一対のレース２,４相互間に組み込まれたスラストころ軸受用保持器６について説明する。

この場合、第２仕様形態に係るスラストころ軸受用保持器６（図１(ｂ)）は、第１仕様形態に係るスラストころ軸受用保持器６（図１(ａ)）と同様の構成を有しているため、後述する第１仕様形態に係るスラストころ軸受用保持器６の各構成に付された参照符号を、第２仕様形態に係るスラストころ軸受用保持器６の各構成に付すことにより、当該第２仕様形態に係るスラストころ軸受用保持器６についての説明は省略する。

図１(ａ)及び図２(ａ)〜(ｃ)に示すように、第１仕様形態に係るスラストころ軸受用保持器６は、一対のレース２,４相互間に構成された中空円環状の軸受内部空間に沿って配列された複数の転動体（ころ）１０を１つずつ回転可能に保持しながら、これら各転動体（ころ）１０と共に軸受内部空間に沿って公転する。なお、図面では一例として、一対のレース２,４において、図中向って左側のレースを内側レース（内側軌道盤）２と称し、一方、図中向って右側のレースを外側レース（外側軌道盤）４と称する。

転動体１０としての「ころ」は、例えば、その直径が小さく、長さが直径の３〜１０倍という細長いものを適用する。また、保持器６としては、複数の転動体（ころ）１０を軸受内部空間に沿って１つずつ回転可能に保持できるものであれば、その種類（形状、形式など）は問わないが、ここでは一例として、径寸法の異なる断面Ｌ字状の第１及び第２中空円環部材６ａ,６ｂを２つ用意し、これら中空円環部材６ａ,６ｂを互いに被せ合わせて一体化させた保持器６を適用する。

ここで、第１中空円環部材６ａは、中空円板状の第１円環部本体６０と、第１円環部本体６０の径方向両側から当該第１円環部本体６０に対して垂直方向に立ち上げられ、かつ互いに平行に対向して周方向に沿って連続した一対の第１フランジ部６０ｆとを備えて構成されている。また、第１円環部本体６０には、矩形状に開口された複数の第１ポケット構成部６０ｐが周方向に沿って所定間隔（例えば、等間隔）で形成されている。

一方、第２中空円環部材６ｂは、中空円板状の第２円環部本体６２と、第２円環部本体６２の径方向両側から当該第２円環部本体６２に対して垂直方向に立ち上げられ、かつ互いに平行に対向して周方向に沿って連続した一対の第２フランジ部６２ｆとを備えて構成されている。また、第２円環部本体６２には、矩形状に開口された複数の第２ポケット構成部６２ｐが周方向に沿って所定間隔（例えば、等間隔）で形成されている。なお、第１ポケット構成部６０ｐの数と第２ポケット構成部６２ｐの数とは、互いに同一に設定されている。

この場合、第１中空円環部材６ａの一対の第１フランジ部６０ｆと、第２中空円環部材６ｂの一対の第２フランジ部６２ｆとを相互に重ね合わせ、かつ第１ポケット構成部６０ｐと第２ポケット構成部６２ｐとを互いに正対（対向）させることで、第１及び第２ポケット構成部６０ｐ,６２ｐ相互間に１つのポケット６ｐが構成される。これにより、当該保持器６には、周方向に沿って所定間隔（例えば、等間隔）で複数のポケット６ｐが構成され、各転動体（ころ）１０は、各ポケット６ｐに１つずつ回転可能に保持される。

なお、図面では一例として、第１及び第２中空円環部材６ａ,６ｂを互いに被せ合わせて一体化させた保持器６において、一対の第１フランジ部６０ｆが一対の第２フランジ部６２ｆの外側に配置構成される場合を示したが、これとは逆に、一対の第１フランジ部６０ｆが一対の第２フランジ部６２ｆの内側に配置構成されるようにしてもよい。以下、一対の第１フランジ部６０ｆが一対の第２フランジ部６２ｆの外側に配置構成された保持器６が、一対のレース２,４相互間（内側レース２と外側レース４との間）に組み込まれている場合を想定して説明を続ける。

まず、内側レース２は、中空円板状の内側レース本体部２ａと、内側レース本体部２ａの内周縁から連続し、軸受内部空間（保持器６）を覆うように外側レース４に向けて延出した内側リップ部２ｂとを有している。内側レース本体部２ａには、特に参照符号は付さないが、その内周面（外側レース４に対向する対向面）に、周方向に沿って連続した内側軌道面（複数の転動体（ころ）１０が転動する面）が形成されている。また、内側リップ部２ｂの延出端には、その一部を軸受内部空間（保持器６）に向けて折り曲げて一体成形された内側係止片２ｔが周方向に沿って所定間隔で設けられている。

一方、外側レース４は、中空円板状の外側レース本体部４ａと、外側レース本体部４ａの外周縁から連続し、軸受内部空間（保持器６）を覆うように内側レース２に向けて延出した外側リップ部４ｂとを有している。外側レース本体部４ａには、特に参照符号は付さないが、その内周面（内側レース２に対向する対向面）に、周方向に沿って連続した外側軌道面（複数の転動体（ころ）１０が転動する面）が形成されている。また、外側リップ部４ｂの延出端には、その一部を軸受内部空間（保持器６）に向けて折り曲げて一体成形された外側係止片４ｔが周方向に沿って所定間隔で設けられている。

このようなスラストころ軸受（スラストニードル軸受ともいう）では、内側レース２と外側レース４との間に転動体（ころ）１０を保持器６で保持しつつ組み立てた状態において、上記した内側係止片２ｔ及び外側係止片４ｔが、保持器６に一部係合する（具体的には、保持器６を両側から抱きかかえるように係合する）ことにより、その軸受構成（内側レース２、外側レース４、保持器６、各転動体（ころ）１０）は、互いに分離すること無く一体化し、組み立てた状態（非分離状態、バレ止めされた状態）に維持される。

そして、スラストころ軸受を相対回転する部材（図示しない）相互間に組み込んだ状態において、保持器６で保持された複数の転動体（ころ）１０は、内側レース２と外側レース４との間に沿って接触しつつ回転可能となる。この状態で、双方の部材が相対回転し、これに伴って内側レース２と外側レース４とが相対回転すると、複数の転動体（ころ）１０が、内側レース２と外側レース４との間に沿って転動することで、保持器６は、各転動体（ころ）１０と共に相手部材（即ち、一対のレース２,４）に沿って公転する。

ところで、第１仕様形態に係る保持器６には、上記したような当該保持器６の公転中において、その耐摩耗性及び耐摺動性を維持・向上させると共に、トルク損失の割合を低減させるための技術思想が施されている。即ち、当該保持器６には、その表面全体のうち、少なくとも相手部材（一対のレース２,４）及び各転動体（ころ）１０に対向する部位に表面硬化処理が施されている。

保持器６が、相手部材（一対のレース２,４）及び各転動体（ころ）１０に対向する部位としては、例えば、内側レース２の内側レース本体部２ａに対向する第１中空円環部材６ａ（第１円環部本体６０）の外表面６０ｓ、内側レース２の内側リップ部２ｂに対向する第１中空円環部材６ａ（一方の第１フランジ部６０ｆ）の内径面６０ｒ、外側レース４の外側レース本体部４ａに対向する第２中空円環部材６ｂ（第２円環部本体６２）の外表面６２ｓ、外側レース４の外側リップ部４ｂに対向する第１中空円環部材６ａ（他方の第１フランジ部６０ｆ）の外径面６０ｔ、及び、各転動体（ころ）１０を１つずつ回転可能に保持する各ポケット６ｐを構成する第１及び第２ポケット構成部６０ｐ,６２ｐの矩形状の開口面６０ｈ,６２ｈなどを想定することができる。

表面硬化処理において、保持器６の該当部位には、スズ（Ｓｎ）或いはスズを含有する金属材料をコーティングして、厚さ１〜２０μｍの範囲の被膜が形成されている。なお、被膜の形成方法としては、例えばメッキ、塗装など既存の方法を適用することができる。要するに、厚さ１〜２０μｍの範囲の被膜を形成することができる方法であればよい。なお、スズを含有する金属材料において、当該スズの含有量は、当該保持器６の使用環境や使用目的に応じて設定されるため、ここでは特に限定しない。要するに、その耐摩耗性及び耐摺動性を維持・向上させると共に、トルク損失の割合を低減させることができる程度のスズが含有されていればよい。

この場合、保持器６（第１及び第２中空円環部材６ａ,６ｂ）の表面全体に、上記したような表面硬化処理を施してもよい。なお、第２仕様形態に係るスラストころ軸受用保持器６（図１(ｂ)）では、相手部材（回転部材８）及び各転動体（ころ）１０に対向する部位として、例えば、回転部材８に対向する第２中空円環部材６ｂ（第２円環部本体６２）の外表面６２ｓ、回転部材８に対向する第１中空円環部材６ａ（他方の第１フランジ部６０ｆ）の外径面６０ｔ、及び、各転動体（ころ）１０を１つずつ回転可能に保持する各ポケット６ｐを構成する第１及び第２ポケット構成部６０ｐ,６２ｐの矩形状の開口面６０ｈ,６２ｈなどを想定することができる。

ここで、第１仕様形態に係る保持器６を適用したスラストころ軸受において、当該保持器６（第１及び第２中空円環部材６ａ,６ｂ）の表面全体、又は、上記した該当部位に、例えばスズ（Ｓｎ）をコーティングした場合における動トルク値、並びに、スズ被膜の状態変化の測定を行った。かかる測定では、２種類のスラストころ軸受を各複数用意し、当該各軸受に対する荷重を７００Ｎ（ニュートン）、特殊な摩擦調整剤などを含んだ特殊な潤滑油（ＡＴＦオイル）を８０℃に維持しつつ１分間に５０ｍＬ（ミリリットル）の割合［５０ｍＬ／ｍｉｎ］で軸受内に充填しながら、当該軸受（レース２,４相互）の回転数を１分間に１０００〜９０００回転［ｒｐｍ］までに変化させた際の測定結果を得た。

２種類のスラストころ軸受（第１及び第２の軸受）において、第１の軸受としては、軸受外径を７５ｍｍ、軸受内径を５８ｍｍ、軸受幅を４.６ｍｍとし、直径が３ｍｍで長さが３.６ｍｍの転動体（ころ）１０をレース２,４相互間に４７本組み込んで、これら各転動体（ころ）１０を第１仕様形態に係る保持器６で保持したものを５つ（(１)−１〜５）用意した。一方、第２の軸受としては、軸受外径を７５ｍｍ、軸受内径を５８ｍｍ、軸受幅を４.６ｍｍとし、直径２ｍｍで長さ３.６ｍｍの転動体（ころ）１０をレース２,４相互間に３４本組み込んで、これら各転動体（ころ）１０を第１仕様形態に係る保持器６で保持したものを５つ（(２)−１〜５）用意した。

そして、これら第１及び第２の軸受を実施形態（(１)−１〜３、(２)−１〜３）と、比較形態（(１)−４,５、(２)−４,５）とに分け、比較形態においては、保持器６にスズ被膜をコーティングしないもの（(１)−４、(２)−４）と、厚さ３０μｍのスズ被膜をコーティングしたもの（(１)−５、(２)−５）とした。また、実施形態においては、保持器６に厚さ１〜２０μｍの範囲でスズ被膜をコーティングした（下記の表１参照）。なお、表１には一例として、実施形態（(１)−１〜３）では、スズ被膜の厚さを２,５,１０μｍに設定した場合、また、実施形態（(２)−１〜３）では、スズ被膜の厚さを１,５,２０μｍに設定した場合が示されている。

以上、本実施形態に係る測定結果によれば、保持器６の表面全体、又は、上記した該当部位にスズ（Ｓｎ）をコーティングした場合における軸受の動トルク値［Ｎ・ｍ］を、スズ被膜が無い場合における軸受の動トルク値［Ｎ・ｍ］に比べて大幅に低減させることができることが確認された。この場合、スズ被膜の厚さを１〜２０μｍの範囲に設定することで、厚さ３０μｍのスズ被膜をコーティングしたものよりも、その動トルク値を大幅に低減させることができることが確認された。

図３には一例として、厚さ２μｍでスズ（Ｓｎ）をコーティングした保持器６を適用した軸受（(１)−１）と、厚さ５μｍでスズ（Ｓｎ）をコーティングした保持器６を適用した軸受（(２)−２）と、スズ被膜が無い保持器６を適用した軸受（(１)−４、(２)−４）とにおいて、その回転数と動トルク値との関係が示されている。

これによれば、軸受回転数２０００［ｒｐｍ］時において、スズ被膜有り軸受（(１)−１、(２)−２）の動トルク値は、０.０５〜０.０７［Ｎ・ｍ］の範囲となり、スズ被膜無し軸受（(１)−４、(２)−４）の動トルク値０.１０〜０.１５［Ｎ・ｍ］に比べて大幅に低くなっている。これにより、上記した表１の測定結果が裏付けられることとなる。

これにより、上記したような表面硬化処理を保持器６に施すことで、従来一般的に用いられている表面硬化材（例えば、ダイヤモンドライクカーボン被膜材、セラミック系被膜材）と同様に、その耐摩耗性及び耐摺動性を維持・向上させることができ、その結果、当該保持器６と相手部材（一対のレース２,４）との間で生じる発熱及び摩耗等の低減を図ることができる。

更に、上記したような表面硬化処理を保持器６に施すことで、保持器６と複数の転動体（ころ）１０との転がり抵抗、並びに、保持器６と相手部材（一対のレース２,４、回転部材８）との摩擦抵抗を軽減し、これら各抵抗によるトルク損失の割合を大幅に軽減することができる。

具体的に説明すると、トルク損失を引き起こす要因の割合としては、保持器６と複数の転動体（ころ）１０との転がり抵抗が６０％、保持器６と潤滑剤との攪拌抵抗が２０％、保持器６と相手部材（一対のレース２,４、回転部材８）との摩擦抵抗が２０％程度と考えられているが、上記したような表面硬化処理を保持器６に施すことで、少なくとも、転がり抵抗（６０％）と摩擦抵抗（２０％）との合計８０％に亘るトルク損失の割合を軽減することができる。

また、上記したような表面硬化処理では、従来一般的に用いられている表面硬化材（例えば、ダイヤモンドライクカーボン被膜材、セラミック系被膜材）に比べて、低価格なスズ（Ｓｎ）或いはスズを含有する金属材料を用いることができるため、低コストで軸受用保持器６を実現することができる。

なお、本発明は、上記した実施形態に限定されることはなく、以下の変形例に係る技術思想も本発明の技術的範囲に含まれる。
例えば、上記した実施形態では、スラストころ軸受用保持器６を想定して説明したが、これに代えて、ラジアル軸受用保持器に対して、上記したような表面硬化処理を施しても同様の作用効果を実現することができる。この場合、転動体としては、ころ又は玉を適用することが可能であり、当該転動体の種類に応じた保持器が構成される。

また、上記した実施形態では、第１及び第２中空円環部材６ａ,６ｂを互いに被せ合わせて一体化させた保持器６を想定したが、これに限定されることはなく、例えば第１中空円環部材６ａ又は第２中空円環部材６ｂのいずれか一方から成る１枚保持器６とし、当該保持器６に対して、上記したような表面硬化処理を施しても同様の作用効果を実現することができる。

２,４レース（相手部材）
６保持器
６ｐポケット
８回転部材（相手部材）
１０転動体（ころ）

Claims

相手部材に沿って配列された複数の転動体を１つずつ回転可能に保持する複数のポケットを有し、これら各転動体と共に相手部材に沿って公転する軸受用保持器であって、
当該保持器には、その表面全体のうち、少なくとも相手部材及び各転動体に対向する部位に表面硬化処理が施されており、
表面硬化処理において、保持器の該当部位には、スズ或いはスズを含有する金属材料をコーティングして、厚さ１〜２０μｍの範囲の被膜が形成されていることを特徴とする軸受用保持器。
請求項１に記載の軸受用保持器は、スラスト軸受或いはラジアル軸受に適用され、複数の転動体を回転可能に保持することを特徴とする軸受用保持器。