JP2013072439A - 転がり軸受 - Google Patents

Abstract

【課題】保持器のポケット面と案内面とで異なる固体潤滑膜を設ける場合、ポケット面のマスキング作業が困難であり、また、保持器製作のリードタイムが長く、高コストである。
【解決手段】保持器４０を、保持器本体４２と、保持器本体４２の外周面４２ｂ固定した潤滑部材４４と、ポケット面４２ａ１に施した固体潤滑膜とで構成し、樹脂複合材からなる潤滑部材４４に、外輪２０と滑り接触する案内面を形成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、転がり軸受に関し、特に、極低温環境下や真空環境下で使用される転がり軸受に関する。

例えば、ロケットエンジン用ターボポンプに使用される転がり軸受は、液体酸素（沸点：−１８３℃）や液体水素（沸点：−２５３℃）等の極低温環境下で使用される。また、かかる用途の転がり軸受はＤＮ値（軸受内径×回転数）が１５０万以上に達し、例えば液体酸素を圧縮するターボポンプのアンギュラ玉軸受の回転数は最大で約１８０００ｒｐｍ、液体水素を圧縮するターボポンプのアンギュラ玉軸受の回転数は最大で約５２０００ｒｐｍに達する。

上記のように、極低温環境下（例えば−１６０℃以下）で使用される転がり軸受には、通常の流動性潤滑剤（油やグリースなど）を使用することはできない。このため、例えば特許文献１に示されている転がり軸受では、保持器のうち、ポケット面、及び、軌道輪（内輪又は外輪）に接触する案内面（例えば外周面）に固体潤滑膜を設けることで、極低温環境下でも潤滑を行い、超高速回転での使用を可能としている。

また、宇宙空間等の真空環境下では、油やグリースなどの流動性潤滑剤は蒸発してしまうため使用することができない。このため、真空環境下で使用される転がり軸受においても、上記のような固体潤滑膜により潤滑を行うことがある。

特開２００６−２２０２４０号公報

ところで、保持器のポケット面に設けた固体潤滑膜は、転動体との摩擦で転動体や内外輪の軌道面に移着し、転動体と内外輪との間の摩擦部分の潤滑に寄与するため、移着性に優れたもの（例えば高移着性フッ素樹脂コーティング膜）が好適に使用される。一方、保持器の案内面は、軌道輪にガイドされて接触しながら高速回転するため、この部分の固体潤滑膜には耐摩耗性に優れたもの（例えば耐摩耗性フッ素樹脂コーティング膜）が好適に使用される。このため、上記のような転がり軸受では、保持器のポケット面と、軌道輪に滑り接触する案内面とで、異なる機能を有する固体潤滑膜を設ける場合がある。

このように、保持器のポケット面と案内面とで異なる機能を有する固体潤滑膜を設ける場合、例えば以下の手順を経て保持器が製作される。まず、（１）保持器のうち、ポケット面以外の領域にマスキングを施した状態で、ポケット面に高移着性フッ素樹脂コーティング膜を施した後、焼成する。次に、（２）保持器のうち、案内面以外の領域にマスキングを施した状態で、案内面に耐摩耗性フッ素樹脂コーティング膜を施した後、焼成する。

上記の場合、工程（２）では、保持器のポケット面にマスキングを施す必要があるが、このような箇所にマスキングを施す作業は非常に困難である。また、マスキング、コーティング、及び焼成からなる工程を２回繰り返す必要があるため、リードタイムが長くなり、結果的に製作コストの高騰を招く。

本発明の解決すべき課題として、前記したように、保持器のポケット面と案内面とで異なる固体潤滑膜を設ける場合、ポケット面のマスキング作業が困難であること、また、保持器製作のリードタイムが長く、高コストであることが挙げられる。

前記課題を解決するためになされた本発明は、外周に軌道面を有する内輪と、内周に軌道面を有する外輪と、内輪の軌道面と外輪の軌道面との間に介在する複数の転動体と、複数の転動体を収容する複数のポケットを有する保持器とを備えた転がり軸受において、保持器が、保持器本体と、保持器本体に固定された樹脂複合材からなる潤滑部材と、ポケット面に施した固体潤滑膜とを有し、前記潤滑部材に外輪又は内輪と滑り接触する案内面を設けたことを特徴とするものである。

上記のように、本発明の転がり軸受では、保持器のポケット面に固体潤滑膜を施すと共に、樹脂複合材からなる潤滑部材に案内面を設けている。従って、移着性に優れる固体潤滑膜と耐摩耗性に優れる樹脂複合材とを組み合わせることで、保持器のポケット面と案内面とで異なる潤滑性を容易に付与することができる。また、案内面を有する潤滑部材を保持器本体に固定することで、保持器の案内面に固体潤滑膜を施す工程（前記（２）の工程）が不要となるため、保持器のポケット面にマスキングを施す工程を省略できると共に、マスキング、コーティング、及び焼成からなる固体潤滑膜の形成工程が１回で済む。

潤滑部材の案内面は、例えば外輪又は内輪の肩部と滑り接触する構成とすることができる。尚、肩部とは、外輪の内周又は内輪の外周のうち、軌道面よりも軸方向外側の領域のことを言う。

潤滑部材をリング状とし、保持器本体の外周面又は内周面に環状の切り欠きを設ければ、リング状の潤滑部材を保持器本体の切り欠きに嵌め込むことにより両者を簡単に固定することができる。この場合、切り欠きに突起を設け、切り欠きに嵌め込んだ潤滑部材に突起を軸方向外側から係合させれば、潤滑部材の軸方向外側への移動が規制され、潤滑部材の保持器本体からの脱落を防止することができる。

リング状の潤滑部材と保持器本体に設けた環状の切り欠きとは、例えば焼き嵌めにより固定することができる。

リング状の潤滑部材を保持器本体の外周面に設けた環状の切り欠きに固定し、案内面を外輪の内周と滑り接触させる場合、保持器本体の線膨張係数を潤滑部材の線膨張係数よりも小さくすれば、温度低下に伴って、保持器本体の縮径率よりも潤滑部材の縮径率が上回り、両者の締め代が大きくなるため、両者の固定力が向上する。このような転がり軸受は、低温であるほど保持器本体と潤滑部材との固定力が高まるため、極低温環境下での使用に適している。

リング状の潤滑部材と保持器本体の環状の切り欠きとを接着すれば、両者の固定力を高めることができ、例えば、潤滑部材が保持器本体に対して周方向に空転する事態を防止することができる。

ポケット面に施される固体潤滑膜は優れた移着性が要求されるため、例えば案内面を形成する樹脂複合材よりも移着性に優れていることが好ましい。このような固体潤滑膜として、例えば潤滑性と移着性に優れた高移着性フッ素樹脂コーティングを使用することができる。

案内面を形成する樹脂複合材は優れた耐摩耗性が要求されるため、例えばポケット面の固体潤滑膜よりも耐摩耗性に優れていることが好ましい。樹脂複合材は、例えば自己潤滑性のあるベース樹脂（例えばフッ素樹脂）を用いた構成とすることができる。また、樹脂複合材には、補強材料（ガラス繊維や炭素繊維など）や、自己潤滑性材料（二硫化モリブデンや黒鉛など）を充填材として配合することができる。

以上のような転がり軸受は、極低温環境下や真空環境下など、流動性潤滑剤が使用できない環境下で好適に使用できるため、例えば、ロケットエンジンの液体燃料用ターボポンプや、人工衛生等の宇宙用機器などに好適に適用できる。

以上のように、本発明によれば、保持器のポケット面と案内面とで異なる潤滑性を付与する場合であっても、保持器の案内面に固体潤滑膜を施す工程（前記（２）の工程）が不要であり、保持器の製作のリードタイムを短縮してコスト低減を図ることができる。

本発明の実施形態に係る転がり軸受（アンギュラ玉軸受）の断面図である。 上記転がり軸受の保持器の部分断面斜視図である。 上記保持器を構成する保持器本体の断面図である。 上記保持器の拡大断面図である。 上記保持器を構成する潤滑部材の断面図である。 上記転がり軸受が組み込まれたロケットエンジン用ターボポンプの断面図である。 他の実施形態に係る転がり軸受の保持器の断面図である。 他の実施形態に係る転がり軸受の断面図である。

図１に、本発明の一実施形態に係る転がり軸受として、アンギュラ玉軸受１を示す。アンギュラ玉軸受１は、内輪１０と、外輪２０と、複数のボール３０（転動体）と、保持器４０とを備える。

内輪１０の外周面には、軌動面１２と、軌動面１２の軸方向両側に設けられた肩部１４、１６とが設けられる。軌動面１２は、ボール３０と略同一径の円弧状断面を有し、内輪１０の外周全周で連続している。軸方向一方（図中右側）の肩部１４は、軌動面１２の最小径部よりも大径な円筒面であり、軌動面１２の軸方向一方の端部と連続している。軸方向他方（図中左側）の肩部１６は、軌動面１２の最小径部と略同径の外径を有し、軸方向他方側を僅かに縮径させた円すい面であり、軌動面１２の最小径部から内輪１０の軸方向他方の端面１８まで延びている。内輪１０は、例えばマルテンサイト系ステンレス鋼（ＳＵＳ４４０Ｃなど）で形成される。内輪１０の軌動面１２には、固体潤滑膜として例えばＰＴＦＥ被膜が形成され、本実施形態では軌動面１２及び肩部１４、１６にＰＴＦＥ被膜が形成される。

外輪２０の内周面には、軌動面２２と、軌動面２２の軸方向両側に設けられた肩部２４、２６が設けられる。軌動面２２は、ボール３０と略同一径の円弧状断面を有し、外輪２０の内周全周で連続している。肩部２４、２６は、軌動面２２の最大径部よりも小径な円筒面であり、軌動面２２の軸方向両側の端部とそれぞれ連続している。図示例では、肩部２４、２６が同径となっている。外輪２０は、例えばマルテンサイト系ステンレス鋼（ＳＵＳ４４０Ｃなど）で形成される。外輪２０の軌動面２２には、固体潤滑膜として例えばＰＴＦＥ被膜が形成され、本実施形態では軌動面２２及び肩部２４、２６にＰＴＦＥ被膜が形成される。

複数のボール３０は、内輪１０の軌動面１２と外輪２０の軌動面２２との間に配され、本実施形態では例えば１３個のボール３０が配される。ボール３０は、例えばマルテンサイト系ステンレス鋼（ＳＵＳ４４０Ｃなど）等の金属材料、あるいはセラミックス材料で形成される。ボール３０を金属材料で形成する場合、ボール３０の表面には固体潤滑膜として例えばＰＴＦＥ被膜が形成される。一方、ボール３０をセラミックス材料で形成する場合は、軌道輪や保持器などの相手材との凝着が起こりにくいため、通常、ボール３０の表面に固体潤滑膜は必要ではない。

保持器４０は、図２に示すように、保持器本体４２と、保持器本体４２に固定された潤滑部材４４とからなる。本実施形態では、保持器本体４２の外周面４２ｂに潤滑部材４４が固定されている。

保持器本体４２は、図３に示すように、ボール３０が１つずつ収容される複数のポケット４２ａを有し、図示例では１３個のポケット４２ａが円周方向等間隔に設けられる。各ポケット４２ａのポケット面４２ａ１でボール３０を接触支持することにより、ボール３０をポケット４２ａ内に保持する。保持器本体４２の外周面４２ｂには切り欠き４２ｃが設けられ、図示例では、保持器本体４２の外周面４２ｂの軸方向両端部に、全周で連続した環状の切り欠き４２ｃが設けられる。図４に拡大して示すように、切り欠き４２ｃには外径に突出した突起４２ｄが設けられ、図示例では切り欠き４２ｃの軸方向外側端部に突起４２ｄが設けられる。突起４２ｄは、全周で連続した環状を成している。突起４２ｄの外径は、外周面４２ｂよりも内径側に配される。保持器本体４２の内周面４２ｅは、凹凸の無い平滑な円筒面となっている。保持器本体４２は、例えば樹脂複合材あるいは金属で形成される。樹脂複合材としては、例えばＰＥＥＫ等の自己潤滑性材料をベース樹脂とし、ガラス繊維で強化したものを使用できる。また、金属としては、例えば炭素鋼、アルミニウム合金、ステンレス鋼、銅合金の何れかを使用できる。

保持器本体４２のポケット面４２ａ１には、固体潤滑膜が施される（図３に散点で示す）。固体潤滑膜は、自己潤滑性材料、例えばフッ素樹脂、特にＰＴＦＥコーティングからなる。ポケット面４２ａ１の固体潤滑膜は、ボール３０との摩擦でボール３０や内外輪１０、２０の軌道面１２、２２に移着することで潤滑を行うため、移着性に優れたものが好ましい。従って、固体潤滑膜は、例えば保持器４０の案内面を形成する潤滑部材４４の樹脂複合材よりも優れた移着性を有することが好ましく、例えば移着性に優れた高移着性フッ素樹脂コーティングが使用できる。固体潤滑膜は、保持器本体４２のうち、ポケット面４２ａ１を除く全ての領域をマスキングし、この状態でショットブラストを施してポケット面４２ａ１を粗くした後、ポケット面４２ａ１にフッ素樹脂コーティングを施して焼成（ベーキング処理）することにより形成される。

潤滑部材４４は、図２に示すように、保持器本体４２の外周面４２ｂに固定され、外周面４２ｂから外径に突出している。潤滑部材４４の外周面４４ａは、外輪２０の内周、具体的には肩部２４、２６と滑り接触する案内面を構成する（図１参照）。本実施形態の潤滑部材４４は、全周で連続したリング状を成す（図５参照）。潤滑部材４４は、保持器本体４２の外周面４２ｂの軸方向両端に設けられた環状の切り欠き４２ｃに一つずつ嵌め込まれる（図３参照）。切り欠き４２ｃに嵌め込まれた潤滑部材４４には、図４に示すように突起４２ｄが軸方向外側から係合（当接）する。図示例では、潤滑部材４４の内周面４４ｂの軸方向外側端部に切り欠き４４ｃを設け、潤滑部材４４の切り欠き４４ｃと保持器本体４２の突起４２ｄとを嵌合させることにより、潤滑部材４４の保持器本体４２に対する軸方向外側への移動が規制され、潤滑部材４４の脱落が防止される。保持器本体４２と潤滑部材４４との嵌め合い面（互いに対向する面）は、接着剤、例えばフェノール系接着剤で接着されている。これにより、潤滑部材４４の保持器本体４２に対する周方向の移動が規制され、潤滑部材４４が保持器本体４２に対して周方向に空転する事態を防止できる。

潤滑部材４４は、樹脂複合材からなる。樹脂複合材のベース樹脂には、例えば自己潤滑性材料が用いられ、具体的にはフッ素樹脂、特にＰＴＦＥを使用することができる。樹脂複合材には、充填材として、ガラス繊維や炭素繊維等の補強材料を配合することができる。また、樹脂複合材には、充填材として、二硫化モリブデンあるいは黒鉛等の自己潤滑性材料を配合することができる。潤滑部材４４は、外輪２０と滑り接触する案内面を有するため、耐摩耗性に優れたものが好ましく、例えば補強材料の配合量を調整することで、保持器４０のポケット面４２ａ１に設けた固体潤滑膜よりも優れた耐摩耗性を付与することが好ましい。本実施形態では、ＰＴＦＥにガラス繊維を配合した組成の混合粉末を圧縮成形し、これを切削加工することで形成された樹脂複合材で、潤滑部材４４が構成される。

保持器本体４２の突起４２ｄの外径Ｄ１は、潤滑部材４４の内径Ｄ２よりも大きく（Ｄ１＞Ｄ２、図４参照）、このままでは両者を組み付けることができないため、例えば焼き嵌めで固定される。具体的には、保持器本体４２を冷却して縮径させると共に、潤滑部材４４を加熱して拡径させることにより、保持器本体４２の突起４２ｄの外径Ｄ１を潤滑部材４４の内周面４４ｂの内径Ｄ２より小さくする（Ｄ１＜Ｄ２）。この状態で、切り欠き４２ｃの外周に潤滑部材４４を一つずつ配置した後、これらを常温で放置し、保持器本体４２と潤滑部材４４との温度差が小さくなることで、突起４２ｄの外径Ｄ１が潤滑部材４４の内径Ｄ２よりも大きくなり、突起４２ｄと潤滑部材４４とが軸方向に係合した状態となる。尚、保持器本体４２と潤滑部材４４とを組み付ける前に、両者の嵌め合い面の一方又は双方に接着剤を塗布しておくことで、組み付けと同時に両者を接着できる。

例えば、保持器本体４２の線膨張係数が２４×１０^-6（１／℃）（例えばアルミニウム合金）、潤滑部材４４の線膨張係数が８０×１０^-6（１／℃）、突起４２ｄの外径Ｄ１が６９．５ｍｍ、潤滑部材４４の内径Ｄ２が６８．５ｍｍである場合、保持器本体４２を−１９６℃に冷却すると共に、潤滑部材４４を１５０℃に加熱すれば、Ｄ１＜Ｄ２となって両者を焼き嵌めにより組み付けることができる。

また、保持器本体４２の線膨張係数を潤滑部材４４の線膨張係数よりも小さくしておけば、軸受１の使用環境温度の低下に伴って両者の締め代が大きくなり、固定力が高まるため、液体酸素や液体水素と接触する極低温環境下での使用に適した構成となる。

図６に、上記のアンギュラ玉軸受１を組み込んだロケットエンジン用ターボポンプを示す。このターボポンプは液体水素／液体酸素２段燃焼式ロケットエンジンのうち、液体酸素ガスを圧縮するものである。尚、図示は省略するが、この２段燃焼式ロケットエンジンには、液体水素ガスを圧縮する同様のターボポンプも備えている。ターボポンプのタービン軸５４は、プリバーナポンプ入口からプリバーナポンプ出口へと流れる液体燃料の燃焼ガスで初期駆動された後、タービンガス入口からタービンガス出口へと流れる液体燃料の燃焼ガスで本格駆動される。そして、主ポンプ入口から流入した液体酸素ガスを圧縮して主ポンプ出口から排出し、燃焼室に供給する。タービン軸５４は、極低温における疲労強度の高いニッケル基の超合金、例えばインコネル材で形成される。タービン軸５４は、アンギュラ玉軸受１を２つ組み合わせてなる複列アンギュラ玉軸受５２で支持される。

本発明は上記の実施形態に限られない。以下、本発明の他の実施形態を説明するが、上記実施形態と同一の機能を有する箇所には同一の符号を付して重複説明を省略する。

上記実施形態では、保持器本体４２の切り欠き４２ｃに環状の突起４２ｄを形成した場合を示したが、これに限らず、例えば円周方向に離隔した複数箇所に突起４２ｄを設けてもよい。また、上記実施形態では、突起４２ｄを切り欠き４２ｃの軸方向外側端部に設けた場合を示したが、これに限らず、例えば切り欠き４２ｃの軸方向中間部に突起４２ｄを設けてもよい。この場合、潤滑部材４４の内周面４４ｂの軸方向中間部に凹部を設け、この凹部と突起４２ｄとを嵌合させることにより、保持器本体４２と潤滑部材４４とを軸方向に係合させる（図示省略）。

あるいは、図７に示すように、保持器本体４２の切り欠き４２ｃの突起４２ｄを省略してもよい。この場合、保持器本体４２の切り欠き４２ｃと潤滑部材４４の内周面４４ｂとの締まり嵌めにより、又は、これらの間に介在した接着剤により、あるいはこれらの双方により固定される。

また、上記の実施形態では、潤滑部材４４を環状に形成した場合を示したが、これに限らず、例えば保持器本体４２の外周面４２ｂの円周方向に離隔した複数箇所に潤滑部材４４を設けてもよい。ただし、保持器本体４２と潤滑部材４４との固定力を考慮すれば、上記の実施形態のように潤滑部材４４をリング状とした方が有利である。

また、上記の実施形態では、潤滑部材４４の外周面４４ａ（案内面）を外輪２０と滑り接触させる場合を示したが、これに限らず、図８に示すように、潤滑部材４４の内周面４４ｂを内輪１０の外周と滑り接触させてもよい。尚、図８では、保持器本体４２の内周面４２ｅの軸方向一方の端部にのみ潤滑部材４４を設け、その内周面４４ｂを内輪１０の一方の肩部１４と滑り接触させている。

また、上記の実施形態では、アンギュラ玉軸受１をロケットエンジン用ターボポンプに組み組んだ場合を示したが、上記の軸受１を他の用途に適用することも可能である。例えば、人工衛星などの宇宙用機器のように、真空環境下で使用される機器に組み込むことができる。また、上記の軸受１は、極低温環境下で使用する用途に限らず、例えば常温以上の環境下で使用することもできる。この場合、図８に示す構成を採用し、保持器本体４２の線膨張係数を潤滑部材４４の線膨張係数よりも小さくすれば、温度上昇に伴って両者の締め代が大きくなり、固定力を高めることができるため、高温環境下での使用に適した構成となる。

また、上記の実施形態では、本発明に係る転がり軸受としてアンギュラ玉軸受を説明したが、これに限らず、本発明は、他の玉軸受や、円筒ころ軸受や円すいころ軸受などのころ軸受に適用することも可能である。

１ アンギュラ玉軸受（転がり軸受）
１０ 内輪
２０ 外輪
３０ ボール
４０ 保持器
４２ 保持器本体
４２ｃ 切り欠き
４２ｄ 突起
４４ 潤滑部材

Claims (16)

1. 外周に軌道面を有する内輪と、内周に軌道面を有する外輪と、前記内輪の軌道面と前記外輪の軌道面との間に介在する複数の転動体と、前記複数の転動体を収容する複数のポケットを有する保持器とを備えた転がり軸受において、
   前記保持器が、保持器本体と、前記保持器本体に固定された樹脂複合材からなる潤滑部材と、前記ポケットのポケット面に施した固体潤滑膜とを有し、前記潤滑部材に前記外輪又は前記内輪と滑り接触する案内面を設けたことを特徴とする転がり軸受。
2. 前記潤滑部材の案内面が、前記外輪又は前記内輪の肩部と滑り接触する請求項１記載の転がり軸受。
3. 前記潤滑部材がリング状を成すと共に、前記保持器本体の外周面又は内周面に環状の切り欠きを設け、前記潤滑部材を前記切り欠きに嵌め込んだ請求項１又は２記載の転がり軸受。
4. 前記切り欠きに突起を設け、前記切り欠きに嵌め込んだ前記潤滑部材に前記突起を軸方向外側から係合させた請求項３記載の転がり軸受。
5. 前記潤滑部材と前記保持器本体とを焼き嵌めにより固定した請求項３又は４記載の転がり軸受。
6. 前記リング状の潤滑部材を前記保持器本体の外周面に設けた前記環状の切り欠きに固定し、前記案内面を前記外輪の内周と滑り接触させる構成において、
   前記保持器本体の線膨張係数が、前記潤滑部材の線膨張係数よりも小さい請求項１〜５の何れかに記載の転がり軸受。
7. 前記潤滑部材と前記保持器本体とを接着した請求項３〜６の何れかに記載の転がり軸受。
8. 前記固体潤滑膜が前記樹脂複合材よりも移着性に優れている請求項１〜７の何れかに記載の転がり軸受。
9. 前記固体潤滑膜が、高移着性フッ素樹脂コーティングである請求項１〜８の何れかに記載の転がり軸受。
10. 前記樹脂複合材が前記固体潤滑膜よりも耐摩耗性に優れている請求項１〜９の何れかに記載の転がり軸受。
11. 前記樹脂複合材が、自己潤滑性のあるベース樹脂を用いたものである請求項１〜１０の何れかに記載の転がり軸受。
12. 前記ベース樹脂がフッ素樹脂である請求項１１記載の転がり軸受。
13. 前記樹脂複合材に補強材料を配合した請求項１〜１２の何れかに記載の転がり軸受。
14. 前記樹脂複合材に自己潤滑性材料を配合した請求項１〜１３の何れかに記載の転がり軸受。
15. ロケットエンジンの液体燃料用ターボポンプに使用される請求項１〜１４の何れかに記載の転がり軸受。
16. 真空環境下で使用される請求項１〜１４の何れかに記載の転がり軸受。