JP3981814B2

JP3981814B2 - 固体潤滑ころ軸受

Info

Publication number: JP3981814B2
Application number: JP2002109548A
Authority: JP
Inventors: 賢治砂原; 満昭池田
Original assignee: Yaskawa Electric Corp
Current assignee: Yaskawa Electric Corp
Priority date: 2002-04-11
Filing date: 2002-04-11
Publication date: 2007-09-26
Anticipated expiration: 2022-04-11
Also published as: JP2003301851A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、真空中、高温、低温あるいは放射線下などの過酷な環境下で使用される固体潤滑ころ軸受に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、真空中、高温、低温あるいは放射線下などの過酷な環境下で使用される固体潤滑ころ軸受は、図７〜図１０のようになっている。
【０００３】
図７は第１の従来例を示すクロスローラ軸受であって、（ａ）はその一部を示す平面図、（ｂ）はスペーサの斜視図、図８はクロスローラ軸受の側面展開図である。図７、８において、１１は内輪、１２は外輪、１５はころ、１６はスペーサである。図に示すように転走溝の形状を周方向にのびるＶ形にし、隣同士のころを９０度向きを変えてクロスさせた、ころ軸受の一種であるクロスローラ軸受において、ころ１５の表面に固体潤滑剤を被覆し、スペーサ１６の形状をその左右両側面に互いに隣接するころ１５が回転可能に嵌合する曲面溝１６ａにしたものが提案されている（特開平１０−１４１３６３号公報）。
クロスローラ軸受は、モーメントが負荷できる特徴があるため、ロボットのアーム端部などに使われる軸受で、アームのガタを無くすため、一般的に軸受の内部隙間を５ミクロン以下と非常に小さく設定して使われる。
【０００４】
図９は第２の従来例を示すクロスローラ軸受の側面展開図である。図９において、２１は内輪、２２は外輪、２５はころ、２６、２７はスペーサである。第２の従来例では、クロスローラ軸受において、ころ２５の表面に固体潤滑剤を被覆せず、円柱状や球状のスペーサ２６、２７を設けたものが提案されている（実開平２−７４６２５号公報）。
【０００５】
また、第１、第２の従来例のころ軸受に替えて玉軸受の例を第１の比較例として図１０に示す。
図１０は第１の比較例を示す玉軸受の正断面図である。第１、第２の従来例に示したころ軸受に替えて玉軸受としたもので、玉３５の表面に固体潤滑剤３７を被覆し、スペーサ３６の形状を球状にしたものが提案されている（実開昭５９−９２２１９号公報）。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、第１の従来例では、スペーサの形状がころにフィットする接触面積が広い曲面溝であるため、ころの回転に伴うころとスペーサの摺動で、スペーサの材料成分が摩耗粉として多く発生し、軸受内部に堆積するために軸受の内部隙間にかみこみ、軸受が早期にロックするという問題を起こす。
【０００７】
また、第２の従来例では、スペーサをころ間毎に１個配置し、そのスペーサの形状を円柱状や球状にし、ころにフィットしないようにしているため、摩耗粉は多くなく、軸受が早期にロックする問題は生じないが、
(1)ころの表面に固体潤滑剤が無いため、ころと内・外輪の摩擦抵抗が大きく、軸受トルクが大きいとか、軸受寿命が短いという問題を起こす。(2)スペーサがころにフィットしないため、ころのスキュー（揺れ）が起こり、滑り成分が増え、軸受寿命が短いという問題を起こす。(3)スペーサの占有容積が大きいため、ころの数が減り負荷容量が小さくなり寿命が短くなる。
【０００８】
また、第１の比較例では、玉の表面に固体潤滑剤を被覆することで、第２の従来例の弱点を補っているが、もともと玉軸受では接触が点接触であるため、接触ポイント以外で摩耗粉をよけることが出来、ロック防止に関して改善効果は無い。むしろ、玉軸受の場合は、球状のスペーサより、占有容積を小さくできる王冠形保持器で玉同士の接触を防ぐ方が寿命が長い。
そこで本発明は、摩耗粉のかみこみによる早期ロックやころのスキューが発生せず、軸受トルクが小さく、負荷容量が大きい、長寿命な固体潤滑ころ軸受を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記問題を解決するため、請求項１の本発明は、内輪と外輪と、前記内輪と前記外輪のそれぞれ対向する面に設けた内輪転走溝と外輪転走溝と、前記二つの転走溝の間に挿入した複数個のころを備え、これら構成部品の表面の一部または全部に固体潤滑剤の被膜を形成してあり、前記ころ間に介装させて保持するスペーサが設けられ、前記スペーサが球状または円柱状であり、前記スペーサの表面に二硫化モリブデンを被覆したものである固体潤滑ころ軸受において、前記スペーサの直径が前記ころの直径の２０％〜４８％であり、一対のころ間に介装させる前記スペーサの個数が複数であり、前記二硫化モリブデンの膜が剥離し、前記軸受の寿命が延びるように、前記スペーサの表面に被覆した二硫化モリブデンの膜中に酸素、窒素、炭素、またはホウ素のいずれかの元素を含むことを特徴としている。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を図に基づいて説明する。
（第１の実施例）
図１は本発明の第１の実施例〜第３の実施例に共通なクロスローラ軸受の側面展開図で、外輪を一部切り欠いている。また、図２は第１図のＡ−Ａ線に沿う拡大断面図である。
１は内輪、２は２つ割りにした外輪、３は内輪の外周面に設けたＶ形の内輪転走溝、４は外輪２の内周面に内輪転走溝３に対向して設けた同形の外輪転走溝である。５は前記転走溝３、４間に配置されたＳＵＳ４４０Ｃ製のころで、交互に方向を変えて配置してある。
第１の実施例の特徴は、ころ５の表面には固体潤滑剤である二硫化モリブデンを１μｍ被覆し、ころ５同士の間に球状のスペーサ６をそれぞれ挿入配置した点である、ここで、スペーサ６の直径はころ５の直径よりを３０μｍ小さくしている。
このような構成で、内輪１と外輪２が相対的に回転すると、ころ５が自転しながら、内輪転送溝３および外輪転走溝４内で移動し、内輪１と外輪２の相対運動を支持する。
【００１１】
次に、第１の実施例の効果を確認する上で行った試験結果を説明する。
本実施例では、スペーサの材料として、（１）自己潤滑性樹脂（本実施例ではＰＥＥＫ＋ＰＴＦＥの複合樹脂）と、（２）ＳＵＳ４４０Ｃの２種類を用意し、軸受を構成した。そして、軸受寿命の評価には、軸受２個に、２１５Ｎのアキシャル荷重を負荷して、３２０ｒ／ｍｉｎで回転させる寿命試験機を用い、内径３０ｍｍ、外径５５ｍｍ、幅１０ｍｍの軸受を評価した。試験中にはモータのトルク出力をモニタし、定常時のトルクの２倍を越えた時点を軸受寿命とした。なお、以下に示す各実施例、従来例および比較例の軸受寿命については、第１の従来例における軸受寿命実測値に対する比率（寿命比）として表した（すなわち、第１の従来例の寿命比は１となる）。
表１に試験結果として定常時のトルクと軸受寿命比を示す。
【００１２】
【表１】

【００１３】
併せて表１に、第１の従来例としてスペーサを、その左右両側面に互いに隣接するころが回転可能に嵌合する曲面溝にしたもので構成した軸受の軸受寿命の結果を示す。また、第２の従来例として第１の実施例（１）から転動体表面の潤滑膜を除いた構成の軸受を寿命試験した結果を示す。さらに、本発明の効果が玉軸受と比べころ軸受が顕著であることを示すため、第１の比較例として転動体を玉とし、第１の比較例（１）ではスペーサをＳＵＳ４４０Ｃの球状とした軸受、第１の比較例（２）では自己潤滑性樹脂の曲面溝を持つ王冠型保持器を備えた軸受を寿命試験した結果を示す。なお、玉軸受の寿命試験では上述のクロスローラ軸受と規格上近い内径３０ｍｍ、外径５５ｍｍ、幅１３ｍｍの軸受を用い、評価した。
なお、第１の比較例（１）の軸受は転動体の数が９個であるのに対し、第１の比較例（２）では曲面溝を持つ王冠型保持器の占有容積が球状スペーサより小さいため、転動体の数を多くでき、１２個の転動体を備えている。
【００１４】
軸受寿命については、第1の実施例（１）の寿命比が７．２であり、第1の実施例（２）で５．１であるため、第１の従来例より延長効果が認められた。試験後に、第１の実施例の軸受を分解すると、ころと摺動するスペーサの曲面溝部分に、摩耗粉が堆積していることが観察された。一方、第1の実施例（１）、（２）の軸受のいずれも摩耗粉は認められなかった。これは、第１の実施例の軸受で発生した摩耗粉が、軸受の早期ロックの原因になっている事の裏付けである。
次に、第１の実施例（１）と比較し、転動体表面の潤滑膜が無い第２の従来例を取り上げ、第１の実施例（１）の効果を説明する。第２の従来例では定常時のトルクが１．３×１０^−１Ｎ・ｍであり、第１の実施例（１）の３．９×１０^−２Ｎ・ｍと比べ、一桁トルクが大きい。また、第２の従来例の軸受寿命比が０．６であるため、第１の実施例（１）の軸受寿命比７．２と比べると、一桁軸受寿命が短かった。転動体表面の潤滑膜が無いため、ころと内・外輪の摩擦抵抗が大きく、軸受トルクが大きくなったものである。そのため、軸受寿命が短くなったものである。
次に、第１の実施例（２）、第１の従来例、第１の比較例（１）、（２）を取り上げ、ころ軸受と玉軸受で本発明の効果の差異を説明する。まず、ころ軸受の第１の実施例（２）と第１の従来例を比較すると、ＳＵＳ４４０Ｃの球状のスペーサを有する第１の実施例（２）が軸受寿命比５．１であるため、自己潤滑製樹脂の曲面溝のスペーサを有する第１の従来例より長寿命であり、スペーサを球状にした効果が認められた。一方、第１の実施例（２）を玉軸受の第１の比較例（１）および（２）と比較すると、ＳＵＳ４４０Ｃの球状のスペーサを有する第１の比較例（１）の軸受寿命比が６．５であり、自己潤滑製樹脂の曲面溝のスペーサを有する第１の比較例（２）の軸受寿命比が２６．５であるため、、第１の実施例（２）はこれらの比較例より短寿命で、スペーサを球状にした効果は認められないどころか、逆効果が現れた。
このように、第１の実施例は、線接触するころ軸受では摩耗粉がかみ込み軸受ロックに至るという現象に着目し、スペーサの形状をころとフィットしないように球状としたので、摩耗粉の発生を押さられ、ころで問題となる磨耗紛のかみこみによる軸受の早期ロックを防止することができる。
一方、玉軸受では接触が点接触であるため、接触ポイント以外で摩耗粉をよけることが出来、ロック防止に関して改善効果が得られない。むしろ、玉軸受の場合は、球状のスペーサより、曲面溝を持つ王冠型保持器の方が占有容積を小さくでき、球数を増やせるので、耐荷重性が増し、寿命延長効果が大きい。
また、ころの表面に固体潤滑剤を被覆しているので、ころと内・外輪の摩擦抵抗が小さくなり、軸受トルクが小さい上、軸受寿命が長くなるという効果がある。
【００１５】
次に、本発明の第２の実施例について説明する。
第２の実施例では、第１の実施例（２）に加え、スペーサ６表面に二硫化モリブデンを１μｍの膜厚で被覆したものである。軸受寿命を評価した結果を表２に示す。
【００１６】
【表２】

【００１７】
第２の実施例の軸受寿命比は８であり、スペーサ６表面に二硫化モリブデンを被覆していない第１の実施例（２）の寿命比５．１と比較すると、寿命延長の効果が認められた。
このように、第２の実施例は、スペーサ６表面の二硫化モリブデンが潤滑剤の供給源となるため、軸受寿命を延長することができる。二硫化モリブデンを１μｍの薄膜として被覆しているため、剥がれた二硫化モリブデンの摩耗粉の粒径（サイズ）も十分小さく、軸受の内部隙間にかみ込んでロックするという副作用も防止することができる。
【００１８】
次に、本発明の第３の実施例について説明する。
第３の実施例では、第２の実施例でスペーサの表面に被覆した二硫化モリブデンの膜中に酸素を１０％添加したものである。軸受寿命を評価した結果を表２に併せて示す。第３の実施例では軸受寿命比が１９．５であり、酸素を添加していない第２の実施例の寿命比８と比較すると、寿命延長の効果が顕著に認められた。
このように、第３の実施例は膜中に酸素を添加すると、膜が剥がれ易くなると共に、供給源としての効果が大きくなり、軸受寿命を延長することができる。
【００１９】
次に、本発明の第４の実施例を説明する。
図３は本発明の第４〜第８の実施例に共通なクロスローラ軸受の側面展開図で、外輪を一部切り欠いている。また、図４は図３のＡ−Ａ線に沿う拡大断面図である。
図において、５は転走溝３、４間に配置されたＳＵＳ４４０Ｃ製のころで、交互に方向を変えて配置してある。
第４の実施例の特徴は、ころ５の表面には固体潤滑剤である二硫化モリブデンを１μｍ被覆し、隣り合うころ５同士の間に球状の４個のスペーサ６をそれぞれ挿入配置した点である。なお、スペーサ６の直径はころ５の直径の３０％にしている。
【００２０】
軸受の組立の手順を以下に示す。
２つ割りの外輪２の１つを平板上に寝かせて置き、その内側に内輪１を寝かせて置く。
外輪２と内輪１の間にころ５を所定の個数、配置する。その際、隣り合うころ５同士の方向を変えて配置する。
ころ５同士の間にスペーサ６を配置する。その際、１組のころ５間に４個のスペーサ６を配置する。
この手順で軸受を組み立てるが、スペーサ６の直径がころ５の直径の２０％未満だと、スペーサ６を配置する際、スペーサ６がばらけてしまい、組立が困難になる。また、５０％以上だと物理的に配置できない。この理由で、スペーサ６の直径はがころ５の直径の２０〜４８％程度と決まる。
このように、第４の実施例は第１〜第３の実施例と同様にころ５同士間に球状のスペーサ６を配置しているので、ころ５とスペーサ６がフィットせず、スペーサ６からの摩耗粉が過大に発生しない。また、スペーサ６を図３、４の様にころ５の形状に沿う形に４個配置しているので、ころ５のスキューが生じない。さらにスペーサ６の占有容積が小さいので、ころ５の数を増やし、負荷容量を増やすことができる。
なお、１組のころ５間に配置するスペーサ６の数は２個の場合でも、同じ機能を果たす。
【００２１】
次に、本発明の第５の実施例を説明する。
第５の実施例では、スペーサ６としてＳＵＳ４４０Ｃの軸受ボールで軸受を構成した。
そして、軸受寿命の評価には、軸受２個に、２１５Ｎのアキシャル荷重を負荷して、３２０ｒ／ｍｉｎで回転させる寿命試験機を用い、内径３０ｍｍ、外径５５ｍｍ、幅１０ｍｍの軸受を評価した。試験中にはモータのトルク出力をモニタし、定常時のトルクの２倍を越えた時点を軸受寿命とした。
表３に試験結果として定常時のトルクと軸受寿命比を示す。
【００２２】
【表３】

【００２３】
併せて表３に、第１の従来例としてスペーサを、その左右両側面に互いに隣接するころが回転可能に嵌合する曲面溝にしたもので構成した軸受の軸受寿命の結果を示す。また、第２の従来例としてスペーサを１組のころ間に１個配置した構成の軸受を寿命試験した結果を示す。
なお、第５の実施例、第１の従来例ではころの数が２４個であるのに対し、第２の従来例の軸受はスペーサの占有容積が大きいため、ころの数が１８個となっている。
【００２４】
第５の実施例の軸受寿命比は９．２であり、第１の従来例と比較すると延長効果が認められた。試験後に、第５の実施例の軸受を分解すると、ころと摺動するスペーサの曲面溝部分に、摩耗粉が堆積していることが観察された。一方、第５の実施例の軸受では摩耗粉は認められなかった。これは、第５の実施例の軸受で発生した摩耗粉が、軸受の早期ロックの原因になっている事の裏付けである。また、第５の実施例の軸受寿命比は９．２であり、第２の従来例の軸受寿命比５．１と比較しても寿命が長く、ころの個数が増えていることと、ころのスキューを防止できたことで寿命が延長したものである。
【００２５】
次に、本発明の第６の実施例について説明する。
第６の実施例では、第５の実施例に加え、スペーサ６表面に二硫化モリブデンを１μｍの膜厚で被覆したものである。軸受寿命を評価した結果を表４に示す。
【００２６】
【表４】

【００２７】
第６の実施例では軸受寿命比が１３．４であり、スペーサ表面に二硫化モリブデンを被覆していない第５の実施例の寿命比９，２と比べると、寿命延長の効果が認められた。
このように、第６の実施例はスペーサ６表面の二硫化モリブデンが潤滑剤の供給源となり軸受寿命を延長することができる。
【００２８】
次に、本発明の第７の実施例について説明する。
第７の実施例では、第６の実施例でスペーサの表面に被覆した二硫化モリブデンの膜中に酸素を１０％添加したものである。軸受寿命を評価した結果を表４に併せて示す。第７の実施例では軸受寿命比が４２．８であるため、酸素を添加していない第６の実施例の寿命比１３．４と比べると、寿命延長の効果が顕著に認められた。
このように、第７の実施例は、膜中に酸素を添加すると、膜が剥がれ易くなると共に、供給源としての効果が大きくなり、軸受寿命を延長することができる。
【００２９】
本発明の第８の実施例について説明する。
第８の実施例では、スペーサをポリエーテルエーテルケトン樹脂とポリテトラフルオロエチレン樹脂とアラミド繊維の樹脂材料に二硫化モリブデンを含有させた複合材料で形成した軸受を寿命評価した。評価結果を表４に併せて示している。第８の実施例の軸受寿命比が１３．６であるため、第５の実施例の寿命比９．２と比べると、寿命延長の効果が認められた。
このように、第８の実施例はスペーサを二硫化モリブデンを含有した樹脂材料で構成したので、二硫化モリブデンと樹脂材料の潤滑成分が長期にわたり、潤滑供給源して働き、軸受の寿命を延ばすことができる。
【００３０】
次に、本発明の第９の実施例を説明する。
図５は第９の実施例を示すクロスローラ軸受の側面展開図で、図６は図５のＡ−Ａ線に沿う拡大断面図である。
図において、７はスペーサである。
第９の実施例が第４の実施例と異なるのはスペーサ７の形状を円柱状とした点である。
本実施例も第４の実施例と同じく、設計および組立上の理由で、直径はころの直径の２０〜４８％の範囲と決まる。
このように、第９の実施例は、第４の実施例と同じ作用で摩耗粉が過大に発生せず、ころのスキューが生じず、軸受の負荷容量を増やすことができる。
【００３１】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、以下の効果がある。
（１）第１の実施例〜第３の実施例は、ころ軸受のスペーサを球状としたため、摩耗粉の発生を減少させ、摩耗粉かみこみによる軸受の早期ロックを無くすことができる。また、スペーサ表面に二硫化モリブデンを被覆したため、その膜が潤滑剤の供給源となり軸受の寿命を延ばすことができる。さらに、二硫化モリブデンの膜中に酸素、窒素、炭素、またはホウ素のいずれかの元素を含めたため、膜が剥がれ易くなり、供給源としての効果が大きくなると共に、軸受の寿命をさらに延ばすことができる。
【００３２】
（２）第４の実施例〜第９の実施例は、ころ軸受のスペーサを球状、または円柱状とし、その直径をころの直径の２０〜４８％とし、一対のころ間に複数個介装させたため、スキューの防止による滑り成分を減少させると共に、摩耗粉の発生減少による軸受の早期ロックを防止することができる。また、スペーサ表面に二硫化モリブデンを被覆したため、その膜が潤滑剤の供給源となり軸受の寿命を延ばすことができる。さらに、二硫化モリブデンの膜中に酸素、窒素、炭素、またはホウ素のいずれかの元素を含めたため、膜が剥がれ易くなり、供給源としての効果が大きくなると共に、軸受の寿命がさらに延ばすことができる。それから、スペーサを二硫化モリブデン含有の樹脂材料で形成したため、これらの潤滑成分が長期にわたり、潤滑供給源として働き、軸受の寿命を延ばすことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例〜第３の実施例に共通なクロスローラ軸受の側面展開図で、外輪を一部切り欠いている。
【図２】図１のＡ−Ａ線に沿う断面図である。
【図３】本発明の第４の実施例〜第８の実施例に共通なクロスローラ軸受の側面展開図である。
【図４】図３のＡ−Ａ断面図である。
【図５】本発明の第９の実施例を示すクロスローラ軸受の側面展開図である。
【図６】図５のＡ−Ａ断面図である。
【図７】第１の従来例を示すクロスローラ軸受であって、（ａ）はその一部を示す平面図、（ｂ）はスペーサの斜視図である。
【図８】クロスローラ軸受の側面展開図である。
【図９】第２の従来例を示すクロスローラ軸受の側面展開図である。
【図１０】第１の比較例を示す玉軸受の正断面図である。
【符号の説明】
１内輪
２外輪
３内輪転走溝
４外輪転走溝
５ころ
６スペーサ
７スペーサ

Claims

内輪と外輪と、前記内輪と前記外輪のそれぞれ対向する面に設けた内輪転走溝と外輪転走溝と、前記二つの転走溝の間に挿入した複数個のころを備え、これら構成部品の表面の一部または全部に固体潤滑剤の被膜を形成してあり、前記ころ間に介装させて保持するスペーサが設けられ、前記スペーサが球状または円柱状であり、前記スペーサの表面に二硫化モリブデンを被覆したものである固体潤滑ころ軸受において、
前記スペーサの直径が前記ころの直径の２０％〜４８％であり、
一対のころ間に介装させる前記スペーサの個数が複数であり、
前記二硫化モリブデンの膜が剥離し、前記軸受の寿命が延びるように、前記スペーサの表面に被覆した二硫化モリブデンの膜中に酸素、窒素、炭素、またはホウ素のいずれかの元素を含むことを特徴とする固体潤滑ころ軸受。