JP6540687B2 - スラスト玉軸受用もみ抜き保持器、及びその設計方法、並びに該保持器を備えたスラスト玉軸受 - Google Patents

Description

本発明は、スラスト玉軸受用もみ抜き保持器、及びその設計方法、並びに該保持器を備えたスラスト玉軸受に関する。

スラスト玉軸受は、軸軌道盤とハウジング軌道盤が分離可能に構成されるため、軸受の装置への組み付け、取り外しなどの取り扱い性の観点から、玉が保持器から容易に脱落しないようにする必要がある。

スラスト玉軸受に適用される保持器としては、銅合金製のもみ抜き保持器が知られている。図７に示すように、従来の銅合金製のもみ抜き保持器１００は、ポケット１０１の片側は円錐台形状で玉１０２を抱える形状になっており、もう一方は円筒形状になっている。玉１０２を円筒形状の側からポケット１０１に入れてもこのままでは玉１０２が容易に脱落するため、玉１０２を保持器１００に入れた後にポケット１０１の周辺４箇所Ｐを加締めて玉１０２が脱落しないようにしている。

また、他の保持器としては、保持器ポケットの入口径を玉径より小さくし、弾性変形によって玉入れを行う樹脂製保持器が考案されている（例えば、特許文献１及び２参照。）。

日本国特開２００６−７７９６４号公報 日本国特開２００８−２６５２号公報

ところで、樹脂製保持器は、外径がおよそ３００ｍｍを超えるサイズのスラスト玉軸受では、成型・強度の面から不適であり、鋼板プレス保持器もサイズの制限や回転精度・高速性において、銅合金製のもみ抜き保持器よりも劣る。また、生産数が少ない場合には、コストの面からも銅合金製のもみ抜き保持器を採用することが望ましい。

一方、図７に示す銅合金製のもみ抜き保持器１００では、加締めの工程は、プレス機により、また、サイズが大きな場合にはハンマーなどの手作業により実施されている。このため、労力と時間がかかり、生産性が悪く、また、加締め量の不均一、ポケット形状の精度悪化、外観不良といった種々の課題が存在する。

特許文献１及び２は、樹脂製保持器を対象としており、銅合金製のもみ抜き保持器について考慮されていない。

本発明は、前述した課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、銅合金製のもみ抜き保持器の機能を損なうことなく、ポケットへの玉の組込みを容易にし、且つ、ポケットから玉が脱落し難いスラスト玉軸受用もみ抜き保持器、及びその設計方法、並びに該保持器を備えたスラスト玉軸受を提供することにある。

本発明の上記目的は、下記の構成により達成される。
（１） 玉を転動自在に保持するためのポケットを円周方向に複数備える、銅合金製のスラスト玉軸受用もみ抜き保持器であって、
前記ポケットの内面は、円筒面と、該円筒面と連続し、前記玉と軸方向において当接する支持面と、を備え、
前記円筒面には、前記支持面と軸方向において反対側の前記ポケットの玉挿入側に、前記円筒面から突出する２つの突起部が、前記ポケットの円周方向に等間隔に形成され、
前記突起部は、前記円筒面から前記ポケットの中心に向かって所定の高さで突出する円弧面を有しており、前記ポケットの玉挿入側開口からの前記玉の脱落を防止するとともに、前記玉を前記ポケットへ挿入するときに前記玉によって弾性変形、又は弾塑性変形され、
前記突起部の円弧面によって形成される仮想円の内径をＸ、玉径をＤａとし、前記玉に対する前記２つの突起部の半径方向の干渉量の合計δ＝Ｄａ−Ｘとしたとき、０．００１Ｄａ＜δ＜０．０１５Ｄａとなることを特徴とするスラスト玉軸受用もみ抜き保持器。
（２） 前記２つの突起部は、前記保持器の内径側と外径側にそれぞれ設けられることを特徴とする（１）に記載のスラスト玉軸受用もみ抜き保持器。
（３） 前記複数のポケットは、前記ポケットの玉挿入側開口が前記保持器の軸方向一方側と軸方向他方側で交互となるように形成され、
前記ポケットの玉挿入側開口端面から延びる前記突起部の軸方向長さＺは、前記保持器の支持面側の軸方向端面から、前記玉が前記支持面に当接したときに、前記ポケットの玉挿入側開口から突出する前記玉の高さまでの距離をＳ、玉径をＤａ、前記突起部の円弧面によって形成される仮想円の内径をＸとしたとき、式（１）で表わされることを特徴とする（１）又は（２）に記載のスラスト玉軸受用もみ抜き保持器。

（４） 前記突起部の幅をＹとしたとき、０．１５Ｄａ＜Ｙ＜０．７０Ｄａとなることを特徴とする（１）に記載のスラスト玉軸受用もみ抜き保持器。
（５） （１）〜（４）のいずれかに記載の保持器を備えたことを特徴とするスラスト玉軸受。
（６） 玉を転動自在に保持するためのポケットを円周方向に複数備える、銅合金製のスラスト玉軸受用もみ抜き保持器の設計方法であって、
前記ポケットの内面は、円筒面と、該円筒面と連続し、前記玉と軸方向において当接する支持面と、を備え、
前記円筒面には、前記支持面と軸方向において反対側の前記ポケットの玉挿入側に、前記円筒面から突出する２つの突起部が、前記ポケットの円周方向に等間隔に形成され、
前記突起部は、前記円筒面から前記ポケットの中心に向かって所定の高さで突出する円弧面を有しており、前記ポケットの玉挿入側開口からの前記玉の脱落を防止するとともに、前記玉を前記ポケットへ挿入するときに前記玉によって弾性変形、又は弾塑性変形され、
前前記突起部の軸方向長さＺ、内径Ｘ、幅Ｙの少なくとも一つは、玉径の関数として規定され、
前記突起部の円弧面によって形成される仮想円の前記内径をＸ、玉径をＤａとし、前記玉に対する前記２つの突起部の半径方向の干渉量の合計δ＝Ｄａ−Ｘとしたとき、０．００１Ｄａ＜δ＜０．０１５Ｄａとなることを特徴とするスラスト玉軸受用もみ抜き保持器の設計方法。

本発明のスラスト玉軸受用もみ抜き保持器によれば、ポケットの内面は、円筒面と、該円筒面と連続し、玉と軸方向において当接する支持面と、を備え、円筒面には、支持面と軸方向において反対側のポケットの玉挿入側に、円筒面から突出する２つの突起部が、ポケットの円周方向に等間隔に形成される。そして、突起部は、前記円筒面から前記ポケットの中心に向かって所定の高さで突出する円弧面を有しており、ポケットの玉挿入側開口からの玉の脱落を防止するとともに、玉をポケットへ挿入するときに玉によって弾性変形、又は弾塑性変形される。さらに、前記突起部の円弧面によって形成される仮想円の内径をＸ、玉径をＤａとし、前記玉に対する前記２つの突起部の半径方向の干渉量の合計δ＝Ｄａ−Ｘとしたとき、０．００１Ｄａ＜δ＜０．０１５Ｄａとなる。これにより、銅合金製のもみ抜き保持器の機能を損なうことなく、ポケットへの玉の組込みを容易にし、且つ、ポケットから玉が脱落し難い構成とすることができる。

本発明の一実施形態に係るスラスト玉軸受用もみ抜き保持器の断面図である。 図１のスラスト玉軸受用もみ抜き保持器の部分平面図である。 （ａ）は、スラスト玉軸受用もみ抜き保持器の拡大断面図であり、（ｂ）はその拡大平面図である。 突起部の内径と、保持器の玉入れと玉抜きの荷重との関係をＦＥＭで解析した結果を示すグラフである。 突起部の幅と、保持器の玉入れと玉抜きの荷重との関係をＦＥＭで解析した結果を示すグラフである。 本発明の変形例に係るスラスト玉軸受用もみ抜き保持器の断面図である。 （ａ）は、従来の銅合金製のスラスト玉軸受用もみ抜き保持器の断面図であり、（ｂ）は、要部拡大上面図である。

以下、本発明に係るスラスト玉軸受用もみ抜き保持器及びそれを備えたスラスト玉軸受の一実施形態について、図面に基づいて詳細に説明する。

図１及び図２に示すように、本実施形態のスラスト玉軸受は、複数の玉５と、該玉５を転動自在に保持するための複数のポケット２を円周方向に等間隔に有する銅合金製のもみ抜き保持器１と、を備え、複数の玉５が、図示しない軸軌道盤とハウジング軌道盤との間を転動する。

もみ抜き保持器１の各ポケット２の内面は、円筒面１１と、該円筒面１１と連続して徐々に縮径し、玉５と軸方向において当接する円錐台形状の支持面１２と、を備える。また、ポケット２の内面には、支持面１２と軸方向において反対側のポケット２の玉挿入側、即ち、円筒面１１の玉挿入側開口寄りに、該円筒面１１からポケット２の中心に向かって突出する突起部１３が、保持器１の内径側と外径側の２箇所にそれぞれ設けられている。

図３に示すように、本実施形態では、突起部１３は、円筒面１１からポケット２の中心に向かって所定の高さで突出することで円弧面１３ａを有し、また、保持器１の半径方向に対して直交する方向において所定の幅Ｙを有する。また、突起部１３は、保持器１の玉挿入側端面１ａから所定の軸方向長さＺを有し、且つ、突起部１３の支持面側先端は、角度αで傾斜している。

突起部１３は、ポケット２の開口側からの玉５の脱落を防止するとともに、玉５をポケット２へ挿入するときに玉５によって弾塑性変形（弾性変形と塑性変形が足し合わされて変形）されるように構成される。したがって、玉５は、ポケット２の開口側から突起部１３を押し潰しながら弾塑性変形させて、ポケット２に挿入される。

図２に示すように、複数のポケット２は、ポケット２の玉挿入側開口２ａが保持器１の軸方向一方側と軸方向他方側で交互となるように形成されている。このため、図１に示すように、軸方向一方側と他方側にある支持面１２が玉５と接触し、もみ抜き保持器１は、図示しない軸軌道盤及びハウジング軌道盤と接触しない構成となる。

ここで、本実施形態の突起部１３は、以下に示すように、玉径Ｄａの関数として規定されるように設計されている。

（ａ）突起部１３の内径Ｘ(パチン代)
ここで、図３（ａ）に示すように、２つの突起部１３の円弧面１３ａによって形成される仮想円Ｉの内径をＸとし、玉径Ｄａに対する２つの突起部１３の半径方向の干渉量の合計をδ（＝Ｄａ−Ｘ）としたとき、０．００１Ｄａ＜δ＜０．０１５Ｄａとなるよう突起部１３の内径Ｘを規定している。

玉５を保持器１のポケット２に挿入するときに、突起部１３が弾性変形領域で収まるよう内径Ｘを設計するのが好ましいが、鋼球である玉５および内径Ｘの許容差を考慮すると生産性の面で困難であるため、δは、上記のように規定される。

挿入した玉５が容易に保持器１から抜け出さないようにするためには玉５をポケット２から抜くのに必要な力(抜け力)を大きくすれば良く、そのためには、δを大きくすれば良い。しかしながら、δを大きくしすぎると、玉５をポケット２に入れるのに必要な力(挿入力)の上昇による玉入れの作業性の悪化や玉傷発生、また、塑性変形量の増大によって突起部１３のつぶれが大きくなり、外観の悪化が懸念される。

ここで、図４は、内径１７０ｍｍ、外径２１５ｍｍ、玉数１９個のスラスト玉軸受保持器の玉入れと玉抜きの荷重をＦＥＭで解析した結果を示す。横軸はδと玉径Ｄａの比、縦軸は抜け力と挿入力の比を示している。なお、該解析においては、突起部１３の幅Ｙは、以下に示す、０．１５Ｄａ＜Ｙ＜０．７０Ｄａとしている。δが大きくなるほど挿入力と抜け力の比が小さくなるため、抜け力のためにδを大きくするのは効率が悪いことがわかる。また、挿入力と抜け力の比が低下するのは、δが大きくなるほど塑性変形量が大きくなるためであり、突起部１３のつぶれが大きくなって外観が悪化する。このため、δの上限は、δ＜０．０１５Ｄａと規定する。
また、δが０．００１Ｄａ以下では抜け力が小さく、取り扱い時に玉５が保持器１より脱落する可能性が高くなるため、δの下限は、０．００１Ｄａ＜δと規定する。

（ｂ）突起部１３の幅Ｙ
突起部１３の幅Ｙは、玉径Ｄａに対して０．１５Ｄａ＜Ｙ＜０．７０Ｄａ、好ましくは０．１５Ｄａ＜Ｙ＜０．４０Ｄａとなるように規定される。

図５は、上記と同様、内径１７０ｍｍ、外径２１５ｍｍ、玉数１９個のスラスト玉軸受用保持器の玉入れと玉抜きの荷重をＦＥＭで解析した結果を示す。横軸は幅Ｙと玉径Ｄａの比、縦軸は抜け力と挿入力の比を示している。なお、該解析においては、突起部１３の内径Ｘは、上述した、δの範囲を満足する値としている。幅Ｙは、０．１５Ｄａ＜Ｙ＜０．７０Ｄａに規定することで、抜け力と挿入力の比が大きくなる。しかしながら、幅Ｙを０．４Ｄａ以上とすると、挿入力自体が大きくなって組込み作業性が悪化する。このため、０．１５Ｄａ＜Ｙ＜０．４０Ｄａに規定することが好ましい。

なお、上記内径Ｘと幅Ｙの設計においては、外径が２１５ｍｍのスラスト玉軸受用保持器を用いてＦＥＭ解析を行っているが、玉径Ｄａの関数として与えられる内径Ｘと幅Ｙは、外径がおよそ１００ｍｍを超えるサイズのスラスト玉軸受ならば適用可能である。

（ｃ）突起部１３の軸方向長さＺ
前述したように、複数のポケット２は、ポケット２の玉挿入側開口が保持器１の軸方向一方側と軸方向他方側で交互となるように形成されており、軸方向一方側と他方側にある支持面１２が玉５と接触し、もみ抜き保持器１は、軸軌道盤及びハウジング軌道盤と接触しない。玉５が円錐台形状の支持面１２に保持され、突起部１３に接触しないようにするには、保持器１の玉挿入側端面１ａから延びる突起部１３の軸方向長さＺは、以下の式を満足するように規定される。

即ち、保持器１の支持面側の軸方向端面１ｂから、玉５が支持面１２に当接したときに、ポケット２の玉挿入側開口２ａから突出する玉５の高さまでの距離をＳ、玉径をＤａ、突起部１３の円弧面１３ａによって形成される仮想円Ｉの内径をＸとしたとき、突起部１３の軸方向長さＺは、式（１）で表わされる。なお、Ｚの下限値は、０＜Ｚであればよい。

また、本実施形態では、２つの突起部１３は、保持器１の外径側と内径側に配置される。玉５の挿入力および抜け力は、突起部１３の形状の他に突起部１３が設けられている部分の肉厚にも影響を受ける。図２に示すように、円周方向の肉厚ａは軸受の内外径・玉径・玉数から決まるため、同じ玉径の玉５を使用している保持器でも軸受のサイズにより挿入力・抜け力が大きく影響を受ける。一方、内径側および外径側の肉厚ｂ、ｃは、玉径Ｄａと保持器１の内外径から決まる。保持器１の内外径は強度面や軸受のサイズによる制限はあるものの任意に設定することができ、強度面や軸受サイズの制限を考慮して保持器径方向の肉厚Ｗを１．２Ｄａ＜Ｗ＜１．５Ｄａの範囲で設定する。また、肉厚を調整して軸受のサイズが異なっても、肉厚ｂ、ｃを同じにして使用する玉径が同じならば、同じポケット形状にすることが可能であり、ポケット２を加工する工具を共通化することができコストダウンに繋がる。
このため、本実施形態では、２つの突起部１３は、これらの円周方向中間位置が保持器１の径方向に沿って延びる線Ｌ上に位置するようにして、保持器１の外径側と内径側に配置される。

さらに、突起部１３は保持器幅から出っ張らない形状とすることで材料費を従来の保持器と同じにできる。
以上のように構成されたもみ抜き保持器１０は、ポケット形状が複雑になるためポケット２の加工費は増加するが、ポケット２の加締め工程を省略できるため、結果的にコストダウンに繋がる。

以上説明したように、本実施形態のスラスト玉軸受用もみ抜き保持器１によれば、ポケット２の内面は、円筒面１１と、該円筒面１１と連続し、玉５と軸方向において当接する支持面１２と、を備え、円筒面１１には、支持面１２と軸方向において反対側のポケット２の玉挿入側に、円筒面１１から突出する２つの突起部１３が、ポケット２の円周方向に等間隔に形成される。そして、突起部１３は、ポケット２の玉挿入側開口からの玉５の脱落を防止するとともに、玉５をポケット２へ挿入するときに玉５によって弾塑性変形される。これにより、銅合金製のもみ抜き保持器１の機能を損なうことなく、ポケット２への玉５の組込みを容易にし、且つ、ポケット２から玉５が脱落し難い構成とすることができる。

また、本実施形態のスラスト玉軸受用もみ抜き保持器１の設計方法によれば、突起部１３の軸方向長さＺ、内径Ｘ、幅Ｙの少なくとも一つは、玉径Ｄａの関数として規定されるので、軸受のサイズに依らずに、ポケット２への玉５の組込み性向上と、ポケット２からの玉５の脱落防止の両方を図ることができる。

尚、本発明は、前述した実施形態及び変形例に限定されるものではなく、適宜、変形、改良、等が可能である。
上記実施形態では、ポケット２の支持面１２が円錐台形状に形成されているが、これに限らず、例えば、図６に示すような、すり鉢形状の支持面１２など、玉５と軸方向において当接し、ポケット２の開口側と反対側から玉５が抜け出さない形状であればよい。

また、２つの突起部は、保持器１の内径側と外径側にそれぞれ設けられるものが好ましい態様であるが、ポケット２の円周方向に等間隔に形成されるものであればよい。
さらに、本発明のスラスト玉軸受用もみ抜き保持器は、単式、複式のどちらのスラスト玉軸受にも適用可能である。

加えて、突起部１３は、玉５をポケット２へ挿入するときに玉５によって弾塑性変形されているが、玉５および突起部１３の内径Ｘの許容差を小さく設計できる場合には、弾性変形によって玉５が挿入されるようにしてもよい。
また、玉５の材質は、上記実施形態の鋼球に限定されず、例えば、セラミックボールであってもよい。

本出願は、２０１４年３月１７日出願の日本特許出願２０１４−５３７２６号に基づき、その内容は参照としてここに取り込まれる。

１ スラスト玉軸受用もみ抜き保持器
２ ポケット
５ 玉
１１ 円筒面
１２ 支持面
１３ 突起部
Ｘ 内径
Ｙ 幅
Ｚ 軸方向長さ

Claims (6)

1. 玉を転動自在に保持するためのポケットを円周方向に複数備える、銅合金製のスラスト玉軸受用もみ抜き保持器であって、
   前記ポケットの内面は、円筒面と、該円筒面と連続し、前記玉と軸方向において当接する支持面と、を備え、
   前記円筒面には、前記支持面と軸方向において反対側の前記ポケットの玉挿入側に、前記円筒面から突出する２つの突起部が、前記ポケットの円周方向に等間隔に形成され、
   前記突起部は、前記円筒面から前記ポケットの中心に向かって所定の高さで突出する円弧面を有しており、前記ポケットの玉挿入側開口からの前記玉の脱落を防止するとともに、前記玉を前記ポケットへ挿入するときに前記玉によって弾性変形、又は弾塑性変形され、
   前記突起部の円弧面によって形成される仮想円の内径をＸ、玉径をＤａとし、前記玉に対する前記２つの突起部の半径方向の干渉量の合計δ＝Ｄａ−Ｘとしたとき、０．００１Ｄａ＜δ＜０．０１５Ｄａとなることを特徴とするスラスト玉軸受用もみ抜き保持器。
2. 前記２つの突起部は、前記保持器の内径側と外径側にそれぞれ設けられることを特徴とする請求項１に記載のスラスト玉軸受用もみ抜き保持器。
3. 前記複数のポケットは、前記ポケットの玉挿入側開口が前記保持器の軸方向一方側と軸方向他方側で交互となるように形成され、
   前記保持器の玉挿入側端面から延びる前記突起部の軸方向長さＺは、前記保持器の支持面側の軸方向端面から、前記玉が前記支持面に当接したときに、前記ポケットの玉挿入側開口から突出する前記玉の高さまでの距離をＳ、玉径をＤａ、前記突起部の円弧面によって形成される仮想円の内径をＸとしたとき、式（１）で表わされることを特徴とする請求項１又は２に記載のスラスト玉軸受用もみ抜き保持器。
   [数１]
   

   
4. 前記突起部の幅をＹとしたとき、０．１５Ｄａ＜Ｙ＜０．７０Ｄａとなることを特徴とする請求項１に記載のスラスト玉軸受用もみ抜き保持器。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の保持器を備えたことを特徴とするスラスト玉軸受。
6. 玉を転動自在に保持するためのポケットを円周方向に複数備える、銅合金製のスラスト玉軸受用もみ抜き保持器の設計方法であって、
   前記ポケットの内面は、円筒面と、該円筒面と連続し、前記玉と軸方向において当接する支持面と、を備え、
   前記円筒面には、前記支持面と軸方向において反対側の前記ポケットの玉挿入側に、前記円筒面から突出する２つの突起部が、前記ポケットの円周方向に等間隔に形成され、
   前記突起部は、前記円筒面から前記ポケットの中心に向かって所定の高さで突出する円弧面を有しており、前記ポケットの玉挿入側開口からの前記玉の脱落を防止するとともに、前記玉を前記ポケットへ挿入するときに前記玉によって弾性変形、又は弾塑性変形され、
   前記突起部の軸方向長さＺ、内径Ｘ、幅Ｙの少なくとも一つは、玉径の関数として規定され、 前記突起部の円弧面によって形成される仮想円の前記内径をＸ、玉径をＤａとし、前記玉に対する前記２つの突起部の半径方向の干渉量の合計δ＝Ｄａ−Ｘとしたとき、０．００１Ｄａ＜δ＜０．０１５Ｄａとなることを特徴とするスラスト玉軸受用もみ抜き保持器の設計方法。

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