JP7270446B2 - 転がり軸受 - Google Patents

Description

本発明は、転がり軸受に関する。

ロケットエンジンのターボポンプ等に用いられる軸受は、液体推進剤中の高速回転環境下で使用される。特に、液体水素や液体酸素等の環境下では、極低温になるため、油やグリース等の一般に使用される流動性潤滑剤を使用することが困難となる。これに対し、このような軸受の潤滑剤として、樹脂等の固体潤滑剤が用いられる。しかし、ターボポンプ用軸受は、高速回転で使用されるため、樹脂単体の保持器では、高フープ応力に耐えることが困難で、いろいろな補強を施して使用する場合が多い。

このような保持器の例として、ガラス繊維布にポリテトラフルオロエチレン（以下、「ＰＴＦＥ」と称する。）を含浸させた複合材料であって、表層のガラス繊維をフッ化水素酸処理した保持器が提案されている（特許文献１）。この保持器は、ガラス繊維布で強度を付与すると共に、ＰＴＦＥで自己潤滑性を付与するので、極低温及び高速回転環境下でも使用が可能となる。

しかし、この保持器は、ガラス繊維布にＰＴＦＥを含浸させた複合材料を巻き付けることによりリング材を成形する。このため、構造設計の自由度が、構造部材であるガラス繊維布により制限される。また、複合材料中のＰＴＦＥの含有割合にも限界があり、十分な潤滑性を発揮し得ない場合が生じるおそれがある。

また、表面のフッ化水素酸による処理層以上に摩耗が進むと、ガラス繊維が露出し、転動体及び案内輪を傷つけるおそれがある。さらに、フッ化水素酸による処理によりガラス繊維布の強度が低下し、保持器強度が低下するおそれがある。
さらにまた、軸受の長寿命化及び摩耗の対策として、フッ化水素酸による処理層を厚くすることが考えられるが、この場合、フッ化水素酸処理の時間の増加、及び保持器の強度低下を招くおそれがある。

これに対し、アルミニウム基材に潤滑性を有する樹脂をインサート成形し、基材と樹脂とを一体化させた自己潤滑性の保持器が提案されている（特許文献２）。

特公平０２－０２０８５４号公報 特許第６１７８１１７号公報

ところで、特許文献２に記載の保持器は、アルミニウム基材とその表面の樹脂層が接合して形成されている。しかし、軸受の動作や環境によっては加熱や冷却等の温度変化が生じ、両者の熱応力の差から、両者の接合部又はその付近で、樹脂層の破断が生じ、転動体が直接、アルミニウム基材に接触することが生じるおそれがある。さらに、樹脂はインサート成形によって形成されるが、固体潤滑剤としてＰＴＦＥを用いる場合、樹脂中の固体潤滑剤の割合が高くなると、流動性の観点からインサート成形が困難となる場合が生じるため、樹脂中の固体潤滑剤の含有割合を低下させる必要が生じる。固体潤滑剤の含有割合を低下させると、十分な潤滑性を発揮できないおそれがある。

そこで、この発明は、設計自由度が高く、製造しやすく、十分な強度を有すると共に、樹脂層中の固体潤滑剤の割合を高くすることができ、転動体と保持器を構成する基材との直接的接触が抑制された保持器を得ることを目的とする。

上記の課題を解決するために、この発明は、内輪と、前記内輪の径方向外側に配置される外輪と、前記内輪と前記外輪との間に複数配置される転動体と、前記複数の転動体を周方向に沿って保持する保持器とを備えた転がり軸受であって、前記保持器は、金属部と摺動樹脂部とからなり、前記金属部は、その表面に複数の開口部を有する連通孔を有し、前記連通孔に前記摺動樹脂部を構成する樹脂が配されることを特徴とすることにより、前記の課題を解決したのである。

また、前記の連通孔を有する金属部として、立体的網目状格子を構成する部分を有する金属部を用いることができる。
さらに、前記金属部を構成する金属として、アルミニウム合金、チタン合金、ステンレス合金、又はインコネルを用いることができる。
さらにまた、前記摺動樹脂部を構成する樹脂として、ポリテトラフルオロエチレンを主とする樹脂を用いることができる。
また、前記保持器のポケット面及び案内面から選ばれる少なくとも一方に、前記連通孔の開口部を形成し、かつ、前記保持器のポケット面及び案内面に、前記摺動樹脂部を構成する樹脂からなる層を形成することができる。
さらに、この転がり軸受をロケットエンジンターボポンプに組み込むことができる。

この発明にかかる軸受に用いられる保持器は、金属部と摺動樹脂部とからなり、その金属部は連通孔を有し、この連通孔に摺動樹脂部を構成する樹脂が配されるので、金属部と摺動樹脂部とが熱応力の差により、摺動樹脂部に破断が生じても、連通孔の中で連結状態にある摺動樹脂部は、拘束状態にあるといえ、金属部の表面から移動し難いので、転動体が金属部と直接接触することが防止され、転動体と摺動樹脂部との接触が保持される。さらに、摺動樹脂部を構成する樹脂は、一般的に線膨張係数が高いが、金属部に拘束されるため、高温になっても、線膨張係数が高くなるのを抑制でき、結果的に保持器全体として、低線膨張係数の材料となる。
また、摺動樹脂部は、摺動樹脂部を構成する樹脂を金属部が有する連通孔に流し込めばよいので、この樹脂が流動性を有する条件で処理することが可能であり、この樹脂としてＰＴＦＥの含有割合の高いものを用いることが可能となる。
さらに、金属部は３Ｄプリンタを用いたり精密鋳造で製造できるので、設計自由度が高く、製造が容易となる。
さらにまた、金属部を有するので、構造強度を高めることができ、十分な強度を確保することができる。

（ａ）この発明の転がり軸受の例を示す一部切り欠き斜視図、（ｂ）（ａ）の横断断面図 （ａ）連通孔の例を示す模式図、（ｂ）立体的網目状格子の例を示す模式図 （ａ）この発明の転がり軸受の保持器の例を示す一部拡大切り欠き図、（ｂ）この発明の転がり軸受の保持器の他の例を示す一部拡大切り欠き図 （ａ）図３（ｂ）の金属部を示す一部拡大切り欠き図、（ｂ）図３（ｂ）の摺動樹脂部を示す一部拡大切り欠き図

以下、図面に基づき、本発明の実施形態を説明する。
この発明にかかる転がり軸受１１は、図１（ａ）（ｂ）に示すように、内輪１２と、その内輪１２の径方向外側に配置される外輪１３と、内輪１２と外輪１３との間に複数配置される転動体１４と、複数の転動体１４を周方向に沿って保持する保持器１５とを備えた軸受である。

前記内輪１２の外周面及び前記外輪１３の内周面にそれぞれ軌道面が形成されている。内輪１２の軌道面及び外輪１３の軌道面は、それぞれ径方向の断面形状が円弧状である溝で構成されている。これらの軌道面間に形成された環状空間内に、周方向に沿って間隔をおいて転動体１４が配される。この実施形態の転がり軸受１１は玉軸受であり、転動体１４は円弧状の軌道面間に収容されるボールである。また、保持器１５は、内輪１２と外輪１３との間に配される円筒状等の環状体である。保持器１５は、軸方向両側に位置する円環状部と、その円環状部間を結ぶように周方向に沿って所定の間隔をおいて複数配置される柱部とを有している。その隣り合う柱部の間が転動体１４を収容するためのポケットである。すなわち、保持器１５は、環状体の周壁に複数のポケット穴１５ａが等間隔に設けられ、各ポケット穴１５ａに転動体１４が配される。

前記内輪１２及び外輪１３は、マルテンサイト系ステンレス鋼（ＳＵＳ４４０Ｃ等）等の金属から形成される。
また、前記転動体１４を構成する材料としては、マルテンサイト系ステンレス鋼（ＳＵＳ４４０Ｃ等）等の金属やセラミックス材料等をあげることができる。

前記保持器１５は、金属部と摺動樹脂部とからなる。この金属部を構成する金属としては、アルミニウム合金、チタン合金、ステンレス合金、インコネル等をあげることができる。また、前記摺動樹脂部を構成する樹脂としては、主として潤滑性樹脂を有し、これに必要に応じて支持用樹脂を加えてもよい。この潤滑性樹脂としては、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等のフッ素樹脂があげられ、また、支持用樹脂としては、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリアミド（ＰＡ）等の熱可塑性樹脂があげられる。これらの中でも、ＰＴＦＥを主とする樹脂が好ましい。そして、ＰＴＦＥが１００％の樹脂を用いてもよい。

前記の金属部は、その表面に複数の開口部を有する連通孔を有する。概念的には、図２（ａ）に示すように、金属部１６ａに複数（図２（ａ）では２つ）の開口部２１’を有する連通孔２１が設けられる。
また、この連通孔を規則的に設けた例として、図２（ｂ）に示すような、金属部を立体的網目状格子１６ｃとしたものがあげられる。この格子１６ｃによって形成される空間部は、外部と連通しており、連通孔を構成しているといえる。この立体的網目状格子１６ｃとは、図２（ｂ）に示すような、直線状の金属柱をｘ軸、ｙ軸、ｚ軸の各軸に沿って等間隔に配し、ｘ軸に沿った金属柱とｙ軸に沿った金属柱の交点にｚ軸に沿った金属柱を通した構造を有する。このような構造の具体例としては、各交点が単純立方格子を形成し、その各交点を三次元に連結した構造があげられる。
また、この立体的網目状格子の他の例としては、各交点が体心立方格子、面心立方格子を形成し、その各交点を三次元に連結した構造をあげることができる。

これらの金属部１６ａ、立体的網目状格子１６ｃを有する保持器の具体例を図３（ａ）（ｂ）に示す。図３（ａ）に示す例は、図２（ａ）に示した連通孔２１を用いた保持器１５ｂの例である。この保持器１５ｂには、複数の開口部２１ｂを有する連通孔２１ａが形成される。この複数の開口部２１ｂは、保持器１５ｂのポケット面１５ｃ及び案内面１５ｄから選ばれる少なくとも一方に設けられる。そして、この連通孔２１ａに前記樹脂を配して連通樹脂部２６を形成し、かつ、保持器１５ｂのポケット面１５ｃ及び案内面１５ｄの表面の全面に、前記樹脂からなる摺動層２２ａを形成することにより、摺動樹脂部２３ａが形成される。したがって、連通孔２１ａ内部の樹脂（連通樹脂部２６）は、前記摺動層２２ａによって連結され、摺動樹脂部２３ａは、一体のものとなる。このため、金属部１６ａと摺動樹脂部２３ａとの熱応力の差により、摺動樹脂部２３ａの摺動層２２ａに破断が生じても、摺動層２２ａは、その位置に保持され、転動体１４が金属部１６ａと直接接触することが防止され、転動体１４と摺動樹脂部２３ａとの接触が保持される。

また、図３（ｂ）に示す例は、図２（ｂ）に示す立体的網目状格子１６ｃを構成する部分を有する金属部１６ｂを用いた保持器１５ｅである。この保持器１５ｅの金属部１６ｂの空間部である連通孔２１ｃの開口部２１ｄは、保持器１５ｅのポケット面１５ｆ及び案内面１５ｇに設けられ、ここに前記樹脂を配して格子状樹脂部２５が形成され、かつ、保持器１５ｅのポケット面１５ｆ及び案内面１５ｇの表面の全面に、前記樹脂からなる摺動層２２ｂを形成することにより、摺動樹脂部２３ｂが形成される。したがって、連通孔２１ｃ内部の樹脂（格子状樹脂部２５）は、前記摺動層２２ｂによって連結され、摺動樹脂部２３ｂは、一体のものとなる。このため、金属部１６ｂと摺動樹脂部２３ｂとの熱応力の差により、摺動樹脂部２３ｂの摺動層２２ｂに破断が生じても、摺動層２２ｂは、その位置に保持され、転動体１４が金属部１６ｂと直接接触することが防止され、転動体１４と摺動樹脂部２３ｂとの接触が保持される。

この図３（ｂ）に示す保持器１５ｅを構成する金属部１６ｂの構造は、図４（ａ）に示すとおりである。これは、立体的網目状格子１６ｃを構造の主体とし、保持器１５ｅのポケット面１５ｆ及び案内面１５ｇ以外の面に前記金属からなる平面部２４を設けたものである。
そして、この立体的網目状格子１６ｃの空間部である連通孔２１ｃに前記樹脂を配し、格子状樹脂部２５を形成し、かつ、保持器１５ｅのポケット面１５ｆ及び案内面１５ｇの表面に前記樹脂からなる摺動層２２ｂを形成することにより、図４（ｂ）に示す摺動樹脂部２３ｂが形成される。

前記金属部１６ｂは、３Ｄプリンタを用いたり、精密鋳造によって製造することができる。また、前記摺動樹脂部２３ａの連通孔２１ａ内の樹脂部や摺動樹脂部２３ｂの格子状樹脂部２５は、使用する樹脂を所定の範囲内の温度及び圧力の条件下で溶融させて、金属部１６ａ、１６ｂの連通孔２１ａ、２１ｃに流し込んで充填したり、また、前記樹脂を粉末状の状態で加圧又は振動によって、金属部１６ａ、１６ｂの連通孔２１ａ、２１ｃに導入して焼成すること等により、製造することができる。さらに、保持器１５ｂ、１５ｅのポケット面１５ｃ、１５ｆ及び案内面１５ｄ、１５ｇの表面に形成される摺動層２２ａ、２２ｂは、前記摺動樹脂部２３ａの連通孔２１ａ内の樹脂部や摺動樹脂部２３ｂの格子状樹脂部２５と同時に、同様の方法で製造することができる。

この発明で製造される転がり軸受は、極低温及び高速回転環境下での使用が可能となり、ロケットエンジンターボポンプに組み込まれる軸受として用いることができる。

上記の実施形態では、転がり軸受１１として、転動体１４にボールを採用した玉軸受を例に、この発明の構成を説明したが、この実施形態には限定されず、この発明は、玉軸受以外の転がり軸受１１、例えば、転動体１４としてころを採用したころ軸受等、保持器を有する各種の軸受に適用可能である。

１１ 転がり軸受
１２ 内輪
１３ 外輪
１４ 転動体
１５、１５ｂ、１５ｅ 保持器
１５ａ ポケット穴
１５ｃ、１５ｆ ポケット面
１５ｄ、１５ｇ 案内面
１６ａ、１６ｂ 金属部
１６ｃ 立体的網目状格子
２１、２１ａ、２１ｃ 連通孔
２１’、２１ｂ、２１ｄ 開口部
２２ａ、２２ｂ 摺動層
２３ａ、２３ｂ 摺動樹脂部
２４ 平面部
２５ 格子状樹脂部
２６ 連通樹脂部

Claims (5)

1. 内輪と、前記内輪の径方向外側に配置される外輪と、前記内輪と前記外輪との間に複数配置される転動体と、前記複数の転動体を周方向に沿って保持する保持器とを備えた転がり軸受であって、
   前記保持器は、金属部と摺動樹脂部とからなり、
   前記金属部は、その表面に複数の開口部を有する連通孔を有し、
   前記の連通孔を有する金属部は、立体的網目状格子を構成する部分を有し、
   前記連通孔に前記摺動樹脂部を構成する樹脂が配されることを特徴とする転がり軸受。
2. 前記金属部を構成する金属は、アルミニウム合金、チタン合金、ステンレス合金、又はインコネルであることを特徴とする請求項１に記載の転がり軸受。
3. 前記摺動樹脂部を構成する樹脂は、ポリテトラフルオロエチレンを主とする樹脂である
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の転がり軸受。
4. 前記保持器のポケット面及び案内面から選ばれる少なくとも一方に、前記連通孔の開口部が形成され、かつ、前記保持器のポケット面及び案内面に、前記摺動樹脂部を構成する樹脂からなる層が形成されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の転がり軸受。
5. ロケットエンジンターボポンプに組み込まれることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の転がり軸受。

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