(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内輪と、外輪と、セラミックス製玉と、外側に膨出する玉保持部と平坦部とを円周方向に所定間隔に形成した二枚の環状保持板が、各玉保持部を対向させるように組み合わされてセラミックス製玉を保持するポケットを形成してなる波形保持器を用いた玉軸受において、
前記保持器の環状保持板に形成したそれぞれの玉保持部を、セラミックス製玉より大きな曲率半径を有する第１の球面状凹部にて形成するとともに、該第１の球面状凹部の底部に、第１の球面状凹部の曲率半径より小さい曲率半径を有する第２の球面状凹部を形成し、更に、該環状保持板表面に不動態膜である金属フッ化膜のあとに窒化層を平滑且つ緻密に形成し、第１の球面状凹部と第２の球面状凹部との境界にてセラミックス製玉を接触支持させるようにしたことを特徴とする波形保持器を用いた玉軸受。
【請求項２】
前記波形保持器の第１の球面状凹部を前記平坦部に連なる前後の球面状凹部から形成し、これら前後の球面状凹部の各曲率中心を、前記セラミックス製玉を配置する中心を通る円周方向線上で該中心より若干前記平坦部側にずらせた位置とし、前記第１の球面状凹部の前記前後の球面状凹部が連なる底部に、前記第２の球面状凹部を形成し、第１の球面状凹部と第２の球面状凹部との境界にて玉と接触させるようにしたことを特徴とする請求項１に記載の波形保持器を用いた玉軸受。
【請求項３】
前記波形保持器の第１の球面状凹部のピッチ円方向に沿って切断した断面形状を、軸方向に短径を有し円周方向に長径を有する半楕円状に形成したことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の波形保持器を用いた玉軸受。
【請求項４】
前記波形保持器の第２の球面状凹部の曲率中心を、前記セラミックス製玉を配置するポケット中心を通る軸方向軸線上で該ポケット中心より第１の球面状凹部の底部側に若干ずらせたことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１つに記載の波形保持器を用いた玉軸受。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、波形保持器及びこの波形保持器を用いる玉軸受、特に２サイクルエンジンのクランクシャフトのように潤滑条件の厳しい環境で使用されても焼付の生じにくい構成とした波形保持器及びこれを用いた玉軸受に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の玉軸受用の波形保持器は、例えば図６に示すように、円周方向等間隔に玉保持部５３，５３，・・・を形成した二枚の環状保持板５２，５２を、一方の玉保持部５３と他方の玉保持部５３とがポケット５６を形成するように対向させ、平坦部（接合部）５４，５４を接合してリベット７で固定して製作する。前記ポケット５６に玉を配置したこの玉軸受用波形保持器５１は、内輪と外輪（いずれも図示省略）との間の環状空間に配置される。
【０００３】
図７（Ａ）は、上記した従来の玉軸受用として用いられる波形保持器５１を、軸受のピッチ円の周方向に沿って切断した状態の断面の平面図である。このような玉軸受では、その軌道輪（内輪若しくは外輪）が相対回転するとき玉５及び保持器５１も同時に回転（公転）するが、玉５は回転方向（進行方向）の前面とポケット５６の内壁面で接触しながら公転すると共に自転する。即ち、波形保持器５１が公転運動するとき、玉５は、軸線Ｚ回りに自転しながらこの波形保持器５１のポケット５６の進行方向の内壁面５６ａ、５６ｂで接触している。この内壁面５６ａ、５６ｂの接触形状は、図７（Ａ）のＡ−Ａ矢視方向から見た場合、図７（Ｂ）に示すような形状となっている。
【０００４】
ところで近年、厳しい環境下（高温、高強度、潤滑不足等）でも対応可能なセラミックス製の玉を使用した玉軸受が使用されるようになっている。このセラミックス製の玉は、軽量，耐熱性，高強度，低線膨張率，耐蝕性，高硬度等の優れた利点があるため一般の軸受では使用するのが難しい場所、例えば耐熱性，高強度，耐高速性，絶縁性等が要求されている場所で一部使用されるようになっている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
図６に示すような保持器５１を用いた従来の玉軸受では、図８にように、玉５とポケット５６の内壁面とが接触し、玉５が軸線Ｚ回りに自転すれば、自転時の角速度をωとし且つ玉５の任意の表面から軸線Ｚまでの半径（垂直距離）をｒとすると、該玉５の表面の周速度ｖは、ｖ＝ω・ｒであるから、玉５は回転半径が最も大きくなる位置、即ち、回転周速度の最も大きい位置Ｐ，Ｐの範囲で波形保持器５１のポケット５６内壁面と接触していることになる。このことから従来の波形保持器５１を使用した玉軸受は、焼付が生じやすい状態で使用されており、寿命が比較的短いという問題がある。
【０００６】
また、条件の厳しい環境で使用されるセラミックス製の玉は、玉自体には潤滑性がないため、潤滑条件の悪い所で使用されると、高硬度の玉が相手側の鋼製の内輪や外輪の軌道面を削ることになったり、プレス製の保持器を大きく摩耗させたりする結果となる。そこで、高温、高速で使用されるタ−ボチャ−ジャ−用の軸受等では、保持器に潤滑性のあるス−パ−エンプラ材を使用して問題解決を図ろうとしているが、材料がプラスチックス材であるため耐熱性にも耐摩耗性にも限界や制約がある。
【０００７】
この発明は、上記する課題に対処するためになされたものであり、高温且つ高速にも対応することが可能で、且つ潤滑剤を十分に保持させることが可能でセラミックス製玉を使用しても軌道面等削ることがなく、耐摩耗性にも優れた保持器とすることのできる波形保持器及びこの波形保持器を用いた玉軸受を提供することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
即ち、この発明は、上記する課題を  決するために、請求項１に記載の発明は、内輪と、外輪と、セラミックス製玉と、外側に膨出する玉保持部と平坦部とを円周方向に所定間隔に形成した二枚の環状保持板が、各玉保持部を対向させるように組み合わされてセラミックス製玉を保持するポケットを形成してなる波形保持器を用いた玉軸受において、
前記保持器の環状保持板に形成したそれぞれの玉保持部を、セラミックス製玉より大きな曲率半径を有する第１の球面状凹部にて形成するとともに、該第１の球面状凹部の底部に、第１の球面状凹部の曲率半径より小さい曲率半径を有する第２の球面状凹部を形成し、更に、該環状保持板表面に不動態膜である金属フッ化膜のあとに窒化層を平滑且つ緻密に形成し、第１の球面状凹部と第２の球面状凹部との境界にてセラミックス製玉を接触支持させるようにしたことを特徴とする。
【０００９】
また、請求項２に記載の発明は、前記波形保持器の第１の球面状凹部を前記平坦部に連なる前後の球面状凹部から形成し、これら前後の球面状凹部の各曲率中心を、玉を配置する中心を通る円周方向線上で該中心より若干前記平坦部側にずらせた位置とし、前記第１の球面状凹部の前記前後の球面状凹部が連なる底部に、前記第２の球面状凹部を形成し、第１の球面状凹部と第２の球面状凹部との境界にて玉と接触させるようにしたことを特徴とする。
【００１０】
或いは、請求項３に記載の発明は、前記波形保持器の第１の球面状凹部のピッチ円方向に沿って切断した断面形状を、軸方向に短径を有し円周方向に長径を有する半楕円状に形成したことを特徴とする。
【００１１】
或いは、請求項４に記載の発明は、前記波形保持器の第２の球面状凹部の曲率中心を、玉を配置するポケット中心を通る軸方向軸線上で該ポケット中心より第１の球面状凹部の底部側に若干ずらせたことを特徴とする。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の具体的実施の形態について図面を参照しながら説明する。
図１は、この発明の波形保持器を用いた玉軸受を構成する片側の環状保持板の斜視図であり、図２は、この環状保持板の周方向のピッチ円中央部に沿って切断した断面の平面であり、図３は、この発明の波形保持器のポケットに玉を配置した状態で周方向の中央部に沿って切断した断面の平面図である。
【００１３】
前記波形保持器１を構成する環状保持板２は、ＳＰＣＣ等の低炭素鋼板の帯板状としたものをプレス加工して製作する。該環状保持板２の片側には、円周方向一定間隔に軸方向に膨出する玉保持部３，３，・・と平坦部４，４，・・とが形成される。該玉保持部３には第１の球面状凹部３ａが形成されると共に、該第１の球面状凹部３ａ内には、更に、第１の球面状凹部３ａより小さな曲率を有する第２の球面状凹部３ｂが形成される。これらの環状保持板２は、この一対の平坦部４，４を接合して保持器１とするが、第１の球面状凹部３ａ及び第２の球面状凹部３ｂを形成した玉保持部３，３は玉５を配置するためのポケット６となる。
【００１４】
前記玉保持部３に形成される第１の球面状凹部３ａの曲率中心は２つ設けてある。即ち、図２に示すように、一方はポケット６の中心Ｏ0 より若干周方向後側（説明の都合上、一方を後側、他方を前側とする）方向にｄ1 ずらせた位置Ｏ1 とし、他方はポケット６の中心Ｏ0 より若干前側方向にｄ1 ずらせた位置Ｏ2 としてある。また、ポケット６の中心Ｏ0 の前後の位置Ｏ1 、Ｏ2 を中心とする第１の球面状凹部３ａの曲率半径Ｒa は、玉５の曲率半径Ｒ0 と同等若しくは若干大小のいずれでもよい。尚、前記環状保持板２に形成した第１の球面状凹部３ａから平坦部４にかけては滑らかなＲとなるように加工してある。
更に、上記するように第１の球面状凹部３ａは、Ｏ1 、Ｏ2 を中心とする２つの曲率半径の球面状凹部で形成しているが、必要により、１つの球面状凹部で形成してもよく、この場合の曲率中心はポケット６の曲率中心Ｏ0 を通る軸線上を軸方向にずらし、曲率半径Ｒa を玉５の曲率半径Ｒ0 より大きくする。
【００１５】
前記環状保持板２に形成する第１の球面状凹部３ａの底部に形成される小さな第２の球面状凹部３ｂの曲率中心は、図２に示すように、玉５を配置するポケット中心Ｏ0 を通る軸線上を、第１の球面状凹部３ａの底部側にｄ2 ずらせた位置Ｏ3 にある。そして、その球面状凹部３ｂの内側の曲率半径Ｒb は、玉５の曲率半径より若干小さくしてある。
前記第１の球面状凹部３ａ及び第２の球面状凹部３ｂの形状は、一方の側の環状保持板２について説明したが、該環状保持板２と接合させる他方の側の環状保持板の第１の球面状凹部やその底部の第２の球面状凹部についても全く同じ形状である。なお、この環状保持板２は、後述するように、ふっ化処理のあと窒化処理を行い、該環状保持板２の表面に窒化層２ｎを形成する。
【００１６】
前記波形保持器１は、上記構成とした環状保持板２の一対を対向接合させ、玉保持部３，３・・で玉５を配置するポケット６を形成すると共に、接合した平坦部４，４，・・に穿設した孔８，８，・・にリベット７を入れて圧潰固定して形成する。この場合、環状保持板２に形成する第１の球面状凹部３ａや該第１の球面状凹部３ａの中の底部に形成する第２の球面状凹部３ｂ及び平坦部４は、プレス加工により形成するため製作は容易である。
【００１７】
この発明の玉軸受２１に使用する玉５は、セラミックス材の玉が用いられる。このセラミックス材としては、Si3N4 、ALN 、BN、TiN 等の窒化物、或いはSiC 、B4C 、WC、等の炭化物、或いはSi4-z Alz O z N3-z  、Si-M* -O-N( -M* :Be 、Li、Mg等) の酸窒化物、更に、Al2O3 、Al2O3-ZrO3等の酸化物が用いられ、これらの原料粉末を成形加工して所謂ＨＰ方やＨＩＰ方等により焼結して製作するが、具体的な製法は省略する。
【００１８】
図４は、上記環状保持板２を用いた波形保持器１にセラミックス製の玉５を保持させて外輪２２と内輪２３との間の環状空間２４に配置したこの発明の玉軸受２１の断面図である。前記環状保持板２には、窒化処理を行うが、この窒化処理は下地をフッ化処理した上で行う。この環状保持板２の表面には、Fe3Nを主成分とする窒化物の層、すなわち窒化層２ｎが、緻密かつ均一に積層形成される。ただし、この窒化層２ｎは、少なくともポケット６内周面、即ち、球面状凹部３ａ、３ｂに形成さしてあればよい。
【００１９】
前記環状保持板２の表面に、窒化層２ｎを形成する前に該環状保持板２の表面の酸化物（鋼材中のＣｒ，Ｍｎ，Ｓｉ，Ａｌ等の酸化物）を金属ふっ化膜に置き換えるふっ化処理工程を行うが、この工程は次のようにして行う。
即ち、被処理品である環状保持板２を、３ふっ化窒素（NF3 ）ガスと窒素ガスの混合気中に、所定の温度（例えば、３００°Ｃ〜４００°Ｃ）で所定の時間（１０分〜１２０分）保持する。その結果、環状保持板２の表面の酸化物等の異物は、活性化されたふっ素原子によって破壊され除去され、表面が浄化されると同時に、鋼表面の酸化物（酸化皮膜のような不動態膜）が、金属ふっ化膜に置き換えられる。この金属ふっ化膜は、不動態膜であるから表面への酸素の吸着や酸化作用を防止し、その結果、確実に環状保持板２の表面の酸化物等の異物を除去することができる。
【００２０】
更に、表面に金属ふっ化膜を形成した環状保持板２は、窒化処理により窒化層２ｎを形成するが、この窒化処理は、ガス窒化により形成する。即ち、表面に金属ふっ化膜を形成した環状保持板２は、所定の反応ガス、例えばNH3 単体からなるガス又はNH3 と炭素源とからなる混合ガス（例えばＲＸガス）中に、所定の窒化温度（４８０°Ｃ〜７００°Ｃ）に、所定の時間（３０分〜５時間）保持された状態で置かれる。
前記環状保持板２は、このふっ化温度（３００°Ｃ〜４００°Ｃ）から窒化温度（４８０°Ｃ〜７００°Ｃ）に昇温される過程で、被処理品（環状保持板２）表面の金属ふっ化膜は活性膜となる。その結果、窒化処理により窒素は環状保持板２の金属表面に深く浸透して窒化層２ｎが形成される。その後、所定の時間をかけて冷却される。なお、被処理品（環状保持板２）は、冷却終了まで窒素ガス中に保持され、表面に酸化物の生成は防止される。
【００２１】
上記するように、波形保持器１を構成する環状保持板２は、ふっ化処理をしたあと窒化処理を行うものであるが、ふっ化処理により被処理品の表面を活性化することができるので窒化温度（４８０°Ｃ〜７００°Ｃ）と従来の窒化層形成時に被処理品を保持する温度よりも低く設定することができる。そして窒化温度が低くなる程窒化層２ｎの表面は平滑に形成される傾向があり、特に上記温度（４８０°Ｃ〜７００°Ｃ）であれば、この窒化層２ｎの表面は、従来のタフトライド処理品の窒化層の表面よりも平滑になる。更に、窒化層２ｎは、平滑且つ緻密である上にクラック等が殆どないため該窒化層２ｎでの潤滑油の保持性が良くなる。
【００２２】
図３に示すように、波形保持器１を構成する環状保持板２は、円周方向等間隔に形成した第１の球状凹部３ａの内部に、更に第２の球面状凹部３ｂを形成し、更に窒化処理して窒化層２ｎを形成してある。波形保持器１のポケット６に配置されたセラミックス製の玉５は、環状保持板２に形成された玉保持部３の第１の球面状凹部３ａと、該第１の球面状凹部３ａの底部に形成された第２の球面状凹部３ｂとの境界９，９で接触支持されることになる。そして、境界９で接触支持されている玉５が回転するときの、この境界９と軸線Ｚとのなす角度θは、かなり小さくなる。即ち、この波形保持器１を使用する玉軸受の軌道輪が回転するとき、玉５が自転する際には、該玉５は、自転時の周速度の最も大きな位置Ｐ，Ｐの範囲でポケット６の内周面に接触するのではなく、自転時の周速度が最も小さくなる位置Ｑ，Ｑの範囲でポケット６の内周面に接触することになる（図８参照）。従って、玉５は自転時速度の低い位置で保持器１のポケット６内周面と接触するため焼付は発生しにくくなる。。
【００２３】
また、回転時の進行方向の波形保持器１のポケット６内の前後、即ち、玉５と環状保持板２，２の接合部近傍との間には、一定の空間１０、１２が形成され、これらの空間１０、１２は『潤滑剤溜まり』となる。更に、環状保持板２に形成される第１の球面状凹部３ａの内部に形成される小さな第２の球面状凹部３ｂ内の空間１１、１１も『潤滑剤溜まり』となる。
【００２４】
上記したように、この発明を構成する玉軸受の波形保持器１は、玉保持部３を二つの曲率半径を有する球面状凹部（３ａ，３ｂ）とし且つ窒化層２ｎを形成した二枚の環状保持板２から成り、更に、表面をふっ化処理して酸化物等を除去したあと窒化処理して窒化層２ｎが形成してあるため硬度も高くなっている。また、玉５が公転しながら自転するときにも保持器１の環状保持板２とは周速度の低い第１の球面状凹部３ａと第２の球面状凹部３ｂとの境界９で接触しているため焼付も一層生じにくくなる。そして、ポケット６と玉５との間の空間に形成される潤滑剤溜まり１０，１１，１２には、潤滑剤を多く保持することが可能である。また、保持器１を構成する環状保持板２は、表面が窒化処理してあるが、内部は柔軟であるため耐摩耗性、耐衝撃性にも優れたものとなっている。
【００２５】
この玉軸受２１では、セラミックス製の玉５を使用するが、保持器１自身が耐摩耗性に優れているから、該セラミックス製の玉５の硬度が大きくても簡単に摩耗することはない。そしてまた、この保持器１には、多くの潤滑剤を保持させることができるので、セラミックス製の玉５自身に潤滑性がなくても、高硬度のセラミックス製の玉５により鋼製の内輪や外輪の軌道面にも潤滑剤を供給することが可能であり、これら軌道面も簡単に削られることもない。従って、この保持器１を使用すれば、セラミックス製の玉５を通常の鋼製の内輪や外輪と共に潤滑条件の悪い所で使用することができる。
【００２６】
尚、この発明の波形保持器１の他の実施の形態として、玉５を保持させるポケット６を形成する玉保持部３の第１の球面状凹部３ａは、前記環状保持板２のピッチ円周方向に沿って切断した場合、その断面形状が軸方向に短径を有し周方向に長径とした半楕円状の球面状凹部としてもよい。そして該第１の球面状凹部３ａの内部（底部）側に、その曲率半径が玉５の半径より若干小さな曲率半径とし、且つその曲率中心が、該玉を配置するポケット中心Ｏ0 より若干軸線方向側にｄ2 だけずらせた位置とした第２の球面状凹部３ｂを形成してもよい。なお、この第２の球面状凹部３ｂは、楕円状の球面状凹部であってもよい。
【００２７】
【実施例】
図５は、上記構成からなるこの発明の波形保持器を用いた玉軸受２１を用いて回転試験をする時の試験装置の断面図である。
この試験装置は、試験用の玉軸受２１，２１，・・４個（個数は増減可能である）を装着する軸３１ａと、該軸３１ａと一体とし端部に回転プ−リ３２を取り付けた軸３１ｂと、これらの玉軸受２１，２１，・・を両側から固定する固定ナット３３ａ，３３ｂと、前記４個の玉軸受のうち、内側の玉軸受２１，２１の外輪を嵌合するハウジング３４と、外側の玉軸受２１，２１を嵌合するハウジング３５と、更に、前記内側のハウジング３４を嵌合する支持枠３６と、前記外側のハウジング３５を嵌合する支持枠３７と、前記支持枠３６に螺合させ上部に雄ねじ３９ａを設けた負荷用軸３９と、前記支持枠３７の上に設置したばね受け４０ａと、該ばね受け４０ａの上に設置した負荷用ばね３８と、該負荷用ばね３８の上に設置したばね受け４０ｂと、該ばね受け４０ｂの上に設置した軸受４２と、該軸受４２を介して前記た負荷用軸３９の雄ねじ３９ａに螺合させた負荷用ナット４３ａと、固定用ナット４３ｂと、で構成される。尚、前記支持枠３７の外側には、軸３１ａに装着（嵌合）した玉軸受２１，２１，・・を密封保護するためカバ−４４，４５が取り付けてある。該カバ−４４には、前記軸３１ｂを貫通支持する軸受４６が嵌合されている。
【００２８】
負荷試験に際して前記玉軸受２１，２１，・・には所定の負荷がかけられるが、この負荷は次のようにしてかける。即ち、負荷用ナット４３ａを回わすと、支持枠３７に設置した負荷用ばね３８が圧縮される。そしてこの負荷用ばね３８の反力Ｆｒが負荷用軸３１ａに上方向に持ち上げるように作用すると共に、負荷用軸３１ａに一体のハウジング３４も上へ面等上げるように作用する。この結果、軸３１ａを介して４個の玉軸受２１，２１，・・には同一の負荷Ｆｒがかかることになる。
【００２９】
上記試験機によるこの発明の玉軸受２１と、従来の一般（従来）の玉軸受を比較した試験した。この場合、従来の玉軸受は４個を同時に試験（同一負荷で回転）して、どれか一つでも焼付が生じたらそこで試験を中止する方法で行った。従って、従来の玉軸受は１６個使用した。
また、この発明の玉軸受２１は４個を同時に試験（同一負荷で回転）して、３回試験した。従って、この発明の玉軸受は１２個使用した。
この試験結果は次の【表１】の如くであった。
【表１】
0003682356.tif 000002
【００３０】
【発明の効果】
以上、詳述したように、上記において説明したこの波形保持器を用いた玉軸受によれば、耐熱性や耐摩耗性に優れた波形保持器を有する玉軸受とすることができる。特に、この波形保持器を用いた玉軸受は、潤滑性能にすぐれ且つ耐磨耗性にすぐれているので長寿命の玉軸受とすることができる。更に、この波形保持器は、窒化処理して耐磨耗性と潤滑剤保持能力を大幅に向上させているので、セラミックス製の玉の特性、即ち、軽量，耐熱性，高強度，低線膨張率，耐蝕性，高硬度等の優れた利点を生かした波形保持器とすることができる。よって、この波形保持器を用いた玉軸受は、使用環境の難しい場所、例えば高温，高強度，高速性，絶縁性等が要求されている場所でその能力を十分に発揮することができる。例えば２サイクルエンジンのクランクシャフトのような潤滑条件の悪い場所でも焼付が生じにくい長寿命の玉軸受として使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  この発明の玉軸受を構成する波形保持器の片側の環状保持板の斜視図である。
【図２】  この発明の玉軸受を構成する波形保持器の環状保持板の周方向の中央部に沿って切断し
た断面の平面図である。
【図３】  この発明の玉軸受を構成する波形保持器のポケットに玉を配置した状態で周方向の中央
部に沿って切断した断面の平面図である。
【図４】  この発明の玉軸受の一部断面図である。
【図５】  この発明の玉軸受を用いて回転試験をする時の試験装置の断面図である。
【図６】  従来の玉軸受の波形保持器の斜視図である。
【図７】  図７（Ａ）は、従来の玉軸受用の波形保持器の中央の円周方向に沿って切断した状態の
平面図であり、図７（Ｂ）は図７（Ａ）のＡ−Ａ矢視図であって保持器と玉との接触部分
を示す図である。
【図８】  玉軸受用の波形保持器のポケットに配置される玉の自転状態を示す図である。
【符号の説明】
１  波形保持器
２  環状保持板
２ｎ  窒化層
３  玉保持部
３ａ  第１の球面状凹部
３ｂ  第２の球面状凹部
４  平坦部
５  玉
６  ポケット
７  リベット
１０，１１，１２  空間（潤滑剤溜まり）
２１  玉軸受
３１ａ  軸
３４、３５  ハウジング
３６  支持枠
３８  負荷用ばね
３９  負荷用軸
４３ａ  負荷用ナット
【図１】
0003682356.tif 000003
【図２】
0003682356.tif 000004
【図３】
0003682356.tif 000005
【図４】
0003682356.tif 000006
【図５】
0003682356.tif 000007
【図６】
0003682356.tif 000008
【図７】
0003682356.tif 000009
【図８】
0003682356.tif 000010