(57)【要約】【課題】  複雑な構造とすることなく、また特殊処理をすることなく極低温環境下で、あるいは真空中で使用できる。【解決手段】  内輪と外輪との間の軌道空間に、複数の玉が周方向に配列され、上記内輪および外輪と上記玉との接点が径方向中心線に対して所定の角度を有するアンギュラ玉軸受において、該軸受に摺動性を付与する樹脂輪が上記径方向中心線に対して上記接点と反対側に設けられており、また、軸受に摺動性を付与する樹脂輪は、摺動相手に移着して摺動部の摩擦係数および摩耗量を低下させる樹脂材で形成されており、また、この樹脂材がフッ素系樹脂を主成分とする樹脂材であり、また、軸受に摺動性を付与する樹脂輪が上記玉方向に付勢されている。【選択図】    図１
2005201334.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内輪と外輪との間の軌道空間に、複数の玉が周方向に配列され、前記内輪および外輪と前記玉との接点が径方向中心線に対して所定の角度を有するアンギュラ玉軸受において、該軸受に摺動性を付与する樹脂輪が前記径方向中心線に対して前記接点と反対側に設けられていることを特徴とするアンギュラ玉軸受。
【請求項２】
前記摺動性を付与する樹脂輪は、摺動相手に移着して摺動部の摩擦係数および摩耗量を低下させる樹脂材で形成されてなることを特徴とする請求項１記載のアンギュラ玉軸受。
【請求項３】
前記樹脂材がフッ素系樹脂を主成分とする樹脂材であることを特徴とする請求項２記載のアンギュラ玉軸受。
【請求項４】
前記摺動性を付与する樹脂輪は、前記玉方向に付勢されていることを特徴とする請求項１、請求項２または請求項３記載のアンギュラ玉軸受。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アンギュラ玉軸受に関し、特に液体水素、液体酸素、液体窒素やＬＮＧなどが用いられる極低温環境下で、あるいは真空中での使用に好適なアンギュラ玉軸受に関する。
【背景技術】
【０００２】
転がり軸受は、玉や円筒ころ等の転動体を、内輪と外輪との間の軌道空間に配列し、これらの転動体を保持器により保持している。この保持器は、内輪または外輪側のいずれかで案内されるものが多い。また、転がり軸受は低温環境下で使用される場合がある。
低温環境下で使用される軸受の代表例として、液体ロケットエンジン用ターボポンプの回転支持部に使用されているアンギュラ玉軸受がある。図５に同ターボポンプに使用されているアンギュラ玉軸受の構造例を示す。この軸受は内輪２、外輪３、複数の転動体としての玉４、保持器５の４種類の部品で構成されている。内輪２および外輪３と、玉４とは径方向中心線Ａに対して所定の角度θ（接触角）を有して接触しており、ラジアル荷重と一方向のアキシアル荷重を負荷することができる。
この軸受は、液体水素あるいは液体酸素中という極低温環境下で、ｄｎ値（＝内輪内径ｍｍ×内輪回転数ｒｐｍ）が１６０万をこえる高速回転という過酷な条件下で使用される場合がある。このため、内輪２、外輪３および複数の玉４が、強靱性を備えたマルテンサイト系ステンレス鋼で形成され、保持器５は、潤滑性能を備えた四フッ化エチレン樹脂（以下、ＰＴＦＥと略称する）をガラス繊維で強化した複合材料で形成されている（非特許文献１参照）。
【０００３】
しかし、図５に示す構造のアンギュラ玉軸受は、保持器材料がガラス織布を円筒状に積層したものにＰＴＦＥを含浸させ焼成した複合材であるため、（１）材料自体が非常に高価になる、（２）保持器形状に加工したあとに、加工面にあるガラス繊維を溶解させるフッ素処理が必要であるため更に高価になる、（３）材料の製造方法が特殊であるため、生産性も低く、リードタイムも長期間必要になる、等の問題がある。
【０００４】
このため、保持器の材料を上記のように積層した複合材ではなく、基本的な構造は金属材料で構成し、ポケットおよび案内面に銅を配合したＰＴＦＥ系樹脂をインサートするタイプが知られている。しかしながら、ＰＴＦＥ系樹脂をインサートするタイプの場合、複雑な構造部材である金属部分の機械加工が困難であるという問題がある。
【非特許文献１】野坂正隆、日本複合材料学会会誌、２０巻、６号（１９９４）、２１５−２２３
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
解決しようとする課題は、保持器等を複雑な構造とすることなく、また特殊処理をすることなく極低温環境下で、あるいは真空中で使用できるアンギュラ玉軸受がないという点にある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、内輪と外輪との間の軌道空間に、複数の玉が周方向に配列され、上記内輪および外輪と上記玉との接点が径方向中心線に対して所定の角度を有するアンギュラ玉軸受において、該軸受に摺動性を付与する樹脂輪が上記径方向中心線に対して上記接点と反対側に設けられていることを特徴とする。
また、軸受に摺動性を付与する樹脂輪は、摺動相手に移着して摺動部の摩擦係数および摩耗量を低下させる樹脂材で形成されてなることを特徴とする。
また、この樹脂材がフッ素系樹脂を主成分とする樹脂材であることを特徴とする。
また、軸受に摺動性を付与する樹脂輪が上記玉方向に付勢されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明のアンギュラ玉軸受は、軸受に摺動性を付与する樹脂輪が径方向中心線に対して内輪および外輪と玉との接点と反対側に設けられているので、樹脂部分より潤滑剤の種類またはその供給量を制御できる。このように、潤滑剤の供給源を従来の保持器から別の部品にしたため、その部品の材料組成を変えることにより潤滑剤の玉への移着特性をアンギュラ玉軸受が用いられる環境に合わせた特性にできる。
【０００８】
上記のように、従来の保持器が、ガラス織布を円筒状に積層したものにＰＴＦＥを含浸させ焼成した複合材であるため、機械的強度の向上に限界があることに対し、保持器の強度を確保するベース材料に、本発明は高強度の材料を適用することが可能になるので、機械的強度に優れた保持器が得られる。さらに、従来の保持器が、ガラス織布を円筒状に積層したものにＰＴＦＥを含浸させ焼成した複合材であるため、製造工程が複雑で生産性が低く、製品納入までのリードタイムも長いことに対し、本発明は高強度のベース材料にＰＴＦＥを配合するだけで保持器の製造が可能になる。
その結果、製造コストの高い特殊な複合体の保持器を使用することなく、生産性が高く、リードタイムも短く安価に極低温用のアンギュラ玉軸受が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明のアンギュラ玉軸受の好ましい態様としては、軸受に摺動性を付与する樹脂輪が（１）外輪側のみ、（２）内輪側のみ、（３）外輪側および内輪側にそれぞれ設けられている軸受の構造が挙げられる。
【００１０】
上記構造のアンギュラ玉軸受において、樹脂部分は外輪または内輪とほぼ同形状のリング状に形成して玉と摺動接触させる。該樹脂部分より玉に潤滑剤機能を有する樹脂が転移し、さらに玉に転移した樹脂が内輪および外輪の軌道面に転移して潤滑作用をもたらす。このため、樹脂材は摺動相手に移着して摺動部の摩擦係数および摩耗量を低下させる樹脂材であることが好ましい。
【００１１】
好適な樹脂材としてはフッ素系樹脂が挙げられる。フッ素系樹脂としては、ＰＴＦＥ、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ）、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体（ＥＴＦＡ）、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）、テトラフルオロエチレン−フルオロアルキルビニルエーテル−フルオロオレフィン共重合体（ＥＰＥ）、ポリクロロトリフルオロエチレン共重合体（ＰＣＴＦＥ）、エチレン−クロロトリフルオロエチレン共重合体（ＥＣＴＦＥ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリフッ化ビニル（ＰＶＦ）などが挙げられる。これらは、それぞれ単独もしくは混合物であってもよい。
このうちＰＴＦＥ、ＰＦＡまたはＥＴＦＡが好ましく、特にＰＴＦＥは、摺動相手材に移着して摺動部の摩擦係数および摩耗量を低下させる性質に優れているので好ましい。
【００１２】
ＰＴＦＥは、樹脂単独でもよいが、配合剤を含んだ樹脂組成物であってもよい。配合剤としては、摺動相手材への移着性に優れ、摺動部の摩擦係数を下げ、摩耗量を少なくできる補強剤等が挙げられる。配合剤の例としては、ＣａＦ2、ＣａＯ、ＭｇＯ、ＣａＣＯ3等が挙げられる。配合剤の配合量は樹脂組成物全体に対して 50 重量％未満が好ましい。 50 重量％以上になると摺動相手材への移着性が劣る。
【００１３】
外輪および内輪は、通常の軸受材料が適用でき、例えばマルテンサイト系ステンレス鋼が用いられる。
玉は、マルテンサイト系ステンレス鋼が使用できる。また、セラミックも使用できる。セラミックを使用する場合、窒化珪素（Ｓｉ3Ｎ4）、炭化珪素（ＳＩＣ）、アルミナ（ＡＩ2Ｏ3）、ジルコニア（ＺｒＯ2）、サイアロン等が挙げられる。
【００１４】
保持器は、アンギュラ玉軸受使用条件下において、玉の進み遅れに起因して保持器に生じる引張応力より大きな引張強度を有する樹脂材が用いられ、例えば 60MPa 以上の引張強度を有する樹脂材を用いて形成される。この特性に加えて、（１）使用温度条件下での動摩擦係数が 0.3 以下であること、（２）室温での引張強度が 30MPa 以上であること、（３）比重が 2.5 以下であること、（４）線膨張係数が 30 ×10-6／℃以下であることの条件を満たす樹脂材であることが好ましい。このような条件を満たすことにより、遠心力および玉との干渉により生じる力を受ける構造部材としての機能と、外輪内径面と接触して摺動し、保持器の運動を安定させる機能を有する。また、線膨張係数を 30 ×10-6／℃以下とすることで、鋼製の外輪との線膨張係数との相違による案内すきま（保持器外径面と外輪内径面との間のすきま）を適切にすることができ、軸受を低温条件下で運転できる。
なお、樹脂材は射出成形可能なものでもよい。
【００１５】
保持器の材料としては、ポリイミド樹脂やポリフェニレンスルフィド樹脂、ポリエーテルエーテルケトン樹脂等をベース樹脂材料とし、これにＰＴＦＥを 10〜40 重量％含有させた樹脂組成物などが適用できる。ベース樹脂材料は保持器の強度を確保するために、そしてＰＴＦＥは摺動性を付与するために配合する。
【実施例】
【００１６】
本発明のアンギュラ玉軸受の構造について、以下実施例にて説明する。
実施例１
図１は、液体ロケットエンジン用ターボポンプの回転支持部に使用されるアンギュラ玉軸受１を表す断面図である。このアンギュラ玉軸受１は、軸受に摺動性を付与する樹脂輪３ａが外輪側のみに設けられている形式であり、内輪２と外輪３との間の軌道空間に、複数の玉４が周方向に配列され、かつ内輪２および外輪３と玉４とが所定の接触角θを有して設けられ、該玉を保持する保持器５を備えている。アンギュラ玉軸受１は、内輪間座６ａおよび外輪間座６ｂにより固定され、軸７を支持している。
外輪３は、図５に示す従来の外輪をほぼ半分に分割し、荷重を受け持つ外輪３をマルテンサイト系ステンレス鋼製とし、摺動性を付与する樹脂輪３ａを配している。内輪２および玉４は外輪３と同じマルテンサイト系ステンレス鋼製とする。樹脂輪３ａの樹脂は配合剤を含まないＰＴＦＥとする。ただし、機械的・熱的・化学的性質あるいは摩擦・摩耗特性を改良するための補強材、添加剤や着色剤などの配合剤が 50 重量％未満含ませることができる。
【００１７】
樹脂輪３ａは、その軌道面に相当する部分の形状を鋼製外輪３と同じ曲面にする。また、樹脂輪３ａは外輪間座６ｂとの間にバネ８を配置して玉４方向に付勢されている。その結果、樹脂輪３ａは玉４と接触し、摺動するようにし、その両者の摺動により樹脂輪３ａから玉４にＰＴＦＥが転移し、さらに玉４に転移したＰＴＦＥが内輪２の軌道面２ｃおよび外輪３の軌道面３ｂに転移して潤滑作用をもたらす。
【００１８】
保持器５は、案内面５ａ（保持器外径面と外輪内径面が摺動接触する面）での摺動を考慮して、摩擦係数が小さく、摩耗が少ない材料、例えばＰＴＦＥを 10〜40 重量％配合したポリイミド樹脂をベース材料とする。
【００１９】
なお、保持器のポケット穴の形状は通常真円であるが、平円形状でもよい。ここで平円形状とは、特開昭５８−１８０８３９に開示されているように、真円形状で必要とされるポケット隙間（ポケット内径と玉直径との差）量と一致させる隙間を間にして、その両側に玉の半径にほぼ近似するポケット面の半径で構成させた平円とする形状をいう。
高速玉軸受で、ラジアル荷重とアキシャル荷重が同時に負荷されると、玉の進み遅れが生じるため、保持器と玉の間で周方向の力が発生する。液体水素／液体酸素中で使用される軸受の場合、玉と軌道面との摩擦係数が高いため、両者間で滑りが生じにくくなる。そのため、周方向の力が保持器に直接負荷されるので、強度の弱い保持器の場合破損する場合が生じる。そこで、ポケットの周方向隙間量を大きくして、玉の進み遅れを吸収することにより、保持器にかかる負荷を減らすことができる。
本発明においては、製造コストの高い特殊な複合体の保持器を使用することなく、より安価な保持器に代替できることによって、極低温用のアンギュラ玉軸受の製造コストを著しく低減することができる。
【００２０】
図２は、上記アンギュラ玉軸受１を組み込んだ液体ロケットエンジンの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液体酸素側を圧縮するものであり、タービン室９、主ポンプ室１０およびプリバーナポンプ室１１からなる。なお、図示は省略するが、液体水素／液体酸素２段燃焼式ロケットエンジンは、液体水素側を圧縮する同様のターボポンプも備えている。
上記タービン室９では、そのガス入口１２からガス出口１３へ流れるプリバーナからの１次燃焼ガスによりタービン動翼１４が駆動され、約１８０００ｒｐｍの高速回転に達する。その回転はタービン軸１５により各アンギュラ玉軸受１に伝達されるが、そのｄｎ値は最大８２万である。なお、液体水素側を圧縮するターボポンプのアンギュラ玉軸受１のｄｎ値は、最大１７２万の超高速回転になる。
上記主ポンプ室１０側のアンギュラ玉軸受１には、主ポンプ入口１６から流入し、インデューサ１７を経た液体酸素が流れ込む。また、プリバーナポンプ室１１側のアンギュラ玉軸受１には、プリバーナポンプ入口２１から液体酸素が流れ込む。つまり、これらのアンギュラ玉軸受１は、−１８３℃の極低温環境に曝されている。なお、液体水素側を圧縮するターボポンプのアンギュラ玉軸受１は、−２５３℃の極低温環境に曝される。
このため、上記各アンギュラ玉軸受１は、無潤滑に近い潤滑条件、高速回転および極低温環境という過酷な条件下で作動することを要求されている。
【００２１】
実施例２
図３は、他のアンギュラ玉軸受１を表す断面図である。この例においては、外輪３の軌道面３ｃに対応する樹脂輪３ａの軌道面に相当する部分の面３ｄが平面であること以外は、実施例１と同じである。
樹脂輪３ａの樹脂を玉に転移するための要因として、接触面圧、摺動速度、温度、面粗さ等がある。軌道面に相当する部分の面３ｄを平面とすることにより、樹脂と玉との接触面が狭くなる結果、接触面圧が高くなるので樹脂転移量がおおくなる。また、面３ｄを所定の曲面とすることにより接触面圧を制御することができる。
【００２２】
実施例３
図４は、他のアンギュラ玉軸受１を表す断面図である。この例は外輪側に樹脂輪３ａを、内輪側に樹脂輪２ａをそれぞれ設けた例である。ここで、樹脂輪３ａと樹脂輪２ａとの材料は同じ材料を適用する。
この軸受は、樹脂輪３ａに加え、樹脂輪２ａから玉４へのＰＴＦＥの転移を増加させることによって、潤滑作用を強化させることができる。
なお、各樹脂輪の軌道面に相当する部分の面は、実施例２と同じように平面であってもよい。
【００２３】
本発明の軸受は、液体水素あるいは液体酸素ターボポンプ用軸受に適しており、液体水素あるいは液体酸素の流れがスムーズになり、玉４と内輪２および外輪３の軌道面との接触点、玉４と保持器ポケット面との摺動点、保持器外径面と外輪内径面との摺動点での発熱が抑えられる。
【産業上の利用可能性】
【００２４】
本発明のアンギュラ玉軸受は、上記構造を有するので、特に液体水素、液体酸素、液体窒素やＬＮＧなどが用いられる極低温環境下で、あるいは真空中での使用に好適な軸受に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】アンギュラ玉軸受１を表す断面図である。
【図２】他のアンギュラ玉軸受１を表す断面図である。
【図３】他のアンギュラ玉軸受１を表す断面図である。
【図４】他のアンギュラ玉軸受１を表す断面図である。
【図５】従来のアンギュラ玉軸受を表す断面図である。
【符号の説明】
【００２６】
１  アンギュラ玉軸受
２  内輪
３  外輪
４  玉
５  保持器
６  間座
７  軸
８  バネ
【図１】
2005201334.tif 000003
【図２】
2005201334.tif 000004
【図３】
2005201334.tif 000005
【図４】
2005201334.tif 000006
【図５】
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