円筒ころ軸受

【課題】極低温流体中で使用される円筒ころ軸受において、ころ端面にも十分に固体潤滑剤を移着できるようにすることである。
【解決手段】内輪１２、外輪１３、これらの軌道面１４、１５間に介在された円筒形の多数のころ１６及び各ころ１６を一定間隔に保持する保持器１７とからなり、前記保持器１７が固体潤滑剤を含んだ材料によって形成された円筒ころ軸受において、固定側の外輪１３のつば２０ところ１６との間に固体潤滑剤を含んだ潤滑リング２６が介在された構成とした。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、円筒ころ軸受に関し、特に液体ロケットエンジン用ターボポンプの極低温流体中で使用される円筒ころ軸受に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
現行の液体ロケットエンジン用ターボポンプに使用される軸受（アンギュラ玉軸受）は、液体水素や液体酸素中の極低温流体中で使用されるため、潤滑油やグリースによる潤滑を採用することはできない。このため、固体潤滑剤であるＰＴＦＥ(ポリテトラフルオロエチレン)をガラス織布に含浸させた複合材によって保持器を形成し、回転中に保持器のポケットに滑り接触する転動体及びその転動体と接触する軌道輪の軌道面に固体潤滑剤を移着することで潤滑を行うようにしている（特許文献１）。
【０００３】
この場合、運転開始直後においては保持器からの固体潤滑剤の移着が不十分であるため、予め転動体及び軌道面にスパッタリングによって固体潤滑剤の被膜を形成することにより、運転初期における潤滑性を確保している（非特許文献１）
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−５７７４４号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】「ロケットターボポンプ用軸受の保持器複合材の潤滑特性」野坂正隆日本複合材料学会誌第２０巻、第６号、１９４４（２．ターボポンプと軸受）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
液体ロケットエンジン用ターボポンプでは、性能及び信頼性を高めるため、軸受のラジアル剛性を向上させる必要があるが、従来使用されているアンギュラ玉軸受では大幅なラジアル剛性の向上は望めない。そこで、ラジアル剛性の高い円筒ころ軸受を使用する。
【０００７】
しかし、アンギュラ玉軸受において採られていた従来の潤滑手段をそのまま円筒ころ軸受に適用しただけでは、ころの端面に固体潤滑剤を積極的に移着させることができず、ころの端面とこれに対向した軌道輪のつばとの間の潤滑が不十分になる問題がある。
【０００８】
そこで、この発明はころの端面にも十分に固体潤滑剤を移着させることができる構造の円筒ころ軸受を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記の課題を解決するために、この発明は、内輪、外輪、これらの軌道面間に介在された円筒形の多数のころ及び各ころを一定間隔に保持する保持器とからなり、前記保持器が固体潤滑剤を含んだ材料によって形成された円筒ころ軸受において、固定側の軌道輪のつばところとの間に固体潤滑剤を含んだ潤滑リングが介在された構成を採用した。
【００１０】
前記ころが保持器の柱部に接触することによりころの転動面に固体潤滑剤が移着され、ころの自転に伴いその固体潤滑剤が内外輪の軌道面に移着される。
【００１１】
固定側の軌道輪のつばと潤滑リングの間に固定リングが介在された構成を採ることが望ましい。固定リングにより潤滑リングの軸方向の反りを抑制させることができ、ころの端面と潤滑リングとの接触が確実となる。
【００１２】
前記固定リングを潤滑リングとつばとの間に設けられた嵌合溝に密着嵌合させることにより、固定リングの姿勢を安定させることができる。前記嵌合溝の幅に比べて固定リングの幅が小さい場合は、嵌合溝とつばと間に皿ばね等の弾性体を介在することにより固定リングを安定させることができる。弾性体を介在させる構成は、固定リングや潤滑リングの幅が狭く剛性が低い場合のこれら部品の反りを防止するうえで有効である。
【発明の効果】
【００１３】
以上のように、この発明によれば、液体水素や液体酸素などの極低温流体中で使用されることにより、潤滑油やグリースによる潤滑手段を採用できない場合の円筒ころ軸受において、ころの転動面はもとより、ころの端面にも積極的に固体潤滑剤を移着させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１は、実施形態１の円筒ころ軸受の断面図である。
【図２】図２は、同上の一部拡大断面図である。
【図３】図３は、同上の保持器部分の一部拡大平面図である。
【図４】図４は、同上の固定リングの斜視図である。
【図５】図５は、同上の一部拡大断面図である。
【図６】図６は、同上の円筒ころ軸受とアキシャル玉軸受の組み合わせ断面図である。
【図７】図７は、実施形態２の円筒ころ軸受の一部断面図である。
【図８】図８は、同上の一部拡大断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、この発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
[実施形態１]
【００１６】
図１及び図２に示した実施形態１の円筒ころ軸受１１は、通常の場合と同様の内輪１２、外輪１３、これらの軌道面１４、１５の間に介在された円筒形の多数のころ１６及び各ころ１６を一定間隔に保持する保持器１７を備えた内輪回転の円筒ころ軸受である。
【００１７】
保持器１７は、内輪１２に接触して回転される内輪案内形式であり、ガラス織布にＰＴＦＥ等の自己潤滑性を有する固体潤滑剤を含浸させた複合材によって形成される。保持器１７は、図３に示したように、軸方向両側の円環部１７ａと、その円環部１７ａ相互間を連結する一定間隔の柱部１７ｂによって構成され、前記円環部１７ａと柱部１７ｂによって囲まれた多数のポケット１８が円周方向に等間隔に設けられる。ポケット１８内にころ１６が収納され、ころ１６の両端面１９が円環部１７ａに接触し、転動面２１が柱部１７ｂに接触する。
【００１８】
図２に示したように、前記内輪１２の軌道面１４の両側に外径方向に立ち上がったつば２２が設けられる。つば２２の軌道面１４からの高さをｘ１とする。外輪１３の軌道面１５の両側に外径方向の段差面２３が設けられ、その段差面２３だけ拡径された取付け面２４が設けられる。前記取付け面２４と外輪１３のつば２０の間に嵌合溝２５が設けられる。
【００１９】
前記段差面２３と取付け面２４によって形成されるコーナ部に、潤滑リング２６が介在される。潤滑リング２６は、ＰＴＦＥ等の自己潤滑性を有する固体潤滑剤によって形成される。また、より強度が求められる場合は、ガラス織布に上述の固体潤滑剤を含浸させた複合材によって形成してもよい。取付け面２４の軸方向の幅は潤滑リング２６の幅に一致するよう形成され、嵌合溝２５に収納された固定リング２７が前記潤滑リング２６に密着する。固定リング２７はスプリットリングにより形成される（図４参照）。
【００２０】
潤滑リング２６の内径は、外輪１３の軌道面１５から高さｘ２だけ内径側に突き出す大きさに設定される。前記高さｘ２は、前記内輪１２のつば２２の高さｘ１と等しいか、大きく設定される（ｘ１≦ｘ２）。
【００２１】
前記固定リング２７の内径は潤滑リング２６の内径に等しいか、わずかに大きく形成され、固定リング２７によって潤滑リング２６が運転中にころ１６と接触した時の軸方向の反りが抑制される。
【００２２】
図２に示したように、前記のころ１６が軌道面１４、１５のセンター位置にある場合において、ころ１６の各端面１９と潤滑リング２６の内側面２９との軸方向スキマｙ及び内輪１２のつば２２の内側面２８との軸方向スキマｚは、ｙ＜ｚの関係になるように設定される。
【００２３】
スキマｙ、ｚが前記の関係にあることにより、つば２２の内側面２８の位置が潤滑リング２６の内側面２９の位置よりわずかな量δ（＝ｚ−ｙ）だけ外方にある。これにより、ころ１６が軸方向に移動して（図５の矢印ａ参照）その端面１９が潤滑リング２６の内側面２９に接触した際において、端面１９とつば２２の内側面２８との間にδの大きさの微小スキマが生じる。
【００２４】
なお、運転開始直後においては保持器１７及び潤滑リング２６からの固体潤滑材（ＰＴＦＥ）の移着が不十分であることに対処すべく、予めころ１６及び軌道面１４、１５及び内輪１２のつば２２の内側面２８にスパッタリングによって固体潤滑剤被膜を形成することにより、運転初期における潤滑性を確保する。
【００２５】
図６は、前記円筒ころ軸受１１とアンギュラ玉軸受３１を組み合わせた使用例を示す。アンギュラ玉軸受３１は、その内輪３２の幅面３４と外輪３３の幅面３５を円筒ころ軸受１１の内輪１２と外輪１３の端面に接触させている。これによりアンギュラ玉軸受３１でアキシャル荷重を負荷し、円筒ころ軸受１１の軌道面１４、１５のセンター位置を合わせ、内輪１２及び外輪１３の軸方向位置を固定するようにしている。
【００２６】
実施形態１の円筒ころ軸受１１は以上のように構成される。なお、外輪回転の場合は、固定側となる内輪に同様の構成を持つ。
次にその作用について説明する。
【００２７】
前記のように、運転の初期においては、予め形成された固体潤滑剤被膜によってころ１６及び軌道面１４、１５が潤滑される。また、前記のδの大きさの微小スキマがあることにより、運転初期においては、ころ１６の端面１９は潤滑リング２６の内側面２９に接触するが、つば２２の内側面２８には接触しない。これにより、固体潤滑剤を移着する前に、ころ１６の端面１９がつば２２の内側面２８に接触することが避けられる。
【００２８】
ころ１６の転動面２１が柱部１７ｂに接触することにより、転動面２１に固体潤滑剤の移着が行われる。ころ１６の回転に伴い転動面２１に移着した固体潤滑剤は各軌道面１４、１５に移着される。
【００２９】
ころ１６は左右のすきまｙの範囲で軸方向に動きながら自転しつつ公転する。ころ１６の端面１９が潤滑リング２６の内側面２９と接触することにより、端面１９と高さｘ２の範囲の接触部分に移着が行われる。
【００３０】
つば２２の高さｘ１と潤滑リング２６の高さｘ２の関係を、ｘ１≦ｘ２に設定しておくことにより、ころ端面１９が内側面２８と接触する部分を補うことができる。
【００３１】
運転が進行し、潤滑リング２６の内側面２９にδ（図５参照）に相当する厚さ分の摩耗が生じると、ころ１６の端面１９には十分に固体潤滑剤の移着が進んでいるから、その時点でころ１６の端面１９とつば２２の内側面２８が接触し、潤滑が不十分になることはない。
[実施形態２]
【００３２】
図７に示した実施形態２に係る円筒ころ軸受１１は、軸受幅が狭く前記の潤滑リング２６及び固定リング２７を装着するための幅Ｅを十分に確保できず、これらの部品に十分な厚さを持たせることができない場合の対策として有効な構造である。
【００３３】
即ち、潤滑リング２６及び固定リング２７の厚さが十分でなく、その剛性が低い場合、潤滑リング２６にころ１６の端面１９が接触して外向きの荷重が加えられると、潤滑リング２６が軸受外側方へ大きく弾性変形する可能性がある。その場合、端面１９と潤滑リング２６との接触面積が減少するため、固体潤滑剤を端面１９側へ十分に移着することができない不都合が生じる。
【００３４】
このような不都合を防止すべく、実施形態２の場合は、嵌合溝２５に収容された固定リング２７の外側面に弾性体として皿ばね３６を介在して、固定リング２７の背面を支えるようにしたものである。
【００３５】
図８に示したように、固定リング２７と嵌合溝２５の内端面間の幅をＭ、皿ばね３６の自由高さ（無負荷時高さ）をＨ、ころ１６の端面１９と潤滑リング２６の内側面２９のスキマをＦとすると、Ｍ≦Ｈ、ただし、Ｍ＜Ｈのとき、Ｈ−Ｍ＜Ｆの関係に設定される。
【００３６】
前記のただし書きは、Ｍ＜Ｈの関係があると皿ばね３６の力によって潤滑リング２６がころ１６側へ反ることになるが、その場合においても潤滑リング２６がころ１６の端面１９に荷重を加えない、即ち、接触しないように当該皿ばね３６の自由高さを設定すべきであることを意味する。
【００３７】
以上の構成により、ころ１６に余計な荷重が加えられることがなく、またころ１６の端面１９が潤滑リング２６と接触した際に外側方へ反ることがない。このため、潤滑リング２６及び固定リング２７の厚さが十分にとれない場合であっても、前記実施形態１の場合と同様に、前述の高さｘ２の範囲においてころ１６の端面１９が潤滑リング２６に接触し、ころ１６の端面１９に固体潤滑剤を移着させることができる。
【符号の説明】
【００３８】
１１円筒ころ軸受
１２内輪
１３外輪
１４、１５軌道面
１６ころ
１７保持器
１７ａ円環部
１７ｂ柱部
１８ポケット
１９端面
２０つば
２１転動面
２２つば
２３段差面
２４取付け面
２５嵌合溝
２６潤滑リング
２７固定リング
２８内側面
２９内側面
３１アンギュラ玉軸受
３２内輪
３３外輪
３４幅面
３５幅面
３６皿ばね

【特許請求の範囲】
【請求項１】
内輪、外輪、これらの軌道面間に介在された円筒状のころ及び前記ころの保持器とからなり、前記保持器が固体潤滑剤を含んだ材料によって形成された円筒ころ軸受において、固定側の軌道輪のつばところとの間に固体潤滑剤を含んだ潤滑リングが介在されたことを特徴とする円筒ころ軸受。
【請求項２】
前記固定側の軌道輪のつばと潤滑リングの間に固定リングが介在されたことを特徴とする請求項１に記載の円筒ころ軸受。
【請求項３】
前記潤滑リングが、固体潤滑剤又はガラス織布に固体潤滑剤を含浸させた複合材によって形成されたことを特徴とする請求項１又は２に記載の円筒ころ軸受。
【請求項４】
前記固定側の軌道面の両側に拡径方向の段差面を介して前記潤滑リングの幅に一致する取付け面が設けられ、前記取付け面とつばの間に前記固定リングの嵌合溝が設けられ、前記取付け面と段差面とによって形成されるコーナ部に前記潤滑リングが介在され、前記嵌合溝に嵌合された固定リングが前記潤滑リングに接触して当該潤滑リングの軸方向の反りを抑制することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の円筒ころ軸受。
【請求項５】
前記嵌合溝の幅が前記固定リングの幅に合致するように形成され、当該固定リングが前記嵌合溝に密着嵌合されたことを特徴とする請求項４に記載の円筒ころ軸受。
【請求項６】
前記嵌合溝の幅が前記固定リングの幅より大きく設定され、前記嵌合溝に嵌合された前記固定リングと前記固定側の軌道輪のつばとの間に弾性体が介在されたことを特徴とする請求項４に記載の円筒ころ軸受。
【請求項７】
前記弾性体が皿ばねであることを特徴とする請求項６に記載の円筒ころ軸受。
【請求項８】
固定側の軌道輪のつばの高さｘ１と、前記潤滑リングの固定側の軌道輪の軌道面からの高さｘ２の関係がｘ１≦ｘ２の関係にあることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の円筒ころ軸受。
【請求項９】
前記潤滑リングの内側面の位置に対し、前記回転側の軌道輪のつば内側面の位置が微小距離δだけ外側方に位置していることを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の円筒ころ軸受。
【請求項１０】
前記固体潤滑剤がＰＴＦＥであることを特徴とする請求項１から９のいずれかに記載の円筒ころ軸受。
【請求項１１】
前記内輪及び外輪の軌道面及びころにスパッタリングにより固体潤滑剤の被膜が形成されたことを特徴とする請求項１から１０のいずれかに記載の円筒ころ軸受。
【請求項１２】
保持器が固体潤滑剤を含む材料によって形成されたアンギュラ玉軸受を軸方向に組み合わせことを特徴とする請求項１から１１のいずれか記載の円筒ころ軸受。
【請求項１３】
用途が液体ロケットエンジン用ターボポンプ軸受であることを特徴とする請求項１から１２のいずれかに記載の円筒ころ軸受。

【図１】