軸承保持器和具有該軸承保持器的滾動軸承的製作方法
2023-11-04 06:51:37
專利名稱：軸承保持器和具有該軸承保持器的滾動軸承的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種包含有作為基體材料的熱塑樹脂的軸承保持器，和具有該軸承保持器的滾動軸承。
相關技術的說明所述滾動軸承具有一個插入到一個內環和一個外環之間的保持器。保持器保持有多個滾動元件。在這種滾動軸承中，通常潤滑劑不在例如高溫和高壓等嚴酷的潤滑條件的環境下使用。而是替代地使保持器本身具有潤滑功能。作為一種用於使保持器本身具有潤滑功能的工藝，建議所述保持器由樹脂製成。
本發明人選擇並採用聚四氟乙烯(PTFE)作為保持器的基體材料。聚四氟乙烯具有優異的潤滑性能和優異的脫氣能力。
然而，採用聚四氟乙烯作為基體材料的保持器不能通過注塑成型，並且需要刮削來形成。因而，製造保持器需要很長時間，這增加了整個滾動軸承的製造成本。
已知有多種作為可注塑成型樹脂的熱塑樹脂。所述熱塑樹脂可以被用作所述保持器的基體材料。然而，所述保持器將與滾動元件等接觸。因此，當所述熱塑樹脂用作保持器的基體材料時，在滾動使用的早期會導致磨損量或保持器扭矩增大。
因此，該保持器的性能在早期會變差，並且具有保持器的滾動軸承的壽命受到影響。
發明的概述因此，本發明的目的是，使得採用熱塑性樹脂作為其基體材料的保持器的製造更為容易，並且防止在具有保持器的滾動軸承在使用早期時磨損量和保持器的扭矩增大。
為了實現上述目的，本發明的滾動軸承包括一個內環、一個與內環同心的外環，一個插入到內環和外環之間的保持器和由所述保持器保持的多個滾動元件。該保持器包括基體材料，加強纖維和固體潤滑劑。該基體材料為熱塑性樹脂。加強纖維和固體潤滑劑被混合到基體材料中。5到30wt％的加強纖維與基體材料相混合。作為三種材料的固體潤滑劑，即5到30wt％的聚四氟乙烯、3到15wt％的二硫化鉬(MoS2)和3到15wt％的石墨與基體材料相混合。
在本發明的滾動軸承的情況下，由於熱塑性樹脂被用作保持器的基體材料，所以保持器可以通過注塑成型。因此，保持器的製造時間可以被縮短，並且具有保持器的滾動軸承的製造成本可以被降低。在這種保持器中，加強纖維和固體潤滑劑被混合到熱塑性樹脂中。
在固體潤滑劑中包含有上述wt％的聚四氟乙烯、二硫化鉬和石墨。然而，熱塑性樹脂因此被用作保持器的基體材料，增強了耐摩擦性，灰塵產生特性被降低，保持器的壽命被延長。
通過由採用熱塑性樹脂的作為基體材料來構成，本發明的保持器可以被很容易地製造出來，而這正是熱塑性樹脂的特性。由於本發明的保持器在基體材料中包含有加強纖維和固體潤滑劑，所以採用熱塑性樹脂作為基體材料的保持器的缺點、例如耐磨損性能等可以被克服。因此採用這種保持器的滾動軸承的壽命被延長。
在本發明的滾動軸承中，優選從乙烯-四氟乙烯(ETEF)、聚醚醚酮(PEEK)、聚醯胺-醯亞胺(PAI)合金和熱塑性聚醯亞胺(TPI)中選擇。這些熱塑性樹脂具有優異的脫氣特性。加強纖維和固體潤滑劑的混合量特別地與熱塑性樹脂相應。因此，由於脫氣造成的環境汙染可以被抑制並且可長時間地表現出優異的潤滑性能。
優選地，在本發明的滾動軸承中，選擇鈦酸鉀須作為加強纖維。如果用鈦酸鉀須作為加強纖維，則可以增強保持器的強度，與保持器接觸的匹配部件將更不易傾向被損壞，並且可特別地增強抑制產生灰塵的效果。
附圖的簡單說明本發明的這些和其它的目的和優點經通過下述參考附圖對本發明的優選實施例的說明變得更加清楚，其中
圖1是具有根據本發明一個優選實施例的保持器的滾動軸承的上半部分的垂直剖視圖；圖2是圖1所示的滾動軸承中的保持器的透視圖；圖3是一個表示滾動軸承灰塵產生試驗的圖表，並且該試驗是在改變作為固體潤滑劑的聚四氟乙烯相應於作為保持器基體材料的熱塑性樹脂的混合量的情況下進行的；圖4是一個表示關於圖1所示滾動軸承的扭轉壽命試驗的圖表。
優選實施例的詳細說明現在參考圖1，說明一個向心推力球軸承10。軸承10是本發明的一個優選實施例的滾動軸承的例子。該軸承10包括一個內環1、一個外環2、多個作為滾動元件的球3、和一個保持器。保持器4是由外環2的一個內周面導向的外環導向型。在這種情況下，保持器4可以同樣被用到由內環1的一個外周面導向的內環導向型中。
內環1在其外周面的軸向中心部設置有一個具有弧形截面的滾道槽1a。內環1在外周面的一側的一個臺肩處設有一個埋頭孔5。該埋頭孔5通過倒角形成錐形形狀，以便在內環1的滾道槽1a中為球3留有鉤掛量(hooking margin)。外環2在其內周面的軸向中心部設有一個具有弧形截面的滾道槽2a。
保持器4是所謂的卡合保持器。該保持器4包括多個凹袋6。這些凹袋6在保持器4的直徑方向上在幾個相互等間距的位置處貫穿保持器4，並且在一個方向上軸向開口。
在保持器4中，熱塑性樹脂被用作基體材料，從而可以通過注塑形成保持器4。該保持器4在基體材料中包含加強纖維和固體潤滑劑。加強纖維和固體潤滑劑與基體材料以相應的預定比率(wt％)混合。這裡，wt％表示重量百分比。基體材料、加強纖維和固體潤滑劑的總wt％是100wt％。
用於保持器4基體材料的熱塑性樹脂是通過加熱可以軟化或熔融並且通過冷卻或被冷卻可以固化的樹脂。任何熱塑性樹脂均可以被用作保持器4的基體材料。作為基體材料的優選的熱塑性樹脂的例子是乙烯-四氟乙烯(ETEF)、聚醚醚酮(PEEK)、聚醯胺-醯亞胺(PAI)合金和熱塑性聚醯亞胺(TPI)。
聚醯胺-醯亞胺(PAI)合金的一個例子的是由Mitsubishi GasChemical Company，Inc.of Japan生產的AI聚合物(商品名稱)。熱塑性聚醯亞胺的一個例子是由Mitsui Chemicals，Inc.of Japan生產的Aurum(商品名稱)。
加強纖維與基體材料混合以便加強基體材料。優選地，纖維長度短的短纖維被選擇用於加強纖維。優選地，短纖維具有2μm或更小的直徑。
優選地，加強纖維具有0.3到0.6μm的平均纖維直徑。這裡，平均纖維直徑是指多個纖維的平均直徑。優選地，加強纖維具有10到20μm的平均纖維長度。這裡，平均纖維長度是指多個纖維的平均長度。優選地，加強纖維的混合量為5到30wt％。
固體潤滑劑與基體材料混合，以便使軸承10具有潤滑功能。優選地，作為固體潤滑劑，可選擇下述三種材料。即，這些材料是聚四氟乙烯(PTFE)、二硫化鉬和石墨。固體潤滑劑的混合量優選為，聚四氟乙烯為5到30wt％，二硫化鉬為3到15wt％，石墨為3到15wt％。
從上述事實可知，保持器4包含有熱塑性樹脂、加強纖維和固體潤滑劑。加強纖維的混合量為5到30wt％。固體潤滑劑包含三種材料聚四氟乙烯、二硫化鉬和石墨。聚四氟乙烯、二硫化鉬和石墨各自的混合量分別為5到30wt％、3到15wt％和3到15wt％。因此，保持器4可以通過注塑形成。
在這種情況下，鈦酸鉀須可以被選擇作為加強纖維。鈦酸鉀須具有可增強作為基體材料的熱塑性樹脂整體強度的特性，而鈦酸鉀須的纖維硬度低於例如玻璃纖維和碳纖維等其它通常的加強纖維。因此，鈦酸鉀須不會損害例如軸承的球3、內環1和外環2等匹配件，並且因此可以有助於防止從匹配件中產生灰塵。
加強纖維的混合量設置為5到30wt％的原因如下，當加強纖維的混合量增加時，加強纖維可以更有力地增強基體材料，而加強纖維反抗匹配部件的不好的特性也表現得更強。考慮到加強纖維的這種矛盾的特性，加強纖維混合量的下限被設定為5wt％，而上限被設定為30wt％。更優選地，加強纖維的混合量被設定為10到20wt％，最優選為10wt％。
如上所述，聚四氟乙烯被選擇用作固體潤滑劑的一種材料。這是因為聚四氟乙烯通過其磨耗的粉劑的轉移而起到優異的潤滑作用。
聚四氟乙烯的混合量由於下述原因被設定為5到30wt％。聚四氟乙烯混合量的上限是考慮到易於與相應的熱塑性樹脂混合而確定的，換而言之，應當易於注塑。結果，上限為30wt％。聚四氟乙烯混合量的下限是根據在保持器4被結合到滾動軸承中的條件下的實際工作試驗中產生灰塵的量來確定的。結果，下限為5wt％。
在實際工作試驗中使用的滾動軸承的型號為JIS(日本工業標準)軸承型號608。採用雷射散射型粒子計數器作為灰塵產生測量設備。試驗環境為10-5Pa和200℃，並且向軸承施加100N的軸向載荷。
作為保持器4，聚醚醚酮被用作基體材料。作為加強纖維的10wt％的鈦酸鉀須和作為固體潤滑劑的20wt％的聚四氟乙烯分別被混合併攪拌和熔融。
保持器4是通過將這三種材料裝入預定形狀的模具中而成型的。在僅改變聚四氟乙烯混合量的情況下，進行實際工作試驗。
結果如圖3的圖表所示。如果聚四氟乙烯的混合量變為2wt％或更少，則產生灰塵的量顯著增加。如果聚四氟乙烯的混合量超過2wt％，產生灰塵的量將逐漸減少。如果聚四氟乙烯的混合量變為10wt％或更多，則產生灰塵的量被減少到在2wt％或更少的情況下的一半。如果聚四氟乙烯的混合量變為5wt％，則預計產生灰塵的量為在10wt％或更多的情況和2wt％或更少的情況之間的值。
在圖3中，垂直軸線表示比率，水平軸線表示聚四氟乙烯的混合量(wt％)。這裡，比率是摩擦係數。表3中示出的比率「100」是當聚四氟乙烯的混合量為0wt％時的摩擦係數。因此，當聚四氟乙烯的混合量開始從0wt％增加時，所述比率開始從數值100相應減少。
從上述結果可以看出，最優選地，聚四氟乙烯的下限被設置為10wt％或更高。然而，根據使用環境的條件，5wt％的聚四氟乙烯可以表現出足夠的潤滑特性。因此，聚四氟乙烯的下限被設定為5wt％。
二硫化鉬和石墨的混合量被設定為3到15wt％的原因如下，即，如果它們的混合量被設定為小於3wt％，則它們的潤滑特性變差。如果它們的混合量超過15wt％，則它們的機械強度變差。進而，二硫化鉬和石墨的混合量更優選地為6到15wt％。
下面，進行滾動軸承的扭轉壽命試驗。試驗條件如下。保持器4被結合到型號為JIS軸承型號608的滾動軸承中。扭轉試驗設備是一個真空高溫扭轉試驗設備。該試驗環境為10-5Pa和200℃，並且向滾動軸承施加100N的軸向載荷。扭轉壽命是指直到被測量的轉矩到達初始轉矩的三倍或更高為止所花的驅動時間。
扭轉壽命試驗將對總共四個保持器進行，即第一到第三比較例和所述實施例。
第一比較例的保持器採用聚醚醚酮作為基體材料。只將30wt％的鈦酸鉀須作為加強纖維與基體材料混合，而且不混合固體潤滑劑。第一比較例的保持器是通過向預定形狀的模具中充入所述材料製成的。
第二個比較例的保持器採用聚醚醚酮作為基體材料。將作為加強纖維、具有2μm或更小直徑的10wt％的鈦酸鉀須和作為固體潤滑劑的20wt％的聚四氟乙烯與基體材料混合。在這些基體材料、加強纖維和固體潤滑劑被攪拌並熔融之後，它們被充入預定形狀的模具中。從而製成第一比較例的保持器。
第三比較例的保持器4採用聚醚醚酮作為基體材料。作為加強纖維、具有2μm或更小直徑的10wt％的鈦酸鉀須和作為固體潤滑劑的兩種材料、即20wt％的聚四氟乙烯和3wt％的二硫化鉬與基體材料混合。
實施例的保持器4採用聚醚醚酮作為基體材料。作為加強纖維、具有2μm或更小直徑的10wt％的鈦酸鉀須和作為固體潤滑劑的三種材料、即15wt％的聚四氟乙烯和3wt％的二硫化鉬以及5wt％的石墨與基體材料混合。
從而，如圖4所示，第一比較例的保持器壽命被定義為「1」。根據保持器壽命的定義，第二比較例的保持器壽命具有大約三倍的長度，第三比較例的保持器壽命具有大約四倍的長度，而實施例的保持器壽命甚至在經過十二倍或更長的時間之後仍可使用。
上述試驗表明，當在第三個比較例中僅有兩種材料(聚四氟乙烯和二硫化鉬)作為固體潤滑劑被混合時，保持器的壽命便被顯著的延長。
實施例的試驗表明，如果三種材料(聚四氟乙烯、二硫化鉬和石墨)被作為潤滑劑混合，則保持器的壽命被進一步延長。
如上面所解釋的那樣，如果採用實施例的保持器，則保持器可以通過注塑進行批量生產，可以抑制灰塵產生特性，扭轉壽命顯著延長，並且因此，保持器可以被有效地用在同時需要低灰塵產生特性和長的軸承壽命的領域中。
本發明的滾動軸承不局限於向心推力球軸承。
本發明的滾動軸承可以是一個如深槽球軸承、滾柱軸承、滾針軸承、錐形滾珠軸承和球面滾柱軸承等。
根據軸承的類型，可以採用各種類型的保持器4，例如卡合保持器或精製保持器。本發明可以被應用於任何類型。保持器4被插入到內環1和外環2之間，用以保持多個滾動元件。分別具有圓形外周面和圓形內周面的內環1和外環2可以由一個具有圓形滾道表面的構件構成。
本發明的滾動軸承可以被用於半導體製造設備、汽車發動機的增壓器、燃氣輪機、工具機等。
特別地，當本發明的滾動軸承被用於高溫和高速旋轉的條件下時，內環1、外環2和滾珠3優選由高碳鉻合金軸承鋼(JIS規格SUJ2)、耐熱材料或陶瓷製成。耐熱材料的例子是，例如馬氏體不鏽鋼(JISSUS440C、SUS420C等)，耐熱、耐蝕合金(AISI規格M-50、JIS高速工具鋼SKH4等)，耐熱軸承鋼等金屬材料。滾動軸承的材料可以經受適當的硬化處理，例如淬火、回火等。
耐熱軸承鋼包含有碳(大於等於0.8wt％，小於等於1.5wt％)、矽(大於等於0.5wt％，小於等於2.0wt％)、錳(大於等於0.3wt％，小於等於2.0wt％)、鉻(大於等於1.3wt％，小於等於2.1wt％)、和鉬(大於等於0.3wt％，小於等於1.0wt％)，並且包含總量在1.0wt％或更高的範圍內的矽和鉬，其餘為鐵和不可避免的雜質。
陶瓷的主要材料為氮化矽(Si3N4)，並且為了幫助燒結，向氮化矽中加入氧化釔(Y2O3)、氧化鋁(AL2O3)、氮化鋁(ALN)、氧化鈦(TiO2)，或者採用氧化鋁(AL2O3)、碳化矽(SiC)、氧化鋯(ZrO2)或氮化鋁(ALN)。
雖然上面已經描述了本發明目前所考慮到的優選實施例，但是應當理解，可以對其進行各種改變，並且，在後面所附的權利要求中所覆蓋的所有這些變型將落入本發明的真正主旨和範圍內。
權利要求
1.一種滾動軸承，包括一個內環；一個與所述內環同心的外環；一個插入到所述內環和所述外環之間的保持器；以及多個由所述保持器保持的滾動元件；其中所述保持器包含基體材料、加強纖維和固體潤滑劑；所述基體材料為熱塑性樹脂；5到30wt％的所述加強纖維與所述基體材料混合；所述固體潤滑劑包含5到30wt％的聚四氟乙烯、3到15wt％的二硫化鉬和3到15wt％的石墨，並且將它們與所述基體材料混合。
2.如權利要求1所述的滾動軸承，其中，所述基體材料從乙烯-四氟乙烯、聚醚醚酮、聚醯胺-醯亞胺合金和熱塑性聚醯亞胺中選擇。
3.如權利要求1所述的滾動軸承，其中，所述加強纖維是鈦酸鉀須。
4.如權利要求1所述的滾動軸承，其中，所述加強纖維是具有2μm或更小直徑的短纖維。
5.如權利要求1所述的滾動軸承，其中，所述加強纖維是具有0.3到0.6μm平均纖維直徑的纖維。
6.如權利要求1所述的滾動軸承，其中，所述加強纖維是具有10到20μm平均纖維長度的纖維。
7.一種滾動軸承，包括一個內環；一個與所述內環同心的外環；一個插入到所述內環和所述外環之間的保持器；以及多個由所述保持器保持的滾動元件；其中所述保持器包括基體材料、加強纖維和固體潤滑劑；所述基體材料為從所述基體材料從乙烯-四氟乙烯、聚醚醚酮、聚醯胺-醯亞胺合金和熱塑性聚醯亞胺中選擇的熱塑性樹脂；5到30wt％的所述加強纖維與所述基體材料混合；所述固體潤滑劑包含5到30wt％的聚四氟乙烯、3到15wt％的二硫化鉬和3到15wt％的石墨，並且與所述基體材料混合。
8.一種滾動軸承，包括一個內環；一個與所述內環同心的外環；一個插入到所述內環和所述外環之間的保持器；以及多個由所述保持器保持的滾動元件；其中所述保持器包括基體材料、加強纖維和固體潤滑劑；所述基體材料為從所述基體材料從乙烯-四氟乙烯、聚醚醚酮、聚醯胺-醯亞胺合金和熱塑性聚醯亞胺中選擇的熱塑性樹脂；所述加強纖維為鈦酸鉀須，5到30wt％的所述加強纖維與所述基體材料混合；所述固體潤滑劑包含5到30wt％的聚四氟乙烯、3到15wt％的二硫化鉬和3到15wt％的石墨，並且與所述基體材料混合。
9.一種插入到一個內環構件和一個外環構件之間的軸承保持器，所述軸承保持器包括基體材料；加強纖維；以及固體潤滑劑；其中所述基體材料是熱塑性樹脂；所述加強纖維和所述固體潤滑劑與所述基體材料混合；所述固體潤滑劑包含聚四氟乙烯、二硫化鉬和石墨。
10.如權利要求9所述的軸承保持器，其中，所述熱塑性樹脂為乙烯-四氟乙烯。
11.如權利要求9所述的軸承保持器，其中，所述熱塑性樹脂是聚醚醚酮。
12.如權利要求9所述的軸承保持器，其中，所述熱塑性樹脂是聚醯胺-醯亞胺合金。
13.如權利要求9所述的軸承保持器，其中，所述熱塑性樹脂是熱塑性聚醯亞胺。
14.如權利要求9所述的軸承保持器，其中，5到30wt％的所述加強纖維與所述基體材料混合。
15.如權利要求9所述的軸承保持器，其中，混合有5到30wt％的所述聚四氟乙烯、3到15wt％的所述二硫化鉬和3到15wt％的石墨。
16.如權利要求9所述的軸承保持器，其中，所述加強纖維是鈦酸鉀須。
17.如權利要求9所述的軸承保持器，其中，所述加強纖維是具有2μm或更小直徑的短纖維。
18.如權利要求9所述的軸承保持器，其中，所述加強纖維是具有0.3到0.6μm平均纖維直徑的纖維。
19.如權利要求9所述的軸承保持器，其中，所述加強纖維是具有10到20μm平均纖維長度的纖維。
20.一種插入到一個內環構件和一個外環構件之間的軸承保持器，所述軸承保持器包括基體材料；加強纖維；以及固體潤滑劑；其中所述基體材料是從乙烯-四氟乙烯、聚醚醚酮、聚醯胺-醯亞胺合金和熱塑性聚醯亞胺中選擇的熱塑性樹脂；5到30wt％的所述加強纖維與所述基體材料混合；所述固體潤滑劑包含5到30wt％的聚四氟乙烯、3到15wt％的二硫化鉬和3到15wt％的石墨，並且與所述基體材料混合。
21.一種插入到一個內環構件和一個外環構件之間的軸承保持器，所述軸承保持器包括基體材料；加強纖維；以及固體潤滑劑；其中所述基體材料是乙烯-四氟乙烯、聚醚醚酮、聚醯胺-醯亞胺合金和熱塑性聚醯亞胺中選擇的熱塑性樹脂；所述加強纖維為鈦酸鉀須，5到30wt％的所述加強纖維與所述基體材料混合；所述固體潤滑劑包含5到30wt％的聚四氟乙烯、3到15wt％的二硫化鉬和3到15wt％的石墨，並且與所述基體材料混合。
全文摘要
一種滾動軸承,包括:一個內環、一個與內環同心的外環、多個介於內環和外環之間的滾動元件、和一個具有凹袋的保持器,每個凹袋中容納一個滾動元件。該保持器包含由熱塑性樹脂製成的基體材料。加強纖維和固體潤滑劑被混合到基體材料中。固體潤滑劑包括三種材料:即,聚四氟乙烯、二硫化鉬和石墨。
文檔編號F16C33/44GK1379193SQ0210872
公開日2002年11月13日 申請日期2002年3月29日 優先權日2001年3月29日
發明者大逸純也, 豐田泰 申請人:光洋精工株式會社