专利名称：轴承保持器和具有该轴承保持器的滚动轴承的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种包含有作为基体材料的热塑树脂的轴承保持器，和具有该轴承保持器的滚动轴承。
相关技术的说明所述滚动轴承具有一个插入到一个内环和一个外环之间的保持器。保持器保持有多个滚动元件。在这种滚动轴承中，通常润滑剂不在例如高温和高压等严酷的润滑条件的环境下使用。而是替代地使保持器本身具有润滑功能。作为一种用于使保持器本身具有润滑功能的工艺，建议所述保持器由树脂制成。
本发明人选择并采用聚四氟乙烯(PTFE)作为保持器的基体材料。聚四氟乙烯具有优异的润滑性能和优异的脱气能力。
然而，采用聚四氟乙烯作为基体材料的保持器不能通过注塑成型，并且需要刮削来形成。因而，制造保持器需要很长时间，这增加了整个滚动轴承的制造成本。
已知有多种作为可注塑成型树脂的热塑树脂。所述热塑树脂可以被用作所述保持器的基体材料。然而，所述保持器将与滚动元件等接触。因此，当所述热塑树脂用作保持器的基体材料时，在滚动使用的早期会导致磨损量或保持器扭矩增大。
因此，该保持器的性能在早期会变差，并且具有保持器的滚动轴承的寿命受到影响。
发明的概述因此，本发明的目的是，使得采用热塑性树脂作为其基体材料的保持器的制造更为容易，并且防止在具有保持器的滚动轴承在使用早期时磨损量和保持器的扭矩增大。
为了实现上述目的，本发明的滚动轴承包括一个内环、一个与内环同心的外环，一个插入到内环和外环之间的保持器和由所述保持器保持的多个滚动元件。该保持器包括基体材料，加强纤维和固体润滑剂。该基体材料为热塑性树脂。加强纤维和固体润滑剂被混合到基体材料中。5到30wt％的加强纤维与基体材料相混合。作为三种材料的固体润滑剂，即5到30wt％的聚四氟乙烯、3到15wt％的二硫化钼(MoS2)和3到15wt％的石墨与基体材料相混合。
在本发明的滚动轴承的情况下，由于热塑性树脂被用作保持器的基体材料，所以保持器可以通过注塑成型。因此，保持器的制造时间可以被缩短，并且具有保持器的滚动轴承的制造成本可以被降低。在这种保持器中，加强纤维和固体润滑剂被混合到热塑性树脂中。
在固体润滑剂中包含有上述wt％的聚四氟乙烯、二硫化钼和石墨。然而，热塑性树脂因此被用作保持器的基体材料，增强了耐摩擦性，灰尘产生特性被降低，保持器的寿命被延长。
通过由采用热塑性树脂的作为基体材料来构成，本发明的保持器可以被很容易地制造出来，而这正是热塑性树脂的特性。由于本发明的保持器在基体材料中包含有加强纤维和固体润滑剂，所以采用热塑性树脂作为基体材料的保持器的缺点、例如耐磨损性能等可以被克服。因此采用这种保持器的滚动轴承的寿命被延长。
在本发明的滚动轴承中，优选从乙烯-四氟乙烯(ETEF)、聚醚醚酮(PEEK)、聚酰胺-酰亚胺(PAI)合金和热塑性聚酰亚胺(TPI)中选择。这些热塑性树脂具有优异的脱气特性。加强纤维和固体润滑剂的混合量特别地与热塑性树脂相应。因此，由于脱气造成的环境污染可以被抑制并且可长时间地表现出优异的润滑性能。
优选地，在本发明的滚动轴承中，选择钛酸钾须作为加强纤维。如果用钛酸钾须作为加强纤维，则可以增强保持器的强度，与保持器接触的匹配部件将更不易倾向被损坏，并且可特别地增强抑制产生灰尘的效果。
附图的简单说明本发明的这些和其它的目的和优点经通过下述参考附图对本发明的优选实施例的说明变得更加清楚，其中
图1是具有根据本发明一个优选实施例的保持器的滚动轴承的上半部分的垂直剖视图；图2是图1所示的滚动轴承中的保持器的透视图；图3是一个表示滚动轴承灰尘产生试验的图表，并且该试验是在改变作为固体润滑剂的聚四氟乙烯相应于作为保持器基体材料的热塑性树脂的混合量的情况下进行的；图4是一个表示关于图1所示滚动轴承的扭转寿命试验的图表。
优选实施例的详细说明现在参考图1，说明一个向心推力球轴承10。轴承10是本发明的一个优选实施例的滚动轴承的例子。该轴承10包括一个内环1、一个外环2、多个作为滚动元件的球3、和一个保持器。保持器4是由外环2的一个内周面导向的外环导向型。在这种情况下，保持器4可以同样被用到由内环1的一个外周面导向的内环导向型中。
内环1在其外周面的轴向中心部设置有一个具有弧形截面的滚道槽1a。内环1在外周面的一侧的一个台肩处设有一个埋头孔5。该埋头孔5通过倒角形成锥形形状，以便在内环1的滚道槽1a中为球3留有钩挂量(hooking margin)。外环2在其内周面的轴向中心部设有一个具有弧形截面的滚道槽2a。
保持器4是所谓的卡合保持器。该保持器4包括多个凹袋6。这些凹袋6在保持器4的直径方向上在几个相互等间距的位置处贯穿保持器4，并且在一个方向上轴向开口。
在保持器4中，热塑性树脂被用作基体材料，从而可以通过注塑形成保持器4。该保持器4在基体材料中包含加强纤维和固体润滑剂。加强纤维和固体润滑剂与基体材料以相应的预定比率(wt％)混合。这里，wt％表示重量百分比。基体材料、加强纤维和固体润滑剂的总wt％是100wt％。
用于保持器4基体材料的热塑性树脂是通过加热可以软化或熔融并且通过冷却或被冷却可以固化的树脂。任何热塑性树脂均可以被用作保持器4的基体材料。作为基体材料的优选的热塑性树脂的例子是乙烯-四氟乙烯(ETEF)、聚醚醚酮(PEEK)、聚酰胺-酰亚胺(PAI)合金和热塑性聚酰亚胺(TPI)。
聚酰胺-酰亚胺(PAI)合金的一个例子的是由Mitsubishi GasChemical Company，Inc.of Japan生产的AI聚合物(商品名称)。热塑性聚酰亚胺的一个例子是由Mitsui Chemicals，Inc.of Japan生产的Aurum(商品名称)。
加强纤维与基体材料混合以便加强基体材料。优选地，纤维长度短的短纤维被选择用于加强纤维。优选地，短纤维具有2μm或更小的直径。
优选地，加强纤维具有0.3到0.6μm的平均纤维直径。这里，平均纤维直径是指多个纤维的平均直径。优选地，加强纤维具有10到20μm的平均纤维长度。这里，平均纤维长度是指多个纤维的平均长度。优选地，加强纤维的混合量为5到30wt％。
固体润滑剂与基体材料混合，以便使轴承10具有润滑功能。优选地，作为固体润滑剂，可选择下述三种材料。即，这些材料是聚四氟乙烯(PTFE)、二硫化钼和石墨。固体润滑剂的混合量优选为，聚四氟乙烯为5到30wt％，二硫化钼为3到15wt％，石墨为3到15wt％。
从上述事实可知，保持器4包含有热塑性树脂、加强纤维和固体润滑剂。加强纤维的混合量为5到30wt％。固体润滑剂包含三种材料聚四氟乙烯、二硫化钼和石墨。聚四氟乙烯、二硫化钼和石墨各自的混合量分别为5到30wt％、3到15wt％和3到15wt％。因此，保持器4可以通过注塑形成。
在这种情况下，钛酸钾须可以被选择作为加强纤维。钛酸钾须具有可增强作为基体材料的热塑性树脂整体强度的特性，而钛酸钾须的纤维硬度低于例如玻璃纤维和碳纤维等其它通常的加强纤维。因此，钛酸钾须不会损害例如轴承的球3、内环1和外环2等匹配件，并且因此可以有助于防止从匹配件中产生灰尘。
加强纤维的混合量设置为5到30wt％的原因如下，当加强纤维的混合量增加时，加强纤维可以更有力地增强基体材料，而加强纤维反抗匹配部件的不好的特性也表现得更强。考虑到加强纤维的这种矛盾的特性，加强纤维混合量的下限被设定为5wt％，而上限被设定为30wt％。更优选地，加强纤维的混合量被设定为10到20wt％，最优选为10wt％。
如上所述，聚四氟乙烯被选择用作固体润滑剂的一种材料。这是因为聚四氟乙烯通过其磨耗的粉剂的转移而起到优异的润滑作用。
聚四氟乙烯的混合量由于下述原因被设定为5到30wt％。聚四氟乙烯混合量的上限是考虑到易于与相应的热塑性树脂混合而确定的，换而言之，应当易于注塑。结果，上限为30wt％。聚四氟乙烯混合量的下限是根据在保持器4被结合到滚动轴承中的条件下的实际工作试验中产生灰尘的量来确定的。结果，下限为5wt％。
在实际工作试验中使用的滚动轴承的型号为JIS(日本工业标准)轴承型号608。采用激光散射型粒子计数器作为灰尘产生测量设备。试验环境为10-5Pa和200℃，并且向轴承施加100N的轴向载荷。
作为保持器4，聚醚醚酮被用作基体材料。作为加强纤维的10wt％的钛酸钾须和作为固体润滑剂的20wt％的聚四氟乙烯分别被混合并搅拌和熔融。
保持器4是通过将这三种材料装入预定形状的模具中而成型的。在仅改变聚四氟乙烯混合量的情况下，进行实际工作试验。
结果如图3的图表所示。如果聚四氟乙烯的混合量变为2wt％或更少，则产生灰尘的量显著增加。如果聚四氟乙烯的混合量超过2wt％，产生灰尘的量将逐渐减少。如果聚四氟乙烯的混合量变为10wt％或更多，则产生灰尘的量被减少到在2wt％或更少的情况下的一半。如果聚四氟乙烯的混合量变为5wt％，则预计产生灰尘的量为在10wt％或更多的情况和2wt％或更少的情况之间的值。
在图3中，垂直轴线表示比率，水平轴线表示聚四氟乙烯的混合量(wt％)。这里，比率是摩擦系数。表3中示出的比率“100”是当聚四氟乙烯的混合量为0wt％时的摩擦系数。因此，当聚四氟乙烯的混合量开始从0wt％增加时，所述比率开始从数值100相应减少。
从上述结果可以看出，最优选地，聚四氟乙烯的下限被设置为10wt％或更高。然而，根据使用环境的条件，5wt％的聚四氟乙烯可以表现出足够的润滑特性。因此，聚四氟乙烯的下限被设定为5wt％。
二硫化钼和石墨的混合量被设定为3到15wt％的原因如下，即，如果它们的混合量被设定为小于3wt％，则它们的润滑特性变差。如果它们的混合量超过15wt％，则它们的机械强度变差。进而，二硫化钼和石墨的混合量更优选地为6到15wt％。
下面，进行滚动轴承的扭转寿命试验。试验条件如下。保持器4被结合到型号为JIS轴承型号608的滚动轴承中。扭转试验设备是一个真空高温扭转试验设备。该试验环境为10-5Pa和200℃，并且向滚动轴承施加100N的轴向载荷。扭转寿命是指直到被测量的转矩到达初始转矩的三倍或更高为止所花的驱动时间。
扭转寿命试验将对总共四个保持器进行，即第一到第三比较例和所述实施例。
第一比较例的保持器采用聚醚醚酮作为基体材料。只将30wt％的钛酸钾须作为加强纤维与基体材料混合，而且不混合固体润滑剂。第一比较例的保持器是通过向预定形状的模具中充入所述材料制成的。
第二个比较例的保持器采用聚醚醚酮作为基体材料。将作为加强纤维、具有2μm或更小直径的10wt％的钛酸钾须和作为固体润滑剂的20wt％的聚四氟乙烯与基体材料混合。在这些基体材料、加强纤维和固体润滑剂被搅拌并熔融之后，它们被充入预定形状的模具中。从而制成第一比较例的保持器。
第三比较例的保持器4采用聚醚醚酮作为基体材料。作为加强纤维、具有2μm或更小直径的10wt％的钛酸钾须和作为固体润滑剂的两种材料、即20wt％的聚四氟乙烯和3wt％的二硫化钼与基体材料混合。
实施例的保持器4采用聚醚醚酮作为基体材料。作为加强纤维、具有2μm或更小直径的10wt％的钛酸钾须和作为固体润滑剂的三种材料、即15wt％的聚四氟乙烯和3wt％的二硫化钼以及5wt％的石墨与基体材料混合。
从而，如图4所示，第一比较例的保持器寿命被定义为“1”。根据保持器寿命的定义，第二比较例的保持器寿命具有大约三倍的长度，第三比较例的保持器寿命具有大约四倍的长度，而实施例的保持器寿命甚至在经过十二倍或更长的时间之后仍可使用。
上述试验表明，当在第三个比较例中仅有两种材料(聚四氟乙烯和二硫化钼)作为固体润滑剂被混合时，保持器的寿命便被显著的延长。
实施例的试验表明，如果三种材料(聚四氟乙烯、二硫化钼和石墨)被作为润滑剂混合，则保持器的寿命被进一步延长。
如上面所解释的那样，如果采用实施例的保持器，则保持器可以通过注塑进行批量生产，可以抑制灰尘产生特性，扭转寿命显著延长，并且因此，保持器可以被有效地用在同时需要低灰尘产生特性和长的轴承寿命的领域中。
本发明的滚动轴承不局限于向心推力球轴承。
本发明的滚动轴承可以是一个如深槽球轴承、滚柱轴承、滚针轴承、锥形滚珠轴承和球面滚柱轴承等。
根据轴承的类型，可以采用各种类型的保持器4，例如卡合保持器或精制保持器。本发明可以被应用于任何类型。保持器4被插入到内环1和外环2之间，用以保持多个滚动元件。分别具有圆形外周面和圆形内周面的内环1和外环2可以由一个具有圆形滚道表面的构件构成。
本发明的滚动轴承可以被用于半导体制造设备、汽车发动机的增压器、燃气轮机、机床等。
特别地，当本发明的滚动轴承被用于高温和高速旋转的条件下时，内环1、外环2和滚珠3优选由高碳铬合金轴承钢(JIS规格SUJ2)、耐热材料或陶瓷制成。耐热材料的例子是，例如马氏体不锈钢(JISSUS440C、SUS420C等)，耐热、耐蚀合金(AISI规格M-50、JIS高速工具钢SKH4等)，耐热轴承钢等金属材料。滚动轴承的材料可以经受适当的硬化处理，例如淬火、回火等。
耐热轴承钢包含有碳(大于等于0.8wt％，小于等于1.5wt％)、硅(大于等于0.5wt％，小于等于2.0wt％)、锰(大于等于0.3wt％，小于等于2.0wt％)、铬(大于等于1.3wt％，小于等于2.1wt％)、和钼(大于等于0.3wt％，小于等于1.0wt％)，并且包含总量在1.0wt％或更高的范围内的硅和钼，其余为铁和不可避免的杂质。
陶瓷的主要材料为氮化硅(Si3N4)，并且为了帮助烧结，向氮化硅中加入氧化钇(Y2O3)、氧化铝(AL2O3)、氮化铝(ALN)、氧化钛(TiO2)，或者采用氧化铝(AL2O3)、碳化硅(SiC)、氧化锆(ZrO2)或氮化铝(ALN)。
虽然上面已经描述了本发明目前所考虑到的优选实施例，但是应当理解，可以对其进行各种改变，并且，在后面所附的权利要求中所覆盖的所有这些变型将落入本发明的真正主旨和范围内。
权利要求
1.一种滚动轴承，包括一个内环；一个与所述内环同心的外环；一个插入到所述内环和所述外环之间的保持器；以及多个由所述保持器保持的滚动元件；其中所述保持器包含基体材料、加强纤维和固体润滑剂；所述基体材料为热塑性树脂；5到30wt％的所述加强纤维与所述基体材料混合；所述固体润滑剂包含5到30wt％的聚四氟乙烯、3到15wt％的二硫化钼和3到15wt％的石墨，并且将它们与所述基体材料混合。
2.如权利要求1所述的滚动轴承，其中，所述基体材料从乙烯-四氟乙烯、聚醚醚酮、聚酰胺-酰亚胺合金和热塑性聚酰亚胺中选择。
3.如权利要求1所述的滚动轴承，其中，所述加强纤维是钛酸钾须。
4.如权利要求1所述的滚动轴承，其中，所述加强纤维是具有2μm或更小直径的短纤维。
5.如权利要求1所述的滚动轴承，其中，所述加强纤维是具有0.3到0.6μm平均纤维直径的纤维。
6.如权利要求1所述的滚动轴承，其中，所述加强纤维是具有10到20μm平均纤维长度的纤维。
7.一种滚动轴承，包括一个内环；一个与所述内环同心的外环；一个插入到所述内环和所述外环之间的保持器；以及多个由所述保持器保持的滚动元件；其中所述保持器包括基体材料、加强纤维和固体润滑剂；所述基体材料为从所述基体材料从乙烯-四氟乙烯、聚醚醚酮、聚酰胺-酰亚胺合金和热塑性聚酰亚胺中选择的热塑性树脂；5到30wt％的所述加强纤维与所述基体材料混合；所述固体润滑剂包含5到30wt％的聚四氟乙烯、3到15wt％的二硫化钼和3到15wt％的石墨，并且与所述基体材料混合。
8.一种滚动轴承，包括一个内环；一个与所述内环同心的外环；一个插入到所述内环和所述外环之间的保持器；以及多个由所述保持器保持的滚动元件；其中所述保持器包括基体材料、加强纤维和固体润滑剂；所述基体材料为从所述基体材料从乙烯-四氟乙烯、聚醚醚酮、聚酰胺-酰亚胺合金和热塑性聚酰亚胺中选择的热塑性树脂；所述加强纤维为钛酸钾须，5到30wt％的所述加强纤维与所述基体材料混合；所述固体润滑剂包含5到30wt％的聚四氟乙烯、3到15wt％的二硫化钼和3到15wt％的石墨，并且与所述基体材料混合。
9.一种插入到一个内环构件和一个外环构件之间的轴承保持器，所述轴承保持器包括基体材料；加强纤维；以及固体润滑剂；其中所述基体材料是热塑性树脂；所述加强纤维和所述固体润滑剂与所述基体材料混合；所述固体润滑剂包含聚四氟乙烯、二硫化钼和石墨。
10.如权利要求9所述的轴承保持器，其中，所述热塑性树脂为乙烯-四氟乙烯。
11.如权利要求9所述的轴承保持器，其中，所述热塑性树脂是聚醚醚酮。
12.如权利要求9所述的轴承保持器，其中，所述热塑性树脂是聚酰胺-酰亚胺合金。
13.如权利要求9所述的轴承保持器，其中，所述热塑性树脂是热塑性聚酰亚胺。
14.如权利要求9所述的轴承保持器，其中，5到30wt％的所述加强纤维与所述基体材料混合。
15.如权利要求9所述的轴承保持器，其中，混合有5到30wt％的所述聚四氟乙烯、3到15wt％的所述二硫化钼和3到15wt％的石墨。
16.如权利要求9所述的轴承保持器，其中，所述加强纤维是钛酸钾须。
17.如权利要求9所述的轴承保持器，其中，所述加强纤维是具有2μm或更小直径的短纤维。
18.如权利要求9所述的轴承保持器，其中，所述加强纤维是具有0.3到0.6μm平均纤维直径的纤维。
19.如权利要求9所述的轴承保持器，其中，所述加强纤维是具有10到20μm平均纤维长度的纤维。
20.一种插入到一个内环构件和一个外环构件之间的轴承保持器，所述轴承保持器包括基体材料；加强纤维；以及固体润滑剂；其中所述基体材料是从乙烯-四氟乙烯、聚醚醚酮、聚酰胺-酰亚胺合金和热塑性聚酰亚胺中选择的热塑性树脂；5到30wt％的所述加强纤维与所述基体材料混合；所述固体润滑剂包含5到30wt％的聚四氟乙烯、3到15wt％的二硫化钼和3到15wt％的石墨，并且与所述基体材料混合。
21.一种插入到一个内环构件和一个外环构件之间的轴承保持器，所述轴承保持器包括基体材料；加强纤维；以及固体润滑剂；其中所述基体材料是乙烯-四氟乙烯、聚醚醚酮、聚酰胺-酰亚胺合金和热塑性聚酰亚胺中选择的热塑性树脂；所述加强纤维为钛酸钾须，5到30wt％的所述加强纤维与所述基体材料混合；所述固体润滑剂包含5到30wt％的聚四氟乙烯、3到15wt％的二硫化钼和3到15wt％的石墨，并且与所述基体材料混合。
全文摘要
一种滚动轴承,包括:一个内环、一个与内环同心的外环、多个介于内环和外环之间的滚动元件、和一个具有凹袋的保持器,每个凹袋中容纳一个滚动元件。该保持器包含由热塑性树脂制成的基体材料。加强纤维和固体润滑剂被混合到基体材料中。固体润滑剂包括三种材料:即,聚四氟乙烯、二硫化钼和石墨。
文档编号F16C33/44GK1379193SQ0210872
公开日2002年11月13日 申请日期2002年3月29日 优先权日2001年3月29日
发明者大逸纯也, 丰田泰 申请人:光洋精工株式会社