JP2001027246A - 転がり軸受 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】高度で複雑な設計を行うことなく、軽荷重で高
速回転時におけるスキッディング損傷の発生を防止でき
る転がり軸受の提供する。 【解決手段】内輪１と外輪２との間に複数の転動体が配
置される転がり軸受において、ピッチ円径をＤｍ（m
m）、転動体直径をＤａ（mm）、円周方向に並ぶ転動体
３の個数をＺ（個）としたときに、当該転動体３の個数
Ｚを、下記式を満足する値とした。 １．５ ≦ ｋ ≦ ２．５ 但し、ｋ＝（π・Ｄｍ）／（Ｚ・Ｄａ）とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、工作機械、ジェッ
トエンジン、ガスタービンなど、軽荷重で且つ高速で回
転する軸を有する機械装置における、上記軸を支承する
のに好適な転がり軸受に関する。ここで、上記軽荷重と
は、一般には、ラジカル荷重Ｐが、基本動定格荷重Ｃｒ
の０．０５倍よりも小さい荷重となっていること、つま
り、Ｐ＜０．０５・Ｃｒの関係にあることをいう。

【０００２】

【従来の技術】一般に、転がり軸受はある程度荷重が作
用する部位に用いられるものであり、逆に荷重が非常に
小さい状態で使用されると、転動体と軌道面との接触力
が不足して、両者の間に滑りが生じることがある。この
現象は特に高速回転時に著しくなり、最終的にスキッデ
ィングと呼ばれる損傷の発生に至ることがある。

【０００３】設計上の理由や無負荷運転時等によって軸
受にほとんど荷重が加わらない場合には、上記スキッデ
ィング対策として、特別な配慮が必要であり、従来、例
えば次の様な設計を行っていた。 （１）ラジアル隙間を負に設定することにより、転動体
と軌道面との接触力を大きく設定する。この設定には、
軌道面形状は真円に保ちつつ、ラジアル隙間を全周に渡
って負とする方法と、主に外輪側の軌道面形状を非真円
（楕円、おむすび型等）にして、一部のラジアル隙間だ
けを負にする方法がある。

【０００４】（２）保持器を内輪案内方式とし、内輪の
回転によって内輪外径にある保持器を牽引させて、保持
器の回転を促進することで転動体の相対滑りを低減す
る。 （３）保特器ポケットの数を転動体個数よりも多くし、
転動体を収容しないポケットを一つおきに設ける。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
対策方法には、それぞれ以下のような課題が残されてい
る。すなわち、ラジアル隙間を負にする対策では、運転
時の温度上昇による熱膨張を見込んでラジアル隙間を設
定しなければならないが、実際の熱膨張量は軸受が使用
される機械装置や使用環境ごとに異なっており、また一
般に、温度上昇の見積りは困難である。更に、隙間の許
容範囲は狭くなり勝ちで、高精度の加工が要求される。

【０００６】また、保持器を内輪案内方式とする対策で
は、所定のトラクション力で保持器を引きずることによ
る、保特器案内面の損傷を新たに配慮する必要がある。
特に、高速で回転するほど問題となる。また、単に保特
器ポケットの数を転動体個数よりも多くするだけでは、
隣合う転動体の間隔によっては、ラジアル荷重負荷部に
おいて、内輪及び外輪の軌道面が変形し、振動増加の原
因となることが懸念される。特に、高速で回転するほど
問題となる。

【０００７】本発明は、上記のような問題に対処したも
のであり、高度で複雑な設計を行うことなく、軽荷重で
高速回転時におけるスキッディング損傷の発生を防止で
きる転がり軸受の提供を課題としている。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明の転がり軸受は、内輪と外輪との間に一列若
しくは復列に転動体が配置される転がり軸受において、
ピッチ円径をＤｍ（mm）、転動体直径をＤａ（mm）、円
周方向に１列に並ぶ転動体の個数をＺ（個）としたとき
に、上記ピッチ円径、転動体直径、及び転動体の個数
を、下記（１）式を満足する値としたことを特徴とする
ものである。

【０００９】 １．５ ≦ ｋ ≦ ２．５ ・・・（１） 但し、ｋ＝（π・Ｄｍ）／（Ｚ・Ｄａ）とする。ここ
で、上記ｋ値は、転がり軸受のピッチ円径での円周長さ
に対する、転動体以外が占める空間長さの割合を表す指
標である。転動体数を相対的に減らすほど、大きな値と
なる。また、ｋ≒１とは総転動体形式の転がり軸受であ
ることを表す。

【００１０】発明者らは、多年にわたる実績データの蓄
積データ及び理論解析から、図１に示すように、内輪
（駆動輪）と転動体との相対滑り速度をＶ（ｍ／ｓ）と
すると、相対滑り速度Ｖ＝７０（ｍ／ｓ）がスキッディ
ング損傷の発生限界値になっていることを確認してい
る。すなわち、相対滑り速度Ｖが７０（ｍ／ｓ）より大
きくなっていると顕著にスキッディング損傷が発生す
る。

【００１１】本発明は、スキッディング対策として、上
記ｋ値を従来よりも大きくして転動体の個数を相対的に
減らすことで、潤滑油によるドラッグ力（攪拌抵抗力）
を軽減して転動体と駆動輪との間の相対滑り速度Ｖを小
さく抑えてスキッディング損傷を防止する。また、同時
に最大転動体荷重も大きくなることから、駆動輪と転動
体の摩擦力増加に起因した滑りの抑制効果も期特され
る。模式図である図２において、Ｆａは最大転動体荷重
を、Ｆｂはドラッグ力を表す。また、符号５は潤滑油を
表す。

【００１２】一方、ｋ値を大きくしすぎて転動体個数を
相対的に減らしすぎると、転動体間の間隔が広くなるた
め、その分、内輪及び外輪の軌道面が、ラジアル負荷部
において弾性変形し易く、回転時には転動体通過振動増
加の原因となる。従って、転動体個数の下限（ｋ値の上
限）は内輪振れ量との兼ね合いで決められるべきであ
る。本発明では、過去の実績に基づき、転動体通過振動
による内輪振れ量１μｍを許容値としている。

【００１３】そして、本発明では、耐スキッディング性
に優れた転がり軸受となる、Ｖ≦７０（ｍ／ｓ）で、且
つ内輪振れ量＜１（μｍ）を満足する転動体の相対個数
となるように、上述のようにｋ値の範囲を設定した。す
なわち、転動体数が１６個以下と少ない場合にはｋ値を
１．５以上に設定することで、Ｖ≦７０（ｍ／ｓ）とな
ることを確認したので（後述の第１及び第２実施例を参
照）、ｋ≧１．５とした。なお、転動体数が２５個以上
と多い場合には、ｋ≧１．９とすることが好ましい。

【００１４】なお、ｋ値が１．５未満である場合には、
転動体数が多く転動体間の距離が小さくなって、軌道面
にある潤滑油のドラッグ力を受けて滑り易くなると共
に、転動体一個に負荷される転動体荷重も小さくなるた
め、相対滑り速度が大きくなると考えられる。一方、ｋ
値が２．５を越えると、転動体間の距離が大きすぎて内
輪ぶれが大きく、つまり１μｍ以上の振れとなるため、
ｋ値の最大値を２．５に設定した（後述の第１及び第２
実施例を参照）。

【００１５】ここで、通常、転がり軸受の転動体の働き
は、負荷圏では回転輪に駆動されて転がり、非負荷圏で
はその慣性で回転しながら再び負荷圏に突入する。荷重
が小さいと僅かの転動体しか負荷されなくなり、負荷圏
が狭く非負荷圏が広くなる。したがって、負荷圏で駆動
される時間に比べ、慣性で回る時間の割合が大きくな
る。

【００１６】この時、転動体と保特器はともに公転する
が、保特器が常に負荷圏の転動体と連動して回転するた
め、非負荷圏の転動体は、保特器に押されて公転すると
共に、保特器の柱と接触することで自転が減速する。こ
の結果、負荷圏に再突入するときに転動体の自転速度と
駆動輪の回転速度のバランスが崩れ、駆動輪と転動体の
間に滑りが発生する。さらに、回転速度が大きくなる
と、遠心力により転動体に対し外輪に押し付けられる力
が働き、外輪と転動体の摩擦力が大きくなるので、駆動
輪と転動体が滑り易くなる。このため、高速になるほど
スキッディングが発生しやすい。

【００１７】なお、上記発明は、軸受部品の寸法や転動
体数を複雑な計算をすることなく特定することで、相対
滑り速度を抑えてスキッディング損傷を防止するもので
あるが、転動体及び軌道面の粗さを規定して相対滑りを
抑えることでスキッディング損傷を抑えることもでき
る。この場合には、内輪軌道面のrms 粗さをＲｉ（μ
ｍ）、外輪軌道面のrms 粗さをＲｏ（μｍ）、転動体母
線上のrms 粗さをＲｒ（μｍ）としたときに、下記両式
を満足するように転動体及び軌道面の粗さを規定するこ
とで、相対滑り速度を７０（ｍ／ｓ）以下にできる（後
述の第３及び第４実施例参照）。

【００１８】 √（Ｒｏ² ＋Ｒｒ² ） ≦ ０．５（μｍ） √（Ｒｏ² ＋Ｒｒ² ） ≦ √（Ｒｉ² ＋Ｒｒ² ）−
０．２

【００１９】

【発明の実施の形態】次に、本発明の実施形態について
図面を参照しつつ説明する。本実施形態の転がり軸受
は、単列の円筒ころ軸受を例に挙げて説明する。図３
は、その円筒ころ軸受の断面図である。ピッチ円径Ｄｍ
（mm）、転動体直径Ｄａ（mm）、組み込むころ３の個数
Ｚ（個）が下記式を満足するように、内輪１、外輪２、
及びころ３及び組み込むころ３の数Ｚを決定する。符号
４は保持器を表す。

【００２０】 １．５ ≦ ｋ ≦ ２．５ ・・・（１） 但し、ｋ＝（π・Ｄｍ）／（Ｚ・Ｄａ） ・・・（２） 例えば、使用する内輪１、外輪２、ころ３の寸法が決ま
っている場合には、組み込むころ３の数を、上記（１）
及び（２）の式を満足する値に設定する。すなわち、上
記（２）式は、Ｚ＝（π・Ｄｍ）／（ｋ・Ｄａ）と記載
できるので、（π・Ｄｍ）／（１．９・Ｄａ）〜（π・
Ｄｍ）／（２．５・Ｄａ）の範囲の整数値となるよう
に、ころ数Ｚを決定して組み込めばよい。

【００２１】上記構成のころ軸受を使用することで、ラ
ジアル荷重が基本動定格荷重の０．０５倍よりも小さな
軽荷重状態で高速回転、例えば１００００rpm 以上で回
転しても、スキッディング損傷の発生が大幅に低減する
と共に内輪１の振れを１μｍ以下に抑えることができ
る。しかも、例えば転動体直径やピッチ円径に基づき、
簡単な計算で転動体数を特定するという簡単な設計で耐
スキッディング性能を向上させることができる。

【００２２】なお、上記説明では、単列のころ軸受を例
示したが、復列であっても良いし、円錐ころなどの他の
形状のころを転動体として使用する場合にも適用でき
る。さらに、転動体として玉を使用する転がり軸受であ
っても、本発明は適用可能である。

【００２３】

【実施例】［第１実施例］標準設計のＮＵ２２４（内
径：φ１２０ｍｍ、外径：φ２１５ｍｍ、巾：４０ｍ
ｍ、ころ数：１６個）の円筒ころ軸受について、ラジア
ル荷重：５０ｋｇｆ、回転数：１１０００ｒｐｍで図４
の試験装置により回転試験を行ったところ、顕著にスキ
ッディング損傷を生じた。軸受性能理論解析を行ったと
ころ相対滑り速度Ｖの値は、スキッディング損傷発生の
限界値より大きい７１．６（ｍ／ｓ）であった。

【００２４】上記軸受のピッチ円径は、１６７．５mmで
あり、ころ３の直径は２４．０mmである。ここで、図４
の試験装置において、符号７は、ラジアル荷重を負荷す
るためのネジであり、ネジ７の位置を調整することでラ
ジアル負荷用板ばね８の撓み量を調整する。また、符号
９は試験軸（駆動軸）、符号１０は支持軸受、符号１１
は負荷軸受を表し、試験軸９の中央を負荷軸受１１を介
して引き上げるようにしてラジアル荷重が負荷される。
符号１２が試験軸受を表し、タービン油が潤滑油として
供給されている。また、符号１３はセンサの設置位置を
表し、内輪１の振れや保持器４の回転数を検出してい
る。

【００２５】また、上記相対滑り速度Ｖは、内輪１の回
転速度Ｖｉと保持器の公転速度Ｖｃを求め、Ｖ＝Ｖｉ−
Ｖｃに代入して求める。内輪１の回転速度は、試験軸の
回転数と内輪１の溝寸法から計算で予め分かっている。
また、保持器の公転速度Ｖｃは、実測した保持器の回転
数Ｎｃから、下記式を使用することで求めることができ
る。

【００２６】 そして、ころ３の個数Ｚ以外の寸法諸元及びラジアル荷
重、及び内輪１の回転数を一定に保持して、ころ数Ｚを
減少させていき、各個数での相対滑り速度Ｖ及び内輪１
のぶれ量を求めたところ、図５に示すような結果が得ら
れた。横軸はｋ値である。また、図中、９個などとは、
対応するころ数Ｚを表している。

【００２７】この図５から分かるように、ｋ値を１．５
以上好ましくは１．９以上とすることで、相対滑り速度
Ｖを７０（ｍ／ｓ）より小さくすることができてスキッ
ディング損傷を抑えることができることが分かる。ま
た、図５から分かるように、ｋ値を２．５以下に設定す
ることで内輪１の振れを０．１μｍ以下にできることが
分かる。

【００２８】すなわち、上記標準設計のＮＵ２２４のこ
ろ軸受にあっては、ころ数Ｚを９個から１４個、好まし
くは９個〜１１個の範囲の個数に設定することで、軽荷
重且つ高速回転での使用であっても、内輪１の振れを抑
えつつスキッディング損傷を防止できることが分かる。 ［第２実施例］ジェットエンジンの主軸などに使用され
る円筒ころ軸受（内径：φ１１１ｍｍ、外径：φ１５
７．８４ｍｍ、巾：２０．５ｍｍ、ころ数：２５個）
で、ラジアル荷重：１６ｋｇｆ、回転数：１４８００ｒ
ｐｍで上記と同じ試験装置（図４参照）により回転試験
を行ったところ、スキッディング損傷を顕著に生じた。
軸受性能理論解析を行ったところＶの値は、スキッディ
ング損傷限界値より大きい７２．６（ｍ／ｓ）であっ
た。

【００２９】上記試験軸受のピッチ円径は、１３５．５
mmあり、ころ直径は１１．０mmである。そこで、ころ数
Ｚ以外の寸法諸元及びラジアル荷重、内輪１の回転数を
一定に保持した状態で、転動体の個数を減少させ、各こ
ろ数Ｚにおける相対滑り速度及び内輪１の振れ量（ころ
３通過振動）を求めたところ、図６に示す結果が得られ
た。横軸はｋ値である。

【００３０】この図６から分かるように、ｋ値を１．９
以下に設定することで相対滑り速度を７０（ｍ／ｓ）よ
り小さくすることができることが分かる。一方、このこ
ろ軸受では、ころ数Ｚが比較的に多いので、試験を行っ
た１３個以上の範囲では、内輪１の振れ量が１μｍ未満
となっている。従って、本実施例のころ軸受であって
も、ｋ値を１．９〜２．５の範囲に設定することで、軽
荷重且つ高速回転での使用であっても、内輪１の振れを
抑えつつスキッディング損傷を防止できることが分か
る。

【００３１】なお、ｋ値が１．９〜２．５の範囲のころ
数Ｚは、本実施例の転がり軸受にあっては１６個〜２０
個となる。 ［第３実施例］上記第１実施例と同じ転がり軸受（ＮＵ
２２４）及び同じ試験条件において、粗さ以外の寸法諸
元及びラジアル荷重、内輪１回転数を一定に保持した状
態で、内輪合成rms 粗さならびに外輪合成rms 粗さを様
々な条件で組み合わせて変更して、それぞれのＶの値を
求めて、整理したところ、図７に示す結果を得た。な
お、ころ数は、標準設計仕様時の１６個である。

【００３２】ここで、 内輪合成rms 粗さ＝√（Ｒｉ² ＋Ｒｒ² ）、 外輪合成rms 粗さ＝√（Ｒｏ² ＋Ｒｒ² ） 但し、内輪１の軌道面のrms 粗さをＲｉ（μｍ）、外輪
２の軌道面のrms 粗さをＲｏ（μｍ）、転動体母線上の
rms 粗さをＲｒ（μｍ）とする。

【００３３】この図７から分かるように、 √（Ｒｏ² ＋Ｒｒ² ） ≦ ０．５（μｍ）、 かつ、 √（Ｒｏ² ＋Ｒｒ² ） ≦ √（Ｒｉ² ＋Ｒｒ² ）−
０．２ となるように諸元値を設定することで、相対滑り速度Ｖ
を７０（ｍ／ｓ）以下にできることが分かる。

【００３４】ここで、上記式の意味について考察する
と、√（Ｒｏ² ＋Ｒｒ² ）＞ ０．５（μｍ）とする
と、外輪２の軌道面によるころ３を引きずるトラクショ
ン（牽引する力）が大きくなり、内輪１側つまりころ３
と内輪１の軌道面との間で滑りやすくなり、相対滑り速
度Ｖが７０（ｍ／ｓ）を越えることとなると思われる。
なお、高速回転では、遠心力によって元々、内輪１側ト
ラクションよりも外輪２側トラクションの方が大きい。
したがって、√（Ｒｏ² ＋Ｒｒ² ） ≦ ０．５（μ
ｍ）とすることで、外輪２側のトラクション条件が緩和
される。

【００３５】さらに、√（Ｒｏ² ＋Ｒｒ² ） ≦ √
（Ｒｉ² ＋Ｒｒ² ）−０．２、つまり、外輪２側のトラ
クションに対して相対的に内輪１側のトラクションが近
づくように、内輪１側のトラクションを大きくすること
で、相対滑り速度が小さくなり、スキッディング損傷を
防止して寿命向上が図られる。「−０．２」は実験値で
ある。

【００３６】また、図７から分かるように、√（Ｒｉ²
＋Ｒｒ² ）が０．９を越えると、粗さが大きすぎて、軽
荷重といえども、摩耗、振動が大きくなり、転動体の寿
命低下に繋がる。したがって、√（Ｒｉ² ＋Ｒｒ² ）を
０．９以下、好ましくは０．７以下とするのが望まし
い。 ［第４実施例］上記第２実施例と同じ転がり軸受（ジェ
ットエンジンの主軸などに使用される軸受）及び同じ試
験条件において、粗さ以外の寸法諸元及びラジアル荷
重、内輪１回転数を一定に保持した状態で、内輪合成rm
s 粗さならびに外輪合成rms 粗さを様々な条件で組み合
わせて変更して、それぞれのＶの値を求めて、整理した
ところ、図８に示す結果を得た。なお、ころ数は２５個
である。

【００３７】図８から分かるように、図７と同じ結果で
あり、 √（Ｒｏ² ＋Ｒｒ² ） ≦ ０．５（μｍ）、 かつ、 √（Ｒｏ² ＋Ｒｒ² ） ≦ √（Ｒｉ² ＋Ｒｒ² ）−
０．２ となるように諸元値を設定することで、相対滑り速度Ｖ
を７０（ｍ／ｓ）未満にできることが分かる。

【００３８】

【発明の効果】以上説明してきたように、本発明を採用
すると、例えば転動体の個数を簡単な条件に基づき調整
するだけで、軸受に特別な処理を施すことなく内輪の振
れを抑制しつつ耐スキッディング性能に優れた転がり軸
受を提供可能となるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】相対滑り速度と損傷率との関係を示す図であ
る。

【図２】転動体の滑りを示す模式図である。

【図３】本発明に基づく実施形態に係る転がり軸受を示
す断面図である。

【図４】試験装置の例を示す断面図である。

【図５】第１実施例の結果を示す図である。

【図６】第２実施例の結果を示す図である。

【図７】第３実施例の結果を示す図である。

【図８】第４実施例の結果を示す図である。

【符号の説明】

１ 内輪 ２ 外輪 ３ 円筒ころ（転動体） ４ 保持器 Ｄａ 転動体直径 Ｄｍ ピッチ円径 Ｚ ころ数

フロントページの続き (72)発明者 棗田 伸一 神奈川県藤沢市鵠沼神明一丁目５番50号 日本精工株式会社内 Ｆターム(参考） 3J101 AA13 AA32 AA41 AA52 BA01 BA53 FA01 GA21 GA26 GA31

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 内輪と外輪との間に一列若しくは復列に
   転動体が配置される転がり軸受において、ピッチ円径を
   Ｄｍ（mm）、転動体直径をＤａ（mm）、円周方向に１列
   に並ぶ転動体の個数をＺ（個）としたときに、上記ピッ
   チ円径、転動体直径、及び転動体の個数を、下記（１）
   式を満足する値としたことを特徴とする転がり軸受。 １．５ ≦ ｋ ≦ ２．５ ・・・（１） 但し、ｋ＝（π・Ｄｍ）／（Ｚ・Ｄａ）とする。