JP2005155763A - ころ軸受 - Google Patents

Abstract

【課題】 線接触の接触部を有する転がり軸受の転動体と軌道輪の接触部においてミスアライメントが生じてもエッジロードが生じず、かつ、疲労寿命の長いクラウニング曲線を提供する。
【解決手段】 ころ全長から面取り幅を除いた接触長さｌのころ直径Ｄに対する割合ｌ／Ｄが略１．５以下となるころを有するころ軸受において、内輪軌道面、外輪軌道面およびころ転動面のうち少なくともひとつがクラウニングを有し、当該クラウニングの形状を、式（１）に基づき、１．４≦Ｋ₁≦１．７、−２０≦Ｋ₂≦−１０として求める。ミスアライメント下で使用されるころ軸受の場合、当該クラウニングの形状を、式（１）に基づき、Ｋ₁＝１．４、Ｋ₂＝−１０としてエッジロードの発生しない最大ドロップ量をｚ_mを求め、かつ、クラウニング長さｘを、式（２）から得られる最大クラウニング長さｘ_m以下とする。
【数１】

【数２】

【選択図】 図１

Description

本発明はころ軸受におけるころ転動面あるいは軌道面のクラウニング形状に関するもので、より具体的には、円筒ころ軸受（図１（ｂ））および円すいころ軸受（図１（ｃ））におけるころ転動面や内・外輪の軌道面に適用することができる。

ころ軸受のように接触部が線接触の場合には、疲労寿命延長のために軸方向の面圧分布を略均一に生成し、ミスアライメント状態にあっても接触部端面でエッジ応力が生じないようにする必要がある。ミスアライメントとは、例えば両端が２つの軸受で支持された軸系において、両端の軸受中心が相対的に軸心に対して直角方向にずれて取り付けられることによって内輪あるいは外輪の軌道面と転動体の転動面とが相対的に傾斜している状態をいう。

従来技術の一つとして、実開平５−２２８４５号公報には、円すいころ軸受のクラウニング形状に関する考案が記載されている。ころ転動面の母線形状を直線とし、内輪軌道面には台形クラウニング、外輪軌道面にはフルクラウニングを施して、傾斜時につば端面ところ端面とのかじりを防ぐようにしたものである。

実開平５−８９９４３号公報には、平坦面と３段階のクラウニングで形成する考案が記載されている。

特開平８−２３２９６０号公報には、片持ち式支持構造で円すいころ軸受の構造でエッジロード防止のためにフルクラウニングの中心を大端面にオフセットした考案が記載されている。

特開２０００−２５７６３７号公報には、母線を複数のゾーンに分割して、各ゾーンごとに母線形状が円弧で近似されるかあるいは理論値を満足する形状に形成されていることを特徴としている。
特開２０００−３４６０７８号公報には、長手方向への相当応力分布を均一化し、接触領域の長手方向における接触表面近傍で材料の受けるダメージを均一に分布させ、ころ軸受に実質的に最大の静的または動的負荷容量を与えるクラウニング曲線を提示した考案である。

特開２００１−６５５７４号公報には、転動体側と内輪軌道面側のクラウニング量の和が、転動体または軌道輪中心からころの母線方向２点（Ｘ＝０．４２５Ｌｅ）でドロップ量を規定する式を満足することを特徴としている。あるいは、有効接触長さの０．５〜０．９倍の直線部を設け、その両端部に当該有効長さの５０〜１２５倍の半径の曲線部からなるパーシャルクラウニングを設けることを特徴としている。

特開２００１−８２１１４号公報には、タペットローラに関するクラウニングの考案で、中央を原点とし、軸方向への位置ｘでのクラウニングの落ち量δの上下限を式で決定したものである。また、有効接触長さの半分の０．８５倍の位置と１．０倍の位置の夫々で、対数クラウニングの間に存在するようにクラウニングプロファイルを規定する方法も提示している。

特開２００１−１２４０８９号公報には、円筒ころ軸受に関するクラウニング曲線を指数関数で近似した形状を有するものである。この形状は特にミスアライメントに対して考慮されたものではない。

特開２００１−２４１４４６号公報には、母線形状の直線部とクラウニング部が接線を共有するように接続されている考案で、かつ外輪軌道面の接触角が１２〜１７°であることを特徴としている。

特開２００２−２３５７４９号公報には、クラウニング曲線を円弧を組み合わせた曲線で構成されたもので、関数として表現されているものの曲線の傾きで表現されているためクラウニング曲線そのものが直接与えられるものではない。また、本考案では、特にミスアライメントに対して考慮されたものでなく、また、接触面が短い場合に適用できるものではない。
実開平５−２２８４５号公報 実開平５−８９９４３号公報 特開平８−２３２９６０号公報 特開２０００−２５７６３７号公報 特開２０００−３４６０７８号公報 特開２００１−６５５７４号公報 特開２００１−８２１１４号公報 特開２００１−１２４０８９号公報 特開２００１−２４１４４６号公報 特開２００２−２３５７４９号公報

円すいころ軸受のように接触部が線接触の場合には、疲労寿命延長のために軸方向の面圧分布を略均一に生成し、かつ、内外輪と転動体が相対的に傾斜して取り付けられたミスアライメント状態にあっても接触部端面でエッジ応力が生じないようにする必要がある。
本発明の目的は、線接触の接触部を有する転がり軸受の転動体と軌道輪の接触部においてミスアライメントが生じてもエッジロードが生じず、かつ、疲労寿命の長いクラウニング曲線を提供することにある。

請求項１の発明は、ころ全長から面取り幅を除いた接触長さｌのころ直径Ｄに対する割合ｌ／Ｄが略１．５以下となるころを有するころ軸受であって、内輪軌道面、外輪軌道面およびころ転動面のうち少なくともひとつがクラウニングを有し、当該クラウニングの形状を、式（１）に基づき、１．４≦Ｋ₁≦１．７、−２０≦Ｋ₂≦−１０として求めたことを特徴とするものである。

請求項２の発明は、ミスアライメント下で使用されるころ軸受であって、内輪軌道面、外輪軌道面およびころ転動面のうち少なくともひとつがクラウニングを有し、当該クラウニングの形状を、式（１）に基づき、Ｋ₁＝１．４、Ｋ₂＝−１０としてエッジロードの発生しない最大ドロップ量をｚ_mを求め、かつ、クラウニング長さｘを、式（２）から得られる最大クラウニング長さｘ_m以下としたことを特徴とするものである。

本発明によれば、ころ全長から面取り幅を除いた接触長さｌところ直径Ｄに対して、ｌ／Ｄが略１．５以下となるころについて、１．４≦Ｋ₁≦１．７、−２０≦Ｋ₂≦−１０として、数１、数２からエッジロードが発生しない最小の最大ドロップ量を求めれば、荷重大であっても、ミスアライメントのある場合にエッジロードを発生させず、かつ、ミスアライメントのない場合に最大面圧を最小にできる。

以下、本発明の実施の形態を添付図面を参照して説明する。

線接触する物体では端部において接触部中央における接触面圧よりも大きいエッジロードが発生して、疲労寿命が短くなるということが知られている。これを防止するために転動体表面を凸状の曲線にする方法が広く採用されており、クラウニングという技術用語で呼ばれている。

最適なクラウニング曲線に関しては、Johns, P.M. and Gohar, R.が"Roller bearings under radial and eccentric loads" (TRIBOLOGY international June 1981 pp.131〜136)において、式（３）で示される最適転動体曲線を提唱している。

ここで、ｚはクラウニングのドロップ量、Ｑは荷重、νはポアソン比、ｌは接触部長さ、Ｅはヤング率、ｂ_oは接触部中央における接触半幅、ａは接触部長さの１／２、ｘは軸方向長さを表す（図１（ａ）参照）。なお、図１（ｂ）に円筒ころ軸受の断面を示し、図１（ｃ）に円すいころ軸受の断面を示す。いずれも、内輪２ａ，２ｂと外輪４ａ，４ｂの軌道面間に複数のころ６ａ，６ｂを転動自在に介在させてあり、ころ６ａ，６ｂは保持器８ａ，８ｂにより円周方向で所定間隔に保持される。

計算例としてφ１０×１０のローラとφ５０×１５の鋼製ローラの接触部を取り上げる。φ１０×１０のローラにクラウニングを施した場合、表１の計算条件での式（３）のクラウニング形状は、図２のようになる。このとき、φ５０×１５の鋼製ローラの母線は直線とする。

表１において、クラウニングを施さなかった場合、接触部中央における接触半幅ｂ₀は式（４）で求められる。

ただし、Ｒは等価半径で、次式で求められる。
１／Ｒ ＝ １／Ｒ₁ ＋ １／Ｒ₂
ここで、Ｒ₁およびＲ₂はそれぞれの接触部の半径である。
Ｅ′は等価弾性係数と呼ばれ、次式で求める。
１／Ｅ′＝（１−ν²）／Ｅ
図２のクラウニング形状に対して、ミスアライメントを０とし、荷重９．８１ｋＮが作用した場合の接触面圧を弾性力学に基づいて算出すると図３となる。高面圧下では端部において面圧の増加が見られる。このころにミスアライメント３／１０００を与えると、面圧分布は図４のようになり、この傾向は顕著となる。

ミスアライメントを考慮して、式（３）を転動体形状の設計に用いるためには式（３）を変形する必要がある。そこで、式（３）の定数項をパラメータ化し、Ｋ₁、Ｋ₂を導入して式（５）として与える。

式（５）中の係数Ｋ₁、Ｋ₂を最適化してクラウニング曲線を求める。主に、Ｋ₁は設計荷重より大きい荷重を見込んでクラウニング設計を決めることを意味する。また、クラウニング領域は式（６）で与えられるように、Ｋ₁、Ｋ₂および最大ドロップ量ｚ_mで決定される。

ミスアライメント＝３／１０００として、Ｋ₁、Ｋ₂、ｚ_mがそれぞれころの最大面圧に与える影響について計算した結果を図５ないし図７に示す。ころ全長から面取り幅を除いたころ接触長さｌのころ直径Ｄに対する割合ｌ／Ｄが、図５は０．７の場合、図６は１．０の場合、図７は１．５の場合である。これらの図から、１．４≦Ｋ₁≦１．７とするとエッジロードが発生しないことがわかる。図５（ｂ）、図６（ｃ）、図７（ｂ）に示されるとおり、Ｋ₂の影響はあまり見られないが、Ｋ₁が小あるいはｚ_mが小のときにはＫ₂を小とするとエッジロードが発生しにくい。したがって、Ｋ₂は小さい方がよいが、Ｋ₂を小さくすると最大面圧が微増する傾向にあり、Ｋ₂＝０に対してＫ₂＝−２０で１％の面圧増加が見られる。したがって、−２０≦Ｋ₂≦０が望ましい。

次に、表２のパラメータを用いたときの面圧分布を図８ないし図１０に示す。ミスアライメント＝３／１０００においてエッジロードが発生していないことがわかる。

ｌ／Ｄ＝１．５において、ｚ_m＝１５μｍとし、Ｋ₁＝１．３、Ｋ₂＝−１０あるいはＫ₁＝１．４、Ｋ₂＝０とするとそれぞれ図１１および図１２に示すようにエッジロードの発生が見られるが、Ｋ₁＝１．４、Ｋ₂＝−１０としても図１３のようにエッジロードは発生しない。すなわち、ミスアライメントがある場合、ｚ_mを一定とすると、Ｋ₂を−１０以下にして直線部を長くする必要がある。したがって、ミスアライメントがある場合には、Ｋ₁＝１．４、Ｋ₂＝−１０としてエッジロードの発生しないｚ_mを求め、このｚ_mを変更しないとき、クラウニング領域をＫ₁＝１．４、Ｋ₂＝−１０から数６によって求められるｘ_m以下となるように与えなければならない。

尚、本発明のころ軸受は、上記した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

ａはクラウニング形状を示す線図、ｂは円筒ころ軸受の断面図、ｃは円すいころ軸受の断面図である。 クラウニング形状を示す線図である。 ａは接触面圧分布を示す線図、ｂはａにおける端部の拡大図である。 ａは接触面圧分布を示す線図、ｂはａにおける端部の拡大図である。 ａはＫ₁と最大面圧との関係を示すグラフ図、ｂはＫ₂と最大面圧との関係を示すグラフ図、ｃはｚ_mと最大面圧との関係を示すグラフ図である。 ａはＫ₁と最大面圧との関係を示すグラフ図、ｂはｚ_mと最大面圧との関係を示すグラフ図、ｃはＫ₂と最大面圧との関係を示すグラフ図である。 ａはＫ₁と最大面圧との関係を示すグラフ図、ｂはＫ₂と最大面圧との関係を示すグラフ図、ｃはｚ_mと最大面圧との関係を示すグラフ図である。 ａは接触面圧分布を示す線図、ｂはａにおける端部の拡大図である。 ａは接触面圧分布を示す線図、ｂはａにおける端部の拡大図である。 ａは接触面圧分布を示す線図、ｂはａにおける端部の拡大図である。 ａは接触面圧分布を示す線図、ｂはａにおける端部の拡大図である。 ａは接触面圧分布を示す線図、ｂはａにおける端部の拡大図である。 ａは接触面圧分布を示す線図、ｂはａにおける端部の拡大図である。

符号の説明

２ａ，２ｂ 内輪
４ａ，４ｂ 外輪
６ａ，６ｂ ころ
８ａ，８ｂ 保持器

Claims (2)

1. ころ全長から面取り幅を除いた接触長さｌのころ直径Ｄに対する割合ｌ／Ｄが略１．５以下となるころを有するころ軸受であって、内輪軌道面、外輪軌道面およびころ転動面のうち少なくともひとつがクラウニングを有し、当該クラウニングの形状を、式（１）に基づき、１．４≦Ｋ₁≦１．７、−２０≦Ｋ₂≦−１０として求めたことを特徴とするころ軸受。
   
2. ミスアライメント下で使用されるころ軸受であって、内輪軌道面、外輪軌道面およびころ転動面のうち少なくともひとつがクラウニングを有し、当該クラウニングの形状を、式（１）に基づき、Ｋ₁＝１．４、Ｋ₂＝−１０としてエッジロードの発生しない最大ドロップ量をｚ_mを求め、かつ、クラウニング長さｘを、式（２）から得られる最大クラウニング長さｘ_m以下としたことを特徴とするころ軸受。