JP2006112556A

JP2006112556A - 円すいころ軸受

Info

Publication number: JP2006112556A
Application number: JP2004301865A
Authority: JP
Inventors: Yuji Okamoto; 裕二岡本; Takashi Tsujimoto; 崇辻本
Original assignee: NTN Corp; NTN Toyo Bearing Co Ltd
Current assignee: NTN Corp
Priority date: 2004-10-15
Filing date: 2004-10-15
Publication date: 2006-04-27

Abstract

【課題】円すいころ軸受の耐焼付き性および耐予圧抜け性を向上させる。
【解決手段】円すいころ30の円すいの頂点から内輪10の大つば面18までの距離Ｒ_BASEに対する円すいころ30の大端面32の曲率半径Ｒの比の値Ｒ/Ｒ_BASEを0.75以上0.87以下とし、かつ、円すいころ30の大端面32の端面振れを３μｍ以下とした。
【選択図】図２

Description

本発明は円すいころ軸受に関する。

円すいころ軸受は転動体として円すいころを用いたラジアル軸受であって、図２に示すように、内輪１０と外輪２０と円すいころ３０と保持器４０とで構成される。内輪１０は外周に円すい面状の軌道１２を有し、軌道の両側に小つば１４と大つば１６を備えている。外輪２０は内周に円すい面状の軌道２２を有する。円すいころ３０は内外輪１０，２０の軌道１２，２２間に転動自在に介在させてある。保持器４０は円周方向に所定間隔に配置した複数のポケットを有し、各ポケットに円すいころ３０が収容される。

円すいころ軸受では円すいころ３０と内外輪１０，２０の軌道１２，２２とが線接触しており、内外輪１０，２０の軌道１２，２２と円すいころ３０の円すいの頂点が、図１に示すように、軸受中心軸上の一点Ｏに集まるように設計され、ラジアル荷重と一方向のアキシアル荷重を受けることができる。内輪１０の軌道１２と外輪２０の軌道２２では円すい角が違うため、各軌道から円すいころ３０に加わる荷重の合力が円すいころ３０を内輪１０の大つば１６に向けて押す方向に作用する。このため、円すいころ３０はその大端面３２が内輪１０の大つば１６に押し付けられた状態で案内され、ここで滑り接触をする。詳しくは、図３に示すように、大つば面１８はその母線ｙが軸受の中心軸に対して所定角をなすフラット面とされ、このフラット面に円すいころ３０の大端面３２が滑り接触する。
実用新案登録第２５８４６２３号公報

円すいころ軸受は大きなラジアル荷重と同時に一方向の大きなアキシアル荷重を支えることができる。しかし、円すいころ３０の大端面３２とフラットな内輪１０の大つば面１８とが滑り接触するので、回転トルクが比較的大きく、回転速度の限界は一般にあまり大きくない。

たとえば近年の鉄道車両は時速２００〜３００ｋｍを越す高速化の要求があり、駆動装置ピニオン用軸受では、はねかけ給油でｄｎ≒５０×１０⁴にも達する状況にある。加えて、軸受発熱量が大きくなりがちな冬季などの低温時急加速条件下でも焼付きを生じないことが必要とされる。このような過酷な条件に適合するためには、従来の円すいころ軸受の技術では不十分である。

本発明の円すいころ軸受は、外周に円すい面状の軌道を有するとともに軌道の両側に大つばと小つばを形成した内輪と、内周に円すい面状の軌道を有する外輪と、内輪の軌道と外輪の軌道との間に介在させた複数の円すいころと、円すいころを円周方向で所定間隔に保つための保持器とを具備し、円すいころの円すいの頂点から内輪の大つば面までの距離Ｒ_BASEに対する円すいころの大端面の曲率半径Ｒの比の値Ｒ/Ｒ_BASEを０．７５以上０．８７以下とし、かつ、円すいころの大端面の端面振れを３μｍ以下としたことを特徴とする。

ころ大端面の曲率半径Ｒは、従来、０．９０≦Ｒ／Ｒ_BASE≦０．９７（Ｒ_BASE：円すいころの円すいの頂点から内輪大つば面までの距離）であったが、この場合、大つば面と円すいころ大端面との間の最小油膜厚さ比は０．９以下であって、高速回転のためには必ずしも満足のいく値ではなかった。本発明者等は、実験に基づき、前記最小油膜厚さ比を０．９５以上にできるＲの最適値が０．７５≦Ｒ／Ｒ_BASE≦０．８７であることを見出し、これを具現化させたものである。

また、従来、端面振れの許容値は、最も小さい等級１（円すいころの呼び直径Ｄｗが３ｍｍ以上１０ｍｍ以下）の場合でも４μｍとされていた。円すいころの大端面の端面振れを３μｍ以下としたことによって、内輪の大つば面と円すいころの大端面との接触圧力の変動が小さくなり、油膜形成を阻害する要因が低減する。

請求項２の発明は、請求項１の円すいころ軸受において、円すいころの大端面の面粗さを０．０２μｍＲａとしたことを特徴とする。このような構成を採用することによって、油膜厚さに対して面粗さが小さくなり、油膜形成を阻害する要因が低減する。より具体的に述べると、油膜厚さに対して面粗さが大きいと金属接触することになるが、面粗さが小さければ金属接触することがなく油膜を破断しない。

本発明は、円すいころの円すいの頂点から内輪の大つば面までの距離Ｒ_BASEに対する円すいころの大端面の曲率半径Ｒの比の値Ｒ/Ｒ_BASEを０．７５以上０．８７以下とし、かつ、円すいころの大端面の端面振れを３μｍ以下に抑えたことで、内輪の大つばと円すいころの大端面との間の最適油膜形成を促し、耐焼付き性および耐予圧抜け性を向上させたものである。予圧抜けとは、周知のとおり、摩耗等によって予圧が次第に減少する現象をいう。

以下、図面に従って本発明の実施の形態を説明する。

図１および図２に示すように、円すいころ軸受は内輪１０と外輪２０と円すいころ３０と保持器４０とで構成される。内輪１０は外周に円すい面状の軌道１２を有し、軌道１２の両側に小つば１４と大つば１６を備えている。符号１８は内輪１０の大つば面すなわち円すいころ３０の大端面３２と接する面を表している。外輪２０は内周に円すい面状の軌道２２を有する。円すいころ３０は内外輪１０，２０の軌道１２，２２間に転動自在に介在させてある。保持器４０は円周方向に所定間隔に配置した複数のポケットを有し、各ポケットに円すいころ３０が収容される。

円すいころ３０と内外輪１０，２０の軌道１２，２２とが線接触しており、内外輪１０，２０の軌道１２，２２と円すいころ３０の円すい（円すい角：β）の頂点（Ｏ）が軸受中心軸上の一点Ｏに集まるように設計されている（図１）。内輪１０の軌道１２と外輪２０の軌道２２では円すい角が違うため、各軌道１２，２２から円すいころ３０に加わる荷重の合力が円すいころ３０を内輪１０の大つば１６に向けて押す方向に作用する。このため、円すいころ３０はその大端面３２が内輪１０の大つば面１８に押し付けられた状態で案内され、両者は滑り接触をする。

円すいころ３０の大端面３２の曲率半径Ｒは、円すいの頂点（Ｏ）から内輪１０の大つば面１８までの距離をＲ_BASEとすると、０．７５≦Ｒ／Ｒ_BASE≦０．８７の範囲内に設定してある。言い換えれば、円すいの頂点（Ｏ）から内輪１０の大つば面１８までの距離Ｒ_BASEに対する円すいころ３０の大端面３２の曲率半径Ｒの比の値Ｒ/Ｒ_BASEを０．７５以上０．８７以下としてある。

円すいころ３０の大端面３２の曲率半径Ｒが油膜厚さに及ぼす影響をKARNAの式から求めてグラフにしたものを図４に示す。同図より明らかなように、従来の０．９０≦Ｒ/Ｒ_BASE≦０．９７の範囲では油膜が比較的薄いことが分かる。また、油膜厚さ比が０．９５以上となるのは０．６５≦Ｒ/Ｒ_BASE≦０．８７の範囲であるが、この範囲の中でもＲ/Ｒ_BASE＜０．７５では、大端面３２の接触面積が比較的小さくなるため、結果として接触面圧が高くなり、耐焼付き性にとって却って不利になることが実験によって確認された。このため、曲率半径Ｒの最適値は結局、０．７５≦Ｒ/Ｒ_BASE≦０．８７の範囲であることが分かった。

図５は、Ｒ/Ｒ_BASEの値が小さ過ぎても大き過ぎても、それぞれ耐焼付き性にとって不利であることを示す実験結果であって、この実験は、軸受（型番Ｍ８６６４９/１０）を使用し、円すいころ３０の曲率半径Ｒの値を４種類、つまり、Ｒ/Ｒ_BASEで表したとき、０．７２、０．７８、０．９０、０．９７に異ならせた円すいころを、２個一組、合計８個の軸受に組み込み、回転数７０００ｒｐｍ、荷重６５０ｋｇｆの条件に置き、潤滑油の作用下で外輪外周面の温度上昇を測定したものである。実験の結果から、Ｒ/Ｒ_BASE＜０．７５と、０．８７＜Ｒ/Ｒ_BASEの範囲は、温度の上昇傾向がはっきりしてくる領域であり、耐焼付き性にとって不利であることが確認された。

図６は円すいころ軸受の焼付き試験における結果を示し、横軸はアキシアルすきま、縦軸は焼付き時間（分）を表している。この試験では、円すいころの大端面の曲率半径Ｒの値を変えた軸受を使用している。すなわち、Ｒ/Ｒ_BASEの値を、比較例１は０．９７、比較例２は０．９０、実施例は０．７８としたものである。比較例１、２はアキシアルすきまを１００μｍ程度に増やしても５分以内に焼付きを生じたが、実施例の軸受はアキシアルすきま９０μｍ程度で温度が安定して焼付きは見られなかった。

円すいころ３０の大端面３２は端面振れを３μｍ以下、より好ましくは１μｍ以下とする。端面振れはＪＩＳＢ１５０６に規定された方法によって測定する。具体的には、図７に示すように、円すいころ３０を支持台５に置き、大端面３２の周辺に近いところで当て金６に点接触させ、その端面でその接触点と円すいころ３０の中心軸に対して対称の位置に測定子７を当て、円すいころ３０を回転させて行う。円すいころ３０の端面振れは、円すいころ３０を１回転させたときの測定器の読みの最大値と最小値との差として求める。

さらに、円すいころ３０の大端面３２はホーニング仕上とし、表面粗さを０．０２０μｍＲａ以下とする。ちなみに従来は０．０６３μｍＲａ以下とされていた。なお、円すいころ３０の大端面３２の表面粗さは、たとえば加工限界として０．０１μｍを下限とする。

円すいころ３０の大端面３２の曲率半径Ｒが耐焼付き性に及ぼす影響を確認するため、焼付き試験を行なった。試験条件は次のとおりである。
試験軸受：３０２０６
Ｒ／Ｒ_BASE（％）：８０（実施例）／９５（比較例）
端面振れ：１μｍ
面粗さ：０．０２μｍＲａ
回転速度：５０００ｒｐｍ（Ｖ＝６．２ｍ／ｓ）
焼付き試験の結果を表１に示す。なお、表１中、○は焼付きなし、×は焼付き発生、−は未試験を表す。

表１から明らかなとおり、Ｒ／Ｒ_BASEが８０％のもの（実施例）は、内輪大つば面の接触面圧が７．０kgf/mm²でも焼付きが発生しなかった。一方、Ｒ／Ｒ_BASEが９５％のもの（比較例）は内輪大つば面の接触面圧を５．５に下げても焼付きが発生した。このことから、Ｒ／Ｒ_BASE０．７５以上０．８７以下の範囲内であれば良好な耐焼付き性が得られることがわかる。また、最適油膜形成が実現できることから、円すいころ大端面と内輪大つば面の摩耗が防止され、耐予圧抜け性が向上することは容易に推定できる。

以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明はこれに限定されることなく種々の変形が可能である。たとえば、本発明は２列以上の複列円すいころ軸受にも応用可能である。

本発明の実施の形態を示す円すいころ軸受の縦断面図である。図１の円すいころ軸受の拡大図である。図２の内輪大つば面部分の拡大図である。円すいころ大端面の曲率半径Ｒが油膜厚さに及ぼす影響を示すグラフである。円すいころ大端面の曲率半径Ｒと軸受温度上昇との関係を示すグラフである。アキシアルすきまと焼付き時間の関係を示すグラフである。端面振れ測定装置を示し、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図である。

符号の説明

１０内輪
１２軌道
１４小つば
１６大つば
１８大つば面
２０外輪
２２軌道
３０円すいころ
３２大端面
４０保持器

Claims

外周に円すい面状の軌道を有するとともに軌道の両側に大つばと小つばを形成した内輪と、内周に円すい面状の軌道を有する外輪と、内輪の軌道と外輪の軌道との間に介在させた複数の円すいころと、円すいころを円周方向で所定間隔に保つための保持器とを具備し、円すいころの円すいの頂点から内輪の大つば面までの距離Ｒ_BASEに対する円すいころの大端面の曲率半径Ｒの比の値Ｒ/Ｒ_BASEを０．７５以上０．８７以下とし、かつ、円すいころの大端面の端面振れを３μｍ以下としたことを特徴とする円すいころ軸受。
円すいころの大端面の面粗さを０．０２μｍＲａとしたことを特徴とする請求項１の円すいころ軸受。