JP2006214520A - 歯車増速機の軸受装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 軌道輪と円筒ころとの滑りを無くして、スミアリングやスキッディングが発生するのを防止した歯車増速機の軸受装置を提供すること。
【解決手段】 荷重及び／又は回転速度の変動があり、少なくとも一つの歯車１６を有する回転軸１を支持する円筒ころ軸受２を備えた、歯車増速機の軸受装置であって、回転軸１上の、円筒ころ軸受２の近傍に、回転軸１に対してラジアル方向に予圧を負荷する予圧負荷装置を配設した。予圧負荷装置は、回転軸１を支持する玉軸受４と、玉軸受４を内嵌するハウジング１２と、ハウジング１２を予圧方向に移動可能に支持する支持部材１３と、ハウジング１２に予圧方向の所定の予圧荷重を負荷するための弾性部材１５とを備えている。
【選択図】 図２

Description

本発明は、一般産業用機械に組み込まれるもので、荷重や回転速度に変動のある歯車増速機において、その回転軸を支持するころ軸受に発生するスミアリングやスキッディングの改善を図った歯車増速機の軸受装置に関するものである。

従来より、円筒ころ軸受は、円筒ころが軌道輪の軌道面で軸方向に逃げられるという利点があるため、特に、固定側よりも自由側の軸受として、低荷重から高荷重等いろいろな条件の下で幅広く使用されている。

しかし、円筒ころ軸受は、高速若しくは急加減速、且つ低荷重の条件下においては、円筒ころと軌道輪（内輪回転の場合は内輪、外輪回転の場合は外輪）との間で回転駆動力が十分に伝達されず、軌道輪の回転が円筒ころの転がり抗力に打ち勝てなくなって、軌道輪ところの表面速度に差が生じて、互いに滑り始めることがある。

このように、軌道輪と円筒ころとの間に公転滑りと呼ばれる大きな滑りが発生すると、この軌道輪の軌道面に、スキッディング損傷と呼ばれる白色変質層を伴う損傷、あるいはスミアリングと呼ばれる熱損傷を招いてしまう恐れがある。

例えば、スミアリングは、鉄鋼関連で使用されるような大型あるいは超大型軸受の場合に生じ易い。また、特許文献１に開示されているような風力発電設備用増速機等に組み込まれる回転軸（出力軸）の円筒ころ軸受においては、気象条件によっては、回転軸は極めて不安定で回転速度の変動が大きいため、上述した低荷重での急加減速という条件下において軸受の損傷を回避することが今後の課題となっている。

このような増速機の出力段における回転軸用の軸受としては、固定側に円錐ころ軸受、自由側に円筒ころ軸受が使用されることが多い。円錐ころ軸受でも同様のスミアリングが生じることがあるが、つばにころの頭部が押し付けられる構造で、この部分でも駆動されるため、円筒ころ軸受に比べて公転滑り発生の危険は少ない。

軌道輪と円筒ころとの間に滑りを防止するための対策として提案されている３つの主な方法がある。それは、（１）軌道輪の軌道形状を真円ではなく楕円にすることにより、軌道輪に部分的な負荷圏を持たせて転動体を連動させる、特許文献２に開示されている方法。（２）アキシアル予圧をかけて、つば部において転動体を連動させる、特許文献３に開示されている方法。（３）ウェイト等で軸系の重量を増加させることにより、軸受にラジアル荷重を負荷する、特許文献４に開示されている方法である。これら以外にも、いろいろな方法が提案され、実用化されている。
特開平１０―９６４６３号公報 特開２００１―１４０８７７号公報 特開平９―２１００５５号公報 特開平１０―２５２７６４号公報

しかしながら、従来の上記歯車増速機の円筒ころ軸受における（１）や（２）の方法は、航空機や工作機械のスピンドル等の精密機械分野で応用されているが、一般産業機械における回転及び荷重変動によって発生するスミアリングやスキッディングの防止機構として考えた場合には不十分な点がある。例えば、温度条件は一般に広範囲で不安定なため、熱膨張によって生じる隙間の変動、特に、軸の伸びによって生じる隙間の変動、あるいは潤滑状態の変化等、これらの変化に対しても追従して、常に安定した回転をする転動体を得ることは困難である。また、上記（１）については、軌道輪の軌道面形状を専用装置で特殊な加工をする必要があるため、手間がかかると共にコスト高になってしまう。

また、上記（３）については、転動体に負荷をかけて駆動力を得るという点では確実ではあるが、装置が大型化するだけでなく、回転軸に実際に必要な荷重を負荷しようとすると、かなりの重量増となってしまい、現実的ではないという問題点があった。

そこで、本発明は、上述した従来の不具合を解消して、軌道輪と円筒ころとの滑りを無くして、スミアリングやスキッディングが発生するのを防止することができる、簡単な構成の歯車増速機の軸受装置を提供することを課題としている。

上記課題を解決するために、本発明では、少なくとも一つの歯車を有する回転軸を支持するころ軸受を備えた、歯車増速機の軸受装置において、前記回転軸上の、前記ころ軸受の近傍に、当該回転軸に対してラジアル方向に予圧を負荷するための予圧負荷装置を配設したことを特徴としている。

また、前記予圧負荷装置は、前記回転軸を支持する転がり軸受と、この転がり軸受を内嵌するハウジングと、このハウジングを前記予圧方向に移動可能にするガイド部材と、前記ハウジングを予圧方向に所定の予圧荷重を負荷するための弾性部材とを備えていることが好ましい。

本発明は、上記のように構成されていて、予圧負荷装置により円筒ころ軸受の公転滑りを防止するのに必要な荷重を回転軸に予圧を負荷することができるので、同円筒ころ軸受にスミアリングやスキッディング等の損傷が発生するのを防止することができ、軸受装置の長期にわたる良好な稼動を実現することができる。

また、予圧負荷装置は、従来の回転軸にウェイト等の必要最小荷重を負荷する方式に比較して、はるかにコンパクトで、回転軸の空きスペース部分に設置することができるので、組み立て性の向上にも寄与するものとなる。

以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。

図１は本発明の実施形態を示す歯車増速機の軸受装置の軸方向断面図、図２は図１の予圧負荷装置を示すＡ−Ａ断面図、図３は図２のガイド軸部分を示す拡大図である。

増速機の出力段における回転軸用の軸受としては、固定側に円錐ころ軸受、自由側に円筒ころ軸受が使用されることが多い。本発明の実施形態としては、ギヤ比１：９０で入力１ＭＷクラスの歯車増速機の回転軸を想定し、回転軸の自由側に円筒ころ軸受を配備した軸受装置の構成について説明する。

図１に示すように、回転軸１が、円筒ころ軸受２（ＮＵ２３２４：日本精工（株）製）と、その近傍に設けた予圧負荷装置の一部である予圧ユニット３とによって回転自在に支持されている。回転軸１には歯車１６が外嵌・固定されている。円筒ころ軸受２は、回転軸１に外嵌・固定された内輪５と、保持器８によって支持された複数の円筒ころ７と、円筒ころ７を内輪５との間に挟持する外輪６とから構成されている。

予圧ユニット３は、図２にも示すように、予圧負荷用の深溝玉軸受４（６２３０：日本精工（株）製）と、この玉軸受４を内嵌するハウジング１２とから成っている。深溝玉軸受４は、回転軸１に外嵌・固定された内輪９と、この内輪９との間に複数の玉１０を回転自在に挟持し、ハウジング１２に内嵌・固定された外輪１１と、から構成されている。

ハウジング１２には、軸１の軸心を挟んで対称な２箇所にガイド軸孔１２ａが設けられており、このガイド軸孔１２ａにボルト仕様のガイド部材であるガイド軸１３がそれぞれ貫通して、本体側ブラケット１４に設けた２つの軸孔１４ａに締め付け固定されている。図３に示すように、ハウジング１２のガイド軸孔１２ａの内径は、ガイド軸１３の外径よりもやや大きく微小な隙間が設けられており、ハウジング１２はガイド軸１３の軸方向に移動可能とされている。尚、ガイド軸孔１２ａには摩擦防止のために焼結ブッシュ等を施すこともできる。

ガイド軸１３の頭部１３ａは、段付きとなっていて、この部分には段部座面１３ｂが設けられている。この段部座面１３ｂは、ハウジング２のガイド軸孔１２ａの開口端部に設けた係止用拡大穴１２ｃに係止されることによりハウジング２の抜けが防止されるようになっている。

このハウジング１２のガイド軸孔１２ａと本体側ブラケット１４の軸孔１４ａの対向する開口部から各々の孔方向に所定長さの部分は、径をより大きく設定したスプリング収容部（１２ｂ,１４ｂ）とされている。スプリング収容部（１２ｂ,１４ｂ）には弾性部材であるコイルスプリング１５が収容され、このコイルスプリング１５のハウジング１２側端部がスプリング収容部１２ｂの段部１２ｄを弾性的に押圧することにより、ハウジング１２がガイド軸１３の頭部１３ａに向って図２中の矢印方向に弾性的に付勢される。ハウジング１２へのこの付勢力により深溝玉軸受４を介して回転軸１がラジアル方向に予圧される仕組みになっている。予圧の方向は、歯車の分離力と同じ方向に合わせておけば無負荷時に転動体負荷圏の位置が反転したり軸の位置がずれたりすることを防げるので、同じ向きであることが望ましい。

このような構成の予圧ユニット３は、深溝玉軸受４に回転軸１を組み付け、スプリング収容部（１２ｂ,１４ｂ）にスプリング１５を挿入した後、２本のガイド軸１３を、それぞれガイド軸孔１２ａ及びスプリング１５に貫通させてブラケット１４の軸孔１４ａにねじ込んで取り付ける。

こうして、予圧ユニット３、本体側ブラケット１４、ガイド軸１３、及びスプリング１５により、予圧負荷装置が構成されている。

上記構成において、円筒ころ軸受２による回転軸１の支持位置は、通常予圧ユニット３における同軸１の支持状態が、図３にも示すように、ハウジング１２の係止用穴１２ｃの段部１２ｅがガイド軸１３の段部座面１３ｂからブラケット１４側へ長さLだけずれた位置となる状態になっている。言い換えると、ハウジング１２の係止用穴１２ｄの段部１２ｅがガイド軸１３の段部座面１３ｂから長さLだけ浮いた状態で、ハウジング１２のスプリング収容部１２ｂの段部１２ｄは、スプリング１５の矢印方向の付勢力を受けているので、ハウジング１２は同矢印方向（歯車４の噛み合い方向）の予圧力のみを持つことになる。このように、深溝玉軸受４には、ハウジング１２を介してスプリング１５の付勢力による荷重（予圧力）が負荷されるだけであって、歯車１６の荷重が回転軸１を介して負荷されることはない。

このため、円筒ころ軸受２にスミアリングやスキッディング等の損傷が発生するのを防止するために必要な、円筒ころ軸受２に負荷すべき荷重を算出し、この荷重を、予圧ユニット３の回転軸１に対する予圧力として実現することができる。即ち、予圧ユニット３による予圧力をスプリング１５の付勢力を調整する等して任意に調整して、適切な荷重を円筒ころ軸受２に任意に負荷することができる。

延いては、円筒ころ軸受２の寿命を考慮して、予圧ユニット３のスプリング１５による予圧荷重を算出するならば、必要とする寿命を満たす軸受２を設計することができる。

例えば、この実施形態のように、円筒ころ軸受２としてＮＵ２３３４（日本精工（株）製）を用いた場合、実際の経験によるデータとして、荷重としておよそ15,900Ｎ程度負荷すれば良いことになる。但し、本実施形態で使用した円筒ころ軸受２は、幅広の設計となっており、円筒ころ７にかかるトラクションはころが長い分大きくなるため、さらに詳細に、潤滑油の粘土、軸の回転速度、及び軸受緒元から軸受２内部のトラクション解析を行うと、およそ7000Ｎの荷重で円筒ころ７が軌道面にて公転を生じることなく十分駆動されることが分かった。

したがって、予圧ユニット３によって回転軸１に予圧する荷重が7000Ｎ程になるように、スプリング１５の付勢力やハウジング１２及び深溝玉軸受４の重量等を選定するならば、円筒ころ軸受２の内輪５と円筒ころ７との公転滑りを防止するのに必要な荷重を回転軸１に負荷することができるので、スミアリングやスキッディング等の損傷が発生するのを防止することができ、装置の長期にわたる良好な稼動を実現することができる。

また、本発明の予圧負荷装置は、従来技術で示した回転軸にウェイト等の必要最小荷重を負荷する方式（３）に比較して、はるかにコンパクトで、回転軸の空きスペース部分に設置することができ、組み立て性が良いという効果も有る。

上記実施形態の場合は、設置した深溝玉軸受４及びハウジング１２の改造に要した部材等の重量を合わせても1000Ｎ程度に抑えることができた。

尚、予圧ユニット３に用いる転がり軸受の形式は、ころ軸受よりもスミアリングを起こし難い玉軸受、特に、深溝玉軸受が転がり適している。また、この実施形態では、予圧の負荷方法はスプリング１５を用いたが、他に板ばね等を用いても良い。

本発明の実施形態を示す歯車増速機の軸受装置の軸方断面図である。 図１の予圧負荷装置を示すＡ−Ａ断面図である。 図２のガイド軸部分を示す拡大図である。

符号の説明

１：回転軸
２：円筒ころ軸受
３：予圧ユニット
４：深溝玉軸受
５,９：内輪
６,１１：外輪
７：円筒ころ
８：保持器
１０：玉
１２：ハウジング
１２ａ：ガイド軸孔
１２ｂ,１４ｂ：スプリング収容部
１２ｃ：係止用穴
１２ｄ：段部（スプリング収容部側）
１２ｅ：段部（係止用穴側）
１３：ガイド軸（ガイド部材）
１３ａ：頭部
１３ｂ：段部座面
１４：本体側ブラケット
１４ａ：軸孔
１５：スプリング（弾性部材）
１６：歯車

Claims (2)

1. 少なくとも一つの歯車を有する回転軸を支持するころ軸受を備えた、歯車増速機の軸受装置において、
   前記回転軸上の、前記ころ軸受の近傍に、当該回転軸に対してラジアル方向に予圧を負荷するための予圧負荷装置を配設したことを特徴とする歯車増速機の軸受装置。
2. 前記予圧負荷装置は、前記回転軸を支持する転がり軸受と、この転がり軸受を内嵌するハウジングと、このハウジングを前記予圧方向に移動可能にするガイド部材と、前記ハウジングに予圧方向の所定の予圧荷重を負荷するための弾性部材とを備えていることを特徴とする請求項１記載の歯車増速機の軸受装置。

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