JP2006250271A - 直動型スラスト円筒ころ軸受 - Google Patents

Abstract

【課題】 複数個の円筒ころ１の外周面と各平面１０、１１との摩耗量を十分に抑える事ができ、しかも各ポケット３の寸法誤差が比較的大きくなった場合でも、これら各ポケット３の内側から上記各円筒ころ１が脱落するのを防止できると共に、これら各ポケット３の内側で上記各円筒ころ１を転動自在に保持できる構造を実現する。
【解決手段】 保持器２に対する上記各円筒ころ１の接触角αを、１５〜３５度の範囲内の角度とする。この構成を採用する事により、上記課題を解決する。
【選択図】 図６

Description

この発明に係る直動型スラスト円筒ころ軸受は、各種機械装置を構成する、互いに直線方向に相対変位する１対の部材同士の間に組み込んで、これら両部材同士の間に加わるスラスト荷重を支承しつつ、これら両部材同士の直線方向の相対変位を自在とする為に利用する。

上述の様な用途で使用可能な直動型スラスト円筒ころ軸受として、例えば図３〜６に示す様なものが考えられている。この図３〜６に示した直動型スラスト円筒ころ軸受は、複数個の円筒ころ１、１と、これら各円筒ころ１、１を保持する為の保持器２とを備える。このうちの複数個の円筒ころ１、１は、同一の仮想平面（図３の紙面に平行な平面。図５、６に一点鎖線Ｘで示す。）内にそれぞれの中心軸を互いに平行に又は同心に配置している。具体的には、図３に示す様に、上記各円筒ころ１、１の軸方向（図３の左右方向）と直交する方向（図３の上下方向）に隣り合う各円筒ころ１、１同士で、軸方向の位相を凡そ半ピッチずつずらせて、千鳥状に配置している。

又、上記保持器２は、全体を正方形の板状に構成しており、それぞれが上記各円筒ころ１、１を１個ずつ転動自在に保持自在な複数の略矩形のポケット３、３を備える。この様な保持器２は、それぞれが金属板に打ち抜き加工及び曲げ加工を施す事により全体を正方形状に造られた１対の素子４ａ、４ｂ同士を、互いに組み合わせる事により構成している。即ち、これら各素子４ａ、４ｂはそれぞれ、正方形の平板部５ａ、５ｂと、これら各平板部５ａ、５ｂの幅方向両端縁部分をそれぞれ同方向に直角に折り曲げる事により形成した１対ずつの鍔部６ａ、６ｂとを備える。そして、図５に示す様に、上記両素子４ａ、４ｂを構成する１対ずつの鍔部６ａ、６ｂ同士を互いに向かい合わせた状態で、これら両鍔部６ａ、６ｂ同士を互いに嵌合させている。これと共に、一方（図５の上方）の素子４ａを構成する各鍔部６ａ、６ａの先端縁（図５の下端縁）の円周方向複数個所を、他方（図５の下方）の素子４ｂの外周面にかしめ付ける事により、これら両素子４ａ、４ｂ同士を非分離に結合している。そして、この状態で、これら両素子４ａ、４ｂを構成する平板部５ａ、５ｂにそれぞれ複数個ずつ形成した略矩形の透孔７、７を互いに整合させる事により、上記各ポケット３、３を構成している。即ち、これら各ポケット３、３はそれぞれ、互いに対向した１対ずつの透孔７、７により構成している。

又、上記各ポケット３、３を構成する各透孔７、７の内縁のうち、それぞれが上記各円筒ころ１、１の外周面と対向する、互いに平行な１対の直線縁部８、８の長さ方向中間部には、それぞれ上記各透孔７、７の中心部に向けて突出する係合突部９、９を設けている。図示の例では、これら各係合突部９、９の突出量を、総て等しくしている。従って、図６に示す様に、上記各円筒ころ１を上記各ポケット３の幅方向（図６の左右方向）の何れか一方の側（図示の例では右側）に変位させ切った場合に、この幅方向の同側に存在する１対の係合突部９、９の先端縁はそれぞれ、上記各円筒ころ１の外周面のうち、上記仮想平面Ｘの両側部分でこの仮想平面Ｘからの垂直距離が互いに等しい部分Ｑ、Ｑに接触する。又、上記各ポケット３、３の開口部の自由状態での幅寸法（これら各ポケット３、３の幅方向両側に設けた上記各係合突部９、９同士の自由状態での間隔）Ｗ_P は、上記各円筒ころ１、１の外周面の直径Ｄ₁ よりも小さく（Ｗ_P ＜Ｄ₁ ）している。この様な寸法規制を行なう事により、上記各ポケット３、３の内側から上記各円筒ころ１、１が脱落する事を防止できる様にしている。尚、図示の様な直動型スラスト円筒ころ軸受を製造する過程で、上記各円筒ころ１、１は、上記各係合突部９、９を弾性変形させながら上記各ポケット３、３内に押し込むか、或は、上記保持器２を構成する１対の素子４ａ、４ｂ同士を互いに組み合わせる際に、これら両素子４ａ、４ｂ同士の間に挟み込む様にして、上記各ポケット３、３内に配置する。

上述の様に構成する直動型スラスト円筒ころ軸受の使用時には、この直動型スラスト円筒ころ軸受を構成する複数個の円筒ころ１、１を、互いに平行に配置した１対の平面１０、１１（図６にのみ図示）同士の間に挟持する。そして、この状態で、これら両平面１０、１１を備えた１対の部材１２、１３（図６にのみ図示）同士の間に加わるスラスト荷重を支承しつつ、これら両部材１２、１３同士が、上記仮想平面Ｘと平行で且つ上記各円筒ころ１、１の軸方向と直交する方向（図３の上下方向、図５の表裏方向、図６の左右方向）に関して相対変位する事を可能とする。

ところで、上述した様な直動型スラスト円筒ころ軸受の使用時、上記各円筒ころ１、１の外周面は、上記各平面１０、１１に対し、転がり接触する。但し、運転条件によっては、これら各面同士の接触部に、滑りが発生する場合もある。この様に各面同士の接触部で滑りが発生した場合、これら各面で発生する摩耗粉の総体積Ｖは、それぞれ次の（１）式で表す事ができる（例えば、非特許文献１参照）。

ここで、この（１）式の右辺の各記号の意味は、以下の通りである。
Ｋ：摩耗係数
Ｗ：接触部に作用している法線方向の荷重（ころ荷重）
Ｌ：滑り距離
Ｈ：摩耗が生じた面の硬さ

又、上記各円筒ころ１、１の外周面は、上記各平面１０、１１に対して線接触するが、この線接触部の長さをＳ_c とすると、上記（１）式の関係から、互いに接触する上記各面の摩耗深さｄは、それぞれ次の（２）式で表す事ができる。

ここで、この（２）式の右辺の各記号の意味は、以下の通りである。尚、ｕ₁ 、ｕ₂ は、互いに接触する２面の速度（図７の接触モデル参照）とする。
Ｌ_r ：転がり距離
Ｕ_r ＝（ｕ₁ ＋ｕ₂ ）／２：転がり速度
Ｕ_s ＝ｕ₁ −ｕ₂ ：滑り速度
Σ＝Ｕ_s ／Ｕ_r ：滑り率
Δｔ：時間
上記（２）式から分かる様に、上記各面の摩耗深さｄは、これら各面同士の接触部の滑り率Σに比例する。従って、これら各面の摩耗は、この滑り率Σを小さくする事により、減少させる事ができる。

そこで、次に、上記滑り率Σを如何にして小さくできるかに就いて説明する。上述した様な直動型スラスト円筒ころ軸受の場合、上記各部材１２、１３同士の相対変位に伴い、上記各円筒ころ１、１がそれぞれ、上記仮想平面Ｘ内で自身の軸方向と直交する方向に関して互いに同じ向きに（転がりながら）移動する。そして、この移動に伴い、上記保持器２も、上記各円筒ころ１、１と同じ向きに移動する。この理由は、上述の様に各円筒ころ１、１が互いに同じ向きに移動すると、図６に示す様に、これら各円筒ころ１の外周面が前記各ポケット３の幅方向同側（図示の例では、右側）に存在する１対の係合突部９、９に接触し、これら各係合突部９、９を上記各円筒ころ１の移動方向に押す為である。この場合、同図に示す様に、上記各円筒ころ１の外周面と上記各係合突部９、９との接触部Ｑ、Ｑで、上記保持器２を上記各円筒ころ１の移動方向に変位させる為に必要な力ｇを発生させるのに必要な接触力ｆは、次の（３）式で表す事ができる。

尚、この（３）式の右辺の角度αは、上記保持器２に対する上記円筒ころ１の接触角（この円筒ころ１の中心軸Ｏと上記接触部Ｑとを径方向に結ぶ直線ＯＱと、上記仮想平面Ｘとのなす角度。０度＜α＜９０度）である。

上記（３）式から分かる様に、上記接触角αが大きくなる程、上記各接触部Ｑ、Ｑに加わる接触力ｆが大きくなる。又、これら各接触部Ｑ、Ｑに加わる接触力ｆが大きくなる程、これら各接触部Ｑ、Ｑに作用する摩擦力が大きくなる。これら各接触部Ｑ、Ｑに作用する摩擦力は、上記各円筒ころ１、１が転動する事に対する抵抗力となる。この為、これら各接触部Ｑ、Ｑに作用する摩擦力が大きくなる程、上記各円筒ころ１、１を転がり移動させる為に必要な、これら各円筒ころ１、１の外周面と前記各平面１０、１１との接触部のトラクションが大きくなる。又、図８は、互いに接触する２面間の滑り率Σとトラクション係数φとの関係を示しているが、この関係からも明らかな様に、上記各面同士の接触部の滑り率Σが比較的小さい範囲では、これら各接触部のトラクションが大きくなる程、上記滑り率Σが大きくなる。従って、これらの話をまとめると、この滑り率Σは、上記接触角αを小さくする事により、小さくする事ができる。そして、この様に滑り率Σを小さくした分だけ、上記各円筒ころ１、１の外周面及び上記各平面１０、１１の摩耗を減少させる事ができる。

ところが、上記接触角αを小さくし過ぎると、前記各ポケット３、３の内側から上記各円筒ころ１、１が脱落するのを防止すると共に、これら各ポケット３、３の内側でこれら各円筒ころ１、１を転動自在とする構造を確保する上で、不都合を生じる場合がある。この点に就いて、図６を参照しつつ、以下に説明する。

先ず、前述した様に、上記各ポケット３の内側から上記各円筒ころ１が脱落するのを防止する為には、上記各ポケット３の開口部の自由状態での幅寸法Ｗ_P を、上記各円筒ころ１の外周面の直径Ｄ₁ よりも小さく（Ｗ_P ＜Ｄ₁ ）する必要がある。一方、上記各ポケット３の内側で上記各円筒ころ１を転動自在とする為には、これら各ポケット３の開口部に存在するポケット隙間Ｃ_p （＝Ｗ_P −Ｄ₁ ｃｏｓα）を、ゼロより大きい値｛（Ｗ_P −Ｄ₁ ｃｏｓα）＞０｝にする必要がある。この為、これら２つの条件を同時に満たす幅寸法Ｗ_P は、Ｄ₁ ｃｏｓα＜Ｗ_P ＜Ｄ₁ の範囲となる。従って、この場合に、この幅寸法Ｗ_P がとり得る値の幅δは、次の（４）式で表す事ができる。

この（４）式から明らかな様に、上記幅δは、上記接触角αが小さくなる程、小さくなる。この幅δが小さくなり過ぎると、上記各ポケット３を形成する際の寸法誤差が大きくなった場合に、上記幅寸法Ｗ_P が上述した範囲（Ｄ₁ ｃｏｓα＜Ｗ_P ＜Ｄ₁ ）外の値となる可能性が高くなる為、好ましくない。従って、上記幅δが小さくなり過ぎない様にする観点から、上記接触角αを無闇に小さくする事はできない。

山本、兼田、「トライボロジー」、理工学社、２００１年２月２５日、第１版、第４刷、ｐ１８９

本発明の直動型スラスト円筒ころ軸受は、上述の様な事情に鑑み、複数個の円筒ころの外周面と相手面との摩耗量を十分に抑える事ができ、しかも保持器を構成する複数のポケットを形成する際の寸法誤差が多少大きくなった場合でも、これら各ポケットの内側から上記各円筒ころが脱落するのを防止できると共に、これら各ポケットの内側でこれら各円筒ころを転動自在に保持できる構造を実現すべく発明したものである。

本発明の直動型スラスト円筒ころ軸受は、同一の仮想平面内にそれぞれの中心軸を互いに平行に又は同心に配置した複数本の円筒ころと、これら各円筒ころを転動自在に保持する為の複数の矩形のポケットを有する保持器とを備える。そして、これら各ポケットの内面のうち上記各円筒ころの外周面と対向する両内側面にそれぞれ、これら各円筒ころの外周面のうち上記仮想平面の両側部分でこの仮想平面からの垂直距離が互いに等しい部分に接触可能な１対の係合突部を設けている。又、上記仮想平面と平行で且つ上記各円筒ころの軸方向と直交する方向に関する、上記両内側面に設けた１対ずつの係合突部同士の自由状態での間隔を、上記各円筒ころの外周面の直径よりも小さくしている。
特に、本発明の直動型スラスト円筒ころ軸受の場合には、例えば前述の図６に示す様に、上記各円筒ころの外周面を上記各内側面に設けた１対の係合突部に接触させた状態で、これら各円筒ころの外周面のうちこれら各係合突部を接触させた部分とこれら各円筒ころの中心軸とをこれら各円筒ころの径方向に結ぶ直線（図６の例では、直線ＯＱ）と、上記仮想平面（図６の例では、一点鎖線Ｘ）とのなす角度（保持器に対する円筒ころの接触角。図６の例では、角度α。）を、それぞれ１５〜３５度の範囲内の角度としている。

上述の様に、本発明の直動型スラスト円筒ころ軸受の場合には、保持器に対する円筒ころの接触角を、適切な範囲（１５〜３５度の範囲）内の角度としている。この為、複数個の円筒ころの外周面と相手面との摩耗量を十分に抑える事ができる。更には、保持器を構成する複数のポケットを形成する際の寸法誤差が比較的大きくなった場合でも、これら各ポケットの内側から円筒ころが脱落するのを防止できると共に、これら各ポケットの内側にこれら各円筒ころを、転動自在に保持できる。

本発明を完成させる過程で行なった評価試験に就いて説明する。本実施例では、この評価試験を行なう為のサンプルとして、前述の図３〜６に示した基本構成を有する直動型スラスト円筒ころ軸受を採用した。但し、各部の寸法は、以下の通りである。
保持器２の幅寸法Ｗ_h ：９６mm
ポケット３の自由状態での幅寸法Ｗ_p ：４．１７mm（基準寸法）

そして、上記保持器２に対する円筒ころ１の接触角αを種々変えた場合の、この円筒ころ１の外周面及び各平面１０、１１の摩耗深さｄを、それぞれ前記（２）式により求める事で、上記接触角αと、摩耗による軸受幅Ｗ_b （図６）の減少量との関係を求めた。図１に、その結果を示す。尚、この図１では、上記軸受幅Ｗ_b の減少量を、上記接触角αが５０度の場合の減少量を「１」とする比で表している（同図の縦軸）。又、本実施例では、上記接触角αを種々変えた場合の、前述したポケット３の開口部の自由状態での幅寸法Ｗ_P がとり得る値の幅δを、それぞれ前記（４）式により求める事で、上記接触角αとこの幅δとの関係を求めた。図２に、その結果を示す。

先ず、図１に示した結果より、上記接触角αが大きくなる程、上記摩耗による軸受幅Ｗ_b の減少量が大きくなる事が分かる。特に、上記接触角αが３０度を越えた辺りから、上記摩耗による軸受幅Ｗ_b の減少量の上昇度合いが大きくなる事が分かる。そこで、本発明の場合には、上記摩耗による軸受幅Ｗ_b の減少量を十分に抑えられる様にすべく、上記接触角αを３５度以下（好ましくは３０度以下、より好ましくは２７．５度以下）にする事とした。

次に、図２に示した結果より、上記接触角αが小さくなる程、上記ポケット３の開口部の自由状態での幅寸法Ｗ_P がとり得る値の幅δが小さくなる事が分かる。ところで、前述した様に、上記ポケット３を構成する１対の透孔７、７は、それぞれ金属板に打ち抜き加工を施す事により形成している。又、本実施例の場合、上記幅寸法Ｗ_P は、基準寸法で４．１７mm（６mm以下）である。一方、ＪＩＳ Ｂ０４０８（金属プレス加工品の普通寸法公差）の表１（打抜き普通寸法許容差）によれば、基準寸法の区分が６mm以下での許容差は、±０．０５mm（等級Ａ級）であり、その公差（最大許容値−最小許容値）は、０．１０mmである。そこで、本発明の場合には、上記幅寸法Ｗ_P が上記基準寸法から上記許容差（±０．０５mm）分ずれた場合でも、この幅寸法Ｗ_P が上記幅δの外にはみ出さない様にする為に、安全を考慮して、この幅δが上記公差の２倍（０．２mm）以上になる様にすべく、上記接触角αを１５度以上（好ましくは２０度以上、より好ましくは２２．５度以上）にする事とした。

以上より、本発明の直動型スラスト円筒ころ軸受の場合には、上記接触角αを１５〜３５度（好ましくは２０〜３０度、より好ましくは２２．５〜２７．５度）の範囲内の角度とする事により、複数個の円筒ころの外周面と相手面との摩耗量を十分に抑える事ができ、しかも、保持器を構成する複数のポケットを形成する際の寸法誤差が多少大きくなった場合でも、これら各ポケットの内側から円筒ころが脱落するのを防止できると共に、これら各ポケットの内側でこれら各円筒ころを転動自在に保持できる様にした。

尚、本発明の直動型スラスト円筒ころ軸受を実施する場合、保持器の平面形状は、正方形（図３参照）に限らず、用途に合わせた各種の形状を採用する事ができる。又、寸法に関しても、用途に合わせた各種の寸法を採用する事ができる。

本発明を完成させる過程で理論計算を行なう事により求めた、保持器に対する円筒ころの接触角αと、摩耗による軸受幅Ｗ_b の減少量の比との関係を示すグラフ。 同じく、保持器に対する円筒ころの接触角αと、ポケット開口部の幅寸法Ｗ_p がとり得る寸法幅δとの関係を示すグラフ。 本発明の対象となる直動型スラスト円筒ころ軸受の１例を示す平面図。 図３のＡ部拡大図。 図３のＢ−Ｂ断面図。 図５のＣ−Ｃ断面を拡大して示す図。 互いに接触する２面の接触状態を示すモデル。 接触部の滑り率Σとトラクション係数φとの関係を示すグラフ。

符号の説明

１ 円筒ころ
２ 保持器
３ ポケット
４ａ、４ｂ 素子
５ａ、５ｂ 平板部
６ａ、６ｂ 鍔部
７ 透孔
８ 直線縁部
９ 係合突部
１０ 平面
１１ 平面
１２ 部材
１３ 部材

Claims (1)

1. 同一の仮想平面内にそれぞれの中心軸を互いに平行に又は同心に配置した複数本の円筒ころと、これら各円筒ころを転動自在に保持する為の複数の矩形のポケットを有する保持器とを備え、これら各ポケットの内面のうち上記各円筒ころの外周面と対向する両内側面にそれぞれ、これら各円筒ころの外周面のうち上記仮想平面の両側部分でこの仮想平面からの垂直距離が互いに等しい部分に接触可能な１対の係合突部を設けており、上記仮想平面と平行で且つ上記各円筒ころの軸方向と直交する方向に関する、上記両内側面に設けた１対ずつの係合突部同士の自由状態での間隔を、上記各円筒ころの外周面の直径よりも小さくしている直動型スラスト円筒ころ軸受であって、上記各円筒ころの外周面を上記各内側面に設けた１対の係合突部に接触させた状態で、これら各円筒ころの外周面のうちこれら各係合突部を接触させた部分とこれら各円筒ころの中心軸とをこれら各円筒ころの径方向に結ぶ直線と、上記仮想平面とのなす角度を、それぞれ１５〜３５度の範囲内の角度とした事を特徴とする直動型スラスト円筒ころ軸受。
   

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