JP2007024119A

JP2007024119A - アンギュラコンタクト玉軸受およびロボットアームの関節装置

Info

Publication number: JP2007024119A
Application number: JP2005204659A
Authority: JP
Inventors: Junichi Hattori; 純一服部
Original assignee: NTN Corp; NTN Toyo Bearing Co Ltd
Current assignee: NTN Corp
Priority date: 2005-07-13
Filing date: 2005-07-13
Publication date: 2007-02-01
Also published as: CN101218444A

Abstract

【課題】外輪１と内輪３のいずれか一方の軌道面２に玉６が２点で接触し、他方の軌道面４に前記玉６が少なくとも１点で接触し、前記一方の軌道面２上の接触点ａ、ｂが軸受中心線Ｃを境界としてアキシャル方向の一方側に片寄って位置し、前記他方の軌道面４上の接触点ｃ、ｄが前記アキシャル方向の一方側と反対側に片寄って位置するアンギュラコンタクト玉軸受において、玉６の剛性と耐摩耗性を維持しつつ、軸受重量の軽量化を図る。
【解決手段】前記玉６がセラミックス玉からなる構成を採用した。この構成によれば、玉６が複雑なスピンを行う場合でも、鋼製玉に比して、軽量、高剛性、かつ硬度に優れるため、これらの優位性の分だけ玉径や玉数を小さくすることが可能になり、玉セットの軽量化により軸受重量の軽量化を図ることができる。
【選択図】図１

Description

この発明は、アンギュラコンタクト玉軸受に関し、特に、低速回転下でモーメント荷重が負荷される回転軸を支持するのに好適なものに関する。

１００ｒｐｍを超えない低速回転の出力軸を有する駆動装置、例えば、建設用機械のスプロケット駆動装置やロボットアームの関節装置などは、駆動源、減速機などから構成される。減速機の出力軸は、駆動側との間に介在する主軸受により回転可能に支持される。主軸受には、荷重点が軸受外にあり、モーメント荷重が負荷されるため、アンギュラコンタクトの転がり軸受が利用されている。

上記のような装置では、機械、アームの姿勢制御や被駆動部の位置決め精度の改善などのため、モーメント荷重に対する主軸受の剛性向上が求められている。

従来からあるアンギュラコンタクト玉軸受は、モーメント荷重のアキシャル分荷重（軸受に対しアキシャル方向の一方向に作用する）を、外輪、内輪の各軌道面と玉が１点接触する状態で受ける構成となっていた（例えば、特許文献１参照）。

特開２００２−２１８５５号公報

上記特許文献１のようなアンギュラコンタクト玉軸受の剛性向上手段としては、外輪、内輪、転動体サイズの大型化や転動体数の増大化がある。

しかしながら、建設用機械の駆動装置やロボットアームの関節装置などのように、小型化が求められる装置に軸受を組み込む場合、軸受の設置空間には限りがある。

それ故、主軸受には、アンギュラコンタクト玉軸受よりも剛性が高い円錐ころ軸受が利用されることもあったが、円錐ころ軸受は、アンギュラコンタクト玉軸受よりも軌道面や転動体の研削工程が複雑であり、比較的コスト高なものである。

そこで、出願人は、本願出願時で未公開の先行特許出願（特願２００４−００５５３８号）において、外輪と内輪のいずれか一方の軌道面に玉が２点で接触し、他方の軌道面に前記玉が少なくとも１点で接触し、前記一方の軌道面上の接触点が軸受中心線を境界としてアキシャル方向の一方側に片寄って位置し、前記他方の軌道面上の接触点が前記アキシャル方向の一方側と反対側に片寄って位置するように構成したことを要旨とするアンギュラコンタクト玉軸受を提案している。

上記先行特許出願に係るアンギュラコンタクト玉軸受によれば、一方向に作用するアキシャル荷重は、前記玉が前記一方の軌道面に２点で接触するため、軸受取付方向を荷重方向に適合させることにより、上記２点の接触角に応じて分散された状態で受けられる。その結果、軸受の変形が上記従来例よりも抑制される、すなわち、軸受剛性が高められる。なお、ラジアル荷重は、前記玉が前記他方の軌道面に少なくとも１点で接触するため、上記従来例と同様に受けることができる。

アームを動かす関節装置に減速機の出力軸に先行特許出願に係るアンギュラコンタクト玉軸受を装着する場合、その軸受重量は、アーム関節に生じる慣性力を考慮すると、軽量な程よい。

しかしながら、アンギュラコンタクト玉軸受は、玉がこの中心を通り呼び作用線と直交する軸線回りでスピンしながら公転する、という本質的特徴を有する。このスピンは、玉や軌道面が摩耗したり剥離したりする原因となる。

特に、上記先行特許出願に係るアンギュラコンタクト玉軸受は、前記玉と前記一方の軌道面の加工精度に限界があり、また前記玉と前記一方の軌道面が２点で接触するため、前記のスピンが複雑になり易い。

したがって、上記先行特許出願に係るアンギュラコンタクト玉軸受では、前記玉の剛性や摩耗を考慮すると、玉直径や玉数を小さくすることにより軸受重量の軽量化を図ることは困難であった。

そこで、この発明の課題は、上記先行特許出願に係るアンギュラコンタクト玉軸受において、玉の剛性と耐摩耗性を維持しつつ、軸受重量の軽量化を図ることにある。

上記の課題を達成するため、この発明は、前記玉がセラミックス玉からなる構成を特徴とする。

上記構成によれば、前記玉は、窒化けい素セラミックス製の玉に代表されるように、鋼製玉に比して、軽量、高剛性、かつ硬度に優れるため、これらの優位性の分だけ玉径や玉数を小さくすることが可能になり、玉セットの軽量化により軸受重量の軽量化を図ることができる。

したがって、ロボットアームの関節装置を、アームを動かす駆動力が入力される減速機と、この減速機の出力軸に装着されたこの発明に係るアンギュラコンタクト玉軸受とを有する構成とすれば、アーム関節の小型化や軽量化が可能になり、その剛性向上とアーム関節に生じる慣性力の軽減により、位置決め精度や制御応答性の向上を図ることができる。

上述のように、この発明は、外輪と内輪のいずれか一方の軌道面に玉が２点で接触し、他方の軌道面に前記玉が少なくとも１点で接触し、前記一方の軌道面上の接触点が軸受中心線を境界としてアキシャル方向の一方側に片寄って位置し、前記他方の軌道面上の接触点が前記アキシャル方向の一方側と反対側に片寄って位置するアンギュラコンタクト玉軸受において、玉の剛性と耐摩耗性を維持しつつ、軸受重量の軽量化を図ることができる。

以下、この発明の第１実施形態を図面に基づいて説明する。
図１に示したように、この軸受はアンギュラコンタクト玉軸受であり、外輪１の軌道面２と内輪３の軌道面４の間に保持器５によって一定間隔をおいて保持された玉６が介在される。

外輪１の内径面は、その両端部に大径内面７と小径内面８が形成され、その各内面７、８の間に全体として円弧面となる前記の軌道面２が形成される。軌道面２は、図２（ａ）から分かるように、アーチ型の２個の円弧面２ａ、２ｂにより形成され、その両円弧面２ａ、２ｂの衝合点９の両側において玉６との接触点ａ、ｂが形成される。図１において軸受中心線Ｃに対する接触点ａの角度（接触角）をθ１で示し、接触点ｂの角度（接触角）をθ２で示す。

内輪３の外径面の形状は、前記外輪１の内径面の形状と玉６の中心点Ｏを基準に点対称の形状をなす。即ち、内輪３の外径面は、その両端部に小径外面１１と大径外面１２が形成され、その各外面１１、１２の間に全体として円弧面となる前記の軌道面４が形成される。軌道面４は、図２（ｂ）から分かるように、アーチ型の２個の円弧面４ｃ、４ｄにより形成され、その両円弧面４ｃ、４ｄの衝合点１３の両側において玉６との接触点ｃ、ｄが形成される。図１において、軸受中心線Ｃに対する接触点ｃの角度（接触角）をθ３（＝θ１）で示し、接触点ｄの角度（接触角）をθ４（＝θ２）で示す。

以上の説明から明らかなように、この発明においては、外輪１の軌道面２における２箇所の接触点ａ、ｂがともに軸受中心線Ｃを境界として、アキシャル方向の荷重Ｐが加えられる側に片寄った位置に設定される。同様に、内輪３においてもその軌道面４における２箇所の接触点ｃ、ｄがともに軸受中心線Ｃを境界として、前記と反対のアキシャル方向の荷重Ｐが加えられる側に片寄った位置に設定される。なお、θ１（＝θ３）は最小５°、θ２（＝θ４）の最大は８０°であり、各接触点間の角度θはこれらの範囲で適宜定められる。

なお、この軸受によって受けることができるアキシャル荷重Ｐは、図１の白抜き矢印で示すように、外輪１においては小径内面８側から大径内面７側に向かう方向、内輪３においては大径外面１２側から小径外面１１に向かう方向に限定され、この反対方向のアキシャル荷重を受けることはできない。

このように、一方向に限定されたアキシャル荷重Ｐを２点で受けることにより、各接触点に加えられる荷重が１点で受ける場合に比べ分散軽減され軸受の変形量が小さくなる。即ち、軸受の剛性が増大する。

上記構成において、玉６は、窒化けい素セラミックス製のセラミックス玉からなる。セラミックス玉は、窒化けい素セラミックスで、例えば、密度が３．２０〜３．２９［Ｍｇ／ｍ^３］（ＪＩＳＲ４１０８）、ビッカース硬さが１４００〜１５００（ＪＩＳＲ１６１０：Ｈｖ５００）、曲げ強度が９００〜１１００［ＭＰａ］（ＪＩＳＲ１６０１：３点曲げ）、破壊靭性値が５．５〜７．０［ＭＰａ・ｍ^{（１／２）}］（ＪＩＳＲ１６０７：ＮＩＩＨＡＲＡ‘ｓｍｅｔｈｏｄ）程度のものを用いることができる。なお、外輪１および内輪３には、例えば軸受鋼製のものを用いることができる。

この発明の第２実施形態を説明する。図３及び図４に示した第２実施形態に係るアンギュラコンタクト玉軸受は、基本的には前記の第１実施形態の場合と同様であるが、内輪３の軌道面４は全体として円弧面に形成され玉６の接触点ｅが１点のみである点において相違する。接触点ｅの位置は外輪の各接触点ａ、ｂの接触角の差の二分の１（θ/２）の線上に定められる。外輪１においては前述の場合と同様に２点で接触するため、この場合は３点接触型のアンギュラコンタクト玉軸受となる。この構造では、内輪３側においては軸受剛性の増大は図れないが、外輪１においては前述の場合と同様に軸受剛性の増大を図ることができる。

なお、上記とは逆に外輪１の軌道面２における接触点を１点とし、内輪３の軌道面４における接触点を２点とすることもできる。

次に、上記第１実施形態に係るアンギュラコンタクト玉軸受をロボットアームの関節装置に使用した一例を説明する。図５に示したロボットアームの関節装置は、偏心差動型減速機からなる減速機２１を有する。減速機２１は、その出力軸２２がアームと一体化される旋回部材２３を動かすようになっている。

具体的には、減速機２１は、旋回部材２３と基座側との間に固定されるケース２４と、ケース２４内に配され、旋回部材２３に一体化されたキャリアからなる出力軸２２と、ケース２４の内周に設けられたピン歯に噛み合う外歯付ピニオン２５とを備える。出力軸２２とケース２４との間には、主軸受２６が装着されている。

主軸受２６は、上記第１実施形態に係るアンギュラコンタクト玉軸受を背面組合せ軸受としたものである。主軸受２６は、出力軸２２をケース２４に対し回転可能に支持するように出力軸２２の外周とケース２４の内周間に介在されている。出力軸２２の両側フランジ部とケース２４の両端部との間にはシール部材２７が介装されており、主軸受２６は、グリース潤滑の環境下にある。

ピニオン２５の貫通孔には、複数のクランクピン２８が挿通されており、クランクピン２８は、軸受２９、３０を介して出力軸２２に対して回転可能に支持されている。また、クランクピン２８は、中央部に偏心した２個のクランク部を有し、これらクランク部がニードル軸受３１を介した状態でピニオン２５に挿入されている。

旋回部材２３には、駆動モータ３２が取り付けられている。モータ３２の出力軸の先端に外歯車３３が固定され、前記クランクピン２８のうちの１つに外歯車３４が固定されている。この外歯車３３と３４は直接噛み合っており、外歯車３３の回転駆動力が外歯車３４に伝達されることにより、前記のクランクピン２８が回転される。

また、外歯車３４には、軸受を介して旋回部材２３に回転可能に支持された歯車３５が直接噛み合っている。この歯車３５は外歯車３４からの回転駆動力を受けて回転し、前記のクランクピン２８以外の他のクランクピンに噛み合い、回転トルクを分配するようになっている。

上記の構成により、ピニオン２５がクランクピン２８と同一回転数で偏心回転（公転）するが、クランクピン２８に伝達された回転駆動力は、ピニオン２５の外歯がケース２４のピン歯より少なく、ケース２４が基座側に固定されているため、ケース２４、ピニオン２５によって高比で減速されて出力軸２２に取り出され、旋回部材２３に伝達される。

第１実施形態の一部断面図（ａ）図１の外輪側の一部拡大断面図、（ｂ）図１の内輪側の一部拡大断面図第２実施形態の一部断面図（ａ）図３の外輪側の一部拡大断面図、（ｂ）図３の内輪側の一部拡大断面図第１実施形態をロボットアームの関節装置に使用した一例を示す要部断面図

符号の説明

１外輪
２軌道面
３内輪
４転走面
５保持器
６玉
７大径内面
８小径内面
９衝合点
１１小径外面
１２大径外面
１３衝合点

Claims

外輪と内輪のいずれか一方の軌道面に玉が２点で接触し、他方の軌道面に前記玉が少なくとも１点で接触するアンギュラコンタクト玉軸受において、前記一方の軌道面上の接触点が軸受中心線を境界としてアキシャル方向の一方側に片寄って位置し、前記他方の軌道面上の接触点が前記アキシャル方向の一方側と反対側に片寄って位置し、前記玉がセラミックス玉からなることを特徴とするアンギュラコンタクト玉軸受。
アームを動かす駆動力が入力される減速機と、この減速機の出力軸に装着された請求項１に記載のアンギュラコンタクト玉軸受とを有するロボットアームの関節装置。