JP2007162893A

JP2007162893A - 歯車装置用円筒ころ軸受および歯車装置

Info

Publication number: JP2007162893A
Application number: JP2005362771A
Authority: JP
Inventors: Yoshihiko Shirosaki; 喜彦城崎; Yukio Sato; 幸夫佐藤
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2005-12-16
Filing date: 2005-12-16
Publication date: 2007-06-28

Abstract

【課題】ころ端面と鍔部との焼付や摩耗を防止することが可能な安価な円筒ころ軸受および歯車装置を提供する。
【解決手段】円筒ころは、軌道輪間を転動する環状の転動面と、この転動面の両側に形成されたころ端面とから構成されており、円筒ころ１３のころ直径を２Ｒとすると、ころ端面１３ａと円筒ころの中心軸の交点を原点Ｐ₀とし、原点から円筒ころの外径方向に０．６５Ｒ離れた位置を第１地点Ｐ_A、第１地点から円筒ころの外径方向に０．２０Ｒ離れた位置を第２地点Ｐ_B、第２地点から円筒ころの軸方向に０．０００５Ｒ離れた位置を第３地点Ｐ_C、第２地点から円筒ころの軸方向に０．００３Ｒ離れた位置を第４地点Ｐ_Dとしたとき、円筒ころの端面形状が少なくとも前記第１地点を通り、かつ前記第３地点と第４地点との間を通過する連続した曲線となるように研削加工した。
【選択図】図３

Description

本発明は、歯車機構を利用して回転速度を加減速し、動力を伝達する歯車装置用の円筒ころ軸受および、該円筒ころ軸受を使用した歯車装置に関する。

従来から歯車装置では、歯面の損傷や振動を防ぐために、はすば歯車の捩れ角を大きくしていた。この場合、はすば歯車同士の噛合部には、ラジアル荷重のほかに軸方向のアキシアル荷重が発生する。
このような状態で歯車装置が作動すると、また、前記アキシアル荷重が、歯車装置内に組み込まれた円筒ころ軸受に作用しつづけることによって、円筒ころ軸受のころ端面と、当該ころを保持する鍔部（ころの軸方向端面に対向する内側面）とが焼付や摩耗を起こす問題があった。
そこで、特許文献１には、鍔部の内側面に対向する円筒ころの軸方向端面にクラウニングを施すことで、積極的にアキシアル荷重を受ける円筒ころ軸受が提案されている。
特開２００２−７０８７４号公報

ところで、歯車装置に内で発生するアキシアル荷重は、はすば歯車の捩り角を小さくしたり、異なる戻り方向の歯車を２個有したはすば歯車（ダブルヘリカルギヤ）に変更したり、あるいは、はすば歯車から平歯車に変更するといった手段を用いて低減することが可能である。

しかしながら、アキシアル荷重の発生が低減された歯車装置では円筒ころ軸受がアキシアル荷重を積極的に受ける必要が少ないので、このような歯車装置に円筒ころ端面がクラウニング加工を施されたころ軸受を使用すると、円筒ころ端面にクラウニング加工を施す手間や費用がかかるため、円筒ころ軸受および、当該軸受を用いた歯車装置の製造コストが高くなってしまう。

また、アキシアル荷重が比較的小さい歯車装置に使用される円筒ころ軸受のころ端面形状は、フラット面が採用されていることが多い。
しかし、ころ端面形状がフラット面の円筒ころ軸受では、たとえアキシアル荷重が小さくても、軌道輪が高速で回転すると、ころのスキュー等の影響を受ける場合があり、かかる場合には、ころ端面と当該ころを保持する鍔部（ころの軸方向端面に対向する内側面）との焼付や摩耗といった問題を引き起こして、損傷をもたらす可能性がある。

そこで、ころ端面の形状を大きく変えることなく、ころと鍔部との焼付や摩耗を防止することが可能な安価な円筒ころ軸受が望まれているが、現在、そのような軸受は提案されていない。
本発明は、このような要望に応えるためになされており、その目的は、ころ端面と鍔部との焼付や摩耗を防止することが可能な安価な円筒ころ軸受および歯車装置を提供することにある。

上記課題を達成するために、本発明の第１の発明は、歯車機構を利用して回転速度を加減速し、動力を伝達する歯車装置用円筒ころ軸受において、相対回転可能に対向配置された軌道輪間に転動自在に介在された複数の円筒ころを備えているとともに、円筒ころは、軌道輪間を転動する環状の転動面と、この転動面の両側に形成されたころ端面とから構成されており、円筒ころのころ直径を２Ｒとすると、ころ端面と円筒ころの中心軸の交点を原点Ｐ₀とし、原点Ｐ₀から円筒ころの外径方向に０．６５Ｒ離れた位置を第１地点Ｐ_A、第１地点Ｐ_Aから円筒ころの外径方向に０．２０Ｒ離れた位置を第２地点Ｐ_B、第２地点Ｐ_Bから円筒ころの軸方向に０．０００５Ｒ離れた位置を第３地点Ｐ_C、第２地点Ｐ_Bから円筒ころの軸方向に０．００３Ｒ離れた位置を第４地点Ｐ_Dとしたとき、円筒ころの端面形状が少なくとも前記第１地点Ｐ_Aを通り、かつ前記第３地点Ｐ_Cと第４地点Ｐ_Dとの間を通過する連続した曲線となるように研削加工したことを特徴とする歯車装置用円筒ころ軸受としたことである。

さらに本発明の第２の発明は、前記第１の発明において、ころの端面を仕上げ加工する弾性砥石の縦弾性係数を１０Ｍｐａ〜５００Ｍｐａの範囲内としたことを特徴とする円筒ころ軸受としたことである。
またさらに、本発明の第３の発明は、前記第１の発明又は前記第２の発明による円筒ころ軸受を使用した歯車装置としたことである。

本発明によれば、ころ端面と鍔部との焼付や摩耗を防止することが可能な安価な円筒ころ軸受および歯車装置を実現することができる。

以下、本発明の一実施の形態に係る円筒ころ軸受および歯車装置について、添付図面に基づいて説明する。なお、本実施形態は本発明の一例にすぎず、何等これらに限定して解釈されるものではなく、本発明の範囲内で設計変更可能である。

図１には、本実施形態の構成例として、円筒ころ軸受が組み込まれた歯車装置の構成が示されている。
歯車装置は、駆動源に連結された駆動軸４から従動軸２に動力を伝達する歯車機構を備えている。この歯車機構は、駆動軸４に同軸に固定された駆動小歯車５と、従動軸２に同軸に固定された従動大歯車３とで構成され、駆動小歯車５と従動大歯車３とは互いに噛合している。
このような歯車装置によれば、駆動源によって駆動軸４が回転すると、その回転運動は、駆動小歯車５から従動大歯車３に伝達されて従動軸２を所定の回転速度で回転させることができる。

また、歯車装置には、駆動軸４および従動軸２を回転自在に支持する一対の円筒ころ軸受１８が設けられている。
図２には、歯車装置に使用される円筒ころ軸受１８の一例が示されている。
円筒ころ軸受１８は、互いに相対回転可能に対向配置された外輪１１および内輪１２と、外輪１１の軌道面１１ａと内輪の軌道面１２ａとの間に転動自在に介在された複数の円筒ころ１３、これら複数の円筒ころ１３を一つずつ回転可能に保持する保持器１４、外輪１１の両端部および内輪１２の一方の端部にそれぞれ形成され、円筒ころ１３を円周方向に案内する鍔部Ｔとを備えている。

なお、図２の構成例では、外輪１１はハウジング９に固定され、内輪１２は駆動軸４（従動軸２）に固定されている。
また、外輪１１および内輪１２の鍔部Ｔは、円筒ころ１３の端面１３ａを保持するように軌道面１１ａ，１２ａに突設されている。なお、その突設量ｈは、円筒ころ１３の直径や軸受の大きさに応じて任意に設定されるので、ここでは特に限定しない。

このような歯車装置用円筒ころ軸受１８において、円筒ころ１３は、軌道輪間（外輪１１と内輪１２との間）を転動する環状の転動面１３ｃと、この転動面１３ｃの両側に形成されたころ端面１３ａとから構成されている。
ここで、図３に示すように、円筒ころ１３のころ直径を２Ｒとすると、ころ端面と円筒ころの中心軸の交点を原点Ｐ₀とし、原点Ｐ₀から円筒ころの外径方向に０．６５Ｒ離れた位置を第１地点Ｐ_A、第１地点Ｐ_Aから円筒ころの外径方向に０．２０Ｒ離れた位置を第２地点Ｐ_B、第２地点Ｐ_Bから円筒ころの軸方向に０．０００５Ｒ離れた位置を第３地点Ｐ_C、第２地点Ｐ_Bから円筒ころの軸方向に０．００３Ｒ離れた位置を第４地点Ｐ_Dとしたとき、円筒ころの端面形状は、少なくとも第１地点Ｐ_Aを通り、かつ第３地点Ｐ_Cと第４地点Ｐ_Dとの間を通過する連続した曲線となるように研削加工されている。

別の言い方をすれば、円筒ころ１３のころ端面１３ａは、鍔部Ｔと対向する部分、すなわち、円筒ころの転動面１３ｃところ端面１３ａとのつなぎ領域（すなわち、チャンファ領域）にわたる端面領域１３ｂが、図示しない弾性砥石により、球面状（なだらかな連続した曲線形状）となるように研削加工されている。
さらに詳述すると、この端面領域１３ｂは、外径方向へ行くに従って曲率半径が小さくなるような連続した曲線となるような形状（例えば点Ｐ_A、Ｐ_D、Ｐ_Eの曲率半径をＲ_A、Ｒ_D、Ｒ_EとするとＲ_A＞Ｒ_D＞Ｒ_E）に研削加工されている。すなわち、図３上では、網掛けで示されている領域内を通過するような曲線形状に端面領域１３ｂを研削加工すれば良い。

この場合、円筒ころ１３の端面領域１３ｂは、縦弾性係数（ヤング率）が１０Ｍｐａ〜５００Ｍｐａの弾性砥石で研削加工することが好ましい。
ここで、端面領域１３ｂを研削するときに使用する弾性砥石のヤング率と摩耗量との関係を調べると、ヤング率が５００Ｍｐａ以上では、落ち量Ｇ（第２地点Ｐ_Bから端面領域１３ｂの端面（第３地点Ｐ_Cまたは第４地点Ｐ_D）までの距離）が大きくなってしまうため、端面領域１３ｂの形状が連続した曲線とならない。一方、ヤング率が１０Ｍｐａ以下では、端面領域１３ｂの形状が連続した曲線とはなるが、端面領域１３ｂの研削量が大きくなり過ぎる傾向がある。したがって、弾性砥石のヤング率は１０Ｍｐａ〜５００Ｍｐａの範囲内が望ましい。

ここで、本実施形態の円筒ころ軸受１８（図２参照）に対する回転評価試験について説明する。なお、この回転評価試験は下記の条件で実施され、そのときの試験機の概要を図７に示し、回転評価試験中の内輪１２の温度を測定した結果を図８、給油遮断後の焼付きが起きるまでの時間を測定した結果を図９に示す。なお、試験に際して円筒ころ１３の端面領域１３ｂの形状として３つのテストサンプルを用意した。サンプルの形状は以下の通りである。
比較品１：ころ端面１３ａの端面領域１３ｂがフラット形状（図４参照）
比較品２：ころ端面１３ａの端面領域１３ｂがクラウニング形状（図５参照）
実施品：ころ端面１３ａの端面領域１３ｂが本実施形態による形状（図６参照）

図７に示すように、試験機には、前記テストサンプル（比較品１、比較品２、実施品）の形状を有する円筒ころ１３が組み込まれた円筒ころ軸受１８が、ハウジング９０と回転軸４０との間にセットされるようになっている。なお、円筒ころ軸受１８の外輪１１はハウジング９０に固定され、内輪１２は回転軸４０に固定されている。また、試験に際して、比較品１、比較品２、実施品に対応する円筒ころ軸受１８の形状は、軸受内径を１１０mm、軸受外径を２００mm、軸受幅を３８mmと統一した。

実際の試験では、回転軸４０を回転させながら、その試験中の内輪温度の変化（図８参照）と、給油遮断後の焼付きが起きるまでの時間（図９参照）を計測した。
なお、試験は次の条件において実施された。
＜内輪温度変化試験条件＞
試験軸受：軸受内径：１１０mm、軸受外径：２００mm、軸受幅：３８mm
最大回転数：３８００ｒｐｍ
ラジアル荷重：１４．７ｋＮ
アキシアル荷重：８．８ｋＮ
潤滑：油浴潤滑（ＩＳＯ粘度グレードＶＧ６８）
＜給油遮断焼付き試験条件＞
試験軸受：軸受内径：１１０mm、軸受外径：２００mm、軸受幅：３８mm
最大回転数：１９００ｒｐｍ
ラジアル荷重：１４．７ｋＮ
アキシアル荷重：８．８ｋＮ
潤滑：給油潤滑（ＩＳＯ粘度グレードＶＧ６８）

図８に示した軸受内輪温度の計測結果では、比較品１（端面領域１３ｂがフラット形状）は、回転数１０００ｒｐｍでは約７９℃を示し、回転数１８００ｒｍｐでは約１２０℃に達し、さらに、回転数２７５０ｒｐｍでは約１５０℃に達した後に焼付きを起こしていることが確認された。

一方、比較品２（端面領域１３ｂがクラウニング形状）は、回転数１０００では約５９℃を示し、回転数１８００ｒｍｐでは約８０℃を示し、さらに、回転数２７５０ｒｐｍでは約９５℃を示し、さらに、最大回転数３８００ｒｐｍでは約１１８℃を示し、いずれの回転数においても比較品１よりも温度上昇が低く抑えられることが確認された。

そして、実施品（端面領域１３ｂが本実施形態の形状）は、回転数１０００では約６０℃を示し、回転数１８００ｒｍｐでは約７８℃を示し、さらに、回転数２７５０ｒｐｍでは約９８℃を示し、さらに、最大回転数３８００ｒｐｍでは約１１５℃を示し、いずれの回転数においても比較品２とほぼ同等の数値を示していることが確認された。この実験結果によれば、本実施形態による端面形状のころは、ころ端面１３ａにクラウニング加工を施した比較品２と同等の性能を発揮できることが判明した。

次に、図９に示した給油遮断後の焼付くまでの時間の計測結果では、比較品１は、１００秒後に焼付きを起こしていることが確認された。そして、比較品２と実施品は、ともに、１８００秒後に焼付きが発生していることが確認された。この実験結果によれば、本実施形態による端面形状のころは、ころ端面１３ａにクラウニング加工を施した比較品２と同等の性能を発揮できることが判明した。

以上、本実施形態によれば、試験結果からも明らかなように、鍔部Ｔと対向する円筒ころ１３のころ端面１３ａ（端面領域３１ｂ）を、第１地点Ｐ_Aを通り、かつ第３地点Ｐ_Cと第４地点Ｐ_Dとの間を通過する連続した曲線となるように研削加工することで、円筒ころ１３のころ端面１３ａ（端面領域３１ｂ）と鍔部Ｔの案内面Ｔｓとの接触面積が少なくなり、軸受回転中における接触抵抗が大きくならないので、内輪の温度を低く保つことができる。
さらに、円筒ころ１３のころ端面１３ａ（端面領域３１ｂ）と鍔部Ｔの案内面Ｔｓとの間に潤滑油が導入され易くなるので、給油遮断焼付試験でも従来のころ端面がフラット形状なころにくらべ１０倍以上の効果が得られた。

また、本実施形態によれば、弾性砥石で連続して加工することができるので、円筒ころ１３の製造コストを安価に抑えることができ、当該円筒ころ１３が組み込まれた円筒ころ軸受１８の製造コストも安価に抑えることができる。これにより、当該円筒ころ軸受１８を用いた歯車装置の製造コストも安価に抑えることができる。しかも、連続加工ができるので、従来に較べて短時間に円筒ころ１３および当該円筒ころ１３が組み込まれた円筒ころ軸受１８を製造することができる。

さらに、本実施形態によれば、円筒ころ１３と鍔部Ｔとの接触面積が少なくできるので、軸受回転中における接触抵抗が小さくなり、その結果、円筒ころ１３と鍔部Ｔとの焼付や摩耗が低減される。
また、本実施形態による円筒ころ軸受１３を使用すれば、安価でありながらクラウニング加工を施した場合と同様の効果を発揮することができるので、クラウニング加工を施した円筒ころ軸受が必要な仕様環境下にもコストをかけることなく対応することができる。すなわち、歯車装置の歯車仕様にかかわらず、アキシアル荷重の大小に拘わらず広範囲の歯車装置に使用することができる。

なお、本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、以下のように変更して使用することも可能である。
円筒ころ軸受１８に代えて、例えば図１０（ａ）に示すように、内輪１２の他方の端部に鍔輪２３を配置した円筒ころ軸受１８ａとしても良い。なお、その他の構成は、円筒ころ軸受１８（図２参照）と動揺であるため説明を省略する。
また、円筒ころ軸受１８や円筒ころ軸受１８ａにおける外輪１１と内輪１２の構成を反転して構成しても良い。例えば図１０（ｂ）に示す円筒ころ軸受１８ｂは、内輪１２に一対の鍔部Ｔが設けられており、外輪１１の一方の端部に鍔部Ｔが設けられ、他方の端部に鍔輪２３が配置されている。また、例えば図１０（ｃ）に示す円筒ころ軸受１８ｃは、内輪１２に一対の鍔部Ｔが設けられており、外輪１１の一方の端部に鍔部Ｔが設けられている。

上述した実施形態では、同一の円筒ころ軸受１８を歯車装置（図１参照）に使用しているが、これに限定されることはなく、歯車装置の使用環境や使用目的に応じて、自由に組み合わせて使用することができる。例えば円筒ころ軸受１８と１８ｂとを組み合わせて使用しても良いし、全ての円筒ころ軸受を異なる円筒ころ軸受（例えば１８，１８ａ，１８ｂ，１８ｃ）で構成しても良い。

円筒ころ軸受が組み込まれた歯車装置を示す説明図。歯車装置に使用される円筒ころ軸受の一例を示す部分断面図。円筒ころの端部を示す断面図。比較品１に係る円筒ころの端面領域の形状を示す拡大図。比較品２に係る円筒ころの端面領域の形状を示す拡大図。実施品に係る円筒ころの端面領域の形状を示す拡大図。試験機の構成を示す図。温度特性確認試験結果を示す図。焼付特性確認試験結果を示す図。（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ円筒ころ軸受の他の構成例を示す断面図。

符号の説明

１１外輪
１２内輪
１３円筒ころ
２Ｒ円筒ころのころ直径
１３ａ円筒ころの端面
ＣＬ円筒ころ１３の中心軸線
Ｐ₀ 原点
Ｐ_A 第１地点
Ｐ_B 第２地点
Ｐ_C 第３地点
Ｐ_D 第４地点

Claims

歯車機構を利用して回転速度を加減速し、動力を伝達する歯車装置用円筒ころ軸受において、
相対回転可能に対向配置された軌道輪間に転動自在に介在された複数の円筒ころを備えているとともに、円筒ころは、軌道輪間を転動する環状の転動面と、この転動面の両側に形成されたころ端面とから構成されており、
円筒ころのころ直径を２Ｒとすると、
ころ端面と円筒ころの中心軸の交点を原点Ｐ₀とし、
原点Ｐ₀から円筒ころの外径方向に０．６５Ｒ離れた位置を第１地点Ｐ_A、
第１地点Ｐ_Aから円筒ころの外径方向に０．２０Ｒ離れた位置を第２地点Ｐ_B、
第２地点Ｐ_Bから円筒ころの軸方向に０．０００５Ｒ離れた位置を第３地点Ｐ_C、
第２地点Ｐ_Bから円筒ころの軸方向に０．００３Ｒ離れた位置を第４地点Ｐ_Dとしたとき、
円筒ころの端面形状が少なくとも前記第１地点Ｐ_Aを通り、かつ前記第３地点Ｐ_Cと第４地点Ｐ_Dとの間を通過する連続した曲線となるように研削加工したことを特徴とする歯車装置用円筒ころ軸受。
ころ端面は、縦弾性係数が１０Ｍｐａ〜５００Ｍｐａの範囲内の弾性砥石で仕上げ加工されていることを特徴とする請求項１に記載の歯車装置用円筒ころ軸受。
請求項１または２に記載の円筒ころ軸受が組み込まれた歯車装置。