JP2007321911A

JP2007321911A - 軸受用保持器

Info

Publication number: JP2007321911A
Application number: JP2006154298A
Authority: JP
Inventors: Daiki Umehara; 大樹梅原
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2006-06-02
Filing date: 2006-06-02
Publication date: 2007-12-13

Abstract

【課題】強度を損なうこと無くポケットの四隅に生じる応力集中を低減することが可能な軸受用保持器を提供する。
【解決手段】複数の転動体を回転自在に保持しながら軸受内部に沿って公転する軸受用保持器であり、軸受内部に沿って周方向に連続した少なくとも１つの円環部2,4と、円環部から軸受内部に沿って延出し、当該円環部に沿って周方向に所定間隔で配列された複数の柱部６と、円環部と複数の柱部とによって区画され、複数の転動体を１つずつ回転自在に保持する複数のポケット８とを具備し、各ポケットには、円環部のうち柱部に隣接した部分を所定深さだけ窪ませて形成した逃げ部１０が設けられており、逃げ部は、円環部を横断して平坦状に形成された１つの平坦状面１０ｓと、平坦状面の両側から円環部及び柱部に向けて所定の曲率で連続した２つの円弧状面R1,R2とから構成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、強度を損なうこと無く応力集中を低減することが可能な軸受用保持器に関する。

従来、鉄道車両をはじめとする各種の駆動装置には、その回転機構を回転自在に支持する軸受が適用されており、当該軸受には、内外輪間に組み込まれた複数の転動体を回転自在に保持する複数のポケットを有する保持器が設けられている。かかる軸受としては、比較的小さな荷重を支持する際に適用する玉軸受と、比較的大きな荷重を支持する際に適用するころ軸受とがあるが、近年における高荷重下での高速回転に対応するために、ころ軸受が適用される場合が多くなっている。

この場合、ころ軸受の回転中において、複数の転動体と共に公転する保持器には、各転動体(ころ)からの荷重が常時作用することになるが、このとき、各ポケットの四隅には、過度の応力集中が生じる場合がある。そこで、従来では、各ポケットの四隅の曲率半径を大きく設定することにより、その応力集中を低減する方策が講じられている。

具体的に説明すると、各ポケットの四隅は、転動体(ころ)の面取りとの干渉を考慮すると、その曲率半径を転動体(ころ)の面取り寸法以下に設定する必要がある。この場合、ポケットの四隅の曲率半径を大きく設定すると共に、かかる設定値以下となるように転動体(ころ)の面取り寸法も大きくすることで、ポケットの四隅への過度の応力集中を低減することができる。しかしながら、ころ軸受の負荷容量を低下させないようにするためには、ポケットの四隅の曲率半径を大きく設定するには一定の限界がある。

そこで、例えば特許文献１〜３には、各ポケットの四隅に逃げ部(ぬすみ部、隅Ｒ部とも言う)が形成された保持器が提案されており、かかる逃げ部は、ポケットの四隅を所定の曲率半径に沿って連続的に凹ませて(窪ませて)形成されている。これにより、転動体(ころ)の面取りに干渉すること無くポケットの四隅の曲率半径が大きく設定され、その結果、ポケットの四隅への応力集中の低減が図られている。

ところで、特許文献１〜３において、各ポケットの四隅の逃げ部は、それぞれ単一の曲率半径に沿って連続して形成されているため、過度の応力集中を効率よく且つ確実に低減させるためには、各逃げ部の曲率半径を可能な限り大きく設定する必要がある。しかしながら、各逃げ部の曲率半径を大きく設定すると、その分だけ保持器の肉厚(例えば、各ポケットを構成する円環部や柱部の肉厚)が薄くなってしまうため、保持器全体としての強度を一定に維持することが困難になってしまう場合がある。
特開平１１−５１０６０号公報特開平９−１７７７９３号公報特開２００２−２４２９３８号公報

本発明は、このような問題を解決するためになされており、その目的は、強度を損なうこと無くポケットの四隅に生じる応力集中を低減することが可能な軸受用保持器を提供することにある。

このような目的を達成するために、本発明は、軸受内部において複数の転動体を回転自在に保持しながら、これら複数の転動体と共に軸受内部に沿って公転する軸受用保持器であって、軸受内部に沿って周方向に連続した少なくとも１つの円環部と、円環部から軸受内部に沿って延出し、当該円環部に沿って周方向に所定間隔で配列された複数の柱部と、円環部と複数の柱部とによって区画され、複数の転動体を１つずつ回転自在に保持する複数のポケットとを具備し、各ポケットには、円環部のうち柱部に隣接した部分を所定深さだけ窪ませて形成した逃げ部が設けられており、逃げ部は、円環部を横断して平坦状に形成された１つの平坦状面と、平坦状面の両側から円環部及び柱部に向けて所定の曲率で連続した２つの円弧状面とから構成されている。

この場合、転動体としてころを適用した軸受において、逃げ部は、２つの円弧状面から１つの平坦状面に亘る全体の幅寸法をころの端面に形成された面取り寸法よりも大きく設定して構成されている。また、逃げ部は、その深さ寸法を円環部の幅寸法の１０％〜３０％の範囲に設定して構成されている。また、かかる構成の軸受用保持器は、鉄道車両に設けられた回転軸を支持する軸受に適用可能である。

本発明によれば、強度を損なうこと無くポケットの四隅に生じる応力集中を低減することが可能な軸受用保持器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軸受用保持器について、添付図面を参照して説明する。なお、軸受には、例えば鉄道車両や自動車、或いは、各種の産業用及び工業用の装置に設けられた回転軸を支持する軸受などがあるが、ここでは一例として、新幹線などの高速鉄道車両に設けられた回転軸(例えば、車軸)や、その主電動機の出力軸を支持する軸受を想定する。この場合、軸受としては、ラジアル軸受やスラスト軸受を適用することができるが、ここでは一例として、互いに相対回転可能にラジアル方向に対向配置された内輪及び外輪とを備えたラジアル軸受(図示しない)を想定する。

本実施の形態に係る軸受用保持器は、上述した軸受内部において、内外輪間に組み込まれた複数の転動体を回転自在に保持しながら、これら複数の転動体と共に軸受内部に沿って公転するように構成されている。この場合、転動体としては、玉やころを適用することが可能であるが、ここでは一例として、ころ(図示しない)を想定する。また、ころとしては、例えば円筒ころ、針状ころ、円すいころ、球面ころなどを適用することができる。

特に図示しないが、ころは、周方向に連続した転動面(内外輪に沿って摺接しながら転がる周面)と、その両側の円形の側面とで構成され、転動面と側面との間には、周方向に沿って連続した環状の端面が形成されており、ここに所定の面取りが施されている。この場合、面取りは、内外輪間を転動する際に、例えば内外輪の軌道面やころの磨耗や摩損などを低減させるために施されており、その面取り寸法は、例えば内外輪の軌道面やころの形状や材質などに応じて任意に設定されるため、ここでは特に数値限定はしない。

図１(ａ)には、本実施の形態に係る軸受用保持器の全体構成が例示されており、当該軸受用保持器は、軸受内部に沿って周方向に連続した少なくとも１つの円環部2,4と、円環部2,4から軸受内部に沿って延出し、当該円環部2,4に沿って周方向に所定間隔で配列された複数の柱部６と、円環部2,4と複数の柱部６とによって区画され、複数の転動体(ころ：図示しない)を１つずつ回転自在に保持する複数のポケット８とを備えている。同図では一例として、互いに径の異なる２つの円環部2,4が互いに同中心に所定の間隔を空けて対向配置されており、複数の柱部６は、これら一対の円環部2,4の間に亘って延出し、その両端部６ｅが各円環部2,4に接合されている。この場合、各ポケット８は、対向する円環部2,4の内周面2s,4sと、その両側の柱部６の内壁面６ｓとによって区画されている。

なお、一対の円環部2,4と複数の柱部６とは、保持器成形時に一体成形しても良いし、或いは、複数の柱部６を別体で成形し、その両端部６ｅを一対の円環部2,4に後付けしても良い。この場合、後付けする方法としては、各柱部６の両端部６ｅを一対の円環部2,4に対して例えば接着、溶着、嵌合、ネジ止めするなどの各種の方法を適用することができるため、ここでは特に限定しない。また、保持器(円環部2,4、柱部６)の材質としては、樹脂を適用しても良いし、或いは、例えば鋼板や黄銅などの他の金属材料を適用しても良い。更に、保持器の種類としては、例えばもみぬき形保持器、波形保持器、冠形保持器、かご形保持器、合せ保持器などを適用することができる。

本実施の形態では、このような保持器において、各ポケット８には、円環部2,4のうち柱部６の両端部６ｅに隣接した部分を所定深さだけ窪ませて形成した逃げ部１０が設けられている。この場合、逃げ部１０は、各ポケット８の四隅に設けられており、軸受の回転中心軸(図示しない)に沿った方向に窪ませて(凹ませて)形成されている。別の言い方をすると、各逃げ部１０は、軸受回転方向に沿って窪ませて(凹ませて)形成されてはいない。

具体的に説明すると、図１(ｂ)〜(ｄ)に示すように、逃げ部１０は、円環部2,4を横断して平坦状に形成された１つの平坦状面１０ｓと、平坦状面１０ｓの両側から円環部2,4及び柱部６に向けて所定の曲率(例えば、曲率半径)で連続した２つの円弧状面R1,R2とから構成されている。ここで、平坦状面１０ｓは、軸受の回転中心軸を直交する方向に沿って平行に円環部2,4を横断して形成されており、２つの円弧状面R1,R2のうち、一方の円弧状面Ｒ１は、平坦状面１０ｓの一方側から円環部2,4の内周面2s,4sに連続し、且つ、他方の円弧状面Ｒ２は、平坦状面１０ｓの他方側から柱部６の内壁面６ｓに連続している。

このような逃げ部１０において、２つの円弧状面R1,R2から１つの平坦状面１０ｓに亘る全体の幅寸法を２ｎとすると、当該幅寸法２ｎは、ころの端面に形成された面取り寸法(図示しない)よりも大きく設定されている。また、逃げ部１０は、その深さ寸法ｋを円環部2,4の幅寸法Ｈの１０％〜３０％の範囲に設定して構成されている。ここで、逃げ部１０の深さ寸法ｋが円弧状面R1,R2の曲率半径ρと近似(ρ＝ｋ)しているとして、曲率半径ρと幅寸法Ｈとの比(ρ／Ｈ)で表わすと、当該逃げ部１０は、０.１≦ρ／Ｈ≦０.３なる関係を満足するように設定されている。

なお、図面上において、各円弧状面R1,R2は、連続した一定(単一)の曲率半径ρで形成されているが、この場合、曲率半径ρの大きさは、例えば逃げ部１０の深さ寸法ｋや幅寸法２ｎに応じて任意に設定されるため、ここでは特に数値限定はしない。また、逃げ部１０の深さ寸法ｋや幅寸法２ｎは、例えば図示しない転動体(ころ)の大きさや形状、当該転動体(ころ)を保持するポケット８の大きさや形状に応じて任意に設定されるため、ここでは特に数値限定はしない。

以上、本実施の形態の軸受用保持器によれば、１つの平坦状面１０ｓの両側から円環部2,4及び柱部６に向けて所定の曲率半径ρで連続した２つの円弧状面で構成された逃げ部１０をポケット８の四隅に設けたことにより、曲率半径の増大が制約された条件下においてもポケット８の四隅への過度の応力集中を低減することができる。これにより、従来に比べて保持器の強度を一定に維持することが可能となり、その結果、当該保持器の延命化や信頼性の向上を図ることができる。

また、本実施の形態によれば、逃げ部１０の幅寸法２ｎをころの端面に形成された面取り寸法よりも大きく設定したことにより、軸受に封入されている潤滑剤(グリース、油)の掻き取り防止や当該保持器のポケット８の偏磨耗の防止を図ることができる。即ち、各ポケット８の四隅において、潤滑剤をころの端面に付着・保持させることが可能となり、これにより、ころの端面と内外輪のつば面(軌道面の両側に突設されたころ案内面)との接触部位に常時潤滑剤を供給し続けることができる。この結果、ころ及び内外輪の磨耗や摩損を低減させることが可能となり、軸受寿命の延命化を図ることができる。

更に、本実施の形態によれば、逃げ部１０の深さ寸法ｋを円環部2,4の幅寸法Ｈの１０％〜３０％の範囲に設定したことにより、保持器全体としての強度を一定に維持することが可能となり、その結果、軸受の回転性能を長期に亘って一定に維持することができる。特に新幹線などの高速鉄道車両に設けられた回転軸(例えば、車軸)や、その主電動機の出力軸を支持する軸受には、高速回転下において高負荷が作用するため、それに対応するように保持器の強度も高いものが要求されるが、本実施の形態の保持器は、これに充分に対応することができる。

ここで、上述したような本実施の形態の軸受用保持器の効果について、応力の発生モデルを用いて実証する。
図２(ａ)には、ポケット８(図１)に逃げ部１０の無い保持器モデルが示されており、その円環部2,4は、厚さ寸法Ｔ＝８、幅寸法Ｈ＝１０の割合に設定され、その柱部６は、長さ寸法Ｅ＝１５、円環部中央までの柱長Ｌ＝２０の割合に設定されている。そして、柱部６に荷重Ｆ＝５０(例えば、５０ニュートン)を作用させて保持器モデルにモーメントＭを発生させる。このとき、柱部６には均等な分布荷重Ｗが作用しているものとする。

かかる条件下における材料力学的な関係から、柱部６に生じる応力σ_０(基準応力)は、下記の(２)(３)式より(１)式として算出される。
σ_０＝Ｍ／Ｚ (Ｚ：断面係数) … (１)
Ｍ＝Ｗ・Ｌ^２／２ … (２)
Ｚ＝Ｔ・Ｈ^２／６ … (３)

図２(ｂ)には、ポケット８(図１)に既存の逃げ部１０ａを有する保持器モデルが示されており、逃げ部１０ａは、柱部６の端部６ｅに隣接した部分において、単一の曲率半径ρのみで形成された円弧形状を成している。この場合、円環部2,4に生じる曲げ応力を材料力学的な関係から求めると、応力集中を考慮した場合の各ポケット８の四隅で発生する引張応力σmaxは、(４)式として算出される。
σmax＝ασ_０ (α：応力集中係数) … (４)

ここで、図２(ｂ)の保持器モデルについて、有限要素法に基づく構造解析(ＦＥＭ解析)を行って、その解析結果から得られたσmaxと材料力学的に求めた基準応力σ_０とから応力集中係数αは、(５)式として算出される。
α＝σmax／σ_０ … (５)

図３(ａ)には、図２(ｂ)の保持器モデルにおける応力集中係数αの算出結果が示されており、逃げ部１０ａの曲率半径をρ、深さ寸法をｋ、円環部2,4の幅寸法をＨとし、ρ＝ｋとすると、応力集中係数αは、ρ／Ｈ＝０.１〜０.３の範囲で極値(α＝３.６５〜３.７６、αmin＝３.３９)をとることがわかる。

図２(ｃ)には、ポケット８(図１)に既存の逃げ部１０を有する本実施の形態の保持器モデルが示されており、逃げ部１０の幅寸法を２ｎ、ρ／Ｈ＝０.２とし、これに基づいて応力集中係数αを算出すると、図３(ｂ)に示すような算出結果が得られる。かかる算出結果によれば、ｎ／ρ＝１.０は、図３(ａ)の応力集中係数αの最小値(αmin＝３.３９)を示した諸寸法(単一の曲率半径ρ)であり、当該ｎ／ρが１.０を越えると、応力集中係数αが減少し、応力の集中を低減させる効果を発揮することがわかる。この場合、ｎ／ρ＝２.０以降は略一定の極値をとるため、ｎ／ρが２.０以上となるように逃げ部１０を設定することが好ましい。

(ａ)は、本発明の一実施の形態に係る軸受用保持器の全体の構成例を示す斜視図、(ｂ)は、同図(ａ)の保持器の一部を外側から見た拡大図、(ｃ)は、同図(ａ)の保持器の一部を内側から見た拡大図、(ｄ)は、逃げ部の構成を拡大して示す図。応力の発生モデルを示す図であって、(ａ)は、ポケットに逃げ部の無い保持器モデル、(ｂ)は、既存の逃げ部を有する保持器モデル、(ｃ)は、本実施の形態の保持器モデル。応力集中計数のＦＥＭ解析結果を示す図であって、(ａ)は、既存の保持器における解析結果、(ｂ)は、本実施の形態の保持器の解析結果。

符号の説明

2,4 円環部
６柱部
８ポケット
１０逃げ部
１０ｓ平坦状面
R1,R2 円弧状面

Claims

軸受内部において複数の転動体を回転自在に保持しながら、これら複数の転動体と共に軸受内部に沿って公転する軸受用保持器であって、
軸受内部に沿って周方向に連続した少なくとも１つの円環部と、
円環部から軸受内部に沿って延出し、当該円環部に沿って周方向に所定間隔で配列された複数の柱部と、
円環部と複数の柱部とによって区画され、複数の転動体を１つずつ回転自在に保持する複数のポケットとを具備し、
各ポケットには、円環部のうち柱部に隣接した部分を所定深さだけ窪ませて形成した逃げ部が設けられており、
逃げ部は、円環部を横断して平坦状に形成された１つの平坦状面と、平坦状面の両側から円環部及び柱部に向けて所定の曲率で連続した２つの円弧状面とから構成されていることを特徴とする軸受用保持器。
転動体としてころを適用した軸受において、逃げ部は、２つの円弧状面から１つの平坦状面に亘る全体の幅寸法をころの端面に形成された面取り寸法よりも大きく設定して構成されていることを特徴とする請求項１に記載の軸受用保持器。
逃げ部は、その深さ寸法を円環部の幅寸法の１０％〜３０％の範囲に設定して構成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の軸受用保持器。
鉄道車両に設けられた回転軸を支持する軸受に適用可能であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の軸受用保持器。