JP2008039178A - アンギュラ玉軸受、建設機械用走行減速機のスプロケット支持装置及びロボットアームの関節装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ラジアル剛性とアキシアル剛性をバランスよく確保できるアンギュラ玉軸受を提供することである。
【解決手段】ボール３が内輪１および外輪２の各軌道面１ａ、２ａと２点Ｐ_１、Ｐ_２およびＱ_１、Ｑ_２で接触する接触角のうちの、軸受中心線Ｃに近い側の接触角α_Ｐ１、α_Ｑ１を１５〜２５°、軸受中心線Ｃから離れた側の接触角α_Ｐ２、α_Ｑ２を４０〜５０°とすることにより、ラジアル剛性とアキシアル剛性をバランスよく確保できるようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は、アンギュラ玉軸受、並びに、このアンギュラ玉軸受を使用した建設機械用走行減速機のスプロケット支持装置及びロボットアームの関節装置に関する。

アンギュラ玉軸受は、ラジアル荷重とアキシアル荷重を受けられるように、軸受中心線の互いに反対側で内輪と外輪に盛り上がった肩部が設けられ、ボールが内輪および外輪の軌道面と、軸受中心線から各肩部側に偏った点で接触するようになっている。肩部と反対側のカウンタ部側では殆ど盛り上がりはなく、ボールが内外輪の各軌道面で受けられる中心角の範囲は、軸受中心線から肩部側へ約０〜７８°程度である。

このようなアンギュラ玉軸受で、建設機械やロボットの減速機等に低速回転で使用され、高い剛性を要求されるものでは、内輪および外輪の軌道面の少なくとも一方と、ボールを異なる接触角の２点で接触させ、ボールと軌道面間の接触荷重を分散させて、その弾性接触変形量を低減するようにしたものがある（例えば、特許文献１参照）。なお、ボールが異なる接触角の２点で軌道面と接触すると、両接触点での軌道面の周速差によって摩耗が生じやすくなるが、低速回転で使用されるアンギュラ玉軸受ではこの周速差が小さく、摩耗は問題とならない。

特開２００５−２０１２９４号公報

しかしながら、特許文献１に記載されたように、内輪および外輪の軌道面の少なくとも一方と、ボールが異なる接触角の２点で接触するアンギュラ玉軸受では、軸受中心線に近い側の接触角α_１を大きくすると、ラジアル荷重に対するラジアル剛性が低下し、軸受中心線から離れた側の接触角α_２を小さくすると、アキシアル荷重に対するアキシアル剛性が低下する問題がある。

そこで、本発明の課題は、ラジアル剛性とアキシアル剛性をバランスよく確保できるアンギュラ玉軸受を提供することである。

上記の課題を解決するために、本発明は、ボールが内輪および外輪の軌道面と軸受中心線の互いに反対側で接触し、その少なくとも一方の軌道面と異なる接触角の２点で接触するアンギュラ玉軸受において、前記ボールが２点で接触する異なる接触角のうちの、前記軸受中心線に近い側の接触角α_１を１５〜２５°、軸受中心線から離れた側の接触角α_２を４０〜５０°とした構成を採用した。

本発明者らは、前記ボールと軌道面との弾性接触変形を弾性接触理論に基づいて計算し、各接触角α_１、α_２の違いによるラジアル剛性とアキシアル剛性を定量的に調査した。計算対象としたアンギュラ玉軸受のサイズは、外径３８０ｍｍ、内径２９０ｍｍ、幅４０ｍｍとした。図２は、接触角α_２を４５°一定として、接触角α_１を変化させたときのラジアル荷重に対するラジアル変位の計算結果を、図３は、接触角α_１を１５°一定として、接触角α_２を変化させたときのアキシアル荷重に対するアキシアル変位の計算結果を示す。図２および図３の各グラフは、接触角αが３０°でボールが１点接触する場合を比較例として、計算結果を相対比較して示すものであるが、１点接触の場合は、ラジアル変位もアキシアル変位も２点接触の場合よりかなり大きくなっている。

上記各計算結果より、ラジアル変位は接触角α_１を小さくするほど少なくなり、２５°以下で十分なラジアル剛性を確保できることが分かった。また、アキシアル変位は接触角α_２を大きくするほど少なくなり、４０°以上で十分なアキシアル剛性を確保できることが分かった。これらの計算結果に基づいて、接触角α_１の範囲を１５〜２５°、接触角α_２の範囲を４０〜５０°に限定した。なお、接触角α_１の下限値を１５°としたのは、ボールがカウンタ部へ乗り上げる恐れをなくすためであり、接触角α_２の上限値を５０°としたのは、ボールが肩部へ乗り上げる恐れをなくすためである。

前記接触角α_１、α_２間の広がり角β（＝α_２−α_１）を２０°以上とすることにより、ボールが軌道面と接触する２点間での弾性接触変形領域の重なり合いを防止して、ボールを２点接触させることによる剛性向上効果を十分に確保することができる。

前記ボールを前記内輪および外輪の軌道面の両方と、前記異なる接触角の２点で接触させることにより、ラジアル剛性とアキシアル剛性をよりバランスよく確保することができる。

本発明のアンギュラ玉軸受は、ボールが２点で接触する異なる接触角のうちの、軸受中心線に近い側の接触角α_１を１５〜２５°、軸受中心線から離れた側の接触角α_２を４０〜５０°としたので、ラジアル剛性とアキシアル剛性をバランスよく確保することができる。

前記接触角α_１、α_２間の広がり角β（＝α_２−α_１）を２０°以上とすることにより、ボールが軌道面と接触する２点間での弾性接触変形領域の重なり合いを防止して、ボールを２点接触させることによる剛性向上効果を十分に確保することができる。

前記ボールを内輪および外輪の軌道面の両方と、異なる接触角の２点で接触させることにより、ラジアル剛性とアキシアル剛性をよりバランスよく確保することができる。

以下、図面に基づき、本発明の実施形態を説明する。このアンギュラ玉軸受は、図１に示すように、内輪１と外輪２の軌道面１ａ、２ａ間に複数のボール３が保持器４で保持され、内輪１と外輪２は、軸受中心Ｏを通る軸受中心線Ｃの互いに反対側で盛り上がった肩部１ｂ、２ｂが設けられ、それぞれの軌道面１ａ、２ａの反対側にはカウンタ部１ｃ、２ｃが設けられている。

前記ボール３は、内輪１の軌道面１ａと軸受中心線Ｃから肩部１ｂ側に偏った２点Ｐ_１、Ｐ_２で接触するとともに、外輪２の軌道面２ａとも軸受中心線Ｃから肩部２ｂ側に偏った２点Ｑ_１、Ｑ_２で接触している。ボール３が各軌道面１ａ、２ａと軸受中心線Ｃに近い側で接触する点Ｐ_１、Ｑ_１の接触角α_Ｐ１、α_Ｑ１は、いずれも１５〜２５°、軸受中心線Ｃから離れた側で接触する点Ｐ_２、Ｑ_２の接触角α_Ｐ２、α_Ｑ２は、いずれも４０〜５０°とされ、接触角α_Ｐ１、α_Ｐ２間の広がり角β_Ｐと接触角α_Ｑ１、α_Ｑ２間の広がり角β_Ｑは２０°以上とされている。この実施形態では、内輪１側の各接触角α_Ｐ１、α_Ｐ２と外輪２側の各接触角α_Ｑ１、α_Ｑ２とは、軸受中心Ｏに対して互いに点対称に等しく設定されている。

上述した実施形態では、内輪と外輪の両方の軌道面とボールを２つの接触点で接触させるようにし、両方の軌道面の各接触点での接触角を点対称で等しく設定したが、これらの接触角は必ずしも点対称で等しく設定する必要はない。また、内輪と外輪のいずれか一方の軌道面のみとボールを２つの接触点で接触させるようにしてもよい。

以下、実施例に係るアンギュラ玉軸受（以下、単に実施例という）及び比較例に係るアンギュラ玉軸受（以下、単に比較例という）に対するアキシアル剛性測定試験の結果を示し、上記弾性接触理論に基づいた計算の妥当性を明らかにする。

実施例および比較例は、軸受内径ｄがφ２４０［ｍｍ］、軸受外径Ｄがφ３１０［ｍｍ］、軸受高さＴが３３［ｍｍ］のものである。

実施例は、上記接触角α_Ｐ１、α_Ｑ１（以下、単にα_１と呼ぶ）を２０°とし、上記接触角α_Ｐ２、α_Ｑ２（以下、単にα_２と呼ぶ）を４０°とした４点接触のものである。

比較例は、ボールが内輪および外輪の軌道面と軸受中心線の互いに反対側で１点接触し、各軌道面における接触角αを３０°とした点でのみ実施例と相違する２点接触のものである。

実施例と比較例のアキシアル剛性は、それぞれ図４（ａ）に示す試験機ＥＭを使用して測定されている。この試験機ＥＭは、地上側に固定された測定台Ｍｐと、実施例の内輪１の内径が外周に嵌合される荷重側ハウジングＨ１と、実施例の外輪２の外径が内周に嵌合される受け側ハウジングＨ２と、この受け側ハウジングＨ２を測定台Ｍｐの水平板上に支持するスラスト軸受Ｂと、測定台Ｍｐの水平板に対して測定子が垂直に設置されたダイヤルゲージＤｇとからなる。

試験機ＥＭに実施例を組み込むと、軸受中心軸が垂直を向くようになっている。この状態で、内輪１の肩部側端面は、荷重側ハウジングＨ１の外周段部により垂直方向上側へのずれ動きが規制され、また、外輪２の肩部側端面は、受け側ハウジングＨ２の内周段部により垂直方向下側へのずれ動きが規制されるようになっている。

上記ハウジングＨ１には、図４（ａ）中に白抜き矢で示すように、この上面に垂直方向下向きの荷重、すなわち、実施例に対する純アキシアル荷重が負荷される。実施例に純アキシアル荷重が負荷されても、両ハウジングＨ１、Ｈ２による内外輪１、２の肩部側端面のずれ動き規制により、実施例は両ハウジングＨ１、Ｈ２から脱落しない。

ここで、両ハウジングＨ１、Ｈ２は、組み込まれた実施例の軸受中心軸と同一直線上に対称軸を有し、その対称軸に直交するどの横断面においても円状ないし円環状になっており、周方向の剛性バランスが均一になっている。

なお、この試験機ＥＭでは、スラスト軸受Ｂにより受け側ハウジングＨ２が軸受中心軸回りで回転可能に支持されるため、実施例のボール３を転動させた状態で測定することも可能である。

上記ダイヤルゲージＤｇの測定子は、荷重側ハウジングＨ１の下面中心（すなわち、荷重側ハウジングＨ１の剛性バランスの中心線である対称軸上の位置）に接触するようになっている。荷重側ハウジングＨ１の垂直方向下向きの変位を最も正確に測定することができるからである。

なお、ボールの接触態様のみが実施例と異なる比較例も、試験軸受として試験機ＥＭに実施例と同じように組み込むことができるのは勿論である。

上記試験機ＥＭを使用したアキシアル剛性測定試験測定方法を説明する。
（Ｉ）試験機の剛性を測定する。すなわち、図４（ｂ）に示すように、荷重側ハウジングＨ１と受け側ハウジングＨ２との間にスペーサリングＳｒを組み込む。このスペーサリングＳｒは、内径：ｄ＝φ２４０［ｍｍ］、外径：Ｄ＝φ３１０［ｍｍ］、高さ：Ｔ＝３３［ｍｍ］であり、実施例に対応するサイズになっている。

スペーサリングＳｒを組み込んだ状態で、荷重側ハウジングＨ１に対して純アキシアル荷重を負荷する。純アキシアル荷重は、９８０７［Ｎ］から９８０６７［Ｎ］まで変化させた。

ここで、９８０７［Ｎ］の純アキシアル荷重の負荷時にダイヤルゲージＤの指示値を０とした。荷重を抜いた状態では、落ち着き性が悪いため、少し荷重を掛けた所で０セットとしたのである。

なお、試験機の剛性を測定する目的から、スペーサリングＳｒは、最大純アキシアル荷重の負荷時においてそのアキシアル方向変位を無視することができる剛性のものを利用した。

（ＩＩ）次に、試験軸受を組み込んだ状態における試験機の剛性を測定する。荷重側ハウジングＨ１と受け側ハウジングＨ２との間に試験軸受（実施例又は比較例）を組み込んだ状態とし、スペーサリングＳｒの場合と同じようにして測定を実施する。

（ＩＩＩ）次に、試験軸受の剛性を算出する。その算出は、同一の純アキシアル荷重値において、上記（ＩＩ）の測定値から上記（Ｉ）の測定値を減算することによる。この減算により、試験機自体のアキシアル変位の影響が除去され、試験軸受のアキシアル変位を得ることができる。

実施例と比較例のそれぞれに上記（Ｉ）〜（ＩＩＩ）の測定を実施した結果を図５に線グラフとして示す。

図３と図５を見比べると、純アキシアル荷重の変化に対するアキシアル変位（すなわちアキシアル剛性）の変化の傾向は、弾性接触理論に基づいた計算による線グラフ（図３参照）と上記測定の結果（図５参照）との間でよく合致しており、上記弾性接触理論に基づいた計算の妥当性を確認することができた。

次に、上記実施例において、広がり角β（α_２−α_１）の変更による接触応力の変化について数値解析を行った。この数値解析の目的は、接触角α_１、α_２の各接触点における接触楕円を考えたとき、互いの接触楕円同士の重なりによる接触応力の変化を確認することである。

具体的には、各広がり角βにおけるα_１、α_２の各接触点におけるラジアル荷重が作用した際の接触応力を、第１に、弾性接触理論で個々に計算し、第２に、境界要素法（ＢＥＭ）により計算した。
上記数値解析は、実施例の広がり角βは、１０°、２０°、３０°の３例でそれぞれ行った。
図６に、第１の計算結果を分母とし、第２の計算結果を分子として各設定例における相対比率を示す。この相対比率は、その値が大きい程、α_１、α_２の各接触点において、互いの接触楕円同士の重なりにより接触応力が大きくなることを示唆する。

図６からは、広がり角βが小角度から大角度に変化する程、相対比率の値が小さくなる、すなわち、接触応力の上昇が抑えられることが分かる。
したがって、この発明に係るアンギュラ玉軸受においては、広がり角βを可及的に大きく設定することが好ましく、互いの接触楕円同士を重なることのないように設定することが最も好ましいことが分かった。

次に、この発明に係るアンギュラ玉軸受をロボットアームの関節装置に使用した一例を図７に基づいて説明する。 図７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、上記実施形態に係るアンギュラ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。

アームを動かす駆動力が入力される減速機２１の出力軸の支持に、この発明に係るアンギュラ玉軸受を採用すれば、上記実施例等から明らかになったように、アンギュラ玉軸受の剛性が向上するため、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。

次に、この発明に係るアンギュラ玉軸受を建設機械用走行減速機のスプロケット支持装置に使用した一例を図８に基づいて説明する。
図８に示した建設機械用走行減速機のスプロケット支持装置は、スプロケット１００と、走行体側に固定するハウジング１１０と、スプロケット１００の内周とハウジング１１０の外周との間に組み込んだアンギュラ玉軸受１２０、１２０とを備えている。

この種の走行減速機は、例えば、油圧ショベル、ショベル系掘削機、ブルドーザ、ローダ、トレンチャ、ダンパ、スクレーパ、パイプレイヤなどの履帯式建設機械に適用され、特にショベル、ブルドーザによく利用されている。

スプロケット１００は、回転ドラム１０１と、この回転ドラム１０１の外周部に取り付けられたスプロケットホイル１０２とからなる。スプロケットホイル１０２には、履帯１３０が掛け回される。

ハウジング１１０は、油圧ショベル又はブルドーザの走行サイドフレーム（図示省略）に固定される。

ハウジング１１０は内周部を有し、その内方には、油圧モータ１４０が設けられている。ハウジング１１０の外周部には、回転ドラム１０１の内周部との間にアンギュラ玉軸受１２０、１２０を装着するための軸受座１１１が設けられている。

アンギュラ玉軸受１２０、１２０は、上記実施形態に係るものであり、スプロケット１００をハウジング１１０に対し回転自在に支持する。
なお、アンギュラ玉軸受１２０、１２０は、背面組合せ軸受として構成されており、それぞれに所定の予圧が付与されている。

油圧モータ１４０の出力軸１４１は、この出力軸１４１の回転を減速してスプロケット１００に伝達する減速機１５０に接続されている。減速機１５０は、回転ドラム１０１の油圧モータ１４０と反対側に取り付けられたケーシング１６０の内部に設けられている。なお、ケースシング１６０の回転ドラム１０１と反対側の側面は、着脱式のカバー１６１になっている。

減速機１５０は、ケーシング１６０の内周に設けられたリングギヤ１５１と、油圧モータ１４０の出力軸１４１に結合されたプロペラシャフト１５２の第１サンギヤ１５３ａと、第１サンギヤ１５３ａとリングギヤ１５１との間に設けられた遊星歯車減速機構とからなる。遊星歯車減速機構は、第１キャリア１５４ａ、第１ピン１５５ａ、第１プラネタリギヤ１５６ａ、第２サンギヤ１５３ｂ、第２キャリア１５４ｂ、第２ピン１５５ｂ、第２プラネタリギヤ１５６ｂ、第３サンギヤ１５３ｃ、第３キャリア１５４ｃ、第３ピン１５５ｃ、第３プラネタリギヤ１５６ｃからなる周知の構成のものが採用されている。

油圧モータ１４０が駆動されると、前述の遊星歯車減速機構により回転力が増大する。最終段減速部である第３キャリア１５４ｃはハウジング１１０に結合されており、回転不可能となっている。第３プラネタリギヤ１５６ｃの自転力がリングギヤ１５１を回転させ、ケーシング１６０、回転ドラム１０１を介してリングギヤ１５１と一体化されているスプロケットホイル１０２が一体回転し、履帯１３０が移動させられ、建設機械の走行が行なわれる。

回転ドラム１０１とハウジング１１０との回転摺動部には、外部からの土砂、泥水の侵入を防ぐためラビリンス部１７０が形成されている。ラビリンス部１７０の内側には、フローティングシール部１７１が設けられている。フローティングシール部１７１は、回転ドラム１０１、ハウジング１１０の内周部に対向するＯリング溝が形成された一対のリング部材と、Ｏリングとからなる周知の構成のものが採用されている。フローティングシール部１７１は、走行減速機内からの油漏れや走行減速機内への異物侵入を防止する。

上記のスプロケット支持装置において、アンギュラ玉軸受１２０は、上記実施例等から明らかになったように、アキシアル荷重を１点で受けるものと比べ、分散軽減され軸受の変形量が小さくなる。すなわち、軸受の剛性が増大する。その分、フローティングシール部１７１への負担を軽減し、又は、回転ドラム１０１の薄肉化を図り、走行減速機をコンパクトにすることができる。
また、回転ドラム１０１が薄肉なため、回転ドラム１０１とケーシング１６０とを溶接することが可能になる。溶接によれば、ボルト、ボルト穴の形成が不要になり、製造コストを低減することができる。

アンギュラ玉軸受の実施形態を示す縦断面図 接触角α_１の違いによるラジアル剛性の変化を示すグラフ 接触角α_２の違いによるアキシアル剛性の変化を示すグラフ （ａ）試験機に実施例を組み込んだ状態を示す縦断正面図、（ｂ）試験機にスペーサリングを組み込んだ状態を示す縦断正面図 実施例及び比較例におけるアキシアル剛性の変化を示すグラフ 図５の実施例において広がり角の変更による接触応力の変化を示すグラフ 実施形態に係るアンギュラ玉軸受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 実施形態に係るアンギュラ玉軸受を走行減速機に使用した一例を示す要部断面図

符号の説明

１ 内輪
２ 外輪
１ａ、２ａ 軌道面
１ｂ、２ｂ 肩部
１ｃ、２ｃ カウンタ部
３ ボール
４ 保持器

Claims (5)

1. ボールが内輪および外輪の軌道面と軸受中心線の互いに反対側で接触し、その少なくとも一方の軌道面と異なる接触角の２点で接触するアンギュラ玉軸受において、前記ボールが２点で接触する異なる接触角のうちの、前記軸受中心線に近い側の接触角α_１を１５〜２５°、軸受中心線から離れた側の接触角α_２を４０〜５０°としたことを特徴とするアンギュラ玉軸受。
2. 前記接触角α_１、α_２間の広がり角β（＝α_２−α_１）を２０°以上とした請求項１に記載のアンギュラ玉軸受。
3. 前記ボールが前記内輪および外輪の軌道面の両方と、前記異なる接触角の２点で接触するようにした請求項１または２に記載のアンギュラ玉軸受。
4. 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乃至３のいずれかに記載のアンギュラ玉軸受とを有するロボットアームの関節装置。
5. スプロケットと、走行体側に固定する軸受ハウジングと、前記スプロケットの内周と前記ハウジングの外周との間に組み込んだ請求項１乃至３のいずれかに記載のアンギュラ玉軸受とを備えた建設機械用走行減速機のスプロケット支持装置。

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