JP2008196601A - アンギュラコンタクト玉軸受、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】ラジアル荷重及び一方向のアキシアル荷重を２点接触で受けるアンギュラコンタクト玉軸受において、更なる剛性向上を図る。
【解決手段】玉５が外輪１の軌道面２および内輪３の軌道面４と軸受中心線Ｃの互いに反対側で接触し、その少なくとも一方の軌道面２と異なる接触角α１、α２の２点で接触するアンギュラコンタクト玉軸受において、内外輪の軌道面２、４間に前記玉５を総玉入れとし、隣り合う玉５、５間のすきまδの和Σδが玉５の直径を越えないように設定することにより、ラジアル荷重及び一方向のアキシアル荷重を受ける軌道面２、４の２接触点ａ、ｂ；ｃ、ｄの接触応力が可及的に低減され、その結果、２接触点ａ、ｂ；ｃ、ｄにおける弾性変形が抑制される。接触角α１、α３は１５°〜２５°、α２、α４は４０°〜５０°、広がり角β１、β２は２０°以上が好ましい。
【選択図】図１

Description

本発明は、低速域での使用に好適なアンギュラコンタクト玉軸受、並びに、このアンギュラコンタクト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。

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玉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。

上述の要求に応じたアンギュラコンタクト玉軸受としては、図５に示すように、外輪１１の軌道面１２と内輪１３の軌道面１４の一方に、保持器１５で周方向に配置が決められた玉１６が２点で接触し、他方に玉１６が少なくとも１点で接触し、前記一方の軌道面１２上の接触点ａ、ｂが軸受中心線Ｃを境界としてアキシアル方向の一方側に片寄って位置し、前記他方の軌道面１４上の接触点ｃ、ｄが前記の一方側と反対側に片寄って位置するようにしたものが提案されている（特許文献１）。

図５の軸受によって受けることができるアキシアル荷重Ｐは、図５中に白抜き矢印で示す方向に限定され、この反対方向のアキシア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アル荷重Ｐを２点ａ、ｂで受けることにより、各接触点ａ、ｂに加えられる荷重は、１点接触で受ける場合に比べて分散軽減され、弾性変形量が小さくなる。即ち、アキシアル荷重Ｐに対する軸受の剛性が増大する。なお、ラジアル荷重が２点接触で受けられるのは勿論である。

特開２００５−２０１２９４号公報

しかしながら、一方の軌道面１２と玉１６との各接触点ａ、ｂ間における許容接触圧力に限界がある以上、上述のように、ラジアル荷重及び一方向のアキシアル荷重を２点接触で受けることによる剛性向上にも限界がある。

そこで、本発明の課題は、ラジアル荷重及び一方向のアキシアル荷重を２点接触で受けるアンギュラコンタクト玉軸受において、更なる剛性向上を図ることにある。

上記の課題を解決するために、本発明は、玉が外輪および内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コンタクト玉軸受において、前記内外輪の軌道面間に前記玉を総玉入れとしたことを特徴とするものである。

保持器で玉同士の接触を防ぎ玉を周方向に等配する場合、玉に押される保持器柱部の強度を確保する柱幅を設ける都合上、玉Ｐ．Ｃ．Ｄ（ピッチ円径）の円周上において隣り合う玉間に隙間が生じ、その隙間の総和が玉直径以上になっている。これは、荷重の分散支持に直結する玉数が保持器で減少させられることに他ならない。
この発明は、低速回転の条件下で軸受を使用する場合において、経験上、玉同士の接触が致命的な損傷の原因とならないことに着目し、前記内外輪の軌道面間に前記玉を総玉入れとした構成の採用により、玉数を最大化した。これにより、ラジアル荷重及び一方向のアキシアル荷重を受ける２接触点の接触応力が可及的に低減され、その結果、２接触点における弾性変形が抑制される。

すなわち、この発明によれば、内外輪の軌道面間に前記玉を総玉入れとした構成の採用により、更なる剛性向上が図ることができる。

以下、図１に基づき、本発明の実施形態を説明する。このアンギュラコンタクト玉軸受は、外輪１の軌道面２と内輪３の軌道面４の間に、玉５、５・・・が総玉入れとされ、玉５が軌道面２、４と軸受中心線Ｃの互いに反対側で接触し、その少なくとも一方の軌道面２と異なる接触角の２点で接触するようになったものである。このアンギュラコンタクト玉軸受においては、ラジアル荷重及び一方向のアキシアル荷重Ｐは、外輪１の軌道面２における２箇所の接触点ａ、ｂで受けられ、前記と反対のアキシアル方向の荷重Ｐは、内輪３の軌道面４における接触点ｃ、ｄで受けられる。

具体的には、外輪１の内径面一端側の肩部６と他端側の肩落とし部７との間に、アーチ型の２個の円弧面からなる軌道面２が形成され、その両円弧面の衝合点の両側において玉５との接触点ａ、ｂが生じるようになっている。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５の中心点Ｏを基準に点対称の形状をなしている。このため、内輪３の外径面他端側の肩部８と一端側の肩落とし部９間に形成された軌道面４にも玉５との接触点ｃ、ｄが生じるようになっている。

玉５が異なる接触角の２点ａ、ｂで少なくとも一方の軌道面２と接触するため、両接触点ａ、ｂでの軌道面２の周速差によって摩耗が生じやすくなるが、１００ｒｐｍ以下の低速回転で使用される場合、この周速差が小さく、摩耗は問題とならない。

軸受中心線Ｃに対する接触点ａの角度（接触角）をα１、接触点ｂの角度（接触角）をα２、接触点ｃの角度（接触角）をα３、及び接触点ｄの角度（接触角）をα４としたとき、上述の接触角α１、α３は最小５°であり、α２、α４の最大は８０°であり、各接触点間の角度β１、β２はこれらの範囲で適宜定められる。このアンギュラコンタクト玉軸受では、両方の軌道面２、４の各接触点ａ、ｂ、ｃ、ｄ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玉を２つの接触点で接触させるようにしてもよい。

なお、軸受中心線Ｃに近い側の接触点ａ、ｃの接触角α１、α３は、それぞれ小さくするほどラジアル変位が少なくなる。接触角α１等が１５°未満になると、玉５が肩落とし部７、９へ乗り上げる恐れがある。
軸受中心線Ｃから離れた側の接触点ｂ、ｄの接触角α２、α４は、それぞれ大きくするほどアキシアル変位が少なくなる。接触角α２等が５０°を超えると、玉５が肩部６、８へ乗り上げる恐れがある。
広がり角β１等が小角度から大角度に変化する程、接触点ａ、ｂ等の接触楕円同士の重なりが避けられるので、接触応力の上昇が抑えられる。このため、広がり角β１等は、可及的に大きく設定することが好ましく、互いの接触点ａ、ｂ間等の接触楕円同士が重ならないように設定することが最も好ましい。
上述の事項を考慮すると、実用上、接触角α１等は、１５°〜２５°にすることが好ましく、接触角α２等は、４０〜５０°が好ましく、広がり角β１等は２０°以上が好ましい。

上述のように、このアンギュラコンタクト玉軸受は、α１、β１等の設定による軸受の剛性向上を図った上で、図２に示すように、隣り合う玉５、５間のすきまδ、δ・・・の和が玉５の直径ｄを超えないように設定し、保持器を省略し、すきまδを、保持器がなくとも軸受に満足な機能をもたせるのに十分小さな量にしたものである。
この総玉入れにより、図１に示した各接触点ａ〜ｄにおいて、玉５と軌道面２、４間の接触応力が最小化され、保持器付きとした場合と比して、各接触点ａ〜ｄにおける弾性変形が更に抑制される。
したがって、このアンギュラコンタクト玉軸受は、更なる剛性向上を図ることができる。

なお、隣り合う玉５、５同士の接触は、１００ｒｐｍ以下の低速域で使用される条件下である限り、致命的な損傷の原因とならない。玉５としてセラミックス玉を採用したり、玉５に耐摩耗性被覆を施したりすることにより、玉５の耐摩耗性や剛性向上を図ることも可能である。

次に、この発明に係るアンギュラコンタクト軸受をロボットアームの関節装置に使用した一例を図３に基づいて説明する。 図３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。

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コンタクト玉軸受を採用すれば、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コンタクト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４に基づいて説明する。
図４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コンタクト軸受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コンタクト軸受１２０、１２０を装着するための軸受座１１１が設けられている。

アンギュラコンタクト軸受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、アンギュラコンタクト軸受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は、上述のようにアンギュラコンタクト軸受１２０の剛性が増大するため、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。

ａは実施形態に係るアンギュラコンタクト玉軸受を側方から示し、内外輪の一部を切欠いた正面図、ｂはａの部分拡大縦断面図 図１ａの切欠き表示部分の拡大図 実施形態に係るアンギュラコンタクト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コンタクト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示す要部断面図 従来例のアンギュラコンタクト軸受の縦断面図

符号の説明

１ 外輪
２、４ 軌道面
３ 内輪
５ 玉
６、８ 肩部
７、９ 肩落とし部

Claims (3)

1. 玉が外輪および内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コンタクト玉軸受において、前記内外輪の軌道面間に前記玉を総玉入れとしたことを特徴とするアンギュラコンタクト玉軸受。
2. 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。
3. 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に記載のアンギュラコンタクト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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