JP2008248993A - ころ軸受 - Google Patents

Abstract

【課題】高荷重条件でのエッジロードの発生防止と、軽荷重〜中荷重条件での軸受寿命低下防止と、を両立させるクラウニングが施されたころ軸受を提供する。
【解決手段】ころ軸受１０は、外輪１１と、内輪１２と、外輪軌道面１１ａと内輪軌道面１２ａの間に転動自在に配設された複数のころ１３と、を備えており、ころ１３の転動面１３ａまたは内外輪１２、１１の軌道面１２ａ、１１ａの少なくとも一方に、中央部に形成された円弧曲線Ａと、端部に形成され円弧曲線Ａと対数曲線Ｂとの合成曲線とからなる、円弧対数曲線Ｃの母線形状を有する円弧対数クラウニングを施す。
【選択図】図２

Description

本発明は、ころ軸受に関し、より詳細には、ころと軌道面との接触面圧を適切にし、エッジロードの発生を防止して軸受寿命を長期化することができる改良されたクラウニングが施されたころ軸受に関する。

円筒ころ軸受や円すいころ軸受等のころ軸受において、ころに作用する接触面圧が偏りなく均一になるように、ころや軌道輪の接触面にクラウニングを施すことがある。このクラウニングは内外輪の軌道面又はころのいずれか一方、もしくはその両方に施される。このような従来のころ軸受のクラウニング曲線として、ころを垂直に軌道輪に所定の荷重で押し付けたときに発生する応力を軸方向に均一にできる、対数曲線を用いたころ軸受が知られている。一方、ころ軸受に作用する荷重は、ころ軸受の回転に伴って高荷重、軽荷重、モーメント荷重等、と変動するので、一般に、転がり接触部の塑性変形を防止するため、最も厳しい荷重条件のときの最大接触面圧が一定値以下になるように、対数クラウニングのクラウニング量を大きくしたクラウニング母線形状が用いられる。

しかし、このようなクラウニングは中央部でのクラウニング量が大きいため、使用頻度が高い軽荷重〜中荷重の条件下では接触長さが短くなり、中央部から早期に剥離が生じて軸受寿命が低下する問題があった。この問題を解決するため、中央部を直線とし、端部を対数曲線とした組合せ曲線からなるクラウニング母線形状のころ軸受が提案されている（特許文献１参照。）。
特開２００５−１５５７６３号公報

特許文献１に記載のころ軸受のクラウニング母線形状は、中央部の直線と端部の対数曲線とが組み合わされた曲線となっているので、直線と対数曲線とのつなぎ目において、接触圧力のピークが発生する問題がある。高荷重作用条件においてエッジロードの発生を防止し、且つ軽荷重〜中荷重の条件において接触有効長さを有効に生かして長寿命を可能とするためには、更なる改善が要望されていた。

本発明は、前述した問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、高荷重条件でのエッジロードの発生防止と、軽荷重〜中荷重条件での軸受寿命低下防止と、を両立させるクラウニングが施されたころ軸受を提供することにある。

本発明の上記目的は、下記の構成により達成される。
（１） 内周面に外輪軌道面が形成された外輪と、外周面に内輪軌道面が形成された内輪と、前記外輪軌道面と前記内輪軌道面の間に転動自在に配設された複数のころと、を備えるころ軸受であって、
前記ころの転動面または前記内外輪の軌道面の少なくとも一方に、中央部に形成された円弧曲線と、端部に形成され円弧曲線と対数曲線との合成曲線と、からなる円弧対数曲線の母線形状の円弧対数クラウニングが施されたことを特徴とするころ軸受。
（２） 前記中央部の長さが、前記ころ及び前記軌道面の有効長さのうち、短い方の有効長さの７０％から９０％であることを特徴とする上記（１）に記載のころ軸受。
（３） 前記円弧対数クラウニングの形状は、式（１）に基づいて決められることを特徴とする上記（１）又は（２）に記載のころ軸受。

尚、関数ｉｆ（ａ，ｂ，ｃ）は、条件式ａが成立する場合には、式ｂに置き換えられ、不成立の場合には、式ｃで置き換えられる関数である。ここで、
中央長さ Ｌ_１：Ｌ_１＝ｒ_１×（ｌ_ｅ／２）
端部長さ Ｌ_２：Ｌ_２＝（ｌ_ｅ／２）−Ｌ_１
中央部円弧半径 Ｒ：Ｒ＝（Ｄ_１ ^２＋Ｌ_１ ^２）／（２×Ｄ_１）
ｘ ：中央を原点とする座標
ｌ_ｅ ：有効軌道長さ
ｒ_１ ：有効軌道長さに対する中央部長さの比（２Ｌ_１／ｌ_ｅ）
Ｄ_１ ：中央部と端部のつなぎ目におけるクラウニング量
Ｄ_２ ：有効軌道の端におけるクラウニング量の対数曲線成分
ｋ ：対数部の丸みを調整するためのパラメータ（０＜ｋ＜１）
である。

本発明のころ軸受によれば、ころの転動面または内外輪の軌道面の少なくとも一方に、中央部が円弧曲線であり、端部が円弧曲線と対数曲線との合成曲線である円弧対数曲線の母線形状の円弧対数クラウニングが施されているので、ころ軸受に高荷重が作用したとき発生するエッジロードを防止することができ、更に、軽荷重〜中荷重条件での軸受寿命の低下を防止することができる。また、中央部のクラウニングが直線ではなく円弧形状となっているので、中央部と端部とのつなぎ目での接触圧力ピークの発生を防止することができる。

以下、本発明に係るころ軸受の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１に示すように、本発明の円弧対数曲線クラウニングが施されたころ軸受１０は、内周面に外輪軌道面１１ａが形成された外輪１１と、外周面に内輪軌道面１２ａが形成された内輪１２と、外輪軌道面１１ａと内輪軌道面１２ａの間に転動自在に配設された複数の転動体であるころ１３と、を備える。外輪軌道面１１ａ、内輪軌道面１２ａ、及びころ１３の転動面１３ａの少なくともいずれかには、クラウニングが施されている。

クラウニングは、中央部が円弧曲線であり、端部が円弧曲線と対数曲線との合成曲線である円弧対数曲線の母線形状を有する。この円弧対数曲線は、式（１）に基づいて決定される。

尚、関数ｉｆ（ａ，ｂ，ｃ）は、条件式ａが成立する場合には、式ｂに置き換えられ、不成立の場合には、式ｃで置き換えられる関数である。ここで、
中央長さ Ｌ_１：Ｌ_１＝ｒ_１×（ｌ_ｅ／２）
端部長さ Ｌ_２：Ｌ_２＝（ｌ_ｅ／２）−Ｌ_１
中央部円弧半径 Ｒ：Ｒ＝（Ｄ_１ ^２＋Ｌ_１ ^２）／（２×Ｄ_１）
ｘ ：中央を原点とする座標
ｌ_ｅ ：有効軌道長さ
ｒ_１ ：有効軌道長さに対する中央部長さの比（２Ｌ_１／ｌ_ｅ）
Ｄ_１ ：中央部と端部のつなぎ目におけるクラウニング量
Ｄ_２ ：有効軌道の端におけるクラウニング量の対数曲線成分
ｋ ：対数部の丸みを調整するためのパラメータ（０＜ｋ＜１）
である。

ｌ_ｅ＝１８．０５、ｒ_１＝０．８、Ｄ_１＝０．０００５、Ｄ_２＝０．０３、ｋ＝０．９５としたとき、式（１）から求められるクラウニング形状は、図２のようになる。即ち、図２に示すように、式（１）の円弧式部分（式（１）の前半部分）から円弧曲線Ａが求められ、対数式部分（式（１）の後半部分）から対数曲線Ｂが求められる。本発明の円弧対数曲線Ｃは、円弧曲線Ａと対数曲線Ｂの和として求められる。図に示す実施形態では、軸方向距離７．２２ｍｍの位置が中央部と端部のつなぎ目であり、軸方向距離７．２２ｍｍ以下の範囲のクラウニング形状は円弧曲線Ａであり、軸方向距離７．２２ｍｍ以上の範囲のクラウニング形状は円弧曲線Ａと対数曲線Ｂの和である円弧対数曲線Ｃとなっている。

パラメータｒ_１を除く上記の残りの条件を同じとし、パラメータｒ_１を０．６〜０．９５まで変化させたときの各円弧対数クラウニング曲線を図３に示す。また、表１に示す軸受荷重が内輪に作用したとき、各パラメータｒ_１（０．６〜０．９５）における軸方向距離ｘと接触圧力ｐの関係を図４に示す。

図３に示すように、当然のことながらパラメータｒ_１が大きくなるに従って端部のクラウニング形状の立ち上がり方が急になっている。さらに、図４に示すように、パラメータｒ_１が大きくなると両端での接触圧力のピークが大きく、特に、ｒ_１が０．９を超えると顕著になって好ましくないことが分かる。

図５は、パラメータｒ_１と接触圧力最大値ｐｍａｘ及び計算により求めた寿命比（寿命比＝寿命／ｒ_１＝０．８のときの寿命）の関係を示す。図５に示すように、ｒ_１＜０．７では寿命が低下し、ｒ_１＞０．９では接触圧力最大値ｐｍａｘが大きく、エッジロードが発生していることがわかる。従って、０．７≦ｒ_１≦０．９とするのが望ましい。

以上説明したように、本実施形態のころ軸受によれば、ころ１３の転動面または内外輪１１，１２の軌道面１１ａ，１２ａの少なくとも一方に、中央部が円弧曲線であり、端部が円弧曲線と対数曲線との合成曲線である円弧対数曲線の母線形状の円弧対数クラウニングが施されているので、ころ軸受に高荷重が作用したとき発生するエッジロードを防止することができ、更に、軽荷重〜中荷重条件での軸受寿命の低下を防止することができる。また、中央部のクラウニングが直線ではなく円弧形状となっているので、中央部と端部とのつなぎ目での接触圧力ピークの発生を防止することができる。

また、中央部の長さは、ころ及び軌道面の有効長さのうち、短い方の有効長さの７０％から９０％とすることが好ましく、これによってエッジロードの発生及び軸受寿命低下を効果的に防止することができる。

また、円弧対数クラウニングの形状を、式（１）に基づいて決められる円弧対数曲線の母線形状とすれば、高荷重条件での回転時におけるエッジロードの発生を確実に防止すると共に、軽荷重〜中荷重条件での回転時には中央部の円弧曲線クラウニングで荷重を受けて軸受寿命を長期化することができる。

本発明の効果を確認するため、本発明の円弧対数クラウニングが施されたころ軸受と、従来の対数クラウニング及び２円弧クラウニングが施されたころ軸受について、図６から図９に基づいて説明する。

図６は、従来の２円弧クラウニング形状及び対数クラウニング形状と、本発明の円弧対数クラウニング形状とを比較した図である。２円弧クラウニング形状Ｄは、中央部長さ：Ｌ_１＝１２、中央部円弧半径：Ｒ_１＝１５０００、端部円弧半径：Ｒ_２＝１９００として式（２）から求められる。また、対数クラウニング形状Ｅは、Ｐ＝２５００００、Ｑ＝５．２５８Ｅ−０９、Ｄ＝１０．７８、Ｂ＝０．０４５５０、Ｌ＝１８．０５として式（３）から求められる。また、本発明の円弧対数クラウニング形状Ｆは、ｌ_ｅ＝１８．０５、ｒ_１＝０．８、Ｄ_１＝０．０００５、Ｄ_２＝０．０３、ｋ＝０．９５として上述した式（１）から求められる。

尚、関数ｉｆ（ａ，ｂ，ｃ）は、条件式ａが成立する場合には、式ｂに置き換えられ、不成立の場合には、式ｃで置き換えられる関数である。
ここで、Ｌ_１ ： 中央部長さ
Ｒ_１ ： 中央部円弧半径
Ｒ_２ ： 端部円弧半径

また、各クラウニング形状のクラウニングが施されたころ軸受に、表１の軸受荷重（重荷重）が作用したときの軸方向距離ｘと接触圧力ｐの関係を計算によって求めた結果を図７に示す。図７において、曲線Ｇは２円弧クラウニングの接触圧力曲線、Ｈは対数クラウニングの接触圧力曲線、Ｊは本発明の円弧対数クラウニングの接触圧力曲線である。図７に示すように、対数クラウニング及び円弧対数クラウニングが施されたころ軸受ではエッジロードの発生は見られないが、２円弧クラウニングが施されたころ軸受では大きなエッジロードが発生していることがわかる。

図８は各クラウニング形状のクラウニングが施されたころ軸受に、使用頻度が高い中荷重が作用したときの軸方向距離ｘに対する接触圧力ｐの計算結果を比較して示すグラフであり、本発明の円弧対数クラウニングが施されたころ軸受の接触圧力曲線Ｍの軸方向長さは、２円弧クラウニング及び対数クラウニングが施されたころ軸受の接触圧力曲線Ｋ、Ｌの軸方向長さより長く、また接触圧力が小さくなっている。これは、円弧対数クラウニングが施されたころ軸受は、ころと軌道面の接触長さが長く、ころ及び軌道面の有効長さが効率的に使用されていることを示している。

図９は、計算によって求めた各ころ軸受の軸受寿命を、従来の対数クラウニングが施されたころ軸受の軸受寿命を基準（１．０）として比較したグラフであり、２円弧クラウニングが施されたころ軸受の軸受寿命はほとんど変わらないが、本発明の円弧対数クラウニングが施されたころ軸受の軸受寿命は３倍以上であり、長寿命であることがわかる。

従って、上記実施例からも本発明の円弧対数クラウニングを施すことによって、高荷重条件でのエッジロードの発生を防止すると共に、軽荷重〜中荷重条件での軸受寿命の低下を防止することができる。

尚、本発明は、前述した実施形態及び実施例に限定されるものではなく、適宜、変形、改良、等が可能である。
例えば、上記実施形態では、円筒ころ軸受について説明したが、これに限定されるものではなく、円すいころ軸受、針状ころ軸受、球面ころ軸受等、ころと軌道輪とが線接触する形式のころ軸受において適用することができ、ラジアル荷重だけでなく、スラスト荷重を支持するものであってもよい。

本発明のころ軸受の要部縦断面図である。 本発明の円弧対数クラウニング形状を示す説明図である。 パラメータｒ_１（有効軌道長さに対する中央部長さの比）を変化させたときの円弧対数クラウニング曲線を示すグラフである。 パラメータｒ_１を変化させた円弧対数クラウニングにおいて、軸方向距離と接触圧力の関係を示すグラフである。 パラメータｒ_１と接触圧力最大値及び寿命比との関係を示すグラフである。 計算により求めた各クラウニング形状を比較して示す図である。 高荷重が作用したとき、各ころ軸受の軸方向距離に対する接触圧力の計算結果を比較して示すグラフである。 中荷重が作用したとき、各ころ軸受の軸方向距離に対する接触圧力の計算結果を比較して示すグラフである。 各ころ軸受の軸受寿命を、対数クラウニングが施されたころ軸受の軸受寿命を基準として比較して示すグラフである。

符号の説明

１０ ころ軸受
１１ 外輪
１１ａ 外輪軌道面
１２ 内輪
１２ａ 内輪軌道面
１３ ころ
１３ａ ころの転動面
Ａ 円弧曲線
Ｂ 対数曲線
Ｃ 円弧対数曲線
ｌ_ｅ 有効長さ

Claims (3)

1. 内周面に外輪軌道面が形成された外輪と、外周面に内輪軌道面が形成された内輪と、前記外輪軌道面と前記内輪軌道面の間に転動自在に配設された複数のころと、を備えるころ軸受であって、
   前記ころの転動面または前記内外輪の軌道面の少なくとも一方に、中央部に形成された円弧曲線と、端部に形成され円弧曲線と対数曲線との合成曲線と、からなる円弧対数曲線の母線形状の円弧対数クラウニングが施されたことを特徴とするころ軸受。
2. 前記中央部の長さが、前記ころ及び前記軌道面の有効長さのうち、短い方の有効長さの７０％から９０％であることを特徴とする請求項１に記載のころ軸受。
3. 前記円弧対数クラウニングの形状は、式（１）に基づいて決められることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のころ軸受。
   

   

   尚、関数ｉｆ（ａ，ｂ，ｃ）は、条件式ａが成立する場合には、式ｂに置き換えられ、不成立の場合には、式ｃで置き換えられる関数である。ここで、
   中央長さ Ｌ_１：Ｌ_１＝ｒ_１×（ｌ_ｅ／２）
   端部長さ Ｌ_２：Ｌ_２＝（ｌ_ｅ／２）−Ｌ_１
   中央部円弧半径 Ｒ：Ｒ＝（Ｄ_１ ^２＋Ｌ_１ ^２）／（２×Ｄ_１）
   ｘ ：中央を原点とする座標
   ｌ_ｅ ：有効軌道長さ
   ｒ_１ ：有効軌道長さに対する中央部長さの比（２Ｌ_１／ｌ_ｅ）
   Ｄ_１ ：中央部と端部のつなぎ目におけるクラウニング量
   Ｄ_２ ：有効軌道の端におけるクラウニング量の対数曲線成分
   ｋ ：対数部の丸みを調整するためのパラメータ（０＜ｋ＜１）
   である。

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