JP2010164179A - 転がり軸受 - Google Patents

Abstract

【課題】ころと内輪との間の接触面圧分布を改善して、軸受寿命や、軸受の静的強度、剛性等を向上させることができる転がり軸受を得る。
【解決手段】ころ１３のＲ面取り１３ｂとの干渉を回避するための内輪軌道面１２ａの逃げを廃止して、内輪軌道面１２ａの長さＴをころ１３の転動面１３ａの長さｌeよりも大きく設定すると共に、逃げの廃止によってころ１３の面取り１３ｂが内輪１２と干渉しないように、ころ１３の面取り１３ｂ寸法を縮小、又は面取り１３ｂ形状をＣ面取りに変更する。
【選択図】図２

Description

本発明は、転がり軸受に関し、より詳細には、軸受寿命や、軸受の静的強度、剛性等を向上させることができる転がり軸受に関する。

図７は、転がり軸受におけるころ１と内輪２との重荷重が負荷された場合の一般的な接触状態を示したものである。
図示例のころ１は、円すいころで、両端にＲ面取り１ａが施されている。ころ１のＲ面取り１ａの部分を除いた外周面が転動面１ｂである。
図７において、符号ｓ１はＲ面取り１ａの幅（半径）寸法であり、符号ｓ２は転動面１ｂの長さである。

内輪２は、ころ１が転動する内輪軌道面２ａと、この内輪軌道面２ａの一側に設けられてころ１の一端面を押える大つば２ｂと、内輪軌道面２ａの他側に設けられてころ１の他端面を押える小つば２ｃとを備えている。

また、内輪２の内輪軌道面２ａと大つば２ｂとが交差する位置、及び内輪軌道面２ａと小つば２ｃとが交差する位置には、それぞれ面取り１ａとの干渉を避けるための逃げ２ｄ，２ｅが形成されている。

図７において、符号ｓ３は大つば２ｂ側の逃げ２ｄによる内輪軌道面の減少分を示す大つば側の軌道面逃げ寸法、符号ｓ４は小つば２ｃ側の逃げ２ｅによる内輪軌道面の減少分を示す小つば側の軌道面逃げ寸法、符号ｓ５は内輪軌道面２ａの長さである。

このような転がり軸受において、ころに作用する接触面圧が偏り無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。

ここに、クラウニングとは、軌道輪ところとの接触部に生ずるエッジロードを防ぐことを主な目的として、軌道面又はころの母線にごくわずかに曲率をもたせることをいう。通常、このようなクラウニングは、内外輪の軌道面又はころの何れか一方、もしくはその両方に施される。

これまで、上記クラウニングの形状を示す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転がり軸受が知られている。

一方、転がり軸受に作用する荷重は、転がり軸受の回転に伴って高荷重、軽荷重、モーメント荷重等と種々に変動するので、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落ち量（クラウニング量）を大きくしたクラウニング形状が用いられる。

しかし、このようなクラウニングは、中央部での落ち量が大きいため、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み合わせ曲線からなるクラウニング形状の転がり軸受が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００５−１５５７６３号公報

ころ１のＲ面取り１ａとの干渉を避けるために、内輪軌道面２ａの両側に逃げ２ｄ，２ｅを装備する従来のころ軸受では、図７にも示したように、逃げ２ｄ，２ｅによる軌道面の逃げ寸法ｓ３，ｓ４のために、内輪軌道面の長さｓ５が、転動面の長さｓ２よりも短くなっている。

その結果、ころ１と内輪２との間の接触面圧は、図７の接触面圧分布曲線ｆ１に示すように、逃げに隣接する軌道面両端部に面圧が急上昇するピークｐ１，ｐ２を持つ分布となり、ころ１と内輪２との間において局所的に過大な面圧が作用することになるため、軸受寿命の低下等の不都合を招く要因となった。

また、特許文献１に記載の転がり軸受のクラウニング形状は、中央部の直線と端部の対数曲線とが組み合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を滑らかに連続させることが難しく、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り、その結果、高荷重作用条件においてつなぎ目にエッジロードが発生して軸受寿命の低下を招くという問題があった。
また、軽荷重〜中荷重の条件においても、接触有効長さを有効に活かして軸受寿命の長寿命化を可能にするために、更なる改善が要望されていた。

本発明は上記課題を解消することを目的とし、ころと内輪との間の接触面圧分布を改善して、軸受寿命や、軸受の静的強度、剛性等を向上させることができる転がり軸受を提供すること、また、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の低下防止と、を両立させることができる転がり軸受を提供することである。

上記目的は下記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、前記外輪軌道面と内輪軌道面との間に転動自在に配設された複数のころと、を備える転がり軸受であって、
前記内輪軌道面の逃げを廃止あるいは縮小して、前記内輪軌道面の長さを前記ころの転動面の長さよりも大きく設定すると共に、
前記逃げの廃止あるいは縮小によって前記ころの面取りが内輪と干渉しないように、前記内輪軌道面の面取り寸法を縮小、又は面取り形状をＣ面取りに変更したことを特徴とする転がり軸受。

（２）前記ころの転動面には、転動面の中央部は円弧曲線、転動面の両端部は円弧曲線と対数曲線との合成曲線で構成される円弧対数クラウニングを施したことを特徴とする上記（１）に記載の転がり軸受。

（３）前記円弧対数クラウニングの形状が、下記の式（１）に基づいて決められることを特徴とする上記（２）に記載の転がり軸受。

なお、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。
ここに、
中央部長さ Ｌ_１：Ｌ_１＝ｒ_１×（ｌe／２）
端部長さ Ｌ_２：Ｌ_２＝（ｌe／２）−Ｌ_１
中央部の円弧半径 Ｒ：Ｒ＝（Ｄ_１ ^２＋Ｌ_１ ^２）／（２×Ｄ_１）
ｘ ：クラウニング中心を原点とする座標
ｌe ：有効クラウニング長（転動面の長さ）
ｒ_１ ：有効クラウニング長に対する中央部長さの比（２Ｌ_１／ｌe）
Ｄ_１ ：中央部と端部とのつなぎ目における落ち量
Ｄ₂ ：有効クラウニング長の端における落ち量の対数曲線成分
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。

本発明の転がり軸受では、内輪軌道面の逃げを廃止あるいは縮小して、内輪軌道面の長さをころの転動面の長さよりも大きく設定したため、内輪軌道面の長さがころの転動面の長さよりも小さかった従来の転がり軸受と比較すると、ころの転動面と内輪軌道面との間の接触長や接触面積が増え、その結果、ころの転動面と内輪軌道面との間の接触面圧分布が、急激な面圧変化がなく、面圧変化が穏やかな分布となる。また、全体的に面圧の減少も得られる。

転がり軸受の一実施の形態の縦断面図である。 転がり軸受におけるころと内輪との接触状態を示した拡大断面図である。 円弧対数クラウニング形状を構成する円弧曲線と対数曲線との合成曲線の説明図である。 転がり軸受の各実施例における寿命向上率（寿命ＵＰ率）の測定値を示すグラフである。 転がり軸受の各実施例における静的強度向上率（静的強度ＵＰ率）の測定値を示すグラフである。 転がり軸受の各実施例におけるアキシアル剛性向上率（剛性ＵＰ率）の測定値を示すグラフである。 従来の転がり軸受におけるころと内輪との接触状態を示した拡大断面図である。

以下、本発明に係る転がり軸受の好適な実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
図１は本発明に係る転がり軸受の一実施の形態の縦断面図、図２は図１に示した転がり軸受におけるころと内輪との接触状態を示した拡大断面図、図３は図２に示したころの転動面に施される円弧対数クラウニング形状を構成する円弧曲線と対数曲線との合成曲線の説明図である。

図１に示すように、この一実施の形態の転がり軸受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と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、複数のころ１３相互の間隔を保持する保持器１４と、を備えている。

本実施の形態の転がり軸受１０の場合、ころ１３には、円すいころ、又は円筒ころを適用することができる。
ころ１３は、その両端にＲ面取り１３ｂ（図２参照）が施されている。ころ１３のＲ面取り１３ｂの部分を除いた外周面がころの転動面１３ａである。

図２において、符号ｗ１はＲ面取り１３ｂの幅（半径）寸法であり、符号ｌeは下記の式（１）で使用する転動面１３ａの長さである。
本実施の形態の場合、後述する内輪軌道面１２ａにおける逃げの廃止に伴って、Ｒ面取り１３ｂが内輪１２と干渉することを回避するために、ころ１３のＲ面取り１３ｂは、Ｒ面取り１３ｂの幅寸法ｗ１は変更せずに、通常よりも大きくした寸法、あるいは、Ｃ面取りに設定されている。

内輪１２は、ころ１３が転動する内輪軌道面１２ａの一側に、ころ１３の一端面を押える大つば１２ｂが設けられ、内輪軌道面１２ａの他側には、ころ１３の他端面を押える小つば１２ｃが設けられている。

本実施の形態の転がり軸受１０の場合、内輪軌道面１２ａは、ころ１３との干渉を回避するための従来の逃げを廃止している。
但し、内輪軌道面１２ａや、各つばの内側面の研磨加工を可能にすると同時に、応力集中を防止するために、内輪軌道面１２ａの両端には、必要最小限の湾曲凹部１６，１７は設けている。言い換えれば、研削逃げを小さくしているとも言える。

図２に示す寸法ｗ３，ｗ４は、湾曲凹部１６，１７が、内輪軌道面１２ａの長さを縮減させる寸法である。
ころ１３の全長から、これらの寸法ｗ３，ｗ４を差し引いた長さＴが、内輪軌道面１２ａの長さ寸法である。

上記の寸法ｗ３，ｗ４は、従来の逃げ２ｄ，２ｅ（図７参照）よりも遙かに小さい寸法であり、また、ころ１３のＲ面取り１３ｂよりも小さく設定されている。
内輪軌道面１２ａ上の従来の逃げを廃止する一方、上記のように、湾曲凹部１６，１７の寸法ｗ３，ｗ４を設定したことで、本実施の形態における内輪軌道面１２ａの長さＴは、転動面１３ａの長さｌeよりも大きく設定されている。

また、本実施の形態の場合、内輪１２の内輪軌道面１２ａは、逃げを実質廃止したため、加工上、研磨面と非研磨面との境界を区別できない。そのため、内輪軌道面１２ａに精度良く円弧曲線や対数曲線のクラウニング形状を加工することが難しい。
そこで、本実施の形態の転がり軸受１０では、内輪軌道面１２ａ及び外輪軌道面１１ａに施すクラウニングは、端部に軽微なだらしを設けた円弧クラウニングにする。

その一方、ころ１３の転動面１３ａに施すクラウニングは、外輪軌道面１１ａや内輪軌道面１２ａとの間の接触面圧をできるだけ均一にしてエッジロードの発生を無くすことを目的として、転動面１３ａの中央部が円弧曲線、中央部の両側の端部が円弧曲線と対数曲線との合成曲線で構成される円弧対数クラウニングにしている。

なお、本実施の形態で、ころ１３の転動面１３ａに施す円弧対数クラウニングの形状は、例えば、下記の式（１）に基づいて決められる。

なお、上記の式（１）において、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。
ここに、
中央部長さ Ｌ_１：Ｌ_１＝ｒ_１×（ｌe／２）
端部長さ Ｌ_２：Ｌ_２＝（ｌe／２）−Ｌ_１
中央部の円弧半径 Ｒ：Ｒ＝（Ｄ_１ ^２＋Ｌ_１ ^２）／（２×Ｄ_１）
ｘ ：クラウニング中心を原点とする座標
ｌe ：有効クラウニング長（転動面の長さ）
ｒ_１ ：有効クラウニング長に対する中央部長さの比（２Ｌ_１／ｌe）
Ｄ_１ ：中央部と端部とのつなぎ目における落ち量
Ｄ₂ ：有効クラウニング長の端における落ち量の対数曲線成分
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。

なお、上記の式（１）により形成されるクラウニング形状について、図３を使って補足説明する。
式（１）の円弧式部分（式（１）の前半部分）から図３の円弧曲線Ａが求められ、対数式部分（式（１）の後半部分）から図３の対数曲線Ｂが求められる。
本発明においてころの転動面の両端部のクラウニングに適用される合成曲線Ｃは、円弧曲線Ａと対数曲線Ｂの和として求められる。

図２に示した例では、中央部長さＬ_１の範囲内のクラウニング形状は図３の円弧曲線Ａによるものであり、端部長さＬ_２の範囲内のクラウニング形状は図３の合成曲線Ｃによるものとなっている。

以上に説明したように、本実施の形態の転がり軸受１０では、内輪軌道面１２ａの逃げｌeを廃止あるいは縮小して、内輪軌道面１２ａの長さＴをころ１３の転動面１３ａの長さよりも大きく設定したため、内輪軌道面の長さがころの転動面の長さよりも小さかった従来の転がり軸受と比較すると、ころ１３の転動面１３ａと内輪軌道面１２ａとの間の接触長や接触面積が増え、その結果、ころ１３の転動面１３ａと内輪軌道面１２ａとの間の接触面圧分布が、図２の接触面圧分布曲線ｆ２に示すように、急激な面圧変化がなく、面圧変化が穏やかな分布となる。また、全体的に面圧の減少も得られる。
従って、ころ１３と内輪１２との間において局所的に過大な面圧が作用することが回避されると同時に、面圧が減少する方向にころ１３と内輪１２との間の接触面圧分布が改善されて、軸受寿命や、軸受の静的強度、剛性等を向上させることができる。

また、本実施の形態の転がり軸受１０では、逃げの実質廃止によってころ１３のＲ面取り１３ｂが内輪１２と干渉しないように、ころ１３のＲ面取り１３ｂ寸法を従来よりも縮小しているため、内輪１２ところ１３のＲ面取り１３ｂとの干渉による不都合も生じない。

更に、本実施の形態の転がり軸受１０では、ころ１３の転動面１３ａに施されるクラウニングは、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クラウニングであるため、中央部が直線形状となるクラウニングが施された従来の転がり軸受の場合と比較すると、中央部と端部とのつなぎ目をピークのない滑らかなつなぎ目にすることができ、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、中央部のクラウニング形状を円弧曲線としているため、中央部まで対数曲線で形成するものと比較すると、中央部での落ち量が過大になることを抑えて、使用頻度が高い軽荷重〜中荷重の条件下における接触長さを長くすることができる。
従って、軸受に高荷重が作用したときにエッジロードの発生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低下を防止することができ、内輪軌道面１２ａの逃げを廃止したことによる作用・効果を更に高めることができる。

また、ころ１３のＲ面取り１３ｂとの干渉を回避するための逃げを廃止した内輪軌道面１２ａは、加工上、研磨面と非研磨面との境界が区別できないため、内輪軌道面１２ａに精度良くクラウニングを施すことが難しい。しかし、本実施の形態のようにころ１３の転動面１３ａにクラウニングを施す場合は、比較的容易に高精度のクラウニング形状を形成することができ、無理なく円弧対数クラウニングの装備による軸受性能の向上を図ることができる。

上記実施の形態の作用・効果を確認するため、上記実施の形態の具体的な実施例について、軸受寿命、軸受の静的強度、アキシアル剛性等の性能を測定した。
各実施例は、いずれも、一実施の形態で説明したように、内輪軌道面１２ａの逃げを廃止して、内輪軌道面の長さＴをころ１３の転動面１３ａの長さｌeよりも大きく設定すると共に、内輪軌道面１２ａところ１３の転動面１３ａとの接触長さを変えて定格荷重を変えた５試料について測定を行った。なお、逃げの廃止によってころ１３のＲ面取り１３ｂが内輪１２と干渉しないように、ころ１３のＲ面取り１３ｂの寸法を縮小している。また、ころ１３の転動面１３ａには、上記の式（１）に示したクラウニングを施している。

図４は各実施例における寿命向上率（寿命ＵＰ率）の測定値を示すグラフ、図５は同各実施例における静的強度向上率（静的強度ＵＰ率）の測定値を示すグラフ、図６は同各実施例におけるアキシアル剛性向上率（剛性ＵＰ率）の測定値を示すグラフである。
それぞれの図における向上率は、各実施例の内輪軌道面に従来の逃げを形成した基準の転がり軸受の性能を基準とした、性能向上率である。
図４〜図６のグラフに示したように、各実施例は、いずれも、軸受寿命、軸受の静的強度、アキシアル剛性において、定格荷重の向上率が大きい試料（４）→（２）→（１）→（３）→（５）の順にそれぞれの性能向上を確認することができた。

なお、上記の実施の形態では、内輪軌道面１２ａにおける逃げの廃止によってころ１３のＲ面取り１３ｂが内輪と干渉しないように、ころの面取り寸法を縮小したが、代わりに、ころ１３の面取り形状をＣ面取りに変更することも有効である。

１０ 転がり軸受
１１ 外輪
１１ａ 外輪軌道面
１２ 内輪
１２ａ 内輪軌道面
１３ ころ
１３ａ 転動面
１４ 保持器
ｆ２ 接触面圧分布曲線

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、前記外輪軌道面と内輪軌道面との間に転動自在に配設された複数のころと、を備える転がり軸受であって、
   前記内輪軌道面の逃げを廃止あるいは縮小して、前記内輪軌道面の長さを前記ころの転動面の長さよりも大きく設定すると共に、
   前記逃げの廃止あるいは縮小によって前記ころの面取りが内輪と干渉しないように、前記内輪軌道面の面取り寸法を縮小、又は面取り形状をＣ面取りに変更したことを特徴とする転がり軸受。
2. 前記ころの転動面には、転動面の中央部は円弧曲線、転動面の両端部は円弧曲線と対数曲線との合成曲線で構成される円弧対数クラウニングを施したことを特徴とする請求項１に記載の転がり軸受。
3. 前記円弧対数クラウニングの形状が、下記の式（１）に基づいて決められることを特徴とする請求項２に記載の転がり軸受。
   

   

   なお、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。
   ここに、
   中央部長さ Ｌ_１：Ｌ_１＝ｒ_１×（ｌe／２）
   端部長さ Ｌ_２：Ｌ_２＝（ｌe／２）−Ｌ_１
   中央部の円弧半径 Ｒ：Ｒ＝（Ｄ_１ ^２＋Ｌ_１ ^２）／（２×Ｄ_１）
   ｘ ：クラウニング中心を原点とする座標
   ｌe ：有効クラウニング長（転動面の長さ）
   ｒ_１ ：有効クラウニング長に対する中央部長さの比（２Ｌ_１／ｌe）
   Ｄ_１ ：中央部と端部とのつなぎ目における落ち量
   Ｄ₂ ：有効クラウニング長の端における落ち量の対数曲線成分
   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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