JP2010510456A - 特に風力伝動装置でシャフトを支承するためのラジアルころ軸受 - Google Patents

Abstract

本発明は、特に風力伝動装置でシャフトを支承するためのラジアルころ軸受に関するものであり、内側の走行軌道（３）を備える外側の軸受リング（２）と、これに対して同軸に配置された、外側の走行軌道（５）を備える内側の軸受リング（４）と、前記軸受リング（２、４）の間で前記走行軌道（３、５）を転動する多数の転動体（６）とで実質的に構成されており、該転動体は保持器（７）によって円周方向で均等な相互間隔をおいて保持されている。スリップを回避するために、前記転動体（６）と前記軸受リング（２、４）の間では、円周上で均等に配分された複数の前記転動体（６）が中空ころ（８）で置き換えられており、該中空ころは他の前記転動体（６）よりも少しだけ大きい直径と低い弾性率とを有しており、それにより前記ラジアルころ軸受（１）の無荷重状態のときに前記軸受リング（２、４）との常時の接触を保証し、それにより前記保持器（７）およびこれに伴なう他の前記転動体（６）が運動学上の回転数で常時駆動されることを保証する。本発明によると前記中空ころ（８）は、内側外套面（９）が、熱処理に由来して存在する圧縮内部応力に加えて、特別な機械加工によって最大の荷重応力に重ね合わされる別の少なくとも−２００ＭＰａの圧縮内部応力を有するように構成されていることによって、高められた交番曲げ強さを有していることを特徴とする。

Description

本発明は、請求項１の前提項をなす構成要件に基づくラジアルころ軸受に関するものであり、特に、少なくとも一時的に非常に低い荷重のもとで回転する支承部で、たとえば風力伝動装置のシャフトの支承部で好ましく具体化可能である。

ラジアルころ軸受は荷重が十分にあるときに、内側および外側の軸受リングの走行軌道を転動体が滑ることなく転動する最善の運動学上の動作状態を有することが、転がり軸受技術の当業者に一般に知られている。さらに、少なくとも一時的に荷重が低くなるラジアルころ軸受については、転動体とその保持器からなる転動体セットが軸受の摩擦に基づいて、ないしは転動体セットの高い質量の力に基づいて、および転動体と走行軌道との間の一時的に小さい接触力に基づいて、運動学上の回転数で回転しないことが知られている。したがって、転動体セットの回転数が運動学上の回転数に比べて低くとどまるため、転動体は運動学的に最善ではない状態になり、そのような状態によって、当該転動体と少なくとも１つの走行軌道の間にスリップが生じる。このとき、転動体と走行軌道の間の接触面に潤滑膜を形成することができるが、急激な回転数変化や荷重変化が起こるとこの潤滑膜が破壊され、そのためスリップの生じている接触個所には、短時間のうちに十分な潤滑膜が存在しなくなってしまう。このことは、走行軌道と転動体との金属接触が生じ、転動体が運動学上の回転数に加速されるまで、転動体が走行軌道の上で走行するという結果につながる。そのため、走行軌道と転動体との間のこうした大きい速度差は、ならびにこれらを隔てる潤滑膜の欠如は、走行軌道と転動体の表面で高すぎる接線応力が生じる原因となり、こうした接線応力は多くの場合、マイクロピッチングとの関連で、たとえば走行軌道の粗面化、材料亀裂、スミアリングといったきわめて強力な摩耗現象と結びついており、ラジアルころ軸受の早期の不具合につながる。

そこでＦＲ２４７９３６９により、内側の走行軌道を備える外側の軸受リングと、これに対して同軸に配置された、外側の走行軌道を備える内側の軸受リングと、各軸受リングの間でその走行軌道上を転動し、保持器によって円周方向で均等な相互間隔に保持された多数の転動体とで構成された、当分野を形成するラジアルころ軸受が提案されており、転動体と軸受リングとの間の上述したスリップ現象およびその結果として生じる欠点を回避するために、円周上で均等に配分された複数の転動体が中空ころで置き換えられている。さらに、軸方向で他の転動体よりも若干短く構成されているこれらの中空ころは、他の転動体よりも少しだけ大きな直径と低い弾性率とを有しており、その結果、ラジアルころ軸受が無荷重状態にあるときに中空ころは軸受リングとの間で常時接触を有しており、それによって保持器の常時の駆動を保証するとともに、これに伴なって運動学上の回転数での他の転動体の駆動を保証する。

しかしながら実際には、恒常的な変形によって常時の交番曲げ負荷を受けるこのような種類のラジアルころ軸受の中空ころは、耐久性や疲れ強さの面で潜在的な転がり軸受の弱点となり、転がり軸受の支持能力の低下や耐用寿命の短期化の原因となることが示されている。たとえば、特に中空ころの内側外套面では局所的な応力ピークが発生することが判明しており、これが転がり軸受の長期動作のときに中空ころの亀裂につながり、最終的には破損につながる。このことは特に、中空ころについて標準転がり軸受鋼が使用されていることや標準熱処理に原因が帰せられており、こうした標準熱処理で中空ころは８６０℃の温度での硬化、油浴中または塩浴中での焼入れ、および１９０±１０℃での焼戻しによって一貫したマルテンサイト組織となっており、この組織は硬度が高いことによって中空ころの高い回転強度に貢献するものの、靭性が低く圧縮内部応力に欠けることから、特にその内側外套面における常時の交番曲げ負荷には適していない。このような応力集中を回避するために容易に推考される方策は、中空ころとその他の転動体をいずれも大きめに寸法設定することであるが、このことは必然的に軸受設計スペース全体の大型化や、転がり軸受の製造コストの増大を結果としてもたらす。

ＦＲ２４７９３６９

したがって本発明の課題は、公知の従来技術の上述した欠点を前提としたうえで、定格荷重、設計スペース、および耐用寿命などの当初の性能指標をほぼ維持したうえで、転動体と軸受リングの間のスリップを回避するために、高い交番曲げ強さと疲れ強さによって内側外套面における局所的な応力ピークを補償する中空ころを備えている、特に風力伝動装置のシャフトを支承するためのラジアルころ軸受を構想することにある。

本発明によるとこの課題は、請求項１の前提部に基づくラジアルころ軸受において、中空ころの内側外套面が特別な機械加工により、熱処理に由来して存在する圧縮内部応力に加えて、最大の荷重応力に重ね合わされる別の少なくとも−２００ＭＰａの圧縮内部応力を有するように構成されていることによって解決される。

すなわち本発明の根底にある思想は、熱処理の結果として生じる圧縮内部応力とともに、軸受作動時に働く引張応力に対抗して作用する、追加の圧縮内部応力を中空ころの内側外套面へ機械的に導入することによって、中空ころの亀裂および最終的に破損につながる中空ころの局所的な応力ピークを補償し、それによって中空ころの交番曲げ強さと疲れ強さを高めるとともに、このような種類のラジアルころ軸受の耐用寿命を決定的に延ばすことが可能になるということである。

本発明に基づいて構成されるラジアルころ軸受の好ましい実施形態と発展例は、従属請求項に記載されている。

それによると請求項２に記載されているように、中空ころが他の転動体と等しい軸方向長さを有しており、その内側外套面で好ましくは−４００ＭＰａから−８００ＭＰａの間の総圧縮内部応力を有するように構成されていると、このことは、本発明に基づいて構成されるラジアルころ軸受の特別に好ましい実施形態となる。このとき、他の転動体と等しい軸方向長さを備える中空ころの構成は、中空ころによって設計上発生するラジアルころ軸受の支持能力の損失をできる限り少なく抑えることに寄与し、それに対して、−４００ＭＰａから−８００ＭＰａの間の圧縮内部応力の値は、交番曲げ強さを高めるための、中空ころの内側外套面における高い圧縮内部応力の有効性に関して最善である。

本発明に基づいて構成されるラジアルころ軸受の中空ころの内側外套面に、追加の圧縮内部応力を簡単かつ低コストに生成する第１の方法の要諦は、請求項３に記載されているように、中空ころの内側外套面がローラ仕上によって機械加工されていることにある。この加工方法は切削加工ではない成形方法であり、ローラやボールなどの硬化された転動体の圧着力のもとで、切削加工された表面の強度が高められることに依拠するものである。このことは、断面ピーク部の可塑変形により、ローラの材料の間で生じる面押圧力が材料に三次元の圧縮応力を生成し、この圧縮応力が材料の流れ圧力に達し、それにより表面の局所的な可塑変形ないし強化を惹起し、それに伴って高い圧縮内部応力を周辺領域で惹起するという形で行われる。このとき材料や熱処理状態に応じて、加工された表面に最大−１０００ＭＰａの追加の圧縮内部応力を生成可能である。この方法のさらに別の有利な効果は、表面粗さが同時に大幅に低減され、それが中空ころの交番曲げ強さのいっそうの向上につながることにある。

請求項４によると、本発明に基づいて構成されるラジアルころ軸受の中空ころの内側外套面に追加の圧縮内部応力を生成する第２の方法は、中空ころの内側外套面がショットピーニングによって機械的に加工されることにある。ショットピーニング硬化としても知られるこの表面処理方法では球状の噴射材が使用され、これが処理されるべき表面に向かって高速で投射される。これは多くの場合、インペラ式、圧縮空気式、またはインジェクタ式の噴射設備によって行われ、投射材の粒子が高速に加速されて、処理されるべき表面に衝突する。それによって表面の領域で硬化が生じるとともに可塑変形が生じ、中空ころの場合、使用する素材に応じて、材料の降伏点の大きさにまで至る圧縮内部応力をそのつどの熱処理状態で内側外套面に生成する。表面粗さに対する強すぎない悪影響を保証するために、ショットピーニングによる技術的に有意義な圧縮応力は−８００から−１０００ＭＰａの間である。この方法のさらに別の好ましい効果は、耐食性鋼材の加工表面の耐食性が同時に大幅に高くなることにある。

最後に、本発明に基づいて構成されるラジアルころ軸受の中空ころの内側外套面に追加の圧縮内部応力を生成する代替的な第３の方法として、請求項５により、中空ころの内側外套面がキャリブレーションによって機械的に加工されていることがさらに提案される。この場合のキャリブレーションとは、中空ころの穴の内径よりもわずかに大きい外径をもつ硬化された物体が中空ころの穴へ押し込まれ、それによって縁部領域における高い圧縮内部応力を惹起する、表面の局所的な可塑変形ないし硬化が同じように生じることを意味している。このとき、硬化された物体としては鋼球がもっとも適当であることが判明しているが、角が面取りされた円筒状の物体も適用可能である。この場合、加工される表面で生成可能な追加の圧縮内部応力は素材に応じて最大−５００ＭＰａほどであり、好ましい副作用として、この場合にも表面粗さの大幅な低減が生じる。

このように、本発明に基づいて構成されたラジアルころ軸受は、従来技術から知られているラジアルころ軸受に比べて、定格荷重、設計スペース、および耐用寿命といった当初の性能指標をほぼ維持したうえで、転動体と軸受リングの間のスリップを回避するために中空ころを備えており、この中空ころは、内側外套面で熱処理によりすでに存在している圧縮内部応力の機械式に生成される増大によって、いっそう高い交番曲げ強さと疲れ強さを有しており、それによって内側外套面における局所的な応力ピークを補償するという利点を有している。これらの利点は、転動体が保持器によって案内されるのではなく、総ころ軸受の場合のように自動的に案内される場合にも得られる。

次に、本発明に基づいて構成されたラジアルころ軸受の好ましい実施形態について、添付の図面を参照しながら詳しく説明する。

図１は、本発明に基づいて構成されたラジアルころ軸受を示す側面図である。 図２は、本発明に基づいて構成された図１のラジアルころ軸受を示すＡ−Ａ断面図である。

図１と図２の図面には、風力伝動装置でシャフトを支承するのに適したラジアルころ軸受１を明らかに見ることができ、このラジアルころ軸受は周知の仕方で、内側の走行軌道３を備える外側の軸受リング２と、これに対して同軸に配置された、外側の走行軌道５を備える内側の軸受リング４と、軸受リング２、４の間でその走行軌道３、５を転動する多数の転動体６とで構成されており、これらの転動体は保持器７によって円周方向で均等な相互間隔をおいて保持される。同様に図面から明らかに見てとれるように、図示したラジアルころ軸受１では、転動体６と軸受リング２、４の間のスリップを回避するために、円周に均等に配分された３つの転動体６が中空ころ８で置き換えられている。これらの中空ころは他の転動体６よりも少しだけ大きい直径と低い弾性率とを有しており、それにより、ラジアルころ軸受の無荷重状態のときに支持リング２、４への常時の接触を保証し、それによって保持器７およびそれに伴う他の転動体６が運動学上の回転数で常時駆動されることを保証する。

さらに、ラジアルころ軸受１の長期動作のときに中空ころ８の亀裂や破損につながる恐れがある局所的な応力ピークが中空ころ８の内側外套面９で生じないようにするために、中空ころ８は本発明に基づく仕方で高められた交番曲げ強さを有するように構成されている。このことは、中空ころ８が他の転動体６と等しい軸方向長さを有しており、その内側外套面９は特別な機械加工によって、熱処理に由来して存在する圧縮内部応力に加えて、最大の荷重応力に重ね合わされるさらに別の少なくとも−２００ＭＰａの圧縮内部応力を有するように構成されており、それによって中空ころがその内側外套面９で−４００ＭＰａから−８００ＭＰａの間の総圧縮内部応力を有していることによって実現される。このような追加の圧縮内部応力は、ローラ仕上による中空ころ８の内側外套面９の機械加工によって、特別に簡単かつ低コストに製作可能であり、このローラ仕上では、ローラやボールのような硬化された転動体の圧着力のもとで、断面ピーク部の可塑変形によって三次元の圧縮応力が材料で生成され、この圧縮応力が材料の降伏圧力に達し、それによって表面の局所的な可塑変形ないし硬化が惹起され、すなわち高い圧縮内部応力が縁部領域で惹起される。

１ ラジアルころ軸受
２ 外側の軸受リング
３ 内側の走行軌道
４ 内側の軸受リング
５ 外側の走行軌道
６ 転動体
７ 保持器
８ 中空ころ
９ 内側外套面

Claims (5)

1. 特に風力伝動装置でシャフトを支承するためのラジアルころ軸受であって、内側の走行軌道（３）を備える外側の軸受リング（２）と、これに対して同軸に配置された、外側の走行軌道（５）を備える内側の軸受リング（４）と、前記軸受リング（２、４）の間でその前記走行軌道（３、５）を転動する多数の転動体（６）とで実質的に構成されており、該転動体は保持器（７）によって円周方向で均等な相互間隔をおいて保持されており、前記転動体（６）と前記軸受リング（２、４）の間のスリップを回避するために円周上で均等に配分された複数の前記転動体（６）が中空ころ（８）で置き換えられており、該中空ころは他の前記転動体（６）よりも少しだけ大きい直径と低い弾性率とを有しており、それにより前記ラジアルころ軸受（１）の無荷重状態のときに前記軸受リング（２、４）との常時の接触を保証し、それにより前記保持器（７）およびこれに伴なう他の前記転動体（６）が運動学上の回転数で常時駆動されることを保証する、そのようなラジアルころ軸受において、前記中空ころ（８）は、その内側外套面（９）が、熱処理に由来して存在する圧縮内部応力に加えて、特別な機械加工による少なくとも−２００ＭＰａの圧縮内部応力が最大の荷重応力に重ね合わされているように構成されていることによって、高められた交番曲げ強さを有していることを特徴とするラジアルころ軸受。
2. 前記中空ころ（８）は他の前記転動体（６）と等しい軸方向長さを有しており、その内側外套面（９）で好ましくは−４００ＭＰａから−８００ＭＰａの間の総圧縮内部応力を有するように構成されていることを特徴とする、請求項１に記載のラジアルころ軸受。
3. 前記中空ころ（８）の前記内側外套面（９）は、好ましくはローラ仕上によって機械的に加工されていることを特徴とする、請求項２に記載のラジアルころ軸受。
4. 前記中空ころ（８）の前記内側外套面（９）は、好ましくはショットピーニングによって機械的に加工されていることを特徴とする、請求項２に記載のラジアルころ軸受。
5. 前記中空ころ（８）の前記内側外套面（９）は、好ましくはキャリブレーションによって機械的に加工されていることを特徴とする、請求項２に記載のラジアルころ軸受。

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