JP2011002087A - 転動体を用いた支持機構 - Google Patents

Abstract

【課題】転動体に生じる摩擦を低減することで支持機構としての耐久性を向上させることができ、しかも地中や水中などでも気中と同様に使用することができる。
【解決手段】ころ軸受１は、リング状をなす下側リング基板２および上側リング基板３を上下方向に所定間隔をもって同軸に且つ対向した状態で配置し、互いに中心軸線Ｏ１を中心にして相対的に回転可能に設けるとともに、下側リング基板２と上側リング基板３との間に複数の円錐台形状の円錐状ころ４、４、…を周方向に一定の間隔をもって配置させた構成をなしている。それら円錐状ころ４、４、…を間隔保持板５によって中心軸線Ｏ２を中心に回転自在に支持し、隣り合う円錐状ころ４、４どうしの間隔を一定に保持するようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は、円筒ころや球体などの転動体を用いた支持機構に関する。

従来、機械的に回転する機能を有する機構において、その回転に伴う摩擦を低減するものとして、転がり軸受が知られている。転がり軸受は、軌道輪（外輪、内輪）と、球体（玉）又はころ等の転動体と、その転動体を保持するリテーナリング等の保持器とから構成されており、主として負荷の荷重方向によって、ラジアル軸受とスラスト軸受に区分されているものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開平６−１７８２５号公報

しかしながら、従来の転動体を用いた軸受では、以下のような問題があった。
すなわち、軸受の構成要素である保持器は、個々の転動体が互いに接触しないように隔離するためのものであるが、保持器と転動体とが接触するため、一般的にはその接触部分に潤滑剤を十分に供給する必要があり、供給量が不足していたり、軸受内にゴミや異物が混入すると、保持器と転動体との間の摩擦が大きくなり、この軸受を使用した回転機構の駆動力が増大するという欠点があるうえ、軸受の耐久性（寿命）が低下するという問題があった。
また、水中や地中で使用される機械の軸受は密封式となっているが、気中で使用する場合と比べると軸受内に異物が混入しやすい現状がある。とくに、例えば建設現場などの劣悪な条件下で使用される掘削機械の回転部などに使用される軸受では、故障の頻度が増えるといった問題があり、その点で改良する余地があった。

本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、転動体に生じる摩擦を低減することで支持機構としての耐久性を向上させることができ、しかも地中や水中などでも気中と同様に使用することができる転動体を用いた支持機構を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る転動体を用いた支持機構では、第１支持基板と、第１支持基板に所定間隔をもって対向する第２支持基板と、第１支持基板と第２支持基板との間でそれら双方に接触する複数の転動体とを備え、第１支持基板と第２支持基板とが相対的にスライド自在又は回転自在となる構成とされる転動体を用いた支持機構であって、転動体の回転軸を回転自在に支持する間隔保持部材が設けられ、間隔保持部材によって隣り合う転動体どうしが一定の間隔を保持した状態で連結されていることを特徴としている。

本発明では、間隔保持部材によって複数の転動体がそれぞれ回転軸を中心にして回転自在な状態で連結され、隣り合う転動体どうしが一定間隔で保持されることから、互いに接触したり、衝突することがなくなり、転動体どうしの間で生じる摩擦を抑制することができる。そのため、間隔保持部材を設けない構造に比べて、転動体どうしの摩擦を低減することができる。

また、本発明に係る転動体を用いた支持機構では、第１支持基板および第２支持基板がリング状をなすとともに、転動体が第１支持基板および第２支持基板の外周側から内周側に向かうにしたがって縮径する円錐台形状に形成され、第１支持基板および第２支持基板には、それぞれ転動体の傾斜面に対応したテーパ面が形成されていることが好ましい。

本発明では、転動体を円錐台形状とすることで、第１支持基板と第２支持基板との間に配置可能な転動体の数量を円筒状の転動体の場合よりも増やすことが可能となり、これにより転動体どうしの間の間隔を小さくすることができ、支持機構の性能を高めることができる。

本発明の転動体を用いた支持機構によれば、間隔保持部材によって複数の転動体がそれぞれ回転軸を中心にして回転自在な状態で連結され、隣り合う転動体どうしが一定間隔で保持される構成であるので、転動体に生じる摩擦を低減することができ、軸受などの支持機構としての耐久性の向上を図ることができる。そのため、転動体どうしの接触をなくすために使用される耐久性の低い従来の保持器が不要となる利点がある。
また、潤滑剤を使用せずに転動体の摩擦を低減でき、内部にごみ、水分、異物などが浸入することによる転動体に与える影響が小さい構造であるので、水中、泥水中、地中などの使用条件が悪い場合であっても気中と同様に使用することが可能であり、例えば掘削機械などに本支持機構を適用することができる。

本発明の実施の形態によるころ軸受の構造を示す部分斜視図である。 図１に示すＡ−Ａ線断面図である。 図２に示す部分平面図である。 実施例による立坑掘削機に使用したころ軸受を示す図である。 実施例による立坑掘削機のケーシング回転数ところ軸受の磨耗量との関係を示す図である。

以下、本発明の実施の形態による転動体を用いた支持機構について、図１乃至図３に基づいて説明する。
図１の符号１は、上下にリング状の基板を有する回転運動用のころ軸受を示しており、本実施の形態による支持機構に相当するものである。ころ軸受１の適用対象としては、例えば水中や地中で使用される掘削機械におけるカッタの回転機構などが挙げられる。
ここで、ころ軸受１の回転軸となる中心軸線Ｏ１方向を上下方向とし、その上下方向に沿って後述する上側リング基板２側を上側、その反対側を下側とし、さらに前記中心軸線Ｏ１の軸線方向を上下方向に向けた状態でその中心軸線Ｏ１に直交する方向を径方向として、以下説明する。

具体的に、ころ軸受１（支持機構）は、リング状をなす下側リング基板２（第１支持基板）および上側リング基板３（第２支持基板）が上下方向に所定間隔をもって同軸に且つ対向した状態で配置されており、互いに中心軸線Ｏ１を中心にして相対的に回転可能に設けられるとともに、下側リング基板２と上側リング基板３との間に複数の円錐台形状の円錐状ころ４、４、…（転動体）が周方向に一定の間隔をもって配置された構成となっている。さらに、それら円錐状ころ４、４、…は、間隔保持板５（間隔保持部材）によって中心軸線Ｏ２を中心に回転自在に支持され、隣り合う円錐状ころ４、４どうしの間隔が一定に保持されるように連結されている。

ここで、図２において、紙面に向かって左側が下側リング基板２（上側リング基板３）の内周側であり、同じく紙面右側が外周側である。
図２に示すように、下側リング基板２と上側リング基板３とは、それぞれの離間が外周側から内周側に向かうにしたがって上下ともに同じ割合で漸次小さくなるようなテーパが形成されている。すなわち、下側リング基板２は、外周縁端２ａから内周縁端２ｂに向かうにしたがって上向きに傾斜するテーパ面２ｃが形成されている。一方、上側リング基板３は、外周縁端３ａから内周縁端３ｂに向かうにしたがって下向きに傾斜するテーパ面３ｃが形成されている。そして、前記テーパ面２ｃ、３ｃがともに円錐状ころ４、４、…に接触した状態となっている。

図３は、図１の円錐状ころ４、４、…を示す平面であって、見や易くするために上側リング基板３を省略し、下側リング基板２を二点鎖線で示している。
図１および図３に示すように、複数の円錐状ころ４、４、…は、下側リング基板２と上側リング基板３とに挟持された状態で、それら基板２、３の周方向全周にわたって一定間隔をもって複数配置（図１、図３では４つのみを示している）されている。そして、各円錐状ころ４は、下側リング基板２の径方向で外周縁端２ａから内周縁端２ｂに向かうにしたがって縮径する円錐台形状をなしている。この円錐状ころ４の傾斜面を、ころテーパ面４ａという。つまり、円錐状ころ４は、ころテーパ面４ａが下側リング基板２のテーパ面２ｃおよび上側リング基板３のテーパ面３ｃの傾斜角度に一致しており、円錐状ころ４の下側で下側リング基板２のテーパ面２ｃに接触するとともに、上側で上側リング基板３のテーパ面３ｃに接触している。

そして、円錐状ころ４には、外周側端部４ｂから前記径方向（基板２、３の径方向）で外方に突出する軸部４１（回転軸）が設けられている。この軸部４１は、間隔保持板５の係止穴５ａ（後述する）に回転可能な状態で係合された状態で支持されている。

また、図１〜図３に示すように、間隔保持板５は、円錐状ころ４、４、…どうしを一定の間隔で保持して連結するものであり、下側リング基板２の外周に沿うように湾曲した帯状をなし、各円錐状ころ４の軸部４１に対応する位置に係止穴５ａ（図では４箇所）が形成されている。つまり、各円錐状ころ４の軸部４１を係止穴５ａに回転自在な状態で係止させることで自身の移動（ずれ）が規制され、隣り合う円錐状ころ４、４どうしの間隔が保たれるようになっている。

次に、本実施の形態によるころ軸受１の作用について図面に基づいて説明する。
図２および図３に示すように、本ころ軸受１では、間隔保持板５によって複数の円錐状ころ４、４、…が連結され、隣り合う円錐状ころ４、４どうしが一定間隔で保持されることから、互いに接触したり、衝突することがなくなり、間隔保持板５によって支持されない場合に生じる円錐状ころ４、４どうしの摩擦を抑制することができる。
また、本ころ軸受１では、円錐状ころ４をころテーパ面４ａを有する円錐台形状とすることで、下側リング基板２と上側リング基板３との間に配置可能な円錐状ころ４の数量を円筒状のころを用いた場合よりも増やすことが可能となり、これにより円錐状ころ４、４どうしの間の間隔を小さくすることができ、ころ軸受１の性能を高めることができる。

上述のように本実施の形態による転動体を用いた支持機構では、間隔保持板５によって複数の円錐状ころ４、４、…がそれぞれ回転軸（中心軸線Ｏ２）を中心にして回転自在な状態で連結され、隣り合う円錐状ころ４、４どうしが一定間隔で保持される構成であるので、円錐状ころ４に生じる摩擦を低減することができ、本実施の形態のようにころ受軸などの支持機構としての耐久性の向上を図ることができる。そのため、転動体どうしの接触をなくすために使用される耐久性の低い従来の保持器が不要となる利点がある。
また、潤滑剤を使用せずに円錐状ころ４の摩擦を低減でき、内部にごみ、水分、異物などが浸入することによる円錐状ころ４に与える影響が小さい構造であるので、水中、泥水中、地中などの使用条件が悪い場合であっても気中と同様に使用することが可能であり、例えば掘削機械などに本ころ軸受１を適用することができる。

次に、上述した実施の形態による転動体を用いた支持機構の効果を裏付けるため、円筒ころを用いてその円筒ころの磨耗量を測定した試験例について以下説明する。

本実施例では、図４に示すように、円筒状のケーシング７１の先端部にカッタ（図示省略）を備えた立坑掘削機７にころ軸受１０を採用したものである。すなわち、立坑掘削機７は、ケーシング７１を先端部のカッタを下方に向けた状態で、中心軸線を中心にして回転させながら掘削しつつ、掘削した壁面にリング状のセグメントを配置するものである。本実施例のころ軸受１０は、リング状の上部リング基板１１と下部リング基板１２と、それら一対のリング基板１１、１２の間に挟持されて周方向に一定の間隔をもって配置された複数の円筒ころ１３とからなる。一方の上部リング基板１１はセグメントに反力を取って上下方向に伸縮する推進ジャッキ７２に対して摺動可能な支持部材７３に固定され、他方の下部リング基板２２はケーシング７１に固定されている。つまり、円筒ころ１３は、立坑掘削機７による掘削時にケーシング７１の回転とともに回転運動する構成となっている。
なお、本ころ軸受１０では、上述した実施の形態のような間隔保持板５（図１参照）を設けていないものとした。そして、ケーシング７１を１回転／分の回転速度で回転させ、円筒ころ１３の磨耗量（半径方向の減少量）を測定した。なお、ころ軸受１０に用いた円筒ころ１３は７３個であり、円筒ころ１個あたりの回転数はケーシング回転数の２４倍である。

図５は、上述した円筒ころのケーシング回転数あたりのころ磨耗量（ｍｍ）の推移を示している。
ここで、図５において、プロットがある線Ｓ１は試験結果を示し、プロットのない線Ｓ２は「アブレッシブ磨耗時のしきい値（ｍｍ）」を示している。この「アブレッシブ磨耗時のしきい値」とは、体積で表した磨耗量をすべり距離と荷重で除した比磨耗量１０−５〜１０−７ｍｍ２／Ｎ（機械工学便覧より）である。なお、本試験例においては、図４に示すケーシング７１の回転数からすべり距離（円筒ころ１３の接面部の移動距離）を算出し、また上部リング基板１１にかかる荷重からころ１個あたりの荷重を算出し、アブレッシブ磨耗時の磨耗量を体積として求め、さらにその体積をころの接面部の面積で除して、アブレッシブ磨耗時の求めた下限値（ｍｍ）を「アブレッシブ磨耗時のしきい値（ｍｍ）」としている。

図５の線Ｓ１において、例えばケーシング回転数で７５０回転後には２．２ｍｍ、２３１０回転後には５．３ｍｍの磨耗が発生していることが確認できる。例えば、図４に示す立坑掘削機７で６０ｍの掘削を行うと、ケーシング７１は略２万回転が必要であり、前記試験結果による計算では磨耗量が４６ｍｍとなることから、６０ｍに達する前に掘削が不能となることが推定できる。このときの磨耗の原因は、隣り合う円筒ころ１３、１３どうしの間隔が保たれていないので、それら円筒ころ１３、１３どうしが互いに逆回転した状態で接触することによるものである。
したがって、上述した実施の形態のように間隔保持板を設けることで、隣り合う円筒ころどうしの接触がなくなり、円筒ころの磨耗量の推移を図５に示す線Ｓ２の「アブレッシブ磨耗時のしきい値」に近づけることができるものといえる。

以上、本発明による転動体を用いた支持機構の実施の形態について説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、実施の形態では実施の形態では転動体として円錐状ころ４を採用しているが、円錐状であることに限定されることはなく、円筒状、球状のころを転動体として採用することも可能である。要は、これらの形状のころ（転動体）がその中心軸を中心に回転自在な状態で間隔保持部材によって支持されていればよいのである。

また、実施の形態では回転運動用のころ受軸１を支持機構としているが、回転運動用であることに制限されることはなく、第１支持基板と第２支持基板とを相対的にスライド自在に作用させる直線運動用の支持機構を対象とすることも可能である。この場合、例えば円筒状のころを使用し、第１支持基板および第２支持基板は直線状に延びる形状のものにより構成することができる。

さらに、下側リング基板２、上側リング基板３、円錐状ころ４、間隔保持板５などの形状、傾斜角度、外径寸法等はとくに制限されることはなく、ころ軸受１（支持機構）の大きさ、負荷の大きさ、使用環境等の条件に応じて任意に設定することができる。例えば、上述した実施の形態では帯状（湾曲板状）の間隔保持板（間隔保持部材）を用いているが、棒状（線状）の部材を採用してもよい。そして、円錐状ころ４の配置数量や間隔保持板５の分割数等も任意に設定することができる。

なお、図２に示すように、円錐状ころ４の小径部分の直径Ｄ１と大径部分の直径Ｄ２とは、中心軸線Ｏ１から小径部分までの距離（半径）ｒ１と中心軸線Ｏ１から大径部分までの距離（半径）ｒ２との関係において、ｒ１／ｒ２＝Ｄ１／Ｄ２となるように設定し、円錐状ころ４のテーパ面４ａに当接するように下側リング基板２と上側リング基板３に傾斜をつければ、円錐状ころ４が各基板２、３に対して滑ることがない。この場合、間隔保持板を用いて隣り合う円錐状ころ４の大径部分および小径部分が当接しないようにすることはいうまでもない。

１ ころ軸受（支持機構）
２ 下側リング基板（第１支持基板）
２ｃ テーパ面
３ 上側リング基板（第２支持基板）
３ｃ テーパ面
４ 円錐状ころ（転動体）
４ａ ころテーパ面（傾斜面）
５ 間隔保持板（間隔保持部材）
５ａ 係止穴
４１ 軸部（回転軸）

Claims (2)

1. 第１支持基板と、該第１支持基板に所定間隔をもって対向する第２支持基板と、前記第１支持基板と第２支持基板との間でそれら双方に接触する複数の転動体とを備え、前記第１支持基板と第２支持基板とが相対的にスライド自在又は回転自在となる構成とされる転動体を用いた支持機構であって、
   前記転動体の回転軸を回転自在に支持する間隔保持部材が設けられ、該間隔保持部材によって隣り合う前記転動体どうしが一定の間隔を保持した状態で連結されていることを特徴とする転動体を用いた支持機構。
2. 前記第１支持基板および第２支持基板がリング状をなすとともに、前記転動体が前記第１支持基板および第２支持基板の外周側から内周側に向かうにしたがって縮径する円錐台形状に形成され、
   前記第１支持基板および第２支持基板には、それぞれ前記転動体の傾斜面に対応したテーパ面が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の転動体を用いた支持機構。

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