JP2013234690A - 自動調心ころ軸受及び回転機器 - Google Patents

Abstract

【課題】外輪回転の場合にも調心機能を有することが可能となる自動調心ころ軸受を提供する。
【解決手段】内周に凹曲面からなる外輪軌道１１が形成されている外輪１と、外周に凹曲面からなる内輪軌道２１，２２が軸方向に並んで二列形成されている内輪２と、外輪軌道１１と内輪軌道２１，２２それぞれとの間に介在している二列の樽型のころ３，４とを備えている。そして、外輪１が内輪２に対して回転する。内輪軌道２１，２２それぞれにおいて、軸方向の内側領域３２，３４の曲率半径が、軸方向の外側領域３１，３３の曲率半径よりも大きい。
【選択図】 図１

Description

本発明は、外輪が回転する自動調心ころ軸受、及び、この自動調心ころ軸受を備えている回転機器に関する。

自動調心ころ軸受として、例えば特許文献１に記載のものがある。自動調心ころ軸受は、図５に示すように、内周に凹曲面からなる外輪軌道９６が形成されている外輪９３と、外周に凹曲面からなる内輪軌道９４，９５が形成されている内輪９２と、樽型のころ９０，９１とを備えている。

外輪軌道９６は凹状の球面に沿った形状であり、この外輪軌道９６の中心が軸受の中心点Ｐと一致していることから、この軸受は自動調心性を有しており、シャフト９８のたわみによって、あるいは、ハウジング９７に対する軸受の取り付け誤差によって、内輪９２と外輪９３との間に傾きが生じる場合であっても、ハウジング９７に対してシャフト９８を回転可能に支持することができる。

特開２００９−１８０３０７号公報（図１参照）

図５に示すような自動調心ころ軸受は、一般的に知られているように、内輪９２が回転する場合には、調心機能を有するのに対し、外輪９３が回転する場合、調心機能を有することができない。これは、以下の理由による。なお、図５において、直線Ｃ１は外輪９３の中心線であり、直線Ｃ２は内輪９２の中心線である。

ころ９０，９１は内輪９２によって軸方向の移動が規制されているため、内輪９２と外輪９３との間に傾き（傾き角度θ）が生じた場合には、ころ９０，９１は内輪９２に追従する構成となっている。つまり、ころ９０，９１は、内輪９２の中心線Ｃ２回りに転走する。
このため、内輪９２が中心線Ｃ２回りに回転する場合は、内輪９２の回転方向と、ころ９０，９１の転走方向とは、いずれも中心線Ｃ２回りの方向となって一致することから、調心機能を有することができる。
これに対して、外輪９３が中心線Ｃ１回りに回転する場合には、この外輪９３の回転方向Ｇ１と、内輪９２の中心線Ｃ２回りとなるころ９０，９１の転走方向Ｇ２とが一致しなくなり、ころ９０，９１には、軸方向へ向かう力（図５の場合、右側へ向かう力）が発生する。この軸方向へ向かう力は、ころ９０，９１が内輪軌道９４，９５の正規位置から外れようとする力となる。

この場合、ころ９０，９１と内輪軌道９４，９５とのすべりが大きくなり、滑らかな回転が阻害されたり、内輪軌道９４，９５及びころ９０，９１が異常摩耗したりするなどの不具合が生じるおそれがある。したがって、外輪回転の場合、内輪回転で用いる場合のような調心機能を有することができない。

そこで、本発明は、外輪回転の場合にも調心機能を有することが可能となる自動調心ころ軸受、及びこの自動調心ころ軸受を有している回転機器を提供することを目的とする。

（１）本発明は、内周に凹曲面からなる外輪軌道が形成されている外輪と、外周に凹曲面からなる内輪軌道が軸方向に並んで二列形成されている内輪と、前記外輪軌道と前記内輪軌道それぞれとの間に介在している二列の樽型のころとを備え、前記外輪が前記内輪に対して回転する自動調心ころ軸受であって、前記内輪軌道それぞれにおいて、軸方向の内側領域の曲率半径が、軸方向の外側領域の曲率半径よりも、大きいことを特徴とする。

本発明によれば、回転する外輪と、内輪との間に傾きが生じた場合、一方の列のころ（「第一ころ」という）には、軸方向内側へ向かう力が生じ、他方の列のころ（「第二ころ」という）には、軸方向外側へ向かう力が生じる。
この際、第一ころが転走する内輪軌道では、その内側領域の方が外側領域よりも曲率半径が大きいため、第一ころに軸方向外側へ向かう力（正スキューによる力）が生じる。このため、内外輪の傾きによって第一ころに生じる前記軸方向内側へ向かう力は、打ち消される。また、第二ころが転走する内輪軌道では、その外側領域の方が内側領域よりも曲率半径が小さいため、第二ころに軸方向内側へ向かう力（負スキューによる力）が生じる。このため、内外輪の傾きによって第二ころに生じる前記軸方向外側へ向かう力は、打ち消される。
以上より、内外輪の傾きに起因して第一ころ及び第二ころに作用する軸方向へ向かう力を、打ち消すことができ、これによって、従来のような異常摩耗等の不具合の発生を防止し、外輪回転の場合にも調心機能を有することが可能となる。

（２）また、前記内輪軌道の前記外側領域の曲率半径が、前記外輪軌道の曲率半径よりも小さいのが好ましい。
この場合、前記正スキューによる力、前記負スキューによる力を効果的に生じさせることができる。

（３）また、前記内輪軌道それぞれにおいて、前記内側領域から前記外側領域に向かって連続的に又は段階的に曲率半径が小さくなっているのが好ましい。
この場合、内側領域から外側領域に向かうにつれて曲率半径が徐々に小さくなる構成が得られ、内外輪に傾きが発生しても、ころと内輪軌道とは良好な接触状態が得られる。

（４）また、本発明の回転機器は、シャフトと、このシャフトの径方向外側に設けられ当該シャフトを中心として回転するハウジングと、前記シャフトと前記ハウジングとの間に設けられ当該ハウジングを回転可能に支持する自動調心ころ軸受とを有し、前記自動調心ころ軸受は、内周に凹曲面からなる外輪軌道が形成され前記ハウジングと一体回転する外輪と、前記シャフトに固定され外周に凹曲面からなる内輪軌道が軸方向に並んで二列形成されている内輪と、前記外輪軌道と前記内輪軌道それぞれとの間に介在している二列の樽型のころとを備え、前記内輪軌道それぞれにおいて、軸方向の内側領域の曲率半径が、軸方向の外側領域の曲率半径よりも、大きいことを特徴とする。

本発明によれば、ハウジングが回転する回転機器において、シャフトのたわみによって、あるいは、ハウジングに対するシャフトの取り付け誤差によって、内輪と外輪との間に傾きが生じる場合であっても、自動調心ころ軸受は、前記（１）と同じ作用効果を奏して調心機能を有することができ、ハウジングを回転可能に支持することが可能となる。

本発明によれば、自動調心ころ軸受は、外輪回転の場合にも調心機能を有することが可能となる。

本発明の自動調心ころ軸受の実施の一形態を示す縦断面図である。 内輪の縦断面図である。 （Ａ）は、第一ころと外輪との間に作用する力やモーメント等の説明図であり、（Ｂ）は、この第一ころと内輪との間に作用する力やモーメント等の説明図である。 （Ａ）はころに作用する正スキュー説明図であり、（Ｂ）はころに作用する負スキューの説明図である。 本発明の課題を説明する説明図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の自動調心ころ軸受の実施の一形態を示す縦断面図である。本実施形態の自動調心ころ軸受１０（以下、単に軸受１０ということもある）は、外輪１と内輪２と複数個の樽形のころ（スフェリカルローラ）３，４とを備えている。ころ３，４は、外輪１と内輪２との間に二列設けられており、列毎で周方向に複数個設けられている。更に、軸受１０は、保持器５を備えており、保持器５は各列のころ３（４）を周方向等間隔として保持している。

図１の自動調心ころ軸受１０は、シャフト７と、このシャフト７の径方向外側に設けられているハウジング８とを備えた回転機器に設けられている。つまり、軸受１０は、シャフト７とハウジング８との間に設けられている。そして、この回転機器は、ハウジング８がシャフト７を中心として回転するものであり、軸受１０は、シャフト７に対してハウジング８を回転可能に支持している。

本実施形態では、図１の右側と左側、つまり、軸受１０の軸方向両側を「軸方向外側」と定義し、軸受１０の軸方向中央側、つまり、ころ３，４の間の空間側を「軸方向内側」と定義している。また、外輪１の中心点と内輪２の中心点とは一致しており、この中心点が自動調心ころ軸受１０の中心点Ｐとなる。

外輪１は、ハウジング８の内周面に嵌め入れられ固定されている。前記のとおり、本実施形態ではハウジング８が回転することから、外輪１はこのハウジング８と一体回転する。つまり、この軸受１０では、外輪１が内輪２に対して回転する。

外輪１は、中心点Ｐを通りかつ外輪１の中心線に直交する仮想平面を挟んで対称に構成されており、外輪１の内周には単一の外輪軌道１１が形成されている。外輪軌道１１は、外輪１の中心線上の点（中心点Ｐ）から所定の半径を有する球面に沿った形状である。したがって、外輪軌道１１は、凹曲面（球面の一部）からなり、外輪軌道１１の中心は、軸受１０の中心点Ｐと一致している。そして、図１に示すように、外輪１の中心線を含む断面（縦断面）において、外輪軌道１１の形状は円弧となる。

内輪２は、シャフト７の外周面に外嵌されており、シャフト７に固定されている。
内輪２は、中心点Ｐを通りかつ内輪２の中心線に直交する仮想平面を挟んで対称に構成されており、内輪２の外周には二列の内輪軌道２１，２２が軸方向に並んで形成されている。内輪軌道２１，２２それぞれは凹曲面からなり、図１に示すように、内輪２の中心線を含む断面（縦断面）において、内輪軌道２１，２２それぞれの形状は円弧となる。ただし、後にも詳しく説明するが、この円弧は、一定の曲率半径からなる円弧ではなく、複数の（徐々に変化する）曲率半径からなる円弧である。

また、内輪２の外周面において、二列の内輪軌道２１，２２の間に、円筒面２３が形成されており、この円筒面２３は内輪２の中心線に平行な面である。
さらに、内輪２は、軸方向の両外側に、径方向外側へ突出している鍔部２５，２６を有しており、この鍔部２５，２６はころ３，４が軸方向外側へ移動するのを規制している。

このような構成を備えている内輪２は、円筒面２３を外周面とする大径部２７、鍔部２５を含む小径部２８、及び、鍔部２６を含む小径部２９を有している。そして、大径部２７と一方の小径部２８との間における内輪２の外周面に、一方の内輪軌道２１が形成されており、この大径部２７と他方の小径部２９との間における内輪２の外周面に、他方の内輪軌道２２が形成されている。

ころ３，４は樽形であり、凸曲面からなる外周面を有しており、また、外輪軌道１１と内輪軌道２１，２２との間に介在し、外輪軌道１１と内輪軌道２１，２２とを転走する。図１の左側の列に含まれるころ３を「第一ころ３」という。そして、図１の右側の列に含まれるころ４を「第二ころ４」という。なお、第一ころ３と第二ころ４とは全て同じ形状である。
ころ３（４）の外周面の形状は、ころ３（４）の中心線を含む断面において、円弧である。なお、本実施形態では、ころ３（４）の前記断面における円弧の曲率半径Ｒｒは、外輪軌道１１の曲率半径Ｒａよりも僅かに小さく設定されている（Ｒｒ＜Ｒａ）。

図２は、内輪２の縦断面図である。内輪軌道２１，２２それぞれは、前記のとおり、凹曲面からなり、その断面形状は複数の曲率半径からなる円弧である。
第一ころ３が転走する内輪軌道２１は、軸方向外側にある外側領域３１と、軸方向内側にある内側領域３２とを有している。内輪軌道２１を軸方向に二分割して、左側を外側領域３１、右側を内側領域３２としている。そして、内側領域３２の曲率半径ｒ２が、外側領域３１の曲率半径ｒ１よりも大きく構成されている（ｒ２＞ｒ１）。
本実施形態では、外側領域３１の曲率半径ｒ１は、外輪軌道１１の曲率半径Ｒａよりも小さく設定されており（ｒ１＜Ｒａ）、内側領域３２の曲率半径ｒ２は、外輪軌道１１の曲率半径Ｒａよりも大きく設定されている（ｒ２＞Ｒａ）。

そして、第二ころ４が転走する内輪軌道２２は、軸方向外側にある外側領域３３と、軸方向内側にある内側領域３４とを有している。内輪軌道２２を軸方向に二分割して、左側を内側領域３４、右側を外側領域３３としている。そして、内側領域３４の曲率半径ｒ４が、外側領域３３の曲率半径ｒ３よりも大きく設定されている（ｒ４＞ｒ３）。
本実施形態では、外側領域３３の曲率半径ｒ３は、外輪軌道１１の曲率半径Ｒａよりも小さく設定されており（ｒ３＜Ｒａ）、内側領域３４の曲率半径ｒ４は、外輪軌道１１の曲率半径Ｒａよりも大きく設定されている（ｒ４＞Ｒａ）。

なお、左側の内輪軌道２１に関して、内側領域３２の曲率半径ｒ２は一定ではなくて、内側領域３２内においても曲率半径ｒ２が徐々に（連続的に又は段階的に）変化していてもよい。また、外側領域３１の曲率半径ｒ１は一定ではなくて、外側領域３１内においても曲率半径ｒ１が徐々に（連続的に又は段階的に）変化していてもよい。ただし、この場合であっても、内側領域３２及び外側領域３１において、大径部２７側から小径部２８側に向かって曲率半径が小さくなるように内輪軌道２１は形成されている。つまり、内側領域３２から外側領域３１に向かって連続的に又は段階的に曲率半径が小さくなっている。

また、これと同様に、右側の内輪軌道２２に関して、内側領域３４の曲率半径ｒ４は一定ではなくて、内側領域３４内においても曲率半径ｒ４が徐々に（連続的に又は段階的に）変化していてもよい。また、外側領域３３の曲率半径ｒ３は一定ではなくて、外側領域３３内においても曲率半径ｒ３が徐々に（連続的に又は段階的に）変化していてもよい。ただし、この場合であっても、内側領域３４及び外側領域３３において、大径部２７側から小径部２９側に向かって曲率半径が小さくなるように内輪軌道２２は形成されている。つまり、内側領域３４から外側領域３３に向かって連続的に又は段階的に曲率半径が小さくなっている。

以上の構成を備えた本実施形態に係る軸受１０の調心機能について説明する。
以下の説明では、図１の二点鎖線で示すように、回転する外輪１が、中心点Ｐを中心として反時計回りに変位して、内輪２の中心線に対して傾いた場合としている。

このように、回転する外輪１に傾きが生じた場合、左側の内輪軌道２１を転走する第一ころ３は、軸方向内側（図１では右側）へ向かう力Ｆ１が生じ、右側の内輪軌道２２を転走する第二ころ４は軸方向外側（図１では右側）へ向かう力Ｆ２が生じる。
そして、左側の内輪軌道２１では、前記のとおり（図２参照）、その内側領域３２の方が外側領域３１よりも曲率半径が大きいので（ｒ２＞ｒ１）、左側の列の第一ころ３には、軸方向外側（図１では左側）へ向かう力ｆ１が生じる。この力ｆ１は、第一ころ３がスキューする際の力であり、これを「正スキューによる力ｆ１」とする。
この正スキューによる力ｆ１が生じる原理は、以下のとおりである。

まず、第一ころ３がスキューするメカニズムについて説明する。図３（Ａ）は、第一ころ３と外輪１との間に作用する力やモーメント等の説明図であり、図３（Ｂ）は、この第一ころ３と内輪２との間に作用する力やモーメント等の説明図である。なお、この図３に示す軸受は、本実施形態の軸受１０とは異なり、仮想的な軸受であって、内輪軌道２１の曲率半径（一定）と、内輪軌道２２の曲率半径（一定）と、外輪軌道１１の曲率半径（一定）とは同じであり、この軌道の曲率半径は、ころ３，４の外周面の曲率半径よりも僅かに大きく設定されている。なお、外輪軌道１１の曲率半径と、ころ３，４の外周面の曲率半径とに関しては、本実施形態の軸受１０と同じである。

第一ころ３と外輪軌道１１との間には、面圧、すべり（すべり速度）、摩擦力が、図３（Ａ）に示す分布で作用する。なお、すべり速度は、第一ころ３と外輪軌道１１との周方向速度差であり、「純ころがり点」では周方向速度が一致している。この場合、外輪軌道１１と接触する第一ころ３にはモーメントＭ１（スキューモーメントＭ１）が作用する。
これに対して、第一ころ３と内輪軌道２１との間には、面圧、すべり（すべり速度）、摩擦力が、図３（Ｂ）に示す分布で作用する。この場合、内輪軌道２１と接触する第一ころ３にはモーメントＭ２（スキューモーメントＭ２）が作用する。

この仮想的な軸受の場合、モーメントＭ１とモーメントＭ２とは、同じ大きさであってかつ方向が反対となるため、両モーメントはバランスし（Ｍ１＝Ｍ２）、第一ころ３に作用するスキューモーメントはゼロとなる。つまり、第一ころ３はスキューしないと考えられる。

しかし、第一ころ３と内輪軌道２１との接触状態が変化すると、つまり、本実施形態のように、内輪軌道２１の曲率半径を前記のとおり設定すると、モーメントのバランス（Ｍ１＝Ｍ２）はくずれる。
例えば、外輪１との接触によるモーメントＭ１が、内輪２との接触によるモーメントＭ２よりも大きくなると（Ｍ１＞Ｍ２）、図４（Ａ）に示すように、第一ころ３には軸方向外側（左側）へ向かおうとする力が発生し、スキューする。これを正スキューとする。
これとは反対に、外輪１との接触によるモーメントＭ１が、内輪２との接触によるモーメントＭ２よりも小さくなると（Ｍ１＜Ｍ２）、図４（Ｂ）に示すように、図４（Ａ）の場合とは反対に、第一ころ３には軸方向内側（右側）へ向かおうとする力が発生し、スキューする。これを負スキューとする。

そこで、本実施形態の軸受１０の場合、前記のとおり、外輪１に傾きが生じることで、第一ころ３には、軸方向内側へ向かう力Ｆ１が生じていることから（図１参照）、第一ころ３は、内輪軌道２１（図２参照）の内側領域３２側に接触しようとするが、この内側領域３２の曲率半径ｒ２は、外輪軌道１１の曲率半径Ｒａ及び外側領域３１の曲率半径ｒ１よりも大きく設定されているので、内側領域３２における接触範囲（接触幅）が、外輪軌道１１と比較すると小さくなり（つまり、点接触気味となり）、内輪２との接触によるモーメントＭ２が小さくなる。なお、この場合であっても、外輪１との接触によるモーメントＭ１は変化しない。したがって、モーメントの関係は、Ｍ１＞Ｍ２となり、第一ころ３には正スキューによる力ｆ１（図１参照）が発生する。
したがって、内外輪の傾きによって第一ころ３が軸方向内側へと向かう力Ｆ１は、この正スキューによる力ｆ１により、打ち消される。

そして、第二ころ４について説明すると、外輪１に傾きが生じることで、第二ころ４には、軸方向外側へ向かう力Ｆ２が生じていることから（図１参照）、第二ころ４は、内輪軌道２２（図２参照）の外側領域３３側に接触しようとするが、この外側領域３３の曲率半径ｒ３は、外輪軌道１１の曲率半径Ｒａ及び内側領域３４の曲率半径ｒ４よりも小さく設定されているので、外側領域３３における接触範囲（接触幅）が、外輪軌道１１と比較すると大きくなり、内輪２との接触によるモーメントＭ２が大きくなる。なお、この場合であっても、外輪１との接触によるモーメントＭ１は変化しない。したがって、モーメントの関係は、Ｍ１＜Ｍ２となり、第二ころ４には負スキューによる力ｆ２（図１参照）が発生する。
したがって、内外輪の傾きによって第二ころ４が軸方向外側へと向かう力Ｆ２は、この負スキューによる力ｆ２により、打ち消される。

以上より、内外輪の傾きに起因して、ころ３，４に作用する軸方向へ向かう力Ｆ１，Ｆ２、つまり、ころ３，４が、内輪軌道２１，２２の正規位置から外れようとする力（Ｆ１，Ｆ２）を、正スキューによる力ｆ１及び負スキューによる力ｆ２によって、低下させることができ、これにより、滑らかな回転が保たれ、ころ３，４と内輪２との間において異常摩耗等の不具合の発生を防止することができる。この結果、外輪回転の場合にも効果的な調心機能を有することが可能となる。

したがって、図１に示すハウジング８が回転する回転機器において、シャフト７のたわみによって、回転する外輪１と、内輪２との間に傾きが生じても、シャフト７に対してハウジング８を回転可能に支持することができる。また、ハウジング８に対する軸受１０の取り付け誤差が生じ、回転する外輪１と、内輪２との間に傾きが生じても、シャフト７に対してハウジング８を回転可能に支持することができる。つまり、取り付け誤差の許容値を大きく設定することが可能となり、軸受のロバスト性を高めることが可能となる。

また、内輪軌道２１，２２それぞれにおいて、内側領域３２，３４から外側領域３１，３３に向かうにつれて曲率半径が徐々に小さくなることから、内外輪に傾きが発生しても、ころ３，４と内輪軌道２１，２２とは良好な接触状態が得られる。
また、本発明の自動調心ころ軸受は、図示する形態に限らず本発明の範囲内において他の形態のものであってもよい。

１：外輪 ２：内輪 ３：第一ころ ４：第二ころ ７：シャフト ８：ハウジング １０：軸受（自動調心ころ軸受） １１：外輪軌道 ２１：内輪軌道 ２２：内輪軌道 ３１：外側領域 ３２：内側領域 ３３：外側領域 ３４：内側領域 ｒ１，ｒ２，ｒ３，ｒ４：内輪軌道の曲率半径 Ｒａ：外輪軌道の曲率半径

Claims (4)

1. 内周に凹曲面からなる外輪軌道が形成されている外輪と、外周に凹曲面からなる内輪軌道が軸方向に並んで二列形成されている内輪と、前記外輪軌道と前記内輪軌道それぞれとの間に介在している二列の樽型のころと、を備え、前記外輪が前記内輪に対して回転する自動調心ころ軸受であって、
   前記内輪軌道それぞれにおいて、軸方向の内側領域の曲率半径が、軸方向の外側領域の曲率半径よりも、大きいことを特徴とする自動調心ころ軸受。
2. 前記内輪軌道の前記外側領域の曲率半径が、前記外輪軌道の曲率半径よりも小さい請求項１に記載の自動調心ころ軸受。
3. 前記内輪軌道それぞれにおいて、前記内側領域から前記外側領域に向かって連続的に又は段階的に曲率半径が小さくなっている請求項１又は２に記載の自動調心ころ軸受。
4. シャフトと、このシャフトの径方向外側に設けられ当該シャフトを中心として回転するハウジングと、前記シャフトと前記ハウジングとの間に設けられ当該ハウジングを回転可能に支持する自動調心ころ軸受と、を有し、
   前記自動調心ころ軸受は、
   内周に凹曲面からなる外輪軌道が形成され前記ハウジングと一体回転する外輪と、前記シャフトに固定され外周に凹曲面からなる内輪軌道が軸方向に並んで二列形成されている内輪と、前記外輪軌道と前記内輪軌道それぞれとの間に介在している二列の樽型のころと、を備え、
   前記内輪軌道それぞれにおいて、軸方向の内側領域の曲率半径が、軸方向の外側領域の曲率半径よりも、大きいことを特徴とする回転機器。

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