JP2014085001A - 転がり軸受 - Google Patents

Abstract

【課題】大荷重が負荷されても長寿命な転がり軸受を提供する。
【解決手段】転がり軸受装置は、ハウジング１と、ハウジング１に挿通され同軸に配された軸２と、ハウジング１の内周面と軸２の外周面との間に介装されハウジング１に対して軸２を回転自在に支持する転がり軸受１０と、を備えている。転がり軸受１０の外輪１２の軌道面１２ａの周方向の一部分を凹化させることによって、外輪１２の軌道面１２ａの周方向の形状を非真円形状に形成したので、前記凹化させた部分（すなわち非真円形状部２０）のラジアルすきまは、他の部分（すなわち真円形状部）のラジアルすきまよりも大きくなっている。そして、ラジアル荷重が負荷される周方向位置に非真円形状部２０が位置するように、ハウジング１に転がり軸受１０が取り付けられている。
【選択図】図１

Description

本発明は転がり軸受に関する。

ハウジングと、該ハウジングに挿嵌された軸との間に介装されてハウジングと軸とを相対回転自在に支持する転がり軸受としては、内輪及び外輪の周方向に沿って連続する軌道面の連続方向の形状が真円形状である真円転がり軸受が一般的に使用される。
ただし、高速軽荷重条件で使用される、ガスタービン等の回転軸を支持する転がり軸受では、無負荷時に転動体が軌道面を転動せずに滑り、スキッディング損傷と呼ばれる摩耗が発生するおそれがある。
そこで、このようなスキッディング損傷を防止する対策として、内輪及び外輪のうち少なくとも一方の軌道面を楕円形又はおむすび形に歪ませて非真円形状とした非真円転がり軸受が提案されている（例えば特許文献１，２を参照）。

特開２００１−３０４２７４号公報 特開２００４−１１６７２９号公報

しかしながら、前述の一般的な真円転がり軸受は、大荷重が負荷されると最大転動体荷重が大きくなるので、転がり疲れ寿命が不十分となるおそれがあるという問題があった。なお、転がり軸受に外部から負荷された荷重を、いくつかの転動体が分担して支持するが、１つの転動体が支持する荷重を転動体荷重といい、各転動体の転動体荷重のうち最大のものを最大転動体荷重という。
そこで、本発明は上記のような従来技術が有する問題点を解決し、大荷重が負荷されても長寿命な転がり軸受を提供することを課題とする。

前記課題を解決するため、本発明の態様は、次のような構成からなる。すなわち、本発明の一態様に係る転がり軸受は、外周面に沿う環状の軌道面を外周面に備えた内輪と、前記内輪の軌道面に対向する環状の軌道面を内周面に備えた外輪と、前記内輪の軌道面及び前記外輪の軌道面の間に転動自在に配された複数の転動体と、を備える転がり軸受であって、前記内輪及び前記外輪の少なくとも一方の軌道面の周方向の一部分を凹化させて、その軌道面を非真円形状に形成し、前記凹化させた部分のラジアルすきまを他の部分のラジアルすきまよりも大きくしたことを特徴とする。
この転がり軸受においては、前記内輪及び前記外輪のうち前記軌道面を非真円形状に形成した方の側面の、前記凹化させた部分の周方向位置に、該周方向位置を示すマークを表示してもよい。

本発明の転がり軸受は、内輪及び外輪の少なくとも一方の軌道面の周方向の一部分を凹化させて、その軌道面を非真円形状に形成し、凹化させた部分のラジアルすきまを他の部分のラジアルすきまよりも大きくしたので、大荷重が負荷されても長寿命である。

本発明に係る転がり軸受の一実施形態を説明する転がり軸受装置の側面図である。 転動体の位置と転動体荷重との関係を示すグラフである。 本実施形態の転がり軸受の変形例を示す転がり軸受装置の側面図である。

本発明に係る転がり軸受の実施の形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。
〔第一実施形態〕
図１は、本発明に係る転がり軸受の一実施形態を説明する転がり軸受装置の側面図である。図１に示す転がり軸受装置は、例えば略筒状のハウジング１と、ハウジング１に挿通され同軸に配された軸２と、ハウジング１の内周面と軸２の外周面との間に介装されハウジング１に対して軸２を回転自在に支持する転がり軸受１０と、を備えている。

この転がり軸受１０としては、例えば、内輪１１と外輪１２と複数の転動体Ｒとを備える円筒ころ軸受が使用される。内輪１１の外周面には軌道面１１ａが形成されており、この軌道面１１ａは内輪１１の外周面に沿う環状をなしている。また、外輪１２の内周面には、内輪１１の軌道面１１ａに対向する軌道面１２ａが形成されており、この軌道面１２ａは外輪１２の内周面に沿う環状をなしている。そして、複数の転動体Ｒは、内輪１１の軌道面１１ａ及び外輪１２の軌道面１２ａの間に転動自在に配されている。

なお、転がり軸受１０は、保持器やシール装置を備えていてもよいし、備えていなくてもよい。また、転がり軸受の種類は円筒ころ軸受に限定されるものではなく、円筒ころ軸受以外の様々な種類の転がり軸受を使用することができる。例えば、深溝玉軸受，アンギュラ玉軸受，自動調心玉軸受，円すいころ軸受，針状ころ軸受，自動調心ころ軸受等のラジアル形の転がり軸受である。

通常、このような転がり軸受においては、内輪の軌道面と外輪の軌道面とは、周方向の形状がいずれも真円形状であり、したがって全ての角方向のラジアルすきまは同一であるが、本実施形態の転がり軸受１０においては、外輪１２の軌道面１２ａの周方向の一部分を凹化させることによって、外輪１２の軌道面１２ａの周方向の形状を非真円形状に形成している。

詳述すると、外輪１２の軌道面１２ａは、その大部分は同一半径の真円形状部となっているが、一部分は真円形状部の半径よりも大径となっているので（以下、この部分を「非真円形状部２０」と記すこともある）、全体としては非真円形状となっている。その結果、前記凹化させた部分（すなわち非真円形状部２０）のラジアルすきまは、他の部分（すなわち真円形状部）のラジアルすきまよりも大きくなる。

第一実施形態の転がり軸受装置において転がり軸受１０には、ハウジング１側（外部側）から軸受中心軸に向かう方向のラジアル荷重が負荷されるので、ラジアル荷重が負荷される周方向位置に非真円形状部２０が位置するように、ハウジング１に転がり軸受１０を取り付ける。その結果、ラジアル荷重が負荷される周方向位置に、ラジアルすきまが大きい部分が配されることとなる。図１の例では、矢印で示すように、上方から下方に向かう方向のラジアル荷重が転がり軸受１０の上側に負荷されるので、非真円形状部２０が上側に位置するように、ハウジング１に転がり軸受１０が取り付けられている。

転がり軸受にラジアル荷重が負荷されると、複数の転動体のうちいくつかの転動体が分担して荷重を支持し（転動体が荷重を支持している範囲を負荷圏という）、転動体位置が荷重線に対して線対称であれば、負荷圏の転動体の転動体荷重の分布は荷重線に対して線対称となる。通常の転がり軸受であれば、負荷圏の転動体の中でも荷重線上に位置する転動体Ｒ０の転動体荷重が最大となる。そして、転動体Ｒ０の両隣の転動体Ｒ１，Ｒ１の転動体荷重は転動体Ｒ０の転動体荷重よりも小さく、転動体Ｒ１，Ｒ１の隣の転動体Ｒ２，Ｒ２の転動体荷重は転動体Ｒ１の転動体荷重よりもさらに小さく、転動体Ｒ０から離れるに従って転動体荷重は小さくなっていく。

転がり軸受の寿命は、負荷圏の転動体の転動体荷重を基に決定するが、荷重線上に位置する転動体Ｒ０の最大転動体荷重が寿命に大きく影響するため、転がり軸受に大荷重が負荷される場合には、通常の転がり軸受では損傷が生じやすくなり、寿命が低下するおそれがある。

しかしながら、本実施形態の転がり軸受１０は、非真円形状部２０のラジアルすきまが大きくなっており、ラジアル荷重が負荷される周方向位置に非真円形状部２０が配されているので、ラジアル荷重が負荷された際には、荷重線上に位置する転動体Ｒ０に負荷されるはずのラジアル荷重の一部が、隣接する転動体Ｒ１，Ｒ２，・・・に分散される。その結果、荷重線上に位置する転動体Ｒ０が支持するラジアル荷重が低減されて、転がり軸受１０の最大転動体荷重が小さくなる。よって、一般的な真円転がり軸受に比べて、転がり軸受１０は、大荷重が負荷されたとしても転がり疲れ寿命が長寿命である。

非真円形状部２０の軌道面１２ａの周方向の形状は、荷重線上に位置する転動体Ｒ０にラジアル荷重が負荷されるような形状ならば、特に限定されるものではないが、真円形状部の半径よりも曲率半径が小さい円弧状としてもよい（真円形状部と非真円形状部２０とでは、曲率中心は異なる）。なお、非真円形状部２０（凹化させた部分）の最深部の深さ（すなわち、最深部と軸受中心との間の径方向距離と真円形状部の半径との差δ）が小さすぎると、荷重線上に位置する転動体Ｒ０の転動体荷重が大きなままなので、転がり軸受１０の長寿命化効果が不十分となるおそれがある。一方、非真円形状部２０の最深部の深さが大きすぎると、荷重線上に位置する転動体Ｒ０がラジアル荷重をほとんど支持しなくなるため、かえって転がり軸受１０の転がり疲れ寿命が短くなるおそれがある。なお、図１に示す外輪１２と転動体Ｒとの間のすきまの大きさは、分かりやすくするために、実際よりも大きめに描いてある。

ここで、内径６００ｍｍの円筒ころ軸受を例にして、本実施形態の転がり軸受１０と一般的な真円転がり軸受について、ラジアル荷重を負荷した際の転動体荷重の分布を有限要素法により計算した。なお、非真円形状部２０（凹化させた部分）の最深部の深さ（すなわち、最深部と軸受中心との間の径方向距離と真円形状部の半径との差δ）を０．１ｍｍ、円筒ころ軸受の初期ラジアルすきまを０．８ｍｍとして、計算を行った。計算結果を図２に示す。

なお、図２のグラフにおいては、荷重線上に位置する転動体の転動体位置をＲ０、その隣の転動体の転動体位置をＲ１と表示し、さらにＲ０から離れるに従ってＲ２，Ｒ３，Ｒ４・・・と表示している。また、図２のグラフにおける転動体荷重は、一般的な真円転がり軸受の荷重線上に位置する転動体Ｒ０の転動体荷重を１とした場合の相対値で示してある。
図２のグラフから、本実施形態の転がり軸受１０（図２のグラフにおいては本発明例と記してある）の最大転動体荷重は、一般的な真円転がり軸受（図２のグラフにおいては従来例と記してある）の最大転動体荷重よりも約１５％低いことが分かる。

〔第二実施形態〕
第二実施形態の転がり軸受の構成及び作用は、第一実施形態とほぼ同様であるので、図１を参照しながら異なる部分のみ説明し、同様の部分の説明は省略する。
第一実施形態においては、軸２及び内輪１１が回転し、ハウジング１及び外輪１２が非回転とされていたが、第二実施形態においては、ハウジング１及び外輪１２が回転し、軸２及び内輪１１が非回転とされている。

また、第一実施形態においては、ハウジング１側（外部側）から軸受中心軸に向かう方向のラジアル荷重が負荷されるが、第二実施形態においては、軸２側から外部側に向かう方向のラジアル荷重が負荷される。
さらに、第一実施形態においては、外輪１２の軌道面１２ａの周方向の一部分を凹化させることによって、外輪１２の軌道面１２ａの周方向の形状を非真円形状に形成したが、第二実施形態においては、内輪１１の軌道面１１ａの周方向の一部分を凹化させることによって、内輪１１の軌道面１１ａの周方向の形状を非真円形状に形成している。

詳述すると、内輪１１の軌道面１１ａは、その大部分は同一半径の真円形状部となっているが、一部分は真円形状部の半径よりも小径となっているので（この部分が非真円形状部２０である）、全体としては非真円形状となっている。その結果、前記凹化させた部分（すなわち非真円形状部２０）のラジアルすきまは、他の部分（すなわち真円形状部）のラジアルすきまよりも大きくなる。

第二実施形態の転がり軸受装置において転がり軸受１０には、軸２側から外部側に向かう方向のラジアル荷重が負荷されるので、ラジアル荷重が負荷される周方向位置に非真円形状部２０が位置するように、軸２に転がり軸受１０を取り付ける。その結果、ラジアル荷重が負荷される周方向位置に、ラジアルすきまが大きい部分が配されることとなる。第二実施形態においては、図１に示す矢印とは逆に、下方から上方に向かう方向のラジアル荷重が軸２から内輪１１の上側に負荷されるので、非真円形状部２０が上側に位置するように、軸２に転がり軸受１０が取り付けられている。

第二実施形態の転がり軸受１０は、非真円形状部２０のラジアルすきまが大きくなっており、ラジアル荷重が負荷される周方向位置に非真円形状部２０が配されているので、ラジアル荷重が負荷された際には、荷重線上に位置する転動体Ｒ０に負荷されるはずのラジアル荷重の一部が、隣接する転動体Ｒ１，Ｒ２，・・・に分散される。その結果、荷重線上に位置する転動体Ｒ０が支持するラジアル荷重が低減されて、転がり軸受１０の最大転動体荷重が小さくなる。よって、一般的な真円転がり軸受に比べて、転がり軸受１０は、大荷重が負荷されたとしても転がり疲れ寿命が長寿命である。

非真円形状部２０の軌道面１１ａの形状は、荷重線上に位置する転動体Ｒ０にラジアル荷重が負荷されるような形状ならば、特に限定されるものではないが、真円形状部の半径よりも曲率半径が大きい円弧状としてもよい（真円形状部と非真円形状部２０とでは、曲率中心は異なる）。なお、非真円形状部２０の最深部の深さ（すなわち、最深部と軸受中心との間の径方向距離と真円形状部の半径との差δ）が小さすぎると、荷重線上に位置する転動体Ｒ０の転動体荷重が大きなままなので、転がり軸受１０の長寿命化効果が不十分となるおそれがある。一方、非真円形状部２０の最深部の深さが大きすぎると、荷重線上に位置する転動体Ｒ０がラジアル荷重をほとんど支持しなくなるため、かえって転がり軸受１０の転がり疲れ寿命が短くなるおそれがある。

なお、第一及び第二実施形態は本発明の一例を示したものであって、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではない。例えば、第一及び第二実施形態においては、内輪１１の軌道面１１ａ又は外輪１２の軌道面１２ａに非真円形状部２０を設けたが、両方に設けてもよい。
また、第一及び第二実施形態においては、非真円形状部２０の数は１箇所であったが、ラジアル荷重が負荷される周方向位置に１つの非真円形状部２０が配されるならば、周方向に複数箇所設けてもよい。また、負荷圏が複数箇所になる場合には、負荷圏の位置に合わせて、径方向すきまＣを周方向に複数箇所設けてもよい。

さらに、第一実施形態においては、転がり軸受１０に対して、ハウジング１側（外部側）から軸受中心軸に向かう方向のラジアル荷重が負荷されるが、軸２側から外部側に向かう方向のラジアル荷重が負荷される場合でも、同様の効果が得られる。同様に、第二実施形態においては、転がり軸受１０に対して、軸２側から外部側に向かう方向のラジアル荷重が負荷されるが、ハウジング１側（外部側）から軸受中心軸に向かう方向のラジアル荷重が負荷される場合でも、同様の効果が得られる。

さらに、第一実施形態においては、上方から下方に向かう方向のラジアル荷重が負荷されるが、下方から上方に向かう方向など、他の方向のラジアル荷重でも差し支えない。その場合は、ラジアル荷重が負荷される周方向位置（負荷圏）と非真円形状部２０の位置を合わせる。同様に、第二実施形態においては、下方から上方に向かう方向のラジアル荷重が負荷されるが、上方から下方に向かう方向など、他の方向のラジアル荷重でも差し支えない。その場合は、ラジアル荷重が負荷される周方向位置（負荷圏）と非真円形状部２０の位置を合わせる。

さらに、第一実施形態においては、軸２及び内輪１１が回転し、ハウジング１及び外輪１２が非回転とされていたが、ハウジング１及び外輪１２が回転し、軸２及び内輪１１が非回転としてもよい。この場合は、ハウジング１及び外輪１２の回転とともに、荷重方向も回転する。同様に、第二実施形態においては、ハウジング１及び外輪１２が回転し、軸２及び内輪１１が非回転とされていたが、軸２及び内輪１１が回転し、ハウジング１及び外輪１２が非回転としてもよい。この場合は、軸２及び内輪１１の回転とともに、荷重方向も回転する。すなわち、非真円形状部２０と負荷圏の周方向位置が合うようにする。

さらに、第一及び第二実施形態の転がり軸受１０において、ラジアル荷重が負荷される場合だけではなく、アキシアル荷重やモーメントが負荷される場合にも、本発明を適用することが可能である。
さらに、非真円形状部２０と真円形状部との境界部分は、滑らかに連続していることが好ましい。すなわち、第一実施形態では、外輪１２の非真円形状部２０の軌道面１２ａと真円形状部の軌道面１２ａとが滑らかに連続していることが好ましく、第二実施形態では、内輪１１の非真円形状部２０の軌道面１１ａと真円形状部の軌道面１１ａとが滑らかに連続していることが好ましい。そうすれば、転動体Ｒが軌道面１１ａ，１２ａ上を円滑に転動することができる。

さらに、第一及び第二実施形態の転がり軸受１０において、内輪１１及び外輪１２のうち非真円形状に形成した方（非真円形状部２０を有する方）の側面の、非真円形状部２０（凹化させた部分）の周方向位置に、該周方向位置を示すマーク３０を表示してもよい。例えば、第一実施形態の転がり軸受１０では、外輪１２の側面における非真円形状部２０が形成されている周方向位置（すなわち、ラジアル荷重が負荷される周方向位置）にマーク３０を表示してもよく（図３を参照）、また、第二実施形態の転がり軸受１０では、内輪１１の側面における非真円形状部２０が形成されている周方向位置（すなわち、ラジアル荷重が負荷される周方向位置）にマーク３０を表示してもよい。

非真円形状部２０が形成されている周方向位置にマーク３０が表示されていれば、転がり軸受１０をハウジング１又は軸２に取り付ける際に、ラジアル荷重が負荷される周方向位置に非真円形状部２０の位置を合わせて取り付けることが容易となる。よって、ラジアル荷重が負荷される周方向位置と非真円形状部２０の位置とがずれた状態で転がり軸受１０を取り付ける可能性が低下する。

マーク３０の内容は特に限定されるものではなく、文字，記号，図形，模様，絵等を、単独又は２種以上組み合わせて使用することができる。また、表示の方法としては、塗料の塗布又は噴霧、刻印、紙，フィルム等の貼付などの方法を、単独又は２種以上組み合わせて使用することができる。
なお、図３も図１と同様に、外輪１２と転動体Ｒとの間のすきまとδとの大きさは、分かりやすくするために、実際よりも大きめに描いてある。

１ ハウジング
２ 軸
１０ 転がり軸受
１１ 内輪
１１ａ 軌道面
１２ 外輪
１２ａ 軌道面
２０ 非真円形状部
３０ マーク
Ｒ 転動体

Claims (2)

1. 外周面に沿う環状の軌道面を外周面に備えた内輪と、前記内輪の軌道面に対向する環状の軌道面を内周面に備えた外輪と、前記内輪の軌道面及び前記外輪の軌道面の間に転動自在に配された複数の転動体と、を備える転がり軸受であって、
   前記内輪及び前記外輪の少なくとも一方の軌道面の周方向の一部分を凹化させて、その軌道面を非真円形状に形成し、前記凹化させた部分のラジアルすきまを他の部分のラジアルすきまよりも大きくしたことを特徴とする転がり軸受。
2. 前記内輪及び前記外輪のうち前記軌道面を非真円形状に形成した方の側面の、前記凹化させた部分の周方向位置に、該周方向位置を示すマークを表示したことを特徴とする請求項１に記載の転がり軸受。

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