JP2015102144A - 自動調心ころ軸受 - Google Patents

Abstract

【課題】保持器の重量が抑えられ、軸受のトルクを減少することができる自動調心ころ軸受を提供する。
【解決手段】自動調心ころ軸受では、各柱部８の長さＬ_８は、各球面ころ３の軸方向長さＬ_３の１／２よりも長く、各柱部８の円周方向側面は、先端部が中間部よりも円周方向に突出していて、円周方向に隣り合う柱部８の先端部の円周方向側面同士の間隔ｄを、各球面ころ３の最大直径Ｄよりも小さくすることにより、各ポケット９内に保持された球面ころ３が各ポケット９から、各球面ころ３が軸方向に抜け出ることを防止するための抜け止め部を構成する。保持器４ａの端面内径寸法（Ｂ）と、保持器４ａの柱部８の先端部と球面ころ３のピッチ円との交点Ａの径寸法である保持器先端ＰＣＤ寸法（Ｃ）との比は、０．８５≦（前記保持器の端面内径寸法（Ｂ）／保持器先端ＰＣＤ寸法（Ｃ））＜１．０となるように設定される。
【選択図】図１

Description

本発明は、自動調心ころ軸受に関し、より詳細には、ハウジングの内側に回転軸を支承するため、各種産業機械装置のロール等の回転支持部に組み込んだ状態で使用される自動調心ころ軸受に関する。

従来の自動調心ころ軸受において、保持器を転動体案内とし、円周方向に隣り合う各柱部の先端部が各球面ころを抱き込んだ構成とし、内輪の軸方向両端部外周面に鍔部を形成しなくても、各ポケットから各球面ころが、外輪及び内輪の軸方向に抜け出ることを防止したものが考案されている（例えば、特許文献１参照。）。

図６は、従来の自動調心ころ軸受を示しており、外輪１の内周面には、単一の中心を有する球面状凹面である外輪軌道５が形成されている。また、内輪２の外周面の幅方向両側には、それぞれが外輪軌道５と対向する１対の内輪軌道６が形成されている。また、複数の球面ころ３は、その最大径部が各球面ころの軸方向長さの中央部にある対称形で、外輪軌道５と内輪軌道６との間の両列毎に、複数個ずつ転動自在に配置されている。各球面ころ３の転動面の母線形状の曲率半径は、外輪軌道５及び内輪軌道６の母線形状の曲率半径より僅かに小さい。

保持器４は、両列の球面ころ３同士の間に配置された円環状のリム部７と、それぞれの基端部をリム部７の軸方向側面の円周方向複数個所に結合すると共に、それぞれの先端部を他の部分に結合しない自由端とした複数の柱部８とを備える。そして、保持器４は、円周方向に隣り合う柱部８同士の間に、球面ころ３を転動自在に保持する複数のポケット９を備える。

また、図７及び図８に示すように、保持器４は、各ポケット９の円周方向両側を仕切る、各柱部８の円周方向両側面を、各球面ころ３の転動面と相似形で凹凸が逆である、凹曲面部１２としている。各凹曲面部１２は、保持器４の軸方向及び径方向に関して、互いに異なる曲率半径Ｒ_P 、ｒ_P を有する。何れの方向の曲率半径Ｒ_P、ｒ_Pも、各ポケット９内に保持された各球面ころ３の転動面と各凹曲面部１２との間に、潤滑油を送り込み可能なポケット隙間を介在させる程度に、各球面ころ３の転動面の曲率半径Ｒ_R、ｒ_Rよりも大きくしている。

ポケット隙間の（これら各球面ころ３の）径方向に関する（各球面ころ３の中心軸と各ポケット９の中心軸とを一致させた状態での）厚さｔは、自動調心ころ軸受の諸元（サイズ）により多少異なるが、例えば各種産業機械装置のロール等の回転支持部に組み込む自動調心ころ軸受の場合で、０．１〜０．５mm程度、或いは各球面ころ３の最大径の０．４〜２％程度である。各凹曲面部１２の各方向の曲率半径Ｒ_P、ｒ_Pは、これら各球面ころ３の転動面の、対応する方向の曲率半径Ｒ_R、ｒ_Rよりも、ポケット隙間分だけ大きく（Ｒ_P＝Ｒ_R＋ｔ、ｒ_P＝ｒ_R＋ｔ）としている。尚、軸方向の曲率半径Ｒ_Pは、径方向の曲率半径ｒ_Pに比べて遥かに大きい（Ｒ_P≫ｒ_P）ので、Ｒ_P＝Ｒ_Rとしても、ほぼ同様の機能を得られる。従って、軸方向の曲率半径Ｒ_Pは、Ｒ_P〜Ｒ_P＋ｔの間で設定される。

さらに、各柱部８の長さＬ₈を、各球面ころ３の軸方向長さＬ₃の１／２よりも大きく（Ｌ₈＞Ｌ₃／２）している。そして、円周方向に隣り合う柱部８の先端部円周方向側面同士の間隔ｄを、各球面ころ３の最大直径Ｄよりも小さく（ｄ＜Ｄ）している。この様に、円周方向に隣り合う柱部８の先端部円周方向側面同士の間隔ｄが各球面ころ３の最大直径Ｄよりも小さい程度（Ｄ−ｄ：ばれ止め量）は、各柱部８を円周方向に弾性変形させつつ、各ポケット９内に各球面ころ３を押し込める程度に規制する。この程度は、自動調心ころ軸受の大きさ、両保持器４の材質等に応じて設計的に定める。例えば、保持器付自動調心ころ軸受の大きさが、内径が４０〜６０mm程度、外径が１００〜１２０mm程度、保持器の材質が銅若しくは銅系合金である場合に、上記ばれ止め量を１００〜３００μｍ程度とする。

また、図示しないが、各柱部８の円周方向両側面に形成した各凹曲面部１２と、リム部７の軸方向片側面とは、各球面ころ３の端面外周縁部との干渉を防止する為の逃げ凹部を介して連続させており、各逃げ凹部を、曲率半径が１mm以上の凹曲面としている。これら各逃げ凹部の両側端縁のうち、各凹曲面部１２側の端縁はこれら各凹曲面部１２の端部と、リム部７の円周方向に凹む方向に連続している。これに対して、リム部７の軸方向片側面側の端縁は、このリム部７の軸方向片側面と滑らかに連続している。

このように構成される自動調心ころ軸受により、例えば、ハウジングの内側に回転軸を支承する場合、外輪１をハウジングに内嵌固定し、内輪２を回転軸に外嵌固定する。回転軸と共に内輪２が回転する場合には、複数の球面ころ３が転動して、この回転を許容する。ハウジングの軸心と回転軸の軸心とが不一致の場合、外輪１の内側で内輪２が調心する（外輪１の中心軸に対し内輪２の中心軸を傾斜させる）ことで、この不一致を補償する。外輪軌道５は、単一球面状に形成されているため、複数の球面ころ３の転動は、不一致補償後においても、円滑に行われる。

また、図６に示すように、保持器４の各柱部８は、リム部７の軸方向側面から軸受端面に向かって軸方向に平行に延出し、所定の軸方向位置から球面ころ３の中心軸の方向と同じ方向に傾斜し、保持器端面（柱部８の先端部）まで傾斜している。

特許第４９８５８６１号公報

しかしながら、特許文献１や図６〜図８に記載の自動調心ころ軸受によれば、柱部８の傾斜が保持器端面まで連続しているため、保持器４の重量が重くなるという問題があった。

本発明は、前述した課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、保持器の重量が抑えられ、軸受のトルクを減少することができる自動調心ころ軸受を提供することにある。

本発明の上記目的は、下記の構成により達成される。
（１） 球面状凹面である外輪軌道をその内周面に形成する外輪と、前記外輪軌道と対向する１対の内輪軌道をその外周面に形成する内輪と、前記外輪軌道と前記内輪軌道との間の両列毎に、複数個ずつ転動自在に配置される球面ころと、円周方向複数個所に柱部を有し、円周方向に隣り合う柱部同士の間に前記球面ころを転動自在に保持する複数のポケットを備えた保持器と、を備え、
前記保持器は、前記両列の球面ころ同士の間に配置された円環状のリム部と、それぞれの基端部を前記リム部の軸方向側面の円周方向複数個所に結合すると共に、それぞれの先端部を他の部分に結合しない自由端とした複数の柱部とを備え、
前記各柱部の断面形状は、前記各柱部の長さ方向及び保持器の径方向の何れの断面形状についても円弧形状であり、
前記各柱部の長さは，前記各球面ころの軸方向長さの１／２よりも長く、
前記各柱部の円周方向側面は、前記先端部が中間部よりも円周方向に突出していて、円周方向に隣り合う前記柱部の前記先端部の円周方向側面同士の間隔を、各球面ころの最大直径よりも小さくすることにより，各ポケット内に保持された球面ころが前記各ポケットから、前記各球面ころが軸方向に抜け出ることを防止するための抜け止め部を構成する自動調心ころ軸受において、
前記保持器の端面内径寸法（Ｂ）と、前記保持器の柱部の先端部と前記球面ころのピッチ円との交点の径寸法である保持器先端ＰＣＤ寸法（Ｃ）との比は、０．８５≦（前記保持器の端面内径寸法（Ｂ）／保持器先端ＰＣＤ寸法（Ｃ））＜１．０となるように設定されることを特徴とする自動調心ころ軸受。
（２） 前記保持器の前記各柱部の先端部の内周面を、前記保持器の外周面と平行に形成することを特徴とする（１）に記載の自動調心ころ軸受。
（３） 前記保持器先端ＰＣＤ寸法（Ｃ）＞前記保持器のリム部の内径寸法（Ｄ）＞前記保持器の端面内径寸法（Ｂ）の関係が成立することを特徴とする（１）又は（２）に記載の自動調心ころ軸受。
（４） 前記保持器先端ＰＣＤ寸法（Ｃ）＞前記保持器のリム部の内径寸法（Ｄ）＝前記保持器の端面内径寸法（Ｂ）の関係が成立することを特徴とする（１）又は（２）に記載の自動調心ころ軸受。
（５） 前記各ポケットの隅部は、前記各柱部の円周方向両側面と前記リム部の軸方向側面とを断面円弧状の凹曲面により連続させることを特徴とする（１）〜（４）のいずれかに記載の自動調心ころ軸受。

本発明の自動調心ころ軸受によれば、保持器の端面内径寸法（Ｂ）と、前記保持器の柱部の先端部と前記球面ころのピッチ円との交点の径寸法である保持器先端ＰＣＤ寸法（Ｃ）との比は、０．８５≦（前記保持器の端面内径寸法（Ｂ）／保持器先端ＰＣＤ寸法（Ｃ））＜１．０となるように設定されるので、保持器の重量が抑えられ、軸受のトルクを減少することができる。

本発明の第１実施形態に係る自動調心ころ軸受の断面図である。 図１の保持器の要部拡大斜視図である。 本発明の第２実施形態に係る自動調心ころ軸受の断面図である。 保持器の有限要素法の解析結果を示すグラフである。 軸受性能試験結果を示すグラフである。 従来の自動調心ころ軸受の断面図である。 図６のＶＩＩ−ＶＩＩ線に沿った断面図である。 図６のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線に沿った断面図である。

（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態に係る自動調心ころ軸受を図１及び図２に基づいて詳細に説明する。なお、本実施形態の自動調心ころ軸受は、外輪１と、内輪２と、複数個の球面ころ３と、保持器４ａと、を備え、保持器４ａが、転動体案内であり、円周方向に隣り合う各柱部８の先端部が各球面ころを抱き込んだ構成とし、内輪２の軸方向両端部外周面に鍔部を形成しなくても、各ポケット９から各球面ころ３が、外輪及び内輪の軸方向に抜け出ることを防止する点において、従来構造と同様としている。

具体的に、本実施形態の自動調心ころ軸受は、球面状凹面である外輪軌道５をその内周面に形成する外輪１と、外輪軌道５と対向する１対の内輪軌道６をその外周面に形成する内輪２と、外輪軌道５と内輪軌道６との間の両列毎に、複数個ずつ転動自在に配置される球面ころ３と、円周方向複数個所に柱部８を有し、円周方向に隣り合う柱部８同士の間に球面ころ３を転動自在に保持する複数のポケット９を備えた保持器４ａと、を備える。

また、保持器４ａは、両列の球面ころ３同士の間に配置された円環状のリム部７と、それぞれの基端部をリム部７の軸方向側面の円周方向複数個所に結合すると共に、それぞれの先端部を他の部分に結合しない自由端とした複数の柱部８とを備える。さらに、各柱部８の断面形状は、各柱部８の長さ方向及び保持器４ａの径方向の何れの断面形状についても円弧形状に形成される。また、各柱部８の長さＬ_８は、各球面ころ３の軸方向長さＬ_３の１／２よりも長く設定される。

さらに、各柱部８の円周方向側面は、先端部が中間部よりも円周方向に突出していて、円周方向に隣り合う柱部８の先端部の円周方向側面同士の間隔ｄを、各球面ころ３の最大直径Ｄよりも小さくすることにより、各ポケット９内に保持された球面ころ３が各ポケット９から、各球面ころ３が軸方向に抜け出ることを防止するための抜け止め部１４を構成する。

また、図２に示すように、各ポケット９の隅部で各柱部８の円周方向両側面とリム部７の軸方向側面とを断面円弧状の凹曲面１３により連続させている。

ここで、本実施形態では、保持器４ａの端面内径寸法（Ｂ）を、保持器４ａの端面内径寸法（Ｂ）と、保持器４ａの柱部８の先端部と球面ころ１２のピッチ円（ＰＣＤ）との交点Ａの径寸法である保持器先端ＰＣＤ寸法（Ｃ）との比（保持器の端面内径寸法（Ｂ）／保持器先端ＰＣＤ寸法（Ｃ））が０．８５以上１．０未満となるように設定し、且つ、保持器先端ＰＣＤ寸法（Ｃ）＞保持器リム部内径寸法（Ｄ）＞保持器端面内径寸法（Ｂ）の関係性が成り立ち、且つ、保持器４ａの各柱部８の先端部の内周面を、保持器４ａのリム部７の外周面と平行にストレート形状に形成する。このように柱部８の先端部の形状を図６に比べて薄肉となるように変更することで、保持器４ａの重量が抑えられ、軸受のトルク減少の効果が得られる。

なお、このような保持器４ａを製作するには、まず、円環状の素材から、この保持器４ａよりも容積が大きい中間素材を削り加工により製作するが、保持器４ａの各柱部８の先端部の内周面を、保持器４ａのリム部７の外周面と平行に形成することにより、中間素材の材料費が抑えられ、保持器４ａを安価に製作することが可能である。

（第２実施形態）
図３は、本発明の第２実施形態に係る自動調心ころ軸受を示す。なお、第１実施形態と同等部分については同一符号を付して、説明を省略或いは簡略化する。

本実施形態では、保持器４ｂの端面内径寸法（Ｂ）を、保持器の端面内径寸法（Ｂ）と、保持器柱（柱先端側）ところＰＣＤとの交点Ａの径寸法である保持器先端ＰＣＤ寸法（Ｃ）との比（保持器の端面内径寸法（Ｂ）／保持器先端ＰＣＤ寸法（Ｃ））が０．８５以上１．０未満となるように設定し、且つ、保持器先端ＰＣＤ寸法（Ｃ）＞保持器リム部内径寸法（Ｄ）＝保持器端面内径寸法（Ｂ）の関係性が成り立ち、且つ、保持器４ｂの各柱部８の先端部の内周面を、保持器４ｂのリム部７の外周面と平行にストレート形状に形成する。即ち、保持器端面内径寸法（Ｂ）を保持器リム部内径寸法（Ｄ）に合わせるように、保持器４ｂは、リム部７の内周面から柱部８の先端部の内周面まで一様内径に形成される。これにより、第一実施形態よりもさらに保持器４ｂの重量が抑えられ、軸受のトルク減少の効果が得られる。

また、保持器４ｂを製作するには、まず、円環状の素材から、この保持器４ｂよりも容積が大きい中間素材を削り加工により製作するが、保持器４ｂの各柱部８の先端部の内径寸法と、リム部７の内径寸法を同一寸法とすることにより、中間素材の材料費が抑えられ、保持器４ｂを安価に製作することが可能である。

尚、本発明は、前述した実施形態に限定されるものではなく、適宜、変形、改良、等が可能である。

（実施例１）
図４は、図６に示した従来構造の自動調心ころ軸受と、第一実施形態と第二実施形態の自動調心ころ軸受とで、保持器柱部に力が加わった場合に生じる保持器柱根元部の応力の差を知るために行なったＦＥＭ解析の結果を示している。なお、図４では、最大保持器応力比は、従来構造を１として表している。

図４に示すように、第一実施形態や第二実施形態は、従来構造の自動調心ころ軸受に対して、保持器柱根元部に発生する応力はほぼ同等である。ただし、保持器先端ＰＣＤ寸法（Ｃ）＜保持器リム部内径寸法（Ｄ）＝保持器端面内径寸法（Ｂ）となると、保持器応力が急激に増加している。よって、保持器強度を維持したまま、保持器の軽量化を図るには、保持器の端面内径寸法（Ｂ）が、保持器柱（柱先端側）ところＰＣＤとの交点Ａの径寸法である保持器先端ＰＣＤ寸法（Ｃ）より小さい場合であることがいえる。

（実施例２）
図５は、図６に示した従来構造の自動調心ころ軸受と、第一実施形態と第二実施形態の自動調心ころ軸受、保持器内径を保持器先端ＰＣＤ寸法（Ｃ）＜保持器リム部内径寸法（Ｄ）＝保持器端面内径寸法（Ｂ）とした保持器を用いた保持器付き自動調心ころ軸受とで運転時に生じる軸受温度の差を知るために行なった実験の結果を示している。実験には、呼び番号が２２３２６である保持器付き自動調心ころ軸受（外径＝２８０ｍｍ，内径＝１３０ｍｍ，幅＝９３ｍｍ）を使用した。このような保持器付き自動調心ころ軸受に６８５０ｋｇｆのラジアル荷重を負荷し、潤滑油（ＶＧ３２）による油浴潤滑で運転した。（内輪を回転させた）運転速度は、１８００ｍｉｎ^-１とし，所定時間経過後の外輪温度を計測した。なお、本軸受の許容回転数は１６００ｍｉｎ^-１で、今回の試験は許容回転数を超えた運転速度で試験を実施した。

図５から明らかなように、本例の要件を満たす第一実施形態や第二実施形態は、従来構造の自動調心ころ軸受に対して、軸受外輪温度はほぼ同等であった。このことから保持器端面内径寸法（Ｂ）を保持器柱（柱先端側）ところＰＣＤとの交点Ａの径寸法である保持器先端ＰＣＤ寸法（Ｃ）よりも小さくしても影響はないことがわかった。ただし、保持器先端ＰＣＤ寸法（Ｃ）＜保持器リム部内径寸法（Ｄ）＝保持器端面内径寸法（Ｂ）となると軸受外輪温度が上昇している。

保持器の各柱部の円周方向両側面は、ころ転動面と相似形の凹曲面であるため、球面ころの軸方向変位を抑え、球面ころがスキューすることを防止して、球面ころの転動面と外輪軌道面及び内輪軌道面との各転がり接触部の滑り摩擦を抑えることができる。しかしながら、保持器端面内径寸法（Ｂ）／保持器先端ＰＣＤ寸法（Ｃ）＞１．０となると、保持器柱部の断面積が非常に小さくなり、保持器柱部の剛性が落ちるため、球面ころから受ける力に対して変位が大きくなる。このため、球面ころの姿勢を安定させることができず、著しいスキューが発生し、球面ころの転動面と外輪軌道面及び内輪軌道面との各転がり接触部の滑り摩擦が増大し、軸受外輪温度の上昇が起こった。

よって、本発明の限界は、保持器の端面内径寸法（Ｂ）が、保持器柱（柱先端側）ところＰＣＤとの交点Ａの径寸法である保持器先端ＰＣＤ寸法（Ｃ）よりも小さい場合であることがいえる。以上の結果より、本実施形態は保持器強度を維持したまま、保持器の軽量化が可能である。

１ 外輪
２ 内輪
３ 球面ころ
４ａ、４ｂ 保持器
７ リム部
８ 柱部
９ ポケット
１３ 凹曲面
１４ 抜け止め部

Claims (5)

1. 球面状凹面である外輪軌道をその内周面に形成する外輪と、前記外輪軌道と対向する１対の内輪軌道をその外周面に形成する内輪と、前記外輪軌道と前記内輪軌道との間の両列毎に、複数個ずつ転動自在に配置される球面ころと、円周方向複数個所に柱部を有し、円周方向に隣り合う柱部同士の間に前記球面ころを転動自在に保持する複数のポケットを備えた保持器と、を備え、
   前記保持器は、前記両列の球面ころ同士の間に配置された円環状のリム部と、それぞれの基端部を前記リム部の軸方向側面の円周方向複数個所に結合すると共に、それぞれの先端部を他の部分に結合しない自由端とした複数の柱部とを備え、
   前記各柱部の断面形状は、前記各柱部の長さ方向及び保持器の径方向の何れの断面形状についても円弧形状であり、
   前記各柱部の長さは、前記各球面ころの軸方向長さの１／２よりも長く、
   前記各柱部の円周方向側面は、前記先端部が中間部よりも円周方向に突出していて、円周方向に隣り合う前記柱部の前記先端部の円周方向側面同士の間隔を、各球面ころの最大直径よりも小さくすることにより、各ポケット内に保持された球面ころが前記各ポケットから、前記各球面ころが軸方向に抜け出ることを防止するための抜け止め部を構成する自動調心ころ軸受において、
   前記保持器の端面内径寸法（Ｂ）と、前記保持器の柱部の先端部と前記球面ころのピッチ円との交点の径寸法である保持器先端ＰＣＤ寸法（Ｃ）との比は、０．８５≦（前記保持器の端面内径寸法（Ｂ）／保持器先端ＰＣＤ寸法（Ｃ））＜１．０となるように設定されることを特徴とする自動調心ころ軸受。
2. 前記保持器の前記各柱部の先端部の内周面を、前記保持器の外周面と平行に形成することを特徴とする請求項１に記載の自動調心ころ軸受。
3. 前記保持器先端ＰＣＤ寸法（Ｃ）＞前記保持器のリム部の内径寸法（Ｄ）＞前記保持器の端面内径寸法（Ｂ）の関係が成立することを特徴とする請求項１又は２に記載の自動調心ころ軸受。
4. 前記保持器先端ＰＣＤ寸法（Ｃ）＞前記保持器のリム部の内径寸法（Ｄ）＝前記保持器の端面内径寸法（Ｂ）の関係が成立することを特徴とする請求項１又は２に記載の自動調心ころ軸受。
5. 前記各ポケットの隅部は、前記各柱部の円周方向両側面と前記リム部の軸方向側面とを断面円弧状の凹曲面により連続させることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の自動調心ころ軸受。

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