JP2018048687A - 多点接触玉軸受 - Google Patents

Abstract

【課題】玉のスピン運動によるすべりによる過大な発熱、焼付き、磨耗などを抑えると共に、寿命の向上および高剛性を発揮することができる。【解決手段】多点接触玉軸受において、玉１４０と軌道面１２４の２つの接触点ｃ、ｄと交点ｏを結ぶ直線１４４と玉の自転軸１２とでなす角をβとすると、玉の中心ａを通り玉の自転軸に直交する直線１４を基準として、接触角θ１と接触角θ２は、玉の直径をＤｗ、玉のピッチ直径をＤｐｗ、外内輪の回転軸と玉の自転軸とでなす角をφとして、θ１＝π／２＋β−ｓｉｎ−１（Ｄｐｗ・ｓｉｎβ／Ｄｗ・ｓｉｎφ）、θ２＝π／２−β−ｓｉｎ−１（Ｄｐｗ・ｓｉｎβ／Ｄｗ・ｓｉｎφ）に設定されていて、軌道面と玉が１点で接触する場合の玉と軌道面の接触点と交点を結ぶ直線と玉の自転軸とでなす角をβｏとすると、βとβｏの関係が０．５５＜β／βｏ＜０．９５に設定されている。【選択図】図１

Description

本発明は、外輪または内輪の少なくとも一方の軌道面と玉が２点接触する多点接触玉軸受に関する。

従来から、ラジアル荷重とアキシアル荷重（スラスト荷重）の組み合わせ荷重に適用される軸受としては、円すいころ軸受とアンギュラ玉軸受が知られている。アンギュラ玉軸受とは軸方向に対して玉と軌道面の接触角を傾斜させた軸受である。円錐ころ軸受は剛性が高いという利点はあるものの、回転抵抗が大きく、損失トルクが大きい。アンギュラ玉軸受は回転抵抗が小さいために高速回転に適用することができる。

アンギュラ玉軸受の場合、玉の外輪側の接線と内輪側の接線が独立している。例えば外輪側と内輪側の接触角が同じである場合、２つの接線は平行となる。玉は接触点から力を受けて回転し、自転（スピン運動）しながら公転する。このとき、玉の赤道と接触点の位置にずれがあると玉と軌道面との間にすべりが発生し、過大な発熱、焼付き、磨耗などの問題が生じてしまう。

また玉軸受には、外輪または内輪またはその両方が２点接触する多点接触玉軸受と呼ばれるものがある。２点接触させることによって負荷荷重を分担させる事ができるため、寿命の向上や剛性を強くする事ができる。しかしながら特許文献１（特開平１１−２１０７６６号）で指摘されているように、２点で接触する場合は玉のスピン運動によるすべりがさらに大きくなってしまう。

これに対し特許文献２（特開昭５４−１０８０５０号）には、多点接触玉軸受であり、かつ、第１の環状表面のベアリング支持点の接線が、第２の環状表面の２つのベアリング支持点を結ぶ延長線と、ベアリング装置の回転軸で交叉する構造が開示されている。特許文献２によれば、遊びなしで、かつ摩擦が生じないようにするという問題を解決できると述べている。これは、円すいころ軸受におけるコーンセンタと同様の考え方である。

特開平１１−２１０７６６号 特開昭５４−１０８０５０号

特許文献２に記載されているような、多点接触玉軸受において、第１の環状表面のベアリング支持点の接線が、第２の環状表面の２つのベアリング支持点を結ぶ延長線と、ベアリング装置の回転軸で交叉する条件は様々に考えられる。しかしながら、場合によってはそれぞれの荷重バランスが悪くなってしまったり、スピン運動によるすべりは抑える事ができても、多点接触玉軸受の特徴としての寿命向上や高剛性を発揮できなかったりするおそれがある。

そこで本発明は、玉のスピン運動によるすべりによる過大な発熱、焼付き、磨耗などを抑えると共に、寿命の向上および高剛性を発揮することができる多点接触玉軸受を提供することを目的としている。

本発明にかかる多点接触玉軸受の代表的な構成は、
外輪と、内輪と、これら外内輪の間に転動可能に配置された複数の玉とを備え、外内輪の回転軸と玉の自転軸が交差する交点を有し、外輪または内輪の少なくとも一方の軌道面と玉が２点接触し、他方の軌道面と玉が１点接触または２点接触する多点接触玉軸受において、
軌道面と玉が２点で接触する場合には、
玉と軌道面の２つの接触点と前記交点が一直線上にあり、
玉と軌道面の２つの接触点と前記交点を結ぶ直線と玉の自転軸とでなす角をβとすると、
玉の中心を通り玉の自転軸に直交する直線を基準として、
前記直線から前記交点側の接触点までの接触角θ１と、前記交点の反対側の接触点までの接触角θ２は、
玉の直径をＤｗ、玉のピッチ直径をＤｐｗ、外内輪の回転軸と玉の自転軸とでなす角をφとして、
θ１＝π／２＋β−ｓｉｎ^−１（Ｄｐｗ・ｓｉｎβ／Ｄｗ・ｓｉｎφ）
θ２＝π／２−β−ｓｉｎ^−１（Ｄｐｗ・ｓｉｎβ／Ｄｗ・ｓｉｎφ）
に設定されていて、
軌道面と玉が１点で接触する場合の玉と軌道面の接触点と前記交点を結ぶ直線と玉の自転軸とでなす角をβｏとすると、βとβｏの関係が
０．５５＜β／βｏ＜０．９５
に設定されていることを特徴とする。

上記構成によれば、外内輪のうち２点接触する側の接触点を結ぶ直線の延長線が、玉の自転軸と外内輪の回転軸との交点に一致する。このため、玉のスピン運動によるすべりによる過大な発熱、焼付き、磨耗などを抑えることができる。さらに、角βを上記範囲とすることにより、多点接触玉軸受の特徴である２点接触を実現し、負荷荷重を分担させる事ができるため、軸受の寿命の向上や高剛性を発揮することができる。

本発明によれば、玉のスピン運動によるすべりによる過大な発熱、焼付き、磨耗などを抑えると共に、寿命の向上および高剛性を発揮することができる多点接触玉軸受を提供することができる。

実施形態にかかる多点接触玉軸受の構成の例を示す図である。 他の実施形態にかかる多点接触玉軸受の構成の例を示す図である。 θ１について説明する図である。 θ２について説明する図である。 荷重バランスを説明するための比較例である。 荷重バランスを説明するための比較例である。 β／βｏとθ１、θ２の関係を表した図である。 β／βｏとＱｉ／Ｑoの関係を表した図である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値などは、発明の理解を容易とするための例示に過ぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示または説明を省略する。

図１は実施形態にかかる多点接触玉軸受の構成の例を示す図である。多点接触玉軸受１００は、外輪１１０、内輪１２０、保持器１３０、および複数の玉１４０を備えている。玉１４０は、外輪１１０および内輪１２０（以下、これらをあわせて「外内輪」という。）の間に転動可能に配置されている。

まず、多点接触玉軸受１００の構造について説明する。

図１に示す多点接触玉軸受１００は３点支持の例である。玉１４０は外輪１１０と１点接触し、内輪１２０と２点接触している。また多点接触玉軸受１００はアンギュラ玉軸受であって、外内輪の回転軸１０に対して玉と軌道面の接触角を傾斜させているため、外内輪の回転軸１０と玉の自転軸１２が平行でない。したがって外内輪の回転軸１０と玉の自転軸１２は交点ｏ（オー）を有している。

玉１４０は外輪１１０の軌道面１１２と１つの接触点ｄで接触している。接触点ｄと交点ｏを結ぶ直線１１４と玉の自転軸１２とでなす角をβｏとする。なお、直線１１４は接触点ｄにおける接線である。

玉１４０は内輪１２０の軌道面１４２と２つの接触点ｂ、ｃで接触している。直線１４４と玉の自転軸１２とでなす角をβとする。

玉の中心ａを通り玉の自転軸１２に直交する直線１４を基準として、直線１４から交点ｏ側の接触点ｂまでの接触角をθ１とし、交点ｏの反対側の接触点ｃまでの接触角をθ２とする。玉の直径をＤｗ、玉のピッチ直径をＤｐｗ、外内輪の回転軸１０と玉の自転軸１２とでなす角をφとする。

そして本実施形態において、θ１およびθ２は次の式１、式２で表される値に設定されている。
θ１＝π／２＋β−ｓｉｎ^−１（Ｄｐｗ・ｓｉｎβ／Ｄｗ・ｓｉｎφ）…（式１）
θ２＝π／２−β−ｓｉｎ^−１（Ｄｐｗ・ｓｉｎβ／Ｄｗ・ｓｉｎφ）…（式２）

さらに本実施形態では、βとβｏの関係が次の範囲に設定されている。
０．５５＜β／βｏ＜０．９５…（式３）

図１の例では内輪側のみが２点接触であるが、接触角θ１、θ２の条件は外輪にも適用することができる。また、外輪と内輪の両方に適用することもできる。外内輪両方に適用した場合は４点接触玉軸受となり、外輪または内輪の一方に適用した場合は３点接触玉軸受となる。図２は、他の実施形態にかかる多点接触玉軸受の構成の例を示す図である。

次に、接触角θ１、θ２の式１、式２について説明する。ここでは内輪のみについて説明するが外輪についても同様である。図３はθ１について説明する図、図４はθ２について説明する図である。

玉の半径をＲａ、玉のピッチ半径Ｒｍ、玉の自転軸１２と外内輪の回転軸１０とでなす角をφ、玉の中心点aとし、玉と内輪が接する第１点をb、玉の自転軸１２と外内輪の回転軸１０とが交差する交点をｏ（オー）、玉の中心ａを通り玉の自転軸１２に直交する直線１６が外内輪の回転軸１０と交差する交点をa’とする。

ここで、角度∠ａｏｂ＝β、角度∠ａ’ａｂ＝θ１、とする。また、直線ａａ’に平行でかつ点ｏを通る直線と、直線ａｂに垂直で点ｂを通る直線が交わる交点をｏ’とすれば、幾何学上、角度∠ａｏ‘ｂ＝βとなる。
さらに角度∠ａｏ‘ｏ＝ξ、角度∠ｏ’ａｂ＝ζとすれば、図から
ξ＝ｓｉｎ^−１｛（Ｒｍ／ｓｉｎφ）／（Ｒａ／ｓｉｎβ）｝
ζ＝π／２−β、
θ１＝π−ξ−ζ
である。よって、上式と、Ｒｍ＝Ｄｐｗ／２、Ｒａ＝Ｄｗ／２とおけば、
θ１＝π／２＋β−ｓｉｎ^−１（Ｄｐｗ・ｓｉｎβ／Ｄｗ・ｓｉｎφ）…（式１）
が導かれる。

図４に示すように、接触角θ２についても同様に、玉と内輪が接する第２点をｃ、直線ａａ’に平行でかつ点ｏを通る直線と直線ａｃに垂直で点ｃを通る直線が交わる交点をｏ”とし、角度∠ａｏｃ＝β、角度∠ａ’ａｃ＝θ２、とすれば幾何学上、角度∠ａｏ”ｃ＝βとなる。
さらに角度∠ａｏ‘ｏ＝ξ、角度∠ｏ’ａｃ＝ζとすれば、図から
ξ＝ｓｉｎ^−１｛（Ｒｍ／ｓｉｎφ）／（Ｒａ／ｓｉｎβ）｝
ζ＝π／２−β、
θ２＝ζ−ξ
である。よって、上式と、Ｒｍ＝Ｄｐｗ／２、Ｒａ＝Ｄｗ／２とおけば、
θ２＝π／２−β−ｓｉｎ^−１（Ｄｐｗ・ｓｉｎβ／Ｄｗ・ｓｉｎφ）…（式２）
が導かれる。

すなわち図３および図４から、θ１とθ２を上記の設定とすることにより、角度∠ａｏｂ＝∠ａｏｃ＝βとなる。したがって２つの接触点ｂ、ｃと、交点ｏは一つの直線１４４上にあることになり、外内輪のうち２点接触する側の接触点を結ぶ直線の延長線が、玉の自転軸と外内輪の回転軸との交点に一致する。このため、玉のスピン運動によるすべりによる過大な発熱、焼付き、磨耗などを抑えることができる。

次に、接触角θ１、θ２の荷重バランスについて、すなわち角βの式３について説明する。図５および図６は荷重バランスを説明するための比較例である。ここでは外輪１点、内輪２点の３点接触玉軸受として説明するが４点接触玉軸受も同様である。いま、図の様に外輪荷重をＱo、内輪の第１点荷重をＱｉ１、内輪の第２点荷重をＱｉ２とする。

図５はθ１が小さい例である。θ２はθ１が小さくなるに伴って小さくなる。θ１およびθ２が小さすぎるとＱｉ１とＱｉ２のバランスが悪くなる。玉の中心を通り外内輪の回転軸１０に垂直となる線をラジアル方向中心線とする。θ１がラジアル方向中心線を越える、すなわちθ１−φ＜０となる領域では、Ｑｉ１の荷重がゼロに近づき、Ｑｉ２への負担が大きくなってしまう。

図６はθ１が大きい例である。θ２はθ１が大きくなるに伴って大きくなる。θ１およびθ２が大きくなるとＱｉ１とＱｉ２のバランスが均等に近づくが、外輪荷重Ｑoの方向の分力を得るために、Ｑｉ１とＱｉ２が大きくなる。θ１とθ２がある程度より大きくなると、Ｑｉ１およびＱｉ２は、負荷を１点で受けている外輪荷重Ｑｏより大きくなる。２点で受けることによって荷重を分担させる事が目的であるため、Ｑｉ１およびＱｉ２荷重がＱｏ荷重を越える領域での使用は本末転倒である。

ここで、玉１４０と外輪１１０の軌道面の接触点ｄと交点ｏを結ぶ直線１１４と玉の自転軸１２とでなす角をβｏとする。このβｏと、玉と外内輪が２点で接触する場合のβとを用いて、β／βｏパラメータを定義する。これは外内輪の接触点が玉の自転軸からどれくらい離れているかを表すパラメータである。β／βｏ＝０は玉の自転軸上に接触点があることを意味している。β／βｏ＝１は外内輪と１点当りとなる接線を意味する。

図７はβ／βｏとθ１、θ２の関係を表した図である。具体例として、外輪１点、内輪２点接触した３点接触アンギュラ玉軸受において、Ｄｗ＝１０ｍｍ、Ｄｐｗ＝４５ｍｍ、φ＝３０°とした。そして、β／βｏを変化させて、式１および式２に基づいてθ１、θ２を計算している。

図７（ａ）を参照すると、式１、式２からも明確ではあるが、どの領域においてもθ１≠θ２であり、またθ１はθ２より大きくなる。なお使用例のβ／βｏは内輪におけるパラメータとしているため、１点で接触する外輪側の接触角θｏは変化しない。外輪も２点接触させればβ／βoパラメータ変化に伴い変化する。

図７（ｂ）は、θ１、θ２をラジアル方向中心線を基準に変換したものである。θ１とθ２を上記基準の接触角に変換するには、玉の自転軸の傾きφ分だけ傾ければよいので、変換した第１接触角θ１”＝θ１−φ、変換した第２接触角θ２”＝φ＋θ２として計算できる。

ここで、θ１”が負の値となる場合は、接触点ｂがラジアル方向中心線を越えて接触点ｃと同じ側にくることを意味している。図７（ｂ）からβ／βｏが０．９５あたりから、θ１”が負の値となることがわかる。上記したように、接触点ｂはラジアル方向中心線を越えないことが望ましいので、β／βｏ＜０．９５となることが好ましいことがわかる。

図８はβ／βｏとＱｉ／Ｑoの関係を表した図である。外輪１１０に負荷される荷重をＱｏ、内輪の第１点荷重をＱｉ１、内輪の第２点荷重をＱｉ２とする。なお、Ｑｉ／Ｑｏは２点に分散された内輪上の第１および第２接触荷重が１点荷重で負荷された場合に対してどれくらいの大きさとなるかを表すパラメータである。Ｑ／Ｑｏが１を超える領域は２点接触荷重が１点接触荷重より大きくなる事を意味し、荷重バランスが悪く、寿命の低下や剛性の低下が考えられる。

図８からβ／βｏが０．５５より小さいとＱｉ２／Ｑｏが１以上になっている。Ｑｉ２／Ｑｏはβ／βｏが０．５５から０．８５までは荷重が緩やかに減少していくが、０．９を超えたあたりから、また急激に増えている。これは先に述べたθ１”が負の値となる場合である。つまりラジアル方向中心線を境界として、一方のアキシアル方向に片寄った位置に２つの接触点が存在する場合は、２つの接触点に付加される荷重バランスが悪く、寿命の低下や剛性の低下が考えられる。これらのことから、０．５５＜β／βｏ＜０．９５となる領域で使用することが望ましいことがわかる。

なお、本発明は円すいころ軸受と同様にラジアル荷重とアキシアル荷重（スラスト荷重）の組み合わせ荷重に適用可能であるから、円すいころ軸受の置き換えが可能である。

また本発明は、単列の玉軸受ばかりでなく、複列の玉軸受にも適用することができる。すなわち、３点接触ないし４点接触玉軸受ばかりでなく、６点接触、８点接触玉軸受とすることもできる。複列にするとき、それぞれの列は独立の交点ｏを有していればよく、すべての列が１つの交点ｏに収束する必要はない。

以上説明したように、本発明によれば、２点接触の接触角θ１およびθ２を上記の式１、式２で表される値に設定することにより、外内輪のうち２点接触する側の接触点を結ぶ直線の延長線が、玉の自転軸と外内輪の回転軸との交点に一致する。このため、玉のスピン運動によるすべりによる過大な発熱、焼付き、磨耗などを抑えることができる。さらに、角βを式３の範囲とすることにより、多点接触玉軸受の特徴である２点接触を実現し、負荷荷重をバランスよく分担させる事ができるため、軸受の寿命の向上や高剛性を発揮することができる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施例について説明したが、本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

本発明は、外輪または内輪の少なくとも一方の軌道面と玉が２点接触する多点接触玉軸受に利用することができる。

１０…外内輪の回転軸、１２…玉の自転軸、１４…直線、１６…直線、１００…多点接触玉軸受、１１０…外輪、１１２…軌道面、１１４…接線、１２０…内輪、１３０…保持器、１４０…玉、１４４…直線、Ｄｐｗ…玉のピッチ直径、Ｄｗ…玉の直径、Ｏ…交点、Ｒａ…玉の半径、Ｒｍ…玉のピッチ半径、ａ…玉の中心、ｂ…接触点、ｃ…接触点、ｄ…接触点、ｏ…交点

Claims (2)

1. 外輪と、内輪と、これら外内輪の間に転動可能に配置された複数の玉とを備え、外内輪の回転軸と玉の自転軸が交差する交点を有し、外輪または内輪の少なくとも一方の軌道面と玉が２点接触し、他方の軌道面と玉が１点接触または２点接触する多点接触玉軸受において、
   軌道面と玉が２点で接触する場合には、
   玉と軌道面の２つの接触点と前記交点が一直線上にあり、
   玉と軌道面の２つの接触点と前記交点を結ぶ直線と玉の自転軸とでなす角をβとすると、
   玉の中心を通り玉の自転軸に直交する直線を基準として、
   前記直線から前記交点側の接触点までの接触角θ１と、前記交点の反対側の接触点までの接触角θ２は、
   玉の直径をＤｗ、玉のピッチ直径をＤｐｗ、外内輪の回転軸と玉の自転軸とでなす角をφとして、
   θ１＝π／２＋β−ｓｉｎ^−１（Ｄｐｗ・ｓｉｎβ／Ｄｗ・ｓｉｎφ）
   θ２＝π／２−β−ｓｉｎ^−１（Ｄｐｗ・ｓｉｎβ／Ｄｗ・ｓｉｎφ）
   に設定されていて、
   軌道面と玉が１点で接触する場合の玉と軌道面の接触点と前記交点を結ぶ直線と玉の自転軸とでなす角をβｏとすると、βとβｏの関係が
   ０．５５＜β／βｏ＜０．９５
   に設定されていることを特徴とする多点接触玉軸受。
2. 前記外輪および内輪が複列の軌道面を有することを特徴とする請求項１に記載の多点接触玉軸受。

Images