JP2020143695A - クロスローラ軸受 - Google Patents

Abstract

【課題】クロスローラ軸受において、ローラの軸方向移動による軸受トルクの増大を抑える。【解決手段】外輪１の一対の傾斜軌道面１ａおよび内輪２の一対の傾斜軌道面２ａの軸方向断面形状を凸曲線形状に形成し、ローラ３の外周面の軸方向断面形状を外輪１および内輪２の傾斜軌道面１ａ、２ａの凸曲線形状に対応する凹曲線形状に形成することにより、ローラの外周面が軌道輪の負荷側の傾斜軌道面と直線的に接触する従来のものに比べて、ローラ３の軸方向移動が抑制されて、ローラ３の端面が外輪１の非負荷側の傾斜軌道面１ａと内輪２の非負荷側の傾斜軌道面２ａのいずれにも接触しにくくなり、使用中の軸受トルクの増大を抑えられるようにしたのである。【選択図】図１

Description

本発明は、外輪と内輪の間に周方向に交互に傾斜方向が変わるようにローラを組み込んだクロスローラ軸受に関する。

クロスローラ軸受は、外輪の内周面に形成された互いに直交する一対の傾斜軌道面と、内輪の外周面に形成された互いに直交する一対の傾斜軌道面との間に、複数のローラを軸受周方向に交互に傾斜方向が変わるように配したもので、大きなラジアル荷重やスラスト荷重、モーメント荷重を支えることができる軸受として、産業機械等に広く使用されている。

このようなクロスローラ軸受には、ローラとして生産量が多くコスト的に有利な円筒ころを使用し、これに合わせて、外輪および内輪（以下、合わせて「軌道輪」とも称する。）の各傾斜軌道面をその軸方向断面において直線状に形成したものが多い（例えば、特許文献１参照。）。

特許第３７３９０５６号公報

上記の円筒ころからなるローラを使用したクロスローラ軸受の一例を図３に示す。このクロスローラ軸受は、外輪５１および内輪５２がそれぞれ一体形成されたもので、その外輪５１の内周面に互いに直交するように形成された一対の傾斜軌道面５１ａと、内輪５２の外周面に互いに直交するように形成された一対の傾斜軌道面５２ａとの間に、円筒ころからなるローラ５３を周方向に交互に傾斜方向が変わるように配している。

前記外輪５１の一対の傾斜軌道面５１ａは、その軸方向断面において、外輪５１の内周面の軸方向中央部に形成された逃げ溝５１ｂから軸方向両側へ直線状に延び、そのうちの一方の傾斜軌道面５１ａがローラ５３の外周面と直線的に接触している。同様に、前記内輪５２の一対の傾斜軌道面５２ａは、その軸方向断面において、内輪５２の外周面の軸方向中央部に形成された逃げ溝５２ｂから軸方向両側へ直線状に延び、そのうちの一方の傾斜軌道面５２ａがローラ５３の外周面と直線的に接触している。なお、以下の説明では、軌道輪（外輪および内輪）の傾斜軌道面のうち、軸方向断面において、ローラの外周面と接触する方を「負荷側」、ローラの外周面と接触しない方を「非負荷側」と称する。

また、ローラ５３の軸方向寸法は、互いに対向する外輪５１の傾斜軌道面５１ａと内輪５２の傾斜軌道面５２ａの間の距離よりも小さく形成され、ローラ５３の端面と外輪５１の非負荷側の傾斜軌道面５１ａとの間および内輪５２の非負荷側の傾斜軌道面５２ａとの間に隙間ができるようになっている。

ところが、ローラ５３の外周面が軌道輪５１、５２の負荷側の傾斜軌道面５１ａ、５２ａと直線的に接触している状態では、ローラ５３が軸方向に比較的自由に移動することができるため、使用中に、軸方向移動したローラ５３の端面が、外輪５１の非負荷側の傾斜軌道面５１ａまたは内輪５２の非負荷側の傾斜軌道面５２ａに接触して摩擦抵抗を生じ、軸受トルクが大きくなりやすい。このことは、特に、長期間にわたって安定使用できることが求められるクロスローラ軸受、例えばロボット用の減速機に組み込まれるもの等で問題となる。

そこで、本発明は、クロスローラ軸受において、ローラの軸方向移動による軸受トルクの増大を抑えることを課題とする。

本発明は、上記の課題を解決するために、内周面に互いに直交する一対の傾斜軌道面を有する外輪と、外周面に互いに直交する一対の傾斜軌道面を有する内輪と、前記外輪の一対の傾斜軌道面と前記内輪の一対の傾斜軌道面との間に、周方向に交互に傾斜方向が変わるように配される複数のローラとを備えたクロスローラ軸受において、前記外輪の各傾斜軌道面および前記内輪の各傾斜軌道面は、その軸方向断面形状が凸曲線形状に形成され、前記ローラの外周面は、その軸方向断面形状が前記外輪および内輪の傾斜軌道面の凸曲線形状に対応する凹曲線形状に形成されている構成を採用した。なお、ここでの「軸方向断面形状」は、以下の説明では、単に「断面形状」とも称する。

上記の構成によれば、ローラの外周面が軌道輪の負荷側の傾斜軌道面と直線的に接触する場合に比べて、ローラの軸方向移動が抑制されるので、ローラの端面が外輪の非負荷側の傾斜軌道面と内輪の非負荷側の傾斜軌道面のいずれにも接触しにくくなり、使用中の軸受トルクの増大を抑えることができる。

ここで、前記ローラが前記外輪と内輪の間に予圧状態で配されている場合、前記ローラの外周面と前記外輪の傾斜軌道面との間の負すきまの大きさおよび前記ローラの外周面と前記内輪の傾斜軌道面との間の負すきまの大きさが、前記ローラの軸方向中心位置から軸端に向かって漸減する（途中で正すきまとなる形態も含む）構成とすることが望ましい。このようにすれば、ローラの外周面の軸方向端部と軌道輪の負荷側の傾斜軌道面との間にエッジロード（端部の接触面圧が過大となること）が生じにくくなり、軸受寿命の延長が図れる。

また、前記ローラが前記外輪と内輪の間に予圧状態で配されている場合、前記外輪の各傾斜軌道面が、その軸方向断面において、前記ローラの外周面との間の負すきまの面積が外輪の軸方向中心側よりも外輪の軸端側で小さくなるように形成された構成と、前記内輪の各傾斜軌道面が、その軸方向断面において、前記ローラの外周面との間の負すきまの面積が内輪の軸端側よりも内輪の軸方向中心側で小さくなるように形成された構成の少なくとも一方を採用するとよい。このようにすれば、下記の理由により、ローラのスキューを抑え、軸受運転の安定性を向上させることができる。

すなわち、ヘルツ理論に従えば、ローラと軌道輪との間の接触面圧が、ローラと外輪との間では外輪の傾斜軌道面が小径側となる軸端側で大きくなる一方、ローラと内輪との間では内輪の傾斜軌道面が小径側となる軸中央側で大きくなり、その結果として、ローラは軸方向の一端側と他端側で摩擦抵抗の大きさが異なってスキューすると考えられるので、上記の構成を採用して、ローラと軌道輪との間の接触面圧のローラ軸方向での差を小さくすることにより、ローラのスキューを生じにくくすることができるのである。

ここで、前記外輪と前記内輪は、いずれか一方を軸方向に分割されたものとしてもよいし、両方を一体形成されたものとしてもよい。また、前記ローラは、保持器によって周方向に等間隔で配されるようにしてもよいし、隣り合うものと互いに接触する状態、いわゆる総ころ状態で配されるようにしてもよい。

本発明のクロスローラ軸受は、上述したように、軌道輪の傾斜軌道面の断面形状を凸曲線形状に形成し、ローラの外周面の断面形状を軌道輪の傾斜軌道面の凸曲線形状に対応する凹曲線形状に形成して、ローラの軸方向移動が抑制されるようにしたものであるから、ローラの端面が軌道輪の非負荷側の傾斜軌道面に接触しにくく、使用中の軸受トルクの増大を抑えることができる。

実施形態のクロスローラ軸受の要部の縦断正面図 （ａ）および（ｂ）は、それぞれ図１のローラと外輪および内輪との間の負すきまの軸方向分布の説明図 従来のクロスローラ軸受の要部の縦断正面図

以下、図１および図２に基づき、本発明の実施形態を説明する。このクロスローラ軸受は、ロボット用の減速機に組み込まれるもので、図１に示すように、内周面に互いに直交する一対の傾斜軌道面１ａを有する外輪１と、外周面に互いに直交する一対の傾斜軌道面２ａを有する内輪２と、外輪１の一対の傾斜軌道面１ａと内輪２の一対の傾斜軌道面２ａとの間に、周方向に交互に傾斜方向が変わるように配される複数のローラ３とを備えている。その外輪１および内輪２はそれぞれ一体形成されており、ローラ３は隣り合うものと互いに接触する状態、いわゆる総ころ状態で配されている。なお、図１では、軌道輪（外輪１および内輪２）の傾斜軌道面１ａ、２ａおよびローラ３の外周面の形状は誇張して描かれている。

前記外輪１の一対の傾斜軌道面１ａは、その軸方向断面において、外輪１の内周面の軸方向中央部に形成された逃げ溝１ｂから軸方向両側へ延び、それぞれ凸曲線形状に形成されている。同様に、内輪２の一対の傾斜軌道面２ａも、その軸方向断面において、内輪２の外周面の軸方向中央部に形成された逃げ溝２ｂから軸方向両側へ延び、それぞれ凸曲線形状に形成されている。

ここで、軌道輪１、２の傾斜軌道面１ａ、２ａの断面形状は、それぞれ組立状態でローラ３の外周面の軸方向中心位置と接触する位置を境界として、曲率半径の異なる２つのＲ形状を連続させたものとなっている。そして、そのうちの外輪１の傾斜軌道面１ａの断面形状は、外輪１の軸端側のＲ形状の曲率半径Ｒ_１ｘが外輪１の軸方向中心側のＲ形状の曲率半径Ｒ_１ｙよりも大きく形成され、内輪２の傾斜軌道面２ａの断面形状は、内輪２の軸端側のＲ形状の曲率半径Ｒ_２ｘよりも内輪２の軸方向中心側のＲ形状の曲率半径Ｒ_２ｙの方が大きく形成されている。

一方、前記ローラ３は、その外周面の断面形状が、軌道輪１、２の傾斜軌道面１ａ、２ａの凸曲線形状に対応する凹曲線形状に形成され、ロボット用の減速機に求められる高い剛性が得られるように、外輪１と内輪２の間に予圧状態、すなわちローラ３の外周面と軌道輪１、２の負荷側の傾斜軌道面１ａ、２ａとの間の隙間が負すきまとなる状態で組み込まれている。

ここで、ローラ３の外周面の断面形状は、図示は省略するが、組込前の状態で一定の曲率半径のＲ形状とされており、その曲率半径は軌道輪１、２の傾斜軌道面１ａ、２ａの各Ｒ形状よりも大きく形成されている。また、ローラ３の軸方向寸法は、互いに対向する外輪１の傾斜軌道面１ａと内輪２の傾斜軌道面２ａ間の距離よりも小さく形成され、ローラ３の端面と外輪１の非負荷側の傾斜軌道面１ａとの間および内輪２の非負荷側の傾斜軌道面２ａとの間に隙間ができるようになっている。

このクロスローラ軸受は、上記の構成であり、軌道輪１、２の傾斜軌道面１ａ、２ａの断面形状が凸曲線形状に形成され、ローラ３の外周面の断面形状が軌道輪１、２の傾斜軌道面１ａ、２ａの凸曲線形状に対応する凹曲線形状に形成されているので、ローラの外周面が軌道輪の負荷側の傾斜軌道面と直線的に接触する従来のものに比べて、ローラ３の軸方向移動が抑制されて、ローラ３の端面が外輪１の非負荷側の傾斜軌道面１ａと内輪２の非負荷側の傾斜軌道面２ａのいずれにも接触しにくく、使用中の軸受トルクの増大を抑えることができる。

なお、軌道輪１、２の傾斜軌道面１ａ、２ａの凸部高さおよびローラ３の外周面の凹部深さは、図１では誇張しているが、実際には数μｍ程度でも上記の効果を発揮するので、軸受のサイズや予圧量等に応じた条件を設定して容易に加工することができる。

そして、ローラ３の端面を軌道輪１、２の非負荷側の傾斜軌道面１ａ、２ａに接触しない寸法関係とすれば、ローラ３の端面の表面加工を従来の研削加工から旋削加工に変更したり省略したりして、ローラの製作コストの削減を図ることもできる。

また、このクロスローラ軸受では、軌道輪１、２の傾斜軌道面１ａ、２ａおよびローラ３の外周面の断面形状の曲率半径を上記のように設定したことによって、組込状態でのローラ３と軌道輪１、２との間に、図２（ａ）、（ｂ）に示すような負すきまδ_１、δ_２のローラ軸方向分布が生じる。なお、この図２でも、負すきまδ_１、δ_２は誇張して描かれている。

図２（ａ）、（ｂ）に示したように、ローラ３と軌道輪１、２との間の負すきまδ_１、δ_２の大きさは、ローラ３の軸方向中心位置から軸端に向かって漸減している。これにより、ローラ３の外周面の軸方向端部と軌道輪１、２の負荷側の傾斜軌道面１ａ、２ａとの間にエッジロードが生じにくく、軸受寿命の延長が図れるようになっている。

さらに、ローラ３の外周面と外輪１の傾斜軌道面１ａとの間の負すきまδ_１の面積は、外輪１の軸方向中心側よりも外輪１の軸端側で小さくなっており（図２（ａ））、ローラ３の外周面と内輪２の傾斜軌道面２ａとの間の負すきまδ_２の面積は、内輪２の軸端側よりも内輪２の軸方向中心側で小さくなっている（図２（ｂ））。

このため、従来では、軌道輪の傾斜軌道面の径方向寸法が軸方向で異なることに起因して、ローラと軌道輪との接触面圧がローラ軸方向で不均一となり、ローラのスキューが生じやすくなっているところが、このクロスローラ軸受では、ローラ３と軌道輪１、２との間の負すきまδ_１、δ_２のローラ軸方向分布によって接触面圧のローラ軸方向の不均一さが緩和され、ローラ３のスキューが生じにくく、軸受運転の安定性が高いものとなっている。

ここで、上述した実施形態では、ローラ３と軌道輪１、２との間の隙間は、ローラ３の全長で負すきまが生じるようにしたが、ローラの軸方向中心位置から軸端に向かう途中で負すきまから正すきまに代わるようにしてもよい。

また、上述した実施形態では、外輪１の傾斜軌道面１ａと内輪２の傾斜軌道面２ａの断面形状を、いずれもローラ３のスキューを抑える作用を生じる形状としたが、外輪の傾斜軌道面と内輪の傾斜軌道面のうち、いずれか一方の断面形状を実施形態のように形成し、もう一方の断面形状はローラの軸方向中心を通ってローラの軸線方向と直交する線に対して対称に形成するようにしてもよい。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。この発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

例えば、ローラのスキュー抑制に重点をおかない場合は、両方の軌道輪の傾斜軌道面の断面形状を単一のＲ形状等として、軌道輪の加工コストを実施形態よりも低減することができる。

また、本発明のクロスローラ軸受は、実施形態のように外輪および内輪をそれぞれ一体形成し、ローラを総ころ状態かつ予圧状態で配したものに限らず、外輪と内輪のいずれか一方が軸方向に分割されているものや、ローラが保持器によって周方向に等間隔で配されているもの、ローラが予圧のない状態で配されているものにも、もちろん適用することができる。

さらに、本発明を応用すれば、外輪および内輪の各傾斜軌道面の軸方向断面形状が凹曲線形状に形成され、ローラの外周面の軸方向断面形状が外輪および内輪の傾斜軌道面の凹曲線形状に対応する凸曲線形状に形成されたクロスローラ軸受においても、ローラが外輪と内輪の間に予圧状態で配されている場合に、外輪の各傾斜軌道面を、その軸方向断面でローラの外周面との間の負すきまの面積が外輪の軸方向中心側よりも外輪の軸端側で小さくなるように形成する構成と、内輪の各傾斜軌道面を、その軸方向断面でローラの外周面との間の負すきまの面積が内輪の軸端側よりも内輪の軸方向中心側で小さくなるように形成する構成の少なくとも一方を採用することにより、ローラと軌道輪との間の接触面圧のローラ軸方向での差を小さくして、ローラのスキューを生じにくくすることができる。

１ 外輪
１ａ 傾斜軌道面
１ｂ 逃げ溝
２ 内輪
２ａ 傾斜軌道面
２ｂ 逃げ溝
３ ローラ

Claims (5)

1. 内周面に互いに直交する一対の傾斜軌道面を有する外輪と、外周面に互いに直交する一対の傾斜軌道面を有する内輪と、前記外輪の一対の傾斜軌道面と前記内輪の一対の傾斜軌道面との間に、周方向に交互に傾斜方向が変わるように配される複数のローラとを備えたクロスローラ軸受において、
   前記外輪の各傾斜軌道面および前記内輪の各傾斜軌道面は、その軸方向断面形状が凸曲線形状に形成され、前記ローラの外周面は、その軸方向断面形状が前記外輪および内輪の傾斜軌道面の凸曲線形状に対応する凹曲線形状に形成されていることを特徴とするクロスローラ軸受。
2. 前記ローラは前記外輪と内輪の間に予圧状態で配されており、前記ローラの外周面と前記外輪の傾斜軌道面との間の負すきまの大きさおよび前記ローラの外周面と前記内輪の傾斜軌道面との間の負すきまの大きさが、前記ローラの軸方向中心位置から軸端に向かって漸減することを特徴とする請求項１に記載のクロスローラ軸受。
3. 前記ローラは前記外輪と内輪の間に予圧状態で配されており、前記外輪の各傾斜軌道面が、その軸方向断面において、前記ローラの外周面との間の負すきまの面積が外輪の軸方向中心側よりも外輪の軸端側で小さくなるように形成された構成と、前記内輪の各傾斜軌道面が、その軸方向断面において、前記ローラの外周面との間の負すきまの面積が内輪の軸端側よりも内輪の軸方向中心側で小さくなるように形成された構成の少なくとも一方が採用されていることを特徴とする請求項１または２に記載のクロスローラ軸受。
4. 前記外輪および前記内輪がそれぞれ一体形成されたものであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のクロスローラ軸受。
5. 前記ローラが隣り合うものと互いに接触する状態で配されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のクロスローラ軸受。

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