JP2022150800A - 自動調心ころ軸受 - Google Patents

Abstract

【課題】自動調心ころ軸受のころ転動面及び軌道面の摩耗を抑える。【解決手段】ころ転動面４ａの軸受中央側端部のドロップ量Ｄ１を、ころ転動面４ａの軸受外側端部のドロップ量Ｄ２よりも大きくした。例えば、ころ転動面４ａ、最大径部を含む領域に設けられた主転動面４ａ１と、主転動面４ａ１の軸受中央側に設けられ、主転動面４ａ１を軸受中央側に延ばした仮想面４ａ１’よりもころ軸心Ｍ側に後退したクラウニング面４ａ２とで構成した。【選択図】図２

Description

本発明は、自動調心ころ軸受に関する。

自動調心ころ軸受は、例えば図９に示すように、内周に凹球面状の軌道面１０２ａが形成された外輪１０２と、外周に２列の凹曲面状の軌道面１０３ａが形成された内輪１０３と、外輪１０２の軌道面１０２ａと内輪１０３の各軌道面１０３ａとの間に配された複数のころ１０４で構成されたころ列Ｌ１’，Ｌ２’と、各ころ列Ｌ１’，Ｌ２’のころ１０４を転動自在に保持する保持器１０５とを備える。

図９に示す軸方向断面で、ころ１０４の転動面（以下、「ころ転動面」とも言う。）１０４ａの曲率半径は、外輪１０２及び内輪１０３の軌道面１０２ａ，１０３ａの曲率半径よりも僅かに小さくなっている。そのため、外輪１０２と内輪１０３の相対回転時には、ころ転動面１０４ａと各軌道面１０２ａ，１０３ａとの周速差によって差動滑りが発生する。この差動滑りは、各軌道面１０２ａ，１０３ａところ転動面１０４ａとの間に十分な潤滑油膜が形成されていれば大きな問題にはならない。しかし、ロボットアームの関節部などの高荷重かつ超低速回転で動く部位に自動調心ころ軸受が設けられる場合には、各軌道面ところ転動面との間に十分な潤滑油膜が形成されにくいため、特に周速差の大きいころの軸方向端部付近で、作動滑りにより軌道面やころ転動面に摩耗が生じやすくなる。

また、近年、各種機械装置では、高荷重条件での省エネルギー化を図るために、使用される潤滑油の微量化や低粘度化が進んでいる。このような状況では、接触しながら相対運動をする機械要素において、接触面間に十分な潤滑油膜が形成されず、表面損傷を引き起こす恐れがある。例えばロボットアームの関節部に用いられる軸受は、揺動運動が主体となり、頻繁に動作速度が０となるため、接触面間に潤滑油膜が形成されにくくなり、軸受の部材同士（例えばころと外輪及び内輪）が直接接触する可能性が高くなる。また、揺動時には、軸受の回転方向の反転により運動方向が急激に変化するため、接触面間にすべりが発生しやすく、摩耗が生じやすい。

例えば、ころ転動面の両端にクラウニングを設ける構成が知られている（例えば、下記の特許文献１参照）。このように、ころ転動面の軸方向両端にクラウニングを設けてこの部分を軌道面から離反させることで、ころ転動面の軸方向両端における面圧を低減することができる。これにより、周速差の大きいころ転動面の軸方向端部付近におけるＰＶ値を低減し、この部分の軌道面及びころ転動面の摩耗を抑えることができる。

特開２００９－１９７９０４号公報

ところで、自動調心ころ軸受では、上述のように、軸方向断面において、ころ転動面の曲率半径が、外輪及び内輪の軌道面の曲率半径よりも僅かに小さくなっているため、ころ転動面の中央部と軌道面との接触部において最大面圧が発生する。従って、ころ転動面の両端にクラウニングを設けると、ころ転動面と軌道面との接触面積が減少し、最大面圧が上昇するため、潤滑条件が悪い場合に、ころ転動面の中央部付近でころ転動面や軌道面の摩耗が大きくなることが懸念される。

そこで、本発明は、自動調心ころ軸受のころ転動面及び軌道面の摩耗を抑えることを目的とする。

図６～８に、自動調心ころ軸受に設けられた複列のころ列のうち、一方のころ列（例えば、図９の右側のころ列Ｌ２’）のころ転動面と外輪及び内輪の軌道面との接触面圧Ｐ（図６参照）、滑り速度（図７参照）、及びＰＶ値（図８参照）を示す。図６～８の左側は、自動調心ころ軸受の軸方向中央側（例えば、図９の右側のころ列Ｌ２’のころ１０４の左側）であり、以下、「軸受中央側」と言う。また、図６～８の右側は、自動調心ころ軸受の軸方向外側（例えば、図９の右側のころ列Ｌ２’のころ１０４の右側）であり、以下、「軸受外側」と言う。

ころ転動面の軸方向中央付近では、軌道面ところ転動面との接触面圧は大きいが（図６参照）、これらの面の間に滑りはほとんど生じないため（図７参照）、ＰＶ値は比較的小さくなる（図８参照）。一方、ころ転動面の軸受中央側の端部付近では、軌道面ところ転動面との接触面圧は比較的小さいが（図６参照）、これらの面の間の滑り速度が大きいため（図７参照）、ＰＶ値が大きくなる（図８参照）。また、ころ転動面の軸受外側の端部付近では、軌道面ところ転動面との接触面圧は比較的小さく（図６参照）、これらの面の間の滑り速度もそれ程大きくないため（図７参照）、ＰＶ値は比較的小さくなる（図８参照）。以上のように、自動調心ころ軸受では、ころ転動面と軌道面とのＰＶ値が、ころ転動面の両端で大きくなっているのではなく、ころ転動面の軸受中央側の端部のみで大きくなっている（図８参照）。このため、自動調心ころ軸受では、ころ転動面の軸受中央側端部付近で、軌道面およびころ転動面の摩耗が生じやすい。

以上の知見に基づいてなされた本発明は、内周に凹球面状の軌道面を有する外輪と、外周に複列の凹曲面状の軌道面を有する内輪と、前記外輪の軌道面と前記内輪の各軌道面との間にそれぞれ配され、外周に凸曲面状の転動面を有する複数のころとを備えた自動調心ころ軸受において、
前記ころの転動面の軸受中央側端部のドロップ量が、前記ころの転動面の軸受外側端部のドロップ量よりも大きいことを特徴とする。

このように、ころ転動面の軸受中央側端部のドロップ量を大きくすることで、ころ転動面の軸受中央側端部と軌道面とが接触しにくくなるため、この部分におけるＰＶ値が低減される。一方、ころ転動面の軸受外側端部のドロップ量を小さくすることで、ころ転動面と軌道面との接触面積を確保して最大面圧の上昇を抑えることができる。

ころ転動面は、最大径部を含む領域に設けられた主転動面と、主転動面の軸受中央側に設けられ、主転動面を軸受中央側に延ばした仮想面よりもころ軸心側に後退したクラウニング面とで構成することができる。このように、主転動面の軸受中央側のみにクラウニング面を設けることで、ころ転動面の軸受中央側端部のドロップ量を、軸受外側端部のドロップ量よりも大きくすることができる。

また、ころ転動面は、最大径部を含む領域に設けられた主転動面と、主転動面の軸受中央側に設けられ、主転動面を軸受中央側に延ばした仮想面よりもころ軸心側に後退した第一クラウニング面と、主転動面の軸受外側に設けられ、主転動面を軸受外側に延ばした仮想面よりもころ軸心側に後退した第二クラウニング面とからなる構成とすることができる。このように、主転動面の両側にクラウニング面を設けた場合、両クラウニング面の曲率半径や形成領域を異ならせることで、ころ転動面の両端のドロップ量を異ならせることができる。

上記の自動調心ころ軸受は、揺動軸の支持、例えばロボットアームの関節軸の支持に好適に用いることができる。

以上のように、本発明の自動調心ころ軸受によれば、ころ転動面と軌道面との接触部の全域でＰＶ値が抑えられるため、ころ転動面や軌道面の摩耗を抑えることができる。

本発明の実施形態に係る自動調心ころ軸受の軸方向断面図である。 上記自動調心ころ軸受のころの側面図である。 図２の拡大図である。 他の実施形態に係るころの側面図である。 ロボットアームの側面図である。 自動調心ころ軸受のころ転動面と軌道面との面圧を示す図である。 自動調心ころ軸受のころ転動面と軌道面との滑り速度を示す図である。 自動調心ころ軸受のころ転動面と軌道面とのＰＶ値を示す図である。 従来の自動調心ころ軸受の軸方向断面図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

本発明の一実施形態に係る自動調心ころ軸受１は、図１に示すように、外輪２と、内輪３と、複数のころ４と、保持器５とを備える。本実施形態では、外輪２が静止部材に固定され、内輪３が回転部材（例えば回転軸、特に揺動軸）に固定される。この他、内輪３を静止部材に固定し、外輪２を回転部材に固定してもよい。あるいは、外輪２を第一の回転部材に固定し、内輪３を、第一の回転部材に対して相対回転する第二の回転部材に固定してもよい。

外輪２の内周には、凹球面状の軌道面２ａが形成される。図示例では、外輪２の軌道面２ａが、軸方向中央で、回転中心に対する直径が最大となっている。内輪３の外周には、２列の凹曲面状（図示例では断面凹円弧状）の軌道面３ａが形成される。外輪２の軌道面２ａと内輪３の一方の軌道面３ａとの間に複数のころ４が配され、この複数のころ４で一方のころ列Ｌ１が形成される。外輪２の軌道面２ａと内輪３の他方の軌道面３ａとの間に複数のころ４が配され、この複数のころ４で他方のころ列Ｌ２が形成される。

保持器５は、各ころ列Ｌ１，Ｌ２のころ４を転動自在に保持する。図示例では、一方のころ列Ｌ１のころ４を保持する保持器５と、他方のころ列Ｌ２のころ４を保持する保持器５とが別体に形成される。保持器５は、複数のポケット５ａが周方向等間隔に形成され、各ポケット５ａにころ４が一つずつ収容される。尚、両ころ列Ｌ１、Ｌ２のころ４を保持する保持器５を一部品として一体に形成してもよい。図示例の保持器５は、内輪３の外周面と摺動する、いわゆる内輪案内タイプである。この他、保持器５を、外輪２の内周面と摺動する、いわゆる外輪案内タイプや、ころ４のみと摺動するころ案内タイプとしてもよい。

図示例では、各ころ４の軸方向両側の端面４ｂ，４ｃが、保持器５のみと接触し、保持器５以外の部材とは接触していない。この他、内輪３に、各ころ４の軸受中央側の端面４ｂと摺動する大鍔部や、各ころ４の軸受外側の端面４ｃと摺動する小鍔部を設けてもよい。また、各ころ列Ｌ１，Ｌ２の間に、各ころ列Ｌ１，Ｌ２のころ４の軸受中央側の端面４ｂと摺動する案内輪を設けてもよい。

図２に示すように、ころ４は、外周に凸曲面状の転動面４ａを有し、全体として「たる形」を成している。ころ４の転動面４ａ（以下、「ころ転動面４ａ」とも言う。）は、軸方向両端よりも軸方向中央が大径である。図示例のころ転動面４ａは、軸方向中央が最大径となり、軸方向両側へ向けて徐々に縮径している。ころ４の転動面４ａと軸方向両端面４ｂ、４ｃとの間には、それぞれ面取り部４ｄ、４ｅが形成される。

ころ転動面４ａは、軸心方向で非対称な形状を有する。具体的に、各ころ列Ｌ１，Ｌ２のころ転動面４ａの軸受中央側（相手方のころ列に近い側）の端部のドロップ量Ｄ１は、ころ転動面４ａの軸受外側（相手方のころ列から遠い側）の端部のドロップ量Ｄ２よりも大きい。ころ転動面４ａの端部のドロップ量とは、ころ転動面４ａの最大径部（図示例では軸方向中央）の半径と、転動面４ａの軸方向端部における半径との差のことを言う。本実施形態では、各ころ列Ｌ１，Ｌ２のころ４として、同一形状のころ４を反転させた状態で使用している。尚、図２では、ころ転動面４ａの端部のドロップ量Ｄ１，Ｄ２を誇張して示している（後述する図４も同様）。

図示例では、ころ転動面４ａが、主転動面４ａ１と、クラウニング面４ａ２とからなる。主転動面４ａ１は、ころ転動面４ａの最大径部（図示例では軸方向中央）を含む領域に設けられ、軸受外側の端部が面取り部４ｅと接続している。主転動面４ａ１は、軸方向断面が曲率半径Ｒ１の円弧で形成される。主転動面４ａ１の曲率半径Ｒ１は、外輪２の軌道面２ａおよび内輪３の軌道面３ａの曲率半径よりも若干小さい。主転動面４ａ１の曲率中心は、ころ４の軸心Ｍの中央と直交する平面Ｎ（以下、「ころ中央面Ｎ」と言う。）上に配される。

クラウニング面４ａ２は、図３に示すように、主転動面４ａ１を軸受中央側に延ばした仮想面４ａ１’よりもころ軸心Ｍ側に後退した位置に設けられる。クラウニング面４ａ２の軸受外側の端部は主転動面４ａ１と滑らかに連続し、クラウニング面４ａ２の軸受中央側の端部は面取り部４ｄに接続される。図示例のクラウニング面４ａ２は、軸方向断面が、曲率半径Ｒ２の円弧で形成される（図２参照）。クラウニング面４ａ２の曲率半径Ｒ２は、主転動面４ａ１の曲率半径Ｒ１よりも小さい。尚、クラウニング面４ａ２の形状は上記に限らず、例えば、クラウニング面４ａ２の軸方向断面を、対数曲線や楕円弧で構成したり、曲率半径の異なる複数の円弧で構成したりしてもよい。

自動調心ころ軸受１では、外輪２と内輪３の相対回転時に、ころ転動面４ａの軸受中央側の端部付近で、ころ転動面４ａと各軌道面２ａ，３ａとの接触部におけるＰＶ値が最大となる（図８参照）。従って、上記のように、ころ転動面４ａの軸受中央側の端部を含む領域にクラウニング面４ａ２を設けたことにより、ころ転動面４ａの軸受中央側の端部と外輪２の軌道面２ａおよび内輪３の軌道面３ａとが接触しにくくなる。これにより、ころ転動面４ａの軸受中央側端部付近におけるころ転動面４ａと各軌道面２ａ，３ａとの面圧が低減され、これらの接触部におけるＰＶ値が低減されるため、この部分におけるころ転動面４ａ及び各軌道面２ａ，３ａの摩耗を抑えることができる。

ところで、ころ転動面４ａにクラウニング面を設けると、ころ転動面４ａと各軌道面２ａ，３ａとの接触面積が低減されるため、最大面圧が上昇する。本実施形態では、上記のように、ころ転動面４ａの軸受中央側の端部のみにクラウニング面４ａ２を設け、ころ転動面４ａの軸受外側の端部にはクラウニング面を設けていない。これにより、特にころ転動面４ａのころ中央面Ｎよりも軸受外側の領域において、ころ転動面４ａと各軌道面２ａ，３ａとの接触面積がある程度確保される。従って、ころ転動面４ａと各軌道面２ａ，３ａとの接触部における最大面圧の上昇が抑えられ、最大面圧発生部（本実施形態では、ころ転動面４ａの最大径部）におけるころ転動面４ａ及び各軌道面２ａ，３ａの摩耗を抑えることができる。

本発明は、上記の実施形態に限られない。以下、本発明の他の実施形態を説明するが、上記の実施形態と同様の点については説明を省略する。

図４に示す実施形態では、ころ転動面４ａの主転動面４ａ１の軸受中央側に第一クラウニング面４ａ２が設けられ、主転動面４ａ１の軸受外側に第二クラウニング面４ａ３が設けられる。ころ転動面４ａの軸受中央側の端部におけるドロップ量Ｄ１は、ころ転動面４ａの軸受外側の端部におけるドロップ量Ｄ２よりも大きい。図示例では、第一クラウニング面４ａ２の曲率半径Ｒ２と第二クラウニング面４ａ３の曲率半径Ｒ３とが等しく、第一クラウニング面４ａ２の軸方向寸法を、第二クラウニング面４ａ３の軸方向寸法よりも大きくすることで、上記のドロップ量の関係（Ｄ１＞Ｄ２）を満たしている。この他、両クラウニング面４ａ２，４ａ３の軸方向寸法を等しくして、第一クラウニング面４ａ２の曲率半径Ｒ２を第二クラウニング面４ａ３の曲率半径Ｒ３よりも小さくすることで、上記のドロップ量の関係（Ｄ１＞Ｄ２）を満たしてもよい。あるいは、両クラウニング面４ａ２，４ａ３の曲率半径および軸方向寸法の双方を異ならせて、上記のドロップ量の関係（Ｄ１＞Ｄ２）を満たしてもよい。

また、一方のころ列Ｌ１のころ４と、他方のころ列Ｌ２のころ４の形状を異ならせてもよい。例えば、一方のころ列Ｌ１のころ４に加わる負荷が、他方のころ列Ｌ２のころ４に加わる負荷よりも大きい場合、一方のころ列Ｌ１のころ４の転動面４ａのみを、両端のドロップ量が異なる形状（例えば、図２あるいは図４に示す形状）とし、他方のころ列Ｌ２のころの転動面を、両端のドロップ量が等しい形状（例えば、軸方向断面が単一の円弧からなる形状）としてもよい。あるいは、負荷の大きい一方のころ列Ｌ１のころ転動面４ａの軸方向中央側端部におけるドロップ量Ｄ１を、負荷の小さい他方のころ列Ｌ２のころ転動面４ａの軸方向中央側端部におけるドロップ量Ｄ１よりも大きくしてもよい。この場合、両ころ列Ｌ１，Ｌ２のころ転動面４ａに設けられるクラウニング面４ａ２の形状（曲率半径Ｒ２や軸方向寸法など）を異ならせればよい。

以上のような自動調心ころ軸受１は、例えば図５に示すようなロボットアーム１０のバランサ２０に適用できる。ロボットアーム１０は、固定台１１と、回転ベース１２と、アーム１３等を有する。回転ベース１２は、固定台１１の上で、鉛直方向の回転軸周りに回転可能に設けられる。アーム１３は、水平方向の回転軸１４を介して回転ベース１２に取り付けられる。回転ベース１２およびアーム１３は、それぞれ図示しない駆動手段により回転駆動される。

バランサ２０の一端および他端は、軸受１を介して、それぞれ回転ベース１２およびアーム１３に取り付けられる。バランサ２０は伸縮機構２１を有する。伸縮機構２１としては、例えば油圧シリンダや電動シリンダが使用される。伸縮機構２１を駆動してバランサ２０の両端を接近・離反させることで、アーム１３の回転軸１４周りの回転が補助される。アーム１３は回転軸１４を中心として揺動するため、バランサ２０の両端を支持する軸受１は、大きなラジアル荷重を受けながら、回転方向が頻繁に反転する。このような部位に用いられる軸受１として、上記のような自動調心ころ軸受１が好適に使用される。

１ 自動調心ころ軸受
２ 外輪
２ａ 軌道面
３ 内輪
３ａ 軌道面
４ ころ
４ａ 転動面
４ａ１ 主転動面
４ａ１’ 仮想面
４ａ２ クラウニング面
５ 保持器

Claims (5)

1. 内周に凹球面状の軌道面を有する外輪と、外周に複列の凹曲面状の軌道面を有する内輪と、前記外輪の軌道面と前記内輪の各軌道面との間にそれぞれ配され、外周に凸曲面状の転動面を有する複数のころとを備えた自動調心ころ軸受において、
   前記ころの転動面の軸受中央側端部のドロップ量が、前記ころの転動面の軸受外側端部のドロップ量よりも大きいことを特徴とする自動調心ころ軸受。
2. 前記ころの転動面が、最大径部を含む領域に設けられた主転動面と、前記主転動面の軸受中央側に設けられ、前記主転動面を軸受中央側に延ばした仮想面よりもころ軸心側に後退したクラウニング面とからなる請求項１に記載の自動調心ころ軸受。
3. 前記ころの転動面が、最大径部を含む領域に設けられた主転動面と、前記主転動面の軸受中央側に設けられ、前記主転動面を軸受中央側に延ばした仮想面よりもころ軸心側に後退した第一クラウニング面と、前記主転動面の軸受外側に設けられ、前記主転動面を軸受外側に延ばした仮想面よりもころ軸心側に後退した第二クラウニング面とからなる請求項１に記載の自動調心ころ軸受。
4. 揺動軸の支持に用いられる請求項１～３の何れか１項に記載の自動調心ころ軸受。
5. ロボットアームの関節軸の支持に用いられる請求項１～４の何れか１項に記載の自動調心ころ軸受。
   

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