JP2615959B2 - 自動調心ころ軸受 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、長寿命で且つ発熱、摩擦トルクの少ない自
動調心ころ軸受に関する。

〔従来の技術〕

従来の自動調心ころ軸受にあっては、内輪や外輪の軌
道面と転動体である球面ころの転動面との接触状態やそ
れらの面の輪郭（母線）半径、ころの転動面とチャンフ
ァ部分との接続部分のかど曲率半径、上記各軌道面や転
動面の表面粗さ等の内部諸元は、それぞれ目的に応じて
適当な設計値を与えていた。例えば、特公昭55−31328
号公報には、軸受の使用時における摩擦トルクや温度上
昇を低減させるために、内輪と外輪との軌道面における
溝の曲率半径と転動体曲率半径との曲率比を特定するこ
とが提示されている。すなわち、内輪と外輪との軌道面
の溝曲率半径をそれぞれR_b,R_aとし、ころの転動面の曲
率半径をR_cとしたとき、曲率比R_c/R_b、R_c/R_aが下記の式
（10）となることを要旨としている。

0.5＋0.5｛（１＋γ）／（１−γ）｝^1.5＜｛１ −（R_c/R_b）｝／｛１−（R_c/R_a）｝＜1.5｛（１ ＋γ）／（１−γ）｝^1.5−0.5 ……（10） ここに、γ＝（D_Wcosα）/d_m、D_Wはころ直径、d_mはこ
ろピッチ円直径、αは接触角である。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、軸受部品の内部諸元の一部の関係を上
記のように特定した場合でも、軸受部品の軌道面や転動
面の表面粗さの値によっては、ころの大きな傾斜転がり
（スキュー）を避け得ず、軸受の摩擦トルクや温度上昇
を低減することができるとは限らない。その結果、軸受
の転がり疲れ寿命も低下する場合があった。

すなわち、換言すれば、軸受部品の内部諸元を総合的
にみて軸受の性能向上に最適の設計を行うということ
は、従来なかった。

そこで本発明は、上記従来の問題点に着目してなされ
たものであり、その目的とするところは、軸受部品の内
部諸元及びそれらの表面粗さを使用条件に応じて総合的
に最適に選ぶことによってスキュー角を特定の範囲に抑
制した自動調心ころ軸受を提供し、もってその軸受の摩
擦トルクや温度上昇を低下させ、転がり疲れ寿命の増大
をもたらすことにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するため、本発明は、内輪、外輪及び
これら両輪に嵌挿された転動体を有する自動調心ころ軸
受において、 回転時のころのスキュー角が負で、その絶対値が１゜
を超えないように構成したものである。

しかして、上記スキュー角を得るべく、所量の関係を
以下の如くに定めることができる。

内輪軌道面の輪郭半径R_bその平均粗さR_Ab、 外輪軌道面の輪郭半径R_aその平均粗さR_Aa、 ころ転動面の輪郭半径R_cその平均粗さR_Ac のとき 内輪軌道溝半径比f_iをf_i＝R_b/（2R_c）、 外輪軌道溝半径比f_eをf_e＝R_a/（2R_c）、 内輪合成表面粗さR_AiをR_Ai＝（R_Ab ²＋R_Ac ²）^1/2、 外輪合成表面粗さR_AeをR_Ae＝（R_Aa ²＋R_Ac ²）^1/2、 ころの転動面とチャンファ部分との接続部分のかど曲
率半径をR_K、 ころの最大直径をD_W、 ころの長さをL_W、 外輪ところ間の弾性流体潤滑的油膜厚さをh_e、 外輪ところ間の油膜パラメータΛ_ｅをΛ_ｅ＝h_e/R_Ae とし、 （SF）＝（f_i−0.5）／（f_e−0.5）、 （SRA）＝R_Ai/R_Ae、 （SRK）＝100R_K/（D_WL_W）^1/2 とおくと、 Φ≡（SF）／〔（SRA）｛（SRK）Λ_ｅ｝^1/2〕 ＝1.84〜1.39 を満足する。

〔作用〕

回転時のころのスキュー角を小さな負の値に抑制する
と、摩擦トルクや温度上昇が減少し、もって転がり疲れ
寿命の延長が可能となる。

すなわち、上記関数Φの値が1.84を超えると、後述す
るようにスキュー角は正となり、内輪側での滑り運動が
増大する。その結果、一般的に相対疲れ強度が小さい内
輪ところ間の転がり疲れ寿命が短縮され、ひいては軸受
全体としての寿命も短縮される。

一方、上記関数Φの値が1.39未満になると、スキュー
角は負であるがその絶対値が１゜を超え、転動体荷重が
顕著に急増する。その結果、摩擦力，発熱量が増大し、
軸受寿命が短縮される。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例を図とともに説明する。

第１図は、本発明の一実施例を示す複裂自動調心ころ
軸受の上半部の軸方向断面図である。図中、１は外輪、
２は内輪、３は外輪１と内輪２との間に嵌挿された転動
体としてのころである。いま、外輪１に外部荷重Faが、
外輪１からころ３にころ接触力Q_eが、内輪２からころ３
にころ接触力Q_iが働いており、外輪１は紙面から前方に
向かって回転し、内輪２は反対に紙面から後方に向かっ
て回転するものとする。ころ３は外輪１との接触によ
り、矢符号イの方向に自転しつつ紙面から前方へ公転す
る。このとき、ころ３と内外輪との接触面にはたらく滑
り摩擦力の作用でころ３にスキューモメントが加わる。
このスキューモメントは、外輪１ところ３間と内輪２と
ころ３間では方向が反対になる。正常な負荷状態におい
て、外輪１ところ３間の滑り摩擦力によるスキューモメ
ントが、内輪２側におけるころ３との摩擦力によるスキ
ューモメントより優勢である場合は正のスキュー、反対
に内輪２ところ３間の滑り摩擦力によるスキューモメン
トの方が優勢の場合は負のスキューになる。

すなわち、自動調心ころ軸受にあっては、ころ３のス
キュー運動を完全に避けることはできず、正または負の
スキューを生じる。第２図は第１図のＺ方向矢視で示す
正のスキューであり、H₁は内輪２に対するころ３の公転
方向を、H₂は滑りなしの場合のころ３の進行方向を示
す。H₃は内輪２の軌道面がころ３から受ける軸方向摩擦
力の向きを示している。

一方、第３図は負のスキューの場合を表したものであ
り、この場合は、内輪２の軌道面がころ３から受ける軸
方向摩擦力H₃の向きは、上記正の場合の反対になる。

しかして、スキュー角（θ_Ｓ）が正のときは、内輪２
との間のすべり運動が顕著となる。その結果、次に述べ
るように、外輪１より一般的に面圧が大きい内輪２の軌
道面における転がり運動中の滑り運動が増大する。その
ため、内輪２ところ３間の接触における転がり疲れ寿命
が短縮される。

一般に転がり軸受の回転軸直角断面における軌道面断
面形状が、外輪は凹形、内輪は凸形である。そのため、
内輪ところ間の最大接触圧力q_iが外輪ところ間の最大接
触圧力q_eより大きい。したがって内輪ところ間の転がり
疲れ寿命は、外輪ところ間のそれより小さい。このこと
は、内輪ところ間の転がり疲れ寿命が短縮されると、軸
受全体としての寿命も短縮することを意味する。

これに対して、スキュー角（θ_Ｓ）が負のときは、こ
ろ３の大きいすべり運動は外輪１との間で行われて、比
較的に接触面圧の小さい外輪１の軌道面において滑り運
動が増大するので、実質的に軸受の寿命短縮に及ぼす影
響は問題にならない。

よって、本発明のスキュー角θ_Ｓは、負の範囲に限定
される。

ところで、ころ３が負のスキューを生じたときは、そ
の摩擦力の作用方向の関係から、軸受内の転動体荷重が
増大するため、短寿命となることが特公昭57−61933号
公報に開示されている。すなわち、第３図に示すよう
に、負のスキューの場合の内輪軌道面がころ３から受け
る軸方向摩擦力H₃の方向は、内外輪軌道を軸方向に接近
させ、転動体荷重を増加させる方向となる。

これに対し、正のスキューの場合の内輪軌道面がころ
３から受ける軸方向摩擦力H₃の方向は、第２図に示すよ
うに、内外輪軌道を軸方向に遠ざけ、転動体荷重を減ら
す方向に作用する。

しかしながら、本発明者の研究の結果によれば、負の
スキューであってもその絶対値が１゜を超えない範囲内
であれば、転動体荷重の増大の程度は極めて軽微である
ことが判明した。

すなわち本発明者は、自動調心ころ軸受のころのスキ
ュー量の増大を抑制し、温度上昇を減少させ、もって転
がり疲れ寿命の延長をはかるために、軌道輪の軌道面及
びころの転動面の表面粗さの他、軌道輪の溝半径比、こ
ろのかど半径、軸受荷重などの諸量を種々に変化させた
自動調心ころ軸受を試作して運転した。そして、そのと
きの軸受温度上昇ところのスキュー角との実測して解析
し、軸受部品の内部諸元の関係を総合的に表す関数Φを
設定した。その値をΦ＝1.84〜1.39の範囲にすることに
より、ころの大きいスキュー運動は抑制されて小さい負
のスキューに押さえられ、軸受の摩擦トルクや温度上昇
を減少することができた。

上記関数Φは Φ≡（SF）／〔（SRA）｛（SRK）Λ_ｅ｝^1/2〕 ……（１） で表される。

ここに（SF）は内輪２と外輪１との接触長さの比に関
係する量、（SRA）は外輪合成表面粗さに対する内輪合
成表面粗さの比、（SRK）はころ３の転動面とチャンフ
ァ部との接続部分のかど曲率半径のころ３の大きさ（長
さと径の積）に対する比率であり、それぞれ、 （SF）＝（f_i−0.5）／（f_e−0.5）、 （SRA）＝R_Ai/R_Ae、 （SRK）＝100R_K/（D_WL_W）^1/2 で表される。

Λ_ｅは外輪１ところ３間の油膜パラメータでΛ_ｅ＝h_e
/R_Aeである。

但し、 f_iは内輪軌道溝半径比でf_i＝R_b/（2R_c）、 f_eは外輪軌道溝半径比でf_e＝R_a/（2R_c）、 R_Aiは内輪合成表面粗さでR_Ai＝（R_Ab ²＋R_Ac ²）^1/2、 R_Aeは外輪合成表面粗さでR_Ae＝（R_Aa ²＋R_Ac ²）^1/2、 R_Kはころの転動面とチャンファ部分との接続部分のか
ど曲率半径、 D_Wはころの最大直径、 L_Wはころの長さ、 h_eは外輪ところ間の弾性流体潤滑的油膜厚さ、 また、 R_bは内輪軌道面の輪郭半径、 R_Abは内輪軌道面の平均粗さ、 R_aは外輪軌道面の輪郭半径、 R_Aaは外輪軌道面の平均粗さ、 R_cはころ転動面の輪郭半径、 R_Acはころ転動面の平均粗さ、 である。

上記の関数Φの値と、ころ３のスキュー角θ_Ｓとの関
係を実験で求めた結果を第４図に示す。図から、Φの値
が1.84を超えると、ころのスキュー角θ_Ｓが正になるこ
とは明らかである。その場合は、先に述べたように面圧
の大きい内輪側での滑り運動が増大し、その結果内輪２
ところ３間の転がり疲れ寿命が短縮され、結局軸受全体
の寿命が短縮することが確認された。

Φの値が1.84以下になるとスキュー角θ_Ｓは負とな
り、その絶対値が次第に増加する（大きな負の値にな
る）。そして、Φの値が1.39のとき、ころのスキュー角
θ_Ｓの下限値は−１゜となり、Φがより小さくなるとス
キュー角θ_Ｓの絶対値は急激に増大している。このよう
にスキュー角θ_Ｓの絶対値が大きくなる程、転動体荷重
が増大し、その結果摩擦力や発熱量が増加し、軸受寿命
が短縮されることとなる。

例えば第５図は、Φの値と基準化軸受温度上昇値ΔT/
（R_r/C_r）との関係を求めたものである。ここに、ΔＴ
℃は温度上昇値、P_rは軸受荷重、C_rは基本動定格荷重
（内輪を回転させてフレーキングが生じる迄の回転数が
100万回転になるような荷重）である。

図から、上記（１）式で表されるΦの値の範囲に対し
ては、基準化軸受温度上昇値の値は小さいが、Φの値が
1.39を下回ると、温度上昇値が急増していることが明ら
かである。

〔発明の効果〕

本発明の自動調心ころ軸受は以上説明したように、回
転時のころのスキュー角が負で、その絶対値が１゜を超
えないように構成した。そのため、スキューに起因する
軸受内転動体荷重の増大は無視し得る程度に僅少であ
り、一方、相対疲れ強度のより小さい内輪ところ間での
真の転がり接触に近い運動が実現されて、その結果転が
り疲れ寿命の短縮を防止すると共に軸受の発熱も低減で
きるという効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の要部の軸方向断面図、第２
図，第３図はスキューの正負を説明する平面図、第４図
は本発明の関数Φところのスキュー角との関係を表すグ
ラフ、第５図は本発明の関数Φと基準化軸受温度上昇値
との関係を表すグラフである。 １は外輪、２は内輪、３はころ。

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】内輪、外輪及びこれら両輪に嵌挿された転
   動体を有する自動調心ころ軸受において、 回転時のころのスキュー角が負で、その絶対値が１゜を
   超えないように構成したことを特徴とする自動調心ころ
   軸受。
2. 【請求項２】内輪軌道面の輪郭半径R_bその平均粗さ
   R_Ab、 外輪軌道面の輪郭半径R_aその平均粗さR_Aa、 この転動面の輪郭半径R_cその平均粗さR_Ac のとき 内輪軌道溝半径比f_iをf_i＝R_b/（2R_c）、 外輪軌道溝半径比f_eをf_e＝R_a/（2R_c）、 内輪合成表面粗さR_AiをR_Ai＝（R_Ab ²＋R_Ac ²）^1/2、 外輪合成表面粗さR_AeをR_Ae＝（R_Aa ²＋R_Ac ²）^1/2、 ころの転動面とチャンファ部分との接続部分のかど曲率
   半径をR_K、 ころの最大直径をD_W、 ころの長さをL_W、 外輪ところ間の弾性流体潤滑的油膜厚さをh_e、 外輪ところ間の油膜パラメータΛ_ｅをΛ_ｅ＝h_e/R_Ae とし、 （SF）＝（f_i−0.5）／（f_e−0.5）、 （SRA）＝R_Ai/R_Ae、 （SRK）＝100R_K/（D_WL_W）^1/2 とおくと、 Φ≡（SF）／〔（SRA）｛（SRK）Λ_ｅ｝^1/2〕 ＝1.84〜1.39 を満足するように所量の関係を定めたことを特徴とする
   請求項（１）記載の自動調心ころ軸受。