JP4009047B2 - 円すいころ軸受 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は円すいころ軸受に関し、特に駆動装置系の振動を受けながら高速回転する用途、例えば鉄道車輌の駆動装置に好適な円すいころ軸受に関する。
【０００２】
【従来の技術】
鉄道車輌の駆動装置は、主電動機の駆動トルクを車輪（動輪）に伝達するものであり、歯車装置、歯車箱（ケーシング）、動力伝達軸、継手などにより構成される。図４は、そのような鉄道車輌の駆動装置の一構造例を示している。同図において、図示されていない主電動機からの駆動トルクは、たわみ継手１０６→小歯車軸１０７→小歯車１０８→大歯車１０９→車軸（動輪軸）１０４→車輪（動輪）１０３という経路で伝達される。
【０００３】
小歯車１０８は小歯車軸１０７に一体又は別体に設けられ、大歯車１０９は車軸１０４に一体又は別体に設けられ、相互に噛合する状態で歯車箱１１０に収容される。また、小歯車軸１０７は円すいころ軸受１０１により、車軸１０４は円すいころ軸受１０２により、それぞれ歯車箱１１０に対して回転自在に支持される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
鉄道車輌の駆動装置に組み込まれる円すいころ軸受は高速回転で運転され、また車軸からの振動を歯車を介して受ける。例えば、図４において、小歯車軸１０７を回転自在に支持する円すいころ軸受１０１は、一般にｄｎ値＝４０×１０⁴に達する高速で回転し、また最大８０Ｇ程度の振動を歯車１０８、１０９を介して車軸１０４から受ける。一方、駆動装置系の共振点は、最高運転回転数よりも低い場合が多く、共振点の付近では、駆動装置系の固有振動と車軸から伝わる振動とが共振して、振幅の大きな振動が円すいころ軸受に加わる。
【０００５】
一般に、円すいころ軸受において、保持器と円すいころとの間には、円すいころの円滑な転動を確保するためにポケット隙間が設けられており（従って、保持器は円すいころに対してポケット隙間分だけ動きの自由度を持っている。）、円すいころ軸受に振動が加わると、その振動が保持器に加振エネルギーとして作用して、保持器の振動を誘起する。特に、共振点の付近では、保持器の振動が大きくなり、そのため保持器は円すいころから比較的大きな荷重を受ける。そして、この荷重が保持器のポケットの角隅部５ａ（以下「隅Ｒ部」という。図３参照）に集中して、隅Ｒ部の応力が大きくなる。従って、保持器の強度が不十分であると、隅Ｒ部に疲労限度を越える繰返し応力が作用して、保持器が早期に疲労寿命に至る場合がある。
【０００６】
一方、疲労寿命を向上する手段として、保持器各部の寸法を増大することも考えられるが、鉄道車輌の駆動装置等では使用条件に対する寸法制約が厳しく、寸法増大による対策は採りづらい。
【０００７】
そこで、本発明は、保持器の寸法増大によることなく、ポケット隅Ｒ部の応力を軽減して、保持器の疲労寿命向上を図り、もって円すいころ軸受、さらにはこれを組み込んだ駆動装置の耐久性向上を達成しようとするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明は、円すい状の軌道面を有する外輪と、円すい状の軌道面を有する内輪と、外輪の軌道面と内輪の軌道面との間に転動自在に配された複数の円すいころと、円すいころを収容する複数のポケットを円周所定間隔に有する保持器とを備えた円すいころ軸受において、円すいころに対する保持器の軸方向動き量δxと、前記円すいころの長さＬとの比（δx／Ｌ）（以下、「軸方向相対動き量」という。）が５．２×１０^-2以下であり、前記円すいころに対する保持器の径方向動き量δ y と、前記円すいころの平均径との比（δ y ／Ｄａ）（以下、「径方向相対動き量」という。）が２．１×１０ ^-2 以下である構成を採用した。
【０００９】
保持器の軸方向動き量δxは、図５に示すように、円すいころ軸受を水平に寝かせた状態で置き、保持器４を軸方向に動かした場合の移動量であり、例えば、ダイヤルゲージ２１の測定端子２１ａを保持器４のリブ部４ｄに当てて測定することができる。また、円すいころの長さＬは、図６に示すように、円すいころの中心軸ｔ方向の長さである。
【００１０】
δx／Ｌ≦５．２×１０^-2としたのは以下の理由による。
【００１１】
円すいころ軸受の保持器に生じる応力を、落下衝撃試験によって調べたところ、保持器の軸方向動き量δxが小さいほど、保持器４のポケットの隅Ｒ部５ａに生じる応力が小さくなるという傾向が確認された。そして、軸受サイズ、保持器の軸方向動き量δｘ、保持器の材質を種々変えて落下衝撃試験を行い、保持器の軸方向動き量δｘとポケット隅Ｒ部５ａに生じる応力との関係を求めたところ、図８に示す結果が得られた。同図において、横軸は、円すいころ３の長さＬに対する保持器の軸方向動き量δｘの比を示す軸方向相対動き量（δｘ／Ｌ）である。縦軸は、保持器４の疲労限度に対するポケット隅Ｒ部５ａに生じる応力の比である。
【００１２】
落下衝撃試験は、図９（ａ）（ｂ）に示す試験機を用いて行った。この試験機は、防振装置２１により支えられた基台部２２と、基台部２２から鉛直方向に立設したガイドバー２３に沿って上下動する可動部２４とを備えたものである。落下衝撃試験は、可動部２４に設けた台座に、軸が水平となるように試験軸受２５を固定し、基台部２２と可動部２４の下面との間に３２ｍｍの落下高さｈを設定して、可動部２４を基台部２２上に毎分５０回のサイクルで繰返し落下させることにより行う。同時に、保持器４のポケット隅Ｒ部５ａの応力を、隅Ｒ部５ａ近傍の所定位置５ｂに装着したゲージで実測した（図３参照）。
【００１３】
図８に示す試験結果から、保持器４の軸方向相対動き量（δｘ／Ｌ）を５．２×１０^-2以下とすることにより、ポケット隅Ｒ部５ａに生じる応力が保持器４の疲労限度よりも小さくなることが確認できた。従って、保持器４の軸方向相対動き量（δｘ／Ｌ）を５．２×１０^-2以下とすることにより、保持器４の耐久性に大きく影響するポケット隅Ｒ部５ａの応力を疲労限度以内の値に低減して、保持器４の疲労寿命を向上させることが可能となる。
【００１４】
ここでは保持器の疲労限度とは、落下衝撃試験によって、１０⁷回の繰返し落下で保持器に破断が生じる最小応力をいう。
【００１６】
保持器の径方向動き量δyは、図７に示すように、円すいころ軸受を水平に寝かした状態で置き、保持しながら保持器４を半径方向に動かした場合の移動量である。例えば、ダイヤルゲージ２１の測定端子２１ａを保持器４の大径側環状部４ａの外周面に当てて測定することができる。また、円すいころの平均径Ｄａは、図６に示すように、円すいころの長さがＬ／２であるところの外径である。
【００１７】
δｙ／Ｄａ≦２．１×１０^-2としたのは以下の理由による。
【００１８】
上記した第１発明と同様の落下衝撃試験により、軸受サイズ、保持器の径方向動き量δy、保持器の材質を種々変えて落下衝撃試験を行い、保持器の径方向動き量δyとポケット隅Ｒ部５ａに生じる応力との関係を求めたところ、図１０に示す結果が得られた。同図において、横軸は、円すいころ３の平均径Ｄａに対する保持器の径方向動き量δyの比を示す径方向相対動き量（δｙ／Ｄａ）である。縦軸は、保持器４の疲労限度に対するポケット隅Ｒ部５ａに生じる応力の比である。
【００１９】
図１０に示す試験結果から、保持器４の径方向相対動き量（δｙ／Ｄａ）を２．１×１０^-2以下とすることにより、ポケット隅Ｒ部５ａに生じる応力が保持器４の疲労限度よりも小さくなることが確認できた。従って、保持器４の径方向相対動き量（δｙ／Ｄａ）を２．１×１０^-2以下とすることにより、保持器４の耐久性に大きく影響するポケット隅Ｒ部５ａの応力を疲労限度以内の値に低減して、保持器４の疲労寿命を向上させることが可能となる。
【００２０】
δx／Ｌを５．２×１０^-2以下とする構成、及び、δｙ／Ｄａを２．１×１０^-2以下とする構成は、それぞれ上述したような効果を奏するが、両者を併用することによって、保持器４の疲労寿命の向上させる効果がより一層顕著となる。
【００２１】
上記した円すいころ軸受は、駆動装置系の振動を受けながら高速回転する駆動装置において、優れた耐久性を備えるものであり、特に、高速回転で運転され、また車軸からの振動を、歯車を介して受ける鉄道車輌の駆動装置に用いられる円すいころ軸受として好適である。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態について説明する。
【００２３】
図１に示す円すいころ軸受（１０１）は、図４に示す鉄道車輌の駆動装置において、小歯車軸１０７を歯車箱１１０に対して回転自在に支持するものである。この円すいころ軸受１０１は、円すい状の軌道面１ａを有する外輪１と、円すい状の軌道面２ａを有し、この軌道面２ａの小径側に小鍔面２ｂ、大径側に大鍔面２ｃを有する内輪２と、外輪１の軌道面１ａと内輪２の軌道面２ａとの間に転動自在に配された複数の円すいころ３と、円すいころ３を円周所定間隔に保持する保持器４とを備えている。
【００２４】
保持器４は、図２及び図３に示すように、円すいころ３を収容するための窓形のポケット５を円周所定間隔に有し、ポケット５の軸方向小径側の小径側環状部４ｂと、軸方向大径側の大径側環状部４ａと、ポケット５の周方向両側において両環状部４ａ、４ｂ間を連続させる複数の柱部４ｃとを備える。また、小径側環状部４ｂの端部は、内径側に屈曲して環状のリブ部４ｄを形成する。
【００２５】
図３に示すように、保持器４のポケット５の隅部は、応力集中を緩和するため曲率が付けられている。この部分を隅Ｒ部５ａという。
【００２６】
上記構成において、円すいころ３の長さＬに対する保持器４の軸方向動き量δｘの比（δｘ／Ｌ）が５．２×１０^-2以下となるように設定され、かつ、円すいころ３の平均径Ｄａに対する保持器４の径方向動き量δｙの比（δｙ／Ｄａ）が２．１×１０^-2以下となるように設定されている。
【００２７】
保持器４を形成する材料としては、冷間圧延鋼板及び鋼帯１種（ＳＰＣＣ，ＨＲＢ７０〜８５）、転がり軸受用研き帯鋼及び冷間圧延鋼板１〜３種（ＳＰＢ１〜３，ＨＲＢ７０〜８５）、転がり軸受用熱間圧延鋼板１〜２種（ＳＰＢ１Ｈ，ＳＰＢ２Ｈ，ＨＲＢ７０〜８５）、又は、機械構造用炭素鋼（Ｓ２５Ｃ〜Ｓ３５Ｃ）などがある。
【００２８】
【発明の効果】
本発明に係る円すいころ軸受は、円すいころの長さＬに対する保持器の軸方向動き量δｘの比（δｘ／Ｌ）が５．２×１０^-2以下となるように構成すると共に、円すいころの平均径Ｄａに対する保持器の径方向動き量δｙの比（δｙ／Ｄａ）が２．１×１０ ^-2 以下となるように構成したので、振動や高速回転などの過酷な使用状況下でも保持器の動き量が少なく、保持器の耐久性に大きく影響するポケット隅Ｒ部に生じる応力を疲労限度以内に低減することができる。これにより、保持器の寸法を増大させることなく、保持器の疲労寿命が向上し、延いては円すいころ軸受の寿命を延ばすことが可能となる。特に、軸方向動き量δｘと径方向動き量δｙの両方から保持器に優れた耐久性を確保でき、保持器の疲労寿命の向上効果がより一層顕著なものとなる。
【００３１】
本発明の円すいころ軸受は、高速回転や振動に対して優れた耐久性を備えるので、鉄道車輌等における駆動装置の回転部材の支持構造において、駆動装置の回転部材をケーシングに対して回転自在に支持する軸受として好適である。この場合、軸受の疲労寿命が向上し、延いては鉄道車輌の駆動装置の耐久性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 円すいころ軸受の縦断面図。
【図２】 円すいころ軸受の保持器の斜視図。
【図３】 保持器の断面図。
【図４】 鉄道車輌の駆動装置の構造を示す断面図。
【図５】 保持器の軸方向動き量の測定状態を示す図。
【図６】 円すいころの平面図。
【図７】 保持器の径方向動き量の測定状態を示す図。
【図８】 軸方向相対動き量と保持器の疲労限度に対する隅Ｒ部に生じる応力の比との相関関係図。
【図９】 （ａ）は落下衝撃試験機の側面図、（ｂ）は落下衝撃試験機の正面図。
【図１０】 径方向相対動き量と保持器材料の疲労限度に対する隅Ｒ部に生じる応力の比との相関関係図。
【符号の説明】
１ 外輪
２ 内輪
３ 円すいころ
４ 保持器
５ ポケット
５ａ ポケット隅Ｒ部

Claims (3)

1. 円すい状の軌道面を有する外輪と、円すい状の軌道面を有する内輪と、外輪の軌道面と内輪の軌道面との間に転動自在に配された複数の円すいころと、円すいころを収容する複数のポケットを円周所定間隔に有する保持器とを備えた円すいころ軸受において、
   前記円すいころに対する保持器の軸方向動き量δxと、前記円すいころの長さＬとの比（δx／Ｌ）が５．２×１０^-2以下であり、
   前記円すいころに対する保持器の径方向動き量δ y と、前記円すいころの平均径との比（δ y ／Ｄａ）が２．１×１０ ^-2 以下であることを特徴とする円すいころ軸受。
2. 鉄道車輌の駆動装置に用いられる請求項１に記載の円すいころ軸受。
3. 主電動機と動輪との間に介装され、前記主電動機の駆動トルクを受けて回転する回転部材と、前記回転部材をケーシングに対して回転自在に支持する円すいころ軸受とを備えた鉄道車輌の駆動装置において、
   前記円すいころ軸受が、円すい状の軌道面を有する外輪と、円すい状の軌道面を有する内輪と、外輪の軌道面と内輪の軌道面との間に転動自在に配された複数の円すいころと、円すいころを収容する複数のポケットを円周所定間隔に有する保持器とを備え、
   前記円すいころに対する保持器の軸方向動き量δxと、前記円すいころの長さＬとの比（δx／Ｌ）が５．２×１０^-2以下であり、
   前記円すいころに対する保持器の径方向動き量δ y と、前記円すいころの平均径Ｄａとの比（δｙ／Ｄａ）が２．１×１０ ^-2 以下であることを特徴とする鉄道車輌の駆動装置。

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