JP4009962B2

JP4009962B2 - 玉軸受

Info

Publication number: JP4009962B2
Application number: JP2004154425A
Authority: JP
Inventors: 滋宗谷脇
Original assignee: Japan Aerospace Exploration Agency JAXA
Current assignee: Japan Aerospace Exploration Agency JAXA
Priority date: 2004-05-25
Filing date: 2004-05-25
Publication date: 2007-11-21
Anticipated expiration: 2024-05-25
Also published as: JP2005337315A

Description

本発明はモータ等に使用される玉軸受に関し、特に保持器音の低減、低振動化、低擾乱化を図った玉軸受に関する。

一般産業用のモータ等において玉軸受は広く用いられている。一般に、玉軸受は、内周面に外輪軌道を有する外輪と、外周面に内輪軌道を有する内輪と、前記内輪軌道と外輪軌道の間に転動自在に配置された複数個の玉と、前記複数個の玉を転動自在に保持するため、複数個のポケットが設けられた保持器とを備える。使用時には、内輪と外輪とは相対回転が自在となり、玉は自転しつつ内輪の周囲を公転する。また、保持器は各玉の公転速度と同じ速度で内輪の周囲を回転する。内輪の外周面と外輪の内周面との間部分には、グリースその他の潤滑油用の潤滑剤を充填又は連続的に供給して、相対運動が円滑に行われるようにしてある。
ポケットと玉の間、外輪と保持器の間には隙間があり、この隙間に潤滑剤が保持されるようになっている。

このような保持器を組み込んだ玉軸受では、内輪軌道と外輪軌道の形状誤差、玉自身の形状誤差、玉軸受の内輪と外論との中心軸のずれ等によって、玉ごとに微小な遅れや進みを生じ、玉の転動面がポケットの内周面と接触する。保持器自体も外輪と内輪との間で不規則な動きを生じる。そのため、保持器音と呼ばれる騒音や振動が発生する。
振動レベルが大きいと、玉軸受が劣化し、寿命が短くなるという欠点がある。

これまで、玉軸受の保持器音の低減、低振動化、低擾乱化のため、さまざまな提案がなされている。
特許文献１は、玉軸受の保持器において、保持器の設けた各ポケットの内面に一対の円錐面を形成し、一対の円錐面とポケットの底部を転動体に当接させて３点支持するものである。
特許文献２の玉軸受は、ポケットに玉を配する波型保持器を備え、ポケットの内周面が周方向中央部より周縁部の曲率が小さくなるように形成されている。
これらの特許文献に示されるように、従来の保持器の騒音、振動対策は主として保持器のポケットの形状や、内輪又は外輪との接触部の形状に工夫を施すものである。

衛星の姿勢制御用のリアクションホイールやジャイロに組み込まれる玉軸受においては、特に厳しい低音、低振動、低擾乱化が求められている。そのため、保持器の形状等を工夫し、低音化、低振動化が試みられている。
しかし、騒音対策をした玉軸受であっても、同じ設計の玉軸受で、保持器の、異音、異常振動が異なる場合がある。即ち、製造上のばらつきにより、性能上のばらつきが大きくでるという問題がある。
これまでの低音化、低振動化の技術は、保持器の形状、接触部の形状を変えることにより低音化、低振動化しようとするものであり、低音化、低振動化がまだ不十分であった。

特開２００４−３５３２号特開２００３−３３６６４１号

本発明は、保持器音の低減、低振動化、低擾乱化を図った玉軸受を提供することを目的とする。
また、製造工程のばらつきによらず、保持器音の低減、低振動化が出来る玉軸受を提供することを目的とする。

これまで、保持器の質量中心の偏心量を保持器の低振動化、低擾乱化の両方の観点から解析し、規定したものはなかった。本発明は、保持器の質量中心を、玉軸受の回転軸から半径方向に保持器が移動できる最大距離の２倍より大きく偏心させることによって、保持器が回転時に発生する遠心力により保持器を半径方向に押し付け、保持器の回転半径を安定させる。その結果、保持器音の低減、低振動化、低擾乱化を図るものである。

本発明の１態様の玉軸受は、内周面に外輪軌道を有する短い円筒形の外輪と、前記外輪の内側に配置され、外周面に内輪軌道を有する短い円筒形の内輪と、前記内輪軌道と外輪軌道の間に転動自在に配置された複数個の玉と、前記外輪と前記内輪との間に配置され、前記複数個の玉を転動自在に保持するため、複数個のポケットが設けられた保持器とを備える。
前記保持器の幾何学的中心から質量中心までの偏心量ｂは、式
２ａ＜ｂを満たす。
ここに、ａ：玉軸受回転軸から、保持器の幾何学的中心の可動範囲境界までの半径
ｂ：保持器の幾何学的中心から質量中心までの偏心量である。

即ち、前記保持器の質量中心は、前記保持器の幾何学的中心から、前記玉軸受の回転軸から前記保持器が移動できる最大距離の２倍より大きく偏心している。
それにより、保持器の質量中心は常に前記保持器の幾何学的中心の可動範囲の外にあるため、保持器は回転時に発生する遠心力により半径方向外側に押し付けられる。その結果、保持器は可動範囲境界に沿って回転移動し、保持器の回転半径を安定させることができる。

前記保持器の内周又は外周の一部に、凹部を形成することにより質量中心を偏心させてもよい。
前記保持器の一部に内周から外周に貫通する孔を形成することにより質量中心を偏心させてもよい。
前記保持器の軸方向端部の一部に、窪み部を形成することにより質量中心を偏心させてもよい。

保持器のｂが大きすぎると、保持器の遠心力が大きくなり、遠心力による擾乱力が大きくなるので、ｂの上限を規定する。
保持器の回転半径が安定した状態において、保持器の発生する擾乱力は角速度の２乗に比例する遠心力で近似することができる。保持器の発生する擾乱力の許容値がαω²で与えられるとき、（α：許容される遠心力の係数、ω：保持器の角速度、ｍ：保持器の質量）
ｍ（ａ+ｂ）ω² ＜αω² を満たす必要がある。
これを変形すると、ｂ＜α／ｍ−ａとなる。

前記保持器の幾何学的中心から質量中心までの偏心量が、式
即ち、２ａ＜ｂ＜α／ｍ−ａ
を満たすようにすることができる。
これにより、
ｍ（ａ+ｂ）ω² ＜αω²
となり、保持器の遠心力による擾乱力ｍ（ａ+ｂ）ω²を擾乱力の許容値αω²より小さく押えることが出来る。

前記保持器の幾何学的中心から質量中心までの偏心量が、式
２ａ＜ｂ＜３ａ
を満たしてもよい。

本発明によれば、保持器音の低減、低振動化、低擾乱化を図った玉軸受を提供することができる。また、製造工程のばらつきによらず、玉軸受内で保持器の安定な回転半径を維持することができ、保持器の遠心力に起因する擾乱力も所定の範囲内に押えることが出来る。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を示す。
図１は、本発明の実施の形態による玉軸受10の分解斜視図である。玉軸受10は、短い円筒形で、外周面に内輪軌道16を有する内輪12を備える。内輪12の径方向外側に配置され、短い円筒形で、内周面に外輪軌道17を有する外輪13を備える。内輪軌道16と外輪軌道17の断面形状は、玉に適合するように、円弧の一部に相当する形状となっている。

内輪軌道16と外輪軌道17との間には、複数個の球形の玉14が転動自在に配置される。
内輪12と外輪13とに間には、短い円筒形の保持器15が配置される。保持器15の周上には、円周方向に玉を収容するための複数のポケット18が形成されている。各ポケット18は、保持器15の外周面から内周面へ貫通する円筒形状である。複数のポケット18の各々には、球形状の玉14が１個づつ配置される。

図２は、本発明の第１の実施の形態による保持器15の斜視図である。保持器15は、保持器15の軸方向短部の一部に窪み部21が形成され、そのため保持器15の回転軸（図１に示すＺ軸）の方向から見て、保持器15の質量中心は保持器15の幾何学的中心からずれている。

図３は、本発明の第２の実施の形態による保持器15'の斜視図である。保持器15'は、保持器15'の一部に半径方向に貫通する孔23が形成され、そのため保持器15'の質量中心は保持器15'の幾何学的中心からずれている。
本実施の形態では、孔23は保持器を貫通している。しかし、貫通する孔とせずに、内周、又は外周の一部に凹部を設けることもできる。
保持器の質量中心を幾何学的中心からずらせるには、第１、第２の実施の形態以外に、保持器の幅を変化させる、保持器の肉厚を変化させる等の方法がある。
本実施の形態では、保持器15は内輪12の外周面によって案内される。又は、保持器15は外輪13の内周面によって案内されるようにすることも出来る。

玉軸受10を組み立てた状態では、保持器15の外周と外輪13の内周の間、保持器15の内周と内輪12の外周の間には隙間が設けられている。また、保持器15のポケット18の内周面と玉14の間にも隙間が設けられている。そのため、これらの隙間の範囲内で保持器15は移動することが出来るようになっている。

図４は、図１のＸＹ平面内で、本発明の玉軸受に使用する保持器の可動範囲について説明するための図である。保持器の幾何学的中心の可動範囲は、保持器15、玉14、内輪12、外輪13の幾何学的寸法から決まる。保持器15が内輪12の外周面によって案内される場合は、内輪12の外周により保持器15の可動範囲が決まる。又は、保持器15は外輪13の内周面によって案内される場合は、外輪13の内周により保持器15の可動範囲が決まる。又は、他の条件によって保持器15の可動範囲が決まる場合もある。図４は、保持器15を径方向外側に保持器の外周の可動範囲の境界Ｔまで片寄らせた状態を示している。

玉軸受の回転軸、即ちＸＹ座標の原点をＰ１、保持器15の幾何学的中心をＰ２とする。玉軸受の回転軸Ｐ１に対して、保持器15の幾何学的中心Ｐ２の可動範囲境界までの半径をａとする。保持器15の幾何学的中心の可動範囲境界をＲで表す。即ち、ＲはＰ１を中心とする半径ａの円である。
この場合、内輪12の外周により保持器15の可動範囲が決まる場合においては、Ｒは保持器15の内周が内輪12の外周に接触した状態（安定状態）で回転するときの、保持器15の幾何学的中心Ｐ２の回転軌跡を表す。
外輪13の内周により保持器15の可動範囲が決まる場合においては、Ｒは保持器15の外周が外輪13の内周に接触した状態で回転するときの、保持器15の幾何学的中心Ｐ２の回転軌跡を表す。

本発明の実施の形態の保持器15は、保持器15の軸方向から見て、保持器15の質量中心が幾何学的中心からずれている。即ち、偏心している。保持器15の質量中心をＰ３で表す。保持器15の幾何学的中心Ｐ２から質量中心Ｐ３までの距離、即ち保持器15自体の偏心量をｂとする。
本実施の形態の保持器15は、質量中心Ｐ３の偏心量ｂが、
２ａ＜ｂ (1)
の関係を満たす。

このように保持器15の幾何学的中心Ｐ２から質量中心Ｐ３までの偏心量を規定すると、玉軸受が回転するとき、保持器15はジャイロ効果によりその質量中心Ｐ３を中心として回転しようとする。しかし、保持器15の質量中心Ｐ３の偏心量ｂは保持器15の幾何学的中心Ｐ２の最大可動範囲の半径ａの２倍より大きい。そのため、保持器15を可動範囲境界Ｔに対して外方向に押し付ける力が働く。そのため、保持器15の幾何学的中心は、可動範囲境界に沿った安定した回転半径の軌跡を描く。即ち、Ｐ１を中心とする半径ａの円Ｒに近い軌跡となる。その結果、騒音が少なく、振動が少なくなる。

このように、保持器の偏心量ｂが２ａ＜ｂの関係を満たすようにすると、振動、騒音が少なくなる。しかし、保持器15のｂが大きすぎると、保持器15の遠心力が大きくなり、擾乱が大きくなる。そこで、ｂの上限について検討する。
保持器15の質量をｍ、保持器15の角速度をωとする。ここに、保持器15の角速度をωは、玉が保持器の回転軸の周りを公転する角速度と一致し、内輪又は外輪の角速度とは異なる。

保持器15の回転半径が安定した状態において、保持器の発生する遠心力は、次式により解析的に予測可能である。
ｍ（ａ+ｂ）ω² (2)
保持器の回転半径が安定した状態において、保持器の発生する擾乱力は角速度の２乗に比例する遠心力で近似することができる。保持器の発生する擾乱力の許容値がαω²で与えられるとき、（許容される擾乱力の係数をαとする）
ｍ（ａ+ｂ）ω² ＜αω² (3)
を満たすように偏心量ｂの上限を規定する必要がある。(3)式を変形すると、
ｂ＜α／ｍ−ａ (4)
となる。

式(1)、(4)をあわせると、保持器15の質量中心Ｐ３の偏心量ｂの規定条件は、
２ａ＜ｂ＜α／ｍ−ａ (5)
となる。

本発明の玉軸受の用途の１つとして、衛星姿勢制御用リアクションホイール（ＲＷ）がある。衛星では、高度な姿勢制御を実現するため、一般にリアクションホイールが使用される。
衛星姿勢制御用リアクションホイールには、ロータの質量のアンバランスや、玉軸受の隙間等による擾乱があり、これらが内部擾乱源となる。これらは衛星の姿勢安定度を低下させるため、玉軸受の保持器の振動や擾乱の低減が厳しく要求されている。

図５にリアクションホイールの概略断面図を示す。リアクションホイール30は、ベースプレート31にハウジング32が固定されている。ハウジング32内に、上側軸受33と下側軸受34とを一体化した軸受ユニットを備える。軸受ユニットの内側シャフト35と、上下の内輪が、ベースプレート31に固定される。外側シャフト36に、上下の外輪と、ロータ37が固定され、これらは回転軸（Ｚ軸）の周りを一体に回転するようになっている。

本発明の玉軸受を衛星姿勢制御用リアクションホイールに組み込んだ場合、保持器の質量中心の軌跡について、数値シミュレーション解析を行った。
図６〜８は、保持器15の幾何学的中心Ｐ２の可動範囲境界の半径ａを一定にして、保持器の質量中心の偏心量ｂを変化させた場合、幾何学的中心Ｐ２の軌跡がどのように変化するか数値シミュレーションした結果である。

図６は、保持器の偏心がない、即ちｂ＝０の場合について、保持器の幾何学的中心Ｐ２の軌跡のシミュレーション結果である。この場合、保持器の幾何学的中心Ｐ２と質量中心Ｐ３とは一致する。図６において、横軸、縦軸のスケールは、質量中心の移動量をａで除した値である。（図７、８も同様）ここに、ａは例えば約0.1ｍｍである。
図４から、保持器の質量中心は、内輪、外輪等により拘束される保持器の可動範囲内で激しく移動することがわかる。

図７は、保持器の偏心量ｂが、ｂ＝0.3ａ、即ち０＜ｂ＜２ａである場合について、保持器の幾何学的中心Ｐ２の軌跡のシミュレーション結果である。図６と比較して、保持器の質量中心の動き方は異なるが、保持器の質量中心は、依然として、不規則に移動することがわかる。

図８は、本発明の実施の形態による保持器の偏心量ｂがｂ＝2.5ａである、即ち本発明の規定条件２ａ＜ｂを満たす場合について、保持器の幾何学的中心Ｐ２の軌跡のシミュレーション結果である。図６、７と比較すると、２ａ＜ｂの条件を満たす図８では、保持器の質量中心の軌跡は不規則な移動が少なく、回転半径が安定している。即ち、不安定な振動が抑制されていることがわかる。

図９は、軌跡のシミュレーション結果から計算して求めた、保持器の偏心量ｂと、幾何学的中心の回転半径の標準偏差の関係を示す図である。ここに、横軸は偏心量ｂをａで除した値であり、縦軸は幾何学的中心の回転半径の標準偏差をａで除した値である。図９は、ロータの回転速度が300ｒｐｍ、600ｒｐｍ、900ｒｐｍの３つの場合について示している。
保持器の偏心量が大きくなるにつれて、幾何学的中心の回転半径の標準偏差が小さくなる。ロータの回転速度が大きいほど、回転半径の標準偏差は大きく下がることがわかる。偏心量が規定条件を満たす場合、即ち、２ａ＜ｂである場合（横軸の２より右側）、幾何学的中心の回転半径の標準偏差は十分に小さくなる。標準偏差が小さいことは、回転半径が安定し、不安定な振動が少ないことを意味する。

図１０は、擾乱力のシミュレーション結果と、擾乱力の予測値を示す図である。ここに、横軸は偏心量ｂをａで除した値であり、縦軸は、軌跡のシミュレーション結果から、保持器の色々の擾乱のうち保持器の角速度と同期する擾乱力を抽出して、プロットしてある。また、図１０には、(2)式（ｍ(ａ+ｂ)ω²）により遠心力を求め、これを擾乱力の予測値として点線で示す。

保持器の偏心量が規定条件を満たす場合、即ち、２ａ＜ｂである場合（横軸の２より右側）、幾何学的中心の回転半径が安定するので、シミュレーション結果と、(2)式により遠心力に等しいとした擾乱力の予測値とが良く一致することがわかる。

幾何学的中心の回転半径が安定した状態では、遠心力を表す式により、実際に発生する擾乱力を予測することができる。この場合、実際に発生する擾乱力を許容値以下とするには、図１０において、その擾乱力の許容値に対応する偏心量を選択すればよい。このようにして、擾乱力の予測値を設計に反映させることができる。
例えば、図１０において、1000ｒｐｍにおける擾乱の振幅を0.1012Ｎ以下に押えるには、偏心量をｂ＜３ａとすればよいことがわかる。

以上から、保持器の不安定な振動を抑制し、且つ保持器の発生する擾乱力をαω²より小さく押えたいときは、(5)式を満たすように偏心量を規定すればよいことがわかる。

本発明の実施の形態による玉軸受を衛星姿勢制御用リアクションホイールに用いる例について述べたが、玉軸受の用途はこれに限定されない。ジャイロ、その他の低振動、低擾乱の玉軸受が必要な装置に広く用いることが出来る。

本発明の実施の形態による玉軸受の分解斜視図。本発明の第１の実施の形態による保持器の斜視図。本発明の第２の実施の形態による保持器の斜視図。保持器の幾何学的中心と質量中心を説明するための図。リアクションホイールの概略断面図。保持器の質量中心の軌跡のシミュレーション結果（ｂ＝０）。保持器の質量中心の軌跡のシミュレーション結果（０＜ｂ＜２ａ）。本発明の実施の形態による保持器の質量中心の軌跡のシミュレーション結果（２ａ＜ｂ）。保持器の偏心量と、幾何学的中心の回転半径の標準偏差の関係を示す図。保持器の偏心量と擾乱力の関係を示す図。

符号の説明

10 玉軸受
12 内輪
13 外輪
14 玉
15 保持器
16 内輪軌道
17 外輪軌道
18 ポケット
21 窪み部
23 孔
30 リアクションホイール
31 ベースプレート
32 ハウジング
33 上側軸受
34 下側軸受
35 内側シャフト
36 外側シャフト
37 ロータ

Claims

内周面に外輪軌道を有する短い円筒形の外輪と、前記外輪の内側に配置され、外周面に内輪軌道を有する短い円筒形の内輪と、前記内輪軌道と外輪軌道の間に転動自在に配置された複数個の玉と、前記外輪と前記内輪との間に配置され、前記複数個の玉を転動自在に保持するため、複数個のポケットが設けられた保持器とを備える玉軸受であって、
前記保持器の幾何学的中心から質量中心までの偏心量は、式
２ａ＜ｂ＜α／ｍ−ａ
を満たす玉軸受。
ここに、ａ：玉軸受回転軸から、保持器の幾何学的中心の可動範囲境界までの半径
ｂ：保持器の幾何学的中心から質量中心までの偏心量
ｍ：保持器の質量
αω ² ：許容される擾乱力
（α：許容される遠心力の係数、ω：保持器の角速度）
請求項１に記載の玉軸受において、前記保持器の内周又は外周の一部に、凹部が形成されることにより質量中心が偏心している玉軸受。
請求項１に記載の玉軸受において、前記保持器の一部に内周から外周に貫通する孔が形成されることにより質量中心が偏心している玉軸受。
請求項１に記載の玉軸受において、前記保持器の軸方向端部の一部に、窪み部が形成されることにより質量中心が偏心している玉軸受。
請求項１乃至４に記載の玉軸受において、前記保持器の幾何学的中心から質量中心までの偏心量が、式
２ａ＜ｂ＜３ａ
を満たす玉軸受。