JP4622195B2 - 回転支持機構 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、工業用ロボットやマニピュレータ等の回転機構部に用いられる回転支持機構に関する。
【0002】
【従来の技術】
この種の回転支持機構はクロスローラ軸受等の転がり軸受を用いて構成されている。
【0003】
図5には、クロスローラ軸受を用いて構成された従来の回転支持機構の構造を示してあり、クロスローラ軸受1は軌道輪としての内輪2および外輪3を備え、これら内輪2と外輪3との間に複数の転動体としての円筒ころ4が介装されている。そして外輪3は軸方向に分割された一対の分割輪3a,3bとで構成されている。
【0004】
内輪2の内周には軸受結合部材としての支軸5が嵌合され、外輪3の外周には軸受結合部材としてのハウジング6が嵌合され、これら二つの軸受結合部材すなわち支軸5とハウジング6とがこのクロスローラ軸受1を介して互いに相対的に回転するようになっている。図5の例では支軸5が固定され、ハウジング6が外輪3と一体に回転するものとなっている。
【0005】
支軸5の上端部には内輪用の軸受押え7が設けられ、この軸受押え7は支軸5に螺挿された固定ボルト8によりその支軸5に締結固定され、この軸受押え7で内輪2が軸方向に押圧され、その圧力で内輪2が支軸5に固定されている。
【0006】
ハウジング6の下側には予圧付与機構として外輪用の軸受押え9が設けられ、この軸受押え9はハウジング6に螺挿された固定ボルト10によりそのハウジング6に締結固定され、この軸受押え9で外輪3が軸方向に押圧され、軸受1に対し予圧が付与されている。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
このような回転支持機構においては、その動作時に温度が上昇して各構成部材が膨張する。軸受1や固定ボルト10の材料は一般に鉄鋼材料であるが、ハウジング6が回転する部材である場合、その軽量化のためにハウジング6の材料としてアルミニウム材料が用いられることが多い。
【0008】
この場合、アルミニウム材料は鉄鋼材料に比べその熱膨張係数が大きく、このため回転支持機構の部分的な位置での熱膨張量に差が生じ、この熱膨張差で軸受1にかかる予圧が変動してしまう。
【0009】
すなわち、外輪用の軸受押え9とハウジング6とが接触する部分での水平方向の中間点の位置をA、固定ボルト10の中心軸の位置をB、軸受押え9と軸受1の外輪3とが接触する部分での水平方向の中間点の位置をCとし、これらA,B,Cの各位置での軸受1の軸方向についての熱膨張量を考えると、ハウジング6がアルミニウム材料で、軸受1および軸受押え9が鉄鋼材料である場合、A点の位置での熱膨張量Δ1とB点の位置での熱膨張量Δ2とはほぼ同じで、C点の位置での熱膨張量Δ3はそれより小さくなる(Δ1≒Δ2>Δ3)。
【0010】
この結果、軸受1にかかる予圧(C点の位置に加わる力)が変動(この場合では減少)してしまう。そして予圧が変動すると、軸受1の起動トルクが変化し、動作が不安定となってしまう。
【0011】
すなわち、予圧が変動すると、回転支持機構の回転摩擦トルクが変化し、スムーズに回転させることができなくなり、特に回転支持機構が複数同軸上に配された状態では、温度が変化すると互いの回転摩擦トルクの変化で影響を及ぼし合う結果となり、さらに動作が不安定となってしまう。
【0012】
また、温度変化があまりない場合でも、軸受としてクロスローラ軸受を用いている場合、回転支持機構の回転トルクのばらつきが大きくなりやすいという問題がある。これは、クロスローラ軸受は剛性が高くコンパクトである点で回転支持機構で用いるのに好適であるが、回転トルクの絶対値が大きいため、各部材の寸法の狂い等によって回転トルクの値に大きな影響を及ぼすためである。
【0013】
本発明はこのような点に着目してなされたもので、その目的とするところは、常に安定して所望の予圧を得ることができる回転支持機構を提供することにある。
【0014】
【課題を解決するための手段】
本発明の回転支持機構においては、軌道輪およびこの軌道輪に沿って配列する複数の転動体を備える転がり軸受と、この転がり軸受を介して互いに相対的に回転可能な二つの軸受結合部材と、前記二つの軸受結合部材のうちの転がり軸受の構成材料とは熱膨張係数の異なる材料で形成された一方の軸受結合部材に取り付けられた前記転がり軸受に対する予圧付与機構とを具備し、前記予圧付与機構は、前記転がり軸受の軌道輪を軸方向に押圧する軸受押えを有し、この軸受押えは前記一方の軸受結合部材に螺挿された固定ボルトによりその軸受結合部材に締結され、前記一方の軸受結合部材には前記固定ボルトの挿入部分に所定の深さの切欠部が形成され、前記固定ボルトは前記切欠部の区間では前記一方の軸受結合部材と螺合しない非接触状態に保持され、前記固定ボルトが前記一方の軸受結合部材の構成材料と異なる熱膨張係数の材料で形成されていることを特徴としている。
【0015】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について図1ないし図4を参照して説明する。
【0016】
図1には第1の実施形態を示してあり、この実施形態は転がり軸受としてクロスローラ軸受を用いた回転支持機構の例である。クロスローラ軸受11は軌道輪としての内輪12および外輪13を備え、これら内輪12と外輪13との間に複数の転動体としての円筒ころ14が介装されている。
【0017】
外輪13はその軸方向に分離する一対の分割輪13a,13bにより構成され、また円筒ころ14は交互にほぼ90°ずつその軸方向の向きを変えるクロス配置状態に配列され、図示しない環状の保持器で互いに所定の間隔を保つように支持されている。
【0018】
このクロスローラ軸受11は前記円筒ころ14のクロス配置によりラジアル荷重およびスラスト荷重の複合荷重に対して有効に対応することができる構造となっている。
【0019】
内輪12の内周には軸受結合部材としての円筒状の支軸15が嵌合され、外輪13の外周には軸受結合部材としての円環状のハウジング16が嵌合されている。そしてこの実施形態においては、ハウジング16が外輪13と一体に回転する部材で、このハウジング16がその軽量化のためにアルミニウム材料で形成されている。
【0020】
支軸15の上端部には内輪用の軸受押え17が設けられ、この軸受押え17は支軸15に螺挿された固定ボルト18によりその支軸15に締結固定され、この軸受押え17で内輪12が軸方向に押圧され、その圧力で内輪12が支軸15に固定されている。
【0021】
ハウジング16の下側には予圧付与機構として外輪用の軸受押え19が設けられ、この軸受押え19はハウジング16に螺挿された固定ボルト20によりそのハウジング16に締結固定されている。
【0022】
固定ボルト20は軸受11の軸方向に沿ってハウジング16に螺挿され、この固定ボルト20で締結された前記軸受押え19で外輪13が軸方向に押圧され、予圧が付与されている。
【0023】
ハウジング16には固定ボルト20を挿入するための切欠部、例えば座ぐり23が形成され、この座ぐり23の深さ方向の先方に固定ボルト20を螺合させるためのねじ孔24が形成されている。座ぐり23の内径は固定ボルト20の外径より大きく、固定ボルト20はこの座ぐり23を遊挿してねじ孔24に螺挿されている。
【0024】
すなわちこの固定ボルト20は、座ぐり23の区間ではハウジング16と螺合しない非接触状態に保たれ、ねじ孔24に螺合する部分のみがハウジング16に接触する状態となっている。
【0025】
軸受11の外輪13の下端面は、ハウジング16の下端面より僅かにその下方側に突出している。そして前記軸受押え19はハウジング16の下端面に接触する第1の接触部19aと、外輪13の下端面に接触する第2の接触部19bとを有し、これら第1の接触部19aと第2の接触部19bとの間の位置に固定ボルト20が挿入されている。
【0026】
ハウジング16はその軽量化のためにアルミニウム材料で形成されているが、前記軸受11、軸受押え19、固定ボルト20の材料はその強度上の点から鉄鋼材料により形成されている。
【0027】
したがって、温度が上昇したときの軸受11の軸方向についての伸びを考えるとき、ハウジング16に座ぐり23がなく、固定ボルト20のハウジング16に挿入された全長部分がハウジング16に対して螺合している場合には、前述の通り、軸受押え19の第1の接触部19aの水平方向の中間点のA点の位置での熱膨張量Δ1と、固定ボルト20の中心軸上のB点の位置での熱膨張量Δ2と、第2の接触部19bの水平方向の中間点のC点の位置での熱膨張量Δ3との関係は、Δ1≒Δ2>Δ3となる。
【0028】
これに対し、本実施形態においては、ハウジング16に対する固定ボルト20の挿入部分に座ぐり23が形成されており、このためこの座ぐり23の深さの部分での固定ボルト20の熱膨張量は座ぐり23がない場合と比べて小さくなるので、B点の位置での熱膨張量Δ2が前記の場合より小さくなり、Δ1>Δ2>Δ3の関係となる。
【0029】
そしてこの関係により、軸受押え19に加わるB−C間での曲げ応力の減少が小さくなり、したがって軸受11に対する予圧の変動(減少)を小さく抑えることができる。
【0030】
さらに説明すると、
A−B間の距離L1
B−C間の距離L2
座ぐり23の深さをH1
ハウジング16の下端面と軸受11の上端面との間の距離H2
第1の接触部19aの第2の接触部19bに対する突出の高さH3
ハウジング16(アルミニウム材料)の熱膨張係数ρ1
軸受11(鉄鋼材料)の熱膨張係数ρ2
軸受押え19(鉄鋼材料)の熱膨張係数ρ3
固定ボルト20(鉄鋼材料)の熱膨張係数ρ4
温度変化量t
としたときに、
A点の位置での熱膨張量Δ1は、
Δ1=H2・ρ1・t+H3・ρ3・t
B点の位置での熱膨張量Δ2は、
Δ2=(H2−H1)・ρ1・t+(H1+H3)・ρ4・t
C点の位置での熱膨張量Δ3は、
Δ3=(H2+H3)・ρ2・t
となる。
【0031】
ここで、軸受11の外輪13を押圧する力(予圧)を一定にするためには、軸受押え19の固定ボルト20を隔てた両側の熱膨張量がバランスの取れた状態に保たれればよいから、
L1:L2=(Δ1−Δ2):(Δ2−Δ3)
となる。
【0032】
したがって、このL1:L2=(Δ1−Δ2):(Δ2−Δ3)の条件を満たすように、座ぐり23の深さH1を定めれば、温度の変化に対する軸受11の予圧の変動をほぼなくすことができるので、より好ましい。
【0033】
すなわち、L1、L2、H2、H3、ρ1、ρ2、ρ3、ρ4が既知の値で、H1のみが未知の値であるとすると、
H1={L1・H2・ρ1−L1・(H2+H3)・ρ2−L2・H3・ρ3+(L1+L2)・H3・ρ4}/{(L1+L2)・(ρ1−ρ4)}
となり、H1がこれを満足すれば、軸受押え19が外輪13を押圧する力(予圧)は温度が変化しても変わらないことになる。
【0034】
例えば、
ρ1=ρa
ρ2=ρ3=ρ4=ρ
H3=0
H2=H
L1=L2=L
である場合においては、
H1=(L・H・ρa−L・H・ρ)/{(2・L)・(ρa−ρ)}
=L・H・(ρa−ρ)/{(2・L)・(ρa−ρ)}
=H/2
となる。
【0035】
一方、本実施形態においては、転がり軸受としてクロスローラ軸受11を用いている。このクロスローラ軸受11は、ラジアル方向(径方向)およびスラスト方向(軸方向)の荷重を共に支持でき、しかも転動体として円筒ころ14を使用しているから剛性が高く、さらにコンパクトであるという利点がある。
【0036】
しかし、製造工程上、外輪13の分割輪13a,13bの外周面の軸心と、その各分割輪13a,13bの内側の軌道面13a′,13b′の軸心とを同時に完全に一致させることは困難である。
【0037】
このため二つの分割輪13a,13bの外周面を共にハウジング16の内周面に密着させると、両分割輪13a,13bの軌道面13a′,13b′が互いにずれて一致しなくなりやすく、これが起動トルクのばらつきの原因となる。
【0038】
そこで、本実施形態においては、一対の分割輪13a,13bの一方の分割輪13aの外周面のみをハウジング16の内周面に密着させて拘束し、他方の分割輪13bは外周面をハウジング16の内周面に密着させずにその間に僅かな隙間Sを設けて非拘束状態に保持し、これにより一方の分割輪13aの軌道面13a′の軸心と他方の分割輪13bの軌道面13b′の軸心とが一致するようにしてある。
【0039】
一方の分割輪13aの外周面をハウジング16の外周面に密着させるのは、ハウジング16の回転中心を軸受11の回転中心に一致させるための基準面とするためであるが、そのために要求される精度は、両分割輪13a,13bの軌道面13a′,13b′同士の軸心合わせに要求される精度より緩やかである。
【0040】
本発明は前記実施形態に限らず、図2に第2の実施形態として示すように、ハウジング16の固定ボルト挿入部に座ぐり23を形成すると共に、さらに転がり軸受11の内輪12に嵌合した支軸15においても、固定ボルト挿入部に座ぐり23を形成し、この座ぐり23を通してねじ孔24に螺挿された固定ボルト18で内輪用の軸受押え17を支軸15に締結固定し、この軸受押え17で軸受11の内輪12を押圧して固定するような構成とすることも可能である。このような構造によれば、温度が変化したときの内輪12を押圧する力の変動も抑えることができる。
【0041】
また、図3に第3の実施形態として示すように、転がり軸受として玉軸受、例えば組合せ玉軸受11aを用いるような場合であってもよい。この玉軸受11aは軌道輪としての内輪12および外輪13と、転動体としての複数の玉14aとで構成されている。
【0042】
そして外輪13の外周に嵌合したハウジング16に固定ボルト20を介して軸受押え19が締結固定され、この軸受押え19により玉軸受11aの外輪13が軸方向に押圧され、予圧が付与されている。
【0043】
前記各実施形態においては、ハウジング16に切欠部として座ぐり23を形成し、この座ぐり23で固定ボルト20の所定の区間をハウジング16と螺合しない非接触状態に保持するようにしたが、その座ぐり23に代えて図4に第4の実施形態として示すように、ハウジング16に切欠部として段差状に凹む凹部23aを形成し、この凹部23aにより固定ボルト20の所定の区間をハウジング16と螺合しない非接触状態に保持するようにしてもよい。
【0044】
図5に示す構成の従来品と、図1〜図4に示す構成の本発明品とをそれぞれ複数ずつ製作し、常温(25℃)と高温(60℃)の状態のもとでの回転起動トルクを測定したところ、従来品では各温度状態のもとでの1台ごとの起動トルクのばらつきが大きく、また常温と高温との間での起動トルクの変化が小さいものもあったが大きいものもあり、所望のトルク値を得ることが困難であった。
【0045】
本発明品においては、各温度状態のもとでの1台ごとの起動トルクのばらつきが小さく、所望のトルク値を得ることができ、また常温と高温との間での起動トルクの変化を抑制することができた。
【0046】
なお、前記各実施形態においては、転がり軸受の外輪13がその外周に嵌合した軸受結合部材(ハウジング16)と一体に回転する場合の例であるが、外輪13の外周に嵌合した一方の軸受結合部材(ハウジング16)を固定し、内輪12に嵌合した他方の軸受結合部材(支軸15)を回転させる場合であってもよい。
【0047】
この場合には、その回転する部材である支軸15を軽量化のために例えばアルミニウム材料とし、固定の部材であるハウジング16を軸受11と同じ鉄鋼材料とする。そしてアルミニウム材料からなる支軸15の熱膨張を考慮してその支軸15に座ぐりや段差状の凹部等からなる切欠部を形成する。
【0048】
また、転がり軸受としてクロスローラ軸受11を用いる場合、図1、図2、図3においてはその外輪13を分割構造としているが、内輪12を分割構造とし、その分割構造の内輪12を予圧付与機構で押圧するように構成することも可能である。
【0049】
この場合、内輪12の分割輪のいずれか一方の内周面のみを支軸の外周面に密着させて拘束し、他方は非拘束状態にすると、起動トルクのばらつきを抑えることができる。そしてより好ましいのは外輪を分割構造とする場合と同様とする場合である。
【0050】
さらに、転がり軸受の軌道輪としての内輪12および外輪13は単体の部品として構成する場合に限らず、例えば内輪12とこれに結合する部材(支軸)とが同じ材料のときにはその部材(支軸)の一部で内輪12を構成したり、あるいは外輪13とこれに結合する部材(ハウジング16)とが同じ材料のときにはその部材(ハウジング16)の一部で外輪13を構成するようにしてもよい。
【0051】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、転がり軸受を介して互いに相対的に回転可能な二つの軸受結合部材のうちの転がり軸受の構成材料と異なる熱膨張係数の材料で形成された一方の軸受結合部材に座ぐりや凹部等の切欠部を形成し、この切欠部を通して固定ボルトを前記一方の軸受結合部材に螺挿し、この固定ボルトで予圧付与用の軸受押えを前記軸受結合部材に締結して固定するようにしたから、温度の変化に対する軸受の予圧の変動を抑えて常に安定して動作させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施形態を示す断面図。
【図2】本発明の第2の実施形態を示す断面図。
【図3】本発明の第3の実施形態を示す断面図。
【図4】本発明の第4の実施形態を示す断面図。
【図5】従来技術を示す断面図。
【符号の説明】
11…クロスローラ軸受(転がり軸受)
11a…玉軸受(転がり軸受)
12…内輪(軌道輪)
13…外輪(軌道輪)
14…円筒ころ(転動体)
14a…玉(転動体)
15…支軸(軸受結合部材)
16…ハウジング(軸受結合部材)
19…軸受押え
20…固定ボルト
23…座ぐり(切欠部)
23a…凹部(切欠部)
24…ねじ孔
Claims (1)
- 軌道輪およびこの軌道輪に沿って配列する複数の転動体を備える転がり軸受と、この転がり軸受を介して互いに相対的に回転可能な二つの軸受結合部材と、前記二つの軸受結合部材のうちの転がり軸受の構成材料とは熱膨張係数の異なる材料で形成された一方の軸受結合部材に取り付けられた前記転がり軸受に対する予圧付与機構とを具備し、
前記予圧付与機構は、前記転がり軸受の軌道輪を軸方向に押圧する軸受押えを有し、この軸受押えは前記一方の軸受結合部材に螺挿された固定ボルトによりその軸受結合部材に締結され、前記一方の軸受結合部材には前記固定ボルトの挿入部分に所定の深さの切欠部が形成され、前記固定ボルトは前記切欠部の区間では前記一方の軸受結合部材と螺合しない非接触状態に保持され、前記固定ボルトが前記一方の軸受結合部材の構成材料と異なる熱膨張係数の材料で形成されていることを特徴とする回転支持機構。
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