JP4731198B2 - ころ軸受 - Google Patents

Description

この発明は、ころ軸受、特に、大きな曲げモーメントが作用する軸を支持するころ軸受に関するものである。

従来、鉄道車両用車軸を支持する軸受としては、複列円筒ころ軸受および背面組み合わせ（以下、「外向き形」という）の複列円錐ころ軸受が用いられることが多い。

鉄道車両用の車軸は、鉄道の運転中に大きな荷重が作用することによって、車軸が回転軸線に対して垂直方向に撓みながら回転するいわゆるベンディングが発生する。このとき、車軸と車軸を支持する軸受の内輪との間で起こる微小滑り（以下、「フレッティング」という）によって、内輪の内周面端部が車軸に干渉して、車軸の外周面に傷を生じる（以下、「軸痕」という）という問題がある。

従来、上記の問題を回避するために、例えば、図１に示すような対策が施されている鉄道車両車軸支持構造が知られている。鉄道車両用の車軸１０を支持する複列円錐ころ軸受１は、両端に鍔部を有する内輪２と、外輪３と、内輪２および外輪３の間に複列に配置された円錐ころ４と、円錐ころ４の間隔を保持する保持器５と、両端面を密封するオイルシールケース６およびオイルシール７とを備える。

車軸１０の外周面には、内輪２の内周面端部２ａに対応する部分に溝１０ａを形成する。これにより、ベンディング発生時の内輪２の内周面端部２ａが干渉するのを防止することができる。これは、複列円筒ころ軸受にも適用可能である。

しかし、複列円錐ころ軸受１は、円錐ころ４の小径側端部を突き合わせた外向き形軸受であるので、内輪２は、２つの内輪部材を突き合せた分割内輪である。または、２つの内輪部材の間にさらに間座を有する。

図２は、図１の突合部Ｐにおける分割内輪の一方側を拡大した図である。図２に示すように、内輪２の内径面は、その中央部に車軸１０に嵌合する接触部２ｂと、その外縁部に軸から径方向に離れた非接触部２ｃと、接触部２ｂおよび非接触部２ｃの境界部に稜線部２ｄとを有する。稜線部２ｄは、車軸１０にベンディングが発生した場合、内輪２の内周面端部と同様に車軸１０に干渉する。その結果、内輪２の突合部Ｐでも車軸１０の外周面に軸痕を生じる恐れがある。

そこで、突合部Ｐでの軸痕の発生を防止するために、例えば、特開２００４−８４９３８号公報（特許文献１）に記載されているように、内輪２の突合面の肩部２ｅを切り取ることによって、稜線部２ｄの面圧を低減する方法が知られている。
特開２００４−８４９３８号公報（段落番号００１４等）

突合部Ｐでの内輪２と車軸１０との干渉を防止するために、軸受端部２ａに加えてさらに突合部Ｐに対応する車軸１０の外周面に溝を設けることは、車軸１０の加工コストの観点から難しい。

したがって、突合部Ｐにおける軸痕の発生を防止するためには、上記公報に記載されている方法等のように、複列円錐ころ軸受１側に軸痕の発生を防止する手段を設けなければならない。しかし、上記公報に記載された方法では、稜線部２ｄの面圧低減効果が小さく、車軸１０の軸痕の発生を防止するのには不十分である。

そこで、本発明の目的は、内輪と軸との干渉による軸痕の発生を有効に回避することができるころ軸受を提供することである。

この発明に係るころ軸受は、少なくとも一方の端部に鍔部を有する内輪と、外輪と、内輪および外輪の間に配置されたころとを備える。内輪の鍔部は、その端面側に径方向厚さが相対的に薄い薄肉部と、その中央側に径方向厚さが相対的に厚い厚肉部とを有し、内輪の内径面は、その中央部に軸に嵌合する接触部と、その外縁部に軸から径方向に離れた非接触部と、接触部と非接触部との境界に位置する稜線部とを有する。そして、薄肉部の内輪の端面からの軸方向幅Ｌ_１と、内輪の端面から稜線部までの軸方向距離Ｌ_２とは、Ｌ_１＞Ｌ_２の関係を有するころ軸受である。

上記構成の通り、内輪の稜線部を含む部分を薄肉化することにより、稜線部の面圧を低減することができる。その結果、稜線部が軸に干渉した場合でも、軸痕の発生を防止することができる。

好ましくは、薄肉部は、内輪の端面からの軸方向深さが前記軸方向幅Ｌ_１と同じである円周溝を設けることにより形成されている。また、好ましくは、内輪は、その内径面から円周溝にまで通じる切り欠きを有するとよい。

内輪の薄肉化の効果は、端面に円周溝を形成することによっても得られる。また、円周溝内部に潤滑剤を充填しておくことにより、切り欠きを通じて内輪内径面と軸との間に潤滑剤を供給することができるので、軸痕の防止や内輪小鍔端面のフレッティング防止効果が期待できる。

好ましくは、軸方向距離Ｌ_２は、１ｍｍ≦Ｌ_２≦５ｍｍであるとよい。内輪内径面の非接触部は、内輪を車軸に圧入する際の挿入案内面として機能する。したがって、非接触部が小さいと挿入案内面としての機能が低下し、圧入時に内輪と車軸の角部とが干渉して車軸または内輪内径面を傷つける恐れがある。一方、内輪を車軸に圧入する際、内輪は径方向に広がるので、非接触部が大きいと稜線部の面圧が増大する。そこで、上記構成とすることにより、非接触部の挿入案内面としての適正な機能を確保することができる。

また、薄肉部の稜線部位置での径方向の肉厚Ｌ_３と、内輪の内径φとの関係は、０．０４≦Ｌ_３／φ≦０．１であることが好ましい。Ｌ_３／φ＜０．０４とすると、薄肉部の剛性が低くなりすぎるので、内輪に負荷される荷重が最大許容応力を上回って、軸受の破損の原因となる。一方、Ｌ_３／φ＞０．１とすると、稜線部の面圧低減効果を得ることが難しい。そこで、上記構成とすることにより、軸受の強度を維持しつつ、軸痕の発生を防止するのに十分な面圧低減効果を得ることができる。

この発明に係る複列円錐ころ軸受は、少なくとも一方の端部に鍔部を有する２つの内輪部材を突合せた内輪と、外輪と、内輪および外輪の間に複列に配置された円錐ころとを備える。内輪部材の鍔部は、その端面側に径方向厚さが相対的に薄い薄肉部と、その中央側に径方向厚さが相対的に厚い厚肉部とを有し、内輪部材の内径面は、その中央部に軸に嵌合する接触部と、その外縁部に軸から径方向に離れた非接触部と、接触部と非接触部との境界に位置する稜線部とを有する。

そして、薄肉部の内輪部材の端面からの軸方向幅Ｌ_１と、内輪部材の端面から稜線部までの軸方向距離Ｌ_２とは、Ｌ_１＞Ｌ_２の関係を有する複列円錐ころ軸受である。

複列円錐ころ軸受の端面の鍔部、および、内輪突合部の鍔部を、上記構成の通り内輪の稜線部を含む部分を薄肉化することにより、軸に溝を形成することなく稜線部の面圧を低減することができる。その結果、稜線部が軸に干渉した場合でも、軸痕の発生を防止することができる。

この発明は、内輪内径面の稜線部の面圧を低減することができるので、稜線部が軸に干渉した場合でも、軸痕の発生を防止できるころ軸受を得ることができる。

この発明の一実施形態に係る円錐ころ軸受は、図１に示したような複列円錐ころ軸受１と同様に、両端に鍔部を有する２つの内輪部材の小径側端面突き合わせた内輪と、外輪と、内輪および外輪の間に複列に配置された円錐ころと、円錐ころの間隔を保持する保持器と、両端面を密封するオイルシールケースおよびオイルシールとを備え、円錐ころの小径側端部を突き合わせた外向き形軸受である。

この複列円錐ころ軸受に使用される内輪部材１１は、図３および図４に示すように、その端面１２側に径方向厚さが相対的に薄い薄肉部１３と、中央側に径方向厚さが相対的に厚い厚肉部１４とを有し、内径面には、その中央部に車軸に嵌合する接触部１５と、その外縁部に車軸から径方向に離れた非接触部１６と、接触部１５と非接触部１６との境界に位置する稜線部１７とを有する。

そして、薄肉部１３の内輪部材１１の端面１２からの軸方向幅Ｌ_１と、内輪部材１１の端面１２から稜線部１７までの軸方向距離はＬ_２とは、Ｌ_１＞Ｌ_２の関係を満たす。

上記構成の通り、鍔部の稜線部１７を含む部分を薄肉化することにより、車軸に溝を形成することなく稜線部１７の面圧を低減することができる。その結果、稜線部１７が車軸に干渉した場合でも、軸痕の発生を防止することができる。

さらに具体的には、軸方向距離１ｍｍ≦Ｌ_２≦５ｍｍの範囲に設定する。内輪内径面の非接触部１６は、内輪を車軸に圧入する際の挿入案内面として機能する。したがって、非接触部１６が小さいと挿入案内面としての機能が低下し、圧入時に内輪と車軸の角部とが干渉して車軸または内輪内径面を傷つける恐れがある。一方、内輪を車軸に圧入する際、内輪は径方向に広がるので、非接触部１６が大きいと稜線部１７の面圧が増大する。そこで、上記構成とすることにより、非接触部１６の挿入案内面としての機能を確保することができる。

さらに、薄肉部１３の稜線部１７位置での径方向の肉厚Ｌ_３と、内輪内径φとの関係が０．０４≦Ｌ_３／φ≦０．１の範囲に設定する。Ｌ_３／φ＜０．０４とすると、薄肉部１３の剛性が低くなりすぎるので、内輪１１に負荷される荷重が最大許容応力を上回って、軸受の破損の原因となる。一方、Ｌ_３／φ＞０．１とすると、稜線部１７の面圧低減効果を得ることが難しい。そこで、上記構成とすることにより、軸受の強度を維持しつつ、軸痕の発生を防止するのに十分な面圧低減効果を得ることができる。

また、稜線部１７は、丸め加工を施して丸みを持たせている。なお、丸め加工部は、半径１ｍｍ以上の曲率とすることが望ましい。これにより、稜線部１７が車軸に干渉した場合でも、応力集中を緩和することができるので、軸痕の発生をより有効に防止することが可能となる。

次に、図５および図６を参照して、この発明の他の実施形態に係る複列円錐ころ軸受に使用する内輪部材２１を説明する。

内輪部材２１の鍔部は、端面２２側に端面２２から軸方向に深さＬ_１の円周溝２３を形成することにより薄肉部を形成し、中央側に厚肉部２４を形成する。また、内径面には、図３と同様に接触部２５と、非接触部２６と、内輪部材２１の端面２２から軸方向距離Ｌ_２の位置に稜線部２７とを有する。ここで、Ｌ_１，Ｌ_２の関係は、Ｌ_１＞Ｌ_２となる。

このように、端面２２に円周溝２３を設けることにより、薄肉化したのと同様に、稜線部２７の面圧を低減することができる。

さらに具体的には、上記の実施形態と同様に、軸方向距離Ｌ_２を１〜５ｍｍの範囲に設定し、または／および、薄肉部として機能する円周溝２３を設けた部分の稜線部２７位置での径方向の肉厚Ｌ_３と、内輪内径φとの関係がＬ_３／φ＝０．０４〜０．１の範囲に設定することにより、軸痕の発生を防止するのに十分な面圧低減効果を得ることができる。

また、上記の実施形態と同様に、稜線部２７は、丸め加工を施して丸みを持たせている。なお、丸め加工部は、半径１ｍｍ以上の曲率とすることが望ましい。これにより、稜線部２７が車軸に干渉した場合でも、応力集中を緩和することができるので、軸痕の発生をより有効に防止することが可能となる。

図５に示すように内輪部材２１には、その内径面から円周溝２３に通じる切り欠き２８が設けられているので、円周溝２３内部に潤滑剤を充填しておくことにより、切り欠き２８を通じて内輪内径面と車軸との間に潤滑剤を供給することができる。これにより、車軸の軸痕発生の防止、および、内輪小鍔端面のフレッティングの発生を抑制することができる。

なお、図５では、内輪内径面の４箇所に切り欠き２８を設けた例を示したが、これに限ることなく、任意の数の切り欠き２８を設けることとしてもよい。

この発明は、内輪の小径側端部に適用してもよく、または、内輪の大径側端部に適用してもよい。また、上記の各実施形態では、内輪部材の両端に鍔部を有する例を示したが、これに限ることなく、少なくとも一方側に鍔部を有する内輪部材であればよい。

上記の各実施形態では、この発明を複列円錐ころ軸受に適用した例を示したが、複列円筒ころ軸受に適用してもよい。さらには、複列に限ることなく、単列の円錐ころ軸受、または、円筒ころ軸受に適用してもよい。

また、上記の各実施形態では、円錐ころの小径側端部を突き合わせた外向き形軸受の例を示したが、これに限ることなく、円錐ころの大径側端部を突き合わせた正面組み合わせ（以下、「内向き形」という）軸受に適用してもよい。この場合、一般的に内向き形軸受の内輪は一体であるので、内輪端部の稜線部にこの発明を適用することになる。

次に、本発明の効果を確認するために、（１）図２に示したような従来の内輪２の稜線部２ｄと、（２）図４に示したような本発明の一実施形態に係る内輪部材１１の稜線部１７と、（３）図７に示したような内輪部材３１の稜線部３７との撓み発生時の面圧を有限要素法により求めた。

図７は、図２に示したような従来の内輪２と、図４に示したような本発明の一実施形態に係る内輪部材１１との比較に用いた円錐ころ軸受に使用する内輪部材３１の鍔部の拡大図である。

図７に示す内輪部材３１の内径面には、接触部３５と、非接触部３６と、接触部３５および非接触部３６の境界に位置する稜線部３７とを有する。

この内輪部材３１は、端面３２から稜線部３７までの距離が、図２に示したような従来の内輪２と比較すると１／５程度と短く、また、図４に示したような内輪部材１１と比較すると、端面３２周辺に薄肉部が設けられていない。

なお、軸痕の発生する面圧は、解析誤差等を考慮した結果１４０［ＭＰａ］とした。算出結果の一例を図８に示す。

図８を参照すると、従来の内輪の稜線部２ｄの面圧のみが、軸痕発生の閾値である１４０［ＭＰａ］を大きく上回った。また、本発明に係る内輪部材１１の稜線部１７の面圧は、従来の内輪２の稜線部２ｄと比較して７０％以上削減された。

これにより、稜線部を薄肉部に位置させることにより（例えば、特開２００４−８４９３８号公報（特許文献１）の図４および図５に示すように、稜線部を薄肉部の外側に位置させるのと比較して）、より大きな面圧低減効果を得ることができることが確認された。

また、比較例として用いた図７に示したような内輪部材３１のように、稜線部３７を端面３２に近づけることによっても、面圧低減効果を奏することが確認された。

以上、図面を参照してこの発明の実施形態を説明したが、この発明は、図示した実施形態のものに限定されない。図示した実施形態に対して、この発明と同一の範囲内において、あるいは均等の範囲内において、種々の修正や変形を加えることが可能である。

この発明は、鉄道車両用の車軸等、大きな曲げモーメントが作用する軸を支持するころ軸受に有利に利用される。

鉄道車両用の車軸を支持する複列円錐ころ軸受を示す図である。 図１に示す複列円錐ころ軸受の内輪部材の鍔部の拡大図である。 この発明の一実施形態に係る複列円錐ころ軸受用の内輪部材の正面図および側断面図である。 図３に示す複列円錐ころ軸受の内輪部材の鍔部の拡大図である。 この発明の他の実施形態に係る複列円錐ころ軸受の内輪部材の正面図および側断面図である。 図５に示す複列円錐ころ軸受の内輪部材の鍔部の拡大図である。 この発明の効果を確認するために、比較例として用いた複列円錐ころ軸受の内輪部材の鍔部の拡大図である。 従来の内輪と本発明に係る内輪との稜線部の面圧を有限要素法により求めた結果を表すグラフである。

符号の説明

１ 複列円錐ころ軸受、２ 内輪、２ａ 内周面端部、３ 外輪、４ 円錐ころ、５ 保持器、６ オイルシールケース、７ オイルシール、１０ 主軸、１０ａ 溝、１１，２１，３１ 内輪部材、１２，２２，３２ 端面、１３ 薄肉部、１４，２４，３４ 厚肉部、１５，２５，３５ 接触部、１６，２６，３６ 非接触部、１７，１８，１９ 稜線部、２３ 円周溝、２８ 切り欠き。

Claims (6)

1. 少なくとも一方の端部に鍔部を有する内輪と、
   外輪と、
   前記内輪および前記外輪の間に配置されたころとを備え、
   前記内輪の鍔部は、その端面側に径方向厚さが相対的に薄い薄肉部と、その中央側に径方向厚さが相対的に厚い厚肉部とを有し、
   前記内輪の内径面は、その中央部に軸に嵌合する接触部と、その外縁部に軸から径方向に離れた非接触部と、前記接触部と前記非接触部との境界に位置する稜線部とを有し、
   前記薄肉部の前記内輪の端面からの軸方向幅Ｌ_１と、前記内輪の端面から前記稜線部までの軸方向距離Ｌ_２とは、
   Ｌ_１＞Ｌ_２
   の関係を有し、
   前記内輪は２個、相互にその端部が突き合わされるように設けられ、それによって、複列円筒ころ軸受を構成し、
   前記内輪の稜線部から前記端面に至る部分はテーパ状を有することなく面取り部のみが設けられる、ころ軸受。
2. 前記薄肉部は、前記内輪の端面からの軸方向深さが前記軸方向幅Ｌ_１と同じである円周溝を設けることにより形成されている、請求項１に記載のころ軸受。
3. 前記内輪は、その内径面から前記円周溝にまで通じる切り欠きを有する、請求項２に記載のころ軸受。
4. 前記軸方向距離Ｌ_２は、１ｍｍ≦Ｌ_２≦５ｍｍである、請求項１〜３のいずれかに記載のころ軸受。
5. 前記薄肉部の前記稜線部位置での径方向の肉厚Ｌ_３と、前記内輪の内径φとの関係が、
   ０．０４≦Ｌ_３／φ≦０．１
   である、請求項１〜４のいずれかに記載のころ軸受。
6. 少なくとも一方の端部に鍔部を有する２つの内輪部材を突合せた内輪と、
   外輪と、
   前記内輪および前記外輪の間に複列に配置された円錐ころとを備え、
   前記内輪部材の鍔部は、その端面側に径方向厚さが相対的に薄い薄肉部と、その中央側に径方向厚さが相対的に厚い厚肉部とを有し、
   前記内輪部材の内径面は、その中央部に軸に嵌合する接触部と、その外縁部に軸から径方向に離れた非接触部と、前記接触部と前記非接触部との境界に位置する稜線部とを有し、
   前記薄肉部の前記内輪部材の端面からの軸方向幅Ｌ_１と、前記内輪部材の端面から前記稜線部までの軸方向距離Ｌ_２とは、
   Ｌ_１＞Ｌ_２
   の関係を有し、
   前記内輪の稜線部から前記端面に至る部分はテーパ状を有することなく面取り部のみが設けられる、複列円錐ころ軸受。

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