JP4749180B2

JP4749180B2 - 与圧管理軸受装置

Info

Publication number: JP4749180B2
Application number: JP2006052933A
Authority: JP
Inventors: 淳治高木; 昇川口; 真毅田畑
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2006-02-28
Filing date: 2006-02-28
Publication date: 2011-08-17
Anticipated expiration: 2026-02-28
Also published as: JP2007232035A

Description

この発明は、温度変化に依る与圧変化を抑制する機能を有する与圧管理軸受装置に関するものである。

温度変化に依る与圧変化を抑制する機能を有する軸受装置、いわゆる与圧管理軸受装置は、例えば宇宙などの真空極低温下にある衛星などで使用される鏡の高精度支持機構に使用されるが、その事例としては特開平５−７９５１４号公報（特許文献１）に記載のアンギュラ玉軸受装置がある。

この特許文献１に記載のアンギュラ玉軸受装置は、線膨張係数（以下、ＣＴＥと略記する）の異なるスペ−サを、玉軸受の内輪或いは外輪の軸方向両側に設けることにより、温度変化に依る軸受隙間の変化による与圧増大（与圧変化）を抑制／防止することで軸受の抵抗トルクの抑制／増大を防止している。

特開平５−７９５１４号公報（図１及びそれらの説明）

特許文献１に記載のアンギュラ玉軸受装置は、前述のようにＣＴＥの異なるスペ−サを、玉軸受の内輪或いは外輪の軸方向両側に設けることにより、温度変化に依る軸受隙間の変化による与圧増大（与圧変化）を抑制／防止することで軸受の抵抗トルクの抑制／増大を防止している。しかし、玉軸受の外輪・内輪が嵌めあいになっている場合など外輪・内輪が軸方向に摩擦力以上の力が働かなければ動かない。従って、厳しい温度変化下においても前述のような与圧を所定範囲内に収める与圧管理の動作を、前記摩擦力に影響されずに的確に行えるようにすることが好ましい。

この発明は、前述のような実情に鑑みてなされたもので、与圧管理の動作を前記軸受外輪や軸受内輪の摩擦力に影響されずに的確に行えるようにすることを目的とするものである。

この発明に係る与圧管理軸受装置は、軸側に軸受内輪が支持され、前記軸を囲繞するハウジング側に軸受ホルダを介して軸受外輪が支持され、前記軸側に螺合し前記軸受内輪を軸方向に押圧する内輪押さえおよび前記軸受ホルダに螺合し前記軸受外輪を軸方向に押圧する外輪押さえにより所定の軸受与圧に調整されている与圧管理軸受装置であって、軸方向長さがＬ３の前記ハウジングと、軸方向における前記軸受外輪までの長さがＬ１の前記軸受ホルダとの間に直列に結合された与圧自動調整スペーサを備え、この与圧自動調整スペーサの軸方向の厚みＬ２が、温度変化に伴う、前記軸側の伸縮量から、前記軸方向長さＬ３の前記ハウジングの軸方向の伸縮量及び前記軸受ホルダの前記軸方向における前記軸受外輪までの長さがＬ１の部分の軸方向の伸縮量を減じた量が軸受けすきまの軸方向変位量と等しくなるように設定され、前記ハウジング側と前記軸側の温度変化に伴う伸縮量の相違による前記軸受与圧の変化が抑制される与圧管理軸受装置であり、温度変化による前記ハウジングと前記軸との軸方向の伸縮量の違いによる前記軸受与圧の変化を抑制／防止するものである。

この発明は、軸側に軸受内輪が支持され、前記軸を囲繞するハウジング側に軸受ホルダを介して軸受外輪が支持され、前記軸側に螺合し前記軸受内輪を軸方向に押圧する内輪押さえおよび前記軸受ホルダに螺合し前記軸受外輪を軸方向に押圧する外輪押さえにより所定の軸受与圧に調整されている与圧管理軸受装置であって、軸方向長さがＬ３の前記ハウジングと、軸方向における前記軸受外輪までの長さがＬ１の前記軸受ホルダとの間に直列に結合された与圧自動調整スペーサを備え、この与圧自動調整スペーサの軸方向の厚みＬ２が、温度変化に伴う、前記軸側の伸縮量から、前記軸方向長さＬ３の前記ハウジングの軸方向の伸縮量及び前記軸受ホルダの前記軸方向における前記軸受外輪までの長さがＬ１の部分の軸方向の伸縮量を減じた量が軸受けすきまの軸方向変位量と等しくなるように設定され、前記ハウジング側と前記軸側の温度変化に伴う伸縮量の相違による前記軸受与圧の変化が抑制されるので、温度変化下において軸受与圧を所定値内に自動的におさめる与圧管理の動作を、軸受外輪や軸受内輪の摩擦力に影響されずに的確に行える効果がある。

実施の形態１．
以下この発明の実施の形態１を図１〜図４により説明する。図１は与圧管理軸受装置の適用例を示す底面図、図１の一部を拡大して示す側面図、図３は与圧管理軸受装置の一例を断面で示す縦断側面図、図４は温度変化前の状態の事例と温度変化後の状態の事例とを比較して断面表示せずに図示する機能説明図である。なお、図１〜図４において、同一符合は同一部分を示す。

例えば衛星等に搭載する宇宙用望遠鏡は、図１および図２に示すように、鏡Ｍが例えば３個の支持装置ＳＤにより所定の角度となるように支持され、各支持装置ＳＤは周知のように４軸構成となっている。
このような支持装置には前述のような与圧管理軸受装置が利用される。

また、衛星等に搭載する宇宙用望遠鏡に適用される与圧管理軸受装置の環境温度は、衛星打ち上げ前と衛星打ち上げ後の軌道上にある場合とでは大幅に異なる。打ち上げ前の地上での環境温度は例えば１５℃、打ち上げ後の軌道上での環境温度は約５°Ｋで、その差は３００度である。一般的には衛星に搭載され宇宙空間に打ち上げられると３００度程度も環境温度が低下するので、通常は軸受トルクが増大し軸受機能が低下する。つまり、宇宙空間の衛星に適用される与圧管理軸受装置は、与圧が増大して軸受機能が低下するので当該与圧の増大を抑制／防止して軸受機能の低下を抑制／防止する。その従来の一手段が前述の課題の特許文献１である。

この発明の実施の形態１における与圧管理軸受装置は、前述の特許文献１における軸受外輪や軸受内輪の摩擦の影響を受けない新たな視点での与圧管理軸受装置を提供するもので、その具体的な構造の事例を、以下に、図３により説明する。

図３に示すように、この発明の実施の形態１における与圧管理軸受装置は、軸受外輪１、軸受玉２、軸受内輪３、与圧自動調整スペーサ４、軸受ホルダー５、軸受ハウジング６、ボルト７、軸８、スペーサ９、内輪押さえ１０、および外輪押さえ１１で構成されている。

前記軸受外輪１は、前記軸受ホルダー５と前記外輪押さえ１１とによって前記軸受ハウジング６側に固定されている。

前記軸受内輪３は、前記軸８と前記内輪押さえ１０とによって前記軸受玉２への適正な与圧状態で前記軸８側に固定されている。

前記与圧自動調整スペーサ４は、図示のように、前記軸８の軸方向両端部に位置する対を成す前記軸受ホルダー５と、中央部の前記軸受ハウジング６との間に介在しる。
また、前記各与圧自動調整スペーサ４は、図示のように、先端部が前記軸受ハウジング６に螺着し頭部が前記軸受ホルダー５に当接した複数個のボルト７によって、前記軸受ホルダー５と前記軸受ハウジング６とで挟圧されている。
また、前記各与圧自動調整スペーサ４は、図示のように、内径および外径が、前記軸受ホルダー５および前記軸受ハウジング６と同じ円環状である。
また、前記各与圧自動調整スペーサ４は、それ自体の軸方向の肉厚は、その周方向および径方向の全てに亘って均一であり、且つ、それ自体の軸方向両端面は、前記軸受ハウジング６の対応する軸方向端面と、対応する前記軸受ホルダー５の対応する軸方向端面との双方に面接触している。
また、前記各与圧自動調整スペーサ４の前記ボルト７が遊嵌状態で貫通するボルト貫通孔の内周面と前記ボルト７のねじ山外周面との間には隙間gap1が存在する。同様に、前記軸受ホルダー５の前記ボルト７が遊嵌状態で貫通するボルト貫通孔の内周面と前記ボルト７の頚部外周面との間には隙間gap2が存在する。

前記軸８には、図示のように、その中央部の大径外周面とその両端部の小径外周面との各境界に内輪対応面８ｓが形成されており、該各内輪対応面８ｓは、所定軸受与圧状態で対応軸受内輪３の対応端面との間に隙間gap3が存在する。

同様に、前記各軸受ホルダー５には、図示のように、その軸中心線CT1側の小径内周面と反軸中心線CT1側の大径内周面との各境界に外輪対応面５ｓが形成されており、該各外輪対応面５ｓには、所定軸受与圧状態で対応軸受外輪１の対応端面が前記軸受ホルダー５によって圧接されている。

前記各軸受ホルダー５の前記大径内周面には前記外輪押さえ１１が螺合しており、該各外輪押さえ１１は、対応する前記軸受外輪１を、対応する前記外輪対応面５ｓに、押圧している。

前記軸８の両端の前記各小径外周面には前記内輪押さえ１０が螺合しており、該各内輪押さえ１０は、環状の前記スペーサ９を介して対応する前記軸受内輪３を、前記軸方向中心線CT1の方向に押圧している。

前記軸受外輪１および前記軸受内輪３の前記軸受玉２を受ける面は、何れも前記軸８の中心線CT2に対して同方向に傾斜したアンギュラ玉軸受を構成しており、一方、前述のように前記軸８の前記内輪対応面８ｓと前記軸受内輪３の端面との間には隙間gap3が存在している。従って、前記軸受外輪１は、前記軸受ホルダー５に堅固に高剛性に固定され、ひいては前記軸受ハウジング６に前記ボルト７により前記与圧自動調整スペーサ４を介して堅固に高剛性に固定される一方、前記軸受内輪３は、前記内輪押さえ１０によって前記軸方向中心線CT1の方向に押圧されていることから前記軸受玉２を前記軸受外輪１に対して所定の与圧で押し付ける。つまり、前記内輪押さえ１０は軸受与圧調整ねじの機能を有している。

図３に示す状態で環境温度に変化が起きると、前記軸受玉２と前記軸受外輪１および前記軸受内輪３との線膨張係数差、および前記軸８と前記軸受ハウジング６との線膨張係数差により、前記軸受外輪１が、軸方向中心線CT1方向に移動しなければ軸受与圧が過大になり、軸受抵抗トルクが増大する（環境温度の常温から極低温への冷却時）。

本実施の形態１では、前記軸受外輪１を熱変形時に軸方向に摩擦によらずに移動させるために、前記軸８と線膨張係数（以下、ＣＴＥと略記する）の異なる前記与圧自動調整スペーサ４を前記軸受ホルダー５と前記軸受ハウジング６との間に図示のように前記ボルト７により結合／締結する。これにより、前記軸受外輪１と前記軸受ホルダー５間にしめしろ（締め代）等による摩擦力が作用していても、前記軸受外輪１は、前記与圧自動調整スペーサ４のＣＴＥ差により、図４に点線で示すように、前記軸受ホルダー５と共に前記軸方向中心線CT1の方向に移動することができる。前記軸受玉２の接触角も図４に示すように、α1からα2へと変化する。

図４において、実線は、環境温度が地上温度例えば１５℃での与圧管理軸受装置の各部の状態を示し、点線は、環境温度が宇宙空間の衛星での温度数°Ｋでの与圧管理軸受装置の各部の状態を示してある。与圧管理軸受装置が地上温度例えば１５℃から３００度近く低い温度に冷却された場合、点線で示すように、前記与圧自動調整スペーサ４が熱収縮してその軸方向の厚さが薄くなり、その結果、前記軸受外輪１は、基準面ＳＳを基準にして、前記ボルト７を介して前記軸受ホルダー５と共に前記軸方向中心線CT1の方向に移動し、従って、３００度近く低い温度に冷却されても冷却前とほぼ同等の所定軸受与圧に自動的に管理される。

また、前記ボルト７は前記与圧自動調整スペーサ４と同じ材質にすることにより締め付け力が低下することを防いでいる。

なお、この発明の実施の形態１では、前述のように３００度近く低い温度に冷却されても冷却前とほぼ同等の所定軸受与圧に自動的に管理されるように、前記与圧自動調整スペーサ４、前記軸受ハウジング６、前記軸受外輪１、前記軸受内輪３、前記軸８、および前記軸受玉２のＣＴＥ（線膨張率）の大小関係を次のようにしてある。即ち、前記与圧自動調整スペーサ４＞前記軸受ハウジング６、前記軸受外輪１、前記軸受内輪３、＞前記軸８＞前記軸受玉２。前記軸受玉２のＣＴＥを最も小さくしてあるので、冷却後には、前記軸受玉２は、図４に点線で示すようにＣＴＥが大きなもの（前記与圧自動調整スペーサ４、前記軸受ハウジング６、前記軸受外輪１等）に比べ相対的に大きくなる。
また、前記大小関係にするために、材質は、例えば、前記与圧自動調整スペーサ４はアルミ、前記軸受ハウジング６、前記軸受外輪１、および前記軸受内輪３はステンレス、前記軸８はチタン、前記軸受玉２はセラミックとすればよい。

また、前述のように３００度近く低い温度に冷却されても冷却前とほぼ同等の所定軸受与圧に自動的に管理されるように、前記各与圧自動調整スペーサ４の軸方向の肉厚Ｌ_２は次のようにして求めればよい。

温度変化前の前記軸受ハウジング６の軸方向の長さ（前記外輪対応面５ｓ，５ｓ間の長さ）をＬ、温度変化後の同ハウジング６の長さをＬ´、温度変化前の前記軸８の軸方向の長さ（前記軸８の前記中央部の大径外周面の軸方向長さ）をＬ_０、温度変化後の同軸８の長さをＬ_０´、前記軸受ハウジング６のＣＴＥ値をα、前記軸８のＣＴＥ値をα_０、前記各軸受ホルダー５の軸方向における前記軸受外輪１までの長さをＬ_１（図３参照）、各軸受ホルダー５の軸受外輪１までの長さＬ _１部のＣＴＥ値をα_１（図３参照）、前記各与圧自動調整スペーサ４の軸方向肉厚をＬ_２（図３参照）、同各与圧自動調整スペーサ４のＣＴＥ値をα_２（図３参照）、前記軸受ハウジング６の前記両与圧自動調整スペーサ４との接触面間部の長さＬ_３（図３参照）、同接触面間部のＣＴＥ値をα_３（図３参照）、軸受すきまの前記温度変化に伴うラジアル方向への変位量（前記軸受玉２と前記軸受外輪１との温度変化前後の各接点の変位量と等価）を△ｒ、軸受すきまの前記温度変化に伴う軸方向変位量（前記軸受外輪１の前記軸方向中心線CT1方向への変位量と等価）を△ａとする。ここで、△ａは軸受単体で発生し、軸受内輪、軸受外輪、及び軸受玉の各温度変化△Ｔにより幾何学的に求められる量である。
α＞α_０、温度変化量△Ｔ＜０のとき、
Ｌ_０´−Ｌ´＝２△ａ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（式１）
となる条件により温度変化△Ｔが生じても与圧の変化を抑制できる。

ここで、前記式１のΔａを満たすような前記各与圧自動調整スペーサ４の軸方向肉厚Ｌ_２を求めることで前記所望の軸受与圧に管理することができる。
つまり、
ΔＬ_０＝Ｌ_０´−Ｌ_０＝α_０Ｌ_０ΔＴ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（式２）
ΔＬ＝Ｌ´−Ｌ＝（２α_１Ｌ_１＋２α_２Ｌ_２＋α_３Ｌ_３）ΔＴ・・・・・・・・（式３）

ここで、Ｌ_０＝Ｌとして、前記式１〜３により、
Ｌ_０´−Ｌ´＝２Δａ＝（α_０Ｌ_０−２α_１Ｌ_１−２α_２Ｌ_２−α_３Ｌ_３）ΔＴ・（式４）
故に、式４から、前記各与圧自動調整スペーサ４の軸方向肉厚Ｌ_２は以下の式５で求まる。
Ｌ_２＝（（２Δａ／ΔＴ）＋α_０Ｌ_０−２α_１Ｌ_１−α_３Ｌ_３）／２α_２・・・・（式５）

前述のように、この発明の実施の形態１は、軸８側に軸受内輪３が支持され、前記軸８を囲繞するハウジング６側に軸受外輪１が支持され、前記軸８側に螺合し前記軸受内輪３を軸方向に押圧する内輪押さえ１０および前記ハウジング６側に螺合し前記軸受外輪１を軸方向に押圧する外輪押さえ１１により所定の軸受与圧に調整されている与圧管理軸受装置において、前記ハウジング６と直列に結合され温度変化による前記ハウジング６と前記軸８との軸方向の伸縮量の違いによる軸受与圧の変化を当該温度変化による軸方向の伸縮により前記ハウジング６側で抑制する与圧自動調整スペーサ４を設けた与圧管理軸受装置である。かくして、前述のように、与圧管理の動作を前記軸受内輪３および前記軸受外輪１の嵌めあい摩擦力に影響されずに的確に行える。

参考例１．
なお、軸８側に軸受内輪３が支持され、前記軸８を囲繞するハウジング６側に軸受外輪１が支持され、前記軸８側に螺合し前記軸受内輪３を軸方向に押圧する内輪押さえ１０および前記ハウジング６側に螺合し前記軸受外輪１を軸方向に押圧する外輪押さえ１１により所定の軸受与圧に調整されている与圧管理軸受装置において、前記軸８と直列に結合され温度変化による前記ハウジング６と前記軸８との軸方向の伸縮量の違いによる軸受与圧の変化を当該温度変化による軸方向の伸縮により前記軸側で抑制する与圧自動調整スペーサを設けた与圧管理軸受装置としてもよい。

この発明の実施の形態１を示す図で、与圧管理軸受装置の適用例を示す底面図である。この発明の実施の形態１を示す図で、図１の一部を拡大して示す側面図である。この発明の実施の形態１を示す図で、与圧管理軸受装置の一例を断面で示す縦断側面図である。この発明の実施の形態１を示す図で、温度変化前の状態の事例と温度変化後の状態の事例とを比較して断面表示せずに図示する機能説明図である。

１軸受外輪、
２軸受玉、
３軸受内輪、
４与圧自動調整スペーサ、
５軸受ホルダー、
６軸受ハウジング、
７ボルト、
８軸、
９スペーサ、
１０内輪押さえ、
１１外輪押さえ。

Claims

軸側に軸受内輪が支持され、前記軸を囲繞するハウジング側に軸受ホルダを介して軸受外輪が支持され、前記軸側に螺合し前記軸受内輪を軸方向に押圧する内輪押さえおよび前記軸受ホルダに螺合し前記軸受外輪を軸方向に押圧する外輪押さえにより所定の軸受与圧に調整されている与圧管理軸受装置であって、
軸方向長さがＬ３の前記ハウジングと、軸方向における前記軸受外輪までの長さがＬ１の前記軸受ホルダとの間に直列に結合された与圧自動調整スペーサを備え、
この与圧自動調整スペーサの軸方向の厚みＬ２が、温度変化に伴う、前記軸側の伸縮量から、前記軸方向長さＬ３の前記ハウジングの軸方向の伸縮量及び前記軸受ホルダの前記軸方向における前記軸受外輪までの長さがＬ１の部分の軸方向の伸縮量を減じた量が軸受けすきまの軸方向変位量と等しくなるように設定され、前記ハウジング側と前記軸側の温度変化に伴う伸縮量の相違による前記軸受与圧の変化が抑制される与圧管理軸受装置。
請求項１に記載の与圧管理軸受装置において、前記与圧自動調整スペーサが、該与圧自動調整スペーサと同じ材質のねじにより前記結合が行われていることを特徴とする与圧管理軸受装置。