JP5702121B2 - 位置調節のできる転がり軸受のためのスペーサ - Google Patents

Description

本発明は転がり軸受の分野に属する。本発明はより具体的には温度勾配を被る軸受に関するものである。

玉軸受は、回転式に運動する機構を備えた多くの装置において数十年の間使用されてきた。それらの役割は、一方は他方に対して回転式に可動であるロータであり、他方はベースに固定されたステータである２つの部材間の摩擦を制限し、２つの部材間の滑動現象を回転現象に置き換えることである。玉またはテーパ転がり軸受は通常、その間隔が一定に維持されて１セットの転がり部材（玉またはローラ）が間に配置される軌道を有する２つの同軸の輪で構成される。本発明はこのケースに限定されるものではないが、本記載の残りの部分は玉軸受の場合に限定される。

このようにして回転部材間の摩擦が少なからず緩和され、結果としてロータの回転を維持するのに必要なエネルギーが低下するまたはこれらの部材の間の熱による加熱が緩和される。

軸受の輪および玉は典型的には金属で、通常は軸受鋼で作製される。いくつかの用途では鋼の輪およびセラミック製の玉も使用される。完全にセラミック製の軸受も存在する。

１つの改良として、ロータとステータの間に配置された一組の玉軸受を組み合わせてそれらを完全に同軸に維持することによって１つの転がり軸受を形成し、枢軸連結を形成するのが一般的である。

「シャフト」は軸受の内輪と接触する部材の一部を表し、この部材は軸受の中心要素がベースに対して固定されるときはステータ、軸受の中心要素がベースに対して回転するときはロータのいずれかである。「ハブ」は軸受の外輪に接触する部材の一部を表し、この部材は、シャフトとは逆のロータまたはステータのいずれかである。全ての場合においてハブはシャフトの周囲を取り囲む。

このような転がり軸受は典型的には、駆動装置、機械工具の主軸、タービン、ポインティング機構、精密機械、例えば衛星姿勢制御用途で使用されるものなどのモーメンタム・ホイールなどの機構で使用される。

それらを組み立てるおよび作動させる際、玉軸受を構成する種々の部材は必然的に歪み易くなり、その結果転がり軸受の性能またはハブの正確な位置指定のいずれかを損なう恐れのある部材間の機械的な遊びが出現することになる。

上記に言及したタイプの精密な機構に関して、このような遊びをなくすためおよび良好な位置指定精度を保証するために予圧玉軸受として知られる玉軸受が使用される。一組の転がり軸受の予圧は、軸受の両側に軸方向の締め付け力を常に加えることで成り立っている。この力によって軌道と玉の間に弾性の歪みが生じ、接触圧が生成され、これにより遊びをなくすことができる。

摩擦を調節し最適化するには、図１ａおよび図１ｂによって示されるように予圧が加えられる、組になった転がり軸受が使用されることが多い。

図１ａでは、まだ予圧されていない軸受が例示されており、２つの玉軸受１ｇ、１ｄが並置されている。軸受の半分のみが示されており、軸受の対称軸Ｚは図面では水平方向である。内輪２ｇ、２ｄおよび外輪３ｇ、３ｄが切欠き図で示されている。この例では、内側の軌道４ｇ、４ｄと外側の軌道５ｇ、５ｄが、所定の特定の接触角度αで傾斜して玉と接触する法線６ｇ、６ｄを画定する。法線６ｇ、６ｄは軸受の外側に向かって収束しており、これは「背中合わせ」の組み立てと呼ばれる。軸受１ｇと１ｄを反転させることによって、接触する法線が組になった軸受の内側に向かって収束する「向かい合わせ」と呼ばれる組み立て構成になる。玉７ｇ、７ｄは、そのそれぞれの内側軌道および外側軌道と単に接触する。意図的に２つの内輪２ｇ、２ｄの間にある程度の遊び８が残されるが、２つの外輪３ｇ、３ｄは接触している。

図１ｂの構成では、軸方向の力Ｐｒとして予圧が加えられ、内輪２ｇ、２ｄを互いに対して締めつけている。ここでこの予圧によって各玉７ｇ、７ｄおよび軌道の弾性の歪み９ｇ、９ｄが生じ（この図の目的としてここではかなり誇張されている）、この組立体の中に遊びが発生するのを阻止する。予圧を加えることによって遊びが取り除かれる際、接触の斜角αがわずかに（典型的には数パーセント）大きくなる。結果として生じる接触角度は軸受の作製者には既知のものであり、数度以内、典型的には１０から４０度までの変動する範囲内で形成される。

このような予圧を達成するには多くの方法がある。１つの輪に他の輪に対する動きを課すことによって予圧が実現される際、この予圧は「固定型」と呼ばれる。本明細書では固定予圧のケースのみが考慮される。

したがって予圧は、転がり軸受の重要な特性である。それは規定されかつ調節された剛性を転がり軸受に付与する。それはまた許容可能な荷重レベルおよびロータ速度に直接影響を与える。設計者にとっての難問は、調節され安定した予圧を経時的に保証することである。

以下は、固定予圧および適切なロック固定剛性の両方を軸受に、すなわち軸受の回転軸に対して垂直な軸の周りで与える、最新技術から既知の一実施形態である。

互いに対して回転式に可動な中央シャフトとハブとを備えるタイプの転がり軸受装置は、一方は「下方」に他方は「上方」に指定され、軸方向（すなわちＺ軸に沿った定義によって）に離間した２つの位置で中央シャフトとハブの間に配置された少なくとも２つの転がり軸受を有する。これらの転がり軸受は内側および外輪と玉とを備え、各軸受の内輪は中央シャフトの周りで外輪はハブの内側で位置調節され、軸受は背中合わせまたは向かい合わせで設置される。これらの転がり軸受に対して軸方向に固定予圧が加えられる。転がり軸受の間にはスペーサが配置され、「内側」に指定されたスペーサはその上端および下端によって上方および下方転がり軸受の内輪上にそれぞれ載っており、「外側」に指定されたスペーサはその上端および下端によって上方および下方転がり軸受の外輪上にそれぞれ載っている。

この目的のために設計された組み立て要素を使用して、軸受に対して軸方向に固定予圧が加えられる。例えば設置フランジを使用して軸受の輪をスペーサに対して締め付ける。

このタイプの設置は、それによってスペーサの長さ次第で軸受を調節可能な距離で離間させることが可能になることから有利である。最新技術によると、スペーサの長さは、高度な位置指定精度および要求されるロック固定剛性を実現するのに十分な大きさであるように選択される。スペーサが長くなると、軸受のロック固定剛性も大きくなる。しかしながらこの最新技術によると、スペーサは、軸受のサイズおよび重量を最小限にするために必要とされる剛性を達成することができる最小限の長さを有する。

この装置はロック固定剛性、体積および重量の観点から有利であるが、それにも関わらず、温度が変化する間も予圧がほぼ一定のままであることが要求されるいくつかの用途において、有意な制限がある。

玉軸受が温度の変動を被るときかなり予圧が変わることは当然明らかである。予圧が増大する可能性もあり、これにより摩耗のせいで接触する部材の摩擦トルクが低下しかる寿命が縮まる。それはまた予圧が完全に失われる地点まで減少し、軸受内に生じる衝撃によって結果として生じる機械的バックラッシュによって位置指定精度が低下し同様に寿命も縮まる。

本明細書では、エクスカーションおよび勾配の２つのタイプの温度変動が考慮されている。
−温度エクスカーションは、転がり軸受が所定の温度において同質である均一な温度変動を指し、これは経時的に変化する。
−温度勾配は、軸受の一端から他端までの所定の間隔での温度変動を指す。半径方向の勾配（シャフトがハブより温かくなるまたは冷たくなる）は予圧を有意に変える。反対に軸方向の勾配（一方の転がり軸受が他方より温かい）は予圧にほとんど作用しない。

例えば軸受が特に高速の回転速度で加熱したことが理由で、または例えば電子機器など密接に近接して作動する消散要素があることが理由で、温度エクスカーションはシステムの作動中に頻繁に生じる。

温度勾配はステータがベースとの高度な熱結合を有することが理由で一般的に起こり、ロータからベースへの熱伝導は、特にそれらが熱伝導性の低い材料でできている場合、具体的にはセラミック製の玉であるとき、単に短縮された熱経路を提供するのみの軸受の玉の中を通過する。

温度エクスカーションの場合の予圧の変動を制限するために、軸受の全ての部品（玉を含めた）に関して、例えば鋼などの同様の熱による膨張度係数（熱膨張係数または熱弾性膨張係数としても知られている）を有する材料のみをもっぱら使用することが知られている。これにより、エクスカーションによって軸受の等方性の膨張が生じ、軸方向および半径方向の膨張は、変わらずに一定である接触角度に比例することから、軸受が温度エクスカーションを被るときも変わらずに一定である予圧が生まれる。

対照的に、材料が同一の膨張係数を有するこのようなケースでさえ、軸受が半径方向の温度勾配を被る際、軸受の膨張はもはや等方性ではなく有意に変化する接触斜角によって軸方向および半径方向の膨張の一部が相殺されるのみである。予圧がこれによって有意に影響を受ける可能性がある。

したがって本発明の目的は、温度勾配を考慮して設計された予圧転がり軸受の新しい構成を提案することによってこの問題に対処することである。

この目的を達成するために、本発明は主として、互いに対して回転式に可動な中央シャフトとハブとを備えるタイプの転がり軸受装置であって、軸受が、軸方向Ｚに離間した２つの位置の「下方」と「上方」で中央シャフトとハブの間にそれぞれ配置される少なくとも２つの転がり軸受を備え、これらの軸受が内輪および外輪と、玉とを備え、各軸受の内輪は中央シャフトの周りで、外輪はハブの内側で位置調節され、転がり軸受は背中合わせまたは向かい合わせで設置され、これらの軸受に対して軸方向に固定予圧が加えられ、これらの軸受の間にスペーサが配置され、「内側」に配置される内側スペーサはその上端および下端によって上方および下方転がり軸受の内輪にそれぞれ設置され、「外側」に配置される外側スペーサはその上端および下端によって上方および下方転がり軸受の外輪にそれぞれ設置される、転がり軸受装置に関する。

転がり軸受装置は、「内側」と「外側」両方のスペーサの長さが、軸受の１つの地点から別の地点までの３０％未満までの温度勾配、具体的には半径方向の熱勾配によって生じる固定予圧の変動を制限するように調節されるようなものであり、当該調節が、スペーサの異なる長さに対し、１）予圧を増加させる方向に働く、前記予圧に対するスペーサの軸方向の差動膨張の作用を計算し、２）予圧を低下させる方向に働く、前記予圧と同じ予圧に対する前記輪（１４、１６、１５、１７）の半径方向の差動膨張の作用を計算し、得られた値が互いに最良に相殺されるまで値を比較することによってスペーサの最適な長さを決定することを含む。

スペーサの長さは有利には、およそ１０パーセント未満の許容範囲を有してその最適な値に調節される。

好ましい一実施形態によると、最良の厳密性を保証しながら軸受の質量およびサイズを制限するために、玉は２５度以上の接触角度を示す。

好ましい一実施形態によると、少なくとも一方の転がり軸受の少なくとも一方の輪および好ましくはそれぞれの輪は、例えばそのベース（ハブまたはシャフト）に対する滑り嵌めによって他方の輪に対して軸方向に沿って自由に移動する。

この滑り嵌めを維持するには、シャフト、ハブおよび輪を同一の材料またはほぼ同様の熱膨張係数を有する材料で作製することが有利である。

有利な一実施形態によると、軸受輪をスペーサ上にクランプ留めするのに設置フランジが使用され、これらのフランジはスペーサの軸方向の剛性よりも有意に低い剛性（典型的には少なくとも３倍低い）を有する。

予圧が温度エクスカーションに影響を受けないままであることを保証するために、輪と玉が同一の材料またはほぼ同一の熱膨張係数を有する材料で作製されることが有利である。

たとえ輪と玉が同一の材料またはほぼ同一の熱膨張係数を有する材料で作製されないときでも予圧が温度エクスカーションの影響を受けないままであるように、温度勾配の範囲内で軸受の温度を所与の平均温度付近に維持することが有利である。

有利には２つのスペーサの長さは機械加工誤差の許容範囲内で同一である。

好ましい一実施形態によると、転がり軸受は同一の寸法を有し、軸受は、軸方向Ｚに沿って離間した２つの転がり軸受のそれぞれのグループに関して２つの円筒形かつ同軸のスペーサを備える。

有利な一実施形態によると、軸受は少なくとも中央シャフトと内側スペーサの間、または２つのスペーサ間、または外側スペーサとハブの間に、スペーサの少なくとも一方が他のスペーサまたは中央シャフトまたはハブに対して半径方向に差動膨張できるように設計された隙間を有する。

有利な一実施形態によると、転がり軸受の一方は片側がスペーサによって、もう片側はクランプによって所定の場所に簡単に保持されており、これらのクランプはスペーサの軸方向の剛性より有意に低い剛性（典型的には少なくとも３倍低い）を有する。

好ましい一実施形態によると、「上方」に配置された一方の転がり軸受は片側がスペーサによって、もう片側はクランプによって所定の場所に簡単に保持されており、「下方」に配置された他方の軸受は片側がスペーサによって、もう片側は中央シャフト内に設けられた肩部とハブによって所定の場所に簡単に保持されており、この組立体は下方軸受と、スペーサと、上方軸受とを備え、これによりその厚さが軸受の厚さｅと等しいほぼ円筒形の空間を形成し、中央シャフトとハブの間の空間内の対応する形状の筐体に嵌合する。

本発明はまた、互いに対して回転式に可動な中央シャフトとハブとを備えるタイプの転がり軸受装置であって、軸受が、軸方向Ｚに離間した２つの位置の「下方」と「上方」で中央シャフトとハブの間に配置される少なくとも２つの転がり軸受を備える転がり軸受装置を作製するための工程を対象としている。これらの転がり軸受は内輪および外輪と、玉とを備え、各転がり軸受の内輪は中央シャフトの周りで外輪はハブの内側で位置調節され、転がり軸受は背中合わせまたは向かい合わせで設置され、これらの転がり軸受に対して軸方向に固定予圧が加えられ、これらの転がり軸受の間にスペーサが配置され、「内側」に配置される内側スペーサはその上端および下端によって上方および下方軸受の内輪にそれぞれ設置され、「外側」に配置される外側スペーサはその上端および下端によって上方および下方転がり軸受の外輪にそれぞれ設置される。

上記工程は、転がり軸受の１つの地点から別の地点までの所定の温度勾配、具体的には半径方向に沿った温度勾配によって生じる軸受の固定予圧の変動を最小限にする目的で（この最小限化は予圧変動の補償を伴う）内側および外側スペーサの長さを計算するステップを含み、当該長さの計算ステップが、スペーサの異なる長さに対し、１）予圧を増加させる方向に働く、前記予圧に対するスペーサの軸方向の差動膨張の作用を計算し、２）予圧を低下させる方向に働く、前記予圧と同じ予圧に対する前記輪（１４、１６、１５、１７）の半径方向の差動膨張の作用を計算し、得られた値が互いに最良に相殺されるまで値を比較することによってスペーサの最適な長さを決定することを含む。

本発明の目的および利点は、非限定的な例を挙げる特定の実施形態の記載および図面を読むことでよりよく理解され、そのために図面は以下を示している。

予圧されない構成の転がり軸受の断面図である。 予圧された構成の転がり軸受の断面図である。 本発明による転がり軸受の断面図である。 スペーサのない場合（２つの転がり軸受が並置されている）と、長さが調節されたスペーサがある場合の温度勾配に対する予圧の感度を示すグラフである。

図２に示されるように本発明は、ハブ１０を備え中央シャフト１１の周りで回転式に可動な転がり軸受に関する。簡素化するために図２はハブ１０の中央部分のみを示している。

中央シャフト１１とハブ１０は従来式の方法で、本明細書では詳細に記載されない材料、すなわち金属またはその他で設計されている。有利にはハブとシャフトは同一の材料、例えばステンレス鋼（１０．４μｍ/ｍ/Ｃ）で、またはほぼ同様の熱膨張係数を有する別々の材料から作製され、これにより設計工程が大幅に促進される。

本記載の残りの部分に関して、中央シャフト１１の周りのハブ１０の回転軸はＺで示されており、用語「半径方向」および「軸方向」はこの回転軸Ｚを基準に規定される。

本明細書の転がり軸受は、それぞれ同一の寸法を有する下方軸受１２と上方軸受１３の２つの軸受を備える。

玉タイプの軸受が本明細書で参照されているが、本発明の原理を変えることなく、例えばテーパ軸受などの他のタイプの転がり軸受も可能であることは明らかである。転がり軸受１２、１３は、例えばステンレス鋼で作製された内側の金属の輪１４、１６および外側の金属の輪１５、１７と、同様にステンレス鋼で作製された玉１８、１９を有することが予測される。軸受の潤滑方法は、本明細書には詳細に記載されていない。

内輪（それぞれの外側）は、例えば外部の振動または衝撃の影響を受けるなど水平方向に（半径方向に）移動するときの軸受のいかなる損傷も回避するには十分に小さいが、少なくとも一方の転がり軸受の少なくとも一方の輪および好ましくはそれぞれの輪が他方の輪に対して軸方向に沿って移動しないようにするには十分に大きな分量の隙間（典型的には数ミクロン）を有する滑動接点によってシャフトの周り（それぞれハブの内側）に適合される。

有利には転がり軸受の材料はシャフトとハブに使用される材料とほぼ同様の熱膨張係数を有するため、一方で内輪とシャフトの間および他方で外輪とハブの間の位置調節のための遊びは温度エクスカーションにおいてほぼ一定である。

各転がり軸受１２、１３の内輪１４、１６は固定されており、外輪１５、１７はハブ１０と一体となって回転式可動であることを理解されたい。転がり軸受１２、１３の詳細な幾何学的な特徴は本発明の文脈外であり、したがって本明細書ではさらに記載しない。

転がり軸受１２、１３は、図１の構成と同様の方法で、すなわち背中合わせで設置される。転がり軸受１２、１３と接触する法線Ａ１、Ａ２は、ハブ１０の外側に向かって１点で交わる。クランプ２０、２１を使用して、上記に記載されるタイプの固定予圧がこれらの転がり軸受１２、１３に加えられる。これらの部材の詳細およびその作動様式は当業者には既知であり、したがって本明細書ではさらに詳細に記載しない。

例えば組になった軸受の高度な位置指定精度を達成し、軸受および構造体に対して高度なロック固定剛性を与える固定予圧を実現する目的で転がり軸受１２、１３を分離させるために、これらの軸受の間に「スペーサ」と呼ばれる２つの同軸の円筒形の部材２２、２３が挿入される。図２に示される軸受では、内輪１４、１６上に載っている内側スペーサ２２は固定されている。外輪１５、１７上に載っている外側スペーサ２３はこれらの輪と一体となって回転式に可動である。

図２で見ることができるように、これらの内側スペーサ２２と外側スペーサ２３の２つのスペーサはそれぞれ各軸受の輪の上に載っている。内側スペーサ２２は、その上端および下端によって上方転がり軸受１３の内輪１６および下方転がり軸受１２の内輪１４の上にそれぞれ載っている。同様に外側スペーサ２３は、その上端および下端によって上方転がり軸受１３の外輪１７および下方転がり軸受１２の外輪１５の上にそれぞれ載っている。

設置フランジ２０、２１を使用して軸受の輪をスペーサ２２、２３に対してクランプ留めする。フランジの剛性はスペーサの軸方向の剛性より低く、典型的にはスペーサの軸方向の剛性の少なくとも３倍は低い。この方法では、スペーサの膨張は（予圧を維持するのに不可欠な役割を努めるのがわかる）ほんのわずかしかフランジの剛性によって影響されない。

スペーサの長さは機械加工誤差の許容範囲内で同一であるのが有利である。この方法では、図１でのように転がり軸受を互いに対してクランプ留めすることによって実現される予圧は、締め付ける前に下方軸受の輪が上に載る肩部の相対的な構成に関係なく、クランプを使用して転がり軸受をスペーサに対してクランプ留めすることによって同様に達成される。締め付けると、ハブとシャフトは自動的に半径方向にそれ自体の位置を調節する。

異なる一実施形態では２つのスペーサの長さは異なっているが、軸受が組み立てられる際に所望の予圧が達成されるように調節される。

本発明の実施のこの非制限的な例では、中央シャフト１１は、内側スペーサ２２に合わせて配置されたほぼ円筒形のくぼみ２４を備える。同様にハブ１０は、外側スペーサ２３に合わせたほぼ円筒形の形態のくぼみ２５を備える。最終的にスペーサ２２、２３はこれも同様にほぼ円筒形である空間２６によって分離される。

これらのくぼみに加えて、図２には示されないがスペーサの間には１０分の数ミリメートル（典型的には０．２から０．５ｍｍ）の隙間があり、シャフトとハブによってスペーサ２２、２３、中央シャフト１１およびハブ１０の半径方向の差動膨張が可能になる。最も一般的な組み立ての場合、任意の組の隣接する部材同士、すなわちシャフト、内側スペーサ、外側スペーサ、ハブの間にいくらかの遊びがあるのが有利である。組み立てる時に２つの隣接する部材は接触しているが、他の２つの隣接する部材の間には少なくとも十分な隙間があり、これにより全ての部材が、部材に対して過剰な力または歪みを生じさせることなく半径方向の膨張の影響を受けてそれ自体を再配置することが可能であることを理解されたい。

また上方転がり軸受１３は、一方でスペーサ２２、２３によって軸方向に、他方でクランプ２０、２１によって所定の位置に簡単に保持されていることを理解されたい。同様に下方転がり軸受１２は、一方でスペーサ２２、２３によって、中央シャフト１１およびハブ１０上に設けられた肩部２７、２８によって所定の位置に簡単に保持されている。組立体は下方転がり軸受１２と、スペーサ２２、２３と、上方転がり軸受１３とを備え、これによりその厚さが転がり軸受の厚さｅ（図１を参照）に等しいほぼ円筒形の空間を形成し、中央シャフト１１とハブ１０の間の空間内の対応する形状の筐体に嵌合する。

この構成により転がり軸受を容易に設置することが可能になる。

少なくとも一方の転がり軸受、この場合上方転がり軸受１３は、シャフトおよびハブと滑動式に接触することによって簡単に位置調整されることによって、転がり軸受の１つの輪の他方の輪に対する軸方向の移動が、この輪とシャフトまたはハブとの間での滑動に対する抵抗によって単に阻止されることを理解されたい。したがって、スペーサの軸方向の膨張による遊びによるこのような滑り位置調整によって、少なくとも一方の転がり軸受の少なくとも一方の輪および有利にはそれぞれの輪は、少なくとも事前に定義された長さにわたって他方の輪に対して軸方向に沿って自由に移動する。この一方の輪の他方の輪に対する相対移動が理由で、スペーサの軸方向の膨張による遊びが転がり軸受の輪に伝達される。

シャフトまたはハブによる転がり軸受の輪の相対移動に対して作用する潜在的な応力を制限するために、シャフト、ハブおよび転がり軸受を同一の材料またはほぼ同様の熱膨張係数を有する材料で作製することが有利である。

スペーサ２２、２３を形成する材料は必ずしもシャフト、ハブまたは輪の材料と同じものではない。材料はかなりの精度でそれらを修正することができるように選択される。当然のことながら、かなりの精度で２つのスペーサ２２、２３の長さを調節することができなければならない。各スペーサ２２、２３は、この例では２つのステンレス鋼の円柱（１０．４μｍ/ｍ/Ｃ）で構成されている。

非制限的な例として、オーステナイト系ステンレス（１５から１７μｍ/ｍ/Ｃ）、ＴＡ６Ｖチタン合金（８．８μｍ/ｍ/Ｃ）またはアルミニウムとシリコンの合金（４から２３μｍ/ｍ/Ｃ）の種類を使用する材料による他の選択も可能である。

作動モード
同一の材料で作製されている場合の転がり軸受全体の温度エクスカーションにおいて、任意の要素の他の要素に対する差動膨張は起こらずこの場合予圧は一定のままである。同様に軸受が恐らく異なる材料で作製される際、軸受の平均温度はほとんど変化せず予圧も一定のままである。

しかしながらシャフトとハブの間で温度勾配が生じる際、例えば同一の材料で作製されていると仮定すると、シャフトはハブより例えば数度、典型的には１０℃まで冷たくなり、玉が平均温度であると仮定すると、シャフトに熱接触する内輪の温度はハブと熱接触する外輪より低くなり、主にこれによって予圧を低下させる作用を伴う半径方向の輪の差動膨張が生じ、問題となっているケースでは外輪が内輪よりさらに膨張する。しかしながら内輪と熱接触する内側スペーサと、外輪およびハブと熱接触する外側スペーサとは異なる温度であり、したがって軸方向に異なって膨張する。問題のケースでは、外側スペーサはその長さがより大きければなおさら内側スペーサよりさらに膨張する。この作用によって、スペーサの長さが長ければそれだけ予圧の増加が大きくなる。したがって、スペーサの長さが最適な場合、予圧を増加させる方向に働く、予圧に対するスペーサの軸方向の差動膨張の作用が、予圧を低下させる方向に働く、同一の予圧に対する輪の半径方向の差動膨張の作用を相殺する。

直前に記載した推測はシャフトがハブより熱いときにも有効であることは明らかである。

温度勾配の補償は、軸受の任意の平均温度付近で同様の方法で生じる。

当業者はまた、輪と玉が同一の材料で作製されず異なる熱膨張係数を有する場合にも、単に輪と玉の間の差動熱膨張の作用を無視することによって（これは典型的にはおよそ１０度の勾配を考えるときあまり重要ではない）本発明が適用されることを理解するであろう。

この方法では、スペーサの長さを慎重に選択することにより、転がり軸受において温度勾配によって比較的影響を受けない固定予圧を形成することが可能になる。

玉の接触角度など（数度以内として知られている）の特定の要素の知識に関してある程度の不確定性が常に存在するため、本発明によるスペーサの長さを採用することが必ずしも予圧に対する温度勾配の影響を正確に補償することにはならない。転がり軸受を高い技術で作製しこれをテストすることによって、軸受の１つの地点から別の地点への温度勾配によって、具体的には半径方向の熱勾配が理由で生じる固定予圧の変動を５から１０パーセント未満に制限することが可能になる。しかしながら本発明に関するタイプの軸受を標準的に実装することによって、現在のところ３０パーセント未満までの予圧の変動の制限が達成される。詳細には、スペーサの長さをおよそ１０パーセント未満の許容範囲内で最適な値に調整することが許容可能である。

スペーサの長さを調整することによって、所望されるロック固定剛性と比べて余りにも小さい値になってしまった場合、玉の接触角度を典型的には２０から３０度まで小さくすることが有利である。反対にスペーサのこの長さによって、所望されるサイズと比べて余りにも大きな値となってしまった場合、玉の接触角度を典型的には３０から４０度まで大きくすることが有利である。

図３は例えば、以下の特徴：ステンレス鋼の軸受の輪（１０．４μｍ/ｍ/Ｃ）、２５°の接触角度αを有するタイプＳｉ３Ｎ４のセラミック製の玉、５０ｍｍの内側の転がり軸受の直径、７２ｍｍの外側の転がり軸受の直径、１列当たり２１個の７．１４ｍｍの直径を有する玉、ステンレス鋼のスペーサ（１０．４μｍ/ｍ/Ｃ）を有する図２のタイプのステンレス鋼（１０．４μｍ/ｍ/Ｃ）で作製された軸受に関して予圧が変化する２つのケース（スペーサのある場合とない場合）を示す。スペーサがない場合では（１２ｍｍの中心距離）、温度勾配に対する感度は極めて高い。中心距離が１１２ｍｍなどのスペーサを有する他のケースでは、勾配による予圧の変化は最小限である。これらのグラフは、例えばテストすることによる分析的な計算によって得ることができる。

本発明の利点
一定の固定予圧、および転がり軸受を分離するように機能するスペーサを使用することによって、軸受が過酷な振動環境に曝されたときに有益となる、極めて高いレベルの厳密性が与えられる。

本発明によると、熱勾配作用に影響を受けない予圧を形成するためにスペーサの長さが調整され、これにより、この予圧を所望の作動をするのに最適なレベルに維持することによって、有意に転がり軸受の精度が上がりかつその寿命が伸びる。

実施形態の変形
本発明の範囲は、一例として上記に考慮された実施形態のその形態の詳細に限定されるものでなく、別の見地からは当業者の理解の及ぶ範囲内の修正形態まで拡大される。

本発明はまたテーパ転がり軸受にも適用可能である。

１ｇ、１ｄ 玉軸受
２ｇ、２ｄ 内輪
３ｇ、３ｄ 外輪
４ｇ、４ｄ 内側の軌道
５ｇ、５ｄ 外側の軌道
６ｇ、６ｄ 法線
７ｇ、７ｄ 玉
８ 隙間
９ｇ、９ｄ 歪み
１０ ハブ
１１ 中央シャフト
１２ 下方軸受
１３ 上方軸受
１４、１６ 内輪
１５、１７ 外輪
１８、１９ 玉
２０、２１ 設置フランジ
２２ 内側スペーサ
２３ 外側スペーサ
２４、２５ くぼみ
２６ 空間
２７、２８ 肩部

Claims (11)

1. 互いに対して回転式に可動な中央シャフト（１１）とハブ（１０）とを備えるタイプの転がり軸受装置であり、前記軸受が、軸方向Ｚに離間した２つの位置の「下方」と「上方」で前記中央シャフト（１１）と前記ハブ（１０）の間にそれぞれ配置される少なくとも２つの転がり軸受（１２、１３）を備え、これらの軸受が内輪（１４、１６）および外輪（１５、１７）と玉（１８、１９）とを装備し、各転がり軸受の前記内輪が前記中央シャフト（１１）の周りで、また前記外輪が前記ハブ（１０）の内側で位置調節され、前記転がり軸受（１２、１３）が背中合わせで設置され、これらの軸受に対して軸方向に固定予圧が加えられ、これらの転がり軸受の間にスペーサ（２２、２３）が配置され、「内側」に配置される内側スペーサ（２２）はその上端および下端によって前記上方および下方に位置する転がり軸受の前記内輪（１４、１６）にそれぞれ設置され、「外側」に配置される外側スペーサ（２３）はその上端および下端によって前記上方および下方に位置する転がり軸受の前記外輪（１５、１７）にそれぞれ設置される転がり軸受装置であって、
   前記スペーサ、すなわち内側スペーサ（２２）と外側スペーサ（２３）の両方の長さが、前記軸受の１つの地点から別の地点までの温度勾配、具体的には半径方向の熱勾配によって生じる固定予圧の変動を３０％未満に制限するように調節され、
   前記調節が、
   スペーサの異なる長さに対し、１）予圧を増加させる方向に働く、前記予圧に対するスペーサの軸方向の差動膨張の作用を計算し、２）予圧を低下させる方向に働く、前記予圧と同じ予圧に対する前記輪（１４、１６、１５、１７）の半径方向の差動膨張の作用を計算し、
   得られた値が互いに最良に相殺されるまで前記値を比較することによってスペーサの最適な長さを決定する
   ことを含む、転がり軸受装置。
2. 前記スペーサ（２２、２３）の前記長さが有利には１０パーセント未満の許容公差内でその最適な値に調節される、請求項１に記載の装置。
3. 最良の厳密性を保証しながら前記軸受の質量およびサイズを制限するために、前記玉（１８、１９）が２５度以上の接触角度（α）を示す、請求項１に記載の装置。
4. 少なくとも１つの転がり軸受の少なくとも１つの前記輪が、他方の輪に対して軸方向（Ｚ）に沿って自由に移動する、請求項１に記載の装置。
5. 前記シャフト（１１）、ハブ（１０）および輪（１４、１６、１５、１７）が同一の材料またはほぼ同様の熱膨張係数を有する材料で作製される、請求項１に記載の装置。
6. 前記２つのスペーサ（２２、２３）の前記長さが機械加工誤差の許容範囲内で同一である、請求項１に記載の装置。
7. −前記転がり軸受（１２、１３）が同一の寸法であり、
   −軸方向Ｚに沿って離間した２つの転がり軸受（１２、１３）のそれぞれのグループに関して、前記軸受が２つの円筒形かつ同軸のスペーサ（２２、２３）を備える、請求項１に記載の装置。
8. 前記軸受が、少なくとも前記中央シャフト（１１）と前記内側スペーサ（２２）の間または前記２つのスペーサ（２２、２３）の間または前記外側スペーサ（２３）と前記ハブ（１０）の間に、前記スペーサ（２２、２３）の少なくとも一方が他のスペーサまたは前記中央シャフト（１１）または前記ハブ（１０）に対して半径方向に差動膨張できるように設計された隙間を有する、請求項１に記載の装置。
9. 前記転がり軸受の一方（１３）が、片側は前記スペーサ（２２、２３）によって、もう片側はクランプ（２０、２１）によって所定の位置に簡単に保持されており、これらのクランプ（２０、２１）が前記スペーサ（２２、２３）の軸方向の剛性より有意に低い剛性（典型的には少なくとも３倍低い）を有する、請求項１に記載の装置。
10. 「上方」に配置された前記転がり軸受の一方（１３）が、片側は前記スペーサ（２２、２３）によって、もう片側は前記クランプ（２０、２１）によって所定の場所に簡単に保持されており、「下方」に配置された前記転がり軸受の他方（１２）が、片側が前記スペーサ（２２、２３）によって、もう片側は前記中央シャフト（１１）内に設けられた肩部（２７、２８）と前記ハブ（１０）とによって所定の場所に簡単に保持されており、前記組立体が前記下方転がり軸受（１２）と、前記スペーサ（２２、２３）と、前記上方転がり軸受（１３）とを備え、これによりその厚さが軸受の厚さｅと等しいほぼ円筒形の空間を形成し、前記中央シャフト（１１）と前記ハブ（１０）の間の空間内の対応する形状の筐体に嵌合する、請求項１に記載の装置。
11. 互いに対して回転式に可動な中央シャフト（１１）とハブ（１０）とを備えるタイプの転がり軸受装置を作製するための工程であって、前記軸受が、軸方向Ｚに離間した２つの位置の「下方」と「上方」で前記中央シャフト（１１）と前記ハブ（１０）の間にそれぞれ配置される少なくとも２つの転がり軸受（１２、１３）を備え、これらの軸受が内輪 （１４、１６）および外輪（１５、１７）と玉（１８、１９）とを装備し、各転がり軸受の前記内輪が前記中央シャフト（１１）の周りで、また前記外輪が前記ハブ（１０）の内側で位置調節され、前記転がり軸受（１２、１３）が背中合わせで設置され、これらの軸受に対して軸方向に固定予圧が加えられ、これらの転がり軸受の間にスペーサ（２２、２３）が配置され、「内側」に配置される内側スペーサ（２２）はその上端および下端によって前記上方および下方に位置する転がり軸受の前記内輪（１４、１６）にそれぞれ設置され、「外側」に配置される外側スペーサ（２３）はその上端および下端によって前記上方および下方転がり軸受（１３、１２）の前記外輪（１５、１７）にそれぞれ設置され、
    前記転がり軸受の１つの地点から別の地点までの所定の温度勾配、具体的には半径方向に沿った温度勾配によって生じる前記軸受の固定予圧の変動を最小限にする目的で、予圧変動の補償を伴う、前記内側および外側スペーサ（２２、２３）の長さを計算するステップを含み、
    前記長さの計算ステップが、
    スペーサの異なる長さに対し、１）予圧を増加させる方向に働く、前記予圧に対するスペーサの軸方向の差動膨張の作用を計算し、２）予圧を低下させる方向に働く、前記予圧と同じ予圧に対する前記輪（１４、１６、１５、１７）の半径方向の差動膨張の作用を計算し、
    得られた値が互いに最良に相殺されるまで前記値を比較することによってスペーサの最適な長さを決定する
    ことを含む、工程。

Images