JP6289845B2 - 円すいころ軸受 - Google Patents

Description

この発明は円すいころ軸受に関するもので、たとえば鉄道車両駆動装置における小歯車（ピニオン）用の軸受に利用することができる。

図６に示すように、鉄道車両の駆動装置２は、主電動機３の出力軸４から小歯車６と大歯車７を介して、車輪９を支持した車軸８に動力を伝達するようになっている。小歯車６を取り付けた歯車軸５は、一対の円すいころ軸受１によって回転自在に支持されている。大歯車７に比べて小歯車６の方が回転数が高く、負荷も大きい。したがって、円すいころ軸受１は過酷な環境下で使用されることになるが、このような環境下でもすぐれた転動疲労寿命と信頼性が要求される（特許文献１）。

円すいころ軸受は転動体として円すいころを用いたラジアル軸受であって、内輪と、外輪と、内輪と外輪との間に転動自在に介在させた複数の円すいころと、円すいころを円周方向で等間隔に保持する保持器とを主要な構成要素としている。円すいころ軸受の回転中、円すいころにはその小端面側から大端面側に向かう推力が作用し、この推力は、内輪の大径側に設けた大つばで支持される。

鉄道車両駆動装置における小歯車用軸受は、歯車のかみ合いや振動により発生するラジアル荷重とアキシアル荷重を支持しながら高速で回転する。一般に円すいころ軸受が使用され、潤滑方式は油浴潤滑や歯車によるはねかけ潤滑が採用される。軸受内部の潤滑油量は、軌道面やつば部の油量が多すぎると撹拌抵抗により過大発熱の原因となる。また、軸受内部を通過する潤滑油量が少ないと、潤滑剤による軸受冷却効果が低下する。したがって、軸受の発熱を抑制するには、適正な潤滑油量を軸受内部に流入、流出させる必要がある。

円すいころ軸受における潤滑油の流れは、基本的に、軸受回転に伴ういわゆるポンプ作用によって、内輪の正面側から流入し背面側から流出する。ここで、軌道輪の正面とは、アキシアル荷重を支持しない軌道輪の側面をいい、軌道輪の背面とは、アキシアル荷重を支持する軌道輪の側面をいう。
従来、保持器形状を変更することで潤滑油流入量を制限し、潤滑油の撹拌抵抗に伴う軸受の回転トルクを低下させることが知られている（特許文献２）。

特開２００４−２９３７００号公報 特開２００９−２０４０６８号公報

刊行物２記載の従来技術のように、潤滑油の流入量を制限する方法では次のような問題がある。すなわち、初期起動時等の潤滑が希薄な条件下においては、軸受内部の潤滑剤が不足して潤滑不良を起こし、軸受が焼損したり、軸受内部を通過する潤滑油量の減少に伴い軸受冷却効果が低下して異常発熱に至ったりする。

そこで、この発明の目的は、円すいころ軸受の内部に流入した潤滑油を適正に排出する方法を提供することにある。

この発明は、円すいころ軸受の内輪、外輪、保持器の形状を工夫し、回転に伴う遠心力の作用を利用して潤滑油の排出を促進することにより、軸受内部に流入する潤滑油量を制限することなく、軸受内部の潤滑油量を適正に保つようにしたものである。

すなわち、この発明の円すいころ軸受は、内輪と、外輪と、複数の円すいころと、保持器を有する円すいころ軸受において、前記内輪の大つばの外径面全体を、内輪の正面側から背面側にゆくほど徐々に大径となる傾斜面としたことを特徴とする。また、前記複数の円すいころの外径面の母線が、前記円すいころの中心軸と交わる点を頂点とし、前記内輪の軌道面と前記頂点とを結ぶ仮想線と、前記内輪の大つば面と前記円すいころとの接触点と前記頂点とを結ぶ仮想線と、がなす角度をθとしたとき、前記大つば面の外径位置を１．００７×θ以上とすることが望ましい。

この発明によれば、内輪の大つばの外径面を、内輪の正面側から背面側にゆくほど徐々に大径となる傾斜面としたことにより、回転に伴う遠心力の作用で、軸受内部の潤滑油の排出が促進される。このように、潤滑油の軸受内部からの排出を促進することで、軸受内部に流入する潤滑油量を制限することなく軸受内部の潤滑油量を適正に保ち、軸受の発熱を抑制し、焼損を防ぐことができる。

円すいころ軸受の基本的構成を示す断面図である。 （Ａ）は潤滑油の流れを模式的に示した図１と類似の断面図、（Ｂ）は円すいころと保持器の部分展開平面図である。 この発明の実施の形態を示し、（Ａ）は円すいころと保持器の部分展開平面図、（Ｂ）は保持器柱部分の断面図である。 この発明の実施の形態を示し、（Ａ）は図１と類似の断面図、（Ｂ）は円すいころの大端面側から内輪大つば面を見た図、（Ｃ）は（Ａ）の部分拡大図、（Ｄ）は（Ｂ）の全体を示す図である。 この発明の実施の形態を示す図１と類似の断面図である。 鉄道車両駆動装置の断面図である。

以下、上で図６に関連して説明した鉄道車両駆動装置における小歯車用の円すいころ軸受に適用した場合を例にとり、この発明の実施の形態を図面に従って説明する。

まず、円すいころ軸受の基本的構成について説明すると、円すいころ軸受は、図１に示すように、内輪１０と、外輪２０と、複数の円すいころ３０と、保持器４０を有する。内輪１０は外周に軌道面１２を有し、外輪２０は内周に軌道面２２を有し、内輪１０の軌道面１２と外輪２０の軌道面２２との間に円すいころ３０が介在している。軸受運転時、円すいころ３０は、軌道面１２、２２上を転動し、自転しつつ公転する。

内輪１０の軌道面１２は凸円すい面状で、その形状から内輪１０はコーンとも呼ばれる。内輪１０は、軌道面１２の大径側の端部に大つば１４が形成してあり、軸受運転時に、円すいころ３０の大端面３４と大つば１４の内側面すなわち大つば面１４ａが接触してアキシアル方向の荷重を負担する。内輪１０の軌道面１２の小径側には、通常、小つばを設けたり、図示した例のように別体のリング１６を固定したりしているが、これは組立時の円すいころの脱落を防止するためのものである。

外輪２０はカップとも呼ばれ、軌道面２２は凹円すい面状である。

円すいころ３０は、転動面３２と、大端面３４と、小端面３６を有し、転動面３２の形状が円すい状である。

保持器４０は円すいころ３０を収容するための開口すなわちポケット４２を有し、複数の円すいころ３０を円周方向に等間隔に保持する役割を果たす。保持器４０の全体外観は円すい台形状で、図２に示すように、円周方向に隣り合った柱４４と柱４４の間にポケット４２が形成され、各ポケット４２の輪郭は、図２（Ｂ）では円すいころ３０の輪郭に対応した形状である。図２（Ｂ）における符号５０は、円すいころ３０の転動面３２とポケット４０の柱４４との間のすきまを示している。

鉄道車両駆動装置における小歯車用の円すいころ軸受は、一般に、軸受の基本動ラジアル定格荷重Ｃｒに対し、ラジアル荷重は０．０２×Ｃｒ程度、アキシアル荷重は０．０１×Ｃｒ程度の荷重が負荷される。

円すいころ軸受の断面形状は述べたように左右非対称で、図１の場合、左側が小径、右側が大径となっている。そのため、内輪１０が回転すると、図２（Ａ）に太い白抜き矢印で示すように、遠心力の作用で潤滑油は基本的に内輪１０の正面Ｆ側から軸受内部に流入し、背面Ｒ側から排出される。軸受内部での潤滑油の動きは、基本的に、内輪１０の軌道面１２と外輪２０の軌道面２２に沿って移動するが、保持器４０と内輪１０との間の空間に流入した潤滑油の一部は、図２に細い白抜き矢印で示すように、回転に伴う遠心力の作用で円すいころ３０の転動面３２と保持器４０の柱４４との間のすきま４６を通って保持器４０の外径側へ排出されることもある。

潤滑油の初期流入量を減少させることなく排出性を向上させるためには、排出側すなわち背面Ｒ側の軸受形状を潤滑油の排出を阻害しないものとする必要がある。その方策として、例えば円すいころ３０と保持器４０の柱４４との間のすきま４６を通過する潤滑油に対しては、図３（Ａ）に示すように、保持器４０の柱４４のポケット４２に面した側面をポケット４２側に張り出した凸形状とすることが考えられる。

また、図３（Ｂ）に破線で示すように、保持器４０の柱４４のポケット４２に面した側面４４ａと保持器４０の外径面４８とのつなぎ部に面取り４６を設けて開口部を広くすることで、さらに排出性が向上する。

内輪１０での方策としては、図４（Ａ）に示すように、大つば１４の外径面１４ｂの寸法を内輪１０の背面Ｒ側にゆくほど大径となるような傾斜面とすることが考えられる。ただし、大つば面１４ａには、アキシアル方向の荷重負荷により、図４（Ｂ）に示すように、円すいころ３０の大端面３４と大つば面１４ａとの接触点を中心に接触領域Ｃｚが形成される。そのため、接触領域Ｃｚが大つば面１４ａに包含されるように、大つば面１４ａの外径寸法を設定する必要がある。

前述の鉄道車両駆動装置における小歯車用の軸受の条件で使用された場合、接触領域Ｃｚの径方向位置は、図４（Ｃ）に示すように、内輪１０の軌道面１２からころ接触点までの角度θに対して、（１±０．００７）×θの範囲で形成される。したがって、大つば面１４ａの外径は１．００７×θ以上に設定するのがよい。

大つば１４の外径面１４ｂの傾斜角度は、潤滑油の動きの妨げにならないように決定すべきであるが、勾配が緩くなると遠心力による排出効果が低く、勾配があまりに急であると却って排出を妨げることになる。したがって、内輪１０の軌道面１２の角度と保持器４０の柱４４の内径面の角度との間におさまるように設定するのが妥当である。大つば１４の外径面１４ｂの傾斜は、回転中の潤滑油排出効率を上げるため、図４（Ｄ）に示すように、全周にわたって連続的に設けるのがよい。

図５は、大つば１４を軸方向に貫通する通路穴１８を設けた例である。内輪１０の軌道面１２と円すいころ３０の転動面３２との間に進入した潤滑油は、構造上最も排出されにくいが、大つば面１４ａから内輪１０の背面Ｒ側まで貫通した通路穴１８を設けて油路を確保することにより排出を促すことができる。

通路穴１８は接触領域Ｃｚ（図４（Ｂ）参照）と干渉しないように、最上端（大つば面１４ａ側の開口位置における通路穴１８の最外径端）の半径方向位置を０．０９３×θ以下に設定する。また、隣り合った円すいころ３０同士の間から排出される潤滑油の流量を均一にするため、通路穴１８の数は円すいころの数の整数倍とし、等間隔に配置する。さらに、図示するように、内輪１０の正面Ｆ側から背面Ｒ側にゆくほど大径となるように傾斜させることにより、遠心力を利用して排出を促進することができる。

以上、図面に例示した実施の形態に基づいてこの発明の実施の形態を説明したが、この発明は、特許請求の範囲を逸脱することなく種々の改変を加えて実施をすることが可能である。

１０ 内輪
１２ 軌道面
１４ 大つば
１４ａ 大つば面
１４ｂ 外径面
１６ リング
１８ 通路穴
２０ 外輪
２２ 軌道面
３０ 円すいころ
３２ 転動面
３４ 大端面
３６ 小端面
４０ 保持器
４２ ポケット
４４ 柱
４６ 面取り
４８ 外径面
５０ すきま
Ｃｚ 接触領域

Claims (7)

1. 内輪と、外輪と、複数の円すいころと、保持器を有する円すいころ軸受において、
   前記内輪の大つばの外径面全体を、内輪の正面側から背面側にゆくほど徐々に大径となる傾斜面とすることを特徴とする円すいころ軸受。
2. 前記複数の円すいころの外径面の母線が、前記円すいころの中心軸と交わる点を頂点とし、
   前記内輪の軌道面と前記頂点とを結ぶ仮想線と、前記内輪の大つば面と前記円すいころとの接触点と前記頂点とを結ぶ仮想線と、がなす角度をθとしたとき、前記大つば面の外径位置を１．００７×θ以上とした請求項１の円すいころ軸受。
3. 前記大つばの外径面の傾斜角度を、前記内輪の軌道面の角度以上、前記保持器の柱の内径面角度以下とした請求項１または２の円すいころ軸受。
4. 前記内輪の大つば面から前記内輪の背面まで貫通した通路穴を設けた請求項１、２または３の円すいころ軸受。
5. 前記大つば面側開口位置における前記通路穴の最外径端の半径方向位置を０．０９３×θ以下とした請求項４の円すいころ軸受。
6. 前記保持器の柱のポケットに面する側面を凸形状とした請求項１から５のいずれか１項の円すいころ軸受。
7. 鉄道車両駆動装置における小歯車用である請求項１から６のいずれか１項の円すいころ軸受。

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