JP6307883B2 - 転がり軸受 - Google Patents

Description

本発明は、転がり軸受に関する。

転がり軸受においては、転動体と軌道輪の回転による転がり抵抗や、保持器の案内面等におけるすべり抵抗、潤滑油の攪拌抵抗によって発熱が生じる。このうち攪拌抵抗は、転動体が軸受内部に存在する潤滑油を掻き分ける際に生じる抵抗である。特に油浴潤滑が行われる転がり軸受においては、潤滑油の攪拌抵抗により発熱が生じる割合が大きい。

また、一方で、潤滑油には冷却作用もある。油を強制的に循環させる油潤滑が行なわれる転がり軸受は、給油される潤滑油が軸受内部を通過する際に熱交換することで冷却される。この冷却の効果は、潤滑油が軸受内部を通過するときの油の速度や、給油量等に応じて決まる。さらに、油浴潤滑軸受は、滞っている潤滑油と軸受との間の熱交換によって冷却される。この冷却の効果は、軸受内部における油の流れ（循環）や、潤滑油の量に応じて決まる。いずれの潤滑方法でも、冷却効果は発熱との釣り合いによって決まる。

ここで、外輪の軸方向両端部につばが設けられた、いわゆるＮＵタイプの円筒ころ軸受における発熱を考える。つばが設けられた外輪は潤滑油を内部に溜め込むため、公転する転動体が通過する際には潤滑油を掻き分けなければならず、攪拌抵抗が大きくなり、発熱が生じることとなる。そのため、軸受内部に潤滑油を溜め込まないことで発熱を低下させる方法が従来提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１に示された円筒ころ軸受装置では、保持器や軌道輪等の回転部材の軸方向両端部の径方向寸法を異なるものとし、且つハウジング内に油溜りを連通する連通路を形成している。回転部材の軸方向両端部の径方向寸法に差を持たせることで、遠心力の大小により潤滑油を軸方向へ輸送できるので、潤滑油の軸方向の循環により軸受と潤滑油の熱交換が促進され、冷却効果が期待できる。

特開平１１−２３０１７８号公報

しかしながら、特許文献１の構成では、ハウジングの構造が複雑且つ大規模となるほか、保持器や軌道輪等の回転部材の形状も複雑となるため、製造コストが上昇し、また組立性が低下するといった問題もある。

本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、製造コストを上昇させることなく、冷却能力を向上した転がり軸受を提供することにある。

本発明は、上記の目的を達成するため、以下の特徴を有する。
［１］ 外輪と、
内輪と、
前記外輪および前記内輪の間に組み込まれた複数の転動体を、円周方向に等間隔に設けられた複数のポケットでそれぞれ保持する保持器と、
を備える転がり軸受であって、
軸受内部に潤滑油が流入する油潤滑で使用され、
前記保持器の内周面に潤滑油を溜めるための切り欠き部が形成され、
前記切り欠き部の径方向寸法ｈ、前記外輪の内径寸法Ｄ１、前記保持器の外径寸法Ｄ２、軸受ピッチ円直径ｄｍ、前記転動体の数ｚ、前記転動体の外径寸法Ｄａ、前記転動体の軸方向寸法Ｌにより式（１）で表される軸受内部寸法比αが、１．４≦α≦２．１を満たすことを特徴とする転がり軸受。

［２］ 前記油潤滑が、ジェット潤滑、オイルエア潤滑、飛沫潤滑、油浴潤滑から選択されることを特徴とする［１］に記載の転がり軸受。

本発明によれば、製造コストを上昇させることなく、冷却能力を向上した転がり軸受を提供することができる。

本発明の第１実施形態に係る転がり軸受の断面図である。 図１の転がり軸受の側面図である。 図１の転がり軸受の保持器の斜視図である。 図１の転がり軸受内部での潤滑油の循環を説明するための図である。 転がり軸受内部の発熱と冷却のメカニズムを説明するための図である。 ベルヌーイの定理を説明するための図である。 循環給油を行なう試験軸受の構造を説明するための図である。 実験結果を示すグラフである。 実験結果を示すグラフである。 本発明の第１実施形態の変形例に係る転がり軸受の断面図である。 図１０の転がり軸受の保持器の斜視図である。 本発明の第２実施形態に係る転がり軸受において、保持器の切り欠き部の形状を説明するための図である。 図１２の転がり軸受の保持器の斜視図である。 本発明の第３実施形態に係る転がり軸受の側面図である。 図１４の転がり軸受の保持器の斜視図である。

（第１実施形態）
以下、図面を用いて、本発明の転がり軸受の第１実施形態について説明する。図１は、本発明の第１実施形態に係る転がり軸受１００の断面図であり、図２は転がり軸受１００の側面図、図３は転がり軸受１００の保持器１０の斜視図、図４は転がり軸受１００内部での潤滑油の循環を説明するための図である。

転がり軸受１００は、外輪１の内周面に形成された外輪軌道面２と、内輪６の外周面に形成された内輪軌道面７と、の間に複数の円筒ころ９を備えており、外輪１の軸方向両端部につば３が形成された、一般にＮU型と呼ばれる円筒ころ軸受であり、油潤滑下で使用される。複数の円筒ころ９を備えた保持器１０は、軸方向に並んで配置された一対の円環部１１、１２を軸方向に接続する複数の柱部１３を有しており、これら円環部１１、１２、および柱部１３により、円筒ころ９を１個ずつ収容する複数のポケット１４が形成されている。

保持器１０の外周面が軸方向に直線となっている。保持器１０の柱部１３の内周面には、切り欠き部１５が形成されている。この切り欠き部１５は、矩形断面を有するように形成されている。

このように形成された転がり軸受１００内部の発熱と冷却のメカニズムについて、図５、６も参照して詳細に説明する。図４に示すように、転がり軸受１００の内部に潤滑油が流入すると、保持器１０の内周面に設けられた切り欠き部１５に潤滑油が溜まる。切り欠き部１５に溜まった潤滑油には、保持器１０の回転に伴う遠心力によって、潤滑油を押し出そうとする圧力がかかる。この圧力と遠心力が、保持器１０のポケット１４と円筒ころ９の間の隙間における流路抵抗に打ち勝つことにより、潤滑油がポケット１４内に流入する。ポケット１４内では、攪拌抵抗により発熱が生じる。

さらに、上記した圧力と遠心力により潤滑油はポケット１４を通過し、保持器１０の外周面へ、さらには外輪軌道面２へと流出する。外輪軌道面２においても、攪拌抵抗により発熱が生じる。このように、保持器１０の外周面や外輪軌道面２に流出した潤滑油はこれらの間に溜まった潤滑油を次々に押し出す。この圧力が、回転する保持器１０の外周面と、静止輪である外輪１の内周面との間の隙間における流路抵抗に打ち勝つことにより、潤滑油が軸受外部へと排出（流出）される。

このように転がり軸受１００を通過する潤滑油の流れにより、転がり軸受１００と潤滑油との間で熱交換が行なわれて転がり軸受１００の冷却が行なわれる。また、転がり軸受１００内に溜まった潤滑油の量は、冷却と攪拌抵抗の双方に作用する。そのため、潤滑油の流入量、転がり軸受１００内に溜まった潤滑油の量、潤滑油の流出量は、軸受温度に大きく影響し、十分な温度低減効果を得るためには、潤滑油の流入量と流出量が釣り合っていること望まれる。

ここで、保持器１０の外周面と外輪１の内周面（つば３の内周面）との間の隙間は、潤滑油の排出量を調整する絞りとして作用する。また、保持器１０の切り欠き部１５の大きさは、転がり軸受１００内への潤滑油の流入量に影響する。そこで、本実施形態では、保持器１０の内周面に切り欠き部１５を形成するだけなく、切り欠き部１５の径方向寸法（以後、切り欠き量とも呼ぶ）をはじめ、外輪１の内周面と保持器１００の外周面との間の隙間の寸法、およびその他の軸受諸元を組み合わせたパラメータを適切に設定することにより、軸受温度低減を向上する。

まず、潤滑油の流入量をＱ_ｉｎ、流出量をＱ_ｏｕｔとし、流入量Ｑ_ｉｎと流出量Ｑ_ｏｕｔの釣り合いの条件を考える。流入量Ｑ_ｉｎは、遠心力による潤滑油の流速ｖと、流入部の断面積Ａ_ｉｎによって、下記のように表される。

切り欠き部１５に溜まった潤滑油に作用する遠心力は、転がり軸受１００のピッチ円直径ｄｍに作用する遠心力によって代表される。遠心力による潤滑油の流速ｖは、エネルギー式により、転がり軸受１００のピッチ円直径ｄｍ、保持器１０の公転速度ω、切り欠き部１５の切り欠き量ｈを用いて、下記のように表される。

また、流入部の断面積Ａ_ｉｎは、円筒ころ９の外径寸法Ｄａ、円筒ころ９の長さ（軸方向寸法）Ｌ、円筒ころ９の個数ｚを用いて、下記のように表すことができる。

ここで、円筒ころ９の長さＬは、ポケット１４の長さ（軸方向寸法）Ｌｐと等しい（Ｌ＝Ｌｐ）ものとすると、切り欠き部１５の断面積Ｓ_ｉｎ、切り欠き量ｈ、および円筒ころ９の長さＬは、下記の関係を満たす。

流出量Ｑ_ｏｕｔは、保持器１０の外周面と外輪１の内周面との間の隙間による絞り効果と回転による抵抗によって制限されるため、流出部断面積Ｓ_ｏｕｔ、潤滑油の高さヘッドＨ（図６参照）、排油抵抗Ｒ、係数Ｂを用いて、下記のように表される。

また、流出部の断面積Ｓ_ｏｕｔは、外輪１の内径（つば３の内径）Ｄ_１、保持器１０の外径Ｄ_２、および転がり軸受１００のピッチ円直径ｄｍを用いて、下記のように表すことができる。

また、排油抵抗Ｒは下記のように表すことができる。

ここで、上記したように、十分な温度低減効果を得るためには、流入量Ｑ_ｉｎと流出量Ｑ_ｏｕｔが等しく釣り合っている（Ｑ_ｉｎ＝Ｑ_ｏｕｔ）必要があるため、以上の式は下記のように変形できる。

上記式を高さヘッドＨで表すと、下記のように変形できる。

本実施形態では、転がり軸受１００のサイズ効果を代表して高さヘッドＨを転がり軸受１００のピッチ円直径ｄｍで割り、この値を軸受内部寸法比αとする。

（実験）
図７に示す試験構造を用い、シャフトＳに転がり軸受１００を組み込んで、回転試験を実施した。回転試験は、転がり軸受１００の軸受内部寸法比αを変更すると共に、２つの回転数ｎ、ｍを用いて行なった。図８はこの回転試験の結果を示すグラフであり、軸受内部寸法比αと、転がり軸受１００内の温度低減効果との関係を示す。図８より、回転数をｎ、ｍと変更しても、軸受内部寸法比αが１．４≦α≦２．１を満足しているときに、十分な温度低減効果が得られることがわかる。

また、比較のため、保持器に切り欠き部やテーパーが形成されない従来の転がり軸受（従来仕様）と、特許文献１に示したように保持器の軸方向両端部の径方向寸法を異なるものとした転がり軸受（テーパー仕様）と、を用意して回転試験を実施した。図９はこの回転試験の結果を示すグラフである。図９より、保持器１０の内周面に切り欠き部１５が形成されると共に軸受内部寸法比αが１．４≦α≦２．１を満たす本仕様の転がり軸受によれば、従来仕様やテーパー仕様の転がり軸受よりも明らかに温度低減効果が得られることがわかる。

このように、本実施形態の転がり軸受１００によれば、保持器１０の内周面に切り欠き部１５が形成されると共に、軸受内部寸法比αが、１．４≦α≦２．１を満たすことにより、潤滑油が転がり軸受１００内に滞留することがないので、製造コストを上昇させることなく、効率の良い冷却効果を得ることができる。これにより、油潤滑、特に油浴潤滑を使用する場合であっても、ジェット潤滑に匹敵する冷却能力を有し、十分な温度低減効果を得ることが可能となる。さらに、転がり軸受１００は、ジェット潤滑はもちろん、オイルエア潤滑、飛沫潤滑で使用される場合であっても、十分な温度低減効果を得ることができる。

（変形例）
図１０、１１は第１実施形態の変形例に係る転がり軸受１００’および転がり軸受１００’に使用される保持器１０’を示す。この保持器１０’においても、内周面に矩形断面を有するよう切り欠き部１５が形成されているが、保持器１０’の軸方向両端部、すなわち円環部１１、１２の外周面には、外輪１のつば３に対応して切り欠かれた環状切り欠き部１６、１７が形成されている。保持器１０’の外周面がこのような形状であっても、軸受内部寸法比αが上記した関係を満たす限り、温度低減効果を得ることができる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態に係る転がり軸受について、図１２、１３を参照して説明する。第１実施形態と同一又は同等部分には同一符号又は相当符号を付して説明を簡略化又は省略する。

図１２、１３に示すように、第２実施形態に係る転がり軸受２００において、保持器２１０の柱部２１３の内周面には、切り欠き部２１５が形成されている。この切り欠き部２１５は、第１実施形態における切り欠き部１５とは異なり、円弧断面を有するように形成されている。

このように円弧断面を有するように形成された切り欠き部２１５においても、その断面面積Ｓ_ｉｎを、第１実施形態における切り欠き部１５の断面積Ｓ_ｉｎと等価に置き換えることができれば、軸受内部寸法比αが上記した関係を満たす限り、第１実施形態と同様に温度低減効果を得ることができるものと考えられる。

ここで、１つのポケットに対応した１つの切り欠き部の断面積をＳ_ｉｎとすると、切り欠き部の断面積の総和ΣＳ_ｉｎは、切り欠き部の切り欠き量ｈ、切り欠き長さＭ（図１２参照）、円筒ころ９の個数（ポケットの数）ｚを用いて、下記のように表される。

したがって、保持器の内周面に形成された切り欠き部の断面積を等価とするためには、切り欠き量ｈが下記の式を満たせばよい。

このように、切り欠き部２１５が円弧断面を有するように形成された場合であっても、切り欠き部の断面積の総和ΣＳ_ｉｎを等価に置き換え、且つ軸受内部寸法比αが上記した関係を満たす限り、十分な温度低減効果を得ることができる。

（第３実施形態）
次に、本発明の第２実施形態に係る転がり軸受について、図１４、１５を参照して説明する。第１実施形態と同一又は同等部分には同一符号又は相当符号を付して説明を簡略化又は省略する。

図１４、１５に示すように、第３実施形態に係る転がり軸受３００において、保持器３１０の円環部３１１、３１２の外周面には、ポケット３１４に軸方向に隣接する箇所において、円弧状の凹部３１６が形成されている。そのため、転がり軸受３００において潤滑油が排出される流出部は、円周上不均一な断面を有することとなる。

ここで、流出部が円周上均一な断面を有する場合であれば、流出部の断面積Ｓ_ｏｕｔは下記のように表せる。

流出部の断面が円周上不均一な場合、流出部の断面積Ｓ_ｏｕｔのパラメータとなる、外輪１の内径Ｄ_１、保持器３００の外径Ｄ_２の差（Ｄ_１−Ｄ_２）は、下記のように等価に置き換えることができる。

このように、流出部が円周上不均一な断面を有する場合であっても、流出部の断面積Ｓ_ｏｕｔを等価に置き換え、且つ軸受内部寸法比αが上記した関係を満たす限り、十分な温度低減効果を得ることができる。

尚、本発明は、前述した実施形態に限定されるものではなく、適宜、変形、改良等が可能である。上述した実施形態では転がり軸受が円筒ころ軸受であったが、他の転がり軸受であってもよい。また、保持器の内周面に形成される切り欠き部の断面形状は、第１実施形態で説明した矩形形状や第２実施形態で説明した円弧形状に限られず、切り欠き部の断面積を等価に置き換えることができる限りにおいて、どのような形状であってもよい。

また、上記した各実施形態では、全てのポケットに対応して柱部に切り欠き部が形成されていたが、切り欠き部の断面積の総和ΣＳ_ｉｎを切り欠き量ｈに等価に置き換えることができる限りにおいて、幾つかのポケットのみに対応して柱部に切り欠き部が形成されるものであってもよい。また、保持器の外周面に形成され得る凹部についても、幾つかのポケットのみに対応して凹部が形成されるものであってもよい。

１００、１００’、２００、３００ 転がり軸受
１ 外輪
６ 内輪
９ 円筒ころ
１０、１０’、２１０、３１０ 保持器
１５、２１５、３１５ 切り欠き部
ｚ 円筒ころの個数
Ｌ 円筒ころの長さ
Ｄａ 円筒ころの外径寸法
ｄｍ 軸受ピッチ円直径
Ｄ_１ 外輪の内径寸法
Ｄ_２ 保持器の外径寸法
ｈ 切り欠き量

Claims (2)

1. 外輪と、
   内輪と、
   前記外輪および前記内輪の間に組み込まれた複数の転動体を、円周方向に等間隔に設けられた複数のポケットでそれぞれ保持する保持器と、
   を備える転がり軸受であって、
   軸受内部に潤滑油が流入する油潤滑で使用され、
   前記保持器の内周面に潤滑油を溜めるための切り欠き部が形成され、
   前記切り欠き部の径方向寸法ｈ、前記外輪の内径寸法Ｄ１、前記保持器の外径寸法Ｄ２、軸受ピッチ円直径ｄｍ、前記転動体の数ｚ、前記転動体の外径寸法Ｄａ、前記転動体の軸方向寸法Ｌにより式（１）で表される軸受内部寸法比αが、１．４≦α≦２．１を満たすことを特徴とする転がり軸受。
   

   
2. 前記油潤滑が、ジェット潤滑、オイルエア潤滑、飛沫潤滑、油浴潤滑から選択されることを特徴とする請求項１に記載の転がり軸受。

Images