KR20180099441A - 3점 접촉 앵귤러 볼 베어링 - Google Patents

Abstract

[요약] 부하 능력과 수명을 양립한 3점 접촉 앵귤러 볼 베어링을 제공하는 것을 목적으로 한다.
[과제] 베어링(100)은, 내륜(104)에 볼(106)이 2점 접촉하고, 외륜(102)에 볼(106)이 1점 접촉한다. 베어링(100)은, 내륜(104)에 볼(106)을 맞닿게 하고, 내륜(104)과 외륜(102)의 중심축을 맞추어 서로 상대 이동시켜, 외륜(102)에 볼(106)이 접촉했을 때의 3점을 각 접촉점으로 한다. 내륜(104)의 2개의 접촉점 중, 접촉점 P1은 접촉각 αL이 크고, 접촉점 P2는 접촉각 αs가 작다. 외륜(102)의 접촉점 P3은, 볼(106)의 래디얼 방향의 중심선 L1에 대해서 접촉점 P1과 대각으로 형성되어 있다. 래디얼 내부 간극을 △Pd로 하면, 접촉점 P3의 접촉각 αo=cos-1(1-△Pd/2/Ae)…(수학식 1)(Ae=궤도면(110)의 곡률 반경-볼(106)의 반경)이며, 각 접촉각이 αs＜αo＜αL의 관계가 되도록 래디얼 내부 간극 △Pd를 조정하고 있다.

Description

3점 접촉 앵귤러 볼 베어링{3 POINTS CONTACTING ANGULAR BALL BEARING}

본 발명은, 3점 접촉 앵귤러 볼 베어링에 관한 것이다.

앵귤러 볼 베어링은, 내륜 및 외륜에 대해서 볼이 래디얼 방향으로 어느 정도의 각도(접촉각)를 가지고 접촉하는 베어링이다. 앵귤러 볼 베어링은, 래디얼 하중과 액시얼 하중을 동시에 지지할 수 있고, 또 일반적인 깊은 홈 볼 베어링보다 볼의 수가 많이 설정되기 때문에, 부하 능력이 크고 강성도 높다.

앵귤러 볼 베어링의 부하 능력은, 내륜 및 외륜에 볼이 복수의 점에서 접촉하는 다점 접촉형이 되면 더 향상한다. 예를 들면 특허 문헌 1에는, 4점 접촉형 및 3점 접촉형의 앵귤러 볼 베어링이 기재되어 있다. 특허 문헌 1의 기술에서는, 내륜측과 외륜측에서, 각 접촉점이 볼의 중심을 통과하는 래디얼 방향의 중심선을 경계로 하여 액시얼 방향의 서로 반대측의 치우친 위치에 설정되어 있다.

일본국 특허공개 2005-201294호 공보

상술한 다점 접촉형의 앵귤러 볼 베어링에 대해서, 본원의 발명자들이 부하 능력과 수명의 양립을 구하여 예의 연구한바, 특허 문헌 1의 4점 접촉의 구성에서는, 부하 능력은 높지만, 발열량이 커지는 것이 염려되었다. 볼의 자공전축의 각도는, 내륜 및 외륜 중 접촉점의 볼의 스핀 마찰이 큰 쪽의 궤도륜에 의해 결정된다. 그리고, 접촉점의 스핀 마찰이 작은 쪽의 궤도륜에서는, 스핀 마찰이 베어링의 마찰로 되어 나타나고, 발열로 이어진다. 이로부터, 3점 접촉형의 쪽이 4점 접촉형보다 접촉점이 적은 만큼, 발열량을 억제할 수 있고, 수명의 점에서는 유리하다고 생각된다.

그러나, 특허 문헌 1에서는, 3점 접촉형의 볼 베어링에 대해서는, 단락 0016에 기재가 있지만, 2점 접촉하는 외륜(1)의 궤도면(2)이 2개의 원호면(2a, 2b)을 포함하고 있는 것, 및 1점 접촉하는 내륜(3)의 궤도면(4)이 전체적으로 원호면인 것 이외, 3점 접촉을 원하는 위치에서 성립시키기 위한 요건에 대해 자세한 설명이 이루어져 있지 않다. 원하는 위치에서 3점 접촉하는 베어링을 실현하기 위해서는, 볼의 직경이나 궤도면의 곡률 반경, 또한 내부 간극 등의 요소를 고려할 필요가 있다.

본 발명은, 이러한 과제를 감안하여, 부하 능력과 수명을 양립한 3점 접촉 앵귤러 볼 베어링을 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.

상기 과제를 해결하기 위해서, 본 발명에 따른 3점 접촉 앵귤러 볼 베어링의 대표적인 구성은, 내륜 또는 외륜 중 한쪽의 궤도면에 볼이 2점 접촉하고, 다른쪽의 궤도면에 볼이 1점 접촉하는 3점 접촉 앵귤러 볼 베어링에 있어서, 2점 접촉하는 궤도면에 볼을 맞닿게 한 상태로, 내륜과 외륜의 중심축을 맞추어 서로 액시얼 방향으로 상대 이동시켜, 1점 접촉하는 궤도면에 볼이 접촉했을 때의 3점을 각 접촉점으로 하고, 2점 접촉측의 2개의 접촉각 중 작은 쪽을 접촉각 αs로 하고, 큰 쪽을 접촉각 αL로 했을 때, 1점 접촉측의 접촉점과 접촉각 αL의 접촉점은 볼의 래디얼 방향의 중심선에 대해서 대각으로 형성되어 있고, 래디얼 내부 간극을 △Pd로 하면, 1점 접촉측의 접촉각 αo=cos-1(1-△Pd/2/Ae)…(수학식 1)(단 Ae=1점 접촉측의 궤도면의 곡률 반경-볼의 반경)이며, 각 접촉각이 αs＜αo＜αL의 관계가 되도록 래디얼 내부 간극 △Pd를 조정한 것을 특징으로 한다.

상기 구성에 의하면, 부하 능력 및 수명이 향상된 3점 접촉 앵귤러 볼 베어링을 실현할 수 있다. 특히, 궤도면의 곡률 반경이나 볼의 반경 등의 요소를 수학식 1에 적용시켜 래디얼 내부 간극을 조정함으로써, 원하는 위치에서의 3점 접촉을 높은 재현성으로 실현할 수 있다.

상기의 접촉각 αs의 접촉점은, 접촉각 αL의 접촉점과는 상기 중심선을 사이에 두고 액시얼 방향의 반대측에 형성되어 있으면 된다. 이 구성에 의해서, 부하 능력 및 수명이 향상된 3점 접촉 앵귤러 볼 베어링을 실현할 수 있다.

당해 3점 접촉 앵귤러 볼 베어링은, 내륜에 볼이 2점 접촉하고, 외륜에 볼이 1점 접촉하는 3점 접촉이어도 된다. 이 구성에 의해서, 부하 능력 및 수명이 향상된 3점 접촉 앵귤러 볼 베어링을 실현할 수 있다.

당해 3점 접촉 앵귤러 볼 베어링은, 1점 접촉측의 궤도륜는 한쪽의 어깨를 떨어뜨린 카운터보어 형상이어도 된다. 이 구성이면, 2점 접촉측의 궤도륜과 분리 가능하게 할 수도 있고, 또 카운터보어측으로부터 볼을 넣음으로써 볼 수를 많이 설정하는 것도 가능해진다.

본 발명에 의하면, 부하 능력과 수명을 양립한 3점 접촉 앵귤러 볼 베어링을 제공하는 것이 가능해진다.

도 1은, 본 발명의 실시 형태에 따른 3점 접촉 앵귤러 볼 베어링을 나타낸 도면이다.
도 2는, 래디얼 내부 간극과 접촉각의 관계를 나타낸 도면이다.
도 3은, 베어링의 수명 시험의 결과를 나타낸 도면이다.

이하에 첨부 도면을 참조하면서, 본 발명의 적합한 실시 형태에 대해 상세하게 설명한다. 이러한 실시 형태에 나타내는 치수, 재료, 그 외 구체적인 수치 등은, 발명의 이해를 용이하게 하기 위한 예시에 지나지 않고, 특별히 언급하는 경우를 제외하고, 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한, 본 명세서 및 도면에 있어서, 실질적으로 동일한 기능, 구성을 갖는 요소에 대해서는, 동일한 부호를 부여함으로써 중복 설명을 생략하고, 또 본 발명에 직접 관계가 없는 요소는 도시 또는 설명을 생략한다.

도 1은, 본 발명의 실시 형태에 따른 3점 접촉 앵귤러 볼 베어링(100)(이하, 베어링(100))을 나타낸 도면이다. 도 1(a)는, 베어링(100)의 개요를 나타낸 도면이다. 당해 베어링(100)은, 외륜(102)과 내륜(104)의 사이에, 1열의 볼(106)을 구비하고 있다. 베어링(100)에서는, 볼(106)과 내륜(104) 및 외륜(102)이, 래디얼 방향에 대해서 어느 정도의 각도를 가지고 접촉한다. 특히 본 실시 형태에서는, 볼(106)은 내륜(104)의 궤도면(108)에 대해서 2점 접촉하고, 외륜(102)의 궤도면(110)에 대해서 1점 접촉하도록 설정되어 있다.

내륜(104)은, 궤도면(108)이 볼(106)과 2점 접촉하도록, 궤도면(108)이 2개의 원호로 형성된 선두가 뽀족한 아치, 이른바 고딕 아치 형상으로 설치되어 있다.

외륜(102)은, 궤도면(110)이 볼(106)과 1점 접촉하도록, 궤도면(110)이 1개의 원호로 형성된 이른바 단일 R형상으로 설치되어 있다. 또, 외륜(102)은, 궤도면(110)을 형성하고 있는 홈의 한쪽의 어깨를 떨어뜨린 카운터보어 형상(카운터보어(112))으로 되어 있다. 베어링(100)은, 외륜(102)이 카운터보어 형상으로 되어있음으로써, 외륜(102)과 내륜(104)을 분리할 수 있고, 또 외륜(102)과 내륜(104) 사이의 볼 수를 많이 설정하는 것도 가능하게 되어 있다.

또한, 베어링(100)은, 내륜(104) 및 외륜(102)과 볼(106)이 3점 접촉하는 구성이면 되고, 예를 들면 내륜이 볼(106)과 1점 접촉하고, 외륜이 볼(106)과 2점 접촉하는 구성으로 해도 실현 가능하다. 그 경우, 내륜을 카운터보어 형상으로 함으로써, 내륜과 외륜을 분리 가능하게 설정할 수 있다.

도 1(b)는, 베어링(100)의 접촉각의 개요를 나타낸 도면이다. 베어링(100)의 접촉각을 정의하는 조건으로서, 우선 도 1(a)에 나타내는 바와 같이 2점 접촉하는 내륜(104)의 궤도면(108)에 볼(106)을 맞닿게 한다. 이 상태로, 도 1(b)에 나타내는 바와 같이 내륜(104)과 외륜(102)의 중심축을 맞추어 서로 액시얼 방향으로 상대 이동시킨다. 그리고, 1점 접촉하는 외륜(102)의 궤도면(110)에 볼(106)이 접촉했을 때의 3점을, 본 실시 형태에 있어서의 각 접촉점(접촉점 P1, P2, P3)으로 하고 있다.

본 실시 형태에서는, 내륜(104)에 형성되는 2개의 접촉점 P1, P2 중, 접촉각이 큰 쪽인 접촉점 P1을 접촉각 αL로 하고, 접촉각이 작은 쪽인 접촉점 P2를 접촉각 αs로 하고 있다. 도 1(b)에 나타내는 바와 같이, 접촉점 P1은, 볼(106)의 래디얼 방향의 중심선(L1)에 대해서, 접촉각 αL을 형성하고 있다. 접촉점 P2는, 중심선(L1)에 대해, 접촉각 αs를 형성하고 있다. 이때, 접촉각 αL은, 접촉각 αs보다 커지도록 설정되어 있다(αs＜αL).

접촉점 P3은, 중심선(L1)에 대해서, 접촉점 P1과는 액시얼 방향으로 대각이 되도록 형성되어 있다. 접촉점 P3은, 중심선(L1)에 대해, 접촉각 αo를 형성하고 있다. 접촉각 αo는, 후술하는 바와 같이, 당해 베어링(100)의 부하 능력의 향상을 위해서, αs＜αo＜αL의 관계가 되도록 설정되어 있다.

접촉점 P1과 P2는, 도 1(b)에 파선으로 나타내는 볼(106)의 중심에서 직교하는 2선에 대해, 같은 상한 내에 설치해도 된다. 그러나, 본 실시 형태에서는, 접촉점 P1과 P2는, 중심선(L1)을 사이에 두고 액시얼 방향의 양측에 설치하고 있다. 자세히는, 접촉점 P2는, 중심선(L1)에 대해서, 접촉점 P1과는 액시얼 방향의 반대측으로서, 1점 접촉측인 외륜(102)의 접촉점(P3)과 같은 측에 설치하고 있다.

본 실시 형태에서는, 상기 3점의 접촉점 P1~P3을, 래디얼 내부 간극의 양을 조정함으로써 원하는 위치에 형성시키고 있다. 도 1(b)에 나타내는 바와 같이, 베어링(100)에는 볼(106)과 외륜(102)의 사이에 래디얼 내부 간극(△Pd/2)이 확보되어 있다. 도 1(b)에서는 환상의 베어링(100)의 한쪽 단면만을 나타내고 있기 때문에, 래디얼 내부 간극의 전량(△Pd)의 절반(1/2)을 의미하는 기호 △Pd/2로 표시하고 있다.

도 2는, 래디얼 내부 간극(△Pd/2)과 접촉각 αo의 관계를 나타낸 도면이다. 도 2에서는, 볼(106)의 중심을 중심점(O)으로 하고, 도 1(b)를 참조하여 설명한 이동 전의 외륜(102)의 궤도면(110)의 곡률 중심을 Oe, 또한 이동 후의 외륜(102)의 궤도면(110)의 곡률 중심을 Oe′로 나타내고 있다. 또, 볼(106)의 반경을 Da/2, 외륜(102)의 궤도면(110)의 곡률 반경을 re로 나타내고 있다.

접촉각 αo의 조건을, 래디얼 내부 간극(△Pd/2)을 기본으로 정의한다. 접촉각 αo를 cosαo로 표현하면,

cosαo=중심점(O)으로부터 곡률 중심(Oe)의 거리/중심점(O)으로부터 곡률 중심(Oe′)의 거리…(수학식 2)

로서 표시할 수 있다.

상기 수학식 2 중, 분모의 「중심점(O)으로부터 곡률 중심(Oe′)의 거리」는, 중심점(O)으로부터 곡률 중심(Oe′)의 거리=곡률 반경(re)-반경(Da/2)…(수학식 3)으로서 표시할 수 있다.

또, 상기 수학식 2 중, 분자의 「중심점(O)으로부터 곡률 중심(Oe)의 거리」는, 중심점(O)으로부터 곡률 중심(Oe)의 거리=곡률 반경(re)-(반경(Da/2)＋래디얼 내부 간극(△Pd/2))…(수학식 4)

로서 표시할 수 있다.

상기의 수학식 3의 우변을 기호 Ae로 정리하면, 수학식 4의 우변은 Ae-래디얼 내부 간극(△Pd/2)으로 표시할 수 있다. 이것을 기초로 수학식 2를 정리하면, 수학식 2는,

cosαo=Ae-△Pd/2/Ae…(수학식 5)

로 표시할 수 있다. 그리고, 수학식 5로부터는,

접촉각 αo=cos-1(1-△Pd/2/Ae)…(수학식 1)

을 얻을 수 있다.

본 실시 형태에서는, 상기 수학식 1을 이용하여, 각 접촉각이 αs＜αo＜αL의 관계가 되도록, 래디얼 내부 간극(△Pd)을 조정하고 있다. 각 접촉각이 αs＜αo＜αL의 관계이면, 래디얼 하중 및 액시얼 하중의 어느 쪽에도 높은 부하 능력을 발휘할 수 있는 3점 접촉을 성립시킬 수 있다. 반대로, 예를 들면 접촉각 αo가 접촉각 αs를 밑돌아 버리면, 베어링의 액시얼 하중에 대한 부하 능력은 현저하게 저하해 버린다. 또, 접촉각 αo가 접촉각 αL을 웃돌아 버리면, 볼(106)이 외륜의 어깨에 얹히기 쉬워져 버리기 때문에, 볼 수를 늘릴 수 없거나, 외륜에 카운터보어 형상을 실시할 수 없거나 할 우려가 있다. 상기 각 접촉각이 αs＜αo＜αL의 관계임으로써, 당해 베어링(100)은, 부하 능력이 높고, 카운터보어 형상을 실현하고, 또한 볼 수를 늘리는 것이 가능하게 되어 있다.

도 3은, 베어링(100)의 수명 시험의 결과를 나타낸 도면이다. 상술한 본 실시 형태의 베어링(100)이면, 래디얼 하중 및 액시얼 하중의 양쪽에 대해서 부하 능력이 높을 뿐만 아니라, 수명도 연장하는 것이 가능하게 되어 있다.

표에 기재하는 합계 5개의 시험 대상 중, 우단 이외의 4개는, 각 접촉각 αL, αs, αo의 조건이 상이하다. 중단의 개략도에 표시하고 있는 바와 같이, 시험 대상은 왼쪽에서 오른쪽으로 향할수록 접촉각 αo, αL이 커지고, 접촉각 αs는 작아져 있다. 이 중, 실시예 1~3이, 상기 실시 형태에 있어서의 접촉각이 αs＜αo＜αL의 관계의 베어링(100)에 상당한다. 우단의 비교예 2는, 접촉각 40°의 종래의 2점 접촉의 앵귤러 볼 베어링에 상당한다.

표의 하단에는, 래디얼 하중과 액시얼 하중의 값을 변화시켜 운전한 경우에 있어서의 각 시험 대상의 수명(피로가 나타날 때까지의 시간(단위 hrs))을 기재하고 있다. 이 중, 비교예 1은, 접촉각 αo=0°이며, 래디얼 하중에 대한 값이 높은 반면, 액시얼 하중에 대한 값이 약간 낮다. 또, 비교예 2는, 2점 접촉이며, 액시얼 하중에 대한 값이 높지만, 래디얼 하중에 대한 값은 낮다.

실시예 1~3은, 비교예 1에 비해 접촉각 αo가 큰만큼, 비교예 1보다 액시얼 하중에 대한 값이 분명히 높아져 있다. 또, 실시예 1~3은, 3점 접촉이기 때문에, 당연히 비교예 2에 비해 래디얼 하중에 대한 값이 높다. 또한, 래디얼 하중과 액시얼 하중을 양쪽 모두 300kgf 부하한 경우에 주목하면, 실시예 1~3은, 비교예 1, 2보다 값이 높은 것을 알 수 있다.

실시예 1~3을 서로 비교하면, 실시예 1, 2는 접촉각 αL의 접촉점 P1과 접촉각 αs의 접촉점 P2가 볼(106)의 중심선(L1)을 사이에 두고 양측에 있기 때문에, 접촉점 P1과 접촉점 P2가 같은 상한에 있는 실시예 3에 비해, 래디얼 하중에 대한 값이 약간 높아져 있다.

이들 실시예 1~3으로부터 알 수 있듯이, 본 실시 형태의 베어링(100)은, 래디얼 하중에도 액시얼 하중에도 안정되게 부하 능력을 발휘 가능하게 되어 있다. 그리고, 최하단의 각 시험체의 합계 5개의 운전이 등빈도일 때의 수명에 주목하면, 실시예 1이 가장 수명이 길고, 다음에 실시예 2 및 실시예 3의 순서로 수명이 길다는 결과가 얻어지고 있다.

이상으로부터, 본 실시 형태에 의하면, 부하 능력 및 수명이 향상된 3점 접촉 앵귤러 볼 베어링(100)을 실현할 수 있는 것을 알 수 있다. 특히 본 실시 형태이면, 궤도면(110)의 곡률 반경이나 볼(106)의 반경 등의 요소를 상술한 수학식 1에 적용시켜 래디얼 내부 간극(△Pd)을 조정함으로써, 원하는 위치에서의 3점 접촉을 높은 재현성으로 실현되는 것이 가능하게 되어 있다.

또한, 변형예로서, 당해 3점 접촉 앵귤러 볼 베어링(100)은, 내륜을 1점 접촉측으로 하고, 외륜을 2점 접촉측으로 하는 것도 가능하다. 이 구성에 의해서도, 부하 능력 및 수명이 향상된 3점 접촉 앵귤러 볼 베어링을 적합하게 실현할 수 있다.

이상, 첨부 도면을 참조하면서 본 발명의 적합한 실시예에 대해 설명했지만, 본 발명은 이러한 예에 한정되지 않는 것은 말할 필요도 없다. 당업자라면, 특허 청구의 범위에 기재된 범주 내에 있어서, 각종의 변경예 또는 수정예에 이를 수 있는 것은 분명하고, 그들에 대해서도 당연히 본 발명의 기술적 범위에 속하는 것으로 이해된다.

본 발명은, 3점 접촉 앵귤러 볼 베어링에 이용할 수 있다.

L1: 볼의 래디얼 방향의 중심선 P1: 내륜측의 접촉각이 큰 접촉점
P2: 내륜측의 접촉각이 작은 접촉점 P3: 외륜측의 접촉점
100: 베어링 102: 외륜
104: 내륜 106: 볼
108: 내륜의 궤도면 110: 외륜의 궤도면
112: 카운터보어

Claims (4)

1. 내륜 또는 외륜 중 한쪽의 궤도면에 볼이 2점 접촉하고, 다른쪽의 궤도면에 볼이 1점 접촉하는 3점 접촉 앵귤러 볼 베어링에 있어서,
   2점 접촉하는 궤도면에 볼을 맞닿게 한 상태로, 내륜과 외륜의 중심축을 맞추어 서로 액시얼 방향으로 상대 이동시켜, 1점 접촉하는 궤도면에 볼이 접촉했을 때의 3점을 각 접촉점으로 하고,
   상기 2점 접촉측의 2개의 접촉각 중 작은 쪽을 접촉각 αs로 하고, 큰 쪽을 접촉각 αL로 했을 때, 상기 1점 접촉측의 접촉점과 상기 접촉각 αL의 접촉점은 볼의 래디얼 방향의 중심선에 대해서 대각으로 형성되어 있고,
   래디얼 내부 간극을 △Pd로 하면,
   상기 1점 접촉측의 접촉각 αo=cos-1(1-△Pd/2/Ae)…(수학식 1)
   (단 Ae=1점 접촉측의 궤도면의 곡률 반경-볼의 반경)이며,
   각 접촉각이 αs＜αo＜αL의 관계가 되도록 상기 래디얼 내부 간극 △Pd를 조정한 것을 특징으로 하는 3점 접촉 앵귤러 볼 베어링.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 접촉각 αs의 접촉점은, 상기 접촉각 αL의 접촉점과는 상기 중심선을 사이에 두고 액시얼 방향의 반대측에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 3점 접촉 앵귤러 볼 베어링.
3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
   상기 내륜에 볼이 2점 접촉하고, 상기 외륜에 볼이 1점 접촉하는 것을 특징으로 하는 3점 접촉 앵귤러 볼 베어링.
4. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 1점 접촉측의 궤도륜은 한쪽의 어깨를 떨어뜨린 카운터보어 형상인 것을 특징으로 하는 3점 접촉 앵귤러 볼 베어링.

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