JP2009041642A - 円筒ころ軸受 - Google Patents

Abstract

【課題】運転時に於ける、保持器１４ａに形成したポケット２３ａ、２３ａの各案内面２４ａ、２４ａと各円筒ころ１３、１３の転動面２５、２５との接触部に於ける、油膜形成性を向上させて、これら各接触部での摩耗を抑えられる構造を実現する。
【解決手段】円筒ころ軸受１０ａに組み込んだ保持器１４ａに形成しているポケット２３ａ、２３ａの内面のうちの、円周方向で対向して、各円筒ころ１３、１３の転動面２５、２５を案内する各案内面２４ａ、２４ａの形状を、部分円筒状凹面とする。これにより、上記課題を解決する。
【選択図】図１

Description

この発明に係る円筒ころ軸受は、風力発電装置を構成するロータ（ブレード等の羽付きの回転体）の回転中心部に結合固定した回転軸、或はこの回転軸と発電機との間に設けた変速機を構成する回転軸を、上記風力発電装置のハウジングに対して回転自在に支持する為に利用する。尚、本明細書及び特許請求の範囲中の『ころ』の語には、外径に対する長さの比（アスペクト比）が大きい、ニードルも含む。

近年、二酸化炭素の削減等により地球環境を改善する事を目的として、自然エネルギを利用する発電方法である風力発電が注目される様になっている。図４〜５は風力発電装置の従来構造の１例として、特許文献１に記載された構造を示している。図４はプロペラ形風力発電装置の全体構成図である。風車１は図４に示す様に、風の運動エネルギを取り込むブレード２とロータ３、ハウジング４、及びこのハウジング４を地上から十分に（例えば約４０ｍ）離れた高さ位置に設置するタワー５から構成される。又、ハウジング４の内部には、図５に示す様に、回転軸６、転がり軸受７、７、増速機８、発電機９が納まっており、この回転軸６は転がり軸受７、７によって上記ハウジング４に、回転自在に取り付けられている。そして、風の運動エネルギから上記ブレード２が取り込んだ回転力は、上記回転軸６に伝達され、更に、上記増速機８で増速されてから上記発電機９に伝達され、発電する。

上記風車１を構成する転がり軸受７、７や上記増速機８等の変速機内部で使用される軸受は、大きなラジアル荷重を支承すべく、円筒ころ軸受が、多く使用される。この様に、風力発電装置で使用する円筒ころ軸受は、この風力発電装置が鉄塔の上等の高所に設けられており、交換等のメンテナンス作業を行ないにくい。この為、上記円筒ころ軸受が早期に寿命に達してしまう事は好ましくない。従って、上記風力発電装置のメンテナンス作業を長期間（最低でも２０年間、好ましくは、より長期間）行なわなくても済む様にする為、上記円筒ころ軸受の耐久寿命も十分に確保できる様にする事が望まれる。

図６は、この様な円筒ころ軸受の１例として、従来から知られている構造を示している。この円筒ころ軸受１０は、外輪１１と、内輪１２と、複数の円筒ころ１３、１３と、保持器１４とを備えている。
このうちの外輪１１は、内周面の中間部に円筒凹面状の外輪軌道１５を設けている。又、この内周面の一端部（図６の左端部）に内向鍔部１６を、同じく他端部（図６の右端部）に係止溝１７を、それぞれ全周に亙り形成している。そして、この係止溝１７に、欠円環状に形成した止め輪１８を係止して、上記外輪１１からの上記各円筒ころ１３、１３の抜け止めを図っている。
又、上記内輪１２は、外周面の中間部に円筒凸面状の内輪軌道１９を、同じく両端部に外向鍔部２０ａ、２０ｂを、それぞれ設けている。この様な円筒ころ軸受１０は、所謂ＮＦ形と言われる構造である。
又、上記複数の円筒ころ１３、１３は、次述する保持器１４により保持された状態で、上記外輪軌道１５と上記内輪軌道１９との間に、転動自在に設けられている。又、上記各円筒ころ１３、１３の軸方向両側端面のうち、これら各円筒ころ１３、１３の径方向に関して外径寄り部分（円筒ころ軸受１０の径方向に関して内径寄り部分）は、上記外向鍔部２０ａ、２０ｂのそれぞれの内側面に、油膜を介した状態で、摺接若しくは近接対向している。
又、上記保持器１４は、軸方向に互いに間隔をあけて配置した、それぞれが円環状である１対のリム部２１、２１と、複数本の柱部２２、２２とを備える。これら各柱部２２、２２は、円周方向に亙って間欠的に配置され、それぞれの両端部を上記両リム部２１、２１の互いに対向する内側縁に連続させている。又、円周方向に隣り合う上記各柱部２２、２２の円周方向両側縁と上記両リム部２１、２１の互いに対向する内側縁とにより四周を囲まれる空間部分を、それぞれポケット２３とし、これら各ポケット２３に上記各円筒ころ１３、１３を、転動自在に保持している。

又、図７〜８は、保持器１４の従来構造として、特許文献２に記載されているものを示している。この保持器１４は、各ポケット２３、２３の内面のうち円周方向両端部に存在して、上記各円筒ころ１３、１３の転動面２５、２５を案内する、上記各柱部２２、２２の案内面２４、２４が、平坦面である。又、この様な保持器１４に形成されている各柱部２２、２２は、上記各円筒ころ１３、１３のピッチ円Ｐ１３よりも内径側に配置されている。この為、円周方向に隣り合う円筒ころ１３、１３同士の間隔を狭くして、上記円筒ころ軸受１０の内部に、より多くの円筒ころ１３、１３を配置する事ができ、この円筒ころ軸受１０の負荷容量を増加する事ができる。又、上記保持器１４は、上記各円筒ころ１３、１３を拘束していない。この為、組み立て時にこの保持器１４を変形する事なく組み立てる事ができる。
但し、上述した様に、上記各案内面２４、２４の形状が平坦面である場合、上記各円筒ころ１３、１３の転動面２５、２５とこれら各案内面２４、２４との接触面積が狭くなって、これら各面同士の接触部に強固な油膜が形成されにくく、これら各案内面２４、２４の面精度が粗い場合、これら各接触部で金属接触を起こしてしまう可能性がある。そして、金属接触を起こすと、これら各接触部で摩耗が進み、この摩耗により発生した摩耗片等が、潤滑剤と共にこれら各接触部に入り込み、上記各円筒ころ１３、１３の転動面２５、２５の早期剥離や、上記各柱部２２、２２の断面厚さの減少による強度低下等を引き起こす原因となる可能性がある。この為、上記保持器１４の耐久性、延いてはこの保持器１４を組み込んだ、上記円筒ころ軸受１０の耐久性が低下してしまう可能性がある。

特開２００５−２０７５１７号公報 独国特許出願公開第１０２００４０２８３７６号明細書

本発明は、上述の様な事情に鑑みて、円筒ころ軸受の運転時に、保持器に形成したポケットの案内面と各円筒ころの転動面との接触部に於ける、油膜形成性を向上させ、これら各接触部での摩耗を抑えられる構造を実現すべく発明したものである。

本発明の対象となる円筒ころ軸受は、内輪と、外輪と、複数個の円筒ころと、保持器とを備える。
このうちの内輪は、外周面に円筒凸面状の内輪軌道を有する。
又、上記外輪は、内周面に円筒凹面状の外輪軌道を有する。
又、上記各円筒ころは、上記外輪軌道と内輪軌道との間に転動自在に設けられている。
又、上記保持器は、軸方向両端部に設けられた、それぞれが円環状である１対のリム部を備える。又、これら両リム部同士を、それぞれが中心軸と平行な方向に配置された複数の柱部で結合している。そして、これら両リム部の内側縁と円周方向に隣り合う各柱部の円周方向側縁とにより周囲を囲まれる部分を、上記各円筒ころを転動自在に保持する為のポケットとしている。

特に、本発明の円筒ころ軸受に於いては、上記保持器のピッチ円の直径と上記各円筒ころのピッチ円の直径とを、互いに異ならせている。即ち、この保持器を、これら各円筒ころのピッチ円の内径側又は外径側に配置している。又、上記各ポケットの円周方向に関する長さを、これら各円筒ころの外径よりも小さくしている。更に、上記各ポケットの内面のうち、これら各ポケットの円周方向両端部に存在して、上記各円筒ころの転動面を案内する各柱部の案内面を、部分円筒状凹面としている。そして、中心軸に直行する仮想平面に関する、これら案内面の断面形状の曲率半径Ｒ_C と、上記各円筒ころの直径Ｄ_a との関係を、Ｒ_C ＞Ｄ_a ／２としている。
又、上述の様な本発明を実施する場合に好ましくは、請求項２に記載した様に、上記案内面の曲率半径Ｒ_C と、各円筒ころの直径Ｄ_a との関係を、０．５＜Ｒ_C ／Ｄ_a ≦０．７５とする。
又、上述の様な本発明の円筒ころ軸受は、例えば風力発電装置等の回転支持部に組み込んだ状態で使用する。

上述の様に構成する本発明の円筒ころ軸受によれば、保持器に形成したポケットの内面のうちの、各円筒ころの転動面を案内する各案内面の形状を、部分円筒状凹面とし、更にこれら各案内面の曲率半径Ｒ_C と上記各円筒ころの直径Ｄ_a との関係を、上述した０．５＜Ｒ_C ／Ｄ_a ≦０．７５とする事で、上記各円筒ころの転動面と、上記各案内面との接触部の周辺に、これら各接触部に近づくほど狭くなる隙間が形成される。この様な隙間が存在する事で、前記円筒ころ軸受の運転時に、これら各接触部の周辺で潤滑油にくさび効果が発生し、これら各接触部に強固な油膜が形成される。そして、この油膜により、上記各円筒ころの転動面と上記各案内面とは金属接触する事なく、摩耗を抑える事ができる。この為、上記保持器の耐久性を向上し、延いては、この保持器を組み込んだ上記円筒ころ軸受の耐久性を向上する事ができる。

図１は、請求項１〜３に対応する、本発明の実施の形態の１例を示している。尚、本例の特徴は、円筒ころ軸受１０ａを構成する保持器１４ａに形成した各ポケット２３ａ、２３ａの内面のうちの、各円筒ころ１３、１３の転動面２５、２５を案内する各案内面２４ａ、２４ａの形状に工夫した点にある。この特徴部分以外の構造及び作用は、前述の図６に示した円筒ころ軸受１０を含め、従来から知られている円筒ころ軸受の場合と同様である。この為、重複する図示並びに説明は、省略若しくは簡略にし、以下、本例の特徴部分を中心に説明する。

本例の円筒ころ軸受１０ａの場合、この円筒ころ軸受１０ａを構成する保持器１４ａに形成した各ポケット２３ａ、２３ａの内面のうち、各柱部２２ａ、２２ａの円周方向両側面である、各円筒ころ１３、１３の転動面２５、２５を案内する各案内面２４ａ、２４ａの形状を、部分円筒状凹面としている。又、上記保持器１４ａのピッチ円の直径ＰＣＤ_14a と上記各円筒ころ１３、１３のピッチ円の直径ＰＣＤ₁₃とを、互いに異ならせている。本例の場合には、上記保持器１４ａのピッチ円の直径ＰＣＤ_14a の方が、上記各円筒ころ１３、１３のピッチ円の直径ＰＣＤ₁₃に比べて十分小さくなっており、上記保持器１４ａ全体が、これら各円筒ころ１３、１３のピッチ円Ｐ₁₃の内形側に位置している。又、上記各ポケット２３ａ、２３ａの円周方向に関する長さのうち、少なくとも一番狭い、内径側端部（図１の径方向内側）の長さＨ２３ａは、上記各円筒ころ１３、１３の外径Ｄ_a よりも小さい。これにより、これら各円筒ころ１３、１３が、上記各ポケット２３ａ、２３ａから内径側に抜け出す事を防止している。尚、上記保持器１４ａのピッチ円の直径ＰＣＤ_14a の方が、上記各円筒ころ１３、１３のピッチ円の直径ＰＣＤ₁₃よりも大きくなる様な構造にする事もできる。この場合も、上記各ポケット２３ａ、２３ａの円周方向に関する長さのうち、少なくとも一番狭い部分（径方向外側）の長さを、上記各円筒ころ１３、１３の外径Ｄ_a よりも小さくする。これにより、これら各円筒ころ１３、１３が、上記各ポケット２３ａ、２３ａから外径側に抜け出す事を防止する。
又、上記各案内面２４ａ、２４ａは、中心軸に直行する仮想平面に関する断面形状で、これら各案内面２４ａ、２４ａの曲率半径Ｒ_C と、上記各円筒ころ１３、１３の直径Ｄ_a との関係を、０．５＜Ｒ_C ／Ｄ_a ≦０．７５としている。又、上記各案内面２４ａ、２４ａの曲率中心Ｏ´は、上記各円筒ころ１３、１３の転動面２５、２５と、これら各案内面２４ａ、２４ａとの接触部（各案内面２４ａ、２４ａの凡そ中央部）と、これら各円筒ころ１３、１３の中心Ｏとを結び、この中心Ｏよりも接触部と反対側に延長した線上に位置する。

この様に本例の場合、前記保持器１４ａに形成した上記各ポケット２３ａ、２３ａの内面のうちの、上記各円筒ころ１３、１３を案内する上記各案内面２４ａ、２４ａの形状を、部分円筒状凹面とし、更にこれら各案内面２４ａ、２４ａの曲率半径Ｒ_C と上記各円筒ころ１３、１３の直径Ｄ_a との関係を上述した０．５＜Ｒ_C ／Ｄ_a ≦０．７５の範囲としているので、上記各円筒ころ１３、１３の転動面２５、２５と、上記各案内面２４ａ、２４ａとの接触部の周辺に、図２に誇張して示す様な、これら各接触部に近づくほど狭くなる隙間２６、２６が形成される。この様な各隙間２６、２６が存在する事で、前記円筒ころ軸受１０ａの運転時に、これら各接触部の周辺で潤滑油にくさび効果が発生し、これら各接触部に油膜が形成される。そして、この油膜により、上記各円筒ころ１３、１３の転動面２５、２５と、上記各案内面２４ａ、２４ａとは金属接触する事なく、摩耗を抑える事ができる。この為、上記保持器１４ａの耐久性を向上し、延いては、この保持器１４ａを組み込んだ上記円筒ころ軸受１０ａの耐久性を向上する事ができる。
この様な、本発明の円筒ころ軸受１０ａは、メンテナンス作業を長期間行なわない事が望まれる風力発電装置等に使用するのに好ましい構造である。

各案内面２４ａ、２４ａの曲率半径Ｒ_C と、各円筒ころ１３、１３の直径Ｄ_a との関係を、本発明の様にした理由に就いて以下で説明する。
本発明の、発明者は、Ｍａｒｔｉｎの潤滑理論を用いて、軸受の運転時の上記各案内面２４ａ、２４ａに於ける最小油膜厚さｈ０の検討を行なった。尚、最小油膜厚さｈ０は以下の（１）〜（５）式により導く事ができる。
ｈ₀ ＝（２．４４７・ｕ・η・Ｒ）／ｗ −−− （１）
ｕ＝（π・Ｄ_a ・ｎａ）／６０ −−− （２）
η＝ρ・ν −−− （３）
Ｒ＝（２／Ｄ_a ―１／Ｒ_C ）−１ −−− （４）
ｗ＝Ｗ／Ｌ −−− （５）
ここで、上記（１）〜（５）式中の符号の意味は、次の通りである。
ｈ₀ ：最小油膜厚さ（ｍ）
ｕ：転がり速度（ｍ／ｓ）
η：絶対粘度（Ｐａ・ｓ）
Ｒ：等価半径（ｍ）
ｗ：線荷重（Ｎ／ｍ）
Ｄ_a ：円筒ころの径（ｍ）
ｎａ：ころ自転速度（ｍｉｎ^-1）
ρ：潤滑油密度（ｋｇ／ｍ³ ）
ν：潤滑油粘度（ｍ² ／ｓ）
Ｒ_C ：案内面の曲率半径（ｍ）
Ｗ：接触荷重（Ｎ）
Ｌ：接触長さ（ｍ）

図３は検討の結果を示しており、横軸にＲ_C （案内面２４ａの曲率半径）とＤ_a （円筒ころ１３の直径）との比を示している。又、縦軸には、各ポケットの案内面の形状が平面である場合（上記Ｒ_C が無限大の場合）の最小油膜厚さの値を１とした場合の最小油膜厚さｈ₀ の比を示している。
上述の検討の結果、上記案内面の断面形状の曲率半径が小さくなる程、最小油膜厚さｈ₀ が大きくなる事が分かる。但し、上記Ｒ_C が上記Ｄ_a の１／２以下（Ｒ_C ≦Ｄ_a ／２）になると、案内面の端縁と円筒ころ１３の転動面とが擦れ合う、所謂エッジ当たりが発生し、当該部分で油膜切れを生じる。これらの事を考慮すれば、上記Ｒ_C とＤ_a とが、０．５＜Ｒ_C ／Ｄ_a の関係である場合に、ポケットの案内面の形状が平面の場合に比べて、厚い油膜を得られる事が分かる。特に、図３に示す様に、１≧Ｒ_C ／Ｄ_a では、案内面の形状が平面の場合に比べて、２倍以上の最小油膜厚さを得られる事が分かった。又、より好ましい最小油膜厚さを得られる範囲は０．５＜Ｒ_C ／Ｄ_a ≦０．７５である事も、図３から読み分かる。

尚、本発明は、円筒ころ軸受の運転時に、軸受内部の油膜形成性を向上すべく、発明したものである。前述した、従来構造の円筒ころ軸受の構造は、所謂ＮＦ形の円筒ころ軸受であるが、本発明の適応範囲は、ＮＦ形の円筒ころ軸受に限らず、所謂Ｎ形、ＮＮ形の円筒ころ軸受にも適応可能である。又、前述した様に、前記保持器１４ａのピッチ円の直径ＰＣＤ_14a の方が、前記各円筒ころ１３、１３のピッチ円の直径ＰＣＤ₁₃よりも大きくなる様な構造にした場合には、所謂ＮＪ形、ＮＵ形、ＮＵＰ形、ＮＨ形、ＮＮＵ形の円筒ころ軸受にも、本発明を適応できる。
又、本発明は、円筒ころ軸受に限らず、転動体が円すいころ又は球面ころである様な各種ころ軸受に対して適応すれば、上記実施例と同様の作用効果を得る事ができる。

本発明の実施の形態の１例を示す、円筒ころ軸受の部分断面図。 同じく、円筒ころの転動面とポケットの案内面との間の隙間を誇張して示す、図１のＡ部に相当する拡大断面図。 本発明による効果を示す為、横軸に各案内面の曲率半径と各ころ径との比を、縦軸に従来構造の案内面の最小油膜厚さの値を１とした場合の最小油膜厚さの比を、それぞれ表した棒グラフ。 本発明の対象となる円筒ころ軸受を組み込む風力発電装置の１例を示す図。 同じく風力発電装置のハウジング内部を示す部分切断斜視図。 同じく、円筒ころ軸受の断面図。 同じく、保持器を説明する為の断面図。 同じく、図７のＢ部拡大図。

符号の説明

１ 風車
２ ブレード
３ ロータ
４ ハウジング
５ タワー
６ 回転軸
７ 転がり軸受
８ 増速機
９ 発電機
１０、１０ａ 円筒ころ軸受
１１ 外輪
１２ 内輪
１３ 円筒ころ
１４、１４ａ 保持器
１５ 外輪軌道
１６ 内向鍔部
１７ 係止溝
１８ 止め輪
１９ 内輪軌道
２０ａ、２０ｂ 外向鍔部
２１ リム部
２２、２２ａ 柱部
２３、２３ａ ポケット
２４、２４ａ 案内面
２５ 転動面
２６ 隙間

Claims (3)

1. 外周面に円筒凸面状の内輪軌道を有する内輪と、内周面に円筒凹面状の外輪軌道を有する外輪と、これら外輪軌道と内輪軌道との間に転動自在に設けられた複数個の円筒ころと、これら各円筒ころを転動自在に保持する円筒状の保持器とを備え、この保持器は、軸方向両端部に設けられた、それぞれが円環状である１対のリム部同士を、それぞれが中心軸と平行な方向に配置された複数の柱部で結合して成り、これら両リム部の内側縁と円周方向に隣り合う各柱部の円周方向側縁とにより周囲を囲まれる部分を、上記各円筒ころを転動自在に保持する為のポケットとした円筒ころ軸受に於いて、
   上記保持器のピッチ円直径と上記各円筒ころのピッチ円直径とは互いに異なり、且つ、上記各ポケットの円周方向に関する長さは、これら各円筒ころの外径よりも小さく、上記各ポケットの内面のうち、これら各ポケットの円周方向両端部に存在して、上記各円筒ころの転動面を案内する各柱部の案内面が部分円筒状凹面であり、中心軸に直行する仮想平面に関する断面形状で、これら各案内面の曲率半径Ｒ_C と、上記各円筒ころの直径Ｄ_a との関係が、Ｒ_C ＞Ｄ_a ／２である事を特徴とする円筒ころ軸受。
2. 案内面の曲率半径Ｒ_C と、各円筒ころの直径Ｄ_a との関係が、０．５＜Ｒ_C ／Ｄ_a ≦０．７５である、請求項１に記載した円筒ころ軸受。
3. 風力発電装置の回転支持部に組み込まれる、請求項１〜２のうちの何れか１項に記載した円筒ころ軸受。

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