JP2013053713A

JP2013053713A - ころ軸受及び風力発電用増速機

Info

Publication number: JP2013053713A
Application number: JP2011193740A
Authority: JP
Inventors: Hideki Fujiwara; 英樹藤原
Original assignee: JTEKT Corp
Current assignee: JTEKT Corp
Priority date: 2011-09-06
Filing date: 2011-09-06
Publication date: 2013-03-21

Abstract

【課題】スメアリングが発生するのを効果的に抑制することができるころ軸受及び風力発電用増速機を提供する。
【解決手段】ころ軸受８は、内輪軌道面１１ａを有する内輪１１と、外輪軌道面１２ａを有する外輪１２と、内輪軌道面１１ａと外輪軌道面１２ａとの間に転動可能に配置された複数の円筒ころ１３と、周方向に沿って複数形成されたポケット１７に円筒ころ１３が個別に収容された保持器１４とを備えている。円筒ころ１３の両端面には第１凸状球面１３ｂ及び第２凸状球面１３ｃが形成され、ポケット１７の内壁面の四隅には第１及び第２凸状球面１３ｂ，１３ｃにそれぞれ点接触する第１〜第４接触面１８ａ〜１８ｄが形成されている。
【選択図】図３

Description

本発明は、ころ軸受及び風力発電用増速機に関する。

従来、風力発電装置として、ブレードにより風力を受けて当該ブレードに接続された主軸を回転させ、その主軸の回転を増速させて発電機を駆動させるために、増速機が用いられるものがある。図４に示すように、この増速機２０２は、主軸２００の回転を入力して増速する遊星歯車機構２０３と、この遊星歯車機構２０３により増速された回転を入力して、さらにその回転を増速する高速段歯車機構２０４と、この高速段歯車機構２０４の回転トルクを出力する出力軸２０５とを備えている。

遊星歯車機構２０３は、主軸２００と一体回転可能に連結された入力軸２０３ａが回転すると、遊星キャリア２０３ｂが回転することによって、遊星歯車２０３ｃを介して太陽歯車２０３ｄが増速回転し、その回転を高速段歯車機構２０４の低速軸２０４ａに伝達するようになっている。
高速段歯車機構２０４は、低速軸２０４ａが回転すると、低速ギヤ２０４ｂ及び第１中間ギヤ２０４ｃを介して中間軸２０４ｄを増速回転させ、さらに第２中間ギヤ２０４ｅ及び高速ギヤ２０４ｆを介して出力軸２０５を増速回転させるようになっている。

増速機２０２の低速軸２０４ａ、中間軸２０４ｄ及び出力軸２０５をそれぞれ回転自在に支持する軸受として、ころ軸受２０６〜２１１が多用されている（例えば、特許文献１参照）。このうち、出力軸２０５の一端部を回転自在に支持するころ軸受２１０は、図５に示すように、内輪軌道面１０１ａを有する内輪（回転輪）１０１と、外輪軌道面１０２ａ及び鍔部１０２ｂを有する外輪（固定輪）１０２と、内輪軌道面１０１ａと外輪軌道面１０２ａとの間に転動可能に配置されている複数のころ１０３と、周方向に沿って複数形成されたポケット１０４ａにころ１０３が個別に収容された保持器１０４とを備えている。

特開２００７−２３２１８６号公報

従来の風力発電装置では、その長期使用によって、高速回転する出力軸を支持するころ軸受において、ころの転動面や回転輪の軌道面にスメアリング（表層焼付きが起こる現象）が発生し、ころ軸受の寿命が低下するという問題があった。
本発明は、このような実情に鑑みてなされたものであり、スメアリングが発生するのを効果的に抑制することができるころ軸受及び及び風力発電用増速機を提供することを目的とする。

本願発明者は、スメアリングの発生メカニズムについて鋭意研究を重ねた。その結果、風力の低下により主軸の回転速度が急激に低下すると、重量の重い発電機のロータの慣性により、出力軸の回転速度よりも発電機の駆動軸の回転速度が上回ることによっていわゆるトルク抜け（荷重抜け）が発生し、このトルク抜けによって出力軸を支持するころ軸受に作用するラジアル荷重が減少し、ころ軸受のころと回転輪側の内輪軌道面との転がり摩擦抵抗よりも、ころと保持器（ポケットの内壁面）との面接触による接触摩擦抵抗、外輪（固定輪）の鍔部と保持器との摺動摩擦抵抗及びころの端面と鍔部との摺動摩擦抵抗を合算した摩擦抵抗が上回ることにより、ころの自転が遅れることを見出した。そして、この状態から風力の増加により主軸の回転速度が急激に増加したときに、ころの転動面と内輪軌道面との接触面で高速滑りが発生し、その接触面が昇温することにより、スメアリングが発生するという知見を得、かかる知見に基づいて本願発明を完成させた。

（１）すなわち、本発明のころ軸受は、内輪軌道面を有する内輪と、前記内輪軌道面に対向する外輪軌道面を有する外輪と、前記内輪軌道面と前記外輪軌道面との間に転動可能に配置された複数のころと、周方向に沿って複数形成されたポケットに前記ころが個別に収容された保持器と、を備え、前記ころの端面及び当該端面に隣接する前記ポケットの内壁面のうち、一方の面に凸状球面が形成され、他方の面に前記凸状球面と点接触する接触面が形成されていることを特徴とする。

本発明によれば、ころの端面と当該端面に隣接するポケットの内壁面とが点接触するため、従来の面接触する場合に比べて、ころと保持器との接触摩擦抵抗を低減することができる。これにより、ころが自転し易くなるため、ころ軸受にスメアリングが発生するのを効果的に抑制することができる。

（２）前記ころにおける前記両軌道面を転動する転動面は、前記凸状球面と前記接触面とが点接触することにより、当該転動面に隣接する前記ポケットの内壁面との接触が回避されていることが好ましい。この場合、ころと保持器との接触摩擦抵抗をさらに低減することができる。

（３）前記ころ軸受は、前記一方の面が、前記ころの端面であることが好ましい。この場合、ころの端面が凸状球面となるため、ころにスキューが発生してその軸線が傾いても、ころの端部がポケットの内壁面とこじれるのを効果的に抑制することができる。

（４）他の観点からみた本発明の風力発電用増速機は、風力によるブレードの回転を伝達する増速ギヤを有するとともに、ころ軸受を介して支持された増速回転軸を備え、前記ころ軸受が、上記（１）〜（３）のいずれかのころ軸受であることを特徴とする。
本発明によれば、風力発電の運転中に風力が変動することによって、風力発電用増速機の増速回転軸を支持するころ軸受にスメアリングが発生するのを効果的に抑制することができる。

本発明のころ軸受によれば、ころが自転し易くなるため、ころ軸受にスメアリングが発生するのを効果的に抑制することができる。

本発明の一実施形態に係る風力発電用増速機を示す概略側面図である。上記風力発電用増速機に用いられるころ軸受を示す断面図である。上記ころ軸受のころ及び保持器を示す平面図である。従来の風力発電用増速機を示す断面図である。従来のころ軸受を示す断面図である。

以下、本発明の実施形態について添付図面を参照しながら詳述する。
図１は、本発明の一実施形態に係る風力発電用増速機を示す概略側面図である。この風力発電用増速機１は、風力によるブレード（図示省略）の回転を増速させて発電機（図示省略）を駆動させるものであり、遊星歯車機構２と、複数の増速回転軸３１〜３３を有する高速段歯車機構３とを備えている。

遊星歯車機構２は、ブレードの回転軸（図示省略）と一体回転可能に連結された入力軸２１を有しており、この入力軸２１が回転すると遊星キャリア２２が回転するようになっている。これにより、遊星歯車２３を介して太陽歯車２４が回転し、その回転が高速段歯車機構３の低速軸３１に伝達される。
高速段歯車機構３の複数の増速回転軸３１〜３３には、低速ギヤ３１ａを有する前記低速軸３１と、第１中間ギヤ３２ａ及び第２中間ギヤ３２ｂを有する中間軸３２と、高速ギヤ３３ａを有する出力軸３３とが含まれている。本実施形態では、低速ギヤ３１ａ、第１及び第２中間ギヤ３２ａ，３２ｂ、及び高速ギヤ３３ａが、増速ギヤとされている。

低速軸３１は、その直径が例えば約１ｍの大型の回転軸からなり、遊星歯車機構２の入力軸２１と同軸上に配置されている。低速軸３１の軸方向両端部はころ軸受４，５により支持されている。中間軸３２は、低速軸３１の上方に配置されており、その軸方向両端部はころ軸受６，７により支持されている。中間軸３２の第１中間ギヤ３２ａは低速ギヤ３１ａと噛み合い、第２中間ギヤ３２ｂは高速ギヤ３３ａと噛み合っている。出力軸３３は、中間軸３２の上方に配置されており、その自由端部３３ｂ及び出力端部３３ｃは、それぞれころ軸受８，９により支持されている。出力端部３３ｃは、発電機の駆動軸（図示省略）に一体回転可能に連結されている。

以上の構成により、入力軸２１の回転は、遊星歯車機構２のギヤ比、低速ギヤ３１ａと第１中間ギヤ３２ａとのギヤ比、及び第２中間ギヤ３２ｂと高速ギヤ３３ａとのギヤ比により３段階に増速されて、出力軸３３の出力端部３３ｃから回転トルクが出力される。すなわち、風力によるブレードの回転は、風力発電用増速機１により３段階に増速されて、発電機を駆動するようになっている。なお、本発明における風力発電用増速機１は、上記構成に限定されるものではなく、少なくとも増速ギヤを有する増速回転軸をころ軸受で支持しているものであればよい。

図２は、出力軸３３の自由端部３３ｂを支持するころ軸受８を示す断面図である。図２において、ころ軸受８は、円筒ころ軸受からなり、出力軸３３に外嵌固定された内輪１１と、ハウジング（図示省略）に固定された外輪１２と、内輪１１と外輪１２との間に転動可能に配置された複数の円筒ころ１３と、周方向に沿って複数形成されたポケット１７に円筒ころ１３を個別に収容している環状の保持器１４とを備えている。内輪１１、外輪１２、円筒ころ１３及び保持器１４は、例えば軸受鋼等の合金鋼によって形成されている。

内輪１１は、その外周の軸方向中央部に形成された内輪軌道面１１ａと、この内輪軌道面１１ａの軸方向両側に形成されたテーパ面１１ｂとを有している。このテーパ面１１ｂは、軸方向外側に向かって漸次縮径するように形成されている。
外輪１２は、内輪１１と同心上に配置されており、その内周の軸方向中央部に形成された外輪軌道面１２ａと、この外輪軌道面１２ａの軸方向両側に形成された一対の鍔部１２ｂとを有している。外輪軌道面１２ａは、内輪軌道面１１ａに対向して配置されている。

鍔部１２ｂは、外輪１２の内周の軸方向両端部から径方向内方に向かって突出して形成されており、円筒ころ１３の端面が当接する鍔面１２ｂ１と、保持器１４の円環部１５の外周面１５ａに対向する対向周面１２ｂ２とを有している。
鍔面１２ｂ１は、円筒ころ１３の第１及び第２凸状球面１３ｂ，１３ｃ（後述）と点接触するように、軸方向外側に向かって漸次縮径するテーパ面とされている。対向周面１２ｂ２は、保持器１４の外周面１５ａが摺動することにより、保持器１４の回転を案内するようになっている。なお、鍔部１２ｂは、外輪１２に形成されているが、内輪１１の内輪軌道面１１ａの軸方向両側に形成されていてもよい。

円筒ころ１３は、内輪１１の内輪軌道面１１ａと外輪１２の外輪軌道面１２ａとの間に転動可能に配置されており、両軌道面１１ａ，１２ａを転動する転動面１３ａを有している。
保持器１４は、軸方向に離反して配置された一対の円環部１５と、この円環部１５の周方向に沿って等間隔おきに配置されて両円環部１５同士を連結する複数の柱部１６とを有している。一対の円環部１５と隣接する柱部１６との間には、それぞれ前記ポケット１７が形成されており、このポケット１７内に各円筒ころ１３が配置されている。各円環部１５の軸方向内側の側面１５ｂ及び隣接する柱部１６の周方向の側面１６ａは、ポケット１７の内壁面とされている。

図３は、円筒ころ１３及び保持器１４を示す平面図である。図３において、円筒ころ１３の両端面には、それぞれ第１凸状球面１３ｂ及び第２凸状球面１３ｃが形成されている（図２も参照）。この第１及び第２凸状球面１３ｂ，１３ｃの中心点Ｃは、それぞれ円筒ころ１３の軸線Ｘ上に配置されている。

保持器１４のポケット１７の内壁面には、その四隅において円筒ころ１３の第１及び第２凸状球面１３ｂ，１３ｃと点接触する複数の接触面１８ａ〜１８ｄが形成されている。具体的には、一方（図３の左側）の円環部１５の軸方向内側の側面１５ｂと、隣接する柱部１６の周方向の側面１６ａとが繋がる二箇所の隅部には、円筒ころ１３の第１凸状球面１３ｂと点接触する凸状円弧面からなる第１接触面１８ａ及び第２接触面１８ｂが形成されている。また、他方（図３の右側）の円環部１５の軸方向内側の側面１５ｂと、隣接する柱部１６の周方向の側面１６ａとが繋がる二箇所の隅部には、円筒ころ１３の第２凸状球面１３ｃと点接触する凸状円弧面からなる第３接触面１８ｃ及び第４接触面１８ｄが形成されている。

第１及び第２接触面１８ａ，１８ｂは、前記軸線Ｘを挟んで周方向両側から第１凸状球面１３ｂに点接触するようになっている。また、第３及び第４接触面１８ｃ，１８ｄは、前記軸線Ｘを挟んで周方向両側から第２凸状球面１３ｃに点接触するようになっている。さらに、第１〜第４接触面１８ａ〜１８ｄは、第１及び第２凸状球面１３ｂ，１３ｃと点接触したときの摩擦抵抗が小さくなるように、円筒ころ１３の自転中心である軸線Ｘに近い位置で、第１及び第２凸状球面１３ｂ，１３ｃと点接触している。

円筒ころ１３の転動面１３ａは、第１及び第２凸状球面１３ｂ，１３ｃと第１〜第４接触面１８ａ〜１８ｄとが接触することにより、当該転動面１３ａに隣接するポケット１７の内壁面（柱部１６の側面１６ａ）との接触が回避されている。すなわち、第１及び第２接触面１８ａ，１８ｂは、円筒ころ１３が周方向に移動して転動面１３ａが柱部１６の側面１６ａに接触する前に、第１凸状球面１３ｂに点接触するように形成されている。同様に、第３及び第４接触面１８ｃ，１８ｄは、円筒ころ１３が周方向に移動して転動面１３ａが柱部１６の側面１６ａに接触する前に、第２凸状球面１３ｃに点接触するように形成されている。

以上のように構成された風力発電用増速機１及びころ軸受８によれば、円筒ころ１３の両端面に形成された第１及び第２凸状球面１３ｂ，１３ｃと、保持器１４のポケット１７の内壁面に形成された第１〜第４接触面１８ａ〜１８ｄとが点接触する。これにより、従来の面接触する場合に比べて、円筒ころ１３と保持器１４との接触摩擦抵抗を低減することができるため、円筒ころ１３が自転し易くなる。
したがって、風力発電の運転中に風力が変動することによって、風力発電用増速機１の出力軸３３を支持するころ軸受８にスメアリングが発生するのを効果的に抑制することができる。

また、円筒ころ１３の第１及び第２凸状球面１３ｂ，１３ｃと、保持器１４の第１〜第４接触面１８ａ〜１８ｄとが接触することにより、円筒ころ１３の転動面１３ａがポケット１７の内壁面（柱部１６の側面１６ａ）に接触するのを回避することができるため、円筒ころ１３と保持器１４との接触摩擦抵抗をさらに低減することができる。

また、円筒ころ１３の両端面に第１及び第２凸状球面１３ｂ，１３ｃが形成されているので、円筒ころ１３にスキューが発生してその軸線が傾いても、円筒ころ１３の両端部がポケット１７の内壁面（円環部１５の側面１５ｂ）とこじれるのを効果的に抑制することができる。

なお、本発明は、上記の実施形態に限定されることなく適宜変更して実施可能である。例えば、上記実施形態では、凸状球面を円筒ころの端面に形成し、接触面をポケットの内壁面に形成しているが、凸状球面をポケットの内壁面に形成し、接触面を円筒ころの端面に形成するようにしてもよい。
また、凸状球面に点接触する接触面は、凸状円弧面以外に、テーパ面により形成されていてもよい。
さらに、凸状球面及び接触面の少なくとも一方の面に、ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）、ＰＴＥＥ、ＭＯＳ_２などの固体潤滑膜からなる摩擦係数の小さい被膜によりコーティングしてもよい。この場合、円筒ころと保持器との接触摩擦抵抗をさらに低減することができる。

また、本発明のころ軸受は、風力発電用増速機の出力軸に用いられる場合について例示したが、低速軸や中間軸を支持するころ軸受においてころが自転しないおそれがある場合には、低速軸又は中間軸に本発明のころ軸受を用いることも可能である。
また、本実施形態のころ軸受は、風力発電用増速機に用いられる場合について例示したが、工作機械等の他の機器において軽負荷の状態で高速回転される場合にも適用することができる。

１：風力発電用増速機、８：ころ軸受、１１：内輪、１１ａ：内輪軌道面、１２：外輪、１２ａ：外輪軌道面、１３：円筒ころ（ころ）、１３ａ：転動面、１３ｂ：第１凸状球面、１３ｃ：第２凸状球面、１４：保持器、３３：出力軸（増速回転軸）、１７：ポケット、１８ａ：第１接触面、１８ｂ：第２接触面、１８ｃ：第３接触面、１８ｄ：第４接触面、３３ａ：高速ギヤ（増速ギヤ）

Claims

内輪軌道面を有する内輪と、
前記内輪軌道面に対向する外輪軌道面を有する外輪と、
前記内輪軌道面と前記外輪軌道面との間に転動可能に配置された複数のころと、
周方向に沿って複数形成されたポケットに前記ころが個別に収容された保持器と、を備え、
前記ころの端面及び当該端面に隣接する前記ポケットの内壁面のうち、一方の面に凸状球面が形成され、他方の面に前記凸状球面と点接触する接触面が形成されていることを特徴とするころ軸受。
前記ころにおける前記両軌道面を転動する転動面は、前記凸状球面と前記接触面とが点接触することにより、当該転動面に隣接する前記ポケットの内壁面との接触が回避されている請求項１に記載のころ軸受。
前記一方の面が、前記ころの端面である請求項１又は２に記載のころ軸受。
風力によるブレードの回転を伝達する増速ギヤを有するとともに、ころ軸受を介して支持された増速回転軸を備え、
前記ころ軸受が、請求項１〜３のいずれか一項に記載のころ軸受であることを特徴とする風力発電用増速機。