JP2024045260A - 針状ころ軸受用保持器および針状ころ軸受 - Google Patents
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Abstract
【課題】プレス成形品からなる針状ころ軸受用保持器のスラスト荷重に対する耐久性を高める。【解決手段】針状ころ軸受用保持器20は、複数の柱部21aおよび複数のポケット21bを有する円筒部21と、円筒部21の軸方向一方の端部から屈曲部22を介して内径側に延びる一方のフランジ部23と、円筒部21の軸方向他方の端部から屈曲部24を介して内径側に延びる他方のフランジ部25とを一体に有する金属板のプレス成形品からなる。円筒部21と一方のフランジ部23との間に設けられた屈曲部22の外側曲面22aの半径方向寸法L1と、円筒部21の軸方向一方の端部の肉厚T1とが、L1/T1≦1.4を満たす。【選択図】図3
Description
本発明は、針状ころ軸受用保持器に関し、特に、プレス加工で形成された針状ころ軸受用保持器に関する。
例えば特許文献1には、産業用ロボットや工作機械等に組み込まれる偏心揺動型歯車減速機が示されている。この減速機は、筒状のケーシングと、ケーシングに設けられた内歯車と、内歯車と噛み合う遊星ギアと、遊星ギアを遊星運動させるクランク軸とを備え、入力軸の回転が入力されてクランク軸が回転すると、クランク軸の偏心部に取り付けられた遊星ギアが内歯車と噛み合いながら遊星運動し、この遊星運動の公転成分が出力軸の回転として出力される。この減速機では、クランク軸のジャーナル部と出力軸との間、および、クランク軸の偏心部と遊星ギアとの間に、それぞれ針状ころ軸受が組み込まれている。
針状ころ軸受の保持器は、切削加工で形成されることが多いが、製造コストを低減するために、プレス加工で形成されることもある(例えば、下記の特許文献2参照)。
ところで、産業用ロボットでは、ロボット自体の大型化や可搬重量の増大に伴い、ロボットに組み込まれる減速機の軸受に加わるラジアル荷重が増大し、ラジアル荷重の増大に伴ってスラスト荷重(誘起スラスト荷重)も増大している。特に、上記特許文献1のように、減速機のクランク軸を針状ころ軸受のみで支持する場合は、これらの針状ころ軸受にスラスト荷重が加わりやすい。針状ころ軸受が軸方向に移動して保持器が他部材(他の針状ころ軸受の保持器や、針状ころ軸受の軸方向移動を規制する止め輪等)に当接すると、保持器に応力が加わるため、保持器に強度対策を行うことで信頼性を高めることができる。
例えば、保持器を切削加工で形成する場合は、形状の変更が比較的容易であるため、強度を必要とする部位を局部的に厚肉化する等の対策が可能である。しかし、保持器をプレス加工で形成する場合は、部分的に厚肉化することは容易ではないため、他の対策が必要となる。
例えば、上記の特許文献3には、保持器とこれに軸方向で当接する座金との接触面積を増大させることで、保持器の変形や破損を防止している。しかし、このような対策は、座金を設けない場合や、座金の形状を変更することができない場合には適用することができない。
そこで、本発明は、プレス成形品からなる針状ころ軸受用保持器のスラスト荷重に対する耐久性を高めることを目的とする。
例えば、図8に示す針状ころ軸受用保持器120は、針状ころ110を保持するポケット121bが形成された円筒部121と、円筒部121の軸方向両端から屈曲部122、124を介して内径側に延びる一対のフランジ部123、125とを一体に有するプレス成形品からなる。図9に拡大して示すように、保持器120に軸方向一方側(図中右側)から他部材Mが当接すると、一方のフランジ部123の内径端は軸方向内側に変位するが、外径端は円筒部121で支持されているためほとんど変位しない。その結果、フランジ部123の外側端面123aの外径端P(すなわち、屈曲部122の外側曲面122aの内径端)が、スラスト荷重Fを支持する点となる。
ところで、フランジ部123と円筒部121との間の屈曲部122を曲げ加工により形成する場合、屈曲部122が略均一な肉厚で曲げられる。このため、屈曲部122の外側曲面122aの半径方向寸法L1が、円筒部121の肉厚T1と屈曲部122の内側曲面122bの半径方向寸法L2との合計と略等しくなる(L1≒T1+L2)。この場合、屈曲部122の内側曲面122bの半径方向寸法L2を小さくすれば、屈曲部122の外側曲面122aの半径方向寸法L1を小さくすることができるが、屈曲部122の内側曲面122bの半径方向寸法L2は、製造上の都合からむやみに小さくすることはできない。このため、従来のプレス成形品からなる保持器では、屈曲部122の外側曲面122aの半径方向寸法L1は、円筒部121の肉厚T1の1.5倍程度とされていた。
本発明は、上記のように屈曲部の外側曲面の内径端がスラスト荷重Fを支持する点となる点に着目してなされたものであり、屈曲部の外側曲面の半径方向寸法を従来よりも小さくすることにより、スラスト荷重を支持する点を従来よりも外径側に配したことを特徴とするものである。具体的には、屈曲部の外側曲面の半径方向寸法L1を、円筒部の端部の肉厚T1の1.4倍以下とした。これにより、フランジ部に加わるモーメント荷重が小さくなり、屈曲部に加わる応力が軽減されるため、保持器の耐久性を向上させることができる。
以上より、本発明は、複数の柱部および隣接する柱部の周方向間に設けられた複数のポケットを有する円筒部と、前記円筒部の軸方向一方の端部から屈曲部を介して内径側に延びる一方のフランジ部と、前記円筒部の軸方向他方の端部から屈曲部を介して内径側に延びる他方のフランジ部とを一体に有する金属板のプレス成形品からなる針状ころ軸受用保持器であって、前記円筒部と前記一方のフランジ部との間に設けられた屈曲部の外側曲面の半径方向寸法L1と、前記円筒部の軸方向一方の端部の肉厚T1とが、L1/T1≦1.4を満たす針状ころ軸受用保持器を提供する。
上記の発明は、ころ充填率が70%以上の針状ころ軸受の保持器、具体的には、円筒部における前記ポケットの周方向の割合が70%以上である保持器に主に適用できる。
上記の保持器は、例えば、屈曲部の外側曲面の半径方向寸法L1と、屈曲部の内側曲面の半径方向寸法L2と、円筒部の軸方向一方の端部の肉厚T1とが、L1<T1+L2を満たすように設計される。
上記の保持器では、例えば、一方のフランジ部の軸方向外側の端面のうち、少なくとも外径端(屈曲部の外側曲面との境界)を含む領域に研削加工を施すことにより、L1/T1≦1.4を満たすことができる。あるいは、円筒部と一方のフランジ部との間の角度が89.9°以下となるように屈曲させることにより、L1/T1≦1.4を満たすことができる。
上記の保持器では、屈曲部の外側曲面の半径方向寸法L1と、円筒部の軸方向一方の端部の肉厚T1とが、0.5≦L1/T1≦1.3を満たすことがより好ましい。
上記の保持器は、金属板に絞り加工を施して円筒成形部およびその軸方向他方の端部を閉塞する底部を一体に有する成形品を形成する工程と、前記底部の軸心を打ち抜いて前記他方のフランジ部を形成する工程と、前記円筒成形部に曲げ加工を施して前記一方のフランジ部を形成する工程と、前記円筒成形部の周方向複数箇所を打ち抜いて前記複数のポケットを形成する工程とを経て製造することができる。
上記の製造方法において、円筒成形部の軸方向一方の端部を含む領域に、他の領域よりも肉厚が薄い薄肉領域を設け、この薄肉領域に曲げ加工を施せば、曲げ加工が容易になる。こうして形成された保持器は、円筒部の軸方向一方の端部の肉厚が、円筒部の軸方向中央部の肉厚よりも薄くなっているため、本発明を適用して耐久性を高めることが特に好ましい。
以上のように、本発明によれば、プレス成形品からなる針状ころ軸受用保持器のスラスト荷重に対する耐久性を高めることができる。
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図1は、産業用ロボットの関節部に設けられた偏心揺動型歯車減速機のクランク軸1を示す。クランク軸1は、軸方向に離間した2箇所に設けられた一対のジャーナル部1aと、一対のジャーナル部1aの間に設けられた一対の偏心部1bと、軸方向一端に設けられたスパーギア取付部1cとを有する。一対のジャーナル部1aの外周面は、回転中心Oを中心とした円筒面状に形成される。一対の偏心部1bの外周面は、回転中心Oからオフセットした軸心を中心とした円筒面状に形成される。各偏心部1bの外周面の軸心は、回転中心Oに対して異なる位相に配され、例えば180°異なる位相に配される。
クランク軸1の各ジャーナル部1aの外周面は、針状ころ軸受2を介して、キャリア3に取り付けられる。また、クランク軸1の各偏心部1bの外周面は、針状ころ軸受2を介して、遊星ギア4の内周面に取り付けられる。クランク軸1は、これらの4つの針状ころ軸受2のみで回転自在に支持されている。クランク軸1のスパーギア取付部1cの外周面には、スパーギア5が固定される。尚、偏心揺動型歯車減速機の全体構成は、公知のもの(例えば特許文献1に示されたもの)と同様であるため、詳細な説明は省略する。
針状ころ軸受2は、複数の針状ころ10と、これらを保持する保持器20とを有する。本実施形態では、針状ころ軸受2の内側軌道面がクランク軸1の外周面に直接形成され、針状ころ軸受2の外側軌道面がキャリア3および遊星ギア4の内周面に直接形成されている。針状ころ軸受2のころ充填率は、例えば70%以上、好ましくは80%以上とされる。また、針状ころ軸受2のころ充填率は、保持器20の強度等に応じて上限が設定され、例えば90%以下とされる。尚、ころ充填率γは次式で表される。
ころ充填率γ=(Z・DA)/(π・PCD)
ただし、Z:ころ本数、DA:ころ直径、PCD:ころピッチ円直径
ころ充填率γ=(Z・DA)/(π・PCD)
ただし、Z:ころ本数、DA:ころ直径、PCD:ころピッチ円直径
保持器20は、金属板のプレス成形品からなり、図2に示すように、円筒部21と、円筒部21の軸方向一方の端部(図中右端)から屈曲部22を介して内径側に延びる一方のフランジ部23と、円筒部21の軸方向他方の端部(図中左端)から屈曲部24を介して内径側に延びる他方のフランジ部25とを一体に有する。保持器20は、円筒部21の外周面が軌道面(キャリア3の内周面又は遊星ギア4の内周面)と接触することで案内される、いわゆる外輪案内タイプである。
円筒部21は、周方向等間隔に配された多数の柱部21aと、隣接する柱部21aの間に設けられた多数のポケット21bとを有する。本実施形態では、円筒部21におけるポケット21bの周方向の割合が70%以上とされる。円筒部21の軸方向一方の端部の肉厚T1は、円筒部21の軸方向中央部の肉厚T2よりも薄い。図示例では、図3に拡大して示すように、柱部21aが、肉厚T2で形成された本体部21a1と、本体部21a1の軸方向一方側に隣接して設けられ、肉厚がT2からT1まで徐々に小さくなる徐変部21a2とを有する。徐変部21a2の外周面は、本体部21a1の外周面と同一円筒面上に設けられ、徐変部21a2の内周面は、軸方向一方側へ向けて徐々に拡径したテーパ状を成している。円筒部21の軸方向他方の端部は、軸方向中央部と同じ肉厚T2を有する。尚、図示例では、柱部21aが軸方向に沿った直線状を成しているが、これに限らず、例えば柱部21aの軸方向中央部を内径側に配した断面略M字形状としてもよい。
円筒部21と一方のフランジ部23との間に設けられた屈曲部22は、円筒部21の軸方向一方の端部の外周面と一方のフランジ部23の外側端面23aとを連続する外側曲面22aと、円筒部21の軸方向一方の端部の内周面と一方のフランジ部23の内側端面23bとを連続する内側曲面22bとを有する。屈曲部22の外側曲面22aの半径方向寸法L1は、円筒部21の軸方向一方の端部の肉厚T1の1.4倍以下(L1/T1≦1.4)、好ましくは1.3倍以下(L1/T1≦1.3)、より好ましくは1.2倍以下(L1/T1≦1.2)、さらに好ましくは1倍以下(L1/T1≦1)とされる。図示例では、屈曲部22の外側曲面22aの半径方向寸法L1が、円筒部21の軸方向一方の端部の肉厚T1と内側曲面24bの半径方向寸法L2との和よりも小さい(L1<T1+L2)。また、図示例では、屈曲部22の外側曲面22aの半径方向寸法L1が、柱部21aの本体部21a1の肉厚T2よりも小さい(L1<T2)。屈曲部22の外側曲面22aの半径方向寸法L1の下限値は、強度や製造上の都合の観点から設定され、例えば上記肉厚T1の0.5倍以上(L1/T1≧0.5)とされる。
一方のフランジ部23の外側端面23aのうち、少なくとも外径端を含む領域には研削面が設けられ、本実施形態では、一方のフランジ部23の外側端面23aの全域に研削面が設けられる。こうして研削を施した分だけ、一方のフランジ部23の肉厚T3は、円筒部21の軸方向一方の端部の肉厚T1よりも小さくなっている。
円筒部21と他方のフランジ部25との間に設けられた屈曲部24は、図4に拡大して示すように、円筒部21の外周面と他方のフランジ部25の外側端面25aとを連続する外側曲面24aと、円筒部21の内周面と他方のフランジ部25の内側端面25bとを連続する内側曲面24bとを有する。屈曲部24の外側曲面24aの半径方向寸法L3は、円筒部21の軸方向他方の端部の肉厚T2と内側曲面24bの半径方向寸法L4との和とほぼ等しい(L3≒T2+L4)。他方のフランジ部25の外側端面25aには、研削面は設けられておらず、全域がプレス成形面となっている。他方のフランジ部25の肉厚T4は、円筒部21の軸方向他方の端部の肉厚T2よりも厚い。
一方のフランジ部23と円筒部21との間の屈曲部22は曲げ加工で形成され、他方のフランジ部25と円筒部21との間の屈曲部24は、絞り加工で形成される(詳細は後述する)。尚、図示例では、フランジ部23、25と円筒部21との間の角度が略90°に設定されているが、これらの一方又は双方の角度を90°よりもわずかに小さい値に設定してもよい。
上記の保持器20に軸方向一方側から他部材が当接すると、図3に示すように、一方のフランジ部23の外側端面23aの外径端P1(すなわち、フランジ部23の外側端面23aと屈曲部22の外側曲面22aの内径端)にスラスト荷重F1が加わる。本実施形態では、屈曲部22の外側曲面22aの半径方向寸法L1が小さくなっている(具体的には、L1/T1≦1.4を満たす)ため、スラスト荷重F1が加わる点P1が外径側に設けられる。これにより、フランジ部23に加わるモーメント荷重が軽減されるため、フランジ部23が傾斜することにより屈曲部22や円筒部21の軸方向一方の端部に加わる応力が軽減される。特に、本実施形態では、円筒部21の軸方向一方の端部の肉厚T1が薄くなっているため、この部分に加わる荷重が軽減されることで、保持器20のスラスト荷重に対する耐久性が高められる。
一方、上記の保持器20に軸方向他方側から他部材が当接すると、図4に示すように、他方のフランジ部25のフランジ部25の外側端面25aの外径端P2(すなわち、フランジ部25の外側端面25aと屈曲部24の外側曲面24aの内径端)にスラスト荷重F2が加わる。屈曲部24の外側曲面24aの半径方向寸法L3は、屈曲部22の外側曲面22aの半径方向寸法L1よりも大きいため、スラスト荷重F2が加わる点P2は、図3に示す点P1よりも内径側に設けられる。このため、フランジ部25に加わるモーメント荷重は比較的大きくなるが、円筒部21の軸方向他方の端部の肉厚T2やこれに連続する屈曲部24の肉厚が厚くなっているため、耐久性に問題はない。もちろん、屈曲部24の外側曲面24aの半径方向寸法L3を、屈曲部22と同様に小さくしてもよく、この場合、保持器20の耐久性がさらに高められる。
次に、上記の保持器20のプレス加工による製造方法を、図5を用いて説明する。
まず、平板状の金属板(例えば鋼板)を所定形状に打ち抜いてブランク材W0を形成する(図5(A)参照)。そして、このブランク材W0に絞り加工を施して、円筒成形部W1およびその軸方向一方の端部(図中上端)を閉塞する底部W2を一体に有するコップ状の成形品Wを形成する(図5(B)参照)。この絞り加工は、複数回に分けて行ってもよい。上記の絞り加工により円筒成形部W1が引き延ばされるため、円筒成形部W1の肉厚は底部W2の肉厚よりも薄くなる。また、上記の絞り加工により、円筒成形部W1の開口側端部を含む領域には、他の領域よりも肉厚が薄い薄肉部W11が形成される。薄肉部W11は、例えば金型(ポンチ)の形状を転写して成形される。
次に、成形品Wの底部W2の軸心を打ち抜いて、開口部W20を形成する(図5(C)参照)。こうして開口部W20が形成された底部W2が、保持器20の他方のフランジ部25となる。
次に、成形品Wの円筒成形部W1の軸方向他方の端部を、曲げ型で複数回に分けてプレスして内径側に屈曲させる(図5(D)参照)。このとき、円筒成形部W1の薄肉部W11を屈曲させることで、曲げ加工が容易化される。この曲げ加工により、円筒成形部W1から内径側に延びるフランジ部W3が形成される。
次に、フランジ部W3の軸心を打ち抜いて、所定径の開口部W30を形成する(図5(E)参照)。こうして開口部W30が形成されたフランジ部W3が、保持器20の一方のフランジ部23となる。その後、円筒成形部W1の周方向複数箇所を半径方向に打ち抜いて、複数の開口部W10を形成する(図5(F)参照)。こうして形成された開口部W10が保持器20のポケット21bとなり、この開口部W10を有する円筒成形部W1が保持器20の円筒部21となる。
こうしてプレス成形された保持器20の一方のフランジ部23の外側端面23aに研削加工を施す。具体的に、研削加工を施す前の一方のフランジ部23の外側端面23a’は、図3に点線で示す位置に設けられ、この外側端面23a’と屈曲部22の外側曲面22aとの境界はP1’で示す位置に設けられる。この外側端面23a’のうち、少なくとも外径端を含む領域(本実施形態では全域)に研削加工を施すことにより、実線で示す外側端面23aが形成されると共に、外側端面23aと屈曲部22の外側曲面22aとの境界P1が、研削前の境界P1’よりも外径側に移動する。これにより、屈曲部22の外側曲面22aの半径方向寸法L1が小さくなって、L1/T1≦1.4が満たされる。
本発明は、上記の実施形態に限られない。以下、本発明の他の実施形態を説明するが、上記の実施形態と同様の点については重複説明を省略する。
図6に示す実施形態では、屈曲部22の曲率半径を小さくすることにより、屈曲部22の外側曲面22aの半径方向寸法L1を小さくしている。図示例では、一方のフランジ部23と円筒部21との間の角度を積極的に小さくする(例えば、89.9°以下とする)ことにより、屈曲部22の曲率半径を小さくして外側曲面22aの半径方向寸法L1を小さくし、L1/T1≦1.4を満たすようにしている。尚、本実施形態では、外側曲面22aが、厳密には、軸方向外側の端部P1(頂点)よりも内径側の点Qまで延びているが、本発明では、外側曲面22aの半径方向寸法L1は、外側曲面22aの外径端と軸方向外側の端部P1との間の半径方向寸法のことを意味するものとする。
本発明に係る保持器及びこれを備えた針状ころ軸受は、産業用ロボットの減速機に限らず、工作機械等の他の機械の回転軸を支持する軸受として組み込むことができる。
FEM解析により、図2に示す保持器20の屈曲部22の外側曲面22aの半径方向寸法L1と、円筒部21の軸方向一方の端部の肉厚T1とを異ならせた複数の試験片に対し、軸方向一方側から他部材を当接させたときに、破損領域の応力が発生するか否かを確認した。その結果を下記の表1に示す。
表1に示されるように、L1/T1が1.4を超えている比較例1及び2には破損領域の応力が発生したのに対し、L1/T1が1.4以下である実施例1~3には破損領域の応力は発生しなかった。
次に、L1/T1が2.0である複数の従来品と、L1/T1が1.33である複数の本発明品に対し、スラスト荷重を負荷しながら回転試験を行った。その結果、図7に示すように、従来品は何れも短時間で破断した(柱部の軸方向一方の端部が破断した)。これに対し、本発明品は、基準の8.1倍の時間を超えても保持器は破断しなかった(本明細書作成時点で試験継続中)。以上の結果から、L1/T1を1.4以下とする本発明により保持器の耐久性が向上することが確認された。
1 クランク軸
2 針状ころ軸受
20 保持器
21 円筒部
22 屈曲部
23 一方のフランジ部
24 屈曲部
25 他方のフランジ部
W 成形品
W1 円筒成形部
W11 薄肉部
W2 底部
W3 フランジ部
2 針状ころ軸受
20 保持器
21 円筒部
22 屈曲部
23 一方のフランジ部
24 屈曲部
25 他方のフランジ部
W 成形品
W1 円筒成形部
W11 薄肉部
W2 底部
W3 フランジ部
Claims (9)
- 複数の柱部および隣接する柱部の周方向間に設けられた複数のポケットを有する円筒部と、前記円筒部の軸方向一方の端部から第1の屈曲部を介して内径側に延びる一方のフランジ部と、前記円筒部の軸方向他方の端部から第2の屈曲部を介して内径側に延びる他方のフランジ部とを一体に有する金属板のプレス成形品からなる針状ころ軸受用保持器であって、
前記第1の屈曲部が曲げ加工で形成され、
前記第1の屈曲部の外側曲面の前記円筒部側の端部が、前記一方のフランジ部の軸方向内側の端面の外径端よりも軸方向内側に配され、
前記第1の屈曲部の外側曲面の半径方向寸法L1と、前記円筒部の軸方向一方の端部の肉厚T1とが、L1/T1≦1.4を満たす針状ころ軸受用保持器。 - 前記円筒部における前記ポケットの周方向の割合が70%以上である請求項1に記載の針状ころ軸受用保持器。
- 前記第1の屈曲部の外側曲面の半径方向寸法L1と、前記第1の屈曲部の内側曲面の半径方向寸法L2と、前記円筒部の軸方向一方の端部の肉厚T1とが、L1<T1+L2を満たす請求項1又は2に記載の針状ころ軸受用保持器。
- 前記一方のフランジ部の軸方向外側の端面のうち、少なくとも外径端を含む領域に研削面が設けられた請求項1~3の何れか1項に記載の針状ころ軸受用保持器。
- 前記円筒部と前記一方のフランジ部との間の角度であって前記フランジ部より前記円筒部の軸方向内側に形成される角度が89.9°以下である請求項1~3の何れか1項に記載の針状ころ軸受用保持器。
- 前記第1の屈曲部の外側曲面の半径方向寸法L1と、前記円筒部の軸方向一方の端部の肉厚T1とが、0.5≦L1/T1≦1.3を満たす請求項1~5の何れか1項に記載の針状ころ軸受用保持器。
- 前記円筒部の軸方向一方の端部の肉厚T1が、前記円筒部の軸方向中央部の肉厚T2よりも薄い請求項1~6の何れか1項に記載の針状ころ軸受用保持器。
- 請求項1~7の何れか1項に記載の針状ころ軸受用保持器と、前記針状ころ軸受用保持器の複数のポケットに収容された複数の針状ころとを有する針状ころ軸受。
- ころ充填率が70%以上である請求項8に記載の針状ころ軸受。
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