JP4855181B2 - ころ軸受 - Google Patents

Description

この発明は保持器に代えて転動体間に間座を介在させたころ軸受に関する。

特許文献１に、保持器に代えてころ間に間座を介在させたころ軸受が開示されている。この種のころ軸受は、軸受内により多くのころを組み込むことができ、高い負荷容量を発揮することができる。

図４に示すように、ころ６の転動面と向き合う間座８の面をころ転動面を受け入れる凹形状とし、かつ、間座８を軌道輪（外輪２または内輪４、ここでは外輪２）で案内することで、運転中の間座の挙動を安定させることができる。しかし、間座８が凹形状であることから、間座の形状いかん（凹形状と軌道輪とのすきまの関係）によっては、図４に濃い矢印で示すように、間座８は、外輪つば内周面に向けて、隣り合うころ６から軸受半径方向の力を受ける。その結果、間座が軌道輪に押し付けられた状態で回転し、とくに間座が非回転輪に押し付けられる場合、間座には制動作用（ブレーキ）が働くため、回転速度が高い場合に焼付きを生じるおそれがある。

そこで、特許文献１には、間座のころ転動面との接触面を軸受円周方向に対して直交する平坦面とすることで、ころから間座に半径方向の力が働かないようにすることが記載されている。しかしながら、間座の姿勢は常に一定ではなく、軸受円周方向に対する直交状態が失われることがある。その姿勢は隣り合うころによって矯正されるが、軸受の正逆回転や急加減速といった運転条件下では、間座の姿勢が大きく乱れるため、その度に間座に半径方向への力が作用し、前記案内面における発熱や間座の異常磨耗を引き起こすおそれがある。
特許第３５４９５３０号公報

この発明の主要な目的は、ころ間に間座を介在させたころ軸受において、軸受の運転中に間座が隣り合うころによって外輪または内輪に押し付けられる状態を回避し、間座の案内面における発熱や磨耗を軽減させることにある。

この発明のころ軸受は、外輪と、内輪と、複数のころと、隣り合うころ間に介在させた間座とを有し、間座のころ転動面と向き合う面がころのピッチ円を跨いで延在する凹形状であり、かつ、間座がいずれかの軌道輪と向き合う拡張部を有し、ころ径をＤｗ、ころ本数をＺ、円周方向すきまをＳとしたとき、０．００１×Ｄｗ×Ｚ≦Ｓ≦０．０１×Ｄｗ×Ｚの関係が成立し、前記軌道輪のつば外径面またはつば内径面の直径をｄ１、前記拡張部と前記軌道輪のつば外径面またはつば内径面との間のすきまをＳｒとしたとき、０．００５×Ｄｗ＜Ｓｒ＜０．１×ｄ１ ^0.4 の関係に設定することにより、隣り合うころで間座を挟み込んだとき、間座の前記拡張部と前記軌道輪との間にすきまがあり、間座をころ案内としたことを特徴とするものである。軌道面上で前記間座をころで挟み込むと、前記凹形状の底を接触位置として間座の径方向位置が決まる。そのとき、間座と軌道面の間にすきまを有するように設定することで、間座が隣り合うころによって軌道輪に押し付けられる状態を回避することができる。すなわち、上記設定により間座は基本的にはころ案内となり、円周方向すきまに位置する間座だけが隣り合うころの拘束から解放され、回転速度が高い場合には外輪に、低い場合にはころまたは内輪に案内される仕様となる。解放された間座には、自重、遠心力以外に半径方向への力が作用しないため、間座の案内面における発熱や磨耗を軽減させることができる。
また、ころ径をＤｗ、ころ本数をＺ、円周方向すきまをＳとしたとき、０．００１×Ｄｗ×Ｚ≦Ｓ≦０．０１×Ｄｗ×Ｚの関係が成立するような構成を採用することにより、軸受の運転中の間座やころの熱膨張に伴う円周方向すきまの消滅を回避しつつ、間座の挙動を安定させることができ、振動を抑えることができる。

前記拡張部の外輪内径面と向き合う面が、外輪内径面の曲率半径よりも小さい曲率半径の凸形状で、前記拡張部の内輪外径面と向き合う面が内輪外径面の曲率半径よりも大きい曲率半径の凸形状であってもよい。ここで、前記凸形状が二つの平面によって形成される場合、前記曲率半径は二平面の交点と書く平面の端点を繋ぐ円弧の曲率半径を指す。このような構成を採用することにより、いわゆる「くさび膜効果」（運動方向に狭まっているくさび状のすきまに、流体が粘性によって引き込まれて圧力すなわち負荷能力を発生する効果）が得られ、間座の案内面における発熱や磨耗を軽減させることができる。ここで、「外輪内径面」とは、間座の拡張部を半径方向に支持・案内できる外輪のつば内径面を指す。同様に、「内輪外径面」とは、間座を半径方向に支持・案内できる内輪のつば外径面を指す。

ころの外径をＤｗ、前記外輪内径面の直径をｄ１、前記所定のすきまをＳｒとしたとき、０．００５×Ｄｗ＜Ｓｒ＜０１×ｄ１^0.4の関係が成立し、あるいは、ころの外径をＤｗ、前記内輪外径面の直径をｄ１、前記所定のすきまをＳｒとしたとき、０．００５×Ｄｗ＜Ｓｒ＜０．１×ｄ１^0.4の関係が成立する構成を採用することにより、運転中にすきまＳｒが潰れない設定とすることができ、なおかつ、間座の挙動を安定させることができる。すなわち、下限値（０．００５×Ｄｗ）は運転時の間座の熱膨張を許容するため、上限値（０．１×ｄ１^0.4）は間座の径方向変位量を小さくするための設定値であり、いずれも運転試験によって確認したすきまを数値化したものである。

隣り合うころの拘束から解放された間座は、円周方向すきまの中でフリーな状態となり、挙動が不安定になる。そして、間座が円周方向すきまを通過すると、間座は再びころによって拘束を受ける。その際、間座は前記凹凸形状にしたがって急激にころ案内の状態に戻され、振動が発生する。すなわち、前記すきまＳｒが大きいと、間座がころ案内の状態に戻される際の変位量が大きくなるため、必然的に前記振動が大きくなる。

この発明によれば、ころ間に間座を介在させたころ軸受において、間座が隣り合うころによって外輪または内輪に押し付けられる状態を回避し、軸受の正逆回転や急加減速といった運転条件下においても、間座の案内面における発熱や磨耗を軽減させ、さらには間座の挙動を安定させることで振動を抑えたころ軸受を提供することができる。

以下、図面に従ってこの発明の実施の形態を説明する。

図１に示す実施の形態は、円筒ころ軸受に適用した例であって、外輪１２と、内輪１４と、円筒ころ１６と、間座１８とで構成されている。この円筒ころ軸受はＮＪタイプで、外輪１２は軌道の両側につば１２ａを有し、内輪１４は軌道の片側につば１４ａを有している。円筒ころ１６は、その転動面１６ａにて外輪１２の軌道面および内輪１４の軌道面を転動する。隣り合う円筒ころ１６間に間座１８が介在させてある。

間座１８の両端に、円筒ころ１６の端面１６ｂと向かい合う面をもった拡張部１８ａが形成してある。ここでは、拡張部１８ａの外周面（軸受に組み込んだ状態で半径方向外側を向く面）１８ｃが部分円筒面、言い換えれば凸曲面となっている。そして、軸受の回転中、間座１８の拡張部１８ａを外輪１２のつば１２ａの内周面で案内させるようになっている。この意味で、拡張部１８ａの外周面１８ｃを案内面とも呼ぶ。外輪１２に間座１８を案内させることによって間座１８の挙動が安定する。すなわち、間座１８の拡張部１８ａの外周面１８ｃを外輪１２のつば１２ａの内周面で支持させることにより、間座１８の径方向の動きが規制されてその挙動が安定する。

間座１８の円筒ころ１６と接触する面（以下、ころ接触面ともいう）１８ｂの断面形状は、図２に示すように、ころ１６の転動面１６ａの曲率半径よりも僅かに大きい曲率半径の凹円弧である。ころ接触面１８ｂは一点鎖線で示すころピッチ円を跨いで、つまり、ころピッチ円の内径側から外径側まで、延在している。したがって、ころ１６の転動面１６ａによって軸受半径方向における間座１８の動きが規制される。

間座１８の材質を６６ナイロン（ナチュラル）としてＮＪ２３２４Ｅ（φ１２０×φ２６０×８６）に適用した場合について述べるならば、ころ１６のピッチ円上の円周方向すきまＳは１．５ｍｍであり、数式で表すとＳ＝０．００２６×Ｄｗ×Ｚである。また、間座１８の最小部肉厚は１．８ｍｍである。このとき、軸受の温度が１００℃上昇しても、ころ１６と間座１８の熱膨張の総和は１ｍｍ程度であり、円周方向すきまＳ（図３参照）が潰れることはなく、一般的な温度条件下での使用に耐えることができる。ちなみに、円筒ころ（軸受鋼）の線膨張係数は１２．５×１０^-6（℃）、間座（６６ナイロン（Ｎ））の線膨張係数は９×１０^-5（℃）である。

拡張部１８ａの外周面（案内面）１８ｃは外輪１２のつば１２ａの内周面と向かい合う。図２に示すように、隣り合うころ１６に拘束された間座１８と外輪１２のつば１２ａの内周面との間にわずかなすきまＳｒが形成され、ころ１６によって間座１８が外輪１２のつば１２ａの内周面に押し付けられることはない。すなわち、上に述べたように、ころ１６の転動面１６ａによって軸受半径方向における間座１８の動きが規制され、円周方向すきまＳ（図３参照）に位置する間座１８のみが、隣り合うころ１６の拘束から解放され、回転速度が高い場合は外輪１２のつば１２ａの内周面に案内される。

なお、拡張部１８は軸受の軸方向における間座１８の動きを規制する役割のほか、案内面１８ｃの面積を拡大する役割をも果たす。

また、間座１８の、外輪１２のつば１２ａの内周面と向かい合う面すなわち案内面１８ｃを、外輪１２のつば１２ａの内周面の曲率半径Ｒ２よりも小さい曲率半径Ｒ１の凸曲面とすることで、案内面１８ｃにはくさび膜効果が発生し、間座１８の案内面１８ｃにおける発熱や磨耗を軽減することができる。

さらに、案内面１８ｃを凸曲面とすることで、間座１８の挙動が乱れても案内面１８ｃにおけるエッジ接触を回避することができる。なお、軸受円周方向を向いた拡張部１８の端縁には面取りを設けるのが望ましい。

本発明による昇温対策効果を検証するため、実施例と比較例（特許文献１に記載のものに相当する形状）とにつき温度上昇比較試験を実施した。試験軸受のベースとした軸受は、図１に示した円筒ころ軸受NJ2324E(φ120×φ260×86、ころ諸元：φ38×62、15本)で
あり、図５に実施例の構成を、図６に比較例の構成を示す。なお、両者は間座のころ転動面と向き合う面の形状が異なるだけで、その他は同一のものである。

図５に示すように、実施例では、間座１８のころ転動面と向き合う面が、ころ１６のピッチ円を跨いで延在する凹曲面で形成されており、その曲率半径は、ころ転動面の19mmに対して僅かに大きい21mmである。ここで、外輪軌道面上で間座１８をころ１６で挟み込むと、前記凹曲面の底を接触位置として間座１８の軸受半径方向位置が決まり、間座１８と外輪１２のつば内径面との間には、約0.3mmのすきまSｒが存在している。すなわち、本設定により間座１８は基本的にはころ案内となり、円周方向すきまに位置する間座１８だけが隣り合うころ１６の拘束から解放され、回転速度が高い場合には外輪１２のつば内径面に、低い場合にはころ１６に案内される。

図６に示すように、比較例では、間座のころ転動面と向き合う面が、軸受の円周方向に対して直交する平坦面で形成されている。すなわち、前記直交状態が保たれている限りは、ころから間座に半径方向の力が作用することはなく、間座は半径方向に自由度を有し、回転速度が高い場合には、遠心力によって全ての間座が外輪のつば内径面に案内される。

実施例と比較例の試験軸受にラジアル荷重９８kNを負荷し、内輪の回転速度を最大３５００r/minまでステップアップさせて外輪の温度上昇を測定した。結果を図７と表１に示す。図７は、横軸に内輪の回転速度（r/min）、縦軸に外輪の温度上昇（℃）をとり、実線の折れ線が実施例の測定値、破線の折れ線が比較例の測定値を表している。実施例の温度上昇は比較例よりも終始にわたり低く推移しており、表１に示すとおり、最大１３℃の温度低減効果が認められた。

この発明の実施の形態を示す円筒ころ軸受の破断斜視図 図１の軸受の部分拡大側面図 円筒ころ軸受の断面略図 従来の技術を示す円筒ころ軸受の部分拡大側面図 （Ａ）は試験軸受（実施例）の部分拡大側面図、（Ｂ）は間座の拡大図 （Ａ）は試験軸受（比較例）の部分拡大側面図、（Ｂ）は間座の拡大図 回転速度と外輪温度上昇の関係を示すグラフ

符号の説明

１２ 外輪
１２ａ つば
１４ 内輪
１４ａ つば
１６ 円筒ころ
１６ａ 転動面
１６ｂ 端面
１８ 間座
１８ａ 拡張部
１８ｂ ころ接触面
１８ｃ 案内面（拡張部の外周面）

Claims (1)

1. 外輪と、内輪と、複数のころと、隣り合うころ間に介在させた間座とを有し、間座のころ転動面と向き合う面がころのピッチ円を跨いで延在する凹形状であり、かつ、間座がいずれかの軌道輪と向き合う拡張部を有し、ころ径をＤｗ、ころ本数をＺ、円周方向すきまをＳとしたとき、０．００１×Ｄｗ×Ｚ≦Ｓ≦０．０１×Ｄｗ×Ｚの関係が成立し、前記軌道輪のつば外径面またはつば内径面の直径をｄ１、前記拡張部と前記軌道輪のつば外径面またはつば内径面との間のすきまをＳｒとしたとき、０．００５×Ｄｗ＜Ｓｒ＜０．１×ｄ１ ^0.4 の関係に設定することにより、隣り合うころで間座を挟み込んだとき、間座の前記拡張部と前記軌道輪との間にすきまがあり、間座をころ案内としたころ軸受。

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