JP5251432B2

JP5251432B2 - 転がり軸受

Info

Publication number: JP5251432B2
Application number: JP2008280179A
Authority: JP
Inventors: 泰資田上; 健一柴崎
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2008-10-30
Filing date: 2008-10-30
Publication date: 2013-07-31
Anticipated expiration: 2028-10-30
Also published as: JP2010106975A

Description

本発明は、転がり軸受に関し、より詳細には、エッジロード（集中荷重）の発生を防止して軸受寿命を長期化することができ、しかもクラウニングの加工面における目残りや形状崩れによって性能が損なわれることがないように、改良されたクラウニングが施された転がり軸受に関する。

円筒ころ軸受や円すいころ軸受等の転がり軸受において、ころに作用する接触面圧が偏り無く均一になるように、ころや軌道輪の接触面にクラウニングを施すことがある。
ここに、クラウニングとは、軌道輪ところとの接触部に生ずるエッジロードを防ぐことを主な目的として、軌道面又はころの母線にごくわずかに曲率をもたせることをいう。通常、このようなクラウニングは、内外輪の軌道面又はころの何れか一方、もしくはその両方に施される。

これまで、上記クラウニングの形状を示すクラウニング曲線として、ころを垂直に軌道輪に所定の荷重で押し付けたときに発生する応力を軸方向に均一にできる対数曲線を用いた転がり軸受が知られている。
一方、転がり軸受に作用する荷重は、転がり軸受の回転に伴って高荷重、軽荷重、モーメント荷重等と種々に変動するので、一般に、転がり接触部の塑性変形を防止するため、最も厳しい荷重条件のときの最大接触面圧が一定値以下になるように、対数クラウニングの落ち量（クラウニング量）を大きくしたクラウニング形状が用いられる。

しかし、このようなクラウニングは、中央部での落ち量が大きいため、使用頻度が高い軽荷重〜中荷重の条件下では接触長さが短くなり、中央部から早期に剥離が生じて軸受寿命が低下する問題があった。
そこで、この問題を解決するため、中央部を直線とし、端部を対数曲線とした組み合わせ曲線からなるクラウニング形状の転がり軸受が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００５−１５５７６３号公報

ところが、特許文献１に記載の転がり軸受のクラウニング形状は、中央部の直線と端部の対数曲線とが組み合された曲線となっているので、直線と対数曲線とのつなぎ目を滑らかに連続させることが難しく、つなぎ目において接触圧力のピークが発生する問題があり、その結果、高荷重作用条件において前記つなぎ目にエッジロードが発生して軸受寿命の低下を招くという問題があった。
また、軽荷重〜中荷重の条件においても、接触有効長さを有効に活かして軸受寿命の長寿命化を可能にするために、更なる改善が要望されていた。

更に、特許文献１に記載の転がり軸受のクラウニング形状を外輪軌道面もしくは内輪軌道面に適用した場合に、軌道面端部の対数曲線によるクラウニング形状における落ち量増加が著しい場合には、そのクラウニング面を超仕上げ加工した際に、それ以前の荒仕上げ加工時の目が残ってしまう、所謂、目残りという不都合が発生する虞があった。目残りは、外観を低下させると共に、表面粗さの低下した部分が音響特性や振動特性に悪影響を及ぼす虞があった。

また、目残りを避けるように超仕上げ時の研磨加工量を増やす等の加工条件の変更を行うと、それにより、肩部（研削加工領域の境界部分）に形状崩れを招いて、想定していたクラウニングによる性能が発揮出来なくなる虞があった。

本発明は上記課題を解消することを目的とし、高荷重条件でのエッジロードの発生防止と、軽荷重〜中荷重条件での軸受寿命の低下防止と、を両立させることができ、しかも、軌道面端部における落ち量が過大になることを防止して、軌道面端部における目残り、あるいは形状崩れ等の不都合の発生を防止することができる転がり軸受を提供することである。

上記目的は下記構成により達成される。
（１）内周面に外輪軌道面が形成された外輪と、外周面に内輪軌道面が形成された内輪と、前記外輪軌道面と内輪軌道面との間に転動自在に配設された複数のころと、を備える転がり軸受であって、
前記ころの転動面には、円弧曲線によるクラウニングを施し、
前記外輪軌道面及び内輪軌道面の少なくとも一方には、前記転がり軸受が使用される環境下で、弾性変形により接触が予想される最大の落ち量である必要落ち量を確保する有効クラウニング長の範囲に対して、中央部は円弧曲線、前記有効クラウニング長の範囲内で前記中央部の両側の端部領域は円弧曲線と対数曲線との合成曲線で構成される円弧対数クラウニングを施し、
且つ、前記有効クラウニング長の範囲の外側となる軌道面両端部に対しては、前記合成曲線に滑らかに繋がる直線又は円弧曲線によるクラウニングを施すことで、軌道面端部における落ち量を、前記必要落ち量〜１００μｍの範囲にしたことを特徴とする転がり軸受。

（２）前記円弧対数クラウニングの形状が、下記の式（１）に基づいて決められることを特徴とする上記（１）に記載の転がり軸受。

なお、関数if(a,b,c)は、条件式ａが成立する場合には、式ｂに置き換えられ、不成立の場合には、式ｃで置き換えられる関数である。
ここに、
中央部長さＬ_１：Ｌ_１＝ｒ_１×（ｌ_ｅ／２）
端部長さＬ_２：Ｌ_２＝（ｌ_ｅ／２）−Ｌ_１
中央部円弧半径Ｒ：Ｒ＝（Ｄ_１ ^２＋Ｌ_１ ^２）／（２×Ｄ_１）
ｘ：中央を原点とする座標
ｌ_ｅ：有効クラウニング長
ｒ_１：有効クラウニング長に対する中央部長さの比（２Ｌ_１／ｌ_ｅ）
Ｄ_１：中央部と端部とのつなぎ目における落ち量
Ｄ₂：有効クラウニング長の端における落ち量の対数曲線成分
ｋ：対数部の丸みを調整するためのパラメータ（０＜ｋ＜１）
である。

本発明の転がり軸受では、外輪軌道面もしくは内輪軌道面に施されるクラウニングは、必要落ち量を確保する有効クラウニング長の範囲に対して、中央部が円弧曲線であり、端部が円弧曲線と対数曲線との合成曲線である円弧対数クラウニングであるため、中央部が直線形状となるクラウニングが施された従来の転がり軸受の場合と比較すると、中央部と端部とのつなぎ目をピークのない滑らかなつなぎ目にすることができ、つなぎ目での接触圧力ピークの発生を防止することができる。また、中央部のクラウニング形状を円弧曲線としているため、中央部まで対数曲線で形成するものと比較すると、中央部での落ち量が過大になることを抑えて、使用頻度が高い軽荷重〜中荷重の条件下における接触長さを長くすることができる。
なお、「必要落ち量」とは、軸受が使用される環境下で、弾性変形により接触が予想される最大の落ち量のことである。

以下、本発明に係る転がり軸受の好適な実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
本実施の形態の転がり軸受１０は、内周面に外輪軌道面１１ａが形成された外輪１１と、外周面に内輪軌道面１２ａが形成された内輪１２と、外輪軌道面１１ａと内輪１２軌道面１２ａとの間に転動自在に配設された複数の転動体であるころ１３と、を備えている。

ころ１３には、円すいころ、又は円筒ころが使用される。また、ころ１３の転動面１３ａには、円弧曲線によるクラウニングが施される。

本実施の形態の転がり軸受１０の場合、外輪軌道面１１ａ及び内輪軌道面１２ａの少なくとも一方には、図２に示すように、必要落ち量Ｈ１を確保する有効クラウニング長（有効軌道長さ）ｌｅの範囲に対して、中央部（図中のＬ_１領域）は円弧曲線ｆ１、有効クラウニング長ｌｅの範囲内で中央部Ｌ_１の両側の端部領域Ｌ_２は円弧曲線と対数曲線との合成曲線ｆ２で構成される円弧対数クラウニングを施している。

また、図２に示すように、上記の有効クラウニング長ｌｅの範囲の外側となる軌道面両端部（図中のＬ３領域）に対しては、円弧曲線と対数曲線との合成曲線ｆ２に滑らかに繋がる直線ｆ３によるクラウニングを施すことで、軌道面端部Ｌ３における落ち量Ｈ２を、１００μｍ以内にしている。好ましくは、落ち量Ｈ２を、必要落ち量Ｈ１〜１００μｍの範囲にすると良い。

図２では、符号Ｇで示す位置が、円弧曲線と対数曲線との合成曲線ｆ２と直線ｆ３とのつなぎ目である。

なお、本実施の形態で、図２に示した有効クラウニング長ｌｅの範囲に施す円弧対数クラウニングの形状は、例えば、下記の式（１）に基づいて決められる。

なお、上記の式（１）において、関数if(a,b,c)は、条件式ａが成立する場合には、式ｂに置き換えられ、不成立の場合には、式ｃで置き換えられる関数である。
ここに、
有効クラウニング長の範囲内の中央部長さＬ_１：Ｌ_１＝ｒ_１×（ｌ_ｅ／２）
有効クラウニング長の範囲内の端部長さＬ_２：Ｌ_２＝（ｌ_ｅ／２）−Ｌ_１
前記中央部の円弧半径Ｒ：Ｒ＝（Ｄ_１ ^２＋Ｌ_１ ^２）／（２×Ｄ_１）
ｘ：クラウニング中心を原点とする座標
ｌ_ｅ：有効クラウニング長
ｒ_１：有効クラウニング長に対する中央部長さの比（２Ｌ_１／ｌ_ｅ）
Ｄ_１：中央部と端部とのつなぎ目における落ち量
Ｄ₂：有効クラウニング長の端における落ち量の対数曲線成分
ｋ：対数部の丸みを調整するためのパラメータ（０＜ｋ＜１）
である。

なお、上記の式（１）により形成されるクラウニング形状について、図３を使って補足説明する。
式（１）の円弧式部分（式（１）の前半部分）から図３の円弧曲線Ａが求められ、対数式部分（式（１）の後半部分）から図３の対数曲線Ｂが求められる。
本発明の円弧対数曲線Ｃは、円弧曲線Ａと対数曲線Ｂの和として求められる。

図２に示した例では、中央部長さＬ_１の範囲内のクラウニング形状ｆ１は図３の円弧曲線Ａによるものであり、端部長さＬ_２の範囲内のクラウニング形状ｆ２は図３の円弧対数曲線Ｃによるものとなっている。
また、図２において、つなぎ目Ｇから延びる破線の対数曲線ｆ４は、円弧曲線と対数曲線との合成曲線ｆ２の延長線である。

以上に説明したように、本実施の形態の転がり軸受１０では、外輪軌道面１１ａもしくは内輪軌道面１２ａに施されるクラウニングは、必要落ち量Ｈ１を確保する有効クラウニング長ｌｅの範囲に対して、中央部が円弧曲線ｆ１であり、端部が円弧曲線ｆ１と対数曲線との合成曲線ｆ２である円弧対数クラウニングであるため、中央部が直線形状となるクラウニングが施された従来の転がり軸受の場合と比較すると、中央部と端部とのつなぎ目をピークのない滑らかなつなぎ目にすることができ、つなぎ目での接触圧力ピークの発生を防止することができる。また、中央部のクラウニング形状を円弧曲線ｆ１としているため、中央部まで対数曲線で形成するものと比較すると、中央部での落ち量が過大になることを抑えて、使用頻度が高い軽荷重〜中荷重の条件下における接触長さを長くすることができる。
従って、軸受に高荷重が作用したときにエッジロードの発生を防止することができ、更に、軽荷重〜中荷重条件での軸受寿命低下を防止することができる。

また、必要落ち量Ｈ１を確保する有効クラウニング長ｌｅの範囲の外側となる軌道面両端部（図２のＬ３領域）に対して、仮に、破線の対数曲線ｆ４によるクラウニングを施した場合には、軌道面端部の対数曲線ｆ４による落ち量増加が著しく、端部での落ち量は直線ｆ３による落ち量Ｈ２を大きく超えてしまい、中央部との落ち量差が過大になるために、そのクラウニング面を超仕上げ加工した際に、それ以前の荒仕上げ加工時の目が残ってしまう、所謂、目残りという不都合が発生し易くなる。

また、軌道面両端部（図２のＬ３領域）に対して、図２の破線の対数曲線ｆ４によるクラウニングを施した場合には、目残りを避けるように超仕上げ時の研磨加工量を増やして、図４に示すように、曲線ｆ３を矢印Ｊで示すように平行移動した曲線ｆ５を最終の仕上げ面とすることも考えられる。
しかし、このような対応を行うと、曲線ｆ５と円弧曲線と対数曲線との合成曲線ｆ２との交点Ｋの付近に形状崩れが発生する虞があり、交点Ｋ付近のクラウニング形状が想定外の形状となる為、想定した通りの寿命や剛性が得られなくなる虞がある。

ところが、本実施の形態の転がり軸受１０の場合、必要落ち量Ｈ１を確保する有効クラウニング長ｌｅの範囲の外側となる軌道面両端部（図２のＬ３領域）に対しては、円弧曲線と対数曲線との合成曲線ｆ２に滑らかに繋がる直線ｆ３によるクラウニングを施すことで、軌道面端部における落ち量Ｈ２を１００μｍ以内にしたため、上記の目残りや形状崩れと言った不都合の発生を回避できる。
即ち、本実施の形態の転がり軸受１０では、軌道面端部における落ち量Ｈ２を１００μｍ以内に抑えて、軌道面端部における落ち量Ｈ２が過大になることを防止することができるため、クラウニング面を超仕上げ加工した際に、それ以前の荒仕上げ加工時の目が残ってしまう、所謂、目残りが発生しない。また、目残りを回避するために過大な研削加工等を実施する必要がなくなるため、過度の研削等によって肩部に形状崩れが発生することもない。
従って、目残りや形状崩れ等に起因した外観の低下や機能の低下を防止することもできる。

なお、本発明に係る転がり軸受において、有効クラウニング長ｌｅの範囲の外側となる軌道面両端部に施すクラウニングは、上記実施の形態で示した直線の代わりに、円弧曲線と対数曲線との合成曲線ｆ２に滑らかに繋がる円弧曲線にすることで、軌道面端部における落ち量を、１００μｍ以内に抑えるようにしても、上記実施の形態と同様の作用効果を得ることができる。

本発明に係る転がり軸受の一実施の形態の縦断面図である。転がり軸受の外輪軌道面及び内輪軌道面の少なくとも一方に施すクラウニング形状の説明図である。円弧対数クラウニング形状を構成する円弧曲線と対数曲線との合成曲線の説明図である。超仕上げ時の研磨加工量を増やしたときに発生する形状崩れの説明図である。

符号の説明

１０転がり軸受
１１外輪
１１ａ外輪軌道面
１２内輪
１２ａ内輪軌道面
１３ころ
１３ａ転動面
ｆ１円弧曲線
ｆ２合成曲線

Claims

内周面に外輪軌道面が形成された外輪と、外周面に内輪軌道面が形成された内輪と、前記外輪軌道面と内輪軌道面との間に転動自在に配設された複数のころと、を備える転がり軸受であって、
前記ころの転動面には、円弧曲線によるクラウニングを施し、
前記外輪軌道面及び内輪軌道面の少なくとも一方には、前記転がり軸受が使用される環境下で、弾性変形により接触が予想される最大の落ち量である必要落ち量を確保する有効クラウニング長の範囲に対して、中央部は円弧曲線、前記有効クラウニング長の範囲内で前記中央部の両側の端部領域は円弧曲線と対数曲線との合成曲線で構成される円弧対数クラウニングを施し、
且つ、前記有効クラウニング長の範囲の外側となる軌道面両端部に対しては、前記合成曲線に滑らかに繋がる直線又は円弧曲線によるクラウニングを施すことで、軌道面端部における落ち量を、前記必要落ち量〜１００μｍの範囲にしたことを特徴とする転がり軸受。
前記円弧対数クラウニングの形状が、下記の式（１）に基づいて決められることを特徴とする請求項１に記載の転がり軸受。

なお、関数if(a,b,c)は、条件式ａが成立する場合には、式ｂに置き換えられ、不成立の場合には、式ｃで置き換えられる関数である。
ここに、
中央部長さＬ_１：Ｌ_１＝ｒ_１×（ｌ_ｅ／２）
端部長さＬ_２：Ｌ_２＝（ｌ_ｅ／２）−Ｌ_１
中央部円弧半径Ｒ：Ｒ＝（Ｄ_１ ^２＋Ｌ_１ ^２）／（２×Ｄ_１）
ｘ：中央を原点とする座標
ｌ_ｅ：有効クラウニング長
ｒ_１：有効クラウニング長に対する中央部長さの比（２Ｌ_１／ｌ_ｅ）
Ｄ_１：中央部と端部とのつなぎ目における落ち量
Ｄ₂：有効クラウニング長の端における落ち量の対数曲線成分
ｋ：対数部の丸みを調整するためのパラメータ（０＜ｋ＜１）