JP6512264B2 - 円筒ころ軸受 - Google Patents

Description

本発明は円筒ころ軸受に関する。

製鋼工場においては、スラブやビレットまたは丸棒のような単純な断面形状の製品を溶鋼から連続的に直接生産するため、連続鋳造法が使用されている。連続鋳造法によって成型されるスラブやビレットは、その表裏両面側に進行方向に沿って配列されている多数のガイドロールにより導かれて搬送されながら、徐々に冷却される。ガイドロールのネック部に使用されるガイドロール用軸受の内外輪は、ガイドロールのたわみやハウジングの傾きにより傾きが生じ得るため、ガイドロール用軸受として一般的には自動調心ころ軸受が使用されている。

ところで、ガイドロール用軸受は極低速回転で使用されるため、軌道輪と転動体との間に潤滑剤が引き込まれにくく、油膜が形成されにくい。また、使用環境からも軸受内部への浸水が避けられないため、潤滑状態が悪化して、金属接触により摩耗が発生するおそれがある。特に、自動調心ころ軸受においては、差動滑りが大きく、摩耗量が大きくなり、剥離の発生や割損にいたるおそれがある。

自動調心ころ軸受の摩耗低減策としては、軌道輪の表層に浸炭窒化層を形成し、この浸炭窒化層の残留オーステナイト量を１０体積％以上、表面硬さをロックウェル固さＨＲＣ５８以上とすることが提案されている（例えば特許文献１）。

また、軸受を潤滑するグリース組成物の潤滑基油にジウレア化合物を添加すると共に高分子化合物とコハク酸及びまたはコハク酸誘導体を添加することが提案されている（例えば特許文献２）。この構成によれば、回転領域や摺動領域における潤滑油膜を厚く維持することができ、焼き付き等を防止して軸受の損傷を低減することができる。

また、自動調心ころ軸受の外輪の外径面にクラウニングを設けて、外輪とハウジングとの間に逃げ代を設けることが提案されている（例えば特許文献３）。この構成によれば、軸受が荷重を受けた際に外輪が弾性変形し、軌道面との接触面圧が均等化するため、偏摩耗を抑制することができる。

特開２０００−２４６４１０号公報 特開２００３−０７３６８２号公報 特開２００３−３４３５５４号公報

しかしながら、上記特許文献１の技術では、合金元素を多量に使用しており、さらに浸炭窒化を行う必要があるため、軌道輪の製造コストが増大してしまうおそれがある。
また、特許文献２の技術では、周囲環境によって軸受内部に多量に浸水した際には効果が限定的となってしまうおそれがある。
また、特許文献３の技術では、はめ合い部の接触長さが短くなり、ハウジングに対して外輪の倒れが生じるおそれがあり、十分な対策とはいえない。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、低速回転で使用される場合でも固定輪の摩耗を抑制可能な円筒ころ軸受を提供することを目的とする。

本発明の上記目的は、下記の構成により達成される。
（１）外周面に内輪軌道面が形成された内輪と、内周面に外輪軌道面が形成された外輪と、前記内輪軌道面と前記外輪軌道面との間に転動自在に周方向に複数配置された円筒ころと、
を備える円筒ころ軸受であって、
前記円筒ころが、少なくとも軸方向中央部にストレート部を有し、
前記内輪軌道面および前記外輪軌道面が単一円弧クラウニング形状を有し、
前記円筒ころの最大径をＤｗ、前記外輪軌道面の軸方向端部から前記外輪軌道面の軸方向中央部への落ち量をＡとしたとき、０．００１５≦Ａ／Ｄｗ≦０．０３１０の関係式を満たし、
前記内輪軌道面の軸方向中央部から前記内輪軌道面の軸方向端部への落ち量をＢとしたとき、Ａ＜Ｂの関係式を満たすことを特徴とする円筒ころ軸受。
（２）前記円筒ころの最大径をＤｗ、前記円筒ころの軸方向寸法をＬとしたとき、１．６≦Ｌ／Ｄｗ≦３．０の関係式を満たすことを特徴とする（１）に記載の円筒ころ軸受。
（３）前記円筒ころの最大径をＤｗ、前記円筒ころ軸受の断面の径方向寸法をＨとしたとき、０．５５≦Ｄｗ／Ｈ≦０．６５の関係式を満たすことを特徴とする（１）または（２）に記載の円筒ころ軸受。

本発明によれば、低速回転で使用される場合でも固定輪の摩耗を抑制可能な円筒ころ軸受を得ることができる。

本発明の一実施形態にかかる円筒ころ軸受を示す模式図である。 （ａ）は図１の円筒ころ軸受の外輪の要部拡大図、（ｂ）は図１の円筒ころ軸受の内輪の要部拡大図である。 ころの最大面圧と、ころ長径比と、の関係を示すグラフである。 ころの最大面圧と、ころ最大径と断面高さの比と、の関係を示すグラフである。 ころの最大面圧と、外輪軌道面の落ち量Ａところ最大径の比と、の関係を示すグラフである。 ころの最大面圧と、内輪軌道面の落ち量Ｂところ最大径の比と、の関係を示すグラフである。 図１の円筒ころ軸受で使用されるころの形状を説明するための部分拡大図である。 ころの最大面圧と、クラウニング落ち量Ｃところ最大径の比と、の関係を示す図である。 比較例の自動調心ころ軸受を示す図である。

以下、本発明の一実施形態に係る円筒ころ軸受について、図１〜８を用いて説明する。

図１に示すように、本実施形態に係る円筒ころ軸受１０は、保持器を有さない総ころ式の転がり軸受であって、外周面に内輪軌道面２２が形成された内輪２０と、軸方向両端部につば３４、３４が形成されると共に内周面に外輪軌道面３２が形成された外輪３０と、内輪軌道面２２と外輪軌道面３２との間に転動自在に周方向に複数配置されたころ４０と、を備える。ころ４０の転動面は、円筒形状に形成されたストレート部４２と、ストレート部の軸方向両側からころ４０の軸方向端面にかけて凸曲状に形成されたクラウニング部４４と、を有する。このクラウニング部４４により、円筒ころ軸受１０が調心性を有することとなる。円筒ころ軸受１０の材料は焼入れ可能な鋼であればよく、例えば軸受鋼、浸炭鋼等から作製可能である。円筒ころ軸受１０は、所定量のグリースが充填されることにより潤滑されるが、円筒ころ軸受１０の内部はシール５０、５０により密封空間となるため、外部へグリースが排出されにくい構造となっている。

本実施形態に係る円筒ころ軸受１０は、スラブやビレットを成型する連続鋳造設備のガイドロール１のネック部３をハウジング５に対して回転自在に支承している。ガイドロール１をスラブが通過する際には円筒ころ軸受１０がかなり大きな荷重を受けるが、本実施形態においては円筒ころ軸受１０が総ころ式であるために負荷容量が大きくなるので、円筒ころ軸受１０の寿命低下を抑制することができる。

ところで、一般に、円筒ころ軸受は差動すべりが少ないという利点を有するが、ガイドロール１のたわみやハウジング５の傾きによって軌道輪に相対的な傾きが生じると、軌道輪（特に固定輪である外輪）との接触部におけるころの端部の面圧が過大となる傾向がある。しかしながら、本発明者は、円筒ころ軸受の各種寸法や形状等を適切に規定することによって、面圧が過大になることを抑制し、摩耗を大幅に低減できることを見出した。

また、一般に、円筒ころ軸受の回転時には、円筒ころ軸受の回転方向ところの回転方向が一致せずに、ころの回転軸が周方向に倒れてスキューを生じることがある。特に、総ころ式の円筒ころ軸受においてはころ同士が接触しやすいため、スキューの発生が問題となる。本実施形態においては、ころ４０は、軸方向中央部においてストレート部４２を有している。このような、ストレート部４２を有するころ４０によれば、軸方向全体にわたってクラウニング形状を有するころに比べて、スキューの発生を抑制することができ、転動面（ストレート部４２）の表面粗さの精度を向上することができる。

ここで、本実施形態では、ころ４０の最大径（ストレート部４２の径。以下、ころ径と呼ぶ）をＤｗ、ころ４０の軸方向寸法（以下、ころ長と呼ぶ）をＬとしたとき、ころ長径比（Ｌ／Ｄｗ）を規定することにより、軌道輪との接触部におけるころ４０の端部の面圧を抑制する。ころ長径比（Ｌ／Ｄｗ）と、軌道輪との接触部におけるころ４０の最大面圧と、の関係を図３に示す。図３に示すように、ころ長径比（Ｌ／Ｄｗ）が大きくなると、ころ４０と軌道輪との接触面積が大きくなって圧力を受ける範囲が拡大されるので、ころ４０の端部の面圧は小さくなる。面圧低減効果は、Ｌ／Ｄｗ＝１．６でほぼ飽和する。また、Ｌ／Ｄｗ＞３．０となると、ころ４０の加工が難しくなり、さらにつば厚さが不足して十分なつば強度の確保が難しくなる。そのため、本発明では、ころ長径比（Ｌ／Ｄｗ）を、１．６≦Ｌ／Ｄｗ≦３．０と規定する。ころ長径比（Ｌ／Ｄｗ）は、２．０≦Ｌ／Ｄｗ≦２．８であるとさらに好ましい。

また、本実施形態では、円筒ころ軸受１０の断面高さ（径方向寸法）をＨとしたとき、ころ径Ｄｗと断面高さＨとの比（Ｄｗ／Ｈ）を規定することにより、軌道輪との接触部におけるころ４０の端部の面圧をさらに抑制することができる。ころ径Ｄｗと断面高さＨの比（Ｄｗ／Ｈ）と、ころ４０の最大面圧と、の関係を図４に示す。図４に示すように、ころ径Ｄｗが大きくなるにつれて、ころ４０の面圧が小さくなるため、ころ４０と軌道輪との接触面圧を小さくすることができる。面圧低減効果は、Ｄｗ／Ｈ≧０．５５でより効果的となる。また、Ｄｗ／Ｈ＞０．６５となると、軌道輪の肉厚が薄くなりすぎて加工が困難になる。そのため、ころ径Ｄｗと断面高さＨは、０．５５≦Ｄｗ／Ｈ≦０．６５を満たすことが好ましい。

さらに、本実施形態では、内輪２０の内輪軌道面２２および外輪３０の外輪軌道面３２が、単一円弧クラウニング形状を有するように形成されている。当該構成によれば、内輪軌道面２２および外輪軌道面３２の軸方向端部にクラウニング部、軸方向中央部に平坦部を設けた場合と比較して、ころ４０の端部における急激な面圧上昇を抑えることが可能である。

本実施形態では、図２（ａ）に示すように、外輪軌道面３２の軸方向中央部から軸方向端部（すなわち、逃げ部３３と外輪軌道面３２との接続部）への落ち量（外輪軌道面３２の軸方向中央部と外輪軌道面３２の軸方向端部との高低差。以下、外輪落ち量とも呼ぶ）をＡとする。そして、ころ径Ｄｗと外輪落ち量Ａとの比（Ａ／Ｄｗ）を規定する。ころ径Ｄｗと外輪落ち量Ａの比（Ａ／Ｄｗ）と、ころ４０の最大面圧と、の関係を図５に示す。図５に示すように、Ａ／Ｄｗが大きくなるにつれて、すなわち外輪落ち量Ａが大きくなるにつれて、ころ４０の最大面圧は小さくなる。面圧低減効果は、Ａ／Ｄｗ≧０．００１５を満たすときに、より効果的になる。しかしながら、外輪落ち量Ａが大きくなるにつれてエッジロードは発生しなくなる一方、逆に外輪軌道面３２の軸方向中央部における面圧が大きくなり、また外輪軌道面３２の軸方向端部の加工（研削、ＳＦ仕上げ）が困難になる。このことから、Ａ／Ｄｗ≦０．０３１０とする。０．００２０≦Ａ／Ｄｗ≦０．０１５０であると、より好ましい。これにより、外輪３０との接触部におけるころ４０の端部の面圧をさらに抑制することができる。

また、本実施形態では、図２（ｂ）に示すように、内輪軌道面２２の軸方向中央部から軸方向端部への落ち量（内輪軌道面２２の軸方向中央部と軸方向端部との高低差。以下、内輪落ち量とも呼ぶ）をＢとする。そして、ころ径Ｄｗと内輪落ち量Ｂの比（Ｂ／Ｄｗ）を、０．００２０≦Ｂ／Ｄｗ≦０．０５５０と規定する。ころ径Ｄｗと内輪落ち量Ｂとの比（Ｂ／Ｄｗ）と、ころ４０の最大面圧と、の関係を図６に示す。図６に示すように、Ｂ／Ｄｗが大きくなるにつれて、すなわち内輪落ち量Ｂが大きくなるにつれて、ころ４０の最大面圧は小さくなる。面圧低減効果は、Ｂ／Ｄｗ≧０．００２０を満たすときに、より効果的になる。しかしながら、内輪落ち量Ｂが大きくなるにつれてエッジロードは発生しなくなるが、常にエッジロードを受ける外輪３０と異なり、内輪２０の場合において、エッジロードが発生するころ４０は限定的であり、影響が小さい。また、内輪落ち量Ｂが大きくなるにつれて、ころ４０がスキューしやすいという問題もある。また、内輪落ち量Ｂが大きくなるにつれて、内輪軌道面２２の軸方向中央部における面圧が大きくなり、内輪軌道面２２の軸方向端部の加工（研削、ＳＦ仕上げ）が困難になる。このことから、Ｂ／Ｄｗ≦０．０５５０とする。０．００３０≦Ｂ／Ｄｗ≦０．０２６０であると、より好ましい。これにより、内輪２０との接触部におけるころ４０の端部の面圧をさらに抑制することができる。

また、本実施形態では、外輪落ち量Ａと内輪落ち量Ｂとが、Ａ＜Ｂを満たすものとする。連続鋳造機では、非常に高温なスラブの通過時にガイドロール１が熱膨張するため、軸箱に設置された円筒ころ軸受１０は、つばが設けられない内輪２０を用いてガイドロール１の伸びを軸方向外側へ逃がす必要がある。外輪３０の軸方向両端部にはつば３４、３４が形成されているため、内輪２０が軸方向に移動した場合であっても、外輪３０ところ４０の相体的な位置関係は変わらない。しかしながら、内輪２０ところ４０の相体的な位置関係は変化するため、当該変化に伴って面圧分布も軸方向に移動する。内輪２０のクラウニング形状のＲが大きいと、ころ４０と内輪軌道面２２の接触面積が広くなるため、内輪２０が軸方向に移動した際には、内輪２０ところ４０との接触面がころ４０の転動面より外れてエッジロードが発生するおそれがある。本実施形態では、Ａ＜Ｂとすることにより、ころ４０と内輪軌道面２２との接触面積を狭くできるので、ガイドロール１が伸びて内輪２０が軸方向に移動した場合であっても、ころ４０と内輪軌道面２２との接触面圧を小さくして、エッジロードの発生を抑えることができる。

また、本実施形態では、図７に示すように、ころ４０において、軸方向中央部に形成されたストレート部４２から軸方向端部への落ち量（クラウニング落ち量）をＣとする。そして、ころ径Ｄｗとクラウニング落ち量Ｃとの比を（Ｃ／Ｄｗ）を、０．０００３≦Ｃ／Ｄｗ≦０．００５０と規定する。ころ径Ｄｗところクラウニング落ち量Ｃとの比と、ころ最大面圧との関係を図８に示す。図８に示すように、Ｃ／Ｄｗが大きくなるにつれて、すなわち、ころ４０のクラウニング落ち量Ｃが大きくなるにつれて、ころ４０の最大面圧は小さくなる。面圧低減効果は０．０００５≦Ｃ／Ｄｗ≦０．００３０を満たすときにより効果的になる。しかしながら、クラウニング落ち量Ｃが大きくなるにつれてエッジロードは発生しなくなる一方、逆に内輪軌道面２２および外輪軌道面３２の軸方向中央部における面圧が大きくなる。また、また、クラウニング落ち量Ｃが大きいと、クラウニング部４４の加工（研削、ＳＦ仕上げ）が困難になることから、Ｃ／Ｄｗ≦０．００５０であることが好ましい。

また、本実施形態では、ころ４０の転動面の表面粗さが、内輪軌道面２２および外輪軌道面３２の表面粗さよりも小さいものとする。前述したように、連続鋳造機は極低速回転で運転されるために、部材間に油膜が形成されにくい。特に、本実施形態のような総ころ式の円筒ころ軸受１０の場合には、転がり接触するころ４０と軌道輪間よりも、ころ４０同士の接触部において油膜が形成されづらい。このとき、ころ４０の転動面の表面粗さが小さければ、ころ４０同士の接触部において油膜が形成されやすいため、ころ４０の損傷を防止することができる。一方、外輪軌道面３２および内輪軌道面２２の表面粗さを小さくしても、金属接触が発生することに変わりはない。そのため、外輪軌道面３２および内輪軌道面２２の表面粗さが多少大きくても、寿命に対する大きな影響はない。したがって、本実施形態では、ころ４０の転動面の表面粗さを内輪軌道面２２および外輪軌道面３２の表面粗さよりも小さくすることにより、ころ４０同士の接触によるころ４０の損傷を低減することができ、円筒ころ軸受１０の寿命を向上することができる。

このように、本実施形態の円筒ころ軸受１０によれば、ころ最大径Ｄｗ、ころ長Ｌ、円筒ころ軸受１０の断面高さＨ、外輪落ち量Ａ、内輪落ち量Ｂ、およびクラウニング落ち量Ｃが、１．６≦Ｌ／Ｄｗ≦３．０、０．５５≦Ｄｗ／Ｈ≦０．６５、０．００１５≦Ａ／Ｄｗ≦０．０３１０、０．００２０≦Ｂ／Ｄｗ≦０．０５５０、Ａ＜Ｂ、および０．０００３≦Ｃ／Ｄｗ≦０．００５０の関係式を満たし、且つころ４０の転動面の表面粗さが、内輪軌道面２２および外輪軌道面３２の表面粗さよりも小さいことにより、耐摩耗性に優れ、寿命を向上した円筒ころ軸受を得ることができる。

尚、本発明は、前述した実施形態に限定されるものではなく、適宜変更、改良等が可能である。例えば、上記した実施形態に係る円筒ころ軸受は、保持器が設けられない総ころ式の転がり軸受であったが、複数のころを周方向に略等間隔に保持する保持器が設けられた円筒ころ軸受もまた本発明の範囲内である。保持器が設けられた円筒ころ軸受によれば、軸の傾きが大きく、ころのスキューが発生しやすい状況においても、スキューの発生を抑制することができ、高荷重下での摩耗や発熱を最小限に抑えることができる。また、保持器によって、円筒ころ軸受の組み付け時のバレを防止することができる。

また、上記した実施形態に係る円筒ころ軸受は、連続鋳造法で用いられるガイドロール用軸受であって、外輪が固定輪、内輪が駆動輪であったが、内輪が固定輪、外輪が駆動輪となるような構成であってもよい。

また、ころ４０は、ストレート部が軸方向全体にわたって形成された円筒ころであってもよい。このようなころによれば、スキューの発生をさらに抑制することができると共に、転動面の表面粗さの精度をさらに向上することができる。また、用途に応じて、円筒ころ４０が複列または３列以上で設けられてもよく、保持器が設けられてもよい。また、上記した実施形態では、外輪３０の軸方向両端部につば３４、３４が形成されていたが、使用用途や条件によっては、外輪の軸方向一方端部のみにつばが形成されるものであってもよい。

また、ガイドロールへの軸受の取り付け、取り外し時におけるころのバレ防止のため、外輪３０または内輪２０にバレ止めが設けられていてもよい。また、外輪３０および内輪２０のクラウニング形状は、外輪落ち量Ａおよび内輪落ち量Ｂを大きくできる限りにおいて、使用用途によっては、複数の円弧形状を有するクラウニング形状や対数クラウニング形状、ストレート形状を有するクラウニング形状としてもよい。

以上述べたように、本発明は下記の特徴を有するものである。
（１）外周面に内輪軌道面が形成された内輪と、内周面に外輪軌道面が形成された外輪と、前記内輪軌道面と前記外輪軌道面との間に転動自在に周方向に複数配置された円筒ころと、
を備える円筒ころ軸受であって、
前記円筒ころが、少なくとも軸方向中央部にストレート部を有し、
前記内輪軌道面および前記外輪軌道面が単一円弧クラウニング形状を有することを特徴とする円筒ころ軸受。
（２）前記円筒ころの最大径をＤｗ、前記円筒ころの軸方向寸法をＬとしたとき、１．６≦Ｌ／Ｄｗ≦３．０の関係式を満たすことを特徴とする（１）に記載の円筒ころ軸受。
（３） 前記円筒ころの最大径をＤｗ、前記円筒ころ軸受の断面の径方向寸法をＨとしたとき、０．５５≦Ｄｗ／Ｈ≦０．６５の関係式を満たすことを特徴とする（１）または（２）に記載の円筒ころ軸受。
（４）前記円筒ころが、軸方向中央部に形成された前記ストレート部と、前記ストレート部の軸方向両側に形成されたクラウニング部と、を有し、
前記円筒ころの最大径をＤｗ、前記ストレート部から前記円筒ころの軸方向端部への前記クラウニング部の落ち量をＣとしたとき、０．０００３≦Ｃ／Ｄｗ≦０．００５０の関係式を満たすことを特徴とする（１）〜（３）のいずれかに記載の円筒ころ軸受。
（５）前記円筒ころの最大径をＤｗ、前記外輪軌道面の軸方向端部から前記外輪軌道面の軸方向中央部への落ち量をＡとしたとき、０．００１５≦Ａ／Ｄｗ≦０．０３１０の関係式を満たすことを特徴とする（１）〜（４）のいずれかに記載の円筒ころ軸受。
（６）前記円筒ころの最大径をＤｗ、前記内輪軌道面の軸方向端部から前記内輪軌道面の軸方向中央部への落ち量をＢとしたとき、０．００２０≦Ｂ／Ｄｗ≦０．０５５０の関係式を満たすことを特徴とする（１）〜（５）のいずれかに記載の円筒ころ軸受。
（７）前記外輪軌道面の軸方向端部から前記外輪軌道面の軸方向中央部への落ち量をＡ、前記内輪軌道面の軸方向端部から前記内輪軌道面の軸方向中央部への落ち量をＢとしとき、Ａ＜Ｂであることを特徴とする（１）〜（６）のいずれかに記載の円筒ころ軸受。
（８）前記円筒ころの表面粗さが、前記内輪軌道面及び前記外輪軌道面の表面粗さよりも小さいことを特徴とする（１）〜（７）のいずれかに記載の円筒ころ軸受。
（９）前記円筒ころが、軸方向全体にわたって前記ストレート部を有することを特徴とする（１）〜（３）のいずれかに記載の円筒ころ軸受。

１０ 円筒ころ軸受
２０ 内輪
２２ 内輪軌道面
３０ 外輪
３２ 外輪軌道面
４０ ころ

Claims (3)

1. 外周面に内輪軌道面が形成された内輪と、内周面に外輪軌道面が形成された外輪と、前記内輪軌道面と前記外輪軌道面との間に転動自在に周方向に複数配置された円筒ころと、を備える円筒ころ軸受であって、
   前記円筒ころが、少なくとも軸方向中央部にストレート部を有し、
   前記内輪軌道面および前記外輪軌道面が単一円弧クラウニング形状を有し、
   前記円筒ころの最大径をＤｗ、前記外輪軌道面の軸方向端部から前記外輪軌道面の軸方向中央部への落ち量をＡとしたとき、０．００１５≦Ａ／Ｄｗ≦０．０３１０の関係式を満たし、
   前記内輪軌道面の軸方向中央部から前記内輪軌道面の軸方向端部への落ち量をＢとしたとき、Ａ＜Ｂの関係式を満たすことを特徴とする円筒ころ軸受。
2. 前記円筒ころの最大径をＤｗ、前記円筒ころの軸方向寸法をＬとしたとき、１．６≦Ｌ／Ｄｗ≦３．０の関係式を満たすことを特徴とする請求項１に記載の円筒ころ軸受。
3. 前記円筒ころの最大径をＤｗ、前記円筒ころ軸受の断面の径方向寸法をＨとしたとき、０．５５≦Ｄｗ／Ｈ≦０．６５の関係式を満たすことを特徴とする請求項１または２に記載の円筒ころ軸受。

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