WO2024101264A1 - 転がり軸受 - Google Patents

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WO2024101264A1
WO2024101264A1 PCT/JP2023/039576 JP2023039576W WO2024101264A1 WO 2024101264 A1 WO2024101264 A1 WO 2024101264A1 JP 2023039576 W JP2023039576 W JP 2023039576W WO 2024101264 A1 WO2024101264 A1 WO 2024101264A1
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rolling
raceway
inner ring
hardening treatment
surface hardening
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Inventor
航大 渡部
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Ntn株式会社
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C19/00—Bearings with rolling contact, for exclusively rotary movement
    • F16C19/02—Bearings with rolling contact, for exclusively rotary movement with bearing balls essentially of the same size in one or more circular rows
    • F16C19/04—Bearings with rolling contact, for exclusively rotary movement with bearing balls essentially of the same size in one or more circular rows for radial load mainly
    • F16C19/06—Bearings with rolling contact, for exclusively rotary movement with bearing balls essentially of the same size in one or more circular rows for radial load mainly with a single row or balls
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C33/00—Parts of bearings; Special methods for making bearings or parts thereof
    • F16C33/30—Parts of ball or roller bearings
    • F16C33/58—Raceways; Race rings
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16H—GEARING
    • F16H1/00—Toothed gearings for conveying rotary motion
    • F16H1/28—Toothed gearings for conveying rotary motion with gears having orbital motion
    • F16H1/32—Toothed gearings for conveying rotary motion with gears having orbital motion in which the central axis of the gearing lies inside the periphery of an orbital gear

Definitions

  • the present invention relates to a rolling bearing that is inserted into an elliptical shaft.
  • the inner ring of a bearing that is inserted into an elliptical shaft undergoes elliptical deformation to follow the shape of the elliptical shaft.
  • the outer ring also undergoes elliptical deformation via the rolling elements as the inner ring deforms.
  • the long shaft of the elliptically deformed bearing is used in a preloaded state, while the short shaft is in a clearance state.
  • the two points diagonal to the long axis after the elliptical deformation become the load area.
  • the outer ring rotates while the long and short axes of the ellipse are repeatedly deformed in phase. As a result, the outer ring is repeatedly subjected to tensile and compressive stresses.
  • the ball diameter (diameter of the rolling elements) of the bearing is set to a dimension 5 to 15% larger than the dimensions of the current product for each model number, and the ratio of the raceway radius of the flexible inner ring to the ball diameter (raceway radius of the inner ring/ball diameter) and the ratio of the raceway radius of the flexible outer ring to the ball diameter (raceway radius of the outer ring/ball diameter) are both set to be 0.8 to 2% smaller than the current product for each model number. In this way, the flexible bearing is improved to extend its life.
  • the bearing does not have a retainer. Therefore, the number of balls inserted into the ball raceway is not restricted by the partition walls of the retainer. As a result, the maximum number of balls can be installed, and the packing rate of the rolling elements increases. This improves the load capacity of the bearing and extends its life.
  • Patent No. 5178542 International Publication No. 2019/049296
  • the object of the present invention is to provide a rolling bearing that can improve the life of the bearing without compromising assembly.
  • the rolling bearing of the present invention is a rolling bearing interposed between an elliptical cam and a flexspline in a wave gear reducer, and comprises an inner ring that can be deformed into an elliptical shape by fitting with the elliptical cam, an outer ring that can be deformed into an elliptical shape with the elliptical deformation of the inner ring, and a plurality of rolling elements interposed between the inner ring and the outer ring, and at least one of the raceways of the inner ring and the outer ring is surface hardened.
  • the rolling bearing is incorporated, for example, into the elliptical shaft of the wave gear reducer.
  • the surface hardening is performed to harden the surface layer of the steel, for example, by carburizing or nitriding.
  • the surface hardening layer may also be provided only on the rolling surface of the raceway.
  • the relationship 0.2 ⁇ (a/B) ⁇ 0.7 may be satisfied.
  • the hardened layer penetrate to a position deeper than the position where the maximum shear stress occurs during operation.
  • the toughness decreases and deformation cannot be tolerated when the bearing is assembled to the elliptical shaft.
  • the ratio of the diameter Dw of the rolling elements to the shoulder height h of the raceway to which the surface hardening treatment is applied may be 0.04 ⁇ (h/Dw) ⁇ 0.13. If the shoulder height is low, stress concentration occurs at the edge of the rolling surface due to the shoulder riding up when a thrust load is applied during operation, which may cause premature breakage. Furthermore, if the shoulder height is high, assembly problems may occur. By optimizing the shoulder height relative to the diameter of the rolling elements as in this configuration, the life of the bearing can be improved without deteriorating assembly, even when stress concentration occurs at the edge.
  • FIG. 1 is a vertical cross-sectional view showing a strain wave gear reducer equipped with a rolling bearing according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view showing the strain wave gear reducer.
  • FIG. 2 is a vertical cross-sectional view showing the rolling bearing.
  • FIG. 4 is a vertical cross-sectional view showing a modified example of the rolling bearing. 4 is a vertical cross-sectional view showing a method for an assembly test of the rolling bearing.
  • Fig. 1 is a longitudinal sectional view of a strain wave gear reducer equipped with a ball bearing 1, which is a type of rolling bearing, according to a first embodiment of the present invention
  • Fig. 2 is a transverse sectional view thereof.
  • This ball bearing 1 is used in a strain wave gear reducer HD.
  • This strain wave gear reducer HD is equipped with a circular spline (rigid internal gear) 2, a flexspline (thin elastic gear (external gear)) 3, and an elliptical cam 4, with the ball bearing 1 interposed between the flexspline (thin elastic gear (external gear)) 3 and the elliptical cam 4.
  • the ball bearing 1 comprises an inner ring 5, an outer ring 6, a number of balls 9, which are a type of rolling element interposed between the inner ring 5 and the outer ring 6, and a cage 10 that maintains the circumferential spacing between the balls 9.
  • the inner ring 5 and the outer ring 6 are annular parts made of bearing steel or case-hardened steel.
  • the rolling surface 7 of the inner ring 5 is composed of a concave raceway groove formed on the outer circumferential surface of the inner ring 5.
  • the rolling surface 8 of the outer ring 6 is composed of a concave raceway groove formed on the inner circumferential surface of the outer ring 6.
  • the inner ring 5 is a raceway ring having raceway groove 7 on its outer periphery
  • the outer ring 6 is a raceway ring having raceway groove 8 on its inner periphery.
  • the balls 9 are arranged between the two rolling surfaces 7, 8.
  • the bearing center axis AX of the ball bearing 1 is set coaxially with the center axes of the inner and outer rings 5 and 6, which are the raceways, and is also set coaxially with the axis of rotation of the strain wave gear reducer HD.
  • the direction of the bearing center axis AX is referred to as the "axial direction”
  • the direction perpendicular to the bearing center axis AX is referred to as the "radial direction”
  • the circumferential direction around the bearing center axis A is referred to as the "circumferential direction”.
  • the cam 4 is fitted to the outer peripheral surface of the first shaft S1 and is capable of rotating integrally with the first shaft S1.
  • the flexspline (thin elastic gear (external gear)) 3 has its bottom 13 fastened by a boss 17 to the end face of the second shaft S2, which is arranged coaxially with the first shaft S1, with a bolt 16, and is capable of rotating integrally with the second shaft S2.
  • the first and second shafts S1 and S2 form the input and output shafts of the strain wave gear reducer HD.
  • the circular spline (rigid internal gear) 2 is ring-shaped and is fixed, for example, to a casing (not shown).
  • a predetermined number of teeth 11 are provided in the circumferential direction on the inner peripheral surface of the circular spline (rigid internal gear) 2.
  • the flexspline (thin elastic gear (external gear)) 3 is configured in a cup shape with a bottom 13 formed at one axial end (left end in FIG. 1) of the cylindrical portion 12. The other axial end (right end in FIG. 1) of the cylindrical portion 12 forms the opening edge 14 of the flexspline (thin elastic gear (external gear)) 3.
  • a second shaft S2 is connected to the center of the bottom 13. Teeth 15 that mesh with the teeth 11 of the circular spline (rigid internal gear) 2 are provided on the outer circumferential surface of the cylindrical portion 12.
  • the number of teeth 15 of the flexspline (thin elastic gear (external gear)) 3 is two fewer than the number of teeth 11 of the circular spline (rigid internal gear) 2.
  • the cam 4 has an elliptical outer peripheral surface 4a, and the inner peripheral surface 5a of the inner ring 5 of the ball bearing 1 is fitted onto the outer peripheral surface 4a of the cam 4.
  • the ball bearing 1 is incorporated into the elliptical shaft of the strain wave gear reducer HD.
  • the inner ring 5 of the ball bearing 1 is deformed into an elliptical shape by fitting its inner diameter surface 5a onto the outer diameter surface 4a of the elliptical cam 4. This fitting fixes the ball bearing 1 to the outer diameter surface 4a of the cam 4. As the inner ring 5 deforms into an elliptical shape, the outer ring 6 is pushed through the balls 9 and deformed into an elliptical shape.
  • the engaged cam 4 and ball bearing 1 form a wave generator. That is, the first shaft S1 shown in FIG. 2 rotates, and the elliptical ball bearing 1 rotates integrally with the rotation of the cam 4 fixed to the first shaft S1. At this time, the phase of the elliptical major axis position changes in the rotation direction of the ball bearing 1, and the meshing position of the teeth 11 of the circular spline (rigid internal gear) 2 and the teeth 15 of the flexspline (thin elastic gear (external gear)) 3 moves in the rotation direction.
  • Figure 3 shows a cross section of ball bearing 1 in its natural state.
  • the inner ring 5 and outer ring 6 have been subjected to surface hardening treatment.
  • the inner ring 5 and outer ring 6 have a surface hardening treatment layer 20 on their surfaces that allows elements to penetrate the surfaces.
  • the surface hardening treatment is, for example, a carburizing treatment in which carbon is diffused and penetrated into the surface, or a nitriding treatment in which nitrogen is diffused and penetrated into the surface.
  • the surface hardening treatment is not limited to carburizing or nitriding treatment as long as it is a special heat treatment for improving the link crack fatigue strength and smearing resistance of the raceway rings and thereby extending the life of the bearing.
  • the surface hardening treatment layer 20 is omitted in Figures 1 and 2.
  • both the inner ring 5 and the outer ring 6 are surface hardened, but it is also possible to apply surface hardening to only one of the inner ring 5 and the outer ring 6.
  • Surface hardening improves fatigue strength and wear resistance by hardening only the surface layer of the steel.
  • Carburizing is a process in which the entire workpiece is heated in a heat treatment furnace, carbon penetrates from the surface to increase the carbon concentration of the steel surface, and then the workpiece is quenched and hardened.
  • nitriding is a process in which the entire workpiece is heated in a heat treatment furnace, nitrogen penetrates from the surface, and the penetrated nitrogen combines with alloy elements in the steel to precipitate as nitrides, thereby hardening the workpiece.
  • the surface hardening treatment layer 20 is provided on the entire outer surface of the inner ring 5 and the outer ring 6, but as shown in the modified example of FIG. 4, the surface hardening treatment layer 20 may be provided only on the rolling surfaces 7, 8 of the inner ring 5 and the outer ring 6.
  • the surface hardening treatment may be performed only on the rolling surfaces 7, 8, or the surface hardening treatment may be performed on the entire outer surface of the raceways 5, 6 or on a part of the outer surface of the raceways 5, 6 including the rolling surfaces 7, 8 to form the surface hardening treatment layer 20, and then the surface hardening treatment layer 20 on the surfaces other than the rolling surfaces 7, 8 may be removed.
  • the surfaces other than the rolling surfaces 7, 8 may be masked and then the surface hardening treatment may be performed.
  • minimum thickness of the raceway to which the surface hardening treatment shown in FIG. 3 is applied is B and the depth of the surface hardening treatment is a, it is preferable to satisfy the relationship 0.2 ⁇ (a/B) ⁇ 0.7.
  • minimum thickness of the raceway refers to the minimum value of the radial dimension (thickness) of the raceway
  • the minimum thickness Bi of the inner ring 5 is the distance between the inner peripheral surface 5a of the inner ring and the bottommost portion 7a of the rolling surface 7
  • the minimum thickness Bo of the outer ring 6 is the distance between the outer peripheral surface 6a of the outer ring and the bottommost portion 8a of the rolling surface 8.
  • the "surface hardening treatment depth a" is the radial thickness (depth) of the surface hardening treatment layer 20.
  • the ratio between the two is 0.04 ⁇ (h/Dw) ⁇ 0.13.
  • the ratio to the diameter Dw of the rolling elements 9 is 0.04 ⁇ (hi/Dw) ⁇ 0.13.
  • the ratio to the diameter Dw of the rolling elements 9 is 0.04 ⁇ (ho/Dw) ⁇ 0.13.
  • shoulder height of raceway refers to the depth of the raceway groove
  • shoulder height hi of inner ring 5 is the radial distance between the bottommost part 7a and edge part 7b of rolling surface 7 of inner ring 5
  • shoulder height ho of outer ring 6 is the radial distance between the bottommost part 8a and edge part 8b of rolling surface 8 of outer ring 6.
  • Edge part 7b of rolling surface 7 of inner ring 5 is the edge part between rolling surface 7 of inner ring 5 and outer peripheral surface 5b of inner ring 5.
  • edge part 8b of rolling surface 8 of outer ring 6 is the edge part between rolling surface 8 of outer ring 6 and inner peripheral surface 6b of outer ring 6.
  • the lower limit was calculated from the depth position from the surface where the maximum shear stress occurs during operation. Specifically, the lower limit was calculated under the maximum dynamic load condition. The calculation results are shown in Table 1. In the table, “ ⁇ ” indicates that there was no problem during operation, and “ ⁇ ” indicates that a problem occurred. Note that this calculation was performed on a bearing in which a surface hardening treatment layer 20 is provided on the entire outer surface of the raceway, as in the example of Figure 3.
  • the hardened layer depth (depth of surface hardening treatment) a relative to the minimum thickness B of the raceway is 20% or more, no problems will occur during operation. Therefore, when the surface hardening treatment layer 20 is provided on the entire outer surface of the raceway, the lower limit of the surface hardening treatment depth (a/B) relative to the minimum thickness of the raceway is set to 0.2.
  • FIG. 5 shows a schematic structure of the assembly test.
  • support balls 104 for supporting the compressive force are arranged diagonally between the inner ring 100 and the outer ring 102.
  • the part to which the compressive force is applied is deformed inward and becomes an ellipse.
  • the position to which the compressive force is applied becomes the short axis part at the time of elliptical deformation, and the rolling elements 108 are inserted through the gap between the inner ring 100 and the outer ring 102 formed in the long axis part.
  • Whether assembly is possible or not was confirmed depending on whether a predetermined number of rolling elements 108 can be inserted, and the following verification results were obtained.
  • " ⁇ " in the table indicates that assembly is possible, and " ⁇ " indicates that a raceway crack has occurred, which makes assembly impossible.
  • the hardened layer depth (depth of surface hardening treatment) a relative to the minimum wall thickness B of the raceway was 70% or less. Therefore, the upper limit of the depth of surface hardening treatment (a/B) relative to the minimum wall thickness of the raceway is set to 0.7. For these reasons, the range of the depth of surface hardening treatment (a/B) relative to the minimum wall thickness of the raceway is preferably 0.2 to 0.7.
  • the lower limit of the shoulder height relative to the ball diameter (h/Dw) is set to 0.04.
  • the upper limit of the shoulder height relative to the ball diameter (h/Dw) is set to 0.13.
  • the range of the shoulder height relative to the ball diameter (h/Dw) is preferably 0.04 to 0.13.
  • the relationship 0.2 ⁇ (a/B) ⁇ 0.7 is satisfied. In this way, by optimizing the treatment depth a relative to the minimum thickness B, the risk of fatigue failure due to repeated tensile and compressive stresses acting during operation can be reduced, and the rolling fatigue life can be improved.
  • the ratio of the diameter Dw of the rolling elements 9 to the shoulder height h of the raceways 5, 6 that are surface-hardened is 0.04 ⁇ (h/Dw) ⁇ 0.13.
  • the present invention is not limited to the above embodiments, and various additions, modifications, or deletions are possible without departing from the scope of the present invention.
  • the surface hardening layer 20 is provided on the entire raceway, and in the example of FIG. 4, the surface hardening layer 20 is provided only on the rolling surface of the raceway, but the surface hardening layer 20 only needs to be provided on at least the rolling surface, and is not limited to the examples of FIG. 3 and 4. Therefore, such examples are also included within the scope of the present invention.
  • Ball bearings rolling bearings
  • Flexspline thin elastic gear (external gear)
  • Elliptical cam 5
  • Inner ring (raceway)
  • Outer ring (raceway)
  • Inner raceway surface 8
  • Ball (rolling element) 20
  • Surface hardening treatment layer HD Wave gear reducer

Landscapes

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  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Rolling Contact Bearings (AREA)
  • Retarders (AREA)

Abstract

本発明の転がり軸受（１）は、波動歯車減速機（ＨＤ）における楕円状のカム（４）とフレクスプライン（３）との間に介在される。転がり軸受（１）は、楕円状のカム（４）との嵌合によって楕円状に変形可能な内輪（５）と、内輪（５）の楕円状変形に伴って楕円状に変形可能な外輪（６）と、内輪（５）と外輪（６）との間に介装された複数の転動体（９）とを備えている。内輪（５）および外輪（６）の少なくとも一方に、素材の表面に元素を浸透させる表面硬化処理が施されている。

Description

転がり軸受 関連出願
　この出願は、２０２２年１１月８日出願の特願２０２２－１７８６４９の優先権を主張するものであり、その全体を参照により本願の一部をなすものとして引用する。
　本発明は、楕円軸に挿入されて使用される転がり軸受に関する。
　楕円軸に挿入されて使用される軸受の内輪は、楕円形の軸の形状に倣って楕円変形する。また、外輪も同様に、内輪の変形に伴い、転動体を介して楕円変形する。その際、楕円変形した軸受の長軸部は予圧状態で、短軸部はすきま状態で使用される。運転時、楕円変形後の長軸対角２箇所が負荷域となる。楕円変形した内輪が回転する場合、外輪は楕円の長軸および短軸が同位相で繰り返し変形しながら回転する。このため、外輪には、繰り返し引張応力および圧縮応力が負荷される。
　このような軸受の軸受寿命（信頼性）を向上させるためには、転動体の充填率の増加、もしくは、転動体の直径の増加等のように、軸受の定格荷重を増加させる必要がある（例えば、特許文献１，２）。
　特許文献１の装置では、軸受のボール径（転動体の直径）が、各型番の現行品寸法に対して５～１５％大きい寸法に設定され、可撓性内輪の軌道面半径とボール径の比（内輪の軌道面半径／ボール径）、および可撓性外輪の軌道面半径とボール径の比（外輪の軌道面半径／ボール径）が共に、各型番の現行品に対して、０．８～２％小さくなるように設定されている。このように、可撓性ベアリングを改良して長寿命化が図られている。
　特許文献２の装置では、軸受は保持器を備えていない。そのため、ボール軌道内に挿入されるボールの数が、保持器の仕切り壁による制約を受けることがない。その結果、最大数のボールを装着でき、転動体の充填率が増加する。これにより、軸受の負荷容量を向上させ、軸受の長寿命化が図られている。
特許第５１７８５４２号公報 国際公開第２０１９／０４９２９６号
　しかしながら、特許文献１のように転動体の直径を増加させる場合、軌道輪の肉厚の薄肉化による強度の低下を引き起こす可能性がある。特許文献２の装置の場合、保持器がないため、ボール同士が接触することによる発熱のリスクが高まる。また、ボール充填数が多いため、組立性が悪化する。組立性の悪化に対する対策として、例えば、軌道輪に入れ溝などを設けることが必要となるが、この場合、軌道輪割れやコストアップにつながる恐れがある。
　本発明の目的は、組立性の悪化を招くことなく、軸受の寿命を向上させることができる転がり軸受を提供する。
　本発明の転がり軸受は、波動歯車減速機における楕円状のカムとフレクスプラインとの間に介在される転がり軸受であって、前記楕円状のカムとの嵌合によって楕円状に変形可能な内輪と、前記内輪の楕円状変形に伴って楕円状に変形可能な外輪と、前記内輪と前記外輪との間に介装された複数の転動体とを備え、前記内輪および前記外輪の少なくとも一方の軌道輪に表面硬化処理が施されている。該転がり軸受は、例えば、波動歯車減速機の楕円軸に組み込まれる。表面硬化処理は、鋼の表面層を硬化するために行う、例えば、浸炭処理または浸窒処理等である。また、表面硬化処理層は、軌道輪の転走面のみに設けられてもよい。
　この構成によれば、軌道輪に浸炭処理、侵窒処理等のような表面硬化処理を施すことで、表面硬度が上昇するとともに、表面の圧縮応力が生成される。これにより、リング疲労強度および転動疲労強度が向上する。その結果、軸受の寿命を向上させることができる。また、ボール充填数を増加させる必要がないので、組立性の悪化も招かない。このように、組立性の悪化を招くことなく、軸受の寿命を向上させることができる。
　本発明において、前記表面硬化処理が施される前記軌道輪の最小肉厚をＢ、前記表面硬化処理の処理深さをａとしたとき、０．２≦（ａ／Ｂ）≦０．７の関係を満たしてもよい。転動疲労寿命を向上させるためには、運転中の最大せん断応力が発生する位置よりも深い位置まで硬化層を侵入させる必要がある。その反面、極端に硬化層が深くなると靭性が低下し、軸受を楕円軸に組み付ける際に変形を許容できない。この構成のように、肉厚に対する処理深さを最適化することで、運転時に働く繰返しの引張圧縮応力による疲労破壊のリスクを低減し、さらに、転動疲労寿命を向上させることができる。
　本発明において、前記表面硬化処理が施される前記軌道輪の肩高さｈに対する前記転動体の直径Ｄｗの比率が０．０４≦（ｈ／Ｄｗ）≦０．１３であってもよい。肩高さが低い場合、運転中にスラスト荷重を受ける際の肩の乗上げにより、転走面のエッジ部に応力集中が発生し、早期破損の原因となる可能性がある。また、肩高さが高い場合、組立上の問題が発生する可能性がある。この構成のように、転動体の直径に対する肩高さを最適化することで、組立性の悪化を招くことなく、エッジ部に応力集中が発生した場合においても軸受の寿命を向上させることができる。
　請求の範囲および／または明細書および／または図面に開示された少なくとも２つの構成のどのような組合せも、本発明に含まれる。特に、請求の範囲の各請求項の２つ以上のどのような組合せも、本発明に含まれる。
　本発明は、添付の図面を参考にした以下の好適な実施形態の説明からより明瞭に理解されるであろう。しかしながら、実施形態および図面は単なる図示および説明のためのものであり、本発明の範囲を定めるために利用されるべきものではない。本発明の範囲は添付の請求の範囲によって定まる。添付図面において、複数の図面における同一の部品番号は、同一または相当部分を示す。
本発明の第１実施形態に係る転がり軸受を備えた波動歯車減速機を示す縦断面図である。 同波動歯車減速機を示す横断面図である。 同転がり軸受を示す縦断面図である。 同転がり軸受の変形例を示す縦断面図である。 同転がり軸受の組立試験の方法を示す縦断面図である。
　以下、本発明の好ましい実施形態について図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の第１実施形態に係る転がり軸受の一種である玉軸受１を備えた波動歯車減速機の縦断面図で、図２はその横断面図である。この玉軸受１は、波動歯車減速機ＨＤに用いられる。この波動歯車減速機ＨＤは、サーキュラスプライン（剛性内歯車）２と、フレクスプライン（薄肉弾性歯車（外歯車））３と、楕円状のカム４とを備え、フレクスプライン（薄肉弾性歯車（外歯車））３と楕円状のカム４との間に玉軸受１が介在されている。
　玉軸受１は、内輪５と、外輪６と、内輪５と外輪６との間に介装された転動体の一種である複数の玉９と、これら玉９間の周方向間隔を保つ保持器１０とを備えている。内輪５および外輪６は、軸受鋼または肌焼き鋼で形成された円環状の部品である。内輪５の転走面７は、内輪５の外周面に形成された凹状の軌道溝で構成されている。外輪６の転走面８は、外輪６の内周面に形成された凹状の軌道溝で構成されている。すなわち、内輪５は外周に軌道溝７を有する軌道輪で、外輪６は内周に軌道溝８を有する軌道輪である。両転走面７、８間に、玉９が配置されている。
　玉軸受１の軸受中心軸ＡＸは、軌道輪である内輪５および外輪６の中心軸と同軸に設定され、また、波動歯車減速機ＨＤの回転軸線と同軸に設定されている。以下の説明において、軸受中心軸ＡＸの方向を「軸方向」といい、軸受中心軸ＡＸに直角する方向を「径方向」といい、軸受中心軸Ａ回りの円周方向を「周方向」という。
　カム４は、第１軸Ｓ１の外周面に嵌合され、第１軸Ｓ１と一体に回転可能となっている。フレクスプライン（薄肉弾性歯車（外歯車））３は、その底部１３がボス１７を介して第１軸Ｓ１と同軸に配置された第２軸Ｓ２の端面とボルト１６により締結され、第２軸Ｓ２と一体に回転可能となっている。第１および第２軸Ｓ１，Ｓ２は、波動歯車減速機ＨＤの入出力軸を構成する。
　サーキュラスプライン（剛性内歯車）２は、リング形状であり、例えば、ケーシング（図示せず）に固定されている。サーキュラスプライン（剛性内歯車）２の内周面に、周方向に所定数の歯１１が設けられている。
　フレクスプライン（薄肉弾性歯車（外歯車））３は、筒部１２の軸方向一端（図１の左端）に形成された底部１３とを有するカップ状に構成されている。筒部１２の軸方向の他端（図１の右端）は、フレクスプライン（薄肉弾性歯車（外歯車））３の開口縁１４を構成している。底部１３の中央部に第２軸Ｓ２が連結されている。筒部１２の外周面に、サーキュラスプライン（剛性内歯車）２の歯１１に噛み合う歯１５が設けられている。フレクスプライン（薄肉弾性歯車（外歯車））３の歯１５の数は、サーキュラスプライン（剛性内歯車）２の歯１１の数よりも２つ少ない。
　カム４は楕円状の外周面４ａを有し、カム４の外周面４ａに玉軸受１の内輪５の内周面５ａが嵌合されている。つまり、波動歯車減速機ＨＤの楕円軸に、玉軸受１が組み込まれている。
　図１に示すように、玉軸受１の内輪５は、その内径面５ａにおいて楕円状のカム４の外周面４ａに嵌合されることで、楕円状に変形させられる。この嵌合により、玉軸受１がカム４の外周面４ａに固定される。また、この際の内輪５の楕円状変形に伴い、外輪６が、玉９を介して押されることにより、楕円状に変形させられる。この状態で玉軸受１の外輪６の外径面６ａがフレクスプライン（薄肉弾性歯車（外歯車））３の筒部１２の内側に挿入されることで、フレクスプライン（薄肉弾性歯車（外歯車））３の筒部１２も楕円状に変形させられる。
　嵌合されたカム４と玉軸受１は、波動発生器を構成する。すなわち、図２に示す第１軸Ｓ１が回転し、その第１軸Ｓ１に固定されたカム４の回転と一体に楕円状の玉軸受１が回転する。このとき、玉軸受１の回転方向へ楕円状の長軸位置の位相が変わり、サーキュラスプライン（剛性内歯車）２の歯１１とフレクスプライン（薄肉弾性歯車（外歯車））３の歯１５の噛み合う位置が回転方向に移動する。その際、フレクスプライン（薄肉弾性歯車（外歯車））３とサーキュラスプライン（剛性内歯車）２との間に１周で歯数差分の相対回転が発生し、この相対回転が減速回転として取り出される。
　図３に、玉軸受１が自然状態のときの断面を示す。同図に示すように、内輪５および外輪６に、表面硬化処理が施されている。具体的は、内輪５および外輪６は、その表面に、表面に元素を浸透させる表面硬化処理層２０を有している。表面硬化処理は、例えば、表面に炭素が拡散浸透された浸炭処理または表面に窒素が拡散浸透された浸窒処理である。ただし、表面硬化処理は、軌道輪のリンク割れ疲労強度、耐スミアリング性等を向上させて軸受の長寿命化を図るための特殊熱処理であればよく、浸炭処理、浸窒処理に限定されない。なお、図１，２では、表面硬化処理層２０を省略している。
　本実施形態では、内輪５と外輪６の両方に表面硬化処理が施されているが、内輪５および外輪６の一方にのみ表面硬化処理が施されていてもよい。表面硬化処理は、鋼の表層のみを硬くすることで疲労強度の向上、耐摩耗性の向上が可能となる。浸炭処理は、熱処理炉で処理品全体を加熱し、表面から炭素を侵入させて鋼表面の炭素濃度を増加させた後、焼入れ硬化する処理である。一方、浸窒処理は、熱処理炉で処理品全体を加熱し、表面から窒素を侵入させ、侵入した窒素が鋼中の合金元素と結びついて窒化物として析出することで硬化する処理である。
　また、本実施形態では、内輪５および外輪６の外表面の全体に、表面硬化処理層２０が設けられているが、図４の変形例に示すように、内輪５および外輪６の転走面７，８のみに、表面硬化処理層２０が設けられてもよい。この場合、転走面７，８のみに表面硬化処理を施してもよく、軌道輪５，６の外表面の全体または転走面７，８を含む軌道輪５，６の外表面一部に表面硬化処理を施して表面硬化処理層２０を形成した後、転走面７，８以外の表面の表面硬化処理層２０を取り除く加工をしてもよい。また、転走面７，８以外の表面にマスキングを実施した後、表面硬化処理を施してもよい。
　図３に示す表面硬化処理が施される軌道輪の最小肉厚をＢ、表面硬化処理の処理深さをａとしたとき、０．２≦（ａ／Ｂ）≦０．７の関係を満たすことが好ましい。ここで、「軌道輪の最小肉厚」とは、軌道輪の径方向寸法（厚さ）の最小値をいい、本実施形態では、内輪５の最小肉厚Ｂｉは内輪の内周面５ａと転走面７の最底部７ａとの距離であり、外輪６の最小肉厚Ｂｏは外輪の外周面６ａと転走面８の最底部８ａとの距離である。
　また、「表面硬化処理の処理深さａ」は、表面硬化処理層２０の径方向の厚さ（深さ）である。詳細には、内輪５の表面の全体に深さａｉの表面硬化処理層２０が形成されているとすると、内輪５の表面硬化処理の処理深さａは、２ａｉとなる（ａ＝ａｉ＋ａｉ＝２ａｉ）。したがって、内輪５において、最小肉厚をＢｉとすると、０．２≦（２ａｉ／Ｂｉ）≦０．７の関係を満たす。
　同様に、外輪６の表面の全体に深さａｏの表面硬化処理層２０が形成されているとすると、外輪６の表面硬化処理の処理深さａは、２ａｏとなる（ａ＝ａｏ＋ａｏ＝２ａｏ）。したがって、外輪６において、最小肉厚をＢｏとすると、０．２≦（２ａｏ／Ｂｏ）≦０．７の関係を満たす。
　図４のように、転走面７，８のみに表面硬化処理層２０が設けられている場合、内輪５の転走面７に深さａｉの表面硬化処理層２０が形成されているとすると、内輪５の表面硬化処理の処理深さａはａｉとなる（ａ＝ａｉ）。したがって、内輪５において、最小肉厚をＢｉとすると、０．１≦（ａｉ／Ｂｉ）≦０．７の関係を満たす。
　同様に、図４の外輪６の転走面８に深さａｏの表面硬化処理層２０が形成されているとすると、外輪６の表面硬化処理の処理深さａはａｏとなる（ａ＝ａｏ）。したがって、外輪６において、最小肉厚をＢｏとすると、０．１≦（ａｏ／Ｂｏ）≦０．７の関係を満たす。
　図３に示すように、表面硬化処理が施される軌道輪の肩高さをｈ、転動体９の直径をＤｗとすると、両者の比率が０．０４≦（ｈ／Ｄｗ）≦０．１３であることが好ましい。詳細には、表面硬化処理が施される内輪５の肩高さをｈｉとすると、転動体９の直径Ｄｗとの比率は０．０４≦（ｈｉ／Ｄｗ）≦０．１３である。同様に、表面硬化処理が施される外輪６の肩高さをｈｏとすると、転動体９の直径をＤｗとの比率は０．０４≦（ｈｏ／Ｄｗ）≦０．１３である。
　ここで、「軌道輪の肩高さ」とは、軌道溝の深さをいい、本実施形態では、内輪５の肩高さｈｉは内輪５の転走面７の最底部７ａとエッジ部７ｂとの径方向距離であり、外輪６の肩高さｈｏは外輪６の転走面８の最底部８ａとエッジ部８ｂとの径方向距離である。内輪５の転走面７のエッジ部７ｂとは、内輪５の転走面７と内輪５の外周面５ｂとの縁部である。同様に、外輪６の転走面８のエッジ部８ｂとは、外輪６の転走面８と外輪６の内周面６ｂとの縁部である。
［表面硬化処理の処理深さ（硬化層の深さ）］
　転動疲労寿命を向上させるためには、運転中の最大せん断応力が発生する位置よりも深い位置まで硬化層が侵入する必要がある。その反面、極端に硬化層が深くなると靭性が低下し、軸受の組立時の変形を許容できない。表面硬化処理の処理深さａ（硬化層の深さ）の最適範囲を確認した。
（下限値）
　下限値は、運転時に最大せん断応力が発生する表面からの深さ位置から算出した。具体的には、動的最大の荷重条件にて下限値を算出する。計算結果を表１に示す。表中の「〇」は運転中に問題がないことを示し、「×」は問題が発生したことを示す。なお、この計算は、図３の例のように、軌道輪の外表面の全体に表面硬化処理層２０が設けられた軸受に対して行った。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　計算の結果、軌道輪の最小肉厚Ｂに対する硬化層深さ（表面硬化処理の処理深さ）ａは２０％以上であれば、運転中に問題は発生しない。したがって、軌道輪の外表面の全体に表面硬化処理層２０が設けられた場合、軌道輪の最小肉厚に対する表面硬化処理の処理深さ（ａ／Ｂ）の下限値を０．２とする。
（上限値）
　上限値は、組立試験を実施し、組立可能か否かを確認した。図５に組立試験の概略構造を示す。同試験では、内輪１００と外輪１０２との間に、圧縮力を支持するための支持ボール１０４が対角に配置されている。圧縮力が負荷された箇所は内側に変形し、楕円形状となる。圧縮力を付加した位置は楕円変形時の短軸部となり、長軸部に形成された内輪１００と外輪１０２との隙間から転動体１０８を挿入する。所定の数量の転動体１０８が挿入できるか否かにより、組立可能か否かを確認し、以下の検証結果が得られた。表中の「〇」は組立可能であることを示し、「×」は組立が不可能である軌道輪の割れが発生したことを示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　評価試験の結果、軌道輪の最小肉厚Ｂに対する硬化層深さ（表面硬化処理の処理深さ）ａが７０％以下であれば組立可能であった。したがって、軌道輪の最小肉厚に対する表面硬化処理の処理深さ（ａ／Ｂ）の上限値を０．７とする。以上から、軌道輪の最小肉厚に対する表面硬化処理の処理深さ（ａ／Ｂ）の範囲は０．２～０．７が好ましい。
［肩高さｈ］
　表面硬化処理を施した場合でも、図３に示す肩高さｈが低い場合、運転中のスラスト荷重により肩乗上げが発生することがある。これにより、転走面７，８のエッジ部７ｂ、８ｂに応力集中が発生し、早期破損の原因となる可能性がある。また、肩高さｈが高い場合、組立上の問題が発生する可能性がある。ボール径Ｄｗに対する肩高さｈ、すなわち（ｈ／Ｄｗ）の最適範囲を確認した。
（下限値）
　下限値は、運転時の動的最大条件にて肩乗上げの有無を確認した。その結果を表３に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
　計算の結果、ボール径Ｄｗに対する肩高さｈが４％以上であれば、動的最大条件にて運転中に肩乗上げは発生しない。したがって、ボール径に対する肩高さ（ｈ／Ｄｗ）の下限値を０．０４とする。
（上限値）
　上限値は、組立試験を実施し、組立可能か否かを確認した。評価方法は、図５の装置を用いた上述の方法と同じである。検証結果を表４に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000004
　評価の結果、ボール径Ｄｗに対する肩高さｈが１４％を超える場合、肩部が障害となり、所定の数量の転動体１０８が組み立てられなくなった。したがって、ボール径に対する肩高さ（ｈ／Ｄｗ）の上限値を０．１３とする。以上から、ボール径に対する肩高さ（ｈ／Ｄｗ）の範囲は０．０４～０．１３が好ましい。
　上記構成によれば、図３に示す軌道輪５，６に浸炭処理、侵窒処理等のような表面硬化処理を施すことで、表面硬度が上昇するとともに、表面の圧縮応力が生成される。これにより、リング疲労強度および転動疲労強度が向上する。その結果、玉軸受１の寿命を向上させることができる。また、ボール充填数を増加させる必要がないので、組立性の悪化も招かない。このように、組立性の悪化を招くことなく、軸受１の寿命を向上させることができる。このような玉軸受１は、波動歯車減速機ＨＤの楕円軸に好適に組み込むことができる。
　表面硬化処理が施される軌道輪の最小肉厚をＢ、表面硬化処理の処理深さをａとしたとき、０．２≦（ａ／Ｂ）≦０．７の関係が満たされる。このように、最小肉厚Ｂに対する処理深さａを最適化することで、運転時に働く繰返しの引張圧縮応力による疲労破壊のリスクを低減し、さらに、転動疲労寿命を向上させることができる。
　表面硬化処理が施される軌道輪５，６の肩高さｈに対する転動体９の直径Ｄｗの比率が０．０４≦（ｈ／Ｄｗ）≦０．１３である。この構成のように、転動体９の直径Ｄｗに対する肩高さｈを最適化することで、組立性の悪化を招くことなく、エッジ部７ｂ、８ｂへの応力集中が発生した場合においても軸受１の寿命を向上させることができる。
　本発明は、以上の実施形態に限定されるものでなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で、種々の追加、変更または削除が可能である。例えば、図３の例では軌道輪の全体に表面硬化処理層２０が設けられ、図４の例では軌道輪の転走面のみに表面硬化処理層２０が設けられていたが、表面硬化処理層２０は少なくとも転走面に設けられていればよく、図３，４の例に限定されない。したがって、そのようなものも本発明の範囲内に含まれる。
１　玉軸受（転がり軸受）
３　フレクスプライン（薄肉弾性歯車（外歯車））
４　楕円状のカム
５　内輪（軌道輪）
６　外輪（軌道輪）
７　内輪の転走面
８　外輪の転走面
９　玉（転動体）
２０　表面硬化処理層
ＨＤ　波動歯車減速機

Claims (6)

  1. 　波動歯車減速機における楕円状のカムとフレクスプラインとの間に介在される転がり軸受であって、
    　前記楕円状のカムとの嵌合によって楕円状に変形可能な内輪と、
    　前記内輪の楕円状変形に伴って楕円状に変形可能な外輪と、
    　前記内輪と前記外輪との間に介装された複数の転動体と、を備え、
    　前記内輪および前記外輪の少なくとも一方の軌道輪に、表面に元素を浸透させる表面硬化処理が施されている転がり軸受。
  2. 　請求項１に記載の転がり軸受において、前記表面硬化処理は浸炭処理または浸窒処理を含む転がり軸受。
  3. 　請求項１または２に記載の転がり軸受において、前記表面硬化処理が施される前記軌道輪の最小肉厚をＢ、前記表面処理の処理深さをａとしたとき、０．２≦（ａ／Ｂ）≦０．７の関係を満たす転がり軸受。
  4. 　請求項１または２に記載の転がり軸受において、前記表面硬化処理が施される前記軌道輪の肩高さｈに対する前記転動体の直径Ｄｗの比率が０．０４≦（ｈ／Ｄｗ）≦０．１３である転がり軸受。
  5. 　請求項１または２に記載の転がり軸受において、前記軌道輪の転走面のみに表面硬化処理層を有する転がり軸受。
  6. 　請求項５に記載の転がり軸受において、前記表面硬化処理が施される前記軌道輪の最小肉厚をＢ、前記表面処理の処理深さをａとしたとき、０．１≦（ａ／Ｂ）≦０．７の関係を満たす転がり軸受。
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