JP4708221B2 - 風力発電機増速機用円筒ころ軸受 - Google Patents

Description

本発明は円筒ころ軸受、より詳しくは風力発電機の増速機用の円筒ころ軸受に関する。

風力発電機は設備の初期投資額が高額であるため、その償却期間が１０年を超える場合が多く、また、高所に設置されておりメンテナンスが困難であることから、その構成部品には約２０年という長期の寿命が要求される。

ロータの回転を増速するために組み込まれている増速機もその例外ではなく、特に同装置に使用される軸受には高い信頼性と長寿命が求められる。さらに近年は、発電効率の向上を目的とした風車の大型化が進んでいるが、それとは対照的に、設備費用の削減等を目的としたナセルの軽量小型化ニーズが高まっており、同増速機にもコンパクト化が求められている。

風力発電機の増速機は、その多くが遊星歯車装置とその後方の多段増速機で構成されており、前者においては総転動体型の円筒ころ軸受が、後者、特に中速・高速段の自由側軸受としては保持器付きの円筒ころ軸受が多用されている。
特開２００５−３６８８０公報 特許第３５４９５３０号公報

総転動体型の円筒ころ軸受は、保持器を排除してより多くのころを組み込んだ軸受であるため、コンパクトで非常に高い定格荷重を有する反面、隣り合うころ同士が逆回転で接触するため、ころの自転が阻害されやすいほか、かじりやスミアリングといった表面損傷を生じやすい傾向にある。特に、遊星歯車装置のように回転速度が低い条件下では、軸受内の各接触部において潤滑剤による油膜が形成されにくいこともあって、前記損傷がより顕著に現れる。これに対して保持器付きの円筒ころ軸受は、総転動体軸受のようにころ同士が接触することがなく、許容回転数も高い反面、定格荷重が低いために軸受のサイズを大きくせざるを得ず、装置のコンパクト化を妨げる要因にもなっている。

本発明の主要な目的は、コンパクトで定格荷重および剛性が高く、表面損傷を軽減した円筒ころ軸受を提供し、風力発電機の増速機のコンパクト化、長寿命化に寄与することである。

本発明の円筒ころ軸受は、隣り合うころ間に間座を介在させ、前記間座の軸方向両端にころ端面と向き合う拡張部を設けたことを特徴とするものである。
すなわち、請求項１の発明は、内輪軌道面と外輪軌道面との間に転動自在に介在する複数のころと、隣り合ったころ間に位置するプラスチック製の間座を具備する円筒ころ軸受において、間座の軸方向両端にころ端面と向き合う拡張部を一体的に有し、前記拡張部は外輪寄りの位置を占め、前記拡張部の外輪つば内径面と向き合う面が外輪つば内径の曲率半径よりも小さい曲率半径の凸曲面であり、前記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、前記間座を隣り合うころで挟み込んだとき、前記拡張部と前記軌道輪との間にすきまがある風力発電機増速機用円筒ころ軸受である。
請求項２の発明は、内輪軌道面と外輪軌道面との間に転動自在に介在する複数のころと、隣り合ったころ間に位置するプラスチック製の間座を具備する円筒ころ軸受において、間座の軸方向両端にころ端面と向き合う拡張部を一体的に有し、前記拡張部は内輪寄りの位置を占め、前記拡張部の内輪つば外径面と向き合う面が内輪つば外径の曲率半径よりも大きい曲率半径の凹曲面であり、前記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、前記間座を隣り合うころで挟み込んだとき、前記拡張部と前記軌道輪との間にすきまがある風力発電機増速機用円筒ころ軸受である。
このような構成を採用することで、従来の保持器にみられるころの離散集合に起因する引張応力を回避することができるため、より多くのころを軸受に組み込むことができ、コンパクトで定格荷重の高い円筒ころ軸受を提供することができる。さらに、総転動体軸受と異なり、隣り合うころ同士の接触を回避することができ、ころ同士が逆回転で摺動することがないため、ころの自転が阻害されにくく、かじりやスミアリングといった表面損傷を大幅に軽減することができる。
また、間座の拡張部はころの端面と係合することによって間座の軸方向移動を規制する作用をするとともに、外輪つば内径面または内輪つば外径面との間で案内作用を発揮するものであるが、間座の拡張部が外輪寄りまたは内輪寄りの位置を占めることで、潤滑油の軸方向貫流に対する影響が少なくなるため、良好な潤滑状態を維持するうえで有利である。

また、前記間座の軸方向両端にころ端面と向かい合う拡張部を設けることで、間座の軸方向への動きを前記拡張部ところ端面とで規制することができ、径方向への動きをころ転動面または内輪つば外径もしくは外輪つば内径にて規制することができる。すなわち、間座の移動規制手段として内輪や外輪の軌道面やつば側面を使用しないため、隣り合うころ間において、間座を広域にわたって介在させる必要がなく、潤滑油の攪拌抵抗を抑えることができ、また、転がり面付近において潤滑油の円滑な貫流を妨げることがない。さらに、間座を内輪つば外径または外輪つば内径に案内させる場合、前記拡張部はその案内面積を拡大する効果をも発揮するため、案内面において油膜が形成されやすくなる。

特許文献２に記載の円筒ころ軸受においては、間座の動きを内輪および外輪の軌道面とつば側面とによって規制するため、必然的にころの径方向断面と同程度の大きさの間座を介在させることになり、潤滑油の攪拌抵抗が大きい傾向がある。さらに、間座を内輪または外輪の軌道面に摺動させるため、転がり面における円滑な油膜形成が損なわれる可能性がある。

前記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、間座が内輪つば外径または外輪つば内径によって案内され、隣り合うころで間座を挟み込んだとき、間座と前記軌道輪との間にすきまがある構成としたことで次のような作用効果が得られる。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、間座と軌道輪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、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。

請求項１の発明は、前記間座の拡張部の外輪つば内径面と向き合う面が、外輪つば内径の曲率半径よりも小さい曲率半径の凸曲面であることを特徴とするものである。また、請求項２の発明は、前記間座の拡張部の内輪つば外径面と向き合う面が、内輪つば外径の曲率半径よりも大きい曲率半径の凹曲面であることを特徴とするものである。このような構成を採用することで、いわゆる「くさび効果」（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。

請求項３の発明は、請求項１または２の風力発電機増速機用円筒ころ軸受において、ころと間座でキーストン効果を発揮することを特徴とするものである。このような構成を採用することで、内輪を取り外してもころおよび間座が脱落しない仕様を作り出すことができ、内輪と外輪の別体組み付けが可能となる。すなわち、あらかじめ内輪を軸に、外輪ところのサブアセンブリをハウジングに組み付け、軸ごと内輪を挿入するといった組み付けが可能となる。すなわち、風力発電機の多段増速機に多用されている保持器付き円筒ころ軸受同様の組み付けが可能となる。

請求項４の発明は、請求項１または２の風力発電機増速機用円筒ころ軸受において、ころと間座でキーストン効果を発揮させ、軸の外径面を内輪軌道面として使用することを特徴とするものである。このような構成を採用することで、風力発電機の増速機のダウンサイジングが可能となるほか、軸やハウジングの剛性を向上させることができる。あるいは、省略した内輪のスペース分だけころ径を大きくした、より定格荷重の高い円筒ころ軸受とすることができ、増速機の長寿命化に貢献することができる。なお、前記円筒ころ軸受は、あらかじめ肉厚の異なる２種類以上の間座を製作し、その本数の組合せ（マッチング）によって円周方向すきまを容易に調整することができるため、ころピッチ円径やころ径をシビアに管理することなくキーストンを成立させることができる。すなわち、総転動体軸受よりも低コストでキーストン効果を得ることができる。

請求項５の発明は、請求項１ないし４のいずれかの風力発電機増速機用円筒ころ軸受において、前記間座に潤滑油の保持を目的とした凹部を設けたことを特徴とするものである。このような構成を採用することで、凹部に潤滑油を保持させることができ、軸受の、ひいては増速機の長寿命化に貢献することができる。風力発電機は風の状況によって長期間運転が停止する場合があり、特に遊星歯車装置においては、油浴に浸かっていない遊星歯車内の軸受から潤滑油が流れ落ちてしまい、その大半を失ってしまう。その状態から、風の状況変化によって運転が再開されると、軸受に潤滑不良が生じ、円滑な回転が損なわれることがある。このことは、発電効率の低下を招き、軸受の長寿命化の妨げにもなる。

請求項６の発明は、請求項１の風力発電機増速機用円筒ころ軸受において、前記拡張部はころのピッチ円よりも外輪側に位置することを特徴とするものである。請求項７の発明は、請求項２の風力発電機増速機用円筒ころ軸受において、前記拡張部はころのピッチ円よりも内輪側に位置することを特徴とするものである。

本発明によれば、コンパクトで定格荷重が高く、表面損傷を軽減した円筒ころ軸受を提供することができ、風力発電機の増速機のコンパクト化、長寿命化に貢献することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。

まず、図７および図８に示す遊星歯車装置を備えた風力発電機用増速機について述べる。この増速機は、共通のケーシング１０内に配置した遊星歯車装置１２と２次増速装置１４とを含む。遊星歯車装置１２は入力軸１６の回転を増速して低速軸１８に伝達する役割を果たす。２次増速装置１４は低速軸１８の回転をさらに増速して出力軸２０に伝達する役割を果たす。入力軸１６は風車（図示せず）の主軸（図示せず）等に接続され、出力軸２０は発電機（図示せず）に接続される。

遊星歯車装置１２は、太陽歯車２２と遊星歯車２４と内歯歯車２６を含む歯車列で構成される。遊星歯車２４は太陽歯車２２および内歯歯車２６の双方と噛み合っている。内歯歯車２６は、ケーシング１０に直接形成してもよく、あるいは、別体のものをケーシング１０に固定してもよい。太陽歯車２２は遊星歯車装置１２における出力軸となる部材で、低速軸１８に取り付けてある。低速軸１８は軸受２８，３０によって支持され、ケーシング１０に対して回転自在である。

遊星歯車２４はキャリア３２によって担持されている。キャリア３２は遊星歯車装置１２における入力部となる部材であり、入力軸１６と一体に形成し、または一体に結合してある。キャリア３２は入力軸１６の部分で軸受３４，３６によって支持され、ケーシング１０に対して旋回自在である。キャリア３２の円周方向に複数（図８では３）の遊星軸３８が配設してあり、各遊星軸３８に遊星歯車２４が軸受４０を介して回転自在に支持させてある。各遊星歯車２４の軸受４０は、図示の例では２個並べてあるが、１個でもよい。

２次増速装置１４はギヤ列により構成されている。図示の例では、低速軸１８に固定したギヤ４２が中間軸４４の小径側ギヤ４６と噛み合い、中間軸４４に設けた大径側ギヤ４８が出力軸２０のギヤ５０と噛み合っている。中間軸４４および出力軸２０は、それぞれ軸受５２，５４によって支持され、ケーシング１０に対して回転自在である。

ケーシング１０の下部は潤滑油の油浴５６を形成する部分とされ、その油浴５６の油面レベルＬは、遊星歯車２４を支持する軸受４０がキャリア３２の旋回によって出入りする高さとしてある。

上記構成の動作を説明する。入力軸１６が回転すると、入力軸１６と一体のキャリア３２が旋回し、キャリア３２に担持された遊星歯車２４が公転移動する。このとき各遊星歯車２４は、固定の内歯歯車２６に噛み合いながら公転することで、自転を生じる。この公転しながら自転する遊星歯車２４が太陽歯車２２と噛み合っており、そのため太陽歯車２２は、入力軸１６に対して増速されて回転する。遊星歯車装置１２の出力部となる太陽歯車２２は、２次増速装置１４の低速軸１８に設けてあり、太陽歯車２２の回転が２次増速装置１４で増速されて出力軸２０に伝えられる。このように、入力軸１６に入力される風車主軸（図示せず）の回転が、遊星歯車装置１２と２次増速装置２０とで大幅に増速されて出力軸２０に伝えられ、出力軸２０からは発電が可能な高速回転が得られる。

次に、各遊星歯車２４を支持する軸受４０について述べると、図１に示す実施の形態では、内輪２と外輪４の間に複数の円筒ころ６を介在させた円筒ころ軸受である。この円筒ころ軸受は、通常の保持器を用いず、その代わりに隣り合う円筒ころ６間に間座８を介在させたものである。内輪２は片つば付き、外輪４は両つば付きである。間座８は、図２に示すように、軸受の軸方向に延在する円筒ころ６の転動面６ａと接するころ接触面８ａを有し、その両端に、ころ端面６ｂと向かい合う拡張部８ｂが設けてある。拡張部８ｂがころ端面６ｂと干渉することで、軸受の軸方向における間座８の動きを規制する。軸受の半径方向における間座８の動きは、ころ転動面６ａまたは外輪つば内径にて規制する。

図３に示すように、間座８のころ転動面６ａと向き合う面すなわちころ接触面８ａはころ６のピッチ円を跨いで延在する凹形状である。ここでは凹形状の一例として横断面が凹円弧の場合を示してある。間座８が外輪つば内径によって案内され、隣り合うころ６で間座８を挟み込んだとき、間座８と外輪４との間にすきまＳｒがある。図４に示すように、外輪４の軌道面上で間座８をころ６で挟み込むと、外輪つばの凹形状の底を接触位置として間座８の半径方向位置が決まる。そのとき、間座８と外輪４との間にすきまＳｒが存在するように設定することで、間座８が隣り合うころ６によって外輪に押し付けられる状態（図４参照）を回避することができる。すなわち、上記設定により間座８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８だけが隣り合うころ６の拘束から解放され、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８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。

図３から分かるように、間座８の外輪つば内径面と向き合う面は、外輪つば内径の曲率半径Ｒ２よりも小さい曲率半径Ｒ１の凸曲面である。なお、図示は省略したが、間座の拡張部を内輪つば外径側に配置する場合、間座８の内輪つば外径面と向き合う面を、内輪つば外径の曲率半径よりも大きい曲率半径の凹曲面とすることもできる。このような構成を採用することで、いわゆる「くさび効果」（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。

図５に示す実施の形態は、円筒ころ６と間座８でキーストン効果を発揮させて内輪を省略した円筒ころ軸受であって、遊星軸の外径面を内輪軌道面として代用するようにしたものである。同図中、符号Ｓｃは最後の１個の円筒ころ６と一対の間座８を押し込む前のころ列のすきまを表し、符号Ａは円筒ころ６と一対の間座８の肉厚の和を表している。両者の関係がＳｃ＜Ａとなるような寸法設定とすることで、最後の１個の円筒ころ６と一対の間座８を押し込めば、ころ列全体が外輪から半径方向内側に脱落することはない（キーストン効果）。この円筒ころ軸受は、あらかじめ肉厚の異なる２種類以上の間座を製作し、その組合せ（マッチング）によって円周方向すきまを容易に調整することができるため、ころピッチ円径やころ径をシビアに管理することなくキーストンを成立させることができる。

間座８には、ころ接触面８ａ、内径面、外径面などに、潤滑油の保持を目的とした凹部や貫通穴その他の種々形態をした潤滑油保持部を設けてもよい。そうすることで、軸受の、ひいては増速機の長寿命化に貢献することができる。そのような潤滑油保持部の例を図６にいくつか示してある。図６（Ａ）は、間座８のころ接触面８ａに形成した、互いに独立した窪みの形態をした潤滑油保持部８ｃを示している。図６（Ｂ）は、間座８のころ接触面８ａに形成した、軸受の軸方向に延びた溝の形態をした潤滑油保持部８ｃを示している。図６（Ｃ）は、間座８のころ接触面８ａに形成した、軸受の内径側から外径側に切り通した溝状の潤滑油保持部８ｃを示している。図６（Ｄ）は、間座８の拡張部８ｂの内側、つまり、ころ端面６ｂと向き合う面に形成した、軸受の内径側から外径側まで切り通した溝状の潤滑油保持部８ｃを示している。図６（Ｅ）は、間座８のころ接触面８ａに設けた貫通穴の形態をした潤滑油保持部８ｃを示している。図６（Ｆ）は、間座８の一部を、軸受の円周方向および半径方向に切り欠くことによって形成した潤滑油保持部８ｃを示している。

間座８の材質としては、エンジニアリングプラスチックや焼結合金等が望ましい。プラスチックは一般的に自己潤滑性を有し、焼結合金はその気孔に潤滑油を含浸させることができる。したがって、このような構成を採用することで、軸受の、ひいては増速機の長寿命化に貢献することができる。

軸受の実施例を示す破断斜視図 図１の軸受における間座の斜視図 図１の軸受の部分側面図 間座のみ断面にした図１の軸受の部分側面図 軸受の別の実施例を示す横断面図 間座の各種変形例を示す斜視図 遊星歯車装置の実施例を示す縦断面図 図７の遊星歯車装置の横断面図

符号の説明

２ 内輪
４ 外輪
６ 円筒ころ
６ａ 転動面
６ｂ ころ端面
８ 間座
８ａ ころ接触面
８ｂ 拡張部
８ｃ 潤滑油保持部
１０ ケーシング
１２ 遊星歯車装置
１４ ２次増速装置
１６ 入力軸
１８ 低速軸
２０ 出力軸
２２ 太陽歯車
２４ 遊星歯車
２６ 内歯歯車
２８ 軸受
３０ 軸受
３２ キャリア
３４ 軸受
３６ 軸受
３８ 遊星軸
４０ 軸受
４２ ギヤ
４４ 中間軸
４６ 小径側ギヤ
４８ 大径側ギヤ
５０ ギヤ
５２ 軸受
５４ 軸受
５６ 油浴
１４ ２次増速装置

Claims (7)

1. 内輪軌道面と外輪軌道面との間に転動自在に介在する複数のころと、隣り合ったころ間に位置するプラスチック製の間座を具備する円筒ころ軸受において、間座の軸方向両端にころ端面と向き合う拡張部を一体的に有し、前記拡張部は外輪側に配置し、前記拡張部の外輪つば内径面と向き合う面が外輪つば内径の曲率半径よりも小さい曲率半径の凸曲面であり、前記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、前記間座を隣り合うころで挟み込んだとき、前記拡張部と前記軌道輪との間にすきまがある風力発電機増速機用円筒ころ軸受。
2. 内輪軌道面と外輪軌道面との間に転動自在に介在する複数のころと、隣り合ったころ間に位置するプラスチック製の間座を具備する円筒ころ軸受において、間座の軸方向両端にころ端面と向き合う拡張部を一体的に有し、前記拡張部は内輪側に配置し、前記拡張部の内輪つば外径面と向き合う面が内輪つば外径の曲率半径よりも大きい曲率半径の凹曲面であり、前記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、前記間座を隣り合うころで挟み込んだとき、前記拡張部と前記軌道輪との間にすきまがある風力発電機増速機用円筒ころ軸受。
3. ころと間座でキーストン効果を発揮する請求項１または２の風力発電機増速機用円筒ころ軸受。
4. ころと間座でキーストン効果を発揮させ、軸の外径面を内輪軌道面として使用する請求項１または２の風力発電機増速機用円筒ころ軸受。
5. 前記間座に潤滑油の保持を目的とした凹部を設けた請求項１ないし４のいずれかの風力発電機増速機用円筒ころ軸受。
6. 前記拡張部はころのピッチ円よりも外輪側に位置する請求項１の風力発電機増速機用円筒ころ軸受。
7. 前記拡張部はころのピッチ円よりも内輪側に位置する請求項２の風力発電機増速機用円筒ころ軸受。

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