WO2006035620A1 - 円筒ころ軸受 - Google Patents

Abstract

　円筒ころ軸受の内輪２０には、軌道面２１と鍔面２４とが交わる隅部にぬす溝２３が設けられている。円筒ころ４０には、転動面４１と端面４３とが交わる角部に面取り４２が設けられている。転動面４１からの面取り４２の高さをｈとし、面取り部の曲率半径をＲとすると、１．０≦Ｒ／ｈ≦１．５の関係が成立する。

Description

明 細 書

円筒ころ軸受

技術分野

[0001] 本発明は、風力発電増速機、工作機械、ジェットエンジン、ガスタービン等において

、高速および高負荷で回転する軸を支持するのに好適な円筒ころ軸受に関するもの である。

背景技術

[0002] 円筒ころ軸受は、一般に、外周に軌道面を有する内輪と、内周に軌道面を有する 外輪と、内輪の軌道面と外輪の軌道面との間に転動自在に配置された複数の円筒こ ろと、円筒ころを円周方向の所定間隔に保持する保持器とを備えている。

[0003] 例えば、内輪の両側部にそれぞれ鍔部を備えている場合、内輪の各鍔部の鍔面と 軌道面とが交わる隅部に、ぬすみ溝が設けられる。このぬすみ溝は、主として、軌道 面と鍔面を研削加工する際の逃げ溝として設けられるものである。また、円筒ころの 転動面と両端面とが交わる角部には、それぞれ、面取りが設けられる。軸方向に対向 する鍔面間の軸方向寸法は円筒ころの長さ寸法よりも僅かに大きく設定され、これに より円筒ころと鍔部との間に案内隙間が確保される。

[0004] 上記のような円筒ころ軸受は、円筒ころの転動面と軌道輪の軌道面とが線接触する ため、ラジアル荷重の負荷能力が高ぐ高速回転にも適している力 その反面、玉軸 受に比べて高速回転時の発熱量が大きぐとりわけ、円筒ころと鍔部との滑り接触部 に発熱増大や摩耗が生じ易いという問題を抱えている。すなわち、円筒ころは上記の 案内隙間分だけ傾きの自由度を持っており、軸受回転時、円筒ころの軸線が軸受の 軸線に対して傾く現象、すなわちスキューが発生することが避けられない。円筒ころ 力 Sスキューを起こすと、回転側の軌道面によって与えられる駆動力に軸方向成分が 発生し、これが軸方向推力 Fとなって円筒ころの端部を一方の鍔部に押し付けるので 、円筒ころと鍔面との滑り接触部の摩擦抵抗が増大して、発熱や摩耗の原因となるこ とがある。

[0005] 上記のような問題に対して、従来より種々の改善策が提案されている。例えば特公 昭 58— 43609号公報では、ぬすみ溝の高さ寸法を円筒ころの面取りの高さ寸法より も大きくすると共に、軸方向外側に所定の角度をもって広がったテーパ面を鍔面に設 けることにより、上記滑り接触部の潤滑状態を改善している。

[0006] また、特開平 7— 12119号公報では、円筒ころがスキューを起こしたときに、円筒こ ろの両端面外周縁部が鍔面の先端縁よりも基端に寄った部分で接触する構成とする こと〖こより、円筒ころの両端面外周縁部が鍔面の先端縁と接触する場合に比較して、 上記滑り接触部のエッジロードが小さくなるようにして 、る。

[0007] 上述のように、円筒ころは案内隙間分だけ傾きの自由度を持っており、軸受回転時 、円筒ころは最大スキュー角の範囲内で時々刻々とその姿勢を変えながら自転およ び公転運動を行う。図 1に模式的に示すように、円筒ころ 1が最大スキュー角 0 max 未満のスキュー角 Θでスキューを起こしているとき、その円筒ころ 1は上記の軸方向 推力 Fによって軸方向の一方側に押され、内輪 2の一方の鍔部 2aに押し付けられた 状態で案内されながら転動する。その際、円筒ころ 1と鍔部 2aとの接触状態は、スキ ユー角 Θによって次のように変化する。

[0008] すなわち、スキュー角 Θカ^く Θぐ θ 1の範囲では、図 2に示すように、円筒ころ 1 の端面 laと面取り lbとの境界部 B1が、鍔面 2bとぬすみ溝 2cとの境界部 B2と接触し (接触点を黒丸參で示す）、スキュー角 0が 0 1 < 0 < 0 2の範囲では、図 3に示す ように、円筒ころ 1の端面 laと面取り lbとの境界部 B1が鍔面 2bと接触する (接触点を 黒丸參で示す)。そして、スキュー角 Θが Θ 2に近付くと、円筒ころ 1の端面 laと面取 り lbとの境界部 B1が、鍔面 2bと鍔部面取り 2dとの境界部 B3と接触する（図示省略） 。その後、円筒ころ 1の両端部が両鍔部 2aとそれぞれ接触して最大スキュー角 Θ max に達する（図示省略)。

[0009] 図 4は、円筒ころ 1のスキュー角 Θと、円筒ころ 1と鍔部 2aとの接触面圧 Pとの関係（ 実線)、および円筒ころ 1に作用する軸方向推力 Fとの関係（点線)を示している。同 図に示すように、軸方向推力 Fはスキュー角 Θの増大に伴って大きくなる。

[0010] 0< Θ < Θ 1の範囲において、接触面圧 Pがスキュー角 Θの増大に伴い比較的急 激な勾配で上昇する現象が起こる。これは、円筒ころ 1と鍔部 2aとが境界部 B1と境界 部 B2とで接触すること（図 2に示す状態）、および軸方向推力 Fがスキュー角 Θの増 大に伴って大きくなることと関係している。特に、 0 0< 0 < 0 1の範囲（同図にクロス ハッチングで示す領域)では、接触面圧 Pが、該接触部に摩耗が発生する面圧レべ ル PO以上になることが試験により確認されている。

[0011] スキュー角 Θが Θ 1を超えると、接触面圧 Pは面圧レベル PO以下の値に減少し、そ の後はスキュー角 Θの増大にかかわらず比較的低い値で安定した推移を示す。これ は、円筒ころ 1と鍔部 2aとの接触状態が、境界部 B1と境界部 B2との接触（図 2に示 す状態)から、境界部 B1と鍔面 2bとの接触（図 3に示す状態）に移行したことと関係し ている。

[0012] スキュー角 Θが Θ 2に近付くと、接触面圧 Pは再び急激な上昇に転じ、 Θ 2に達した 時点から面圧レベル PO以上の値となる。これは、円筒ころ 1と鍔部 2aとの接触状態が 、境界部 B1と鍔面 2bとの接触（図 3に示す状態)から、境界部 B1と境界部 B3との接 触状態に移行したことと関係している。

[0013] 上記のように、円筒ころと鍔部との接触面圧 Pは、最大スキュー角 Θ maxに達する前 の段階、すなわちスキュー角 Θ力 Θ Ο< θ < θ 1の範囲および θ 2< θ < Θ maxで、 該接触部に摩耗が発生する面圧レベル PO以上の値になっており、このことが該接触 部の発熱や摩耗の大きな要因となっていると考えられる。

[0014] し力しながら、前述した特公昭 58— 43609号公報は、上記の現象に対する認識は なぐその改善策を提案したものではない。また、前述した特開平 7— 12119号公報 は、最大スキュー角 Θ maxでの、円筒ころの両端面外周縁部と鍔面との接触状態を 規定したものであり、最大スキュー角 Θ maxに達する前の段階で生じる上記の現象に 対する認識はなぐその改善策を提案したものではない。

[0015] 本件出願と同一の出願人は、特開 2003— 278745号公報において、より高速回 転に適した円筒ころ軸受を提案した。この公報に開示された発明の特徴は、円筒ころ の端面と面取りとの境界部が、鍔面とぬすみ溝との境界部と接触する最大スキュー角 である限界スキュー角 Θ 1を所定角度以下に規制した点にある。これにより、円筒ころ と鍔部との接触状態を、より小さなスキュー角で、境界部同士の接触（図 2に示す状 態)から、境界部と鍔面との接触（図 3に示す状態）に移行させて、接触面圧の低減を 図ることができる。 [0016] 特開 2003— 278745号公報に記載の発明について、より詳しく説明する。図 5に 拡大して示すように、内輪 2の各鍔部 2aの鍔面 2bと軌道面 2eとが交わる隅部には、 それぞれ、ぬすみ溝 2cが設けられている。これらぬすみ溝 2cは、主に、軌道面 2eと 鍔面 2bを研削加工する際の逃げ溝として設けられるものである。鍔面 2bは外径方向 に向力つて漸次開く方向に傾斜したテーパ面になっており、鍔面 2bと鍔部 2aの外径 面 2fとが交わる角部には面取り 2dが設けられている。また、円筒ころ 1の転動面 lcと 両端面 laとが交わる角部には、それぞれ、面取り lbが設けられている。さらに、軸方 向に対向する鍔面 2b間の軸方向寸法は円筒ころ 1の長さ寸法よりも僅かに大きくさ れ、円筒ころ 1の端面 laと鍔面 2bとの間に案内隙間 Sが設けられている。

[0017] 内輪 2の軌道面 2eからのぬすみ溝 2cの高さ寸法 Hは円筒ころ 1の転動面 lcからの 面取り lbの高さ寸法 hよりも大きく設定されている。そして、ぬすみ溝 2cの高さ寸法 H と円筒ころの面取り lbの高さ寸法 hとの寸法差 δ ( δ =Η— h)を所定値以下に管理 し、これにより、前述した限界スキュー角 Θ 1が所定角度以下に規制される。

[0018] なお、ぬすみ溝 2cの高さ寸法 Hは、軌道面 2eの位置から、ぬすみ溝 2cと鍔面 2bと の境界部 B2までの半径方向寸法である。また、円筒ころの面取り高さ寸法 hは、転動 面 lcと面取り部 lbとの境界部 B4の位置から、面取り部 lbと端面 laとの境界部 B1ま での半径方向寸法である。

[0019] 図 6は、特開 2003— 278745号公報に開示された円筒ころ軸受における円筒ころ 1のスキュー角 Θと、円筒ころ 1と鍔部 2aとの接触面圧 Pとの関係（実線）、および円筒 ころ 1に作用する軸方向推力 Fとの関係（点線)を示している。 0< θ < θ 1の範囲に おいて、接触面圧 Pがスキュー角 Θの増大に伴って比較的急激な勾配で上昇する現 象が起こる力 図 4に示すものと比較して、限界スキュー角 θ 1が小さな角度に規制さ れているため、接触面圧 Pは、該接触部に摩耗が発生する面圧レベル PO以下の値 で推移している（図 4にクロスハッチングで示す領域がなくなつている。 ) oすなわち、 円筒ころ 1と鍔部 2aとが、境界部 B1と境界部 B2とで接触しても（図 2に示す状態）、ス キュー角 Θが小さければ、円筒ころ 1を鍔部 2aに押し付ける軸方向推力 Fが小さいた め、接触面圧 Pは比較的小さくなる。

[0020] θ 1 < θ < Θ 2の範囲では、図 4に示したものと同様に、接触面圧 Pはスキュー角 Θ の増大にかかわらず比較的低い値で安定した推移を示す。スキュー角 Θが Θ 2に近 付くと、接触面圧 Pは再び急激な上昇に転じ、 Θ 2に達した時点力 面圧レベル PO 以上の値となる力 図 4に示すものと比較して、最大スキュー角 0 maxが小さな角度に 規制されているため、接触面圧 Pが面圧レベル POを超える角度範囲（ 0 2< θ < θ max)が狭くなつている。

[0021] 上記のように、限界スキュー角 θ 1を小さな角度に規制して、円筒ころ 1と鍔部 2aと の接触状態を、より小さなスキュー角で、境界部 B1と境界部 B2との接触（図 2に示す 状態)から、境界部 B1と鍔面 2bとの接触（図 3に示す状態）に移行させることにより、 接触面圧 Pを低減して、該接触部の発熱や摩耗を抑制することができる。

[0022] 特開 2003— 278745号公報に開示された円筒ころ軸受によれば、円筒ころと鍔部 との接触部の発熱や摩耗をある程度抑制できるが、さらに改良すべき余地もある。す なわち、特開 2003— 278745号公報では、スキュー角 0力 S 0 1〜 0 2の範囲内にあ るときの接触面圧（図 6参照）を減少させることについて、特に検討していない。例え ば、風力発電増速機の遊星歯車用円筒ころ軸受は高負荷の状態で高速回転運転さ れるが、このような高負荷 ·高速回転運転で使用される円筒ころ軸受の場合、接触面 圧が相対的に低くなる 0 1〜 0 2の範囲のスキュー角においても、接触面圧をより低 くして接触部における発熱および摩耗をさらに抑制することが望まれる。

[0023] また、図 6に示すように、最初の接触面圧のピークは、円筒ころの面取り部の上端に ある境界部 B1 (円筒ころの端面と面取り部との境界）と、軌道輪のぬすみ溝の上端に ある境界部 B2 (ぬすみ溝と鍔面との境界部）との接触によって生じる。好ましくは、こ の最初の接触面圧のピークの大きさをより小さくしたい。

発明の開示

[0024] 本発明の目的は、特開 2003— 278745号公報に開示された円筒ころ軸受を改良 し、高負荷 ·高速回転運転で使用されるのに好適な円筒ころ軸受を提供することであ る。

[0025] 本発明に従った円筒ころ軸受は、軌道面の両側に鍔部を有し、かつ鍔部のうち少 なくとも一方の鍔面と軌道面とが交わる隅部にぬすみ溝が設けられた軌道輪と、軌道 面上を転動自在に配置され、その転動面と両端面とが交わる角部に面取りが設けら れた円筒ころとを備えた円筒ころ軸受を前提とし、次のことを特徴とする。すなわち、 円筒ころの転動面からの面取りの高さを hとし、面取り部の曲率半径を Rとすると、 1. 0≤R/h≤l . 5の関係が成立することを特徴とする。

[0026] 円筒ころが軌道輪の軌道面上でスキューした場合、円筒ころの端面と面取り部との 境界部が、軌道輪の鍔面に接触する。通常、円筒ころの境界部にはエッジ (角）が残 る。円筒ころと軌道輪の鍔面との接触面圧を低くするには、円筒ころの境界部におけ るエッジを極力小さくし、できるだけ連続的な曲面にするのが望ましい。そこで、本発 明では、境界部におけるエッジを小さくするために、円筒ころの面取り部の高さ寸法 に対する面取り部の曲率半径の比率を 1. 0〜1. 5の範囲内となるようにした。比率が 1. 0であれば、エッジは無くなり、完全な連続的な曲面の境界部となる。

[0027] 好ましくは、円筒ころと軌道輪の鍔部との滑り接触部の潤滑状態を改善するために 、円筒ころの面取りの高さ hを、軌道輪の軌道面からのぬすみ溝の高さ Hよりも小さく する。

[0028] 軌道輪が内輪の場合、軌道面力ものぬすみ溝の高さが大きくなるほど、ぬすみ溝と 鍔面との境界部の周速度が大きくなるので、円筒ころとの接触面圧が高くなる。接触 面圧を小さくするには、ぬすみ溝の高さを小さくすることが好ましい。例えば、円筒こ ろの直径が 24mmを越え 30mm以下の場合、ぬすみ溝の高さを 1. 2mm以下にす る。円筒ころの直径が 30mmを越え 40mm以下の場合、ぬすみ溝の高さを 1. 4mm 以下にする。円筒ころの直径力 S40mmを越え 50mm以下の場合、ぬすみ溝の高さを 1. 6mm以下にする。

[0029] 以上のように、この発明によれば、円筒ころと軌道輪の鍔部との接触部の接触面圧 を一層小さくすることにより接触部の発熱および摩耗を抑制することができる。

図面の簡単な説明

[0030] [図 1]円筒ころカ^キユーを起こし、一方の鍔部と接触している状態を模式的に示す 図である。

[図 2]円筒ころの端面と面取りとの境界部が、鍔面とぬすみ溝との境界部と接触して いる状態を示す図である。

[図 3]円筒ころの端面と面取りとの境界部が、鍔面と接触している状態を示す図である [図 4]従来の円筒ころ軸受における円筒ころのスキュー角 Θと、円筒ころと鍔部との接 触面圧 Pとの関係 (実線)、および円筒ころに作用する軸方向推力 Fとの関係 (点線） を示す図である。

[図 5]円筒ころの端部と鍔部の周辺部を示す拡大断面図である。

[図 6]特開 2003— 278745号公報に開示された円筒ころ軸受における円筒ころのス キュー角 Θと、円筒ころと鍔部との接触面圧 Pとの関係（実線)、および円筒ころに作 用する軸方向推力 Fとの関係（点線)を示す図である。

[図 7]本発明の一実施形態に係る円筒ころ軸受の断面図である。

[図 8]本発明の一実施形態に係る円筒ころの端部と鍔部とを示す拡大断面図である。 発明を実施するための最良の形態

[0031] 図 7は、この発明の一実施形態に係る円筒ころ軸受 10を示している。この円筒ころ 軸受 10は、例えば、風力発電増速機、工作機械、ジェットエンジン、ガスタービン等 のように、高負荷'高速回転運転で使用されるものである。

[0032] 円筒ころ軸受 10は、外周に軌道面 21を有する内輪 20と、内周に軌道面 31を有す る外輪 30と、内輪 20の軌道面 21と外輪 30の軌道面 31との間に転動自在に配置さ れた複数の円筒ころ 40と、複数の円筒ころ 40を円周方向で所定間隔に保持する保 持器 50とを備える。内輪 20の両側部には、鍔部 22が設けられている。

[0033] 図 8に拡大して示すように、内輪 20の各鍔部 22の鍔面 24と軌道面 21とが交わる隅 部に、ぬすみ溝 23が設けられている。このぬすみ溝 23は、主に、軌道面 21と鍔面 2 4とを研削加工する際の逃げ溝として設けられるものである。この実施形態では、鍔 面 24は外径方向に向かって漸次開く方向に傾斜したテーパ面となっており、鍔面 24 と鍔部 22の外径面 25とが交わる角部には面取りが設けられている。

[0034] 円筒ころ 40の転動面 41と両端面 43とが交わる角部には、面取り 42が設けられて いる。軸方向に対向する鍔面 24間の軸方向寸法は円筒ころ 40の長さ寸法よりも僅 力に大きくされ、円筒ころ 40の端面 43と鍔面 24との間に案内隙間 Sが設けられる。

[0035] 円筒ころ 40の転動面 41と面取り 42との境界部 B4、および端面 43と面取り 42との 境界部 42に、必ずエッジ (角）が残る。その理由は、円筒ころ 40の熱処理後に転動 面 41および端面 43を研磨するからである。

[0036] 前述したように、円筒ころ 40と内輪 20の鍔面 24との接触面圧を低くするには、円筒 ころ 40の面取り 42と端面 43との境界部 B1におけるエッジ (角）を極力小さくし、でき るだけ連続的な曲面にするのが望ましい。そこで、図示した実施形態では、円筒ころ 40の転動面 41からの面取りの高さを hとし、面取り部 42の曲率半径を Rとしたとき、 1 . 0≤R/h≤l. 5の関係が成立するように円筒ころ 40をカ卩ェする。 RZhの値が 1. 0 であれば面取り 23の高さ hと曲率半径 Rとが同じなので、端面 23は面取り部 42の接 線となり、エッジは無くなる。 RZhの値の上限値を 1. 5としたのは、従来の円筒ころの RZhの値が概ね 2. 0〜3. 0の範囲であり、従来の円筒ころ軸受よりも円筒ころ 40と 鍔面 24との接触部の接触面圧を低くしたいからである。

[0037] 図 6を参照して記載したように、最初の接触面圧のピークは、円筒ころ 40の面取り 部 42の上端にある境界部 B1と、内輪 20のぬすみ溝 23の上端にある境界部 B2との 接触によって生じる。本実施形態では、この最初の接触面圧のピークの大きさをより 小さくするとともに滑り接触部の潤滑状態を改善するために、円筒ころの面取りの高さ hをぬすみ溝 Hの高さよりも小さくし、ぬすみ溝 Hの高さ寸法を従来の円筒ころ軸受 のぬすみ溝よりも小さくする。内輪 20のぬすみ溝 23と鍔面 24との境界部 B2の高さ 寸法 H (ぬすみ溝 23の高さ）が高くなれば、内輪 20の回転軸線力も境界部 B2に至る までの半径 Lが大きくなり、境界部 B2の周速度は大きくなる。 B2の周速度が大きいほ ど、円筒ころ 40の境界部 B1と内輪 20の境界部 B2との接触面圧が高くなるので、初 期の接触面圧のピークを小さくするには境界部 B2の高さ寸法 Hを小さくするのが望 ましい。

[0038] 例えば、円筒ころ 40の直径が 24mmを越え 30mm以下の場合、ぬすみ溝 23の高 さ Hを 1. 2mm以下にする。また、円筒ころ 40の直径が 30mmを越え 40mm以下の 場合、ぬすみ溝 23の高さ Hを 1. 4mm以下にする。さらに、円筒ころ 40の直径力 0 mmを越え 50mm以下の場合、ぬすみ溝 23の高さ Hを 1. 6mm以下にする。

[0039] 本件発明者は、風力発電増速機の遊星歯車を回転可能に支持する円筒ころ軸受 の従来品について各部の寸法を測定し、併せて本発明実施品の各部の寸法も測定 した。その測定結果を下記の表 1に示す。 [0040] [表 1] 単位 mm

[0041] 表 1の測定結果から明らかなように、従来品の RZhの値は 2以上であるのに対し、 本発明実施品の R/hの値は、 1. 5以下である。また、ぬすみ溝の高さに関して、本 発明実施品は従来品に比べてかなり小さくなつている。

[0042] なお、図示した実施形態では、内輪が軌道面の両側に鍔部を有し、その両方の鍔 部の鍔面と軌道面とが交わる隅部にぬすみ溝を設けていた力 他の実施形態として 、一方の鳄面と軌道面とが交わる隅部にのみぬすみ溝を設けるようにしても良い。

[0043] さらに、外輪が鍔部を有する場合、外輪の鍔部と円筒ころとの関係についても上述 したのと同様の寸法関係を適用するのが望ましい。なお、請求の範囲に記載している 「軌道輪」とは、内輪および外輪のいずれか一方または両者を含むものとして理解す べきである。

[0044] 以上、図面を参照してこの発明の実施形態を説明した力 この発明は、図示した実 施形態のものに限定されない。図示した実施形態に対して、この発明と同一の範囲 内において、あるいは均等の範囲内において、種々の修正や変更を加えることが可 能である。

産業上の利用可能性

[0045] この発明は、風力発電増速機、工作機械、ジェットエンジン、ガスタービン等のよう に高負荷 ·高速回転運転で使用される円筒ころ軸受に有利に適用され得る。

Claims

請求の範囲 [1] 軌道面の両側に鍔部を有し、かつ前記鍔部のうち少なくとも一方の鍔面と軌道面とが 交わる隅部にぬすみ溝が設けられた軌道輪と、 前記軌道面上を転動自在に配置され、その転動面と両端面とが交わる角部に面取 りが設けられた円筒ころとを備えた円筒ころ軸受において、 前記転動面からの面取りの高さを hとし、面取り部の曲率半径を Rとすると、

1. 0≤R/h≤l. 5

の関係が成立することを特徴とする、円筒ころ軸受。

[2] 前記面取りの高さ hは、前記軌道面力ものぬすみ溝の高さ Hよりも小さい、請求項 1に 記載の円筒ころ軸受。

[3] 前記円筒ころの直径が 24mmを越え 30mm以下であり、前記ぬすみ溝の高さが 1. 2 mm以下である、請求項 1に記載の円筒ころ軸受。

[4] 前記円筒ころの直径が 30mmを越え 40mm以下であり、前記ぬすみ溝の高さが 1. 4 mm以下である、請求項 1に記載の円筒ころ軸受。

[5] 前記円筒ころの直径力 Ommを越え 50mm以下であり、前記ぬすみ溝の高さが 1. 6 mm以下である、請求項 1に記載の円筒ころ軸受。