(57)【要約】【課題】外輪の傾きを抑制して剛性の低下を防止することが可能なアンギュラ玉軸受および機械装置を提供する。【解決手段】アンギュラ玉軸受１において、外輪４は、ベース部分４ａとバネ部分４ｂと突出部分４ｃとを含む。ベース部分４ａは、軌道面４ｆが形成された環状の部分である。バネ部分４ｂは、ベース部分４ａに連なり、外輪４の中心軸に沿った方向に延び、外輪４の径方向において弾性変形可能な部分である。突出部分４ｃは、バネ部分４ｂにおいてベース部分４ａと接続された側と反対側の端部に連なり、外輪４の径方向において外輪４の外周側に向けてバネ部分４ｂの表面より突出した部分である。【選択図】図１
2019173855.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内周側に軌道面を有する外輪と、
前記外輪の前記軌道面に接触する転動体と、
前記転動体に接触する内輪とを備え、
前記外輪は、
前記軌道面が形成された環状のベース部分と、
前記ベース部分に連なり、前記外輪の中心軸に沿った方向に延び、前記外輪の径方向において弾性変形可能なバネ部分と、
前記バネ部分において前記ベース部分と接続された側と反対側の端部に連なり、前記外輪の前記径方向において前記外輪の外周側に向けて前記バネ部分の表面より突出した突出部分とを含む、アンギュラ玉軸受。
【請求項２】
前記バネ部分の形状は、前記ベース部分に沿って延びる環状であり、
前記突出部分は、前記バネ部分の前記端部に沿って環状に形成され、
前記突出部分の外径は、前記ベース部分の外径より大きい、請求項１に記載のアンギュラ玉軸受。
【請求項３】
前記バネ部分には、前記中心軸に沿って延びる少なくとも１つ以上のスリットが形成されている、請求項１または２に記載のアンギュラ玉軸受。
【請求項４】
回転軸と、
前記回転軸の周囲に配置されたハウジングと、
前記ハウジングに対して前記回転軸を支持する、請求項１〜３のいずれか１項に記載のアンギュラ玉軸受とを備える、機械装置。
【請求項５】
前記アンギュラ玉軸受の前記外輪における前記突出部分は、前記ハウジングに対してしまりばめにより固定されている、請求項４に記載の機械装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、アンギュラ玉軸受および機械装置に関し、より特定的には、剛性を高めたアンギュラ玉軸受および機械装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、機械装置における高速回転軸の支持に用いる軸受の１つとして、アンギュラ玉軸受が知られている。具体的には、従来の機械装置における回転軸の支持機構では、たとえば一定のアキシアル荷重により予圧を与えたアンギュラ玉軸受が用いられている。ここで、ばねによるアキシアル荷重を受ける当該アンギュラ玉軸受の外輪は、機械装置のハウジングに対してすきまばめで嵌合され、軸方向に移動できるようになっている。しかし、外輪は、ハウジングに対してわずかに傾きの自由度を有しており、ラジアル荷重が作用すると傾く。そして、この傾きにより回転軸のラジアル変位が増すため、結果として当該指示機構の剛性の低下につながる（M. F. Butner, et.al.、"THE INFLUENCE OF MOUNTING COMPLIANCE AND OPERATING CONDITIONS ON THE RADIAL STIFFNESS OF BALLBEARINGS:ANALYTIC AND TEST RESULTS"、DE-Vol.35、Rotating Machinery and Vehicle Dynamics、ASME 1991）。たとえば機械装置の一種である工作機械の主軸の支持にアンギュラ玉軸受が適用された場合、上記のような剛性の低下は主軸の振れ回り半径の増大（つまり加工精度の低下）につながる。また、上記のような剛性の低下はアンギュラ玉軸受に支持される回転体の危険速度の予測精度の低下にもつながる。
【０００３】
このような剛性の低下を抑制するため、たとえば特開２０１５−１６９２５８号公報では、アンギュラ玉軸受の外輪についてアキシアル方向における長さを大きくし、ハウジングに対する外輪の傾きを抑制することが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１５−１６９２５８号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】M. F. Butner, et.al.、"THE INFLUENCE OF MOUNTING COMPLIANCE AND OPERATING CONDITIONS ON THE RADIAL STIFFNESS OF BALLBEARINGS:ANALYTIC AND TEST RESULTS"、DE-Vol.35、Rotating Machinery and Vehicle Dynamics、ASME 1991
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記特開２０１５−１６９２５８号公報においては、外輪がハウジングに対してすきまばめされている。このため、外輪の荷重負荷側のみでハウジングと外輪との間にラジアル荷重の反力が作用し、当該反力により外輪の傾きを抑制している。つまり外輪の荷重非負荷側は外輪の傾きの抑制に大きく寄与しない。この結果、外輪の傾きを抑制する力が不十分となる場合が考えられる。
【０００７】
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、この発明の目的は、外輪の傾きを抑制して剛性の低下を防止することが可能なアンギュラ玉軸受および機械装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本開示に従ったアンギュラ玉軸受は、外輪と転動体と内輪とを備える。外輪は内周側に軌道面を有する。転動体は外輪の軌道面に接触する。内輪は転動体に接触する。外輪は、ベース部分とバネ部分と突出部分とを含む。ベース部分は、軌道面が形成された環状の部分である。バネ部分は、ベース部分に連なり、外輪の中心軸に沿った方向に延び、外輪の径方向において弾性変形可能な部分である。突出部分は、バネ部分においてベース部分と接続された側と反対側の端部に連なり、外輪の径方向において外輪の外周側に向けてバネ部分の表面より突出した部分である。
【０００９】
本開示に従った機械装置は、回転軸と、回転軸の周囲に配置されたハウジングと、上記アンギュラ玉軸受とを備える。アンギュラ玉軸受は、ハウジングに対して回転軸を支持する。
【発明の効果】
【００１０】
上記によれば、外輪の傾きを抑制して剛性の低下を防止することが可能なアンギュラ玉軸受および機械装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本実施形態に係るアンギュラ玉軸受および機械装置を示す断面模式図である。
【図２】図１に示したアンギュラ玉軸受および機械装置の部分拡大断面模式図である。
【図３】図１に示したアンギュラ玉軸受の斜視模式図である。
【図４】図３の領域ＩＶの拡大模式図である。
【図５】本実施形態に係るアンギュラ玉軸受および機械装置の作用効果を説明するための模式図である。
【図６】ラジアル剛性とラジアル荷重との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付しその説明は繰返さない。
【００１３】
＜アンギュラ玉軸受および機械装置の構成＞
図１は、本実施形態に係るアンギュラ玉軸受および機械装置を示す断面模式図である。図２は、図１に示したアンギュラ玉軸受および機械装置の部分拡大断面模式図である。図３は、図１に示したアンギュラ玉軸受の斜視模式図である。図４は、図３の領域ＩＶの拡大模式図である。
【００１４】
図１〜図４を参照して、本実施形態に係るアンギュラ玉軸受１は機械装置に組込まれており、回転軸７とハウジング５との間に配置されている。アンギュラ玉軸受１は、回転軸７を支持しており、回転軸７に接触する内輪２と、内輪２の外周表面に形成された軌道面としての溝に接する転動体３と、転動体３に接するとともにハウジング５に接する外輪４とを備える。転動体３は球である。外輪４の幅面４ｅにはアキシアル予圧を負荷するための図示しない予圧部材が接触している。予圧部材はたとえばバネである。
【００１５】
外輪４は、ベース部分４ａとバネ部分４ｂと突出部分４ｃとを主に含む。ベース部分４ａは、内周面側に軌道面４ｆが形成された環状の部分である。バネ部分４ｂは、ベース部分４ａにおいて予圧部材が接触する幅面４ｅと反対側の部分においてベース部分４ａに連なっている。バネ部分４ｂは外輪４の中心軸に沿った方向に延びる。バネ部分４ｂは外輪４の径方向において弾性変形可能な部分である。バネ部分４ｂの径方向における厚みはベース部分４ａの厚みより薄い。バネ部分４ｂの形状は、ベース部分４ａに沿って延びる環状である。また、バネ部分４ｂの外径はベース部分４ａの外径Ｄ１より小さい。突出部分４ｃの外径Ｄ２は、ベース部分４ａの外径Ｄ１より大きい。バネ部分４ｂには、図３に示すように中心軸に沿って延びる少なくとも１つ以上のスリット４ｄが形成されている。
【００１６】
突出部分４ｃは、バネ部分４ｂにおいてベース部分４ａと接続された側と反対側の端部に連なる。突出部分４ｃは、外輪４の径方向において外輪４の外周側に向けてバネ部分４ｂの表面より突出した部分である。突出部分４ｃは、バネ部分４ｂの端部に沿って環状に形成される。突出部分４ｃおよびバネ部分４ｂはスリット４ｄにより分割されている。突出部分４ｃのハウジング５に対向する先端部は、曲面状となっている。これはハウジング５に対する外輪４の取付性を向上させるためである。
【００１７】
アンギュラ玉軸受１の外輪４における突出部分４ｃは、バネ部分４ｂによる弾性力によってハウジング５に対してしまりばめにより固定されている。ハウジング５内部に配置される前の無負荷状態におけるアンギュラ玉軸受１では、突出部分４ｃの外径Ｄ２はハウジング５においてアンギュラ玉軸受１が配置される開口部の内径より大きい。
【００１８】
異なる観点から言えば、図１〜図４に示したアンギュラ玉軸受１は、外輪４の予圧用バネによる予圧方向の前方側における幅面にバネ部分４ｂである薄肉円筒状バネを設けている。さらに、アンギュラ玉軸受１では、当該薄肉円筒状バネの端面に、外輪４とハウジング５とを常に接触させる外輪支持つばとしての突出部分４ｃを外径方向に向けて延びるように設けている。外輪４とハウジング５とは、突出部分４ｃのみしまりばめにし、ベース部分４ａとハウジング５とはすきまばめにしている。つまり、外輪４はハウジング５に対して部分的なしまりばめにより固定されている。
【００１９】
＜作用効果＞
本開示に従ったアンギュラ玉軸受１は、外輪４と転動体３と内輪２とを備える。外輪４は内周側に軌道面４ｆを有する。転動体３は外輪４の軌道面４ｆに接触する。内輪２は転動体３に接触する。外輪４は、ベース部分４ａとバネ部分４ｂと突出部分４ｃとを含む。ベース部分４ａは、軌道面４ｆが形成された環状の部分である。バネ部分４ｂは、ベース部分４ａに連なり、外輪４の中心軸に沿った方向に延び、外輪４の径方向において弾性変形可能な部分である。突出部分４ｃは、バネ部分４ｂにおいてベース部分４ａと接続された側と反対側の端部に連なり、外輪４の径方向において外輪４の外周側に向けてバネ部分４ｂの表面より突出した部分である。
【００２０】
このようにすれば、当該アンギュラ玉軸受１を機械装置のハウジング５に組込む場合に、バネ部分４ｂによる押圧力を利用して突出部分４ｃをハウジング５に対して押し付けた状態とすることができる。このため、アンギュラ玉軸受１の外輪４がハウジング５に対して傾くような応力、たとえば図３の矢印１０に示すような方向の応力が当該外輪４に作用した場合、突出部分４ｃとハウジング５との接触部６において図４の矢印３０ａに示す方向の摩擦力が発生し、外輪４の傾きを抑制できる。この結果、機械装置の剛性の低下を抑制できる。
【００２１】
上述した本実施形態に従ったアンギュラ玉軸受１の作用効果について、図５を参照しながらより詳しく説明する。図５は、本実施形態に係るアンギュラ玉軸受および機械装置の作用効果を説明するための模式図であって、図５（Ａ）は比較例としてのバネ部分４ｂおよび突出部分４ｃを有さない外輪１０４を備えるアンギュラ玉軸受を示し、図５（Ｂ）は本実施形態に係るアンギュラ玉軸受１を示している。
【００２２】
図５（Ａ）に示す比較例としてのアンギュラ玉軸受は、外輪１０４と転動体１０３と内輪１０２とを備える。外輪１０４とハウジング１０５間はすきまばめされている。図５（Ａ）に示すアンギュラ玉軸受には、幅面１０４ｅに対して予圧用バネによる矢印４０に示すようなアキシアル予圧が負荷されている。ラジアル荷重が負荷されていない場合、外輪１０４には転動体荷重Ｆｂが方向にかかわらず均一に負荷される。そのため、転動体荷重Ｆｂのアキシアル分力は等しくなる。
【００２３】
図５（Ａ）に示す構成において矢印１０に示すようにラジアル荷重が負荷された場合、外輪１０４が受ける転動体荷重Ｆｂは負荷方向（図５（Ａ）における下向き）に大きくなる。つまり、外輪１０４に対して転動体荷重Ｆｂが外輪１０４の下端側（負荷側）と上端側（非負荷側）とで不均一に負荷される。この結果、転動体荷重Ｆｂの分力である上端側のアキシアル分力は矢印５０ａに示すように相対的に小さく、下端側のアキシアル分力は矢印５０ｂに示すように相対的に大きくなる。
【００２４】
下端側（負荷側）と上端側（非負荷側）とで不均一なアキシアル分力が外輪１０４に負荷されることで、矢印２０に示すように外輪１０４を傾かせるモーメントが発生する。ここで、外輪１０４とハウジング１０５との間には外輪１０４の下端側において当該モーメントに対する抵抗となる摩擦力が矢印３０ｂに示すように発生する。一方、外輪１０４とハウジング１０５とはすきまばめされているため、外輪１０４の上端側においてはこのような摩擦力は発生しない。この結果、ハウジング１０５に対して外輪１０４が傾く。
【００２５】
ここで、図６に示すように、外輪が傾くとラジアル剛性が大幅に低下することが知られている。図６は、ラジアル荷重とラジアル剛性との関係を示すグラフである。図６の横軸がラジアル荷重（Ｎ）を示し、縦軸がラジアル剛性（Ｎ／ｍｍ）を示す。図６における曲線Ａは、外輪が傾かない場合であってアキシアル予圧が４０００Ｎ加えられた状態でのラジアル荷重とラジアル剛性との関係を示す。図６における曲線Ｃは、外輪が傾く場合であってアキシアル予圧が４０００Ｎ加えられた状態でのラジアル荷重とラジアル剛性との関係を示す。図６における曲線Ｂは、外輪が傾かない場合であってアキシアル予圧が８０００Ｎ加えられた状態でのラジアル荷重とラジアル剛性との関係を示す。図６における曲線Ｄは、外輪が傾く場合であってアキシアル予圧が８０００Ｎ加えられた状態でのラジアル荷重とラジアル剛性との関係を示す。図６からわかるように、外輪が傾くことによりラジアル剛性は最大で約９０％低下する場合がある。
【００２６】
一方、本実施形態に係るアンギュラ玉軸受については、図５（Ｂ）に示すように、矢印１０に示すようにラジアル荷重が負荷された場合、図５（Ａ）の場合と同様に外輪４に対して転動体荷重Ｆｂが外輪４の下端側（負荷側）と上端側（非負荷側）とで不均一に負荷される。この結果、転動体荷重Ｆｂの分力である上端側のアキシアル分力は矢印５０ａに示すように相対的に小さく、下端側のアキシアル分力は矢印５０ｂに示すように相対的に大きくなる。下端側（負荷側）と上端側（非負荷側）とで不均一なアキシアル分力が外輪４に負荷されることで、矢印２０に示すように外輪１０４を傾かせるモーメントが発生する。図５（Ｂ）に示したアンギュラ玉軸受では、外輪支持つばとしての突出部分４ｃにより、ハウジング５と外輪４の一部がしまりばめされている。このため、外輪４を傾かせる力となる不均一なアキシアル分力に対して、ハウジング５と外輪４の間に矢印３０ａ〜３０ｃに示すような抵抗となる摩擦力が働く。すなわち、下端側（負荷側）と上端側（非負荷側）との両方で突出部分４ｃとハウジングとの接触部において矢印３０ａ、３０ｃに示すような摩擦力が発生し、下端側でベース部分４ａとハウジング５との接触部にて矢印３０ｂに示すような摩擦力が発生する。ハウジング５と外輪４間の摩擦力は、矢印２０に示すような外輪４の傾きモーメントに抵抗する力である。このように外輪４の傾きモーメントに対する抵抗力が相対的に大きくなるため、外輪４の傾きと傾きによる剛性の低下を抑制できる。また、本実施形態に係るアンギュラ玉軸受１は、上記のように外輪４にバネ部分４ｂと突出部分４ｃとを形成することで外輪４の傾きを抑制できるので、軸受の内部諸元である転動体径や転動体個数、接触角、軌道面曲率などを変えずに、より軸受剛性の高い状態で使用することができる。
【００２７】
上記アンギュラ玉軸受１において、バネ部分４ｂの形状は、ベース部分４ａに沿って延びる環状である。突出部分４ｃは、バネ部分４ｂの端部に沿って環状に形成される。突出部分４ｃの外径Ｄ２は、ベース部分４ａの外径Ｄ１より大きい。
【００２８】
この場合、アンギュラ玉軸受１を組込むハウジング５に対して、図２に示す接触部６において突出部分４ｃを確実に接触させることができる。
【００２９】
上記アンギュラ玉軸受１において、バネ部分４ｂには、図３に示すように中心軸に沿って延びる少なくとも１つ以上のスリット４ｄが形成されている。この場合、バネ部分４ｂの剛性をスリット４ｄの数や配置により調整することができる。たとえば、スリット４ｄの数を十分に多くすることで、アンギュラ玉軸受１が組込まれるハウジング５に対して突出部分４ｃが押圧される力を相対的に弱くすることができる。
【００３０】
この結果、外輪４の中心軸に沿った方向において、ハウジング５に対して外輪４を移動可能とすることができる。異なる観点から言えば、外輪支持つばとしての突出部分４ｃとハウジング５との接触面圧および摩擦力の調整のために、突出部分４ｃとバネ部分４ｂとに軸方向へスリット４ｄを設ける。このため、突出部分４ｃとバネ部分４ｂとの曲げ剛性を調整できる。この結果、外輪４のハウジング５に対するアキシアル方向への相対変位を可能とし、外輪４に対する定圧予圧が可能になる。
【００３１】
また、突出部分４ｃのハウジング５に対向する先端部ははめあい面であるため、当該突出部分４ｃの外径寸法は曲げ剛性、たわみ、しめしろなどを考慮して決定する必要がある。そこで、スリット４ｄを設けて、突出部分４ｃとバネ部分４ｂの曲げ剛性を小さくすることで、しめしろに公差の余裕を持たせることができる。
【００３２】
本開示に従った機械装置は、回転軸７と、回転軸７の周囲に配置されたハウジング５と、上記アンギュラ玉軸受１とを備える。アンギュラ玉軸受１は、ハウジング５に対して回転軸７を支持する。このようにすれば、アンギュラ玉軸受１のハウジング５に対する傾きが抑制されるため、機械装置の剛性、特にアンギュラ玉軸受１のラジアル方向における剛性の低下が抑制される。この結果、機械装置の回転軸７を高い剛性で支持することができる。
【００３３】
上記機械装置において、アンギュラ玉軸受１の外輪における突出部分４ｃは、ハウジング５に対してしまりばめにより固定されている。この場合、図５などに示したようにアンギュラ玉軸受１の外輪４がハウジング５に対して傾くような応力が発生したときに、突出部分４ｃとハウジング５との接触部６において矢印３０ａにより示すような強い摩擦力が発生し、当該外輪４のハウジング５に対する傾きをより確実に抑制できる。この結果、アンギュラ玉軸受１の剛性の低下を抑制し、機械装置の回転軸７を高い剛性で支持することができる。
【００３４】
以上のように本発明の実施の形態について説明を行ったが、上述の実施の形態を様々に変形することも可能である。また、本発明の範囲は上述の実施の形態に限定されるものではない。本発明の範囲は、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むことが意図される。
【符号の説明】
【００３５】
１  アンギュラ玉軸受、２，１０２  内輪、３，１０３  転動体、４，１０４  外輪、４ａ  ベース部分、４ｂ  バネ部分、４ｃ  突出部分、４ｄ  スリット、４ｅ，１０４ｅ  幅面、４ｆ  軌道面、５，１０５  ハウジング、６  接触部、７  回転軸、１０，２０，３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，４０，５０ａ，５０ｂ  矢印。
【図１】
2019173855.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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