(57)【要約】【課題】アキシアル方向の負荷荷重が大きい場合やスキューが生じた場合でも円筒ころと鍔部との接触点が楕円以外の形状に変形してしまうことを防止することのできる円筒ころ軸受を提供する。【解決手段】円筒ころ１６の直径をＤａ、円筒ころ１６の周面１６ａと端面１６ｂとの境界部に形成された面取り部２０の曲率半径をｃ、軌道輪の軌道面１２ａと鍔部１８の内側面１８ａとの境界部に形成された研削用逃げ溝２２の高さをｈ１、逃げ溝２２の高さと円筒ころ１６の直径との比をｈ１／Ｄａ＝０．０５〜０．０７としたとき、面取り部２２の曲率半径を円筒ころ１６の直径に対してｃ＝０．０８Ｄａ〜０．１８Ｄａの範囲内に設定する。【選択図】　図１
2004011821.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
円環状の軌道面を外周に有する内側軌道輪と、この内側軌道輪の軌道面と対向する円環状の軌道面を内周に有する外側軌道輪と、前記内側軌道輪および前記外側軌道輪の両軌道面間に配設された複数の円筒ころとを備え、前記内側軌道輪および／又は前記外側軌道輪の軌道面端部に鍔部を設け、この鍔部の内側面を前記円筒ころの端面に対して所定の角度で傾斜させた円筒ころ軸受において、
前記円筒ころの直径をＤａ、前記円筒ころの周面と端面との境界部に形成された面取り部の面取寸法をｃ、前記軌道輪の軌道面と前記鍔部の内側面との境界部に形成された逃げ溝の高さをｈ１、前記逃げ溝の高さと前記円筒ころの直径との比をｈ１／Ｄａ＝０．０５〜０．０７としたとき、前記面取り部の面取寸法を前記円筒ころの直径に対してｃ＝０．０８Ｄａ〜０．１８Ｄａの範囲内に設定したことを特徴とする円筒ころ軸受。
【請求項２】
前記面取り部の面取寸法を前記円筒ころの直径に対してｃ＝０．０８Ｄａ〜０．１Ｄａの範囲内に設定したことを特徴とする請求項１記載の円筒ころ軸受。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、回転軸を支承する軸受として用いられる円筒ころ軸受に係り、特に、転動体としての円筒ころにラジアル方向とアキシアル方向の合成荷重が作用する場合に使用される円筒ころ軸受の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、回転軸を支承する転がり軸受として、たとえば、図１０に示すような円筒ころ軸受１０が知られている。この円筒ころ軸受１０は、円環状の内側軌道面１２ａを外周に有する内側軌道輪１２と、この内側軌道輪１２の軌道面１２ａと対向する円環状の軌道面１４ａを内周に有する外側軌道輪１４と、これら軌道輪１２，１４の軌道面１２ａ，１４ａ間に配設された複数の円筒ころ１６とを備えており、内側軌道輪１２又は外側軌道輪１４の一方を回転輪として用い、他方を固定輪として用いると、回転輪の回転に伴って円筒ころ１６が軌道輪１２，１４の軌道面１２ａ，１４ａ上を転動するようになっている。
【０００３】
このような円筒ころ軸受では、図１１に示すような鍔部１８を内側軌道輪１２や外側軌道輪１４の軌道面端部に設け、この鍔部１８の内側面１８ａに円筒ころ１６の端面１６ｂを当接させてアキシアル荷重を受けるようにしている場合が多いが、円筒ころ１６の周面１６ａと端面１６ｂとの境界部に形成された面取り部２０の曲率半径ｃが鍔部１８の内側面１８ａと軌道輪の軌道面との境界部に形成された逃げ溝２２の高さｈ１よりも小さい場合には、円筒ころ１６の端面１６ｂが逃げ溝２２のエッジ部２２ａに接触し、焼付き等の発生原因となるエッジロードが円筒ころ１６の端面１６ｂに発生することがある。
【０００４】
また、鍔部１８との接触による摩擦力によって図１２に示すようなスキューが円筒ころ１６に生じると、円筒ころ１６と鍔部１８との接触位置が円筒ころ１６のスキュー角によって変化し、スキュー角が大きい場合には、円筒ころ１６と鍔部１８との接触部分が鍔部１８からはみ出しまい、その結果、円筒ころ１６にエッジロードが発生することがある。
【０００５】
このような不具合を防止するため、種々の方策が従来から考案されており、例えば英国特許第１５２００６０号明細書には、円筒ころと鍔部との金属接触を最小限に抑えるために、円筒ころの端面や鍔部の内側面にクラウニング加工を施すことによって円筒ころの端面を鍔部の内側面に楕円の形態で点接触させるようにしたもの（以下「第１の従来例」と称す）が開示されている。また、特開平７−１２１１９号公報には、エッジロードの発生を防止する対策として、鍔部の内側面を円筒ころの端面に対して５′〜３°の開き角で傾斜させた円筒ころ軸受（以下「第２の従来例」と称す）が開示されており、さらに特開２００１−８２４６５号公報には、スキューモーメントを小さくするために、軌道輪の軌道面粗さを適正な値に設定したものが開示されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した第１の従来例では、研磨工程や検査工程を繰り返しながらクラウニング加工を施すため、多くの加工コストと検査コストを要し、最近のコストダウン要求に応えられないという問題がある。
これに対し、第２の従来例では、上記のような問題が生じることは少ないが、図１３に示すように、面取り部２０の曲率半径ｃが逃げ溝２２の高さｈ１よりも小さい場合には、円筒ころ１６の端面１６ｂが逃げ溝２２のエッジ部２２ａに接触してしまうため、円筒ころ１６と鍔部１８との間に良好な油膜を形成することが困難となる。
【０００７】
一方、面取り部２０の曲率半径ｃが逃げ溝２２の高さｈ１よりも大きい場合には、円筒ころ１６の端面１６ｂが逃げ溝２２のエッジ部２２ａに接触することはないが、円筒ころ１６に作用するアキシアル方向の負荷荷重が大きい場合には、円筒ころ１６と鍔部１８との接触点が楕円以外の形状に変化し、いわゆる接触楕円のはみ出し現象が生じることによってエッジロードが発生する可能性がある。
【０００８】
そこで本発明は、このような問題点に着目してなされたものであり、アキシアル方向の負荷荷重が大きい場合やスキューが生じた場合でも円筒ころと鍔部との接触点が楕円以外の形状に変化してしまうことを防止することのできる円筒ころ軸受を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、請求項１の発明は、円環状の軌道面を外周に有する内側軌道輪と、この内側軌道輪の軌道面と対向する円環状の軌道面を内周に有する外側軌道輪と、前記内側軌道輪および前記外側軌道輪の両軌道面間に配設された複数の円筒ころとを備え、前記内側軌道輪および／又は前記外側軌道輪の軌道面端部に鍔部を設け、この鍔部の内側面を前記円筒ころの端面に対して所定の角度で傾斜させた円筒ころ軸受において、前記円筒ころの直径をＤａ、前記円筒ころの周面と端面との境界部に形成された面取り部の面取寸法をｃ、前記軌道輪の軌道面と前記鍔部の内側面との境界部に形成された逃げ溝の高さをｈ１、前記逃げ溝の高さと前記円筒ころの直径との比をｈ１／Ｄａ＝０．０５〜０．０７としたとき、前記面取り部の面取寸法を前記円筒ころの直径に対してｃ＝０．０８Ｄａ〜０．１８Ｄａの範囲内に設定したことを特徴とする。
【００１０】
請求項２の発明は、請求項１記載の円筒ころ軸受において、前記面取り部の面取寸法を前記円筒ころの直径に対してｃ＝０．０８Ｄａ〜０．１Ｄａの範囲内に設定したことを特徴とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。なお、図１０乃至図１３に示したものと同一部分には同一符号を付し、その詳細な説明は省略する。
図１乃至図４は本発明の一実施形態を示しており、図１は本発明の一実施形態に係る円筒ころ軸受の要部を示す断面図、図２は図１の円筒ころ１０にスキューが生じた場合の状態を示す断面図である。図１及び図２に示すように、円筒ころ１６が転動する軌道面１２ａの端部には鍔部１８が設けられており、この鍔部１８の内側面１８ａと軌道面１２ａとの境界部には、逃げ溝２２が軌道輪１２の周方向に沿って形成されている。
【００１２】
鍔部１８は円筒ころ１６の端面１６ｂに対向する内側面１８ａを有しており、この内側面１８ａを円筒ころ１６の端面１６ｂに対してδ＝５′〜３°の角度で傾斜させて軌道面１２ａの端部に設けられている。
円筒ころ１６はその周面１６ａと端面１６ｂとの境界部に面取り部２０を有しており、この面取り部２０の面取寸法及び曲率半径ｃは、円筒ころ１６の直径をＤａ、逃げ溝２２の高さをｈ１、逃げ溝２２の高さと円筒ころ１６の直径との比をｈ１／Ｄａ＝０．０５〜０．０７とすると、ｃ＝０．０８Ｄａ〜０．１８Ｄａ、好ましくはｃ＝０．０８Ｄａ〜０．１Ｄａに設定されている。
【００１３】
このような構成において、円筒ころ１６にアキシアル方向の負荷荷重が作用すると、円筒ころ１６の端面１６ｂが鍔部１８の内側面１８ａに点接触する。このとき、円筒ころ１６に作用するアキシアル方向の負荷荷重が大きい場合には、円筒ころ１６と鍔部１８は弾性変形が無視できなくなり、図３及び図４に示すような接触楕円２４を形成する。この場合、概ね面取り部２０の面取寸法及び曲率半径ｃと逃げ溝２２の高さｈ１との差（ｃ−ｈ１）が接触楕円２４の短半径ｂよりも小さいと、円筒ころ１６の端面１６ｂが逃げ溝２２のエッジ部２２ａと接触してしまい、エッジロードが発生する。また、接触楕円２４の長半径ａが円筒ころ１６の面取り部２０及び端面１６ｂよりはみ出す場合には、面取り部２０の曲率が理想的にはなだらかなため、接触楕円２４の長半径方向にはエッジロードは発生しないが、面圧が大きくなり、アキシアル荷重と釣り合いが取れるように接触楕円２４の短半径ｂが大きくなる。このため、接触楕円２４の短半径ｂが円筒ころ１６の端面１６ｂよりはみ出し、エッジロードが発生することになる。
【００１４】
従って、ヘルツの接触理論等に基づいて接触部分の曲率から接触楕円２４の大きさ及び形状を求め、長半径ａおよび短半径ｂの両方が鍔部内側面および円筒ころの面取り部２０及び端面１６ｂよりはみ出さないように設計すればエッジロードの発生は避けられる。
また、円筒ころ１６の面取り部分では、通常、接触楕円を形成して潤滑をするようなことは考えられていないので、面取り部２０の表面は研削前の黒皮が残存していたり、ショットピーニングによる梨地状態であったりする場合が多い。この場合、面取り部２０の表面粗さは研削面に対して非常に粗くて硬いため、理想的な潤滑が行われない場合が多い。従って、アキシアル方向に作用する負荷荷重の大きさによっては、円筒ころ１６の面取り部２０に残っている黒皮成分やショットピーニングによる梨地面を取り除いたり、面取り開始部分を滑らかにしたりすることが必要となる。そのためには、面取り部２０を形成した後に行うバレル加工の加工時間を長くすることによって解決できる。
【００１５】
バレル加工では、一度に多くの円筒ころ面取り部を処理できるため、円筒ころを一個ずつ加工するクラウニング研削加工よりも低コストに且つ短時間で加工することができる。
また、鍔部１８の開き角をδ（ｒａｄ）、逃げ溝２２の高さをｈ１（ｍｍ）、鍔部１８の高さをｈ２（ｍｍ）、面取り部２０の面取寸法及び曲率半径をｃ（ｍｍ）、円筒ころ１６の直径をＤａ（ｍｍ）、円筒ころ１６のピッチ円直径をＤｍ（ｍｍ）とすると、円筒ころ１６と鍔部１８との接触高さｈ（ｍｍ）、運動方向曲率半径Ｒｘ（ｍｍ）、接触点近傍の運動方向に対して垂直な面における曲率半径Ｒｙ（ｍｍ）は、下記の式から求めることができる。
【００１６】
【数１】
2004011821.tif 000003
【００１７】
また、ヘルツの理論によると、
【００１８】
【数２】
2004011821.tif 000004
【００１９】
となることが判っているので、これらの計算式を用いて円筒ころ１６の面取り部２０を最適設計することができる。
円筒ころ１６の端面１６ｂが鍔部１８の内側面１８ａに接触すると、円筒ころ１６と鍔部１８との接触点２４は図３及び図４に示すような楕円形となり、その大きさはアキシアル荷重の大きさによって変化するが、本実施形態では、鍔部１８の開き角δがδ＝５′〜３°、ｈ１／Ｄａがｈ１／Ｄａ＝０．０５〜０．０７である場合に、面取り部２０の面取り寸法及び曲率半径ｃが円筒ころ１６の直径Ｄａに対してｃ＝０．０８Ｄａ〜０．１８Ｄａ、好ましくはｃ＝０．０８Ｄａ〜０．１Ｄａに設定されているため、接触楕円２４が鍔部１８からはみ出すことがない。
【００２０】
また、本実施形態では、面取り部２０の大きさｃを逃げ溝２２の高さｈ１よりも接触楕円２４の短半径ｂ以上大きくしてあるので、逃げ溝２２のエッジ部２２ａに円筒ころ１６の端面１６ｂが接触することを回避できる。また、円筒ころ１６にアキシアル荷重が作用して接触楕円２４の大きさが最初に設定した大きさ以下であれば、円筒ころ１６の端面１６ｂがエッジ部２２ａに接触することを回避できる。さらに、円筒ころ１６に図２のようなスキューが生じた場合も鍔部１８の内側面１８ａが開き角δを有しているため、鍔部１８の先端部分で接触せず、鍔部１８の内側面１８ａが面取り部２０で接触するので、エッジロードを避けられる。
【００２１】
以下、図１０に示す形式の円筒ころ軸受（内径４０ｍｍ×外径８０ｍｍ×幅１８ｍｍ、内径８０ｍｍ×外径１４０ｍｍ×幅２６ｍｍ、内径１６０ｍｍ×外径２９０ｍｍ×幅４８ｍｍの３種類）について解析し、定量的に検証した結果を示す。
図５及び図６は、各々内輪鍔部、外輪鍔部において、円筒ころ１６の直径をＤａ（ｍｍ）、面取り部２０の面取寸法及び曲率半径をｃ（ｍｍ）、鍔部開き角をδ、逃げ溝２２の高さをｈ１、接触楕円２４のはみ出し量をｘ（ｍｍ）とした場合（ただし、δ＝５′〜３°、ｈ１／Ｄａ＝０．０５〜０．０７）におけるｘ／Ｄａとｃ／Ｄａとの関係を解析した結果を示す図であり、図中一点鎖線は円筒ころ軸受の基本静定格荷重の５％のアキシアル荷重が円筒ころ軸受全体に作用した時に円筒ころ１個に作用するアキシアル方向荷重を用いて計算される接触楕円２４の長半径ａ方向にはみ出す量を示している。また、破線は円筒ころ軸受の基本静定格荷重の５％のアキシアル荷重が円筒ころ軸受全体に作用した時に円筒ころ１個に作用するアキシアル方向荷重を用いて計算される接触楕円２４の短半径ｂ方向（この場合は鍔部の根元側）にはみ出す量を示し、実線は同じく接触楕円２４が短半径ｂ方向（この場合は鍔部の先端側）にはみ出す量を示している。
【００２２】
図５及び図６から明らかなように、ｃ／Ｄａが０．０８以下であると接触楕円２４が長径側すなわち円筒ころ１６の端面１６ｂからはみ出し、ｃ／Ｄａの大きさが０．１８を超えると接触楕円２４の短半径側の端部が鍔部１８の先端からはみ出すことがわかる。無次元化したころ面取りとはみ出し量の関係は、円筒ころ軸受の寸法にはほとんど依存しないことがわかる。
【００２３】
このことから、ｃ／Ｄａが０．０８〜０．１８の範囲内にある場合には、静定格荷重の５％程度のアキシアル荷重が円筒ころ１６に作用しても接触楕円２４が鍔部１８の内側面１８ａや円筒ころ１６の端面１６ｂからはみ出し、円筒ころ１６と鍔部１８との接触点が楕円以外の形状に変化してしまうことがないので、エッジロードの発生を回避することができる。
【００２４】
次に、円筒ころ１６の直径をＤａ、面取り部２０の面取寸法及び曲率半径をｃ、鍔部開き角をδ、研削用逃げ溝２２の高さをｈ１、円筒ころ１６の長さをＬ、円筒ころ１６の有効接触長さをＬｅｗ（＝Ｌ−２ｃ）とした場合（ただし、δ＝５′〜３°、ｈ１／Ｄａ＝０．０５〜０．０７）におけるＬｅｗ／Ｌとｃ／Ｄａとの関係を解析した結果を図７に示す。
【００２５】
図７の解析結果から明らかように、面取り部２０の面取寸法及び曲率半径ｃを大きくとると有効接触長さＬｅｗが短くなり、円筒ころ軸受の疲労寿命が短くなることが懸念される。円筒ころ１６に通常施されている面取り部の曲率半径を採用した場合、Ｌｅｗ／Ｌは０．９０程度であり、そのときの軸受寿命を１とするとＬｅｗ／Ｌが０．８である時の軸受寿命は、Ｐａｌｍｇｒｅｎの寿命計算式によると０．７６倍となる。また、Ｌｅｗ／Ｌが０．６である時の軸受寿命は０．３９倍となる。軸受寿命が通常品の０．３９倍になってしまうと長寿命の要求を満たせなくなることがある。従って、このことから、ｃ／Ｄａの大きさは０．１以下であることが望ましい。
【００２６】
次に、接触楕円２４のはみ出し解析と同じ３種類の寸法の円筒ころ軸受に対して、ＥＨＬ油膜計算式を応用して、合成粗さが０．５μｍのときの油膜厚さと合成粗さとの膜厚比とｃ／Ｄａとの関係を内輪鍔部及び外輪鍔部に対して解析した結果を図８及び図９に示す。解析は、以下の条件で行った。円筒ころに作用する荷重は接触楕円２４のはみ出し解析と同じ条件で、回転速度は内径４０ｍｍ、８０ｍｍ、１６０ｍｍの円筒ころ軸受の順に９０００ｍｉｎ−１、４８００ｍｉｎ−１、２２００ｍｉｎ−１で、潤滑油はＩＳＯＶＧ３２相当油を１００℃で使うものとした。
【００２７】
図８及び図９によると、膜厚比は、合成粗さが非常に粗い場合でもｃ／Ｄａが０．０８〜０．１の範囲内にあれば、５〜８と潤滑に対しては理想的であることがわかる。
以上のことから、円筒ころ１６の直径をＤａ、円筒ころ１６の周面１６ａと端面１６ｂとの境界部に形成された面取り部２０の曲率半径をｃ、軌道輪１２の軌道面１２ａと鍔部１８の内側面１８ａとの境界部に形成された逃げ溝２２の高さをｈ１、逃げ溝２２の高さと円筒ころ１６の直径との比をｈ１／Ｄａ＝０．０５〜０．０７としたとき、面取り部２０の曲率半径を円筒ころ１６の直径に対してｃ＝０．０８Ｄａ〜０．１８Ｄａ、好ましくはｃ＝０．０８Ｄａ〜０．１Ｄａの範囲内に設定すると、アキシアル方向の負荷荷重が大きい場合やスキューが生じた場合でも円筒ころ１６と鍔部１８との接触点が楕円以外の形状に変化してしまうことが抑制されるため、接触楕円２４のはみ出しによるエッジロードの発生等を防止することができる。
【００２８】
なお、本発明は上述した一実施形態に限定されるものではない。たとえば、上述した一実施形態では内側軌道輪１２の軌道面端部に鍔部１８を有する円筒ころ軸受に適用した場合を例示したが、外側軌道輪１４の軌道面端部に鍔部１８を有する円筒ころ軸受や内側軌道輪１２及び外側軌道輪１４の軌道面端部に鍔部１８を有する円筒ころ軸受などに本発明を適用することも可能である。
【００２９】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１の発明によれば、アキシアル方向の負荷荷重が大きい場合やスキューが生じた場合でも円筒ころと鍔部との接触点が楕円以外の形状に変形してしまうことが抑制されるため、接触楕円のはみ出しによるエッジロードの発生等を防止することができる。
請求項２の発明によれば、接触楕円のはみ出しによるエッジロードの発生等をより確実に防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る円筒ころ軸受の要部を示す断面図である。
【図２】図１の円筒ころにスキューが生じたときの状態を示す図である。
【図３】図１に示す円筒ころと鍔部との接触点の形状を示す図である。
【図４】図３に示す円筒ころと鍔部との接触点の形状を示す図である。
【図５】円筒ころの直径をＤａ、面取り部の曲率半径をｃ、鍔部開き角をδ、研削用逃げ溝高さをｈ１、接触楕円のはみ出し量をｘとした場合（ただし、δ＝５′〜３°、ｈ１／Ｄａ＝０．０５〜０．０７）の内輪側鍔部と円筒ころとの接触部におけるｘ／Ｄａとｃ／Ｄａとの関係を解析した結果を示す線図である。
【図６】円筒ころの直径をＤａ、面取り部の曲率半径をｃ、鍔部開き角をδ、研削用逃げ溝高さをｈ１、接触楕円のはみ出し量をｘとした場合（ただし、δ＝５′〜３°、ｈ１／Ｄａ＝０．０５〜０．０７）の外輪側鍔部と円筒ころとの接触部におけるｘ／Ｄａとｃ／Ｄａとの関係を解析した結果を示す線図である。
【図７】円筒ころの直径をＤａ、面取り部の曲率半径をｃ、鍔部開き角をδ、研削用逃げ溝高さをｈ１、円筒ころの長さをＬ、円筒ころの有効接触長さをＬｅｗ（＝Ｌ−２ｃ）とした場合（ただし、δ＝５′〜３°、ｈ１／Ｄａ＝０．０５〜０．０７）におけるＬｅｗ／Ｌとｃ／Ｄａとの関係を解析した結果を示す線図である。
【図８】円筒ころの直径をＤａ、面取り部の曲率半径をｃ、鍔部開き角をδ、研削用逃げ溝高さをｈ１とした場合（ただし、δ＝５′〜３°、ｈ１／Ｄａ＝０．０５〜０．０７）の内輪側鍔部と円筒ころとの接触部における油膜厚さと合成粗さとの膜厚比とｃ／Ｄａとの関係を解析した結果を示す線図である。
【図９】円筒ころの直径をＤａ、面取り部の曲率半径をｃ、鍔部開き角をδ、研削用逃げ溝高さをｈ１とした場合（ただし、δ＝５′〜３°、ｈ１／Ｄａ＝０．０５〜０．０７）の外輪側鍔部と円筒ころとの接触部における油膜厚さと合成粗さとの膜厚比とｃ／Ｄａとの関係を解析した結果を示す線図である。
【図１０】円筒ころ軸受の一部断面側面図である。
【図１１】従来の円筒ころ軸受の鍔部を示す断面図である。
【図１２】図１１の円筒ころ軸受の円筒ころにスキューが生じたときの状態を示す図である。
【図１３】鍔部に開き角を持たせた円筒ころ軸受の一部を示す断面図である。
【符号の説明】
１２　　内側軌道輪
１２ａ　　軌道面
１４　　外側軌道輪
１４ａ　　軌道面
１６　　円筒ころ
１６ａ　円筒ころの周面
１６ｂ　円筒ころの端面
１８　　鍔部
１８ａ　鍔部の内側面
２０　　面取り部
２２　　逃げ溝
２２ａ　　エッジ部
２４　　接触楕円
【図１】
2004011821.tif 000005
【図２】
2004011821.tif 000006
【図３】
2004011821.tif 000007
【図４】
2004011821.tif 000008
【図５】
2004011821.tif 000009
【図６】
2004011821.tif 000010
【図７】
2004011821.tif 000011
【図８】
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【図９】
2004011821.tif 000013
【図１０】
2004011821.tif 000014
【図１１】
2004011821.tif 000015
【図１２】
2004011821.tif 000016
【図１３】
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