(57)【要約】【課題】軸受寸法を考慮して非負荷時のころ大端と内輪大つばの隙間を管理できて、各種の軸受寸法において、保持器ところの干渉力を低減でき、保持器寿命の向上が図れる円すいころ軸受を提供する。【解決手段】大つば１ｂを有する内輪１と、外輪２と、内外輪１，２の両転走面１ａ，２ａ間に介在させた複数の円すいころ３と、保持器４とからなる。円すいころ３が最も小径側に移動したときのころ大端面と内輪大つば１ｂのすきまをδ、内輪転走面１ａの平均半径をｒｉ  、ころ３の自転軸の傾き角をα、潤滑油の最大トラクション係数をμｍ  、最大トラクション係数を示すすべり率をｓｍ  、静定格荷重をＣ、ころ数をＺ、保持器リング部の断面積をＡとして、次式【数１】2005016656.tif 000015で求めた保持器応力σが保持器材料の疲労限度の１／５となるように設計する。【選択図】      図２
2005016656.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
円すいころが最も小径側に移動した状態における円すいころの大端面と内輪大つばのすきまをδ、内輪転走面の平均半径をｒｉ  、ころの自転軸の傾き角をα、潤滑油の最大トラクション係数をμｍ  、最大トラクション係数を示すすべり率をｓｍ  、静定格荷重をＣ、ころ数をＺ、保持器リング部の断面積をＡとして、次式
【数１】
2005016656.tif 000014
で求めた保持器応力σが保持器材料の疲労限度の１／５以下となるように設計した円すいころ軸受。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、各種機械の回転軸を支承する円すいころ軸受に関する。
【０００２】
【従来の技術】
鉄道車両駆動歯車装置には、正面組み合わせの円すいころ軸受が正のアキシアル隙間を与えて用いられる。この構成の円すいころ軸受では保持器の破損が問題となることがあり、そのための対策として、従来は主に保持器の高強度化などが行われてきた。
【０００３】
【特許文献１】
特開平２−２５６９２１号公報
【特許文献２】
特開平９−２７３５４８号公報
【特許文献３】
特開平１１−８２４９０号公報
【特許文献４】
特開平１１−２１０７６１号公報
【特許文献５】
特開２００１−３３６５３７号公報
【特許文献６】
実公昭５８−５００９４号公報
【特許文献７】
実開昭６１−６６２１８号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記構成の円すいころ軸受の場合、車両の力行と惰行の切替えによって、つまりモータで加速走行する状態と惰性で走行する状態の切り替えによって、アキシアル荷重が変化する。本発明者らは、水平軸に組み付けられて回転している無負荷状態の円すいころ軸受に急激なアキシアル荷重を負荷すると、保持器に過大な応力が作用することを見出した。
この現象は、次のような作用による。無負荷時には、上方のころが重力によって内輪小つば方向に移動しているのに対し、下方のころは内輪大つば方向に移動している。この状態でアキシアル荷重が作用すると、上方のころは摩擦によって軸方向位置が拘束され、大端面を内輪大つばと接触させないまま公転運動を開始する。したがって、上方のころは下方のころに対して公転速度が遅くなる。これにより、保持器には複数のころから、方向の異なるモーメントが与えられて、周方向に引張りおよび圧縮の応力分布を持つことになる。本発明者らの研究によれば、この応力は保持器材料の疲労限度以上となる。
このため、上記構成の円すいころ軸受では、非負荷時にころ大端と内輪つばの間の隙間が小さいことが望ましい。
【０００５】
保持器に過大な応力が作用することの防止とは、目的が異なるが、ころ大端と内輪つばの間の隙間所定量以下にする方法として、次の２種類▲１▼，▲２▼の方法が提案されている。
▲１▼．ころ長さと内輪溝幅寸法の少なくとも１つを管理して、ころと内輪大つばあるいは内輪小つばの隙間を低減する方法（例えば特許文献１〜５）。
▲２▼．ころを何らかの摺動部材によって内輪大つばに押し付ける方法（例えば特許文献６，７）。
【０００６】
しかし、▲１▼に挙げた方法（特許文献１〜５）では、いずれも、軸受寸法に同一の数値で隙間を与えており、軸受寸法によっては必ずしも適切な隙間とはならないという問題がある。▲２▼に挙げた方法（特許文献６，７）においては、運転中の摩擦トルクの増加が懸念される。
【０００７】
この発明の目的は、各種の軸受寸法において、保持器ところの干渉力を低減できて、保持器寿命の向上が図れ、また運転中の摩擦トルクの増加の問題のない円すいころ軸受を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この発明の円すいころ軸受は、円すいころが最も小径側に移動したときの円すいころの大端面と内輪大つばのすきまをδ、内輪転走面の平均半径をｒｉ  、ころの自転軸の傾き角をα、潤滑油の最大トラクション係数をμｍ  、最大トラクション係数を示すすべり率をｓｍ  、静定格荷重をＣ、ころ数をＺ、保持器リング部の断面積をＡとして、次式
【数２】
2005016656.tif 000003
で求めた保持器応力σが保持器材料の疲労限度の１／５となるように設計したものである。
この構成によると、アキシアルすきまのある円すいころ軸受に急激なアキシアル荷重が作用するときに、円すいころ同士の公転速度差に起因して保持器に繰り返し作用する応力が、保持器材料の疲労限度の１／５以下となる。機械要素設計では、鋼材の片振り繰り返し荷重に対する一般的な安全率は５とされており、上記のように保持器応力σの範囲を１／５以下とすることで、一般的な安全率をもって、保持器に繰り返し作用する応力が疲労限度以下となり、保持器寿命の延長が図れる。疲労限度は、無限の繰り返しに耐えられる応力のことであり、適切な安全率を以て確実に疲労限度以下となるように設定することで、保持器寿命が向上する。上記の式は軸受寸法を考慮して保持器に作用する応力σを求める式であり、この応力σを所定値以下に設定することで、各種の軸受寸法において、保持器ところの干渉力を低減でき、保持器寿命の向上が図れる。また、保持器応力の規制によるため、何かの部材を押しつけるようなものと異なり、摩擦トルクの増大の問題がない。
【０００９】
【発明の実施の形態】
この発明の第１の実施形態を図１および図２と共に説明する。この実施形態の円すいころ軸受は、内輪１と、外輪２と、複数の円すいころ３と、これらの円すいころ３を円周方向に所定間隔を隔てて保持する保持器４とからなる。内輪１は外径面に円すい状の転走面１ａを有し、外径の大径側および小径側に大つば１ｂおよび小つば１ｃをそれぞれ有する。外輪２は、上記転走面１ａに対向する円すい状の転走面２ａを有し、鍔無しとされている。円すいころ３は、上記両転走面１ａ，２ａ間に転動自在に介在させる。保持器４は、例えばリング状に形成されて、円周方向の複数箇所に、各円すいころ３を内部に保持するポケットを形成したものである。
【００１０】
この円すいころ軸受は、上記構成において、次のように軸受各部の寸法等によって求められる保持器応力σの範囲を規制したものである。
すなわち、図２のように円すいころ３の小端面を内輪１の小つば１ｃに押し当てた状態における円すいころ３の大端面と内輪１の大つば１ｂの隙間をδとし、内輪１の転走面１ａの平均半径をｒｉ  、内輪１の転走面１ａの円すい角の１／２をαｉ  、円すいころ３の平均半径をｒｒ  とする。また、円すいころ３が内輪小つば１ｃと接触している状態における円すいころ３の平均径部が接触する内輪転走面１ａの半径をｒｉ  ’とすると、ｒｉ  ’は次式
【００１１】
【数３】
2005016656.tif 000004
【００１２】
で表される。円すいころ３の自転軸の傾き角をα、内輪１の回転角速度をωｉ  とすると、ころ中心から見た内外輪１，２の周速ｖは、次式
【００１３】
【数４】
2005016656.tif 000005
【００１４】
で表される。内輪小つば１ｃ側に移動した円すいころ３と、内輪大つば１ｂに接触している円すいころ３との公転周速差Δｖは、次式
【００１５】
【数５】
2005016656.tif 000006
【００１６】
で表される。円すいころ３のすべり率ｓは、次式
【００１７】
【数６】
2005016656.tif 000007
【００１８】
で表されるが、通常の円すいころ軸受では、ｒｉ  ’≒ｒｉ  、α≒αｉ  、またｒｒ  ≒ｒｉ  ／５であるから、概略的に上記すべり率ｓは、次式
【００１９】
【数７】
2005016656.tif 000008
【００２０】
で表される。潤滑油の最大トラクション係数をμｍ  、最大トラクション係数を示すすべり率をｓｍ  とすると、すべり率の小さい領域でのトラクション係数μは、次式
【００２１】
【数８】
2005016656.tif 000009
【００２２】
で求められる。円すいころ３の内輪１側、および外輪２側の法線荷重をそれぞれＱｉ  ，Ｑｏ  としたとき、保持器４と円すいころ３の干渉力Ｆは、次式
【００２３】
【数９】
2005016656.tif 000010
【００２４】
で与えられる。ここで、軸受に作用する荷重は静定格荷重Ｃが最大値であり、ころ数をＺ、外輪転走面２ａの円すい角の１／２をαｏ  （≒α）とすると、上記干渉力の最大値Ｆｍ  は、次式
【００２５】
【数１０】
2005016656.tif 000011
【００２６】
で求められる。保持器４におけるリング部４ａの断面積をＡとしたときに、保持器応力σは、次式
【００２７】
【数１１】
2005016656.tif 000012
【００２８】
で概算される。そこで、この円すいころ軸受では、保持器４におけるポケット４ｂの隅部への応力集中を考慮して、上記保持器応力σが保持器材料の疲労限度の１／５以下となるように、各部寸法および公差を設定している。ここで、１／５の数値は安全率の逆数である。「井澤實著，増補版機械要素の設計解析，山海堂，１９６７，ｐ．１５」によれば、鋼の片振り繰り返し荷重の一般的な安全率は５とされている。
【００２９】
次に、上記円すいころ軸受の動作を説明する。正規の運転状態では、円すいころ３の大端面は内輪大つば１ｂに接触して転がりすべり運動を行っている。図２のように、外輪２あるいは内輪１が軸方向に移動して非負荷状態となったとき、一部の円すいころ３は自重によって内輪小つば１ｃ側に移動する。ここで急激なアキシアル荷重が付加すると、上述した機構によって保持器４に応力が発生する。ここで、保持器応力σを所定の値以下に設定すれば、保持器４に発生する応力は疲労限度以下となり、円すいころ３同士の公転速度差に起因する保持器４の破損を防止することができる。この実施形態では、保持器応力σを保持器材料の疲労限度の１／５以下となるように設定しているので、上記のように機械設計の一般的な安全率をもって、保持器４に発生する応力が確実に疲労限度以下となり、円すいころ３同士の公転速度差に起因する保持器４の破損を防止することができる。上記のように求める保持器応力σは、軸受寸法を考慮した値であり、軸受寸法を考慮した非負荷時の円すいころ３の大端と内輪大つば１ｂの隙間を適切な範囲に管理し、保持器４と円すいころ３の干渉力を低減することができる。
【００３０】
図３〜図６は、この発明の他の実施形態を示す。この実施形態は、円すいころ３の公転速度差に起因する保持器応力の発生防止を、保持器応力の値を制限する設計とは別の構成で行うようにし、保持器の寿命向上を図ったものである。図３に示すように、この実施形態は、内輪１と、外輪２と、複数の円すいころ３と、これらの円すいころ３を円周方向に所定間隔を隔てて保持する保持器４とを有する円すいころ軸受において、保持器４の大径側内径面に、その内径が内輪大つば１ｂの外径よりも小の円環部材５を取付け、この円環部材５と内輪大つば１ｂが軸方向に係合することで、非負荷時の円すいころ３と保持器４の軸方向の変位が規制されるようにしたものである。内輪１は外径面に円すい状の転走面１ａを有し、外径の大径側大つば１ｂを有し、小径側は鍔無しとされている。外輪２は、上記転走面１ａに対向する円すい状の転走面２ａを有し、鍔無しとされている。円すいころ３は、上記両転走面１ａ，２ａ間に転動自在に介在させる。保持器４は、リング状に形成されて、円周方向の複数箇所に、各円すいころ３を内部に保持するポケットを形成したものである。
【００３１】
この円すいころ軸受は、上記円環部材５を設けることで、内輪１、円すいころ３、および保持器４が非分離とされる。非負荷時には、円すいころ３の軸方向変位は保持器４のポケット４ｂによって規制され、保持器４の軸方向変位は内輪大つば１ｂによって規制される。円環部材５は、保持器４の大径側端部の内周面に形成した円周溝４ｃに外周部を嵌合させることで、円環部材５に固定する。円環部材５と径方向に対向する内輪１の大つば１ｂの外径面は、ころ側の内端から軸方向の中間までの部分１ｂａに比して、軸方向の中間から外端までの部分１ｂｂの外径を所定量だけ小さくした段差形状とされている。上記円環部材５は、上記内輪大つば１ｂの小径部分１ｂｂに対向するように配置され、円環部材５の内径は大つば大径部分１ｂａの外径よりも小さく、かつ大つば小径部分１ｂｂの外径より大きく設定されている。図３（Ｂ）にハッチングを施して表すように、上記円環部材５は円環の周方向の一部が分断されたＣ字状に形成され、縮径変形させることで保持器２の上記円周溝４ｃに嵌合できるようにされている。
【００３２】
この実施形態は、図１，図２に示す第１の実施形態で説明したと同様に定められる保持器応力σが、第１の実施形態と同じく、保持器材料の疲労限度の１／５以下となるように設計されている。この実施形態の円すいころ軸受は、アキシアル隙間があるものとしても、また、予圧を付与して組み立てたものであっても良い。
なお、この発明とは異なるが、図３〜図６に示す実施形態において、保持器応力σについての限定要件を省いた発明においても、上記円環部材５の取付けによる後述の作用，効果が得られる。
【００３３】
この実施形態の動作を、図４を参照して以下に説明する。円すいころ軸受に荷重が作用していない状態での内輪１、円すいころ３、および保持器４は、図４の状態にあり、このとき円すいころ３は軸方向に変位可能である。円すいころ３の軸方向変位によって、保持器４も軸方向に変位する。しかし、保持器４がころ小端側へ変位しようとすると、円環部材５が内輪大つば１ｂの大径部分１ｂａと干渉するため、円すいころ３および保持器４の軸方向変位が規制される。円すいころ３の軸方向変位は、保持器４のポケット４ｂで規制される。このとき円環部材５は内輪大つば１ｂに摺接するが、円すいころ３および保持器４には自重しか作用しないため、摩擦力は小さく摩耗もほとんど発生しない。
なお、荷重が作用する場合には、従来の円すいころ軸受の場合と同様に、保持器４のポケット４ｂを円すいころ３で案内する構造とすれば、円環部材５と内輪大つば１ｂとの間の摩擦が発生しないようにできる。
【００３４】
この実施形態の円すいころ軸受は、このように円環部材５の取付によって円すいころ３および保持器４の軸方向変位が規制されるようにしたため、アキシアル隙間のあるものである場合は、これに急激なアキシアル荷重が作用するときに、円すいころ３の公転速度差に起因する保持器応力の発生が防止され、保持器寿命の延長が図れる。また、この実施形態の円すいころ軸受が、予圧を付与して組み立てるものである場合には、組立時の馴らし運転の時間を短縮でき、組立時のコストを低減できる。
【００３５】
また、この実施形態の円すいころ軸受では、内輪１、円すいころ３、および保持器４を非分離とできるため、内輪小つばは不要となる。そのため、組立工程において保持器４を広げたり加締める工程が不要となり、製造コストの低減が可能であるとともに、保持器４に残留応力を発生させることなく組み立てることができ、保持器４の寿命を一層延長できる。すなわち、内輪小つば１ｃを有する従来の円すいころ軸受では、図５（Ａ）のように、保持器４の一部を外径側に広げてから内輪１、円すいころ３、保持器４を組み付け、その後、図５（Ｂ）のように加締めて元の形状に戻すことによって組立を行っているので、広げと加締めの工程によって、保持器４に部分的に引張りの残留応力が発生するが、内輪小つば１ｃのないこの実施形態の円すいころ軸受では、広げと加締めの工程が不要となり、保持器４に残留応力を発生させることなく組み立てることができる。
【００３６】
図６は、この発明のさらに他の実施形態を示す。この実施形態は、保持器４が内輪大つば１ｂの外端面より外端側に突出することが許容される場合に適用される。この実施形態は、図４に示す実施形態の円すいころ軸受において、保持器４の大径側に取付ける円環部材５を、内輪大つば１ｂの外端面より外端側に配置して、円環部材５が内輪大つば１ｂの外端面に干渉するようにされている。したがって、内輪大つば１ｂの外径面は、図４の実施形態のように段差状とはされていない。
この実施形態の場合、内輪大つば１ｂの外径面を段差状に形成する必要がないので、製造コストをより低減できる。
【００３７】
【発明の効果】
この発明の円すいころ軸受は、円すいころが最も小径側に移動したときの円すいころの大端面と内輪大つばのすきまをδ、内輪転走面の平均半径をｒｉ  、ころの自転軸の傾き角をα、潤滑油の最大トラクション係数をμｍ  、最大トラクション係数を示すすべり率をｓｍ  、静定格荷重をＣ、ころ数をＺ、保持器リング部の断面積をＡとして、次式
【数１２】
2005016656.tif 000013
で求めた保持器応力σが保持器材料の疲労限度の１／５となるように設計したため、軸受寸法を考慮して非負荷時のころ大端と内輪大つばの隙間を管理して、各種の軸受寸法において、保持器ところの干渉力を低減でき、保持器寿命の向上が図れる。また運転中の摩擦トルクの増加の問題がない。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１の実施形態にかかる円すいころ軸受の断面図である。
【図２】同円すいころ軸受における保持器応力を求めるための説明図である。
【図３】（Ａ）はこの発明の他の実施形態にかかる円すいころ軸受の断面図、（Ｂ）は同正面図である。
【図４】同円すいころ軸受の動作説明図である。
【図５】同円すいころ軸受と組立容易性について比較するために示した従来例の組立工程図である。
【図６】この発明のさらに他の実施形態にかかる円すいころ軸受の断面図である。
【符号の説明】
１…内輪
１ａ…転走面
１ｂ…内輪大つば
１ｃ…内輪小つば
２…外輪
２ａ…転走面
３…円すいころ
４…保持器
４ｂ…保持器ポケット
４ｃ…円周溝
５…円環部材
【図１】
2005016656.tif 000016
【図２】
2005016656.tif 000017
【図３】
2005016656.tif 000018
【図４】
2005016656.tif 000019
【図５】
2005016656.tif 000020
【図６】
2005016656.tif 000021