(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転軸に嵌合される内軌道輪と、
該内軌道輪の外周面上を転動するラジアル荷重用ころと、
該ラジアル荷重用ころを前記内軌道輪とで挟持するとともに外周面が凸形状の摺動部とした外軌道輪と、
該外軌道輪の両端面に沿って転動するアキシアル荷重用円筒ころと、該アキシアル荷重用円筒ころを前記外軌道輪の両端面とで挟持するアキシアル荷重用軌道輪とで構成される転がり軸受であって、
前記アキシアル荷重用円筒ころが転がる半径方向位置を、前記外軌道輪の外軌道輪案内つば部よりも外径側とするとともに、前記外軌道輪の凸形状に対応する凹形状の摺動部を内側に有した調心輪を前記外軌道輪の外周面に滑合するよう付設し、
前記内軌道輪に嵌合された回転軸のたわみ傾動に追従可能としたうえ、さらに前記凹形状の摺動部を内側に有した調心輪の内径部に、調心時に前記アキシアル荷重用円筒ころの保持器が接触しない大きさの面取り部を設けたことを特徴とする転がり軸受。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ロール等の回転体を軸方向に位置決めし、ラジアルとアキシアルの両方向の荷重を受ける転がり軸受に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、１つの軸受でラジアル荷重とアキシアル荷重を負荷することのできる転がり軸受が開発されている。図３に、その代表的な３種の転がり軸受を示す。
図３（ａ）は、自動調心ころ軸受と呼ばれる。この軸受は、２列の軌道をもつ内軌道輪13と軌道が凹の球面となった外軌道輪14との間に、転動面がたる形のたる形ころ11a を組み込んだ構造となっている。ここで、12はころ11a の保持器である。このような構造とすることで、ラジアル荷重を負荷すると同時に、片側列の内軌道輪とたる形のころと外軌道輪の間の曲面構造による競りの効果によってアキシアル荷重も負荷することが可能となっている。
【０００３】
図３（ｂ）は、円すいころ軸受と呼ばれる。この軸受は、円錐台形の円すいころ11b を転動体として組み込んだ軸受であり、円すいころ11b の端面は内軌道輪13のつばによって案内される。また、両方向のアキシアル荷重を負荷できるように複列化したタイプもある。
このような構造とすることで、円錐台形のころが内輪、外輪の間の楔となりアキシアル荷重をも負荷できるのである。
【０００４】
図３（ｃ）は、円筒ころ軸受と呼ばれる。この軸受は、主としてラジアル荷重を負荷する軸受であるが、図４に模式的に示すように、円筒ころ11c が外軌道輪14の転動面21上を転動するだけではなく、円筒ころ11c の端面が、例えば外軌道輪14の案内つば22の摺動面23と摺動しながら接触することでアキシアル荷重も負荷することが可能である。
【０００５】
但し、以上の３つの軸受は、いずれも主としてラジアル荷重を負荷するものである点では違いがない。
一方、アキシアル荷重の負荷能力をより向上させる機構として、特開平6-313424号公報には、ラジアル主体に負荷する軸受を複数使用することでアキシアル方向のアキシアル力を分散して受ける機構が開示されている。
【０００６】
また、針状ころ軸受のように本質的にアキシアル荷重を負担させることができない軸受では、図７に示すように、外軌道輪14を軸方向に延長してアキシアル荷重用外軌道輪とし、保持器16で保持された玉15と、アキシアル荷重用内軌道輪18から構成する玉軸受を付設した複合形の軸受も提案されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
一般に、ころ軸受の疲労寿命Ｌの予測式として下記の（１）式が用いられる。ここで、（１）式における疲労寿命Ｌは、信頼度90％の定格疲れ寿命（総回転数）として定義される。
Ｌ＝（Ｃ／Ｐ）10/3×106       …（１）
但し、Ｃ：基本動定格荷重、Ｐ：軸受に加わるラジアル荷重（動等価ラジアル荷重）、である。
【０００８】
（１）式から明らかなように、ころ軸受の寿命は動等価ラジアル荷重Ｐの大小によって著しく異なることになる。
ここで、動等価ラジアル荷重Ｐは下記の（２）式で与えられ、アキシアル荷重をラジアル荷重に換算し、軸受に作用するトータルの荷重として算出される。
Ｐ＝  ＸＦR ＋ＹＦA     …（２）
但し、ＦR ：ラジアル荷重、ＦA ：アキシアル荷重、Ｘ：ラジアル荷重係数、Ｙ：アキシアル荷重係数、である。
【０００９】
図６は、上記の（１）式、（２）式によって算出した自動調心ころ軸受の寿命予測計算例である。図６から明らかなように、ラジアル荷重ＦR に対して10％の大きさのアキシアル荷重ＦA が作用することで寿命は約40％に激減する。
このようにアキシアル荷重の寿命に対する影響が大きい理由は、自動調心ころ軸受や円錐ころ軸受ではラジアル荷重とアキシアル荷重を軸受内の同じ部位（転動体と軌道輪の同一部位）の接触で負荷しているからである。
【００１０】
一方、円筒ころ軸受の場合には、自動調心ころ軸受や円錐ころ軸受の場合とは異なり、軌道輪の案内つばと、ころの端面との間の接触でアキシアル荷重を負荷することから、ラジアル荷重の負荷部位とアキシアル荷重の負荷部位が異なることになり、疲れ寿命はラジアル荷重のみで計算することができる。
しかし、アキシアル荷重が作用した場合には、図４に示すように、軌道輪の案内つばと、ころの端面とが滑り摩擦状態となるため、ころ端面およびつば部の摩耗によって計算寿命より著しく寿命を早めてしまう場合が多い。
【００１１】
円筒ころ軸受は、転動体と軌道輪が完全な線接触であり、自動調心ころ軸受等で生じる作動滑りも生じないことから、ラジアル荷重のみを負荷する軸受としては理想的である。しかし、上記で説明したように、アキシアル荷重が作用した場合には、転がり軸受でありながら滑り軸受となる部分が発生することが大きな問題である。
【００１２】
製鉄業、製紙業など板もしくはシート状の製品を生産する業界では、軸受の大半がロールの支持用に使用されている。
このような場合、ロール自身には大なり小なりたわみが発生するのが通常である。円錐ころ軸受や円筒ころ軸受、さらには従来の調心性を持たない複合軸受などを上記のロール支持用に使用すると、図５に例示する円筒ころ軸受の場合のように、軸受内に曲げモーメントＭが作用すると共に、ラジアル荷重ＦR とアキシアル荷重ＦA が軸受に作用する。このような作用の結果、複列の軸受の場合には片列への偏荷重、単列の軸受の場合にはころ長手方向への不均等な荷重分布が発生して軸受の疲労損傷を早めることになる。
【００１３】
従って、圧延用ロールなど剛性の非常に高い一部のロールを除いて、ロール用の軸受には調心性が不可欠な機能となる。
ラジアル軸受とアキシアル軸受を組み合わせて使用した場合、ラジアル軸受自体に調心性があったとしても、アキシアル軸受は軸と軸受箱の各段付部で軸方向に挟み込んで固定されるため、軸にたわみが発生しても軸受箱側は固定されたままであり、アキシアル軸受には通常のアキシアル荷重以外に軸たわみによる荷重も作用することとなり、オーバーロードとなり易いのである。
【００１４】
さらに、アキシアル軸受が全くガタもなく組み込まれていると、ラジアル軸受に調心性があってもその機能を完全に殺してしまうことになる。
また、軸受使用上の欠点として、実際に使用している荷重を常時監視している例は稀で、設備の機械的な精度や経時的な変化により、設計時には予測できなかったアキシアル荷重が発生し、軸受の寿命が著しく短かくなる場合も多々発生している。
【００１５】
ここで、別体の軸受を組み合わせ、ラジアル荷重とアキシアル荷重を負荷分散させ、ラジアル荷重はラジアル軸受、アキシアル荷重はアキシアル軸受で負荷させることが考えられるが、省スペースの観点からも合理的とは言えない。
また、この場合、ラジアル軸受に調心性をもたせたとしても、アキシアル軸受は軸のたわみに追従できないことになる。
【００１６】
本発明は、ロール軸のたわみに追従してラジアル荷重とアキシアル荷重を負荷分散させることができ、軸受にアキシアル方向の荷重が作用しても疲労によって寿命が低下することなく、かつ、滑り損傷も発生しない軸受を提供することを目的とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、単一の軸受の中でラジアル荷重とアキシアル荷重を軌道輪の別々の部位、別々の転動体で負荷させることで、ラジアル荷重とアキシアル荷重を転がりとして負荷して滑り摺動部を排除した上で、荷重分散によって特定部位への疲労損傷を減少させた転がり軸受であり、更に、調心輪を設けて軸受本体が軸たわみに追従できる省スペース設計の転がり軸受であり、ラジアルとアキシアルの両方の荷重を負荷分散する転がり軸受を提案するものである。
【００１８】
すなわち、本発明は、以下の構成からなる各転がり軸受によって上記課題を解決したのである。
(1) 回転軸に嵌合される内軌道輪と、該内軌道輪の外周面上を転動するラジアル荷重用ころと、該ラジアル荷重用ころを前記内軌道輪とで挟持するとともに外周面が凸形状の摺動部とした外軌道輪と、該外軌道輪の両端面に沿って転動するアキシアル荷重用円筒ころと、該アキシアル荷重用円筒ころを前記外軌道輪の両端面とで挟持するアキシアル荷重用軌道輪とで構成される転がり軸受であって、前記アキシアル荷重用円筒ころが転がる半径方向位置を、前記外軌道輪の外軌道輪案内つば部よりも外径側とするとともに、前記外軌道輪の凸形状に対応する凹形状の摺動部を内側に有した調心輪を前記外軌道輪の外周面に滑合するよう付設し、前記内軌道輪に嵌合された回転軸のたわみ傾動に追従可能としたうえ、さらに前記凹形状の摺動部を内側に有した調心輪の内径部に、調心時に前記アキシアル荷重用円筒ころの保持器が接触しない大きさの面取り部を設けたことを特徴とする転がり軸受。
【００１９】
【発明の実施の形態】
図１に、本発明の転がり軸受の一実施形態を断面図として示す。
図１において、ラジアル荷重用円筒ころ1aは内軌道輪３と外軌道輪４に挟持されており、いわゆる円筒ころ軸受を構成する。
そして本発明では更に、この円筒ころ軸受の外軌道輪４の端面の少なくとも片方を軌道面とし、アキシアル荷重用軌道輪７とでアキシアル荷重用円筒ころ1bを挟持してアキシアル方向の軸受を構成する。
【００２０】
アキシアル荷重用円筒ころ1bを外軌道輪４の外軌道輪案内つば4a部の外径側としてつば部に応力が発生しない構造とすることでアキシアル剛性を大きくしている。
ここで、アキシアル荷重が一方向のみに限定される場合には、アキシアル荷重用軌道輪７とアキシアル荷重用円筒ころ1bをそのアキシアル荷重を受ける面側のみに設置してもよい。
【００２１】
しかし、ロール等の位置決め用に本軸受を使用する際には、外軌道輪４の両端面側にアキシアル荷重用軌道輪７とアキシアル荷重用円筒ころ1bを設けることが好ましい。
また、本発明では、外軌道輪４の外周面を軸方向に凸形状として摺動部６を形成し、その摺動部６に沿って軸方向に凹形状とした内面を有する調心輪５を嵌合させるようにしてもよい。
【００２２】
調心輪５の内径部面取り5aを大きくすることで調心時にアキシアル荷重用円筒ころ1bの保持器2aが接触するのを防ぎ、調心性を保っている。
このように構成することで、ロールの曲げによって生じる曲げモーメントに追随して調心することが可能となる。
アキシアル荷重負荷部分に、より大きい負荷容量が求められる場合には、本発明の他の実施の形態として図２（ａ）に示すようにアキシアル荷重用円筒ころ1bを長くすることで対応することが可能である。
【００２３】
また、本発明の軸受のころを、例えば図２（ｂ）に示すように、ラジアル荷重を負担する部分をラジアル荷重用円筒ころ1a、アキシアル荷重を負担する部分をアキシアル荷重用玉1cとするように構成してもよい。逆に、図示しないが、ラジアル荷重を負担する部分を玉、アキシアル荷重を負担する部分を円筒ころとして構成してもよい。さらに、ラジアル荷重とアキシアル荷重の両方を負担する部分を玉としてもよい。
【００２４】
なお、以上の実施の形態では、ラジアル荷重用円筒ころ1aを保持器無しのいわゆる総ころタイプで説明したが、保持器付きタイプでも適用可能であることは言うまでもない。
【００２５】
【実施例】
図１に示す本発明の軸受と、従来の自動調心ころ軸受（＃23130 ）との寿命比較テストを実施した。
いずれの軸受も基本動定格荷重は725KN である。また、荷重条件は、ラジアル方向に200KN 、アキシアル方向に20KNとした。
【００２６】
その結果、90％信頼度疲れ寿命は、従来の自動調心ころ軸受が 2.5×107 rev であったのに対し、本発明の軸受は 5.8×107 rev であり、寿命が倍以上となることを確認できた。
【００２７】
【発明の効果】
実機に組み込んだ軸受では、摩耗、変形等による機械の精度低下や負荷の不均一性、熱膨張による影響等からラジアル荷重のみならず、アキシアル荷重をも負荷することになる場合が多々ある。
そして、既に説明したように、アキシアル荷重を受けると軸受寿命は大きく低下し、当初予定していた寿命に到達する前に破損に至ることになる。
【００２８】
本発明では、ラジアル荷重を主に負担する軸受内にラジアル荷重とアキシアル荷重をそれぞれ専門的に負担する部分を形成し、各々別々の転動体、軌道面で荷重負担するようにしたので、上記のようなアキシアル荷重の影響を一切排除することができ、滑り損傷も発生せず、また、同時に軸たわみにも容易に追従できる構造としたため、軸受内での偏荷重の発生も防止できたため、アキシアル荷重が作用する環境下において従来に増して長寿命の軸受を提供することが可能となった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を示す要部断面図である。
【図２】本発明の他の実施形態を例示する要部断面図である。
【図３】従来の各種軸受を説明する斜視図である。
【図４】ラジアルとアキシアルの両方の荷重をうけた円筒ころの説明図である。
【図５】ラジアルとアキシアルの両方の荷重をうけた円筒ころ軸受の断面図である。
【図６】軸受が受けるアキシアル／ラジアル荷重比と軸受の計算寿命比との関係を示すグラフである。
【図７】玉軸受付針状ころ軸受の断面図である。
【符号の説明】
1a    ラジアル荷重用円筒ころ
1b    アキシアル荷重用円筒ころ
1c    アキシアル荷重用玉
2a、2c    保持器
３    内軌道輪
４    外軌道輪
4a    外軌道輪案内つば
５    調心輪
６    摺動部
７    アキシアル荷重用軌道輪
11a   たる形ころ
11b   円すいころ
11c   円筒ころ
12    保持器
13    内軌道輪
14    外軌道輪
15    玉
16    保持器
18    アキシアル荷重用内軌道輪
19    軸受箱
21    転動面
22    案内つば
23    摺動面
ＦA   アキシアル荷重
ＦR   ラジアル荷重
Ｍ    曲げモーメント
【図１】
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【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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【図７】
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