(57)【要約】【課題】内輪が軸方向に分割されている転がり軸受において、内輪を適切に締結可能な転がり軸受を提供することである。【解決手段】転がり軸受としての自動調心ころ軸受３１は、円弧形状の内輪部材を円周方向に複数連ねて形成される円環形状の内輪３２と、外輪３３と、内輪３２および外輪３３の間に配置される複数の転動体としての球面ころ３４と、内輪３２の外径面に嵌合して、複数の内輪部材を締結する締結バンド３６とを備え、締結バンド３６が嵌合する位置における内輪３２の外径寸法をｄ、締結バンド３６の厚み寸法をｈ、締結バンド３６のヤング率をＥ、締結バンド３６の降伏点をσｙとすると、ｈ／ｄ≦σｙ／Ｅを満たす。【選択図】図１
2009063101.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
円弧形状の内輪部材を円周方向に複数連ねて形成される円環形状の内輪と、
外輪と、
前記内輪および前記外輪の間に配置される複数の転動体と、
前記内輪の外径面に嵌合して、前記複数の内輪部材を締結するリング形状の締結バンドとを備え、
前記締結バンドが嵌合する位置における前記内輪の外径寸法をｄ、前記締結バンドの厚み寸法をｈ、前記締結バンドのヤング率をＥ、前記締結バンドの降伏点をσｙとすると、
ｈ／ｄ≦σｙ／Ｅ
を満たす、転がり軸受。
【請求項２】
前記内輪の外径面には、前記締結バンドを受け入れる円周溝が設けられている、請求項１に記載の転がり軸受。
【請求項３】
前記転がり軸受は、
外径面の軸方向中央部に中鍔、軸方向両端部に一対の外鍔、および前記中鍔と前記一対の外鍔との間それぞれに内側軌道面が形成されている前記内輪と、
内径面に球面形状の外側軌道面が形成されている前記外輪と、
前記内側軌道面および前記外側軌道面の間に配置される前記転動体としての球面ころとを備える複列自動調心ころ軸受であって、
前記締結バンドは、中鍔の外径面に配置されている、請求項１または２に記載の転がり軸受。
【請求項４】
前記締結バンドは、前記一対の外鍔の外径面にさらに配置されている、請求項３に記載の転がり軸受。
【請求項５】
前記締結バンドは、金属材料によって形成されている、請求項１〜４のいずれかに記載の転がり軸受。
【請求項６】
風を受けて回転するブレードと、
前記ブレードを支持する主軸と、
前記主軸を回転自在に支持する請求項１〜５のいずれかに記載の転がり軸受とを備える、風力発電機の主軸支持構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、転がり軸受、特に軸方向に分割された内輪を有する転がり軸受に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
自動調心ころ軸受は、風力発電機や鉄鋼・転炉設備等の低速・重荷重環境下で使用される軸受として採用されている。なお、上記の用途で使用される自動調心ころ軸受は大型であるので、補修時の軸受交換には多くの作業工数と多額の費用が必要となる。そこで、鉄鋼・転炉設備等に採用される自動調心ころ軸受が、例えば、特開２００２−１３９０３２号公報（特許文献１）に記載されている。
【０００３】
同公報に記載されている自動調心ころ軸受は、補修交換を容易にするために内外輪を回転軸線に平行な平面で分割（「軸方向に分割」という）している。さらに、内輪の軸方向両端部から張り出した嵌合部に締付輪を嵌合し、ボルトで締め付けることによって内輪を結合一体化していると記載されている。これにより、ギヤボックス等の周辺部品を撤去することなく、軸受のみを交換することが可能となる。
【０００４】
風力発電機の主軸支持用軸受も鉄鋼・転炉設備等と同様に、軸受の交換には多くの作業工数と多額の費用が必要となる。さらに、軸受交換時にブレードやナセルを地上に降ろす必要があるので、広大な敷地を確保することも必要である。
【特許文献１】特開２００２−１３９０３２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
そこで、上記構成の自動調心ころ軸受を風力発電機の主軸支持用軸受として採用する場合、軸受ハウジングには通常より大きな軸方向スペースが必要となる。しかし、風力発電機はナセル内部のスペースが限られているので、上記構成の自動調心ころ軸受をそのまま適用することができない。
【０００６】
さらに、上記構成の自動調心ころ軸受は、軸受本来の構成要素に加えて、締結輪、ボルト、座金、および廻り止め等の多くの部品が必要であり、軸受の交換作業をさらに困難なものにしている。
【０００７】
そこで、この発明の目的は、内輪が軸方向に分割されている転がり軸受において、内輪を適切に締結可能な転がり軸受、およびこのような転がり軸受を主軸支持用軸受として採用した風力発電機の主軸支持構造を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この発明に係る転がり軸受は、円弧形状の内輪部材を円周方向に複数連ねて形成される円環形状の内輪と、外輪と、内輪および外輪の間に配置される複数の転動体と、内輪の外径面に嵌合して、複数の内輪部材を締結するリング形状の締結バンドとを備える。そして、締結バンドが嵌合する位置における内輪の外径寸法をｄ、締結バンドの厚み寸法をｈ、締結バンドのヤング率をＥ、締結バンドの降伏点をσｙとすると、ｈ／ｄ≦σｙ／Ｅを満たす。
【０００９】
上記構成のように、締結バンドに負荷される応力が降伏点σｙを超えないように設定すれば、内輪に嵌合させたときに締結バンドが塑性変形するのを有効に防止することができる。また、この締結バンドは、外径面に嵌合させるだけで内輪を締結することができるので、従来と比較して部品点数を削減することができる。
【００１０】
好ましくは、内輪の外径面には締結バンドを受け入れる円周溝が設けられている。これにより、締結バンドを安定して保持することができる。また、締結バンドが転動体等の他の構成要素と干渉するのを有効に防止することができる。
【００１１】
好ましくは、転がり軸受は、外径面の軸方向中央部に中鍔、軸方向両端部に一対の外鍔、および中鍔と一対の外鍔との間それぞれに内側軌道面が形成されている内輪と、内径面に球面形状の外側軌道面が形成されている外輪と、内側軌道面および外側軌道面の間に配置される転動体としての球面ころとを備える複列自動調心ころ軸受である。そして、締結バンドは中鍔の外径面に配置されている。これにより、内輪の軸方向端部に締結バンドを配置するスペースを確保する必要がなくなるので、従来と比較して転がり軸受の軸方向のサイズを小さくすることができる。
【００１２】
さらに好ましくは、締結バンドは一対の外鍔の外径面に配置されている。隣接する内輪部材の間に生じる隙間は、締結バンドによる締結位置から遠ざかる程大きくなる。したがって、突合部分の幅方向全域で隙間の発生を抑制するためには、締結バンドを複数箇所に設けるのが望ましい。
【００１３】
一実施形態として、締結バンドは金属材料によって形成されている。一般構造用圧延鋼材等の金属材料によれば、上記の数式を満足し、かつ締結バンドに必要な強度を得ることができる。
【００１４】
この発明に係る風力発電機の主軸支持構造は、風を受けて回転するブレードと、ブレードを支持する主軸と、主軸を回転自在に支持する上記のいずれかに記載の転がり軸受とを備える。上記構成の転がり軸受を採用することにより、信頼性の高い風力発電機の主軸支持構造を得ることができる。
【発明の効果】
【００１５】
この発明によれば、分割内輪を適切に締結可能な転がり軸受、およびこのような転がり軸受を採用した風力発電機の主軸支持構造を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
図５および図６を参照して、この発明の一実施形態に係る主軸支持構造を採用した風力発電機１１を説明する。風力発電機１１は、支持台１２と、旋回座軸受１３と、ナセル１４と、ブレード１５と、回転軸としての主軸１６と、増速機１７と、発電機１８と、軸受ハウジング１９と、主軸支持用軸受としての自動調心ころ軸受３１と、旋回用モータ２０と、減速機２１とを備える。
【００１７】
ナセル１４は、支持台１２の上に旋回座軸受１３を介して設置されており、旋回用モータ２０および減速機２１によって水平旋回自在となっている。また、風力発電機１１の主要部品である主軸１６、増速機１７、発電機１８、自動調心ころ軸受３１、旋回用モータ２０、および減速機２１等を収容するハウジングとして機能する。
【００１８】
ブレード１５は、主軸１６の一端に固定されて風を受けて回転する。主軸１６は、一端がブレード１５に他端が増速機１７それぞれに接続されると共に、軸受ハウジング１９に組み込まれた自動調心ころ軸受３１によって回転自在に支持されている。そして、ブレード１５の回転を増速機１７を介して発電機１８に伝達する。
【００１９】
自動調心ころ軸受３１には、ブレード１５が受ける風力等によって大きなアキシアル荷重が負荷されると共に、ブレード１５の自重等によって大きなラジアル荷重が負荷される。
【００２０】
そこで、このような環境で使用される主軸支持用軸受として、図１および図２に示すような自動調心ころ軸受３１を採用する。なお、図１はこの発明の一実施形態に係る転がり軸受としての自動調心ころ軸受３１を示す図、図２は図１のＩＩ−ＩＩにおける断面図である。
【００２１】
図１および図２を参照して、自動調心ころ軸受３１は、内輪３２と、外輪３３と、内輪３２および外輪３３の間に配置される転動体としての複数の球面ころ３４と、隣接する球面ころ３４の間隔を保持する保持器３５と、締結バンド３６とを備える。
【００２２】
内輪３２は、円弧形状の内輪部材３２ａ，３２ｂを円周方向に連ねて形成されている。また、内輪３２の外径面には、軸方向中央部に中鍔３２ｃと、軸方向両端部に一対の外鍔３２ｄ，３２ｅと、中鍔３２ｃと外鍔３２ｄとの間および中鍔３２ｃと外鍔３２ｅとの間にそれぞれ内側軌道面３２ｆ，３２ｇとが形成されている。さらに、中鍔３２ｃ、および外鍔３２ｄ，３２ｅの外径面には、それぞれ締結バンド３６を受け入れる円周溝３２ｈが形成されている。
【００２３】
外輪３３は、内輪３２と同様に、円弧形状の外輪部材３３ａ，３３ｂを円周方向に連ねて形成さている。また、外輪３３の内径面には球面の一部を構成する外側軌道面３３ｃが形成されている。さらに、保持器３５は、内輪３２および外輪３３と同様に、円弧形状の保持器セグメント３５ａ，３５ｂを円周方向に連ねて形成されている。このように、内輪３２、外輪３３、および保持器３５を軸方向に分割すれば、主軸１６に径方向から組み込み可能となる。
【００２４】
締結バンド３６は、例えば、一般構造用圧延鋼材等の金属材料で形成されたリング形状の部材である。そして、内輪３２の外径面の少なくとも１箇所に嵌合して内輪部材３２ａ，３２ｂを締結する。この実施形態においては、中鍔３２ｃ、および外鍔３２ｄ，３２ｅの円周溝３２ｈに嵌まり込んでいる。この締結バンド３６は、継ぎ目のないリングを弾性変形させながら内輪３２の外径面に嵌合させてもよいし、鋼帯を内輪３２の外径面に巻きつけて両端を連結するようにしてもよい。
【００２５】
なお、上記の実施形態においては、中鍔３２ｃの外径面で保持器３５を案内しているので、締結バンド３６の外径面が中鍔３２ｃの外径面から突出しないように円周溝３２ｈの溝深さを設定するのが望ましい。すなわち、円周溝３２ｈの溝深さを締結バンド３６の厚み寸法より深くする。一方、外鍔３２ｄ，３２ｅに嵌まり込む締結バンド３６の外径面は、外鍔３２ｄ，３２ｅの外径面から突出していてもよい。
【００２６】
ここで、内輪３２に嵌合させたときの締結バンド３６の塑性変形を防止するためには、以下の条件を満たしている必要がある。なお、締結バンド３６が嵌合する位置における内輪３２の外径寸法をｄ（ｍｍ）、締結バンド３６の厚み寸法をｈ（ｍｍ）、締結バンド３６の厚み方向中央部における直径（「中立軸径」という）をｄｍ（ｍｍ）、締結バンド３６のヤング率をＥ（ＭＰａ）、締結バンド３６の降伏点をσｙ（ＭＰａ）、締結バンド３６の内径面の周方向ひずみをε、締結バンド３６の内径面の周方向応力をσ（ＭＰａ）とする。
【００２７】
まず、中立軸径ｄｍは、ｄｍ＝ｄ＋ｈで表わされる。そうすると、周方向ひずみεは下記数式（１）で、周方向応力σは下記数式（２）でそれぞれ表わされる。
【００２８】
【数１】
2009063101.tif 000003
【００２９】
【数２】
2009063101.tif 000004
【００３０】
ここで、締結バンド３６の塑性変形を防止するためには、周方向応力σが降伏点σｙを超えないことが条件となる。そこで、σｙ≧σに上記数式（２）を代入して変形すると、下記数式（３）となる。
【００３１】
【数３】
2009063101.tif 000005
【００３２】
ここで、Ｅ＞＞σｙであるので、数式（３）の右辺分母からσｙを省略すると、ｈ／ｄ≦σｙ／Ｅとなる。つまり、この関係を満足する材料および寸法で締結バンド３６を形成すれば塑性変形を防止することができる。
【００３３】
例えば、ヤング率Ｅ＝２０８０００（ＭＰａ）、降伏点σｙ＝２４０（ＭＰａ）である材料で締結バンド３６を形成したとすると、ｈ／ｄ≦１．１５×１０−３を満たすように、寸法を設定する必要がある。
【００３４】
次に、鍔付き自動調心ころ軸受の最小型番である２２２１１の外鍔に上記の締結バンド３６を嵌合させる場合を考える。この自動調心ころ軸受の外鍔の外径寸法はｄ＝６９．６（ｍｍ）であるので、締結バンド３６の塑性変形を防止するためには、締結バンド３６の厚み寸法ｈ≦０．０８０（ｍｍ）としなければならない。
【００３５】
一方、上記の自動調心ころ軸受（２２２１１）に採用される従来の締結輪の厚み寸法は、約７．７ｍｍである。このような締結輪を中鍔３２ｃ、および／または外鍔３２ｄ，３２ｅに嵌合させた場合、球面ころ３４や保持器３５に干渉して軸受のスムーズな回転を阻害する。このような観点からも、上記の関係式を満足する締結バンド３６を採用するのが望ましい。
【００３６】
なお、上記の実施形態においては、中鍔３２ｃ、および外鍔３２ｄ，３２ｅの外径面にそれぞれ締結バンド３６を配置した例を示したが、これに限ることなく、これらのうちの少なくとも１箇所にのみ締結バンド３６を配置すれば、この発明の効果を得ることができる。
【００３７】
例えば、締結バンド３６を中鍔３２ｃにのみ設ければ、内輪３２の軸方向両端部に締結バンド３６を設けるスペースを確保する必要がなくなる。これにより、自動調心ころ軸受３１の軸方向のサイズをさらに小さくすることができる。
【００３８】
ただし、隣接する内輪部材３２ａ，３２ｂの間に生じる隙間は、締結バンド３６による締結位置から遠ざかる程大きくなる。したがって、突合部分の幅方向全域で隙間の発生を抑制するためには、締結バンド３６を複数箇所に設けるのが望ましい。
【００３９】
また、上記の実施形態においては、内輪３２に中鍔３２ｃ、および外鍔３２ｄ，３２ｅを設けた例を示したが、これらはこの発明の必須の構成要素ではなく、省略することができる。図３および図４を参照して、この発明の他の実施形態に係る自動調心ころ軸受４１，５１を説明する。なお、共通する構成要素には同一の参照番号を付し、説明は省略する。
【００４０】
まず、図３を参照して、自動調心ころ軸受４１に採用される内輪４２は、複列の内側軌道面４２ｆ，４２ｇの間に中鍔に代えて案内輪４７を配置している。この案内輪４７は、内輪４２の外径面に案内されて回転するので、複列の内側軌道面４２ｆ，４２ｇの間に配置される締結バンド３６は、内輪４２の外径面から突出しないようにするのが望ましい。
【００４１】
また、内輪４２の軸方向両端部は、外鍔を省略して保持器４５の回転を案内する案内面として機能する。したがって、内輪４２の軸方向両端部に配置される締結バンド３６も内輪４２の外径面から突出しないようにするのが望ましい。次に、図４を参照して、自動調心のころ軸受５１は、複列の内側軌道面４２ｆ，４２ｇの間の案内輪をも省略している。
【００４２】
また、上記の各実施形態においては、風力発電機１１の主軸１６を支持する転がり軸受として自動調心ころ軸受３１の例を示したが、これに限ることなく、円錐ころ軸受、円筒ころ軸受、針状ころ軸受、深溝玉軸受、アンギュラ玉軸受、および４点接触玉軸受等、転動体がころであるか玉であるかを問わず、軌道面が単列であるか複列であるかを問わず、内輪が軸方向に分割されているあらゆる転がり軸受を採用することができる。
【００４３】
さらに、上記の実施形態においては、風力発電機の主軸支持構造にこの発明を適用した例を示したが、これに限ることなく、この発明は他の用途に使用される転がり軸受にも適用することが可能である。
【００４４】
以上、図面を参照してこの発明の実施形態を説明したが、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、種々の修正や変形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、軸方向に分割された内輪を有する転がり軸受に有利に利用される。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】この発明の一実施形態に係る転がり軸受を示す図である。
【図２】図１のＩＩ−ＩＩにおける断面図である。
【図３】この発明の他の実施形態に係る転がり軸受を示す図である。
【図４】この発明のさらに他の実施形態に係る転がり軸受を示す図である。
【図５】図１の転がり軸受を採用した風力発電機を示す図である。
【図６】図５に示す風力発電機の図解的側面図である。
【符号の説明】
【００４７】
１１  風力発電機、１２  支持台、１３  旋回座軸受、１４  ナセル、１５  ブレード、１６  主軸、１７  増速機、１８  発電機、１９  軸受ハウジング、２０  旋回モータ、２１  減速機、３１，４１，５１  自動調心ころ軸受、３２，４２  内輪、３２ａ，３２ｂ  内輪部材、３２ｃ  中鍔、３２ｄ，３２ｅ  外鍔、３２ｆ，３２ｇ，４２ｆ，４２ｇ  内側軌道面、３２ｈ  円周溝、３３  外輪、３３ａ  外側軌道面、３４  球面ころ、３５，４５  保持器、３５ａ，３５ｂ  保持器セグメント、３６  締結バンド。
【図１】
2009063101.tif 000006
【図２】
2009063101.tif 000007
【図３】
2009063101.tif 000008
【図４】
2009063101.tif 000009
【図５】
2009063101.tif 000010
【図６】
2009063101.tif 000011