特許 6561539 単列玉軸受

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6561539

(24)【登録日】2019年8月2日

(45)【発行日】2019年8月21日

(54)【発明の名称】単列玉軸受

(51)【国際特許分類】

   F16C 33/60 20060101AFI20190808BHJP

   F16C 19/16 20060101ALI20190808BHJP

【ＦＩ】

   F16C33/60

   F16C19/16

【請求項の数】2

【全頁数】10

(21)【出願番号】特願2015-75199(P2015-75199)

(22)【出願日】2015年4月1日

(65)【公開番号】特開2016-194346(P2016-194346A)

(43)【公開日】2016年11月17日

【審査請求日】2018年2月23日

(73)【特許権者】

【識別番号】000004204

【氏名又は名称】日本精工株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002000

【氏名又は名称】特許業務法人栄光特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】内田 章

(72)【発明者】

【氏名】大井 三佳

【審査官】 渡邊 義之

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００３−３２２１４８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特公昭４１−１９６５０（ＪＰ，Ｂ１）

【文献】 特開平９−３２４８１９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 実開平３−６８６２１（ＪＰ，Ｕ）

【文献】 特開２００５−２４０８９８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００２−２１８５５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 独国特許出願公開第１０２０１４２０５６８９（ＤＥ，Ａ１）

【文献】 特開２０１４−２０５５９（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ１６Ｃ １９／００− １９／５６

Ｆ１６Ｃ ３３／３０− ３３／６６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

内周面に形成された外輪軌道溝を有する外輪と、
外周面に形成された内輪軌道溝を有する内輪と、
前記外輪軌道溝と前記内輪軌道溝の間に転動自在に配置された複数の玉と、
前記複数の玉を円周方向に所定の間隔で保持する保持器と、
を有し、
前記外輪軌道溝及び前記内輪軌道溝は、曲率中心が互いに異なる２つの円弧面を幅方向中央に対して両側にそれぞれ有し、
静止状態において、前記玉を前記外輪軌道溝に押し付けたときに、前記玉は前記外輪軌道溝に２点で接触し、且つ、前記玉を前記内輪軌道溝に押し付けたときに、前記玉は前記内輪軌道溝に２点で接触する単列玉軸受であって、
前記外輪又は前記内輪は、軸方向に二分割された２つの分割輪からなり、
前記外輪軌道溝において、前記２つの円弧面の曲率半径は互いに等しく、且つ、前記玉を前記外輪軌道溝に２点で接触するように押し付けたとき、前記玉の中心を通り前記単列玉軸受の径方向に延ばした線に対して、前記玉が前記外輪軌道溝に２点で接触するそれぞれの点と前記玉の中心とを結んだそれぞれの線がなす、軸方向両側に形成される接触角は、２０°以上３５°以下の互いに異なる角度であることを特徴とする単列玉軸受。

【請求項2】

前記外輪軌道溝において、前記玉の中心から前記２つの円弧面の各曲率中心の軸方向位置ずれ量は、互いに異なることを特徴とする請求項１に記載の単列玉軸受。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、単列玉軸受、特に、スクリューコンプレッサー等に使用され、軸方向両側からのアキシアル荷重とラジアル荷重を単列で受けることができる単列玉軸受に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、軸方向両側からのアキシアル荷重と軽微なラジアル荷重とを単列で受ける軸受として、４点接触玉軸受が知られている。図５及び図６に示すように、４点接触玉軸受１００では、一般に、外輪１と軸方向に二分割された２つの内輪２との間に、複数の玉３が保持器４により円周方向に所定の間隔で転動自在に保持される。外輪１の内周面と内輪２の外周面とには、異なる曲率中心を有する２つの円弧面１ａ１、１ａ２、２ａ１、２ａ２によって外輪軌道溝１ａ、内輪軌道溝２ａがそれぞれ形成されている。

【0003】

具体的に、図６に示すように、外輪軌道溝１ａの２つの円弧面１ａ１、１ａ２は、曲率半径ｒｅ１、ｒｅ２が等しく、玉中心Ｏから２つの円弧面１ａ１、１ａ２の各曲率中心の軸方向位置ずれ量ｔｅ１、ｔｅ２が等しく、２つの円弧面１ａ１、１ａ２と玉３とがそれぞれ接触する２点で、軸方向両側に形成される接触角αｅ１、αｅ２が等しく設計されている（即ち、ｒｅ１＝ｒｅ２、ｔｅ１＝ｔｅ２、αｅ１＝αｅ２）。

【0004】

同様に、内輪軌道溝２ａの２つの円弧面２ａ１、２ａ２も、曲率半径ｒｉ１、ｒｉ２が等しく、玉中心Ｏから２つの円弧面２ａ１、２ａ２の各曲率中心の軸方向位置ずれ量ｔｉ１、ｔｉ２が等しく、２つの円弧面２ａ１、２ａ２と玉３とがそれぞれ接触する２点で、軸方向両側に形成される接触角αｉ１、αｉ２が等しく設計されている（即ち、ｒｉ１＝ｒｉ２、ｔｉ１＝ｔｉ２、αｉ１＝αｉ２）。
即ち、外輪軌道溝１ａと内輪軌道溝２ａは、軸方向中心に対して左右対称に形成されている。

【0005】

また、４点接触玉軸受が機械装置に組み付けられた状態では、静止状態において、図７（ａ）に示すように、４点接触玉軸受にはアキシアル荷重が作用している。この状態で、玉３は、外輪軌道溝１ａの円弧面１ａ１と内輪軌道溝２ａの円弧面２ａ１とそれぞれ１点で接触し、外輪１と玉３との接触角はθe、内輪２と玉３との接触角はθｉとなる。
なお、図７（ａ）〜図７（ｃ）では、外輪軌道溝１ａ及び内輪軌道溝２ａの円弧形状を簡略化のため直線形状で表している。

【0006】

図７（ａ）の状態から回転されると、図７（ｂ）に示すように、玉３に働く遠心力によって、玉３は外輪１に押付けられ、外輪軌道溝１ａとの接触点は、外輪軌道溝１ａの中央部へ移動し、外輪１と玉３のなす接触角βeはθｅより小さくなり（θe＞βｅ）、逆に、内輪軌道溝２ａとの接触点は、内輪軌道溝２ａの外側へ移動し、内輪２と玉３との接触角βｉはθｉより大きくなる（θｉ＜βｉ）。

【0007】

図７（ｂ）の状態で更に高速回転になるか、若しくはアキシアル荷重が小さくなると、図７（ｃ）に示すように、外輪１と玉３のなす接触角βｅ１は、βｅより更に小さくなり（βe＞βｅ１）、逆に、内輪２と玉３のなす接触角βｉ１は、βｉより更に大きくなり（βｉ＜βｉ１）、ついには、外輪１と玉３は、２点接触となる。また、外輪１と玉３とのなす接触角は、アキシアル荷重方向の接触角をβｅ１、反アキシアル荷重方向の接触角をβｅ２とすると、βｅ１＞βｅ２となる。

【0008】

このように、玉３の運動は軸の回転数と共に変化する接触角によりコントロールされる。４点接触玉軸受がアキシアル荷重Ｆａを受けると、玉３は外輪１及び内輪２におけるスピン摩擦の大小でコントロールされる。

【0009】

つまり、図７（ｂ）に示すように、外輪１及び内輪２のうち、スピン摩擦が大きい軌道輪側では純転がり、他の軌道輪側ではスピン運動と転がり運動が共存する。一般的には、高速になると、外輪コントロールの自転軸Ｏ−Ｏｅを中心に、外輪コントロールになる。なお、Ｏ−Ｏｉは、内輪コントロールの自転軸を表している。

【0010】

また、図７（ｃ）に示すように、高速回転では、外輪１は、接触面圧が高く、スピン摩擦が大きい円弧面側で純転がり、一方、接触面圧が低く、スピン摩擦が小さい他の円弧面側でスピン運動と転がり運動が共存する。すなわち、スピン摩擦の大きい円弧面１ａ１側では、外輪１の自転軸Ｏ−Ｏｅ１を中心とした純転がり運動が行われるが、スピン摩擦の小さい円弧面１ａ２側では、外輪１の自転軸Ｏ−Ｏｅ２を中心としたスピン運動と転がり運動が共存する。
なお、図８は、図７（ｃ）の高速回転の状態を、円弧形状の外輪軌道溝１ａ及び内輪軌道溝２ａで表している。

【0011】

２点接触すること自体は特に異常な現象ではないが、それぞれの接触点である外輪軌道溝１ａの２つの円弧面１ａ１、１ａ２と玉３との径方向接触位置が異なることより、玉３の接触部での周速が異なり、すべりが生じる。すべりが生じても軌道溝と玉間の潤滑状態が良好で油膜が充分形成されていれば軸受損傷には至らないものと考えられる。しかし、すべりが生じることにより発熱が大きくなり、軌道溝と玉間に油膜切れが生じ、早期に軸受損傷に至ることが考えられる。

【0012】

従来の４点接触玉軸受としては、内輪軌道面に対して玉が２点で接触し、外輪軌道面に対して玉が２点で接触し、内輪軌道面及び外輪軌道面が軸受中心に関して、軸方向両側で異なる円弧面からなるものが知られている（例えば、特許文献１参照）。具体的には、各円弧面において、玉との接触点において曲率半径を互いに異ならせたり、軸方向両側の軌道面と玉との接触角が互いに異なるように設計することで、純ラジアル荷重だけが働いた場合でも玉にスピン運動を常に起こして、潤滑不良を防止している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0013】

【特許文献1】特開２００２−２１８５５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0014】

しかしながら、特許文献１によれば、あくまで４点での接触による使用を前提としており、アキシアル方向の荷重条件や潤滑状態が良好でないなど、場合によっては、上記と同様に、すべりが生じることにより発熱が大きくなり、軌道溝と玉間に油膜切れが生じ、早期に軸受損傷に至ることが考えられる。

【0015】

本発明は、前述した課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、高速運転における軌道溝と玉との多点当りを防止することにより、長寿命を達成することが可能な単列玉軸受を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0016】

本発明の上記目的は、下記の構成により達成される。
（１） 内周面に形成された外輪軌道溝を有する外輪と、
外周面に形成された内輪軌道溝を有する内輪と、
前記外輪軌道溝と前記内輪軌道溝の間に転動自在に配置された複数の玉と、
前記複数の玉を円周方向に所定の間隔で保持する保持器と、
を有し、
前記外輪軌道溝及び前記内輪軌道溝は、曲率中心が互いに異なる２つの円弧面を幅方向中央に対して両側にそれぞれ有し、
静止状態において、前記玉を前記外輪軌道溝に押し付けたときに、前記玉は前記外輪軌道溝に２点で接触し、且つ、前記玉を前記内輪軌道溝に押し付けたときに、前記玉は前記内輪軌道溝に２点で接触する単列玉軸受であって、
前記外輪又は前記内輪は、軸方向に二分割された２つの分割輪からなり、
前記外輪軌道溝において、前記２つの円弧面の曲率半径は互いに等しく、且つ、前記玉を前記外輪軌道溝に２点で接触するように押し付けたとき、前記玉の中心を通り前記単列玉軸受の径方向に延ばした線に対して、前記玉が前記外輪軌道溝に２点で接触するそれぞれの点と前記玉の中心とを結んだそれぞれの線がなす、軸方向両側に形成される接触角は、２０°以上３５°以下の互いに異なる角度であることを特徴とする単列玉軸受。
（２） 前記外輪軌道溝において、前記玉の中心から前記２つの円弧面の各曲率中心の軸方向位置ずれ量は、互いに異なることを特徴とする（１）に記載の単列玉軸受。

【発明の効果】

【0017】

本発明の単列玉軸受によれば、外輪軌道溝において、２つの円弧面の曲率半径は互いに等しく、且つ、軸方向両側に形成される接触角が互いに異なるように設計されているので、アキシアル荷重とラジアル荷重が作用し、高速回転で使用されたとしても、軌道溝と玉との多点当りを防止することにより、すべりによる早期軸受損傷が防止でき、長寿命を達成することができる。

【図面の簡単な説明】

【0018】

【図1】本発明の一実施形態に係る単列玉軸受の断面図である。

【図2】（ａ）は、図１の外輪軌道溝の２つの円弧面の設計寸法を説明するための図であり、（ｂ）は、内輪軌道溝の２つの円弧面の設計寸法を説明するための図である。

【図3】図１の単列玉軸受を組み立てた状態を示す、軌道溝を簡略化した断面図である。

【図4】（ａ）〜（ｃ）は、図１の単列玉軸受にアキシアル荷重が作用した状態での軌道溝と玉との接触状態を説明するための図である。

【図5】従来の４点接触玉軸受の断面図である。

【図6】（ａ）は、図５の外輪軌道溝の２つの円弧面の設計寸法を説明するための図であり、（ｂ）は、図５の内輪軌道溝の２つの円弧面の設計寸法を説明するための図である。

【図7】（ａ）〜（ｃ）は、従来の玉軸受にアキシアル荷重が作用した状態での軌道溝と玉との接触状態を説明するための図である。

【図8】図５の４点接触玉軸受の断面図を用いて、図７（ｃ）の状態を説明するための図である。

【発明を実施するための形態】

【0019】

以下、本発明に係る単列玉軸受の一実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、図５に示した従来の転がり軸受と同一または同等部分については、同一符号を付して、説明を省略或いは簡略化する。

【0020】

図１に示すように、本実施形態の単列玉軸受１０は、内周面に外輪軌道溝１ａを有する単一の外輪１と、外周面に内輪軌道溝２ａをそれぞれ有し、軸方向中間部で軸方向に二分割された２つの分割輪からなる内輪２と、外輪１及び内輪２との間に所定の間隔で転動自在に配置される複数の玉３と、複数の玉３を円周方向に所定の間隔で保持する外輪案内方式の保持器４と、を備える。外輪軌道溝１ａ、内輪軌道溝２ａは、異なる曲率中心を有する２つの円弧面１ａ１、１ａ２、２ａ１、２ａ２によってそれぞれ形成されている。

【0021】

保持器４の材質としては、黄銅や、ガラス繊維又は炭素繊維を添加した合成樹脂材料であってもよく、例えば、合成樹脂製保持器は、射出成形にて製作されてもよい。

【0022】

ここで、本実施形態では、内輪軌道溝２ａは、従来の内輪軌道溝と同様に、軸方向中心に対して左右対称に形成される一方、外輪軌道溝１ａは、軸方向中心に対して左右非対称に形成されている。

【0023】

具体的に、図２に示すように、外輪軌道溝１ａの２つの円弧面１ａ１、１ａ２は、曲率半径ｒｅ１、ｒｅ２を等しくする一方、玉中心Ｏから２つの円弧面１ａ１、１ａ２の各曲率中心の軸方向位置ずれ量ｔｅ１、ｔｅ２、及び、静止状態において、玉３を外輪軌道溝１ａに向け半径方向に押し付けた際、２つの円弧面１ａ１、１ａ２と玉３とがそれぞれ接触する２点で、軸方向両側に形成される接触角αｅ１、αｅ２を異ならせるように設計する（即ち、ｒｅ１＝ｒｅ２、ｔｅ１≠ｔｅ２、αｅ１≠αｅ２）。

【0024】

内輪軌道溝２ａの２つの円弧面２ａ１、２ａ２は、曲率半径ｒｉ１、ｒｉ２が等しく、玉中心Ｏから２つの円弧面２ａ１、２ａ２の各曲率中心の軸方向位置ずれ量ｔｉ１、ｔｉ２が等しく、且つ、静止状態において、玉３を内輪軌道溝２ａに向け半径方向に押し付けた際、２つの円弧面２ａ１、２ａ２と玉３とがそれぞれ接触する２点で、軸方向両側に形成される接触角αｉ１、αｉ２が等しくなるように設計されている（即ち、ｒｉ１＝ｒｉ２、ｔｉ１＝ｔｉ２、αｉ１＝αｉ２）。

【0025】

本実施形態では、外輪軌道溝１ａの２つの円弧面１ａ１、１ａ２の曲率半径ｒｅ１、ｒｅ２は、玉径をＤｗとすると、
ｒｅ１＝ｒｅ２、且つ、０．５２Ｄｗ≦ｒｅ１，ｒｅ２≦０．５６Ｄｗ
に設定される。
また、外輪軌道溝１ａの２つの円弧面１ａ１、１ａ２と玉３との接触角αｅ１、αｅ２は、
αｅ１≠αｅ２、且つ、２０°≦αｅ１，αｅ２≦３５°
に設定される。
さらに、玉中心Ｏから外輪軌道溝１ａの２つの円弧面１ａ１、１ａ２の各曲率中心の軸方向位置ずれ量ｔｅ１、ｔｅ２は、
ｔｅ１≠ｔｅ２、且つ、０．００６Ｄｗ≦ｔｅ１，ｔｅ２≦０．０４Ｄｗ
に設定される。

【0026】

ここで、図３及び図４を参照して、本実施形態の単列玉軸受１０にアキシアル荷重が作用した状態での軌道溝と玉との接触状態を説明する。図３及び図４では、外輪軌道溝１ａ及び内輪軌道溝２ａの円弧形状を簡略化のため直線形状で表している。また、ここでは、各円弧面の曲率半径をｒｅ１＝ｒｅ２＝ｒｉ１＝ｒｉ２とし、各円弧面の曲率中心の軸方向位置ずれ量をｔｅ２＜ｔｅ１＝ｔｉ１＝ｔｉ２とし、各接触角をαｅ２＜αｅ１＝αｉ１＝αｉ２としている。

【0027】

図３に示すように、単列玉軸受を組み立てた状態では、外輪軌道溝１ａの円弧面１ａ１及び円弧面１ａ２と玉３との間のラジアルすきまをそれぞれΔｒｅ１、Δｒｅ２とすると、Δｒｅ２＞Δｒｅ１となる。このため、玉３を外輪軌道溝１ａに半径方向に押し付けた状態では、外輪１は玉３とラジアルすきまの小さい側（Δｒｅ１）で接触し、２点当たりとはならない。

【0028】

そして、図４（ａ）に示すように、単列玉軸受１０にはアキシアル荷重Ｆａが作用すると、玉３は、外輪軌道溝１ａの円弧面１ａ１と内輪軌道溝２ａの円弧面２ａ１とそれぞれ１点で接触し、外輪１と玉３との接触角はθe、内輪２と玉３との接触角はθｉとなる。このとき、外輪軌道溝１ａの円弧面１ａ２と玉３との間には、Δθのすきまが与えられる。

【0029】

図４（ａ）の状態から回転されると、図４（ｂ）に示すように、玉３に働く遠心力によって、玉３は外輪１に押付けられ、外輪軌道溝１ａとの接触点は、円弧面１ａ１の中央部へ移動し、外輪１と玉３のなす接触角βeはθｅより小さくなる（θe＞βｅ）。また、外輪軌道溝１ａの円弧面１ａ２と玉３とは接触することはないが、接触角βeが小さくなる分、外輪軌道溝１ａの円弧面１ａ２と玉３との間のすきまΔβは小さくなる（Δθ＞Δβ）。
内輪軌道溝２ａとの接触点は、円弧面２ａ１の外側へ移動し、内輪２と玉３との接触角βｉはθｉより大きくなる（θｉ＜βｉ）。
このように、玉３の運動は、軸の回転数とともに変化する接触角によってコントロールされる。

【0030】

図４（ｂ）の状態で更に高速回転になるか、若しくはアキシアル荷重Ｆａが小さくなると、図４（ｃ）に示すように、外輪１と玉３のなす接触角βｅ１は、βｅより更に小さくなり（βe＞βｅ１）、外輪軌道溝１ａの円弧面１ａ２と玉３との間のすきまΔβ１はさらに小さくなる（Δβ＞Δβ１）。
しかしながら、各曲率中心の軸方向位置ずれ量をｔｅ２＜ｔｅ１＝ｔｉ１＝ｔｉ２とし、各接触角をαｅ２＜αｅ１＝αｉ１＝αｉ２としているので、外輪１と玉３とは２点当たりとはならない。なお、内輪２と玉３のなす接触角βｉ１は、βｉより更に大きくなる（βｉ＜βｉ１）。

【0031】

このように外輪軌道溝１ａ及び内輪軌道溝２ａを設計することで、高速回転においても、外輪１と玉３との２点当たりを回避することが出来、すべりによる早期軸受損傷が防止でき、長寿命を達成することができる。

【実施例】

【0032】

以下、内輪内径φ３５ｍｍ、外輪外径φ６２ｍｍ、幅１７ｍｍの図１に示す単列玉軸受、及び図５に示す４点接触玉軸受を例とし、以下の試験条件及び内部諸元にて、本発明の効果を確認した。即ち、本発明の実施例では、静止状態において、アキシアル荷重方向の外輪１と玉３の接触角αｅ１を反アキシアル荷重方向の外輪１と玉３の接触角αｅ２よりも大きくしている（αｅ１＞αｅ２）。

【0033】

※試験条件
回転数：２２３００ｍｉｎ^-1
アキシアル荷重１３０ｋｇｆ

【0034】

※図５の４点接触玉軸受の内部諸元（Ｄｗ：玉径）
ｒｉ１＝ｒｉ２＝ｒｅ１＝ｒｅ２＝０．５２Ｄｗ
αｉ１＝αｉ２＝３１．５°、αｅ１＝αｅ２＝３１．５°
ｔｉ１＝ｔｉ２＝０．０１Ｄｗ、ｔｅ１＝ｔｅ２＝０．０１Ｄｗ

【0035】

※図１の玉軸受の内部諸元
ｒｉ１＝ｒｉ２＝ｒｅ１＝ｒｅ２＝０．５２Ｄｗ（Ｄｗ：玉径）
αｉ１＝αｉ２＝３１．５°、αｅ１＝３１．５、αｅ２＝２０°
ｔｉ１＝ｔｉ２＝０．０１Ｄｗ、ｔｅ１＝０．０１Ｄｗ、ｔｅ２＝０．００７Ｄｗ

【0036】

上記の玉軸受を用いて解析した結果、図５の玉軸受では、外輪１に２点当たりが見られたが、図１の玉軸受では、高速回転においても外輪１に２点当たりは見られなかった。

【0037】

尚、本発明は、前述した実施形態に限定されるものではなく、適宜、変形、改良、等が可能である。
例えば、上記実施形態では、単一の外輪１と、軸方向に二分割された２つの分割輪からなる内輪２を有しているため、保持器４は、外輪案内方式のものが採用されているが、軸方向に二分割された２つの分割輪からなる外輪１と、単一の内輪２を用いる場合には、保持器４は、内輪案内方式であってもよい。

【0038】

また、本実施形態では、外輪軌道溝１ａを非対称形状としたが、本発明は、少なくとも外輪軌道溝が非対称形状であればよく、内輪軌道溝も非対称形状、即ち、２つの円弧面の曲率半径は互いに等しく、且つ、軸方向両側に形成される接触角が互いに異なるものであってもよい。

【符号の説明】

【0039】

１０ 玉軸受
１ 外輪
１ａ 外輪軌道溝
１ａ１，１ａ２ 円弧面
２ 内輪
２ａ 内輪軌道溝
２ａ１，２ａ２ 円弧面
３ 玉
４ 保持器

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】