特許 7488633 複列自動調心ころ軸受

(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】

(24)【登録日】2024-05-14

(45)【発行日】2024-05-22

(54)【発明の名称】複列自動調心ころ軸受

(51)【国際特許分類】

   F16C 23/08 20060101AFI20240515BHJP

   F16C 19/38 20060101ALI20240515BHJP

   F03D 80/70 20160101ALI20240515BHJP

【ＦＩ】

F16C23/08

F16C19/38

F03D80/70

【請求項の数】 4

(21)【出願番号】P 2019072707

(22)【出願日】2019-04-05

(65)【公開番号】P2019190658

(43)【公開日】2019-10-31

【審査請求日】2022-03-28

(31)【優先権主張番号】P 2018081203

(32)【優先日】2018-04-20

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

【前置審査】

(73)【特許権者】

【識別番号】000102692

【氏名又は名称】ＮＴＮ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100087941

【弁理士】

【氏名又は名称】杉本 修司

(74)【代理人】

【識別番号】100112829

【弁理士】

【氏名又は名称】堤 健郎

(74)【代理人】

【識別番号】100150566

【弁理士】

【氏名又は名称】谷口 洋樹

(74)【代理人】

【識別番号】100155963

【弁理士】

【氏名又は名称】金子 大輔

(74)【代理人】

【識別番号】100213470

【弁理士】

【氏名又は名称】中尾 真二

(72)【発明者】

【氏名】▲瀬▼古 一将

(72)【発明者】

【氏名】堀 径生

(72)【発明者】

【氏名】井上 靖之

(72)【発明者】

【氏名】山本 貴志

(72)【発明者】

【氏名】中西 雅樹

【審査官】鈴木 貴晴

(56)【参考文献】

【文献】国際公開第２０１７／１６４３２５（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０１１－２２６６３８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－１８６３５５（ＪＰ，Ａ）

【文献】実開平４－８７０２１（ＪＰ，Ｕ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ１６Ｃ ２３／０８

Ｆ１６Ｃ １９／３８

Ｆ０３Ｄ ８０／７０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

内輪と、
球面状の軌道面を有する外輪と、
前記内輪と外輪との間に介在する、軸受幅方向に並ぶ２列の複数のころと、
前記２列の複数のころを保持する保持器と、を備え、
前記２列のころは、それぞれ、前記外輪の軌道面に沿う断面形状の外周面を有する、複列自動調心ころ軸受であって、
一方の列のころの接触角θ１と他方の列のころの接触角θ２との比が、０．２５≦θ１／θ２≦０．５の範囲にあり、
前記一方の列側の軸受端面から、両列の接触角をなす２本の作用線の交点までの軸受幅方向距離Ｂ１と、前記他方の列側の軸受端面から前記交点までの軸受幅方向距離Ｂ２との比が、０．５≦Ｂ１／Ｂ２≦０．６の範囲にあり、
前記保持器は、
前記軸受幅方向外側に延びる複数の柱部を有し、
前記複数のころのそれぞれが前記複数の柱部間に形成されるポケットに保持され、
前記他方の列のころを保持するポケットの内側面であるポケット面が円筒面であり、
前記円筒面の中心線が軸受中心軸心に対して成す角度である傾斜角β２が、前記他方の列のころの最大径を成す位置の傾斜角度であるころ最大径角α２に対して、次式、
０≦β２≦α２
で示される関係にある、
複列自動調心ころ軸受。

【請求項2】

請求項１に記載の複列自動調心ころ軸受において、前記一方の列のころ長さＬ１と、前記他方の列のころ長さＬ２との比が、０．９≦Ｌ１／Ｌ２≦１．０の範囲にある、複列自動調心ころ軸受。

【請求項3】

請求項１または請求項２に記載の複列自動調心ころ軸受において、前記各ころが、外周面に多層構造のＤＬＣ皮膜を有し、
このＤＬＣ皮膜の膜厚が２．０μｍ以上であり、
前記ころの母材の外表面の面粗さが、それぞれＪＩＳ Ｂ ０６０１：２０１３に準拠して測定される、算術平均粗さＲａ、粗さ曲線の二乗平均平方根傾斜ＲΔｑ、粗さ曲線の最大山高さＲｐについて、
Ｒａ≦０．３、かつＲΔｑ≦０．０５
であり、
１≦Ｒｐ／Ｒａ≦２を満たし、
前記多層構造のＤＬＣ皮膜における各層の膜硬さは、段階的に外層側の層が高くなる、複列自動調心ころ軸受。

【請求項4】

請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の複列自動調心ころ軸受において、風力発電装置の主軸の支持に用いられる複列自動調心ころ軸受。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、軸受幅方向に並ぶ２列のころに不均等な荷重が負荷される用途、例えば風力発電装置や産業機械の主軸の支持に用いられる複列自動調心ころ軸受に関する。

【背景技術】

【0002】

風力発電装置の主軸を支持する軸受には、ブレードやロータヘッドの自重によるラジアル荷重の他に、風力によるアキシアル荷重が作用する。主軸支持用の軸受が図２０に示すような、軸方向に対称な構造を有する複列自動調心ころ軸受４１である場合、内輪４２と外輪４３間に介在する２列のころ４４，４５のうち、主にアキシアル荷重Ｆａに対して後ろ側となる一方の列のころ４５だけがアキシアル荷重Ｆａを受ける。つまり、一方の列のころ４５がラジアル荷重とアキシアル荷重の両方を受けるのに対し、他方の列のころ４４はほぼラジアル荷重だけを受ける。このため、ラジアル荷重およびアキシアル荷重を受ける列のころ４５は、ラジアル荷重だけを受ける列のころ４４と比べて接触面圧が大きくなり、ころ４５の転動面および外輪４３の軌道面４３ａの表面損傷や摩耗が生じやすい。この場合、一方の列のころ４５の転がり寿命が他方の列のころ４４の転がり寿命よりも短くなり、このアキシアル荷重を受けるころ４５の列の短い転がり寿命によって、軸受全体の実質寿命が決定される。

【0003】

上記の課題に対して、軸受全体の実質寿命を向上させるために、２列のころの長さを互いに異ならせること（特許文献１参照。）、あるいは２列のころの接触角を互いに異ならせること（特許文献２参照。）が提案されている。しかし、軸受の寸法規格（ＩＳＯ規格；ＪＩＳＢ１５１２）の制限があるため、上記２通りの手法のうち一方の手法を用いるだけでは、アキシアル荷重を受ける列のころの負荷容量を適正な値まで高めることが難しい。つまり、寸法規格によって呼び番号に対して内径、外径、および軸受幅がそれぞれ決まっているため、アキシアル荷重を受ける列のころの長さを長くし過ぎると、軸受幅が規格値を超える。また、アキシアル荷重を受ける列のころの接触角を大きくし過ぎると、内径が規格値を超える。

【0004】

そこで、各部の寸法が軸受の寸法規格から外れることなく、アキシアル荷重を受ける列とラジアル荷重だけを受ける列の接触面圧を均等化するために、２列のころの長さを互いに異ならせる手法と、２列のころの接触角を互いに異ならせる手法とを組み合わせることが提案されている（特許文献３参照。）。この技術において、アキシアル荷重を受ける列のころの接触角を大きくして、当該ころの負荷容量を十分に大きくすることが重要であることから、そのための両列のころの接触角の適正な比率も提案されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】国際公開第２００５／０５００３８号

【文献】米国特許第２０１４／０１１２６０７号明細書

【文献】特開２０１７－１８０８３１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

特許文献３に開示された軸受によって、日常的に付加される疲労荷重に対しては、両列が受ける接触面圧の均等化が図られ、軸受全体の実質寿命が改善される。しかし、５０年の間に発生すると想定される最大荷重である極値荷重に対しては、上記のパラメータを設定するのみでは、ころ長さの短い側の列で負荷能力が不十分になる場合がある。

【0007】

本発明の目的は、アキシアル荷重およびラジアル荷重を受け、軸方向に並ぶ２列のころに互いに大きさが異なる荷重が作用する用途に適する軸受として、寸法規格の制約の範囲内で、疲労荷重のみならず極値荷重に対しても、両列のころで適切に負荷を分担できる複列自動調心ころ軸受を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明に係る複列自動調心ころ軸受は、
内輪と、
球面状の軌道面を有する外輪と、
前記内輪と外輪との間に介在する、軸受幅方向に並ぶ２列の複数のころとを備え、
前記２列のころは、それぞれ、前記外輪の軌道面に沿う断面形状の外周面を有する、複列自動調心ころ軸受であって、
一方の列のころの接触角θ１と他方の列のころの接触角θ２との比が、０．２５≦θ１／θ２≦０．５の範囲にあり、
前記一方の列側の軸受端面から、両列の接触角をなす２本の作用線の交点までの軸受幅方向距離Ｂ１と、前記他方の列側の軸受端面から前記交点までの軸受幅方向距離Ｂ２との比が、０．５≦Ｂ１／Ｂ２≦０．６の範囲にある。

【0009】

この構成によれば、前記他方の列のころの接触角を前記一方の列の接触角よりも大きくしたことにより、前記他方の列のころが大きなアキシアル荷重を負担することが可能となる。この複列自動調心ころ軸受を、アキシアル荷重およびラジアル荷重が作用する条件下で用いる場合、接触角が大きいころでアキシアル荷重のほぼすべてとラジアル荷重の一部を負担させ、接触角が小さいころでラジアル荷重の残りを負担させる。このような分担割合で２列のころでアキシアル荷重とラジアル荷重を分担して負担することにより、両列のころの接触面圧を均等にすることができる。これにより、軸受全体で大きな負荷容量を確保すると共に、軸受全体の実質寿命を向上することができる。

【0010】

さらに、両列のころの接触角の比率が異なる複数の複列自動調心ころ軸受を用意し、各複列自動調心ころ軸受について、風力発電装置の主軸支持用軸受として使用する場合に想定される荷重条件にて両列のころの接触面圧を解析した結果、接触角の比が１：３である場合に、両列のころの接触面圧が最も均等化することが分かった。前記想定される荷重条件とは、発電能力、設置場所等の諸条件を考慮して平均的な風力発電装置が最も通常に運転しているときの、疲労荷重であるアキシアル荷重およびラジアル荷重を指す。よって、平均的な風力発電装置と比べて前記条件が異なる風力発電装置に用いられる複列自動調心ころ軸受では、最適な接触角の比が１：３でないことが有り得るが、その場合でも、最適な接触角の比は１：２ないし１：４の範囲内に収まる。すなわち、両列の接触角の比を０．２５≦θ１／θ２≦０．５の範囲とすることにより、疲労荷重に対して両列のころで適切に負荷を分担できる。

【0011】

さらに、接触角が小さい前記一方の列側の軸受端面から、両列の接触角をなす２本の作用線の交点までの軸受幅方向距離Ｂ１と、接触角が大きい前記他方の列側の軸受端面から前記交点までの軸受幅方向距離Ｂ２との比を、０．５≦Ｂ１／Ｂ２≦０．６の範囲とすることにより、ほぼラジアル荷重のみを負担する前記一方の列のころの長さが、規格寸法の範囲内で過度に短くなることがない。したがって、様々な方向から負荷されることを想定する必要がある極値荷重に対しても、前記一方の列のころの負荷能力が不足することが回避される。したがって、寸法規格の制約の範囲内で、疲労荷重および極値荷重のいずれに対しても、両列のころで適切に負荷を分担することが可能になる。

【0012】

本発明において、前記一方の列のころ長さＬ１と、前記他方の列のころ長さＬ２との比が、０．９≦Ｌ１／Ｌ２≦１．０の範囲にあってもよい。この構成によれば、接触角が大きい列のころ長さが接触角が小さい列のころ長さ以上となるので、接触角が大きい列のころのアキシアル荷重に対する負荷容量が確実に向上する。これと共に、接触角が小さい列のころ長さを、他方の列のころ長さの９０％以上とすることにより、上述したように、ほぼラジアル荷重のみを負担する前記一方の列のころの長さが、規格寸法の範囲内で過度に短くなることが回避される。

【0013】

本発明において、前記他方の列のころを保持する保持器の傾斜角β２が、前記他方の列のころの最大径を成す位置の傾斜角度であるころ最大径角α２に対して、次式、
０≦β２≦α２
で示される関係にあってもよい。
なお、前記「保持器の傾斜角β２」は、保持器の柱部におけるポケット面が円筒面である場合、その円筒面の中心線が保持器中心線（軸受中心軸心）に対して成す角度である。

【0014】

前記他方の列のころ、つまりアキシアル荷重の入力方向に対するリア側列のころは、最大径角α２が大きくなるため、保持器傾斜角度β２を適宜設定し、保持器のポケット面がころの最大径位置を抱えるようにしても良い。
このとき、 ０≦β２≦α２
とすることで、ころの姿勢安定性が損なわれることはない。
また、このような保持器形状とすることで、左右列非対称設計特有の組み込み性の低下を防ぎ、ころを安定して保持することができる。

【0015】

この発明において、前記各ころが、外周面に多層構造のＤＬＣ皮膜を有し、
このＤＬＣ皮膜の膜厚が２．０μｍ以上であり、
前記ころの母材の外表面の面粗さが、
Ｒａ≦０．３、かつＲΔｑ≦０．０５
であり、
前記多層構造のＤＬＣ皮膜における各層の膜硬さは、段階的に外層側の層が高くなるようにしてもよい。
前記ＤＬＣは、ダイヤモンドライクカーボン（Diamond-like Carbon ）の略称である。

【0016】

ころの外周面にＤＬＣ皮膜処理をすることで耐摩耗性が向上する。ＤＬＣ皮膜は、母材との密着性に優れる多層構造を採用し、膜厚は２．０μｍ以上が望ましい。またＤＬＣ皮膜を施す外周面の粗さの値を、算術平均粗さＲａで０．３Ｒａ以下、二乗平均平方根傾斜ＲΔｑで０．０５以下とすることで、相手材への攻撃性が緩和できる。さらに、ＤＬＣ皮膜の膜硬さは、多層構造で段階的に硬度を高めることで、高い密着性を得ることができる。

【0017】

この複列自動調心ころ軸受は、風力発電装置の主軸の支持に適する。風力発電装置の主軸を支持する複列自動調心ころ軸受には、ブレードやロータヘッドの自重によるラジアル荷重、および風力によるアキシアル荷重が作用する。軸受幅方向に並ぶ２列のころのうち前記他方の列のころラジアル荷重とアキシアル荷重の両方を受け、前記一方の列のころはほぼラジアル荷重のみを受ける。その場合、アキシアル荷重を受ける列のころを、接触角が大きい前記他方の列のころとし、ほぼラジアル荷重のみを受ける列のころを、接触角が小さい前記一方の列のころとすることにより、疲労荷重および極値荷重のいずれに対しても、両列のころで適切に負荷が分担される。

【発明の効果】

【0018】

以上のように、本発明に係る複列自動調心ころ軸受によれば、寸法規格の制約の範囲内で、疲労荷重のみならず極値荷重に対しても、両列のころで適切に負荷を分担することが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【0019】

【図1】本発明の第１の実施形態にかかる複列自動調心ころ軸受の断面図である。

【図2】非対称ころの説明図である。

【図3】同複列自動調心ころ軸受と従来の複列自動調心ころ軸受にそれぞれアキシアル荷重とラジアル荷重の合成荷重をかけた場合におけるフロント側のころの接触面圧の分布解析結果を示すグラフである。

【図4】同複列自動調心ころ軸受と従来の複列自動調心ころ軸受にそれぞれアキシアル荷重とラジアル荷重の合成荷重をかけた場合におけるリア側のころの接触面圧の分布解析結果を示すグラフである。

【図5】両列のころの接触角の比がそれぞれ異なる複数種類の複列自動調心ころ軸受にアキシアル荷重とラジアル荷重の合成荷重をかけた場合におけるフロント側のころの接触面圧の分布解析結果を示すグラフである。

【図6】両列のころの接触角の比がそれぞれ異なる複数種類の複列自動調心ころ軸受にアキシアル荷重とラジアル荷重の合成荷重をかけた場合におけるリア側のころの接触面圧の分布解析結果を示すグラフである。

【図7】従来の複数の複列自動調心ころ軸受について軸受幅に対するころ長さの比率を同一図面上に図示した図である。

【図8】風力発電装置の主軸支持装置の一例の一部を切り欠いて表した斜視図である。

【図9】同主軸支持装置の破断側面図である。

【図10】この発明の他の実施形態にかかる複列自動調心ころ軸受の断面図である。

【図11】同の複列自動調心ころ軸受におけるころ表層のＤＬＣ皮膜の構成を示す説明図である。

【図12】前記各実施形態の複列自動調心ころ軸受に用いられる保持器の一例を示す斜視図である。

【図13】同保持器の部分拡大破断平面である。

【図14】同保持器のポケットところの関係を示す断面図である。

【図15】同保持器の部分断面図である。

【図16】同保持器の部分平面図である。

【図17】同保持器の柱部の断面図である。

【図18】同保持器の部分斜視図である。

【図19】同保持器の変形例の部分斜視図である。

【図20】従来の一般的な複列自動調心ころ軸受の断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0020】

本発明の第１の実施形態に係る複列自動調心ころ軸受（以下、単に「軸受」と称する場合がある。）１を図１と共に説明する。この複列自動調心ころ軸受１は、内輪２と外輪３との間に軸受幅方向（軸心方向）に並ぶ左右２列のころ４，５を介在させてある。外輪３の軌道面３ａは球面状であり、左右各列のころ４，５は外周面が外輪３の軌道面３ａに沿う断面形状である。言い換えると、ころ４，５の外周面は、外輪３の軌道面３ａに沿った円弧を中心線Ｃ１，Ｃ２回りに回転させた回転曲面である。内輪２には、左右各列のころ４，５の外周面に沿う断面形状の複列の軌道面２ａ，２ｂが形成されている。内輪２の外周面の両端には、つば（小つば）６，７がそれぞれ設けられている。内輪２の外周面の中央部、すなわち左列のころ４と右列のころ５間に、中つば８が設けられている。なお、本明細書における用語「左」，「右」は、軸受のアキシアル方向における相対的な位置関係を便宜上示すための用語に過ぎない。本明細書において、「左」，「右」は、理解を容易にするため、各図における左右と一致させている。

【0021】

左右各列のころ４，５は、それぞれ保持器１０Ｌ，１０Ｒにより保持されている。左列用の保持器１０Ｌは、円環部１１から複数の柱部１２が左側に延び、これら柱部１２間のポケットに左列のころ４が保持される。右列用の保持器１０Ｒは、円環部１１から複数の柱部１２が右側に延び、これら柱部１２間のポケットに右列のころ５が保持される。

【0022】

図２に誇張して示すように、左右各列のころ４，５は、いずれも最大径Ｄ１ｍａｘ，Ｄ２ｍａｘの位置がころ長さの中央Ａ１，Ａ２から外れた非対称ころである。左列のころ４の最大径Ｄ１ｍａｘの位置はころ長さの中央Ａ１よりも右側にあり、右列のころ５の最大径Ｄ２ｍａｘの位置はころ長さの中央Ａ２よりも左側にある。このような非対称ころからなる左右各列のころ４，５は、誘起スラスト荷重が発生する。この誘起スラスト荷重を受けるために、内輪２の前記中つば８が設けられる。非対称ころ４，５と中つば８の組合せは、ころ４，５を内輪２、外輪３、および中つば８の３箇所で案内するので、案内精度が良い。

【0023】

図１に示すように、両列のころ４，５の接触角はいずれも０°より大きく、かつ互いに異なっている。この例では、右列のころ５の接触角θ２の方が、左列のころ４の接触角θ１よりも大きくなっている。左列のころ４の接触角θ１と右列のころ５の接触角θ２の比は、１：２から１：４、すなわち０．２５≦θ１／θ２≦０．５の範囲内に設定されている。最も好ましい接触角θ１，θ２の比は、１：３（θ１／θ２＝０．３３３）である。その理由については後述する。具体的には、接触角θ１の範囲は例えば３°～６°であり、好ましくはθ１＝５°である。接触角θ２の範囲は例えば１２°～１８°であり、好ましくはθ２＝１５°である。

【0024】

また、左列のころ４と右列のころ５は、最大径Ｄ１ｍａｘ，Ｄ２ｍａｘが互いに同じで、中心線Ｃ１，Ｃ２に沿った長さＬ１，Ｌ２が互いに異なっている。長さが長いころ５の長さＬ２は、軸受幅（左列側の軸受端面Ｅ１から右列側の軸受端面Ｅ２までの軸受幅方向距離）Ｂの３９％以上であることが好ましい。なお、左列のころ４の長さＬ１と右列のころ５の長さＬ２は等しくてもよい。もっとも、図示の例のように、接触角が大きい列のころの長さＬ２を接触角が小さい列のころの長さＬ１より長くすることにより、接触角が大きい列のころのアキシアル荷重に対する負荷容量がさらに向上する。

【0025】

両列の接触角θ１，θ２をなす２本の作用線Ｓ１，Ｓ２の交点Ｐの軸受幅方向位置は、中つば８の軸受幅方向の中央位置Ｑよりも、接触角の小さいころ４の側に距離Ｋだけずれている。これにより、長さの長いころ５を必要以上に長くすることなく、長さの長いころ５の接触角θ２を大きくすることができる。なお、前記作用線Ｓ１，Ｓ２は、ころ４，５と内輪２および外輪３との接触部に働く力の合成力が作用する線である。作用線Ｓ１，Ｓ２が互いに交わる点Ｐは、軸受中心軸心Ｏ上に位置する。

【0026】

より具体的には、交点Ｐの軸受幅方向位置は、接触角が小さい左列側の軸受端面Ｅ１から上記交点Ｐまでの軸受幅方向距離Ｂ１と、接触角が大きい右列側の軸受端面Ｅ２から交点Ｐまでの軸受幅方向距離Ｂ２との比が０．５≦Ｂ１／Ｂ２≦０．６の範囲内となるように設定されている。

【0027】

この構成の軸受１は、アキシアル荷重およびラジアル荷重を受け、左右のころ列に互いに大きさが異なる荷重が作用する用途、例えば風力発電装置の主軸支持軸受として用いられる。その場合、旋回翼に近い側（フロント側：図１の左側）に左列のころ４が位置し、遠い側（リア側：図１の右側）に右列のころ５が位置するように、軸受１を設置する。この場合、主軸からのアキシアル荷重Ｆａはフロント側からリア側に向かう方向に付加される。これにより、接触角θ２が大きい右列のころ５が、アキシアル荷重のほぼすべてとラジアル荷重の一部を負担し、接触角θ１が小さい左列のころ４が、ラジアル荷重の残りを負担する。

【0028】

上記軸受幅方向距離Ｂ１とＢ２との比を、０．５≦Ｂ１／Ｂ２≦０．６の範囲とすることにより、ほぼラジアル荷重のみを負担する左側の列のころの長さＬ１が、規格寸法の範囲内で過度に短くなることがない。仮に一方列のころの長さが過度に短い場合、ころの負荷容量が不十分となり、極値荷重のような極めて大きな荷重がラジアル方向から付加されると、ころの両端にエッジ応力が発生し、寿命低下の原因となる。しかし、本実施形態に係る軸受１では様々な方向から負荷されることを想定する必要がある極値荷重に対しても、一方の列のころの負荷能力が不足することが回避される。したがって、この軸受１によれば、寸法規格の制約の範囲内で、疲労荷重および極値荷重のいずれに対しても、両列のころで適切に負荷を分担することが可能になる。

【0029】

また、上述のように、一方の列（この例では左列）のころ長さＬ１よりも他方の列（この例では右列）のころ長さＬ２が長いことが好ましいが、左列のころ長さＬ１が過度に短くならないよう、Ｌ１とＬ２との比が、０．９≦Ｌ１／Ｌ２＜１．０の範囲にあることがより好ましい。

【0030】

以下、両列のころの接触角の比を０．２５以上０．５以下の範囲内に設定する理由について説明する。図１０に示す従来の複列自動調心ころ軸受４１および図１に示す本発明の複列自動調心ころ軸受１について、風力発電装置の主軸支持用軸受として使用する場合に想定されるアキシアル荷重とラジアル荷重との合成荷重の際左右両列のころの接触面圧を解析した。図３はフロント側すなわち左列のころ４４，４の接触面圧分布を示し、図４はリア側すなわち右列のころ４５，５の接触面圧解析結果分布を示す。

【0031】

図３、図４に示す結果から以下のことが分かる。図１０の従来品は、フロント側にて接触面圧が小さく、リア側で接触面圧が大きくなっており、フロント側とリア側とで荷重負担が不均一な状態となっている。これに対し、図１の接触角変更品は、フロント側にてころ全体に接触面圧が発生することにより、リア側の接触面圧の最大値が下がり、両列での接触面圧差が小さくなり均等化されている。

【0032】

また、左列のころ４の接触角θ１と右列のころ５の接触角θ２との比がそれぞれ異なる３種類の複列自動調心ころ軸受にて、前記同様にして左右両列のころの接触面圧を解析した。図５はフロント側すなわち左列のころ４の接触面圧解析結果分布を示し、図６はリア側すなわち右列のころ５の接触面圧解析結果分布を示す。接触角の比が１：１であるものは従来品であり、接触角の比が１：２、１：３であるものは本発明の接触角変更品である。

【0033】

図５、図６に示す結果から以下のことが分かる。各接触角の比について接触面圧分布を比較すると、接触角の比が１：３のものが、フロント側とリア側とで最も接触面圧が均等化されている。接触角の比が１：２のものは、接触角の比が１：３のものに比べると均等化はされていないが、接触角の比が１：１のものに比べれば十分に均等化されている。図１からも分かるように、ころ５の接触角θ２が大きくなると、寸法制約の関係から内輪２の肉厚が薄くなり過ぎるため、長さが長いころ５を配置することが困難になる。これらのことから、接触角の比は、１：２以上で１：４以内とするのが望ましい。

【0034】

なお、前記想定されるアキシアル荷重およびラジアル荷重とは、発電能力、設置場所等の諸条件を考慮して平均的な風力発電装置が最も通常に運転しているときの疲労荷重であるアキシアル荷重およびラジアル荷重を指す。よって、平均的な風力発電装置と比べて前記条件が異なる風力発電装置に用いられる複列自動調心ころ軸受では、最適な接触角の比が１：３でないことが有り得る。しかし、その場合でも、最適な接触角の比は１：２ないし１：４の範囲内に収まる。

【0035】

また、必須ではないが、長さが長いころ５の長さＬ２は軸受幅Ｂの３９％以上であるという条件を付加することにより、寸法規格の範囲内で両列のころの接触角の比が上記適正とされた複列自動調心ころ軸受が得られる。なお、従来の複列自動調心ころ軸受について、軸受幅Ｂに対するころ５の長さＬ２の比率を調査した。その結果、図７に示すように、前記比率が３９％以上であることが判明した。上記寸法規格は、内径、外径、および軸受幅を定めた規格である。

【0036】

図８、図９は、風力発電装置の主軸支持装置の一例を示す。支持台２１上に旋回座軸受２２（図９）を介してナセル２３のケーシング２３ａが水平旋回自在に設置されている。ナセル２３のケーシング２３ａ内には、軸受ハウジング２４に設置された主軸支持軸受２５を介して主軸２６が回転自在に設置され、主軸２６のケーシング２３ａ外に突出した部分に、旋回翼となるブレード２７が取り付けられている。主軸２６の他端は、増速機２８に接続され、増速機２８の出力軸が発電機２９のロータ軸に結合されている。ナセル２３は、旋回用モータ３０により、減速機３１を介して任意の角度に旋回させられる。主軸支持軸受２５は、図示の例では２個並べて設置してあるが、１個であってもよい。

【0037】

図１０、図１１は、この発明の他の実施形態を示す。この実施形態において、特に説明する事項の他は、第１の実施形態と同様である。
この実施形態の複列自動調心ころ軸受１は、前記他方の列のころ５を保持する保持器１０Ｒの傾斜角β２が、前記他方の列のころ５の最大径を成す位置の傾斜角度であるころ最大径角α２に対して、次式、
０≦β２≦α２
で示される関係となっている。
なお、前記「保持器１０Ｒの傾斜角β２」は、保持器１０Ｒの柱部１２におけるポケット面１２ａが円筒面である場合、その円筒面の中心線Ｃ２が保持器中心（軸受中心軸心Ｏ）に対して成す角度が保持器傾斜角β２である。

【0038】

前記他方の列のころ５、つまりアキシアル荷重の入力方向に対するリア側列のころ５は、最大径角α２が大きくなるため、保持器傾斜角度β２を設定し、保持器１０Ｒのポケット面１２ａがころ５の最大径位置を抱えるようにしても良い。
このとき、 ０≦β２≦α２
とすることで、ころ５の姿勢安定性が損なわれることはない。
また、このような保持器１０Ｒの形状とすることで、左右列非対称設計特有の組み込み性の低下を防ぎ、ころ５を安定して保持することができる。

【0039】

各列のころ４，５は、外周面に多層構造（３層以上）のＤＬＣ皮膜９を有している。内輪２および外輪３の各軌道面２ａ，２ｂ，３ａについても、ころ４，５と同様にＤＬＣ皮膜９を施してもよいが、ここではころ４，５のＤＬＣ皮膜９について説明する。このＤＬＣ皮膜９の膜厚は、２．０μｍ以上である。ＤＬＣ皮膜９は、この実施形態では、図１１にリア側のころ５のＤＬＣ皮膜９の断面を模式的に示すように、ころ４，５の母材側から順に、下地層９ａ、混合層９ｂ、および表面層９ｃの３層とされている。
前記ころ４，５の母材の外表面の面粗さは、算術粗さＲａ、および二乗平均平方根傾斜ＲΔｑで、 Ｒａ≦０．３、かつＲΔｑ≦０．０５
である。
前記多層構造のＤＬＣ皮膜９における各層９ａ，９ｂ，９ｃの膜硬さは、段階的に外層側の層が高くなる。

【0040】

ころ４，５の外周面にＤＬＣ皮膜処理することで耐摩耗性が向上する。ＤＬＣ皮膜９を施すと、耐摩耗性が向上する反面、耐剥離性を確保する必要がある。これを、次の構成とすることで改善している。ＤＬＣ皮膜９は、母材との密着性に優れる多層構造を採用する。膜厚は２．０μｍ以上が望ましい。またＤＬＣ皮膜９を施す外周面の粗さの値を、算術平均粗Ｒａで０．３Ｒａ以下、二乗平均平方根傾斜ＲΔｑで０．０５以下とすることで、相手材への攻撃性が緩和できる。さらに、ＤＬＣ皮膜９の膜硬さは、多層構造で段階的に硬度を高めることで、高い密着性を得ることができる。

【0041】

ころ４，５等の材質と、前記ＤＬＣ皮膜９とにつき、具体的に説明する。ころ４，５、内輪２、および外輪３は、鉄系材料からなる。鉄系材料としては、軸受部材として一般的に用いられる任意の鋼材などを使用でき、例えば、高炭素クロム軸受鋼、炭素鋼、工具鋼、マルテンサイト系ステンレス鋼などが挙げられる。
これらの軸受部材において、ＤＬＣ皮膜９が形成される面の硬さが、ビッカース硬さでＨｖ６５０以上であることが好ましい。Ｈｖ６５０以上とすることで、ＤＬＣ皮膜９（下地層）との硬度差を少なくし、密着性を向上させることができる。

【0042】

ころ４，５のＤＬＣ皮膜９が形成される面において、皮膜膜形成前に、窒化処理により窒化層が形成されていることが好ましい。窒化処理としては、母材表面に密着性を妨げる酸化層が生じ難いプラズマ窒化処理を施すことが好ましい。また、窒化処理後の表面の硬さがビッカース硬さでＨｖ１０００以上であることが、ＤＬＣ皮膜９（下地層）との密着性をさらに向上させるために好ましい。

【0043】

ころ４，５のＤＬＣ皮膜９が形成される面、つまり下地層９ａが成膜される面である母材表面は、算術平均粗さＲａが０．１～０．３μｍであり、かつ、二乗平均平方根傾斜ＲΔｑが０．０５以下である。ＲΔｑは、好ましくは０．０３以下であり、より好ましくは０．０２以下である。算術平均粗さＲａおよび二乗平均平方根傾斜ＲΔｑは、ＪＩＳＢ０６０１に準拠して算出される数値であり、接触式または非接触式の表面粗さ計などを用いて測定される。具体的な測定条件としては、測定長さ４ｍｍ、カットオフ０．８ｍｍである。母材表面の二乗平均平方根傾斜ＲΔｑを０．０５以下とすることで、粗さ曲線におけるピークが緩やかになり、突起の曲率半径が大きくなり局所面圧が低減できる。また、成膜時においては粗さによるミクロなレベルの電界集中も抑制でき、局所的な膜厚および硬度の変化を防ぐことができ、ひいては硬質膜の耐剥離性を向上できる。

【0044】

母材表面の粗さ曲線から求められる最大山高さＲｐは０．４μｍ以下であることが好ましい。最大山高さＲｐは、ＪＩＳＢ０６０１に準拠して算出される。粗さ曲線から求められる最大山高さＲｐと算術平均粗さＲａの関係は、１≦Ｒｐ／Ｒａ≦２となることが好ましく、１．２≦Ｒｐ／Ｒａ≦２となることがより好ましい。

【0045】

また、母材表面の粗さ曲線から求められるスキューネスＲｓｋは負であることが好ましい。Ｒｓｋは、歪み度の指標であり、－０．２以下であることがより好ましい。スキューネスＲｓｋは、平均線を中心にして振幅分布曲線の上下対称性を定量的に表したもの、つまり表面粗さの平均線に対する偏りを示す指標である。スキューネスＲｓｋは、ＪＩＳＢ０６０１に準拠して算出される。スキューネスＲｓｋが負であることは、粗さ形状が下に凸（谷）ということを意味し、表面に平坦部が多くある状態となる。結果として凸部が少なく突起部による応力集中を起こしにくい表面であると言える。また粗さを軽減する手法にバレル研磨など研磨メディアとの衝突により表面突起を除去する方法があるが、加工条件によっては新たに突起を形成してしまいＲｓｋが正に転じる可能性があり注意が必要である。

【0046】

図１１は、ＤＬＣ皮膜９の構造を示す模式断面図である。同図に示すように、ＤＬＣ皮膜９は、（１）ころ４，５の表面上に直接成膜されるＣｒとＷＣとを主体とする下地層９ａと、（２）下地層９ａの上に成膜されるＷＣとＤＬＣとを主体とする混合層９ｂと、（３）混合層９ｂの上に成膜されるＤＬＣを主体とする表面層９ｃとからなる３層構造を有する。ここで、混合層９ｂは、下地層９ａ側から表面層９ｃ側へ向けて連続的または段階的に、該混合層中のＷＣの含有率が小さくなり、かつ、該混合層中のＤＬＣの含有率が高くなる層である。この実施形態では、ＤＬＣ皮膜９の膜構造を上記のような３層構造とすることで、急激な物性（硬度・弾性率等）変化を避けるようにしている。

【0047】

下地層９ａは、Ｃｒを含むので超硬合金材料や鉄系材料からなる母材との相性がよく、Ｗ、Ｔｉ、Ｓｉ、Ａｌなどを用いる場合と比較して母材との密着性に優れる。また、下地層９ａに用いるＷＣは、ＣｒとＤＬＣとの中間的な硬さや弾性率を有し、成膜後の残留応力の集中も発生し難い。また、下地層９ａは、ころ表面側から混合層９ｂ側に向けてＣｒの含有率が小さく、かつ、ＷＣの含有率が高くなる傾斜組成とすることが好ましい。これにより、ころ表面と混合層９ｂとの両面での密着性に優れる。

【0048】

混合層９ｂは、下地層と表面層との間に介在する中間層となる。混合層９ｂに用いるＷＣは、上述のように、ＣｒとＤＬＣとの中間的な硬さや弾性率を有し、成膜後の残留応力の集中も発生し難い。混合層９ｂが、下地層９ａ側から表面層９ｃ側に向けてＷＣの含有率が小さく、かつ、ＤＬＣの含有率が高くなる傾斜組成であるので、下地層９ａと表面層９ｃとの両面での密着性に優れる。また、該混合層内において、ＷＣとＤＬＣとが物理的に結合する構造となっており、該混合層内での破損などを防止できる。さらに、表面層９ｃ側ではＤＬＣ含有率が高められているので、表面層９ｃと混合層９ｂとの密着性に優れる。混合層９ｂは、非粘着性の高いＤＬＣをＷＣによって下地層９ａ側にアンカー効果で結合させる層である。

【0049】

表面層９ｃは、ＤＬＣを主体とする膜である。表面層９ｃにおいて、混合層９ｂとの隣接側に、混合層９ｂ側から硬度が連続的または段階的に高くなる傾斜層部分９ｄを有することが好ましい。これは、混合層９ｂと表面層９ｃとでバイアス電圧が異なる場合、バイアス電圧の急激な変化を避けるためにバイアス電圧を連続的または段階的に変化させる（上げる）ことで得られる部分である。傾斜層部分９ｄは、このようにバイアス電圧を変化させることで、結果として上記のように硬度が傾斜する。硬度が連続的または段階的に上昇するのは、ＤＬＣ構造におけるグラファイト構造（ｓｐ２）とダイヤモンド構造（ｓｐ３）との構成比率が、バイアス電圧の上昇により後者に偏っていくためである。これにより、混合層と表面層との急激な硬度差がなくなり、混合層９ｂと表面層９ｃとの密着性がさらに優れる。

【0050】

ＤＬＣ皮膜９の膜厚（３層の合計）は０．５～３．０μｍとすることが好ましい。膜厚が０．５μｍ未満であれば、耐摩耗性および機械的強度に劣る場合があり、５．０μｍをこえると剥離し易くなる。さらに、該ＤＬＣ皮膜９の膜厚に占める表面層９ｃの厚さの割合が０．８以下であることが好ましい。この割合が０．８をこえると、混合層９ｂにおけるＷＣとＤＬＣの物理結合するための傾斜組織が不連続な組織となりやすく、密着性が劣化するおそれがある。

【0051】

ＤＬＣ皮膜９を以上のような組成の下地層９ａ、混合層９ｂ、表面層９ｃとの３層構造とすることで、耐剥離性に優れる。

【0052】

図１２～図１９は、前記リア側の保持器１０Ｒの構成例を示す。フロント側の保持器１０Ｌ(図１)は、これら図１２～図１９と共に説明する事項については、リア側の保持器１０Ｒと同様であり、説明を省略する。また、この保持器１０Ｒの構成例は、第１の実施形態および図１０の実施形態のいずれにおいても適用される。

【0053】

図１２において、保持器１０Ｒの柱部１２は、長さ方向の各部が同一の基本断面形状(図１４に想像線で示す形状)の棒状の部分から、円筒面状のポケット面１２ａが除去され、かつ先端にテーパー形状部１３が設けられた形状とされている。前記基本断面形状は、それぞれ円筒面の一部を成す外周面１２ｂおよび内周面１２ｃと、半径方向に延びる両側の平面状の側面１２ｄとでなる形状である。ポケット面１２ａを成す円筒面の直径は、ころ５の最大径よりも僅かに大きな径とされている。ポケット面１２ａは、前記中心線Ｃ２(図１、図１０)を中心とする円筒面である。前記中心線Ｃ２は、図１７に示すように、柱部１２が延びる方向に対して、柱部先端側が内径側に近づくように傾斜している。

【0054】

図１３に示す保持器１０Ｒの外径Ｄｏ、内径Ｄｉ、柱部長さＬは、次のように最適化されている。
保持器１０Ｒの環状部１１の外径Ｄｏは、ころ５の配列のピッチ円直径ＰＣＤよりも大きく、環状部１１の内径Ｄｉはピッチ円直径ＰＣＤ(図１０)よりも小さい。
環状部１１の外径Ｄｏは、例えば、ＰＣＤ×１０２～１０５％、である。
環状部１１の内径Ｄｉは、例えば、ＰＣＤ×９５～９８％、である。
柱部１２の長さＬ、詳しくは柱部１２のポケット７を構成する部分の長さＬは、ころ長さＬ２（図１、図１０）の６５％以下とされている。

【0055】

前記テーパー形状部１３( 図１２～図１３、図１５～図１７) は、柱部１２の先端の外径面に、最先端に至るに従って保持器内径側に下がるように形成されている。テーパー形状部１３は、ころ５の最大径角を成す直線ａ（図１５に破線で示す）上であるか、この直線ａよりも柱部先端側から始まる。換言すると、テーパー形状部１３は、ころ５の中心線Ｃ２上の最大径となる位置Ｍ (図１０) 上、またはこの位置Ｍよりも柱部先端側から始まる。

【0056】

柱部１２に前記テーパー形状部１３が形成され、かつ円筒面状のポケット面１２ａが柱部１２が延びる軸方向に対して傾斜していることで、図１６に示すように、柱部１２を保持器半径方向の外方から保持器中心側に見た柱部幅は、柱部１２の最先端で最も狭くＷ１となっており、テーパー形状部１３が始まる手前の幅Ｗ２に対して狭くなっている。また、柱部１２の先端面１２ｅの径方向厚さｄ( 図１７) が小さくなっている。

【0057】

保持器１０Ｌ，１０Ｒの材質は、軸受鋼やその他の鉄系材料、または黄銅系材料が用いられている。

【0058】

この構成の保持器保持器１０Ｒによると、柱部１２のポケット面１２ａが円筒面であるため、ころ５の確実な保持が行える。また、テーパー形状部１３を形成したため、ころ５の組み込み性が向上する。

【0059】

テーパー形状部１３ところ５の組み込み性の関係について説明する。柱部１２のポケット面１２ａとなる円筒面の中心線Ｃ２は、柱部１２が延びる方向に対して先端側が内径側へ傾斜している。そのため、図１９の例のように、前記テーパー形状部１３(図１８参照)がなければ、柱部１２を保持器半径方向の外方から保持器中心側に見た柱部幅が、前記柱部の最先端で最も広くなる。そのため、この広くなった柱部１２の先端の外径部で阻害されてポケット１５内へのころ５の組み込みが行い難く、またその広い柱部１２の先端の外径部が、強度や機能的に良い影響を持たない無駄部分となる。

【0060】

この実施形態では、前記テーパー形状部１３を形成したため、柱部先端の周方向幅Ｗ１（図１６）および径方向厚さｄ( 図１７) が共に小さくなっている。そのため、ころ５の組み込み性が向上し、かつ保持器１０Ｒの軽量化が得られる。ころ５の組み込み性が向上するため、組み込み時に保持器１０Ｒを大きく変形させる必要がなく、保持器１０Ｒの変形による形状の崩れが防止される。

【0061】

テーパー形状部１３は、無駄部分を省くように形成するため、ころ５の保持性に影響せず、また軽量化の面からも、テーパー形状部１３を形成することが好ましい。
ただし、テーパー形状部１３は、長く形成し過ぎると、ころ５の保持性が低下するため、ころ５の最大径となる位置Ｍ(図１６)上またはこの位置Ｍよりも柱部先端側から始まるようにしており、そのため、ころ５の保持性が確保される。
また、ころ５の組み込み性からは、テーパー形状部１３の先端の径方向厚さｄ(図１７)が薄いほど好ましいが、円筒面からなるポケット面１２ａは柱部１２の先端側からドリル加工で形成するため、先端に平面を残す必要があり、加工に支障のない範囲で薄くすることが好ましい。

【0062】

なお、リア側の保持器１０Ｒにつき説明したが、上記の保持器形状についての構成および効果は、フロント側の保持器１０Ｌもリア側の保持器１０Ｒと同様である。
これら保持器１０Ｌ、１０Ｒは、例えば図１９の例のように、柱部１２の先端にテーパー形状部１３を持たない形状であってもよく、さらにポケット面１２ａを成す円筒面の中心線Ｃ２が、柱部１２が延びる方向に対して傾斜していない形状であってもよい。

【0063】

以上、実施形態に基づいてこの発明を実施するための形態を説明したが、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではない。この発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

【符号の説明】

【0064】

１，１Ａ，１Ｂ…複列自動調心ころ軸受
２…内輪
３…外輪
３ａ…軌道面
４，５…ころ
６，７…小つば
８…中つば
９…ＤＬＣ皮膜
１１…環状部
１２…柱部
１３…テーパー形状部
１５…ポケット
２６…主軸
Ａ１，Ａ２…ころ長さの中央
Ｂ…軸受幅
Ｂ１，Ｂ２…軸受の端面から作用線の交点までの軸受幅方向距離
Ｄ１ｍａｘ，Ｄ２ｍａｘ…最大径
Ｅ１，Ｅ２…軸受の端面
Ｌ１，Ｌ２…ころの長さ
Ｐ…作用線の交点
θ１，θ２…接触角

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】