JP2008138779A - 軸支持装置及び円筒ころ軸受の予圧法 - Google Patents

Abstract

【課題】円筒ころ軸受のスミアリング損傷の防止や軸系の回転に伴う振動によるラジアル変位の吸収を、簡単な構造で使用条件に応じて柔軟に調整する。
【解決手段】軸箱１、１１の内径面１ａ、１１ａと円筒ころ軸受の外輪２、１２の外径面２ａ、１２ａとに、軸方向に沿った凹部１ｂ、２ｂ、１１ｂ、１２ｂを円筒ころ軸受を組み込んだ状態で向き合うように形成し、それら向き合う凹部１ｂ、２ｂ、１１ｂ、１２ｂ間に別部材３やＣ型ばね１３を圧入することにより、これらを当該両凹部との接触で位置決めすると共に、外輪２を別部材３の圧入で内側に圧迫して円筒ころ軸受のラジアルすきまを負に変化させたり、外輪１２のラジアル変位をＣ型ばね１３で吸収させるようにした。
【選択図】図１

Description

この発明は、軸と軸箱との間に円筒ころ軸受を組み込む軸支持装置及び円筒ころ軸受の予圧法に関し、特に、予圧、運転振動の吸収などの調整を軸箱と外輪間で行うことに関する。

円筒ころ軸受を高速・軽荷重の条件下で運転すると、円筒ころと内輪軌道面との間で相対的な滑り（スキッディング）が生じ、その結果、内輪軌道面やころ転動面にスミアリング損傷が発生する場合がある。

そこで、上記のスミアリング損傷を防止するべく、運転条件、軸受寿命等を考慮し、円筒ころ軸受にラジアル方向の予圧を与えたり、軌道面やころ転動面にクラウニングを形成して接触面圧を高くしたりすることが行われている。

従来、外輪の軌道面を楕円状に歪に形成したり（バイローブ）、三角状に歪に形成したり（トライローブ）、軸箱の内径面をバイローブ等に形成して外輪に形状を転写させたりすることで、円筒ころ軸受のラジアルすきまを周方向で部分的に負に設定したものがある（例えば、特許文献１）。これらのように、ラジアルすきまが負に設定した部分を設けると、その部分を円筒ころが通過することで予圧が与えられ、これにより、スキッディングが防止されるので、スミアリング損傷を防止することができる。

また、円筒ころ軸受は、ジェットエンジンや発電用ガスタービンに代表されるガスタービンエンジンの主軸支持に適用されることが多い。この種のガスタービンエンジンは、軸、タービンブレード等の高速回転体を有するため、各部品の質量差が回転時にアンバランスを生じさせる。また、主軸は、細長いため、軸の複雑な曲がりも発生する。それらエンジンの主軸系の回転によって生じる振動（荷重及び変位）は、主軸より剛性が高い部品から構成される軸受部分にそのまま伝わる。そのような振動は、軸受寿命を短命にするといった不具合を招く。

そこで、従来のガスタービンエンジンでは、上記主軸系の回転振動を吸収するばね部を軸箱に形成し、さらに、そのばね系を減衰させるダンパを軸箱と外輪との間に介在させた円筒ころ軸受が利用されている（特許文献２）。

特開２００１−１４０８７７号公報（要約書） 特開２００６−１０５１９９号公報

しかしながら、外輪の軌道面等をバイローブ等に形成した円筒ころ軸受は、外輪の軌道面等の加工が難しく、また、運転条件、軸受寿命等を考慮した予圧を設定するには、実機で試行錯誤を重ねる必要があるため、コストが高くなる。
クラウニングを形成して接触面圧を高める場合、形状が個別の装置ごとに決定されるため、幅広い使用条件でスミアリング損傷の防止を図ることができない。

また、上記主軸系の振動を吸収するばね部を軸箱に形成した円筒ころ軸受は、
振動に伴う外輪のラジアル変位を吸収させるのに軸方向に長いばね部が必要であり、エンジン内に設置空間を要し、また、そのようなばね部の形成に伴い、材料使用量も多くなると共に、多くの孔部を正確に形成する必要があり、加工工程も多くなるため、コストが高い点で改良の余地がある。

そこで、この発明の課題は、円筒ころ軸受のスミアリング損傷の防止や軸系の回転に伴う振動によるラジアル変位の吸収を、簡単な構造で使用条件に応じて柔軟に調整することにある。

上記の課題を解決するため、この発明は、軸と軸箱との間に円筒ころ軸受を組み込む軸支持装置において、前記軸箱の内径面と前記円筒ころ軸受の外輪の外径面とに、軸方向に沿った凹部を前記円筒ころ軸受を組み込んだ状態で向き合うように形成し、それら向き合う凹部間に圧入する別部材を設け、圧入した別部材を当該両凹部との接触で位置決めすると共に、前記外輪を内側に圧迫して前記円筒ころ軸受のラジアルすきまを負に変化させた構成を特徴とするものである。

この発明によれば、別部材は、軸方向に沿った軸箱側及び外輪側の両凹部と軸方向に沿って接触した状態で軸箱と外輪との間に介在させられる。その別部材により外輪が内方に押されるため、外輪の軌道面は、軸方向に均一に変形させられる。

したがって、別部材のラジアル寸法を変更するだけで、その別部材の内方において軸受のラジアルすきまを適宜に負側に変化させて適宜の予圧を与えることができる。

具体的には、前記別部材をニードルローラとした構成を採用することができる。別部材の外径は、前記圧入状態でその別部材の内方における軸受のラジアルすきまが負に変化するように選択する。
この構成によれば、ころ軸受用に用意されている各種の外径寸法のものを選択して利用することが可能になり、別部材のオーダーメードを回避しつつ、適宜の予圧を与えることができる。

また、この発明は、軸と軸箱との間に組み込む円筒ころ軸受の予圧法において、前記軸箱の内径面と前記円筒ころ軸受の外輪の外径面とに、軸方向に沿った凹部を前記円筒ころ軸受を組み込んだ状態で向き合うように形成し、それら向き合う凹部間に別部材を圧入することにより、当該別部材を当該両凹部との接触で位置決めすると共に、前記外輪を内側に圧迫して前記円筒ころ軸受のラジアルすきまを負に変化させることを特徴とする。
この予圧法によれば、別部材のラジアル寸法を変更するだけで、その別部材の内方において軸受のラジアルすきまを適宜に負側に変化させて適宜に予圧を与えることができる。

また、この発明は、軸と軸箱との間に円筒ころ軸受を組み込み、その円筒ころ軸受の外輪を前記軸箱に対してすきま嵌めとした軸支持装置において、前記軸箱の内径面と前記円筒ころ軸受の外輪の外径面とに、軸方向に沿った凹部を前記円筒ころ軸受を組み込んだ状態で向き合うように、かつ周方向に均等配置で少なくとも三箇所に形成し、各向き合う凹部間に前記外輪のラジアル変位を吸収するＣ型ばねを圧入し、当該Ｃ型ばねを当該両凹部との接触で位置決めした構成を特徴とするものである。

この発明の構成によれば、前記外輪がＣ型ばねにより全周に亘って均等に押された状態で前記軸箱の内径面に対して支持される。したがって、軸系の振動に伴う外輪のラジアル変位がＣ型ばねで吸収される。

ここで、Ｃ型ばねによれば、特許文献２に係る従来例のばね部より単位体積当りのばね定数を十分に高くすることができる。このため、Ｃ型ばねの小型化や個数の抑制を図ることができる。
また、Ｃ型ばねの変更だけでばね定数を変更することができ、吸収能力の設定自由度も高い。そのＣ型ばねは、汎用品が多種多様にある。
また、軸箱の内径面と外輪の外径面に軸方向に沿った凹部を形成する加工は、従来例のばね部のように材料の使用量を増大させることがなく、多数の加工工程を必要としない。

前記軸箱と前記外輪の間にスクイズフィルムダンパを設けた構成を採用すれば、前記Ｃ型ばねで実現されるばね系の減衰を図ることができる。

ここで、前記軸箱と前記外輪の間にスクイズフィルムダンパを設け、そのダンパ隙間をシールする一対のリングで前記Ｃ型ばねを軸方向両側に規制する構成を採用すれば、一対のリングを利用してＣ型ばねの軸方向の位置ずれを防止することができる。
この構成は、Ｃ型ばねのラジアル方向の伸縮で前記両凹部による圧入に緩みが生じたときでもＣ型ばねの軸方向の位置ずれを確実に防止することができる点で特に有効である。

上述のように、この発明は、円筒ころ軸受のスミアリング損傷の防止や軸系の回転に伴う振動によるラジアル変位の吸収が、凹部の形成と別部材やＣ型ばねの変更だけで実現されるので、簡単な構造で使用条件に応じて柔軟に調整することができる。

以下、この発明の第１実施形態に係る軸支持装置を添付図面に基づいて説明する。
図１、図２に示すように、この第１実施形態に係る軸支持装置は、軸箱１の内径面１ａと円筒ころ軸受の外輪２の外径面２ａとに、軸方向に沿った凹部１ｂ、２ｂを形成し、向き合った両凹部１ｂ、２ｂに圧入する別部材３、３を設けたものである。

外輪２は、軸箱１に対してすきま嵌めされている。これは、外輪クリープの防止を図ると共に、外輪２の変形を容易にするためである。

円筒ころ軸受の内輪４は、軸５に対して固定される。すなわち、この第１実施形態は、軸５と軸箱１との間に円筒ころ軸受を組み込む軸支持装置であり、内輪回転方式に設けられている。なお、外輪２と内輪４との間に、複数の円筒ころ６が保持器７で所定の周方向間隔に等配されている。

凹部１ｂ、２ｂは、軸方向に延びる円弧面を呈する溝状に形成されている。軸方向に沿った溝を形成するだけなので、凹部１ｂ、２ｂの加工が簡単になる利点がある。

この第１実施形態では、２個の別部材３を周方向に均等配置で介在させるようにするため、凹部１ｂ、２ｂがそれぞれ周方向に均等配置で二箇所に形成されている。

軸箱１側の凹部１ｂは、軸方向両側に有端となるように形成されている。軸箱１で別部材３を軸方向移動を両側で規制するためである。

外輪２側の凹部２ｂは、外径面２ａを軸方向に亘っている。このように形成したのは、軸箱１に外輪２を嵌め、軸５に対して内輪４を固定した円筒ころ軸受の組み込み状態で、向き合った両凹部１ｂ、２ｂが形成する空間に別部材３を圧入することができるようにするためである。

上記別部材３には、円筒外径面を有する金属製の棒であるニードルローラが利用されている。凹部１ｂ、２ｂは、軸方向に延びる円弧面を呈する溝状なので、別部材３は、向き合う両凹部１ｂ、２ｂ間に圧入することにより、位置決めされるようになっている。その圧入状態では、両凹部１ｂ、２ｂの溝底において、両凹部１ｂ、２ｂと軸方向に沿って接触するように設けられている。

その別部材３の外径は、前記圧入状態でその別部材３の内方における軸受のラジアルすきまＰＬＤが負に変化するように設定されている。すなわち、圧入状態の別部材３が外輪２を内方に押すようになっている。その結果、別部材３の周方向の位置は、接触圧力により向き合った両凹部１ｂ、２ｂから外れないように位置決めされる。

図３に別部材３を圧入する前の状態を実線で示し、別部材３を圧入後の状態を２点鎖線で示す。内輪４を軸５に対して固定し、外輪２を軸箱１に嵌合し、軸箱１側と外輪２側の各凹部１ｂ、２ｂが周方向二箇所の均等配置で向き合う圧入前の状態を基準として、別部材３の外径は、軸箱１側の凹部１ｂの深さＤＨと、外輪２側の凹部２ｂの深さＤＯと、軸箱１と外輪２とのラジアルすきまの半分ＣＯＨと、予め設定された予圧量寸法ＰＬＤを和した値になっている。

予圧量寸法ＰＬＤは、圧入した際、軸箱１及び／又は外輪２が径方向に変形し、軸受のラジアル隙間が部分的に０以下、即ち負のラジアルすきまになる値である。なお、この負のラジアルすきまの設定値は計算及び／又は実験により求められる。

上記構成を有する軸支持装置は、軸５と軸箱１との間に組み込む円筒ころ軸受の予圧法を次のように実現することができる。すなわち、各両凹部１ｂ、２ｂ間の隙間が軸方向に開放されていることを利用し、側方から各別部材３を圧入すると、図２、図３に示すように、前記の位置決め状態になる。これに伴い、図４に模式的に示すように、外輪２は、内側に圧迫されて円筒ころ軸受のラジアルすきまが負に変化させられる。圧迫箇所は、周方向二箇所の均等配置になるため、外輪２の軌道面２ｃは、全体として楕円状に変形（バイローブ）させられる。
この予圧法によれば、高速回転・軽荷重などの使用条件を考慮して別部材３の外径を適宜に変更すれば、所望の予圧を与えることができる。

なお、別部材３を介在させる個数は、スミアリング損傷を防止することができる限り、別部材３を周方向に少なくとも一箇所に介在させればよい。
例えば、図５に示すように、別部材３を介在させる個数を３個とし、これらを周方向に等配（軸心回りで１２０°間隔）にすれば、外輪２の軌道面２ｃは、三角形状（トライローブ）に変形させられる。

この発明の第２実施形態を図６〜図８に基づいて説明する。以下の説明では、既述の構成と同一に考えられる構成はその説明を省略し、相違点を中心に述べる。
この第２実施形態は、軸５と軸箱１１との間に円筒ころ軸受を組み込み、その円筒ころ軸受の外輪１２を軸箱１１に対してすきま嵌めとした軸支持装置である点で上記第１実施形態と同じであるが、軸箱１１の内径面１１ａと円筒ころ軸受の外輪１２の外径面１２ａとに、軸方向に沿った凹部１１ｂ、１２ｂを前記円筒ころ軸受を組み込んだ状態で向き合うように、かつ周方向に均等配置で三箇所に形成し、各向き合う凹部１１ｂ、１２ｂ間に外輪１２のラジアル変位を吸収するＣ型ばね１３、１３を圧入する点で相違している。なお、軸箱１１は、ガスタービンエンジンのものとなっている。

軸箱１１側の凹部１１ｂは、軸方向一端が軸箱蓋１１ｃで構成されており、開閉可能となっている。Ｃ型ばね１３は、略円筒外径を有するため、軸方向に沿った凹部１１ｂ、１２ｂに沿って圧入することができる。したがって、円筒ころ軸受を組み込み、軸箱蓋１１ｃを外した状態で、各Ｃ型ばね１３を両凹部１１ｂ、１２ｂに圧入して位置決めさせられる。

Ｃ型ばね１３は、軸系の振動を吸収することができる限り、少なくとも３つを周方向に均等配置とすればよい。軸箱１１と外輪１２の間にばね性に優れたＣ型ばね１３を圧入して軸系の振動を吸収するため、外輪１２等を延長してばね部を設ける必要がなくなり、軸受系の幅方向の寸法が短縮され、エンジン室のコンパクト化が可能になる。

なお、Ｃ型ばね１３の材質はばねとしての機能を有する材料であれば、何を用いても良い。さらに、Ｃ型ばね１３には、疲労強度向上のためのあらゆる窒化やピーニングなどの処理を施すことも可能である。この第２実施形態では、圧入状態で外輪１２の軌道面が実質的に変形しないようにしたが、運転条件によっては変形させてもよい。

ここで、Ｃ型ばね１３は、その割れ目が周方向に向くように圧入されている。これにより、Ｃ型ばね１３のばね性がラジアル方向に最も効率よく発揮される。

また、Ｃ型ばね１３は、両凹部１１ｂ、１２ｂとの接触圧力で回転しないようになっている。これにより、Ｃ型ばね１３の向きが維持される。したがって、上記割れ目のエッジが軸箱１１や外輪１２に接触しない。このようにすれば、エッジ掛りによるこれらの破損を防止することができる。

軸箱１１と外輪１２の間に、スクイズフィルムダンパが設けられている。このスクイズフィルムダンパは、軸箱１１と外輪１２の間にリング１４、１４を組込むことで閉じられたダンパ隙間を設け、そのダンパ隙間に粘性をもった非圧縮性の油を満たし、上記隙間を増減させる方向の相対速度に応じ振動に対する減衰力を発生させるオイルダンパーになっている。

そのダンパ隙間をシールする一対のリング１４、１４は、外輪１２の外周に形成した嵌合溝１２ｄ、１２ｄに装着されている。

Ｃ型ばね１３は、軸箱蓋１１ｃを外した状態で両凹部１１ｂ、１２ｂを圧入した状態で、外輪１２の一対のリング１４、１４間に位置し、これらに両側から挟まれて軸方向両側に規制される。なお、第２実施形態においても、両凹部１１ｂ、１２ｂの形態を第１実施形態のように構成することが可能である。

その結果、圧入状態となったＣ型ばね１３は、周方向に１２０°間隔で均等配置された状態に位置決めされる。このため、軸系の振動により外輪１２がラジアル変位を生じても図８に示すように、各Ｃ型ばね１３の伸縮によりその変位が吸収される。その吸収性能は、Ｃ型ばね１３のばね定数を変更するだけで簡単に調整することができる。

なお、上記第１実施形態及び第２実施形態ではＮＵ型円筒ころ軸受を例示しているが、Ｎ型円筒ころ軸受あるいはそれ以外の形式の軸受にも適用できる。

第１実施形態の全体構成を示す縦断側面図 図１をアキシアル平面で切断した部分拡大断面図 第１実施形態の別部材の作用図 第１実施形態の別部材が圧入された状態の模式作用図 第１実施形態の別部材の配置の変更例を示す模式作用図 第２実施形態の全体構成を示す縦断側面図 図６をアキシアル平面で切断した部分拡大断面図 第２実施形態のＣ型ばねの作用図

符号の説明

１、１１ 軸箱
１ａ、１１ａ 内径面
１ｂ、２ｂ、１１ｂ、１２ｂ 凹部
２、１２ 外輪
２ａ、１２ａ 外径面
３ 別部材
４ 内輪
５ 軸
１３ Ｃ型ばね

Claims (5)

1. 軸と軸箱との間に円筒ころ軸受を組み込む軸支持装置において、
   前記軸箱の内径面と前記円筒ころ軸受の外輪の外径面とに、軸方向に沿った凹部を前記円筒ころ軸受を組み込んだ状態で向き合うように形成し、
   それら向き合う凹部間に圧入する別部材を設け、圧入した別部材を当該両凹部との接触で位置決めすると共に、前記外輪を内側に圧迫して前記円筒ころ軸受のラジアルすきまを負に変化させたことを特徴とする軸支持装置。
2. 前記別部材をニードルローラとしたことを特徴とする請求項１に記載の軸支持装置。
3. 軸と軸箱との間に組み込む円筒ころ軸受の予圧法において、
   前記軸箱の内径面と前記円筒ころ軸受の外輪の外径面とに、軸方向に沿った凹部を前記円筒ころ軸受を組み込んだ状態で向き合うように形成し、
   それら向き合う凹部間に別部材を圧入することにより、当該別部材を当該両凹部との接触で位置決めすると共に、前記外輪を内側に圧迫して前記円筒ころ軸受のラジアルすきまを負に変化させることを特徴とする円筒ころ軸受の予圧法。
4. 軸と軸箱との間に円筒ころ軸受を組み込み、その円筒ころ軸受の外輪を前記軸箱に対してすきま嵌めとした軸支持装置において、
   前記軸箱の内径面と前記円筒ころ軸受の外輪の外径面とに、軸方向に沿った凹部を前記円筒ころ軸受を組み込んだ状態で向き合うように、かつ周方向に均等配置で少なくとも三箇所に形成し、
   各向き合う凹部間に前記外輪のラジアル変位を吸収するＣ型ばねを圧入し、当該Ｃ型ばねを当該両凹部との接触で位置決めしたことを特徴とする軸支持装置。
5. 前記軸箱と前記外輪の間にスクイズフィルムダンパを設け、そのダンパ隙間をシールする一対のリングで前記Ｃ型ばねを軸方向両側に規制するようにしたことを特徴とする請求項４に記載の軸支持装置。

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