JP2629339B2 - 自動調心ころ軸受 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本考案は、長寿命で且つ発熱、摩擦トルクの少ない自
動調心ころ軸受に関する。

〔従来の技術〕

従来の自動調心ころ軸受にあっては、内輪や外輪の軌
道面と転動体である球面ころの転動面との接触状態、そ
れらの面の輪郭（母線）半径、ころの転動面とチャンフ
ァ部分との接続部分のかど曲率半径、上記各軌道面や転
動面の表面粗さ等の内部諸元は、それぞれ目的に応じて
適当な設計値を与えていた。例えば、特公昭55−31328
号公報には、軸受の使用時における摩擦トルクや温度上
昇を低減させるために、内輪と外輪との軌道面における
溝の曲率半径と転動体曲率半径との曲率比を特定するこ
とが提示されている。すなわち、内輪と外輪との軌道面
の溝曲率半径をそれぞれR_b，R_aとし、ころの転動面の曲
率半径をR_cとしたとき、曲率比R_c／R_b、R_c／R_aが下記の
式（10）となることを要旨としている。

0.5＋0.5｛１＋γ）／（１−γ）｝^1.5＜｛１−（R_c／R
_b）｝／｛１−（R_c／R_a）｝＜1.5｛（１＋γ）／（１−
γ）｝^1.5−0.5 ……（10） ここに、γ＝（D_wcosα）／d_m、D_wはころ直径、d_mは
ころピッチ円直径、αは接触角である。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、軸受部品の内部諸元の一部の関係を上
記のように特定した場合でも、軸受部品の軌道面や転動
面の表面粗さの値によっては、ころの大きな傾斜転がり
（スキュー）を避け得ず、軸受の摩擦トルクや温度上昇
を低減することができるとは限らない。その結果、軸受
の転がり疲れ寿命も低下する場合があった。

すなわち、換言すれば、軸受部品の内部諸元を総合的
にみて軸受の性能向上に最適の設計を行うということ
は、従来なかった。

そこで本発明は、上記従来の問題点に着目してなされ
たものであり、その目的とするところは、自動調心ころ
軸受において、軸受部品の内部諸元に応じてそれら軸受
部品の表面粗さを総合的に最適に選び、もってその軸受
の摩擦トルクや温度上昇を低下させ、転がり疲れ寿命の
増大をもたらすことにある。

〔課題を解決するための手段〕 上記目的を達成するため、本発明は、自動調心ころ軸
受において、大きい発熱及び大きい摩擦トルクの原因と
なる球面ころの大きい傾斜転がり（スキュー）運動を避
けるように、軸受部品の諸元に応じてそれらの表面粗さ
を設定してある。すなわち、 内輪軌道面の輪郭半径R_b、その平均粗さR_Ab、 外輪軌道面の輪郭半径R_aその平均粗さR_Aa、 ころ転動面の輪郭半径R_c、その平均粗さR_Ac のとき 内輪軌道溝半径比f_iをf_i＝R_b／（２R_c）、 外輪軌道溝半径比f_eをf_e＝R_a／（２R_c）、 内輪合成表面粗さR_Aiを R_Ai＝（R_Ab ²＋R_Ac ²）^1/2、 外輪合成表面粗さR_Aeを R_Ae＝（R_Aa ²＋R_Ac ²）^1/2、 ころの転動面とチャンファ部分との接続部分のかど曲率
半径をR_k、 ころの最大直径をD_w、 ころの長さをL_w 外輪ところ間の弾性流体潤滑的油膜厚さをh_e、外輪とこ
ろ間の油膜パラメータΛ_eを Λ_e＝h_e／R_Ae とし、 （SF）＝（f_i−0.5）／（f_e−0.5）、 （SRA）＝R_Ai／R_Ae、 （SRK）＝100R_k／（D_wL_w）^1/2 とするとき、 Φ₁≡（SF）／｛（SRA）（SRK）_1/2｝＝2.60〜1.97 を満足するように構成した。

又、前記自動調心ころ軸受のころピッチ円直径をd_m、接
触角をαとし、γ＝D_wcosα／d_mとするとき、前記（S
F）を −0.5γ＋1.01≦1/（SF）≦−0.5γ＋1.05 と定め、かつ 1/｛（SRA）（SRK）^1/2｝≦2.60（−0.5γ＋1.05） を満足するように構成することができる。

又、前記（SRK）を４≦（SRK）≦20と定め、かつ（SF）
／（SRA）≦11.63を満足するように構成することができ
る。

又、前記（SF）及び（SRK）をそれぞれ −0.5γ＋1.01≦１（SF）≦−0.5γ＋1.05及び ４≦（SRK）≦20と定め、かつ（SRA）≧0.09を満足する
ように構成することができる。

〔作用〕

自動調心ころ軸受の回転時のころのスキュー量の増大
を抑制すると、摩擦トルクや温度上昇が減少し、もって
転がり疲れ寿命の延長が可能となる。

発明者は数多くの実験を行った結果、外輪ところ間の
油膜パラメータを考慮して定めた上記関数Φ₁の値が2.6
0〜1.97の範囲となるように構成することにより、ころ
の大きいスキュー運動は抑制され、軸受の摩擦トルクや
温度上昇が減少し、且つ転がり疲れ寿命の延長が果たさ
れることを知った。関数Φ₁の値が2.60を超えると、ス
キュー角は正となり、内輪側での滑り運動が増大する。
その結果、一般的に相対疲れ強度が小さい内輪ところ間
の転がり疲れ寿命が短縮され、ひいては軸受全体として
の寿命も短縮される。

一方、上記関数Φの値が1.97未満になると、スキュー
角は負であるがその絶対値が１°を超え、転動体荷重が
顕著に急増する。その結果、摩擦力，発熱量が増大し、
軸受寿命が短縮される。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例を図とともに説明する。

第１図は、本発明の一実施例を示す複列自動調心ころ
軸受の上半部の軸方向断面図である。図中、１は外輪、
２は内輪、３は外輪１と内輪２との間に嵌挿された転動
体としてのころであり、保持器４で転動可能に保持され
ている。外輪１は輪郭半径R_a，平均粗さR_Aaの軌道面を
有している。内輪２は輪郭半径R_b，平均粗さR_Abの軌道
面を有している。ころ３は輪郭半径R_c，平均粗さR_Ac，
最大直径D_wの転動面を有し、長さはL_w，転動面とチャン
ファ部５との接続部分のかど曲率半径R_k，ころピッチ円
径d_m，接触角αである。

いま、外輪１に外部荷重Faが、外輪１からころ３にこ
ろ接触力Q_eが、内輪２からころ３にころ接触力Q_iが働い
ており、外輪１は紙面から前方に向かって回転し、内輪
２は反対に紙面から後方に向かって回転するものとす
る。ころ３は外輪１との接触により、矢符号イの方向に
自転しつつ紙面から前方へ公転する。このとき、ころ３
と内外輪との接触面にはたらく滑り摩擦力の作用でころ
３にスキューモメントが加わる。このスキューモメント
は、外輪１ところ３間と内輪２ところ３間では方向が反
対になる。いま、正常な負荷状態において、外輪１とこ
ろ３間の滑り摩擦力によるスキューモメントが、内輪２
側におけるころ３との摩擦力によるスキューモメントよ
り優勢である場合は正のスキュー、反対に内輪２ところ
３間の滑り摩擦力によるスキューモメントの方が優勢の
場合は負のスキューと定義する。

すなわち、自動調心ころ軸受にあっては、ころ３のス
キュー運動を完全に避けることはできず、正または負の
スキューを生じる。しかして、スキュー角（θ_s）が正
のときは、内輪２との間のすべり運動が顕著となる。そ
の結果、外輪１より一般的に面圧が大きい内輪２の軌道
面における転がり運動中の滑り運動が増大する。そのた
め、内輪２ところ３間の接触における転がり疲れ寿命が
短縮される。

一般に転がり軸受の回転軸直角断面における軌道面断
面形状が、外輪は凹形、内輪は凸形である。そのため、
内輪ところ間の最大接触圧力q_iが外輪ところ間の最大接
触圧力q_eより大きい。したがって内輪ところ間の転がり
疲れ寿命は、外輪ところ間のそれより小さい。このこと
は、内輪ところ間の転がり疲れ寿命が短縮されると、軸
受全体としての寿命も短縮することを意味する。

一方、スキュー角（θ_s）が負のときは、その摩擦力
の作用方向の関係から、軸受内の転動体荷重が増大する
ために短寿命となることが、特公昭57−61933号公報に
開示されている。しかしながら、本発明者の研究の結果
によれば、この転動体荷重の増大の程度は、負のスキュ
ーであってもその絶対値が１°を超えない範囲内では極
めて軽微であり、そのための寿命短縮の程度は、通常前
記のころ３の正スキューに起因する寿命短縮の程度を越
えないことが判明した。

すなわち本発明者は、自動調心ころ軸受のころのスキ
ュー量の増大を抑制し、温度上昇を減少させ、もって転
がり疲れ寿命の延長をはかるために、軌道輪の軌道面及
びころの転動面の表面粗さの他、軌道輪の溝半径比、こ
ろのかど半径、軸受荷重などの諸量を種々に変化させた
自動調心ころ軸受を試作して運転した。そして、そのと
きの軸受温度上昇ところのスキュー角とを実測して解析
し、軸受部品の内部諸元の関係を総合的に表す関数Φを
設定した。その関数の値をΦ＝1.84〜1.39の範囲にする
ことにより、ころの大きいスキュー運動は抑制されて小
さい負のスキューに押さえられ、軸受の摩擦トルクや温
度上昇を減少することができた。

上記関数Φは Φ＝（SF）／〔（SRA）｛（SRK）Λ_e｝^1/2〕＝1.84〜1.
39 ……（１） で表される。

ここに（SF）は内輪２と外輪１との接触長さの比に関
係する量、（SRA）は外輪合成表面粗さに対する内輪合
成表面粗さの比、（SRK）はころ３の転動面とチャンフ
ァ部との接続部分のかど曲率半径のころ３の大きさ（長
さと径の積）に対する比率であり、それぞれ、 （SF）＝（f_i−0.5）／（f_e−0.5）、 （SRA）＝R_Ai／R_Ae、 （SRK）＝100R_k／（D_wL_w）^1/2 で表される。

Λ_eは外輪１ところ３間の油膜パラメータでΛ_e＝h_e／
R_Aeである。

但し、 f_iは内輪軌道溝半径比で f_i＝R_b／（２R_c）、 f_eは外輪軌道溝半径比で f_e＝R_a／（２R_c）、 R_Aiは内輪合成表面粗さで R_Ai＝（R_Ab ²＋R_Ac ²）^1/2、 R_Aeは外輪合成表面粗さで R_Ae＝（R_Aa ²＋R_Ac ²）^1/2、 また、h_eは外輪ところ間の弾性流体潤滑的油膜厚さで
ある。

上記の関数Φの値と、ころ３のスキュー角θ_sとの関
係を実験で求めた結果を第２図に示す。図から、Φの値
が1.84を超えると、ころのスキュー角θ_sの上限値が正
になることは明らかである。その場合は、先に述べたよ
うに面圧の大きい内輪側での滑り運動が増大し、その結
果内輪２ところ３間の転がり疲れ寿命が短縮され、結局
軸受全体の寿命が短縮することが確認された。

Φの値が1.84以下になるとスキュー角θ_sは負とな
り、その絶対値が次第に増加する（大きな負の値にな
る）。そして、Φの値が1.39のとき、ころのスキュー角
θ_sの下限値は−１°となり、Φがより小さくなるとス
キュー角θ_sの絶対値は急激に増大している。このよう
にスキュー角θ_sの絶対値が大きくなる程、転動体荷重
が増大し、その結果摩擦力や発熱量が増加し、軸受寿命
が短縮されることとなる。

第３図は、Φの値と基準化された軸受温度上昇値ΔT/
（P_r／C_r）との関係を求めたものである。ここに、ΔＴ
℃は温度上昇値、P_rは軸受荷重、C_rは基本動定格荷重
（内輪を回転させてフレーキングが生じる迄の回転数が
100万回転になるような荷重）である。

図から、上記（１）式で表されるΦの値Φ＝1.84〜1.
39の範囲に対しては、基準化軸受温度上昇値の値は小さ
いが、Φの値が1.39を下回ると、温度上昇が急増するこ
とが明らかである。

一方、軸受の転がり疲れ寿命と軸受内の油膜パラメー
タΛとの関係について、第４図のような関係があること
が発表されている（「日本潤滑学会誌」第26巻，第９号
（1981年）,645〜650頁）。第４図から、油膜パラメー
タΛがΛ≦２の範囲において、Λの減少に伴う転がり疲
れ寿命の減少の程度が顕著である。換言すると、上記Λ
の領域での軸受の長寿命化を図ることが、実用条件下に
おける軸受の寿命を確保する上で重要と判断される。

そこで本発明においては、上記（１）式と共に油膜パ
ラメータΛについて、 Λ≦２ ……（２） の関係をも満足させるように、（SF），（SRA），（SR
K）の関係を定めた新たな関数をΦ₁とし、 Φ₁＝（SF）／｛（SRA）（SRK）^1/2｝＝2.60〜1.97……
（３） とするように構成したものである。

次に作用を説明する。

ころ軸受の転がり疲れ寿命は、軸受内の油膜形成程度
（油膜パラメータΛ）に応じて大幅に変化する。特に、
Λ≦２の範囲において、転がり疲れ寿命の減少が顕著に
なる。したがって、実用上はこのΛの領域での軸受の長
寿命化を図ることが最も効果的である。

上記（３）式はΛ≦２の範囲に限定したものであり、
この式を満足するように、ころ軸受の内部諸元を選定す
れば、転がり疲れ寿命に対して実用上最も顕著に影響を
与える油膜パラメータΛの範囲において、ころのスキュ
ー角θ_sが −１°≦θ_s＜０°となる。

そのため、スキューに起因する軸受内転動体荷重の増
大は無視し得る程度に僅少となる。

又、相対疲れ強度が外輪側より小さい内輪ところ間
で、真の転がり接触に近い運動が実現される。その結
果、転がり疲れ寿命の短縮が防止でき、軸受の発熱も低
減できて、低発熱，低摩擦で、転がり疲れ寿命の長い自
動調心ころ軸受を得ることができる。

以下に他の実施例について説明する。

本発明者は、自動調心ころ軸受の内輪軌道溝半径比f_i
と外輪軌道溝半径比f_eとが 但し、 の関係を有するように定めれば、設計荷重付近で内，外
輪とも接触面圧力が同時に軸方向均等圧力分布となり、
そのため内外輪とも最長寿命となり、バランスのとれた
長寿命軸受を得られることを、先に提示している（特開
昭62−67321号公報）。

又、ころの最大直径D_wと、長さL_wと、かど曲率半径R_k
との関係が 0.04（D_w・L_w）^1/2≦R_k≦0.20（D_w・L_w）^1/2 を満足するように定めれば、重荷重が作用した場合に
も、ころと軌道輪との転走面間の接触応力にエッジスト
レスを発生しにくくなり、転がり疲れ寿命が長くなり、
摩耗も生じにくく、焼付きを起こしにくくなることを先
に提示している（特開昭62−132026号公報）。

そこで、上記（３）式における（SF）の値を −0.5γ＋1.01≦1/（SF）≦−0.5γ＋1.05 ……（４） の範囲に定め、かつ（SRK）の値を ４≦（SRK）≦20 ……（５） の範囲に定める。

そして、以上の第（３）式ないし第（５）式を満足す
るように、（SRA）の範囲を定める。このようにすれ
ば、内，外輪とも接触面圧力が同時に軸方向均等圧力分
布となり、そのため内外輪ともバランスのとれた、かつ
又、重荷重下でころと軌道輪との転走面間の接触応力に
エッジストレスを発生しにくい最長寿命の自動調心ころ
軸受が得られることになる。

この（SRA）の範囲は （SRA）≧0.09 ……（６） であり、この条件を満たすように軌道面ところ転動面の
表面粗さを定めて構成した。

かくして、転がり疲れ寿命が実用上最も影響を受ける
領域で、内輪−ころ間の真の転がり接触に近い運動を実
現させ、転がり疲れ寿命を効果的に防止できると共に、
更に内外輪バランスがとれ、重荷重下でころと軌道輪間
にエッジストレスを発生しにくい、低発熱、低摩擦で一
層長寿命の自動調心ころ軸受を提供することができる。

なお、前記第（４）式又は第（５）式のそれぞれを単
独で満足するように、軸受の内部諸元を定めることも可
能である。

その場合は、第（３）式と第（４）式を同時に満足す
る（SRA）及び（SRK）の値の組み合わせとして 1/｛（SRA）（SRK）^1/2｝≦2.60（−0.5γ＋1.05）……
（７） を満足するように構成する。

又は、第（３）式と第（５）式を同時に満足する（SR
A）及び（SF）の値の組み合わせとして （SF）／（SRA）≦11.63 ……（８） となるように構成する。

〔発明の効果〕 本発明の自動調心ころ軸受は、以上のように構成し
た。そのため、回転時にころが僅かな負のスキューを生
じるのみであり、スキューに起因する軸受内転動体荷重
の増大は無視し得る程度に僅少である。しかも、転がり
疲れ寿命が油膜形成程度の変化に伴って大幅に変化する
領域において、相対疲れ強度のより小さい内輪ところ間
での真の転がり接触に近い運動が実現される。その結
果、実用上最も効果的に転がり疲れ寿命の短縮を防止す
ると共に、軸受の発熱も低減できるという効果が得られ
る。

更に、内外輪とも接触面圧力が同時に軸方向均等圧力
分布となり、そのため内外輪ともバランスのとれた、か
つ又、重荷重下でころと軌道輪との転走面間の接触応力
にエッジストレスを発生しにくい、一層長寿命の自動調
心ころ軸受を提供できるという効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の要部の軸方向断面図、第２
図は本発明の関数Φの値ところのスキュー角度θ_sとの
間の実験的関係を示す図、第３図は関数Φの値と軸受基
準化温度上昇値との間の実験的関係を示す図、第４図は
ころ軸受の転がり疲れ寿命値と油膜パラメータとに関す
る実験的関係を示す図である。 １は外輪、２は内輪、３は転動体（ころ）。

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】内輪、外輪及びこれら両輪に嵌挿された転
   動体を有する自動調心ころ軸受において、 内輪軌道面の輪郭半径R_b、その平均粗さR_Ab、 外輪軌道面の輪郭半径R_a、その平均粗さR_Aa、 ころ転動面の輪郭半径R_c、その平均粗さR_Ac、 のとき、 内輪軌道溝半径比f_iをf_i＝R_b／（２R_c）、 外輪軌道溝半径比f_eをf_e＝R_a／（２R_c）、 内輪合成表面粗さR_Aiを R_Ai＝（R_Ab ²＋R_Ac ²）^1/2、 外輪合成表面粗さR_Aeを R_Ae＝（R_Aa ²＋R_Ac ²）^1/2、 ころの転動面とチャンファ部分との接続部分のかど曲率
   半径をR_k、 ころの最大直径をD_w、 ころの長さをL_w とし、 （SF）＝（f_i−0.5）／（f_e−0.5）、 （SRA）＝R_Ai／R_Ae、 （SRK）＝100R_k／（D_wL_w）^1/2 とするとき、 Φ₁≡（SF）／｛（SRA）（SRK）^1/2｝＝2.60〜1.97 を満足するように構成したことを特徴とする自動調心こ
   ろ軸受。
2. 【請求項２】前記自動調心ころ軸受のころピッチ円直径
   をd_m、接触角をαとし、γ＝D_wcosα／d_mとするとき、
   前記（SF）を 0.5γ＋1.01≦1/（SF）≦−0.5γ＋1.05 と定め、かつ 1/｛（SRA）（SRK）^1/2｝≦2.60（−0.5γ＋1.05） を満足するように構成した請求項（１）記載の自動調心
   ころ軸受。
3. 【請求項３】前記（SRK）を４≦（SRK）≦20と定め、か
   つ（SF）／（SRA）≦11.63を満足するように構成した請
   求項（１）記載の自動調心ころ軸受。
4. 【請求項４】前記（SF）及び（SRK）をそれぞれ−0.5γ
   ＋1.01≦1/（SF）≦−0.5γ＋1.05及び４≦（SRK）≦20
   と定め、かつ（SRA）≧0.09を満足するように構成した
   請求項（１）記載の自動調心ころ軸受。