CN1578880A - 滚动轴承 - Google Patents

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Abstract

一种高可靠性滚子轴承，包括滚珠轴承和自对准滚子轴承(30)，可防止短寿命产品出现且稳定具有确定的寿命，其中内环(1)和外环(2)通过非破坏性检测确保存在于滚道表面和两倍于最大剪切应力作用深度(Z0)的深度之间的区域中的非金属杂质的最大长度是0.5mm或更小；即使在滑动易于发生在滚子和内环和外环之间、外物不进入其中且润滑状态好的条件下，自对准滚子轴承(30)也有着良好的滚动疲劳寿命，内环(31)和外环(32)中的至少一个通过非破坏性检测被确保存在于试样体积中的非金属杂质的缺陷的平方根长度是0.3mm或更小，纤维走向与滚子(33)的接触角θ是15度或更小，滚道的所有外周表面乘以最大剪切应力深度等于试样体积。

Description

滚动轴承
技术领域
本发明涉及一种高可靠性滚动轴承，此种轴承不会有短寿命产品的出现而是具有稳定可靠的长寿命，特别地，本发明涉及一种适合用在诸如车辆上的轮毂轴承，此类轴承短的寿命周期可能会导致人的死亡。
另外，本发明总体上涉及一种在外物不会进入的情况下所用的一种轴承，它相对于滚珠轴承或类似轴承有较高的承载能力并且作为滚动元件易于在内外环之间导致滑动，并且特别地，它涉及一种适用于诸如在风力发电机中需要承载高负荷和高刚度的滚动轴承。
背景技术
在滚动轴承中众所周知的是，存在于滚道表面上和正好在滚动轴承环滚道表面下的非金属杂质对滚动疲劳寿命有着重大的不利影响。特别地是，在外物不会进入并且有良好润滑的情况下，这种趋势是显著的。因此，在需要轴承长寿命的情况下，正如ASTM STP1327 P252中所描述的那样，通过在用于轴承钢的材料中降低氧的含量来延长寿命，由此降低了大尺寸杂质形成的可能性。
但是，近些年来，由于氧含量和寿命之间的关联有时不是很明显，所以一种与寿命有更明显关联的量化纯度的方法已经被发现，此方法可以获得轴承较长的寿命。
例如，日本专利申请的未实审公开平6-145883、日本专利申请的未实审公开平3-56640，日本专利申请的未实审公开平5-117804、日本专利申请的未实审公开平6-192790公开了显微观察钢材料的技术并且限定了几种存在于一特定区域内的主要包括有三氧化二铝或钛的诸如氧化物类型的硬制杂质，因此可使轴承的寿命更长。在上述的方法中，对一批钢材的试样进行检测并且预测由此批钢材料制成的所有轴承的寿命。
另外，由于对轴承的钢材料(原材料)来说高纯度是需要的，所以对钢铁制造商来说，在轧制之后对诸如圆棒的整个外围和整个横截面在制品阶段中用超声波进行探伤检测来确定内部缺陷，随后对这些钢材进行运输。此种超声波探伤检测方法包括了一种诸如由特种钢协会所编制的“特种钢”(第46卷，第6号，第31页)中所描述的钢制件超声波探伤检测方法。
但是，在轧制产品中可由超声波探伤检测到的缺陷是那些有几百微米宽和几十毫米长的大尺寸缺陷。这是因为以高速进行的探伤检测对于确保生产率是必需的，并且因为由于为探伤而要被检测的表面处于轧制状态导致表面粗糙度大而且内部晶体颗粒粗大，这会产生噪声并且使得高精确探伤是不可能的。也就是，以现有的技术，由钢铁制造商所进行的检测难于检测出产品中所包含的几百微米宽度和长度的杂质。
对于通过超声探伤来检测小尺寸杂质的技术来说，通过使用一种聚焦类型探针以20兆赫或更高的高频波、通过一种水浸垂直方法来执行超声探伤的方法近年来已经进行了研究并且被公布了。(例如在日本专利申请的未实审公开平11-271282、日本专利申请的未实审公开2001-141704等中)。根据这种方法，几十微米的杂质以高精度被检测到。
但是，在每个实例中，为了检测到小的杂质超声波的频率被增加并且从目标材料中抽出一代表试样，并通过水浸垂直方法来执行超声探伤。因此，本质上由于这不是一种理想的检测产品的方法，所以从产品的层面来看，短寿命产品的出现不会被检测到。另外，由于水浸垂直方法被用于超声探伤方法，这导致了一个问题，即对从表面到预定深度之间区域中的缺陷检测是不可能进行的。
在另一方面，参考一使用轴承的实例，一轮毂轴承用油脂进行润滑并且通过密封来防止外物从外界的进入。当此轴承在这种环境下使用时，可以认为剥落的出现起始于因经受滚动疲劳存在于滚道表面上或正好在滚道表面以下(内部)大尺寸的非金属杂质。
对于轴承来说，如轮毂轴承被使用在如果破裂会导致人死亡的地方时，重要的是不能有轴承发生破裂和剥落。以上述的观点，在上面所描述的轴承中，所使用的钢材料的纯度被改善，并且对所有轴承进行检查以探测会直接导致剥落的表面缺陷，并且仅有那些通过检测的轴承被选择和运输。特别地，对于轴承的滚道表面来说，探测那些主要发生在表面上的裂缝、缺陷、缺陷纹理(长的大尺寸杂质)、或类似瑕疵的检测通过使用磁粉探伤或泄漏磁通量的方法来执行。
另外，例如在风力发电机中，通常使用诸如自对准滚子轴承，锥滚子轴承，以及圆柱滚子轴承。在滚子轴承中，由于作为滚动元件的滚子在外部圆周表面线性接触到内环和外环的滚道表面，相对于使用滚珠作为滚动元件的滚珠轴承来说，它们具有一个特征，就是可以承载更大的负载并且具有更高的刚度。另外，它们也具有一个特征，就是卡住的可靠性高，并且寿命周期要比滑动轴承长。
但是，在缺陷或大尺寸的杂质被曝露在滚道表面上的情况下，缺陷或大尺寸的杂质是可以被检测到的，当它们不曝露在滚道表面而仅存在于滚道表面以下(内部)时，是难以被查觉到的，所以没有进行检测。
典型的缺陷不会曝露在表面上并且会导致包括存在于钢材料中非金属杂质的剥落。非金属杂质以一定的概率存在于钢材料中。由于较大的杂质会对剥落产生更多的不利影响，所以必须特别地予与注意以减少大尺寸的杂质。通过改善钢材料的纯度，大尺寸的杂质已经被减少了，可是由于其评估方法是利用试样进行的，所以不能保证针对所有轴承的大尺寸的杂质。
另外，在钢材料作为原材料的阶段通过超声探伤的全面检测中，考虑到生产或技术中的问题，只有长几十毫米的杂质才能被检测到。因此，对大约几个毫米长的小尺寸杂质来说，对所有轴承的探测和确认是困难的。
由于大约几个毫米长的大尺寸杂质是可用磁粉探伤或泄漏磁通量的方式以最佳ppm数量级被检测到，所以可以预期的是它们以近似相同程度的可能性正好存在于表面以下。但是，例如，由于杂质存在地方的深度，导致剥落的可能性或类似的可能性被认为是较低的。可是，在诸如一种使用在某一位置上的轮毂轴承来说，如果破裂会导致人死亡的话，这就希望没有轴承出现此种缺陷。
因此，在使用于如果破裂可以导致人死亡的位置、诸如轮毂轴承的轴承中，超高的可靠性就是必需的，因此对所有轴承来说就需要对存在于滚动轴承环滚道表面以下的大尺寸的杂质执行检测，并且仅有那些通过检测以及没有诸如剥落等破损之忧的轴承被选择并且被运输。
在另一方面，日本专利申请的未实审公开平11-337530公开了一种检测那些正好在轴承滚道表面以下的大尺寸非金属杂质的方法。根据此方法，存在于整个轴承的横截面上的大约几十个微米到几百个微米尺寸的大的杂质能够通过在要进行缺陷检测的每一范围(深度)上限定一个倾斜角而被检测到。
另外，日本专利申请的未实审公开2000-130447公开了由用于铁和钢的轴承和由用于铁路车辆的轴承所代表的一种滚子轴承，通过限定存在于滚道表面和2％的滚动元件平均直径深度之间区域中的大的杂质的尺寸，可以防止短寿命产品的产生，上述深度就是施加了最大形状应力的深度。
但是，在此公开中所描述的技术主要适用于滚子轴承并且它不总是适用于滚珠轴承。所指出的原因是，(1)由于在滚珠轴承中滚道表面和滚动元件是点对点接触，相比于滚子轴承的线性接触，滚道表面压力通常是增加的，(2)由于在滚动轴承环的金属瑕疵和滚动元件之间的接触角度通常是增加的，所以相比于滚子轴承的接触角度几乎平行的情况，滚动轴承的寿命趋向于被缩短了，以及(3)由于在滚珠轴承中最终瑕疵是被曝露于滚道表面，所以此效应是必然的。
因此，为了在滚珠轴承中防止短寿命产品的出现，在日本专利申请的未实审公开2000-130447所描述的用于执行大尺寸杂质检测的区域是不够的，并且需要使得用于检测目标的区域(距离滚道表面的深度)变大以确保至一较深位置的钢的纯度。
另外，当负载承受能力在上述滚动轴承中可以被轻易地增加时，比较于滚珠轴承点对点的接触，由于线性接触，其运作趋向于复杂并且导致了一个问题，例如，它导致了在滚子和内环或外环之间的滑动。在滑动发生的情况下，在没有外物进入并且润滑条件良好的环境下仍对滚动疲劳寿命留下许多不清楚之处，这也构成了一个主题。
另外，对于使用在风力发电机中的滚子轴承来说，由于在轴承发生破裂会导致更大破坏的情况下，轴承必须从电机中取出进行更换，所以出于电机维护的目的，长寿命对于轴承来说是必需的。因此，对此种轴承来说这就需要在可能直接导致剥落的滚道表面上消除内部缺陷。
特别地，由于双排自对准滚子轴承具有一结构，即作为滚动元件的滚子被倾斜有一接触角度，并且另外在径向和轴向经受负载，所以滚子实际上导致了倾斜的滚动或挠曲的滚动运行，并且滚子趋于滑动。
因此，这就涉及了一个问题，即比较于使用在有较少滑动的工作状态下的轴承来说，上述轴承的寿命减少了。另外，当润滑条件变差时，滑动行为趋向于增加从而增加了磨擦，这对于滚道表面来说会导致较早的剥落以及轴承热量的产生。因此，不仅在内部有大的缺陷(大尺寸的杂质)而且靠近表面的小的缺陷(大尺寸的杂质)可能会作为剥落的起始点从而导致了进一步缩短寿命的问题。
另外，对于轴承滚动表面的材料纤维走向(fiber flow)和寿命之间的关系，通常认为的是材料的纤维走向以平行于轴承轴向方向延伸有利于寿命，这已经在轴承制造过程中用来设计材料的轮廓。但是，对于轴承滚动表面的材料纹理的角度和寿命之间的关系，以目前为止所示出的定性实例来看，杂质的长度对寿命不利的效果还没有被研究过。
通过以上的观点，本发明有了已在上面现有技术中所描述的解决问题的目标，并且提供了一种高可靠性的滚动轴承，此类轴承不会出现短寿命周期的产品并且可确保较长的寿命。
另外，本发明的目的在于提供一种即使在滚子和内环或外环之间发生滑动、没有外物进入并润滑条件良好的情况下也具有优秀滚动疲劳寿命的滚动轴承。
发明内容
为了解决上述问题，本发明包括下列的组成部分。首先，根据本发明的滚动轴承包括一内环，一外环和多个在内环和外环之间旋转安装的滚动元件，其中内环和外环其中至少一个通过非破坏性检测来确保存在于滚道表面和一深度之间区域内的非金属杂质的最大长度是0.5mm或更小，所述深度两倍于施加了最大剪切应力处的深度。
然后优选假定，通过非破坏性检测检测到的非金属杂质的最大平方根长度是0.2mm或更小。
由于通过非破坏性检测在滚道表面以下的纵深位置的纯度可以被保障，所以具有上述此种构成的滚动轴承不会导致短寿命产品的发生并且可以稳定地保障长寿命。因此，这种轴承适于使用在如果破裂就会导致人死亡，并且要求有诸如轮毂轴承的超高可靠性的地方。在要确保纯度的区域小于上述区域的情况下，也就是，当纯度仅被确保在浅于两倍于施加了最大剪切应力的深度的深度位置时，就可能会导致短寿命产品发生的忧虑。
另外，对于非金属杂质的尺寸来说，最大长度必需为0.5mm或更小。在非金属杂质尺寸超过0.5mm的情况下，滚动轴承的寿命可能是不足的。
另外，对于非金属杂质的尺寸来说，最大长度最好是0.5mm或更小，并且最大平方根长度最好是0.2mm或更小。这样滚动轴承会具有较长的寿命。在具有最大平方根长度大于0.2mm的非金属杂质存在的情况下，滚动轴承的寿命可能会变成不足的。
在本发明中所描述的“平方根长度”意味着在非金属杂质具有一立方体形状或矩形平行六面体形状的情况下最大边长度和最小边长度乘积的平方根，并且意味着在非金属杂质呈球形、椭圆形或粒状的情况下最大直径和最小直径乘积的平方根。
在另一方面，当滚子轴承被使用在有润滑条件的控制环境时，应认识到的是以存在于滚道表面或正好在滚道表面以下的大尺寸的非金属杂质作为起始点通过经历滚动疲劳产生了剥落。因此，用于轴承的钢材料的纯度已经被改善了或已经通过磁粉探伤或泄漏磁通量的方法对所有轴承滚道表面上的杂质进行了检测。但是在现有技术中，由于没有用于检测正好处于滚道表面以下(内侧)的杂质的方法，所以没有执行检测。
以上述观点，本发明者在日本专利申请的未实审公开平11-337530中公开了一种用来对正好存在于轴承滚道表面以下的大尺寸非金属杂质进行检测的一种方法，并且提出了一种用于检测在轴承滚道表面上的大尺寸杂质的方法，并且可以确认内部缺陷。这是一种能够用超声探伤法检测在滚道表面上大约几十个微米至几百个微米的大尺寸杂质的方法。
另外，例如在日本专利申请的未实审公开2000-130447和类似的公开中，通过限定存在于由整个滚道表面乘以2％的滚动元件平均直径的深度所限定的体积中的大尺寸杂质，此深度也就是经受滚动接触应力的深度，本发明者提出了一种在使用钢和铁的轴承和用于铁路车辆的轴承作为典型代表的滚子轴承中能够防止短寿命产品的技术。
随后，通过本发明者所做的最初研究，以下两点可以被找到并且本发明已经被实现了。也就是，在一滚子轴承使用在特别地伴随有如上所述滑动的情况下，已经找到用来限定杂质的条件，此条件比在日本专利申请的未实审公开2000-130447中所公开的严格，并且所述限制条件的存在是为了在伴随有滑动的工作环境中获得较长寿命，也为了相对于轴承的滚动表面的材料纤维走向角度。
也就是，根据本发明的滚子轴承是一种其多个滚子在圆周方向上被安排在内环和外环之间的滚子轴承，其中具有滚子的内环和外环中的至少一个的滚动轴承环的纤维走向的接触角θ是15°或更小，并且通过非损伤检测确保存在于试样体积中的缺陷的平方根长度是0.3mm或更小，在这里，整个滚道圆周表面乘以最大剪切应力深度等于试样的体积。
正是在日本专利申请的未实审公开2000-130447中提出了长寿命可在通常工作环境中通过将对轴承寿命有影响的内部缺陷长度限定为0.5mm或更小而获得。可是，已经发现在伴随有滑动的情况下通过同样严格限定为0.3mm或更小，就可以获得一更长的寿命效果。可设想到是这归因于滑动增加了在杂质周围应力集中的程度。也可以设想到的是由于润滑条件变得严重了，过度的应力也发生在一浅于最大剪切应力位置的位置上从而增加了导致剥落的频率。
另外，在伴随有滑动的环境中，已经发现相对于目前受较少影响的轴承的滚动表面的材料纤维走向角度θ(在轴承环纤维走向和滚子之间的接触角θ)对寿命有影响。寿命的改善效果可通过限定此角度为15°或更小来实现。另外，可以肯定的是进一步的效果可通过限定此角度为10°或更小而获得。但是，也可以肯定的是对角度θ数值的限制与内部缺陷的平方根长度有关系，并且除非平方根长度是0.3mm或更小，否则不能获得寿命延长效果。
附图说明
图1是断裂垂直截面图，它示出了作为根据本发明滚动轴承的优选实施例的滚珠轴承的构造。
图2A和图2B示出了对轴承环进行热处理的条件。
图3是示意图，它示出了使用在本发明中的超声探伤装置的一个示例。
图4示出了寿命测试装置的构成。
图5是示出了杂质最大长度和轴承寿命之间关系的图表。
图6是示出了杂质最大平方根长度和轴承寿命之间关系的图表。
图7是断裂垂直截面图，它示出了作为根据本发明滚子轴承的优选实施例的双排自对准滚子轴承的构造。
图8是一示意图，它示出了的材料纤维走向对于轴承环滚动表面的角度θ的限定。
图9是示出了内环的轴线与材料的纤维走向处于平行状态的示图。
图10是示出了非金属杂质的平方根长度与轴承寿命之间关系的图表。
图11是示出了纤维走向角度θ与轴承寿命比之间关系的图表。
具体实施列
本发明的一个具体实施例会结合附图作出明确的描述。这个实施例示出了本发明的一个例子，可是本发明不应被此例子所限制。
图1是断裂垂直截面图，它示出了作为根据本发明滚动轴承的优选实施例的滚珠轴承的构造。此滚珠轴承(轴承名称6206)包括一内环1，一外环2以及多个旋转放置在两环1和2之间的滚珠3，此轴承具有类似于诸如使用在汽车中的轮毂轴承或类似轴承的构造。
内环1和外环2由一种钢材料(S53C或SUJ2)所组成，它们被热处理以及研磨，然后用后面所要描述到的超声探伤方法对正好存在于滚道表面以下的非金属杂质进行检测。
将会对轴承环的热处理方法进行解释。如图2A所示，在内环1和外环2由S53C所构成的情况下，感应淬火以及大气回火被施加在内环1和外环2的承载表面上，对内环1的内部表面，外环2的外部表面的每个表面进行硬化处理。
另外，在内环1和外环2由SUJ2所构成的情况下，如图2B所示，内环1和外环2被施加以光亮淬火(bright quenching)和大气回火。
在每种情况下，内环1和外环2的表面硬度是HRC 60.0至63.0。
如图2B所示，滚珠3由SUJ2所构成并且对它施加光亮淬火和大气回火。
然后，对通过用超声探伤方法对非金属杂质执行检测的方法进行描述。
图3是示意图，它示出了一个超声探伤装置。在水箱11中存储有作为超声波传送介质的水，一待测滚动轴承的轴承环12(外环或内环)以及一超声探伤探针13被分别放置浸没在水中。作为一超声探伤探针13，使用具有强定向性和较少受轴承环12曲率所影响的一聚焦类型的探针(变送器直径是6.5mm)。但是，也可以通过使用一具有宽探伤检测范围的平板类型的探针获得相似的效果，尽管其敏感度相对较低。
轴承环12被放置于在水箱11中水平方向上彼此分开的两滑轮14和14上，并且一皮带17被放置成正三角形的形状围绕着每个滑轮14以及围绕着固定到旋转驱动电机15的电机转轴上的滑轮16。旋转驱动电机15由控制装置19经由电机驱动控制放大器18所控制，并且放置在每个滑轮14和14上的轴承环12适于以由旋转驱动电机15所驱动的预定速度旋转。控制装置19包括例如具有诸如显示器的显示装置的个人计算机。
超声探伤探针13通过一探针安装元件23被安装到一由线性导向装置20所支撑的一XY台22上，此线性导向装置20沿轴承环12的轴向方向可移动地放置并且与轴承环12的滚道表面相对。然后，超声探伤探针13在轴向方向上沿轴承12滚道槽的弧线是可移动的。
超声探伤探针13依照来自于超声探伤装置24的电压信号向轴承环12的内部圆周表面传送超声脉冲(频率：10MHz)，随后接收反射回来的信号，再将同样的信号转换成电压信号并且传送此信号到超声探伤装置24。
超声探伤装置24基于来自于控制装置19的指令，传送一包括电压信号的指令信号到超声探伤探针13，传送基于此传送信号和接收信号所获得的探伤检测信息至控制装置19，并且控制装置19在显示器上显示此信息。
为了线性引导，线性导向装置20通过由控制器26所控制的、未示出的伺服电机在轴承环12的轴向方向上移动超声探伤探针13。当轴承环12旋转一周(360度)被放置在轴承环12的外部圆周表面的旋转编码器25检测到时，线性引导控制器26基于来自于控制装置19的指令控制着步进电机，以在轴承环12轴向方向上以预定距离来移动超声探伤探针13。因此，可以对轴承环12的整个滚道表面执行探伤检测。
入射到轴承环12上的超声波的入射角被设置为19°和27°(折射角：45°和90°)，并且只要在一深度是施加了最大剪切应力的深度(2％的滚动元件的直径Da的深度)的两倍而缺陷能够被有效地检测到的状态下，检测被执行。
在进行探伤检测以后通过使用轴承环一滚珠轴承被组装起来并执行了寿命测试。在这种情况下，那些检测出有缺陷的轴承环被用于内环，那些检测出没有缺陷支承环的被用于外环(杂质的尺寸在本发明所限定的范围内)。也就是说，当使用几乎不具有可导致短寿命因素的外环时，在依靠存在于内环里的杂质而决定轴承寿命的条件下，对寿命进行评估。因此，在后续示出的每个表中所描述的杂质尺寸或类似数据是关于内环的。
对于内环的缺陷，其存在深度和尺寸是基于反射回声(缺陷尺寸)的范围或射束路径所决定的，并且它们是基于尺寸和深度被选择的，并且被用于寿命测试。
通过使用下列的方法确定缺陷的尺寸和深度。首先，通过超声探伤被检测出来有缺陷的轴承环被切割，并且通过显微观察发现杂质来确认尺寸(长度)和深度(位置)。然后，杂质的尺寸(长度)和反射回声的强度以及范围之间的关联通过与由超声探伤所得到的反射回声的强度和范围进行比较而被确定，并且在应用过超声探伤的轴承环中的杂质的尺寸(长度)和深度通过利用以前得到的关系而被确定。
然后对上述所获得的滚珠轴承的寿命测试进行描述。如图4所示，一滚珠轴承被安装到一悬臂类型的寿命测试设备中，并且在以下测试条件下旋转用来执行寿命测试。然后，直至在滚道上出现剥落的那个时间被评估作为此轴承的寿命。
径向负载：13830N
旋转轴的旋转次数：3900rpm
润滑：润滑剂VG68
由于根据JIS B1518的滚动轴承的计算寿命是12小时，所以测试的终止时间被设定至100小时，大约8倍于计算寿命。另外，在寿命测试中滚道表面上产生剥落的情况下，一标记被指示在从经由超声探伤发现缺陷的位置沿着轴向方向延伸的端面上，以使缺陷位置和剥落位置之间的关联在寿命测试之后会被展示出来。
首先如在表1中所示，将会对例子1至4和对比实例1至6的结果进行描述。在所有轴承中轴承环由S53C所构成并且一硬化层通过感应淬火形成在滚道表面上。然后，如上所述，非金属杂质正好存在于内环的滚道表面以下。
存在于例子1至4和对比实例1至6内环中的杂质的最大长度被示出在表1中，并且其中的最小长度在每种情况下在0.04mm至0.06mm之间的范围内。另外，存在杂质的位置要浅于两倍于在这次寿命测试中施加了最大剪切应力的深度(Z0)的深度。
表1
钢的类型  非金属杂质的最大长度(mm) 寿命(小时)
例子1     S53C      0.5      95
例子2     S53C      0.4      100
例子3 S53C 0.3 100
例子4     S53C      0.24      100
对比实例1     S53C      0.55      15
对比实例2     S53C      0.58      14
对比实例3     S53C      0.7      11
对比实例4     S53C      0.85      5
对比实例5     S53C      1.2      3
对比实例6     S53C      2.5      2.5
从表1和图5所示的结果可以看出，由于杂质的最大长度是0.5mm或更小，所以例子1到4有着非常长的寿命。特别地，由于即使在100小时之后也不会导致剥落，这一时间8倍于计算寿命，所以在例子2至4中的寿命测试被终止了。因此，可以说杂质的最大长度优选的是0.4mm或更小。
相反地，由于杂质的最大长度超过0.5mm，所以对比实例1至6示出了短的寿命，即使对比实例1中有着最长的寿命，可此寿命是例子1中寿命的1/6或更小。
在例子1中的剥落位置和对比实例1至6中由寿命测试所导致的剥落与通过超声探伤在每一测试中所找到的缺陷位置是一致的，并且可以肯定的是剥落是由于杂质所导致的。
然后，对示出在表2中的例子5至8和对比实例7至10的测试结果进行描述。在所有轴承中轴承环由S53C所组成，并且一硬化层通过射频淬火形成在滚道表面上。然后，如上所述，非金属杂质正好存在于内环的滚道表面以下。
存在于例子5至8以及对比实例7至10中的杂质的存在位置要浅于两倍于在这次寿命测试中施加了最大剪切应力的深度(Z0)的深度。
表2
 钢的类型         非金属杂质的尺寸(mm)  寿命(小时)
最大长度 最小长度   最大平方根长度
  例子5     S53C     0.50     0.05     0.16     100
  例子6     S53C     0.42     0.1     0.20     80
  例子7     S53C     0.30     0.08     0.15     100
  例子8     S53C     0.25     0.05     0.11     100
  对比实例7     S53C     0.45     0.2     0.30     6
  对比实例8     S53C     0.30     0.2     0.24     10
  对比实例9     S53C     0.70     0.15     0.32     7
  对比实例10     S53C     1.50     0.05     0.27     8
从表2和图6所示的结果可以看出，由于杂质的最大长度是0.5mm或更小并且最大平方根长度(最大长度和最小长度乘积的平方根)是0.2mm或更小，所以例子5到8有着非常长的寿命，其寿命大约是计算寿命的7倍或更多。特别地，在例子5、7和8中，即使在100小时之后也不会导致剥落，所以寿命测试被终止了。因此，可以说最大平方根长度优选的是0.16mm或更小。
相反地，由于最大平方根长度超过0.2mm，所以对比实例7至10示出了短的寿命，即使对比实例8中有着最长的寿命，可此寿命是例子6中寿命的1/8。
在例子6中的剥落位置和对比实例7至10中由寿命测试所导致剥落的位置与通过超声探伤在每一测试中所找到的缺陷位置是一致的，并且可以肯定的是剥落是由于杂质所导致的。
然后，对示出在表3中的例子9至11和对比实例11至14的测试结果进行描述。在所有轴承中轴承环由S53C或SUJ2所构成，并且分别应用如上所述的热处理。然后，如上所述，非金属杂质正好存在于内环的滚道表面以下。
表3
  钢的类型        非金属杂质的尺寸(mm)   非金属杂质的存在位置1)  寿命(小时)
   最大长度     最小长度   最大平方根长度
例子9   S53C     0.50     0.05    0.16   0.7×Z0     100
例子10   S53C     0.42     0.1    0.20   2×Z0     100
例子11   SUJ2     0.30     0.08    0.15   1.2×Z0     100
对比例11   S53C     0.30     0.2    0.24   2.5×Z0     100
对比例12   SUJ2     1.00     0.2    0.45   2.2×Z0     100
对比例13   S53C     2.00     0.08    0.40   1.8×Z0     14
对比例14   SUJ2     0.40     0.3    0.35   0.8×Z0     5
其中：1)Z0：施加最大剪切应力的深度
从表3可以看出，由于杂质的最大长度是0.5mm或更小并且最大平方根长度(最大长度和最小长度乘积的平方根)是0.2mm或更小，所以例子9到11有着非常长的寿命，杂质的存在位置是在浅于两倍于Z0的深度的位置，并且即使在100小时以后，即8倍或更多于计算寿命，也不会导致剥落。
相反地，在对比实例11和12中，尽管最大平方根长度超过0.2mm，由于杂质的存在位置是在深于两倍Z0的深度的位置，所以即使在100小时以后也不会导致剥落，从而显示长寿命。从上面可以看出限定杂质尺寸的区域优选地是从滚道表面到两倍于Z0的深度的位置之间的范围。
另外，由于最大平方根长度超过0.2mm，杂质的存在位置是在浅于两倍于Z0深度的位置上，所以对比实例13至14示出了短的寿命。
在对比实例13和14中由寿命测试导致剥落的剥落位置与通过超声探伤在每一测试中所找到的缺陷位置是一致的，并且可以肯定的是剥落是由于杂质所导致的。
如上所述，由于通过非破坏性测试确定了存在于滚道表面和两倍于最大剪切应力施加深度的深度之间的区域中的非金属杂质的最大长度是0.5mm或更小，所以本实施例的滚珠轴承具有非常长的寿命。因此，在当破裂时可会能会导致人死亡的地方会优选地使用此种轴承，并且要求它具有如同轮毂轴承的非常高的可靠性。
在本实施例中，对于轮毂轴承来说通常使用S53C的感应淬火材料和SUJ2的液浴淬火(bath quenched)材料，其它经硬化的轴承钢材料也可以被没有麻烦地使用。
另外，虽然本实施例已经描述了一深槽滚珠轴承的例子，可是本发明的滚动轴承适用于各种其它类型的滚动轴承，只要它们是那些如果破裂就会导致人死亡地方的轴承，并且高的可靠性是必需的。例如，它们可能包括径向类型的滚动轴承，例如径向止推滚珠轴承，自对准滚珠轴承，圆柱形滚子轴承，锥形滚子轴承，滚针轴承和自对准滚子轴承，以及诸如止推滚珠轴承和止推滚子轴承的止推类型滚动轴承。
将会结合附图对根据本发明滚子轴承的一个实施例进行描述。
图7是断裂的垂直截面图，它示出了作为根据本发明滚子轴承的一实施例的双排自对准滚子轴承的构成。另外，图8是一示意图，它示出了的材料纤维走向相对于轴承环滚动表面的角度θ的限定(与滚子相接触的轴承环的纤维走向的角度θ)。图9是示出了内环的轴线与材料纤维走向处于平行状态的示图。另外，图10是示出了非金属杂质的平方根长度与轴承寿命之间关系的图表，图11是示出了纤维走向角度θ与轴承寿命比之间关系的图表。在本实施例中，将一双排自对准滚子轴承(以下称自对准滚子轴承)作为滚子轴承的一个实例。
如图7所示，在自对准滚子轴承30中，利用沿着圆周方向的轴承罩34，双排的滚子33旋转地介于内环31的双排滚道槽31a和31b与外环32的滚道表面32a之间。
然后，在自对准滚子轴承30中，内环31和外环32中至少一个轴承环的纤维走向与滚子33接触的角度θ是15°或更小，优选地是10°或更小，并且通过诸如超声探伤的非破坏性检测确保诸如非金属杂质的缺陷的平方根长度、基底纹理缺陷和存在于试样体积中的开放裂缝是圆周0.3mm或更小，其中整个滚道表面乘以最大剪切应力深度＝试样体积。即使在滑动易于发生在滚子33与内环31或外环32之间，外物不会进入并且润滑条件好的情况下，也能提供优秀的滚动疲劳强度。
缺陷的平方根长度被限定为在缺陷的形状是线形的情况下长度L和宽度D乘积的平方根(L×D)1/2，并且在缺陷的形状是粒状、球形或块状(非线性)的情况下，被限定为最大直径(长轴直径)D1和最小直径(短轴直径)D2乘积的平方根(D1×D2)1/2。
另外，在轴承环的纤维走向与滚子33相接触的角度θ与材料纤维与轴承环滚动表面的角度θ有着相同的含意。参照图8中内环31的例子，对于双排滚道槽31a和31b来说角度θ包括两个角度(θ1，θ2)，θ2(θ1)被限定为形成在中心g1，g2处的滚道槽表面上的切线和纤维走向之间的角度，g1，g2是连接轴中心O与滚道槽范围中的内端和外端的范围的中心。虽然一较小角度θ1和一较大角度θ2被示出了，由于寿命主要取决于此较大角度θ2，所以在对内环31进行描述时使用了角度θ2，并且后面在对图11和表5所作的描述中也安排使用了角度θ2。
另外，在锥滚子轴承和圆柱滚子轴承中，由于滚道表面没有形成如上所述自对准滚子轴承的内部球面，所以在滚道槽表面的切线就是滚道表面它自己。因此在这种情况下，形成在纤维走向和滚子之间的角度由形成在包括有轴承环轴线的截面里的纤维走向和滚道表面之间的角度所限定。
由于在图3中超声探伤装置使用的结构和方法已经再上面进行了描述，因此在这里的描述就省略了。但是，在后面所描述的例子21和例子22中，此装置通过使用倾斜探伤方法以10至30度(优选的是25至30度)的倾斜角，在深于轴承环(内环和外环)的最大剪切应力位置的表面以下至少2mm处进行缺陷检测，另外，通过使用垂直探伤方法以0至10度(优选的是0至5度)的倾斜角对探伤范围比用倾斜探伤方法深的范围进行探伤检测，因此是对整个轴承环的截面进行探伤检测。另外，从超声探伤探针13向轴承环12传送的超声波是30Mhz或更低。
(例子21)
使用一自对准滚子轴承(轴承名称22211)，对存在于轴承滚道表面内的非金属杂质的平方根长度和深度与轴承寿命之间的关系进行评估。进一步对非金属杂质进行评估，通过图3中的超声探伤检测装置执行检测。
在对非金属杂质和轴承寿命之间关系的检测中，由于在使用普通钢的情况下非金属杂质的产生频率很低，所以低纯度的钢(钢试样：SUJ2)被故意地解散并且作为一种以可有效地选择预先确定非金属杂质为目标的用于测试的材料。
然后，自对准滚子轴承的内环以低纯度的SUJ2为材料而制成。在对内环热处理和进行研磨后，非金属杂质的存在与否利用超声探伤分别对表4中制造编号1到9的自对准滚子轴承来进行检测。自对准滚子轴承的外环和滚子通过使用有着优秀纯度的普通商用材料(SUJ2)并且通过与内环相同的步骤而制成。另外，那些以前通过超声探伤被检测到没有大尺寸非金属杂质的外环和滚子被选择和被使用。
此例子中用于制造自对准滚子轴承(内环，外环，滚子)的原料在某一方向以一定的角度被勾画出来，以使在每种情况下材料纤维走向方向与轴承的轴向方向平行。图9示出了内环(外部直径：65mm，内部直径：55mm，宽度25mm)与纤维走向之间的位置关系。
下面对超声探伤的条件进行描述。
探针：聚焦类型探针和扁平类型探针(变送器直径：6.5mm)
频率：5MHz至10MHz
入射角：19度和27度(折射角：45度，90度)
在选择使用在这个例子中的自对准滚子轴承编号1至9之前，通过初步的探伤检查探测到几个有缺陷的轴承，并且在对检测范围(量)和缺陷部分的超声反射回声的射束路径(超声波波长的时间轴)的信息与通过切割和探测缺陷部分而检测到的真正缺陷(非金属杂质)的尺寸和深度之间的关联进行事先考查之后，它们被用于具有此例子的非金属杂质的自对准滚子轴承的选择(对尺寸和深度的估计)。
然后，通过使用润滑剂控制以使外物不会进入，使用一旋转测试装置来执行对轴承寿命的测试，此旋转装置具有一可使润滑剂在轴承中充分发生作用的结构。
下面列出测试条件。
轴承：自对准滚子轴承(轴承号22211)
测试负载：径向负载35000N，和轴向负载7000N
轴承旋转频率：1500min-1
润滑剂：对应于VG68的矿物油
由于根据JIS B1518的滚动轴承的计算寿命是143个小时，所以寿命测试在300小时处被终止，这一时间是计算寿命的两倍多。另外，在剥落发生的情况下，为了跟踪在由超声波所找到的非金属杂质的位置和产生剥落的位置之间的关联，在超声探伤后标记被指示在从缺陷位置轴向延伸的端面处并且执行识别。
表4和图10示出了执行寿命测试的结果。
表4
   编号   非金属杂质的平方根长度(mm)     寿命(小时)  非金属杂质的深度
    1      0.13   300(终止) 在Z0中
    2      0.22   300(终止)
    3      0.30   300(终止)
    4      0.45   290
    5      0.50   272
    6      0.55   140
    7      0.60   60
    8      0.75   50
    9      0.75   300(终止)     超过Z0
如图10和表4清楚所示，当非金属杂质的平方根长度是0.5mm或更小(编号1至5)时寿命是有些长的，并且当平方根长度是0.3mm或更小时(编号1至3)，即使时间超过300个小时剥落也不会发生，测试被终止。因此，可以看到的是最好通过限定非金属杂质的平方根长度为0.3mm或更小来使得寿命更长。
在另一方面，在非金属杂质的平方根长度超过0.5mm(编号6至8)的情况下，导致了诸如在计算寿命之前出现剥落的短寿命。另外，它们中任何一个都是以下轴承的一个例子，其中非金属杂质的存在深度要浅于最大剪切应力位置(Z0)。在非金属杂质的存在位置比Z0深的情况下，即使在一个例子中非金属杂质的平方根长度是大大地超过了0.5mm，为0.75mm，非金属杂质出现在比Z0深的位置上时，剥落也不会发生并且寿命长，除非超过了300个小时。
作为对杂质存在于滚道表面上和在Z0内靠近表面的寿命特性的评估结果，从以前的结果中可以发现通过确保非金属杂质的平方根长度至0.5mm或更小，优选地是0.3mm或更小，可以将在使用中有时会导致滑动或类似行为的自对准滚子轴承的寿命稳定地延长。
(例子22)
然后，使用一自对准滚子轴承(轴承名称22211)，对内环纤维走向与滚子相接触的角度θ和存在于滚道表面上的非金属杂质的平方根长度和寿命之间的关系进行评估。为了对非金属杂质进行评估，通过如图3中所示的超声探伤装置执行如在例21中所执行的检测。
下面对所使用的自对准滚子轴承的制造进行描述。当不断地改变内环轴线和原料(圆柱材料)轴线之间的角度α以使相对于滚道表面的纤维走向的角度θ形成一个可选角度时，一个坯状环带从钢材料上作为原料被切割出来(参考图8)。然后，具有θ＝0-90度的内环以与例子21相同的制造方法制造，从而制造表5所示编号10至18的自对准滚子轴承。
在这种情况下用于内环的原料是通过熔化低纯度的钢材料，并且有意地使用如同例子21中用于出现非金属杂质的频率相同的频率来进行制备。另外，外环和滚子也是通过使用如例子21中的有优良纯度的商用材料利用普通方法而制成的，并且其中材料纤维走向相对于滚动表面的角度与轴承的轴向方向平行。
在下面对用于超声探伤的测试条件进行描述。
探针：聚焦类型的探针以及扁平类型的探针(变送器直径：6.5mm)
频率：5MHz至10MHz
入射角度：19度和27度(折射角度：45度，90度)
在选择使用在这个例子中的自对准滚子轴承编号10至18之前，通过初步的探伤检查探测到几个有缺陷的轴承。然后，在初步对用于检测范围(尺寸)的信息和在缺陷部分内的超声反射回声的射束路径(超声波波长的时间轴)与通过切割和探测缺陷部分而检测到的真正缺陷(非金属杂质)的深度和尺寸之间的关联进行事先考查之后，它被用于对具有此例子非金属杂质(尺寸和长度的估计)的自对准滚子轴承的选择。另外，当改变超声波的倾斜方向以总是以垂直于纤维走向执行探伤检测。
然后，通过使用与例21中相同的旋转测试装置进行寿命测试。
下面列出测试的条件。
轴承：自对准滚子轴承(轴承名称22211)
测试负载：径向负载  35000N，和轴向负载7000N
轴承旋转频率：1500min-1
润滑剂：对应于VG68的矿物油
对于每一个具有不同纤维走向角度θ的轴承来说，通过超声探伤测试(超声检测)在每种情况下(编号10至17)选择10个具有非金属杂质的平方根长度在0.1mm至0.3mm范围内以及深度处于最大剪切应力位置(Z0)以内的轴承内环。然后，在每个轴承上基于威布尔功能分布的L10寿命被检测。然后，具有各种纤维走向角度θ的轴承的L10寿命被作为寿命比评估，在内环纤维走向与滚子相接触的的角度θ(以下称纤维走向的角度θ)是0度(直角)的情况下假设L10为1(编号10)寿命。
表5和图11示出寿命测试的结果。
表5
  编号    纤维走向角度θ   寿命比   非金属杂质
   10        0    1.00 长度0.1mm至0.3mm，深度在Z0以内
   11        5    0.98
   12        10    0.96
   13        15    0.88
   14        20    0.70
   15        30    0.65
   16        45    0.65
   17        90    0.57
   18        45    0.98   超过Z0
如表5和图11清楚所示，可以看到的是，当纤维走向的角度θ是15度或更小时(编号10至13)，对于寿命比没有太大的区别。另外，在纤维走向的角度θ是10度或更小时，可以发现的是寿命差别相对于θ＝0时是5％或更小。因此，优选地纤维走向的角度θ是10度或更小。
在另一方面，在纤维走向的角度θ超过15度并且达到20度或更大时，相对于θ＝0度时的寿命区别是30％或更多，这表明寿命缩短了。另外，在纤维走向角度θ是45度的情况下，在非金属杂质的存在深度超过Z0的情况下，可以看到的是寿命比是0.98，不会有显著的影响。
从上面的结果，可以看到的是在自对准滚子轴承中可以通过使与滚子相接触的内环和外环其中至少一个轴承环的纤维走向角是15度或更小来获得一长寿命的轴承，并且可以确保存在于整个滚道圆周表面乘以最大剪切应力深度体积中的非金属杂质的平方根长度是0.3mm或更小。
工业应用性
如上所述，根据本发明的滚动轴承是高可靠性的滚动轴承，不会产生短寿命的产品并且可以确保长的寿命。
另外，即使在滑动易于发生在滚子与内环或外环之间的情况下，根据本发明的滚子轴承在滚动疲劳寿命上是优秀的，没有外物进入并且润滑条件良好。

Claims (3)

1、一种滚动轴承，包括一个内环、一个外环和多个旋转安装在内环和外环之间的滚动元件，其中，内环和外环中的至少一个通过非破坏性检测确保存在于滚道表面和一两倍于最大剪切应力施加深度的深度之间的区域中的非金属杂质的最大长度是0.5mm或更小。
2、根据权利要求1所述的滚动轴承，其中，非金属杂质的最大平方根长度通过非破坏性检测被确保是0.2mm或更小。
3、一种滚子轴承，在该滚子轴承中，多个滚子沿圆周方向被布置在内环和外环之间，其中，内环和外环中的至少一个轴承环所具有的纤维走向与滚子的接触角(θ)是15度或更小，并且通过非破坏性检测确保存在于试样体积中的缺陷的平方根长度是0.3mm或更小，其中整个滚道圆周表面乘以最大剪切应力深度等于试样体积。
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