JP2000230544A

JP2000230544A - ころ軸受およびその製造方法

Info

Publication number: JP2000230544A
Application number: JP11035485A
Authority: JP
Inventors: Kazuyoshi Harimoto; 一由針本; Nobuhiro Kasahara; 延広笠原
Original assignee: NTN Corp; NTN Toyo Bearing Co Ltd
Current assignee: NTN Corp
Priority date: 1999-02-15
Filing date: 1999-02-15
Publication date: 2000-08-22

Abstract

(57)【要約】【課題】潤滑条件の悪い環境で使用されても、軸の長
寿命、耐摩耗性に優れるころ軸受、およびその簡単な製
造方法を提供する。【解決手段】硬化処理された回転部材１の内径面と軸
２との環状空間内に複数のころ３を収容した総ころ型の
ころ軸受とする。軸２の表面に、５００ＭＰａ以上、好
ましくは６００〜１６００ＭＰａの残留圧縮応力を形成
する。回転部材１は、例えば遊星歯車減速機の遊星ギヤ
等となるピニオン、または自動車用ロッカーアームのロ
ーラ等である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、ころ軸受、特に
ピニオンギヤやロッカーアームのローラを支持する総こ
ろ型のころ軸受等において、軸の長寿命化を図ったころ
軸受およびその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】遊星歯車装置のピニオンギヤ軸受や、ロ
ッカーアームのローラ用軸受などにおいては、負荷容量
の確保のため、総ころ型の軸受を使用することが多い。
このような総ころ軸受は、軸と針状ころとの間で相対滑
りを発生したり、スキューを発生することがあり、また
潤滑条件が悪く、発熱も伴い易い。このため、軸受の長
寿命化、特に軸の長寿命化を図ることが難しい。そのた
め、耐久性を向上させるため、いろいろと設計上の対策
が試みられている。例えば、スキューの防止策：保持器付軸受の採用、潤滑性の向上：側板形状の改良（例えば、実公平
６−２５６０６号）、発熱の低減：軸受内部隙間の最適化、などである。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】このように、各種の手
段を講じて耐久性向上を目指しているが、いずれも満足
な耐久性が得られるものではなく、定性的に良いと考え
られる手段を組み合わせて耐久性向上を図っているのが
実情である。

【０００４】この発明の目的は、潤滑条件の悪い環境で
使用されても、軸の長寿命、耐摩耗性に優れるころ軸受
を提供することである。この発明の他の目的は、軸の長
寿命、耐摩耗性に優れた軸受を簡単な方法で製造できる
ころ軸受の製造方法を提供することである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】この発明のころ軸受は、
硬化処理された回転部材の内径面と軸との環状空間内に
複数のころを収容してなるころ軸受であって、上記軸の
表面に、５００ＭＰａ以上の圧縮残留応力を形成したこ
とを特徴とする。このように、軸の表面に高い圧縮残留
応力を形成することで、ころと軸との相対滑りやころの
スキューによる軸表面の引張り応力に耐えることができ
る。すなわち、軸受使用中に、ころと軸との間には、相
対滑りやころのスキューが生じて軸表面に引張り応力が
発生することがある。特に、潤滑条件の悪い環境で使用
された場合は、このような引張り応力が発生し易い。こ
のような引張り応力に対して、軸表面に予め高い圧縮残
留応力を形成しておくことで、その圧縮残留応力で引張
り応力の一部が相殺され、引張り応力による摩耗の促進
が軽減される。なお、圧縮残留応力を形成する方法とし
ては、加工、熱処理、ショットピーニング等があり、い
ずれの方法で圧縮残留応力を形成しても良い。

【０００６】この発明のころ軸受は、総ころ軸受であっ
てもよい。総ころ軸受の場合、保持器付きの軸受に比べ
て、負荷容量が増大する反面、上記の相対滑りやころの
スキューの問題が生じ易いが、このような総ころ軸受の
場合に、軸表面に高い圧縮残留応力を形成したことによ
る軸の長寿命、耐摩耗性の向上効果が特に効果的であ
る。

【０００７】この発明において、軸の表面に形成する圧
縮残留応力は、６００〜１６００ＭＰａ（メガパスカ
ル）の範囲とすることが好ましい。軸に形成する圧縮残
留応力は、ある程度高い方が、引張り応力の緩和による
軸の摩耗低減効果が優れるが、高くなっても長寿命に影
響を及ぼさない。実験によると、軸表面の圧縮残留応力
は、５００ＭＰａであると、軸の長寿命、耐摩耗性の効
果が現れ、特に、６００ＭＰａであると、長寿命、耐摩
耗性の効果が高く得られることがわかった。

【０００８】この発明のころ軸受は、回転部材がピニオ
ンギヤであってもよい。また、この発明のころ軸受は、
回転部材がロッカーアームのローラであっても良い。回
転部材がピニオンギヤやロッカーアームのローラである
場合、潤滑条件が悪く、かつ軸受に高負荷容量が要求さ
れる場合が大きい。この発明のころ軸受は、このような
条件で使用される場合に、その圧縮残留応力による引張
り応力の緩和による軸の長寿命、耐摩耗性の向上が効果
的となる。

【０００９】この発明のころ軸受の製造方法は、この発
明の請求項１記載の軸受、すなわち硬化処理された回転
部材の内径面と軸との環状空間内に複数のころを収容し
てなるころ軸受であって、上記軸の表面に、５００ＭＰ
ａ以上の圧縮残留応力を形成した軸受を製造する方法で
あって、軸の高周波焼入れ、研削加工、およびショット
ピーニングを順次行った後に、超仕上げを行うことを特
徴とする。軸の高周波焼入れにより、表面にある程度の
圧縮残留応力が生じ、ショットピーニングにより、さら
に高い圧縮残留応力が軸の表面層に得られる。この高い
圧縮残留応力の生じた軸の表面層は、最終工程の超仕上
げで一部が除かれることになる。しかし、超仕上げによ
ると、一般に行われている仕上研削加工と異なり、軸表
面の取りしろは、例えば多くて数μｍ程度であり、ショ
ットピーニングにより形成された圧縮残留応力と表面の
硬化層が十分に残る。そのため、長寿命化、耐摩耗性に
優れたものとなる。

【００１０】

【発明の実施の形態】この発明の一実施形態を図１およ
び図３と共に説明する。このころ軸受Ａは、回転部材１
の内径面１ａと軸２との環状空間内に複数の針状のころ
３を収容してなるころ軸受であって、軸２の表面に、５
００ＭＰａ以上の圧縮残留応力、好ましくは６００〜１
６００ＭＰａの残留圧縮応力を形成したものである。回
転部材１は、軸受鋼等の鋼材からなり、内径面１ａは表
面効果処理されている。軸２は、軸受鋼等の鋼材からな
る。ころ３も、軸受鋼等の鋼材からなるものである。ま
た、ころ軸受Ａは、総ころ軸受であり、各ころ３は保持
器を用いることなく上記環状空間に収容され、かつ円周
方向に略隙間無く配列されている。

【００１１】回転部材１は、この実施形態ではピニオン
ギヤからなり、外周部に歯１ｂを有していて、例えば遊
星歯車減速機の遊星ギヤとされる。軸２は、軸支持部材
４に取付けられ、軸支持部材４は回転部材１の両側に設
けられている。軸支持部材４は、遊星歯車減速機の場
合、遊星ギヤを支持して遊星ギヤと平行な軸心回りに回
転自在なキャリアとなる。この軸支持部材４と、軸２
と、ピニオンギヤからなる回転部材１とで、遊星歯車減
速機の遊星ギヤ支持機構が構成される。

【００１２】この構成のころ軸受Ａによると、軸２の表
面に高い圧縮残留応力を形成したため、ころ３と軸２と
の相対滑りやころ３のスキューによって生じる軸３の表
面の引張り応力に耐えることができ、軸２の長寿命、耐
摩耗性に優れたものとなる。そのため、遊星歯車減速機
の遊星ギヤ等のように潤滑条件の悪い環境で使用された
場合にも、満足できる長寿命、耐摩耗性が得られる。

【００１３】なお、上記実施形態では回転部材１がピニ
オンである場合につき説明したが、例えば図２に示すよ
うに、回転部材１Ｂが車両用等のロッカーアームのロー
ラであっても良い。その場合、軸２を支持した軸支持部
材４Ｂがロッカーアームのアーム部材となる。同図の例
における軸受Ｂのその他の構成は図１の例の軸受Ａと同
じである。

【００１４】図３は、上記各実施形態における軸受の軸
２の製造過程を示す。この製造過程で上記の圧縮残留応
力を生じさせる。すなわち、軸２は、旋削（Ｓ１）、高
周波焼入れ（Ｓ２）、研削加工（Ｓ３）、ショットピー
ニング（Ｓ４）、超仕上げ（Ｓ５）の各加工ないし処理
を順に施して製造される。超仕上げは、スーパーフィニ
ッシュとも呼ばれる仕上げ方法である。このように製造
された軸２を用い、図１の軸受Ａが組み立てられる。旋
削（Ｓ１）の工程では、素材から軸２を、後工程の取り
しろを残した形状に旋削する。研削加工（Ｓ３）は、一
段階で行っても良いが、この例では、荒研削（Ｓ３ａ）
の後、仕上げ研削（Ｓ３ｂ）を行う。ショットピーニン
グ（Ｓ４）は、各種形式のショットピーニングが採用で
きるが、遠心ショットピーニングが好ましい。また、こ
のショットピーニング（Ｓ４）では、使用されるビーズ
の径は、例えばφ５０μｍ程度と非常に小径とされ、ビ
ーズの速度は１００〜２００ｍ／ｓｅｃと非常に速い速
度とされる。

【００１５】この製造方法によると、軸２は、高周波焼
入れにより、表面の圧縮残留応力が１００〜５００ＭＰ
ａとなる。この軸２には、ショットピーニングにより、
１０００〜１５００ＭＰａの圧縮残留応力の表面硬化層
２ａが得られる。この表面硬化層２ａは、後工程の超仕
上げに伴ってその表層部が除かれるが、超仕上げ後も、
ショットピーニングにより形成された圧縮残留応力と表
面硬化層２ａは十分に残る。詳しくは、ショットピーニ
ングで生じる表面硬化層２ａの厚さｄ１は、例えば１０
μｍ程度であるが、超仕上げによる取りしろｄ３は多く
て数μｍ程度であるため、超仕上げ後にも表面硬化層２
ａの厚さｄ２は十分に残る。そのため、ショットピーニ
ングにより形成された圧縮残留応力と表面硬化層２ａと
で、軸２の長寿命化、耐摩耗性の向上が図れる。すなわ
ち、ショットピーニングで生じる表面硬化層２ａの厚さ
ｄ１は、例えば１０μｍ程度であるため、従来行われて
いる仕上げ研削では、研削取りしろが０．１〜０．２mm
程度であり、全て削り取られてしまう。しかし、仕上げ
工程として、仕上げ研削に替えて超仕上げを採用するこ
とで、上記のようにショットピーニングにより形成され
た圧縮残留応力と表面硬化層２ａを十分に残すことがで
きる。

【００１６】なお、比較例を説明すると、ショットピー
ニングを省き、軸を、旋削、高周波焼入れ、荒研削、仕
上げ研削で製造した場合は、軸の表面の圧縮残留応力
は、２００〜３００ＭＰａ程度であり、また、ショット
ピーニング有りであっても、旋削、高周波焼入れ、荒研
削、ショットピーニング、仕上げ研削では、軸の圧縮残
留応力は、７００±３×１２０（すなわち、３００〜１
０００）ＭＰａ程度となり、安定した値を得ることが難
しかった。

【００１７】圧縮残留応力と寿命の関係の実験結果を示
す。試験は、図４に示す試験装置を用いて行った。この
試験装置は、供試軸２を、一対の対向するローラ３１，
３１と側部支持ローラ３２とで挟み、対向ローラ３１，
３１を介して、軸２に加圧ローラ３３，３３で接触応力
を与えながら、駆動ローラ３４で回転を与えるものであ
る。試験条件として、接触応力：３．５ＧＰａ、負荷回
数：３４７２０ｃｐｍ、潤滑油：タービン油、潤滑方
法：給油潤滑とした。供試軸２としては、圧縮残留応力
が１１００ＭＰａのものは８個用いた。５００ＭＰａ狙
いの供試軸２については、実際の試験結果ではなく、圧
縮残留応力が若干異なる次の５個の代用供試軸を用いて
実験し、シュミレーションにより、５００ＭＰａに換算
した場合のプロット点として図５の１１個のデータを得
た。５００ＭＰａ狙いの代用供試軸は、圧縮残留応力
が、各々４５５、５６６、５６９、５６４、５１５（い
ずれも単位はＭＰａ）の軸である。

【００１８】この試験およびシュミレーションにより、
図５による試験結果が得られた。曲線ａは表面に５００
ＭＰａの圧縮残留応力を形成した軸の累積破損率の曲線
を、曲線ｂは表面に１１００ＭＰａの圧縮残留応力を形
成した軸の累積破損率の曲線を各々示す。曲線ｃは、５
００ＭＰａ狙いの代用供試軸の結果である。同図の各曲
線は、例えば曲線ｂでは、１０％の確率で破損するのが
６５時間であることを示す。同図の試験結果から、圧縮
残留応力が５００ＭＰａでも長寿命が得られるが、１１
００ＭＰａとすると、さらに長寿命となることがわか
る。

【００１９】

【発明の効果】この発明のころ軸受は、硬化処理された
回転部材の内径面と軸との環状空間内に複数のころを収
容してなるころ軸受であって、上記軸の表面に高い圧縮
残留応力を形成したため、ころと軸との間の相対滑りや
スキューにより軸表面に引張り応力が発生しても、圧縮
残留応力が相殺するように作用し、そのため潤滑条件の
悪い環境で使用されても、軸の長寿命、耐摩耗性に優れ
る。この発明のころ軸受の製造方法は、軸の高周波焼入
れ、研削加工、ショットピーニングの後、超仕上げで仕
上げるため、仕上げ段階での取りしろが少なく、ショッ
トピーニングで生じた高い圧縮残留応力と表面硬化層
が、仕上げ段階後も十分に残り、軸の長寿命、耐摩耗性
の向上効果が得られる。また、特別な加工を追加する必
要がなく、製造が簡単である。

【図面の簡単な説明】

【図１】（Ａ）はこの発明の一実施形態にかかるころ軸
受の破断側面図、（Ｂ）はその部分破断正面図、（Ｃ）
はその軸の表面部の断面を示す説明図である。

【図２】（Ａ）はこの発明の他の実施形態にかかるころ
軸受の破断側面図、（Ｂ）はその部分破断正面図、
（Ｃ）はその軸の表面部の断面を示す説明図である。

【図３】この発明の軸受製造方法の工程説明図である。

【図４】圧縮残留応力の軸寿命への寄与度合いを確認す
る試験装置例である。

【図５】同試験装置による試験結果を示すグラフであ
る。

【符号の説明】

１…回転部材１ａ…内径面２…軸２ａ…表面硬化層３…ころ４…軸支持部材

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 3J101 AA13 AA42 AA52 AA62 AA72 BA02 DA05 DA11 FA31 FA32 FA44 GA11 3J103 AA02 DA05 EA03 EA20 FA12 FA13 FA15 FA26 GA02 GA52

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】硬化処理された回転部材の内径面と軸と
の環状空間内に複数のころを収容してなるころ軸受であ
って、上記軸の表面に、５００ＭＰａ以上の圧縮残留応
力を形成したことを特徴とするころ軸受。
【請求項２】総ころ軸受である請求項１記載のころ軸
受。
【請求項３】上記の軸の表面に、６００〜１６００Ｍ
Ｐａの残留圧縮応力を形成した請求項１または請求項２
記載のころ軸受。
【請求項４】前記回転部材がピニオンギヤである請求
項１ないし請求項３のいずれかに記載のころ軸受。
【請求項５】上記回転部材がロッカーアームのローラ
である請求項１ないし請求項３のいずれかに記載のころ
軸受。
【請求項６】請求項１記載のころ軸受を製造する方法
であって、軸の高周波焼入れ、研削加工、およびショッ
トピーニングを順次行った後に、超仕上げを行うことを
特徴とするころ軸受のの製造方法。