JP2000304710A - 転がり疲れによる疲労度の測定方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 内部起点剥離による疲労度を従来に比して高
精度に測定することのできる転がり疲れによる疲労度の
測定方法を提供する。 【解決手段】 内部起点剥離による疲労度に相関する情
報としての疲労度パラメータを、転がり接触面の表面に
Ｘ線を照射することにより得られる情報とするととも
に、疲労度データベースを作成するに当たっては、供試
金属材料が転がり疲れにより実際に損傷するまでの時間
（寿命）Ｔ_Ljを計測し、その損傷に至るまでの間の複数
の経過時間Ｔ_i において当該金属材料の転がり接触面の
表面にＸ線を照射して上記疲労度パラメータＰ_ijを採取
し、その個々の情報と対をなすべき疲労度は、実測した
寿命Ｔ_Ljに対する個々の疲労度パラメータＰ_ijの採取時
点における経過時間Ｔ_i の比Ｔ_i ／Ｔ_Ljとすることで、
各疲労度パラメータと実質的に真の疲労度とのデータ対
の蓄積を可能とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、転がり軸受をはじ
めとする金属材料の疲労度の測定方法に関し、更に詳し
くは、転がり疲れに起因する内部起点剥離の疲労度の測
定方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】転がり軸受等の転がり接触する金属材料
においては、一般に、その転がり接触面に異物が存在し
たり潤滑不良等が存在しない場合には、材料の転がり疲
れに起因する内部起点剥離が生じることによってその寿
命に達する。この転がり疲れの程度を定量的に表す量と
して、従来、疲労度が知られている。この疲労度は、材
料の転がり疲れによる損傷に至るまでの時間を例えば１
００（％）として、どの程度まで疲労が進行しているか
を表す量で、言わばその金属材料の残存寿命を予知する
ことのできる量であり、正確な疲労度を知ることができ
れば、転がり軸受等の交換時期を特定することができる
など、その利点は大きい。

【０００３】このような疲労度を測定するためのパラメ
ータとしては、材料にＸ線を照射することによって得ら
れる回折Ｘ線の半価幅の変化や残留オーステナイト量の
変化、あるいは内部応力の変化、あるいはこれらを適宜
に組み合わせたものなどが知られている。そして、例え
ば実用に供されている軸受の疲労度を測定するには、そ
の軸受について上記のパラメータを実測し、その実測結
果と、あらかじめ作成されている疲労度データベースと
を照合する必要がある。疲労度データベースは、特定の
疲労度パラメータと疲労度との関係を試験等によって蓄
積することによって求められ、例えばグラフで表せば、
横軸に疲労度、縦軸には疲労度パラメータを採って表す
ことができ、実用に供されている軸受で実測したパラメ
ータをそのグラフに当てはめることによって当該軸受の
疲労度を求める。従って、パラメータをどのような物理
量に設定しようとも、疲労度データベースを正確に作成
しておかなければ、正確な疲労度を測定することはでき
ない。

【０００４】転がり軸受の内部起点剥離による疲労度の
データベースを作成するに当たっては、従来、以下の方
法が採用されている。図８は、従来の疲労度データベー
スの作成に際しての供試体の取扱いの仕方を概念的に示
すタイムチャートである。このタイムチャートにおい
て、実線で示す時間領域が実際に供試体を転がり接触さ
せて試験を行う期間であり、二点鎖線で示す領域は想像
の領域である。また、Ｘを付した時点は供試体が転がり
疲れに起因して内部起点剥離を生じる時点を、○を付し
た時点は疲労度パラメータの計測時点をそれぞれ示して
いる。

【０００５】この図８に示すように、従来の方法におけ
る疲労度データベースの作成に際しては、複数個の供試
体を同一の条件下で転がり接触試験に供し、個々の供試
体についての試験を、転がり疲労による損傷が生じるま
での任意の経過時間Ｔ_i （ｉ＝１，２，・・・・）後に打ち
切って、調査対象である転動面（転がり接触面）を電解
研磨等の手法により最大剪断応力深さまで除去した上で
Ｘ線を照射し、その深さにおける疲労度パラメータに係
る情報Ｐ_i （ｉ＝１，２，・・・・）を計測する。これとは
別に、同じ種類の供試体を上記と同じ試験条件下で転が
り接触試験し、その供試験体については転がり疲れによ
り損傷するまで試験を継続してその寿命Ｔ_L0を実測す
る。そして、個々の疲労度パラメータに係る情報Ｐ_i と
データ対として蓄積すべき疲労度は、個々の情報の計測
時点における試験の各経過時間Ｔ_iを、上記のように別
の軸受で実測した寿命Ｔ_L0で除して算出している（NSK
Bearing Jarnal No.646, 特公昭６３−３４４２３
号）。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところで、以上のよう
な従来の内部起点剥離による疲労度の測定方法における
疲労度データベースの作成方法によると、疲労度パラメ
ータに係る情報を計測した軸受は、その計測のために、
実際に損傷に至るまでに破壊する必要があり、従って、
疲労度パラメータを計測した各軸受の真の寿命は不明で
ある。そのため、疲労度パラメータの計測値と疲労度と
の関係に大きな誤差が生じるという問題があった。

【０００７】また、疲労度パラメータの計測に際して、
その計測対象を破壊する必要のある従来の内部起点剥離
による疲労度の測定方法によると、例えば実用に供され
ている軸受等の疲労解析を行うべく、その軸受等の疲労
度パラメータを計測するためにはその軸受等を破壊する
必要があるため、疲労度パラメータを計測してその軸受
等の疲労度が既知となっても、もはやその軸受等を継続
して実用に供することができないという問題もある。

【０００８】本発明はこのような実情に鑑みてなされた
もので、内部起点剥離による疲労度を従来に比して高精
度に測定することのできる方法の提供を目的としてい
る。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明の転がり疲労による疲労度の測定方法は、金
属材料にＸ線を照射することによって得られる所定の情
報を内部起点剥離による疲労度パラメータとして計測
し、その計測結果とあらかじめ試験により作成されてい
る疲労度データベースとの照合により、当該金属材料の
疲労度を測定する方法において、上記疲労度パラメータ
を、金属材料の転がり接触面の表面にＸ線を照射するこ
とによって得られる情報とするとともに、上記疲労度デ
ータベースを作成するに当たっては、供試金属材料を所
定の荷重および速度で転がり接触させ、その金属材料が
転がり疲れにより実際に損傷するまでの時間Ｔ_L を計測
するとともに、その損傷に至るまでの間の複数の経過時
間Ｔ_i （ｉ＝１，２，・・・・）において当該金属材料の転
がり接触面の表面にＸ線を照射して上記疲労度パラメー
タに係る情報Ｐ_i （ｉ＝１，２，・・・・）を逐次採取し、
その個々の情報Ｐ_i と、当該個々の情報Ｐ_i の採取時に
おける経過時間Ｔ_i の上記時間Ｔ_L に対する比Ｔ_i ／Ｔ
_L とをデータ対として蓄積することによって特徴づけら
れる（請求項１）。

【００１０】ここで、本発明においては、上記疲労度パ
ラメータに係る情報として、転がり接触面の表面にＸ線
を照射して得られる回折Ｘ線の半価幅の減少度を採用す
ることができる（請求項２）。

【００１１】また、本発明においては、上記の回折Ｘ線
の半価幅の減少度を、半価幅の減少度＝（内部半価幅−
表面半価幅）／内部半価幅によって求めることが望まし
い（請求項３）。

【００１２】本発明は、転がり疲れに起因する内部起点
剥離による疲労度に相関する情報、つまり疲労度パラメ
ータとして用いることのできる情報が、最大剪断応力深
さのみならず、転がり接触面の表面にも現れることを利
用し、その疲労度パラメータに係る情報の計測を、計測
対象を破壊することなく行うことによって、所期の目的
を達成しようとするものである。

【００１３】図１は、本発明方法に基づく疲労度データ
ベースの作成に際しての供試体の取扱いの仕方を概念的
に示すタイムチャートである。このタイムチャートにお
いては、前記した図８と同様に、実線で示す領域が実際
に供試体を転がり接触させて試験を行う期間で、Ｘを付
した時点が供試体の実際に転がり疲れに起因して内部起
点剥離を生じた時点、○を付した時点が疲労度パラメー
タの計測時点をそれぞれ示している。

【００１４】本発明方法における疲労度データベースの
作成法においては、データベースを作成するための供試
体は、図１に示すように、転がり疲れに起因する内部起
点剥離により損傷するまで、つまり寿命に達するまで同
じ条件下で継続的に転がり接触試験に供されて、それぞ
れに寿命Ｔ_Lj（ｊは供試体ナンバー）が実測される。ま
た、その各供試験体について、損傷するまでの複数の経
過時間Ｔ_i において、転がり接触面の表面へのＸ線照射
により非破壊のもとに疲労度パラメータに係る情報Ｐ_ij
が計測される。そして、各供試体について計測された個
々の疲労度パラメータＰ_ijと対を形成すべき疲労度は、
個々の疲労度パラメータＰ_ijの計測時点における経過時
間（転がり接触時間）Ｔ_i と、その疲労度パラメータＰ
_ijを計測した供試体自体の実測寿命Ｔ_Ljとの比Ｔ_i ／Ｔ
_Ljで求められる。従って、このようにして求められた疲
労度Ｔ_i ／Ｔ_Ljは、図８に示した従来の方法に比して、
供試体の真の疲労度により近い値を示すものであること
は明らかであり、このようなデータ対を蓄積していくこ
とにより得られる疲労度データベースは、従来方法によ
る疲労度データベースに比して大幅に正確なものとな
り、ひいては、実用中の軸受等の転がり接触面の表面に
Ｘ線を照射して計測した疲労度パラメータから、その軸
受等に関して高精度の疲労度解析を行うことができ、そ
の結果に応じてその軸受を再び実用に供するとともに、
最適交換時期等を正確に指定することが可能となる。

【００１５】また、本発明においては、疲労度データベ
ースの作成のための供試体は、寿命に達するまで同一の
供試体を連続して使用するとともに、寿命に達するまで
に複数回にわたって疲労度パラメータが計測されるた
め、従来の方法のように破壊して測定するが故に１つの
供試体により１つの疲労度パラメータしか計測できない
場合に比して、疲労度データベースを作成するために必
要な供試体の数を大幅に削減することができる。

【００１６】ここで、本発明においては、転がり疲れに
起因する内部起点剥離の疲労度に相関し、従って疲労度
パラメータとして用いることができ、かつ、その転がり
接触面の表面に現れる情報の種類（物理量）としては、
特に限定されるものではないが、請求項２に係る発明の
ように、転がり接触面の表面にＸ線を照射して得られる
回折Ｘ線の半価幅の減少度を好適に採用することができ
る。この転がり接触面の表面での回折Ｘ線の半価幅は、
最大剪断応力深さにおけるそれに対して変化量は小さい
ものの、内部起点剥離による疲労度と相関して変化する
ことが実験によって確かめられ、その転がり接触開始前
の回折Ｘ線の半価幅に対する減少率（減少度）を算出す
ることにより、内部起点剥離による疲労度と極めて強い
相関を有し、非破壊のもとに計測可能な疲労度パラメー
タとして充分に適していることが判明した。

【００１７】更に、上記回折Ｘ線の半価幅の減少度を、
請求項３に係る発明のように、半価幅減少度＝（内部半
価幅−表面半価幅）／内部半価幅とすることにより、回
折Ｘ線の半価幅の減少度の精度をより高めることができ
る。内部半価幅とは、金属材料内部の表面研磨加工や転
がり接触により影響を受けない深部における半価幅の値
であり、金属材料本来の半価幅を表している。表面半価
幅とは、転がり接触によって影響を受けた転がり接触面
にＸ線を照射して得られる半価幅の値である。内部半価
幅の値は、金属材料のばらつきや、熱処理条件等によっ
て個々の供試体ごとに異なるため、表面半価幅の減少量
のみを測定したのでは、疲労の程度を精度よく表すこと
ができないが、上記式のように内部半価幅に対する表面
半価幅の減少度を求め無次元化することで、供試体の固
体差をなくして疲労の程度を精度よく知ることができ
る。

【００１８】

【実施例】以下、本発明の実施例を具体的に説明する。
疲労度の評価対称として転がり軸受を選定し、一定の荷
重を付与した状態で一定速度で回転試験を行った。その
試験装置の構成を図２に断面図で示す。図において１
ａ，１ｂが試験に供される転がり軸受を示し、これらは
試験回転軸２の両端部に取り付けられる。試験回転軸２
はカップリング３を介して駆動軸４に連結され、この駆
動軸４はプーリ５を介してモータ（図示せず）によって
一定の回転が与えられる。また、供試転がり軸受１ａ，
１ｂには、負荷用圧縮コイルばね６によって一定の荷重
が付与される。

【００１９】以上の試験装置を用い、供試転がり軸受１
ａ，１ｂが内部起点剥離により実際に損傷するまで試験
を継続するとともに、その間、複数の時点において各軸
受１ａ，１ｂを取り出し、その転がり接触面の表面にＸ
線を照射し、残留応力、回折Ｘ線の半価幅、および残留
オーステナイト量を計測した。このような試験を同一種
類の多数の軸受に対して行い、グラフとしてまとめた例
を図３〜図５に示す。これらのグラフにおいて横軸に示
される疲労度は、既述したように、計測した軸受自体の
真の寿命を基準としたものである。これらのグラフに示
されるように、転がり接触面の表面にＸ線を照射するこ
とによって、内部起点剥離による疲労度に相関する情報
を得ることができ、中でも、回折Ｘ線の半価幅は疲労度
に対して強い相関を有していることが判る。

【００２０】図６および図７は、横軸に疲労度、縦軸に
は回折Ｘ線の半価幅の減少度をとったものであり、図６
においては同じ転がり軸受に対して接触面圧を異ならせ
たものを同じグラフ上に示している。また、図７には、
同じ転がり軸受に対して回転数を変化させたものを同じ
グラフ上に示している。なお、こられの図６，図７の縦
軸のＸ線の半価幅の減少度は、既述したように、 半価幅減少度＝（内部半価幅−表面半価幅）／内部半価
幅 の式により求めた値である。また、上記式の表面半価幅
は、供試転がり軸受の転がり接触面の表面にＸ線を照射
することにより測定した値である。一方、内部半価幅
は、供試転がり軸受の軸受としての機能に影響を及ぼさ
ない部分、例えば軌道輪の軸方向端面や、軌道面の肩部
等、を電解研磨等の金属材料組織に影響を与えない方法
で研磨し、露出した金属材料内部組織にＸ線を照射する
ことにより測定した値である。

【００２１】これらのグラフから明らかなように、転が
り接触面の表面にＸ線を照射して得られる回折Ｘ線の半
価幅の減少度は、試験荷重をはじめとする条件が互いに
相違している場合においても、疲労度に対して極めて強
い相関を示し、優れた疲労度パラメータとなり得るとと
もに、本発明方法により得られる疲労度データベース
は、従来方法により得られた疲労度パラメータに比して
ばらつきが大幅に少なくなった。

【００２２】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、転がり
軸受等の転がり疲れに起因する内部起点剥離の疲労度
を、転がり接触面の表面にＸ線を照射することによって
得られる情報をパラメータとして、疲労度データベース
の作成に際しては、供試体を実際に疲労により損傷に至
るまで転がり接触させてその真の寿命を実測し、その間
の複数時点において上記疲労度パラメータを計測して、
その各計測結果を、実測した真の寿命との関連において
求めた疲労度とデータ対として蓄積するから、疲労度デ
ータベースの信頼性が向上し、従来に比してより精度の
よい疲労度の推定が可能となり、軸受等の耐久評価試験
の試験時間を短縮でき、その費用を削減することができ
る。また、疲労度推定結果を製品設計にフィードバック
することにより、使用条件に合った設計の最適化が可能
となる。また、メンテナンス頻度の高い軸受の最適交換
時期の指定等が可能となった。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明における疲労度データベースの作成のた
めの供試体の取扱いの仕方を概念的に示すタイムチャー
トである。

【図２】本発明実施例に用いた軸受試験装置の構成を示
す断面図である。

【図３】本発明実施例において供試体の転がり接触面の
表面にＸ線を照射して得た残留応力の計測結果と疲労度
との関係を示すグラフである。

【図４】同じく本発明実施例において供試体の転がり接
触面の表面にＸ線を照射して得た回折Ｘ線の半価幅の計
測結果と疲労度との関係を示すグラフである。

【図５】同じく本発明実施例において供試体の転がり接
触面の表面にＸ線を照射して得た残留オーステナイト量
の計測結果と疲労度との関係を示すグラフである。

【図６】本発明実施例において供試体の転がり接触面の
表面にＸ線を照射して得た回折Ｘ線の半価幅の減少度と
疲労度との関係を示すグラフである。

【図７】図６とは別の条件下で行った本発明の他の実施
例において供試体の転がり接触面の表面にＸ線を照射し
て得た回折Ｘ線の半価幅の減少度と疲労度との関係を示
すグラフである。

【図８】従来の内部起点剥離による疲労度データベース
の作成のための供試体の取扱いの仕方を概念的に示すタ
イムチャートである。

【符号の説明】

１ａ，１ｂ 供試転がり軸受 ２ 試験回転軸 ６ 負荷用圧縮コイルばね

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 金属材料にＸ線を照射することによって
   得られる所定の情報を内部起点剥離による疲労度パラメ
   ータとして計測し、その計測結果とあらかじめ試験によ
   り作成されている疲労度データベースとの照合により、
   当該金属材料の疲労度を測定する方法において、 上記疲労度パラメータを、金属材料の転がり接触面の表
   面にＸ線を照射することによって得られる情報とすると
   ともに、 上記疲労度データベースを作成するに当たっては、供試
   金属材料を所定の荷重および速度で転がり接触させ、そ
   の金属材料が転がり疲れにより実際に損傷するまでの時
   間Ｔ_L を計測する一方、その損傷に至るまでの間の複数
   の経過時間Ｔ_i（ｉ＝１，２，・・・・）において当該金属
   材料の転がり接触面の表面にＸ線を照射して上記疲労度
   パラメータに係る情報Ｐ_i （ｉ＝１，２，・・・・）を逐次
   採取し、その個々の情報Ｐ_i と、当該個々の情報Ｐ_i の
   採取時における経過時間Ｔ_i の上記時間Ｔ_L に対する比
   Ｔ_i ／Ｔ_L とをデータ対として蓄積することを特徴とす
   る転がり疲れによる疲労度の測定方法。
2. 【請求項２】 上記疲労度パラメータに係る情報が、転
   がり接触面の表面にＸ線を照射して得られる回折Ｘ線の
   半価幅の減少度であることを特徴とする請求項１に記載
   の転がり疲れによる疲労度の測定方法。
3. 【請求項３】 上記回折Ｘ線の半価幅の減少度が、下記
   の式から求められたものであることを特徴とする請求項
   ２に記載の転がり疲れによる疲労度の測定方法。 半価幅減少度＝（内部半価幅−表面半価幅）／内部半価
   幅 ただし、内部半価幅；金属材料内部の回折Ｘ線の半価幅 表面半価幅；金属材料表面の回折Ｘ線の半価幅