JP2005017188A - Ｓｈ波を用いた軸受の内輪疲労度測定方法 - Google Patents
Ｓｈ波を用いた軸受の内輪疲労度測定方法 Download PDFInfo
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Abstract
【課題】内輪軌道面の疲労度の測定を行う場所が限定されず、かつ、内輪の破壊検査をせずに内輪軌道面の表層部の疲労度を簡単安価かつ安全に測定できる内輪疲労度測定方法を提供する。
【解決手段】転動体による軌道面の転走痕の転走痕幅ｂを測定し、この転走痕幅ｂと、転走痕の幅方向における上記内輪の曲率半径と、転走痕の幅方向における転動体の曲率半径と、軌道面の周方向の曲率半径と、転動体の中点を通る軸直角断面の曲率半径と、軌道面と同じ材質の金属部材に対するＳＨ波の固有の伝播速度とから、上記転動体の転がり運動による繰り返し応力が最も大きく作用する上記軌道面の表面からの深さの範囲を伝播するＳＨ波の周波数を求める。そして、この周波数のＳＨ波を、軌道面の表層部を伝播させてこのＳＨ波の伝播速度の測定に基づいて、軌道面の疲労度を測定する。
【選択図】 図１
【解決手段】転動体による軌道面の転走痕の転走痕幅ｂを測定し、この転走痕幅ｂと、転走痕の幅方向における上記内輪の曲率半径と、転走痕の幅方向における転動体の曲率半径と、軌道面の周方向の曲率半径と、転動体の中点を通る軸直角断面の曲率半径と、軌道面と同じ材質の金属部材に対するＳＨ波の固有の伝播速度とから、上記転動体の転がり運動による繰り返し応力が最も大きく作用する上記軌道面の表面からの深さの範囲を伝播するＳＨ波の周波数を求める。そして、この周波数のＳＨ波を、軌道面の表層部を伝播させてこのＳＨ波の伝播速度の測定に基づいて、軌道面の疲労度を測定する。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＳＨ波を用いた軸受の内輪疲労度測定方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、軸受の内輪疲労度測定方法としては、電子線マイクロアナライザー（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｐｒｏｖｅ Ｍｉｃｒｏ Ａｎａｌｙｚｅｒ ： ＥＰＭＡ）を用いた方法がある。この電子線マイクロアナライザーを用いた方法では、内輪を破壊することによって内輪の軌道面の表層部の一部を取出して、この取出された表層部を研磨して試料を作成した後、この試料に電子線を照射してこの試料から炭素の特性Ｘ線を発生させて、この炭素の特性Ｘ線の測定を行っている。そして、この炭素の特性Ｘ線の測定に基づいて上記取出された表層部中の炭素の含有率を検出して、内輪の軌道面の表層部の疲労度を測定している。
【０００３】
また、他の軸受の内輪疲労度測定方法としては、Ｘ線照射装置を用いた方法もある。このＸ線照射装置を用いた方法では、内輪の軌道面の表層部にＸ線を照射することによって、上記表層部の残留応力および残留オーステナイト量を測定している。そして、この測定結果に基づいて内輪の軌道面の表層部の疲労度を測定している（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開２０００−３０４７１０号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記電子線マイクロアナライザーを用いた内輪疲労度測定方法では、内輪の破壊が必要になるので、疲労度の測定をした内輪を使用できないという問題がある。
【０００６】
また、内輪の破壊や、内輪の軌道面の表層部から取出した試料の研磨等を必要とするので、上記軌道面の表層部の疲労度を測定するときの工数が多くなって、上記軌道面の表層部の疲労度の測定に要する時間が長くなり、コストと労力が大きくなるという問題がある。
【０００７】
一方、上記Ｘ線照射装置を用いた内輪疲労度測定方法では、内輪の疲労度の測定に大掛りなＸ線照射装置を用いるので、このＸ線照射装置を自由に疲労度の測定現場に持ち運びできず、上記軌道面の表層部の疲労度の測定を行う場所が限定されるという問題がある。
【０００８】
また、人体に危険な放射線のＸ線を用いるので、Ｘ線照射装置の操作に熟練を必要とし、上記軌道面の表層部の疲労度の測定を安全かつ簡単にできないという問題がある。
【０００９】
そこで、本発明の目的は、内輪軌道面の疲労度の測定を行う場所が限定されず、かつ、内輪の破壊検査をせずに内輪軌道面の表層部の疲労度を簡単安価かつ安全に測定できる内輪疲労度測定方法を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１の発明の軸受の内輪疲労度測定方法は、
内輪の軌道面上に転動体によって付けられた転走痕の転走痕幅を測定する転走痕幅測定工程と、
上記測定された転送痕幅をｂ、上記転走痕の幅方向における上記内輪の曲率半径をｒ１、上記転走痕の幅方向における上記転動体の曲率半径をｒ２、上記軌道面の周方向の曲率半径をｒ３、上記転動体の中心を通る軸直角断面の曲率半径をｒ４としたとき、上記転動体の上記軌道面に対する接触楕円の短半径ａを、下記の（１）式から導出する接触楕円短半径導出工程と、
ａ＝（ｂ／２）（（１／ｒ１＋１／ｒ２）／（１／ｒ３＋１／ｒ４））２／３・・・（１）
上記内輪と同じ材質の金属部材に対するＳＨ波（ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ ｐｏｌａｌｉｚｅｄ ｓｈｅａｒ ｗａｖｅ）の固有の伝播速度をＶ、上記転動体の転がり運動による繰り返し応力が最も大きく作用する上記軌道面の表面からの深さの範囲を伝播するＳＨ波の周波数をＦとしたとき、下記の（２）式から周波数Ｆの範囲を計算するＳＨ波周波数計算工程と、
２Ｖ／０．３５ａ≧Ｆ≧２Ｖ／０．５ａ・・・（２）
ＳＨ波送信機とＳＨ波受信機とを上記内輪の軌道面上に互いに離間して配置して、上記ＳＨ波送信機から上記周波数Ｆの範囲内の周波数を有するＳＨ波を送信して、上記軌道面の表面から所定の深さを伝播した上記ＳＨ波を、上記ＳＨ波受信機で受信して、この受信されたＳＨ波に基づいてＳＨ波の伝播速度を測定するＳＨ波伝播速度測定工程とを備え、
上記ＳＨ波伝播速度測定工程で測定されたＳＨ波の伝播速度に基づいて内輪の疲労度を測定することを特徴としている。
【００１１】
尚、この明細書で、表層部といった場合、この表層部という表現には、表面を含むものとする。
【００１２】
また、上記ＳＨ波とは、主振動方向が伝播方向に垂直でかつ材料の表面に略平行な方向で、かつ、材料の表面に沿って伝播する超音波である。上記ＳＨ波は、主振動方向が材料の表面の法線方向で、かつ、材料の表面に沿って伝播する超音波である表面波とは異質な超音波である。
【００１３】
また、上記疲労度は、内輪表層部のひずみと対応しており、ひずみはＳＨ波の伝播速度と対応している。この発明の軸受の内輪疲労度測定方法は、内輪表層部におけるＳＨ波の伝播速度に基づいて、内輪表層部のひずみの度合いを測定し、このひずみの度合いに基づいて内輪の疲労度の度合いを測定するものである。
【００１４】
本発明者は、転動体による軌道面の転走痕の転走痕幅と、上記転動体の転がり運動による繰り返し応力が最も大きく作用する軌道面の表面からの深さを伝播するＳＨ波の周波数に相関関係があることを発見した。
【００１５】
詳細には、本発明者は、転送痕幅をｂ、転走痕の幅方向における上記内輪の曲率半径をｒ１、転走痕の幅方向における転動体の曲率半径をｒ２、軌道面の周方向の曲率半径をｒ３、転動体の中点を通る軸直角断面の曲率半径をｒ４、上記軌道面と同じ材質の金属部材に対するＳＨ波の固有の伝播速度をＶとしたとき、転動体の軌道面に対する接触楕円の短半径ａが、上記（１）式から導出できるという事実と、上記繰り返し応力が最も大きく作用する深さが、接触楕円の短半径ａに依存するという事実と、ＳＨ波が伝播する深さが、ＳＨ波の波長に依存するという事実に着目し、上記ＳＨ波の周波数Ｆの範囲が、上記短半径ａと上記固有の伝播速度Ｖを用いて、上記（２）式から導出できるということを発見した。
【００１６】
上記請求項１の発明の軸受の内輪疲労度測定方法によれば、ＳＨ波送信機と、ＳＨ波受信機とを内輪の軌道面上に所定の間隔を隔てて配置して、ＳＨ波の伝播速度を測定することにより、内輪の疲労度の測定を行うので、上記電子線マイクロアナライザーを用いる疲労度測定方法とは異なり、内輪の疲労度の測定を行うのに内輪を破壊する必要がない。したがって、内輪の疲労度の測定を行うときの工数を大幅に低減できて、内輪の疲労度の測定に要するコストと労力を大幅に低減できる。
【００１７】
また、上記請求項１の発明の軸受の内輪疲労度測定方法によれば、軽くて小型で持ち運び可能なＳＨ波送信機と、ＳＨ波受信機とを用い、かつ、人体に安全なＳＨ波の伝播速度に基づいて内輪の疲労度の測定を行うので、大掛りで人体に危険なＸ線を使用するＸ線照射装置を用いる疲労度測定方法とは異なり、内輪の疲労度の測定を行う場所が限定されず、かつ、内輪の疲労度の測定を安全に行うことができる。
【００１８】
また、上記請求項１の発明の軸受の内輪疲労度測定方法によれば、上記（１）式を用いて、転動体の軌道面に対する接触楕円の短半径ａを導出し、更に、上記（１）式から導き出されたａと、上記固有の伝播速度Ｖとを用いて計算された周波数Ｆの範囲の周波数のＳＨ波を、内輪の表層部に伝播させて、内輪の軌道面の疲労度の測定を行うので、ＳＨ波を、内輪の軌道面の表層部における繰り返し応力が最も大きく作用する箇所を伝播させることができて、内輪の疲労度の測定を精密に行うことができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図示の実施の形態により詳細に説明する。
【００２０】
尚、以下の実施形態では、全ての物理量の単位として、ＭＫＳ単位系を採用しているものとする。
【００２１】
図１は、内輪１０の軌道面１０Ａの平面図であり、転動体の一例としての円筒ころの転動によって軌道面１０Ａに付いた転走痕２１を示す図である。また、図２は、上記内輪１０の軌道面１０Ａ上の円筒ころ３１を示す軸方向の部分断面図であり、図３は、図２にＰ１で示す円筒ころ３１の中点を通る軸直角部分断面図である。上記内輪１０は、普通焼入品であるＳＵＪ２鋼から形成されている。尚、図１の参照番号２２は、実際には軌道面１０Ａに痕としてのこらない軌道面１０Ａと、円筒ころ３１（図２および図３参照）との接触楕円であり、図２の参照番号３３は、円筒ころの中心軸である。
【００２２】
先ず、図１、図２および図３を用いて、この発明の軸受の内輪疲労度測定方法の一実施形態としての円筒ころ軸受の内輪１０の疲労度測定方法の接触楕円短半径導出工程を説明する。
【００２３】
この接触楕円短半径導出工程では、軌道面と円筒ころとの接触楕円の長半径の２倍に相当する図１に示す転走痕２２の転走痕幅ｂを、軌道面１０Ａの転走痕から測定した後、この測定された転走痕幅ｂと、図２に示す上記転走痕の幅方向における値が既知の上記内輪の曲率半径ｒ１と、図２に示す上記転走痕の幅方向における値が既知の上記転動体の曲率半径ｒ２と、値が既知の図３に示す上記軌道面の周方向の曲率半径ｒ３と、値が既知の図３に示す上記転動体の中点を通る軸直角断面の曲率半径ｒ４とから、以下の（１）式を用いて、ａで示す接触楕円の短半径を導き出す。
【００２４】
ａ＝（ｂ／２）（（１／ｒ１＋１／ｒ２）／（１／ｒ３＋１／ｒ４））２／３［ｍ］ ・・・（１）
次に、ＳＨ波周波数計算工程を行う。このＳＨ波周波数計算工程では、軌道面と転動体の接触楕円の短半径をａとしたとき、転動体の転がり運動によって繰り返し応力が最も大きく作用する軌道面の表面からの深さが、０．３５ａ以上０．５以下になるという事実と、ＳＨ波の波長をλとしたとき、ＳＨ波が２λの深さを伝播するという事実とから導き出された繰り返し応力が最も大きく作用する深さを伝播するＳＨ波の波長の範囲を示す下記の（３）式と、
０．３５ａ≦２λ≦０．５ａ［ｍ］・・・・（３）
ＳＨ波の内輪１０を伝播する固有の伝播速度（この固有の伝播速度をＶで表わす）と、ＳＨ波の波長λと、ＳＨ波の周波数（この周波数をＦで表わす）との間に成立する下記の（４）式と
Ｆ＝Ｖ／λ［Ｈｚ］・・・・（４）
から導き出された繰り返し応力が最も大きく作用する軌道面の表面からの深さを伝播するＳＨ波の周波数Ｆが満たす関係式である下記の（２）式
０．３５ａ≦２（Ｖ／Ｆ）≦０．５ａ［ｍ］
２Ｖ／（０．３５ａ）≧Ｆ≧２Ｖ／（０．５ａ）［Ｈｚ］・・・（２）
を用いて、上記周波数Ｆの範囲を計算する。
【００２５】
この実施形態では、内輪の材質として普通焼入品であるＳＵＪ２鋼を用いているので、ＳＨ波のＳＵＪ２鋼における固有の伝播速度（３２４０ｍ／ｓ）を上記（２）式のＶに代入することによって導き出された下記の（５）式から、繰り返し応力が最も大きく作用する深さを伝播するＳＨ波の周波数Ｆを計算する。
２×３２４０／（０．３５ａ）≧Ｆ≧２×３２４０／（０．５ａ）［Ｈｚ］
１２９６００／（７ａ）≧Ｆ≧１２９６０／ａ［Ｈｚ］・・・（５）
【００２６】
続いて、ＳＨ波伝播速度測定工程を行う。このＳＨ波伝播速度測定工程では、ＳＨ波送信機１とＳＨ波受信機２が設置された上記軌道面１０Ａを示す平面図である図４と、ＳＨ波送信機１とＳＨ波受信機２が設置された内輪１０の正面図である図５に示すように、ＳＨ波送信機１と内輪１０の軌道面１０Ａとが接触線３で線接触するように、ＳＨ波送信機１を内輪１０の軌道面１０Ａの軸方向の略中央に設置する一方、ＳＨ波受信機２と内輪１０の軌道面１０Ａとが接触線５で線接触するように、ＳＨ波受信機２をＳＨ波送信機１から周方向に離間した状態で内輪１０の軌道面１０Ａの軸方向の略中央に設置する。そして、上記ＳＨ送信機１が内蔵する圧電素子からなるＳＨ波発振部（図示せず）を駆動して、対向面１Ａの有効部分７を、上記（５）式で求めた周波数の範囲内の周波数で振動させて、上記ＳＨ波送信機１から上記（５）式で求めた周波数の範囲内の周波数を有するＳＨ波を発信して、上記ＳＨ送信機１から発信されて内輪１０の転動体の転がり運動によって繰り返し応力が最も大きく作用する深さを伝播したＳＨ波をＳＨ波受信機２で受信することによって、ＳＨ波の伝播速度の測定を行う。
【００２７】
詳細には、ＳＨ波送信機１の接触線３と内輪１０の中心Ｐ０とを結ぶ直線Ｌｒと、ＳＨ波受信機２の接触線５と上記中心Ｐ０とを結ぶ直線Ｌｑとがなす角度を２αとし、ｒを軌道面１０Ａの半径としたとき、ＳＨ波の振幅が０になるＳＨ波の波形のゼロクロス点を計時基準にして、ＳＨ波送信機１の接触線３からＳＨ波受信機２の線接触５までのＳＨ波の伝播時間ｔを求め、以下の（６）式から内輪１０の軌道面１０Ａの表層部におけるＳＨ波の伝播速度ｖを測定する。
ｖ＝（２πｒ・（２α／３６０°））／ｔ［ｍ／ｓ］・・・（６）
【００２８】
最後に、上記ＳＨ波伝播速度測定工程で測定された上記内輪１０の表層部におけるＳＨ波の伝播速度ｖに基づいて、ＳＨ波の伝播速度と対応している内輪１０の表層部のひずみの度合いを測定し、このひずみの度合いに基づいて内輪１０の疲労度の度合いを測定する。
【００２９】
尚、上記実施形態においては、上記ＳＨ波送信機１およびＳＨ波受信機２の軸方向の寸法Ｄ１は、内輪１０の軸方向の寸法Ｄ２の３分の１になっている。また、上記ＳＨ波送信機１の接触線３は、ＳＨ波送信機１の軌道面１０Ａに対する対向面１ＡのうちのＳＨ波を発生する有効部分７に含まれており、上記ＳＨ波受信機２の接触線５は、ＳＨ波受信機２の軌道面１０Ａに対する対向面２ＡのうちのＳＨ波を検知可能な有効部分８に含まれているものとする。
【００３０】
図６は、ＳＨ波の固有の伝播速度を、マルテンサイト鋼におけるＳＨ波の伝播速度の理論値（３２４０ｍ／ｓ）に設定したときの、上記接触楕円短半径ａと、上記繰り返し応力が最も大きく作用する深さの範囲を伝播するＳＨ波の周波数との関係を示す計算例の図である。
【００３１】
例えば、接触楕円短半径ａの値が８．０×１０−４ｍである場合、図５に示す関係から、共振周波数（送信されるＳＨ波の周波数）が１６．２×１０６Ｈｚ〜２３．１×１０６ＨｚのＳＨ波送信機を用いて、内輪の疲労度の測定を行えば、内輪の疲労度を正確に測定できる。
【００３２】
上記実施形態の軸受の内輪疲労度測定方法によれば、ＳＨ波送信機１と、ＳＨ波受信機２とを内輪１０の軌道面１０Ａ上に所定の間隔を隔てて配置して、ＳＨ波の伝播速度を測定することにより、内輪１０の疲労度の測定を行うので、上記電子線マイクロアナライザーを用いる疲労度測定方法とは異なり、内輪１０の疲労度の測定を行うのに内輪１０を破壊する必要がない。したがって、内輪１０の疲労度の測定を行うときの工数を大幅に低減できて、内輪１０の疲労度の測定に要するコストと労力を大幅に低減できる。
【００３３】
また、上記実施形態の軸受の内輪疲労度測定方法によれば、軽くて小型で持ち運び可能なＳＨ波送信機１と、ＳＨ波受信機２とを用い、かつ、人体に安全なＳＨ波の伝播速度に基づいて内輪１０の疲労度の測定を行うので、大掛りで人体に危険なＸ線を使用するＸ線照射装置を用いる疲労度測定方法とは異なり、内輪１０の疲労度の測定を行う場所が限定されず、かつ、内輪１０の疲労度の測定を安全に行うことができる。
【００３４】
また、上記実施形態の軸受の内輪疲労度測定方法によれば、上記（１）式を用いて、転動体の軌道面に対する接触楕円の短半径ａを導出し、更に、このａと、上記固有の伝播速度Ｖ（この実施形態では、３２４０ｍ／ｓ）とを用いて、（５）式より計算された周波数Ｆの範囲の周波数のＳＨ波を用いて、内輪１０の軌道面１０Ａの疲労度の測定を行うので、ＳＨ波を、内輪１０の軌道面１０Ａにおける繰り返し応力が最も大きく作用する深さを伝播させることができる。したがって、内輪１０の疲労度の測定を精密に行うことができる。
【００３５】
尚、上記実施形態の軸受の内輪疲労度測定方法では、この発明の軸受の内輪疲労度測定方法を、ころ軸受に適用したが、この発明の軸受の内輪疲労度測定方法を、深溝玉軸受の内輪や、単列や複列のアンギュラ玉軸受の内輪に適用しても良い。また、この発明を円錐ころ軸受の内輪に適用しても良い。
【００３６】
また、この実施形態の軸受の内輪疲労度測定方法では、内輪の構成素材としてＳＵＪ２（高炭素クロム軸受鋼）の普通焼入品を用いたが、内輪の構成素材として、浸炭焼入を行ったＳＡＥ５１２０鋼等のＳＵＪ２の普通焼入品以外の構成素材を用いても良い。
【００３７】
【発明の効果】
以上より明らかなように、請求項１の発明によれば、ＳＨ波送信機と、ＳＨ波受信機とを内輪軌道面上に所定の間隔を隔てて配置して、ＳＨ波の伝播速度を測定するだけで、内輪の軌道面の疲労度の測定を行うことができるので、内輪の軌道面の疲労度の測定を行うのに内輪を破壊する必要がない。したがって、内輪の軌道面の疲労度の測定を行うときの工数を大幅に低減できて、内輪の軌道面の疲労度の測定に要するコストと労力を大幅に低減できる。
【００３８】
また、請求項１の発明によれば、軽くて小型で持ち運び自由なＳＨ波送信機と、ＳＨ波受信機とを用い、かつ、人体に安全なＳＨ波の伝播速度に基づいて内輪の軌道面の疲労度の測定を行うので、内輪の軌道面の疲労度の測定を行う場所が限定されず、かつ、内輪の軌道面の疲労度の測定を安全に行うことができる。
【００３９】
また、請求項１の発明によれば、上記（１）式を用いて、転動体の軌道面に対する接触楕円の短半径ａを導出し、更に、このａと、上記固有の伝播速度Ｖとを用いて計算された周波数Ｆの範囲の周波数のＳＨ波を用いて、内輪の軌道面の疲労度の測定を行うので、ＳＨ波を、内輪の軌道面の表層部における上記転動体の転がり運動による繰り返し応力が最も大きく作用する箇所を伝播させることができて、内輪の疲労度の測定を精密に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】内輪の軌道面における円筒ころの転走痕を示す図である。
【図２】内輪の軌道面上の円筒ころを示す軸方向の部分断面図である。
【図３】内輪の軌道面上の円筒ころの中点を通る軸直角部分断面図である。
【図４】ＳＨ波送信機とＳＨ波受信機が設置されている軌道面の平面図である。
【図５】ＳＨ波送信機とＳＨ波受信機が設置されている内輪の正面図である。
【図６】接触楕円短半径と、上記転動体の転がり運動による繰り返し応力が最も大きく作用する上記軌道面の表面からの深さの範囲を伝播するＳＨ波の周波数との関係を示す図である。
【符号の説明】
１ ＳＨ波送信機
２ ＳＨ波受信機
１０ 内輪
１０Ａ 軌道面
２１ 転走痕
２２ 接触楕円
３１ 円筒ころ
ａ 接触楕円短半径
ｂ 転走痕幅
ｐ１ 円筒ころの中点
ｒ１ 転走痕の幅方向における内輪の曲率半径
ｒ２ 転走痕の幅方向における転動体の曲率半径
ｒ３ 軌道面の周方向の曲率半径
ｒ４ 転動体の中点を通る軸直角断面の曲率半径
Ｖ 内輪に対するＳＨ波の固有の伝播速度
ｖ 内輪に対するＳＨ波の伝播速度
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＳＨ波を用いた軸受の内輪疲労度測定方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、軸受の内輪疲労度測定方法としては、電子線マイクロアナライザー（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｐｒｏｖｅ Ｍｉｃｒｏ Ａｎａｌｙｚｅｒ ： ＥＰＭＡ）を用いた方法がある。この電子線マイクロアナライザーを用いた方法では、内輪を破壊することによって内輪の軌道面の表層部の一部を取出して、この取出された表層部を研磨して試料を作成した後、この試料に電子線を照射してこの試料から炭素の特性Ｘ線を発生させて、この炭素の特性Ｘ線の測定を行っている。そして、この炭素の特性Ｘ線の測定に基づいて上記取出された表層部中の炭素の含有率を検出して、内輪の軌道面の表層部の疲労度を測定している。
【０００３】
また、他の軸受の内輪疲労度測定方法としては、Ｘ線照射装置を用いた方法もある。このＸ線照射装置を用いた方法では、内輪の軌道面の表層部にＸ線を照射することによって、上記表層部の残留応力および残留オーステナイト量を測定している。そして、この測定結果に基づいて内輪の軌道面の表層部の疲労度を測定している（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開２０００−３０４７１０号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記電子線マイクロアナライザーを用いた内輪疲労度測定方法では、内輪の破壊が必要になるので、疲労度の測定をした内輪を使用できないという問題がある。
【０００６】
また、内輪の破壊や、内輪の軌道面の表層部から取出した試料の研磨等を必要とするので、上記軌道面の表層部の疲労度を測定するときの工数が多くなって、上記軌道面の表層部の疲労度の測定に要する時間が長くなり、コストと労力が大きくなるという問題がある。
【０００７】
一方、上記Ｘ線照射装置を用いた内輪疲労度測定方法では、内輪の疲労度の測定に大掛りなＸ線照射装置を用いるので、このＸ線照射装置を自由に疲労度の測定現場に持ち運びできず、上記軌道面の表層部の疲労度の測定を行う場所が限定されるという問題がある。
【０００８】
また、人体に危険な放射線のＸ線を用いるので、Ｘ線照射装置の操作に熟練を必要とし、上記軌道面の表層部の疲労度の測定を安全かつ簡単にできないという問題がある。
【０００９】
そこで、本発明の目的は、内輪軌道面の疲労度の測定を行う場所が限定されず、かつ、内輪の破壊検査をせずに内輪軌道面の表層部の疲労度を簡単安価かつ安全に測定できる内輪疲労度測定方法を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１の発明の軸受の内輪疲労度測定方法は、
内輪の軌道面上に転動体によって付けられた転走痕の転走痕幅を測定する転走痕幅測定工程と、
上記測定された転送痕幅をｂ、上記転走痕の幅方向における上記内輪の曲率半径をｒ１、上記転走痕の幅方向における上記転動体の曲率半径をｒ２、上記軌道面の周方向の曲率半径をｒ３、上記転動体の中心を通る軸直角断面の曲率半径をｒ４としたとき、上記転動体の上記軌道面に対する接触楕円の短半径ａを、下記の（１）式から導出する接触楕円短半径導出工程と、
ａ＝（ｂ／２）（（１／ｒ１＋１／ｒ２）／（１／ｒ３＋１／ｒ４））２／３・・・（１）
上記内輪と同じ材質の金属部材に対するＳＨ波（ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ ｐｏｌａｌｉｚｅｄ ｓｈｅａｒ ｗａｖｅ）の固有の伝播速度をＶ、上記転動体の転がり運動による繰り返し応力が最も大きく作用する上記軌道面の表面からの深さの範囲を伝播するＳＨ波の周波数をＦとしたとき、下記の（２）式から周波数Ｆの範囲を計算するＳＨ波周波数計算工程と、
２Ｖ／０．３５ａ≧Ｆ≧２Ｖ／０．５ａ・・・（２）
ＳＨ波送信機とＳＨ波受信機とを上記内輪の軌道面上に互いに離間して配置して、上記ＳＨ波送信機から上記周波数Ｆの範囲内の周波数を有するＳＨ波を送信して、上記軌道面の表面から所定の深さを伝播した上記ＳＨ波を、上記ＳＨ波受信機で受信して、この受信されたＳＨ波に基づいてＳＨ波の伝播速度を測定するＳＨ波伝播速度測定工程とを備え、
上記ＳＨ波伝播速度測定工程で測定されたＳＨ波の伝播速度に基づいて内輪の疲労度を測定することを特徴としている。
【００１１】
尚、この明細書で、表層部といった場合、この表層部という表現には、表面を含むものとする。
【００１２】
また、上記ＳＨ波とは、主振動方向が伝播方向に垂直でかつ材料の表面に略平行な方向で、かつ、材料の表面に沿って伝播する超音波である。上記ＳＨ波は、主振動方向が材料の表面の法線方向で、かつ、材料の表面に沿って伝播する超音波である表面波とは異質な超音波である。
【００１３】
また、上記疲労度は、内輪表層部のひずみと対応しており、ひずみはＳＨ波の伝播速度と対応している。この発明の軸受の内輪疲労度測定方法は、内輪表層部におけるＳＨ波の伝播速度に基づいて、内輪表層部のひずみの度合いを測定し、このひずみの度合いに基づいて内輪の疲労度の度合いを測定するものである。
【００１４】
本発明者は、転動体による軌道面の転走痕の転走痕幅と、上記転動体の転がり運動による繰り返し応力が最も大きく作用する軌道面の表面からの深さを伝播するＳＨ波の周波数に相関関係があることを発見した。
【００１５】
詳細には、本発明者は、転送痕幅をｂ、転走痕の幅方向における上記内輪の曲率半径をｒ１、転走痕の幅方向における転動体の曲率半径をｒ２、軌道面の周方向の曲率半径をｒ３、転動体の中点を通る軸直角断面の曲率半径をｒ４、上記軌道面と同じ材質の金属部材に対するＳＨ波の固有の伝播速度をＶとしたとき、転動体の軌道面に対する接触楕円の短半径ａが、上記（１）式から導出できるという事実と、上記繰り返し応力が最も大きく作用する深さが、接触楕円の短半径ａに依存するという事実と、ＳＨ波が伝播する深さが、ＳＨ波の波長に依存するという事実に着目し、上記ＳＨ波の周波数Ｆの範囲が、上記短半径ａと上記固有の伝播速度Ｖを用いて、上記（２）式から導出できるということを発見した。
【００１６】
上記請求項１の発明の軸受の内輪疲労度測定方法によれば、ＳＨ波送信機と、ＳＨ波受信機とを内輪の軌道面上に所定の間隔を隔てて配置して、ＳＨ波の伝播速度を測定することにより、内輪の疲労度の測定を行うので、上記電子線マイクロアナライザーを用いる疲労度測定方法とは異なり、内輪の疲労度の測定を行うのに内輪を破壊する必要がない。したがって、内輪の疲労度の測定を行うときの工数を大幅に低減できて、内輪の疲労度の測定に要するコストと労力を大幅に低減できる。
【００１７】
また、上記請求項１の発明の軸受の内輪疲労度測定方法によれば、軽くて小型で持ち運び可能なＳＨ波送信機と、ＳＨ波受信機とを用い、かつ、人体に安全なＳＨ波の伝播速度に基づいて内輪の疲労度の測定を行うので、大掛りで人体に危険なＸ線を使用するＸ線照射装置を用いる疲労度測定方法とは異なり、内輪の疲労度の測定を行う場所が限定されず、かつ、内輪の疲労度の測定を安全に行うことができる。
【００１８】
また、上記請求項１の発明の軸受の内輪疲労度測定方法によれば、上記（１）式を用いて、転動体の軌道面に対する接触楕円の短半径ａを導出し、更に、上記（１）式から導き出されたａと、上記固有の伝播速度Ｖとを用いて計算された周波数Ｆの範囲の周波数のＳＨ波を、内輪の表層部に伝播させて、内輪の軌道面の疲労度の測定を行うので、ＳＨ波を、内輪の軌道面の表層部における繰り返し応力が最も大きく作用する箇所を伝播させることができて、内輪の疲労度の測定を精密に行うことができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図示の実施の形態により詳細に説明する。
【００２０】
尚、以下の実施形態では、全ての物理量の単位として、ＭＫＳ単位系を採用しているものとする。
【００２１】
図１は、内輪１０の軌道面１０Ａの平面図であり、転動体の一例としての円筒ころの転動によって軌道面１０Ａに付いた転走痕２１を示す図である。また、図２は、上記内輪１０の軌道面１０Ａ上の円筒ころ３１を示す軸方向の部分断面図であり、図３は、図２にＰ１で示す円筒ころ３１の中点を通る軸直角部分断面図である。上記内輪１０は、普通焼入品であるＳＵＪ２鋼から形成されている。尚、図１の参照番号２２は、実際には軌道面１０Ａに痕としてのこらない軌道面１０Ａと、円筒ころ３１（図２および図３参照）との接触楕円であり、図２の参照番号３３は、円筒ころの中心軸である。
【００２２】
先ず、図１、図２および図３を用いて、この発明の軸受の内輪疲労度測定方法の一実施形態としての円筒ころ軸受の内輪１０の疲労度測定方法の接触楕円短半径導出工程を説明する。
【００２３】
この接触楕円短半径導出工程では、軌道面と円筒ころとの接触楕円の長半径の２倍に相当する図１に示す転走痕２２の転走痕幅ｂを、軌道面１０Ａの転走痕から測定した後、この測定された転走痕幅ｂと、図２に示す上記転走痕の幅方向における値が既知の上記内輪の曲率半径ｒ１と、図２に示す上記転走痕の幅方向における値が既知の上記転動体の曲率半径ｒ２と、値が既知の図３に示す上記軌道面の周方向の曲率半径ｒ３と、値が既知の図３に示す上記転動体の中点を通る軸直角断面の曲率半径ｒ４とから、以下の（１）式を用いて、ａで示す接触楕円の短半径を導き出す。
【００２４】
ａ＝（ｂ／２）（（１／ｒ１＋１／ｒ２）／（１／ｒ３＋１／ｒ４））２／３［ｍ］ ・・・（１）
次に、ＳＨ波周波数計算工程を行う。このＳＨ波周波数計算工程では、軌道面と転動体の接触楕円の短半径をａとしたとき、転動体の転がり運動によって繰り返し応力が最も大きく作用する軌道面の表面からの深さが、０．３５ａ以上０．５以下になるという事実と、ＳＨ波の波長をλとしたとき、ＳＨ波が２λの深さを伝播するという事実とから導き出された繰り返し応力が最も大きく作用する深さを伝播するＳＨ波の波長の範囲を示す下記の（３）式と、
０．３５ａ≦２λ≦０．５ａ［ｍ］・・・・（３）
ＳＨ波の内輪１０を伝播する固有の伝播速度（この固有の伝播速度をＶで表わす）と、ＳＨ波の波長λと、ＳＨ波の周波数（この周波数をＦで表わす）との間に成立する下記の（４）式と
Ｆ＝Ｖ／λ［Ｈｚ］・・・・（４）
から導き出された繰り返し応力が最も大きく作用する軌道面の表面からの深さを伝播するＳＨ波の周波数Ｆが満たす関係式である下記の（２）式
０．３５ａ≦２（Ｖ／Ｆ）≦０．５ａ［ｍ］
２Ｖ／（０．３５ａ）≧Ｆ≧２Ｖ／（０．５ａ）［Ｈｚ］・・・（２）
を用いて、上記周波数Ｆの範囲を計算する。
【００２５】
この実施形態では、内輪の材質として普通焼入品であるＳＵＪ２鋼を用いているので、ＳＨ波のＳＵＪ２鋼における固有の伝播速度（３２４０ｍ／ｓ）を上記（２）式のＶに代入することによって導き出された下記の（５）式から、繰り返し応力が最も大きく作用する深さを伝播するＳＨ波の周波数Ｆを計算する。
２×３２４０／（０．３５ａ）≧Ｆ≧２×３２４０／（０．５ａ）［Ｈｚ］
１２９６００／（７ａ）≧Ｆ≧１２９６０／ａ［Ｈｚ］・・・（５）
【００２６】
続いて、ＳＨ波伝播速度測定工程を行う。このＳＨ波伝播速度測定工程では、ＳＨ波送信機１とＳＨ波受信機２が設置された上記軌道面１０Ａを示す平面図である図４と、ＳＨ波送信機１とＳＨ波受信機２が設置された内輪１０の正面図である図５に示すように、ＳＨ波送信機１と内輪１０の軌道面１０Ａとが接触線３で線接触するように、ＳＨ波送信機１を内輪１０の軌道面１０Ａの軸方向の略中央に設置する一方、ＳＨ波受信機２と内輪１０の軌道面１０Ａとが接触線５で線接触するように、ＳＨ波受信機２をＳＨ波送信機１から周方向に離間した状態で内輪１０の軌道面１０Ａの軸方向の略中央に設置する。そして、上記ＳＨ送信機１が内蔵する圧電素子からなるＳＨ波発振部（図示せず）を駆動して、対向面１Ａの有効部分７を、上記（５）式で求めた周波数の範囲内の周波数で振動させて、上記ＳＨ波送信機１から上記（５）式で求めた周波数の範囲内の周波数を有するＳＨ波を発信して、上記ＳＨ送信機１から発信されて内輪１０の転動体の転がり運動によって繰り返し応力が最も大きく作用する深さを伝播したＳＨ波をＳＨ波受信機２で受信することによって、ＳＨ波の伝播速度の測定を行う。
【００２７】
詳細には、ＳＨ波送信機１の接触線３と内輪１０の中心Ｐ０とを結ぶ直線Ｌｒと、ＳＨ波受信機２の接触線５と上記中心Ｐ０とを結ぶ直線Ｌｑとがなす角度を２αとし、ｒを軌道面１０Ａの半径としたとき、ＳＨ波の振幅が０になるＳＨ波の波形のゼロクロス点を計時基準にして、ＳＨ波送信機１の接触線３からＳＨ波受信機２の線接触５までのＳＨ波の伝播時間ｔを求め、以下の（６）式から内輪１０の軌道面１０Ａの表層部におけるＳＨ波の伝播速度ｖを測定する。
ｖ＝（２πｒ・（２α／３６０°））／ｔ［ｍ／ｓ］・・・（６）
【００２８】
最後に、上記ＳＨ波伝播速度測定工程で測定された上記内輪１０の表層部におけるＳＨ波の伝播速度ｖに基づいて、ＳＨ波の伝播速度と対応している内輪１０の表層部のひずみの度合いを測定し、このひずみの度合いに基づいて内輪１０の疲労度の度合いを測定する。
【００２９】
尚、上記実施形態においては、上記ＳＨ波送信機１およびＳＨ波受信機２の軸方向の寸法Ｄ１は、内輪１０の軸方向の寸法Ｄ２の３分の１になっている。また、上記ＳＨ波送信機１の接触線３は、ＳＨ波送信機１の軌道面１０Ａに対する対向面１ＡのうちのＳＨ波を発生する有効部分７に含まれており、上記ＳＨ波受信機２の接触線５は、ＳＨ波受信機２の軌道面１０Ａに対する対向面２ＡのうちのＳＨ波を検知可能な有効部分８に含まれているものとする。
【００３０】
図６は、ＳＨ波の固有の伝播速度を、マルテンサイト鋼におけるＳＨ波の伝播速度の理論値（３２４０ｍ／ｓ）に設定したときの、上記接触楕円短半径ａと、上記繰り返し応力が最も大きく作用する深さの範囲を伝播するＳＨ波の周波数との関係を示す計算例の図である。
【００３１】
例えば、接触楕円短半径ａの値が８．０×１０−４ｍである場合、図５に示す関係から、共振周波数（送信されるＳＨ波の周波数）が１６．２×１０６Ｈｚ〜２３．１×１０６ＨｚのＳＨ波送信機を用いて、内輪の疲労度の測定を行えば、内輪の疲労度を正確に測定できる。
【００３２】
上記実施形態の軸受の内輪疲労度測定方法によれば、ＳＨ波送信機１と、ＳＨ波受信機２とを内輪１０の軌道面１０Ａ上に所定の間隔を隔てて配置して、ＳＨ波の伝播速度を測定することにより、内輪１０の疲労度の測定を行うので、上記電子線マイクロアナライザーを用いる疲労度測定方法とは異なり、内輪１０の疲労度の測定を行うのに内輪１０を破壊する必要がない。したがって、内輪１０の疲労度の測定を行うときの工数を大幅に低減できて、内輪１０の疲労度の測定に要するコストと労力を大幅に低減できる。
【００３３】
また、上記実施形態の軸受の内輪疲労度測定方法によれば、軽くて小型で持ち運び可能なＳＨ波送信機１と、ＳＨ波受信機２とを用い、かつ、人体に安全なＳＨ波の伝播速度に基づいて内輪１０の疲労度の測定を行うので、大掛りで人体に危険なＸ線を使用するＸ線照射装置を用いる疲労度測定方法とは異なり、内輪１０の疲労度の測定を行う場所が限定されず、かつ、内輪１０の疲労度の測定を安全に行うことができる。
【００３４】
また、上記実施形態の軸受の内輪疲労度測定方法によれば、上記（１）式を用いて、転動体の軌道面に対する接触楕円の短半径ａを導出し、更に、このａと、上記固有の伝播速度Ｖ（この実施形態では、３２４０ｍ／ｓ）とを用いて、（５）式より計算された周波数Ｆの範囲の周波数のＳＨ波を用いて、内輪１０の軌道面１０Ａの疲労度の測定を行うので、ＳＨ波を、内輪１０の軌道面１０Ａにおける繰り返し応力が最も大きく作用する深さを伝播させることができる。したがって、内輪１０の疲労度の測定を精密に行うことができる。
【００３５】
尚、上記実施形態の軸受の内輪疲労度測定方法では、この発明の軸受の内輪疲労度測定方法を、ころ軸受に適用したが、この発明の軸受の内輪疲労度測定方法を、深溝玉軸受の内輪や、単列や複列のアンギュラ玉軸受の内輪に適用しても良い。また、この発明を円錐ころ軸受の内輪に適用しても良い。
【００３６】
また、この実施形態の軸受の内輪疲労度測定方法では、内輪の構成素材としてＳＵＪ２（高炭素クロム軸受鋼）の普通焼入品を用いたが、内輪の構成素材として、浸炭焼入を行ったＳＡＥ５１２０鋼等のＳＵＪ２の普通焼入品以外の構成素材を用いても良い。
【００３７】
【発明の効果】
以上より明らかなように、請求項１の発明によれば、ＳＨ波送信機と、ＳＨ波受信機とを内輪軌道面上に所定の間隔を隔てて配置して、ＳＨ波の伝播速度を測定するだけで、内輪の軌道面の疲労度の測定を行うことができるので、内輪の軌道面の疲労度の測定を行うのに内輪を破壊する必要がない。したがって、内輪の軌道面の疲労度の測定を行うときの工数を大幅に低減できて、内輪の軌道面の疲労度の測定に要するコストと労力を大幅に低減できる。
【００３８】
また、請求項１の発明によれば、軽くて小型で持ち運び自由なＳＨ波送信機と、ＳＨ波受信機とを用い、かつ、人体に安全なＳＨ波の伝播速度に基づいて内輪の軌道面の疲労度の測定を行うので、内輪の軌道面の疲労度の測定を行う場所が限定されず、かつ、内輪の軌道面の疲労度の測定を安全に行うことができる。
【００３９】
また、請求項１の発明によれば、上記（１）式を用いて、転動体の軌道面に対する接触楕円の短半径ａを導出し、更に、このａと、上記固有の伝播速度Ｖとを用いて計算された周波数Ｆの範囲の周波数のＳＨ波を用いて、内輪の軌道面の疲労度の測定を行うので、ＳＨ波を、内輪の軌道面の表層部における上記転動体の転がり運動による繰り返し応力が最も大きく作用する箇所を伝播させることができて、内輪の疲労度の測定を精密に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】内輪の軌道面における円筒ころの転走痕を示す図である。
【図２】内輪の軌道面上の円筒ころを示す軸方向の部分断面図である。
【図３】内輪の軌道面上の円筒ころの中点を通る軸直角部分断面図である。
【図４】ＳＨ波送信機とＳＨ波受信機が設置されている軌道面の平面図である。
【図５】ＳＨ波送信機とＳＨ波受信機が設置されている内輪の正面図である。
【図６】接触楕円短半径と、上記転動体の転がり運動による繰り返し応力が最も大きく作用する上記軌道面の表面からの深さの範囲を伝播するＳＨ波の周波数との関係を示す図である。
【符号の説明】
１ ＳＨ波送信機
２ ＳＨ波受信機
１０ 内輪
１０Ａ 軌道面
２１ 転走痕
２２ 接触楕円
３１ 円筒ころ
ａ 接触楕円短半径
ｂ 転走痕幅
ｐ１ 円筒ころの中点
ｒ１ 転走痕の幅方向における内輪の曲率半径
ｒ２ 転走痕の幅方向における転動体の曲率半径
ｒ３ 軌道面の周方向の曲率半径
ｒ４ 転動体の中点を通る軸直角断面の曲率半径
Ｖ 内輪に対するＳＨ波の固有の伝播速度
ｖ 内輪に対するＳＨ波の伝播速度
Claims (1)
- 内輪の軌道面上に転動体によって付けられた転走痕の転走痕幅を測定する転走痕幅測定工程と、
上記測定された転送痕幅をｂ、上記転走痕の幅方向における上記内輪の曲率半径をｒ１、上記転走痕の幅方向における上記転動体の曲率半径をｒ２、上記軌道面の周方向の曲率半径をｒ３、上記転動体の中心を通る軸直角断面の曲率半径をｒ４としたとき、上記転動体の上記軌道面に対する接触楕円の短半径ａを、下記の（１）式から導出する接触楕円短半径導出工程と、
ａ＝（ｂ／２）（（１／ｒ１＋１／ｒ２）／（１／ｒ３＋１／ｒ４））２／３・・・（１）
上記内輪と同じ材質の金属部材に対するＳＨ波の固有の伝播速度をＶ、上記転動体の転がり運動による繰り返し応力が最も大きく作用する上記軌道面の表面からの深さの範囲を伝播するＳＨ波の周波数をＦとしたとき、下記の（２）式から周波数Ｆの範囲を計算するＳＨ波周波数計算工程と、
２Ｖ／０．３５ａ≧Ｆ≧２Ｖ／０．５ａ・・・（２）
ＳＨ波送信機とＳＨ波受信機とを上記内輪の軌道面上に互いに離間して配置して、上記ＳＨ波送信機から上記周波数Ｆの範囲内の周波数を有するＳＨ波を送信して、上記軌道面の表面から所定の深さを伝播した上記ＳＨ波を、上記ＳＨ波受信機で受信して、この受信されたＳＨ波に基づいてＳＨ波の伝播速度を測定するＳＨ波伝播速度測定工程とを備え、
上記ＳＨ波伝播速度測定工程で測定されたＳＨ波の伝播速度に基づいて内輪の疲労度を測定することを特徴とする軸受の内輪疲労度測定方法。
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