JP2005226682A

JP2005226682A - ころ軸受

Info

Publication number: JP2005226682A
Application number: JP2004033838A
Authority: JP
Inventors: Kazuo Sekino; 和雄関野; Koji Ueda; 光司植田; Nobuaki Mitamura; 宣晶三田村
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2004-02-10
Filing date: 2004-02-10
Publication date: 2005-08-25

Abstract

【課題】滑りが生じにくく長寿命なころ軸受を提供する。
【解決手段】円筒ころ軸受は、軌道面１０ａを有する内輪１０と、軌道面１１ａを有する外輪１１と、両軌道面１０ａ，１１ａ間に転動自在に配された複数の円筒ころ１２と、を備えている。外輪１１の軌道面１１ａには、異なる方向に伸びる２種の研磨目２０Ａ，２０Ｂが形成されており、これらの研磨目２０Ａ，２０Ｂと円筒ころ１２の進行方向とのなす角度θ_A，θ_Bは、それぞれ５０°以上８０°以下である。そして、研磨目２０Ａ，２０Ｂは交差して、全体として格子形状をなしている。また、外輪１１の有する軌道面１１ａの中心線平均粗さは、０．２μｍＲａ以上である。さらに、円筒ころ１２の残留オーステナイト量と内輪１０の残留オーステナイト量との差は、３体積％以上である。
【選択図】図２

Description

本発明はころ軸受に関する。

ころ軸受は、玉軸受に比べて軌道面と転動体の接触面積が大きいため、接触面圧を低減することができるという利点を有している。そのため、大きなラジアル荷重を負荷する能力が要求されるような用途に広く使用されている（例えば、特許文献１を参照）。
特開平１１−３４３５８０号公報

しかしながら、ころ軸受は接触面積が大きいので、ころの動きのアンバランスから生じる摩擦の違いによって滑りが生じやすい。例えば、ころの軸方向でころと軌道輪の間の摩擦力の不均一が生じた場合は、軸方向でころの動きにアンバランスが生じ、結果的に軌道輪ところの間でスキューが生じる等の問題が発生する。
このような滑りは、通常軌道輪ところに作用する繰り返し剪断応力に加え、その表面に接線力を発生させ、ころ軸受の寿命を低下させる。

特に、ラジアル軸受のように負荷圏と非負荷圏が存在するような場合は、転動体が拘束されておらず運動が不安定な非負荷圏と、転動体が軌道輪との摩擦によって拘束され運動が余儀なくされる負荷圏との境界部分で、転動体と軌道輪の間に滑りが発生することが知られている。そして、ころ軸受の場合は、玉軸受とは異なり、軸方向でころの動きにアンバランスが生じるので、滑りがさらに大きくなる傾向がある。
そこで、本発明は、前述のような従来のころ軸受が有する問題点を解決し、滑りが生じにくく長寿命なころ軸受を提供することを課題とする。

前記課題を解決するため、本発明は次のような構成からなる。すなわち、本発明のころ軸受は、内輪と、外輪と、前記内輪と前記外輪との間に転動自在に配された複数のころと、を備えるころ軸受において、下記の３つの条件を満足することを特徴とする。
条件Ａ：前記外輪の有する軌道面には、異なる方向に伸びる２種の研磨目が形成されており、これらの研磨目と前記ころの進行方向とのなす角度は、それぞれ５０°以上８０°以下であり、前記研磨目は全体として格子形状をなしている。

条件Ｂ：前記外輪の有する軌道面の中心線平均粗さが０．２μｍＲａ以上である。
条件Ｃ：前記ころの残留オーステナイト量と前記内輪又は前記外輪の残留オーステナイト量との差が３体積％以上である。
このような構成であれば、ころの軸方向でころと軌道輪の間の摩擦力の不均一が生じにくく、ころの運動が安定しているので、滑りが生じにくく長寿命である。

以下に、滑りを抑制しころ軸受を長寿命とするための上記３つの条件について詳細に説明する。
〔条件Ａについて〕
前述したように、ころと軌道輪との間に、ころの軸方向で摩擦力の不均一性が存在すると、ころの転がり運動が不安定となり、それによって滑りが生じる。この摩擦力の不均一性が生じる一つ原因は、以下の通りである。通常のころ軸受においては、軌道輪に対する熱処理後の研磨加工は、ころの進行方向（ころ軸受の回転時にころが回転しながら進む方向）に平行な方向に沿って施されるが、ころの軸方向に見た場合には、研磨によって生じる粗さの山と谷はそれぞれ別の砥石で形成されるため、ころの軸方向に粗さのばらつきが生じてしまう。そして、ころの軸方向に見た場合の粗さのばらつきが、ころの軸方向での摩擦力の不均一性を生じさせる。

このような摩擦力の不均一性は、外輪の軌道面に、ころの軸方向にある程度沿うように研磨加工を施すことによって抑制することができ、研磨の方向ところの進行方向とのなす角度は５０°以上８０°以下である必要がある。そして、このような研磨によって生じた研磨目が格子形状となるように、異なる２方向の研磨を行う必要がある。

〔条件Ｂについて〕
前述したように、ラジアル軸受のように負荷圏と非負荷圏が存在するような場合は、転動体が拘束されておらず運動が不安定な非負荷圏と、転動体が軌道輪との摩擦によって拘束され運動が余儀なくされる負荷圏との境界部分で、転動体と軌道輪の間に滑りが発生する。特に、ころ軸受の場合はころの軸方向の摩擦力の不均一性も加わるため、滑りがさらに大きくなる傾向がある。このような現象を抑制する方法の一つは、前述したように、研磨加工の方向を工夫することにより、ころの軸方向の摩擦力の不均一性を抑制するという手法である。

もう一つの方法は、非負荷圏と負荷圏との境界部分におけるころの回転運動の大幅な変化を抑制することである。本発明者らは、その手法として、ころが拘束されていない非負荷圏におけるころの回転運動の状態を、負荷圏におけるそれに近づける方法を検討した。そして、軸受が一般的に使用される内輪回転を想定し、外輪の軌道面の表面粗さを粗くして、外輪ところとの間の摩擦係数を大きくすることによって可能となることを見出した。これは、内輪ところに僅かな接線力しか作用しなくても、外輪ところとの間の摩擦係数を大きくすればころの滑りが抑制され、ころの安定した回転運動が可能となるためである。前記境界部分におけるころの回転運動の大幅な変化を十分に抑制するためには、外輪の軌道面の中心線平均粗さを０．２μｍＲａ以上とする必要がある。

〔条件Ｃについて〕
外輪の軌道面の粗さを粗くするところの滑りが抑制され、その結果、内輪におけるピーリング等の表面損傷を遅らせることができる。そして、内輪の早期破損を抑制することができる。
ところが、外輪の軌道面の粗さが粗いと、粗さの比較的良好なころと外輪との接触部における摩擦力が大きくなるので、外輪がころを導きながらころ軸受が回転することとなる。したがって、外輪の軌道面の粗さがころの表面に転写されることとなって、ころの転動面の表面疲労が著しく進行することとなる。つまり、外輪の軌道面の粗さを粗くすると、内輪での微小滑りが抑制されて内輪の表面疲労は低減されるが、ころが表面疲労を受けやすくなる。よって、最も表面疲労を受けやすいころについて、表面疲労に対する耐性を強化すれば、寿命が向上すると考えられる。

ピーリングのような表面損傷を抑制するためには、ころの表面硬さを高くすると同時に残留オーステナイト量を多くすることが有効であり、ころの残留オーステナイト量を軌道輪よりも３体積以上％多くするとよい。なお、ころの残留オーステナイト量が軌道輪よりも４０体積％を超えて多いと、表面硬度が不十分となるおそれがあるので、残留オーステナイト量の差は４０体積％以下とすることが好ましい。
また、ころがＳＵＪ２で構成されている場合には、マルストレッシングに代表される浸炭窒化処理を施すことによって、基地中に窒素が固溶して残留オーステナイト量が増加すると同時に、固溶した窒素の効果によってピーリングの発生をより一層抑制することができる。

本発明のころ軸受は、滑りが生じにくく長寿命である。

本発明に係るころ軸受の実施の形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、本発明の一実施形態である円筒ころ軸受の縦断面図であり、図２は、図１の円筒ころ軸受に組み込まれた外輪の軌道面の状態を説明する概念図である。
図１の円筒ころ軸受は、外周面に軌道面１０ａを有する内輪１０と、軌道面１０ａに対向する軌道面１１ａを内周面に有する外輪１１と、両軌道面１０ａ，１１ａ間に転動自在に配された複数の円筒ころ１２と、内輪１０と外輪１１との間に複数の円筒ころ１２を保持する保持器１３と、で構成されている。

図２に示すように、外輪１１の有する軌道面１１ａには、異なる方向に伸びる２種の研磨目２０Ａ，２０Ｂが研磨加工によって形成されており、これらの研磨目２０Ａ，２０Ｂと円筒ころ１２の進行方向（円筒ころ軸受の回転時に、円筒ころ１２が回転しながら軌道面１１ａ上を進む方向）とのなす角度θ_A，θ_Bは、それぞれ５０°以上８０°以下である。そして、研磨目２０Ａ，２０Ｂは交差して、全体として格子形状をなしている。なお、図２においては、θ_A，θ_Bは同一の値である。すなわち、研磨目２０Ａ，２０Ｂの方向は異なるが、角度θ_A，θ_Bの絶対値は同一である。

また、外輪１１の有する軌道面１１ａの中心線平均粗さは、０．２μｍＲａ以上である。さらに、円筒ころ１２の残留オーステナイト量と内輪１０の残留オーステナイト量との差は、３体積％以上である。
ここで、研磨目と円筒ころの進行方向とのなす角度を５０°以上８０°以下とすると、ころと軌道輪との間に生じる摩擦力がころの軸方向で不均一となることが抑制されることを確認するため、以下のような試験を行ったので説明する。

高さの異なる２つの円筒形状の試験片を用意し、その円筒面に研磨加工を施して、二円筒試験機を用いて摩擦係数のばらつきを評価した。図３に、試験片及び二円筒試験の方法を説明する模式図を示す。駆動側の試験片３１については、研磨の方向が異なるものを種々用意した。つまり、図３の（ａ）に示すように、研磨の方向と円筒形状の試験片の回転方向（ころの進行方向に相当する）とが所定の角度をなしており、このような研磨によって生じた研磨目が格子形状となっているものや、図３の（ｂ）に示すように、研磨の方向と試験片の回転方向とが平行（研磨の方向と試験片の回転方向とのなす角度が０°）であり、研磨目が試験片の回転方向と平行になっているものを用意した。なお、研磨後の円筒面の粗さは、研磨目が格子形状となっているものの場合は、図３の（ａ）の下部に示すように粗さの山がほぼ均一であり、研磨目が試験片の回転方向と平行になっているものの場合は、図３の（ｂ）の下部に示すように粗さの山が不均一である。

駆動側の試験片３１よりも高さが小さい従動側の試験片３２にも、その円筒面に研磨加工が施されているが、全ての試験片について同一条件の研磨加工を施した。すなわち、研磨の方向と試験片の回転方向とのなす角度が０°であり、研磨目は試験片の回転方向と平行である。
このような２つの試験片３１，３２をそれぞれの軸を平行にして配置し、図３の（ｃ）に示すように両円筒面を接触させた。そして、駆動側の試験片３１を円周方向に回転させ、両円筒面間の摩擦係数を測定した。その際には、従動側の試験片３２を軸方向に移動させ、駆動側の試験片３１の円筒面のうち、軸方向両端部及び軸方向中央部の３箇所について、摩擦係数を測定した。なお、この試験の際には、両円筒面間に１．９ＧＰａの荷重を負荷するとともに、ＩＳＯ粘度グレードがＩＳＯＶＧ６８である潤滑油を用いて、油浴潤滑方式により両円筒面間の潤滑を行った（滑り率は１１％）。

試験結果を、図４のグラフに示す。なお、このグラフに示した摩擦係数のばらつきの数値は、前記３箇所の摩擦係数のうちの最大値を最小値で除した値である。グラフから分かるように、駆動側の試験片３１における研磨の方向と試験片の回転方向とのなす角度（研磨目と試験片の回転方向とのなす角度）が５０°以上であると、試験片の軸方向の摩擦係数のばらつきが抑制されていた。ただし、８０°を超えると摩擦係数のばらつきを抑制する効果は飽和するので、８０°が上限である。

次に、外輪の軌道面の表面粗さを粗くして、外輪ところとの間の摩擦係数を大きくすると、ころの滑りが抑制され、ころの安定した回転運動が可能となることを確認するため、以下のような試験を行ったので説明する。
外輪の軌道面の中心線平均粗さを種々（０．１〜０．４５μｍＲａ）変更した円筒ころ軸受（呼び番号ＮＵ３０８）を用意し、円筒ころ軸受回転試験機に組み込んで、回転試験を行った。そして、非負荷圏，負荷圏入り口，最大負荷圏におけるころの回転速度（自転速度）を、高速度カメラで撮影することによって測定した。高速度カメラの撮影条件は、１ｍｓ／コマとした。また、円筒ころ軸受の回転条件は、ラジアル荷重１ｋＮ、回転速度５００ｍｉｎ^-1とした。

なお、高速度カメラによる撮影は、円筒ころ軸受の側面側から行った。そして、円筒ころ軸受を側面側から見た図６において、頂点部分をころの位相０°、最大負荷圏を位相１８０°とし、ころを公転させた際の各位相におけるころの自転速度を測定した。ころの自転速度の測定においては、ころの端面に施したマーキング（図６を参照）を利用した。
図５に、円筒ころ軸受内でのころの位相ところの回転速度との関係を示す。グラフに示した回転速度は、各円筒ころ軸受の最大負荷圏におけるころの回転速度を１とした場合の相対値で示してある。各円筒ころ軸受について試験を行った結果、外輪の軌道面の中心線平均粗さが０．２μｍＲａ以上であれば、ころの回転速度が安定し、ころの回転運動が滑らかになることが分かった。

なお、外輪の軌道面の中心線平均粗さが粗すぎると、ころの回転速度は安定するものの、軌道面が粗いことにより油膜の形成が不十分となり（すなわち、油膜パラメータΛが小さくなり）、潤滑が不十分となるおそれがある。その結果、軸受回転時の発熱が大きくなるおそれがある。よって、外輪の軌道面の中心線平均粗さは、０．４５μｍＲａ以下とすることが好ましい。

〔実施例〕
以下に、さらに具体的な実施例を示して、本発明を説明する。前述した図１の円筒ころ軸受とほぼ同様の構成の試験軸受（呼び番号ＮＵ３０８）を用意し、回転試験を行ってＬ₁₀寿命を測定した。
実施例１〜１１及び比較例１〜５の試験軸受について、外輪の軌道面に形成された研磨目ところの進行方向とのなす角度、外輪の軌道面の中心線平均粗さ、及びころの残留オーステナイト量と内輪の残留オーステナイト量との差を、表１に示す。

なお、研磨加工は、熱処理後の外輪の軌道面に粗い砥石を押し付け、外輪及び砥石を回転させながら揺動させることにより行った。そして、両者の揺動速度や回転速度を調整することにより、研磨目ところの進行方向とのなす角度を調整した。この角度は、実体顕微鏡を用いて外輪の軌道面を撮影し（倍率は１０倍）、分度器で測定した。表１に記載の角度の数値は、ころの進行方向を基準とし、これを０°として、研磨目ところの進行方向とのなす角度を表している。また、外輪の軌道面の中心線平均粗さは、任意の３箇所で測定した値の平均値である。

なお、これらの試験軸受の内輪，外輪，及びころは、ＳＵＪ２で構成されている。そして、内輪及び外輪は８４０℃での焼入れと、１７０℃で２時間の焼戻しが施されており、ころは８３０〜８５０℃での焼入れと、１６０〜２４０℃で２時間の焼戻しが施されている。
回転試験の条件は、回転速度１５００ｍｉｎ^-1、荷重４５２１７Ｎである。また、軸受の潤滑は、ＩＳＯ粘度グレードがＩＳＯＶＧ６８である潤滑油を用いて、循環給油方式により行った。

回転試験の結果を表１に併せて示す。なお、Ｌ₁₀寿命の数値は、比較例１の試験軸受のＬ₁₀寿命を１とした場合の相対値で示してある。実施例１〜１１は、外輪の軌道面に形成された研磨目ところの進行方向とのなす角度が５０〜８０°の範囲内であるため、前述したように、外輪の軌道面の粗さのばらつきが抑えられている。また、外輪の軌道面の中心線平均粗さが０．２μｍＲａ以上であるため、前述したように、ころの滑りが抑制されている。さらに、ころの残留オーステナイト量と内輪の残留オーステナイト量との差が３体積％以上であるため、前述したように、表面疲労に対する耐性が強化されころの寿命が内輪の寿命と同レベルとなっている。これらのことにより、実施例１〜１１の試験軸受は、Ｌ₁₀寿命が約１．６〜２．２となり、長寿命であった。

これに対して比較例１は、外輪の軌道面に形成された研磨目ところの進行方向とのなす角度が０°であり、外輪の軌道面の中心線平均粗さが０．２μｍＲａ未満であり、ころの残留オーステナイト量と内輪の残留オーステナイト量との差が３体積％未満であることから、ころの滑りや回転むら等が生じ短寿命であった。また、破損部位は内輪であった。
比較例２は、研磨目ところの進行方向とのなす角度及び残留オーステナイト量の差については本発明の条件を満たしているが、外輪の軌道面の粗さが０．２μｍＲａ未満であることから、ころの回転むらが生じ短寿命であった。

比較例３，５は、外輪の軌道面の粗さ及び残留オーステナイト量の差については本発明の条件を満たしているが、研磨目ところの進行方向とのなす角度が５０°未満であることから、ころの滑りが生じ短寿命であった。
比較例４は、研磨目ところの進行方向とのなす角度及び外輪の軌道面の粗さについては本発明の条件を満たしているが、残留オーステナイト量の差が３体積％未満であることから、ころに剥離が生じ短寿命であった。

本発明のころ軸受は、自動車，一般産業機械，工作機，及び鉄鋼機械等に好適に使用可能である。

本発明の一実施形態である円筒ころ軸受の縦断面図である。図１の円筒ころ軸受に組み込まれた外輪の軌道面の状態を説明する概念図である。二円筒試験に用いる試験片及び試験方法を説明する模式図である。二円筒試験の結果を説明するグラフである。外輪の軌道面の粗さところの回転の安定性との関係を説明するグラフである。ころの回転速度の測定方法を説明する図である。

符号の説明

１０内輪
１０ａ軌道面
１１外輪
１１ａ軌道面
１２円筒ころ
２０Ａ，２０Ｂ研磨目
θ_A，θ_B 研磨目と円筒ころの進行方向とのなす角度

Claims

内輪と、外輪と、前記内輪と前記外輪との間に転動自在に配された複数のころと、を備えるころ軸受において、下記の３つの条件を満足することを特徴とするころ軸受。
条件Ａ：前記外輪の有する軌道面には、異なる方向に伸びる２種の研磨目が形成されており、これらの研磨目と前記ころの進行方向とのなす角度は、それぞれ５０°以上８０°以下であり、前記研磨目は全体として格子形状をなしている。
条件Ｂ：前記外輪の有する軌道面の中心線平均粗さが０．２μｍＲａ以上である。
条件Ｃ：前記ころの残留オーステナイト量と前記内輪又は前記外輪の残留オーステナイト量との差が３体積％以上である。