JP2005233309A

JP2005233309A - 玉軸受

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Publication number: JP2005233309A
Application number: JP2004043173A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Uchida; 啓之内田
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2004-02-19
Filing date: 2004-02-19
Publication date: 2005-09-02

Abstract

【課題】軸受形状の最適化を図ることにより、オルタネータ用軸受のように、高速回転に伴う高振動、高荷重環境下においても、優れた剥離寿命および耐焼付性を発揮すること。
【解決手段】玉軸受は、玉の外径（Ｄ）に対する、外輪軌道の溝の曲率半径（Ｒｅ）の比（Ｒｅ／Ｄ）が５４％以上５７％以下であることと、玉の外径（Ｄ）に対する、内輪軌道の溝の曲率半径（Ｒｉ）の比（Ｒｉ／Ｄ）が５２％以上５３％以下であることと、の少なくとも一方を満足している。
【選択図】図１

Description

本発明は、玉軸受に関し、特に、自動車の電装部品、エンジン補機であるオルタネータに好適に使用でき、優れた剥離寿命および焼付寿命を有する玉軸受に関する。

近年、エンジンの小型・軽量化に伴い，エンジン補機にも小型・軽量化と共に高性能・高出力化が要求されている。エンジンが運転作動しているとき、オルタネータの軸受には、高速回転に伴う高振動、高荷重（重力加速度で４Ｇ〜３０Ｇ程度）がベルトを介して同時に作用する。その結果、このような環境で使用される軸受には、大きく分けて２つの形態の不具合が見られる。

１つは、特に固定輪である外輪軌道面に早期剥離を生じること、もう１つは、回転軸である内輪の焼付である。

前記不具合のうち、軸受軌道輪の早期剥離を防止する対策として、非特許文献１には、オルタネータ用軸受の疲労メカニズムを解明し、封入グリースをＥグリースからダンパー効果の高いＭグリースに変更することにより、このＭグリースで高振動・高荷重を、吸収して早期剥離を防止することが開示されている。

この軌道輪早期剥離現象は、高振動・高荷重によって、潤滑油中に含まれている僅かな水分（例えばグリース中には、０．１％程度含有する場合もある）が分解し、その水素イオンが軌道面に吸着し、水素原子となって、高歪み場（最大剪断応力位置近傍）へ集積し、応力腐食割れ型剥離に至ると考えられる。

また，軸受内における水分の発生源として、一つにエンジン補機用の軸受は、高温伏態で使用される場合が多く、運転停止後、大気温度まで冷却される際に、軸受内の僅かな空間に存在する空気が結露することも考えられる。

更に、これらの一連の研究として、転がり軸受に水が混入した場合の寿命低下の事例として、非特許文献２によると、潤滑油に水を混入させた４球転がり試験では、水混人前と比較して寿命が約１／１０に低下したことや、水素チャージを行った鋼球での転がり疲労試験では、ステンレス鋼鋼球が軸受鋼２種鋼球より長寿命である結果が示されている。

また，このような剥離寿命の向上を図る従来技術として、例えば、特許文献１には、軸受内にグリースを封入したグリース封入軸受において、軸受軌道輪の転走面に厚さ０．１〜２．５μｍの酸化皮膜を形成するものが開示されている。

また、特許文献２には、軸受内にグリースを封入したグリース封入軸受において、少なくとも固定側軌道輪を１．５〜６％Ｃｒ含有鋼で構成するものが開示されている。これは、軌道輪の材料自体の不動態被膜により、脆性剥離を防止するようにしたものである。

一方、前記不具合のうち、後者の焼付を防止する対策としては、例えば、特許文献３において提案されている、特定の動粘度を有するフッ素化ポリマー油を用いたフッ素系グリースを使用することや、特許文献４に記載されている、耐熱性を向上させたフッ素系グリースを使用すること等かある。
特開平２−１９０６１５号公報特開平５−２６２４４号公報特開２０００−２７３４７８号公報特開２０００−３０３０８８号公報「ＳＡＥテクニカルペーパー：ＳＡＥ９５０９４４（開催日１９９５年２月２７日〜３月２日）」の第１〜第１４項。 J. A. Ciruraらの「Wear, 24(1973)107-118, The Effect of Hydrogen on the Rolling Contact Fatigue Life of AISI 52100 and 440C Steel Balls」

前記特許文献１乃至４や非特許文献１及び２の技術は、軸受を構成する金属材料およびグリース材料の性状を改良して剥離寿命や焼付寿命の長寿命化を行うものである。

しかしながら、軸受の形状（溝曲率半径、玉径、隙間等）をオルタネータ用軸受として特化した最適なものとして長寿命化を図ることはなされておらず、いまだ改良の余地が残されていた。

本発明は、上述したような事情に鑑みてなされたものであって、軸受形状の最適化を図ることにより、オルタネータ用軸受のように、高速回転に伴う高振動、高荷重環境下においても、優れた剥離寿命および耐焼付性を発揮することができる玉軸受を提供することを目的とする。

本発明者らは、上記の目的を達成するため、鋭意研究した結果、軸受の内外輪軌道の溝形状を特定することにより、オルタネータ用軸受環境下においても、優れた剥離寿命および焼付寿命を発揮できることを見出し、本発明を完成するに至った。

即ち、本発明の請求項１に係る玉軸受は、内輪と外輪との間に複数の玉を転動自在に保持してなる玉軸受であって、
前記玉の外径（Ｄ）に対する、外輪軌道の溝の曲率半径（Ｒｅ）の比（Ｒｅ／Ｄ）が５４％以上５７％以下であることと、
前記玉の外径（Ｄ）に対する、内輪軌道の溝の曲率半径（Ｒｉ）の比（Ｒｉ／Ｄ）が５２％以上５３％以下であることと、
の少なくとも一方を満足することを特徴とする。

本発明の請求項２に係る玉軸受は、自動車の電装部品、エンジン補機であるオルタネータに使用することを特徴とする。

本発明によれば、玉の外径（Ｄ）に対する、外輪軌道の溝の曲率半径（Ｒｅ）の比（Ｒｅ／Ｄ）が５４％以上５７％以下であることにより、剥離寿命を延ばすととができ、また、玉の外径（Ｄ）に対する、内輪軌道の溝の曲率半径（Ｒｉ）の比（Ｒｉ／Ｄ）が５２％以上５３％以下であることにより、焼付寿命を延ばすことができる。

従って、剥離寿命および焼付寿命のうち、個々のオルタネータの使用条件により決まってくる支配的な寿命形態に対して、長寿命化に有効な軌道輪形状をとることにより、長寿命な軸受を供給することができる。

特に、（Ｒｅ／Ｄ）の値を５４〜５７％で、かつ（Ｒｉ／Ｄ）の値を５２〜５３％としたものでは、剥離寿命と焼き付き寿命ともに長寿命とすることができるため、いずれのオルタネータに適用しても長寿命化に有効である。

以下、本発明の実施の形態に係る玉軸受を図面を参照しつつ説明する。

図１は、本発明の実施の形態に係る玉軸受の断面図である。当該図１に示すように、玉軸受１では、内輪１０と外輪１１との間に、保持器１２により、複数の玉１３が転動自在に保持してある。

また、内輪１０、外輪１１、及び玉１３で形成される軸受空間Ｓに、グリースが充填してあり、シール１４により封止してある。

さて、本実施の形態は、玉の外径（Ｄ）に対する、外輪軌道の溝の曲率半径（Ｒｅ）の比（Ｒｅ／Ｄ）が５４％以上５７％以下であることと、玉の外径（Ｄ）に対する、内輪軌道の溝の曲率半径（Ｒｉ）の比（Ｒｉ／Ｄ）が５２％以上５３％以下であることと、の少なくとも一方を満足することを特徴とする。

この玉の外径（Ｄ）に対する、外輪軌道の溝の曲率半径（Ｒｅ）の比（Ｒｅ／Ｄ）が５４％以上５７％以下であることにより、後述するように、剥離寿命を延ばすととができ、また、玉の外径（Ｄ）に対する、内輪軌道の溝の曲率半径（Ｒｉ）の比（Ｒｉ／Ｄ）が５２％以上５３％以下であることにより、後述するように、焼付寿命を延ばすことができる。

なお、本発明は、上述した実施の形態に限定されず、種々変形可能である。本発明の玉軸受は、内輪軌道及び外輪軌道の各溝が上記の特定の形状を有する限り、その他の構成は、特に制限されない。

図２は、実施例において、焼付き寿命試験に用いた試験装置を示す断面図である。

図３は、剥離寿命比に及ぼす、（Ｒｉ／Ｄ）と（Ｒｅ／Ｄ）の影響を表す図である。

図４は、焼付寿命比に及ぼす、（Ｒｉ／Ｄ）と（Ｒｅ／Ｄ）の影響を表す図である。

先ず、表１に示す如く、（Ｒｉ／Ｄ）および（Ｒｅ／Ｄ）が５０．５％から５８％の範囲で、種々の曲率半径の組合せとなっており、内径１７ｍｍ、外径4 7 ｍｍ、幅１４ｍｍの接触ゴムシール付き深溝玉軸受に、軸受用汎用グリースを軸受空間容積の３０〜５０％に封入した軸受を作製した。

なお、玉の直径は１１／３２インチ、玉の等級２０、軌道面粗さ０．０３μｍＲａ以下、軸受隙間は６〜１２μｍで一定とした。

次に、作製した軸受を用いて、以下の剥離寿命試験、焼付寿命試験を行った。

（剥離寿命試験）
エンジンを用いてオルタネータに組み込んだ軸受を急加減速させることにより、剥離寿命を評価した。

エンジン回転数１，０００〜６，０００ｍｉｎ−１ (軸受回転数２，４００〜１３，３００ｍｉｎ−１）の繰り返し、室温雰囲気下、プーリ荷重１，５７０Ｎの条件で軸受を連続回転させた。

試験の終了は、試験時間が１，０００時間経過したとき、あるいは軸受外輪転走面に剥離が生じて振動が発生したときとした。

この試験を５例行い、ワイブル分布関数によって、５個の供試体転がり軸受のうち、短寿命側から１０％の軸受に剥離が発生するまでの総回転時間を求め、同様にして求めた内外輪が共に現状の溝曲率半径である、鋼種番号１３の比較例である試験軸受の総回転時間を１とした相対値で評価した。

(焼付寿命試験)
各試験軸受について、図２に示す試験装置を用いて高温焼付き寿命試験を行った。図示される試験装置は、回転用シャフト２０を一対の支持用軸受２２，２２で支持し、その中間部に試験軸受２１を装着し、試験軸受２１を所定温度に維持できるよう加熟して試験を行った。

試験は、シャフト２０を回転させて、内輪回転速度２００００ｍｉｎ−１、軸受外輪温度１７０℃、ラジアル荷重１７００Ｎ、アキシャル荷重７００Ｎの条件で連続回転させ、焼付きが生じて軸受外輪温度が１８０℃以上に上昇したとき、及び回転トルクが急上昇した場合に試験を終了し、それまでの時間を測定した。

試験数は、各４例行なった平均値を求め、内外輪が共に現状の溝曲率半径である、鋼種番号１３の比較例である試験軸受の焼付き時間を１とした相対値で評価した。

（評価）
得られた結果を表１に併せて示す。また、得られた結果より、剥離寿命比および焼付寿命比に及ぼす（Ｒｉ／Ｄ）と（Ｒｅ／Ｄ）の影響について整理した結果を図３、図４に示す。

（剥離寿命の評価）
図３より明らかなように、剥離寿命に関しては、（Ｒｉ／Ｄ）の値にはほとんど影響を受けず、（Ｒｅ／Ｄ）の値に大きく依存してい.ることが分かる。

また、（Ｒｅ／Ｄ）の値を、現状の５４％より大きくすることで、長寿命なものが得られる。

これは、剥離が起こるのは主に固定輪である外輪であり、この外輪に関して（Ｒｅ／Ｄ）を大きくすることで、玉と外輪との接触部での面圧Ｐ（ｋｇｆ／ｍｍ^２）と速度差（ｍｍ／ｓｅｃ）の積で表されるＰＶ値（ｋｇｆ／ｍｍｓｅｃ）が小さくなり、表面でのすべりが抑制されて、表面で起こるグリースの分解や水素イオンの軌道面への吸着が抑えられたためと考えられる。

ただし、（Ｒｅ／Ｄ）の値が５８％になると現状のものよりも短寿命となる。これは、（Ｒｅ／Ｄ）を大きくしすぎると、軌道面と接触楕円の大きさが小さくなり、面圧が奢しく増大するごとによって剥離が起ごるようになるため、および基本静定格荷重（Ｃ_０）が小ざくなり、耐圧痕性の低下により圧痕起点での剥離も起こるようになるためである。

以上のように、（Ｒｅ／Ｄ）の値を、５４〜５７％とすることで、剥離寿命を伸ばすことができる。

（焼付寿命の評価）
焼付に関じては、図４から明らかなように、剥離寿命とは異なり、（Ｒｅ／Ｄ）の値にはほとんど影響を受けず、（Ｒｉ／Ｄ）の値に大きく依存していることが分かる。

（Ｒｉ／Ｄ）の値を、現状の５１％より大きい５２％、５３％にすると、長寿命となり、それよりも大きく５７％，５８％とすると、短寿命となることが分かる。

これは、焼付の原因となる軸受の発熱が内輪で大きく、内輪に関して（Ｒｉ／Ｄ）を大きくしＰＶ値を下げることで、すべりによる発熱が抑えられるためと思われる。

ただし、（Ｒｉ／Ｄ）値を５７％，５８％まで大きくすると、軸受のアキシャル方向への剛性が損なわれ、変位量が大きくなるので、シールのリップにかかる圧力が大きくなることによる発熱や、逆にシールのリップに隙間ができてグリースが漏れ出し、潤滑不良となる結果、発熱が起こるため、短寿命となる。

以上のように、（Ｒｉ／Ｄ）の値を５２〜５３％とすることで、焼付寿命を伸ばすことができる。

本発明の実施の形態に係る玉軸受の断面図である。実施例において、焼付き寿命試験に用いた試験装置を示す断面図である。剥離寿命比に及ぼす、（Ｒｉ／Ｄ）と（Ｒｅ／Ｄ）の影響を表す図である。焼付寿命比に及ぼす、（Ｒｉ／Ｄ）と（Ｒｅ／Ｄ）の影響を表す図である。

符号の説明

１玉軸受
１０内輪
１１外輪
１２保持器
１３玉
１４シール
Ｓ軸受空間
２０回転用シャフト
２１試験軸受
２２支持用軸受

Claims

内輪と外輪との間に複数の玉を転動自在に保持してなる玉軸受であって、
前記玉の外径（Ｄ）に対する、外輪軌道の溝の曲率半径（Ｒｅ）の比（Ｒｅ／Ｄ）が５４％以上５７％以下であることと、
前記玉の外径（Ｄ）に対する、内輪軌道の溝の曲率半径（Ｒｉ）の比（Ｒｉ／Ｄ）が５２％以上５３％以下であることと、
の少なくとも一方を満足することを特徴とする玉軸受。
自動車の電装部品、エンジン補機であるオルタネータに使用することを特徴とする請求項１に記載の玉軸受。