JP2006009963A

JP2006009963A - 転がり軸受

Info

Publication number: JP2006009963A
Application number: JP2004188686A
Authority: JP
Inventors: Takashi Tsujimoto; 崇辻本; Toshiyuki Fukami; 理之冨加見
Original assignee: NTN Corp; NTN Toyo Bearing Co Ltd
Current assignee: NTN Corp
Priority date: 2004-06-25
Filing date: 2004-06-25
Publication date: 2006-01-12
Also published as: CN100507298C; US20080260316A1; EP1770291A4; US8197146B2; EP1770291A1; WO2006001144A1; CN1969135A

Abstract

【課題】低粘度、希薄潤滑下で極端に油膜厚さが薄い条件下でも長寿命が得られるようにする。
【解決手段】転がり軸受の少なくとも転動体の表面に、微小凹形状のくぼみをランダムに無数に設け、前記くぼみの面積率を５〜２０％の範囲内とし、かつ、前記くぼみを設けた面の基準長毎最大高さの最大値Ｒｙmaxを０．４〜１．０の範囲内とする。
【選択図】図１

Description

この発明は転がり軸受に関するもので、たとえば自動車のトランスミッションの軸支持部に使用されるころ軸受に適用することができる。

特開平２−１６８０２１号公報、特開平６−４２５３６号公報に、転動体の表面に微小な凹凸を形成して油膜形成能力を向上させた転がり軸受が記載されている。

上記従来の技術では、ころ軸受のピーリング損傷等潤滑不良に起因する損傷の対策として、ころの転動面および／または内外輪の軌道面に微小凹形状のくぼみを設け、面粗さをパラメータＲｑniで表示したとき、軸方向面粗さＲｑni（Ｌ）と円周方向面粗さＲｑni（Ｃ）との比の値Ｒｑni（Ｌ）／Ｒｑni（Ｃ）が≦１．０となり、かつ、表面粗さのパラメータＳｋ値が≦−１．６となるようにし、これにより、相手面が粗面でも仕上げのよい面でも長寿命となるようにしている。
特開平２−１６８０２１号公報（第２頁左上欄第１４行〜右上欄第２行）特開平６−０４２５３６号公報（段落番号０００９）

近年、自動車トランスミッションをはじめ転がり軸受が使用される部位は小型化、高出力化がますます進んでおり、潤滑油の低粘度化等使用環境が高荷重・高温化する傾向にある。このため軸受にとっては今まで以上に厳しい潤滑環境へと変化しており、潤滑不良による摩耗や表面起点型剥離がますます発生しやすくなってきている。

従来の微小凹部形状のくぼみは面粗さをパラメータＲｑniで表示したとき、軸方向面粗さＲｑni（Ｌ）と円周方向面粗さＲｑni（Ｃ）との比の値Ｒｑni（Ｌ）／Ｒｑni（Ｃ）が１．０以下となり（Ｒｑni≧０．１０）、あわせて面粗さのパラメータＳｋ値が−１．６以下となるようにしており、これにより相手面が粗面でも仕上げ面のよい面でも長寿命になるようにしているが、低粘度・希薄潤滑下で油膜厚さが極端に薄い場合にはその効果が十分に発揮できない場合がある。

この発明の転がり軸受は、少なくとも転動体の表面に、微小凹形状のくぼみをランダムに無数に設け、前記くぼみを設けた面におけるくぼみの面積率が５〜２０％の範囲内であり、かつ、前記くぼみを設けた面の面粗さのパラメータＲｙmaxが０．４〜１．０の範囲内であることを特徴とするものである。くぼみの面積率は、ころの転動面に微小凹形状のくぼみをランダムに無数に設けた場合、転動面全体の面積に占めるくぼみの面積の割合を意味する。パラメータＲｙmaxは基準長毎最大高さの最大値である（ISO 4287:1997）。

周知のとおり、転がり軸受は転動体（玉またはころ）の転がり運動によって回転または揺動運動する軸を支持する機械要素である。通常、転動体は内輪の軌道と外輪の軌道との間に転動自在に介在するが、軸の外周面を直接軌道面とした内輪を有しないタイプも存在する。少なくとも転動体の表面にとしたのは、軌道面にも同様に微小凹形状のくぼみを形成したものを排除しない趣旨であり、また、転動体がころの場合、転動面のみならず端面にも微小凹形状のくぼみを形成したものを排除しない趣旨である。

請求項２の発明は、請求項１の転がり軸受において、前記くぼみを設けた面の面粗さをパラメータＲｑniで表示したとき、軸方向面粗さＲｑni（Ｌ）と円周方向面粗さＲｑni（Ｃ）との比の値Ｒｑni（Ｌ）／Ｒｑni（Ｃ）が１．０以下であることを特徴とする。ここで、パラメータＲｑniとは、粗さ中心線から粗さ曲線までの高さの偏差の自乗を測定長さの区間で積分し、その区間で平均した値の平方根であり、別名自乗平均平方根粗さともいう（ISO 4287:1997）。Ｒｑniは拡大記録した断面曲線、粗さ曲線から数値計算で求められ、粗さ計の触針を幅方向および円周方向に移動させて測定する。

この発明によれば、少なくとも転動体の表面に、微小凹形状のくぼみをランダムに無数に設けることによって、油膜形成能力が向上し、低粘度・希薄潤滑下で極端に油膜厚さが薄い条件下でも長寿命となる。とくに、前記くぼみの面積率を５〜２０％の範囲内とし、かつ、前記くぼみを設けた面の基準長毎最大高さの最大値Ｒｙmaxを０．４〜１．０の範囲内としたことにより、希薄潤滑下でも油膜切れを防ぐことが可能で、従来品に比べ、極端に油膜厚さが薄い条件下でも長寿命を得ることができる。

転がり軸受は内輪と外輪と転動体とを主要な構成要素としている。そして、転動体の転動面および端面ならびに内外輪の軌道面（さらに円すいころ軸受の内輪については大つば面）の少なくとも一つに、微小凹形状のくぼみをランダムに無数に形成して微小粗面化してある。この微小粗面は、くぼみの面積率が５〜２０％の範囲内であり、かつ、くぼみを設けた面の面粗さパラメータＲｙmaxが０．４〜１．０の範囲内である。このように、くぼみの面積率を５〜２０％の範囲内とし、かつ、くぼみを設けた面の面粗さパラメータＲｙmaxを０．４〜１．０の範囲内とすることにより、極端に油膜厚さが薄い条件下でも、高い油膜形成効果を発揮することを可能にし、油膜パラメータΛ＝０．１３という非常に過酷な潤滑条件下でも充分な長寿命化効果を得ることができる。また、面粗さを各表面の軸方向と円周方向のそれぞれで求めてパラメータＲｑniで表示したとき、軸方向面粗さＲｑni（Ｌ）と円周方向面粗さＲｑni（Ｃ）の比の値Ｒｑni（Ｌ）／Ｒｑni（Ｃ）が１．０以下になっている。このような微小粗面を得るための表面加工処理としては、特殊なバレル研摩によって、所望の仕上げ面を得ることができるが、ショット等を用いてもよい。

パラメータＲｙmax、Ｒｑni の測定方法、条件を例示するならば次のとおりである。なお、これらのパラメータで表される表面性状を、転がり軸受の転動体や軌道輪といった構成要素について測定する場合、一ヶ所の測定値でも代表値として信頼できるが、たとえば直径方向に対向する二ヶ所を測定するとよい。
パラメータ算出規格：JIS B 0601:1994（サーフコム JIS 1994）
カットオフ種別：ガウシアン
測定長さ：５λ
カットオフ波長：０．２５ｍｍ
測定倍率：×１００００
測定速度：０．３０ｍｍ／ｓ
測定箇所：ころ中央部
測定数：２
測定装置：面粗さ測定器サーフコム１４００Ａ（東京精密株式会社）
ころの転動面に設ける微小凹形状のくぼみの場合、転動面全体に占めるくぼみの面積率を５〜２０％の範囲内とし、くぼみの平均面積は等価円直径３μｍφ以下を除いて整理したとき３０〜１００μｍ²になっている。Ｒｙmaxが０．４〜１．０μｍの範囲外で、くぼみの面積率が２０％を越え、平均面積が１００μｍ²を越えると、接触有効長さが減少し、長寿命の効果は減少する傾向にある。

くぼみの定量的測定を行うには、ころ表面を拡大し、その画像から市販されている画像解析システムにより定量化できる。画像の白い部分は表面平坦部、微小なくぼみは黒い部分として解析する。たとえば、（株）ピアスのＬＡ−５２５画像解析システムを用いて解析すると、まず原画の濃淡を強調フィルタで明確化し、その後非常に微細な黒い部分である等価円直径３μｍφ以下はノイズイレーザで除去する。ノイズイレーザで除去した後に残された微小なくぼみの大きさ、分布、微小なくぼみの面積率を求め、ころ表面を評価するのである。その場合の測定条件はたとえば次のとおりである。また、くぼみの面積率、平均面積を転がり軸受の転動体や軌道面といった構成要素について測定する場合、上記のパラメータＲｙmax、Ｒｑniと同様に、一ヶ所の測定値でも代表値として信頼できるが、たとえば直径方向に対向する二ヶ所を測定するとよい。
観察視野：８２６μｍ×６２０μｍ
測定箇所：ころ中央部
測定数：２
図１は転がり軸受の第一の例を示しており、この転がり軸受１は転動体として針状ころ２を外輪３に組み込んだ針状ころ軸受であり、針状ころ２で相手軸４を支持するようになっている。針状ころ表面に、仕上面の異なる表面処理を施した複数種類の針状ころ軸受を製作し、寿命試験を行なった結果について説明する。寿命試験に用いた針状ころ軸受は、図２に示すように、外径Ｄｒ＝３３ｍｍ、内径ｄｒ＝２５ｍｍ、針状ころ２の直径Ｄ＝４ｍｍ、長さＬ＝２５．８ｍｍで、１５本の針状ころを用いた保持器５付きの軸受である。試験軸受として針状ころの表面粗さ仕上の異なる３種類を製作した。すなわち、研削後スーパーフィニッシュを施した軸受Ａ（比較例）と、微小凹形状のくぼみをランダムに無数に形成した軸受Ｂ（比較例）および軸受Ｃ（実施例）とである。各試験軸受の針状ころにおける仕上面状況を図３ないし図５に示す。具体的には、図３は軸受Ａの表面粗さ、図４は軸受Ｂの表面粗さ、図５は軸受Ｃの表面粗さをそれぞれ示す。また、各試験軸受の表面仕上面の特性値パラメータ一覧を表１に示す。なお、表１中、パラメータＳｋとは、表面粗さの分布曲線の歪み度（スキューネス）を指し（ISO 4287:1997）、凹凸分布の非対称性を知る目安の統計量であり、ガウス分布のような対称な分布ではＳｋ値は０に近くなり、凹凸の凸部を削除した場合は負、逆の場合は正の値をとることになる。Ｓｋ値のコントロールは、先に述べたバレル研摩機の回転速度、加工時間、ワーク投入量、チップの種類と大きさ等を選ぶことにより行える。Ｓｋ値を幅方向、円周方向とも−１．６以下とすることにより、微小凹形状のくぼみが油溜りとなり、圧縮されても滑り方向、直角方向への油のリークは少なく、油膜形成に優れ、油膜形成状況は良好で、表面損傷を極力抑える効果がある。なお、Ｒｑni（Ｌ／Ｃ）については、軸受Ｂ、Ｃは１．０以下であり、軸受Ａは１．０前後の値である。

使用した試験装置は図６に概略図で示したようなラジアル荷重試験機１１で、回転軸１２の両側に試験軸受１を取り付け、回転と荷重を与えて試験を行なうものである。試験に用いたインナレース（相手軸）の仕上は研摩仕上のＲａ０．１０〜０．１６μｍである。アウタレース（外輪）も共通である。試験条件は以下のとおりである。
軸受ラジアル荷重：２０００ｋｇｆ
回転数：４０００ｒｐｍ
潤滑剤：クリセクオイルＨ８（試験条件で２ｃｓｔ）
図７に油膜パラメータΛ＝０．１３の下での寿命試験結果を示す。同図の縦軸がＬ10寿命（ｈ）を表している。同図から明らかなとおり、軸受Ａが７８ｈ、軸受Ｂが８２ｈであったのに対して軸受Ｃは１２１ｈであった。このデータが示すように、実施例である軸受Ｃは、油膜パラメータΛ＝０．１３という非常に過酷な潤滑条件下でも長寿命効果を得ることができる。

次に、図８に、転がり軸受の第二の例として円すいころ軸受を示す。円すいころ軸受は転動体として円すいころ１６を使用したラジアル軸受で、外輪１３の軌道と内輪１４の軌道との間に複数の円すいころ１６が転動自在に介在させてある。運転中、円すいころ１６の転動面１７が外輪１３および内輪１４の軌道と転がり接触するほか、円すいころ１６の大端面１８が内輪１４の大つば１５の内側面と滑り接触する。したがって、円すいころ１６の場合、転動面１７のほか大端面１８にも微小凹形状のくぼみをランダムに無数に形成させてもよい。同様に、内輪１４の場合、軌道面のほか大つば５の内側面にも微小凹形状のくぼみをランダムに無数に形成させてもよい。

円すいころの転動面を滑らかな面に仕上げた従来の円すいころ軸受Ａ，Ｂ（比較例）と、円すいころの転動面に微小凹形状のくぼみをランダムに無数に形成した軸受Ｃ〜Ｅ（比較例）ならびに軸受Ｆ，Ｇ（実施例）について行った寿命試験について説明する（表２参照）。使用した軸受Ａ〜Ｇはいずれも、外輪の外径が８１ｍｍ、内輪の内径が４５ｍｍの円すいころ軸受である。なお、比較例の軸受Ａ，Ｂにおけるころの転動面は、研削後にスーパーフィニッシュ（超仕上げ）を施して加工され、くぼみ加工を施してない。比較例の軸受Ｃ〜Ｅならびに実施例の軸受Ｆ，Ｇのころの転動面は、バレル研磨特殊加工によって微小凹形状のくぼみがランダムに無数に形成してある。なお、Ｒｑni（Ｌ／Ｃ）については、ころ軸受Ｃ〜Ｇは１．０以下であり、ころ軸受Ａ，Ｂは１．０前後である。

図１０に示す２円筒試験機を使用してピーリング試験を行い、金属接触率を評価した。図１０において、駆動側円筒２２（Ｄ円筒：Driver）と従動側円筒２４（Ｆ円筒：Follower）は各々の回転軸の片端に取り付けられ、２本の回転軸２６，２８はそれぞれプーリ３０，３２を介して別々のモータで駆動できるようになっている。Ｄ円筒２側の軸２６をモータで駆動し、Ｆ円筒２４はＤ円筒２２に従動させる自由転がりにした。Ｆ円筒２４は、表面処理に関して比較例と実施例の２種類を用意した。試験条件等詳細は表３のとおりである。

金属接触率の比較データを図９に示す。同図は横軸が経過時間、縦軸が金属接触率を表し、図９（Ｂ）は実施例の軸受におけるころの転動面の金属接触率を、図９（Ａ）は比較例の軸受におけるころの転動面の金属接触率を、それぞれ示す。これらの図を対比すれば、比較例に比べて実施例では金属接触率が改善されていることを明瞭に確認できる。言い換えれば、油膜形成率（＝１００％−金属接触率）が、実施例の軸受の方が比較例の軸受に比べて、運転開始時で１０％程度、試験終了時（２時間後）で２％程度、向上している。

針状ころ軸受の断面図寿命試験に用いた針状ころ軸受の断面図試験軸受における転動体の仕上げ面状況を示す粗さ曲線図試験軸受における転動体の仕上げ面状況を示す粗さ曲線図試験軸受における転動体の仕上げ面状況を示す粗さ曲線図試験装置の概略図寿命試験結果を示すグラフ円すいころ軸受の断面図Ａは比較例の金属接触率を示すグラフ、Ｂは実施例の金属接触率を示すグラフ２円筒試験機の全体概略図

符号の説明

１転がり軸受
２転動体
２ａくぼみ
３外輪
４相手軸
５保持器

Claims

少なくとも転動体の表面に、微小凹形状のくぼみをランダムに無数に設け、前記くぼみを設けた面におけるくぼみの面積率が５〜２０％の範囲内であり、かつ、前記くぼみを設けた面の面粗さのパラメータＲｙmaxが０．４〜１．０の範囲内であることを特徴とする転がり軸受。
前記くぼみを設けた面の面粗さをパラメータＲｑniで表示したとき、軸方向面粗さＲｑni（Ｌ）と円周方向面粗さＲｑni（Ｃ）との比の値Ｒｑni（Ｌ）／Ｒｑni（Ｃ）が１．０以下であることを特徴とする請求項１の転がり軸受。