JP2006168406A - 車輪装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 踏面に軸方向クラウニングや軸方向テーパー角を有する車輪が複列円すいころ軸受により片持回転軸に支持されている車輪装置において、大鍔面の摩耗や内輪軌道面の剥離を抑制し耐久性を向上させる。
【解決手段】 内輪５，６は、炭素を０．１５〜０．３重量％含む鋼材からなり、且つ浸炭処理を含む熱処理が施されている。最表面から０〜５０μｍの深さの部分において炭素量が１．０〜１．５重量％、ロックウェルＣ硬さが６２〜６７、圧縮残留応力が１５０〜２０００ＭＰａ、最大炭化物径が３μｍ以下、および炭化物面積率が１０〜２５％である。最表面から５０〜ａ／５μｍ（ａ＝有効硬化層深さ：μｍ）の深さの部分においては、炭素量が０．７５〜１．３重量％、圧縮残留応力が１５０〜１０００ＭＰａ、残留オーステナイト量が２５〜４５％、最大炭化物径が１μｍ以下、および炭化物面積率が１５％以下である。大鍔面５２，６２の硬さは、円すいころ８１，８２の大径端面８１ａ，８２ａの表面硬さよりも２ＨＲＣ以上硬くされている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、複列円すいころ軸受により片持回転軸に鉄製車輪が回動自在に支持された車輪装置に関するものである。

製鉄所において、焼結パレット台車用車輪や冷却機トラフ車輪として、密閉型の複列円すいころ軸受を備えた車輪装置が用いられている。例えば焼結パレット台車用車輪は、製鉄所において粉コークスと石灰石とを混合して一定の大きさに焼き固めて焼結鉱を生成する工程において製鉄所内で原材料を搬送する焼結パレット台車に用いられている。この焼結パレット台車は、製鉄所内に敷設された金属レール上を走行して、原材料の搬送及び投入を行う。この台車の車輪装置としては、車軸が片持ち構造とされ、この片持回転軸に鉄輪（鉄製の車輪）を複列円すいころ軸受により支持したものが公然実施されている。また通常、この車輪の踏面（レールとの接触面）には、軸方向クラウニングや軸方向テーパー角が設けられている。このクラウニング等は、曲線路通過時の性能向上や蛇行動の防止など、台車の安定走行に寄与している。

車軸が片持ち構造であり、かつ車輪の踏面に軸方向クラウニングや軸方向テーパー角が設けられているため、車輪に作用する荷重の中心位置は複列円すいころ軸受の中心からずれやすくなり、車輪に対して転倒モーメントが作用しやすい。したがって、複列円すいころ軸受の円すいころと大鍔面（円すいころの大径端面と摺動接触する面）との間に過大な荷重が作用し、大鍔面の摩耗（かじり）が発生しやすいという問題があった。また、上記転倒モーメントにより、軸受内輪の軌道面とこれに転動接触する円すいころとの間でエッジロード（局所的な接触圧力の上昇）が発生し、内輪軌道面が剥離するという問題もあった。そして、これらの問題点は、比較的低速で走行するため潤滑条件が良くない上記車両においてより一層顕在化するものとなっていた。

本発明は、踏面に軸方向クラウニング等を有する車輪が複列円すいころ軸受により片持回転軸に支持されている車輪装置において、大鍔面の摩耗や内輪軌道面の剥離を抑制し、耐久性を向上しうる車輪装置を提供することを目的としている。

本発明は、片持回転軸の先端部に複列円すいころ軸受を介して鉄製の車輪が回動自在に支持されており、前記軸受の内輪が前記片持回転軸に外嵌固定され、前記軸受の外輪が前記車輪と一体回転する車輪装置において、前記車輪は踏面に軸方向クラウニング又は軸方向テーパー角を有するとともに、このクラウニング又はテーパー角は前記軸受の外輪幅内に設けられており、前記軸受の内輪は、炭素を０．１５〜０．３重量％含む鋼材からなるとともに、その軸方向両端部に前記円すいころの大径端面と摺動接触する大鍔面を備える大鍔部を有しており、且つこの内輪の軌道面及び大鍔面には浸炭処理を含む熱処理が施されており、これら内輪軌道面及び大鍔面は、最表面から０〜５０μｍの深さの部分において炭素量が１．０〜１．５重量％、ロックウェルＣ硬さが６２〜６７、圧縮残留応力が１５０〜２０００ＭＰａ、最大炭化物径が３μｍ以下、および炭化物面積率が１０〜２５％とされており、最表面から５０〜ａ／５μｍ（ａ＝有効硬化層深さ：μｍ）の深さの部分において炭素量が０．７５〜１．３重量％、圧縮残留応力が１５０〜１０００ＭＰａ、残留オーステナイト量が２５〜４５％、最大炭化物径が１μｍ以下、および炭化物面積率が１５％以下とされており、前記軸受の円すいころの大径端面の表面硬さは６０〜６４ＨＲＣであり、前記大鍔面の硬さは、前記円すいころの大径端面の表面硬さよりも２ＨＲＣ以上硬くされていることを特徴とする車輪装置である。なお、単位「ＨＲＣ」は、ロックウェルＣ硬さであることを示す。

かかる本発明では、内輪に上記の鋼材を用いて浸炭処理することにより、内輪軌道面の耐久性が高まる。特に、転倒モーメントにより負荷が大きくなる大鍔面や内輪軌道面の表層部を上記仕様としたので、大鍔面の摩耗やエッジロードによる内輪軌道面の剥離を効果的に抑制することができる。また、内輪に上記の鋼材を用いて浸炭処理することにより、大鍔面の硬さを、円すいころの表面硬さである６０〜６４ＨＲＣに対して２ＨＲＣ以上硬くすることができる。よって、上述したクラウニング等や片持ち構造により転倒モーメントが発生しやすい車輪装置において耐久性を向上させることができる。

内輪に上記鋼材を用いるとともに浸炭処理を施し、内輪表面で負荷の大きい部分の仕様を適切に設定したので、大鍔面の摩耗や内輪軌道面の剥離を効果的に抑制することができ、且つ耐久性を向上させることができる。

以下に本発明の実施形態を図面を参照しつつ説明する。
図２は、本発明の一実施形態である車輪装置１の断面図である。この車輪装置１は、製鉄所における焼結パレット台車用の車輪装置１であり、片持回転軸２と、この片持回転軸２の軸方向一端側の先端部に位置し片持回転軸２と同軸に設けられた鉄製の車輪４と、片持回転軸２と車輪４との間に介在する複列円すいころ軸受３と、複列円すいころ軸受３よりも軸方向他端側（車体インナ側）において片持回転軸２の外周に設けられた複列円筒ころ軸受１０と、を有している。車輪装置１の片持回転軸２は、複列円筒ころ軸受１０を介して図示しない台車車体側に回動自在に取り付けられている。車輪装置１が取り付けられた焼結パレット台車（図示しない）は、車輪４が転動することによって製鉄所内に敷設されたレール（図示しない）上を走行する。

なお、車輪４の一端側（車体アウタ側）端面には、複列円すいころ軸受３及び片持回転軸２の一端側端面を覆うカバー１１がネジ止めされている。このカバー１１により複列円すいころ軸受３内に異物が侵入しにくくなっている。また、片持回転軸２の一端側端面には、略円板状のエンドプレート１２がネジ止めされており、複列円すいころ軸受３の内輪５，６を軸方向他端側にむかって押さえ付けている。

片持回転軸２の外周に設けられた複列円すいころ軸受３は、走行時に転動する車輪４を回動自在に支持している。この車輪４は軸受３の外輪７に外嵌固定されており、車輪４と外輪７とが一体回転する。よって複列円すいころ軸受３は外輪回転タイプの軸受である。軸受３の内輪は、車体アウタ側に位置する第１内輪部材５と、車体インナ側に位置する第２内輪部材６とから構成されている。これら内輪部材５，６は、互いに突き合わされた状態で、片持回転軸２の小径外周部２１の外周面に外嵌固定されている。複列円すいころ軸受３の外輪７は、いずれも外向きに傾斜した円すい凹面状の第１外輪軌道面７１及び第２外輪軌道面７２を有している。第１内輪部材５の外周に設けられた第１内輪軌道面５１は第１外輪軌道面７１と対向しており、これら内外軌道面５１，７１の間に第一列の円すいころ８１が介在している。また、第２内輪部材６の外周に設けられた第２内輪軌道面６１は第２外輪軌道面７２と対向しており、これら内外軌道面６１，７２の間に第二列の円すいころ８２が介在している。このように、車輪装置１においては、複列円すいころ軸受３の内輪である第１内輪部材５及び第２内輪部材６が片持回転軸２に外嵌固定され、外輪７が車輪４と一体回転する。第１内輪部材５の内周面である第１内周面５３と、第２内輪部材６の内周面である第２内周面６３とは、いずれも片持回転軸２の小径外周部２１の外周面と接触している。

車輪の踏面９は、軸方向クラウニングを有する。この軸方向クラウニングは、少なくとも複列円すいころ軸受３の外輪幅内に設けられており、具体的には、複列円すいころ軸受３の外輪幅内に位置する踏面９のほぼ全体に亘って、外側に凸で且つ曲率半径が所定値Ｒである軸方向クラウニングが設けられている。なお、軸方向クラウニングの仕様は、台車が安定走行できるように諸条件を勘案して決定され、全体で一様の曲率半径である場合もあれば、複数種類の曲率半径を混在させる場合もある。さらに、軸方向クラウニングの代わりに、踏面９が軸方向のテーパー角を有していても良い。つまり、踏面９を軸方向に対して所定のテーパー角だけ傾斜させてもよい。

第１内輪部材５及び第２内輪部材６は、炭素を０．１５〜０．３重量％含む鋼材からなるとともに、その軸方向両端部に円すいころ８１，８２の大径端面と摺動接触する大鍔面５２，６２を有している。即ち第１内輪部材５は第１大鍔面５２を有しており、第２内輪部材６は第２大鍔面６２を有している。

内輪である第１内輪部材５及び第２内輪部材６の全表面（軌道面５１，６１、大鍔面５２，６２及び内輪内周面５３，６３を含む全表面）には浸炭処理を含む熱処理が施されている。そして、上記鋼材を用い且つ浸炭焼入れ処理を行うことにより、内輪軌道面５１，６１及び内輪内周面５３，６３を含む内輪部材５，６の全表面の表層部は、次の（ア）及び（イ）に示す仕様とされている。
（ア）最表面（即ち表面）から０〜５０μｍの深さの部分においては、炭素量が１．０〜１．５重量％であり、ロックウェルＣ硬さが６２〜６７であり、圧縮残留応力が１５０〜２０００ＭＰａであり、最大炭化物径が３μｍ以下であり、炭化物面積率が１０〜２５％である。
（イ）最表面から５０〜ａ／５μｍ（ａ＝有効硬化層深さ：μｍ）の深さの部分においては、炭素量が０．７５〜１．３重量％であり、圧縮残留応力が１５０〜１０００ＭＰａであり、残留オーステナイト量が２５〜４５％であり、最大炭化物径が１μｍ以下であり、炭化物面積率が１５％以下である。

また、円すいころ８１，８２の全表面（大径端面８１ａ，８２ａ（図２参照）を含む全表面）の表面硬さは６０〜６４ＨＲＣである。更に、少なくとも大鍔面５２，６２（円すいころ８１，８２と摺動接触する面）の硬さは、円すいころ８１，８２の大径端面８１ａ，８２ａの表面硬さよりも２ＨＲＣ以上硬くされている。なお、円すいころ８１，８２は軸受鋼よりなる。円すいころ８１，８２に浸炭焼入れ処理をしても良い。

以上のように構成された車輪装置１は、以下のような作用効果を奏する。
内輪５，６に炭素を０．１５〜０．３重量％含む鋼材を用い、且つ軌道面５１，６１と大鍔面５２，６２に浸炭処理を含む熱処理を施したので、内輪５，６の耐久性が高まる。 なお、浸炭処理を含む熱処理は、少なくとも、各軌道面５１，６１や大鍔面５２，６２のうち、車輪４に作用する転倒モーメントにより負荷が特に大きくなる部分に施せばよい。例えば軌道面５１，６１と大鍔面５２，６２にのみ浸炭処理を含む熱処理を施しても良い。ただし、内輪５，６の生産性向上の観点から、各軌道面５１，６１や大鍔面５２，６２を含む内輪５，６の表面全体に浸炭処理を含む熱処理を施すのが一般的である。

車輪装置１は片持ち構造であり、且つ車輪４の踏面９には軸方向クラウニングが設けられているので、車輪４に作用する転倒モーメントが大きくなりやすい。車輪４に転倒モーメントが作用した際に負荷が大きくなりやすい部分は、次の（Ａ）〜（Ｄ）である。
（Ａ）第１内輪部材５の軌道面５１における車体アウタ側の部分（図１においてＡで示す部分）
（Ｂ）第２内輪部材６の軌道面６１における車体インナ側の部分（図１においてＢで示す部分）
（Ｃ）第１大鍔面５２
（Ｄ）第２大鍔面６２

このように転倒モーメントによって負荷が大きくなる大鍔面５２，６２や内輪軌道面５１，６１を上記（１）及び（２）の仕様としたので、大鍔面５２，６２の摩耗（所謂かじり）やエッジロードによる内輪軌道面５１，６１の剥離を効果的に抑制することができる。また、内輪に炭素を０．１５〜０．３重量％含む鋼材を用いて浸炭処理することにより、大鍔面５２，６２の硬さを６２〜６７ＨＲＣとすることが可能となる。よって、大鍔面５２，６２の硬さを、円すいころの大径端面８１ａ，８２ａの表面硬さである６０〜６４ＨＲＣに対して２ＨＲＣ以上硬くすることができる。よって、車輪４踏面９にクラウニングがあり且つ片持ち構造で、更に低速走行のため潤滑条件の悪い車輪装置１であっても耐久性を向上させることができる。

第１内輪部材５及び第２内輪部材６に用いた鋼材中の炭素含有量を０．１５〜０．３重量％に限定した理由は次の通りである。浸炭焼入れは、表面浸炭層の炭素量と素材の炭素量に差をつけることによって、焼入時の変態により転がり軸受に必要な圧縮残留応力を確保する性質を有するが、素材となる鋼材中の炭素量が０．１５重量％未満では転がり軸受として必要な内部硬さが得られず、０．３重量％を越えると前述の浸炭焼入時の変態による圧縮残留応力が小さくなる。したがって、素材となる鋼中の炭素含有量は０．１５〜０．３重量％の範囲内とする。このような鋼材としては、たとえば炭素０．１５〜０．３重量％、クロム１．２〜１．６重量％、ケイ素０．３５〜０．５５重量％およびマンガン０．３５〜０．６５重量％を含み、残部が鉄及び不可避不純物からなるものを用いることができる。

内輪軌道面及び大鍔面の表層部を上記（ア）の仕様としたのは、耐転がり疲労性、耐摩耗性および耐圧痕性を向上させるためである。すなわち、最表面から０〜５０μｍの部分において、上記炭素量が１．０重量％未満であったり、上記圧縮残留応力が１５０ＭＰａ未満であったり、上記最大炭化物径が３μｍを越えたりした場合、必要な耐転がり疲労性や耐摩耗性を得ることができず、上記炭素量が１．５重量％を越えたり、上記圧縮残留応力が２０００ＭＰａを越えたりしても耐転がり疲労性向上効果や耐摩耗性向上効果は飽和してそれ以上増大しない。また、上記ロックウェルＣ硬さが６２未満であると必要な耐圧痕性や耐摩耗性を得ることができず、６７を越えても耐圧痕性向上効果や耐摩耗性向上効果は飽和してそれ以上増大しない。さらに、上記炭化物面積率が１０％未満であると必要な耐摩耗性を得ることができず、２５％を越えても耐摩耗性向上効果は飽和してそれ以上増大しない。なお、最表面から０〜５０μｍの深さの部分における炭素量は、析出した炭化物に含まれる炭素と、マトリックス中に含まれる炭素とを合わせた量である。

また、内輪軌道面及び大鍔面の表層部を上記（イ）の仕様としたのは、転がり疲れ寿命や耐摩耗性を向上させるためである。すなわち、上記炭素量、圧縮残留応力および残留オーステナイト量が、各々下限値未満では必要な転がり疲れ寿命や耐摩耗性を得ることができず、上限値を越えると転がり疲れ寿命向上効果や耐摩耗性向上効果は飽和してそれ以上増大しない。特に、残留オーステナイト量が２５〜４５％であれば、靭性を向上させることができ、転がり疲れ寿命に好影響を及ぼす。残留オーステナイト量は２５〜３５％であることがより望ましい。また、転がり疲れによる剥離は、非金属介在物が起点となる場合が多いが、炭化物についても径の大きいものは剥離の起点となりうるため、大きさおよび量を制限している。最表面から５０〜ａ／５μｍ（ａ＝有効硬化層深さ：μｍ）の深さの部分においては、炭化物面積率は７％以下であることがより望ましい。なお、最表面から５０〜ａ／５μｍ（ａ＝有効硬化層深さ：μｍ）μｍの深さの部分における炭素量は、析出した炭化物に含まれる炭素と、マトリックス中に含まれる炭素とを合わせた量である。
なお、有効硬化層深さａは、ＪＩＳ Ｇ ０５５７に準拠した方法により測定することができる。

なお、浸炭処理の方法は特に限定されず、固体浸炭、液体浸炭、ガス浸炭、真空浸炭、真空イオン浸炭等を用いることができるが、大量生産によりコストを低減できる点でガス浸炭が好ましい。

以下のような実施例１，２を作製することにより、炭素が０．１５〜０．３重量％含まれた鋼材を浸炭処理して、その表層部を上記（ア）及び（イ）の仕様にできることを確認した。
（実施例１）
炭素０．２重量％、ケイ素０．４重量％、マンガン０．５重量％およびクロム１．４重量％を含み、残部鉄および不可避不純物からなる鋼材を用いて第１内輪部材５及び第２内輪部材６の素材をつくり、これらの素材にガス浸炭による浸炭処理を行った。具体的には、９３０℃で５時間加熱した後８０℃に油冷する第１の浸炭焼入処理と、８４０℃で５時間加熱した後８０℃に油冷する第２の浸炭焼入処理と、１６０℃で２時間加熱した後空冷する焼戻し処理とを施した。上記２つの浸炭焼入処理のさいのカーボンポテンシャルは１．２５である。ついで、各素材の表面を、有効硬化層深さａが１０００μｍとなるように研磨した。
その結果、最表面から０〜５０μｍの深さの部分においては、炭素量が１．３〜１．４重量％となり、ロックウェルＣ硬さが６５となり、圧縮残留応力が２００〜２２０ＭＰａとなり、最大炭化物径が２．５μｍとなり、炭化物面積率が１３％となった。また、最表面から５０〜２００（１０００／５μｍ）の深さの部分においては、炭素量が０．９〜１．３重量％となり、圧縮残留応力が１８０〜２００ＭＰａとなり、残留オーステナイト量が３５％となり、最大炭化物径が０．８μｍとなり、炭化物面積率が７％となった。また、浸炭層以外の部分の内部硬さは４６ＨＲＣであった。
なお、炭化物面積率は、各深さ部分の断面における任意の０．１ｍｍ^２の範囲での面積率である。

（実施例２）
第２の浸炭焼入処理における加熱時間を３時間としたことの他は、上記実施例１と同様とした。
その結果、最表面から０〜５０μｍの深さの部分においては、炭素量が１．２〜１．３重量％となり、ロックウェルＣ硬さが６５となり、圧縮残留応力が２３０〜２５０ＭＰａとなり、最大炭化物径が２．０μｍとなり、炭化物面積率が１１％となった。また、最表面から５０〜２００（１０００／５μｍ）の深さの部分においては、炭素量が０．８〜１．２重量％となり、圧縮残留応力が２００〜２３０ＭＰａとなり、残留オーステナイト量が３０％となり、最大炭化物径が０．６μｍとなり、炭化物面積率が３％となった。また、浸炭層以外の部分の内部硬さは４５ＨＲＣであった。

上述した実施例の鋼材よりなる内輪を備える車輪装置は、表層部に所定の炭化物を析出させない所謂一般浸炭鋼材よりなる内輪を備える従来品よりも寿命が長いことが確認できた。

本発明の一実施形態である車輪装置のうち車輪部分の拡大断面図である。 本発明の一実施形態である車輪装置の全体を示す断面図である。

符号の説明

１ 車輪装置
２ 片持回転軸
３ 複列円すいころ軸受
４ 車輪
５ 第１内輪部材（内輪）
５１ 第１内輪軌道面（内輪軌道面）
５２ 第１大鍔面（大鍔面）
５３ 第１内周面（内輪内周面）
６ 第２内輪部材（内輪）
６１ 第２内輪軌道面（内輪軌道面）
６２ 第２大鍔面（大鍔面）
６３ 第２内周面（内輪内周面）
７ 外輪
８１ａ，８２ａ 円すいころの大径端面
９ 踏面

Claims (1)

1. 片持回転軸の先端部に複列円すいころ軸受を介して鉄製の車輪が回動自在に支持されており、前記軸受の内輪が前記片持回転軸に外嵌固定され、前記軸受の外輪が前記車輪と一体回転する車輪装置において、
   前記車輪は踏面に軸方向クラウニング又は軸方向テーパー角を有するとともに、このクラウニング又はテーパー角は前記軸受の外輪幅内に設けられており、
   前記軸受の内輪は、炭素を０．１５〜０．３重量％含む鋼材からなるとともに、その軸方向両端部に前記円すいころの大径端面と摺動接触する大鍔面を備える大鍔部を有しており、且つこの内輪の軌道面及び前記大鍔面には浸炭処理を含む熱処理が施されており、
   これら内輪軌道面及び大鍔面は、最表面から０〜５０μｍの深さの部分において炭素量が１．０〜１．５重量％、ロックウェルＣ硬さが６２〜６７、圧縮残留応力が１５０〜２０００ＭＰａ、最大炭化物径が３μｍ以下、および炭化物面積率が１０〜２５％とされており、最表面から５０〜ａ／５μｍ（ａ＝有効硬化層深さ：μｍ）の深さの部分において炭素量が０．７５〜１．３重量％、圧縮残留応力が１５０〜１０００ＭＰａ、残留オーステナイト量が２５〜４５％、最大炭化物径が１μｍ以下、および炭化物面積率が１５％以下とされており、
   前記軸受の円すいころの大径端面の表面硬さは６０〜６４ＨＲＣであり、
   前記大鍔面の硬さは、前記円すいころの大径端面の表面硬さよりも２ＨＲＣ以上硬くされていることを特徴とする車輪装置。

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