JP2007100928A - 転がり軸受 - Google Patents

Abstract

【課題】ＤＮ値が１５０万以上のドライラン条件でも、焼き付かずに使用可能な時間を安定して確保できる転がり軸受を提供することである。
【解決手段】３点接触玉軸受１のボール４を窒化珪素のセラミックで形成することにより、回転輪となる内輪２とボール４との間に高速のドラッグによる相対すべりが生じても、両者の間に金属接触によるスミアリングが発生しないようにし、ＤＮ値が１５０万以上のドライラン条件でも、焼き付かずに使用可能な時間を安定して確保できるようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＤＮ値が１５０万以上となるような高速回転軸を支持する転がり軸受に関する。

ジェットエンジン、ヘリコプタ用エンジン等の航空機エンジンのガスタービン軸のような高速回転軸を支持し、ＤＮ値（軸受内径Ｄｍｍ×回転数Ｎｒｐｍ）が１５０万以上となる転がり軸受では、内外輪の軌道輪や転動体の軸受部品をＭ５０等の耐熱軸受鋼で形成している。

また、このような高速回転軸を支持する転がり軸受では、何らかの原因で潤滑剤の供給が遮断されたドライラン条件になると、軸受が急速に温度上昇して、軌道輪や転動体の軸受部品に焼付きが発生する恐れがあり、非常事態を想定したドライラン条件で、例えば３０秒以上焼き付かずに使用可能なことが要求されている。

このような要求に対応するために、本出願人は、外輪の内向きの保持器案内面に開口幅を２ｍｍ未満とした油溝を設け、この油溝に潤滑油を表面張力によって保持して、保持器案内面の焼付きを防止するとともに、ドライラン条件でも一定時間焼き付かずに使用可能とした転がり軸受を先に提案している（特願２００５−１３８４７５）。

特願２００５−１３８４７５に提案した保持器案内面の油溝に表面張力で潤滑油を保持する転がり軸受は、油溝に保持された潤滑油を供給することにより、ドライラン条件での焼付きの発生をある程度抑制できるが、ＤＮ値が１５０万以上では潤滑油が切れると直ぐに、金属接触する転動体と軌道輪間に焼付きの一種であるスミアリングが発生し、焼き付かずに使用可能な時間を安定して確保できない問題がある。

なお、前記スミアリングは、高速で回転する回転輪と転動体の間で先に発生しやすい。この理由は、高速で回転する回転輪が転動体を接線方向にドラッグするので、両者の間に相対すべりが生じやすいためと考えられる。

そこで、本発明の課題は、ＤＮ値が１５０万以上のドライラン条件でも、焼き付かずに使用可能な時間を安定して確保できる転がり軸受を提供することである。

上記の課題を解決するために、本発明は、内外輪の軌道輪の間に複数の転動体が配列され、ＤＮ値が１５０万以上となる転がり軸受において、前記内外輪の軌道輪のうちの少なくとも回転輪または前記転動体をセラミックで形成した構成を採用した。

すなわち、内外輪の軌道輪のうちの少なくとも回転輪または前記転動体をセラミックで形成することにより、回転輪と転動体との間に高速のドラッグによる相対すべりが生じても、両者の間に金属接触によるスミアリングが発生しないようにし、ＤＮ値が１５０万以上のドライラン条件でも、焼き付かずに使用可能な時間を安定して確保できるようにした。

上述した転がり軸受は、高い安全性が要求され、高速回転する航空機エンジンのガスタービン軸を支持するものに好適である。

本発明の転がり軸受は、内外輪の軌道輪のうちの少なくとも回転輪または前記転動体をセラミックで形成し、回転輪と転動体との間に高速のドラッグによる相対すべりが生じても、両者の間に金属接触によるスミアリングが発生しないようにしたので、ＤＮ値が１５０万以上のドライラン条件でも、焼き付かずに使用可能な時間を安定して確保することができる。

以下、図面に基づき、本発明の実施形態を説明する。図１は、第１の実施形態を示す。この転がり軸受は、内輪２が軌道溝２ａの中央で分割され、転動体としてのボール４が外輪３の軌道溝３ａと１点、内輪２の軌道溝２ａと２点で接触する３点接触玉軸受１であり、各ボール４が窒化珪素のセラミックで形成され、内輪２と外輪３は耐熱軸受鋼Ｍ５０で形成されている。

図２は、上述した３点接触玉軸受１を使用したジェット機のエンジンを示す。このエンジンはターボファンエンジンであり、空気を吸入するファン１１と、吸入される空気の一部を圧縮する圧縮機１２と、圧縮された空気に燃料を噴射して燃焼させる燃焼室１３と、燃焼ガスで高速回転するタービン１４とで基本的に構成されており、圧縮機１２のロータとタービン１４が取り付けられたガスタービン軸１５が２箇所で玉軸受１によって支持されている。ガスタービン軸１５は１．５〜２．０×１０^４ｒｐｍの高速で回転し、内輪２を回転輪とする各玉軸受１のＤＮ値は１５０万以上となる。

図３は、第２の実施形態を示す。この転がり軸受も、第１の実施形態のものと同様の３点接触玉軸受１であり、回転輪となる内輪２が窒化珪素のセラミックで形成され、各ボール４と外輪３は耐熱軸受鋼Ｍ５０で形成されている。なお、外輪３もセラミックで形成してもよい。

図１に示したボールを窒化珪素で形成し、内外輪を耐熱軸受鋼Ｍ５０で形成した３点接触玉軸受（実施例）と、ボールと内外輪をいずれもＭ５０で形成した３点接触玉軸受（比較例）とを用意した。これらの実施例と比較例の３点接触玉軸受を高速回転試験機の回転軸に取り付けて、ドライラン試験を行った。ドライラン試験は、高速回転中に潤滑油の供給を遮断し、潤滑油遮断後の焼き付かずに使用可能なドライラン時間を測定するものであり、試験条件は以下の通りとした。
・軸受内径Ｄ：１００ｍｍ
・回転数Ｎ ：２．０×１０^４ｒｐｍ
・ＤＮ値 ：２００万

図４に、上記ドライラン試験の結果を示す。ドライラン時間は比較例のものを１．０とする相対ドライラン時間で表した。この試験結果より、実施例の３点接触玉軸受は、ドライラン時間が比較例のものの１．２５倍以上となり、ＤＮ値が１５０万以上のドライラン条件でも、焼き付かずに使用可能な時間を安定して確保できることが確認された。

窒化珪素で形成した円筒試験片と耐熱軸受鋼Ｍ５０で形成した円筒試験片を２つ組み合わせたもの（実施例）と、Ｍ５０同士で形成した円筒試験片を２つ組み合わせたもの（比較例）とを用意し、スミアリング試験を行った。スミアリング試験は、２つ１組の円筒試験片を、ステップ状に増速される駆動軸と、一定速度で回転駆動される従動軸とに取り付けて、両試験片の円筒面を互いに押し当てて転動させ、試験片の円筒面にスミアリングが発生した時点の駆動軸と従動軸の速度比でスミアリング強度を評価するものである。各円筒試験片の寸法は、直径４０ｍｍ、高さ１２ｍｍ、円筒部の曲率半径６０ｍｍであり、試験条件は以下の通りとした。
・最大接触面圧Ｐmax ：２．１ＧＰａ
・駆動軸回転速度：２００ｒｐｍで３分間馴らし運転した後、
３０秒おきに１００ｒｐｍずつ増速
・従動軸回転速度：２００ｒｐｍ一定
・潤滑油 ：タービン油ＶＧ４６

図５に、上記スミアリング試験の結果を示す。スミアリング強度は比較例の速度比を１．０とする相対速度比で表した。この試験結果より、実施例のスミアリング強度は、比較例のものの１．２５倍以上となることが分かった。

上述した各実施形態では、転動体または軌道輪を形成するセラミックを窒化珪素としたが、このセラミックは炭化珪素、アルミナ、マグネシア、ジルコニア等としてもよい。転動体と軌道輪の両方をこれらのセラミックで形成してもよい。

また、上述した各実施形態では、転がり軸受を３点接触玉軸受としたが、本発明に係る転がり軸受は、他の玉軸受やころ軸受等の他の転がり軸受に適用することもできる。

第１の実施形態の転がり軸受を示す縦断面図 図１の転がり軸受を使用したジェット機のエンジンを示す概略縦断面図 第２の実施形態の転がり軸受を示す縦断面図 ドライラン試験の結果を示すグラフ スミアリング試験の結果を示すグラフ

符号の説明

１ ３点接触玉軸受
２ 内輪
３ 外輪
２ａ、３ａ 軌道溝
４ ボール
１１ ファン
１２ 圧縮機
１３ 燃焼室
１４ タービン
１５ ガスタービン主軸

Claims (2)

1. 内外輪の軌道輪の間に複数の転動体が配列され、ＤＮ値（軸受内径Ｄｍｍ×回転数Ｎｒｐｍ）が１５０万以上となる転がり軸受において、前記内外輪の軌道輪のうちの少なくとも回転輪または前記転動体をセラミックで形成したことを特徴とする転がり軸受。
2. 前記転がり軸受が、航空機エンジンのガスタービン軸を支持するものである請求項１に記載の転がり軸受。

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