JP2007285431A - 転がり軸受 - Google Patents

Abstract

【課題】水混入潤滑下で使用される転がり軸受の転がり疲れ寿命を向上させる。
【解決手段】内輪１及び外輪２の少なくとも一方において、その軌道面１ａ，２ａのうち、玉３との接触角が初期接触角の−５°以上＋５°以下の範囲に存在する表面孔及び酸化物系非金属介在物を、最大長さＬが８０μｍ以下で、且つ、最大長さＬと最大深さＤとの比Ｌ／Ｄが２．０以上とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、転がり軸受に関し、特に、ワークロール用転がり軸受や車輪支持用転がり軸受のように、潤滑剤に水が混入され易い環境下で用いられる転がり軸受に関する。

一般に、転がり軸受においては、潤滑剤に水が混入されると転がり疲れ寿命が大幅に低下することが知られている。
また、潤滑剤に水が混入され易い条件下（以下、「水混入潤滑下」と記す。）での転がり疲れ寿命の低下は、以下に示す理由で生じることが知られている。すなわち、転動体と転がり接触する軌道面は、転動体からの荷重を受けて深さ方向に弾性変形を生じ、その接触箇所近傍には引っ張り応力が作用する。ここで、引っ張り応力が作用する軌道面に、酸化物系非金属介在物と水が存在すると、酸化物系非金属介在物の周囲に空隙が生じるとともに、その空隙に水が浸入して、金属素地の腐食溶解が起こる。これにより、酸化物系非金属介在物に作用する応力集中が大きくなり、この介在物を起点とする亀裂（クラック）が進展して、応力腐食割れが生じるため、転がり疲れ寿命が低下する。

よって、鉄鋼材料の圧延機で用いられるワークロール用軸受や、自動車等で用いられる車輪支持用転がり軸受（ハブ軸受）のように、水混入潤滑下で使用される転がり軸受では、接触ゴムシール等の密封部材を配置して、潤滑剤が封入された軸受内部への水の侵入を防止する対策や、亀裂の起点となる酸化物系非金属介在物を減少させて、応力腐食割れを発生し難くする対策が取られている。
特許文献１では、少なくとも固定側の軌道輪において、仕上げ加工が施された後の軌道面に存在する酸化物系非金属介在物の平均最大長さを１００μｍ以下にすることが提案されている。
特開２０００−１１０８４１号公報

ところで、近年、装置の軽量化を目的として、軸受取付部の周辺部品を、薄肉化したり、鋼よりも剛性の低いアルミニウム合金製としたりすることで、軸受の組み付けが正しく行われなかったり、経時変化が生じたりする場合がある。このため、上述した密封部材を用いても、密封部材の取付部に隙間が生じて、軸受内部への水の侵入を十分に防止出来ず、最悪の場合には軌道面に早期剥離が生じる場合がある。
一方、特許文献１に記載の技術には、水混入潤滑下での転がり疲れ寿命を向上させるという点で更なる改善の余地がある。
そこで、本発明は、水混入潤滑下で使用される転がり軸受の転がり疲れ寿命を向上させることを課題としている。

このような課題を解決するために、本発明は、互いに対向配置される軌道面を有する内輪及び外輪と、前記内輪及び前記外輪の間に転動自在に配置される転動体と、を備えた転がり軸受において、前記内輪及び前記外輪の少なくとも一方は、その軌道面のうち、前記転動体との接触角が初期接触角の−５°以上＋５°以下の範囲に存在する表面孔及び酸化物系非金属介在物を、最大長さＬが８０μｍ以下で、且つ、前記最大長さＬと最大深さＤとの比Ｌ／Ｄが２．０以上とすることを特徴とする転がり軸受を提供する。

すなわち、本発明者らは、潤滑剤に水が混入された場合に生じる応力腐食割れの原因について鋭意検討を重ねた結果、以下に示す（１）〜（３）の点を見出した。
（１）応力腐食割れは、上述した特許文献１で許容範囲とした平均最大長さ１００μｍ以下の酸化物系非金属介在物を起点としても生じる。
（２）応力腐食割れの生じ易さは、存在する酸化物系非金属介在物の最大長さのみではなく、酸化物系非金属介在物が存在している深さにも影響される。つまり、軌道面から深い位置まで酸化物系非金属介在物が存在する程、介在物に作用する応力集中が高くなり、応力腐食割れが生じ易い。
（３）応力腐食割れは、表面に酸化物系非金属介在物が存在することだけでなく、この酸化物系非金属介在物の脱落痕や、研削・超仕上げ加工で除去出来なかった旋削痕や、研削加工時の表面の剥離により表面に形成される孔（表面孔）を起点としても生じる。

本発明によれば、内輪及び外輪の少なくとも一方において、その軌道面のうち、転動体との接触角が初期接触角の−５°以上＋５°以下の範囲に、表面孔及び酸化物系非金属介在物（欠陥）を存在させないこと、或いは、存在する欠陥を最大長さＬが８０μｍ以下で、且つ、最大長さＬと最大深さＤとの比Ｌ／Ｄが２．０以上とすることにより、上述した特許文献１に記載の転がり軸受よりも、応力腐食割れを生じ難くできる。よって、水混入潤滑下で使用される転がり軸受の転がり疲れ寿命を向上できる。

また、本発明において、上述した欠陥の限定を行う軌道面の範囲を特定することにより、少なくとも外輪に複列の軌道面を有し、車輪を懸架装置に対して回転自在に支持する車輪支持用転がり軸受として用いた場合であっても、転がり疲れ寿命を向上できる。
なお、本発明の転がり軸受は、内輪及び外輪の少なくとも一方を、その軌道面に仕上げ加工を施した後に超音波探傷検査等の非破壊検査を行うことにより、その軌道面の特定範囲に欠陥（表面孔及び酸化物系非金属介在物）が存在しないこと、或いは、存在する欠陥が上述した許容範囲内に限定されたものを選別して用いることで得られる。

例えば、超音波探傷検査を用いて、軌道面の特定範囲に存在する欠陥を検出するためには、周波数１０ＭＨｚ以上２０ＭＨｚ未満の横波を用いて、入射角３０°以上４０°以下で斜角探傷を行うことが好ましい。通常、横波を用いた場合に、欠陥の検出限界は波長の１／２であることから、本発明のように最大８０μｍの欠陥を検出するためには、理論上、周波数２０ＭＨｚ以上の横波を用いる必要がある。しかしながら、仕上げ加工が施された軌道面は、表面粗さがＲａ（算術平均粗さ）で０．３μｍ以下になっている場合がほとんどであるため、周波数が２０ＭＨｚ未満の横波を用いて斜角探傷を行った場合でもノイズが生じず、最大長さ５０μｍの欠陥まで検出することができる。

また、本発明において「表面孔」とは、酸化物系非金属介在物の脱落痕や、研削・超仕上げ加工で除去出来なかった旋削痕や、研削加工時の表面の剥離により表面に形成される孔（欠陥）を指す。
さらに、本発明において「酸化物系非金属介在物」とは、例えば、ＡＬ２ Ｏ３ ，ＳｉＯ２ ，ＭｇＯ，ＣａＯの単体又は複合したものを指す。

さらに、本発明において「最大長さ」とは、図１（ａ）及び図１（ｂ）に示すように、表面孔１０Ａや酸化物系非金属介在物１０Ｂの軌道面ａに平行な最大長さＬを指し、「最大深さ」とは、軌道面ａから表面孔１０Ａや酸化物系非金属介在物１０Ｂの底面までの軌道面ａに垂直な最大深さＤを指す。
このため、予め酸化物系非金属介在物の反射エコー強度を測定した後、破壊検査により酸化物系非金属介在物の実際の最大長さＬと最大深さＤを求めて、酸化物系非金属介在物の寸法（最大長さＬ、最大深さＤ）と反射エコー強度との関係を示す検量線を作成し、この検量線を用いて、得られた反射エコー強度から、酸化物系非金属介在物の最大長さＬ及び最大深さＤを算出することが好ましい。

また、図１（ａ）に示すように、上述した許容範囲（最大長さＬが８０μｍ以下で、且つ、最大長さＬと最大深さＤとの比Ｌ／Ｄが２．０以上）から外れる表面孔１０Ａが存在すると、この表面孔１０Ａに水が侵入して金属素地が腐食し、表面孔１０Ａの内周面に応力集中が作用することで亀裂ｋが生じ易くなる。
さらに、図１（ｂ）に示すように、上述した許容範囲外の酸化物系非金属介在物１０Ｂが存在すると、上述したように酸化物非金属介在物１０Ｂの周囲に生じた空隙ｂに水が侵入することで亀裂ｋが生じ易くなる。また、上述した許容範囲外の酸化物系非金属介在物１０Ｂが存在する場合、軌道面ａから介在物１０Ｂが少しづつ脱落し、軌道面ａから完全に介在物１０Ｂが脱落して表面孔１０Ａと同じ状態になると、急速に亀裂ｋが生じ易くなる。

本発明の転がり軸受によれば、内輪及び外輪の少なくとも一方において、その軌道面のうち、転動体との接触角が初期接触角の−５°以上＋５°以下の範囲に存在する表面孔及び酸化物系非金属介在物を、最大長さＬが８０μｍ以下で、且つ、最大長さＬと最大深さＤとの比Ｌ／Ｄが２．０以上とすることにより、水混入潤滑下での転がり疲れ寿命を向上できる。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。
図２は、本発明に係る転がり軸受として、車輪支持用転がり軸受の一例を示す断面図である。
この車輪支持用転がり軸受は、外周面に軌道面１ａを有する二つの内輪１と、内周面に複列の軌道面２ａを有する外輪２と、内輪１と外輪２との間に転動自在に配置される複数の玉（転動体）３と、玉３を転動自在に保持する保持器４と、から構成されている。この車輪支持用転がり軸受の内輪１は車軸５を内嵌するハブ６に固定され、外輪２は車体側の懸架装置７に固定されている。そして、ハブ６に一体成形された車輪取付用フランジ６ａに車輪（図示せず）を取り付けることにより、車輪を懸架装置７に対して回転自在に支持するように構成されている。

本実施形態の内輪１及び外輪２は、以下に示す手順で選別したものを用いた。まず、高炭素クロム軸受鋼２種（ＳＵＪ２）からなる素材を所定形状に加工した後、焼入れ及び焼戻しを施して作製した。次に、全ての内輪及び外輪において、その軌道面のうち、玉との接触角が初期接触角の−５°以上＋５°以下の範囲に対して、表面孔及び酸化物系非金属介在物を欠陥として検出する超音波探傷を行った。そして、超音波探傷を行った内輪及び外輪の中から、それらの軌道面において、上記範囲に欠陥が存在しないもの、或いは、上記範囲に存在する欠陥の最大長さＬが８０μｍ以下で、且つ、その欠陥の最大長さＬと最大深さＤとの比Ｌ／Ｄが２．０以上のものを選別した。

また、本実施形態の玉３は、ＳＵＪ２からなる素材を所定形状に加工した後、焼入れ及び焼戻しを施して作製したものを用いた。
本実施形態の車輪支持用転がり軸受によれば、内輪１及び外輪２として、それらの軌道面１ａ，２ａの特定範囲に存在する欠陥を最大長さＬが８０μｍ以下で、且つ、最大長さＬと最大深さＤとの比Ｌ／Ｄが２．０以上としたものを用いたことにより、水混入潤滑下で使用された場合であっても転がり疲れ寿命を長くできる。

なお、本実施形態では、車輪支持用転がり軸受として、車輪取付用フランジ６ａが内輪１や外輪２と別体に設けられた、所謂第一世代の車輪支持用転がり軸受に適用した場合について説明したが、車輪支持用転がり軸受の構成はこれに限らない。例えば、車輪取付用フランジ又は懸架装置取付用フランジが外輪と一体に設けられた、所謂第二世代の車輪支持用転がり軸受に適用してもよいし、車輪取付用フランジ及び懸架装置取付用フランジがそれぞれ内輪及び外輪のいずれかと一体に設けられた、所謂第三世代の車輪支持用転がり軸受に適用してもよい。ここで、本発明の車輪支持用転がり軸受を第二世代及び第三世代の車輪支持用転がり軸受として適用する場合には、素材として中炭素鋼（例えば、Ｓ５３Ｃ）を用いることが好ましい。

以下、本発明の効果を検証した結果について詳細に説明する。
＜第１実施例＞
本実施例では、転がり軸受の外輪を以下に示す手順で作製した。
まず、日本精工株式会社製呼び番号４８ＢＷＤ０２の車輪支持用転がり軸受（内径：４８ｍｍ，外径：８６ｍｍ，幅：４０ｍｍ，初期接触角：４０°）用のＳＵＪ２製外輪を用意した。
次に、この複列の軌道面を有する外輪を、放電加工により軸方向に二分割することで、単列の軌道面を有する外輪を作製した。
次に、外輪の軌道面のうち、玉との接触角が３５°以上４５°以下となる範囲（長径が１．１０ｍｍの楕円状の接触部分）に研磨加工を施して、その範囲の表面粗さ（算術平均粗さ：Ｒａ）を０．３μｍ以下に仕上げた。

次に、上述した範囲に切削加工を施して、各種表面孔（欠陥）を形成した。
このようにして得られた外輪において、図３に示す超音波探傷検査装置を用いて、以下の条件で超音波探傷検査（非破壊検査）を行った。
超音波探傷検査装置は、図３に示すように、超音波伝達媒体として水が入れられた容器１１内に、リング状試験体１２と超音波探傷用探触子１３がそれぞれ水に浸漬された状態で配置されている。超音波探傷用探触子１３としては、指向性が強く、リング状試験体１２の曲率の影響を受け難い焦点型斜角探触子を設置した。

リング状試験体１２は、容器１１内に水平方向に互いに離間した状態で配置された二個のプーリ１４に載置されている。また、各プーリ１４及び回転駆動用モータに固定されたプーリ１５には、ベルト１６が正三角形状に巻き付けられている。
回転駆動用モータは、モータ駆動用制御アンプ１７を介して制御装置１８で制御されるようになっており、回転駆動用モータの駆動により各プーリ１４，１５に載置されたリング状試験体１２が所定の速度で回転するようになっている。なお、制御装置１８は、ＣＲＴ等の表示手段を備えたパーソナルコンピュータで構成されている。

超音波探傷用探触子１３は、リニアガイド装置１９により支持されたＸＹステージ１９ａに、探触子取付具１３ａを介して取り付けられている。また、超音波探傷用探触子１３は、超音波探傷装置２０からの電圧信号に応じた超音波探傷パルスを、リング状試験体１２の内周面に向けて送信するとともに、その反射エコーを受信し、これを電圧信号に変換して超音波探傷装置２０に送信するようになっている。

超音波探傷装置２０は、制御装置１８からの指令に基づいて、超音波探傷用探触子１３に電圧信号からなる指令信号を送信するとともに、送信した信号と受信した信号とに基づいて得られた探傷情報を制御装置１８に送信するようになっている。
リニアガイド装置１９は、リニアガイド用コントローラ２１によって制御されるサーボモータを介して、超音波探傷用探触子１３をリング状試験体１２の軸方向に移動させるようになっている。リニアガイド用コントローラ２１は、リング状試験体１２の外周面に設置されたロータリエンコーダ２２により、リング状試験体１２が一回転（３６０°）したことが探知されると、制御装置１８からの指令に基づいてサーボモータを制御し、超音波探傷用探触子１３をリング状試験体１２の軸方向に所定寸法移動させる。これにより、リング状試験体１２の全内周面の探傷がなされるようになっている。

本実施例では、上述した超音波探傷検査用装置において、超音波探傷用探触子１３として、周波数が１００ＭＨｚで、入射角が３０°以上４０°以下で、振動子径が６ｍｍの焦点型斜角探触子を設置するとともに、リング状試験体１２として外輪を設置した。そして、外輪の軌道面において、上述した研磨加工を施した範囲（玉との接触角が３５°以上４５°以下の範囲）を探傷して、その範囲に存在する表面孔の最大長さＬと最大深さＤを測定した。表１には、得られた測定結果を示した。

次に、得られた外輪と、上述した呼び番号４８ＢＷＤ０２の車輪支持用転がり軸受用のＳＵＪ２製内輪及びＳＵＪ２製玉とを用いて、転がり軸受を組み立てて、水混入潤滑下での寿命試験を行った。
この寿命試験は、まず、図４に示すように、内輪３１の内周面に回転軸３４を取り付けた状態の転がり軸受を容器３５内に設置した。次に、この容器３５内に、５質量％の水が混入された潤滑油（ＶＧ１０）３６を入れて、この潤滑油３６内に軸受全体が浸漬するようにした。次に、回転軸３４の上からアキシャル荷重Ｐａ（８８２０Ｎ）を付与した状態で、回転軸３４を回転速度１０００ｍｉｎ^-1で回転させた。このとき、軸受に生じる振動を振動計で常時測定するようにした。
この寿命試験では、振動計の測定値が一定値を超えるまでの軸受回転時間を寿命として測定し、ワイブル分布関数に基づくＬ１０寿命を算出した。表１には、Ｎｏ．９のＬ１０寿命を０．９とした時の比を併せて示した。

表１に示すように、軌道面の特定範囲に存在する表面孔を、最大長さＬが８０μｍ以下で、且つ、最大長さＬと最大深さＤとの比Ｌ／Ｄが２．０以上とした外輪を用いたＮｏ．１〜Ｎｏ．８では、それ以外のＮｏ．９〜Ｎｏ．２４と比べて、長寿命であった。
表１の結果に基づいて、表面孔の最大長さＬと寿命との関係を示す図５のグラフを作成した。図５に示すように、表面孔の最大長さＬと最大深さＤとの比が２．０以上の場合に、表面孔の最大長さＬが８０μｍ以下であるとＮｏ．４以上の寿命が得られていることが分かる。

また、表１の結果に基づいて、表面孔の最大長さＬと最大深さＤとの比Ｌ／Ｄと、寿命の関係を示す図６のグラフを作成した。図６に示すように、表面孔の最大長さＬが８０μｍ以下の場合に、表面孔の最大長さＬと最大深さＤとの比Ｌ／Ｄが２．０以上であるとＮｏ．４以上の寿命が得られていることが分かる。
この結果から、外輪の軌道面において特定範囲に存在する表面孔を、最大長さが８０μｍ以下で、且つ、最大長さＬと最大深さＤとの比が２．０以上とすることにより、水混入潤滑下での寿命を向上できることが分かった。

＜第２実施例＞
本実施例では、転がり軸受の外輪を以下に示す手順で作製した。
まず、第１実施例と同様に、呼び番号４８ＢＷＤ０２の車輪支持用転がり軸受用の外輪を二分割することにより、単列の軌道面を有するＳＵＪ２製の外輪を作製した。
次に、外輪の軌道面のうち、玉との接触角が３５°以上４５°以下となる範囲（長径が１．１０ｍｍの楕円状の接触部分）に研磨加工を施して、その範囲の表面粗さ（算術平均粗さ：Ｒａ）を０．０５μｍ以上０．１５μｍ以下となるように仕上げた。

このようにして得られた外輪に対して、上述した図３と同様の構成を有し、超音波探傷用探触子１３として、周波数が１０ＭＨｚ以上２０ＭＨｚ未満で、入射角が３０°以上４０°以下で、振動子径が６ｍｍの焦点型斜角探触子を設置した超音波探傷検査装置を用いて、第１実施例と同様の条件で非破壊検査を行った。そして、外輪の軌道面において、上述した研磨加工を施した範囲（玉との接触角が３５°以上４５°以下となる範囲）を探傷して、その範囲に存在する酸化物系非金属介在物の表面長さＬ１、最大長さＬ、及び最大深さＤを測定した。表２には、得られた測定結果を示した。
次に、得られた外輪と、上述した呼び番号４８ＢＷＤ０２の車輪支持用転がり軸受用のＳＵＪ２製内輪及びＳＵＪ２製玉とを用いて、転がり軸受を組み立てて、第１実施例と同様の条件で水混入潤滑下での寿命試験を行った。表２には、この結果を併せて示した。

表２に示すように、軌道面の特定範囲に存在する酸化物系非金属介在物を、最大長さＬが８０μｍ以下で、且つ、最大長さＬと最大深さＤとの比Ｌ／Ｄが２．０以上とした外輪を用いたＮｏ．３０〜Ｎｏ．３２では、それ以外のＮｏ．３３〜Ｎｏ．３９と比べて、長寿命であった。
表２の結果に基づいて、酸化物系非金属介在物の最大長さＬと最大深さＤとの比Ｌ／Ｄと、寿命の関係を示す図７のグラフを作成した。図７に示すように、酸化物系非金属介在物の最大長さＬと最大深さＤとの比Ｌ／Ｄが２．０以上であるとＮｏ．３９の１．４倍以上の寿命が得られていることが分かる。

この結果から、外輪の軌道面において特定範囲に存在する酸化物系非金属介在物を、最大長さＬが８０μｍ以下で、且つ、最大長さＬと最大深さＤとの比が２．０以上とすることにより、水混入潤滑下での寿命を向上できることが分かった。
すなわち、第１実施例及び第２実施例の結果から、外輪の軌道面における特定範囲に存在する表面孔及び酸化物系非金属介在物を、最大長さＬが８０μｍ以下で、且つ、最大長さＬと最大深さＤとの比Ｌ／Ｄが２．０以上とすることにより、水混入潤滑下で使用される転がり軸受の転がり疲れ寿命を向上できることが分かった。

本発明において検出する欠陥について示す図であり、（ａ）は欠陥として検出する表面孔を示す説明図、（ｂ）欠陥として検出する酸化物系非金属介在物を示す説明図である。 本発明に係る車輪支持用転がり軸受の一例を示す断面図である。 超音波探傷検査装置を示す概略構成図である。 寿命試験装置を示す概略構成図である。 表面孔（欠陥）の最大長さと、寿命の関係を示すグラフである。 表面孔（欠陥）の最大長さＬと最大深さＤとの比Ｌ／Ｄと、寿命の関係を示すグラフである。 酸化物系非金属介在物（欠陥）の最大長さＬと最大深さＤとの比Ｌ／Ｄと、寿命の関係を示すグラフである。

符号の説明

１ 内輪
１ａ 軌道面
２ 外輪
２ａ 軌道面
３ 玉（転動体）
４ 保持器
５ 車軸
６ ハブ
７ 懸架装置
１０Ａ 表面孔（欠陥）
１０Ｂ 酸化物系非金属介在物（欠陥）

Claims (2)

1. 互いに対向配置される軌道面を有する内輪及び外輪と、前記内輪及び前記外輪の間に転動自在に配置される転動体と、を備えた転がり軸受において、
   前記内輪及び前記外輪の少なくとも一方は、その軌道面のうち、前記転動体との接触角が初期接触角の−５°以上＋５°以下の範囲に存在する表面孔及び酸化物系非金属介在物を、最大長さＬが８０μｍ以下で、且つ、前記最大長さＬと最大深さＤとの比Ｌ／Ｄが２．０以上とすることを特徴とする転がり軸受。
2. 少なくとも前記外輪が複列の軌道面を有し、車輪を懸架装置に対して回転自在に支持する車輪支持用転がり軸受として用いることを特徴とする請求項１に記載の転がり軸受。

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