JP2008064310A - 車両用軸受装置 - Google Patents

Abstract

【課題】回転輪と位置決め部材の当接面相互の硬度差を小さくし、当該当接面相互の耐摩耗性を向上させることで、フレッチング摩耗を抑制、並びに防止することが可能な車両用軸受装置を提供する。
【解決手段】各種車両の車軸Ｓを回転自在に軸支し、複数の転動体6a,6bを介して相対回転可能に対向配置された静止輪４及び回転輪2a,2bを有する転がり軸受Ａと、回転輪を軸方向に位置決めするための環状の位置決め部材F,Pとを具備する車両用軸受装置であって、位置決め部材と回転輪とは、対向する軸方向の端面同士が相互に当接し、車軸とともに回転可能に配置されており、当該位置決め部材の端面F1,P1及び当該端面に当接する回転輪の端面2e,2fの各ロックウェル硬さのＣスケールに基づく硬度の差が、２０ポイント以下に設定されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば、鉄道車両の車軸などに用いられる軸受装置に関し、特に、軸受装置の回転輪と位置決め部材の当接面相互で発生するフレッチング摩耗を有効に抑制、並びに防止することが可能な車両用軸受装置の構造に関する。

鉄道車両用の軸受装置は、例えば、図１(ａ)に示すような構成をしており、車軸Ｓに外嵌されて当該車軸Ｓを軸支する軸受(複列の円すいころ軸受)Ａと、軸受Ａの回転輪(内輪)２(後述する)を軸方向に位置付けるための環状の後ろ蓋Ｆ並びに環状の油切りＰと、軸受Ａ内に封入された潤滑剤が外部へ漏洩することを防止するためのオイルシール１８とを備えている。

かかる軸受Ａは、車輪(図示しない)に接続されて車輪とともに回転する回転輪(内輪)２と、車両のハウジング(図示しない)に固定されて常時非回転状態に維持される静止輪(外輪)４と、回転輪(内輪)２と静止輪(外輪)４との間に複列(例えば、２列)で転動可能に組み込まれた複数の転動体(ころ)6a,6bと、転動体(ころ)6a,6bを１つずつ回転自在に保持する保持器１２とを具備している。なお、図１(ａ)に示す構成において、内輪２は、第１の内輪２ａと第２の内輪２ｂとから構成されており、第１の内輪２ａには第１の軌道面８ａが形成され、第２の内輪２ｂには第２の軌道面８ｂがそれぞれ形成され、外輪４には、当該第１及び第２の軌道面8a,8bに対向して複列(２列)の軌道面10a,10bが形成されている。また、内輪２は、第１の内輪２ａの端面２ｃと第２の内輪２ｂの端面２ｄとが直接当接している。

また、後ろ蓋Ｆと油切りＰは、それぞれ円筒状を成しており、車軸Ｓに外嵌されている。この場合、第１の内輪２ａの端面２ｅと後ろ蓋Ｆの端面Ｆ１とが当接し、第２の内輪２ｂの端面２ｆと油切りＰの端面Ｐ１とが当接している。このように、軸受Ａは、内輪２(2a,2b)が後ろ蓋Ｆ及び油切りＰにそれぞれ当接し、外輪４が車両のハウジング(図示しない)に固定されることにより、軸方向に沿って位置決めされている。なお、内輪２(2a,2b)及び外輪４は、一例として軸受鋼で形成されており、後ろ蓋Ｆと油切りＰは、一例として焼ならしを施した炭素鋼で形成されている。

また、軸受Ａには、第１の内輪２ａと後ろ蓋Ｆとの当接部(端面2e,F1)、及び第２の内輪２ｂと油切りＰとの当接部(端面2f,P1)を覆うようにして、断面視階段状(例えば、３段)の円筒を成すシールケース１６が設けられている。この場合、当該シールケース１６は、その一端側(大径側)が外輪４に内嵌され、その他端側(小径側)が後ろ蓋Ｆ及び油切りＰ方向に延出し、その延出端は後ろ蓋Ｆ及び油切りＰとは非接触状態に位置決めされている。また、シールケース１６と後ろ蓋Ｆとの間並びにシールケース１６と油切りＰとの間には、それぞれ軸受Ａを密封するためのオイルシール１８が介在されている。なお、オイルシール１８としては、その外径部１８ａがシールケース１６に内嵌され、その内径部１８ｂが後ろ蓋Ｆ及び油切りＰの外周面F2,P2に摺接する接触型のシールが適用されている。このようにシールケース１６及びオイルシール１８を設けることで、軸受外部から軸受内部への異物(例えば、水や塵埃)の侵入や、軸受内部から軸受外部への潤滑剤(例えば、潤滑油やグリース)の漏洩が防止されている。

ところで、鉄道車両用の軸受装置は、当該軸受装置が車輪(図示しない)の外側(図１(ａ)の左側)に配置され(いわゆる、アウトボードタイプ)、当該鉄道車両の重量を負荷している。このため、軸受装置に対して非常に大きな荷重が作用し、これにより当該軸受装置に曲げモーメントがかかり、車軸Ｓが撓む場合がある。特に、軸受装置に対して、鉄道車両の重量が車軸Ｓと直角方向(ラジアル方向)に負荷された場合(図１(ａ)の矢印Ｆｃ)、当該車軸Ｓの撓みが大きくなり、さらに、かかる撓みは、当該車軸Ｓの軸端Ｓｔへ向かうに従って大きくなる。

このように車軸Ｓが撓んだ状態で車輪(車軸Ｓ)が回転すると、内輪2a,2bと後ろ蓋Ｆ及び油切りＰとがそれぞれ相互に回転して擦れ合い、内輪2a,2bの端面2e,2f、後ろ蓋Ｆ及び油切りＰの端面F1,P1において応力変動が繰り返されるとともに、これらの端面相互間で微小滑りが繰り返される。
ここで、通常、軸受Ａの内輪２(2a,2b)、後ろ蓋Ｆ及び油切りＰは、上述したような金属製であり、このような応力変動や微小滑りが繰り返されることで、内輪2a,2bの端面2e,2f、後ろ蓋Ｆ及び油切りＰの端面F1,P1が摩耗し、摩耗粉(金属粉)が発生してしまう。すなわち、軸受装置において、いわゆるフレッチングが生じてしまう。

かかるフレッチングによって発生した金属粉(フレッチング金属粉)は、遠心力によって内輪2a,2bの端面2e,2fと後ろ蓋Ｆ及び油切りＰの端面F1,P1との間から径方向外側(内輪２から外輪４に向かう方向(図１(ａ),(ｂ)の上方向))へ移動して軸受Ａ内に侵入し、例えば、軸受Ａ内に封入された潤滑剤(各種グリースや潤滑油)に混入してしまう場合がある。この結果、例えば、潤滑剤の潤滑性能が劣化したり、あるいは当該金属粉が転動体(ころ)6a,6bと内外輪2,4との間に入り込むことで、転動体(ころ)6a,6bの表面や軌道面8a,8b,10a,10bが損傷し、軸受寿命を低下させるなど、長期に亘って軸受Ａを一定の性能で連続して使用することが困難になってしまう場合がある。

このため、従来から、このようなフレッチング金属粉によって生じる不都合を回避する各種の方策が知られている。
例えば、特許文献１には、内輪と後ろ蓋との当接部、又は内輪と油切りとの当接部のうち、いずれか少なくとも一方の当接部の外周面に周方向に沿って円環状の溝を設け、当該溝に円環状の弾性体(例えば、ゴムなど)を取り付けた鉄道車両用の軸受装置が開示されている。このような構成により、フレッチング金属粉が軸受装置(軸受)内に侵入することを防止している。

また、例えば、特許文献２には、内輪と後ろ蓋との当接面間、又は内輪と油切りとの当接面間のうち、いずれか少なくとも一方の当接面間に軸受装置(軸受)内に封入したグリースの寿命を延長させる材料(例えば、銅など)で成る部材を介在させた鉄道車両用の軸受装置が開示されている。このような構成により、フレッチング金属粉が軸受装置(軸受)内に侵入することを防止しているとともに、仮に侵入した場合であっても、当該フレッチング金属粉により、グリース寿命を延長させることを可能としている。

さらに、例えば、特許文献３には、内輪の端部(後ろ蓋及び油切りとの当接端部)に所定の溝を設け、当該溝に後ろ蓋及び油切りと所定の間隔を空けて磁気回路(永久磁石)を対向配置した鉄道車両用の軸受装置が開示されている。このような構成により、かかる磁気回路(永久磁石)の磁力によってフレッチング金属粉を捕捉することで、フレッチング金属粉が軸受装置(軸受)内に侵入することを防止している。
特開平１１−３３６７７４号公報 特開２０００−５２９８６号公報 特開２００５−２２６７９４号公報

このように、特許文献１〜３に開示された鉄道車両用の軸受装置の構成によれば、フレッチング金属粉が軸受装置(軸受)内に侵入することを防止することができる。あるいは、フレッチング金属粉が軸受装置(軸受)内に侵入し、グリースと混入した場合、当該グリースの潤滑性能に与える影響を最小限に抑制する、すなわち、グリースの潤滑性能の劣化を防止することができる。

しかしながら、特許文献１〜３では、フレッチング金属粉自体の発生を抑制、並びに防止する方策(例えば、軸受装置の構成)について、特に言及されていない。このため、例えば、フレッチング金属粉が継続して発生した場合、その発生量によっては、上述したような軸受装置(軸受)内への侵入防止効果や、グリース潤滑性能の劣化防止効果などが十分に得られない、若しくは発揮されない場合も想定される。

本発明は、このような課題を解決するためになされており、その目的は、回転輪と位置決め部材の当接面相互の硬度差を小さくし、当該当接面相互の耐摩耗性を向上させることで、フレッチング摩耗を抑制、並びに防止することが可能な車両用軸受装置を提供することにある。

このような目的を達成するために、本発明に係る車両用軸受装置は、各種車両の車軸を回転自在に軸支し、複数の転動体を介して相対回転可能に対向配置された静止輪及び回転輪を有する転がり軸受と、回転輪を軸方向に位置決めするための環状の位置決め部材とを具備している。このような構成において、位置決め部材と回転輪とは、対向する軸方向の端面同士が相互に当接し、車軸とともに回転可能に配置されており、当該位置決め部材の端面及び当該端面に当接する回転輪の端面の各ロックウェル硬さのＣスケールに基づく硬度の差が、２０ポイント以下に設定されている。
なお、この場合、位置決め部材としては、後ろ蓋、油切り及び間座のうちの少なくとも１つが適用されている。

本発明によれば、回転輪と位置決め部材の当接面相互の硬度差を小さくし、当該当接面相互の耐摩耗性を向上させることで、フレッチング摩耗を抑制、並びに防止することが可能な車両用軸受装置を提供することができる。

以下、本発明の一実施形態に係る車両用軸受装置について、添付図面を参照して説明する。なお、本発明の軸受装置は、例えば、鉄道や自動車など各種の車両の車軸を支持するための軸受装置として適用することができるが、ここでは、鉄道車両用の軸受装置を一例として想定する。また、この場合、軸受装置を構成する各部品の基本的な構造としては、上述した鉄道車両用の軸受装置(図１(ａ))と同様の構造を成している場合を一例として想定し、以下、説明する。

図１(ａ),(ｂ)には、本発明の一実施形態に係る鉄道車両用軸受装置が示されている。
かかる軸受装置は、鉄道車両の車軸Ｓを回転自在に軸支し、複数の転動体(ころ)6a,6bを介して相対回転可能に対向配置された静止輪(外輪)４及び回転輪(内輪)２を有する転がり軸受Ａと、内輪２を軸方向に位置決めするための環状の位置決め部材とを具備している。ここで、位置決め部材としては、転がり軸受Ａの軸方向両側に設けられた後ろ蓋Ｆと油切りＰが適用されており、後ろ蓋Ｆは、車軸Ｓの基端側(例えば、車輪(図示しない)側(図１(ａ)の右側))において外周面段差部Ｓ１に外嵌され、油切りＰは、車軸Ｓの軸端Ｓｔ側(図１(ａ)の左側)において外周面小径部Ｓ３に外嵌されている。なお、車軸Ｓには、外周面段差部Ｓ１を境界にして図１(ａ)の右側に比較的大径の外周面大径部Ｓ２が形成され、同図の左側に比較的小径の外周面小径部Ｓ３が形成されている。この場合、軸受装置の軸受Ａの内輪２、後ろ蓋Ｆ及び油切りＰは、車軸Ｓの外周面段差部Ｓ１とナット２０との間で挟み付けられた状態となるように、車軸Ｓの軸端Ｓｔ側(図１(ａ)の左側)から回り止めリング２２を介してボルト２４で固定(緩み止め)されている。

図１(ａ)に示す構成において、転がり軸受Ａとしては、外輪一体型の複列(２列)タイプの円すいころ軸受が適用されている。この場合、軸受Ａは、内輪２が車輪(図示しない)に接続された車軸Ｓとともに回転する回転輪として構成されているのに対し、外輪４が車両のハウジング(図示しない)に固定されて常時非回転状態に維持される静止輪として構成されている。かかる軸受Ａは、内輪２が第１の内輪２ａと第２の内輪２ｂとで構成されており、第１の内輪２ａには第１の軌道面８ａが形成され、第２の内輪２ｂには第２の軌道面８ｂがそれぞれ形成され、外輪４には、当該第１及び第２の軌道面8a,8bに対向して複列(２列)の軌道面10a,10bが形成されている。また、内外輪2,4の軌道面8a,10a間及び軌道面8b,10b間には、複数のころ６ａ及びころ６ｂがそれぞれ転動自在に組み込まれており、各ころ6a,6bは、１つずつ回転自在に等間隔を成して保持器１２によって保持されている。

また、図１(ａ)に示す構成において、第１の内輪２ａと第２の内輪２ｂとは、一例として、対向する端面2c,2d同士が互いに直接当接するように配設されている。なお、図４に示すように、第１の内輪２ａと第２の内輪２ｂとの間には、環状を成す内輪間座１４を介在させてもよい。この場合、第１の内輪２ａの端面２ｃと内輪間座１４の一方側(図４の右側)の端面１４ａとが当接し、第２の内輪２ｂの端面２ｄと内輪間座１４の他方側(図４の左側)の端面１４ｂとが当接するように、内輪2a,2b及び内輪間座１４とを配設させればよい。

この場合、ころ６ａの自転軸に直交する作用線(図示しない)と、ころ６ｂの自転軸に直交する作用線(図示しない)とは、外輪４の外側(例えば、車両のハウジング(図示しない)側)で交差する。これにより背面組合せ形(ＤＢ)軸受が構成される。このような構成において、例えば、鉄道車両の車輪に作用する力は、車輪(図示しない)から車軸Ｓ、軸受装置(軸受Ａ)を通じて車体(例えば、車両のハウジング(図示しない))に伝達されることになり、その際、軸受装置(軸受Ａ)には、各種の荷重(ラジアル荷重、アキシアル荷重、モーメント荷重など)が作用する。しかし、軸受Ａは、背面組合せ形(ＤＢ)軸受となっているため、各種の荷重(ラジアル荷重、アキシアル荷重、モーメント荷重など)に対して高い剛性を維持することができる。

また、軸受Ａには、第１の内輪２ａの端面２ｅと後ろ蓋Ｆの端面Ｆ１とが互いに当接する部分、及び第２の内輪２ｂの端面２ｆと油切りＰの端面Ｐ１とが互いに当接する部分を覆うようにして、断面視階段状(例えば、３段)の円筒を成すシールケース１６が設けられている。この場合、シールケース１６は、一例として、その一端側(大径側)が外輪４に内嵌され、その他端側(小径側)が後ろ蓋Ｆ及び油切りＰ方向に延出し、その延出端は後ろ蓋Ｆ及び油切りＰとは非接触状態に位置決めされている。

また、シールケース１６と後ろ蓋Ｆとの間、並びにシールケース１６と油切りＰとの間には、それぞれ軸受Ａを密封するためのオイルシール１８が介在されている。なお、オイルシール１８としては、その外径部１８ａがシールケース１６に内嵌され、その内径部１８ｂが後ろ蓋Ｆ及び油切りＰの外周面F2,P2に摺接する接触型のシールが適用されている。
このようにシールケース１６及びオイルシール１８を設けることで、軸受外部から軸受内部への異物(例えば、水や塵埃)の侵入や、軸受内部から軸受外部への潤滑剤(例えば、潤滑油やグリース)の漏洩を防止することができる。なお、シールケース１６は、その一端側(大径側)が外輪４に外嵌されていてもよく、オイルシール１８は、非接触型のシールやシールドであってもよい。

また、本実施形態において、後ろ蓋Ｆと油切りＰは、それぞれ円筒状を成しており、軸受Ａの内輪２(2a,2b)とともに回転可能に車軸Ｓへ外嵌されている。図１(ａ),(ｂ)及び図２に示す構成では、後ろ蓋Ｆは、一例として、断面視階段状(２段)の円筒を成し、その大径側内周面Ｆ４が車軸Ｓの外周面大径部Ｓ２に当接し、当該大径側内周面Ｆ４と小径側内周面Ｆ５とを連結する内周中間部Ｆ６が車軸Ｓの外周面段差部Ｓ１に当接するとともに、その小径側内周面Ｆ５が車軸Ｓの外周面小径部Ｓ３と所定の間隔を空けて対向するように当該車軸Ｓへ外嵌されている。この場合、後ろ蓋Ｆの内周中間部Ｆ６は、車軸Ｓの外周面段差部Ｓ１に沿って連続した凸曲面状に形成されている。また、後ろ蓋Ｆには、小径側外周面Ｆ２と大径側外周面Ｆ３とを連結する外周中間部(シールケース１６との対向面)Ｆ７に、周方向に沿って所定のシール溝Ｆｍが形成されている。

この状態において、後ろ蓋Ｆは、その小径側外周面Ｆ２がオイルシール１８の内径部(例えば、シールのリップ部(図示しない))１８ｂと摺接するとともに、そのシール溝Ｆｍが、シールケース１６の延出端１６ｓを非接触状態にその内部へ収容している。また、後ろ蓋Ｆは、一端側(例えば、車軸Ｓの軸端Ｓｔ側(図１(ａ),(ｂ)の左側))の端面Ｆ１が、対向する内輪２(第１の内輪２ａ)の端面２ｅに軸方向(例えば、車輪(図示しない)側(図１(ａ)の右側))から当接している。

これに対し、油切りＰは、筒状に形成された本体Ｐｍと、当該本体Ｐｍの一端側(例えば、車軸Ｓの軸端Ｓｔ側(図１(ａ)の左側))の外周面Ｐ２に環状且つ一連に設けられたフランジ部Ｐｆとで構成され、本体Ｐｍの内周面Ｐ３が車軸Ｓの外周面小径部Ｓ３に当接するように当該車軸Ｓへ外嵌されている。
この状態において、油切りＰは、その本体Ｐｍの外周面Ｐ２がオイルシール１８の内径部(例えば、シールのリップ部)１８ｂと摺接するとともに、そのフランジ部Ｐｆがシールケース１６の小径側内周面１６ａと部分的に対向している。また、油切りＰは、一端側(例えば、車輪(図示しない)側(図１(ａ)の右側))の端面Ｐ１が、対向する内輪２(第２の内輪２ｂ)の端面２ｆに軸方向(例えば、車輪側(図１(ａ)の左側))から当接しているとともに、他端側(例えば、車輪側(図１(ａ)の左側))の端面Ｐ４がナット２０と当接している。

このように、本実施形態において、位置決め部材(後ろ蓋Ｆ及び油切りＰ)と回転輪(内輪２(2a,2b))とは、対向する軸方向(図１(ａ),(ｂ)の左右方向)の端面同士が相互に当接し、車軸Ｓとともに回転可能に配置されている。一例として、図１(ａ),(ｂ)に示す構成においては、後ろ蓋Ｆの端面Ｆ１と第１の内輪２ａの端面２ｅとが相互に当接して車軸Ｓに外嵌固定され、当該後ろ蓋Ｆと当該第１の内輪２ａとが車軸Ｓとともに回転している。また、油切りＰの端面Ｐ１と第２の内輪２ｂの端面２ｆとが相互に当接して車軸Ｓに外嵌固定され、当該油切りＰと当該第２の内輪２ｂとが車軸Ｓとともに回転している。

また、本実施形態においては、位置決め部材(後ろ蓋Ｆ及び油切りＰ)の端面F1,P1及び当該端面F1,P1に当接する回転輪(内輪２(2a,2b))の端面2e,2fの各ロックウェル硬さのＣスケールに基づく硬度(ＨＲＣ硬度：以下、単に硬度という)の差が、２０ポイント以下に設定されている。この場合、上記当接する端面同士の硬度差を２０ポイント以下に設定するためには、互いに当接する後ろ蓋Ｆの端面Ｆ１と内輪２ａの端面２ｅのうち、より小さい方の硬度を大きい方の硬度の２０ポイント以内となるように上げればよい。同様に、互いに当接する油切りＰの端面Ｐ１と内輪２ｂの端面２ｆのうち、より小さい方の硬度を大きい方の硬度の２０ポイント以内となるように上げればよい。

なお、内輪2a,2b、後ろ蓋Ｆ及び油切りＰは、それぞれ任意の素材を材料として構成することができ、内輪2a,2b、後ろ蓋Ｆ及び油切りＰの各硬度は、その構成材料(組成)によって変動し、当該硬度の大小関係も当該構成材料によって変動する。
例えば、内輪2a,2bが軸受鋼、後ろ蓋Ｆ及び油切りＰが炭素鋼で構成されている場合、通常は、当該内輪2a,2bの硬度の方が、当該後ろ蓋Ｆ及び油切りＰの硬度よりも大きい。すなわち、内輪2a,2bの端面2e,2fの硬度の方が、これと当接する後ろ蓋Ｆの端面Ｆ１及び油切りＰの端面Ｐ１の硬度よりも大きい。したがって、この場合、当接する内輪２ａの端面２ｅの硬度に合わせて、後ろ蓋Ｆの端面Ｆ１の硬度を上げることで、両端面2e,F1の硬度差を２０ポイント以下となるように設定すればよい。また、当接する内輪２ｂの端面２ｆの硬度に合わせて、油切りＰの端面Ｐ１の硬度を上げることで、両端面2f,P1の硬度差を２０ポイント以下となるように設定すればよい。

この場合、後ろ蓋Ｆの端面Ｆ１及び油切りＰの端面Ｐ１の硬度をそれぞれ上げる(大きくする)ためには、例えば、後ろ蓋Ｆ及び油切りＰに対し、所定の熱処理を施し、焼入れを行えばよい。このような焼入れを行う際、後ろ蓋Ｆ及び油切りＰが含有する炭素量に応じて、焼入れ後の後ろ蓋Ｆの端面Ｆ１及び油切りＰの端面Ｐ１の硬度は、それぞれ変動する。このような変動を考慮し、さらには、焼入れ後の後ろ蓋Ｆの端面Ｆ１及び油切りＰの端面Ｐ１の硬度を、内輪2a,2bの端面2e,2fの硬度の２０ポイント以内に上げることを考慮すれば、後ろ蓋Ｆ及び油切りＰは、炭素含有量が０．３５％以上の炭素鋼で構成することが好ましい。

また、後ろ蓋Ｆ及び油切りＰに対して焼入れを行う場合、その方法としては、通常の焼入れ法の他、例えば、高周波焼入れ、浸炭焼入れ及びショットピーニングなど各種の方法を適用することができる。さらに、この場合、焼入れ時の各種の条件(加熱する方法、時間、温度及び速度、並びに冷却する方法、時間、温度及び速度等)などは、例えば、後ろ蓋Ｆ及び油切りＰの組成や焼入れ後の設定硬度などに応じて具体的に設定されるため、ここでは特に限定しない。

なお、内輪2a,2bと後ろ蓋Ｆ及び油切りＰは、相互に当接する端面同士の硬度差が２０ポイント以下となるように構成されていればよく、各当接端面同士の硬度の大小関係は、特に限定されない。例えば、内輪２ａの端面２ｅの硬度が後ろ蓋Ｆの端面Ｆ１の硬度より大きくてもよいし、逆に、後ろ蓋Ｆの端面Ｆ１の硬度が内輪２ａの端面２ｅの硬度より大きくてもよい。さらに、当該両端面2e,F1の硬度が同一(同一ポイント値)であってもよい。同様に、内輪２ｂの端面２ｆの硬度が油切りＰの端面Ｐ１の硬度より大きくてもよいし、逆に、内輪２ｂの端面２ｆの硬度が油切りＰの端面Ｐ１の硬度より大きくてもよい。さらに、当該両端面2f,P1の硬度が同一(同一ポイント値)であってもよい。なお、これらの各端面の硬度は、全て異なっていてもよいし、全てあるいはその一部が同一となっていてもよい。

また、上述した本実施形態においては、内輪２ａの端面２ｅ及び後ろ蓋Ｆの端面Ｆ１の硬度差を２０ポイント以下に設定し、内輪２ｂの端面２ｆ及び油切りＰの端面Ｐ１の硬度差を２０ポイント以下に設定したが、当該内輪２ａの端面２ｅ及び後ろ蓋Ｆの端面Ｆ１の硬度差のみ、若しくは当該内輪２ｂの端面２ｆ及び油切りＰの端面Ｐ１の硬度差のみを２０ポイント以下に設定してもよい。ただし、軸受装置において、後述するフレッチング摩耗を抑制、並びに防止する効果を最大限に発揮させるためには、上述した本実施形態のように、内輪２ａの端面２ｅ及び後ろ蓋Ｆの端面Ｆ１の硬度差、並びに内輪２ｂの端面２ｆ及び油切りＰの端面Ｐ１の硬度差をそれぞれ２０ポイント以下に設定することが好ましい。

さらに、図４に示す構成のように、第１の内輪２ａと第２の内輪２ｂとの間に内輪間座１４を介在させた場合、上述した内輪2a,2b、後ろ蓋Ｆ及び油切りＰの当接端面に加えて、内輪２ａの端面２ｃ及び内輪間座１４の端面１４ａの硬度差を２０ポイント以下に設定するとともに、内輪２ｂの端面２ｄ及び内輪間座１４の端面１４ｂの硬度差を２０ポイント以下に設定すればよい。

この場合、上記当接する端面同士の硬度差を２０ポイント以下に設定するためには、互いに当接する内輪間座１４の端面１４ａと内輪２ａの端面２ｃのうち、より小さい方の硬度を大きい方の硬度の２０ポイント以内となるように上げればよい。同様に、互いに当接する内輪間座１４の端面１４ｂと内輪２ｂの端面２ｄのうち、より小さい方の硬度を大きい方の硬度の２０ポイント以内となるように上げればよい。例えば、内輪間座１４の端面14a,14bの硬度を上げる(大きくする)ためには、一例として、上述した後ろ蓋Ｆ及び油切りＰの場合と同様に、内輪間座１４に対し、所定の熱処理を施し、焼入れを行えばよい。

ここで、以上のような構成を成す本実施形態に係る軸受装置は、鉄道車両の重量に相当する非常に大きな荷重(特に、ラジアル荷重)を負荷するため、上述した従来の鉄道車両用の軸受装置の場合と同様に、軸受装置に対して曲げモーメントがかかり、車軸Ｓが撓む場合がある。同様に、軸受装置に対して、鉄道車両の重量が車軸Ｓと直角方向(ラジアル方向)に負荷された場合(図１(ａ)の矢印Ｆｃ)、当該車軸Ｓの撓みは大きくなり、さらに、かかる撓みは、当該車軸Ｓの軸端Ｓｔへ向かうに従って大きくなる。

このように車軸Ｓが撓んだ場合、図１(ａ),(ｂ)に示す構成においては、内輪2a,2b、後ろ蓋Ｆ及び油切りＰがそれぞれラジアル方向へ変位し、図４に示す構成においては、これらに加えて、内輪間座１４もラジアル方向へ変位する。特に、車軸Ｓが大きく撓んだ場合、内輪２ｂ及び油切りＰ、あるいは内輪間座１４と比べ、内輪２ａ及び後ろ蓋Ｆがそれぞれ大きく変位する。
さらに、図１(ａ),(ｂ)に示す構成において、後ろ蓋Ｆは、その大径側内周面Ｆ４を車軸Ｓの外周面大径部Ｓ２に当接させるとともに、その内周中間部Ｆ６を当該車軸Ｓの外周面段差部Ｓ１に当接させて、当該車軸Ｓに外嵌固定されている。これに対し、内輪２ａは、その内周面２ｇを車軸Ｓの外周面小径部Ｓ３に当接させて、当該車軸Ｓに外嵌固定されている。このため、車軸Ｓが大きく撓んだ際における後ろ蓋Ｆと内輪２ａのそれぞれのラジアル方向への変位量は、後ろ蓋Ｆよりも内輪２ａの方が大きい。

例えば、図３に示すように、内輪２ａは、その端面２ｅの中心点Ｏ２が後ろ蓋Ｆの端面Ｆ１の中心点Ｏｆに対してδｒだけラジアル方向へずれるように、その位置が変位する(同図においては、中心点Ｏ２が中心点Ｏｆに対してδｒだけ下側にずれた状態を示す)。このように内輪２ａと後ろ蓋Ｆが、相互に当接する端面2e,F1の中心点O2,Ofがずれた状態で車軸Ｓとともに回転すると、当該内輪２ａの端面２ｅと当該後ろ蓋Ｆの端面Ｆ１との間には、周速差(内輪２ａ(端面２ｅ)の周速度＜後ろ蓋Ｆ(端面Ｆ１)の周速度)が生じ、当該両端面2e,F1には、常に一定の微小滑りが発生する。なお、角速度をω(rad/sec)とした場合、後ろ蓋Ｆの端面Ｆ１の周速度をｖ１とすると、ｖ１＝ｒωとなり、内輪２ａの端面２ｅの周速度をｖ２とすると、ｖ２＝(ｒ−δｒ)ωとなって、周速差Ｖ(Ｖ＝ｖ１−ｖ２)は、δｒωとなる。

ところで、上記微小滑りはその滑り量が小さいため、当該微小滑りによって内輪２ａの端面２ｅ及び後ろ蓋Ｆの端面Ｆ１において摩耗(フレッチング摩耗)が生じる場合、当該フレッチング摩耗はマイルド摩耗状態となり、これによって発生するフレッチング金属粉が酸化された状態となる。このように酸化されたフレッチング金属粉は、その硬度が内輪２ａの端面２ｅ及び後ろ蓋Ｆの端面Ｆ１の硬度よりも大きく、当該端面2e,F1において、アブレシブ摩耗を引き起こし、フレッチング摩耗をさらに進行させてしまう場合がある。
しかしながら、上述した本実施形態においては、後ろ蓋Ｆの端面Ｆ１及び当該端面Ｆ１に当接する内輪２ａの端面２ｅの硬度の差を２０ポイント以下に設定することで、当該後ろ蓋Ｆの端面Ｆ１及び当該内輪２ａの端面２ｅの耐摩耗性の向上、特に、端面Ｆ１の端面２ｅに対する耐摩耗性の向上を図ることができる。これにより、内輪２ａの端面２ｅと後ろ蓋Ｆの端面Ｆ１との間で、上述したような微小滑りが発生した場合であっても、当該両端面2e,F1において、フレッチング摩耗が発生することを有効に抑制することができるとともに、防止することができる。

その反面、後ろ蓋Ｆの端面Ｆ１及び内輪２ａの端面２ｅの硬度差が２０ポイントより大きい場合は、より硬度の大きな一方の端面(例えば、内輪２ａの端面２ｅ)が、他方の端面(例えば、後ろ蓋Ｆの端面Ｆ１)に食い込み、当該一方の端面が他方の端面を削ってしまうことがある。また、フレッチング金属粉がより硬度の小さな一方の端面(例えば、後ろ蓋Ｆの端面Ｆ１)に食い込み、他方の端面(例えば、内輪２ａの端面２ｅ)を削ってしまうことがある。すなわち、上述したフレッチング摩耗、ひいては、アブレシブ摩耗を引き起こすことにつながる。

したがって、本発明のように、油切りＰの端面Ｐ１及び当該端面Ｐ１に当接する内輪２ｂの端面２ｆの硬度の差を２０ポイント以下に設定することで、当該油切りＰの端面Ｐ１及び当該内輪２ｂの端面２ｆの耐摩耗性の向上、特に、端面Ｐ１の端面２ｆに対する耐摩耗性の向上を図ることができる。これにより、内輪２ｂの端面２ｆと油切りＰの端面Ｐ１との間で、上述したような微小滑りが発生した場合であっても、当該両端面2f,P1において、フレッチング摩耗が発生することを有効に抑制することができるとともに、防止することができる。

さらに、図４に示す構成においては、内輪間座１４の端面14a,14b及び当該端面14a,14bに当接する内輪2a,2bの端面2c,2dの硬度の差を２０ポイント以下に設定することで、当該内輪間座１４の端面14a,14b及び当該内輪2a,2bの端面2c,2dの耐摩耗性の向上、特に、端面14a,14bの端面2c,2dに対する耐摩耗性の向上を図ることができる。これにより、内輪2a,2bの端面2c,2dと内輪間座１４の端面14a,14bとの間で、上述したような微小滑りが発生した場合であっても、当該両端面2f,P1において、フレッチング摩耗が発生することを有効に抑制することができるとともに、防止することができる。

ここで、本実施形態に係る軸受装置における内輪２(内輪2a,2b)、後ろ蓋Ｆ及び油切りＰ、あるいは内輪間座１４に対するフレッチング摩耗防止効果について試験を行い、検証した。当該試験内容及び試験結果について、以下、説明する。

当該試験においては、図５に示すような試験装置を用いて、所定の大きさの環状を成して構成された２つの部材を試料として用いた。このうち、１つは、内輪２に相当する部材(テストリングＴｒ)とし、もう１つは、後ろ蓋Ｆ及び油切りＰ、あるいは内輪間座１４に相当する部材(テストピースＴｐ)とした。試験に当たっては、まず、テストリングＴｒ及びテストピースＴｐをその一端面r1,p1同士が相互に当接するように配置し、次いで、当該当接端面r1,p1に対して、所定の大きさの荷重Ｔｆを負荷して面圧を加えるとともに、所定の回転滑りを発生させた状態で、当該テストリングＴｒ及び当該テストピースＴｐを所定速度で、所定時間だけ回転させた。そして、試験終了後のテストピースＴｐの当接端面ｐ１における摩耗量を測定した。

なお、図５に示す試験装置においては、一例として、テストリングＴｒは、回転軸Ｔｓに係合固定されており、テストピースＴｐは、回転軸Ｔｓに係合固定された取付台Ｔｔの上に、その端面ｐ１が当該テストリングＴｒの端面ｒ１と当接可能な所定位置へ取り付けられている。これにより、テストリングＴｒ及びテストピースＴｐは、回転軸Ｔｓとともに回転するように構成されている。
また、試験中は、弾性体(コイルばね)Ｔｃの弾性力によって、回転軸Ｔｓを介して所定の大きさの荷重Ｔｆを加えることで、テストリングＴｒ及びテストピースＴｐの当接端面r1,p1に対して面圧を加えた。

具体的には、テストリングＴｒの端面ｒ１との硬度差が略１０ポイント、４０ポイント及び６０ポイントとなるように、その端面ｐ１の硬度をそれぞれ設定した３種類のテストピースＴｐを上述した試験装置に取り付け、それぞれ所定個数のテストピースＴｐに対して試験を行い、試験後の各テストピースＴｐの端面ｐ１の摩耗量を測定した。なお、本発明に係る後ろ蓋Ｆ及び油切りＰ、あるいは内輪間座１４に相当するテストピースＴｐとしては、炭素含有量が０．３５％以上の炭素鋼で構成された試料を適用し、かかる試料に対して、高周波焼入れを施したものを使用した。

図６(ａ)には、上述した試験の結果が示されている。図６(ａ)から明らかなように、テストリングＴｒ及びテストピースＴｐの当接端面r1,p1の硬度差が小さくなるに従って、当該テストピースＴｐの端面ｐ１の摩耗量は減少した。この場合、当該硬度差を略２０ポイントに設定した場合、当該硬度差が６０ポイントのテストピースＴｐの端面ｐ１の摩耗量(４０μｍ)と比較して、約３７％、４０ポイントのテストピースＴｐの端面ｐ１の摩耗量(３０μｍ)と比較して、約５０％の摩耗量(１５μｍ)となった。特に、当該硬度差を１０ポイント以下に設定した場合、６０ポイント及び４０ポイントのテストピースＴｐの端面ｐ１の摩耗量と比較して、それぞれ２５％以下及び３０％以下の摩耗量(１０μｍ)となり、そのフレッチング摩耗防止効果が非常に高いことが確認できた。

このように、テストリングＴｒ及びテストピースＴｐの当接端面r1,p1の硬度差を２０ポイント以下とすること、すなわち、軸受装置における内輪２ａ及び後ろ蓋Ｆの当接端面2e,F1の硬度差を２０ポイント以下、さらには１０ポイント以下とすることで、当該端面2e,F1におけるフレッチング摩耗に対して、優れた防止効果が得られることが確認できた。同様に、軸受装置における内輪２ｂ及び油切りＰの当接端面2f,P1の硬度差、並びに内輪2a,2b及び内輪間座１４の当接端面2c,2d,14a,14bの硬度差をそれぞれ２０ポイント以下、さらには１０ポイント以下とすることで、当該各端面2f,P1,2c,2d,14a,14bにおけるフレッチング摩耗に対して、優れた防止効果が得られることが確認できた。

ここで、実際の軸受装置(一例として、図１(ａ)に相当する鉄道車両用の軸受装置)におけるフレッチング摩耗防止効果について、当該軸受装置に組み込んだ内輪２ａ及び後ろ蓋Ｆに対するフレッチング摩耗の発生量を測定する試験を行うことで実証した。当該試験においては、２種類の軸受装置を用意し、一方を本願発明品に相当する軸受装置(以下、本件軸受装置という)として、内輪２ａ及び後ろ蓋Ｆの当接端面2e,F1の硬度差を１０ポイント以下に設定し、他方を従来品に相当する軸受装置(以下、従来軸受装置という)として、かかる硬度差を４０〜４５ポイント程度に設定した。そして、上述した本件軸受装置(４セット)、並びに従来軸受装置(３セット)を、それぞれ鉄道車両が８０万ｋｍ〜１２０万ｋｍ走行した場合に相当するだけ回転させ、試験後における内輪２ａ及び後ろ蓋Ｆの当接端面2e,F1に生じた相対的なフレッチング摩耗の量を各軸受装置(本件軸受装置及び従来軸受装置)に対してそれぞれ測定した。

図７には、かかる試験の結果が示されており、同図から明らかなようにフレッチング摩耗量は、内輪２ａ及び後ろ蓋Ｆの当接端面2e,F1の硬度差を４０〜４５ポイント程度に設定した従来軸受装置の場合、１４μｍ〜２２μｍ程度であったのに対し、かかる硬度差を１０ポイント以下に設定した本件軸受装置の場合、３μｍ〜８μｍ程度に抑制された。すなわち、本件軸受装置においては、摩耗量が従来軸受装置の２０％〜３７％程度に抑制可能であり、そのフレッチング摩耗防止効果が非常に高いことが実証できた。

ところで、軸受装置の後ろ蓋Ｆ及び油切りＰ、あるいは内輪間座１４には、防錆効果を高めるため、通常、その表面に対して所定の被膜を形成する表面処理(例えば、リン酸マンガン塩被膜処理など)を施している。この場合、被膜形成処理後の表面が粗くなることがないように、当該処理を施す前にその表面を滑らかにしておくことが好ましい。そこで、後ろ蓋Ｆ及び油切りＰ、あるいは内輪間座１４に相当するテストピースＴｐに対し、被膜形成処理(一例として、リン酸マンガン塩被膜処理)を施す前の事前処理として、その表面粗さを小さくする、すなわち、その表面を滑面状にするための処理を施した上で、当該被膜形成処理(リン酸マンガン塩被膜処理)を施した。そして、その表面の算術平均粗さ(Ｒａ)を略０．３μｍＲａ〜３．５μｍＲａの範囲の所定値に設定したテストピースＴｐに対しても、上述と同様の試験を実施し、テストリングＴｒの端面Ｒ１と当接するテストピースＴｐの端面ｐ１の摩耗量を測定した。

図６(ｂ)には、かかる試験の結果が示されている。図６(ｂ)から明らかなように、テストピースＴｐの端面ｐ１の粗さが小さくなるに従って、すなわち、端面ｐ１が滑面状になるに従って、当該テストピースＴｐの端面ｐ１の摩耗量は減少した。この場合、テストピースＴｐの端面ｐ１の粗さを２．０μｍＲａに設定した場合、当該粗さが３．５μｍＲａのテストピースＴｐの端面ｐ１の摩耗量(３５μｍ)と比較して、約７０％の摩耗量(２５μｍ)となった。特に、当該端面ｐ１の粗さを１．０μｍＲａ以下に設定した場合、３．５μｍＲａのテストピースＴｐの端面ｐ１の摩耗量と比較して、５７％以下の摩耗量(２０μｍ)となり、そのフレッチング摩耗防止効果が非常に高いことが確認できた。

このように、テストピースＴｐの端面ｐ１の粗さを１．０μｍＲａ以下とすること、すなわち、軸受装置における後ろ蓋Ｆの端面ｆ１の粗さを１．０μｍＲａ以下とすることで、当該端面ｆ１におけるフレッチング摩耗に対して、優れた防止効果が得られることが確認できた。同様に、軸受装置における油切りＰの端面Ｐ１の粗さ、並びに内輪間座１４の端面14a,14bの粗さをそれぞれ１．０μｍＲａ以下とすることで、当該各端面P1,14a,14bにおけるフレッチング摩耗に対して、優れた防止効果が得られることが確認できた。

なお、上述した本実施形態においては、軸受装置を構成する転がり軸受Ａの形式として、内部が密封された円すいころ軸受を適用した場合を想定して説明したが、かかる軸受形式は、特に上述した本実施形態に限定されない。例えば、転がり軸受Ａとして、円筒ころ軸受、自動調心ころ軸受、球面ころ(たる形ころ)軸受、あるいは玉軸受など各種形式の軸受を適用することができる。また、この場合、軸受内部の密封手段の有無も特に限定されず、上述した本実施形態のように、その内部が密封された軸受であってもよいし、その内部が密封されていない軸受であってもよい。

(ａ)は、本発明の一実施形態に係る鉄道車両用軸受装置の構成例を示す断面図、(ｂ)は、同図(ａ)の要部拡大断面図。 本発明の一実施形態に係る鉄道車両用軸受装置の後ろ蓋の全体構成例を示す斜視図。 車軸の撓み時における内輪と後ろ蓋との変位量及び微小滑りを説明するための図。 第１の内輪と第２の内輪との間に内輪間座を介在させた鉄道車両用軸受装置の構成例を示す要部拡大断面図。 本発明の一実施形態に係る鉄道車両用軸受装置のフレッチング摩耗防止効果を検証するための試験装置の全体構成例を示す斜視図。 本発明の一実施形態に係る鉄道車両用軸受装置のフレッチング摩耗防止効果の検証試験結果を示す図であって、(ａ)は、テストリングとテストピースとの硬度差に対する当該テストピースの当接面の摩耗量の関係を示す図、(ｂ)は、テストピースの表面粗さに対する当該テストピースの当接面の摩耗量の関係を示す図。 本発明の一実施形態に係る鉄道車両用軸受装置のフレッチング摩耗防止効果について、実際の鉄道車両用軸受装置を用いて比較検証した試験結果を示す図。

符号の説明

２（２ａ，２ｂ） 回転輪(内輪)
２ｅ，２ｆ 内輪端面
４ 静止輪(外輪)
６ａ，６ｂ 転動体(ころ)
Ａ 転がり軸受
Ｆ 位置決め部材(後ろ蓋)
Ｆ１ 後ろ蓋端面
Ｐ 位置決め部材(油切り)
Ｐ１ 油切り端面
Ｓ 車軸

Claims (2)

1. 各種車両の車軸を回転自在に軸支し、複数の転動体を介して相対回転可能に対向配置された静止輪及び回転輪を有する転がり軸受と、回転輪を軸方向に位置決めするための環状の位置決め部材とを具備する車両用軸受装置であって、
   位置決め部材と回転輪とは、対向する軸方向の端面同士が相互に当接し、車軸とともに回転可能に配置されており、当該位置決め部材の端面及び当該端面に当接する回転輪の端面の各ロックウェル硬さのＣスケールに基づく硬度の差が、２０ポイント以下に設定されていることを特徴とする車両用軸受装置。
2. 位置決め部材は、後ろ蓋、油切り及び間座のうちの少なくとも１つであることを特徴とする請求項１に記載の車両用軸受装置。

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