JP2008164058A

JP2008164058A - 転がり部材

Info

Publication number: JP2008164058A
Application number: JP2006354171A
Authority: JP
Inventors: Hiroki Fujiwara; 宏樹藤原; Takatsugu Furubayashi; 卓嗣古林
Original assignee: NTN Corp; NTN Toyo Bearing Co Ltd
Current assignee: NTN Corp
Priority date: 2006-12-28
Filing date: 2006-12-28
Publication date: 2008-07-17

Abstract

【課題】頻繁に起動停止する稼動条件や揺動運動、あるいは低速かつ高荷重といった、接触部への外部からの潤滑油の供給が期待できない稼動条件においても、接触部を潤滑油で分離することが可能な転がり部材を提供する。
【解決手段】転がり部材の転がり接触部に、潤滑油の存在により動圧作用を発生させる微小な多数の動圧溝５を有する動圧発生面を形成し、この動圧発生面に、上記動圧溝５の深さよりも深い潤滑油貯留ポケット４を点在させ、表面に固体潤滑皮膜７を設けることにより、相対運動の開始時に、熱膨張によって深い潤滑油貯留ポケット４から動圧溝５に潤滑油が吐出されるようにし、十分な油膜が形成されない速度であっても流体潤滑状態を維持することができるようにし、表面の固体潤滑皮膜７によって、潤滑油膜が破断した状態の摩耗を防止した。
【選択図】図２

Description

この発明は、転がりを主体とする相対運動によって摩擦低減を実現する転がり軸受などの機械要素に関し、特に、頻繁に起動停止する稼動条件や揺動運動、あるいは低速かつ高荷重といった稼動条件に好適な転がり部材に関するものである。

転がり軸受などの転がり部材における転がり接触部では、物体の相対運動によって物体間に介在する流体に動圧効果を発生させて流体潤滑状態とすることにより、物体の直接的な接触を防止して摩擦、摩耗を低減することができる。

ところが、潤滑油が少量の場合や速度が低い場合には、動圧効果が小さく潤滑油膜が形成されないため、固体接触を生じる危険がある。特に近年は低トルク化のため、低粘度の潤滑油が用いられており、また、外部から供給される潤滑油量も減少している。このため、固体接触状態となる可能性はより一層高くなっている。

従来、接触部近傍の潤滑油量が不足していても、接触部の表面が潤滑油を保持していれば潤滑可能であるから、表面に微細な凹部を多数設けて、この凹部内に潤滑油を保持しようとする技術が特許文献１に開示されている。この技術によって、低速時の境界潤滑性能を向上させることが可能である。

一方、すべり軸受においては、摺動面に油膜厚さ程度の深さの溝を多数形成することによって潤滑性能を向上させる技術が一般的に用いられている。これは、摺動面の深さが溝の存在によって変化するために流体力学的な動圧作用が発生することを利用している。この効果を転がり軸受に適用した例が特許文献２に開示されている。この特許文献２に開示の技術は、相対的に小さい荷重が加わる部位において、すべりが生じる転動体を動圧作用による圧力で軌道輪に押し付け、すべりを防ごうとするものである。ただし、この特許文献２の技術においては、一般の動圧軸受と同様に、接触部には十分な潤滑油が接触部の外部から供給されることが前提となっている。

また、高面圧を支持するスラスト平面すべり軸受に深い凹部を設けた例が非特許文献１に開示されている。これは熱膨張に伴う凹部からの潤滑油の吐出によって、境界潤滑性能を向上させようとするものである。ただし、この技術は流体力学的な動圧効果の発生を目的としたものではない。

特開平０２‐１６８０２１号公報特開２００６‐１０５３６１号公報 H.Kotera、A.Mori、 N.Tagawa、PROPOSAL OF A SEIZURE PREVENTING METHOD IN HEAVILY LOADED SLIDING PAIRS、Synopses of the International Tribology Conference Kobe、 2005、 D-04

ところで、流体力学的な動圧作用は、流体の粘度、接触面の速度、接触面のくさび形状によって発生する。通常の転がり接触では、部材の接触部は必然的にくさび形状になっているので、一定以上の粘度と速度を与えれば、油膜が形成され、接触面は分離する。

しかしながら、低速での動圧作用を増加させようとするときは、流体の粘度の制御は困難であるから、くさび形状を改善する必要がある。すなわち、マクロな形状によるくさび形状のほかに、ミクロなくさび形状を表面に設けることにより、低速での動圧作用を増加させることが考えられる。

転がり軸受においては、特許文献２の技術とは目的が異なるものの、動圧作用を発生する浅い凹部を設けることで、低速での油膜形成性が向上すると考えられる。しかし、低速の場合、接触部への外部からの潤滑油の供給は期待できない。

また、特許文献１の方法において、浅い凹部に保持した潤滑油のみでは、流体潤滑性能を向上させることはできない。

そこで、この発明は、頻繁に起動停止する稼動条件や揺動運動、あるいは低速かつ高荷重といった、接触部への外部からの潤滑油の供給が期待できない稼動条件においても、接触部を潤滑油で分離することが可能な転がり部材を提供しようとするものである。

この発明は、転がり部材の転がり接触部に、潤滑油の存在により動圧作用を発生させる微小な多数の動圧溝を有する動圧発生面を形成し、この動圧発生面に、上記動圧溝の深さよりも深い潤滑油貯留ポケットを点在させ、上記動圧発生面及び潤滑油貯留ポケットの表面のうち、少なくとも動圧発生面の丘部の表面に、固体潤滑皮膜を設けたのである。この固体潤滑皮膜としては、ＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン「潤滑性硬質皮膜」）、軟質金属メッキ（銅合金、アルミ合金、Zn合金等）、ＭｏＳ_２皮膜などがある。

この発明の転がり部材は、例えば、速度が小さく、外部から接触部に流入する潤滑油量が少量であるという条件下、すなわち、動圧作用を発生させる微小な多数の動圧溝に十分な潤滑油がないような条件下においても、相対運動の開始時には、深い潤滑油貯留ポケット内に貯留した潤滑油が、熱膨張によって接触表面に吐出されるので、微小な多数の動圧溝に潤滑油が供給されて動圧作用による油膜が形成されやすい。したがって、十分な油膜が形成されない速度であっても流体潤滑状態を維持することができ、接触部を潤滑油で分離できる。
また、油膜形成が本質的に困難な極低速の場合においては、流体潤滑ほどの良好な潤滑性は期待できないが、摩擦熱による熱膨張で主に潤滑油貯留ポケットから表面に吐出された油による境界潤滑性により、固体接触を防ぎ表面損傷を防止することができる。また、表面の潤滑油の油膜の一部が、破断して転がり部材相互が接触しても、転がり部材の接触面に固体潤滑皮膜を設けることにより、転がり部材の表面の損傷を防止できる。

以上のように、この発明に係る転がり部材は、転がり接触部に、潤滑油の存在により動圧作用を発生させる微小な多数の動圧溝を有する動圧発生面を形成し、この動圧発生面に、動圧溝よりも深い潤滑油貯留ポケットを点在させているので、深い潤滑油貯留ポケットからの潤滑油の供給と浅い微小な多数の動圧溝の動圧作用によって、低速の場合であっても十分な潤滑油膜を形成することができ、接触部の直接接触を防止することができる。また、極低速でも境界潤滑作用で表面損傷を防ぐことができる。さらに、表面に固体潤滑皮膜を設けることにより、潤滑油膜が破断した状態でも、摩耗を低減することができる。

図１に、この発明を円筒ころ軸受１のころ２に適用した例を示している。
上記ころ２の転動面３は、図２又は図３に拡大して示すように、潤滑油の存在により動圧作用を発生させる微小な多数の動圧溝５を有する動圧発生面に形成され、この動圧発生面に、上記動圧溝５の深さよりも深い潤滑油貯留ポケット４を点在させている。図２又は図３では、潤滑油貯留ポケット４を黒丸で表現している。

この図２又は図３の例では、上記浅い動圧溝５を、ころ２の転動面３の全面に、潤滑油の流れ方向に直行するように均等に配置している。また、図２又は図３では、動圧溝５と動圧溝５の間に、潤滑油貯留ポケット４を配置したが、動圧溝５と潤滑油貯留ポケット４の互いの位置関係は任意である。
例えば、深い潤滑油貯留ポケットは、図２に示すように、ころ２の転がりすべり方向（図２の矢印の方向）に、所定間隔で平行に並ぶように点在させてもよいし、図３に示すように、ころ２の転がりすべり方向（図３の矢印の方向）に、所定間隔で千鳥状に点在させてもよい。深い潤滑油貯留ポケット４から吐出された潤滑油６は、ころの転がり運動に伴って、進行方向の後方に移動するので、図２の例のように、潤滑油貯留ポケット４を所定間隔で平行に並ぶように配置すると、潤滑油の表面への分布が、図２に一点鎖線で示すように、平行な筋状になる。また、図３の例のように潤滑油貯留ポケット４を千鳥状に配置すると、図２の例の場合よりも、図３に一点鎖線で示すように、潤滑油６の表面への筋状の分布が概ね倍増する。

また、図２又は図３の例では、潤滑油貯留ポケット４の開口面の形状はすべて円形としたが、楕円や多角形などであってもよい。

次に、動圧溝５の穴の断面形状、即ち、穴の底面は、表面に平行である必要はなく、傾斜していてもよい。ただし、流体の流れる方向に深くなる方向に傾斜している場合には動圧作用が減少するため、図４及び図５に示すように、少なくとも流体の流れる方向（図４及び図５の矢印の方向）に浅くなるように傾斜していることが望ましい。特に、図５のように、穴の片側の肩がないような形状であれば、起動停止時の摩耗を低減することができる。

次に、図４（ａ）及び図５（ａ）は、動圧溝５を有する動圧発生面の最表面、即ち、動圧発生面に形成される丘部の表面のみに、固体潤滑皮膜７を形成している。この図４（ａ）及び図５（ａ）の例のように、最表面、即ち丘部の表面のみに固体潤滑皮膜７を形成し、潤滑油貯留ポケット４並びに動圧溝５の内面の丘部と丘部との間の溝及び穴内部に、固体潤滑皮膜７を形成しないようにするには、表面処理を施した後で、溝加工及び穴加工すればよい。
図４（ｂ）及び図５（ｂ）は、固体潤滑皮膜７を丘部と丘部との間の溝及び穴の内部にまで形成している。この図４（ｂ）及び図５（ｂ）の例のように、溝及び穴の内部にまで固体潤滑皮膜７を形成するには、溝加工及び穴加工の後に、表面処理を施せばよい。この固体潤滑皮膜７は、潤滑油膜が破断した状態における摩耗を低減するために施すということからすると、穴内部の表面処理は必ずしも必要ではない。

次に、動圧溝５よりも深い潤滑油貯留ポケット４は、潤滑油を貯留することを目的としているので、その体積は大きいほどよい。しかしながら、その開口部では潤滑油に荷重支持に寄与するような動圧は発生しないので、開口部面積は小さい方が望ましい。したがって、潤滑油貯留ポケット４は、小径であって、深穴とする。現在の量産可能な加工技術水準を勘案すれば、直径２０〜８０μｍ、深さ５０〜１００μｍ程度といった大きさとなる。

一方、動圧溝５は、微小な接触領域での動圧の発生を目的としているので、接触部の面積に対して比較的小さく、接触面内に多数あることが望ましい。したがって、転がり軸受に代表される通常の転がり接触機械要素を想定して、溝幅は２０〜５０μｍ以下とする。潤滑油が十分に存在する状態で使用される通常の動圧軸受であれば、動圧作用を効果的に発生させる溝の深さは、油膜厚さ程度の深さであるが、この発明においては、十分な油膜厚さとなっていない運転条件での動圧効果を期待しており、一般的な転がり軸受の場合、十分な油膜が発生した状態であっても油膜厚さは高々数μｍであるから、この浅い動圧溝５の深さは０．１〜１μｍ程度とする。動圧溝５の底面は必ずしも平坦である必要はないが、肩部はできる限りだれていないほうがよい。

転がり軸受は、運転開始や揺動運動の死点では回転速度は０となり、徐々に所定の、あるいは最大回転速度に達する。速度が０から運動を開始した直後には、外部から潤滑油が供給されず、さらに接触面の速度も低いために油膜が形成されず、固体同士が接触している。接触した状態で運動を継続すると、高摩擦のために熱が発生し、接触面の凹部に保持された潤滑油は膨張する。動圧溝５に保持された潤滑油も接触表面に排出され、潤滑に寄与すると考えられるが、深い潤滑油貯留ポケット４にあっては、固体と潤滑油の熱膨張差によって比較的多量の潤滑油が接触表面に吐出されることになる。

転がり接触部の潤滑油が極めて微量の場合には、動圧溝５において動圧作用を発生させることはできないが、この発明では、深い潤滑油貯留ポケット４から吐出された潤滑油によって、動圧溝５に潤滑油が補充され、転がり接触部に動圧作用による油膜が形成されやすく、接触面が油膜によって分離する。
したがって、この発明によると、速度が小さい運転条件でも接触面の固体接触が防止され、流体潤滑状態を維持することができる。

また、油膜形成が本質的に困難な極低速の場合には、摩擦熱による熱膨張で主に深い潤滑油貯留ポケット４から表面に吐出された油による境界潤滑性により、固体接触が防止される。また、表面の潤滑油の油膜の一部が、破断して転がり部材相互が接触しても、転がり部材の接触面に固体潤滑皮膜を設けることにより、転がり部材の表面の損傷を防止できる。

次に、深い潤滑油貯留ポケット４に貯留された潤滑油は、主に接触面の発熱に起因した熱膨張によって吐出されるが、接触面の発熱によって、ころの部材も熱膨張し、潤滑油貯留ポケット４の容積も増加するので、潤滑油の吐出量は、潤滑油貯留ポケット４に貯留された潤滑油の体積の膨張分と潤滑油貯留ポケット４の容積の増加分との差となる。
したがって、通常の転がり軸受に使用される鋼の線膨張係数は約１２×１０^−６Ｋ^−１であるのに対して、窒化珪素の熱膨張係数は約３×１０^−６Ｋ^−１であり、上記のように、ころの材料の熱膨張係数が小さいほど、潤滑油の吐出効果が高いといえるので、ころをセラミック、特に窒化珪素で形成した場合、潤滑油の吐出が有利になる。

以上の実施例は、円筒ころ軸受のころの転動面にこの発明を適用した例を示したが、内輪、外輪あるいはころ端面やつば面に適用してもよく、その他、転がりすべり運動するあらゆる機械要素の転がり接触部に適用できる。また、以上の実施例では転がり方向に対して直交する方向の溝としたが、溝の方向は、接触部の形状等に応じて任意に定めることができる。

この発明を円筒ころ軸受のころに適用した例を示す概念図である。この発明に係る転がり部材の転がり接触部に形成する潤滑油貯留ポケット４と動圧溝５の配置例を示す拡大平面図である。この発明に係る転がり部材の転がり接触部に形成する潤滑油貯留ポケット４と動圧溝５の配置例を示す拡大平面図である。この発明に係る転がり部材の転がり接触部に形成した潤滑油貯留ポケット４と動圧溝５の断面形状の一例を図１のＡ−Ａ線の方向で切断して示す縦断面図であり、（ａ）は最表面のみに固体潤滑皮膜７を形成した例、（ｂ）は溝及び穴内部にも固体潤滑皮膜７を形成した例である。この発明に係る転がり部材の転がり接触部に形成した潤滑油貯留ポケット４と動圧溝５の断面形状の他の例を図１のＡ−Ａ線の方向で切断して示す縦断面図であり、（ａ）は最表面のみに固体潤滑皮膜７を形成した例、（ｂ）は溝及び穴内部にも固体潤滑皮膜７を形成した例である。

符号の説明

１円筒ころ軸受
２ころ
３転動面
４潤滑油貯留ポケット
５動圧溝
６潤滑油
７固体潤滑皮膜

Claims

転がり接触部に、潤滑油の存在により動圧作用を発生させる微小な多数の動圧溝を有する動圧発生面を形成し、この動圧発生面に、上記動圧溝の深さよりも深い潤滑油貯留ポケットを点在させ、上記動圧発生面及び潤滑油貯留ポケットの表面のうち、少なくとも動圧発生面の丘部に、固体潤滑皮膜を設けたことを特徴とする転がり部材。
上記固体潤滑皮膜は、ＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン「潤滑性硬質皮膜」）、軟質金属メッキ、ＭｏＳ_２皮膜などである請求項１記載の転がり部材。
動圧発生面に形成された深い潤滑油貯留ポケットが、転がり方向に千鳥状に配置されている請求項１又は２記載の転がり部材。
上記動圧溝の底面が、転がり方向に向かって浅くなるように傾斜する請求項１〜３のいずれかに記載の転がり部材。
上記動圧溝並びに潤滑油貯留ポケットを形成する部材が、窒化珪素などのセラミックで形成されている請求項１〜４のいずれかに記載の転がり部材。