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Abstract
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。 The present invention relates to a mechanical element such as a rolling bearing that realizes friction reduction by a relative motion mainly composed of rolling, and is particularly suitable for operating conditions such as frequent start and stop, swinging motion, or operating conditions such as low speed and high load. The present invention relates to a rolling member.
転がり軸受などの転がり部材における転がり/すべり接触部では、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。 In the rolling / sliding contact part of a rolling member such as a rolling bearing, a direct fluid contact is prevented by generating a dynamic pressure effect on the fluid interposed between the objects by the relative movement of the objects to achieve a fluid lubrication state. Friction and wear can be reduced.
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。 However, when the amount of lubricating oil is small or when the speed is low, the dynamic pressure effect is small and the lubricating oil film is not formed, and there is a risk of causing solid contact. Particularly in recent years, low-viscosity lubricating oil has been used to reduce torque, and the amount of lubricating oil supplied from the outside has also decreased. For this reason, the possibility of becoming a solid contact state is further increased.
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。 Conventionally, even if the amount of lubricating oil in the vicinity of the contact portion is insufficient, lubrication is possible as long as the surface of the contact portion retains the lubricating oil. A technique for retaining oil is disclosed in Patent Document 1. This technique can improve boundary lubrication performance at low speeds.
また、境界潤滑性能の向上を目的とした別の技術が特許文献2に開示されている。この技術は、短パルスレーザによって表面に微細な凹凸形状を作成し、凸部が軽微な摩耗を生じた際の新生面に潤滑油を吸着させ、接触面に潤滑油を供給するというものである。
Another technique for improving boundary lubrication performance is disclosed in
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3に開示されている。この特許文献3に開示の技術は、軽荷重となるために、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。
On the other hand, in a plain bearing, a technique is generally used in which lubricating performance is improved by forming a number of grooves having a depth of about the oil film thickness on a sliding surface. This utilizes the fact that a hydrodynamic dynamic pressure action occurs because the depth of the sliding surface changes due to the presence of the groove. An example in which this effect is applied to a rolling bearing is disclosed in
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。 Further, Non-Patent Document 1 discloses an example in which a deep concave portion is provided in a thrust flat plain bearing that supports high surface pressure. This is intended to improve the boundary lubrication performance by discharging the lubricating oil from the recess accompanying thermal expansion. However, this technique is not intended to generate hydrodynamic dynamic pressure effects.
従来の技術では、接触面に多数の溝を設けることによって、動圧作用や潤滑油の保持効果を発生させ、潤滑性能を向上させようとしている。
しかしながら、溝の長さが長くなると、潤滑油が溝に沿って接触領域外に流れてしまうため、動圧作用や潤滑油の保持効果を十分に得ることができず、期待するような潤滑性能の向上が見られない場合がある。
In the prior art, by providing a large number of grooves on the contact surface, a dynamic pressure action and a lubricating oil retaining effect are generated to improve the lubricating performance.
However, if the length of the groove is increased, the lubricating oil flows out of the contact area along the groove, so that sufficient dynamic pressure action and lubricating oil retention effect cannot be obtained, and the expected lubrication performance. Improvement may not be seen.
そこで、この発明は、転がり接触する接触部の潤滑性能の向上を図ることを目的とする。 Accordingly, an object of the present invention is to improve the lubrication performance of a contact portion that makes rolling contact.
この発明は、転がり接触する部材の接触領域の一方に、接触領域の転がり方向に対して直行する方向の幅に相当する長さの溝を転がり方向に沿って並べたものである。 According to the present invention, grooves having a length corresponding to the width in a direction perpendicular to the rolling direction of the contact area are arranged in one of the contact areas of the members that are in rolling contact along the rolling direction.
図1及び図2には、転がり運動する部材1の接触部に溝2(y方向)を設けている。溝2は、相対的に転がり運動する部材に設け、その方向は転がり方向(x方向)と直行するように設けられている。この溝2の長さは、図1に示すように、転がり接触する部材の接触領域の幅に相当する有限長さに形成されている。この溝2は、図2に示すように、接触領域の中央部で2列に分けて設けるようにしてもよい。図2のように、溝2を、中央部で2列に分割すると、油膜厚さが薄くなって固体接触を起こし易い接触領域の端部に、潤滑油がより効果的に補給される。図1及び図2において、z方向は、接触部に生じる動圧方向を示している。
In FIG.1 and FIG.2, the groove | channel 2 (y direction) is provided in the contact part of the member 1 which rolls. The
上記転がり方向に沿って並ぶ溝2の間に、溝2よりも深い潤滑油貯留ポケットを設けると、深い潤滑油貯留ポケットから潤滑油がより効果的に補給されやすくなる。
If a lubricating oil storage pocket deeper than the
この発明を適用することができる転がり部材としては、玉と軌道輪を有するラジアル玉軸受、玉と軌道盤を有するスラスト玉軸受、ころと軌道盤を有するスラストころ軸受などがある。 Examples of rolling members to which the present invention can be applied include radial ball bearings having balls and raceways, thrust ball bearings having balls and raceways, and thrust roller bearings having rollers and raceways.
上記転がり方向に沿って並ぶ溝を加工する方法としては、例えば、エッチングがある。エッチングは、加工を必要としない部分を保護するため、マスクが必要となるが、金属表面にサブミクロンオーダーの深さを持つ多数の溝を一度の処理で形成することができる。また、レーザ加工でもNC制御を用いれば、マスク等を作製することなく、0.1μm以下の深さの溝を加工することができる。 As a method of processing the grooves arranged along the rolling direction, for example, there is etching. Etching requires a mask to protect portions that do not require processing, but a large number of grooves having submicron-order depths can be formed on the metal surface in a single process. Further, if NC control is used in laser processing, a groove having a depth of 0.1 μm or less can be processed without producing a mask or the like.
以上のように、この発明に係る転がり部材は、接触部の潤滑油が不足しても、接触部の接触領域の幅に相当する有限長さの溝により、潤滑油による動圧作用が発生しやすく、接触部を潤滑油で分離できるので、耐摩耗性・摩擦特性が向上する。 As described above, in the rolling member according to the present invention, even when the lubricating oil in the contact portion is insufficient, the dynamic pressure action by the lubricating oil is generated by the groove having a finite length corresponding to the width of the contact area of the contact portion. It is easy and the contact part can be separated with lubricating oil, improving wear resistance and friction characteristics.
図3は、この発明を、内輪3と外輪4の間に、玉5を入れた深溝玉軸受に適用した例を示している。
この図3の例では、玉5が、内輪3と外輪4に接触する領域、即ち、図3に符号6で示した接触楕円の長軸の長さに相当する長さの溝2を、内輪3と外輪4の両方に設けているが、より潤滑状態の厳しい内輪3にのみ設けるようにしてもよい。
FIG. 3 shows an example in which the present invention is applied to a deep groove ball bearing in which a
In the example of FIG. 3, a
次に、図4は、この発明を、玉5と内輪3・外輪4の接触角が0でないアンギュラ玉軸受に適用した例を示している。
アンギュラ玉軸受では、接触角が決まっているため、接触楕円6の位置が軌道内部でおおよそ定まっているので、この発明をより一層適用しやすい。そして、使用時に想定される最大の荷重から接触楕円6の大きさが求められるので、その接触楕円6の長軸の長さに相当する溝2を設ければよい。この溝2は、内輪3と外輪4の両方に設けているが、より潤滑状態の厳しい内輪3にのみ設けるようにしてもよい。
Next, FIG. 4 shows an example in which the present invention is applied to an angular ball bearing in which the contact angle between the
In the angular ball bearing, since the contact angle is determined, the position of the
図5及び図6は、この発明を、一組の軌道盤7の間に、保持器8付きの玉5を配したスラスト玉軸受に適用した例を示している。
この図5及び図6の例では、玉5が、軌道盤7と接触する領域、即ち、図5に符号6で示した接触楕円の長軸の長さに相当する長さの溝2を、軌道盤7に設けている。転がり方向に沿って並ぶ溝2の方向は、玉5の自転軸方向に一致するように設けられている。
5 and 6 show an example in which the present invention is applied to a thrust ball bearing in which a
In the example of FIGS. 5 and 6, the region where the
次に、図7及び図8は、この発明を、一組の軌道盤7の間に保持器8付きの円筒ころ9を配した構造のスラストころ軸受に適用した例を示している。
スラストころ軸受の場合、有効長さ両端ですべりが大きくなって油膜が減少するため、この発明は特に有効である。転がり方向に沿って並ぶ溝2はころ9の外周面に設けることも可能であるが、製造効率の観点から,軌道盤7の軌道に設けることが望ましい。転がり方向に沿って並ぶ溝2の方向は、ころ9の軸方向に一致するように設けられている。
Next, FIG. 7 and FIG. 8 show an example in which the present invention is applied to a thrust roller bearing having a structure in which a
In the case of a thrust roller bearing, the present invention is particularly effective because slippage increases at both ends of the effective length and the oil film decreases. Although the
次に、図9及び図10は、この発明を、ラジアルころ軸受に適用した例である。図9は、ころ10を、内輪11の鍔で案内するタイプ、図10は、ころ10を、外輪12の鍔で案内するタイプである。
そして、図9は、ころ10の表面に軸方向の溝2が転がり方向に沿って並ぶように設けた例であり、図10は、鍔のない内輪11に、軸方向に沿う溝2を転がり方向に沿って並ぶように設けた例を示している。
Next, FIGS. 9 and 10 show an example in which the present invention is applied to a radial roller bearing. FIG. 9 shows a type in which the
FIG. 9 is an example in which the
図9及び図10は、この発明を、ラジアルころ軸受に適用した例であるが、円すいころ軸受や自動調心ころ軸受にも同様にして適用することができる。 9 and 10 show an example in which the present invention is applied to a radial roller bearing, but it can also be applied to a tapered roller bearing and a self-aligning roller bearing in the same manner.
以上の実施形態は、転がり接触面に、動圧作用を発生させる溝2を転がり方向に並べて潤滑作用を向上させた例であるが、図11の実施形態は、潤滑油の存在により動圧作用を発生させる溝2を有する動圧発生面に、上記溝2の深さよりも深い潤滑油貯留ポケット13を点在させた例である。図11では、潤滑油貯留ポケット13を黒丸で表現している。
The above embodiment is an example in which the
この図11の例では、溝2と溝2の間に、潤滑油貯留ポケット13を配置したが、溝2と潤滑油貯留ポケット13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13は、転がり方向に、所定間隔で平行に並ぶように点在させてもよいし、転がり方向に、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13から吐出された潤滑油は、転がり運動に伴って、進行方向の後方に移動するので、潤滑油貯留ポケット13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、平行な筋状になるが、潤滑油貯留ポケット13を千鳥状に配置すると、潤滑油の表面への筋状の分布が概ね倍増するので、潤滑油貯留ポケット13を千鳥状に配置する方が好ましい。
In the example of FIG. 11, the lubricating
For example, the deep lubricating
また、図11の例では、潤滑油貯留ポケット13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。
In the example of FIG. 11, the shape of the opening surface of the lubricating
次に、溝2の断面形状、即ち、溝の底面は、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12及び図13に示すように、少なくとも流体の流れる方向(図12及び図13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13のように、溝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。
Next, the cross-sectional shape of the
次に、溝2よりも深い潤滑油貯留ポケット13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13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20〜30μm、深さ100μm程度といった大きさとなる。
Next, since the lubricating
一方、溝2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20〜30μm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、この溝2の深さは0.1〜1μm程度とする。溝2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。
On the other hand, since the
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。溝2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13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。
The rolling bearing has a rotational speed of 0 at the start of operation or the dead center of the swinging motion, and gradually reaches a predetermined or maximum rotational speed. Immediately after starting the movement from the speed of 0, no lubricating oil is supplied from the outside, and since the speed of the contact surface is low, an oil film is not formed, and the solids are in contact with each other. When the movement is continued in the contact state, heat is generated due to high friction, and the lubricating oil held in the concave portion of the contact surface expands. The lubricating oil held in the
転がり接触部の潤滑油が極めて微量の場合には、溝2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13から吐出された潤滑油によって、溝2に潤滑油が補充されるため、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。
When the amount of lubricating oil in the rolling contact portion is extremely small, a dynamic pressure action cannot be generated in the
Therefore, according to the present invention, solid contact of the contact surface is prevented even under operating conditions at a low speed, and the fluid lubrication state can be maintained.
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13から表面に吐出された潤滑油による境界潤滑性により、過酷な固体接触は回避できる。
In addition, in the case of extremely low speed where oil film formation is essentially difficult, severe solid contact is caused by boundary lubricity due to the lubricating oil discharged mainly from the deep lubricating
1 転がり部材
2 溝
3 内輪
4 外輪
5 玉
6 接触楕円
7 軌道盤
8 保持器
9 ころ
10 ころ
11 内輪
12 外輪
13 潤滑油貯留ポケット
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