JP2009197904A - 転がり機械要素 - Google Patents

Abstract

【課題】潤滑が希薄な転がり機械要素においても、特殊な材料の使用や、特殊な熱処理や表面処理等の加工を施すことなく、接触面の表面損傷を容易かつ効果的に防止できる転がり機械要素を提供すること。
【解決手段】接触面としてのころの転動面に、接触２物体のドロップ量の和が対数関数で表されるクラウニングを設ける。部分円弧で表されるクラウニングをころの転動面に設けた場合と比べて局所的な面圧を低減でき、接触面に摩耗を生じにくくすることができる。したがって、潤滑剤の微量化や低粘度化により潤滑膜の膜厚比が３以下となる場合においても、ドロップ量が対数関数で表されるクラウニングを採用することにより、接触面の摩耗を防止し、転がり機械要素の損傷を防止することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、微量あるいは低粘度の潤滑剤で潤滑されて集中接触が生じる接触面を有する、例えばころ軸受等の転がり機械要素に関する。

最近、各種の機械装置においては、省エネルギー化を図るため、使用される潤滑油の微量化や低粘度化が進んでいる。このような状況では、相対運動をする接触部を有する機械要素において、接触部相互の接触面に十分な潤滑油膜が形成されず、表面損傷を引き起こす恐れがある。このような問題の対策として、転がり軸受においては、従来、接触面への固体潤滑被膜の形成（特許文献１）や、熱処理による接触面の強化（特許文献２）や、微小なディンプルの形成による接触面の保油性の向上（特許文献３）や、接触面の表面粗さとクラウニングの最適化（特許文献４）が開示されている。
特開２００７−１７０４２６号公報 特開２００３−０６５２２６号公報 特開平０２−１６８０２１号公報 特開２００７−１４６９４１号公報

しかしながら、上記従来の対策のうち、固体潤滑被膜の形成、熱処理による強化、及び、ディンプルの形成は、通常の転がり軸受の製造工程に対して追加的な工程が必要となり、製造コストが上昇する問題がある。

また、上記表面粗さとクラウニングの最適化では、ころの転動面の輪郭線を、クラウニングとストレート部とを補助円弧で繋いだ形状としているが、ストレート部と、補助円弧と、クラウニングとの曲率は、相互間の境界で不連続に変化している。図４は、部分円弧のクラウニングとストレート部との間を補助円弧とし、補助円弧をクラウニングの部分円弧とストレート部の直線との両方に接する勾配に形成したころの輪郭線と、ころの転動面における接触面圧を重ねて示した図である。図４において、横軸はころの母線方向であり、縦軸は母線直交方向及び面圧である。ころの輪郭線は、内輪又は外輪ところの有効接触部の中央部に横軸の原点Ｏを設定している。図４に示すように、ストレート部、補助円弧及びクラウニング相互間の境界における勾配が連続であっても、曲率が不連続であると接触面圧が局所的に増加し、油膜切れや表面損傷を招く恐れがあるという問題がある。さらに、クラウニングの表面粗さを大幅に低くする必要があるので、特殊な研磨処理が必要となり、製造コストが嵩むという問題がある。

そこで、本発明は斯かる実情に鑑み、潤滑が希薄な転がり機械要素においても、特殊な材料の使用や、特殊な熱処理や表面処理等の加工を施すことなく、接触面の表面損傷を効果的に防止できる転がり機械要素を提供しようとするものである。

請求項１の発明は、クラウニングが形成された接触面に潤滑剤が供給される転がり機械要素において、上記接触面に形成される潤滑膜の膜厚比が３以下であり、上記クラウニングの輪郭線が対数関数で表されることを特徴とする転がり機械要素である。

通常、転がり機械要素の接触面において、潤滑膜の膜厚比が３以下である場合、混合潤滑状態となって部分的に金属接触が生じる。ここで、膜厚比とは、接触面に形成される潤滑油膜の最小油膜厚さh_minと接触面の合成自乗平均粗さσの比h_min/σをいう。σは接触２物体の自乗平均粗さをそれぞれσ₁、σ₂としたとき、√（σ_１ ^２＋σ_２ ^２）で表される。転がり機械要素としての例えばころ軸受では、ころの転動面の輪郭線を部分円弧のクラウニングとストレート部とを有する形状に形成した場合、図５に示すように、クラウニングとストレート部との境界で接触面圧が増加する。そのため、十分な膜厚の潤滑膜が形成されていないと、金属接触による摩耗が生じやすくなる。接触面に部分的に摩耗が生じると、その近辺で、より金属接触が生じやすい状態となるため、接触面の摩耗が促進され、転がり機械要素が損傷に至る不都合が生じる。

ここで、接触面としてのころの転動面に、輪郭線が対数関数で表されるクラウニングを設けた場合、例えば図１に示すように、図５の部分円弧で表されるクラウニングを設けた場合と比べて局所的な面圧が低くなり、接触面に摩耗を生じ難くすることができる。したがって、潤滑剤の微量化や低粘度化により潤滑膜の膜厚比が３以下となる場合においても、接触面の摩耗を防止し、転がり機械要素の損傷を防止することができる。なお、図１及び５には、ころの母線方向を横軸とすると共に母線直交方向を縦軸とする直交座標系に、内輪又は外輪ところの有効接触部の中央部に横軸の原点Ｏを設定してころの輪郭線を示すと共に、面圧を縦軸として接触面圧を重ねて示している。

請求項２の発明は、請求項１において、上記クラウニングの輪郭線を、最大の荷重条件でエッジロードが発生しない形状に設定することを特徴とする転がり機械要素である。

接触面のクラウニングが対数関数で表される場合であっても、接触面にエッジロードが生じる場合は摩耗の起点となる場合がある。ここで、上記実施形態によれば、クラウニングの輪郭線を最大の荷重条件でエッジロードが発生しない形状とすることにより、接触面の摩耗を防止して、転がり機械要素の損傷を効果的に防止することができる。ここで、エッジロードとは、接触面のクラウニングと他の部分との境界近傍において局所的に増大する接触面圧をいう。

請求項３の発明は、請求項１において、上記接触面が、ストレート部を有することを特徴とする転がり機械要素である。

上記実施形態によれば、ストレート部を形状測定の基準として使用することにより高精度なクラウニングの加工ができると共に、接触面のストレート部とクラウニングとの境界近傍におけるエッジロードの発生を防止することができる。

請求項４の発明は、請求項１において、上記クラウニングの輪郭線を、接触面の母線をｙ軸とし、母線直交方向をｚ軸とするｙ−ｚ座標系における式（１）で表すことを特徴とする転がり機械要素である。

ここで、Ａ＝２Ｋ₁Ｑ／πＬＥ’であり、Ｋ₁，Ｋ₂，ｚ_mは設計パラメータである。また、Ｑは荷重、Ｌは接触面の有効接触部の母線方向長さ、Ｅ’は等価弾性係数であり、また、ａは接触面の母線上にとった原点から有効接触部の端部までの長さである。荷重Ｑ、有効接触部の母線方向長さＬ、および、等価弾性係数Ｅ’は、設計条件として与えられ、原点から有効接触部の端部までの長さａは、原点の位置によって定められる値である。

上記実施形態によれば、設計パラメータＫ₁，Ｋ₂，ｚ_mを適宜設定することにより、対数関数で表されるクラウニングの輪郭線が得られる。

請求項５の発明は、請求項４に記載の転がり機械要素において、上記Ｋ₁，Ｋ₂，ｚ_mの少なくとも１つを、面圧を目的関数として最適化するものである。

上記設計パラメータＫ₁，Ｋ₂，ｚ_mは、面圧、応力及び寿命のうちのいずれかを目的関数として最適化して定められるところ、表面起点の損傷は面圧に依存する。ここで、上記実施形態によれば、面圧を目的関数として最適化して設計パラメータＫ₁，Ｋ₂，ｚ_mを設定するので、潤滑剤が希薄な条件においても接触面の摩耗を防止できるクラウニングが得られる。

請求項６の発明は、請求項１において、上記接触面が、グリース潤滑又はエアオイル潤滑されることを特徴とする転がり機械要素である。

上記実施形態によれば、グリース潤滑の場合、接触面は増ちょう剤からにじみ出た少量の基油によって潤滑されるので、接触面に潤滑膜が薄く形成される場合が多い。また、エアオイル潤滑の場合、接触面に供給される潤滑剤が少量となってスターベーションが生じやすい。これらの潤滑が希薄な接触面に対し、本発明により定めたクラウニングを形成することにより、接触面の摩耗を効果的に防止できる。

請求項７の発明は、請求項１において、上記転がり機械要素が、ころ軸受であることを特徴とする転がり機械要素である。

上記実施形態によれば、ころ軸受の接触面の潤滑が希薄な場合においても、接触面の摩耗を防止して損傷を防止でき、高耐久性のころ軸受を得ることができる。

請求項８の発明は、請求項７において、上記ころ軸受が、鉄鋼圧延機のロール軸、コンロッドの往復運動側軸、ロボット関節軸又は冷媒圧縮機の駆動軸に用いられるものであることを特徴とする転がり機械要素である。

上記実施形態によれば、鉄鋼圧延機のロール軸、コンロッドの往復運動側軸、ロボット関節軸又は冷媒圧縮機の駆動軸に用いられるころ軸受は、接触面の潤滑膜の形成不良が生じやすい条件で動作する場合が多い。ここで、本発明により定めたクラウニングを接触面に形成することにより、接触面の摩耗を防止してころ軸受の損傷を防止できる。

請求項９の発明は、請求項１において、上記転がり機械要素が、歯車、トラクションドライブ、直動案内装置又はガイドローラであることを特徴とする転がり機械要素である。

上記実施形態によれば、接触面に荷重が間歇的に作用する歯車や、接触面が広範囲にわたるトラクションドライブや、接触面を有する転動体が急激に停止及び転動する直動案内装置及びガイドローラにおいて、接触面の摩耗を防止して各種転がり機械要素の損傷を防止できる。

本発明の転がり機械要素によれば、接触面に形成される潤滑膜の膜厚比が３以下となり、部分円弧のクラウニングでは金属接触が生じやすい条件においても、接触面圧を効果的に低減させて接触面の摩耗を抑制することができ、転がり機械要素の損傷を効果的に防止することができる。

以下、本発明に係る転がり機械要素を説明する。

図２は、本発明の転がり機械要素を、円筒ころ軸受に適用した一例を示すものである。この円筒ころ軸受は、内輪１１と、外輪１２と、内輪軌道面１１ａ及び外輪軌道面１２ａの相互間に転動自在に介在させる複数の円筒ころ１３，１３，…と、軸受周方向に所定の間隔を隔てて円筒ころ１３，１３，…を保持する保持器１４とを主要な構成要素としている。この実施形態では、各円筒ころ１３，１３，…の転動面１３ａ，１３ａ，…に、カットクラウニング１３ｂ，１３ｃを設け、内輪１１の軌道面１１ａ及び外輪１２の軌道面１２ａはそれぞれ円筒面状に形成してある。

図３は、円筒ころ１３の母線をｙ軸とし、円筒ころ１３の母線上であって内輪１１又は外輪１２と円筒ころ１３の有効接触部の中央部に原点Ｏをとると共に、母線直交方向（半径方向）にｚ軸をとったｙ−ｚ座標系に、下記の式（１）で表されるクラウニング１３ｂの一例を示したものである。有効接触部は、円筒ころ１３にカットクラウニング１３ｂ，１３ｃを形成していない場合の内輪１１又は外輪１２と円筒ころ１３との接触部位である。また、円筒ころ１３，１３，…の各クラウニング１３ｂ，１３ｃは、通常、有効接触部の中央部を通るｚ軸に関して線対称に形成されるので、図３では、一方のクラウニング１３ｂのみを示している。

ここで、Ａ＝２Ｋ₁Ｑ／πＬＥ’であり、Ｋ₁，Ｋ₂，ｚ_mは設計パラメータである。Ｑは荷重、Ｌは接触面の有効接触部の母線方向長さ、Ｅ’は等価弾性係数であり、また、ａは接触面の母線上にとった原点から有効接触部の端部までの長さである。荷重Ｑ、有効接触部の母線方向長さＬ、および、等価弾性係数Ｅ’は、設計条件として与えられ、原点から有効接触部の端部までの長さａは、原点の位置によって定められる値である。

上記式（１）において、ｚ（ｙ）は、円筒ころ１３の母線方向位置ｙにおけるクラウニング１３ｂのドロップ量を示しており、クラウニング１３ｂの始点Ｏ₁の座標は（ａ−Ｋ_2ａ，０）であるから、式（１）におけるｙの範囲は、ｙ＞（ａ−Ｋ_2ａ）である。また、図３では、原点Ｏを有効接触部の中央部にとっているので、ａ＝Ｌ／２となる。さらに、原点Ｏからクラウニング１３ｂの始点Ｏ₁までの領域は、円筒面状に形成されるストレート部であるから、０≦ｙ≦（ａ−Ｋ_2ａ）のとき、ｚ（ｙ）＝０となる。

設計パラメータＫ₁は荷重Ｑの倍率、幾何学的にはクラウニング１３ｂの曲率の程度を意味している。設計パラメータＫ₂は、原点Ｏから有効接触部の端部までの母線方向長さａに対するクラウニング１３ｂの母線方向長さｙmの割合を意味している（Ｋ₂＝ｙm／ａ）。設計パラメータｚ_mは、有効接触部の端部におけるドロップ量、即ちクラウニング１３ｂの最大ドロップ量を意味している。

ここで、図１に示したころのクラウニングは、設計パラメータＫ₂＝１であってストレート部の無いフルクライニングであり、エッジロードが発生しない十分なドロップ量が確保されている。しかしながら、ドロップ量が過大であると、加工時に、材料取りされた素材から生じる取代が大きくなり、コスト増大を招くこととなる。そこで、以下のように、設計パラメータＫ₁，Ｋ₂，ｚ_mの最適化を行う。

設計パラメータＫ₁，Ｋ₂，ｚ_mの最適化手法としては種々のものを採用することができ、例えば、Rosenbrock法等の直接探索法を採用することができる。ここで、ころの転動面における表面起点の損傷は面圧に依存するので、最適化の目的関数を面圧とすることにより、希薄潤滑下における接触面の油膜切れを防止するクラウニングを得ることができる。

また、ころに対数クラウニングを施す場合，ころの加工精度を確保するためには転動面の中央部分に全長の１／２以上の長さのストレート部を設けるのが好ましい。この場合は、Ｋ₂を一定の値とし、Ｋ₁，ｚ_mについて最適化すればよい．

（比較試験）
転がり機械要素としての円筒ころ軸受に関し、実施例と比較例の運転を行い、運転後に接触面の摩耗程度を比較する試験を行った。実施例としては、上記式（１）に荷重条件に基づく最適設計により定めた設計パラメータＫ₁，Ｋ₂，ｚ_mを設定して対数クラウニングを求め、この対数クラウニングをころに形成した円筒ころ軸受を２個用いた。比較例としては、荷重条件に基づく最適設計により部分円弧クラウニングを求め、この部分円弧クラウニングをころに形成した円筒ころ軸受を２個用いた。運転では、粘度グレードがＩＳＯ ＶＧ２の潤滑油を、オイルミスト潤滑により転動面に供給した。転動面の表面粗さと潤滑油供給量に基づいて計算により求めた膜厚比は０．４である。実施例と比較例の設計条件は表１及び表２のとおりであり、試験結果は表３に示すとおりである。

表３から分かるように、部分円弧クラウニングを設けた比較例No.１，２では、運転開始から極めて短時間で異音が発生し、軌道面には凝着摩耗が見られた。ころの転動面においては、クラウニング部とストレート部の境界部分で表面損傷の程度が顕著であった。一方、対数クラウニングを設けた実施例No.１，２では、５０時間にわたって問題なく運転することができ、打ち切りにより運転を終了した。実施例、比較例とも試験数２でほぼ同じ結果となっており再現性があることも確認された。このように、本発明を適用することにより、希薄潤滑の状況においても接触面の摩耗を防止できることが明らかとなった。

上記実施形態の円筒ころ軸受は、オイルミスト潤滑が行われたが、グリース潤滑が行われる場合においても接触面の摩耗を防止することができる。グリース潤滑の場合、接触面は増ちょう剤からにじみ出た少量の基油によって潤滑されるので、潤滑油膜の形成が不十分となりやすい。ここで、本発明により定めた対数クラウニングを採用することにより部分的な面圧の増加が生じないため、グリース潤滑の場合においても表面損傷を防ぐことができる。

また、例えば工作機械主軸用の円筒ころ軸受におけるように、エアオイル潤滑が行われる場合においても、上記実施例の円筒ころ軸受を好適に採用できる。すなわち、エアオイル潤滑が行われる場合、接触面に供給される潤滑油量は理論的に形成されうる厚さの油膜を発生させるには十分ではなく、スターベーションを起こして、油膜が十分潤滑の場合より薄くなる。ここで、本発明による対数クラウニングを適用した円筒ころ軸受を採用することにより、エアオイル潤滑が行われる円筒ころ軸受の損傷を防止し、工作機械のメンテナンス性と耐久性の向上を図ることができる。

本発明を適用した転がり機械要素としての円筒ころ軸受は、種々の用途に用いることができる。例えば、鉄鋼圧延機のロール軸を支持する軸受では、軸受内部に水が浸入してグリースと混合されるため、グリースの粘度が低下する。このような使用条件においても、本発明による対数クラウニングを適用した円筒ころ軸受を採用することにより、接触面の表面損傷を防止することができる。

また、エンジン等のクランク機構に用いられるコンロッドの往復運動する側（エンジンではピストン側）に取り付けられる軸受では、クランク軸の１回転につき２度、動作速度が０となる。このとき、接触面の潤滑油膜が形成されにくくなり、軸受の部材（例えばころと外輪及び内輪）が直接接触する可能性が高くなる。また、軸受の回動方向が反転し、急激に運動方向が変化するため、接触面にすべりが発生しやすい。

また、例えばロボット関節に用いられる軸受は、揺動運動が主体となり、頻繁に動作速度が０となり、クランク機構の軸受と同様の問題が存在する。

このようなクランク機構やロボット関節の用途においても、本発明を適用した円筒ころ軸受を採用することにより、接触面に安定して潤滑油膜を形成することができ、損傷を防止することができる。

また、円筒ころ軸受のうち、スラストころ軸受では、ピッチ円上でころが純転がりをする場合においても、ころの端部ではすべりが発生する。摩耗の発生は油膜厚さ及び面圧の他、すべり速度にも依存するから、希薄潤滑の状態で使用されるスラストころ軸受では端部に摩耗が生じやすくなる。ここで、本発明をスラストころ軸受に適用することにより、ころの端部においても十分な潤滑油膜を形成し、すべりによる摩耗を防止することができる。このような軸受として、例えば斜板式の冷媒圧縮機の駆動軸を支持するスラスト針状ころ軸受がある。冷媒圧縮機は、動作中に潤滑油に冷媒が混入して粘度が低下し、油膜が薄くなりやすいところ、本発明を適用したスラストころ軸受を適用することにより、油膜切れによる表面損傷を効果的に防止することができる。

以上、本発明を円筒ころ軸受に適用した例を説明したが、本発明は、円すいころ軸受や自動調心ころ軸受等、他の形式のころ軸受についても適用可能である。さらに、本発明は、軸受に限定されず、歯車、トラクションドライブ、直動案内、ガイドローラ等のように、部材間に接触面が形成される各種機械要素に適用可能である。

輪郭線が対数関数で表されるクラウニングを設けたころを示す図である。 本発明を適用した円筒ころ軸受を示す図である。 クラウニング形状の一例を示すｙ−ｚ座標図である。 部分円弧のクラウニングとストレート部との間を補助円弧としたころの輪郭線と、ころの転動面における接触面圧を重ねて示した図である。 部分円弧のクラウニングとストレート部を設けたころの輪郭線と、ころの転動面における接触面圧を重ねて示した図である。

符号の説明

１３ｂ，１３ｃ カットクラウニング

Claims (9)

1. クラウニングが形成された接触面に潤滑剤が供給される転がり機械要素において、
   上記接触面に形成される潤滑油膜の最小油膜厚さをh_min、接触２物体の合成自乗平均粗さをσとしたとき、膜厚比h_min/σが０を越え３以下であり、
   接触２物体の上記クラウニングのドロップ量の和が対数関数で表されることを特徴とする転がり機械要素。
2. 請求項１において、上記クラウニングのドロップ量の和を、最大の荷重条件でエッジロードが発生しない形状に設定することを特徴とする転がり機械要素。
3. 請求項１において、上記接触面が、ストレート部を有することを特徴とする転がり機械要素。
4. 請求項１において、上記クラウニングのドロップ量の和を、接触面の母線をｙ軸とし、母線直交方向をｚ軸とするｙ−ｚ座標系における式（１）で表すことを特徴とする転がり機械要素。
   

   

   
   ここで、Ａ＝２Ｋ₁Ｑ／πＬＥ’であり、Ｋ₁，Ｋ₂，ｚ_mは設計パラメータである。また、Ｑは荷重、Ｌは接触面の有効接触部の母線方向長さ、Ｅ’は等価弾性係数であり、また、ａは接触面の母線上にとった原点から有効接触部の端部までの長さである。荷重Ｑ、有効接触部の母線方向長さＬ、および、等価弾性係数Ｅ’は、設計条件として与えられ、原点から有効接触部の端部までの長さａは、原点の位置によって定められる値である。
5. 請求項４において、上記式（１）のＫ₁，Ｋ₂，ｚ_mの少なくとも１つを、面圧を目的関数として最適化することを特徴とする転がり機械要素。
6. 請求項１において、上記接触面が、グリース潤滑又はエアオイル潤滑されることを特徴とする転がり機械要素。
7. 請求項１において、上記転がり機械要素が、ころ軸受であることを特徴とする転がり機械要素。
8. 請求項７において、上記ころ軸受が、鉄鋼圧延機のロール軸、コンロッドの往復運動側軸、ロボット関節軸又は冷媒圧縮機の駆動軸に用いられるものであることを特徴とする転がり機械要素。
9. 請求項１において、上記転がり機械要素が、歯車、トラクションドライブ、直動案内装置又はガイドローラであることを特徴とする転がり機械要素。

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