JP2009288007A - 軸受試験装置および軸受試験方法 - Google Patents

Abstract

【課題】転動体の転動面に発生する水素脆化に起因する脆性剥離を再現できる軸受試験装置と軸受試験方法を提供することである。
【解決手段】回転軸１に試験軸受２とダミー軸受３を間隔を開けて取り付けて、試験軸受２とダミー軸受３の各外輪２ｂ、３ｂを互いに絶縁されたハウジング４ａ、４ｂに固定し、試験軸受２の外輪２ｂに正の締め代を付与してハウジング４ａに内嵌し、各ハウジング４ａ、４ｂに取り付けた接点端子８ａ、８ｂ間に通電して、試験軸受２の内輪２ａと外輪２ｂとの間にボール２ｃを介して電流を流すことにより、ボール２ｃの表面に発生する水素脆化に起因する脆性剥離を再現できるようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は、転がり軸受の耐久寿命を試験する軸受試験装置および軸受試験方法に関する。

転がり軸受の耐久寿命を試験する軸受試験装置としては、試験軸受の内輪を取り付ける回転軸と、試験軸受の外輪を固定するハウジングとを有し、回転軸を回転駆動する回転駆動手段と、試験軸受に荷重を負荷する荷重負荷手段とを設けたものが多く使用されている（例えば、特許文献１参照）。これらの軸受試験装置は、軸受の設計、開発、品質保証、トラブルの原因究明等に用いられている。

一方、自動車用補機であるオルタネータ等を支持する転がり軸受では、上述したような軸受試験装置で十分な耐久寿命が保証されたものであっても、早期に固定輪側の軌道面に脆性剥離が発生するものがあることが知られている。この脆性剥離の発生は、軸受に封入するグリースの種類によっても左右されることが知られている。

この脆性剥離の原因については種々の検討がなされているが、加減速を繰り返すサイクルで軸受試験後の軸受を水素分析した結果、固定輪で水素量が増加し、回転輪と転動体ではこのような水素量の増加が認められなかったことから、固定輪を形成する鋼の水素脆化によるものと推定されている（例えば、非特許文献１参照）。すなわち、転動体とのすべりによって軌道面に発生する新生面を触媒として、軸受に封入されたグリースが分解し、この分解で発生する水素が軌道面の鋼中に浸入して、水素脆化を引き起こすものと考えられている。

このため、特許文献１に記載されたような従来の軸受試験装置では、上述したような軌道面での脆性剥離を再現できず、この水素脆化に起因すると考えられる脆性剥離による軸受寿命の低下を評価できない問題があり、オルタネータ、テンションプーリ、アイドラプーリ、タイミングベルトプーリ、電磁クラッチ、コンプレッサ、ウォータポンプ等の自動車用補機に使用される軸受、クランクシャフト、カムシャフト等のエンジンに組み込まれる軸を支持する軸受、各種モータや工作機械の回転軸を支持する軸受等、このような脆性剥離が発生する恐れがある用途に使用される転がり軸受に対して、その設計、開発、品質保証等に有効に活用できる軸受試験装置が望まれていた。

このような要望に対して、本発明者らは、試験軸受の内輪と外輪との間に転動体を介して電流を流す通電手段を設けることにより、軸受に封入されるグリースから電気分解によって強制的に水素を発生させ、水素脆化に起因すると考えられる軌道輪の軌道面での脆性剥離を再現可能とする軸受試験装置と軸受試験方法を先に提案している（特許文献２参照）。

特開平３−１２８４３０号公報（第２図） 玉田、田中「外輪回転による脆性剥離の再現実験」（社）日本トライボロジー学会トライボロジー会議予稿集、１９９４年１０月、ｐ．７４９−７５２ 特開２００６−３１７２７３号公報

上述した水素脆化に起因すると考えられる脆性剥離は軌道輪の軌道面に発生していたが、最近、転動体の転動面に発生する事例が生じている。特許文献２に記載された軸受試験装置は、軌道輪の軌道面に発生する脆性剥離は再現できるが、転動体の転動面に発生する脆性剥離は再現できない問題がある。

そこで、本発明の課題は、転動体の転動面に発生する水素脆化に起因する脆性剥離を再現できる軸受試験装置と軸受試験方法を提供することである。

上記の課題を解決するために、本発明の軸受試験装置は、内外輪および転動体が導電体で形成された試験軸受の内輪を取り付ける回転軸と、前記試験軸受の外輪を固定するハウジングとを有し、前記回転軸を回転駆動する回転駆動手段と、前記試験軸受に荷重を負荷する荷重負荷手段と、前記試験軸受の内輪と外輪との間に前記転動体を介して電流を流す通電手段とを設けた軸受試験装置において、前記試験軸受の外輪と前記ハウジングとの間、および前記試験軸受の内輪と前記回転軸との間の少なくとも一方に、正の締め代を付与した構成を採用した。

すなわち、試験軸受の外輪とハウジングとの間、および試験軸受の内輪と回転軸との間の少なくとも一方に、正の締め代を付与することにより、転動体の転動面に常時大きな面圧が作用するようにし、転動体の転動面に発生する水素脆化に起因する脆性剥離を再現できるようにした。

転動体の転動面に常時大きな面圧を作用させることによって転動面での脆性剥離を再現できた理由は明確ではないが、大きな面圧によって転動面と軌道面の弾性接触領域が広くなり、転動面と軌道面とのすべりが大きくなって、グリースを分解して水素を発生させる触媒となる新生面が形成されやすくなるためと考えられる。つまり、転動体の転動面には、通常、転動体がラジアル荷重の作用線上に来たときのみ大きな面圧が作用するが、外輪または内輪に正の締め代を付与することにより、転動体が公転する全域で転動面に常時大きな面圧が作用するようになるので、転動面と軌道面との累積すべりが大きくなる。

前記通電手段を、前記回転軸を前記試験軸受と離れた位置で支持し、内外輪および転動体が導電体で形成されたダミー軸受を設け、このダミー軸受の外輪を、前記試験軸受の外輪を固定したハウジングと絶縁した別のハウジングに固定して、これらの試験軸受とダミー軸受の各ハウジングおよび前記回転軸を導電体で形成し、前記試験軸受とダミー軸受のハウジング間に通電するものとすることにより、スリップリング等の回転体用接点を用いずに、試験軸受の外輪と内輪の間に転動体を介して容易に電流を流すことができる。

前記回転駆動手段を、前記回転軸と平行にモータの出力軸を配設し、前記回転軸に試験軸受の取り付け部から延長された延長部を設けて、この回転軸の延長部と前記モータの出力軸とにプーリを取り付け、これらのプーリ間に無端ベルトを張り渡して、前記回転軸をベルト駆動するものとし、前記荷重負荷手段を、前記無端ベルトの張力で前記回転軸の延長部に荷重を負荷するものとすることにより、別途の荷重負荷手段を不要とし、軸受試験装置をシンプルな構成とすることができる。

前記回転駆動手段を、加減速を繰り返す回転サイクルを付与できるものとすることにより、軸受の試験条件を実機での使用状態に近いものとすることができる。

前記荷重負荷手段によって前記試験軸受に負荷される動等価荷重Ｐと、試験軸受の基本動定格荷重Ｃとの比Ｐ／Ｃは、脆性剥離を発生させるために０．０５以上とするのが好ましい。なお、上述した脆性剥離が発生する恐れがある用途での転がり軸受の通常の使用条件下でのＰ／Ｃは０．２以下である。

また、本発明の軸受試験方法は、内外輪および転動体が導電体で形成された試験軸受の内輪を回転軸に取り付け、前記試験軸受の外輪をハウジングに固定して、前記試験軸受に荷重を負荷し、前記試験軸受の内輪と外輪との間に前記転動体を介して電流を流しながら、前記回転軸を回転駆動する軸受試験方法において、前記試験軸受の外輪と前記ハウジングとの間、および前記試験軸受の内輪と前記回転軸との間の少なくとも一方に、正の締め代を付与する方法を採用することにより、転動体の転動面に発生する水素脆化に起因する脆性剥離を再現できるようにした。

本発明の軸受試験装置は、試験軸受の外輪とハウジングとの間、および試験軸受の内輪と回転軸との間の少なくとも一方に、正の締め代を付与するようにしたので、転動体の転動面に常時大きな面圧を作用させて、転動体の転動面に発生する水素脆化に起因する脆性剥離を再現することができ、このような脆性剥離が発生する恐れのある用途に使用される転がり軸受の設計、開発、品質保証等に有効に活用することができる。

前記通電手段を、回転軸を試験軸受と離れた位置で支持し、内外輪および転動体が導電体で形成されたダミー軸受を設け、このダミー軸受の外輪を、試験軸受の外輪を固定したハウジングと絶縁した別のハウジングに固定して、これらの試験軸受とダミー軸受の各ハウジングおよび回転軸を導電体で形成し、試験軸受とダミー軸受のハウジング間に通電するものとすることにより、スリップリング等の回転体用接点を用いずに、試験軸受の外輪と内輪の間に転動体を介して容易に電流を流すことができる。

前記回転駆動手段を、回転軸と平行にモータの出力軸を配設し、回転軸に試験軸受の取り付け部から延長された延長部を設けて、この回転軸の延長部とモータの出力軸とにプーリを取り付け、これらのプーリ間に無端ベルトを張り渡して、回転軸をベルト駆動するものとし、荷重負荷手段を、無端ベルトの張力で回転軸の延長部に荷重を負荷するものとすることにより、別途の荷重負荷手段を不要とし、軸受試験装置をシンプルな構成とすることができる。

前記回転駆動手段を、加減速を繰り返す回転サイクルを付与できるものとすることにより、軸受の試験条件を実機での使用状態に近いものとすることができる。

また、本発明の軸受試験方法は、試験軸受の外輪とハウジングとの間、および試験軸受の内輪と回転軸との間の少なくとも一方に、正の締め代を付与するようにしたので、転動体の転動面に発生する水素脆化に起因する脆性剥離を再現することができ、このような脆性剥離が発生する恐れのある用途に使用される転がり軸受の設計、開発、品質保証等に有効に活用することができる。

以下、図面に基づき、本発明の実施形態を説明する。この軸受試験装置は、図１に示すように、回転軸１が、深溝玉軸受とされた試験軸受２とダミー軸受３とで、互いに絶縁された別々のハウジング４ａ、４ｂに支持され、試験軸受２の取り付け部から延長された回転軸１の延長部１ａと、回転軸１と平行に配設されたモータ５の出力軸５ａとに、それぞれプーリ６ａ、６ｂが取り付けられて、これらのプーリ６ａ、６ｂ間に無端ベルト７が張り渡されており、回転軸１がベルト駆動されるとともに、回転軸１の延長部１ａを介して、無端ベルト７の張力で試験軸受２にラジアル荷重が負荷されるようになっている。なお、回転軸１と出力軸５ａとの間にプーリを取り付けた中間軸を設け、この中間軸を介して回転軸１をベルト駆動するようにしてもよい。この場合は、中間軸の位置を調節することにより、中間軸と回転軸１の延長部１ａに張り渡される無端ベルト７の張力を変化させることができる。

前記試験軸受２とダミー軸受３の各内輪２ａ、３ａ、外輪２ｂ、３ｂおよび転動体としてのボール２ｃ、３ｃは、いずれも導電体で形成され、各内輪２ａ、３ａが互いに間隔を開けて回転軸１に取り付けられ、各外輪２ｂ、３ｂはそれぞれ各ハウジング４ａ、４ｂに固定されており、試験軸受２の外輪２ｂは、正の締め代を付与されてハウジング４ａに内嵌されている。図示は省略するが、試験軸受２とダミー軸受３にはグリースが封入されている。

前記回転軸１と各ハウジング４ａ、４ｂも導電体で形成され、各ハウジング４ａ、４ｂには、それぞれ電源（図示省略）のプラスとマイナスに接続される接点端子８ａ、８ｂが取り付けられており、これらの接点端子８ａ、８ｂを電源に接続することにより、ハウジング４ａから試験軸受２の外輪２ｂ、ボール２ｃ、内輪２ａ、回転軸１、ダミー軸受３の内輪３ａ、ボール３ｃ、外輪３ｂを順に介してハウジング４ｂへ電流が流れるようになっている。したがって、試験軸受２に封入されたグリースから電気分解によって強制的に水素を発生させ、前述した水素脆化に起因する脆性剥離を再現することができる。

実施例として、上述した軸受試験装置を用いて、接点端子８ａ、８ｂ間に通電し、回転軸１を図２に示すような、加減速を繰り返す回転サイクルで駆動する軸受寿命試験を行った。また、比較例として、試験軸受２の内輪２ａにも外輪２ｂにも正の締め代を付与しない場合の軸受寿命試験も行い、参考例として、比較例と同じ条件で、接点端子８ａ、８ｂ間に通電しない場合の試験も行った。試験軸受のサンプル数は、実施例、比較例および参考例とも２個ずつとし、軸受寿命は回転軸１の駆動トルクの変化で判定した２個の試験軸受２の平均寿命で評価した。試験条件は以下の通りである。
・ 試験軸受：呼び番号６３０３の深溝玉軸受（外径４７ｍｍ、内径１７ｍｍ、幅１７ｍｍ）
・ グリース：ウレア系グリース（基油：エーテル油）
・ 負荷荷重：２４０ｋｇｆ（Ｐ／Ｃ＝０．１７）
・ 通電条件：端子間電圧２Ｖ、電流０．５Ａ（参考例は除く）
・ 試験時間：３００時間で打ち切り

上記軸受寿命試験の結果を表１に示す。比較例では軸受寿命が１００時間であったのに対して、試験軸受の外輪に正の締め代を付与した実施例では、軸受寿命が比較例のものの半分程度の６０時間となった。なお、試験軸受に電流を流さない参考例では軸受寿命が試験時間の３００時間を超えた。また、実施例と比較例の試験軸受を試験後に分解して目視観察した結果、実施例のものではいずれもボールの表面に脆性剥離が発生していることが確認された。なお、比較例のものでは外輪の軌道面に脆性剥離が発生していた。以上の試験結果より、本発明に係る軸受試験装置および軸受試験方法は、転動体の転動面に発生する水素脆化に起因する脆性剥離を再現でき、この脆性剥離による軸受寿命の低下を的確に評価できることが分かった。

上述した実施形態では、試験軸受の外輪に正の締め代を付与してハウジングに内嵌したが、試験軸受の内輪に正の締め代を付与して回転軸に外嵌することもでき、外輪と内輪の両方に正の締め代を付与してもよい。

また、上述した実施形態では、試験軸受を深溝玉軸受とし、試験軸受にラジアル荷重を負荷したが、本発明に係る軸受試験装置および軸受試験方法は、ころ軸受等の他の転がり軸受を試験軸受とすることもでき、これらの試験軸受にはスラスト荷重も負荷することができる。

軸受試験装置の実施形態を示す縦断面図 図１の軸受試験装置を用いた軸受寿命試験における回転軸の回転サイクルを示すグラフ

符号の説明

１ 回転軸
１ａ 延長部
２ 試験軸受
３ ダミー軸受
２ａ、３ａ 内輪
２ｂ、３ｂ 外輪
２ｃ、３ｃ ボール
４ａ、４ｂ ハウジング
５ モータ
５ａ 出力軸
６ａ、６ｂ プーリ
７ 無端ベルト
８ａ、８ｂ 接点端子

Claims (6)

1. 内外輪および転動体が導電体で形成された試験軸受の内輪を取り付ける回転軸と、前記試験軸受の外輪を固定するハウジングとを有し、前記回転軸を回転駆動する回転駆動手段と、前記試験軸受に荷重を負荷する荷重負荷手段と、前記試験軸受の内輪と外輪との間に前記転動体を介して電流を流す通電手段とを設けた軸受試験装置において、前記試験軸受の外輪と前記ハウジングとの間、および前記試験軸受の内輪と前記回転軸との間の少なくとも一方に、正の締め代を付与したことを特徴とする軸受試験装置。
2. 前記通電手段が、前記回転軸を前記試験軸受と離れた位置で支持し、内外輪および転動体が導電体で形成されたダミー軸受を設け、このダミー軸受の外輪を、前記試験軸受の外輪を固定したハウジングと絶縁した別のハウジングに固定して、これらの試験軸受とダミー軸受の各ハウジングおよび前記回転軸を導電体で形成し、前記試験軸受とダミー軸受のハウジング間に通電するものである請求項１に記載の軸受試験装置。
3. 前記回転駆動手段が、前記回転軸と平行にモータの出力軸を配設し、前記回転軸に試験軸受の取り付け部から延長された延長部を設けて、この回転軸の延長部と前記モータの出力軸とにプーリを取り付け、これらのプーリ間に無端ベルトを張り渡して、前記回転軸をベルト駆動するものであり、前記荷重負荷手段が、前記無端ベルトの張力で前記回転軸の延長部に荷重を負荷するものである請求項１または２に記載の軸受試験装置。
4. 前記回転駆動手段が、加減速を繰り返す回転サイクルを付与できるものである請求項１乃至３のいずれかに記載の軸受試験装置。
5. 前記荷重負荷手段によって前記試験軸受に負荷される動等価荷重Ｐと、試験軸受の基本動定格荷重Ｃとの比Ｐ／Ｃを０．０５以上とした請求項１乃至４のいずれかに記載の軸受試験装置。
6. 内外輪および転動体が導電体で形成された試験軸受の内輪を回転軸に取り付け、前記試験軸受の外輪をハウジングに固定して、前記試験軸受に荷重を負荷し、前記試験軸受の内輪と外輪との間に前記転動体を介して電流を流しながら、前記回転軸を回転駆動する軸受試験方法において、前記試験軸受の外輪と前記ハウジングとの間、および前記試験軸受の内輪と前記回転軸との間の少なくとも一方に、正の締め代を付与するようにしたことを特徴とする軸受試験方法。

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