JP2010156425A

JP2010156425A - 自動調心ころ軸受

Info

Publication number: JP2010156425A
Application number: JP2008335470A
Authority: JP
Inventors: Sachiko Noji; 祥子野地
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2008-12-27
Filing date: 2008-12-27
Publication date: 2010-07-15

Abstract

【課題】早期剥離を確実に抑制して長寿命化を達成できる新規な自動調心ころ軸受の提供。
【解決手段】外輪の内周面にころが転動する外輪軌道面を有する自動調心ころ軸受であって、前記外輪軌道面の表面形状が、少なくともその幅方向と長手方向それぞれにおいて平均山高さＲｚｍと算術平均高さＲａ(ISO 4287、JIS B 0601)との比が１．０〜１．８との条件を満足するものである。これによって、ピーリングなどの表面損傷による早期剥離を確実に抑制して長寿命化を達成できる。
【選択図】図２

Description

本発明は、例えば、製紙機械、工作機械、鉄鋼機械、車両用エンジンなどの各種の産業機械のロールや回転軸などの軸受の１つである軸受自動調心ころ軸受に関する。

係る従来の自動調心ころ軸受は、取付け誤差や衝撃荷重などにより軌道輪が傾いても軌道輪に対するころの接触状態がほとんど変化しないため、異常荷重の発生を防止できると共にラジアル負荷能力を大きく確保できるという利点を有している。
このような自動調心ころ軸受のころに負のスキューが生じると、アキシャル荷重を増幅させ、軸受寿命を低下させることがある。そのため、例えば以下に示す特許文献１に記載のものでは、ころの負のスキューを抑制するために、外輪軌道面の粗さを内輪軌道面の粗さより粗くしている。

しかしながら、外輪軌道面の粗さを内輪軌道面の粗さより単に粗くしただけでは、ころを軸受の内側に傾かせる負のスキューが生じてアキシャル荷重を増大させたり、負のスキューが抑制されても軸受寿命を短くしたりする場合があり、スキューコントロールが軸受寿命の延長に決定的な効果があるとは言い難い。また、外輪軌道面の粗さを粗くし過ぎると、油膜厚さに比べて外輪軌道面の凹凸が大きくなるため、潤滑の状態が悪化し、逆に短寿命となり易い。

そのため、例えば以下の特許文献２では外輪軌道面の算術平均高さＲａを、０．１μｍ≦Ｒａ≦０．５μｍとし、粗さパラメータＳを、０＜Ｓ≦２０μｍとすることで、ころと接触する外輪軌道面の全領域において局所的な粗さのバラツキが少なくしている。これによって、ころに対する外輪軌道面の摩擦抵抗が安定して増大するため、ころの自動滑りが抑制され、ピーリングなどの表面損傷もよる早期剥離を抑えて寿命の延長を図ることができるというものである。
特公昭５７−６１９３３号公報特開２００５−１２１１９９号公報

しかしながら、前記特許文献２に示す技術は、算術平均高さＲａと粗さパラメータＳによって外輪軌道面の表面性状を規定しているため、その表面性状を詳細に決定付けることができず、場合によっては充分な寿命性能を得ることができないことがある。
そこで、本発明はこの課題を解決するために案出されたものであり、その目的はピーリングなどの表面損傷による早期剥離を確実に抑制して長寿命化を達成できる新規な自動調心ころ軸受を提供するものである。

上記課題を解決するために第１の発明は、
外輪の内周面にころが転動する外輪軌道面を有する自動調心ころ軸受であって、前記外輪軌道面の表面形状が以下に示す第１条件を満足することを特徴とする自動調心ころ軸受である。
第１条件＝前記外輪軌道面の幅方向と長手方向それぞれにおいて以下の数式１で表される平均山高さＲｚｍと算術平均高さＲａ(ISO 4287、JIS B 0601)との比を１．０〜１．８にする。

但し、Ｚｐｉは、粗さ曲線における平均線よりも上側の山高さである。
また、第２の発明は、
第１の発明において、さらに前記外輪軌道面の表面形状が以下に示す第２条件を満足することを特徴とする自動調心ころ軸受である。
第２条件＝前記外輪軌道面の幅方向の算術平均高さＲａ(ISO 4287、JIS B 0601)と、前記外輪軌道面の長手方向の算術平均高さＲａ(ISO 4287、JIS B 0601)との比を０．８〜１．２にする。

また、第３の発明は、
第１の発明において、さらに前記外輪軌道面の表面形状が以下に示す第３条件を満足することを特徴とする自動調心ころ軸受である。
第３条件＝前記外輪軌道面の長手方向における凹凸の平均間隔Ｒｓｍ(ISO 4287、JIS B 0601)を２０μｍ以下にする。

また、第４の発明は、
第１の発明において、さらに前記外輪軌道面の表面形状が以下に示す第２条件と第３条件を満足することを特徴とする自動調心ころ軸受である。
第２条件＝前記外輪軌道面の幅方向の算術平均高さＲａ(ISO 4287、JIS B 0601)と、前記外輪軌道面の長手方向の算術平均高さＲａ(ISO 4287、JIS B 0601)との比を０．８〜１．２にする。
第３条件＝前記外輪軌道面の長手方向における凹凸の平均間隔Ｒｓｍ(ISO 4287、JIS B 0601)を２０μｍ以下にする。

本発明に係る自動調心ころ軸受によれば、外輪軌道面ところとの接触部における摩擦係数が増大してころの滑りが抑制されるため、ピーリングなどの表面損傷による早期剥離を抑制して長寿命化を達成することができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明に係る自動調心ころ軸受１０の実施の一形態を示す断面図である。
図示するようにこの自動調心ころ軸受１０は、図示しない回転軸などと連結される内輪１１を備えており、この内輪１１の外周面には、それぞれ断面円弧状をした内輪軌道面１２ａ，１２ｂがその長手方向（周方向）に沿って形成されている。

また、この内輪１１の外側には外輪１３が設けられており、この外輪１３の内周面には、断面円弧状の外輪軌道面１４がその長手方向（周方向）に沿って形成されている。
この内輪軌道面１２ａ，１２ｂ及び外輪軌道面１４は互いに対向しており、内輪軌道面１２ａと外輪軌道面１４及び内輪軌道面１２ｂと外輪軌道面１４との間には、それぞれ円柱状のころ１５がその長手方向に沿って複数配列されている。

また、これらのころ１５は保持器１６によってそれぞれ等間隔に保持されており、その周面部は、内輪軌道面１２ａ，１２ｂ及び外輪軌道面１４とほぼ同じ曲率半径で円弧状に膨らんだ樽形状に形成されている。
そして、この外輪１３の内周面に形成された外輪軌道面１４は、次の３つの条件のうち、少なくとも第１の条件を含む３つの条件を満足した表面性状となっている。

すなわち、先ず第１の条件は、その外輪軌道面１４の幅方向と長手方向それぞれにおいて平均山高さＲｚｍと算術平均高さ（粗さ）Ｒａ(ISO 4287、JIS B 0601)との比が１．０〜１．８になっている。
ここで、平均山高さＲｚｍとは、以下の数式（１）で表すことができる、基準長さにおいて図２に示す山高さＺｐｉ（粗さ曲線における平均線よりも上側）の平均値である。

一方、算術平均高さ（粗さ）Ｒａとは、表面仕上げに関する工業規格のJIS B 0601（ISO 4287:1997）に規定する表面粗さの指標であり、以下の数式（２）で表すことができる、
粗さ曲線から、平均線の方向に基準長さＬだけ抜き取り、この抜き取り部分の平均線から測定曲線までの偏差の絶対値を合計し、平均した値をいう。

次に、第２条件は、前記外輪軌道面１４の幅方向と長手方向の算術平均高さＲａ(ISO 4287、JIS B 0601)との比が０．８〜１．２となっている。
また、第３条件は、前記外輪軌道面１４の長手方向における凹凸の平均間隔Ｒｓｍ(ISO 4287、JIS B 0601)が２０μｍ以下となっている。
ここで、平均間隔Ｒｓｍとは、表面仕上げに関する工業規格のJIS B 0601（ISO 4287:1997）に規定する表面粗さの指標であり、以下の数式（３）で表すことができる、粗さ曲線が平均線と交差する交点から求めた山谷−周期の間隔の平均値をいう。

そして、このような表面性状を満足した外輪軌道面１４を有する本発明に係る自動調心ころ軸受１０にあっては、後述する実施例からも明らかなように、その外輪軌道面１４ところ１５との接触部における摩擦係数が増大してころ１５の滑りが抑制されることになる。これによって、ピーリングなどの表面損傷による早期剥離が抑制されるため、自動調心ころ軸受として優れた長寿命を達成することができる。

ここで、このような条件を満足する外輪軌道面１４の形成方法（研削方法）としては、特に限定されるものではないが、従来から用いられている、砥石の回転軸を外輪１３の中心軸と平行にして研削加工する方法（以下「ストレート研削」という）と、外輪１３の幅より大きな直径を有するカップ状砥石を用いて研削加工する方法（以下「カップ砥石研削」という）では、以下に示すような不都合が生ずる。
そのため、例えば、砥石の回転軸を外輪１３の中心軸と平行にして外輪軌道面１４を研削加工した後、粗さの大きい砥石を外輪１３の軸方向に揺動させて外輪軌道面１４を超仕上げ加工するといった研削方法を用いることが望ましい。

すなわち、ストレート研削は、外輪軌道面１４に生じる研削痕が図３（ａ）のように外輪１３の円周方向に対して平行な直線状の模様となる。このため、外輪軌道面１４の粗さを外輪１３の軸方向に沿って測定すると、外輪１４の円周方向に沿って測定した場合と比較して測定値が大きくなるが、外輪軌道面１４をころ１５が転動するときに発生する摩擦力はその長手方向に作用するため、外輪軌道面１４の幅方向に沿って測定した場合の外輪軌道面１４の粗さは、外輪軌道面１４の長手方向に沿って測定した場合の粗さと比較して摩擦係数を増加させる効果が小さい。
また、外輪軌道面１４の幅方向に沿って測定したときの平均粗さＲａが大きい場合には摩擦係数を増加させる効果はあるが、平均粗さＲａが大きすぎる場合には油膜厚さに対する外輪軌道面１４の凹凸が大きくなり、潤滑の状態が悪化して短寿命となり易い。

一方、カップ砥石研削は、カップ状砥石の回転軸を外輪１３の中心軸に対して垂直にして研削加工する方法であるため、外輪軌道面１４に生じる研削痕が図３（ｂ）のように外輪の中央部を頂点とする曲線状の模様となる。このため、外輪軌道面１４の粗さをその幅方向に沿って測定すると、外輪軌道面１４の端部では研削痕がその幅方向や長手方向に対して傾きを持つため、その長手方向に沿って測定した場合と同様に平均粗さＲａが大きくなる。

また、カップ砥石研削の場合は、研削痕が外輪軌道面１４の端部付近で交差するため、摩擦係数を一層高めることができるが、外輪軌道面１４の中央部付近では研削痕がその幅方向に対してほぼ平行となる。
このため、外輪軌道面１４の長手方向に沿って測定したときの平均粗さＲａは大きくなるが、その幅方向に沿って測定したときの平均粗さＲａはそれほど大きくならない。ストレート研削と比較してカップ砥石研削のほうが外輪軌道面１４の長手方向の摩擦係数を大きくして自転滑りを抑制することができるが、外輪軌道面１４をカップ状砥石で研削した場合、外輪軌道面１４の中央部付近の摩擦係数が端部付近の摩擦係数と比較して小さくなる。このため、外輪軌道面１４の位置によって摩擦係数が変化し、ころ１５の転がり運動が不安定になる。

これに対して、前述したように、砥石の回転軸を外輪１３の中心軸と平行にして外輪軌道面１４を研削加工した後、粗さの大きい砥石を外輪１３の幅方向に揺動させて外輪軌道面１４を超仕上げ加工すると、外輪軌道面１４に生じる研削痕が図３（ｃ）のように網目模様となり、粗さのばらつきが少ない外輪軌道面１４となるので、自動調心ころ軸受の寿命をより効果的に延ばすことができる。

次に、前述したような構成をした本発明に係る自動調心ころ軸受１０の具体的実施例及び比較例を説明する。
先ず、外輪軌道面１４としてそれぞれ以下の表１に示すような表面性状をした３つの自動調芯ころ軸受（実施例、比較例１、比較例２）を使用してその転がり疲れ寿命試験を行い、その結果を図７に示す。

ここでこれら３つの自動調芯ころ軸受のサイズは、それぞれ外径１００ｍｍ、内径５５ｍｍ、ころ直径１１．８ｍｍ、ころ長さ９．４５ｍｍであり、以下に示すような試験条件で試験を行った。
試験条件
軸受荷重：ラジアル荷重Ｆｒ＝４５０８０Ｎ（４６００ｋｇｆ）
回転数：１５００ｒｐｍ
使用潤滑油：Ｒ０＃６８
潤滑方式：強制潤滑
また、図４〜図６は、それぞれこれら３つの自動調芯ころ軸受（実施例（図４）、比較例１（図５）、比較例２（図６））の表面性状を示したものである。

この結果、図７からもわかるように本発明の条件を満足する実施例の軸受（□）は、本発明の条件を満足しない比較例１の軸受（■）および比較例２（●）の軸受に比べて転がり疲れ寿命が高い値となっている。
これは、表１からもわかるように本発明に規定する３つの条件、すなわち、外輪軌道面１４の幅方向と長手方向それぞれにおいて平均山高さＲｚｍと算術平均高さＲａとの比を１．０〜１．８にすること（第１条件）、外輪軌道面１４の幅方向と長手方向との算術平均高さＲａの比を０．８〜１．２にすること（第２条件）、外輪軌道面１４の長手方向における凹凸の平均間隔Ｒｓｍを２０μｍ以下にすること（第３条件）を全て満足した表面性状となっているからである。

これに対し、比較例１は、第２および第３条件は満たしているものの第１条件を満たしていない（０．９２）ことから、実施例のような優れた結果が得られなかった。
また、比較例２は、第３条件は満たしているものの第１および第２条件のいずれも満たしていないことから、転がり疲れ寿命が最も低い値を示した。
この結果は、図４〜図６からも推測される。

すなわち、図４に示すように本発明の条件を満足する実施例の外輪軌道面１４の表面性状をみてみると、その幅方向（同図（ａ））と長手方向（同図（ｂ））において、あまり大きな差がみられず、殆ど似たような表面性状となっているのがわかる。
これに対し、図５に示す比較例１の外輪軌道面１４の表面性状をみてみると、その幅方向（同図（ａ））の凹凸の間隔に比べて、その長手方向（同図（ｂ））の凹凸の間隔が狭くなっており、明らかに異なる表面性状となっているのがわかる。

また、図６に示す比較例２の外輪軌道面１４の表面性状をみてみると、その幅方向（同図（ａ））の凹凸の山高さに比べて、その長手方向（同図（ｂ））の凹凸の山高さが極端に低くなっており、同様に明らかに異なる表面性状となっているのがわかる。
従って、自動調心ころ軸受１０の外輪軌道面１４の表面形状を本発明のように規定することで、その表面上に細かな溝が均一に散在するという微視的表面性状を規定することができる。
この結果、その表面に潤滑油溜りが均一に散在することになるため、その外輪軌道面１４の剥離や発熱による寿命低下を防止することができる。

本発明に係る自動調心ころ軸受１０の実施の一形態を示す断面図である。本発明において規定する平均山高さＲｚｍの概念を示す説明図である。本発明に係る自動調心ころ軸受１０の表面形状の例を示す説明図である。（ａ）は、実施例に係る自動調心ころ軸受の外輪軌道面１４の幅方向の表面性状の一例を示す図、（ｂ）は、実施例に係る自動調心ころ軸受の外輪軌道面１４の長手方向の表面性状の一例を示す図である。（ａ）は、比較例１に係る自動調心ころ軸受の外輪軌道面１４の幅方向の表面性状の一例を示す図、（ｂ）は、比較例１に係る自動調心ころ軸受の外輪軌道面１４の長手方向の表面性状の一例を示す図である。（ａ）は、比較例２に係る自動調心ころ軸受の外輪軌道面１４の幅方向の表面性状の一例を示す図、（ｂ）は、比較例２に係る自動調心ころ軸受の外輪軌道面１４の長手方向の表面性状の一例を示す図である。転がり疲れ寿命の測定結果を示すグラフ図である。

符号の説明

１０…自動調心ころ軸受
１１…内輪
１２ａ，１２ｂ…内輪軌道面
１３…外輪
１４…外輪軌道面
１５…ころ
１６…保持器

Claims

外輪の内周面にころが転動する外輪軌道面を有する自動調心ころ軸受であって、
前記外輪軌道面の表面形状が以下に示す第１条件を満足することを特徴とする自動調心ころ軸受。
第１条件＝前記外輪軌道面の幅方向と長手方向それぞれにおいて以下の数式１で表される平均山高さＲｚｍと算術平均高さＲａ(ISO 4287、JIS B 0601)との比を１．０〜１．８にする。

但し、Ｚｐｉは、粗さ曲線における平均線よりも上側の山高さである。
請求項１に記載の自動調心ころ軸受であって、
さらに前記外輪軌道面の表面形状が以下に示す第２条件を満足することを特徴とする自動調心ころ軸受。
第２条件＝前記外輪軌道面の幅方向の算術平均高さＲａ(ISO 4287、JIS B 0601)と、前記外輪軌道面の長手方向の算術平均高さＲａ(ISO 4287、JIS B 0601)との比を０．８〜１．２にする。
請求項１に記載の自動調心ころ軸受であって、
さらに前記外輪軌道面の表面形状が以下に示す第３条件を満足することを特徴とする自動調心ころ軸受。
第３条件＝前記外輪軌道面の長手方向における凹凸の平均間隔Ｒｓｍ(ISO 4287、JIS B 0601)を２０μｍ以下にする。
請求項１に記載の自動調心ころ軸受であって、
さらに前記外輪軌道面の表面形状が以下に示す第２条件と第３条件を満足することを特徴とする自動調心ころ軸受。
第２条件＝前記外輪軌道面の幅方向の算術平均高さＲａ(ISO 4287、JIS B 0601)と、前記外輪軌道面の長手方向の算術平均高さＲａ(ISO 4287、JIS B 0601)との比を０．８〜１．２にする。
第３条件＝前記外輪軌道面の長手方向における凹凸の平均間隔Ｒｓｍ(ISO 4287、JIS B 0601)を２０μｍ以下にする。