JP2011163441A - ころ軸受およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ころ軸受のトルクを低減する。
【解決手段】円錐ころ３の表面に、直径１００μｍ以下の真球状のシリカ微粒子を投射して凹凸を形成した後、研磨粒子を投射して凸部を除去した。研磨粒子は、直径１ｍｍのゴム粒子の表面に、平均粒径が１０μｍのダイヤモンド砥粒を５質量％の割合で接着されたものである。これにより、円錐ころ３の表面に、直径５０μｍ以下の円形の開口部を有する多数のくぼみを、２００μｍ以下の間隔で形成する。
【選択図】図１

Description

この発明は、ころ軸受とその製造方法に関する。

自動車のデファレンシャルギアで使用される円錐ころ軸受には、特に低速側でトルクを低くすることが求められている。ころ軸受のトルクを低減するためには、ころの表面に常に油膜が十分に形成されていることが有効である。
下記の特許文献１〜３には、ころの端面とその案内面を有する鍔部のいずれかの表面状態を、両者の間に十分な油膜が形成されるようにすることが記載されている。特許文献１では、鍔部のころ案内面に微小凹部をショットブラストにより形成している。特許文献２には、粒度の異なる砥粒を装着した砥石などによる加工で、平滑面に谷部がランダムに形成された仕上げ面とすることが記載されている。

特許文献３には、表面粗さを規定して、所定の平滑面に所定深さの谷が散在する表面状態にすることが記載されている。その方法として、円盤状砥石を被研磨面へ接触させることと被研磨面から退避させることを、短時間毎に繰り返す方法が記載されている。
下記の特許文献４〜６には、ころの転動面、ころの端面、軌道輪の軌道面のいずれかの表面に微小凹形状のくぼみをランダムに無数に設け、その表面粗さを特定の範囲に規定することで、優れた油膜形成作用を得ることが記載されている。このくぼみはバレル研磨やショット等を用いた方法で加工できると記載されている。

下記の特許文献７には、純度が９９％以上のシリカからなる略球状の投射粒子を、アルミ合金製摺動部材の摺動面に投射することで、摺動面にシリカが転写された転写層を形成することが記載されている。この方法では、シリカ粒子を投射する前に、研削加工により摺動面の表面粗さをＲａ０．３μｍ程度に仕上げている。
下記の特許文献８には、被研磨物の表面を仕上げ研磨する方法として、ゴム、熱可塑性エラストマなどの弾性材からなり、かつ♯２０００以上の砥粒を含有する研磨粒子を、被研磨物に９０°以下の角度で投射することが記載されている。これにより、研削による加工で被研磨物に突き刺さって残存する砥粒が除去されると同時に、研削目や研削スジも良好に除去されて清浄で粗さの良い表面が得られる。この方法でころの転動面を仕上げ研磨することで、ころ軸受の焼きつき寿命等の向上が期待できる。

特開平６−２１４１２３５号公報 特開平７−４２７４６号公報 特開２００３−２６９４６８号公報 特開２００６−９９６２号公報 特開２００６−９９６３号公報 特開２００６−９９６４号公報 特開２００９−５２６１２６号公報 特開２００９−１１３１８９号公報

しかしながら、特許文献１〜８の方法には、ころ軸受のトルク低減という点で改善の余地がある。
この発明の課題は、潤滑油供給量が少ない場合でも使用時のトルクが低いころ軸受を提供することである。

上記課題を解決するために、この発明のころ軸受は、内輪軌道面を有する内輪と、外輪軌道面を有する外輪と、前記両軌道面間に転動自在に配置されたころを備えたころ軸受であって、前記内輪軌道面、外輪軌道面、ころの転動面、ころの端面、およびころの端面と接触する鍔面の少なくともいずれかに、直径１０μｍ以上５０μｍ以下の円形の開口部を有する多数のくぼみが１０μｍ以上２００μｍ以下の間隔で形成されていることを特徴とする。

前記くぼみは、開口部が円形であるため、開口部が線形や楕円形のくぼみと比較して、油溜まりとしての効果が高い。開口部が線形や楕円形のくぼみは、接触面積が小さい部分では油を排除しやすくなる。また、くぼみの開口部円の直径が１０μｍ以上５０μｍ以下であり、くぼみの設置間隔が１０μｍ以上２００μｍ以下であると、適度な油溜まりとなるため、前記くぼみが形成されている面は優れた油膜形成能力を有する。

前記くぼみが形成されている面は、くぼみの開口部の割合が面積率で５〜２０％となっていることが好ましい。また、前記くぼみが形成されている面は、くぼみの開口部の直径方向に沿ったラインにおいて、くぼみの合計直径が５〜５０％の割合となっていることが好ましい。くぼみの面積率が２０％を超えると、くぼみ以外の面（平滑面）による荷重を支える作用および油膜形成作用が不十分となる。くぼみの合計直径割合が５０％を超えると、くぼみの周縁部の圧力が小さくなって油膜が形成されにくくなる。

前記くぼみの深さは、１μｍ未満であると、初期摩耗によってくぼみでなくなる恐れが高く、５μｍを超えると、くぼみに溜まった油が平滑面に移動して油膜を形成する能力が小さくなる。したがって、前記くぼみの深さは、最も浅い部分で１μｍ以上となっていて、最も深い部分で５μｍ以下となっていることが好ましい。
前記構成のくぼみは、くぼみの形成面（被処理面）に対してガラスビーズを投射することで凹凸を形成するショットブラスト工程と、ショットブラスト工程で生じた凸部（処理前の面より突出した部分）を除去する凸部除去工程と、を有する方法で形成することができる。

前記凸部除去工程は、研磨加工で行うこともできるが、弾性体と砥粒で形成された研磨粒子を前記ショットブラスト工程後の被処理面に衝突させて行うことが好ましい。
ガラスビーズを投射するショットブラスト工程と前記研磨粒子の衝突による凸部除去工程を採用することで、被処理面が大きい場合や、被処理面の形状が複雑な場合でも、開口部が円形で大きさや深さ、設置間隔などが制御されたくぼみを簡単に形成することができる。

前記ショットブラスト工程は、前記ガラスビーズとして、直径が１０μｍ以上１００μｍ以下の真球状で、モース硬度が６以上で、純度が９９％以上であるシリカ微粒子を用いて行うことができる。
高炭素クロム軸受鋼二種（ＳＵＪ２）からなる素材に対して一般的な熱処理が施された内輪、外輪、ころの場合、前記シリカ粒子を用いた投射を圧力１４７０ｋＰａ以下、処理時間２０分以下で行った後に、前記研磨粒子の衝突による凸部除去工程を行うことで、前記構成のくぼみを形成することができる。また、この場合、凸部除去工程前の被処理面の表面粗さは、算術平均粗さ（Ｒａ）で０．１以下、粗さ曲線の歪み度を示すＳｋで−１．６以下にすることができる。そして、前記凸部除去工程により、最大粗さ高さ（Ｒｚ）を０．４〜２．０μｍにすることができる。

この発明のころ軸受は、ころの表面またはころと接触する面に特定のくぼみが形成されていることで、ころの表面に対する油膜形成能力が高いため、潤滑油供給量が少ない場合でも使用時のトルクを低減することができる。

この発明の一実施形態に相当する円錐ころ軸受を示す断面図である。 実施形態で使用した縦型内輪回転式試験機を示す断面図である。

以下、この発明の実施形態について説明する。
図１の円錐ころ軸受１０は、内輪軌道面１ａを有する内輪１と、外輪軌道面２ａを有する外輪２と、両軌道面１ａ，２ａ間に転動自在に配置された複数の円錐ころ３と、保持器４で構成されている。内輪１には、軸方向両端部に鍔部１１，１２を設けることにより、ころ３の端面と接触する鍔面１１ａ，１２ａが形成されている。

内輪１、外輪２、円錐ころ３は、以下のようにして作製した。先ず、ＳＵＪ２からなる素材を各形状に加工した後、８４０℃の混合ガス雰囲気（Ｒｘガス＋エンリッチガス＋アンモニアガス）で３時間浸炭窒化処理した。次いで、油焼入れと焼戻しを行った。これにより、内輪１、外輪２、円錐ころ３の各表層部（表面から２５０μｍの深さまでの部分）を、残留オーステナイト量が１５〜４０体積％の範囲となり、硬さがＨＲＣ６２〜６７（Ｈｖ７４６〜９００）の範囲となるようにした。

次に、円錐ころ３に対してガラスビーズを投射するショットブラスト工程を、以下の方法で行った。ショットブラスト装置としては、製品をかご状の容器に入れて、この容器を回転させながら、容器内にノズルからガラスビーズを投射するものを用いた。容器の入口が大きく開けてあり、この入口に投射ノズルの先端が配置されている。
ガラスビーズとしては、溶融法により真球状に製造された、平均粒径が４０μｍで、モース硬度が６以上で、純度９９％以上のシリカ（ＳｉＯ₂ ）粒子を用いた。溶融法は、原料粉末を入れた耐熱容器を２５００℃程度のバーナーで加熱することにより、容器内の原料粉末を１１００℃まで加熱して溶融させて、球状化する方法である。
ショットブラスト工程の条件としては、容器の回転速度を５ｒｐｍとし、円錐ころ３に対する投射圧力が６００ｋＰａとなる速度で投射し、投射時間を１０分間とした。

次に、この円錐ころ３に対する凸部除去工程を以下の方法で行った。研磨粒子として、直径１ｍｍのゴム（アクリロブタジエンゴム）粒子の表面に、平均粒径が１０μｍのダイヤモンド砥粒が接着されているものを用意した。この研磨粒子のダイヤモンド砥粒の含有率は５質量％である。
この研磨粒子を、エアー式ブラスト装置を用い、ショットブラスト工程後の円錐ころ３の各面に対して斜め（１０〜６０度）に衝突させた。エアブラスト条件としては、エアー圧力を０．４ＭＰａとし、ノズルとワークとの間隔を１５０ｍｍとした。また、処理時間は、サンプル毎に３〜１２分の間で変化させた。
サンプルNo. １〜４については、前述の方法でショットブラスト工程と凸部除去工程を行った後に、円錐ころ３の表面状態を測定し、最大粗さ高さ（Ｒ_Z ）と、くぼみの開口部の寸法と、くぼみの間隔を調べた。

また、ショットブラスト工程と凸部除去工程を行わず、バレル工程を行った円錐ころ３（サンプルNo. ５）と、ショットブラスト工程、凸部除去工程、バレル工程のいずれの工程も行わない円錐ころ３（サンプルNo. ６）も用意し、これらについても最大粗さ高さ（Ｒ_Z ）と、くぼみの開口部の寸法と、くぼみの間隔を調べた。なお、サンプルNo. ５のバレル工程は通常の条件で行った。
上述のようにして得られた内輪１、外輪２、およびNo. １〜６の各円錐ころ３と、ＳＰＣＣ製のかご形保持器４を用いて、No. １〜６の円錐ころ軸受を組み立て、図２に示す装置を用いて回転試験を行った。

図２の装置は、縦型内輪回転式試験機であり、主軸２１と、支持軸受２２と、本体部２３と、静圧軸受２４とからなる。支持軸受２２は、主軸２１の軸方向一端部２１ａに設けてある。静圧軸受２４は、本体部２３の軸方向上端面に設けてある。この試験機は、試験軸受である円錐ころ軸受１０の内輪１を主軸２１に外嵌させ、外輪２を本体部２３に内嵌させて使用される。

静圧軸受２４の上方からアキシャル荷重Ｆａが付与できる。本体部２３の側面に棒材２５を介してロードセル２６が接続されている。このロードセル２６で本体部２３に加わる動摩擦トルクが検出できる。本体部２３には、試験軸受１０に潤滑油Ｊを供給する通路２７が形成されている。この通路２７は、本体部２３の側面に開口している。試験軸受１０の温度を測定する熱電対２８も備えている。

この装置に試験軸受１０を取り付けて、タービン油（ＩＳＯＶＧ３２）を、通常の供給量（３００ｍｌ／ｍｉｎ）より少ない２００ｍｌ／ｍｉｎで供給しながら、Ｆａ＝９．８ｋＮ、回転速度１５００ｍｉｎ^-1の条件で内輪１を２４時間回転させた後のトルクを測定した。また、No. １〜５の円錐ころ軸受のトルク測定値から、No. ６の円錐ころ軸受のトルクを「１」としたトルク比を算出した。
その結果を下記の表１に示す。

No. １〜４の円錐ころは、シリカ粒子投射後に行う研磨粒子の投射時間が異なることでくぼみの最大深さに差が生じている。くぼみの最大深さが１．０μｍであるNo. ２の円錐ころを用いたころ軸受が、最もトルクが小さく、No. ６の半分であった。No. １〜４の円錐ころの表面に形成されたくぼみは、開口部が円形で、開口部の直径は１０〜５０μｍであった。また、くぼみの間隔は１０〜２００μｍであった。

No. ３とNo. ５では、円錐ころのくぼみの最大深さが同じであるが、シリカ粒子投射後に研磨粒子投射を行ったNo. ３の方が、バレル加工を行ったNo. ５よりもトルク比が小さかった。バレル加工された円錐ころの表面に形成されたくぼみは、開口部が円形でなく、線状であった。
なお、この実施形態では円錐ころ軸受の円錐ころ３の表面にのみ、シリカ粒子投射後に研磨粒子投射を行うことで、開口部が円形の微細なくぼみを設けているが、このくぼみを円錐ころ３、内輪軌道面１ａ、外輪軌道面２ａ、鍔面１１ａ，１２ａの全てあるいは一部に設けてもよい。また、この発明は、円錐ころ軸受以外のころ軸受でも同様の効果が得られる。

１ 内輪
１ａ 内輪軌道面
２ 外輪
２ａ 外輪軌道面
３ 円錐ころ
４ 保持器
１１，１２ 鍔部
１１ａ，１２ａ 鍔面

Claims (4)

1. 内輪軌道面を有する内輪と、外輪軌道面を有する外輪と、前記両軌道面間に転動自在に配置されたころを備えたころ軸受であって、
   前記内輪軌道面、外輪軌道面、ころの転動面、ころの端面、およびころの端面と接触する鍔面の少なくともいずれかに、直径１０μｍ以上５０μｍ以下の円形の開口部を有する多数のくぼみが１０μｍ以上２００μｍ以下の間隔で形成されていることを特徴とするころ軸受。
2. 内輪軌道面を有する内輪と、外輪軌道面を有する外輪と、前記両軌道面間に転動自在に配置されたころを備えたころ軸受の、前記内輪軌道面、外輪軌道面、ころの転動面、ころの端面、およびころの端面と接触する鍔面の少なくともいずれかからなる被処理面に対する表面処理工程を含むころ軸受の製造方法であって、
   前記表面処理工程は、前記被処理面に対してガラスビーズを投射することで凹凸を形成するショットブラスト工程と、ショットブラスト工程で生じた凸部を除去する凸部除去工程と、を有することを特徴とするころ軸受の製造方法。
3. 前記凸部除去工程は、弾性体と砥粒で形成された研磨粒子を前記ショットブラスト工程後の被処理面に衝突させて行う請求項２記載のころ軸受の製造方法。
4. 前記ショットブラスト工程は、前記ガラスビーズとして、直径が１０μｍ以上１００μｍ以下の真球状で、モース硬度が６以上で、純度が９９％以上であるシリカ微粒子を用いて行う請求項２または３記載のころ軸受の製造方法。

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