JP2014514555A - 転がり軸受の疲労評価方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、転がり軸受の転がり接触誘起疲労に関する疲労限界を特定するための、方法および装置に関する。当該方法は、外輪あるいは内輪の転がり要素接触ゾーンにおいて表面下変質を発生させる荷重にさらされている間中、転がり軸受を稼動させることを含む。さらに、転がり軸受のレースウェイ部分に沿って接触ゾーンにおける一連の表面下変質が識別されかつ測定され、そしてパラメータデータセットの生成のために使用され、ここで転がり軸受に関する予測疲労限界を表す疲労パラメータ値が、表面下変質の生成されたデータセットに基づいて特定される。

Description

本発明は、転がり軸受の転がり接触誘起疲労に関する疲労限界を特定するための方法、または試験方法に関する。本方法は、外輪と内輪との間に配置された複数の転がり要素を備えた転がり軸受を、この転がり軸受が外輪または内輪の転がり要素接触ゾーンにおいて表面下変質を発生させる荷重に対して適用されながら稼動させることを含む。

本発明はさらに、転がり接触誘起疲労に関する疲労限界を特定するために転がり軸受を試験するための装置に関し、当該装置は、転がり軸受の外輪または内輪の転がり要素接触ゾーンにおける表面下変質の発生のために転がり軸受に荷重を加えるよう構成された試験リグを備える。

本発明に基づく方法および装置は、たとえば、特定のタイプの転がり軸受、あるいは転がり軸受のセットを試験するために、そして転がり接触誘起疲労に関する疲労限界を特定するために当該タイプの特性を評価するために使用可能である。

稼動中、たとえば良好に潤滑され、適切に整列させられ、そして稼動中の摩耗あるいは水分の影響から十分に保護された転がり軸受は、依然として、転がり接触疲労から不具合を生じることがある。この種の不具合は、通常、軸受の内輪または外輪のレースウェイの表面から、または転がり要素の表面からの金属粒子の剥離として観察される。この剥離は、通常、表面の下の表面下クラックとして始まるが、これは荷重にさらされる表面における孔あるいは破片が形成される表面へと伝搬する。

転がり軸受の用途および利益を改善するためには、特定の用途において軸受から達成することができる耐用年数の長さ、耐久性を予測できることが重要である。しかしながら、転がり接触疲労に起因して、この種の予測をなす能力は阻害される。

軸受疲労パラメータを予測するために、統計的処理が、たとえば軸受疲労寿命の理論的寿命予測に関して確立されている。たとえばワイブル統計を用いる、このような予測は、明らかに同じ負荷、速度、潤滑および環境条件にさらされる明らかに同一の転がり軸受の大集団を含む実験技術によって収集された大量のデータに基づいている。

軸受の寿命、あるいは耐久性パラメータを試験するための方法はさらに、軸受素材および表面形成および熱処理プロセスといった軸受の製造プロセスを評価し、査定するために使用される。だが、転がり接触用途における表面下疲労の発生および進行の評価は時間を必要とし、コストが掛かり、しかも実験的疲労データの広がりに起因して測定および予測が困難である。使用される公知の方法は、軸受鋼成分生成を意図された鋼の有用性を評価するために多大な費用および時間を要し、しかも、これらの方法の全ては、特定用途の実際の条件を超える条件の下で試験される多数の軸受の使用によって妨げられる。すなわち、加速された技術が利用されるにもかかわらず、軸受寿命の有効な推定を達成するために、かなり長い時間にわたって試験しなければならず、ここで、試験コストは軸受試験標本の製造コストと密接に関連している。

従来技術の上記および他の欠点に鑑みて、本発明の一般的な目的は、転がり軸受の転がり接触誘起疲労に関する疲労限界を特定するための方法を提供することであり、当該方法は、外輪と内輪との間に配置された複数の転がり要素を備えた転がり軸受を、この転がり軸受が外輪あるいは内輪の転がり要素接触ゾーンに表面下変質を発生させる荷重にさらされる間、稼動させることを含む。本方法はさらに、転がり軸受のレースウェイ部分に沿って接触ゾーンにおける一連の表面下変質を識別することと、レースウェイ部分における各表面下変質に関して、表面下深さを表す位置パラメータおよび接触ゾーンにおける接触応力を表す剪断パラメータを測定することとを含む。本方法はさらに、各表面下変質に関する応力パラメータ値に関連する位置パラメータを含む表面下変質のデータセットを生成することと、表面下変質の生成されたデータセットに基づいて転がり軸受に関する予測疲労限界を表す疲労パラメータ値を特定することとを含む。

有利なことに、本発明は、たとえば、転がり軸受の転がり接触疲労に対する鋼の耐久性を評価するために改良された方法を実現し、この方法は転がり接触疲労限界の解決策および限定をもたらす。特に、この方法は、単一またはかなり少ない試験サンプルを用いて、選択された軸受鋼材料および製造のために選択された熱処理、表面下変質誘起疲労に対する鋼の耐久性といった、特定の相対的軸受特性の組み合わせに関する疲労限界の予測、および接触応力に対する組み合わされた鋼および熱処理応答の推定を実現するための、より効率的でかつ単純化された低コストな可能性をもたらす。

言い換えれば、本発明は、転がり軸受の転がり接触誘起疲労に関する疲労限界を特定するための試験方法（当該方法は、単一の試験サンプルにおけるバタフライおよびバタフライ翼の誘起および進行などの、表面下変質の発生および進行の統計的評価を可能にする）を提供することによって、意味のある結果と予測が、より素早く、かつ、より効率的に提供される、という認識に基づいている。さらに、転がり軸受のレースウェイ部分に沿った接触応力と表面下誘起疲労との間の関係を規定することによって、異なる応力レベル間の応力条件の、たとえば非常に高いかあるいは最大値からゼロまでの応力条件の、あるいはその他の好適な範囲の応力条件の評価が、単一の試験試料において実現される。したがって、間接的でありかつ転がり接触疲労限界の直接予測を提供しない従来技術の公知の試験方法に比べて、本発明の方法は、接触応力と表面下誘起疲労との間の関係の予測および規定を容易にしかつ促進する。

たとえば、転がり軸受用途のための新規な鋼製造および処理方法を導入する可能性を評価する際に、本発明の一実施形態に係る疲労限度を特定するための方法は、有利なことには、異なる鋼組成または同じ鋼組成の異なる熱処理といった、多数のファクターを比較するために使用することができる。したがって、この方法は、有利なことには、軸受サンプルのさまざまなパラメータ間の素早い予測および相対比較を可能にする。

たとえば、位置パラメータ値、および別個の表面下変質と関連付けられた応力パラメータ値を含むデータセットを生成することによって、当該方法は、疲労限界の予測を可能とする、接触ゾーンにおける、接触応力と表面下変質との間の有用な関係の抽出を可能にする。たとえば、単一の試験対象に関して、表面下変質の形成を、それを発生させる応力集中部の位置でこうむる応力に対して関連付け、そして、これらの関係に基づいて疲労限界予測を特定することが可能である。たとえば、疲労限界予測の特定は、表面下変質の分布ならびに深さおよび接触応力に関連した生成された表面下変質の依存状態を識別するために、データセットを分析することによって実現することができる。表面下変質パラメータ値のデータセットは、たとえば、接触応力／表面下深さ分布をプロットすることによって、解析的に、数値的に、または図示的に分析されてもよい。したがってデータセットは、有利なことには、たとえば接触応力／深さプロット、あるいはスペースを規定するために使用できるが、これは、試験された軸受の、生成されかつ識別された表面下変質の特性を表す。たとえば、単一の試験軸受の試験は、外輪または内輪のレースウェイ部分の接触ゾーンにおいて、少なくとも２０の表面下変質の、または少なくとも５０、少なくとも１００、または少なくとも５００の別個の表面下変質の生成を伴ってもよい。

本発明の例示的実施形態によれば、本方法はさらに、接触ゾーンにおける剪断応力を表す少なくとも一つの剪断応力レベルパラメータ値を特定することを含み、この剪断応力レベルパラメータ値は接触ゾーン深さおよび加えられる接触応力に依存する。したがって、単一の試験軸受サンプルにおいて、複数の表面下変質に関連付けられた、表面下深さ、応力条件を表すデータセットは、疲労限界を特定するための、特定された剪断応力レベルパラメータ値と組み合わせて使用することができる。本発明の一実施形態によれば、疲労パラメータ値を特定するステップはさらに、少なくとも一つの剪断応力レベルパラメータ値を、表面下変質のデータセットと比較することを含む。たとえば、生成されたデータセットの形式の試験データは、たとえば、一つまたは複数の剪断応力レベルと組み合わされた接触応力‐深さプロットを用いることで、剪断応力レベルに関連して査定および評価することができる。表面下変質と関連付けられたパラメータを解析することで、表面下変質すなわち損傷の進行を引き起こすために超過されることが必要な応力限界の予測が可能となる。表面下変質を引き起こすために超過される必要がある応力限界の予測は、データセットの解析的、図式的あるいは数値的分析により特定することができる。

疲労パラメータ値は、一実施形態によれば、それ未満では、転がり軸受の稼動中に生じる表面下変質が、全く、あるいは５％未満しか、あるいは１０％未満しか生じない剪断応力レベルパラメータ値に基づいて特定される。したがって、単一の試験対象に関して、疲労パラメータは、有利なことには、識別された表面下変質および特定された剪断応力レベルと関連付けられた収集されたパラメータデータに基づいて予測することができる。すなわち、疲労限界を表す固定された剪断応力レベルを特定可能であり、ここで、データセットに関連付けられかつそれに記述された識別済み表面下変質のほとんど全て、あるいは９５％あるいは９０％が、固定された応力レベルを上回る条件の間に形成される。したがって、疲労限度を特定する際、本方法は、有利なことには、異なる深さで発生した表面下変質の範囲および単一の軸受内の異なる応力条件を考慮する。

本発明のさらなる例示的実施形態によれば、疲労パラメータ値を特定するステップはさらに、連続した剪断応力レベル値の剪断インターバルのセットを特定することと、各剪断インターバルに関して、各剪断インターバル内に置かれた表面下変質の数を表す頻度パラメータ値を特定することと、剪断インターバルのセットと頻度パラメータとの間の関係を近似させることによって疲労パラメータ値を評価することとを含む。したがって、疲労限界予測を分析し導き出すための効率的な解決策が提供される。たとえば、データセットによって規定される、接触応力／深さプロット、またはスペースは、試験軸受試料の稼動中に使用される特定の試験条件のために導出される剪断応力曲線によって増加させることができる（この曲線はデータセットにおける別個のグループあるいはインターバルを規定する）。したがって、表面下変質の収集されたデータに基づいて、各剪断応力群と共に置かれた表面下変質の頻度が、疲労限界の数値的、解析的、図式的近似のために識別され、使用される。たとえば、カーブフィッティング、さまざまな数値補間手法、または最小二乗技術を、接触応力／深さデータセットに関連する表面下変質の頻度に基づいて、傾向および曲線を特定するために使用することができる。

さらに、本発明の実施形態によれば、加えられる荷重は、少なくとも３０００ＭＰａ超の、あるいは少なくとも４０００ＭＰａ超の、あるいは少なくとも４５００ＭＰａ超の転がり接触応力、すなわち最大転がり接触応力を生み出す。したがって、高い接触応力が実現され、これが、有利なことには、表面下変質の増速された誘起および進行をもたらす。たとえば、転がり要素と外側球面レースウェイとの間のポイント接触を伴う自己調心玉軸受は、１８００ｒｐｍにて、そして４.９ＧＰａの外輪接触応力値を生じる１８ｋＮの半径方向荷重を伴って試験リグにおいて稼動させることができる。たとえば１５ないし２０ｋＮといった比較的高いラジアル荷重は、有利なことには、レースウェイに高い接触応力条件を実現するが、これは表面下変質の統計学的に関連した量を生成する。これはさらに、単一の試験対象に関しても、あるいは、二つ、五つ、あるいは複数の試験対象のセットに関しても、予測された疲労限界に関する統計学的に改善された適切な結果をもたらす。

荷重は、一実施形態によれば、半径方向ポイント荷重、または本質的に円形状またはポイント状領域に作用する荷重であってもよい。さらに、荷重は、どちらのものが回転しているのに依存して、外輪または内輪のいずれかの転がり要素接触ゾーンに関して固定することができる。換言すれば、荷重は、表面下変質の誘起が生じる非回転輪の接触領域に関連して固定される。これは、レースウェイの接触部分に作用する接触応力が、荷重接触ポイントに関して、レースウェイ部分に沿った位置または距離に関して異なることを意味する。

たとえば、上記実施形態によれば、レースウェイ部分は、最大荷重ポイントまたは最大接触応力ポイントを含み、そしてレースウェイ部は、最大荷重ポイントから、完全なレースウェイの少なくとも４分の１だけ延在する。したがって、上記部分に生じる表面下変質の実質的に全てを識別しかつ分析することができ、ここで、レースウェイ部分の延長部は適切な接触応力勾配を含む。特に、加えられる荷重、および予荷重等の動作特性に応じて、接触応力量は、たとえば荷重接触ポイントからレースウェイの４分の１の距離において、荷重接触ポイントにおける最大値から、より低いレベルまたは最小値へと変化し得る。

さらなる例示的な実施形態によれば、本方法はさらに、レースウェイに沿って接触ゾーンを経て切開すること、あるいは接触ゾーンまで研削することを具備し、切開面、あるいは研削面は、転がり軸受の軸方向と一致する法線方向を有する幾何学的平面と一致する。断面が軸受の軸線方向と一致する法線を有するように接触ゾーン内へと軸受を切開あるいは研削することによって、レースウェイ部分に沿った表面下変質を効率的な方法で識別しかつ測定することができる。たとえば、有利な実施形態によれば、表面下変質を識別し測定するステップは、高倍率光学的検査、顕微鏡、走査型電子顕微鏡などのような、視覚的または光学的検査を含む。さらなる検査方法は、冶金学および寸法ベース測定および検査、および／または化学的評価方法を含む。

本発明のその上さらなる実施形態では、本方法は、転がり軸受の稼動中の疲労破損の発生を監視し、そして所定の疲労パラメータに到達するまで転がり軸受を稼動することを含む。損傷を示すために使用される動作パラメータは、振動、ノイズおよび／または温度などであってもよい。

典型的には、この用途に限定されるものではないが、本発明の実施形態に係る方法は、自動調心玉軸受といった玉軸受の転がり接触誘起疲労に関する疲労限界を特定するために使用される。特に、たとえば自己調心能力を可能とする外輪レースウェイの球状ジオメトリーは、十分に高い接触応力レベルを伴って球とレースウェイとの間にポイント接触をもたらす。ポイント接触は、通常、ボールとレースウェイとが出会う特定の本質的に円形領域を意味し、これは、大きな楕円形接触領域を有するローラー要素を含む軸受と比較され得ることに留意されたい。

本発明の別の態様によれば、それは、プログラムが少なくとも一つのマイクロプロセッサによって実行される場合、本発明の上記実施形態のいずれかに記載の方法を実行するためのプログラムコード手段を含むコンピュータプログラムに関する。

そのさらに別の態様によれば、本発明は、転がり軸受を試験するための装置に関し、当該装置は、外輪と内輪との間に配置された複数の転がり要素を備えた転がり軸受を稼動させるための試験リグを備える。この試験リグは、外輪または内輪の転がり要素接触ゾーンにおいて表面下変質を発生させるために転がり軸受に荷重を加えるよう構成されている。さらに、当該装置は、転がり軸受のレースウェイ部分に沿った接触ゾーンにおける一連の表面下変質を識別するために配置された測定デバイスであって、この測定デバイスはさらに、レースウェイ部分における各表面下変質に関して、表面下深さを表す位置パラメータ値、および接触ゾーンにおける接触応力を表す応力パラメータ値を測定するよう配置されている測定デバイスと、パラメータ値を収集し、かつ、各表面下変質に関する応力パラメータ値に関連する位置パラメータ値を備えた表面下変質のデータセットを生成するよう構成された制御ユニットであって、この制御ユニットはさらに、表面下変質の生成されたデータセットに基づいて転がり軸受に関する予測された疲労限界を表す疲労パラメータ値を特定するよう構成されている制御ユニットとを備える。

有利なことには、本発明に係る装置は、たとえば、転がり軸受の転がり接触疲労に対する鋼の耐久性の改善された評価および査定を可能にする。さらに、当該装置は、転がり接触疲労限界を規定する効率的かつ改良された解決策を実現する。特に、本装置は、単一のまたはかなり少ない試験サンプルを用いて、選択された軸受鋼材料および製造のために選択された熱処理、表面下誘起疲労に対する鋼の耐久性といった、指定された相対的軸受特性の組み合わせに関する疲労限界の予測およびたとえば接触応力に対する組み合わされた鋼および熱処理応答の推定を実現するための、より効率的かつ低コストの可能性をもたらす。加えて、本装置は、本発明に係る方法および方法実施形態と同様にさらに有利であり、しかも、それに対応して適合させることができる。

本発明の他の目的、特徴および利点は、以下の詳細な説明、従属請求項ならびに図面から明らかになる。

以下、本発明について、本発明の少なくとも一つの例示的な実施形態を示す添付図面を参照して詳細に説明する。

本発明に係る方法の実施形態を大まかに示すフローチャートである。 本発明に係る方法の実施形態を大まかに示すフローチャートである。 自動調心玉軸受の概略斜視断面図である。 自動調心玉軸受の概略断面図である。 本発明に係る方法の実施形態に基づく試験のための軸受の外輪の二つの側面を大まかに示す図である。 軸受のレースウェイに沿った接触ゾーンにおいて発生する例示的な表面下変質を大まかに示す図である。 本発明に係る方法の実施形態に基づく表面下変質の生成されたデータセットを大まかに示す図である。 本発明の一実施形態に基づく接触応力／深さ図における特定された剪断応力レベルを示す図である。 本発明に係る方法の一実施形態に基づく第１の例示的試験による表面下変質および疲労限度近似のデータを大まかに示す図である。 本発明に係る方法の一実施形態に基づく第１の例示的試験による表面下変質および疲労限度近似のデータを大まかに示す図である。 本発明に係る方法の一実施形態に基づく第１の例示的試験による表面下変質および疲労限度近似のデータを大まかに示す図である。 本発明に係る方法の一実施形態に基づく第２の例示的試験による表面下変質および疲労限度近似のデータを大まかに示す図である。 本発明に係る方法の一実施形態に基づく第２の例示的試験による表面下変質および疲労限度近似のデータを大まかに示す図である。 本発明に係る装置の一例を大まかに示す図である。

図面において、類似または同等の要素には同じ参照数字が付されている。図面は模式的な表現に過ぎず、正確な縮尺ではなく、本発明の範囲を限定するものと解釈すべきではない。

図１ａないし１ｂでは、本発明に係る二つの異なる方法実施形態１および１１が概略的なフローチャートに示されている。図１ａを参照すると、軸受初期稼動ステップ２で、試験軸受は、ＳＫＦ Ｒ−２試験機などの試験リグ内で稼動させられるが、ここで、軸受は、レースウェイ接触ゾーンにおいて表面下変質を発生させる機械的荷重にさらされる。接触ゾーンは、レースウェイ材の三次元体積から形成されるが、これは、たとえば、球状転がり要素とレースウェイとの間のポイント状転がり接触領域において生み出されかつ誘起される内部応力および剪断応力条件にさらされる。一般に、試験軸受は、破砕または表面下誘起疲労破壊の発生まで、または実行中の処置の意図的な中断まで稼動させられる。稼動後、識別ステップ３において、試験軸受の外輪または内輪のレースウェイに沿った接触ゾーンが検査されるが、ここでは、包含物によって生じるバタフライ生成物のような表面下変質の一連の統計学的に関連する数が識別される。識別は、たとえば、レースウェイの一部の接触ゾーンの内部構造の光学的または目視検査を含む、さまざまな技術によって実施できる。

測定ステップ４において、検査されたレースウェイ部分における各表面下変質に関して、表面下深さを表す位置パラメータ値と、接触ゾーンにおける接触応力を表す応力パラメータ値が測定される。たとえば、表面下変質によって生成された各構造的特徴の位置は、加えられる荷重に関連して、レースウェイ内へのその深さおよびその周方向位置に関して記録される。さらに、バタフライを生成する包含物のサイズと、生成された翼の最大（片側）のサイズとが、たとえば５００×の倍率で、光顕微鏡検査によって測定され、記録されてもよい。

たとえば、外輪または内輪のレースウェイ部分に沿った接触ゾーンは、レースウェイ接触ゾーンを通って延びる長手方向「メランデル（Melander）」切片上で検査される。さらに、各表面下変質の位置および応力パラメータ値は、それぞれの変質の識別後、直接的に測定することができる。これに代えて、一連の表面下変質は最初のステップで識別され、その後、それぞれ別個の表面下変質に関連するパラメータ値が後のステップで測定される。

さらに図１ａに示すように、本方法は、データセットを生成するステップ５を含むが、ここで、各表面下変質に関する応力パラメータ値に関連した位置パラメータ値を含む表面下変質のデータセットが生成される。したがって、収集されたデータは、転がり軸受のレースウェイ部分に沿った接触応力と表面下誘起疲労との間の関係を規定するために使用されるパラメータ値情報を含むデータセットへとコンパイルされる。さらに、それは、非常に高いかあるいは最大値からゼロまでの応力条件といった、さまざまな応力レベル間の応力条件、あるいはその他の適当な範囲の応力条件の評価を、単一の試験試料で実現することを可能とする。たとえば、生成されるデータセットは、識別された表面下変質の群の個々のもののレースウェイ深さを示す位置パラメータを表す第１の値のセットと、識別された表面下変質の群と関連付けられた接触応力値を示す応力パラメータを示す対応する第２の値のセットとを含み、ここで、応力値は、機械的荷重が加えられるレースウェイ上の荷重接触ポイントに対する表面下変質の距離あるいは角距離によって特定される。生成されたデータセットにはさらに、成長を伴うバタフライ、主要なレースウェイ方向の長手方向広がりに関する表面下変質の横方向または軸方向位置、表面下成長の方向、試験方法の一般的な運用条件、あるいは表面下変質のタイプといった、表面下変質と関連付けられた追加のパラメータ値を、さらに含んでいてもよい。

さらに図１ａに示すように、方法１は疲労予測特定ステップ６を含むが、ここでは、転がり軸受の予測された疲労限界を表す疲労パラメータ値が、表面下変質の生成されたデータセットに基づいて特定される。換言すれば、単一の軸受試験対象から取得したパラメータ値のデータセットは、たとえば、接触応力値、内部剪断応力値または試験される軸受タイプに関する予測疲労限界を示す等価静軸受荷重値を特定するために分析することができる。したがって、単一のあるいは一群の軸受の疲労特性を予測または比較するための、効率的で、汎用性のある、迅速化された方法が提供される。

図１ｂを参照すると、転がり軸受の転がり疲労誘起疲労に関する疲労限界を特定するための方法２２は、図１ａを参照して説明したのと同様の初期操作ステップを、すなわち、軸受を稼動させるステップ１２、表面下変質の識別ステップ１３、表面下変質のパラメータ値を測定するステップ１４、そしてデータセットを生成するステップ１５を含む。さらに説明するように、方法１１は、剪断応力レベルインターバルを特定するステップ１６を含むが、ここでは、適切な剪断応力値インターバルが特定され、そしてデータセットのパラメータ値の分析およびマッピングのために使用される。特に、剪断応力インターバルは、それらに関連するパラメータ値に基づいて表面下変質をグループ化するために使用される。図１ｂに示されるように、これは頻度パラメータを特定するステップ１７において実施されるが、ここでは、各剪断インターバル内に位置する表面下変質の数を表す頻度パラメータ値が特定される。頻度パラメータに基づいて、方法１１はさらに、剪断インターバルのセットと頻度パラメータとの間の関係を近似させることによる疲労パラメータ値の推定を含む疲労パラメータ近似ステップ１８を含む。

図２ａには、自動調心玉軸受２０の斜視断面が大まかに示されている。特に、玉軸受２０は、本発明に係る疲労試験および予測に適した好適な試験軸受を構成している。玉軸受２０は、外輪２２と内輪２３との間の二つの隣接する列内に配置された球２１の形態の複数の転がり要素を備えている。玉軸受２０のジオメトリーを考慮すると、それは、球２１と内輪２３との間に増大した転がり接触領域を提供する溝を有する内輪レースウェイ３０を備えている。したがって、試験中に加えられる荷重は、かなり大きな面積にわたって分散されるが、これは、少ない（通常は統計的に関連のない）数の表面下変質が内輪において生じることを意味する。外輪２３のレースウェイ面と球との間の転がり接触は、しかしながら、加えられる荷重をレースウェイ３１に集束させる小さなポイント接触を形成し、これが表面下変質の生成を増加させる。本発明に係る方法の実施形態によれば、たとえば３０００〜６０００ＭＰａの範囲の十分に高い接触応力または垂直応力を可能にするジオメトリーを有する軸受が、試験のために使用される。たとえば、好適な転がり軸受タイプとしては、これらに限定されるものではないが、転がり要素と内輪または外輪との間に、一つ、二つ、そしてある限定された数のポイント接触を有する軸受が挙げられる。

図２ｂにおいては、自動調心玉軸受２０の断面が大まかに示されている。図示のように、外輪２３の半径方向内面は、湾曲した、あるいは球状の断面形状を備え、ここで、球２１ａとレースウェイ３１との間の転がり接触領域は、加えられる荷重によって応力および剪断応力が生じる接触ゾーン２４ａを形成する。したがって、接触ゾーンは、表面下変質が主として生じかつレースウェイ３１接触領域下の外輪内の所与の深さで、通常は最大剪断応力の位置で、それが成長する体積を含む。

図３は、本方法の実施形態に係る試験について、軸受の外輪２２の二つの側面を大まかに示している。左側の図では、試験中に軸受に加わる荷重Ｌが示されている。荷重は、試験される外輪２２に関して固定され、そしてＡで示す最大荷重ポイントを形成する。荷重Ｌによって生じる接触応力は、Ｂによって示される低荷重ポイントに向う方向に減少する。試験リグで軸受を稼動させた後、最大荷重ポイントＡと低荷重ポイントＢとの間に存在するレースウェイの一部２５は、表面下変質の識別および測定のために検査される。図示のように、レースウェイの一部２５は９０度の角距離に対応する。しかしながら、このレースウェイ部分は、３０ないし１５０度の、４５ないし１３５度の、あるいは７０ないし１１０度の範囲の（最大荷重ポイントＡに関連する）角距離に対応してもよい。これに代えて、レースウェイ３１の全長に沿った表面下変質からのデータが収集されてもよい。

図３の右側には外輪２２の半径方向外周面が示されており、試験リグで軸受を稼動させた後、中央レースウェイ領域は、２６で示されるようにメランデル切片を切り取り、これによって試験される軸受の接触ゾーンおよびレースウェイの断面図を提供することによって検査することが可能である。切片は、２６に沿って外輪を二つの部分へと分離させることによって、あるいは材料を除去することによって、たとえば、外輪２２の軸方向と一致する法線方向を有する平面内に延びる検査面が提供されるように平面的に外輪内へと軸方向に研削することによって提供されてもよい。

図４は、本発明による試験中に軸受のレースウェイに沿って接触ゾーンに生じる例示的表面下変質部４０を示している。変質部４０は、翼生成物４１，４２を持つ典型的なバタフライを構成する。さらに、包含物４３のサイズおよび組成は、マイクロクラック関連バタフライ翼生成物４１，４２の成長を推進する典型的なパラメータである。通常、バタフライのような表面下変質は、最大剪断応力レベルの深さと一致する深さで起こるが、このレベルは、接触ゾーンにおけるマイクロクラック成長のための主要な作用応力ドライバと考えられる。

図５は、本発明に係る方法の一実施形態に基づく表面下変質パラメータの例示的生成データセットの大まかなグラフである。本試験方法において特定された各表面下変質の位置および応力パラメータ値は接触応力／深さ図にプロットされており、ここで各ドットは表面下変質を表す。縦軸は、どの程度深く表面下変質が接触ゾーン内に位置しているかに対応する位置パラメータを表し、一方、横軸は、加えられる機械的荷重によって生じる応力状態に対応する。さらに詳しくは、図３を参照して示すように、作用する荷重は、最大荷重ポイントＬにおいて、４９００ＭＰａの最大接触応力を発生させた。プロットされたデータから明らかであるように、増加した数の表面下変質が最大荷重ポイント近傍に生じていた。さらに、プロットされた接触応力／深さ図における表面下変質のデータセットの分布から導出できるように、最も大きな深さを有する表面下変質はまた、図の右側において、最大荷重ポイントの近傍に位置している。

図６は、本発明の一実施形態による接触応力／深さ図において例示的剪断応力レベルパラメータ値を図式的に示している。剪断応力レベルパラメータ値は、接触ゾーンにおける剪断応力を表し、かつ、接触ゾーン深さおよび作用する接触応力に依存する。剪断応力レベル値は、上側縦軸によって示すように、２００ないし１１００ＭＰａの範囲にプロットされている。たとえば、表面下変質のプロットされたデータセットに含まれる情報に基づく疲労限界は、表面下変質が生じない適切な剪断応力レベル値の識別により提供することができる。

図７および図８を参照すると、本発明の二つの適用例が、本方法の一実施形態に係る第１および第２の例示的試験からの表面下変質および疲労限界近似のデータを概略的かつ図式的に例示することによって示されている。さらに詳しく言うと、転がり軸受用途のための新規な鋼製造および処理方法を導入する可能性の評価に関して、上記試験方法および評価手順が、多数のファクターを比較するために使用される。

図７ａ〜ｃを参照すると、低高温還元標準鋼を含む自動調心玉軸受の試験データが示されており、図８ａ〜ｂは、ある程度の熱間成形還元を伴う高清浄度鋼を含む類似の軸受に関する試験データを示している。

図７ａにおいては、表面下変質のデータセットが、連続した剪断応力レベル値の剪断インターバルの特定されたセットと共に、接触応力／深さ図にプロットされている。図７ｂには、各剪断インターバル内に置かれた表面下変質の数を表す所定の頻度パラメータ値がプロットされており、ここで、剪断応力インターバルと表面下変質の数との間の関係の近似はカーブフィッティングによって近似させられる。図７ｃにおいては、データはさらに一般化されており、ここで、結果は、検査されたレースウェイ部分の単位投影面積当たりの表面下変質の数へと変換されている。一例として、例示したデータに基づくカーブフィッティングは、２２０ＭＰａの推定された疲労限界値、すなわち単位面積当たりゼロの表面下変質の近似レベルを提供する。高清浄度鋼の表面下変質のデータセットは、図８ａに同様にプロットされている。図８ｂに示すように、剪断応力レベルインターバルに関連する表面下変質の頻度の類似の分析は、単位面積当たりの変質の数の一般化された結果を提供する。この軸受については、同じ方法で計算された近似疲労限界は、３５０ＭＰａまで増大させられている。

本方法の実施形態に基づく例示的試験において、軸受は、１８００ｒｐｍで作動する標準型ＳＫＦ Ｒ−２機械を用いて、同じ条件下で稼動させられた。１８ｋＮの純粋な半径方向荷重が、外輪に４.９ＧＰａのＰｏ、２.１６のＣ/Ｐ、１０Mrevsの非調整Ｌ１０寿命、そして１２.８Mrevsの調整されたＬ１０ｍｈ寿命評価を付与するために加えられた。循環オイル潤滑システムが潤滑剤としてShell Turbo１００と共に使用された。軸受外輪動作温度は、２.６１のカッパ値Ｋ″を与える７０〜８０℃で維持された。試験は、鋭敏なエンベロープシステムによって監視され、破砕の発生まで、あるいは意図的な中断まで実施された。転がり軸受を試験するための例示的な装置９０を図９に大まかに示すが、この装置９０は、試験稼動中に転がり軸受に荷重を加えるよう配置された試験リグ９１と、試験稼動中に生じる一連の表面下変質を識別するように配置された測定デバイス９２と、パラメータ値を収集すると共に予測された疲労限界労を表すパラメータ値を特定するよう構成されるか、あるいは指示された制御ユニット９３とを備える。制御ユニット９３は、たとえば、マイクロプロセッサおよび記憶デバイス、または疲労限界予測を行うオペレータを含み得る。

本発明について主として、いくつかの実施形態を参照して説明してきた。だが、当業者には自明であるように、上記のもの以外の実施形態が、特許請求の範囲によって規定されるような、本発明の範囲内で同様に可能である。さらに、特許請求の範囲において、「を含む」という語は、他の要素またはステップを排除するものではなく、そして、「ある」または「一つ」との語は複数を排除するものではない。単一の装置または他のユニットは、特許請求の範囲に列挙された、いくつかのアイテムの機能を満たすことができる。特定の手段が相互に異なる従属請求項に記載されているという単なる事実は、これら手段の組み合わせが有利に使用できないことを意味しない。本発明に係る方法および装置は、異なる順序で実行しかつ動作させることが可能である。

２０ 軸受（自動調心玉軸受）
２１ 要素（球）
２１ａ 球
２２ 外輪
２３ 内輪
２４ａ 接触ゾーン
２５ レースウェイ部分
３０ 内輪レースウェイ
３１ レースウェイ
４０ 変質部
４１，４２ 翼生成物
４３ 包含物
９０ 装置
９１ 試験リグ
９２ 測定デバイス
９３ 制御ユニット

Claims (15)

1. 転がり軸受の転がり接触誘起疲労に関する疲労限界を特定するための方法（１）であって、前記方法は、
   外輪（２２）と内輪（２３）との間に配置された複数の転がり要素（２１）を備えた転がり軸受（２０）を、この転がり軸受が前記外輪あるいは内輪の転がり要素接触ゾーン（２４ａ；２４ｂ）に表面下変質を発生させる荷重にさらされる間、稼動させることと、
   前記転がり軸受のレースウェイ部分（２５）に沿って前記接触ゾーンにおける一連の表面下変質を識別すること（３）と、
   前記レースウェイ部分における各表面下変質に関して、表面下深さを表す位置パラメータ値および前記接触ゾーンにおける接触応力を表す応力パラメータ値を測定すること（４）と、を含み、前記方法は、さらに、
   各表面下変質に関する前記応力パラメータ値に関連する前記位置パラメータ値を含む表面下変質のデータセットを生成すること（５）と、
   表面下変質の前記生成されたデータセットに基づいて前記転がり軸受に関する予測疲労限界を表す疲労パラメータ値を特定すること（６）と、を含むことを特徴とする方法。
2. 前記接触ゾーン（２４ａ）における剪断応力を表す少なくとも一つの剪断応力レベルパラメータ値を特定することをさらに含み、前記剪断応力レベルパラメータ値は、接触ゾーン深さおよび加えられる接触応力に依存することを特徴とする請求項１に記載の方法（１）。
3. 前記疲労パラメータ値を特定する前記ステップはさらに、前記少なくとも一つの剪断応力レベルパラメータ値を、表面下変質の前記データセットと比較することを含むことを特徴とする請求項２に記載の方法（１）。
4. 前記疲労パラメータ値は、それ未満では、前記転がり軸受の稼動中に生じる前記表面下変質が、全く、あるいは５％未満しか、あるいは１０％未満しか生じない剪断応力レベルパラメータ値に基づいて特定されることを特徴とする請求項３に記載の方法（１）。
5. 前記疲労パラメータ値を特定する前記ステップはさらに、
   連続した剪断応力レベル値の一連の剪断インターバルを特定すること（１６）と、
   各剪断インターバルに関して、各剪断インターバル内に置かれた表面下変質の数を表す頻度パラメータ値を特定すること（１７）と、
   前記一連の剪断インターバルと前記頻度パラメータとの間の関係を近似させること（１８）によって前記疲労パラメータ値を評価することと、を備えることを特徴とする請求項３に記載の方法（１）。
6. 加えられる荷重は、少なくとも３０００ＭＰａを上回る、あるいは少なくとも４０００ＭＰａを上回る、あるいは少なくとも４５００ＭＰａを上回る転がり接触応力を発生させることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の方法（１）。
7. 前記荷重は半径方向ポイント荷重であることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の方法（１）。
8. 前記荷重は、前記転がり要素接触ゾーンに関して固定されることを特徴とする請求項７に記載の方法（１）。
9. 前記レースウェイ部分は最大荷重ポイントを有し、かつ、
   前記レースウェイ部分は、完全なレースウェイの少なくとも４分の１だけ、前記最大荷重ポイントから延在していることを特徴とする請求項７または請求項８に記載の方法（１）。
10. 前記レースウェイに沿って前記接触ゾーンを経て切開すること、あるいは前記接触ゾーンまで研削することを、さらに具備し、切開面は、前記転がり軸受の軸方向と一致する法線方向を有する幾何学的平面と一致することを特徴とする請求項１ないし請求項９のいずれか１項に記載の方法（１）。
11. 前記表面下変質を識別しかつ測定するステップは、視覚的または光学的検査を含むことを特徴とする請求項１０に記載の方法(１)。
12. 前記方法は、さらに、前記転がり軸受の稼動中に疲労破壊の発生を監視し、所定の疲労破壊パラメータに達するまで前記転がり軸受を稼動させることを含むことを特徴とする請求項１ないし請求項１１のいずれか１項に記載の方法（１）。
13. 前記転がり軸受は自動調心玉軸受であることを特徴とする請求項１ないし請求項１２のいずれか１項に記載の方法（１）。
14. 請求項１ないし請求項１３のいずれか１項に記載の前記方法（１）を実行するためのプログラムコード手段を含むコンピュータプログラムであって、前記プログラムは、少なくとも一つのマイクロプロセッサによって実行されることを特徴とするコンピュータプログラム。
15. 転がり軸受を試験するための装置であって、
    外輪と内輪との間に配置された複数の転がり要素を備えた転がり軸受を稼動させるための試験リグであって、この試験リグは、前記外輪あるいは内輪の転がり要素接触ゾーンにおける表面下変質の発生のために前記転がり軸受に荷重を加えるよう構成されている試験リグを具備し、
    前記装置はさらに、
    前記転がり軸受のレースウェイ部分に沿った前記接触ゾーンにおける一連の表面下変質を識別するために配置された測定デバイスであって、この測定デバイスはさらに、前記レースウェイ部分における各表面下変質に関して、表面下深さを表す位置パラメータ値、および前記接触ゾーンにおける接触応力を表す応力パラメータ値を測定するよう配置されている測定デバイスと、
    パラメータ値を収集し、かつ、各表面下変質に関する前記応力パラメータ値に関連する前記位置パラメータ値を備えた表面下変質のデータセットを生成するよう構成された制御ユニットであって、この制御ユニットはさらに、表面下変質の前記生成されたデータセットに基づいて前記転がり軸受に関する予測された疲労限界を表す疲労パラメータ値を特定するよう構成されている制御ユニットと、を備えることを特徴とする装置。

Images