JP2016114234A

JP2016114234A - 軌道輪の耐圧痕性評価方法

Info

Publication number: JP2016114234A
Application number: JP2014256086A
Authority: JP
Inventors: 弘樹小俣; Hiroki Komata; 泰弘岩永; Yasuhiro Iwanaga
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2014-12-18
Filing date: 2014-12-18
Publication date: 2016-06-23

Abstract

【課題】転がり軸受の軌道輪の耐圧痕性を簡便且つ安価に評価することができる方法を提供する。【解決手段】転動体２及び軌道輪１を備える転がり軸受に静的荷重が負荷された場合に、転動体２との接触により軌道輪１に生じる静的せん断応力の、軌道輪１の表面から内部までの深さ方向の分布を表す曲線と、軌道輪１を構成する材料の強度の、軌道輪１の表面から内部までの深さ方向の分布を表す曲線と、を取得する。静的せん断応力は、軌道輪１と転動体２との接触点Ｏにおける転動体２の接線に対して４５°をなす方向に作用する静的せん断応力とする。そして、２つの曲線によって囲まれ、且つ、軌道輪１を構成する材料の強度の分布を表す曲線を静的せん断応力の分布を表す曲線が上回る領域の面積の大きさによって、転動体２との接触により生じる塑性変形に対する軌道輪１の抵抗性である耐圧痕性を評価する。【選択図】図２

Description

本発明は、転がり軸受の軌道輪の耐圧痕性を評価する方法に関する。

転がり軸受が静止時に大きな荷重を受けると、軌道輪と転動体との間にヘルツ接触が生じ、その接触部に永久変形（圧痕）が生じる。この永久変形の量が大きくなると、転がり軸受の音響特性、振動特性が悪化するばかりでなく、場合によっては応力集中源として作用し、剥離などの破損を引き起こすことが懸念される。このため、転がり軸受には、静止時に受けることができる許容荷重（静定格荷重）が定められており、ＪＩＳＢ１５１９では、４２００ＭＰａの接触面圧となるような荷重と定義されている。

一方、環境問題や省エネルギーの観点から、産業機械や自動車の燃費向上が重要視されており、転がり軸受の小型化のニーズは益々大きくなっている。転がり軸受の小型化を可能にするためには、転がり疲れ寿命の観点に加え、４２００ＭＰａを超える荷重が負荷されることも想定して、材料の塑性変形抵抗性（耐圧痕性）を向上させることが必須である。このような背景から、例えば特許文献１、２には、高炭素クロム軸受鋼製の軸受部品に浸炭窒化処理及び焼戻しを施して塑性変形抵抗性を向上させる技術が開示されている。

一般的に、鉄鋼材料の塑性変形抵抗性は、材料の降伏強さで評価することができる。降伏強さは硬さ（例えばヴィッカース硬さＨＶ）と良好な相関性があるので、鉄鋼材料の塑性変形抵抗性の評価は硬さ測定で代替することができる。軌道輪等の軸受部品の耐圧痕性においても、硬さは一つの指標となり得る。
しかしながら、転がり軸受が静的負荷を受けた場合に軸受部品に生じる塑性変形（すなわち圧痕）は、ヘルツ接触に伴い材料の内部に働く静的せん断応力（ヘルツ接触する２つの軸受部品の接触点における接線に対して４５°方向に働くせん断応力）によってもたらされる。静的せん断応力は一様ではなく３次元的な分布を有し、さらに軸受の形式や大きさによって分布が異なる。また、軸受部品に浸炭処理、浸炭窒化処理、高周波焼入れ等が施されている場合には、硬さ（すなわち降伏強さ）も分布を有する。このため、転がり軸受の軸受部品の耐圧痕性は、硬さだけでは十分な評価はできない。

また、転がり軸受の軸受部品の耐圧痕性の評価方法としては、例えば特許文献１、２に開示されているように、転がり軸受の軌道輪を模擬した平板状の試験片に鋼球を押し付ける試験によって評価する方法がある。
しかしながら、平板状の試験片と鋼球との接触領域は円形状であるのに対して、実際の転がり軸受における軌道輪と転動体との接触領域は楕円形状又は線状であるので、接触面圧が同等であっても変形を生じさせる静的せん断応力の分布は異なる。したがって、特許文献１、２に開示の評価方法が実際の転がり軸受の耐圧痕性の評価方法として妥当であるかは、不明である。また、耐圧痕性の評価のために試験片の作製作業や試験作業を必要とするので、コスト及び時間を要するという問題を有していた。

特開２０１２−１０７６７５号公報特開２０１２−１０７６７６号公報

Smith, J. O., Liu, C. K. and III U., "Stress Due to Tangential and Normal Loads on an Elastic Solid with Application to Some Contact Stress Problems", Transaction of the ASME, Journal of Applied Mechanics, Vol. 20(1953), pp. 157-166. 岡本純三，"玉軸受の計算"，１９９９年

そこで、本発明は上記のような従来技術が有する問題点を解決し、転がり軸受の軌道輪の耐圧痕性を簡便且つ安価に評価することができる方法を提供することを課題とする。

前記課題を解決するため、本発明の一態様に係る軌道輪の耐圧痕性評価方法は、転動体及び軌道輪を備える転がり軸受に静的荷重が負荷された場合に前記転動体との接触により生じる塑性変形に対する前記軌道輪の抵抗性である耐圧痕性を評価する方法であって、前記転動体との接触により前記軌道輪に生じる静的せん断応力の、前記軌道輪の表面から内部までの深さ方向の分布を表す曲線と、前記軌道輪を構成する材料の強度の、前記軌道輪の表面から内部までの深さ方向の分布を表す曲線と、を取得し、前記静的せん断応力は、前記軌道輪と前記転動体との接触点における前記転動体の接線に対して４５°をなす方向に作用する静的せん断応力とし、前記２つの曲線によって囲まれ、且つ、前記軌道輪を構成する材料の強度の分布を表す曲線を前記静的せん断応力の分布を表す曲線が上回る領域の面積の大きさによって、前記耐圧痕性を評価することを要旨とする。

上記一態様に係る軌道輪の耐圧痕性評価方法においては、前記軌道輪を構成する材料の強度を降伏せん断応力としてもよい。
また、上記一態様に係る軌道輪の耐圧痕性評価方法においては、前記軌道輪を構成する材料の強度は、前記軌道輪の硬さから計算したものであってもよい。
さらに、上記一態様に係る軌道輪の耐圧痕性評価方法においては、前記静的せん断応力の分布を表す曲線は、前記転動体との接触点下の前記軌道輪の表面から内部までの深さ方向の分布を表す曲線であってもよい。

本発明の軌道輪の耐圧痕性評価方法は、転がり軸受の軌道輪の耐圧痕性を簡便且つ安価に評価することができる。

（ａ）は、軌道輪に作用する静的せん断応力を模式的に説明する図であり、（ｂ）は、面積Ｓを模式的に説明する図である。面積Ｓの計算方法を説明する図である。圧痕深さと面積Ｓとの関係を示すグラフである。

本発明の軌道輪の耐圧痕性評価方法の一実施形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。
転動体２及び軌道輪１を備える転がり軸受に静的荷重が負荷されると、転動体２との接触により軌道輪１に塑性変形（圧痕）が生じる場合があるが、その際の塑性変形量（圧痕量）は、軌道輪１を構成する材料の強度と、軌道輪１と転動体２とのヘルツ接触によって軌道輪１の内部（軌道輪１と転動体２との接触点Ｏ下の内部）に作用する静的せん断応力との相対関係によって決まると考えられる。

すなわち、図１の（ｂ）に示すように、軌道輪１の表面から内部までの材料の降伏せん断応力（硬さに相当する）の深さ方向（ｚ軸方向）の分布を表す曲線と、軌道輪１の表面から内部までの静的せん断応力の深さ方向の分布を表す曲線と、を比較して、これら２つの曲線によって囲まれ、且つ、材料の降伏せん断応力の分布を表す曲線を静的せん断応力の分布を表す曲線が上回る領域（図１の（ｂ）において斜線が付された部分）の面積Ｓの大きさによって、塑性変形量（圧痕量）を推定することができる。なお、軌道輪１の内部（軌道輪１と転動体２との接触点Ｏ下の内部）に作用する静的せん断応力とは、図１の（ａ）に示すように、軌道輪１と転動体２との接触点Ｏにおける転動体２の接線に対して４５°をなす方向に作用する静的せん断応力τ_stである。

ここで、軌道輪１の内部に作用する静的せん断応力τ_st（単位はＭＰａ）は、その部分に作用する垂直応力σ_x（単位はＭＰａ）と、その部分に作用する垂直応力σ_z（単位はＭＰａ）とを用いた下記式（１）で表される。垂直応力σ_xは、接触点Ｏにおける転動体２の接線の方向（図１の（ａ）におけるｘ軸方向）に作用する応力であり、垂直応力σ_zは、接触点Ｏにおける転動体２の接線の法線方向（図１の（ａ）におけるｚ軸方向）に作用する応力である。

垂直応力σ_x、σ_zは、最大面圧Ｐ_maxと接触楕円の短半径ｂとから、例えばＳｍｉｔｈの弾性理論解（非特許文献１を参照）を用いて計算することができる。静的せん断応力τ_stが最大となる部分は、軌道輪１の内部のうち軌道輪１と転動体２の接触点Ｏ下（すなわちｚ軸上）に存在する。ｚ軸上（すなわちｘ＝０）において作用する種々の垂直応力σ_x、σ_zは、非特許文献１から下記式（２）、（３）で表される。

転がり軸受に静的荷重を負荷した場合の最大面圧Ｐ_max及び接触楕円の短半径ｂは、例えば非特許文献２を参考にして算出することができる。また、軌道輪１の材料の強さ、すなわち降伏せん断応力τ_y（単位はＭＰａ）は、０．２％耐力をσ_0.2、軌道輪１のヴィッカース硬さをＨＶとすると、下記式（４）で算出することができる。

以下に、玉軸受に静的荷重を負荷した場合に内輪の軌道面に生じる塑性変形の量の計算方法の一例を示す。図２は、呼び番号６２０６の深溝玉軸受（内径３０ｍｍ、外径６２ｍｍ、転動体の直径９．５２５ｍｍ）に静的荷重を負荷した場合に、内輪に作用する静的せん断応力τ_stの分布を表す曲線と、測定した材料の硬さ分布から近似的に求めた降伏せん断応力τ_yの分布を表す曲線である。玉軸受に負荷した静的荷重は、最大面圧が生じる内輪と転動体との接触点において、最大面圧Ｐ_maxが４５００ＭＰａとなるような荷重とした。

降伏せん断応力τ_yの分布は、炭素の含有量が０．４質量％である鋼に浸炭窒化処理を施して製造した内輪の硬さ分布から求めたものである（後述する表１の試験Ｎｏ．５に相当する）。図２に示した静的せん断応力τ_stの分布を表す曲線と、降伏せん断応力τ_yの分布を表す曲線とに囲まれ、且つ、降伏せん断応力τ_yの分布を表す曲線を静的せん断応力τ_stの分布を表す曲線が上回る領域の面積Ｓの大きさが、塑性変形量（圧痕量）に相当し、面積Ｓ（単位はＭＰａ・ｍｍ）は下記式（５）により求めることができる。

面積Ｓは、上記２曲線の２つの交点Ｚ₁、Ｚ₂間にて２曲線の差を積分することによって厳密に求めることができるが、煩雑な計算を避けるため、図２及び式（５）に示すようにして近似的に算出することができる。すなわち、２曲線に囲まれた領域を、同一のΔｚを一辺とする複数の矩形により複数の微小区間に分割し、これら微小区間の面積（Ｓ₁・・・Ｓ_i・・・）を合計することにより（すなわち区分求積法により）、面積Ｓを近似的に算出することができる。

このようにして面積Ｓを求めることにより、塑性変形量（圧痕量）を推定することができるので、転がり軸受の軌道輪の耐圧痕性（すなわち、転動体との接触により生じる塑性変形に対する軌道輪の抵抗性）を評価することができる。このような本実施形態の軌道輪の耐圧痕性評価方法は、耐圧痕性の評価のために試験片の作製作業や試験作業を行う必要がないので、転がり軸受の軌道輪の耐圧痕性を簡便且つ安価に評価することができる。

なお、本実施形態は本発明の一例を示したものであって、本発明は本実施形態に限定されるものではない。例えば、本実施形態においては転がり軸受として深溝玉軸受を例示して説明したが、本発明の転がり軸受は、他の種類の様々な転がり軸受に対して適用することができる。例えば、アンギュラ玉軸受，自動調心玉軸受，円筒ころ軸受，円すいころ軸受，針状ころ軸受，自動調心ころ軸受等のラジアル形の転がり軸受や、スラスト玉軸受，スラストころ軸受等のスラスト形の転がり軸受である。

〔実施例〕
以下に実施例を示して、本発明をさらに具体的に説明する。呼び番号６２０６の深溝玉軸受及び呼び番号６３０８の深溝玉軸受（内径４０ｍｍ、外径９０ｍｍ、転動体の直径１５．０８１ｍｍ）を用いて、本実施形態の軌道輪の耐圧痕性評価方法によって転がり軸受の軌道輪の耐圧痕性を評価可能であることを示す試験を行った。内輪を構成する材料は、炭素の含有量が１質量％である軸受鋼ＳＵＪ２（以下「材料Ａ」と記す）、又は、炭素の含有量が０．４質量％である軸受用浸炭鋼（以下「材料Ｂ」と記す）である。

内輪は、材料Ａ又は材料Ｂで構成された素材を旋削加工した後、熱処理としてずぶ焼入れ又は浸炭窒化と焼戻しとを施し、続いて研削加工することにより作製した。そして、このように作製した内輪と、内輪と同様に作製した外輪と、軸受鋼ＳＵＪ２製の転動体とを組み立てて、深溝玉軸受を得た。深溝玉軸受の種類（呼び番号）、内輪を構成する材料の種類、及び熱処理の種類（ずぶ焼入れ又は浸炭窒化）を表１に示す。

また、内輪の硬さの測定結果を表１に併せて示す。硬さの測定は、マイクロヴィッカース硬さ試験機を用いて行った。なお、熱処理としてずぶ焼入れ及び焼戻しを施した内輪は、硬さは表面から心部まで一定であると見なし、軌道面から０．１ｍｍ内部の深さ位置の硬さ（以下「表面硬さ」と記す）を代表値として示す。一方、熱処理として浸炭窒化及び焼戻しを施した内輪は、軌道面から心部まで種々の深さ位置の硬さを測定し、軌道面から０．１ｍｍ内部の深さ位置の硬さ（以下「表面硬さ」と記す）、ヴィッカース硬さが６５０ＨＶとなる深さ（以下「６５０ＨＶ深さ」と記す）、及び心部の硬さを代表値として示す。

それぞれの深溝玉軸受に、内輪の最大面圧が４０００、４５００、又は５０００ＭＰａとなるような荷重を負荷した後に、深溝玉軸受を分解し、内輪に形成された圧痕の深さを測定した。圧痕深さの測定は、テーラーホブソン社製の表面形状・粗さ測定機フォームタリサーフを用いて行った。結果を表１に示す。表１には、内輪に形成された圧痕の中で最も深い圧痕の圧痕深さを示した。

さらに、それぞれの深溝玉軸受の内輪の硬さ分布の測定結果から、上記式（４）を用いて降伏せん断応力を計算し、降伏せん断応力の分布を表す曲線を得た。さらに、それぞれの深溝玉軸受の軸受形式及び最大面圧条件から、上記式（１）、（２）、（３）を用いて内輪に作用する静的せん断応力を計算し、静的せん断応力の分布を表す曲線を得た。そして、これら２曲線を用いて、上記のような区分求積法により面積Ｓを求めた。
なお、面積Ｓを算出する際のΔｚは０．０１ｍｍとした。面積Ｓをより正確に計算するためには、Δｚは小さいほど好ましいが、最大の静的せん断応力が発生する深さの１／１０程度以下とすれば十分である。Δｚをそれ以上小さくしても、算出される面積Ｓの差は無視できるほど小さい。

図３のグラフに示すように、算出した面積Ｓと測定した圧痕深さには良好な相関性が認められた。このことから、耐圧痕性の評価のために試験片を作製したり、試験片を用いて耐圧痕性の評価を行ったりすることなく、軌道輪の硬さの測定及び簡易的な計算のみで、転がり軸受の軌道輪の耐圧痕性を評価可能であることが分かる。よって、本実施形態の軌道輪の耐圧痕性評価方法は、簡便且つ安価に評価を行うことが可能である。

１軌道輪
２転動体

Claims

転動体及び軌道輪を備える転がり軸受に静的荷重が負荷された場合に前記転動体との接触により生じる塑性変形に対する前記軌道輪の抵抗性である耐圧痕性を評価する方法であって、
前記転動体との接触により前記軌道輪に生じる静的せん断応力の、前記軌道輪の表面から内部までの深さ方向の分布を表す曲線と、前記軌道輪を構成する材料の強度の、前記軌道輪の表面から内部までの深さ方向の分布を表す曲線と、を取得し、
前記静的せん断応力は、前記軌道輪と前記転動体との接触点における前記転動体の接線に対して４５°をなす方向に作用する静的せん断応力とし、
前記２つの曲線によって囲まれ、且つ、前記軌道輪を構成する材料の強度の分布を表す曲線を前記静的せん断応力の分布を表す曲線が上回る領域の面積の大きさによって、前記耐圧痕性を評価することを特徴とする軌道輪の耐圧痕性評価方法。
前記軌道輪を構成する材料の強度は降伏せん断応力である請求項１に記載の軌道輪の耐圧痕性評価方法。
前記軌道輪を構成する材料の強度は前記軌道輪の硬さから計算したものである請求項１又は請求項２に記載の軌道輪の耐圧痕性評価方法。
前記静的せん断応力の分布を表す曲線は、前記転動体との接触点下の前記軌道輪の表面から内部までの深さ方向の分布を表す曲線である請求項１〜３のいずれか一項に記載の軌道輪の耐圧痕性評価方法。