JP2019113126A - 転がり軸受 - Google Patents

Abstract

【課題】径方向に関して無負荷又は軽負荷である状態で発生しやすいクリープを抑制することが可能となる転がり軸受を提供する。【解決手段】転がり軸受７は、内輪１１と、外輪１２と、内輪１１と外輪１２との間に介在している複数の玉１３と、を備え、内輪１１と外輪１２との内の一方が回転輪であって他方が固定輪である。前記固定輪が取り付けられる相手部材（ハウジング２）との嵌め合い面２２と、前記相手部材と接触する前記固定輪の側面とのうちの一方又は双方に、表面に網目状のクラックを有する黒色酸化皮膜２０が形成されている。【選択図】 図１

Description

本発明は、転がり軸受に関する。

転がり軸受は、内輪、外輪、及び、これら内輪と外輪との間に介在している複数の転動体を備えている。例えば、ハウジング内の回転軸を支持する転がり軸受の場合、内輪が回転軸に外嵌して取り付けられており、外輪がハウジングの内周面に取り付けられている。内輪と回転軸とは「締まり嵌め」の状態で組み立てられるのに対して、外輪とハウジングとは「すきま嵌め」の状態で組み立てられる場合がある。この場合、回転軸が回転している使用状態で、外輪とハウジングとの間においてクリープ（ハウジングに対する外輪の周方向の滑り）が発生することがある。

前記のようなクリープとして、次の三つのクリープが考えられる。なお、下記の軸受回転方向とは、回転輪である内輪の回転方向である。
・第一のクリープ：軸受回転方向と同方向へゆっくりと外輪が滑るクリープ
・第二のクリープ：軸受回転方向と同方向へ速く外輪が滑るクリープ
・第三のクリープ：軸受回転方向と逆方向に外輪が滑るクリープ

前記第一のクリープを抑制するために、特許文献１に記載の技術が提案されている。特許文献１に記載の転がり軸受では、ハウジングに対する嵌め合い面となる外輪の外周面に、クリープ抑制用の環状溝が形成されている。

特開２０１７−８９８４５号公報

前記特許文献１に記載の転がり軸受によれば、前記第一のクリープを抑制することが可能となる。第一のクリープは、転がり軸受に径方向（ラジアル方向）の大きな荷重が作用している場合に発生しやすい。

前記第二のクリープは、第一のクリープの場合と外輪の回転方向（滑り方向）は同じであるが、転がり軸受に働く径方向の負荷が無負荷又は軽負荷である状態で発生しやすい。つまり、径方向に無負荷又は軽負荷である場合、内輪の回転によって外輪を連れ回りさせ、これにより第二のクリープが発生すると考えられる。

第二のクリープは、第一のクリープと発生原因、発生メカニズムが全く異なるため、特許文献１に記載の構成のみでは、第二のクリープを抑制することはできない。なお、クリープが発生すると、ハウジング（相手部材）の内周面を摩耗させるという問題点がある。

そこで、本発明は、径方向に関して無負荷又は軽負荷である状態で発生しやすいクリープを抑制することが可能となる転がり軸受を提供することを目的とする。

本発明は、内輪と、外輪と、前記内輪と前記外輪との間に介在している複数の転動体と、を備え、前記内輪と前記外輪との内の一方が回転輪であって他方が固定輪である転がり軸受であって、前記固定輪が取り付けられる相手部材との嵌め合い面と、前記相手部材と接触する前記固定輪の側面とのうちの一方又は双方に、表面に網目状のクラックを有する黒色酸化皮膜が形成されている。

この転がり軸受によれば、表面に網目状のクラックを有する黒色酸化皮膜が相手部材に接触する。クラックにより静摩擦係数が高くなるため、径方向に関して無負荷又は軽負荷である状態で発生しやすい固定輪のクリープを抑制することが可能となる。また、仮にクリープが発生したとしても（他の要因によるクリープが発生したとしても）、固定輪の黒色酸化皮膜は動摩擦係数が低く、相手部材の摩耗を抑制することが可能となる。

また、前記黒色酸化皮膜に形成され前記クラックを構成している微小溝の前記表面における占有率は、５％以上であり、２０％以下であるのが好ましい。黒色酸化皮膜の表面における微小溝の占有率が５％以上であることにより、静摩擦係数を高める機能が向上する。

また、前記黒色酸化皮膜では、静摩擦係数は高いが、動摩擦係数は低い。これにより、前記のように、径方向に関して無負荷又は軽負荷である状態で発生しやすい固定輪のクリープを抑制すると共に、仮にクリープが発生したとしても（他の要因によるクリープが発生したとしても）、相手部材の摩耗を抑制することを可能とする構成になる。

また、前記黒色酸化皮膜の膜厚は、１マイクロメートルよりも大きく、３マイクロメートル以下であるのが好ましい。この構成により、素材（固定輪）に比べて軟質膜である黒色酸化皮膜によって、固定輪と相手部材との直接接触が防がれ、相手部材への攻撃性を抑え、そして、前記のとおり１マイクロメートルよりも大きい厚膜とすることにより、黒色酸化皮膜の耐久性が向上する。

また、前記嵌め合い面に、クリープ抑制用の環状溝が形成されており、前記環状溝は、径方向の静定格荷重が作用した際に当該環状溝の底部が前記相手部材に接触不可能である深さを有しているのが好ましい。この構成により、転がり軸受に径方向の大きな荷重が作用している場合に発生しやすいクリープを抑制することが可能となる。

また、前記転動体は玉であって、前記固定輪における前記嵌め合い面と反対側の周面に、前記玉が転がり接触する軌道溝が形成されており、前記玉と前記軌道溝とが接触することにより生じる接触楕円の全体が、前記環状溝が形成されている前記固定輪における軸方向範囲内に位置しているのが好ましい。転がり軸受に径方向の荷重が作用すると、固定輪の嵌め合い面のうち、その反対側の軌道溝と玉との接触による接触楕円から径方向に向かう位置で、大きな弾性変形が発生するが、前記構成によれば、この弾性変形が大きくなる位置にクリープ抑制用の環状溝が形成される構成となる。このため、固定輪の弾性変形が環状溝において生じることで相手部材に伝わりにくくなり、転がり軸受に径方向の大きな荷重が作用している場合に発生しやすいクリープを抑制する効果をより一層高めることが可能となる。

また、径方向及び軸方向の荷重が作用する転がり軸受であって、前記接触楕円の中心から径方向に延びる仮想線は、前記環状溝が有する最も深い底部と交差するのが好ましい。この場合、固定輪のうち弾性変形が大きくなる部分を、環状溝の最も深い部分に対応させることができ、これにより、固定輪の弾性変形が相手部材に更に伝わりにくくなることで、固定輪のクリープを抑制する効果を更に高めることが可能となる。

また、転がり軸受に対して、径方向の荷重の他に大きな軸方向の荷重が作用する場合、前記接触楕円は軌道溝の軸方向中央よりも軸方向外側に位置する。そこで、前記環状溝は、溝深さを最大としかつ当該溝深さを軸方向に沿って一定とする円筒状である前記底部と、当該底部の軸方向両側に位置し溝端に向かうにしたがって溝深さを浅くしている斜面部と、を有しているのが好ましい。この場合、軸方向の荷重が転がり軸受に作用した場合であっても、前記接触楕円の中心から径方向に延びる仮想線が、クリープ抑制用の環状溝の最も深い底部と交差する構成が得られ、固定輪のクリープを抑制する効果を更に高めることが可能となる。

本発明によれば、径方向に関して無負荷又は軽負荷である状態で発生しやすい固定輪のクリープを抑制することが可能となる。

本発明の転がり軸受の実施の一形態を示す断面図である。 外輪の嵌め合い面に形成された黒色酸化皮膜の表面の拡大写真を示す図である。 外輪の嵌め合い面に形成された黒色酸化皮膜のイメージ図である。 玉、外輪及びハウジングの断面図である。 玉及び外輪の斜視図である。 外輪に環状溝が形成されていない転がり軸受を示す説明図である。 他の形態の転がり軸受を示す断面図である。

〔転がり軸受の全体構成について〕
図１は、本発明の転がり軸受の一例を示す断面図である。図１に示す転がり軸受７は、ハウジング２及び回転軸４を有している回転装置に設けられており、ハウジング２に対して回転軸４を回転自在として支持している。回転軸４は、転がり軸受７が外嵌して取り付けられている小径軸部４ａと、この小径軸部４ａよりも外径が大きい大径軸部４ｂとを有している。大径軸部４ｂに転がり軸受７の内輪１１が軸方向から接触した状態にある。ハウジング２の内周面３（以下、ハウジング内周面３ともいう。）の軸方向一方側には、環状部５が設けられている。環状部５に転がり軸受７の外輪１２が軸方向から接触した状態にある。

転がり軸受７は、回転軸４に外嵌して取り付けられている内輪１１と、ハウジング内周面３に取り付けられている外輪１２と、これら内輪１１と外輪１２との間に介在している複数の玉（転動体）１３と、これら玉１３を保持する環状の保持器１４とを備えている。図１に示す転がり軸受７は深溝玉軸受である。

転がり軸受７は回転軸４を支持することで、この転がり軸受７には径方向の荷重が作用する。また、前記回転装置の運転状態によっては、この径方向の荷重がゼロ（無負荷）又は軽荷重（軽負荷）となる場合がある。ハウジング２の環状部５が外輪１２を軸方向一方側から軸方向他方側へ押し、回転軸４の大径軸部４ｂが内輪１１を軸方向他方側から軸方向一方側に押すように、これら環状部５、転がり軸受７、及び回転軸４は設けられている。つまり、転がり軸受７には軸方向の荷重も付与される場合がある。以上より、図１に示す転がり軸受７の場合、径方向の荷重と軸方向の荷重との合成荷重が作用することがある。なお、本発明の他の例として、軸方向の荷重が作用せず、径方向の荷重のみが作用する転がり軸受７であってもよい。

内輪１１と回転軸４とは「締まり嵌め」の状態で組み立てられており、内輪１１は回転軸４に密着して嵌合し回転軸４と一体回転可能である。これに対して、外輪１２は、固定状態にあるハウジング２に取り付けられているが、外輪１２はハウジング内周面３に「すきま嵌め」の状態で取り付けられている。このため、回転軸４が内輪１１と共に回転している状態で、外輪１２とハウジング２との間においてクリープ（ハウジング２に対する外輪１２の周方向の滑り）が発生することがある。なお、クリープについては、後に説明する。

内輪１１の外周面には、玉１３が転動する内輪軌道溝（軌道面）１１ａが形成されており、外輪１２の内周面には、玉１３が転動する外輪軌道溝（軌道面）１２ａが形成されている。複数の玉１３は、内輪１１と外輪１２との間の環状空間１５に設けられており、転がり軸受７が回転すると（内輪１１が回転すると）、これら玉１３は保持器１４によって保持された状態で内輪軌道溝１１ａと外輪軌道溝１２ａとを転動する。

図１に示すように、内輪軌道溝１１ａ及び外輪軌道溝１２ａそれぞれの断面形状は、玉１３の半径よりも僅かに大きな曲率半径を有する円弧形状である。このため、転がり軸受７に荷重（前記合成荷重）が作用すると、玉１３と内輪軌道溝１１ａとの間及び玉１３と外輪軌道溝１２ａとの間にはそれぞれ楕円形の接触面が生じる。以下、これら楕円形の接触面を接触楕円と呼ぶ。

内輪１１、外輪１２、及び玉１３は、炭素鋼により製造されており、本実施形態では軸受鋼製である。回転軸４は炭素鋼であり、ハウジング２はアルミ合金製（金属製）である。

保持器１４は、複数の玉１３を周方向に沿って間隔（等間隔）をあけて保持することができ、このために、保持器１４には玉１３を収容するためのポケットが周方向に沿って複数形成されている。本実施形態の保持器１４は、樹脂製である。

本実施形態の転がり軸受７では、固定輪である外輪１２がハウジング２（相手部材）に取り付けられており、この外輪１２の外周面が、ハウジング２（内周面３）に対する嵌め合い面２２となる。この嵌め合い面２２に黒色酸化皮膜２０（黒染皮膜、又は四三酸化鉄皮膜ともいう。）が形成されている。なお、黒色酸化皮膜２０は、嵌め合い面２２と、ハウジング２（相手部材）と接触する外輪１２の側面２３とのうちの一方又は双方に形成されていればよい。更に、本実施形態では、嵌め合い面２２に環状溝３２が形成されている。本実施形態では、環状溝３２が形成された外輪１２に対して、所定の処理（黒染処理）を行なうことで、外輪１２の全面に黒色酸化皮膜２０が形成されている。黒色酸化皮膜２０及び環状溝３２の詳細については、後に説明する。

〔クリープについて〕
ここで、ハウジング２と外輪１２との間で生じるクリープについて説明する。転がり軸受７において発生する可能性のあるクリープには、次の三つが考えられる。なお、下記の軸受回転方向とは、本実施形態の場合、回転輪である内輪１１の回転方向である。
・第一のクリープ：軸受回転方向と同方向へゆっくりと外輪１２が滑るクリープ
・第二のクリープ：軸受回転方向と同方向へ速く外輪１２が滑るクリープ
・第三のクリープ：軸受回転方向と逆方向に外輪１２が滑るクリープ

第一のクリープは、転がり軸受７に径方向（ラジアル方向）の成分を含む大きな荷重が作用している場合に発生しやすく、下記のメカニズムによって発生すると考えられる。すなわち、転がり軸受７に径方向の成分を含む大きな荷重が作用している場合、玉１３が高負荷を受けて外輪軌道溝１２ａを通過し、その際、玉１３の直下である外輪外周側が部分的に弾性変形する。なお、図１に示す転がり軸受７の場合、径方向の大きな荷重の他に軸方向の荷重も作用しており、直線Ｌ１の方向の合成荷重が作用することで、点Ｐ１の径方向外側の部分において、ひずみ量が大きくなるように外輪１２は弾性変形する。直線Ｌ１は、外輪１２及び内輪１１に対する玉１３の接触点となる点Ｐ１と点Ｐ２とを結ぶ直線である。そして、玉１３は外輪軌道溝１２ａに沿って移動することから、外輪１２は脈動変形（脈動変位）する。これにより、（環状溝３２が形成されていない場合）外輪１２が弾性変形（脈動変位）することに起因して、これらハウジング２と外輪１２との接触領域において相対滑りが生じ、この相対滑りにより第一のクリープが発生すると考えられる。第一のクリープは「ひずみクリープ」とも呼ばれる。

第二のクリープは、第一のクリープと外輪１２の移動方向（滑り方向）は同じであるが、転がり軸受７に働く負荷が無負荷又は軽負荷である状態で発生しやすい。つまり、無負荷又は軽負荷である場合、内輪１１の回転によって外輪１２を連れ回りさせ、これにより第二のクリープが発生すると考えられる。第二のクリープは「連れ回りクリープ」とも呼ばれる。

第三のクリープは、外輪１２の移動方向（滑り方向）が第一及び第二のクリープと反対であり、これは、例えば径方向の荷重が偏荷重となることで外輪１２がハウジング内周面３に沿って振れ回りすることで発生すると考えられる。

〔黒色酸化皮膜２０について〕
図２は、外輪１２の嵌め合い面２２に形成された黒色酸化皮膜２０の表面２１の拡大写真を示す図である。図２に示すように、本実施形態の黒色酸化皮膜２０は、表面２１に、網目状のクラック５５を有している。つまり、黒色酸化皮膜２０には、多数の微小溝５１が部分的に繋がって形成され、これら微小溝５１によって網目状のクラック５５が構成されている。図２に示すように、クラック５５は亀甲模様を有している。

例えば、図２の矢印Ａで指す、微小溝５１により囲まれた一つの平坦部５０の寸法（最大値）Ｂは、１０マイクロメートル程度である。平坦部５０の寸法（最大値）Ｂは、５マイクロメートル以上、２０マイクロメートルであるのが好ましい。なお、黒色酸化皮膜２０の表面２１において、縦１００マイクロメートル、横１００マイクロメートルの正方形の範囲を「単位面積」とした場合に、前記寸法Ｂは、この単位面積に含まれる平坦部５０の平均値である。

図３は、外輪１２の嵌め合い面２２に形成された黒色酸化皮膜２０のイメージ図である。黒色酸化皮膜２０の膜厚Ｔは、従来よりも厚い。具体的には、黒色酸化皮膜２０の膜厚Ｔ（平均値）は、１マイクロメートルよりも大きく、３マイクロメートル以下である。図２に示す形態では、膜厚Ｔ（平均値）は２マイクロメートルよりも大きく、３マイクロメートル以下である。

図３において、微小溝５１の幅（平均値）Ｄは、０．１マイクロメートル以上、０．３マイクロメートル以下であるのが好ましい。また、微小溝５１の深さ（平均値）Ｈは、黒色酸化皮膜２０の厚さ（膜厚Ｔ）と同じである。つまり、クラック５５（微小溝５１）は、黒色酸化皮膜２０の厚さ方向全長にわたって形成されている。つまり、黒色酸化皮膜２０は、クラック５５によって一つの平坦部５０は隣の平坦部５０と不連続になる形態を有している。

黒色酸化皮膜２０は、少なくとも表面２１に網目状のクラック５５を有していればよいが、本実施形態では、黒色酸化皮膜２０の表面２１から外輪１２の外周面（嵌め合い面２２）までの深さを有する網目状のクラック５５が形成されている。微小溝５１の幅Ｄ及び深さＨの値が大きいほど、後にも説明するが、前記第二のクリープ（連れ回りクリープ）を抑制する機能が高くなる。

黒色酸化皮膜２０に形成されクラック５５を構成している微小溝５１の表面２１における占有率は、５％以上であり、２０％以下であるのが好ましい。なお、この占有率は、前記単位面積における占有率である。つまり、黒色酸化皮膜２０の表面２１の拡大写真を二値化（白黒）した場合（例えば、微小溝５１（クラック５５）の部分を黒、その他の平坦部５０を白とした場合）に、前記占有率は、次の式（１）となる。
（単位面積中の微小溝５１部分の面積）／（単位面積）×１００ ・・・（１）
このように、微小溝５１の占有率が５％以上であることで、黒色酸化皮膜２０の静摩擦係数を高める機能が向上する。

本実施形態の黒色酸化皮膜２０の静摩擦係数（平均値）は、０．３以上であり、０．４以下である。次に説明する測定によれば、本実施形態の黒色酸化皮膜２０の静摩擦係数は、０．３５となる。なお、無処理の場合（黒色酸化皮膜２０無しの場合）、静摩擦係数は０．２３程度である。

静摩擦係数の測定値は、新東科学株式会社製の静摩擦係数測定機（ＨＥＩＤＯＮ−１０）により測定された値である。測定条件として、上昇速度が平均１０度／６秒、平面圧子（ＪＩＳ Ｐ８１４７）の重量が２００ｇであってサイズが７５×３５ミリメートル（接触面）、環境温度は常温（２０度）である。評価のためのテストピースは、ＳＰＣＣとし、これに前記黒色酸化皮膜２０が形成されたものである。

本実施形態の前記黒色酸化皮膜２０によれば、クラック５５により静摩擦係数が高くなるが、表面２１全体として動摩擦係数は低い。黒色酸化皮膜２０の動摩擦係数（平均値）は、０．０７５以上であり、０．１２５以下である。この範囲の動摩擦係数によれば摺動性能が特に高い。なお、無処理の場合（黒色酸化皮膜２０無しの場合）、動摩擦係数の上限値は０．２〜０．２５程度である。

動摩擦係数の測定値は、ファレックス試験による値である。測定条件として、荷重増加速度が２０．０４ｋｇｆ／秒、回転数２９０ｒｐｍ、摺動環境の油はＣＶＴＦ、環境温度は常温（２０度）である。評価のためのテストピースは、ピン側及びブロック側を共にＳＣＭ４１５Ｈとし、これらに前記黒色酸化皮膜２０が形成されたものである。

以上のように、本実施形態の転がり軸受７では、外輪１２が取り付けられるハウジング２との嵌め合い面２２に、表面２１に網目状のクラック５５を有する黒色酸化皮膜２０が形成されている。この転がり軸受７によれば、表面２１に網目状のクラック５５を有する黒色酸化皮膜２０がハウジング２に接触する。前記のとおりクラック５５により静摩擦係数が高くなるため、径方向に関して無負荷又は軽負荷である状態で発生しやすい外輪１２の第二のクリープ（連れ回りクリープ）を抑制することが可能となる。また、仮にクリープが発生したとしても（他の要因によるクリープが発生したとしても）、外輪１２の黒色酸化皮膜２０は動摩擦係数が低いことから、ハウジング２の摩耗を抑制することが可能となる。

また、図３により説明したように、本実施形態の黒色酸化皮膜２０の膜厚Ｔ（平均値）は、１マイクロメートルよりも大きく、３マイクロメートル以下である。このように黒色酸化皮膜２０は従来よりも厚膜である。素材（外輪１２）に比べて軟質膜である黒色酸化皮膜２０によって、金属同士（外輪１２とハウジング２）の直接接触が防がれ、ハウジング２への攻撃性を抑えることがで、更に、膜厚Ｔが１マイクロメートルよりも大きい厚膜であることから、黒色酸化皮膜２０の耐久性が向上する。

前記のとおり、本実施形態の黒色酸化皮膜２０では、（黒色酸化被膜２０が形成されない場合と比較して）静摩擦係数は高く、動摩擦係数は低い。これにより、第二のクリープ（連れ回りクリープ）を抑制すると共に、仮にクリープが発生したとしても（他の要因によるクリープが発生したとしても）、ハウジング２の摩耗を抑制することが可能となる。

本実施形態では、黒色酸化皮膜２０は、嵌め合い面２２のみならず、軸方向の側面２３（図１参照）にも形成されている。側面２３は、ハウジング２の一部となる環状部５に接触する。このため、側面２３の黒色酸化皮膜２０によっても、第二のクリープが抑制される。

本実施形態の黒色酸化皮膜２０は、外輪１２の表面に対する高密着性を有し、また、寸法変化が小さい。これは、外輪１２の表面層は、マグネタイト集合体となっていることによる。つまり、皮膜生成過程において、素材脱離・マグネタイト生成（体積増加）が生じている。このように、外輪１２の表面層（鉄表面層）は、マグネタイト集合体に変化することで、本実施形態の黒色酸化皮膜２０は、高密着性であって寸法変化の小さい皮膜となる。

以上のような黒色酸化皮膜２０は、次に説明する方法により形成される。すなわち、外輪１２を水酸化ナトリウム溶液に漬け、外輪１２の表面に黒色酸化皮膜２０を形成する（黒染処理）。水酸化ナトリウム溶液の温度は１５０度程度である。水酸化ナトリウム溶液の濃度は、外輪１２の材質等によって調整される。また、水酸化ナトリウム溶液に素材（外輪１２）を漬ける工程において、素材（外輪１２）と皮膜（黒色酸化皮膜２０）との線膨張係数の差を利用して、前記のようなクラック５５を生じさせることができ、また、そのクラック５５の形態（微小溝５１の幅Ｄ、微小溝５１の深さＨ）の調整が可能となる。

〔環状溝３２について〕
前記第一のクリープ（ひずみクリープ）を抑制するための環状溝３２について説明する。図１において、環状溝３２は、周方向に連続する環状の凹溝からなり、その断面形状は、周方向に沿って変化しておらず同じである。本実施形態では、環状溝３２は、嵌め合い面２２の軸方向について中央の領域に設けられている。環状溝３２は、径方向の静定格荷重が転がり軸受７に作用した際に環状溝３２の底部３３がハウジング２（内周面３）に接触不可能である深さ（ｈ）を有している。図１に示す転がり軸受７の場合、径方向の荷重と軸方向の荷重との合成荷重が作用する。この合成荷重の径方向の成分が静定格荷重である場合において、環状溝３２の底部３３はハウジング２（内周面３）に接触不可能である。なお、環状溝３２を示す図１等では、その形状の説明を容易とするために深く記載しているが、実際の環状溝３２の深さは外輪１２の厚さに比べて極めて小さく、環状溝３２の深さは、例えば１ｍｍ未満である。

外輪１２は、環状溝３２の軸方向両側に円筒部３６，３７を有している。これら円筒部３６，３７の外周面は、転がり軸受７の軸受中心線Ｃ０を中心とする円筒面からなり、以下において、これら円筒部３６，３７の外周面を円筒面３６ａ，３７ａと呼ぶ。図１に示すように、軸受中心線Ｃ０を含む断面において、円筒面３６ａ，３７ａは、軸受中心線Ｃ０に平行な直線形状を有している。これら円筒面３６ａ，３７ａは、黒色酸化皮膜２０を介してハウジング２（内周面３）に接触可能な面となる。

前記のとおり、転がり軸受７には、軸方向の荷重が作用する。このため、玉１３は、外輪軌道溝１２ａのうち最も深い点Ｑ１よりも軸方向一方側の点Ｐ１で外輪１２に接触し、また、内輪軌道溝１１ａのうち最も深い点Ｑ２よりも軸方向他方側の点Ｐ２で内輪１１と接触する。図１に示す断面において、外輪１２及び内輪１１に対する玉１３の接触点となる点Ｐ１と点Ｐ２とを結ぶ直線Ｌ１は、玉１３の中心を通り径方向に延びる中心線Ｌ０に対して傾斜する。つまり、この転がり軸受７には、前記のとおり径方向の荷重と軸方向の荷重とによる合成荷重が作用しており、この合成荷重によって玉１３が外輪１２及び内輪１１に接触する方向が、前記中心線Ｌ０に対して傾斜している直線Ｌ１の方向となっており、この転がり軸受７は接触角を有している。

第一のクリープを抑制するために、外輪１２の嵌め合い面２２であって外輪軌道溝１２ａの径方向外側に環状溝３２が形成されている。これにより、第一のクリープの発生メカニズムで説明したような弾性変形に起因する相対滑りの発生を抑えることができ、第一のクリープを抑制することが可能となる。つまり、転がり軸受７に径方向の成分を含む大きな荷重（合成荷重）が作用している場合、外輪１２のうちの外輪軌道溝１２ａの点Ｐ１の径方向外側の領域は径方向外側に弾性変形（拡径）するが、その領域に環状溝３２が形成されていることにより、弾性変形（拡径）を主に環状溝３２の範囲で生じさせることができる。このため、弾性変形部分とハウジング内周面３とが直接的に接触する範囲を減らすことができ、弾性変形がハウジング２に（ほとんど）伝わらず、外輪１２とハウジング２との間における第一のクリープの発生が抑制される。以上より、環状溝３２は、第一のクリープ抑制用の溝（逃げ溝）となる。

図４は、玉１３、外輪１２及びハウジング２の断面図である。環状溝３２は、円筒状の底部３３と、この底部３３の軸方向両側に位置している斜面部３４，３５とを有している。底部３３は、軸受中心線Ｃ０（図１参照）を中心とする円筒面からなり、斜面部３４，３５はそれぞれテーパ面からなる。また、底部３３は、環状溝３２の中で溝深さｈを最大としており、かつ、この溝深さｈを軸方向に沿って一定としている部分である。斜面部３４（３５）は、溝端Ｅ１（Ｅ２）に向かうにしたがって溝深さを浅くしている部分である。軸方向一方側の斜面部３４と円筒面３６ａとの交点が、環状溝３２の軸方向一方側の溝端Ｅ１であり、軸方向他方側の斜面部３５と円筒面３７ａとの交点が、環状溝３２の軸方向他方側の溝端Ｅ２である。つまり、環状溝３２は、溝端Ｅ１から溝端Ｅ２までの範囲である。環状溝３２が形成されている外輪１２における軸方向範囲を、図２では矢印Ｗで示す範囲としている。この軸方向範囲Ｗは、外輪１２において、軸受中心線Ｃ０（図１参照）に直交しかつ前記溝端（交点）Ｅ１を通過する第一仮想面Ｋ１と、軸受中心線Ｃ０（図１参照）に直交しかつ前記溝端（交点）Ｅ２を通過する第二仮想面Ｋ２との間の範囲である。

前記のとおり、転がり軸受７に、軸方向荷重と径方向荷重とが合成された合成荷重が作用し、前記点Ｐ１において、玉１３と外輪軌道溝１２ａとが接触面を楕円として接触する。図４では、この接触による楕円（接触楕円Ｓ）を破線で示している。なお、この接触楕円Ｓは、実際では外輪軌道溝１２ａの凹曲面に沿って形成されるが、図４では、説明のために（擬似的に）外輪１２の断面内に接触楕円Ｓを示している。つまり、図４では、前記点Ｐ１と接触楕円Ｓの中心ｓ０とが一致していない状態で示されているが、実際は、図５に示すように、点Ｐ１と中心ｓ０とは一致しており、接触楕円Ｓは玉１３と外輪軌道溝１２ａとの間に生じる。また、外輪軌道溝１２ａの凹曲面における接触楕円Ｓの短軸は周方向と平行であり、接触楕円Ｓの長軸は周方向に直交する方向となる。

この接触楕円Ｓの形状（長半径ａ及び短半径ｂ）は、ヘルツの理論による式から求められる。接触楕円Ｓの形状は、外輪軌道溝１２ａ及び玉１３の形状及び特性に基づいて求められ、また、外輪軌道溝１２ａと玉１３との間に作用する直線Ｌ１（図２参照）に沿った方向の荷重（接触荷重）については、その転がり軸受７の基本静定格荷重としている。

図４に示すように、接触楕円Ｓの全体が、外輪１２における前記軸方向範囲Ｗ内に位置している。つまり、接触楕円Ｓの軸方向一方側の端部ｓ１は、溝端Ｅ１（仮想面Ｋ１）から軸方向他方側に位置しており、また、接触楕円Ｓの軸方向他方側の端部ｓ２は、溝端Ｅ２（仮想面Ｋ２）から軸方向一方側に位置している。

ここで、図６は、外輪１２に環状溝が形成されていない転がり軸受７を示す説明図である。図６に示す転がり軸受７は、図１に示す転がり軸受７と比較して、環状溝３２が形成されていない点で異なるが、その他は同じである。図６に示す形態においても、合成荷重が作用することで、玉１３と外輪軌道溝１２ａとの間には楕円形の接触面（接触楕円Ｓ）が生じる。前記合成荷重により、外輪１２は部分的に拡径する方向に弾性変形するが、そのひずみ量については、図６の下部のグラフに示すように、前記接触楕円Ｓの径方向外側において大きくなる。特に、接触楕円Ｓの中心ｓ０の径方向外側において、外輪１２のひずみ量は最大となる。この弾性変形がハウジング２に伝わり、玉１３は外輪軌道溝１２ａに転がり接触することで、前記第一のクリープが発生する可能性がある。

そこで、第一のクリープを抑制するために、図４に示すように、玉１３と外輪軌道溝１２ａとが接触することにより生じる接触楕円Ｓの全体を、前記軸方向範囲Ｗ内に位置させている。前記のとおり、転がり軸受７に径方向の成分を含む大きな荷重が作用すると、外輪１２の嵌め合い面２２のうち、前記接触楕円Ｓから径方向外側に向かう位置で、大きな弾性変形が発生しひずみ量が最大となるが、前記構成によれば、ひずみ量が最大となる位置にクリープ抑制用の環状溝３２が形成される構成となる。このため、外輪１２の弾性変形が環状溝３２において生じることでハウジング２に伝わりにくくなり、外輪１２の前記第一のクリープを抑制する効果をより一層高めることが可能となる。

また、本実施形態では、接触楕円Ｓの中心ｓ０から径方向外側に延びる仮想線Ｋ３は、環状溝３２が有する最も深い底部３３と交差している。外輪１２の嵌め合い面２２では、接触楕円Ｓの中心ｓ０の直下において、前記弾性変形によるひずみが最大となることから、このような位置に、環状溝３２の最も深い底部３３を位置させることで、外輪１２の弾性変形をハウジング２に伝わりにくくしている。

そして、図４に示すように、転がり軸受７に径方向の荷重の他に軸方向の荷重が作用する場合、接触楕円Ｓは外輪軌道溝１２ａの軸方向中央（点Ｑ１）よりも軸方向外側（軸方向一方側）に位置する。そこで、本実施形態の環状溝３２は、前記のとおり、当該環状溝３２の中で溝深さｈを最大としており、かつ、この溝深さｈを軸方向に沿って一定としている円筒状の底部３３を有している。つまり、環状溝３２は、軸方向に広くかつ深い底部３３を有している。この構成により、接触楕円Ｓが軸方向一方側に偏って位置するが、この接触楕円Ｓの中心ｓ０から径方向に延びる仮想線Ｋ３が、環状溝３２の最も深い底部３３と交差する構成が得られる。この結果、外輪１２の弾性変形が環状溝３２において生じることでハウジング２に伝わりにくくなり、外輪１２のクリープを抑制する効果を更に高めることが可能となる。

図４に示す形態では、断面において、接触楕円Ｓの軸方向一方側の端部ｓ１が、外輪１２の軸方向一方側の肩部内周面１９と外輪軌道溝１２ａとの交点Ｒよりも軸方向中央側に位置するように、軸受諸元が設定されているが、これ以外として、接触楕円Ｓの前記端部ｓ１が、前記交点Ｒと一致するように、軸受諸元が設定されていてもよい。これにより、外輪１２における玉１３の肩乗り上げを防ぐことができる。
そして、接触楕円Ｓの前記端部ｓ１が前記交点Ｒと一致する場合であっても、その接触楕円Ｓの全体が、前記軸方向範囲Ｗ内に位置するように構成されている。
接触楕円Ｓの前記端部ｓ１が前記交点Ｒと一致する場合、接触楕円Ｓの全体を前記軸方向範囲Ｗ内に位置させるためには、この交点Ｒの径方向外側に、環状溝３２（少なくとも溝端Ｅ１）が形成されている必要がある。すなわち、軸方向に関して、外輪軌道溝１２ａ以上の溝幅を有する環状溝３２を嵌め合い面２２に形成すればよい。

転がり軸受７に径方向の荷重が作用することで、円筒面３６ａ，３７ａが黒色酸化皮膜２０を介してハウジング２に接触し、相互間に面圧が発生する。ハウジング内周面３に平行となる円筒面３６ａ，３７ａが狭い場合、ハウジング２に生じる接触面圧が高くなることから、この円筒面３６ａ，３７ａは軸方向に広いのが好ましい。ハウジング２に作用する接触面圧を低くすれば、仮にクリープが少し発生したとしても、黒色酸化皮膜２０の機能と協同して、ハウジング２における摩耗を抑制することが可能となる。特に、本実施形態では外輪１２が軸受鋼であるのに対して、ハウジング２はアルミ合金製であって面圧が高くなる部分で摩耗しやすいが、円筒面３６ａ，３７ａに黒色酸化皮膜２０が形成されていて、更に、これら円筒面３６ａ，３７ａを広くすることで、このような摩耗を防ぐことが可能となる。

そこで、円筒面３６ａ，３７ａそれぞれを、環状溝３２の斜面部３４，３５よりも軸方向に広くするのが好ましい。具体的に説明すると、円筒面３６ａ，３７ａそれぞれの軸方向寸法を、例えば１ミリメートル以上とするのが好ましく、更に２ミリメートル以上とするのが好ましい。ただし、円筒面３６ａ，３７ａの軸方向寸法を長くし過ぎると、環状溝３２が狭くなってしまい、接触楕円Ｓを前記軸方向範囲Ｗ内に位置させるのが困難となる。そこで、円筒面３６ａ，３７ａそれぞれを、環状溝３２の底部３３の半分よりも軸方向に狭くするのが好ましい。

前記のように、外輪１２の嵌め合い面２２に、クリープ抑制用の環状溝３２と、ハウジング内周面３に対して黒色酸化皮膜２０を介して接触（線接触）させるための円筒面３６ａ，３７ａとが設けられているが、図１に示すように、本実施形態では、外輪１２の軸方向寸法を（内輪１１の軸方向寸法よりも）大きくしていない。つまり、外輪１２の軸方向寸法は内輪１１の軸方向寸法以下であり、本実施形態では、外輪１２と内輪１１とで軸方向寸法は一致している。

以上のように、外輪１２の嵌め合い面２２に環状溝３２が形成されている転がり軸受７は、第一のクリープが生じることのある外輪１２に対する玉１３の接触態様に着目して成された発明である。つまり、外輪１２における嵌め合い面２２と反対側の内周面に、玉１３が転がり接触する外輪軌道溝１２ａが形成されている。玉１３と外輪軌道溝１２ａとが接触することにより生じる接触楕円Ｓの全体が、環状溝３２が形成されている外輪１２における軸方向範囲Ｗ内に位置している。

〔その他について〕
前記実施形態では、内輪１１が、この内輪１１が取り付けられている相手部材（回転軸４）と一体回転する回転輪であり、外輪１２が、この外輪１２が取り付けられている相手部材（ハウジング２）に（クリープするが）固定される固定輪である。
しかし、本発明では、内輪１１と外輪１２との内の一方が回転輪であって他方が固定輪であればよく、図１に示す形態と反対に、図７に示すように、軸４に取り付けられている内輪１１が固定輪であって、外輪１２がハウジング２と共に一体回転する回転輪であってもよい。この場合、内輪１１と軸４との間がすきま嵌めの状態とされ、軸４に対して内輪１１がクリープすることから、相手部材である軸４に対する内輪１１の嵌め合い面（内周面）２２と、軸４と接触する内輪１１の側面とのうちの一方又は双方に（図１の形態と同様に）黒色酸化皮膜２０が形成されている。また、この嵌め合い面２２に、クリープ抑制用の環状溝３２が形成されている。

そして、この内輪１１における嵌め合い面２２と反対側の外周面に、玉１３が転がり接触する内輪軌道溝１１ａが形成されている。そして、玉１３と内輪軌道溝１１ａとが接触することにより生じる接触楕円Ｓの全体が、環状溝３２が形成されている内輪１１における軸方向範囲Ｗ内に位置している。これにより、内輪１１の弾性変形が環状溝３２において生じることで相手部材である軸４に伝わりにくくなり、内輪１１の第一のクリープを抑制する効果をより一層高めることが可能となる。また、そして、内輪１１の嵌め合い面２２と、内輪１１の側面とのうちの一方又は双方に、表面に網目状のクラック５５（図２参照）を有する黒色酸化皮膜２０が設けられていることで、第二のクリープを抑制することが可能となる。図１に示す形態について説明した環状溝３２及び黒色酸化皮膜２０の構成を、図７に示す環状溝３２及び黒色酸化皮膜２０に適用可能である。

以上のとおり開示した実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではない。つまり、本発明の転がり軸受は、図示する形態に限らず本発明の範囲内において他の形態のものであってもよい。
例えば、環状溝３２の形状（断面形状）は、図示した形状以外であってもよい。また、転がり軸受は深溝玉軸受以外にアンギュラ玉軸受であってもよい。また、本発明の転がり軸受は、様々な回転機器に適用可能であり、特にクリープが課題となる回転機器に好適である。なお、第一クリープを抑制できなくても、第二クリープを抑制できる転がり軸受７であってもよい。この場合、図６に示すように、嵌め合い面２２に、図２に示すような表面２１に網目状のクラック５５を有する黒色酸化皮膜２０が形成されているが、環状溝３２は省略される。また、転動体は玉以外にころ（円筒ころ、円すいころ）であってもよい。

２：ハウジング（相手部材） ７：転がり軸受 １１：内輪
１２：外輪 １２ａ：軌道溝 １３：玉（転動体）
２０：黒色酸化皮膜 ２１：表面 ２２：嵌め合い面
３２：環状溝 ３３：底部 ３４：斜面部
３５：斜面部 ５１：微小溝 ５５：クラック
Ｋ３：仮想線 ｈ：深さ Ｓ：接触楕円
ｓ０：中心 Ｔ：膜厚

Claims (7)

1. 内輪と、外輪と、前記内輪と前記外輪との間に介在している複数の転動体と、を備え、前記内輪と前記外輪との内の一方が回転輪であって他方が固定輪である転がり軸受であって、
   前記固定輪が取り付けられる相手部材との嵌め合い面と、前記相手部材と接触する前記固定輪の側面とのうちの一方又は双方に、表面に網目状のクラックを有する黒色酸化皮膜が形成されている、転がり軸受。
2. 前記黒色酸化皮膜に形成され前記クラックを構成している微小溝の前記表面における占有率は、５％以上であり、２０％以下である、請求項１に記載の転がり軸受。
3. 前記黒色酸化皮膜の膜厚は、１マイクロメートルよりも大きく、３マイクロメートル以下である、請求項１又は２に記載の転がり軸受。
4. 前記嵌め合い面に、クリープ抑制用の環状溝が形成されており、
   前記環状溝は、径方向の静定格荷重が作用した際に当該環状溝の底部が前記相手部材に接触不可能である深さを有している、請求項１〜３のいずれか一項に記載の転がり軸受。
5. 前記転動体は玉であって、前記固定輪における前記嵌め合い面と反対側の周面に、前記玉が転がり接触する軌道溝が形成されており、
   前記玉と前記軌道溝とが接触することにより生じる接触楕円の全体が、前記環状溝が形成されている前記固定輪における軸方向範囲内に位置している、請求項４に記載の転がり軸受。
6. 径方向及び軸方向の荷重が作用する転がり軸受であって、
   前記接触楕円の中心から径方向に延びる仮想線は、前記環状溝が有する最も深い底部と交差する、請求項５に記載の転がり軸受。
7. 前記環状溝は、溝深さを最大としかつ当該溝深さを軸方向に沿って一定とする円筒状である前記底部と、当該底部の軸方向両側に位置し溝端に向かうにしたがって溝深さを浅くしている斜面部と、を有している、請求項６に記載の転がり軸受。