JP2022146200A - ころ軸受 - Google Patents

Abstract

【課題】低潤滑環境下においても潤滑性能の向上を図ることができるころ軸受を提供する。【解決手段】ころ軸受は、内外輪と、これら内外輪の軌道面間に介在するころ４，５と、ころ４，５を保持する保持器とを備える。ころ４，５の外周面にＤＬＣ膜９を有する。ＤＬＣ膜９の表面層９ｃに潤滑剤が保持される凹み部１６が設けられ、この凹み部１６の面積率が４０％以下であり、凹み部１６の平面視における大きさが１０μｍ～１００μｍである。前記ＤＬＣ膜９は表面層９ｃおよび他の層が積層された多層構造であり、前記凹み部１６は、前記表面層９ｃのうち、他の層よりも膜硬さが低い軟性のＤＬＣが除去されたものである。【選択図】図３Ｂ

Description

本発明は、ころ軸受に関し、例えば、風力発電装置の主軸を支持する自動調心ころ軸受等に適用される技術に関する。

従来から軸受の一部にＤＬＣ（Diamond-like Carbon）膜などの金属皮膜を施し、さらに潤滑性能を向上させる手法として、ＤＬＣ膜の表面に中心線平均粗さＲａで０．０１～０．２μｍの微細な凹凸形状を付与する手法が導入されている（特許文献１）。このような凹凸形状をＤＬＣ膜に施す場合、ＤＬＣ膜自体の成膜条件を意図的に調整するか、またはショットピーニングなどで微細な粒子をＤＬＣ膜の表面に打ち付けて凹凸形状を付与する方法が採られている。

特開２０１０－１２６４１９号公報

ＤＬＣ膜に微細な凹凸形状を付与する場合を考える。ＤＬＣ膜の表面に凹凸形状を有することで、潤滑環境下で油を保持するディンプルとして機能し潤滑性能が向上する。しかし、特許文献１のような微細な凹凸形状では潤滑剤を保持する保持力に課題があり、特に、低潤滑環境下で潤滑性能の向上を図ることが難しい。

本発明の目的は、低潤滑環境下においても潤滑性能の向上を図ることができるころ軸受を提供することである。

本発明のころ軸受は、内外輪と、これら内外輪の軌道面間に介在するころと、前記ころを保持する保持器とを備え、前記ころの外周面にＤＬＣ膜を有するころ軸受であって、
前記ＤＬＣ膜の表面層に潤滑剤が保持される凹み部が設けられ、この凹み部の面積率が４０％以下であり、前記凹み部の平面視における大きさが１０μｍ～１００μｍである。
前記「面積率」とは、ころの外周面の全表面積に対する凹み部の面積の比率である。

この構成によると、ＤＬＣ膜の表面層に設けられる凹み部の大きさが１０μｍを超え１００μｍ未満であるため、凹み部が潤滑剤を保持する所謂油だまりのディンプルとしての機能を果たし、低潤滑の環境下においても油膜を形成する能力を向上させ潤滑性能の向上を図ることができる。また凹み部の面積率を４０％以下としたため、ＤＬＣ膜の耐久性を保持でき、ＤＬＣ膜の表面層が剥離することを防止し得る。

前記ＤＬＣ膜は前記表面層および他の層が積層された多層構造であり、前記凹み部は、前記表面層のうち、前記他の層よりも膜硬さが低い軟性のＤＬＣが除去されたものであってもよい。本件出願人は、ＤＬＣ膜の成膜後に表面層上に、他の層よりも膜硬さが低い軟性のＤＬＣが点在することを見出した。そこで表面層上に存在する軟性のＤＬＣを、例えば、ラップ加工等により除去することで、容易に前記凹み部を形成することが可能となる。この場合、ＤＬＣ膜自体の成膜条件を変更することなく凹み部を形成し得るため、ＤＬＣ膜の膜質の劣化を防ぐことができる。またショットピーニングのように微細粒子を別途用意することなく凹み部を形成し得るため、製造コストの低減を図ることが可能となる。

前記ＤＬＣ膜は、前記ころの母材側から順に、金属層、金属とＤＬＣの混合層である中間層、および前記表面層の３層構造であってもよい。この場合、ＤＬＣ膜において硬度、弾性率などの物性が急激に変化することを避け、ころに対するＤＬＣ膜の密着性を高めることができる。

前記内輪の軌道面および前記外輪の軌道面のいずれか一方または両方にＤＬＣ膜を有し、このＤＬＣ膜の表面層に潤滑剤が保持される凹み部が設けられ、この凹み部の面積率が４０％以下であり、前記凹み部の平面視における大きさが１０μｍ～１００μｍであってもよい。
前記「面積率」とは、各軌道面の全表面積に対する凹み部の面積の比率である。
この構成によると、ＤＬＣ膜の表面層に設けられる凹み部の大きさが１０μｍ～１００μｍとしたため、軌道面のＤＬＣ膜の凹み部も潤滑剤を保持する所謂油だまりのディンプルとしての機能を果たす。したがって、ころのＤＬＣ膜に設けられる凹み部に保持される潤滑剤と相俟って潤滑性能の向上をさらに図ることができる。

前記ころ軸受は、風力発電装置の主軸を支持する自動調心ころ軸受であってもよい。この場合、風力発電装置用途の自動調心ころ軸受の長寿命化を図り、メンテナンス性に優れる。

本発明のころ軸受は、内外輪と、これら内外輪の軌道面間に介在するころと、前記ころを保持する保持器とを備え、前記ころの外周面にＤＬＣ膜を有するころ軸受であって、前記ＤＬＣ膜の表面層に潤滑剤が保持される凹み部が設けられ、この凹み部の面積率が４０％以下であり、前記凹み部の平面視における大きさが１０μｍ～１００μｍであるため、低潤滑環境下においても潤滑性能の向上を図ることができる。

本発明の第１の実施形態に係る自動調心ころ軸受の縦断面図である。 同自動調心ころ軸受の非対称ころの説明図である。 同自動調心ころ軸受のころの外周面に成膜されたＤＬＣ膜の構成を模式的に示す断面図である。 同ＤＬＣ膜の表面層に凹み部が設けられた状態を示す断面図である。 図３ＢのIV部を部分的に拡大して示す図である。 同ＤＬＣ膜の凹み部を部分的に拡大して示す平面図である。 本発明の他の実施形態に係る自動調心ころ軸受の軌道面にＤＬＣ膜が設けられた状態を模式的に示す断面図である。 本発明のさらに他の実施形態に係る自動調心ころ軸受の縦断面図である。 風力発電装置の主軸支持装置の一例の要部を示す斜視図である。 同主軸支持装置の要部を示す破断側面図である。 試験機の概略図である。

［第１の実施形態］
本発明のころ軸受を自動調心ころ軸受に適用した例を図１ないし図５と共に説明する。以下の説明はＤＬＣ膜の製造方法についての説明をも含む。
図１に示すように、この自動調心ころ軸受１は、内外輪２，３と、これら内外輪２，３の軌道面間に介在する左右２列のころ４，５と、ころ４，５を保持する保持器１０Ｌ，１０Ｒとを備える。前記左右２列のころ４，５は、内輪２と外輪３との間で軸受幅方向すなわち軸心方向に並ぶ。外輪３の軌道面３ａは凹球面状である。

左右各列のころ４，５は外周面が外輪３の軌道面３ａに沿う断面形状である。換言すれば、ころ４，５の外周面は、外輪３の軌道面３ａに沿った円弧を中心線Ｃ１，Ｃ２回りに回転させた回転体形状の曲面である。内輪２には、左右各列のころ４，５の外周面に沿う断面形状の複列の軌道面２ａ，２ｂが形成されている。内輪２の外周面の両端には、小つば６，７がそれぞれ設けられている。内輪２の外周面の中央部である左右のころ４，５間に、中つば８が設けられている。

各列のころ４，５、内輪２および外輪３は、鉄系材料から成る。前記鉄系材料として一般的に用いられる任意の鋼材等を使用でき、例えば、高炭素クロム軸受鋼、炭素鋼、工具鋼、マルテンサイト系ステンレス鋼、浸炭鋼等が挙げられる。

本実施形態は、左右列対称の自動調心ころ軸受１に適用した例であり、左右列の接触角θ１，θ２は互いに同じである。本明細書における用語「左」，「右」は、軸受のアキシアル方向における相対的な位置関係を便宜上示すための用語に過ぎない。本明細書において、「左」，「右」は、理解を容易にするため、各図における左右と一致させている。

左右各列のころ４，５は、それぞれ保持器１０Ｌ，１０Ｒにより保持されている。左列用の保持器１０Ｌは、円環部１１から複数の柱部１２が軸方向一方側（左側）に延び、これら柱部１２間のポケットに左列のころ４が保持される。右列用の保持器１０Ｒは、円環部１１から複数の柱部１２が軸方向他方側（右側）に延び、これら柱部１２間のポケットに右列のころ５が保持される。

図２に示すように、左右各列のころ４，５は、いずれも最大径Ｄ１ｍａｘ，Ｄ２ｍａｘの位置Ｍ１，Ｍ２がころ長さの中央Ａ１，Ａ２から外れた非対称ころである。左列のころ４の最大径Ｄ１ｍａｘの位置はころ長さの中央Ａ１よりも右側にあり、右列のころ５の最大径Ｄ２ｍａｘの位置はころ長さの中央Ａ２よりも左側にある。このような非対称ころからなる左右各列のころ４，５は、誘起スラスト荷重が発生する。この誘起スラスト荷重を受けるために、内輪２の前記中つば８が設けられる。非対称ころ４，５と中つば８の組合せは、ころ４，５を内輪２、外輪３、および中つば８の３箇所で案内するので、案内精度が良い。

＜ＤＬＣ膜について＞
図１に示す各列のころ４，５は、外周面に多層構造のＤＬＣ（Diamond-like Carbon）膜を有している。ＤＬＣ膜は、表面層および他の層が積層された多層構造である。具体的には、図３Ｂに示すように、この例のＤＬＣ膜９は、ころ４，５の母材側から順に、金属層９ａ、金属とＤＬＣの混合層である中間層９ｂ、および表面層９ｃの３層構造である。図４に示すように、ＤＬＣ膜９の表面層９ｃに、潤滑剤が保持される凹み部１６が設けられている。

図５は、ＤＬＣ膜９の凹み部１６を部分的に拡大して示す平面図であり、図４のV-V線矢視図である。図５に示すように、前記凹み部１６の面積率は１０％以上４０％以下である。前記「面積率」とは、ころの外周面の全表面積に対する凹み部１６の面積の比率である。

図１に示すように、ころ４，５の外周面は、前述のように回転体形状の曲面であるため、凹み部１６（図５）の面積を次のように求める。ころ４，５の外周面における円周方向の所定範囲となる部分を、例えば、顕微鏡等の撮像手段を用いて平面視で見たときの凹み部１６（図５）の面積を計測する。次に、撮像手段に対し、ころ４，５をその軸心回りに回転させ前記ころ４，５の外周面における円周方向の他の部分を、平面視で見たときの凹み部１６（図５）の面積を計測する。以下、同様にころ４，５を軸心回りに回転させつつころ４，５の外周面全周に渡って計測した凹み部１６（図５）の面積の合計値より、凹み部１６（図５）の面積を求める。なお、ころの外周面に対して相対的に撮像手段を回転させつつ凹み部の面積を計測してもよい。図５に示す凹み部１６の面積率の上限値を４０％としたため、ＤＬＣ膜９の耐久性を保持でき、ＤＬＣ膜９の表面層９ｃが剥離することを防止し得る。また凹み部１６の面積率の下限値を１０％としたため、凹み部１６に潤滑剤をより確実に保持し得る。凹み部１６の面積率の上限値は３５～４０％、下限値は１０～２０％がより好ましい。

さらに前記凹み部１６の平面視における大きさＬが１０μｍ～１００μｍである。前記凹み部１６の平面視における大きさＬは、前述の凹み部１６の面積の計測方法と同様に、撮像手段に対してころをその軸心回りに相対回転させつつ計測する。各凹み部１６において、最も離隔した外縁部Ｐ１，Ｐ２間の最大値を撮像手段等を用いて計測することで、凹み部１６の平面視における大きさＬを計測し得る。凹み部１６の大きさＬが１０μｍ以下であると、凹み部１６が潤滑剤を保持する保持力が不十分となるおそれがある。凹み部１６の大きさＬが１００μｍ以上であると、ころの外周面に微小剥離が生じるおそれがある。

図３Ａおよび図３Ｂに示すように、ＤＬＣ膜の製造方法としては、順次、ＤＬＣ膜の成膜過程（図３Ａ）と、ＤＬＣ膜の表面層９ｃに凹み部１６を形成する凹み部形成過程（図３Ｂ）と、を有する。

＜ＤＬＣ膜の成膜過程＞
前記下地処理過程の後、ころ４，５の外周面にＤＬＣ膜９を成膜する。ＤＬＣ膜９の成膜方法として、例えば、熱ＣＶＤ、プラズマＣＶＤ等のＣＶＤ法、真空蒸着法、イオンプレーティング、スパッタリング法、レーザーアブレーション法、イオンビームデポジション、イオン注入法等のＰＶＤ法等を適用し得る。
前記成膜過程により図３Ａに示すように、ころ４，５の外周面に直接クロムＣｒを主体とする金属層９ａ、この金属層９ａの上にＤＬＣを主体とする中間層９ｂ、この中間層９ｂの上にＤＬＣを主体とする表面層９ｃが成膜される。

中間層９ｂは、金属層９ａ側から表面層９ｃ側へ向けて連続的または段階的に、中間層９ｂ中のCrの含有率が小さくなり、且つ、前記中間層９ｂ中のＤＬＣの含有率が高くなっている。例えば、プラズマＣＶＤ等においては、原料ガスの充填濃度等を徐々に変化させることで、前記中間層９ｂを形成し得る。本実施形態では、ＤＬＣ膜９の膜構造を前述のような３層構造とすることで、急激な物性（硬度・弾性率等）変化を避けるようにしている。

金属層９ａは、Ｃｒを含むので超硬合金材料または鉄系材料から成る母材との相性がよく、Ｗ、Ｔｉ、Ｓｉ、Ａｌ等を用いる場合と比較して母材との密着性に優れる。金属層９ａは、ころ表面側から中間層９ｂ側に向けてＣｒの含有率が小さくすることが好ましい。これにより、ころ表面と中間層９ｂとの両面で密着性に優れる。

＜凹み部形成過程＞
前記成膜過程の後、図３Ｂ、図４および図５に示すように、表面層９ｃに凹み部１６が形成される。この凹み部１６は、表面層９ｃのうち、他の層である金属層９ａ、中間層９ｂよりも膜硬さが低い軟性のＤＬＣが除去されたものである。ＤＬＣ膜の成膜後に表面層９ｃ上に点在する軟性のＤＬＣを、例えば、ラップ加工等により除去することで、容易に前記凹み部１６を形成し得る。

＜試験および試験結果＞
円筒形状の複数の試験片（テストピース）の外周面にＤＬＣ膜をそれぞれ成膜した後、ラップ加工により、ＤＬＣ膜の表面層上に点在する軟性のＤＬＣを除去することで、表面層に複数の凹み部を形成した。
試験条件は以下の通りである。
・試験片：内径20ｍｍ×外径40ｍｍ×幅12ｍｍの円筒形状で、高炭素クロム軸受鋼製。
・2円筒試験機の概略を図１０に示す。試験機は2本の互いに平行な回転軸S1,S2を有し、一方の回転軸S1にDLC膜を施した試験片D2、他方の回転軸S2には相手材として無処理の試験片F2を備え構成されている。各回転軸S1,S2はそれぞれモータMにより回転駆動可能である。ここで試験片D2とF2に加えられる荷重及び回転数は、風力発電機主軸受の実機使用条件に相当する数値を仮定し試験を行った。潤滑機構はフェルトパッド給油とし潤滑油を含侵させたフェルトパッドFPを各試験片D2,F2の真下に設置した。なお使用する潤滑剤は油枯渇状態を想定し、無添加低粘度油を用いた。
試験後、DLCの表面状態を光学顕微鏡にて確認し、各条件のＤＬＣ膜の耐剥離性および潤滑剤保持力を観察した。潤滑状態で試験後表面の凹み部に潤滑剤の存在を示す干渉色が見られたとき、潤滑剤保持力に問題なしと規定した。

表１に示す試験結果によると、１００μｍ程度の凹み部の大きさでＤＬＣ膜の剥離が進展することが示されている。
基本的にＤＬＣ膜の耐久性の観点からある程度凹み部の面積率を抑えた方がよいため、複数の試験片のうち、最も面積率の高い４０％を上限値として採用した。また凹み部に潤滑剤をより確実に保持する観点から、凹み部の面積率の下限値を１０％とした。

＜作用効果＞
以上説明した自動調心ころ軸受１によると、ＤＬＣ膜９の表面層９ｃに設けられる凹み部１６の大きさが１０μｍを超え１００μｍ未満としたため、凹み部１６が潤滑剤を保持する所謂油だまりのディンプルとしての機能を果たし、低潤滑の環境下においても油膜を形成する能力を向上させ潤滑性能の向上を図ることができる。また凹み部１６の面積率を４０％以下としたため、ＤＬＣ膜９の耐久性を保持でき、ＤＬＣ膜９の表面層９ｃが剥離することを防止し得る。

表面層９ｃ上に存在する軟性のＤＬＣを、例えば、ラップ加工等により除去することで、容易に凹み部１６を形成することが可能となる。この場合、ＤＬＣ膜自体の成膜条件を変更することなく凹み部１６を形成し得るため、ＤＬＣ膜９の膜質の劣化を防ぐことができる。またショットピーニングのように微細粒子を別途用意することなく凹み部１６を形成し得るため、製造コストの低減を図ることが可能となる。

ＤＬＣ膜９は、ころ４，５の母材側から順に、金属層９ａ、金属とＤＬＣの混合層である中間層９ｂ、および前記表面層９ｃの３層構造である。このため、ＤＬＣ膜９において硬度、弾性率などの物性が急激に変化することを避け、ころ４，５に対するＤＬＣ膜９の密着性を高めることができる。

＜他の実施形態について＞
以下の説明においては、各実施形態で先行して説明している事項に対応している部分には同一の参照符号を付し、重複する説明を略する。構成の一部のみを説明している場合、構成の他の部分は、特に記載のない限り先行して説明している形態と同様とする。同一の構成から同一の作用効果を奏する。各実施形態で具体的に説明している部分の組合せばかりではなく、特に組合せに支障が生じなければ、実施形態同士を部分的に組合せることも可能である。

［第２の実施形態］
ころの外周面に、前述の凹み部を有するＤＬＣ膜が設けられる構成に加えて、図６に示すように、内輪の軌道面２ａ，２ｂおよび外輪の軌道面３ａのいずれか一方または両方にＤＬＣ膜９を有し、このＤＬＣ膜９の表面層９ｃに潤滑剤が保持される凹み部１６が設けられてもよい。この凹み部１６の面積率が４０％以下であり、凹み部１６の平面視における大きさが１０μｍ～１００μｍである。
この構成によると、ＤＬＣ膜９の表面層９ｃに設けられる凹み部１６の大きさが１０μｍ～１００μｍとしたため、軌道面２ａ，２ｂ，３ａのＤＬＣ膜９の凹み部１６も潤滑剤を保持する所謂油だまりのディンプルとしての機能を果たす。したがって、ころのＤＬＣ膜に設けられる凹み部に保持される潤滑剤と相俟って潤滑性能の向上をさらに図ることができる。

［第３の実施形態］
上記各実施形態は左右対称の自動調心ころ軸受に適用した例であるが、左右非対称の自動調心ころ軸受、例えば、図７に示すように、左右列の接触角θ１、θ２が互いに異なる自動調心ころ軸受１に適用してもよい。左右非対称の自動調心ころ軸受１のころ４，５の外周面にＤＬＣ膜が設けられてもよく、さらに内外輪２，３の軌道面２ａ，２ｂ，３ａのいずれか一方または両方にＤＬＣ膜が設けられてもよい。

図示しないが、円筒ころ軸受や円すいころ軸受のころの外周面にＤＬＣ膜が設けられてもよく、さらに内外輪の軌道面のいずれか一方または両方にＤＬＣ膜が設けられてもよい。
凹み部を形成するラップ加工として、乾式ラッピングを採用してもよい。

参考提案例として、内輪の軌道面および外輪の軌道面のいずれか一方または両方にＤＬＣ膜を有し、このＤＬＣ膜の表面層のみに凹み部が設けられてもよい。この凹み部の面積率が４０％以下であり、凹み部の平面視における大きさが１０μｍ～１００μｍである。

図８、図９は、風力発電装置の主軸支持装置の一例を示す。支持台２１上に旋回座軸受２２（図９）を介してナセル２３のケーシング２３ａが水平旋回自在に設置されている。ナセル２３のケーシング２３ａ内には、軸受ハウジング２４に設置された主軸支持軸受２５を介して主軸２６が回転自在に設置され、主軸２６のケーシング２３ａ外に突出した部分に、旋回翼となるブレード２７が取り付けられている。主軸支持軸受２５として、いずれかの実施形態に係る自動調心ころ軸受１が適用されている。
主軸２６の他端は、増速機２８に接続され、増速機２８の出力軸が発電機２９のロータ軸に結合されている。ナセル２３は、旋回用モータ３０により、減速機３１を介して任意の角度に旋回させられる。主軸支持軸受２５は、図示の例では２個並べて設置してあるが、１個であってもよい。

いずれかの実施形態に係る自動調心ころ軸受、円筒ころ軸受、円すいころ軸受を参考提案例に係るころ軸受および玉軸受を、風力発電装置以外の用途、例えば、産業機械、工作機械、ロボット等に採用することも可能である。
以上、実施形態に基づいて本発明を実施するための形態を説明したが、今回開示され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。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１…自動調心ころ軸受、２…内輪、２ａ，２ｂ…軌道面、３…外輪、３ａ…軌道面、４，５…ころ、９…ＤＬＣ膜、９ａ…金属層、９ｂ…中間層、９ｃ…表面層、１０Ｌ，１０Ｒ…保持器、１６…凹み部、２６…主軸

Claims (5)

1. 内外輪と、これら内外輪の軌道面間に介在するころと、前記ころを保持する保持器とを備え、前記ころの外周面にＤＬＣ膜を有するころ軸受であって、
   前記ＤＬＣ膜の表面層に潤滑剤が保持される凹み部が設けられ、この凹み部の面積率が４０％以下であり、前記凹み部の平面視における大きさが１０μｍ～１００μｍであるころ軸受。
2. 請求項１に記載のころ軸受において、前記ＤＬＣ膜は前記表面層および他の層が積層された多層構造であり、前記凹み部は、前記表面層のうち、前記他の層よりも膜硬さが低い軟性のＤＬＣが除去されたものであるころ軸受。
3. 請求項２に記載のころ軸受において、前記ＤＬＣ膜は、前記ころの母材側から順に、金属層、金属とＤＬＣの混合層である中間層、および前記表面層の３層構造であるころ軸受。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載のころ軸受において、前記内輪の軌道面および前記外輪の軌道面のいずれか一方または両方にＤＬＣ膜を有し、このＤＬＣ膜の表面層に潤滑剤が保持される凹み部が設けられ、この凹み部の面積率が４０％以下であり、前記凹み部の平面視における大きさが１０μｍ～１００μｍであるころ軸受。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載のころ軸受において、風力発電装置の主軸を支持する自動調心ころ軸受であるころ軸受。

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