JP2581755B2

JP2581755B2 - ころがり軸受の転動体と軌道間の接触応力測定方法

Info

Publication number: JP2581755B2
Application number: JP63119337A
Authority: JP
Inventors: 均高橋; 英嗣山崎; 幸夫小倉; 猛宮島; 利男滝下; 良伸柏原; 清隆桜井; 昌宏布川
Original assignee: Koyo Seiko Co Ltd; Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Current assignee: Koyo Seiko Co Ltd; Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Priority date: 1988-05-18
Filing date: 1988-05-18
Publication date: 1997-02-12
Anticipated expiration: 2012-02-12
Also published as: JPH01291135A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、超音波を利用してころがり軸受の転動体と
軌道との間の動的な接触応力を測定する方法に関する。

〔従来の技術〕

ころがり軸受は、回転機器の基本要素部品の１つとし
て多種類のものが数多く使用されており、そのうちの大
部分のころがり軸受が寸法をはじめとして寸法精度や寿
命等の設計に至るまでJISに制定されている。JISにおけ
る寿命計算は、基本負荷容量と等価荷重との比を基準と
して同時にテストした軸受の90％が達する定格寿命を計
算するものであるが、このうち基本負荷容量は、90％の
軸受がフレーキングを起こすことなく100万回転に耐え
られるような方向および大きさの一定の荷重であり、フ
レーキング発生の主原因の１つであるこのころがり軸受
の転動体と軌道間の動的な接触応力に密接な関係を有し
ている。このため前記定格寿命と接触応力との相関関係
を求めておけば、使用中のころがり軸受の接触応力を測
定することによりその軸受の寿命を予測することが可能
になる。しかし、前記ころがり軸受の接触応力は、現状
では計算式から計算で求める場合が殆どで、曲面をなす
物体の表面が押しつけられたときの接触応力を求める式
いわゆるヘルツ応力を求める式を用いて計算しており、
ころがり軸受に作用する荷重を設定し、その設定荷重で
転動体の寸法より計算した接触応力が実験または経験的
に決められた許容値以下の値になるようにしている。

上記計算式によらず測定により接触応力を求める方法
としては、ころがり軸受の静負荷容量を求める場合と同
様に、静止状態の軸受の転動体に歪みゲージを取り付
け、負荷したときの転動体の歪み量を測定し、測定した
歪み量からその負荷時の接触応力を計算する方法があ
る。

一方、超音波を利用して測定する方法は、その方法が
簡便なため従来から試みられているが、固体接触面の接
触応力を測定する方法としては、２つの固体の接触面に
超音波を入射させ、その超音波の前記接触面から反射さ
れる反射波の音圧と接触面を透過した透過波の音圧との
双方を利用し、両者を比較して該接触面における接触応
力を測定する本願の一部発明者および本願出願人により
提供された方法がある。（PCT/JP82/00087参照）〔発明が解決しようとする課題〕 JISに制定されている比較的呼び寸法の小さいころが
り軸受（例えば軸受内径が1000mm以下）は、大径のもの
に比べてその生産量も多く軸受の形式，寸法等に応じて
寿命試験を行うことができ、前記基本負荷容量を決めて
寿命計算により近似的に定格寿命を求め、ころがり軸受
単体としての寿命を決めることができるとともに、求め
た定格寿命と前記計算式より求めた接触応力との相関も
容易に求めることができる。しかし、ころがり軸受を実
機に装着して使用した場合は、ころがり軸受に作用する
荷重の設定誤りを含めて軸受に加わる荷重の種類や大き
さ等の負荷条件，潤滑状態，軸受の嵌装状態等の条件
が、寿命試験および接触応力計算時における条件と必ず
しも類似せず、むしろ実機における条件の方が過酷な場
合がしばしば発生する。そのためかかる場合には、定格
寿命よりかなり早期にフレーキングを起こし異音の発生
や、振動，焼き付き等の現象が発生することになり、軸
受を分解して異常発生部を目視にて調査し、その異常発
生状況より負荷条件等を推定し前記計算値と対比してい
るのが実状である。このためどうしても前記定格寿命と
計算式より求めた接触応力との相関の精度は低下し実用
上問題となっている。さらに計算式より求めた接触応力
は、前記寿命試験および接触応力計算時と実機使用との
条件の差のほか、同一の形式，寸法のころがり軸受に同
じ負荷をかけた場合でも軸受自体の製作寸法精度，装着
場所，使用経過時間等によって負荷状態が変化するか
ら、実際には計算値も個々の軸受について異なりその計
算値がますます概算的になって推定の幅が広くなり計算
値の精度が低下する。

つぎに転動体の歪み量から接触応力を求める方法は、
静的な接触応力を求める方法であり、また、稼動状態に
おける負荷条件や嵌装条件等の各種条件が前記の如くそ
れぞれの軸受について異なる条件下にあっては、ますま
す実稼動状態の回転中の接触応力を測定することはでき
ず、その測定値は、前記計算式で求める接触応力と同様
に推定の幅が広く実用上の精度は得られない。

一方、超音波を利用して接触応力を測定する方法は簡
便であることから従来から試みられている。すなわち、
ころがり軸受の転動体と軌道との接触面に超音波を入射
し、その超音波の前記接触面から反射される反射波のエ
コーを測定して接触応力と反射エコーとの相関を利用し
て接触応力を測定するものである。しかし、この方法で
は接触面に入射した超音波は、該接触面において一部反
射するも残りは該接触面より玉またはころの転動体内に
入り、さらにその転動体の底面に達し、該底面の曲面に
て拡散するから、接触面に入射した超音波の接触面を介
した反射波が殆ど得られず、僅かに得られる反射波も減
衰が大きくて反射エコーを測定することができなくな
り、したがって接触応力を測定することはできなかっ
た。

また、前記固体接触面の接触応力を具体的に測定する
方法であるPCT/JP82/00087においては、接触面から反射
される反射波の音圧と接触面を透過した透過波の音圧と
の双方の比較が必要である。このため接触面からの反射
波のほか、接触面を透過して玉またはころの転動体内に
入り該転動体の底面からの反射波か、または転動体の底
面を通過した波のエコーを測定しなければならないが、
上記従来から試みられてきた方法と同様に、接触面から
の反射波以外はそのエコーが得られず従ってころがり軸
受の接触応力を測定することができない問題点があっ
た。

これらの各問題点は、ころがり軸受の種類に関係なく
共通の問題点であるが、特に長期の製作期間を要し価格
的にも高価な転動輪の直径が数メートルにおよぶ大径の
ものや、用途が限定されていて僅かな数量しか生産され
ない軸受等においては、一般の多量生産される汎用性の
あるころがり軸受に比べて一層正確な寿命予測を必要と
するから、寿命予測に直接かつ密接な関係を有する前記
動的な接触応力の測定は従来から強く要望されていた。

本発明は、上記の問題点に鑑み、実動中のころがり軸
受の転動体と軌道との間の動的な接触応力を、超音波を
利用して容易かつリアルタイムに実用可能な精度に測定
することができる方法を提供するほか、さらに、実機に
装着されたころがり軸受の動的な負荷荷重および負荷分
布を測定することができる方法を提供することを目的と
する。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するため、本発明のころがり軸受の転
動体と軌道間の接触応力の測定方法は、被検体のころが
り軸受の軌道輪に送受信兼用の探触子を軌道に対して超
音波を垂直に入射可能に当接し、該探触子より負荷状態
で、かつ転動体がころがり運動中の前記軌道輪の軌道に
向けて超音波を入射し、入射した超音波の前記探触子当
接面と超音波入射側の軌道との間における多重反射波を
前記探触子に受信し、受信した多重反射波のうち前記軌
道と転動体との接触面から少なくとも３回以上多重反射
した多重反射波のエコー高さを測定し、測定したエコー
高さの絶対値と予め前記被検体と同一または被検体と同
一構成の試験片により静的に測定された基準値とを比較
することによりころがり軸受の転動体と軌道間の接触応
力を測定する方法である。

そして、前記探触子を軌道輪の複数箇所に任意のピッ
チで当接し、該各当接箇所にて測定するようにした方法
にすることが好ましい。

〔作用〕

上記測定方法における探触子当接面と超音波入射側の
軌道との間における多重反射波は、多重反射の回数が多
くなるほどそのエネルギを減少して減衰が大きくなるか
ら、減衰度の大きい多重反射波は、測定器のゲインを調
整することによりその絶対値を確実に測定することが可
能になる。そして測定する多重反射波は、探触子の当接
位置が面あらさの小さい平滑な仕上面であること、同様
に軌道面も面あらさの小さい平滑な面に加工されてお
り、軌道と転動体との接触面の軸受回転方向の接触幅は
ミクロ単位の微小幅であっても、一般の超音波探傷に使
用されている数MHz程度の周波数の探触子を使用するこ
とにより接触幅内における多重反射の回数は十分得られ
ること、ころがり軸受の材質や硬度等は軌道輪および複
数の転動体とも全体的に均一であること等の理由から、
軸受のどの場所で測定しても回転中の動的なエコーが、
常にほぼ一定のレベルおよびパターンで安定して得られ
る特徴がある。

上記多重反射波は、少なくとも３回以上多重反射する
とエコーはかなり減衰して測定可能な安定した状態にな
り、そのエコー高さの絶対値を通常の超音波探傷装置等
を使用して測定することができる。測定された上記エコ
ー高さの絶対値は、予め実機に装着されるころがり軸受
と同一の軸受かまたはその軸受の転動体と寸法，材質，
硬度等がほぼ同一の試験片により静的に測定された基準
値と比較される。この基準値は、通常前記試験片に静的
に荷重をかけその荷重を順次増加させたときの計算式よ
り求めたヘルツ応力と、求めたヘルツ応力に対応する前
記多重反射波のエコー高さのデシベル値との相関で表示
されており、前記動的に測定されたエコー高さの絶対値
と単に比較するだけで個々の軸受によって異なるころが
り軸受の転動体と軌道間に実際に作用している接触応力
および負荷荷重を容易に求めることができ、また負荷し
ている荷重の静的値が荷重計等で既知の場合は、衝撃値
を同時に求めることもできる。

そして、上記測定を同一の軸受の複数箇所で行うこと
により、測定箇所ごとに上記接触力および負荷荷重を求
めることができるから、その軸受に作用している負荷分
布を測定することができる。

〔実施例〕

以下本発明の一実施例を第１図ないし第４図を参照し
て説明する。図において１は定盤、２は筒状のハウジン
グで、その下部は定盤１に固定されている。3aはハウジ
ング２の一端側に嵌装された円筒状のハウジングで、ハ
ウジング２に一体に締結されている。3bはハウジング3a
の外端面に締結されている円筒状のハウジングである。
4aはハウジング２の他端側の内周にハウジング3aと相対
させて嵌装された円筒状のハウジングで、該ハウジング
4aの外周はハウジング２の内周と摺動可能である。4bは
ハウジング4aの外端面に締結されている円筒状のハウジ
ングである。５は図示しない回動装置により回動させら
れる軸で、ころがり軸受6a,6bにより支持されており、
ころがり軸受6aはハウジング3aの内周に、またころがり
軸受6bはハウジング4aの内周にそれぞれ嵌合されてい
る。７は測定用のスラスト円筒ころ軸受（以下単に被検
体という）で、軸５に嵌合し該軸５と一体に回動する内
輪7aと、ハウジング3bの内周に嵌合している非回動の外
輪7bと、内輪7aと外輪7b間に介装されている複数のころ
7cとで構成されている。被検体７は、ころ7cの中心が転
動する軌跡の直径（以下PCDという）が147mmで、直径16
mm×長さ18mmの寸法のころ7cを６個有し、静負荷容量C
_0a＝19070kgfである。これは回転中のころ7cの挙動を前
部のころ7cについて測定し易くするために、本来18個で
静負荷容量C_0a＝57200kgfであったものを均等に間引い
て６個にしたものである。なお、材質はいずれもSUJ2を
使用し、ころ7cの転動面および内輪7a,外輪7bの軌道の
表面硬度はロックウェル硬度（Ｃスケール）で60〜63で
ある。被検体７は、外輪7bがハウジング3bの外端面に締
着されるカバー９により押圧され、内輪7aが軸５に螺合
されているナット11によりカラーを介して押圧させて軸
５の所定の位置に装着されている。８は被検体７と同一
のスラスト円筒ころ軸受で、内輪8a,外輪8bおよびころ8
cからなり、ハウジング２を介して被検体７とほぼ対称
位置に配置され、外輪8bがカバー10により押圧され、ま
た内輪8aがナット12によりカラーを介して押圧されて軸
５の所定の位置に装着されている。13はカバー９に穿設
した穴に嵌着されている円筒状の探触子ホルダで、その
内周部に、送受信兼用の探触子14と該探触子14の前面を
外輪7bの端面に一定の力（この場合2.2kgf）で押圧する
ばね15が内設されている。使用した探触子14は振動子径
10mm,周波数5MHzの垂直探触子である。ここで探触子14
は、外輪7bに対する当接面がころ7cのPCD上の任意の１
点を垂直に押圧するように配置されている。

いま、ハウジング２の圧油供給用のポート2aに図示し
ない油圧装置とホースを介して接続し、圧力を変化させ
て（例えば次第に圧力を上げながら）圧油を供給する。
この場合、軸５は2.5rpmの一定速度で回転させられてい
る。ポート2aに供給された圧油は、一体に連結されたハ
ウジング4a,4bおよびカバー10を図の右方に変位させよ
うと作用し、カバー10はスラスト円筒ころ軸受8,ころが
り軸受6bを介して軸５を図の右方に押す。この押す力は
ころがり軸受6aおよびカラーを介して被検体７の内輪7a
を押し、ころ7cを介して外輪7bをカバー９に押し付ける
被検体７のスラスト荷重として作用し、ころ7cの転動面
と内輪7aおよび外輪7bの軌道との各接触面に接触応力を
発生させる。発生した接触応力は、探触子14を介して該
探触子14に接続している図示していない超音波測定装置
（以下単に測定器という）に出力される音圧となって表
れ、その音圧のエコー高さが測定される。従って接触応
力の変化は音圧の変化となって測定される。測定例を第
３図に示す。図の横軸は時間（単位:sec）およびころ7c
1個当りの荷重（以下ころ荷重という、単位:kgf）、縦
軸は探触子14の出力の絶対値（単位：−dB）で、ころ荷
重0kgfの無負荷時の出力V₀（ころ7c6個の平均値）と負
荷時の出力Ｖとの比のデシベル値20logV/V₀の値であ
る。図はころ荷重0,200,400kgfについて、それぞれころ
１公転におけるころ7c6個の出力値を示しており、出力
値に多少の変動はあるものの各負荷時ともほぼ一定の出
力値になっている。この出力値に多少のばらつきがある
が、これは６個のころ7c間の微小な直径差や潤滑条件の
差等によるものであり、ころの１公転ごとにほぼ同一の
パターンのばらつきを繰り返すから、各ころの負荷状態
や全ころ中のどのころが最大応力を発生しているかなど
を容易に特定することができる。さらに同一のころ7cで
もころ１公転の間に軌道の加工状態等により僅かのばら
つきを発生するから軌道輪のどの位置を注意すべきか等
の保守上の情報が得られる。測定は転動面と軌道との接
触面にアルバニアグリスNo.2を塗布し、ころ荷重を200k
gfピッチで変化させて探触子14の当接面より外輪7bに超
音波を軌道に対して垂直に入射し、入射した超音波の探
触子14の当接面と外輪7bの軌道との間における多重反射
波を探触子14に受信して、その出力値であるエコー高さ
の絶対値を記録したものである。この場合のエコー高さ
は10回目の多重反射波のもので、測定器のゲインは44dB
に調整されている。上記測定値は、予め上記と回転を除
き同一の測定条件で静的に測定された基準値と比較され
る。第４図は被検体７をアムスラー試験機により静的に
測定した基準値のデータを示す。図の横軸はころ荷重
（単位：×10³kgf）および接触応力σ_ｃ（単位:kgf/m
m²）、縦軸は探触子14の出力の絶対値（単位:dB）であ
る。接触応力σ_ｃは次式で求めたものである。

ここで、 Q:ころ荷重 kgf E:ヤング率 21200kgf/mm² l:ころの有効接触長さ 15.94mm r:ころの半径 8.0mm である。図から分かるように接触応力σ_ｃと出力値とは
ほぼ直線の相関を有しており、精度のよい基準値とする
ことができる。例えば具体的にころ荷重400kgfの場合に
ついてみると、第４図に示す静的な測定の出力値は約−
3dBであるが、第３図の動的な測定の出力値平均は約−
3.8dBで、第４図基準値データではころ荷重約520kgfに
相当し、両者を比較することにより接触応力σ_ｃが平均
で約123kgf/mm²生じていることが容易に分かる。

前記実施例においては探触子14を被検体７の１箇所に
当接して測定する方法を示したが、探触子14を被検体７
の複数箇所に例えば等ピッチに複数個当接して測定する
ようにすれば、各測定箇所ごとに前述の接触応力σ_ｃお
よび荷重を求めることができるから、被検体７に作用し
ている負荷分布を測定することが可能になる。これは特
に大径のころがり軸受、たとえばクレーンの旋回用の軸
受やトンネル掘進機のカッター用の軸受のように、軌道
輪の直径が数メートルもあるような場合に、軸受の各箇
所の動的な負荷状態を知ることができ、軸受自体の正確
な寿命予測とともに機器全体の合理的な運転管理を行う
ことが可能になる効果がある。

そして上記測定は、通常の超音波探傷と同様に探触子
を被検体に当接するだけでよいから、稼動中の実機にお
けるころがり軸受の接触応力を容易かつリアルタイムに
測定することができる。

〔発明の効果〕

本発明は、以上説明したように構成されているので、
以下に記載するような効果を奏する。

探触子の軌道林への当接面と該軌道輪の超音波入射側
の軌道との間における多重反射波のエコー高さの絶対値
を利用することにより、実動中のころがり軸受の転動体
と軌道との間の動的な接触応力を、実用可能な精度で容
易かつリアルタイムに測定することができる。

また、ころがり軸受の複数箇所において測定すること
により、該軸受に作用している動的な負荷荷重および負
荷分布を測定することができ、より正確な寿命予測をす
ることが可能になる。

【図面の簡単な説明】

第１図はスラスト円筒ころ軸受のころと軌道間の動的な
接触応力を測定する方法の一例を説明する図、第２図は
第１図の“ア”部詳細図、第３図は第１図の方法により
測定した測定データの一部を示す図、第４図は第１図に
おけるスラスト円筒ころ軸受をアムスラー試験機により
静的に測定した基準値のデータの一部を示す図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者小倉幸夫茨城県土浦市神立町650番地日立建機株式会社土浦工場内 (72)発明者宮島猛茨城県土浦市神立町650番地日立建機株式会社土浦工場内 (72)発明者滝下利男茨城県土浦市神立町650番地日立建機株式会社土浦工場内 (72)発明者柏原良伸大阪府大阪市南区鰻谷西之町２番地光洋精工株式会社内 (72)発明者桜井清隆大阪府大阪市南区鰻谷西之町２番地光洋精工株式会社内 (72)発明者布川昌宏大阪府大阪市南区鰻谷西之町２番地光洋精工株式会社内 (56)参考文献特開昭64−38620（ＪＰ，Ａ) 実開昭60−163335（ＪＰ，Ｕ) 実開昭57−137091（ＪＰ，Ｕ) 国際公開83／3470（ＷＯ，Ａ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】ころがり軸受の転動体と軌道間の接触応力
の測定方法において、被検体のころがり軸受の軌道輪に
送受信兼用の探触子を軌道に対して超音波を垂直に入射
可能に当接し、該探触子より負荷状態で、かつ転動体が
ころがり運動中の前記軌道輪の軌道に向けて超音波を入
射し、入射した超音波の前記探触子当接面と超音波入射
側の軌道との間における多重反射波を前記探触子に受信
し、受信した多重反射波のうち前記軌道と転動体との接
触面から少なくとも３回以上多重反射した多重反射波の
エコー高さを測定し、測定したエコー高さの絶対値と予
め前記被検体と同一または被検体と同一構成の試験片に
より静的に測定された基準値とを比較することによりこ
ろがり軸受の転動体と軌道間の接触応力を測定する方
法。
【請求項２】前記探触子を軌道輪の複数箇所に任意のピ
ッチで当接し、該各当接箇所にて測定するようにした請
求項１のころがり軸受の転動体と軌道間の接触応力測定
方法。