JP5831131B2

JP5831131B2 - ころ軸受およびその製造方法

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Publication number: JP5831131B2
Application number: JP2011233329A
Authority: JP
Inventors: 藤田　慎治; 慎治藤田; 智治齋藤; 齋藤　剛; 剛齋藤
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2011-10-24
Filing date: 2011-10-24
Publication date: 2015-12-09
Anticipated expiration: 2031-10-24
Also published as: JP2013092175A

Description

本発明は、円環状の内輪や外輪に設けられたつば部を備えるころ軸受およびその製造方法に関する。

円すいころ軸受のようなころ軸受においては、円環状の内輪や外輪に設けられたつば部ところの端面とが回転時に摺接するため、摩擦が発生する。この摩擦は、低速域（低回転域）での、ころ軸受の摩擦抵抗の大部分を占める。そのため、つば部ところの端面との摩擦が大きいと、ころ軸受の起動トルクが大きくなるという問題がある（なお、以降においては、つば部のうち、ころの端面と摺接する内側面を「つば面」と記す。）。
そこで、前記のような問題に鑑み、ころの端面やつば面に、ショットピーニング加工やショットブラスト加工などのショット加工を施し、ショット面の粗さを所定に収めることにより、ころ軸受の摩擦抵抗を低減させる提案が種々されている（例えば特許文献１乃至４参照）。

特開平０８−２３２９６４号公報特開２００３−１８４８８３号公報特開２００４−３１６６９９号公報特開２００５−１６１４１９号公報

しかしながら、特許文献１乃至４に記載の技術において、これまでの考え方は、ころの端面やつば面の粗さなどを単に規定するものであった。これに対し、本発明者らは、起動トルクが一層の低トルクなころ軸受を提供すべく鋭意検討を重ねたところ、単にショット加工によるショット面の粗さを最適な範囲に規定するだけでは、一層の低トルクなころ軸受を提供する上で不十分であるとの知見を得た。
そこで、本発明は、このような問題点に着目してなされたものであって、円環状の内輪や外輪に設けられたつば部を備えるころ軸受において、起動トルクが従来より一層低いころ軸受およびその製造方法を提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明の一態様に係るころ軸受の製造方法は、円環状の内輪と、円環状の外輪と、前記内輪及び前記外輪の間に転動自在に配された複数のころと、前記内輪及び前記外輪の少なくとも一方に形成されたつば部とを備えるころ軸受を製造する方法であって、前記つば部に形成されて前記ころの端面と摺接するつば面に、ショットピーニング加工又はショットブラスト加工を、ショット面のカバー率が９０％以上となるように施すとともに、前記ショット面の粗さＲａが０．０５〜０．３μｍＲａであり、さらに、摺動方向に対して平行な粗さをＲａ，parallel、垂直な粗さをＲａ，perpendicularとしたときに、０．８≦Ｒａ，perpendicular／Ｒａ，parallel≦１．２を満たすように施すことを特徴とする。

本発明の一態様に係るころ軸受の製造方法によって製造されたころ軸受は、ショット面の性状を、摺動方向に対して平行な粗さと垂直な粗さとの関係に基づくという新たな技術思想に鑑みて規定されたものとなる。これにより、後述の実施例の結果（例えば図４参照）からも判るように、これにより製造されたころ軸受の起動トルクを、従来例と比較して、より一層低いものとすることができる。
なお、ショット面のカバー率（カバレッジ）を９０％以上とする理由は、カバー率が９０％以上でないとショット加工を実施する意味が薄れるからである。

また、ショット面の粗さＲａを０．０５〜０．３μｍＲａとする理由は、相手面となるころの端面をなじませるためには、ころの端面あるいはつば部のつば面のうち少なくとも１つの粗さＲａを０．０５μｍＲａ以上としなければならず、一方、粗さＲａを０．３μｍＲａ以上にすると粗くなりすぎるので、音響の低下ならびに油膜厚さが小さくなり、焼きつきやすくなるからである。

また、ショット面の性状を、摺動方向に対して規定する点について、０．８≦Ｒａ，perpendicular／Ｒａ，parallel≦１．２、とする理由は、ころの端面もしくはつば部のつば面の粗さが、摺動方向に対して平行方向と垂直方向とで異なっていると十分に低摩擦化が図れないため、０．８≦Ｒａ，perpendicular／Ｒａ，parallel≦１．２と規定した。つまり、粗さＲａの比が０．８以下、又は１．２以上では、摺動方向に対して方向性があるので十分な低摩擦化が図れないからである。

ここで、本発明の一態様に係るころ軸受の製造方法において、前記ショット面が、とがり度合いＲｋｕが３〜７、ゆがみＲｓｋが−１．５〜−０．１の範囲を満たすころ軸受を製造するものであれば、これにより製造されたころ軸受のショット面が、油だまりの効果を奏するので好ましい。ゆがみＲｓｋが−０．１以上であると油だまりの効果がなく、一方、ゆがみＲｓｋが−１．５以下ではころ軸受の外輪又は内輪の作製が困難であるのでコストアップの要因となる。また、本発明の一態様に係るころ軸受の製造方法において、前記ショットピーニング加工又はショットブラスト加工は、前記つば面に限って施されていることは好ましい。

ここで、本発明の一態様に係るころ軸受の製造方法において、前記ショットピーニング加工又はショットブラスト加工が、投射材（メディア）として、ＳｉＣからなる不規則形状の多面体を用いてなされていれば、投射材の角によって容易に対象ワークを加工する上でより好ましい。
また、前記投射材が、その大きさが１０〜１００μｍの範囲を満たすものであれば、投射材の角によって容易に対象ワークを加工することができるので好適である。特に、ショット面の粗さＲａを０．０５〜０．３μｍＲａの範囲にするためには、投射材の大きさが１０〜１００μｍであれば容易に加工する上で好適である。

また、前記投射材の投射速度を、５０ｍ／ｓｅｃ以上とすれば、ショット面の粗さＲａを０．０５〜０．３μｍＲａの範囲にする上でより一層好ましく、さらに、前記投射材の噴射圧力を、０．１〜０．９ＭＰａとすれば、ショット面の粗さＲａを０．０５〜０．３μｍＲａの範囲にする上でより一層好ましい。
また、上記課題を解決するために、本発明の一態様に係るころ軸受は、円環状の内輪と、円環状の外輪と、前記内輪及び前記外輪の間に転動自在に配された複数のころと、前記内輪及び前記外輪の少なくとも一方に形成されたつば部とを備えるころ軸受であって、上述した本発明の一態様に係るころ軸受の製造方法によって製造されたことを特徴とする。

特に、本発明の一態様に係るころ軸受は、前記つば部に形成されて前記ころの端面と摺接するつば面に、投射材としてその大きさが１０〜１００μｍの範囲を満たすＳｉＣからなる不規則形状の多面体を用いて、その投射速度を５０ｍ／ｓｅｃ以上且つ噴射圧力を０．１〜０．９ＭＰａとしたショットピーニング加工又はショットブラスト加工が、ショット面のカバー率が９０％以上となるように施されることにより、前記ショット面が、粗さＲａが０．０５〜０．３μｍＲａであり、さらに、摺動方向に対して平行な粗さをＲａ，parallel、垂直な粗さをＲａ，perpendicularとしたときに、０．８≦Ｒａ，perpendicular／Ｒａ，parallel≦１．２を満たすものとされていれば、起動トルクを従来より一層低くする上で好適である。

上述のように、本発明によれば、つば部を備えるころ軸受において、つば部には、ころの端面と摺接するつば面に、ショットピーニング加工又はショットブラスト加工が、ショット面のカバー率が９０％以上となるように施され、そのショット面は、粗さＲａが０．０５〜０．３μｍＲａであり、さらに、摺動方向に対して平行な粗さをＲａ，parallel、垂直な粗さをＲａ，perpendicularとした場合に、０．８≦Ｒａ，perpendicular／Ｒａ，parallel≦１．２を満たすものとされるので、起動トルクを従来より一層低くすることができる。

本発明の一態様に係るころ軸受の一実施形態である円すいころ軸受の構造を示す部分縦断面図である。つば部のつば面の性状を比較して示す図であって、同図（ａ）が本発明のころ軸受に施されたショット面の例、同図（ｂ）が比較例である。トルク試験に用いた試験機の構造を示す断面図である。トルク試験の結果を示すグラフである。クリーンはくり寿命試験に用いた試験機の構造を示す断面図である。

以下、本発明の一実施形態について、図面を適宜参照しつつ説明する。
図１に示す円すいころ軸受１０は、円環状の内輪１及び外輪２と、これら内輪１及び外輪２の間に転動自在に配された複数の円すいころ３と、これら複数の円すいころ３を内輪１及び外輪２の間に保持する保持器４とを有して構成されている。内輪１の外周面及び外輪２の内周面の間によって画成された軸受内部空間には、図示しない潤滑剤（例えば潤滑油，グリース）が封入されている。なお、保持器４は備えていなくてもよい。

また、内輪１の外周面の軸方向両端部には、つば部５，５が径方向外方に突出して設けられている。外輪２には、つば部は設けられていない。ただし、図１の例とは逆に、外輪２の内周面の軸方向両端部につば部を設け、内輪１にはつば部を設けない構成としてもよいし、内輪１及び外輪２の両方につば部を設ける構成としてもよい。そして、このつば部５，５の内側面がつば面５ａ，５ａとなっている。このつば面５ａ，５ａは、円すいころ３を案内し保持する面として機能しており、円すいころ３の端面３ａ，３ｂと摺接する。

この円すいころ３の端面のうち大径側の端面である大端面３ａには、油溜まりとして機能する多数の凹部（図示せず）が形成されている。この凹部は、ショットブラストにより形成される。すなわち、大端面３ａに投射材を投射することにより、大端面３ａに凹凸を形成した後に、この凹凸のうち凸部を研磨により平滑にして凹部のみを残している。これにより、大端面３ａは、平坦な面に多数の凹部が方向性なく点在する状態となる。なお、この凹部は円すいころ３の小端面３ｂに形成してもよいし、両端面にそれぞれ形成してもよい。

ここで、この円すいころ軸受１０では、つば５，５のつば面５ａ，５ａに、ショット加工として、ショットピーニング加工又はショットブラスト加工が、ショット面のカバー率（カバレッジ）が９０％以上で施されている。本実施形態では、ショット加工としてショットブラスト加工を用いた。投射材は、目開き１００μｍの篩を通過する大きさの不定形な多面体であることが好ましい。また、投射材は、目開き１００μｍの篩を通過し、目開き１０μｍの篩は通過しない大きさの不定形な多面体であることがさらに好ましい。つまり、投射材（メディア）は、その大きさが１０〜１００μｍの範囲を満たすものが好ましい。さらに、目開き７５μｍの篩を通過し、目開き２０μｍの篩は通過しない大きさの不規則形状の多面体であることが最も好ましい。

本実施形態においては、ショットブラスト加工に使用される投射材はセラミック製であり、特に、この投射材として、ＳｉＣからなる不規則形状の多面体を用いている。なお、加工性を考えた場合、略球形は好ましくない。これは、投射材が不規則形状の多面体であれば、投射材の角によって容易に対象ワークを加工することが可能だからである。また、略球形のＡｌ_２Ｏ_３やＳｉＯ_２などは投射材が割れるので好ましくない。

ショットブラスト加工の処理装置としては、エアー式ブラスト加工装置を用いた。ただし、インペラー方式等の機械エネルギーを利用した方式のブラスト加工装置を用いることもできる。投射材を噴射するノズルの内径は５ｍｍで、ノズルの先端と内輪１のつば部５，５のつば面５ａ，５ａとの間隔は１５０ｍｍとした。また、投射角度は、５°以上９０°以下とした。ただし２０°以上４５°以下がより好ましい。さらに、投射材の投射速度は、５０ｍ／ｓｅｃ以上、噴射圧力は、０．１〜０．９ＭＰａであることが好ましい。本実施形態においては、投射材の投射速度は、５０ｍ／ｓｅｃ以上、噴射圧力は、０．１〜０．９ＭＰａである。

このショットブラスト加工により、つば面５ａ，５ａに加工されたショット面は、粗さＲａが０．０５〜０．３μｍＲａであり、さらに、摺動方向に対して平行な粗さをＲａ，parallel、垂直な粗さをＲａ，perpendicularとしたときに、０．８≦Ｒａ，perpendicular／Ｒａ，parallel≦１．２を満たすものとされている。さらに、つば面５ａ，５ａに加工されたショット面は、とがり度合いＲｋｕが３〜７、ゆがみＲｓｋが−１．５〜−０．１の範囲を満たすものとされている。このようにして得られたつば面５ａ，５ａに施されたショット面の性状を図２（ａ）に示す。一方、同図（ｂ）は比較例であって、つば面５ａ，５ａの摺動方向に対し、平行な粗さをＲａ，parallel、垂直な粗さをＲａ，perpendicularとしたとき、０．８≦Ｒａ，perpendicular／Ｒａ，parallel≦１．２を満たさない場合の例である。

なお、本実施形態においては、内輪の軌道面５ｂには、上述のショット加工（ショットピーニング加工又はショットブラスト加工）が施されておらず、つば面５ａ，５ａに限ってショット加工を施している。なおまた、つば面５ａ，５ａに対し、ショット加工後に凸部の研磨をするほうが好ましい。凸部の研磨方法としては、超仕上げ砥石による超仕上げ加工、砥粒を含有する弾性体粒子によるショットブラスト、微細砥粒によるショットブラスト、砥粒を含有する流体による液体ホーニング等が採用できる。好ましくは、砥粒を含有する弾性体粒子によるショットブラストを採用することができる。

次に、上述の円すいころ軸受１０を、種々の回転速度で回転させて、その際のトルクを測定した。まず、このトルク試験に用いた試験機の構造を、図３を参照しながら説明する。
図３に示すように、この試験機２０は、縦型内輪回転式の試験機である。この試験機２０では、支持軸受２３に回転自在に支持された主軸２４の端部２４ａは、試験軸受としての円すいころ軸受２６の内輪２６ａに内嵌されている。内輪２６ａの外周面にはつば部２６ｄが形成されており、円すいころ２６ｂに対して滑り接触を行う。内輪２６ａ及び円すいころ２６ｂと共に円すいころ軸受２６を構成する外輪２６ｃは、本体部２８に内嵌されている。本体部２８の軸方向上端面には静圧軸受３１が設けられており、その上面にはアキシアル荷重が付与される。

また、本体部２８の側面には棒材３４を介してロードセル３３が接続されており、本体部２８に掛かる動摩擦トルクがロードセル３３により検出される。さらに、本体部２８には、円すいころ軸受２６の転がり接触面及び滑り接触面に外部から潤滑油を供給するための通路３６が形成されている。また、転がり接触面及び滑り接触面の温度を検出する熱電対３８が、本体部２８の側面から取り出されている。

上記構成を有する試験機２０では、アキシャル荷重，ラジアル荷重，回転速度，潤滑油量を任意に変えて試験することができ、回転中の動摩擦トルク及び前記接触面の温度上昇を同時に測定することができる。
このような試験機２０に、前述の図２（ａ）に示すようなショット加工をつば面に施した内輪を備える円すいころ軸受を試験軸受として装着してトルク試験を行った。ショット加工の加工面は、円すいころ軸受のつば面のみ、あるいは円すいころ軸受のつば面と内輪軌道面である。そして、前述の図２（ｂ）に示すようなショット加工をつば面に施していない内輪を備える通常の円すいころ軸受の場合と比較した。なお、トルクの測定を行う前に、５０００ｒｐｍで１時間以上回転させる慣らし運転を行い、十分にトルクが安定したことを確認した。

（トルク試験の条件）
試験軸受の呼び番号：ＨＲ３２００８ＸＪ（内径４０、外径６０）
アキシャル荷重：４０００ｋＮ
ラジアル荷重：０ｋＮ
回転速度：０〜３０００ｒｐｍ
潤滑油：ＩＳＯ粘度グレードがＩＳＯＶＧ３２である鉱油
潤滑油量：５００ｍｌ／ｍｉｎ
潤滑油温度：５０±５℃
試験数：１０

トルク試験の結果を図４に示す。なお、同図には測定トルクの平均値を記載した。同図に示すグラフから、前述のショット加工後の円すいころ軸受は、ショット加工をつば面に施していない軸受に比べて、低速回転域（２５０ｒｐｍ近辺）のトルクが１０〜８０％低滅していることが分かる。

また、前述のようなショット加工により寿命の低下が懸念されるので、下記の条件にて軸受の寿命試験を行った。ここでは、金属摩耗粉などの異物をほとんど含まないクリーンな潤滑環境下でのはく離寿命（クリーンはくり寿命）を、実施例と比較例の一部の軸受を用いて調べた。
この寿命試験では、図５に示す様な試験機を使用した。そして、軸１７の中間部にサポート軸受１８を装着し、この軸１７の両端部に２個の試験用の円すいころ軸受６ａ、６ａを装着する事により、円すいころ軸受６ａ、６ａを２個ずつ試験した。そして、外輪７ａ、７ａをハウジング４０、４１に固定し、内輪８ａ、８ａを外嵌した軸１７を、５／１０００ラジアン傾斜させた状態で軸１７を回転させた。そして、表１に示した軸受毎に、それぞれ５個（Ｎ＝５）ずつ寿命試験を行ない、振動センサにより検出される振動値が初期振動の５倍になった時点で試験を中止し、内輪、外輪各軌道１１ａ、１０ａと各円すいころ９ａの転動面とでのはく離の発生の有無を観察した。なお、試験条件は下記のとおりである。

（クリーンはく離寿命試験の条件）
試験軸受の呼び番号：ＨＲ３２００８ＸＪ（内径４０、外径６０）
アキシャル荷重：５０００ｋＮ
ラジアル荷重：２００００ｋＮ
回転速度：３０００ｒｐｍ
潤滑油：ＩＳＯ粘度グレードがＩＳＯＶＧ３２である鉱油
潤滑方法：油浴潤滑
潤滑油温度：８０±５℃
試験数：５

表１に、ワイブルプロットで整理した、実施例１のＬ１０寿命を１００とした場合の寿命比を表１の右端に併せて記載している。

実施例９、１０、１１では、略球形のメディアを用いている。略球形のメディアを用いた場合では、メディアが割れるので、軸受にとっては異物となる。そのため、異物を噛み込んだことによって、表面に圧痕が形成される。そのため、表面起点型のはく離が起こり、寿命が低下する場合がある。
なお、本発明に係るころ軸受は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しなければ種々の変形が可能である。
例えば、上記実施形態では、ころ軸受の例として円すいころ軸受をあげて説明したが、これに限定されず、例えば円筒ころ軸受，針状ころ軸受，自動調心ころ軸受等、他の種類の様々なころ軸受に対して適用することができる。

１内輪
２外輪
３円すいころ（ころ）
４保持器
５つば部
１０円すいころ軸受（ころ軸受）

Claims

円環状の内輪と、円環状の外輪と、前記内輪及び前記外輪の間に転動自在に配された複数のころと、前記内輪及び前記外輪の少なくとも一方に形成されたつば部とを備えるころ軸受において、
前記つば部の前記ころの端面と摺接するつば面は、多数の凹部を有し、粗さＲａが０．０５〜０．３μｍＲａであり、さらに、摺動方向に対して平行な粗さをＲａ，ｐａｒａｌｌｅｌ、垂直な粗さをＲａ，ｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒとしたときに、０．８≦Ｒａ，ｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ／Ｒａ，ｐａｒａｌｌｅｌ≦１．２を満たすものとされていることを特徴とするころ軸受。
前記多数の凹部は、前記つば面に限って形成されていることを特徴とする請求項１に記載のころ軸受。
円環状の内輪と、円環状の外輪と、前記内輪及び前記外輪の間に転動自在に配された複数のころと、前記内輪及び前記外輪の少なくとも一方に形成されたつば部とを備えるころ軸受を製造する方法であって、
前記つば部に形成されて前記ころの端面と摺接するつば面に、ショットピーニング加工又はショットブラスト加工を、ショット面のカバレッジが９０％以上となるように施すとともに、
前記ショット面の粗さＲａが０．０５〜０．３μｍＲａであり、さらに、摺動方向に対して平行な粗さをＲａ，ｐａｒａｌｌｅｌ、垂直な粗さをＲａ，ｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒとしたときに、０．８≦Ｒａ，ｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ／Ｒａ，ｐａｒａｌｌｅｌ≦１．２を満たすように施すことを特徴とするころ軸受の製造方法。