JP6819218B2 - 転がり軸受の疲労度取得方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、転がり軸受の疲労度を取得する方法及び装置に関する。

転がり軸受の外輪や内輪のように転動体と転がり接触する金属部品は、転動疲労の程度を定量的に表す疲労度を用いることによって、残存する寿命を予測し交換時期を特定することが行われている。
例えば、特許文献１には、金属部品にＸ線を照射することによって得られる回折Ｘ線の半価幅や、回折Ｘ線から求められる残留応力及び残留オーステナイト量等のＸ線パラメータを測定し、このＸ線パラメータを、予め作成されている疲労度データベースと照合することによって疲労度を取得することが開示されている。

特開２０００−３０４７１０号公報

従来、転がり軸受の軌道輪の場合、軌道面に転動疲労が生じるため、この軌道面上にＸ線を照射することによってＸ線パラメータが測定され、任意の１点、若しくは任意の数点の平均が採用されていた。
しかしながら、軌道面における疲労度は、当該軌道面に付与される負荷の大きさ等によって周方向及び軸方向で大きく異なる場合がある。そのため、従来方法でＸ線パラメータを測定するだけでは、軌道面全体を考慮した疲労度を取得することができず、残存寿命等を正確に予測することが困難となる。

本発明は、以上のような実情に鑑み、転がり軸受における軌道輪の疲労度を正確に取得することができる疲労度取得方法及び装置を提供することを目的とする。

（１）本発明における転がり軸受の疲労度取得方法は、軌道輪の形状データに基づいて当該軌道輪における被測定面上で測定点を移動させて複数箇所で所定のＸ線パラメータを測定する第１工程、各Ｘ線パラメータから疲労度を取得する第２工程、及び前記疲労度を前記被測定面上における前記Ｘ線パラメータの測定点の位置に対応付けてマッピングする第３工程、を含み、前記軌道輪は固定輪であり、前記第１工程では、前記被測定面としての軌道面の周方向全体にわたる範囲で前記測定点を移動させ、前記第３工程で行われるマッピングは、前記各疲労度を、前記軌道面の周方向にわたる範囲における前記Ｘ線パラメータの測定点の位置に対応付ける処理であることを特徴とする。

上記の構成によれば、軌道輪の被測定面上で測定点を移動させて複数箇所でＸ線パラメータを測定し、各Ｘ線パラメータから取得された疲労度を被測定面上における測定点の位置に対応付けてマッピングするので、被測定面上のどの箇所で最も疲労度が大きいかを正確かつ容易に把握することができる。したがって、最大の疲労度に応じて正確な残存寿命を予測することが可能となる。
また、転がり軸受の固定輪は回転しないため、周方向の一部にラジアル荷重が付与された場合、そのラジアル荷重が大きく負荷される領域とほとんど負荷されない領域とが発生する。そのため、固定輪の疲労度に周方向で大きな差が生じる。上記のように軌道面上で少なくとも周方向全体にわたる範囲で測定点を移動させることによって、周方向について疲労度の大きい箇所を正確に把握することができる。

（２）前記第１工程は、前記軌道面の軸方向全体にわたる範囲にも測定点を移動させることが好ましい。
このように、周方向全体だけでなく軸方向全体にわたる範囲にも測定点を移動させることによって、軸方向における負荷のかかり具合に起因する疲労度の差を把握することができる。

（３）前記Ｘ線パラメータは、回折Ｘ線の半価幅であることが好ましい。
回折Ｘ線の半価幅は、疲労度との間で高い相関性を有するため、Ｘ線パラメータとして回折Ｘ線の半価幅を測定することで、より正確な疲労度を取得することが可能となる。

（４）本発明の疲労度取得装置は、軌道輪を保持する保持部と、前記軌道輪における被測定面上の測定点にＸ線を照射し、所定のＸ線パラメータを測定する測定部と、前記軌道輪の形状データに基づいて当該軌道輪を保持している前記保持部と前記測定部とを相対的に移動させ、前記被測定面上で前記測定点を移動させる移動部と、前記被測定面上の複数箇所で測定された各Ｘ線パラメータから疲労度を取得し、各疲労度を、前記被測定面上における前記Ｘ線パラメータの測定点の位置に対応付けてマッピングする処理部と、を備え、前記軌道輪は固定輪であり、前記移動部は、前記軌道輪を軸心回りに回転させることで、前記被測定面としての軌道面の周方向全体にわたる範囲で前記測定点を移動させるように構成され、前記処理部が行うマッピングは、前記各疲労度を、前記軌道面の周方向にわたる範囲における前記Ｘ線パラメータの測定点の位置に対応付ける処理であることを特徴とするものである。

上記の構成によれば、軌道輪の形状データに基づいて移動部により保持部と測定部とを相対移動させることで、軌道輪の被測定面上で測定点を移動させ、被測定面上における複数箇所でＸ線パラメータを測定することができる。そして、各Ｘ線パラメータから取得さ
れた疲労度を被測定面上における測定点の位置に対応付けてマッピングするので、被測定面のどの箇所で最も疲労度が大きいかを正確かつ容易に把握することができる。したがって、最大の疲労度に応じて正確な残存寿命を予測することが可能となる。
また、転がり軸受の固定輪は回転しないため、周方向の一部にラジアル荷重が付与された場合、そのラジアル荷重が大きく負荷される領域とほとんど負荷されない領域とが発生する。そのため、固定輪の疲労度に周方向で大きな差が生じる。上記のように軌道面上で少なくとも周方向全体にわたる範囲で測定点を移動させることによって、周方向について疲労度の大きい箇所を正確に把握することができる。

本発明によれば、転がり軸受における軌道輪の疲労度を正確に取得することができる。

実施形態に係る転がり軸受を示す断面図である。 疲労度取得装置を示す概略構成図である。 疲労度を取得する手順を示すフローチャートである。 疲労度と半価幅減少度との関係を示すグラフである。 転がり軸受に対する負荷状況を示す説明図である。 内輪軌道面の軸方向位置及び周方向位置と半価幅との関係を示すグラフである。 マッピングの一例を示すイメージ図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
［円すいころ軸受の全体構成］
図１は、実施形態に係る転がり軸受を示す断面図である。本実施形態の転がり軸受は、円すいころ軸受１であり、内輪２と、この内輪２の径方向外側に設けられている外輪３と、これら内輪２と外輪３との間に設けられている複数の円すいころ４と、これら円すいころ４を保持している環状の保持器７とを備えている。

内輪２は、軸受鋼や機械構造用鋼等を用いて形成された環状の部材であり、その外周には、複数の円すいころ４が転動するテーパー状の軌道面２ａ（以下、内輪軌道面２ａともいう）が形成されている。また、内輪２は、軌道面２ａの軸方向一方側（図１における右側）に設けられ径方向外側に突出する小鍔部５と、軌道面２ａの軸方向他方側（図１における左側）に設けられ径方向外側に突出する大鍔部６とを有している。

外輪３も、内輪２と同様、軸受鋼や機械構造用鋼等を用いて形成された環状の部材であり、その内周には、内輪軌道面２ａに対向し複数の円すいころ４が転動するテーパー状の軌道面３ａ（以下、外輪軌道面３ａともいう）が形成されている。
円すいころ４は、軸受鋼等を用いて形成された部材であり、内輪軌道面２ａ及び外輪軌道面３ａを転動する。つまり、内輪２又は外輪３が図外の軸と共に回転すると、各円すいころ４は、内輪軌道面２ａ及び外輪軌道面３ａに沿って、ころ中心線回りに自転しながら、軸受中心線回りに公転する。円すいころ４は、軸方向一方側に直径の小さい小端面４ａを有し、軸方向他方側に直径の大きい大端面４ｂを有している。

内輪軌道面２ａと、小鍔部５及び大鍔部６との間には、径方向内方へ凹む逃げ溝８が形成され、円すいころ４の大端面４ｂ周縁及び小端面４ａ周縁が直接軌道面２ａに接触しないように構成されている。内輪軌道面２ａは、内輪２の外周面のうち小鍔部５と大鍔部６との軸方向の間であって逃げ溝８を除く領域が、実質的な円すいころ４の転動領域Ｒとされ、この領域が後述するＸ線パラメータの被測定領域とされる。

円すいころ軸受１は、内輪軌道面２ａ及び外輪軌道面３ａ上を円すいころ４が転動するため、各軌道面２ａ，３ａには転動疲労が生じる。このような転動疲労の程度は、疲労度という指標にて評価することができる。疲労度とは、転動疲労によって損傷に到るまでの時間を１００％として、どの程度まで疲労が進行しているかを表す指標である。この疲労度を用いることによって、円すいころ軸受１の残存寿命を予測し、交換時期を特定することが可能となる。このような疲労度は、次に説明する疲労度取得装置によって取得することができる。なお、以下においては、疲労度取得装置によって内輪２における内輪軌道面２ａを被測定面としてその疲労度を取得する場合について説明する。

［疲労度取得装置の構成］
図２は、疲労度取得装置を示す概略構成図である。疲労度取得装置１０は、Ｘ線回折装置１１と、処理装置（処理部）１２とに大別される。この疲労度取得装置１０は、図３に示すような手順で疲労度を取得する。具体的には、ステップＳ１においてＸ線パラメータを取得し、ステップＳ２において疲労度を取得し、ステップＳ３において疲労度をマッピングする。ステップＳ１は、Ｘ線回折装置１１によって行われ、ステップＳ２，Ｓ３は、処理装置１２によって行われる。以下、各装置１１，１２の具体的構成と、各ステップＳ１〜Ｓ３の動作について詳細に説明する。

［Ｘ線回折装置１１の構成］
図２に示すように、Ｘ線回折装置１１は、測定対象である内輪２を保持する保持部２１と、Ｘ線を内輪２に照射して回折Ｘ線の情報を測定する測定部２２と、保持部２１を移動させる移動部２３とを備えている。
保持部２１は、例えば三爪チャックからなるチャック部２１ａを備え、チャック部２１ａを内輪２の内周面に挿入し径方向外方へ拡径させることによって、内輪２を内側から把持するように構成されている。

測定部２２は、Ｘ線回折装置１１において一定の箇所に固定されている。測定部２２は、測定対象である内輪２に向けてＸ線を照射する照射部２２ａと、測定対象から生じる回折Ｘ線を検出し、所定のＸ線パラメータを測定する検出部２２ｂとを備えている。照射部２２ａは、測定対象の特定の箇所を測定点ＰとしてＸ線を照射する。検出部２２ｂによって測定されたＸ線パラメータは処理装置１２に送信され、後述する記憶部３２に記憶される。Ｘ線パラメータとしては、例えば、回折Ｘ線の半価幅、残留応力、残留オーステナイト量等を採用することができる。

移動部２３は、モータ、リニアガイド、エアシリンダ等のアクチュエータや、保持部２１を移動可能に支持するためのレール、リンク、軸等の支持部材により構成されている。移動部２３は、保持部２１によって保持された内輪２を例えばｘｙｚ座標軸上で３次元に移動させる。また、移動部２３は、保持部２１によって保持された内輪２をその軸心Ｏ回りに回転させ、軸心Ｏの角度θを調整する。そして、移動部２３は、保持部２１によって保持された内輪２を移動させることによって、測定部２２による測定点Ｐを内輪軌道面（被測定面）２ａ上で移動させる。例えば、ＮＣ制御等を用いて自動で３次元に移動させる方法が挙げられる。

本実施形態のＸ線回折装置１１は、図３のステップＳ１において、内輪軌道面２ａ上の軸方向及び周方向の全体にわたる範囲で測定点Ｐを移動させてＸ線パラメータを測定するものとなっている。

［処理装置１２の構成］
処理装置１２は、制御部３１と、記憶部３２と、演算部３３とを備えている。
制御部３１は、Ｘ線回折装置１１における保持部２１、測定部２２、及び移動部２３の動作を制御する。具体的に制御部３１は、保持部２１による内輪２の把持動作、測定部２２によるＸ線の照射及び回折Ｘ線の検出動作、移動部２３による保持部２１の移動の動作を制御する。

記憶部３２には、疲労度を取得するために必要な各種情報が記憶されている。例えば、前述したようにＸ線回折装置１１の測定部２２で測定されたＸ線パラメータや、疲労度を取得するために用いるデータベースＤＢ等が保存されている。また、記憶部３２には、外部から入力された内輪２の形状データが記憶されている。この形状データは、内輪２の外観形状を表す３次元モデルデータからなる。

記憶部３２に記憶された内輪２の形状データは、制御部３１によって移動部２３を制御するために用いられる。具体的に、制御部３１は、内輪２の形状データに基づいて内輪２を移動させ、測定部２２による測定点Ｐを内輪軌道面２ａ上で移動させるように移動部２３を制御する。これにより、内輪軌道面２ａ上における軸方向及び周方向の複数箇所で、Ｘ線パラメータの測定を可能にする。

また、記憶部３２に記憶されたデータベースＤＢは、回折Ｘ線により取得されるＸ線パラメータと、内輪２の疲労度とを対応付けたものである。
図４は、疲労度と半価幅減少度との関係を示すグラフである。前述したように、疲労度は、転動疲労によって損傷に到るまでの時間を１００％として、どの程度まで疲労が進行しているかを表す指標である。半価幅は、回折Ｘ線によって取得されるＸ線パラメータの一つであり、回折Ｘ線の回折パターンの幅のうち、ピーク強度の半分の強度値における幅である。

半価幅減少度は、転がり軸受の使用前後で半価幅がどれだけ減少したかを示す指標である。この減少度は、使用前の半価幅から使用後の半価幅を減算し、それを使用前の半価幅で除算することによって求められる。
図４に示すように、疲労度は、半価幅減少度が大きくなるほど大きくなっている。つまり、半価幅減少度と疲労度との間には相関性がある。疲労度データベースＤＢには、図４に示すような半価幅減少度と疲労度との関係が蓄積されている。

なお、使用前の半価幅は、転がり軸受を使用する前に予め測定される。使用前に内輪軌道面２ａの半価幅が測定されていない場合には、使用後の内輪２のうち転動疲労が生じていない部位、例えば内輪２の軸方向端面における半価幅を、使用前の半価幅に相当するものとして測定してもよい。

処理装置１２の演算部３３は、Ｘ線回折装置１１にて測定された半価幅の情報を用いて半価幅減少度を求め、この半価幅減少度を疲労度データベースＤＢと照合することによって疲労度を取得する（図３のステップＳ２）。

［疲労度のマッピング］
疲労度は、内輪２の軌道面２ａにおける軸方向及び周方向の全体にわたる複数箇所で取得される。内輪軌道面２ａの疲労度は均一ではなく、軸方向及び周方向の位置によって異なる。例えば、内輪軌道面２ａに対する負荷のかかり方によって疲労度が大きく異なることになる。

図５は、転がり軸受１に対する負荷状況を示す説明図である。図５に示す例では、転がり軸受の内輪２は、軸９に嵌合された固定輪とされ、外輪３は回転輪とされている。そして、外輪３の外周面における上端部にはラジアル荷重が付与されている。そのため、転がり軸受の軸心Ｏよりも上側の領域が、負荷を大きく受ける負荷圏となり、下側の領域が負荷圏以外（非負荷圏）となっている。内輪２は固定輪とされているので、専ら軸心Ｏよりも上側に大きな負荷が付与される。

図６は、内輪軌道面２ａの軸方向位置及び周方向位置と半価幅との関係を示すグラフである。図６の横軸は、大鍔部６側と小鍔部５側との間の軸方向の位置を示す。縦軸は、半価幅の大きさを示す。内輪２の周方向の位置は負荷圏と負荷圏以外との２つの領域で示されている。
図６に示すように、半価幅は、軸方向の位置によって差がある。また、半価幅は、軸方向のどの位置においても、負荷圏の半価幅が負荷圏以外の半価幅よりも小さい値となっている。つまり、内輪軌道面２ａの半価幅は、軸方向の位置だけでなく周方向の位置によっても異なることが判る。したがって、内輪軌道面２ａの疲労度を正確に把握するためには、軸方向全体及び周方向全体にわたって疲労度を取得し、最も疲労度の大きい箇所を特定する必要がある。

処理装置１２の演算部３３は、疲労度データベースＤＢを用いて疲労度を求めた後、内輪軌道面２ａ上におけるＸ線パラメータの測定点の位置に対応付けて疲労度をマッピングする（図３のステップＳ３）。図７は、マッピングの一例を示すイメージ図である。図７に示すマップは、内輪軌道面２ａにおける軸方向の範囲（大鍔部側〜小鍔部側）と、周方向の範囲（位相０度〜３６０度）内で、疲労度の大きさに応じて色の明度を異ならせたものである。例えば、本実施形態では、疲労度が大きくなるほど、明度を低くして表している。

このようなマップを作成することによって、内輪軌道面２ａのどの位置で疲労度が大きいか（どの程度の疲労度か）を正確かつ容易に把握することができる。そのため、疲労度から内輪２の残存寿命を正確に予測することができ、より適格に内輪２の交換時期を特定することができる。

本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された発明の範囲内において適宜変更することができる。
例えば、上記実施形態では、内輪２が固定輪である場合について説明したが、内輪２が回転輪である場合にも本発明を適用することができる。この場合、内輪軌道面２ａは、周方向に関して略均一な負荷を受けると考えられるため、Ｘ線パラメータの測定点を周方向の一位相における軸方向全体にわたる範囲で移動させてもよい。また、本発明は、外輪３の軌道面３ａの疲労度を取得する場合にも適用することができ、内輪２又は外輪３のその他の面（内周面、外周面、軸方向端面等）における疲労度を取得する場合にも適用することができる。

図７に示したマップは、色の明度によって疲労度の大きさを表しているが、色相や彩度によって疲労度の大きさを表してもよい。また、マップは、図７に示すようなイメージではなく、内輪軌道面２ａの軸方向及び周方向の位置と疲労度とをそれぞれ数値によって対応付けたものや、それを表やグラフで表したもの等であってもよく、特に形式が限定されるものではない。

上記実施形態においては、Ｘ線パラメータとして、回折Ｘ線の半価幅を用いていたが、疲労度と相関のあるその他のパラメータ、例えば残留応力や残留オーステナイト量を用いてもよい。
上記実施形態において、Ｘ線回折装置１１の移動部２３は、保持部２１を移動させるものとなっていたが、測定部２２を移動させるものであってもよい。また、一部の移動を保持部２１に行わせ、他の移動を測定部２２に行わせるものであってもよい。
前記のモデルデータは３次元だけでなく２次元であってもよい。

上記実施形態においては円すいころ軸受の疲労度を取得することについて説明したが、円筒ころ軸受や玉軸受等の他の形式の転がり軸受の疲労度を取得するためにも本発明を適用することができる。

１：円すいころ軸受（転がり軸受）、２：内輪（軌道輪）、２ａ：軌道面（被測定面）、３：外輪（軌道輪）、３ａ：軌道面、１０：疲労度取得装置、１１：Ｘ線回折装置、１２：処理装置（処理部）、２１：保持部、２２：測定部、２３：移動部、３１：制御部、３２：記憶部、３３：演算部

Claims (4)

1. 転がり軸受の軌道輪の形状データに基づいて当該軌道輪における被測定面上で測定点を移動させて複数箇所にＸ線を照射し、所定のＸ線パラメータを測定する第１工程、
   各Ｘ線パラメータから疲労度を取得する第２工程、及び
   各疲労度を、前記被測定面上における前記Ｘ線パラメータの測定点の位置に対応付けてマッピングする第３工程、を含み、
   前記軌道輪は固定輪であり、
   前記第１工程では、前記被測定面としての軌道面の周方向全体にわたる範囲で前記測定点を移動させ、
   前記第３工程で行われるマッピングは、前記各疲労度を、前記軌道面の周方向にわたる範囲における前記Ｘ線パラメータの測定点の位置に対応付ける処理である
   疲労度取得方法。
2. 前記第１工程は、前記軌道面の軸方向全体にわたる範囲にも前記測定点を移動させる、請求項１に記載の疲労度取得方法。
3. 前記Ｘ線パラメータは、回折Ｘ線の半価幅である、請求項１又は請求項２に記載の疲労度取得方法。
4. 転がり軸受の軌道輪を保持する保持部と、
   前記軌道輪における被測定面上の測定点にＸ線を照射し、所定のＸ線パラメータを測定する測定部と、
   前記軌道輪の形状データに基づいて当該軌道輪を保持している前記保持部と前記測定部とを相対的に移動させ、前記被測定面上で前記測定点を移動させる移動部と、
   前記被測定面上の複数箇所で測定された各Ｘ線パラメータから疲労度を取得し、各疲労度を、前記被測定面上における前記Ｘ線パラメータの測定点の位置に対応付けてマッピングする処理部と、を備え、
   前記軌道輪は固定輪であり、
   前記移動部は、前記軌道輪を軸心回りに回転させることで、前記被測定面としての軌道面の周方向全体にわたる範囲で前記測定点を移動させるように構成され、
   前記処理部が行うマッピングは、前記各疲労度を、前記軌道面の周方向にわたる範囲における前記Ｘ線パラメータの測定点の位置に対応付ける処理である
   疲労度取得装置。

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