JPH01291135A - ころがり軸受の転動体と軌道間の接触応力測定方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

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１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、基本負荷容量と等偏荷重との比を基
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／Ｊ　Ｐ８２１０００
８７参照） 〔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１０００ｍ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２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、シへ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Ｐ　ＣＴ　／　Ｊ　Ｐ　８２１０００８７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
用して容易がつり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１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応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１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ｓ３ａ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と外軸７ｂ間に介装されている
複数のこる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１４７１で、直径１６１×長さ１８閣の寸法のこる７
Ｃを６個有し、静負荷容量Ｃｏａ　＝　１９０７０ｋｇ
ｆである。

これは回転中のこる７ｃの挙動を前部のこる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Ｃｏ
ａ＝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ＳＵＪ　２
を使用し、ころ７ｃの転動面および内輪７ａ、外輸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ツト１１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
。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８ｃ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、外軸８ｂがカバ
ー１０により押圧され、また内輪８ａがナツト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の前面を外軸７ｂの端面に
一定の力（この場合２゜２ｋｇｆ）で押圧するばね１５
が内股されている。使用した探触子１４は振動子径Ｌｏ
ｗ、周波数５ＭＨｚの垂直探触子である。ここで探触子
１４は、外軸７ｂに対する当接面がこる７ｃのＰＣＤ上
の任意の１点を重直に押圧するように配置されている。

いま、ハウジング２の圧油供給用のボート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の転勤面と内輪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０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袋！！！（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０図の
横軸は時間（単位：　５ｅｃ）およびころ７ｃ１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（単位ニーｄＢ）で、こる荷
重Ｏｋｇｆの無負荷時の出力Ｖｏ（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２０ＱｏｇＶ
／Ｖｏの値である０図はこる荷重０．２００，４００ｋ
ｇｆ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個のこる７
０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。測定は転勤面と軌道との接触面にアルバニアグ
リス＆２を塗布し、ころ荷重を２００ｋｇｆ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４４
ｄ　Ｂ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＃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０図
の横軸はこる荷重（単位；×１０”ｋｇｆ）および接触
応力σＣ（単位：　）ｃｇｆ／−ジ、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。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　　２１２００　）ｃｇｆ／　ｍｓ”Ｑ：
ころの有効接触長さ１５．９４ｍ ｒ：ころの半径　　　　８．０■ である１図から分かるように接触応力σ。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１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う荷
重約５２０ｋｇｆに相当し、両者を比較することにより
接触応力σＣが平均で約１２３ｋｇｆ／ｍ″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。

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１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。

探触子の軌道輪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。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 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。 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。