JPWO2017082421A1 - 多列玉軸受 - Google Patents
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Abstract
多列玉軸受は、外輪と、内輪と、前記外輪及び前記内輪のそれぞれの軌道面により保持される２列以上の玉と、を有する。各軌道面がゴシックアーチ溝となっており、外輪及び内輪は、少なくとも一つの軌道面において、軌道面の中央位置でそれぞれ分割される分割軌道輪である。
Description
本発明は、単位玉軸受を複数連設して構成される多列玉軸受に関する。
近年、新エネルギーとして注目を浴びているシェールガス及びシェールオイルは、地下数千メートルの地中深くにあるシェール層に存在しており、それを取り出すために、掘削作業に、図１０に示すようなドリル部１００を備える掘削装置が使用されている。このドリル部１００は、先端（シェール層側）にドリルビット１１０を備えており、ドリルビット１１０の上端に連結された中空のドリルストリング（図示せず）を介して、地上のモータ（図示せず）を用いてドリルビット１１０を回転させる構成になっている。
ドリルビット１１０には、地中の硬い岩盤を掘削するときに、ドリルの軸方向への高アキシアル荷重が発生し、更にはドリルストリングの自重による高アキシアル荷重が加わる。そのため、ドリルビット１１０を支持する軸受１２０には高い負荷容量が要求されるだけでなく、上下方向に加わるアキシアル荷重を受ける役割も果たさなければならない。また、軸受１２０の周辺は構造的に潤滑剤を軸受内に保持するスペースが無いこと、掘削途中で給油や給脂をする機構も無いこと、周囲環境が地下数千メートルでの使用になるため非常に高温になること等から、常に潤滑不良になることが懸念されている。また、泥水が容易に軸受内部に侵入しやすいため、水や異物によって早期に破損する可能性もあり、軸受１２０にとっては非常に過酷な使用環境になっている。
このようなドリルビット１１０を支持するための軸受１２０として、例えば特許文献１に示されている多列の玉軸受が使用されている。この多列玉軸受では、内輪を幅広にして多数の内輪軌道面を形成し、多数の外輪を、その外輪軌道面を内輪に設けた個々の内輪軌道面に対向させて配置している。また、この多列玉軸受は、２セット用いられ、一方の軸受は、ドリルビット１１０の先端から受けるアキシアル荷重を受け、他方の軸受は、ドリルストリングの自重を支えるために、それぞれ接触角の方向を対向させて配置している。
しかしながら、内輪を多列の内輪軌道面が形成された一体型にしているため、アキシアル荷重を各列で均等に受けるためには、部品精度をある程度確保しなければならず、精度よく溝加工しなければならない。また、ドリル部１００は、メンテナンスのために頻繁に軸受１２０を分解して点検及び交換するため、一体型の内輪だと点検し辛く、仮に軸受１２０が損傷して交換する場合には軸受１２０を全て交換しなくてはならず、メンテナンスコストも増大する。更に、高アキシアル荷重、高温環境、劣悪潤滑を考慮した仕様についても言及されていない。
本発明は上記の問題を解決するためになされたものであり、軸に沿って上下２方向から加わる高荷重に対して十分に耐え得る耐荷重性能を有し、更には高温や泥水に曝され、常に潤滑不良になるような過酷な環境においても十分な耐久性を有し、メンテナンスのし易い多列玉軸受を提供することを目的とする。
上記課題を解決するために本発明は、下記の多列玉軸受を提供する。
（１）外輪と、内輪と、前記外輪及び前記内輪のそれぞれの軌道面により保持される２列以上の玉と、を有する多列玉軸受であって、
前記軌道面がゴシックアーチ溝となっており、
前記外輪及び前記内輪は、少なくとも一つの軌道面において、前記軌道面の中央位置でそれぞれ分割される分割軌道輪であることを特徴とする多列玉軸受。
（２） 前記玉と前記軌道面とが、４点接触であることを特徴とする上記（１）に記載の多列玉軸受。
（３） ２列以上の軌道面を有する外輪と、２列以上の軌道面を有する内輪と、前記外輪及び前記内輪のそれぞれの軌道面により保持される２列以上の玉と、を有する多列玉軸受であって、
前記軌道面がゴシックアーチ溝となっており、前記玉と、前記軌道面とが４点で接触し、
前記外輪及び前記内輪は、少なくとも一つの軌道面において、前記軌道面の中央位置でそれぞれ分割される分割軌道輪であることを特徴とする多列玉軸受。
（４）保持器を持たない総玉軸受であることを特徴とする上記（１）〜（３）のいずれかに記載の多列玉軸受。
（５）外輪及び内輪は、Ｆｅを母材とし、Ｃ：０．３〜０．７質量％、Ｓｉ：０．２〜１．２質量％、Ｍｎ：０．２〜１．７質量％、Ｃｒ：０．２〜１．３質量％、Ｍｏ：０．１〜０．３質量％、Ｎｉ：０．１〜１．０質量％を含む合金鋼製であり、かつ、軌道面表面の残留オーステナイト量が２５〜４５体積％で、（Ｃ＋Ｎ）濃度が０．７５〜１．１質量％であることを特徴とする上記（１）〜（４）の何れかに記載の多列玉軸受。
（６）外輪及び内輪の軌道面表面の硬さがＨＲＣ６０〜ＨＲＣ６５であり、軌道面表面と芯部との硬さの差が±ＨＲＣ５以内であることを特徴とする上記（１）〜（５）の何れかに記載の多列玉軸受。
（７）玉は、Ｆｅを母材とし、Ｃ：０．３〜０．７質量％、Ｍｎ：０．２〜１．０質量％、Ｓｉ：０．２〜１．２質量％、Ｍｏ：０．１〜０．３質量％、Ｖ：０．１〜１．０質量％を含む合金鋼製であることを特徴とする上記（１）〜（６）の何れかに記載の多列玉軸受。
（８）玉の表面硬さがＨＲＣ５５〜６０であることを特徴とする上記（１）〜（７）の何れかに記載の多列玉軸受。
（９） 玉径をＤｗ、前記外輪及び前記内輪の軌道輪溝半径をそれぞれＲｅ、Ｒｉとしたとき，０．５４≦Ｒｅ／Ｄｗ、Ｒｉ／Ｄｗ≦０．７５の関係にあることを特徴とする上記（１）〜（８）の何れかに記載の多列玉軸受。
（１０） 玉径をＤｗ、軸受断面高さをＨとしたとき、０．５５≦Ｄｗ／Ｈ≦０．７５の関係であることを特徴とする上記（１）〜（９）の何れかに記載の多列玉軸受。
（１１） 前記外輪及び前記内輪の軌道面の粗さをＳｅ、Ｓｉ、前記玉の表面粗さをＳｂとしたとき、０．０５μｍＲａ≦Ｓｅ、Ｓｉ≦０．６０μｍＲａ、かつ０．００５μｍＲａ≦Ｓｂ≦０．１００μｍＲａ、かつＳｅ、Ｓｉ≧Ｓｂの関係であることを特徴とする上記（１）〜（１０）の何れかに記載の多列玉軸受。
（１２） 軸受断面高さをＨ、外輪断面高さをＡ、内輪断面高さをＢとしたとき、０．２０≦Ａ／Ｈ＜０．５０、且つ０．２０≦Ｂ／Ｈ＜０．５０の関係を満たすことを特徴とする（１）〜（１１）の何れかに記載の多列玉軸受。
（１３） 前記外輪断面高さＡと、前記内輪断面高さＢは、Ａ＜ＢまたはＡ＞Ｂの関係を満たすことを特徴とする（１２）に記載の多列玉軸受。
（１４） 前記多列玉軸受は、泥水が軸受内部を通過するオープンタイプの軸受であることを特徴とする（１）〜（１３）の何れかに記載の多列玉軸受。
（１５） 前記多列玉軸受は、掘削機械ドリル、マッドモータ、若しくはダウンホールモータに使用されることを特徴とする（１）〜（１４）の何れかに記載の多列玉軸受。
（１）外輪と、内輪と、前記外輪及び前記内輪のそれぞれの軌道面により保持される２列以上の玉と、を有する多列玉軸受であって、
前記軌道面がゴシックアーチ溝となっており、
前記外輪及び前記内輪は、少なくとも一つの軌道面において、前記軌道面の中央位置でそれぞれ分割される分割軌道輪であることを特徴とする多列玉軸受。
（２） 前記玉と前記軌道面とが、４点接触であることを特徴とする上記（１）に記載の多列玉軸受。
（３） ２列以上の軌道面を有する外輪と、２列以上の軌道面を有する内輪と、前記外輪及び前記内輪のそれぞれの軌道面により保持される２列以上の玉と、を有する多列玉軸受であって、
前記軌道面がゴシックアーチ溝となっており、前記玉と、前記軌道面とが４点で接触し、
前記外輪及び前記内輪は、少なくとも一つの軌道面において、前記軌道面の中央位置でそれぞれ分割される分割軌道輪であることを特徴とする多列玉軸受。
（４）保持器を持たない総玉軸受であることを特徴とする上記（１）〜（３）のいずれかに記載の多列玉軸受。
（５）外輪及び内輪は、Ｆｅを母材とし、Ｃ：０．３〜０．７質量％、Ｓｉ：０．２〜１．２質量％、Ｍｎ：０．２〜１．７質量％、Ｃｒ：０．２〜１．３質量％、Ｍｏ：０．１〜０．３質量％、Ｎｉ：０．１〜１．０質量％を含む合金鋼製であり、かつ、軌道面表面の残留オーステナイト量が２５〜４５体積％で、（Ｃ＋Ｎ）濃度が０．７５〜１．１質量％であることを特徴とする上記（１）〜（４）の何れかに記載の多列玉軸受。
（６）外輪及び内輪の軌道面表面の硬さがＨＲＣ６０〜ＨＲＣ６５であり、軌道面表面と芯部との硬さの差が±ＨＲＣ５以内であることを特徴とする上記（１）〜（５）の何れかに記載の多列玉軸受。
（７）玉は、Ｆｅを母材とし、Ｃ：０．３〜０．７質量％、Ｍｎ：０．２〜１．０質量％、Ｓｉ：０．２〜１．２質量％、Ｍｏ：０．１〜０．３質量％、Ｖ：０．１〜１．０質量％を含む合金鋼製であることを特徴とする上記（１）〜（６）の何れかに記載の多列玉軸受。
（８）玉の表面硬さがＨＲＣ５５〜６０であることを特徴とする上記（１）〜（７）の何れかに記載の多列玉軸受。
（９） 玉径をＤｗ、前記外輪及び前記内輪の軌道輪溝半径をそれぞれＲｅ、Ｒｉとしたとき，０．５４≦Ｒｅ／Ｄｗ、Ｒｉ／Ｄｗ≦０．７５の関係にあることを特徴とする上記（１）〜（８）の何れかに記載の多列玉軸受。
（１０） 玉径をＤｗ、軸受断面高さをＨとしたとき、０．５５≦Ｄｗ／Ｈ≦０．７５の関係であることを特徴とする上記（１）〜（９）の何れかに記載の多列玉軸受。
（１１） 前記外輪及び前記内輪の軌道面の粗さをＳｅ、Ｓｉ、前記玉の表面粗さをＳｂとしたとき、０．０５μｍＲａ≦Ｓｅ、Ｓｉ≦０．６０μｍＲａ、かつ０．００５μｍＲａ≦Ｓｂ≦０．１００μｍＲａ、かつＳｅ、Ｓｉ≧Ｓｂの関係であることを特徴とする上記（１）〜（１０）の何れかに記載の多列玉軸受。
（１２） 軸受断面高さをＨ、外輪断面高さをＡ、内輪断面高さをＢとしたとき、０．２０≦Ａ／Ｈ＜０．５０、且つ０．２０≦Ｂ／Ｈ＜０．５０の関係を満たすことを特徴とする（１）〜（１１）の何れかに記載の多列玉軸受。
（１３） 前記外輪断面高さＡと、前記内輪断面高さＢは、Ａ＜ＢまたはＡ＞Ｂの関係を満たすことを特徴とする（１２）に記載の多列玉軸受。
（１４） 前記多列玉軸受は、泥水が軸受内部を通過するオープンタイプの軸受であることを特徴とする（１）〜（１３）の何れかに記載の多列玉軸受。
（１５） 前記多列玉軸受は、掘削機械ドリル、マッドモータ、若しくはダウンホールモータに使用されることを特徴とする（１）〜（１４）の何れかに記載の多列玉軸受。
本発明の多列玉軸受は、外輪及び内輪のそれぞれの軌道面がゴシックアーチ溝となっており、軸に沿って２方向から高荷重が加えられた場合でも、十分に耐え得る高い耐荷重性能を有する。また、軸受単位を連設した多列構造で、外輪及び内輪は、分割軌道輪であるので、個々の軸受単位の加工精度を高くすることができるとともに、損傷や破損した軸受単位のみを交換、又は又は損傷や破損した内外輪や玉を個別に交換すればよいためメンテナンス性にも優れる。
以下、本発明に関して図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明の多列玉軸受（以下、「本軸受」という）の一実施形態を示す断面図である。本軸受１は、スラスト玉軸受であり、複数（図の例では１０個）の内輪２ａ〜２ｊと、外輪３ａ〜３ｊとを、それぞれの端面同士を当接させて連設したものである。そして、隣接する内輪同士（例えば２ｂ、２ｃ）で、両内輪の当接面を中心とする一つの内輪軌道面１０を形成し、隣接する外輪同士（例えば３ｂ、３ｃ）で、両外輪の当接面を中心とする一つの外輪軌道面１１を形成し、両軌道面１０，１１により玉４を保持している。即ち、隣接する一対の内輪と一対の外輪とは、それぞれ一つの軌道面を形成しており、玉４を保持した軸受単位Ａ１，Ａ２・・・を、複数連設することで多列玉軸受が構成されている。また、本軸受１は、シール部材を有さないオープンタイプの軸受であり、ドリルビッドを支持する軸受として適用される場合には、泥水が軸受内部を通過する。
なお、以下の説明では、内輪２ａ〜２ｊ及び外輪３ａ〜３ｊを軌道輪２、３としても表す。
なお、以下の説明では、内輪２ａ〜２ｊ及び外輪３ａ〜３ｊを軌道輪２、３としても表す。
尚、両端に位置する内輪２ａ（２ｊ）は、その内側に位置する内輪２ｂ（２ｉ）の側にのみ、内輪軌道面１０の半分１０ａが形成されており、両端に位置する外輪３ａ（３ｊ）は、その内側に位置する外輪３ｂ（３ｉ）の側にのみ、外輪軌道面１１の半分１１ａが形成されている。尚、軌道面の半分とは、軌道面の断面形状の半分という意味である。
その他の内輪２ｂ〜２ｉ及び外輪３ｂ〜３ｉは、何れも同じ形状であり、両肩部それぞれに内輪軌道面１０の半分１０ａまたは外輪軌道面１１の半分１１ａが形成されており、所謂「複列軌道輪」を備えている。即ち、内輪２ｂ〜２ｉ及び外輪３ｂ〜３ｉは、中央位置に対して軸方向一方側（ドリルビット側）に第１軌道面１０ａ１、１１ａ１及び中央位置に対して軸方向他方側（ドリルストリング側）に第２軌道面１０ａ２、１１ａ２を有する。
玉４は、玉数を可能な限り多くして軸受の負荷容量を大きくするために、保持器を使用せずに総玉軸受としてもよい。また、使用条件や潤滑条件によっては、保持器を使用しても良い。尚、保持器は鉄系、黄銅系、プラスチック等があるが、材料の種類は問わない。
また、本軸受１では、内輪軌道面１０及び外輪軌道面１１は、玉４との接触を４点で行うように、図２に示す断面形状を有する。尚、図２は、図１の軸受単位Ａ２を抜粋したものであり、一対の内輪２ｂ、２ｃと外輪３ｂ、３ｃとを、その幅方向にて２分割して示している。また、図３は、一対の内輪２ｂ、２ｃと外輪３ｂ、３ｃの幅方向全体を示している。
内輪軌道面１０の半分１０ａ及び外輪軌道面１１の半分１１ａは共に、玉４の曲率半径よりも大きい曲率半径で形成されており、両内輪２ｂ、２ｃ及び両外輪３ｂ、３ｃを連設して形成される内輪軌道面１０及び外輪軌道面１１の断面形状が、所謂「ゴシックアーチ形状」を呈している。そして、玉４と、内輪軌道面１０とは２つの点Ｐ１、外輪軌道面１１とは２つの点Ｐ２で接触し、４点接触となる。内輪軌道面１０及び外輪軌道面１１の断面形状がゴシックアーチ形状なので、軸方向の両方向からアキシアル荷重を受けることが出来る。更に、本軸受１は、内輪軌道面の半分同士１０ａ、１０ａは、曲率半径が等しく設定されている。また、内輪２ｂ、２ｃ及び外輪３ｂ、３ｃと、玉４とは、それぞれ接触角αを持つ。
玉４はある程度のすきまを有しているため、例えば図１の下から２番目と３番目の内輪２ｉ，２ｈと外輪３ｉ，３ｈとで構成される軸受単位Ａ８を例にすると、この軸受単位において、内輪にアキシアル荷重が上から下に向かって加わった時に、玉４は外輪３ｉと、内輪２ｈとで接触角αを持って荷重を受けることができる。逆に、アキシアル荷重が下から上に向かって加わった時は、玉４は外輪３ｈと、内輪２ｉとで接触角αを持って荷重を受けることができる。このように、上下方向のアキシアル荷重を軸受単位の一対の内輪及び外輪で受けることが出来る。
尚、初期接触角、即ち荷重が加わっていない状態での接触角αは、許容アキシアル荷重を大きくするために４０°以上が好ましく、４５°以上がより好ましい。また、接触角αは際限なく大きくすれば良いわけでは無く、接触角αの上限は．加工が難しくなることから７５°以下とすることが好ましい。
また、図１では単位玉軸受の数を１０個としたが、アキシアル荷重が大きい場合にはその数を増やしても良く、スペースの問題やアキシアル荷重がそれほど大きくない場合には、逆に数を減らしても良い。
つまり、単位玉軸受の数を適宜に増減すことができる。例えば、本発明の多列玉軸受の構成において、所定のアキシアル荷重を負荷するには、単位玉軸受は、掘削機械ドリル、マッドモータ、若しくはダウンホールモータに使用する場合、５列若しくは５個以上、即ち、外輪軌道面、内輪軌道面、及び玉は、５列若しくは５列以上を採用することができる。
つまり、単位玉軸受の数を適宜に増減すことができる。例えば、本発明の多列玉軸受の構成において、所定のアキシアル荷重を負荷するには、単位玉軸受は、掘削機械ドリル、マッドモータ、若しくはダウンホールモータに使用する場合、５列若しくは５個以上、即ち、外輪軌道面、内輪軌道面、及び玉は、５列若しくは５列以上を採用することができる。
また、本軸受１では、図２に示すように玉径をＤｗ、内輪２ａ〜２ｊの内輪軌道面（内輪軌道溝）１０の半径をＲｅ、外輪３ａ〜３ｊの外輪軌道面（外輪軌道溝）１１の半径をＲｉとしたとき、０．５４≦Ｒｅ／Ｄｗ、Ｒｉ／Ｄｗ≦０．７５の関係にあることが好ましい。本軸受１は周囲環境から泥水が容易に浸入しやすい構造となっているため、軌道輪２、３の軌道面１０、１１と玉４の転動面との間には多量の異物が進入しやすく、異物による摩耗が進行しやすい状況となっている。本実施形態では、０．５４≦Ｒｅ／Ｄｗ、Ｒｉ／Ｄｗとすることで、玉４に対する軌道輪２、３の抱き率（玉の転動面の曲率半径／軌道輪の軌道面の曲率半径）が小さくなるため、異物が進入してきても容易に外部に排出することが出来る。この結果、軌道輪２、３の軌道面１０、１１あるいは玉４の転動面の摩耗を抑制することが出来る。一方、軌道輪２、３の抱き率を大きくしすぎると、玉４の接触面圧が大きくなりすぎて逆に寿命低下を招くことから、Ｒｅ／Ｄｗ、Ｒｉ／Ｄｗの上限値は０．７５とした。本実施形態では、摩耗低減効果を損なうことなく、かつ接触面圧過大を抑制するため、軌道面１０、１１の半径Ｒｅ、Ｒｉは０．６０≦Ｒｅ／Ｄｗ、Ｒｉ／Ｄｗ≦０．７０とするのが好ましい。
また、本実施形態では、玉径をＤｗ、軸受断面高さをＨとしたとき、０．５５≦Ｄｗ／Ｈ≦０．７５の関係であるとしている。ドリルビットは地中の硬い岩盤を掘削する時に、ドリルの軸方向へ高アキシアル荷重が発生する。また、ドリルビットと地上のモータとを繋ぐ、ドリルストリングの自重による高アキシアル荷重も発生するため、ドリルビットを支持する本軸受１は出来るだけ高い負荷容量を要求される。Ｄｗ／Ｈを上記範囲とすれば、玉径Ｄｗを大きくして負荷容量を大きくすることが出来る。一方、玉径Ｄｗを大きくしすぎると、内輪２ａ〜２ｊ及び外輪３ａ〜３ｊの肉厚が薄くなりすぎて、必要な剛性を確保できなくなると共に、内輪２ａ〜２ｊ及び外輪３ａ〜３ｊの加工が難しくなる。このため、Ｄｗ／Ｈの上限値は０．７５とした。また、必要な負荷容量を損なうことなく、かつ内輪２ａ〜２ｊ及び外輪３ａ〜３ｊの剛性を確保するために、玉径Ｄｗは、０．５７≦Ｄｗ/Ｈ≦０．７２であることが好ましい。
上記した実施形態では、何れの軌道面中央位置で分割された複数の分割軌道輪により玉を保持する形状になっており、個々の玉を交換しやすい構造になっている。但し、本発明の多列玉軸受は上述の構造に限定されず、例えば、内輪及び外輪が、少なくとも一つの軌道面において軌道面の中央位置で分割される分割軌道輪を組み合わせたものを採用してもよい。この場合、分割軌道輪ごと玉の交換が可能である。更に、本実施形態では、外輪及び内輪は、少なくとも一つの軌道面において、軌道面の中央位置でそれぞれ分割されるが、軌道面以外の部分では分割しないことが好ましい。このような構造は、単に単列のスラスト玉軸受を多列に並べて使用する訳ではなく、その軌道輪分割位置に各列の玉を配置しているので、軌道輪の芯ずれを起こしにくい。このため、ドリルへ軸受を組立てる際に、軌道輪や玉が芯ずれを起こし、分解して組み立てられないトラブルを防止することが出来る。従って、本発明の多列玉軸受は、油潤滑がされず、常に泥水や異物が軸受内部を通過するような過酷な使用環境下でも適している。
更に、両端の内輪２ａ，２ｊ及び外輪３ａ，３ｊを、他の内輪２ｂ〜２ｉ及び外輪３ｂ〜３ｉと同一とし、最外側となる内輪軌道面１０の半分１０ａ及び外輪軌道面１１の半分１１ａには玉４を配設しないこともできる。この場合、内輪及び外輪が１種類ですみ、部品点数の削減によるコスト減を図ることができる。
＜実施例１＞
また、本実施形態では、図４に示すように、軸受断面高さをＨ、外輪断面高さをＡ、内輪断面高さをＢとしたとき、０．２０≦Ａ／Ｈ＜０．５０、且つ０．２０≦Ｂ／Ｈ＜０．５０の関係を満たすように設計されている。ドリルビットは、地中の硬い岩盤を掘削する時に、ドリルの軸方向へ高アキシアル荷重が発生する。また、ドリルビットと地上のモータとを繋ぐ、ドリルストリングの自重による高アキシアル荷重も発生するため、ドリルビットを支持する本軸受１はできるだけ高い負荷容量を要求される。
また、本実施形態では、図４に示すように、軸受断面高さをＨ、外輪断面高さをＡ、内輪断面高さをＢとしたとき、０．２０≦Ａ／Ｈ＜０．５０、且つ０．２０≦Ｂ／Ｈ＜０．５０の関係を満たすように設計されている。ドリルビットは、地中の硬い岩盤を掘削する時に、ドリルの軸方向へ高アキシアル荷重が発生する。また、ドリルビットと地上のモータとを繋ぐ、ドリルストリングの自重による高アキシアル荷重も発生するため、ドリルビットを支持する本軸受１はできるだけ高い負荷容量を要求される。
その際、内外輪軌道面１０、１１および玉表面は、本使用条件特有の水や泥等が多量に浸入する劣悪な潤滑環境にさらされるため、玉４および内外輪軌道面１０、１１は殆ど潤滑のない状態で回転をすることになる。そのため、軌道面１０、１１および玉表面では容易に摩耗が進行する。
このとき、玉４と軌道面１０、１１の接触位置は溝肩の方向に近づく（内輪１０の場合は、内輪外径方向、外輪１１の場合は外輪内径方向）ため、溝肩の高さが十分でないと、玉４の溝肩への乗り上げが発生する。玉４の乗り上げが発生すると、玉表面に乗り上げきずが生じ、これを起点に、はく離や割損等の損傷が発生しやすくなる。
このとき、玉４と軌道面１０、１１の接触位置は溝肩の方向に近づく（内輪１０の場合は、内輪外径方向、外輪１１の場合は外輪内径方向）ため、溝肩の高さが十分でないと、玉４の溝肩への乗り上げが発生する。玉４の乗り上げが発生すると、玉表面に乗り上げきずが生じ、これを起点に、はく離や割損等の損傷が発生しやすくなる。
このため、溝肩高さと対応する外輪断面高さＡ、内輪断面高さＢを上記範囲に規定することで、本アプリケーション特有の劣悪な潤滑下において、玉４や軌道面１０、１１が大きく摩耗しても玉４の乗り上げの発生を低減することができる。本軸受１に負荷されるアキシアル荷重と、接触角および、荷重負荷によって玉４と軌道面１０，１１との間に生じる接触楕円の関係から、必要な溝肩高さの下限値を推定し、Ａ／Ｈ及びＢ／Ｈの下限値は０．２０とした。一方、溝肩は際限なく大きくすればよい訳ではなく、大きくしすぎると、相手側の軌道輪との接触の虞があると共に、内輪２および外輪３の加工が難しくなるため、上限値は０．５０とした。即ち、内外輪２，３の間には必ず一定なすきまが形成される。
＜実施例２＞
また、外輪断面高さＡと内輪断面高さＢの関係は、図５（ａ）に示すように、Ａ＜Ｂとしてもよく、或いは、図５（ｂ）に示すように、Ａ＞Ｂとしてもよい。
使用条件によっては、内輪軌道面１０のほうの摩耗が進行され、外輪３に比べて内輪２の溝肩への乗り上げ発生頻度が高くなることが想定される場合には、Ａ＜Ｂの関係とすることで、内輪溝肩への玉４の乗り上げ発生を抑制することができる。
同様に、外輪軌道面１１のほうの摩耗が進行され、外輪３の溝肩への乗り上げ発生頻度が高くなることが想定される場合には、Ａ＞Ｂの関係とすることで、外輪溝肩への玉４の乗り上げ発生を抑制することができる。
このように、溝肩高さと対応する外輪断面高さＡ、内輪断面高さＢを上記関係に規定すれば、玉４の乗り上げ発生頻度を低減することができるため、本軸受１を長寿命とすることが出来、軸受コストを低減することができる。
また、外輪断面高さＡと内輪断面高さＢの関係は、図５（ａ）に示すように、Ａ＜Ｂとしてもよく、或いは、図５（ｂ）に示すように、Ａ＞Ｂとしてもよい。
使用条件によっては、内輪軌道面１０のほうの摩耗が進行され、外輪３に比べて内輪２の溝肩への乗り上げ発生頻度が高くなることが想定される場合には、Ａ＜Ｂの関係とすることで、内輪溝肩への玉４の乗り上げ発生を抑制することができる。
同様に、外輪軌道面１１のほうの摩耗が進行され、外輪３の溝肩への乗り上げ発生頻度が高くなることが想定される場合には、Ａ＞Ｂの関係とすることで、外輪溝肩への玉４の乗り上げ発生を抑制することができる。
このように、溝肩高さと対応する外輪断面高さＡ、内輪断面高さＢを上記関係に規定すれば、玉４の乗り上げ発生頻度を低減することができるため、本軸受１を長寿命とすることが出来、軸受コストを低減することができる。
また、本軸受１において、内輪や外輪、玉の材料には制限はないが、それぞれ下記の材料とすることが好ましい。
内輪及び外輪の材料は、Ｆｅを母材とし、更に、Ｃを０．３〜０．７質量％、Ｓｉを０．２〜１．２質量％、Ｍｎを０．２〜１．７質量％、Ｃｒを０．２〜１．３質量％、Ｍｏを０．１〜０．３質量％、Ｎｉを０．１〜１．０質量％の割合で含む合金鋼であることが好ましい。前記合金鋼のＳｉ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｍｏ及びＮｉは、何れも焼入性の向上に寄与し、Ｍｎは残留オーステナイトを生成し易く、Ｓｉは基地の組織の強度を高め、Ｃｒにより耐摩耗性、Ｍｏにより靭性、Ｎｉにより耐衝撃性が付与される。また、Ｃは、焼入れによって基地に固溶し、硬さを向上させる元素である。従って、これらの合金成分の含有量が、それぞれの範囲を外れると、各合金成分の効果が得られない。
本発明では、浸炭窒化処理を施して、軌道面表面の残留オーステナイト量や（Ｃ＋Ｎ）濃度、軌道面表面の硬さ及び芯部の硬さとの差を下記のように調整することが好ましいが、Ｃが０．３質量％より少ないと、所望の硬さを得るための浸炭時間が長くなる他、オーステナイト中に固溶する炭素の拡散長が長くなり、その結果オーステナイト中の炭素の固溶状態が不均一となって応力集中源が生成し、転がり疲れ寿命も低下する。しかし、０．７質量％より多くなると、オーステナイト中の固溶炭素量が過多となり、その結果焼入れ後の残留オーステナイトが増して表面硬さが低下する。
Ｓｉは、０．２質量％以上で焼入性の向上及び脱酸に寄与する。しかし、１．２質量％より多くなると、熱処理時に表面が脱炭するとともに、芯部にフェライトが増えてプレス成形性、冷間鍛造性及び機械的性質が低下する。Ｓｉ含有量が０．２〜１．２質量％の範囲にあれば、圧壊値も向上し、転がり疲れ寿命の向上にも寄与する。
Ｍｎは、０．２質量％以上で焼入性向上成分及び溶解精練時の脱酸剤として作用する。しかし、１．７質量％より多くなると、残留オーステナイトが増えて鋼材の被削性及び熱間加工性が低下する。
Ｃｒは、０．２質量％以上で焼入性、浸炭性、耐摩耗性及び機械的性質を向上させる。しかし、１．３質量％より多くなると、過剰浸炭となり、残留オーステナイトが増え、また粒状炭化物が増えて浸炭焼入層が脆くなる。
Ｍｏは、０．１質量％以上で焼入性を増進し、強靭性を付与する。しかし、０．３重量％より多くなると、過剰浸炭となり浸炭層の残留オーステナイトが増える他、それ以上の焼入性向上のためには代わりにＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒを用いた方が経済的となる。
Ｎｉは、０．１重量％以上で焼入性向上作用を呈する他、焼入組織の均質化作用により耐衝撃性を向上させる。しかし、焼入性向上作用からみるとＮｉ含有量を１．０質量％より多くすることは不経済であり、代わりにＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒを用いた方が経済的となる。
これら合金成分の含有量は、Ｃ：０．３５〜０．５５質量％、Ｓｉ：０．３〜１．０質量％、Ｍｎ：０．５〜１．５質量％、Ｃｒ：０．４〜１．１質量％、Ｍｏ：０．１５〜０．２５質量％、Ｎｉ：０．１５〜０．８質量％とすることが好ましい。
また、内輪及び外輪は、浸炭窒化処理が施されて、軌道面表面の残留オーステナイト量を２５〜４５体積％、（Ｃ＋Ｎ）濃度を０．７５〜１．１質量％に調整することが好ましい。異物混入下では、異物による圧痕の縁に生ずる表面クラックが広がって最終的な疲労破損に至ることが多い。残留オーステナイト量が２５体積％以上であれば、圧痕があっても、玉がその上を転がるときに圧痕の縁が丸められ、その結果応力集中が緩和されてエッジロードの発生が抑制される。一方、残留オーステナイト量が４５体積％を越えると、寿命が短くなる。軌道面表面の残留オーステナイト量は３０〜４０体積％がより好ましい。
内輪や外輪に十分な強度を与えるためには、炭化物、炭窒化物及び窒化物を表層部に多量に分散させながら、母材中のＣ、Ｎ量を確保する必要がある。そのため、（Ｃ＋Ｎ）濃度が０．７５質量％未満であると、炭化物、炭窒化物及び窒化物の分散が十分に行われず、母材強度も不十分となる。（Ｃ＋Ｎ）濃度が１．１質量％を超えると、表層部に大きな炭化物が形成して、母材との境界に応力が集中して転がり疲れ寿命を低下させる。（Ｃ＋Ｎ）濃度は、０．８０〜１．０５質量％がより好ましい。
更に、内輪及び外輪の軌道面表面の硬さをＨＲＣ６０〜ＨＲＣ６５とし、軌道面表面と芯部との硬さの差を±ＨＲＣ５以内にすることが好ましい。軌道面表面の硬さがＨＲＣ６０未満では、十分な耐久性が得られない。また、軌道面表面の硬さと芯部の硬さとの差が±ＨＲＣ５以内にすることにより、表面部と芯部との残留応力の差が小さくなる。表面部には引張応力、芯部には圧縮応力が作用するが、両者の残留応力の差を小さくすることにより、割れや転がり疲労破壊を抑制することができる。
尚、上記したＣ含有量は、軌道面表面の硬さと芯部の硬さとの差を±ＨＲＣ５以内にするための適正値でもある。
また、玉の材料は、Ｆｅを母材とし、Ｃを０．３〜０．７質量％、Ｍｎを０．２〜１．０質量％、Ｓｉを０．２〜１．２質量％、Ｍｏを０．１〜０．３質量％、Ｖを０．１〜１．０質量％を含むことが好ましい。Ｃ、Ｍｎ、Ｓｉ、Ｍｏは、上記した内輪及び外輪の材料として好ましい合金成分である。それぞれ同様の効果が得られ、Ｃは炭化物を形成して耐摩耗性を向上させることができ、Ｍｎ及びＳｉにより焼入れ性や硬さが向上し、Ｍｏにより焼入れ性及び靱性が向上する。Ｖは、炭化物を形成して母材を強化し、高温使用環境においても硬さの低下を抑えることができる。
また、玉表面の硬さをＨＲＣ５５〜６０にすることが好ましい。上記で説明した材料組成とともに、表面をこの範囲の硬さにすることにより、軸受としての機能（荷重を支持する）を損なうことなく、外輪及び内輪の早期損傷を防止することができる。
掘削装置のドリル部に組み込まれる軸受の使用環境は潤滑状態が悪く、摩耗により破損しやすい。そのため、定期的に軸受交換をしてドリルビットの早期故障を防止しているが、軸受の交換に伴うメンテナンス費用は膨大である。特に、玉４に比べて軌道輪２、３の交換コストは甚大なため、メンテナンスコスト低減のために、軌道輪２、３の摩耗を出来るだけ低減する必要がある。このため、本軸受１では玉４の表面の硬さを内輪２ａ〜２ｊ及び外輪３ａ〜３ｊの各軌道面１０、１１の硬さよりも小さくすることによって、軌道面１０、１１の摩耗を抑制する。一般的に摩耗のし易さは硬さの大小によって決まるため、本軸受１では、硬さの低い玉表面が先に摩耗が進行し、内輪２ａ〜２ｊ及び外輪３ａ〜３ｊの各軌道面１０、１１の摩耗が抑制される。また、玉４がある程度摩耗した際に玉４のみを交換すればよく、軸受を全交換するよりも費用を抑えることができる。更には、前述の材料組成にしたことにより、ある程度の硬さと靱性及び耐摩耗性を有することから、摩耗が進行したとしても玉４の転動体としての機能を損なうことなく、使用することができる。
また、本実施形態では、内輪２ａ〜２ｊ及び外輪３ａ〜３ｊの軌道面１０、１１の粗さをＳｅ、Ｓｉ、玉４の表面粗さをＳｂとしたとき、０．０５μｍＲａ≦Ｓｅ、Ｓｉ≦０．６０μｍＲａ、かつ０．００５μｍＲａ≦Ｓｂ≦０．１００μｍＲａ、かつＳｅ、Ｓｉ≧Ｓｂの関係であるとしている。即ち、玉４の表面粗さを軌道輪２、３の粗さよりも良くすることによっても、軌道輪２、３が玉４よりも先に摩耗するのを抑制して、軌道輪２、３のメンテナンスコストを低減することが出来る。表面粗さが大きくなると、内輪および外輪軌道面１０、１１および玉４の表面の摩耗が進行しやすくなるため、Ｓｅ、Ｓｉが上記範囲であれば、本アプリケーションの使用環境において、摩耗低減に効果的である。粗さの下限値は、際限なく小さくして良いわけではなく、それぞれ加工上の制約から決定される。
また、軌道面粗さと玉表面粗さの関係をＳｅ、Ｓｉ≧Ｓｂとしているが、一般的に二つの部材が接触するとき、粗さの悪い部材よりも、粗さの良い部材のほうが摩耗し易い傾向が知られている。玉４の粗さを良くすることによって、玉４が軌道輪２、３の摩耗を加速させることがなくなるため、結果として軌道輪２、３の摩耗を低減することが出来る。一方、玉４は、軌道輪２、３よりも先に摩耗が進行するが、一定時間試用して玉４がある程度摩耗した時に玉４のみを交換すれば、軌道輪２、３を交換するよりもメンテナンスコストを低減することが出来る。
このように、本軸受１は高温で、劣悪な潤滑環境であり、異物混入する過酷な環境での使用でも長寿命になる。本軸受は、ドリル部１００のドリルビット１１０を支持する軸受１２０として好適であるが、マッドモータやダウンホールモータ等の掘削機械に使用されるドリルビットにも好適である。また、その他にも鉱山や油田等に使用される掘削機等に組み込まれる軸受として利用することもできる。
さらに、本発明の多列玉軸受では、外輪及び内輪が、少なくとも一つの軌道面において、軌道面の中央位置でそれぞれ分割される分割軌道輪であればよい。
例えば、図６に示す変形例１のように、外輪３の一部のみが、外輪軌道面１１の軸方向中央位置で分割される分割軌道輪としてもよい。この場合、軸受単位Ａ１、Ａ３、Ａ５、Ａ７、Ａ９の外輪軌道面１１の軸方向中央位置で、外輪３がそれぞれ分割される一方、軸受単位Ａ２、Ａ４、Ａ６、Ａ８の外輪軌道面１１は、単一の外輪３ｂｃ、３ｄｅ、３ｆｇ、３ｈｉによって構成される。即ち、単一の外輪３ｂｃ、３ｄｅ、３ｆｇ、３ｈｉは、１つの軸受単位の両外輪軌道面１１ａ、１１ａと、該軸受単位に隣接する軸受単位の一方の外輪軌道面１１ａ、１１ａと、を有する４つの外輪軌道面を有する。
例えば、図６に示す変形例１のように、外輪３の一部のみが、外輪軌道面１１の軸方向中央位置で分割される分割軌道輪としてもよい。この場合、軸受単位Ａ１、Ａ３、Ａ５、Ａ７、Ａ９の外輪軌道面１１の軸方向中央位置で、外輪３がそれぞれ分割される一方、軸受単位Ａ２、Ａ４、Ａ６、Ａ８の外輪軌道面１１は、単一の外輪３ｂｃ、３ｄｅ、３ｆｇ、３ｈｉによって構成される。即ち、単一の外輪３ｂｃ、３ｄｅ、３ｆｇ、３ｈｉは、１つの軸受単位の両外輪軌道面１１ａ、１１ａと、該軸受単位に隣接する軸受単位の一方の外輪軌道面１１ａ、１１ａと、を有する４つの外輪軌道面を有する。
また、図７に示す変形例２のように、内輪２の一部のみが、内輪軌道面１０の軸方向中央位置で分割される分割軌道輪としてもよい。この場合、軸受単位Ａ１、Ａ３、Ａ５、Ａ７、Ａ９の内輪軌道面１０の軸方向中央位置では、内輪２がそれぞれ分割される一方、軸受単位Ａ２、Ａ４、Ａ６、Ａ８の内輪軌道面１０は、単一の内輪２ｂｃ、２ｄｅ、２ｆｇ、２ｈｉによって構成される。即ち、単一の内輪２ｂｃ、２ｄｅ、２ｆｇ、２ｈｉは、１つの軸受単位の両内輪軌道面１０ａ、１０ａと、該軸受単位に隣接する軸受単位の一方の内輪軌道面１０ａ、１０ａと、を有する４つの内輪軌道面を有する。
さらに、内輪２のみが、内輪軌道面１０の軸方向中央位置で分割される分割軌道輪としてもよく、例えば、図８に示す変形例３のように、外輪３は、すべての軸受単位Ａ１〜Ａ８において分割されない単一の軌道輪としてもよい。
同様に、外輪３のみが、外輪軌道面１１の軸方向中央位置で分割される分割軌道輪としてもよく、例えば、図９に示す変形例４のように、内輪２は、すべての軸受単位Ａ１〜Ａ８において分割されない単一の軌道輪としてもよい。
同様に、外輪３のみが、外輪軌道面１１の軸方向中央位置で分割される分割軌道輪としてもよく、例えば、図９に示す変形例４のように、内輪２は、すべての軸受単位Ａ１〜Ａ８において分割されない単一の軌道輪としてもよい。
また、本実施形態では、単位軸受において、玉４と、内輪及び外輪軌道面とが４点接触である場合を説明したが、これに限定されず、一方の軌道面が２点で接触し、他方の軌道面が１点で接触する３点接触であってもよい。
本出願は、２０１５年１１月１３日出願の日本特許出願２０１５−２２３２１０、及び２０１６年３月１日出願の日本特許出願２０１６−０３８８９９に基づくものであり、その内容はここに参照として取り込まれる。
１ 多列玉軸受
２ａ〜２ｊ 内輪
３ａ〜３ｊ 外輪
４ 玉
１０ 内輪軌道面
１１ 外輪軌道面
１００ ドリル部
１１０ ドリルビット
１２０ 軸受
２ａ〜２ｊ 内輪
３ａ〜３ｊ 外輪
４ 玉
１０ 内輪軌道面
１１ 外輪軌道面
１００ ドリル部
１１０ ドリルビット
１２０ 軸受
Claims (15)
- 外輪と、内輪と、前記外輪及び前記内輪のそれぞれの軌道面により保持される２列以上の玉と、を有する多列玉軸受であって、
前記軌道面がゴシックアーチ溝となっており、
前記外輪及び前記内輪は、少なくとも一つの軌道面において、前記軌道面の中央位置でそれぞれ分割される分割軌道輪であることを特徴とする多列玉軸受。 - 前記玉と前記軌道面とが、４点接触であることを特徴とする請求項１に記載の多列玉軸受。
- ２列以上の軌道面を有する外輪と、２列以上の軌道面を有する内輪と、前記外輪及び前記内輪のそれぞれの軌道面により保持される２列以上の玉と、を有する多列玉軸受であって、
前記軌道面がゴシックアーチ溝となっており、前記玉と、前記軌道面とが４点で接触し、
前記外輪及び前記内輪は、少なくとも一つの軌道面において、前記軌道面の中央位置でそれぞれ分割される分割軌道輪であることを特徴とする多列玉軸受。 - 保持器を持たない総玉軸受であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の多列玉軸受。
- 外輪及び内輪は、Ｆｅを母材とし、Ｃ：０．３〜０．７質量％、Ｓｉ：０．２〜１．２質量％、Ｍｎ：０．２〜１．７質量％、Ｃｒ：０．２〜１．３質量％、Ｍｏ：０．１〜０．３質量％、Ｎｉ：０．１〜１．０質量％を含む合金鋼製であり、かつ、軌道面表面の残留オーステナイト量が２５〜４５体積％で、（Ｃ＋Ｎ）濃度が０．７５〜１．１質量％であることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の多列玉軸受。
- 外輪及び内輪の軌道面表面の硬さがＨＲＣ６０〜ＨＲＣ６５であり、軌道面表面と芯部との硬さの差が±ＨＲＣ５以内であることを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載の多列玉軸受。
- 玉は、Ｆｅを母材とし、Ｃ：０．３〜０．７質量％、Ｍｎ：０．２〜１．０質量％、Ｓｉ：０．２〜１．２質量％、Ｍｏ：０．１〜０．３質量％、Ｖ：０．１〜１．０質量％を含む合金鋼製であることを特徴とする請求項１〜６の何れか１項に記載の多列玉軸受。
- 玉の表面硬さがＨＲＣ５５〜６０であることを特徴とする請求項１〜７の何れか１項に記載の多列玉軸受。
- 玉径をＤｗ、前記外輪及び前記内輪の軌道輪溝半径をそれぞれＲｅ、Ｒｉとしたとき，０．５４≦Ｒｅ／Ｄｗ、Ｒｉ／Ｄｗ≦０．７５の関係にあることを特徴とする請求項１〜８の何れか１項に記載の多列玉軸受。
- 玉径をＤｗ、軸受断面高さをＨとしたとき、０．５５≦Ｄｗ／Ｈ≦０．７５の関係であることを特徴とする請求項１〜９の何れか１項に記載の多列玉軸受。
- 前記外輪及び前記内輪の軌道面の粗さをＳｅ、Ｓｉ、前記玉の表面粗さをＳｂとしたとき、０．０５μｍＲａ≦Ｓｅ、Ｓｉ≦０．６０μｍＲａ、かつ０．００５μｍＲａ≦Ｓｂ≦０．１００μｍＲａ、かつＳｅ、Ｓｉ≧Ｓｂの関係であることを特徴とする請求項１〜１０の何れか１項に記載の多列玉軸受。
- 軸受断面高さをＨ、外輪断面高さをＡ、内輪断面高さをＢとしたとき、０．２０≦Ａ／Ｈ＜０．５０、且つ０．２０≦Ｂ／Ｈ＜０．５０の関係を満たすことを特徴とする請求項１〜１１の何れか１項に記載の多列玉軸受。
- 前記外輪断面高さＡと、前記内輪断面高さＢは、Ａ＜ＢまたはＡ＞Ｂの関係を満たすことを特徴とする請求項１２に記載の多列玉軸受。
- 前記多列玉軸受は、泥水が軸受内部を通過するオープンタイプの軸受であることを特徴とする請求項１〜１３の何れか１項に記載の多列玉軸受。
- 前記多列玉軸受は、掘削機械ドリル、マッドモータ、若しくはダウンホールモータに使用されることを特徴とする請求項１〜１４の何れか１項に記載の多列玉軸受。
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