KR100795742B1

KR100795742B1 - 자동 조심 롤러 베어링

Info

Publication number: KR100795742B1
Application number: KR1020067000954A
Authority: KR
Inventors: 고우지 우에다; 도오루 우에다
Original assignee: 닛본 세이고 가부시끼가이샤
Priority date: 2003-11-14
Filing date: 2004-11-12
Publication date: 2008-01-17
Also published as: WO2005047718A1; US7435007B2; EP1754903B1; EP1754903A1; US20070092174A1; KR20060032203A; EP1754903A4

Abstract

외륜 (13) 의 내주면 상에 형성된 외륜 궤도면 (14) 의 거칠기는 내륜 (11) 의 내륜 궤도면 (12a, 12b) 의 거칠기보다 더 커진다. 또한, 외륜 궤도면 (14) 의 평균 거칠기 (Ra) 는 b₁/(B/2)≤0.9, b₂/(B/2)≤0.9 의 범위 및 0.1mm ~ 1.0mm 의 측정된 길이에서 축 방향 및 원주 방향으로 0.1㎛≤Ra≤0.5㎛ 으로 설정되는데, 여기서 B 는 외륜 (13) 의 폭이고, b₁, b₂ 는 각각 축 방향으로 외륜 (13) 의 양단부면으로부터 떨어진 거리이다. 외륜 궤도면의 거칠기 파라미터 (S) 는 0<S≤20㎛ 으로 설정된다.

Description

자동 조심 롤러 베어링 {SELF-ALIGINING ROLLER BEARING}

본 발명은 일반적인 산업용 기계, 기계 공구, 진동 스크린, 철강 산업, 2륜차 엔진 등에 사용되는 자동 조심 롤러 베어링의 수명 개선에 관한 것이다.

구름 요소의 접촉 상태는 외륜 또는 내륜이 피팅 에러나 충격 하중으로 인해 기울어질 때에도 변하지 않기 때문에 상기 자동 조심 롤러 베어링은 비정상적인 하중의 발생을 막고 반경 방향 하중량을 증가시킬 수 있는 잇점을 갖는다. 이러한 이유로, 자동 조심 롤러 베어링은 제지 기계, 차량 베어링, 다양한 산업용 베어링 등에서 다양한 롤 넥 베어링 (roll neck bearing) 으로서 널리 이용된다.

그런데, 오일막이 충분히 형성되는 깨끗한 환경에서, 통상적인 볼 베어링 또는 원통형 롤러 베어링은 내부 기점형 파열로 파손된다. 이러한 내부 기점형 파열에서는 재료 내에 함유된 비금속 개재물을 기점으로 하여 피로 균열 (fatigue crack) 이 발생되어 커지게 된다. 그러므로, 볼 베어링 및 원통형 롤러 베어링의 수명 개선은 재료의 청결도를 증가시킴으로써 이루어질 수 있다.

그러나, 상기 베어링과는 달리, 어떤 경우에는 사용 조건에 따라 자동 조심 베어링에 표면 기점형 파손 (surface initiated failure) 이 발생된다. 이 표면 기점형 파손에서는 미소한 소성 유동이 깨끗한 환경에서 내륜의 표면 상에서 발 생되면 박리 균열 (peeling crack) 이 발생되고 커져 플래이킹 (flaking) 을 초래하게 된다. 결과적으로, 재료의 청결도의 증가는 자동 조심 롤러 베어링의 수명 개선에 상당한 영향을 미치지 않는다.

자동 조심 롤러 베어링에서, 기울어짐 (skew) 은 열발생 방지 또는 베어링의 수명 개선에 크게 영향을 미친다.

이에 대한 대책으로서, 내륜과 구름 요소 사이의 마찰 계수 및 외륜과 구름 요소 사이의 마찰 계수를 제어하기 위해서, 베어링의 접촉면적 및 궤도면 (raceway surface) 의 표면 거칠기를 제어하게 된다. 예컨대, 수명 개선을 얻기 위해, 내륜 궤도면의 표면 거칠기보다 더 큰 외륜 궤도면의 표면 거칠기를 설정함으로써 (내륜 궤도면의 표면 거칠기는 0.1 mRa 이하이고, 외륜 궤도면의 표면 거칠기는 0.2 mRa 이상임) 기울어짐이 제어된다는 예가 공개되어 있다 (일본특허-B-57-61933).

수명을 개선할 목적으로, 그 목적은 외륜의 거칠기가 내륜의 거칠기보다 크게 될 경우에 구름 요소를 베어링 외부로 기울어지게 하는 정의 기울어짐이 축 하중을 감소시키기 위해 발생하는 것으로 가정한다. 또한, 구름 요소를 베어링의 내부로 기울어지게 하는 부의 기울어짐이 축 하중을 증가시키기 때문에, 상기 부의 기울어짐은 베어링의 수명에 나쁜 영향을 미칠 것이라고 결론을 내릴 수 있다.

그러나, 외륜 궤도면의 거칠기가 단순히 내륜 궤도면의 거칠기보다 더 크게 된다면, 어떤 경우에는 부의 기울어짐이 일어나게 되거나 부의 기울어짐이 증가되더라도 수명은 연장된다. 따라서, 기울어짐 제어가 수명 연장에 중요한 영향을 미친다고 말하기는 어렵다. 또한, 외륜 궤도면의 거칠기가 지나치게 커진다면, 외륜 궤도면의 요철 (unevenness) 은 오일막의 두께보다 더 크게 된다. 따라서, 윤활 상태는 악화되어 오히려 베어링의 수명은 짧아지게 되는 경향이 있다.

또한, 내륜 궤도면의 표면 거칠기보다 큰 외륜 궤도면의 표면 거칠기를 형성함으로써 마찰력을 증가시키는 방식은 기울어짐 제어 또는 미소한 슬립의 억제에 효과적이다. 그러나, 실제적으로 한 베어링은 내륜 및 외륜의 위치에 따라 내륜 궤도면 및 외륜 궤도면의 표면 거칠기에서의 변동 (원주 방향에서의 변동) 을 갖는다. 따라서, 내륜 궤도면과 구름 요소 사이의 접촉부 및 외륜 궤도면과 구름 요소 사이의 접촉부에 발생되는 마찰력의 크기는 각 위치에서의 베어링 회전에 따라 변한다. 결과적으로, 미소한 영역에서 기울어짐과 슬립을 억제하는 실제 효과는 변한다.

예컨대, 한 베어링에서 표면 거칠기가 여러 위치에서 측정되었을 때, 개별 거칠기 값은 변한다. 거칠기 범위의 견지에서 보았을 때, 기계 가공 상태가 좋지 못한 상황에서, 내륜 궤도면의 거칠기 범위와 외륜 궤도면의 거칠기 범위가 서로 매우 근접해 있거나 서로 중첩되어 있기 때문에 표면 거칠기가 내륜 궤도면과 외륜 궤도면 사이에서 바뀌는 부분이 존재한다면, 구름 요소와 내부 및 외륜 사이에 접촉부에서 발생되는 마찰력은 변하여 롤러의 회전이 불안정하게 된다. 따라서, 미소 슬립은 내륜과 롤러 요소 사이의 접촉부에서 발생되고, 또한 박리와 같은 표면 손상 등이 발생하기 쉽다.

따라서, 외륜 궤도면의 표면 거칠기를 내륜 궤도면의 표면 거칠기보다 더 크 게 하기에는 정말 충분치 않다. 결과적으로, 외륜 궤도면과 내륜 궤도면 사이에 표면 거칠기의 비는 베어링에서 외륜 궤도면과 내륜 궤도면의 거칠기 분포에 관해서 결정되어야 한다.

또한, 자동 조심 롤러 베어링에서, 잔류 오스테나이트량은 내륜 및 외륜에 200℃ 이상의 고온 뜨임(tempering)을 가함으로써 실질적으로 0% 까지 감소되는데, 그 이유는 잔류 오스테나이트가 보통 고온에서 분해되어 치수의 변화를 유발하기 때문이다. 이러한 고온 뜨임 처리는 잔류 오스테나이트의 분해를 야기할 수 있지만, 해로운 영향을 미쳐 경도를 낮출 수 있다. 그러므로, 박리와 같은 표면 손상 등이 내륜에 발생하기 쉬워, 베어링의 수명이 단축된다.

반대로, 외륜의 표면 거칠기가 증가된다면, 예컨대 내륜 궤도면의 중심선 거칠기 범위의 상한치가 외륜 궤도면의 중심선 거칠기 범위의 하한치보다 더 크게 설정된다면, 박리와 같은 내륜의 표면 손상 등은 상기한 바와 같이 억제될 수 있다. 한편, 외륜 (거칠기 대) 과 롤러 (거칠기가 비교적 적당함) 사이의 접촉부에 발생되는 마찰력은 증가되어, 외륜이 롤러를 구동시킨다. 결과적으로, 롤러 표면의 피로는 상당히 진척된다.

본 발명은 상기 내용의 관점에서 이루어졌으며, 본 발명의 목적은 박리와 같은 표면 손상 등으로 인해 야기된 조기 플레이킹을 억제함으로써 수명 연장이 이루어질 수 있는 자동 조심 롤러 베어링을 제공하는 데 있다.

상기 문제를 극복하기 위해서는, 구름 요소로서 복렬 롤러가 내륜과 외륜 사이에서 원주 방향으로 구를 수 있게 배치되는 본 발명의 제 1 자동 조심 롤러 베어링에 있어서, 외륜의 내주면에 형성된 외륜 궤도면의 거칠기가 내륜의 외주면에 형성된 내륜 궤도면의 거칠기보다 크게 되어 있고, 외륜 궤도면의 평균 거칠기 (Ra) 가 축 방향 및 원주 방향으로 0.1㎛≤Ra≤0.5㎛ 으로 설정되며, n 은 외륜 궤도면의 거칠기를 나타내는 거칠기 곡선의 거칠기 피크 (peaks) 의 개수이고, S_i 는 거칠기 곡선의 이웃하는 피크들 사이의 간격이라고 할 때,

으로 정의되는 거칠기 파라미터 (S) 가 0<S≤20㎛ 으로 설정되는 것을 특징으로 한다.

더 바람직하게는, 구름 요소의 구름 접촉면의 평균 거칠기가 Ra<0.1㎛ 로 설정되고, 내륜 궤도면의 평균 거칠기가 Ra<0.15㎛ 로 설정된다.

더욱 바람직하게는, Rai 가 내륜 궤도면의 중심선 거칠기 범위의 상한치이고 Rao 가 외륜 궤도면의 중심선 거칠기 범위의 하한치일 때 부등식 Rao/Rai≥1.5 이 만족되며, 구름 요소와 내륜 및 외륜 중 적어도 어느 하나 사이에 잔류 오스테나이트량 (γR) 의 차가 부피비로 3% 이상으로 설정된다.

또한 더욱 바람직하게는, B 는 외륜의 폭이고, b₁, b₂ 는 각각 외륜의 양단부면으로부터 떨어진 거리라고 할 때, b₁/(B/2)≤0.9, b₂/(B/2)≤0.9 의 범위 및 0.1mm ~ 1.0mm 의 측정 길이에서 외륜 궤도면의 평균 거칠기 (Ra) 가 축 방향 및 원주 방향으로 0.1㎛≤Ra≤0.5㎛ 으로 설정되고, 거칠기 파라미터 (S) 는 0<S≤20㎛ 으로 설정된다.

더더욱 바람직하게는, 상기 외륜 궤도면은 서로 교차하는 가공흔을 가지며, 이 가공흔은 슈퍼 피니싱 (super finishing) 에 의해 형성된다.

또한, 구름 요소로서 복렬 롤러가 내륜과 외륜 사이에서 원주 방향으로 구를 수 있게 배치되는 본 발명의 제 2 자동 조심 롤러 베어링에 있어서, 외륜의 내주면에 형성된 외륜 궤도면의 거칠기가 내륜의 외주면에 형성된 내륜 궤도면의 거칠기보다 크게 되어 있고, 외륜 궤도면의 평균 거칠기 (Ra) 가 축 방향 및 원주 방향으로 0.1㎛≤Ra≤0.5㎛ 으로 설정되며, 구름 요소의 구름 접촉면의 평균 거칠기가 Ra<0.1㎛ 로 설정되고, 내륜 궤도면의 평균 거칠기는 Ra<0.15㎛ 로 설정되는 것을 특징으로 한다.

더 바람직하게는, Rai 가 내륜 궤도면의 중심선 거칠기 범위의 상한치이고 Rao 가 외륜 궤도면의 중심선 거칠기 범위의 하한치일 때 부등식 Rao/Rai≥1.5 이 만족되며, 구름 요소와 내륜 및 외륜 중 적어도 어느 하나 사이에 잔류 오스테나이트량 (γR) 의 차가 부피비로 3% 이상으로 설정된다.

더욱 바람직하게는, 외륜 궤도면은 서로 교차하는 가공흔 (traces) 을 가지며, 이 가공흔은 슈퍼 피니싱에 의해 형성된다.

또한, 구름 요소로서 복렬 롤러가 내륜과 외륜 사이에서 원주 방향으로 구를 수 있게 배치되어 있는 본 발명의 제 3 자동 조심 롤러 베어링에 있어서, 외륜의 내주면에 형성된 외륜 궤도면의 거칠기가 내륜의 외주면에 형성된 내륜 궤도면의 거칠기보다 더 크게 되고, Rai 가 내륜 궤도면의 중심선 거칠기 범위의 상한치이고 Rao 가 외륜 궤도면의 중심선 거칠기 범위의 하한치일 때 부등식 Rao/Rai≥1.5 이 만족되며, 구름 요소와 내륜 및 외륜 중 적어도 어느 하나 사이에 잔류 오스테나이트량 (γR) 의 차가 부피비로 3% 이상으로 설정되는 것을 특징으로 한다.

더 바람직하게는, 외륜 궤도면은 서로 교차하는 가공흔 (traces) 을 가지며, 이 가공흔은 슈퍼 피니싱에 의해 형성된다.

본 발명의 제 1 자동 조심 롤러 베어링에 의해, 롤러와 접촉하게 되는 외륜 궤도면의 전 영역에서 국부적인 거칠기 변동이 감소될 수 있고, 롤러에 대한 외륜 궤도면의 마찰계수는 안정적으로 증가될 수 있다. 따라서, 롤러의 회전 슬립이 억제될 수 있을 뿐만 아니라 박리와 같은 표면 손상 등으로 인해 야기되는 조기 플레이킹도 억제될 수 있기 때문에, 베어링의 수명 연장이 이루어질 수 있다.

또한, 외륜 궤도면의 거칠기 파라미터 (S) 가 0<S≤20 ㎛ 으로 설정되기 때문에, 외륜 궤도면과 롤러 사이의 접촉부에서의 마찰 계수는 증가될 수 있어서, 롤러의 슬립이 억제될 수 있다. 따라서, 박리와 같은 표면 손상 등으로 인해 야기된 조기 플레이킹이 억제될 수 있어서, 자동 조심 롤러 베어링의 수명 개선이 이루어질 수 있다.

또한, 본 발명의 제 2 자동 조심 롤러 베어링에 따르면, 내륜과 구름 요소에 작용하고 자동 조심 롤러 베어링의 플레이킹 원인으로서 작용하는 접선력을 억제할 목적으로, 구름 요소의 구름 접촉면의 평균 거칠기는 Ra<0.1 ㎛ 로 설정되고, 내륜 궤도면의 평균 거칠기는 Ra<0.15 ㎛ 로 설정되며, 외륜 궤도면의 평균 거칠기는 0.1 ㎛ ≤Ra≤ 0.5 ㎛ 으로 설정된다. 따라서, 내륜 궤도면 상에 미소한 소성 유동의 발생이 억제될 수 있기 때문에, 베어링의 안정적인 수명 개선을 얻을 수 있다.

또한, 본 발명의 제 3 자동 조심 롤러 베어링에 따르면, 만일 구름 요소인 롤러의 경도를 궤도륜보다 크게 하고 잔류 오스테나이트를 남김으로써 외륜의 거칠기를 증가시키면, 내륜 상의 미소 슬립이 억제될 수 있기 때문에 내륜의 표면 피로는 감소될 수 있지만, 롤러는 표면 피로에 가장 영향을 받기 쉬운 부분이 될 수 있다. 이러한 현상에 근거하여, 표면 피로에 저항하는 재료를 피로에 영향을 받기 쉬운 롤러에 적용함으로써 그 수명을 연장시킬 수 있다. 박리와 같은 표면 손상 등에 대해서는 구름 요소의 표면 경도를 높이고, 잔류 오스테나이트를 남기는 것이 매우 효과적이다.

도 1 은 본 발명의 제 1 실시형태에 따른 자동 조심 롤러 베어링의 축 방향 단면도,

도 2 는 본 발명에 따른 자동 조심 롤러 베어링의 거동을 설명하는 도면,

도 3 은 표 1 에 주어진 시험 베어링의 평균 거칠기와 수명비 사이에 관계를 나타내는 도면,

도 4 는 시험 베어링의 외륜 궤도면의 거칠기가 b₁/(B/2)=0.1 ~ 0.9 및 측정 길이 l=0.5 mm 의 조건 하에서 측정될 때 얻어지는 측정 결과를 나타내는 도면,

도 5 는 시험 베어링의 원주 방향 거칠기와 축 방향 거칠기 사이에 관계를 나타내는 도면,

도 6 은 외륜 궤도면의 거칠기 파라미터 (S) 를 나타내는 도면,

도 7 은 외륜 궤도면의 거칠기 파라미터 (S) 가 큰 경우와 그 파라미터 (S) 가 작은 경우에서 외륜 궤도면과 롤러 사이에 접촉 상태를 개략적으로 나타내는 도,

도 8 은 외륜 궤도면과 롤러 사이의 접촉부에서 마찰계수의 측정치를 나타내는 도면,

도 9 는 외륜 궤도와 롤러 사이의 접촉부에서의 마찰계수가 증가될 때 윤활 상태를 개략적으로 나타내는 도,

도 10 은 외륜 궤도면의 거칠기 패턴을 개략적으로 나타내는 도,

도 11 은 평균 거칠기를 측정한 위치 및 외륜 궤도면의 거칠기 파라미터를 개략적으로 나타내는 도,

도 12 는 표 2 에서 거칠기 파라미터와 수명비 사이에 관계를 나타내는 도면,

도 13 은 본 발명의 제 2 실시형태에 따른 자동 조심 롤러 베어링의 축 단면도,

도 14 는 2개의 실린더 시험용 기계의 개략도,

도 15 는 구동측 시험편의 표면 거칠기와 접선력의 크기의 비 사이에 관계를 나타낸 그래프,

도 16 은 피동측 시험편의 표면 거칠기와 접선력의 크기의 비 사이에 관계를 나타낸 그래프,

도 17 은 구름 요소가 하중 부하권에서 외륜으로부터 수용하는 접선력의 방향을 나타내는 설명도,

도 18 은 구름 요소가 하중 부하권에서 외륜으로부터 수용하는 접선력의 방향을 나타내는 설명도,

도 19 는 요약하여 표 3 에서의 수명비를 나타내는 그래프,

도 20 은 본 발명의 제 3 실시형태에 따른 자동 조심 롤러 베어링의 축 방향 단면 형상을 개략적으로 나타내는 도,

도 21 은 외륜 궤도면의 표면 거칠기와 내륜 궤도면의 표면 거칠기 및 외륜의 거칠기 범위에서 하한치 (Rao) 와 내륜의 거칠기 범위에서 상한치 (Rai) 사이의 비의 범위를 나타내는 도,

도 22 는 외륜의 거칠기 범위에서 하한치 (Rao) 와 내륜의 거칠기 범위에서 상한치 (Rai) 사이의 비와 수명비 사이에 관계를 나타내는 도이다.

본 발명의 상기 도면에 있어서, 참조 번호 10 은 자동 조심 롤러 베어링을, 11, 21, 31 은 내륜을, 12a, 12b, 22, 32a 는 내륜 궤도면을, 13, 23, 33 은 외륜을, 14, 24, 34a 는 외륜 궤도면을, 15, 25, 35 는 롤러 (구름 요소) 를, 16, 26, 36 은 리테이너 (retainer) 를 나타낸다.

<본 발명을 실시하기 위한 최선의 형태>

이제 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태를 설명할 것이다. 이 경우에, 본 실시형태들은 각각 본 발명의 실시형태만을 나타내며, 이들 실시형태들에만 제한되는 것으로 이해해서는 안 된다. 또한, 본 발명의 범위 내에서 구성의 변경이 상기 실시형태들에 적절히 가해질 수 있다.

이하는 도 1 ~ 도 12 를 참조하여 본 발명의 제 1 실시형태를 설명할 것이다.

도 1 은 본 발명의 제 1 실시형태에 따른 자동 조심 롤러 베어링의 축 방향 단면도이다. 도 1 에서는, 본 발명의 제 1 실시형태에 따른 자동 조심 롤러 베어링 (10) 이 내륜 (11) 을 갖는다. 복렬 궤도 (또한, 이하 "내륜 궤도면" 이라고 함) (12a, 12b) 가 내륜 (11) 의 원주 방향을 따라 내륜 (11) 의 외주면에 형성되어 있다. 또한, 자동 조심 롤러 베어링 (10) 은 외륜 (13) 을 갖는다. 복렬 일체형 구면 궤도 (또한, 이하 "외륜 궤도면" 이라고 함) (14) 가 외륜 (13) 의 원주 방향을 따라 외륜 (13) 의 내주면에 형성되어 있다.

상기 내륜 궤도면 (12a, 12b) 및 상기 외륜 궤도면 (14) 은 서로 마주한다. 다수의 롤러 (15) 가 내륜 궤도면 (12a) 과 외륜 궤도면 (14) 사이 및 내륜 궤도면 (12b) 과 외륜 궤도 (14) 사이에 각각 제공된다. 이들 롤러 (15) 는 리테이너 (16) 내에 수용되어 있다. 각각의 주면부는 내륜 궤도면 (12a, 12b) 및 외륜 궤도면 (14) 과 거의 동일한 곡률 반경을 갖는 원호 형상으로 되어 있다.

외륜 궤도면 (14) 의 표면 거칠기는 내륜 궤도면 (12a, 12b) 의 표면 거칠기 (보통 0.05 ㎛ ~ 0.15 ㎛) 보다 더 거칠게 되어있다. 그리하여, 상기 외륜 궤도면 (14) 은 연삭숫돌의 회전축 (보이지 않음) 이 외륜 (13) 의 중심축과 평행하게 된 상태에서 연삭가공되고, 이어서 외륜 (13) 의 축 방향을 따라 연삭숫돌을 회전시키면서 슈퍼 피니싱을 받게 된다. 축 방향 및 원주 방향에서 평균 거칠기 (Ra) 는 0.1 mm ~ 1.0 mm 의 측정 길이 내에서 b₁/(B/2)≤0.9, b₂/(B/2)≤0.9 일 때 0.1 ㎛ ≤ Ra ≤ 0.5 ㎛ 로 주어지는데, 여기서 B 는 외륜 (13) 의 폭이고, b₁, b₂ 는 각각 외륜 (13) 의 양단부면으로부터 떨어진 거리이다.

이렇게 해서, 축 방향 및 원주 방향에서 외륜 궤도면 (14) 의 평균 거칠기 (Ra) 가 b₁/(B/2)≤0.9, b₂/(B/2)≤0.9 일 때 0.1mm ~ 1.0mm 의 측정 길이에서 0.1㎛≤Ra≤0.5㎛ 로 설정된다면, 롤러 (15) 와 접촉하게 되는 외륜 궤도면 (14) 의 전 영역에서 국부적인 거칠기 변화가 감소되며, 또한 롤러 (15) 에 대한 외륜 궤도면 (14) 의 마찰계수도 안정적으로 증가될 수 있다. 결과적으로, 롤러 베어링의 수명 연장은 박리와 같은 표면 손상 등으로 인해 야기되는 조기 플레이킹을 억제함으로써 이루어질 수 있다.

또한, 상기 실시형태에서, 외륜 궤도면 (14) 이 연삭숫돌의 회전축이 외륜 (13) 의 중심축과 평행하게 된 상태에서 연삭가공되고, 이어서 외륜 (13) 의 축 방향을 따라 연삭숫돌을 회전시키면서 슈퍼 피니싱을 받기 때문에, 도 2 (c) 에서 나타난 바와 같이, 메쉬 패턴과 같은 연삭흔이 외륜 궤도면 (14) 상에 형성된다. 다시 말하면, 서로 교차하는 가공흔이 슈퍼 피니싱에 의해 외륜 궤도면 (14) 상에 형성된다. 따라서, 거칠기의 변화가 감소되는 외륜 궤도면이 형성될 수 있기 때문에, 자동 조심 롤러 베어링의 수명은 더욱 효과적으로 연장될 수 있다. 도 2 (c) 에서의 θ 는 가공흔의 원주 방향 교차각이다. 그 가공흔의 교차각이 궤도면의 원주 방향에 대해 90°~150°내로 설정된다면, 거칠기는 원주 방향 및 축 방향으로 서로 더욱 근접하게 형성될 수 있다.

외륜 궤도면의 연삭가공 방법에는 보통 연삭숫돌의 회전축을 외륜의 중심축과 평행하게 유지하면서 연삭가공 (이하 "직선형 연삭가공" 이라고 함) 을 하는 방법이 있고, 외륜의 폭보다 더 큰 직경을 가지는 컵형 연삭숫돌을 사용하여 연삭가공 (이하 "컵형 연삭숫돌 연삭가공"이라고 함) 을 하는 방법이 있다. 상기 연삭가공 방법 중 직선형 연삭가공에 따르면, 외륜 궤도면에 형성된 연삭흔은, 도 2 (a) 에서 보여지는 바와 같이, 외륜의 원주 방향과 평행한 선형 패턴으로 된다. 그러므로, 외륜 궤도면의 거칠기가 외륜의 축 방향을 따라 측정될 때, 측정치는 거칠기가 외륜의 원주 방향을 따라 측정될 때보다 더 크다. 그러나, 롤러가 외륜 궤도면 상을 구를 때 발생된 마찰력이 외륜의 원주 방향으로 작용하기 때문에, 외륜의 축 방향을 따라 측정되는 경우의 외륜 궤도면의 거칠기는, 외륜의 원주 방향을 따라 측정되는 경우의 거칠기와는 대조적으로 마찰계수의 증가에 약간의 영향을 미친다. 또한, 외륜의 축 방향을 따라 측정된 평균 거칠기 (Ra) 가 클 때, 그러한 거칠기는 마찰계수를 증가시키는 효과를 갖는다. 그러나, 평균 거칠기 (Ra) 가 너무 크다면, 외륜 궤도면 상의 요철 (unevenness) 이 오일막 두께에 대하여 커지기 때문에, 그 윤활 상태는 악화되고 수명은 단축되기 쉽다.

반대로, 컵형 연삭숫돌 연삭 가공에서는, 컵형 연삭숫돌의 회전축이 외륜의 중심축에 수직으로 설정되기 때문에, 연삭흔은, 도 2 (b) 에서 보여지는 바와 같이, 외륜의 중심부에 정점을 가지는 곡선 형태로 외륜 궤도면 상에 형성된다. 그러므로, 외륜 궤도면의 거칠기가 외륜의 축 방향을 따라 측정될 때,외륜 궤도면의 단부에서는 연삭흔이 축 방향 및 원주 방향에 대하여 경사져 있기 때문에, 거칠기가 외륜의 원주 방향을 따라 측정되는 경우에서와 마찬가지로 평균 거칠기 (Ra) 는 커진다. 또한, 컵형 연삭숫돌 연삭가공의 경우에, 연삭흔이 외륜 궤도면의 단부 근처에서는 서로 교차하지만 외륜 궤도면의 중심부 근처에서는 외륜의 축 방향과 거의 평행해지기 때문에, 마찰계수는 훨씬 더 증가 될 수 있다. 이러한 이유로, 외륜의 원주 방향을 따라 측정되는 경우의 평균 거칠기 (Ra) 가 커지는 반면, 외륜의 축 방향을 따라 측정되는 경우의 평균 거칠기 (Ra) 는 그다지 커지지 않는다. 상기 컵형 연삭숫돌 연삭가공은 직선형 연삭가공보다는 오히려 외륜의 원주 방향으로 마찰계수를 증가시킴으로써 회전 슬립을 억제할 수 있음에도 불구하고, 외륜 궤도면이 컵형 연삭숫돌로 연삭될 때 외륜 궤도면의 중심부 근처에서의 마찰계수는 그 단부 근처에서의 마찰계수보다 더 작게 된다. 그러므로, 외륜 궤도면의 위치에 따라 마찰계수는 변하여, 롤러의 구름 운동은 불안정해진다.

그와는 달리, 본 실시형태에서처럼, 외륜 궤도면이 외륜의 중심축과 평행하게 연삭숫돌의 회전축을 유지하면서 연삭가공 된 다음, 외륜의 축 방향을 따라 연삭숫돌을 회전시키면서 슈퍼 피니싱을 받게 된다면, 도 2 (c) 에서 보는 바와 같이, 연삭흔은 메쉬 패턴으로 외륜 궤도면 상에 형성되기 때문에, 거칠기의 변화가 감소되는 외륜 궤도면이 형성될 수 있다. 결과적으로, 자동 조심 롤러 베어링의 수명은 더욱 효과적으로 연장될 수 있다.

상기 효과를 확인하기 위해서, 본 발명의 발명자들은 회전수가 1500 min^-1, 시험 하중이 45217 N, 윤활 조건이 RO68 인 시험 조건 하에서 자동 조심 롤러 베어링의 수명 시험을 실시하였다. 또한, 본 발명의 발명자들은 수명 시험 전에 아래와 같은 측정 조건 1 ~ 3 하에서 외륜 궤도면의 평균 거칠기 (Ra) 를 측정하였다. 이 경우에서, 수명 시험은 26.3 의 수명비에서 끝났다.

측정 조건 1 :

측정 길이 : l = 15 mm,

측정 방향 : 외륜의 축 방향,

측정 위치 : 외륜 궤도면 전체

측정 조건 2 :

측정 길이 : l = 0.5 mm,

측정 방향 : 외륜의 축 방향,

측정 위치 : b₁/(B/2) = 0.7

측정 조건 3 :

측정 길이 : l = 0.5 mm,

측정 방향 : 외륜의 원주 방향,

측정 위치 : b₁/(B/2) = 0.4

상기 수명 시험의 시험 결과 및 평균 거칠기의 측정 결과는 표 1 에 나타나 있다.

[표 1]

*) 는 플레이킹 없이 시험이 중단된 베어링을 나타냄

(A) : 거칠기 형상의 개략도

(B) : 측정 조건 1

측정 길이 : l = 15 mm,

측정 방향 : 외륜의 축 방향,

측정 위치 : 외륜 궤도면 전체

(C) : 측정 조건 2

측정 길이 : l = 0.5 mm,

측정 방향 : 외륜의 축 방향,

측정 위치 : b₁/(B/2) = 0.7

(D) : 측정 조건 3

측정 길이 : l = 0.5 mm,

측정 방향 : 외륜의 원주 방향,

측정 위치 : b₁/(B/2) = 0.4

EMB : 실시형태

C.E : 비교예

표 1 에서, TB 1 ~ TB 7 및 TB 20 ~ TB 23 은 외륜 궤도면이 도 2 (c) 의 방법에 의해 처리된 시험 베어링을 나타내고, TB 8 ~ TB 13 은 각각 시험 베어링의 외륜 궤도면이 도 2 (a) 의 직선형 연삭가공에 의해 처리된 시험 베어링을 나타내며, TB 14 ~ TB 19 는 외륜 궤도면이 도 2 (b) 의 컵형 연삭숫돌 연삭가공에 의해 처리된 시험 베어링을 나타낸다. 이 경우에, Nippon Seiko K.K. 가 제조한 자동 조심 롤러 베어링 (모델 번호 : 22211, 외경 : 100 mm, 내경 : 55 mm, 폭 : 25 mm) 이 시험 베어링으로 사용되었다.

표 1 에 보여지는 바와 같이, 외륜 궤도면의 평균 거칠기가 측정조건 1 하에서 측정된다면, 시험 베어링 TB 1 ~ TB 19 는 거의 동일한 평균 거칠기 값을 나타내지만, 시험 베어링 TB 8 ~ TB 19 의 수명비 (시험 베어링 TB 11 의 수명을 1 로 설정한 가정 하에 얻어지는 수명비) 는 시험 베어링 TB 1 ~ TB 7 의 수명비와는 대조적으로 작은 값을 나타낸다. 또한, 외륜 궤도면의 평균 거칠기가 측정 조건 2 하에 측정된다면, 시험 베어링 TB 1 ~ TB 13 은 거의 동일한 평균 거칠기 값을 나타내지만, 시험 베어링 TB 8 ~ TB 13 의 수명비는 시험 베어링 TB 1 ~ TB 7 의 수명비와는 대조적으로 작은 값을 나타낸다. 또한, 외륜 궤도면의 평균 거칠기가 측정 조건 3 하에 측정된다면, 시험 베어링 TB 1 ~ TB 7 및 TB 14 ~ TB 19 는 거의 동일한 평균 거칠기 값을 나타내지만, 시험 베어링 TB 14 ~ TB 19 의 수명비는 시험 베어링 TB 1 ~ TB 7 의 수명비와는 대조적으로 작은 값을 나타낸다. 상기로부터, 시험 베어링 TB 1 ~ TB 19 중 시험 베어링 TB 1 ~ TB 7 이 시험 베어링 TB 8 ~ TB 19 의 수명보다 긴 수명을 갖는 자동 조심 롤러 베어링을 제공할 수 있는 것으로 평가된다.

시험 베어링 TB 20 과 시험 베어링 TB 22 을 비교하면, 시험 베어링 TB 20 은 시험 베어링 TB 22 와 거의 동일한 평균 거칠기 값 (약 0.1 ㎛) 을 나타내는 반면, 시험 베어링 TB 22 의 수명비는 시험 베어링 TB 20 의 수명비보다 오히려 작은 값을 나타낸다. 이러한 사실로부터, 만일 외륜 궤도면의 평균 거칠기가 0.1 ㎛ 보다 작아진다면 자동 조심 롤러 베어링의 수명은 감소된다고 생각할 수 있다.

시험 베어링 TB 21 과 시험 베어링 TB 23 을 비교하면, 시험 베어링 TB 21 은 시험 베어링 TB 23 과 거의 동일한 평균 거칠기 값 (약 0.5 ㎛) 을 나타내는 반면, 시험 베어링 TB 23 의 수명비는 시험 베어링 TB 21 의 수명비보다 오히려 작은 값을 나타낸다. 이러한 사실로부터, 만일 외륜 궤도면의 평균 거칠기가 0.5 ㎛ 를 초과한다면 자동 조심 롤러 베어링의 수명은 감소된다고 생각할 수 있다.

도 3 은 시험 베어링 TB 1 ~ TB 23 에서 평균 거칠기와 수명비 사이에 관계를 나타내는 도이다. 도 3 에서, (a) 는 측정 조건 2 하에서 외륜 궤도면의 거칠기가 측정될 때 평균 거칠기와 수명비 사이에 관계를 나타내고, (b) 는 측정 조건 3 하에서 외륜 궤도면의 거칠기가 측정될 때 평균 거칠기와 수명비 사이에 관계를 나타낸다.

도 3 으로부터 명백하게, 시험 베어링 TB 1 ~ TB 23 중 시험 베어링 TB 1 ~ TB 7, TB 20 및 TB 21 은 b₁/(B/2) = 0.7 과 b₁/(B/2) = 0.4 의 범위에서 0.1 ㎛ ~ 0.5 ㎛ 의 평균 거칠기를 가지는 반면에, 시험 베어링 TB 8 ~ TB 19, TB 22 및 TB 23 은 b₁/(B/2) = 0.7 과 b₁/(B/2) = 0.4 의 범위에서 0.1 ㎛ ~ 0.5 ㎛ 의 범위를 벗어난 평균 거칠기를 갖는다. 이러한 경우에, 거칠기 측정에서 측정 범위가 b₁/(B/2) = 0.7 과 b₁/(B/2) = 0.4 로 설정된 이유는, 자동 조심 롤러 베어링이 반경 방향 하중 (radial load) 을 받을 때 최대 면압력이 가해지는 위치의 근방은 b₁/(B/2) = 0.4 에 대응하고, 내륜 및 롤러가 축 방향 하중과 모멘트 하중을 받아 기울어질 때 최대 면압력이 가해지는 위치의 근방 또한 b₁/(B/2) = 0.7 에 대응하기 때문이다.

시험 베어링 TB 1 의 외륜 궤도면의 거칠기가 b₁/(B/2) = 0.1 ~0.9 와 측정 길이 l = 0.5 mm 의 조건 하에서 측정될 때 얻어진 측정 결과들은 도 4 에 나타나 있다. 도 4 에서, ◆ 은 외륜의 축 방향 거칠기를 나타내며, ■ 은 외륜의 원주 방향 거칠기를 나타낸다.

도 4 에서 보여지는 바와 같이, 외륜 궤도면의 거칠기가 0.1≤b₁/(B/2)≤0.9 의 측정 조건 하에서 측정될 때, 외륜 궤도면의 축 방향 및 원주 방향 평균 거칠기 (Ra) 는 0.1 ㎛≤Ra≤0.5 ㎛ 내에 있다고 평가된다.

도 5 는 시험 베어링 TB 1 ~ TB 23 의 원주 방향 거칠기와 축 방향 거칠기 사이에 관계를 나타내는 도이다. 도 5 에서 보여지는 바와 같이, 시험 베어링 TB 1 ~ TB 23 중 시험 베어링 TB 1 ~ TB 7, TB 20 및 TB 21 의 평균 거칠기는 축 방향과 원주 방향 모두에서 0.1 ㎛ ~ 0.5 ㎛ 내에 있지만, 시험 베어링 TB 8 ~ TB 19, TB 22 및 TB 23 의 평균 거칠기는 축 방향과 원주 방향 모두에서 0.1 ㎛ ~ 0.5 ㎛ 의 범위에서 벗어나 있다.

상기에 따라, 만일 외륜 궤도면의 축 방향 및 원주 방향 평균 거칠기 (Ra) 가 b₁/(B/2)≤0.9, b₂/(B/2)≤0.9 의 범위 및 0.1 mm ~ 1.0 mm 의 측정 길이에서 0.1 ㎛ ~ 0.5 ㎛ 내로 설정된다면, 박리와 같은 표면 손상 등으로 인해 야기되는 조기 플레이킹을 억제함으로써 수명 연장이 가능한 자동 조심 롤러 베어링을 얻을 수 있다. 더 바람직하게는, 만일 외륜 궤도면의 축 방향 및 원주 방향 평균 거칠기 (Ra) 가 0.2 ㎛ ~ 0.4 ㎛ 내로 설정된다면, 표 1 에 나타나 있는 것처럼 자동 조심 롤러 베어링의 수명은 훨씬 더 연장될 수 있다.

또한, 본 발명의 발명자들은 자동 조심 롤러 베어링의 수명 개선에 대한 연구를 열심히 행하고 있다. 그 결과 본 발명의 발명자들은, 롤러의 회전 슬립을 억제하기 위해서 외륜 궤도면의 거칠기를 크게하여 외륜 궤도면과 롤러 사이의 접촉부에서의 마찰계수가 증가된다면, 자동 조심 롤러 베어링의 수명 개선은 박리를 억제함으로써 이루어질 수 있지만, 외륜 궤도면의 거칠기 곡선의 진폭 (종방향) 파라미터로서 평균 거칠기 (Ra) 값을 단순히 증가시킴으로써 마찰계수를 증가시키는 것으로는 충분하지 않기 때문에 거칠기 곡선의 간격 (횡방향) 파라미터로서 요철의 간격을 감소시키는 것이 중요하다는 결론을 얻어내었다.

더욱 특히, 도 6 에서 보여지는 바와 같이, 거칠기 파라미터 (S) 는

로 정의된다. 여기서, l 은 외륜 궤도면의 거칠기를 나타내는 거칠기 곡선 (C) 의 측정 길이이고, n 은 거칠기 곡선의 거칠기 피크 (peak) 의 갯수이며, Si 는 거칠기 곡선 (C) 의 인접한 피크 사이에 간격이다. 만일 이 거칠기 파라미터 (S) 가 0<S≤20 ㎛ 로 설정된다면, 외륜 궤도면과 롤러 사이 접촉부에서의 마찰계수는 증가되어, 롤러의 슬립이 억제될 수 있다. 따라서, 박리와 같은 표면 손상 등으로 인해 야기되는 조기 플레이킹이 억제되어, 자동 조심 롤러 베어링의 수명 개선이 이루어질 수 있다.

도 7 은 외륜 궤도면의 거칠기 파라미터 (S) 가 큰 경우와 작은 경우에서 외륜 궤도면과 롤러 사이의 접촉 상태를 개략적으로 나타내는 도이다. 도 7 로부터 명백하게, 외륜 궤도면의 거칠기 파라미터 (S) 가 작은 경우에, 롤러와 접촉하는 외륜 궤도면의 거칠기 피크의 수는 거칠기 파라미터 (S) 가 큰 경우보다 오히려 증가된다. 그러므로, 외륜 궤도면과 롤러 사이의 접촉부에서의 마찰계수가 증가되어 롤러의 슬립이 억제된다.

외륜 궤도면의 거칠기 파라미터 (S) 가 클 때와 작을 때 외륜 궤도면과 롤러 사이의 접촉부에서의 마찰계수의 실제 측정 결과가 도 8 에 나타나 있다. 도 8 로부터 명백하게, 평균 거칠기 (Ra) 가 실질적으로 서로 동일한 상황에서, 거칠기 파라미터 (S) 가 더 작아지면 외륜 궤도면과 롤러 사이의 접촉부에서의 마찰계수는 더 커지게 된다. 여기서, 도 8 에서의 마찰계수비는 더 큰 거칠기 파라미터 (S) 를 가지는 마찰계수를 1 로 가정할 때 얻어지는 상대값이다.

도 9 는 외륜 궤도면과 롤러 사이의 접촉부에서의 마찰계수가 외륜 궤도면의 평균 거칠기 (S) 를 증가시킴으로써 증가되는 경우와 외륜 궤도면과 롤러 사이의 접촉부에서의 마찰계수가 외륜 궤도면의 거칠기 파라미터 (S) 를 감소시킴으로써 증가되는 경우에서 윤활 상태를 개략적으로 나타내는 도이다. 도 9 에서 보여 지는 바와 같이, 외륜 궤도면과 롤러 사이의 접촉부에서의 마찰계수가 외륜 궤도면의 평균 거칠기 (S) 를 증가시킴으로써 증가될 때, 윤활 상태는 악화되고 따라서 자동 조심 롤러 베어링의 수명은 단축된다. 그와 반대로, 외륜 궤도면과 롤러 사이의 접촉부에서의 마찰계수가 외륜 궤도면의 거칠기 파라미터 (S) 를 감소시킴으로써 증가된다면, 외륜 궤도면과 롤러 사이의 접촉부에서의 마찰계수가 증가되더라도 오일막 두께에 대한 거칠기의 요철 (오일막 파라미터) 은 변하지 않는다. 따라서, 악화된 윤활 상태로 인하여 자동 조심 롤러 베어링의 수명은 결코 단축되지 않는다.

전술한 효과를 확인하기 위해서, 본 발명의 발명자들은 시험용 베어링으로서 Nippon Seiko K.K. 사가 제조한 자동 조심 롤러 베어링 (모델 번호 : 22211, 외경 : 100 mm, 내경 : 55 mm, 폭 : 25 mm) 을 사용하여 회전수가 1500 min^-1, 시험 하중이 45217 N, 윤활 조건이 VG68 인 시험 조건 하에서 자동 조심 롤러 베어링의 수명 시험을 실시하였고, 또한 수명 시험 이전에 외륜 궤도면의 평균 거칠기 (Ra) 와 거칠기 파라미터 (S) 를 측정하였다.

상기 수명 시험의 시험 결과 및 평균 거칠기 (Ra) 와 거칠기 파라미터 (S) 의 측정 결과는 표 2 에 나타나 있다.

[표 2]

*) 는 플레이킹 없이 시험이 중단된 베어링을 나타냄

(A) : 거칠기 형상의 개략도

(B) : 측정 위치 A

(C) : 측정 위치 B

(D) : 측정 위치 C

(E) : 측정 위치 A, B, C 의 평균값

EMB : 실시형태

C.E : 비교예

표 2 에서, TB 31 ~ TB 37, TB 45 및 TB 46 은 외륜 궤도면이 도 10 (b) 에서 보여지는 거칠기 패턴을 갖는 시험 베어링을 나타낸다 (연삭숫돌의 회전축을 외륜의 중심축과 평행하게 유지한 채로 자동 조심 롤러 베어링의 외륜 궤도면이 연삭된 다음, 외륜의 축 방향으로 연삭숫돌을 회전시킴으로써 그 표면은 슈퍼 피니싱을 받게 된다). 또한, TB 38 ~ TB 44 는 외륜 궤도면이 도 10 (a) 에서 보여지는 거칠기 패턴을 갖는 시험 베어링을 나타낸다 (연삭숫돌의 회전축을 외륜의 중심축과 평행하게 유지한 채로 자동 조심 롤러 베어링의 외륜 궤도면이 연삭된 다음, 외륜의 축 방향으로 연삭숫돌을 회전시킴으로써 그 표면은 슈퍼 피니싱을 받게 된다). 또한, 표 2 에서 평균 거칠기 (Ra) 와 거칠기 파라미터 (S) 는 도 11 에 도시되어 있는 위치에서 측정된 값에 대응한다. 여기서, 도 11 에서, 측정 위치 A 와 C 는 내륜과 롤러가 축 방향 하중과 모멘트 하중의 작용으로 기울어질 때 최대 면압력이 가해지는 위치이고, 측정 위치 B 는 베어링이 순수 반경 방향 하중만을 받을 때 최대 면압력이 가해지는 위치이다. 또한, 표 2 에서 수명비는 가장 짧은 수명을 갖는 비교예 5 에서의 값을 1 로 가정할 때 얻어지는 상대값이다. 수명 시험은 15.O 의 수명비로 끝났다.

표 2 에서의 거칠기 파라미터 (S) 와 수명비 사이의 관계가 도 12 에 나타나 있다. 도 12 에 보여지는 바와 같이, 외륜 궤도면의 평균 거칠기 (Ra) 는 실시형태 1 ~ 9 와 비교예 1 ~ 7 에서 0.25 ~ 0.40 ㎛ 내에 있지만, 비교예 1 ~ 7 은 실시형태 1 ~ 9 보다 더 짧은 수명을 갖는다. 이것은 외륜 궤도면의 거칠기 파라미터 (S) 가 실시형태 1 ~ 9 에서는 20 ㎛ 인 반면에, 비교예 1 에서는 20 ㎛ 를 초과하기 때문이다.

상기로부터 명백하게, 식 (1) 으로 정의된 거칠기 파라미터 (S) 가 0<S≤20 ㎛ 로 설정되기 때문에, 외륜 궤도면과 롤러 사이의 접촉부에서의 마찰계수는 증가되어, 롤러의 슬립이 억제될 수 있다. 따라서, 박리와 같은 표면 손상 등으로 인해 야기되는 조기 플레이킹을 억제함으로써 자동 조심 롤러 베어링의 수명 개선이 이루어질 수 있다. Ra 값이 0.1 ㎛ ~ 0.5 ㎛ 내에 있고 S 의 값이 20 ㎛ 이하라면 외륜의 거칠기의 만족스러운 결과를 얻을 수 있다. 더 바람직하게는, S 의 값이 15 ㎛ 이하로 설정된다면, 표 2 에 나타난 바와 같이 자동 조심 롤러 베어링의 수명은 훨씬 더 연장될 수 있다. 또한, 외륜 궤도면과 롤러 사이의 접촉부에서 안정되고 큰 마찰계수를 얻기 위해서는, 원주 방향 및 축 방향 평균 거칠기 (Ra) 가 0.25 ~ 0.4 ㎛ 로 설정되는 것은 바람직하다. 또한, 연삭숫돌의 최소 입자 크기 등을 생각한다면, S 의 하한치는 약 0.01 ㎛ 로 생각할 수 있다.

다음으로는, 도 13 ~ 도 19 를 참조하여 본 발명의 제 2 실시형태를 설명할 것이다.

도 13 은 본 발명의 제 2 실시형태에 따른 자동 조심 롤러 베어링의 축 방향 단면도이다. 도 13 의 본 발명의 제 2 실시형태에 따른 자동 조심 롤러 베어링에서는, 구름 요소로서 복렬 볼록형 롤러 (25) 가 리테이너 (26) 를 통하여 복렬 궤도 (이하, 내륜 궤도면)(22) 를 가지는 내륜 (21) 과 복렬 일체형 구면 궤도 (이 하, 외륜 궤도면)(24) 를 가지는 외륜 (23) 사이에 원주 방향으로 구를 수 있게 배치되어 있다. 내륜 (21) 의 복렬 궤도 (22) 사이에는 안내링 (27) 이 제공되고, 내륜 (21) 의 궤도 직경은 축 방향 양단부에서보다 중심부에서 오히려 크게 되어 있다.

본 발명의 발명자들은 자동 조심 롤러 베어링의 수명 개선에 대한 연구를 열심히 행하고 있다. 그 결과 본 발명의 발명자들은, 상기 자동 조심 롤러 베어링에 특이한 파손이 구름 요소의 기울어짐에 의해 직접적으로 야기되는 것이 아니라 내륜 및 외륜과 구름 요소 사이에 작용하는 접선력에 의해 야기된다는 것을 알아냈다. 그리고 나서, 본 발명의 발명자들은 또한 상기 파손이 시작점으로 역할을 하며 큰 접선력이 작용할 때 내륜의 표면 상에 발생 되어 시작점으로서 역할하는 미소한 소성 유동으로부터 시작되는 플레이킹에 의해 야기된다는 것을 알아내었다. 상기 미소한 소성 유동은 접선력이 작용할 때 표면 근방에서 발생된다. 따라서, 박리 균열의 퍼짐이 촉진될 뿐만 아니라, 최대 전단 응력 위치가 표면에 노출되어, 결국 전단 응력 값을 증가시킨다. 다시 말하면, 접선력은 베어링 수명에 커다란 악영향을 미친다.

또한, 본 발명의 발명자들은, 접선력이 수명에 악영향을 미치는 방향 (구름 방향과 동일한 방향) 과 수명에 거의 영향을 미치지 않는 방향 (구름 방향에 반대 방향) 이 있으며, 접선력이 구름 방향과 동일한 방향으로 작용할 때 균열이 느린 원주 속도측에서 발생되어 진전된다는 사실을 알아내었다.

그러므로, 자동 조심 롤러 베어링의 수명 개선을 이루기 위해서는, 구름 방 향으로 주 파손부인 내륜에 작용하는 접선력을 억제하는 것이 중요하다. 따라서, 본 발명의 발명자들은 접선력을 억제하기 위한 수단으로서 내륜 및 외륜과 구름 요소 사이의 거칠기 균형의 최적화에 초점을 두어 본 발명의 완성에 이르렀다.

구체적으로, (A) : 면압력이 크고, (B) : 구름 요소의 구름 접촉면 및 내륜 궤도면의 거칠기가 크며, (C) : 내륜과 구름 요소 사이의 슬립 (원주속도의 차) 이 큰 경우에, 내륜에 작용하는 접선력은 증가한다.

(A) 에서 면압력은 사용 조건에 따라 거의 결정된다. 그러므로, 내륜에 작용하는 접선력을 억제하기 위해서는, (B) 에 대한 대책으로서 구름 요소의 구름 접촉면 및 내륜 궤도면의 거칠기를 억제하는 방안이나, (C) 에 대한 대책으로서 구름 요소가 순 구름 상태에 가까워지도록 구름 요소의 회전속도를 감소시킴으로써 내륜과 구름 요소 사이의 슬립을 억제하는 방안이 고려될 수 있다.

첫째로, (B) 에서의 수치값의 임계적 의의가 이하에서 상세하게 설명될 것이다.

자동 조심 롤러 베어링에서 내륜과 구름 요소의 표면 거칠기가 접선력에 미치는 영향을 조사하기 위해서, 도 14 에서 보여지는 2개의 실린더 시험용 기계를 사용하여, 지지 샤프트에 고정된 토크계로 마찰 토크를 측정하여 접선력을 측정하였다. 측정 조건은 최대 면압력 P_max = 3.2 Gpa, 슬립율 : 10 %, 및 윤활유 : RO68 로 설정되었다.

자동 조심 롤러 베어링에서 내륜의 원주 속도 및 구름 요소의 원주 속도의 측정 및 계산 결과로서, 구름 요소의 원주 속도는 내륜의 원주 속도를 초과하였다. 그러므로, 구름 요소를 모의 실험하기 위해 사용되는 시험편은 구동측에 고정되고, 내륜을 모의 실험하기 위해 사용되는 시험편은 피동측에 고정되어, 피동측 시험편의 회전 속도는 기어 (기어비 10 : 9) 에 의해 감속된다. 따라서, 구동측 시험편의 회전수는 500 min^- ¹ 로 설정되고, 또한 피동측 시험편의 회전수는 450 min^- ¹ 로 설정된다.

도 15 는 2개의 실린더 시험용 기계로 내륜을 모의 실험하기 위해 사용되는 피동측 시험편의 표면 평균 거칠기를 RaF = 0.1 ㎛ 로 일정하게 유지하면서 구름 요소를 모의 실험하기 위해 사용되는 구동측 시험편의 표면 거칠기가 변하는 경우에 양 시험편에 작용하는 접선력의 크기의 차의 조사 결과를 나타낸다. 도 15 에서, 구동측 시험편의 표면 평균 거칠기 RaD 가 0.05 ㎛ 일 때 얻어진 접선력을 1 로 가정할 때, 접선력은 크기의 비로서 주어진다.

또한, 도 16 은 2개의 실린더 시험용 기계로 구름 요소를 모의 실험하기 위해 사용되는 구동측 시험편의 표면 평균 거칠기를 RaD = 0.05 ㎛ 로 일정하게 유지하면서 내륜을 모의 실험하기 위해 사용되는 피동측 시험편의 표면 거칠기가 변하는 경우에 양 시험편에 작용하는 접선력의 크기의 차의 조사 결과를 나타낸다. 도 16 에서, 피동측 시험편의 표면 평균 거칠기 RaF 가 0.1 ㎛ 일 때 얻어진 접선력을 1 로 가정할 때, 접선력은 크기의 비로서 주어진다.

이러한 경우에, 고탄소 크롬 베어링강 (SUJ2) 이 구동측 및 피동측에 대한 각 시험편의 재료로 사용되었다. 상기 강에 830 ℃ ~ 850 ℃ 로 담금질 (quenching) 을 실시한 다음, 160 ℃ ~ 240 ℃ 로 뜨임 (tempering) 을 실시하였다. 그 결과, 구름 요소를 모의 실험하기 위해 사용된 시험편과 내륜을 모의 실험하기 위해 사용된 피동측 시험편 모두에서 표면 거칠기가 더 크게 증가됨에 따라 접선력은 더 크게 증가되었지만, 구동측 시험편의 표면 평균 거칠기가 RaD≥0.1 ㎛ 이고 피동측 시험편의 표면 평균 거칠기가 RaF≥0.15 ㎛ 으로 되면, 접선력은 빠르게 증가하는 경향을 보였다.

결과적으로, 내륜 궤도면 평균 거칠기가 Ra<0.15 ㎛ 로 설정되고, 구름 요소의 구름 접촉면의 평균 거칠기가 Ra<0.1 ㎛ 로 설정되면 내륜과 구름 요소에 작용하는 접선력을 억제하는 데에 효과적이다. 이 경우, 후술하는 수명 시험 결과로부터 판단하건데, 바람직하게 내륜 궤도면의 평균 거칠기는 Ra<0.1 ㎛ 로 설정되어야 하고, 구름 요소의 구름 접촉면의 평균 거칠기는 Ra<0.05 ㎛ 로 설정되어야 한다. 제조 한계로 인한 하한치로서, 내륜 궤도면의 평균 거칠기는 Ra>0.001 ㎛ 이고 구름 요소의 구름 접촉면의 평균 거칠기는 Ra>0.001 ㎛ 이다.

다음으로, (C) 에서, 내륜 및 구름 요소에 작용하는 접선력을 억제하기 위한 또 다른 대책으로서 구름 요소가 순수 구름 상태에 가까워지도록 구름 요소의 회전속도를 감소시킴으로써 내륜과 구름 요소 사이의 슬립을 억제하는 방안이 아래에서 설명될 것이다.

구름 요소의 자전 속도를 억제하는 특별한 방안으로서, 본 발명의 발명자들은 외륜 궤도면의 표면 거칠기를 거칠게 하는 방식에 초점을 두었다. 이 방안 의 설명도는 도 17 및 도 18 에서 각각 개략적으로 나타나 있다.

도 17 및 도 18 은 구름 요소가 하중 작용 범위 및 하중 비작용 범위에서 각각 외륜으로부터 받는 접선력의 방향을 나타낸다. 보통, 하중부하권에서는 구름 요소의 자전속도는 구름 요소의 공전 속도보다 더 빨라진다. 따라서, 도 17 에서 보여지는 바와 같이, 외륜과 구름 요소 사이에 작용하는 접선력은 구름 요소의 자전 속도를 억제하는 방향으로 작용한다.

그와 반대로, 무부하권에서는 구름 요소의 자전 속도는 공전 속도보다 더 느려진다. 따라서, 도 18 에서 보여지는 바와 같이, 외륜과 구름 요소 사이에 작용하는 접선력은 구름 요소의 자전 속도를 높이는 방향으로 작용한다. 다시 말하면, 도 15 및 도 16 에서 2개의 실린더 시험의 결과로부터 명백하듯이, 외륜 궤도면의 표면 거칠기가 증가될 때, 외륜과 구름 요소 사이에 작용하는 접선력이 증가될 수 있고, 따라서 내륜과 구름 요소 사이의 슬립은 구름 요소의 자전을 제어함으로써 억제될 수 있다.

특히, 균열이 진행되는 하중 부하권에서, 구름 요소는 자전 속도를 억제하는 방향으로 외륜으로부터 접선력을 받고, 또한 내륜과 구름 요소 사이의 속도차 (슬립) 에 의해 발생되는 접선력을 억제한다. 결과적으로, 내륜의 균열에 대하여 수명이 연장될 수 있다.

도 15 및 도 16 에서 보여지는 2개의 실린더 시험의 결과로부터 판단해 보면, 수명 개선에 효과적인 외륜 궤도면의 평균 거칠기의 범위로서 외륜 궤도면의 평균 거칠기가 Ra≥0.1 ㎛ 로 설정된다면, 외륜과 구름 요소 사이에 작용하는 접선력은 증가될 수 있어서 자전 속도는 억제될 수 있다. 만일 외륜 궤도면의 평균 거칠기가 증가된다면, 내륜의 균열은 억제될 수 있지만 큰 접선력이 외륜에 당연히 가해지게 된다. 그러므로, 외륜 궤도면의 평균 거칠기가 너무 크게 설정된다면, 이 때는 외륜이 파손된다. 후술하겠지만, 만일 외륜 궤도면의 평균 거칠기가 Ra>0.5 ㎛ 로 된다면, 반대로 외륜의 파손으로 인해 수명이 단축된다.

결과적으로, 외륜에 플레이킹이 발생되지 않을 정도로 외륜 궤도면의 평균 거칠기를 0.1 ㎛≤Ra≤0.5 ㎛ 로 설정함으로써 외륜 및 구름 요소에 작용하는 접선력이 증가된다면, 구름 요소의 자전 속도는 억제될 수 있고, 또한 내륜 및 구름 요소에 작용하는 접선력도 억제될 수 있어서, 결국 자동 조심 롤러 베어링의 수명 개선이 이루어질 수 있다.

본 발명의 효과를 확인하기 위해서, 본 발명의 발명자들은 다음과 같은 실험을 수행하였다. 그 실험에서는, 자동 조심 롤러 베어링으로서는 모델 번호 22211 인 것이 사용되었다. 고탄소 크롬 베어링강 (SUJ2) 은 내,외륜 및 구름 요소로서 사용되었으며, 상기 열처리가 실시되었다. 구름 요소의 구름 접촉면의 평균 거칠기 Ra<0.1 ㎛, 내륜 궤도면의 평균 거칠기 Ra<0.15 ㎛, 및 외륜 궤도면의 평균 거칠기 0.1 ㎛≤Ra≤0.5 ㎛ 를 모두 만족시키는 자동 조심 롤러 베어링이 본 발명의 실시형태로 사용된 반면, 상기 평균 거칠기 중 하나 이상을 만족시키지 못하는 자동 조심 롤러 베어링은 비교예로 사용되었다. 그리고 나서, 수명 비교 시험이 수행되었다.

시험 조건은 다음과 같이 주어진다.

회전수 : 1500 min^-1

시험 하중 : 45217 N

윤활 조건 : RO68

시험 결과는 표 3 에 나타나 있다. 수명은 수명이 가장 짧은 비교예 1 에서의 값이 1 로 가정될 때 얻어진 비로서 나타나 있다. 도 19 는 표 3 의 결과에 기초하여 본 발명의 실시형태와 비교예의 수명을 요약하여 나타내는 그래프이다.

[표 3]

*)(A) : 외륜 (O.R) 의 평균 거칠기

(B) : 내륜 (I.R) 의 평균 거칠기

(C) : 구름 요소 (R.E) 의 평균 거칠기

C.E : 비교예

표 3 으로부터 명백하게, 비교예 2 와 같이, 만일 구름 요소의 구름 접촉면 의 평균 거칠기가 단지 Ra<0.1 ㎛ 로 억제된다해도, 외륜, 내륜 및 구름 요소의 거칠기가 본 발명의 범위를 벗어난 비교예 1 보다 약 3배 더 긴 수명 연장 효과를 얻을 수 있다. 또한, 비교예 3 과 4 와 같이, 내륜 궤도면의 평균 거칠기가 Ra<0.15 에서 억제된다면, 비교예 1 보다 약 5배 더 긴 수명이 얻어질 수 있다. 대조적으로, 본 발명의 실시형태 1 ~ 8 과 같이, 구름 요소의 구름 접촉면의 평균 거칠기 및 내륜 궤도면의 평균 거칠기가 Ra<0.1 ㎛ 및 Ra<0.15 ㎛ 로 각각 억제될 뿐만 아니라 외륜 궤도면의 평균 거칠기가 0.1 ㎛≤Ra≤0.5 ㎛ 로 설정된다면, 비교예 1 보다 10배 이상 긴 수명 연장이 이루어질 수 있다.

다시 말하면, 이들 결과는, 내륜과 구름 요소 사이에 작용하는 접선력을 억제하기 위해 구름 요소의 구름 접촉면 및 내륜 궤도면의 표면 거칠기를 감소시킴으로써 수명이 연장될 수 있고, 또한 하중 부하권에서 구름 요소의 회전 운동을 억제하고 또한 내륜에 작용하는 접선력을 더욱 감소시키기 위해 외륜 궤도면의 표면 거칠기를 증가시킴으로써 본 발명의 범위를 벗어난 베어링보다 오히려 10배 이상 수명이 연장될 수 있다는 사실을 나타내고 있다.

그러나, 표 3 의 비교예 4 와 같이, 만일 외륜 궤도면의 평균 거칠기가 Ra>0.5 ㎛ 처럼 과도하게 크게 설정된다면, 내륜의 플레이킹은 억제되지만 반대로 외륜의 플레이킹이 발생되기 때문에 베어링 수명 연장 효과는 얻어질 수 없다. 그러므로, 외륜 궤도면의 평균 거칠기는 Ra≤0.5 ㎛ 로 억제되어야 한다.

다음으로는, 본 발명의 제 3 실시형태가 도 20 ~ 도 22 를 참조하여 설명될 것이다.

도 20 은 본 발명의 제 3 실시형태에 따른 자동 조심 롤러 베어링을 나타내는 종단면도이다. 도 20 에서, 본 발명의 제 3 실시형태에 따른 자동 조심 롤러 베어링은 복렬 궤도 (또한, 이하 "내륜 궤도면" 이라고 함)(32a) 를 가지는 내륜 (31), 복렬 일체형 구면 궤도 (또한, 이하 "외륜 궤도면" 이라고 함)(34a) 를 가지는 외륜 (33), 복렬로 내륜 궤도면 (32a) 과 외륜 궤도면 (34a) 사이에 배열되는 다수의 롤러 (35), 및 롤러 (35) 를 구를 수 있게 지지하는 리테이너 (36) 로 구성된다.

내륜 궤도면 (32a) 및 외륜 궤도면 (34a) 에서, 중심부의 직경 (d3, d4) 은 양 단부의 직경 (d1, d2) 보다 더 크게 설정된다. 리테이너 (36) 의 형태는 도시된 예에 국한되지 않고 다른 형태로 가능하다. 그러나, 폭 방향 양 단면 (36a) 은 내륜 궤도면 (32a) 의 양 단부와 간극 (S) 을 통해 대향하고 있다.

본 발명의 발명자들은, 롤러의 구름 운동을 안정화하기 위해서 외륜 궤도면의 표면 거칠기가 내륜 궤도면의 표면 거칠기보다 더 크게 형성되는 경우, 단지 평균 거칠기에 관해서 외륜 궤도면이 내륜 궤도면보다 더 거칠게 하고 또한 내륜 궤도면 및 외륜 궤도면에서 표면 거칠기의 변동을 고려하는 것이, 베어링의 운전 동안에 롤러와 내륜 사이 및 롤러와 외륜 사이의 접촉부에서 발생되는 마찰력의 변동을 감소시킴으로써 마찰력의 변동으로 인해 발생되는 접촉면 상의 미소 슬립을 억제하는데 효과적이라는 사실을 명백히 하고 있다. 또한, 본 발명의 발명자들은, 최대 면피로를 받는 부분이 상기 변동에 대하여 내륜 및 외륜 궤도면의 표면 거칠기 사이의 관계를 최적화함으로써 내륜 및 외륜에서 구름 요소로 이동될 수 있 기 때문에, 수명 개선은 박리에 저항력이 있는 롤러 재료 및 열처리 조건을 선정함으로써 이루어질 수 있다는 사실을 명백히 하고 있다.

더욱 특히, 본 발명은 내륜 궤도면 (32a) 및 외륜 궤도면 (34a) 의 표면 거칠기가 조절 (Rao/Rai≥1.5, Rao : 외륜 궤도면에서 중심선의 거칠기 범위의 하한치, Rai : 내륜 궤도면에서 중심선의 거칠기 범위의 상한치) 되어야 하고, 구름 요소 (35) 와 궤도륜 (31, 33) 사이의 잔류 오스테나이트량의 차를 조절 (γR (구름 요소) - γR (궤도륜)≥3 %) 하는 특징적 구성을 갖는다.

특징적 구성에 대해서만 설명할 것이고, 다른 구성, 예컨대 내륜 (31), 외륜 (33), 롤러 (35), 리테이너 (36) 등의 설명은 본 발명에서 생략할 것이다. 그러나, 이들 구성은 본 발명의 범위 내에서 적절하게 설계 변경될 수 있다.

본 발명에서는, 내륜 궤도면 (32a) 및 외륜 궤도면 (34a) 의 중심선 평균 거칠기가 내륜 (31) 및 외륜 (33) 의 원주면 상의 둘 이상의 다른 위치에서 각각 측정된 다음, 표준 편차 (σ) 가 평균값에 기초하여 계산되었고, 그리고 나서 ±3σ 가 상기 평균값에 대해 계산되었을 때 얻어지는 거칠기가 본 발명의 "거칠기 범위" 로 사용되었다.

내륜 궤도면 (32a) 및 외륜 궤도면 (34a) 의 거칠기 범위에서, 내륜 궤도면 (32a) 의 거칠기 범위의 상한치는 Rai 로 나타내고, 외륜 궤도면 (34a) 의 거칠기 범위의 하한치는 Rao 로 나타낸다. 거칠기 범위 사이의 관계와 Rao 및 Rai 는 도 21 에 개략적으로 나타나 있다.

본 발명에서, 외륜 궤도면 (34a) 의 거칠기 범위의 하한치 (Rao) 와 내륜 궤도면 (32a) 의 거칠기 범위의 상한치 (Rai) 를 거칠기 범위의 관점에서 본다면, 외륜 궤도면 (34a) 과 내륜 궤도면 (32a) 사이의 거칠기의 차가 최대한 작아지고, 즉 외륜 (33) 과 롤러 (35) 사이 및 내륜 (31) 과 롤러 (35) 사이의 마찰력의 차가 최소로 되기 때문에, 외륜 궤도면 (34a) 을 거칠게 함으로써 발생되는 효과는 최소한의 상태로 된다.

또한, 거칠기의 변동이 매우 큰 경우에, 외륜 궤도면 (34a) 의 거칠기의 평균치가 내륜 궤도면 (32a) 의 거칠기의 평균치보다 더 크더라도, Rao 와 Rai 을 서로 비교할 때 두 평균치는 서로 거의 동일 (도 20 의 비교예 a) 하거나, 경우에 따라서는 Rai 가 Rao 보다 더 거칠게 될 것 (도 20 의 비교예 b) 이라고 추정할 수 있다. 그러한 경우에, 본래 외륜 (33) 과 롤러 (35) 사이의 마찰력은 내륜 (31) 과 롤러 (35) 사이의 마찰력보다 더 크게 되어야 함에도 불구하고, 특정 부분에서는 내륜 (31) 과 롤러 (35) 사이의 마찰력이 더 커지게 되는 반대되는 현상이 발생한다. 따라서, 마찰력은 롤러 (35) 의 공전 동안에 크게 변한다. 결과적으로, 롤러 (35) 의 자전/공전 (rotation/revolution) 은 불안정하게 되어, 내륜 (31) 과 롤러 (35) 사이의 접촉부에 미소 슬립이 발생하게 되고, 그래서 박리와 같은 표면 피로가 일어나게 된다.

대조적으로, 본 발명의 실시형태에서, 외륜 궤도면 (34a) 의 거칠기 범위의 하한치 (Rao) 에 대한 내륜 궤도면 (32a) 의 거칠기 범위의 상한치 (Rai) 의 비가 1.5 이상으로 설정되는 조건 하에서, 외륜 궤도면 (34a) 의 거칠기가 내륜 궤도면 (32a) 의 거칠기보다 큰 상태는 베어링 내부의 평균 거칠기 뿐만 아니라 베어링 내 부에서의 거칠기의 변동을 고려함으로써 항상 잔류될 수 있다. 도 21 에서 보여지는 바와 같이, 본 발명에서는 비 Rao/Rai = 2.5 가 사용된다.

따라서, 베어링의 운전 동안 롤러 (35) 와 궤도륜 (31, 33) 사이의 마찰력은 크게 변하지 않는다. 그러므로, 미소 영역에서는 슬립이 발생하기 어렵고 따라서 내륜 (31) 상에 박리와 같은 표면 손상등이 억제될 수 있다.

보통 사용되는 강 (SUJ2) 이 롤러 (35) 의 재료로서 사용되는 경우에, 궤도륜 (31, 33) 의 열처리와는 달리, 만일 담글질 후에 실행되는 뜨임이 고온의 뜨임 대신에 160 ℃ ~ 220 ℃ 의 저온 범위에서 실시된다면, 경도는 Hv 700 이상으로 될 수 있으며, 잔류 오스테나이트량 (γR) 은 부피비로 3 % ~ 12 % 의 범위로 유지될 수 있다. 이러한 구성으로, 롤러는 박리에 대해 상당한 저항력을 지니게 된다.

또한, SUJ2 로 만들어진 롤러가 사용되는 경우에, 만일 마르스트레싱 (marstressing) 으로 대표되는 탄질화처리 (carbonitriding process) 가 실시된다면, 질소가 기재중에 고용되기 때문에 잔류 오스테나이트량 (γR) 은 증가되고, 또한 고용 질소의 효과로 박리의 발생이 더욱 억제될 수 있다. 또한, 잔류 오스테나이트량 (γR) 이 3 % 이상으로 유지된다면, 구름 요소 (35) 의 경도는 반드시 내륜 (31) 및 외륜 (33) 의 경도보다 더 커지기 때문에, 상기 처리는 박리 손상에 대하여 더욱 효과적이다. 마이크로 비커스 경도 (micro Vickers hardness) 로 경도차가 Hv 30 이상으로 설정되는 것이 바람직하다.

본 발명의 효과를 확인하기 위해서, 실시형태 1 ~ 12 및 비교예 1 ~ 7 의 각 베어링에 수명 시험이 수행되었으며, L10 수명에 기초하여 수명이 평가된 실시형태 를 설명할 것이다. 그 시험 결과는 표 4 에 나타나 있다.

여기서, 시험 조건은 다음과 같다.

"시험 조건"

회전수 : 25 s^-1 (1500 rpm)

시험 하중 : 45217 N

윤활 조건 : 강제 순환 오일 (VG68)

베어링 사양 : 자동 조심 롤러 베어링 (모델 번호 22211)

내륜, 외륜 및 롤러의 재료로서, SUJ2 (고탄소 크롬 베어링강) 이 각각 사용되었다. 또한, 내륜, 외륜 및 롤러 각각에 적용된 열처리는 다음과 같다.

<내륜 및 외륜>

830 ℃ ~ 850 ℃ 담금질 220 ℃ ~ 240 ℃ × 2시간 뜨임

<롤러>

① 830 ℃ ~ 850 ℃ 담금질 160 ℃ ~ 260 ℃ × 2시간 뜨임

② 820 ℃ ~ 840 ℃ 에서 탄질화 처리한 다음 담금질

160 ℃ ~ 200 ℃ × 2시간 뜨임

내륜 및 외륜의 거칠기, 구름 요소의 경도, 및 잔류 오스테나이트량은 표 4 에 나타나 있다.

내륜 및 외륜 궤도면의 거칠기에 관하여, 중심선 거칠기가 세 위치에서 측정되어, 거칠기 범위가 표준 편차 (σ) 에 기초하여 계산된 다음, Rao 및 Rai 가 계 산되었다.

[표 4]

*)(A) : 롤러 풀림 (뜨임) (℃)

(B) : 외륜 중심선 상의 평균 거칠기 값

(C) : 외륜 3σ

(D) : 내륜 중심선 상의 평균 거칠기 값

(E) : 내륜 3σ

(F) : 외륜 거칠기 범위의 하한치 (Rao)

(G) : 내륜 거칠기 범위의 상한치 (Rai)

(H) : 구름 요소 경도

(I) : 내륜 경도

(J) : 구름 요소의 잔류 오스테나이트량 (부피 %)

(K) : 내륜의 잔류 오스테나이트량 (부피 %)

(L) : L10 수명비

EMB : 실시형태

C.E : 비교예

또한, 도 22 는 내륜, 외륜 및 롤러의 열처리 조건이 일정하게 유지되는 동안에 비 Rao/Rai 와 수명비 사이에 관계를 나타내는 도이다. "수명비" 는 상기 시험 조건 하에서 계산된 수명이 1 로 가정될 때 얻어지는 비를 나타낸다.

표 4 에 따르면, 비교예 1 ~ 7 에서 Rao/Rai 값이 0.18 ~ 2.55 의 범위에 있는 반면, 실시형태 1 ~ 12 에서 Rao/Rai 값이 1.51 ~ 4.38 의 범위에 있다. 또한, 비교예 1 ~ 7 에서는 γR (구름 요소) - γR (궤도륜) 이 0 ~ 3 부피% 의 범위에 있는 반면, 실시형태 1 ~ 12 에서는 γR (구름 요소) - γR (궤도륜) 이 3 부피% ~ 9.1 부피% 의 범위에 있다.

그리고, 비교예 1 ~ 7 에서 L10 수명비가 1 ~ 1.3 의 범위에 있는 반면, 실시형태 1 ~ 12 에서는 L10 수명비가 1.5 ~ 2.2 의 범위에 있고, 결국 수명이 짧다는 것을 알수 있다.

내륜 및 외륜의 거칠기 사이의 관계를 볼 경우에, 도 22 에서 보여지는 바와 같이, 실시형태 1 ~ 12 에서처럼 상기 Rao/Rai 값이 1.5 이상일 때 수명 연장 효과 가 두드러진다고 평가된다.

비교예 3 ~ 7 처럼 Rao/Rai 값이 1.5 보다 작다면, 외륜과 롤러 사이의 마찰력의 크기는 불충분하기 때문에, 롤러의 구름 운동은 불안정하게 된다. 결과적으로, 내륜과 궤도륜 사이의 접촉부에 슬립이 발생되어 박리가 야기되기 때문에 수명이 단축된다. 대조적으로, 실시형태 1 ~ 12 에서처럼 Rao/Rai 값이 1.5 보다 크다면, 박리와 같은 표면 손상등이 내륜에 야기되지 않기 때문에 수명은 연장될 것이라고 생각된다.

그러므로, 본 발명에서는, Rao/Rai 값이 1.5 이상으로 설정된다. 또한, Rao/Rai 값이 실시형태 12 처럼 매우 크게 설정된다면, 표과는 포화 상태가 된다. 그러므로, Rao/Rai 값이 2.0 이상, 3.5 이하로 설정되는 것이 바람직하다.

특히, 외륜 궤도면의 표면 거칠기가 현저히 거칠게 설정되고 불충분한 오일막이 형성된다면, 박리와 같은 표면 손상 등이 발생하기 쉽다. 따라서, 외륜 궤도면의 평균 거칠기의 절대값의 상한이 0.4 ㎛ Ra 로 설정되는 것이 바람직하다.

또한, 표 4 에서, 본 발명의 실시형태에서, 구름 요소의 경도가 외륜 및 내륜의 경도보다 크게 설정되고, 구름 요소의 잔류 오스테나이트량의 차가 3 % 이상으로 설정되며, Rao/Rai 값은 1.5 이상으로 설정된다. 따라서, 피로가 롤러로 전이할 때에도 그 롤러는 표면 손상에 저항하는 재료 사양 (material specification) 을 만족시킬 수 있기 때문에, 베어링의 수명은 더욱 연장될 수 있다.

또한, 실시형태 12 처럼, 탄질화처리가 롤러에 실시될 경우에, 질소의 고용 으로 인해 잔류 오스테나이트량은 증가될 수 있으며, 높은 경도를 잔류할 수 있다. 따라서, 특히 수명 연장 효과는 크게될 수 있다.

비교예 1 및 2 에서, Rao/Rai 값은 1.5 이상으로 설정되지만, 궤도륜에서처럼 고온 뜨임 처리를 롤러에 실시함으로써 궤도륜과 구름 요소의 경도는 실질적으로 서로 동일하며, 또한 잔류 오스테나이트량이 거의 0% 이기 때문에 궤도륜과 구름 요소 사이에 잔류 오스테나이트량의 차는 없다. 이러한 경우에, 상기와 같이, 외륜 궤도면의 표면 거칠기가 거칠어지기 때문에, 표면 피로가 발생되는 위치는 내륜에서 롤러로 전이하지만, 표면 손상이 롤러에 발생되어 박리를 야기한다. 따라서, 베어링의 수명은 단축된다.

특별한 실시형태들을 참조하여 본 발명을 상세하게 설명하였다. 그러나 본 발명의 요지와 범위를 벗어나지 않으면서 다양한 변경과 수정을 적용할 수 있음은 당업자에게는 명백하다.

또한, 본 발명은 각각의 실시형태를 조합하여 적용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 자동 조심 롤러 베어링은 제 1 실시형태의 일부를 제 2 실시형태 및/또는 제 3 실시형태의 일부와 조합함으로써 구성될 수 있거나, 제 2 실시형태의 일부를 제 3 실시형태의 일부와 조합함으로써 구성될 수 있다.

특별한 예로서, 제 1 실시형태의 자동 조심 롤러 베어링에 있어서, 구름 요소의 구름 접촉면의 평균 거칠기는 Ra<0.1 ㎛ 로 설정될 수 있고, 내륜 궤도면의 평균 거칠기는 Ra<0.15 ㎛ 로 설정될 수 있으며, 또한 내륜 궤도면의 중심선 거칠기 범위의 상한치 (Rai) 및 외륜 궤도면의 중심선 거칠기 범위의 하한치 (Rao) 는 부등식 Rao/Rai≥1.5 를 만족시키도록 설정될 수 있고, 구름 요소와 궤도륜 사이의 잔류 오스테나이트량 (γR) 의 차는 부피비로 3% 이상으로 설정될 수 있다. 또한, 제 1 실시형태 또는 제 2 실시형태의 자동 조심 롤러 베어링에 있어서, 내륜 궤도면의 중심선 거칠기 범위의 상한치 (Rai) 및 외륜 궤도면의 중심선 거칠기 범위의 하한치 (Rao) 는 부등식 Rao/Rai≥1.5 를 만족시키도록 설정될 수 있고, 구름 요소와 궤도륜 사이의 잔류 오스테나이트량 (γR) 의 차는 부피비로 3% 이상으로 설정될 수 있다. 또한, 제 2 실시형태 또는 제 3 실시형태의 자동 조심 롤러 베어링에 있어서, 외륜 궤도면은 외륜의 중심축과 평행하게 연삭숫돌의 회전축을 유지하면서 연삭가공 된 다음, 외륜의 축 방향을 따라 연삭숫돌을 회전시키면서 슈퍼 피니싱을 받을 수 있다.

Claims

구름 요소로서 복렬 롤러가 내륜과 외륜 사이에서 원주 방향으로 구를 수 있게 배치되는 자동 조심 롤러 베어링에 있어서,

외륜의 내주면에 형성된 외륜 궤도면의 거칠기가 내륜의 외주면에 형성된 내륜 궤도면의 거칠기보다 더 크게 되어 있고,

외륜 궤도면의 평균 거칠기 (Ra) 가 축 방향 및 원주 방향으로 0.1 ㎛≤Ra≤0.5 ㎛ 으로 설정되며,

n 은 외륜 궤도면의 거칠기를 나타내는 거칠기 곡선의 거칠기 피크 (peaks) 의 개수이고, S_i 는 거칠기 곡선의 이웃하는 피크들 사이의 간격이라고 할 때,

으로 정의되는 거칠기 파라미터 (S) 가 0<S≤20㎛ 으로 설정되는 것을 특징으로 하는 자동 조심 롤러 베어링.
구름 요소로서 복렬 롤러가 내륜과 외륜 사이에서 원주 방향으로 구를 수 있게 배치되는 자동 조심 롤러 베어링에 있어서,

외륜의 내주면에 형성된 외륜 궤도면의 거칠기가 내륜의 외주면에 형성된 내륜 궤도면의 거칠기보다 더 크게 되어 있고,

외륜 궤도면의 평균 거칠기 (Ra) 가 축 방향 및 원주 방향으로 0.1 ㎛≤Ra≤0.5 ㎛ 으로 설정되며, 구름 요소의 구름 접촉면의 평균 거칠기가 Ra<0.1 ㎛ 로 설정되고, 내륜 궤도면의 평균 거칠기는 Ra<0.15 ㎛ 로 설정되는 것을 특징으로 하는 자동 조심 롤러 베어링.
구름 요소로서 복렬 롤러가 내륜과 외륜 사이에서 원주 방향으로 구를 수 있게 배치되는 자동 조심 롤러 베어링에 있어서,

외륜의 내주면에 형성된 외륜 궤도면의 거칠기가 내륜의 외주면에 형성된 내륜 궤도면의 거칠기보다 더 크게 되어 있고,

Rai 가 내륜 궤도면의 중심선 거칠기 범위의 상한치이고 Rao 가 외륜 궤도면의 중심선 거칠기 범위의 하한치일 때 부등식 Rao/Rai≥1.5 이 만족되며, 구름 요소와 내륜 및 외륜 중 적어도 어느 하나 사이에 잔류 오스테나이트량 (γR) 의 차가 부피비로 3% 이상으로 설정되는 것을 특징으로 하는 자동 조심 롤러 베어링.
제 1 항에 있어서, 구름 요소의 구름 접촉면의 평균 거칠기가 Ra<0.1 ㎛ 로 설정되고, 내륜 궤도면의 평균 거칠기가 Ra<0.15 ㎛ 로 설정되는 것을 특징으로 하는 자동 조심 롤러 베어링.
제 1 항에 있어서, Rai 가 내륜 궤도면의 중심선 거칠기 범위의 상한치이고 Rao 가 외륜 궤도면의 중심선 거칠기 범위의 하한치일 때 부등식 Rao/Rai≥1.5 이 만족되며, 구름 요소와 내륜 및 외륜 중 적어도 어느 하나 사이에 잔류 오스테나이트량 (γR) 의 차가 부피비로 3% 이상으로 설정되는 것을 특징으로 하는 자동 조심 롤러 베어링.
제 2 항에 있어서, Rai 가 내륜 궤도면의 중심선 거칠기 범위의 상한치이고 Rao 가 외륜 궤도면의 중심선 거칠기 범위의 하한치일 때 부등식 Rao/Rai≥1.5 이 만족되며, 구름 요소와 내륜 및 외륜 중 적어도 어느 하나 사이에 잔류 오스테나이트량 (γR) 의 차가 부피비로 3% 이상으로 설정되는 것을 특징으로 하는 자동 조심 롤러 베어링.
제 4 항에 있어서, Rai 가 내륜 궤도면의 중심선 거칠기 범위의 상한치이고 Rao 가 외륜 궤도면의 중심선 거칠기 범위의 하한치일 때 부등식 Rao/Rai≥1.5 이 만족되며, 구름 요소와 내륜 및 외륜 중 적어도 어느 하나 사이에 잔류 오스테나이트량 (γR) 의 차가 부피비로 3% 이상으로 설정되는 것을 특징으로 하는 자동 조심 롤러 베어링.
제 1 항에 있어서, B 는 외륜의 폭이고, b₁, b₂ 는 각각 외륜의 양단부면으로부터 떨어진 거리라고 할 때, b₁/(B/2)≤0.9, b₂/(B/2)≤0.9 의 범위 및 0.1mm ~ 1.0mm 의 측정 길이에서 외륜 궤도면의 평균 거칠기 (Ra) 가 축 방향 및 원주 방향으로 0.1㎛≤Ra≤0.5㎛ 으로 설정되고, 거칠기 파라미터 (S) 는 0<S≤20㎛ 으로 설정되는 것을 특징으로 하는 자동 조심 롤러 베어링.
제 1 항에 있어서, 외륜 궤도면은 서로 교차하는 가공흔 (machining traces) 을 가지며, 이 가공흔은 슈퍼 피니싱에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 자동 조심 롤러 베어링.
제 2 항에 있어서, 외륜 궤도면은 서로 교차하는 가공흔 (machining traces) 을 가지며, 이 가공흔은 슈퍼 피니싱에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 자동 조심 롤러 베어링.
제 3 항에 있어서, 외륜 궤도면은 서로 교차하는 가공흔 (machining traces) 을 가지며, 이 가공흔은 슈퍼 피니싱에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 자동 조심 롤러 베어링.