JP2000205275A - 転がり摺動部品 - Google Patents
転がり摺動部品Info
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- JP2000205275A JP2000205275A JP11010975A JP1097599A JP2000205275A JP 2000205275 A JP2000205275 A JP 2000205275A JP 11010975 A JP11010975 A JP 11010975A JP 1097599 A JP1097599 A JP 1097599A JP 2000205275 A JP2000205275 A JP 2000205275A
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- Japan
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- radius
- curvature
- contact
- stress
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- Pending
Links
Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
- F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
- F16C2240/00—Specified values or numerical ranges of parameters; Relations between them
- F16C2240/40—Linear dimensions, e.g. length, radius, thickness, gap
- F16C2240/54—Surface roughness
Landscapes
- Rolling Contact Bearings (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】真実接触面の応力緩和を図ることにより、表面
損傷を低減する。 【解決手段】微視的表面の三次元的な形状及び粗さが応
力の大きさに影響し、粗さ突起頂上曲率半径が小さいと
最大接触応力は大きくなり、曲率半径が大きいと最大接
触応力は小さくなることから、この突起頂上曲率半径
を、当該応力減少の飽和値である９０μｍ以上とした。
また、突起が一方に片寄っているほど小さく、規則性を
持って均一に分布しているほど大きくなる突起分布パラ
メータを用い、応力分布の均一化を狙って突起分布パラ
メータは０．５以上と設定した。一般的な軸受鋼の実用
表面の突起頂上曲率半径は２００μｍ以下、突起分布パ
ラメータは０．８以下なので、夫々の上限値が決定され
る。
損傷を低減する。 【解決手段】微視的表面の三次元的な形状及び粗さが応
力の大きさに影響し、粗さ突起頂上曲率半径が小さいと
最大接触応力は大きくなり、曲率半径が大きいと最大接
触応力は小さくなることから、この突起頂上曲率半径
を、当該応力減少の飽和値である９０μｍ以上とした。
また、突起が一方に片寄っているほど小さく、規則性を
持って均一に分布しているほど大きくなる突起分布パラ
メータを用い、応力分布の均一化を狙って突起分布パラ
メータは０．５以上と設定した。一般的な軸受鋼の実用
表面の突起頂上曲率半径は２００μｍ以下、突起分布パ
ラメータは０．８以下なので、夫々の上限値が決定され
る。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、回転部支持やロー
ラフォロア等に用いられる転がり軸受やボールねじ等の
構成部材であって、特に転動体や、転動体と接する内外
輪軌道面や、外輪外径面のように、互いに相手部材と転
がり接触及び滑り接触の少なくとも何れか一方の接触状
態で使用される転がり軸受の構成部材に好適なものであ
る。
ラフォロア等に用いられる転がり軸受やボールねじ等の
構成部材であって、特に転動体や、転動体と接する内外
輪軌道面や、外輪外径面のように、互いに相手部材と転
がり接触及び滑り接触の少なくとも何れか一方の接触状
態で使用される転がり軸受の構成部材に好適なものであ
る。
【０００２】
【従来の技術】一般の転がり摺動部品の表面は、研削や
超仕上げによって最終加工されるが、使用環境が厳しい
場合には、表面にピーリングが発生したり、剥離寿命が
短くなったりする場合があった。そこで、表面形状の特
徴を定量化し、それを数値限定することで、転がり或い
は滑り接触している部分の早期表面損傷を防ぐ対策が採
られるようになった。その例として、例えば実願平１−
１４６８３９号では、転動体の表面粗さにおいて、軸方
向のＲＭＳ値（ＲＭＳ（Ｌ））と円周方向のＲＭＳ値
（ＲＭＳ（Ｃ））との比ＲＭＳ（Ｌ）／ＲＭＳ（Ｃ）が
１．０以下で、且つスキューネス（Ｓｋ）の値が−１．
６以下とすることにより、プランジャーポンプ用転がり
軸受の表面損傷に効果があるとしている。また、特開平
９−４２２９３号公報では、表面凹部の面積率を規定し
ている。また、ＷＯ９７／１９２７８では表面の中心線
山高さ／中心線谷深さが０．３以下、ＷＯ９７／１９２
７９では表面の減衰山高さ／中心線山高さを０．１以下
と限定した表面が軸受の表面損傷に効果があるとしてい
る。
超仕上げによって最終加工されるが、使用環境が厳しい
場合には、表面にピーリングが発生したり、剥離寿命が
短くなったりする場合があった。そこで、表面形状の特
徴を定量化し、それを数値限定することで、転がり或い
は滑り接触している部分の早期表面損傷を防ぐ対策が採
られるようになった。その例として、例えば実願平１−
１４６８３９号では、転動体の表面粗さにおいて、軸方
向のＲＭＳ値（ＲＭＳ（Ｌ））と円周方向のＲＭＳ値
（ＲＭＳ（Ｃ））との比ＲＭＳ（Ｌ）／ＲＭＳ（Ｃ）が
１．０以下で、且つスキューネス（Ｓｋ）の値が−１．
６以下とすることにより、プランジャーポンプ用転がり
軸受の表面損傷に効果があるとしている。また、特開平
９−４２２９３号公報では、表面凹部の面積率を規定し
ている。また、ＷＯ９７／１９２７８では表面の中心線
山高さ／中心線谷深さが０．３以下、ＷＯ９７／１９２
７９では表面の減衰山高さ／中心線山高さを０．１以下
と限定した表面が軸受の表面損傷に効果があるとしてい
る。
【０００３】また、これら以外にも、表面粗さだけでな
く、表面の材質的なパラメータと組み合わせた例として
は、例えば特開平５−２８８２２１号公報、特開平６−
１２９４３３号公報、特開平６−１２９４３４号公報等
が揚げられる。これらの従来技術では、表面の残留圧縮
応力、硬さ、金属組織と表面粗さパラメータとを組み合
わせることによって転がり軸受の表面損傷に効果がある
としている。また、特願平８−２３２９６４号では、特
定表面粗さを得るための加工法を提案している。
く、表面の材質的なパラメータと組み合わせた例として
は、例えば特開平５−２８８２２１号公報、特開平６−
１２９４３３号公報、特開平６−１２９４３４号公報等
が揚げられる。これらの従来技術では、表面の残留圧縮
応力、硬さ、金属組織と表面粗さパラメータとを組み合
わせることによって転がり軸受の表面損傷に効果がある
としている。また、特願平８−２３２９６４号では、特
定表面粗さを得るための加工法を提案している。
【０００４】これらは、何れも表面形状や表面粗さを改
良して、油膜の形成を良好にするものであるといえる。
良して、油膜の形成を良好にするものであるといえる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記従
来技術に表れる表面粗さパラメータは、二次元評価、つ
まり一直線上のデータのみを用いたものであり、実際の
接触は必ず面接触であることを考えると、適切な評価指
標であるとは言えない。本発明は前記諸問題を解決すべ
く開発されたものであり、単に油膜の形成を良好とする
のではなく、真実接触面の応力緩和を図ることにより、
表面損傷を低減できる転がり摺動部品を提供することを
目的とするものである。
来技術に表れる表面粗さパラメータは、二次元評価、つ
まり一直線上のデータのみを用いたものであり、実際の
接触は必ず面接触であることを考えると、適切な評価指
標であるとは言えない。本発明は前記諸問題を解決すべ
く開発されたものであり、単に油膜の形成を良好とする
のではなく、真実接触面の応力緩和を図ることにより、
表面損傷を低減できる転がり摺動部品を提供することを
目的とするものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】かかる諸問題を解決する
ために、本願発明者等は鋭意検討を重ねた結果、表面を
特定するパラメータは三次元表面粗さ測定における値を
用いることにより、接触部表面全体の特性を表すことが
できることに着目した。また、接触は表面形状の高い順
に始まるので、例えば接触により表面の頂上突起が少し
変形したらすぐに接触面積が広くなるし、同時に真実接
触点の数が増えるので、それらの相乗効果が得られるよ
うな表面とすれば、真実接触部の接触面積を均一に広く
散らばらせることができ、そのようにすれば接触部の面
圧を下げて転がり又は滑り接触部の早期表面損傷を防ぐ
ことができるのではないかと考えた。つまり、表面の頂
上突起の形状や分布を工夫すれば、真実接触部の応力集
中を緩和して表面損傷を抑制できると考えたのである。
ために、本願発明者等は鋭意検討を重ねた結果、表面を
特定するパラメータは三次元表面粗さ測定における値を
用いることにより、接触部表面全体の特性を表すことが
できることに着目した。また、接触は表面形状の高い順
に始まるので、例えば接触により表面の頂上突起が少し
変形したらすぐに接触面積が広くなるし、同時に真実接
触点の数が増えるので、それらの相乗効果が得られるよ
うな表面とすれば、真実接触部の接触面積を均一に広く
散らばらせることができ、そのようにすれば接触部の面
圧を下げて転がり又は滑り接触部の早期表面損傷を防ぐ
ことができるのではないかと考えた。つまり、表面の頂
上突起の形状や分布を工夫すれば、真実接触部の応力集
中を緩和して表面損傷を抑制できると考えたのである。
【０００７】而して、本発明に係る転がり摺動部品は、
互いに転がり接触及び滑り接触の少なくとも何れか一方
の接触状態で使用される転がり軸受等の構成部材であっ
て、接触表面の三次元形状表粗さの頂上突起半径が９０
μｍ以上２００μｍ以下で、且つ突起の平面的配置形態
のランダム性及び規則性を表す突起分布パラメータが
０．５以上０．８以下であることを特徴とするものであ
る。
互いに転がり接触及び滑り接触の少なくとも何れか一方
の接触状態で使用される転がり軸受等の構成部材であっ
て、接触表面の三次元形状表粗さの頂上突起半径が９０
μｍ以上２００μｍ以下で、且つ突起の平面的配置形態
のランダム性及び規則性を表す突起分布パラメータが
０．５以上０．８以下であることを特徴とするものであ
る。
【０００８】即ち、例えば軸受軌道面と転動体との接触
は面接触であり、その接触面に対して直角方向に変位す
るので、個々の粗さの三次元的な形状及び粗さが応力の
大きさに影響し、接触面全体から見ると見かけの接触面
積より真実接触面積は小さいので、その真実接触面での
応力を規定する必要がある。この場合に、頂上突起の曲
率半径が小さいと最大接触応力は大きくなり、曲率半径
が大きいと最大接触応力は小さくなる。軸受などの機械
部品に用いられる鋼の接触面では、一定荷重下で頂上突
起曲率半径を小さくしてゆくと最大接触応力は次第に大
きくなり、約９０μｍでほぼ飽和するので、９０μｍ以
上とした。また、このような軸受鋼の実用表面の突起半
径は２０μｍから２００μｍなので、実質的な突起半径
の範囲は９０μｍ以上２００μｍ以下となる。
は面接触であり、その接触面に対して直角方向に変位す
るので、個々の粗さの三次元的な形状及び粗さが応力の
大きさに影響し、接触面全体から見ると見かけの接触面
積より真実接触面積は小さいので、その真実接触面での
応力を規定する必要がある。この場合に、頂上突起の曲
率半径が小さいと最大接触応力は大きくなり、曲率半径
が大きいと最大接触応力は小さくなる。軸受などの機械
部品に用いられる鋼の接触面では、一定荷重下で頂上突
起曲率半径を小さくしてゆくと最大接触応力は次第に大
きくなり、約９０μｍでほぼ飽和するので、９０μｍ以
上とした。また、このような軸受鋼の実用表面の突起半
径は２０μｍから２００μｍなので、実質的な突起半径
の範囲は９０μｍ以上２００μｍ以下となる。
【０００９】また、この真実接触面積の見かけの面積に
対する突起の分布状態が一方に寄っていると、微視的に
見て突起の少ない箇所では相対的に一個の突起が支持す
る荷重が大きくなり、その部分が集中的に摩耗する。こ
のため、部分的な摩耗が進み、その次は摩耗近辺が再び
集中的に摩耗するということになり、突起が均一に分布
している場合に比して摩耗の進み方が早い。これに対し
て、突起が均一に分布していると、広い範囲の突起が均
等に荷重を支えるので、摩耗の進み方が緩やかになる。
この突起の分布状態を定量的に表現するため、突起分布
パラメータを導入した。この突起分布パラメータは、突
起が一方に片寄っているほど小さく、規則性を持って均
一に分布しているほど大きくなる。このため、一定荷重
下で頂上突起パラメータを大きくしてゆくと摩耗量は徐
々に小さくなり、０．５程度でほぼ飽和するので突起分
布パラメータは０．５以上と設定した。同様に、一般的
な軸受鋼の実用表面の突起分布パラメータは０．３から
０．８なので、実質的な突起分布パラメータは０．５以
上０．８以下となる。
対する突起の分布状態が一方に寄っていると、微視的に
見て突起の少ない箇所では相対的に一個の突起が支持す
る荷重が大きくなり、その部分が集中的に摩耗する。こ
のため、部分的な摩耗が進み、その次は摩耗近辺が再び
集中的に摩耗するということになり、突起が均一に分布
している場合に比して摩耗の進み方が早い。これに対し
て、突起が均一に分布していると、広い範囲の突起が均
等に荷重を支えるので、摩耗の進み方が緩やかになる。
この突起の分布状態を定量的に表現するため、突起分布
パラメータを導入した。この突起分布パラメータは、突
起が一方に片寄っているほど小さく、規則性を持って均
一に分布しているほど大きくなる。このため、一定荷重
下で頂上突起パラメータを大きくしてゆくと摩耗量は徐
々に小さくなり、０．５程度でほぼ飽和するので突起分
布パラメータは０．５以上と設定した。同様に、一般的
な軸受鋼の実用表面の突起分布パラメータは０．３から
０．８なので、実質的な突起分布パラメータは０．５以
上０．８以下となる。
【００１０】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て説明する。図１は表面粗さの三次元測定結果である。
このような三次元表面粗さ測定装置としては、例えば株
式会社東京精密のサーフコム１４００Ａ−３ＤＦや５９
０Ａ−３Ｄ、株式会社ミツトヨのサーフテストＳＶ−９
７００・３Ｄシリーズ等がある。また、円筒面の三次元
表面粗さ測定では、東京工業大学笹島和幸助教授らが装
置を開発している（円筒表面微細形状の三次元測定装置
の開発、トライボロジスト、４２，１（１９９７）６１
−６７）。
て説明する。図１は表面粗さの三次元測定結果である。
このような三次元表面粗さ測定装置としては、例えば株
式会社東京精密のサーフコム１４００Ａ−３ＤＦや５９
０Ａ−３Ｄ、株式会社ミツトヨのサーフテストＳＶ−９
７００・３Ｄシリーズ等がある。また、円筒面の三次元
表面粗さ測定では、東京工業大学笹島和幸助教授らが装
置を開発している（円筒表面微細形状の三次元測定装置
の開発、トライボロジスト、４２，１（１９９７）６１
−６７）。
【００１１】同図ａは旋削加工面、同図ｂは放電加工
面、同図ｃは研削加工面、同図ｄはサンドブラスト加工
面である。このうち、旋削加工面及び研削加工面には方
向性があり、放電加工面及びサンドブラスト加工面には
方向性がないことが分かる。このような場合に方向性の
ある加工面では、二次元測定では方向性によって測定結
果が異なり、更に旋削加工面や研削加工面ではどの方向
に測定したかによって粗さの表示値も異なる。また、粗
さがランダムな放電加工面やサンドブラスト加工面で
も、同じ粗さでの突起数が異なるため、真実接触面積の
接触状態は大きく異なり、微視的な応力状態は全く異な
るものとなる。微視的な接触状態で応力が大きくなれ
ば、その応力のためにピーリングやフレーキング等の表
面損傷が発生し易くなる。このように、従来の粗さ測定
法では不十分であり、三次元測定器を用いて表面形状を
評価する必要がある。この測定法を用いて接触面を評価
した場合に、接触面の損傷に及ぼす応力が最も小さくな
るように粗さを設計することにより、その接触面を有す
る軸受の長寿命化が可能となる。
面、同図ｃは研削加工面、同図ｄはサンドブラスト加工
面である。このうち、旋削加工面及び研削加工面には方
向性があり、放電加工面及びサンドブラスト加工面には
方向性がないことが分かる。このような場合に方向性の
ある加工面では、二次元測定では方向性によって測定結
果が異なり、更に旋削加工面や研削加工面ではどの方向
に測定したかによって粗さの表示値も異なる。また、粗
さがランダムな放電加工面やサンドブラスト加工面で
も、同じ粗さでの突起数が異なるため、真実接触面積の
接触状態は大きく異なり、微視的な応力状態は全く異な
るものとなる。微視的な接触状態で応力が大きくなれ
ば、その応力のためにピーリングやフレーキング等の表
面損傷が発生し易くなる。このように、従来の粗さ測定
法では不十分であり、三次元測定器を用いて表面形状を
評価する必要がある。この測定法を用いて接触面を評価
した場合に、接触面の損傷に及ぼす応力が最も小さくな
るように粗さを設計することにより、その接触面を有す
る軸受の長寿命化が可能となる。
【００１２】図２は、表面の三次元測定における突起の
局部的頂上と曲率半径算出の概略図である。表面を碁盤
の目のようにマトリックス的に測定するので、突起の頂
上は直交する二方向で、隣り合う二点よりも高いことが
必要となる。この条件を満たす点を測定領域全体にわた
って抽出すれば、突起頂点の分布を求めることができ
る。また、曲率半径においては、頂点を中心として前記
数点の情報を用い、最小二乗円を当てはめる計算を各方
向で行い、それを平均することによって求める。即ち、
図２の各測定点では、測定器の分解能にもよるが、例え
ば１μｍ間隔で対象表面の突起高さ（ｚ軸の値）を測定
し、７点法では最も大きな値を中心として両隣３点ずつ
の計７点、９点法では同様に最も大きな値を中心として
両隣４点ずつの計９点の突起高さを採用し、その７点或
いは９点の測定値を用いて最小二乗円を求めることによ
り、ｘ軸方向及びｙ軸方向の曲率半径Ｒｘ、Ｒｙを求め
る。このようにして求めた曲率半径Ｒｘ、Ｒｙを基に、
１個の突起についての粗さ先端突起半径はＲ＝（Ｒｘ＋
Ｒｙ）／２から求まる。対象とする軸受面の平均突起半
径Ｒmeanは個々の先端突起半径Ｒｉとして、ｎ個の測定
値に対し、Ｒmean＝（１／ｎ）ΣＲｉとなる。１μｍ間
隔で測定した場合の測定範囲Ｌｘ、Ｌｙの値は、７点法
では７μｍ、９点法では９μｍとなる。なお、間隔が小
さいほど粗さ情報は多くなるが、測定及び計算時間は長
くなる。加工表面が相手の砥石やメディア接触及び加工
面の結晶状態にも影響されること、及び損傷が問題とな
る表面は一般的には２００μｍ以上の接触幅を有し且つ
１０μｍ以上の弾性変形をすることを考えると、１μｍ
間隔での測定は評価法として実用的である。加工及び突
起先端半径及び突起分布パラメータの値は測定間隔１μ
ｍの７点法で測定した場合の値を基に決定した。
局部的頂上と曲率半径算出の概略図である。表面を碁盤
の目のようにマトリックス的に測定するので、突起の頂
上は直交する二方向で、隣り合う二点よりも高いことが
必要となる。この条件を満たす点を測定領域全体にわた
って抽出すれば、突起頂点の分布を求めることができ
る。また、曲率半径においては、頂点を中心として前記
数点の情報を用い、最小二乗円を当てはめる計算を各方
向で行い、それを平均することによって求める。即ち、
図２の各測定点では、測定器の分解能にもよるが、例え
ば１μｍ間隔で対象表面の突起高さ（ｚ軸の値）を測定
し、７点法では最も大きな値を中心として両隣３点ずつ
の計７点、９点法では同様に最も大きな値を中心として
両隣４点ずつの計９点の突起高さを採用し、その７点或
いは９点の測定値を用いて最小二乗円を求めることによ
り、ｘ軸方向及びｙ軸方向の曲率半径Ｒｘ、Ｒｙを求め
る。このようにして求めた曲率半径Ｒｘ、Ｒｙを基に、
１個の突起についての粗さ先端突起半径はＲ＝（Ｒｘ＋
Ｒｙ）／２から求まる。対象とする軸受面の平均突起半
径Ｒmeanは個々の先端突起半径Ｒｉとして、ｎ個の測定
値に対し、Ｒmean＝（１／ｎ）ΣＲｉとなる。１μｍ間
隔で測定した場合の測定範囲Ｌｘ、Ｌｙの値は、７点法
では７μｍ、９点法では９μｍとなる。なお、間隔が小
さいほど粗さ情報は多くなるが、測定及び計算時間は長
くなる。加工表面が相手の砥石やメディア接触及び加工
面の結晶状態にも影響されること、及び損傷が問題とな
る表面は一般的には２００μｍ以上の接触幅を有し且つ
１０μｍ以上の弾性変形をすることを考えると、１μｍ
間隔での測定は評価法として実用的である。加工及び突
起先端半径及び突起分布パラメータの値は測定間隔１μ
ｍの７点法で測定した場合の値を基に決定した。
【００１３】次に、突起の局部的頂上の分布状態の例と
定量化について、図３を用いて説明する。このような突
起頂上の分布状態を定量化する方法については、定量形
態学の考えを用いて、既に長岡技術科学大学柳和久教授
が提案している（微視的表面凹凸のキャラクタリゼーシ
ョンに関する研究（第１報))。そこでは、拡張点におい
て最も近い頂点との距離ｄmin の平均値ｄmin-ave が頂
点密度ηS の１／２乗に逆比例するとし、その比例係数
ｑ＝ｄmin-ave ×ηS 1/2 を用いて頂点の配置形態を定
量化している。なお、ηS の単位は面積の逆数である。
そこで、このｑを突起分布パラメータとし、頂点が理想
的にランダムに配置されている場合にはｑ＝０．５とな
り、ランダム性が崩れて部分的に密集してくる場合には
ｑは小さくなる。逆に等間隔的な規則性をもっている場
合には、ｑは０．５よりも大きくなる。例えば、１ｍｍ
2 あたりに１００個の突起が存在し、個々の突起の最小
距離の平均値が０．０５ｍｍであれば、突起分布パラメ
ータｑは０．５となり、その面の突起がランダムに配置
している場合に相当する。
定量化について、図３を用いて説明する。このような突
起頂上の分布状態を定量化する方法については、定量形
態学の考えを用いて、既に長岡技術科学大学柳和久教授
が提案している（微視的表面凹凸のキャラクタリゼーシ
ョンに関する研究（第１報))。そこでは、拡張点におい
て最も近い頂点との距離ｄmin の平均値ｄmin-ave が頂
点密度ηS の１／２乗に逆比例するとし、その比例係数
ｑ＝ｄmin-ave ×ηS 1/2 を用いて頂点の配置形態を定
量化している。なお、ηS の単位は面積の逆数である。
そこで、このｑを突起分布パラメータとし、頂点が理想
的にランダムに配置されている場合にはｑ＝０．５とな
り、ランダム性が崩れて部分的に密集してくる場合には
ｑは小さくなる。逆に等間隔的な規則性をもっている場
合には、ｑは０．５よりも大きくなる。例えば、１ｍｍ
2 あたりに１００個の突起が存在し、個々の突起の最小
距離の平均値が０．０５ｍｍであれば、突起分布パラメ
ータｑは０．５となり、その面の突起がランダムに配置
している場合に相当する。
【００１４】次に、図４には本実施形態の実施例と比較
例の接触圧力分布の計算結果を示す。ここでは、接触す
るもう一方の表面は平滑面と仮定して、Multi-Level Mu
lti-Integration 法（通称MLMI法）を応用して計算し
た。なお、MLMI法については、下記の文献などに詳細が
記されているのでここでは言及しない。 (1) West,m.A.and Sayles,R.S.; A 3-dimensional Meth
od of Studying 3-bodyContact Geometry and Stress o
n Real Rough Surfaces,Proc.14th Leeds-LyonSymp.Tri
bol. (2) Ju,Y.J.and Zheng,L.; A Full Numerical Solution
for the Elastic Contact of Three-dimensional Real
Rough Surfaces,Wear,157(1992),151-161. 図４ａは、本実施形態の実施例であり、所謂２段バレ
ル、即ち粗バレルの後に仕上げバレルを行った三次元粗
さ測定結果であり、図４ｂは前述のMLMI法による接触圧
力分布の計算結果である。この実施例の突起曲率半径Ｒ
＝約１００μｍであり、突起分布パラメータｑ＝０．５
５である。一方、図４ｃは、研削仕上げのままの比較例
の三次元粗さ測定結果であり、図４ｄはその接触圧力分
布の計算結果である。この比較例の突起曲率半径Ｒ＝約
６０μｍであり、突起分布パラメータｑ＝０．４であ
る。前記実施例では、バレル加工により加工目の方向性
が小さくなり、どの方向に対して先端突起曲率半径が大
きくなるのに対し、比較例では加工目方向の曲率半径は
大きいが、その直交方向の曲率半径が小さいので、三次
元評価した曲率半径が小さくなる。また、突起分布パラ
メータｑについても、実施例では方向性が小さくなって
突起分布パラメータｑの値も大きくなるが、比較例では
加工目の方向性が表れるので突起分布に偏りが表れて突
起分布パラメータｑの値も小さくなる。
例の接触圧力分布の計算結果を示す。ここでは、接触す
るもう一方の表面は平滑面と仮定して、Multi-Level Mu
lti-Integration 法（通称MLMI法）を応用して計算し
た。なお、MLMI法については、下記の文献などに詳細が
記されているのでここでは言及しない。 (1) West,m.A.and Sayles,R.S.; A 3-dimensional Meth
od of Studying 3-bodyContact Geometry and Stress o
n Real Rough Surfaces,Proc.14th Leeds-LyonSymp.Tri
bol. (2) Ju,Y.J.and Zheng,L.; A Full Numerical Solution
for the Elastic Contact of Three-dimensional Real
Rough Surfaces,Wear,157(1992),151-161. 図４ａは、本実施形態の実施例であり、所謂２段バレ
ル、即ち粗バレルの後に仕上げバレルを行った三次元粗
さ測定結果であり、図４ｂは前述のMLMI法による接触圧
力分布の計算結果である。この実施例の突起曲率半径Ｒ
＝約１００μｍであり、突起分布パラメータｑ＝０．５
５である。一方、図４ｃは、研削仕上げのままの比較例
の三次元粗さ測定結果であり、図４ｄはその接触圧力分
布の計算結果である。この比較例の突起曲率半径Ｒ＝約
６０μｍであり、突起分布パラメータｑ＝０．４であ
る。前記実施例では、バレル加工により加工目の方向性
が小さくなり、どの方向に対して先端突起曲率半径が大
きくなるのに対し、比較例では加工目方向の曲率半径は
大きいが、その直交方向の曲率半径が小さいので、三次
元評価した曲率半径が小さくなる。また、突起分布パラ
メータｑについても、実施例では方向性が小さくなって
突起分布パラメータｑの値も大きくなるが、比較例では
加工目の方向性が表れるので突起分布に偏りが表れて突
起分布パラメータｑの値も小さくなる。
【００１５】ここで、従来通りのヘルツの弾性接触面圧
計算式を用いて計算した巨視的な平均面圧は、実施例も
比較例も１ＧＰａであるにも関わらず、個々の接触点で
の微視的な圧力分布は大きく異なっている。即ち、前記
実施例の表面形状では個々の接触点の突起がならされて
且つ突起分布がランダムになっているので最大面圧が小
さいのに対し、比較例の表面形状は接触点の突起が尖っ
ており、突起分布に方向性があって最大接触面圧が大き
い。特に、比較例は加工目に沿って粗さが大きいところ
の面圧が大きくなっているのが特徴であり、実施例では
突起分布パラメータｑを０．５以上として突起分布を均
等にすることにより、個々の突起にかかる荷重を均一に
して絶対値を小さくすることができ、更に突起頂上の曲
率半径Ｒを９０μｍ以上とすることにより応力集中係数
を小さくしている。
計算式を用いて計算した巨視的な平均面圧は、実施例も
比較例も１ＧＰａであるにも関わらず、個々の接触点で
の微視的な圧力分布は大きく異なっている。即ち、前記
実施例の表面形状では個々の接触点の突起がならされて
且つ突起分布がランダムになっているので最大面圧が小
さいのに対し、比較例の表面形状は接触点の突起が尖っ
ており、突起分布に方向性があって最大接触面圧が大き
い。特に、比較例は加工目に沿って粗さが大きいところ
の面圧が大きくなっているのが特徴であり、実施例では
突起分布パラメータｑを０．５以上として突起分布を均
等にすることにより、個々の突起にかかる荷重を均一に
して絶対値を小さくすることができ、更に突起頂上の曲
率半径Ｒを９０μｍ以上とすることにより応力集中係数
を小さくしている。
【００１６】次に、前記図４ａの実施例の計算結果を基
に、突起分布パラメータｑ＝０．５５，ヘルツの面圧計
算式を用いて計算した巨視的な平均面圧は同一のまま、
突起曲率半径を変えて最大接触面圧を計算した結果を図
５ａに示す。ここでは、突起曲率半径が１５μｍの場合
を１として相対値で表している。この図から、頂上突起
の曲率半径が小さいと最大応力は大きくなり、曲率半径
が大きいと最大接触面圧は小さくなる。この最大応力変
化は漸減する傾向が見られ、約９０μｍで飽和する。な
お、この結果は前記図４ａの実施例について先端の突起
半径だけを幾何学的に変化させた計算値であるが、実際
の加工面の突起半径は最も小さい研削面で約２０μｍ、
最も大きい約５時間程度の長時間バレル面で約２００μ
ｍであり、本実施形態の先端突起半径は９０μｍ以上２
００μｍ以下となる。
に、突起分布パラメータｑ＝０．５５，ヘルツの面圧計
算式を用いて計算した巨視的な平均面圧は同一のまま、
突起曲率半径を変えて最大接触面圧を計算した結果を図
５ａに示す。ここでは、突起曲率半径が１５μｍの場合
を１として相対値で表している。この図から、頂上突起
の曲率半径が小さいと最大応力は大きくなり、曲率半径
が大きいと最大接触面圧は小さくなる。この最大応力変
化は漸減する傾向が見られ、約９０μｍで飽和する。な
お、この結果は前記図４ａの実施例について先端の突起
半径だけを幾何学的に変化させた計算値であるが、実際
の加工面の突起半径は最も小さい研削面で約２０μｍ、
最も大きい約５時間程度の長時間バレル面で約２００μ
ｍであり、本実施形態の先端突起半径は９０μｍ以上２
００μｍ以下となる。
【００１７】次に、突起分布パラメータｑの摩耗への影
響を検討した。摩耗を論理的に検討したものとして「ト
ライボロジー概論」（木村・岡部著、養賢堂、１９８５
年第３版発行）のｐ１９８に下記１式が記載されてい
る。
響を検討した。摩耗を論理的に検討したものとして「ト
ライボロジー概論」（木村・岡部著、養賢堂、１９８５
年第３版発行）のｐ１９８に下記１式が記載されてい
る。
【００１８】
【数１】
【００１９】式中のηは二次元の場合の突起の線密度を
表すので、この１式のηに三次元的表記の面密度ηS の
関数である突起分布パラメータｑを適用して摩耗量が相
対的にどう変わるかを試算すると図５ｂのような結果が
得られる。この図は突起分布パラメータｑ＝０．１のと
きの摩耗量を１として、その相対値で示してある。この
図から突起分布パラメータｑが大きくなるほど摩耗量が
小さくなり、ランダムな分布状況である突起分布パラメ
ータｑ＝０．５でほぼ飽和する。このことから、突起分
布パラメータｑは０．５以上とする必要がある。また、
実用表面はｑ＝０．３〜０．８なので、本実施形態では
突起分布パラメータｑは０．５以上０．８以下とした。
表すので、この１式のηに三次元的表記の面密度ηS の
関数である突起分布パラメータｑを適用して摩耗量が相
対的にどう変わるかを試算すると図５ｂのような結果が
得られる。この図は突起分布パラメータｑ＝０．１のと
きの摩耗量を１として、その相対値で示してある。この
図から突起分布パラメータｑが大きくなるほど摩耗量が
小さくなり、ランダムな分布状況である突起分布パラメ
ータｑ＝０．５でほぼ飽和する。このことから、突起分
布パラメータｑは０．５以上とする必要がある。また、
実用表面はｑ＝０．３〜０．８なので、本実施形態では
突起分布パラメータｑは０．５以上０．８以下とした。
【００２０】次に、前記図４及び図５の計算結果を基
に、本実施形態の実施例及び比較例の表面を有するリン
グ試験片を試作し、特開平５−２８８２５７号公報に記
載される図６の試験装置及び試験法に従って寿命試験を
行った。その結果を図７及び表１に示す。図７の○は目
標耐久時間４００ｈを満足したこと、×はこれを満足し
なかったことを示す。これらの結果から、本実施形態の
実施例の試験片は全て目標耐久時間の４００時間を満足
したが、比較例の試験片は４００時間以前にピーリング
やフレーキングが発生し、目標耐久時間に達しなかっ
た。このことから、図５ａの突起曲率半径Ｒを９０μｍ
以上とすること及び図５ｂの突起分布パラメータｑを
０．５以上とすることにより、接触面の応力緩和を図る
ことができ、ピーリングやフレーキングを防止して長寿
命化が可能となる。なお、表１中の表面の形成法につい
て以下に説明する。
に、本実施形態の実施例及び比較例の表面を有するリン
グ試験片を試作し、特開平５−２８８２５７号公報に記
載される図６の試験装置及び試験法に従って寿命試験を
行った。その結果を図７及び表１に示す。図７の○は目
標耐久時間４００ｈを満足したこと、×はこれを満足し
なかったことを示す。これらの結果から、本実施形態の
実施例の試験片は全て目標耐久時間の４００時間を満足
したが、比較例の試験片は４００時間以前にピーリング
やフレーキングが発生し、目標耐久時間に達しなかっ
た。このことから、図５ａの突起曲率半径Ｒを９０μｍ
以上とすること及び図５ｂの突起分布パラメータｑを
０．５以上とすることにより、接触面の応力緩和を図る
ことができ、ピーリングやフレーキングを防止して長寿
命化が可能となる。なお、表１中の表面の形成法につい
て以下に説明する。
【００２１】
【表１】
【００２２】(1) ２段バレル……粗バレル→仕上げバ
レル 一辺約１５ｍｍの正三角形のメディアを用いて加工時間
約１時間の粗バレルを行い、次に約φ４ｍｍのセラミッ
クス球と３／１６”（φ４．７ｍｍ）軸受鋼球を８：２
の割合で混合したメディアを用いて加工時間約１時間の
仕上げバレルを行う。表１の比較例３，４に示すよう
に、単なる１段バレルでは本実施形態の表面は得られな
い。粗バレルではメディアが大きいので、表面を再加工
して突起先端曲率半径が小さく且つ粗さ分布も偏った表
面となることがあり、仕上げバレルのみだと突起先端曲
率半径が十分に丸くならないことがある。また、２段バ
レルでも、加工時間の組み合わせ、粗バレルと仕上げバ
レルのメディアの選択、それぞれの加工時間とその組み
合わせ、バレル液等の加工条件の設定などが不適切だと
本実施形態の表面は得られない。また、比較例５は粗バ
レルの時間が短い場合であり、バレル加工前の加工目の
方向性が残ったため、突起分布パラメータが小さく、比
較例６は仕上げバレルが短い場合であり、粗バレルの加
工目からの突起先端曲率半径及び突起分布パラメータが
あまり大きくならなかった例である。
レル 一辺約１５ｍｍの正三角形のメディアを用いて加工時間
約１時間の粗バレルを行い、次に約φ４ｍｍのセラミッ
クス球と３／１６”（φ４．７ｍｍ）軸受鋼球を８：２
の割合で混合したメディアを用いて加工時間約１時間の
仕上げバレルを行う。表１の比較例３，４に示すよう
に、単なる１段バレルでは本実施形態の表面は得られな
い。粗バレルではメディアが大きいので、表面を再加工
して突起先端曲率半径が小さく且つ粗さ分布も偏った表
面となることがあり、仕上げバレルのみだと突起先端曲
率半径が十分に丸くならないことがある。また、２段バ
レルでも、加工時間の組み合わせ、粗バレルと仕上げバ
レルのメディアの選択、それぞれの加工時間とその組み
合わせ、バレル液等の加工条件の設定などが不適切だと
本実施形態の表面は得られない。また、比較例５は粗バ
レルの時間が短い場合であり、バレル加工前の加工目の
方向性が残ったため、突起分布パラメータが小さく、比
較例６は仕上げバレルが短い場合であり、粗バレルの加
工目からの突起先端曲率半径及び突起分布パラメータが
あまり大きくならなかった例である。
【００２３】(2) ２段精密ショット……粗い粒体→丸
いビーズ 粗い粒体は平均粒径が３０〜８０μｍ、平均硬さＨＲＣ
６１のショット粒（例えば鋼球）を用いて第１ショット
ピーニングを施し、その後、第１ショットより比重が小
さい材質の平均粒径５０μｍ以下の丸いショット粒（例
えばガラスビーズ及びセラミックスビーズ等）を用いて
第２ショットピーニングを行う。
いビーズ 粗い粒体は平均粒径が３０〜８０μｍ、平均硬さＨＲＣ
６１のショット粒（例えば鋼球）を用いて第１ショット
ピーニングを施し、その後、第１ショットより比重が小
さい材質の平均粒径５０μｍ以下の丸いショット粒（例
えばガラスビーズ及びセラミックスビーズ等）を用いて
第２ショットピーニングを行う。
【００２４】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の転がり摺
動部品によれば、接触表面の三次元形状表粗さの頂上突
起半径が９０μｍ以上２００μｍ以下で、且つ突起の平
面的配置形態のランダム性及び規則性を表す突起分布パ
ラメータが０．５以上０．８以下であることとしたた
め、真実接触面の応力緩和を図ることができ、ピーリン
グやフレーキング等の表面損傷を低減できる。また、転
がり軸受だけでなく、ボールねじ等、あらゆる転がり摺
動部品にも適用することができる。
動部品によれば、接触表面の三次元形状表粗さの頂上突
起半径が９０μｍ以上２００μｍ以下で、且つ突起の平
面的配置形態のランダム性及び規則性を表す突起分布パ
ラメータが０．５以上０．８以下であることとしたた
め、真実接触面の応力緩和を図ることができ、ピーリン
グやフレーキング等の表面損傷を低減できる。また、転
がり軸受だけでなく、ボールねじ等、あらゆる転がり摺
動部品にも適用することができる。
【図１】種々の加工面の三次元表面粗さの説明図であ
る。
る。
【図２】突起頂点曲率半径の説明図である。
【図３】突起頂点の配置と突起分布パラメータとの関係
を示す説明図である。
を示す説明図である。
【図４】三次元表面粗さと接触面圧との関係を示す説明
図である。
図である。
【図５】突起頂点曲率半径と接触圧力との関係及び突起
分布パラメータと摩耗量との関係を示す説明図である。
分布パラメータと摩耗量との関係を示す説明図である。
【図６】転がり軸受寿命試験装置の説明図である。
【図７】突起頂点曲率半径及び突起分布パラメータによ
る寿命分布の説明図である。
る寿命分布の説明図である。
Claims (1)
- 【請求項１】 互いに転がり接触及び滑り接触の少なく
とも何れか一方の接触状態で使用される転がり摺動部の
構成部材であって、接触表面の三次元形状表粗さの頂上
突起半径が９０μｍ以上２００μｍ以下で、且つ突起の
平面的配置形態のランダム性及び規則性を表す突起分布
パラメータが０．５以上０．８以下であることを特徴と
する転がり摺動部品。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11010975A JP2000205275A (ja) | 1999-01-19 | 1999-01-19 | 転がり摺動部品 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11010975A JP2000205275A (ja) | 1999-01-19 | 1999-01-19 | 転がり摺動部品 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2000205275A true JP2000205275A (ja) | 2000-07-25 |
| JP2000205275A5 JP2000205275A5 (ja) | 2006-03-23 |
Family
ID=11765171
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP11010975A Pending JP2000205275A (ja) | 1999-01-19 | 1999-01-19 | 転がり摺動部品 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2000205275A (ja) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP1344953A3 (en) * | 2002-03-13 | 2004-08-25 | Koyo Seiko Co., Ltd. | Roller bearing |
| US6893372B2 (en) | 2002-06-18 | 2005-05-17 | Koyo Seiko Co., Ltd. | Roller bearing, transmission using the same and differential gear |
| JPWO2007013422A1 (ja) * | 2005-07-27 | 2009-02-05 | Thk株式会社 | 運動案内装置の製造方法、およびこの方法を用いて製造される運動案内装置 |
| JP2010169182A (ja) * | 2009-01-22 | 2010-08-05 | Nsk Ltd | ころ軸受 |
| JP2018152033A (ja) * | 2017-03-09 | 2018-09-27 | 株式会社豊田中央研究所 | 演算装置 |
-
1999
- 1999-01-19 JP JP11010975A patent/JP2000205275A/ja active Pending
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP1344953A3 (en) * | 2002-03-13 | 2004-08-25 | Koyo Seiko Co., Ltd. | Roller bearing |
| US6893372B2 (en) | 2002-06-18 | 2005-05-17 | Koyo Seiko Co., Ltd. | Roller bearing, transmission using the same and differential gear |
| JPWO2007013422A1 (ja) * | 2005-07-27 | 2009-02-05 | Thk株式会社 | 運動案内装置の製造方法、およびこの方法を用いて製造される運動案内装置 |
| JP2010169182A (ja) * | 2009-01-22 | 2010-08-05 | Nsk Ltd | ころ軸受 |
| JP2018152033A (ja) * | 2017-03-09 | 2018-09-27 | 株式会社豊田中央研究所 | 演算装置 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20060118 |
|
| A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20060125 |
|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20080609 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20090120 |
|
| A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20090311 |
|
| A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20090623 |