JP2005308207A - 自動調心ころ軸受 - Google Patents

Abstract

【課題】 内輪軌道面に微小塑性流動が発生するのを抑制して、安定した長寿命化を達成する。
【解決手段】 内輪１と外輪２との間に転動体としての複列のころ３が周方向に転動可能に配設された自動調心ころ軸受であって、転動体３の転動面の平均粗さをＲａ＜０．１μｍ、内輪１の軌道面１１の平均粗さをＲａ＜０．１５μｍ、外輪２の軌道面２１の平均粗さを０．１μｍ≦Ｒａ≦０．５μｍとする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、例えば一般産業機械、工作機械、振動篩、鉄鋼用、二輪車エンジン等に使用される自動調心ころ軸受の長寿命化に関する。

自動調心ころ軸受は、取付け誤差や衝撃荷重により外輪や内輪が傾斜しても転動体の接触状態は変化しないため、異常荷重の発生を防止できるとともに、ラジアル負荷能力を大きくとることができる利点がある。そのため、自動調心ころ軸受は、製紙機械用の各種ロールネック軸受、車両用軸受や各種産業用軸受等としても広く利用されている。
ところで、油膜が十分に形成されたクリーンな環境下において通常の玉軸受や円筒ころ軸受は材料中に含まれる非金属介在物を起点として、疲労き裂が発生、進展する内部起点型破壊で破損する。従って、玉軸受や円筒ころ軸受においては材料の清浄度を増すことによって長寿命化を図ることができる。

しかし、自動調心ころ軸受は使用条件によっては上記の軸受と異なり、クリーンな環境下で内輪表面に微小な塑性流動が形成され、そこからピーリングクラックが発生、進展してはく離に至る表面起点型の破損を生じる場合があり、材料の清浄度を上げることは自動調心ころ軸受の長寿命化に顕著な効果を示さない。
自動調心ころ軸受においては、外輪軌道面の粗さを内輪軌道面の粗さより粗くすると、寿命が延びることが従来から知られており、例えば、外輪軌道面の粗さを内輪軌道面の粗さより粗くし、スキューを制御して長寿命化を図る事例が開示されている（例えば特許文献１参照）。

寿命が延びる理由としては、外輪を内輪の粗さより粗くすると、転動体が軸受の外側に傾く正のスキューが生じてアキシャル荷重を緩和するためであるとされている。また、転動体が軸受の内側に傾く負のスキューはアキシャル荷重を増幅させるため、軸受寿命には悪影響を及ぼすとされている。
特公昭５７−６１９３３号公報

しかしながら、上記特許文献１においては、単に外輪軌道面の粗さを内輪軌道面の粗さより粗くしただけでは、負のスキューが生じやすくなる場合や、負のスキューが大きくなっても寿命が延びる場合があり、スキューコントロールが寿命延長に決定的な効果があるとは言い難い。
本発明はこのような技術的背景に鑑みてなされたものであり、内輪軌道面に微小塑性流動が発生するのを抑制して、安定した長寿命化を達成することができる自動調心ころ軸受を提供することを目的とする。

本発明者らは鋭意研究を行った結果、上記の自動調心ころ軸受に特有の破損は、転動体のスキューが直接の原因ではなく、内外輪と転動体との間に作用する接線力に起因することを見出し、大きな接線力が作用した場合に内輪の表面に発生する微小な塑性流動を起点としたはく離によって破損が生じるという知見を得た。接線力が作用すると表面近傍に微小塑性流動が生じ、ピーリングクラックの進展を助けるだけでなく、最大せん断応力位置が表面に露出し、せん断応力の値が大きくなる。すなわち、接線力は軸受の寿命に多大な悪影響を及ぼす。

また、寿命に悪影響を及ぼす接線力の方向（転がり方向と同方向）と寿命への影響が小さい接線力の方向（転がり方向と反対方向）があり、転がり方向と同じ方向に接線力が作用する場合（周速が遅い側）にき裂の発生、進展が生じやすくなるという知見を得た。
したがって、自動調心ころ軸受の長寿命化を達成するには、主な破損部位である内輪の転がり方向に作用する接線力を抑制することが重要であり、接線力を抑制する手段として、内外輪および転動体の粗さのバランスを最適化することに着目し、本発明を完成するに至った。

即ち、本発明は、上記目的を達成するために、内輪と外輪との間に転動体としての複列のころが周方向に転動可能に配設された自動調心ころ軸受であって、
前記転動体の転動面の平均粗さをＲａ＜０．１μｍ、前記内輪の軌道面の平均粗さをＲａ＜０．１５μｍ、前記外輪の軌道面の平均粗さを０．１μｍ≦Ｒａ≦０．５μｍとしたことを特徴とする。

ここで、より好ましくは、内輪軌道面における中心線平均粗さ範囲の上限値をＲａｉ、外輪軌道面における中心線平均粗さ範囲の下限値をＲａｏとした場合に、Ｒａｏ／Ｒａｉ≧１．５の関係を満足し、且つ転動体と軌道輪の残留オーステナイト量γ_R の差（γ_R （転動体）−γ_R （軌道輪））を３体積％以上とすることにより、ピーリング等の表面損傷による早期剥離を抑制し、軸受寿命を更に延長することができる。

外輪軌道面の粗さを大きくした場合には内輪軌道面での微小滑りが抑制されて内輪軌道面の表面疲労が低減されるが、一方で転動体が最も表面疲労を受けやすい部位となることから、最も疲労を受けやすい転動体の表面を疲労に強い材料仕様にすることによって軸受寿命をより延長することができる。
このようなピーリング等の表面損傷に対しては、転動体の表面硬さを高くすると同時に残留オーステナイトを残すことが非常に有効である。従って、転動体であるころを軌道輪よりも硬くし、且つ残留オーステナイトを残すことが好ましい。

本発明によれば、自動調心ころ軸受の破損原因となる内輪と転動体に作用する接線力を抑制する目的で、転動体転動面の平均粗さをＲａ＜０．１μｍ、内輪軌道面の平均粗さをＲａ＜０．１５μｍ、外輪軌道面の平均粗さを０．１μｍ≦Ｒａ≦０．５μｍとすることにより、内輪軌道面に微小塑性流動が発生するのを抑制し、安定した長寿命化を達成することができる。

以下、本発明の実施の形態の一例を図を参照して説明する。
図１は本発明の実施の形態の一例である自動調心ころ軸受を説明するための断面図、図２は２円筒試験機の概略図、図３は駆動側試験片の表面粗さと接線力の大きさの比との関係を示すグラフ図、図４は従動側試験片の表面粗さと接線力の大きさの比との関係を示すグラフ図、図５は荷重負荷圏での転動体が外輪から受ける接線力の方向を説明するための説明図、図６は非負荷圏での転動体が外輪から受ける接線力の方向を説明するための説明図、図７は外輪軌道面の粗さパラメータＳを説明するための説明図、図８は表１の寿命比を整理したグラフ図である。

本発明の実施の形態の一例である自動調心ころ軸受は、図１に示すように、複列軌道１１を有する内輪１と複列一体の球面軌道２１を有する外輪２との間に転動体としての複列の球面ころ３が保持器４を介して周方向に転動可能に配設されており、内輪１の複列軌道１１の間には案内輪１２が設けられ、内輪１の軌道径は軸方向の両端部より中央部が大径とされている。
ところで、自動調心ころ軸受の破損において、主に内輪が破損する理由としては、転動体は、通常、焼戻しであるのに対して、内輪は高温焼戻しであるため、内輪は転動体と比較して硬さが低いことや、内輪は外輪と比較して面圧が高く、すべりが大きいため疲労に対して厳しい条件となることが挙げられる。

内輪に働く接線力は、（Ａ）：面圧が大きい場合、（Ｂ）：転動体転動面、内輪軌道面の粗さが大きい場合、（Ｃ）：内輪と転動体との間のすべり（周速の差）が大きい場合に大きくなる。
（Ａ）の面圧は使用条件によってほぼ決定してしまう値であるため、内輪に働く接線力を抑制するには、（Ｂ）の対策として転動体転動面と内輪軌道面の粗さを抑えるか、あるいは（Ｃ）の対策として転動体の自転速度を抑えて内輪と転動体との間のすべりを抑制し、純転がりに近い状態にする方法が考えられる。

まず、（Ｂ）について数値の臨界的意義について詳説する。
自動調心ころ軸受における内輪と転動体の表面粗さが接線力に及ぼす影響を調査するため、図２に示す２円筒試験機を用いて接線力を測定し、接線力は支持軸に取り付けたトルク計で摩擦トルクを測定することにより求めた。測定条件は最大面圧Ｐ_max ＝３．２ＧＰａ、すべり率：１０％、潤滑油：ＲＯ６８とした。

自動調心ころ軸受の内輪の周速、転動体の周速を測定、計算した結果、転動体の周速が内輪の周速を上回っていたため、転動体を摸擬した試験片を駆動側に取り付けると共に、内輪を模擬した試験片を従動側に取り付け、ギヤ（ギヤ比１０：９）により従動側試験片の回転数を減速することで、駆動側試験片の回転数を５００ｍｉｎ^-1、従動側試験片の回転数を４５０ｍｉｎ^-1とした。

図３は２円筒試験機によって内輪を摸擬した従動側試験片の表面平均粗さをＲaF＝０．１μｍと一定にし、転動体を摸擬した駆動側試験片の表面粗さを変えた場合に両試験片間に働く接線力の大きさの違いを調査した結果を示したものである。図３の接線力は駆動側試験片の表面の平均粗さＲaD＝０．０５μｍの場合の接線力を１としたときの比で示してある。

また、図４は２円筒試験機によって転動体を摸擬した駆動側試験片の表面平均粗さをＲaD＝０．０５μｍと一定にし、内輪を摸擬した従動側試験片の表面粗さを変えた場合に両試験片間に働く接線力の大きさの違いを調査した結果を示したものである。図４の接線力は従動側試験片の表面の平均粗さＲaF＝０．１μｍの場合の接線力を１としたときの比で示してある。

なお、駆動側、従動側の各試験片の材質は高炭素クロム鋼（ＳＵＪ２）を用い、８３０〜８５０°Ｃで焼入れた後、１６０〜２４０°Ｃの焼戻しを施した。その結果、転動体を模擬した駆動側試験片、内輪を模擬した従動側試験片ともに表面の粗さが大きいほど接線力は大きくなるが、駆動側試験片の表面の平均粗さがＲaD≧０．１μｍ、従動側試験片の表面の平均粗さがＲaF≧０．１５μｍになると急激に接線力が大きくなる傾向にある。

したがって、内輪と転動体に作用する接線力を抑えるには内輪軌道面の平均粗さをＲａ＜０．１５μｍ、転動体転動面の平均粗さをＲａ＜０．１μｍとすることが効果的であるが、後述する寿命試験結果から判断して、望ましくは内輪軌道面の平均粗さをＲａ＜０．１μｍ、転動体転動面の平均粗さをＲａ＜０．０５μｍとする。下限値は製造上の限界から内輪軌道面の平均粗さをＲａ＞０．００１μｍ、転動体転動面の平均粗さをＲａ＞０．００１μｍとする。

また、内輪と転動体に作用する接線力を抑制する別の手段としては、上記（Ｃ）の転動体の自転速度を抑えて内輪と転動体との間のすべりを抑制し、純転がりに近い状態にすることが挙げられる。
転動体の自転速度を抑える具体的方法として、外輪軌道面の表面粗さを粗くすることに着目し、その説明図を模式的に図５及び図６に示す。

図５及び図６はそれぞれ荷重負荷圈と無負荷圈において転動体が外輪から受ける接線力の方向を示したものである。通常、荷重負荷圈では転動体の自転速度は転動体の公転速度より速くなる。したがって、図５に示すように、外輪と転動体との間に働く接線力は転動体の自転速度を抑制する方向に働く。
一方、非負荷圏では、転動体の自転速度は公転速度より遅くなる。したがって、図６に示すように、外輪と転動体との間に働く接線力は転動体の自転速度を大きくする方向に働く。即ち、外輪軌道面の表面粗さを大きくすると、図３及び図４の２円筒試験の結果からも明らかなように、外輪と転動体との間に働く接線力を大きくし、転動体の自転をコントロールして内輪と転動体と間のすべりを抑えることができる。

特に、破壊が進行する荷重負荷圈において、転動体は外輪から自転速度を抑制する方向に接線力を受けて、内輪と転動体との間の速度差（すべり）によって作用する接線力を抑え、内輪の破損に対して長寿命となる。
長寿命に効果的な外輪軌道面の平均粗さの程度としては、図３及び図４に示した２円筒試験の結果から判断すると、外輪軌道面の平均粗さをＲａ≧０．１μｍとすることで外輪と転動体との間の接線力が大きくなり、自転速度を抑制することが可能であると考えられる。外輪軌道面の平均粗さを大きくすると内輪の破損を抑制することができるが、外輪には当然大きな接線力が作用するため、外輪軌道面の平均粗さを大きくしすぎると今度は外輪が破損することになる。後述するように、外輪軌道面の平均粗さＲａ＞０．５μｍになると外輪破損により逆に短寿命となる。

したがって、外輪軌道面の平均粗さを０．１μｍ≦Ｒａ≦０．５μｍとすることによって、外輪と転動体に働く接線力を外輪はく離が起こらない程度に大きくして転動体の自転速度を抑制し、内輪と転動体に作用する接線力を抑えて自動調心ころ軸受の長寿命化を図ることができる。
また、外輪軌道面の軸方向及び円周方向の平均粗さを軌道面領域で例えば０．５ｍｍの測定長さにて０．１μｍ≦Ｒａ≦０．５μｍに設定することで、転動体と接触する外輪軌道面の全領域において局所的な粗さのばらつきが少なくなり、転動体に対する外輪軌道面の摩擦係数が安定して増大するので、ピーリング等の表面焼損による早期剥離を抑制して寿命の延長を図ることができる。

また、より好ましくは、砥石の回転軸を外輪の中心軸と平行にして外輪軌道面を研削加工した後、砥石を外輪の軸方向に揺動させて外輪軌道面を超仕上げ加工することで、外輪軌道面に生じる研削痕が網目模様となり、これにより、粗さのばらつきが少ない外輪軌道面となるので、軸受寿命をより効果的に延ばすことができる。
更に、より好ましくは、図７を参照して、外輪軌道面の粗さを示す粗さ曲線Ｃの基準長さｌを例えばｌ＝０．５ｍｍとし、山の数をｎとし、粗さ曲線Ｃの隣り合う山間の間隔をＳｉとしたとき、次式（１）で定義される粗さパラメータＳを０＜Ｓ≦２０μｍとすることにより、外輪軌道面と転動体との接触部における摩擦係数が増大して転動体の滑りが抑制され、これにより、ピーリング等の表面損傷による早期剥離を抑制して軸受寿命を延長することができる。

更に、より好ましくは、少なくとも内輪軌道面の粗さ範囲の上限値Ｒａｉと外輪軌道面の粗さ範囲の下限値Ｒａｏとの比（Ｒａｏ／Ｒａｉ）を１．５以上として、平均粗さだけでなく、軸受内部の粗さのばらつきまで考慮することによって、常に内輪軌道面よりも外輪軌道面の粗さが大きい状態を保つことが可能となる。これにより、軸受の回転時に転動体と軌道輪間の摩擦力が大きく変動しないため、微小な領域での滑りが生じにくくなり、内輪軌道面にピーリング等の表面損傷が発生するのを抑制することができる。

ここで、「粗さ範囲」とは、内輪軌道面と外輪軌道面との中心線平均粗さを、内輪、外輪のそれぞれの円周上で異なる２箇所以上で測定して、その平均値に対して標準偏差σを求め、平均値に対して±３σをとったときの粗さを言い、また、内輪軌道面及び外輪軌道面の粗さ範囲において、内輪軌道面における粗さ範囲の上限値をＲａｉ、外輪軌道面における粗さ範囲の下限値をＲａｏとする。

更に、より好ましくは、転動体の材料を通常使用されるＳＵＪ２とした場合には、軌道輪の熱処理とは異なり、高温焼戻し処理を施さずに焼入れ後の焼戻しを低温の１６０〜２２０°Ｃの範囲で行うことによって、硬さＨｖ７００以上で、且つ残留オーステナイト量γ_R を３〜１２体積％の範囲で残存させることができ、これにより、ピーリング等の表面損傷に対して非常に強い転動面を得ることができる。

更に、ＳＵＪ２の転動体を用いた場合には、マルストレッシングに代表される浸炭窒化処理を行うことによって、基地中に窒素が固溶して残留オーステナイト量γ_R が増すと同時に、固溶した窒素の効果によって一層ピーリングの発生を抑制することができる。
転動体の硬さについては、転動体の残留オーステナイト量γ_R と軌道輪の残留オーステナイト量γ_R との差を３体積％以上に保てば、必然的に転動体の方が内外輪よりも硬くなり、一層ピーリング損傷に対しては有効である。転動体と軌道輪との硬さの差は、マイクロビッカース硬度でＨｖ３０以上が好ましい。

本発明の効果を確認するために以下の実験を行った。実験には、自動調心ころ軸受型番２２２１１を用いた。内外輪、転動体は高炭素クロム軸受鋼（ＳＵＪ２）を用い、上述した熱処理を施した。転動体転動面の平均粗さＲａ＜０．１μｍ、内輪軌道面の平均粗さＲａ＜０．１５μｍ、外輪軌道面の平均粗さ０．１μｍ≦Ｒａ≦０．５μｍを満足している自動調心ころ軸受を本発明の実施例とし、上記のいずれかの範囲が満たされていない自動調心ころ軸受を比較例として寿命比較試験を行った。

試験条件は次の通りである。
回転数：１５００ｍｉｎ^-1
試験荷重：４５２１７Ｎ
潤滑条件：ＲＯ６８
表１に試験結果を示す。寿命は最も短寿命であった比較例１の値を１とした比で示してある。図８は表１の結果をもとに、本発明の実施例と比較例の寿命を図にまとめたものである。

表１から明らかなように、比較例２のように、転動体転動面の平均粗さをＲａ＜０．１μｍとするだけでも、外輪、内輪、転動体の粗さが本発明範囲外である比較例１の約３倍の寿命延長効果が得られ、更に、比較例３、４のように、内輪軌道面の平均粗さをＲａ＜０．１５μｍとすることによって、比較例１の約５倍の寿命が得られるが、本発明の実施例１〜８のように、転動体転動面の平均粗さをＲａ＜０．１μｍ、内輪軌道面の平均粗さをＲａ＜０．１５μｍとすることに加えて、外輪軌道面の平均粗さを０．１μｍ≦Ｒａ≦０．５μｍとすることによって比較例１の１０倍以上の寿命延長が達成可能であることが判る。

即ち、この結果は転動体の転動面や内輪軌道面の表面粗さを小さくすることによって、内輪と転動体との間に働く接線力を抑制して寿命は延びるが、さらに外輪軌道面の表面粗さを粗くすることによって荷重負荷圏における転動体の自転運動を抑制し、内輪に働く接線力がさらに小さくなることで本発明範囲外である軸受の１０倍以上寿命が延びたことを示すものである。
但し、表１の比較例４のように外輪軌道面の平均粗さをＲａ＞０．５μｍと粗くしすぎると内輪のはく離は抑制されるが、逆に外輪がはく離して軸受の寿命延長効果は得られないので、外輪軌道面の平均粗さはＲａ≦０．５μｍとする必要がある。

本発明の実施の形態の一例である自動調心ころ軸受を説明するための断面図である。 ２円筒試験機の概略図である。 駆動側試験片の表面粗さと接線力の大きさの比との関係を示すグラフ図である。 従動側試験片の表面粗さと接線力の大きさの比との関係を示すグラフ図である。 荷重負荷圏での転動体が外輪から受ける接線力の方向を説明するための説明図である。 非負荷圏での転動体が外輪から受ける接線力の方向を説明するための説明図である。 外輪軌道面の粗さパラメータＳを説明するための説明図である。 表１の寿命比を整理したグラフ図である。

符号の説明

１ 内輪
２ 外輪
３ 球面ころ（転動体）

Claims (1)

1. 内輪と外輪との間に転動体としての複列のころが周方向に転動可能に配設された自動調心ころ軸受であって、
   前記転動体の転動面の平均粗さをＲａ＜０．１μｍ、前記内輪の軌道面の平均粗さをＲａ＜０．１５μｍ、前記外輪の軌道面の平均粗さを０．１μｍ≦Ｒａ≦０．５μｍとしたことを特徴とする自動調心ころ軸受。

Images