JP2006105323A

JP2006105323A - 玉軸受

Info

Publication number: JP2006105323A
Application number: JP2004295087A
Authority: JP
Inventors: Masayuki Nozaki; 昌之野崎; Yoichi Inaoka; 陽一稲岡
Original assignee: NTN Corp; NTN Toyo Bearing Co Ltd
Current assignee: NTN Corp
Priority date: 2004-10-07
Filing date: 2004-10-07
Publication date: 2006-04-20

Abstract

【課題】玉軸受の玉や軌道輪の摩耗や焼付きを防止し、許容アキシアル荷重を増大することである。
【解決手段】玉３と内外輪１、２とを耐熱用高炭素クロムモリブデン鋼Ｍ５０で形成して、素材の耐摩耗性を高めるとともに、玉３の表面に微小な凹部を無数にランダムに形成することにより、玉３と内外輪１、２との接触界面に十分な油膜が形成されるようにして、玉３のすべり速度が大きくなっても玉３や内外輪１、２の摩耗や焼付きを防止して、許容アキシアル荷重を増大できるようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は、玉軸受に関し、特に、アキシアル荷重を受けるものに好適な玉軸受に関する。

内外輪の各軌道輪の軌道面間に複数の玉を介在させた玉軸受には、各軌道輪の軌道面が、各玉と１点ずつで接触するように、単一の周回円弧面で形成された深溝玉軸受やアンギュラ玉軸受等の２点接触玉軸受と、少なくとも一方の軌道輪の軌道面が、各玉と２点で接触するように、複数の周回面で形成された３点接触玉軸受や４点接触玉軸受とがある（例えば、特許文献１参照）。

深溝玉軸受やアンギュラ玉軸受も、ラジアル荷重のほかにアキシアル荷重も受けることができるが、３点接触玉軸受や４点接触玉軸受は、単列で両方向のアキシアル荷重を受けることができ、コンパクトな設計が可能でラジアル荷重も受けることができるので、ジェットエンジン等のガスタービンエンジンの主軸のように、作動条件によって前向きと後向きの両方向に大きなアキシアル荷重を受ける回転軸の軸受に多く用いられている。

特開平１１−２１０７６６号公報

上述したアキシアル荷重を受ける各種の玉軸受では、大きなアキシアル荷重が負荷されると、転動体としての玉のすべり速度が大きくなり、玉や軌道輪の表面に摩耗や焼付きが発生する。この玉のすべり速度は、初期接触角度を有するアンギュラコンタクト玉軸受でより大きくなる。

近年、ジェットエンジン等の高出力化により、その主軸に負荷されるアキシアル荷重は増大する傾向があり、従来の玉や軌道輪をＳＵＪ２等の高炭素クロム軸受鋼で形成した玉軸受では、摩耗の進行が早くなるとともに、焼付きも発生しやすくなって、使用に耐えないものとなっている。

そこで、本発明の課題は、玉軸受の玉や軌道輪の摩耗や焼付きを防止し、許容アキシアル荷重を増大することである。

上記の課題を解決するために、本発明は、内外輪の各軌道輪の軌道面間に、これらの軌道面と転動接触する複数の玉を介在させた玉軸受において、前記玉と各軌道輪とを耐熱用高炭素クロムモリブデン鋼Ｍ５０で形成し、これらのうちの少なくとも玉の表面に微小な凹部を無数にランダムに形成した構成を採用した。

すなわち、玉と各軌道輪とを耐熱用高炭素クロムモリブデン鋼Ｍ５０で形成して、素材の耐摩耗性を高めるとともに、これらのうちの少なくとも玉の表面に微小な凹部を無数にランダムに形成することにより、玉と各軌道輪との接触界面に十分な油膜が形成されるようにして、玉のすべり速度が大きくなっても玉や軌道輪の摩耗や焼付きを防止し、許容アキシアル荷重を増大できるようにした。

境界潤滑条件下での接触部の油膜形成を対象としたこれまでの研究によって、図４に示すように、転がり接触部材の表面に微小な凹部５１を無数にランダムに形成すると、図中に矢印で示すように、接触部５２を迂回する流体（潤滑剤）が、凹部５１で流量を増加して接触部５２の接触界面を通過することが、マイクロＥＨＬ(elasto-hydrodynamic lubrication)理論によってモデル化されている。したがって、このような微小な凹部５１を、転がり接触する玉と各軌道輪との少なくとも玉の表面に無数にランダムに形成することにより、これらの接触界面に十分な油膜を形成することができる。

前記微小な凹部を無数にランダムに形成した表面の表面粗さのパラメータＳＫ値は−１．６以下とするのが望ましい。

前記表面粗さのパラメータＳＫ値は、図５に示すように、表面粗さの平均線に対しての振幅分布曲線の相対性を表す値であり、以下の式（１）で定義されている。
ＳＫ＝ ∫（ｘ−ｘ₀）³・Ｐ（ｘ）ｄｘ／σ³ （１）
ここに、ｘ：粗さの高さ、ｘ₀：粗さの平均高さ、Ｐ（ｘ）：粗さの振幅の確率密度関数、σ：自乗平均粗さである。

前記パラメータＳＫ値は、図５の（Ａ）に示すように、表面粗さの平均線に対して振幅分布曲線の山が多いときは正、（Ｂ）に示すように、山と谷が等しいときは零、（Ｃ）に示すように、谷が多いときは負の値となる。したがって、微小な凹部を無数にランダムに形成した表面の表面粗さのパラメータＳＫ値は負の値となる。

上述した各玉軸受は、前記内外輪の少なくとも一方の軌道輪の軌道面が、前記玉と２点で接触するように複数の周回面で形成された、初期接触角度を有するアンギュラコンタクト玉軸受に好適である。

本発明の玉軸受は、玉と各軌道輪とを耐熱用高炭素クロムモリブデン鋼Ｍ５０で形成して、素材の耐摩耗性を高めるとともに、これらのうちの少なくとも玉の表面に微小な凹部を無数にランダムに形成することにより、玉と各軌道輪との接触界面に十分な油膜が形成されるようにしたので、玉のすべり速度が大きくなっても玉や軌道輪の摩耗や焼付きを防止でき、許容アキシアル荷重を増大することができる。

以下、図面に基づき、本発明の実施形態を説明する。この玉軸受は、図１に示すように、内輪１と外輪２の各軌道面１ａ、２ａ間に複数の玉３を介在させて保持器４で保持し、内輪１の軌道面１ａを玉３と２点で接触するように複数の周回面で形成し、外輪２の軌道面２ａを玉３と１点で接触するように単一の周回円弧面で形成した３点接触玉軸受である。

前記内輪１、外輪２および玉３は耐熱用高炭素クロムモリブデン鋼Ｍ５０で形成され、玉３の表面には、研磨仕上げ後の特殊なバレル研磨加工によって、微小な凹部が無数にランダムに形成され、その表面粗さのパラメータＳＫ値が−１．６以下とされている。

まず、鋼素材の耐摩耗性を調査する予備試験として、サバン型摩擦摩耗試験を行った。
サバン型摩擦摩耗試験は、平板試験片を硬質の回転円筒の円筒面に一定時間押圧し、回転円筒との摺動で生じる平板試験片の摩耗痕の幅を測定して、体積摩耗量を算出するものである。平板試験片の素材としては、耐熱用高炭素クロムモリブデン鋼Ｍ５０のほかに、高炭素クロム軸受鋼ＳＵＪ２、ＳＵＪ３、構造用中炭素クロム鋼ＳＣｒ４３５および構造用炭素鋼Ｓ５３Ｃを用意した。試験条件は以下の通りである。
・回転円筒：ＳＵＪ２製
・最大接触面圧Ｐmax ：０．４９ＧＰａ
・すべり速度：０．０５ｍ／ｓ
・試験時間：６０分
・潤滑油：低粘度油

図２は、前記サバン型摩擦摩耗試験の結果を示す。このグラフは、高炭素クロム軸受鋼ＳＵＪ２の体積摩耗量を基準１．０とする体積摩耗比で表す。この結果より、耐熱用高炭素クロムモリブデン鋼Ｍ５０の体積摩耗量はＳＵＪ２の１／１０程度であり、他の鋼素材と較べて耐摩耗性が非常に秀でていることが分かる。

実施例として、素材を耐熱用高炭素クロムモリブデン鋼Ｍ５０とし、その外周面に微小な凹部を無数にランダムに形成して、表面粗さのパラメータＳＫ値を−１．６以下とした耐焼付き性試験用のリング状試験片を用意した。比較例のリング状試験片として、素材を高炭素クロム軸受鋼ＳＵＪ２とし、その外周面を研磨仕上げのままとしたもの（比較例１）、素材を実施例と同じＭ５０とし、その外周面を研磨仕上げのままとしたもの（比較例２）、および素材をＳＵＪ２とし、その外周面に実施例のものと同様の微小な凹部を無数にランダムに形成したもの（比較例３）も用意した。

上記実施例と各比較例の各試験片について、耐焼付き性試験を行なった。耐焼付き性試験は、円筒部に緩やかな凸曲率を有する２つの同じリング状試験片を、一定速度で回転駆動される従動軸と、従動軸に等しい速度から徐々に増速される駆動軸とに取り付け、両試験片を互いに押し当てて転動させるものであり、耐焼付き強度は、試験片の円筒面に焼付きが発生した時点の駆動軸と従動軸の速度比で評価される。試験条件は以下の通りである。
・最大接触面圧Ｐmax ：２．１ＧＰａ
・すべり速度：０．４２ｍ／ｓから０．２１ｍ／ｓずつ増速
・潤滑油：タービン油

図３は、前記耐焼付き性試験の結果を示す。耐焼付き強度としての焼付き発生速度比は、素材をＳＵＪ２とし、外周面を研磨仕上げのままとした比較例１の焼付き発生速度比を基準１．０とする相対焼付き発生速度比で表した。素材をＭ５０とし、外周面に微小な凹部を無数にランダムに形成した実施例のものは、焼付き発生速度比が比較例１のものの約２倍に向上している。これに対して、素材のみをＭ５０とした比較例２のもの、および素材をＳＵＪ２のままとし、外周面に微小な凹部を無数にランダムに形成した比較例３のものは、焼付き発生速度比の向上代がその半分程度である。

以上の試験結果より、素材をＭ５０とし、外周面に微小な凹部を無数にランダムに形成した実施例のものは、素材自身の秀でた耐摩耗性と、前述した微小な凹部を無数にランダムに形成することによる接触界面での油膜形成効果とによって、アンギュラコンタクト玉軸受の玉や軌道輪の摩耗や焼付きを防止でき、許容アキシアル荷重を増大できることが期待される。

上述した実施形態では、玉軸受を３点接触玉軸受としたが、本発明に係る玉軸受は、２点接触玉軸受や４点接触玉軸受にも採用することができる。また、玉の表面のみに微小な凹部を無数にランダムに形成したが、これらの微小な凹部は軌道輪の軌道面にも形成してもよい。

玉軸受の実施形態を示す一部省略縦断面図各種鋼素材のサバン型摩擦摩耗試験の結果を示すグラフ実施例と比較例の耐焼付き性試験の結果を示すグラフマイクロＥＨＬ理論による接触界面での流体流れモデルの概念図表面粗さのパラメータＳＫ値の定義を説明する概念図

符号の説明

１内輪
２外輪
１ａ、２ａ軌道面
３玉
４保持器

Claims

内外輪の各軌道輪の軌道面間に、これらの軌道面と転動接触する複数の玉を介在させた玉軸受において、前記玉と各軌道輪とを耐熱用高炭素クロムモリブデン鋼Ｍ５０で形成し、これらのうちの少なくとも玉の表面に微小な凹部を無数にランダムに形成したことを特徴とする玉軸受。
前記微小な凹部を無数にランダムに形成した表面の表面粗さのパラメータＳＫ値を−１．６以下とした請求項１に記載の玉軸受。
前記内外輪の少なくとも一方の軌道輪の軌道面が、前記玉と２点で接触するように複数の周回面で形成された請求項１または２に記載の玉軸受。