JP2012219995A - 転がり軸受およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 希薄潤滑条件での転動寿命が長くなる直接的な条件を明確にし、その条件を満たす長寿命な転がり軸受およびその製造方法を提供する。
【解決手段】 転がり軸受は、内輪１、外輪２、およびこれら内外輪１，２の軌道面１ａ，２ａ間に介在した複数の転動体３を有する。この転がり軸受は、油膜パラメータΛが０．６以下の希薄潤滑条件下で使用されるものであり、前記内外輪１，２の軌道面１ａ，２ａまたは転動体３の表面の表面粗さのパラメータである２乗平均傾斜Rdqを５°以下にした。
【選択図】 図１

Description

この発明は、希薄潤滑条件で長寿命を得ることができる転がり軸受およびその製造方法に関する。

転がり軸受の寿命は、油膜形成状況が悪くなると低下することが知られている（非特許文献１）。これは、油膜厚さが転動体と軌道輪の表面粗さよりも小さい場合、転動体と軌道輪が直接接触する可能性が高くなるためである。この問題を回避するために、希薄潤滑条件での転動寿命の長寿命化の方法として、転がり軸受のローラーの表面に、微小な凹凸をランダムに形成し、潤滑特性を向上させる技術が公開されている（特許文献１）。また、この技術を、エアコンディショナ、圧延用ローラーのようなアプリケーションに適用する例についても公開されている（特許文献２，３）。

特開平６−４２５３６号公報 特開平４−２６５４８０号公報 特開平４−２６６４１０号公報

高田浩年, 鈴木進, 前田悦生, 潤滑, 26, 9 (1981) 645-650. イー・イオアニデス（E. Ioannides）、ジー・ベーリング(G. Bergling)、エー・ガベッリ(A. Gabelli)共著、「アクタ ポリテクニカ スカンジナビカ(Acta Polytechnica Scandinavica)」、メカニカル エンジニアリング シリーズ（Mechanical Engineering series） No. 137 (1999)

従来、希薄潤滑条件での転動寿命の長寿命化では、転動面に微小な凹凸をランダムに形成し、結果として潤滑特性を向上させていたが、その長寿命化のメカニズムの詳細については不明な点があった。

この発明の目的は、希薄潤滑条件での転動寿命が長くなる直接的な条件を明確にし、その条件を満たす長寿命な転がり軸受およびその製造方法を提供することである。

この発明の転がり軸受は、内輪、外輪、およびこれら内外輪の軌道面間に介在した複数の転動体を有する転がり軸受において、この転がり軸受は、油膜パラメータΛが０．６以下の希薄潤滑条件下で使用されるものであり、前記内外輪の軌道面または転動体の表面の表面粗さのパラメータである２乗平均傾斜Rdqを５°以下にしたことを特徴とする。

希薄潤滑条件での転動寿命が長くなる直接的な条件を明らかにするために、各種条件での転動寿命試験を実施した。各種条件での試験結果のうち、計算寿命よりも長寿命であったものと、計算寿命よりも短寿命であったものに着目し、これら長寿命と短寿命の原因について調査した。
先ず、計算寿命と略同等の寿命であった試験結果（水準１）と、計算寿命よりも数倍長寿命であった試験結果（水準８）の転動体の試験後の表面粗さを調査した。ここで、表面粗さのパラメータとしては２乗平均粗さRqと２乗平均傾斜Rdqに着目した。これは、２乗平均粗さRqと２乗平均傾斜Rdqが表面での突起接触の程度と突起接触部での面圧を表す指標とされているためである（非特許文献２）。

水準１と水準８の２乗平均粗さRqと２乗平均傾斜Rdqは、いずれも試験後に低下していた。これら２乗平均粗さRqと２乗平均傾斜Rdqの低下の程度は、Rqで水準１，８間の差はなかったが、Rdqで水準１，８間の差がみられた。水準１よりも転動速度が１／３遅い水準８の２乗平均傾斜Rdqは、水準１よりも低下が顕著であったことから、水準８の長寿命は、転動速度が遅い条件で転動面がなじみやすく、突起接触部の面圧が低下し、長寿命になったことに起因していると考えられる。
この構成によると、油膜パラメータΛが０．６以下の希薄潤滑条件下で使用される転がり軸受で、内外輪の軌道面または転動体の表面の表面粗さのパラメータである２乗平均傾斜Rdqを５°以下にすれば、希薄潤滑条件で計算寿命よりも長い寿命を得ることができる。

前記２乗平均傾斜Rdqを１．５°以下にしても良い。この場合、転がり軸受よりの更なる長寿命化を達成することができる。
前記転がり軸受を、使用前に少なくとも一度はなじみ運転により転動させることで、前記内外輪の軌道面または転動体の表面の２乗平均傾斜Rdqを５°以下または１．５°以下にしても良い。
前記転がり軸受を、使用前に少なくとも一度はなじみ運転により転動させることで、前記内外輪の軌道面または転動体の表面の２乗平均粗さRqを、なじみ運転により転動させる前よりも低下させても良い。

前記転がり軸受を、使用前に少なくとも一度はなじみ運転により転動させることで、前記内外輪の軌道面または転動体の表面の２乗平均傾斜Rdqを、なじみ運転により転動させる前よりも低下させても良い。このように転動速度が遅いなじみ運転により、２乗平均傾斜Rdqを所望の角度以下に小さくすることができる。この転動速度が遅くなると、２乗平均傾斜Rdqが小さくなり易い性質を利用して、希薄潤滑条件での転動寿命の更なる長寿命化の可能性について検討した。使用前の軸受を低速でなじみ運転させたものと、なじみ運転しなかったものの２水準の転動寿命試験を行った。その結果、なじみ運転させた水準の転動寿命は、なじみ運転しなかった水準に比べて平均値で１５０倍以上であり、転がり軸受の計算寿命式の使用条件係数を考慮しない計算寿命よりも長寿命を示した。

前記内外輪の軌道面または転動体の表面の残留圧縮応力を、前記転がり軸受をなじみ運転により転動させる前よりも増加させたものとしても良い。
前記内外輪の軌道面または転動体の表面の残留圧縮応力を６００ＭＰａ以上に増加させたものとしても良い。なじみ運転直後の転動面は、転動面が塑性変形を伴いながらなじむため、副産物として圧縮残留応力が得られる。この圧縮残留応力を６００ＭＰａ以上に増加させることで、希薄潤滑下での転動寿命の向上を図ることができる。

前記転がり軸受をなじみ運転により転動させる転動速度を２．５ｍ／ｓ以下としても良い。このなじみ運転を手動により２．５ｍ／ｓ以下で行っても良い。転動速度が小さくなるほど２乗平均傾斜Rdqが低下しやすくなるという現象を検証する目的で、負荷回数一定の条件における転動速度と転動後の２乗平均傾斜Rdqの関係を調査した。その結果、負荷回数一定の条件では、転動面の２乗平均傾斜Rdqは転動速度が小さいほど低下しやすくなることが分かった。更に追加調査を行った結果、転動速度が2.5m/s以下では、転動速度が小さくなるほど２乗平均傾斜Rdqが低下しやすいことが分かった。これより、転動部品の表面は転動速度が2.5m/sの条件では、転動面は転動速度が遅くなるほどなじみやすく、希薄潤滑条件での転動寿命が長くなることが分かった。なお、ここでの希薄潤滑条件は、油膜がほぼ破断されている油膜パラメータΛが０．６以下の条件である。

前記転がり軸受をなじみ運転により転動させるときの潤滑剤中に、遊離と粒を混入させても良い。２乗平均傾斜Rdqを低下させるためには、転がり軸受を長時間低速運転して、転動体表面を十分になじませる必要がある。この構成によると、なじみ運転による転動中、潤滑剤中に、遊離と粒を混入させてなじみを加速させることで、２乗平均傾斜Rdqを短時間で低下させることができる。

前記転がり軸受を、使用前に少なくとも一度はなじみ運転により転動させたものとしても良い。
この発明の転がり軸受の製造方法は、内輪、外輪、およびこれら内外輪の軌道面間に介在した複数の転動体を有する転がり軸受の製造方法であって、前記転がり軸受を、使用前に少なくとも一度はなじみ運転により転動させ、油膜パラメータΛが０．６以下の希薄潤滑条件下で、前記内外輪の軌道面または転動体の表面の２乗平均傾斜Rdqを５°以下にすることを特徴とする。
このように、転がり軸受を、使用前に少なくとも一度はなじみ運転により転動させ、油膜パラメータΛが０．６以下の希薄潤滑条件下で、前記内外輪の軌道面または転動体の表面の２乗平均傾斜Rdqを５°以下にすることで、希薄潤滑条件で計算寿命よりも長い寿命を得ることができる。
前記転がり軸受は、圧延用ローラーを回転自在に支持するものであっても良い。
前記転がり軸受は、エアコンディショナー用コンプレッサの回転軸を、回転自在に支持するものであっても良い。

この発明の転がり軸受は、内輪、外輪、およびこれら内外輪の軌道面間に介在した複数の転動体を有する転がり軸受において、この転がり軸受は、油膜パラメータΛが０．６以下の希薄潤滑条件下で使用されるものであり、前記内外輪の軌道面または転動体の表面の表面粗さのパラメータである２乗平均傾斜Rdqを５°以下にしたため、希薄潤滑条件での転動寿命が長くなる直接的な条件を明確にし、その条件を満たす長寿命な転がり軸受を提供することができる。
この発明の転がり軸受の製造方法は、転がり軸受を、使用前に少なくとも一度はなじみ運転により転動させ、油膜パラメータΛが０．６以下の希薄潤滑条件下で、前記内外輪の軌道面または転動体の表面の２乗平均傾斜Rdqを５°以下にすることで、希薄潤滑条件で計算寿命よりも長い寿命を得ることができる転がり軸受を得ることが可能となる。

この発明の第１の実施形態に係る転がり軸受の断面図である。 試験結果から得られた１０％寿命と、計算寿命との関係を示す図である。 油膜パラメータΛと使用条件係数ａ_３の関係を示す図である。 ２条平均傾斜を説明するための図である。 （ａ）は水準１と水準８の２乗平均粗さを示す図、（ｂ）は水準１と水準８の２乗平均傾斜を示す図である。 負荷回数を一定にしたときの転動速度と転動後の２乗平均傾斜の関係を示す図である。 （ａ）は水準１０の試験後の軌道輪の転動面の外観を示す図、（ｂ）は水準１１の試験後の軌道輪の転動面の外観を示す図、（ｃ）は水準１２の試験後の軌道輪の転動面の外観を示す図である。 なじみ運転の有無による転動寿命の変化を示す図である。 この発明の転がり軸受をエアコンディショナー用コンプレッサに用いた例を概略示す断面図である。

この発明の第１の実施形態に係る転がり軸受を図１ないし図８と共に説明する。以下の説明は転がり軸受の製造方法についての説明をも含む。この実施形態に係る転がり軸受は、例えば、エアコンディショナ、圧延用ローラー等に用いられる。但し、転がり軸受は、エアコンディショナ、圧延用ローラー用途に限定されるものではなく、希薄潤滑条件で使用される種々の装置、機器等に用いられる。

図１に示す転がり軸受は、圧延用ローラーを回転自在に支持する転がり軸受であり、内外輪１，２および、これら内外輪１，２の軌道面１ａ，２ａ間に介在した複数の転動体３を有する。この例では、二つ割りされた内輪１，１が軸方向に組付けられ、これら各内輪１の軌道面１ａ，１ａと、同軌道面１ａ，１ａに対向する外輪２の一つの軌道面２ａとの間に、２列の転動体３であるころが軸方向に沿って配置される自動調心ころ軸受が適用されている。前記外輪２が固定され、内輪１，１の内周面が、圧延用ローラー４のネック部分５の外周面に嵌合されている。外輪２の外周面には、水冷用のジャケットを成す環状凹み部６が設けられている。

次に、希薄潤滑条件での転動寿命が長くなる直接的な条件を明らかにするために、表１に示す各種条件での転動寿命試験を実施した。
転動寿命試験で用いた試験片は、呼び番号「５１１０５」のスラスト玉軸受である。
表１の試験片の欄のＲａは二乗平均粗さであり、Ｒａ＝０．１５−０．２２μmとは各水準の二乗平均粗さの範囲を意味する。同表１の転動体の欄のＲａは二乗平均粗さであり、Ｒａ＝０．０７−０．１５は各水準の二乗平均粗さの範囲を意味する。表１の右欄の「ｎ」は各水準の試験片個数を表す。
潤滑油粘度は、工業用潤滑油類としてＩＳＯ粘度分類のＶＧが適用され、４０℃における潤滑油の粘度が示されている。この粘度の単位は、ｍｍ^２／ｓである。
表１の「Λ」は、Grubinの式に基づく油膜パラメータであり、油膜厚さと接触二面の合成粗さの比で定義される。ここで、油膜パラメータΛと、後述の式（１）で用いられる使用条件係数ａ_３との間には、図３に示すような関係がある。

図２は、試験結果から得られた１０％寿命と、計算寿命との関係を示す図である。
前記計算寿命は、以下の転がり軸受の寿命計算式（１）から求めることができる。

試験結果から得られる１０％寿命は、ほとんどの水準で計算寿命と概ね一致していたが、一部の水準では計算寿命からの乖離が見られた。計算寿命からの乖離が見られた水準としては、計算寿命よりも長寿命であった水準８と、計算寿命よりも短寿命であった水準１０〜１２があった。希薄潤滑条件での転動寿命が長くなる直接的な条件を明らかにするために、長寿命と短寿命の原因を明確にする必要がある。以下では、これら長寿命と短寿命の原因調査について説明する。

先ず、計算寿命と略同等の寿命であった試験結果（水準１）と、計算寿命よりも２．６倍長寿命であった試験結果（水準８）の転動体の試験後の表面粗さを調査した。ここで、表面粗さのパラメータとしては２乗平均粗さRqと２乗平均傾斜Rdqに着目した。これは、２乗平均粗さRqと２乗平均傾斜Rdqが表面での突起接触の程度と突起接触部での面圧を表す指標とされているためである。
前記２乗平均傾斜Rdqとは、図４に示すように、表面粗さ計で測定される測定曲線（断面曲線）を、一定間隔ΔＸで区切り、各区間内における測定曲線の始点と終点とを結ぶ線分の角度ａｒｃｔａｎ（ΔＹｉ／ΔＸ）の二乗値｛ａｒｃｔａｎ（ΔＹｉ／ΔＸ）｝^２の平均を求める。その平均値の平方根を２乗平均傾斜Rdqと言う。

図５（ａ）は水準１と水準８の２乗平均粗さを示す図であり、図５（ｂ）は水準１と水準８の２乗平均傾斜を示す図である。水準１と水準８の２乗平均粗さRqと２乗平均傾斜Rdqは、いずれも試験後に低下していた。これら２乗平均粗さRqと２乗平均傾斜Rdqの低下の程度は、Rqで水準１，８間の差はなかったが、Rdqで水準１，８間の差がみられた。水準１よりも転動速度が１／３遅い水準８の２乗平均傾斜Rdqは、水準１よりも低下が顕著であったことから、水準８の長寿命は、転動速度が遅い条件で転動面（転動体の表面および内外輪の軌道面）がなじみやすく、突起接触部の面圧が低下し、長寿命になったことに起因していると考えられる。

次に、転動速度が小さくなる程、２乗平均傾斜Rdqが低下し易くなるという現象を検証する目的で、負荷回数一定の条件における転動速度と、転動後の２乗平均傾斜Rdqとの関係を調査した。その調査結果を図６に示す。負荷回数一定の条件では、転動面の２乗平均傾斜Rdqは、転動速度が小さい程低下し易くなることが分かった。これより、転動部品である転動体、軌道輪の表面は、転動速度が２．５ｍ／ｓの条件では、転動面は転動速度が遅くなる程なじみ易く、希薄潤滑条件での転動寿命が長くなることが分かった。なお、ここでの希薄潤滑条件は、油膜がほぼ破断されている油膜パラメータΛが０．６以下の条件である。

次に、計算寿命よりも短寿命であった水準１０〜１２の軌道輪の外観を調査した。図７（ａ）は水準１０の試験後の軌道輪の転動面の外観を示す図、図７（ｂ）は水準１１の試験後の軌道輪の転動面の外観を示す図、図７（ｃ）は水準１２の試験後の軌道輪の転動面の外観を示す図である。計算寿命よりも短寿命であった水準１０〜１２では、転動面における破損形態が、いずれもピーリング（微小なはく離の集合体）であった。追加調査を行った結果、２乗平均傾斜Rdqが５°よりも大きくなるとピーリングが発生し易いことが分かった。これより、ピーリングによる短寿命を防止するには、２乗平均傾斜Rdqを５°以下にする必要があることが分かった。

最後に、転動速度が遅くなると２乗平均傾斜Rdqが小さくなり易い性質を利用して、希薄潤滑条件での転動寿命の更なる長寿命化の可能性について検討した。図８は、なじみ運転の有無による転動寿命の変化を示す図である。なじみ運転させた水準の転動寿命は、なじみ運転しなかった水準に比べて平均値で１５０倍以上であり、前述の寿命計算式（１）の使用条件係数を考慮しない計算寿命よりも長寿命を示した。すなわち、なじみ運転させた軸受の寿命は、良好な潤滑条件での寿命と同等以上になることを見出した。なじみ運転直後の転動体の２乗平均傾斜Rdqは０．６〜１．５°であったことから、希薄潤滑条件において、良好な潤滑条件での寿命以上の寿命を達成するには、２乗平均傾斜Rdqを１．５°以下にすることが望ましい。
なお、転がり軸受について前述のなじみ運転を行うことなく、例えば転動面の機械加工により、油膜パラメータΛが０．６以下の条件で２乗平均傾斜Rdqを５°以下または１．５°以下にすることも可能である。また、転がり軸受について、なじみ運転を行う前２乗平均傾斜Rdqが５°よりも大であったものが、なじみ運転後、油膜パラメータΛが０．６以下の条件でRdqが５°以下とするものとしても良い。

２乗平均傾斜Rdqを低下させるためには、転がり軸受を長時間低速運転して、十分に転動表面をなじませる必要がある。短時間で且つ低速運転で２乗平均傾斜Rdqを低下させるためには、転がり軸受の転動中潤滑油中に遊離と粒を混入させてなじみを加速させることができる。なお、２物体が直接接触するといわれている油膜パラメータΛの条件は０．６以下であるので、なじみ運転は油膜パラメータΛが０．６以下の条件で実施される必要がある。
一方、なじみ運転直後の転動面は、転動面が塑性変形を伴いながらなじむため、副産物として圧縮残留応力が得られる。なじみ前後の軌道輪の残留圧縮応力を測定した結果、なじみ前の残留圧縮応力３００ＭＰａから、なじみ後の残留圧縮応力６００ＭＰａに増加していた。

図９に示すように、転がり軸受は、エアコンディショナー用コンプレッサ７の回転軸８を、回転自在に支持するものであっても良い。同図９の例では、回転軸８に固定した両面傾斜板９でピストン１０を往復動させる両傾斜タイプのエアコンディショナー用コンプレッサ７が示されている。このコンプレッサ７のハウジング１１の両端に、シェル形針状ころ軸受ＢＲ１，ＢＲ１がそれぞれ嵌合され、これら針状ころ軸受ＢＲ１，ＢＲ１が回転軸８を回転自在に支持している。回転軸８の中間付近で両面傾斜板９とハウジング１１との間に、それぞれスラスト針状ころ軸受ＢＲ２，ＢＲ２が嵌合され、これらスラスト針状ころ軸受ＢＲ２，ＢＲ２により両方向のアキシアル荷重を付与可能に構成されている。
以上の針状ころ軸受ＢＲ１，ＢＲ１およびスラスト針状ころ軸受ＢＲ２，ＢＲ２を、油膜パラメータΛが０．６以下の希薄潤滑条件下で、転動面の２乗平均傾斜Rdqを５°以下または１．５°以下にすることで、希薄潤滑条件下での転動寿命の向上を図ることができる。

この実施形態では、軸受をエアコンディショナ、圧延用ローラー等の装置に組込む前に、なじみ運転を行うことで、油膜パラメータΛが０．６以下の希薄潤滑条件下で、前記内外輪の軌道面または転動体の表面の２乗平均傾斜Rdqを５°以下または１．５°以下にしているが、この例に限定されるものではない。軸受を装置に組込んだ後、２．５ｍ／ｓ以下の転動速度でなじみ運転を行っても良い。
転がり軸受の例として、自動調心ころ軸受、針状ころ軸受、スラスト針状ころ軸受を示したが、これらの転がり軸受に限定されるものではない。例えば、深溝玉軸受、アンギュラ玉軸受、円筒ころ軸受、円錐ころ軸受、４点接触玉軸受、クロスローラ軸受等種々の転がり軸受に適用可能である。

１…内輪
２…外輪
１ａ，２ａ…軌道面
３…転動体
４…圧延用ローラー
７…エアコンディショナー用コンプレッサ
８…回転軸

Claims (14)

1. 内輪、外輪、およびこれら内外輪の軌道面間に介在した複数の転動体を有する転がり軸受において、
   この転がり軸受は、油膜パラメータΛが０．６以下の希薄潤滑条件下で使用されるものであり、前記内外輪の軌道面または転動体の表面の表面粗さのパラメータである２乗平均傾斜Rdqを５°以下にしたことを特徴とする転がり軸受。
2. 請求項１において、前記２乗平均傾斜Rdqを１．５°以下にした転がり軸受。
3. 請求項１または請求項２において、前記転がり軸受を、使用前に少なくとも一度はなじみ運転により転動させることで、前記内外輪の軌道面または転動体の表面の２乗平均傾斜Rdqを５°以下または１．５°以下にした転がり軸受。
4. 請求項１または請求項２において、前記転がり軸受を、使用前に少なくとも一度はなじみ運転により転動させることで、前記内外輪の軌道面または転動体の表面の２乗平均粗さRqを、なじみ運転により転動させる前よりも低下させた転がり軸受。
5. 請求項１または請求項２において、前記転がり軸受を、使用前に少なくとも一度はなじみ運転により転動させることで、前記内外輪の軌道面または転動体の表面の２乗平均傾斜Rdqを、なじみ運転により転動させる前よりも低下させた転がり軸受。
6. 請求項３ないし請求項５のいずれか１項において、前記内外輪の軌道面または転動体の表面の残留圧縮応力を、前記転がり軸受をなじみ運転により転動させる前よりも増加させた転がり軸受。
7. 請求項３ないし請求項６のいずれか１項において、前記内外輪の軌道面または転動体の表面の残留圧縮応力を、なじみ運転により６００ＭＰａ以上に増加させた転がり軸受。
8. 請求項３ないし請求項７のいずれか１項において、前記転がり軸受をなじみ運転により転動させる転動速度を２．５ｍ／ｓ以下とした転がり軸受。
9. 請求項３ないし請求項８のいずれか１項において、前記転がり軸受をなじみ運転により転動させるときの油膜パラメータΛを０．６以下とした転がり軸受。
10. 請求項３ないし請求項９のいずれか１項において、前記転がり軸受をなじみ運転により転動させるときの潤滑剤中に、遊離と粒を混入させた転がり軸受。
11. 請求項１または請求項２において、前記転がり軸受を、使用前に少なくとも一度はなじみ運転により転動させたものとした転がり軸受。
12. 内輪、外輪、およびこれら内外輪の軌道面間に介在した複数の転動体を有する転がり軸受の製造方法であって、
    前記転がり軸受を、使用前に少なくとも一度はなじみ運転により転動させ、油膜パラメータΛが０．６以下の希薄潤滑条件下で、前記内外輪の軌道面または転動体の表面の２乗平均傾斜Rdqを５°以下にする転がり軸受の製造方法。
13. 請求項１ないし請求項１１のいずれか１項において、前記転がり軸受は、圧延用ローラーを回転自在に支持する転がり軸受。
14. 請求項１ないし請求項１１のいずれか１項において、前記転がり軸受は、エアコンディショナー用コンプレッサの回転軸を、回転自在に支持する転がり軸受。

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