JP2012241890A - ころ軸受 - Google Patents

Abstract

【課題】内輪や外輪のつば面及びころの端面のうちの一方が他方に対して剥離等の悪影響を与えない程度の表面粗さとして低速回転域のトルクを小さくする。
【解決手段】 ころ３の端面３ａ，３ｂが摺接する内輪３のつば５ａ，５ｂのつば面６ａ，６ｂに対してショットブラスト加工、或いはショットピーニング加工により表面仕上げを行なうことで、つば面の表面粗さ（Ｒａ，ｒｉｎｇ）を、０．０５μm以上０．３０μm以下に設定する。また、つば面の表面粗さの分布曲線の中心線に対する上下のとがり程度を示すとがり度合い（Ｒｋｕ，ｒｉｎｇ）を、３以上７以下に設定する。さらに、つば面の表面粗さ（Ｒａ，ｒｉｎｇ）及びつば面に摺接するころの端面の表面粗さ（Ｒａ，ｒｏｌｌｅｒ）を、０．１≦Ｒａ，ｒｉｎｇ／Ｒａ，ｒｏｌｌｅｒ≦１．０の関係とした。
【選択図】図１

Description

本発明は、内輪と、外輪と、内輪及び外輪の間に転動自在に配された複数のころと、内輪及び外輪の少なくとも一方に形成されたつばと、を備えるころ軸受に関する。

円すいころ軸受のようなころ軸受においては、内輪や外輪に設けられているつばところの端面とが回転時に摺動して摩擦が発生する。低速回転域では、つばところの端面との摩擦が大きいので、低速回転域のトルクが大きくなる。なお、以降においては、つばのうち、ころの端面と摺接する面を「つば面」と記す。前記のような問題があることから、低速回転域のトルクを低減する技術が提案されている。

例えば特許文献１〜特許文献４は、内輪や外輪のつば面、或いはころの端面にショットブラスト工法、あるいはショットピーニング工法を行なうことで、それら摺動面の表面粗さを所定範囲に設定し、摺動面の摩擦抵抗を小さくすることで、円すいころ軸受の低速回転域のトルクを低くしている。特に、特許文献１，４では、表面粗さの分布曲線の対称性を示すゆがみ値も規定している。

特開平０８−２３２９６４号公報 特開２００３−１８４８８３号公報 特開２００４−３１６６９９号公報 特開２０１０−１６９１８２号公報

ところで、内輪や外輪のつば面及びころの端面の表面粗さの比率が大きすぎると、表面粗さが大きい（粗い）一方が、表面粗さが小さい（粗くない）他方の剥離を促進しまうおそれがある。
そこで、本発明は、上記従来例の未解決の課題に着目してなされたものであり、内輪や外輪のつば面及びころの端面のうちの一方が他方に対して剥離等の悪影響を与えない程度の表面粗さとして低速回転域のトルクを小さくすることができるころ軸受を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明に係るころ軸受は、内輪と、外輪と、前記内輪及び前記外輪の間に転動自在に配置された複数のころと、前記内輪及び前記外輪の一方に形成したつばと、を備えたころ軸受において、前記ころの端面が摺接する前記つばのつば面に対してショットブラスト加工、或いはショットピーニング加工により表面仕上げを行なうことで、前記つば面の表面粗さ（Ｒａ，ｒｉｎｇ）を、０．０５μm以上０．３０μm以下に設定し、前記つば面の表面粗さの分布曲線の中心線に対する上下のとがり程度を示すとがり度合い（Ｒｋｕ，ｒｉｎｇ）を、３以上７以下に設定し、前記つば面の表面粗さ（Ｒａ，ｒｉｎｇ）及び前記つば面に摺接するころの端面の表面粗さ（Ｒａ，ｒｏｌｌｅｒ）を、０．１≦Ｒａ，ｒｉｎｇ／Ｒａ，ｒｏｌｌｅｒ≦１．０の関係とした。

また、請求項２記載の発明は、請求項１記載のころ軸受において、前記つば面の表面粗さの分布曲線の対称性を示すゆがみ値（Ｒｓｋ，ｒｉｎｇ）を、−１．５以上−０．０５以下に設定した。
また、請求項３記載の発明は、請求項１又は２記載のころ軸受において、前記ショットブラスト加工、或いは前記ショットピーニング加工を行なう際に使用する投射材を、多角形状の炭化けい素（ＳｉＣ）とした。
また、請求項４記載の発明は、請求項３記載のころ軸受において、前記投射材の大きさを、１０μm以上１００μm以下とした。

また、請求項５記載の発明は、請求項３又は４記載のころ軸受において、前記投射材の投射速度を、５０m／sec以上とした。
また、請求項６記載の発明は、請求項３乃至５の何れか１項に記載のころ軸受において、前記投射材の投射圧力を、０．１ＭＰａ以上０．９ＭＰａ以下とした。
さらに、請求項７記載の発明は、請求項１乃至６の何れか１項に記載のころ軸受において、前記つば面を形成している前記内輪及び前記外輪の一方の軌道面に、前記ショットブラスト加工、或いは前記ショットピーニング加工による表面仕上げを行なわない。

本発明に係るころ軸受によれば、ショットブラスト加工、或いはショットピーニング加工により表面仕上げを行なうことで、つば面の表面粗さ（Ｒａ，ｒｉｎｇ）を０．０５μm以上０．３０μm以下に設定し、つば面の表面粗さの分布曲線の中心線に対する上下のとがり程度を示すとがり度合い（Ｒｋｕ，ｒｉｎｇ）を３以上７以下に設定したことで、ころとの間の油溜まりの保持能力を向上させ、音響が低下するとともに、油膜厚さが大きくなって焼きつきのおそれがない。

また、つば面の表面粗さ（Ｒａ，ｒｉｎｇ）及びつば面に摺接するころの端面の表面粗さ（Ｒａ，ｒｏｌｌｅｒ）を、０．１≦Ｒａ，ｒｉｎｇ／Ｒａ，ｒｏｌｌｅｒ≦１．０の関係としたことで、表面粗さが小さい（粗くない）ものを剥離させるという現状を防止することができるとともに、表面粗さが大きい（粗い）部位が、表面粗さが小さい（粗くない）部位を摩耗することで、すべり摩擦抵抗を小さくすることができ、短時間で低速回転域のトルクを小さくすることができる。

本発明に係るころ軸受の一実施形態である円すいころ軸受の構造を示す部分縦断面図である。 トルク試験に用いた試験気の構造を示す断面図である。 トルク試験の結果を示すグラフである。

以下、本発明に係るころ軸受の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明に係るころ軸受の一実施形態である円すいころ軸受の構造を示す部分縦断面図である。図１の円すいころ軸受は、内輪１と、外輪２と、内輪１及び外輪２の間に転動自在に配された複数の円すいころ３と、内輪１及び外輪２の間に複数の円すいころ３を保持する保持器４と、で構成されており、内輪１の外周面及び外輪２の内周面の間に形成された軸受内部空間には、図示しない潤滑剤（例えば潤滑油，グリース）が封入されている。なお、保持器４は備えていなくてもよい。

また、内輪１の外周面の軸方向両端部には、大つば５ａ及び小つば５ｂが径方向外方に突出して設けられている。外輪２には、つばは設けられていない。ただし、図１の例とは逆に、外輪２の内周面の軸方向両端部につばを設け、内輪１にはつばを設けない構成としてもよいし、内輪１及び外輪２の両方につばを設ける構成としてもよい。
大つば５ａの内周面には大つば面６ａ、小つば５ｂの内周面には小つば面６ｂが形成されており、大つば面６ａには円すいころ３の大端面３ａが当接し、小つば面６ｂには円すいころ３の小端面３ｂが当接することで、円すいころ３が案内保持されている。

そして、内輪１の大つば面６ａ及び小つば面６ｂは、ショットブラスト加工により表面仕上げが行なわれており、大つば面６ａ及び円すいころ３の大端面３ａ、小つば面６ｂ及び小端面３ｂのすべり摩擦抵抗を小さすることで、円すいころ軸受の起動トルクを低くするようにしている。
ここで、内輪１の大つば面６ａ及び小つば面６ｂに囲まれている軌道面にはショットブラスト加工を行なわない。内輪１の軌道面にショットブラスト加工を行なわない理由は、クリーン寿命（潤滑剤に水や異物が混入しないクリーンな条件下での寿命）が低下するおそれがあるからである。

また、ショットブラスト加工を行なった大つば面６ａ及び小つば面６ｂには凹凸が形成されるが、凸部の研磨をすることが好ましい。凸部の研磨方法としては、超仕上げ砥石による超仕上げ加工、砥粒を含有する弾性体粒子によるショットブラスト、微細砥粒によるショットブラスト、砥粒を含有する流体による液体ホーニング等が採用されている。
内輪１の大つば面６ａ及び小つば面６ｂの表面粗さ（Ｒａ，ｒｉｎｇ）は、０．０５μm以上０．３０μm以下に設定されていることが好ましい。表面粗さ（Ｒａ，ｒｉｎｇ）が０．０５μmを下回ると、円すいころ３との間の油溜まりの保持能力が低下するおそれがある。一方、表面粗さ（Ｒａ，ｒｉｎｇ）が０．３０μmを上回ると、音響の上昇し、油膜厚さが小さくなって焼きつきのおそれがある。

また、内輪１の大つば面６ａ及び小つば面６ｂの表面粗さの分布曲線の中心線に対する上下のとがり程度を示すとがり度合い（Ｒｋｕ，ｒｉｎｇ）は、３以上７以下に設定されていることが好ましい。
また、内輪１の大つば面６ａ及び小つば面６ｂの表面粗さの分布曲線の対称性を示すゆがみ値（Ｒｓｋ，ｒｉｎｇ）は、−１．５以上−０．０５以下に設定されていることが好ましい。ゆがみ値（Ｒｓｋ，ｒｉｎｇ）が−０．０５を上回ると、油溜まりの効果を発揮することができない。一方、ゆがみ値（Ｒｓｋ，ｒｉｎｇ）が−１．５を下回る大つば面６ａ及び小つば面６ｂを形成するためにはコストアップが上昇するおそれがある。

また、内輪１の大つば面６ａ及び小つば面６ｂの表面粗さ（Ｒａ，ｒｉｎｇ）と、円すいころ３の大端面３ａ及び小端面３ｂの表面粗さ（Ｒａ，ｒｏｌｌｅｒ）は、０．１≦Ｒａ，ｒｉｎｇ／Ｒａ，ｒｏｌｌｅｒ≦１．０に設定されていることが好ましい。０．１≦Ｒａ，ｒｉｎｇ／Ｒａ，ｒｏｌｌｅｒ≦１．０に設定したことで、内輪１の大つば面６ａ及び小つば面６ｂと、円すいころ３の大端面３ａ及び小端面３ｂとの部材のうちの粗い部材が粗くない部材を摩耗することですべり摩擦抵抗が小さくなり、短時間で起動トルクを低くする。

また、内輪１の大つば面６ａ及び小つば面６ｂの表面仕上げをショットブラスト加工で行なう際に使用される投射材は、多角形状のセラミック製であることが好ましく、例えば、多角形状の炭化けい素（ＳｉＣ）を用いることが好ましい。球形のＡｌ_２Ｏ_３やＳｉＯ_２で投射材を構成すると、投射材が割れるおそれがある。
また、ショットブラスト加工で使用する投射材の大きさは、１０μm以上１００μm以下とすることが好ましい。さらに好ましくは、投射材は、目開き７５μｍの篩を通過し、目開き２０μｍの篩は通過しないようにする。

また、投射材の投射速度は、５０m／sec以上とすることが好ましい。さらに、投射材の投射圧力は、０．１ＭＰａ以上０．９ＭＰａ以下とすることが好ましい。このような投射材の大きさ、投射速度及び投射圧力とすることで、内輪１の大つば面６ａ及び小つば面６ｂの表面粗さ（Ｒａ，ｒｉｎｇ）を０．０５μm以上０．３０μm以下に容易に形成することができる。
なお、本発明に係るつば面が大つば面６ａ、小つば面６ｂに対応し、本発明に係るころが円すいころ３に対応している。

また、本実施形態は本発明の一例を示したものであって、本発明は本実施形態に限定されるものではない。例えば、本実施形態においてはころ軸受の例として円すいころ軸受をあげて説明したが、本発明は、他の種類の様々なころ軸受に対して適用することができる。例えば、円筒ころ軸受，針状ころ軸受，自動調心ころ軸受等である。ただし、本発明は、円すいころ軸受及び円筒ころ軸受に対してより好適であり、その中でも円すいころ軸受に対して特に好適である。
また、本実施形態では、ショットブラスト加工により内輪１の大つば面６ａ及び小つば面６ｂの表面仕上げを行なっているが、ショットピーニング加工により表面仕上げを行なっても良い。

次に、円すいころ軸受を種々の回転速度で回転させて、その際のトルクを測定した。まず、このトルク試験に用いた試験機の構造を、図２を参照しながら説明する。
試験機２０は、縦型内輪回転式の試験機である。試験機２０では、支持軸受２３に回転自在に支持された主軸２４の端部２４ａは、試験軸受としての円すいころ軸受２６の内輪２６ａに内嵌されている。内輪２６ａの外周面にはつば２６ｄが形成されており、円すいころ２６ｂに対して滑り接触を行う。内輪２６ａ及び円すいころ２６ｂと共に円すいころ軸受２６を構成する外輪２６ｃは、本体部２８に内嵌されている。本体部２８の軸方向上端面には静圧軸受３１が設けられており、その上面にはアキシアル荷重が付与される。

また、本体部２８の側面には棒材３４を介してロードセル３３が接続されており、本体部２８に掛かる動摩擦トルクがロードセル３３により検出される。さらに、本体部２８には、円すいころ軸受２６の転がり接触面及び滑り接触面に外部から潤滑油を供給するための通路３６が形成されている。また、転がり接触面及び滑り接触面の温度を検出する熱電対３８が、本体部２８の側面から取り出されている。

上記構成を有する試験機２０では、アキシアル荷重、ラジアル荷重、回転速度、潤滑油量を任意に変えて試験することができ、回転中の動摩擦トルク及び前記接触面の温度上昇を同時に測定することができる。
このような試験機２０に、大つば５ａの大つば面６ａにショットブラストを施した内輪１を備える円すいころ軸受を試験軸受として装着し、以下の条件でトルク試験を行った。また、そして、大つば面６ａ及び軌道面にショットブラストを施した内輪１を備える円すいころ軸受の場合と比較した。

（トルク試験の条件）
試験軸受の呼び番号：ＨＲ３２００８ＸＪ（内径４０、外径６０）
アキシアル荷重：４０００Ｎ
ラジアル荷重：０Ｎ
回転速度 ：０〜３０００ｒｐｍ
潤滑油 ：ＩＳＯ粘度グレードがＩＳＯ ＶＧ３２である鉱油
潤滑油量 ：５００ｍｌ／ｍｉｎ
潤滑油温度 ：５０±５℃

なお、トルクの測定を行う前に、３０００ｒｐｍで１時間以上回転させる慣らし運転を行い、十分にトルクが安定したことを確認した。また、軸受の個体差の影響を排除するため、以下のような手順でトルク試験を行った。すなわち、前記通常の円すいころ軸受に対して慣らし運転を行い、トルク試験（ショットブラスト処理前の軸受のトルク試験）を行った。その後、内輪のつばのうち、円すいころの小端面に摺接するつばを切除して円すいころを取り出した。そして、大つば５ａの大つば面６ａにショットブラストを施した後、先ほどの軸受に再度組み込んで再び慣らし運転を行い、トルク試験（ショットブラスト処理後の軸受のトルク試験）を行った。

結果を図３のグラフに示す。このグラフから、ショットブラスト処理後の軸受は、処理前の軸受に比べて、低速回転域（２５０ｒｐｍ）のトルクが１０〜８０％低減していることが分かる。
試験条件は上記と同一とし、材質、形状及び粒径が異なる投射材をショット条件を変化させて大つば５ａの大つば面６ａにショットブラストを施し、大つば面６ａを所定の表面形状（表面粗さＲａ、とがり度合いＲｋｕ、ゆがみ値Ｒｓｋ）とした実施形態１から実施形態１２、比較例１から比較例６の内輪１を備える円すいころ軸受を用いてトルクを比較した結果と、大つば面６ａ及び軌道面にショットブラストを施した内輪１（比較例７）を備える円すいころ軸受を用いたトルク結果を表１に記載する。
また、ショットブラストを行なうことで寿命の低下が懸念されるので、下記の条件でクリーンはくり寿命試験を行なった。

（クリーンはくり寿命試験の条件）
試験軸受の呼び番号：ＨＲ３２００８ＸＪ（内径４０、外径６０）
アキシアル荷重：５０００Ｎ
ラジアル荷重：２００００Ｎ
回転速度 ：３０００ｒｐｍ
潤滑油 ：ＩＳＯ粘度グレードがＩＳＯ ＶＧ３２である鉱油
潤滑油量 ：油浴潤滑
潤滑油温度 ：８０±５℃
表１で示した実施形態と比較例の一部のものについて、ワイブル分布の結果から実施例１の基本定格寿命Ｌ_１０を１００とした場合の寿命比を、表１の右端に示した。

表１から回転速度によりトルク低減率は異なるが、おおむね内輪１の大つば面６ａ及び小つば面６ｂの表面形状が、表面粗さ（Ｒａ，ｒｉｎｇ）が０．０５μm以上０．３０μm以下に設定され、表面粗さの分布曲線の中心線に対する上下のとがり程度を示すとがり度合い（Ｒｋｕ，ｒｉｎｇ）が３以上７以下に設定され、表面粗さの分布曲線の対称性を示すゆがみ値（Ｒｓｋ，ｒｉｎｇ）が−１．５以上−０．０５以下に設定され、０．１≦Ｒａ，ｒｉｎｇ／Ｒａ，ｒｏｌｌｅｒ≦１．０に設定され、投射材は、多角形状の炭化けい素（ＳｉＣ）であり、投射材の大きさは１０μm以上１００μm以下に設定され、投射材の投射速度は５０m／sec以上であり、投射材の投射圧力が０．１ＭＰａ以上０．９ＭＰａ以下であるときに、トルク低減率は減少し、クリーンはくり寿命も向上することがわかる。

１…内輪、２…外輪、３…円すいころ、３ａ…大端面、３ｂ…小端面、４…保持器、５ａ…大つば、５ｂ…小つば、６ａ…大つば面、６ｂ…小つば面

Claims (7)

1. 内輪と、外輪と、前記内輪及び前記外輪の間に転動自在に配置された複数のころと、前記内輪及び前記外輪の一方に形成したつばと、を備えたころ軸受において、
   前記ころの端面が摺接する前記つばのつば面に対してショットブラスト加工、或いはショットピーニング加工により表面仕上げを行なうことで、前記つば面の表面粗さ（Ｒａ，ｒｉｎｇ）を、０．０５μm以上０．３０μm以下に設定し、
   前記つば面の表面粗さの分布曲線の中心線に対する上下のとがり程度を示すとがり度合い（Ｒｋｕ，ｒｉｎｇ）を、３以上７以下に設定し、
   前記つば面の表面粗さ（Ｒａ，ｒｉｎｇ）及び前記つば面に摺接するころの端面の表面粗さ（Ｒａ，ｒｏｌｌｅｒ）を、０．１≦Ｒａ，ｒｉｎｇ／Ｒａ，ｒｏｌｌｅｒ≦１．０の関係としたことを特徴とするころ軸受。
2. 前記つば面の表面粗さの分布曲線の対称性を示すゆがみ値（Ｒｓｋ，ｒｉｎｇ）を、−１．５以上−０．０５以下に設定していることを特徴とする請求項１記載のころ軸受。
3. 前記ショットブラスト加工、或いは前記ショットピーニング加工を行なう際に使用する投射材は、多角形状の炭化けい素（ＳｉＣ）であることを特徴とする請求項１又は２記載のころ軸受。
4. 前記投射材の大きさは、１０μm以上１００μm以下であることを特徴とする請求項３記載のころ軸受。
5. 前記投射材の投射速度は、５０m／sec以上であることを特徴とする請求項３又は４記載のころ軸受。
6. 前記投射材の投射圧力は、０．１ＭＰａ以上０．９ＭＰａ以下であることを特徴とする請求項３乃至５の何れか１項に記載のころ軸受。
7. 前記つば面を形成している前記内輪及び前記外輪の一方の軌道面には、前記ショットブラスト加工、或いは前記ショットピーニング加工による表面仕上げを行なわないことを特徴とする請求項１乃至６の何れか１項に記載のころ軸受。

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