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Description

本発明は、風力発電機等に用いられるころ軸受に関する。
例えば、風力発電用ギヤボックスに配置される軸受には、中型のころ軸受が多用されている。風力発電に用いられる風車は、通常の発電運転以外に、停電等により電力が遮断されたときや、強風等により回転トルクを低減する制御が行われたときなどに、増速機に回転トルクが伝達されない非定常運転が行われる場合がある。この場合には、特に高速軸に搭載されているころ軸受は、無負荷に近い状態で高速回転するため、軸受の軌道面に十分な潤滑剤が供給されず、回転輪の軌道面やころの転動面にスメアリング（複数の微小な焼付きが起こる現象）が発生し、ころ軸受の寿命が低下することになる。
そこで、従来は、回転輪の軌道面やころの転動面を保護するために、当該軌道面や転動面に、リン酸マンガン被膜による表面処理を施すことが行われている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００３−１５６０５３号公報
しかしながら、リン酸マンガン被膜は、耐荷重性に劣るため、前記軌道面や転動面に剥離が生じやすくなり、ころ軸受の寿命を十分に向上させることができないという問題がある。
本発明は、このような実情に鑑みてなされたものであり、被膜による表面処理を施すことによって、ころ軸受の寿命を効果的に向上させることができるころ軸受を提供することを目的とする。
前記目的を達成するための本発明のころ軸受は、固定軌道面を有する固定輪と、前記固定軌道面に対向する回転軌道面を有する回転輪と、前記固定軌道面と前記回転軌道面との間に転動可能に配置されている複数のころと、を備え、前記回転軌道面及び前記ころの転動面のうち、一方の面に黒色酸化被膜が形成され、他方の面に前記黒色酸化被膜よりも摩擦係数が大きいダイヤモンドライクカーボン被膜が形成されていることを特徴とする。
本発明によれば、回転輪の回転軌道面及びころの転動面のうちの一方の面に、黒色酸化被膜が形成されているため、その被膜を形成する際に生じる亀裂や穴に、潤滑剤を溜めることができる。これにより、前記回転軌道面及びころの転動面のうちの一方の面に潤滑剤を保持することができるため、スメアリングの発生を効果的に抑制することができる。
また、回転輪の回転軌道面及びころの転動面のうちの他方の面に、ダイヤモンドライクカーボン被膜が形成されているため、その表面を硬質化することができる。これにより、ダイヤモンドライクカーボン被膜が形成された面に剥離が生じるのを効果的に抑制することができる。
したがって、回転輪の回転軌道面及びころの転動面に被膜による表面処理を施すことによって、ころ軸受の寿命を効果的に向上させることができる。
また、前記固定輪及び前記回転輪の一方には、その軌道面の少なくとも軸方向一方側に、前記ころの端面が摺接する鍔面が形成されており、前記鍔面及び前記ころの端面のうち、一方の面に黒色酸化被膜が形成され、他方の面にダイヤモンドライクカーボン被膜が形成されているのが好ましい。
この場合、回転輪の鍔面及びころの端面のうちの一方の面に、黒色酸化被膜が形成されているため、その被膜を形成する際に生じる亀裂や穴に、潤滑剤を溜めることができる。これにより、前記鍔面及び端面のうちの一方の面に潤滑剤を保持することができるため、スメアリングの発生を効果的に抑制することができる。
また、鍔面及びころの端面のうちの他方の面に、ダイヤモンドライクカーボン被膜が形成されているため、その表面を硬質化することができる。これにより、ダイヤモンドライクカーボン被膜が形成された面に剥離が生じるのを効果的に抑制することができる。
したがって、回転輪の鍔面及びころの端面に被膜による表面処理を施すことによって、ころ軸受の寿命をさらに向上させることができる。
本発明のころ軸受によれば、回転輪の回転軌道面及びころの転動面に被膜による表面処理を施すことによって、ころ軸受の寿命を効果的に向上させることができる。
本発明の第１の実施形態に係るころ軸受を示す断面図である。 電子顕微鏡により撮影した黒色酸化被膜の表面を示す図面代用写真である。 被膜の耐久試験の結果を示すグラフである。 上記耐久試験の試験装置を示す概略図である。 被膜の無潤滑下における摩擦係数の推移を示すグラフである。 上記摩擦係数の推移を測定する測定装置を示す概略図である。 本発明の第２の実施形態に係るころ軸受を示す断面図である。
以下、図面を参照しつつ、本発明のころ軸受の実施形態を詳細に説明する。
図１は本発明の第１の実施形態に係るころ軸受の断面図である。本実施形態のころ軸受は、風力発電用ギヤボックスにおいてラジアル荷重を支持する円筒ころ軸受１である。この円筒ころ軸受１は、固定輪としての外輪２と、この外輪２と同軸心状に回転可能に配置された回転輪としての内輪３と、外輪２と内輪３との間に転動可能に配置されている複数の円筒ころ４と、各円筒ころ４を円周方向に沿って所定間隔に保持するための保持器５とを備えている。
外輪２は、内周に形成された外輪軌道面（固定軌道面）２ａと、この外輪軌道面２ａの軸方向両側において径方向内向きに突出形成された鍔部２ｂとを有している。各鍔部２ｂは、円筒ころ４の軸方向両側の端面４ｂがそれぞれ摺接する鍔面２ｂ１を有している。
内輪３の外周には、外輪２の外輪軌道面２ａと対向する内輪軌道面（回転軌道面）３ａが形成されており、前記外輪軌道面２ａと内輪軌道面３ａとの間に、円筒ころ４が転動可能に配置されている。円筒ころ４の外周面は、外輪軌道面２ａ及び内輪軌道面３ａを転動する転動面４ａとされている。
保持器５は、軸方向に離間して配置された第１の円環部５ａ及び第２の円環部５ｂと、この両円環部５ａ，５ｂの周方向に沿って等間隔おきに配置されて両円環部５ａ，５ｂを連結する複数の柱部５ｃとを備えている。両円環部５ａ，５ｂと隣接する柱部５ｃとの間には、それぞれポケット５ｄが形成されており、このポケット５ｄ内に各円筒ころ４を配置し、円筒ころ４を円周方向に沿って所定間隔に保持している。
外輪２の外輪軌道面２ａ、内輪３の内輪軌道面３ａ、及び円筒ころ４の転動面４ａには、それぞれ異なる被膜による表面処理が施されている。具体的には、外輪軌道面２ａ及び内輪軌道面３ａには、それぞれ全周に亘って黒色酸化被膜６ａが形成されている。図２は、電子顕微鏡により撮影した黒色酸化被膜６ａの表面を示す図面代用写真である。この黒色酸化被膜６ａは、図２に示すように、形成時においてその表面に複数の亀裂や穴が生じる特性を有している。したがって、この黒色酸化被膜６ａ上に供給された潤滑剤が、前記亀裂や穴に溜めることができる。
円筒ころ４の転動面４ａには、全周に亘って例えばタングステンカーバイドカーボン（ＷＣＣ）を含むダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）被膜６ｂが形成されている。黒色酸化被膜６ａ及びダイヤモンドライクカーボン被膜６ｂの各膜厚は、それぞれ３μｍ以下に設定されている。
内輪３の各鍔面２ｂ１、及び円筒ころ４の各端面４ｂにおいても、それぞれ異なる被膜による表面処理が施されている。具体的には、前記各鍔面２ｂ１の全体には、黒色酸化被膜６ａが形成されている。また、前記各端面４ｂの全体には、例えばタングステンカーバイドカーボン（ＷＣＣ）を含むダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）被膜６ｂが形成されている。前記黒色酸化被膜６ａ及びダイヤモンドライクカーボン被膜６ｂの各膜厚も、それぞれ３μｍ以下に設定されている。
図３は、リン酸マンガン被膜及びダイヤモンドライクカーボン被膜に剥離が生じるまでの耐久試験を行った結果を示すグラフである。
この耐久試験の条件は、次のとおりである。第１の試験片は、ＪＩＳ ＳＵＪ２製の平板試験片にリン酸マンガン被膜が形成された試験片である。また、第２の試験片は、ＪＩＳ ＳＵＪ２製の平板試験片にダイヤモンドライクカーボン被膜が形成された試験片である。
前記第１の試験片のリン酸マンガン被膜に剥離が生じるまでの耐久試験の方法を次に示す。
図４は、前記耐久試験の試験装置を示す概略図である。この試験装置は、ＪＩＳ ＳＵＪ２製の環状の軌道２１ａを有するアキシアル軸受用内輪２１と、ＪＩＳ ＳＵＪ２製の３／８インチの６個の玉２２と、前記玉２２をそれぞれ保持する環状の保持器２３と、潤滑油２４と、第１の試験片３０を載置して潤滑油２４を貯留する容器２５と、を備えている。環状の軌道径（軌道２１ａの溝底の直径，Ｐ．Ｃ．Ｄ．）はφ３８ｍｍである。
第１の試験片３０をリン酸マンガン被膜３１が鉛直方向の上方側に向くよう容器２５に載置し、このリン酸マンガン被膜３１上に保持器２３に保持させた６個の玉２２を載置し、これら６個の玉２２が軌道２１ａに収まるよう内輪２１を玉２２の上に置いた。容器２５中に、第１の試験片３０が完全に没し、保持器２３の鉛直方向の略中間位置まで浸るよう潤滑油２４を貯留した。潤滑油２４は商品名ＭＥＲＯＰＡ ＷＭ３２０ （Ｃｈｅｖｒｏｎ製）を用いた。第１の試験片３０と内輪２１との間に、玉２２と第１の試験片３０との間の接触面圧が所定の値になるように、図中矢印Ａ方向にアキシアル荷重を加え、第１の試験片３０を静止させて内輪２１を１２００ｍｉｎ−１となる回転速度で回転させた。このときの玉２２の通過速度は３６００ｍｉｎ−１である。
耐久試験は、図３に示すように、前記接触面圧がステップＳ１のとき２．０ＧＰａ，ステップＳ２のとき２．６ＧＰａ，ステップＳ３のとき３．１ＧＰａ，ステップＳ４のとき３．５ＧＰａ，ステップＳ５のとき４．１ＧＰａとなるよう断続的に上昇させている。各ステップＳ１〜Ｓ５では、内輪２１を１×１０７回転させている。
前記第２の試験片のダイヤモンドライクカーボン被膜に剥離が生じるまでの耐久試験の方法を次に示す。
図４に示すように、上述したリン酸マンガン被膜３１に剥離が生じるまでの耐久試験で使用した試験装置において、試験片を第１の試験片３０の代わりに第２の試験片４０を用いて試験を行った。すなわち、第２の試験片４０をダイヤモンドライクカーボン被膜４１（本発明のダイヤモンドライクカーボン被膜６ｂに相当）が鉛直方向の上方側に向くよう容器２５に載置し、このダイヤモンドライクカーボン被膜４１上に保持器２３に保持させた６個の玉２２を載置し、第１の試験片３０と同様の試験をおこなった。
図３において、前記リン酸マンガン被膜は、接触面圧が３．１ＧＰａのときに剥離が生じているのに対して、前記ダイヤモンドライクカーボン被膜は接触面圧が４．１ＧＰａのときに剥離が生じている。この試験結果より、ダイヤモンドライクカーボン被膜は、リン酸マンガン被膜よりも耐荷重性に優れていることが分かる。
図５は、リン酸マンガン被膜、ダイヤモンドライクカーボン被膜及び黒色酸化被膜の無潤滑下における摩擦係数の推移を示すグラフである。
この摩擦係数の測定方法は次のとおりである。第３の試験片は、ＪＩＳ ＳＵＪ２製の平板試験片にリン酸マンガン被膜が形成された試験片である。また、第４の試験片は、ＪＩＳ ＳＵＪ２製の平板試験片にダイヤモンドライクカーボン被膜が形成された試験片である。第５の試験片は、ＪＩＳ ＳＵＪ２製の試験片は、ＪＩＳ ＳＵＪ２製の平板試験片に黒色酸化被膜が形成された試験片である。
前記第３の試験片のリン酸マンガン被膜の摩擦係数の推移の測定方法を次に示す。
図６は、前記摩擦係数の推移を測定する測定装置を示す概略図である。この測定装置では、ＪＩＳ ＳＵＪ２製の３／１６インチの玉５１と、潤滑油（図示省略）とを用意した。
第３の試験片６０をリン酸マンガン被膜６１が鉛直方向の上方側に向くよう配置し、このリン酸マンガン被膜６１上に、転がらないよう固定された玉５１を置いた。第３の試験片６０の表面には潤滑油を塗布した。潤滑油は、商品名ＭＥＲＯＰＡ ＷＭ３２０ （Ｃｈｅｖｒｏｎ製）を用いた。第３の試験片６０と玉５１との間に、接触面圧が１．６ＧＰａになるようアキシアル荷重１０Ｎを加えた。この状態で、玉５１を第３の試験片６０に対して平均線速度４０ｍｍ／ｓで距離１０ｍｍを図中矢印Ｂで示すように往復する相対移動をさせ、この相対移動を連続して３６００ｓ続けた。
前記第４の試験片のダイヤモンドライクカーボン被膜の摩擦係数の推移の測定方法を次に示す。
図６に示すように、上述したリン酸マンガン被膜６１の摩擦係数の推移の測定方法で使用した測定装置において、試験片を第３の試験片６０の代わりに第４の試験片７０を用いて試験を行った。すなわち、第４の試験片７０をダイヤモンドライクカーボン被膜７１（本発明のダイヤモンドライクカーボン被膜６ｂに相当）が玉５１に当接するようにして、第３の試験片６０と同様の測定をおこなった。
前記第５の試験片の黒色酸化被膜の摩擦係数の推移の測定方法を次に示す。
図６に示すように、上述したリン酸マンガン被膜６１の摩擦係数の推移の測定方法で使用した測定装置において、試験片を第３の試験片６０の代わりに第５の試験片８０を用いて試験を行った。すなわち、第５の試験片８０を黒色酸化被膜膜８１（本発明の黒色酸化被膜膜６ａに相当）が玉５１に当接するようにして、第３の試験片６０と同様の測定をおこなった。
図５において、前記リン酸マンガン被膜の摩擦係数は、０．４〜０．６の範囲で推移しているのに対して、前記ダイヤモンドライクカーボン被膜の摩擦係数は、０．２以下で推移している。この結果より、リン酸マンガン被膜はダイヤモンドライクカーボン被膜よりも摩擦係数が大きいことが分かる。また、前記黒色酸化被膜の摩擦係数は、０．２〜０．４の範囲で推移している。この結果より、黒色酸化被膜の摩擦係数は、リン酸マンガン被膜の摩擦係数よりも小さいが、ダイヤモンドライクカーボン被膜の摩擦係数よりも大きいことが分かる。
以上、本発明の実施形態に係る円筒ころ軸受１によれば、回転輪である内輪３の内輪軌道面３ａに、黒色酸化被膜６ａが形成されているため、その被膜６ａを形成する際に生じる亀裂や穴に、潤滑剤を溜めることができる。これにより、前記内輪軌道面３ａに潤滑剤を保持することができるため、スメアリングの発生を効果的に抑制することができる。
また、円筒ころ４の転動面４ａに、耐荷重性に優れたダイヤモンドライクカーボン被膜６ｂが形成されているため、その表面を硬質化することができる。これにより、前記転動面４ａに剥離が生じるのを効果的に抑制することができる。
また、黒色酸化被膜６ａとダイヤモンドライクカーボン被膜６ｂとの接触部に介在する潤滑油が減少し、さらに、万が一黒色酸化被膜６ａに生じた亀裂や穴に保持された潤滑剤の量が無くなった時には、ダイヤモンドライクカーボン被膜６ｂの摩擦係数よりも摩擦係数の大きい黒色酸化被膜６ａの摩擦力によって、内輪３の回転駆動力を効率良く円筒ころ４に伝達することができる。
したがって、内輪３の内輪軌道面３ａ及び円筒ころ４の転動面４ａに被膜による表面処理を施すことによって、円筒ころ軸受１の寿命を効果的に向上させることができる。
さらに、外輪２の鍔面２ｂ１に、黒色酸化被膜６ａが形成されているため、その被膜６ａを形成する際に生じる亀裂や穴に、潤滑剤を溜めることができる。これにより、前記鍔面２ｂ１に潤滑剤を保持することができるため、スメアリングの発生を効果的に抑制することができる。
また、円筒ころ４の端面４ｂには、ダイヤモンドライクカーボン被膜６ｂが形成されているため、その表面を硬質化することができる。これにより、前記端面４ｂに剥離が生じるのを効果的に抑制することができる。
したがって、外輪２の鍔面２ｂ１及び円筒ころ４の端面４ｂに被膜による表面処理を施すことによって、円筒ころ軸受１の寿命をさらに向上させることができる。
図７は、本発明の第２の実施形態に係るころ軸受を示す断面図である。本実施形態と第１の実施形態とが相違する点は、鍔面が内輪に形成されている点である。
本実施形態において、内輪３の外周には、内輪軌道面３ａの軸方向両側において径方向外向きに突出形成された鍔部３ｂを有している。各鍔部３ｂは、円筒ころ４の各端面４ｂがそれぞれ摺接する鍔面３ｂ１を有している。
内輪３の各鍔面３ｂ１、及び円筒ころ４の各端面４ｂには、それぞれ異なる被膜による表面処理が施されている。具体的には、前記各鍔面３ｂ１の全体には、黒色酸化被膜６ａが形成されている。また、前記各端面４ｂの全体には、例えばタングステンカーバイドカーボン（ＷＣＣ）を含むダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）被膜６ｂが形成されている。前記黒色酸化被膜６ａ及びダイヤモンドライクカーボン被膜６ｂの各膜厚は、それぞれ３μｍ以下に設定されている。
以上、本発明の実施形態に係る円筒ころ軸受１においても、内輪３の内輪軌道面３ａ及び円筒ころ４の転動面４ａに、それぞれ黒色酸化被膜６ａ及びダイヤモンドライクカーボン被膜６ｂによる表面処理が施されているため、円筒ころ軸受１の寿命を効果的に向上させることができる。
また、内輪３の鍔面３ｂ１及び円筒ころ４の端面４ｂに、それぞれ黒色酸化被膜６ａ及びダイヤモンドライクカーボン被膜６ｂによる表面処理が施されているため、円筒ころ軸受１の寿命をさらに向上させることができる。
なお、本発明は、上記の実施形態に限定されることなく適宜変更して実施可能である。例えば、上記各実施形態では、外輪軌道面及び内輪軌道面に黒色酸化被膜を形成し、円筒ころの転動面にダイヤモンドライクカーボン被膜を形成しているが、外輪軌道面及び内輪軌道面にダイヤモンドライクカーボン被膜を形成し、円筒ころの転動面に黒色酸化被膜を形成してもよい。
また、上記各実施形態では、外輪軌道面と内輪軌道面とにそれぞれ被膜が形成されているが、少なくとも回転輪側の内輪軌道面に被膜が形成されていればよい。
また、上記各実施形態では、鍔面に黒色酸化被膜を形成し、円筒ころの端面にダイヤモンドライクカーボン被膜を形成しているが、鍔面にダイヤモンドライクカーボン被膜を形成し、円筒ころの端面に黒色酸化被膜を形成してもよい。
また、第２の実施形態では、円筒ころの転動面と端面とにそれぞれダイヤモンドライクカーボン被膜が形成されているが、円筒ころの転動面のダイヤモンドライクカーボン被膜と端面のダイヤモンドカーボン被膜とが繋がっていてもよい。また、円筒ころの転動面と端面とにそれぞれ黒色酸化被膜が形成されていてもよく、この場合、円筒ころの転動面の黒色酸化被膜と端面の黒色酸化被膜とが繋がっていてもよい。
また、第２の実施形態では、内輪の内輪軌道面と鍔面とにそれぞれ黒色酸化被膜が形成されているが、内輪の内輪軌道面の黒色酸化被膜と鍔面の黒色酸化被膜とが繋がっていてもよい。また、内輪の内輪軌道面と鍔面とにそれぞれダイヤモンドライクカーボン被膜が形成されていてもよく、この場合、内輪の内輪軌道面のダイヤモンドライクカーボン被膜と鍔面のダイヤモンドライクカーボン被膜とが繋がっていてもよい。
また、ダイヤモンドライクカーボン被膜及び黒色酸化被膜のうち、一方の被膜が内輪の内輪軌道面と円筒ころの端面とに形成されているとともに、他方の被膜が内輪の鍔面と円筒ころの転動面とに形成されていてもよい。
また、上記各実施形態では、円筒ころの端面全体に被膜が形成されているが、少なくとも鍔面に摺接する部分に被膜が形成されていればよい。
また、上記各実施形態の円筒ころ軸受は、固定輪を外輪、回転輪を内輪としているが、固定輪を内輪、回転輪を外輪としてもよい。
また、ころ軸受は、ラジアル円筒ころ軸受に限らず、スラストころ軸受や、円錐ころ軸受であってもよい。
１：円筒ころ軸受（ころ軸受）、２：外輪（固定輪）、２ａ：外輪軌道面（固定軌道面）、２ｂ１：鍔面、３：内輪（回転輪）、３ａ：内輪軌道面（回転軌道面）、３ｂ１：鍔面、４：円筒ころ（ころ）、４ａ：転動面、４ｂ：端面、６ａ：黒色酸化被膜、６ｂ：ダイヤモンドライクカーボン被膜

Claims (2)

  1. 固定軌道面を有する固定輪と、
    前記固定軌道面に対向する回転軌道面を有する回転輪と、
    前記固定軌道面と前記回転軌道面との間に転動可能に配置されている複数のころと、を備え、
    前記回転軌道面及び前記ころの転動面のうち、一方の面に黒色酸化被膜が形成され、他方の面に前記黒色酸化被膜よりも摩擦係数が大きいダイヤモンドライクカーボン被膜が形成されていることを特徴とするころ軸受。
  2. 前記固定輪及び前記回転輪の一方には、その軌道面の少なくとも軸方向一方側に、前記ころの端面が摺接する鍔面が形成されており、
    前記鍔面及び前記ころの端面のうち、一方の面に黒色酸化被膜が形成され、他方の面にダイヤモンドライクカーボン被膜が形成されている請求項１に記載のころ軸受。
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