KR102647465B1 - 원추 롤러 베어링 - Google Patents

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히로아키 야마나카
히로유키 오시마
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닛본 세이고 가부시끼가이샤
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Abstract

원추 롤러 베어링 (10) 에 있어서, 원추 롤러 (13) 의 적어도 전동면 (13c) 및 대직경측 단면 (13b) 의 표면 조도는, 돌출 산부 높이 Rpk 가 0.02 ∼ 0.17 ㎛, 코어부의 레벨차 Rk 가 0.12 ∼ 0.21 ㎛, 돌출 골부 높이 Rvk 가 0.07 ∼ 0.43 ㎛ 이고, 그 원추 롤러 (13) 의 표면에 존재하는 미세한 요철에 있어서의 오목부의 평균 면적이 5 ㎛2 이하이다. 이로써, 희박 윤활하나 윤활유 저점도화에 있어서 유막 형성성을 향상시킴으로써, 구름 접촉 부분에서의 표면 손상의 억제 및 미끄러짐 접촉 부분의 마찰 증가의 억제를 양립시킬 수 있다.

Description

원추 롤러 베어링
본 발명은, 원추 롤러 베어링에 관한 것으로서, 특히, 차량의 변속기나 디퍼렌셜에 사용되는 원추 롤러 베어링에 관한 것이다.
최근, CO2 배출 규제에 수반되는 엔진의 연비 향상, 또, 전기 자동차의 경우에는 전비 향상의 관점에서, 변속기 등에 사용되는 구름 베어링에도, 교반 저항이 낮은 희박 윤활하에서의 사용이나, 윤활유의 저점도화에 있어서, 회전 효율을 높일 것이 요구되고 있다.
또, 종래, 이와 같은 희박 윤활하에서 사용되는 구름 베어링에 대하여, 전동체의 표면 성상을 특정하는 것이 다양하게 고안되어 있다. 예를 들어, 특허문헌 1 에 기재된 구름 베어링에서는, 전동체의 표면 또는 궤도륜의 궤도면 중 적어도 일방에, 독립된 미소 오목부 형상의 패임부를 무수히 랜덤하게 형성하고, 패임부 이외는 매끄러운 평활면으로 형성하고, 등가 원 직경 φ3 ㎛ 이하를 제외하고 정리하였을 때, 패임부의 면적률은 14 ％ 이상 21 ％ 이하, 평균 면적은 10 ㎛2 이상 30 ㎛2 이하, 최대 면적이 300 ㎛2 이상 500 ㎛2 이하, 패임부의 체적은 0.007 ㎣/㎠ 이상 0.010 ㎣/㎠ 이하인 것을 규정하고 있다.
또, 특허문헌 2 에 기재된 원추 롤러 베어링에서는, 롤러 피치 직경을 작게 함으로써 롤러 계수 γ 를 0.94 초과로 함과 함께, 원추 롤러의 표면에, 미소 오목 형상의 패임부을 랜덤하게 무수히 형성하고, 패임부을 형성한 표면의 면 조도 파라미터 Ryni 를 0.4 ㎛ ≤ Ryni ≤ 1.0 ㎛, Sk 값을 -1.6 이하로 하고, 나아가서는 유지기를 특정 형상으로 하고 있다.
일본 특허공보 제4754234호 일본 특허공보 제4994638호
그런데, 특허문헌 1 에 기재된 표면 성상을 갖는 전동체를 원추 롤러 베어링에 응용한 경우, 원추 롤러의 전동면과 궤도륜의 궤도면의 구름 접촉 부분에 있어서는, 희박 윤활하나 윤활유 저점도화에서도 구름 접촉부의 유막 형성성을 향상시킴으로써 필링 등의 표면 손상을 억제할 수 있을 것으로 생각된다. 그러나, 원추 롤러의 대직경측 단면과 대플랜지부 사이의 미끄러짐 접촉 부분에 대해서는, 원추 롤러의 대직경측 단면의 요철이 커서, 윤활유 유지성 향상에 의한 유막 형성성 향상 효과보다, 면 조도 악화에 의한 유막 형성성 악화의 효과가 상회함으로써, 마찰의 증가에 의한 베어링 회전 토크의 악화나 눌러붙음 등이 발생할 가능성이 있다.
또, 특허문헌 2 에 기재된 원추 롤러 베어링에 있어서도, 원추 롤러의 대직경측 단면과 대플랜지부 사이의 미끄러짐 접촉 부분에 대해 고려되어 있지 않다.
그래서 본 발명은, 원추 롤러의 표면 성상을 보다 적확하게 나타내는 파라미터를 사용하여 규정함으로써, 희박 윤활하나 윤활유 저점도화에 있어서 유막 형성성을 악화시키지 않고, 구름 접촉 부분에서의 표면 손상의 억제 및 미끄러짐 접촉 부분의 베어링 회전 토크 악화나 눌러붙음성 악화의 억제를 양립시킬 수 있는 원추 롤러 베어링을 제공하는 것을 목적으로 한다.
즉, 본 발명의 상기 목적은, 하기 구성에 의해 달성된다.
(1) 내륜 및 외륜과,
그 내륜 및 외륜 사이에 자유롭게 전동할 수 있도록 배치되는 복수의 원추 롤러를 구비하는 원추 롤러 베어링으로서,
상기 각 원추 롤러의 적어도 전동면 및 대직경측 단면의 표면 조도는, 돌출 산부 높이 Rpk 가 0.02 ∼ 0.17 ㎛, 코어부의 레벨차 Rk 가 0.12 ∼ 0.21 ㎛, 돌출 골부 높이 Rvk 가 0.07 ∼ 0.43 ㎛ 이고, 그 원추 롤러의 표면에 존재하는 미세한 요철에 있어서의 오목부의 평균 면적이 5 ㎛2 이하인, 원추 롤러 베어링.
(2) 상기 각 원추 롤러의 표면은 배럴 가공에 의해 마무리 가공되어 있고,
상기 표면에 있어서의 극표면의 경도는, 상기 배럴 가공 전의 표면에 대하여, 105 ％ ∼ 135 ％ 의 경도를 갖는, (1) 에 기재된 원추 롤러 베어링.
(3) 상기 각 원추 롤러의 표면 성상의 애스펙트비 Str 이 0.2 이상인, (1) 또는 (2) 에 기재된 원추 롤러 베어링.
본 발명의 원추 롤러 베어링에서는, 적어도 전동면 및 대직경측 단면의 표면 성상으로서, 오목부의 평균 면적이 5 ㎛2 이하로 작고, 또한 Rpk, Rk, Rvk 를 상기 특정한 범위로 규정함으로써 미세한 요철로 함으로써, 희박 윤활하나 윤활유 저점도화에 있어서 유막 형성성을 향상시켜, 구름 접촉 부분에서의 표면 손상의 억제 및 미끄러짐 접촉 부분의 베어링 회전 토크 악화나 눌러붙음성 악화의 억제를 양립시킬 수 있다. 이로써, 베어링 회전 토크 악화나 눌러붙음성 악화 등의 문제가 발생하지 않고, 장수명의 원추 롤러 베어링을 얻을 수 있다.
도 1 은, 원추 롤러 베어링의 일례를 나타내는 단면도이다.
도 2(a) 는, 연삭 마무리 가공 후에 있어서의 원추 롤러의 전동면의 표면의 삼차원 표면 조도를 나타내고, 도 2(b) 는, 삼차원 표면 조도를 각 스펙트럼으로 나타낸 극좌표 그래프이다.
도 3(a) 는, 배럴 가공 후에 있어서의 원추 롤러의 전동면의 표면의 삼차원 표면 조도를 나타내고, 도 3(b) 는, 삼차원 표면 조도를 각 스펙트럼으로 나타낸 극좌표 그래프이다.
도 4 는, 시험 1 의 결과를 나타내는 그래프이다.
도 5 는, 시험 2 의 결과를 나타내는 그래프이다.
도 6 은, 시험 3 의 결과를 나타내는 그래프이다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시형태에 관련된 원추 롤러 베어링에 대해, 상세하게 설명한다.
도 1 에 나타내는 바와 같이, 본 실시형태의 원추 롤러 베어링 (10) 은, 희박 윤활, 윤활유 저점도화 등, 유막 형성성이 부족한 윤활 환경하에서 사용되는 차량의 변속기나 디퍼렌셜에 적용된다. 그 원추 롤러 베어링 (10) 은, 내주면에 외륜 궤도면 (11a) 을 갖는 외륜 (11) 과, 외주면에 내륜 궤도면 (12a) 을 갖는 내륜 (12) 과, 외륜 궤도면 (11a) 과 내륜 궤도면 (12a) 사이에 자유롭게 전동할 수 있도록 배치되는 복수의 원추 롤러 (13) 와, 복수의 원추 롤러 (13) 를 둘레 방향으로 등간격으로 유지하는 유지기 (14) 를 구비한다.
내륜 (12) 은, 내륜 궤도면 (12a) 의 소직경측 단부에 형성되는 소플랜지부 (15) 와, 내륜 궤도면 (12a) 의 대직경측 단부에 형성되는 대플랜지부 (16) 를 갖는다. 소플랜지부 (15) 는, 원추 롤러 (13) 의 소직경측 단면 (13a) 과 접촉하고, 대플랜지부 (16) 는, 원추 롤러 (13) 의 대직경측 단면 (13b) 과 접촉한다.
이와 같은 원추 롤러 베어링 (10) 의 원추 롤러 (13) 을 제조할 때에는, 베어링강 등의 원기둥상의 소재에 단조 가공 등의 소성 가공을 실시하여, 원추대상의 중간 소재를 형성하고, 그 후, 적어도 전동면 (13c) 및 대직경측 단면 (13b) 에 연삭 가공, 연삭 마무리 가공을 실시한다. 그리고, 연삭 마무리 가공 직후의 원추 롤러 (13) 의 표면은, 각각 방향성을 가진 표면 (이방성 표면) 이 되고, 미세한 줄무늬상의 요철이 다수 형성되어 있다. 도 2(a) 는, 연삭 마무리 가공 직후의 원추 롤러 (13) 의 전동면 (13c) 의 표면을 삼차원 표면 조도 측정기에 의해 측정한 삼차원 표면 조도이고, 도 2(b) 는, 삼차원 표면 조도를 각 스펙트럼으로 나타낸 극좌표 그래프인데, 어느 방향 (도 2 에서는 90°부근) 으로 1 개의 강한 피크 (각 스펙트럼) 가 나타나고 있다. 또한, 극좌표 그래프 및 각 스펙트럼은, ISO 25178 에 규정되어 있다. 이와 같은 줄무늬상의 가공흔에서는, 골부가 일방향으로 맞춰져 있어, 윤활유의 유지 능력이 낮다.
그래서, 본 실시형태에서는, 연삭 마무리 가공 후, 각 원추 롤러 (13) 의 전동면 (13c), 소직경측 단면 (13a) 및 대직경측 단면 (13b) 을 포함하는 전체 표면에 배럴 가공을 실시하여, 전체 표면에 방향성을 갖지 않는, 이하에 규정되는 미세한 요철을 다수 형성한다. 특히, 원추 롤러 (13) 의 전동면 (13c) 및 대직경측 단면 (13b) 은,
(a) 돌출 산부 높이 Rpk 를 0.02 ∼ 0.17 ㎛, 바람직하게는 0.03 ∼ 0.10 ㎛
(b) 코어부의 레벨차 Rk 를 0.12 ∼ 0.21 ㎛, 바람직하게는 0.12 ∼ 0.19 ㎛
(c) 돌출 골부 높이 Rvk 를 0.07 ∼ 0.43 ㎛, 바람직하게는 0.17 ∼ 0.41 ㎛
(d) 오목부의 평균 면적을 5 ㎛2 이하, 바람직하게는 1 ㎛2 이하, 보다 바람직하게는 0.8 ㎛2 이하
로 한다. 또한, Rpk, Rk, Rvk 는, ISO 13565-1 (JIS B 0671-2) 에 규정되어 있다. 또, 오목부의 평균 면적은, 원추 롤러 (13) 의 최표면 위치에서의 면적이다.
(a) ∼ (d) 의 요건을 만족하는 미세한 요철로 함으로써, 희박 윤활하나 윤활유 저점도화에 있어서도, 원추 롤러 (13) 의 전동면 (13c) 과 외륜 (11) 또는 내륜 (12) 의 궤도면 (11a, 12a) 의 구름 접촉 부분에서의 유막 끊어짐에 의한 표면 손상을 억제할 수 있음과 함께, 원추 롤러 (13) 의 대직경측 단면 (13b) 과 대플랜지부 (16) 사이의 미끄러짐 접촉 부분의 베어링 회전 토크 악화나 눌러붙음성 악화를 억제할 수 있어, 각 접촉 부분에서의 양호한 윤활 상태를 유지하고, 장수명의 원추 롤러 베어링 (10) 을 얻을 수 있다.
또, 배럴 가공에 의해, 원추 롤러 (13) 의 극표면의 경도도 높일 수 있다. 배럴 가공 후의 극표면의 경도는, 강종이나 열처리에 따라 상이한데, 본 실시형태에 있어서는, 배럴 가공 전에 비해 105 ％ ∼ 135 ％, 바람직하게는 110 ∼ 120 ％ 높아진다. 극표면의 경도가 높아짐으로써, 수명을 향상시킬 수 있다. 또한, 극표면이란, 표면에서 5 ㎛ 까지의 깊이의 부분을 말하며, 극표면의 경도란, 마이크로 비커스 경도 측정기에 있어서, 시험력 100 g 으로 측정하였을 때의 경도이다.
또, 배럴 가공 후의 원추 롤러 (13) 의 전동면 (13c) 의 표면을 동일하게 삼차원 표면 조도 측정기를 사용하여 측정하면, 도 3(a) 에 나타내는 바와 같은 삼차원 표면 조도, 및 도 3(b) 에 나타내는 바와 같은 극좌표 그래프가 얻어진다. 이 경우, 배럴 가공 후의 원추 롤러 (13) 의 전동면 (13c), 소직경측 단면 (13a) 및 대직경측 단면 (13b) 을 포함하는 전체 표면은, 모두 방향성을 갖지 않는 표면 (등방성 표면) 이 되고, 대략 모든 방향으로 각 스펙트럼이 분산되어 있다. 또, 각 스펙트럼의 피크 높이도, 특정한 각도만 특별히 높아지지도 않고, 대략 전체 방향으로 일정하게 요철이 분포되어 있다고 할 수 있다.
이방성 표면과 등방성 표면을 나타내는 지표로서, ISO 25178 에서 규정되는 표면 성상 애스펙트비 Str 이 알려져 있다. 이 Str 은 0 ∼ 1 의 범위이며, 1 에 가까울수록「등방성」이 높은 것을 나타내고 있다. 본 실시형태에서는, 원추 롤러 (13) 의 각 표면 (13a, 13b, 13c) 의 표면 성상의 애스펙트비 Str 이 0.2 이상인 것이 바람직하고, 0.5 이상인 것이 보다 바람직하고, 0.7 이상인 것이 특히 바람직하다. Str 이 0.2 미만에서는 요철의 등방성이 불충분하고, 요철에 의한 윤활유의 유지 능력이 충분하지는 않아, 내구성의 향상 효과가 충분히 얻어지지 않을 우려가 있다.
실시예
이하, 종래예, 실시예 및 참고예를 사용하여, 시험 1 ∼ 3 에 의해, 본 발명의 효과에 대해 확인을 실시하였다.
또한, 종래예에서는, 강재 (SUJ2) 에 소성 가공, 연삭 가공, 연삭 마무리 가공을 실시하여, 원추 롤러 베어링의 원추 롤러를 제조하였다. 또, 실시예에서는, 종래예의 원추 롤러에 추가로 배럴 가공을 실시하여, 표 1 에 나타내는 표면 성상으로 하였다. 또한, 참고예에서는, 종래예의 원추 롤러에 실시예와 상이한 조건에서 배럴 가공을 실시하여, 표 1 에 나타내는 표면 성상으로 하였다. 또한, 표 1 의 참고예 및 실시예에서는, 원추 롤러의 개수 n 을 30 으로 하고, Rpk, Rk, Rvk 는, n 개의 원추 롤러의 최소값과 최대값을 나타내고 있다.
Figure 112021111390754-pct00001
(시험 1)
종래예, 실시예의 각 원추 롤러를 사용한 원추 롤러 베어링에 대하여, 윤활유로서 저점도유 (ISO VG10 ∼ VG15 상정) 를 동일한 공급량으로 공급하고, 희박 윤활하 조건을 상정한 내구 시험을 실시하였다. 내구 시험에서는, 동등가 하중 20000 N 정도를 부하하고, 회전 속도 4000 min-1 으로 베어링을 회전시켜, 이상이 발생할 때까지의 회전 시간을 측정하였다.
이 결과, 도 4 에 나타내는 바와 같이, 종래예에서는 원추 롤러의 전동면에 유막 형성성이 나쁜 상황에서 발생하기 쉬운 필링 등의 이상이 조기에 발생하였지만, 실시예에서는, 종래예의 약 8 배의 회전 시간 후에도 이상을 발생시키지 않고, 미세한 요철에 의한 유막 형성성 향상 효과에 의해, 내구성이 향상된 것을 알 수 있었다.
(시험 2)
다음으로, 종래예, 실시예 및 참고예의 각 원추 롤러를 사용한 원추 롤러 베어링에 대하여, 시험 개시 전에 베어링에 윤활유로서 ISO VG32 상당의 범용유를 도포하고, 시험 중에는 윤활유를 공급하지 않고, 액시얼 하중 4000 N 을 부하하고, 회전 속도 4000 min-1 으로 베어링을 회전시켜, 미끄러짐 마찰이 주 (主) 인 대직경측 단면과 대플랜지부 사이가 눌러붙음에 이르기까지의 회전 시간 (눌러붙음 수명) 을 측정하였다.
이 결과, 도 5 에 나타내는 바와 같이, 눌러붙음 수명은 종래예 및 실시예 모두 대략 동등하지만, 참고예에서는, 이것들의 약 1/4 로까지 저하되어 있었다. 이것은, 미세한 요철이 실시예보다 참고예의 쪽이 크기 때문에, 대직경측 단면과 대플랜지부 사이에서의 마찰이 증가함으로써 발열이 커졌기 때문으로 생각된다.
(시험 3)
또한, 종래예, 실시예 및 참고예의 각 원추 롤러를 사용한 원추 롤러 베어링에 대하여, 시험 2 와 동일한 윤활유를 공급하면서, 베어링의 회전수를 변화시키며, 액시얼 하중 3000 N 을 부하하고, 회전 속도마다의 베어링 회전 토크를 측정하였다.
이 결과를 도 6 에 나타내는데, 실시예 및 종래예는 대략 동등한 거동을 나타내고 있지만, 미세한 요철이 실시예보다 큰 참고예는 저속시의 베어링 회전 토크가 커져 있는 것을 알 수 있다.
상기 결과로부터, 각각의 표면 성상이, 돌출 산부 높이 Rpk 가 0.02 ∼ 0.17 ㎛, 코어부의 레벨차 Rk 가 0.12 ∼ 0.21 ㎛, 돌출 골부 높이 Rvk 가 0.07 ∼ 0.43 ㎛ 이고, 그 원추 롤러의 표면에 존재하는 미세한 요철에 있어서의 오목부의 평균 면적이 0.8 ㎛2 이하인, 복수의 원추 롤러를 구비한 원추 롤러 베어링으로 함으로써, 양호한 내구성, 내눌러붙음성, 토크 성능이 얻어지는 것을 확인할 수 있었다.
이상, 도면을 참조하면서 각종 실시형태에 대해 설명하였지만, 본 발명은 이러한 예에 한정되지 않는 것은 말할 필요도 없다. 당업자라면, 특허 청구의 범위에 기재된 범주 내에 있어서, 각종 변경예 또는 수정예에 상도할 수 있는 것은 분명하며, 그것들에 대해서도 당연히 본 발명의 기술적 범위에 속하는 것으로 이해된다. 또, 발명의 취지를 일탈하지 않는 범위에 있어서, 상기 실시형태에 있어서의 각 구성 요소를 임의로 조합해도 된다.
또한, 본 출원은, 2019년 3월 25일에 출원된 일본 특허출원 (일본 특허출원 2019-56970호) 에 기초한 것으로서, 그 내용은 본 출원 중에 참조로서 원용된다.
10 : 원추 롤러 베어링
11 : 외륜
12 : 내륜
13 : 원추 롤러
13b : 대직경측 단면
13c : 전동면

Claims (3)

  1. 내륜 및 외륜과,
    그 내륜 및 외륜 사이에 자유롭게 전동할 수 있도록 배치되는 복수의 원추 롤러를 구비하는 원추 롤러 베어링으로서,
    각 상기 원추 롤러의 적어도 전동면 및 대직경측 단면의 표면 조도는, 돌출 산부 높이 Rpk 가 0.02 ∼ 0.17 ㎛, 코어부의 레벨차 Rk 가 0.12 ∼ 0.21 ㎛, 돌출 골부 높이 Rvk 가 0.07 ∼ 0.43 ㎛ 이고, 그 원추 롤러의 표면에 존재하는 미세한 요철에 있어서의 오목부의 평균 면적이 5 ㎛2 이하이고,
    각 상기 원추 롤러의 표면 성상의 애스펙트비 Str 이 0.2 이상인, 원추 롤러 베어링.
  2. 제 1 항에 있어서,
    각 상기 원추 롤러의 표면은 배럴 가공에 의해 마무리 가공되어 있고,
    상기 표면에 있어서의 극표면의 경도는, 상기 배럴 가공 전의 표면에 대하여, 105 ％ ∼ 135 ％ 의 경도를 갖는, 원추 롤러 베어링.
  3. 삭제
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