JP2018165566A - Tapered-roller bearing - Google Patents
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Abstract
【課題】回転トルクの安定化と耐焼付き性とを両立させることが可能で、高ミスアライメント環境で耐久性を有する円錐ころ軸受を提供する。【解決手段】内輪13の大鍔面18の算術平均粗さRaが0.1μm以上0.2μm以下である。ころ12の外輪11、内輪13および複数のころ12のうちの少なくともいずれか1つの最表面から窒素富化層の底部までの距離は0.2mm以上である。ころ12の転動面12Aにはクラウニングが形成される。クラウニングのドロップ量の和は以下の式(1)で表される。【選択図】図9PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a conical roller bearing capable of achieving both stabilization of rotational torque and seizure resistance and having durability in a high misalignment environment. An arithmetic average roughness Ra of a large flange surface 18 of an inner ring 13 is 0.1 μm or more and 0.2 μm or less. The distance from the outermost surface of at least one of the outer ring 11, the inner ring 13 and the plurality of rollers 12 of the rollers 12 to the bottom of the nitrogen-enriched layer is 0.2 mm or more. Crowning is formed on the rolling surface 12A of the roller 12. The sum of the dropping amounts of crowning is expressed by the following equation (1). [Selection diagram] FIG. 9
Description
この発明は、円錐ころ軸受に関するものである。 The present invention relates to a tapered roller bearing.
近年の省燃費化取組みに伴い自動車用トランスミッションおよびデファレンシャルでは、軸受の小型化が進んでいる。これに伴い、軸受に許されるスペースは小さくなり、小型軸受で高荷重を受ける必要が生じている。更に、アルミニウム製のハウジングの採用により軸受に含まれるケースの剛性が低下し軸傾きが大きくなっているため、軸受は高ミスアライメント環境でも耐久性が求められる。以上の背景により、小型軸受でありながらミスアライメントを含む大きな荷重が受けられる円錐ころ軸受が用いられるケースが増えつつある。 In recent years, efforts have been made to reduce the size of bearings in transmissions and differentials for automobiles in accordance with efforts to reduce fuel consumption. Along with this, the space allowed for the bearing is reduced, and it is necessary to receive a high load with a small bearing. Furthermore, the use of an aluminum housing reduces the rigidity of the case included in the bearing and increases the shaft inclination. Therefore, the bearing is required to be durable even in a high misalignment environment. Due to the above background, there are an increasing number of cases in which tapered roller bearings that are small bearings and can receive a large load including misalignment are used.
このような省燃費化の一環として、たとえば特開2009−197904号公報(特許文献1)に開示される軸受部品においては、対数関数で表されるクラウニングの輪郭線を得ることが提案されている。またたとえば特開2003−226918号公報(特許文献2)においては、長寿命化を図るために、FA処理(結晶粒微細化強化処理)と呼ばれる特殊な熱処理により微細化された窒化層を含ませた構成を有する軸受部品が開示されている。 As a part of such fuel saving, for example, in bearing parts disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2009-197904 (Patent Document 1), it is proposed to obtain a crowning contour line represented by a logarithmic function. . Further, for example, in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2003-226918 (Patent Document 2), a nitride layer refined by a special heat treatment called FA treatment (crystal grain refinement strengthening treatment) is included in order to extend the life. A bearing component having a different configuration is disclosed.
しかしながら、対数関数で表されるクラウニングの輪郭線と、FA処理による微細化された窒化層とを併せ持つ構成はこれまで提案されていなかったため、自動車の省燃費化への貢献が十分とは言えなかった。 However, a configuration having both a contour line of a crowning expressed by a logarithmic function and a nitrided layer refined by FA processing has not been proposed so far, and thus it cannot be said that the contribution to the fuel saving of an automobile is sufficient. It was.
また円錐ころ軸受は、外輪または内輪を低速度で回転させる条件の回転数の範囲内で回転トルクを安定化させることが望ましい。さらに円錐ころ軸受は、回転時の昇温により外輪または内輪が焼付く不具合が生じる可能性があるため、耐焼付き性を向上させることが望ましい。しかしこれまでそのような回転トルクの安定化と耐焼付き性とを両立させる技術について提案されていなかった。 Further, it is desirable for the tapered roller bearing to stabilize the rotational torque within the range of the rotational speed under the condition for rotating the outer ring or the inner ring at a low speed. Furthermore, it is desirable that the tapered roller bearing be improved in seizure resistance because there is a possibility that the outer ring or the inner ring may seize due to the temperature rise during rotation. However, there has been no proposal for a technique that achieves both such stabilization of rotational torque and seizure resistance.
そこで、この発明の課題は、回転トルクの安定化と耐焼付き性とを両立させることが可能で、かつ、高ミスアライメント環境でも耐久性を有する円錐ころ軸受を提供することである。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a tapered roller bearing that can achieve both rotational torque stabilization and seizure resistance and has durability even in a high misalignment environment.
本発明に係る円錐ころ軸受は、外輪と、内輪と、複数の円錐ころとを備える。外輪は内周面において外輪軌道面を有する。内輪は外周面において内輪軌道面と内輪軌道面よりも大径側に配置された大鍔面とを有し、外輪に対して径方向内側に配置される。複数の円錐ころは外輪軌道面と内輪軌道面との間に配列され、外輪軌道面および内輪軌道面と接触する転動面を有する。大鍔面の算術平均粗さRaが0.1μm以上0.2μm以下である。外輪、内輪および複数の円錐ころのうちの少なくともいずれか1つは、外輪軌道面、内輪軌道面または転動面の表面層に形成された窒素富化層を含む。表面層の最表面から窒素富化層の底部までの距離は0.2mm以上である。円錐ころの転動面にはクラウニングが形成される。クラウニングのドロップ量の和は、円錐ころの転動面の母線をy軸とし、母線直交方向をz軸とするy−z座標系において、K1,K2,zmを設計パラメータ、Qを荷重、Lを円錐ころにおける転動面の有効接触部の母線方向長さ、E’を等価弾性係数、aを円錐ころの転動面の母線上にとった原点から有効接触部の端部までの長さ、A=2K1Q/πLE’としたときに、式(1)で表される。 The tapered roller bearing according to the present invention includes an outer ring, an inner ring, and a plurality of tapered rollers. The outer ring has an outer ring raceway surface on the inner peripheral surface. The inner ring has an inner ring raceway surface and a large collar surface disposed on the larger diameter side than the inner ring raceway surface on the outer peripheral surface, and is disposed radially inward with respect to the outer ring. The plurality of tapered rollers are arranged between the outer ring raceway surface and the inner ring raceway surface, and have rolling surfaces that contact the outer ring raceway surface and the inner ring raceway surface. The arithmetic mean roughness Ra of the large surface is 0.1 μm or more and 0.2 μm or less. At least one of the outer ring, the inner ring, and the plurality of tapered rollers includes a nitrogen-enriched layer formed on a surface layer of the outer ring raceway surface, the inner ring raceway surface, or the rolling surface. The distance from the outermost surface of the surface layer to the bottom of the nitrogen-enriched layer is 0.2 mm or more. Crowning is formed on the rolling surface of the tapered roller. The sum of the crowning drop amounts is defined as follows. In the yz coordinate system in which the generatrix of the rolling surface of the tapered roller is the y-axis and the direction orthogonal to the generatrix is the z-axis, K 1 , K 2 , and z m are design parameters, and Q is Load, L is the length in the direction of the generatrix of the effective contact portion of the rolling surface of the tapered roller, E 'is the equivalent elastic modulus, and a is the origin on the generatrix of the rolling surface of the tapered roller to the end of the effective contact portion When A = 2K 1 Q / πLE ′, the length is expressed by Expression (1).
本発明によれば、回転トルクの安定化と耐焼付き性とを両立させることが可能で、かつ、高ミスアライメント環境でも耐久性を有する円錐ころ軸受を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a tapered roller bearing that can achieve both stabilization of rotational torque and seizure resistance and has durability even in a high misalignment environment.
以下、図面に基づいて、この発明の実施形態を説明する。
以下、本実施の形態の円錐ころ軸受について、図1および後述の図9を中心に、段階的に説明する。まず図1〜図4を用いて、本実施の形態の円錐ころ軸受のうち、後述の図9にて初出する特徴を除く部分の特徴について説明する。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
Hereinafter, the tapered roller bearing of the present embodiment will be described step by step with a focus on FIG. 1 and FIG. 9 described later. First, with reference to FIGS. 1 to 4, features of portions of the tapered roller bearing according to the present embodiment other than the features that appear for the first time in FIG.
図1に示す円錐ころ軸受10は、外輪11と、内輪13と、複数の円錐ころとしてのころ12と、保持器14とを主に備えている。外輪11は、環形状を有し、内周面に外輪軌道面としての軌道面11Aを有している。内輪13は、環形状を有し、外周面に内輪軌道面としての軌道面13Aを有している。内輪13は、軌道面13Aが軌道面11Aに対向するように外輪11の内径側に配置されている。なお以下の説明において、円錐ころ軸受10の中心軸に沿った方向を「軸方向」、中心軸に直交する方向を「径方向」、中心軸を中心とする円弧に沿った方向を「周方向」と呼ぶ。
A tapered roller bearing 10 shown in FIG. 1 mainly includes an
ころ12は、外輪11の内周面上に配置されている。ころ12はころ転動面としての転動面12Aを有し、当該転動面12Aにおいて軌道面13Aおよび軌道面11Aに接触する。複数のころ12は合成樹脂からなる保持器14により周方向に所定のピッチで配置されている。これにより、ころ12は、外輪11および内輪13の円環状の軌道上に転動自在に保持されている。また、円錐ころ軸受10は、軌道面11Aを含む円錐、軌道面13Aを含む円錐、およびころ12が転動した場合の回転軸の軌跡を含む円錐のそれぞれの頂点が軸受の中心線上の1点で交わるように構成されている。このような構成により、円錐ころ軸受10の外輪11および内輪13は、互いに相対的に回転可能となっている。なお、保持器14は樹脂製に限らず、金属製であってもよい。
The
外輪11、内輪13、ころ12を構成する材料は鋼であってもよい。当該鋼は、窒素富化層11B、12B、13B以外の部分で、少なくとも炭素を0.6質量%以上1.2質量%以下、珪素を0.15質量%以上1.1質量%以下、マンガンを0.3質量%以上1.5質量%以下含む。上記鋼は、さらに2.0質量%以下のクロムを含んでいてもよい。
The material constituting the
上記の構成において、炭素が1.2質量%を超えると、球状化焼鈍を行なっても素材硬度が高いので冷間加工性を阻害し、冷間加工を行なう場合に十分な冷間加工量と、加工精度を得ることができない。また、浸炭窒化処理時に過浸炭組織になりやすく、割れ強度が低下する危険性がある。他方、炭素含有量が0.6質量%未満の場合には、所要の表面硬さと残留オーステナイト量を確保するのに長時間を必要としたり、再加熱後の焼入れで必要な内部硬さが得られにくくなる。 In the above configuration, if the carbon content exceeds 1.2% by mass, the material hardness is high even if spheroidizing annealing is performed, so that cold workability is hindered and sufficient cold work amount is obtained when performing cold work. The processing accuracy cannot be obtained. In addition, the carbonitriding process tends to become an excessively carburized structure, and there is a risk that the cracking strength is reduced. On the other hand, when the carbon content is less than 0.6% by mass, it takes a long time to secure the required surface hardness and the amount of retained austenite, or the necessary internal hardness is obtained by quenching after reheating. It becomes difficult to be.
Si含有率を0.15〜1.1質量%とするのは、Siが耐焼戻し軟化抵抗を高めて耐熱性を確保し、異物混入潤滑下での転がり疲労寿命特性を改善することができるからである。Si含有率が0.15質量%未満では異物混入潤滑下での転がり疲労寿命特性が改善されず、一方、Si含有率が1.1質量%を超えると焼きならし後の硬度を高くしすぎて冷間加工性を阻害する。 The reason why the Si content is 0.15 to 1.1% by mass is that Si increases resistance to tempering softening to ensure heat resistance, and can improve rolling fatigue life characteristics under lubrication mixed with foreign matter. It is. When the Si content is less than 0.15% by mass, the rolling fatigue life characteristics under lubrication with foreign matters are not improved. On the other hand, when the Si content exceeds 1.1% by mass, the hardness after normalization is too high. Impairs cold workability.
Mnは浸炭窒化層と芯部の焼入れ硬化能を確保するのに有効である。Mn含有率が0.3質量%未満では、十分な焼入れ硬化能を得ることができず、芯部において十分な強度を確保することができない。一方、Mn含有率が1.5質量%を超えると、硬化能が過大になりすぎ、焼きならし後の硬度が高くなり冷間加工性が阻害される。また、オーステナイトを安定化しすぎて芯部の残留オーステナイト量を過大にして経年寸法変化を助長する。さらに、鋼が2.0質量%以下のクロムを含むことにより、表層部においてクロムの炭化物や窒化物を析出して表層部の硬度を向上しやすくなる。Cr含有率を2.0質量%以下としたのは、2.0質量%を超えると冷間加工性が著しく低下したり、2.0質量%を超えて含有しても上記表層部の硬度向上の効果が小さいからである。 Mn is effective for securing the quench hardening ability of the carbonitrided layer and the core. When the Mn content is less than 0.3% by mass, sufficient quenching and hardening ability cannot be obtained, and sufficient strength cannot be ensured in the core. On the other hand, if the Mn content exceeds 1.5% by mass, the curing ability becomes excessively high, the hardness after normalization becomes high, and the cold workability is hindered. In addition, the austenite is excessively stabilized and the amount of retained austenite in the core is excessively increased to promote a change in size over time. Further, when steel contains 2.0 mass% or less of chromium, chromium carbide and nitride are precipitated in the surface layer portion, and the hardness of the surface layer portion is easily improved. The Cr content is set to 2.0% by mass or less when the content exceeds 2.0% by mass, the cold workability is remarkably lowered, or even if the content exceeds 2.0% by mass, the hardness of the surface layer portion described above. This is because the improvement effect is small.
なお、本開示の鋼は、言うまでもなくFeを主成分とし、上記の元素の他に不可避的不純物を含んでいてもよい。不可避的不純物としては、リン(P)、硫黄(S)、窒素(N)、酸素(O)、アルミ(Al)などがある。これらの不可避的不純物元素の量は、それぞれ0.1質量%以下である。 Needless to say, the steel of the present disclosure may contain Fe as a main component and may contain inevitable impurities in addition to the above elements. Inevitable impurities include phosphorus (P), sulfur (S), nitrogen (N), oxygen (O), aluminum (Al), and the like. The amounts of these inevitable impurity elements are each 0.1% by mass or less.
また異なる観点から言えば、外輪11および内輪13は、軸受用材料の一例である鋼材、たとえばJIS規格SUJ2からなるものであることが好ましい。ころ12は、軸受用材料の一例である鋼材、たとえばJIS規格SUJ2により構成されてもよい。また、ころ12は、他の材料、たとえばサイアロン焼結体により構成されていてもよい。
From a different point of view, the
図2に示すように、外輪11の軌道面11Aおよび内輪13の軌道面13Aには窒素富化層11B、13Bが形成されている。内輪13では、窒素富化層13Bが軌道面13Aから、後述する小鍔面および大鍔面にまで延在している。窒素富化層11B、13Bは、それぞれ外輪11の未窒化部11Cまたは内輪13の未窒化部13Cより窒素濃度が高くなっている領域である。また、ころ12の転動面12Aを含む表面には窒素富化層12Bが形成されている。ころ12の窒素富化層12Bは、ころ12の未窒化部12Cより窒素濃度が高くなっている領域である。窒素富化層11B、12B、13Bは、たとえば浸炭窒化処理、窒化処理など従来周知の任意の方法により形成できる。
As shown in FIG. 2, nitrogen-enriched
なお、ころ12のみに窒素富化層12Bを形成してもよいし、外輪11のみに窒素富化層11Bを形成してもよいし、内輪13のみに窒素富化層13Bを形成してもよい。あるいは、外輪11、内輪13、ころ12のうちの2つに窒素富化層を形成してもよい。
Note that the nitrogen-enriched
図3に示すように、ころ12の転動面12A(図2参照)は、両端部に位置し、クラウニングが形成されたクラウニング部22、24と、このクラウニング部22、24の間を繋ぐ中央部23とを含む。中央部23にはクラウニングは形成されておらず、ころ12の回転軸である中心線26に沿った方向での断面における中央部23の形状は直線状である。ころ12の左側の端面である小端面17とクラウニング部22との間には面取り部21が形成されている。右側の端面である大端面16とクラウニング部24との間にも面取り部25が形成されている。
As shown in FIG. 3, the rolling
ここで、ころ12の製造方法において、窒素富化層12Bを形成する処理(浸炭窒化処理)を実施するときには、ころ12にはクラウニングが形成されておらず、ころ12の外形は図4の点線で示される加工前表面12Eとなっている。この状態で窒素富化層が形成された後、仕上げ加工として図4の矢印に示すようにころ12の側面が加工され、図3および図4に示すように、クラウニングが形成されたクラウニング部22、24が得られる。
Here, in the manufacturing method of the
ころ12における窒素富化層12Bの深さ、すなわち窒素富化層12Bの最表面から窒素富化層12Bの底部までの距離は、0.2mm以上となっている。具体的には、面取り部21とクラウニング部22との境界点である第1測定点31、小端面17から距離Wが1.5mmの位置である第2測定点32、ころ12の転動面12Aの中央である第3測定点33において、それぞれの位置での窒素富化層12Bの深さT1、T2、T3が0.2mm以上となっている。ここで、上記窒素富化層12Bの深さとは、ころ12の中心線26に直交するとともに外周側に向かう径方向における窒素富化層12Bの厚さを意味する。なお、窒素富化層12Bの深さT1、T2、T3の値は、面取り部21、25の形状やサイズ、さらに窒素富化層12Bを形成する処理および上記仕上げ加工の条件などのプロセス条件に応じて適宜変更可能である。たとえば、図4に示した構成例では、上述のように窒素富化層12Bが形成された後にクラウニング22Aが形成される。このため図4に示すように窒素富化層12Bの深さT2は他の深さT1、T3より小さくなっている。しかし上述したプロセス条件を変更することで、上記窒素富化層12Bの深さT1、T2、T3の値の大小関係は適宜変更することができる。
The depth of the nitrogen-enriched
また、外輪11および内輪13における窒素富化層11B、13Bについても、その最表面から窒素富化層11B、13Bの底部までの距離である窒素富化層11B、13Bの厚さは0.2mm以上である。ここで、窒素富化層11B、13Bの厚さは、窒素富化層11B、13Bの最表面に対して垂直な方向における窒素富化層11B,13Bまでの距離を意味する。
Further, regarding the nitrogen-enriched
ころ12のクラウニング部22、24に形成されたクラウニングの形状は、以下のように規定される。すなわち、クラウニングのドロップ量の和は、ころ12の転動面12Aの母線をy軸とし、母線直交方向をz軸とするy−z座標系において、K1,K2,zmを設計パラメータ、Qを荷重、Lをころ12における転動面12Aの有効接触部の母線方向長さ、E’を等価弾性係数、aをころ12の転動面の母線上にとった原点から有効接触部の端部までの長さ、A=2K1Q/πLE’としたときに、下記の式(1)で表される。
The shape of the crowning formed on the crowning
図5では、ころ12の母線をy軸とし、ころ12の母線上であって内輪13又は外輪11ところ12の有効接触部の中央部に原点Oをとると共に、母線直交方向(半径方向)にz軸をとったy−z座標系に、上記式(1)で表されるクラウニングの一例を示している。図5において縦軸はz軸、横軸はy軸である。有効接触部は、ころ12にクラウニングを形成していない場合の内輪13又は外輪11ところ12との接触部位である。また、円錐ころ軸受10を構成する複数のころ12の各クラウニングは、通常、有効接触部の中央部を通るz軸に関して線対称に形成されるので、図5では、一方のクラウニング22Aのみを示している。
In FIG. 5, the
荷重Q、有効接触部の母線方向長さL、および、等価弾性係数E’は、設計条件として与えられ、原点から有効接触部の端部までの長さaは、原点の位置によって定められる値である。 The load Q, the length L in the generatrix direction of the effective contact portion, and the equivalent elastic modulus E ′ are given as design conditions, and the length a from the origin to the end of the effective contact portion is a value determined by the position of the origin. It is.
上記式(1)において、z(y)は、ころ12の母線方向位置yにおけるクラウニング22Aのドロップ量を示しており、クラウニング22Aの始点O1の座標は(a−K2a,0)であるから、式(1)におけるyの範囲は、y>(a−K2a)である。また、図5では、原点Oを有効接触部の中央部にとっているので、a=L/2となる。さらに、原点Oからクラウニング22Aの始点O1までの領域は、クラウニングが形成されていない中央部(ストレート部分)であるから、0≦y≦(a−K2a)のとき、z(y)=0となる。
In the above formula (1), z (y) indicates the drop amount of the crowning 22A at the position y in the generatrix direction of the
設計パラメータK1は荷重Qの倍率、幾何学的にはクラウニング22Aの曲率の程度を意味している。設計パラメータK2は、原点Oから有効接触部の端部までの母線方向長さaに対するクラウニング22Aの母線方向長さymの割合を意味している(K2=ym/a)。設計パラメータzmは、有効接触部の端部におけるドロップ量、即ちクラウニング22Aの最大ドロップ量を意味している。 Magnification design parameters K 1 is a load Q, the geometric means the degree of curvature of the crowning 22A. Design parameters K 2, which means the ratio of the generatrix direction length ym of the crowning 22A against generatrix direction length a from the origin O to the end of the effective contact portions (K 2 = ym / a) . The design parameter z m means the drop amount at the end of the effective contact portion, that is, the maximum drop amount of the crowning 22A.
ここで、後述する図7に示したころのクラウニングは、設計パラメータK2=1であってストレート部の無いフルクラウニングであり、エッジロードが発生しない十分なドロップ量が確保されている。しかしながら、ドロップ量が過大であると、加工時に、材料取りされた素材から生じる取代が大きくなり、コスト増大を招くこととなる。そこで、以下のように、式(1)の設計パラメータK1,K2,zmの最適化を行う。 Here, the crowning of the roller shown in FIG. 7 to be described later is a full crowning having a design parameter K 2 = 1 and no straight portion, and a sufficient drop amount that does not cause an edge load is secured. However, if the drop amount is excessive, the machining allowance generated from the material that has been removed during processing increases, leading to an increase in cost. Therefore, optimization of the design parameters K 1 , K 2 , and z m in Expression (1) is performed as follows.
設計パラメータK1,K2,zmの最適化手法としては種々のものを採用することができ、例えば、Rosenbrock法等の直接探索法を採用することができる。ここで、ころの転動面における表面起点の損傷は面圧に依存するので、最適化の目的関数を面圧とすることにより、希薄潤滑下における接触面の油膜切れを防止するクラウニングを得ることができる。 Various optimization methods for the design parameters K 1 , K 2 , and z m can be adopted. For example, a direct search method such as Rosenblock method can be adopted. Here, since the damage at the rolling origin of the roller depends on the surface pressure, the crowning that prevents oil film breakage on the contact surface under dilute lubrication can be obtained by using the surface pressure as the optimization objective function. Can do.
また、ころに対数クラウニングを施す場合、ころの加工精度を確保するためには転動面の中央部分にストレート部分(中央部23)を設けるのが好ましい。この場合は、K2を一定の値とし、K1,zmについて最適化すればよい。 In addition, when logarithmic crowning is applied to the rollers, it is preferable to provide a straight portion (center portion 23) at the center portion of the rolling surface in order to ensure the processing accuracy of the rollers. In this case, K 2 may be a constant value, and K 1 and z m may be optimized.
図6は、窒素富化層12Bにおけるミクロ組織を示している。本実施の形態における窒素富化層12Bにおける旧オーステナイト結晶粒径はJIS規格の粒度番号が10以上となっており、従来の一般的な焼入れ加工品と比べても十分に微細化されている。
FIG. 6 shows the microstructure in the nitrogen-enriched
ここで窒素濃度の測定方法について説明する。外輪11、ころ12、内輪13などの軸受部品について、それぞれ窒素富化層11B,12B、13Bが形成された領域の表面に垂直な断面について、EPMA(Electron Probe Micro Analysis)により深さ方向で線分析を行う。測定は、各軸受部品を測定位置から表面に垂直な方向に切断することで切断面を露出させ、当該切断面において測定を行う。たとえば、ころ12については、図3に示した第1測定点31〜第3測定点33のそれぞれの位置から、中心線26と垂直な方向にころ12を切断することで切断面を露出させる。当該切断面において、ころ12の表面から内部に向かって0.05mmの位置となる複数の測定位置にて、上記EPMAにより窒素濃度について分析を行う。たとえば、上記測定位置を5か所決定し、当該5か所での測定データの平均値をころ12の窒素濃度とする。
Here, a method for measuring the nitrogen concentration will be described. About bearing parts, such as the outer ring |
また、外輪11および内輪13については、軌道面11A、13Aにおいて軸受の中心軸方向における中央部を測定位置として、中心軸および当該中心軸に直交する径方向に沿った断面を露出させた後、当該断面について上記と同様の手法により窒素濃度の測定を行う。
Further, for the
最表面から窒素富化層の底部までの距離の測定方法:
外輪11および内輪13については、上記窒素濃度の測定方法において測定対象とした断面につき、表面から深さ方向において硬度分布を測定する。測定装置としてはビッカース硬さ測定機を用いることができる。500℃×1hの焼き戻し後の円錐ころ軸受10において、深さ方向に並ぶ複数の測定点、たとえば0.5mm間隔に配置された測定点において硬度測定を実施する。そして、ビッカース硬さがHV450以上の領域を窒素富化層とする。
Method for measuring the distance from the outermost surface to the bottom of the nitrogen-enriched layer:
About the outer ring |
また、ころ12については、図3に示した第1測定点31での断面において、上記のように深さ方向での硬度分布を測定し、窒素富化層の領域を決定する。
For the
旧オーステナイト結晶粒径の測定方法は、JIS規格G0551:2013に規定された方法を用いる。測定を行う断面は、窒素富化層の底部までの距離の測定方法において測定を行った断面とする。これにより旧オーステナイト結晶の粒度番号が測定できる。 As a method for measuring the prior austenite crystal grain size, a method defined in JIS standard G0551: 2013 is used. The cross section to be measured is the cross section measured by the method for measuring the distance to the bottom of the nitrogen-enriched layer. Thereby, the particle size number of the prior austenite crystal can be measured.
ころ12のクラウニング形状について、任意の方法により測定できる。たとえば、ころ12の形状を表面性状測定機により測定することにより、クラウニング形状を測定してもよい。
The crowning shape of the
以上のようにすれば、外輪11、内輪13、円錐ころとしてのころ12の少なくともいずれか1つにおいて旧オーステナイト結晶粒径が十分微細化された窒素富化層11B、12B、13Bが形成されているので、高い転動疲労寿命を有した上で、シャルピー衝撃値、破壊靭性値、圧壊強度などを向上させることができる。
As described above, the nitrogen-enriched
また、ころ12の転動面12Aに上記式(1)によりドロップ量の和が表されるような、輪郭線が対数関数で表されるクラウニング(いわゆる対数クラウニング)を設けているので、従来の部分円弧で表されるクラウニングを形成した場合より局所的な面圧の上昇を抑制でき、ころ12の転動面12Aにおける摩耗の発生を抑制できる。
Further, since the rolling
ここで、上述した対数クラウニングの効果についてより詳細に説明する。図7は、輪郭線が対数関数で表されるクラウニングを設けたころの輪郭線と、ころの転動面における接触面圧を重ねて示した図である。図8は、部分円弧のクラウニングとストレート部との間を補助円弧としたころの輪郭線と、ころの転動面における接触面圧を重ねて示した図である。図7および図8の左側の縦軸は、クラウニングのドロップ量(単位:mm)を示している。図7および図8の横軸は、ころにおける軸方向での位置(単位:mm)を示している。図7および図8の右側の縦軸は、接触面圧(単位:GPa)を示している。 Here, the effect of the logarithmic crowning described above will be described in more detail. FIG. 7 is a diagram in which the contour line of the roller provided with the crowning whose contour line is represented by a logarithmic function and the contact surface pressure on the rolling surface of the roller are overlapped. FIG. 8 is a diagram in which the contour line of the roller having an auxiliary arc between the crowning of the partial arc and the straight portion and the contact surface pressure on the rolling surface of the roller are overlapped. The vertical axis on the left side of FIGS. 7 and 8 shows the amount of crowning drop (unit: mm). The horizontal axis of FIG. 7 and FIG. 8 has shown the position (unit: mm) in the axial direction in a roller. The vertical axis on the right side of FIGS. 7 and 8 represents the contact surface pressure (unit: GPa).
円錐ころの転動面の輪郭線を部分円弧のクラウニングとストレート部とを有する形状に形成した場合、図8に示すように、ストレート部、補助円弧及びクラウニング相互間の境界における勾配が連続であっても、曲率が不連続であると接触面圧が局所的に増加する。そのため、油膜切れや表面損傷を招く恐れがある。十分な膜厚の潤滑膜が形成されていないと、金属接触による摩耗が生じやすくなる。接触面に部分的に摩耗が生じると、その近辺で、より金属接触が生じやすい状態となるため、接触面の摩耗が促進され、円錐ころが損傷に至る不都合が生じる。 When the contour line of the rolling surface of the tapered roller is formed in a shape having a crown of a partial arc and a straight part, the gradient at the boundary between the straight part, the auxiliary arc and the crowning is continuous as shown in FIG. However, if the curvature is discontinuous, the contact surface pressure locally increases. As a result, the oil film may be cut or the surface may be damaged. If a lubricating film having a sufficient thickness is not formed, wear due to metal contact tends to occur. When wear occurs partially on the contact surface, metal contact is more likely to occur in the vicinity of the contact surface, so that wear on the contact surface is promoted and the tapered roller is damaged.
そこで、接触面としての円錐ころの転動面に、輪郭線が対数関数で表されるクラウニングを設けた場合、例えば図7に示すように、図8の部分円弧で表されるクラウニングを設けた場合と比べて局所的な面圧が低くなり、接触面に摩耗を生じ難くすることができる。したがって、円錐ころの転動面上に存在する潤滑剤の微量化や低粘度化により潤滑膜の膜厚が薄くなる場合においても、接触面の摩耗を防止し、円錐ころの損傷を防止することができる。なお、図7及び図8には、ころの母線方向を横軸とすると共に母線直交方向を縦軸とする直交座標系に、内輪又は外輪ところの有効接触部の中央部に横軸の原点Oを設定してころの輪郭線を示すと共に、面圧を縦軸として接触面圧を重ねて示している。このように、上述のような構成を採用することで長寿命かつ高い耐久性を示す円錐ころ軸受10を実現できる。
Therefore, when the crowning whose contour line is represented by a logarithmic function is provided on the rolling surface of the tapered roller as the contact surface, for example, as shown in FIG. 7, the crowning represented by the partial arc of FIG. 8 is provided. Compared to the case, the local surface pressure becomes lower, and the contact surface can be made less likely to be worn. Therefore, even when the lubricant film thickness is reduced by reducing the amount of lubricant present on the rolling surface of the tapered roller or by reducing the viscosity, wear of the contact surface is prevented and damage to the tapered roller is prevented. Can do. 7 and 8 show an orthogonal coordinate system in which the roller generatrix direction is the horizontal axis and the generatrix orthogonal direction is the vertical axis, and the origin O of the horizontal axis is at the center of the effective contact portion of the inner ring or the outer ring. Is set to indicate the contour line of the roller, and the contact pressure is shown with the contact pressure as the vertical axis. Thus, the tapered
上記円錐ころ軸受10において、最表面から0.05mmの深さ位置での窒素富化層11B、12B、13Bにおける窒素濃度が0.1質量%以上である。この場合、窒素富化層11B、12B,13Bの最表面における窒素濃度を十分な値とできることから、窒素富化層11B、12B、13Bの最表面の硬度を十分高くすることができる。また、上述した旧オーステナイト結晶粒径の粒度、窒素富化層の底部までの距離、窒素濃度といった条件は、図3の第1測定点31において少なくとも満足されていることが好ましい。
In the tapered
上記円錐ころ軸受10において、窒素富化層11B、12B、13Bが形成された外輪11、内輪13、およびころ12のうちの少なくともいずれか1つは鋼により構成される。当該鋼は、窒素富化層11B、12B、13B以外の部分、つまり未窒化部11C、12C、13Cにおいて、少なくとも炭素(C)を0.6質量%以上1.2質量%以下、珪素(Si)を0.15質量%以上1.1質量%以下、マンガン(Mn)を0.3質量%以上1.5質量%以下含む。上記円錐ころ軸受10において、鋼は、さらに2.0質量%以下のクロムを含んでいてもよい。この場合、本実施の形態において規定する構成の窒素富化層11B、12B、13Bを後述する熱処理などを用いて容易に形成できる。
In the tapered
上記円錐ころ軸受10において、上記式(1)における設計パラメータK1,K2,zmのうちの少なくとも1つが、ころ12と外輪11またはころ12と内輪13との接触面圧を目的関数として最適化されている。
In the tapered
上記設計パラメータK1,K2,zmは、接触面圧、応力及び寿命のうちのいずれかを目的関数として最適化して定められるところ、表面起点の損傷は接触面圧に依存する。ここで、上記実施の形態によれば、接触面圧を目的関数として最適化して設計パラメータK1,K2,zmを設定するので、潤滑剤が希薄な条件においても接触面の摩耗を防止できるクラウニングが得られる。 The design parameters K 1 , K 2 , and z m are determined by optimizing any one of the contact surface pressure, stress, and life as an objective function, and the damage at the surface starting point depends on the contact surface pressure. Here, according to the above embodiment, the contact surface pressure is optimized as an objective function and the design parameters K 1 , K 2 , and z m are set, so that the contact surface is prevented from being worn even in a condition where the lubricant is lean. A possible crowning is obtained.
上記円錐ころ軸受10において、外輪11または内輪13の少なくともいずれか1つは、窒素富化層11B、13Bを含む。この場合、外輪11または内輪13の少なくともいずれかにおいて、結晶組織が微細化された窒素富化層11B、13Bが形成されることで、長寿命かつ高耐久性を有する外輪11または内輪13を得ることができる。
In the tapered
上記円錐ころ軸受10において、ころ12は窒素富化層12Bを含む。この場合、ころ12において、結晶組織が微細化された窒素富化層12Bが形成されることで、長寿命かつ高耐久性を有するころ12を得ることができる。
In the tapered
図9は図1の基本的構成を前提として、より本実施の形態に近い特徴を有する態様として図示している。図9を参照して、本実施の形態の円錐ころ軸受10は、内輪13の軌道面13Aの大径側に大鍔面18、小径側に小鍔面19が設けられている。ころ12の大径側には大鍔面18と接触する大端面16が設けられ、ころ12の小径側には小鍔面19と接触する小端面17が設けられている。
FIG. 9 is illustrated as an aspect having characteristics closer to those of the present embodiment on the premise of the basic configuration of FIG. Referring to FIG. 9, the tapered
大鍔面18は、軌道面13Aの大径側端部と研削ぬすみ部を介して形成されている。大鍔面18は、円錐ころ軸受10の使用時にころ12の大端面16と接触することで、当該ころ12を案内する。小鍔面19は、軌道面13Aの小径側端部と研削ぬすみ部を介して形成されている。
The
また図10に拡大して示すように、内輪13の小鍔面19は、ころ12の小端面17と平行な研削加工面に仕上げられ、図中に一点鎖線で示す初期組立状態で、ころ12の小端面17と面接触している。小端面17は、ころ12の小鍔面19との間に隙間を有している。実線で示すころ12が正規の位置に落ち着いた状態、すなわち、ころ12の大端面16が内輪13の大鍔面18と接触した状態にて形成される、内輪13の小鍔面19ところ12の小端面17との隙間δが、δ≦0.4mmの寸法規制範囲内に入れられている。これにより、馴らし運転でのころ12が正規の位置に落ち着くまでに必要な回転回数を減らし、馴らし運転時間を短縮することができる。
Further, as shown in FIG. 10 in an enlarged manner, the
本実施の形態の円錐ころ軸受10においては、大鍔面18の算術平均粗さRaが0.1μm以上0.2μm以下であり、大鍔面18の粗さ曲線のスキューネスRskが−1.0以上−0.3以下であり、大鍔面18の粗さ曲線のクルトシスRkuは3.0以上5.0以下である。ここで、粗さ曲線のスキューネスRskは、日本工業規格(JIS)B0601:2013の4.2.3で規定される粗さ曲線のスキューネスRskのことであり、粗さ曲線のクルトシスRkuは、日本工業規格(JIS)B0601:2013の4.2.4で規定される粗さ曲線のクルトシスRkuのことである。
In the tapered
円錐ころ軸受10の外輪11または内輪13を低速度で回転させる条件、すなわち200r/min以下の回転数の範囲内で回転トルクを安定化させるため、大鍔面18の算術平均粗さRaが0.1μm以上0.2μm以下とする。
In order to stabilize the rotational torque within the condition of rotating the
粗さ曲線のスキューネスRskは、以下の式(2)に示すように、断面曲線の二乗平均平方根粗さRqの三乗によって無次元化した基準長さにおけるz(x)の三乗平均である。粗さ曲線のスキューネスRskは、輪郭曲線の確率密度関数の非対称性の度合いを示す数値であり、突出した山または谷の影響を強く受けるパラメータである。 The skewness Rsk of the roughness curve is the cube average of z (x) at the reference length made dimensionless by the cube of the root mean square roughness Rq of the cross section curve, as shown in the following equation (2). . The skewness Rsk of the roughness curve is a numerical value indicating the degree of asymmetry of the probability density function of the contour curve, and is a parameter that is strongly influenced by the protruding peaks or valleys.
図11に、スキューネスRsk>0を満足する粗さ曲線と、スキューネスRsk<0を満足する粗さ曲線とを示している。 FIG. 11 shows a roughness curve satisfying the skewness Rsk> 0 and a roughness curve satisfying the skewness Rsk <0.
これら両粗さ曲線の比較から明らかなように、スキューネスRsk>0の場合、図11の紙面上方へ急激に突出した山が多く、このような場合には大鍔面18の耐焼付き性が超仕上げ水準の粗さよりも大きく劣ってしまう可能性がある。しかしスキューネスRsk<0の場合、図11の紙面上方へ急激に突出した山の尖りが比較的に少ない傾向の表面形状となるため、油膜が破れにくくなり、焼き付きの防止に有利である。スキューネスRskの負の値が大きくなるほど、谷の幅が図11の紙面左右方向に広がり、突出した山の尖りが比較的に少ない傾向の表面(円錐ころ軸受10においては、ころ12の大端面16と接触する内輪13の大鍔面18)の幅が狭くなる。このため当該表面と谷との境界部分で応力集中が生じてしまうので、油膜形成が阻害される。内輪13の大鍔面18の粗さ曲線のスキューネスRskを−1.0以上−0.3以下とすることにより、当該大鍔面18が、突出した山の尖りが比較的に少なく滑らかな平面を図11の幅方向に関して広く有する特性となり、油膜形成に有利に働く表面形状となる。
As is clear from the comparison of these two roughness curves, when the skewness Rsk> 0, there are many peaks that suddenly protrude upward in the drawing of FIG. 11, and in such a case, the seizure resistance of the
図11の右方に示すように、Rskの確率密度関数は、Rsk<0においては図中点線で横方向に延びる平均線よりも上側に偏在する。このためRsk<0であり特にこれを−1.0以上−0.3以下とすることにより、大鍔面18の表面は滑らかな山を広範囲に有する形状となる。
As shown on the right side of FIG. 11, the probability density function of Rsk is unevenly distributed above the average line extending in the horizontal direction along the dotted line in the figure when Rsk <0. For this reason, Rsk <0, and by setting this to −1.0 or more and −0.3 or less, the surface of the
さらに、粗さ曲線のクルトシスRkuは、以下の式(3)に示すように、断面曲線の二乗平均平方根粗さRqの四乗によって無次元化した基準長さにおけるz(x)の四乗平均である。粗さ曲線のクルトシスRkuは、輪郭曲線の確率密度関数のとがり(鋭さ)の度合いを示す数値であり、突出した山または谷の影響を強く受けるパラメータである。 Further, the kurtosis Rku of the roughness curve is expressed by the mean square of z (x) at the reference length made dimensionless by the square of the root mean square roughness Rq of the cross section curve as shown in the following equation (3). It is. The kurtosis Rku of the roughness curve is a numerical value indicating the degree of sharpness (sharpness) of the probability density function of the contour curve, and is a parameter that is strongly influenced by protruding peaks or valleys.
図12に、クルトシスRku>3を満足する粗さ曲線と、クルトシスRku<3を満足する粗さ曲線とを示している。 FIG. 12 shows a roughness curve satisfying Kurtosis Rku> 3 and a roughness curve satisfying Kurtosis Rku <3.
これら両粗さ曲線の比較から明らかなように、クルトシスRku<3の場合、曲線に急激に突出した山または谷の尖りが少なく、このような場合には回転トルクが安定しない可能性がある。しかしクルトシスRku>3の場合、図の上方および下方に山および谷が比較的急激に突出した尖りが多くなる傾向にある。これにより大鍔面18は適度に金属と接触することができ、円錐ころ軸受10の回転トルクを安定させることに有利となる。ただし、クルトシスRkuの正の値が過剰に大きくなれば、大鍔面18の過度な金属接触が起こり、耐焼付き性が低下する。そこで内輪13の大鍔面18の粗さ曲線のクルトシスRkuを3.0以上5.0以下とすることにより、当該大鍔面18は、低速回転時における回転トルクの安定化を図るための粗さの突起をもった表面性状となる。
As is apparent from the comparison of these two roughness curves, when Kurtosis Rku <3, there are few peaks or valleys sharply protruding on the curve, and in such a case, the rotational torque may not be stable. However, in the case of Kurtosis Rku> 3, there is a tendency that peaks and valleys protrude relatively rapidly in the upper and lower parts of the figure. As a result, the
以上のように大鍔面18の算術平均粗さRa、粗さ曲線のスキューネスRskおよび粗さ曲線のクルトシスRkuを調整することにより、円錐ころ軸受10の回転トルクの安定化と耐焼付き性との両立を実現することができる。
As described above, by adjusting the arithmetic average roughness Ra, the skewness Rsk of the roughness curve, and the kurtosis Rku of the roughness curve, the rotational torque of the tapered
以上に述べた粗さ特性を有する内輪13の大鍔面18を加工するために研削仕上げ加工を用いれば、粗さの規定範囲が細かすぎ加工抵抗が大きくなりすぎるため、大鍔面18などに研削焼けなどの不具合が生じる可能性があり、当該加工を行なうことは困難である。そこで上記の粗さ特性を有する内輪13の大鍔面18を加工する際には、たとえば0.5秒以上2秒以下の超短時間で超仕上げ加工を施すことが好ましい。
If grinding finish processing is used to process the
一方、ころ12の大端面16の粗さは内輪13の大鍔面18の粗さよりも、円錐ころ軸受10の機能に与える影響が少ない。このためころ12の大端面16の粗さの条件は大鍔面18よりも緩やかである。具体的には、良好な潤滑油のくさび効果を得る観点から、ころ12の大端面16の算術平均粗さRaが0.1μm以下とすればよい。また、ころ12の大端面16と内輪13の大鍔面18とは、理想的には、球面と平面との接触関係である時、特に良好な耐焼付き性を実現することができる。そのため、大鍔面18が凹凸を有する母線形状である場合、当該大鍔面18の凹凸の高さの最大値は1μm以下であることが好ましい。
On the other hand, the roughness of the
以上をまとめると、たとえば図9に示す本実施の形態の円錐ころ軸受10は、外輪11と、内輪13と、複数のころ12とを備える。外輪11は内周面において軌道面11Aを有する。内輪13は外周面において軌道面13Aと軌道面13Aよりも大径側に配置された大鍔面18とを有し、外輪11に対して径方向内側に配置される。ここで、大鍔面18の算術平均粗さRaは、0.1μm以上0.2μm以下である。複数のころ12は、軌道面11Aと軌道面13Aとの間に配列され、軌道面11Aおよび軌道面13Aと接触する転動面12Aを有する。外輪11、内輪13および複数のころ12のうちの少なくともいずれか1つは、軌道面11A、軌道面13Aまたは転動面12Aの表面層に形成された窒素富化層11B,12B,13Bを含む。表面層の最表面から窒素富化層11B,12B,13Bの底部までの距離は0.2mm以上である。ころ12の転動面12Aにはクラウニング部22,24が形成される。クラウニング部22,24のドロップ量の和は、円錐ころの転動面の母線をy軸とし、母線直交方向をz軸とするy−z座標系において、K1,K2,zmを設計パラメータ、Qを荷重、Lを円錐ころにおける転動面の有効接触部の母線方向長さ、E’を等価弾性係数、aを円錐ころの転動面の母線上にとった原点から有効接触部の端部までの長さ、A=2K1Q/πLE’としたときに、上記の式(1)で表される。ここまでの説明およびこれ以降の説明ともにすべて、本実施の形態の円錐ころ軸受10は本段落の上に記載した特徴を有することを前提としている。
In summary, for example, the tapered
また図13および図14に示すように、本実施の形態の円錐ころ軸受は、軌道面13Aと大鍔41とが交わる隅部には、第1研削逃げ部43が形成され、軌道面13Aと小鍔42との隅部には、第2研削逃げ部44が形成されている。上記軌道面13Aは、内輪軸方向に延びる母線が直線となっている。外輪2の内周には、軌道面13Aに対向する軌道面11Aが形成され、鍔無しとされ、軌道面11Aは外輪軸方向に延びる母線が直線となっている。
As shown in FIGS. 13 and 14, in the tapered roller bearing of the present embodiment, a first
図13、図14に示すように、ころ12の外周の転動面12Aにはクラウニング部22としてのクラウニング22A,22Bと、クラウニング部24としてのクラウニング24A,24Bとを形成し、ころ12の両端には面取り部21,25が施されている。転動面12Aのクラウニング部22,24を、クラウニングが形成されたクラウニング形成部分と考えることができる。ここではクラウニング形成部分は具体的には、接触部クラウニング部分27と、非接触部クラウニング部分28として形成している。これらのうち接触部クラウニング部分27は、軌道面13Aの軸方向範囲にあって軌道面13Aに接する。非接触部クラウニング部分28は、軌道面13Aの軸方向範囲から外れて軌道面13Aに非接触となる。
As shown in FIGS. 13 and 14, crowning
これら接触部クラウニング部分27と非接触部クラウニング部分28とは、ころ軸方向に延びる母線が、互いに異なる関数で表されかつ互いに接続点P1で滑らかに連続する線である。上記接続点P1の近傍において、非接触部クラウニング部分28の母線の曲率R8を、接触部クラウニング部分27の母線の曲率R7よりも小さく設定している。上記「滑らかに連続する」とは、角を生じずに連続することであり、理想的には、接触部クラウニング部分27の母線と、非接触部クラウニング部分28の母線とが、互いの連続点において、共通の接線を持つように続くことで、すなわち上記母線が上記連続点で連続的微分可能な関数であることである。
The contact
この構成によると、ころ12の外周の転動面12Aにクラウニング部を形成したため、軌道面13Aのみにクラウニング部を形成する場合よりも、転動面12Aに砥石を必要十分に作用させ得る。よって転動面12Aに対する加工不良を未然に防止できる。転動面12Aに形成したクラウニング部22,24により、面圧や接触部の応力を低減し円錐ころ軸受10の長寿命化を図ることができる。さらに、接触部クラウニング部分27と、非接触部クラウニング部分28との接続点P1の近傍において、非接触部クラウニング部分28の母線の曲率R8が、接触部クラウニング部分27の母線の曲率R7よりも小さいため、ころ12の両端部のドロップ量の低減を図ることができる。したがって、例えば従来の単一円弧クラウニングのものより研削量を抑え、ころ12の加工効率の向上を図り、製造コストの低減を図ることができる。
According to this configuration, since the crowning portion is formed on the rolling
上記接触部クラウニング部分27の母線は、次式で表される対数クラウニングの対数曲線により形成されている。
The bus bar of the contact
この対数クラウニングで表される接触部クラウニング部分27により、面圧や接触部の応力を低減し円錐ころ軸受10の長寿命化を図ることができる。
The contact
ところで、上記の式(1)のK1、zmについて数理的最適化手法を用いてクラウニングを最適化すると、本条件では、図15の「対数」のようなクラウニングとなる。このとき、ころ12のクラウニングの最大ドロップ量は69μmである。ところが、図15中のGの領域は、図13の内輪13の第1研削逃げ部43および第2研削逃げ部44と相対するクラウニング部24Bであり内輪13とは接触しない。このため、ころ12の上記Gの領域は、対数クラウニングである必要はなく、直線もしくは円弧あるいはその他の関数としても差し支えない。ころ12の上記Gの領域が直線、円弧、その他の関数であっても、ころ12の全体が対数クラウニングの場合と同一の面圧分布となり、機能上何ら遜色はない。
By the way, when the crowning is optimized using the mathematical optimization method for K 1 and z m in the above formula (1), the crowning as shown in “logarithm” in FIG. 15 is obtained under this condition. At this time, the maximum drop amount of the crowning of the
対数クラウニングの数理的最適化手法について説明する。
対数クラウニングを表す関数式中のK1,zmを適切に選択することによって、最適な対数クラウニングを設計することができる。
A mathematical optimization method for logarithmic crowning is described.
An optimal logarithmic crowning can be designed by appropriately selecting K 1 and z m in the functional expression representing the logarithmic crowning.
クラウニングは一般的に接触部の面圧もしくは応力の最大値を低下させるように設計する。ここでは,転動疲労寿命はMisesの降伏条件にしたがって発生すると考え、Misesの相当応力の最大値を最小にするようにK1,zmを選択する。 Crowning is generally designed to reduce the maximum surface pressure or stress at the contact. Here, it is considered that the rolling fatigue life occurs according to the yield condition of Mises, and K 1 and z m are selected so as to minimize the maximum value of the equivalent stress of Mises.
K1,zmは適当な数理的最適化手法を用いて選択することが可能である。数理的最適化手法のアルゴリズムには種々のものが提案されているが、その一つである直接探索法は、関数の微係数を使用せずに最適化を実行することが可能であり、目的関数と変数が数式によって直接的に表現できない場合に有用である。ここでは、直接探索法の一つであるRosenbrock法を用いてK1,zmの最適値を求める。 K 1 and z m can be selected using an appropriate mathematical optimization method. Various algorithms for mathematical optimization methods have been proposed. One of the direct search methods is that optimization can be performed without using the derivative of the function. Useful when functions and variables cannot be directly represented by mathematical expressions. Here, the optimum values of K 1 and z m are obtained using the Rosenbrock method, which is one of the direct search methods.
上記条件、つまり円すいころ軸受、呼び番号30316に基本動定格荷重の35%のラジアル荷重が作用し、ミスアライメントが1/600である場合では、Misesの相当応力の最大値sMises_maxと対数クラウニングパラメータK1,zmは図16のような関係にある。K1,zmに適当な初期値を与え、Rosenbrok法の規則にしたがってK1,zmを修正していくと、図16中の最適値の組合せに到達し、sMises_maxは最小となる。 Under the above conditions, that is, when a radial load of 35% of the basic dynamic load rating acts on the tapered roller bearing, nominal number 30316, and the misalignment is 1/600, the maximum value sMises_max of the equivalent stress of Mises and the logarithmic crowning parameter K 1 and z m have a relationship as shown in FIG. Giving an appropriate initial value K 1, z m, As you modify the K 1, z m according to the rules of Rosenbrok method to reach the optimum combination of values in FIG. 16, SMises_max is minimized.
ころ12と内輪13との接触を考える限りにおいては、図15におけるGの領域のクラウニングは、どのような形状でもよいが、外輪2との接触や加工時の砥石の成形性を考慮すれば、対数クラウニング部との接続点P1において、対数クラウニング部の勾配より小さな勾配となることは望ましくない。Gの領域のクラウニングについて、対数クラウニング部の勾配より大きな勾配を与えることは、ドロップ量が大きくなるため、これも望ましくない。すなわち、Gの領域のクラウニングと対数クラウニングは、その接続点P1で勾配が一致して滑らかに繋がるように設計されることが望ましい。図15において、ころ12のGの領域のクラウニングを、直線とした場合を点線にて例示し、円弧とした場合を太実線にて例示する。Gの領域のクラウニングを直線とした場合、ころ12のクラウニングのドロップ量Dpは例えば36μmとなる。Gの領域のクラウニングを円弧とした場合、ころ12のクラウニングのドロップ量Dpは例えば40μmとなる。
As long as the contact between the
非接触部クラウニング部分28の母線は、大径側の部分および小径側の部分のいずれか一方または両方が円弧であってもよい。この場合、ころ転動面全体の母線を例えば対数曲線で表すものより、ドロップ量Dpの低減を図ることができる。したがって、研削量の低減を図れる。図17に示すように、上記非接触部クラウニング部分28の母線は、大径側の部分および小径側の部分のいずれか一方または両方が直線であってもよい(図17の例では大径側の部分のみ直線)。この場合、非接触部クラウニング部分28の母線を円弧とする場合よりもさらにドロップ量Dpの低減を図ることができる。
As for the bus line of the non-contact
接触部クラウニング部分27の母線の一部または全部が上記式(1)で示される対数クラウニングで表されてもよい。この対数クラウニングで表される接触部クラウニング部分27により、面圧や接触部の応力を低減し円すいころ軸受の長寿命化を図ることができる。
A part or all of the bus of the contact
図18に示すように、接触部クラウニング部分27の母線が、ころ軸方向に沿って平坦に形成されたストレート部分27A(図3の中央部23と同義)と、対数クラウニングの対数曲線で形成された部分27Bとによって表されてもよい。
As shown in FIG. 18, the generating line of the contact
クラウニングの加工精度を確保するためには、ころ12の外周に、ストレート部分27Aが存在することが望ましい。そこでころ軸方向中央を基準として、小径側の部分と大径側の部分とで対称のクラウニング部22,24であるとすれば、対数クラウニング式(1)中の設計パラメータのうち、K2は固定され、K1とzmが設計の対象となる。
In order to ensure the processing accuracy of the crowning, it is desirable that the
以下、図19〜図22を用いて、円錐ころ軸受の製造方法を説明する。
図19に示すように、まず部品準備工程(S100)を実施する。この工程(S100)では、外輪11、内輪13、ころ12、保持器14などの軸受部品となるべき部材を準備する。なお、ころ12となるべき部材には、まだクラウニングは形成されておらず、当該部材の表面は図4の点線で示した加工前表面12Eとなっている。また図9に示すような大端面16および小端面17を有するようにころ12が形成され、かつ図9に示すような大鍔面18および小鍔面19を有するように内輪13が形成される。
Hereafter, the manufacturing method of a tapered roller bearing is demonstrated using FIGS.
As shown in FIG. 19, a component preparation step (S100) is first performed. In this step (S100), members to be bearing parts such as the
次に、熱処理工程(S200)を実施する。この工程(S200)では、上記軸受部品の特性を制御するため、所定の熱処理を実施する。たとえば、外輪11、ころ12、内輪13、の少なくともいずれか1つにおいて本実施形態に係る窒素富化層11B、12B、13Bを形成するため、浸炭窒化処理または窒化処理と、焼入れ処理、焼戻処理などを行う。この工程(S200)における熱処理パターンの一例を図20に示す。図20は、1次焼入れおよび2次焼入れを行う方法を示す熱処理パターンを示す。図21は、焼入れ途中で材料をA1変態点温度未満に冷却し、その後、再加熱して最終的に焼入れる方法を示す熱処理パターンを示す。これらの図において、処理T1では鋼の素地に炭素や窒素を拡散させまた炭素の溶け込みを十分に行なった後、A1変態点未満に冷却する。次に、図中の処理T2において、処理T1よりも低温に再加熱し、そこから油焼入れを施す。その後、たとえば加熱温度180℃の焼き戻し処理を実施する。
Next, a heat treatment step (S200) is performed. In this step (S200), a predetermined heat treatment is performed to control the characteristics of the bearing component. For example, in order to form the nitrogen-enriched
上記の熱処理によれば、普通焼入れ、すなわち浸炭窒化処理に引き続いてそのまま1回焼入れするよりも、軸受部品の表層部分を浸炭窒化しつつ、割れ強度を向上させ、経年寸法変化率を減少することができる。上記熱処理工程(S200)によれば、焼入れ組織となっている窒素富化層11B、12B、13Bにおいて、旧オーステナイト結晶粒の粒径が、図22に示した従来の焼入れ組織におけるミクロ組織と比較して2分の1以下となる、図6に示したようなミクロ組織を得ることができる。上記の熱処理を受けた軸受部品は、転動疲労に対して長寿命であり、割れ強度を向上させ、経年寸法変化率も減少させることができる。
According to the above heat treatment, it is possible to improve the cracking strength and reduce the aging rate of dimensional change while carbonitriding the surface layer portion of the bearing component, rather than normal quenching, that is, carbonitriding once after the carbonitriding treatment. Can do. According to the heat treatment step (S200), in the nitrogen-enriched
次に、加工工程(S300)を実施する。この工程(S300)では、各軸受部品の最終的な形状となるように、仕上げ加工を行う。ころ12については、図4に示したように切削加工などの機械加工によりクラウニング22Aおよび面取り部21を形成する。
Next, a processing step (S300) is performed. In this step (S300), finishing is performed so that the final shape of each bearing component is obtained. For the
次に、組立工程(S400)を実施する。この工程(S400)では、上記のように準備された軸受部品を組み立てることにより、図9に示した円錐ころ軸受10を得る。このようにして、図1に示した円錐ころ軸受10を製造することができる。
Next, an assembly process (S400) is performed. In this step (S400), the tapered
回転駆動力を検証する観点から、内輪の大鍔面の異なる複数種類の円錐ころ軸受のそれぞれに対し、回転トルク試験を実施した。円錐ころ軸受10の試験型番は30307Dであり、防錆油は、40℃での動粘度が16.5mm2/sであり、かつ、100℃での動粘度が3.5mm2/sであるものを使用した。
From the viewpoint of verifying the rotational driving force, a rotational torque test was performed on each of a plurality of types of tapered roller bearings having different inner ring large collar surfaces. The test model number of the tapered
試験対象物である円錐ころ軸受としては、本実施の形態に係る、大鍔面18の算術平均粗さRaが0.149μmであり、粗さ曲線のスキューネスRskが−0.96であり、粗さ曲線のクルトシスRkuが4.005である円錐ころ軸受10のサンプルが用いられた。一方、比較用の従来技術サンプルとして、大鍔面18の算術平均粗さRaが0.2μmであるサンプルと、大鍔面の算術平均粗さRaが0.08μmであるサンプルとの2種類が用いられた。なお大鍔面の算術平均粗さRa、スキューネスRskおよびクルトシスRkuはいずれも、表面粗さ測定機によって測定可能である。
As the tapered roller bearing as the test object, the arithmetic mean roughness Ra of the
試験は、円錐ころ軸受の回転数を、0r/minから200r/minまで変化させたときの回転トルクを測定することによりなされた。その測定結果を図23に示す。 The test was performed by measuring the rotational torque when the rotational speed of the tapered roller bearing was changed from 0 r / min to 200 r / min. The measurement results are shown in FIG.
図23に示すように、本実施の形態のサンプルである本件発明品は、Raが0.2μmである従来品とほぼ同等の安定したトルク特性を有する。これは、200r/min以下の低回転速度の領域においては潤滑油の楔効果が小さく、潤滑油の油膜が薄く200r/minの条件まで境界潤滑となるためである。 As shown in FIG. 23, the product of the present invention, which is a sample of the present embodiment, has a stable torque characteristic substantially equal to that of a conventional product having an Ra of 0.2 μm. This is because the wedge effect of the lubricating oil is small in the low rotational speed region of 200 r / min or less, and the lubricating oil film is thin and boundary lubrication is performed up to a condition of 200 r / min.
一方、Raが0.08μmである従来品は、50r/min以下の回転速度においても急激に回転トルク値が低下する。これは大鍔面の粗さが他に比べて細かいために50r/minに達する前に十分な油膜厚さが形成された結果である。Raが0.08μmである従来品においては、50r/min以上の場合には転動面の転がり抵抗が支配的となる。 On the other hand, in the conventional product with Ra of 0.08 μm, the rotational torque value suddenly decreases even at a rotational speed of 50 r / min or less. This is a result of a sufficient oil film thickness being formed before reaching 50 r / min because the roughness of the large ridge surface is finer than the others. In the conventional product with Ra of 0.08 μm, when it is 50 r / min or more, the rolling resistance of the rolling surface becomes dominant.
実機組立後の予圧管理(あるいはトルクチェック)は、10r/min以上50r/min以下の範囲の回転数の条件下で行なわれることが多い。この範囲でのトルクを安定化できる本件発明品は、実機組立性が良好であるといえる。 Preload management (or torque check) after assembling the actual machine is often performed under conditions of a rotational speed in the range of 10 r / min to 50 r / min. It can be said that the present invention product capable of stabilizing the torque in this range has good assembling performance.
耐焼付き性を検証する観点から、回転トルク試験を実施した円錐ころ軸受と同一種類、すなわち同一ロットサンプルの試験対象物に対し、昇温試験を実施した。円錐ころ軸受10の試験型番は30307Dであり、ラジアル荷重を17kN、ラジアル荷重を1.5kNとした。また昇温用の湯浴としては、タービン油VG56を用いた。そして各サンプルの外輪の温度を測定し、昇温を確認した。試験結果は以下の表1に示すとおりである。なお表中の「〇」印は外輪の温度が120℃以下であったことを示し、「△」印は外輪の温度が120℃以上150℃未満であったことを示す。さらに「×」印は外輪の温度が150℃以上であったことを示す。
From the viewpoint of verifying seizure resistance, a temperature rise test was performed on a test object of the same type, that is, the same lot sample as the tapered roller bearing subjected to the rotational torque test. The test model number of the tapered
表1より、本件発明品は、Raが0.08μmの従来品と同等の耐焼付き性を有する結果となった。 As shown in Table 1, the product of the present invention has the same seizure resistance as that of the conventional product with Ra of 0.08 μm.
なおこのような特性を有するためには、円錐ころの大端面と内輪の大鍔面との接触関係を「球と平面との接触関係」とすることが好ましい。この観点から、本実施の形態の内輪13の大鍔面18は、工業製品で得られる程度の概略ストレート平面であることが好ましい。
In order to have such characteristics, it is preferable that the contact relationship between the large end surface of the tapered roller and the large collar surface of the inner ring is a “contact relationship between a sphere and a flat surface”. From this viewpoint, it is preferable that the
算術平均粗さRa、粗さ曲線のスキューネスRsk、及び粗さ曲線のクルトシスRkuの様々な組み合わせにおいて、上述の昇温試験及び回転トルク試験に準じて評価した結果を表2〜表5に示す。なお各表中、「◎」印は非常に良好であることを示し、「〇」印は良好であることを、「△」印は良好ではないが不良ではないことを、「×」印は不良であることを示す。 Tables 2 to 5 show the results of evaluation according to the above-described temperature increase test and rotational torque test in various combinations of arithmetic average roughness Ra, roughness curve skewness Rsk, and roughness curve kurtosis Rku. In each table, “◎” indicates very good, “◯” indicates good, “△” indicates not good but not bad, “×” indicates Indicates a failure.
表2に示すように、大鍔面における算術平均粗さRaが0.05μmの場合、大鍔面が特に滑らかな表面性状に仕上げられているので、大鍔面における粗さ曲線のスキューネスRskが−1.0以上−0.3以下の範囲にあるか否かを問わず、また、粗さ曲線のクルトシスRkuが3.0以上5.0以下の範囲にあるか否かを問わず、耐焼付き性が特に良好になる一方、トルクの安定性が特に悪くなることが分かる。 As shown in Table 2, when the arithmetic average roughness Ra on the large corrugated surface is 0.05 μm, the large corrugated surface is finished with a particularly smooth surface property, so that the skewness Rsk of the roughness curve on the large corrugated surface is Regardless of whether it is in the range of -1.0 or more and -0.3 or less, and whether or not the kurtosis Rku of the roughness curve is in the range of 3.0 or more and 5.0 or less, It can be seen that the tackiness is particularly good while the torque stability is particularly bad.
表3および表4に示すように、大鍔面における算術平均粗さRaが0.1μm又は0.2μmの場合、Ra=0.05の場合に比べて、耐焼付き性が悪化傾向を示し、トルクの安定性が改善傾向を示す。ここで、大鍔面における粗さ曲線のスキューネスRsk<−1.0の場合、油膜が形成されにくく、耐焼付き性に不利となることが分かる。一方、大鍔面における粗さ曲線のスキューネスRsk>−0.3の場合、以下に示す大鍔面における粗さ曲線のクルトシスRkuの特性との兼ね合いによって、耐焼き付き性とトルクの安定性とを両立することができない。また、大鍔面における粗さ曲線のクルトシスRku<3の場合、油膜が出来過ぎて、トルクの安定性に不利となることが分かる。一方、大鍔面における粗さ曲線のクルトシスRku>5の場合、表面の微小な山々が尖り過ぎてころ大端面と金属接触し易く、油膜が出来にくくなって、耐焼付き性に不利となることが分かる。 As shown in Table 3 and Table 4, when the arithmetic average roughness Ra on the large ridge surface is 0.1 μm or 0.2 μm, the seizure resistance tends to deteriorate compared to the case of Ra = 0.05, Torque stability shows a trend of improvement. Here, it is understood that when the skewness Rsk <−1.0 of the roughness curve on the large ridge surface, an oil film is hardly formed, which is disadvantageous for seizure resistance. On the other hand, when the skewness Rsk of the roughness curve on the large ridge surface is greater than −0.3, the seizure resistance and the stability of the torque are obtained by balancing with the characteristics of the kurtosis Rku of the roughness curve on the large ridge surface shown below. Cannot balance. Further, it is understood that when the kurtosis Rku <3 of the roughness curve on the large ridge surface, an oil film is formed too much, which is disadvantageous for torque stability. On the other hand, when the kurtosis Rku> 5 of the roughness curve on the large ridge surface, the minute peaks on the surface are too sharp and it is easy to make metal contact with the roller large end surface, making it difficult to form an oil film, which is disadvantageous for seizure resistance. I understand.
表5に示すように、大鍔面における算術平均粗さRaが0.25μmの場合、表3および表4に比べてさらに耐焼付き性が悪く、トルクの安定性が良い結果となっている。具体的には、大鍔面における粗さ曲線のスキューネスRskが−1.0以上−0.3以下の範囲にあるか否かを問わず、また、粗さ曲線のクルトシスRkuが3.0以上5.0以下の範囲にあるか否かを問わず、耐焼付き性が特に悪くなる一方、トルクの安定性が特に良好になることが分かる。 As shown in Table 5, when the arithmetic average roughness Ra on the large surface is 0.25 μm, the seizure resistance is further worse than in Table 3 and Table 4, and the torque stability is good. Specifically, regardless of whether the skewness Rsk of the roughness curve on the large surface is in the range of −1.0 or more and −0.3 or less, the kurtosis Rku of the roughness curve is 3.0 or more. Regardless of whether it is in the range of 5.0 or less, it can be seen that the seizure resistance is particularly poor, while the torque stability is particularly good.
したがって上記のように、本件発明品は大鍔面18の算術平均粗さRaは0.1μm≦Ra≦0.2μmである場合、大鍔面18の粗さ曲線のスキューネスRskが−1.0≦Rsk≦−0.3であり、大鍔面18の粗さ曲線のクルトシスRkuが3.0≦Rku≦5.0であれば、耐焼付き性とトルクの安定性の両立を図ることが可能であると分かる。
Therefore, as described above, in the product of the present invention, when the arithmetic average roughness Ra of the
<試料>
試料として、試料No.1〜4までの4種類の円錐ころを試料として準備した。円錐ころの型番は30206とした。円錐ころの材質としてはJIS規格SUJ2材(1.0質量%C−0.25質量%Si−0.4質量%Mn−1.5質量%Cr)を用いた。
<Sample>
As a sample, Sample No. Four types of tapered
試料No.1については、浸炭窒化焼入れを実施した後、図5に示した本実施の形態に係る対数クラウニングを両端部に形成した。浸炭窒化処理温度を845℃、保持時間を150分間とした。浸炭窒化処理の雰囲気はRXガス+アンモニアガスとした。試料No.2については、試料No.1と同様に浸炭窒化焼入れを実施した後、図8に示した部分円弧クラウニングを形成した。
Sample No. For No. 1, after carbonitriding and quenching, logarithmic crowning according to the present embodiment shown in FIG. 5 was formed at both ends. The carbonitriding temperature was 845 ° C. and the holding time was 150 minutes. The atmosphere of the carbonitriding process was RX gas + ammonia gas. Sample No. For
試料No.3については、図20に示した熱処理パターンを実施した後、図5に示した本実施の形態に係る対数クラウニングを両端部に形成した。浸炭窒化処理温度を845℃、保持時間を150分間とした。浸炭窒化処理の雰囲気は、RXガス+アンモニアガスとした。最終焼入れ温度は800℃とした。 Sample No. For No. 3, after performing the heat treatment pattern shown in FIG. 20, logarithmic crowning according to the present embodiment shown in FIG. 5 was formed at both ends. The carbonitriding temperature was 845 ° C. and the holding time was 150 minutes. The atmosphere of the carbonitriding process was RX gas + ammonia gas. The final quenching temperature was 800 ° C.
試料No.4については、図20に示した熱処理パターンを実施した後、図5に示した本実施の形態に係る対数クラウニングを両端部に形成した。試料の最表面から0.05mmの深さ位置での窒素富化層における窒素濃度を0.1質量%以上とするために、浸炭窒化処理温度を845℃、保持時間を150分間とした。浸炭窒化処理の雰囲気は、RXガス+アンモニアガスとした。更に、炉内雰囲気を厳密に管理した。具体的には、炉内温度のムラ及びアンモニアガスの雰囲気ムラを抑制した。最終焼入れ温度は800℃とした。上述した試料No.3および試料No.4が本発明の実施例に対応する。試料No.1および試料No.2は比較例に対応する。 Sample No. For No. 4, after performing the heat treatment pattern shown in FIG. 20, logarithmic crowning according to the present embodiment shown in FIG. 5 was formed at both ends. In order to set the nitrogen concentration in the nitrogen-enriched layer at a depth of 0.05 mm from the outermost surface of the sample to 0.1% by mass or more, the carbonitriding temperature was 845 ° C. and the holding time was 150 minutes. The atmosphere of the carbonitriding process was RX gas + ammonia gas. Furthermore, the furnace atmosphere was strictly controlled. Specifically, the furnace temperature unevenness and the ammonia gas atmosphere unevenness were suppressed. The final quenching temperature was 800 ° C. Sample No. mentioned above. 3 and sample no. 4 corresponds to the embodiment of the present invention. Sample No. 1 and sample no. 2 corresponds to the comparative example.
<実験内容>
実験1:寿命試験
寿命試験装置を用いた。試験条件としては、試験荷重:Fr=18kN、Fa=2kN、潤滑油:タービン油56、潤滑方式:油浴潤滑、という条件を用いた。寿命試験装置では、被試験体としての2つの円錐ころ軸受は、支持軸の両端を支持するように配置されている。該支持軸の延在方向の中央部、すなわち2つの円錐ころ軸受の中央部には、該支持軸を介して円錐ころ軸受にラジアル荷重を負荷するための円筒ころ軸受が配置されている。そして、荷重負荷用の円筒ころ軸受にラジアル荷重を負荷することで、被試験体としての円錐ころ軸受にラジアル荷重を負荷する。また、アキシアル荷重は、寿命試験装置のハウジングを介して一方の円錐ころ軸受から支持軸に伝わり、他方の円錐ころ軸受にアキシアル荷重が負荷される。これにより、円錐ころ軸受の寿命試験が行われる。
<Experiment details>
Experiment 1: Life test A life test apparatus was used. As test conditions, test load: Fr = 18 kN, Fa = 2 kN, lubricating oil: turbine oil 56, lubrication method: oil bath lubrication were used. In the life test apparatus, two tapered roller bearings as test objects are arranged so as to support both ends of a support shaft. A cylindrical roller bearing for applying a radial load to the tapered roller bearing via the support shaft is disposed at the center in the extending direction of the support shaft, that is, the center of the two tapered roller bearings. A radial load is applied to the tapered roller bearing as a test object by applying a radial load to the cylindrical roller bearing for load application. The axial load is transmitted from one tapered roller bearing to the support shaft through the housing of the life test apparatus, and the other tapered roller bearing is loaded with the axial load. Thereby, the life test of the tapered roller bearing is performed.
実験2:偏荷重時の寿命試験
上記実験1の寿命試験と同様の試験装置を用いた。試験条件としては、基本的に上記実験1での条件と同様であるが、ころの中心軸について2/1000radの軸傾きを負荷した状態とし、偏荷重が印加された状態で試験を行った。
Experiment 2: Life test under uneven load The same test equipment as the life test of
実験3:回転トルク試験
試料No.1〜4について、縦型トルク試験機を用いたトルク測定試験を行った。試験条件としては、試験荷重:Fa=7000N、潤滑油:タービン油56、潤滑方式:油浴潤滑、回転数:5000rpm、という条件を用いた。
Experiment 3: Rotational torque test Sample No. About 1-4, the torque measurement test using the vertical torque tester was done. As test conditions, test load: Fa = 7000N, lubricating oil: turbine oil 56, lubrication method: oil bath lubrication, rotation speed: 5000 rpm were used.
<結果>
実験1:寿命試験
試料No.4が最も良好な結果を示し、長寿命であると考えられた。試料No.2および試料No.3は、試料No.4の結果には及ばないものの、良好な結果を示し、十分実用に耐え得ると判断された。一方、試料No.1については、最も短い寿命を示す結果となった。
<Result>
Experiment 1: Life test Sample No. 4 showed the best results and was considered to have a long life. Sample No. 2 and Sample No. 3 is sample No. Although it did not reach the result of 4, it showed a good result and was judged to be sufficiently practical. On the other hand, sample No. For 1, the result showed the shortest life.
実験2:偏荷重時の寿命試験
試料No.4および試料No.3が最も良好な結果を示し、長寿命であると考えられた。次に、試料No.1が試料No.4および試料No.3には及ばないものの、比較的良好な結果を示した。一方、試料No.2は上記実験1の時の結果より悪い結果を示し、偏荷重条件により短寿命化したものと考えられる。
Experiment 2: Life test under
実験3:回転トルク試験
試料No.1、試料No.3、試料No.4が十分小さな回転トルクを示し良好な結果となった。一方、試料No.2は回転トルクが他の試料より大きくなっていた。
Experiment 3: Rotational torque test Sample No. 1, sample no. 3, Sample No. No. 4 showed a sufficiently small rotational torque, which was a good result. On the other hand, sample No. No. 2 had a rotational torque greater than that of the other samples.
以上の結果から、総合的に試料No.4がいずれの試験においても良好な結果を示し、総合的に最も優れた結果となった。また、試料No.3も、試料No.1および試料No.2と比べて良好な結果を示した。 From the above results, the sample No. No. 4 showed a good result in any test, and it was the best overall result. Sample No. 3 also sample No. 1 and sample no. The result was better than 2.
以下では、本実施の形態に係る円錐ころ軸受10の用途の一例について説明する。上述した円錐ころ軸受10は、たとえば、自動車のデファレンシャルまたはトランスミッションに好適である。すなわち円錐ころ軸受10を自動車用円錐ころ軸受として用いると好適である。図24を用いて、以上の本実施の形態の円錐ころ軸受10を自動車用デファレンシャルに適用した例を示す。図24は、上述した円錐ころ軸受10を使用した自動車のデファレンシャルを示す。このデファレンシャルは、プロペラシャフト(図示省略)に連結され、デファレンシャルケース121に挿通されたドライブピニオン122が、差動歯車ケース123に取り付けられたリングギヤ124と噛み合わされ、差動歯車ケース123の内部に取り付けられたピニオンギヤ125が、差動歯車ケース123に左右から挿通されるドライブシャフト(図示省略)に連結されるサイドギヤ126と噛み合わされて、エンジンの駆動力がプロペラシャフトから左右のドライブシャフトに伝達されるようになっている。このデファレンシャルでは、動力伝達軸であるドライブピニオン122と差動歯車ケース123が、それぞれ一対の円錐ころ軸受10a、10bで支持されている。
Below, an example of the use of the tapered
なお本実施の形態の円錐ころ軸受10は、トランスミッション等の動力伝達装置の歯車軸支持用に組み込まれてもよい。図25を参照して、マニュアルトランスミッション100は、常時噛合い式のマニュアルトランスミッションであって、入力シャフト111と、出力シャフト112と、カウンターシャフト113と、ギア(歯車)114a〜114kと、ハウジング115とを備えている。
In addition, the tapered
入力シャフト111は、円錐ころ軸受10によりハウジング115に対して回転可能に支持されている。この入力シャフト111の外周にはギア114aが形成され、内周にはギア114bが形成されている。
The
一方、出力シャフト112は、一方側(図中右側)において円錐ころ軸受10によりハウジング115に回転可能に支持されているとともに、他方側(図中左側)において転がり軸受120Aにより入力シャフト111に回転可能に支持されている。この出力シャフト112には、ギア114c〜114gが取り付けられている。
On the other hand, the
ギア114cおよびギア114dはそれぞれ同一部材の外周と内周に形成されている。ギア114cおよびギア114dが形成される部材は、転がり軸受120Bにより出力シャフト112に対して回転可能に支持されている。ギア114eは、出力シャフト112と一体に回転するように、かつ出力シャフト112の軸方向にスライド可能なように、出力シャフト112に取り付けられている。
The
また、ギア114fおよびギア114gの各々は同一部材の外周に形成されている。ギア114fおよびギア114gが形成されている部材は、出力シャフト112と一体に回転するように、かつ出力シャフト112の軸方向にスライド可能なように、出力シャフト112に取り付けられている。ギア114fおよびギア114gが形成されている部材が図中左側にスライドした場合には、ギア114fはギア114bと噛合い可能であり、図中右側にスライドした場合にはギア114gとギア114dとが噛合い可能である。
Each of the
カウンターシャフト113には、ギア114h〜114kが形成されている。カウンターシャフト113とハウジング115との間には、2つのスラストニードルころ軸受が配置され、これによってカウンターシャフト113の軸方向の荷重(スラスト荷重)が支持されている。ギア114hは、ギア114aと常時噛合っており、かつギア114iはギア114cと常時噛合っている。また、ギア114jは、ギア114eが図中左側にスライドした場合に、ギア114eと噛合い可能である。さらに、ギア114kは、ギア114eが図中右側にスライドした場合に、ギア114eと噛合い可能である。
次に、マニュアルトランスミッション100の変速動作について説明する。マニュアルトランスミッション100においては、入力シャフト111に形成されたギア114aと、カウンターシャフト113に形成されたギア114hとの噛み合わせによって、入力シャフト111の回転がカウンターシャフト113へ伝達される。そして、カウンターシャフト113に形成されたギア114i〜114kと出力シャフト112に取り付けられたギア114c、114eとの噛み合わせ等によって、カウンターシャフト113の回転が出力シャフト112へ伝達される。これにより、入力シャフト111の回転が出力シャフト112へ伝達される。
Next, the shifting operation of the
入力シャフト111の回転が出力シャフト112へ伝達される際には、入力シャフト111およびカウンターシャフト113の間で噛合うギアと、カウンターシャフト113および出力シャフト112の間で噛合うギアとを変えることによって、入力シャフト111の回転速度に対して出力シャフト112の回転速度を段階的に変化させることができる。また、カウンターシャフト113を介さずに入力シャフト111のギア114bと出力シャフト112のギア114fとを直接噛合わせることによって、入力シャフト111の回転を出力シャフト112へ直接伝達することもできる。
When the rotation of the
以下に、マニュアルトランスミッション100の変速動作をより具体的に説明する。ギア114fがギア114bと噛合わず、ギア114gがギア114dと噛合わず、かつギア114eがギア114jと噛合う場合には、入力シャフト111の駆動力は、ギア114a、ギア114h、ギア114jおよびギア114eを介して出力シャフト112に伝達される。これが、たとえば第1速とされる。
Hereinafter, the shifting operation of the
ギア114gがギア114dと噛合い、ギア114eがギア114jと噛合わない場合には、入力シャフト111の駆動力は、ギア114a、ギア114h、ギア114i、ギア114c、ギア114dおよびギア114gを介して出力シャフト112に伝達される。これが、たとえば第2速とされる。
When the gear 114g meshes with the
ギア114fがギア114bと噛合い、ギア114eがギア114jと噛合わない場合には、入力シャフト111はギア114bおよびギア114fとの噛合いにより出力シャフト112に直結され、入力シャフト111の駆動力は直接出力シャフト112に伝達される。これが、たとえば第3速とされる。
When the
上述のように、マニュアルトランスミッション100は、回転部材としての入力シャフト111および出力シャフト112をこれに隣接して配置されるハウジング115に対して回転可能に支持するために、円錐ころ軸受10を備えている。このように、上記実施の形態に係る円錐ころ軸受10は、マニュアルトランスミッション100内において使用することができる。そして、トルク損失が低減され、かつ耐焼付き性および寿命が向上した円錐ころ軸受10は、転動体と軌道部材との間に高い面圧が付与されるマニュアルトランスミッション100内での使用に好適である。
As described above, the
ところで、自動車の動力伝達装置であるトランスミッション又はデファレンシャル等においては、省燃費化のために、低粘度の潤滑油を使用する他に、少油量化を図る傾向にあり、円錐ころ軸受において、十分な油膜が形成され難いことがある。また、トランスミッション又はデファレンシャルが低温環境下(例えば、−40℃〜−30℃)で使用されると、潤滑油の粘度が上がるため、特に始動時にはギアの回転によるはねかけ潤滑等によって、当該潤滑油が円錐ころ軸受に十分に供給されないことがある。このため、自動車用の円錐ころ軸受では、耐焼き付き性および寿命の向上が要求されている。よって、耐焼き付き性および寿命が向上した上記の円錐ころ軸受10をトランスミッション又はデファレンシャルに組み込むことで上記要求を満たすことができる。
By the way, in transmissions or differentials that are power transmission devices for automobiles, in order to save fuel consumption, in addition to using low-viscosity lubricating oil, there is a tendency to reduce the amount of oil. An oil film may be difficult to form. Further, when the transmission or differential is used in a low temperature environment (for example, −40 ° C. to −30 ° C.), the viscosity of the lubricating oil increases. Oil may not be sufficiently supplied to the tapered roller bearing. For this reason, tapered roller bearings for automobiles are required to be improved in seizure resistance and life. Therefore, the above requirements can be satisfied by incorporating the tapered
以上に述べた実施の形態に含まれる各例に記載した特徴を、技術的に矛盾のない範囲で適宜組み合わせるように適用してもよい。 You may apply so that the characteristic described in each example contained in embodiment described above may be combined suitably in the range with no technical contradiction.
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。 It should be understood that the embodiments and examples disclosed herein are illustrative and non-restrictive in every respect. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the description above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.
1 ハウジング、2,3 円錐ころ軸受、4 ドライブピニオン、5 リングギヤ、7 差動歯車ケース、8 ピニオン、9 サイドギヤ、10 円錐ころ軸受、11 外輪、11A,13A 軌道面、11B,12B,13B 窒素富化層、11C,12C,13C 未窒化部、12 ころ、12A 転動面、12E 加工前表面、13 内輪、14 保持器、16 大端面、17 小端面、18 大鍔面、19 小鍔面、21,25 面取り部、22,24 クラウニング部、22A クラウニング、23 中央部、26 中心線、27 接触部クラウニング部分、27A ストレート部分、27B 対数曲線で形成された部分、28 非接触部クラウニング部分、31 第1測定点、32 第2測定点、33 第3測定点、41 大鍔、42 小鍔、43 第1研削逃げ部、44 第2研削逃げ部、111 入力シャフト、112 出力シャフト、113 カウンターシャフト、114a〜114k ギア、115 ハウジング、190 ぬすみ、200 接触楕円。
1 housing, 2, 3 tapered roller bearing, 4 drive pinion, 5 ring gear, 7 differential gear case, 8 pinion, 9 side gear, 10 tapered roller bearing, 11 outer ring, 11A, 13A raceway surface, 11B, 12B, 13B nitrogen rich 11C, 12C, 13C Non-nitrided portion, 12 rollers, 12A rolling surface, 12E surface before processing, 13 inner ring, 14 cage, 16 large end surface, 17 small end surface, 18 large collar surface, 19 small collar surface, 21, 25 Chamfered portion, 22, 24 Crowned portion, 22A Crowned portion, 23 Center portion, 26 Center line, 27 Contact portion crowned portion, 27A Straight portion, 27B Portion formed by logarithmic curve, 28 Non-contact portion crowned portion, 31 First measurement point, 32 Second measurement point, 33 Third measurement point, 41 Oiso, 42 Oiso, 43 First Cutting relief portion, 44 second grinding relief portion, 111 an input shaft, 112
Claims (11)
外周面において内輪軌道面と前記内輪軌道面よりも大径側に配置された大鍔面とを有し、前記外輪に対して径方向内側に配置された内輪と、
前記外輪軌道面と前記内輪軌道面との間に配列され、前記外輪軌道面および前記内輪軌道面と接触する転動面を有する複数の円錐ころとを備え、
前記大鍔面の算術平均粗さRaが0.1μm以上0.2μm以下であり、
前記外輪、前記内輪および前記複数の円錐ころのうちの少なくともいずれか1つは、前記外輪軌道面、前記内輪軌道面または前記転動面の表面層に形成された窒素富化層を含み、
前記表面層の最表面から前記窒素富化層の底部までの距離は0.2mm以上であり、
前記円錐ころの前記転動面にはクラウニングが形成され、
前記クラウニングのドロップ量の和は、前記円錐ころの前記転動面の母線をy軸とし、母線直交方向をz軸とするy−z座標系において、K1,K2,zmを設計パラメータ、Qを荷重、Lを前記円錐ころにおける前記転動面の有効接触部の母線方向長さ、E’を等価弾性係数、aを前記円錐ころの前記転動面の母線上にとった原点から前記有効接触部の端部までの長さ、A=2K1Q/πLE’としたときに、式(1)で表される、円錐ころ軸受。
An inner ring disposed on a radially inner side with respect to the outer ring, the outer ring having an inner ring raceway surface and a large flange surface disposed on a larger diameter side than the inner ring raceway surface;
A plurality of tapered rollers arranged between the outer ring raceway surface and the inner ring raceway surface and having rolling surfaces that contact the outer ring raceway surface and the inner ring raceway surface;
Arithmetic mean roughness Ra of the large ridge surface is 0.1 μm or more and 0.2 μm or less,
At least any one of the outer ring, the inner ring, and the plurality of tapered rollers includes a nitrogen-enriched layer formed on a surface layer of the outer ring raceway surface, the inner ring raceway surface, or the rolling surface,
The distance from the outermost surface of the surface layer to the bottom of the nitrogen-enriched layer is 0.2 mm or more,
Crowning is formed on the rolling surface of the tapered roller,
The sum of the amount of drop of the crowning is K 1 , K 2 , z m in the yz coordinate system in which the generatrix of the rolling surface of the tapered roller is the y axis and the z axis is the generatrix orthogonal direction. , Q is a load, L is a length in a generatrix direction of an effective contact portion of the rolling surface of the tapered roller, E ′ is an equivalent elastic modulus, and a is an origin on a generatrix of the rolling surface of the tapered roller A tapered roller bearing represented by the formula (1) when the length to the end of the effective contact portion is A = 2K 1 Q / πLE ′.
前記接触部クラウニング部分と前記非接触部クラウニング部分とにおいては、ころ軸方向に延びる母線が、互いに異なる関数で表されかつ互いに接続点で滑らかに連続する線であり、
前記接続点の近傍において、前記非接触部クラウニング部分の母線の曲率が、前記接触部クラウニング部分の母線の曲率よりも小さい、請求項1〜4のいずれか1項に記載の円錐ころ軸受。 The crowning forming portion in which the crowning is formed on the rolling surface of the tapered roller is a contact portion crowning portion that is in an axial range of the inner ring raceway surface and is in contact with the inner ring raceway surface, and an axial direction of the inner ring raceway surface. A non-contact portion crowning portion that is out of range and is non-contact with the inner ring raceway surface,
In the contact portion crowning portion and the non-contact portion crowning portion, the generatrix extending in the roller axis direction is a line that is represented by a function different from each other and smoothly connected to each other at a connection point,
The tapered roller bearing according to any one of claims 1 to 4, wherein a curvature of a bus of the non-contact portion crowning portion is smaller than a curvature of a bus of the contact portion crowning portion in the vicinity of the connection point.
前記円錐ころに含まれる大端面の算術平均粗さRaが0.1μm以下である、請求項1〜9のいずれか1項に記載の円錐ころ軸受。 The tapered roller further has a large end surface that contacts the large collar surface,
The tapered roller bearing according to any one of claims 1 to 9, wherein an arithmetic average roughness Ra of a large end surface included in the tapered roller is 0.1 µm or less.
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