JPH01220720A - 転がり軸受及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、玉軸受８円すいころ軸受２円筒ころ軸受、自
動、調心ころ軸受、スラスト軸受などのころがり軸受の
改良に関し、特に、軌道輪と転動体の相対運動を制御す
ることにより、高速回転中にしばしば潤滑油の供給が中
断されるという過酷な条件に耐えて十分な軸受性能が得
られるようにしたものである。

〔従来の技術〕

転がり軸受の寿命は、軌道輪と転動体との転がり接触面
における潤滑油膜の形成の度合と密接な関係がある。

そこで従来、軸受の転がり接触面における潤滑油膜の形
成について、いくつかの提案がなされてきた。

例えば、実公昭４９−４０２０８号公報に記載のものは
、転がり軸受の外輪、内輪および転動体のうち少なくと
もその一つに、研削、超仕上、ボリシングなどにより、
負荷容量に影響のないミクロンオーダーのごく浅い螺旋
状うねりを形成し、軸受の回転に伴うその螺旋状うねり
のネジポンプ作用で、潤滑油を接触面の全体に均一に行
きわたらせて油膜を形成するものである。

特開昭６２−２７４１）５号公報及び実開昭６１−２３
５２０号公報に記載のものは、軌道輪の軌道面または転
動体表面のいずれが、または全部について、０．１〜０
．４μｍの深さとなるように超仕上げ加工をクロス目に
行い、形成される凹凸部の凸部を分散配置し、かつ凹部
を軸方向及び円周方向に互いに連続するように形成して
油膜の保持機能を高めたものである。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかし前者は、浅い螺旋状うねりの作用で軸受軌道輪面
と転動体との接触面の全体に均一にむらなく潤滑油を行
きわたらせようとするもので、その意図するところは、
あくまでも通常の連続的な給油状態で使用される軸受を
前提として、その潤滑性を向上させることにある。すな
わち、回転中にしばしば潤滑油の供給が中断されるとい
う過酷な条件下での使用は全く想定していない。又、そ
の螺旋状うねりを経済的に見合うコストで加工すること
が、非常に難しいという問題もある。

一方、後者は、軸受の輸送中または始動時の潤滑油膜の
保持性を向上させようとするもので、その意図するとこ
ろは、専ら輸送時の軸受振動による擬似圧痕の問題の解
消にある。すなわち、機器に組み込まれた軸受にあって
は、回転使用される以前には軌道輪と転動体との接触面
に未だ十分な潤滑油膜は形成されていない。そのため輸
送中の振動で、軌道輪と転動体との接触部分での繰り返
したたきによる擬似圧痕が発生して、始動時に軸受振動
と音響が増大するという現象を防止するもので条る。換
言すれば、後者の超仕上げ加工によるクロス目の凹凸が
必要なのは軸受が回転使用される前の輸送時又は始動時
である。軸受が一旦機器に取りつけられ、回転を始めた
後は必要がないものであり、時間の経過とともに軌道輪
と転動体との接触面圧により、クロス目は平滑化される
程度の深さ、例えば０．１〜０．４μｍに規制されてい
る。

ところが、近年、高度な技術分野では軸受の使用条件は
極めて苛酷になりつつある。例えば油潤滑で高速回転中
の軸受に対して、一定の短時間（例えば３０秒間）、潤
滑油の供給が中断されるという現象が繰り返されるとい
った条件下でも、焼付等の損傷を生じない軸受が求めら
れている。

こうした、−時的に潤滑油の供給が遮断されるという条
件下での一般的な軸受の挙動は、次のように考えられる
。

一般に、高速回転軸受においては、転動体に作用する遠
心力により、外、輪例の方が内輪側に比べて転動体に負
荷される荷重が大きい。

潤滑油が順調に連続的に供給されている通常の高速運転
状態であれば、潤滑油が十分にあるから、転動体と軌道
輪との間には油膜形成が十分に行われていると考えてよ
い。したがって外輪側と内輪側とで摩擦係数には大差が
なく、外輪側では転動体荷重が大きい分だけ摩擦力が内
輪側より大きくなる。そのため転動体は、外輪側では純
転がりに近い状態で回転する。

ところが、その状態から一時的に潤滑油の給油が遮断さ
れた場合を想定すると、通常、内輪回転で使用されてい
る軸受では、内輪側においては表面の潤滑油が遠心力に
より振り飛ばされるため、油膜が切れて金属接触する部
分が°増える。その結果、内輪側の摩擦係数が急激に増
大する。一方、外輪側ではこのような遠心力は作用しな
いため、潤滑油はなお残存している。よって、上記のよ
うな金属接触部分は少なく、内輪側程の急激な摩擦係数
の増大は生じない。

そのため、潤滑油の供給が遮断されたまま成る時間を経
過すると、内輪側の摩擦力が外輪側の摩擦力を上回るよ
うになる。すると今度は、転動体は内輪側で純転がりに
近い状態で回転すると共に、外輪側では微小滑りを伴っ
た状態で回転する。潤滑油の遮断によるこのような回転
状態の移行時に、大きなスキュー及びジャイロすべり等
を伴う場合には転動体の動きが不安定となり、同時に公
転及び自転すべりも伴うため、接触部で発熱する。

その発熱で、熱容量の小さい転動体は温度が急上昇して
、転動体表面の油の粘着力が弱まる。その結果、外輪側
から内輪側へ転動体を介して行われていた潤滑油の補給
が欠乏し、転動体と内輪との間で油膜の破断が生じて焼
付いてしまう。

このような、高速回転中の潤滑油遮断に伴い発生する転
動体の不安定な運動に起因する焼付きの現象は、軸受内
・外輪の軌道面あらさが０．０１〜０．０８μｍＲａで
ある通常の転がり軸受の場合に容易に発生する。これに
対して、上記の軌道面あらさを０．０８μｍＲａ以上に
あらくした場合は、上記転動体の不安定運動を規制でき
る程度に摩擦係数を大きくできるため、幾らか有利であ
るが、潤滑油遮断が繰り返されるうちにその微小凹凸が
つぶされる結果、軌道面あらさ０．０８μｍＲａ以下の
場合と同様に焼付きが発生する。かといって、軌道面あ
らさを極端にあらくした場合は、摩擦による発熱で容易
に焼付きが起こる。

本発明は、上記従来の問題点を解消するもので、軌道輪
と転動体との摩擦力を適切に規制して転動体の運動を制
御するという手段により、高速回転中に一定時間潤滑油
の供給が遮断されることが繰り返されるという使用条件
においても焼付きを防止できる転がり軸受を提供するこ
とを目的としている。

〔課題を解決するための手段〕

上記の目的を達成するために、本発明の転がり軸受にお
いては、外輪、内輪の各軌道面および転動体の表面のう
ち少なくとも外輪軌道面が、深さ０、０００５　鶴以上
０．００８　ｕ＋以下の多数の溝状凹部と、該溝状凹部
で仕切られ且つ溝状凹部を除いたあらさが０．０８μｍ
Ｒａ以下の平滑面とで形成されており、かつ、前記溝状
凹部は始動後の回転中も完全になくなることがないよう
ように構成した。

そして、上記溝状凹部は、軌道輪の円周方向に対して角
度をもち、凹部同士で互いに交差するように形成するこ
とが好ましい。

また、上記溝状凹部の一本の幅は、軌道面と転動体とに
よって形成されるヘルツの接触楕円の短径よりも狭く、
且つ上記平滑面の１個の幅は、ヘルツの接触楕円の長径
よりも小さい。

また、上記溝状凹部と平滑面とを外輪と内輪の各軌道面
に設ける場合、外輪軌道面のあらさと内輪軌道面のあら
さとをほぼ同等にするとよい。

上記の溝状凹部と平滑面とが形成される転がり軸受が玉
軸受であるとより効果的である。

上記転がり軸受の製造方法としては、平均粒径２０ない
し４０μｍの粗粒砥石を超仕上加工の初めの段階で使用
し、その後に平均粒径０ないし８μｍの仕上げ加工用微
粒砥石を使用する多段階超仕上げ加工を軌道面や転動体
表面に施す製造方法がある。

〔作用〕

上記のように構成された転がり軸受にあっては、潤滑油
の供給が行われている状態において、転動体は外輪側で
純転がりに近い状態にあり、あらさ０．０８ｐｍＲａ相
当以下の平滑面に形成される油膜の圧力で負荷を支える
。

一方、潤滑油の供給遮断時は、外輪の軌道面の摩擦係数
が太き（なるように形成した深い溝状凹部で、外輪側の
平滑面における上記油膜の圧力形成が阻止され、溝状凹
部のエツジと転動体面との間の僅かな金属接触により、
外輪側に適当な大きさの摩擦係数が得られる。そのため
、先に述べたような外輪側から内輪側への急激な摩擦力
の変動に基づく転動体の不安定なすべり運動が制御され
る。この場合、溝状凹部の分布密度として、軌道面と転
動体とによって形成されるヘルツの接触楕円内に、溝状
凹部が複数個存在するようにしたため、油溜りの機能も
副次的に果たされて、平滑面での金属凝着は生じない。

その結果、短時間の給油中断を繰り返す使用状態におい
ても軸受の焼付きは防止される。

また、荷重を支える平滑面の周縁部における応力集中に
より、溝状凹部のエツジが塑性変形して凹部内に侵入し
てくるが、溝状凹部の深さを、その塑性変形で埋め尽く
されることのない深さに規制したため、給油遮断時間の
延長や、遮断の繰り返しがあっても、初期性能が失われ
ない。

すなわち、上記溝状凹部の機能は、摩擦力で転動体の運
動を制御することにあり、油の保持は副次的なものであ
るから、運転中に溝状凹部が消滅してしまってはならな
い、その意味で溝状凹部の深さが限定される。溝深さが
０．０００５ｍｍより浅いと、油遮断を繰り返すうちに
平滑面とのエツジ部分の塑性変形骨が溝状凹部に侵入し
、凹部は埋められて消滅し、滑らかな平滑面のみが残る
。その後は、通常の転がり軸受と同様に内・外輪の軌道
面の摩擦係数が小さくなり、給油遮断時に転動体の不安
定運動が規制できなくなって、すべりの増大による発熱
の結果焼付きが起こる。

一方、０．００８ｍｍより深いと、給油状態において負
荷を支えるべき平滑面で油圧を発生させる能力が極端に
低下する。そのため正常な給油状態での回転中に、軌道
輪の軌道面と転動体との間で金属接触を引き起こし、軸
受寿命が低下する。

又、溝状凹部を除いた平滑面のあらさが０．０８ｐｍＲ
ａ相当以上にあらい場合は、発熱と摩耗が著しく使用に
適さない。

さらに、溝状凹部同士を互いに交差させることにより、
給油遮断時の接触楕円内の各方向のすべり摩擦係数をお
おむね均一化でき、不安定な転動体の運動の抑制に、よ
り有効に作用する。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する。第１
図は単列玉軸受の部分断面を示すもので、１は外輪、２
は転動体（玉）、３は分割形の内輪、４は保持器である
。

外輪ｌの軌道面１ａには、深さｏ、　ｏ　ｏ　ｓ１）〜
０゜００８＊■の範囲の、多数の溝状凹部５と、その溝
状凹部５で仕切られた平滑面６とが形成されている（第
２図）。

上図の溝状凹部５は、外輪１の円周方向に対して角度α
をもち、かつ互いに交差させて形成され、したがって平
滑面６は個々に独立している場合を示している。なお角
度αは、特に限定するものではないが、実験の結果１０
”〜２０”の範囲が有効であった。

更に外輪のみでなく、第３図のように内輪３の軌道面３
ａにも溝状凹部５を形成するようにしてもよい。

なお、第４図は、第２図に示すものを、ころ軸受の外輪
１）の軌道面１）ａに適用した場合を示している。

第５図は、外輪ｌの軌道面１ａと玉２との接触状態を、
軸方向断面で模式的に表しており、ミクロ的に観ると、
玉の接触はヘルツの弾性接触により長くなる。そのため
軌道面の接触平面の形状は、第６図のようにヘルツの接
触楕円Ｈになっている。

図では玉２の転勤方向Ｘが短径ｈ１で、軸方向が長径ｈ
２となる。ちなみに、内径１５０ｍｍの玉軸受の場合、
長径ｈ２は４　ａｍ程度、短径ｈ１はその１／１０〜ｌ
／２０程度である。

溝状凹部５は、その−本の幅Ｗがヘルツの接触楕円Ｈに
おける短径り、より狭く形成される。その理由は、幅Ｗ
〉短径ｈ１になると、玉が溝状凹部５の窪みに落ち込ん
で円滑な転勤が妨げられる恐れがあるからである。

又、溝状凹部５で仕切って形成される平滑面６における
互いに隣接するほぼ平行な溝同志で形成される幅Ｗ、は
、ヘルツの接触楕円Ｈにおける長径ｈ２より狭く形成さ
れる。その理由は、最大幅Ｗ０＞長径ｈ２であると、玉
と軌道面との接触面であるヘルツの接触楕円Ｈ内に存在
する溝状凹部５の本数が少な過ぎて（極端な場合は、接
触楕円Ｈ内が平滑面６のみで占められることになる）、
玉と軌道面との間に必要な摩擦係数が確保できないから
である。

使用条件により異なるが、後述の試験においては、溝状
凹部５の深さは０．０００５龍以上、０．００２１■以
下であって、且つ溝状凹部５の数は前記ヘルツの接触楕
円Ｈ内で間隔ｌ龍当たり１０〜４０本とした場合が特に
効果的であった。

上記のような溝状凹部５と平滑面６とは、超仕上げ加工
で形成される。

従来の超仕上げ加工法は、あらさの粗い有害な研削面を
除去して、できるだけあらさの良い滑らかな面を得るこ
とを目的としてきた。そのために、通常の超仕上げ加工
では、前記の深いあらさの溝状凹部を加工することは困
難である。

そこで本実施例においては、深いあらさの溝状凹部５と
、これに仕切られた平滑面６とを加工するために、外輪
ｌの軌道面１ａと内輪３の軌道面３ａとに、それぞれ以
下に述べる工程からなる多段超仕上加工を施して所定の
玉軸受を製造した。

その製造工程は、 第一工程として、例えば平均粒径２０〜４０μｍの粗粒
砥石を超仕上げの初めの段階で使用した。

そして、軌道輪と砥石との相対回転運動、軸方向相対運
動を制御しつつ、先ず深い溝状凹部を形成した。

第二工程として、例えば平均粒径０〜８μｍの仕上加工
用微粒砥石を次段階で使用した。これにより、第一工程
で得た深い溝状凹部で仕切られた平滑面のあらさを、溝
状凹部を除き０．０８μｍＲａ以下となるように形成し
た。

第７図は、上記多段超仕上加工を施した外輪軌道面１ａ
の状態の一例を示す部分拡大図であり、溝状凹部５の深
さは０．０００５〜０．００３１■、又溝状凹部を除い
た平滑面６のあらさは０．０５μｍＲａ相当程度のもの
である。

このようにして製造された内径１５０龍の玉軸受を試験
機にかけて、高速回転中における潤滑油の供給遮断試験
を、従来型の玉軸受と比較して行った。

特に、玉軸受の場合、外輪軌道面のあらさが比較的小さ
い従来のものでは、潤滑油遮断時に外輪側の摩擦係数が
内輪側に比し著しく小さくなり、給油状態下の転動体に
おける外輪側での純転がり状態（外輪コントロール）か
ら、内輪側での純転がり状態（内輪コントロール）への
移行が、玉軸受特有のジャイロ運動を伴って急激に行わ
れる。

そのため玉の自転軸が安定せず、玉の運動が不安定にな
る。給油遮断時のこうした変化は、玉の公転数の変化の
仕方に対応する。

第８図はその結果を表したもので、図中（イ）は外輪軌
道面あらさ０．０２μｍＲａの従来品であり、給油遮断
が１２〜１３秒続くと、玉の公転数が減少しはじめてい
る。公転数の変化開始時にゆっくり変化しているのは、
ジャイロ運動を伴っているからである。その後公転数が
急激に減少しているのは、この運動による玉の不安定な
動きですべりが増大したためで、その結果、温度が急上
昇して焼付きが発生した。

一方、図中（ハ）は第７図に示す本実施例のものであり
、外輪コントロールから内輪コントロールへの移行がジ
ャイロ運動を伴わずに行われているため、玉の公転速度
がスムーズに減少している。

この場合は滑りによる発熱は最小に押さえられ、焼付き
は発生しなかった。

第９図は、同様の給油遮断試験における、外輪温度上昇
状態を表している。図中（イ）は外輪軌道面あらさ０．
０２μｍＲａの従来品、（ロ）は外輪軌道面あらさ０．
０８μｍＲａの従来品（第１０図はその試験前の外輪軌
道面の状態の一例を示す部分拡大図）、（ハ）は第７図
に示された本実施例のものである。従来品（イ）、（ロ
）は、いずれも給油遮断時間３０秒未満で、途中から急
激に温度が上昇して焼付きが発生している。

これに対して、（ハ）は滑らかな温度上昇を示し、給油
遮断時間が３０秒を越えても焼付きは認められなかった
。

第１）図は第１０図に示された上記従来の試験品（ロ）
について、又第１２図は本実施例のもの（ハ）について
、それぞれ高速運転と所定時間の給油遮断とを繰り返し
行った後の、外輪軌道面あらさの変化状態を表したもの
である。給油遮断時間は、従来の試験品（ロ）の焼付き
が発生する以前の時間とし、２０秒に設定した。

第１）図に示す試験後の従来品（ロ）は、未だ焼付きは
発生していないが、第１０図に示す試験前のものに比べ
て、あらさの山が潰れて谷を埋めている。このまま給油
遮断を繰り返して使用すると、外輪側の摩擦力が減り、
玉の運動を制御できなくなって焼付きを起こす。

第１２図に示す試験後の本実施例のもの（ハ）は、焼付
きは全く見られず、第７図に示す試験前のものと比べて
、溝状凹部５は埋められておらず、このまま更に引き続
き給油遮断を繰り返しつつ使用することが可能であった
。

なお、上記実施例は玉軸受の場合について説明したが、
その他の転がり軸受である円すいころ軸受１円筒ころ軸
受、自動調心ころ軸受、あるいはスラスト軸受などにも
同様に適用することができる。

また、上記溝状凹部５及び平滑面６は、軌道面のみでな
く転動体の表面にも形成することが可能である。

〔発明の効果〕

本発明によれば、以上説明したように構成されているた
め、次のような効果が得られる。

少なくとも外輪の軌道面に所定の溝状凹部と平滑面とを
形成することにより、高速回転中に潤滑油の供給が成る
程度の時間中断される状態が繰り返されるような使用条
件においても、転動体の不安定な運動を抑制でき、焼付
きを防止し長寿命が達成される。

また、溝状凹部の一本の幅と本数をヘルツの接触楕円の
大きさに基づいて定めることにより、転がり軸受の種類
、サイズに応じてきめこまかく対応できる。

また、溝状凹部を軌道輪の円周方向に対し角度をつけて
互いに交差させることにより、転動体の各種の複雑な滑
り運動がより有効に抑制できる。

更には、上記溝状凹部と平滑面とを玉軸受に形成すると
、給油遮断で玉軸受に特有に発生する玉のジャイロ運動
の抑制効果が特に大きく、耐焼付性が一段と向上する。

そして、溝状凹部と平滑面とを、多段超仕上加工を施す
ことにより加工する製造方法としたため、特殊の製造装
置を必要とせずに、潤滑油遮断が繰り返される使用状態
でも長寿命を保証できる転がり軸受を、低コストで、容
易に１産できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例である玉軸受の要部の縦断面
図、第２図はその外輪軌道面の一例の模式図、第３図は
第１図の玉軸受の内輪の模式図、第４図は本発明を適用
したころ軸受の外輪の模式図、第５図は第１図の玉軸受
の外輪の軌道面と玉との接触状態を表す軸方向断面模式
図、第６図は第５図の■矢視で示すヘルツの接触楕円の
模式図、第７図は第２図の軌道面のあらさ曲線図、第８
図は従来品と第１図のものとの比較試験における給油遮
断時間と転動体公転速度との相関グラフ、第９図は上記
試験における給油遮断時間と外輪温度上昇との相関グラ
フ、第１０図は第９図に（ロ）で示す従来品の試験前あ
らさ曲線図、第１）図はその試験後のあらさ曲線図、第
１２図は第７図のものの試験後のあらさ曲線図である。 図中、１は外輪、１ａは軌道面、２は玉（転動体）、３
は内輪、５は溝状凹部、６は平滑面である。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. （１）外輪、内輪の各軌道面および転動体の表面のうち
   少なくとも外輪軌道面が、深さ０．０００５ｍｍ以上０
   ．００８ｍｍ以下の多数の溝状凹部と、該溝状凹部で仕
   切られ且つ溝状凹部を除いたあらさが０．０８μｍＲａ
   以下の平滑面とで形成されており、かつ、前記溝状凹部
   が始動後の回転中も完全になくならないことを特徴とし
   た転がり軸受。
2. （２）溝状凹部は、軌道輪の円周方向に対して角度をも
   ち、凹部同士で互いに交差するように形成された請求項
   １記載の転がり軸受。
3. （３）溝状凹部の一本の幅は、軌道面と転動体とによっ
   て形成されるヘルツの接触楕円の短径よりも狭く、且つ
   平滑面の１個の幅は、ヘルツの接触楕円の長径よりも小
   さい請求項１記載の転がり軸受。
4. （４）溝状凹部と平滑面とが形成される転がり軸受が玉
   軸受である請求項１、２又は３記載の転がり軸受。
5. （５）溝状凹部と平滑面とは、超仕上げ加工されている
   請求項１、２、３又は４記載の転がり軸受。
6. （６）外輪、内輪の各軌道面および転動体の表面のうち
   少なくとも外輪軌道面に、平均粒径２０ないし４０μｍ
   の粗粒砥石を使用して、深さ０．０００５ｍｍ以上０．
   ００８ｍｍ以下の多数の溝状凹部を形成する工程と、そ
   の後に平均粒径０ないし８μｍの仕上げ加工用微粒砥石
   を使用して、溝状凹部で仕切られ且つ該溝状凹部を除い
   たあらさが０．０８μｍＲａ以下の平滑面を形成する工
   程とを含む多段階超仕上げ加工を施すことを特徴とする
   転がり軸受の製造方法。