(57)【要約】【課題】  自動調心ころ軸受の寿命を長くする。【解決手段】  外輪軌道面１ａの軸方向及び円周方向における表面粗さ（Ｒａ）が、０．１０μｍ≦Ｒａ≦０．５０μｍを満たすようにする。また、転動面３ａの軸方向における曲率半径ｒc との外輪軌道面１ａの軸方向における曲率半径ｒa との比ｒc ／ｒa が、０．９４≦ｒc ／ｒa ≦０．９８を満たすようにする。さらに、転動面３ａの軸方向における曲率半径ｒc と内輪軌道面２ａの軸方向における曲率半径ｒb との比ｒc ／ｒb が、０．９１≦ｒc ／ｒb ≦０．９５を満たすようにする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内周面に外輪軌道面を有する外輪と、外周面に内輪軌道面を有する内輪と、前記内輪軌道面及び前記外輪軌道面の間に転動自在に配設され、前記内輪軌道面及び前記外輪軌道面に対する転動面を有する複数のころと、を備えた自動調心ころ軸受において、
前記外輪軌道面の軸方向及び円周方向における表面粗さ（Ｒａ）が、下記式（１）を満たしているとともに、
前記外輪軌道面の軸方向における曲率半径ｒa と、前記内輪軌道面の軸方向における曲率半径ｒb と、前記転動面の軸方向における曲率半径ｒc との関係が、下記式（２）及び下記式（３）を満たしていることを特徴とする自動調心ころ軸受。
０．１０μｍ≦Ｒａ≦０．５０μｍ            …（１）
０．９４≦ｒc ／ｒa ≦０．９８              …（２）
０．９１≦ｒc ／ｒb ≦０．９５              …（３）
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自動調心ころ軸受に関する。
【背景技術】
【０００２】
転がり軸受の一つである自動調心ころ軸受は、取り付け誤差や衝撃荷重により内輪や外輪が傾斜してもころの接触状態は変化しないため、異常な荷重の発生を防止でき、且つ、許容できるラジアル荷重が大きいという利点がある。このため、自動調心ころ軸受は、製紙機械等の各種ロールネック軸受や、二輪車エンジン等の車両用軸受や、一般産業機械、工作機械、振動篩、鉄鋼機械等の各種産業機械用軸受として広く利用されている。
【０００３】
このような自動調心ころ軸受では、清浄環境下で内輪の軌道面に微小な塑性流動が起こり、これを起点としてピーリングが発生・進展して剥離に至る、表面起点型の破損が生じる場合がある。一方、玉軸受や円筒ころ軸受では、清浄環境下で鋼中の非金属介在物を起点として、疲労亀裂が発生・進展して剥離に至る、内部起点型の破損が生じる場合が多い。つまり、清浄環境下で生じる表面起点型の破損は、自動調心ころ軸受に特有のものである。
【０００４】
一般に、自動調心ころ軸受では、外輪軌道面の表面粗さを、内輪軌道面の表面粗さよりも大きくすることにより、寿命を長くできることが知られている（例えば、特許文献１参照）。寿命を長くできる理由としては、外輪軌道面の表面粗さを内輪軌道面の表面粗さよりも大きくすると、ころが軸受の外側に傾く正のスキューが生じて、スラスト（アキシャル）荷重を小さくできるからであると考えられている。一方、ころが軸受の内側に傾く負のスキューは、スラスト荷重を増大させるため、軸受寿命に悪影響を及ぼすと考えられている。
【特許文献１】特開昭４９−５７２３８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上述した特許文献１に記載の自動調心ころ軸受では、負のスキューが生じる場合があるとともに、負のスキューが大きくなっても長寿命が得られる場合がある。このため、ころのスキュー調整が、自動調心ころ軸受の寿命延長に決定的な効果を与えているとは言い切れない。すなわち、上述した特許文献１に記載の自動調心ころ軸受には、寿命を長くするという点でさらなる改善の余地がある。
そこで、本発明は、自動調心ころ軸受の寿命を長くすることを課題としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
このような課題を解決するために、本発明者らは鋭意検討を行った結果、自動調心ころ軸受に特有の表面起点型の破損は、ころのスキューが直接の原因ではなく、ころと内外輪との間に作用する接線力（二つの物体間に作用する円周方向の力）が関与していることを見出した。そして、自動調心ころ軸受に特有の表面起点型の破損は、ころと内輪との間に大きな接線力が作用した場合に、内輪軌道面に生じる微小な塑性流動を起点として生じているという知見を得た。
【０００７】
また、ころと内外輪との間に接線力が作用すると、上述した塑性流動を起点とするピーリングクラックの進展を促進するだけでなく、最大剪断応力位置が表面に露出して、剪断応力の値が大きくなるという知見を得た。
本発明者らは、このような知見に基づいて、ころと内外輪との間に作用する接線力が、自動調心ころ軸受の寿命に悪影響を及ぼしていることを見出し、自動調心ころ軸受の主な破損部位である内輪に作用する接線力を小さくすることを目的として、本発明を完成させた。
【０００８】
すなわち、本発明は、内周面に外輪軌道面を有する外輪と、外周面に内輪軌道面を有する内輪と、前記内輪軌道面及び前記外輪軌道面の間に転動自在に配設され、前記内輪軌道面及び前記外輪軌道面に対する転動面を有する複数のころと、を備えた自動調心ころ軸受において、前記外輪軌道面の軸方向及び円周方向の表面粗さ（Ｒａ）が、下記式（４）を満たしているとともに、前記外輪軌道面の軸方向における曲率半径ｒa と、前記内輪軌道面の軸方向における曲率半径ｒb と、前記転動面の軸方向における曲率半径ｒc との関係が、下記式（５）及び下記式（６）を満たしていることを特徴とする自動調心ころ軸受を提供する。
０．１０μｍ≦Ｒａ≦０．５０μｍ            …（４）
０．９４≦ｒc ／ｒa ≦０．９８              …（５）
０．９１≦ｒc ／ｒb ≦０．９５              …（６）
【０００９】
本発明の自動調心ころ軸受では、ころと接触する外輪軌道面の全領域（軸方向及び円周方向）の表面粗さ（Ｒａ）を特定したことにより、ころと外輪との間の摩擦係数が増加し、その結果、ころと内輪との間に作用する接線力を小さくすることができる。
ここで、外輪軌道面の表面粗さ（Ｒａ）を上記範囲にした場合でも、転動面と外輪軌道面の軸方向における曲率半径の比（以下、「ころと外輪の抱き率」と記す。）と、転動面と内輪軌道面の軸方向における曲率半径の比（以下、「ころと内輪の抱き率」と記す。）とが好適な範囲でないと、その転がり面（外輪軌道面、内輪軌道面、及び転動面）に自動調心ころ軸受特有の表面起点型の破損が生じ易い。このため、内輪軌道面、外輪軌道面、及び転動面の軸方向における曲率半径をさらに特定した。
【００１０】
以下、本発明の各数値限定の理由について説明する。
＜外輪軌道面の表面粗さ（Ｒａ）について＞
外輪軌道面の表面粗さを大きくすることにより、ころと外輪との間の摩擦係数が増大し、ころの動きをコントロールする力（ころと外輪との間に作用する接線力）が大きくなるため、ころと内輪との間に生じるすべりが抑制されて接線力が小さくなり、長寿命が得られる。この効果を得るために、外輪軌道面の表面粗さ（Ｒａ）を０．１０μｍ以上とする。
【００１１】
一方、外輪軌道面の表面粗さが大き過ぎると、外輪軌道面に形成される潤滑油膜の厚さよりも表面の凸部が突出するため、潤滑状態が不良となり、短寿命となる。よって、外輪軌道面の表面粗さ（Ｒａ）は０．５０μｍ以下とする。
また、外輪軌道面の位置によって摩擦係数が異なると、ころの回転運動が不安定になり、長寿命が得られなくなるため、外輪軌道面の軸方向及び円周方向の全範囲にわたって、表面粗さ（Ｒａ）を０．１０μｍ以上０．５０μｍ以下とする必要がある。
なお、外輪軌道面の表面粗さを調節する方法としては、外輪軌道面の軸方向及び円周方向における表面粗さを上記範囲に調節できるのであれば特に限定されないが、例えば、超仕上げ加工において砥石を外輪の軸方向に揺動させることにより、研削面の粗さ形状を綾目状（斜め模様）に仕上げることが好ましい。
【００１２】
＜外輪軌道面、内輪軌道面、転動面の曲率半径ｒa ，ｒb ，ｒc について＞
自動調心ころ軸受の寿命を長くするためには、上述したようにころと内輪との間に生じるすべりを抑制して接線力を小さくするとともに、接触面圧を小さくする必要がある。接触面圧を小さくするためには、ころと内外輪とが接触する際に生じる接触面積を大きくし、内輪及び外輪の軸方向における曲率半径と、ころの軸方向における曲率半径とを近づければよい。このため、ころと外輪との抱き率ｒc ／ｒa を０．９４以上とし、ころと内輪との抱き率ｒc ／ｒb を０．９１以上とする。
【００１３】
一方、ころと内外輪とが接触する際に生じる接触面積を大きくし過ぎると、ころと内外輪との間に作用するすべりが大きくなり接線力が増大するため、上述した外輪軌道面の表面粗さを粗くすることにより得られたすべり抑制効果が低減するとともに、接触面で発熱する等の問題が生じる。よって、ころと外輪との抱き率ｒc ／ｒa は０．９８以下とし、ころと内輪との抱き率ｒc ／ｒb は０．９５以下とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明に係る自動調心ころ軸受によれば、外輪軌道面の軸方向及び円周方向における表面粗さ（Ｒａ）と、外輪軌道面、内輪軌道面、転動面の軸方向における曲率半径の関係とを特定したことにより、ころと内外輪との間に作用する接線力が小さくなるため、寿命を長くできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の実施形態を図面を参照しながら説明する。
図１に示す呼び番号２２２１１（内径：５５ｍｍ、外径：１００ｍｍ、幅：２５ｍｍ）の自動調心ころ軸受を、以下の方法で作製した。
この自動調心ころ軸受は、球面状の軌道面１ａを有する外輪１と、複列の軌道面２ａを有する内輪２と、複数のころ３と、保持器４と、からなる。内輪軌道面２ａの軌道径は、軸方向の両端部よりも中央部が大きくなっている。
【００１６】
外輪１、内輪２、及びころ３を、以下に示す手順で作製した。まず、高炭素クロム軸受鋼二種（ＳＵＪ２）からなる素材を所定形状に加工した後、８２０〜８４０℃で１時間加熱保持することによる焼入れ処理と、１６０〜１８０℃で２時間保持することによる焼戻し処理とからなる熱処理を行った。次に、表１に示す各方法で研削加工を行い、外輪軌道面１ａの表面粗さ（Ｒａ）を調節した。
【００１７】
なお、表１に「ストレート研削」で示す研削加工とは、砥石の回転軸と、外輪１の回転軸とを平行にして研削したものを指す。この研削加工後の外輪軌道面１ａは、図２（ａ）に示すように、外輪１の円周方向に対して平行な粗さ形状となる。このため、外輪軌道面１ａの軸方向における表面粗さは、円周方向における表面粗さよりも大きくなる。
【００１８】
また、表１に「カップ砥石研削」で示す研削加工とは、外輪１の幅よりも大きな直径を有する円形のカップ砥石を用いて研削したものを指す。この研削加工後の外輪軌道面１ａは、図２（ｂ）に示すように、外輪の中央部を頂点とした円弧状の粗さ形状となる。ここで、外輪軌道面１ａのうち、外輪１の端部では円弧の重複部分が多く、外輪１の中央部では円弧の重複部分が少ないため、端部の表面粗さが中央部の表面粗さよりも大きくなる。この結果、外輪軌道面１ａの円周方向における表面粗さは、軸方向における表面粗さよりも大きくなる。
【００１９】
さらに、表１に「砥石揺動研削」で示す研削加工とは、超仕上げ加工において砥石を外輪１の軸方向に揺動させながら研削したものを指す。この研削加工後の外輪軌道面１ａは、図２（ｃ）に示すように、その全面にわたって綾目状の粗さ形状となる。このため、外輪軌道面１ａの軸方向及び円周方向における表面粗さは均一になる。
このようにして得られた外輪１、内輪２、及びころ３において、外輪軌道面１ａの軸方向における表面粗さ（Ｒ）及び円周方向における表面粗さ（Ｒａ）を、テーラーホブソン株式会社製フォームタリサーフを用いて測定した。なお、表面粗さの測定は、各サンプルについてそれぞれ４回行い、その平均値を算出した。ここで、円周方向における表面粗さ（Ｒ）は、外輪軌道面１ａの軸方向の中央部で測定した。この結果は、表１に併せて示した。
【００２０】
また、外輪軌道面１ａ、内輪軌道面２ａ、及び転動面３ａの軸方向における曲率半径ｒa ，ｒb ，ｒc を、テーラーホブソン株式会社製フォームタリサーフを用いて測定した。なお、曲率半径の測定は、各サンプルについてそれぞれ４回行いし、その平均値を算出した。この結果は、転動面３ａの軸方向における曲率半径ｒc と外輪軌道面１ａの軸方向における曲率半径ｒa との比（ころ３と外輪１との抱き率）ｒc ／ｒa と、転動面３ａの軸方向における曲率半径ｒc と内輪軌道面２ａの軸方向における曲率半径ｒb との比（ころ３と内輪２との抱き率）ｒc ／ｒb として、表１に併せて示した。
【００２１】
次に、外輪１と、内輪２と、複数のころ３と、鋼製の保持器４とを用いて、自動調心ころ軸受を組み立てて、以下の条件で寿命試験を行った。この寿命試験は、外輪１、内輪２、及びころ３の転がり面（外輪軌道面１ａ、内輪軌道面２ａ、及び転動面３ａ）の少なくとも一つに剥離が生じるまで内輪１を回転させることで行い、試験開始から剥離が生じるまでの回転時間を寿命とした。また、この試験は、各サンプルについてそれぞれ５回の寿命試験を行って、ワイブル分布関数に基づくＬ10寿命を計算し、最も寿命の短かったＮｏ．１３のＬ10寿命を１とした時の比を、表１に併せて示した。
〔試験条件〕
回転速度：１５００ｍｉｎ-1 
試験荷重：４５２１７Ｎ
潤滑油：Ｒｏ６８
【００２２】
【表１】
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【００２３】
表１に示すように、外輪１、内輪２、及びころ３を、本発明の構成（外輪軌道面１ａの軸方向及び円周方向における表面粗さと、外輪軌道面１ａ，内輪軌道面２ａ，転動面３ａの軸方向における曲率半径の関係）を満たすＮｏ．１〜Ｎｏ．１２では、本発明の構成外としたＮｏ．１３〜Ｎｏ．２３と比較して長寿命であり、Ｎｏ．１３の３．２〜８．２倍の寿命が得られた。
特に、Ｎｏ．１〜Ｎｏ．１２のうち、外輪軌道面１ａの軸方向及び円周方向における表面粗さがいずれも０．２５μｍ以上で、ころ３と外輪１との抱き率ｒc ／ｒa が０．９５〜０．９７で、ころ３と内輪２との抱き率ｒc ／ｒb が０．９２〜０．９４の全てを満たすＮｏ．２，３，４，６，７，１０，１１は、特に長寿命であり、Ｎｏ．１３の５．４倍以上の寿命が得られた。
【００２４】
一方、外輪軌道面１ａの軸方向及び円周方向における表面粗さ（Ｒａ）のうち、少なくとも一方が０．１０μｍ未満のＮｏ．１３，１４では、ころ３と内輪２との間に生じるすべりを抑制する効果がいずれも小さく、内輪軌道面２ａに剥離が生じた。
また、外輪軌道面１ａの軸方向及び円周方向における表面粗さ（Ｒａ）がいずれも０．５０μｍを超えるＮｏ．１５では、外輪１ところ３との間に形成される潤滑油膜の厚さよりも表面の凸部が突出して潤滑不良が生じ、外輪軌道面１ａに剥離が生じた。
【００２５】
さらに、ころ３と外輪１との抱き率が０．９４未満のＮｏ．２０，２１では、ころ３と外輪１との間に過大な面圧が負荷されたため、外輪軌道面１ａに剥離が生じた。
さらに、ころ３と外輪１との抱き率が０．９８を超えるＮｏ．２２，２３では、ころ３と外輪１との間に過大なすべりが生じたため、外輪軌道面１ａに剥離が生じた。  
さらに、ころ３と内輪２との抱き率が０．９１未満のＮｏ．１６，１７では、ころ３と内輪２との間に過大な面圧が負荷されたため、内輪軌道面２ａに剥離が生じた。
さらに、ころ３と内輪２との抱き率が０．９５を超えるＮｏ．１８，１９では、ころ３と内輪２との間に過大なすべりが生じたため、内輪軌道面２ａに剥離が生じた。  
【００２６】
次に、表１の結果を用いて、ころ３と外輪１との抱き率と、寿命との関係を示す図３のグラフと、ころ３と内輪２との抱き率と、寿命との関係を示す図４のグラフを作成した。  図３のグラフから、ころ３と外輪１との抱き率を０．９４以上０．９８以下とすることにより、Ｎｏ．１３の３倍以上の寿命が得られることが分かった
図４のグラフから、ころ３と内輪２との抱き率を０．９１以上０．９５以下とすることにより、Ｎｏ．１３の４倍以上の寿命が得られることが分かった。
【００２７】
以上の結果から、外輪軌道面１ａの軸方向及び円周方向の表面粗さ（Ｒａ）と、外輪軌道面１ａ，内輪軌道面２ａ，転動面３ａの軸方向における曲率半径の関係とを全て本発明の範囲内にした外輪１、内輪２、及びころ３を用いることにより、自動調心ころ軸受の寿命を長くできることが分かった。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の自動調心ころ軸受の一例を示す断面図である。
【図２】研削加工後の外輪軌道面の粗さ形状を示す模式図である。
【図３】ころと外輪との抱き率と、寿命との関係を示すグラフである。
【図４】ころと内輪との抱き率と、寿命との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００２９】
１      外輪
１ａ    外輪軌道面
２      内輪
２ａ    内輪軌道面
３      ころ
３ａ    転動面
４      保持器
ｒa     外輪軌道面の軸方向における曲率半径
ｒb     内輪軌道面の軸方向における曲率半径
ｒc     転動面の軸方向における曲率半径
【図１】
2006266464.tif 000004
【図２】
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【図３】
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【図４】
2006266464.tif 000007