(57)【要約】【課題】スターベーションの状態で使用される場合でも転がり要素間の油膜破断を少なくする。【解決手段】転がり軸受の転動体４の表面４ａまたは軌道面に、独立した微小凹部形状のくぼみ１１を無数にランダムに形成し、くぼみ４ａ以外は滑らかな平滑面に形成し、等価円直径φ３μｍ以下を除いて整理したとき、くぼみ４ａの平均面積を１０μｍ2以上７０μｍ2以下、最大面積を１２００μｍ2とする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
転動体の表面または軌道輪の軌道面の少なくともいずれか一方に、独立した微小凹部形状のくぼみを無数にランダムに形成し、くぼみ以外は滑らかな平滑面に形成し、等価円直径φ３μｍ以下を除いて整理したとき、くぼみの平均面積は１０μｍ2以上７０μｍ2以下であり、最大面積は１２００μｍ2であることを特徴とする転がり軸受。
【請求項２】
くぼみの体積は０．００７ｍｍ3／ｃｍ2以上０．０１７ｍｍ3／ｃｍ2以下であることを特徴とする請求項１の転がり軸受。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は転がり軸受に関する。
【背景技術】
【０００２】
転がり軸受の表面損傷は、一般に転がり接触部の油膜厚さｈと合成粗さσの比で表した油膜パラメータ（Λ＝ｈ／σ）と関係がある。すなわち、油膜パラメータΛが小さくなると、転がり軸受の転がり要素間に直接接触が生じるため、表面損傷が発生し、転がり軸受の寿命が短くなる。油膜パラメータΛが大きくなると長寿命となる。
【０００３】
したがって、従来、転がり軸受の表面損傷を少なくし、寿命を長くするため、転がり軸受の転動体と軌道輪との接触部に転がり要素同士の直接接触が発生しないように、使用条件に合わせて潤滑剤の粘度などを選定している。また、潤滑剤により形成される油膜厚さが小さい場合には、転がり軸受の仕上げ面は粗さを小さくすることによって、転がり要素同士の直接接触を防いでいる。
【特許文献１】特開平２−１６８０２１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、転がり軸受の使用条件の油膜パラメータΛが大きい場合でも、潤滑剤の供給量が少ない場合には、転がり要素間に形成される油膜厚さが小さくなる。この潤滑剤不足の状態は、一般にスターベーションと呼ばれている。
【０００５】
転がり要素間の接触部に形成される油膜の厚さは、弾性流体潤滑理論により算出できる。この場合の油膜厚さは、接触部の入口部に十分な潤滑剤が存在するという条件下の値である。十分潤滑下での油膜厚さはｈ∞と表記される。
【０００６】
一方、近年の研究結果では、接触部の入口部に潤滑剤が十分に供給されない場合（スターベーション条件下）は、接触部の油膜の厚さが減少することが明らかになってきた。この場合の油膜厚さｈは、十分潤滑下の場合の油膜厚さｈ∞と係数βの積で与えられる（ｈ＝βｈ∞、β≦１）。この係数βは、図５に示すように、接触部の入口部に存在する潤滑剤の位置（図中のＸｉ）が接触半幅（ｂ）に比較して大きい場合には１であり、小さくなるにつれて零に近づく。現時点までの研究結果では、βが１をとる潤滑剤の存在位置Ｘｉを正確に予測することはできないが、一般的には、接触半幅（ｂ）の３倍以上であれば十分潤滑であると考えられている。
【０００７】
スターベーションは、潤滑剤の供給装置の性能不良から発生する場合のほかに、近年では、転がり軸受の使用条件が高速になってきたために発生し、問題となっている。
【０００８】
現在では、転がり軸受の転がり要素の仕上げ面は、超仕上げ加工により、ほぼ鏡面と言える程度まで粗さが小さくなっているため、油膜パラメータΛの合成粗さを小さくして、スターベーションの問題を解決することは困難である。
【０００９】
また、油膜パラメータΛの油膜厚さを大きくするために、潤滑剤の粘度を増大させると、粘度上昇により摩擦損失が増加してエネルギーロスが問題となる。また、油膜厚さを大きくするために使用温度を下げる場合は、冷却装置などが必要となる。
【００１０】
ランダムに独立した微小凹部形状のくぼみと、くぼみ以外が平滑面で構成される微小表面形状は、くぼみの無い平滑面と比較して、油膜形成能力に優れ、長寿命であることは既に知られている（特開平２−１６８０２１号公報）。しかし、潤滑剤の供給量が少ないスターベーション条件下では、潤滑剤の凹部内で捕捉される量が供給量に対して大きくなった場合、くぼみの存在による油膜厚さの増加の効果が期待できなくなる可能性がある。
【００１１】
この発明の目的は、スターベーションの状態で使用される場合でも、転がり要素間の油膜破断を少なくすることができる転がり軸受を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
この発明は、潤滑剤（たとえば潤滑油）を介在させて互いに接触させた一対の軸受部品を有し、両軸受部品が一定方向に相対移動可能である転がり軸受において、前記一対の軸受部品のうち、少なくとも一方の軸受部品の接触部表面に、独立した微小凹部形状のくぼみをランダムに形成し、くぼみ以外は滑らかな平滑面とし、くぼみの大きさや深さを規定したものである。
【００１３】
すなわち、請求項１の転がり軸受は、転動体の表面または軌道輪の軌道面の少なくともいずれか一方に、独立した微小凹部形状のくぼみを無数にランダムに形成し、くぼみ以外は滑らかな平滑面に形成し、等価円直径φ３μｍ以下を除いて整理したとき、くぼみの平均面積は１０μｍ2以上７０μｍ2以下であり、最大面積は１２００μｍ2であることを特徴とするものである。
【００１４】
請求項２の発明は、請求項１の転がり軸受において、くぼみの体積が０．００７ｍｍ3／ｃｍ2以上０．０１７ｍｍ3／ｃｍ2以下であることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１５】
この発明によれば、スターベーション条件下でも転がり接触部の金属接触率が低くなる。したがって、給油量が少ない場合の転がり軸受の油膜形成能力を改善することができ、転がり軸受の長寿命化を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、添付図面に従ってこの発明の実施の形態を説明する。
【００１７】
図１（Ａ）に一般的な転がり軸受の代表例として円筒ころ軸受の断面を示す。図示するように、この軸受は、軸１に嵌合させた内輪側軌道輪（以下、内輪と称する）２、ハウジング（図示省略）の内径面に嵌合させた外輪側軌道輪（以下、外輪と称する）３、内外輪２，３の間に介在させた複数の円筒ころ（以下、単にころと称する）４、ころ４を円周等配位置で保持する保持器５等の各種軸受部品で構成される。内輪２の両端部には、アキシアル荷重を支持してころ４の両端面を接触案内するつば部６が一体に形成してある。
【００１８】
転がり軸受の転動体の表面または内外輪の軌道面の少なくともいずれか一方に、独立した微小凹部形状のくぼみを無数にランダムに形成し、くぼみ以外は滑らかな平滑面に形成する。図１（Ｂ）に例示したのは、ころ４の表面（転動面）４ａに微小凹部形状のくぼみ１１をランダムに分散させた場合である。等価円直径φ３μｍ以下を除いて整理したとき、くぼみ１１の平均面積は１０μｍ2以上７０μｍ2以下であり、最大面積は１２００μｍ2である。平均面積、最大面積、体積を例示するならば、表１の実施例のとおりである。
【００１９】
次に、本発明の効果を実証するために行った実験について説明する。
【００２０】
実験は、図２に示すように、軸受鋼製の二つの試験円筒Ａ，Ｂを転がり接触させ、二円筒間の接触電気抵抗を測定した。両円筒が潤滑膜で隔てられている場合は、潤滑油は絶縁材であるから抵抗は無限大となり、両円筒間に金属接触が発生した場合は抵抗が零となる。両円筒の直径はφ４０ｍｍ、硬度はＨＶ７５０程度、回転速度は１９００ｒｐｍであった。使用した潤滑油はタービン油ＩＳＯ−ＶＧ３２で、両円筒の最大接触圧力は１．４ＧＰａであった。
【００２１】
少量の潤滑油を両円筒の接触部に供給するために、潤滑油は、試験前に両円筒の外径面に規定量塗布し、試験中は給油しなかった。塗布量の管理は、各試験円筒の潤滑油の塗布前後の重量を電子天秤で測定して行った。また、極少量の潤滑油の塗布は、タービン油を溶剤で希釈して試験円筒に塗布する方法で行った。その場合は、塗布後、溶剤が試験円筒の外径面から蒸発した後に天秤にて試験円筒の重量を測定し、塗布量を算出した。
【００２２】
二つの試験円筒のうち、試験円筒Ａにはどの試験の場合も超仕上げした円筒を用いた。試験円筒Ｂには、くぼみ１１の大きさを変えて分散させた円筒を用い、表１に試験を実施した試験円筒Ｂのくぼみの特性を示す。
【００２３】
【表１】
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【００２４】
くぼみの面積率、平均面積、最大面積は、株式会社ピアス製の画像処理装置ＬＡ５２５を用いて計測した。使用した顕微鏡は株式会社オリンパス製顕微鏡ＢＨで、対物レンズの倍率は１０倍であった。顕微鏡による拡大像はＣＣＤ白黒ビデオカメラを通して画像処理装置に入力した。画像処理の対象とした視野の大きさは８３２μｍ×７３０μｍであった。画像処理装置では白黒ビデオ画像の輝度を５６階調でデジタル化し、しきい値を設定することで、くぼみ部を黒（輝度零）、平滑部と白（輝度２５５）に２値化弁別した。２値化画像に対しては、試験円筒の表面の微小な傷やよごれが計測地に与える影響を除くため、等価円直径φ３μｍ以下の輝度が零の物体をノイズイレーザ処理により輝度２５５に変換した。
【００２５】
同処理の後に、くぼみの面積率、平均面積、最大面積を計測した。くぼみの体積は、株式会社ランクテーラホブソン製の粗さ計タリサーフＳ５Ｃを用いて測定した。なお、同測定器では、くぼみの体積はパラメータＶｏとして表示される。測定は粗さ計の標準触針であるダイヤモンド触針９０度を用いて行った。測定長さは４ｍｍで、カットオフは０．２５ｍｍとした。フィルターはガウスフィルターを使用した。くぼみと平滑面から構成される表面を粗さ計で測定した例を図３（Ａ）に示す。個々のくぼみは谷１２となり、平滑部の小さな凹凸の凸部は山１３となる。ここで、最も深い谷１２ａと最も高い山１３ａとの距離が、当該表面形状の最大粗さとなる。
【００２６】
図３（Ｂ）は図３（Ａ）の表面粗さの累積密度関数を示す。表面粗さの累積密度関数は負荷曲線と呼ぶこともある。この負荷曲線は、縦軸に粗さの大きさをとり、粗さの最も高い凸部１３ａから最も深い凹部１２ａまでの存在確率を累積して示したものである。くぼみの体積Ｖｏは負荷曲線の斜線部１４の積分値である。この積分値を求める場合のＴｐ％の与え方は種々あるが、ここでは、Ｍｒ２の値をＴｐ％として使用した。Ｍｒ２は、図３（Ｂ）の負荷曲線上で、Ｔｐ％の方向に４０％の幅をとり、その勾配が最小となる直線を引き、その直線とＴｐ％＝１００％の交点を求め、その交点からの水平線と負荷曲線との交点に対応するＴｐ％の値で定義される。Ｍｒ２を用いて図３（Ｂ）の累積密度関数の斜線部（１４）の積分値を算出する方法は、ＤＩＮ４７７６−１９９０で規定されている方法である。なお、フィルターとしてＩＳＯフィルターを使用せず、ガウスフィルターを使用したのは、測定条件をＤＩＮ４７７６−１９９０に合わせたためである。
【００２７】
試験円筒Ｂの微小なくぼみはバレル加工により作製した。くぼみの大きさや深さは加工時間や加工圧の条件を変更して調整した。なお、微小凹部形状の作製は、バレル加工のほかに、ショットピーニングや転動加工を用いても可能である。
【００２８】
図４は、実施例１、実施例２、実施例３ならびに比較例１、比較例２の油膜形成能力を、塗布量を変えて比較した結果を示す。ここで、油膜形成率とは、前記電気抵抗法を用いた計測において、油膜が形成された時間をＴ1、金属接触が発生した時間をＴ2としたとき、次式から算出される油膜形成時間比率をいう。
油膜形成率＝１００×Ｔ1（Ｔ1＋Ｔ2）
【００２９】
図４から、実施例１、２、３は比較例１、２に比べて給油量が少ない場合においても優れた油膜形成能力を有することがわかる。この油膜形成能力の向上は、くぼみの大きさや深さを小さくしたことによって、くぼみの内部に蓄えられる潤滑油の量を少なくしたため、図５に示すような、接触部の入口部に供給される潤滑油の量の減少を防ぎ、くぼみが本来有している油膜形成能力を十分に発揮させたためであると考えられる。
【００３０】
なお、潤滑油の供給量が十分で、かつ、油膜厚さが小さい条件では、比較例１、２は、くぼみがない場合に比べて油膜形成能力に優れていることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】（Ａ）は一般的な転がり軸受（円筒ころ軸受）の断面図、（Ｂ）は本発明の実施の形態を示す転動体（円筒ころ）の正面図である。
【図２】油膜形成能力の比較試験方法を説明する略図である。
【図３】（Ａ）（Ｂ）は表面粗さのくぼみ部の体積の算出方法の説明図である。
【図４】油膜形成能力の比較試験結果を示すグラフである。
【図５】給油量と油膜厚さの関係を説明する略図である。
【符号の説明】
【００３２】
１  軸
２  内輪（軌道輪）
３  外輪（軌道輪）
４  ころ（転動体）
４ａ  ころの表面
１１  くぼみ
１２  凹部
１２ａ  最も深い凹部
１３  凸部
１３ａ  最も高い凸部
１４  くぼみの体積
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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