(57)【要約】【課題】転がり軸受の寿命を低下させることなく、動力損失を低減することが可能な転がり軸受の潤滑方法を提供する。【解決手段】転がり軸受の潤滑方法は、円環状の外輪転走面が形成された外輪１１と、外輪転走面に対向する円環状の内輪転走面が形成された内輪１２と、転動体転走面が形成され、外輪転走面および内輪転走面の各々に転動体転走面において接触し、円環状の軌道上に配置される複数の玉１３とを備えた転がり軸受としての深溝玉軸受１の潤滑方法である。そして、外輪１１および内輪１２に挟まれる空間である軌道空間１５には、直径が１．０μｍ以下の気泡３２を含む潤滑油３１が供給される。【選択図】図１
2008051302.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
円環状の第１転走面が形成された第１軌道部材と、
前記第１転走面に対向する円環状の第２転走面が形成された第２軌道部材と、
転動体転走面が形成され、前記第１転走面および前記第２転走面の各々に前記転動体転走面において接触し、円環状の軌道上に配置される複数の転動体とを備えた転がり軸受の潤滑方法であって、
前記第１軌道部材および前記第２軌道部材に挟まれる空間である軌道空間には、直径が１．０μｍ以下の気泡を含む潤滑油が供給される、転がり軸受の潤滑方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は転がり軸受の潤滑方法に関し、より特定的には、動力損失を低減することが可能な転がり軸受の潤滑方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、機械製品のさらなる高効率化の要求に伴い、機械製品に使用される転がり軸受に対して、一層の動力損失の低減が求められている。油潤滑により潤滑される転がり軸受において、動力損失が発生する主な原因としては、転がり軸受を構成する部品と潤滑油との相互作用に起因した抗力および転がり粘性抵抗が挙げられる。したがって、この抗力および転がり粘性抵抗を低減することにより、転がり軸受の動力損失を低減することができる。
【０００３】
ここで、抗力とは、転がり軸受の運転時において、転がり軸受を構成する転動体や保持器などが、潤滑油またはミスト状の潤滑油を含む気体中で運動する際に発生する抵抗である。また、転がり粘性抵抗は、流体潤滑部における、潤滑油のポアズイユ流れによる粘性せん断応力に起因する抵抗である。なお、転がり軸受の運転時において、見かけ上、転動体と軌道部材とが接触している領域においては、潤滑が正常に行なわれている場合、実際には転動体と軌道部材とは直接接触せず、両者が僅かに弾性変形し、油膜を挟んで対向している（弾性流体潤滑）。本明細書、特許請求の範囲、図面、要約書等においては、上記見かけ上、転動体と軌道部材とが接触している領域を流体潤滑部という。
【０００４】
軸受の動力損失を低減する方策としては、外レースと内レースとを有し、転動体を有さない軸受であるすべり軸受において、フリクションを低減する目的で、外レースと内レースとの間に介在する潤滑油中に数マイクロメートル〜数十マイクロメートル以下の微細な気泡を混在させる対策が提案されている（たとえば特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００６−２２９２３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、転がり軸受は、すべり軸受とは異なり、転動体を有している。そのため、特許文献１に記載されたすべり軸受のフリクションを低減する対策を、そのまま転がり軸受に適用することはできない。すなわち、潤滑油中に数マイクロメートル〜数十マイクロメートル以下の微細な気泡を混在させた場合、転がり軸受の寿命が低下するという問題を生じる。
【０００６】
そこで、本発明の目的は、転がり軸受の寿命を低下させることなく、動力損失を低減することが可能な転がり軸受の潤滑方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に従った転がり軸受の潤滑方法は、円環状の第１転走面が形成された第１軌道部材と、第１転走面に対向する円環状の第２転走面が形成された第２軌道部材と、転動体転走面が形成され、第１転走面および第２転走面の各々に転動体転走面において接触し、円環状の軌道上に配置される複数の転動体とを備えた転がり軸受の潤滑方法である。そして、第１軌道部材および第２軌道部材に挟まれる空間である軌道空間には、直径が１．０μｍ以下の気泡を含む潤滑油が供給される。
【０００８】
本発明者は、油潤滑される転がり軸受に供給される潤滑油に含まれる気泡と、転がり軸受の抗力および転がり粘性抵抗との関係について検討を行なった。その結果、以下の知見を得た。
【０００９】
すなわち、転がり軸受の運転時に発生する抗力の大きさは、潤滑油の粘度に大きな影響をうける。これに対し、潤滑油に微細な気泡を含有させることにより、潤滑油の見かけの粘度を低下させ、抗力を抑制することができる。
【００１０】
また、流体潤滑部の入口側（流体潤滑部から見て、潤滑油が浸入してくる側）において、潤滑油の欠乏状態、いわゆるスターベーションを発生させることにより、転がり粘性抵抗を低減することができる。上述のように、潤滑油に微細な気泡を含有させることにより、流体潤滑部の入口側における潤滑油の見かけの粘度が低下する。その結果、スターベーションと同様の効果が発生し、転がり粘性抵抗を抑制することができる。
【００１１】
一方、流体潤滑部の入口側においては、潤滑油に作用する圧力はほぼ常圧となっている。そのため、流体潤滑部の入口側における油膜厚さよりも大きい気泡が潤滑油中に存在する場合、当該領域において油膜切れが発生し、転動体と軌道部材とが直接接触するおそれがある。この場合、軌道部材に接触する転動体の表面、および転動体に接触する軌道部材の表面（転走面）に損傷が生じ、転がり軸受の寿命を大幅に低下させるおそれがある。ここで、流体潤滑部の入口付近の油膜は、流体潤滑部の中央部での油膜の厚さ（中央油膜厚さ）と同等の厚みを有している。また、油潤滑される転がり軸受においては、中央油膜厚さは通常１μｍ程度となっている。そのため、上述の特許文献１に記載されたすべり軸受の場合と同様に、気泡の直径を数μｍ〜数十μｍとした場合、油膜切れが生じる可能性が高く、転がり軸受では気泡の直径を１μｍ以下とする必要がある。
【００１２】
なお、弾性流体潤滑の状態においては、出口付近に発生する圧力スパイクに起因した油膜のくびれが発生する。しかし、流体潤滑部の内部においては、潤滑油には極めて大きな圧力が作用しており、気泡は大幅に収縮し、または消滅している。そのため、気泡の大きさを当該くびれが発生した領域の油膜の厚さ（最小油膜厚さ）以下にまで抑制する必要はない。
【００１３】
以上のように、本発明の転がり軸受の潤滑方法によれば、寿命を低下させることなく、抗力および転がり粘性抵抗を低下させることにより、転がり軸受の動力損失を抑制することができる。
【００１４】
ここで、潤滑油に含まれる気泡の大きさを０．１μｍ未満とすると、一般的な気泡発生装置を用いた気泡の発生が困難となる。その結果、気泡を発生させるために特別な装置を使用する必要が生じ、潤滑を実施するためのコストが高くなる。そのため、潤滑油に含まれる気泡の大きさは、０．１μｍ以上とすることが好ましい。
【００１５】
また、潤滑油に含まれる気泡の割合（体積割合）が高くなるほど潤滑油の見かけの粘性が低下し、抗力および転がり粘性抵抗を低下させることができる。しかし、潤滑油の見かけの粘性が小さくなりすぎると、流体潤滑部における油膜厚さを十分に確保できなくなるおそれがある。その場合、転動体と軌道部材とが直接接触して表面に損傷を生じ、転がり軸受の寿命が低下する。気泡を含んだ潤滑油の粘度は、気泡の割合に比して、見かけの粘度が低下すると考えられる。この見かけの粘度を用いて、玉軸受にあっては、たとえばＨａｍｒｏｃｋ−Ｄｏｗｓｏｎの式（Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎ  ｏｆ  ＡＳＭＥ，  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｌｕｂｒｉｃａｔｉｏｎ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，  ９９(１９７７)，２６４）、ころ軸受にあっては、たとえばＤｏｗｓｏｎ−Ｈｉｇｇｉｎｓｏｎの式（Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ  Ｓｃｉｅｎｃｅ，  １(１９５９)，  ６）を用いて最小油膜厚さを求め、最小油膜厚さを合成最小自乗表面粗さで除した油膜パラメータが３以上となるように、気泡の割合を定めることが肝要である。一方、転がり軸受の摩擦トルクに対して抗力が支配的な場合は、潤滑油に含まれる気泡の割合（体積割合）が１０体積％よりも小さい場合、また、同じく転がり粘性抵抗が支配的な場合には１５体積％よりも小さい場合、抗力および転がり粘性抵抗の低下率は１０％以下であって、気泡の効果が十分に発揮されない。そのため、転がり軸受に供給される潤滑油に含まれる気泡の割合は、１５体積％以上とすることが好ましい。
【００１６】
また、潤滑油に含まれる気泡を構成する気体としては、コストを低減する観点から空気を採用してもよいが、窒素、アルゴンなどの他の気体を採用してもよい。
【００１７】
さらに、潤滑油としては、鉱油、ＰＡＯ、シリコンオイル、エーテル、エステルなどを採用することができる。
【００１８】
また、潤滑油中の気泡の大きさは、たとえばＣＣＤカメラでの撮影により測定することができる。さらに、潤滑油中の気泡の割合は、たとえば気泡を含んだ潤滑油の比重を測定することにより知ることができる。
【発明の効果】
【００１９】
以上の説明から明らかなように、本発明の転がり軸受の潤滑方法によれば、転がり軸受の寿命を低下させることなく、動力損失を低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付しその説明は繰返さない。
【００２１】
図１は、本発明の一実施の形態における転がり軸受の潤滑方法を説明するための概略図である。また、図２は、図１の線分ＩＩ−ＩＩに沿う転がり軸受の概略断面図である。図１および図２を参照して、本発明の一実施の形態における転がり軸受の潤滑方法を説明する。
【００２２】
図１を参照して、本実施の形態においては、転がり軸受である深溝玉軸受１は、その一部が潤滑油３１に浸漬されており、油浴潤滑により潤滑されている。図２を参照して、深溝玉軸受１は、第１軌道部材としての環状の外輪１１と、外輪１１の内側に配置された第２軌道部材としての環状の内輪１２と、外輪１１と内輪１２との間に配置され、図示しない円環状の保持器に保持された転動体としての複数の玉１３とを備えている。外輪１１の内周面には第１転走面としての外輪転走面１１Ａが形成されており、内輪１２の外周面には第２転走面としての内輪転走面１２Ａが形成されている。そして、内輪転走面１２Ａと外輪転走面１１Ａとが互いに対向するように、外輪１１と内輪１２とは配置されている。さらに、複数の玉１３は、内輪転走面１２Ａおよび外輪転走面１１Ａに接触し、かつ保持器により周方向に所定のピッチで配置されることにより、円環状の軌道上に転動自在に保持されている。以上の構成により、深溝玉軸受１の外輪１１および内輪１２は、互いに相対的に回転可能となっている。
【００２３】
すなわち、本実施の形態の転がり軸受としての深溝玉軸受１の潤滑方法は、円環状の第１転走面としての外輪転走面１１Ａが形成された第１軌道部材としての外輪１１と、外輪転走面１１Ａに対向する円環状の第２転走面としての内輪転走面１２Ａが形成された第２軌道部材としての内輪１２と、転動体転走面（表面）が形成され、外輪転走面１１Ａおよび内輪転走面１２Ａの各々に転動体転走面（表面）において接触し、円環状の軌道上に配置される複数の転動体としての玉１３とを備えた転がり軸受の潤滑方法である。
【００２４】
そして、図１を参照して、外輪１１および内輪１２に挟まれる空間である軌道空間１５、より具体的には軌道空間１５内の流体潤滑部には、直径が１．０μｍ以下の気泡３２を含む潤滑油３１が油浴潤滑により供給されている。すなわち、図示しないオイルパンなどの潤滑油容器に溜められた潤滑油３１は、潤滑油循環装置２により循環させられている。潤滑油循環装置２は、潤滑油３１が通るための管である潤滑油管２１と、空気などの気体が通るための気体管２２と、潤滑油３１および気体の混合物が通るための混合管２３、２４と、潤滑油３１および気体を吸入し、潤滑油３１および気体の混合物を潤滑油容器に吐出するポンプ２５と、潤滑油３１および気体の混合物から微細な気泡を含む潤滑油を製造するマイクロバブル発生装置２６とを備えている。
【００２５】
ここで、マイクロバブル発生装置２６としては、たとえば高速旋回流を用いる装置（たとえば、特開２０００−４４７号公報参照）、細孔を用いる装置（たとえば、特開２００１−５８１４２号公報参照）、ベンチュリ管を用いる装置（たとえば、特開２０００−４４７号公報参照）などを採用することができるが、他の機構により微細な気泡を発生させる装置を採用してもよい。たとえば、特開２００５−２４５８１７号公報には１μｍ以下の気泡を発生させる方法が示されている。
【００２６】
潤滑油管２１は、一端において潤滑油容器内の潤滑油３１に浸漬された開口を有し、他端において気体管２２と連結されている。気体管２２は、一端において大気中に開放された開口を有し、他端において潤滑油管２１に連結されている。混合管２３は、潤滑油管２１と気体管２２との連結部とポンプ２５とを連結している。混合管２４は、一端においてポンプ２５に連結され、他端においてその一部が潤滑油容器内の潤滑油３１に浸漬されたマイクロバブル発生装置２６に連結されている。
【００２７】
次に、潤滑油循環装置２の動作について説明する。ポンプ２５が作動すると、潤滑油管２１に潤滑油３１が吸い上げられて矢印Ａの向きに移動するとともに、気体管２２に空気が吸入されて矢印Ｂの向きに移動する。そして、混合管２３において当該潤滑油３１と気体が混合されてポンプ２５内に吸入される。さらに、ポンプ２５内に吸入された潤滑油３１と気体との混合物は、混合管２４に押し出され、矢印Ｃの向きに移動する。さらに、当該混合物は、マイクロバブル発生装置２６に到達し、微細な気泡３２を含む潤滑油３１となる。そして、この微細な気泡３２を含む潤滑油３１が潤滑油容器内に吐出される。これにより、潤滑油３１に気泡３２が混入されつつ、潤滑油３１が循環される。
【００２８】
次に、本実施の形態における転がり軸受の動力損失低減のメカニズムについて説明する。図３は、本実施の形態における外輪と転動体との間の流体潤滑部付近の状態を示す模式図である。なお、図３においては、流体潤滑部付近の圧力Ｐの分布が破線で示されている。また、図４は、本発明の範囲外の気泡が存在する場合の流体潤滑部付近の状態を示す模式図である。
【００２９】
図１を参照して、外輪１１が図示しないハウジングなどに固定された状態で内輪１２が矢印αの向きに回転すると、玉１３は、矢印βの向きに回転する。その結果、図３を参照して、玉１３と内輪１２とは潤滑油３１の油膜を挟んで弾性流体潤滑の状態を保ちつつ、玉１３が内輪１２の内輪転走面１２Ａ上を移動する。このとき、内輪１２と玉１３との間を矢印γの向きに相対的に移動する潤滑油３１は、１μｍ以下の気泡３２Ａを含んでいる。そのため、潤滑油３１の見かけの粘度が低下しており、上記玉１３の移動に対して生じる抗力が抑制されている。また、流体潤滑部３３の入口側（図３における流体潤滑部３３の左側）においてスターベーションが発生し、転がり粘性抵抗が低減されている。
【００３０】
一方、流体潤滑部３３の入口付近において、潤滑油３１に作用する圧力は、ほぼ常圧である。そのため、上述の潤滑油３１の相対的な移動に伴い、流体潤滑部３３の入口に対して矢印γの向きに近づく気泡３２Ａは、流体潤滑部３３の入口である気泡３２Ｂの位置に到達するまでは、供給時の１μｍ以下の直径（マイクロバブル発生装置２６により潤滑油３１に混入された際の直径）をほぼ保っている。しかし、流体潤滑部３３の内部においては、潤滑油３１に極めて大きな圧力が作用している。そのため、気泡３２Ｂは、気泡３２Ｃの位置においては大幅に収縮し、気泡３２Ｄの位置においては消滅している場合もある。ここで、流体潤滑部３３の入口付近の油膜の厚さは、中央油膜厚さｈＣと同等の厚みである。また、Ｈａｍｒｏｃｋ−Ｄｏｗｓｏｎによれば中央油膜厚さｈＣは、以下の式（１）により表される。
【００３１】
【数１】
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【００３２】
一般に、中央油膜厚さｈＣは１μｍ程度となる。たとえば、深溝玉軸受６２１２について、潤滑油の粘度を０．０５４Ｐａ・ｓ、内輪回転速度を４０００ｒｐｍ、ラジアル荷重を基本動定格荷重の５％（２６００Ｎ）とすると、内輪１２と玉１３との間の中央油膜厚さｈＣは、１．２６μｍとなる。したがって、気泡３２の直径が１μｍ以下である本実施の形態においては、内輪１２と玉１３との間に気泡３２に起因した油膜切れは生じない。なお、ここには点接触の式のみを示したが、線接触の式の計算値は、点接触の式のｋを十分大きくすることで近似することができる。
【００３３】
一方、図４を参照して、１μｍを超える直径を有する気泡３２Ｅを含む潤滑油３１が供給される、本発明の範囲外の潤滑方法が採用された場合、気泡３２Ｅの直径が中央油膜厚さｈＣよりも大きくなる可能性がある。入り口付近は常圧に近く、気泡は収縮しないので、入り口部で油膜切れが生じてしまう。弾性流体潤滑では、中央油膜厚さｈＣは入り口部の油膜厚さで決定されるため、結局、潤滑部全域で油膜切れが生じてしまうことになる。その結果、内輪１２と玉１３とが直接接触し、表面損傷を生じて、深溝玉軸受１の寿命が大幅に低下する。
【００３４】
なお、図３および図４を参照して、流体潤滑部３３においては、出口付近に発生する圧力スパイクＰＳに起因した油膜のくびれ３１Ａが発生する。しかし、図３を参照して、本実施の形態における流体潤滑部３３の内部においては、上述のように、気泡は大幅に収縮し、または消滅している。そのため、気泡３２Ａの大きさを最小油膜厚さｈｍｉｎ以下にまで抑制する必要はない。
【００３５】
以上のように、本実施の形態の転がり軸受の潤滑方法によれば、寿命を低下させることなく、抗力および転がり粘性抵抗を低下させることにより、転がり軸受の動力損失を抑制することができる。また、一般に、転がり軸受に作用する荷重や軸受の回転数に応じて、潤滑油の最適な粘度は変化する。本実施の形態における転がり軸受の潤滑方法によれば、潤滑油に含まれる気泡の量（体積割合）を変化させることで、潤滑油そのものを変更することなく、粘度を所望の値に制御することが可能となる。
【００３６】
なお、本発明の実施の形態においては、転がり軸受の一例として、深溝玉軸受について説明したが、本発明の転がり軸受の潤滑方法が適用可能な転がり軸受は、これに限られない。たとえば、本発明の転がり軸受の潤滑方法が適用される転がり軸受は、円筒ころ軸受、円錐ころ軸受などの他のラジアル軸受であってもよいし、スラスト玉軸受などのスラスト軸受であってもよい。すなわち、本発明の転がり軸受の潤滑方法が適用される転がり軸受は、軌道空間に潤滑油を供給可能な形式の転がり軸受であればよい。
【００３７】
また、本実施の形態においては、転がり軸受の一例として、外輪および内輪を有する転がり軸受について説明したが、本発明の転がり軸受の潤滑方法が適用される転がり軸受は、これに限られない。たとえば、軌道部材である外輪および内輪は、玉、ころなどの転動体が表面を転走するように使用される軸や板などであってもよい。すなわち、軌道部材は、転動体が転走するための転走面が形成された部材であればよい。
【００３８】
さらに、本実施の形態においては、油浴潤滑により転がり軸受が潤滑される場合について説明したが、本発明の転がり軸受の潤滑方法はこれに限られず、たとえば、飛沫（はねかけ）給油、滴下給油、循環給油、ディスク給油、オイルミスト潤滑（噴霧潤滑）、エアオイル潤滑、ジェット潤滑などにより転がり軸受が潤滑されてもよい。
【００３９】
今回開示された実施の形態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。
【産業上の利用可能性】
【００４０】
本発明の転がり軸受の潤滑方法は、動力損失を低減することが求められる転がり軸受の潤滑方法に、特に有利に適用され得る。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の一実施の形態における転がり軸受の潤滑方法を説明するための概略図である。
【図２】図１の線分ＩＩ−ＩＩに沿う転がり軸受の概略断面図である。
【図３】本発明の一実施の形態における外輪と転動体との間の流体潤滑部付近の状態を示す模式図である。
【図４】本発明の範囲外の気泡が存在する場合の流体潤滑部付近の状態を示す模式図である。
【符号の説明】
【００４２】
１  深溝玉軸受、２  潤滑油循環装置、１１  外輪、１１Ａ  外輪転走面、１２  内輪、１２Ａ  内輪転走面、１３  玉、１５  軌道空間、２１  潤滑油管、２２  気体管、２３，２４  混合管、２５  ポンプ、２６  マイクロバブル発生装置、３１  潤滑油、３２，３２Ａ，３２Ｂ，３２Ｃ，３２Ｄ，３２Ｅ，３２Ｆ  気泡、３３  流体潤滑部。
【図１】
2008051302.tif 000004
【図２】
2008051302.tif 000005
【図３】
2008051302.tif 000006
【図４】
2008051302.tif 000007