(57)【要約】ころがり軸受であって、内輪、外輪および該内外輪の軌道と接触点を有している一連の転動体を含み、該接触点には、２ｍｍ２/ｓ 以下の動粘度 ν = (η0 /ρ) を有する超低粘度流体が存在し、該内外輪と該転動体の表面は、該軸受の動作中に固体対固体の接触が起こり得る凹凸を備えているころがり軸受において、係数 Dｑ が、式（Ｉ）に等しいと定義され、該凹凸の固体対固体の接触が、8.0 x 10-6 mrad s1/2≦ Dｑ ≦ 1.36 x 10-4 mrad s1/2 を満足する設計パラメータおよび該軸受の使用条件を選択することによって低減される。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ころがり軸受であって、内輪、外輪および該内外輪の軌道と接触点を有している一連の転動体を含み、該接触点には、２ｍｍ２/ｓ 以下の動粘度 ν = (η0 /ρ) を有する超低粘度流体が存在し、該内外輪と該転動体の表面は、該軸受の動作中に固体対固体の接触が起こり得る凹凸を備えているころがり軸受において、係数 Dｑ が、下記の式に等しいと定義され、
2004522107.tif 000023
ここで、
Δｑ ＝ 凹凸の平均傾斜度
η0 ＝ 飽和状態における動粘度
α ＝ 圧力・粘度係数
かつ、該凹凸の固体対固体の接触が、8.0 x 10-6 mrad s1/2≦ Dｑ ≦ 1.36 x 10-4 mrad s1/2 を満足する設計パラメータおよび該軸受の使用条件を選択することによって低減されることを特徴とするころがり軸受。
【請求項２】
内外輪および（または）転動体の表面は、ダイヤモンド様被膜（ダイヤモンドライクコーティング）（ＤＬＣ）で被覆されていることとする請求項１に記載の軸受。
【請求項３】
内外輪および（または）該転動体の表面は、耐食材料で被覆されていることとする請求項１に記載の軸受。
【請求項４】
耐食材料は、亜鉛であることとする請求項３に記載の軸受。
【請求項５】
耐食材料は、ステンレス鋼であることとする請求項３に記載の軸受。
【請求項６】
内外輪および転動体のうちの少なくとも一つは、少なくともセラミックころがり表面層を有することとする上記請求項のうちのいずれか一つに記載の軸受。
【請求項７】
全ての転動体が、セラミック材料製であることとする上記請求項のうちのいずれか一つに記載の軸受。
【請求項８】
転動体は、耐熱材料、例えば、ポリマー（ＰＥＥＫ）または金属（黄銅）のケージで分離されることとする上記請求項のうちのいずれか一つに記載の軸受。
【請求項９】
内外輪および転動体は、０．１μｍ 以下の標準の粗さ Ｒｑ を有することとする上記請求項のうちのいずれか一つに記載の軸受。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内輪、外輪および該内外輪の軌道と接触点を有している一連の転動体を含み、該接触点には、２ｍｍ２/ｓ 以下の動粘度 ν = (η0 /ρ) を有する超低粘度流体が存在し、内外輪と転動体の表面は、軸受の動作中に固体対固体の接触が起こり得る凹凸を備えているころがり軸受に関する。
【発明の背景】
【０００２】
このような軸受は、U-B1-6,176,092 に開示されており、セラミック転動体および鋼製内外輪とを有するハイブリッド軸受として実施されている。問題の軸受は、冷凍機内で使用されており、これは、超低粘度の純粋冷媒が、潤滑剤として使用されていることを意味している。このような超低粘度の冷媒は、ころがり動作の際、比較的薄い膜にしかなり得ないが、問題の軸受の使用寿命は、許容できるものが得られる。
【０００３】
これは、転動体と内外輪の表面の凹凸間の接触が、どの鋼製軸受にも起こり得る溶着現象を生じないことに起因する。転動体と内外輪には、接触が起こるにもかかわらず、転動体が、セラミック材料で出来ているため、溶着が避けられる。
【０００４】
ころがり軸受に使用される超低粘度の流体（ウルトラローヴィスコシティフルイド）（ＵＬＶＦ）は、約 ２ｍｍ２/ｓ（室温で、表１参照）以下の動粘度を有する炭化水素起源の化合物と定義されれている。用途は、輸送、処理加工、あるいはこれらの流体の機械システムでの利用など、多数の工業的用途がある。これらの流体は、粘度が非常に低いため、超低粘度流体と潤滑システムとの完全な分離は、今日の封止技術では不可能である。したがって、軸受潤滑剤が、超低粘度流体で汚染され、油膜の減少およびころがり接触における直接的な金属対金属の接触の増大となる。この状態では、ころがり軸受の寿命の大幅な短縮が起こる。これらの使用条件では、一般に、１０〜１００倍の寿命低減が予想できる。今日、この問題は、満足なやり方で解決されていない。軸受空間内の超低粘度流体の存在をできるだけ制限して、軸受における超低粘度流体の存在により生じる混合潤滑剤使用条件に関連した表面問題を減らすことにより、軸受が、最小限度の期待寿命レベルに達することを可能にするための各種の方策が立てられて来た。しかしながら、一般に、この種の設計は、機械の複雑さとコストを増大させ、その能率を低下させる。近年、超低粘度流体との組み合わせで動作する機械システムの寿命を延ばし、信頼性を向上させようとする他のアイデアが試みられてきた。そのアイデアには、ハイドロスタチック支持ジャーナル軸受、あるいは、標準のハイブリッド軸受の使用などがある。
【０００５】
それにもかかわらず、使用寿命を有意に延ばし、超低粘度流体潤滑条件で動作するころがり軸受の信頼性を許容できるものにするいかなる一般的で実際的な方策も存在しないように見える。表１にこのような超低粘度流体の例を示す。
【０００６】
表１  超低粘度流体の代表例
2004522107.tif 000003
【０００７】
伝統的には、表面同士の間に、あるレベルの距離を確実に設けることによって、表面凹凸の固体対固体の接触を、防ぐ試みがなされている。この距離は、潤滑剤の膜厚の、平均粗さ Ｒｑ に対する比 λ に左右される。例えば、λ ≦ １の場合は、大量の表面接触が生じ、λ ≧ ４の場合は、表面接触は全く起こらないことが一般に認められている。
【０００８】
しかしながら、λ によって表面同士の間の距離を定量化したからと言って、超低粘度流体潤滑軸受の適切な記述には至らないことが明らかになった。これは、ころがり接触軸受に生ずる現象に対するこの伝統的な方法では、ヘルツ接触におけるオーバーローリングの際に、弾性変形が生ずるという事実が全く説明できない。特に、凹凸変形の結果として、ころがり接触の際の、実際の凹凸の高さは、相当に低減してよりよい距離となる、という事実が見逃されている。
【発明の要約】
【０００９】
本発明の目的は、上記のタイプのころがり軸受であって、例えば、純粋な冷媒の存在下で生ずるような低粘度流体潤滑下でもよりよく、より信頼できるサービスが可能となる軸受を提供することである。この目的は、係数 Dｑ が、下記の式に等しいと定義することで達成され、
2004522107.tif 000004
【００１０】
ここで、
Δｑ ＝ 凹凸の平均傾斜度
η0 ＝ 飽和状態における動粘度
α ＝ 圧力・粘度係数
また、凹凸の固体対固体の接触が、下記の式を満足する設計パラメータおよび軸受の使用条件を選択することによって低減されることで達成される。
8.0 x 10-6 mrad s1/2≦ Dｑ ≦ 1.36 x 10-4 mrad s1/2
【００１１】
本発明による係数 Dｑ によって、設計パラメータの範囲は、ころがり接触における接触表面同士の距離が増大する使用条件の範囲と組み合わせて選択できる。したがって、問題の軸受の信頼性および期待使用寿命の相当な増大が得られる。これは、ヘルツゾーンにおける固体対固体の接触の大幅な低減が得られるという事実の結果である。したがって、表面問題の発生は、大幅に低減し、それにより、軌道および転動体表面損傷のリスクは、同様に低減する。
【００１２】
本発明による軸受には、低粘度流体の、短期間の流量低減に対抗する追加の特徴が、組込み可能である。例えば、内外輪および（または）転動体の表面は、ダイヤモンド様被膜（ダイヤモンドライクコーティング）（ＤＬＣ）で被覆してよく、また、内外輪および（または）転動体の表面は、耐食材料で被覆してよい。問題の表面は、亜鉛またはステンレス鋼であってよい。
【００１３】
望ましくは、内外輪および（または）転動体の表面は、耐食材料で被覆する。例えば、転動体はすべて、セラミック材料とする。転動体は、耐熱材料、例えば、ポリマー（ＰＥＥＫ）または金属（黄銅）のケージで分離する。
【好適な実施形態】
【００１４】
以下、図に示した係数 Dｑ の誘導の説明を参照して、本発明をさらに説明する。
【００１５】
純粋のころがりにおいて、長波長（ω）成分（低傾斜度、Δｑ）並びに十分な使用条件で作り出される表面トポグラフィーは、弾性変形に有利であり、固体対固体の接触の可能性を低減する。
【００１６】
横軸および縦軸は、次のように定義される。
2004522107.tif 000005
2004522107.tif 000006
【００１７】
ここで
2004522107.tif 000007
【００１８】
αη0 の値が小さいと、凹凸の弾性変形が増大し、表面の分離に有利となる。しかしながら、それによって、膜厚も減少し、その結果、恐らくは、比膜厚 λ= hmin/σ の総合的な減少となる。凹凸の波長 ω を増大させることによって、妥協が可能であり、λ の許容できる値を保ちつつ、より大きな変形をさせることすら可能である。
【００１９】
実際の状況では、真の凹凸は、（フーリエ分解を用いて、）異なる振幅を有する多くの正弦波（もしくは２D両正弦波）を加えたものと見なし得る。したがって、各成分は、式（１）により示されているように、比波長 ω により与えられた ▽ を用いて、式（２）により、低減される。したがって、事実、全 ▽ スペクトルは、真の凹凸に含まれている。
【００２０】
真の表面で、標準のＩＳＯ パラメータ（Δｑ、Ｒｑ 等）を用いて測定した代表的な波長と表面の代表的な傾斜度との間の関係を理解するためには、真の凹凸は、図２に示したように、波長 ω の単一正弦波 z(x) によって表すことができる。
【００２１】
したがって、
2004522107.tif 000008
【００２２】
dz/dx で傾斜度を示すと、
2004522107.tif 000009
【００２３】
ｄ２ｚ/ｄｘ２ による曲率半径は、
2004522107.tif 000010
【００２４】
2004522107.tif 000011
【００２５】
真の表面では、Ａ は、Ｒｑで表され、tan θは、tan Δｑ で表され、したがって、
2004522107.tif 000012
【００２６】
式（６）から、Ｒｑが同じ凹凸では、Δｑ の値が減少すると、代表的な波長 ω が増大し、そのため、式（１）から、▽ が増大し、したがって、表面の弾性変形も増大する（式（２））。
【００２７】
このやり方を基にして、「通常の」アンギュラコンタクト軸受と「改良された」それとを、例により比較する。
【００２８】
深溝玉軸受（ＤＧＢＢ）型番７１９２８の内部形状を選ぶと、「通常の」軸受（サフィックス１）は、通常の潤滑条件下で、オイルＩＳＯ６８により潤滑される全鋼製の軸受であり、「改良された」軸受（サフィックス２）は、超低粘度流体により潤滑されるハイブリッド軸受（玉はセラミック、内外輪は鋼製）である。
【００２９】
使用条件は、次のように定義される。
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【００３０】
潤滑剤の特性は、次のように定義される。
オイルの特性：
η0 ＝ 0.0585 Pa s
α ＝ 30×10-9 Pa-1 （オイル）
超低粘度流体の特性：
η0 ＝ 214.5×10-6 Pa s
α ＝ 15×10-9 Pa-1 （超低粘度液体）
この例では、図３は、両方の場合における▽の代表的な値を示し、ハイブリッド軸受（改良された軸受）では、凹凸の弾性変形は、全鋼製軸受よりも大きいことが分かる。
【００３１】
この弾性変形の表面分離に対する寄与を理解するためには、比膜厚もしくは λ を考慮しなければならない。比膜厚は、λ= h/Rq で定義され、ここで、ｈ は、選択された膜厚であり、比較のためには、接触点における最小膜厚あるいは中心膜厚のいずれでもよいが、ここでは、中心膜厚を採った。一般に、λ ≦ １ では、表面接触の量が大きく、一方、λ ＞ ４ では、表面の凹凸間に全く接触がない。
【００３２】
図４は、例として示した二つの軸受について、流体の粘度η0 の関数としての λ のばらつきを示す。比較のため、「通常の」全鋼製軸受と同じ Δｑ の値を有する仮説ハイブリッド軸受の結果も入れた。この比較により、改良された軸受における Δｑ の、特に低粘度領域における低減による λ の向上への寄与が分かる。
【００３３】
図５は、軸受表面における本発明の総合的な効果を概略的に示す。二つの軸受の表面の「支持面積曲線」を算出することによって、無接触の確率（ｈ より小さい高さを有する表面積の、ｈ を超える表面積に対する比）を推定することが可能である。図６は、二つの軸受における速度の関数としてのこの比を示す。
【００３４】
ここで、Ｄｑ パラメータを誘導しよう。上記の説明により、変数 ▽ は、凹凸の弾性変形の量を表す（式（２））ことが分かる。しかしながら、より簡単な例として、材料が同じで使用条件も等しいが、潤滑剤の粘度および凹凸の波長が異なる二つの軸受を仮定すると、式（１）から、▽ の比率は、次の比率に低減できる。
2004522107.tif 000014
【００３５】
ここで、（６）を（７）に代入し、Ｒｑ の値が等しく、凹凸の傾斜度のみが異なると仮定すると、次の式が得られる。
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【００３６】
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【００３７】
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【００３８】
式（９）から、この場合、使用条件および材料が同じ場合の凹凸の変形量を決定するパラメータは、次の式だけであるのは、明らかである。
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【００３９】
計算および試験により、8.0 x 10-6 mrad s1/2≦ Dｑ ≦ 1.36 x 10-4 mrad s1/2 を満たす軸受は、ＵＬＶＦ 潤滑条件下で、良好に動作することが分かった。
【００４０】
限度計算には、下記のデータを用いた。
上限：
Δｑ ＝ 18.11 mrad
α  ＝ 15.0×10-9 Pa-1
η0 ＝ 0.0038 Pa s
下限：
Δｑ ＝ 9.0 mrad
α  ＝ 4.5×10-9 Pa-1
η0 ＝ 167.1×10-6 Pa s
参考として、この例のオイル潤滑全鋼製軸受は、Dｑ ＝ 6.75 x 10-4 mrad s1/2 を有し、一方、同じ例の、ハイブリッドの「改良された」軸受は、Dｑ ＝ 1.63 x 10-5 mrad s1/2 を有している。
【００４１】
Dｑ の関数としての変数 ▽ は、次のように書くことができる。
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【００４２】
ここで、
2004522107.tif 000020
【００４３】
二つの表面に対する変形比 Ａｒ は、それらの変形比 Ａｄ / Ａｉ を割算し、（１１）を用いて、次のように書くことができる。
2004522107.tif 000021
【００４４】
この式は、「改良された」表面が、別の表面に比較して、Ｄｑ の関数としての弾性変形量をどれだけより多くもたらし得るかについての情報を与えるものである。
【００４５】
図７は、Dｑ２ ＝ 6.75 x 10-4 mrad s1/2 の固定値に対し、Ｄｑ１ を特許請求の範囲における、8.0 x 10-6 mrad s1/2 ≦ Dｑ１ ≦ 1.36 x 10-4 mrad s1/2  に亘って変化させ、定数も、全鋼製軸受の値である例  C = 3×10-4 mrad s1/2  に固定した場合の式（１２）のプロットを示す。式（１２）から、（Ａｄ/Ａｉ）＝ Ａr（Ａｄ/Ａｉ）２、また、常に Ａr ＜ １ であるのが分かる。
【００４６】
上記の説明は、純粋のころがり運動に関し、式（１）および（２）は、純粋のころがり運動の場合に有効である。接触点に滑り運動が存在する場合は、圧力と凹凸が時間により変化するため、より複雑な状況が生ずる。しかしながら、低傾斜度と大きな弾性変形の関係については、同じ基本的な原理が当て嵌まる。
【００４７】
純粋な滑り運動の場合を考えると、凹凸の弾性変形は、異なる原理に支配されるが、傾斜度を減らすと、弾性変形が大きくなることには変わりはない。
【００４８】
図８は、真の凹凸における、波長数「ｎ」の関数としての正弦波成分の振幅の図式的な低減を示す。すなわち、波長が長くなればなるほど、変形量が増大する。
【００４９】
表面トポグラフィにおける波長が長いと、圧力のリプル振幅も低減し、したがって、表面下の応力がより低くなり、そのため、寿命が長くなる。
2004522107.tif 000022
【００５０】
図９から、H0 = h0/shが明らかである。sh の値が小さいと、H0の値が大きくなり、したがって、Pmax が小さくなる。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】純粋なころがり運動下の振幅低減曲線に関わるグラフである。
【図２】正弦波の場合の、凹凸波長と傾斜度の間の関係を示すグラフである。
【図３】二つの例示軸受に対する代表的な ▽ 値を有するグラフを示す。
【図４】分析した二つの軸受および比較のために示した第三の仮説軸受の潤滑剤の粘度 μ０ の関数としての比膜厚 λ のグラフである。
【図５】凹凸弾性変形の総合的な機構に関わるグラフである。
【図６】軸受のころがり速度の関数としての非接触の確率に関するグラフである。
【図７】ULVFに対する Dｑ の関数としての二つの表面の弾性変形比に関わるグラフである。
【図８】純粋の滑り運動における振幅低減に関わるグラフである。
【図９】ハイポダイナミックくさびの原理を示す。
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図８】
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【国際公開パンフレット】
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2004522107.tif 000030
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2004522107.tif 000032
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【国際調査報告】
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2004522107.tif 000048