(57)【要約】【課題】エッジロードの発生し易い環境下で使用された場合であっても、寿命の長いころ軸受を提供する。【解決手段】円筒ころ軸受において、円筒ころ３のクラウニング部３Ｂの表面粗さ（Ｒａ）を、０．００５μｍ以上０．１４μｍ以下とするとともに、転動面３ａの直線部３Ａの長さをＬｓとし、内輪軌道面１ａの軸方向長さをｂとした場合に、内輪軌道面１ａの軸方向端面から０≦ｒ≦（ｂ−Ｌｓ）を満たす長さｒまでの表面粗さ（Ｒａ）を、０．０１μｍ以上０．１５μｍ以下とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに対向配置される軌道面を有する内輪及び外輪と、この内輪及び外輪の間に配置され、前記軌道面に対する転動面を有するころと、を備え、前記転動面は、前記軌道面と接触する直線部と、その直線部の軸方向両端部に形成されるクラウニング部とを有するころ軸受において、
前記クラウニング部の表面粗さ（Ｒａ）は、０．００５μｍ以上０．１４μｍ以下であるとともに、
前記転動面の前記直線部の長さをＬｓとし、前記軌道面の軸方向長さをｂとした場合に、前記軌道面の軸方向端面から０≦ｒ≦（ｂ−Ｌｓ）を満たす長さｒまでの表面粗さ（Ｒａ）は、０．０１μｍ以上０．１５μｍ以下であることを特徴とするころ軸受。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ころ軸受に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車、工作機械、一般産業機械、鉄鋼設備等で使用される転がり軸受としては、円筒ころや円錐ころを転動体として備えたころ軸受を用いることが知られている。
ころ軸受では、内外輪の軌道面ところの転動面とが線接触状態で使用されるため、玉軸受と比べて、転がり面に作用する面圧や軸受部材の内部に作用する剪断応力が小さい。このため、異物が混入されずに、油膜が十分に形成された清浄環境下で使用されるころ軸受においては、転動部材をなす鋼中の非金属介在物を起点とする内部起点型の剥離が生じ難いことが知られている。
【０００３】
しかしながら、ころ軸受では、組み立て時のミスアライメント等により、その転がり面の軸方向両端部に過大接触圧力（エッジロード）が発生すると、寿命が短くなることが知られている。このため、エッジロードを発生し難くするために、内外輪の軌道面又はころの転動面に、それらの母線の形状が王冠（クラウン）状となるように曲率又はテーパを持たせたクラウニングを形成することが一般的に行われている。
非特許文献１では、クラウニングの形状を、下記式（１）で示される所謂対数クラウニングとすることが提案されている。
【０００４】
【数１】
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【０００５】
但し、上記式（１）中δは接触二物体（ころと内外輪）のクラウニング落ち量の和であり、同様にｗは接触荷重、Ｌe は母線方向の有効接触長さ、Ｅ1 ，Ｅ2 は接触二物体のヤング率、γ1 ，γ2 は接触二物体のポアッソン比で、ｂはヘルツ接触幅の１／２である。  また、特許文献１では、クラウニングの形状を、複数の円弧を組み合わせたクラウニングや、単独円弧からなるクラウニングや、直線と円弧とを組み合わせたクラウニングとすることにより、ころの転動面に効率よくクラウニングを形成することが提案されている。
【０００６】
さらに、内外輪の軌道面やころの転動面のうち、これらの面が接触する軸方向両端部のみに所謂パーシャルクラウニングを形成することも知られている。
【特許文献１】実開平３ー１２０１５号公報
【非特許文献１】Ｐ．ＭＪｏｈｎｓとＲ．Ｇｏｈａｒ著，「Ｒｏｌｌｅｒ  ｂｅａｒｉｎｇ  ｕｎｄｅｒ  ｒａｄｉｃａｌ  ａｎｄ  ｅｃｃｅｎｔｒｉｃ  ｌｏａｄｓ」，ＴＲＩＢＯＬＯＧＹ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ，ｖｏｌ．１４，１９８１年，１３１〜１３６頁
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上述した非特許文献１に記載のように、対数クラウニングでは、図４に示すように、母線方向の有効接触長さＬe に対して、接触部の軸方向中央部の接触圧力を大きくし、軸方向両端部にかけて次第に接触圧力を小さくすることで寿命を長くできるが、クラウニングが少な過ぎるとエッジロードが発生し易く、クラウニングが多過ぎるとクラウニング落ち量が過大となり、母線の実接触長さが不足して短寿命となる場合がある。
【０００８】
また、軸受の組み立て時において、ころの転動面の中心線と内外輪の軌道面の中心線とがずれる等のミスアライメントが生じると、ころと軌道輪とが傾いて接触するため、転動面又は軌道面に上述した非特許文献１に記載の対数クラウニングが施されていた場合であっても、片側端面でエッジロードが発生して、短寿命となる場合がある。
一方、上述した特許文献１には、寿命の長いころ軸受を得るために最適なクラウニング形状が明確に記載されていない。
そこで、本発明は、エッジロードが発生し易い環境下で使用された場合であっても、寿命の長いころ軸受を提供することを課題としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
このような課題を解決するために、本発明は、互いに対向配置される軌道面を有する内輪及び外輪と、この内輪及び外輪の間に配置され、前記軌道面に対する転動面を有するころと、を備え、前記転動面は、前記軌道面と接触する直線部と、その直線部の軸方向両端部に形成されるクラウニング部とを有するころ軸受において、前記クラウニング部の表面粗さ（Ｒａ）は、０．００５μｍ以上０．１４μｍ以下であるとともに、前記転動面の前記直線部の長さをＬｓとし、前記軌道面の軸方向長さをｂとした場合に、前記軌道面の軸方向端面から０≦ｒ≦（ｂ−Ｌｓ）を満たす長さｒまでの表面粗さ（Ｒａ）は、０．０１μｍ以上０．１５μｍ以下であることを特徴とするころ軸受を提供する。
【００１０】
本発明者は、エッジロードに起因する剥離に対して鋭意検討を重ねた結果、エッジロードが発生した場合には、内部起点型の剥離ではなく、表面に微小な亀裂が多数現れるピーリングに類似した表面起点型の剥離が生じていることを見出した。
すなわち、軸受組み立て時のミスアライメント等によりエッジロードが発生した場合、荷重が加わる領域でころと内外輪間との間では、転がり接触ではなくすべり接触となる。また、ころのクラウニングを設けた部分は曲率を持っていることから、クラウニングが内外輪と接触すると差動すべりが生じる。本発明者は、これらのすべりが大きくなって、転がり面に作用する接線力が大きくなることにより、表面起点型の剥離が生じていることを見出した。
【００１１】
また、転がり面に作用する接線力が小さいと、接線力の影響で最大剪断応力位置が表面に近くなり、転動部材の内部に作用する剪断応力が大きくなって内部起点型の剥離が生じ易いが、転がり面に作用する接線力が大きくなると、表面起点型の剥離が生じ易くなることも見出した。
そこで、本発明者は、転がり面に作用する接線力を小さくするための手段として、転がり面の表面粗さ（Ｒａ）に着目し、本発明をなすに至った。
【００１２】
本発明によれば、ころの転動面に形成されるクラウニング部の表面粗さ（Ｒａ）を０．００５μｍ以上０．１４μｍ以下とし、軌道面のクラウニング部との対向面となる軸方向両端部の表面粗さ（Ｒａ）を０．０１μｍ以上０．１５μｍ以下とすることにより、ころと軌道輪との間の転がり面に作用する接線力を抑制できるため、表面起点型の剥離を生じ難くできる。よって、エッジロードが発生し易い環境下で使用された場合であっても、ころ軸受の寿命を長くできる。
【００１３】
以下、本発明の数値限定について説明する。
＜ころのクラウニング部の表面粗さＲａ：０．００５μｍ以上０．１４μｍ以下＞
接触する二物体間の表面粗さを小さくする程、摩擦係数が小さくなり、二物体間に作用する接線力が小さくなるため、表面起点型の剥離を生じ難くできる。
特に、ころのクラウニング部では、エッジロードが発生した場合に、ころのクラウニング部で差動すべりが生じたり、内外輪の軌道面とすべり接触が生じるため、その表面粗さを小さくすることが好ましい。よって、エッジロードに起因する表面起点型の剥離を生じ難くするために、ころのクラウニング部の表面粗さ（Ｒａ）は、０．１４μｍ以下、好ましくは０．１０μｍ以下、より好ましくは０．０５μｍ以下とする。
一方、ころのクラウニング部の表面粗さを小さくする程、油膜厚さに対する粗さの山が小さくなるため、金属接触が起こり難く、摩擦係数が小さくなるが、摩擦係数の低減効果と表面粗さを調節するコストとを考慮して、クラウニング部の表面粗さ（Ｒａ）は０．００５μｍ以上とする。
【００１４】
＜軌道面の軸方向両端部の表面粗さＲａ：０．０１μｍ以上０．１５μｍ以下＞
接触する二物体間に作用する接線力を小さくするためには、一つの物体の表面粗さを小さくするよりも、二つの物体の表面粗さを小さくすることが好ましい。よって、ころのクラウニング部の表面粗さに加えて、軌道面のクラウニング部との対向面となる軸方向両端部の表面粗さも小さくすることが好ましい。
ここで、転動面の直線部の長さをＬｓとし、軌道面の軸方向長さをｂとし、軌道面の軸方向端面からの長さをｒとした場合に、ころのクラウニング部と接触する軌道面の領域は、アキシャル隙間とミスアライメントとを考慮して安全側に見積もると、軸方向端面から０≦ｒ≦（ｂ−Ｌｓ）を満たす長さｒまでの部分であると考えられる。このため、少なくともこの範囲における軌道面の表面粗さ（Ｒａ）は、０．０１μｍ以上０．１５μｍ以下とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、ころのクラウニング部の表面粗さ（Ｒａ）を０．００５μｍ以上０．１４μｍ以下とし、軌道面における所定範囲の表面粗さ（Ｒａ）を０．０１μｍ以上０．１５μｍ以下とすることにより、ころと軌道輪との間の転がり面に作用する接線力が抑制されて、表面起点型の早期剥離が生じ難くなる。よって、エッジロードが発生し易い環境下で使用された場合であっても、ころ軸受の寿命を長くできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の実施形態について説明する。
＜第１実施形態＞
本実施形態では、日本精工株式会社製呼び番号ＮＵ３０８（内径：４０ｍｍ，外径：９０ｍｍ，幅：２３ｍｍ）の円筒ころ軸受を、以下に示す手順で作製した。
この円筒ころ軸受は、図１に示すように、互いに対向配置される軌道面１ａ，２ａを有する内輪１及び外輪２と、この内輪１及び外輪２の間に配置され、軌道面１ａ，２ａに対する転動面３ａを有する円筒ころ３と、を備えている。この円筒ころ３の転動面３ａは、軌道面１ａ，２ａと接触する直線部３Ａと、この直線部３Ａの軸方向両端部に形成されたクラウニング部３Ｂとを有している。
【００１７】
なお、本実施形態の円筒ころ軸受において、転動面３ａの直線部３Ａの長さＬｓは１１ｍｍで、内輪軌道面１ａの軸方向長さｂは１５ｍｍである。
内輪１及び外輪２は、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。次に、Ｒｘガスを導入した炉内において、８３０〜８５０℃で２０〜４０分間加熱保持することによる焼入れ処理を行った後、１６０〜１８０℃で２時間加熱保持することによる焼戻し処理を行った。
【００１８】
次に、内輪軌道面１ａにおいて、軸方向端面から長さｒ＝４ｍｍ（ｒ＝ｂ−Ｌｓ）までの部分（以下、「軸方向両端部」と記す。）の表面粗さ（Ｒａ）を、研削条件をコントロールすることにより、０．０１〜０．３０μｍの範囲とした。同様に、外輪軌道面２ａの表面粗さ（Ｒａ）を研削により全て０．０１μｍとした。
円筒ころ３は、以下に示す手順で作製した。
まず、ＳＵＪ２からなる素材を所定形状に加工した後、上述した内輪１及び外輪２と同様に、焼入れ処理及び焼戻し処理を行った。
次に、円筒ころ３の転動面３ａにおける軸方向両端部に、クラウニング加工を施して、曲率半径Ｒ＝２０００の円弧と曲率半径Ｒ＝１０００の円弧の組合せからなるクラウニング部３Ｂを形成した。
【００１９】
次に、円筒ころのクラウニング部３Ｂの表面粗さ（Ｒａ）を、研削条件をコントロールすることにより、０．００５〜０．３００μｍの範囲とした。
そして、Ｔａｙｌｏｒ  Ｈｏｂｓｏｎ製フォームタリサーフを用いて、内輪軌道面１ａにおける軸方向両端部と、円筒ころ３のクラウニング部３Ｂとの表面粗さ（Ｒａ）をそれぞれ４箇所で測定して、各表面粗さ（Ｒａ）の平均値を算出した。この結果を、表１に併せて示す。
【００２０】
このようにして得られた内輪１、外輪２、及び円筒ころ３を用いて、表１に示すＮｏ．１〜Ｎｏ．８の円筒ころ軸受を組み立てた後、エッジロードが発生し易い環境下で寿命試験を行った。この試験は、転がり面１ａ，２ａ，３ａに強制的にエッジロードを発生させるために、軸とハウジングとの間に一定の傾斜を設けた状態で内輪１を回転させることで行った。そして、円筒ころ軸受の振動が初期振動値の２倍になるまでの回転時間を寿命として、ワイブル分布関数に基づくＬ１０寿命を算出し、Ｎｏ．５の寿命を１とした時の比を表１に併せて示した。
＜寿命試験条件＞
回転速度：３０００ｍｉｎ-1 
試験荷重：２４ｋＮ
潤滑剤：Ｖ６８Ｇ潤滑油を連続供給
軸とハウジングとの間の傾斜：１８／１００００ｒａｄ
【００２１】
【表１】
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【００２２】
表１に示すように、円筒ころ３のクラウニング部３Ｂの表面粗さ（Ｒａ）を０．００５〜０．１４０μｍとし、内輪軌道面における軸方向両端部の表面粗さ（Ｒａ）を０．０１〜０．１５μｍとしたＮｏ．１〜Ｎｏ．４では、それ以外のＮｏ．５〜Ｎｏ．８と比べて、長寿命が得られた。
【００２３】
＜第２実施形態＞
本実施形態では、上述した第１実施形態と同様の円筒ころ軸受を、以下に示す手順で作製した。なお、本実施形態の円筒ころ軸受において、転動面３ａの直線部３Ａの長さＬｓは１１ｍｍで、内輪軌道面１ａの軸方向長さｂは１５ｍｍとした。
内輪１及び外輪２は、以下に示す手順で作製した。
まず、上述した第１実施形態と同様に、ＳＵＪ２からなる素材を所定形状に加工した後、焼入れ処理及び焼戻し処理を行った。
次に、内輪軌道面１ａにおいて、軸方向端面から長さｒ＝４ｍｍ（ｒ＝ｂ−Ｌｓ）までの軸方向両端部の表面粗さ（Ｒａ）を、研削により全て０．１μｍとした。同様に、外輪軌道面２ａの表面粗さ（Ｒａ）を研削により全て０．１μｍとした。  
【００２４】
円筒ころ３は、以下に示す手順で作製した。
まず、上述した第１実施例と同様に、ＳＵＪ２からなる素材を所定形状に加工した後、焼入れ処理及び焼戻し処理と、クラウニング加工とを施して、上述と同様のクラウニング部３Ｂを形成した。
次に、円筒ころ３のクラウニング部３Ｂの表面粗さ（Ｒａ）を、研削条件をコントロールすることにより、０．００５〜０．３０μｍの範囲とした。
このようにして得られた内輪１、外輪２、及び円筒ころ３を用いて、円筒ころ軸受を組み立てた後、上述した第１実施形態と同様の寿命試験を行った。
【００２５】
そして、円筒ころ３のクラウニング部３Ｂの表面粗さ（Ｒａ）が０．３０μｍの時の寿命を１とした時の比を算出して、円筒ころ３のクラウニング部３Ｂの表面粗さと、寿命との関係を示す図２のグラフを作成した。
図２に示すように、円筒ころ３のクラウニング部３Ｂの表面粗さを０．００５μｍ以上で０．１５μｍよりも小さくすると、クラウニング部３Ｂの表面粗さが０．３０μｍの時よりも長寿命が得られ、０．１０μｍ以下とすると０．３０μｍの時の寿命の４倍以上となっていることが分かる。
【００２６】
＜第３実施形態＞
本実施形態では、上述した第１実施形態と同様の円筒ころ軸受を、以下に示す手順で作製した。なお、本実施形態の円筒ころ軸受において、転動面３ａの直線部３Ａの長さＬｓは１１ｍｍで、内輪軌道面１ａの軸方向長さｂは１５ｍｍとした。
内輪１及び外輪２は、以下に示す手順で作製した。
まず、上述した第１実施形態と同様に、ＳＵＪ２からなる素材を所定形状に加工した後、焼入れ及び焼戻しを行った。
次に、内輪軌道面１ａにおいて、軸方向端面からの長さｒが４ｍｍ（ｒ＝ｂ−Ｌｓ）までの軸方向両端部の表面粗さ（Ｒａ）を、研削条件をコントロールすることにより、０．０１〜０．３０μｍの範囲とした。同様に、外輪軌道面２ａの表面粗さ（Ｒａ）を、研削により全て０．１μｍとした。
【００２７】
円筒ころ３は、以下に示す手順で作製した。
まず、上述した第１実施形態と同様に、ＳＵＪ２からなる素材を所定形状に加工した後、焼入れ及び焼戻しとクラウニング加工を施して、上述した第１実施形態と同様のクラウニング部３Ｂを形成した。次に、クラウニング部３Ｂの表面粗さ（Ｒａ）を、研削により、全て０．１μｍとした。
【００２８】
このようにして得られた内輪１、外輪２、及び円筒ころ３を用いて、円筒ころ軸受を組み立てた後、上述した第１実施形態と同様の寿命試験を行った。
そして、内輪軌道面１ａにおいて軸方向両端部の表面粗さ（Ｒａ）が０．４μｍの時の寿命を１とした時の比を算出して、内輪軌道面１ａにおける軸方向両端部の表面粗さ（Ｒａ）と、寿命との関係を示す図３のグラフを作成した。
【００２９】
図３に示すように、内輪軌道面１ａにおける軸方向両端部の表面粗さ（Ｒａ）を０．０１μｍ以上０．１５μｍ以下とすると、内輪軌道面１ａにおける軸方向両端部の表面粗さ（Ｒａ）が０．４μｍの時の３倍以上の寿命が得られていることが分かる。
以上の結果より、円筒ころ３のクラウニング部３Ｂの表面粗さ（Ｒａ）を０．００５〜０．１４μｍとし、内輪軌道面１ａにおける軸方向両端部の表面粗さ（Ｒａ）を０．０１〜０．１５μｍとすることにより、エッジロードが発生し易い環境下で使用された場合であっても、円筒ころ軸受の寿命を長くできることが確認できた。
【００３０】
なお、本実施形態では、外輪軌道面２ａの全面において表面粗さ（Ｒａ）を本発明範囲（０．０１μｍ以上０．１５μｍ以下）としたが、これに限らず、転動面３ａの直線部３Ａの長さをＬｓとし、外輪軌道面２ａの軸方向長さをｂとし、外輪軌道面２ａの軸方向端面からの長さをｒとした場合に、外輪軌道面２ａの軸方向端面から０≦ｒ≦（ｂ−Ｌｓ）を満たす長さｒまでの表面粗さ（Ｒａ）のみを本発明範囲としてもよい。
また、本実施形態では、ころ軸受の一例として円筒ころ軸受について説明したが、これに限らず、本発明を円錐ころ軸受に適用してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明に係るころ軸受の一例として、円筒ころ軸受を示す断面図である。
【図２】円筒ころのクラウニング部の表面粗さと、寿命との関係を示す図である。
【図３】内輪軌道面における軸方向両端部の表面粗さと、寿命との関係を示す図である。
【図４】クラウニングに加わる接触圧力について説明する図である。
【符号の説明】
【００３２】
１      内輪
１ａ    内輪軌道面
２      外輪
２ａ    外輪軌道面
３      円筒ころ
３ａ    転動面
３Ａ    直線部
３Ｂ    クラウニング部
ｂ      軌道面の軸方向長さ
Ｌｓ    転動面の直線部の長さ
ｒ      軌道面の軸方向端面からの長さ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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