(57)【要約】  軸受は、軸受の内側軌道（１２）および外側軌道（２２）の間に配置された複数の転動体を備え、転がり接触境界面は、少なくとも１つの転動体の第１転動面（３１）と、内側および外側軌道（１２，２２）の一方によって形成された第２転動面との間にある。第１転動面は、第１ＲＭＳ粗さＲq1を有するとともに、ペクレニック数γによって表される第１粗さパターンγ１を有する。第２転動面は、第２ＲＭＳ粗さＲq2を有するとともに、第２粗さパターンγ２を有する。軸受のマイクロピッチングを最小にするために、転がり接触境界面は、−  第１および第２転動面の粗さパターンが転がり方向（ｘ）に配向され、γ１≧３．０およびγ２≧１０．０であり、かつ−  第１および第２転動面が略等しい粗さ高さを有し、０．８≦Ｒq1／Ｒq2≦１．２５である表面トポグラフィを有する。
2016505123.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸受の内側軌道（１２）および外側軌道（２２）の間に配置された複数の転動体を備える軸受であって、転がり接触境界面が少なくとも１つの転動体の第１転動面（３１）と、前記内側および外側軌道（１２，２２）の一方によって形成された第２転動面との間に画定され、
前記第１転動面は、第１ＲＭＳ粗さＲq1を有するとともに、ペクレニック数によって表される第１粗さパターンγ１を有し、および
前記第２転動面は、第２ＲＭＳ粗さＲq2を有するとともに、ペクレニック数によって表される第２粗さパターンγ２を有し、
前記転がり接触境界面が、
−  前記第１転動面（３１）の前記第１粗さパターンγ１および前記第２転動面（１２，２２）の前記第２粗さパターンγ２が転がり方向（ｘ）に配向され、γ１≧３．０およびγ２≧１０．０であり、かつ
−  前記第１および第２転動面が略等しいＲＭＳ粗さを有し、０．８≦Ｒq1／Ｒq2≦１．２５である、
表面トポグラフィを有することを特徴とする軸受。
【請求項２】
各前記第１および第２転動面が、ＲSK≦−０．１の値の粗さスキューネスＲSKを有する、請求項１に記載の軸受。
【請求項３】
前記軸受が平均直径ｄｍを有し、かつ各前記第１および第２転動面の前記転がり方向（ｘ）に測定した粗さプロファイルのＲＭＳ傾斜ＲΔqxおよび前記転がり方向を横切る方向（ｙ）に測定した粗さプロファイルのＲＭＳ傾斜ＲΔqyが、ｄｍ≦３００ｍｍの場合に、以下の値
ＲΔqx≦１５ｍｒａｄ
ＲΔqy≦４５ｍｒａｄ，
を有し、かつｄｍ＞３００ｍｍの場合に、以下の値
ＲΔqx≦３０ｍｒａｄ
ＲΔqy≦９０ｍｒａｄ
を有する、請求項１または２に記載の軸受。
【請求項４】
前記第１ＲＭＳ粗さＲq1および前記第２ＲＭＳ粗さＲq2が8×10-9(1000dｍ）0.55（メートル）以下の値を有する、請求項３に記載の軸受。
【請求項５】
前記軸受が円筒ころ軸受、球面ころ軸受、円錐ころ軸受、トロイダルころ軸受、または針状ころ軸受である、請求項１〜４のいずれか一項に記載の軸受。
【請求項６】
軸受軌道（１２，２２）を備える軸受リング（１０，２０）の製造方法であって、前記軌道は、前記軌道上において縦方向性を有する凹凸を作成する研磨作業を受け、
前記研磨ステップの次は、仕上げされた軌道（１２，２２）がペクレニック数γ≧１０．０の粗さパターンを有するように、前記凹凸の前記方向性を変更することなく凹凸高さが低減される機械的な仕上げステップであることを特徴とする、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロピッチングを低減、または防ぐよう適合された転動面トポグラフィが設けられた転がり軸受に関する。
【背景技術】
【０００２】
マイクロピッチングは、転動面／摺動接触面に現れることがある非常に小さい表面のスポールおよびクラックを表すために歯車産業によって初期に導入された用語である。転がり軸受におけるＩＳＯ１５２４３［１］標準−損傷および故障−は、この損傷または故障モードを「表面ディストレス」または「表面起点疲労」と呼ぶ。これは、（１）バーニッシュ領域（グレージング；灰色に変色した）、（２）凹凸マイクロクラック（asperity microcracks）、（３）凹凸マイクロスポール（asperity microspalls）を形成する原因となる、減少した潤滑領域および一定の割合の摺動運動の下での転動金属面凹凸の故障である。
【０００３】
多くの工業用軸受用途において、より高い効率（ダウンサイジングによる重量およびコストの減少）の必要性により、力密度が実質的に増加している。動作条件の過酷さが増加する（例えばより高温、より薄い膜および／または境界潤滑状態での重負荷）とともに、機械部品は、表面起点疲労（またはマイクロピッチング）に悩まされ得る。転がり軸受において、マイクロピッチングは、必ずしも主な故障モードではないが、圧痕、表面起点スポーリングおよび焼付きのような他の故障モードの出現を促進し得る。
【０００４】
したがって、マイクロピッチングは、寿命を制限する軸受磨耗の原因となるメカニズムの１つである。マイクロピッチングの効果を軽減する１つの手法は、軸受における転動面が十分な厚さの潤滑膜によって常に離間されることを確実にすることである。特にグリース潤滑が用いられる場合、軸受は、時には境界潤滑状態または混合潤滑状態の下で作動する。つまり、適当な膜の厚さを常に保証することができない。
【０００５】
マイクロピッチングを除去し、かつ軸受の磨耗および疲労寿命を向上させるための第２手法は、転動面の化学特性および／または形状（topographical）特性を変える表面工学技術を利用することである。このような技術の例は、ティムケン社による米国特許第５５０３４８１号明細書に開示される。この特許は、軸受の転動面に等方性表面仕上げを施すプロセスを示している。軸受部品の転がり面に配向されたでこぼこ形状を形成する研磨などの機械加工作業の後で、軸受部品は、軸受鋼鉄と反応する化学溶液に浸され、保護コーティングが形成される。化学溶液は、摩擦要素をさらに備え、かくはんによりでこぼこ形状の上部の保護コーティングを除去して、下にある鋼鉄とのさらなる化学反応を可能にする。したがってでこぼこ形状の高さは、低減され、特定の向きを持たない（すなわち等方性）浅いくぼみが残る。最後に、化学溶液の不在の下、保護コーティングは除去される。
【０００６】
得られた表面仕上げは、スーパー仕上げ（superfinish）と呼ばれることが多く、マイクロピッチングを含む軸受磨耗のメカニズムに対する耐性を大幅に向上することが示されている。しかし、スーパー仕上げされた軸受は、比較的高価である。結果として、簡単かつ経済的に製造することができるマイクロピッチングに対する耐性が増した軸受を提供するという点で改善の余地がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
転がり軸受において、潤滑および表面粗さは、マイクロピッチングおよび表面損傷において重要な役割を果たす。本発明は、潤滑および粗さによって果たされる役割が境界潤滑状態の下での局所的な摩擦力（凹凸レベルにおいて）および応力集中の効果に非常に関連するという理解に基づいている。
【０００８】
したがって、本発明の目的は、凹凸レベルにおける混合潤滑圧力および表面下応力を最小化するように転動面の表面トポグラフィが設計された転がり軸受を形成することである。これは、凹凸の高さに関してのみならず、また凹凸の方向性に関しても転動面が正しい粗さパラメータを有するような軸受部品の製造によって達成される。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
特に本発明は、軸受の内側軌道および外側軌道の間に配置された複数の転動体を備え、それによって少なくとも１つの転動体の第１転動面と、内側および外側軌道の一方によって形成された第２転動面の間に転がり接触境界面が画定される軸受に存在する。第１および第２転動面はそれぞれ、第１ＲＭＳ粗さＲq1および第２ＲＭＳ粗さＲq2を有する。さらに、第１および第２転動面はそれぞれ、ペクレニック数γで表現された第１の３Ｄ粗さパターンγ１および第２の３Ｄ粗さパターンγ２を有する。本発明によれば、転がり接触境界面は、以下の表面トポグラフィを有する：
−  ０．８ ≦ Ｒq1／Ｒq2 ≦ １．２５；
−  γ１ ≧ ３．０；および
−  γ２ ≧ １０．０
【００１０】
粗さパラメータＲｑは、平均粗さの実効値であり、例えばＩＳＯ４２８８に準拠した光学式粗さ計を用いて測定することができる。Ｒｑは、以下の方程式によって与えられる：
【数１】
2016505123.tif 000003
ここで、
Ｌは、転がり方向（ｘ）における評価領域の長さ；
Ｗは、横方向（ｙ）における評価領域の幅；
ｚは、粗さの局所的な表面高さ；
ｚバーは、粗さの平均表面高さ
である。
【００１１】
ペクレニック数γは、例えば、「Proceedings of the Institute of Mechanical Engineers」Vol. 102において１９６７年に発表された「New Developments in Surface Characterization and Measurements by means of Random Process Analysis」において規定される。これは、表面の等方性の測定であって、代表的な凹凸の長さ対幅の比率として表すことができる。したがって、完全に等方性の表面は、γ＝１、横の粗さパターンのみを有する表面は、γ＝０であり、かつ縦の粗さパターンのみを有する表面はγ＝∞である。ペクレニック数は、「Journal of Lubrication Technology」Vol. 100において１９７８年に発表された「An Average Flow Model for Determining Effects of 3-dimensional Roughness on Partial Hydrodynamic Lubrication」に記載されたようなサンプリング技術によって決定される。
【００１２】
本発明による軸受において、第１および第２転動面（軸受軌道）の粗さパターンは、縦方向である。特に第２転動面の向きは、きわめて縦方向である。従来の軸受の軌道は、一般的に縦方向に配向された粗さパターンを有するが、本発明による軸受よりも大幅に低いペクレニック数を有する。いくつかの市販された軸受を分析すると、軌道は、５〜８の間のγ値を有することが分かった。
【００１３】
第１および第２ＲＭＳ粗さ、Ｒq1およびＲq2は、可能な限り等しいことが好ましい。これは、摺動が起こり、かつ完全な膜潤滑が欠如している場合に、より粗い転動面が、滑らかな対向転動面に荷重マイクロサイクルを与えるという理解に基づいている。実際には、軸受の軌道は、一般的に転動体よりもいくらか粗い。結果として、本発明による軸受において、第２転動面（軌道）の粗さパターンの縦方向性に対する要求は、第１転動面（転動体）より大きい。
【００１４】
本発明者は、他の粗さパラメータがマイクロピッチングを最小化する役割を果たすことを見出した。本発明による軸受において、第１および第２転動面それぞれは、粗さスキューネスＲsk≦−０．１を有する。スキューネスパラメータは、以下の方程式によって与えられる：
【数２】
2016505123.tif 000004
【００１５】
特に平均直径ｄｍが３００ｍｍより小さい軸受の場合、転がり方向（ｘ）および横方向（ｙ）の粗さプロファイルの傾きはまた重要である。本発明による軸受において、第１および第２転動面のそれぞれは、ｄｍ≦３００ｍｍの場合に以下の値の転がり方向（ｘ）における傾斜パラメータＲΔqx、および横方向（ｙ）における傾斜パラメータＲΔqyを有する：
ＲΔqx≦１５ｍｒａｄ
ＲΔqy≦４５ｍｒａｄ，
【００１６】
平均直径がｄｍ＞３００ｍｍである大きいサイズの軸受の場合は、
ＲΔqxx≦３０ｍｒａｄ
ＲΔqyx≦９０ｍｒａｄ，
である。
【００１７】
転がり方向における傾斜パラメータは、以下の方程式によって与えられる：
【数３】
2016505123.tif 000005
【００１８】
横方向における傾斜パラメータは、以下の方程式によって与えられる：
【数４】
2016505123.tif 000006
【００１９】
さらに第１および第２ＲＭＳ粗さの実際の値が重要である。本発明による軸受において、第１および第２転動面は、以下のように軸受の平均直径ｄｍに関連する最大ＲＭＳ粗さを有する：
【数５】
2016505123.tif 000007
【００２０】
本発明はまた、軌道がγ≧１０の粗さパターンを有するような軸受リングの製造方法を規定する。方法は、軸受リングの製造において共通する作業である、軌道を研磨するステップを備える。研磨により、縦方向に配向された高い方向性の粗さパターンを有する表面がもたらされる。研磨後、軸受軌道は、典型的にはホーニング、またはラッピングなどの仕上げ作業を受けて、長い磨耗寿命のために必要なレベルまで凹凸の高さを低減する。一般的に、仕上げ作業は、表面を滑らかにするだけではなく、より等方性にするものである。
【００２１】
本発明の方法によると、軸受リングの軌道は、研磨によって提供された方向性を修正することなく軌道の凹凸の高さを低減するために仕上げ作業を受ける。適当に制御されたホーニング工程が適用され得る。
【００２２】
したがって、マイクロピッチングに対する増加した耐性を有する軸受を従来の機械を用いて経済的に作ることができる。本発明の他の利点は、以下の詳細な説明および添付図面から明らかになるだろう。
以下本発明は、添付 図面を参照して記載される。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】転がり軸受の一部の断面図を示す。
【図２】縦方向粗さを有する表面トポグラフィを示す。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
図１は、転がり軸受の例の部分断面図を示す。描かれる例において、軸受は、内輪１０および外輪２０の間に配置された複数の円錐ころを備える円錐ころ軸受である。各ローラーは、内輪の内側軌道１２および外輪の外側軌道２２と転がり接触する外側円柱面３１を有する。転がり接触境界面は、各ローラーの外側円柱面３１および内側および外側軌道２２，２２の間に画定される。軸受作用の間、ローラーはまた、ｘ方向で示される転がり方向にいくらかスリップ（摺動接触）する。
【００２５】
境界または混合−潤滑において、転がり接触境界面における潤滑膜が、接触を分離するほど十分な厚さがない場合、表面の凹凸は、乾燥や潤滑スポットが接点内に分布する方法に影響を与える。面摩擦および可能性のある応力集中の不連続も考慮しなければならない。高い粗さ（または高粗傾斜）は、局所的な膜のつぶれ、高接触圧力および摩擦を促進する。これは、摩擦が不連続の危険な領域における応力集中を強くする。いくらかの摺動の存在は、面摩擦を助長し、発明者は、マイクロピッチングが第１に粗さに関連した圧力が不連続な（高い圧力勾配）領域に現れることを見出した。
【００２６】
本発明は、転がり接触境界面を画定する転動面がマイクロピッチングを最小にするよう構成された表面トポグラフィを有する軸受を規定する。
【００２７】
第一に、ローラー面３１および軸受軌道１２，２２は、縦方向に配向された粗さパターンを有する。縦方向粗さパターンの例は、図２に描かれている。転がり（ｘ軸）方向において、凹凸は、横方向（ｙ軸）の幅より大きい長さを有する。凹凸の高さは、ｚ軸に示されている。
【００２８】
特に、軸受軌道の少なくとも１つ、および好ましくは両方の軌道は、ペクレニック数γで表される粗さパターンを有し、γ≧１０．０である。好ましくは、γ≧１２．０である。ペクレニック数は、以下の方程式で表すことができる：
【数６】
2016505123.tif 000008
ここでλ0.5は、粗さプロファイルの自己相関関数がλ＝０での初期値が半分に低減する長さであり、λは、遅延である。粗さプロファイルは、転がり方向ｘおよび横方向ｙで測定され、それによってｘおよびｙプロファイルが略直線的な自己相関関数によって表されることが想定される。
【００２９】
課題は、行（ｘ）および列（ｙ）を備える自己相関マトリックスＡの数値計算に還元することができ、Ａの値がＡ／２になる位置を見つけるために行および列を見ることができる。ｘの位置は、λ0.5xを与え、ｙの位置は、λ0.5xを与える。
【００３０】
ｘおよびｙプロファイルの自己相関マトリックスは、それぞれ以下の式によって与えられる：
【数７】
2016505123.tif 000009
【数８】
2016505123.tif 000010
ここで、ｚ（ｘ,ｙ）は、表面を表す関数である。
【００３１】
そして、
λ0.5xに対しては、Ａ（ｘ−λ）＝０．５Ａ（ｘ−０）となるようにλを見つけ、
λ0.5yに対しては、Ａ（ｙ−λ）＝０．５Ａ（ｙ−０）となるようにλを見つける。
【００３２】
自己相関関数を評価するために数値的ルーチンを用いて、反復によりλを見つけることができる。そしてペクレニック数を計算することができる。
【００３３】
ペクレニック数は、表面等方性の測定であり、代表的な凹凸の長さ対幅の比率として表されることができる。 したがって、完全に等方性の表面は、γ＝１、横の粗さパターンのみを有する表面は、γ＝０であり、かつ縦の粗さパターンのみを有する表面はγ＝∞である。
【００３４】
図１を参照すると、本発明による軸受において転動体は、ペクレニック数がγ≧３．０の転動面３１を有する。言い換えれば、ローラー面３１は、より大きい等方性軌道１２，２２を所有し得る。これは、実際にはローラーの表面が軌道より滑らかであるためであり、本発明者は、−不十分な潤滑状態およびいくらかの摺動がある場合には−マイクロピッチングがより滑らかな面に第１に現れるということを見出した。粗い面は、滑らかな面に応力ヒストリ（圧力振幅）を与える。粗い面の全ての点が常に同じ応力を感じながら（接触領域において高く、非接触領域において低い）、滑らかな面は、圧力（荷重マイクロサイクル）における変動を「見ている」。言い換えれば、粗い軌道面１２，２２は、荷重マイクロサイクルを各ローラーの滑らかな面３１に与えるため、いくらかの摺動がある場合にマイクロピッチングがより起こる傾向がある。
【００３５】
ローラー面３１は、軸受軌道１２，２２のＲＭＳ粗さＲq2より小さいＲＭＳ粗さＲq1を有することができるが、２つのＲＭＳ粗さの差異は、大きすぎないものとすることができる。特に、本発明による軸受においては、
【数９】
2016505123.tif 000011
である。
【００３６】
さらに、転がり接触境界面におけるＲＭＳ粗さの大きさは、マイクロピッチングを最小化する役割を果たすことが見出されている。適当に、ローラー面３１および内側および外側軌道１２，２２は、以下のような軸受の平均直径ｄｍに関連する最大ＲＭＳ粗さを有する：
【数１０】
2016505123.tif 000012
【００３７】
本発明者は、他の粗さパラメータがマイクロピッチングを最小化する役割を果たすことを見出した。適当に、ローラー面３１および内側および外側軌道１２，２２は、粗さスキューネスＲsk≦−０．１を有する。
【００３８】
特に平均直径ｄｍが３００ｍｍより小さい軸受の場合、転がり方向（ｘ）および横方向（ｙ）の粗さプロファイルの傾きはまた重要である。適当に、ローラー面３１および内側および外側軌道１２，２２は、ｄm≦３００ｍｍの場合に以下の値の転がり方向ｘにおける傾斜パラメータRΔqx、および横方向ｙにおける傾斜パラメータＲΔqyを有する：
ＲΔqx≦１５ｍｒａｄ
ＲΔqy≦４５ｍｒａｄ，
【００３９】
平均直径ｄｍ＞３００ｍｍである大きいサイズの軸受の場合は:
ＲΔqx≦３０ｍｒａｄ
ＲΔqy≦９０ｍｒａｄ，
である。
【００４０】
例
３つの計算の例は、本発明者によって開発され、「Tribology Transactions, vol.54」において２０１１年に発表された「Micropitting Modelling in Rolling-Sliding Contacts: Application to Rolling Bearings」に記載されたマイクロピッチングモデルを用いて評価された。
【００４１】
例Ａは、本発明によって規定された粗さパラメータを有する転がり接触境界面を表す。例ＢおよびＣは、規定された範囲から逸脱する特定の粗さパラメータを有する比較としての転がり接触境界面を表す。粗さパラメータ対応する値は、以下の表１に示される。
【００４２】
各例において、１．１６ＧＰａの最大ヘルツの接触圧力、および標準潤滑条件は、
【００４３】
１００万回の負荷サイクルの後、例Ａの転がり接触境界面の結果は、マイクロピッチングをほとんど示さなかった；例Ｂの転がり接触境界面の結果は、深刻なマイクロピッチングを示した；例Ｃの転がり接触境界面の結果は、中程度のマイクロピッチングを示した。例ＢおよびＣの増加したマイクロピッチングの原因であると考えられる粗さパラメータの問題のある値を表１において下線で示した。
【００４４】
【表１】
2016505123.tif 000013
【００４５】
本発明のいくつかの態様／実施形態が示された。各態様／実施形態は、他の任意の態様／実施形態と組み合わすことができることを理解されるべきである。さらに、本発明は、説明された実施形態に限定されるものではなく、添付の特許請求の範囲内において変えることができるものである。
【符号の説明】
【００４６】
１０  内輪
１２  内輪の内側軌道
２０  外輪
２２  外輪の外側軌道
３１  外側円柱面
【図１】
2016505123.tif 000014
【図２】
2016505123.tif 000015
【国際調査報告】
2016505123.tif 000016
2016505123.tif 000017
2016505123.tif 000018
2016505123.tif 000019
2016505123.tif 000020