(57)【要約】【課題】転がり接触する接触部の潤滑性能を向上させる。【解決手段】転がり接触する部材の接触領域の一方に、接触領域の転がり方向に対して直行する方向の幅に相当する有限長さの溝２を転がり方向に沿って並べることにより、接触部の潤滑油が溝２に保持されて流れ出難くなるので、接触部に潤滑油の動圧作用が生じ、接触部を潤滑油で確実に分離できるようにした。【選択図】図３
2009108963.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
転がり部材が転動体と軌道輪、あるいは転動体と一組の軌道盤からなる転がり軸受であり、この転動体と軌道輪、あるいは転動体と一組の軌道盤の接触領域の転がり方向に対して直行する方向の幅に相当する長さの溝を、転がり方向に沿って少なくとも一方の部材に並べて設けたことを特徴とする転がり部材。
【請求項２】
転がり部材が玉と内外の軌道輪を有するラジアル玉軸受であり、この玉と軌道輪の接触領域の転がり方向に対して直行する方向の幅に相当する長さの溝を、転がり方向に沿って玉と軌道輪の少なくとも一方に並べて設けたことを特徴とする転がり部材。
【請求項３】
上記溝を、内外の軌道輪のうち、内側の軌道輪に設けたことを特徴とする請求項２記載の転がり部材。
【請求項４】
転がり部材が玉と１組の軌道盤を有するスラスト玉軸受であり、玉と軌道盤の接触領域の転がり方向に対して直行する方向の幅に相当する長さの溝を、転がり方向に沿って玉と軌道盤の少なくとも一方に並べて設けたことを特徴とする転がり部材。
【請求項５】
上記溝を軌道盤に設けたことを特徴とする請求項４記載の転がり部材。
【請求項６】
転がり部材がころと１組の軌道盤を有するスラストころ軸受であり、ころと軌道盤の接触領域の転がり方向に対して直行する方向の幅に相当する長さの溝を、転がり方向に沿ってころと軌道盤の少なくとも一方に並べて設けたことを特徴とする転がり部材。
【請求項７】
上記溝をころに設けたことを特徴とする請求項６記載の転がり部材。
【請求項８】
上記溝を軌道盤に設けたことを特徴とする請求項６記載の転がり部材。
【請求項９】
転がり部材がころと内外の軌道輪を有するラジアルころ軸受であり、ころと軌道輪の接触領域の転がり方向に対して直行する方向の幅に相当する長さの溝を、転がり方向に沿ってころと軌道輪の少なくとも一方に並べて設けたことを特徴とする転がり部材。
【請求項１０】
上記溝をころに設けたことを特徴とする請求項９記載の転がり部材。
【請求項１１】
上記溝を内側の軌道輪に設けたことを特徴とする請求項９記載の転がり部材。
【請求項１２】
上記溝が、転がり接触する部材の接触領域の中央で分割されていることを特徴とする請求項１〜１１のいずれかの項に記載の転がり部材。
【請求項１３】
転がり方向に沿って並ぶ上記溝の間に、この溝の深さよりも深い潤滑油を貯留する潤滑油貯留ポケットを設けたことを特徴とする請求項１〜１２のいずれかの項に記載の転がり部材。
【請求項１４】
上記溝がエッチング又はレーザ加工により形成されている請求項１〜１３のいずれかの項に記載の転がり部材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、転がりを主体とする相対運動によって摩擦低減を実現する転がり軸受などの機械要素に関し、特に、頻繁に起動停止する稼動条件や揺動運動、あるいは低速かつ高荷重といった稼動条件に好適な転がり部材に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
転がり軸受などの転がり部材における転がり／すべり接触部では、物体の相対運動によって物体間に介在する流体に動圧効果を発生させて流体潤滑状態とすることにより、物体の直接的な接触を防止して摩擦、摩耗を低減することができる。
【０００３】
ところが、潤滑油が少量の場合や速度が低い場合には、動圧効果が小さく潤滑油膜が形成されないため、固体接触を生じる危険がある。特に近年は低トルク化のため、低粘度の潤滑油が用いられており、また、外部から供給される潤滑油量も減少している。このため、固体接触状態となる可能性はより一層高くなっている。
【０００４】
従来、接触部近傍の潤滑油量が不足していても、接触部の表面が潤滑油を保持していれば潤滑可能であるから、表面に微細な凹部を多数設けて、この凹部内に潤滑油を保持しようとする技術が特許文献１に開示されている。この技術によって、低速時の境界潤滑性能を向上させることが可能である。
【０００５】
また、境界潤滑性能の向上を目的とした別の技術が特許文献２に開示されている。この技術は、短パルスレーザによって表面に微細な凹凸形状を作成し、凸部が軽微な摩耗を生じた際の新生面に潤滑油を吸着させ、接触面に潤滑油を供給するというものである。
【０００６】
一方、すべり軸受においては、摺動面に油膜厚さ程度の深さの溝を多数形成することによって潤滑性能を向上させる技術が一般的に用いられている。これは、摺動面の深さが溝の存在によって変化するために流体力学的な動圧作用が発生することを利用している。この効果を転がり軸受に適用した例が特許文献３に開示されている。この特許文献３に開示の技術は、軽荷重となるために、すべりが生じる転動体を動圧作用による圧力で軌道輪に押し付け、すべりを防ごうとするものである。
【０００７】
また、高面圧を支持するスラスト平面すべり軸受に深い凹部を設けた例が非特許文献１に開示されている。これは熱膨張に伴う凹部からの潤滑油の吐出によって、境界潤滑性能を向上させようとするものである。ただし、この技術は流体力学的な動圧効果の発生を目的としたものではない。
【０００８】
【特許文献１】特開平０２‐１６８０２１号公報
【特許文献２】特開２００５‐３２１０４８号公報
【特許文献３】特開２００６‐１０５３６１号公報
【非特許文献１】H.Kotera、A.Mori、 N.Tagawa、PROPOSAL OF A SEIZURE PREVENTING METHOD IN HEAVILY LOADED SLIDING PAIRS、Synopses of the International Tribology Conference Kobe、 2005、 D-04
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
従来の技術では、接触面に多数の溝を設けることによって、動圧作用や潤滑油の保持効果を発生させ、潤滑性能を向上させようとしている。
しかしながら、溝の長さが長くなると、潤滑油が溝に沿って接触領域外に流れてしまうため、動圧作用や潤滑油の保持効果を十分に得ることができず、期待するような潤滑性能の向上が見られない場合がある。
【００１０】
そこで、この発明は、転がり接触する接触部の潤滑性能の向上を図ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
この発明は、転がり接触する部材の接触領域の一方に、接触領域の転がり方向に対して直行する方向の幅に相当する長さの溝を転がり方向に沿って並べたものである。
【００１２】
図１及び図２には、転がり運動する部材１の接触部に溝２（ｙ方向）を設けている。溝２は、相対的に転がり運動する部材に設け、その方向は転がり方向（ｘ方向）と直行するように設けられている。この溝２の長さは、図１に示すように、転がり接触する部材の接触領域の幅に相当する有限長さに形成されている。この溝２は、図２に示すように、接触領域の中央部で２列に分けて設けるようにしてもよい。図２のように、溝２を、中央部で２列に分割すると、油膜厚さが薄くなって固体接触を起こし易い接触領域の端部に、潤滑油がより効果的に補給される。図１及び図２において、ｚ方向は、接触部に生じる動圧方向を示している。
【００１３】
上記転がり方向に沿って並ぶ溝２の間に、溝２よりも深い潤滑油貯留ポケットを設けると、深い潤滑油貯留ポケットから潤滑油がより効果的に補給されやすくなる。
【００１４】
この発明を適用することができる転がり部材としては、玉と軌道輪を有するラジアル玉軸受、玉と軌道盤を有するスラスト玉軸受、ころと軌道盤を有するスラストころ軸受などがある。
【００１５】
上記転がり方向に沿って並ぶ溝を加工する方法としては、例えば、エッチングがある。エッチングは、加工を必要としない部分を保護するため、マスクが必要となるが、金属表面にサブミクロンオーダーの深さを持つ多数の溝を一度の処理で形成することができる。また、レーザ加工でもＮＣ制御を用いれば、マスク等を作製することなく、０．１μｍ以下の深さの溝を加工することができる。
【発明の効果】
【００１６】
以上のように、この発明に係る転がり部材は、接触部の潤滑油が不足しても、接触部の接触領域の幅に相当する有限長さの溝により、潤滑油による動圧作用が発生しやすく、接触部を潤滑油で分離できるので、耐摩耗性・摩擦特性が向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
図３は、この発明を、内輪３と外輪４の間に、玉５を入れた深溝玉軸受に適用した例を示している。
この図３の例では、玉５が、内輪３と外輪４に接触する領域、即ち、図３に符号６で示した接触楕円の長軸の長さに相当する長さの溝２を、内輪３と外輪４の両方に設けているが、より潤滑状態の厳しい内輪３にのみ設けるようにしてもよい。
【００１８】
次に、図４は、この発明を、玉５と内輪３・外輪４の接触角が０でないアンギュラ玉軸受に適用した例を示している。
アンギュラ玉軸受では、接触角が決まっているため、接触楕円６の位置が軌道内部でおおよそ定まっているので、この発明をより一層適用しやすい。そして、使用時に想定される最大の荷重から接触楕円６の大きさが求められるので、その接触楕円６の長軸の長さに相当する溝２を設ければよい。この溝２は、内輪３と外輪４の両方に設けているが、より潤滑状態の厳しい内輪３にのみ設けるようにしてもよい。
【００１９】
図５及び図６は、この発明を、一組の軌道盤７の間に、保持器８付きの玉５を配したスラスト玉軸受に適用した例を示している。
この図５及び図６の例では、玉５が、軌道盤７と接触する領域、即ち、図５に符号６で示した接触楕円の長軸の長さに相当する長さの溝２を、軌道盤７に設けている。転がり方向に沿って並ぶ溝２の方向は、玉５の自転軸方向に一致するように設けられている。
【００２０】
次に、図７及び図８は、この発明を、一組の軌道盤７の間に保持器８付きの円筒ころ９を配した構造のスラストころ軸受に適用した例を示している。
スラストころ軸受の場合、有効長さ両端ですべりが大きくなって油膜が減少するため、この発明は特に有効である。転がり方向に沿って並ぶ溝２はころ９の外周面に設けることも可能であるが、製造効率の観点から，軌道盤７の軌道に設けることが望ましい。転がり方向に沿って並ぶ溝２の方向は、ころ９の軸方向に一致するように設けられている。
【００２１】
次に、図９及び図１０は、この発明を、ラジアルころ軸受に適用した例である。図９は、ころ１０を、内輪１１の鍔で案内するタイプ、図１０は、ころ１０を、外輪１２の鍔で案内するタイプである。
そして、図９は、ころ１０の表面に軸方向の溝２が転がり方向に沿って並ぶように設けた例であり、図１０は、鍔のない内輪１１に、軸方向に沿う溝２を転がり方向に沿って並ぶように設けた例を示している。
【００２２】
図９及び図１０は、この発明を、ラジアルころ軸受に適用した例であるが、円すいころ軸受や自動調心ころ軸受にも同様にして適用することができる。
【００２３】
以上の実施形態は、転がり接触面に、動圧作用を発生させる溝２を転がり方向に並べて潤滑作用を向上させた例であるが、図１１の実施形態は、潤滑油の存在により動圧作用を発生させる溝２を有する動圧発生面に、上記溝２の深さよりも深い潤滑油貯留ポケット１３を点在させた例である。図１１では、潤滑油貯留ポケット１３を黒丸で表現している。
【００２４】
この図１１の例では、溝２と溝２の間に、潤滑油貯留ポケット１３を配置したが、溝２と潤滑油貯留ポケット１３の互いの位置関係は任意である。
例えば、深い潤滑油貯留ポケット１３は、転がり方向に、所定間隔で平行に並ぶように点在させてもよいし、転がり方向に、所定間隔で千鳥状に点在させてもよい。深い潤滑油貯留ポケット１３から吐出された潤滑油は、転がり運動に伴って、進行方向の後方に移動するので、潤滑油貯留ポケット１３を所定間隔で平行に並ぶように配置すると、潤滑油の表面への分布が、平行な筋状になるが、潤滑油貯留ポケット１３を千鳥状に配置すると、潤滑油の表面への筋状の分布が概ね倍増するので、潤滑油貯留ポケット１３を千鳥状に配置する方が好ましい。
【００２５】
また、図１１の例では、潤滑油貯留ポケット１３の開口面の形状はすべて円形としたが、楕円や多角形などであってもよい。
【００２６】
次に、溝２の断面形状、即ち、溝の底面は、表面に平行である必要はなく、傾斜していてもよい。ただし、流体の流れる方向に深くなる方向に傾斜している場合には動圧作用が減少するため、図１２及び図１３に示すように、少なくとも流体の流れる方向（図１２及び図１３の矢印の方向）に浅くなるように傾斜していることが望ましい。特に、図１３のように、溝の片側の肩がないような形状であれば、起動停止時の摩耗を低減することができる。
【００２７】
次に、溝２よりも深い潤滑油貯留ポケット１３は、潤滑油を貯留することを目的としているので、その体積は大きいほどよい。しかしながら、その開口部では潤滑油に荷重支持に寄与するような動圧は発生しないので、開口部面積は小さい方が望ましい。したがって、潤滑油貯留ポケット１３は、小径であって、深穴とする。現在の量産可能な加工技術水準を勘案すれば、直径２０〜３０μｍ、深さ１００μｍ程度といった大きさとなる。
【００２８】
一方、溝２は、微小な接触領域での動圧の発生を目的としているので、接触部の面積に対して比較的小さく、接触面内に多数あることが望ましい。したがって、転がり軸受に代表される通常の転がり接触機械要素を想定して、溝幅は２０〜３０μｍ以下とする。潤滑油が十分に存在する状態で使用される通常の動圧軸受であれば、動圧作用を効果的に発生させる溝の深さは、油膜厚さ程度の深さであるが、この発明においては、十分な油膜厚さとなっていない運転条件での動圧効果を期待しており、一般的な転がり軸受の場合、十分な油膜が発生した状態であっても油膜厚さは高々数μｍであるから、この溝２の深さは０．１〜１μｍ程度とする。溝２の底面は必ずしも平坦である必要はないが、肩部はできる限りだれていないほうがよい。
【００２９】
転がり軸受は、運転開始や揺動運動の死点では回転速度は０となり、徐々に所定の、あるいは最大回転速度に達する。速度が０から運動を開始した直後には、外部から潤滑油が供給されず、さらに接触面の速度も低いために油膜が形成されず、固体同士が接触している。接触した状態で運動を継続すると、高摩擦のために熱が発生し、接触面の凹部に保持された潤滑油は膨張する。溝２に保持された潤滑油も接触表面に排出され、潤滑に寄与すると考えられるが、深い潤滑油貯留ポケット１３にあっては、固体と潤滑油の熱膨張差によって比較的多量の潤滑油が接触表面に吐出されることになる。
【００３０】
転がり接触部の潤滑油が極めて微量の場合には、溝２において動圧作用を発生させることはできないが、この発明では、深い潤滑油貯留ポケット１３から吐出された潤滑油によって、溝２に潤滑油が補充されるため、転がり接触部に動圧作用による油膜が形成されやすく、接触面が油膜によって分離する。
したがって、この発明によると、速度が小さい運転条件でも接触面の固体接触が防止され、流体潤滑状態を維持することができる。
【００３１】
また、油膜形成が本質的に困難な極低速の場合には、摩擦熱による熱膨張で主に深い潤滑油貯留ポケット１３から表面に吐出された潤滑油による境界潤滑性により、過酷な固体接触は回避できる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】転がり運動する部材に溝を設けたこの発明の実施形態示す説明図。
【図２】転がり運動する部材に溝を設けたこの発明の他の実施形態示す説明図。
【図３】この発明を、深溝玉軸受に適用した例を示す概略図である。
【図４】この発明を、アンギュラ玉軸受に適用した例を示す概略図である。
【図５】この発明を、スラスト玉軸受に適用した例を示す概略図である。
【図６】図５の部分拡大縦断面図である。
【図７】この発明を、スラストころ軸受に適用した例を示す概略図である。
【図８】図７の部分拡大縦断面図である。
【図９】この発明を、ころを内輪の鍔で案内するタイプのラジアルころ軸受に適用した例を示す概略図である。
【図１０】この発明を、ころを外輪の鍔で案内するタイプのラジアルころ軸受に適用した例を示す概略図である。
【図１１】潤滑油貯留ポケットを点在させたこの発明の他の実施形態を示す概略図である。
【図１２】溝形状と潤滑油貯留ポケットの形状を示す断面図。
【図１３】溝形状と潤滑油貯留ポケットの他の形状を示す断面図。
【符号の説明】
【００３３】
１  転がり部材
２  溝
３  内輪
４  外輪
５  玉
６  接触楕円
７  軌道盤
８  保持器
９  ころ
１０  ころ
１１  内輪
１２  外輪
１３  潤滑油貯留ポケット
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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