NACHITECHNICALREPORT

Components

32A2

Vol.

November/2017■ 寄稿・論文・報文・解説

保持器形状が軸受トルクにおよぼす影響 （その１）
機能部品事業

Impact of Cage Form on Bearing Torque（Part 1）〈キーワード〉

軸受トルク・攪拌抵抗・保持器形状・樹脂保持器
プレス保持器軸受事業部／技術部

寺田 貴雄

Takao Terada

軸受事業部／技術部

河合 敏宏

Toshihiro Kawai

保持器形状が軸受トルクにおよぼす影響

要旨

1. 軸受の低トルク化に向けて軸受は、回転運動または直線運動する軸あるいは軸受は世の中にあるあらゆる回転機器の中に物体を支え、その運動ならびに作用する荷重を保持存在し、現 代の産業では必要不可欠なものとする機械要素である。

なっている。近年では、環境問題や製品競争力軸受のトルクはいくつかの要因により発 生して強化のため、製品の省エネや、高効率化がとくにいるが、本稿では攪拌抵抗に着目し、一般的に深溝求められており、軸受の低トルク化への需要は玉軸受などに使用されているプレス保持器と樹脂ますます高まっている。

保持器の２種類の保持器について、試験と解析を軸受では、一般的に外輪・内輪と転動体との実施することで、その保持器形状が軸受トルクに接触面に油膜を形成することにより、摩擦の軽減、およぼす影響を確認した。本稿では、第１稿として、軸受の冷却などを行なう。これを潤滑といい、その試験結果について紹介する。

潤滑は軸受にとって極めて重要なものである。
軸受の潤滑方法には、軸受の種類や用途によって様々なものがあるが、変速機で用いられる潤滑方法としては、油浴潤滑が一般的である。これは、Abstract

軸受の下部を潤滑 油に浸漬させ、軸受に油をA bearing is a mechanical element which
supports an axis or an object that has rotational
movement or linear movement and allows themto move easily.
Several factors affect generation of bearing
torque.   In this report, focusing on agitation
resistance (in the lubricating oil), the press cageand resin cage that are generally used in
the deep groove ball bearing are tested andanalyzed to find out the impact of a cage formon bearing torque.
The detailed test results are shown in thisreport, Part 1.

別途設備が不要であり、安価でメンテナンスが供給する方法であり、構造が簡略であることから、容易であるというメリットがある。
しかし、油 浴している軸 受は回 転と同時に潤滑油を激しく掻き上げるため、大きなトルク損失を伴う。攪拌抵抗の低減方法として、潤滑油の低粘度化や、潤滑方法の変更、軸受への供給油量の低減などが挙げられるが、これらは、軸受の寿命に大きく影響するため、簡単に変更することはできない。また、変速機内においては、歯車など他部品への潤滑 油供給も必要であり、潤滑 油流量を低減できない場合もある。
本稿では、油浴状態にある軸受について、一般的に深溝玉軸受などに使用されているプレス保持器と樹脂保持器の２種類の保持器を用いて試験と解析を実施し、その保持器形状が軸受トルクにおよぼす影響を確認した。

1

2. 試験方法
1）保持器形状

2）試験条件

図1に試験保持器を示す。今回対象とする保持器は図2に試験装置を、表1に試験条件を示す。試験

プレス保持器（TypeA）と樹脂保持器（TypeB）の装置は、主にモーター、トルクメーター、試験軸受、2種類とし、それぞれについてトルク試験と流体解エアシリンダーから構成されており、モーターを用いて析を行なうことで、保 持 器の形状が潤滑 油の挙回転させた軸受のトルクを、トルクメーターを用いて動に与える影 響を調 査する。対象の軸受には内計測する。試験軸受には軸受が振れないようにする

径φ75m m、外 径φ110m m、幅18m mの深 溝玉軸ために、エアシリンダーを用いて最小限の荷重を与えて受を使用した。

いる。潤滑油は図2の右側下部より流入し、軸受内部を通過した後、左側下部より排出される。軸受内部を通 過し切れなかった潤滑 油は、流入側に溜まっていき油面が上昇する。また、ハウジングの蓋はクリアケースとすることで、オイルの攪拌状態を確認することができるようになっている。
試験は、まず規定の給油量で潤滑油を流入させた
後、軸受内部のオイル貫通性を比較するため、貫通できずにクリアケース側に残る油面の高さを読み取り記録する。その後、回転数を500rpmずつ増加させPress cage（TypeA）ながら、それぞれの回転数におけるトルクを測定した。
油の 攪 拌 状 態は 給 油 量によって変化するため、給油量を1.0 ～ 3.0L/minまで変化させながら上記の試験を行なった。

Resin cage（TypeB）
図1

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試験保持器

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保持器形状が軸受トルクにおよぼす影響

この試験によって得られたトルクにはモーターや（1）トルクメーターなどの試 験装置の損失および試 験M＝Ml＋Ms

軸受の機械的損失も含まれている。そのため、事前に

Ml＝f1×Po×Dpw

試験軸受を装着せずにトルクを測定することで、試験

Ms＝15×（Dpw）^3×（νn）^
（2/3）
×10^
（−8）

軸受を除く試験装置の損失を求める。また、軸受のMlは荷重項、Msは速度項と呼ばれるものであり、機械的損失は式（1）に示す式を用いて算出する。

軸受の機械的損失はそれらの和として表される。

以後に示される攪拌トルクの試験結果は、測定値

また、f1およびPoは下記の式（2）で求める。

から試験機の損失および軸受の機械的損失を差し引いたものであり、軸受で発生した攪拌抵抗のみの（2）値である。CFDでは計算できない軸受の機械的

f1＝9×10^（−4）×（Po/Cor）^0.55

損失を除外することにより、解析結果との比較がPo＝0.9×Fa×cotα−0.1×Fr    できるようにする。
ここで、Dpwは転 動 体ピッチ円径（m m）、νは潤滑油の粘度（cSt）、nは内輪回転数（rpm）、αは接触角（deg）、Faはアキシアル荷重（N）、Frはラジアル荷重（N）、Corは基本静定格荷重（N）である。

Radial Load
Test Bearing
Clear Case

Housing Case

Motor

TorqueMeter

Axial Load

Rotation Shaft

Oil Outlet

Oil Inlet

図2

試験装置

表1

試験条件

ラジアル荷重 ：190N
アキシアル荷重：80N
回転数：500 〜 3,000min−1
給油方法
：循環給油
油種：ATF
油温：40±2℃
給油量：1.0 〜 3.0L/min

3

3. 試験結果
図3に3,000rpmにおけるトルクの試験結果を試験の結果がこのようになる原因は、保持器の示す。グラフは、横軸に給油量をとり、左側縦軸に断面形状によるものと考えられ、図5に示すように攪拌トルクを、右側縦軸に油面高さをとった。

TypeAはTypeBと比 較して大きな貫 通 面 積を攪拌トルクは折れ線で、油面高さは棒グラフにて有しているからである。

油 面 高さはTypeAよりもTypeBのほうが 高く、TypeBのト ル ク はTypeAより 小 さ い の だ が、TypeBは 給 油 量2.6L/minを超えると流 入 側が高流量の場合、TypeBのトルクが急激に大きく潤滑油で満たされていることがわかる。この現象は、なり、TypeAより大きくなる。つまり、流入側が図4に 示 す 試 験 で の 潤 滑 油 挙 動 の 写 真 からも潤滑油で満たされる2.6L/minを超えると、TypeBの見て取れる。

攪拌トルクは急激に大きくなることがわかる。

100

A oil level
B oil level
A torqueB torque

8060
40201.0（Low）

1.41.82.2

2.6

Oil flow rate［L/min］

図3

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2.83.00

Accumulated oil level［%］

また、攪拌トルクに関して、低流量の場合では

Oil churning torque［N・cm］示す。この結果より、いずれの給油量においても、（High）

試験結果

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保持器形状が軸受トルクにおよぼす影響

（a）

（b）

（c）

（d）

（a）TypeA, 1.0L/min（b）TypeA, 3.0L/min（c）TypeB, 1.0L/min（d）TypeB, 3.0L/min
図4TypeA

試験中の潤滑油挙動（3,000rpm）

TypeB

BAB

A

Detail A-A
図55

Detail B-B
保持器形状による貫通面積の違い

4. まとめ
今回、2種類の保持器を用いて試験を実施した
ことにより、保持器形状の違いが、油面高さや軸受トルクに大きな違いをもたらすことがわかった。
次報では、流体解析を用いることにより、2種類の保持器のトルク発生要因を、低流量時と高流量時の2つに分類して考え、トルク逆転現象のメカニズム解明を行なっていく。

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NACHI TECHNICAL REPORT

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November / 2017〈発行〉2017 年 11 月 10 日
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