JP4465895B2

JP4465895B2 - ころ軸受

Info

Publication number: JP4465895B2
Application number: JP2001042163A
Authority: JP
Inventors: 徹竹原; 弘久三原; 清仁松林; 裕司中野
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2000-05-22
Filing date: 2001-02-19
Publication date: 2010-05-26
Anticipated expiration: 2021-02-19
Also published as: US6464398B2; US20020051594A1; JP2002048146A; DE60125861T2; DE60125861D1; EP1158192A2; EP1158192A3; EP1158192B1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、例えば鉄道車両の駆動装置や車軸、自動車のデファレンシャルギヤ、その他の機械装置全般の回転支持部を構成するころ軸受の改良に関する。そして、本発明のころ軸受は、円すいころ軸受に関するものであって、特に適用可能な大きさは問わない。特に、本発明のころ軸受は、このころ軸受を組み込んだ回転支持部に存在する潤滑油量が少ない場合や潤滑油が短時間で枯渇した場合に、ころ軸受の焼き付きやかじりを防止したり、更には、潤滑装置が故障した場合に、ころ軸受が直ちに焼き付きを起こさない様にするものである。
【０００２】
【従来の技術】
各種機械装置の回転支持部にころ軸受が組み込まれているが、大きな荷重が加わる回転支持部を構成する為のころ軸受としては、転動体としてころ（円筒ころ、円すいころ、或は球面ころ）を使用したころ軸受が使用されている。図１〜３は、この様なころ軸受の１例として、大きなラジアル荷重及びアキシアル荷重が加わる回転支持部に組み込む、円すいころ軸受１を示している。この円すいころ軸受１は、内周面に円すい凹面状の外輪軌道２を有する外輪３と、外周面に円すい凸面状の内輪軌道４を有する内輪５と、これら外輪軌道２と内輪軌道４との間に転動自在に設けた、複数の円すいころ６、６とから構成する。又、これら各円すいころ６、６は、外周面を上記外輪軌道２及び内輪軌道４に接触する、円すい凸面状の転動面７としている。又、上記内輪５の外周面両端部のうち、大径側端部には大径側鍔部８を、小径側端部には小径側鍔部９を、それぞれ形成している。
【０００３】
上述の様な円すいころ軸受１の運転時に上記各円すいころ６、６は、図２に示す様に、上記外輪軌道２及び内輪軌道４の大径側に片寄った状態で、自転しつつ公転して、上記外輪３と内輪５との相対回転を自在とする。この様な円すいころ軸受１の運転時に、上記各円すいころ６、６の大径側端面である頭部１０と、上記大径側鍔部８の内側面１１とは、ヘルツの弾性接触理論から明らかな通り、図３に斜格子で示す様な接触楕円１２部分で接触する。この接触楕円１２部分に於ける、上記頭部１０と内側面１１との接触状態は、滑りを伴う転がり接触となる為、摩擦を抑える面からは厳しい条件である。この為、上記円すいころ軸受１に供給される潤滑油が過少であったり枯渇したりすると、著しい場合には、焼き付き等の損傷を起こす可能性がある。尚、焼き付き等の損傷は、円すいころ軸受１を初めとするころ軸受の各所で発生する可能性があるが、最も条件が厳しく、損傷が発生し易いのは、上記頭部１０と内側面１１との接触部である。本発明は、この接触部での損傷防止を意図しているものであり、これに伴って、本明細書で言う焼き付きとは、上記頭部１０と内側面１１との接触部での焼き付きを言う。
【０００４】
上述の様な焼き付きの発生を防止する為に従来から、次の(1) 〜(7) の様な技術が知られている。
(1) 特開平７−９１４５２号公報、同７−１０３２４３号公報、同１０−１１０７３３号公報、特許第２５０８１７８号公報等に記載されている様に、円すいころの頭部や大径側鍔部の内側面を、粗さを向上させたり、或はプラトー加工等により、潤滑油が保持され易い形状にする。
(2) 潤滑油中に、耐焼き付き性や耐摩耗性を向上させる為の、極圧添加剤を添加する。
(3) 特開平９−１７７７７４号公報、同９−２８７６１６号公報、同１１−１３２２４２号公報、実開平７−８６２８号公報等に記載されている様に、円すいころの頭部や大径側鍔部の内側面に、化学改質膜やセラミック膜を形成する。
(4) 特開平７−２５９８６４号公報、同８−１３５６６４号公報、同８−１３５６６６号公報、同９−３２８５９号公報、同１０−４７３６０号公報、同１１−１４１５５７号公報等に記載されている様に、ころ軸受の内部又はころ軸受の周辺部分に、潤滑油を一時的に溜める油溜や、グリースを蓄えるリザーバを設け、潤滑状態が悪化した場合には、これら油溜やリザーバから給油する事により焼き付きを防止する。
(5) 特開平４−３３１８１３号公報、同７−１２１３３号公報、同１０−１９６６６０号公報、実用新案登録第２５８４６２３号公報等に記載されている様に、ころの端面と面取り部との連続部のエッジを丸める等により、ころがスキューして接触楕円の一部が面取部にはみ出した場合でも、この接触部に発生するエッジロードを緩和する。
(6) 実開平６−６３９３２号公報、実用新案登録第２５３８２６３号公報等に記載されている様に、ころ軸受を密封構造とし、このころ軸受の内部に注入した潤滑剤が流失する事を防止する。
(7) 特開平９−１９６０６８号公報、同９−２３６１３１号公報等に記載されている様に、ころの端部の形状を工夫し、このころの端面と鍔部の内側面との接触点高さ（ころの転動面からの径方向距離）を零とし、この接触点での滑りをなくす。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述の(1) 〜(7) に示した、従来の焼き付き防止の為の技術のうち、(1)(3)(4)(6)(7) の５通りの技術は、特殊仕様のころ軸受を対象としているものであり、一般的なころ軸受には適用できないか、仮に適用できてもコストが嵩むものが多い。(3) に示した技術のうちには、比較的低コストで処理可能なものもあるが、得られた皮膜の耐久性や再生能力の面で問題があり、初期性能はともかく、経時的変化（劣化、摩耗）により効果を得られなくなる。
【０００６】
又、残りの(2)(5)の技術のうち、(2) の技術は、潤滑剤の性状を変える事による対策であり、或る程度の効果はあるにしても、ころ軸受そのものの改良ではない。従って、より高度の焼き付き防止を図る為には、ころ軸受そのものの改良と併用する事が望まれる。
更に、残りの(5) の技術は、焼き付き防止効果は高いが、加工コストが嵩む。この為、使用できる範囲を広げる為には、より低コストで同様の焼き付き防止効果を得られる技術の実現が望まれている。
本発明は、この様な事情に鑑みて、内部諸元を最適化する事により、特殊な処理や特殊な形状・機能を付加する事なく、十分な耐焼き付き性を有するころ軸受を実現すべく発明したものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明のころ軸受は、前述した従来のころ軸受（円すいころ軸受）と同様に、内周面に円すい凹面状の外輪軌道を有する外輪と、外周面に円すい凸面状の内輪軌道を有する内輪と、外周面を上記外輪軌道及び内輪軌道に接触する円すい凸面状の転動面とし、軸方向端面を上記外輪の端部内周面と上記内輪の端部外周面とのうちの少なくとも一方の周面に形成した鍔部の内側面に摺接させる摺接面とした複数の円すいころとを備える。
【００１０】
特に、本発明のころ軸受に於いては、上記鍔部の内側面に存在する円周方向のうねりの最頂部と最底部とのアキシアル方向に関するずれをアキシアル振れδとし、上記摺接面の二乗平均粗さσ₁ と上記鍔部の内側面の二乗平均粗さσ₂ との合成粗さ（σ₁ ²＋σ₂ ²）^1/2 を鍔／ころ合成粗さσとし、ｄｍを単位をmmとして表したころ軸受のピッチ円直径とし、βを上記各円すいころのコーン角の１／２とし、Ｌを単位をmmとして表した上記各円すいころの軸方向長さとし、θｆを上記鍔部の内側面が上記外輪及び内輪の中心軸に対し直交する仮想平面に対する傾斜角度である鍔角度とした場合に、上記鍔／ころ合成粗さσと単位をμｍとした上記アキシアル振れδとが、次の(a)(b)(c) のうちの少なくとも１つの条件を満たす。
【数２】

又、好ましくは、次の(d) の条件を満たす。
【数３】

更に、より好ましくは、次の(e) の条件を満たす。
【数４】

【００１１】
次に、上述した各発明を規定する条件のうち、上記アキシアル振れδの概念に就いて、図４〜５により説明する。
【００１２】
前述の図１〜２に示す様な円すいころ軸受を構成する内輪５の外周面大径側端部に形成した大径側鍔部８の内側面１１は、部分円すい凹面状である。この様な内側面１１を加工する場合、この部分円すい凹面の中心αと上記内輪５の中心βとを一致させようとはするが、不可避的な製造誤差によりこれら両中心同士が、図５に誇張して示す様に、同図のｘ分ずれた状態で、上記内側面１１が加工される場合がある。この様に、内側面１１の中心αと内輪５の中心βとが不一致になった場合、この内側面１１が円周方向に亙りうねった如き形状になる。言い換えれば、この内側面１１のうちで円すいころ６の頭部１０と接触する部分の軸方向（図５の左右方向）に関する位置が円周方向に関して一定ではなくなり、その最頂部と最底部との差が図５のδ分となる。この差δを、上記アキシアル振れとする。尚、この様なアキシアル振れδは、上記図５に示す様に両中心α、βが互いに平行のままずれた場合の他、これら両中心α、βが非平行の場合、或は上記内側面１１に元々凹凸（うねり）が存在する場合でも生じる。何れの場合でも、上記内側面１１のうちで円すいころ６の頭部１０と接触する部分の最頂部と最底部との軸方向位置の差が、上記アキシアル振れδとなる。
【００１３】
尚、この様なアキシアル振れδの測定は、次の様にして行なう。先ず、真円度測定器のターンテーブルの上面に上記内輪５を、上記大径側鍔部８を下にした状態で載置する。そして、これらターンテーブルの回転中心と内輪５の中心とのずれが最小になる様に、この内輪５の内輪軌道４の芯出しを行なう。この状態で、上記大径側鍔部８の内側面１１のうちで円すいころ６の頭部１０と接触する部分に上記真円度測定器の触針を当て、上記ターンテーブルを回転させて、上記内側面１１のうねりを測定する。そして、この測定値の最大値と最小値との差を、上記アキシアル振れδとする。
【００１４】
【作用】
上述の様に構成する本発明のころ軸受の場合には、製造コストの上昇を抑えつつ、潤滑不良の条件下で運転した場合にも、かじりや焼き付き等の損傷が発生しにくくなる。即ち、アキシアル振れδも、ころの摺接面と鍔部の内側面とに関する合成粗さσも、その値を小さくする程、上記損傷の発生防止に有効である。但し、上記アキシアル振れδ又は上記合成粗さσの何れか一方のみを小さくして、上記損傷防止効果を高くしようとすると、高度の加工精度を実現しなくてはならず、製造コストが嵩む。これに対して本発明の場合には何れも、上記アキシアル振れδと上記合成粗さσとの相乗効果により上記損傷防止効果を高くしている為、これらアキシアル振れδ及び合成粗さσ毎の加工精度は、それ程高度である必要はない。この為、上述の様に製造コストの上昇を抑えつつ、上記損傷防止効果を高くできる。
【００１５】
次に、上記アキシアル振れδ及び合成粗さσを小さく抑える事により、上記損傷の発生防止を図れる理由に就いて説明する。
先ず、上記アキシアル振れδは、大径側鍔部８の内側面１１と各円すいころ６の頭部１０とが接触する各接触部の接触面圧のばらつきの最大値を下げる面から有効である。即ち、前述の様なアキシアル振れδが全く存在しない（δ＝０である）、理想的な内輪５の場合には、複数の円すいころ６の頭部１０と上記内側面１１との接触部が、外輪３と内輪５との間に加わるアキシアル荷重を均等に支承する。従って、何れの接触部でも接触面圧が過大になる事はない。耐焼き付き性は、この接触部の接触面圧Ｐと滑り速度Ｖとの積であるＰＶ値が小さく、発熱量が少ない程向上するので、上述の様に接触面圧のばらつきの最大値を抑える事により、耐焼き付き性の向上を図れる。これに対して、上記アキシアル振れδが大きい、言い換えれば上記内側面１１に大きなうねりが存在すると、複数の円すいころ６の頭部１０と上記内側面１１との各接触部が、外輪３と内輪５との間に加わるアキシアル荷重を均等には支承せず、このうねりの頂部での接触面圧が底部での接触面圧よりも高くなる。この為、上記ＰＶ値が部分的に高くなり、発熱量が多くなって、当該部分で焼き付きが発生し易くなり、上記耐焼き付き性が低下する。
【００１６】
又、合成粗さσは、上記大径側鍔部８の内側面１１と円すいころ６の頭部１０とが接触する接触部に良好な油膜が形成される様にして、この接触部で金属同士が直接接触する、所謂金属接触が発生するのを防止する面から規制する。即ち、上記合成粗さσの値が大きい状態、即ち、上記内側面１１と頭部１０との一方又は双方の表面粗さが大きい（粗い）場合には、金属表面に存在する微小な凹凸の頂部が、相手表面と油膜を介する事なく、直接接触し易い状態となる。この様な状態では、接触部に働く摩擦が大きくなり、上記耐焼き付き性が低下する。
【００１７】
以上に述べた通り本発明のころ軸受は何れも、上記アキシアル振れδ及び合成粗さσを小さく抑える事により、耐焼き付き性を向上させているので、上記内側面１１と頭部１０との接触部に取り込まれる潤滑油の量が少なくても、かじりや焼き付き等の損傷を防止できる。しかも、上記アキシアル振れδ及び合成粗さσの個々の値を極端に小さくしなくても、十分な耐焼き付き性を得られるので、この耐焼き付き性を高める事に伴うコスト上昇を小さく抑える事ができる。
【００１８】
【実施例】
先ず、本発明に関する参考例の効果を確認する為に行なった実験に就いて説明する。実験は、内径が７０mm、外径が１５０mmの、図１〜３に示す様な円すいころ軸受１を用いて、図６に示す様な実験装置により行なった。この実験装置は、ハウジング１３の内側に回転軸１４を、試験片である上記円すいころ軸受１と、別のサポート軸受１５とにより回転自在に支承した状態で、上記回転軸１４を図示しない駆動モータにより回転駆動自在とした。そして、この様な実験装置を使用して、上記円すいころ軸受１のアキシアル振れδ及び合成粗さσを種々変え、各円すいころ軸受１の耐焼付性を評価する試験を行なった。試験条件は、次の通りである。
回転速度：６，０００min^-1
スラスト荷重：１１，０００Ｎ
給油停止前給油量：１リットル／min
潤滑油：ギア油｛１．８×１０^-4ｍ² ／ｓ（１８０ｃＳｔ）／４０℃｝
接触部のＰＶ値：６００（ＭPa・ｍ／ｓ）
この様な条件で行なった実験に使用した、各円すいころ軸受１のアキシアル振れδ及び合成粗さσを次表に示す。又、上記耐焼き付き性に関する実験の結果を次表及び図７〜９に示す。
【００１９】
【表１】

【００２０】
上記表中で、耐焼き付き性を表す焼き付きまでの時間（焼き付き時間）は、円すいころ軸受１の内輪５を、潤滑油を供給しつつ上述した運転条件で運転した状態で、この円すいころ軸受１への潤滑油の供給を停止し、停止後、焼き付きが発生するまでの時間で表している。尚、焼き付きの発生は、上記内輪５を回転させる為に要するトルクが急上昇する事で検知した。
【００２１】
上述の様にして行なった実験の結果を表した表１の判定項目中に示した符号のうち、「×」は焼き付き時間が４０秒以下ものを、「○」は同じく６０〜１００秒のものを、「◎」は同じく１３０秒以上のものを、それぞれ表している。この様に３つのグループへの分類は、上記実験の結果を、図７に示す様な分布を表すグラフに整理した後に行なった。この図７から明かな通り、耐焼き付き性は、上述した「×」「○」「◎」の３つのグループに分かれる。又、図８は、上記表１に示したアキシアル振れδと合成粗さσと焼き付き時間との関係を三次元グラフに表したものである。更に、図９は、耐焼き付き性が向上する領域を明確にする為、上記図８を平面グラフに表したものである。
【００２２】
前述の様な条件で行なった耐焼き付き性に関する実験の結果を表した前記表１及び上記図８〜９から、次の様な事が分かる。先ず、図８の三次元グラフから、耐焼き付き性が高い場合（符号「○」）又は極めて高い場合（符号「◎」）は、アキシアル振れδ及び合成粗さσが小さい部分に集中している。反対に、耐焼き付き性が低い場合（符号「×」）は、上記アキシアル振れδ及び合成粗さσが大きい部分に存在する。
【００２３】
次に、直交座標面を上記アキシアル振れδと上記合成粗さσとで表した上記図９を耐焼き付き性向上の面から見た場合に、上記直交座標面は、次の▲１▼〜▲５▼の、５種類の領域に分けられる事が分かる。
▲１▼ δ≦８μｍ、且つ、σ≦０．２２μｍRMS
この領域は、上記アキシアル振れδを比較的小さくした領域で、上記合成粗さσが比較的大きくても耐焼き付き性を高く（符号「○」以上）できる。
▲２▼ δ≦１２μｍ、且つ、σ≦０．１８μｍRMS
この領域は、上記アキシアル振れδを或る程度小さくした領域で、上記合成粗さσが或る程度大きくても、耐焼き付き性を高く（符号「○」以上）できる。
▲３▼ δ≦１６μｍ、且つ、σ≦０．１３μｍRMS
この領域は、上記合成粗さσを或る程度小さくした領域で、上記アキシアル振れδが或る程度大きくても、耐焼き付き性を高く（符号「○」以上）できる。
▲４▼ δ≦８μｍ、且つ、σ≦０．１６μｍRMS
この領域は、上記アキシアル振れδをより小さくした領域で、耐焼き付き性が極めて高い状態（符号「◎」）の出現率が高くなる。
▲５▼ δ≦４μｍ、且つ、σ≦０．１６μｍRMS
この領域は、上記アキシアル振れδを更に小さくした領域で、耐焼き付き性が極めて高い状態（符号「◎」）の出現率がより高くなる。
以上より、耐焼き付き性を向上させる領域は、上記▲１▼▲２▼▲３▼のうちの少なくとも１つの条件を満たせば良い。好ましくは上記▲４▼の領域、更に好ましくは上記▲５▼の領域が適している。
【００２４】
以上の説明は、円すいころ軸受に就いて行なったが、上述した参考例は、鍔を有する総てのころ軸受（例えば、円筒ころ軸受、ニードル軸受、自動調心ころ軸受等）に適用可能である。又、鉄道車両用、自動車用のころ軸受に限定する事なく、総ての機械装置用のころ軸受に適用可能である。軸受サイズに就いても、小型から中型だけでなく、それ以上のサイズの軸受でも効果がある事は十分に予測できる。
【００２５】
次に、本発明を完成する過程で行なった検討結果に就いて、図１０〜図１５を参照しつつ説明する。尚、上述した様な参考例は、総てのころ軸受に適用できる代わりに、十分な効果を得られる事が確認できたのは、内径が２０〜２００mm程度の小型から中型のものである。これに対して、本発明の場合には、効果を得られる型式が円すいころ軸受に限定されるのに対して、大きさに関する限定はないものである。
【００２６】
図２に示す様な構造を有し、内径Ｒが７０mm、外径Ｄが１５０mm、幅Ｂが３８mm、ピッチ円直径ｄｍが９９mm、コーン角２β（図２参照）が８．５°、円すいころ６の頭部１０の直径ｄ₆ が２１．５mm、この円すいころ６の軸方向長さＬが２４mm、円すいころ６の数が１３個、内輪５の大径側端部外周面に形成した大径側鍔部８の内側面１１がこの内輪５の中心軸に対し直交する仮想平面に対する傾斜角度である鍔角度θｆが２０°である円すいころ軸受１（以下「軸受Ａ」とする）を、次の条件で運転した状態でのトルクを求める。この運転条件とは、回転速度が６０００min^-1 、スラスト荷重が１１０００Ｎ、使用潤滑油が４０℃での動粘度が１８０ｃＳｔのもの、接触部のＰＶ値が６００Ｍｐａ・ｍ／ｓ、軸受温度が６０℃、油膜厚さｈが０．０６８μｍである。
【００２７】
この様な運転条件の下で、上記仕様の円すいころ軸受１のトルクのうち、上記大径側鍔部８の内側面１１と上記各円すいころ６の大径側端面である頭部１０との摩擦に基づくトルクの値Ｍｓを、次の（１）式で計算する。
Ｍｓ＝ｅ・μ・ cosβ・Ｆａ・ｅｘｐ（−１．８Λ^1.2 ） −−− （１）
尚、この（１）式中、ｅは上記各円すいころ６の頭部１０の接点位置、μは摩擦係数、βは上記各円すいころ６のコーン角の１／２、Ｆａはアキシアル荷重、Λは油膜パラメータで、Λ＝ｈ／σ（ｈ：鍔／ころ間の油膜厚さ、σ：鍔／ころ合成粗さ）である。この油膜パラメータΛの詳細に関しては、例えば、転がり軸受工学編集委員会が編集し、養賢堂が１９７５年に発行した、「転がり軸受工学」の１７７〜１７９頁に記載されている。又、上記（１）式は、「NSK TECHNICAL JOURNAL 649 “ころ軸受の摩擦とＥＨＬ転がり粘性抵抗”」に記載されて従来から知られたものである。
【００２８】
上述の様な（１）式により上記円すいころ軸受１の回転時に、回転に対する抵抗として生じるトルクのうちで上記各円すいころ６の頭部１０と上記内側面１１との摩擦に基づくトルクを、これら各円すいころ６毎に発生する（１個毎の）発熱量に換算すると、約７０Ｗとなる。この様にして求めた、７０Ｗなる値（１個毎発熱量）は、過去の実験データを元に、前述した様な仕様を有する円すいころ軸受１を前述した条件で運転した場合の発熱量を公式化した、前記（１）式による値であって、前述した様なアキシアル振れδは考慮に入れていない（アキシアル振れδ＝０としている）。又、油膜パラメータΛに関しては、前記油膜厚さｈ（＝０．０６８μｍ）と鍔／ころ合成粗さσとを元に、Λ＝０．４５とした。
【００２９】
次に、アキシアル振れδがある状態を考える。前述の図５に関する説明から明らかな通り、大径側鍔部８の内側面１１と円すいころ６の頭部１０との当接部の面圧は、この内側面１１が振れた側（最頂部側）で高くなり、その逆側（最底部側）では低くなる。そして、上記内側面１１と頭部１０との当たりの強弱、即ち、上記最頂部での面圧と上記最底部での面圧との差は、上記アキシアル振れδに比例して大きくなる。この様な面圧の差に就いて、個々の円すいころ６毎に着目し、最も当たりが強い（面圧が高い）鍔／円すいころ（１３個の円すいころ６のうちで最頂部に位置し、最も面圧が高い組み合わせ）と、最も当たりが弱い鍔／円すいころ（１３個の円すいころ６のうちで最底部に位置し、最も面圧が低い組み合わせ）とに就いて、力の釣り合いからその大きさを求める。円すいころ６の頭部１０に働く力は、前記「転がり軸受工学」の８３頁に記載された、（４−６）式及び（４−７）式から求める。又、軌道面（外輪軌道２及び内輪軌道４）に働く力ｑは、上記円すいころ６を長手方向に分割して、チルトやクラウニングがあった場合でも計算できる、次の（２）式から求める。この（２）式は、HARRIS著「ROLLING BEARINGANALYSIS Third edition 」の２３５頁に、（６．１１２）式として記載された式である。
【００３０】
【数５】

尚、この（２）式のｑの単位はＮ、ｋｗは円すいころの長さ［mm］（図２のＬ）である。又、ｋはこの円すいころの分割数で、ｗは分割された部分の単位長さである。又、δ_e は、内輪及び外輪ところとの接近量で、単位はμｍである。
【００３１】
上述の様にして、アキシアル振れδによる力の変化を考慮する事により、前述の（１）式を使用した場合と同様に、円すいころ６に関して１個毎の発熱量、更にはアキシアル振れδと発熱量との関係を求める事ができる。この様にして求めた、アキシアル振れδと発熱量との関係を、図１０に示す。この図１０に示した２本の線のうち、上側の線αは、最頂部に位置して最も面圧が高くなる円すいころ６に関する、アキシアル振れδと発熱量との関係を、下側の線βは、最底部に位置して最も面圧が低くなる円すいころ６に関する、アキシアル振れδと発熱量との関係を、それぞれ示している。尚、各円すいころ６は、公転運動に伴って、上記最頂部と上記最底部とを交互に移動する為、個々の鍔／円すいころの（瞬間毎の）発熱量は、上記２本の線α、βを含めその間の値となる。但し、焼き付きやかじりが発生するか否かは、このうちの最大値（上側の線αの縦軸位置）で決まる。従って、上記焼き付きやかじりの発生を防止できる条件は、上記上側の線αを用いて決定できる事になる。
【００３２】
この様な観点で上記図１０の上側の線αに関して、前述の図７〜９にその結果を示した実験に基づき、焼き付き防止に効果があるとされた閾値として規定した、アキシアル振れδの値、８μｍ、１２μｍ、１６μｍを見る。これら３通りのアキシアル振れδに対応する、円すいころ６の１個当たりの鍔／円すいころの発熱量は、それぞれ７７Ｗ、８１．４Ｗ、８５．７Ｗである。一方、これら各場合に焼き付き防止の為に確保すべき鍔／ころ合成粗さσは、前述の▲１▼▲２▼▲３▼の様に、それぞれ０．２２μｍRMS 、０．１８μｍRMS 、０．１３μｍRMS であるから、これら各合成粗さσの値に関して、ころ１個当りの鍔／ころの発熱量が、７７Ｗ、８１．４Ｗ、８５．７Ｗが閾値となり、これら各値以上になると焼き付くと判断される。尚、前述の▲４▼に好ましい範囲として示したアキシアル振れδの値である、８μｍに対応する、鍔／ころ合成粗さσの値０．１６μｍRMS の場合の鍔／円すいころの発熱量は７７Ｗとなる、更に、より好ましい範囲として前述の▲５▼に示したアキシアル振れδの値である４μｍに対応する、鍔／円すいころ合成粗さσの値０．１６μｍRMS の場合の鍔／円すいころの発熱量は７２．７Ｗとなる。
【００３３】
この様な解析手法を、大きさが異なる他の３種類の軸受（軸受Ｂ、Ｃ、Ｄ）の円すいころ軸受に適用して、発熱量により焼き付きを防止できる条件を規定できる事を確認する。先ず、大きさが異なる上記３種類の円すいころ軸受の場合でアキシアル振れが無い（δ＝０）場合に、前述した様な仕様を有する軸受Ａの円すいころ軸受と円すいころ１個当たりの発熱量が同一になる様に、運転条件を設定し（面圧、滑り速度から求め）た。そして、この大きさの異なる３種類の円すいころ軸受に関して、上記図１０を求めた場合と同じ様にして、アキシアル振れδを大きくした場合に於ける、アキシアル振れδと鍔／円すいころの発熱量との関係を求めた。その結果を図１１〜１３に示す。これら図１１〜１３を基に、鍔／円すいころの発熱量の最大値が前述した焼き付きを防止する為の閾値である、７７Ｗ、８１．４Ｗ、８５．７Ｗと等しくなる時のアキシアル振れδを求めた。更に、好ましい範囲とした鍔／円すいころの発熱量７７Ｗ、より好ましい範囲とした鍔／ころの発熱量７２．７Ｗと等しくなる時のアキシアル振れδを、上記図１１〜１３より求めた。
【００３４】
これら図１１〜１３のうち、先ず図１１は、内径Ｒが２００mm、外径Ｄが２８０mm、幅Ｂが５１mm、ピッチ円直径ｄｍが２４０mm、コーン角２β（図２参照）が２°、円すいころ６の頭部１０の直径ｄ₆ が１９．２mm、この円すいころ６の軸方向長さＬが３５mm、円すいころ６の数が３２個、内輪５の大径側端部外周面に形成した大径側鍔部８の内側面１１がこの内輪５の中心軸に対し直交する仮想平面に対する傾斜角度である鍔角度θｆが１２°である円すいころ軸受１（軸受Ｂ）に就いての計算結果を表している。この場合に、アキシアル振れが無い（δ＝０）場合に発熱量が約７０Ｗとなる運転条件は、回転速度が２４００min^-1 、スラスト荷重が６９５６００Ｎ、使用潤滑油の５０℃での動粘度が１．０８×１０^-4ｍ² ／Ｓ（１０８ｃＳｔ）、接触部のＰＶ値が２９０ＭＰａ・ｍ／ｓ、軸受温度が６０℃、油膜厚さｈが０．０６６μｍとなる。
【００３５】
そして、この条件のままアキシアル振れδを大きくしていくと、図１１に２本の線で示した発熱量が求められる。油膜パラメータΛが等しい場合には、円すいころ軸受１の大径側鍔部８の内側面１１と円すいころ６の頭部１０との当接部で焼き付き及びかじりが発生するか否かは、軸受寸法によらずに、部分的な鍔／円すいころ部分の発熱量で決まる。従って、前記閾値７７Ｗ、８１．４Ｗ、８５．７Ｗと等しくなる時のアキシアル振れδがその限界値（アキシアル振れδに関する閾値）となるから、図１１の上側の線から、それぞれ４４μｍ、７４μｍ、１０４μｍが、アキシアル振れδに関する閾値として得られる。更に、好ましい範囲として示した鍔／円すいころの発熱量７７Ｗに対応する、アキシアル振れδの閾値は４４μｍ、より好ましい範囲として示した鍔／円すいころの発熱量７２．７Ｗに関するアキシアル振れδの閾値は１５μｍとなる。
【００３６】
次に、図１２は、内径Ｒが３０mm、外径Ｄが７２mm、幅Ｂが２０．７５mm、ピッチ円直径ｄｍが５１mm、コーン角２β（図２参照）が７°、円すいころ６の頭部１０の直径ｄ₆ が１１．７mm、この円すいころ６の軸方向長さＬが１３mm、円すいころ６の数が１３個、内輪５の大径側端部外周面に形成した大径側鍔部８の内側面１１がこの内輪５の中心軸に対し直交する仮想平面に対する傾斜角度である鍔角度θｆが１３°である円すいころ軸受１（軸受Ｃ）に就いての計算結果を表している。この場合に、アキシアル振れが無い（δ＝０）場合に発熱量が約７０Ｗとなる運転条件は、回転速度が１２１００min^-1 、スラスト荷重が１１７６０Ｎ、使用潤滑油の５０℃での動粘度が１．０８×１０^-4ｍ² ／Ｓ（１０８ｃＳｔ）、接触部のＰＶ値が９００ＭＰａ・ｍ／ｓ、軸受温度が６０℃、油膜厚さｈが０．０６７μｍとなる。
【００３７】
そして、この条件のままアキシアル振れδを大きくしていくと、図１２に２本の線で示した発熱量が求められる。やはり、油膜パラメータΛが等しい場合には、円すいころ軸受１の大径側鍔部８の内側面１１と円すいころ６の頭部１０との当接部で焼き付き及びかじりが発生するか否かは、軸受寸法によらずに、部分的な鍔／円すいころ部分の発熱量で決まる。従って、前記閾値７７Ｗ、８１．４Ｗ、８５．７Ｗと等しくなる時のアキシアル振れδがその限界値（アキシアル振れδに関する閾値）となるから、図１２の上側の線から、それぞれ８μｍ、１４μｍ、１９μｍが、アキシアル振れδに関する閾値として得られる。更に、好ましい範囲として示した鍔／円すいころの発熱量７７Ｗに対応する、アキシアル振れδの閾値は８μｍ、より好ましい範囲として示した鍔／円すいころの発熱量７２．７Ｗに関するアキシアル振れδの閾値は１μｍとなる。
【００３８】
更に、図１３は、内径Ｒが２８mm、外径Ｄが７２mm、幅Ｂが２７mm、ピッチ円直径ｄｍが５０mm、コーン角２β（図２参照）が１０°、円すいころ６の頭部１０の直径ｄ₆ が１２．４mm、この円すいころ６の軸方向長さＬが１４mm、円すいころ６の数が１１個、内輪５の大径側端部外周面に形成した大径側鍔部８の内側面１１がこの内輪５の中心軸に対し直交する仮想平面に対する傾斜角度である鍔角度θｆが１８°である円すいころ軸受１（軸受Ｄ）に就いての計算結果を表している。この場合に、アキシアル振れが無い（δ＝０）場合に発熱量が約７０Ｗとなる運転条件は、回転速度が１３２００min^-1 、スラスト荷重が９２００Ｎ、使用潤滑油の５０℃での動粘度が１．０８×１０^-4ｍ² ／Ｓ（１０８ｃＳｔ）、接触部のＰＶ値が１０９０ＭＰａ・ｍ／ｓ、軸受温度が６０℃、油膜厚さｈが０．０６８μｍとなる。
【００３９】
そして、この条件のままアキシアル振れδを大きくしていくと、図１３に２本の線で示した発熱量が求められる。やはり油膜パラメータΛが等しい場合には、円すいころ軸受１の大径側鍔部８の内側面１１と円すいころ６の頭部１０との当接部で焼き付き及びかじりが発生するか否かは、軸受寸法によらずに、部分的な鍔／円すいころ部分の発熱量で決まる。従って、前記閾値７７Ｗ、８１．４Ｗ、８５．７Ｗと等しくなる時のアキシアル振れδがその限界値（アキシアル振れδに関する閾値）となるから、図１３の上側の線から、それぞれ５μｍ、９μｍ、１２μｍが、アキシアル振れδに関する閾値として得られる。更に、好ましい範囲として示した鍔／円すいころの発熱量７７Ｗに対応する、アキシアル振れδの閾値は５μｍ、より好ましい範囲として示した鍔／円すいころの発熱量７２．７Ｗに関するアキシアル振れδの閾値は２μｍとなる。
【００４０】
上述の様にして円すいころ軸受１の諸元を変えつつ行ない、図１０〜１３にその結果を示した計算結果から、閾値の発熱量に関して、次の(1) 〜(3) の事が分かる。
(1) ピッチ円直径ｄｍで代表される軸受寸法が大きい程、アキシアル振れδの限界値が大きくなる。
(2) 円すいころ６のコーン角２βが大きい程、アキシアル振れδの限界値が小さくなる。
(3) 円すいころ６の軸方向長さＬが大きい程、アキシアル振れδの限界値が小さくなる。
又、大径側鍔部８の内側面１１と円すいころ６の頭部１０との当接部の接触状態は、アキシアル振れδに対しこの円すいころ６の母線方向に作用する。従って、このアキシアル振れδが上記当接部に作用する大きさ（押圧面に加わる大きさ）は、上記大径側鍔部８の内側面１１の鍔角度θｆによって異なり、δ・ cosθｆで表される。
【００４１】
これらの事を基にして、種々のパラメータを組み合せてその関係を調べると、ｄｍ／｛ tan（２β）・Ｌ｝とδ・ cosθｆとがほぼ比例関係にある事が分かった。
図１４は、この様に比例関係にある事が分かった両値のうち、ｄｍ／｛ｔａｎ（２β）・Ｌ｝を横軸に、δ・ cosθｆ（単位：μｍ）を縦軸に、それぞれ表した線図である。この様な図１４に表した４本の直線のうち、上側３本の直線は、ぞれぞれ鍔／円すいころの発熱量が７７Ｗ、８１．４Ｗ、８５．７Ｗに対応して、上記ｄｍ／｛ tan（２β）・Ｌ｝とδ・ cosθｆ（単位：μｍ）との関係を表しており、それぞれが、鍔／ころ合成粗さσが、０．２２μｍRMS （０．１６μｍRMS ）、０．１８μｍRMS 、０．１３μｍRMS に相当する場合に焼き付き及びかじりが発生するアキシアル振れδの限界値（閾値）に対応する。又、残りの下側１本の直線は、鍔／円すいころの発熱量が７２．７Ｗに対応して、鍔／ころ合成粗さσが、０．１６μｍRMS の場合に焼き付き及びかじりが発生するアキシアル振れδの限界値に対応する。
【００４２】
上記直線を表わす式を最小自乗法で求めると、それぞれ、
(a) 上記発熱量に関する閾値７７Ｗ（σ＝０．２２μｍRMS である場合の焼き付き限界）に関して
δ・ cosθｆ＝０．２１ｄｍ／｛ tan（２β）・Ｌ）＋０．９６
(b) 上記発熱量に関する閾値８１．４Ｗ（σ＝０．１８μｍRMS である場合の焼き付き限界）に関して
δ・ cosθｆ＝０．３６ｄｍ／｛ tan（２β）・Ｌ）＋１．２８
(c) 上記発熱量に関する閾値８５．７Ｗ（σ＝０．１３μｍRMS である場合の焼き付き限界）に関して
δ・ cosθｆ＝０．５１ｄｍ／｛ tan（２β）・Ｌ）＋１．６８
(d) 上記発熱量に関する閾値７７Ｗ（σ＝０．１６μｍRMS である場合の好ましい焼き付き限界）に関して
δ・ cosθｆ＝０．２１ｄｍ／｛ tan（２β）・Ｌ）＋０．９６
(e) 上記発熱量に関する閾値７２．７Ｗ（σ＝０．１６μｍRMS である場合のより好ましい焼き付き限界）に関して
δ・ cosθｆ＝０．０７２ｄｍ／｛ tan（２β）・Ｌ）＋０．１８
となる。尚、上記（ａ）〜（ｅ）に示した各式中、ｄｍ及びＬの単位はｍｍ、δはμｍである。
そして、上記鍔／ころ合成粗さσを所定値以下に抑えると共に、アキシアル振れδを上記(a) 〜(e) で表される直線より下側になる様に抑えれば、焼き付き及びかじりを防止する事ができる。
【００４３】
これらの事を整理すると、焼き付き及びかじりを防止できるアキシアル振れδの値は、以下の(a) 〜(e) の条件式で表される。尚、（ａ）〜（ｅ）に示した各式中、δの単位はμｍ、ｄｍ及びＬの単位はｍｍである。又、粗さσの各限界値に就いては、後述する様に軸受サイズ（ｄｍ）により異なるので、ここでは、便宜上、「〜μｍRMS 相当の粗さ」としている。
【数６】

且つ、σ≦０．２２μｍRMS 相当の粗さ
【数７】

且つ、σ≦０．１８μｍRMS 相当の粗さ
【数８】

且つ、σ≦０．１３μｍRMS 相当の粗さ
【数９】

且つ、σ≦０．１６μｍRMS 相当の粗さ
【数１０】

且つ、σ≦０．１６μｍRMS 相当の粗さ
【００４４】
尚、上記(a) 〜(e) に示した５種類の条件式は、何れも、油膜パラメータΛが０．４５である場合のアキシアル振れδの値を規制したものである。一方、この油膜パラメータΛは、鍔／ころ間の油膜厚さｈと、鍔／ころ合成粗さσとから、Λ＝ｈ／σで表されるので、油膜パラメータΛが等しくても油膜厚さｈが変化すると、許容される鍔／ころ合成粗さσは変化する。そこで、前述した、互いに仕様が異なる４種類の円すいころ軸受に就いて、ピッチ円直径ｄｍと油膜厚さｈとの比を、一番目の円すいころ軸受（軸受Ａ）との関係で求めた。その結果を図１５に示す。この図１５は、縦軸に上記ピッチ円直径ｄｍと油膜厚さｈとの比を、上記一番目の円すいころ軸受に関する値との関係で示し、横軸にピッチ円直径ｄｍを示している。この様な図１５から明らかな通り、ピッチ円直径ｄｍが大きい程油膜厚さｈが大きくなり、許容される鍔／ころ合成粗さσも大きくなる。
【００４５】
この様な図１５に記載された結果から、許容される鍔／ころ合成粗さσの限界値を、上記一番目の円すいころ軸受（軸受Ａ）に相当する値として求めると、上記(a) 〜(e) は次の様になる。
(a) の、σ≦０．２２μｍRMS に相当する粗さは、
σ≦0.22×（３×10^-6ｄｍ² ＋ 0.0044ｄｍ＋0.53）μｍRMS
(b) の、σ≦０．１８μｍRMS に相当する粗さは、
σ≦0.18×（３×10^-6ｄｍ² ＋ 0.0044ｄｍ＋0.53）μｍRMS
(c) の、σ≦０．１３μｍRMS に相当する粗さは、
σ≦0.13×（３×10^-6ｄｍ² ＋ 0.0044ｄｍ＋0.53）μｍRMS
(d)(e)の、σ≦０．16μｍRMS に相当する粗さは、
σ≦0.16×（３×10^-6ｄｍ² ＋ 0.0044ｄｍ＋0.53）μｍRMS
となる。尚、上記各式中、ｄｍの単位はｍｍである。
【００４６】
以上の結果を基に、アキシアル振れδと鍔／ころ合成粗さσとの関係を、第一番目の仕様の円すいころ軸受（軸受Ａ）に関する実験の結果と解析とによって一般化して表すと、上記アキシアル振れδと鍔／ころ合成粗さσとを、次の(a) 〜(c) のうちの何れかの関係を満たす様に管理すれば、優れた耐焼き付き性及び耐かじり性を有する円すいころ軸受を得られる事が分かる。尚、これら各式中、δの単位はμｍ、ｄｍ及びＬの単位はｍｍである。
【数１１】

又、好ましくは、次の(d) の条件を満たす様に管理すれば、上記耐焼き付き性及び耐かじり性をより向上させる事ができる。
【数１２】

更に、より好ましくは、次の(e) の条件を満たす様に管理すれば、上記耐焼き付き性及び耐かじり性を更に向上させる事ができる。
【数１３】

これら（ｄ）（ｅ）に示した各式に関しても、δの単位はμｍ、ｄｍ及びＬの単位はｍｍである。
【００４７】
尚、以上の結果は、円すいころ軸受の場合の計算結果であり、円筒ころ軸受（ニードル軸受を含む）には、ころのコーン角２βが０°なので、そのまま適用する事はできない。但し、円筒ころ軸受の場合は、アキシアル荷重を受けるころ軸受としての解析が確立しているので、その理論を適用して同様に計算できる（例えば「ころがり軸受実用ハンドブック」、エッシェマン他編著、吉武立雄訳、岡本純三監訳、工業調査会、１９９６年、ＰＰ１８２〜１８４参照）。又、内径が２０〜２００mm程度の、小型から中型のころ軸受に就いては、前述した通り、円すいころ軸受に限らず、円筒ころ軸受の場合であっても、前述した様に、
▲１▼ δ≦８μｍ、且つ、σ≦０．２２μｍRMS
▲２▼ δ≦１２μｍ、且つ、σ≦０．１８μｍRMS
▲３▼ δ≦１６μｍ、且つ、σ≦０．１３μｍRMS
のうちの何れかの条件を満たす事により、優れた耐焼き付き性及び耐かじり性を有するころ軸受を得られる。
【００４８】
【発明の効果】
本発明のころ軸受は、以上に述べた通り構成され作用するので、劣悪な潤滑条件下でも、かじり、焼き付き等の損傷を発生するまでに要する時間を長くして、ころ軸受を組み込んだ各種回転支持部分の信頼性及び耐久性の向上を図れる。しかも、加工精度を極端に高くする必要がないので、コスト上昇も低く抑える事ができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の対象となる円すいころ軸受の部分切断斜視図。
【図２】同じく部分断面図。
【図３】ころの端面と鍔部の内側面との接触状態を示す、図２のＡ矢視透視図。
【図４】内輪外周面の大径側鍔部の内側面のアキシアル振れδに就いて説明する為の、内輪の斜視図。
【図５】同じく外径側から見た状態で示す模式図。
【図６】本発明及び参考例の効果を確認する為に行なった実験に使用した試験装置の断面図。
【図７】この実験結果の分布状態を示す棒グラフ。
【図８】この実験の結果を示す、三次元グラフ。
【図９】同じく平面グラフ。
【図１０】本発明を完成する時点で、第一番目の仕様を有する円すいころ軸受に関して、アキシアル振れと発熱量との関係に就いて検討した結果を示す線図。
【図１１】同じく第二番目の仕様を有する円すいころ軸受に関して、アキシアル振れと発熱量との関係に就いて検討した結果を示す線図。
【図１２】同じく第三番目の仕様を有する円すいころ軸受に関して、アキシアル振れと発熱量との関係に就いて検討した結果を示す線図。
【図１３】同じく第四番目の仕様を有する円すいころ軸受に関して、アキシアル振れと発熱量との関係に就いて検討した結果を示す線図。
【図１４】ｄｍ／｛ｔａｎ（２β）・Ｌ｝とδ・ cosθｆとの関係を検討した結果を示す線図。
【図１５】ピッチ円直径と油膜厚さとの関係を検討した結果を示す線図。
【符号の説明】
１円すいころ軸受
２外輪軌道
３外輪
４内輪軌道
５内輪
６円すいころ
７転動面
８大径側鍔部
９小径側鍔部
１０頭部
１１内側面
１２接触楕円
１３ハウジング
１４回転軸
１５サポ−ト軸受

Claims

内周面に円すい凹面状の外輪軌道を有する外輪と、外周面に円すい凸面状の内輪軌道を有する内輪と、外周面を上記外輪軌道及び内輪軌道に接触する円すい凸面状の転動面とし、軸方向端面を上記外輪の端部内周面と上記内輪の端部外周面とのうちの少なくとも一方の周面に形成した鍔部の内側面に摺接させる摺接面とした複数の円すいころとを備えたころ軸受に於いて、上記鍔部の内側面に存在する円周方向のうねりの最頂部と最底部とのアキシアル方向に関するずれをアキシアル振れδとし、上記摺接面の二乗平均粗さσ₁ と上記鍔部の内側面の二乗平均粗さσ₂ との合成粗さ（σ₁ ²＋σ₂ ²）^1/2 を鍔／ころ合成粗さσとし、ｄｍを単位をmmとして表したころ軸受のピッチ円直径とし、βを上記各円すいころのコーン角の１／２とし、Ｌを単位をmmとして表した上記各円すいころの軸方向長さとし、θｆを上記鍔部の内側面が上記外輪及び内輪の中心軸に対し直交する仮想平面に対する傾斜角度である鍔角度とした場合に、上記鍔／ころ合成粗さσと単位をμｍとした上記アキシアル振れδとが、次の(a)(b)(c) のうちの少なくとも１つの条件を満たす事を特徴とするころ軸受。
次の(d)の条件を満たす、請求項１に記載したころ軸受。
次の(e)の条件を満たす、請求項１に記載したころ軸受。