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技術 軸受および軸受を形成する方法

出願人 ザ・ティムケン・カンパニー
発明者 アイ,シャオランエバンス,ライアン・ディーフーペール,リュック
出願日 2015年5月13日 (4年9ヶ月経過) 出願番号 2017-512658
公開日 2017年7月20日 (2年7ヶ月経過) 公開番号 2017-519958
状態 不明
技術分野
  • -
主要キーワード 接触輪 縁応力 中央帯 接触帯域 中央領 山から谷 凹状領域 接触領域内
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2017年7月20日)のものです。
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図面 (7)

課題・解決手段

軸受組立体は、内側レース画定する内側軌道輪(14)と、外側レースを画定する外側軌道輪とを有し、それらの上を複数の転動体(22)が転がる。軸受レースは、潤滑性能を改善するための好ましい表面形状およびテクスチャを生成するために表面仕上げ作業を用いて機械加工される。レースの形状は、まず、粗面中央帯(34)と、粗面凹状側帯(38)とを含む粗面形状を形成する第1の研削工程を用いて生成される。第2の研削工程は、中央帯を滑らかにするために用いられる。このレースの表面形状は、潤滑性能を高める。

概要

背景

[0003]潤滑性能に対する表面テクスチャの影響は、摩擦学的構成部材の設計および使用条件に大いに依存する。転動体軸受レースとの間の接触帯域内に表面テクスチャ加工を施す場合、構成部材の合わせ面間の接触応力はとても高くなる。接触帯域内の表面テクスチャは、潤滑剤の保持を促進することができるが、近傍表面の応力集中も生じる恐れがあり、この応力集中は、表面耐久性に潜在的に有害であることにより、恩恵である潤滑効果(beneficiary lubrication effect)を相殺してしまう。

概要

軸受組立体は、内側レース画定する内側軌道輪(14)と、外側レースを画定する外側軌道輪とを有し、それらの上を複数の転動体(22)が転がる。軸受のレースは、潤滑性能を改善するための好ましい表面形状およびテクスチャを生成するために表面仕上げ作業を用いて機械加工される。レースの形状は、まず、粗面中央帯(34)と、粗面凹状側帯(38)とを含む粗面形状を形成する第1の研削工程を用いて生成される。第2の研削工程は、中央帯を滑らかにするために用いられる。このレースの表面形状は、潤滑性能を高める。

目的

本発明は、第1のレースを画定する第1の軌道輪と、第2のレースを画定する第2の軌道輪とを含む軸受組立体を提供する

効果

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請求項1

軸受組立体であって、内側レース画定する内側軌道輪と、外側レースを画定する外側軌道輪と、前記内側レースおよび前記外側レースと転がり接触する複数の転動体とを備え、前記内側レースおよび前記外側レースの少なくとも一方が、通常作動中に前記複数の転動体と接触する中央領域と、通常作動中に前記複数の転動体と接触しない少なくとも1つの凹状側領域とを含む、軸受組立体。

請求項2

請求項1に記載の軸受組立体において、前記少なくとも1つの凹状側領域が、前記中央領域の表面粗さよりも大きい表面粗さを有する、軸受組立体。

請求項3

請求項2に記載の軸受組立体において、前記少なくとも1つの凹状側領域が、より大きい表面粗さによって潤滑剤の保持を高めることにより、前記軸受組立体の潤滑性能を改善する、軸受組立体。

請求項4

請求項1に記載の軸受組立体において、前記中央領域が2つの凹状側領域間に配置される、軸受組立体。

請求項5

請求項1に記載の軸受組立体において、前記内側レースおよび前記外側レースの両方がそれぞれ、前記中央領域と、前記少なくとも1つの凹状側領域とを含む、軸受組立体。

請求項6

請求項1に記載の軸受組立体において、前記少なくとも1つの凹状側領域と前記中央領域の粗さの比が、1より大きく、約40までの大きさである、軸受組立体。

請求項7

請求項1に記載の軸受組立体において、前記少なくとも1つの凹状側領域が、約0.254マイクロメートル(約10マイクロインチ)から約1.016マイクロメートル(約40マイクロインチ)の平均粗さ値を有する、軸受組立体。

請求項8

請求項7に記載の軸受組立体において、前記中央領域が、約0.1016マイクロメートル(約4マイクロインチ)から約0.254マイクロメートル(約10マイクロインチ)の平均粗さ値を有する、軸受組立体。

請求項9

請求項1に記載の軸受組立体において、前記中央領域が、用途のデューティサイクルに合わせ、前記転動体と、前記中央領域が形成された前記レースとの間の予想最大接触長よりも0%から25%広い幅W1を有する、軸受組立体。

請求項10

請求項9に記載の軸受組立体において、前記少なくとも1つの凹状側領域が、前記中央帯の前記幅W1よりも小さい幅W2を有する、軸受組立体。

請求項11

請求項1に記載の軸受組立体において、前記少なくとも1つの凹状側領域が、前記中央領域の粗さによって画定され、前記中央領域の湾曲に沿って前記少なくとも1つの側領域を通って延長された平均粗さ線から測定される深さDを有し、前記側領域の前記深さDが、前記中央領域内の最大粗さの山から谷高低差よりも大きい、軸受組立体。

請求項12

軸受組立体を形成する方法であって、内側レースを画定する内側軌道と、外側レースを画定する外側軌道とを有する軸受組立体を生成するステップと、前記内側レースおよび前記外側レースの少なくとも一方に粗面形状を形成するために第1の仕上げ作業を実行するステップであって、前記粗面形状が、少なくとも1つの粗面凹状側領域と、粗面中央領域とを含む、ステップと、前記粗面中央領域の粗さを低減し、前記粗面側領域よりも滑らかな中央領域を作製するために第2の仕上げ作業を実行するステップとを含む方法。

請求項13

請求項12に記載の方法において、前記第1の仕上げ作業が第1の研削作業であり、前記第2の仕上げ作業が第2の研削作業である、方法。

請求項14

請求項12に記載の方法において、前記第1の仕上げ作業および前記第2の仕上げ作業の一方が、機械的、電気的、光学レーザー支援、または化学的仕上げ作業からなる群のうちの1つを含む、方法。

請求項15

請求項12に記載の方法において、前記軸受の潤滑性能を改善するために前記少なくとも1つの凹状側領域に潤滑剤を保持するステップをさらに含む、方法。

請求項16

請求項12に記載の方法において、前記中央領域が2つの凹状側領域間に配置される、方法。

請求項17

請求項12に記載の方法において、前記第1の仕上げ作業および前記第2の仕上げ作業が、前記内側レースおよび前記外側レースの両方に対し実行される、方法。

請求項18

請求項12に記載の方法において、前記第2の仕上げ作業を実行するステップが、1より大きく、約40までの大きさの前記少なくとも1つの凹状側領域と前記中央領域との粗さの比を生成する、方法。

請求項19

請求項12に記載の方法において、前記第1の仕上げ作業を実行するステップが、約0.254マイクロメートル(約10マイクロインチ)から約1.016マイクロメートル(約40マイクロインチ)の前記少なくとも1つの粗面凹状側領域上の平均粗さ値を生成する、方法。

請求項20

請求項19に記載の方法において、前記第2の仕上げ作業を実行するステップが、約0.1016マイクロメートル(約4マイクロインチ)から約0.254マイクロメートル(約10マイクロインチ)の前記中央領域上の平均粗さ値を生成する、方法。

技術分野

0001

関連出願
[0001]本出願は、2015年5月15日に出願された米国仮特許出願第61/993,422号の利益を主張するものであり、その内容の全体が、本明細書に参照により組み込まれる。

0002

[0002]本発明は、軸受に関し、より詳細には、軸受のレース(raceway)の表面テクスチャに関する。

背景技術

0003

[0003]潤滑性能に対する表面テクスチャの影響は、摩擦学的構成部材の設計および使用条件に大いに依存する。転動体と軸受のレースとの間の接触帯域内に表面テクスチャ加工を施す場合、構成部材の合わせ面間の接触応力はとても高くなる。接触帯域内の表面テクスチャは、潤滑剤の保持を促進することができるが、近傍表面の応力集中も生じる恐れがあり、この応力集中は、表面耐久性に潜在的に有害であることにより、恩恵である潤滑効果(beneficiary lubrication effect)を相殺してしまう。

課題を解決するための手段

0004

[0004]1つの態様では、本発明は、第1のレースを画定する第1の軌道輪と、第2のレースを画定する第2の軌道輪とを含む軸受組立体を提供する。複数の転動体が、第1および第2のレースと転がり接触する。第1のレースおよび第2のレースの少なくとも一方は、通常作動中に複数の転動体と接触する中央領域と、通常作動中に複数の転動体と直接接触しない少なくとも1つの凹状側領域とを含む。

0005

[0005]別の態様では、本発明は、第1のレースを画定する第1の軌道輪と、第2のレースを画定する第2の軌道輪とを有する軸受組立体を形成する方法を提供する。第1の仕上げ作業は、第1のレースおよび第2のレースの少なくとも一方に粗面形状(rough surface profile)を形成するために実行される。粗面形状は、粗面側領域(rough side region)と、粗面中央領域(rough central region)とを含む。それから、中央領域の粗さが粗面側領域よりも滑らかになるように、第2の仕上げ作業が、中央領域の粗さを低減させるために実行される。

0006

[0006]本発明の他の態様は、詳細な説明および添付の図面を検討することにより明らかになるであろう。

図面の簡単な説明

0007

[0007]本発明を具現化する軸受組立体の、部分的に切り欠かれた斜視図である。
[0008]図1の軸受組立体の断面図である。
[0009]内側レースおよび転動体を図示する、図1の軸受組立体の断片の斜視図である。
[0010]転動体を除いて示された図3の断片の斜視図である。
[0011]最終的な仕上げ作業前の粗さ形状を図示する、図4の断片の概略端面図である。
[0012]最終的な仕上げ作業後の粗さ形状を図示する、図4の断片の概略端面図である。

実施例

0008

[0013]本発明の実施形態を詳細に説明する前に、本発明は、以下の説明に記載された、または以下の図面に図示された構成部材の構築および配置の詳細に、その適用が限定されるものではないことを理解すべきである。本発明は、他の実施形態であり得、様々に実施または履行され得る。

0009

[0014]図1から図3は、様々な軸受の用途において、軸が回転し、力を伝動するように作動可能に軸を支持するために使用することができる軸受組立体10の実施形態を図示する。軸受組立体10は、内側軌道輪14と、外側軌道輪18と、内側軌道輪14と外側軌道輪18との間に位置する複数の転動体または玉22とを含む。複数の転動体22は、保持器またはケージ26によって互いに離間される、または所望の配向で保持されることができる。他の実施形態では、総ころ軸受を提供するのにケージを使用する必要はない。軸受組立体10は、転動体22として玉を有して図示されているが、様々な他の転動体(例えば、円錐ころ円筒ころなど)を有する異なる種類の軸受も使用され得ることを理解すべきである。

0010

[0015]内側軌道輪14は、内側レース30を画定し、外側軌道輪18は、外側レース32を画定し、それらの上を複数の転動体22が転がる。軸受組立体10は、まず、従来の軸受製造工程を用いて生成され、次いで、加熱処理後にレース30、32が表面仕上げ工程を用いてテクスチャ加工される。そのときに軸受のレース30、32は、潤滑性能を改善するための好ましい表面形状およびテクスチャを生成する表面仕上げ作業を用いて機械加工される。

0011

[0016]図3および図4は、ころ接触表面または中央帯または中央領域34と、2つの凹状非接触表面または側帯または側領域38とを有する内側レース30の表面形状を図示する。側帯38は、内側レース30に沿って周方向に延在し、中央帯34を囲む、または挟む。図示された中央帯34は、図示された実施形態における特定の転動体(すなわち玉22)との所望の接触輪郭にしたがって概して湾曲して成形され、軸受組立体10の通常作動中に転動体22と接触する。当業者は、中央帯34の輪郭が、転動体の種類毎に異なることを理解するであろう。側帯38は、中央帯34に対して相対的に(および、まるで中央帯34が、側帯38によって占有されたレース30の領域にわたり同じ曲率で延在しているかのように中央帯34によって画定される輪郭に対して相対的に)レース30に凹陥し、軸受組立体10の通常作動中に、転動体22と通常は直接接触しない。中央帯34は、過度縁応力の形成を回避するために、用途のデューティサイクルに合わせ、転動体22とレース30との間の予想最大接触長42よりも0%から25%広い幅W1(図5)を有する。加えて、中央帯34の幅W1は、球面ころ軸受およびアンギュラ接触玉軸受の用途においてなど、接触角相違の可能性に適応するようにも設計される。各側帯38は、幅W2と、深さD(図5)とを有する。深さDを測定する方法は、以下に説明される。側帯38の幅W2は、中央帯34の幅W1よりも小さく、深さDは、側帯38が、典型的には転動体22と直接接触しない深さである。

0012

[0017]図5および図6は、第2のまたは最終的な仕上げ工程前後の内側レース30の表面粗さ形状を概略的に図示する。図5に図示された最初の粗さ形状は、全体的に粗面形状を作製するために整えられた(dressed)砥石車を使用する第1の仕上げ工程、または粗いプランジ研削作業を用いて生成される。プランジ研削作業は、図5に示された所望の中央の幅W1と、側帯の幅W2と、側帯の深さDとを有する中央帯34および側帯38を伴う表面形状を生成する。側帯の深さDは、中央帯34の粗さによって画定され、中央帯の湾曲に沿って側帯38を通って延長された平均粗さ線46から測定される。側帯の深さDは、中央帯34内の最大粗さの山から谷高低差(maximum roughness peak−to−valley height)よりも大きい。最初の粗さ形状を生成する際に用いられる研削工程は、レース30上の転動体22の進行方向に概して平行に向けられた長手方向の微小溝を作製する。溝にわたって測定された算術平均粗さRa、または二乗平均平方根粗さRqは、側帯38の深さDと同じ程度であるが、それよりも大きくはない。これにより、側帯38内の粗面形状の頂点(peak)が外向きに延在し、それらが転動体22と接触することを防止する。側帯38内のテクスチャは、加えて、または代替え的に、クロスハッチ模様等方性模様、ディンプルが施された模様、または他のテクスチャ加工された模様を含むことができる。

0013

[0018]図6は、最終的な仕上げ工程が完了した後の内側レース30の表面形状を図示する。最終的な仕上げ工程は、中央帯34の表面粗さを大幅に低減する研削および/またはホーニングを含むことができる。最終的な仕上げ工程は、側帯38の表面粗さにはほとんど、または全く影響を及ぼさない。最終的な仕上げ工程後に中央帯34の粗さは、側帯38の粗さよりも著しく小さくなる。より小さい粗さを有する中央帯34、およびより大きい粗さを有する凹状側帯38の形成は、中央帯34内で転動体22とレース30との間に形成される、表面を分離する流体力学潤滑剤膜の厚さを増大させる、または厚くする。側帯38は、潤滑接触範囲側方流動性に影響を及ぼし、全体的な潤滑性能を改善する。

0014

[0019]実働荷重下の転動体軸受で通常見られるような弾性流体潤滑(EHL:elastohydrodynamic lubrication)条件では、接触領域内外への潤滑剤流動の挙動は、複数の要因釣合いに依存する。入口を介し接触領域に入る潤滑剤は、接触領域の中央を通って引き込まれ(entrained)、主として接触領域の出口を通過する。また、潤滑剤の一部は、側方流動または側方漏洩を通じ接触領域を出る。しかしながら、接触領域の周辺における潤滑剤の利用性(availability)または枯渇が、接触領域の中央での潤滑剤膜の形成および厚さを決定する。上述の軸受の表面形状は、側方漏洩が通常発生する場所の周辺における潤滑剤の貯留を提供する。側帯38では転動体22によって、より多くの潤滑剤が運ばれる。それから、この潤滑剤は、遠心効果によって湾曲表面に沿って接触領域の外側で中心帯34へ向かって再指向される。これにより、玉22と中心帯34との間の接触領域の入口での潤滑剤の利用性を改善する。一般的に、凹状側帯38は、EHL側方漏洩帯域直近における潤滑剤の利用性および流動特性を高め、これは、続く接触サイクルのために、EHL接触領域の侵入口での潤滑剤の利用性を改善する。凹状側帯38は、側方漏洩を低減することもでき、それにより、EHL総膜厚を増大させるのを促進する。EHL膜厚の増大により、一般的には、転動体軸受の寿命が延ばされる。

0015

[0020]加えて、転がり接触領域よりむしろ凹状領域に表面テクスチャ加工を施すことにより、表面粗さの有益な潤滑効果が、表面耐久性に潜在的に有害となり得る近傍表面の応力集中を生じる悪影響を及ぼすことなく利用され得る。凹状側帯38の底部の粗さは、接触領域のEHL側方漏洩帯域にさらに有益に影響を及ぼすように技術的に設計される(engineered)ことができる。粗さ特徴部は、接触部の側方漏洩帯域(contact side leakage zones)の周辺におけるポンプ作用を生成し、側方漏洩の挙動に影響を及ぼすことによってこれらの範囲における圧力および潤滑剤の利用性の条件をさらに操作しEHL膜厚全体を補強するために、側帯38に形成されることができる。

0016

[0021]上述の軸受を形成するための工程は、従来の軸受製造工程を用いて軸受組立体10を生成することにより始まる。それから、軸受のレース30に適切な形状を与えるために、砥石車が整えられる。砥石車が準備されると、軸受組立体10は加熱処理され、内側レース30および外側レース32の少なくとも一方に(図5に図示されるような)粗面形状を形成するために、第1の仕上げ作業(例えば粗いプランジ研削)が実行される。粗面形状は、粗面側領域38と、粗面中央領域34とを含む。それから、(図6に図示されるように)中央領域34の粗さを低減する、または滑らかにするために第2の仕上げ作業が実行され、その結果、中央領域34の粗さは、第1の仕上げ作業後の状態よりも滑らか、かつ、側領域38の粗さよりも滑らかになる。例えば、中央帯34の最初の表面粗さ、および凹状側帯38の最終的な表面粗さは、第1の仕上げ作業後に約0.254マイクロメートル(約10マイクロインチ)から約1.016マイクロメートル(約40マイクロインチ)の平均粗さ値を有することができる。中央帯34に対する第2の仕上げ作業後、最終的な中央帯34の表面粗さは、約0.1016マイクロメートル(約4マイクロインチ)から約0.254マイクロメートル(約10マイクロインチ)の平均粗さ値を有することができる。言い換えれば、凹状側帯38と中央帯34との粗さの比は、1より大きく、約10までの大きさである。他の実施形態では、比は、1より大きく、約40までの大きさとすることができる。他の実施形態では、比は、2より大きくすることができる。

0017

[0022]プランジ研削作業によって作り出された最初の粗面形状は、高硬度旋削(hard−turning)、または、軸受の大きさ、および必要な製造量に応じた他の適切な機械加工工程によって作製されることもできる。同様に、最終的な仕上げ作業も、他の適切な機械的、電気的、光学レーザー支援、または化学的工程によって実行され得ることを理解すべきである。一例として、最終的な仕上げ作業は、機械的タンブリング工程によって化学的に補助されることができ、機械的タンブリング工程では、好ましいテクスチャを保護するために側帯38は覆われる。

0018

[0023]加えて、上述の表面形状およびテクスチャを作製する方法は、外側軌道輪14の外側レース32に、または、他の様々な種類の転動体軸受(例えば、球面ころ軸受、円筒ころ軸受円錐ころ軸受など)のいかなるレースにも施され得ることを理解すべきである。

0019

[0024]本発明の様々な特徴および有利性は、以下の特許請求の範囲に記載される。

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