JP4710172B2 - 軸受用寿命試験装置及び軸受の寿命測定方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高振動、衝撃環境下で使用される軸受の耐久性評価を短時間で行って、優れた耐久性を有する軸受設計を行なうために利用する軸受用寿命試験装置及び軸受の寿命測定方法に係り、例えば、クランクシャフト、カムシャフト等、エンジンに組み込まれた各種回転部材、或いはオルタネータ、コンプレッサ、ウォータポンプ等、各種補機類の駆動軸を回転自在に支持するためのラジアル玉軸受の寿命試験を行なうものに関する。
【０００２】
【従来の技術】
高振動、衝撃環境下で使用される軸受の場合、時として設計寿命よりも短期間で寿命が到来し、交換修理を行なう必要が生じる場合がある。例えば、エンジン用補機類の場合には、回転軸の中間部で駆動用の無端ベルトが掛け渡される従動プーリに近い部分を支持した、フロント側のラジアル玉軸受が早期破損する事例が報告されている。
【０００３】
この様な早期破損の多くは、外輪軌道、或いは内輪軌道表面の剥離として発生し、著しい振動を伴う。特に、近年はエンジンの高出力化に伴って、無端ベルトの張力を増大させる傾向があり、ラジアル玉軸受に加わる荷重が大きくなっているため、早期破損が増大し易い条件となっている。この様な早期破損を防止するためには、実際に早期破損が発生する状態を再現しつつ、軸受諸元の設計を行なう必要がある。
【０００４】
このため、例えば特開平9-89724号公報のように、短時間で早期破損の再現試験を行なうための軸受寿命試験装置が提案されている。
この軸受用寿命試験装置は、回転軸と、この回転軸と平行に設けられてモータにより回転駆動される駆動軸と、この駆動軸に固定された駆動プーリと、回転軸の一端部に固定された従動プーリと、この従動プーリと前記駆動プーリとに掛け渡された無端ベルトと、前記回転軸の他端部を回転自在に支持するサポート軸受と、このサポート軸受を高剛性で支持する第一ハウジングと、前記回転軸の中間部を回転自在に支持する試験軸受と、この試験軸受を低剛性で支持する第二ハウジングと、前記無端ベルトから前記回転軸を介して第一及び第二ハウジングに加えられる荷重を測定する荷重測定手段とを備えている。
【０００５】
上記構成の軸受用寿命試験装置は、試験軸受の寿命試験を、実際の運転状態に合致させて行なえる。すなわち、第二ハウジングによる試験軸受の支持剛性が低いため、無端ベルトの張力に基づいて従動プーリに加えられるラジアル荷重により、回転軸に曲げ応力が加わる。
そして、この曲げ応力と無端ベルトから加えられるラジアル荷重とによって前記試験軸受に、実際の使用状態に則した複雑な力が加わる。そして、この力によって早期剥離等の損傷が発生する。
【０００６】
この様に、試験軸受を実際の使用条件に則した状態に設置できるので、負荷荷重や回転速度を実際の使用状態に則した値にして、信頼性の高い寿命試験を実施できる。これに伴い、軸受用寿命試験装置の共振周波数に見合う回転数で運転できるため、共振に基づいて発生する大きな振動が、軸受の寿命に及ぼす影響に就いても試験できる様になる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、昨今、実機にて使用されている転がり軸受は、製品（実機）の高機能、高出力に伴いさまざまな改良がなされているが、改良した転がり軸受について定速回転で寿命評価を行なうと、軸受の使用条件に優劣をつけにくく、評価時間が長くなってコストが増大するという問題がある。
【０００８】
すなわち、高振動、衝撃環境下で使用される軸受を調査した結果、軸受に白色の組織変化が発生していることが確認された。この白色の組織変化は、一つとして試験軸受の転動体と内外輪との軌道面に発生する「滑り」が大きく影響していることが確認された。
より具体的に説明すると、エンジンの出力軸からの動力が入力するエンジン補機用のオルタネータ軸受は、エンジンのクランク機構が存在しているので、一回転当たりの回転ムラにより滑りが発生し、定速回転する軸受と比較して転動面に前述した白色の組織変化や剥離が生じるなどの苛酷な使用条件となる。このような軸受の滑りの発生による白色の組織変化や剥離の防止対策として、例えばダンパー効果が高いＭグリースを使用することで転動体の滑りを緩和する等の改良が行なわれている。
【０００９】
反面、このような軸受の寿命評価を行なうために、試験軸受を定速回転させて寿命評価を行なう技術を採用すると、例えば５０００時間経っても寿命に達しないなど、寿命評価に優劣をつけにくいばかりか、評価時間が長くなってコストが大幅にかかってしまう。
なお、試験片（試験軸受）の数を少なくして評価時間に費やす時間を短くすることも考えられるが、このように試験片の数を少なくすると評価精度が落ちてしまう。
【００１０】
上述した滑りが発生する条件下で使用する転がり軸受の寿命評価を、特開平09-89724号公報の軸受寿命試験装置で行なう場合には、インバーター等の速度制御器の電圧を制御して試験軸受の回転速度を変化させ、試験軸受に滑りを発生させることができる。しかし、この軸受寿命試験装置は、回転速度差を与えるために一定時間のタイムラグが発生するので現状の軸受の環境とは異なり、瞬時に回転速度差を大きくすることで滑りを発生させ寿命を評価したいという現状の軸受の寿命評価装置としては不十分である。
【００１１】
そこで、本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、例えば、自動車用電装補機として用いられるオルタネータやアイドラプーリ等で使用される転がり軸受内に滑りが発生する条件下での試験が可能となり、この試験装置を用いることで、滑り発生領域での寿命評価法の確立、安定性、高信頼性を得ることにより転がり軸受の長寿命を図ることができる軸受用寿命試験装置及び軸受の寿命測定方法を提供することを目的としている。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本願発明者等は、実機で使用されている様々な軸受の転動面についての調査及びコンピュータによるデータ解析等の検討を重ねた結果、軸受の転動体と内外輪の転動面に発生する回転速度の違い(回転速度差)により発生する「滑り」の関係が、早期破損に起因し軸受寿命に大きく影響することを見出した。
【００１３】
また、試験軸受に滑りを発生させる装置としてユニバーサルジョイントに着目し、このユニバーサルジョイントを組み込んだ転がり軸受寿命試験装置とすることで、滑りが発生する条件下で使用される転がり軸受の寿命評価を確立し、本発明を完成するに至った。
図５から図８に示すものは、本発明の軸受寿命試験装置に採用するユニバーサルジョイントを説明する図である。
【００１４】
図５に示すユニバーサルジョイント１は、連結棒２と、この連結棒２の一端と回転入力側を連結している入力側ジョイント部３と、連結棒２の他端と回転出力側を連結している出力側ジョイント部４とで構成されている。入力側ジョイント部３は、回転入力側の回転軸Ｒ１と連結棒２の一端側の回転軸Ｒ２とが互いに直交しており、出力側ジョイント部４は、前記連結棒２の一端側の回転軸Ｒ２と平行な連結棒２の他端側の回転軸Ｒ４と、回転出力側の回転軸Ｒ３とが互いに直交している。
【００１５】
このユニバーサルジョイント１の入力側から出力側への回転速度の変化は、図６に示すように、入力側ジョイント部３は、入力側からの一定の回転速度（符号Ａ）の入力に対して符号Ｂのようにサインカーブで変化する出力となる。出力側ジョイント部４は、入力側ジョイント部３の位相に対して９０°ずれているので、入力側ジョイント部３から破線で示す符号Ｃのサインカーブが入力し、出力Ｄは、入力側ジョイント部３の入力Ａと同一の一定の出力となる。
【００１６】
図５のユニバーサルジョイント２に対して、図７で示すユニバーサルジョイント５は、連結棒６の一端と回転入力側を連結している入力側ジョイント部７と、連結棒６の他端と回転出力側を連結している出力側ジョイント部８で構成されている。そして、入力側ジョイント部７は、回転入力側の回転軸Ｒ５と連結棒６の一端側の回転軸Ｒ６とが互いに直交しており、出力側ジョイント部８は、前記連結棒６の一端側の回転軸Ｒ６に対して回転方向において９０°交差して設けた連結棒６の他端側の回転軸Ｒ７と、回転出力側の回転軸Ｒ８とが互いに直交している。
【００１７】
図７のユニバーサルジョイント５の入力側から出力側への回転速度の変化は、図８に示すように、入力側ジョイント部７は、入力側からの一定の回転速度（符号Ａ）の入力に対して符号Ｂのようにサインカーブで変化する出力となる。出力側ジョイント部８は、入力側ジョイント部７と同位相の結合となっているので、入力側ジョイント部７からのサインカーブの入力変化が加算され、太線の符号Ｅで示すように回転速度の差が大きいサインカーブの出力となる。
【００１８】
そこで、図７で示すユニバーサルジョイント５を、本発明に係る転がり軸受寿命試験装置の回転駆動源と、試験軸受を回転させる主軸との間に結合すると、回転駆動源から出力した定速の回転力が、ユニバーサルジョイント５への伝達により回転速度の差が大きい出力として瞬時に主軸に伝達され、試験軸受の転動体と内外輪との軌道面に、滑りを発生させることができる。
【００１９】
このように、入力側及び出力側に配置したジョイント部の結合方法を、両ジョイントを結合する連結棒に対し、同一回転方向に対で同位相になるように結合し、その出力軸の動力を伝達し、試験軸受の主軸を駆動するようにした。
したがって、本願の請求項１記載の軸受用寿命試験装置は、主軸と、この主軸と平行に設けられてモータにより回転駆動される駆動軸と、この駆動軸に固定された駆動プーリと、前記主軸に固定された従動プーリと、この従動プーリと前記駆動プーリとに掛け渡された無端ベルトと、前記駆動軸を回転自在に支持するサポート軸受と、前記主軸を回転自在に支持する試験軸受と、前記主軸の回転速度を測定する回転速度測定手段と、前記駆動軸と前記モータとの間に連結されて前記モータの回転駆動力を前記駆動軸に伝達するユニバーサルジョイントとを備え、前記ユニバーサルジョイントは、連結棒と、この連結棒及び前記モータ側を結合する入力側ジョイント部と、前記連結棒及び前記駆動軸を結合する出力側ジョイント部とを備え、前記入力側ジョイント部及び前記出力側ジョイント部の結合方向を、前記連結棒に対して同一回転方向に同位相となるようにした。
【００２０】
このように、入力側及び出力側に配置したジョイント部の結合方法を、両ジョイントを結合する連結棒に対し、同一回転方向に対で同位相になるように結合し、その出力軸の動力を伝達し、試験軸受の主軸を駆動するようにした。
したがって、本願の請求項１記載の軸受用寿命試験装置は、主軸と、この主軸と平行に設けられてモータにより回転駆動される駆動軸と、この駆動軸に固定された駆動プーリと、前記主軸に固定された従動プーリと、この従動プーリと前記駆動プーリとに掛け渡された無端ベルトと、前記駆動軸を回転自在に支持するサポート軸受と、前記主軸を回転自在に支持する試験軸受と、前記主軸の回転速度を測定する回転速度測定手段と、前記駆動軸と前記モータとの間に連結されて前記モータの回転駆動力を前記駆動軸に伝達するユニバーサルジョイントとを備え、前記ユニバーサルジョイントは、連結棒と、この連結棒及び前記モータ側を結合する入力側ジョイント部と、前記連結棒及び前記駆動軸を結合する出力側ジョイント部とを備え、前記連結棒の前記入力ジョイント部側の回転軸と、前記出力ジョイント部側の回転軸は、回転方向において９０°交差して設けられている。
【００２１】
この請求項２記載の発明によると、モータから伝達される入力回転速度が一定であっても、駆動軸と連結棒がなす角度を変化させることで回転速度差が増減するので、試験軸受の寿命に影響を及ぼす滑りの状態を変化させることが可能となる。
また、請求項３記載の発明は、請求項１、又は２記載の軸受用寿命試験装置において、前記サポート軸受を高剛性で支持する第一ハウジングと、前記試験軸受を低剛性で支持する第二ハウジングと、前記無端ベルトから前記回転軸を介して前記第一、第二ハウジングに加えられる荷重を測定する荷重測定手段を備えるようにした。
【００２２】
この請求項３記載の発明によると、試験軸受を支持している第二ハウジングの支持剛性が低いので、無端ベルトの張力に基づいて従動プーリに加わるラジアル荷重により主軸に曲げ応力が加わるが、この曲げ応力と無端ベルトから加えられるラジアル荷重とが合わさった実際の使用状態に則した複雑な力により早期剥離等の損傷の影響を知ることができ、さらに信頼性の高い寿命試験が実施できる。
【００２３】
また、請求項４記載の軸受の寿命測定方法は、モータの回転駆動力を、ユニバーサルジョイントを介してサポート軸受に回転自在に支持された駆動軸に伝達し、この駆動軸に伝達された回転力を、この駆動軸に固定された駆動プーリと、駆動軸に平行に設けられた主軸に固定された従動プーリと、これら従動プーリ及び駆動プーリに掛け渡された無端ベルトとを介して前記主軸を回転自在に支持する試験軸受に伝達し、回転速度測定手段により前記主軸の回転速度を測定しながら前記試験軸受の寿命を測定する方法において、前記ユニバーサルジョイントは、連結棒と、この連結棒及び前記モータ側を結合する入力側ジョイント部と、前記連結棒及び前記駆動軸を結合する出力側ジョイント部とを備え、連結棒の前記入力ジョイント部側の回転軸と、前記出力ジョイント部側の回転軸を、回転方向において９０°交差して設けて前記試験軸受に滑りを発生させて寿命を測定するようにした。
【００２４】
この請求項４記載の発明によると、試験軸受を実際の使用状態に則した状態にして軸受の寿命を測定することができる。
また、請求項５記載の発明は、請求項４記載の軸受の寿命測定方法において、前記駆動軸の軸線に対して前記連結棒の軸線が所定の角度をなすように、前記出力側ジョイント部が前記連結棒及び前記駆動軸を傾きを持って結合した状態で前記試験軸受の寿命を測定するようにした。
【００２５】
この請求項５記載の発明によると、試験軸受の寿命に影響を及ぼす滑りの状態を変化させることが可能となるので、さらに試験軸受を実際の使用状態に則した状態にして軸受の寿命を高精度に測定することができる。
また、請求項６記載の発明は、請求項４、又は５記載の軸受の寿命測定方法において、前記サポート軸受を高剛性で支持する第一ハウジングと、前記試験軸受を低剛性で支持する第二ハウジングと、前記無端ベルトから前記回転軸を介して前記第一、第二ハウジングに加えられる荷重を測定する荷重測定手段を備えて前記試験軸受の寿命を測定するようにした。
【００２６】
この請求項６記載の発明によると、早期剥離等の損傷の影響を知ることができ、さらに信頼性の高い軸受の寿命測定方法を提供することができる。
【００３６】
【発明の実施の形態】
図１〜図４は、本発明に係る転がり軸受用寿命試験装置の１実施形態を示している。なお、図７に示した構成と同一構成部分には、同一符号を付してその説明を省略する。
本実施形態の装置は、テーブル状の架台１２の上側に、主軸１４が水平方向に配置され、架台１２の下側に、駆動軸１６が主軸１４と平行に配置されている。
駆動軸１６の一端と、この駆動軸１６に対し水平に配置したモータ１８の出力軸１８ａとの間にユニバーサルジョイント５が連結しており、モータ１８の回転駆動によりユニバーサルジョイント５を介して駆動軸１６が回転する。
【００３７】
駆動軸１６の他端には駆動プーリ２２が固定され、主軸１４の開放端部に従動プーリ２４が固定されている。従動プーリ２４及び駆動プーリ２２には外周面に複数のＶ溝を形成したポリＶプーリが固着されており、これらポリＶプーリのＶ溝に、内周面に形成したＶ突条が係合したポリＶベルトからなる無端ベルト２６が掛け渡されている。
【００３８】
架台１２上には、Ｌ字形のアーム２８が固定されている。このＬ字形アーム２８は、図２に示すように、架台１２上に固定されている固定部３０と、この固定部３０のから水平方向に延在している水平支持部３２とで構成されており、水平支持部３２上にケーシング３４が固定されている。
水平支持部３２には貫通孔３６が形成されており、この貫通孔３６の内面に、前述した主軸１４の軸線に対して平行に延在する符号Ｆの方向及び符号Ａの方向に対して直交する上下方向の４箇所に、本発明の荷重測定手段に相当する歪ゲージ３８ａ〜３８ｄが添着されている。これら各歪ゲージ３８ａ〜３８ｄの検出信号は、図示しない導線により演算器を含む制御器に入力されている。演算器は、各歪ゲージ３８ａ〜３８ｄから送り込まれる検出信号により、水平支持部３２が支承する荷重を算出する。
【００３９】
前述したケーシング３４は、鉄、アルミニウム等の金属材料により形成されており、十分な厚さ寸法を有する本発明の第一ハウジングに相当する第１支持壁３６と、この第１支持壁３６と比較して薄肉の第二支持壁３８とを有し、これら第一、第二支持壁３６、３８は、水平方向に離間してそれぞれ鉛直方向に延在している。そして、第一支持壁３６に形成した円形孔４２にサポート軸受４４の外輪が内嵌され、このサポート軸受４４の内輪が主軸１４に外嵌され、主軸１４の一端側が第一支持壁３６に回転自在に支持されている。
【００４０】
前記第二支持壁３８の外側面（図２の左側面）は、その一部のみが外方（図２の左方）に突出した突出部３８ａを設けている。そして、この突出部３８ａに、円環状の第二ハウジング４６の円周方向の一部を、複数本のボルトにより結合固定している。この第二ハウジング４６の内側に、寿命試験を行なうべき試験軸受４８の外輪４８ａが内嵌されている。
【００４１】
そして、試験軸受４８を構成する内輪を主軸１４の中間部に外嵌固定することにより、この主軸１４の軸方向の中間部が第二ハウジング４６に回転自在に支持されている。ここで、第二ハウジング４６の上面に振動ピックアップ５０を設けることで、試験軸受４８の振動を検出自在としている。
なお、円周方向の一部のみを薄肉の第二支持壁３８に固定した第二ハウジング４６の支持剛性は、第一支持壁３６の支持剛性に比べて低い。従って、無端ベルト２６から従動プーリ２４を介して主軸１４に加わるラジアル荷重に基づき、その主軸１４には、図２の左端部が下降する方向の曲げ応力が加わる。
【００４２】
前記駆動軸１６は、図３にも示すように、支持ボックス５２内に配設した軸受５４，５６により回転自在に支持されており、駆動軸１６に連結した出力側ジョイント部８と、モータ１８の出力軸１８ａに連結した入力側ジョイント部７と、これら入、出力側ジョイント部７，８との間に連結した連結棒６とからなるユニバーサルジョイント５を介してモータ１８の回転力が駆動軸１６に伝達されるようになっている。
【００４３】
図７で説明したように、ユニバーサルジョイント５を、モータ１８と試験軸受４８を回転させる主軸１４との間に、出力側ジョイント部８と入力側ジョイント部７の結合方向が連結棒６に対して同一回転方向に対で同位相となるように結合したので、モータ１８から出力した定速の回転力が、回転速度の差が大きい出力として主軸１４に伝達され、試験軸受４８の転動体と内外輪との軌道面に滑りを発生させることができる。
【００４４】
上記構成の軸受用寿命試験装置によれば、試験軸受４８を負荷荷重や回転速度にムラがある実際の使用状態に則した値にして、信頼性の高い寿命試験を実施できる。これに伴い、試験軸受４８に発生する「滑り」を発生させることで、市場に沿った条件で軸受の寿命に及ぼす影響に就いても試験できる様になる。すなわち、エンジン用の補機等は軸受内に滑りが生じ、この滑りが軸受の寿命に影響を及ぼすものと考えられるが、本実施形態の試験装置の場合には、駆動軸１６とモータ１８の出力軸１８ａとの間にユニバーサルジョイント５を連結することで、主軸１４に対する回転ムラが生じる滑りが生じ、上記影響を知ることができる。
【００４５】
また、主軸１４の中間部に設けた試験軸受４８を支持している第二ハウジング４６の支持剛性が低いので、無端ベルト２６の張力に基づいて従動プーリ２４に加わるラジアル荷重により、主軸１４に曲げ応力が加わる。そして、この曲げ応力と無端ベルト２６から加えられるラジアル荷重とが合わさって、試験軸受４８に対する実際の使用状態に則した複雑な力が加わるので、この力によって早期剥離等の損傷の影響を知ることができ、信頼性の高い寿命試験を実施できる。
【００４６】
次に、図１から図３に示した転がり軸受用寿命試験装置を用いて試験を行なう際の試験条件について説明する。
実験には、呼び番号６３０３の深溝型玉軸受（外径＝４７mm、内径＝１７mm、幅＝１４mm）を試験軸受４８として使用する。また、図２に示すように、主軸１４の従動プーリ２４より先端側に歯車６０を固定し、その歯車の回転速度を速度センサ（図示せず）で測定するようにした。試験軸受４８に加わるラジアル荷重は１．３２kＮ、Ｐ／Ｃ（動等価荷重／基本動定格荷重）は０．１０とし、モータ１８からユニバーサルジョイント５の連結棒６に伝達される入力回転速度を３０００ｒｐｍ、６０００ｒｐｍ、１００００ｒｐｍの３条件とした。そして、図３に示すように、ユニバーサルジョイント５の駆動軸１６に連結した出力側ジョイント部８の取付け角度θ（駆動軸１６の軸線Ｐ１の延長線と連結棒６の軸線Ｐ２とのなす角度）を５°、１０°、１５°の３条件とし、入力回転速度及び取付け角度を変化させた場合の前記歯車の回転速度を測定した結果を表１に示す。なお、表１には、ユニバーサルジョイントを備えていない従来の装置（取付け角度が０°）の回転速度も参考のために示した。
【００４７】
【表１】
【００４８】
表１から明らかなように、ユニバーサルジョイント５を備えていない装置と比較して、ユニバーサルジョイント５を備えた本実施形態の装置は、回転速度の差（速度差）が生じる。また、その速度差は、取付け角度θが大きくなるにつれて大きくなる傾向を示した。また、入力回転数を３０００ｒｐｍから１００００ｒｐｍに上げるにつれ、その値は比例関係で増加する傾向を示した。
【００４９】
次に、上記試験条件下での寿命結果を表２に示す。
この試験では、試験温度を５０℃、計算寿命を１１３０Ｈｒ、５６５Ｈｒ、３４０Ｈとした。寿命の判定は、振動ピックアップ５０で測定した試験軸受４８の振動値が、初期振動値の２倍となった時点で試験を中断し、試験軸受４８の軌道面の剥離の有無を確認することで行った。最長試験時間は、ＪＩＳの定められた疲れ寿命によって求められた３０００ｒｐｍの計算寿命の約４倍とし、その値は、５０００Ｈｒ、以後の試験は打ち切りとした。
【００５０】
そして、ワイブル分布関数により、１０個の試験軸受４８のうち短寿命側から１０％の試験軸受４８に剥離が発生するまでの総回転時間を求め、これを寿命とした。また、今回の試験軸受４８の材料にはＳＵＪ２を用い、内外輪及び転動体には各々通常の加工と熱処理を施した。各試験軸受４８の表面硬さはＨＲＣ５８〜６４の範囲であり、残留オーステナイト量は０〜２９％、表面粗さは、内外輪の転走面の表面粗さが０．０１〜０．０４μｍＲａの範囲内であり、転動体の転動面の表面粗さが０．０５〜０．１０μｍＲａの範囲内である。
【００５１】
グリースとしては、基油としてエーテル系合成油を、増ちょう剤としてウレアをそれぞれ使用したダンパ効果が高いＭグリースを使用した。この理由は、今日、寿命評価が困難な試験軸受４８を対象として行った。封入量は、空間容積に対する規定量のＥグリースを封入した軸受を用いた。なお、本装置の第二ハウジング４６の材質は、アルミニウムである。
【００５２】
【表２】
【００５３】
表２の寿命結果から、まずユニバーサルジョイントが存在しない試験装置では、試験軸受は剥離に至らず、それぞれの回転数で求められるＪＩＳの計算寿命に対して、約４〜１５倍の寿命結果を示した。しかも、ユニバーサルジョイントがない条件では、回転数には影響なく優位差が得られなかった。
一方、ユニバーサルジョイント５が存在する場合には、ユニバーサルジョイントが無い条件と比較して、打ち切り時間として設定した５０００Ｈｒには至らず、どの条件でも剥離に至った。また、その剥離した試験軸受４８の調査を行った結果、すべてにおいて白色の組織変化の発生を伴っている。
【００５４】
したがって、入力回転速度が一定であっても、取付け角度θを変化させることで速度差（回転速度のムラ）が増減するので、試験軸受４８の寿命に影響を及ぼす滑りを増減させることができる。
次に、前述の表２の結果を図４に示す。この図４は、横軸を、それぞれの条件で生じている回転速度の差（速度差）とし、縦軸を、試験軸受４８の寿命値として速度差と寿命値の関係を示した。
【００５５】
この図４から明らかなように、速度差が無い場合(＝０min-1)の試験軸受４８の寿命が５０００Ｈｒ（符号Ｇの◆印）であるものとすると、速度差が２３〜４６min-1になると、寿命が約１／２（符号Ｈ，Ｉの◆印：約２７００〜２８００Ｈｒ）まで低下するので、寿命評価時間の短縮を図って安定した寿命評価を行なうことができる。また、実際の使用状態に則した様々な条件で多数の試験軸受の試験を行なっても寿命評価時間が短くなるので、試験コストを低減できるとともに、試験軸受の評価精度も向上させることができる。
【００５６】
ここで、速度差が７５min-1以上になると寿命値が変化しないことから、速度差を７５min-1以上とするのが好ましい。
なお、本発明の軸受用寿命試験装置は、上述の実験に使用した深溝型玉軸受の寿命試験に限らず、アンギュラ玉軸受、円筒ころ軸受、円錐ころ軸受等、他の転がり軸受の寿命試験にも使用できる。
【００５７】
【発明の効果】
本発明によると、試験軸受の滑り発生領域での寿命評価法の確立、安定性、高信頼性を得ることにより、軸受の長寿命を図ることができる軸受用寿命試験装置及び軸受の寿命測定方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係る軸受用寿命試験装置の全体を示す図である。
【図２】 本発明に係る軸受用寿命試験装置における試験軸受の周囲の構造を示す図である。
【図３】 本発明に係る軸受用寿命試験装置の構成部材であるモータ、ユニバーサルジョイント及び駆動軸の周囲の構造を示す図である。
【図４】 本発明に係る回転速度差と軸受寿命の関係を示す図である。
【図５】 本発明と異なる構造のユニバーサルジョイントの構造を示す図である。
【図６】 図５のユニバーサルジョイントの入力側から出力側への回転速度の変化を示すグラフである。
【図７】 本発明で採用しているユニバーサルジョイントの構造を示す図である。
【図８】 図７で示した本発明で採用しているユニバーサルジョイントの入力側から出力側への回転速度の変化を示すグラフである。
【符号の説明】
５ ユニバーサルジョイント
６ 連結棒
７ 入力側ジョイント部
８ 出力側ジョイント部
１２ 架台
１４ 主軸
１６ 駆動軸
１８ モータ
１８ａ 出力軸
２２ 駆動プーリ
２４ 従動プーリ
２６ 無端ベルト
３４ ケーシング
３６ 支持壁
３６ 第一支持壁
３６ 第二支持壁
３８ａ〜３８ｄ 歪ゲージ（荷重測定手段）
３８ 第二支持壁
４６ 第二ハウジング
４８ 試験軸受
５０ 振動ピックアップ
６０ 歯車
θ 取付け角度
【発明の属する技術分野】
本発明は、高振動、衝撃環境下で使用される軸受の耐久性評価を短時間で行って、優れた耐久性を有する軸受設計を行なうために利用する軸受用寿命試験装置及び軸受の寿命測定方法に係り、例えば、クランクシャフト、カムシャフト等、エンジンに組み込まれた各種回転部材、或いはオルタネータ、コンプレッサ、ウォータポンプ等、各種補機類の駆動軸を回転自在に支持するためのラジアル玉軸受の寿命試験を行なうものに関する。
【０００２】
【従来の技術】
高振動、衝撃環境下で使用される軸受の場合、時として設計寿命よりも短期間で寿命が到来し、交換修理を行なう必要が生じる場合がある。例えば、エンジン用補機類の場合には、回転軸の中間部で駆動用の無端ベルトが掛け渡される従動プーリに近い部分を支持した、フロント側のラジアル玉軸受が早期破損する事例が報告されている。
【０００３】
この様な早期破損の多くは、外輪軌道、或いは内輪軌道表面の剥離として発生し、著しい振動を伴う。特に、近年はエンジンの高出力化に伴って、無端ベルトの張力を増大させる傾向があり、ラジアル玉軸受に加わる荷重が大きくなっているため、早期破損が増大し易い条件となっている。この様な早期破損を防止するためには、実際に早期破損が発生する状態を再現しつつ、軸受諸元の設計を行なう必要がある。
【０００４】
このため、例えば特開平9-89724号公報のように、短時間で早期破損の再現試験を行なうための軸受寿命試験装置が提案されている。
この軸受用寿命試験装置は、回転軸と、この回転軸と平行に設けられてモータにより回転駆動される駆動軸と、この駆動軸に固定された駆動プーリと、回転軸の一端部に固定された従動プーリと、この従動プーリと前記駆動プーリとに掛け渡された無端ベルトと、前記回転軸の他端部を回転自在に支持するサポート軸受と、このサポート軸受を高剛性で支持する第一ハウジングと、前記回転軸の中間部を回転自在に支持する試験軸受と、この試験軸受を低剛性で支持する第二ハウジングと、前記無端ベルトから前記回転軸を介して第一及び第二ハウジングに加えられる荷重を測定する荷重測定手段とを備えている。
【０００５】
上記構成の軸受用寿命試験装置は、試験軸受の寿命試験を、実際の運転状態に合致させて行なえる。すなわち、第二ハウジングによる試験軸受の支持剛性が低いため、無端ベルトの張力に基づいて従動プーリに加えられるラジアル荷重により、回転軸に曲げ応力が加わる。
そして、この曲げ応力と無端ベルトから加えられるラジアル荷重とによって前記試験軸受に、実際の使用状態に則した複雑な力が加わる。そして、この力によって早期剥離等の損傷が発生する。
【０００６】
この様に、試験軸受を実際の使用条件に則した状態に設置できるので、負荷荷重や回転速度を実際の使用状態に則した値にして、信頼性の高い寿命試験を実施できる。これに伴い、軸受用寿命試験装置の共振周波数に見合う回転数で運転できるため、共振に基づいて発生する大きな振動が、軸受の寿命に及ぼす影響に就いても試験できる様になる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、昨今、実機にて使用されている転がり軸受は、製品（実機）の高機能、高出力に伴いさまざまな改良がなされているが、改良した転がり軸受について定速回転で寿命評価を行なうと、軸受の使用条件に優劣をつけにくく、評価時間が長くなってコストが増大するという問題がある。
【０００８】
すなわち、高振動、衝撃環境下で使用される軸受を調査した結果、軸受に白色の組織変化が発生していることが確認された。この白色の組織変化は、一つとして試験軸受の転動体と内外輪との軌道面に発生する「滑り」が大きく影響していることが確認された。
より具体的に説明すると、エンジンの出力軸からの動力が入力するエンジン補機用のオルタネータ軸受は、エンジンのクランク機構が存在しているので、一回転当たりの回転ムラにより滑りが発生し、定速回転する軸受と比較して転動面に前述した白色の組織変化や剥離が生じるなどの苛酷な使用条件となる。このような軸受の滑りの発生による白色の組織変化や剥離の防止対策として、例えばダンパー効果が高いＭグリースを使用することで転動体の滑りを緩和する等の改良が行なわれている。
【０００９】
反面、このような軸受の寿命評価を行なうために、試験軸受を定速回転させて寿命評価を行なう技術を採用すると、例えば５０００時間経っても寿命に達しないなど、寿命評価に優劣をつけにくいばかりか、評価時間が長くなってコストが大幅にかかってしまう。
なお、試験片（試験軸受）の数を少なくして評価時間に費やす時間を短くすることも考えられるが、このように試験片の数を少なくすると評価精度が落ちてしまう。
【００１０】
上述した滑りが発生する条件下で使用する転がり軸受の寿命評価を、特開平09-89724号公報の軸受寿命試験装置で行なう場合には、インバーター等の速度制御器の電圧を制御して試験軸受の回転速度を変化させ、試験軸受に滑りを発生させることができる。しかし、この軸受寿命試験装置は、回転速度差を与えるために一定時間のタイムラグが発生するので現状の軸受の環境とは異なり、瞬時に回転速度差を大きくすることで滑りを発生させ寿命を評価したいという現状の軸受の寿命評価装置としては不十分である。
【００１１】
そこで、本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、例えば、自動車用電装補機として用いられるオルタネータやアイドラプーリ等で使用される転がり軸受内に滑りが発生する条件下での試験が可能となり、この試験装置を用いることで、滑り発生領域での寿命評価法の確立、安定性、高信頼性を得ることにより転がり軸受の長寿命を図ることができる軸受用寿命試験装置及び軸受の寿命測定方法を提供することを目的としている。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本願発明者等は、実機で使用されている様々な軸受の転動面についての調査及びコンピュータによるデータ解析等の検討を重ねた結果、軸受の転動体と内外輪の転動面に発生する回転速度の違い(回転速度差)により発生する「滑り」の関係が、早期破損に起因し軸受寿命に大きく影響することを見出した。
【００１３】
また、試験軸受に滑りを発生させる装置としてユニバーサルジョイントに着目し、このユニバーサルジョイントを組み込んだ転がり軸受寿命試験装置とすることで、滑りが発生する条件下で使用される転がり軸受の寿命評価を確立し、本発明を完成するに至った。
図５から図８に示すものは、本発明の軸受寿命試験装置に採用するユニバーサルジョイントを説明する図である。
【００１４】
図５に示すユニバーサルジョイント１は、連結棒２と、この連結棒２の一端と回転入力側を連結している入力側ジョイント部３と、連結棒２の他端と回転出力側を連結している出力側ジョイント部４とで構成されている。入力側ジョイント部３は、回転入力側の回転軸Ｒ１と連結棒２の一端側の回転軸Ｒ２とが互いに直交しており、出力側ジョイント部４は、前記連結棒２の一端側の回転軸Ｒ２と平行な連結棒２の他端側の回転軸Ｒ４と、回転出力側の回転軸Ｒ３とが互いに直交している。
【００１５】
このユニバーサルジョイント１の入力側から出力側への回転速度の変化は、図６に示すように、入力側ジョイント部３は、入力側からの一定の回転速度（符号Ａ）の入力に対して符号Ｂのようにサインカーブで変化する出力となる。出力側ジョイント部４は、入力側ジョイント部３の位相に対して９０°ずれているので、入力側ジョイント部３から破線で示す符号Ｃのサインカーブが入力し、出力Ｄは、入力側ジョイント部３の入力Ａと同一の一定の出力となる。
【００１６】
図５のユニバーサルジョイント２に対して、図７で示すユニバーサルジョイント５は、連結棒６の一端と回転入力側を連結している入力側ジョイント部７と、連結棒６の他端と回転出力側を連結している出力側ジョイント部８で構成されている。そして、入力側ジョイント部７は、回転入力側の回転軸Ｒ５と連結棒６の一端側の回転軸Ｒ６とが互いに直交しており、出力側ジョイント部８は、前記連結棒６の一端側の回転軸Ｒ６に対して回転方向において９０°交差して設けた連結棒６の他端側の回転軸Ｒ７と、回転出力側の回転軸Ｒ８とが互いに直交している。
【００１７】
図７のユニバーサルジョイント５の入力側から出力側への回転速度の変化は、図８に示すように、入力側ジョイント部７は、入力側からの一定の回転速度（符号Ａ）の入力に対して符号Ｂのようにサインカーブで変化する出力となる。出力側ジョイント部８は、入力側ジョイント部７と同位相の結合となっているので、入力側ジョイント部７からのサインカーブの入力変化が加算され、太線の符号Ｅで示すように回転速度の差が大きいサインカーブの出力となる。
【００１８】
そこで、図７で示すユニバーサルジョイント５を、本発明に係る転がり軸受寿命試験装置の回転駆動源と、試験軸受を回転させる主軸との間に結合すると、回転駆動源から出力した定速の回転力が、ユニバーサルジョイント５への伝達により回転速度の差が大きい出力として瞬時に主軸に伝達され、試験軸受の転動体と内外輪との軌道面に、滑りを発生させることができる。
【００１９】
このように、入力側及び出力側に配置したジョイント部の結合方法を、両ジョイントを結合する連結棒に対し、同一回転方向に対で同位相になるように結合し、その出力軸の動力を伝達し、試験軸受の主軸を駆動するようにした。
したがって、本願の請求項１記載の軸受用寿命試験装置は、主軸と、この主軸と平行に設けられてモータにより回転駆動される駆動軸と、この駆動軸に固定された駆動プーリと、前記主軸に固定された従動プーリと、この従動プーリと前記駆動プーリとに掛け渡された無端ベルトと、前記駆動軸を回転自在に支持するサポート軸受と、前記主軸を回転自在に支持する試験軸受と、前記主軸の回転速度を測定する回転速度測定手段と、前記駆動軸と前記モータとの間に連結されて前記モータの回転駆動力を前記駆動軸に伝達するユニバーサルジョイントとを備え、前記ユニバーサルジョイントは、連結棒と、この連結棒及び前記モータ側を結合する入力側ジョイント部と、前記連結棒及び前記駆動軸を結合する出力側ジョイント部とを備え、前記入力側ジョイント部及び前記出力側ジョイント部の結合方向を、前記連結棒に対して同一回転方向に同位相となるようにした。
【００２０】
このように、入力側及び出力側に配置したジョイント部の結合方法を、両ジョイントを結合する連結棒に対し、同一回転方向に対で同位相になるように結合し、その出力軸の動力を伝達し、試験軸受の主軸を駆動するようにした。
したがって、本願の請求項１記載の軸受用寿命試験装置は、主軸と、この主軸と平行に設けられてモータにより回転駆動される駆動軸と、この駆動軸に固定された駆動プーリと、前記主軸に固定された従動プーリと、この従動プーリと前記駆動プーリとに掛け渡された無端ベルトと、前記駆動軸を回転自在に支持するサポート軸受と、前記主軸を回転自在に支持する試験軸受と、前記主軸の回転速度を測定する回転速度測定手段と、前記駆動軸と前記モータとの間に連結されて前記モータの回転駆動力を前記駆動軸に伝達するユニバーサルジョイントとを備え、前記ユニバーサルジョイントは、連結棒と、この連結棒及び前記モータ側を結合する入力側ジョイント部と、前記連結棒及び前記駆動軸を結合する出力側ジョイント部とを備え、前記連結棒の前記入力ジョイント部側の回転軸と、前記出力ジョイント部側の回転軸は、回転方向において９０°交差して設けられている。
【００２１】
この請求項２記載の発明によると、モータから伝達される入力回転速度が一定であっても、駆動軸と連結棒がなす角度を変化させることで回転速度差が増減するので、試験軸受の寿命に影響を及ぼす滑りの状態を変化させることが可能となる。
また、請求項３記載の発明は、請求項１、又は２記載の軸受用寿命試験装置において、前記サポート軸受を高剛性で支持する第一ハウジングと、前記試験軸受を低剛性で支持する第二ハウジングと、前記無端ベルトから前記回転軸を介して前記第一、第二ハウジングに加えられる荷重を測定する荷重測定手段を備えるようにした。
【００２２】
この請求項３記載の発明によると、試験軸受を支持している第二ハウジングの支持剛性が低いので、無端ベルトの張力に基づいて従動プーリに加わるラジアル荷重により主軸に曲げ応力が加わるが、この曲げ応力と無端ベルトから加えられるラジアル荷重とが合わさった実際の使用状態に則した複雑な力により早期剥離等の損傷の影響を知ることができ、さらに信頼性の高い寿命試験が実施できる。
【００２３】
また、請求項４記載の軸受の寿命測定方法は、モータの回転駆動力を、ユニバーサルジョイントを介してサポート軸受に回転自在に支持された駆動軸に伝達し、この駆動軸に伝達された回転力を、この駆動軸に固定された駆動プーリと、駆動軸に平行に設けられた主軸に固定された従動プーリと、これら従動プーリ及び駆動プーリに掛け渡された無端ベルトとを介して前記主軸を回転自在に支持する試験軸受に伝達し、回転速度測定手段により前記主軸の回転速度を測定しながら前記試験軸受の寿命を測定する方法において、前記ユニバーサルジョイントは、連結棒と、この連結棒及び前記モータ側を結合する入力側ジョイント部と、前記連結棒及び前記駆動軸を結合する出力側ジョイント部とを備え、連結棒の前記入力ジョイント部側の回転軸と、前記出力ジョイント部側の回転軸を、回転方向において９０°交差して設けて前記試験軸受に滑りを発生させて寿命を測定するようにした。
【００２４】
この請求項４記載の発明によると、試験軸受を実際の使用状態に則した状態にして軸受の寿命を測定することができる。
また、請求項５記載の発明は、請求項４記載の軸受の寿命測定方法において、前記駆動軸の軸線に対して前記連結棒の軸線が所定の角度をなすように、前記出力側ジョイント部が前記連結棒及び前記駆動軸を傾きを持って結合した状態で前記試験軸受の寿命を測定するようにした。
【００２５】
この請求項５記載の発明によると、試験軸受の寿命に影響を及ぼす滑りの状態を変化させることが可能となるので、さらに試験軸受を実際の使用状態に則した状態にして軸受の寿命を高精度に測定することができる。
また、請求項６記載の発明は、請求項４、又は５記載の軸受の寿命測定方法において、前記サポート軸受を高剛性で支持する第一ハウジングと、前記試験軸受を低剛性で支持する第二ハウジングと、前記無端ベルトから前記回転軸を介して前記第一、第二ハウジングに加えられる荷重を測定する荷重測定手段を備えて前記試験軸受の寿命を測定するようにした。
【００２６】
この請求項６記載の発明によると、早期剥離等の損傷の影響を知ることができ、さらに信頼性の高い軸受の寿命測定方法を提供することができる。
【００３６】
【発明の実施の形態】
図１〜図４は、本発明に係る転がり軸受用寿命試験装置の１実施形態を示している。なお、図７に示した構成と同一構成部分には、同一符号を付してその説明を省略する。
本実施形態の装置は、テーブル状の架台１２の上側に、主軸１４が水平方向に配置され、架台１２の下側に、駆動軸１６が主軸１４と平行に配置されている。
駆動軸１６の一端と、この駆動軸１６に対し水平に配置したモータ１８の出力軸１８ａとの間にユニバーサルジョイント５が連結しており、モータ１８の回転駆動によりユニバーサルジョイント５を介して駆動軸１６が回転する。
【００３７】
駆動軸１６の他端には駆動プーリ２２が固定され、主軸１４の開放端部に従動プーリ２４が固定されている。従動プーリ２４及び駆動プーリ２２には外周面に複数のＶ溝を形成したポリＶプーリが固着されており、これらポリＶプーリのＶ溝に、内周面に形成したＶ突条が係合したポリＶベルトからなる無端ベルト２６が掛け渡されている。
【００３８】
架台１２上には、Ｌ字形のアーム２８が固定されている。このＬ字形アーム２８は、図２に示すように、架台１２上に固定されている固定部３０と、この固定部３０のから水平方向に延在している水平支持部３２とで構成されており、水平支持部３２上にケーシング３４が固定されている。
水平支持部３２には貫通孔３６が形成されており、この貫通孔３６の内面に、前述した主軸１４の軸線に対して平行に延在する符号Ｆの方向及び符号Ａの方向に対して直交する上下方向の４箇所に、本発明の荷重測定手段に相当する歪ゲージ３８ａ〜３８ｄが添着されている。これら各歪ゲージ３８ａ〜３８ｄの検出信号は、図示しない導線により演算器を含む制御器に入力されている。演算器は、各歪ゲージ３８ａ〜３８ｄから送り込まれる検出信号により、水平支持部３２が支承する荷重を算出する。
【００３９】
前述したケーシング３４は、鉄、アルミニウム等の金属材料により形成されており、十分な厚さ寸法を有する本発明の第一ハウジングに相当する第１支持壁３６と、この第１支持壁３６と比較して薄肉の第二支持壁３８とを有し、これら第一、第二支持壁３６、３８は、水平方向に離間してそれぞれ鉛直方向に延在している。そして、第一支持壁３６に形成した円形孔４２にサポート軸受４４の外輪が内嵌され、このサポート軸受４４の内輪が主軸１４に外嵌され、主軸１４の一端側が第一支持壁３６に回転自在に支持されている。
【００４０】
前記第二支持壁３８の外側面（図２の左側面）は、その一部のみが外方（図２の左方）に突出した突出部３８ａを設けている。そして、この突出部３８ａに、円環状の第二ハウジング４６の円周方向の一部を、複数本のボルトにより結合固定している。この第二ハウジング４６の内側に、寿命試験を行なうべき試験軸受４８の外輪４８ａが内嵌されている。
【００４１】
そして、試験軸受４８を構成する内輪を主軸１４の中間部に外嵌固定することにより、この主軸１４の軸方向の中間部が第二ハウジング４６に回転自在に支持されている。ここで、第二ハウジング４６の上面に振動ピックアップ５０を設けることで、試験軸受４８の振動を検出自在としている。
なお、円周方向の一部のみを薄肉の第二支持壁３８に固定した第二ハウジング４６の支持剛性は、第一支持壁３６の支持剛性に比べて低い。従って、無端ベルト２６から従動プーリ２４を介して主軸１４に加わるラジアル荷重に基づき、その主軸１４には、図２の左端部が下降する方向の曲げ応力が加わる。
【００４２】
前記駆動軸１６は、図３にも示すように、支持ボックス５２内に配設した軸受５４，５６により回転自在に支持されており、駆動軸１６に連結した出力側ジョイント部８と、モータ１８の出力軸１８ａに連結した入力側ジョイント部７と、これら入、出力側ジョイント部７，８との間に連結した連結棒６とからなるユニバーサルジョイント５を介してモータ１８の回転力が駆動軸１６に伝達されるようになっている。
【００４３】
図７で説明したように、ユニバーサルジョイント５を、モータ１８と試験軸受４８を回転させる主軸１４との間に、出力側ジョイント部８と入力側ジョイント部７の結合方向が連結棒６に対して同一回転方向に対で同位相となるように結合したので、モータ１８から出力した定速の回転力が、回転速度の差が大きい出力として主軸１４に伝達され、試験軸受４８の転動体と内外輪との軌道面に滑りを発生させることができる。
【００４４】
上記構成の軸受用寿命試験装置によれば、試験軸受４８を負荷荷重や回転速度にムラがある実際の使用状態に則した値にして、信頼性の高い寿命試験を実施できる。これに伴い、試験軸受４８に発生する「滑り」を発生させることで、市場に沿った条件で軸受の寿命に及ぼす影響に就いても試験できる様になる。すなわち、エンジン用の補機等は軸受内に滑りが生じ、この滑りが軸受の寿命に影響を及ぼすものと考えられるが、本実施形態の試験装置の場合には、駆動軸１６とモータ１８の出力軸１８ａとの間にユニバーサルジョイント５を連結することで、主軸１４に対する回転ムラが生じる滑りが生じ、上記影響を知ることができる。
【００４５】
また、主軸１４の中間部に設けた試験軸受４８を支持している第二ハウジング４６の支持剛性が低いので、無端ベルト２６の張力に基づいて従動プーリ２４に加わるラジアル荷重により、主軸１４に曲げ応力が加わる。そして、この曲げ応力と無端ベルト２６から加えられるラジアル荷重とが合わさって、試験軸受４８に対する実際の使用状態に則した複雑な力が加わるので、この力によって早期剥離等の損傷の影響を知ることができ、信頼性の高い寿命試験を実施できる。
【００４６】
次に、図１から図３に示した転がり軸受用寿命試験装置を用いて試験を行なう際の試験条件について説明する。
実験には、呼び番号６３０３の深溝型玉軸受（外径＝４７mm、内径＝１７mm、幅＝１４mm）を試験軸受４８として使用する。また、図２に示すように、主軸１４の従動プーリ２４より先端側に歯車６０を固定し、その歯車の回転速度を速度センサ（図示せず）で測定するようにした。試験軸受４８に加わるラジアル荷重は１．３２kＮ、Ｐ／Ｃ（動等価荷重／基本動定格荷重）は０．１０とし、モータ１８からユニバーサルジョイント５の連結棒６に伝達される入力回転速度を３０００ｒｐｍ、６０００ｒｐｍ、１００００ｒｐｍの３条件とした。そして、図３に示すように、ユニバーサルジョイント５の駆動軸１６に連結した出力側ジョイント部８の取付け角度θ（駆動軸１６の軸線Ｐ１の延長線と連結棒６の軸線Ｐ２とのなす角度）を５°、１０°、１５°の３条件とし、入力回転速度及び取付け角度を変化させた場合の前記歯車の回転速度を測定した結果を表１に示す。なお、表１には、ユニバーサルジョイントを備えていない従来の装置（取付け角度が０°）の回転速度も参考のために示した。
【００４７】
【表１】
表１から明らかなように、ユニバーサルジョイント５を備えていない装置と比較して、ユニバーサルジョイント５を備えた本実施形態の装置は、回転速度の差（速度差）が生じる。また、その速度差は、取付け角度θが大きくなるにつれて大きくなる傾向を示した。また、入力回転数を３０００ｒｐｍから１００００ｒｐｍに上げるにつれ、その値は比例関係で増加する傾向を示した。
【００４９】
次に、上記試験条件下での寿命結果を表２に示す。
この試験では、試験温度を５０℃、計算寿命を１１３０Ｈｒ、５６５Ｈｒ、３４０Ｈとした。寿命の判定は、振動ピックアップ５０で測定した試験軸受４８の振動値が、初期振動値の２倍となった時点で試験を中断し、試験軸受４８の軌道面の剥離の有無を確認することで行った。最長試験時間は、ＪＩＳの定められた疲れ寿命によって求められた３０００ｒｐｍの計算寿命の約４倍とし、その値は、５０００Ｈｒ、以後の試験は打ち切りとした。
【００５０】
そして、ワイブル分布関数により、１０個の試験軸受４８のうち短寿命側から１０％の試験軸受４８に剥離が発生するまでの総回転時間を求め、これを寿命とした。また、今回の試験軸受４８の材料にはＳＵＪ２を用い、内外輪及び転動体には各々通常の加工と熱処理を施した。各試験軸受４８の表面硬さはＨＲＣ５８〜６４の範囲であり、残留オーステナイト量は０〜２９％、表面粗さは、内外輪の転走面の表面粗さが０．０１〜０．０４μｍＲａの範囲内であり、転動体の転動面の表面粗さが０．０５〜０．１０μｍＲａの範囲内である。
【００５１】
グリースとしては、基油としてエーテル系合成油を、増ちょう剤としてウレアをそれぞれ使用したダンパ効果が高いＭグリースを使用した。この理由は、今日、寿命評価が困難な試験軸受４８を対象として行った。封入量は、空間容積に対する規定量のＥグリースを封入した軸受を用いた。なお、本装置の第二ハウジング４６の材質は、アルミニウムである。
【００５２】
【表２】
表２の寿命結果から、まずユニバーサルジョイントが存在しない試験装置では、試験軸受は剥離に至らず、それぞれの回転数で求められるＪＩＳの計算寿命に対して、約４〜１５倍の寿命結果を示した。しかも、ユニバーサルジョイントがない条件では、回転数には影響なく優位差が得られなかった。
一方、ユニバーサルジョイント５が存在する場合には、ユニバーサルジョイントが無い条件と比較して、打ち切り時間として設定した５０００Ｈｒには至らず、どの条件でも剥離に至った。また、その剥離した試験軸受４８の調査を行った結果、すべてにおいて白色の組織変化の発生を伴っている。
【００５４】
したがって、入力回転速度が一定であっても、取付け角度θを変化させることで速度差（回転速度のムラ）が増減するので、試験軸受４８の寿命に影響を及ぼす滑りを増減させることができる。
次に、前述の表２の結果を図４に示す。この図４は、横軸を、それぞれの条件で生じている回転速度の差（速度差）とし、縦軸を、試験軸受４８の寿命値として速度差と寿命値の関係を示した。
【００５５】
この図４から明らかなように、速度差が無い場合(＝０min-1)の試験軸受４８の寿命が５０００Ｈｒ（符号Ｇの◆印）であるものとすると、速度差が２３〜４６min-1になると、寿命が約１／２（符号Ｈ，Ｉの◆印：約２７００〜２８００Ｈｒ）まで低下するので、寿命評価時間の短縮を図って安定した寿命評価を行なうことができる。また、実際の使用状態に則した様々な条件で多数の試験軸受の試験を行なっても寿命評価時間が短くなるので、試験コストを低減できるとともに、試験軸受の評価精度も向上させることができる。
【００５６】
ここで、速度差が７５min-1以上になると寿命値が変化しないことから、速度差を７５min-1以上とするのが好ましい。
なお、本発明の軸受用寿命試験装置は、上述の実験に使用した深溝型玉軸受の寿命試験に限らず、アンギュラ玉軸受、円筒ころ軸受、円錐ころ軸受等、他の転がり軸受の寿命試験にも使用できる。
【００５７】
【発明の効果】
本発明によると、試験軸受の滑り発生領域での寿命評価法の確立、安定性、高信頼性を得ることにより、軸受の長寿命を図ることができる軸受用寿命試験装置及び軸受の寿命測定方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係る軸受用寿命試験装置の全体を示す図である。
【図２】 本発明に係る軸受用寿命試験装置における試験軸受の周囲の構造を示す図である。
【図３】 本発明に係る軸受用寿命試験装置の構成部材であるモータ、ユニバーサルジョイント及び駆動軸の周囲の構造を示す図である。
【図４】 本発明に係る回転速度差と軸受寿命の関係を示す図である。
【図５】 本発明と異なる構造のユニバーサルジョイントの構造を示す図である。
【図６】 図５のユニバーサルジョイントの入力側から出力側への回転速度の変化を示すグラフである。
【図７】 本発明で採用しているユニバーサルジョイントの構造を示す図である。
【図８】 図７で示した本発明で採用しているユニバーサルジョイントの入力側から出力側への回転速度の変化を示すグラフである。
【符号の説明】
５ ユニバーサルジョイント
６ 連結棒
７ 入力側ジョイント部
８ 出力側ジョイント部
１２ 架台
１４ 主軸
１６ 駆動軸
１８ モータ
１８ａ 出力軸
２２ 駆動プーリ
２４ 従動プーリ
２６ 無端ベルト
３４ ケーシング
３６ 支持壁
３６ 第一支持壁
３６ 第二支持壁
３８ａ〜３８ｄ 歪ゲージ（荷重測定手段）
３８ 第二支持壁
４６ 第二ハウジング
４８ 試験軸受
５０ 振動ピックアップ
６０ 歯車
θ 取付け角度
Claims (6)
- 主軸と、この主軸と平行に設けられてモータにより回転駆動される駆動軸と、この駆動軸に固定された駆動プーリと、前記主軸に固定された従動プーリと、この従動プーリと前記駆動プーリとに掛け渡された無端ベルトと、前記駆動軸を回転自在に支持するサポート軸受と、前記主軸を回転自在に支持する試験軸受と、前記主軸の回転速度を測定する回転速度測定手段と、前記駆動軸と前記モータとの間に連結されて前記モータの回転駆動力を前記駆動軸に伝達するユニバーサルジョイントとを備え、前記ユニバーサルジョイントは、連結棒と、この連結棒及び前記モータ側を結合する入力側ジョイント部と、前記連結棒及び前記駆動軸を結合する出力側ジョイント部とを備え、前記連結棒の前記入力ジョイント部側の回転軸と、前記出力ジョイント部側の回転軸は、回転方向において９０°交差して設けられていることを特徴とする軸受用寿命試験装置。
- 前記駆動軸の軸線に対して前記連結棒の軸線が所定の角度をなすように、前記出力側ジョイント部が前記連結棒及び前記駆動軸を傾きを持って結合していることを特徴とする請求項１記載の軸受用寿命試験装置。
- 前記サポート軸受を高剛性で支持する第一ハウジングと、前記試験軸受を低剛性で支持する第二ハウジングと、前記無端ベルトから前記回転軸を介して前記第一、第二ハウジングに加えられる荷重を測定する荷重測定手段を備えたことを特徴とする請求項１、又は２記載の軸受用寿命試験装置。
- モータの回転駆動力を、ユニバーサルジョイントを介してサポート軸受に回転自在に支持された駆動軸に伝達し、この駆動軸に伝達された回転力を、この駆動軸に固定された駆動プーリと、駆動軸に平行に設けられた主軸に固定された従動プーリと、これら従動プーリ及び駆動プーリに掛け渡された無端ベルトとを介して前記主軸を回転自在に支持する試験軸受に伝達し、回転速度測定手段により前記主軸の回転速度を測定しながら前記試験軸受の寿命を測定する方法において、
前記ユニバーサルジョイントは、連結棒と、この連結棒及び前記モータ側を結合する入力側ジョイント部と、前記連結棒及び前記駆動軸を結合する出力側ジョイント部とを備え、連結棒の前記入力ジョイント部側の回転軸と、前記出力ジョイント部側の回転軸を、回転方向において９０°交差して設けて前記試験軸受に滑りを発生させて寿命を測定することを特徴とする軸受の寿命測定方法。 - 前記駆動軸の軸線に対して前記連結棒の軸線が所定の角度をなすように、前記出力側ジョイント部が前記連結棒及び前記駆動軸を傾きを持って結合した状態で前記試験軸受の寿命を測定することを特徴とする請求項４記載の軸受の寿命測定方法。
- 前記サポート軸受を高剛性で支持する第一ハウジングと、前記試験軸受を低剛性で支持する第二ハウジングと、前記無端ベルトから前記回転軸を介して前記第一、第二ハウジングに加えられる荷重を測定する荷重測定手段を備えて前記試験軸受の寿命を測定することを特徴とする請求項４、又は５記載の軸受の寿命測定方法。
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