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JP7538671B2 - How to determine the viscosity model, how to estimate the apparent viscosity, and how to estimate the torque - Google Patents

How to determine the viscosity model, how to estimate the apparent viscosity, and how to estimate the torque Download PDF

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JP7538671B2 JP2020159064A JP2020159064A JP7538671B2 JP 7538671 B2 JP7538671 B2 JP 7538671B2 JP 2020159064 A JP2020159064 A JP 2020159064A JP 2020159064 A JP2020159064 A JP 2020159064A JP 7538671 B2 JP7538671 B2 JP 7538671B2
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Description

本発明は、粘性モデルの決定方法、見かけ粘度の推定方法、およびトルクの推定方法に関し、特に、転がり軸受に封入されるグリースの見かけ粘度を推定する粘性モデルの決定方法、見かけ粘度の推定方法、および転がり軸受のトルクの推定方法に関する。 The present invention relates to a method for determining a viscosity model, a method for estimating apparent viscosity, and a method for estimating torque, and in particular to a method for determining a viscosity model for estimating the apparent viscosity of grease sealed in a rolling bearing, a method for estimating the apparent viscosity, and a method for estimating the torque of the rolling bearing.

転がり軸受の内部には、転がり摩擦や滑り摩擦の軽減などを目的として、潤滑用のグリースが封入されている。グリースを封入してなるグリース封入軸受は、長寿命で外部の潤滑ユニットなどが不要かつ安価であるため、自動車や産業用機器などの汎用用途によく利用される。ここで、軸受に封入されたグリースは、せん断作用を受けて流動状態になり潤滑に寄与する。 Grease is sealed inside rolling bearings to reduce rolling and sliding friction. Grease-sealed bearings, which contain grease, are long-lasting, do not require external lubrication units, and are inexpensive, so they are often used for general-purpose applications such as automobiles and industrial equipment. Here, the grease sealed inside the bearings is subjected to a shearing action and becomes fluid, contributing to lubrication.

このような軸受の潤滑状態として、チャーニング期とチャンネリング期がある。チャーニング期は、グリースが転動体や保持器によって大きく撹拌される状態であり、定常状態でのトルクが高くなる傾向がある。一方、チャンネリング期は、グリースがシールや保持器などに付着し、ほぼ撹拌を受けない状態であり、定常状態でのトルクが低くなる傾向がある。チャーニング期のトルクを算出するためには、転動体と保持器の間や、転動体と軌道面の間でせん断を受けるグリースの粘度(見かけ粘度)を知る必要がある。 The lubrication state of such bearings can be classified into churning and channeling periods. In the churning period, the grease is significantly agitated by the rolling elements and cage, and torque in the steady state tends to be high. On the other hand, in the channeling period, the grease adheres to the seals and cage and is hardly agitated, and torque in the steady state tends to be low. To calculate the torque in the churning period, it is necessary to know the viscosity (apparent viscosity) of the grease that is subjected to shear between the rolling elements and cage, and between the rolling elements and raceway surfaces.

ここで、グリースは、チキソトロピー性を有する非ニュートン流体である。このような非ニュートン流体の見かけ粘度とせん断速度との関係は、レオメータを用いて測定することができ、これを関数として表す方法として、Cross Powerlawモデル(非特許文献1)などの計算モデルが知られている。 Here, grease is a non-Newtonian fluid that has thixotropy. The relationship between the apparent viscosity and shear rate of such a non-Newtonian fluid can be measured using a rheometer, and calculation models such as the Cross Powerlaw model (Non-Patent Document 1) are known as methods for expressing this relationship as a function.

M.M.Cross、「Rheology of non-newtonian fluids:a new flow equation for pseudoplastic systems」、J.Colloid Sci.、1965、20、p.417-437M. M. Cross, “Rheology of non-newtonian fluids: a new flow equation for pseudoplastic systems,” J. Colloid Sci., 1965, 20, p. 417-437

ところで、軸受内で発生しうるせん断速度域(0.001~1000000s-1)は非常に広域であり、軸受内のせん断速度ごとのグリースの見かけ粘度を測定することは困難である。一般に、回転式レオメータを用いた見かけ粘度の測定は、軸受内の上記せん断速度域に対して、中速域(約10~10000s-1)のみと限定的である。高速域(例えば1000s-1以上)では、遠心力により実験装置からグリースがはみ出すため、見かけ粘度の測定が困難である。 However, the shear rate range (0.001 to 1,000,000 s -1 ) that can occur in a bearing is very wide, and it is difficult to measure the apparent viscosity of the grease for each shear rate in a bearing. In general, the measurement of apparent viscosity using a rotational rheometer is limited to only the medium speed range (approximately 10 to 10,000 s -1 ) compared to the above shear rate range in a bearing. In the high speed range (for example, 1,000 s -1 or higher), the grease will overflow from the experimental equipment due to centrifugal force, making it difficult to measure the apparent viscosity.

一方、低速域(例えば10s-1以下)では、グリースの見かけ粘度が増ちょう剤の配向などの影響を受けるためか安定しない。図8には、推定モデルとレオメータの実測値との関係を示す。図8のプロットは、回転式レオメータで測定した見かけ粘度であり、実線および破線は、回転式レオメータの結果に一致するように計算モデルのパラメータを調整した推定モデルである。推定モデル1および2は、せん断速度が約10~10000s-1では、両者ともにレオメータの実測値とよく一致しているが、せん断速度10s-1以下では、両者の見かけ粘度に大きな差がある。このように、回転式レオメータによる測定では、低せん断速度域の正確なグリースモデルを得ることが困難である。また、低せん断速度域に関する知見は知られていない。そのため、例えば、グリースが封入された転がり軸受において、正確に軸受トルクを推定することや軸受内のグリース挙動をシミュレートすることが困難であった。 On the other hand, in the low shear rate range (for example, 10 s -1 or less), the apparent viscosity of the grease is not stable, possibly due to the influence of the orientation of the thickener. Figure 8 shows the relationship between the estimated model and the actual measured value of the rheometer. The plot in Figure 8 shows the apparent viscosity measured by a rotational rheometer, and the solid and dashed lines are estimated models in which the parameters of the calculation model are adjusted to match the results of the rotational rheometer. Both estimated models 1 and 2 are in good agreement with the actual measured value of the rheometer at shear rates of about 10 to 10,000 s -1 , but at shear rates of 10 s -1 or less, there is a large difference in the apparent viscosity between the two. In this way, it is difficult to obtain an accurate grease model in the low shear rate range by measurement using a rotational rheometer. In addition, there is no knowledge about the low shear rate range. Therefore, for example, in a rolling bearing in which grease is sealed, it is difficult to accurately estimate the bearing torque or simulate the grease behavior in the bearing.

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、低せん断速度域において、非ニュートン流体の見かけ粘度を精度よく推定するための粘性モデルの決定方法、その粘性モデルを用いた見かけ粘度の推定方法、およびトルクの推定方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in consideration of these circumstances, and aims to provide a method for determining a viscosity model for accurately estimating the apparent viscosity of a non-Newtonian fluid in the low shear rate range, a method for estimating the apparent viscosity using the viscosity model, and a method for estimating torque.

本発明の粘性モデルの決定方法は、非ニュートン流体の見かけ粘度を推定する粘性モデルの決定方法であって、せん断速度と粘度との関係式を示す推定モデルを得る工程(a)と、上記非ニュートン流体を固定板と可動板との間に挟み、上記可動板を上記固定板から離間するように移動させて上記非ニュートン流体を伸ばす引張試験において、上記非ニュートン流体の変形時の引張荷重を測定する工程(b)と、上記工程(a)で得た上記推定モデルに対して数値流体解析を行い、上記引張試験における上記非ニュートン流体の変形時の引張荷重を予測する工程(c)と、上記工程(b)で測定した上記引張荷重と、上記工程(c)で予測した上記引張荷重とを比較して、これらの荷重が一致するように上記推定モデルのパラメータを調整して粘性モデルを決定する工程(d)とを有することを特徴とする。 The method for determining a viscosity model of the present invention is a method for determining a viscosity model for estimating the apparent viscosity of a non-Newtonian fluid, and is characterized by comprising the steps of: (a) obtaining an estimated model showing a relationship between shear rate and viscosity; (b) measuring the tensile load when the non-Newtonian fluid is deformed in a tensile test in which the non-Newtonian fluid is sandwiched between a fixed plate and a movable plate and the movable plate is moved away from the fixed plate to stretch the non-Newtonian fluid; (c) performing a computational fluid analysis on the estimated model obtained in the step (a) to predict the tensile load when the non-Newtonian fluid is deformed in the tensile test; and (d) comparing the tensile load measured in the step (b) with the tensile load predicted in the step (c), and adjusting the parameters of the estimated model so that these loads match to determine the viscosity model.

本発明において、「荷重が一致する」とは、両者が完全に一致するだけでなく、ほぼ一致するものも含む。例えば、工程(b)で測定した引張荷重を中心とした所定範囲内に、工程(c)で予測した引張荷重が含まれる場合に一致するとすることができる。 In the present invention, "the loads match" includes not only perfect match but also near match. For example, they can be considered to match when the tensile load predicted in step (c) is included within a predetermined range centered on the tensile load measured in step (b).

上記推定モデルは、Cross Powerlawモデル、Herchel-Bulkleyモデル、Papanastasiouモデル、または下記式(1)のモデルに基づくことを特徴とする。

Figure 0007538671000001
ただし、式中の記号は、η:見かけ粘度[Pa・s]、ηoil:流体成分の粘度[Pa・s]、τ:降伏応力[Pa]、γ:せん断速度[s-1]、n:定数、m:定数である。 The estimation model is characterized by being based on the Cross Powerlaw model, the Herchel-Bulkley model, the Papanastasiou model, or a model of the following formula (1).
Figure 0007538671000001
In the formula, the symbols are: η: apparent viscosity [Pa·s], η oil : viscosity of fluid component [Pa·s], τ 0 : yield stress [Pa], γ: shear rate [s −1 ], n: constant, and m: constant.

上記工程(a)は、回転式レオメータを用いて所定のせん断速度における上記非ニュートン流体の粘度を測定し、その測定結果に基づいて、上記推定モデルを得ることを特徴とする。 The step (a) is characterized in that the viscosity of the non-Newtonian fluid at a predetermined shear rate is measured using a rotational rheometer, and the estimation model is obtained based on the measurement results.

上記工程(b)において、上記引張試験は、上記非ニュートン流体を、上記固定板と上記可動板の間に初期厚さ1mm、直径7.4mmで挟み、その状態から上記可動板を0.005m/sの速度で引き下げる条件で実施され、上記可動板の移動距離が0.01mm~1.0mmにおける引張荷重が測定されることを特徴とする。 In the step (b), the tensile test is performed under the condition that the non-Newtonian fluid is sandwiched between the fixed plate and the movable plate with an initial thickness of 1 mm and a diameter of 7.4 mm, and the movable plate is then lowered at a speed of 0.005 m/s, and the tensile load is measured when the movable plate travels a distance of 0.01 mm to 1.0 mm.

上記工程(d)は、上記工程(b)で測定した上記引張荷重を中心とした所定範囲内に、上記工程(c)で予測した上記引張荷重が含まれる場合に上記推定モデルを上記粘性モデルに決定し、含まれない場合に上記推定モデルの上記パラメータを調整することを特徴とする。 The step (d) is characterized in that, if the tensile load predicted in the step (c) is included within a predetermined range centered on the tensile load measured in the step (b), the estimation model is determined to be the viscosity model, and, if not, the parameters of the estimation model are adjusted.

上記非ニュートン流体は、基油と増ちょう剤を含むグリースであることを特徴とする。 The non-Newtonian fluid is characterized as being a grease containing a base oil and a thickener.

本発明の見かけ粘度の推定方法は、非ニュートン流体の見かけ粘度を推定する方法であって、本発明の決定方法によって決定された粘性モデルを用いて、10s-1以下の任意のせん断速度における上記非ニュートン流体の見かけ粘度を推定することを特徴とする。 The method for estimating an apparent viscosity of the present invention is a method for estimating the apparent viscosity of a non-Newtonian fluid, and is characterized in that the apparent viscosity of the non-Newtonian fluid at an arbitrary shear rate of 10 s or less is estimated using a viscosity model determined by the determination method of the present invention.

本発明のトルクの推定方法は、機械要素に発生する非ニュートン流体のせん断によるトルクを推定する方法であって、本発明の見かけ粘度の推定方法によって推定された上記非ニュートン流体の見かけ粘度を用いて、上記任意のせん断速度で発生するトルクを推定する、または、複数の非ニュートン流体間において上記任意のせん断速度で発生するトルクの大小を推定することを特徴とする。 The torque estimation method of the present invention is a method for estimating torque due to shear of a non-Newtonian fluid generated in a mechanical element, and is characterized in that the torque generated at the arbitrary shear rate is estimated using the apparent viscosity of the non-Newtonian fluid estimated by the apparent viscosity estimation method of the present invention, or the magnitude of the torque generated at the arbitrary shear rate between multiple non-Newtonian fluids.

上記機械要素が転がり軸受であることを特徴とする。 The mechanical element is a rolling bearing.

本発明の粘性モデルの決定方法は、上記工程(a)~工程(d)を有しており、せん断速度と粘度との関係式を示す推定モデルを、実験と解析の合わせこみによって補正するので、精度に優れた粘性モデルになる。特に、引張試験は低速で非ニュートン流体を引張る試験であり、その試験結果は低速せん断域での非ニュートン流体の挙動を反映していると考えられる。そのため、引張試験での非ニュートン流体の変形時の引張荷重に一致するように推定モデルのパラメータを調整することで、低速せん断域での見かけ粘度の推定に適した粘性モデルになる。その結果、非ニュートン流体の低速せん断域での見かけ粘度を精度良く推定でき、また、トルク推定やグリースの挙動解析に利用できる。 The method for determining a viscosity model of the present invention includes the above steps (a) to (d), and the estimated model showing the relationship between shear rate and viscosity is corrected by combining experiments and analysis, resulting in a highly accurate viscosity model. In particular, a tensile test is a test in which a non-Newtonian fluid is pulled at low speed, and the test results are considered to reflect the behavior of the non-Newtonian fluid in the low shear range. Therefore, by adjusting the parameters of the estimated model to match the tensile load when the non-Newtonian fluid is deformed in the tensile test, a viscosity model suitable for estimating the apparent viscosity in the low shear range is obtained. As a result, the apparent viscosity of a non-Newtonian fluid in the low shear range can be accurately estimated, and can be used for torque estimation and grease behavior analysis.

本発明の見かけ粘度の推定方法は、本発明の決定方法によって決定された粘性モデルを用いて、10s-1以下の任意のせん断速度における非ニュートン流体の見かけ粘度を推定するので、レオメータで測定できる範囲よりも低速せん断域の見かけ粘度を精度よく推定できる。 The method for estimating an apparent viscosity of the present invention estimates the apparent viscosity of a non-Newtonian fluid at any shear rate of 10 s −1 or less using a viscosity model determined by the determination method of the present invention, and therefore can accurately estimate the apparent viscosity in a low shear rate region lower than the range that can be measured by a rheometer.

本発明のトルクの推定方法は、本発明の推定方法によって推定された非ニュートン流体の見かけ粘度を用いて、任意のせん断速度における非ニュートン流体のトルクを推定する、または、任意のせん断速度における複数の非ニュートン流体間のトルクの大小を推定するので、トルクの推定をより精度よく行うことができる。 The torque estimation method of the present invention uses the apparent viscosity of a non-Newtonian fluid estimated by the estimation method of the present invention to estimate the torque of the non-Newtonian fluid at an arbitrary shear rate, or estimates the magnitude of the torque between multiple non-Newtonian fluids at an arbitrary shear rate, so that torque estimation can be performed more accurately.

グリースが封入された転がり軸受を示す図である。FIG. 1 is a diagram showing a rolling bearing filled with grease. 本発明に係る粘性モデルの決定方法の概略を示す工程図である。FIG. 2 is a process diagram showing an outline of a method for determining a viscosity model according to the present invention. レオメータの一例を示す概要図である。FIG. 1 is a schematic diagram illustrating an example of a rheometer. 引張試験機の概要を示す図である。FIG. 1 is a diagram showing an outline of a tensile testing machine. 引張試験におけるグリースの伸びを示す図である。FIG. 1 is a diagram showing the elongation of grease in a tensile test. 実施例と比較例の見かけ粘度特性を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing apparent viscosity characteristics of Examples and Comparative Examples. 引張試験における移動距離と引張荷重の関係を示す図である。FIG. 1 is a diagram showing the relationship between the moving distance and the tensile load in a tensile test. 推定モデルとレオメータの実測値との関係を示す図である。FIG. 13 is a diagram showing the relationship between an estimated model and actual measured values by a rheometer.

本発明における粘性モデルは、相対運動する2部材間の隙間に存在する非ニュートン流体の見かけ粘度を推定する粘性モデルである。ここで、非ニュートン流体とは、粘度が「せん断速度」に依存する流体であり、一般に非ニュートン流体の粘度は、「ずり応力」を「せん断速度」で除した見かけ粘度で表される。本発明において、非ニュートン流体には、擬塑性流体、ビンガム流体、ダイラタント流体などが用いられる。これらの中でも、擬塑性流体が好ましい。擬塑性流体として具体的には、転がり軸受に封入されるグリースや潤滑油が挙げられる。なお、以下には、非ニュートン流体としてグリースを用いた形態について説明する。 The viscosity model in the present invention is a viscosity model that estimates the apparent viscosity of a non-Newtonian fluid that exists in a gap between two components that are moving relative to one another. Here, a non-Newtonian fluid is a fluid whose viscosity depends on the "shear rate", and the viscosity of a non-Newtonian fluid is generally expressed as an apparent viscosity obtained by dividing the "shear stress" by the "shear rate". In the present invention, pseudoplastic fluids, Bingham fluids, dilatant fluids, etc. are used as non-Newtonian fluids. Among these, pseudoplastic fluids are preferred. Specific examples of pseudoplastic fluids include grease and lubricating oils that are sealed in rolling bearings. The following describes an embodiment in which grease is used as a non-Newtonian fluid.

転がり軸受に封入されるグリースは、基油と増ちょう剤とを含む。基油は、特に限定されず、通常グリースの分野で使用される一般的なものを使用できる。例えば、高度精製油、鉱油、エステル油、エーテル油、合成炭化水素油(PAO油)、シリコーン油、フッ素油、およびこれらの混合油などを使用できる。 The grease enclosed in the rolling bearing contains a base oil and a thickener. There are no particular limitations on the base oil, and any common base oil typically used in the field of greases can be used. For example, highly refined oil, mineral oil, ester oil, ether oil, synthetic hydrocarbon oil (PAO oil), silicone oil, fluorine oil, and mixtures of these oils can be used.

基油の40℃における動粘度としては、特に限定されないが、20mm/s~400mm/sが好ましい。なお、基油として混合油を用いる場合は、該混合油の動粘度がこの範囲内であることが好ましい。 The kinematic viscosity of the base oil at 40° C. is not particularly limited, but is preferably 20 mm 2 /s to 400 mm 2 /s. When a mixed oil is used as the base oil, it is preferable that the mixed oil has a kinematic viscosity within this range.

増ちょう剤は、特に限定されず、通常グリースの分野で使用される一般的なものを使用できる。例えば、金属石けん、複合金属石けんなどの石けん系増ちょう剤、ベントン、シリカゲル、ウレア化合物、ウレア・ウレタン化合物などの非石けん系増ちょう剤を使用できる。金属石けんとしては、ナトリウム石けん、カルシウム石けん、アルミニウム石けん、リチウム石けんなどが、ウレア化合物、ウレア・ウレタン化合物としては、ジウレア化合物、トリウレア化合物、テトラウレア化合物、他のポリウレア化合物、ジウレタン化合物などが挙げられる。 The thickener is not particularly limited, and any of the general thickeners typically used in the field of greases can be used. For example, soap-based thickeners such as metal soaps and complex metal soaps, and non-soap-based thickeners such as bentone, silica gel, urea compounds, and urea-urethane compounds can be used. Examples of metal soaps include sodium soap, calcium soap, aluminum soap, and lithium soap, while examples of urea compounds and urea-urethane compounds include diurea compounds, triurea compounds, tetraurea compounds, other polyurea compounds, and diurethane compounds.

また、グリースには、必要に応じて他の公知の添加物を含有させることができる。この添加物としては、アミン系やフェノール系の酸化防止剤、塩素系、イオウ系、りん系化合物、有機モリブデンなどの極圧剤、石油スルホネート、ジノニルナフタレンスルホネート、ソルビタンエステルなどのさび止剤などが挙げられる。 The grease may also contain other known additives as necessary. Examples of such additives include amine- or phenol-based antioxidants, chlorine-, sulfur-, or phosphorus-based compounds, extreme pressure agents such as organic molybdenum, and rust inhibitors such as petroleum sulfonates, dinonylnaphthalene sulfonates, and sorbitan esters.

グリースが封入された転がり軸受の一例を図1に基づいて説明する。図1は深溝玉軸受の断面図である。転がり軸受1は、外周面に内輪軌道面2aを有する内輪2と内周面に外輪軌道面3aを有する外輪3とが同心に配置され、内輪軌道面2aと外輪軌道面3aとの間に複数個の玉4が配置される。この玉4は、保持器5により保持される。また、内・外輪の軸方向両端開口部8a、8bがシール部材6によりシールされ、少なくとも玉4の周囲にグリース7が封入される。内輪2、外輪3および玉4は鉄系金属材料からなり、グリース7が玉4との軌道面に介在して潤滑される。 An example of a rolling bearing filled with grease will be described with reference to FIG. 1. FIG. 1 is a cross-sectional view of a deep groove ball bearing. In the rolling bearing 1, an inner ring 2 having an inner ring raceway surface 2a on its outer circumferential surface and an outer ring 3 having an outer ring raceway surface 3a on its inner circumferential surface are concentrically arranged, and multiple balls 4 are arranged between the inner ring raceway surface 2a and the outer ring raceway surface 3a. The balls 4 are held by a cage 5. In addition, openings 8a, 8b at both axial ends of the inner and outer rings are sealed by a seal member 6, and grease 7 is filled at least around the balls 4. The inner ring 2, outer ring 3 and balls 4 are made of an iron-based metal material, and grease 7 is interposed between the raceway surface and the balls 4 to lubricate them.

本発明における粘性モデルは、例えば、所定のせん断速度におけるグリースの見かけ粘度の推定に用いられる。本発明に係る粘性モデルの決定方法は、図2に示す(a)~(d)の4つの工程を少なくとも備える。すなわち、(a)推定モデル2を取得する取得工程と、(b)引張試験においてグリースの変形時の引張荷重3を測定する測定工程と、(c)推定モデル2に対して解析を行い、引張試験におけるグリースの変形時の引張荷重4を予測する解析工程と、(d)引張荷重3と引張荷重4とを比較して、これらの荷重が一致するように推定モデル2のパラメータを調整して粘性モデル5を決定する決定工程とを備える。以下に、各工程について説明する。 The viscosity model in the present invention is used, for example, to estimate the apparent viscosity of the grease at a predetermined shear rate. The method for determining the viscosity model according to the present invention includes at least four steps (a) to (d) shown in FIG. 2. That is, the method includes (a) an acquisition step for acquiring the estimation model 2, (b) a measurement step for measuring the tensile load 3 when the grease deforms in a tensile test, (c) an analysis step for analyzing the estimation model 2 and predicting the tensile load 4 when the grease deforms in the tensile test, and (d) a determination step for comparing the tensile load 3 with the tensile load 4, and adjusting the parameters of the estimation model 2 so that these loads match to determine the viscosity model 5. Each step is described below.

<工程(a)>
この工程は、グリースの見かけ粘度を推定する推定モデル2を取得する工程である。図2において、工程(a)は、任意の計算モデル1を取得する一次取得工程(a1)と、回転式レオメータを用いたレオロジー測定結果に基づき、計算モデル1から推定モデル2を取得する二次取得工程とを有する。なお、工程(a)は、必ずしも回転式レオメータを用いた測定(実測)を行う必要はない。例えば、工程(a)において、経験則などに基づき、予めパラメータに所定の値が代入された推定モデルを取得してもよい。なお、以下では、図2に示す形態の工程(a)を説明する。
<Step (a)>
This step is a step of acquiring an estimated model 2 for estimating the apparent viscosity of the grease. In Fig. 2, step (a) includes a primary acquisition step (a1) of acquiring an arbitrary calculation model 1, and a secondary acquisition step of acquiring an estimated model 2 from the calculation model 1 based on the rheology measurement results using a rotational rheometer. Note that step (a) does not necessarily require measurement (actual measurement) using a rotational rheometer. For example, in step (a), an estimated model in which predetermined values are substituted for parameters in advance based on empirical rules or the like may be acquired. Note that the following will describe step (a) in the form shown in Fig. 2.

グリースは非ニュートン流体であり、半固体状の高粘性流体でもある。グリースの粘度は、せん断速度の増加に対して減少する。この特性を表現する計算モデル1として、工程(a1)では、Cross Powerlawモデル(下記式(2))や、Herchel-Bulkleyモデル(下記式(3))、Papanastasiouモデル(下記式(4))などを取得する。なお、下記式(2)~(4)中のηはグリースの見かけ粘度を表す。 Grease is a non-Newtonian fluid and a semi-solid, highly viscous fluid. The viscosity of grease decreases with increasing shear rate. In step (a1), a calculation model 1 expressing this characteristic is obtained, such as the Cross Powerlaw model (formula (2) below), the Herchel-Bulkley model (formula (3) below), or the Papanastasiou model (formula (4) below). Note that η in formulas (2) to (4) below represents the apparent viscosity of the grease.

Figure 0007538671000002
Figure 0007538671000002

ただし、式中の記号は、η:ゼロせん断粘度(せん断速度γ=0での見かけ粘度)[Pa・s]、ηoil:基油粘度[Pa・s]、γ:せん断速度[s-1]、m:定数、n:定数である。上記式(2)では、せん断速度が無限大の時、ηはηoilに漸近すると仮定している。nは、せん断速度の変化に対する見かけ粘度の変化を表しており、工程(a2)のレオロジー測定によって決定される。 In the formula, the symbols are: η 0 : zero shear viscosity (apparent viscosity at shear rate γ=0) [Pa·s], η oil : base oil viscosity [Pa·s], γ: shear rate [s −1 ], m: constant, n: constant. In the above formula (2), it is assumed that η approaches η oil when the shear rate is infinite. n represents the change in apparent viscosity with respect to the change in shear rate, and is determined by the rheology measurement in step (a2).

Figure 0007538671000003
Figure 0007538671000003

ただし、式中の記号は、τ:降伏応力[Pa]、γ:せん断速度[s-1]、K:定数、n:定数である。 In the formula, the symbols are τ 0 : yield stress [Pa], γ: shear rate [s −1 ], K: constant, and n: constant.

Figure 0007538671000004
Figure 0007538671000004

ただし、式中の記号は、ηoil:流体成分の粘度[Pa・s]、τ:降伏応力[Pa]、γ:せん断速度[s-1]、m:定数である。 In the formula, the symbols are: η oil : viscosity of the fluid component [Pa·s], τ 0 : yield stress [Pa], γ: shear rate [s −1 ], and m: constant.

工程(a1)で取得される計算モデル1は、上記のような公知の計算モデルに限られない。例えば、計算モデル1として、下記式(1)のモデルを用いることができる。下記式(1)は、高速せん断域での実験データに基づいてPapanastasiouモデルを改良した式である。

Figure 0007538671000005
The calculation model 1 obtained in step (a1) is not limited to the above-mentioned known calculation model. For example, the model of the following formula (1) can be used as the calculation model 1. The following formula (1) is an improved version of the Papanastasiou model based on experimental data in the high-speed shear region.
Figure 0007538671000005

ただし、式中の記号は、ηoil:流体成分の粘度[Pa・s]、τ:降伏応力[Pa]、γ:せん断速度[s-1]、n:定数、m:定数である。 In the formula, the symbols are: η oil : viscosity of the fluid component [Pa·s], τ 0 : yield stress [Pa], γ: shear rate [s −1 ], n: constant, and m: constant.

グリースの場合、流体成分の粘度ηoilには、実温度(例えば軸受内部の温度や機械装置全体の温度)の基油の動粘度に対して基油の密度を掛けた値(粘度)を用いる。また、グリースに粘度向上剤が含まれる場合は、流体成分の粘度ηoilには、基油および粘度向上剤の粘度を用いる。 In the case of grease, the viscosity of the fluid component η oil is calculated by multiplying the dynamic viscosity of the base oil at the actual temperature (for example, the temperature inside the bearing or the temperature of the entire machine) by the density of the base oil. In addition, if the grease contains a viscosity improver, the viscosity of the fluid component η oil is calculated by the viscosity of the base oil and the viscosity improver.

続く工程(a2)では、計算モデル1における降伏応力や各定数などのパラメータを求めて推定モデル2を取得する。パラメータは、回転式レオメータを用いたグリースのレオロジー特性の評価などに基づき特定できる。グリースのレオロジー特性の評価では、レオメータとして、コーンプレート型のセルを有するものを用いることが好ましい。このようなレオメータの概要を図3に示す。図3に示すように、回転式レオメータ11は、コーンプレート型のセル12と、水平円盤プレート13とから構成されており、セル12とプレート13とは1点で接する(僅かなギャップあり)ように配置され、これらの間に試料であるグリース14を配置する。このレオメータでは、グリース14に加わるせん断速度が、セル中心からの距離に依存せずに、どの位置においても同一となる。レオロジー測定の条件としては、(1)一定温度・一定方向回転での回転速度依存性、(2)一定温度・一定せん断ひずみにおける振動周波数依存性、(3)一定周波数における動的粘弾性のせん断応力依存性などがあるが、本発明では主に(1)の条件で測定を行なう。 In the next step (a2), parameters such as the yield stress and each constant in the calculation model 1 are obtained to obtain the estimated model 2. The parameters can be identified based on the evaluation of the rheological properties of the grease using a rotational rheometer. In the evaluation of the rheological properties of the grease, it is preferable to use a rheometer having a cone-plate type cell. An overview of such a rheometer is shown in FIG. 3. As shown in FIG. 3, the rotational rheometer 11 is composed of a cone-plate type cell 12 and a horizontal disk plate 13, and the cell 12 and the plate 13 are arranged so that they are in contact at one point (with a small gap), and the sample grease 14 is placed between them. In this rheometer, the shear rate applied to the grease 14 is the same at any position, regardless of the distance from the center of the cell. Rheology measurement conditions include (1) rotation speed dependence at constant temperature and constant direction rotation, (2) vibration frequency dependence at constant temperature and constant shear strain, and (3) shear stress dependence of dynamic viscoelasticity at constant frequency. In this invention, measurements are mainly performed under condition (1).

具体的なレオロジー測定条件としては、回転式レオメータ(Thermo Fisher Scientific社製HAAKE RheoWin MARS1)に、直径20mm、先端角度178°のコーンプレート型のセルを用い、一定温度・一定方向回転で、温度20℃などで行なう。この場合、せん断速度を増速し、各せん断速度で定常状態になった時の粘度を測定する。例えばCross Powerlawモデルの場合には、このレオロジー測定結果からη、m、nが求められる。求めた各値を上記式(2)に代入して、推定モデル2が得られる。この時点でnは決定され、η、mは後続の工程を実施することで同定される。 Specific rheology measurement conditions are as follows: a rotational rheometer (HAAKE RheoWin MARS1 manufactured by Thermo Fisher Scientific) is used with a cone-plate type cell with a diameter of 20 mm and a tip angle of 178°, and the temperature is 20°C or the like, with constant temperature and constant direction rotation. In this case, the shear rate is increased, and the viscosity is measured when the viscosity reaches a steady state at each shear rate. For example, in the case of the Cross Powerlaw model, η 0 , m, and n can be obtained from the rheology measurement results. The obtained values are substituted into the above formula (2) to obtain the estimated model 2. At this point, n is determined, and η 0 and m are identified by carrying out the subsequent steps.

<工程(b)>
この工程は、引張試験においてグリースの変形時の引張荷重3を測定する工程である。引張試験では、所定の面積および所定の間隔に調整した平行な平板間(2面間)にグリースを充填し、平板間の距離を広げてグリースを破断させる。
<Step (b)>
This step is a step for measuring the tensile load 3 when the grease is deformed in a tensile test. In the tensile test, the grease is filled between parallel flat plates (two faces) adjusted to a predetermined area and a predetermined distance, and the distance between the flat plates is increased to break the grease.

図4を用いて引張試験について説明する。図4には、引張試験機の概略図を示す。引張試験機21は、天壁に固定された円柱状の固定板22と、円柱状の可動板23と、固定板22に対して可動板23を上下に移動させる駆動装置24とを備える。固定板22の下面と可動板23の上面は、互いに平行な面である。駆動装置24は、可動板23が載置されるステージ25と、ステージ25の移動を規制するリニアガイド26と、モータ27と、モータ27の駆動によって回転するボールねじ28と備える。ステージ25は、ボールねじ28のねじ溝に螺合しており、ボールねじ28の回転によって軸上を摺動しながら相対的に移動する。また、固定板22には、グリースの変形時に固定端側にかかる荷重を計測するロードセル30が設けられている。 The tensile test will be described with reference to FIG. 4. FIG. 4 shows a schematic diagram of a tensile tester. The tensile tester 21 includes a cylindrical fixed plate 22 fixed to the top wall, a cylindrical movable plate 23, and a drive unit 24 that moves the movable plate 23 up and down relative to the fixed plate 22. The lower surface of the fixed plate 22 and the upper surface of the movable plate 23 are parallel to each other. The drive unit 24 includes a stage 25 on which the movable plate 23 is placed, a linear guide 26 that regulates the movement of the stage 25, a motor 27, and a ball screw 28 that rotates by the drive of the motor 27. The stage 25 is screwed into the screw groove of the ball screw 28, and moves relatively while sliding on the axis due to the rotation of the ball screw 28. In addition, the fixed plate 22 is provided with a load cell 30 that measures the load applied to the fixed end side when the grease is deformed.

以下に、引張試験の手順について説明する。 The procedure for tensile testing is described below.

(1)まず、可動板23の上面に測定対象のグリース29を所定量充填する。グリース29の充填量は、例えば1cm~5cmである。 (1) First, a predetermined amount of the grease 29 to be measured is filled onto the upper surface of the movable plate 23. The amount of the grease 29 filled is, for example, 1 cm 3 to 5 cm 3 .

(2)次に、グリース29が固定板22の下面に接触する位置まで可動板23を上昇させる。このとき、グリース29が所定の初期厚さA(図5(a)参照)となるように、可動板23の位置を調整する。図5(a)の初期状態において、固定板22と可動板23の間隔が、グリース29の初期厚さAになる。初期厚さAは、例えば0.5mm~2mmに設定され、具体的には1mmに設定される。この初期状態のグリース29の直径φは、例えば5mm~10mmに設定され、具体的には7.4mmに設定される。図5(a)に示すように、グリース29の直径φと同じ径サイズの固定板22および可動板23を用いて、固定板22および可動板23の全体にグリース29が拡がるように可動板23の位置を調整してもよい。なお、固定板22および可動板23の径サイズや形状は、図5(a)に限らない。例えば、固定板22や可動板23を円柱状以外の形状とし、一方の対向面に円形状のグリース充填領域を設けてもよい。 (2) Next, the movable plate 23 is raised to a position where the grease 29 contacts the lower surface of the fixed plate 22. At this time, the position of the movable plate 23 is adjusted so that the grease 29 has a predetermined initial thickness A (see FIG. 5(a)). In the initial state of FIG. 5(a), the distance between the fixed plate 22 and the movable plate 23 becomes the initial thickness A of the grease 29. The initial thickness A is set to, for example, 0.5 mm to 2 mm, specifically 1 mm. The diameter φ of the grease 29 in this initial state is set to, for example, 5 mm to 10 mm, specifically 7.4 mm. As shown in FIG. 5(a), the position of the movable plate 23 may be adjusted so that the grease 29 spreads over the entire fixed plate 22 and the movable plate 23 by using the fixed plate 22 and the movable plate 23 having the same diameter size as the diameter φ of the grease 29. Note that the diameter size and shape of the fixed plate 22 and the movable plate 23 are not limited to those shown in FIG. 5(a). For example, the fixed plate 22 and the movable plate 23 may be shaped other than cylindrical, and a circular grease filling area may be provided on one of the opposing surfaces.

(3)次に、図4の黒矢印で示すように、可動板23を所定速度で下降させる。可動板23の下降速度は、例えば0.0001m/s~0.1m/sに設定され、具体的には0.005m/sに設定される。図4に示すように、可動板23の下降によってグリース29が変形する。工程(b)では、可動板23の移動に伴うグリース29の変形時の引張荷重を経時的に測定し、可動板23の任意の移動距離における引張荷重を測定する。なお、後続の工程(d)において比較の対象となる引張荷重は、可動板23の移動初期(例えば1秒以内)の引張荷重であることが好ましい。また、可動板23の移動距離で言えば、好ましくは0.01mm~1.0mm、より好ましくは0.01mm~0.5mm、さらに好ましくは0.05mm~0.3mmの範囲内の移動距離における引張荷重で比較する。 (3) Next, as shown by the black arrow in FIG. 4, the movable plate 23 is lowered at a predetermined speed. The lowering speed of the movable plate 23 is set, for example, to 0.0001 m/s to 0.1 m/s, specifically to 0.005 m/s. As shown in FIG. 4, the grease 29 is deformed by the lowering of the movable plate 23. In step (b), the tensile load when the grease 29 is deformed due to the movement of the movable plate 23 is measured over time, and the tensile load at any moving distance of the movable plate 23 is measured. Note that the tensile load to be compared in the subsequent step (d) is preferably the tensile load at the beginning of the movement of the movable plate 23 (for example, within 1 second). In terms of the moving distance of the movable plate 23, the tensile load is compared at a moving distance within a range of preferably 0.01 mm to 1.0 mm, more preferably 0.01 mm to 0.5 mm, and even more preferably 0.05 mm to 0.3 mm.

可動板23の移動距離は、図5に示すように、初期厚さAと、固定板22と移動時の可動板23との間隔Bを用いて、下記の式により算出される。
可動板23の移動距離=B-A
The moving distance of the movable plate 23 is calculated by the following formula using the initial thickness A and the distance B between the fixed plate 22 and the movable plate 23 during movement, as shown in FIG.
Movement distance of the movable plate 23=B−A

(4)図4に戻り、可動板23の下降が更に進むと、最終的にグリース29が破断する。グリース29の破断の有無は、目視や高速度カメラや引張荷重を計測することによって確認できる。 (4) Returning to FIG. 4, as the movable plate 23 continues to descend, the grease 29 eventually breaks. Whether or not the grease 29 has broken can be confirmed by visual inspection, a high-speed camera, or by measuring the tensile load.

なお、図4に示す引張試験機の構成は、これに限らない。例えば、可動板23をステージ25と一体に形成してもよい。また、可動板23を鉛直下向きに引き下げる構成に代えて、可動板を鉛直上向きに引き上げる構成にしてもよい。 The configuration of the tensile tester shown in FIG. 4 is not limited to this. For example, the movable plate 23 may be formed integrally with the stage 25. Also, instead of pulling the movable plate 23 vertically downward, the movable plate may be pulled up vertically upward.

<工程(c)>
この工程では、数値流体解析を行う。数値流体解析には、有限体積法によって数値解析を行う汎用の熱流体解析ソフトウェアなどが用いられる。この解析では、所定の流体物性のグリースを上述の引張試験に適用した場合、引張荷重がどのように変化するかを再現する。解析の際の計算条件には、工程(b)で実施した引張試験の試験条件などを用いる。
<Step (c)>
In this step, a computational fluid analysis is performed. For the computational fluid analysis, general-purpose thermal fluid analysis software that performs numerical analysis using the finite volume method is used. In this analysis, the change in tensile load is reproduced when a grease with a given fluid property is applied to the above-mentioned tensile test. The calculation conditions used in the analysis are the test conditions of the tensile test performed in step (b), etc.

また、解析に適用するグリースの流体物性は、係数の数を少なくできることから、回転式レオメータの実測値から求められる推定モデルを用いることが好ましい。なお、経験則などに基づいて取得された推定モデルを用いてもよい。後述の実施例で示すように、この数値流体解析によって、引張試験におけるグリースの変形時の引張荷重4がシミュレーションされる。この場合、工程(b)で取得された可動板の移動距離に対応した引張荷重がシミュレーションされる。 In addition, since the number of coefficients can be reduced for the fluid properties of the grease to be applied to the analysis, it is preferable to use an estimated model obtained from the actual measured values of a rotational rheometer. Note that an estimated model obtained based on empirical rules may also be used. As shown in the examples described later, this computational fluid analysis simulates the tensile load 4 when the grease deforms in a tensile test. In this case, the tensile load corresponding to the moving distance of the movable plate obtained in step (b) is simulated.

<工程(d)>
この工程では、まず、工程(b)で測定した可動板の所定の移動距離における引張荷重3と、工程(c)でシミュレーションした可動板の当該移動距離における引張荷重4とを比較して、これらの荷重が一致しているか否かを判定する。具体的には、各引張荷重が所定範囲内(例えば、±10%)であるか否を判定する。そして、各引張荷重が所定範囲内である場合に一致したと判定し、各引張荷重が所定範囲内でない場合に一致していないと判定する。例えば、引張荷重3を中心とした所定範囲内(例えば、±10%)に、引張荷重4が含まれる場合に一致したと判定し、含まれない場合に一致していないと判定する。なお、比較する引張荷重は可動板の1点の移動距離に限らず、複数点の移動距離における引張荷重を用いて比較してもよい。複数の移動距離における引張荷重を用いる場合、両者の各移動距離における引張荷重がすべて所定範囲内の場合に、引張荷重3と引張荷重4が一致したと判定する。
<Step (d)>
In this step, first, the tensile load 3 at a predetermined moving distance of the movable plate measured in step (b) is compared with the tensile load 4 at the same moving distance of the movable plate simulated in step (c) to determine whether these loads match. Specifically, it is determined whether each tensile load is within a predetermined range (e.g., ±10%). Then, it is determined that the loads match when each tensile load is within the predetermined range, and it is determined that the loads do not match when each tensile load is not within the predetermined range. For example, it is determined that the loads match when the tensile load 4 is included within a predetermined range (e.g., ±10%) centered on the tensile load 3, and it is determined that the loads do not match when the tensile load is not included. Note that the tensile loads to be compared are not limited to the moving distance of one point of the movable plate, and it may be compared using tensile loads at moving distances of multiple points. When using tensile loads at multiple moving distances, it is determined that the tensile loads 3 and 4 match when the tensile loads at each moving distance of both are all within the predetermined range.

両者の荷重が一致すると判定した場合は、工程(a)で取得した推定モデル2は正確であるとして、該推定モデル2を粘性モデル5に決定する。一方、両者の荷重が一致していないと判定した場合は、推定モデル2のパラメータを調整する。例えば、Cross Powerlawモデルの場合には、パラメータとして係数ηとmを変更する。なお、Herchel-Bulkleyモデルの場合には、τとK、Papanastasiouモデルの場合には、τとm、上記式(1)のモデルの場合には、τとmを変更する。 If it is determined that the two loads match, the estimation model 2 acquired in step (a) is deemed to be accurate, and the estimation model 2 is determined to be the viscosity model 5. On the other hand, if it is determined that the two loads do not match, the parameters of the estimation model 2 are adjusted. For example, in the case of the Cross Powerlaw model, the coefficients η 0 and m are changed as parameters. Note that in the case of the Herchel-Bulkley model, τ 0 and K are changed, in the case of the Papanastasiou model, τ 0 and m are changed, and in the case of the model of the above formula (1), τ 0 and m are changed.

その後、数値流体解析(工程(c))を再度行い、その解析で得られた引張荷重4と引張荷重3を比較して、これらの荷重が一致しているか否かを再度判定する。そして、2つの引張荷重が一致するまで、推定モデル2のパラメータの変更を繰り返す。2つの引張荷重が一致する場合には、推定モデル2で推定した粘度特性が、実際のグリースの粘度を表せているといえる。 After that, the computational fluid analysis (step (c)) is performed again, and the tensile load 4 and tensile load 3 obtained in that analysis are compared to determine again whether these loads match. Then, the parameters of the estimation model 2 are repeatedly changed until the two tensile loads match. If the two tensile loads match, it can be said that the viscosity characteristics estimated by the estimation model 2 represent the actual viscosity of the grease.

このように、引張試験の解析と実験によりそれぞれ得られたグリースの引張荷重を比較することで、推定モデルの妥当性を検証することができる。そして、引張試験時の引張荷重を実験と解析で一致させることで、実際のグリースの粘度をより反映した精度の高い粘性モデルになる。 In this way, by comparing the grease tensile load obtained from the tensile test analysis and the experiment, the validity of the estimation model can be verified. Furthermore, by matching the tensile load during the tensile test between the experiment and the analysis, a highly accurate viscosity model that more accurately reflects the actual viscosity of the grease can be obtained.

本発明に係る見かけ粘度の推定方法は、上記の決定方法によって決定された粘性モデルを用いて、任意のせん断速度における見かけ粘度を推定する方法である。せん断速度は、チャーニング期の回転中にポケット隙間に存在するグリースに掛かるせん断速度であり、設定する軸受回転数などから算出できる。例えば、玉が保持器のポケット部中心に位置すると仮定すれば、6204軸受で内輪回転速度10min-1の場合、ポケット部のグリースのせん断速度は10-1オーダーに相当する。任意のせん断速度を得られた粘性モデルに代入することで、チャーニング期の回転中にポケット隙間に存在するグリースのそのせん断速度における見かけ粘度を、予測値として求めることができる。 The method for estimating apparent viscosity according to the present invention is a method for estimating apparent viscosity at any shear rate using a viscosity model determined by the above-mentioned determination method. The shear rate is the shear rate acting on the grease present in the pocket gap during rotation in the churning phase, and can be calculated from the set bearing rotation speed, etc. For example, assuming that the ball is located at the center of the pocket of the cage, in the case of a 6204 bearing with an inner ring rotation speed of 10 4 min -1 , the shear rate of the grease in the pocket corresponds to an order of 10 5 s -1 . By substituting any shear rate into the obtained viscosity model, the apparent viscosity of the grease present in the pocket gap during rotation in the churning phase at that shear rate can be obtained as a predicted value.

ここで、一般的にグリースの見かけ粘度が大きくなるほど、軸受トルクも大きくなる。そのため、上述の方法で推定した見かけ粘度を用いることで、軸受トルクを推定する、または、複数のグリース間で軸受トルクの大小を推定することができる。軸受トルクの推定は、例えば、軸受を含む機械装置全体の温度を軸受内部の温度と仮定しグリースの見かけ粘度を算出することで行える。これにより、要求される軸受トルクからグリースの選定(レオメータで評価)を行なうことも可能となる。また、複数のグリース間の軸受トルクの大小の推定は、各グリースの見かけ粘度の大小を比較することで行える。例えば、複数のグリースの中から最も見かけ粘度が低いグリースを、軸受トルクが最も低いグリースとして選定することができる。 Here, generally, the greater the apparent viscosity of the grease, the greater the bearing torque. Therefore, by using the apparent viscosity estimated by the above-mentioned method, it is possible to estimate the bearing torque or to estimate the magnitude of the bearing torque between multiple greases. The bearing torque can be estimated, for example, by assuming that the temperature of the entire machine including the bearing is the temperature inside the bearing and calculating the apparent viscosity of the grease. This makes it possible to select a grease (evaluated with a rheometer) based on the required bearing torque. In addition, the magnitude of the bearing torque between multiple greases can be estimated by comparing the apparent viscosity of each grease. For example, the grease with the lowest apparent viscosity among multiple greases can be selected as the grease with the lowest bearing torque.

図1では、グリースが封入される転がり軸受として玉軸受について例示したが、玉軸受以外にも、円筒ころ軸受、円すいころ軸受、自動調心ころ軸受、針状ころ軸受、スラスト円筒ころ軸受、スラスト円すいころ軸受、スラスト針状ころ軸受、スラスト自動調心ころ軸受などにも適用できる。 In Figure 1, a ball bearing is shown as an example of a rolling bearing in which grease is sealed, but the invention can also be applied to cylindrical roller bearings, tapered roller bearings, spherical roller bearings, needle roller bearings, thrust cylindrical roller bearings, thrust tapered roller bearings, thrust needle roller bearings, and thrust spherical roller bearings.

上記では、グリースおよび該グリースが封入された転がり軸受について述べたが、本発明の推定方法の対象となる非ニュートン流体は、グリースに限らず、ゲルやゾル、その他のチキソトロピー性を有する流体や半固体であってもよい。また、非ニュートン流体がせん断を受ける相対運動する2部材は、転がり軸受の軸受部材に限らず、他の機械要素に適用してもよい。他の機械要素としては、例えば、リニアガイドや、クラッチ、カム、ジョイント、チェーン、歯車、滑り軸受などが挙げられる。 Although the above describes grease and rolling bearings filled with the grease, the non-Newtonian fluid that is the subject of the estimation method of the present invention is not limited to grease, but may also be a gel, a sol, or other thixotropic fluid or semi-solid. Furthermore, the two members in relative motion that subject the non-Newtonian fluid to shear are not limited to the bearing members of rolling bearings, and may be applied to other machine elements. Examples of other machine elements include linear guides, clutches, cams, joints, chains, gears, and sliding bearings.

本発明の推定方法は、低速せん断域でも見かけ粘度を精度よく推定できることから、10s-1以下のせん断速度域、より好ましくは1s-1以下のせん断速度領域で使用される非ニュートン流体の推定に適している。具体的には、低速回転用の転がり軸受に封入されるグリースの見かけ粘度の推定に適している。なお、本発明における粘性モデルによれば、高速せん断域での見かけ粘度も十分推定することができる。 The estimation method of the present invention can accurately estimate the apparent viscosity even in a low shear region, and is therefore suitable for estimating non-Newtonian fluids used in a shear rate region of 10 s -1 or less, more preferably in a shear rate region of 1 s -1 or less. Specifically, it is suitable for estimating the apparent viscosity of grease sealed in a rolling bearing for low-speed rotation. The viscosity model of the present invention can also adequately estimate the apparent viscosity in a high-speed shear region.

グリースについて、レオロジー測定を行なった。レオメータ(Thermo Fisher Scientific社製HAAKE RheoWin MARS1)において、直径20mm、先端角度178°のコーンプレート型のセルを用いて測定した。せん断速度を10から5000(単位:1/s)まで増速し、各せん断速度で定常状態になった時の見かけ粘度を計測した。図6には、その実測値をプロットした。 Rheological measurements were performed on the grease. Measurements were performed using a cone-plate type cell with a diameter of 20 mm and a tip angle of 178° in a rheometer (HAAKE RheoWin MARS1 manufactured by Thermo Fisher Scientific). The shear rate was increased from 10 to 5000 (unit: 1/s), and the apparent viscosity was measured when the viscosity reached a steady state at each shear rate. The measured values are plotted in Figure 6.

計算モデルとしては、上記式(2)に示すCross Powerlawモデルを用いた。上述のレオロジー測定結果より、上記式(2)における係数(η、m、n)を求めて推定モデルを取得した。なお、基油の粘度ηoilは、Waltherの式によって算出した。 The Cross Powerlaw model shown in the above formula (2) was used as the calculation model. From the above rheology measurement results, the coefficients (η 0 , m, n) in the above formula (2) were calculated to obtain an estimation model. The viscosity η oil of the base oil was calculated by Walther's formula.

得られた各係数を表1に示す。表1には、実施例と比較例の2つの推定モデルの係数の値を示している。なお、基油の粘度ηoilおよびnは、実施例と比較例で同じ値であり、これらの値はこの時点で決定される。 The obtained coefficients are shown in Table 1. Table 1 shows the coefficient values of the two estimation models of the Example and Comparative Example. Note that the viscosity η oil of the base oil and n are the same values in the Example and Comparative Example, and these values are determined at this point.

Figure 0007538671000006
Figure 0007538671000006

図6には、上記式(2)に表1の各値を代入して得られた近似式を、実線(実施例)と破線(比較例)で示した。図6に示すように、せん断速度が約10~10000s-1では、実施例と比較例のいずれも回転式レオメータで測定した結果と一致している。一方、せん断速度10s-1以下では両者に差がみられ、レオロジー測定結果だけでは、どちらの粘度特性が正確であるか判別が困難である。 In Fig. 6, the approximation formula obtained by substituting the values in Table 1 into the above formula (2) is shown by a solid line (Example) and a dashed line (Comparative Example). As shown in Fig. 6, at shear rates of about 10 to 10,000 s -1 , both the Example and the Comparative Example match the results measured by the rotational rheometer. On the other hand, at shear rates of 10 s -1 or less, differences are seen between the two, and it is difficult to determine which viscosity characteristic is more accurate based on the rheology measurement results alone.

次に、図4および図5で示した引張試験を行ない、グリースの変形時の引張荷重を測定した。試験開始前のグリースの厚さ(初期厚さA)は1mmで、直径φは7.4mmであった。また、固定板および可動板には、直径7.4mmの円柱状の平板を用いた。可動板を0.005m/sの速度で引き下げ、可動板の移動距離が0.05mm、0.25mm、0.5mmの引張荷重を測定した(図7参照)。 Next, the tensile test shown in Figures 4 and 5 was performed to measure the tensile load when the grease was deformed. The thickness of the grease before the test (initial thickness A) was 1 mm, and the diameter φ was 7.4 mm. Cylindrical flat plates with a diameter of 7.4 mm were used for the fixed plate and the movable plate. The movable plate was lowered at a speed of 0.005 m/s, and the tensile load was measured when the movable plate moved 0.05 mm, 0.25 mm, and 0.5 mm (see Figure 7).

また、熱流体解析ソフトウェアを用いて数値流体解析を行い、引張試験において可動板の移動距離が0.05mm、0.25mm、0.5mmの時の引張荷重をシミュレーションした。解析の計算条件には、実際に行った引張試験の試験条件、実施例の推定モデルおよび比較例の推定モデルに基づく流体物性などを用いた。この解析によって得られた引張荷重を図7に示す。 In addition, a computational fluid analysis was performed using thermal fluid analysis software to simulate the tensile load when the moving distance of the movable plate in the tensile test was 0.05 mm, 0.25 mm, and 0.5 mm. The calculation conditions for the analysis were the test conditions of the actual tensile test, and the fluid properties based on the estimated model of the example and the estimated model of the comparative example. The tensile load obtained by this analysis is shown in Figure 7.

図7に示すように、実施例の推定モデルからシミュレーションされた引張荷重は、実験で得られた引張荷重とよく一致した。具体的には、可動板の移動距離が0.05mm、0.25mm、0.5mmの引張荷重の実験値との誤差がいずれも±10%以内であった。一方、比較例の推定モデルからシミュレーションされた引張荷重は、実験で得られた引張荷重と一致しなかった。具体的には、可動板の移動距離が0.05mm、0.25mm、0.5mmの引張荷重の実験値との誤差が20%以上であった。実際のグリースの粘度と、推定モデルの見かけ粘度が異なっていれば、グリース内に作用する応力も異なる。この場合、比較例の見かけ粘度特性は実際のグリース粘度を表現できておらず、実施例の見かけ粘度特性は実際のグリース粘度を表現できるといえる。 As shown in FIG. 7, the tensile load simulated from the estimation model of the embodiment closely matched the tensile load obtained in the experiment. Specifically, the error from the experimental value of the tensile load when the moving distance of the movable plate was 0.05 mm, 0.25 mm, and 0.5 mm was within ±10%. On the other hand, the tensile load simulated from the estimation model of the comparative example did not match the tensile load obtained in the experiment. Specifically, the error from the experimental value of the tensile load when the moving distance of the movable plate was 0.05 mm, 0.25 mm, and 0.5 mm was 20% or more. If the actual viscosity of the grease differs from the apparent viscosity of the estimation model, the stress acting in the grease also differs. In this case, it can be said that the apparent viscosity characteristic of the comparative example cannot express the actual grease viscosity, and the apparent viscosity characteristic of the embodiment can express the actual grease viscosity.

また、図7に示すように、引張荷重は、可動板の移動距離が長くなるほど小さくなっている。グリースの変形時の初期に、より大きな応力が働くためと考えられる。また、比較例と実験データの乖離具合は、可動板の移動距離が長くなるほど小さくなっている。つまり、実験データとの比較において、その判定結果に移動距離が影響する可能性がある。そのため、引張荷重の一致・不一致をより正確に判定するため、移動距離が短い領域の引張荷重を用いて判定することが好ましいと考えられる。 As shown in Figure 7, the tensile load decreases as the moving distance of the movable plate increases. This is thought to be because a larger stress acts on the grease at the beginning of deformation. The degree of deviation between the comparative example and the experimental data also decreases as the moving distance of the movable plate increases. In other words, the moving distance may affect the judgment results when comparing with the experimental data. Therefore, in order to more accurately judge whether the tensile loads match or not, it is thought to be preferable to make the judgment using the tensile load in an area with a short moving distance.

上記の引張荷重の一致の判定によって、粘性モデルが決定される。例えば、実施例の推定モデルの場合には、その推定モデルを粘性モデルに決定する。一方、比較例の推定モデルの場合には、その推定モデルのパラメータの調製を行なう。具体的には、η、mの値を大きくしたり小さくしたりして変更する。そして、変更された推定モデルを用いて、数値流体解析によりグリースの変形時の引張荷重を再度シミュレーションし、引張試験の引張荷重と一致するまでパラメータの調製を行い、最終的に粘性モデルを決定する。このように、グリースの見かけ粘度は、回転式レオメータのみの同定では、実際の粘度特性と一致しない場合もあるが、引張試験の結果とを組み合わせることで一致させることができる。 The viscosity model is determined by the above-mentioned determination of the coincidence of the tensile loads. For example, in the case of the estimation model of the embodiment, the estimation model is determined to be the viscosity model. On the other hand, in the case of the estimation model of the comparative example, the parameters of the estimation model are adjusted. Specifically, the values of η 0 and m are changed by increasing or decreasing them. Then, using the changed estimation model, the tensile load during deformation of the grease is simulated again by computational fluid analysis, and the parameters are adjusted until it coincides with the tensile load of the tensile test, and finally the viscosity model is determined. In this way, the apparent viscosity of the grease may not coincide with the actual viscosity characteristics when identified only by the rotational rheometer, but it can be made to coincide by combining it with the results of the tensile test.

このようにして得られた粘度特性を利用すれば、実際の軸受トルクやグリース挙動を正確に推定することができる。例えば、軸受が低速で回転する場合、低速せん断時のグリースの見かけ粘度がトルクの主要因となるため、該見かけ粘度を正確に推定できなければ、推定したトルクが実際のトルクと乖離してしまう。また、軸受内のグリース挙動は、粘度が異なっていれば大きく異なる。これらのことから本発明の決定方法で決定された粘性モデルをトルク推定やグリースの挙動解析などに用いることが望ましい。 The viscosity characteristics obtained in this way can be used to accurately estimate the actual bearing torque and grease behavior. For example, when a bearing rotates at low speed, the apparent viscosity of the grease during low-speed shear is the main factor in torque, so if the apparent viscosity cannot be accurately estimated, the estimated torque will deviate from the actual torque. Furthermore, the behavior of the grease inside the bearing will vary greatly if the viscosity is different. For these reasons, it is desirable to use the viscosity model determined by the determination method of the present invention for torque estimation, grease behavior analysis, etc.

本発明の決定方法により決定される粘性モデルによれば、低せん断速度域において、非ニュートン流体の見かけ粘度を精度よく推定でき、ひいては非ニュートン流体が存在する状態で2部材を相対運動させる際のトルクを精度よく推定できるので、例えば、低速回転用の転がり軸受のグリース選定などに好適に利用できる。 The viscosity model determined by the determination method of the present invention allows for accurate estimation of the apparent viscosity of a non-Newtonian fluid in the low shear rate range, and therefore allows for accurate estimation of the torque required to move two components relative to each other in the presence of a non-Newtonian fluid. This makes it suitable for use in, for example, selecting grease for rolling bearings used at low rotation speeds.

1 転がり軸受
2 内輪
3 外輪
4 玉
5 保持器
6 シール部材
7 グリース
8 開口部
11 レオメータ
12 コーンプレート型セル
13 水平円盤プレート
14 グリース
21 引張試験機
22 固定板
23 可動板
24 駆動装置
25 ステージ
26 リニアガイド
27 モータ
28 ボールねじ
29 グリース
30 ロードセル
REFERENCE SIGNS LIST 1 rolling bearing 2 inner ring 3 outer ring 4 balls 5 cage 6 seal member 7 grease 8 opening 11 rheometer 12 cone-plate type cell 13 horizontal disc plate 14 grease 21 tensile tester 22 fixed plate 23 movable plate 24 drive unit 25 stage 26 linear guide 27 motor 28 ball screw 29 grease 30 load cell

Claims (6)

非ニュートン流体として、基油と増ちょう剤を含むグリースの見かけ粘度を推定する粘性モデルの決定方法であって、
せん断速度と粘度との関係式を示す推定モデルを得る工程(a)と、
前記非ニュートン流体を固定板と可動板との間に挟み、前記可動板を前記固定板から離間するように移動させて前記非ニュートン流体を伸ばす引張試験において、前記非ニュートン流体の変形時の引張荷重を測定する工程(b)と、
前記工程(a)で得た前記推定モデルに対して数値流体解析を行い、前記引張試験における前記非ニュートン流体の変形時の引張荷重を予測する工程(c)と、
前記工程(b)で測定した前記引張荷重と、前記工程(c)で予測した前記引張荷重とを比較して、これらの荷重が一致するように前記推定モデルのパラメータを調整して粘性モデルを決定する工程(d)とを有し、
前記推定モデルは、Cross Powerlawモデル、Herchel-Bulkleyモデル、Papanastasiouモデル、または下記式(1)のモデルに基づくものであって、
前記工程(a)は、回転式レオメータを用いて所定のせん断速度における前記非ニュートン流体の粘度を測定し、その測定結果に基づいて、前記推定モデルを得ることを特徴とする粘性モデルの決定方法。
Figure 0007538671000007
ただし、式中の記号は、η:見かけ粘度[Pa・s]、ηoil:流体成分の粘度[Pa・s]、τ:降伏応力[Pa]、γ:せん断速度[s-1]、n:定数、m:定数である。
A method for determining a viscosity model for estimating the apparent viscosity of a grease containing a base oil and a thickener as a non-Newtonian fluid, comprising the steps of:
(a) obtaining an estimated model showing a relationship between shear rate and viscosity;
a step (b) of measuring a tensile load when the non-Newtonian fluid is deformed in a tensile test in which the non-Newtonian fluid is sandwiched between a fixed plate and a movable plate, and the movable plate is moved away from the fixed plate to stretch the non-Newtonian fluid;
A step (c) of performing a computational fluid analysis on the estimated model obtained in the step (a) to predict a tensile load during deformation of the non-Newtonian fluid in the tensile test;
and (d) a step of comparing the tensile load measured in the step (b) with the tensile load predicted in the step (c) and adjusting parameters of the estimation model so that these loads match, thereby determining a viscosity model ;
The estimation model is based on a Cross Powerlaw model, a Herchel-Bulkley model, a Papanastasiou model, or a model of the following formula (1):
The method for determining a viscosity model , wherein the step (a) comprises measuring the viscosity of the non-Newtonian fluid at a predetermined shear rate using a rotational rheometer, and obtaining the estimated model based on the measurement results .
Figure 0007538671000007
In the formula, the symbols are: η: apparent viscosity [Pa·s], η oil : viscosity of fluid component [Pa·s], τ 0 : yield stress [Pa], γ: shear rate [s −1 ], n: constant, and m: constant.
前記工程(b)において、前記引張試験は、前記非ニュートン流体を、前記固定板と前記可動板の間に初期厚さ1mm、直径7.4mmで挟み、その状態から前記可動板を0.005m/sの速度で引き下げる条件で実施され、前記可動板の移動距離が0.01mm~1.0mmにおける引張荷重が測定されることを特徴とする請求項1記載の粘性モデルの決定方法。 The method for determining a viscosity model according to claim 1, characterized in that in step (b), the tensile test is performed under the condition that the non-Newtonian fluid is sandwiched between the fixed plate and the movable plate with an initial thickness of 1 mm and a diameter of 7.4 mm, and the movable plate is lowered from that state at a speed of 0.005 m/s, and the tensile load is measured when the movable plate moves a distance of 0.01 mm to 1.0 mm. 前記工程(d)は、前記工程(b)で測定した前記引張荷重を中心とした所定範囲内に、前記工程(c)で予測した前記引張荷重が含まれる場合に前記推定モデルを前記粘性モデルに決定し、含まれない場合に前記推定モデルの前記パラメータを調整することを特徴とする請求項1または請求項2記載の粘性モデルの決定方法。 3. The method for determining a viscosity model according to claim 1 or 2, characterized in that the step (d) determines the estimation model to be the viscosity model when the tensile load predicted in the step (c) is included within a predetermined range centered on the tensile load measured in the step (b), and adjusts the parameters of the estimation model when the tensile load predicted in the step ( c) is not included within the predetermined range. 非ニュートン流体の見かけ粘度を推定する方法であって、
請求項1から請求項までのいずれか1項記載の粘性モデルの決定方法によって決定された粘性モデルを用いて、10s-1以下の任意のせん断速度における前記非ニュートン流体の見かけ粘度を推定することを特徴とする見かけ粘度の推定方法。
1. A method for estimating the apparent viscosity of a non-Newtonian fluid, comprising:
A method for estimating an apparent viscosity of the non-Newtonian fluid at an arbitrary shear rate of 10 s -1 or less, using a viscosity model determined by the method for determining a viscosity model according to any one of claims 1 to 3 .
機械要素に発生する非ニュートン流体のせん断によるトルクを推定する方法であって、
請求項記載の推定方法によって推定された前記非ニュートン流体の見かけ粘度を用いて、前記任意のせん断速度で発生するトルクを推定する、または、複数の非ニュートン流体間において前記任意のせん断速度で発生するトルクの大小を推定することを特徴とするトルクの推定方法。
A method for estimating torque due to shear of a non-Newtonian fluid generated in a machine element, comprising the steps of:
5. A torque estimation method, comprising: estimating a torque generated at the arbitrary shear rate, or estimating a magnitude of a torque generated at the arbitrary shear rate between a plurality of non-Newtonian fluids, using the apparent viscosity of the non-Newtonian fluid estimated by the estimation method according to claim 4.
前記機械要素が転がり軸受であることを特徴とする請求項記載のトルクの推定方法。 6. The method for estimating torque according to claim 5 , wherein the mechanical element is a rolling bearing.
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