玉軸受の耐久性に関して

質問

モーターの高温環境下(110度)での耐久性の加速試験において、ベアリングが損傷し、数百時間程度で振動、音が拡大してしまいます。常温での計算寿命に加速試験の係数を掛けた値と比較して、かなり短い時間です。
当方、ベアリングに関しての知見がなく、改善の一手がなかなか打てない状態なので、知見のある方、助言いただけないでしょうか。

損傷の診断内容としては、外輪の転走跡幅の不均一、外輪、内輪、ボールの荒れ、ボールのテンパカラーです。

深溝玉軸受
定常回転
垂直より数十度傾き

回答No.6

kon555 · ベストアンサー

>>解析の助けになりそうな項目
　ベアリング異常ならやはり基本は音でしょうか。発生時の音圧と音の周波数が抑えられているなら、劣悪試験で「近似する音」が発生した不良があったなら、かなり近い現象が発生していると思われます。
　例えばベアリングの不良では「衝撃荷重などで内部のころに圧痕がついた」「軸と内径のクリアランス不良」「ごみの噛み込み」など多数の原因がありますが、それぞれ別の音がするものです。ジージー、シャリシャリ、キンキン・・・といったようにです。また一定間隔での異音なのか、不規則に発生するのかも重要な材料です。
　逆に言えば、似た異音なら似た不良である、と言えます。
参考：https://www.ntn.co.jp/japan/products/catalog/pdf/3017.pdf

　また「外輪の転走跡幅の不均一、外輪、内輪、ボールの荒れ」といったこれらも、顕微鏡観察できればかなりの事が分かります。
　これも音と同様なのですが、傷という物はやはり個々の現象の特徴を色濃く表しているものです。音も傷も同程度のものならば、ほぼ再現できたとみなしていいと思います。
(もちろん、他のパラメータの一致度もチェックするべきですが)
https://www.monotaro.com/s/pages/readingseries/kikaibuhinhyomensyori_0805/
　おそらくですが、ベアリングメーカー側から傷や荒れの拡大写真は貰えるでしょう。メーカー側で対応してくれなくとも、いまならデジカメやスマートフォンでもかなり拡大できる物がありますし、そうした事を外注できる会社も探せばあるかと。

回答No.5

久保 泰臣（@omi3_）

素人の憶測ですが
軸と内周が、熱膨張したのに、膨張量の少ないハウジングが
　ベアリング外周を圧迫して適正ギャップが無くなったのでしょう。
　　ならば、ベアリングへの荷重に関わらず損傷します。
試験中、ハウジングをひねって遊び量が計測できるのなら
　10分毎にひねって、ハウジング温度とひねり遊び量をグラフにしましょう。

赤外線サーモグラフィがあれば、原因が一目瞭然です。
　低解像度でも十分なので、試験開始直後と1時間後の
　温度差が発生した場所を特定しましょう。
　機械なら 160x120pixのサーモグラフィでも楽に判断できます。
電気なら、基板部品のあちこちの波形を見なければならず
　放射温度計で各所を見るのと同じく使えない手法です。

お礼

ご回答ありがとうございます。
材料は軸がSUS、ハウジングはアルミ、ベアリングはSUJ2を使用しており、また公差設計上は隙間が埋まらない程度としているのですが、実物の寸法の計測はできておりませんので、計測してみます。
またひねるというのはどのような動作か教えていただけないでしょうか。

サーモグラフィで見る際は、外周または内周に温度上昇が発生していないかを確認するイメージでしょうか。

回答No.4

kon555

>>ここから何をどう検討すれば
　中々に手ごたえがありそうな状況ですね。しかも耐久試験という事は開発案件か不具合対応でしょうか？　お察しします。

　ともあれそうした状況であれば、アプローチ方法は大別すると2種。詳細には
3種に分かれるかと。
1.不良ベアリングの詳細解析
2－Ａ.再試験(同一条件)
2－Ｂ.再試験(劣悪条件)

　1についてはシンプルです。現在お手元にあるベアリングの「転走跡幅の不均一」と「外輪、内輪、ボールの荒れ」について、顕微鏡や3Dスキャニングでの詳細な解析を実施します。
　当然、それだけで真因が判明する可能性は薄いですが、現状で最も多くの情報を含んでいるハズのベアリングから、可能な限りの要素を読み解こうとするアプローチ方法です。
　例えばですが、圧痕などはないか。何か特徴的な荒れ方はしていないか。テンパカラーから推測される到達温度は・・・といった要素類です。
　お手元にそうした機器類がないなら外注も可能でしょうが、この辺りは予算とも絡みますね。

　2の再現試験は、どちらもメーカー見解である「組み込み時の変形や傾きによって局所的に圧が上がり」を検討するために実施します。
　2-Aはそのまま、同一条件で再試験します。ただしこの場合、一度治具等も含めたセッティングは完全にやり直すべきでしょう。
　組み込み時の変形や傾きによって云々、という仮説が正しいならば、この再現試験では同様の事例は発生しないか、寿命が延びるはずです。特に65℃試験では現象の再発が無いという事ですから、治具類の構造的な欠陥の可能性は低いでしょう。

　2-Bは、仮説である「組み込み時の変形や傾き」をわざと発生させにいきます。モーターをわざと芯ずれさせたり、粗く組み付けるなどです。
　この場合、かなりの確率でベアリング不良が発生するでしょうが、重要なのはその際の現象が、現在問題としているベアリング不良と同一かを見定める事です。
　もし不具合時のトルクその他のデータがあるならばそれと照合するのもいいでしょう。またベアリングの詳細解析が可能なら、それを比較するのも効果的です。

　もし私が貴方の立場で、予算その他の懸念がないなら、まずベアリング解析は実施します。
　その上で2-Aの再現実験を行う。再現しないようなら、偶発的な不具合の可能性が高いので、実務上許される程度にn増しします。
　もし2-Aで安定的に再現するならば、データロガーその他で可能な限り不具合時の情報を入手。その上で2-Bの劣悪再現を行い、不具合の発生条件を絞り込みます。
　データやベアリングの特徴が高い蓋然性で一致したなら、おそらくかなりの確率で真因が判明するはずです。

お礼

1.不良ベアリングの詳細解析については、手元には解析装置がないので、ベアリングメーカと再度協議し、要因を探るようお願いしてみます。ただ、すでに一度解析を完了したものであるので、難しいかもしれません。最も情報を多く含んでいる、という意識で、今後の解析依頼の際に、解析をもう少し深く実施していただくようにいたします。

2-Aは再現性確認のため、実は再試験は実施中なのですが、治具のセットはそのままの状態で行ってしまっています。
また、65℃試験では同設計、別個体治具を使用していたので、105℃再試験に一度、見切りをつけ、治具等を見直してやりなおしてみます。

2-Bは、程度が非常に難しいため、手探りとなってしまいますが、いくつかの水準で実施してみます。
その際に、「データやベアリングの特徴が高い蓋然性で一致したなら、おそらくかなりの確率で真因が判明するはずです。」に関してですが、トルク計がないため、現在は振動、音、電流、回転数を計測しております。
また不具合発生時に確認しているのは、音圧、音の周波数、ベアリング玉の公転、通過、自転、保持器回転振動、電流値増加量などを確認しているのですが、その他に解析の助けになりそうな項目がありましたら教えていただけないでしょうか。
ベアリング解析について調査を行っても上記（ベアリングの振動周波数）しか見つけられず、深いところまで追求できておらず、データと現象、要因を結び付けることができておりません、

回答No.3

BUN910

お礼文に書いてあることの補足します。
ベアリング固渋と言うのは長期間停止でも起きますし、油切れの状態で使用し続けても起きます。
また、二硫化モリブデン含有のグリースの場合、二硫化モリブデン自身が粒子で、それが段々に結合して粒子が大きくなり異物のような形で噛み込みます。
長期間停止しているのであれば、週1でも空運転しておくのも寿命を延ばす手段の一つです。

お礼

ご回答ありがとうございます。ベアリング固渋という現象について理解できました。今後の不具合解析の際、参考にさせていただきます。

回答No.2

BUN910

今、ベアリングメーカさんで高温環境下で使用できるベアリングも売り出しています。
メーカさんに相談するのが一番でしょう。
高温対応のグリースもありますが、私の経験からあまりお勧めは出来ません。
多くの高温用のグリースには、二硫化モリブデンが含有しており、その成分がベアリング内で固まってきます。
そのうちに二硫化モリブデンの成分が負荷となり、ベアリング固渋の一要因となります。
高温用グリースを選択する時にはそこら辺を注意願います。

補足

ご回答ありがとうございます。他の方の質問への補足なら書かせていただきましたが、リチウム石鹸グリースを使用しており、環境温度110度に対し、150度まで対応可能であるため、温度に関しては問題ないかと思っております。ベアリング固渋というのは長時間放置、または使用によって発生するものでしょうか。

回答No.1

kon555

最終的にはベアリングメーカーに問い合わせるべき案件だと思います。適用温度とかグリスとかありますので。
　一応、メーカー的には110℃は多分非推奨の領域ですね。
https://www.ntn.co.jp/japan/products/catalog/pdf/3017.pdf
『軸受の温度は，その軸受の適性な寿命の保持，潤滑剤の劣化防 止などのために，あまり高い状態になることは好ましくなく一般 に100℃以下で使用することが望ましい状態です』
　勿論、高温環境用のベアリングであればこの限りではありません。
　なので、一度ベアリングメーカーに問い合わせて、御社の使用環境と用途に見合った製品を選別してもらう事をお勧めします。

　その前提の上でですが、もし私が貴方の立場であれば、同一条件での常温試験を実施してみます。
　テンパカラーという点からすると、ほぼ確実にベアリングの潤滑切れは間違いないように思います。
　問題はそれが「原因」であるのか、それとも何かの「結果」なのかです。
　一応書かれている内容からすると『使用環境の温度帯的にグリスの使用温度帯を外れて潤滑不良が発生。その状況下での高速回転による摩擦熱の影響でテンパカラー発生。熱膨張と潤滑不足によりベアリング損傷』という仮説が成り立ちます。
　この場合、潤滑切れはほぼ真因に近しい位置の要素になります。

　しかし、実は御社の試験環境下に何かしらベアリングにダメージを与える要因が潜んでいるかもしれません。
　例えば治具の精度によってモーターと芯ずれが発生しており、ベアリングに元々負荷がかかっている・・・というケースも当然ありえます。
　そうなると、当然常温環境下であれ計算寿命よりも著しく短くなるはずです。
　要因として非常に大きな影響になりそうな「高温環境下」という要素に注目し、その条件のみを変化させた再現試験により影響度を切り分ける事で、真因が潜んでいると思わしき要素を潰しこんでいくわけです。

　王道と言えば王道ですが、ベアリングメーカーへの問い合わせと並行して、こうした要因切り分けの潰しこみを行っていくのが、やはり最終的な近道であろうと考えます。

補足

ご回答ありがとうございます。 色々な情報が後出しになってしまい申し訳ありませんが、検討状況をもう少し追記させていただきます。 (1)グリースは150度まで対応可のリチウム石鹸グリースを使用しています。 (2)65度環境試験では110度環境試験で異常が発生した時間の3倍の時間まで試験したところ、問題は発生しておりません。(計算上の寿命に対し1割程度の時間) (3)すでにベアリングメーカーには問い合わせをしている状態なのですが、ベアリングメーカーとしては、組み込み時の変形や傾きによって局所的に圧が上がり温度が上昇したのが原因ではないか、と推測されています。 (4)少々粗い実験ですが、ベアリングに黒体スプレーを塗布し、放射温度計で温度上昇を確認すると、表面は10度程度の上昇。 以上を踏まえると、温度による要因に対してはグリースはすでに対処されている状態、組み込みなどの要因は65度で問題が発生していないため大きな問題はない状態のように見え、行き詰まってしまっている状態です。
おっしゃる通りテンパカラーが鍵となると思うのですが、ここから何をどう検討すればよいかアドバイスいただけないでしょうか。