トラクションドライブの転がり疲労損傷メカニズム解明と疲労強度予測式の導出

2022 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 21K03827
• Research Institution: Muroran Institute of Technology
• Principal Investigator: 成田 幸仁 室蘭工業大学, 大学院工学研究科, 准教授 (90431519)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2024-03-31
• Keywords: 機械要素 / トラクションドライブ / 疲労強度

Outline of Annual Research Achievements

ローラ表面や内部の欠陥寸法やビッカース硬さ，圧縮残留応力等の影響因子に基づいたトラクションドライブの転がり疲労強度予測式の導出を目的として，三カ年に渡って研究を行う．
昨年度は実験で用いている試験ローラのビッカース硬さと圧縮残留応力を測定し，その結果を考慮して，ローラ内部応力を計算により求めた．その結果，ローラ内部応力は高まり，これまでの実験で得られている転がり疲労強度も高くなった．この結果をローラ材料内部の非金属介在物寸法に基づく疲労強度推定式に代入して，これまでの多数個の転がり疲労試験で損傷起点となった非金属介在物寸法を逆算したところ，転がり軸受に関する先行研究において強度に影響を及ぼさないとされるほど小さい値となった．この結果から，トラクションドライブの転がり疲労強度はローラ表面のき裂によって決まる可能性が極めて高くなった．
そこで，今年度は疲労き裂の発生起点がローラ表面か内部かを実験的に確認することを中心に研究を行った．これまでの研究で得られたS-N曲線に基づき，高荷重短寿命，中荷重中寿命，低荷重損傷無しの三条件で再度転がり疲労試験を行い，はく離損傷の直前と思われる段階で疲労試験を中断した．得られた試験ローラの転動面を輪切りにし，デジタルマイクロスコープで観察した．その結果，高荷重～中荷重の試験に供したローラでは，ローラ表面から発生して内部に向かって進展したと思われる，深さ数十μm程度のき裂が多く見られた．また，そのき裂がローラ中の非金属介在物に引き寄せられて転がり方向に進展しているものも存在し，中には再び表面に向かって進展してはく離損傷寸前となっているものも見られた．
以上の結果より，来年度はトラクションドライブの応力状態と表面き裂の発生時期，及びはく離寿命の関係を定量的に評価することにした．

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

昨年度の研究開始から今年度までは，目標はおおむね達成できている．昨年度はこれまでの実験結果を見直し，ローラ内部に人工欠陥を設けた実験は取り止めとして，表面欠陥に着目した疲労試験にリソースを集中させた．その効果があり，今年度はローラの損傷起点が表面に発生したき裂であり，それがローラの転がり方向に進展してはく離損傷に至る可能性が高いことを明らかにすることが出来た．

Strategy for Future Research Activity

今年度の研究によって，ローラの疲労損傷起点が表面に発生したき裂であることが明らかになった．今年度当初はローラ表面に人工的に欠陥を設けたローラで疲労試験する計画であったが，それをせずとも表面から内部に向かって進展するき裂を観察できたのは大きな成果である．しかしながら，そのき裂深さは数十μm程度と小さいため，来年度予定するき裂深さと疲労強度および寿命との関係を定量的に評価するために寸法を制御した人工欠陥を設ける方法は難しいかもしれない．微小な人工欠陥を設ける方法は引き続き検討するが，今年度行った，欠陥を設けない試験ローラで疲労試験し，損傷寸前の段階で実験を中断する方法を応用することも考えられる．すなわち，より早い段階で実験を中断し，負荷繰り返し数とき裂深さの関係を得て，そこからローラの応力状態と疲労強度および寿命を定量的に評価する方法である．