JP2005233393A

JP2005233393A - 転がり軸受

Info

Publication number: JP2005233393A
Application number: JP2004046736A
Authority: JP
Inventors: Shunichi Yabe; 俊一矢部; Toshimi Takagi; 敏己高城
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2004-02-23
Filing date: 2004-02-23
Publication date: 2005-09-02

Abstract

【課題】走行中に破損が生じにくく信頼性の高い鉄道車両車軸用転がり軸受を提供する。
【解決手段】鉄道車両車軸用転がり軸受１０は、内輪１と、外輪２と、内輪１及び外輪２の間に転動自在に配された複数の円筒ころ３と、内輪１及び外輪２の間に複数の円筒ころ３を保持する保持器４と、を備えている。この保持器４は、平均直径が６μｍ以上７μｍ以下のガラス繊維を１５質量％以上４５質量％以下含有する樹脂組成物で構成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、鉄道車両の車軸の支持に用いられる転がり軸受に関する。

従来、鉄道車両の車軸を支持するための転がり軸受（以降においては、鉄道車両車軸用転がり軸受と記すこともある）としては、黄銅製保持器を備える円筒ころ軸受や鉄製プレス保持器を備える円すいころ軸受が最も一般的に用いられているが、近年においては鉄道車両車軸用転がり軸受の長寿命化及び軽量化の要求が強いため、保持器の合成樹脂化が進み始めている。具体的には、使用環境温度から、ガラス繊維を強化繊維材として用いたナイロン６６等のポリアミド樹脂が、保持器の材料として用いられている。

また、一般的な転がり軸受に備えられる合成樹脂製保持器の材料としては、ガラス繊維を強化繊維材として用いたポリアミド樹脂（例えばナイロン６６，ナイロン４６），ポリフェニレンサルファイド樹脂が用いられている。これらのガラス繊維強化合成樹脂には、例えば直径８〜１２μｍのガラス繊維（特許文献１を参照）や直径１３μｍのガラス繊維が用いられている。
特許第３００１２８８号公報

しかしながら、鉄道車両車軸用転がり軸受は、走行する車両がレールの継ぎ目を通過する際に発生する周期的な応力を受け、特に保持器のポケット部には、転動体であるころの端面が繰り返し衝突する。そのため、応力が分散しやすい合成樹脂製であってもポケット部に疲労が蓄積し、保持器に亀裂や破損が発生するおそれがあり、最悪の場合は鉄道車両の走行中に転がり軸受が破損して、車軸が回転不能となるおそれがあった。
そこで、本発明は前述のような従来技術が有する問題点を解決し、走行中に破損が生じにくく信頼性の高い鉄道車両車軸用転がり軸受を提供することを課題とする。

前記課題を解決するため、本発明は次のような構成からなる。すなわち、本発明に係る請求項１の転がり軸受は、内輪と、外輪と、前記内輪及び前記外輪の間に転動自在に配された複数の転動体と、前記内輪及び前記外輪の間に前記転動体を保持する保持器と、を備え、鉄道車両の車軸を回転自在に支持する転がり軸受において、前記保持器を、平均直径が６μｍ以上７μｍ以下のガラス繊維を１５質量％以上４５質量％以下含有する樹脂組成物で構成したことを特徴とする。

上記のように平均直径の小さいガラス繊維を含有する樹脂組成物で構成された保持器は、機械的強度及び耐疲労性に優れるため、繰り返し負荷が作用しても破損が生じにくい。よって、本発明の転がり軸受は、鉄道車両の走行中に破損が生じにくく信頼性が高い。ガラス繊維の平均直径が７μｍ超過であると、上記のような作用，効果が得られにくい。一方、ガラス繊維の平均直径が６μｍ未満であると、保持器の衝撃強度等の機械的強度が低下する傾向があるとともに、製造コストが高くなって実用性が低くなる。

本発明の転がり軸受は、鉄道車両の走行中に破損が生じにくく信頼性の高い。

本発明に係る転がり軸受の実施の形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、本実施形態の鉄道車両車軸用転がり軸受の構造を示す部分縦断面図であり、図２は、図１の鉄道車両車軸用転がり軸受で車軸を支持された鉄道車両の一部分を示す図である。
図１の鉄道車両車軸用転がり軸受１０は、外周面に軌道面１ａを有する内輪１と、内輪１の軌道面１ａに対向する軌道面２ａを内周面に有する外輪２と、内輪１及び外輪２の間に転動自在に配された複数の円筒ころ（転動体）３と、内輪１及び外輪２の間に円筒ころ３を保持する保持器４と、を備えている。この保持器４には、円筒ころ３を保持するための円筒形のポケット４ａが、周方向にわたって互いに等間隔をあけて形成されていて、円筒ころ３は周方向に等配に配置される。

次に、上記のような鉄道車両車軸用転がり軸受１０によって車軸を回転自在に支持された鉄道車両について説明する。
鉄道車両車軸用転がり軸受１０，１０の内輪１，１は、レール１２上を走行する車輪１３が備えられた車軸１５の両端に嵌合されており、外輪２，２は鉄道車両の車体（図示せず）を支える台車枠（図示せず）に取り付けられている。これにより、鉄道車両の車軸１５が、車体に対して回転自在に支持されることとなる。

図１，２から分かるように、鉄道車両車軸用転がり軸受１０は２個一組で用いられている。そのうち車輪側に配された方の鉄道車両車軸用転がり軸受１０（図１，２においては右側の軸受）の外輪２は、その内周面の軸方向両端部につば５，５を有し、内輪１はその外周面の車輪側端部のみにつば５を有している。また、反車輪側に配された方の鉄道車両車軸用転がり軸受１０（図１，２においては左側の軸受）の外輪２は、その内周面の軸方向両端部につば５，５を有し、内輪１はつばを有しておらず反車輪側につば輪６を備えている。なお、このつば輪６は、車軸１５に嵌合された上にロックナット等で固定されている。
これらの鉄道車両車軸用転がり軸受１０，１０に備えられている保持器４は、樹脂とガラス繊維とを含有する樹脂組成物で構成されている。このガラス繊維の平均直径は６μｍ以上７μｍ以下であり、樹脂組成物中のガラス繊維の含有量は１５質量％以上４５質量％以下である。

以下に、樹脂組成物に使用される樹脂について詳細に説明する。樹脂の種類は特に限定されるものではないが、保持器の耐熱性及び耐疲労性を考慮すると、ポリフェニレンサルファイド樹脂やポリアミド樹脂（芳香族ポリアミド樹脂，ポリアミド４６，ポリアミド６６等）等が好適である。ポリフェニレンサルファイド樹脂は吸水性が低く、耐熱性に優れ、また成形性が良好であることから、低吸水性で寸法安定性に優れ、１５０〜１８０℃の高温下で使用可能な保持器を射出成形法により低コストで製造することができる。よって、将来的に鉄道車両の高速化が進み、鉄道車両車軸用転がり軸受の使用温度がさらに上昇したとしても、ポリフェニレンサルファイド樹脂は使用可能である。

また、芳香族ポリアミド樹脂は、高融点，高強度を有し、１２０〜１４０℃の高温下で使用可能である。さらに、ポリアミド４６も１２０〜１４０℃の耐熱性を有し、衝撃強度や耐疲労性に優れているので、破損しにくく信頼性の高い保持器が得られる。ポリアミド６６は、耐熱性は１００〜１２０℃であるが、衝撃強度，耐疲労性等のバランスがよく、材料コストが低いので、鉄道車両車軸用転がり軸受に用いられる保持器の材料として最も好適である。

樹脂の分子量は特に限定されるものではないが、ガラス繊維を含有させた樹脂組成物が射出成形できる程度であることが好ましい。具体的には、数平均分子量で１３０００〜３００００が好ましく、衝撃強度等の機械的強度や成形性を考慮すると、数平均分子量で１８０００〜２６０００がより好ましい。数平均分子量が１３０００未満であると、分子量が低すぎて機械的強度が不十分となるおそれがあり、実用性が低い。一方、数平均分子量が３００００を超えると、実用的な含有量である１５〜３０質量％のガラス繊維を含有させた際に溶融粘度が高くなりすぎて、射出成形法により保持器を精度良く製造することが困難となる場合がある。

次に、樹脂組成物に使用されるガラス繊維について説明する。本発明において使用されるガラス繊維は、平均直径が６μｍ以上７μｍ以下の範囲内のものであり、樹脂との接着性を考慮すると、カップリング剤（例えば、片末端にエポキシ基やアミノ基等を有するシランカップリング剤）で表面処理されているものが好ましい。ガラス繊維の表面に結合したシランカップリング剤は、エポキシ基やアミノ基等の官能基が樹脂（例えばポリアミド樹脂のアミド結合）に作用するため、ガラス繊維の補強効果を向上させる。

樹脂に同じ含有率でガラス繊維を含有させた場合は、直径が１０〜１３μｍの従来のガラス繊維よりも、平均直径が６μｍ以上７μｍ以下の細いガラス繊維の方が、含有されるガラス繊維の本数が多くなり、ガラス繊維の全表面積が大きくなる。そうすると、ガラス繊維に吸着するシランカップリング剤の量も増加し、樹脂の極性部分（例えばアミド結合）への作用点も増える。よって、例えばアミド結合に作用するガラス繊維の本数が多くなるため、樹脂組成物の引張強度，衝撃強度等の機械的強度が高くなる。

鉄道車両車軸用転がり軸受が実際の使用時に晒される熱やグリースより、樹脂組成物が劣化するおそれがあるが、該劣化がガラス繊維と樹脂との接着界面に起因する場合は、樹脂組成物中のガラス繊維の本数が増えることによって劣化が抑制される。なお、平均直径が６μｍのガラス繊維とは、直径が５μｍ以上７μｍ未満の範囲内のガラス繊維であり、よって平均直径が６μｍ以上７μｍ以下のガラス繊維とは、直径が５μｍ以上８μｍ未満の範囲内のガラス繊維である。

また、本発明において使用されるガラス繊維の繊維長は、１００〜９００μｍであることが好ましい。繊維長が１００μｍ未満であると、短すぎて補強効果及び寸法抑制効果が不十分となるおそれがある。一方、繊維長が９００μｍを超えると、補強効果及び寸法抑制効果は向上するものの、樹脂組成物の成形工程において繊維が破損したり、配向性の低下による成形精度の悪化が生じるおそれがある。そのため、保持器の高精度な成形が困難になるおそれがある。このような不都合がより生じにくくするためには、ガラス繊維の繊維長は３００〜６００μｍであることがより好ましい。

ガラス繊維の含有量は、樹脂組成物全体の１５質量％以上４５質量％以下とする必要がある。ガラス繊維の含有量が１５質量％未満であると、樹脂組成物の衝撃強度等の機械的強度が不十分となるおそれがある。一方、ガラス繊維の含有量が４５質量％を超えると、成形性が低下するとともに、靭性が逆に低下し、成形時の金型からの無理抜き時や保持器へのころ挿入時に破損が生じるおそれがある。このような不都合がより生じにくくするためには、ガラス繊維の含有量は２０質量％以上３５質量％以下とすることがより好ましい。

このような樹脂組成物においては、強化材として配合するガラス繊維の一部を、炭素繊維等の他の繊維状物、チタン酸カリウムウィスカー等のウィスカー状物、又は、異方性を改善するテトラポット形状の酸化亜鉛ウィスカーに置き換えてもよい。また、着色剤等の各種添加剤を加えてもよい。添加剤としては、保持器の成形時及び使用時における熱による劣化を抑制するために、ヨウ化物系熱安定剤及びアミン系酸化防止剤の一方又は両方を添加することが好ましい。さらに、樹脂組成物には、耐衝撃性を改善するエチレンプロピレン非共役ジエンゴム（ＥＰＤＭ）等のゴム状物質を添加してもよい。

なお、本実施形態は本発明の一例を示したものであって、本発明は本実施形態に限定されるものではない。例えば、本実施形態においては、転がり軸受として円筒ころ軸受を例示して説明したが、本発明の転がり軸受は、他の種類の様々な転がり軸受に対して適用することができる。例えば、深溝玉軸受，アンギュラ玉軸受，自動調心玉軸受，円すいころ軸受，針状ころ軸受，自動調心ころ軸受等のラジアル形の転がり軸受や、スラスト玉軸受，スラストころ軸受等のスラスト形の転がり軸受である。

また、本発明は、鉄道車両の車軸を回転自在に支持する転がり軸受であるが、鉄道車両以外の車両（例えば自動車）の車軸の支持にも使用可能である。さらに、車両の車軸の支持以外の一般的な用途にも、問題なく使用可能である。
〔実施例〕
以下に、実施例を示して、本発明をさらに具体的に説明する。樹脂の種類とガラス繊維の平均直径及び含有量とを種々変更した４種の樹脂組成物（表１を参照）を用意して、その各種物性を評価した。

なお、使用したＰＡ６６樹脂は、宇部興産株式会社製のＵＢＥナイロン６６２０２６Ｕ（銅系熱安定剤含有、数平均分子量２６０００）であり、ＰＡ４６樹脂は、ディーエスエムジャパンエンジニアリングプラスチックス株式会社製のＳｔａｎｙｌＴＷ３４１（銅系熱安定剤含有）である。また、ガラス繊維は、平均直径が６μｍ（直径は５μｍ以上８μｍ未満の範囲内）又は１３μｍ（直径は１２μｍ以上１４μｍ以下の範囲内）であり、いずれもシランカップリング剤処理が施されている。

評価した物性は、引張強度，アイゾット衝撃強度，耐熱性，耐グリース性，及び耐疲労性である。このうち引張強度及びアイゾット衝撃強度は、日本工業規格に規定された方法により測定した。また、耐熱性は、試験片を１６０℃で１０００時間熱処理することによる引張強度の低下率により評価し、耐グリース性は、１４０℃のグリースに１０００時間浸漬処理することによる引張強度の低下率により評価した。さらに、耐疲労性は、射出成形法により製造した保持器に２３℃において８０ＭＰａの応力を周波数３０Ｈｚで繰り返し負荷し、破損が生じるまでの応力の繰り返し負荷数により評価した。保持器の形状は、図１に示されるものと同じものであり、内径１７３ｍｍ，外径２０３ｍｍ，厚さ７０ｍｍである。

評価結果を表１にまとめて示す。なお、耐熱性及び耐グリース性はそれぞれ、未処理品の引張強度を１００とした場合の相対値で示してある。また、耐疲労性は、比較例１の耐疲労性（応力の繰り返し負荷数）を１とした場合の相対値で示してある。
表１から分かるように、樹脂の種類がＰＡ６６，ＰＡ４６いずれの場合でも、ガラス繊維の平均直径が小さい方が、機械的強度，耐熱性，耐グリース性，耐疲労性が全て優れていた。特に、耐疲労性は格段に優れていた。このことから、実施例１，２の樹脂組成物で製造した保持器は、比較例１，２の樹脂組成物で製造した保持器と比べて耐久性に優れており、鉄道車両車軸用転がり軸受に使用した場合には、鉄道車両の走行中に疲労による破損が生じにくく信頼性が高いと考えられる。よって、このような保持器は、長期間にわたる使用が可能である。

鉄道車両車軸用転がり軸受の構造を示す部分縦断面図であ。図１の鉄道車両車軸用転がり軸受で車軸を支持された鉄道車両の一部分を示す図である。

符号の説明

１内輪
２外輪
３円筒ころ（転動体）
４保持器
１０鉄道車両車軸用転がり軸受
１５車軸

Claims

内輪と、外輪と、前記内輪及び前記外輪の間に転動自在に配された複数の転動体と、前記内輪及び前記外輪の間に前記転動体を保持する保持器と、を備え、鉄道車両の車軸を回転自在に支持する転がり軸受において、
前記保持器を、平均直径が６μｍ以上７μｍ以下のガラス繊維を１５質量％以上４５質量％以下含有する樹脂組成物で構成したことを特徴とする転がり軸受。