JP2006194285A - 軸受装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 従来の軸受装置では、部材同士の摺動接触部分に生じるフリクションの低減が望まれていた。
【解決手段】内輪部材３と外輪部材４との間に複数の転がり部材６を介装すると共に、内輪部材３及び外輪部材４のいずれか一方の部材に、転がり部材６の収容部分を閉塞する状態に装着されて相手部材に摺動接触するシール部材７，８を備えた軸受装置であって、各部材が、エステル油及び／又はエーテル油を基油とするグリースを介して摺動接触しており、内輪部材３、外輪部材４、転がり部材６及びシール部材７，８のうちの少なくとも一つの摺動接触面に、水素含有量が２０原子％以下の硬質炭素薄膜を形成したことにより、部材同士の摺動接触部分のフリクションの大幅な低減を実現した。
【選択図】 図１

Description

本発明は、例えば自動車のハブベアリングに用いるのに好適な軸受装置に関するものである。

一般に、自動車のハブベアリングは、例えば、特許文献１及び２に記載されているように、ハブに連結した内輪と外輪のとの間に複数の鋼球を介装し、内輪及び外輪のいずれか一方に、鋼球の収容空間を閉塞する状態でオイルシールを装着し、このオイルシールを内輪又は外輪に摺動接触させる構造になっている。

ところで、近年では、地球の温暖化やオゾン層の破壊など地球規模での環境問題が大きくクローズアップされ、とりわけ地球の温暖化に大きな影響があるといわれているＣＯ_２の削減については、各国でその規制値の決め方をめぐって大きな関心を呼んでいる。このＣＯ_２削減については、自動車の燃費の低減を図ることが大きな課題の一つであり、各種の摺動機構を有する自動車においては、摩擦係数の低い摺動機構を実現して燃費低減を図るうえで、摺動材料と潤滑油が果たす役割は大きい。

自動車において、摺動材料の役割は、摩擦摩耗環境が苛酷な部位に対して耐摩耗性に優れ且つ低い摩擦係数を発現することであり、最近では、種々の硬質薄膜材料の適用が進んできている。そして、一般に、硬質炭素材料、とくにＤＬＣ（ダイヤモンド ライク カーボン）材料は、空気中や潤滑油不存在下における摩擦係数が、酸化チタン（ＴｉＮ）や窒化クロム（ＣｒＮ）といった耐摩耗性の硬質被膜材料と比べて低いことから低摩擦摺動材料として期待されている。

さらに、潤滑油における省燃費対策としては、（１）低粘度化による、流体潤滑領域における粘性抵抗の低減、（２）最適な摩擦調整剤と各種添加剤の配合による、混合及び境界潤滑領域下での摩擦損失の低減、が提言されており、摩擦調整剤としては、モリブデンジチオカルバメイト（ＭｏＤＴＣ）やモリブデンジチオフォスフェート（ＭｏＤＴＰ）といった有機モリブデン化合物を中心に多くの研究が成されており、従来の鋼材料から成る摺動面においては、使用開始初期に優れた低摩擦係数を示す有機モリブデン化合物を配合した潤滑油が適用され、効果を上げていた。

このようなＤＬＣ材料の摩擦特性や、有機モリブデン化合物の摩擦調整剤としての性能については、例えば非特許文献１及び２報告されている。
特開平１０−１２９２０５号公報 特開２００２−３２３０５６号公報 加納、他，日本トライボロジー学会予稿集，１９９９年５月，ｐ．１１〜１２ 加納、他（Ｋａｎｏ ｅｔ ａｌ．），ワールド・トライボロジー・コングレス（Ｗｏｒｌｄ Ｔｒｉｂｏｌｏｇｙ Ｃｏｎｇｒｅｓｓ）２００１．９，Ｖｉｅｎｎａ，Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇ ｐ．３４２

しかしながら、非特許文献１には、空気中において低摩擦性に優れる一般のＤＬＣ材料が、潤滑油存在下においては、その摩擦低減効果が必ずしも大きくないことが報告されており、また、非特許文献２によれば、このような摺動材料に有機モリブデン化合物を含有する潤滑油組成物を適用したとしても摩擦低減効果が充分発揮されないことがあることもわかってきた。

また、自動車のハブベアリングは、摺動接触部分に発生する摩擦力が大きく、この摩擦力がエンジン出力、燃費及び耐久性にも影響を及ぼすことから、摺動接触部分における摩擦力のさらなる低減が要望されている。そして、ハブベアリングには、潤滑剤として潤滑油ではなくグリースが使用されるが、このようなグリースとＤＬＣなどの硬質炭素材料との併用については、未だ検討されていない。

本発明は、上記従来の状況に鑑みて成されたもので、摺動接触部分に硬質炭素材料とグリースを採用することで、摺動接触部分におけるフリクションの大幅な低減を実現することができる軸受装置を提供することを目的としている。

本発明の軸受装置は、内輪部材と外輪部材との間に複数の転がり部材を介装すると共に、内輪部材及び外輪部材のいずれか一方の部材に、転がり部材の収容部分を閉塞する状態に装着されて相手部材に摺動接触するシール部材を備えた軸受装置であって、各部材が、エステル油及び／又はエーテル油を基油とするグリースを介して摺動接触しており、内輪部材、外輪部材、転がり部材及びシール部材のうちの少なくとも一つの摺動接触面に、水素含有量が２０原子％以下の硬質炭素薄膜が形成してあることを特徴としており、これにより摺動接触部分におけるフリクションの大幅な低減を実現する。

また、本発明に係る軸受装置の好適形態は、上記グリースが、カルシウム若しくはリチウムを含有する金属セッケン、又はウレア系化合物を増ちょう剤とすることを特徴としている。

本発明の軸受装置は、摺動接触部分にＤＬＣなどの硬質炭素材料と特定のグリースを採用したことにより、摺動接触部分のフリクションを大幅に低減することができる。

これにより、当該軸受装置を例えば自動車のハブベアリングに適用した場合には、振動を受ける環境下においてもフリクションを大幅に低減することができ、このフリクションの低減に伴って、エンジン出力、加速性能、燃費及び耐久性のさらなる向上を実現することができる。

以下、本発明について、さらに詳細に説明する。なお、本明細書において「％」は、特記しない限り質量百分率を表すものとする。

図１（ａ）は、軸受装置の一例として自動車のハブベアリングを説明する図である。ハブベアリングは、ハブボルト１を設けたハブ２に設けてあって、ハブ２の端部に連結した内輪部材３と、図示しないサスペンションのリング側に連結する外輪部材（ハブキャリア）４を備え、内輪部材３と外輪部材４と間に、リテーナ５とともに複数の転がり部材（鋼球）６が二列介装してある。

図示例のハブベアリングでは、二列の転がり部材６のうち、一方側（図１中で右側）の転がり部材６が内輪部材３と外輪部材４と間に介装してあり、他方側の転がり部材６がハブ２と外側部材４との間に介装してある。したがって、本発明の軸受装置は、図示例の構成においては、ハブ２も内輪部材に相当する

さらに、ハブベアリングは、外輪部材４に、転がり部材６の収容部分を閉塞する状態に装着したシール部材（オイルシール）７，８を備え、一方のシール部材７が内輪部材３に摺動接触すると共に、他方のシール部材８がハブ２に摺動接触する。なお、図示例とは逆に、内輪部材側にシール部材を装着する構造もあり得る。さらに、当然のことながら、ハブ２と転がり部材６、内輪部材３と転がり部材６、外輪部材４と転がり部材６も互いに摺動接触する。

そして、上記のハブベアリングは、互いに摺動接触する部材同士が、エステル油及び／又はエーテル油を基油とするグリースを介して摺動接触していると共に、内輪部材３、外輪部材４、転がり部材６及びシール部材７，８のうちの少なくとも一つの摺動接触面に、水素含有量が２０原子％以下の硬質炭素薄膜が形成してあり、このようにグリース及び硬質炭素薄膜を適用したことで、摺動接触部分におけるフリクションが大幅に低減され、とくにシール部材７，８の摺動接触部分では、充分なシール性を確保しつつフリクションが大幅に低減される。

また、自動車のハブベアリングは、走行時に大きな振動を受けることになるが、このような振動を受ける環境下でも、摺動接触部分における低フリクション性が得られ、若しくは充分なシール性を確保しつつ低フリクション性が得られるので、これに伴ってエンジン出力、加速性能、燃費及び耐久性の向上をも実現し得る。

ここで、本発明の軸受装置では、内輪部材３、外輪部材４及び転がり部材６が、鉄系材料から成るものであることがより望ましく、これにより、内輪部材３、外輪部材４及び転がり部材６の硬度と弾性が軸受装置に非常に適したものとなる。

また、本発明の軸受装置では、シール部材７，８が、ゴム系材料（Ｈ−ＮＢＲ系材料、ＮＢＲ系材料及びフッ素系材料等）から成るものであることがより望ましく、これにより、軸受装置のシール機能に非常に適したものとなる。

上記の硬質炭素薄膜としては、炭素を含有する結晶質又は非晶質の薄膜、とくに、ダイヤモンド薄膜及びＤＬＣ薄膜を挙げることができ、例えば、各種ＰＶＤ法、具体的には、アーク式イオンプレーティング法により形成したＤＬＣ薄膜（ダイヤモンドライクカーボン薄膜）であることが望ましい。

上記ＤＬＣ薄膜は、いわゆるＤＬＣ材料から構成されるものであって、このＤＬＣ材料は、炭素原子を主体として構成された非晶質のものであり、炭素原子同士の結合形態がダイヤモンド構造（ＳＰ^３結合）とグラファイト結合（ＳＰ^２結合）の両方から成る。

具体的には、炭素原子のみから成るａ−Ｃ（アモルファスカーボン）、水素を含有するａ−Ｃ：Ｈ（水素アモルファスカーボン）、及びチタン（Ｔｉ）やモリブデン（Ｍｏ）などの金属原子を一部に含むＭｅＣが挙げられるが、本発明においては、水素含有量が少ないものほど好ましく、水素含有量が２０原子％以下のもの、好ましくは１０原子％以下、特に０．５原子％以下、更には水素を含まないａ−Ｃ系（アモルファスカーボン系）材料を好適に用いることができる。

硬質炭素薄膜の膜厚としては、対象とする摺動部材の種類や要求性能、摺動部材を構成する材料の種類、摺動部の表面粗さなどに影響を受けるが、ＤＬＣ薄膜にあっては、例えば０．３〜２．０μｍ程度とするのが良い。

また、硬質炭素薄膜の形成前における基材の表面粗さも、対象とする摺動部材の種類や要求性能、摺動部材を構成する基材の種類、摺動部の表面粗さなどに影響を受けるが、軸受装置にＤＬＣ薄膜を適用するに際して、基材が鉄系材料の場合には、硬質炭素薄膜の被覆前の表面粗さが、Ｒａで０．１μｍ以下にすることが好ましい。

さらに、基材がアルミニウム合金の場合は、Ｒａで０．０２μｍ以下、ゴムやプラスチックの場合はＲａで０．１μｍ以下にすることが好ましい。

さらに、上記硬質炭素薄膜は、通常、互いに摺動接触する摺動部材の少なくとも一方の摺動面全体に被覆されるが、摺動面の一部に被覆されてもよい。

次に、使用するグリースとしては、先述の如く、エステル油及び／又はエーテル油を基油とするものであるが、この基油は、エステル油又はエーテル油のみを含むものに限定されるものではなく、これら以外の天然油や合成油を含んでいてもよい。他の基油成分としては、鉱油やシリコーン油、フルオロカーボン油などを挙げることができる。

エステル油としては、潤滑剤の成分として使用できるものであれば、天然油であるか合成油であるかは不問であるが、具体例としては、ジトリデシルグルタレート、ジオクチルアジペート、ジイソデシルアジペート、ジトリデシルアジペート、ジオクチルセバケート、トリメチロールプロパンカプリレート、トリメチロールプロパンペラルゴネート、トリメチロールプロパンイソステアリネート、ペンタエリスリトール２−エチルヘキサノエート、ペンタエリスリトールペラルゴネートなどを挙げることができ、トリメチロールプロパンカプリレートが好適に用いられる。

エーテル油としては、潤滑剤の成分として使用できるものであれば、天然由であるか合成油であるかは不問である。具体例としては、ポリオキシアルキレングリコール、ジアルキルジフェニルエーテル及びポリフェニルエーテルなどを挙げることができ、ジアルキルジフェニルエーテルが好適である。

上述のような成分を含む基油は、代表的には１００℃における基油粘度が２〜１００ｍｍ^２／ｓ程度、好ましくは２〜４０ｍｍ^２／ｓ程度、さらに好ましくは１０〜２０ｍｍ^２／ｓ程度となる。

なお、動粘度が２ｍｍ^２／ｓ未満の場合には、充分な耐摩耗性が得られないうえに、蒸発特性が劣る可能性があるため好ましくない。一方、動粘度が１００ｍｍ^２／ｓを超えると、低摩擦性能を発揮しにくく、低温性能が悪くなる可能性があるため好ましくない。

また、かかる基油の粘度指数は、代表的には１００以上、好ましくは１２０以上、さらに好ましくは１４０以上となる。粘度指数が高い基油を選択することにより、低温粘度特性に優れるだけでなく、オイル消費が少なく、低温粘度特性、省燃費性能及び摩擦低減効果に優れた組成物を得ることができる。

一方、上記グリースに含まれる増ちょう剤としては、各種の金属せっけん系材料や非金属せっけん系材料を挙げることができる。 金属せっけん系材料としては、高級脂肪酸のナトリウム、カルシウム、アルミニウム、リチウム、バリウム、銅及び鉛塩や、高級脂肪酸と低級脂肪酸又は二塩基酸などとの複合塩を挙げることができる。これらの金属せっけん系材料としては、カルシウムステアレート、リチウムヒドロキシステアレート、リチウムステアレート、ナトリウムステアレート及びアルミニウムステアレートが好適である。

また、非金属せっけん系材料としては、シリカゲルやベントナイトなどの無機系材料（有機増ちょう剤）、銅フタロシアニン、アリル尿素、イミド誘導体及びインダスレンブルーなどの有機系材料（無機増ちょう剤）を挙げることができる。これらの非金属せっけん系増ちょう剤としては、尿素系化合物、例えば、ジウレア、ナトリウムテレフタラメート及びＰＴＦＥが好適である。

上述したグリースには、上記基油及び増ちょう剤にも、酸化防止剤、清浄剤、摩耗防止剤及び固体潤滑剤などを添加することが可能である。

酸化防止剤としては、特に限定されるものではなく従来からグリースに使用されているものを挙げることでき、例えば、アミン化合物、フェノール、硫黄化合物及びカルバメートを挙げることができる。

また、清浄剤としては、特に限定されるものではなく従来からグリースに使用されているものを挙げることでき、例えば、スルホネート、フェネート、サシリレート及びアミン化合物を挙げることができる。

摩耗防止剤としては、特に限定されるものではなく従来からグリースに使用されているものを挙げることでき、例えば、リン酸エステル、ジアルキルジチオリン酸亜鉛、硫黄化合物及び塩化物を挙げることができる。

さらに、固体潤滑剤としては、特に限定されるものではなく従来からグリースに使用されているものを挙げることできる。

なお、上述のグリース自体の性状は、使用する摺動機構の目的や作動状況などに影響を受けるが、代表的には、ちょう度が２６５〜２９５程度、滴点が１００〜３００℃程度のものが好ましい。

以下、本発明を実施例及び比較例により更に詳細に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。

（実施例１〜４）
図２に示すように、シリンダ−オン−ディスク単体往復動摩擦試験機を用いて摩擦係数の測定を行うべく、シリンダー状試験片１０及びディスク状試験片２０をＳＵＪ２鋼で作成した。

次いで、ディスク状試験片２０の上部摺動面表面に、ＰＶＤアークイオン式イオンプレーティング法により、水素原子量０．５原子％以下、ヌープ硬度Ｈｋ＝２１７０ｋｇ／ｍｍ^２、表面粗さＲｙ＝０．０３μｍ、厚さ０．５μｍのＤＬＣ薄膜を成膜し、シリンダー状試験片１０とディスク状試験片２０を摺動部材とする本例の摺動機構を製作した。

次に、表１に示すグリースを約０．３ｇ、シリンダー状試験片１０とディスク状試験片２０との間に塗布し、下記の条件下で摩擦試験を行い摩擦係数を測定した。試験片材料及びグリースの成分表示を表１に示す。また、試験１０分後における各例の摺動機構の摩擦係数をグラフ化して図３に示した。

［摩擦試験条件］
・試験装置 ；シリンダーオンディスク単体往復動摩擦試験機
・摺動側試験片；φ１５×２２ｍｍシリンダー状試験片
・相手側試験片；φ２４×７．９ｍｍディスク状試験片
・荷重 ；１００Ｎ（摺動側試験片の押し付け荷重）
・振幅 ；１．５ｍｍ
・周波数 ；５０Ｈｚ
・試験温度 ；８０℃
・測定時間 ；１０ｍｉｎ

（比較例１〜６）
ディスク状試験片２０にＤＬＣ薄膜を成膜しなかった以外は、実施例１〜４と同様の操作を繰り返し、摩擦係数を測定した。得られた結果を図３に示す。

本発明に係わる軸受装置の一実施形態であるハブベアリングを説明する断面図（ａ）、及び各シール部材周辺の拡大断面図（ｂ）（ｃ）である。 シリンダ−オン−ディスク単体往復動摩擦試験機を概略的に説明する斜視図である。 摩擦係数を示すグラフである。

符号の説明

２ ハブ（内輪部材）
３ 内輪部材
４ 外輪部材
６ 転がり部材
７ ８ シール部材

Claims (8)

1. 内輪部材と外輪部材との間に複数の転がり部材を介装すると共に、内輪部材及び外輪部材のいずれか一方の部材に、転がり部材の収容部分を閉塞する状態に装着されて相手部材に摺動接触するシール部材を備えた軸受装置であって、各部材が、エステル油及び／又はエーテル油を基油とするグリースを介して摺動接触しており、内輪部材、外輪部材、転がり部材及びシール部材のうちの少なくとも一つの摺動接触面に、水素含有量が２０原子％以下の硬質炭素薄膜が形成してあることを特徴とする軸受装置。
2. 内輪部材、外輪部材及び転がり部材が、鉄系材料から成るものであることを特徴とする請求項１に記載の軸受装置。
3. シール部材が、ゴム系材料から成るものであることを特徴とする請求項１又は２に記載の軸受装置。
4. 硬質炭素薄膜の水素含有量が１０原子％以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の軸受装置。
5. 硬質炭素薄膜の水素含有量が０．５原子％以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の軸受装置。
6. 硬質炭素皮膜が形成される部材の基材の表面粗さが、硬質炭素薄膜の被覆前において、Ｒａで０．１μｍ以下であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の軸受装置。
7. グリースが、カルシウム若しくはリチウムを含有する金属セッケン、又はウレア系化合物を増ちょう剤とすることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の軸受装置。
8. 請求項１〜７のいずれかに記載の軸受装置を用いたことを特徴とする自動車のハブベアリング。

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