JP2007170673A - 電食防止型転がり軸受 - Google Patents

Abstract

【課題】 電気絶縁性を確保しながら、加工時間の短縮、材料コストの低減、放熱性の向上を図り、かつ被覆層の剥離防止性を確保する。
【解決手段】 外輪２のハウジングに取付けられる面ａ〜ｃに、セラミックスの溶射層である一層構造の絶縁層６Ａを設ける。外輪２の絶縁層６Ａが設けられる面ａ〜ｃを、粗面化処理面等の密着性向上処理面とする。絶縁層６Ａの厚さは、０．１５mm〜０．４５mmとする。
【選択図】 図３

Description

この発明は、鉄道車両の主電動機用、駆動装置用、および車軸用等として用いられる軸受を始め、軸受の組み込まれる装置の構造上から、軸受内部に電流が流れることを防止することが必要な用途に用いられる電食防止型転がり軸受に関する。

鉄道車両の主電動機に用いられる転がり軸受は、主電動機の電流を車輪からレールへ接地する接地用集電装置が不完全な場合に、主電動機の電流が転がり軸受の内外輪および転動体を通って、車輪とレール間に流れる。このため、転動体と外輪の転走面の間、または転動体と内輪の転走面の間でスパークし、いわゆる電食を生じて軸受寿命を縮めることがある。
そのため、外輪のハウジングへの取付面に樹脂製の絶縁層を被覆したものが提案されている。しかし、樹脂層は、線膨張係数が大きく、軸受の運転に伴う発熱で、外輪とハウジングとの嵌め合いに誤差が生じる。
絶縁層としては、線膨張係数が低く、高い電気絶縁性が得られることで、セラミックスが好まく、絶縁層としてセラミックス層を溶射したものが提案されている。しかし、セラミックスは軸受軌道輪の材料に馴染み難く、容易に溶射されなくて、外輪との密着性に問題がある。また、外輪をハウジングに圧入するときに、剥離が生じる恐れがある。

このような課題を解消するものとして、金属層，セラミックスの絶縁層，金属層からなる３層構造の被覆層を、外輪のハウジングへの取付面に施したものが提案されている（例えば、特許文献１）。各層は溶射により設けられる。上記３層のうち、内層側の金属層は、絶縁層のセラミックスが、軸受軌道輪の材料に馴染み難く、容易に溶射されないため、絶縁層の密着性を改善するために設けられる。外層側の金属層は、外輪をハウジングに締まり嵌めする場合に、圧入時に絶縁層が剥離し難いように設けられる。
実開平０２−４６１１９号公報 実開平０２−８０２２１号公報 特開平０１−１８２６２１号公報 実開平６１−２４５４号公報

上記のように３層構造とされる絶縁層および内外の金属層は、いずれも溶射により得られる。すなわち、内層側金属層の溶射、絶縁層の溶射、および外層側金属層の溶射の各工程が順次行われる。溶射は、マスク用治具の着脱が必要で手間がかかる処理であり、このような複数層の溶射を行う場合は、治具の着脱回数が増え、溶射材の入替え、溶射条件変更等の多数の工程が必要なる。このため、溶射処理は、軸受製作コストの大半を占め、軸受価格が非常に高いものとなる。

この発明の目的は、電気絶縁性を確保しながら、加工時間の短縮、材料コストの低減、放熱性の向上を図り、かつ被覆層の剥離防止性を確保することである。

この発明の電食防止型転がり軸受は、軌道輪のハウジングまたは軸に取付けられる面に、セラミックスの溶射層である絶縁層からなる一層構造の被覆層を設け、前記軌道輪の前記絶縁層が設けられる面を、前記絶縁層の密着性を高める密着性向上処理面としたものである。
この構成によると、絶縁層としてセラミックスを用いたため、電気絶縁性に優れ、また線膨張係数が小さいことから、軸受の運転に伴う発熱で、外輪とハウジングとの嵌め合いに誤差が生じることが防止される。また、軌道輪の絶縁層が設けられる面を密着性向上処理面としたため、絶縁層として電気絶縁性に優れたセラミックスを用い、絶縁層を軌道輪に直接に施しながら、密着性が確保できる。一層構造であるため、製造が簡素化され、低コスト化が高められる。一層構造であっても、軌道輪に対する絶縁層の密着性は、上記のように軌道輪に設けた密着性向上処理面によって確保される。

この発明において、前記被覆層を、前記軌道輪のうちの外輪に設け、この外輪の前記密着性向上処理面を、粗面化処理面としても良い。この粗面化処理面の表面粗さは、中心線粗さで３．２ａより粗いか、または最大高さで２５Ｓよりも粗いかの、いずれか一方を満足する粗さとする。
このように、密着性向上処理面を粗面化処理面とした場合、簡単な処理で密着性を向上させることができる。

この発明において、前記セラミックスの被覆層の厚さは、例えば０．１５mm〜０．４５mmの範囲とされる。
絶縁層である被覆層の厚さは、薄過ぎると絶縁性が確保できないが、厚くなると、材料が無駄となり、膜の形成時間が長くなるうえ、セラミックスの低熱伝導性のために、軸受の放熱性が悪くなる。また、被覆層が厚くなると、セラミックスの材質のために亀裂の発生が懸念され、却って絶縁性が低下することもある。このため、適切な厚さを実験で求めると、０．３mm程度が最も好ましかったが、一般的な溶射技術等の加工能力から、０．１５mm〜０．４５mmにばらつくことがある。厚さ精度の高い加工も可能ではあるが、精度の高い加工は、溶射装置等の薄膜形成装置のコスト増となる。そのため、セラミックスの絶縁層からなる被覆層の厚さは、０．１５mm〜０．４５mmの範囲とすることが好ましい。

この発明の電食防止型転がり軸受は、鉄道車両用に用いられるものであっても良い。特に、鉄道車両の主電動機用として用いられるものであっても良い。

この発明の電食防止型転がり軸受は、軌道輪のハウジングまたは軸に取付けられる面に、セラミックスの溶射層である絶縁層からなる一層構造の被覆層を設け、前記軌道輪の前記絶縁層が設けられる面を、前記絶縁層の密着性を高める密着性向上処理面としたため、電気絶縁性に優れ、加工時間の短縮、材料コストの低減、放熱性の向上を図りながら、被覆層の剥離防止性を確保することができる。

この発明の実施形態の説明の前に、第１の提案例を図１と共に説明する。この提案例の電食防止型転がり軸受は、それぞれ軌道輪である内輪１と外輪２との間に転動体３を介在させたものにおいて、外輪２に２層構造の被覆層５を設けたものである。この軸受は、例えば鉄道車両の主電動機におけるロータ支持軸受に用いられる。この軸受は円筒ころ軸受であり、外輪２は両側に鍔２ａを有している。転動体３は、保持器（図示せず）のポケットに保持させても、また総ころ軸受として保持器を省略しても良い。内外輪１，２および転動体３は、軸受鋼等の金属材からなる。

被覆層５は、外輪２に直接に設けられるセラミックスの絶縁層６と、この絶縁層６を覆う金属層７とでなる。被覆層５を設ける範囲は、外輪２のハウジング（図示せず）に取付けられる面であり、図示の例では、外輪２の外径面ａから両側の幅面ｂにわたる範囲に被覆層５が設けられている。また、被覆層５は、外径面ａから幅面ｂにわたり、面取部ｃを含めて連続して設けられている。外輪２の絶縁層６を設ける面ａ，ｂは、密着性向上処理面とされている。この密着性向上処理面は、例えば粗面化処理面とされ、具体的にはサンドブラスト処理面とされている。絶縁層６および金属層７は、いずれも溶射層とされている。金属層７は表面が機械加工面であっても良い。すなわち、金属層７は、研削代を含む厚さに溶射され、溶射の後に外径面，幅面，場合によっては面取部の各面に、所定の寸法となるように、研削等の機械加工を施しても良い。
溶射は、超高温で溶射すべき材料（パウダー状またはロッド状等）を溶融し、ジェット噴流によりワークに衝突させることで表面膜を形成するものであるが、密着力を高めるためには、比較的超高速ジェットと超高温が得られる溶射装置を用い、適正な溶射条件を設定することが必要である。

絶縁層６の厚さは、０．１５mm〜０．４５mmの範囲が好ましく、０．３mm程度が最も好ましい。例えば、絶縁層６は、０．３mmを目標厚さとして施し、溶射の加工能力による精度の結果、０．１５mm〜０．４５mmの範囲にばらつくものとしても良い。換言すれば、プラスマイナス０．１５mm程度のばらつきの生じる溶射手段を用い、０．３mm程度を目標厚さとして溶射しても良い。
金属層７の厚さは、０．１mm以上とすることが好ましい。この厚さは、金属層７を機械加工する場合は、機械加工後の厚さである。
溶射される絶縁層６および金属層７は、微細な気孔が存在するため、溶射完了後に、気孔部に水分が入り込まないように、封孔処理を施す。封孔処理は、浸透性の良い接着剤等を含浸させることで行う。
外輪２の絶縁層６を設ける面ａ，ｂを、密着性向上処理面として粗面化処理面とする場合、中心線粗さでは３．２ａより粗く、また最大高さでは２５Ｓよりも粗くすることが好ましい。

絶縁層６となるセラミックス材料としては、アルミナ（Ａｌ2 Ｏ3 ）、グレーアルミナ、酸化チタン（ＴｉＯ2 ）、酸化クロム（Ｃｒ2 Ｏ3 ）等の金属酸化物、またはこれらをベース材料とした複合金属酸化物等が用いられる。
金属層７の材料は、Ａｌ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ｆｅ等が用いられ、またはこれらの材料を混合した複合材料が用いられる。金属層７は、溶射後の硬さがＨｖ４５０以下、好ましくはＨｖ３００以下の比較的柔らかい材質のものが好ましい。また、金属層７は、通電性を有するものであることが好ましい。

この構成によると、外輪２とハウジングとの間に、セラミックスの絶縁層６が介在することにより、この間で絶縁性が確保され、内輪１に嵌合する軸とハウジングとの間の電気絶縁性が確保される。実験では、上記提案例の電食防止型転がり軸受は、所定の絶縁性能（１０ＭΩ以上／５００Ｖ負荷時）が得られることが確認できた。また、上記提案例の軸受を、実機相当の嵌め合い寸法となる軸受箱に装着した状態で、使用上発生しうる温度上昇相当に加熱した後の状態であっても、所定の絶縁性能を有しており、絶縁層６の厚さを上記の０．１５mm〜０．４５mmの厚さまで薄くしても、実用上使用できることが確認された。絶縁層６の厚さは、この範囲のように薄くすることにより、厚くする場合に比べて、亀裂等の発生の懸念が少なく、安定して絶縁性が保持される。

また、外輪２の絶縁層６が設けられる面ａ，ｂ，ｃをサンドブラストにより、面粗さが中心線平均粗さでは３．２ａよりも粗く、最大高さでは２５Ｓよりも粗い粗面化処理した密着性向上処理面としたため、絶縁層６としてセラミックスを用いながら、絶縁層６の外輪２に対する密着性が確保できる。なお、最近の溶射技術の進歩によっても、絶縁層６の外輪２に対する密着力の確保が容易になった。ＪＩＳによる密着力測定法に準拠し、絶縁層６の密着力を測定したところ、４４．８ＭＰａ以上の結果が得られ、十分に実用性の有ることが確認できた。そのため、従来の３層構造の被覆層で密着性改善のために設けられた内層側の金属層が不要となり、被覆層の製造工程が一層分省略することができて、製造コストが低減される。

外輪２とハウジングとの圧入嵌合に対しては、絶縁層６を覆う金属層７によって絶縁層６の剥離が防止される。金属層７は、上記のようにＨｖ４５０以下の比較的柔らかい材質のものが好ましく、このような材質とすることにより、外部からの衝撃荷重等を絶縁層６に伝わり難くすることで、絶縁層６の破損を防止することができる。さらに、金属層７を通電性を有するものとすることにより、外表面の溶射金属層７の一部と外輪２の内部の素材表面の一部に絶縁抵抗測定器の端子を接触させることで、絶縁性能が確認でき、測定管理が容易になる。

この軸受において、被覆層５を絶縁層６と金属層７との２層としたことは、従来の３層の被覆層に比べて、詳しくは次のような利点が得られる。溶射加工においては、各層の溶射毎に所定の治具を用い、必要部位のみ溶射層が形成されるように行う必要があるが、この提案例では、２層で済むため、この治具の着脱作業の削減が可能になるほか、溶射条件変更（金属材とセラミックスとでは条件が異なる）の回数、溶射装置における溶射材（パウダー）の入替え回数の削減等、工程数を減らすことができ、多種の作業が不要になる。さらに、絶縁層６の厚さを０．１５mm〜０．４５mmと薄くしたことにより、溶射時間の短縮、材料費の削減ができ、工程数と薄膜化とで大幅なコストの削減が可能となる他、軸受鋼と比較して熱伝導率の低い絶縁層６を薄くすることによって、放熱性を向上させることも期待できる。
このように、この提案例によると、絶縁構造の簡素化、絶縁層６の薄肉化を行うことにより、加工工数，加工時間，並びに材料の節減が可能になり、大幅なコスト低減が図れる。

図２は、この発明のさらに他の提案例を示す。この提案例は、外輪２に設けられる被覆層５Ａを、セラミックスの絶縁層６と、この絶縁層６と外輪２との間に設けられる金属層８との２層構造としたものである。金属層８の材料としては、第１の提案例において金属層７の材料として説明した各材料のいずれを使用しても良い。金属層８および絶縁層６は、いずれも溶射層とされる。外輪２の金属層８を設ける表面は、前記提案例と異なり、密着性向上処理は施さない。この提案例おけるその他の構成は、図１の提案例と同じである。
この構成の場合、第１の提案例と同様に、外輪２とハウジングとの間に、セラミックスの絶縁層６が介在することにより、この間で絶縁性が確保される。この絶縁層６は硬い材質であるセラミックスの溶射層からなるが、アンダーコートとなる内側の柔らかい金属層８により、外輪２に対する付着性が得られる。また被覆層５Ａは、２層構造であるため、３層構造のものに比べて、加工工程が少なく、製造が簡単でコスト低減が図れる。

図３は、この発明の一実施形態を示す。この実施形態は、外輪２の外径面、幅面、および面取付部ｃにわたり、セラミックスの溶射層である絶縁層６Ａからなる一層の被覆層を設け、外輪２の絶縁層６Ａが設けられる面を、絶縁層６Ａの密着性を高める密着性向上処理面としたものである。絶縁層６Ａは、前記提案例の絶縁層６と同じ材質のものとされ、外輪２の密着性向上処理面も前記提案例と同様とされる。
この構成の場合、圧入嵌合時の絶縁層６Ａの耐剥離強度は前記提案例に比べて劣るが、一層構造となるため、製造がより一層簡素化され、低コスト化が高められる。一層構造であっても、外輪２に対する絶縁層６Ａの密着性は、外輪２に設けた密着性向上処理面によって確保される。
この実施形態のように１層構造とする場合も、セラミックスの絶縁層６Ａの厚さは０．１５mm〜０．４５mmの範囲が好ましい。
この実施形態において、上記の他の事項は、前記各提案例と同じである。

なお、前記実施形態は、外輪２に被覆層を設けた場合につき説明したが、この発明は、内輪１に被覆層を設けても良い。内輪１に上記被覆層を設ける場合、軸への取付面となる内径面、または内径面から幅面にわたる範囲に被覆層を設ける。

第１の提案例にかかる電食防止型転がり軸受の部分断面図である。 他の提案例にかかる電食防止型転がり軸受の部分断面図である。 この発明の一実施形態にかかる電食防止型転がり軸受の部分断面図である。

符号の説明

１…内輪（軌道輪）
２…外輪（軌道輪）
３…転動体
５…被覆層
５Ａ…被覆層
６…絶縁層
６Ａ…絶縁層
７…金属層
８…金属層

Claims (5)

1. 軌道輪のハウジングまたは軸に取付けられる面に、セラミックスの溶射層である絶縁層からなる一層構造の被膜層を設け、前記軌道輪の前記絶縁層が設けられる面を、前記絶縁層の密着性を高める密着性向上処理面とした電食防止型転がり軸受。
2. 前記被覆層を、前記軌道輪のうちの外輪に設け、この外輪の前記密着性向上処理面を、粗面化処理面とし、この粗面化処理面の表面粗さを、中心線粗さで３．２ａより粗いか、または最大高さで２５Ｓよりも粗いかの、いずれか一方を満足する粗さとした請求項１に記載の電食防止型転がり軸受。
3. 前記セラミックスの絶縁層の厚さを０．１５mm〜０．４５mmとした請求項１または請求項２に記載の電食防止型転がり軸受。
4. 鉄道車両用として用いられる請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の電食防止型転がり軸受。
5. 鉄道車両の主電動機用として用いられる請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の電食防止型転がり軸受。

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