JP2012072831A - Retainer for rolling bearing and the rolling bearing using the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、樹脂製の転がり軸受用保持器、および、該転がり軸受用保持器を組み込んだ高速でかつ高温用途に用いられる転がり軸受に関する。 The present invention relates to a resin-made rolling bearing cage, and a rolling bearing used for high-speed and high-temperature applications incorporating the rolling bearing cage.
航空機ジェットエンジンは燃費向上のために、部品単位での徹底した軽量化が求められている。例えば、ジェットエンジン主軸のように高温でかつ高速回転する部分の軸受に使用される保持器も金属製保持器から樹脂製保持器への変更が求められている。しかし、ジェットエンジン主軸用転がり軸受のように、ＤＮ値が１５０万以上で、かつ使用温度が２００℃以上となる用途への転がり軸受に樹脂製保持器を適用することは困難であった。 Aircraft jet engines are required to be thoroughly reduced in weight to improve fuel efficiency. For example, a cage used for a bearing at a high-temperature and high-speed rotation such as a jet engine main shaft is also required to be changed from a metal cage to a resin cage. However, it has been difficult to apply a resin cage to a rolling bearing for applications where the DN value is 1.5 million or more and the operating temperature is 200 ° C. or more, such as a rolling bearing for a jet engine main shaft.
従来、磁気軸受装置のタッチダウン軸受等に用いられ、軸が高速回転する場合でも十分な強度を有する転がり軸受用保持器として、合成樹脂母材中に強度を高めるための長尺のアラミド繊維などの樹脂繊維が軸方向と交差する方向に配列された状態で混入されている保持器が知られている（特許文献１）。この保持器は引張弾性率の高い繊維を円周方向に巻くことで、軸受回転時の円周方向に対する変形を抑えることとしている。
また、航空機ジェットエンジンのように高速で回転する主軸を支持するために使用される高速回転用転がり軸受に用いられる保持器として、引張強度が２ＧＰａ以上で、かつ引張弾性率が５０ＧＰａ以上のパラ系アラミド繊維、ポリアリレート繊維、ポリパラフェニレンベンズビスオキサゾール繊維等の有機繊維からなる織物と、熱硬化樹脂とを一体化した有機繊維強化プラスチックからなる保持器が知られている（特許文献２）。
さらに、有機溶媒中にフェニルエチニル末端の付加型のイミドオリゴマーが重量比で２０％以上溶解しているイミドオリゴマー溶液を、リキッドモールディング法によって炭素繊維を平織した織物に含浸し、有機溶媒を揮発させた後に、イミドオリゴマーを付加反応させることによって複合材料を成形する繊維強化ポリイミド複合材料の製造方法が知られている（特許文献３）。
Conventionally used as a magnetic bearing device touchdown bearing, etc., as a rolling bearing retainer with sufficient strength even when the shaft rotates at a high speed, etc., a long aramid fiber for increasing the strength in a synthetic resin base material, etc. A cage is known in which resin fibers are mixed in a state where the resin fibers are arranged in a direction crossing the axial direction (Patent Document 1). This cage is designed to suppress deformation in the circumferential direction when the bearing rotates by winding a fiber having a high tensile elastic modulus in the circumferential direction.
Moreover, as a cage used for a rolling bearing for high-speed rotation used to support a main shaft that rotates at a high speed like an aircraft jet engine, a para system having a tensile strength of 2 GPa or more and a tensile elastic modulus of 50 GPa or more. A cage made of an organic fiber reinforced plastic in which a woven fabric made of an organic fiber such as an aramid fiber, a polyarylate fiber, or a polyparaphenylene benzbisoxazole fiber and a thermosetting resin is integrated is known (Patent Document 2).
Further, an imide oligomer solution in which an addition-type imide oligomer having a phenylethynyl terminal is dissolved in an organic solvent in an amount of 20% or more by weight is impregnated into a plain woven fabric of carbon fibers by a liquid molding method, and the organic solvent is volatilized. After that, a method for producing a fiber-reinforced polyimide composite material is known in which a composite material is formed by addition reaction of an imide oligomer (Patent Document 3).
しかしながら、保持器がジェットエンジン主軸のように高温でかつ高速回転する部分の軸受に使用される用途では、アラミド繊維やポリパラフェニレンベンズビスオキサゾール繊維のような有機繊維を用いると、これら有機繊維を構成する樹脂のガラス転移温度付近から弾性率が大きく低下し、高温条件下で使用される軸受などには使用できない。
また保持器を構成する合成樹脂母材についてもエポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂やフェノール樹脂では高温での弾性率が低下したり、耐熱性が不足したりするという問題がある。
さらに、炭素繊維を平織した織物を用いる場合であっても、樹脂が十分に織物内に含浸せず、高温でかつ高速回転する部分の軸受用保持器としての機械的強度や耐熱性が得られないという問題がある。
However, in applications where the cage is used for bearings that rotate at high speeds and at high speeds such as the main shaft of a jet engine, if organic fibers such as aramid fibers or polyparaphenylene benzbisoxazole fibers are used, these organic fibers are The elastic modulus greatly decreases from around the glass transition temperature of the resin constituting the resin, and cannot be used for bearings used under high temperature conditions.
In addition, with regard to the synthetic resin base material constituting the cage, there is a problem that an epoxy resin, an unsaturated polyester resin, or a phenol resin has a low elastic modulus at a high temperature or insufficient heat resistance.
Furthermore, even when using a plain woven fabric of carbon fibers, the resin is not sufficiently impregnated in the fabric, and mechanical strength and heat resistance as a bearing cage in a portion rotating at high temperature and high speed can be obtained. There is no problem.
本発明は、このような問題に対処するためになされたものであり、ＤＮ値が１５０万以上で、かつ使用温度が２００℃以上となる用途に用いることができる転がり軸受、およびこれに使用される保持器の提供を目的とする。 The present invention has been made to cope with such problems, and is a rolling bearing that can be used for applications in which the DN value is 1.5 million or more and the operating temperature is 200 ° C. or more, and is used in this. The purpose is to provide a cage.
本発明の転がり軸受用保持器は、母材の高分子化合物を炭素繊維材で強化してなる炭素繊維複合材料を成形してなり、上記炭素繊維材は、モノフィラメントが１０００本〜５０００本の繊維束または該繊維束を用いた織布であり、上記高分子化合物が熱硬化性樹脂であることを特徴とする。
特に上記熱硬化性樹脂は、熱硬化後のガラス転移温度が２４０℃以上であることを特徴とする。また、芳香族イミド結合を分子内に含むイミド樹脂であることを特徴とする。
The cage for a rolling bearing according to the present invention is formed by molding a carbon fiber composite material obtained by reinforcing a polymer compound as a base material with a carbon fiber material. The carbon fiber material is a fiber having 1000 to 5000 monofilaments. A bundle or a woven fabric using the fiber bundle, wherein the polymer compound is a thermosetting resin.
In particular, the thermosetting resin has a glass transition temperature after thermosetting of 240 ° C. or higher. Moreover, it is an imide resin containing an aromatic imide bond in the molecule.
また、母材の高分子化合物を炭素繊維材で強化してなる炭素繊維複合材料は、２５℃での曲げ強度が６００ＭＰａ以上であり、かつ２００℃における曲げ強度保持率が上記２５℃での曲げ強度値の５０％以上であることを特徴とする。また、２５℃での弾性率が３５ＧＰａ以上であり、かつ２００℃における弾性率保持率が上記２５℃での弾性率値の５０％以上であることを特徴とする。 In addition, a carbon fiber composite material obtained by reinforcing a matrix polymer compound with a carbon fiber material has a bending strength at 25 ° C. of 600 MPa or more and a bending strength retention at 200 ° C. of the bending at 25 ° C. It is characterized by being 50% or more of the intensity value. The elastic modulus at 25 ° C. is 35 GPa or more, and the elastic modulus retention at 200 ° C. is 50% or more of the elastic modulus value at 25 ° C.
本発明の転がり軸受は、内輪および外輪と、この内・外輪間に介在する複数の転動体と、この転動体を保持する上記本発明の保持器とを備え、ＤＮ値が１５０万以上で、かつ使用温度が２００℃以上となる用途に用いられる転がり軸受であることを特徴とする。
特に、航空機に搭載されるジェットエンジン主軸用軸受であることを特徴とする。
The rolling bearing of the present invention includes an inner ring and an outer ring, a plurality of rolling elements interposed between the inner and outer rings, and the cage of the present invention that holds the rolling elements, and has a DN value of 1.5 million or more, And it is a rolling bearing used for the use whose use temperature will be 200 degreeC or more, It is characterized by the above-mentioned.
In particular, it is a bearing for a jet engine main shaft mounted on an aircraft.
本発明の転がり軸受用保持器は、熱硬化性樹脂、特にガラス転移温度が２４０℃以上のイミド樹脂をモノフィラメントが１０００本〜５０００本の繊維束または該繊維束を用いた織布で強化した炭素繊維複合材料を成形してなる。そのため、炭素繊維複合材料は、織布への樹脂含浸性が高くなり、繊維同士の密着性が悪くなったり、織布層間での剥離が生じたりするなどの欠陥の少ない複合材料を作ることができるので、ＤＮ値が１５０万以上で、かつ使用温度が２００℃以上となる高速・高温度での使用が可能となる軸受の保持器が得られる。 The cage for a rolling bearing according to the present invention is a carbon reinforced with a thermosetting resin, in particular, an imide resin having a glass transition temperature of 240 ° C. or more and a fiber bundle of 1000 to 5000 monofilaments or a woven fabric using the fiber bundle. It is formed by molding a fiber composite material. Therefore, the carbon fiber composite material has a high resin impregnation property to the woven fabric, and can make a composite material with few defects such as poor adhesion between fibers or peeling between woven fabric layers. Therefore, a bearing cage capable of being used at a high speed and high temperature with a DN value of 1.5 million or more and a use temperature of 200 ° C. or more can be obtained.
本発明の転がり軸受用保持器に使用できる母材となる高分子化合物は、熱硬化性樹脂である。
熱硬化性樹脂としては、硬化反応により３次元網目構造となる樹脂（ａ）および成形後熱処理または化学的処理により不溶不融性となる樹脂（ｂ）を含む。樹脂（ａ）の一例としてはエポキシ樹脂が、樹脂（ｂ）の一例としては芳香族ポリアミック酸から変換される芳香族ポリイミド樹脂がそれぞれ挙げられる。
The high molecular compound used as the base material that can be used in the rolling bearing cage of the present invention is a thermosetting resin.
The thermosetting resin includes a resin (a) that becomes a three-dimensional network structure by a curing reaction and a resin (b) that becomes insoluble and infusible by a heat treatment after molding or a chemical treatment. An example of the resin (a) is an epoxy resin, and an example of the resin (b) is an aromatic polyimide resin converted from an aromatic polyamic acid.
本発明に好ましい熱硬化性樹脂としては、特に、熱硬化後のガラス転移温度が２４０℃以上である樹脂である。
ここでガラス転移温度は、粘弾性分析装置（ＳＩＩ社製ＤＭＳ６１１０）を用い以下の方法で求めた。それぞれの樹脂の最適熱硬化条件で熱硬化した平板を長さ４０ｍｍ、幅１０ｍｍ、厚さ１ｍｍの試験片として作成し、３点曲げ形態（標線間距離２０ｍｍ）として分析装置に設置した。空気雰囲気において−５０℃から４００℃まで２℃／分の昇温速度で昇温させ、０．５Ｈｚの周波数で負荷をかけたときの温度に対する損失弾性率（Ｅ”）および貯蔵弾性率（Ｅ’）をそれぞれ求め、損失弾性率を貯蔵弾性率で除した値（ｔａｎδ）が極大値となった時の温度である。
ガラス転移温度が２４０℃未満では、保持器がその使用時に熱変形等を起こしやすくなる。
A thermosetting resin preferable for the present invention is a resin having a glass transition temperature of 240 ° C. or higher after thermosetting.
Here, the glass transition temperature was determined by the following method using a viscoelasticity analyzer (DMS6110 manufactured by SII). A flat plate heat-cured under the optimum heat-curing conditions of each resin was prepared as a test piece having a length of 40 mm, a width of 10 mm, and a thickness of 1 mm, and installed in an analyzer as a three-point bending form (distance between marked lines 20 mm). Loss modulus (E ″) and storage modulus (E) with respect to temperature when the temperature is raised from −50 ° C. to 400 ° C. at a rate of 2 ° C./min in an air atmosphere and a load is applied at a frequency of 0.5 Hz. ') Is the temperature at which the value obtained by dividing the loss elastic modulus by the storage elastic modulus (tan δ) reaches the maximum value.
When the glass transition temperature is less than 240 ° C., the cage is likely to be thermally deformed during use.
ガラス転移温度が２４０℃以上の樹脂としては、芳香族イミド結合を分子内に含むイミド樹脂が好ましい。
ここで、芳香族イミド結合を分子内に含むとは、芳香族環を形成する炭素原子のうち隣接する炭素原子を含んでイミド環を形成する場合、および／または芳香族環に直接結合する窒素原子炭素原子を含んでイミド環を形成する場合を含む。また、芳香族イミド結合を分子内に含むとともに分子内または分子末端に不飽和結合を有するポリイミドオリゴマー樹脂も好ましい。
The resin having a glass transition temperature of 240 ° C. or higher is preferably an imide resin containing an aromatic imide bond in the molecule.
Here, including an aromatic imide bond in the molecule means that a carbon atom forming an aromatic ring includes an adjacent carbon atom to form an imide ring, and / or nitrogen directly bonded to the aromatic ring. This includes the case of forming an imide ring containing an atomic carbon atom. A polyimide oligomer resin that contains an aromatic imide bond in the molecule and has an unsaturated bond in the molecule or at the molecular end is also preferred.
芳香族イミド結合を分子内に含むイミド樹脂として付加型イミド樹脂がある。付加型イミド樹脂の例としては、ビスマレイミド樹脂が挙げられる。
ビスマレイミド樹脂としては市販各種モノマーを組み合わせるなどして使用することができ、例えば大和化成工業社製ＢＭＩ−１０００、ＢＭＩ−２０００、ＢＭＩ−３０００、ＢＭＩ−４０００、ＢＭＩ−５０００、ＢＭＩ−７０００、京セラケミカル社製イミダロイＫＩＲ−３０などが挙げられる。また、ビスマレイミドを含む樹脂として、ビスマレイミドトリアジン樹脂（三菱ガス化学社製ＢＴレジン）などが挙げられる。
There is an addition-type imide resin as an imide resin containing an aromatic imide bond in the molecule. An example of the addition-type imide resin is bismaleimide resin.
The bismaleimide resin can be used by combining various commercially available monomers. For example, BMI-1000, BMI-2000, BMI-3000, BMI-4000, BMI-5000, BMI-7000, Kyocera manufactured by Daiwa Kasei Kogyo Co., Ltd. Chemical company Imidaroy KIR-30 etc. are mentioned. Examples of the resin containing bismaleimide include bismaleimide triazine resin (BT resin manufactured by Mitsubishi Gas Chemical Company).
芳香族イミド結合を分子内に含むイミド樹脂として芳香族ポリイミドオリゴマー樹脂がある。なお、芳香族ポリイミドオリゴマー樹脂には溶解性を損なわない割合の範囲で芳香族ポリアミック酸オリゴマー成分を含むことができる。
芳香族ポリイミドオリゴマー樹脂としては、芳香族イミド結合を分子内に含むイミド樹脂として分子鎖が屈曲して捩れた立体構造から芳香族面が非平面となる非対称イミド樹脂が挙げられる。非対称イミド樹脂とすることにより、成形性が優れる。特に非対称芳香族ポリイミドオリゴマー樹脂が好ましい。
非対称芳香族ポリイミドオリゴマー樹脂としては、ビフェニルテトラカルボン酸無水物を含むイミド樹脂が挙げられる。例えば、２，３，３’，４’−ビフェニルテトラカルボン酸無水物などの非対称テトラカルボン酸無水物と芳香族ジアミンと末端基として４−(２−フェニルエチニル）無水フタル酸とを組み合わせることにより、粉末状の非対称芳香族ポリイミドオリゴマー樹脂が得られ、これを型内に注入後に熱硬化させることで成形体を得ることができる。このような市販品としては宇部興産社製ＰＥＴＩ３３０が挙げられる。
また、非対称芳香族ポリイミドオリゴマー樹脂は、ジアミン成分として９，９−ビス（４−（４−アミノフェノキシ）フェニル）フルオレン、２−フェニル−４，４’−ジアミノジフェニルエーテル等を用いることにより、非対称芳香族ポリイミドオリゴマー樹脂を得ることができる。
他の芳香族ポリイミドオリゴマー樹脂の市販品としてはＩＳＴ社製スカイボンド８０００が挙げられる。
As an imide resin containing an aromatic imide bond in the molecule, there is an aromatic polyimide oligomer resin. The aromatic polyimide oligomer resin can contain an aromatic polyamic acid oligomer component in a range that does not impair the solubility.
Examples of the aromatic polyimide oligomer resin include an asymmetric imide resin in which an aromatic surface is non-planar due to a three-dimensional structure in which a molecular chain is bent and twisted as an imide resin having an aromatic imide bond in the molecule. By using an asymmetric imide resin, moldability is excellent. An asymmetric aromatic polyimide oligomer resin is particularly preferable.
Examples of the asymmetric aromatic polyimide oligomer resin include imide resins containing biphenyltetracarboxylic anhydride. For example, by combining an asymmetric tetracarboxylic anhydride such as 2,3,3 ′, 4′-biphenyltetracarboxylic anhydride, an aromatic diamine and 4- (2-phenylethynyl) phthalic anhydride as a terminal group. A powdery asymmetric aromatic polyimide oligomer resin is obtained, and a molded product can be obtained by thermosetting after pouring the resin into a mold. An example of such a commercial product is PETI330 manufactured by Ube Industries.
In addition, the asymmetric aromatic polyimide oligomer resin can be obtained by using 9,9-bis (4- (4-aminophenoxy) phenyl) fluorene, 2-phenyl-4,4′-diaminodiphenyl ether or the like as a diamine component. Group polyimide oligomer resin can be obtained.
Examples of other commercially available aromatic polyimide oligomer resins include Sky Bond 8000 manufactured by IST.
芳香族イミド結合を分子内に含むイミド樹脂として芳香族イミド結合を分子内に含む溶剤可溶性樹脂がある。具体的には、ポリアミドイミド樹脂またはポリアミック酸を分子内に含むポリイミド樹脂が挙げられる。
ポリアミドイミド樹脂は分子内に含むイミド結合とアミド結合とを含み、粉末状でも、またはこの粉末を溶剤に溶解した溶液でも得られる。ポリアミドイミド樹脂の市販品としてはソルベイアドバンスドポリマーズ社製トーロンが挙げられる。また、ポリアミドイミド樹脂は適切なポストキュアを実施することが好ましい。
また、ポリイミド樹脂の溶解性を向上させるために、ポリアミック酸を分子内に含むことができる。
As an imide resin containing an aromatic imide bond in the molecule, there is a solvent-soluble resin containing an aromatic imide bond in the molecule. Specifically, the polyimide resin which contains a polyamidoimide resin or a polyamic acid in a molecule | numerator is mentioned.
The polyamide-imide resin contains an imide bond and an amide bond contained in the molecule, and can be obtained in a powder form or a solution obtained by dissolving this powder in a solvent. A commercially available product of polyamide-imide resin is Torlon manufactured by Solvay Advanced Polymers. The polyamideimide resin is preferably subjected to an appropriate post cure.
Moreover, in order to improve the solubility of a polyimide resin, a polyamic acid can be included in a molecule | numerator.
本発明に使用できる熱硬化性樹脂としては、上記に挙げたポリイミド樹脂の耐熱性および成形性などの材料特性を損なわない範囲でポリベンゾイミダゾール樹脂など他の耐熱性材料や、フッ素樹脂など機能性ポリマーとのポリマーアロイとすることができる。
また、熱硬化性樹脂に強化短繊維、各種ウィスカ、ナノフィラーであるカーボンナノファイバー、フラーレンなどナノ粒子を添加することができる。また、自己潤滑性を与えるため、グラファイト、二硫化モリブデン、二硫化タングステン、窒化ホウ素などを単独あるいは複数添加することができる。
熱硬化性樹脂としてポリイミド樹脂アロイとする場合、上記イミド樹脂を少なくとも８０質量％以上含むことが好ましい。上記イミド樹脂が８０質量％未満ではイミド樹脂の特性が得られなくなる。
The thermosetting resin that can be used in the present invention includes other heat-resistant materials such as polybenzimidazole resin and functionalities such as fluororesin as long as the material properties such as heat resistance and moldability of the polyimide resin listed above are not impaired. It can be a polymer alloy with a polymer.
In addition, nanoparticles such as reinforced short fibers, various whiskers, carbon nanofibers that are nanofillers, and fullerenes can be added to the thermosetting resin. In order to provide self-lubricating properties, graphite, molybdenum disulfide, tungsten disulfide, boron nitride, or the like can be added alone or in combination.
When a polyimide resin alloy is used as the thermosetting resin, it is preferable to contain at least 80% by mass of the imide resin. If the imide resin is less than 80% by mass, the characteristics of the imide resin cannot be obtained.
上記熱硬化性樹脂は炭素繊維材で強化される。本発明に使用できる炭素繊維材は、モノフィラメントが１０００本〜５０００本の繊維束または該繊維束を用いた織布である。
炭素繊維材として用いる糸は入手性を考慮するとポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）から製造される炭素繊維が好ましい。また、石油ピッチから作られる炭素繊維を用いてもよい。
使用する炭素繊維束としては繊維径４〜１０μｍのモノフィラメントを１束あたり１０００〜５０００本を集合したものとする。この範囲とすることにより、モノフィラメント間への樹脂の含浸がしやすく、ボイドなどの欠陥が少ない材料とすることができる。好ましくは、繊維としては１Ｋ（約１０００本）、１．５Ｋ（約１５００本）、３Ｋ（約３０００本）を用いることができる。品質または製造技術的には１Ｋまたは１．５Ｋが好ましいが、材料の入手性を考慮すると工業的に入手が容易な３Ｋが好ましい。５０００本をこえる太さの繊維束を用いるとフィラメント間への樹脂の含浸が難しく、ボイドなどの欠陥の原因となる可能性がある。
The thermosetting resin is reinforced with a carbon fiber material. The carbon fiber material that can be used in the present invention is a fiber bundle having 1000 to 5000 monofilaments or a woven fabric using the fiber bundle.
The yarn used as the carbon fiber material is preferably a carbon fiber produced from polyacrylonitrile (PAN) in consideration of availability. Carbon fibers made from petroleum pitch may also be used.
The carbon fiber bundle to be used is a collection of 1000 to 5000 monofilaments having a fiber diameter of 4 to 10 μm per bundle. By setting it within this range, it is easy to impregnate the resin between the monofilaments, and a material with few defects such as voids can be obtained. Preferably, 1K (about 1000), 1.5K (about 1500), and 3K (about 3000) can be used as the fiber. Although 1K or 1.5K is preferable in terms of quality or production technology, 3K which is industrially easily available is preferable in consideration of availability of materials. When a fiber bundle having a thickness exceeding 5000 is used, it is difficult to impregnate the resin between the filaments, which may cause defects such as voids.
炭素繊維材は上記繊維束を用いた織布とすることができる。織布としては平織、綾織、朱子織などを採用できる。本発明に好ましい織布は平織である。織布の織り方として、機械的特性面では炭素繊維の本数が全く同じ場合には、平織、綾織、朱子織など、どのようなものでもよいが、織布のほつれにくさを考慮すると平織が好ましいためである。特にＲＴＭ成形を採用する場合には、織布をプリフォームとする時に、綾織や朱子織を用いると型に対する追従性に優れる反面、解れやすいためプリフォームへの固定が困難である。プリプレグを用いたシートワインディング法で成形する場合には織布の織り方に制限はない。 The carbon fiber material can be a woven fabric using the fiber bundle. Plain weave, twill weave, satin weave, etc. can be used as the woven fabric. A preferred woven fabric for the present invention is a plain weave. If the number of carbon fibers is exactly the same in terms of mechanical properties, weaving may be any of plain weave, twill weave, satin weave, etc. This is because it is preferable. In particular, when RTM molding is employed, when a woven fabric is used as a preform, if a twill or satin weave is used, the followability to the mold is excellent, but it is difficult to fix the preform to the preform. When the sheet winding method using prepreg is used, there is no limitation on the weaving method of the woven fabric.
上記炭素繊維材には、強度低下の原因とならない範囲でアラミド、ポリベンゾオキサゾールなどの有機高分子繊維を用いることができる。また、比強度、比弾性率を低下させない範囲でガラス繊維、ＳｉＣなどの無機繊維との交織とすることができる。 As the carbon fiber material, organic polymer fibers such as aramid and polybenzoxazole can be used as long as the strength is not reduced. Moreover, it can be made into union with glass fiber, inorganic fibers, such as SiC, in the range which does not reduce a specific strength and a specific elastic modulus.
熱硬化性樹脂と炭素繊維材との割合は、炭素繊維複合材料全体に対して、炭素繊維材が４５体積％〜６５体積％、好ましくは５０体積％〜６０体積％である。炭素繊維材の割合が４５体積％未満であると、炭素繊維複合材としての曲げ強度または弾性率が低く、本発明の特徴である比強度・比弾性率を生かすことができない。一方、６５体積％をこえると、全体の樹脂配合量が少なく、繊維同士の密着性が悪く、織布層間での剥離が生じることがある。 The ratio of the thermosetting resin and the carbon fiber material is 45% to 65% by volume, preferably 50% to 60% by volume of the carbon fiber material with respect to the entire carbon fiber composite material. When the proportion of the carbon fiber material is less than 45% by volume, the bending strength or elastic modulus as the carbon fiber composite material is low, and the specific strength and specific elastic modulus that are the characteristics of the present invention cannot be utilized. On the other hand, if it exceeds 65% by volume, the total resin content is small, the adhesion between fibers is poor, and peeling between woven fabric layers may occur.
本発明に使用できる炭素繊維複合材料は、上記組成および配合とすることにより、２５℃での曲げ強度が６００ＭＰａ以上であり、かつ２００℃における曲げ強度保持率が初期値の５０％以上とすることができる。また、弾性率についても、２５℃での弾性率が３５ＧＰａ以上であり、かつ２００℃における弾性率保持率が初期値の５０％以上とすることができる。 The carbon fiber composite material that can be used in the present invention has the above composition and blending so that the bending strength at 25 ° C. is 600 MPa or more and the bending strength retention at 200 ° C. is 50% or more of the initial value. Can do. Also, the elastic modulus at 25 ° C. is 35 GPa or more, and the elastic modulus retention at 200 ° C. can be 50% or more of the initial value.
上記炭素繊維複合材料を用いた転がり軸受用保持器の一例を図１に示す。図１は玉軸受用保持器の斜視図であり、上記炭素繊維複合材料を用いて素形材を成形した後、切削加工にて得られる。
図１に示すように、保持器１は、円環状の保持器本体２に、転動体としてのボールを保持する転動体保持用ポケット３が一定間隔で複数設けられている。ポケット３の平面形状は、平円形状であるが、真円でもよい。ここで、平円形状とは、真円形状で必要とされるポケット隙間（ポケット内径とボール直径との差）量と一致させる隙間を間にして、その両側にボールの半径にほぼ近似するポケット面の半径で構成させた平円とする形状をいう。回転軸周方向のポケット隙間量を大きくして、ボールの進み遅れを吸収することにより、保持器にかかる負荷を減らすことができる平円形状であることが好ましい。
An example of a rolling bearing cage using the carbon fiber composite material is shown in FIG. FIG. 1 is a perspective view of a ball bearing retainer, which is obtained by cutting after forming a shaped material using the carbon fiber composite material.
As shown in FIG. 1, the
上記保持器の製造方法としては、パイプを成形しておいて、カッター等で切断してリングとし、エンドミル等でポケット部分の穴あけ加工するのが好ましい。パイプの成形方法としてはシートワインディング（ＳＷ）法、ハンドレイアップ法、スプレー法、レジントランスファーモールディング（ＲＴＭ）法などの各種成形方法などが適用可能である。ＲＴＭ法の１種類として真空アシスト成形法であるＬ-ＲＴＭやＶａＲＴＭ成形などがあり、これらを用いることができる。
機械加工の方法としては、機械加工、レーザ加工、ウォータカットなどどのような加工手段を用いることができる。
As a manufacturing method of the above cage, it is preferable that a pipe is formed, cut with a cutter or the like to form a ring, and a pocket portion is punched with an end mill or the like. Various molding methods such as a sheet winding (SW) method, a hand lay-up method, a spray method, and a resin transfer molding (RTM) method can be applied as a pipe forming method. As one type of RTM method, there are L-RTM and VaRTM molding which are vacuum assist molding methods, and these can be used.
As a machining method, any machining means such as machining, laser machining, or water cutting can be used.
本発明の転がり軸受の一例を図２に基づいて説明する。図２は、上記転がり軸受用保持器を用いた転がり軸受（深溝玉軸受）の断面図である。転がり軸受４は、外周面に転走面５ａを有する内輪５と、内周面に転走面６ａを有する外輪６とが同心に配置される。内輪の転走面５ａと外輪の転走面６ａとの間に複数個の転動体７が介在して配置される。この複数個の転動体７は、保持器１により保持される。
An example of the rolling bearing of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 2 is a cross-sectional view of a rolling bearing (deep groove ball bearing) using the rolling bearing cage. In the rolling bearing 4, an
本発明の転がり軸受は、機械的および熱的に優れた上記転がり軸受用保持器を用いるので、ＤＮ値が１５０万以上で、かつ使用温度が２００℃以上となる用途に用いることができる。例えば航空機に搭載されるジェットエンジン主軸用軸受に好適に用いることができる。
また、転がり軸受としては、円筒ころ軸受、玉軸受に好適に用いることができる。
Since the rolling bearing of the present invention uses the above-mentioned cage for a rolling bearing which is mechanically and thermally excellent, it can be used in applications where the DN value is 1.5 million or more and the operating temperature is 200 ° C. or more. For example, it can be suitably used for a jet engine main shaft bearing mounted on an aircraft.
Moreover, as a rolling bearing, it can use suitably for a cylindrical roller bearing and a ball bearing.
以下に実施例を挙げて本発明をさらに説明するが、本発明はこれにより何ら制限されるものではない。
実施例および比較例に用いる原材料を一括して以下に示す。また、配合割合を表１、表２および表３に示す。
（Ａ）高分子化合物
（１）ＰＩ−１：ビフェニルポリイミド樹脂（宇部興産社製ＰＥＴＩ３３０）
（２）ＰＩ−２：ポリイミド樹脂（ＩＳＴ社製ＳＫＹＢＯＮＤ７００）
（３）ＰＡＩ：ポリアミドイミド樹脂（ソルベイアドバンストポリマーズ社製トーロン４０００Ｔ）
（４）ＢＭＩ：ビスマレイミド樹脂（大和化成工業社製ＢＭＩ−１０００）
（５）エポキシ：エポキシ樹脂（東邦テナックス社製１０１（プリプレグとして））
（６）ＰＰＳ：ＰＰＳ樹脂（東ソー社製１６０Ｎ）
（７）ＰＥＥＫ：ＰＥＥＫ樹脂（ビクトレックス社製ポリエーテルエーテルケトンＰＥＥＫ１５０Ｇ）
（Ｂ）炭素繊維材（織布）
（１）１Ｋ：織布（三菱レイヨン社製ＴＲ１１２０（１Ｋ・平織））
（２）３Ｋ：織布（三菱レイヨン社製ＴＲ３１１０Ｍ（３Ｋ・平織））
（３）５Ｋ：織布（１Ｋの糸を５単位分重ね合わせたものを平織（単位重量約３００ｇ/ｍ2）とした。）
（４）６Ｋ：織布（三菱レイヨン社製ＴＲ６１２０Ｍ（６Ｋ・平織））
（５）アラミド：アラミド織布（帝人社製ＣＴ７０９（平織、単位重量約２００ｇ/ｍ2)）
（６）ＰＢＯ：ＰＢＯ織布（東洋紡社製ザイロン（単位重量約１９０ｇ/ｍ2)）
The present invention will be further described below with reference to examples, but the present invention is not limited thereto.
The raw materials used in the examples and comparative examples are collectively shown below. The blending ratios are shown in Table 1, Table 2, and Table 3.
(A) Polymer compound (1) PI-1: Biphenyl polyimide resin (PET330 made by Ube Industries)
(2) PI-2: Polyimide resin (SKYBOND700 manufactured by IST)
(3) PAI: Polyamideimide resin (Tolon 4000T manufactured by Solvay Advanced Polymers)
(4) BMI: Bismaleimide resin (BMI-1000 manufactured by Daiwa Kasei Kogyo Co., Ltd.)
(5) Epoxy: Epoxy resin (101 made by Toho Tenax Co., Ltd. (as prepreg))
(6) PPS: PPS resin (160N manufactured by Tosoh Corporation)
(7) PEEK: PEEK resin (Polyetheretherketone PEEK150G manufactured by Victrex)
(B) Carbon fiber material (woven fabric)
(1) 1K: Woven cloth (TR1120 (1K, plain weave) manufactured by Mitsubishi Rayon Co., Ltd.)
(2) 3K: Woven cloth (TR3110M (3K, plain weave) manufactured by Mitsubishi Rayon Co., Ltd.)
(3) 5K: Woven cloth (a plain weave (unit weight of about 300 g / m 2 ) obtained by superimposing 5 units of 1K yarn)
(4) 6K: Woven cloth (TR6120M (6K, plain weave) manufactured by Mitsubishi Rayon Co., Ltd.)
(5) Aramid: Aramid woven fabric (CT709 manufactured by Teijin Ltd. (plain weave, unit weight about 200 g / m 2 ))
(6) PBO: PBO Woven Cloth (Zylon manufactured by Toyobo Co., Ltd. (unit weight: about 190 g / m 2 ))
実施例および比較例に用いる成形方法を以下に示す。
（１）プリプレグＡ：溶液によるプリプレグ作製法
Ｎ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）などの有機溶剤に熱硬化前の樹脂原料を溶解させて２０〜５０質量％程度の固形分を有するワニスとし、織布にローラーで塗布した後に、真空乾燥炉で溶剤を揮発させプリプレグとした。このプリプレグを成形厚さ２±０．３ｍｍとなるように複枚数を重ね、ホットプレス法で熱硬化させた。硬化後、硬化温度より低い温度で５時間以上最適熱硬化状態になるようにポストキュアを行ない、平板をカッター等の機械的加工で試験片を製作し、ＪＩＳＫ７０７４−１９９８に準拠した曲げ試験（室温（２５℃）および２００℃）を行なった。
（２）プリプレグＢ：溶融樹脂によるプリプレグ作製法
ワニスを使用する代わりに、樹脂原料を融点以上に溶融させた状態で織布に溶融樹脂を含浸させた後、室温（２５℃）まで冷却させプリプレグとする以外は上記プリプレグＡと同様の方法で試験片を製作し、同様の方法で評価した。
The molding methods used in the examples and comparative examples are shown below.
(1) Prepreg A: Prepreg preparation method using a solution A varnish having a solid content of about 20 to 50% by mass by dissolving a resin raw material before thermosetting in an organic solvent such as N-methyl-2-pyrrolidone (NMP), After applying to the woven fabric with a roller, the solvent was volatilized in a vacuum drying furnace to obtain a prepreg. A plurality of the prepregs were stacked so as to have a molding thickness of 2 ± 0.3 mm, and were thermally cured by a hot press method. After curing, post cure is performed at a temperature lower than the curing temperature for 5 hours or more, and a test piece is manufactured by mechanical processing such as a cutter with a flat plate, and a bending test in accordance with JIS K7074-1998 (room temperature (25 ° C.) and 200 ° C.).
(2) Prepreg B: Preparation method of prepreg by molten resin Instead of using varnish, the woven fabric was impregnated with molten resin in a state where the resin raw material was melted to the melting point or higher, and then cooled to room temperature (25 ° C). A test piece was produced in the same manner as in the prepreg A except that and the evaluation was conducted in the same manner.
（３）ＶａＲＴＭ：ＶａＲＴＭによる試験片の作製
織布を１００ｍｍ×１００ｍｍに裁断後、成形厚約２±０．３ｍｍとなるように積層し、サイドに樹脂注入ゲートのある金型にセットした。金型類一式を密封された真空槽内に設置した上で、ロータリーポンプで減圧し、リングヒータで加熱して溶融温度以上で樹脂を注入した。熱硬化後、金型を冷却して平板を取り出し、上記同様にポストキュア後、カッター等の機械的加工で試験片を準備し、ＪＩＳＫ７０７４−１９９８に準拠した曲げ試験（室温（２５℃）および２００℃）を行なった。
(3) Preparation of test piece by VaRTM: VaRTM After cutting a woven fabric into 100 mm x 100 mm, it laminated | stacked so that it might become a shaping | molding thickness of about 2 +/- 0.3mm, and set to the metal mold | die with a resin injection gate on the side. A set of molds was placed in a sealed vacuum chamber, and then the pressure was reduced with a rotary pump, and the resin was injected at a melting temperature or higher by heating with a ring heater. After thermosetting, the mold is cooled and the flat plate is taken out. After post-curing in the same manner as described above, a test piece is prepared by mechanical processing such as a cutter, and a bending test (room temperature (25 ° C.) and 200 according to JIS K7074-1998 is prepared. ° C).
（４）評価方法
曲げ強度が６００ＭＰａ以上であり、かつ２００℃での曲げ強度保持率が室温の５０％以上であるものを強度・保持率評価「○」とした。
同様に曲げ弾性率が４０ＧＰａ以上であり、かつ２００℃における曲げ弾性率保持率が室温の５０％以上であるものを弾性率・保持率評価「○」とした。
これら全てが「○」であったものを総合評価「○」とした。
(4) Evaluation method The strength / retention rate evaluation “◯” is that the bending strength is 600 MPa or more and the bending strength retention at 200 ° C. is 50% or more of room temperature.
Similarly, the one having a flexural modulus of 40 GPa or more and a flexural modulus retention at 200 ° C. of 50% or more of room temperature was defined as an elastic modulus / retention rate evaluation “◯”.
All of these were “◯” as the overall evaluation “◯”.
実施例１〜実施例１８および比較例１〜比較例５
各表に示す組成、成形方法で炭素繊維複合材料を成形して試験片を製作し、上記評価方法で評価した。結果を表１、表２および表３に示す。
Examples 1 to 18 and Comparative Examples 1 to 5
A carbon fiber composite material was molded by the composition and molding method shown in each table to produce a test piece, which was evaluated by the above evaluation method. The results are shown in Table 1, Table 2 and Table 3.
比較例１は、樹脂注入に実施例１の２．５倍の時間を要した。さらに実施例１と同一樹脂注入時間ではＶａＲＴＭにより製造された試験片にボイドが発生した。
また、上記材料で図１に示す保持器を作製して、耐熱軸受鋼Ｍ５０材からなる深溝玉軸受に組み込み、ＤＮ値が１６０万で、かつ雰囲気温度が２００℃の条件で回転する軸に取り付け、ＢＰ社製ターボオイル２１９７を潤滑油として外部から供給させ、軸受試験を行なった。この条件で２時間運転したが実施例１〜実施例１６の保持器を用いた転がり軸受は異常を認めなかった。
In Comparative Example 1, it took 2.5 times as long as Example 1 to inject the resin. Further, at the same resin injection time as in Example 1, voids occurred in the test piece manufactured by VaRTM.
Also, the cage shown in FIG. 1 is made of the above material and incorporated in a deep groove ball bearing made of heat-resistant bearing steel M50, and attached to a shaft that rotates at a DN value of 1.6 million and an ambient temperature of 200 ° C. BP turbo oil 2197 was supplied from the outside as lubricating oil, and a bearing test was performed. Although it operated for 2 hours on this condition, the rolling bearing using the holder | retainer of Example 1- Example 16 did not recognize abnormality.
本発明の転がり軸受用保持器は、高速および高温に優れるため、航空機ジェットエンジンやガスタービンのように高速で回転する主軸を支持するために使用される高速回転用転がり軸受に用いる保持器として利用できる。 Since the rolling bearing cage of the present invention is excellent in high speed and high temperature, it is used as a cage used in a high speed rotating rolling bearing used to support a main shaft that rotates at high speed like an aircraft jet engine or a gas turbine. it can.
１ 保持器
２ 保持器本体
３ 転動体保持用ポケット
４ 転がり軸受
５ 内輪
６ 外輪
７ 転動体
DESCRIPTION OF
Claims (20)
前記炭素繊維材は、モノフィラメントが１０００本〜５０００本の繊維束または該繊維束を用いた織布であり、
前記高分子化合物が熱硬化性樹脂であることを特徴とする転がり軸受用保持器。 A rolling bearing cage formed by molding a carbon fiber composite material obtained by reinforcing a polymer compound of a base material with a carbon fiber material,
The carbon fiber material is a fiber bundle of 1000 to 5000 monofilaments or a woven fabric using the fiber bundle,
A cage for a rolling bearing, wherein the polymer compound is a thermosetting resin.
該転がり軸受は、ＤＮ値が１５０万以上で、かつ使用温度が２００℃以上となる用途に用いられる転がり軸受であり、
前記保持器が、請求項１ないし請求項１６のいずれか１項記載の転がり軸受用保持器であることを特徴とする転がり軸受。 A rolling bearing comprising an inner ring and an outer ring, a plurality of rolling elements interposed between the inner and outer rings, and a cage for holding the rolling elements,
The rolling bearing is a rolling bearing used for an application having a DN value of 1.5 million or more and a use temperature of 200 ° C. or more.
The rolling bearing according to any one of claims 1 to 16, wherein the cage is a rolling bearing cage.
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