JP2012202461A - 密封型転がり軸受 - Google Patents

Abstract

【課題】シールの摩耗やトルクの増大が長期間にわたって生じにくい密封型転がり軸受を提供する。
【解決手段】深溝玉軸受のシール５は、内輪１の外周面に滑り接触する摺接面１２ｂを有するリップ部１２ａを備えている。リップ部１２ａの摺接面１２ｂには、ディンプルが形成されており、該ディンプルは、微細な矩形状凹部２３及び格子状凸部２２が周期的な規則性をもって形成されてなる。このディンプルは、プラズマ照射により形成されたものである。また、リップ部１２ａの摺接面１２ｂには、前記ディンプルを覆う炭素被膜１３が形成されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、潤滑剤がシールにより内部に密封された密封型転がり軸受に関する。

密封型転がり軸受においては、内輪，外輪，及び接触形シールに囲まれた空隙部内にグリース等の潤滑剤が配されており、この潤滑剤は接触形シールによって密封されている。また、接触形シールは弾性体からなるリップ部を備え、その弾性を利用して適度な締め力をもって軌道輪（内輪又は外輪）と当接し摺動する摺接面によって、内部からの潤滑剤の洩れを防止するとともに外部からの塵芥や水の侵入を防止するようになっている。

このような従来の密封型転がり軸受においては、リップ部の摺接面が滑らかな面に成形されているため、長時間の使用によって摺接面の潤滑剤が徐々に消耗し、摺接面の摩耗が進行してシールとしての機能が低下するという問題があった。また、摺接面の摩耗の進行に伴って摺接面と軌道輪との摩擦が大きくなり、転がり軸受のトルクが大きくなるという問題があった。

さらに、摺接面と軌道輪との摩擦力が増大すると、弾性体であるリップ部が軌道輪に引き摺られて変形し、リップ部の弾性力によって復元するという現象が発生する場合がある。このような現象によりリップ部に振動が生じ（以降は、このような振動現象をスティックスリップと記す）、シール音を発生させる場合があった。
そこで、リップ部の摺接面又は軌道輪のリップ部との摺接部に微細な凹凸を設けることにより、前述のような摩耗や摩擦を抑制する技術が提案されている（例えば特許文献１を参照）。

特許文献１に記載の技術は、放電加工により微細な凹凸を表面に形成した金型を用いて、シールを製造するというものである。シールの製造時に金型表面の微細な凹凸が転写され、金型の微細な凹凸に対応する形状の微細な凹凸がリップ部の摺接面に形成される。そして、このリップ部の摺接面に形成された微細な凹凸により、リップ部の摺接面に潤滑剤が保持されるため、長期間にわたってリップ部の摺接面の摩耗が抑制されるとともにリップ部の摺接面と軌道輪との摩擦が抑制される。
また、特許文献２に記載の技術は、内輪のリップ部との摺接部にショットピーニング加工を施して、微細な凹凸を形成するというものである。この内輪に形成された微細な凹凸により、リップ部の摺接面の摩耗や転がり軸受のトルクの増大が抑制される。

特開２００４−１９７７９号公報 特開２００５−６９４０４号公報

しかしながら、転がり軸受の使用条件は益々厳しくなってきていることから、シールの摩耗やトルクの増大を抑制する技術については、さらなる改良が望まれていた。
そこで、本発明は、上記のような従来技術が有する問題点を解決し、シールの摩耗やトルクの増大が長期間にわたって生じにくい密封型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、本発明に係る密封型転がり軸受は、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いずれか一方の軌道輪に取り付けられ他方の軌道輪に滑り接触するシールと、前記内輪及び前記外輪の間に形成された空隙部内に配され前記シールによって密封された潤滑剤と、を備える密封型転がり軸受であって、前記シールは、前記他方の軌道輪に滑り接触する摺接面を有するリップ部を備えていて、前記摺接面には、プラズマ照射によりディンプルが形成されているとともに、前記摺接面を覆う炭素被膜が形成されていることを特徴とする。
このような本発明に係る密封型転がり軸受においては、前記ディンプルは矩形状凹部であることが好ましい。

本発明の密封型転がり軸受は、シールのリップ部の摺接面にディンプルが形成されているとともに、前記摺接面を覆う炭素被膜が形成されているので、シールの摩耗やトルクの増大が長期間にわたって生じにくい。

本発明に係る密封型転がり軸受の一実施形態である深溝玉軸受の構造を示す部分縦断面図である。 図１に示す深溝玉軸受に取り付けられた接触形シールの構造を示す拡大図である。 摺接面に形成されたディンプルの形態を説明するシールのリップ部の部分断面図である。 摺接面に形成されたディンプルの形態を説明する摺接面の拡大図である。 摺接面に形成されたディンプルの別の形態を説明する摺接面の拡大図である。 摺接面に形成されたディンプルのさらに別の形態を説明する摺接面の拡大図である。 摺接面に形成されたディンプルのまた別の形態を説明する摺接面の拡大図である。

本発明に係る密封型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、本発明に係る密封型転がり軸受の一実施形態である深溝玉軸受の構造を示す部分縦断面図であり、図２は、図１に示す深溝玉軸受に取り付けられた接触形シールの構造を示す拡大図である。また、図３は、図２に示す接触形シールのリップ部の部分断面図である。

図１の深溝玉軸受は、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、両軌道面１ａ，２ａ間に転動自在に配された複数の転動体（玉）３と、内輪１及び外輪２の間に転動体３を保持する保持器４と、外輪２の内周面に取り付けられ内輪１の外周面に滑り接触するシール５，５と、を備えている。そして、内輪１，外輪２，及びシール５，５に囲まれた空隙部（軸受内部空間）内には、両軌道面１ａ，２ａ及び転動体３の転動面の潤滑を行う潤滑剤Ｇ（例えば潤滑油やグリース）が配されていて、シール５，５によって密封されている。
なお、図１においては、シール５，５は、外輪２の内周面に取り付けられ内輪１の外周面に滑り接触しているが、これとは逆に、内輪１の外周面に取り付けられ外輪２の内周面に滑り接触していてもよい。また、保持器４は備えていなくてもよい。

シール５，５は、芯金１１及びシール部材１２で構成され、外輪２の内周面に設けられた溝部に圧入又は接着によって固定されている。芯金１１は、低炭素鋼板等の金属板をプレス加工等の加工手段を用いて打抜き加工し、さらに塑性加工することによって製造された、ドーナツ板状の曲折部材である。なお、ドーナツ板状の曲折部材の代わりに、中央に穴を有する環状部材を用いてもよい。

また、シール部材１２は、ニトリルゴム、アクリルゴム、フッ素ゴム、シリコンゴム、ウレタンゴム等のゴム材料や合成樹脂（ポリアミド４６，ポリアミド６６等のポリアミドが好ましい）のような弾性を有する樹脂で構成されている。
そして、芯金１１をインサートとするインサート成形によって、シール部材１２と芯金１１とを金型内で一体的に成形して固着する。すなわち、金型内に芯金１１と樹脂とを装填し、加硫成形等を行うことにより、芯金１１とシール部材１２とを一体的に成形して、シール５を製造する。

シール部材１２は弾性変形可能なリップ部１２ａを備えていて、このリップ部１２ａが、内輪１の外周面に滑り接触する摺接面１２ｂを有している。そして、この摺接面１２ｂ及びその周辺部分には、ディンプルが形成されているとともに、前記摺接面１２ｂ及び周辺部分は炭素被膜１３（例えばダイヤモンドライクカーボン被膜）で覆われている。このディンプルは、微細な矩形状凹部２３である。その結果、矩形状凹部２３の周りの摺接面１２ｂは格子状凸部２２をなすこととなる。（図４を参照）。ただし、前記ディンプルは、微細なピット状凹部２４であってもよいし（図５を参照）、また、微細な線状凹部２５であってもよい。線状凹部２５の場合は、摺接面１２ｂが線状凸部２６をなすこととなり、線状凹部２５と線状凸部２６が交互に繰り返し縞状に形成されることとなる（図６及び７を参照）。

前記空隙部内に配された潤滑剤Ｇが、リップ部１２ａの摺接面１２ｂと内輪１の外周面との間に僅かににじみ出し、摺動する摺接面１２ｂと内輪１の外周面とが潤滑されるが、リップ部１２ａの摺接面１２ｂに形成されたディンプルの作用により、リップ部１２ａの摺接面１２ｂに潤滑剤Ｇが保持され常に良好な潤滑状態が維持される。よって、長期間にわたってリップ部１２ａの摺接面１２ｂの摩耗が抑制されるので、シール５の密封性が長期間にわたって維持される。

また、リップ部１２ａの摺接面１２ｂと内輪１の外周面との摩擦が抑制されるので、軸受のトルクの増大や、リップ部１２ａのスティックスリップによるシール音が抑制される。さらに、リップ部１２ａの摺接面１２ｂにディンプルが形成されているので、摺接面１２ｂと内輪１の外周面との接触面積が小さくなる。さらに、ディンプルのような微細な凹凸が形成されていると、摺接面１２ｂの耐摩耗性が良好となる。さらに、摺接面１２ｂが炭素被膜１３で覆われているので、金属からなる相手面（内輪１の外周面）との凝着力が小さくなり、摺接面１２ｂのディンプルが長期間にわたって維持される。なお、内輪１の外周面のうち摺接面１２ｂと摺接する部分にも上記と同様のディンプルを形成しておけば、上記効果がさらに向上する。

このようなディンプルは、成型後のシールにプラズマ照射し、リップ部１２ａの表面をエッチング効果によりわずかに削ることによって形成される。また、プラズマ照射する際にマスキングをして、格子状の周期的な規則性をもった形状になるようにディンプルを形成することもできる。マスクの材料としては、ステンレス鋼等の金属の他に、ポリエステルなどの樹脂材料やグラスファイバー等を用いることができる。プラズマ照射は真空中で行うことができるが、酸素が存在する大気中の方がより効率よく照射を行うことができる。

プラズマを照射しディンプルを形成することにより、ディンプルが形成されている部分及びその近傍部分の極表面のみが高温となるため、ディンプルの形成と同時に、ディンプルが形成されている部分及びその近傍部分の硬さが高くなり、ディンプルの微小な変形が抑制される。よって、ヒステリシスロスが低減されるとともに、摺接面１２ｂと相手面との接触面積の増加が抑制される。その結果、深溝玉軸受を低トルクとすることができる。また、ディンプルが形成されている部分及びその近傍部分のみの硬さが高くなっているので、高負荷時においてもディンプルの微小な変形が抑制され、摺接面１２ｂと相手面との接触面積の増加が抑制される。さらに、プラズマ照射によれば、簡単，確実，且つ低コストで微細加工を施すことができる。

ただし、前記ディンプルは、金型の表面に形成された凹凸を、シール５の製造時にリップ部１２ａに転写することによって形成することもできる。すなわち、金型表面のうちリップ部１２ａの摺接面１２ｂ及びその周辺部分を成形する部分に凹凸が形成された金型を用意し、この金型内に芯金１１と樹脂とを装填して成形を行うと、芯金１１とシール部材１２とが一体的に成形される際に、成形時の圧力によって金型表面の凹凸が転写され、金型表面の凹凸に対応する形状のディンプルが、リップ部１２ａの摺接面１２ｂ及びその周辺部分に形成される。
なお、金型を用いてシール５を製造する際には、前述のようにインサート成形によってシール部材１２と芯金１１とを金型内で一体的に成形する方法を採用してもよいが、リップ部１２ａの摺接面１２ｂにディンプルが形成されたシール部材１２のみを金型で製造し、別途製造した芯金１１と金型外で固着する方法を採用してもよい。

また、シール５を金型で成形する方法を採用すれば、リップ部１２ａの摺接面１２ｂにディンプルが形成されたシール５を製造することができるので、シール５の製造を通常のシールと同様の製造工程で製造することができるとともに、低コストでシール５を製造することができる。
さらに、上記のように、金型内でシール部材１２を成形しつつリップ部１２ａの摺接面１２ｂにディンプルを形成する方法を採用することもできるが、シール部材１２を成形した後にディンプルのみをプラズマ照射で後加工する方法を用いれば、ディンプルが形成されている部分及びその近傍部分の硬さが高くなるので、プラズマ照射を用いる方が深溝玉軸受をより低トルクとすることができる。

摺接面１２ｂに形成されたディンプルの深さは、０．０１μｍ以上０．２μｍ以下であることが好ましい。また、摺接面１２ｂの中心線平均粗さＲａは、０．０１μｍ以上０．２μｍ以下であることが好ましい。摺接面１２ｂに形成されたディンプルの深さが０．０１μｍ未満であると、潤滑剤Ｇの保持性能が不十分となるおそれがある。一方、０．２μｍ超過であると、シール５による潤滑剤Ｇの密封性が不十分となるおそれがある。摺接面１２ｂの中心線平均粗さＲａについても同様であり、摺接面１２ｂの中心線平均粗さＲａが０．０１μｍ未満であると、潤滑剤Ｇの保持性能が不十分となるおそれがあり、０．２μｍ超過であると、シール５による潤滑剤Ｇの密封性が不十分となるおそれがある。

金型の表面の凹凸は、金型の表面に例えばレーザーを照射して微細加工を施すことにより形成することができる。微細加工に使用するレーザーとしては、パルス幅１ｐｓ以上５ｐｓ以下の短パルスレーザーが好ましい。例えば、レーザー波長７００ｎｍ以上９００ｎｍ以下、パルス幅１ｐｓ以上５ｐｓ以下、フルーエンス２８Ｊ／ｃｍ² 以下の照射条件で、短パルスレーザーを金型の表面に照射する。これにより、照射された部分がアブレーションされて、加工跡である凹部が形成される。この凹部は非熱的過程で形成されているので、アブレーションによる熱影響が小さく高精度である。

なお、短パルスレーザーの照射によれば、通常の機械的な表面加工処理では困難な微細加工を施すことができる。例えば、形成位置をナノメートルオーダーで制御しつつ微小な凹部を形成することができる。また、短パルスレーザーとは、フェムト秒レーザーのようなパルス幅が非常に小さいレーザーの総称であり、このようなレーザーを用いれば、レーザー波長と略同じかそれよりも短いピッチで周期的に凹部を形成するなどの微細加工を施すことができる。

以下に、リップ部１２ａの摺接面１２ｂ及びその周辺部分に形成するディンプルについて、図２の摺接面１２ｂを拡大して示した拡大図である図４〜７を参照しながら、さらに詳細に説明する。
ディンプルは、微細な矩形状凹部２３及びその周りに形成される格子状凸部２２が凹凸を形成してなり、図４に示すように、複数の矩形状凹部２３が所定の間隔を空けつつ摺接面１２ｂに均一に配されている。また、矩形状凹部２３の形状は、図４に示すような正方形状に限定されるものではなく、長方形状でもよい。

矩形状凹部２３及びその周りに形成される格子状凸部２２が摺動方向に対して周期的な規則性をもって形成されていると、荷重を安定して受けることができる。このため、より一層、軸受のトルクを低減することができるとともに内輪１の外周面との表面接触の発生を抑制することができる。また、摺接面１２ｂの弾性変形が抑制され、ヒステリシスロスが低減される。ただし矩形状凹部２３及び格子状凸部２２が摺動方向に対して角度を有する方向に延びて形成されている場合等、平行以外の角度であっても一定の効果が得られる。

隣り合う矩形状凹部２３はナノメートルオーダーの間隔を空けて平行に並んでおり、隣り合う２つの矩形状凹部２３の間の距離の平均値（格子状凸部２２の幅）は、１０μｍ以上２００μｍ以下であることが好ましい。この距離が小さすぎたり大きすぎたりすると、潤滑剤Ｇの保持が不十分となるおそれがある。また、この距離は、プラズマ照射の条件等により適宜調整することができる。

また、図５に示すように、前記ディンプルは、円形状の微細なピット状凹部２４であってもよい。図５においては、複数のピット状凹部２４が所定の間隔を空けつつ摺接面１２ｂに均一に配されている。なお、ピット状凹部２４の形状は、図５に示すような円形状に限定されるものではなく、楕円形状でもよい。
さらに、図６及び７に示すように、前記ディンプルは、微細な線状凹部２５及び線状凸部２６が交互に繰り返し縞状に形成されていてもよい。図６に示すように、ほぼ等間隔で並んでいる微細な線状凹部２５及び線状凸部２６が、リップ部１２ａの摺接面１２ｂと内輪１の外周面との摺動方向に平行な方向に延びていてもよいし、図７に示すように、微細な線状凹部２５及び線状凸部２６が前記摺動方向に直交する方向に延びていてもよい。

線状凹部２５及び線状凸部２６が摺動方向に対して平行な方向に延びていると、荷重を安定して受けることができ、且つ、摺動方向に対して強く潤滑剤を保持することができる。このため、より一層、軸受のトルクを低減することができるとともに内輪１の外周面との表面接触の発生を抑制することができる。また、摺接面１２ｂの弾性変形が抑制され、ヒステリシスロスが低減される。ただし、線状凹部２５及び線状凸部２６が摺動方向に対して角度を有する方向に延びて形成されている場合等、平行以外の角度であっても一定の効果が得られる。

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、密封型転がり軸受の例として深溝玉軸受をあげて説明したが、本発明は深溝玉軸受に限らず、他種の転がり軸受にも適用可能である。例えば、アンギュラ玉軸受，自動調心玉軸受，円筒ころ軸受，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。

〔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。図１の深溝玉軸受とほぼ同様の構成の深溝玉軸受（内径１７ｍｍ、外径４０ｍｍ、幅１２ｍｍ）を用意して、グリース１．０ｇを封入した。そして、回転速度１５００ｒｐｍ、ラジアル荷重９８Ｎ、アキシアル荷重１９６Ｎ、外輪温度１８０℃という条件で１０時間回転させ、回転時のトルクを測定した。

実施例１は、マスキングせずプラズマ照射し、周期的な規則性をもたないディンプルを摺接面に形成し、且つ、摺接面に炭素被膜を形成したシールを用いたものである。また、実施例２は、格子状のマスクを用いてマスキングし、部分的にプラズマ照射し、周期的な規則性をもつディンプルを摺接面に形成し、且つ、摺接面に炭素被膜を形成したシールを用いたものである。

一方、比較例１は、摺接面にディンプル及び炭素被膜が形成されていないシールを用いたものである。比較例２は、格子状のマスクを用いてマスキングし、部分的にプラズマ照射し、周期的な規則性をもつディンプルを摺接面に形成し、摺接面に炭素被膜を形成しないシールを用いたものである。さらに、比較例３は、ディンプルを形成せず摺接面に炭素被膜のみを形成したシールを用いたものである。

また、参考例１は、金型内に芯金と樹脂とを装填してシールを成形する際に、金型の表面に形成された凹凸をリップ部の摺接面に転写することによってディンプルを形成し、且つ、摺接面に炭素被膜を形成したシールを用いたものである。
実施例１，２及び比較例２のシールは、大気圧下の大気中において高周波電力（周波数３０ｋＨ，電圧４００Ｖ）を印加することで発生させたプラズマを、シールの摺動面に１５分間吹き付けることによりプラズマ照射を行った。また、格子状マスクは、メッシュ数（１インチあたりの目の数）が２００、開口率（メッシュ開口部の面積比率）が約５０％の市販のステンレスメッシュを用いた。

実施例１，２、比較例３及び参考例１のシールは、プラズマＣＶＤ法によりその表面に炭素被膜を形成した。詳述すると、シールの表面を拭き取りにより脱脂した後、プラズマＣＶＤ法により、炭素及び水素で構成される膜厚２μｍの炭素被膜をリップ部の摺接面に形成した。なお、炭素被膜の形成方法はプラズマＣＶＤ法に限定されるものではなく、プラズマイオン注入法やスパッタリング法を採用することも可能である。

各軸受のトルクの測定結果を表１に示す。なお、表１に示したトルクの数値は、比較例１の軸受のトルクを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、実施例１及び２は、ディンプル及び炭素被膜が形成されていない比較例１と比べて、低トルクであった。特に、実施例２は、より低トルクであった。これは、プラズマ照射によりディンプルを形成したことにより、ディンプルが形成されている部分及びその近傍部分の硬さが高くなり、微小な変形が生じにくくなっているためと考えられる。

１ 内輪
２ 外輪
３ 転動体
５ シール
１１ 芯金
１２ シール部材
１２ａ リップ部
１２ｂ 摺接面
１３ 炭素被膜
２２ 矩形状凸部
２３ 矩形状凹部
２４ ピット状凹部
２５ 線状凹部
２６ 線状凸部
Ｇ 潤滑剤

Claims (2)

1. 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いずれか一方の軌道輪に取り付けられ他方の軌道輪に滑り接触するシールと、前記内輪及び前記外輪の間に形成された空隙部内に配され前記シールによって密封された潤滑剤と、を備える密封型転がり軸受であって、
   前記シールは、前記他方の軌道輪に滑り接触する摺接面を有するリップ部を備えていて、前記摺接面には、プラズマ照射によりディンプルが形成されているとともに、前記摺接面を覆う炭素被膜が形成されていることを特徴とする密封型転がり軸受。
2. 前記ディンプルは矩形状凹部であることを特徴とする請求項１に記載の密封型転がり軸受。

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