JP2014037864A - 車輪支持用転がり軸受 - Google Patents

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Abstract

【課題】潤滑性能を確保しつつ、より過酷な環境でも良好な耐水性や密封性を長期間維持できる車輪支持用転がり軸受を提供する。
【解決手段】内周面に外輪軌道を有する外輪相当部材と、外周面に内輪軌道を有する内輪相当部材との間に転動自在に配置され、保持器で保持された複数個の転動体とを備える軸受部と、外輪相当部材と内輪相当部材とで形成された空間を塞ぐシール装置とを備えた車輪支持用転がり軸受において、シール装置を構成するシールリップと、その摺接面とが、鉱油及び合成炭化水素油の少なくとも1種を基油とし、増ちょう剤として金属石けん及び金属複合石けんの少なくとも1種を増ちょう剤全量の50質量%以上の割合で含む第1のグリース組成物で潤滑し、軸受部にウレア化合物を増ちょう剤とする第2のグリース組成物を封入する。
【選択図】図1

Description

本発明は、封入グリースの漏洩を防止するとともに、外部からの塵埃、水、水蒸気、泥水等の軸受内部への侵入を防止するためのシール装置を備えた車輪支持用転がり軸受に関する。
自動車や鉄道車両の車輪を支持する車輪支持用転がり軸受は、通常、雨水や風雪、塵埃等に曝されながら屋外で使用される。また、自動車の車輪用転がり軸受は、泥水等に水没した状態で使用される場合もある。更には、洗車時には洗浄水に晒される。
このような環境で使用される転がり軸受は、封入グリースの漏洩の防止とともに、外部からの水の侵入を防止するためのシール装置を備えている。従来では、このシール装置の弾性部材として、ニトリルゴムに充填材等の添加剤を配合したゴム組成物を成形したものを用いている。
このような弾性部材は、水がかかることが少なく、また塵埃も少ない、比較的清浄な環境においては十分なシール性能を示す。しかし、過酷な使用環境、例えば多量の水に晒されるような場合にはシール性能が不十分となり、特に水没した場合には水圧も付加されるため、シール性能が低下して軸受内部に水とともに塵埃等が侵入しやすくなる。その結果、封入グリース等の潤滑剤の劣化を招き、更には浸入した水に起因して転送面等に剥離が生じて軸受寿命が短くなる。
このような不具合に対して、弾性部材の締め代や弾性率を大きくして緊迫力を高めてシール性能を向上させることも行われているが、回転トルクが高まり、摩擦熱により封入グリースが昇温して劣化するおそれがある。そのため、耐水性に加え、耐フレッチング性やコスト、耐熱性等を考慮してウレア化合物を増ちょう剤に用いたグリース組成物が一般に封入され、本出願人も特許文献1において、鉱油及び合成油の少なくとも一種からなる基油に、増ちょう剤として芳香族ジウレアを配合し、更に特定の防錆剤を配合した耐水性のグリース組成物を封入することを提案している。
特開2008−13624号公報
しかしながら、封入グリースの改良だけでは不十分であり、特に水没した条件で軸受が使用されると、十分な軸受寿命が得られない。そこで本発明は、潤滑性能を確保しつつ、より過酷な環境でも良好な耐水性や密封性を長期間維持できる車輪支持用転がり軸受を提供することを目的とする。
上記の目的を達成するために、本発明は、内周面に外輪軌道を有する外輪相当部材と、外周面に内輪軌道を有する内輪相当部材との間に転動自在に配置され、保持器で保持された複数個の転動体とを備える軸受部と、前記外輪相当部材と前記内輪相当部材とで形成された空間を塞ぐシール装置とを備えた車輪支持用転がり軸受において、前記シール装置を構成するシールリップと、その摺接面とが、鉱油及び合成炭化水素油の少なくとも1種を基油とし、増ちょう剤として金属石けん及び金属複合石けんの少なくとも1種を増ちょう剤全量の50質量%以上の割合で含む第1のグリース組成物で潤滑され、前記軸受部にウレア化合物を増ちょう剤とする第2のグリース組成物が封入されていることを特徴とする車輪支持用転がり軸受を提供する。
本発明の車輪支持用転がり軸受では、シール装置のシールリップと摺接面との間を潤滑する第1のグリース組成物の金属石けんや金属複合石けんが界面活性剤として作用し、水が浸入してもグリース中に水を取り込むことができ、軸受部に封入される第2のグリース組成物の劣化や転送面の剥離を防止する。更には、シール装置に使用されるゴム材料の水による膨潤を防ぎ、シール装置の密封性の低下を防止する。そのため、水没するような過酷な環境下で使用されても優れた防水性能を示す。また、軸受部にはウレア化合物を増ちょう剤とする第2のグリース組成物が封入されるため、輸送時や軸受回転時に生じるフレッチング摩耗も防止できる。このように、本発明の車輪支持用転がり軸受は、過酷な環境下でも十分に耐水性や密封性を長期にわたり維持できる。
本発明の車両用転がり軸受の一例を示す断面図である。 図1に示した転がり軸受の一方のシール装置(12a)の拡大図である。 図1に示した転がり軸受の他方のシール装置(12b)の拡大図である。 実施例1の第1のグリース組成物の水の分散状態を示す顕微鏡写真である。 実施例5の第1のグリース組成物の水の分散状態を示す顕微鏡写真である。 比較例1の第1のグリース組成物の水の分散状態を示す顕微鏡写真である。 比較例3の第1のグリース組成物の水の分散状態を示す顕微鏡写真である。 実施例において泥水耐久試験に用いた試験装置を示す概略断面図である。
以下、本発明の車輪支持用転がり軸受に関して図面を参照して詳細に説明する。
(車輪支持用転がり軸受)
本発明では軸受の種類は特に制限されるものではないが、例えば図1に示されるような転がり軸受を例示することができる。図示される転がり軸受Oにおいて、固定輪である外輪相当部材1は、その外周面に形成した取付部2により、懸架装置(図示せず)に支持固定される。従ってこの外輪相当部材1は、使用時にも回転しない。この様な外輪相当部材1の内側には回転輪である内輪相当部材3が、外輪相当部材1と同心に設けられ、使用時にこの内輪相当部材3が回転する。この内輪相当部材3は、ハブ4と内輪5とから成る。このうちのハブ4の内周面にはスプライン溝6が、外端(車両への組み付け時に幅方向外側になる端を言い、図1の左端)部外周面には取付フランジ7が、それぞれ形成されている。車両への組み付け時、上記スプライン溝6には等速ジョイントを介して回転駆動される駆動軸が挿入され、上記取付フランジ7には車輪が固定される。
上記外輪相当部材1の内周面には複列の外輪軌道8、8が、上記ハブ4の中間部外周面と上記内輪5の外周面とには内輪軌道9、9が、それぞれ形成されている。そして、これら各外輪軌道8、8と内輪軌道9、9との間に転動体10、10が、保持器11,11を介して転動自在に保持され、軸受部を構成している。尚、図示の例では転動体10、10として玉を使用しているが、重量が嵩む車両用のハブユニットの場合には、転動体としてテーパころを使用する場合もある。更に、上記外輪相当部材1の外端部と上記ハブ4の中間部外周面との間にはシール装置12aと12bとが設けられ、上記外輪相当部材1の内周面と上記内輪相当部材3の外周面との間で、上記転動体10、10を設置した空間13部分の外端開口を塞いでいる。
シール装置12aは、図2に拡大して示されるように、芯金105と、スリンガ106と、弾性部材107とから構成される。このうちの芯金105は、低炭素鋼板等の金属板にプレス加工等の打ち抜き加工並びに塑性加工を施す事により、一体成形されている。この様な芯金105は、転がり軸受Oを構成する外輪相当部材1の端部内周面に内嵌固定自在な外径側円筒部109と、この外径側円筒部109の軸方向内端縁(図2の左端縁)から直径方向内方に折れ曲がった内側円輪部110を備えた、断面略L字形で円環状に形成されている。また、上記スリンガ106は、ステンレス鋼板等、優れた耐食性を有する金属板に、やはりプレス加工等の打ち抜き加工並びに塑性加工を施す事により一体成形されている。この様なスリンガ106は、上記転がり軸受Oを構成する内輪5の外端部外周面に外嵌固定自在な内径側円筒部112と、この内径側円筒部112の軸方向外端縁(図2の右端縁)から直径方向外方に折れ曲がった外側円輪部113とを備えた、断面略L字形で円環状に形成されている。
また、上記弾性部材107は弾性材料からなり、外側、中間、内側の3本のシールリップ114、115、116を備え、上記芯金105にその基端部が結合固定されている。そして、最も外側に位置する外側シールリップ114の先端縁を上記スリンガ106を構成する外側円輪部113の内側面に摺接させ、残り2本のシールリップである中間シールリップ115及び内側シールリップ116の先端縁を、上記スリンガ106を構成する内径側円筒部112の外周面に摺接させることにより、封入グリースの漏洩を防止するとともに、外部からの塵埃、水、泥水等の軸受内部への侵入を防止する。
シール装置12bは、図3に拡大して示されるように、それぞれが円輪状に形成された芯金216と弾性部材217とから構成される。このうちの芯金216は、金属板により造り、上記外輪相当部材1の外端部に内嵌固定されている。また、上記弾性部材217は弾性材料からなり、上記芯金216に成形し接着等により接合固定されている。また、この弾性部材217は、外径側、内径側、2本のサイドシールリップ218、219と、1本のラジアルシールリップ220とを備える。そして、上記2本のサイドシールリップ218、219を、先端縁(図3の左端縁)に向かう程直径方向外方(図3の上方)に向かう方向に傾斜させる事により、空間13内への異物進入防止機能を確保している。また、上記ラジアルシールリップ220を、先端縁(図3の右下縁)に向かう程上記空間13の内側(図3の右側)に向かう方向に傾斜させる事により、グリースの漏洩防止機能を確保している。
更に詳しく説明すると、シール装置12bは、それぞれが円輪状に形成された芯金216と弾性部材217とから構成されている。シール装置12bの芯金216は、低炭素鋼板等の金属板にプレス加工等の打ち抜き加工並びに塑性加工を施す事により、一体成形されている。この芯金216は、転がり軸受Oを構成する外輪相当部材1の端部内周面に内嵌固定自在な外径側円筒部222と、この外径側円筒部222の外端縁(図3の左端縁)から直径方向内方に折れ曲がった支持板部223とを備える。このうちの外径側円筒部222は、内端寄り(図3の右寄り)の大径部224と弾性部材217とにより、芯金216を構成する支持板部223の外側面(図3の左側面)全体を覆うと共に、この弾性部材217の外周縁部を、上記外径側円筒部222から連続する傾斜部227の外周面と外輪相当部材1の開口端部内周面との間で挟持している。そして、この構成により、上記芯金216と外輪相当部材1との嵌合部を密封している。また、上記大径部224の自由状態に於ける外径は、外輪相当部材1の外端開口部の内径よりも僅かに大きく設定されており、この大径部224は、外輪相当部材1の外端開口部に、締まり嵌めで内嵌固定自在とされている。また、上記支持板部223は、略S字形の断面形状を有し、直径方向内方(図3の下方)に向かう程空間13内に設置した転動体10、10に近づく方向(図3の右方向)に傾斜している。
一方、上記芯金216と共に上記シール装置12bを構成する弾性部材217は、上記芯金216に対してインサート成型し、接着等により接合固定されている。この様な弾性部材217の外周縁部は上記傾斜部227の外周面を覆っている。また、この様な弾性部材217の一部で傾斜部227の外周面を覆っている部分の自由状態での外径は、上記外輪相当部材1の外端開口部の内径よりも少し大きく設定されており、上記大径部224をこの外端開口部に内嵌固定した状態では、上記弾性部材217の一部で傾斜部227の外周面を覆っている部分が、この傾斜部227の外周面と上記外端開口部の内周面との間で弾性的に押圧され、当該部分のシール性を確保する。
更に、上記弾性部材217の基部226は、上記支持板部223の外側面(図3の左側面)を、全周に亙り完全に覆っている。また、この基部226の外側面及び内周縁には、外径側、内径側、2本のサイドシールリップ218、219と、1本のラジアルシールリップ220とが形成されていおり、2本のサイドシールリップ218、219を、先端縁(図3の左端縁)に向かう程直径方向外方(図3の上方)に向かう方向に傾斜させる事により、空間13内への異物進入防止機能を確保している。また、上記ラジアルシールリップ220を、先端縁(図3の右下縁)に向かう程上記空間13の内側(図3の右側)に向かう方向に傾斜させる事により、グリースの漏洩防止機能を確保している。
本発明では、シール装置12aを構成するシールリップ114,115,116と芯金105とが摺接する部分(図2参照)、シール装置12bを構成するシールリップ218,219,2220と内輪相当部材3とが摺接する部分(図3参照)が、鉱油、合成炭化水素油またはその混合油を基油とし、増ちょう剤として金属石けんや金属複合石けんを50質量%以上の割合で含む第1のグリース組成物で潤滑される。また、上記軸受部には、潤滑のための第2のグリース組成物が封入される。
(第1のグリース組成物)
第1のグリース組成物は、鉱油及び合成炭化水素油の少なくとも1種を基油とするが、これらの潤滑油は無極性であり、極性の高い水とは積極的に混ざり合わない。しかし、増ちょう剤として配合される金属石けんや金属複合石けんが界面活性剤として作用し、油中に水を微細に取り込むことが可能になる(図4及び図5参照)。尚、油中に取り込む水の量には限界があり、繰り返し水が浸入するとグリース中で水が飽和状態となり、水が取り込まれなくなるおそれがあるが、軸受部及びシール部の発熱により水が蒸発するため、水の取り込みが長期間維持できる。また、弾性部材107、217を形成するゴムは、極性を有する水により膨潤するおそれがあるが、浸入した水はグリース中に微細に取り込まれて相溶状態になっているため、水が弾性部材107,217に移行することが抑えられ、ゴムの膨潤を防止する。更には、鉱油や合成炭化水素油も無極性であり、ゴムの膨潤を抑える。
尚、鉱油は、減圧蒸留、溶剤脱れき、溶剤抽出、水素化分解、溶剤脱ろう、硫酸洗浄、白土精製、水素化精製等を適宜組み合わせて精製したものが好ましい。また、合成炭化水素油としては、ノルマルパラフィン、イソパラフィン、ポリブテン、ポリイソブチレン、1−デセンオリゴマー、1−デセンとエチレンとのオリゴマー等のポリα−オレフィンまたはこれらの水素化物等が挙げられる。
また、基油粘度は、回転時のトルクを考慮すると、10〜200mm/s(40℃)が好ましく、10〜100mm/s(40℃)がより好ましい。鉱油と合成炭化水素油とを併用する場合は、混合油としてこの粘度範囲となるように調整する。
増ちょう剤は、LiやNa等からなる金属石けん、及びLi、Na、Ba、Ca等からなる金属複合石けんの少なくとも1種を、増ちょう剤全量の50質量%以上の割合で含む。金属石けんや金属複合石けんの割合が50質量%未満では、浸入した水を微細な状態で分散させる効果が不十分となる(図7参照)。好ましくは、金属石けんや金属複合石けんのみで増ちょう剤を構成する。
尚、金属石けんや金属複合石けんと併用可能な増ちょう剤としては、特に制限はなく、例えばベントン、シリカゲル、ウレア化合物、ウレア・ウレタン化合物、ウレタン化合物等の非石けん類を適宜選択して使用できる。グリースの耐熱性を考慮するとウレア化合物、ウレア・ウレタン化合物、ウレタン化合物または、これらの混合物が好ましい。このウレア化合物、ウレア・ウレタン化合物、ウレタン化合物としては、具体的にはジウレア化合物、トリウレア化合物、テトラウレア化合物、ポリウレア化合物、ウレア・ウレタン化合物、ジウレタン化合物またはこれらの混合物が挙げられ、これらの中でもジウレア化合物、ウレア・ウレタン化合物、ジウレタン化合物またはこれらの混合物がより好ましい。中でも、ジウレア化合物が最も好ましい。
第1のグリース組成物には、必要に応じて酸化防止剤や防錆剤、極圧剤、油性向上剤、金属不活性化剤等をそれぞれ単独で、あるいは混合して添加することができる。これらの添加剤は、何れも公知のもので構わない。また、添加量は、発明の効果を損なわない範囲であれば制限はないが、グリース組成物全量の0.1〜20質量%である。添加量が0.1質量%未満では添加剤による効果が十分ではなく、20質量%を超えて添加しても効果が飽和するとともに、基油量が相対的に少なくなり潤滑性能が低下するおそれがある。
第1のグリース組成物において、増ちょう剤量は5〜20質量%が好ましい。また、混和ちょう度は、漏洩性とトルク性能を考慮してNLGI No.2(265〜295)に調整することが好ましい。
上記第1のグリース組成物は、例えば、シール装置12a,12bの各シールリップを包囲するように塗布すればよく、各シールリップと摺接面との間をシールしつつ、潤滑する。
(第2のグリース組成物)
第2のグリース組成物は、増ちょう剤にウレア化合物を用いる。軸受を輸送する際に、外部からの振動を受けて転送面にフレッチング摩耗が発生しやすいが、ウレア化合物はフレッチング摩耗を抑制する効果が高い。尚、ウレア化合物としては、第1のグリース組成物において金属石けんや金属複合石けんと併用可能なウレア化合物を使用することができる。
基油は、ウレア化合物により増ちょうされるものであれば制限はないが、鉱油や合成油等を使用することができる。鉱油は、減圧蒸留、溶剤脱れき、溶剤抽出、水素化分解、溶剤脱ろう、硫酸洗浄、白土精製、水素化精製等を適宜組み合わせて精製したものが好ましい。また、合成油は、第1のグリース組成物で挙げた合成炭化水素油の他、芳香族系油、エステル系油、エーテル系油等を用いることができる。尚、これら合成油は公知のもので構わない。
また、潤滑性能等を考慮して基油粘度は、20〜250mm/s(40℃)が好ましく、30〜150mm/s(40℃)がより好ましい。
更に、第2のグリース組成物にも、第1のグリース組成物と同様の添加剤を添加することができる。
第2のグリース組成物において、増ちょう剤量は5〜30質量%が好ましい。また、混和ちょう度は、耐フレッチング性を考慮すると、NLGI No.0〜1に調整することが好ましい。
以下に実施例及び比較例を挙げて本発明を更に説明するが、本発明はこれにより何ら制限されるものではない。
〔第1のグリース組成物の調製〕
表1に示す配合にて第1のグリース組成物を調製した。尚、鉱油の動粘度は50mm/s(40℃)であり、合成炭化水素油には動粘度50mm/s(40℃)のポリα−オレフィンを使用した。また、各グリース組成物には、それぞれ同じ種類の酸化防止剤、防錆剤及び摩耗防止剤をそれぞれ0.05質量%ずつ添加した。更に、混和ちょう度は、漏洩性とトルク性能を考慮し、NLGI No.2に調整した。
〔第2のグリース組成物の調製〕
表1に示す配合にて第2のグリース組成物を調製した。尚、鉱油の動粘度は75mm/s(40℃)である。また、各グリース組成物には、それぞれ同じ種類の酸化防止剤、防錆剤及び摩耗防止剤をそれぞれ0.05質量%ずつ添加した。更に、混和ちょう度は、耐フレッチング性を考慮し、NLGI No.1に調整した。
〔グリース中の水の分散状態の評価〕
第1のグリース組成物に、水分量が30質量%となるように含水させ、顕微鏡により水の分散状態を観察した。20μm以上の水が存在しないものを分散性「〇」、存在する場合を分散性「×」とし、観察結果を表1に示すが、実施例のグリース組成物は何れも分散性が良好である。また、実施例1、実施例5、比較例1及び比較例3の試験グリースの水の分散状態を示す顕微鏡写真を図4〜図7に示す。
〔グリース浸漬試験〕
第1のグリース組成物に水分量が30質量%となるように含水させ、そこへ表2に示す配合のアクリロニトリルブタジエンゴム組成物からなるシートを浸漬し、グリース温度40℃で100時間放置した。そして、浸漬前後でのシートの体積変化率を算出した。体積変化率が大きいほど、水によるシートの膨潤が大きいことを示す。結果を比較例1との相対値にて表1に示す。
〔泥水耐久試験〕
図8に示すシール回転試験機を用い、泥水中にシール装置が水没した状態を想定して試験を実施した。尚、図示されるシール回転試験機は、軸101にシール装置12aを組込み、内部に貯留した泥水102に浸漬させながら所定の回転速度で回転させる構成となっている。また、シールが破られて泥水102が反泥水側に浸入すると、漏電センサ103により検知する構成となっている。そして、シール装置12aの各シールリップに第1のグリース組成物を塗布し、軸受部には第2のグリース組成物を封入した。試験条件は以下の通りであり、漏水が検知されるまでの時間を測定した。結果を比較例1の相対値にて表1に示す。
・回転速度:1000min−1
・取付け偏心:0.1mmTIR
・軸偏心:0.3mm TIR
・泥水組成:JIS8種ダスト20%
〔耐フレッチング試験〕
第2のグリース組成物について、ASTM D4170に規定された方法により耐フレッチング試験を行い、試験前後の重量差から下記3ランクに分類した。自動車用としてはAランク及びBランクが好ましいとされており、本試験でもAランク及びBランクを合格とした。
Aランク:重量減が3mg以下
Bランク:重量減が3mg超5mg未満
Cランク:重量減が5mg以上
第1のグリース組成物について、実施例1〜5では、基油が鉱油、合成炭化水素油またはこれらの混合物であり、増ちょう剤として金属石けんまたは金属複合石けんを50質量%以上の割合で含んでおり、図4及び図5にも示すように、グリース中に微細な水が分散している。また、アクリロニトリルブタジエンゴムの体積変化率も小さく、膨潤を抑えることができる。その結果、泥水耐久試験でも、シール部に浸入した水がグリース中に微細な状態で取り込まれ、水がシールを通過する時間が長くなることから耐久時間も長くなっている。
これに対し比較例1、2では、増ちょう剤としてウレア化合物を使用しており、図6に示すように、グリース中の水の分散性が悪く(水の粒径が大きく、表面に水が弾かれた状態で存在する)、アクリロニトリルブタジエンゴムの体積変化率も大きい。その結果、泥水耐久試験でも、シール部に浸入した水がシール内を移動しやすく、耐久時間が短くなっている。また、比較例3は、ウレア化合物とともに金属石けんを併用しているが、金属石けんの割合が低く、図7に示すように、グリース中の水の分散状態が悪い。その結果、耐久時間も短くなっている。
また、第2のグリース組成物については、ウレア化合物を増ちょう剤に用いた実施例1〜5では、金属石けんまたは金属複合石けんを用いた比較例1〜3に比べて耐フレッチング性に優れ、実用レベルを十分に満足しており良好である。
O 転がり軸受
1 外輪相当部材
4 内輪相当部材
10 転動体
11 保持器
12a シール装置
12b シール装置
105 芯金
106 スリンガ
107 弾性部材
217 弾性部材

Claims (1)

  1. 内周面に外輪軌道を有する外輪相当部材と、外周面に内輪軌道を有する内輪相当部材との間に転動自在に配置され、保持器で保持された複数個の転動体とを備える軸受部と、前記外輪相当部材と前記内輪相当部材とで形成された空間を塞ぐシール装置とを備えた車輪支持用転がり軸受において、
    前記シール装置を構成するシールリップと、その摺接面とが、鉱油及び合成炭化水素油の少なくとも1種を基油とし、増ちょう剤として金属石けん及び金属複合石けんの少なくとも1種を増ちょう剤全量の50質量%以上の割合で含む第1のグリース組成物で潤滑され、
    前記軸受部にウレア化合物を増ちょう剤とする第2のグリース組成物が封入されていることを特徴とする車輪支持用転がり軸受。
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