JP2015183797A - 軸受 - Google Patents

Abstract

【課題】従来に比べて簡素な方法で、軸受の摺動面に潤滑油を保持する空間を設ける。【解決手段】掘削時の温度や圧力と標準状態とは異なっており、かつ、第１樹脂層１１１と第２樹脂層１１２とは、熱膨張係数および体積弾性率が異なっている。掘削時の環境下で厚みｔ０であった第１樹脂層１１１の部分は、標準状態で圧縮されて厚みτ０となり、厚みｔ１であった部分は、標準状態で圧縮されて厚みｔ１となる。そして、第２樹脂層１１２は、第１樹脂層１１１よりも体積弾性率が小さいので、同じ温度・圧力の下で、第１樹脂層１１１よりも圧縮されて小さくなる。したがって、掘削時の環境下で厚みｔ２であった第２樹脂層１１２の部分は、標準状態で第１樹脂層１１１よりもさらに圧縮されて厚みτ２となる。そのため、掘削時において段差がなかった第１樹脂層１１１と第２樹脂層１１２とは、標準状態で段差が生じる。【選択図】図４

Description

本発明は、軸受の摩耗または焼付きを抑制する技術に関する。

内燃機関や圧縮機などで用いられる軸受の摩耗・焼付きを抑制する技術が検討されている。特許文献１には、炭素粒子を沈着した樹脂層によって被覆された軸受が記載されている（Ｆｉｇ．３参照）。特許文献２には、軸受合金層と、軸受合金層の表面を被覆する中間層と、中間層の表面を被覆するオーバレイ層とを有し、オーバレイ層の表面側から摩耗された際に、軸受合金層に設けられた環状溝の凹部内に残存するオーバレイ層と中間層、および軸受合金層の山部をそれぞれ露出させるすべり軸受において、山部の高さやオーバレイ層の厚みなどを所定の範囲に設定したすべり軸受が記載されている（段落６、図１参照）。特許文献３には、治具に取り付け、レーザー発信器からレーザービームを放射することにより、摺動面に穴を形成した軸受が記載されている（段落２４−２７、図５参照）。

米国特許６０９９２７８号明細書 特許２９７４０４４号明細書 特開２００４−３４０２４８号公報

軸受の摩耗・焼付きを防止するためには、軸が回転しているときに軸と軸受との間に油膜が形成されていることが重要である。油膜を形成させるためには、軸と軸受との間に潤滑油を保持する空間が存在することが望ましい。そこで、軸受の摺動面には、潤滑油を保持する空間として、穴やいわゆる油溝が設けられる場合が多い。しかし、金属からなる軸受の摺動面に穴や油溝を設けるためには、ショットブラスト加工や、特許文献３に記載されたレーザー加工などをする必要があり、コストがかかっていた。また、軸受の摺動面を潤滑させるのに必要最低限な量の潤滑油を保持させるためには穴や油溝を浅く加工する必要があるが、例えば１マイクロメートルの深さの油溝などを加工することは困難であった。

本発明の目的の一つは、従来に比べて簡素な方法で、軸受の摺動面に潤滑油を保持する空間を設けることである。

上述した課題を解決するため、本発明に係る軸受は、軸と摺動する内周面を有する基材と、前記内周面を被覆し、凹部を有する第１樹脂層と、前記第１樹脂層よりも弾性率が小さい第２樹脂層とを有し、前記軸側の表面には、前記第１樹脂層および前記第２樹脂層が露出しており、前記表面に面圧がかかっていない状態で、前記第１樹脂層が露出している部分と前記第２樹脂層が露出している部分とに段差があることを特徴とする。

上述の態様において、前記第１樹脂層の凹部は、前記軸の摺動方向に沿って形成された複数の溝であることが望ましい。
また、好ましくは、前記第２樹脂層は、少なくとも前記第１樹脂層の前記凹部上に形成されているとよい。

また、上述の態様において、前記表面に面圧がかかっていない状態で、前記第１樹脂層が露出している部分と前記第２樹脂層が露出している部分との段差が１マイクロメートル以上であることが望ましい。

また、上述の態様において、前記表面に面圧がかかっていない状態で、前記第１樹脂層が露出している部分と前記第２樹脂層が露出している部分との段差が３０マイクロメートル以下であることが望ましい。
また、上述の態様において、前記表面に面圧がかかっていない状態で、前記第１樹脂層が露出している部分と前記第２樹脂層が露出している部分との段差が１０マイクロメートル以下であることが望ましい。

本発明によれば、従来に比べて簡素な方法で、軸受の摺動面に潤滑油を保持する空間を設けることができる。

一実施形態に係る軸受の概要を示す図。 図１における矢視II−II方向に沿って軸受の断面を見た図。 基材の内周面に樹脂層が被覆される工程を説明するための図。 接触面に生じる段差を説明するための図。 溝の形状の例を説明するための図。 変形例における溝の形状を説明するための図。 変形例における溝の形状を説明するための図。 変形例における樹脂層の構成を説明するための図。

１．実施形態
以下、図において、本発明の一実施形態である軸受１を、ｘｙｚ右手系座標空間により説明する。図に示す座標記号のうち、白い円の中に黒い円を描いた記号は、紙面奥側から手前側に向かう矢印を表している。この座標空間においてｘ軸に沿う方向をｘ軸方向という。また、ｘ軸方向のうち、ｘ成分が増加する方向を＋ｘ方向といい、ｘ成分が減少する方向を−ｘ方向という。ｙ、ｚ成分についても、上記の定義に沿ってｙ軸方向、＋ｙ方向、−ｙ方向、ｚ軸方向、＋ｚ方向、−ｚ方向を定義する。

図１は、一実施形態に係る軸受１の概要を示す図である。軸受１は、基材１０と、樹脂層１１とを有する。基材１０は、図中においてｚ軸方向に伸びる直線Ｏを中心とする筒状の部材である。基材１０は、鋳鉄で形成されてもよいし、アルミニウム、ステンレス鋼など各種の材料に対して、焼結、鍛造、切削、プレス、溶接などの各種の加工処理を施すことで形成されてもよい。また、基材１０はセラミック製であってもよい。基材１０は、直線Ｏを中心とする軸を内周面の側に収容し、収容された軸は、この内周面と摺動する。基材１０の内周面は、樹脂層１１によって被覆されている。

なお、軸受１は、一体として筒状に成形されていてもよいが、直線Ｏを通るいずれかの平面などで２以上に分割された部材を組合せて形成されてもよい。また、基材１０は、樹脂層１１によって被覆される前に軸を収容するように成形されてもよいが、樹脂層１１によって被覆された後に成形されてもよい。

図２は、図１における矢視II−II方向に沿って軸受１の断面を見た図である。図２において、ｚ軸方向は図１における直線Ｏの伸びる方向であり、＋ｙ方向は直線Ｏから遠ざかる方向である。

樹脂層１１は、第１樹脂層１１１と、第２樹脂層１１２とを有する。第２樹脂層１１２は、第１樹脂層１１１よりも弾性率（例えば体積弾性率）が小さくなるように材料および組成を調整されている。第１樹脂層１１１および第２樹脂層１１２は、例えば、ポリアミドイミド系樹脂、ポリイミド系樹脂、これら樹脂のジイソシアネート変性、ＢＰＤＡ変性、スルホン変性樹脂、エポキシ樹脂、ポリエーテルエーテルケトン樹脂、フェノール樹脂、ポリアミド、エラストマーのいずれか１種以上をバインダー樹脂として含有する。

また、第１樹脂層１１１および第２樹脂層１１２は、例えば、グラファイト、カーボン、二硫化モリブデン、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、窒化ホウ素、二硫化タングステン、フッ素系樹脂、軟質金属（例えばＳｎ、Ｂｉなど）のいずれか１種以上を固体潤滑剤として含有してもよい。

図２に示すように、樹脂層１１と基材１０との間には、これらの密着性を高めるために焼結材１２が散布されていてもよい。また、樹脂層１１と基材１０との密着性を高めるために、基材１０の内周面Ｆ０に対してサンドショットや薬剤塗布などにより粗面処理を行ってもよい。

基材１０の内周面Ｆ０には、摂氏２５度１気圧（以下、標準状態という）で最も薄い部分が厚みτ１であり、最も厚い部分が厚みτ０である第１樹脂層１１１が形成されている。そして、第１樹脂層１１１の薄い部分には、標準状態で最大の厚みが厚みτ２である第２樹脂層１１２が形成されている。第１樹脂層１１１および第２樹脂層１１２は、いずれも軸側の表面において露出している。以下、第１樹脂層１１１の露出部分であって第１樹脂層１１１が油膜を介して軸と接触する部分を第１接触面Ｆ１１とし、第２樹脂層１１２の露出部分であって第２樹脂層１１２が油膜を介して軸と接触する部分を第２接触面Ｆ１２とする。そして、第１接触面Ｆ１１と第２接触面Ｆ１２とを合わせて接触面Ｆ１とする。図２に示すように、第１接触面Ｆ１１と第２接触面Ｆ１２とは、軸の方向に沿って交互に配置されている。ここで、τ０＞（τ１＋τ２）であるため、第１接触面Ｆ１１と第２接触面Ｆ１２とには段差があり、第１接触面Ｆ１１よりも第２接触面Ｆ１２の方が凹んでいる。

図３は、基材１０の内周面Ｆ０に樹脂層１１が被覆される工程を説明するための図である。まず、基材１０の内周面Ｆ０に焼結材１２が散布され、内周面Ｆ０が粗面処理される。粗面処理された内周面Ｆ０の−ｙ方向には、第１樹脂層１１１が形成される。ここで、形成された第１樹脂層１１１には、ｚ軸方向にわたって凹凸が存在しており、ｚ軸方向の異なる位置において、ｙ軸方向の厚みが異なることがある。例えば、第１樹脂層１１１の表面Ｆ２は、図３に示すように、内周面Ｆ０に対する傾斜角の異なる斜面がｚ軸方向に交互に並んだ形状を有している。このような表面Ｆ２を有する第１樹脂層１１１は、プリント印刷などにより形成される。

形成された第１樹脂層１１１の表面Ｆ２の−ｙ方向には、第２樹脂層１１２が形成される。第２樹脂層１１２は、樹脂の塗布・乾燥などの工程を経て形成される。形成された第２樹脂層１１２は、−ｙ方向の側に表面Ｆ３を有しており、この表面Ｆ３には第１樹脂層１１１が露出していない。このとき、基材１０の内周面Ｆ０から表面Ｆ３までは厚みｔである。このように形成された樹脂層１１を、図３に示す厚みｔ０（ｔ＞ｔ０）まで掘削することにより、図２に示した樹脂層１１が形成される。掘削時において、第１樹脂層１１１の薄い部分は厚みｔ１（ｔ０＞ｔ１）である。

掘削時の温度や圧力と、上述した標準状態とは異なっており、かつ、第１樹脂層１１１と第２樹脂層１１２とは、熱膨張係数および体積弾性率が異なっている。具体的に掘削時は、温度が標準状態よりも高いか、圧力が標準状態よりも低い。そのため、図３に示すように掘削時の環境下で厚みｔ０であった第１樹脂層１１１の部分は、標準状態で圧縮されて厚みτ０となり（ｔ０＞τ０）、掘削時の環境下で厚みｔ１であった第１樹脂層１１１の部分は、標準状態で圧縮されて図２に示す厚みτ１となる（ｔ１＞τ１）。そして、第２樹脂層１１２は、第１樹脂層１１１よりも体積弾性率が小さいので、体積弾性率の逆数である圧縮率が大きい。すなわち、掘削時の状態から標準状態に移行することで、第２樹脂層１１２は、第１樹脂層１１１よりも圧縮されて小さくなる。したがって、掘削時の環境下で厚みｔ２であった第２樹脂層１１２の部分は、標準状態で第１樹脂層１１１よりもさらに圧縮されて厚みτ２となる（ｔ２＞τ２）。そのため、掘削時において段差がなかった第１樹脂層１１１と第２樹脂層１１２とは、標準状態で段差が生じる。

掘削時の圧力は、局所的に掘削面だけ標準状態より低くなってもよい。掘削面において局所的に圧力が低下することにより、第１樹脂層１１１および第２樹脂層１１２が図３に示す−ｙ方向に引っ張られて、掘削直後に基材１０の内周面Ｆ０からの厚みがほぼ同じになっていればよい。
なお、軸を回転させたとき、摩擦により温度は上昇するが、軸と軸受１との間に油膜が形成されてその油膜に圧力がかかるため、第２樹脂層１１２は、標準状態のときよりもさらに圧縮されて、第１樹脂層１１１よりも小さくなる。そのため、軸の回転時において上述した段差は標準状態のときよりもさらに大きくなる。

図４は、接触面Ｆ１に生じる段差δを説明するための図である。標準状態で、第１樹脂層１１１および第２樹脂層１１２がいずれも掘削時に比べて圧縮されるが、第２樹脂層１１２の体積弾性率が第１樹脂層１１１の体積弾性率に比べて小さいため、第２樹脂層１１２は、第１樹脂層１１１よりも圧縮されて、第２接触面Ｆ１２が第１接触面Ｆ１１よりも軸から遠ざかる。すなわち、標準状態で第２接触面Ｆ１２は、第１接触面Ｆ１１よりも深くなる。このときの第１接触面Ｆ１１と第２接触面Ｆ１２とのｙ軸方向の距離が段差δである。段差δは、第１接触面Ｆ１１（第１樹脂層１１１が露出している部分）と、第２接触面Ｆ１２（第２樹脂層１１２が露出している部分）との、軸からの距離の差でもあり、τ０、τ１、τ２、で表すと、δ＝τ０−（τ１＋τ２）である。このように、標準状態で、第２接触面Ｆ１２が第１接触面Ｆ１１よりも軸から遠ざかるために、第２接触面Ｆ１２の部分に溝１３が形成される。溝１３は、潤滑油を保持する空間として機能する。具体的には、標準状態で、軸受１の接触面Ｆ１に面圧がかかっていない状態になり、段差δ（溝１３の深さ）、すなわち、第１接触面Ｆ１１と第２接触面Ｆ１２との軸からの距離の差は１マイクロメートル以上となる。

なお、軸受１の接触面Ｆ１に面圧がかかっていない状態で、上述した段差δは３０マイクロメートル以下であることが望ましく、１０マイクロメートル以下であることがより望ましい。段差δが大きいほど溝１３が深くなり、余分に保持される潤滑油の量が増えるからである。

軸が回転することにより、軸受１の接触面Ｆ１には油膜により面圧がかかった状態になり、第１樹脂層１１１と第２樹脂層１１２との体積弾性率の差により、軸が回転していないときに比べて溝１３は深くなる。軸受１の接触面Ｆ１にかかる面圧は、例えば６メガパスカルである。面圧が６メガパスカルとなる軸受の具体例としては、冷媒を使用した圧縮機、特にスクロール式圧縮機や斜板式圧縮機などの軸受が挙げられる。軸受における圧力は、圧力測定用フィルムや接触顕微鏡などにより確認される。軸受１の接触面Ｆ１に６メガパスカルの面圧がかかった状態においても、段差δは３０マイクロメートル以下であることが望ましく、１０マイクロメートル以下であることがより望ましい。

以上、説明した構成により、金属を加工するよりも簡素な方法で、軸受１の接触面Ｆ１には潤滑油を保持する空間として溝１３が形成される。そしてこの溝１３により、軸受１の潤滑油の保持力が向上し、この構成を有しない場合に比べて、軸受１の摩耗や焼付きが防止される。また、この溝１３により、軸受の摺動面で余分に保持される潤滑油の量が抑制される。

２．変形例
以上が実施形態の説明であるが、この実施形態の内容は以下のように変形し得る。また、以下の変形例を組み合わせてもよい。
２−１．溝の形状
上述した実施形態において、第１接触面Ｆ１１と第２接触面Ｆ１２とは、軸の方向に沿って交互に配置されていたため、溝１３は軸に交差する方向に形成されていたが、溝１３は様々な形状を取り得る。図５は、溝１３の形状の例を説明するための図である。溝１３は、図５（ａ）に示すように、軸の中心である直線Ｏに垂直に形成されていてもよい。この場合、溝１３は、軸の摺動方向に沿っており、樹脂層１１において、直線Ｏを中心とする複数の環として形成される。なお、溝１３は、標準状態において、第１樹脂層１１１の凹部上に形成された第２樹脂層１１２の露出している部分に形成されるので、この場合に、第１樹脂層１１１の凹部は、軸の摺動方向に沿って形成された複数の溝である。

また、溝１３は、図５（ｂ）に示すように、軸を中心とする螺旋状に形成されてもよい。溝１３は、第２樹脂層１１２の第２接触面Ｆ１２が、軸の中心である直線Ｏを中心とした螺旋状に形成されることで、標準状態で第２接触面Ｆ１２が第１接触面Ｆ１１に比べて凹んで形成される。

また、溝１３は格子状に形成されていてもよい。図６は、この変形例における溝１３の形状を説明するための図である。図６に示す溝１３は、樹脂層１１を図３に示す厚みｔ０まで掘削した後、標準状態に置かれたときに形成される空間であって、軸に交差する方向に形成されているとともに、軸に沿った方向にも形成されており、これら二方向の溝１３が交差して格子形状を形成している。この場合においても、軸受１の接触面Ｆ１に面圧がかかっていない状態で溝１３が存在することにより、軸の回転を開始する時点でも潤滑油が保持されるため、この構成を有しない場合に比べて、軸受１の摩耗や焼付きが防止される。

また、溝１３は、多角形や円、楕円などを組合せた形状に形成されてもよい。図７は、この変形例における溝１３の形状を説明するための図である。
図７（ａ）に示す溝１３は、軸受の接触面Ｆ１に隙間なく八角形を敷き詰めた形状に形成される。また、図７（ｂ）に示す溝１３は、図７（ａ）のように隙間なく八角形を敷き詰めるのではなく、千鳥状に八角形を配置した形状に形成される。また、図７（ｃ）に示す溝１３は、図７（ａ）に示す八角形に代えて円を、敷き詰めた形状に形成される。要するに、溝１３は、潤滑油を保持するものであれば、どのような形状で形成されていてもよい。接触面Ｆ１における溝１３の形状、すなわち、第２接触面Ｆ１２の形状は、上述した第１接触面Ｆ１１の形状と入れ替えてもよい。

なお、溝１３または溝１３以外の領域を八角形などの多角形に形成することで、接触面Ｆ１の法線に沿った力に対する強度が、これらを円形や楕円形に形成するよりも増すことが期待される。

２−２．樹脂層の配置
上述した実施形態において、第１樹脂層１１１の表面Ｆ２の上に第２樹脂層１１２が形成されるため、第２樹脂層１１２は、第１樹脂層１１１よりも軸の近くに設けられていたが、第１樹脂層１１１と第２樹脂層１１２との配置は、これに限られない。例えば、基材１０の内周面Ｆ０には、先に第２樹脂層１１２が形成され、その上から、すなわち、軸に近い側に、第１樹脂層１１１が形成されてもよい。また、基材１０の内周面Ｆ０には、第１樹脂層１１１と第２樹脂層１１２とがそれぞれ別々に直接、形成されてもよい。

図８は、この変形例における樹脂層１１の構成を説明するための図である。この変形例において、基材１０の内周面Ｆ０には、それぞれ厚みｔ３の第１樹脂層１１１および第２樹脂層１１２が、ｚ軸方向に交互に設けられる。掘削時において、第１樹脂層１１１および第２樹脂層１１２は、いずれも接触面Ｆ４で揃うように掘削される。標準状態に置かれると、第１樹脂層１１１および第２樹脂層１１２は＋ｙ方向に圧縮され、第２樹脂層１１２の第２接触面Ｆ１２は、第１樹脂層１１１の第１接触面Ｆ１１よりも軸から遠ざかる。その結果、第２接触面Ｆ１２と軸との間に溝１３が形成される。この場合においても、軸受１の接触面Ｆ１に面圧がかかっていない状態で溝１３が存在することにより、軸の回転を開始する時点でも潤滑油が保持されるため、この構成を有しない場合に比べて、軸受１の摩耗や焼付きが防止される。

２−３．段差
上述した実施形態において、第１接触面Ｆ１１および第２接触面Ｆ１２はいずれもｚ軸方向にわたって凹凸のない周面であったが、第１接触面Ｆ１１または第２接触面Ｆ１２のそれぞれに凹凸があってもよい。例えば、第１接触面Ｆ１１または第２接触面Ｆ１２には、図５におけるｙ軸方向に差があってもよい。この場合、上述した段差δは、第１接触面Ｆ１１の最も浅い部分と、第２接触面Ｆ１２の最も深い部分との距離である。

１…軸受、１０…基材、１１…樹脂層、１１１…第１樹脂層、１１２…第２樹脂層、１２…焼結材、１３…溝、Ｆ０…内周面、Ｆ１…接触面、Ｆ１１…第１接触面、Ｆ１２…第２接触面、Ｆ２…表面、Ｆ３…表面、Ｆ４…接触面、Ｏ…直線。

Claims (6)

1. 軸と摺動する内周面を有する基材と、
   前記内周面を被覆し、凹部を有する第１樹脂層と、
   前記第１樹脂層よりも弾性率が小さい第２樹脂層と
   を有し、
   前記軸側の表面には、前記第１樹脂層および前記第２樹脂層が露出しており、
   前記表面に面圧がかかっていない状態で、前記第１樹脂層が露出している部分と前記第２樹脂層が露出している部分とに段差がある
   ことを特徴とする軸受。
2. 前記第１樹脂層の凹部は、前記軸の摺動方向に沿って形成された複数の溝である
   ことを特徴とする請求項１に記載の軸受。
3. 前記第２樹脂層は、少なくとも前記第１樹脂層の前記凹部上に形成されている
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の軸受。
4. 前記表面に面圧がかかっていない状態で、前記第１樹脂層が露出している部分と前記第２樹脂層が露出している部分との段差が１マイクロメートル以上である
   ことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の軸受。
5. 前記表面に面圧がかかっていない状態で、前記第１樹脂層が露出している部分と前記第２樹脂層が露出している部分との段差が３０マイクロメートル以下である
   ことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の軸受。
6. 前記表面に面圧がかかっていない状態で、前記第１樹脂層が露出している部分と前記第２樹脂層が露出している部分との段差が１０マイクロメートル以下である
   ことを特徴とする請求項５に記載の軸受。

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