JP2019078313A - グリース封入ころ軸受 - Google Patents

Abstract

【課題】ころと鍔部とが所定の接触状態となる条件下での使用において、優れた軸受寿命を有するグリース封入ころ軸受を提供する。【解決手段】円すいころ軸受１１は、軌道輪である内輪１２および外輪１３と、内輪１２および外輪１３との間を転動する複数の円すいころ１４と、該円すいころ１４の周囲に封入されたグリース１６とを備え、内輪１２は大鍔１２ｂを有し、大鍔１２ｂにおいて円すいころ１４とすべり接触し、円すいころ軸受１１は、高荷重条件で使用され、該条件下での大鍔１２ｂと円すいころ１４との接触状態がＧｒｅｅｎｗｏｏｄ−Ｊｏｈｎｓｏｎ線図における高圧粘度−弾性体領域に属する状態であり、グリース１６の基油が鉱油を主成分とし、グリース１６の増ちょう剤が芳香族ジウレア化合物である。【選択図】図１

Description

本発明は、高荷重条件下で使用されるグリース封入ころ軸受に関し、特に円すいころ軸受に関する。

ころ軸受は、自動車や産業用の動力伝達系などの軸受として広く使用されている。このようなころ軸受には、潤滑性を付与するためにグリースが封入されている。近年、グリース封入ころ軸受が使用される機器の小型化や高性能化に伴い、該ころ軸受の使用環境がますます厳しくなっており、更なる過酷な条件下でも優れた潤滑特性を示すグリースの検討などが行われている。例えば、特許文献１には、ころ軸受用グリース組成物にメラミン（イソ）シアヌル酸付加物を配合することによって、ｄＮ値１０万以上という高速条件下でも優れた潤滑特性を示し、軸受寿命が長くなることが記載されている。

特開２００５−１５５５６号公報

ところで、グリース封入ころ軸受では、転動体であるころと軌道輪の鍔部とがすべり接触するため、この接触部における潤滑性が該軸受の耐久性に大きく影響する。従来では、ころ及び鍔部の接触状態に着目して、所定の接触状態におけるグリース組成について検討はなされていない。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、ころ及び鍔部が所定の接触状態となる条件下での使用において、優れた軸受寿命を有するグリース封入ころ軸受を提供することを目的とする。

本発明のグリース封入ころ軸受は、軌道輪である内輪および外輪と、上記内輪および外輪との間を転動する複数のころと、該ころの周囲に封入されたグリースとを備え、上記内輪は鍔部を有し、該鍔部において上記ころとすべり接触するグリース封入ころ軸受であって、該ころ軸受は、高荷重条件で使用され、該条件下での上記鍔部と上記ころとの接触状態がＧｒｅｅｎｗｏｏｄ−Ｊｏｈｎｓｏｎ線図における高圧粘度−弾性体領域に属する状態であり、上記グリースの基油が鉱油を主成分とし、上記グリースの増ちょう剤が芳香族ジウレア化合物であることを特徴とする。

上記高荷重条件は、上記軌道輪の最大接触面圧が０．５ＧＰａ以上であり、かつ、上記鍔部の面圧が０．０９ＧＰａ以上であることを特徴とする。上記内輪、上記外輪、および上記ころの少なくともいずれか一つの軸受部材が浸炭鋼からなることを特徴とする。

上記グリース封入ころ軸受が、円すいころ軸受であって、上記ころが円すいころであり、上記内輪が上記鍔部として小鍔および大鍔を有し、該大鍔において上記円すいころとすべり接触することを特徴とする。

本発明のグリース封入ころ軸受は、内輪に鍔部が形成され、該鍔部においてころとすべり接触する軸受であって、該ころ軸受は、高荷重条件で使用され、この条件下での鍔部ところとの接触状態がＧｒｅｅｎｗｏｏｄ−Ｊｏｈｎｓｏｎ線図における高圧粘度−弾性体領域に属する状態である。この場合、互いに滑りあう円すいころと鍔部との表面が弾性変形し、グリースの粘度が上昇した状態となっている。本発明に使用するグリースは、グリースの基油が鉱油を主成分とし、グリースの増ちょう剤が芳香族ジウレア化合物であるので、上記条件下においても油膜を十分に形成でき、軸受寿命を延長することができる。

本発明のグリース封入ころ軸受の一例を示す断面図である。 潤滑領域を示す図である。

グリース封入ころ軸受において、高荷重条件下での使用における軸受寿命を向上させるべく、ころと鍔部との接触状態に着目した。グリース存在下でのころと鍔部との接触状態は、弾性流体潤滑（ＥＨＬ）理論を用いて考えることができる。つまり、使用時における上記接触状態は、２物体の摩擦面の弾性変形の有無、および、グリース（潤滑油）の粘度変化の有無をそれぞれ考慮した４つの潤滑領域のいずれかの状態と考えることができる。本発明者らは、高荷重条件として後述のＰＥ領域に属する状態下におけるグリースについて鋭意検討を行なった結果、鉱油と所定の増ちょう剤を配合することで、軸受寿命を向上させることを見出した。本発明は、このような知見に基づくものである。

本発明のグリース封入ころ軸受の一例である円すいころ軸受を図１に基づいて説明する。図１に示すように、円すいころ軸受１１は、外周面にテーパ状の軌道面１２ａを有する内輪１２と、内周面にテーパ状の軌道面１３ａを有する外輪１３と、内輪１２の軌道面１２ａと外輪１３の軌道面１３ａとの間を転動する複数の円すいころ１４と、各円すいころ１４をポケット部で転動自在に保持する保持器１５とを備えている。保持器１５は、大径リング部と小径リング部とを複数の柱部で連結してなり、柱部同士の間のポケット部に円すいころ１４を収納している。内輪１２の大径側端部に大鍔１２ｂを、小径側端部に小鍔１２ｃをそれぞれ一体形成している。円すいころ軸受における内輪は、テーパ状の軌道面を有することから軸方向に見て小径側と大径側とがあり、「小鍔」は小径側端部に設けられた鍔であり、「大鍔」は大径側端部に設けられた鍔である。荷重が作用した場合には、円すいころ１４が大径側に押圧され、大鍔１２ｂでこの荷重を受ける。また、軸受を各種装置に組み込むまでの間に、円すいころ１４が小径側に脱落することを小鍔１２ｃで防止する。

上記構成において、円すいころ１４は、内輪１２の軌道面１２ａと外輪１３の軌道面１３ａとの間で転がり摩擦を受け、内輪１２の大鍔１２ｂとの間ですべり摩擦を受ける。これらの摩擦を低減するために、少なくとも円すいころ１４の周囲にグリース１６が封入されている。円すいころ軸受１１の使用時には、大鍔１２ｂと円すいころ１４とがすべり接触する部分の負担が特に大きいため、この部分が損傷しやすく軸受寿命に影響する。なお、大鍔１２ｂと円すいころ１４とは点接触となる。

本発明において、円すいころ軸受は、高荷重条件下で使用されることを特徴とする。高荷重条件とは、鍔部（大鍔を含む）における面圧が比較的大きくなる条件である。本発明において、高荷重条件下での鍔部ところとの接触状態は、Ｇｒｅｅｎｗｏｏｄ−Ｊｏｈｎｓｏｎ線図における高圧粘度−弾性体領域に属する状態となっている。

円すいころ軸受は、グリース存在下で転がり摩擦やすべり摩擦を受ける。ここで、潤滑剤（グリースを含む）存在下における摺動部での摩擦の状態は、摺動部材の弾性変形の有無と圧力による潤滑剤の粘度上昇の有無の点から、（１）等粘度−剛体領域（ＩＲ領域）、（２）高圧粘度−剛体領域（ＰＲ領域）、（３）等粘度−弾性体領域（ＩＥ領域）、（４）高圧粘度−弾性体領域（ＰＥ領域）の４つの領域に大別される。本発明のころ軸受の使用条件は、鍔部における摩擦の状態が、４つの領域のうちＰＥ領域に属する状態となる条件である。ＰＥ領域では、円すいころと鍔部との摩擦面が弾性変形し、さらに、圧力増加に伴ってグリースの粘度が上昇する。なお、ＰＥ領域は、ハードＥＨＬ領域ともいわれる。

グリース封入ころ軸受の鍔部における接触状態（点接触の状態）が、ＰＥ領域に属するかについては、図２に示す潤滑領域図を用いて特定される。潤滑領域図は、Ｇｒｅｅｎｗｏｏｄ−Ｊｏｈｎｓｏｎ線図とも言われ、横軸を弾性パラメータである無次元数ｇ_Ｅ、縦軸を粘度パラメータである無次元数ｇ_Ｖとした図である。無次元数ｇ_Ｅ、無次元数ｇ_Ｖは下記の式（１）、式（２）でそれぞれ表される。

ｇ_Ｅ＝（ω／ＥＲ_Ｘ ²）^8/3／（η₀ｕ／ＥＲ_Ｘ）²・・・（１）
ｇ_Ｖ＝（αＥ）（ω／ＥＲ_Ｘ ²）³／（η₀ｕ／ＥＲ_Ｘ）²・・・（２）
上記式において、Ｒ_Ｘはｘ軸を含む面内での等価半径を示し、ｕ＝（ｕ₁＋ｕ₂）／２を示し、η₀は大気圧下での粘度を示し、αは粘度の圧力係数を示し、ωは荷重を示し、Ｅは等価弾性係数を示す。

図２の潤滑領域図は、無次元数ｇ_Ｅ、ｇ_Ｖに応じて上記（１）〜（４）の領域に分けられている。上記式で算出された無次元数ｇ_Ｅ、ｇ_Ｖを図２に当てはめて、使用条件による接触状態がどの領域に属するのかを特定する。このように本発明のグリース封入ころ軸受は、鍔部と円すいころとの接触状態がＰＥ領域に属する状態となる条件で使用される。

高荷重条件として、具体的な数値でいえば、鍔部（円すいころ軸受にあっては大鍔）の面圧が０．０８ＧＰａ以上であり、軌道輪における最大接触面圧が０．４ＧＰａ以上である。さらに、鍔部の面圧が０．０９ＧＰａ以上であり、軌道輪における最大接触面圧が０．５ＧＰａ以上であることがより好ましい。

本発明のグリース封入ころ軸受において、内輪、外輪、ころの軸受部材は鉄系金属材料からなる。鉄系金属材料としては、軸受鋼、浸炭鋼、機械構造用炭素鋼、冷間圧延鋼、または熱間圧延鋼を用いることができる。これらの中で耐熱性が高い浸炭鋼を用いることが好ましい。浸炭鋼としては例えばＳＣＭ４１５等を挙げることができる。なお、各軸受部材に用いる鉄系金属材料は、互いに異なる材料であってもよい。

本発明のグリース封入ころ軸受に封入されるグリースは、鉱油を含む基油と増ちょう剤とから構成される。鉱油としては、スピンドル油、冷凍機油、タービン油、マシン油、ダイナモ油、高度精製鉱油などが挙げられる。高度精製鉱油は、例えば、減圧蒸留の残油から得られるスラッグワックスを接触水素化熱分解し、合成することにより得られる。高度精製鉱油は、硫黄含有率が０．１重量％未満であることが好ましく、より好ましくは０．０１重量％未満である。また、フィッシャー・トロプシュ法により合成されるＧＴＬ油が挙げられる。

上記基油は、鉱油のみからなるか、または、鉱油と他の基油との混合物である。鉱油と混合する油として、例えば、エーテル油、エステル油、合成炭化水素油（ＰＡＯ油）、シリコーン油、フッ素油およびこれらの混合油などを使用できる。本発明の基油は鉱油を主成分として含むので、鉱油の含有量は、基油（混合油）全体に対して５０質量％以上であり、好ましくは８０質量％以上である。特に、鉱油のみからなる基油（エーテル油１００％）とすることが好ましい。

基油の動粘度（混合油の場合は、混合油の動粘度）としては、４０℃において１０〜２００ｍｍ²／ｓが好ましい。より好ましくは１０〜１００ｍｍ²／ｓであり、さらに好ましくは３０〜１００ｍｍ²／ｓである。

上記基油は、グリース全体に対して６０〜９０質量％含有することが好ましい。基油の含有量が６０質量％未満では、寿命低下のおそれがあり、９０質量％をこえると、相対的に増ちょう剤量が少なくなり、グリース化が困難になるおそれがある。

増ちょう剤としては、芳香族ジウレア化合物が用いられる。芳香族ジウレア化合物は、ジイソシアネート成分とモノアミン成分とを反応して得られる。ジイソシアネート成分としては、フェニレンジイソシアネート、トリレンジイソシアネート、ジフェニルジイソシアネート、ジフェニルメタンジイソシアネート（ＭＤＩ）、オクタデカンジイソシアネート、デカンジイソシアネート、ヘキサンジイソシアネー卜などが挙げられる。これらのうち、芳香族ジイソシアネートがより好ましい。また、モノアミン成分としては芳香族モノアミンが用いられ、例えばアニリン、ｐ−トルイジンなどが挙げられる。

基油に増ちょう剤として芳香族ジウレア化合物を配合してベースグリースが得られる。芳香族ジウレア化合物を増ちょう剤とするベースグリースは、基油中でジイソシアネート成分とモノアミン成分とを反応させて作製する。ベースグリース中に占める増ちょう剤の配合割合は、１０質量％以上３０質量％未満であり、好ましくは１０質量％以上２０質量％未満である。

グリースの混和ちょう度（ＪＩＳ Ｋ ２２２０）は、２００〜３５０の範囲にあることが好ましい。ちょう度が２００未満である場合は、油分離が小さく潤滑不良となるおそれがある。一方、ちょう度が３５０をこえる場合は、グリースが軟質で軸受外に流出しやすくなり好ましくない。

また、グリースには、必要に応じて公知の添加剤を添加できる。添加剤としては、例えば、有機亜鉛化合物、有機モリブデン化合物などの極圧剤、アミン系、フェノール系、イオウ系化合物などの酸化防止剤、イオウ系、リン系化合物などの摩耗防止剤、多価アルコールエステルなどの防錆剤、二硫化モリブデン、グラファイトなどの摩擦低減剤、エステル、アルコールなどの油性剤などが挙げられる。

図１には、円すいころ軸受について示したが、本発明のグリース封入ころ軸受は、ころの端部と軌道輪の鍔部（円すいころ軸受における大鍔や、円筒ころ軸受における内輪の軸方向両端の鍔を含む）とがすべり接触する構成であればよく、円すいころ軸受以外にも、円筒ころ軸受、自動調心ころ軸受、針状ころ軸受、スラスト円筒ころ軸受、スラスト円すいころ軸受、スラスト針状ころ軸受、スラスト自動調心ころ軸受などを用いることができる。

本発明のグリース封入ころ軸受は高荷重下での耐久性に優れるため、例えば、自動車等のトランスミッション装置やディファレンシャル装置、産業機械、鉄道車両に使用されるころ軸受として好適である。

＜焼付き寿命試験＞
表１に示す組成のグリースをそれぞれ、円すいころ軸受３０２０４（軸受寸法：内径２０ｍｍ、外径４７ｍｍ、幅１５．２５ｍｍ）に１．８ｇ封入して、試験用軸受を作製した。得られた試験用軸受を、軸受外輪外径部温度１２０℃、ラジアル荷重６７Ｎ、アキシアル荷重６４０Ｎの条件下で、５０００ｍｉｎ^-1の回転速度で回転させて、焼き付きに至るまでの時間を測定した。この試験条件において、軌道輪における最大接触面圧は０．５６ＧＰａであり、大鍔での面圧は０．０９ＧＰａである。また、大鍔において、上記式（１）から算出される無次元数ｇ_Ｅは、２２０であり、上記式（２）から算出される無次元数ｇ_Ｖは、１３００であるため、ＰＥ領域に属する。なお、この焼付き寿命試験では、５００時間以上を合格とした。

本発明では、接触状態がＰＥ領域となる条件下で使用されるころ軸受を対象としているが、参考データとしてＩＲ領域となる条件下での試験も実施した。この試験では、上記で得られた試験用軸受を、軸受外輪外径部温度１２０℃、ラジアル荷重６７Ｎ、アキシアル荷重６７Ｎの条件下で、５０００ｍｉｎ^-1の回転速度で回転させて、焼き付きに至るまでの時間を測定した。この試験条件において、軌道輪における最大接触面圧は０．２１ＧＰａであり、大鍔での面圧は０．０５ＧＰａである。なお、上記いずれの軸受もシールカバーなしのオープン状態で実施した。結果を表１に示す。

結果は、実施例１のグリースを用いた場合のみ合格となった。表１より、増ちょう剤として芳香族ジウレア化合物を用いた場合には、脂肪族ジウレア化合物を用いた場合（比較例１）やリチウム石けんを用いた場合（比較例２）に比べて、寿命を大幅に延長させることができた。接触状態がＰＥ領域に属する状態となる条件下では、脂肪族ジウレア化合物よりも芳香族ジウレア化合物の方が優れる結果となった。これに対して、参考データであるＩＲ領域での試験では、芳香族ジウレア化合物と脂肪族ジウレア化合物との軸受寿命の大小が逆転する結果となった。すなわち、この試験では、芳香族ジウレア化合物よりも脂肪族ジウレア化合物の方が軸受寿命が大きくなった。これは、ころと鍔部との接触状態によって油膜形成に求められるグリースの特性が異なり、その特性の違いによって、芳香族ジウレア化合物と脂肪族ジウレア化合物とで結果が異なったと考えられる。

以上のように、本発明では、ころと鍔部との接触状態によって、軸受寿命の延長に適した増ちょう剤が異なることを見出した。すなわち、上記接触状態がＰＥ領域に属する状態である場合は、増ちょう剤に芳香族ジウレア化合物を選択でき、また、上記接触状態がＩＲ領域に属する状態である場合は、増ちょう剤に脂肪族ジウレア化合物を選択できる。言い換えると、本発明は、ころと鍔部との接触状態に応じて、グリースの増ちょう剤を選定する選定方法ともいえる。この選定方法は、ころ軸受の使用条件からＧｒｅｅｎｗｏｏｄ−Ｊｏｈｎｓｏｎ線図における潤滑領域を算出する算出工程と、算出された潤滑領域から増ちょう剤を選定する選定工程とを含む。

本発明のグリース封入ころ軸受は、高荷重条件下での使用において、優れた軸受寿命を有することから、該条件下で使用されるグリース封入ころ軸受として広く用いることができる。例えば、自動車等のトランスミッション装置やディファレンシャル装置、産業機械、鉄道車両に使用されるころ軸受などに使用される。

１１ 円すいころ軸受
１２ 内輪
１３ 外輪
１４ 円すいころ
１５ 保持器
１６ グリース

Claims (4)

1. 軌道輪である内輪および外輪と、前記内輪および外輪との間を転動する複数のころと、該ころの周囲に封入されたグリースとを備え、前記内輪は鍔部を有し、該鍔部において前記ころとすべり接触するグリース封入ころ軸受であって、
   該ころ軸受は、高荷重条件で使用され、これらの条件下での前記鍔部と前記ころとの接触状態がＧｒｅｅｎｗｏｏｄ−Ｊｏｈｎｓｏｎ線図における高圧粘度−弾性体領域に属する状態であり、
   前記グリースの基油が鉱油を主成分とし、前記グリースの増ちょう剤が芳香族ジウレア化合物であることを特徴とするグリース封入ころ軸受。
2. 前記高荷重条件は、前記軌道輪の最大接触面圧が０．５ＧＰａ以上であり、かつ、前記鍔部の面圧が０．０９ＧＰａ以上であることを特徴とする請求項１記載のグリース封入ころ軸受。
3. 前記内輪、前記外輪、および前記ころの少なくともいずれか一つの軸受部材が浸炭鋼からなることを特徴とする請求項１または請求項２記載のグリース封入ころ軸受。
4. 前記グリース封入ころ軸受が、円すいころ軸受であって、
   前記ころが円すいころであり、前記内輪が前記鍔部として小鍔および大鍔を有し、該大鍔において前記円すいころとすべり接触することを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１項記載のグリース封入ころ軸受。

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