JP2020060284A - 焼結含油軸受 - Google Patents

Abstract

【課題】軸受面から内部への潤滑油の吸収を抑えて軸受面の油圧を十分に確保することで金属接触が効果的に防止され、かつ、軸受面への潤滑油の供給を十分に行うことができる焼結含油軸受を提供する。【解決手段】回転する軸２を支持する円筒状の内周面１０を有する焼結含油軸受１であって、内周面１０に、軸方向に延びる複数の凸条（凸部）１１および溝（凹部）１２が周方向に並ぶ状態に形成し、凸条１１の表面である軸受面１１ａを封孔処理して、その気孔率が溝１２の気孔率よりも低くなるようにし、最大で１０％とする。【選択図】図１

Description

本発明は、焼結含油軸受に関する。

焼結含油軸受は、焼結材料の特徴の一つである多孔質を利用し、焼結体の気孔に潤滑油を含浸させ自己給油の状態で使用する滑り軸受である。これまでに多くの焼結含油軸受が開発され、自動車、家電機器、音響機器、事務機器、精密機器および情報通信機器等、各種の工業製品の発展を支えながら、産業として成長してきた。現在でも、焼結含油軸受が使用される製品はますます高機能化、多様化の傾向にあり、それに伴い軸受に要求される特性も、多様化、高度化している。

滑り軸受の一種である焼結含油軸受は金属粉末の集合体という原料の特徴が、成形、焼結、サイジングという工程を経ても、形状と強度を付与されて残っている。すなわち、微細な気孔が軸受全体に分布しており、滑り軸受として機能させるために必要な潤滑油がその気孔に吸蔵されている。この潤滑油が動作中は、軸受系の中で循環し潤滑の役目を果たしている。

図３に示すように、焼結含油軸受に挿入された軸が回転を始めると、静止時には気孔の中に吸収されていた潤滑油が軸と軸受との隙間に染み出してきて潤滑作用を行う。その機構は次のように考えられている。

運転初期の軸と軸受との間に潤滑油がほとんどない状態で軸が回転すると、金属どうしの摩擦で熱が発生し、潤滑油は温度上昇により膨張して軸受の気孔から溢れ出てくる。また、温度上昇は潤滑油の粘度を低下させ流動しやすくなる。さらに、ポンプ作用と呼ばれるメカニズムも働いている。

図４はポンプ作用のメカニズムを示す。同図に示すように、軸が回転すると軸と軸受との隙間の潤滑油が高速で流れることにより、軸受内部の潤滑油が吸い出され、荷重によって軸受内周の一方向に押し付けられている軸と軸受内周の曲率の差により形成されるくさび形の隙間に向かって潤滑油が流れる。この潤滑油の流れによって生じる油圧が軸受の内周面から軸を持ち上げ、軸と軸受の金属接触を防止する。ただし、油圧が生じても気孔を通じて潤滑油が逃げるために油圧は低下する。また、軸の回転が止まると、軸と軸受との隙間に存在する潤滑油は毛細管力によって再び気孔に吸収される。

さて、従来では、軸受面に油溜り溝を設け、この油溜り溝の表面に、溜められた潤滑油が内部の気孔へ引き込まれることなく油溜り溝に保持されるように封孔処理を施した焼結含油軸受が知られている（例えば、特許文献１等参照）。また、内周面を封孔処理して気孔率を低減した後に、その内周面をサイジングする工程において動圧を発生させる動圧溝を形成した焼結含油軸受が知られている（例えば、特許文献２等参照）。

特開２００８−２４０９０９号公報 特開２０１７−１５０５９６号公報

特許文献１に開示される焼結含油軸受では、油溜り溝で潤滑油は保持されるが、軸を支持する軸受面の気孔を通じて潤滑油が内部に吸収され、その軸受面の油圧が低下し、金属接触が生じるおそれがある。一方、特許文献２に開示される焼結含油軸受では、軸受面である内周面が封孔されているため油圧は保持される構成ではあるが、内周面の全面が封孔されることにより軸受面への潤滑油の供給が十分になされず、金属接触が懸念される。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、軸受面から内部への潤滑油の吸収を抑えて軸受面の油圧を十分に確保することで金属接触が効果的に防止され、かつ、軸受面への潤滑油の供給を十分に行うことができ、結果として軸受性能の向上が図られる焼結含油軸受を提供することを目的としている。

本発明の発明者は、焼結含油軸受の長時間運転耐久試験の結果、以下の知見を得た。
図５は、Ｃｕ系焼結含油軸受の回転スタート時から定常回転時までの動作原理の模式図と、摩擦係数の推移を示す。同図に示すように、回転スタートからランニングインでは、上述（図３および図４を参照しての説明）の一般理論と同様である。その後、ある程度運転されると、軸と接触する軸受面の気孔がほぼ封止されることにより気孔から滲み出してきた潤滑油が軸と軸受との間に侵入し油膜を作り、軸を軸受から浮上させるが、軸と接触している軸受面の気孔がつぶれているため、油圧が保持される。この結果、安定した流体潤滑により低い摩擦係数を維持することができる。また、気孔がつぶれることにより軸受の内面形状が変形して軸との接触面積が増加し、それに伴い流体潤滑領域も増加する。その結果、定常状態では安定した軸の回転を維持している。

そこで、本発明者らは軸と接触する軸受面を運転開始から定常状態と同様の状態、すなわち気孔がつぶれた状態を実現し、かつ軸受面から軸の回転により潤滑油が滲み出して油膜を形成することが可能な焼結含油軸受を見いだし、以下に説明する本発明に至った。

すなわち本発明の焼結含油軸受は、回転する軸を支持する円筒状の内周面を有する焼結含油軸受であって、前記内周面に、複数の凸部および凹部が周方向に並ぶ状態に形成されており、前記凸部の表面である軸受面の気孔率が、前記凹部の気孔率よりも低く最大で１０％であることを特徴とする。

本発明の焼結含油軸受は、粉末冶金分野で一般に用いられている銅系あるいは鉄系の粉末を原料粉末とし、特に材質は問わない。また、その内部の気孔率も通常用いられている焼結含油軸受と同様である。さらに、本発明の焼結含油軸受は、粉末成形−焼結−サイジングといった通常の工程で製造することができる。

本発明によれば、軸受内周面に形成した凹部は多孔質の状態を維持し、軸受内周面に形成した凸部の表面である軸受面は、例えば気孔をつぶすなどの方法で封孔処理を行うことにより、気孔率を最大で１０％とする。これにより凸部の表面である軸受面は、上述の運転開始後の定常状態でみられる軸受における軸と接触する内周面と同じ状態となる。この構成により、本発明では、軸が回転すると凹部から潤滑油が滲み出してくる。この潤滑油は軸と接触する凸部の表面である軸受面にも流れ、軸受面と軸との間に油膜を形成する。ここで、軸受面は気孔率が１０％以下と低いため、軸受面から潤滑油が軸受の内部に吸収されることが抑えられ、軸受面の油圧が十分に確保されて油膜が保持される。その結果、金属接触が効果的に防止され、優れた軸受性能を示す。

本発明の凸部の表面である軸受面の気孔率は、最大を１０％とするが、７％以下が好ましく、さらに５％以下が好ましく、３％以下であればより好ましい。なお、気孔率を１０％以下とする凸部の表面からの深さ領域は、０．００１〜０．０１ｍｍ程度とされ、０．００２〜０．００７ｍｍであればより好ましい。

本発明は、前記凹部の気孔率が１０〜２５％であることを特徴とする。この範囲では、凹部の気孔率は１５〜２５％が好ましく、２０〜２５％であればより好ましい。

本発明は、前記凸部は軸方向と略平行に延びる凸条であり、前記凹部は軸方向と略平行に延びる溝であり、前記凸条は周方向に等間隔をおいて形成されている形態を含む。

この形態の場合、周方向の長さである前記凸部（凸条）の幅と前記凹部の幅との比は、１．５：０．５〜０．５〜１．５であることが好ましく、幅がほぼ等しい、すなわち１：１であればより好ましい。

また、本発明は、凸部（凸条）の幅が０．２〜２．０ｍｍである形態を含む。凸部の幅がこれより大きいと潤滑油の滲み出しが不十分となり、また、凸部の幅がこれ以上小さいと油圧の保持されにくくなる。この範囲では、０．５〜２．０ｍｍが好ましく、１〜１．５ｍｍであればより好ましい。

また、本発明は、前記凹部の底面から前記凸部の前記軸受面までの距離である該凸部の高さが０．０００１〜０．０２ｍｍである形態を含む。凸部の高さがこれ以上小さいと凹部の表面を多孔質に維持し、かつ凸部の表面のみを封孔することが難しくなる。この範囲では、０．００２〜０．０１５ｍｍが好ましく、０．００３〜０．０１ｍｍであればより好ましい。

本発明によれば、軸受面から内部への潤滑油の吸収を抑えて軸受面の油圧を十分に確保することで金属接触が効果的に防止され、かつ、軸受面への潤滑油の供給を十分に行うことができ、結果として軸受性能の向上が図られる焼結含油軸受を提供することができるといった効果を奏する。

本発明の一実施形態に係る焼結含油軸受の（ａ）正面図、（ｂ）図１（ａ）のIB−IB断面図である。 図１のII部拡大図である。 一般的な焼結含油軸受の潤滑作用を説明する図である。 一般的な焼結含油軸受の潤滑作用におけるポンプ作用のメカニズムを示す図である。 Ｃｕ系焼結含油軸受の回転スタート時から定常回転時までの動作原理の模式図および摩擦係数の推移を示す図である。

図１および図２は、本発明の一実施形態に係る焼結含油軸受１を示している。この焼結含油軸受１は、回転する軸２を支持する円筒状の内周面１０を有する。内周面１０には、軸方向と略平行に延びる複数の凸条（凸部）１１および溝（凹部）１２が周方向に並ぶ状態に形成されている。

焼結含油軸受１は、凸条１１の表面である軸受面１１ａにより軸２を支持する。その軸受面１１ａの気孔率は、溝１２の気孔率よりも低く、最大で１０％である。また、溝１２の気孔率は、１０〜２５％である。

凸条１１は、周方向の長さであるその幅が０．２〜２．０ｍｍである。凸条１１の幅と溝１２の幅との比は、１．５：０．５〜０．５〜１．５とされる。また、溝１２の底面１２ａから凸条１１の軸受面１１ａまでの距離である凸条１１の高さは、０．０００１〜０．０２ｍｍである。

焼結含油軸受１は、Ｆｅ系またはＦｅ−Ｃｕ系等の一般的な焼結含油軸受の金属粉末または合金粉末を混合調製して得た原料粉末をニアネットシェイプに圧粉成形し、次いでその圧粉成形体を所定の焼結温度および焼結時間で焼結して焼結体を得、次いでその焼結体をサイジングして得ることができる。凸条１１および溝１２は、圧粉成形時に形成することができる。

焼結含油軸受１の凸条１１の軸受面１１ａは、サイジング工程時において圧縮して気孔を目つぶしする封孔処理を行うことで、気孔率を１０％以下に加工することができる。この後、負圧下において潤滑油中に浸漬するなどの方法により潤滑油を内部に含浸させて焼結含油軸受１を製造することができる。

［実施例１］
組成がＦｅ−２ｗｔ％Ｃの原料粉末を圧粉成形し、次いでその圧粉成形体を焼結して焼結体を得、次いでその焼結体をサイジングして、外径がφ１０ｍｍ、内径がφ４ｍｍ、軸方向長さが５ｍｍの円筒状であって、密度が５．９ｇ／ｃｍ^３、焼結体全体の気孔率が１７％の焼結含油軸受を作製した。

この軸受の内周面には、周方向角度で３０度ごとに、幅が１．０４７ｍｍ、高さが０．００５ｍｍの軸方向に延びる複数の凸条（凸部）を形成した。隣り合う凸条の間の溝（凹部）の幅は、１．０４７ｍｍである。複数の凸条の表面である軸受面の内径が、上記の内径φ４ｍｍである。

サイジングの工程において、凸条の表面である軸受面を圧縮してその表面に付近に存在する気孔を目つぶしして、最表面の気孔率が５％以下になるように封孔処理を施した。その後、潤滑油を含浸して実施例１の焼結含油軸受を得た。

［比較例１］
上記実施例１において、内周面が、凸条および溝を有しておらず単純な円筒面である以外は、実施例１と同様の焼結含油軸受を比較例１として製造した。比較例の焼結含油軸受の内周面は、面積比で１７％の気孔が均一に分布している。

上記実施例１および比較例１の焼結含油軸受を、同一仕様のファンモータの軸受として組み込み、軸受性能を確かめた。その結果を表１および表２に示す。

表１は、速度：１ｍ/秒、ＰＶ値：５ＭＰａ・ｍ／秒の条件での、モータの運転開始時と運転開始１時間後の定常状態で計測した軸受の摩擦係数を示している。

表２は、速度：０．９ｍ／秒、ＰＶ値：５ＭＰａ・ｍ／秒の条件で運転した時に発生する騒音の測定結果を示す。なお、騒音の測定位置はモータから３０ｍｍ離れた位置とし、モータは定常状態での運転中である。

［実施例２］
原料粉末の組成が、Ｆｅ−４５ｗｔ％Ｃｕ−４ｗｔ％Ｓｎ−０．７ｗｔ％Ｃであり、焼結体全体の気孔率が２０％である以外は、上記実施例１と同様の焼結含油軸受を実施例２として製造した。

［比較例２］
上記実施例２において、内周面が、凸条および溝を有しておらず単純な円筒面である以外は、実施例２と同様の焼結含油軸受を比較例２として製造した。比較例の焼結含油軸受の内周面は、面積比で２２％の気孔が均一に分布している。

上記実施例２および比較例２の焼結含油軸受を同一仕様のファンモータの軸受として組み込み、軸受性能を確かめた。その結果を表３および表４に示す。

表３は、速度：１ｍ/秒、ＰＶ値：５ＭＰａ・ｍ／秒の条件での、モータの運転開始時と運転開始１時間後の定常状態で計測した軸受の摩擦係数を示している。

表４は、速度：０．９ｍ／秒、ＰＶ値：４．５ＭＰａ・ｍ／秒の条件で運転した時に発生する騒音の測定結果を示す。なお、騒音の測定位置はモータから３０ｍｍ離れた位置とし、モータは定常状態での運転中である。

表１〜表４で明らかなように、本発明品である実施例は、比較例と比べて運転開始時および定常運転時のいずれの場合も摩擦係数が低く、それに伴って定常運転時における騒音も実施例の方が比較例よりも低くなっている。したがって本発明は、潤滑油が供給されて形成される軸受面の油膜が、運転開始時から定常運転時にかけて十分に保持され、軸受性能を向上させることができることが確かめられた。

本発明は、軸受面の油圧を十分に確保することで金属接触が効果的に防止される焼結含油軸受として好適に利用される。

１ 焼結含油軸受
２ 軸
１０ 内周面
１１ 凸条（凸部）
１１ａ 軸受面
１２ 溝（凹部）

Claims (6)

1. 回転する軸を支持する円筒状の内周面を有する焼結含油軸受であって、
   前記内周面に、複数の凸部および凹部が周方向に並ぶ状態に形成されており、
   前記凸部の表面である軸受面の気孔率が、前記凹部の気孔率よりも低く最大で１０％であることを特徴とする焼結含油軸受。
2. 前記凹部の気孔率が１０〜２５％であることを特徴とする請求項１に記載の焼結含油軸受。
3. 前記凸部は軸方向と略平行に延びる凸条であり、前記凹部は軸方向と略平行に延びる溝であり、前記凸条は周方向に等間隔をおいて形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の焼結含油軸受。
4. 周方向の長さである前記凸部の幅と前記凹部の幅との比が、１．５：０．５〜０．５〜１．５であることを特徴とする請求項３に記載の焼結含油軸受。
5. 前記凸部の幅が０．２〜２．０ｍｍであることを特徴とする請求項３または４に記載の焼結含油軸受。
6. 前記凹部の底面から前記凸部の前記軸受面までの距離である該凸部の高さが０．０００１〜０．０２ｍｍであることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の焼結含油軸受。

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