JP2020063826A - 転がり軸受 - Google Patents

Abstract

【課題】電食防止のために転がり軸受の軌道輪に設ける絶縁被膜の放熱性の向上と加工コストの低減を両立する。【解決手段】この発明の転がり軸受は、電食防止用の絶縁被膜５が形成された軌道輪２を有し、この絶縁被膜は樹脂組成物からなり、この樹脂組成物は、合成樹脂、合成樹脂を強化する繊維材、および絶縁被膜の熱伝導率を向上させる六方晶窒化ホウ素（ｈ−ＢＮ）を含む。【選択図】図１

Description

この発明は、電食防止用の絶縁被膜が形成された軌道輪を有する転がり軸受に関する。

例えば、鉄道車両用の電動モータや発電機およびＣＴスキャナの回転軸で使用される転がり軸受は、漏れ電流に晒される環境にあり、軌道輪（内輪または外輪）および転動体が金属製であると、漏れ電流が転動体と軌道輪との間に流れて、軌道輪の軌道面および転動体の転動面に電食（電気化学的腐食）が生じる恐れがある。この電食が生じると、軌道輪の軌道面および転動体の転動面の精度が低下し、振動が上昇して、軸受の寿命が短くなる。具体的には、電食によって軌道輪の軌道面および転動体の転動面に凹凸が生じ、この凹凸が応力集中部となって疲労剥離が発生する。

この電食を防止するために、特許文献１には、転がり軸受の軌道輪の軌道面以外の面を、アルミナ含有率の高いセラミックス製の絶縁層で被覆することが記載されている。前記絶縁層の具体例として、アルミナの含有率が９９重量％以上で酸化チタンを０．０１〜０．２０重量％含有するセラミックス溶射層が記載されている。
特許文献２には、転がり軸受の軌道輪の軌道面以外の面を、ＰＰＳ樹脂とガラス繊維とアルミナとを含む樹脂組成物からなる絶縁被膜で被覆することが記載されている。

特開２００７−１４７０７２号公報 特開２００５−１４０１６８号公報

特許文献１に記載されたセラミックス溶射層からなる絶縁層は、特許文献２に記載された樹脂組成物からなる絶縁被膜よりも放熱性に優れる（熱伝導率が高い）が、加工コストが非常に高いため、現状では、特許文献２に記載されたような、ＰＰＳ樹脂とガラス繊維とアルミナ粒子とを含む樹脂組成物からなる絶縁被膜を設けることが主流になっている。
しかし、この樹脂組成物からなる絶縁被膜には、放熱性の向上と加工コストの低減という点で未だ課題が存在する。具体的には、この樹脂組成物からなる絶縁被膜は、アルミナ含有率の高いセラミックス溶射層と比較すると放熱性が低いものである。また、アルミナ粒子が硬いため、この樹脂組成物を用いて絶縁被膜を形成するための成形加工機が短期間で磨耗する。

この発明の課題は、電食防止のために転がり軸受の軌道輪に設ける絶縁被膜の放熱性の向上と加工コストの低減を両立することである。

上記課題を解決するために、この発明の第一態様の転がり軸受は、電食防止用の絶縁被膜が形成された軌道輪（内輪または外輪）を有し、この絶縁被膜は樹脂組成物からなり、この樹脂組成物は、合成樹脂、合成樹脂を強化する繊維材、および絶縁被膜の熱伝導率を向上させる六方晶窒化ホウ素（ｈ−ＢＮ）を含む。

この発明の第一態様の転がり軸受を構成する軌道輪が有する電食防止用の絶縁被膜は、放熱性の向上と加工コストの低減との両立が期待できるものである。

実施形態の転がり軸受を示す断面図である。

以下、この発明の第一態様の実施形態について説明するが、この発明は以下に示す実施形態に限定されない。以下に示す実施形態では、この発明を実施するために技術的に好ましい限定がなされているが、この限定はこの発明の必須要件ではない。

図１に示す、この発明の一実施形態に相当する転がり軸受は、内輪１（軌道輪）、外輪（軌道輪）２、ころ（転動体）３、および保持器４で構成されている。内輪１は鍔のない形状であり、外輪２は鍔２１を有する形状である。内輪１の外周面には軌道面１ａが、外輪の内周面には軌道面２ａがそれぞれ形成されている。これらの軌道面１ａ，２ａが対向配置され、その間にころ３が、保持器４を介して転動自在に配設されている。
外輪２の外周面に二条の周溝２２が形成されている。また、外輪２の軸方向両端面の鍔２１の部分に、外輪２と同心の円形溝２３が形成されている。外輪２の外周面の全体と軸方向両端面に絶縁被膜５が形成されている。軸方向両端面の絶縁被膜５は、外輪２の外周面の軸方向両端から連続して、円形溝２３の位置までの範囲に形成されている。絶縁被膜５は、外輪２の周溝２２および円形溝２３内にも存在する。これにより、絶縁被膜５が外輪２から剥がれることが防止されている。

保持器４は、分割型であり、一対二個の環状部材４１，４２と締結部材４３とで構成されている。各環状部材は、保持器の柱部（ポケットとポケットとの間の部分）となる位置に、軸方向に延びる貫通穴を有する。両環状部材４１，４２は、ころ３を挟んで軸方向両側に対向配置され、一方の環状部材４１の貫通穴から他方の環状部材４２の貫通穴まで挿通させた締結部材４３で締結されている。
絶縁被膜５は、合成樹脂、合成樹脂を強化する繊維材、および六方晶窒化ホウ素（ｈ−ＢＮ）を含む樹脂組成物からなる。この樹脂組成物からなる絶縁被膜５は、例えば以下の方法で外輪２に形成することができる。先ず、樹脂組成物のペレットを作製する。次に、このペレットを用いたインサート成形により外輪２の表面に絶縁被膜を形成する。
ペレットの作製は二軸押出機等の押出機を用いて行う。具体的には、樹脂組成物を構成する合成樹脂、合成樹脂を強化する繊維材、および六方晶窒化ホウ素を、二軸押出機等の押出機に供給してペレット化する。

インサート成形法では、具体的には、先ず、外輪２の外側に、絶縁被膜５の厚さ（例えば、１.０ｍｍ）に対応させて形成した金型を設置する。この状態の金型を射出成形機に取り付けて、外輪と金型との空間に、ペレットを溶融した状態で射出することで充填する。その後、所定の時間冷却して固化した後、金型を開いて、外面に絶縁被膜５が成形された外輪２を取り出す。また、その後に、必要に応じて、絶縁被膜５を所定厚さになるように切削加工する。
インサート成形する際のゲート方式は、ディスクゲート方式またはリングゲート方式が好ましい。一般的なピンゲート方式とした場合、機械的強度に劣るウエルド部が形成されるため、長期間の使用によって亀裂等が発生する可能性があり好ましくない。一方で、ディスクゲート方式またはリングゲート方式とした場合、溶融樹脂はディスク状またはリング状に広がってから、内径端面部にあたる部分の金型に樹脂が流入し、外径面を経由し、反対側の端面部に流入することで絶縁被膜５が形成されるため、ウエルド部が形成されないと推測する。

絶縁被膜５を構成する合成樹脂としては、耐熱性を考慮すると、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）樹脂、芳香族ポリアミド樹脂、及びポリアミド４６のいずれかを用いることが好ましい。ＰＰＳ樹脂は、吸水性が低く、且つ、成形性が良好であるため、ＰＰＳ樹脂を用いることで、低吸水性で寸法安定性に優れた絶縁被膜を、射出成形法により低コストで形成できる。
また、芳香族ポリアミド樹脂は高融点及び高強度を有するため、芳香族ポリアミド樹脂を用いることで、絶縁被膜温度が１２０℃に達する軸受の高速回転時であっても、電気絶縁性を維持できる。さらに、ポリアミド４６は、脂肪族ポリアミド樹脂であるが、芳香族ポリアミド樹脂と同様に、１２０℃以上でも電気絶縁性を維持できるとともに、樹脂自体の衝撃強度が高いため、ポリアミド４６を用いることで、絶縁被膜の破損に対する信頼性を向上できる。

絶縁被膜５を構成する繊維材（合成樹脂を強化する繊維状材料）は、主としてマトリックスとなる合成樹脂の耐クリープ性を向上させるために用いられる。この繊維材としては、特に、グラスファイバ（ＧＦ）を用いることが有効であるが、その他の無機繊維、例えばセラミック繊維、岩石繊維、スラッグ繊維などを用いることもできる。
絶縁被膜５を構成する六方晶窒化ホウ素（ｈ−ＢＮ）は、絶縁被膜５の熱伝導率を向上させるもの（絶縁性放熱材料）である。昭和電工（株）の電材向け放熱フィラー製品カタログによると、六方晶窒化ホウ素（ｈ−ＢＮ）の熱伝導率は６０（Ｗ／ｍ・ｋ）であり、モース硬度は２（Ｍｏｈｓ）である。これに対して、アルミナの熱伝導率は２０〜３６（Ｗ／ｍ・ｋ）であり、モース硬度は９（Ｍｏｈｓ）である。つまり、六方晶窒化ホウ素（ｈ−ＢＮ）は、アルミナより熱伝導率が高く、モース硬度が低い。

また、六方晶窒化ホウ素およびアルミナ以外の絶縁性放熱材料としては、窒化アルミニウム、ベリリア、窒化珪素、酸化マグネシウム、シリカ等が挙げられるが、これらのモース硬度は５．５〜９（Ｍｏｈｓ）であり、六方晶窒化ホウ素（ｈ−ＢＮ）は特に硬度が低いものである。
このように、絶縁被膜５を構成する樹脂組成物は、熱伝導率を向上させる充填材として、硬度が低い六方晶窒化ホウ素（ｈ−ＢＮ）を含むことにより、ペレット作製工程で使用する押出機および絶縁被膜形成工程で使用する射出成形機のスクリューや金型の磨耗、および絶縁被膜の切削工程で使用する旋盤工具の磨耗を低減することが可能になる。これに伴い、備品交換を含む成形加工コストを低減することが可能になる。

また、六方晶窒化ホウ素（ｈ−ＢＮ）はアルミナよりも熱伝導率が高いため、現状の絶縁被膜（ＰＰＳ樹脂とガラス繊維とアルミナ粒子とを含む樹脂組成物からなる絶縁被膜）よりも、転がり軸受の高速回転時に生じる熱を速やかに放出することができる。その結果、軸受内の蓄熱によるグリースの劣化や、これに伴う潤滑不良による軸受寿命の低下を防止する効果が期待できる。
本実施形態の転がり軸受では、外輪の外周面と軸方向両端面に絶縁被膜が形成されているが、絶縁被膜が外輪の外周面のみに又は内輪の内周面のみに形成されているだけでも、電食防止作用を得ることができる。

以下、本発明の実施例について説明する。
＜絶縁被膜の物性評価＞
絶縁被膜を構成する樹脂組成物の違いによる物性の違いを調べるために、表１に示す各樹脂組成物を用いて所定形状の各試験片（実施例１〜３、比較例１）を形成し、その物性評価を行った。
樹脂組成物を構成する合成樹脂としては、全ての例でＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）樹脂を用いた。具体的には、実施例１〜３では東レ（株）の「トレリナ」を、比較例１ではポリプラスチックス（株）の「ジュラファイド」を用いた。
樹脂組成物を構成する繊維材としては、ガラス繊維を用いた。

樹脂組成物を構成する熱伝導率を向上させる材料としては、実施例１〜３では六方晶窒化ホウ素の粉末を、比較例１ではアルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）粒子を用いた。
物性としては、熱伝導率、引張破断強さ、引張破断呼び歪み、引張弾性率、ウエルド引張破断強さ、ウエルド引張破断伸び、および圧縮強度を測定した。熱伝導率はホットディスク法で測定した。引張特性（引張破断強さ、引張呼び歪み、引張弾性率、ウエルド引張破断強さ、ウエルド引張破断伸び）は、ＩＳＯ５２７−１，２に準拠した方法で実施した。圧縮試験は直径１０ｍｍ、高さ８ｍｍの円柱試験片を用いて実施した。

その結果も表１に併せて示す。

比較例１の樹脂組成物は、特許文献２に記載された絶縁被膜を構成する材料であり、この絶縁被膜が電食防止のために、現在、鉄道車両用電動機の転がり軸受の外輪に形成されている。つまり、比較例１の樹脂組成物は、電食防止転がり軸受の絶縁被膜として使用実績のある材料である。
表１の結果から分かるように、アルミナに代えて六方晶窒化ホウ素を使用することで、樹脂組成物の熱伝導率がより高くなるが、ウエルド特性は低下する。ウエルド特性が低下する原因の一つとして、六方晶窒化ホウ素の異方性が挙げられる。また、樹脂組成物の熱伝導率が向上したことにより、金型内で樹脂が冷えやすくなり、ウエルドの密着性が低下したことも原因の一つと推測される。

また、実施例２および３では、比較例１よりも引張特性が向上する。樹脂組成物中の六方晶窒化ホウ素の含有量（［h-BN］）に対するＰＰＳ樹脂の含有量（［PPS］）の体積比［PPS］/［h-BN］が、実施例２では３．７、実施例３では４．８であるのに対して、実施例１では３．０である。

＜転がり軸受の作製＞
表１に示す各樹脂組成物を、二軸押出機を用いてペレット化した後、各ペレットを用いてインサート成形により外輪の表面にそれぞれ、実施例１〜３、比較例１の樹脂組成物からなる絶縁被膜を形成した。インサート成形の際、比較例１についてはピンゲート方式により絶縁被膜を形成した。一方、実施例１〜３についてはウエルド特性が低く留まっているため、ウエルドが形成されないようにリングゲート方式により絶縁被膜を形成した。絶縁被膜の厚さは端面１．０ｍｍ、外径面０．８ｍｍとした。各絶縁被膜が形成された外輪を用いて図１の転がり軸受をそれぞれ組み立てた。

１ 内輪（軌道輪）
２ 外輪（軌道輪）
３ ころ（転動体）
４ 保持器
５ 絶縁被膜

Claims (3)

1. 電食防止用の絶縁被膜が形成された軌道輪を有し、
   前記絶縁被膜は樹脂組成物からなり、
   前記樹脂組成物は、合成樹脂、前記合成樹脂を強化する繊維材、および前記絶縁被膜の熱伝導率を向上させる六方晶窒化ホウ素（ｈ−ＢＮ）を含む転がり軸受。
2. 前記合成樹脂はＰＰＳ樹脂であり、前記繊維材はガラス繊維である請求項１記載の転がり軸受。
3. 前記樹脂組成物中の前記六方晶窒化ホウ素の含有量に対する前記合成樹脂の含有量の比が、体積比で３．０以上４．８以下である請求項１または２記載の転がり軸受。

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