JP3946436B2

JP3946436B2 - 電食防止型転がり軸受

Info

Publication number: JP3946436B2
Application number: JP2000379735A
Authority: JP
Inventors: 明彦冨谷; 秀司伊藤
Original assignee: NTN Corp
Current assignee: NTN Corp
Priority date: 2000-12-14
Filing date: 2000-12-14
Publication date: 2007-07-18
Anticipated expiration: 2020-12-14
Also published as: JP2002181054A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、鉄道車両の主電動機用、駆動装置用、および車軸用等として用いられる軸受を始め、軸受の組み込まれる装置の構造上から、軸受内部に電流が流れることを防止することが必要な用途に用いられる電食防止型転がり軸受に関する。
【０００２】
【従来の技術】
鉄道車両の主電動機に用いられる転がり軸受は、主電動機の電流を車輪からレールへ接地する接地用集電装置が不完全な場合に、主電動機の電流が転がり軸受の内外輪および転動体を通って、車輪とレール間に流れる。このため、転動体と外輪の転走面の間、または転動体と内輪の転走面の間でスパークし、いわゆる電食を生じて軸受寿命を縮めることがある。
そのため、外輪のハウジングへの取付面に樹脂製の絶縁層を被覆したものが提案されている。しかし、樹脂層は、線膨張係数が大きく、軸受の運転に伴う発熱で、外輪とハウジングとの嵌め合いに誤差が生じる。
絶縁層としては、線膨張係数が低く、高い電気絶縁性が得られることで、セラミックスが好まく、絶縁層としてセラミックス層を溶射したものが提案されている。しかし、セラミックスは軸受軌道輪の材料に馴染み難く、容易に溶射されなくて、外輪との密着性に問題がある。また、外輪をハウジングに圧入するときに、剥離が生じる恐れがある。
【０００３】
このような課題を解消するものとして、金属層，セラミックスの絶縁層，金属層からなる３層構造の被覆層を、外輪のハウジングへの取付面に施したものが提案されている（例えば、実開平２−４６１１９号公報）。各層は溶射により設けられる。上記３層のうち、内層側の金属層は、絶縁層のセラミックスが、軸受軌道輪の材料に馴染み難く、容易に溶射されないため、絶縁層の密着性を改善するために設けられる。外層側の金属層は、外輪をハウジングに締まり嵌めする場合に、圧入時に絶縁層が剥離し難いように設けられる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように３層構造とされる絶縁層および内外の金属層は、いずれも溶射により得られる。しかし、溶射加工は、コストかかる加工であり、軸受の場合、上記のように３層構造とすると、溶射加工のコストが軸受製作コストの大半を占め、軸受自体の価格が非常に高いものとなる。
また、テーパころ軸受の場合、上記のように３層構造とすると、加工時に大径側の幅面の溶射層にまくれが生じる恐れがある。すなわち、母材軸受鋼の温度上昇を抑えるために、溶射時にエア等で冷却を同時に行うが、溶射された材料も冷却され、この時に発生する収縮力に対し、母材との密着力が負け、まくれが発生する。
【０００５】
上記ような溶射コストを削減するものとして、本出願人は、被覆層の全体を２層構造にしたものを提案した（特願２０００−２３６７９１）。しかし、軌道輪に被覆層を設けた箇所に作用する荷重等の状況は、各部によって異なっている。そのため、被覆層の全体を２層構造としたものでは、加工コストと得られる機能とを比較して、コスト低減の効果が、いま一つ不十分である。
【０００６】
この発明の目的は、電気絶縁性に優れ、絶縁層の軌道輪への密着性、または締まり嵌め時の剥離防止性を得ながら、溶射工程の簡素化により、加工工数、加工時間の削減が可能となり、コスト低減が図れる電食防止型転がり軸受を提供することである。
この発明の他の目的は、テーパころ軸受の場合に、加工時に大径側の幅面の溶射層にまくれが生じることを回避することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この発明の電食防止型転がり軸受は、テーパころ軸受からなる軸受の軌道輪のハウジングまたは軸に取付けられる周面から両側の幅面に渡って溶射層からなる被覆層を設け、この被覆層における上記軌道輪の周面を覆う部分を、セラミックスの絶縁層と金属層を積層した２層構造または３層構造とし、上記被覆層における軌道輪の非負荷側幅面となる大径側幅面を覆う部分を、周面を覆う部分よりも積層数が少なく、かつ最外層がセラミックスの絶縁層となるものとする。軌道輪の負荷側幅面を覆う部分は、周面を覆う部分と同じ２層構造または３層構造とされる。
このように、テーパころ軸受からなる軸受の軌道輪の非負荷側幅面となる大径側幅面を覆う部分を、周面を覆う部分よりも積層数が少ないものとしたため、つまり溶射層の一部を減らしたため、それだけ溶射工程が簡素化され、加工工数、加工時間の削減が可能となり、コスト低減が図れる。溶射層の層数を減らすのは、軌道輪の非負荷側幅面となる大径側幅面を覆う部分であり、またその層数を減らした部分は、最外層がセラミックスの絶縁層であるため、軸受の使用時や嵌合作業等の取り扱い時において、被覆層の強度不足の問題がなく、また電気絶縁性の確保される。このように、被覆層の機能低下を抑えて、溶射層の削減によるコスト低減が得られる。また、テーパころ軸受では、前述のように大径側の幅面における被覆層が溶射時に捲くれを生じ易いが、この大径側の幅面の積層数を減らすため、捲くれが生じ難くなる。
【０００８】
この発明において、上記被覆層における上記軌道輪の外径面および負荷側の幅面を覆う部分の最外層は、金属層としても良い。
このように、軌道輪の外径面における最外層を金属層とすると、軌道輪をハウジングまたは軸に締まり嵌めする場合に、圧入時に絶縁層が剥離することが防止される。また、軌道輪の負荷側幅面における最外層も金属層とすると、軸方向の荷重や衝撃がセラミックスの絶縁層に直接に作用せず、絶縁層の損傷が防止される。
【００１０】
【発明の実施の形態】
この発明の一実施形態を図１ないし図３と共に説明する。この電食防止型転がり軸受１は、内外の軌道輪である内輪２と外輪３の間に、保持器４に保持された複数の転動体５を介在させ、外輪３に被覆層６を設けたものである。この軸受はテーパころ軸受からなり、内輪２は両側の鍔２ａ，２ｂを有し、外輪３は鍔無しのものとされている。転動体５はテーパころからなる。
【００１１】
外輪３の被覆層６は、ハウジング１０に取付けられる外周面から両側の幅面３ｂ，３ｃに渡って設けられている。図３（Ａ）に拡大して示すように、被覆層６における外輪３の外周面３ａを覆う部分６ａ、および負荷側幅面３ｂを覆う部分６ｂは、最内層が金属層７、中間層がセラミックスの絶縁層８、最外層が金属層９となった３層構造とされている。被覆層６における外輪３の非負荷側幅面３ｃを覆う部分６ｃは、外周面を覆う部分６ｂよりも積層数が１層分少なく、内層が金属層７、外層がセラミックスの絶縁層８となっている。つまり、非負荷側幅面３ｃを覆う部分６ｃは、他の部分６ａ，６ｃにおける外層の金属層９が省かれている。テーパ軸受の構造上、外輪３の小径側の幅面が負荷側幅面６ｂとなり、大径側の幅面が非負荷側幅面６ｃとなる。
なお、外輪３の外周面３ａと両側の幅面３ｂ，３ｃとの間の角部は面取部としたあるが、非負荷側の幅面３ｃにおいて、この面取部は、被覆層６を同図に示すように幅面部分６ｃと同じ２層構造としても、また外周面部分６ａと同じ３層構造としても、いずれでも良い。
【００１２】
被覆層６における各金属層７，９および絶縁層８は、いずれも溶射層とされている。最外層の金属層９は、表面が機械加工面であっても良い。すなわち、金属層９は、研削代を含む厚さに溶射され、溶射の後に外径面等が所定の寸法となるように、研削等の機械加工を施しても良い。
溶射は、超高温で溶射すべき材料（パウダー状またはロッド状等）を溶融し、ジェット噴流によりワークに衝突させることで表面膜を形成するものであるが、密着力を高めるためには、比較的超高速ジェットと超高温が得られる溶射装置を用い、適正な溶射条件を設定することが望まれる。
溶射層からなる各金属層７，９および絶縁層８は、微細な気孔が存在するため、溶射完了後に、気孔部に水分が入り込まないように、封孔処理を施す。封孔処理は、浸透性の良い樹脂や接着剤、あるいは無機微粉末等で行う。
【００１３】
絶縁層８となるセラミックス材料としては、アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）、グレーアルミナ、酸化チタン（ＴｉＯ₂）、酸化クロム（Ｃｒ₂Ｏ₃）等の金属酸化物、またはこれらをベース材料とした複合金属酸化物等が用いられる。
金属層７，９の材料は、Ａｌ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ｆｅ等が用いられ、またはこれらの材料を混合した複合材料が用いられる。金属層７，９は、溶射後の硬さがＨｖ４５０以下、好ましくはＨｖ３００以下の比較的柔らかい材質のものが好ましい。また、金属層７，９は非絶縁体であり、通電性を有するものであることが好ましい。
【００１４】
図２は、この実施形態の電食防止型転がり軸受１を設置した軸受装置を示す。ハウジング１０内に、２つの電食防止型転がり軸受１が、背面を向き合うように配置され、両軸受の背面、つまり外輪３の小径側幅面３ｂは、ハウジング１０の内径面に設けられた鍔部１０ａの側面に当接している。両軸受１の外輪３は、ハウジング１０の内径面に圧入により固定されている。両軸受の内輪２は、軸１１の外径面に止まり嵌めまたは緩み嵌め状態に嵌合している。片方（図の右側）の軸受１の内輪２は、軸１１の段面１１ａに係合し、両軸受１の内輪２は、両者間に介在した内輪間座１２および他の内輪間座１３と共に、雌ねじ部材または止め輪（図示せず）によって、上記段面１１ａに押し付け状態に固定されている。
【００１５】
この構成の電食防止型転がり軸受１によると、被覆層６が金属層７，セラミックスの絶縁層８，金属層９からなる３層構造とされているため、上記提案例と同様に次の各効果が得られる。すなわち、外輪３とハウジング１０との間に、セラミックスの絶縁層８が介在することにより、この間で絶縁性が確保され、内輪２に嵌合する軸１１とハウジング１０との間の電気絶縁性が確保される。内層側の金属層７は、セラミックスからなる絶縁層８の密着性を改善する。外層側の金属層９は、外輪３をハウジング１０に締まり嵌めする場合に、圧入時に絶縁層８が剥離することを防止する。
【００１６】
この軸受１の特徴として、被覆層６における外輪３の非負荷側幅面３ｃを覆う部分６ｃを、周面を覆う部分６ａよりも積層数が少ないものとしたため、つまり図３（Ｂ）に示すように被覆層６の全体を３層構造としたものに対して、溶射層の一部を減らしたため、それだけ溶射工程が簡素化され、加工工数、加工時間の削減が可能となり、コスト低減が図れる。溶射層の層数を減らすのは、外輪３の非負荷側幅面３ｃを覆う部分６ｃであり、またその層数を減らした部分は、最外層がセラミックスの絶縁層８であるため、軸受１の使用時や嵌合作業等の取り扱い時において、被覆層６の強度不足の問題がなく、また電気絶縁性が確保される。このように、被覆層６の機能低下を抑えて、溶射層の削減によるコスト低減が得られる。
また、テーパころ軸受は、前述のように溶射加工時にその冷却のために、大径側の幅面３ｃにおける被覆層６の溶射時の捲くれが生じ易いが、この実施形態では、上記のように被覆層６における大径側の幅面３ｃの積層数を減らすため、捲くれが生じ難くなる。
【００１７】
次に試験結果を説明する。溶射層の一部を無くしたため、落下衝撃時の割れ、および絶縁抵抗値の低下がないかを確認する試験を行った。供試品は、図３（Ａ）と共に説明した実施例にかかる外輪３、および同図（Ｂ）に示す全体が３層の被覆層６を持つ外輪３である。試験は、高さ１００ｍｍの位置から鉄板上に落下させ、セラミックスの絶縁層８のクラックの有無の確認と、絶縁抵抗の測定とを行った。各外輪３の落下時に最初に鉄板に当たる部位は、外周面と幅面との間の面取部とした。この試験結果を表１に示す。
【００１８】
【表１】

【００１９】
表１に示す試験結果から、落下衝撃時の割れおよび絶縁抵抗値の低下は見られず、実用可能であることが確認された。
【００２０】
なお、上記実施形態では、被覆層６を基本的に３層構造としたが、図４に示すように、被覆層６Ａにおける外輪３の外周面３ａを覆う部分６ａ、および負荷側幅面６ｂを覆う部分６ｂを、最内層がセラミックスの絶縁層８、最外層が金属層９となった２層構造としても良い。その場合、被覆層６Ｂにおける外輪３の非負荷側幅面３ｃを覆う部分６ｃは、外周面を覆う部分６ａよりも積層数が１層分少なく、セラミックスの絶縁層８だけの単層としても良い。
また、この実施形態の場合、外輪３に直接に接する溶射層がセラミックスの絶縁層８となるため、外輪３の絶縁層８が溶射される面３ａ，３ｂ，３ｃは、密着性向上処理面とすることが好ましい。密着性向上処理面３ａ〜３ｃは、サンドブラスト処理面等の粗面化処理面とする。
【００２１】
このように、被覆層６を２層構造とした場合は、より一層、溶射工程が簡素化される。この場合に、被覆層６の外輪非負荷側幅面３ｃを覆う部分６ｃは、セラミックスの絶縁層８からなる単層構造としたため、さらに加工工数、加工時間の削減が可能となり、コスト低減が図れる。テーパころ軸受の場合に、このように外輪非負荷側幅面３ｃとなる大径側幅面の溶射層を単層したときは、溶射時の冷却に伴うまくれ防止が、より一層確実になる。
なお、この実施形態では、セラミックスの絶縁層８が外輪３に直接に接するため、絶縁層８の密着性が問題となるが、上記のように外輪３に粗面化処理を施すなど、適宜の工夫によって、セラミックスの絶縁層８の密着性について改善することが可能である。
【００２２】
図５は、この発明の参考提案例を示す。この電食防止型転がり軸受１Ａは、円筒ころ軸受からなり、詳しくは内輪２Ａが鍔無しで、外輪３Ａが両鍔付きとされ、転動体５Ａが円筒ころとされている。
被覆層６Ａは、外輪３Ａのハウジングに取付けられる外周面３Ａａから両側の幅面３Ａｃに渡って設けられている。被覆層６Ａにおける外輪３Ａの外周面３Ａａを覆う部分６Ａａは、最内層が金属層７、中間層がセラミックスの絶縁層８、最外層が金属層９となった３層構造とされている。被覆層６Ａにおける外輪３Ａの両側の幅面である非負荷側幅面３Ａｃを覆う部分６Ａｃは、外周面を覆う部分６Ａａよりも積層数が１層分少なく、内層が金属層７、外層がセラミックスの絶縁層８となっている。内輪両鍔無しの円筒軸受の場合は、その構造上、外輪３Ａの両側の幅面３Ａｃ，３Ａｃが非負荷側幅面となる。
【００２３】
このように、円筒ころ軸受に適用した場合も、外輪３Ａの非負荷側幅面を覆う部分を、周面を覆う部分よりも積層数が少ないものとしたため、電気絶縁性に優れ、絶縁層の軌道輪への密着性、または締まり嵌め時の剥離防止性を得ながら、溶射工程の簡素化により、加工工数、加工時間の削減が可能となり、コスト低減が図れる。
【００２４】
【発明の効果】
この発明の電食防止型転がり軸受は、テーパころ軸受からなる軸受の軌道輪のハウジングまたは軸に取付けられる周面から両側の幅面に渡って溶射層からなる被覆層を設け、この被覆層における上記軌道輪の周面を覆う部分を、セラミックスの絶縁層と金属層を積層した２層構造または３層構造とし、上記被覆層における軌道輪の非負荷側幅面となる大径側幅面を覆う部分を、周面を覆う部分よりも積層数が少なく、かつ最外層がセラミックスの絶縁層となるものとしたため、電気絶縁性に優れ、絶縁層の軌道輪への密着性、または締まり嵌め時の剥離防止性を得ながら、溶射工程の簡素化により、加工工数、加工時間の削減が可能となり、コスト低減が図れる。上記軸受がテーパころ軸受であるので、溶射時にまくれの生じやすい大径側幅面におけるまくれが生じ難くなる。
上記被覆層における上記軌道輪の外径面および負荷側の幅面を覆う部分の最外層を金属層にした場合は、軌道輪の締まり嵌め時の被覆層の剥離が防止され、また使用時や取り扱い時における負荷側幅面での被覆層の損傷が防止される。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施形態にかかる電食防止型転がり軸受の部分断面である。
【図２】同軸受を用いた軸受装置の断面図である。
【図３】（Ａ）は同軸受の外輪の部分拡大断面図、（Ｂ）は従来の軸受における外輪の部分断面図である。
【図４】この発明の他の実施形態における外輪の部分断面図である。
【図５】この発明の参考提案例を示す軸受の部分断面図である。
【符号の説明】
１…電食防止型転がり軸受
２…内輪（軌道輪）
３，３Ａ…外輪（軌道輪）
３ａ，３Ａａ…外周面
３ｂ，３Ａａ…荷重負荷側幅面
３ｃ，３Ａｃ…荷重非負荷側幅面
５…転動体
６…被覆層
７…金属層
８…セラミックスの絶縁層
９…金属層

Claims

テーパころ軸受からなる軸受の軌道輪のハウジングまたは軸に取付けられる周面から両側の幅面に渡って溶射層からなる被覆層を設け、この被覆層における上記軌道輪の周面を覆う部分を、セラミックスの絶縁層と金属層を積層した２層構造または３層構造とし、上記被覆層における軌道輪の非負荷側幅面となる大径側幅面を覆う部分を、周面を覆う部分よりも積層数が少なく、かつ最外層がセラミックスの絶縁層となるものとした電食防止型転がり軸受。
上記被覆層における上記軌道輪の外径面および負荷側の幅面を覆う部分の最外層を金属層にした請求項１に記載の電食防止型転がり軸受。