JP4888401B2

JP4888401B2 - 転がり軸受

Info

Publication number: JP4888401B2
Application number: JP2008005800A
Authority: JP
Inventors: 賢一磯; 浩道武村
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2000-10-19
Filing date: 2008-01-15
Publication date: 2012-02-29
Anticipated expiration: 2021-07-16
Also published as: JP2008164173A

Description

本発明は、グリース組成物を封入した転がり軸受に関し、特に、自動車の電装部品、エンジン補機であるオルタネータや中間プーリ、カーエアコン用電磁クラッチ、水ポンプ、ガスヒートポンプ用電磁クラッチ、コンプレッサ等の高温、高速、高荷重条件下で使用され、更に水が混入しやすい部位に好適な転がり軸受に関する。

一般に、転がり軸受の耐久寿命は、潤滑剤中に水分が混入すると大きく低下する。例えば、潤滑油(＃180タービン油)に６％の水が混入すると、混入がない場合に比べて数分の１〜２０分の１に転がり疲れ強さが低下することが報告されている（非特許文献１参照）。また、潤滑油中にわずか１００ｐｐｍの水分が混入するだけで、鋼の転がり強さが３２〜４８％も低下することが報告されている（非特許文献２参照）。

上記した各部品用軸受は、高温、高速、高荷重下で使用されることが多いため、グリースの分解により水素を発生することがある（特許文献１参照）。また、これらの軸受は、エンジン外部にあるベルト駆動の補助機械用軸受であることから、路面より跳ね上げられる泥水や雨水が浸入しやすく、水ポンプ用軸受では更にエンジン冷却用循環水の浸入も受けやすい。これらの軸受では、通常、接触ゴムシールにより外部からの水の浸入を防止する構成となっているが、完全な防止はできないのが現状である。更に、自動車のエンジンは、稼働と休止を繰り返す機械であるため、エンジンが休止しているときに軸受のハウジング内の温度が下がり、露点に達して軸受周りの空気中の水分が凝縮して水滴となり、軸受に付着したり潤滑剤中に混入したりすることがある。これらの結果、浸入水分により発生した水素が軸受鋼中に侵入して水素脆性による白色組織変化を伴った剥離を引き起こす（特許文献２参照）。

更には、前記各部品用軸受は、ベルトによるプーリ駆動で回転しているため、ベルトとプーリ間に静電気が発生する。通常、軸受回転中は潤滑剤の油膜により内外輪間は絶縁状態になっているが、強振動等により金属接触を引き起こすと内外輪間が一気に導通して内外輪間に大きな電位差が生じる。そして、生じた直流電圧により水が電気分解を起こして水素イオンの発生が促進され、上記したような白色組織変化を伴った剥離がより起こりやすくなる。

古村恭三郎、城田伸一、平川清：表面起点および内部起点の転がり疲れについて、NSK Bearing Journal, No.636, pp.1-10,1977 .Schatzberg. I.M.Felsen;Effects of water and oxygen during rolling contact Iubrication, wear, 12,pp.331-342, 1968 特許第２８７８７４９号公報特開平１１−７２１２０号公報

上述したように、前記各部品用軸受では、外部からの浸入水分に起因して水素脆性による白色組織変化を伴った剥離が発生しやすく、更に静電気により促進されるという問題があり、その防止が新たな重要課題となっている。

従って、本発明は、高温、高速、高荷重条件下で使用され、更に外部からの水の浸入を受けても水素による白色組織変化を伴う剥離を起こすことがなく、長寿命の転がり軸受を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明は、内輪と外輪との間に保持器を介して複数の転動体を略等間隔で回動自在に保持してなり、かつ４０℃における動粘度が１０〜４００ｍｍ^２／ｓである潤滑油を基油とし、増ちょう剤をウレア・ウレタン化合物、ジウレア化合物またはこれらの混合物とし、かつ、平均粒径が３０ｎｍのカーボンブラックまたは直径０．７〜２ｎｍで、全長１０〜３０μｍのカーボンナノチューブを０．５〜１重量％の割合で含有するグリース組成物を封入していることを特徴とする転がり軸受を提供する。

上述したように、ベルトとプーリとの間で発生する静電気が水を電気分解して水素イオンの発生を促進しているが、グリース中の導電性物質により、発生静電気を常時通電させるため、内外輪間の電位差がほとんど無くなって水の電気分解が起こらなくなり、白色組織変化を伴う剥離の発生並びに進行を抑制することができる。

本発明によれば、剥離防止効果に極めて優れた転がり軸受を得ることができ、特に自動車の電装部品、エンジン補機であるオルタネータや中間プーリ、カーエアコン用電磁クラッチ、水ポンプ、ガスヒートポンプ用電磁クラッチ、コンプレッサ等の高温、高速、高荷重条件下で使用され、更に水が混入しやすい部位に好適に使用できる。

以下、本発明の転がり軸受に関してより詳細に説明する。

本発明の転がり軸受は、その構成自体は制限されるものではなく、例えば図１に断面図として示す玉軸受１を例示することができる。この玉軸受１は、内輪１０と外輪１１との間に保持器１２を介して複数の転動体である玉１３を略等間隔で回動自在に保持してなり、更に内輪１０、外輪１１及び玉１３で形成される空所Ｓに後述されるグリース組成物（図示せず）を所定量充填し、シール１４で封止して構成される。

〔基油〕
グリース組成物に使用される基油には、低温流動性不足による低温起動時の異音発生や、高温で油膜が形成され難いために起こる焼付きを避けるために４０℃における動粘度が１０〜４００ｍｍ²／ｓｅｃの潤滑油を用いる。前記動粘度は、より好ましくは２０〜２５０ｍｍ²／ｓｅｃ、更に好ましくは４０〜１５０ｍｍ²／ｓｅｃである。

具体例としては、鉱油系、合成油系または天然油系の潤滑油などが挙げられる。前記鉱油系潤滑油としては、鉱油を減圧蒸留、油剤脱れき、溶剤抽出、水素化分解、溶剤脱ろう、硫酸洗浄、白土精製、水素化精製等を、適宜組み合わせて精製したものを用いることができる。前記合成油系潤滑基油としては、炭化水素系油、芳香族系油、エステル系油、エーテル系油等が挙げられる。前記炭化水素系油としては、ノルマルパラフィン、イソパラフィン、ポリブテン、ポリイソブチレン、１−デセンオリゴマー、１−デセンとエチレンコオリゴマーなどのポリ−α−オレフィンまたはこれらの水素化物などが挙げられる。前記芳香族系油としては、モノアルキルベンゼン、ジアルキルベンゼン、などのアルキルベンゼン、あるいはモノアルキルナフタレン、ジアルキルナフタレン、ポリアルキルナフタレンなどのアルキルナフタレンなどが挙げられる。前記エステル系油としては、ジブチルセバケート、ジ−２−エチルヘキシルセバケート、ジオクチルアジペート、ジイソデシルアジペート、ジトリデシルアジペート、ジトリデシルグルタレート、メチル・アセチルシノレートなどのジエステル油、あるいはトリオクチルトリメリテート、トリデシルトリメリテート、テトラオクチルピロメリテートなどの芳香族エステル油、さらにはトリメチロールプロパンカプリレート、トリメチロールプロパンペラルゴネート、ペンタエリスリトール−２−エチルヘキサノエート、ペンタエリスリトールベラルゴネートなどのポリオールエステル油、さらにはまた、多価アルコールと二塩基酸・一塩基酸の混合脂肪酸とのオリゴエステルであるコンプレックスエステル油などが挙げられる。前記エーテル系油としては、ポリエチレングリコール、ポリプロピレングリコール、ポリエチレングリコールモノエーテル、ポリプロピレングリコールモノエーテルなどのポリグリコール、あるいはモノアルキルトリフェニルエーテル、アルキルジフェニルエーテル、ジアルキルジフェニルエーテル、ペンタフェニルエーテル、テトラフェニルエーテル、モノアルキルテトラフェニルエーテル、ジアルキルテトラフェニルエーテルなどのフェニルエーテル油などが挙げられる。その他の合成潤滑基油としてはトリクレジルフォスフェート、シリコーン油、パーフルオロアルキルエーテルなどが挙げられる。前記天然油系潤滑基油としては、牛脂、豚脂、大豆油、菜種油、米ぬか油、ヤシ油、パーム油、パーム核油等の油脂系油またはこれらの水素化物が挙げられる。これらの基油は、単独または混合物として用いることができ、上述した好ましい動粘度に調整される。

〔増ちょう剤〕
グリース組成物の耐熱性を考慮するとジウレア化合物、ウレア・ウレタン化合物またはこれらの混合物を用いる。耐熱性、音響性を考慮すると、さらに好ましくは、ジウレア化合物を配合することが望ましい。

〔導電性物質〕
導電性物質は、本発明の転がり軸受に封入されるグリース組成物における必須の添加剤である。この導電性物質として、取り扱いや入手のし易さ、潤滑性を低下させない等の理由からカーボンブラックを用いる。また、このカーボンブラックは、グリース組成物中での分散性や音響特性等を考慮すると、平均粒径で３０ｎｍのものを用いる。

また、導電性物質として、カーボンナノチューブも使用することができる。このカーボンナノチューブは、図２に模式的に示されるように、主に炭素六員環の網目状構造が丸まって、両末端が閉口したチューブ状を呈する炭素多面体である。尚、異径のチューブ接合部や末端の閉口部においては、炭素５員環や炭素７員環となっている場合もある。これらカーボンナノチューブは、直径が０．７〜２ｎｍで、長さ１０〜３０μｍのものを用いる。

（濃度）
導電性物質の添加量は、グリース組成物全量に対して０．５〜１量％である。添加量がこれより少ないと、十分な導電性を有することができず、これより多く含有するとグリースが硬化し、焼付き寿命が低下する恐れがあるため好ましくない。また、導電性物質添加後のグリースちょう度が、NLGI No.１〜３であることが、より望ましい。

［その他の添加剤］
潤滑性能をより一層高めるために、必要に応じて酸化防止剤、極圧剤、油性剤、防錆剤、金属不活性剤、粘度指数向上剤等種々の添加剤を単独で、もしくは適宜組み合わせてグリース組成物に添加することができる。これらは何れも公知のもので構わず、また添加量も特に制限されるものではないが、通常は合計でグリース組成物全量の２０重量％以下となるように調製される。

〔製法〕
上記グリース組成物を調整する方法には特に制約はない。しかし、一般的には基油中で増ちょう剤を反応させて得られる。導電性物質は、得られたグリース組成物に所定量を配合することが好ましい。ただし、ニーダやロールミル等で導電性物質を添加した後に十分攪拌し、均一分散させる必要がある。この処理を行うときは、加熱するものも有効である。尚、上記製法において、酸化防止剤、防錆剤等のその他の添加剤は、導電性物質と同時に添加することが工程上好ましい。

以下に、実施例および比較例によりさらに具体的に説明するが、本発明はこれにより何ら限定されるものではない。

（実施例１）
表1に示す組成にて試験グリースを調製した。即ち、先ず、ジイソシアネートを混合した基油（ポリαオレフィン油；ＰＡＯ）に、アミンを混合した基油を反応させ、攪拌加熱して得られた半固体状物に、予め基油に溶解したアミン系酸化防止剤を加えて十分攪拌した。徐冷後、カーボンブラック（平均粒径３０ｎｍ）を添加量が０．０５〜１２重量％となるように変化させて加え、ロールミルを通すことでカーボンブラックの添加量が異なる各種試験グリースを得た。尚、試験グリースのちょう度は、NLGI No.１〜３に調整した。

（急加減速試験）
剥離寿命を、エンジンを用いてオルタネータに組み込んだ軸受を急加減速させることにより評価した。即ち、試験グリースを２．５ｇ封入した単列深溝玉軸受(内径φ１７ｍｍ、外径φ４７ｍｍ、幅１４ｍｍ)をオルタネータに組み込み、エンジン回転数１０００〜６０００ｍｉｎ^-1(軸受回転数２４００〜１３３００ｍｉｎ^-1)の繰り返し、室温雰囲気下、プーリ荷重１５６０Ｎの条件で軸受を連続回転させ、５００時間を目標に試験を行った。そして、軸受外輪転走面に剥離が生じて振動が発生したとき、あるいは剥離が発生しない場合には５００時間経過した時点で試験を終了した。また、試験終了後、軸受内部の組織変化の有無について目視による観察も行った。また、試験は各１０例行い、下記式により剥離発生確率及び組織変化発生確率をそれぞれ算出した。
剥離発生確率＝（剥離発生数／試験数）×１００
組織変化発生確率＝(組織変化発生数／試験数)×１００

（焼付き試験）
内径φ１７ｍｍ、外径φ５２ｍｍ、幅１６ｍｍの接触ゴムシール付き深溝玉軸受に試験グリースを２．３ｇ封入し、内輪回転速度２００００ｍｉｎ^-1、軸受温度１４０℃、ラジアル荷重９８Ｎの条件で軸受を連続回転させた。そして、焼付きが生じて軸受外輪温度が１５０℃以上に上昇したとき、試験を終了した。試験は各４例行い、軸受外輪温度が１５０℃まで上昇するのに要した平均時間が１０００時間以上を合格とした。

上記の急加減速試験及び焼付き試験の結果を図３に示すが、本発明に従い導電性物質であるカーボンブラックを０．５〜５重量％の範囲で添加した試験グリースを封入することにより、剥離発生確率及び組織変化発生確率が共に低く、かつ焼付き寿命にも優れる転がり軸受が得られることがわかる。これに対してカーボンブラックの添加量が０．５重量％未満では、導電性の付与が不十分であり、剥離及び組織変化が発生しやすく、５重量％を超える添加量では焼付きが発生しやすくなる。

（実施例２）
カーボンブラックに代えてカーボンナノチューブ（直径０．７〜２ｎｍ、全長１０〜３０μｍ）を用いた以外は実施例１と同様にして、カーボンナノチューブ添加量が０．０５〜１２重量％の範囲で異なる試験グリースを調製し、同様の急加減速試験及び焼付き試験を行った。

結果を図４に示すが、カーボンブラックの場合と同様に、カーボンナノチューブを０．５〜５重量％の範囲で添加した試験グリースを封入することにより、剥離発生確率及び組織変化発生確率が共に低く、かつ焼付き寿命にも優れる転がり軸受が得られることがわかる

本発明の転がり軸受の一実施形態を示す断面図である。カーボンナノチューブを示す模式図である。実施例１で求められた、カーボンブラックの添加量と、剥離発生確率、組織変化発生確率及び焼付き寿命との関係を示すグラフである。実施例２で求められた、カーボンナノチューブの添加量と、剥離発生確率、組織変化発生確率及び焼付き寿命との関係を示すグラフである。

符号の説明

１玉軸受
１０内輪
１１外輪
１２保持器
１３玉
１４シール

Claims

内輪と外輪との間に保持器を介して複数の転動体を略等間隔で回動自在に保持してなり、かつ４０℃における動粘度が１０〜４００ｍｍ^２／ｓである潤滑油を基油とし、増ちょう剤をウレア・ウレタン化合物、ジウレア化合物またはこれらの混合物とし、かつ、平均粒径が３０ｎｍのカーボンブラックまたは直径０．７〜２ｎｍで、全長１０〜３０μｍのカーボンナノチューブを０．５〜１重量％の割合で含有するグリース組成物を封入していることを特徴とする転がり軸受。
水と接触する部位に使用されることを特徴とする請求項１記載の転がり軸受。