JP6283238B2 - 軸受 - Google Patents

Description

本発明は、軸受の摩耗または焼付きを抑制する技術に関する。

内燃機関や圧縮機などで用いられる軸受の摩耗・焼付きを抑制する技術が検討されている。特許文献１には、炭素粒子を沈着した樹脂層によって被覆された軸受が記載されている（Ｆｉｇ．３参照）。特許文献２には、軸受合金層と、軸受合金層の表面を被覆する中間層と、中間層の表面を被覆するオーバレイ層とを有し、オーバレイ層の表面側から摩耗された際に、軸受合金層に設けられた環状溝の凹部内に残存するオーバレイ層と中間層、および軸受合金層の山部をそれぞれ露出させるすべり軸受において、山部の高さやオーバレイ層の厚みなどを所定の範囲に設定したすべり軸受が記載されている（段落６、図１参照）。

米国特許６０９９２７８号明細書 特許２９７４０４４号明細書

軸受の摩耗・焼付きを防止するためには、軸が回転しているときに軸と軸受との間に油膜が形成されていることが重要である。油膜を形成させるためには、軸と軸受との間に潤滑油を保持する空間が存在することが望ましい。そこで、軸受の摺動面には、潤滑油を保持する空間として、いわゆる油溝が設けられる場合が多い。一方、軸が停止しているときに油溝に保持された潤滑油が軸と軸受との接触面に放出されないと接触面が乾燥してしまい、再度、軸を回転させるときに軸受に摩耗や焼付きが生じ易くなるという問題がある。

本発明の目的の一つは、軸が回転しているときに、軸受と軸との接触面に油を保持して軸受の摩耗・焼付きを抑制するとともに、軸が回転していないときに、軸受と軸との接触面の乾燥を抑制することである。

上述した課題を解決するため、本発明に係る軸受は、軸と摺動する内周面を有する基材と、前記内周面を被覆し、凹部を有する第１樹脂層と、前記第１樹脂層よりも弾性率が小さい第２樹脂層とを有し、前記軸側の表面には、前記第１樹脂層および前記第２樹脂層が段差を有して露出しており、前記表面と接触する軸が回転して該軸との間に満たされた油膜により該表面にかかる面圧が上昇すると、前記第１樹脂層が露出している部分と前記第２樹脂層が露出している部分との前記段差が増加することを特徴とする。

上述の態様において、前記第１樹脂層の凹部は、前記軸の摺動方向に沿って形成された複数の溝であることが望ましい。

また、好ましくは、前記第２樹脂層は、少なくとも前記第１樹脂層の前記凹部上に形成されているとよい。

また、好ましくは、前記表面に６メガパスカルの面圧がかかった状態で、前記第１樹脂層が露出している部分と前記第２樹脂層が露出している部分とに１マイクロメートル以上の段差が生じるとよい。

本発明によれば、軸が回転しているときに、軸受と軸との接触面に油を保持して軸受の摩耗・焼付きを抑制するとともに、軸が回転していないときに、軸受と軸との接触面の乾燥を抑制することができる。

一実施形態に係る軸受の概要を示す図。 図１における矢視II−II方向に沿って軸受の断面を見た図。 基材１０の内周面に樹脂層が被覆される工程を説明するための図。 軸が回転しているときの軸受を示す図。 接触面に生じる段差を説明するための図。 溝の形状の例を説明するための図。 変形例における溝の形状を説明するための図。 変形例における樹脂層の構成を説明するための図。

１．実施形態
以下、図において、本発明の一実施形態である軸受１を、ｘｙｚ右手系座標空間により説明する。図に示す座標記号のうち、白い円の中に黒い円を描いた記号は、紙面奥側から手前側に向かう矢印を表している。この座標空間においてｘ軸に沿う方向をｘ軸方向という。また、ｘ軸方向のうち、ｘ成分が増加する方向を＋ｘ方向といい、ｘ成分が減少する方向を−ｘ方向という。ｙ、ｚ成分についても、上記の定義に沿ってｙ軸方向、＋ｙ方向、−ｙ方向、ｚ軸方向、＋ｚ方向、−ｚ方向を定義する。

図１は、一実施形態に係る軸受１の概要を示す図である。軸受１は、基材１０と、樹脂層１１とを有する。基材１０は、図中においてｚ軸方向に伸びる直線Ｏを中心とする筒状の部材である。基材１０は、鋳鉄で形成されてもよいし、アルミニウム、ステンレス鋼など各種の材料に対して、焼結、鍛造、切削、プレス、溶接などの各種の加工処理を施すことで形成されてもよい。また、基材１０はセラミック製であってもよい。基材１０は、直線Ｏを中心とする軸を内周面の側に収容し、収容された軸は、この内周面と摺動する。基材１０の内周面は、樹脂層１１によって被覆されている。

なお、軸受１は、一体として筒状に成形されていてもよいが、直線Ｏを通るいずれかの平面などで２以上に分割された部材を組合せて形成されてもよい。また、基材１０は、樹脂層１１によって被覆される前に軸を収容するように成形されてもよいが、樹脂層１１によって被覆された後に成形されてもよい。

図２は、図１における矢視II−II方向に沿って軸受１の断面を見た図である。図２において、ｚ軸方向は図１における直線Ｏの伸びる方向であり、＋ｙ方向は直線Ｏから遠ざかる方向である。

樹脂層１１は、第１樹脂層１１１と、第２樹脂層１１２とを有する。第２樹脂層１１２は、第１樹脂層１１１よりも弾性率（例えば体積弾性率）が小さくなるように材料および組成を調整されている。第１樹脂層１１１および第２樹脂層１１２は、例えば、ポリアミドイミド系樹脂、ポリイミド系樹脂、これら樹脂のジイソシアネート変性、ＢＰＤＡ変性、スルホン変性樹脂、エポキシ樹脂、ポリエーテルエーテルケトン樹脂、フェノール樹脂、ポリアミド、エラストマーのいずれか１種以上をバインダー樹脂として含有する。

また、第１樹脂層１１１および第２樹脂層１１２は、例えば、グラファイト、カーボン、二硫化モリブデン、ポリテトラフルオロエチレン、窒化ホウ素、二硫化タングステン、フッ素系樹脂、軟質金属（例えばＳｎ、Ｂｉなど）のいずれか１種以上を固体潤滑剤として含有してもよい。

図２に示すように、樹脂層１１と基材１０との間には、これらの密着性を高めるために焼結材１２が散布されていてもよい。また、樹脂層１１と基材１０との密着性を高めるために、基材１０の内周面Ｆ０に対してサンドショットや薬剤塗布などにより粗面処理を行ってもよい。

基材１０の内周面Ｆ０には、最も薄い部分が厚みｔ１であり、最も厚い部分が厚みｔ０である第１樹脂層１１１が形成されている。そして、第１樹脂層１１１の薄い部分には、最大の厚みが厚みｔ２である第２樹脂層１１２が形成されている。第１樹脂層１１１および第２樹脂層１１２は、ともに、接触面Ｆ１を形成している。軸受１が支持する軸が静止状態のとき、接触面Ｆ１には段差がなく、第１樹脂層１１１および第２樹脂層１１２のいずれもが、この接触面Ｆ１により油膜を介して軸に接触する。すなわち、樹脂層１１は、軸に対向する方向（図２において−ｙ方向）の側において接触面Ｆ１を形成しており、この接触面Ｆ１において第１樹脂層１１１および第２樹脂層１１２のいずれもが露出している。以下、接触面Ｆ１のうち、第１樹脂層１１１の露出部分であって第１樹脂層１１１が油膜を介して軸と接触する部分を第１接触面Ｆ１１とし、第２樹脂層１１２の露出部分であって第２樹脂層１１２が油膜を介して軸と接触する部分を第２接触面Ｆ１２とする。図２に示すように、第１接触面Ｆ１１と第２接触面Ｆ１２とは、軸の方向に沿って交互に配置されている。

図３は、基材１０の内周面に樹脂層１１が被覆される工程を説明するための図である。まず、基材１０の内周面Ｆ０に焼結材１２が散布され、内周面Ｆ０が粗面処理される。粗面処理された内周面Ｆ０の−ｙ方向には、第１樹脂層１１１が形成される。ここで、形成された第１樹脂層１１１には、ｚ軸方向にわたって凹凸が存在しており、ｚ軸方向の異なる位置において、ｙ軸方向の厚みが異なることがある。例えば、第１樹脂層１１１の表面Ｆ２は、図３に示すように、傾斜角の異なる斜面がｚ軸方向に交互に並んだ形状を有している。このような表面Ｆ２を有する第１樹脂層１１１は、プリント印刷などにより形成される。この段階における第１樹脂層１１１は、最も薄い部分（凹部）の厚みが厚みｔ０より薄く、最も厚い部分（凸部）の厚みが厚みｔ０よりも厚い。

形成された第１樹脂層１１１の表面Ｆ２の−ｙ方向には、第２樹脂層１１２が形成される。第２樹脂層１１２は、樹脂の塗布・乾燥などの工程を経て形成される。形成された第２樹脂層１１２は、−ｙ方向の側に表面Ｆ３を有しており、この表面Ｆ３には第１樹脂層１１１が露出していない。このとき、基材１０の内周面Ｆ０から表面Ｆ３までは厚みｔ（ｔ＞ｔ０）である。このように形成された表面Ｆ３を、図３に示す接触面Ｆ１まで研磨または掘削することにより、図２に示した樹脂層１１が形成される。なお、このように、第１樹脂層１１１の凹部の上に第２樹脂層１１２が形成されるため、第２樹脂層１１２は、第１樹脂層１１１よりも軸の近くに設けられる。

図４は、軸が回転しているときの軸受１を示す図である。軸が回転すると、軸と接触面Ｆ１との間に挟まれた潤滑油により形成される油膜の圧力が増加し、接触面Ｆ１が＋ｙ方向に押される。第２樹脂層１１２は、第１樹脂層１１１よりも体積弾性率が小さいので、体積弾性率の逆数である圧縮率が大きい。すなわち、同じ油膜圧力の下で、第２樹脂層１１２は、第１樹脂層１１１よりも圧縮されて小さくなる。

例えば、図２に示すように、軸が回転していないとき、第１樹脂層１１１は、最も薄い部分で厚みｔ１、最も厚い部分で厚みｔ０であり、この差である厚みｔ２＝（ｔ０−ｔ１）は、第２樹脂層１１２の厚みｔ２と等しい。

一方、図４に示すように、軸が回転しているとき、第１樹脂層１１１は、最も薄い部分で厚みτ１、最も厚い部分で厚みτ０となる。このとき、油膜の圧力ｐが生じているため、第１樹脂層１１１の厚みは全体的に静止状態に比べて小さくなっている（ｔ０＞τ０、ｔ１＞τ１）。そして、第２樹脂層１１２は、厚みτ２となっている。ここで、第２樹脂層１１２の体積弾性率が第１樹脂層１１１の体積弾性率に比べて小さいため、第１樹脂層１１１に比べて同じ圧力下における歪みが大きい。したがって、軸が回転しているとき、第２樹脂層１１２は、第１樹脂層１１１よりも相対的に小さくなる（τ２＜（τ０−τ１））。

これにより、樹脂層１１の接触面Ｆ１には段差δが生じる。図５は、接触面Ｆ１に生じる段差δを説明するための図である。軸が回転することにより、軸と軸受１との間に満たされた油膜の圧力が上昇し、その圧力が軸受１の樹脂層１１にかかる。これにより、第１樹脂層１１１および第２樹脂層１１２がいずれも油膜の圧力に応じて圧縮されるが、第２樹脂層１１２の体積弾性率が第１樹脂層１１１の体積弾性率に比べて小さいため、第２樹脂層１１２は、第１樹脂層１１１よりも圧縮されて、第２接触面Ｆ１２が第１接触面Ｆ１１よりも軸から遠ざかる。すなわち、第２接触面Ｆ１２は、第１接触面Ｆ１１よりも深くなる。このときの第１接触面Ｆ１１と第２接触面Ｆ１２とのｙ軸方向の距離が段差δである。段差δは、第１接触面Ｆ１（第１樹脂層１１１が露出している部分）と、第２接触面Ｆ１２（第２樹脂層１１２が露出している部分）との、軸からの距離の差でもあり、τ０、τ１、τ２、で表すと、δ＝τ０−（τ１＋τ２）である。このように、軸が回転しているときに、第２接触面Ｆ１２が第１接触面Ｆ１１よりも軸から遠ざかるために、第２接触面Ｆ１２の部分に溝１３が形成される。溝１３は、潤滑油を保持する空間として機能する。具体的には、軸が回転することにより、油膜の圧力が６メガパスカルとなったとき、軸受１の接触面Ｆ１には６メガパスカルの面圧がかかった状態になり、段差δ（溝１３の深さ）、すなわち、第１接触面Ｆ１１と第２接触面Ｆ１２との軸からの距離の差は１マイクロメートル以上となる。

以上、説明した構成により、軸が回転して油膜の圧力が上昇したときには、溝１３が形成されるので、軸受１の潤滑油の保持力が向上し、この構成を有しない場合に比べて、軸受１の摩耗や焼付きが防止される。また、軸が回転していないときには溝１３が形成されないか、軸が回転しているときに比べて小さいので、溝１３が保持した潤滑油が接触面Ｆ１に放出され易く、接触面Ｆ１が乾燥し難い。その結果、軸受１は、再び軸が回転し始めたときに負荷がかかり難く、摩耗や焼付きが防止される。

油膜の圧力が６メガパスカルとなる軸受の具体例としては、冷媒を使用した圧縮機、特にスクロール式圧縮機や斜板式圧縮機などの軸受が挙げられる。軸受における圧力は、圧力測定用フィルムや接触顕微鏡などにより確認される。

２．変形例
以上が実施形態の説明であるが、この実施形態の内容は以下のように変形し得る。また、以下の変形例を組み合わせてもよい。
２−１．溝の形状
上述した実施形態において、第１接触面Ｆ１１と第２接触面Ｆ１２とは、軸の方向に沿って交互に配置されていたため、溝１３は軸に交差する方向に形成されていたが、溝１３は様々な形状を取り得る。図６は、溝１３の形状の例を説明するための図である。溝１３は、図６（ａ）に示すように、軸の中心である直線Ｏに垂直に形成されていてもよい。この場合、溝１３は、軸の摺動方向に沿っており、樹脂層１１において、直線Ｏを中心とする複数の環として形成される。なお、溝１３は、軸の回転時において、第１樹脂層１１１の凹部上に形成された第２樹脂層１１２の露出している部分に形成されるので、この場合に、第１樹脂層１１１の凹部は、軸の摺動方向に沿って形成された複数の溝である。

また、溝１３は、図６（ｂ）に示すように、軸を中心とする螺旋状に形成されてもよい。溝１３は、第２樹脂層１１２の第２接触面Ｆ１２が、軸の中心である直線Ｏを中心とした螺旋状に形成されることで、軸が回転したときに第２接触面Ｆ１２が第１接触面Ｆ１１に比べて凹んで形成される。

また、溝１３は格子状に形成されていてもよい。図７は、この変形例における溝１３の形状を説明するための図である。図７に示す溝１３は、軸が回転して油膜の圧力が上昇したときに形成される空間であって、軸に交差する方向に形成されているとともに、軸に沿った方向にも形成されており、これら二方向の溝１３が交差して格子形状を形成している。この場合においても、軸が回転していないときには溝１３が形成されないか、軸が回転しているときに比べて小さいので、溝１３が保持した潤滑油が接触面Ｆ１に放出され易く、接触面Ｆ１が乾燥し難い。また、溝１３は、多角形や円、楕円などを組合せた形状に形成されてもよい。要するに、溝１３は、潤滑油を保持するものであれば、どのような形状で形成されていてもよい。

２−２．樹脂層の配置
上述した実施形態において、第１樹脂層１１１の表面Ｆ２の上に第２樹脂層１１２が形成されるため、第２樹脂層１１２は、第１樹脂層１１１よりも軸の近くに設けられていたが、第１樹脂層１１１と第２樹脂層１１２との配置は、これに限られない。例えば、基材１０の内周面Ｆ０には、先に第２樹脂層１１２が形成され、その上から、すなわち、軸に近い側に、第１樹脂層１１１が形成されてもよい。また、基材１０の内周面Ｆ０には、第１樹脂層１１１と第２樹脂層１１２とがそれぞれ別々に直接、形成されてもよい。

図８は、この変形例における樹脂層１１の構成を説明するための図である。この変形例において、基材１０の内周面Ｆ０には、それぞれ厚みｔ３の第１樹脂層１１１および第２樹脂層１１２が、ｚ軸方向に交互に設けられる。軸が回転していないときに、第１樹脂層１１１および第２樹脂層１１２は、いずれも接触面Ｆ４で、油膜を介して軸に接触する。軸が回転すると、第１樹脂層１１１および第２樹脂層１１２は油膜の圧力に応じて＋ｙ方向に圧縮され、第２樹脂層１１２の第２接触面Ｆ１２は、第１樹脂層１１１の第１接触面Ｆ１１よりも軸から遠ざかる。その結果、第２接触面Ｆ１２と軸との間に溝１３が形成される。この場合においても、軸が回転しているときに形成される溝１３が潤滑油を保持するので、軸受１の潤滑油の保持力が向上し、この構成を有しない場合に比べて、軸受１の摩耗や焼付きが防止される。また、軸が回転していないときには溝１３が形成されないので、溝１３が保持した潤滑油が接触面Ｆ１に放出され易く、接触面Ｆ１が乾燥し難い。

２−３．段差
上述した実施形態において、第１接触面Ｆ１１および第２接触面Ｆ１２はいずれもｚ軸方向にわたって凹凸のない周面であったが、第１接触面Ｆ１１または第２接触面Ｆ１２に凹凸があってもよい。例えば、第１接触面Ｆ１１または第２接触面Ｆ１２には、図５におけるｙ軸方向に差があってもよい。この場合、上述した段差δは、第１接触面Ｆ１１の最も浅い部分と、第２接触面Ｆ１２の最も深い部分との距離である。

また、上述した実施形態において、軸受１が支持する軸が静止状態のとき、接触面Ｆ１には段差がなかったが、段差があってもよい。この場合でも、軸が回転すると第２樹脂層１１２は、第１樹脂層１１１よりも相対的に小さくなり、静止状態と比較して溝１３が深くなるので、軸受１の潤滑油の保持力が向上する。また、軸が停止すると軸が回転しているときに比べて溝１３が浅くなるので、保持した潤滑油が接触面Ｆ１に放出され易く、接触面Ｆ１が乾燥し難くなる。

１…軸受、１０…基材、１１…樹脂層、１１１…第１樹脂層、１１２…第２樹脂層、１２…焼結材、１３…溝、Ｆ０…内周面、Ｆ１…接触面、Ｆ１１…第１接触面、Ｆ１２…第２接触面、Ｆ２…表面、Ｆ３…表面、Ｆ４…接触面、Ｏ…直線

Claims (4)

1. 軸と摺動する内周面を有する基材と、
   前記内周面を被覆し、凹部を有する第１樹脂層と、
   前記第１樹脂層よりも弾性率が小さい第２樹脂層と
   を有し、
   前記軸側の表面には、前記第１樹脂層および前記第２樹脂層が段差を有して露出しており、
   前記表面と接触する軸が回転して該軸との間に満たされた油膜により該表面にかかる面圧が上昇すると、前記第１樹脂層が露出している部分と前記第２樹脂層が露出している部分との前記段差が増加する
   ことを特徴とする軸受。
2. 前記第１樹脂層の凹部は、前記軸の摺動方向に沿って形成された複数の溝である
   ことを特徴とする請求項１に記載の軸受。
3. 前記第２樹脂層は、少なくとも前記第１樹脂層の前記凹部上に形成されている
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の軸受。
4. 前記表面に６メガパスカルの面圧がかかった状態で、前記第１樹脂層が露出している部分と前記第２樹脂層が露出している部分とに１マイクロメートル以上の段差が生じる
   ことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の軸受。

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