JP6517562B2 - 主電動機用軸受 - Google Patents

Description

本発明は鉄道車両の主電動機用軸受に関するものであって、特に、グリース寿命を延伸することが可能な主電動機用軸受に関する。

鉄道車両の主電動機用の軸受は、温度変化に起因した主軸の軸方向への膨張および収縮に対応するため、固定側の軸受として玉軸受が用いられる一方で、自由側の軸受としては主軸の膨張および収縮に対応可能な円筒ころ軸受が用いられる。固定側の玉軸受は、たとえば深溝玉軸受であり、鋼球と鉄板波型保持器とを備えている。また、自由側の円筒ころ軸受は、鋼製の円筒ころと黄銅揉抜保持器とを備えている。そして、これらの主電動機用軸受が高温、高速回転下で使用される場合には、たとえばリチウム石鹸および鉱油を有するグリースが潤滑剤として用いられる。

鉄道車両の主電動機用軸受におけるグリースの潤滑寿命は、軸受の転動疲労寿命に対して短いため、現状では所定の走行距離毎に実施される車両の分解検査においてグリースの詰め替え作業が行なわれる。また、現状のメンテナンス周期においてもグリースの劣化が進行している場合が多く、メンテナンス周期をさらに延伸するためにはグリースの潤滑寿命を延伸することが必要となる。一方で、耐久性を向上させることが可能な軸受として、グリースを容易に供給可能な構造を有する軸受も提案されている（特許文献１）。

転がり軸受や保持器などの摺動面は、潤滑グリースなどが供給されて転がり摩擦またはすべり摩擦を低減している。また、更に摺動性を向上させるための表面処理が摺動面になされている。表面処理の１つにフッ素系樹脂被膜を形成する方法がある。例えば、摺動部材の摺動部に形成したポリテトラフルオロエチレン（以下、ＰＴＦＥという）被膜に５０〜２５０ｋＧｙの線量の放射線を照射することにより、耐摩耗性および基材との密着性を高める方法が知られている（特許文献２）。

特開２０００−２９１６６７号公報 特開２０１０−１５５４４３号公報

特許文献１に示すグリースの劣化は、主電動機の高速回転時の発熱による軸受の昇温や、鋼からなる転動体および保持器の摩擦により生じる金属摩耗粉がグリース中に混入することに主に起因している。そのため、特許文献１に示す方法では、グリースの潤滑寿命を延伸することはできるが、グリースの劣化を抑制することはできないという問題がある。したがって、メンテナンス周期のさらなる延伸という観点から、軸受の昇温やグリース中の金属成分の増加を抑制することにより、グリースの潤滑寿命を延伸することが要求されている。

特許文献２に示す製造方法は、無潤滑下、低面圧の条件下で使用するため、基材との密着性を高める方法であり、主電動機用軸受の摺動面に要求される潤滑グリース中、高滑り速度、高面圧の条件の場合は適用が困難である。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、グリース寿命を延伸することが可能な主電動機用軸受の提供を目的とする。

本発明は、鉄道車両の主電動機の主軸を回転自在に支持する主電動機用軸受であって、この軸受は、（１）内周面に外輪転走面を有し、鋼からなる外輪と、（２）外周面に内輪転走面を有し、この内輪転走面が外輪転走面に対向するように上記外輪の内側に配置され、鋼からなる内輪と、（３）上記外輪転走面および上記内輪転走面に接触し、円環状の軌道上に並べて配置される複数の転動体と、（４）この複数の転動体を周方向に所定のピッチで保持する保持器とを備えており、上記転動体および上記保持器が鉄系金属材からなり、且つ上記保持器表面に架橋フッ素樹脂被膜を有することを特徴とする。

本発明の主電動機用軸受が開放形軸受であることを特徴とする。ここで、開放形軸受とは、外輪と内輪とにより挟まれる空間を閉じるシール部材を有さない軸受を意味する。また、主電動機の主軸の自由側を支持する主電動機用軸受であることを特徴とする。また、保持器表面に形成される架橋フッ素樹脂被膜は、未架橋フッ素樹脂被膜に放射線照射して架橋させた架橋フッ素樹脂被膜であることを特徴とする。

本発明の主電動機用軸受は、架橋フッ素樹脂被膜を有する鉄系金属材保持器を備えているため、金属からなる保持器を備える軸受において問題となる保持器と転動体との摩擦による金属摩耗粉の発生を抑制することができる。このため、グリース寿命を延伸することが可能な主電動機用軸受が得られる。また、開放形軸受とすることにより、主電動機用軸受へのグリースの供給が容易になり、その結果軸受の潤滑が容易になる。また、主電動機主軸の自由側を支持する軸受として、円筒ころ軸受に比べて転がり抵抗が小さい玉軸受を採用することができる。

主電動機用軸受が組み込まれる台車の構成を示す図である。 主電動機の構成を示す図である。 第１軸受装置の構成を示す拡大図である。 第２軸受装置の構成を示す拡大図である。 主電動機用軸受を示す図である。 サバン型摩擦摩耗試験結果を示す図である。 実験例１のＮＭＲチャートの拡大図である。 実験例４のＮＭＲチャートの拡大図である。 実験例６のＮＭＲチャートの拡大図である。 架橋に伴なう−８２ｐｐｍの規格化シグナル強度比である。 グリース潤滑下のサバン型摩擦摩耗試験を示す図である。 無処理試験片の試験後摩耗痕の状態の写真を示す図である。

以下、図面に基づいて本発明の主電動機用軸受を説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付し、その説明は繰返さない。

図１は主電動機用軸受が組み込まれる台車の構成を示す図である。図１を参照して、台車１は、鉄道車両に備えられる台車であって、台車本体２と、主電動機１０と、カップリング３０と、駆動装置４０と、車軸５０と、車輪６０と、車軸軸受装置７０とを備えている。

主電動機１０は、主電動機取付部２ａにおいて台車本体２に支持されている。また、主電動機１０の主軸２０は、カップリング３０を介して駆動装置４０に接続されている。駆動装置４０は、主軸２０に固定された小歯車４１と、車軸５０に固定された大歯車４２とを有し、小歯車４１と大歯車４２とは互いに噛み合うように配置されている。車軸５０には、一対の車輪６０が固定されており、その両端は車軸軸受装置７０により台車本体２に対して支持されている。また、車軸軸受装置７０は、台枠２ｂにおいて台車本体２に支持されている。

主電動機１０による車輪６０の動作について図１を参照して説明する。まず、主電動機１０が動作することにより主軸２０が回転する。このとき、主軸２０の当該回転は、カップリング３０を介して駆動装置４０に伝達され、主軸２０に固定された小歯車４１が回転する。そして、小歯車４１の当該回転により、小歯車４１と噛み合う大歯車４２が回転する。そして、大歯車４２に固定された車軸５０が回転することにより、車軸５０の両端に固定された車輪６０が回転し、台車１が走行する。なお、主電動機１０の動作については後述する。

図２は主電動機１０の構成を示す図である。図２を参照して、主電動機１０は、コイル１２ａを有する固定子１２と、固定子１２に対向するように配置された回転子１３と、固定子１２および回転子１３を取り囲むように配置されたフレーム１１とを主に備えている。回転子１３の中心部（回転軸）を含む部位には、主軸２０が貫通するように固定されている。また、主電動機１０は、主軸２０を主軸２０の外周面２０ａに対向して配置される部材に対して軸周りに回転自在に支持する本実施の形態の主電動機主軸の支持構造としての第１軸受装置８０および第２軸受装置８１をさらに備えている。

図２を参照して、主電動機１０の動作について説明する。まず、３相交流電流が固定子１２のコイル１２ａに供給される。このとき、回転子１３の周りに回転磁界が形成され、この回転磁界により回転子１３に誘導電流が発生する。このように、回転子１３の周りに回転磁界が形成され、かつ回転子１３に誘導電流が発生することにより、回転子１３を回転軸周りに回転させるように働く電磁力が発生し、回転子１３が回転する。そして、回転子１３の当該回転は、主軸２０を介して外部に取り出される。

図２を参照して、主電動機主軸の支持構造について説明する。主電動機主軸の支持構造は、主軸２０の固定側を支持する第１軸受装置８０と、主軸２０の自由側を支持する第２軸受装置８１とを備えている。
図３は第１軸受装置８０の構成を示す拡大図である。図３を参照して、第１軸受装置８０は、第１軸受８２と、第１固定部材としてのハウジング８３と、前蓋８４と、端蓋８５とを備えている。１１は上述したフレームである。第１軸受８２は、外輪８２ａと、内輪８２ｂと、転動体８２ｃと、保持器８２ｄとを有している。第１軸受８２は、前蓋８４と端蓋８５とにより挟まれ、また内輪８２ｂの内周面が主軸２０の外周面２０ａに接触し、かつ外輪８２ａの外周面がハウジング８３に対して固定されている。また、第１軸受８２は、本実施の形態の主電動機用軸受であって、たとえば深溝玉軸受である。

図４は第２軸受装置８１の構成を示す拡大図である。図４を参照して、第２軸受装置８１は、第２軸受８６と、第２固定部材としてのハウジング８３と、前蓋８４と、端蓋８５とを備えている。１１は上述したフレームである。第２軸受８６は、外輪８６ａと、内輪８６ｂと、転動体８６ｃと、保持器８６ｄとを有している。第２軸受８６は、前蓋８４と端蓋８５とにより挟まれ、かつ内輪８６ｂの内周面が主軸２０の外周面２０ａに接触するように配置されている。また、第２軸受８６は、第１軸受８２と同様に、本実施の形態の主電動機用軸受であって、たとえば深溝玉軸受である。

第２軸受８６の外輪８６ａは、主軸２０の軸方向においてハウジング８３に対して相対的に変位することを許容する変位許容部材８７を挟んでハウジング８３に対向して配置されている。より具体的には、変位許容部材８７は、第２軸受８６の外輪８６ａが、ハウジング８３に対して滑ることを許容する部材であって、たとえば金属からなる円筒部材の内周面に樹脂が配置されたすべり軸受である。

図５は主電動機用軸受を示す図である。主電動機用軸受９０は、図３および図４において、第１軸受８２および第２軸受８６として示すように、この鉄道車両の主電動機１０において、主軸２０を、主軸２０の外周面２０ａに対向して配置される部材、たとえばハウジング８３に対して軸周りに回転自在に支持する主電動機用軸受であって、たとえば転がり抵抗の小さい深溝玉軸受である。

図５を参照して、主電動機用軸受９０は、内周面に外輪転走面９１ａを有する外輪９１と、外周面に内輪転走面９２ａを有する内輪９２と、複数の転動体９３と、保持器９４とを備えている。内輪９２は、内輪転走面９２ａが外輪９１の外輪転走面９１ａに対向するように外輪９１の内側に配置されている。外輪９１および内輪９２は、鋼からなっており、たとえばＪＩＳ規格ＳＵＪ２などの高炭素クロム軸受鋼、ＳＣＭ４２０などの機械構造用合金鋼、またはＳ５３Ｃなどの機械構造用炭素鋼からなっている。

転動体９３は、例えばＳＵＪ２からなる鉄系金属材製の玉であり、外輪転走面９１ａおよび内輪転走面９２ａに接触し、外輪転走面９１ａおよび内輪転走面９２ａの周方向に沿った円環状の軌道上に複数並べて配置されている。保持器９４は、鉄系金属材の表面に架橋フッ素樹脂被膜を有する保持器であり、転動体９３を周方向に所定のピッチで保持している。鉄系金属材とは、転がり軸受などに使用される軸受鋼、浸炭鋼、機械構造用炭素鋼、冷間圧延鋼、または熱間圧延鋼等が挙げられる。鉄系金属材は摺動部材の形状に加工後、焼入焼戻し処理することで所定の表面硬度に調整する。例えばクロムモリブデン鋼（ＳＣＭ４１５）を用いた鉄系金属材製保持器の場合、Ｈｖ４８４〜５９５に調整した鉄系金属材を使用することが好ましい。また、冷間圧延鋼（ＳＰＣＣ）を用いた鉄系金属材製保持器の場合、ＨＲＢ６５以下に調整した鉄系金属材を使用することが好ましい。

主電動機用軸受９０は、鉄系金属材の表面に架橋フッ素樹脂被膜を有する保持器９４を備えているため、金属からなる保持器を備える軸受において問題となる保持器と転動体との摩擦による金属摩耗粉の発生を抑制することができる。このように、本実施の形態の主電動機用軸受９０は、グリース寿命を延伸することが可能な主電動機用軸受である。

また、主電動機用軸受９０は、図５に示すように、外輪９１と内輪９２とにより挟まれる空間がシール部材等により閉じられない開放形軸受であってもよい。これにより、主電動機用軸受９０へのグリースの供給が容易になり、その結果主電動機用軸受９０の潤滑が容易になる。

また、主電動機用軸受９０は、上記主電動機用主軸の支持構造において説明したように、主軸２０の自由側を支持していてもよい。このように、主軸の自由側を支持する主電動機用軸受には、円筒ころ軸受に比べて転がり抵抗が小さい玉軸受である主電動機用軸受９０を採用することができる。

保持器９４が有する架橋フッ素樹脂被膜は、鉄系金属材からなる保持器９４の表面に形成された未架橋フッ素樹脂被膜を架橋させた架橋フッ素樹脂被膜である。架橋フッ素樹脂被膜は、鉄系金属材表面に下地層を形成することなく形成することができる。また、この架橋フッ素樹脂被膜は下地層とこの下地層表面に形成された架橋フッ素樹脂層とすることができる。下地層は、耐熱性樹脂および第一のフッ素樹脂を含む混合物層であり、鉄系金属材と架橋フッ素樹脂層との密着性を向上させることができる。

耐熱性樹脂は、下地層および上層膜の焼成時において熱分解しない樹脂である。ここで熱分解しないとは、下地層および上層膜を焼成する温度および時間内において、熱分解を開始しない樹脂である。また耐熱性樹脂は、鉄系金属材との密着性に優れた官能基および第一のフッ素樹脂とも反応する官能基を分子主鎖内または分子端部に有する樹脂であることが好ましい。
耐熱性樹脂としては、エポキシ樹脂、ポリエステル樹脂、アミドイミド樹脂、イミド樹脂、エーテルイミド樹脂、イミダゾール樹脂、ポリエーテルスルホン樹脂、ポリスルホン樹脂、ポリエーテルエーテルケトン樹脂、シリコーン樹脂等が挙げられる。また、フッ素樹脂が塗膜形成時の収縮を防ぐウレタン樹脂、アクリル樹脂を併用することができる。

第一のフッ素樹脂は、下地層を形成する水系塗布液に粒子状に分散できる樹脂であれば使用できる。第一のフッ素樹脂としては、ポリテトラフルオロエチレン（以下、ＰＴＦＥという）粒子、テトラフルオロエチレン−パーフルオロ（アルキルビニルエーテル）共重合体（以下、ＰＦＡという）粒子、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体（以下、ＦＥＰという）粒子、またはこれらの２種以上が好ましく使用できる。

下地層を形成する水系塗布液には、耐熱性樹脂および第一のフッ素樹脂以外に、ポリオキシエチレンアルキルエーテルなどの非イオン界面活性剤、カーボンブラックなどの無機顔料、Ｎ−メチル−２−ピロリドンなどの水に任意に混合する非プロトン系極性溶剤、主溶剤としての水が配合される。また、消泡剤、乾燥剤、増粘剤、レベリング剤、ハジキ防止剤などを配合できる。下地層を形成する水系塗布液としては、例えば、ダイキン工業株式会社製プライマー塗料ＥＫシリーズ、ＥＤシリーズが挙げられる。

第二のフッ素樹脂層は、下地層の表面に形成され放射線により架橋できるフッ素樹脂の層である。第一のフッ素樹脂と第二のフッ素樹脂とは同一であっても異なっていてもよいが、同一のフッ素樹脂を使用することが好ましい。第二のフッ素樹脂としては、ＰＴＦＥ、ＰＦＡ、ＦＥＰ、エチレン・テトラフルオロエチレン共重合体（ＥＴＦＥ）等が挙げられる。これらの樹脂は単独でも混合物としても使用できる。また、これらの中で、耐熱性および摺動性に優れるＰＴＦＥが好ましい。

第二のフッ素樹脂層は、ＰＴＦＥ樹脂粒子を分散させた水分散液を塗布乾燥することにより得られる。ＰＴＦＥ樹脂粒子を分散させた水分散液としては、例えば、ダイキン工業株式会社製ポリフロン＝ＰＴＦＥエナメルが挙げられる。

鉄系金属材からなる保持器表面への架橋フッ素樹脂被膜の形成方法について以下説明する。
（１）鉄系金属材の表面処理
鉄系金属材は、架橋フッ素樹脂被膜形成前にショットブラスト等を用いて、予め金属材表面の粗さ（Ｒａ）を１．０〜２．０μｍに調整し、その後、石油ベンジン等の有機溶剤内に浸漬させ、５分〜１時間程度超音波脱脂を行なうことが好ましい。
（２）下地層を形成する水系塗布液の塗装
下地層を形成する水系塗布液を塗布前に、水分散液の分散性を向上させるために、ボールミルを用いて、例えば４０ｒｐｍで１時間回転させ再分散する。この再分散した水系塗布液を１００メッシュの金網を用いて濾過し、スプレー法を用いて塗布する。
（３）下地層を形成する水系塗布液の乾燥
水系塗布液を塗布後乾燥する。乾燥条件としては、例えば９０℃の恒温槽内で３０分程度の乾燥が好ましい。乾燥後の下地層の層厚さは２．５〜２０μｍ、好ましくは５〜２０μｍ、より好ましくは１０〜１５μｍの範囲内である。２．５μｍ以下であると、被膜の密着不良による剥離や初期摩耗の摩耗により、金属基材が露出するおそれがある。２０μｍ以上であると、被膜形成時のクラック発生や運転中に剥離して潤滑状態が悪化するおそれがある。層厚さを２．５〜２０μｍの範囲とすることで、初期摩耗による金属基材の露出を防止でき、運転中における剥離を長期間にわたって防止できる。

下地層を形成することなく、フッ素樹脂層を形成する場合、上記（２）および（３）の工程を省略できる。

（４）第二のフッ素樹脂層を形成する水系塗布液の塗装
第二のフッ素樹脂層を形成する水系塗布液前に、水分散液の分散性を向上させるために、ボールミルを用いて、例えば４０ｒｐｍで１時間回転させ再分散する。この再分散した水系塗布液を１００メッシュの金網を用いて濾過し、スプレー法を用いて塗装する。
（５）第二のフッ素樹脂層を形成する水系塗布液の乾燥
水系塗布液を塗布後乾燥する。乾燥条件としては、例えば９０℃の恒温槽内で３０分程度の乾燥が好ましい。乾燥後の第二のフッ素樹脂層の層厚さは２．５〜２０μｍ、好ましくは５〜２０μｍ、より好ましくは１０〜１５μｍの範囲内である。２．５μｍ以下であると、被膜の密着不良による剥離や初期摩耗の摩耗により、金属基材が露出するおそれがある。２０μｍ以上であると、被膜形成時のクラック発生や運転中に剥離して潤滑状態が悪化するおそれがある。層厚さを２．５〜２０μｍの範囲とすることで、初期摩耗による金属基材の露出を防止でき、運転中における剥離を長期間にわたって防止できる。
なお、下地層および第二のフッ素樹脂層の塗装方法としては、スプレー法以外にディッピング法、刷毛塗り法など被膜を形成できるものであれば使用できる。被膜の表面粗さ、塗布形状をできるだけ小さくし、層厚さの均一性を考慮するとスプレー法が好ましい。

（６）焼成
第二のフッ素樹脂層の乾燥後、加熱炉内、空気中で第二のフッ素樹脂の融点以上の温度、好ましくは（融点（Ｔｍ）＋３０℃）〜（融点（Ｔｍ）＋１００℃）、５〜４０分の範囲内で焼成する。第一および第二のフッ素樹脂がＰＴＦＥの場合、好ましくは３８０℃の加熱炉内で３０分間焼成する。

（７）第二のフッ素樹脂層の架橋
焼成後の被膜に、照射温度が第二のフッ素樹脂層の融点より３０℃低い温度から該融点の２０℃高い温度以下であり、より好ましくは照射線量が２５０ｋＧｙ超７５０ｋＧｙ以下の条件で放射線を照射してフッ素樹脂層を架橋させる。放射線としては、α線（α崩壊を行なう放射性核種から放出されるヘリウム−４の原子核の粒子線）、β線（原子核から放出される陰電子および陽電子）、電子線（ほぼ一定の運動エネルギーを持つ電子ビーム；一般に、熱電子を真空中で加速してつくる）などの粒子線；γ線（原子核、素粒子のエネルギー準位間の遷移や素粒子の対消滅、対生成などによって放出・吸収される波長の短い電磁波）などの電離放射線を用いることができる。これらの放射線の中でも、架橋効率や操作性の観点から、電子線およびγ線が好ましく、電子線がより好ましい。特に電子線は、電子線照射装置が入手しやすいこと、照射操作が簡単であること、連続的な照射工程を採用することができることなどの利点を有している。

照射温度が第二のフッ素樹脂層の融点より３０℃低い温度から該融点の２０℃高い温度以下の温度範囲以外ではフッ素樹脂層の架橋が十分に進まない。フッ素樹脂層の高硬度化が十分に進まない。また、照射雰囲気は架橋を効率的に行なうため、真空引きや不活性ガス注入により照射領域の酸素濃度を低くする必要がある。酸素濃度の範囲は０〜３００ｐｐｍが好ましい。酸素濃度を以上のような濃度範囲に維持するには操作性やコスト面の観点から窒素ガス注入による不活性雰囲気が好ましい。
照射線量が２５０ｋＧｙ以下であると架橋が不十分となり、摩耗量が大きく、金属基材が露出してしまう場合がある。また、照射線量が１０００ｋＧｙ以上であると架橋が必要以上に進み、被膜の硬度が上昇することで、脆化し、剥離等の被膜損傷が起こりやすくなる場合がある。好ましい照射線量の上限は９００ｋＧｙ以下であり、より好ましくは７５０ｋＧｙ以下である。

照射温度が第二のフッ素樹脂層の融点より３０℃低い温度から該融点の２０℃高い温度以下の温度範囲内、照射線量が２５０ｋＧｙ超７５０ｋＧｙ以下の条件で放射線を照射してフッ素樹脂層を架橋させることにより、押し込み硬さで表される、架橋フッ素樹脂被膜層の表面硬度を５２〜９０ＭＰａ、好ましくは６０〜８５ＭＰａとなるように調整できる。押し込み硬さが５２ＭＰａよりも低いと、摩耗量が大きく、金属基材が露出してしまう場合がある。また、押し込み硬さが９０ＭＰａよりも高いと、被膜の硬度が上昇することで、脆化し、剥離等の被膜損傷が起こりやすくなる場合がある。

また、照射温度が第二のフッ素樹脂層の融点より３０℃低い温度から該融点の２０℃高い温度以下の温度範囲内、照射線量が２５０ｋＧｙ超７５０ｋＧｙ以下の条件で放射線を照射してフッ素樹脂層を架橋させることにより、第二のフッ素樹脂層の融点 が２６５〜３１０℃、好ましくは２７２〜３０１℃となるようにフッ素樹脂層を低融点化できる。融点が３１０℃よりも高いと、摩耗量が大きく、金属基材が露出してしまう場合がある。また、融点が２６５℃よりも低いと、被膜の硬度が上昇することで、脆化し、剥離等の被膜損傷が起こりやすくなる場合がある。

上述した方法により得られた架橋フッ素樹脂被膜層の層厚さは、５μｍ以上４０μｍ未満、好ましくは１５μｍ以上３０μｍ未満である。層厚さが５μｍ未満であると、被膜の密着不良による剥離や初期摩耗の摩耗により、金属基材が露出するおそれがある。４０μｍ以上であると、被膜形成時のクラック発生や運転中に剥離して潤滑状態が悪化するおそれがある。層厚さを５μｍ以上４０μｍ未満の範囲とすることで、初期摩耗による金属基材の露出を防止でき、運転中における剥離を長期間にわたって防止できる。

上述した方法により得られた架橋フッ素樹脂被膜の空気中での耐摩耗性を評価するため、サバン型摩擦摩耗試験にて摩耗量を測定した。試験片、相手材などの試験条件を以下に示す。
（１）試験片の作成
試験片：ＳＰＣＣ製３０ｍｍ×３０ｍｍ、厚さ２ｍｍの金属平板に架橋フッ素樹脂被膜を形成した。下地層はダイキン社製プライマー塗料（型番：ＥＫ−１９０９Ｓ２１Ｒ）、第二のフッ素樹脂層にはダイキン社製トップ塗料（型番：ＥＫ−３７００Ｃ２１Ｒ）を用いた。乾燥時間はそれぞれ９０℃の恒温槽内で３０分間乾燥し、３８０℃の加熱炉内で３０分間焼成した。
その後、以下の条件で試験片に架橋フッ素樹脂被膜側から電子線照射を行なった。
使用装置：株式会社ＮＨＶコーポレーション社製ＥＰＳ−３０００
加速電圧：１．１６ＭｅＶ
照射線量：実験例１が０ｋＧｙ（未照射）、実験例２が８５ｋＧｙ、実験例３が２５０ｋＧｙ、実験例４が５００ｋＧｙ、実験例５が７５０ｋＧｙ、実験例６が１０００ｋＧｙ
線量率：実験例２が３．９ｋＧｙ／ｓ、実験例３、実験例４、実験例５および実験例６が６．１ｋＧｙ／ｓ
コンベア速度：実験例２が３ｍ／分、実験例３および実験例５が２ｍ／分、実験例４および実験例６が１ｍ／分
照射時の被膜温度：３１０℃
照射時のチャンバー内雰囲気：加熱窒素
電子流：実験例２が８．１ｍＡ、実験例３、実験例４、実験例５および実験例６が１２．７ｍＡ
照射幅（コンベア移動方向）：２７．５ｃｍ

（２）実験例の試験片被膜
実験例１：ＰＴＦＥ被膜（照射線量：０ｋＧｙ、被膜の層厚さ：２０μｍ）
実験例２：ＰＴＦＥ被膜（照射線量：８５ｋＧｙ、被膜の層厚さ：２０μｍ）
実験例３：ＰＴＦＥ被膜（照射線量：２５０ｋＧｙ、被膜の層厚さ：２０μｍ）
実験例４：ＰＴＦＥ被膜（照射線量：５００ｋＧｙ、被膜の層厚さ：２０μｍ）
実験例５：ＰＴＦＥ被膜（照射線量：７５０ｋＧｙ、被膜の層厚さ：２０μｍ）
実験例６：ＰＴＦＥ被膜（照射線量：１０００ｋＧｙ、被膜の層厚さ：２０μｍ）

（３）サバン型摩擦摩耗試験の条件
相手材：焼入焼戻し処理したＳＵＪ２製φ４０ｍｍ×幅１０ｍｍ×副曲率Ｒ６０ｍｍのリング
潤滑油：無
滑り速度：０．０５ｍ／ｓ
荷重：５０Ｎ
摺動時間：実験例１は５分間、実験例２、実験例３、実験例４、実験例５および実験例６は６０分間連続で試験
潤滑状態：無潤滑

（４）試験結果
試験結果を図６に示す。比摩耗量は摩耗体積を摺動距離と荷重で除した値であり、形成された摩耗痕の短径、相手材の形状寸法（φ４０ｍｍおよびＲ６０ｍｍ）から摩耗体積を算出した。なお、図６は、実験例１の比摩耗量を１．０とした場合のそれぞれの値の比を示した。
図６に示すように、電子線照射しなかった実験例１に比較して、実験例２、実験例３、実験例４、実験例５および実験例６は優れた比摩耗量を示した。

次に本発明に用いる架橋フッ素樹脂被膜について説明する。一般に、フッ素系樹脂、特にポリテトラフルオロエチレン樹脂は化学的に非常に安定で、有機溶媒などに対しても極めて安定であるため、分子構造あるいは分子量などを同定することは困難である。さらに本発明の摺動部材は架橋による三次元構造を形成しているため、さらに溶媒に溶解し難くなり、構造分析はいっそう困難となる。しかしながら¹⁹Ｆ Ｍａｇｉｃ ａｎｇｌｅ Ｓｐｉｎｎｉｎｇ（ＭＡＳ）核磁気共鳴（ＮＭＲ）法（Ｈｉｇｈ ｓｐｅｅｄ ｍａｇｉｃ ａｎｇｌｅ ｎｕｃｌｅａｒ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）による測定ならびに解析により、架橋フッ素樹脂被膜の三次元構造を同定することが可能となる。

測定は、日本電子株式会社製ＮＭＲ装置ＪＮＭ−ＥＣＸ４００を用いて、好適な測定核種（¹⁹Ｆ）、共鳴周波数（３７６．２ＭＨｚ）、ＭＡＳ（Ｍａｇｉｃ Ａｎｇｌｅ Ｓｐｉｎｎｉｎｇ）回転数（１５および１２ｋＨｚ）、サンプル量（４ｍｍ固体ＮＭＲ管に約７０μＬ）、待ち時間（ｒｅｃｙｃｌｅ ｄｅｌａｙ ｔｉｍｅ）(１０秒)ならびに測定温度（約２４℃）で行なった。結果を図７〜図９に示す。図７は実験例１のＮＭＲ、図８は実験例４のＮＭＲ、図９は実験例６のＮＭＲチャートの拡大図をそれぞれ表す。図７〜図９において上段はＭＡＳ回転数１５ｋＨｚ、下段はＭＡＳ回転数１２ｋＨｚをそれぞれ表す。図１０は架橋に伴い強度が増加する−８２ｐｐｍでのシグナル強度を主シグナルである−１２２ｐｐｍでのシグナル強度で規格化し、グラフにしたものである。図１０において上段は測定値、下段はグラフを表す。このシグナル強度比が高いほど架橋度が進行しているものと考えられる。

放射線照射を行なっていない第二のフッ素樹脂層（実験例１、０ｋＧｙ）を上記の条件で測定すると、ＭＡＳ回転数１５ｋＨｚにおいて、−８２ｐｐｍ、−１２２ｐｐｍ、−１６２ｐｐｍのシグナルが観測された（図７上段）。また、ＭＡＳ回転数１２ｋＨｚにおいて、同じく、−５８ｐｐｍ、−８２ｐｐｍ、−９０ｐｐｍ、−１２２ｐｐｍ、−１５４ｐｐｍ、−１８６ｐｐｍのシグナルが観測された（図７下段）。−１２２ｐｐｍは−ＣＦ₂−ＣＦ₂−結合におけるＦ原子のシグナルであり、−８２ｐｐｍは−ＣＦ₂−ＣＦ₃結合における−ＣＦ₃のＦ原子のシグナルであることが知られている。このことから、ＭＡＳ回転数１５ｋＨｚにおける−８２ｐｐｍおよび−１６２ｐｐｍ、ＭＡＳ回転数１２ｋＨｚにおける−５８ｐｐｍ、−９０ｐｐｍ、−１５４ｐｐｍ、−１８６ｐｐｍのシグナルはスピニングサイドバンド（Ｓｐｉｎｎｉｎｇ Ｓｉｄｅ Ｂａｎｄ：ＳＳＢ）である。なお、−１２２ｐｐｍ〜−１３０ｐｐｍの領域で−１２２ｐｐｍのシグナルに隠れてブロードになっているシグナルが観測されている。このシグナルは−１２６ｐｐｍに観測されるはずの−ＣＦ₂−ＣＦ₃結合における−ＣＦ₂−のＦ原子のシグナルである。従って、放射線照射を行なっていない未架橋の第二のフッ素樹脂層は−ＣＦ₂−ＣＦ₂−結合に帰属する−１２２ｐｐｍ、−ＣＦ₂−ＣＦ₃に帰属する−８２ｐｐｍおよび−１２６ｐｐｍのシグナルを有するＮＭＲチャートで表される。

５００ｋＧｙの線量の放射線を照射した第二のフッ素樹脂層（実験例４、５００ｋＧｙ）の固体¹⁹Ｆ ＭＡＳ ＮＭＲを未架橋の第二のフッ素樹脂層と同じ条件で測定すると、スピニングサイドバンドを除いて、−６８ｐｐｍ、−７０ｐｐｍ、−８０ｐｐｍ、−８２ｐｐｍ、−１０９ｐｐｍ、−１１２ｐｐｍ、−１２２ｐｐｍ、−１２６ｐｐｍ、−１５２ｐｐｍ、および−１８６ｐｐｍのシグナルが観測された（図８上段および図８下段）。−６８ｐｐｍ、−７０ｐｐｍ、−８０ｐｐｍ、−１０９ｐｐｍ、−１１２ｐｐｍ、−１５２ｐｐｍ、および−１８６ｐｐｍのシグナルが放射線照射により新たに出現し、−８２ｐｐｍのシグナルはその強度が未照射より増加していた。

１０００ｋＧｙの線量の放射線を照射した第二のフッ素樹脂層（実験例６、１０００ｋＧｙ）の固体¹⁹Ｆ ＭＡＳ ＮＭＲを未架橋の第二のフッ素樹脂層と同じ条件で測定すると、スピニングサイドバンドを除いて、−６８ｐｐｍ、−７０ｐｐｍ、−７７ｐｐｍ、−８０ｐｐｍ、−８２ｐｐｍ、−１０９ｐｐｍ、−１１２ｐｐｍ、−１２２ｐｐｍ、−１２６ｐｐｍ、−１５２ｐｐｍ、および−１８６ｐｐｍのシグナルが観測された（図９上段および図９下段）。−６８ｐｐｍ、−７０ｐｐｍ、−７７ｐｐｍ、−８０ｐｐｍ、−１０９ｐｐｍ、−１１２ｐｐｍ、−１５２ｐｐｍ、および−１８６ｐｐｍのシグナルが放射線照射により新たに出現し、−８２ｐｐｍのシグナルはそのシグナル強度が５００ｋＧｙ照射時より増加していた。

上記シグナルは、帰属するＦ原子を下線で表せば、例えば−７０ｐｐｍは＝ＣＦ−ＣＦ ₃、−１０９ｐｐｍは−ＣＦ ₂−ＣＦ（ＣＦ₃）−ＣＦ ₂−、−１５２ｐｐｍは＝ＣＦ−ＣＦ＝、−１８６ｐｐｍは≡ＣＦに帰属されることが知られている（Ｂｅａｔｅ Ｆｕｃｈｓ ａｎｄ Ｕｌｒｉｃｈ Ｓｃｈｅｌｅｒ．， Ｂｒａｎｃｈｉｎｇ ａｎｄ Ｃｒｏｓｓ−Ｌｉｎｋｉｎｇ ｉｎ Ｒａｄｉａｔｉｏｎ−Ｍｏｄｉｆｉｅｄ Ｐｏｌｙ（ｔｅｔｒａｆｌｕｏｒｏｅｔｈｙｌｅｎｅ）：Ａ Ｓｏｌｉｄ−Ｓｔａｔｅ ＮＭＲ Ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ．Ｍａｃｒｏｍｏｌｅｃｕｌｅｓ，３３，１２０−１２４．２０００年）。

これらのシグナルは化学的に非等価なフッ素原子の存在を示すと同時に第二のフッ素樹脂層が架橋による三次元構造を形成していることを示す。また、上記文献によれば、観測されるシグナルの強度は照射線量５００ｋＧｙよりも照射線量１０００ｋＧｙの方が強くなり、少なくとも照射線量３０００ｋＧｙまでは、照射線量の増加に伴ってシグナルが強くなることが知られている。なお、上記文献に記載されていないシグナルについては、放射線の照射条件の違いにより第二のフッ素樹脂層の構造が異なっていることが考えられるが、架橋構造が形成されていることは、＝ＣＦ−ＣＦ ₃、−ＣＦ ₂−ＣＦ（ＣＦ₃）−ＣＦ ₂−、＝ＣＦ−ＣＦ＝、≡ＣＦ等の構造が存在することから明白である。

図１０に示すように、規格化シグナル強度比は、照射線量が増加するに従って増加している。照射線量が５００ｋＧｙで明らかに架橋構造が出現し、照射線量が１０００ｋＧｙに２倍になると、規格化シグナル強度比は約３倍になっており、架橋がより進行していることが分かった。

放射線照射によりフッ素樹脂が架橋して表面硬度が高くなる。被膜の押し込み硬さが５２〜９０ＭＰａ、好ましくは６０〜８５ＭＰａとなるように放射線を照射してフッ素樹脂層を高硬度化させる。照射線量は２５０〜７５０ｋＧｙとすることが好ましい。この照射線量の範囲内で摺動層の表面硬度を調整できる。
照射の結果、押し込み硬さが５２ＭＰａよりも低いと、摩耗量が大きく、金属基材が露出してしまう場合がある。また、押し込み硬さが９０ＭＰａよりも高いと、被膜の硬度が上昇することで、脆化し、剥離等の被膜損傷が起こりやすくなる場合がある。

また、放射線照射によりフッ素樹脂が架橋して融点を低下させることができる。焼成後の被膜に、照射温度が第二のフッ素樹脂層の放射線照射前の融点より３０℃低い温度から該融点の２０℃高い温度以下であり、被膜の融点が２６５〜３１０℃、好ましくは２７２〜３０１℃となるように放射線を照射してフッ素樹脂層を低融点化させる。照射線量は２５０〜７５０ｋＧｙとすることが好ましい。照射の結果、融点が３１０℃よりも高いと、摩耗量が大きく、金属基材が露出してしまう場合がある。また、融点が２６５℃よりも低いと、被膜の硬度が上昇することで、脆化し、剥離等の被膜損傷が起こりやすくなる場合がある。

上記架橋フッ素樹脂被膜を有する鉄系金属材製保持器は、架橋フッ素樹脂被膜が鉄系金属材との密着性に優れ、また摺動面がグリース中においても耐摩耗性に優れているので、この保持器を有する軸受装置に好適に用いることができる。特に鉄道車両の主電動機において、電動機の主軸を、この主軸の外周面に対向して配置される部材に対して軸周りに回転自在に支持する主電動機用軸受に好適に用いることができる。

グリースは、高速回転時の発熱による軸受の昇温や、鋼からなる転動体および保持器の摩擦により生じる金属摩耗粉が混入することに起因して劣化する。これに対して、架橋フッ素樹脂被膜層を相互に摺動する鉄系金属材の少なくとも一方に設けることで、鉄同士が相互に摺動する場合よりも、金属摩耗粉の経時的な増加量（グリースへの混入量）を抑えることができる。この結果、グリースの劣化を抑制でき、グリースの潤滑寿命を延伸できる。

グリース潤滑される鉄道車両の主電動機用の軸受は、温度変化に起因した主軸の軸方向への膨張および収縮に対応するため、固定側の軸受として玉軸受が用いられる一方で、自由側の軸受としては主軸の膨張および収縮に対応可能な円筒ころ軸受が用いられる場合がある。固定側の玉軸受は、例えば深溝玉軸受であり、鋼球と鉄板波型保持器とを備えている。また、自由側の円筒ころ軸受は、鋼製の円筒ころと黄銅揉抜保持器とを備えている。これらの主電動機用軸受が高温、高速回転下で使用される場合には、例えば、リチウム石けんおよび鉱油を有するグリースが潤滑剤として用いられる。

このような鉄道車両の主電動機用軸受におけるグリースの潤滑寿命は、軸受の転動疲労寿命に対して短いため、現状では所定の走行距離毎に実施される車両の分解検査においてグリースの詰め替え作業（メンテナンス）が行なわれる。また、現状のメンテナンス周期においても、上記の理由等により、グリースの劣化が進行している場合が多い。この軸受として本発明の転がり軸受装置を適用することで、グリースの潤滑寿命を延伸でき、上記メンテナンス周期を延伸できる。

架橋フッ素樹脂被膜のグリース中での耐摩耗性を評価するため、実験例４の試験片を用い、以下の条件で、グリース潤滑下によるサバン型摩擦摩耗試験にて摩耗量を測定した。比較として、ＳＰＣＣ製３０ｍｍ×３０ｍｍ、厚さ２ｍｍの金属平板のみからなる無処理試験片について、同じ試験を行なった。
（ａ）グリース潤滑下のサバン型摩擦摩耗試験の条件
相手材：焼入焼戻し処理したＳＵＪ２製φ４０ｍｍ×幅１０ｍｍ×副曲率Ｒ６０ｍｍのリング
潤滑剤種：グリース（協同油脂製ユニマックスＲ２）
潤滑剤量：５０ｍｇを相手材リングに手付け
滑り速度：０．０５ｍ／ｓ
荷重：５０Ｎ
摺動時間：１時間または１０時間

（ｂ）試験結果
試験結果を図１１に示す。また、無処理試験片の試験後摩耗痕の状態の写真を図１２に示す。摩耗体積（鉄粉体積）は、形成された摩耗痕の短径、相手材の形状寸法（φ４０ｍｍおよびＲ６０ｍｍ）から算出した。
図１１に示すように、グリース潤滑下において、実験例４は、所定の架橋フッ素樹脂被膜を有さない無処理試験片と比較して優れた耐摩耗性を示した。なお、実験例４では、１時間および１０時間のいずれの場合においても、摩耗による鉄粉は確認されなかった。

本発明は、グリース潤滑下において、高滑り速度、高面圧の条件下においても摩耗を抑制でき摺動材が得られるので、特に、鉄系金属材製保持器を用いたグリース潤滑中で使用される保持器およびこの保持器を用いた鉄道車両の主電動機用軸受の分野で使用できる。

１ 台車
２ 台車本体
２ａ 主電動機取付部
２ｂ 台枠
１０ 主電動機
１１ フレーム
１２ 固定子
１２ａ コイル
１３ 回転子
２０ 主軸
２０ａ 外周面
３０ カップリング
４０ 駆動装置
４１ 小歯車
４２ 大歯車
５０ 車軸
６０ 車輪
７０ 車軸軸受装置
８０ 第１軸受装置
８１ 第２軸受装置
８２ 第１軸受
８３ ハウジング
８４ 前蓋
８５ 端蓋
８６ 第２軸受
８７ 変位許容部材
９０ 主電動機用軸受
９１，８２ａ，８６ａ 外輪
９２，８２ｂ，８６ｂ 内輪
９３，８２ｃ，８６ｃ 転動体
９４，８２ｄ，８６ｄ 保持器
９１ａ 外輪転走面
９２ａ 内輪転走面

Claims (3)

1. 鉄道車両の主電動機の主軸を回転自在に支持する主電動機用軸受であって、この軸受は、
   内周面に外輪転走面を有し、鋼からなる外輪と、
   外周面に内輪転走面を有し、前記内輪転走面が前記外輪転走面に対向するように前記外輪の内側に配置され、鋼からなる内輪と、
   前記外輪転走面および前記内輪転走面に接触し、円環状の軌道上に並べて配置される複数の転動体と、
   前記転動体を周方向に所定のピッチで保持する保持器とを備え、
   前記転動体および前記保持器は鉄系金属材からなり、且つ前記保持器表面に架橋フッ素樹脂被膜を有しており、
   前記架橋フッ素樹脂被膜は、前記鉄系金属材の表面に形成される耐熱性樹脂および第一のフッ素樹脂を含む下地層と、この下地層表面に形成された第二のフッ素樹脂を含む架橋フッ素樹脂層とからなることを特徴とする主電動機用軸受。
2. 前記軸受が開放形軸受であることを特徴とする請求項１記載の主電動機用軸受。
3. 前記架橋フッ素樹脂被膜は、未架橋フッ素樹脂被膜に放射線照射して架橋させた架橋フッ素樹脂被膜であることを特徴とする請求項１または請求項２記載の主電動機用軸受。

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