JP6810831B2 - グリース組成物を用いた転がり軸受 - Google Patents
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Description
転がり軸受のフレッチング摩耗を抑制・低減するために、例えば特許文献1には、増ちょう剤として芳香族ジウレア化合物、基油として合成炭化水素油を含み、増ちょう剤の凝集体の最大径を20〜150μmとしたグリース組成物が提案されている。
前記転がり軸受は、内輪と、外輪と、複数の球体と、保持器とを備え、
前記グリース組成物は、ポリアルファオレフィンと、脂環−脂肪族ジウレア化合物と、トリフェノキシホスフィンスルフィド及びトリクレジルホスフェートのうち少なくとも一種と、過塩基性カルシウムスルホネート及びバリウムスルホネートのうち少なくとも一種を含有してなる、
転がり軸受に関する。
したがって本発明により、耐フレッチング摩耗特性に特に優れ、ひいては長寿命な製品の提供を可能とし、また、低温音響特性に優れ、低騒音化を実現でき、耐熱性を有する転がり軸受を提供することが可能となる。
一般に広く認識されているフレッチングとは、ASTM D4170試験において再現されるような、軸受を高速で微小揺動した際に生じる摩耗をいう。揺動角は、例えば12度である。
これに対しインパクトフレッチングとは、貨物輸送などの際に生じる衝撃(微小振動)により発生する摩耗を指す。インパクトフレッチングでは、軸受の転動体と内輪・外輪との接触面の略法線方向に衝撃が加わる際、グリースを介さずに金属面同士が接触することで、特徴的な半月状の摩耗痕(例えば後述する例5〜例7で確認された図5(a)〜(c)に示す摩耗痕)が生じる。
こうした問題を解決するべく、本発明者らは、特に耐フレッチング摩耗特性に優れる転がり軸受の構成を、該軸受内に封入するグリース組成物の観点から検討したところ、ポリアルファオレフィンと脂環−脂肪族ジウレア化合物を含有するグリース組成物において、これまで防錆添加剤としての使用が知られている過塩基性カルシウムスルホネートと極圧添加剤であるトリフェノキシホスフィンスルフィドとを組み合わせたグリースの配合が、微小振動環境におけるインパクトフレッチング摩耗の抑制に有効であることを初めて見出した。さらにはこのグリースの配合により、低温下での音響特性にも優れ、耐熱性を有する転がり軸受となることを見出した。
まず以下に添付図面を参照して、本発明に係る転がり軸受の好ましい実施形態について詳細に説明する。なお、以下の実施形態により本発明が限定されるものではない。
内輪11は、図示を省略するシャフトの外周側に、その中心軸と同軸に設置される円筒形の構造体である。外輪12は、内輪11の外周側で、内輪11と同軸に配置される円筒形の構造体である。複数の転動体13の各々は、内輪11と外輪12との間に形成される軸受空間(環状の空間)16内の軌道に配置された球体(玉)である。すなわち、本実施形態における転がり軸受10は玉軸受である。
保持器14は、軌道内に配置されて複数の転動体13を保持する。保持器14は、シャフトの中心軸と同軸に設置される環状体であり、中心軸の方向における一方の側に、転動体13を保持するための複数のポケット(凹部)を備え、各ポケット内に転動体13が収容された構造を有する。
シール部材15は、外輪12の内周面から内輪11側に突起し、軸受空間16を外部から遮断し、密封する。シール部材15により密封された軸受空間16には、グリース組成物Gが封入されている。
以上の構成を有する転がり軸受10において、グリース組成物Gは、転動体13と保持器14との間、および、転動体13と内輪11ないし外輪12との間における摩擦を低減するように作用している。図1に示される構成から解るように、転がり軸受10に封入されたグリース組成物Gは、転がり軸受10が回転する際に、転動体13と内輪11ないし外輪12との間に侵入することになる。
また、波形の保持器31は、玉(転動体13、図示せず)に倣ったポケット35を周方向に沿って所定間隔で形成するように、鋼板をプレス成形した2つの部品36、37を有する。波形の保持器31において、玉は、組立時にポケット35の位置で玉が2つの部品36、37で挟み込まれ、一方の部品36に設けられた爪38を他方の部品37にかしめて固定される。
中でも、転動体(玉)とのクリアランスが狭い冠形保持器は低騒音の用途に好適であり、本発明にあっては、樹脂製冠形保持器を用いることでより低温における音響特性を優れたものとすることができるため好適である。
次に、本発明の転がり軸受に封入されるグリース組成物について説明する。
本発明で使用するグリース組成物は、基油としてポリアルファオレフィン(ポリ−α−オレフィン、PAO)を使用する。
上記ポリアルファオレフィンにおいて、その動粘度の値は特に限定されないものの、低温起動時における異音の発生や、高温下で油膜が形成され難いために起こる焼付といった不具合を考慮すると、40℃における動粘度が20〜150mm2/sの範囲、例えば30〜150mm2/sの範囲、特に40〜100mm2/sの範囲にあるものを挙げることができる。
上記グリース組成物の全量に対するポリアルファオレフィンの割合は70〜90質量%とすることができ、例えば75〜95質量%、75〜85質量%とすることができる。
本発明で使用するグリース組成物は、増ちょう剤としてウレア系増ちょう剤の一種であるジウレア化合物を添加する。
ウレア系増ちょう剤は、耐熱性、耐水性ともに優れ、特に高温での安定性が良好なため、高温環境下での適用箇所において増ちょう剤として好適に用いられている。なおウレア系増ちょう剤としては、ジウレア化合物、トリウレア化合物、ポリウレア化合物などのウレア化合物が挙げられるが、特に、音響特性(静音性)の点から、本発明においてはジウレア化合物が好ましく用いられる。
ジウレア化合物の種類としては、脂環−脂肪族ジウレア化合物が挙げられる。本発明において、ジウレア化合物として脂環−脂肪族ジウレア化合物を含むジウレア化合物を用いることができる。
R1−NHCONH−R2−NHCONH−R3・・・(1)
上記式(1)中、R1及びR3のうち一方は一価の脂肪族炭化水素基を表し、他方は一価の脂環式炭化水素基を表す。
またR2は、二価の芳香族炭化水素基を表す。
上記一価の脂環式炭化水素基としては、例えば炭素原子数5乃至12のシクロアルキル基が挙げられる。
また上記芳香族炭化水素基としては、例えば炭素原子数6乃至20の一価又は二価の芳香族炭化水素基が挙げられる。
ここで使用するアミン化合物として、ヘキシルアミン、オクチルアミン、ドデシルアミン、ヘキサデシルアミン、オクタデシルアミン、ステアリルアミン、オレイルアミンなどに代表される脂肪族アミンや、シクロヘキシルアミンなどに代表される脂環式アミンが用いられる。
またイソシアネート化合物として、フェニレンジイソシアネート、トリレンジイソシアネート、ジフェニルジイソシアネート、ジフェニルメタンジイソシアネート等の芳香族ジイソシアネートなどが用いられる。
なお、アミン原料として芳香族モノアミンと芳香族ジイソシアネートとを用いて得られる芳香族ジウレア化合物を増ちょう剤として用いた場合は、異音が発生するおそれがあるため、使用を控えたほうが良い。
本発明で使用するグリース組成物は、極圧添加剤の一種として使用される、トリフェノキシホスフィンスルフィド(TPPS)及びトリクレジルホスフェート(TCP)のうち少なくとも一種を配合する。
上記トリフェノキシホスフィンスルフィド又はトリクレジルホスフェート(これらを併用する場合はその合計量として)は、グリース組成物の全量に対して、0.1〜10質量%、好ましくは0.1〜5質量%、例えば0.5〜3質量%の量にて使用することが好ましい。
本発明において、「過塩基性」とは、当該化合物の塩基価(全塩基価(Total Base Number;TBN)とも呼称する)が20mgKOH/g以上であることを指す。
なお塩基価はJIS K2501などに定められた測定方法により測定され、試料1g中に含まれている全塩基成分(弱塩基及び強塩基)を中和するのに要する塩酸または過塩素酸と、当量の水酸化カリウムのミリグラム(mg)数をいい、全アルカリ価ともいう。
本発明で使用する過塩基性のカルシウムスルホネートは、塩基価が20mgKOH/g〜500mgKOH/gであるものを好適に使用でき、たとえば20mgKOH/g〜450mgKOH/gであるもの、あるいは20mgKOH/g〜410mgKOH/gであるものを使用できる。
上記過塩基性カルシウムスルホネート又はバリウムスルホネート(これらを併用する場合はその合計量として)は、グリース組成物の全量に対して、0.1〜10質量%、好ましくは0.1〜5質量%、例えば0.5〜3質量%の量にて使用することが好ましい。
また、グリース組成物には、上記必須成分に加えて、必要に応じてグリース組成物に通常使用される添加剤を、本発明の効果を損なわない範囲において含むことができる。
このような添加剤の例としては、酸化防止剤、極圧剤、金属不活性剤、摩擦防止剤(耐摩耗剤)、錆止め剤、油性向上剤、粘度指数向上剤、増粘剤などが挙げられる。
これらその他の添加剤を含む場合、その添加量(合計量)は、通常、グリース組成物の全量に対して0.1〜10質量%である。
上記高分子エステルとしては、例えば脂肪族1価カルボン酸及び2価カルボン酸と、多価アルコールとのエステルが挙げられる。上記高分子エステルの具体例としては、例えばクローダジャパン社製のPRIOLUBE(登録商標)シリーズなどが挙げられるが、これらに限定されるものではない。
また、ポリアルファオレフィンと脂環−脂肪族ジウレア化合物からなるウレア系グリースと、トリフェノキシホスフィンスルフィド及びトリクレジルホスフェートのうち少なくとも一種、並びに、過塩基性カルシウムスルホネート及びバリウムスルホネートのうち少なくとも一種と、所望によりその他添加剤とを配合し、グリース組成物を得ることもできる。
通常、グリースに対する増ちょう剤の含有量は10〜30質量%程度であり、例えば上記のウレア系グリースに対するジウレア化合物(ウレア系増ちょう剤)の含有量は10〜20質量%とすることができる。
中でも、本発明の転がり軸受は、自動車の、特に車載HVAC用のブロワファンや、ラジエータのクーリングファン等における小型モータにおいて、自動車の輸送時において発生し得るインパクトフレッチング摩耗の抑制、並びに、低温下での騒音の低減に効果を発揮し得る。
例えば、上記実施形態及び下記実施例では、転がり軸受として玉軸受を挙げたが、本発明はこれに限定されるものではなく、他の転がり軸受、たとえばころ軸受、針軸受、円錐ころ軸受、球面ころ軸受、スラスト軸受等や、自動車の車軸支持軸受のような軸受ユニットにも適用可能である。
下記各表に示す配合量にて実施例1乃至実施例11、並びに例1乃至例11に使用するグリース組成物を調製した。
(a)基油
・ポリアルファオレフィン(40℃における動粘度:48mm2/s)
・ポリアルファオレフィン(40℃における動粘度:100mm2/s)
・エステル油:東京化成工業(株)製、トリメリット酸トリス(2−エチルヘキシル)(40℃における動粘度:100mm2/s)
・鉱油(40℃における動粘度:40mm2/s)
(b)増ちょう剤
・脂環−脂肪族ジウレア化合物:ジフェニルメタンジイソシアネートと、シクロヘキシルアミン及びステアリルアミンとから合成されるジウレア化合物(シクロヘキシルアミン:ステアリルアミン=3:7(モル比))
(c)添加剤
(c1)極圧添加剤
・トリフェノキシホスフィンスルフィド(TPPS):BASFジャパン(株)製、IRGALUBE TPPT
・ジアルキルジチオリン酸亜鉛(ZnDTP):(株)ADEKA製、アデカキクルーブZ112
・トリクレジルホスフェート(TCP):富士フイルム和光純薬(株)製、リン酸トリトリル
(c2)防錆添加剤
・Caスルホネート(TBN405):塩基価405mgKOH/g、Chemtura社製、Bryton C400
・Caスルホネート(TBN24):塩基価24mgKOH/g、(株)MORESCO製、モレスコアンバーSC−45
・Caスルホネート(TBN0):塩基価0mgKOH/g、(株)MORESCO製、モレスコアンバーSC−45N
・Caスルホネート(TBN505):塩基価505mgKOH/g、Chemtura社製、Bryton C500
・Baスルホネート:(株)MORESCO製、モレスコアンバーSB−50N
(c3)その他添加剤
・金属不活性剤:ベンゾトリアゾール系化合物、城北化学工業(株)製、BT−LX
・酸化防止剤:ジアリールアミン系酸化防止剤、BASFジャパン(株)製、IRGANOX L57
なおその他添加剤は、実施例1乃至実施例11並びに例1乃至例11の各グリース組成物(全質量)に対して、上記金属不活性剤、酸化防止剤をあわせて3質量%となるように添加した。
・転がり軸受:鋼シールド付き玉軸受(内径8mm、外径22mm、幅7mm)
・保持器:樹脂製冠形保持器 又は 波形鋼板保持器
なお、上記実施例1乃至実施例11並びに例1乃至例11のグリース組成物の混和ちょう度を、JIS K 2220 7に従い測定した。
1.低温軸受音響評価
鋼シールド付き玉軸受(内径8mm、外径22mm、幅7mm)に、試験グリース組成物を、軸受容積の25%〜35%で封入した。
この玉軸受を−40℃に保持した後、直ちに音響特性を評価した。
上記の玉軸受をハウジングにセットして、軸受内径にシャフトを挿入して、外輪に対してアキシアル方向より39Nの予圧をかけた後、試験用モータの回転軸にシャフトを結合し、玉軸受が内輪回転するようにした。
ついで、回転速度1,800rpmで回転させ、後述する手順にて音響評価試験を行った。
鋼シールド付き玉軸受(内径8mm、外径22mm、幅7mm)に、試験グリース組成物を、軸受容積の25%〜35%で封入した。
この玉軸受を図3に示す構成で加振機にセットして振動試験を実施した。振動試験は、外輪に対してスプリングにて50Nの予圧をかけ、またシャフトと玉軸受にアキシアル方向から4Nの重りをかけ、室温、周波数10Hz、加速度3G、ストローク15mm、試験時間4時間の条件で実施した。
振動試験実施後の玉軸受を加振機から取り出し、続いて音響特性を評価した。
上記の玉軸受をハウジングにセットして、軸受内径にシャフトを挿入して、外輪に対してアキシアル方向より39Nの予圧をかけた後、試験用モータの回転軸にシャフトを結合し、玉軸受が内輪回転するようにした。
ついで、室温にて、回転速度1,800rpmで回転させ、後述する手順にて音響評価試験を行った。
鋼シールド付き玉軸受(内径8mm、外径22mm、幅7mm)に、試験グリース組成物を、軸受容積の25%〜35%で封入した。
この玉軸受をハウジングにセットして、軸受内径にシャフトを挿入して、外輪に対してアキシアル方向より39Nの予圧をかけた後、試験用モータの回転軸にシャフトを結合し、玉軸受が内輪回転するようにした。
ついで、前記ハウジングを140℃に加熱した状態で回転速度3,000rpmで200時間回転させた後に、下記手順にて音響評価試験を行った。
各試験グリース組成物を使用した玉軸受の音響性能を、アンデロンメータを用いて、Mバンド(300〜1800Hz)のアンデロン値を測定することにより評価した。
詳細には、上述の予圧、温度条件及び回転数の条件にて回転を開始し、回転開始1分後(耐熱性評価の場合には200時間の回転後)の時点において、玉軸受の外輪の外周に半径方向にて速度型ピックアップを接触させ、外輪に伝わる機械的振動を検出してアンデロン値を算出し、以下の基準にて各試験における音響性能を評価した(測定上のアンデロン値の最大値:50)。実施例1乃至実施例11並びに例1乃至例11の試験グリースにつき、それぞれ6個の玉軸受を用いて試験を行い、アンデロン値の平均値を求め、評価に供した。なお、Mバンドの周波数:300〜1800Hzは、人にとって耳障りな音と言われている。
<評価基準(1)低温軸受音響評価>
本実施例の試験条件において、アンデロン値が2を超えると騒音が顕著となるため、2以下を好適と評価する。さらにアンデロン値が1未満となると、静粛性が向上するため、最適と評価する。
E(最適):アンデロン値が1未満
A(好適):アンデロン値が1以上2以下
N(不適):アンデロン値が2超
<評価基準(2)インパクトフレッチング評価>
本実施例の試験条件において、アンデロン値が0.5を超えると異音(傷音)が顕著となるため、0.5以下を好適とする。
A(好適):アンデロン値が0.5以下
N(不適):アンデロン値が0.5超
<評価基準(3)耐熱性評価>
本実施例の試験条件において、アンデロン値が2を超えると騒音が顕著となるため、2以下を好適と評価する。
A(好適):アンデロン値が2以下
N(不適):アンデロン値が2超
また、混和ちょう度が200〜260の範囲(実施例1乃至実施例11)、防錆剤の過塩基性Caスルホネートの塩基価が20〜500mgKOH/gの範囲(実施例1乃至実施例9)にあるグリース組成物を用いることで、低温保持後の音響特性、耐フレッチング摩耗特性、高温保持後の音響特性が優れたものとなることが確認された。
なお、保持器として樹脂製冠形保持器を用いた実施例2は、低温軸受音響評価におけるアンデロン値が0.2(評価:E(最適))となり、同一処方のグリース組成物を用いた波形鋼板保持器(実施例1)を使用した場合の同アンデロン値:1.2(評価:A(好適))と比べてアンデロン値がより低く抑えられ、低温保持後の音響特性により優れることが確認された。
すなわち、基油としてポリアルファオレフィンを採用したグリース組成物とすることで、これを用いた転がり軸受は、低温保持後の音響特性に優れ、耐熱性も有するものとなることが確認された。
また、防錆添加剤として、塩基価が505mgKOH/gの過塩基性Caスルホネートを用いた例4は、実施例2と比べて、低温保持後の音響特性(低温軸受音響特評価におけるアンデロン値:1.5)はやや劣るものの十分に良好な結果となり、耐フレッチング摩耗特性(インパクトフレッチング評価におけるアンデロン値:0.2)も同等の評価を得たものの、高温保持後の音響特性(耐熱性試験におけるアンデロン値:2.5)は大きく悪化する結果となった。
塩基価成分はスラッジ分散能力を有することが知られており、塩基価成分が少ない(例3)と、耐熱性試験で生成した劣化物は十分に分散せず、該劣化物の凝集などにより、軸受の異音を発生させることが確認された。一方、塩基価成分が多すぎても、塩基価成分に由来する灰分の増加に伴い、無機物の凝集によって軸受の異音を発生させることが確認された(例4)。
以上の結果から本発明のグリース組成物において、カルシウムスルホネートの塩基価はは20〜500mgKOH/gが好適であることが確認できる。
また、極圧添加剤としてZnDTPを採用した場合、防錆添加剤をBaスルホネートとした例5及び例6にあっても、低温保持後の音響特性は満足できる結果となったものの(低温軸受音響評価におけるアンデロン値:1.5(例5)、0.5(例6))、実施例10および実施例11と比べて、耐フレッチング摩耗特性が悪化(インパクトフレッチング評価におけるアンデロン値:いずれも0.6)し、また、高温保持後の音響特性(耐熱性試験におけるアンデロン値:3.0(例5)、2.5(例6))も悪化した。
ここで図4及び図5に、実施例1、実施例10、実施例11、例5、例6及び例7における振動試験実施後の軸受レース面の観察結果を示す(図4(a)実施例1、(b)実施例10、(c)実施例11;図5(a)例5、(b)例6、(c)例7)。
図4及び図5に示す通り、振動試験実施後において、実施例1、実施例10及び実施例11のレース面に生じた傷は極めて軽微(走査型白色干渉計により測定された最大谷深さが1μm以下)であるのに対し、例5〜例7においてはインパクトフレッチング摩耗に伴う深く(同3μm以上)、100μm以上にも到達する長い傷がみられ、これが音響特性に影響を与えたとみられることが確認できる。
また、防錆添加剤としてCaスルホネートを用い、極圧添加剤としてTPPS(実施例1、図4(a))、又はZnDTP(例7、図5(c))を用いた場合、ZnDTPを使用した例7の傷の方が明らかに大きいことがわかる。さらに、防錆添加剤をBaスルホネートとし、極圧添加剤をTPPS(実施例10、図4(b))、TCP(実施例11、図4(c))、ZnDTP(例6、図5(b))とした場合においてもレース面の傷の違いは明らかであり、ZnDTPを使用した例6の傷の方が実施例10および11の傷よりも大きい。例5(図5(a))のように例6と保持器が異なる場合でもその差は明確であった。
以上の結果より、トリフェノキシホスフィンスルフィド及びトリクレジルホスフェートのうち少なくとも一種と、過塩基性のカルシウムスルホネート及びバリウムスルホネートのうち少なくとも一種の組み合わせを用いたグリース組成物により、耐フレッチング摩耗特性を優れたものにすることが確認された。
他方、グリース組成物の混和ちょう度が180である例9は、硬質のため離油量が少なくなり、インパクトフレッチング時の接触面への潤滑油の供給が減り、インパクトフレッチング摩耗が発生した。また高温保持後においては、硬質のために基油滲み出しが少なく潤滑性が低くなることに加え、増ちょう剤を起因とする異音の発生のために、音響特性が悪化したと考えられる。
これは、熱膨張係数は鋼板よりも樹脂の方が大きいため、−40℃の低温では樹脂製保持器は鋼板保持器よりも縮む割合が大きくなる。このため、樹脂製保持器では鋼板保持器よりもポケット−ボール間の隙間が小さくなり、低温音響特性が良好となる。
このように樹脂と金属の熱膨張の差が異なるため、樹脂製保持器の方が低温音響特性に有利に働く。
なお、耐熱性試験における音響特性の悪化は、熱膨張の差よりも、グリースの劣化による粘度上昇が主要因となると考えられる。
21…冠形保持器、 24…環状部材 (24a…端面)、 25…ポケット(凹部)、 26(26a、26b)…爪
31…波形保持器、 35…ポケット、 36、37…部品、 38…爪
Claims (5)
- グリース組成物が封入されている転がり軸受であって、
前記転がり軸受は、内輪と、外輪と、複数の球体と、保持器とを備え、
前記グリース組成物は、ポリアルファオレフィンと、脂環−脂肪族ジウレア化合物と、トリフェノキシホスフィンスルフィド及びトリクレジルホスフェートのうち少なくとも一種と、過塩基性カルシウムスルホネート及びバリウムスルホネートのうち少なくとも一種と、
酸化防止剤、金属不活性剤、摩耗防止剤(耐摩耗剤)、及び油性向上剤からなる群から選択される少なくとも一種の添加剤からなり、
前記グリース組成物の全量に対して、
ポリアルファオレフィンを70〜85質量%の量にて、
脂環−脂肪族ジウレア化合物を10〜16質量%の量にて、
トリフェノキシホスフィンスルフィド又はトリクレジルホスフェートを、あるいはこれらを併用する場合はその合計量として、0.5〜3質量%の量にて、
過塩基性カルシウムスルホネート又はバリウムスルホネートを、あるいはこれらを併用する場合はその合計量として、0.5〜3質量%の量にて、それぞれ含有してなる、
転がり軸受。 - 前記保持器は、樹脂製冠形保持器である、
請求項1に記載の転がり軸受。 - 前記グリース組成物は、その混和ちょう度が200〜260である、
請求項1又は請求項2に記載の転がり軸受。 - 前記過塩基性カルシウムスルホネートの塩基価が20〜500mgKOH/gである、
請求項1〜3のいずれか一項に記載の転がり軸受。 - 前記グリース組成物は、トリフェノキシホスフィンスルフィド、及び、バリウムスルホネートを含有する、請求項1〜3のいずれか一項に記載の転がり軸受。
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