JP6902817B2

JP6902817B2 - 深溝玉軸受用保持器および深溝玉軸受

Info

Publication number: JP6902817B2
Application number: JP2017061782A
Authority: JP
Inventors: 泰裕上堀
Original assignee: NTN Corp
Current assignee: NTN Corp
Priority date: 2017-03-27
Filing date: 2017-03-27
Publication date: 2021-07-14
Anticipated expiration: 2037-03-27
Also published as: WO2018181280A1; JP2018162875A

Description

本発明は深溝玉軸受用保持器に関し、特に、自動車用コンプレッサーや自動車用モータにおいて高ミスアライメントかつ希薄潤滑条件で使用される深溝玉軸受の保持器に関する。また、この保持器を備えた深溝玉軸受に関する。

自動車用モータは、小型化の傾向があり、これに伴いハウジング剛性が低くなり大きなミスアライメントが発生しやすくなる。この結果、軸受が早期に損傷する懸念がある。また、コンプレッサーは希薄潤滑条件で使用されるため、コンプレッサー用深溝玉軸受において、高ミスアライメントがかかることにより発生する玉（以下、ボールともいう）の遅れ進みにより、保持器が低寿命化する可能性がある。

従来、希薄潤滑条件または無潤滑条件で使用されても転がり軸受の寿命低下とならないように、少なくとも軌道輪または転動体の表面層が内部よりも表面側で炭素濃度が低く、窒素濃度が高い分布を有する転がり軸受が知られている（特許文献１参照）。

特開２００２−２０６５２３号公報

しかしながら、特許文献１に記載の転がり軸受であっても、希薄潤滑条件で使用されるコンプレッサーまたは高ミスアライメントが発生するモータ用途では、保持器の長寿命化が望まれている。

近年、これらの用途だけでなく、環境問題から軸受に使用される潤滑油は低粘度化の傾向にある。深溝玉軸受の場合、過大なミスアライメントが発生すると軸受内の各々のボールの接触角が変わることにより公転速度が変わり、速く回るボール、遅く回るボールで保持器を引っ張り合うという、ボールの遅れ進みと呼ばれる現象が発生する。また、高ミスアライメントに希薄潤滑が重なるとポケットの異常摩耗やボールの遅れ進みによる保持器のスミＲを起点とした破損に注意が必要である。

ボールの遅れ進みによる保持器の低寿命化に対する対策としては、例えば保持器の周方向ポケットすきまをボールの遅れ進み量よりも大きくするような保持器形状・寸法の改良がある。しかし、深溝玉軸受でよく使われる鋲加締め波型鉄板保持器は鋲で両側の保持器を固定するため、寸法関係によってはこの改良が成立しない場合がある。また、保持器材質をＳＵＳ（ステンレス）にすることで、材質を強化しボールの遅れ進みによるポケット摩耗をしにくくする方法が考えられる。しかし、ＳＵＳは硬すぎることから、成形用型の早期摩耗等で保持器の生産性がよくないため、コストアップになってしまう。よって、保持器材質をＳＵＳにするのは、保持器のプレス加工による製作には好ましくないという問題がある。

また、保持器に摺動性に優れた樹脂コーティングを施すことで、希薄潤滑条件または無潤滑条件において上記のような保持器破損を防止して長寿命化を図ることも考えられる。しかし、例えば自動車に使用される部品では、潤滑剤が全く無いという環境は存在せず、樹脂コーティングの種類によっては摺動面で潤滑油をはじく場合がある。無潤滑条件では特に問題とならないが、少しでも潤滑油がある油潤滑条件（具体的には希薄潤滑条件）では、この撥油性によりトルクが増加してしまうおそれがある。

本発明はこのような問題に対処するためになされたものであり、高ミスアライメントかつ油潤滑条件で使用される深溝玉軸受において、保持器の長寿命化を実現でき、かつ、トルク増加も抑制できる深溝玉軸受用保持器およびこの保持器を備えた深溝玉軸受を提供することを目的とする。

本発明の深溝玉軸受用保持器は、油潤滑条件で使用される深溝玉軸受において、内輪と外輪との間に介在する複数のボールを保持する深溝玉軸受用の保持器であって、該保持器は、少なくとも上記ボールと摺動する部位に１０μｍ以上の厚さのフッ素樹脂被膜が形成されてなり、上記フッ素樹脂被膜が、フッ素樹脂としてポリテトラフルオロエチレン（以下、ＰＴＦＥと呼ぶ）と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と呼ぶ）を含む焼成フッ素樹脂被膜であることを特徴とする。特に上記保持器が、鋲加締め波型鉄板保持器であることを特徴とする。

本発明の深溝玉軸受は、内輪と、外輪と、上記内輪と上記外輪との間に介在する複数のボールと、上記複数のボールを保持する保持器と、を備え、上記保持器として本発明の深溝玉軸受用保持器を用いることを特徴とする。また、上記内輪および上記外輪のうち少なくとも一方の軌道輪の少なくとも軌道面に、上記焼成フッ素樹脂被膜が形成されていることを特徴とする。また、本発明の深溝玉軸受は、コンプレッサーの密閉容器内で使用されることを特徴とする。

本発明の深溝玉軸受用保持器は、少なくともボールと摺動する部位に所定厚さ以上のフッ素樹脂被膜が形成され、このフッ素樹脂被膜がフッ素樹脂としてＰＴＦＥとＦＥＰを含む焼成フッ素樹脂被膜であるので、高ミスアライメントかつ油潤滑条件で使用されても破損しない。また、フッ素樹脂被膜においてＰＴＦＥのみでなくＦＥＰを含めることで、希薄潤滑下でのなじみ性に優れ、起動トルクや摩擦係数の増加を抑制できる。

本発明の深溝玉軸受は、上記深溝玉軸受用保持器を備えてなるので、高ミスアライメントかつ希薄潤滑条件で使用されても、保持器の長寿命化を実現でき、かつ、トルク増加も抑制できる。このため、コンプレッサーの密閉容器内で使用される軸受として好適に利用できる。

本発明の一実施例に係る深溝玉軸受の断面図である。図１に示す保持器の拡大斜視図である。他の深溝玉軸受の断面図である。スクロール型コンプレッサーの断面図である。

本発明の深溝玉軸受用保持器は、油潤滑条件で使用される深溝玉軸受において用いられる保持器である。具体的には、希薄潤滑条件で使用される深溝玉軸受の保持器である。ここで、本発明における希薄潤滑条件とは、軌道輪とボールとの転がり接触部における潤滑油の油膜形成が十分にできないような条件である。例えば、該接触部が境界潤滑状態となるような条件での使用が挙げられる。また、例えば、接触する２つの構成部材間の表面の突起接触の程度を表すパラメータである膜厚比Λが１.２以下になるような条件での使用が挙げられる。より厳しくは、膜厚比Λが１.０以下になるような条件での使用が挙げられる。この膜厚比Λは、油膜パラメータともよばれ、転がり接触する２物体の接触面に形成される潤滑油膜の最小膜厚ｈ_０と接触面の合成二乗平均平方根粗さσの比ｈ_０/σである。σは該２物体の二乗平均平方根粗さをそれぞれσ_１、σ_２としたとき、√（σ_１ ^２＋σ_２ ^２）で表される。

本発明の深溝玉軸受を図１〜図３に基づいて説明する。図１は保持器のポケット内面にフッ素樹脂被膜を形成した深溝玉軸受の断面図を、図２は図１の保持器の拡大図を、図３は内・外輪軌道面にフッ素樹脂被膜を形成した深溝玉軸受の断面図をそれぞれ示す。なお、以下の説明において、深溝玉軸受の中心軸を中心とする円弧に沿う方向を「周方向」と呼ぶ。

図１に示すように、深溝玉軸受１は、外周に内輪軌道面２ａを有する内輪２と、内周に外輪軌道面３ａを有する外輪３と、内輪軌道面２ａと外輪軌道面３ａとの間を転動する複数のボール４と、を備えている。ボール４は、保持器５により周方向に一定間隔で保持されている。

ボール４と摺動する保持器５の摺動面にフッ素樹脂被膜６が成膜されている。図２に示すように、保持器５は、鋲加締め波型鉄板保持器であり、後述の鉄系材料を用いてプレス成形した２つの部材５ａ、５ａを組み合わせて鋲５ｂで加締めることで製作されている。保持器５には、転動体であるボール４を保持する保持器ポケット５ｃが形成されている。保持器ポケット５ｃの内周面（以下、ポケット面と呼ぶ）がボールとの摺動面であり、少なくともこのポケット面にフッ素樹脂被膜６が形成されている。なお、フッ素樹脂被膜６は、軌道輪（内輪２または外輪３）との摺動面およびボール４との摺動面から選ばれる少なくとも一つの摺動面に形成してあればよい。また、保持器５の摺動面に加えて、図１および図２で示した内輪軌道面２ａ、外輪軌道面３ａにも併せてフッ素樹脂被膜６が成膜されていてもよい。

図３は、内・外輪２，３の少なくとも軌道面にフッ素樹脂被膜６が形成されている深溝玉軸受１の例であり、図３（ａ）の深溝玉軸受１では、内輪２の外周面（内輪軌道面２ａを含む）にフッ素樹脂被膜６が形成されており、図３（ｂ）の深溝玉軸受１では、外輪３の内周面（外輪軌道面３ａを含む）にフッ素樹脂被膜６が形成されている。このフッ素樹脂被膜６を内・外輪２，３に形成する場合は、少なくともその軌道面に形成してあればよい。よって、各図に示すように内輪外周面全体、外輪外周面全体に形成する、または、内・外輪の全体にフッ素樹脂被膜が形成されていてもよい。また、内・外輪の少なくとも一方の軌道輪にフッ素樹脂被膜が形成されていてもよい。

フッ素樹脂被膜６の成膜対象となる保持器５は、鉄系材料からなる。この鉄系材料としては、保持器材として一般的に用いられる任意の材料を使用でき、例えば、打ち抜き保持器用冷間圧延鋼板(ＳＰＣＣ；ＪＩＳＧ３１４１等)、ステンレス鋼（ＳＵＳ４４０Ｃ等；ＪＩＳＧ４３０３）、もみ抜き保持器用炭素鋼(ＪＩＳＧ４０５１)、もみ抜き保持器用高力黄銅鋳物(ＪＩＳＨ５１０２等)などが挙げられる。また、他の軸受合金を採用することもできる。

フッ素樹脂被膜６の成膜対象となる軸受部材である内輪２および外輪３は、鉄系材料からなる。この鉄系材料としては、軸受部材として一般的に用いられる任意の鋼材等を使用でき、例えば、高炭素クロム軸受鋼（ＳＵＪ１、ＳＵＪ２、ＳＵＪ３、ＳＵＪ４、ＳＵＪ５等；ＪＩＳＧ４８０５）、浸炭鋼（ＳＣｒ４２０、ＳＣＭ４２０等；ＪＩＳＧ４０５３）、ステンレス鋼（ＳＵＳ４４０Ｃ等；ＪＩＳＧ４３０３）、高速度鋼（Ｍ５０等）、冷間圧延鋼等が挙げられる。

フッ素樹脂被膜６は、フッ素樹脂としてＰＴＦＥとＦＥＰを含む。特に耐熱性に優れることから、ＰＴＦＥをベースとしてＦＥＰを一部含む被膜であることが好ましい。また、他のフッ素樹脂を一部含んでもよい。このようなフッ素樹脂としては、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）、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体、ポリフッ化ビニリデン、ポリフッ化ビニルが挙げられる。最も好ましくは、フッ素樹脂被膜をＰＴＦＥとＦＥＰのみから構成する。

フッ素樹脂被膜がＰＴＦＥのみからなる場合、無潤滑ではなく潤滑油が僅かに存在する希薄潤滑条件では、潤滑油をはじいてトルク増加等に繋がるおそれがある。本発明では、後述の実施例に示すとおり、ＰＴＦＥのみでなくＦＥＰを含めることで、希薄潤滑下でのなじみ性に優れ、油膜厚さを薄くでき、トルクや摩擦係数の増加を抑制できる。

フッ素樹脂被膜６は、被膜が形成される保持器等の表面をショットブラスト等を用いて粗面化し、その後、石油ベンジン等の有機溶剤内に浸漬させ脱脂を行ない、プライマー液塗布処理した後、フッ素樹脂塗布液を用いて形成される。プライマー液としてはフッ素樹脂と芳香族アミドイミド樹脂等の耐熱性樹脂とを非イオン界面活性剤、無機顔料、Ｎ−メチル−２−ピロリドン等の水に任意に混合する非プロトン系極性溶剤を含む水に分散させた水分散液が挙げられる。また、フッ素樹脂塗布液は、ＰＴＦＥ樹脂粒子およびＦＥＰ樹脂粒子を均一分散させた水分散液である。

フッ素樹脂被膜６は、保持器等の表面にプライマー液を薄く塗布乾燥後、フッ素樹脂塗布液を塗布乾燥することで形成される。塗布方法としてはスプレー法、ディッピング法、刷毛塗り法等、被膜を形成できるものであれば使用できる。フッ素樹脂被膜６の表面粗さ、塗布形状をできるだけ小さくし、被膜厚さの均一性を考慮するとスプレー法が好ましい。フッ素樹脂被膜の乾燥条件としては、例えば９０℃×３０分程度の乾燥が好ましい。

フッ素樹脂被膜６は、乾燥後、焼成する。焼成することで保持器等の表面への密着性が向上する。その結果、破損時間が大幅に長くなる。焼成条件としては、加熱炉内、空気中で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、フッ素樹脂被膜を焼成する。本発明ではＰＴＦＥに合わせて、好ましくは３８０℃の加熱炉内で３０分間焼成する。

フッ素樹脂被膜６の被膜厚さは１０μｍ以上とする。好ましくは１５μｍ以上である。フッ素樹脂被膜６の被膜厚さが１０μｍ未満（例えば５μｍ）であると、使用条件によっては、後述する耐久試験において示すように破損時間が短くなる。なお、上限については特に限定されないが、被膜形成時のクラック発生や運転中に被膜が剥離して潤滑状態が悪化するおそれ等を考慮し、フッ素樹脂被膜６は、２０μｍ以下が好ましい。すなわち、フッ素樹脂被膜６の被膜厚さを１５μｍ以上２０μｍ以下とすることで、潤滑状態を維持しつつ、トルク増加を防ぐ適切な油膜厚さに設定することができる。

本実施形態の深溝玉軸受１は、コンプレッサー用深溝玉軸受、自動車電装・補機用深溝玉軸受として、コンプレッサー用深溝玉軸受、ファンカップリング装置用深溝玉軸受、自動車用オルタネータ用深溝玉軸受およびアイドラプーリ用深溝玉軸受等に用いることができる。

本実施形態の深溝玉軸受が用いられるコンプレッサーの一例を図４に示す。図４はスクロール型コンプレッサーの断面図である。スクロール型コンプレッサー７は、冷媒を作動流体とする冷凍サイクルに適した電動型コンプレッサーである。コンプレッサー７のハウジング８内には、図中右方において圧縮機構９が配設され、また、図中左側において圧縮機構９を駆動する電動モータ１０が配設されている。さらに、ハウジング８内には、ステーター１０ａが設けられている。電動モータ１０では、ステーター１０ａによって作られる回転磁界によりローター１０ｂの中心軸に固定されている回転駆動軸１１が回転する。回転駆動軸１１は、深溝玉軸受１２、１３を介して回転可能に支持されている。圧縮機構９側と電動モータ１０側とは隔壁１４により仕切られており、深溝玉軸受１３はこの隔壁１４に固定されている。

圧縮機構９は、固定スクロール１５とこれに対向配置された可動スクロール１６とを有するスクロール型で、固定スクロール１５は、円板状の基板１５ａと、基板１５ａから図中左方に向かって立設された渦巻状の渦巻壁１５ｂとから構成されている。また、可動スクロール１６は、円板状の基板１６ａと、この基板１６ａから図中右方に向かって立設された渦巻状の渦巻壁１６ｂとから構成され、基板１６ａの背面中央に設けられた嵌合凹部１７に、回転駆動軸１１の軸心に対して偏心して設けられた偏心軸１８が回転駆動軸１１の軸心を中心として公転運動可能に設けられている。

固定スクロール１５と可動スクロール１６とは、それぞれの渦巻壁１５ｂ、１６ｂを互いに噛み合わせ、固定スクロール１５の基板１５ａおよび渦巻壁１５ｂと、可動スクロール１６の基板１６ａおよび渦巻壁１６ｂとによって囲まれた空間によって圧縮室１９が形成されている。冷媒は、吸入口２０から圧縮室１９に導入されて、固定スクロール１５の背後の略中央に形成された吐出孔２１を介して吐出口２２より圧縮されて吐出される。吐出された冷媒は図示を省略した冷凍サイクルへ圧送される。

このスクロール型コンプレッサーにおいて、深溝玉軸受１２、１３は、冷媒および冷凍機油共存下で使用される。冷媒および冷凍機油は、ハウジング８内において濃度変動が大きく、また、軸受のグリース成分等が共存すると冷凍サイクル内での吐出弁を詰まらせる場合がある。そのため、グリース封入軸受の使用は困難であり、スクロール型コンプレッサーの機構上、ミスアライメントが発生しやすくなるため、保持器のポケットの異常摩耗やボールの遅れ進みが発生しやすくなったりする場合がある。

保持器、特に鋲加締め波型鉄板保持器の場合、上記保持器を長寿命化する方法として、（１）保持器の板厚を厚くする、（２）塩浴軟窒化処理により表面硬度を高める、（３）上記（１）および上記（２）を組み合わせる、（４）保持器材質をＳＵＳ（ステンレス）化する方法等がある。上記（４）の方法が最も優れているが、軸受の使用環境の悪化や、保持器の成形型の早期摩耗等で保持器の生産性がよくない等の問題がある。

フッ素樹脂被膜は、冷媒および冷凍機油に対する耐薬品性、潤滑性に優れ、また、焼成することで基材との密着性にも優れている。このため、容器内に密閉されているハーメチックコンプレッサー用深溝玉軸受の摺動部位の表面被膜として最適である。本発明の深溝玉軸は、スクロール型コンプレッサー以外に、ロータリー型コンプレッサー、レシプロ型コンプレッサー、斜板型コンプレッサー等に使用することができる。

実施例１
表１に記載の材質（厚さ１ｍｍのＳＰＣＣ）の金属平板表面にフッ素樹脂被膜を形成した。このフッ素樹脂被膜は、フッ素樹脂としてＰＴＦＥとＦＥＰを含むものであり、塗布形成後に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。このフッ素樹脂被膜が形成された金属平板を用いて、フッ素樹脂被膜がポケット内面になるようにして、図２に示す鋲加締め波型鉄板保持器を作製した。この保持器を用いて、略同一ラジアルすきまを有する深溝玉軸（６２０６Ｃ３）を作製した。

得られた深溝玉軸を用いて、以下に示す条件で耐久試験を行なった。結果を表１に示す。なお、破損時間は、各試験個数の平均値を算出して、比較例１を１００とした比で表した。また、保持器の破損個所は、図２に示す、ＡがスミＲ部、Ｂが鋲穴部、Ｃがポケット頂部である。
＜耐久試験条件＞
回転速度：３０００ＲＰＭ
モーメント荷重：１９．６Ｎ・ｍ
潤滑：潤滑剤が全く存在しない完全脱脂の状態
試験個数：各３個

比較例１および比較例２
比較例１は保持器のポケット面にフッ素樹脂被膜がされていない標準深溝玉軸受（６２０６Ｃ３）、比較例２は保持器の材料をＳＵＳ（ステンレス）に代える以外は比較例１と同一の深溝玉軸受である。

比較例３〜比較例６
比較例３〜比較例６は、表１に示す構成の相違以外は、実施例１と同一の深溝玉軸受である。比較例３〜比較例６は、実施例１と同様の基材に対して、フッ素樹脂がＰＴＦＥのみであるフッ素樹脂被膜を形成して保持器を作製している。また、これら比較例内で焼成の有無と膜厚が異なる。

表１に示すように、フッ素樹脂被膜を１０μｍ以上（具体的には、１５μｍ）形成することで、これを形成しない場合や５μｍである場合と比較して、破損時間で表した耐久性が顕著に向上した。また、膜厚や焼成の条件が同じであれば、フッ素樹脂被膜としてＰＴＦＥにＦＥＰを含む場合であっても、同様に顕著に耐久性を向上させることができた。

実施例２および比較例７
実施例１と同一のフッ素樹脂被膜を形成した金属平板の試験片を実施例２とし、比較例３と同一のフッ素樹脂被膜を形成した金属平板の試験片を比較例７とし、これらを用いて以下に示す条件で摩擦抵抗試験を行なった。結果を表２に示す。
＜摩擦係数測定条件＞
装置：新東科学製表面測定機：トライボギア１４ＦＷ
相手材：５ｍｍφ ＳＵＳ球
荷重：１ｋｇ
摩耗速度：２４００ｍｍ／ｍｉｎ
摩耗距離：１０ｍｍ往復摩耗
往復回数：１００００回
温度：室温
無潤滑環境：潤滑剤が全く存在しない完全脱脂の状態
オイル環境：防錆油塗布（希薄潤滑：油膜パラメータΛ１．０）

表２に示すように、比較例７のＰＴＦＥ樹脂被膜は、オイルが存在する環境下では無潤滑環境と比較して大きく摩擦係数が増加するのに対して、実施例２のＰＴＦＥ・ＦＥＰ樹脂被膜は、オイルが存在する環境下においても低摩擦係数を維持できた。

実施例３および比較例８
実施例１と同様に作製した深溝玉軸受を実施例３とし、比較例３と同様に作製した深溝玉軸受を比較例８とし、これらを用いて以下に示す条件で軸受起動トルク試験を行なった。結果を表３に示す。
＜軸受起動トルク試験条件＞
試験軸受：６２０６
潤滑：防錆油塗布（希薄潤滑：油膜パラメータΛ１．０）
温度：室温
試験個数：５個（表の値は５個の平均値）

表３に示すように、希薄潤滑条件では、ＰＴＦＥ樹脂被膜を形成した比較例８の軸受よりも、ＰＴＦＥ・ＦＥＰ樹脂被膜を形成した実施例３の軸受の方が、起動トルクが低い結果となった。

本発明の深溝玉軸受は、高ミスアライメントかつ油潤滑条件で使用されても、保持器の長寿命化を実現でき、かつ、トルク増加も抑制できるので、過酷な雰囲気で使用される軸受として広く利用できる。

１、１２、１３深溝玉軸受
２内輪
３外輪
４ボール
５保持器
６フッ素樹脂被膜
７スクロール型コンプレッサー
８ハウジング
９圧縮機構
１０電動モータ
１１回転駆動軸
１４隔壁
１５固定スクロール
１６可動スクロール
１７嵌合凹部
１８偏心軸
１９圧縮室
２０吸入口
２１吐出孔
２２吐出口

Claims

希薄潤滑条件で使用される深溝玉軸受において、内輪と外輪との間に介在する複数のボールを保持する深溝玉軸受用の保持器であって、
前記保持器は、少なくとも前記ボールと摺動する部位に１０μｍ以上の厚さのフッ素樹脂被膜が形成されてなり、
前記フッ素樹脂被膜が、フッ素樹脂としてポリテトラフルオロエチレンと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を含む焼成フッ素樹脂被膜であることを特徴とする深溝玉軸受用保持器。
前記保持器が、鋲加締め波型鉄板保持器であることを特徴とする請求項１記載の深溝玉軸受用保持器。
内輪と、外輪と、前記内輪と前記外輪との間に介在する複数のボールと、前記複数のボールを保持する保持器と、を備え、
前記保持器が、請求項１または請求項２記載の深溝玉軸受用保持器であることを特徴とする深溝玉軸受。
前記内輪および前記外輪のうち少なくとも一方の軌道輪の少なくとも軌道面に、前記焼成フッ素樹脂被膜が形成されていることを特徴とする請求項３記載の深溝玉軸受。
前記深溝玉軸受が、コンプレッサーの密閉容器内で使用されることを特徴とする請求項３または請求項４記載の深溝玉軸受。