JPH0689783B2 - グリース封入軸受 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、軸受内にグリースを封止したグリース封入
軸受に関し、特に軸受の転走面に生じる特異性のあるは
く離現象を防止したものである。

〔従来の技術〕

近年、自動車の小型・軽量化や高効率化に伴い、その電
装部品や補機には、小型・軽量化と共に高性能・高出力
化が求められている。このような要求のため、従来第４
図に示すようなオルタネータやコンプレッサ用電磁クラ
ッチ等においては、小型化による出力低下分をさらに高
速回転化することで補っている。

この高速回転化の手段としては、プーリを出来るだけ小
型化すること、及びその場合の伝達効率の低下を防ぐた
め、第４図に示すようにプーリ６に伝動ベルトの係合溝
７を多数連成し、かつベルトのテンション力を高くとる
手段がとられている。

このため、プーリ６を支持する軸受１には高速回転と高
荷重とが共に加わることになる。

〔発明が解決しようとする課題〕 ところで、このような高速化・高荷重化に伴ない、転走
面に生じるはく離によってこれら軸受が早期に寿命に至
る事例が報告されている。この早期寿命を引き起こすは
く離は、金属疲労により生じる通常の転走面表面ないし
表層のはく離とは違い、相当内部の深い部分から突然に
生じる特異な破壊現象を示しており、この特異性はく離
から生じる軸受寿命は、場合によっては通常のグリース
封入軸受の計算寿命に比べて十分の一以下の短寿命を示
す。

一般にグリース封入軸受においては、軸受自体のころが
り寿命よりグリース寿命の方が短く、このグリース寿命
によって、軸受の耐久寿命が左右される傾向がある。

しかし、上記特異性はく離の発生はグリースの潤滑性能
だけでは説明ができない。すなわち、特異性はく離が生
じた軸受の転走面には着色等の発熱の影響が全く見られ
ず、このため潤滑性能の劣化による金属同士の接触が短
寿命の原因とは認められず、また、特異性はく離からく
る寿命は、グリース寿命からくる耐久寿命に比べてもは
るかに短く、かつばらつきが小さいという顕著な特徴が
ある。

ところで、上記の特異性はく離現象は、使用条件を緩和
することによって、すなわち、軸受を大型化して負荷容
量を大きくするか、ベルトのテンションを下げることに
よって解消できるが、このような軸受の大型化等は部品
の大型化につながり、コスト上昇や機械装置自体のコン
パクト化を阻害し、また、伝達効率の向上ができない要
因となる。

この発明は、上記の従来の課題に鑑みてなされたもの
で、高速回転・高荷重で使用されるグリース封入軸受に
おいて、特異性はく離の発生を防止して安定した耐久寿
命を実現する軸受を提供することを目的としている。

〔課題を解決するための手段〕

上記の課題を解決するため、この発明は、第１図に示す
ように、内外の軌道輪２、２の転走面４、４とその転走
面４、４間に組込んだ転動体３との間に、軸受内に封入
したグリースの潤滑膜を形成し、上記転走面４、４と転
動体３の間に高速回転・高荷重の負荷が加えられるグリ
ース封入軸受１において、上記転走面４、４を、グリー
スから水素が分離する現象を抑制する酸化皮膜５で覆
い、その酸化皮膜５の厚みを0.1μｍ以上とし、かつ酸
化皮膜５の表面粗さをRmaxで1.1μｍを超えないように
設定したのである。

以下、その内容を説明する。

本発明者等は、特異性はく離が発生した転走面を詳しく
観察し、そのはく離の原因となる亀裂の発生状態を調べ
た。その結果、第２図に模型的に示すように、はく離を
生じさせる亀裂８は、転走面表面の近傍では小さいが、
転走面の内部では非常に長い亀裂が深さ方向に多数進行
しているのが解った。

このような亀裂の発生状況は、通常の金属疲労からくる
はく離現象とは著しく異なっている。すなわち、通常の
はく離では、転走面の表面近傍に発生した亀裂が転走面
表面に平行に進行し、それが表面に向かって延びて破損
を起すのであるが、上記の特異性はく離では、転走面表
面からある深さに入ったところで亀裂が生じ、この亀裂
が深さ方向に進行している。

通常のはく離亀裂の発生領域は、金属同士をころがり接
触させた場合に、金属の表面下に生じる剪断応力の分布
と一致する。すなわち、上記の場合の金属表面下に生じ
る剪断応力は、第３図に示すように表面から少し内部に
入ったところで最大値を生じるが、この最大の剪断応力
が生じる領域と上記特異性はく離亀裂の発生領域とが対
応していない。

上記のことにより、特異性はく離の発生原因は、潤滑不
良や金属の疲労からくる亀裂に原因があるのではなく、
金属内部に何か異物が進入し、その異物の作用により金
属組織に変化が生じて亀裂を発生させることによるもの
が考えられる。

一般に機械部品では、水素が金属、特に鋼の内部に侵入
すると、水素脆化を引き起し、早期に破壊が生じること
はよく知られている。

ところが、軸受においては、転動体と転走面との接触面
に生じる応力は変動応力であり、水素脆化で問題になる
遅れ破壊のように静止一定応力でないことから、水素脆
化による破壊が今まで軸受に対して問題になることはな
かった。また、特に条件の厳しい箇所で使われる油潤滑
軸受では、転走面の汚れが使用の初期に起り、金属表面
の触媒作用は消えることが考えられる。

しかしながら、一般の使用による転走面の汚れの生じに
くいグリース封入軸受では、高速度で回転する転動体の
動きにより転走面表面が局部的に高温・高圧状態になっ
た場合、転走面の金属表面が触媒作用をしてグリースが
化学分解され、水素が発生することは十分に考えられ
る。

このように水素脆化が原因で特異性はく離が生じるとし
た場合、それを防止するためには、その発生原因、即
ち、特に高速回転の条件を無くせばよいが、これは従来
の技術の項で述べたように、装置の高性能・高出力化、
小型・軽量化と逆行する。

上記予測のもとに本発明者等は、第１図に示すように、
軌道輪２、２と、両軌道輪間に配置される転動体３と、
転動体３を案内保持する保持器２′と、上記軌道輪２の
両側に装着されるシール部材２″、２″とからなる軸受
１の転走面４に、酸化皮膜５を形成し、寿命テストを行
なった。すなわち、転走面４の表面を、化学的に安定な
酸化皮膜５により不活性化処理することにより、金属の
触媒作用をなくしグリースの分解による水素の発生を抑
えることができると考え、その効果を検証した。

テストでは、オルタネータのプーリ側軸受を使用し、そ
の軌道輪の転走面に種々の厚みで酸化皮膜を形成し、実
機により厳しい寿命試験を行なった。また、各サンプル
において酸化皮膜を形成した転走面の表面粗さを測定
し、寿命との関係をみた。なお、酸化皮膜５の形成は、
黒染め処理法で行ない、低温加熱（130℃〜160℃）のカ
セイソーダ水溶液中に軌道輪を浸漬して四酸化三鉄皮膜
を転走面に形成した。また、酸化皮膜５の厚みｔは、予
め試験金属片に黒染め処理を行ない、処理時間とその時
に形成された膜厚との関係から対応させたものである。

また、寿命試験は1000時間の時点で完了とした。テスト
結果を第１表に示す。

なお、この試験条件における軸受計算寿命は24.1時間で
ある。

上記第１表の結果から、酸化皮膜の厚みｔが0.1μｍか
ら2.5μｍの範囲（サンプルNo.2〜No.8）においては、
転走面に特異性はく離が見られず、全てのサンプルで10
00時間の寿命を達成することができた。

これに対してサンプルNo.1のものは、85時間で転走面に
特異性はく離が発生し、使用不能となった。このサンプ
ルNo.1は処理時間が短いために転走面に黒染めの着色が
見られず、皮膜の厚みが0.1μｍ未満であった。

これらの結果により、酸化皮膜５と特異性はく離の発生
とは強い関連があることが明らかである。また、酸化皮
膜の厚みｔは少なくとも0.1μｍ以上であれば特異性は
く離を防止できることが認められる。この結果は、上述
したように酸化皮膜により転走面表面の触媒作用が抑制
されて水素発生が抑えられ、水素脆化による亀裂の発生
が防止されるとする考えと一致している。

一方、処理時間が25minで酸化皮膜の厚みｔが３μｍの
サンプルNo.9は、210時間で転走面に生じたはく離によ
り寿命に達した。この場合のはく離は特異性はく離では
なく、表面層近傍に生じた通常のはく離である。

このNo.9のはく離の原因は、第１表の結果により転走面
の表面粗さが関係すると考えられる。すなわち、第１表
に示すように、酸化皮膜の厚みｔが大きくなるほど転走
面４の表面粗さが悪化することになるが、このような表
面粗さの悪さは、転動体３と転送面との金属接触を著し
く増大させることになり、早期はく離を生じさせる原因
になると考えられる。

このような表面粗さの影響をみるため、転送面の表面粗
さを変えた場合の転動体のはく離発生率の変化を第２表
に示した。

上記転動体のはく離発生率（％）は、所定時間の寿命試
験後にはく離が発生した試料数の全試料に対する割合を
示している。

第２表の結果により、表面粗さRmaxが1.0μｍから2.1μ
ｍに変化すれば、はく離発生率Ｄは10％から40％に４倍
も変化する。これから推定すると、第１表におけるサン
プルNo.8とNo.9のごとく、表面粗さが1.06μｍから1.52
μｍに変化した場合、はく離発生率Ｄは10％から30％に
約３倍程度に変化するものと考えられる。

また、油膜パラメータΛを計算すると、転動体が鋼球の
場合、その表面粗さは著しく小さいので、転送面の表面
粗さの比がそのままパラメータΛの比になると考えられ
る。したがって、寿命試験をパラメータΛが１〜２とな
る条件（金属接触が考えられる条件）で実施すれば、サ
ンプルNo.8とNo.9とでは寿命比が４倍程度になる可能性
がある。第１表のテスト結果はこれらのことを裏付けて
いると考えることができる。

以上のことにより、軸受の耐久寿命の向上を図るために
は、酸化皮膜の厚みｔは、水素の分離現象を抑制する不
活性効果を示す厚み以上（第１表の結果から0.1μｍ以
上）で設定し、かつ酸化皮膜の表面粗さを、転走面の表
面粗さの劣化による軸受の寿命低下が引起される粗さを
超えない範囲で設定する必要がある。

この場合、第１表において、表面粗さがRmaxで1.6μｍ
のサンプルNo.8にはく離が生じなかったので、若干の誤
差範囲をみて、本発明は、適当な酸化皮膜の表面粗さを
Rmaxで1.1μｍを超えない範囲で設定する。

なお、酸化皮膜５は、上述した黒染め処理法で形成する
方法以外に、適当な媒体中で加熱する方法、例えば転走
面内にグリースを封止した状態で軸受を大気中において
200℃以下で加熱保持する方法（単に大気中で内輪、外
輪を焼戻し温度以下に加熱してもよい）や、また、硝酸
アルコール、塩酸、硫酸などの酸化水溶液中で転走面を
色が付く程度に腐食する方法により形成することができ
る。

〔発明の効果〕

以上説明したように、この発明の封入軸受は、転走面に
設けた酸化皮膜によりグリースからの水素の分離を抑制
する一方、酸化皮膜の表面粗さを金属接触による転走面
のはく離の発生を抑える適正な範囲で設定したので、転
走面に生じる特異性はく離を防止することができると共
に、金属接触による軸受の寿命低下を抑えることがで
き、はく離から生じる軸受の早期破損を防止して、軸受
本来の寿命を保証することができる。したがって、この
発明の軸受を高速回転と高荷重を共に受けるオルタネー
タ等の軸受に用いることにより、寿命のばらつきの少な
い安定した軸受性能を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の構造を示す一部破断断面図、第２図
は特異性はく離が生じた転走面の内部構造を模型的に示
した図、第３図は金属同士ころがり接触した場合に金属
表面下に生じる剪断応力分布の例を示す図、第４図はオ
ルタネータのプーリと軸受の部分を示す断面図である。 １……軸受、２……軌道輪、 ２′……保持器、２″……シール部材、 ３……転動体、４……転走面、 ５……酸化皮膜。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】内外の軌道輪の転走面とその転走面間に組
   込んだ転動体との間に、軸受内に封入したグリースの潤
   滑膜を形成し、上記転走面と転動体の間に高速回転・高
   荷重の負荷が加えられるグリース封入軸受において、上
   記転走面を、グリースから水素が分離する現象を抑制す
   る酸化皮膜で覆い、その酸化皮膜の厚みを0.1μｍ以上
   とし、かつ酸化皮膜の表面粗さをRmaxで1.1μｍを超え
   ないように設定したことを特徴とするグリース封入軸
   受。