JPWO2014088006A1 - 転動装置 - Google Patents

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Abstract

本発明の転動装置は、４０℃における動粘度が１５〜８０ｍｍ２／ｓの基油と、増ちょう剤として１２−ヒドロキシステアリン酸リチウムと、炭素数６〜１２の脂肪酸リチウムとの混合物を含有し、かつ、滴点が１９０〜２４０℃で、降伏応力が１．２〜５ｋＰａであるグリース組成物を封入した。それにより、低トルク化及び音響寿命が改善する。

Description

本発明は転動装置に関し、特に低トルク化及び音響寿命の改善を図ることを目的とする。
エアコンファンモータに代表される家電用モータは、回転軸を転がり軸受で支持しており、軸受には低トルクが要求される。トルクを下げるための手段としては、基油の動粘度を下げたり、ちょう度を小さめに設定することが行われている。しかしながら、基油粘度を低くしすぎると、転がり接触面に油膜が形成されにくく、潤滑性能が失われたり、耐熱性が低くなるため耐久性が劣るようになる。
また、家電用のモータは、室内で使用される場合が多いため、軸受には静音性を長時間維持することが求められている。音響寿命を向上する手段としては、軸受内部の油膜を確保するため基油粘度を上げる方法が一般的であるが、基油粘度を上げると上記した低トルクとの両立が困難になる。
現在、モータ用転がり軸受には、低粘度のエステル油にリチウム石けんを配合したリチウム石けん系グリース（例えば、特許文献１参照）や、合成炭化水素油にウレア化合物を配合したウレア系グリース組成物（例えば、特許文献２参照）が広く使用されている。しかしながら、リチウム石けん系グリースは、音響特性は良好であるものの、耐熱性が十分ではなく高温での耐久性に問題がある。一方、ウレア系グリースは、高温耐久性に優れるものの、リチウム石けん系グリースと比較すると音響特性に劣っており、静音性が要求される箇所での使用は難しい。
日本国特開２００３−２３９９９６号公報 日本国特開２００４−２１１７９７号公報
本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであり、低トルク化及び音響寿命の改善を図り、特に静音性を長期間維持でき、家電用モータに適した転動装置を提供することを目的とする。
上記の目的を達成するために本発明は、下記の転動装置を提供する。
（１）外周面に内輪軌道を有する内輪と、内周面に外輪軌道を有する外輪と、前記内輪軌道と前記外輪軌道との間に転動自在に設けられた複数の転動体と、保持器とを備え、グリース組成物が封入された転動装置において、
前記グリース組成物が、４０℃における動粘度が１５〜８０ｍｍ２／ｓの基油と、増ちょう剤として１２−ヒドロキシステアリン酸リチウムと、炭素数６〜１２の脂肪酸リチウムとの混合物を含有し、かつ、滴点が１９０〜２４０℃で、降伏応力が１．２〜５ｋＰａであることを特徴とする転動装置。
（２）前記転動体の外径に対して、前記内輪軌道の溝の曲率半径が５１〜５６％であり、前記外輪軌道の溝の曲率半径が５５〜６３％であることを特徴とする上記（１）記載の転動装置。
（３）前記基油が、エステル油であることを特徴とする上記（１）または（２）記載の転動装置。
本発明の転動装置に封入されるグリース組成物において、増ちょう剤に用いるリチウム石けんは繊維が細く音響特性に優れる。また、基油粘度が低いため低トルクでもある。更には降伏応力が高いため、グリースの軟化が抑えられて漏洩を防止でき、耐久性に優れるようになり、更には撹拌抵抗が小さくなるため低トルクにもなる。また、増ちょう剤に１２−ヒドロキシステアリン酸リチウムと炭素数６〜１２の脂肪酸リチウムとの混合物を用いることにより、耐熱性が更に向上する。
また、内輪軌道及び外輪軌道の溝の曲率半径を大きくすることにより、グリースを抱え込む量を抑制してトルクを低下させることができる。
更に、基油にエステル油を用いると、増ちょう剤であるリチウム石けんとの相性が高まり、強固な網目構造を形成してせん断安定性に優れるようになり、グリースの軟化を防止する。
転がり軸受の一例を示す断面図である。 実施例で得られた降伏応力とトルクとの関係を示すグラフである。 実施例で得られた降伏応力と音響耐久性との関係を示すグラフである。
以下、図面を参照して本発明を更に説明する。
転動装置の一例として、図１に示す転がり軸受を挙げることができる。図示される転がり軸受は、外周面に内輪軌道１ａを有する内輪１と、内周面に外輪軌道２ａを有する外輪２と、内輪軌道１ａと外輪軌道２ａとの間に複数の転動体３を保持器４で転動自在に保持したものであり、更に潤滑のためにグリース組成物Ｇを充填してシール５で封止したものである。
また、内輪軌道１ａの溝の曲率半径は、転動体３の外径に対して５１〜５６％であることが好ましく、外輪軌道２ａの溝の曲率半径は、転動体３の外径に対して５５〜６３％であることが好ましい。このように、内輪軌道１ａ及び外輪軌道２ａの溝の曲率半径を大きくすることにより、グリース組成物Ｇを抱え込む量が抑制されてトルクを低下させることができる。好ましくは、内輪軌道１ａの溝の曲率半径は５３〜５６％、外輪軌道２ａの溝の曲率半径は５６〜６３％である。
本発明では、グリース組成物Ｇにおいて、４０℃における動粘度が１５〜８０ｍｍ２／ｓの基油を用いる。このような基油粘度にすることにより、低トルク化を図ることができる。基油としては、増ちょう剤のリチウム石けんとの親和性に優れ、強固な網目構造を形成することができることから、エステル油が好ましい。網目構造が強固になることにより、せん断安定性に優れるようになり、グリース組成物の軟化も抑えることができる。また、エステル油は、耐熱性にも優れる。
エステル油には、制限はないが、芳香族系三塩基酸または芳香族系四塩基酸と、分岐アルコールとの反応から得られる芳香族エステル油、一塩基酸と多価アルコールとの反応から得られるポリオールエステル油等を好適に挙げることができる。
具体的には、芳香族エステル油としては、芳香族系三塩基酸と分岐アルコールとの反応から得られるエステル油としてピロメリット酸エステル油、トリメシン酸エステル油、具体的にはトリオクチルトリメリテートやトリデシルトリメリテート、芳香族系四塩基酸と分岐アルコールとの反応から得られるピロメリット酸エステル油、具体的にはテトラオクチルピロメリテート等が挙げられる。
また、ポリオールエステル油としては、以下に示す多価アルコールと一塩基酸とを適宜組み合わせて反応させて得られるものが挙げられる。尚、一塩基酸は単独でもよいし、複数を用いてもよい。更に、多価アルコールと二塩基酸・一塩基酸の混合脂肪酸とのオリゴエステルであるコンプレックスエステルとして用いてもよい。多価アルコールとしては、トリメチロールプロパン、ペンタエリスリトール、ジペンタエリスリトール、ネオペンチルグルコール、２−メチル−２−プロピル−１，３−プロパンジオール等が挙げられる。一方、一塩基酸としては、主に炭素数４〜１６の一価脂肪酸が用いられ、具体的には、酪酸、吉草酸、カプロン酸、カプリル酸、エナント酸、ペラルゴン酸、カプリン酸、ウンデカン酸、ラウリン酸、ミステリン酸、パルミチン酸、牛脂脂肪酸、ステアリン酸、カプロレイン酸、パルミトレイン酸、ペトロセリン酸、オレイン酸、エライジン酸、アスクレピン酸、バクセン酸、ソルビン酸、リノール酸、リノイン酸、アビニン酸、リシノール酸等が挙げられる。
増ちょう剤には、繊維が細く、音響特性に優れることから、１２−ヒドロキシステアリン酸リチウムと、炭素数６〜１２の脂肪酸リチウムとの混合物を用いる。１２−ヒドロキシステアリン酸リチウムと、炭素数６〜１２の脂肪酸リチウムとの混合物を用いることにより、１２−ヒドロキシステアリン酸リチウムを単独使用した場合よりも耐熱性が向上し、更には音響特性も高まる。但し、炭素数が１３以上の脂肪酸リチウムと混合すると、増ちょう剤が強固に形成されないためせん断安定性が悪くなり、音響寿命も低下する。また、１２−ヒドロキシステアリン酸リチウムと、炭素数６〜１２の脂肪酸リチウムとの配合比は、質量比で、１２−ヒドロキシステアリン酸リチウム：炭素数６〜１２の脂肪酸リチウム＝２５：７５〜７５：２５が好ましい。
グリース組成物Ｇの滴点は、１９０〜２４０℃である。滴点が１９０℃未満では、軟化温度が低すぎて必要な耐熱性が得られない。また、滴点が２４０℃を超えると、増ちょう剤が均一に形成されにくく、初期音響特性が悪くなる。音響寿命を考慮すると、好ましい滴点は２００〜２４０℃である。
また、グリース組成物Ｇの降伏応力は１．２〜５ｋＰａである。グリース組成物は、せん断を受けて転送面から排除されるが、降伏応力が高いと排除された後に安定な位置に留まりやすく、排除された箇所に再流入することが抑制される。一般的に、転がり軸受では高面圧、高せん断下では、グリース組成物が激しいせん断を受けて軟化する傾向にあり、軟化したグリース組成物は軸受内部を流動して撹拌抵抗が大きくなり、高トルクになる。また、軟化したグリース組成物は、軸受から漏れやすく、早期に潤滑能力を失うため耐久性も低下する。そのため、本発明では降伏応力を１．２ｋＰａ以上に高めてグリース組成物の軟化を抑え、低トルク化を図り、耐久性を向上させる。但し、降伏応力が高くなるほど流動性が低下し、５ｋＰａを超えると軌道面にグリース組成物が供給され難くなり、音響寿命が短くなる。好ましい降伏応力は、２〜４ｋＰａである。
グリース組成物Ｇの滴点及び降伏応力を上記の範囲にするには、基油の動粘度や種類、増ちょう剤の種類や含有量、製造時の混練等により調整することができ、例えば、基油が同一の場合は増ちょう剤の含有量、製造時の混練等により降伏応力を調整することができる。
グリース組成物Ｇには、目的に応じて種々の添加剤を添加することができるが、何れも公知のもので構わない。
以下に実施例を挙げて本発明を更に説明するが、本発明はこれにより何ら制限されるものではない。
（実施例１〜１１及び比較例１〜１２）
ファンモータ用軸受として一般的な単列深溝玉軸受「６０８」（内径８ｍｍ、外径２２ｍｍ、幅７ｍｍ）を用意し、その内輪軌道及び外輪軌道の溝の曲率を表１に示すように変えて軸受Ａ〜Ｃを作製した。
また、表２に示す組成にてグリース組成物を調製した。その際、増ちょう剤量や混練を調整して、表記の滴点及び降伏応力となるようにした。そして、グリース組成物を（１）降伏応力測定、（２）滴点測定及び（３）せん断安定性試験に供した。また、各グリース組成物を軸受Ａ〜Ｃに封入して試験軸受を作製し、（４）初期音響試験、（５）軸受トルク試験及び（６）音響耐久試験に供した。
Figure 2014088006
Figure 2014088006
Figure 2014088006
（１）降伏応力測定
レオメーター（ＶＡＲ型粘弾性測定装置、ＲＥＯＬＯＧＩＣＡ社製）を用い、グリース組成物の降伏応力を測定した。測定は、パラレルプレートを用い、グリースのギャップは０．１ｍｍとして下記の条件で行った。また、降伏応力の値としては、損失正接ｔａｎθ（＝Ｇ’’／Ｇ’）が１を超えるときのせん断応力値を用いた。結果を表２に併記する。
（測定条件）
・測定モード：オシレーションモード
・試験温度：３０℃
・周波数：１０Ｈｚ
・せん断応力：１０〜５０００Ｐａ
（２）滴点測定
ＪＩＳ Ｋ ２２２０に従い、グリース中の増ちょう剤が基油に溶ける温度である滴点を測定した。結果を表２に併記する。
（３）せん断安定性試験
ＡＳＴＭ Ｄ １８３１で規定されるシェルロール試験機を用い、下記の条件でせん断を与え、試験前後でのちょう度の変化量を求めた。結果を表２に、比較例１に対する相対値で示す。
（測定条件）
・グリース量：５０ｇ
・試験温度：２５℃
・回転数：１６５ｍｉｎ−１
・試験時間：２時間
（４）初期音特性（グリースノイズ）
日本国特開昭４９−２９８８６号公報に記載の方法に基づき、グリースノイズテスターを用いてグリース組成物の初期音特性を測定した。即ち、試験軸受（グリース封入量：１６０ｍｇ）について、回転開始３０秒までのグリースノイズカウントを求めた。試験条件は、回転数１８００ｍｉｎ−１、荷重Ｆａ＝２９．４Ｎ、Ｍ＆Ｈ２０、ディレータイム０．６秒、カウントレベル１０で行った。結果を表２に併記する。
（５）軸受トルク試験
試験軸受（グリース封入量：１６０ｍｇ）を室温、内輪回転数１８００ｍｉｎ−１、アキシャル荷重２９．４Ｎにて回転させ、６０分後の回転トルクを測定した。結果を表２及び図２に、比較例１に対する相対値で示す。
（６）音響耐久試験
試験軸受（グリース封入量：１６０ｍｇ）を１２０℃、内輪回転数１８００ｍｉｎ−１、アキシャル荷重２９．４Ｎにて回転させ、アンデロン値が６に達するまでの時間を測定した。結果を表２及び図３に、比較例１に対する相対値で示す。
比較例１は、１２−ヒドロキシステアリン酸リチウムを使用しており、降伏応力が規定値よりも低い。
実施例１〜３のグリース組成は、１２−ヒドロキシステアリン酸リチウムとヘキサン酸リチウムとの混合物を増ちょう剤としており、その配合比率を変えている。何れも降伏応力が高く、更には溝の曲率半径の大きい軸受を用いることにより、比較例１と比べてトルクが低減している。
実施例４〜６はヘキサン酸リチウムに代えてデカン酸リチウムを用いて、グリースの降伏応力を変えたものであるが、音響寿命が長く、降伏応力も高いためトルクも低くなっている。また、実施例７はドデカン酸リチウムを用いているが、この場合も音響寿命が長く、降伏応力も高いためトルクが低減している。
しかし、比較例３、４のようにテトラデカン酸リチウムやオクタデカン酸リチウムを用いると音響寿命が短くなり、トルクも大きくなる。従って、脂肪酸リチウムの炭素数は６〜１２が好ましいことがわかる。特に、音響寿命が２倍以上となる炭素数６〜１０の脂肪酸リチウムが好ましい。
比較例２は、１２−ヒドロキシステアリン酸リチウムとヘキサン酸リチウムとの混合物を増ちょう剤に用いているが、ヘキサン酸リチウムの割合を９０質量％に高めてている。その結果、滴点が非常に高くなっており、製造時の増ちょう剤の溶解性が悪くなり、実施例１〜３と比べてトルクが大きく、音響寿命も短くなっている。そのため、炭素数６〜１２の脂肪酸リチウムの割合は、実施例のように、７５質量％以下が好ましいといえる。
また、比較例２では滴点が２６０℃であるのに対し、実施例では滴点が１９０〜２４０℃の範囲であることから、滴点は１９０〜２４０℃であることがわかる。特に、音響耐久性を考慮して音響寿命が２倍以上になる滴点２００〜２４０℃が好ましい。
比較例５は、増ちょう剤にウレア化合物を用いた場合であるが、降伏応力が高くせん断安定性にも優れるが、せん断安定性が良すぎるために転送面へのグリース供給が不足し、早期に音響寿命に至る。また、ウレア化合物はリチウム石けんに比べて繊維が太く、ウレア化合物は絡み合って大きな塊になりやすい。そのため、大きな塊のウレア化合物を玉が踏む時の抵抗が非常に大きくなり、トルクが高まる。そのため、増ちょう剤としてはリチウム石けんが好ましいといえる。
比較例６は、降伏応力が規定値よりも小さいグリース組成物を用いた場合である。また、比較例１２は実施例４と同じ組成であるが、製造条件が異なるので降伏応力が規定値より小さくなっており、そのためトルク比が大きくなっている。降伏応力が小さいと、軌道面から弾かれたグリース組成欝の再流入が頻繁に起こるため、トルクが高くなる。一方、比較例７は、降伏応力が規定値よりも大きいグリース組成物を用いた場合であるが、グリース組成物の動きが無くなってしまうため、軌道面にグリース組成物が供給されずに音響寿命が短くなる。そのため、降伏応力は、実施例のように１．２〜５ｋＰａであるといえる。
比較例８は、基油にＰＡＯを用いたグリース組成物を用いた場合である。ＰＡＯとリチウム石けんとは相性が良くないため微細な増ちょう剤繊維が形成されず、音響寿命が悪くなり、グリースが硬くなりにくいため降伏応力も低くなり、トルクが高まる。また、比較例９では基油に鉱油を用いているが、油の耐熱性が良くないため音響寿命が短くなっており、更には降伏応力も低くトルクも高い。そのため、実施例のように、基油としてはリチウム石けんとの相性が良いエステル油が好ましいといえる。
実施例１０、１１ではエステル油の動粘度を変えているが、この範囲の基油粘度であれば降伏応力を高くすることでチャネリングさせてトルクを下げることができ、音響寿命も長くなる。一方、比較例１０は、エステル油の動粘度を規定値よりも低くしているが、基油粘度が低いと転送面に油膜が形成されにくく、金属接触が起こり易くなる。また、基油の蒸発量も多くなるため、初期状態を維持することができず、早期に音響寿命に至る。また、比較例１１ではエステル油の動粘度が規定値よりも高くなっており、基油粘度が高いと接触面に油膜が形成されやすくなり金属接触を防止できすることがるが、トルクの面では粘性抵抗が非常に大きくなってしまう。これらのことから、基油の動粘度は、１５〜８０ｍｍ２／ｓ（４０℃）の範囲であるといえる。
実施例８、９では、溝の曲率半径を変えた軸受を使用している。曲率半径を変えることによりグリース組成物を抱え込む量が変わり、曲率半径の大きいものはより低トルクにすることができる。曲率半径の小さい軸受Ｃでも、グリース組成物の降伏応力、粘度及び滴点が規定値の範囲内であれば、比較例１に比べて低トルクとなる。
上記の実施例及び比較例を基に、降伏応力とトルク比との関係を図２に、降伏応力と音響寿命比との関係を図３にグラフ化して示す。図２に示すように、グリース組成物の降伏応力が大きくなると低トルクになる傾向があり、降伏応力が１．２ｋＰａよりも小さくなると、せん断を受けたときに塑性変形しやすく、軸受内部での撹拌が多くなり、トルクが高まる。また、図３からも、降伏応力が小さすぎるとグリース組成物が軌道面周辺に留まることができず、早期に潤滑能力が喪失して音響寿命が短くなる。但し、降伏応力が高すぎてグリース組成物の動きが無くなり、軌道面にグリース組成物が供給されずに音響寿命が短くなる。従って、グリース組成物の降伏応力を１．２〜５ｋＰａにすることにより、トルク比及び音響寿命比をバランスよく満足することができ、２〜４ｋＰａの範囲で特に良好になる。
本発明を詳細にまた特定の実施態様を参照して説明したが、本発明の精神と範囲を逸脱することなく様々な変更や修正を加えることができることは当業者にとって明らかである。
本出願は、２０１２年１２月４日出願の日本特許出願（特願２０１２−２６５２５３）に基づくものであり、その内容はここに参照として取り込まれる。
本発明の転動装置は各種モータ用として好適であり、低トルク化及び音響寿命の改善を図ることができる。
１ａ 内輪軌道
１ 内輪
２ａ 外輪軌道
２ 外輪
３ 転動体
４ 保持器
５ シール
Ｇ グリース組成物

Claims (3)

  1. 外周面に内輪軌道を有する内輪と、内周面に外輪軌道を有する外輪と、前記内輪軌道と前記外輪軌道との間に転動自在に設けられた複数の転動体と、保持器とを備え、グリース組成物が封入された転動装置において、
    前記グリース組成物が、４０℃における動粘度が１５〜８０ｍｍ２／ｓの基油と、増ちょう剤として１２−ヒドロキシステアリン酸リチウムと、炭素数６〜１２の脂肪酸リチウムとの混合物を含有し、かつ、滴点が１９０〜２４０℃で、降伏応力が１．２〜５ｋＰａであることを特徴とする転動装置。
  2. 前記転動体の外径に対して、前記内輪軌道の溝の曲率半径が５１〜５６％であり、前記外輪軌道の溝の曲率半径が５５〜６３％であることを特徴とする請求項１記載の転動装置。
  3. 前記基油が、エステル油であることを特徴とする請求項１または２記載の転動装置。
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