JP5459538B2 - 円すいころ軸受 - Google Patents

Description

本発明は、外輪、内輪および円錐ころを有し、潤滑油で潤滑される円すいころ軸受に関する。

従来、潤滑油で潤滑される円すいころ軸受として、潤滑状態の改善を目的としたものは、特開平１１−４８８０５号公報（特許文献１）に記載されているものがある。この円すいころ軸受もしくは円すいころ軸受装置は、内輪と、外輪と、円錐ころとを有し、上記内輪の内周面は、ディファレンシャルギヤ装置のピニオン軸に固定されている一方、上記外輪の外周面は、ディファレンシャルギヤ装置内の環状の仕切り壁に固定されている。

上記円錐ころ軸受装置は、ディファレンシャルギヤ装置のリングギヤの方から潤滑油通路を介して流れてきた潤滑油を、円すいころの小径側端面側から大径側端面側へ、円すいころ軸受の軸方向の一方の開口から他方の開口まで通過させることにより、円すいころ軸受の潤滑を行っている。

しかしながら、上記円錐ころ軸受装置は、内輪と外輪との間を、軸方向の一方から軸方向の他方に向けて潤滑油が流れる形式であることに加えて、ディファレンシャルギヤ装置に使用される潤滑油は、リングギヤやサイドギヤ等の様々なギヤの噛合部の焼付を防止するのに好適な粘度が高い潤滑油であるので、転動体である円すいころと外内輪の軌道面および内輪の大つば部との転がりもしくはすべり接触部分でのせん断、攪拌抵抗が元々大きく、かつ、円すいころ軸受の保持器の回転に伴ってこれにつれまわる潤滑油の量が多く、これらに伴う発熱や回転トルクの増大が比較的大きい。

また、特開２００７−０３２８０６号公報（特許文献２）においては、上記問題を解決すべく、保持器の回転に伴ってこれにつれまわる潤滑油に起因する発熱や回転トルクの増大を抑えるために、保持器表面に凹凸表面や撥油剤からなるつれまわり抑制部を設けることが開示されている。

しかしながら、保持器に連れまわる潤滑油を抑制するだけでは、潤滑油が関係する発熱や回転トルクの増大を十分に抑えることができない。また、ディファレンシャルギヤ装置に使用される潤滑油は、いわゆるギヤ油であり、前記の通り比較的粘度が高く、かつ、極圧剤等も比較的多く含まれている。そのため、物理的にも化学的にも撥油剤による処理層に対して活性であり、この点からも改善が求められている。

特開平１１−４８８０５号公報 特開２００７−０３２８０６号公報

本発明は、撥油処理を施す部分を最適化することにより、潤滑性能を損なうことなく潤滑油が関係する発熱や回転トルクの増大を抑制することのできる構成を有する円すいころ軸受を提供することを課題とする。併せて、撥油処理においては、耐久性を向上させ、安定した撥油性能を持たせることで、さらに安定して発熱や回転トルクの増大を抑制することのできる構成を有する円すいころ軸受を提供することを課題とする。

上記課題を解決するため、第一の発明に係る円すいころ軸受は以下の構成を備えることを特徴とする。

すなわち、外輪、内輪、外輪と内輪の間に配設される複数の転動体、転動体を離間保持する保持器を備え、潤滑油により転がり接触する部位及びすべり接触する部位を潤滑される円すいころ軸受において、
転動体は円すいころであって、
転動面及び大径側端面と小径側端面を有し、
大径側端面は内輪大つば部とすべり接触するころ頭部と、
ころ頭部から略円すい形状の遷移部分を経て小径側端面部に向けて窪み、略平面の底部を備える大径側端面とからなり、
内輪は、外周面に転動体が転動する軌道面と、
小径側端面と大径側端面と、
転動体のころ頭部がすべり接触する大つば部と、
大つば部を形成する大つば部外径面を備え、
外輪は、内周面に転動体が転動する軌道面と、
小径側端面と大径側端面とからなるものであって、
少なくとも、
ころ頭部と略円すい形状の遷移部分を除く転動体の外面、
外周面と大径側端面を除く外輪の外面、
内周面と大径側端面と大つば部外径面及び大つば部を除く内輪の外面、
保持器の全面に、
撥油処理が施され、
前記撥油処理が、前記内輪、外輪、転動体、保持器を形成する母材表面に、金属酸化物層を形成した後、撥油剤層を設けたものであり、
前記金属酸化物層は、前記母材の表面を、
水と、金属種がシリコン、チタン、もしくはアルミニウムで、アルキル部分の炭素数が１〜６の低級アルキルであるアルキルアルコキシ金属塩、またはハロゲンアルコキシ金属塩と、
炭素数１〜６の低級アルコールと、
平均粒径が１ｎｍ以上２００ｎｍ以下である金属酸化物微粒子と、を必須成分とし、
ｐＨが６以下である第一の溶液に接触させた後、
アルカリ金属塩を含有し、
ｐＨが１１〜１３である第二の溶液に接触させることにより、
母材の表面に金属酸化物層を形成するものであり、その後、
前記金属酸化物層が形成された母材の表面を、
水と、シリコン、チタン、またはアルミニウムを含有するフッ素系カップリング剤と、
炭素数１〜６の低級アルコールと、を含有し、
ｐＨが６以下である第三の溶液に接触させた後に、
アルカリ金属塩を含有し、
ｐＨが１１〜１３である第四の溶液に接触させることにより、
前記金属酸化物層の上に設けた撥油層であることを特徴とする。

本発明によれば、前記ギヤ油である潤滑油が前記保持器と共につれまわるのを抑制するばかりでなく、より好適な部位にも撥油処理を施しているため、円すいころ軸受の潤滑を損なわずに、円すいころ軸受内部の潤滑油の流れをより好適なものとすることが可能である。そのため、潤滑油に関係する発熱や回転トルクの増大を効果的に抑制することができる。

ここで、潤滑油に関係する発熱や回転トルクの増大の原因となるものは、円すいころ軸受の潤滑に必ずしも必要ではない部分での潤滑油の攪拌・せん断による発熱及び回転トルクの増大である場合が多い。

この第一の発明の場合、円すいころ軸受において、潤滑が不足して焼き付き等の不具合が発生しやすい部位である転動体のころ頭部と、内輪の大つば部との接触面には撥油処理を施していない。そのため、撥油処理の施されていないこの部分に潤滑油が豊富に行き渡ることになる。

さらに、通常円すいころは、その大径側端面において、ころ頭部から略円すい形状の遷移部分を経て小径側端面部に向けて窪み、略平面の底部を備える大径側端面とからなっている。また、通常大つば部は、大つば部を形成するための大つば部外径面を備えている。これら略円すい状の遷移部分、大つば部外径面は、前記転動体のころ頭部、前記内輪の大つば部にそれぞれ連続して形成されている。

したがって、この第一の発明の場合、前記潤滑が不足して焼き付き等の不具合が発生しやすい部位に隣接した部分も撥油処理がなされていない。そのため、潤滑油は、この部分に好適に付着し、ここから前記潤滑が不足して焼き付き等の不具合が発生しやすい部位である転動体のころ頭部と内輪の大つば部との接触面に潤滑油がより行き渡りやすくなる。

詳細なメカニズムは不明な点もあるが、上記したような作用により、好適に円すいころ軸受の発熱や回転トルクの増大を抑制することが可能である。

さらに、好ましくは、第二の発明として、前記第一の発明において、
第一の溶液は、前記金属酸化物微粒子として、平均粒径が１ｎｍ以上２００ｎｍ以下であるシリカ、チタニア、またはアルミナからなる微粒子を０．１重量％以上５．０重量％以下の割合で含有することを特徴とするものである。

以下、第一および第二の発明をより具体的に説明する。

前記金属酸化物層および撥水撥油層は、保持器の表面を、水と、金属種がシリコン、チタン、もしくはアルミニウムで、アルキル部分の炭素数が１〜６の低級アルキルであるアルキルアルコキシ金属塩、またはハロゲンアルコキシ金属塩と、炭素数１〜６の低級アルコールと、平均粒径が１ｎｍ以上２００ｎｍ以下である金属酸化物微粒子（シリカ、チタニア、アルミナ、マグネシア、酸化カルシウム、酸化亜鉛等からなる微粒子）と、を必須成分とし、ｐＨが６以下である第一の溶液に接触させた後、アルカリ金属塩を含有し、ｐＨが１１〜１３である第二の溶液に接触させることにより、保持器の表面に金属酸化物層を形成する金属酸化物層形成工程と、前記金属酸化物層形成工程の後に、前記保持器の表面を、シリコン、チタン、またはアルミニウムを含有するフッ素系カップリング剤と、水と、炭素数１〜６の低級アルコールと、を含有し、ｐＨが６以下である第三の溶液に接触させた後に、アルカリ金属塩を含有し、ｐＨが１１〜１３である第四の溶液に接触させることにより、前記金属酸化物層の上に撥水撥油層を形成する撥水撥油層形成工程と、を含む方法で形成されていることが好ましい。

前記第一の溶液は、前記金属酸化物微粒子として、平均粒径が１ｎｍ以上２００ｎｍ以下であるシリカ、チタニア、またはアルミナからなる微粒子を０．１重量％以上５．０重量％以下の割合で含有することが好ましい。

合成樹脂製保持器の場合には、保持器の表面に親水化処理工程を行った後に前記金属酸化物層形成工程を行うことが好ましい。親水化処理工程としては、プラズマ処理、グロー放電、コロナ放電、紫外線照射等により、前記保持器の表面に水酸基を形成する方法が挙げられる。

金属酸化物層形成工程で使用する第一の溶液のｐＨを６以下とすることで、前記アルキルアルコキシ金属塩またはハロゲンアルコキシ金属塩の加水分解反応が促進される。また、第二の溶液のｐＨを１１以上１３以下とすることにより、前記加水分解反応生成物の水酸基（−ＯＨ）と保持器表面の水酸基（−ＯＨ）との脱水縮合反応が促進される。その結果、保持器の表面に金属酸化物層が強固に化学結合された状態で形成される。

また、撥水撥油層形成工程で使用する第三の溶液のｐＨを６以下とすることで、前記フッ素系カップリング剤の加水分解反応が促進される。また、第四の溶液のｐＨを１１以上１３以下とすることにより、前記加水分解反応生成物の水酸基（−ＯＨ）と前記金属酸化層表面の水酸基（−ＯＨ）との脱水縮合反応が促進される。その結果、前記金属酸化物層の表面に撥水撥油層が強固に化学結合された状態で形成される。

さらに、金属酸化物層形成工程で、金属酸化物層（アルコキシ金属塩を構成する金属の酸化物からなる層）が保持器の被成膜面に生成する際に、第一の溶液に含まれる金属酸化物微粒子が被成膜面に結合することで、金属酸化物層が密に形成される。また、形成された金属酸化物層の表面に微粒子に起因する凹凸が形成されて、表面積率（表面が平滑面であると仮定した面積に対する実際の表面積の比率）が増大する。金属酸化物層の表面積率が増大すると、その上の層である撥水撥油層の表面積率も増大し、密な撥水撥油層が形成されることになるため、撥水撥油膜の撥水撥油性能が向上するとともに、撥水撥油膜が被
成膜面に対して強固に結合される。金属酸化物層および撥水撥油層の表面積率は１．１以上であることが好ましい。

アルコキシ金属塩（前記アルキルアルコキシ金属塩およびハロゲンアルコキシ金属塩）の具体例としては、金属種がシリコンである、テトラメトキシシラン、テトラエトキシシラン、テトラプロポキシシラン、テトラブトキシシラン、テトラクロロシラン、金属種がチタンである、テトラメトキシチタネート、テトラエトキシチタネート、テトラプロポキシチタネート、テトラブトキシチタネート、金属種がアルミナである、トリメトキシアルミネート、トリエトキシアルミネート、トリプロポキシアルミネートが挙げられる。

第一の溶液に含まれる金属酸化物微粒子をなす金属酸化物の金属種とアルコキシ金属塩の金属種は、同じであることが特に好ましい。

金属酸化物微粒子の平均一次粒径は、好ましくは２ｎｍ以上１００ｎｍ以下、より好ましくは２ｎｍ以上８０ｎｍ以下、さらに好ましくは１０ｎｍ以上５０ｎｍ以下である。また、平均一次粒径が異なる金属酸化物微粒子を混合して使用することも可能である。平均一次粒径が１ｎｍ未満では、表面積率の増大効果が少なく、２００ｎｍを超えると、被成膜面から脱落しやすくなる。

金属酸化物微粒子の溶液中の含有率は０．１以上３質量％以下とすることが好ましく、０．２質量％以上〜２．５質量％以下がさらに好ましい。金属酸化物微粒子の溶液中の含有率が０．１質量％未満では、金属酸化物層を密にする効果が少なく、５質量％を超えると、被成膜面に金属酸化物の微粒子が過度に重なった状態で堆積することになり、これに伴って微粒子が脱落することで撥水撥油膜に欠陥が生じ易くなる。

金属酸化物微粒子の形状は、特に限定はなく、球形、矩形、扁平形、繊維状、ウイスカー状のもの等を使用できる。例えば、繊維状のものであれば、繊維の長さを１ｎｍ以上２００ｎｍ以下とすることができる。また、異なる形状のものを混合して使用してもよい。また、平均一次粒径が１ｎｍ以上２００ｎｍ以下であれば、多孔質のもの等を使用することも可能である。

第一の溶液の組成の一例を具体的に述べると、アルコキシ金属塩が１質量％以上１０質量％以下、水が１質量％以上２０質量％以下、アルコールが３０質量％以上９５質量％以下、金属酸化物の微粒子が０．１質量％以上５質量％以下であって、塩酸によりｐＨが６以下に調整されているものである。この場合、塩酸以外の成分をあらかじめ混合し、金属酸化物微粒子が均一になるよう数十分〜数時間攪拌した後、最後に塩酸を用いてｐＨ調整を行うことが好ましい。

前記第二の溶液および第四の溶液は、特に、水酸化ナトリウム水溶液であることが好ましい。また、炭酸ナトリウム、炭酸カリウム、炭酸水素ナトリウム等のアルカリ金属の炭酸塩等も使用できる。また、各種のｐＨ緩衝剤を併用してもよい。

また、前記第一の溶液および第三の溶液が炭素数１〜６の低級アルコールを含むことにより、前記アルコキシ金属塩およびフッ素系カップリング剤の溶解度を高め、安定した溶液となる。炭素数１〜６の低級アルコールとしては、メタノール、エタノール、１−プロパノール、２−プロパノール、ブタノール、ヘキサノール、シクロヘキサノール等が好適に使用できる。より好ましくは、エタノールを用いる。

前記第三の溶液に含まれる、シリコン、チタン、またはアルミニウムを含有するフッ素系カップリング剤としては、第一の溶液に含まれる金属酸化物微粒子の金属種、あるいは、第一の溶液に含まれるアルコキシ金属塩の金属種と同じ金属種を有するものであることが好ましい。また、金属種がシリコンであるフッ素系カップリング剤（フッ素系シランカ
ップリング剤）を使用することが好ましい。

具体的には、１Ｈ，１Ｈ，２Ｈ，２Ｈ−パーフルオロデシルトリエトキシシラン、１Ｈ，１Ｈ，２Ｈ，２Ｈ−パーフルオロデシルトリメトキシシラン、１Ｈ，１Ｈ，２Ｈ，２Ｈ−パーフルオロデシルトリクロロシラン−３−ヘプタフルオロイソプロポキシプロピルトリクロロシラン、１Ｈ，１Ｈ，２Ｈ，２Ｈ−パーフルオロドデシルトリエトキシシラン、３−トリフルオロアセトキシプロピルトリメトキシシラン等が使用できる。

上記のように、撥油処理を第一および第二の発明に係るものとすることにより、転動面に撥油処理を施しても十分な耐久性を有する撥油処理とすることが可能であり、第一の発明の効果をより長期に、より安定して付与することが可能となる。

また、第一および第二の発明に係る撥油処理は、化学的にも物理的にも安定であり、従来からの撥油処理、例えば、市販撥油剤である日本メクトロン株式会社製のノックスガード４２０ＳＴ等による処理に比べて強固なものとすることができる。

また、本発明によれば、潤滑油を必要とする部位に効果的に供給することになるため、例えばギヤボックス等に封入する潤滑油量を最低限のものとすることができる。回転トルク低減によるエネルギー損失の減少に加え、もともとの潤滑油の使用量も少なくてすみ、環境負荷がより小さいものとすることができる。

本発明によれば、潤滑油が関係する発熱や回転トルクの増大を抑制した円すいころ軸受を得ることができる。

本発明の実施形態に係る円すいころ軸受の断面を示す。

以下、本発明の実施形態をより詳細に説明する。
図１は、本発明に係る円すいころ軸受の断面を示すものである。円すいころ軸受は、内輪１、外輪２、内輪１と外輪２の間に配設される円すいころである複数の転動体３、転動体を保持する保持器４から基本的に形成され、内輪１と外輪２が転動体３により回転自在に支持されている。

転動体３は、図１における左側の端面である小径側端面と、図１における右側の端面である大径側端面を有する。大径側端面は、内輪大つば部２１とすべり接触するころ頭部５と、ころ頭部５から略円すい状に大径側端面から小径側端面に向けて遷移部分８を経て窪んでいる略平面の底部７を備えている。また図１の例においは、転動面１９は外輪２の軌道面１６及び内輪１の軌道面１７と転動接触している。

内輪１は、その外周面に転動体３が転動する内輪軌道面１７と、内輪小径側端面１５と、内輪大径側端面１４と、内輪大つば部２１と、内輪大つば部２１を形成する内輪大つば部外径面６と、通常軸と嵌めあわされる内輪内周面１１を備える。また、内輪大つば部外径面６と内輪大つば部のつなぎ目部分には、内輪大つば部面取り９が施される場合が多い。

外輪２は、その内周面に転動体３が転動する外輪軌道面１６と、外輪小径側端面１２と、外輪大径側端面１３と、通常ハウジングと嵌めあわされる外輪外周面１０を備える。

保持器は、複数の転動体３を離間して保持するためのものであり、通常金属製もしくは合成樹脂で形成されている。

本発明の第一の発明によれば、少なくとも、転動体３においては、略円すい上に形成されている遷移部分８と、ころ頭部５を除いた外面に撥油処理を施し、外輪２においては、外輪外周面１０と外輪大径側端面１３を除いた外面に撥油処理を施し、内輪１においては、内輪内周面１１と、内輪大径側端面１４、内輪大つば部外径面６、内輪大つば部２１を除いた外面に撥油処理を施す。

ここで、内輪１の内輪内周面１１及び内輪内周面１１と内輪小径側端面１５とのつなぎ目の面取り部分、外輪２の外輪外周面１０及び外輪外周面１０と小径側端面１２とのつなぎ目の面取り部分には撥油処理を施しても良い。逆に、内輪大つば部面取り９は、ここに油が付着すると内輪大つば部２１ところ頭部５の摺動部分に潤滑油が引き込まれやすくなるため、撥油処理は行わないことが好ましい。

保持器４においては、その全面に撥油処理を施す。

通常用いられるディファレンシャル装置等であれば、内輪１の内輪小径側端面１５と外輪２の外輪小径側端面１２で形成される間隙から潤滑油が供給され、軸受内部を通過しつつ軸受内部を潤滑し、内輪１の内輪大つば部外径面６と外輪２の外輪大径側端面１３とで形成される間隙から潤滑油が排出される形態となるように設計される。

このとき、前記のとおり所定の各部に撥油処理が施されていることにより、例えば、転動体３の転動面１９や、保持器４と転動体３が摺動接触する摺動面には必要最低限の潤滑油を供給しつつ、撥油処理の効果により、これらの摺動・転動・回転に連れまわる潤滑油の量を抑制することがでる。そのため、潤滑油の不必要な攪拌、せん断を抑制することが可能であり、発熱や回転トルクの増大を抑制もしくは減少することが可能である。

また、円すいころ軸受において、その摺動条件が厳しく焼き付き等の不具合が発生しやすい内輪大つば部２１ところ頭部５には撥油処理がされておらず、撥油処理された部分から排出される潤滑油は、この部分に好適に集まる。すなわち、撥油処理された部分に付着等するはずであった潤滑油がこの部分に集まり、この部分の潤滑を良好にする。そのため、本発明に係る円すいころ軸受は、より長期に渡り安定した性能を発揮することができる。

また、第一および第二の発明に係る軸受は、上述したとおり発熱や回転トルクの増大を抑制するものであるため、例えば、ディファレンシャル装置において円すいころ軸受と潤滑油を共用している他の部分、例えばギヤ面等において、その焼き付き防止等のためにより高粘度の潤滑油を使用したいといった場合にも、転がり軸受部の発熱やトルクの増大を好適に抑制することができる。言い換えれば、同じ発熱、同じ回転トルクであれば、より高粘度の潤滑油を使用することができる。

さらに、第一および第二の発明に係る撥油処理を行えば、物理的にも化学的にもより安定した撥油処理とすることができるため、例えば、より高回転での使用や、より強力な極圧剤の使用も可能である。

本発明の円すいころ軸受は、潤滑油で潤滑された場合に発熱や回転トルクがより低く抑えられるため、各種機械装置に好適に使用できる。また、本発明の円すいころ軸受を好適に使用できる機械装置としては、ディファレンシャルギヤ装置、トランスアクスル装置またはトランスファ装置等のピニオン軸を有する車両用ピニオン軸支持装置、あるいは、自動車や鉄道車両の車軸装置などが挙げられる。

１ 内輪
２ 外輪
３ 転動体
４ 保持器
５ ころ頭部
６ 大つば部外径面
７ 底部
８ 遷移部分
９ 内輪大つば部面取り
１０ 外輪外周面
１１ 内輪内周面
１２ 外輪小径側端面
１３ 外輪大径側端面
１４ 内輪大径側端面
１５ 内輪小径側端面
１６ 外輪軌道面
１７ 内輪軌道面
１９ ころ転動面
２０ 内輪小つば部外径面
２１ 内輪大つば部

Claims (2)

1. 外輪、内輪、外輪と内輪の間に配設される複数の転動体、転動体を離間保持する保持器を備え、潤滑油により転がり接触する部位及びすべり接触する部位を潤滑される円すいころ軸受において、
   転動体は円すいころであって、
   転動面及び大径側端面と小径側端面を有し、
   大径側端面は内輪大つば部とすべり接触するころ頭部と、
   ころ頭部から略円すい形状の遷移部分を経て小径側端面部に向けて窪み、略平面の底部を備える大径側端面とからなり、
   内輪は、外周面に転動体が転動する軌道面と、
   小径側端面と大径側端面と、
   転動体のころ頭部がすべり接触する大つば部と、
   大つば部を形成する大つば部外径面を備え、
   外輪は、内周面に転動体が転動する軌道面と、
   小径側端面と大径側端面とからなるものであって、
   少なくとも、
   ころ頭部と略円すい形状の遷移部分を除く転動体の外面、
   外周面と大径側端面を除く外輪の外面、
   内周面と大径側端面と大つば部外径面及び大つば部を除く内輪の外面、
   保持器の全面に、
   撥油処理が施され、
   前記撥油処理が、前記内輪、外輪、転動体、保持器を形成する母材表面に、金属酸化物層を形成した後、撥油剤層を設けたものであり、
   前記金属酸化物層は、前記母材の表面を、
   水と、金属種がシリコン、チタン、もしくはアルミニウムで、アルキル部分の炭素数が１〜６の低級アルキルであるアルキルアルコキシ金属塩、またはハロゲンアルコキシ金属塩と、
   炭素数１〜６の低級アルコールと、
   平均粒径が１ｎｍ以上２００ｎｍ以下である金属酸化物微粒子と、を必須成分とし、
   ｐＨが６以下である第一の溶液に接触させた後、
   アルカリ金属塩を含有し、
   ｐＨが１１〜１３である第二の溶液に接触させることにより、
   母材の表面に金属酸化物層を形成するものであり、その後、
   前記金属酸化物層が形成された母材の表面を、
   水と、シリコン、チタン、またはアルミニウムを含有するフッ素系カップリング剤と、
   炭素数１〜６の低級アルコールと、を含有し、
   ｐＨが６以下である第三の溶液に接触させた後に、
   アルカリ金属塩を含有し、
   ｐＨが１１〜１３である第四の溶液に接触させることにより、
   前記金属酸化物層の上に設けた撥油層であることを特徴とする円すいころ軸受。
2. 前記第一の溶液は、前記金属酸化物微粒子として、平均粒径が１ｎｍ以上２００ｎｍ以下であるシリカ、チタニア、またはアルミナからなる微粒子を０．１重量％以上５．０重量％以下の割合で含有することを特徴とする請求項１記載の円すいころ軸受。

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