JP2017110784A - 深溝玉軸受 - Google Patents

Abstract

【課題】希薄潤滑条件または無潤滑条件下で使用され、ボールの遅れ進みによる保持器破損を発生させずに長寿命化を実現できる深溝玉軸受を提供する。
【解決手段】この深溝玉軸受は、内外輪間に介在する複数のボールが鋲加締め波型鉄板保持器に保持され、希薄潤滑条件または無潤滑条件で使用され、少なくともボールと摺動する内外輪の軌道面または保持器の内面部位に１５μｍ以上の厚さで、好ましくは焼成されたポリテトラフルオロエチレンなどのフッ素樹脂被膜が形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は深溝玉軸受に関し、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、希薄潤滑条件または無潤滑条件下で使用される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ために、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下で使用されており、コンプレッサー用深溝玉軸受は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、保持器が破損するという現象が発生している。

希薄潤滑条件または無潤滑条件下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、軌道輪および／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、窒素濃度が高くする分布を有する転がり軸受が知られている（特許文献１）。

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、希薄潤滑条件または無潤滑条件下で使用されるコンプレッサーや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破損が見られる場合があり、改善が望まれている。

また、近年、これらの用途だけでなく、環境問題など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を起点とした破損が発生するという問題がある。

上記ボールの遅れ進みによる保持器破損の対策としては、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・寸法の改良があるが、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が、ＳＵＳは硬すぎるため成形用型の早期摩耗、破損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。このため、プレス加工での製作には好ましくないという問題がある。

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、希薄潤滑条件または無潤滑条件下で使用される深溝玉軸受において、ボールの遅れ進みによる保持器破損を発生させずに長寿命化を実現できる深溝玉軸受の提供を目的とする。

本発明の深溝玉軸受は、内外輪間に介在する複数のボールが保持器に保持され、希薄潤滑条件または無潤滑条件で使用され、上記保持器は、少なくともボールと摺動する部位に１５μｍ以上の厚さのフッ素樹脂被膜が形成されてい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。また、上記フッ素樹脂被膜が、焼成フッ素樹脂被膜であることを特徴とする。さらに、上記内外輪の少なくとも軌道面にフッ素樹脂被膜が形成されていることを特徴とする。
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は、保持器が少なくともボールと摺動する部位に１５μｍ以上の厚さのフッ素樹脂被膜を形成しているので、高ミスアライメント、希薄潤滑条件または無潤滑条件で使用されても、保持器の破損を発生させずに長寿命化を実現できる。

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。

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で加締めされて製作され、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（ポケット面）がボール４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、この保持器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などにも併せてフッ素樹脂被膜６を成膜してもよい。

図３は、内外輪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・外輪の全体に形成してもよい。

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などを使用でき、例えば、高炭素クロム軸受鋼（ＳＵＪ１、ＳＵＪ２、ＳＵＪ３、ＳＵＪ４、ＳＵＪ５等；ＪＩＳ Ｇ ４８０５）、浸炭鋼（ＳＣｒ４２０、ＳＣＭ４２０等；ＪＩＳ Ｇ ４０５３）、ステンレス鋼（ＳＵＳ４４０Ｃ等；ＪＩＳ Ｇ ４３０３）、高速度鋼（Ｍ５０等）、冷間圧延鋼などが挙げられる。

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；ＪＩＳ Ｇ ３１４１等)、ステンレス鋼（ＳＵＳ４４０Ｃ等；ＪＩＳ Ｇ ４３０３）、もみ抜き保持器用炭素鋼(ＪＩＳ Ｇ４０５１)、もみ抜き保持器用高力黄銅鋳物(ＪＩＳ Ｈ ５１０２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を構成するフッ素樹脂としては、ポリテトラフルオロエチレン（以下、ＰＴＦＥという）、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）、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。これらの樹脂は単独でも混合物としても使用できる。また、これらの中で、耐熱性および摺動性に優れるＰＴＦＥが好ましい。

フッ素樹脂被膜６は、被膜が形成される保持器など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など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−ピロリドンなど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樹脂粒子を分散させた水分散液である。

フッ素樹脂被膜６は、保持器など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、刷毛塗り法など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。フッ素樹脂被膜の被膜厚さは５μｍ超２０μｍ以下である。好ましくは１５μｍ以上２０μｍ以下である。フッ素樹脂被膜の被膜厚さが５μｍ以下であると、後述する耐久試験において破損時間が短くなる。また、２０μｍを超えると被膜形成時のクラック発生や運転中に剥離して潤滑状態が悪化するおそれがある。

フッ素樹脂被膜６は、乾燥後、焼成することが好ましい。焼成することで保持器など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。フッ素樹脂がＰＴＦＥの場合、好ましくは３８０℃の加熱炉内で３０分間焼成する。

保持器が少なくともボールと摺動する部位、および／または、内外輪の少なくとも軌道面に、上記フッ素樹脂被膜が形成されている深溝玉軸受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。

本発明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り、ハウジング８内に、図中右方において圧縮機構９を配設し、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を配設している。電動モータ１０はハウジング８内に固定されたステーター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。

上記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、コンプレッサー容器８内において濃度変動が大きく、また、軸受けのグリース成分などが共存すると冷凍サイクル内での吐出弁を詰まらせるなどの場合がある。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破損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、上記保持器破損の不具合のを改善する方法として、（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、型の早期摩耗、破損で保持器の生産性がよくないなどの問題がある。
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および２
表１に記載の材質（厚さ１ｍｍのＳＰＣＣ）の金属平板表面にＰＴＦＥ樹脂層を形成した。乾燥時間は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および４
比較例３は実施例１においてフッ素樹脂被膜の厚さを５μｍとする以外は実施例１と同一の深溝玉軸受であり、比較例４は実施例２においてフッ素樹脂被膜の厚さを５μｍとする以外は実施例２と同一の深溝玉軸受である。

実施例１、２に示すように、フッ素樹脂被膜の厚さを１５μｍとすることで、各比較例に比較して、破損時間で表した耐久性が顕著に向上した。さらに実施例１に示すように、フッ素樹脂被膜の厚さを１５μｍ、かつ焼成することで耐久性がより顕著に向上した。

本発明の深溝玉軸受は、高ミスアライメント、希薄潤滑条件または無潤滑条件で使用されても、保持器の破損を発生させずに長寿命化を実現できるので、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 (5)

1. 内外輪間に介在する複数の玉が保持器に保持され、希薄潤滑条件または無潤滑条件で使用される深溝玉軸受であって、
   前記保持器は、少なくとも前記玉と摺動する部位に１５μｍ以上の厚さのフッ素樹脂被膜が形成されていることを特徴とする深溝玉軸受。
2. 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。
3. 前記フッ素樹脂被膜が、焼成フッ素樹脂被膜であることを特徴とする請求項１または請求項２記載の深溝玉軸受。
4. 前記内外輪の少なくとも軌道面に、前記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１から請求項３までのいずれか１項記載の深溝玉軸受。
5. 前記軸受が、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１から請求項４までのいずれか１項記載の深溝玉軸受。

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