JP2022124951A - ボールソケット構造 - Google Patents
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Abstract
【課題】ソケット部を改良した新規構成のボールソケット構造を提案する。【解決手段】この発明は相互に摺動するボール部とソケット部とを備えてなるボールソケット構造であって、ソケット部の摺動面がPVDコーティング層で構成され、ソケット部の摺動面は凹状球面であり、該摺動面の深さDsとその曲率半径Rsとの比の値(Ds/Rs)=0.05~0.70である。【選択図】 図1
Description
本発明はボールソケット構造の改良に関する。
ジャーナル軸受に用いられるティルティングパッド軸受においてボールソケット構造が採用されることがある。そのソケット部がジャーナル軸受の筐体に固定され、ソケット部に対して摺動するボール部にパッドが配置され、このパッドがティルト可能となる。かかる構成のティルティングパッド軸受では、ボール部の摺動面とソケット部の摺動面とはともに軸受用の金属で構成されることが一般的であった。
ボール部の摺動面とソケット部の摺動面がともに金属製であるため、両者の間に潤滑油を供給する必要がある。そこで、少なくとも一方の摺動面に潤滑油を捕集する凹部(ポイント形状、溝形状)を形成していた(特許文献1参照)。かかる凹部を設けることにより次の作用が奏される。両摺動面の摺動に伴い、凹部に捕集された潤滑油が両摺動面間に引き込まれ、もって両摺動面間の摺動性が維持される。これにより、ボール部に配置されたパッドに良好なティルト機能が確保される。
本発明に関連する技術を開示する特許文献2、3も参照されたい。
ボール部の摺動面とソケット部の摺動面がともに金属製であるため、両者の間に潤滑油を供給する必要がある。そこで、少なくとも一方の摺動面に潤滑油を捕集する凹部(ポイント形状、溝形状)を形成していた(特許文献1参照)。かかる凹部を設けることにより次の作用が奏される。両摺動面の摺動に伴い、凹部に捕集された潤滑油が両摺動面間に引き込まれ、もって両摺動面間の摺動性が維持される。これにより、ボール部に配置されたパッドに良好なティルト機能が確保される。
本発明に関連する技術を開示する特許文献2、3も参照されたい。
本発明者らの検討によれば、ボール部の摺動面やソケット部の摺動面に潤滑油捕集用の凹部を設けることには次の課題があった。
凹部を形成した領域は、ボール部の摺動面とソケット部の摺動面との摺動に寄与しない。換言すれば、凹部を設けることで、両摺動面の有効面積が凹部の無いものに比べて小さくなり、摩擦係数増加の原因となる。
ジャーナル軸受において軸の周方向に配置されるパッドに要求されるティルト角は僅かであり(例えば0.1度程度)、その結果、ソケット部の摺動面に対するボール部の摺動面の摺動量も僅かとなる。このように摺動量が僅かであると、潤滑油捕集用の凹部から両摺動面間へ引き込まれる潤滑油の量が不十分になるおそれがあり、摩擦係数増加の原因となりかねない。
凹部を形成した領域は、ボール部の摺動面とソケット部の摺動面との摺動に寄与しない。換言すれば、凹部を設けることで、両摺動面の有効面積が凹部の無いものに比べて小さくなり、摩擦係数増加の原因となる。
ジャーナル軸受において軸の周方向に配置されるパッドに要求されるティルト角は僅かであり(例えば0.1度程度)、その結果、ソケット部の摺動面に対するボール部の摺動面の摺動量も僅かとなる。このように摺動量が僅かであると、潤滑油捕集用の凹部から両摺動面間へ引き込まれる潤滑油の量が不十分になるおそれがあり、摩擦係数増加の原因となりかねない。
この発明はかかる課題を解決するものであり、第1局面は次のように規定される。
相互に摺動するボール部とソケット部とを備えてなるボールソケット構造であって、
前記ソケット部の摺動面がPVDコーティング層で構成され、
前記ソケット部の摺動面は凹状球面であり、該摺動面の深さDsとその曲率半径Rsとの比の値(Ds/Rs)=0.05~0.70である、ボールソケット構造。
相互に摺動するボール部とソケット部とを備えてなるボールソケット構造であって、
前記ソケット部の摺動面がPVDコーティング層で構成され、
前記ソケット部の摺動面は凹状球面であり、該摺動面の深さDsとその曲率半径Rsとの比の値(Ds/Rs)=0.05~0.70である、ボールソケット構造。
このように規定される第1局面の軸受では、図1Aに示すように、ソケット部43における摺動面43aの深さDsとその率曲率半径Rsとの比の値(Ds/Rs)を0.05~0.70とした。即ち、摺動面43aを比較的浅い凹状球面とした。これにより、金属製のソケット部43を陰極としてこれに蒸発源及びプラズマによって発生した粒子を衝突させる際、当該粒子が摺動面43aの全域に均等に衝突しやすくなる。
なお、比の値(Ds/Rs)が0.70を超えると、ソケット部43の摺動面43aが深くなりすぎて、摺動面43aの深い位置において十分なエネルギーをもって粒子が衝突できなくなるおそれがある。他方、比の値(Ds/Rs)が0.05を下回ると、摺動面43aが浅くなりすぎるので好ましくない。即ち、摺動面43aが浅くなると、ボール部41を回転させてボール部41に支持されるパッド20(図4参照)を有効にティルトさせるには、摺動面43aに広い面積が必要になり、ボールソケット構造が大型化する。
加工容易性の観点から、(Ds/Rs)の更に好ましい比の値は0.3~0.6である。最も更に好ましい比の値は0.4~0.6である。
加工容易性の観点から、(Ds/Rs)の更に好ましい比の値は0.3~0.6である。最も更に好ましい比の値は0.4~0.6である。
ここに、PVD(物理気相成長法 この明細書で同じ)処理を実行する際、第1前処理ステップとして被成長面へプラズマクリーニングを施すことが一般的であるが、摺動面43aが浅く形成されているのでAr+等のプラズマが凹状球面の全域に均等に衝突する。よって、凹状球面の全面が確実かつ均一にクリーニングされ、その後、PVD処理により積層されるコーティング層433が均一に密着する(図1B参照)。つまり、PVDコーティング層433とソケット部の基体431の間に十分な密着性を確保できる。
勿論、PVD処理により積層されるコーティング層433の材料の粒子も均等に凹状球面へ衝突し、そこに積層されるので、PVDコーティング層433の膜厚や密度も均一になる。
PVDコーティング層の材料は、軸受摺動面の固体摺動層を構成するものとして、高い潤滑性、耐摩耗性などの特性を備えるものとする。かかる材料として、実施例で例示するDLCやCrNの他、CrC、SiC、SiN、TiN、TiCなどを挙げることができる。
勿論、PVD処理により積層されるコーティング層433の材料の粒子も均等に凹状球面へ衝突し、そこに積層されるので、PVDコーティング層433の膜厚や密度も均一になる。
PVDコーティング層の材料は、軸受摺動面の固体摺動層を構成するものとして、高い潤滑性、耐摩耗性などの特性を備えるものとする。かかる材料として、実施例で例示するDLCやCrNの他、CrC、SiC、SiN、TiN、TiCなどを挙げることができる。
このようにして、ソケット部43の摺動面43aをPVDコーティング層433で構成することで、潤滑油を捕集する凹部を何ら設けることなく、ボール部41の摺動面41aとの間の摩擦係数を低減することができる。ここに、ソケット部43の摺動面43aの全面にPVDコーティング層433を形成することが好ましいが、ソケット部43の摺動面43aにおいてボール部41が接触する部分のみに当該PVDコーティング層433を形成してもよい。
このPVDコーティング層433はその膜厚や密度が均一であるので、その薄膜化及び高耐久性化を達成できる。
このPVDコーティング層433はその膜厚や密度が均一であるので、その薄膜化及び高耐久性化を達成できる。
この発明の第2局面は次のように規定される。即ち、
第1局面で規定されたボールソケット構造において、前記ソケット部の摺動面の外周が面取りされている。
このように規定される第2局面のボールソケット構造によれば、図2Aに示すように、ソケット部43の摺動面43aの外周が面取りされているので、粒子の衝突を受ける陰極としてのソケット部43からエッジが除去される。ここに摺動面43aの外周とは、凹状球面における最大径の部位を指す。このように面取りすることによって、当該部位の電界が安定して粒子の衝突が安定かつ均一となる。これにより、摺動面43aの全面においてPVDコーティング層433の膜厚や密度がより均一となる。
第1局面で規定されたボールソケット構造において、前記ソケット部の摺動面の外周が面取りされている。
このように規定される第2局面のボールソケット構造によれば、図2Aに示すように、ソケット部43の摺動面43aの外周が面取りされているので、粒子の衝突を受ける陰極としてのソケット部43からエッジが除去される。ここに摺動面43aの外周とは、凹状球面における最大径の部位を指す。このように面取りすることによって、当該部位の電界が安定して粒子の衝突が安定かつ均一となる。これにより、摺動面43aの全面においてPVDコーティング層433の膜厚や密度がより均一となる。
面取りした部位の面取り曲率半径Rcは、摺動面43aの曲率半径Rsとの対比において比の値(Rc/Rs)若しくは曲率半径Rsと面取りされたC面の深さDcとの比の値(Dc/Rs)を0.02以上とすることが好ましい(第3局面)。これらの比の値を0.02以上とすることでエッジ効果による電界の乱れを抑制できる。比の値(Rc/Rs若しくはDc/Rs)が0.02未満となると、面取りした部位の面取り曲率半径が小さくなりすぎてエッジ効果が生じ、その近傍の電界を乱すおそれがある。
面取り曲率半径Rcとは、面取り部位のC面を外側に膨らんだ断面半球状に形成したときの、断面の曲率半径を指す。
面取りの形状は電界の乱れを抑制できるものであれば上記のような曲面に限定されない。例えば、図2Bに示すように平面状のC面の角度Acを60度以下としてもよい。
面取り曲率半径Rcとは、面取り部位のC面を外側に膨らんだ断面半球状に形成したときの、断面の曲率半径を指す。
面取りの形状は電界の乱れを抑制できるものであれば上記のような曲面に限定されない。例えば、図2Bに示すように平面状のC面の角度Acを60度以下としてもよい。
この発明の第4局面は次のように規定される。即ち、第1~第3のいずれかの局面に規定のボールソケット構造において、前記ソケット部の中央部に貫通孔が形成されている。
ここで、ソケット部の中央部とは、摺動面において最も深い部位を指す。
このように規定される第4局面のボールソケット構造によれば、図3に示すように、ソケット部43の摺動面41aにおいて最も深い位置に貫通孔48が形成されるので、当該貫通孔48の開口部48cの周辺に強い電界を発生させられる。これにより、電界の強さが弱くなりがちな摺動面43aの深い位置での電界の強度を補償できる。
更には、図4に示すように、貫通孔48の開口部48cの周縁を面取りして、当該開口部48cの周縁の電界を安定させることが好ましい(第5の局面)。面取りの程度は摺動面43aの外周と同等とすることができる。
ここで、ソケット部の中央部とは、摺動面において最も深い部位を指す。
このように規定される第4局面のボールソケット構造によれば、図3に示すように、ソケット部43の摺動面41aにおいて最も深い位置に貫通孔48が形成されるので、当該貫通孔48の開口部48cの周辺に強い電界を発生させられる。これにより、電界の強さが弱くなりがちな摺動面43aの深い位置での電界の強度を補償できる。
更には、図4に示すように、貫通孔48の開口部48cの周縁を面取りして、当該開口部48cの周縁の電界を安定させることが好ましい(第5の局面)。面取りの程度は摺動面43aの外周と同等とすることができる。
この発明の第6局面は次のように規定される、即ち、第1~第5局面に規定のボールソケット構造において、前記PVDコーティング層はダイヤモンドライクカーボン(この明細書で、DLCと略すことある)からなる。
このように規定される第6局面のボールソケット構造によれば、PVDコーティング層433をDLC製としたので、DLCの特性である高耐久性が得られる。
このように規定される第6局面のボールソケット構造によれば、PVDコーティング層433をDLC製としたので、DLCの特性である高耐久性が得られる。
この発明の第7局面は次のように規定される。即ち、第1~第6局面に規定のボールソケット構造において、前記ソケット部の中央部の肉厚Tsに対して、前記PVDコーティング層の厚さが0.001~0.300%を占める。
ここにソケット部43の中央部とは、既述の通り、摺動面43aにおいて最も深い部位を指す。換言すれば、当該中央部はソケット部43において最も肉厚が薄い部位となる。そこで、第7局面で規定するように、ソケット部43の中央部の肉厚Tsに対してPVDコーティング層433の厚さが0.001~0.300%を占めるように設計することで、ソケット部43に必要な機械的強度を確保するとともに、PVDコーティング層433にも必要な膜厚が確保される。
ここにソケット部43の中央部とは、既述の通り、摺動面43aにおいて最も深い部位を指す。換言すれば、当該中央部はソケット部43において最も肉厚が薄い部位となる。そこで、第7局面で規定するように、ソケット部43の中央部の肉厚Tsに対してPVDコーティング層433の厚さが0.001~0.300%を占めるように設計することで、ソケット部43に必要な機械的強度を確保するとともに、PVDコーティング層433にも必要な膜厚が確保される。
ここに、ソケット部43の中央部においてPVDコーティング層433の厚さの占める割合が0.001%未満であると、PVDコーティング層433が薄くなりすぎてその膜厚寿命が下がる。他方、PVDコーティング層433の厚さの占める割合が0.300%を超えるものとなると、PVDコーティング層433が無用に厚くなる一方でソケット部43の中央部の基体の割合が減って、剛性が減る。その結果、その機械的強度が低下になる。
ソケット部43の中央部においてPVDコーティング層433の厚さの占める更に好ましい割合は、0.010~0.100%である。最も好ましい割合は0.020~0.050%である。これにより、PVDコーティング層433の肉厚調整が容易になる。
ソケット部43の中央部においてPVDコーティング層433の厚さの占める更に好ましい割合は、0.010~0.100%である。最も好ましい割合は0.020~0.050%である。これにより、PVDコーティング層433の肉厚調整が容易になる。
この発明の第8局面は次のように規定される。即ち、第1~第7のいずれかの局面に規定のボールソケット構造において、前記ボール部の摺動面がPVDコーティング層で構成され、
前記ボール部の中央部の肉厚Tbに対して、前記PVDコーティング層の厚さが0.001~0.300%を占める。
このように規定される第8局面によれば、図1Bに示すように、ボール部41の摺動面41aにもPVDコーティング層413が積層されるので、ソケット部43の摺動面43aのPVDコーティング層433と相俟って、ボールソケット構造の摩擦係数を低減できる。
ボール部41の中央部の肉厚Tbに対してPVDコーティング層413の厚さが0.001~0.300%を占めるように設計することで、ボール部41に必要な機械的強度を確保するとともに、そのPVDコーティング層413にも必要な膜厚を確保できる。
前記ボール部の中央部の肉厚Tbに対して、前記PVDコーティング層の厚さが0.001~0.300%を占める。
このように規定される第8局面によれば、図1Bに示すように、ボール部41の摺動面41aにもPVDコーティング層413が積層されるので、ソケット部43の摺動面43aのPVDコーティング層433と相俟って、ボールソケット構造の摩擦係数を低減できる。
ボール部41の中央部の肉厚Tbに対してPVDコーティング層413の厚さが0.001~0.300%を占めるように設計することで、ボール部41に必要な機械的強度を確保するとともに、そのPVDコーティング層413にも必要な膜厚を確保できる。
ここに、ボール部41の中央部とは、無負荷状態のときのソケット部43の中央部に対向するボール部41の部位を指す。ここに、ボール部41の中央においてPVDコーティング層413の厚さの占める割合が0.001%未満であると、PVDコーティング層413が薄くなりすぎてその耐久性が不足するおそれがある。他方、PVDコーティング層413の厚さの占める割合が0.300%を超えるものとなると、PVDコーティング層413が無用に厚くなる一方でボール部41の中央部が薄くなりすぎてその機械的強度が不十分になるおそれがある。
ボール部41の中央部においてPVDコーティング層413の厚さの占める更に好ましい割合は、0.010~0.030%である。最も好ましい割合は0.010~0.025%である。
ボール部41の中央部においてPVDコーティング層413の厚さの占める更に好ましい割合は、0.010~0.030%である。最も好ましい割合は0.010~0.025%である。
この発明の第9局面は次のように規定される。即ち、
相互に摺動するボール部とソケット部とを備えてなるボールソケット構造の前記ソケット部の製造方法であって、
摺動面となる凹状球面を備え、該凹状球面の深さDsとその曲率半径Rsとの比の値(Ds/Rs)が0.05~0.70である、金属製のソケット部の基体を準備する準備ステップと、
前記基体の凹状球面をプラズマクリーニングする第1前処理ステップと、
前記プラズマクリーニングされた凹状球面へプライマ層をPVD処理で積層する第2前処理ステップと、
前記プライマ層の上にダイヤモンドライクカーボンをPVD処理で積層する積層ステップと、を備えてなるソケット部の製造方法。
相互に摺動するボール部とソケット部とを備えてなるボールソケット構造の前記ソケット部の製造方法であって、
摺動面となる凹状球面を備え、該凹状球面の深さDsとその曲率半径Rsとの比の値(Ds/Rs)が0.05~0.70である、金属製のソケット部の基体を準備する準備ステップと、
前記基体の凹状球面をプラズマクリーニングする第1前処理ステップと、
前記プラズマクリーニングされた凹状球面へプライマ層をPVD処理で積層する第2前処理ステップと、
前記プライマ層の上にダイヤモンドライクカーボンをPVD処理で積層する積層ステップと、を備えてなるソケット部の製造方法。
上記第9局面に規定の製造方法によれば、ソケット部43の基体431の凹状球面の深さDsとその曲率半径Rsとの比の値(Ds/Rs)を0.05~0.70とした。即ち、基体431の凹状球面を浅い形状とした。これにより、金属製のソケット部43の基体431を陰極としてこれに蒸発源及びプラズマによって発生した粒子を衝突させる際、当該粒子が凹状球面の全域に均等に衝突しやすくなる。
PVD処理を実行する際、第1前処理ステップとして被成長面へプラズマクリーニングを施すことが一般的である。ここに、第9局面に規定の製造方法によれば、ソケット部43の基体431の凹状球面が浅く形成されているのでプラズマで生成されたAr+等の粒子が凹状球面の全域に均等に衝突する。よって、被成長面である基体431の凹状球面の全面が確実かつ均一にクリーニングされる。
PVD処理を実行する際、第1前処理ステップとして被成長面へプラズマクリーニングを施すことが一般的である。ここに、第9局面に規定の製造方法によれば、ソケット部43の基体431の凹状球面が浅く形成されているのでプラズマで生成されたAr+等の粒子が凹状球面の全域に均等に衝突する。よって、被成長面である基体431の凹状球面の全面が確実かつ均一にクリーニングされる。
その後実行されるプライマ層の積層時(第2前処理ステップ)にも、プライマ層を構成する粒子がプラズマクリーニングされた凹状球面へ均一に衝突するので、当該凹状球面の全面においてプライマ層はその膜厚及び密度が均一になる。かかるプライマ層の材料として、Ti、Cr、W、Ni、NiCr、Si、Zr、Ta、Mo等が挙げられる
更にその後実行されるダイヤモンドライクカーボン層の積層時(積層ステップ)にも、ダイヤモンドライクカーボン層を構成する粒子が凹状球面のプライマ層へ均一に衝突するので、当該プライマ層の全面においてダイヤモンドライクカーボン層はその膜厚及び密度において均一になる。
更にその後実行されるダイヤモンドライクカーボン層の積層時(積層ステップ)にも、ダイヤモンドライクカーボン層を構成する粒子が凹状球面のプライマ層へ均一に衝突するので、当該プライマ層の全面においてダイヤモンドライクカーボン層はその膜厚及び密度において均一になる。
この発明の第10局面の製造方法は次のように規定される。即ち、
第9局面に規定の製造方法において、前記準備ステップにおいて、前記基体の凹状球面の外周が面取りされている。
このように規定される第10局面の製造方法によれば、基体431の凹状球面の外周が面取りされているので、そこでの電界が安定して、基体431を陰極としたときに、粒子の衝突が安定かつ均一となる。これにより、第1前処理ステップ、第2前処理ステップ及び積層ステップがそれぞれ、凹状球面の全面において安定して実行される。
なお、第11局面で規定するように、面取り曲率半径Rcは、摺動面43aの曲率半径Rsとの対比において比の値(Rc/Rs)若しくは曲率半径Rsと面取りされたC面の深さDcとの比の値(Dc/Rs)を0.02以上とすることが好ましい。比の値(Rc/Rs若しくはDc/Rs)を0.02以上とすることでエッジ効果による電界の乱れを抑制できる。
第9局面に規定の製造方法において、前記準備ステップにおいて、前記基体の凹状球面の外周が面取りされている。
このように規定される第10局面の製造方法によれば、基体431の凹状球面の外周が面取りされているので、そこでの電界が安定して、基体431を陰極としたときに、粒子の衝突が安定かつ均一となる。これにより、第1前処理ステップ、第2前処理ステップ及び積層ステップがそれぞれ、凹状球面の全面において安定して実行される。
なお、第11局面で規定するように、面取り曲率半径Rcは、摺動面43aの曲率半径Rsとの対比において比の値(Rc/Rs)若しくは曲率半径Rsと面取りされたC面の深さDcとの比の値(Dc/Rs)を0.02以上とすることが好ましい。比の値(Rc/Rs若しくはDc/Rs)を0.02以上とすることでエッジ効果による電界の乱れを抑制できる。
この発明の第12局面は次のように規定される。即ち、第9~11のいずれかの局面に規定の製造方法であって、前記準備ステップにおいて、前記凹状球面の中央部に貫通孔48が形成されている。
このように規定される第12局面の製造方法によれば、基体431において最も深い位置に貫通孔48が形成されるので、基体431を陰極としたときに強い電界が貫通孔48の開口部48cの周辺に発生する。これにより、凹状球面の深い位置においても粒子が安定して衝突できる。
更には、第13局面で規定するように、貫通孔48の開口部48cの周縁を面取りして、当該開口部48cの周縁の電界を安定させることが好ましい。
このように規定される第12局面の製造方法によれば、基体431において最も深い位置に貫通孔48が形成されるので、基体431を陰極としたときに強い電界が貫通孔48の開口部48cの周辺に発生する。これにより、凹状球面の深い位置においても粒子が安定して衝突できる。
更には、第13局面で規定するように、貫通孔48の開口部48cの周縁を面取りして、当該開口部48cの周縁の電界を安定させることが好ましい。
この発明の第14局面は次のように規定される。即ち、第9~13のいずれかの局面に規定の製造方法であって、前記積層ステップにおいて、前記ソケット部の中央部の肉厚Tsに対して、前記DLCの層の厚さを0.001~0.300%とする。
このように規定される第14局面の製造方法によれば、ソケット部43の中央部の肉厚Tsに対してPVDコーティング層433の厚さが0.001~0.300%を占めるように設計することで、ソケット部43に必要な機械的強度を確保するとともに、PVDコーティング層433にも必要な膜厚を確保する。
このように規定される第14局面の製造方法によれば、ソケット部43の中央部の肉厚Tsに対してPVDコーティング層433の厚さが0.001~0.300%を占めるように設計することで、ソケット部43に必要な機械的強度を確保するとともに、PVDコーティング層433にも必要な膜厚を確保する。
この発明の第15局面は次のように規定される。即ち、第9~14のいずれかに規定の製造方法により製造されたソケット部を準備するステップと、
ボール部を準備するステップと、
前記ボール部と前記ソケット部とを組み付ける組付けステップと、を備えるボールソケット構造の製造方法。
このようにして製造されたボールソケット構造では、ソケット部43にダイヤモンドライクカーボン製のPVDコーティング層433が備えられる。よって、ボール部41の摺動面41aとソケット部43の摺動面43aとの間の摩擦係数を低減できる。
ボール部を準備するステップと、
前記ボール部と前記ソケット部とを組み付ける組付けステップと、を備えるボールソケット構造の製造方法。
このようにして製造されたボールソケット構造では、ソケット部43にダイヤモンドライクカーボン製のPVDコーティング層433が備えられる。よって、ボール部41の摺動面41aとソケット部43の摺動面43aとの間の摩擦係数を低減できる。
以下、この発明の実施形態のボールソケット構造を説明する。
実施形態のボールソケット構造はティルティングパッド軸受40を構成する(図4参照)。
このティルティングパッド軸受40は、図5、6に示すように、ジャーナル軸受1に組付けられる。
このジャーナル軸受1は半割筒形の筐体11,11とその内周面に配置された4つのパッド20を備えてなる。符号の3は回転軸であり、符号50は給油部である。
パッド20は筐体11に対して図4のティルティングパッド軸受40及び第2ティルティングパッド軸受30を介して配置される。第2ティルティングパッド軸受30はパッド20に配置されたライナと筐体11に配置された球面ピボットとから構成される。
実施形態のボールソケット構造はティルティングパッドのスラスト軸受に適用することもできる。
実施形態のボールソケット構造はティルティングパッド軸受40を構成する(図4参照)。
このティルティングパッド軸受40は、図5、6に示すように、ジャーナル軸受1に組付けられる。
このジャーナル軸受1は半割筒形の筐体11,11とその内周面に配置された4つのパッド20を備えてなる。符号の3は回転軸であり、符号50は給油部である。
パッド20は筐体11に対して図4のティルティングパッド軸受40及び第2ティルティングパッド軸受30を介して配置される。第2ティルティングパッド軸受30はパッド20に配置されたライナと筐体11に配置された球面ピボットとから構成される。
実施形態のボールソケット構造はティルティングパッドのスラスト軸受に適用することもできる。
ティルティングパッド軸受40は、ボール部41及びソケット部43を備える。
ボール部41は、基体411とPVDコーティング層413とを備える(図1B参照)。
基体411は曲率半径Rsの球の一部からなり、凸状球面と平面状の取付け部41bとを備える。その中心には貫通孔47が穿設されている。基体411の材料は、パッド20にかかる力を受けて変形ないし破壊されない剛性があれば特に限定されないが、例えば高クロム炭素鋼など汎用的な軸受用鋼材を用いることができる。
取付け部41bはアンカー部材42と摺動状態にあり、このアンカー部材42はパッド20へ埋め込まれている。
かかる基体411の凸状球面にPVDコーティング層413が積層される。このようにPVDコーティングされた基体411の凸状球面がボール部41の摺動面41aとなり、当該摺動面41aはPVDコーティング層413から構成されたこととなる。
ボール部41は、基体411とPVDコーティング層413とを備える(図1B参照)。
基体411は曲率半径Rsの球の一部からなり、凸状球面と平面状の取付け部41bとを備える。その中心には貫通孔47が穿設されている。基体411の材料は、パッド20にかかる力を受けて変形ないし破壊されない剛性があれば特に限定されないが、例えば高クロム炭素鋼など汎用的な軸受用鋼材を用いることができる。
取付け部41bはアンカー部材42と摺動状態にあり、このアンカー部材42はパッド20へ埋め込まれている。
かかる基体411の凸状球面にPVDコーティング層413が積層される。このようにPVDコーティングされた基体411の凸状球面がボール部41の摺動面41aとなり、当該摺動面41aはPVDコーティング層413から構成されたこととなる。
このPVDコーティング層413は基体411の材料より高い潤滑性を備える。換言すれば、PVDコーティング層413の形成材料は基体411を構成する高クロム炭素鋼などより低い摩擦係数を備える。これより、ボール部41の摺動面41aの摩耗、ひいてはソケット部43の摺動面43aの摩耗が抑制される。
ソケット部43は、基体431とPVDコーティング層433とを備える(図1B参照)。
基体431には凹状球面が形成され、この凹状球面はボール部41の摺動面41a(凸状球面)と同一の曲率半径Rsを備える。基体431の材料は、パッド20にかかる力を受けて変形ないし破壊されない剛性があれば特に限定されないが、例えば高クロム炭素鋼など汎用的な軸受用鋼材を用いることができる。
かかる基体431の凹状球面にPVDコーティング層433が積層される。このようにPVDコーティングされた基体431の凹状球面がソケット部43の摺動面43aとなり、当該摺動面43aはPVDコーティング層433から構成されたこととなる。
基体431には凹状球面が形成され、この凹状球面はボール部41の摺動面41a(凸状球面)と同一の曲率半径Rsを備える。基体431の材料は、パッド20にかかる力を受けて変形ないし破壊されない剛性があれば特に限定されないが、例えば高クロム炭素鋼など汎用的な軸受用鋼材を用いることができる。
かかる基体431の凹状球面にPVDコーティング層433が積層される。このようにPVDコーティングされた基体431の凹状球面がソケット部43の摺動面43aとなり、当該摺動面43aはPVDコーティング層433から構成されたこととなる。
ソケット部43にはその中心に貫通孔48が穿設される。この貫通孔48はボール部41の貫通孔47へ連通する。アンカー部材42はパッド20へ嵌め込んで固定される。計測器を貫通孔48、47に挿入することでパッド20の移動量を測定できる。この移動量からジャーナル軸受1における軸3と軸受の直径とのクリアランスの計測が可能である。
相互に摺動するボール部41の取付け部41bとアンカー部材42の少なくとも一方の面に固体潤滑層(例えば、DLCコーティング層)を積層してもよい。
ボール部41の摺動面及び/又はソケット部43の摺動面に潤滑油捕集用の凹部を設けることができる。
相互に摺動するボール部41の取付け部41bとアンカー部材42の少なくとも一方の面に固体潤滑層(例えば、DLCコーティング層)を積層してもよい。
ボール部41の摺動面及び/又はソケット部43の摺動面に潤滑油捕集用の凹部を設けることができる。
以下、PVDコーティング層413及び433について説明する。
高クロム炭素鋼製の基体へPVD処理によりコーティング層を形成するには、基体おける被処理面(被コーティング層成長面)をプラズマクリーニングする必要がある。
そのため、PVD処理としてスパッタ法を選択するときは、スパッタ装置の陰極にボール部41の基体411やソケット部43の基体431をセットして、それらの凸状球面及び凹状球面にプラズマにより発生されたアルゴン粒子を衝突させる。その後、コーティング材料源をスパッタ装置にセットして、コーティング材料を被処理面へ蒸着する。この場合の被処理面はボール部41の基体411の凸状球面及びソケット部43の基体431の凹状球面である。
PVD処理として、スパッタ法以外の方法、例えば汎用的なイオンプレーティングを採用する場合も同様な手順となる。
高クロム炭素鋼製の基体へPVD処理によりコーティング層を形成するには、基体おける被処理面(被コーティング層成長面)をプラズマクリーニングする必要がある。
そのため、PVD処理としてスパッタ法を選択するときは、スパッタ装置の陰極にボール部41の基体411やソケット部43の基体431をセットして、それらの凸状球面及び凹状球面にプラズマにより発生されたアルゴン粒子を衝突させる。その後、コーティング材料源をスパッタ装置にセットして、コーティング材料を被処理面へ蒸着する。この場合の被処理面はボール部41の基体411の凸状球面及びソケット部43の基体431の凹状球面である。
PVD処理として、スパッタ法以外の方法、例えば汎用的なイオンプレーティングを採用する場合も同様な手順となる。
かかるPVD処理を実行する際、陰極にセットされた基体における被処理面を均一にプラズマクリーニングしたり、コーティング材料を均一に蒸着したりするときには、被処理面の全面にわたってその上にある電界の強さが均一であることが前提となる。
ここに、ボール部41の基体411の被処理面となる凸状球面ではその電界は均一となりやすい。よって、汎用的なPVD処理を適用して均一なコーティング層の積層が可能である。
ここに、ボール部41の基体411の被処理面となる凸状球面ではその電界は均一となりやすい。よって、汎用的なPVD処理を適用して均一なコーティング層の積層が可能である。
しかしながら、ソケット部43の基体431の被処理面となる凹状球面では、その表面から垂直に放出される電気力線が相互に干渉するので、凹状球面上の電界の強さが相殺されたり、不均一になったりする。特に、凹状球面の底部における電界の乱れが大きい。その結果、底部へコーティング材料を蒸着することができなかったり、できたとしても密着性が悪くなったりする。
よって、その摺動面43aがPVDコーティング層で構成されたソケット部は存在しなかった。
本発明者らは、凹状球面の底部においても他の部位と同じ強さの電界を持たせるべく鋭意検討を進めたところ次の知見を得た。即ち、ソケット部43の凹状球面を次のように設計すると、ソケット部43の基体431の凹状球面の底部においても電界の強さが安定して、その底部までPVDコーティング層433を均一にかつ基体431に対して強い密着力をもって、積層可能となる。
よって、その摺動面43aがPVDコーティング層で構成されたソケット部は存在しなかった。
本発明者らは、凹状球面の底部においても他の部位と同じ強さの電界を持たせるべく鋭意検討を進めたところ次の知見を得た。即ち、ソケット部43の凹状球面を次のように設計すると、ソケット部43の基体431の凹状球面の底部においても電界の強さが安定して、その底部までPVDコーティング層433を均一にかつ基体431に対して強い密着力をもって、積層可能となる。
その設計条件は、ソケット部43の基体の凹状球面の深さDsとその曲率半径Rsとの比の値(Ds/Rs)を0.05~0.70とする。
このように凹状球面を浅いものとすることにより、凹状球面から放出される電気力線の干渉を抑制し、凹状球面の底部における電界の乱れを小さくして、凹状球面の底部に衝突する粒子に十分なエネルギーを与えられる。
このように凹状球面を浅いものとすることにより、凹状球面から放出される電気力線の干渉を抑制し、凹状球面の底部における電界の乱れを小さくして、凹状球面の底部に衝突する粒子に十分なエネルギーを与えられる。
本発明者らの検討によれば、凹状球面の外周を下記の条件で面取りすることにより、上記の比の値(Ds/Rs=0.05~0.70)とあいまって、摺動面43aを構成するPVDコーティング層433が均一となり、かつ基体431に対する密着性も向上することが分かった。被処理面である凹状球面の外周からエッジを取り除くことにより、いわゆるエッジ効果に起因する電界の乱れを抑制できるからである。
即ち、凹状球面の曲率半径Rsと面取りされた外周の面取り曲率半径Rcとの比の値(Rc/Rs)を0.02以上とする(図2A参照)。
若しくは、曲率半径Rsと面取りされたC面の深さDcとの比の値(Dc/Rs)を0.02以上としてもよい(図2B参照)。この場合、面取り角Acは60度以下となる。
即ち、凹状球面の曲率半径Rsと面取りされた外周の面取り曲率半径Rcとの比の値(Rc/Rs)を0.02以上とする(図2A参照)。
若しくは、曲率半径Rsと面取りされたC面の深さDcとの比の値(Dc/Rs)を0.02以上としてもよい(図2B参照)。この場合、面取り角Acは60度以下となる。
基体431の凹状球面の底部に貫通孔48を設けると、貫通孔48の空間へ電気力線が拡散するので、貫通孔48の開口部48cの周縁において凹状球面の電界を強くすることができる。よって、凹状球面の底部に衝突する粒子へより強いエネルギーを与えられる。
この貫通孔48の開口部48cの周縁も、凹状球面の外周と同様に、面取りすることが好ましい(図3参照)。
上記の説明では、PVDコーティング層のないソケット部の基体を基準に各要素の曲率半径に関するパラメータ(Rs,Rc)の説明をしたが、曲率半径の比の値に関していえばPVDコーティング層の有無はほとんど無視できる。したがって、ボールソケット構造なる物の発明では、PVDコーティング層を備えたソケット部においても同じ値のパラメータで説明される。
この貫通孔48の開口部48cの周縁も、凹状球面の外周と同様に、面取りすることが好ましい(図3参照)。
上記の説明では、PVDコーティング層のないソケット部の基体を基準に各要素の曲率半径に関するパラメータ(Rs,Rc)の説明をしたが、曲率半径の比の値に関していえばPVDコーティング層の有無はほとんど無視できる。したがって、ボールソケット構造なる物の発明では、PVDコーティング層を備えたソケット部においても同じ値のパラメータで説明される。
以下、この発明の実施例及び比較例について説明する。
実施例及び比較例のボール部41及びソケット部43の各基体は高クロム炭素鋼のバルクから削り出して形成した。
実施例及び比較例においてボール部41及びソケット部43のスペックは次の通りであった。
ボール部41の中央部の肉厚:Tb=6~30mm
ソケット部43の中央部の肉厚:Ts=5~10mm
PVDコーティング層433の厚さ:0.1~10μm
ソケット部43の凹状球面からなる摺動面43aの深さDs=5~25mm
摺動面43aの曲率半径Rs:10~45mm
摺動面43aの外周の面取り曲率半径Rc=1~5mm(深さDcも同じ)
ボール部41のPVDコーティング層413の厚さはソケット部43のそれと同じ。
実施例及び比較例のボール部41及びソケット部43の各基体は高クロム炭素鋼のバルクから削り出して形成した。
実施例及び比較例においてボール部41及びソケット部43のスペックは次の通りであった。
ボール部41の中央部の肉厚:Tb=6~30mm
ソケット部43の中央部の肉厚:Ts=5~10mm
PVDコーティング層433の厚さ:0.1~10μm
ソケット部43の凹状球面からなる摺動面43aの深さDs=5~25mm
摺動面43aの曲率半径Rs:10~45mm
摺動面43aの外周の面取り曲率半径Rc=1~5mm(深さDcも同じ)
ボール部41のPVDコーティング層413の厚さはソケット部43のそれと同じ。
実施例及び比較例では、上記各要素のスペックを変化させて基体を作成し、そこにPVDコーティング層を積層した。
基体411の凹状球面に対するプラズマクリーニングの条件は次の通りであった。
バイアス電圧:500V、圧力:0.2Pa、ガス:Ar、時間:40分。
クリーニング後に凹状球面の全面にプライマ層としてCr層を次の条件で蒸着させた。
ターゲットCr、出力:1.8kw、バイアス電圧:100V、圧力:0.5Pa、ガス:Ar、時間:23分。
プライマ層の上にコーティング層をスパッタにより次の条件で蒸着させた。
DLCについては、ターゲット:グラファイト、出力:2.8kw、バイアス電圧:100V、圧力:0.5Pa、ガス:Ar:CH4=1:1、時間:300分。
CrNについては、ターゲット:Cr、出力:1.8kw、バイアス電圧:100V、圧力:0.5Pa、ガス:Ar:N2=1:1、時間:300分。
基体411の凹状球面に対するプラズマクリーニングの条件は次の通りであった。
バイアス電圧:500V、圧力:0.2Pa、ガス:Ar、時間:40分。
クリーニング後に凹状球面の全面にプライマ層としてCr層を次の条件で蒸着させた。
ターゲットCr、出力:1.8kw、バイアス電圧:100V、圧力:0.5Pa、ガス:Ar、時間:23分。
プライマ層の上にコーティング層をスパッタにより次の条件で蒸着させた。
DLCについては、ターゲット:グラファイト、出力:2.8kw、バイアス電圧:100V、圧力:0.5Pa、ガス:Ar:CH4=1:1、時間:300分。
CrNについては、ターゲット:Cr、出力:1.8kw、バイアス電圧:100V、圧力:0.5Pa、ガス:Ar:N2=1:1、時間:300分。
実施例及び比較例のボールソケット構造のボール部41にパッド20を連結して図4のティルティングパッド軸受40を構成した。パッド20の材質はホワイトメタル、PEEK、PTFE等のバイメタル材(具体的には、摺動層としてホワイトメタル、PEEK、PTFE等を使用し、裏金として鋼等を使用したバイメタル)である。
かかるティルティングパッド軸受40を備えた図5、6に示すジャーナル軸受1を構成した。軸3の径は170mmである。
かかるジャーナル軸受1の筐体11を固定して、軸3を8000rpm、軸受面圧3MPaの条件で回転させた。
実施例及び比較例の条件及び結果を表1に示す。
かかるティルティングパッド軸受40を備えた図5、6に示すジャーナル軸受1を構成した。軸3の径は170mmである。
かかるジャーナル軸受1の筐体11を固定して、軸3を8000rpm、軸受面圧3MPaの条件で回転させた。
実施例及び比較例の条件及び結果を表1に示す。
表1において、摩擦係数は軸心の偏心率から算出した。
剥離率(%)は軸3を2時間回転させた後のソケット部43の摺動面43aにおけるPVDコーティング層が剥離した面積の比率である。この剥離率は、摺動面43aを平面的に撮影し、得られた画像を画像処理して得られる。
剥離率(%)は軸3を2時間回転させた後のソケット部43の摺動面43aにおけるPVDコーティング層が剥離した面積の比率である。この剥離率は、摺動面43aを平面的に撮影し、得られた画像を画像処理して得られる。
表1の実施例1及び2と比較例1及び2との摩擦係数及び剥離率の比較結果より、ソケット部の凹状球面である摺動面の深さDsと当該摺動面の曲率半径Rsとの比の値(Ds/Rs)は0.05~0.70とすることが好ましいことがわかる。
実施例4と実施例5における摩擦係数と剥離率の比較結果より、ソケット部の摺動面の外周を面取りし、その面取り曲率半径Rcと摺動面の曲率半径Rsとの比の値(Rc/Rsor Dc/Rs)を0.02以上とすることが好ましいことがわかる。
実施例4と実施例5における摩擦係数と剥離率の比較結果より、ソケット部の摺動面の外周を面取りし、その面取り曲率半径Rcと摺動面の曲率半径Rsとの比の値(Rc/Rsor Dc/Rs)を0.02以上とすることが好ましいことがわかる。
実施例1及び2と実施例3及び4との摩擦係数及び剥離率の比較結果より、ソケット部の中央部におけるPVDコーティング層の厚さ(%)は0.0010~0.3000とすることが好ましいことがわかる。
実施例6と実施例7~9との摩擦係数の比較結果より、ボール部の中央部におけるPVDコーティング層の厚さ(%)は0.0010~0.3000とすることが好ましいことがわかる。
実施例6と実施例7~9との摩擦係数の比較結果より、ボール部の中央部におけるPVDコーティング層の厚さ(%)は0.0010~0.3000とすることが好ましいことがわかる。
この発明は、上記発明の実施の形態及び実施例の説明に何ら限定されるものではない。特許請求の範囲の記載を逸脱せず、当業者が容易に想到できる範囲で種々の変形態様もこの発明に含まれる。
1 ジャーナル軸受
3 軸
20 パッド
40 ティルティングパッド軸受
41 ボール部
41a ボール部の摺動面
43 ソケット部
43a ソケット部の摺動面
47 貫通孔
48 貫通孔
48c 開口部
411 基体
413 PVDコーティング層
431 基体
433 コーティング層
433 PVDコーティング層
3 軸
20 パッド
40 ティルティングパッド軸受
41 ボール部
41a ボール部の摺動面
43 ソケット部
43a ソケット部の摺動面
47 貫通孔
48 貫通孔
48c 開口部
411 基体
413 PVDコーティング層
431 基体
433 コーティング層
433 PVDコーティング層
Claims (20)
- 相互に摺動するボール部とソケット部とを備えてなるボールソケット構造であって、
前記ソケット部の摺動面がPVDコーティング層で構成され、
前記ソケット部の摺動面は凹状球面であり、該摺動面の深さDsとその曲率半径Rsとの比の値(Ds/Rs)は0.05~0.70である、ボールソケット構造。 - 前記ソケット部の摺動面の外周が面取りされている、請求項1に記載のボールソケット構造。
- 前記摺動面の曲率半径Rsと前記面取りされた外周の面取り曲率半径Rcとの比の値(Rc/Rs)若しくは曲率半径Rsと面取りされたC面の深さDcとの比の値(Rc/Rs)は0.02以上である、請求項2に記載のボールソケット構造。
- 前記ソケット部の中央部に貫通孔が形成されている、請求項1~3の何れかに記載のボールソケット構造。
- 前記貫通孔の開口部周縁は面取りされている、請求項4に記載のボールソケット構造。
- 前記PVDコーティング層はダイヤモンドライクカーボンからなる、請求項1~5のいずれかに記載のボールソケット構造。
- 前記ソケット部の中央部の肉厚Tsに対して、前記PVDコーティング層の厚さが0.0010~0.3000%を占める請求項1~6のいずれかに記載のボールソケット構造。
- 前記ボール部の摺動面がPVDコーティング層で構成され、
前記ボール部の中央部の肉厚Tbに対して、前記PVDコーティング層の厚さが0.0010~0.3000%を占める請求項1~7の何れかに記載のボールソケット構造。 - 相互に摺動するボール部とソケット部とを備えてなるボールソケット構造の前記ソケット部の製造方法であって、
摺動面となる凹状球面を備え、該凹状球面の深さDsとその曲率半径Rsとの比の値(Ds/Rs)が0.05~0.70である、金属製のソケット部を準備する準備ステップと、
前記基体の凹状球面をプラズマクリーニングする第1前処理ステップと、
前記プラズマクリーニングされた凹状球面へプライマ層をPVD処理で積層する第2前処理ステップと、
前記プライマ層の上にダイヤモンドライクカーボンをPVD処理で積層する積層ステップと、を備えてなるソケット部の製造方法。 - 前記準備ステップにおいて、前記基体の凹状球面の外周が面取りされている、請求項9に記載の製造方法。
- 前記凹状球面の曲率半径Rsと前記面取りされた外周の面取り曲率半径Rcとの比の値(Rc/Rs)若しくは曲率半径Rsと面取りされたC面の深さDcとの比の値(Dc/Rs)は0.02以上である請求項10に記載の製造方法。
- 前記準備ステップにおいて、前記凹状球面の中央部に貫通孔が形成されている、請求項9~11に記載の製造方法。
- 前記貫通孔の周縁は面取りされている、請求項12に記載の製造方法。
- 前記積層ステップにおいて、前記ソケット部の中央部の肉厚Tsに対して、前記DLCの層の厚さを0.0010~0.3000%とする、請求項9~13のいずれかに記載の製造方法。
- 請求項9~14のいずれかに記載の製造方法により製造されたソケット部を準備するステップと、
ボール部を準備するステップと、
前記ボール部と前記ソケット部とを組み付ける組付けステップと、を備えるボールソケット構造の製造方法。 - 請求項1~8の何れかに記載のボールソケット構造を備えるティルティングパッド軸受。
- 請求項16に記載のティルティングパッド軸受を備えるジャーナル軸受。
- 請求項16に記載のティルティングパッド軸受を備えるスラスト軸受。
- 相互に摺動するボール部とソケット部とを備えてなるボールソケット構造の前記ソケット部の製造方法であって、
摺動面となる凹状球面を備え、該凹状球面の深さDsとその曲率半径Rsとの比の値(Ds/Rs)が0.05~0.70である、金属製のソケット部の基体を準備する準備ステップと、
前記凹状球面へPVD処理を実行して固体摺動層を積層する積層ステップと、
を備えてなるソケット部の製造方法。 - 前記準備ステップにおいて、前記凹状球面の中央部に貫通孔が形成されている、請求項19に記載の製造方法。
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JP6253337B2 (ja) * | 2013-10-17 | 2017-12-27 | 株式会社ソミック石川 | ボールシートおよびボールジョイント |
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