JP6476377B2 - 転がり装置、及びその使用方法 - Google Patents
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Description
以下に、固体潤滑剤の一種で、かつ転がり要素でもあるナノ転動体が転がり接触部から排除されてしまうメカニズムを説明する。
外輪1の外輪軌道面1aと内輪2の内輪軌道面2aの間に直径がミリサイズのミリ転動体3が介挿されている。ミリ転動体3は隣接するミリ転動体との直接接触を避けるべく、保持器4によって転動自在に周囲を囲われている。直径が数nmのナノ転動体5は例えば特許文献3に開示されている、分散剤である流体に数%の濃度で混合され、軌道面、ミリ転動体、保持器の表面を潤滑剤として覆っている。
なお、図示されているミリ転動体とナノ転動体の寸法比は正確では無く、図はナノ転動体を100万倍程拡大した図面である。
また、図5(B)で、1cは外輪軌道面の両側端を示し、接触楕円1bは外輪軌道面1aとミリ転動体3との接触領域を示す。接触楕円1bは外輪軌道面の幅に対し10倍程拡大した図面である。
その理解において、外輪1を固定、内輪2が右方向に回転したとき、ミリ転動体3の転動のみによる転がり軸受の摩擦係数μm と、ナノ転動体5の転動のみによる転がり軸受の摩擦係数μnの関係が、μm<μnであれば、ミリ転動体3が周知の転がり運動(右方向への公転と右廻りの自転)を行い、ナノ転動体5は図示Vn方向に転がることはない(その際のナノ転動体の作用については後述する)。
相対運動が可能な外輪1の外輪軌道面1aと内輪2の内輪軌道面2aの間に複数のミリ転動体3(直径が0.1mmから100mmの範囲から選定される略同一サイズの転動体)としての玉が転動自在に介挿されている。
外輪軌道面1aには、特許文献1に記載の接触角変化路(図中不記)が形成され、これにより接触角変化路から排出されるミリ転動体3は後継のミリ転動体3との間に隙間を作る“自律分散式転がり軸受”を形成しており、接触点変化路から出て負荷を受けるミリ転動体と、その後継のミリ転動体との間に間隔を作る。
本実施例は、微量の液膜環境において長期間作動する軸受を意図しているので、防錆のため、外輪1と内輪2には低温黒色クロム処理を施し、ミリ転動体3としての玉はステンレス、またはセラミックス、あるいはシリコン合金を使用している。
ナノ転動体5(粒径が数nm〜20nmの範囲に分布する準球形の高硬度粒子)は例えば分散剤である流体に濃度0.1%〜10%の範囲で混合され、外輪軌道面1a、内輪軌道面2a、ミリ転動体3の表面を覆っている。
また、接触楕円1b内でも軌道面1aとミリ転動体3との空隙、及びナノ転動体5の寸法は一定では無いので、全てのナノ転動体が図示の循環運動をするものでは無い。
なお、以上の接触楕円1bは、外輪軌道面1bとミリ転動体3との接触面に形成されるものであるが、内輪軌道面2aとミリ転動体3との接触面にも同様の接触楕円が形成され、ナノ転動体5の作用も同じである。
また、転がり接触部に生じるスピン滑りやジャイロ滑りも、差動滑りと同様に、ナノ転動体の循環による摩擦の低減が可能である。
例えば、保持器を使用しない総玉軸受であってもこれを稼動させる前に、全てのミリ転動体の間にシムを差し込み、当該軸受にアキシャル予圧を印加した後、当該シムを全て除去することにより、図1と同じ状態、即ちミリ転動体が軌道以外と接触しない状態にすることができるので、本発明が適用できる。
軸受形式はアンギュラ玉軸受708C(開放型、外径22mm、接線角15°玉径4mm)である。
実施例Aは、軸受構造を“自律分散式転がり軸受”(英語表記の頭文字ADB)とし、材質をSUJ2とし、Nanolube社(U.S.A.)のナノダイヤモンド配合油を潤滑剤とした。
実施例Bは、実施例Aが途中で発錆したため、内外輪とナノ転動体を防錆仕様として実施した。
従来例Aは、軸受構造がADB、潤滑を動粘度2.2mm2/sの工作機械用作動油を潤滑剤とした。
従来例Bは、無潤滑での摩擦係数が0.005以上の保持器付き軸受にナノダイヤモンド配合油を使用した。
J:重り21のイナーシャ5.27×10E-3 [kgm2]
N:測定開始時の回転数 12.6 [rad/s](=120rpm)
F:重り21によるアキシャル負荷 42.1 [N]
Dp:ミリ転動体3のピッチ直径 0.015 [m]
Ts:軸受内輪が停止するまでの時間 [s]
なおトルクを摩擦力に変換する際のモーメント距離について、軸受メーカが掲げる計算式では軸受内径dを採用しているが、ここでは特許文献4の摩擦係数と対比する必要上、工学的に正しいミリ転動体3のピッチ直径Dpとした。
従来例Bは84時間で摩擦係数が急増し終了した。36時間での測定以降に摩擦係数0.005を超え、軌道面やミリ転動体表面のナノ転動体が大きく動かされ、流失したものと推定される。
実施例Bは、612時間での摩擦係数は平均0.00086で、なお継続中である。
耐久評価は継続しているが、見通しとしては、“3×10E7回転の間潤滑剤を補充すること無く”または“転がり摩擦係数の最大値が0.005未満”が達成できるものと考えている。
また評価は、シールの無い開放型軸受で、取付けが垂直軸方向であり保持器も無いことより潤滑剤が流失し易い条件であったが、重力方向の制約を受けるオイルパンやグリースの様に増ちょう剤に頼ることも無く、潤滑作用を長期間維持できることは産業上非常に有用である。
例えば、本発明の転がり装置は、特許文献1、及び特許文献2に記載の、転動体の循環構造を持つボールねじや直動案内等に適用できる。
また、ミリ転動体や軌道の材質は、軸受鋼の他、ステンレス鋼、チタン、セラミック、シリコン合金、カーボン、ガラス、樹脂、アルミニウムなどが適用できる。
さらに、ミリ転動体や軌道の表面処理は、四三酸化鉄皮膜、クロームメッキ、窒化チタン、セラミック溶射、DLC、硬質アルマイト、タフラムなどが適用できる。
さらに、ナノ転動体の分散剤である流体は特許文献4に開示されている、エチレングリコール、ポリオキシエチレン、アルキレングリコール、ポリオキシアルキレン、グリセリン、及びそれらの誘導体を含む多価アルコール、水、高沸点アルコールや、イオン性液体が適用できる。
ナノ転動体を分散させた溶液としては実施例3の他、株式会社ナノ炭素研究所のナノアマンドなどが適用できる。
1b 接触楕円
2 内輪
3 ミリ転動体
4 保持器
5 ナノ転動体
11 レール
12 スライダー
20 試験軸受
21 重り
Claims (4)
- 少なくとも1対の相対運動可能な軌道と、軌道の間に転動自在に介挿させた複数のミリ転動体により構成され、前記軌道はその一部について前記ミリ転動体の接触半径を小さくした接触点変化路を形成することにより、前記接触点変化路から出て負荷を受ける前記ミリ転動体と、その後継の前記ミリ転動体との間に間隔を作る“自律分散式転がり軸受”の構造を有し、潤滑剤に少なくともナノ転動体を分散させた流体を使用し、前記ミリ転動体の転動による転がり装置の摩擦係数をμm、前記ナノ転動体の転動による転がり装置の摩擦係数をμnとしたときに、μm<μnであることを特徴とする転がり装置。
- 無潤滑における動摩擦係数が0.005未満であることを特徴とする請求項1に記載の転がり装置。
- 1×10E6回転の間潤滑剤を補充すること無く、その間の転がり摩擦係数の平均値が0.005未満であることを特徴とする請求項1に記載の転がり装置。
- 前記ミリ転動体の材質がステンレス、またはセラミックス、あるいはシリコン合金であることを特徴とする請求項1に記載の転がり装置。
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