JPH0581529U - 軸受の取り付け構造 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】セラミックス製の内輪と金属製の軸とのはめあ
い、およびセラミックス製の外輪と金属製のハウジング
とのはめあいにおける問題点を解決する。 【構成】転がり軸受１の内輪２および外輪３は、窒化珪
素焼結体で成形した。この内輪２，外輪３が嵌まる、Ｍ
５０材からなる軸６の軸受座６ａと、同材質のハウジン
グ７の軸受座７ａとに、リン酸マンガンの被膜８を形成
した。各はめあいがすきまばめである場合には、すきま
に潤滑油が浸入すると、被膜８の存在により各はめあい
面における滑りが抑えられる。そのため、すきまばめと
しても従来のようなフレッチングやクリープが生じにく
い。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】

本考案は、軸とハウジングとの間に、少なくとも一部がセラミックスからなる 軸受を嵌装した軸受の取り付け構造に関し、例えば転がり軸受においては、内輪 と外輪との少なくとも一方がセラミックスからなる場合に、セラミックス製内輪 と軸との、および／またはセラミックス製外輪とハンジングとの取り付け構造に 関する。

【０００２】

【従来の技術】

内輪，外輪，および転動体のいずれかまたはすべてがセラミックスからなるセ ラミックス製転がり軸受は、高温環境下において使用されることが多いが、セラ ミックスは金属より熱による膨張率が小さいため、金属製の軸およびハウジング とのはめあい状態が、取り付け時（通常は常温）と使用時で異なってくる。

【０００３】 すなわち、セラミックス製の内輪と金属製の軸とのはめあいでは、温度の上昇 にしたがって軸が内輪より大きく膨張するため、両者間のすきまが小さくなって いく。また、セラミックス製の外輪と金属製のハウジングとのはめあいでは、温 度の上昇にしたがってハウジングがより大きく膨張するため、外輪とのすきまが 大きくなっていく。

【０００４】 例えば、線膨張係数が３．０×１０^-6／℃のＭ５０材からなる軸と、線膨張係 数が１２．１×１０^-6／℃の窒化珪素焼結体からなる内輪との場合には、はめあ いすきまを０として軸に内輪を取り付けても、取り付け時より温度が１２０℃上 昇すれば、軸受内径が３０ｍｍのもので約３３μｍのしめしろが発生することに なる。したがって、使用状態で、セラミックス製内輪に内径を拡大する向きの応 力がかかり、特に高温環境下で使用する場合には前記応力が増大して軸受寿命を 低下させたり、内輪が破損する原因となる。

【０００５】 したがって、前記応力を小さく抑えるために、一般には、セラミックス製の内 輪に金属製の軸をすきまばめとしているが、すきまばめとするとフレッチングや クリープが生じやすくなるという不具合があった。 一方、金属製のハウジングにセラミックス製の外輪を組み込む場合には、前述 のＭ５０材と窒化珪素焼結体との組合せで、はめあいすきまを０μｍとして取り 付けると、取り付け時より温度が１００℃上昇すれば、軸受外径が６２ｍｍのも ので約５６μｍのすきまが発生することになる。このすきまは、前述のようにフ レッチングやクリープの原因となる。

【０００６】 このような不具合を解決するために、特開昭６３−１１１３１８号には、使用 状態で軸が所定値以下のしめしろでセラミックス製内輪に圧入されている、セラ ミックス製軸受の取り付け構造が提案されている。ここでは、セラミックス製内 輪にかかる前記応力が、内輪を破壊させない最大の大きさとなる時のしめしろを 予め実験と計算とにより決定して、使用状態においてこのしめしろ以下となるよ うに、軸を内輪に取り付けている。

【０００７】 また、特開昭６３−２１００７７号には、セラミックス製内輪または外輪の端 面に金属製の環状体を固定し、この環状体により軸またはハウジングに対してし まりばめとすることが提案されている。ここでは、セラミックスと金属との膨張 率の差を利用して、金属製の環状体と軸またはハウジングとをしまりばめにしな がら、前述の不具合を生じさせずに、セラミックス製の内輪または外輪と軸また はハウジングとをすきまばめとするものである。

【０００８】 さらに、実開平３−２３２２１号には、セラミックス製の外輪を金属製ハウジ ングにしまりばめで取り付けることが提案されている。 なお、特開昭５８─１１３６２７号には、スラスト軸受に関して、境界潤滑下 で使用される表面改質皮膜としてリン酸マンガン処理皮膜、リン酸亜鉛処理皮膜 等が開示されている。

【０００９】

【考案が解決しようとする課題】

しかしながら、前記従来例のうち、使用状態で軸が所定値以下のしめしろで内 輪に圧入されているものでは、しめしろを精度良く管理することが必要で、特に 軸受が回転しながら温度変化をうける場合にはその管理が難しい。また、金属製 の環状体を用いる方法では、部品点数が増えて構造が複雑になる。

【００１０】 さらに、セラミックス製の外輪を金属製ハウジングにしまりばめで取り付ける 際には、セラミックスが割れやすいため、取り付けに細心の注意を払う必要があ る。 本考案は、このような不具合を解決するためのものであり、金属面に被膜を施 すという簡単な手段により、セラミックス製の内輪と金属製の軸とを取り付け時 にすきまばめとしても、またセラミックス製の外輪と金属製のハウジングとのは めあいが高温の使用状態ですきまばめとなっても、はめあい面の滑りに起因する フレッチングやクリープを生じ難くすることを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】

上記目的を達成するために、本考案は、軸とハウジングとの間に、少なくとも 一部がセラミックスからなる軸受を嵌装した軸受の取り付け構造において、軸に 外嵌される軸受の内周面とハウジングに内嵌される軸受の外周面とのうち、セラ ミックス面が嵌まる軸受座に被膜を形成し、この被膜は、この被膜と前記セラミ ックス面との間にすきまが存在し、このすきまに潤滑油が介在する際に、前記軸 受座の対応するセラミックス面に対する摩擦係数を増大させるものであることを 特徴とする軸受の取り付け構造を提供する。

【００１２】 前記被膜の材質は、対応するセラミックス面の材質により適宜選定されるが、 前記セラミックスが窒化珪素焼結体である場合には、例えばリン酸マンガン、リ ン酸亜鉛、リン酸エステルなどが適用される。そして、例えば前記各物質の水溶 液に、脱脂された金属製の軸およびハウジングを適当な時間浸漬することにより 、各物質の被膜を得ることができる。

【００１３】

【作用】

本考案では、軸とハウジングとの間に、少なくとも一部がセラミックスからな る軸受を嵌装した軸受の取り付け構造において、軸に外嵌される軸受の内周面と ハウジングに内嵌される軸受の外周面とのうち、セラミックス面が嵌まる軸受座 に被膜を形成した。

【００１４】 そのため、取り付け時または使用状態で、各はめあいがすきまばめとなる場合 には、このすきまに潤滑油が浸入するが、ここで、前記被膜は、潤滑油の存在下 で、前記軸受座の、対応するセラミックス面に対する摩擦係数を増大させるもの であるため、各はめあい面における滑りが抑えられ、フレッチングやクリープが 生じ難くなる。

【００１５】

【実施例】

図１は、本考案を転がり軸受に適用した実施例を示す概要図である。 この転がり軸受１は、内輪２，外輪３，転動体４がすべて窒化珪素焼結体から なる総セラミックス製軸受であり、保持器５には耐熱性プラスチック（例えばポ リフェニレンサルファイド）を使用している。ここで、内輪の内周面２ａが本考 案における軸受の内周面に、外輪の外周面３ａが本考案における軸受の外周面に それぞれ相当する。この転がり軸受１の内輪２を、Ｍ５０材からなり熱処理によ ってＨｖ７００に硬化された軸６に、外輪３をＭ５０材からなるハウジング７に 、それぞれ公知の手段により取り付ける。

【００１６】 その際、内輪２が嵌まる軸の軸受座６ａと、外輪３が嵌まるハウジングの軸受 座７ａとには、以下の方法によりリン酸マンガンの被膜８をそれぞれ形成する。 すなわち、まず、例えば日本パーカライジング（株）製のファインクリーナ４３ ６０等により６０℃で脱脂処理をした後、水洗し、同社製のプレパレンＶＭ等に より表面調整を行う。

【００１７】 それから、同社製のパレホスＭ１Ａ（２〜２０重量％リン酸マンガン水溶液） を９０〜１００℃に温めた中に１０〜１５分浸漬した後、水洗して、８０℃のオ ーブンで乾燥する。このような処理により厚さ２〜４０μｍのリン酸マンガン被 膜が形成される。 このようにしてリン酸マンガン処理が施された、軸の軸受座６ａ表面の状態を 示す顕微鏡写真を、図２に示す。図２から分かるように、リン酸マンガン処理が 施された表面には、リン酸マンガンの細かい結晶が析出して凹凸が生じている。 なお、図中の寸法Ｌは、５０μｍに相当する。

【００１８】 取り付け時または使用状態で、この被膜８と、内輪２および外輪３のこれに対 応する各面との間にすきまが存在する場合には、このすきまに潤滑油が浸入する 。ここで、図３に示す装置を用い、潤滑油下における、リン酸マンガン被膜の有 無によるＭ５０材の窒化珪素焼結体に対する摩擦係数の差を、ボールオンディス ク法により調べた。

【００１９】 すなわち、ディスク９をＭ５０材で作製し、このディスク９の表面と、このデ ィスク９の表面に前記と同様にしてリン酸マンガン被膜８を施したものの表面と について、窒化珪素焼結体からなるセラミックスボール１０に対する油潤滑下に おける摩擦係数を測定した。 この装置では、モータ１１により回転する油浴１２内にディスク９を固定し、 重り１３により荷重Ｐをかけたセラミックスボール１０をディスク９の表面に押 しつける。この状態でディスク９を回転させ、ディスク９とセラミックスボール １０とに働く摩擦力Ｆを、歪みゲージ１４にて検出して記録計１５に出力する。 これにより、摩擦係数μがμ＝Ｆ／Ｐにより算出される。

【００２０】 直径３／８インチのセラミックスボール１０を用い、重り１３は５００ｇｆ、 潤滑油として日本石油（株）製ＦＢＫオイルＲＯ−６８を油浴１２に入れて、モ ータ１１の回転数を６０ｒｐｍ（すべり速度で７．８ｍ／ｍｉｎに相当）として 測定を行った。その結果（リン酸マンガン被膜が施されたもの：Ａ，被膜が施さ れていないもの：Ｂ）を図４にグラフで示す。

【００２１】 図４からわかるように、リン酸マンガン被膜を施したもの（Ａ）の摩擦係数は 約０．１７であり、被膜が施されていないもの（Ｂ）の摩擦係数約０．０８の二 倍程度になっている。リン酸マンガン被膜が施されたものについては、特に、初 期の摩擦係数が０．２と非常に大きな値になっている。 このようなリン酸マンガンの被膜８が、セラミックス製の内輪２が嵌まる軸の 軸受座６ａと、セラミックス製の外輪３が嵌まるハウジングの軸受座７ａとに施 してある。そのため、常温（２０℃）での取り付け時に、内輪２を軸の軸受座６ ａ（実質的には被膜８の表面）に対してすきまばめとしても、被膜８により潤滑 油の介在下で大きな摩擦力が働いて、はめあい面における滑りが抑えられ、フレ ッチングやクリープが生じ難い。また、この被膜８の存在により、使用状態にお いて、内輪２と軸の軸受座６ａ（実質的には被膜８の表面）とがすきまばめとな っていてもよいため、はめあい部の加工精度をさほど厳しくしなくて済む。

【００２２】 同様に、外輪３とハウジングの軸受座７ａ（実質的には被膜８の表面）とのは めあいすきまが、高温での使用状態において大きくなっても、被膜８により潤滑 油の介在下で大きな摩擦力が働いて、はめあい面における滑りが抑えられ、フレ ッチングやクリープが生じ難い。そして、前記すきまを小さくするために、後か らハウジング７を冷却してもその効果は変わらない。

【００２３】 なお、上記のように、取り付け時に、内輪２を軸の軸受座６ａ（実質的には被 膜８の表面）に対してすきまばめとしても、高温での使用状態において、金属製 の軸６がセラミックス製の内輪２より大きく膨張するため、すきまが小さくなり 、内輪２と被膜８の付いた軸６とがしまりばめとなる場合がある。 この場合において、しめしろの程度が小さい時には、被膜８の凸部の先端が内 輪２の内面に接触し、しめしろが大きくなるにつれて被膜８がつぶされていき、 被膜８が内輪２の内面に対して全面接触になる。そして、この被膜８の存在によ り、しまりばめに伴いセラミックス製の内輪２に対して作用する応力を緩和する ことができる。これにより、内輪２に過大な応力が及ぶことが防止できる。

【００２４】 これに対して、通常の研削仕上げのままのＭ５０材からなる軸（軸外径３０ｍ ｍ）を、常温（２０℃）で３５μｍのすきまばめにより窒化珪素焼結体製の内輪 ２に組み込み、軸受を回転させながら温度を上げて内輪２の温度を１５０℃で安 定させると、前記のような線膨張係数の差より１５０℃ですきまが０になる。し かし、１００℃以下ではすきまが２２μｍ以上と大きいため、昇温中に、はめあ い面にクリープ損傷が生じたり、微小すべりが発生してフレッチングが生じやす い。

【００２５】 なお、本考案が適用できる転がり軸受の内輪，外輪の材質としては、前述の窒 化珪素焼結体に限らず、炭化珪素、アルミナ、ジルコニア等でもよく、軸および ハウジングの材質もＭ５０材に限らず、軟鋼、耐熱鋼、ステンレス鋼、高速度鋼 、軸受鋼等いずれものものでもよい。そして、内輪と軸，外輪とハウジングの各 材質に対応させて、被膜の材質を選定すればよい。

【００２６】 この実施例では、転がり軸受１の両軌道輪（内輪２および外輪３）がセラミッ クス製である場合について述べたが、内輪２と外輪３とのいずれか一方がセラミ ックス製である場合には、セラミックス製である方の軌道輪が嵌まる軸受座に被 膜８を形成する。また、転がり軸受１の両軌道輪がセラミックス製であっても、 場合によっては、内輪２および外輪３のいずれか一方が嵌まる軸受座にのみ被膜 ８を形成してもよい。

【００２７】 さらに、本考案の適用は、転がり軸受１の取り付け構造に限定されるものでな く、セラミックス製のスリーブや、セラミックス環状体を内側から外側に複数嵌 合してなる多環すべり軸受等にも適用できる。また、環状の金属とセラミックス との嵌装構造に、本考案の被膜を流用してもよい。

【００２８】

【考案の効果】 以上説明してきたように、本考案によれば、軸とハウジングとの間に、少なく とも一部がセラミックスからなる軸受を嵌装した軸受の取り付け構造において、 軸に外嵌される軸受の内周面とハウジングに内嵌される軸受の外周面とのうち、 セラミックス面が嵌まる軸受座に所定の被膜が施してある。

【００２９】 そのため、各はめあいが、取り付け時または使用状態ですきまばめとなってい ても、軸受座に形成された被膜の存在により、はめあい面における滑りが抑えら れ、フレッチングやクリープが生じ難くなる。 したがって、被膜を形成するという簡単な手段により、セラミックスからなる 軸受のセラミックス面と金属製の軸および／またはハウジングとのはめあいを、 従来のような不具合を生じさせずに、すきまばめとすることができる。

【提出日】平成４年４月１４日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００２６

【補正方法】変更

【補正内容】

【００２６】 この実施例では、転がり軸受１の両軌道輪（内輪２および外輪３）がセラミッ クス製である場合について述べたが、内輪２と外輪３とのいずれか一方がセラミ ックス製である場合には、セラミックス製である方の軌道輪が嵌まる軸受座に被 膜８を形成する。また、転がり軸受１の両軌道輪がセラミックス製であっても、 場合によっては、内輪２および外輪３のいずれか一方が嵌まる軸受座にのみ被膜 ８を形成してもよい。 なお、以上の説明では、軸６、またはハウジング７に被膜を施した場合につい て述べたが、軸６又はハウジング７に対向する軌道輪の表面に施してもよいし、 両方に施してもよい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本考案を転がり軸受に適用した実施例を示す概
要図である。

【図２】この実施例における被膜の表面状態を示す顕微
鏡写真である。

【図３】この実施例で使用した摩擦係数の測定装置を示
す概要図である。

【図４】被膜の有無による摩擦係数の違いを示すグラフ
である。

【符号の説明】

１ 転がり軸受 ２ 内輪の内周面（軸受の内周面） ３ 外輪の外周面（軸受の外周面） ６ 軸 ６ａ 軸の軸受座 ７ ハウジング ７ａ ハウジングの軸受座 ８ 被膜

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】 軸とハウジングとの間に、少なくとも一
   部がセラミックスからなる軸受を嵌装した軸受の取り付
   け構造において、軸に外嵌される軸受の内周面とハウジ
   ングに内嵌される軸受の外周面とのうち、セラミックス
   面が嵌まる軸受座に被膜を形成し、この被膜は、この被
   膜と前記セラミックス面との間にすきまが存在し、この
   すきまに潤滑油が介在する際に、前記軸受座の対応する
   セラミックス面に対する摩擦係数を増大させるものであ
   ることを特徴とする軸受の取り付け構造。