JP2021110345A

JP2021110345A - 球面滑り軸受

Info

Publication number: JP2021110345A
Application number: JP2020000844A
Authority: JP
Inventors: 彩加山原; Ayaka Yamahara
Original assignee: NTN Corp; NTN Toyo Bearing Co Ltd
Current assignee: NTN Corp
Priority date: 2020-01-07
Filing date: 2020-01-07
Publication date: 2021-08-02

Abstract

【課題】フッ素樹脂の低摩擦特性の充分に活かされた織物で形成したライナーを備えた球面滑り軸受であり、ライナーの織布に浸み込んで保持されている熱硬化性樹脂が、織布から離脱しないようにして、使用状態でライナーの摩耗を少なくする。【解決手段】外輪１の内周面１ａに接着剤層３で接着して固定され、所定厚さのシート状のライナー４を備えている。ライナー４は、フッ素繊維またはフッ素樹脂と一体化した合成繊維からなる織布と、これに含浸される熱硬化性樹脂とを複合したシート状の複合体からなり、厚さが２００〜３９０μｍであり、負荷荷重及び内外輪の揺動によるライナー４の変形量およびそれに関連する摩耗量を抑制する。【選択図】図１

Description

この発明は、球面滑り軸受に関し、詳しくは内輪と外輪の間にライナーを介在させた球面滑り軸受に関する。

一般に、球面滑り軸受は、凸球面の外周面を有する内輪と、凹球面の内周面を有して前記内輪を摺動自在に保持する外輪とを備え、内・外輪は荷重を受けつつ回転運動または揺動運動して両輪の軸の傾きを許容する軸受であって、内・外輪間の摺動面に固体潤滑剤を供給可能な自己潤滑性のライナーを備えた球面滑り軸受が周知である。

高荷重の条件下でも潤滑性および耐摩耗性に優れている球面滑り軸受としては、内・外輪間に設けられるライナーが、エーテル・ウレア系ポリマーからなるものが知られている（特許文献１）。

この球面滑り軸受は、５００ｋｇｆ／ｃｍ^２を超える高荷重に耐える特性を有するが、フッ素樹脂系ポリマーを用いたライナーのような摩擦係数の極めて小さい潤滑性は得られない。

また、ライナーを、ポリエーテルケトン系樹脂６０〜８０重量％と、ポリテトラフルオロエチレン(ＰＴＦＥ)１０〜３０重量％と、炭素繊維５〜１５重量％と、アラミド繊維１５重量％以下との混合物である自己潤滑性樹脂組成物で形成した球面滑り軸受が知られている（特許文献２）。

このようなライナーは、研削または切削によって寸法調整を行うことが可能であるが、ＰＴＦＥを多く配合すると、圧縮クリープ性や耐摩耗性が低下する。

また、ライナーとして、ポリテトラフルオロエチレン(ＰＴＦＥ)及びポリアラミドの繊維から成るファブリック（織物）でシート状に形成し、フェノール樹脂を含浸したもの（国際標準規格SAE-AS81820準拠）が知られており、これを球面滑り軸受に用いる可能性が示唆されている（特許文献３）。
このようなライナーは、織物で補強されているので、圧縮クリープ性は高く、また織物を構成するＰＴＦＥによって摺動面に多くのＰＴＦＥを供給できる。

実開平７−４１０５８号公報特開２０１１−２４７４０８号公報特開２００７−２５５７１２号公報

しかし、上記した特許文献３に記載される比較的厚いシート状のライナーを備えた球面滑り軸受は、内外輪が揺動する際に、各軸の角度の変化に応じて摺動するライナーの表面と固定された底面の両面が平行にずれる方向に力を受け、しかも前記両面は各軸から荷重を受けて圧縮され、また振動を受けやすいので、織布に浸み込んでいるフェノール樹脂は、目合いの形状や大きさが微小に変動する織布から少しずつ離脱しやすくなると考えられ、そのような結果としてライナーの摩耗が進行しやすいという問題点がある。

特許文献２に記載されるように、ＰＴＦＥと強化繊維を含む自己潤滑性樹脂組成物からなるライナーを採用すると、強化繊維が均一に分散しているため、適宜に切削加工して寸法調整は可能であるが、フッ素繊維を混紡した織物を採用した場合のようなフッ素系の潤滑特性は充分に発揮できない。

そこで、この発明の課題は、上記した問題点を解決して、ライナーをフッ素樹脂の低摩擦係数を充分に活かしたファブリック（織物）で形成した球面滑り軸受において、ライナーの織布に浸み込んで保持されている熱硬化性樹脂が、使用状態で可及的に織布から離脱しないようにして、フッ素樹脂の優れた潤滑性を有すると共に耐摩耗性に優れた球面滑り軸受とすることである。

本願の発明者らは、フッ素繊維のファブリックを備えた球面滑り軸受の使用状態における摩耗を抑制するために、熱硬化性樹脂が織布の繊維のすき間から離脱しないように、織布の弾性変形があまり大きくないようにする必要があると考えた。

そのために、この発明では球形状の内周面を備えた外輪と、前記内周面に隙間を空けて対向する球形状の外周面を備えた内輪と、この内輪の外周面と前記外輪の内周面とのいずれかに固定されて前記隙間を埋める所定層厚のシート状ライナーとを備え、このライナーは、フッ素繊維またはフッ素樹脂と一体化した合成繊維からなる織布と、熱硬化性樹脂との複合体からなり、前記所定層厚が２００〜３９０μｍである球面滑り軸受としたのである。

上記したように構成されるこの発明の球面滑り軸受は、所定素材の織物を有するシート状のライナーが、所定範囲内の厚さに形成されているので、使用中の各軸の角度の変化に応じて摺動する表面と固定された底面とが、両面を平行にずらす方向にあまり大きく変形しない。そのため、織物の目合いの形状や大きさがあまり変動せず、織物の繊維間や糸の間またはそれらの表面に付着または保持されていた熱硬化性樹脂が離脱し難く、耐摩耗性に優れたライナーを備えたものになる。

すなわち、前記ライナーの厚みが、２００〜３９０μｍである球面滑り軸受とすることにより、負荷荷重及び内外輪の揺動によるライナーの変形および摩耗が顕著に少なくなる。

また、ライナーの摩擦係数をできるだけ低くし、より耐摩耗性を高めるために、前記フッ素繊維と一体化した合成繊維が、ポリテトラフルオロエチレン繊維とポリアラミド繊維との混紡繊維からなる合成繊維であることが好ましい。また同様の理由から、前記フッ素樹脂と一体化した合成繊維が、ポリテトラフルオロエチレンをコーティング（被覆）したポリアラミド繊維からなる合成繊維であることも好ましい。

また織布に液状のフェノール樹脂等の熱硬化性樹脂を充分に含浸させて熱硬化させるなどして複合し、一体化された複合体からなるライナーは、耐熱性の高い熱硬化性樹脂が繊維から剥がれ落ち難くなり、すなわち熱硬化性樹脂が離脱し難くなる。
このようにしてライナーの耐摩耗性を高めることにより球面滑り軸受の使用状態での耐久性は高まり、軸受寿命を向上させることができる。

この発明は、球面滑り軸受における所定素材の織物層を有するライナーの層厚を上記所定範囲に設けたので、ライナーをファブリック（織物）で形成した球面滑り軸受における
織布に浸み込んで保持されている熱硬化性樹脂が、織布の繊維から剥がれ落ち難くなってライナーの耐摩耗性が改善され、球面滑り軸受の潤滑性と共に使用耐久性を充分に高めることができる利点がある。

実施形態の球面滑り軸受を示す断面図図１の球面滑り軸受の要所を切り欠いて示す要部断面の斜視図図１の球面滑り軸受の内輪の揺動状態の説明図摩耗試験装置を正面から見た概略構成説明図摩耗試験装置を側面から見た概略構成説明図

この発明の実施形態を以下に添付図面を参照して説明する。
図１、２に示すように実施形態の球面滑り軸受は、外輪１の球形状の内周面１ａに対向する球形状の外周面２ａを備えた内輪２と、外輪１の内周面１ａに接着剤層３で接着して固定され、所定厚さのシート状のライナー４とを備えている。

前記した外輪１および内輪２は、チタン合金またはその他周知の金属製素材または異種金属等の複合素材もしくはそれらの表面硬化処理された素材からなる。
図示した外輪１は、略円筒形状であり、その内周面１ａが内輪２の外周面２ａより僅かに大径の球面形状であり、内周面１ａは、接着剤の接着力の向上のためにショットブラスト等により粗面化している。

ライナー４は、フッ素繊維またはフッ素樹脂と一体化した合成繊維からなる織布と、これに含浸される熱硬化性樹脂とのシート状の複合体からなり、厚さが２００〜３９０μｍである。負荷荷重及び内外輪の揺動によるライナー４の変形量およびそれに関連する摩耗量を抑制可能な特定の厚さとして、前記数値範囲に制限されており、より好ましくは２５０〜３８０μｍであり、さらに好ましくは２８０〜３５０μｍであり、特に２９０〜３３５μｍとすることが好ましい。

フッ素繊維は、テトラフルオロエチレン（ＴＦＥ）、クロロトリフルオロエチレン（ＣＴＦＥ）またはこれらを重合したＰＴＦＥ、ＰＣＴＦＥなどの周知のフッ素ポリマーを原料として採用し、ビスコース等のマトリックスポリマーと混合してエマルジョンとし、成形用口金から凝固浴中に押し出して繊維化する（マトリックス法）などの周知の手法で繊維化したものである。

フッ素繊維と一体化した合成繊維の例としては、フッ素繊維と補強材となる合成繊維を混紡した合成繊維であり、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）繊維と、耐熱性に優れていて高強度のポリアラミド繊維との混紡繊維からなる合成繊維が好ましいものとして挙げられる。
フッ素繊維と合成繊維との混紡の割合は、球面滑り軸受の用途に応じてライナーに所要の低摩擦係数および織物の強度を与えるように調整されることが好ましい。

上記のフッ素（ＰＴＦＥ）繊維は、水分吸収率は０％、溶融温度３２７℃で、２６０℃の高温まで使用可能であって高温特性がよく、また耐化学薬品性や耐候性もきわめて大きいので、航空機等の用途の球面滑り軸受にも適用できるものである。

フッ素樹脂と一体化した合成繊維としては、例えばＰＴＦＥ等のフッ素樹脂をコーティングしたポリアラミド繊維からなる合成繊維が挙げられる。このような合成繊維は、ポリアラミド繊維（耐熱性ナイロン）などからなり、そのような合成繊維からなる織物にフッ素樹脂分散液を含浸し、さらに乾燥後、焼成することによってフッ素樹脂と複合し、一体化することもできる。

この発明に用いる合成繊維からなる織布は、上記した合成繊維を、例えば平織またはメッシュ状のクロスなどのようにファブリックと呼ばれるような周知の織物に加工したものであり、このような織物は、さらに所要枚数を重ね、また必要に応じて端部同士を接続させるように加熱・加圧等により成形し、所要形態で所要厚みのライナー用織布とすることができる。

芳香族ポリアミド繊維以外に採用可能な合成繊維の例としては、ガラス繊維、炭素繊維、ポリエステル繊維などを挙げることができる。

このような織物に対し、ライナーとしての形状（耐圧性）および硬さを保てるように、フェノール樹脂等の耐熱性のよい熱硬化性樹脂の未硬化（液）状態のものを含浸し、必要に応じて乾燥させた後、加熱及び/または加圧して硬化させる。自己反応性の官能基を有している液状のレゾール型のフェノール樹脂を含浸させ、フェノール樹脂が硬化するまで加熱することが好ましい。

この時に用いる熱硬化性樹脂の未硬化（液）状態での粘度の調整（例えば希釈剤量またはフィラー等の調整）、さらには成形枠の大きさ（枠内の深さ）、または加熱工程の経路でシートを通過させるように配置されている対向する一対以上の加熱ローラの間隔を調整することにより、シート状のライナーの厚さを調整することができる。

ライナー４を内輪２の外周面２ａまたは外輪１の内周面１ａのいずれかに固定するには、接着剤を用いて固定することが、容易かつ適切な手段であって好ましい。接着剤としては、前記した熱硬化性樹脂と接着性（親和性）のよい接着剤を選択的に採用すればよく、フェノール樹脂を採用した場合には、熱硬化性樹脂であるフェノール樹脂系の接着剤が適切なものである。

上記のような樹脂を素材として形成されたライナー４は、耐摩耗性、耐熱性に優れたものであり、また耐荷重性が高く熱伝導性も大きく、しかも熱膨張率も小さくて好ましい。
例えば、球面滑り軸受の素材としてＴｉ-６Ａｌ-４Ｖ等のチタン合金その他の金属で形成された外輪１または内輪２にライナー４を接着し、これを対応する内輪２または外輪１に対して圧入して組み込むことにより、球面滑り軸受を製造することができる。

上記のようにして得られた球面滑り軸受は、外輪１と内輪２の軸方向が直線上に一致している状態（図１、図２）で使用される他、図３に示されるように、使用中に外輪１と内輪２の軸方向が変化するとき、外輪１の内周面１ａに固定されたライナー４に対し、内輪２の外周面２ａは、相対的に図中の矢印の方向に揺動する。

このとき、各軸の角度の変化に応じて摺動するライナー４の表面と、ライナー４の接着された底面とは、両面を平行にずらせる方向に力を受ける。しかしながら、ライナー４の厚さが、２００〜３９０μｍという所定範囲の球面滑り軸受であれば、後述する試験結果からも明らかなように、負荷荷重及び内外輪の揺動によるライナー４の変形および摩耗が少なくなり、耐久性に優れたものになる。

［実施例１−７、比較例１−６］
無給油式のチタン合金製の球面滑り軸受の外輪として、Ｔｉ-６Ａｌ-４Ｖのチタン合金製の外輪の内周に凹型球面の内周を形成し、この内周面をショットブラストによって粗面化し、フェノール樹脂系接着剤により予め製造したシート状の潤滑ライナーを接着固定した。

上記ライナーの素材は、ポリテトラフルオロエチレン(ＰＴＦＥ)及びポリアラミドの混紡繊維から成るシート状の平織物であり、これにレゾール型フェノール樹脂液を含浸し乾燥させ、これを外輪または摩耗評価試験片に対してフェノール樹脂系接着剤を用いて加圧接着したものである。前記レゾール型フェノール樹脂液の粘度は、適宜に調整して乾燥及び加圧し硬化したシート状のライナーの厚みを所定範囲（実施例ではおおよそ２５０〜３８０μｍ、比較例ではおおよそ３９５〜４７０μｍ）に調整して、実施例１−７および比較例１−６に用いる外輪または摩耗評価試験片に一体化されたシート状のライナーを作製した。

また、予め作製されたＴｉ-６Ａｌ-４Ｖのチタン合金製の内輪であって、外周に凸型球面の摺動面を形成し、熱硬化処理して表面硬さ６５０ＨＶであるものに、上記した外輪を圧入して組み合わせ、前述した実施形態と同じ形態の実施例１−７および比較例１−６の球面滑り軸受を製造した。

得られた球面滑り軸受のライナーの厚みと耐摩耗性の関係を調べるため、図４、５に概略構成を示す試験機を用いて以下の表１に示す試験条件で摩耗試験を行ない、その結果を表２及び表３に示した。また、表２、表３中には、実施例および比較例のシート状ライナーの厚みを示し、参考のため、摩耗深さが１１５μｍ以下のものを○印で示し、１１５μｍより大きいものを×印で良否を評価した。

［摩耗評価試験］
図４、５に示すように、摩耗試験機は、一般にブロックオンリング摩耗試験と称される試験機であり、主軸５に摺動相手のリング６（この試験ではＴｉ-６Ａｌ-４Ｖ製で表面硬さ６５０ＨＶ、回転（最大）径３２ｍｍ、周方向に連続する隆起部の曲率Ｒ＝５ｍｍ）を取付け、リング６の上部（隆起部）に接するようにブロック状の試験片（ライナー）Ａを固定し、試験片Ａの上部から下向きに負荷Ｗを与えてリング６を回転角度±２５°の範囲で揺動するように正逆方向に回転させることによって、球面滑り軸受のライナーが受ける摺動状態を再現し、所定揺動回数における摩耗深さ（μｍ）を測定して摩耗性を評価した。

このような試験機を用いて荷重の負荷される長方形状の平板（長さ２０ｍｍ、幅１０ｍｍ、厚み５ｍｍ）に、実施例または比較例のライナー試験片をフェノール樹脂系接着剤で接着して固定した。

また、試験条件としてのリングの回転は、静止位置を０°とし、それから順に反時計回りを正(＋)方向として＋２５°の位置、時計回りの逆(-)方向に０°の位置、さらに時計回り（−）に２５°の位置、次いで反時計回りに０°の静止位置に戻す回転を１サイクルとして、２５０００サイクルまで揺動させた。

表２、３の結果からも明らかなように、比較例１−６に用いたライナーは、厚みが３９５〜４６７μｍであり、試験結果の摩耗深さは１２２〜１９１μｍという著しく大きな摩耗量であった。

これに対して、実施例１−７に用いたライナーは、厚みが２５２μｍから３７９μｍの所定範囲であり、試験結果の摩耗深さは８０μｍから１０４μｍという比較的少ない摩耗量で安定した結果であった。
したがって、ライナーの厚みは、少なくとも３９５μｍより小さく、望ましくは３９０μｍ以下であることがわかる。

また、ライナーの厚みが２００μｍ未満では、軸受使用中に潤滑ライナーが摩耗する量が厚さ１００μｍ前後まで少なくなっても摩耗がさらに進行する使用状態になりやすく、これでは内輪と外輪が接触することにもなるので、潤滑ライナーとしての性能が安定しないと考えられた。

この発明は、例えば航空機や、人工衛星等の航空宇宙機器等に使用される球面滑り軸受に関するものであり、荷重を受けつつ揺動運動し、かつ軸の傾きを許容する球面滑り軸受であって、その摺動面に固体潤滑剤を供給可能な自己潤滑性のライナーを備えた球面滑り軸受に適用できるものである。

また無潤滑球面滑り軸受として、耐熱性、耐摩耗性、耐油性等が要求される広い用途に使用することができ、また、潤滑油の使用を嫌う食品機械や、定期的な給油が不可能または必要ではない産業用機器の関節運動部などにも利用できる。

１外輪
１ａ内周面
２内輪
２ａ外周面
３接着剤層
４ライナー
５主軸
６リング
Ａ試験片
Ｗ負荷

Claims

球形状の内周面を備えた外輪と、前記内周面に対向する球形状の外周面を備えた内輪と、この内輪の外周面と前記外輪の内周面とのいずれかに固定される所定厚さのシート状ライナーとを備え、
このライナーは、フッ素繊維またはフッ素樹脂と一体化した合成繊維からなる織布と、熱硬化性樹脂との複合体からなり、前記所定厚さが２００〜３９０μｍである球面滑り軸受。
前記フッ素繊維と一体化した合成繊維が、ポリテトラフルオロエチレン繊維とポリアラミド繊維との混紡繊維からなる合成繊維である請求項１に記載の球面滑り軸受。
前記フッ素樹脂と一体化した合成繊維が、ポリテトラフルオロエチレンをコーティングしたポリアラミド繊維からなる合成繊維である請求項１に記載の球面滑り軸受。
前記熱硬化性樹脂が、フェノール樹脂である請求項１〜３のいずれかに記載の球面滑り軸受。