(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
外輪の内側部分は、潤滑剤成分の粉末と、金属、プラスチックまたはセラミックス成分の粉末とを混合して焼結した凹型球面形状を有する自己潤滑性複合材料、同外輪の外側部分は鉄系形状記憶合金製のリング状部材よりなり、さらに前記外輪とかみ合う内輪については、ホワイトメタル、銅鉛合金、アルミニウム合金、ステンレスもしくは合金鋼で形成したことを特徴とする球面すべり軸受け。
【請求項２】
外輪の内側部分は、潤滑剤成分の粉末と、金属、プラスチックまたはセラミックス成分の粉末とを混合して焼結した凹型球面形状を有する自己潤滑性複合材料、同外輪の外側部分は鉄系形状記憶合金製のリング状部材よりなり、さらに前記外輪とかみ合う内輪については、その内側部分に、潤滑剤成分の粉末と、金属、プラスチックまたはセラミックス成分の粉末とを混合して焼結した自己潤滑性複合材料からなるリング状部材を配するとともに、同内輪の外側部分には鉄系形状記憶合金を素材としてかつ前記外輪内面の凹型球面形状と摺動可能に組み合う凸型球面を有するようにして一体に構成したことを特徴とする球面すべり軸受け。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、機械設備に広く用いられる球面すべり軸受けの内、無給油でも使用可能な軸受けに関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、軸受け類の潤滑性は、摺動面に供給される潤滑油によって維持されるのがもっとも普通である。しかし、高温、真空、食品や印刷関係等の環境的な条件によっては、潤滑油の使用が不可能、もしくは望ましくない場合がある。
【０００３】
球面すべり軸受けであって無給油使用の可能なタイプのもののなかにも、既に実用化されているものがある。代表的なものとしては、セラミックス（実開平４−１２６０１６号公報）や樹脂類（特開平５−１２６１４３号公報、特開平５−１８４１２号公報）を摺動面として使用するもの、多孔質含油材料を利用するもの（特開平２−４６３１５号公報）、油を含ませるなどして潤滑性を持たせかつ可撓性を合わせ持つインサート部材を用いるもの（特開平６−２７１２号公報、特開昭５３−３８３６９号公報）などがある。
【０００４】
これら既存の無給油式球面すべり軸受けは、いずれも機構が非常に複雑で製造工程が多く、製作が難しいという共通の欠点を持っている。また、含油式のものでは油切れによる潤滑性の消失を常に配慮しなければならず、また摺動面にセラミックスや樹脂類を用いるものの場合には、荷重や摺動スピードに対して使用可能な条件範囲が限定される欠点もあった。
【０００５】
無給油の潤滑材としては、潤滑剤成分の粉末と、金属、プラスチックまたはセラミックス成分の粉末とを混合して焼結した自己潤滑性複合材料が望ましい性能を有している。しかし、これらの焼結材は強度が低いものが多いため、単独で使用すると破損し易いという欠点があった。そのため自己潤滑性複合材料をそのままで複雑な応力のかかる球面すべり軸受けに利用しようとしても、十分な信頼性を持たせることはできなかった。
【０００６】
このような問題は、自己潤滑性複合材の非摺動面に金属もしくは鋼やステンレスなどの合金製の、裏当て金もしくはスリーブによって補強できれば解決すると考えられる。脆い素材である自己潤滑性複合材料を補強する手段としてまず考えられるのは、自己潤滑性複合材料の外側に金属材料を焼きばめして固定することである。しかし、焼きばめは使用中に温度が上がると緩む心配があり、せっかく高温で使用可能な潤滑剤という自己潤滑性複合材料の特徴を制限する結果となる。
【０００７】
この困難を打開するために、金属もしくは合金製のスリーブ（もしくは裏当て金）内に、自己潤滑性複合材料の原料粉末を加圧成形した素形材をはめ込んでから焼結処理したり、あるいは裏当て金もしくはスリーブ自体も金属もしくは合金の粉末を加圧成形した素形材として製作し、自己潤滑性複合材の原料粉末を加圧成形した素形材と組み合わせた上で一緒に焼結して、一体に形成する方法が知られている。特公昭５７−４２１２１号公報（特開昭５５一０９４４０３号公報）や特開昭６３−２８２２３３号公報がその例である。これらの方法はすべり軸受け一般に対して一定の寄与はあるものの、金属もしくは合金粉末と潤滑剤粉末とが焼結時に境界面で反応して、脆化層が形成される危険があり、両成分の組み合わせに大きな制約を受けるという欠点があった。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
自己潤滑性複合材料は、高温や真空など、油潤滑の困難な場所での軸受けなどの摺動材料として有効であるが、強度が低く脆いという欠点があった。そこで、形状記憶合金を補強材として適切に使用することによって壊れにくくするとともに、高価な自己潤滑性複合材料の使用量を最小限にとどめた球面すべり軸受けを提供することが本発明の目的である。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、外輪の内側部分は、潤滑剤成分の粉末と、金属、プラスチックまたはセラミックス成分の粉末とを混合して焼結した凹型球面形状を有する自己潤滑性複合材料、同外輪の外側部分は鉄系形状記憶合金製のリング状部材よりなり、さらに前記外輪とかみ合う内輪については、ホワイトメタル、銅鉛合金、アルミニウム合金、ステンレスもしくは合金鋼で形成したことを特徴とする球面すべり軸受け、ならびに、
外輪の内側部分は、潤滑剤成分の粉末と、金属、プラスチックまたはセラミックス成分の粉末とを混合して焼結した凹型球面形状を有する自己潤滑性複合材料、同外輪の外側部分は鉄系形状記憶合金製のリング状部材よりなり、さらに前記外輪とかみ合う内輪については、その内側部分に、潤滑剤成分の粉末と、金属、プラスチックまたはセラミックス成分の粉末とを混合して焼結した自己潤滑性複合材料からなるリング状部材を配するとともに、同内輪の外側部分には鉄系形状記憶合金を素材としてかつ前記外輪内面の凹型球面形状と摺動可能に組み合う凸型球面を有するようにして一体に構成したことを特徴とする球面すべり軸受けである。
【００１０】
所定温度に加熱された時に記憶形状を回復するように記憶処理された形状記憶合金で製作されたリング状部材は、自己潤滑性複合部材の外側を包み込むようにして保護・固定するので、壊れにくく取扱いの容易な球面すべり軸受けが得られる。また、球面すべり軸受けの外輪と内輪の組み合わせについても、形状記憶合金製のリング状部材の収縮力を利用することによって容易に実現される。
【００１１】
【発明の実施の形態】
一般に、形状記憶合金はある形状を記憶させた後に、室温でその形状に変更を加えても、次に所定の温度に加熱するだけで先の記憶形状を回復する能力を有することが知られている。この応用動作として、形状記憶合金を円筒形状に製作して記憶処理した後、その内径を所定量だけ拡径しておくと、次に所定温度に加熱された時に円筒の内径を収縮させることが可能である。本発明者らは形状記憶合金のこのような性質を応用することによって、従来にない新しい方法による球面すべり軸受けの製造が可能となることを見いだした。
【００１２】
球面すべり軸受けの利用形態としては、軸を内輪に固定して使用する場合と、軸を固定せずに内輪との問でも摺動できる状態で使用する場合とがある。本発明の請求項１記載の発明は前者に、請求項２記載の発明は後者の場合にそれぞれ対応するものである。前者すなわち軸を内輪と固定して使用する場合がより基本的でかつ単純であるから、まずこのケースについて説明する。
【００１３】
内輪は軸と一体となるように固定して使用されるので、内輪の外面と外輪の内面との問の摺動だけが問題となる。このような場合、自己潤滑性複合材料を内輪側に使うことも不可能ではないが、軸と一体化するように固定するためには内輪は強度の高い合金製の方が安心である。そのため内輪には既存の合金を使用することとし、内輪と摺動する外輪の内面側に自己潤滑性複合材料を配するとともに、その外側をリング状の形状記憶合金製の外筒が補強するようにしたのが第一発明である。図１〜図４にその例を示す。１が潤滑性を有する自己潤滑性複合材で、これらは２で示された形状記憶合金製の外筒によって一体となるように締結されて外輪を構成している。この外輪は厚みの中間部の接合面７で左右に分割された二つの部材として別々に製作された後、内輪３を挟み込んで一体に組み立てられている。一体に組み立てる方法としては、図１および図４のような固定用ビス４を用いたり、図２および図３で示すようにハウジング８の中に収納するなどによることができる。なお、図１は形状記憶合金製外筒の内面が平坦であるのに対して、図２では自己潤滑性複合材の抜け止め用の段２１を設けたものである。
【００１４】
次に、外輪と内輪との間だけでなく、内輪と軸との間でも摺動するタイプの球面すべり軸受げについて説明する。内輪と外輪との間の摺動関係については前記の場合と同じであるから、条件の異なる内輪部分についてのみ説明を加える。この場合には内輪の内側も摺動面となるため、この部分にも自己潤滑性複合材を使用するようにした。すなわち、内輪も外輪と同様に、自己潤滑性複合材と形状記憶合金との複合体として構成することになる。このような内輪を第一発明の外輪と組み合わせたものが、本発明の第二発明に相当する。図３と図４にその例を示す。外輪に関しては先に説明した図１や図２と同様である。ただし、内輪が、５で示される自己潤滑性複合材の外側を形状記憶合金製の部材６で締結して一体化されている点が第二発明の特徴である。なお、図３と図４の違いは、前述の図１と図２の違いと同じである。
【００１５】
本発明で使用できる自己潤滑性複合材料は、グラファイト、二硫化タングステン、二硫化モリブデンなどの潤滑剤成分の粉末と、タングステンやステンレス並びに鉄合金、銅合金などの金属成分もしくはプラスチック成分やセラミックス成分とを混合して一体に焼結された材料であればその種類は問わない。形状記憶合金製のリングが自己潤滑性複合材料の外側に配され、その形状記憶合金の収縮によって一体に構成されるものであるから、自己潤滑性複合材料はほぼ圧縮応力だけの作用を受け、しかも形状記憶合金によって包まれる形で固定されるから、潤滑性の優れたものであれば、脆くて引張強度の低い材料であっても問題なく利用することができる。
【００１６】
次に、本発明において使用できる形状記憶合金について説明する。形状記憶合金には一度だけ形状回復動作をさせることのできる一方向性合金と、温度の上げ下げによって二つの記憶形状の間を往復動作できる二方向性合金とがある。本発明においては、温度をあげて自己潤滑性複合材料を固定した後は、温度が下がってもその状態を維持していてくれる必要があることから、当然一方向性の形状記憶合金を使用することになる。また、コスト的にも安くかつ加工の容易な合金が望ましいのはいうまでもない。このような条件を満足する形状記憶合金として、Ｆｅ−Ｍｎ−Ｓｉ系等の鉄を主要成分とする形状記憶合金は最も適当なものの一つである。これらの合金は形状回復過程における形状回復ひずみとして２％から４％程度を確保することができるから、焼きばめに比べて部材の加工精度をさほど厳しく管理する必要がない。
【００１７】
また、鉄系形状記憶合金の動作温度（形状回復動作を起こさせるために必要な加熱温度）はたかだか４００℃以下程度であるから、大気中で加熱すると変質しやすい活性成分を含む自己潤滑性複合材料を一体に組み合わせて加熱しても、潤滑剤の変質などの悪影響を生じることが少ない。これらの鉄系形状記憶合金は、一般の鉄鋼素材に比べると耐食性ははるかに優れているものであるが、とくに厳しい腐食環境下での使用には、ニッケル等の金属をメッキして使うことも可能である点で、本発明に極めて有効である。
【００１８】
【実施例】
実施例１
外径３７．５mm、内径２５．０mm、長さ８．５mmの円筒形状の自己潤滑性複合材は、固体潤滑成分としての造粒した二硫化タングステン粉末と、金属成分としてタングステン粉末、およびＦｅ−Ｎｉ−Ｂ合金粉末を均一に混合して真空焼結したものである（図５［Ｃ］の１）。一方、形状記憶合金は、２８％Ｍｎ−６％Ｓｉー５％Ｃｒを主成分とする鉄系合金製の丸棒を円筒状部材に加工した後に９５０℃に加熱して形状記憶処理とした（図５［Ａ］）。この円筒部材の内径をマンドレルを使用して７．６％だけ拡径（同図［Ｂ］）して、外径５０mm、内径２５．２mm、長さ１０mmとした。
【００１９】
拡径後の形状記憶合金部材の中に前記の自己潤滑性複合材を入れた後、そのままの状態で窒素雰囲気の炉中で３５０℃に加熱した。形状記憶合金製円筒の内径が収縮し、自己潤滑性複合材は外周部を形状記憶合金製の外筒が包んだ形に固定された（図５［Ｄ])。この形状記憶合金製の円筒は、内部に何も入れない状態で３５０℃に加熱された場合には、その内径が２．０％、すなわち０．５０mmほど収縮する能力をもっている。本実施例の場合、形状記憶合金製円筒の内径と自己潤滑性複合材の外径との差を０．２mmとしたから、この収縮能力によって自己潤滑性複合材は十分な力で固定された。
【００２０】
このようにして得た形状記憶合金と自己潤滑性複合材を一体にした部材２個を横に並べ、形状記憶合金部分をビスで仮固定した上で内面の自己潤滑性複合材の内側を半径１７mmの凹型球面に加工した。この加工後の、一方の部材は図５［Ｅ］に示す形状になっている。このような形状の二つの部材の間にＳＫＤ６１で作った内輪を入れ、再びビスにより、７を接合面として一体に固定することによって球面すべり軸受けとした（図５［Ｆ］）。
【００２１】
実施例２
外径７６mm、内径４２mm、長さ１８mmの円筒形状の自己潤滑性複合材は、固体潤滑剤成分であるグラファイト粉末と二硫化タングステン粉末を、金属マトリクス成分であるＣｕ−Ｓｎ合金粉末を混合して成形後、真空焼結処理したものである。一方、形状記憶合金側は、板厚４mmの２８％Ｍｎ−６％Ｓｉ−５％Ｃｒを主成分とする鉄系形状記憶合金板をプレス成形し、ＴＩＧ溶接した後に９５０℃に加熱して形状記憶処理を行った。この円筒の内径をまず７．５％拡径し、続いて６００℃に加熱、さらに２回目として５％の拡径を実施した。
【００２２】
このように適当な温度への加熱を挟んで拡径処理を複数回（本実施例では２回）行う方法は「トレーニング」と呼ばれて、形状記憶合金の形状回復性能を向上させる手段として公知のものである。この２度目の拡径後の形状記憶合金円筒は内径が７４．５mmになっているが、そのまま内部に何も入れない状態で３００℃に加熱すると、内径が２．６mm（約３．５％）だけ収縮する能力を付与されている。そのような形状記憶合金製外筒の内部に、前述の自己潤滑性複合材製の円筒を外径を７４．０mmに予備加工して差し込み、真空中で３００℃に加熱した。両者は一体に結合され、その外径は８１．６mm、内径は４０mmとなった。ここで長さは１７mmに、外径は８０．０mmに仕上げ加工した後、二つ並列に並べてハウジング内に収納して仮固定した状態で、内側を半径６８．０mmの凹型球面に加工した。
【００２３】
次に、内輪を図６に従って製作した。同図に５で示すのは、外径５５mm、内径３５mm、長さ３０mmの円筒形状の自己潤滑性複合材で、その組成等は前述の外輪とおなじものである。図の６は外輪と同じ鉄系形状記憶合金の丸棒から切り出した円筒部材で、外径は７０mm、内径４８mm、長さ３５mmとした。これに対して外輪の場合と同様に７．５％の第１拡径、６００℃加熱、５％の第２拡径という工程を経由させると内径は５３mmとなった。その内径を５５．９mmに仕上げ加工してから、内部に自己潤滑性複合材５を差し込み、真空中で３００℃に加熱して一体に締結した（図６［Ｃ］）。この複合部材の外側を半径３４．０mmの凸型球面に、また内径は４０．０mmにそれぞれ仕上げ加工した状態が図６［Ｄ］である。先に製作した二つ割りの外輪の間にこの内輪を挟み込んでから、外輪の二つの部材をハウジングに納めて固定することによって、図６［Ｅ］に示す球面すべり軸受けを得た。
【００２４】
実施例３
３２％Ｍｎ−６％Ｓｉを主成分とする鉄系形状記憶合金製の丸棒を円筒状部材に加工した後に、９５０℃に加熱して形状記憶処理を行った。この円筒部材の内径をマンドレルを使用して７．０％だけ拡径し、外径６５mm、内径５７．５mm、長さ１４．６mmとした。内径を一方の端部から５８．６mmまで切削加工したが、長さ０．６mm分だけは切削せずに内径５７．５mmのまま残した。この部分は図２および図３の２１で示す抜け止め部分に相当するものである。これに無電解法によってニッケルめっきを行った。これに対して、外径５８．２mm、内径３４．０mm、長さ１４mmの円筒形状の自己潤滑性複合部材は、二硫化モリブデン粉末、ＳＵＳ４３０Ｌの粉末、およびＦｅ−Ｎｉ−Ｂ合金粉末を均一に混合して真空焼結して得たものである。
【００２５】
この自己潤滑性複合材製の円筒を前記のめっきした形状記憶合金製の外筒の中に挿入し、大気中で３５０℃に加熱した。形状記憶合金製円筒の内径が収縮し、自己潤滑性複合材は外周部を形状記憶合金製の外筒が包んだ形に固定された（図５［Ｄ］の状態）。
【００２６】
このようにして得た形状記憶合金と自己潤滑性複合材を一体にした部材２個を横に並べてハウジングで仮固定し、内側を半径２７．２mmの凹型球面に加工した。いったんハウジングから取り外し、二つの都材の間にＳＵＳ３０４製の内輪を入れ、再びハウジングの中に納めて一体に固定して球面すべり軸受けとした（図５［Ｆ］）。
【００２７】
本実施例では、外筒の形状記憶合金部分に二ッケルめっきが施されている上、内輪もステンレス製であるため、腐食性の強い環境で使用される場合に非常に効果の大きいものとなった。
【００２８】
【発明の効果】
本発明の球面すべり軸受けは、自己潤滑性複合材を摺動面とし、かつ高強度部材である形状記憶合金製の外筒よって補強されているため、壊れにくく取扱いが容易である。補強部材である形状記憶合金製外筒の取り付けには、その形状記憶合金自身の形状回復動作を利用するが、この形状回復効果で得られる寸法変化（具体的には内径収縮）量は焼きばめなどに比べて著しく大きいので、部材に対する予備加工の精度をさほど高くする必要がない。また、そのように大きな内径収縮量を利用して締結されるので、高温度で使用されても緩むことがない。
【００２９】
とくに形状記憶合金部材を、自己潤滑性複合材料部材の外側から収縮させて補強する形になるため、焼結法によって成形されたポーラスな自己潤滑性複合材に対して圧縮応力を付加することができるから、摺動材としての使用中に破損する危険を著しく小さくできるという特徴もある。
【００３０】
また、摺動部材は本来ある表面の薄い層だけが必要なのに対し、強度の十分でない自己潤滑性複合材単体で作ると、強度確保のために必要以上に大きくしなければならなくなる。本発明の摺動部材は強度の高い形状記憶合金によって補強されるため、高価な自己潤滑性複合材料は必要最小限にとどめることができる。その上さらに非摺動面が形状記憶合金という金属によって覆われるので、真空使用で問題となる自己潤滑性複合材料からのガスの放出も著しく軽減される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る球面すべり軸受けの一例を示す正面図と縦断面図。
【図２】本発明に係る球面すべり軸受けの他の例を示す正面図と縦断面図。
【図３】同じく本発明に係る球面すべり軸受けの他の例を示す正面図と縦断面図。
【図４】同じく本発明に係る球面すべり軸受けの更に他の例を示す正面図と縦断面図。
【図５】本発明による球面すべり軸受けの製作過程の一例を示す図。
【図６】本発明による球面すべり軸受けの製作過程の他の例を示す図。
【符号の説明】
１    外輪用の自己潤滑性複合材
２    外輪用の形状記憶合金製外筒
３    合金製内輪
４    外輪固定用ビス穴
５    内輪用の自己潤滑性複合材
６    内輪用の形状記憶合金製部材
７    外輪の接合面
８    固定用ハウジング
２１    抜け止め部分
【図１】
0003696666.tif 000002
【図２】
0003696666.tif 000003
【図３】
0003696666.tif 000004
【図４】
0003696666.tif 000005
【図５】
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【図６】
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