(57)【要約】【課題】レオメータから得られたグリース物性値などから算出された、軸受内部におけるチャーニング状態のグリースの粘性抵抗と、軸受トルクとの相関により、封入グリースから軸受トルクを予測でき、または、軸受トルクの実験測定値の妥当性を確認できるトルク評価方法を提供する。【解決手段】グリース封入軸受における回転トルクの評価方法であり、軸受を所定条件で回転させた際に、グリースの状態がチャーニング型あることを特定し、軸受の回転数から算出した、保持器に対するボールのポケット隙間のせん断速度と、該軸受に封入していない状態のグリースについてレオメータを用いて測定した見掛け粘度から算出された物性値とを、ハーシェル・バークレイ式に代入することで、該軸受において保持器とボールとのポケット隙間に入り込んでいる状態とした場合のグリースの見掛け粘度予測値を求め、軸受トルクを予測する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内輪および外輪と、この内輪および外輪間に介在する複数のボールと、前記ボールを保持するポケットを有する保持器と、前記ボールの周囲に封入されたグリースとを備えてなるグリース封入軸受における回転トルクの評価方法であって、
前記軸受を所定条件で回転させた際に、前記保持器と前記ボールとのポケット隙間に前記グリースが入り込んでいる状態であることを特定し、
前記軸受の回転数から算出した、前記保持器に対する前記ボールのポケット隙間のせん断速度と、該軸受に封入していない状態の前記グリースについてレオメータを用いて測定した見掛け粘度から算出された物性値とを、ハーシェル・バークレイ式に代入することで、該軸受において前記保持器と前記ボールとのポケット隙間に入り込んでいる状態とした場合の前記グリースの見掛け粘度予測値を求め、
該見掛け粘度予測値に基づいて軸受トルクを予測する、または、該見掛け粘度予測値と、前記所定条件での軸受トルクの実験測定値との相関の有無により、該軸受トルクの実験測定値の妥当性を確認することを特徴とするグリース封入軸受のトルク評価方法。
【請求項２】
前記軸受を所定条件で回転させた際に、前記保持器と前記ボールとのポケット隙間に前記グリースが入り込んでいる状態であることは、材質をＸ線透過材料とする以外は同じ軸受をＸ線ＣＴスキャナで撮影することで確認することを特徴とする請求項１記載のグリース封入軸受のトルク評価方法。
【請求項３】
前記レオメータとして、コーンプレート型のセルを有するレオメータを用いることを特徴とする請求項１または請求項２記載のグリース封入軸受のトルク評価方法。
【請求項４】
前記保持器に対する前記ボールのポケット隙間のせん断速度は、前記ボールが前記保持器のポケット中心に位置すると仮定し、（ボールの自転速度）／（ボールと保持器ポケットとの距離）で求めることを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１項記載のグリース封入軸受のトルク評価方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、グリース封入軸受のトルク特性の評価方法に関し、特にレオメータを用いて算定したグリースの粘性抵抗と軸受トルクとの相関を考慮したトルク評価方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
転がり軸受の内部には、転がり摩擦や滑り摩擦の軽減などを目的として、潤滑用のグリースが封入されている。グリースを封入してなるグリース封入軸受は、長寿命で外部の潤滑ユニットなどが不要かつ安価であるため、自動車や産業用機器などの汎用用途によく利用される。ここで、軸受に封入されたグリースは、せん断作用を受けて流動状態になり潤滑に寄与するが、せん断を受ける程度などに応じて異なる挙動を示す。
【０００３】
軸受内部におけるグリース状態として、チャーニング型とチャネリング型とがある。チャーニング型は、グリース自体が潤滑対象部位に入り込んで潤滑が行なわれる状態であり、グリースが継続的に撹拌されるために粘性抵抗が大きく、定常状態でのトルクが高くなる。一方、チャネリング型は、グリースは油の供給源となり、該グリースから離油した油により潤滑が行われる状態である。このチャンネリング型では、初期起動時には封入されているグリースがせん断を受けて移動するが、その後は回転部の近傍に付着している状態となり、粘性抵抗が小さく、定常状態でのトルクが低くなる。
【０００４】
グリース封入軸受における軸受トルク（回転トルクともいう）は、製品上重要な特性であり、主に低トルク化が求められている。従来の軸受トルクの評価は、通常、実験データを取得することで行われている。例えば、特許文献１の軸受トルク試験にあるように、所定のグリース封入軸受の試験片を準備した後に、荷重・回転数を適宜設定して実際に回転トルクを測定している。なお、測定にはロードセルなどを利用している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１４−１９７９３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
軸受トルクの測定は、上記のように実験によることが一般的である。チャーニングとチャネリングの性質をレオロジー評価により見極める方法はあるが、グリースの見掛け粘度と軸受トルクの関係は明らかにされていない。
【０００７】
特許文献１のレオロジー評価では、降伏応力に着目し、降伏応力を有しないちょう度であれば流動性に優れるとして評価しているが、軸受トルクに影響してくる粘性には触れていない。実験値などの信憑性をさらに高めるためには、軸受内部でのグリースの存在状態を考慮した見掛け粘度（粘性抵抗）に焦点をあてた見方が必要とされる。
【０００８】
本発明はこのような問題に対処するためになされたものである。すなわち、グリースを封入してなるグリース封入軸受において、レオメータから得られたグリース物性値などから算出された、軸受内部におけるチャーニング状態のグリースの粘性抵抗と、軸受トルクとの相関により、封入グリースから軸受トルクを予測でき、または、軸受トルクの実験測定値の妥当性を確認できるトルク評価方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明のグリース封入軸受のトルク評価方法は、内輪および外輪と、この内輪および外輪間に介在する複数のボールと、上記ボールを保持するポケットを有する保持器と、上記ボールの周囲に封入されたグリースとを備えてなるグリース封入軸受（転がり軸受）における回転トルクの評価方法であって、上記軸受を所定条件で回転させた際に、上記保持器と上記ボールとのポケット隙間に上記グリースが入り込んでいる状態で（チャーニング型）あることを特定し、上記軸受の回転数から算出した、上記保持器に対する上記ボールのポケット隙間のせん断速度と、該軸受に封入していない状態の上記グリースについてレオメータを用いて測定した見掛け粘度から算出された物性値とを、ハーシェル・バークレイ式に代入することで、該軸受において上記保持器と上記ボールとのポケット隙間に入り込んでいる状態とした場合の上記グリースの見掛け粘度予測値を求め、該見掛け粘度予測値から軸受トルクを予測する、または、該見掛け粘度予測値と、上記所定条件での軸受トルクの実験測定値との相関の有無により、該軸受トルクの実験測定値の妥当性を確認することを特徴とする。
【００１０】
上記軸受を所定条件で回転させた際に、上記保持器と上記ボールとのポケット隙間に上記グリースが入り込んでいる状態であることは、材質をＸ線透過材料とする以外は同じ軸受をＸ線ＣＴスキャナで撮影することで確認することを特徴とする。なお、元の材質がＸ線透過材料であれば、それ自体を撮影して確認してもよい。
【００１１】
上記レオメータとして、コーンプレート型のセルを有するレオメータを用いることを特徴とする。
【００１２】
上記保持器に対する上記ボールのポケット隙間のせん断速度は、上記ボールが上記保持器のポケット中心に位置すると仮定し、（ボールの自転速度）／（ボールと保持器ポケットとの距離）で求めることを特徴とする。ここで、「ボールが保持器のポケット中心に位置する」とは、ボールの中心点が、ポケット空間の中心点に位置することを意味する。
【発明の効果】
【００１３】
本発明のグリース封入軸受のトルク評価方法は、軸受を所定条件で回転させた際に、保持器とボールとのポケット隙間にグリースが入り込んでいる状態で（チャーニング型）あることを特定し、軸受の回転数から算出した、保持器に対するボールのポケット隙間のせん断速度と、該軸受に封入していない状態のグリースについてレオメータを用いて測定した見掛け粘度から算出された物性値とを、ハーシェル・バークレイ式に代入することで、該軸受において保持器とボールとのポケット隙間に入り込んでいる状態とした場合のグリースの見掛け粘度予測値を求めることができ、このグリースの見掛け粘度予測値と軸受トルクとの相関により、封入グリースから軸受トルクを予測でき、または、軸受トルクの実験測定値の妥当性を確認できる。これにより、軸受トルクに関してより信憑性の高いデータを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の評価方法の対象となるグリース封入軸受の断面図である。
【図２】図１における保持器の一部斜視図である。
【図３】他の保持器の一部斜視図である。
【図４】保持器ポケットにおけるグリースの状態を示す図である。
【図５】レオメータの一例を示す概要図である。
【図６】せん断応力と軸受トルクとの関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明のグリース封入軸受のトルク評価方法は、軸受内部におけるグリース状態がチャーニング型である場合を想定した方法である。チャーニング型は、グリース自体が潤滑対象部位に入り込んで潤滑が行なわれる状態であり、グリースが継続的に撹拌されるので、このグリースの粘性抵抗によりトルクが影響を受ける。特に、チャーニング型で回転中にポケット隙間に存在するグリースの粘性抵抗が、軸受トルクに大きな影響を及ぼすと思われる。グリースの粘性抵抗は、せん断速度に依存するため、上記状態でグリースが受けるせん断速度を考慮した見掛け粘度に着目して、この予測値を算出することで、該予測値から軸受トルクの傾向を把握できるようにし、また、軸受トルクの実験測定値との相関から該実験値の妥当性を評価するものとした。逆に、要求される軸受トルクからグリースの選定（レオメータで評価）を行なうことも可能となる。本発明は、このような知見に基づくものである。
【００１６】
本発明の評価方法の対象となるグリース封入軸受の一例を図１および図２に基づき説明する。図１は、本発明のグリース封入軸受として、樹脂製冠形保持器を組み込んだ深溝玉軸受（転がり軸受）の一部断面図であり、図２はこの冠形保持器の一部斜視図である。図１に示すように、グリース封入軸受１は、外周面に軌道面２ａを有する内輪２と、内周面に軌道面３ａを有する外輪３とが同心に配置される。内輪の軌道面２ａと外輪の軌道面３ａとの間に複数個のボール４が介在して配置される。この複数個のボール４が、冠形の保持器５により保持される。また、転がり軸受１は、内・外輪の軸方向両端開口部に設けられた環状のシール部材６を備え、内輪２と外輪３と保持器５とシール部材６とで構成される軸受内空間に封入されたグリース７によって潤滑される。
【００１７】
図２に示すように、冠形の保持器５は、環状の本体５ａ上面に周方向に一定ピッチをおいて対向一対の保持爪８を形成し、その対向する各保持爪８を相互に接近する方向にわん曲させるとともに、その保持爪８間に転動体であるボールを保持するポケット９を形成したものである。隣接するポケット９の縁に形成された相互に隣接する保持爪８の背面相互間に、保持爪８の立ち上がり基準面となる平坦部１０が形成される。軸受内部において、このポケット９において、保持器５とボールとのポケット隙間にグリースが入り込んでいる状態（チャーニング）の場合に、上述のとおり、軸受トルクがグリースの粘性抵抗の影響を受けやすくなる。
【００１８】
また、深溝玉軸受の保持器の他の例を図３に示す。図３は、波型保持器の一部斜視図である。この保持器５’は、波型の鉄製保持器である。保持器５’は、ＳＵＳ材、ＳＰＣＣ材などの冷延鋼板をプレス成形した２つの部品を組み合わせて製作され、ボールを保持するポケット９が形成されている。図２の場合と同様に、軸受内部において、このポケット９において、保持器５とボールとのポケット隙間にグリースが入り込んでいる状態（チャーニング）の場合に、軸受トルクがグリースの粘性抵抗の影響を受けやすくなる。
【００１９】
任意の試験条件における軸受内部（特に保持器とボールとの間）のグリースの存在状態の確認方法は、特に限定されないが、ボールが組み込まれた状態でのグリースの状態を把握しやすいことから、Ｘ線ＣＴ（Ｃｏｍｐｕｔｅｄ Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ）スキャナで断面撮影をすることが好ましい。この際、Ｘ線透過が困難な材質の軸受を対象とする場合は、材質をＸ線透過材料とする以外は同じ軸受（内部諸元が同じ軸受）を用意して、これについて撮影を行なう。なお、鋼製軸受の場合やＸ線で深く透過できない場合には、中性子線イメージングなどを利用してもよい。
【００２０】
図４に、樹脂製の冠形保持器を使用した場合の保持器の断面について、Ｘ線ＣＴスキャナで撮影したチャーニング時およびチャネリング時の写真を示す。内外輪、ボール、シールも樹脂製とし、グリースには後述の実施例２のグリースを用いている。また、グリースと部材間のコントラストがつきやすいように、グリースのトレーサとしてタングステンを５重量％添加した。この軸受をトルク測定しながら運転し、初期（５時間）に停止したチャーニング品（トルク１３Ｎ・ｍｍ）および長時間（２３時間）で停止したチャネリング品（トルク５Ｎ・ｍｍ）を観察した。
【００２１】
図４に示すように、チャネリング時とチャーニング時では、主に保持器とボールのポケット隙間の存在状況が異なる。このポケット隙間において、チャネリング時はグリースが存在せず、チャーニング時にはグリースが存在し、せん断を受けている。
【００２２】
グリースは、非ニュートン性流体である。よって、その粘度は、せん断速度に依存し、ある任意のせん断速度における粘度（見掛け粘度）として表される。せん断速度を特定できれば、非ニュートン流体の一般的な流動方程式であるハーシェル・バークレイ式（Ｈｅｒｓｃｈｅｌ−Ｂｕｌｋｌｅｙ’ｓ ｅｑｕａｔｉｏｎ）により、その時の見掛け粘度を算出（予測）できる。ハーシェル・バークレイ式は下記式で表される。
【００２３】
【数１】
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【００２４】
せん断速度は、チャーニング型で回転中にポケット隙間に存在するグリースに掛かるせん断速度であり、設定する軸受回転数などから算出できる。例えば、ボールが保持器のポケット部中心に位置すると仮定すれば、６２０４軸受で内輪回転速度１８００〜１００００ｍｉｎ−１の場合、ポケット部のグリースのせん断速度は２４０００〜１３００００ｍｉｎ−１に相当する。また、降伏応力と各定数は、レオメータを用いたグリースのレオロジー特性の評価などに基づき特定できる。これらの結果、チャーニング型で回転中にポケット隙間に存在するグリースの見掛け粘度を、その予測値として求めることができる。
【００２５】
グリースのレオロジー特性の評価では、レオメータとして、コーンプレート型のセルを有するものを用いることが好ましい。このようなレオメータの概要を図５に示す。図５に示すように、レオメータ１１は、コーンプレート型のセル１２と、水平円盤プレート１３とから構成されており、セル１２とプレート１３とは１点で接する（僅かなギャップあり）ように配置され、これらの間に試料であるグリース１４を配置する。このレオメータでは、グリース１４に加わるせん断速度が、セル中心からの距離に依存せずに、どの位置においても同一となる。レオロジー測定の条件としては、（１）一定温度・一定方向回転での回転速度依存性、（２）一定温度・一定せん断ひずみにおける振動周波数依存性、（３）一定周波数における動的粘弾性のせん断応力依存性などがあるが、本発明では主に（１）の条件で測定を行なう。
【００２６】
本発明の評価方法で評価される低トルクのグリース封入軸受の一例として、図１に示す形態の６２０４サイズの深溝玉軸受で、軸受回転数（３６００ｍｉｎ−１）における軸受トルクが３０ｍＮｍ以下であり、かつ、上述の数１のハーシェル・バークレイ式を用いて算出した同回転数の見掛け粘度予測値が０．２Ｐａ．ｓ以下である軸受が望ましい。
【００２７】
このような低トルクを達成するために、封入するグリースの基油は、４０℃における動粘度が７０ｍｍ２／ｓ以下が好ましく、４０ｍｍ２／ｓ以下がより好ましい。下限は特に限定しないが、油膜切れを起こさないように、例えば１０ｍｍ２／ｓ以上とする。４０℃における動粘度が７０ｍｍ２／ｓ より高いと、軸受トルクが上昇し、低トルク化が困難となる。なお、基油として混合油を用いる場合は、該混合油の動粘度が上記範囲内であることが好ましい。
【００２８】
グリースの基油の具体例としては、ポリオールエステル油、りん酸エステル油、ジエステル油などのエステル油、パラフィン系鉱油、ナフテン系鉱油などの鉱油、ポリブテン油、ポリ−α−オレフィン油、アルキルベンゼン油、アルキルナフタレン油などの炭化水素系合成油、その他のポリグリコール油、シリコーン油、ポリフェニルエーテル油、アルキルジフェニルエーテル油などが挙げられる。これらの基油は、単独で用いられてもよく、２種以上が併用されてもよい。
【００２９】
また、グリースの増ちょう剤としては、例えば、アルミニウム石けん、リチウム石けん、ナトリウム石けん、複合リチウム石けん、複合カルシウム石けん、複合アルミニウム石けんなどの金属石けん系増ちょう剤、ジウレア化合物、ポリウレア化合物などのウレア系化合物、ＰＴＦＥ樹脂などのフッ素樹脂粉末が挙げられる。これらの増ちょう剤も、単独で用いられてもよく、２種以上が併用されてもよい。
【００３０】
基油に増ちょう剤を配合してグリースが得られる。グリース全量中に占める増ちょう剤の配合割合は、１〜４０質量％、好ましくは３〜２５質量％である。また、グリースには、必要に応じて公知の添加剤を添加できる。
【００３１】
グリースの封入量やグリース混和ちょう度（ＪＩＳ Ｋ ２２２０）は、グリース封入軸受において、軸受内部におけるグリース状態がチャーニング型となるような値とすることが好ましい。
【実施例】
【００３２】
本発明を実施例および比較例により具体的に説明するが、本発明はこれらの例によって何ら限定されるものではない。
【００３３】
実施例１〜実施例３、比較例１
実施例１、実施例２、比較例１については、表１に示した基油の半量に４，４'−ジフェニルメタンジイソシアネート（ＭＤＩ）を該表に示す割合で溶解し、残りの半量の基油にＭＤＩの２倍当量となるモノアミンを溶解した。それぞれの配合割合および種類は該表のとおりである。ＭＤＩを溶解した溶液を撹拌しながらモノアミンを溶解した溶液を加えた後１００〜１２０℃で３０分間撹拌を続けて反応させて、ジウレア化合物を基油中に生成させ、その後三本ロールで均質化して試験用のグリースを得た。また、実施例３については、表１に示す基油に増ちょう剤（リチウム石けん）を配合して試験用のグリースを得た。
【００３４】
得られたグリースについて、以下の軸受トルク試験とレオロジー測定を行なった。結果を表１に示す。
【００３５】
＜軸受トルク試験＞
試験軸受に、樹脂製冠形保持器を有する６２０４サイズの深溝玉軸受を用いた。この試験軸受に上記の各グリースを所定量封入して試験前に回転数７２００ｍｉｎ−１で１０分間慣らし運転を行なった。回転数１８００、３６００、７２００ｍｉｎ−１の順で試験しており、表１には３６００ｍｉｎ−１の結果を示す。ここで、３６００ｍｉｎ−１の場合に軸受トルクが２５ｍＮｍ以下であれば合格と判定した。
【００３６】
＜レオロジー測定＞
レオメータ（Ｔｈｅｒｍｏ Ｆｉｓｈｅｒ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ社製ＨＡＡＫＥ ＲｈｅｏＷｉｎ ＭＡＲＳ１）において、直径２０ｍｍ先端角度１７８°のコーンプレート型のセルを用いて測定した。レオロジー測定条件は、一定温度・一定方向回転であり、温度は２５℃である。せん断速度を０．０１から８０００（単位：１/ｓ）まで増速し、各せん断速度で定常状態になった時の粘度変化を計測した。これらデータより、上述の数１における降伏応力や定数を求めた。上記軸受トルク試験における３６００ｍｉｎ−１は、保持器ポケット間のせん断速度にすると約４６０００（１／ｓ）であるため、上述の数１のハーシェル・バークレイ式を用いて、上記各物性値等とこのせん断速度から、見掛け粘度予測値を算出した。この予測値が、０．２Ｐａ．ｓ以下であれば合格と判定した。なお、上記の「保持器ポケット間のせん断速度」は、ボールが保持器のポケット部中心に位置すると仮定し、（ボールの自転速度／ボールと保持器ポケットとの距離）で求めた値である。
【００３７】
【表１】
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【００３８】
表１に示すように、軸受内部におけるグリースの状態がチャーニング型である場合には、レオメータを用いたグリースの見掛け粘度予測値と、軸受トルク（実験値）との間に概ね相関があることが分かる。これより、該見掛け粘度予測値から軸受トルクの傾向を予測することや、実験後のデータ検証として、実験測定値の妥当性を確認することができる。
【００３９】
また、表１の各グリースについて、測定したグリース粘度にせん断速度を乗じて得られるポケット部のせん断応力と、上記軸受トルク試験に用いた試験用軸受を１８００〜１００００ｍｉｎ−１の内輪回転速度で実測した軸受トルクとの関係を図６に示す。図６に示すように、せん断応力が増すほど軸受トルクも大きくなることが分かる。この結果より、ボールの自転速度に相当するせん断速度でのグリース粘度を小さくし、ボールとポケット面間のせん断抵抗を低減することが低トルク化に有効であるといえる。
【産業上の利用可能性】
【００４０】
本発明のグリース封入軸受のトルク評価方法は、グリース封入軸受において、レオメータから得られたグリース物性値などから算出された、軸受内部におけるチャーニング状態のグリースの粘性抵抗と、軸受トルクとの相関取りが可能であるので、グリース封入軸受の開発工程や製造工程において、軸受トルクの実験測定値の妥当性の確認や、低トルク軸受用のグリース選定に好適に利用できる。
【符号の説明】
【００４１】
１  グリース封入軸受
２  内輪
３  外輪
４  ボール
５  保持器
６  シール部材
７  グリース
８  保持爪
９  ポケット
１０  平坦部
１１  レオメータ
１２  コーンプレート型セル
１３  水平円盤プレート
１４  グリース
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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