大分工業高等専門学校紀要

第 42 号(平成 17 年 11 月)

グリース潤滑すべり軸受の温度と摩擦特性

福永

圭悟1・梶原和義2・本田豊2

1機械工学科，2機械工学科平成17年卒業生

安価で性能が良く，グリース潤滑下で使用できるすべり軸受の実用化への実験をした．すべり軸受材料
はFC200，ジャーナルはS45C，軸受最大接触圧力はP=9.49MPa，すべり速度はV=0.208から1.01m/sであった．使用したグリースはNLGI 0号リチウムグリース，およびグリース潤滑の特徴を明らかにするために，一般的なギヤ油 ISO VG 150も使用した．グリース潤滑での無負荷時摩擦トルクは，ペトロフの式による理論値よりも大きかった．すべり速度が速くなると，ギヤ油潤滑時の約1.1倍に近づいた．グリー
ス潤滑時摩擦係数は， f =0.0036から0.0052だった．ギヤ油潤滑ではおおよそ0.004だった．グリース潤滑
時すべり面温度上昇値は，θ(K)=4.09×PV+10.2，で求めることができる，ことなどがわかった．

Key Words : sliding bearing, grease lubrication,friction coefficient, friction torque, temperature rise

１．緒言

２．実験方法

円筒歯車減速機とモータを一体にしたギヤードモータ(1) 軸受形状は国内だけでも毎月20万台程度生産されている．販売価

Figure 1 はすべり軸受（左）とジャーナル（右）であ

格は過去30年近くほとんど同じか，機種によっては低下る．すべり軸受は固定され，ジャーナルは CW 回転する．

傾向である．そのために，製造メーカはより一層のコス

軸受温度測定位置も Fig.1 に示す．Figure 1 において，トダウンが求められている．

ジャーナルとすべり軸受が接するのは上部である．温度

ギヤードモータ減速機は一般的に2-3段減速され，伝達は軸受内周上 3 箇所で測定し，潤滑剤の温度変化を求め容量750W程度まではグリースで潤滑される場合が多い．

た．上部左側熱電対温度を入口温度(Inlet)，右側を出口さらに，減速機部のギヤケース材料はADCやFC製であり， 温度(Outlet)，下側を下部温度(Bottom)と称する．実験は歯車軸や出力軸などはころがり軸受またはスリーブメタ室温で行った．

ルで回転が支持される．そこで，このFC製であるギヤケースをそのまますべり軸受にできれば，製造簡素化やコストダウンを達成することができる．
機械工学便覧1)には，油潤滑と思われるすべり軸受材料としての鋳鉄の最大許容圧力は3〜6MPa，最高許容温度は150℃と記されているにすぎない．すなはち，グリース潤滑されるすべり軸受について，実用できる設計データや研究報告はほとんどないようである2)．
曽田 3) によれば，「高かろう，良かろうではすべり軸
Fig.1 Test plain bearing and journal

受」，「実用上の便利さではころがり軸受」が優位であるとされる．さらに，すべり軸受はころがり軸受よりもギヤードモータギヤケース材料は一般的にFC200であ一般にはるかに高い性能を実現できると述べている．
本論文では，「安かろう，良かろうのグリース潤滑
FC200製すべり軸受」実用化への試みを報告する．

ることから，供試すべり軸受材料もFC200とした．幅20mm，内径φ32H6に旋盤加工し，アルメル−クロメル
熱電対による温度測定用に3-2きり穴加工をした．内周表−7−

面粗さは10〜12µm Rz(最大高さ粗さ)であった．熱電対Table 1

先端は，すべり軸受内周とほぼ一致させた．ジャーナル
材料は市販JIS G 4051 機械構造用炭素鋼鋼材S45CであGear oil

Grease

Lub-A

Lub-F

GradeConsistency (at 25℃)
Viscosity mm2/s(cSt)
40/100℃
Thickner

ISO VG 150−154/14.7

NLGI 0355-385
133/13.9(1)−EP-additive
Viscosity index
Base oilBase oil Wt ％Specific weight 15/4℃Flash point
Usage temperature ℃

S-P95
Mineral
−
0.897
226−

Lithium-12hydroxystearate soap
S-P−
Mineral
96.5
0.9(2)−-20 to 120

Lubrication

る．HRC53-56に高周波熱処理後，研磨加工仕上げした．
表面粗さは1.0〜1.2µm Rzであった．軸受直径すきまは41〜44µmであった．
(２) 実験装置

潤滑剤の性状Figure 2 は実験装置を示す．Figure 1 に示すジャーナ
ルを玉軸受 6305 で両端支持した．駆動モータはインバータによって回転速度を自由に変更できる．駆動モータと軸受箱の間にトルクメータを入れて，運転中のトルクも測定した．軸受への負荷はアーム先端部に懸垂された重錘によって与えた．

(1); Base oil,(2); Approximately

Table 2
Lub-A
Lub-F

Constant values
km9.0507
3.49018.90033.4349(４) 潤滑状態
Figure 3にすべり軸受を組み込んだ運転前の軸受箱内状態を示す．ギヤ油Lub-AおよびグリースLub-Fともに，すべり軸受から3本の熱電対がでていることがわかる．

Fig.2 Experimental apparatus(３) 潤滑剤の性状
Table 1 に本研究に用いた潤滑剤性状を示す．グリース(a) Lub-A(b) Lub-F

Lub-F は NLGI 0 号 Li せっけん基グリースである．万能Fig.3型グリースとして市販されている．0.1〜0.4kW 程度の一Inside of bearing box

般的なギヤードモータ減速機部，あるいは間欠運転される電気ホイスト用はすば歯車減速機部に広く用いられている．グリース潤滑の特徴を明らかにするために，粘度がグリース Lub-F の基油粘度とほぼ同じである市販歯車潤滑用ギヤ油 Lub-A も用いた．グリースおよびギヤ油は，玉軸受(6305)外輪内径(φ50)がほぼ沈む程度を入れた．

(５) 運転条件
本研究は実用化を目的としている．そこで，ギヤードモータメーカーのスリーブメタル軸受設計条件を参考にして決めた負荷条件を Table 3 に示す．P はすべり軸受部

潤滑剤動粘度ν と温度 T℃の関係は式(1)で表される．

接触圧力(MPa)，V はすべり速度(m/s)である．

log10 log10 (ν + 0.7) = k − m × log10 (273.15 + T )よってすべり軸受に加えた荷重に比べ小さいとして滑りすべり軸受単体質量は660gであったが，これは重錘に(1)

軸受接触圧力Pの計算には考慮しなかった．

kとmは潤滑剤による定数である．
式(1)において，グリースLub-Fの場合には基油粘度を用いると，定数kおよびmはそれぞれTable 2となる．

実験は，負荷をかけて十分ななじみ運転後におこなった．

−8−

Load conditionsContact pressure P, MPa
0.549
3.48
6.01
8.57
Sliding V, m/s
0.208 0.313 0.417 0.682

01

9.49
1.01

３．実験結果Friction torque, N・ m

Table 3

Experimental torque
Theoretical torque

0.8
no-load

0.6
0.4

Grease0.2

V=1.01m/s

0(1) 温度上昇およびトルク測定例

10Figure 4は，無負荷，すべり速度V=1.01m/s，グリース潤滑Lub-Fでの温度および摩擦トルク測定例である．出Fig.5

口温度，入口温度，下部温度ともほとんど同じであるこ

2030
4050
Temperature,θTemperature, θ℃ ℃

6070

Relationship between temperatures on thesliding surface and friction torque under Lub-Fとがわかる．以下，すべり面温度として，出口温度を用いて考察する．

0.8
Friction torque, N・ m

運転時間の経過と共に温度は上昇するが，摩擦トルクは減少した．およそ1時間で摩擦トルクは一定となり，およそ3時間で温度は定常温度に達した．

Experimental torqueno-load

0.6

Theoretical torque0.4
Gear oil0.2

V=0.208m/s
010

2030

40

50

6070

Temperatures,θ℃
θ ℃Temperature,

Fig.6 Relationship between temperature on thesliding surface and friction torque under Lub-A
はほぼ同じであった．このことから，本実験条件範囲内

Fig.4 Measurement example. Lub-F,P=0, V=1.01m/s

では，ジャーナルと 軸受との接触による 潤滑剤温度上昇は小さいことがわかる．
Figure 7はグリースLub-Fでのすべり面温度と，接触圧(２) 無負荷時すべり面温度と摩擦トルク
Figure 5および6はそれぞれグリースLub-Fおよびギヤ力P(MPa)およびすべり速度V(m/s)の関係である．Pおよ

油Lub-Aについて，無負荷時すべり面温度と摩擦トルクびVの増加に比例してすべり面温度が上昇していることがの代表的な例である．図中，理論トルクは式(2)で表されわかる．
ギヤ油潤滑の場合も，Fig. 8と同様な傾向を示した．

るペトロフの式4)から求めた摩擦トルクMである．

M =2πηUR 2 L
C

(2)

100

η：潤滑剤絶対粘度(Pa·s)，U：軸受すべり速度 m/s，R：軸半径(16mm)，L：軸受幅(20mm)，C：軸受直径すきま(41-44µm)，である．グリース Lub-F のηは基油粘度から求めた．
Figure 5および6から，潤滑剤の種類によらず，すべりTemperature ℃

ここで，面温度上昇とともに摩擦トルクは低下することが分かる．
また，実験値は理論値よりも大きいことが分かる．これ
らの傾向は，すべり速度が速くなっても同様であった．

0.208m/s
0.417m/s
1.01m/s

800.3130.682m/s

604020Grease

00246
Contact pressure, MPa8Fig.7 Temperature rise under Lub-F(３) 負荷時すべり面温度
Figures 4 と同様に，軸受下部，入口および出口温度−9−10を表す実験式をLub-FおよびLub-Aについてそれぞれ求め(４) すべり面摩擦係数た．これらの実験式を利用し，任意温度での摩擦トルク

Figure 8および9は，それぞれグリースLub-Fおよびギを計算し，Lub-Fの摩擦トルクに対するLub-Aの摩擦トル

ヤ油Lub-Aでのすべり面摩擦力に対する軸受荷重の関係

クの比γを求めた．その結果をFig.10に示す．Figure 10である．すべり面摩擦力は摩擦トルクを軸受半径(16mm)から，すべり速度が大きくなるとほぼ一定値γ=1.1，すで除した値である．本運転条件範囲内では，すべり面摩なはちグリース潤滑時摩擦トルクはギヤ油潤滑時の約1.1

擦力は軸受荷重増加に比例していることが分かる．すべ倍になることがわかる．また，低速ではすべり面温度がり面摩擦力に対する軸受荷重が，その時のすべり面摩擦高いほど，γは大きくなることが分かる．
すべり速度が大きい場合に摩擦トルクがほぼ同じにな係数μとなる．したがって，グリースLub-Fでは，高負荷時には多少ばらつきはあるものの，μ=0.0036〜0.0052

った理由はつぎのように考えられる．Figure 11はグリーが得られる．一方，Fig.9に示すギヤ油Lub-AではµのばスLub-Fのせん断速度とみかけ粘度の関係である．Table

らつきは小さくμ=0.004〜0.0044である．

4はLub-F基油の絶対粘度を示す．Figure 11から，せん断速度が速くなるほど，また温度が高いほど見かけ粘度は小さくなり，Table 4に示す基油の絶対粘度に近づくこ

35

1.01m/s
0.682m/s
0.417m/s
0.313m/s
0.208m/s

Frictin force, N30

す2520とが分かる．せん断速度によって見かけ粘度が変わるの

y = 0.0052x

は，グリース中に含まれる増ちょう剤のためである．したがって，すべり速度(せん断速度)が速くなれば，グリースLub-Fは基油の挙動，すなはちギヤ油と同じ挙動を示

15

y = 0.0036x

10514Grease

02000

4000

6000

128000Friction torque ratio γ

0Normal load, N

Fig.8 Normal load and friction force on thesliding surface under Lub-F

35
1.01m/s
0.682m/s
0.417m/s
0.313m/s
0.208m/s

Friction force, N30252020℃30℃40℃50℃
60℃

1086420y = 0.0044x

0.208

0.417

0.682

1.01

Sliding velocity , V m/s

15Fig.10

y = 0.004x

Lub-F with no-load

Gear oil

54000

6000

8000

Normal load, N

Fig.9 Normal load and friction force on thesliding surface under Lub-A

４．考察

Apparent viscosity, Poise02000

Relationship between sliding velocity andfriction torque ratio under Lub-A and1000.313(1) 無負荷時の摩擦トルク比
Table 3に示す全実験条件について，Fig. 5および6などから，実験で得られたすべり面温度と摩擦トルクの関係

−10−

10000
1000

Lub-F

100

31℃
60℃100 ℃

1010.11101001000
Shear rate 1/sec

10000

Fig.11 Shear rate and apparent viscosity of Lub-F(新日本石油（株）殿ご提供)

60

Table 4 Abusolute viscosity, η(Poise)
Temperature,℃
31
60
100
Abusolute viscosity, Poise
2.0 0.46 0.12
すようになったために，Fig.10からわかるように，すべり速度が速くなると，トルク比γは一定値の1.1になったと考えられる．
一方，すべり速度が遅く，すべり面温度が高くなるとTemperature rise, K50

トルク比γが大きくなった理由は次のように考えられる．

403020y = 4.09 x + 10.2

100

すべり速度(せん断)が遅い場合には，Fig.11からわかるよ02

うに見かけ粘度が大きくなる．その結果，すべり面へのグリース供給が悪くなり摩擦係数が増加する，などギヤ

46PV, MPa・ m/s

810Fig.12 Relationship between PV and temperaturerise under Lub-F

油の潤滑挙動と異なったためと考えられる．
(２) すべり面温度上昇値
すべり面温度上昇曲線がほぼ飽和した状態での出口温35度から，周囲温度を引いた値を，その運転条件でのすべすべり軸受での発熱による温度上昇値は，接触圧力Ｐとすべり速度Ｖの積に比例すると考えられる．Figure 12
はグリースLub-FでのPV値(MPa·m/s)とすべり面温度上昇値(K)の関係である．ここでは，Fig.7に示す最大および最小温度上昇値は除いている．
Figure 12から，温度上昇値=4.09×PV値＋10.2

30Temperature rise, Kり面温度上昇値とした．

25201510y = 2.22x + 10.1

5(3)0の実験式が得られる．

0

同様にFig.13はギヤ油潤滑でのPV値(MPa·m/s)と温度46810PV, MPa・ m/s上昇値(K)の関係である．ここでも，本実験条件範囲内でFig.13得られた最大および最小温度上昇値は除いている．
Figure 13から，温度上昇値=2.22×PV値＋10.1

2Relationship between PV and temperaturerise under Lub-A(4)の実験式が得られる．

4µm 程度小さくなったことが分かる．

式(3)および(4)を利用すれば，すべり面での潤滑剤温度

次に，すべり面潤滑状態をグリースLub-Fの基油粘度上昇値を求めることができる．その結果，使用予定の潤を用いて膜厚比Λから検討する．Λは，式(5)に示される油滑剤の適否も判断できる．

膜厚さhと合成表面粗さσの比であらわされる．

例えば，グリース潤滑，接触圧力P=9.49MPa，すべりΛ = h / σ = h / σ 12 + σ 22

速度V=1.01m/sでのすべり面温度上昇値は，式(3)から(5)49.4(K)と簡単に計算することができる．この程度の温度であれば，Table １に示すようにLub-Fの使用温度範囲

ここで，σ1およびσ2は各すべり面の二乗平均平方根粗さは-20〜120℃であることから，周囲温度を40℃としても， Rqである．
十分使用可能範囲であることもわかる．
すべり面温度を60℃，接触圧力をP=9.49MPaとすると，最小油膜厚さ 5) はhmin=1.16µm (すべり速度V=0.208m/s)(３) すべり面潤滑状態

から3.49µm(V=1.01m/s)となる．ここで，寺内6)の研究論

まず，すべり面の表面粗さについて検討する．Figure14 は 実 験 完 了 後 の す べ り 軸 受 内 周 表 面 粗 さ で あ る．
Figure 14(A)に示すジャー ナル反負荷側 は，おおよそ12.5µm Rz である．この面は実験中ジャーナルとは接触していないと思われる．Figure 14(B)に示すジャーナル
負荷側内周表面粗さはおおよそ 8µm Rz である．2(1)項で文による最大高さ粗さRzと二乗平均平方根粗さRqの関係
か ら ， Rz/Rq=5.0 と 仮 定 す る ． す べ り 軸 受 表 面 粗 さ を10µmとすると，膜厚比はΛ=0.58〜1.75となる．同様にし て ， 最 小 接 触 圧 力 で あ る P=0.549MPa 時 に は
Λ=0.84(V=0.208m/s) 〜2.53(V=1.01m/s) と なる．したがって，軸受すべり面は，本実験条件範囲内では境界潤滑述べたように，運転前表面粗さは 10〜12µm Rz であった． から流体潤滑に近い境界状態で潤滑されていた7)ことにな
したがって，本実験を通して，すべり面表面粗さは 2〜る．

−11−(3)グリース潤滑時すべり面温度上昇値を求める実験式，

Friction coefficient

0.016(A)Under part (Opposite side to load)

0.208m/s
0.417m/s
1.01m/s

0.012

0.313m/s
0.682m/s

0.008
0.004
Grease0.0000(B)Upper part (Load side)

ηV

5P

1015

Fig.15 Bearing Characteristics under Lub-F

Fig.14 Plain bearing surface roughness
after experiments

Friction coefficient

0.020(４) 軸受特性
Figure 15および16は，それぞれグリースLub-Fおよび
ギ ヤ 油 Lub-A に つ い て 軸 受 特 性 を 評 価 す る た め に ，ηV / P とすべり面摩擦係数μの関係を求めたものである．
ここで，Lub-Fでのηは基油の絶対粘度とし，μはFig8および9での元データから正確に求めた．Figure15および

0.208m/s
0.417m/s
1.01m/s

0.016

0.313m/s
0.682m/s

0.012
0.008
0.004

Gear oil

0.00016から， ηV / P が増加すると摩擦係数も大きくなる傾05向にあることがわかる．したがって， (3)項のすべり面潤ηV101520P

滑状態での考察結果と同様に，本実験条件範囲では，境Fig.16 Bearing Characteristics under Lub-A

界潤滑から流体潤滑に近い境界潤滑7)で潤滑されたことになる．
Figure 15から，グリース潤滑でもV=1.01m/sの場合を除けば，油浴潤滑(Fig.16)と同様に，すべり速度が速くな

θ(K)=4.09×PV+10.2，が得られた．

ると，摩擦係数が大きくなることがわかる．
謝辞：本研究をすすめるにあたり，三菱電機(株)および５．結論

新日本石油(株)の協力を得た．ここに記してお礼申し上げます．

安価で性能が良く，グリース潤滑下で使用できるすべり軸受実用化への実験をした．すべり軸受材料はFC200， 参考文献
ジャーナルはS45C，軸受最大接触圧力はP=9.49MPa，
1) 機械工学便覧，機械要素設計

トライボロジ，日本械

すべり速度はV=0.208から1.01m/sであった．使用した潤学会(1985) B1-131．

滑剤はNLGI 0号リチウム石けんグリース，およびグリー

2) 福永：グリース潤滑FC200製すべり軸受性能，大分工ス潤滑の特徴を明らかにするために，一般的なギヤ油業高等専門学校紀要，41, (2005)1.

ISO VG 150も使用した．以下，本研究で明らかになった

3) 曽田：軸受，岩波善書(1978) 10.

ことをまとめると次のようになる．

4) 田浦：ペトロフの式，トライボロジスト，49,7 (2004)(1)グリースおよびギヤ油潤滑での無負荷時摩擦トルク
は，ペトロフの式による理論値よりも大きかった．すべ585．
5) M.B.Peterson & W.O.Winer:Wear Control
Handbook, ASME(1980) 92．

り速度が速くなると，グリース潤滑での無負荷時摩擦トルクはギヤ油潤滑時の約1.1倍になることがわかった．

6) 寺内：歯車の強さと表面粗さ，潤滑，27,2(1982)93.

(2)グリース潤滑時摩擦係数は，μ=0.0036から0.0052であることがわかった．

7) 文献1)，B1-67．

−12−(2005.9.30受付)