JP6313052B2

JP6313052B2 - 滑り軸受

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Publication number: JP6313052B2
Application number: JP2014009014A
Authority: JP
Inventors: 孝芝宮
Original assignee: Oiles Corp
Current assignee: Oiles Corp
Priority date: 2014-01-21
Filing date: 2014-01-21
Publication date: 2018-04-18
Anticipated expiration: 2034-01-21
Also published as: EP3098464A4; CN105899823A; EP3098464A1; JP2015137693A; WO2015111552A1; US20160327090A1

Description

本発明は、滑り軸受に関し、特に、大気中および水中の両環境下における使用に適した滑り軸受に関する。

特許文献１には、大気中および水中の両環境下において良好な摺動特性を有する摺動部材が開示されている。この摺動部材は、グラファイト（黒鉛）、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）、ＢＮ（ボロンナイトライド）等の摺動性向上のための潤滑剤が添加されたフェノール樹脂を含浸した織布を積層することで構成され、例えば、雨水、河川水、海水等の排水ポンプ用の滑り軸受に用いられる。雨水、河川水、海水等の排水ポンプは、インペラに連結されたシャフトをモータで回転させることにより雨水、河川水、海水等を汲み上げて排水する。排水ポンプ用の滑り軸受は、このシャフトを摺動可能に保持するために用いられる。雨水、河川水、海水等の排水ポンプにおいて、シャフトは、汲み上げられた雨水、河川水、海水等を排水するための排水路（ケーシング）内に配置される。このため、排水ポンプ用の滑り軸受は、排水ポンプが運転を開始してから水が汲み上げられるまでの間、大気中の環境下においてシャフトを摺動可能に保持し、水が汲み上げられてからは、水中の環境下においてシャフトを摺動可能に保持する摺動特性を有している。

特開２００４−９１６０６号公報

ところで、雨水、河川水、海水等の排水ポンプにおいて、インペラが浸水している場合、排水ポンプの運転を開始してから水が汲み上げられるまでにかかる時間は、長くても数分程度のごく短い時間である。しかし、インペラが浸水していない状態でも、豪雨、台風、河川の氾濫等に備えて運転する場合があり、このような場合には、排水ポンプ用の滑り軸受が長時間（例えば１時間）に亘り、大気中の環境下においてシャフトを摺動可能に保持することとなる。その結果、排水ポンプ用の滑り軸受の内周面（軸受面）と、この内周面と接触するシャフトの外周面との摩擦熱により、排水ポンプの性能に悪影響を及ぼす可能性がある。

すなわち、フェノール樹脂等の樹脂を用いた摺動部材を排水ポンプ用の滑り軸受として用いる場合、摩擦熱による温度上昇によりフェノール樹脂等の樹脂が熱膨張して、排水ポンプ用の滑り軸受に寸法変化が生じる。ここで、排水ポンプ用の滑り軸受は外周面がリテーナを介して軸受ケースに固定されるため、寸法変化が排水ポンプ用の滑り軸受の内周面側に集中して、排水ポンプ用の滑り軸受の内径が小さくなる方向に寸法変化する。その結果、排水ポンプ用の滑り軸受の内周面とシャフトの外周面との接触圧力が大きくなって両者間の摩擦力が増大し、これによりシャフトの回転が弱まり、排水ポンプの性能が悪化する。そして、摩擦力の増大により摩擦熱がさらに発生して、排水ポンプの性能がさらに悪化するという悪循環に陥ってしまう。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、樹脂を含む部材で形成された滑り軸受において、樹脂の熱膨張による影響を低減することにある。

上記課題を解決するために、本発明は、
樹脂で形成された滑り軸受であって、
支持対象を支持する軸受面あるいは当該軸受面の反対側の面である裏面に、前記樹脂の熱膨張による当該軸受面に沿った方向への寸法変化を許容して、前記樹脂の熱膨張による径方向の寸法変化を抑制することにより、前記樹脂の熱膨張による影響を低減するための構造である熱影響低減構造が形成されており、
前記熱影響低減構造は、前記軸受面と前記裏面とを貫く穴であり、
前記穴は、前記滑り軸受の端部側より中央部側の方がより多く配置されている。

熱影響低減構造は、軸受面あるいは裏面に設けられた穴あるいは溝でもよい。ここで、熱影響低減構造が穴の場合、軸受面と裏面と貫いていることが好ましい。また、熱影響低減構造が溝の場合、軸受面から端面（軸受面の縁に繋がる面）まで続いていることが好ましい。

本発明によれば、軸受面あるいは裏面に設けられた熱影響低減構造によって、樹脂の熱膨張による滑り軸受の寸法変化を分散させて、滑り軸受の寸法変化が軸受面と支持対象との接触圧力を高くする方向への寸法変化に集中するのを防止できる。例えば、熱影響低減構造として穴を設けた場合、樹脂の熱膨張によって貫通穴の穴径が小さくなる方向に寸法変化することにより、滑り軸受の寸法変化が軸受面と支持対象との接触圧力を高くする方向への寸法変化に集中するのを防止できる。ここで、熱影響低減構造として設けた穴が軸受面と裏面とを貫いている場合、さらに、この穴を介して裏面から軸受面と支持対象との摺動による摩擦熱を排熱することができる。また、熱影響低減構造として溝を設けた場合、樹脂の熱膨張によって溝の溝幅が小さくなる方向に寸法変化することにより、滑り軸受の寸法変化が軸受面と支持対象との接触圧力を高くする方向への寸法変化に集中するのを防止できる。ここで、熱影響低減構造として設けた溝が軸受面から端面まで続いている場合、さらに、この溝を介して端面から軸受面と支持対象との摺動による摩擦熱を排熱することができる。したがって、樹脂の熱膨張による影響を低減することができる。

図１（Ａ）は、本発明の一実施の形態に係る滑り軸受１の正面図であり、図１（Ｂ）は、図１（Ａ）に示す滑り軸受１のＡ−Ａ断面図である。図２は、ジャーナル試験を説明するための図である。図３は、表２に示す試験体２Ａ〜２Ｃに対して、表１に示す条件にて行ったジャーナル試験における試験体２Ａ〜２Ｃの温度の測定結果を示す図である。図４は、表２に示す試験体２Ａ〜２Ｃに対して、表１に示す条件にて行ったジャーナル試験における試験体２Ａ〜２Ｃの摩擦係数の試験結果を示す図である。図５（Ａ）は、本発明の一実施の形態に係る滑り軸受１の変形例１Ａの上面図であり、図５（Ｂ）は、図５（Ａ）に示す変形例１ＡのＢ−Ｂ断面図である。

以下に、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。

図１（Ａ）は、本発明の一実施の形態に係る滑り軸受１の正面図であり、図１（Ｂ）は、図１（Ａ）に示す滑り軸受１のＡ−Ａ断面図である。

図示するように、本実施の形態に係る滑り軸受１は、回転体の外周面を摺動可能に保持する軸受面１０が内周面１１に形成された円筒状の滑り軸受であり、ベース樹脂が含浸された基材をロールド成形することにより作製された円筒状の複層摺動部材である。ここで、ベース樹脂には、フェノール樹脂等の熱可硬化樹脂が用いられ、要求される摺動性能に応じて、グラファイト、ＰＴＦＥ、ＢＮ等の摺動性向上のための潤滑剤が添加される。また、基材には、ベース樹脂との親和性の高い繊維（例えばベース樹脂がフェノール樹脂ならば炭素繊維、ＰＥＴ繊維等）の織布あるいは不織布が用いられる。

滑り軸受１の軸受面１０には、滑り軸受１に要求される荷重に耐えられる強度を維持できる範囲内において、内周面１１および外周面１２間を貫く複数の貫通穴１３が適切な間隔で形成されている。これらの貫通穴１３には、要求される摺動性能および使用条件（大気中での連続使用時間等）に応じて、空気よりも熱伝導率が高く、かつベース樹脂より熱膨張係数および摩擦係数の低い固体潤滑剤１４が埋め込まれる。このような固体潤滑剤１４として、黒鉛単体からなるもの、あるいは黒鉛を含んだ樹脂製のもの等が用いられる。なお、固体潤滑剤１４は、全ての貫通穴１３に埋め込む必要はない。要求される摺動性能および使用条件に応じて、必要な数だけ固体潤滑剤１４を貫通穴１３に埋め込めばよい。

上記構成の滑り軸受１は、大気中および水中の両環境下における使用に適しており、特に、大気中の環境下において長時間に亘り使用される雨水、河川水、海水等の排水ポンプ用の滑り軸受として好適である。

本発明者は、固体潤滑材１４の有無の違いにより本実施の形態に係る滑り軸受１の二つの試験体２Ａ、２Ｂを作製するとともに、試験体２Ａ、２Ｃと同じ素材を用いた従来品（貫通穴１３が形成されていない円筒状の複層摺動部材）の試験体２Ｃを比較対象として作製した。そして、これらの試験体２Ａ〜２Ｃに対して、以下の表１に示す条件においてジャーナル試験を行い、そのときの軸受温度および摩擦係数およびを測定した。

ジャーナル試験では、図２に示すように、相手材３を試験体２Ａ〜２Ｃに挿入した状態で、表１に示す面圧で試験体２Ａ〜２Ｃの内周面（軸受面）２０が相手材３の外周面３０を押圧するように、軸心Ｏに対して垂直な方向の荷重Ｗを試験体２Ａ〜２Ｃに加えながら、表１に示す速度および回転数で相手材３を軸心Ｏ回りの回転方向Ｒに回転させ、そのときの試験体２Ａ〜２Ｃの温度および摩擦係数を測定している。

作製した試験体２Ａ〜２Ｃは、以下の表２に示すとおりである。ここで、フェノール樹脂に添加する潤滑剤には、黒鉛粉末を用いた。また、試験体２Ｂの貫通穴１３に埋め込む固体潤滑材１４には、円柱形状の黒鉛を用いた。

図３は、表２に示す試験体２Ａ〜２Ｃに対して、表１に示す条件にて行ったジャーナル試験における試験体２Ａ〜２Ｃの温度の測定結果を示す図である。ここで、横軸は試験時間であり、縦軸は温度である。また、グラフ２１Ａ〜２１Ｃは、試験体２Ａ〜２Ｃの温度の測定結果を示している。

図４は、表２に示す試験体２Ａ〜２Ｃに対して、表１に示す条件にて行ったジャーナル試験における試験体２Ａ〜２Ｃの摩擦係数の試験結果を示す図である。ここで、横軸は試験時間であり、縦軸は摩擦係数である。また、グラフ２２Ａ〜２２Ｃは、試験体２Ａ〜２Ｃの摩擦係数の試験結果を示している。

従来品の試験体２Ｃ（貫通穴１３なし）は、図３のグラフ２１Ｃおよび図４のグラフ２２Ｃに示すように、試験開始とともに温度が上昇し、１０分経過後には約１００度に達した。そして、約１００度を超えたあたりから摩擦係数が急激に増大して、相手材３が回転不可能となり、試験を続行できなくなった。これは、試験体２Ｃの温度上昇に伴い、試験体２Ｃのベース樹脂として用いているフェノール樹脂等の樹脂が熱膨張し、その結果、試験体２Ｃの内径Ｒ１が小さくなる方向に寸法変化して、試験体２Ｃの軸受面１０と相手材３との接触圧力が高まり、試験体２Ｃが相手材３を強く締め付けたためと考えられる。

これに対して、本実施の形態に係る滑り軸受１の試験体２Ａ（貫通穴１３あり、固体潤滑剤１４なし）は、図３のグラフ２１Ａおよび図４のグラフ２２Ａに示すように、従来品の試験体２Ｃと同様、試験開始とともに温度が上昇する。しかし、１０分経過時点で約８０度程度であり、従来品の試験体２Ｃに比べて低かった。また、１００度を超えた約１５分経過後においても、摩擦係数は０．１２程度で安定した。これは、相手材３との摺動により試験体２Ａの軸受面１０に発生した摩擦熱が貫通穴１３を介して排熱され、これにより温度上昇が抑制されたとともに、試験体２Ａのベース樹脂として用いているフェノール樹脂等の樹脂の熱膨張によって貫通穴１３の穴径Ｒ２が小さくなる方向に寸法変化することにより、試験体２Ａの温度上昇による寸法変化が分散して、試験体２Ａの内径Ｒ１が小さくなる方向の寸法変化が小さくなり、試験体２Ａの軸受面１０と相手材３との接触圧力の高まりを抑制できたためと考えられる。

また、本実施の形態に係る滑り軸受１の試験体２Ｂ（貫通穴１３あり、固体潤滑剤１４あり）は、図３のグラフ２１Ｂおよび図４のグラフ２２Ｂに示すように、１０分経過時点で約７０度程度であり、滑り軸受１の試験体２Ａ（貫通穴１３あり、固体潤滑剤１４なし）に比べて、さらに温度上昇を抑えることができた。また、１００度を超えた約３０分経過後においても、より低い摩擦係数０．１０程度で安定させることができた。これは、固体潤滑剤１４が空気よりも熱伝導率が高いため、相手材３との摺動により試験体２Ｂの軸受面１０に発生した摩擦熱をより効率よく排熱することができたためと考えられる。また、固体潤滑剤１４の熱膨張係数が試験体２Ｂのベース樹脂として用いているフェノール樹脂等の樹脂の熱膨張係数より低いため、貫通穴１３の穴径Ｒ２が、固体潤滑剤１４の存在によって阻害されることなく、フェノール樹脂等の樹脂の熱膨張により小さくなる方向に寸法変化し、その結果、試験体２Ｂの温度上昇による寸法変化が分散して、試験体２Ｂの内径Ｒ１が小さくなる方向の寸法変化が小さくなり、試験体２Ｂの軸受面１０と相手材３との接触圧力の高まりを抑制できたためと考えられる。さらに、固体潤滑剤１４によって試験体２Ｂの軸受面１０の摺動性能が向上したためと考えられる。

以上、本発明の一実施の形態について説明した。

本実施の形態によれば、滑り軸受１のベース樹脂の熱膨張によって貫通穴１３の穴径Ｒ２が小さくなる方向に寸法変化することにより、滑り軸受１の寸法変化が軸受面１０と支持対象との接触圧力を高くする方向への寸法変化に集中するのを防止でき、かつ軸受面１０と支持対象との摺動による摩擦熱を、貫通穴１３を介して外周面１２から排熱することができる。したがって、ベース樹脂の熱膨張による影響を低減することができる。

また、本実施の形態において、滑り軸受１の貫通穴１３に、空気よりも熱伝導率が高く、かつベース樹脂より熱膨張係数および摩擦係数の低い固体潤滑剤１４を埋め込んだ場合、滑り軸受１の軸受面１０に発生した摩擦熱をより効率よく排熱することができ、また、貫通穴１３の穴径Ｒ２が、固体潤滑剤１４の存在によって阻害されることなく、滑り軸受１のベース樹脂の熱膨張によって小さくなる方向に寸法変化することにより、滑り軸受１の寸法変化が軸受面１０と支持対象との接触圧力を高くする方向への寸法変化に集中するのを防止でき、さらに、固体潤滑剤１４によって滑り軸受１の軸受面１０の摺動性能を向上させることができる。したがって、ベース樹脂の熱膨張による影響をさらに低減することができる。

なお、本発明は、上記の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨の範囲内において様々な変形が可能である。

例えば、上記の実施の形態では、内周面１１および外周面１２間を貫く複数の貫通穴１３を、滑り軸受１の軸心方向において略均一となるように配置しているが、本発明はこれに限定されない。滑り軸受１の軸心方向において、端部側より中央部側の方がより多くの貫通穴１３が配置されるようにしてもよい。このようにすることにより、滑り軸受１の軸心方向において、端部側よりも熱を排熱し難いと考えられる中央部側の軸受面１０にて発生した摩擦熱をより効率よく排熱することが可能となる。また、貫通穴１３の形状は、円に限らず、楕円、四角等のその他の形状であってもよい。

また、上記の実施の形態では、滑り軸受１の軸受面１０に、内周面１１および外周面１２間を貫く複数の貫通穴１３を設けているが、本発明はこれに限定されない。本発明の滑り軸受１は、ベース樹脂の熱膨張による軸受面１０に沿った方向への寸法変化を許容するための構造である熱影響低減構造が、内周面１１あるいは外周面１２に設けられたものであればよい。例えば、滑り軸受１の内周面１１および外周面１２の少なくとも一方に穴あるいは溝が設けられたものでもよい。つまり、穴と溝とを混在させてもよい。また、すべての穴、溝に固体潤滑剤を埋め込む必要はなく、要求される摺動性能および使用条件に応じて、必要な数だけ固体潤滑剤を所望の穴、溝に埋め込めばよい。

図５（Ａ）は、上記の実施の形態に係る滑り軸受１の変形例１Ａの上面図であり、図５（Ｂ）は、図５（Ａ）に示す変形例１ＡのＢ−Ｂ断面図である。ここで、図１（Ａ）、（Ｂ）に示す滑り軸受１と同じ機能を有するものには同じ符号を付している。

図示するように、滑り軸受１Ａの軸受面１０には、滑り軸受１Ａに要求される荷重に耐えられる強度を保持できる範囲内において、一方の端末１５から他方の端面１６に繋がる複数の溝１７が軸心Ｏ方向に沿って形成されている。これらの溝１７には、要求される摺動性能および使用条件（大気中での連続使用時間等）に応じて、空気よりも熱伝導率が高く、かつベース樹脂より熱膨張係数および摩擦係数の低い固体潤滑剤１８が埋め込まれる。このような固体潤滑剤１４として、黒鉛単体からなるもの、あるいは黒鉛を含んだ樹脂製のもの等が用いられる。なお、固体潤滑剤１８は、全ての溝１７に埋め込む必要はない。要求される摺動性能および使用条件に応じて、必要な数だけ固体潤滑剤１８を溝１７に埋め込めばよい。

上記構成の滑り軸受１Ａにおいても、ベース樹脂の熱膨張によって溝１７の溝幅Ｌが小さくなる方向に寸法変化することにより、滑り軸受１Ａの寸法変化が軸受面１０と支持対象との接触圧力を高くする方向への寸法変化に集中するのを防止でき、かつ軸受面１０と支持対象との摺動による摩擦熱を、溝１７を介して両端面１５、１６から排熱することができる。したがって、ベース樹脂の熱膨張による影響を低減することができる。また、この滑り軸受１Ａの軸受面１０に形成された溝１７に、空気よりも熱伝導率が高く、かつベース樹脂より熱膨張係数および摩擦係数の低い固体潤滑剤１８を埋め込んだ場合、軸受面１０に発生した熱をより効率よく排熱することができ、また、溝１７の溝幅Ｌが、固体潤滑剤１８の存在によって阻害されることなく、ベース樹脂の熱膨張によって小さくなる方向に寸法変化することにより、滑り軸受１Ａの寸法変化が軸受面１０と支持対象との接触圧力を高くする方向への寸法変化に集中するのを防止でき、さらに、固体潤滑剤１８によって滑り軸受１Ａの軸受面１０の摺動性能を向上させることができる。したがって、ベース樹脂の熱膨張による影響をさらに低減することができる。

また、上記の実施の形態では、滑り軸受１のベース樹脂としてフェノール樹脂等の熱硬化性樹脂を用いているが、本発明は、熱膨張するベース樹脂を用いた滑り軸受に広く適用できる。また、上記の実施の形態では、滑り軸受１の基材として炭素繊維の織布を用いているが、本発明は、基材としてベース樹脂との親和性の高い繊維の織布あるいは不織布を用いた滑り軸受に広く適用できる。

また、上記の実施の形態では、円筒状の滑り軸受、すなわち、ベース樹脂が含浸された基材をロールド成形することにより作製された円筒状の複層摺動部材を例にとり説明したが、本発明は、これに限定されない。本発明は、平板状の滑り軸受、すなわち、ベース樹脂が含浸された基材を複数枚重ね合わさせて圧縮成形することにより作製された平板状の複層摺動部材にも、同様に適用できる。また、滑り軸受を構成する部材は、ベース樹脂が含浸された基材を複数積層したものに限定されず、樹脂を含む部材であればよい。

また、上記の実施の形態では、固体潤滑剤として、空気よりも熱伝導率が高く、かつベース樹脂より熱膨張係数および摩擦係数の低いもの（具体的には、黒鉛単体からなるもの、あるいは黒鉛を含んだ樹脂製のもの）を用いているが、本発明はこれに限定されない。固体潤滑剤は、空気よりも熱伝導率が高く、かつベース樹脂よりも熱膨張係数および摩擦係数の少なくとも一方が低いものであればよい。

１、１Ａ：滑り軸受、１０：軸受面、１１：内周面、１２：外周面、１３：貫通穴、１４、１８：固体潤滑剤、１５、１６：端面、１７：溝

Claims

樹脂で形成された滑り軸受であって、
支持対象を支持する軸受面あるいは当該軸受面の反対側の面である裏面に、前記樹脂の熱膨張による当該軸受面に沿った方向への寸法変化を許容して、前記樹脂の熱膨張による径方向の寸法変化を抑制することにより、前記樹脂の熱膨張による影響を低減するための構造である熱影響低減構造が形成されており、
前記熱影響低減構造は、前記軸受面と前記裏面とを貫く穴であり、
前記穴は、前記滑り軸受の端部側より中央部側の方がより多く配置されている
ことを特徴とする滑り軸受。
請求項１に記載の滑り軸受であって、
前記樹脂は熱硬化性樹脂である
ことを特徴とする滑り軸受。
請求項２に記載の滑り軸受であって、
前記熱硬化性樹脂は、フェノール樹脂である
ことを特徴とする滑り軸受。
請求項１ないし３のいずれか一項に記載の滑り軸受であって、
織布あるいは不織布に含浸された前記樹脂が積層されて形成されている
ことを特徴とする滑り軸受。