JPH07310748A - 電食防止転がり軸受 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】絶縁被膜の材料を選定することにより、優れた
電食防止効果を発揮するとともに長時間の高温運転に耐
えうる放熱性を備え、且つ耐クリープ性及び成形性にも
優れた絶縁被膜を有する電食防止転がり軸受を提供す
る。 【構成】電食防止転がり軸受１Ａの外輪１１，内輪１２
の少なくとも一方に形成する絶縁被膜２を、ガラス繊維
等の繊維材〔Ａ〕と、熱伝導率が１０Ｗ／ｍ・Ｋ以上で
且つ比抵抗が１０¹⁰Ω・ｃｍ以上の充填材〔Ｂ〕とを合
計で３０〜５０重量％含有する樹脂組成物により形成し
た。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、鉄道車両用電動機等に
使用される電食防止転がり軸受に係り、特に、車両の高
速化による軸受の発熱量の増大でグリースの劣化が促進
されて軸受寿命が低下する現象を防止するのに有効な電
食防止転がり軸受に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、鉄道車両用電動機等に使用される
電食防止転がり軸受においては、ハウジングや軸からの
洩れ電流が軸受の転動体と軌道輪との間に流れて電食が
生じる現象を防止するために、外輪や内輪が嵌合するハ
ウジングや軸の少なくとも一つの面に電気絶縁性の被膜
（絶縁被膜）を設けて、外部からの電流を遮断すること
が行われている。

【０００３】従来の電食防止転がり軸受の絶縁被膜とし
て、例えば特開平３−２７７８１８号公報に、ガラス繊
維を含有したポリフェニレンサルファイド樹脂（以下Ｐ
ＰＳ樹脂という）により形成したものが開示されてい
る。また、特開平５−２４０２５５号公報には、上記絶
縁被膜をガラス繊維と炭酸カルシウムのような非繊維質
の絶縁性無機充填材とを含有したＰＰＳ樹脂により形成
したものが開示されている。

【０００４】前者は、ＰＰＳ樹脂をガラス繊維で強化す
ることにより、耐クリープ強度に優れた絶縁被膜を形成
して安定した電食防止性能を得ようとしたものである。
後者は、ガラス繊維のみでなく非繊維質の無機充填材を
も併用してＰＰＳ樹脂を強化することにより、射出成形
性を低下させずに耐クリープ強度をあげて安定した電食
防止性能と共に良好な成形性を得ようとしたものであ
る。

【０００５】因みに、電食防止転がり軸受における絶縁
被膜に高い耐クリープ強度が要求されるのは、当該絶縁
被膜が回転軸とハウジングの間に締め代をもって組み込
まれる軸受内外輪の少なくとも一方に形成されるので、
耐クリープ強度が低いと時間経過に伴い絶縁被膜の肉厚
減少を生じてしまい、軸受の締め代を一定に保てなくな
くなるためである。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、近時、
鉄道車両の高速化の要求がますます高まり、それに伴っ
て軸回転時の軸受の発熱量が増大する傾向が顕著になっ
ている。しかるに、上記従来の電食防止転がり軸受にあ
っては、絶縁被膜に用いた材料はいずれも熱伝導率が小
さく断熱作用が大きい。例えば樹脂の熱伝導率は約0.4
〜1 Ｗ／ｍ・Ｋ程度であり、添加したガラス繊維も２〜
６Ｗ／ｍ・Ｋ程度に過ぎない。そのため、この絶縁被膜
を軸受被覆材として使用した場合は軸受の回転により発
生する熱が逃げにくくて軸受の温度が上昇する。する
と、その軸受温度の上昇により軸受内のグリースの劣化
等が促進される結果、軸受寿命の低下などの不具合をき
たすという問題点がある。

【０００７】そこで本発明は、このような従来の問題点
に着目してなされたものであり、高熱伝導性の充填材を
添加することにより絶縁被膜の熱伝導率を向上させて、
鉄道車両用電動機の軸受などに使用した場合も高速回転
時の軸受発熱をハウジング，シャフト等を介して系外に
速やかに放出できる放熱性を有し、従来の軸受内の蓄熱
によるグリースの劣化ひいては潤滑不良による軸受寿命
の低下を防止できる高速回転に適応可能な電食防止転が
り軸受を提供することを目的としている。

【０００８】また、本発明の他の目的は、上記放熱性に
優れるとともに、電気絶縁性に優れハウジング，シャフ
トからの漏洩電流による転動体と外内輪軌道との放電，
通電による電食を効果的に防止でき、且つ耐クリープ性
にも優れハウジングや軸との間の嵌合力や嵌合すきまが
長時間の運転で変化して共回りを生じることを防止で
き、更には成形性にも優れた電食防止転がり軸受を提供
することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成する本
発明は、外内輪の少なくとも一方に絶縁被膜を有する電
食防止転がり軸受において、前記絶縁被膜はマトリック
ス樹脂の強化に貢献する繊維材〔Ａ〕と、熱伝導率が１
０Ｗ／ｍ・Ｋ以上で且つ比抵抗が１０¹⁰Ω・ｃｍ以上の
充填材〔Ｂ〕とを含み、両者の合計〔Ａ＋Ｂ〕が３０〜
５０重量％であることを特徴とするものである。

【００１０】ここで、上記の充填材〔Ｂ〕の含有量は１
０〜４０重量％とすることができる。

【００１１】

【作用】一般に、樹脂や、ガラス繊維のような繊維材は
熱伝導率が小さいため、この両者のみを混合した樹脂組
成物から形成される絶縁被膜の熱伝導率も小さい。そこ
で繊維材の他に更に、熱伝導率が１０Ｗ／ｍ・Ｋ以上で
且つ比抵抗が１０¹⁰Ω・ｃｍ以上の高熱伝導性，高電気
絶縁性の充填材を添加した樹脂組成物を用いることによ
り、形成される絶縁被膜の熱伝導率を上げ放熱特性を向
上させる。かくして耐クリープ強度と共に耐熱性，絶縁
性，放熱性にも優れたものになる。

【００１２】以下、更に本発明を詳細に説明すると、本
発明の絶縁被膜の形成に使用する樹脂材料としては、Ｐ
ＰＳ樹脂や芳香族ナイロン（芳香族ポリアミド樹脂）や
脂肪族ポリアミド樹脂の４．６ナイロンなどを好適に用
いることができる。ＰＰＳ樹脂は吸水性が低く、また成
形性が良好であることから、吸水特性に優れた絶縁被膜
を射出成形により低コストで形成することができる。ま
た、芳香族ナイロンは高融点，高強度を有し、軸受の高
速回転時には絶縁被膜温度が１２０℃にも達する高温で
絶縁性能を維持できて好ましい。一方、４．６ナイロン
等の脂肪族ポリアミド樹脂も良好な電気絶縁性を有し、
絶縁被膜に適する。

【００１３】但し、上記樹脂は単味で電食防止転がり軸
受用の絶縁被膜に要求される複数の機能を同時に満たす
ことはできず、次に述べる添加材料と併用する。その樹
脂材料の強化に用いる本発明の繊維材〔Ａ〕は、主とし
てマトリックス樹脂の耐クリープ性を向上させるために
用いられ、特にグラスファイバ（ＧＦ）繊維が有効であ
るが、その他の無機繊維例えばセラミック繊維，岩石繊
維，スラッグ繊維などを用いることもできる。これらの
主として耐クリープ性向上のための繊維材〔Ａ〕の添加
量は、樹脂量の１０〜６０重量％であり、好ましくは３
０〜５０重量％である。５０重量％を越えると成形性が
悪くなり、１０重量％未満では耐クリープ性が悪くな
る。

【００１４】本発明の充填材〔Ｂ〕は、絶縁被膜の電気
絶縁性の向上と伝熱性の向上とを同時に満たすために用
いられ、その熱伝導率は高い程好ましいが、少なくとも
ガラス繊維よりも高い１０Ｗ／ｍ・Ｋ以上が必要であ
る。一方、電気絶縁性についても高いことが必要で、比
抵抗値で１０¹⁰Ω・ｃｍ以上、より好ましくは１０¹³Ω
・ｃｍ以上である。このような条件を満たし得る充填材
は、例えばＳｉＣ（炭化ケイ素），ＡｌＮ（窒化アルミ
ニウム），ＢｅＯ（ベリリア），ＢＮ（窒化ホウ素），
Ａｌ（アルミニウム）などの粉体，繊維またはホイスカ
等から選定される。表１にこれらの充填材物質の熱伝導
率と比抵抗を、Ｃｕ（銅），ＳｉＯ₂ （酸化ケイ素）と
比較して示す。

【００１５】

【表１】

【００１６】一般に無機材料は、比抵抗の大きいものは
熱伝導性が小さくて放熱性が劣り、反対に、熱伝導性の
大きいものは比抵抗が小さくて電気絶縁性が劣るものが
多いが、上記充填材〔Ｂ〕は、比抵抗と熱伝導性との両
条件を満たしている。充填材〔Ｂ〕の添加量は、樹脂量
の１０〜４０重量％であり、好ましくは２０〜４０重量
％の範囲で選定される。４０重量％を越えると耐クリー
プ性，成形性を満たすことが困難となり、一方、１０重
量％未満では伝熱性の向上が期待できず、そのため本願
発明の電気絶縁性，伝熱性，耐クリープ性の３拍子そろ
った向上という効果が期待できなくなる。

【００１７】上記繊維材〔Ａ〕と充填材〔Ｂ〕との合計
添加量〔Ａ〕＋〔Ｂ〕は、３０〜５０重量％が好まし
い。５０重量％を越えるとマトリックス樹脂が不足して
成形時の流動性低下をまねき、その結果、形成された絶
縁被膜の表面粗さが悪くなると共にウエルド強度が低下
する。一方、３０重量％未満では、繊維材〔Ａ〕，充填
材〔Ｂ〕が共に最低必要量に近づくか、又は両者の必要
量が確保できずに伝熱性，耐クリープ性の両立が困難に
なる。

【００１８】図１のグラフは、耐クリープ性を向上せし
める繊維材〔Ａ〕と伝熱性を向上せしめる充填材〔Ｂ〕
のそれぞれの添加割合と、得られた絶縁被膜の耐クリー
プ性，伝熱性，成形性（表面粗さとウエルド強度）との
関係を表したもので、繊維材〔Ａ〕と充填材〔Ｂ〕の添
加量が、図中の領域〔Ｉ〕ではそれぞれ１０〜２０重量
％、領域〔ＩＩ〕は２０〜３０重量％、領域〔ＩＩＩ〕
は３０〜４０重量％で、いずれも本発明の範囲にある。
これらの各領域の添加割合で形成した絶縁被膜を用いた
電食防止転がり軸受の温度降下量ΔＴ℃を測定して従来
品と比べたところ、領域〔Ｉ〕では ΔＴ≧１０℃、領
域〔ＩＩ〕はΔＴ≧１２〜１３℃、領域〔ＩＩＩ〕はΔ
Ｔ≧１５℃となった。これから、各領域は〔Ｉ〕≦〔Ｉ
Ｉ〕≦〔ＩＩＩ〕の順に温度下降効果が確実になること
が明らかである。

【００１９】領域〔ＩＶ〕は耐クリープ性又は伝熱性の
いずれかを満足するが成形性が不良となる範囲である。
領域

〔０〕は成形性は良好であるが耐クリープ性，伝熱
性がいずれも不十分となる範囲である。表２に、上記繊
維材〔Ａ〕であるガラス繊維と充填材〔Ｂ〕であるＡｌ
Ｎとの量的組み合わせと、これをＰＰＳ樹脂に添加して
得た絶縁被膜の耐クリープ性，伝熱性，成形性，電気絶
縁性の各特性との関係を上記領域毎に表示した。

【００２０】

【表２】

【００２１】この表から、前記各特性をほぼ満たす絶縁
被膜が得られる添加材料の合計添加量の範囲は最大でも
２０重量％以上６０重量％未満であり、好ましくは領域
〔Ｉ〕〜〔ＩＩＩ〕の範囲、すなわち繊維材〔Ａ〕＋充
填材〔Ｂ〕が３０〜５０重量％である。なお、このよう
な繊維材〔Ａ〕，充填材〔Ｂ〕を含有する樹脂組成物に
あっては、必要に応じて離型剤やカップリング剤等を添
加しても良い。

【００２２】

【実施例】以下、本発明を実施例により詳細に説明す
る。図２は、一実施例の転がり軸受１Ａの断面図で、外
輪１１の外面を被覆する絶縁被膜２の材料として、表３
の各実施例および比較例に示す樹脂組成物を用いたもの
を被試験体とし、それら各被試験体について以下の特性
評価を実施した。この場合、内輪１２は被覆なしとし
た。

【００２３】

【表３】

【００２４】なお、各被試験体の転がり軸受１Ａは、外
輪１１の外周及び左右両端面にそれぞれ溝１１ａ，１１
ｂを形成し、所定厚さの絶縁被膜２を射出成形により外
輪１１の外周（ハウジングが嵌合される面）から両端面
に連続して付着させることで製作した。すなわち、先
ず、予め各材料組成を、ブレンダやヘンシェルミキサ等
により混合して二軸押出機等の押出機に供給し、押出機
から材料ペレットを得た。次に、外輪１１の外側に、絶
縁被膜２の厚さ（ここでは約１．０ｍｍ）に対応させて
形成した金型を設置し、外輪１１と金型との間の空間に
前記ペレットを溶融した材料を射出し、所定の時間冷却
後、外輪１１と絶縁被膜２を有する成形品を得た。

【００２５】表３に示す樹脂において、芳香族ナイロン
樹脂（Ｎ）としては三井石油化学（株）製の「アーレ
ン」（商品名）を、ポリフェニレンサルファイド樹脂
（ＰＰＳ）としては呉羽化学工業（株）製の「フォート
ロンＫＰＳ」（商品名）を使用した。試験方法は次の通
り行った。

【００２６】前記のようにして製作した電食防止転がり
軸受１Ａ（内径７５ｍｍ，外径１６０ｍｍ，幅３７ｍ
ｍ）をハウジングに圧入し、軸受内に所定量（軸受空間
の約３０％）のグリースを封入し、所定のならし運転を
行った後、５０００ｒｐｍまで急加速を行い、約３０分
間保持した。この間、外輪１１の温度Ｔを記録した。表
４に、特性評価試験の結果を示している。

【００２７】

【表４】

【００２８】表４の各評価項目について説明する。 耐クリープ性の評価 耐クリープ性は、ハウジングに嵌合した外輪１１が、長
時間経過後もそのハウジング内でがたつかないようにす
るのに重要である。すなわち、電食防止転がり軸受は使
用時に比較的高温にさらされることが多く、その場合は
絶縁被膜２を構成する樹脂材料がハウジング内周面から
加えられる押圧力によりクリープして側方に逃げ、絶縁
被膜２の厚さ寸法が減少する傾向になる。この厚さ寸法
減少量が多くなると、ハウジングの内側で外輪１１がが
たつき、電食防止転がり軸受を組こんだ回転支持部で異
音や振動が発生する。また、ハウジングに対し外輪１１
が回転して絶縁被膜２の外周面が摩耗し一層がたつきが
大きくなる等の不具合が生じる。そこで、上記被試験体
を締め代３０μｍでハウジングに圧入したものを、１０
０℃の雰囲気下で１００時間放置し、放置前後の寸法変
化量を測定して耐クリープ性の評価を行った。その変化
量が８μｍ以下であれば合格（○）とし８μｍを越えた
場合は不合格（×）とした。

【００２９】電気絶縁性の評価 電気絶縁性は、転がり軸受の構成各部材の電食を防止す
るために重要である。そこで、上記被試験体の表面に付
着した水を拭き取った後、絶縁被膜２の外周面に金属製
の環体を装着し、この環体と外輪１１との間の電気抵抗
値を測定することで電気絶縁性の評価を行った。抵抗値
が２０００ＭΩ以上を合格（○）とし、２０００ＭΩ未
満の場合は不合格（×）とした。

【００３０】伝熱性の評価 伝熱性は、電食防止転がり軸受の回転により発生する熱
が逃げにくくて軸受の温度が上昇すると、軸受内のグリ
ースの劣化等が促進される結果、軸受寿命の低下などの
不具合を招くので、特に高速回転の場合には重要であ
る。ここでは、記録した外輪１１の温度Ｔに基づいて伝
熱性を下記のように評価した。

【００３１】すなわち、前記のようにして記録した外輪
１１の運転後の温度Ｔが、従来品である比較例１及び２
の転がり軸受の外輪温度と比較して１０℃以上低かった
場合を合格（○）とし、１０℃を越えた場合は不合格
（×）とした。 被膜成形性の評価 被膜成形性が良好であると、絶縁被膜を射出成形により
低コストで形成することができることから、生産性向
上，コスト低減等のために重要である。そこで、射出成
形した上記被試験体のウエルドやゲート部等におけるボ
イド，割れ等の有無、絶縁被膜２の表面状態を観察して
被膜成形性を評価した。それらのボイド，割れ等が無い
ものを合格（○）とし、被膜表面の粗悪なものを不合格
（×）とした。

【００３２】表４の結果より、実施例１〜１０は、耐ク
リープ性，絶縁性能，伝熱性，絶縁被膜成形性のいずれ
についても合格した。これに対して、ＰＰＳ樹脂にガラ
ス繊維のみを４０重量％充填した比較例１及び芳香族ナ
イロンにガラス繊維のみを同じく４０重量％充填した比
較例２等の伝熱性を向上させる充填材〔Ｂ〕が全く含ま
れていない従来品、並びに充填材〔Ｂ〕含有量が５重量
％と少ない比較例３では、伝熱性が悪く外輪温度の上昇
が顕著であった。

【００３３】また、繊維材〔Ａ〕と充填材〔Ｂ〕との合
計量が６０重量％である比較例４は、本発明の条件を満
たさず成形性が悪い。特に、繊維材〔Ａ〕と充填材
〔Ｂ〕との合計量が６５重量％である比較例５は成形不
能で評価できなかった。比較例６〜比較例８は、本発明
の充填材〔Ｂ〕の代わりにＳｉＯ₂ またはＣｕ粉または
その両方をそれぞれ添加したものであるが、ＳｉＯ₂ ま
たはＣｕ粉は本発明の充填材〔Ｂ〕の熱伝導率が１０Ｗ
／ｍ・Ｋ以上で且つ比抵抗が１０¹⁰Ω・ｃｍ以上との条
件を満たしていないので、伝熱性と電気絶縁性の両立が
成り立たず、どちらかの性能が不合格であった。

【００３４】なお、上記実施例では、転がり軸受１Ａの
外輪１１の外面のみを絶縁被膜２で被覆したものを例示
したが、内輪１２の方を絶縁被膜２で被覆しても、或い
はまた外輪１１と内輪１２との双方を絶縁被膜２で被覆
しても同様の効果を得ることができる。

【００３５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の電食防止
転がり軸受にあっては、マトリックス樹脂に耐クリープ
性の大きい繊維材〔Ａ〕と、熱伝導率及び比抵抗が一定
値以上の充填材〔Ｂ〕とを両者の合計〔Ａ＋Ｂ〕３０〜
５０重量％の範囲で混合して絶縁被膜を形成したため、
耐クリープ性，伝熱性，成形性及び電気絶縁性に優れた
絶縁被膜が得られて、例えば鉄道車両用電動機の軸受な
どのような高速回転で高温にさらされる使用条件下でも
安定した性能が保証できる電食防止転がり軸受を提供で
きるという効果を奏する。

【００３６】また、充填材〔Ｂ〕の含有量を当該充填材
の種類に応じて１０〜４０重量％の範囲内で任意に調整
することにより、絶縁被膜の耐クリープ性，伝熱性，成
形性及び電気絶縁性の諸特性のバランスを調整すれば、
軸受の使用条件等に応じて製品に多様性を持たせること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の電食防止転がり軸受の電気絶縁被膜に
おける〔Ａ〕，〔Ｂ〕両充填材の添加割合と、絶縁被膜
の特性との関係を表したグラフである。

【図２】本発明の電食防止転がり軸受の一実施例の断面
図である。

【符号の説明】

２ 絶縁被膜 １１ 外輪 １２ 内輪

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 外内輪の少なくとも一方に絶縁被膜を有
   する電食防止転がり軸受において、前記絶縁被膜はマト
   リックス樹脂の強化に貢献する繊維材〔Ａ〕と、熱伝導
   率が１０Ｗ／ｍ・Ｋ以上で且つ比抵抗が１０¹⁰Ω・ｃｍ
   以上の充填材〔Ｂ〕とを含み、両者の合計〔Ａ＋Ｂ〕が
   ３０〜５０重量％であることを特徴とする電食防止転が
   り軸受。