近年来，为了保护地球环境，对节能(减少矿物燃料的使用量以及削减耗电量等)的要求在提高。特别是在堪称占有日本本土年耗电量55%的工业用电动机领域，强烈要求提高能源效率。实际上，以工厂的水泵及送风机等使用的三相电动机为对象，于2011年制定了领跑者计划，强制要求使用更高效的三相电动机。因此，这类电动机所用轴承导致的转矩损失也必须引起重视。

80%的滚动轴承采用脂润滑，由于润滑脂对轴承转矩的影响非常大，以往致力于通过润滑脂实现轴承低转矩化。脂润滑与油润滑不同，由于作为固态成分的增稠剂的影响而表现出复杂的流动特性。不过并未完全了解润滑脂对轴承转矩的影响因素，期待今后通过提高润滑脂技术以进一步降低转矩。本文将对通过润滑脂来降低转矩的技术及其评定、分析的相关最新技术动向进行说明。

一、 脂润滑球轴承的转矩产生因素

1、 脂润滑球轴承的阻力

脂润滑球轴承的阻力产生因素如图1所示，可大致分为：球拨开沟道上存在的润滑脂时产生的搅拌阻力；球在沟道上旋转时由润滑油的黏性而产生的滚动黏滞阻力；由球的自旋及差动滑动等导致滚动接触区内的微小滑动阻力；球与保持架间的滑动摩擦阻力。在油润滑情况下，为了降低转矩，降低润滑油黏度是有效的。这是因为在减小润滑油搅拌阻力的同时，能减小滚动黏滞阻力。在脂润滑情况下，由于剪切及离心力的作用，致使润滑脂从沟道处被排出，通过附着在周边构件上的润滑脂或分离出的微量基础油进行润滑。由脂润滑与油润滑比较可知，基础油动态黏度对轴承转矩的影响小，润滑脂搅拌阻力的影响最大。

图1 脂润滑球轴承的阻力产生因素

2、搅拌阻力的影响因素

搅拌阻力主要由润滑剂的黏性产生，为了减小搅拌阻力，可考虑降低润滑脂黏度或减少被搅拌的润滑脂量。作为降低润滑脂黏度的方法，有通过减少增稠剂添加量以降低表观黏度，不过，若表观黏度过低，则轴承旋转时的离心力会使润滑脂从轴承内部甩出，污染周边构件并缩短润滑寿命。另一方面，为了减少被搅拌的润滑脂量，可减少轴承的润滑脂填充量。关于润滑脂填充量与轴承寿命的关系，当设定试验轴承的润滑脂填充量为正常填充量的1/3时，润滑脂研究协会研究了对脂润滑寿命的影响。根据图2所示Weibull曲线图的结果，设定润滑脂填充量为正常填充量的1/3时，润滑寿命非常短(仅不到1/5)可能是由于早期泄漏引起的润滑脂量不足及由于在轴承内发生金属接触进而产生显著的磨耗粉末。单纯减少润滑脂填充量并不能满足轴承所要求的性能。

图2 采用曾田式试验机显示的润滑脂寿命

二、降低转矩技术

1、控制润滑脂的流动性

若从脂润滑球轴承沟道被排出的润滑脂没有重返沟道，形成对球与保持架的运动不产生影响的成沟状态，则可减小球及保持架拨开润滑脂时产生的搅拌阻力，这样就会降低转矩。渡部等采用了将12-羟基硬脂酸锂作为增稠剂的润滑脂A以及将12-羟基硬脂酸锂和癸酸锂作为增稠剂的润滑脂B～F，测试了屈服应力，评估了润滑脂的成沟特性。屈服应力是润滑脂从固态转变为流态所需的应力，如图3所示：采用了2种增稠剂的润滑脂E的屈服应力高，轴承转矩低。

图3 屈服应力与转矩的关系

关于润滑脂的流动性，新田等着眼于黏性转变(过渡)应力，研究了润滑脂的流动性对轴承转矩的影响。对平行两面间的润滑脂缓慢地外加应变时，将图4所示的损耗模量G″大于储能模量G′时的应力定义为黏性转变应力，采用增稠剂的碳链长不同的4种脂肪族双脲(环二脲)润滑脂作为评定用试样。此外，为了评估轴承转矩的早期稳定性以及评估过程中的转矩变动，通过源自增稠剂的搅拌阻力求出作为轴承旋转中损失的能量，即搅拌能耗，研究了黏性转变应力的影响。如图5所示：碳链长越短的润滑脂的黏性转变应力越大，则搅拌能耗越低。

图4 黏性转变应力的计算方法

图5 黏性转变应力与搅拌能耗的关系

津田等采用润滑脂的黏性衰减能对搅拌能耗进行了评估。在黏性衰减能方面，对外加连续剪切时增稠剂的三维交联网状结构受损的容易程度进行了评估，能体现实际轴承内部的润滑脂行为。即便采用了增稠剂的分子结构与脂肪族、脂环族、芳香族不同的双脲(环二脲)润滑脂，也可得到黏性衰减能与搅拌能耗的密切关系，如图6所示。

图6 黏性衰减能与搅拌能耗的关系

2、润滑膜控制

作为产生轴承转矩的主要因素的润滑脂搅拌阻力以及黏滞阻力，受到形成的润滑膜的影响，所以需明确这类影响。关于润滑脂形成的弯月面距离与轴承转矩的关系，園田等对外圈由玻璃制作的6306深沟球轴承进行了研究。采用稠度不同的2种锂皂润滑脂和基础油，测量了弯月面距离和轴承转矩，如图7所示，屈服应力大而转矩低的润滑脂A在短时间内弯月面长度快速缩减后继续缓慢缩减。成沟性能优异的润滑脂通过从轴承的滚动面排出，弯月面长度缩减，搅拌阻力及滚动黏滞阻力减小。

图7 弯月面长度随时间的变化

星等采用显微红外光谱分析法对润滑脂弹性流体动力润滑(EHL)膜进行了现场观察，给出了滚动接触区中油膜厚度及增稠剂浓度的相关研究结果。锂基润滑脂和脲基润滑脂的油膜厚度以及增稠剂浓度与速度的关系如图8所示，锂基润滑脂在Hertz接触区引起增稠剂浓度降低，而脲基润滑脂可见增稠剂浓缩，油膜厚度增加的现象。

图8 油膜厚度以及增稠剂浓度与速度的关系

3、 润滑脂及增稠剂的可视化

为了降低轴承转矩，需了解轴承内部润滑脂的流动状态及附着状态。近藤等采用X射线计算机断层成像技术观察润滑脂从搅拌状态过渡到成沟状态时的润滑脂附着状态。内圈、外圈、球、保持架和密封件采用树脂制作，X射线可穿透，在润滑脂中添加5 wt%的钨作为示踪物，就能根据润滑脂与构件间的反差进行评定。如图9所示，由于从力矩大的搅拌状态转变到力矩小的成沟状态，保持架脂兜处的球与脂兜滑动面间的润滑脂量大幅减少，因此，要实现低转矩化，降低球与脂兜滑动面间的剪切黏度是有效的方法。

图9 保持架脂兜周边的润滑脂行为

对轴承转矩产生影响的润滑脂的流动性和油膜形成性能由增稠剂的形态以及在基础油中的分散状态决定。作为观察增稠剂形态的方法，通常去除润滑脂中的基础油，采用扫描电子显微镜和透射电子显微镜观察作为残渣的增稠剂，不过有待解决不能掌握润滑脂中增稠剂的分散状态的难题。

外尾等采用原子力显微镜对润滑脂中的增稠剂进行了现场观察。据报道，采用原子力显微镜的分镜头方式观察的结果如图10所示，能使润滑脂中增稠剂的分散状态和分散度指标化，分散度越大，作为转矩控制因素的屈服应力越大。

图10 聚α-烯烃合成油(PAO)系润滑脂的原子力显微镜观察图像

关于润滑脂中增稠剂的三维交联网状结构，吉原等采用激光共聚焦荧光显微镜对增稠剂进行了直接观察。在玻璃载片(显微镜滑动玻璃片)及防护玻璃间夹住双脲润滑脂，进而照射激励光，形成高能量激励状态的双脲增稠剂恢复到原状态，通过检测释放出的荧光能观察增稠剂的三维交联网状结构。润滑脂中存在形成高密度网孔状的增稠剂，直径不到1 μm的细纤维形成线束状的粗纤维，进一步形成网络(图11)，有可能将润滑脂中增稠剂的分散状态定量化。

图11 试验润滑脂的3D结构

三、结束语

论述了对脂润滑球轴承的转矩产生影响的润滑脂的流动性和润滑膜的影响，以及控制影响因素的润滑脂以及增稠剂结构的可视化相关技术。作为轴承转矩产生的主要因素的搅拌阻力，通过润滑脂显示特殊的流动性以及润滑膜形成性的最佳化，有望进一步减小搅拌阻力。

近年来，伴随评估、分析装置的高性能化，已能对以往无法进行可视化、定量化的轴承内部润滑脂行为以及增稠剂结构进行分析。今后期待通过这些技术的发展，了解一般认为难以定量化的润滑脂物理性质的贡献度，开发进一步降低轴承转矩的技术

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