JP2008138835A - オルタネータ用軸受 - Google Patents

Abstract

【課題】長寿命で信頼性の高いオルタネータ用軸受を提供する。
【解決手段】オルタネータ用軸受としての深溝玉軸受は、オルタネータの回転軸を支持する軸受であって、内方部材としての内輪と、外方部材としての外輪と、内輪および外輪の間に配置される複数の転動体としての玉２４と、重合度６０〜１２０のポリアミド９Ｔ樹脂および繊維状充填材を含有する保持器２５とを備える。また、保持器２５は玉２４を収容する複数のポケット２５ａを有する。そして、玉の直径をｄ、ポケット２５ａの開口幅をＤとすると、Ｄ≧０．９３ｄを満たす。
【選択図】図３

Description

この発明は、転がり軸受に関し、特に、自動車用オルタネータ（交流発電機）の内部で熱影響を受けやすい回転軸支持用の転がり軸受に関するものである。

従来の自動車用オルタネータは、ケーシングと、軸受によってケーシングに対して回転自在に支持される回転軸と、回転軸に固定されるプーリと、ケーシングに固定されるステータと、ステータと対面する位置で回転軸に固定されるロータとを備える。

また、回転軸を回転自在に支持する軸受は、例えば、特開平４−２４４６２４号公報（特許文献１）に記載されている。同公報に記載されている軸受は、内輪と、外輪と、内輪および外輪の間に配置される複数の転動体と、隣接する転動体の間隔を保持する保持器と、軸受内部を密封する密封シールとを備える転がり軸受である。

保持器としては、ポリアミド（ナイロン６６）等のいわゆるエンジニアリングプラスチック単体、さらにガラス繊維や炭素繊維等の短繊維を混入した複合材で形成した樹脂製保持器、または、鉄板打ち抜き（プレス）保持器等が使用される。

ポリアミドは、他のエンジニアリングプラスチックと比較して保持器として要求される物理的特性が優れている。例えば、ポリアセタールと比較すると強度および耐熱性に優れている。また、ポリブチレンテレフタレートと比較すると成型時や軸受組立時に必要な柔軟性が高い。

また、近年では、１５０℃を超える高温環境下で使用される軸受用のプラスチック保持器材料として、ポリエーテルスルホン酸（ＰＥＳ）、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）、ポリアミドイミド（ＰＡＩ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）等のいわゆるスーパーエンジニアリングプラスチック樹脂が提案されている。しかし、これらの材料は非常に高価である。それに対して、ポリアミドは材料コストと性能のバランスが良好なことから、プラスチック保持器の材料として多用されている。
特開平４−２４４６２４号公報

自動車用オルタネータは、高効率化およびコンパクト化が進むと共に、使用電力の増加に伴い電気負荷が増大する。そして、これらに伴う発熱によって軸受温度がさらに高くなるという課題を抱えている。その結果、オルタネータの回転軸を支持する軸受の使用環境も厳しくなってきている。

このような環境で使用される場合、高温での使用に適さないポリアミドや、熱処理を施していない鉄板保持器には、寸法変形や強度劣化などが発生し、軸受の回転機能を損なうなどの不具合を生じる。また、ポリアミドは、極圧添加剤、添加油等の油類と常時あるいは間欠的に接触する条件下では、経時的に材料が劣化してしまい、市場で要求される性能を満たせなくなることがある。

さらに、ポリアミドは、その分子構造中にアミド結合を有しているために、水の影響を受け易く、高温多湿時の吸水、乾燥時の脱水による寸法変化及び靱性の変化が大きい。この性質は、保持器の靭性を向上させて軸受組立工程での保持器の破損を防止する観点からは有利である。しかし、高温多湿時と乾燥時の寸法変化が大きいことから、転動体のスムーズな回転を妨げるおそれがある。

そこで、この発明の目的は、自動車用オルタネータの回転軸を支持する軸受として、寸法安定性、柔軟性、耐熱性、耐薬品性等を向上させた保持器を有する転がり軸受を採用することにより、長寿命で信頼性の高い自動車用オルタネータを提供することである。

この発明に係るオルタネータ用軸受は、オルタネータの回転軸を回転自在に支持する。具体的には、内方部材と、外方部材と、内方部材および外方部材の間に配置される複数の転動体と、ポリアミド９Ｔ樹脂および繊維状充填材を含有し、転動体を収容する複数のポケットを有する保持器とを備える。そして、転動体の径をｄ、ポケットの開口幅をＤとすると、Ｄ≧０．９３ｄを満たす。

ポリアミド９Ｔ樹脂は、耐熱性、対油性、耐薬品性、寸法安定性、靱性に優れていると共に、高い機械的性質を有している。また、ガラス繊維等の繊維状充填材を加えることにより、保持器の剛性が向上すると共に、保持器の製造時における寸法精度が安定する。その結果、高温雰囲気、油や薬品と接触する条件、高速回転条件、高負荷条件、多湿環境等の過酷な環境でも長寿命で信頼性の高いオルタネータ用軸受を得ることができる。

一方、ポリアミド９Ｔ樹脂は、従来のポリアミド６６樹脂等と比較して伸び率が小さい。そこで、転動体の径ｄとポケットの開口幅Ｄとの関係をＤ≧０．９３ｄに設定することにより、保持器の破損を防止することができる。

好ましくは、ポリアミド９Ｔ樹脂の重合度は６０〜１２０である。ポリアミド９Ｔ樹脂は、重合度が上記の範囲内のときに特に高い機械的特性、組み込み性に必要な靱性、耐熱性、寸法安定性等を有していることから、保持器を形成する材料として好適である。

この発明によれば、ポリアミド９Ｔ樹脂と繊維状充填材を含有する材料で保持器を形成することにより、保持器の寸法安定性、柔軟性、耐熱性、耐薬品性等が向上する。また、転動体の径ｄとポケットの開口幅Ｄとの関係を上記のように規定することにより、組立時における保持器の破損を防止することができる。その結果、長寿命で信頼性の高いオルタネータ用軸受を得ることができる。

図１および図２を参照して、この発明の一実施形態に係る自動車用オルタネータ１１、および自動車用オルタネータ１１に採用される転がり軸受としての深溝玉軸受２１を説明する。なお、図１は自動車用オルタネータ１１の断面図、図２は深溝玉軸受２１の断面図である。

まず、図１を参照して、自動車用オルタネータ１１は、主な構成要素として、ケーシング１２と、回転軸１３と、プーリ１４と、ステータ１５と、ロータ１６と、転がり軸受としての深溝玉軸受２１とを備える。

ケーシング１２は、フロントブラケット１２ａと、リアブラケット１２ｂとをボルト結合して構成されている。そして、回転軸１３、ステータ１５、ロータ１６、および深溝玉軸受２１等を収容する。

回転軸１３は、２個の深溝玉軸受２１によってケーシング１２に対して回転自在に支持されている。また、ケーシング１２の外側でプーリ１４に挿通し、ケーシング１２の内側でロータ１６およびスリップリング１７に挿通している。なお、スリップリング１７には、ばね１９によってブラシ１８が圧接されている。

プーリ１４には、無端ベルト（図示省略）が取り付けられて、エンジン（図示省略）の回転に伴って回転軸１３を回転させる。また、この実施形態においては、自動車用オルタネータ１１を冷却するファンとしても機能する。

ステータ１５は、リング形状の部材であってケーシング１２に固定されている。一方、ロータ１６は、回転軸１３に嵌合固定されて回転軸１３と一体回転する。このステータ１５およびロータ１６は互いに対面するように配置されており、両者の間には所定の隙間が設けられている。また、ステータ１５およびロータ１６は、それぞれコイルが巻きつけられている。

次に、図２を参照して、深溝玉軸受２１は、内方部材としての内輪２２と、外方部材としての外輪２３と、内輪２２および外輪２３の間に配置される転動体としての複数の玉２４と、隣接する玉２４の間隔を保持する保持器２５と、両端部を密封する密封部材としての密封シール２６とを備える。また、玉２４のスムーズな回転を維持するために、軸受内部にはグリースが充填されている。

次に、保持器２５を形成する樹脂材料について詳しく説明する。保持器２５は、重合度６０〜１２０のポリアミド９Ｔ樹脂と、繊維状充填材としてのガラス繊維を含有する。ポリアミド９Ｔ樹脂は、式（１）で表わされるテレフタル酸とノナンジアミンの重合ポリマーで、芳香環と高級脂肪族鎖からなる半芳香族ポリアミドである。具体的な材料としては、「（株）クラレ製「ジェネスター（商品名）」を挙げることができる。

ガラス繊維は、保持器２５の形状や使用目的等に応じて、組成物全量に対して０ｗｔ％〜５０ｗｔ％の範囲で添加される。ガラス繊維の含有率が５０ｗｔ％超だと、樹脂組成物の溶融流動性が著しく低下して成型性が悪くなるばかりでなく、材料の変形能がきわめて小さくなり、保持器成型時の無理抜きが困難になり、また軸受組み込み時に保持器２５が破損する恐れがある。また、ガラス繊維の含有率が１０ｗｔ％未満だと、機械的特性の補強効果が小さく、耐熱性も不足する。

ここで、保持器２５の形状に着目すると、玉軸受用冠型保持器及び円錐ころ軸受用保持器の場合、繊維状充填材の含有率は０ｗｔ％〜３０ｗｔ％が好ましく、特に１０ｗｔ％〜２５ｗｔ％が好ましい。また、自動調心ころ軸受用保持器の場合、繊維状充填材の含有率は０ｗｔ％〜５０ｗｔ％が好ましい。また、円筒ころ軸受用保持器の場合、繊維状充填材の含有率は２０ｗｔ％〜４０ｗｔ％が好ましい。

次に、保持器２５の組込み性を向上する観点、すなわち、製造工程での離型時の無理抜き及び玉組み込み時に比較的変形し易くするためには、ガラス繊維が０ｗｔ％〜３０ｗｔ％含有されることが好ましく、更に１０ｗｔ％〜３０ｗｔ％含有されることが好ましく、特に１０ｗｔ％〜２５ｗｔ％含有されることが好ましい。

次に、保持器２５の耐熱性や剛性を確保する観点、すなわち、動作時に発生する玉２４からの比較的大きな力を適切に支持するためには、繊維状充填材が２０ｗｔ％〜４０ｗｔ％含有されることが好ましい。

さらに、より強い高い変形能と高い剛性を両立させる観点からは、０ｗｔ％〜３０ｗｔ％が好ましく、１０ｗｔ％〜３０ｗｔ％が更に好ましく、１０ｗｔ％〜２５ｗｔ％が特に好ましい。

なお、ガラス繊維の形態としては、アスペクト比が５〜２００が好適である。アスペクト比が５未満では保持器２５の補強効果が十分に発揮されず脆弱となってしまう。一方、アスペクト比が２００を超えると混合時の均一分散がきわめて困難となる。また、繊維径は特に限定されないが、平均径が０．５μｍ〜２０μｍのものが好ましく、より好ましくは３μｍ〜１５μｍのものである。

上記構成の保持器２５は、耐熱性、耐薬品性を有するとともに、高い機械的特性を有する。また、この材料は適度な柔軟性を有しており、保持器２５に必要なスナップヒット性を有している。更に、この材料は、低吸水性であるので優れた寸法安定性を有する。また、この保持器２５は、高温剛性が高く、高温時、高速回転時、高負荷条件等の過酷な使用条件下で長期間の使用に耐えることができる。

また、ポリアミド９Ｔ樹脂は、重合度が６０〜１２０の範囲で保持器としての機械的特性、組み込み性に必要な靱性、耐熱性、寸法安定性等を有していることから、自動車用オルタネータ１１に採用される深溝玉軸受２１の保持器２５として使用することができる。

さらに、軸受温度が１５０℃を超える環境で長期耐熱性が要求される場合には、ポリアミド９Ｔ樹脂の重合度が８０以上がより好ましく、また、重合度が１２０を超えると成型性が低下する。したがって、重合度は８０〜１２０がさらに好適である。

ポリアミド９Ｔ樹脂は、優れた耐熱性、対油性、耐薬品性、寸法安定性、靱性を示すとともに、高い機械的性質を有している。また、この材料によって保持器２５を形成することにより、吸水性、寸法安定性並びに組み込み性を大きく向上させることができ、かつ精度の要求される用途の保持器を安価に提供できるという効果がある。その結果、高温雰囲気、油や薬品と接触する条件、高速回転条件、高負荷条件、および多湿環境等の過酷な環境でも長時間の使用に耐え得る保持器２５を得ることができる。

次に、この発明の効果を確認するために行った効果確認試験について説明する。試験は、保持器を形成する材料の融点（℃）、一定荷重（１．８２ＭＰａ）を加えたときに撓みが発生する温度（℃）、および引張強さ（ＭＰａ）を測定した。また、保持器の材料としては、ポリアミド９Ｔ樹脂に３０ｗｔ％のガラス繊維を混合した合成樹脂（以下「本発明品」という）と、ポリアミド６６樹脂に２５ｗｔ％のガラス繊維を混合した合成樹脂（以下「従来品」という）とを用いて、比較試験を行った。結果を表１に示す。

表１を参照して、本発明品は、従来品と比較して高温特性に優れていると共に、強度が高いことが確認された。これにより、本発明品によって形成された保持器は、高温雰囲気や高負荷条件下での使用に適していることが確認された。

なお、保持器２５の材料となる樹脂組成物は、任意の方法で混合することができる。例えば、各成分を別々に溶融混合機に供給してもよく、また各成分をヘンシェルミキサー、リボンブレンダー等の混合機であらかじめ混合してから溶融混合機に供給してもよい。溶融混合機としては、短軸又は二軸押し出し機、混合ロール、加圧ニーダー、ブラベンダーブラストグラフ等の任意の装置が使用できる。

また、上記の実施形態において、繊維状充填材としてガラス繊維の例を示したが、これに限ることなく、目的に応じて任意の繊維を採用することができる。例えば、炭素繊維、金属繊維、アラミド繊維、チタン酸カリウムウィスカー等を用いることができる。

また、上記の実施形態において、ポリアミド９Ｔ樹脂とガラス繊維との親和性を持たせて樹脂とガラス繊維との密着性を向上させること、およびガラス繊維の分散性を向上させることを目的として、ガラス繊維をシラン系カップリング剤やチタネートカップリング剤等のカップリング剤や、その他目的に応じて表面処理を施してもよい。

また、保持器２５の材料として、この発明の目的を損なわない範囲で、熱安定剤、固体潤滑剤、潤滑油、着色剤、帯電防止剤、離型剤、流動性改良剤、結晶化促進剤等を適宜添加してもよい。

次に、図３および表２を参照して、玉２４と保持器２５のポケット２５ａの開口部との関係を説明する。なお、図３は玉２４とポケット２５ａの開口幅との関係を示す図、表２は保持器の材料として使用される樹脂の伸び率を示す図である。

図３を参照して、保持器２５に形成されるポケット２５ａは、内周面が玉２４に沿う球面形状である。また、内部で玉２４が転動可能なように玉２４の直径より僅かに大きく設定されている。さらに、玉２４の脱落を防止するために開口部に爪部２５ｂが設けられており、ポケット２５ａの開口幅Ｄは、玉２４の径ｄより僅かに小さく設定されている。そして、玉２４は、ポケット２５ａの開口部を広げる方向に弾性変形させた状態で組み込まれる。

ここで、ポリアミド６６やポリアミド４６によって形成される従来の保持器においては、転動体の径ｄ_０とポケットの開口幅Ｄ_０との関係は、０．８５ｄ_０≦Ｄ_０≦０．９０ｄ_０とするのが一般的であった。しかし、表２を参照して、ポリアミド９Ｔ樹脂に３０ｗｔ％のガラス繊維を含有した材料は、従来から採用されているポリアミド６６やポリアミド４６と比較して伸び率が低い。

そこで、この発明の一実施形態に係る深溝玉軸受２１においては、玉２４の直径ｄと、ポケット２５ａの開口幅Ｄとは、Ｄ≧０．９３ｄに設定する。これにより、ポケット２５ａに玉２４を組み込む際に、保持器２５が破損するのを防止することができる。

ただし、Ｄ≧ｄとなると、ポケット２５ａは玉２４を保持できなくなる。したがって、常にＤ＜ｄでなければならない。また、ポケット２５ａの開口幅Ｄが玉２４の直径ｄに近づくと、軸受組み立て中に玉２４がポケット２５ａから脱落したり、軸受回転中に保持器２５の移動量が大きくなったりするおそれがある。そこで、ＦＥＭ解析によってシミュレーションを行った結果、Ｄ＝０．９３ｄが最も望ましいことが確認された。

なお、上記の実施形態において、回転軸１３を支持する軸受として深溝玉軸受２１を採用した例を示したが、これに限ることなく、アンギュラ玉軸受、４点接触玉軸受、円筒ころ軸受、円錐ころ軸受、自動調心ころ軸受、および針状ころ軸受等、転動体が玉であるかころであるかを問わず、あらゆる転がり軸受に適用することができる。

同様に、この発明は、任意の形状の保持器に適用することができる。例えば、玉軸受用保持器としては、図４に示す一般型保持器、図５の冠型保持器、図６のアンギュラ玉軸受用保持器、および図示しないスラスト玉軸受用保持器等に適用することができる。ころ軸受用保持器としては、図７に示す円錐ころ軸受用保持器、図８に示す球面ころ軸受用保持器、図９に示す円筒ころ軸受用保持器、図示しないスラスト軸受用保持器、および図示しないスラスト玉球面ころ軸受用保持器等に適用することができる。なお、本明細書中「転動体の径」とは、玉軸受においては玉の直径を、ころ軸受においてはころ径を指すものとする。また、「ポケットの開口幅」とは、玉軸受用保持器においてはポケット開口部の直径を、ころ軸受用保持器においてはポケット開口部の最小幅寸法を指すものとする。

以上、図面を参照してこの発明の実施形態を説明したが、この発明は、図示した実施形態のものに限定されない。図示した実施形態に対して、この発明と同一の範囲内において、あるいは均等の範囲内において、種々の修正や変形を加えることが可能である。

この発明は、オルタネータ用軸受に有利に利用される。

自動車用オルタネータの断面図である。 この発明の一実施形態に係るオルタネータ用軸受の断面図である。 図２に示すオルタネータ用軸受の玉とポケット開口部との関係を示す図である。 玉軸受用の一般型保持器の斜視図である。 玉軸受用の冠型保持器の斜視図である。 アンギュラ玉軸受用保持器の斜視図である。 円錐ころ軸受用保持器の斜視図である。 自動調心ころ軸受用保持器の斜視図である。 円筒ころ軸受用保持器の斜視図である。

符号の説明

１１ 自動車用オルタネータ、１２ ケーシング、１２ａ フロントブラケット、１２ｂ リアブラケット、１３ 回転軸、１４ プーリ、１５ ステータ、１６ ロータ、１５ａ，１６ａ コイル、１７スリップリング、１８ ブラシ、１９ ばね、２１ 深溝玉軸受、２２ 内輪、２３ 外輪、２４ 玉、２５ 保持器、２５ａ ポケット、２５ｂ 爪部、２６ 密封シール。

Claims (2)

1. オルタネータの回転軸を回転自在に支持するオルタネータ用軸受であって、
   内方部材と、
   外方部材と、
   前記内方部材および前記外方部材の間に配置される複数の転動体と、
   ポリアミド９Ｔ樹脂および繊維状充填材を含有し、前記転動体を収容する複数のポケットを有する保持器とを備え、
   前記転動体の径をｄ、前記ポケットの開口幅をＤとすると、
   Ｄ≧０．９３ｄを満たす、オルタネータ用軸受。
2. 前記ポリアミド９Ｔ樹脂の重合度は、６０〜１２０である、請求項１に記載のオルタネータ用軸受。

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