JP2011231785A

JP2011231785A - 自動車の電装部品・エンジン補機用転がり軸受

Info

Publication number: JP2011231785A
Application number: JP2010099725A
Authority: JP
Inventors: Hisato Yamamoto; 寿人山本
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2010-04-23
Filing date: 2010-04-23
Publication date: 2011-11-17

Abstract

【課題】本発明は、高温、高速、高荷重で、更に外部からの水の浸入を受けやすい環境下で使用されても、水素脆性による白色組織変化を伴う剥離を起こすことがなく、長寿命な自動車の電装部品・エンジン補機用転がり軸受を提供することを目的とする。
【解決手段】深溝型の内輪軌道３を有する内輪２と、深溝型の外輪軌道６を有し、前記内輪２と同心に配置した外輪５と、前記内輪軌道３と前記外輪軌道６との間に転動自在に設けた複数個のセラミックス製の玉８と、これらの玉８を略等間隔で回動自在に保持する保持器９と、前記外輪５に取り付けられ前記内輪２に摺接する接触形の導電性シール１０と、を備え、前記内輪２と前記外輪５と前記シール１０とに囲まれた空間に封入された導電性グリースＧで潤滑される。
【選択図】図１

Description

本発明は、自動車の電装部品、エンジン補機であるオルタネータや中間プーリ、カーエアコン用電磁クラッチ等に使用される転がり軸受に関するものである。

自動車の電装部品、エンジン補機であるオルタネータや中間プーリ、カーエアコン用電磁クラッチ等には一般に転がり軸受が使用されており、その潤滑には主としてグリースが使用されている。

これらの電装部品やエンジン補機では、小型化及び高性能高出力化が求められているが、小型化による出力低下は避けられず、例えばオルタネータやカーエアコン用電磁クラッチでは、高速化することにより出力の低下分を補っている。

図２は、高速回転の使用を目的としたオルタネータ２０のプーリ部分の構造を示しており、プーリ２２を回転自在に支持する転がり軸受２１には、高速回転時の潤滑性を保持するため、軸受内部にグリースを封入したグリース封入軸受が使用される。

上記の構造では、プーリ２２を小型化したことに伴う伝達効率の低下を防ぐため、プーリ２２に伝動ベルトの係合溝２３を多数形成し、かつベルトの張力を大きくとる方法がとられており、このため、プーリ２２も同様に高速化されて発熱するため、転がり軸受２１には高温耐久性も要求されている。

このような背景から、自動車の電装部品、エンジン補機であるオルタネータや中間プーリ、カーエアコン用電磁クラッチ等に使用される転がり軸受では、合成潤滑油を基油とし、これにウレア化合物を増ちょう剤として配合したウレア−合成油系グリースを封入した転がり軸受が主流になっている。

しかし、最近では、静粛化向上の要求によりエンジンルームの密封化、更には車室空間拡大のためにエンジンルームの小型化が進められており、エンジンルーム内が高温化し、プーリの高速化による温度上昇がより促進される傾向にある。

ウレア−合成油系グリースは、周囲温度１７０〜１８０℃程度までは充分に使用可能であるが、このような環境変化により周囲温度が２００℃以上になる使用条件においては、ウレア−合成油系グリースでも、基油の蒸発やそれに伴うグリースの硬化、増ちょう剤の熱分解によるグリースの軟化等が複合的に発生し、早期に焼付きを起こして軸受寿命におちいる。

また、高速回転、高荷重の条件で使用される転がり軸受において、内輪軌道面、外輪軌道面に生じる現象を考えると、回転中の振動とその表面を高速度で擦過摺接する転動体により、絶えず鏡面摩耗が引き起こされると想定される。このような摩耗が生じると、その摩耗によって引き起こされる新生面の形成が触媒作用をしてグリースが化学分解し、このグリースの分解により多量の水素が新生面の形成領域に発生する。この発生した水素は、鋼の内部に容易に侵入することができ、金属面の奥側に亀裂を生じさせて破壊を生じさせる。

このような水素脆化による剥離現象を抑制するため、例えば、特許文献１に、グリースに不動態化酸化剤を添加した軸受が開示されている。グリースに亜硝酸ソーダ等の不動態化酸化剤を添加すると、その酸化剤が転走面に生じる新生面に酸化皮膜を形成し、転走面を不活性状態にする。これにより、新生面の触媒作用が防止されるため、グリースの分解が抑制され、水素の発生を防止することができ、水素脆化による剥離の発生を防止することができるというものである。

ところで、エンジン外部にあるベルト駆動の補助機械用軸受は、路面より跳ね上げられる泥水や雨水が浸入しやすい。これらの転がり軸受では、通常、接触ゴムシールにより外部からの水の浸入を防止する構成となっているが、完全な防止はできないのが現状である。しかも、自動車のエンジンは、稼働と休止を繰り返すため、エンジンが休止しているときに軸受の温度が下がり、露点に達して軸受周りの空気中の水分が凝縮して水滴となり、軸受に付着したりグリース中に混入したりすることがある。これらの結果、浸入水分により発生した水素が白色組織変化を伴った剥離を引き起こす。

このような問題に対して、例えば特許文献２には、水素脆性の原因であるカソード反応の進行を抑制するためにグリースの水素イオン指数ｐＨが７〜１３に設定された軸受が開示されている。

また、ベルトによるプーリ駆動においては、ベルトとプーリ間に静電気が発生する。通常、軸受回転中は潤滑剤の油膜により内外輪間は絶縁状態になっているが、強振動等により金属接触を引き起こすと内外輪間が一気に導通して内外輪間に大きな電位差が生じる。そして、グリース中に混入した水が電気分解を起こして水素イオンの発生が促進され、上記したような白色組織変化を伴った剥離がより起こりやすくなる。

特許第２８７８７４９号公報特開平１１−０７２１２０号公報

上述したように、自動車の電装部品、エンジン補機であるオルタネータや中間プーリ、カーエアコン用電磁クラッチ等に使用される転がり軸受では、外部からの浸入水分に起因して水素脆性による白色組織変化を伴った剥離が発生しやすく、更に静電気により促進されるという問題があり、その防止が新たな重要課題となっている。

しかしながら、特許文献１の軸受では、酸化膜が形成されるまでの間の水素侵入を防ぐことができず、また酸化膜が隙間無く形成されなければ十分な効果が得られないという問題があった。

また、特許文献２の軸受では、経時変化により当初調整したｐＨが変動することがあり、安定した効果が得難いという問題が有った。

本発明は、高温、高速、高荷重で、更に外部からの水の浸入を受けやすい環境下で使用されても、水素脆性による白色組織変化を伴う剥離を起こすことがなく、長寿命の転がり軸受を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明は、外周面の軸方向中間部に深溝型の内輪軌道を有する内輪と、内周面の軸方向中間部に深溝型の外輪軌道を有し、前記内輪と同心に配置した外輪と、前記内輪軌道と前記外輪軌道との間に転動自在に設けた複数個の転動体と、これら複数の転動体を略等間隔で回動自在に保持する保持器と、前記外輪に取り付けられ前記内輪に摺接する接触形のシールと、を備え、グリース潤滑される自動車の電装部品・エンジン補機用転がり軸受において、前記転動体は、セラミックス製の玉であり、前記接触形のシールは、導電性シールであり、前記グリースは、導電性グリースであることを特徴とする自動車の電装部品・エンジン補機用転がり軸受を提供する。

本発明によれば、セラミックス製の玉を使用することにより、耐熱性に優れ、高速回転時の遠心力に基づいて外輪軌道に加わる荷重の低減を図れ、軸受内部の摩擦及び磨耗が軽減されるので、磨耗によって引き起こされる新生面の形成が触媒作用をしてグリースが化学分解して多量の水素が新生面の形成領域に発生することを抑制することが出来るので、水素脆化による剥離を抑制することができる。また、焼き付きの発生を抑制することができる。

また、導電性シールと導電性グリースにより、内外輪間の電位差がほとんど無くなって水の電気分解が起こらなくなり、白色組織変化を伴う剥離の発生並びに進行を抑制することができる。

本発明の一実施形態である転がり軸受の構造を示す縦断図面を示す図である。高速回転の使用を目的としたオルタネータのプーリ部分の構造を示すものである。

以下、本発明の転がり軸受に関してより詳細に説明する。本発明の転がり軸受は、その構成自体は制限されるものではなく、例えば図１は、その一実施形態である転がり軸受の構造を示す縦断図面である。

この転がり軸受１は、外周面の軸方向中間部に深溝型の内輪軌道３を有する内輪２と、内周面の軸方向中間部に深溝型の外輪軌道６を有し、上記内輪２と同心に配置した外輪５と、上記内輪軌道３と外輪軌道６との間に転動自在に設けたそれぞれが転動体である複数個のセラミックス製の玉８と、これら複数のセラミックス製の玉８を略等間隔で回動自在に保持する保持器９と、外輪５に取り付けられ内輪２に摺接する接触形の導電性シール１０、１０と、で構成されている。また、内輪２と外輪５と導電性シール１０、１０とで囲まれた軸受空間には、導電性グリースＧが充填され、密封されている。そして、導電性グリースＧにより、内輪軌道３、外輪軌道６と玉８との接触部が潤滑される。

この様に構成する本発明の転がり軸受の場合は、複数の転動体としてセラミックス製の玉８を使用することにより、従来一般的に使用されていた軸受鋼製の玉を使用した転がり軸受に比べて、耐熱性に優れ、より高温に耐えられるだけでなく、玉と外輪軌道及び内輪軌道との接触部に作用する転がり摩擦の低減を図ることが出来る。即ち、セラミック製の玉８と軸受鋼等の硬質金属製の内輪２の内輪軌道３及び外輪５の外輪軌道６を当接させる為、異種材料同士の接触状態となり、同種金属同士の接触状態に比べて、当接部での摩擦抵抗が低減する。さらに、鋼製転動体に比べて比重も小さいことから、高速回転時の遠心力に基づいて外輪軌道６に加わる荷重の低減を図れ、軸受内部の摩擦及び磨耗が軽減される。このため転動体の摩耗を、延いては焼き付きの発生を抑制することができる。

ここで、転動体として用いるセラミックスとしては、窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）、ジルコニア（ＺｒＯ_２）の他にアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、炭化珪素（ＳｉＣ）等、場合によってはこれらを組み合わせて用いることも可能である。焼結方法としては、ＨＩＰ（ホットアイソスタティックプレス）法、ガス圧焼結法、ＨＰ（ホットプレス）法、常圧焼結法、反応焼結法などいずれを適用してもよい。添加成分については、窒化珪素では、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）−イットリア（Ｙ_２Ｏ_３）、マグネシア（ＭｇＯ）、セリア（ＣｅＯ_２）−マグネシア（ＭｇＯ）などが知られているが特に制限はない。

また、導電性シール１０は、導電性のゴム１１で補強部材としての芯金１２を被覆して環状に形成されている。外輪５の内周外側両端面部にはシール固定溝７、７が形成されており、このシール固定溝７に、導電性のゴム１１の弾性を利用して導電性シール１０の外周部を嵌め込むことで、導電性シール１０が外輪５に固定されるようになっている。また、内輪２の外周外側両端面部には、シール溝４、４が形成されており、このシール溝４に導電性シール１０の内周部に設けられたシールリップ１３が摺接している。これにより、内輪２と外輪５とが、常時、電気的に通電されている。

導電性のゴム１１は、任意のゴム材に、導電性粒子としてのカーボンブラックと導電性繊維を所望量混入形成したものである。ゴム材料としては、一般的にシール材料として用いられる二トリルゴム、アクリルゴム、フッ素ゴム、シリコンゴム等、適宜選択可能である。

導電性粒子としては、上記カーボンブラックに替えてグラファイトやインジウム／スズ酸化物、アンチモン／スズ酸化物などの導電性金属酸化物を使用することもでき、それらの材料が適宜選択可能である。導電性繊維としては、ステンレス繊維、炭素繊維（カーボンファイバー、カーボンチュウブ）、あるいはチタン酸カリウムにメッキした導電性繊維（例えば大塚化学社製）を使用することができる。また、導電性繊維の繊維の太さ、長さは任意のものを選択可能である。

ゴム材料に混入される導電性粒子と導電性繊維の総量は、好ましくはゴム材料に対して２０〜１２０質量％である。導電性粒子と導電性繊維の総量が２０質量％より少ないと、十分な導電性を得ることができず、１２０質量％以上含有すると、十分な弾性が得られなくなる。

以上のように、任意のゴム材を、導電性粒子であるカーボンブラックと導電性繊維とを所望量混入した導電性ゴム１１により被覆して導電性シール１０を形成したため、カーボンブラック同士の繋がりが導電性繊維で補強され、その結果、電気絶縁抵抗の大きさを表す体積抵抗率を０．１〜１Ω・ｃｍ程度に低下できる。

導電性グリースＧは、上記導電性シール１０と同様、内輪２と外輪５とを同電位とするために、内輪２と外輪５と導電性シール１０、１０とで囲まれた軸受空間に充填され、密封されている。

導電性グリースＧに使用される基油は特に限定されず、通常潤滑油の基油として使用されている油は全て使用することができる。但し、低温流動性不足による低温起動時の異音が発生せず、特に２００℃を超えるような高温に対する耐久性を考慮すると、好ましくは４０℃における動粘度が３０〜２５０ｍｍ^２／ｓｅｃ、更に好ましくは５０〜２００ｍｍ^２／ｓｅｃである合成潤滑油が望ましい。４０℃における動粘度が３０ｍｍ^２／ｓｅｃ未満では、２００℃を超えるような高温において十分な油膜を形成し難く、金属接触を引き起こして早期に焼付きを起こしやすくなる。一方、４０℃における動粘度が２５０ｍｍ^２／ｓｅｃを超える場合は、グリースの攪拌抵抗が大きくなり、発熱量が大きくなるため、転がり軸受の各要素（内輪、外輪、転動体）が膨張して内部隙間が減少して異常摩耗や焼付きを起こしやすくなる。また、低温時の流動性にも劣り、自動車電装部品やエンジン補機用転がり軸受としての低温起動性を十分に満足するのが困難になる。

合成潤滑油としては、炭化水素系油、芳香族系油、エステル系油、エーテル系油等が挙げられる。前記炭化水素系油としては、ノルマルパラフィン、イソパラフィン、ポリブテン、ポリイソブチレン、１−デセンオリゴマー、１−デセンとエチレンコオリゴマーなどのポリ−α−オレフィンまたはこれらの水素化物などが挙げられる。前記芳香族系油としては、モノアルキルベンゼン、ジアルキルベンゼン、などのアルキルベンゼン、あるいはモノアルキルナフタレン、ジアルキルナフタレン、ポリアルキルナフタレンなどのアルキルナフタレンなどが挙げられる。前記エステル系油としては、ジブチルセバケート、ジ−２−エチルヘキシルセバケート、ジオクチルアジペート、ジイソデシルアジペート、ジトリデシルアジペート、ジトリデシルグルタレート、メチル・アセチルシノレートなどのジエステル油、あるいはトリオクチルトリメリテート、トリデシルトリメリテート、テトラオクチルピロメリテートなどの芳香族エステル油、さらにはトリメチロールプロパンカプリレート、トリメチロールプロパンペラルゴネート、ペンタエリスリトール−２−エチルヘキサノエート、ペンタエリスリトールベラルゴネートなどのポリオールエステル油、さらにはまた、多価アルコールと二塩基酸・一塩基酸の混合脂肪酸とのオリゴエステルであるコンプレックスエステル油などが挙げられる。前記エーテル系油としては、ポリエチレングリコール、ポリプロピレングリコール、ポリエチレングリコールモノエーテル、ポリプロピレングリコールモノエーテルなどのポリグリコール、あるいはモノアルキルトリフェニルエーテル、アルキルジフェニルエーテル、ジアルキルジフェニルエーテル、ペンタフェニルエーテル、テトラフェニルエーテル、モノアルキルテトラフェニルエーテル、ジアルキルテトラフェニルエーテルなどのフェニルエーテル油などが挙げられる。
その他の合成潤滑基油としてはトリクレジルフォスフェート、シリコーン油、パーフルオロアルキルエーテルなどが挙げられる。これらの合成潤滑油は、単独または混合物として用いることができ、上述した好ましい動粘度に調整される。

また、特に高温耐久性を損なわない範囲において、鉱油や天然油系の潤滑油を併用することもできる。尚、鉱油系潤滑油としては、鉱油を減圧蒸留、油剤脱れき、溶剤抽出、水素化分解、溶剤脱蝋、硫酸洗浄、白土精製、水素化精製等を、適宜組み合わせて精製したものを用いることができる。天然油系潤滑油としては、牛脂、豚脂、大豆油、菜種油、米糠油、ヤシ油、パーム油、パーム核油等の油脂系油またはこれらの水素化物が挙げられる。

そして、軸受内外輪間の電位差を除去し、剥離現象を防止するために、導電性粉末を添加する。導電性粉末は特に制限されるものではないが、高温まで導電性を維持できること、グリースの潤滑性を損なわないこと等を考慮すると、カーボンブラックもしくはカーボンナノチューブ等の炭素系粉末を好適に使用できる。
カーボンブラックは、平均粒径が５μｍ以下のものが好ましく、２μｍ以下のものがより好ましい。最も好ましくは、１０〜３００ｎｍの平均粒径であるものを使用する。このようなカーボンブラックは市場からも入手でき、例えばライオンアクゾ社のケッチェンブラックＥＣ及びケッチェンブラックＥＣ６００ＪＤ等が挙げられる。カーボンナノチューブは、Ｃ６０、Ｃ７０のフラーレンをはじめ、直径が１５ｎｍ以下、長さが５μｍ以下のものが好適に使用できる。好ましくは、直径が１０ｎｍ以下長さ２μｍ以下のものを使用する。
このようなカーボンナノチューブは市場からも入手でき、例えば昭和電工社製カーボンナノファイバーＶＧＣＦ等が挙げられる。

これら導電性粉末の添加量は、グリース組成物全量の０．５〜５質量％が好ましい。添加量が０．５質量％以下では添加効果が得られず、５質量％を越えるとグリースの流動性が悪くなり、焼付き寿命が低下するおそれがあるため好ましくない。また、前記平均粒径もしくは長さが２μｍを越えると、軸受の音響性能に影響を及ぼす場合がある。

また、潤滑性能をより一層高めるために、必要に応じて摩耗防止剤、酸化防止剤、防錆剤、極圧剤、油性剤、金属不活性剤、粘度指数向上剤、清浄分散剤等を単独で、もしくは適宜組み合わせてグリースに添加することにより、軸受損傷を抑え、安定した導電性寿命をグリースに付与することができ、剥離寿命を延長することができる。そして、導電性の経時的な低下をさらに長期にわたって抑えるためには、摩耗防止剤と油性剤とを併用することが好ましい。特に、摩耗防止剤としては、亜リン酸エステル、油性剤として、カルボン酸無水物を用いた場合は、導電性の経時的な低下を抑える効果が特に優れている。

以上説明したように、本発明によれば、高温焼付き性及び剥離防止効果に極めて優れた長寿命の転がり軸受を得ることができ、特に、自動車の電装部品、エンジン補機であるオルタネータや中間プーリ、カーエアコン用電磁クラッチ等に使用される転がり軸受として好適に使用できる。

1 転がり軸受
2 内輪
3 内輪軌道
4 シール溝
5 外輪
6 外輪軌道
7 シール固定溝
8 セラミックス製の玉
9 保持器
10 導電性シール
11 導電性ゴム
12 芯金
13 シールリップ
Ｇ導電性グリース
20 オルタネータ
21 転がり軸受
22 プーリ
23 伝動ベルトの係合溝

Claims

外周面の軸方向中間部に深溝型の内輪軌道を有する内輪と、内周面の軸方向中間部に深溝型の外輪軌道を有し、前記内輪と同心に配置した外輪と、前記内輪軌道と前記外輪軌道との間に転動自在に設けた複数個の転動体と、これら複数の転動体を略等間隔で回動自在に保持する保持器と、前記外輪に取り付けられ前記内輪に摺接する接触形のシールと、を備え、前記内輪と前記外輪と前記シールとに囲まれた空間に封入されたグリースで潤滑される自動車の電装部品・エンジン補機用転がり軸受において、前記転動体は、セラミックス製の玉であり、前記接触形のシールは、導電性シールであり、前記グリースは、導電性グリースであることを特徴とする自動車の電装部品・エンジン補機用転がり軸受。