JP2005226830A

JP2005226830A - オルタネータ用転がり軸受

Info

Publication number: JP2005226830A
Application number: JP2005004008A
Authority: JP
Inventors: Masaki Egami; 正樹江上; Mitsunari Aso; 光成麻生; Tomoaki Gotou; 友彰後藤
Original assignee: NTN Corp; NTN Toyo Bearing Co Ltd
Current assignee: NTN Corp
Priority date: 2004-01-14
Filing date: 2005-01-11
Publication date: 2005-08-25

Abstract

【課題】ウレア化合物を含有するグリースを封入したオルタネータ用転がり軸受が高温で使用される結果、シール部材の劣化により、良好な密封性を長く維持したり、優れた信頼性や耐久性を維持したりする。
【解決手段】エンジン出力で回転駆動されるオルタネータ用転がり軸受であって、内輪および外輪と、この内輪および外輪間に介在する複数の転動体と、この転動体の周囲にウレア系グリースを封止するためのシール部材を内輪および外輪の軸方向両端開口部に設けてなり、このグリースを封止するためのシール部材は、少なくとも該グリースに接触するゴム成形体を有し、該ゴム成形体がテトラフルオロエチレンと、プロピレンと、水素原子の一部がフッ素原子で置換された炭素数２〜４の不飽和炭化水素からなる架橋用単量体とを含む共重合体からなる加硫可能なフッ素ゴム組成物の成形体である。
【選択図】図１

Description

本発明はオルタネータ用転がり軸受に関し、特に高温下で使用されるオルタネータ用転がり軸受に関する。

小型軽量化を目的としたＦＦ（フロントエンジン・フロント駆動）車の普及により、またさらに居住空間の拡大により、自動車はエンジンルームの縮小を余儀なくされつつある。このため、自動車用電装部品は小型軽量化が一層進められるとともに、高性能、高出力のものがますます求められている。
自動車用電装部品のオルタネータの一例を図３に示す。オルタネータは、静止部材であるハウジングを形成する一対のフレーム９ａ、９ｂに、ロータ１０を装着されたロータ回転軸１１が、一対の玉軸受１で回転自在に支持されている。ロータ１０にはロータコイル１２が取り付けられ、ロータ１０の外周に配置されたステータ１３には、１２０°の位相で３巻のステータコイル１４が取り付けられている。
ロータ回転軸１１は、その先端に取り付けられたプーリ１５にベルト（図示省略）で伝達される回転トルクで回転駆動されている。プーリ１５は片持ち状態でロータ回転軸１１に取り付けられており、ロータ回転軸１１の高速回転に伴って振動も発生するため、特にプーリ１５側を支持する玉軸受１は、苛酷な負荷を受ける。
また、自動車用オルタネータは、エンジンの回転をベルトで受けて発電し、車両の電気負荷に電力を供給するとともに、バッテリーを充電する機能を有する。このためオルタネータ用転がり軸受は、１８０℃以上の高温下で、回転数１００００ｒｐｍ以上の高速回転という極めて過酷な環境に耐えられる耐熱性、グリースシール性、耐久性が要求される。
転がり軸受の潤滑には主としてウレア系グリースが使用されている。また、さらに温度条件が厳しい場合はフッ素グリースが使用されるが、フッ素グリースはきわめて高価なため、これと同等の性能をより経済的に実現する方法として本発明者等は不特定のウレア系グリースとフッ素グリースを混合したものを特願２００２−１００５５６で提案した。

一方、このような温度条件などが厳しい用途では転がり軸受用シール部材にも耐熱性が求められる。シール部材の弾性体として従来はアクリルゴムが使用されていたが、アクリルゴムでは耐熱性が十分でないためにフッ素ゴムを使用するケースが増えてきている。
従来使用されているフッ素ゴムとしては、フッ化ビニリデンとヘキサフルオロプロピレンの２元共重合体（ＶＤＦ−ＨＦＰ）や、これにテトラフルオロエチレンを加えた３元共重合体（ＶＤＦ−ＨＦＰ−ＴＦＥ）、いわゆるＦＫＭが一般的である。これらのフッ素ゴムはフッ素グリースを組み合わせて使用すると十分な耐久性が得られる。
しかし、フッ素ゴムとウレア系グリースとの組み合わせでは、ウレア化合物によりフッ素ゴムの架橋が進行し硬化するという問題がある。
これに対し、フッ素ゴムとしてフッ化ビニリデン−テトラフルオロエチレン−プロピレンの３元共重合体、またはテトラフルオロエチレン−プロピレン２元共重合体を採用することにより、ウレア系グリースとの組み合わせにおいて、転がり軸受の耐久性を向上させる方法が提案されている（特許文献１参照）。

しかしながら、上記のフッ素ゴムを使用しても、フッ素ゴムの経時劣化を抑えることが困難であるという問題がある。
シール部材に用いられているゴム弾性体が硬化するとシール性が悪化するため、グリースの漏洩が発生し、軸受寿命が短くなる問題を生ずる。また、シール面での接触圧力が高くなり、軸受の回転トルクが大きくなったり、それにより摩擦発熱し、グリースの劣化がいっそう進むことになる。
特開２００１−６５５７８号公報

解決しようとする課題は、ウレア化合物を含有するグリースを封入したオルタネータ用転がり軸受が高温で使用される結果、シール部材の劣化により、良好な密封性を長く維持したり、優れた信頼性や耐久性を維持したりすることができないという点である。

本発明のオルタネータ用転がり軸受は、一端にプーリが取り付けられてエンジン出力で回転駆動されるロータ回転軸を静止部材に回転自在に支持するオルタネータ用転がり軸受であって、上記転がり軸受は、内輪および外輪と、この内輪および外輪間に介在する複数の転動体と、この転動体の周囲にグリースを封止するためのシール部材を内輪および外輪の軸方向両端開口部に設けてなり、上記グリースはウレア化合物を含有するグリースであり、このグリースを封止するためのシール部材は、少なくとも該グリースに接触するゴム成形体を有し、該ゴム成形体がテトラフルオロエチレンと、プロピレンと、水素原子の一部がフッ素原子で置換された炭素数２〜４の不飽和炭化水素からなる架橋用単量体とを含む共重合体からなる加硫可能なフッ素ゴム組成物の成形体であることを特徴とする。

また、水素原子の一部がフッ素原子で置換された炭素数２〜４の不飽和炭化水素からなる架橋用単量体がトリフルオロエチレン、３，３，３−トリフルオロプロペン−１、１，２，３，３，３−ペンタフルオロプロペン、１，１，３，３，３−ペンタフルオロプロピレン、２，３，３，３−テトラフルオロプロペンから選ばれた少なくとも一つの単量体であることを特徴とする。
また、テトラフルオロエチレンと、プロピレンと、上記架橋用単量体とを含む共重合体がフッ化ビニリデンを含むことを特徴とする。
また、上記ウレア化合物を含有するグリースがフッ素グリースとウレアグリースとの混合グリースであることを特徴とする。

本発明のオルタネータ用転がり軸受は、テトラフルオロエチレンと、プロピレンと、水素原子の一部がフッ素原子で置換された炭素数２〜４の不飽和炭化水素からなる架橋用単量体とを含む共重合体からなる加硫可能なフッ素ゴム組成物の成形体によりシール部材を形成するので、ウレア化合物を含有するグリースに浸漬されても物性劣化が少なく、またグリースの漏洩を効果的に防止することができる。このため、１８０℃以上の高温下で、回転数１００００ｒｐｍ以上の高速回転という極めて過酷な環境で使用される自動車に用いられるオルタネータ用転がり軸受の耐久性を向上させることができる。

本発明で使用できるフッ素ゴム組成物は、テトラフルオロエチレンと、プロピレンと、水素原子の一部がフッ素原子で置換された炭素数２〜４の不飽和炭化水素からなる架橋用単量体とを含む共重合体からなる加硫可能なフッ素ゴム組成物である。
水素原子の一部がフッ素原子で置換された炭素数２〜４の不飽和炭化水素からなる架橋用単量体としては、トリフルオロエチレン、３、３、３−トリフルオロプロペン−１、１、２、３、３、３−ペンタフルオロプロペン、１、１、３、３、３−ぺンタフルオロプロピレン、２、３、３、３−テトラフルオロプロペンが挙げられる。好ましい架橋用単量体は３、３、３−トリフルオロプロペン−１である。

本発明で使用できる共重合体に第４成分として、フッ化ビニリデン、クロロトリフルオロエチレン、ペルフルオロ（アルキルビニル）エーテル、ペルフルオロ（アルコキシビニル）エーテル、ペルフルオロ（アルコキシアルキルビニル）エーテル、ペルフルオロアルキルアルケニルエーテル、ペルフルオロアルコキシアルケニルエーテル等を配合できる。

フッ素ゴム組成物を構成する共重合体は、共重合体全体に対して、テトラフルオロエチレンが４５〜８０重量％、好ましくは５０〜７８重量％、より好ましくは６５〜７８重量％であり、プロピレンが１０〜４０重量％、好ましくは１２〜３０重量％、より好ましくは１５〜２５重量％であり、架橋用単量体が０．１〜１５重量％、好ましくは２〜１０重量％、より好ましくは３〜６重量％である。
また、フッ化ビニリデンを共重合させる場合は、フッ化ビニリデンが２〜２０重量％、好ましくは１０〜２０重量％である。２０重量％をこえるとウレア化合物ヘの耐性が低下する。

このフッ素ゴムの製造方法は、例えば国際公開番号ＷＯ０２／０９２６８３号公報に開示されており、乳化重合法または懸濁重合法によって製造される。
これらのフッ素ゴムを加硫可能とするため、ポリヒドロキシ（ポリオール）加硫剤、第４アンモニウム塩、第４ホスホニウム塩、第３スルホニウム塩などから選ばれる加硫促進剤、水酸化カルシウムや酸化マグネシウム等の受酸剤、カーボンブラック、クレー、硫酸バリウム、炭酸カルシウム、珪酸マグネシウムなどの充填剤、オクタデシルアミン、ワックスなどの加工助剤、熱老化防止剤、顔料などが配合できる。例えば、それぞれの配合量は、共重合体を１００重量部として、加硫剤が０．１〜２０重量部、好ましくは０．５〜３重量部、加硫促進剤が０．１〜２０重量部、好ましくは０．５〜３重量部、受酸剤が１〜３０重量部、好ましくは１〜７重量部、充填剤が５〜１００重量部、加工助剤が０．１〜２０重量部である。

また、これらに追加して有機パーオキサイド化合物などの第２の加硫剤を０．７〜７重量部、好ましくは１〜３重量部添加して使用することもできる。さらに、ウレア化合物への耐性やシール性を損なわない範囲で、一般のゴム組成物に配合されるような充填剤、添加剤を適宜使用することができる。
これらの組成物を混合、または成形する方法は一般のゴム加工に用いるプロセスを採用することができ、オープンロール、バンバリーミキサー、ニーダ、各種密封式ミキサーなどにより混練した後、プレス成形（プレス加硫）、押し出し成形、、射出成形などに供すればよい。また、特性を向上させるため、成形後には２次加硫を行なうことが好ましく、これはオーブン中で十分加熱（例えば２００℃、２４時間）することにより行なう。

一端にプーリが取り付けられてエンジン出力で回転駆動されるロータ回転軸を静止部材に回転自在に支持するオルタネータ用転がり軸受の一例を図１に示す。図１はグリースが封入された深溝玉軸受の断面図である。
深溝玉軸受１は、外周面に内輪転走面２ａを有する内輪２と内周面に外輪転走面３ａを有する外輪３とが同心に配置され、内輪転走面２ａと外輪転走面３ａとの間に複数個の転動体４が配置される。この複数個の転動体４を保持する保持器５および外輪３等に固定されるシール部材６が内輪２および外輪３の軸方向両端開口部８ａ、８ｂにそれぞれ設けられている。少なくとも転動体４の周囲にグリース７が封入される。

シール部材６はゴム成形体単独でもよく、あるいはゴム成形体と金属板、プラスチック板、セラミック板等との複合体であってもよい。耐久性、固着の容易さからゴム成形体と金属板との複合体が好ましい。
ゴム成形体と金属板との複合体からなるシール部材６の一例を図２に示す。シール部材６は鋼板などの金属板６ａにフッ素ゴム成形体６ｂを固着して得られる。固着方法としては、機械的固着、化学的固着のいずれも方法であってもよい。好ましい固着方法としては、フッ素ゴム成形体を加硫時に、加硫型内に金属板を配置し、成形および加硫を同時に行ない固着する方法が挙げられる。

シール部材６の装着方法としては、（１）シール部材６の一端６ｃを外輪３に固定し、他端６ｄは内輪２のシール面のＶ溝に沿ってラビリンス隙間を形成する、（２）シール部材６の一端６ｃを外輪３に固定し、他端６ｄは内輪２のシール面のＶ溝側面に接触させる、（３）シール部材６の一端６ｃを外輪３に固定し、他端６ｄは内輪２のシール面のＶ溝側面に接触させるが、接触するリップ部に吸着防止のスリットなどを設けて低トルク構造とするなどがある。
上記いずれの装着方法においても、封入グリース７がシール部材６を構成するゴム成形体６ｂと接触する。ゴム成形体６ｂは少なくとも封入グリース７と接触する部分が上述したフッ素ゴム成形体で形成される。例えばゴム成形体６ｂを上述した単体のフッ素ゴム成形体としてもよく、グリース７と接触する部分に上述したフッ素ゴム成形体を背面に従来のゴム成形体を積層した積層体としてもよい。

上記オルタネータ用転がり軸受には、ウレア化合物を含有するウレア系グリースが封入される。
ウレア系グリースの基油には、パラフィン系鉱油やナフテン系鉱油等の鉱油類、ポリ−α−オレフィン油（ＰＡＯ）などの合成炭化水素油類、ジアルキルジフェニルエーテル油、アルキルトリフェニルエーテル油、アルキルテトラフェニルエーテル油等のエーテル油類、ジエステル油、ポリオールエステル油またはこれらの、コンプレックスエステル油、芳香族エステル油、炭酸エステル油等のエステル油類等を単独で、あるいは相互に混合して使用できる。
これらの中で、高温、高速での潤滑性能並びに潤滑寿命を考慮すると、アルキルジフェニルエーテル油、エステル油、ポリ−α−オレフィン油（ＰＡＯ）等が好ましい。

増ちょう剤として配合されるウレア化合物は分子中にウレア結合（−ＮＨＣＯＮＨ−）を含むものでありジウレア、トリウレア、テトラウレア、ウレアウレタン等が挙げられる。好ましいウレア化合物はウレア結合を分子内に２個有するジウレアであり、以下の化１で示される。Ｒ₂は炭素数６〜１５の２価の芳香族炭化水素基であり、具体的には以下の化２で示される。

また、Ｒ₁およびＲ₃は、脂肪族基、脂環族基または芳香族基をそれぞれ表す。特に、Ｒ₁およびＲ₃が脂肪族基である脂肪族ジウレアを増ちょう剤とするウレア系グリースがフッ素グリースとの混合には容易に混合するので好ましい。なお、ウレア化合物の製造方法の一例としては、ジイソシアナート化合物にイソシアナート基当量のアミン化合物を反応させて得られる。

ウレア系グリースは、該グリース全体量に対して、基油を９５〜７０重量％、ウレア化合物を５〜３０重量％配合することが好ましい。この範囲の配合とすることにより、軸受封入グリースとしてグリース漏れが少なく、長時間潤滑性の良好なちょう度に調整できる。

また、使用温度条件が厳しい場合には、上記のウレア化合物を増ちょう剤とするグリースにフッ素グリースを配合して用いることができる。
フッ素グリースは、ポリテトラフルオロエチレンを増ちょう剤とし、パーフルオロポリエーテル（ＰＦＰＥ）を基油としたものが好ましい例である。
フッ素グリースは、該グリース全体量に対して、パーフルオロポリエーテル油を５０〜９０重量％、フッ素樹脂粒子を１０〜５０重量％配合することが好ましい。この範囲の配合とすることにより、軸受封入グリースとして洩れが少なく、長時間トルクを下げられる好ましいちょう度に調整できる。

ウレアグリースとフッ素グリースとの混合グリースにおける混合比（重量比）は、ウレア系グリース：フッ素グリースが３０：７０〜７５：２５の範囲が好ましい。フッ素グリースと組み合わせる場合の、ウレア系グリースのもっとも好ましい成分は、増ちょう剤が脂肪族ジウレア、基油がエステル油、フッ素グリースは増ちょう剤がＰＴＦＥ、基油がＰＦＰＥのものである。

各シール材例および実施例、比較例の評価に用いたウレア系グリースおよび混合グリースを以下に示す。
（１）ウレア系グリース
クリューバ社製：アソニックＨＱ７２−１０２（増ちょう剤：脂肪族ジウレア、基油：芳香族ポリエステル油、４０℃における動粘度１００mm²/s ）
（２）混合グリース
グリース全体に対して、パーフルオロポリエーテル油（デュポン社製商品名、クライトックス２４０ＡＣ）６７重量％に、フッ素樹脂粉（デュポン社製商品名、バイダックス）３３重量％を加え撹拌した後、ロールミルに通し、「増ちょう剤にＰＴＦＥ粉、基油にＰＦＰＥを用いたグリース」である半固形状のフッ素グリースを得た。
次にグリース全体に対して、芳香族エステル油（旭電化工業社製商品名、プルーバーＴ９０）８８重量％の半量に１モルのジイソシアネートを溶かし、残りの半量に２モルのモノアミンを溶かして上記半量の基油に撹拌しながら加えた後、１００〜１２０℃で３０分間撹拌を続けて反応させ、ウレア化合物（Ｒ₁およびＲ₃が脂肪族基、Ｒ₂がジフェニルメタン基である脂肪族ジウレア）１２重量％を基油に析出した。その後、ロールミルに通し「増ちょう剤にウレア化合物、基油に合成油を用いたグリース」である半固形状のウレア系グリースを得た。
上記フッ素グリースを４０重量％、ウレア系グリースを５９重量％、鉱油をベースにしたアミン系防錆添加剤を１重量％混合撹袢し、フッ素グリースとウレア系グリースの混合グリースを得た。

各シール材例および実施例、比較例に用いたゴム組成物を以下に示す。
表１に示す配合組成でロール温度５０℃にてオープンロールを用いて混練することにより、未加硫ゴム組成物を得た。表１に用いた各材料を以下に示す。
（１）フッ素ゴム１：デュポン・ダウ・エラストマー社製；ＶＴＲ８８０２（加硫剤配合済）
（２）フッ素ゴム２：旭硝子社製；アフラス１５０
（３）フッ素ゴム３：デュポン・ダウ・エラストマー社製；Ａ３２Ｊ
（４）アクリルゴム：日本ゼオン社製；ＡＲ７１
（５）酸化マグネシウム：協和化学工業社製；キョウワマグ１５０
（６）水酸化カルシウム：近江化学工業社製；カルビット
（７）カーボン１：エンジニアード社製；Ｎ９９０
（８）共架橋剤：日本化成社製；ＴＡＩＣ
（９）加硫剤：化薬アクゾ社製；パーカドックス１４
（１０）カーボン２：東海カーボン社製；シースト３
（１１）硫黄：鶴見化学工業社製；サルファックスＰＭＣ
（１２）老化防止剤：大内新興化学社製；ノクラックＣＤ
（１３）ステアリン酸ナトリウム：花王社製；ＮＳソープ
（１４）ステアリン酸カリウム：日本油脂社製；ノンサールＳＫ−１

シール材例１〜シール材例４、比較シール材例１〜比較シール材例８
上記未加硫ゴム組成物を用いて加硫プレス機にて加硫成形物を得た。金型実温度は１７０℃、加硫時間は１次加硫として１７０℃で１２分間で加硫した。次いで恒温槽内で２次加硫を行なった。２次加硫条件は、配合例１〜３が２００℃で２４時間、配合例４が１７０℃で4時間である。
得られた加硫成形物をＪＩＳＫ６２５１３号試験片の形状に打ち抜き試験片を作製した。試験片を上記ウレア系グリースおよび上記混合グリースに（１７０℃または２００℃）×１０００時間の条件で埋め込み浸漬して、浸漬前後の物性値を測定した。測定した物性値は硬度、引張り強度、引張り伸び、体積を測定し、浸漬前の物性値に対する硬度変化、引張り強度変化率、引張り伸び変化率、体積変化率をそれぞれ評価した。測定条件はＪＩＳＫ６２５１Ｋ、ＪＩＳＫ６２５３Ｋ、ＪＩＳＫ６２５８に準じた。結果を表２〜４に示す。なお、表３および表４において＊印は測定不能を表す。

シール材例１〜シール材例４は、高温条件下、長時間の浸漬でも劣化が軽微であり、ウレアグリースおよび混合グリースに対して優れた耐性を有していた。
比較シール材例２、３、６、７は、ウレア化合物を含有するグリースに浸漬された場合の物性劣化が著しい。また、比較シール材例１、４、５、８は１７０℃の低温条件でのグリース浸漬や、高温条件で短時間（７２時間程度）の浸漬では物性変化は比較的小さいが、２００℃で長時間の浸漬では大きな物性低下がみられた。

実施例１
配合例１の未加硫ゴム組成物を鉄板製心金に成形し、６２０４軸受（内径：２０ｍｍ、外径：４７ｍｍ、幅：１４ｍｍ）用の非接触型ゴムシール（図２）を得た。これを石油ベンジンでよく洗浄した軸受に組み込むとともに、軸受内部にフッ素グリースとウレア系グリースの混合物を封入して試験用軸受を作製した。得られたオルタネータ用転がり軸受を高温耐久試験にて評価した。結果を表５に示す。
高温耐久試験は、図３に例示するオルタネータにおけるプーリ１５側の転がり軸受１を使用し、プーリ荷重３．２ｋＮ（軸受荷重約４．５ｋＮ）、回転数１８０００ｒｐｍ、室温にてオルタネータを運転し、軸受内グリースが劣化したことによって軸受の回転トルクが過大になり、このオルタネータを駆動しているモータ負荷が上昇するか、または軸受１の外輪近傍に取り付けた振動ピックアップで検知される振動が上昇するまでの時間を測定した。なお、試験時間は２０００時間を上限とした。

比較例１および比較例２
配合例２および配合例３を使用して、実施例１と同じように比較例１および２の試験用軸受を作製した。実施例１と同様の高温耐久試験を実施し、結果を表５に示す。

実施例１では２０００時間の運転が可能であり、試験後のシールも目視でクラックはみられなかった。
一方、比較例１および比較例２は実施例１に比べ、短時間で焼きつきが生じた。運転中のグリースの漏洩が短寿命の主な原因と思われる。なお、比較例１および２の試験後のシールの接触部には多数のクラックがみられた。

本発明は、優れた耐ウレア系グリース性を有するので、高温下で使用されるオルタネータ用転がり軸受に適用できる。

オルタネータ用転がり軸受の断面図である。オルタネータ用転がり軸受シール部材オルタネータの構造の断面図である。

符号の説明

１深溝玉軸受
２内輪
３外輪
４転動体
５保持器
６シール部材
７グリース

Claims

一端にプーリが取り付けられてエンジン出力で回転駆動されるロータ回転軸を静止部材に回転自在に支持するオルタネータ用転がり軸受であって、
前記転がり軸受は、内輪および外輪と、この内輪および外輪間に介在する複数の転動体と、この転動体の周囲にグリースを封止するためのシール部材を前記内輪および外輪の軸方向両端開口部に設けてなり、
前記グリースは、ウレア化合物を含有するグリースであり、
前記シール部材は、少なくとも前記グリースに接触するゴム成形体を有し、該ゴム成形体がテトラフルオロエチレンと、プロピレンと、水素原子の一部がフッ素原子で置換された炭素数２〜４の不飽和炭化水素からなる架橋用単量体とを含む共重合体からなる加硫可能なフッ素ゴム組成物の成形体であることを特徴とするオルタネータ用転がり軸受。
前記架橋用単量体がトリフルオロエチレン、３，３，３−トリフルオロプロペン−１、１，２，３，３，３−ペンタフルオロプロペン、１，１，３，３，３−ペンタフルオロプロピレン、２，３，３，３−テトラフルオロプロペンから選ばれた少なくとも一つの単量体であることを特徴とする請求項１記載のオルタネータ用転がり軸受。
前記共重合体がフッ化ビニリデンを含むことを特徴とする請求項１または請求項２記載のオルタネータ用転がり軸受。
前記ウレア化合物を含有するグリースがフッ素グリースとウレアグリースとの混合グリースであることを特徴とする請求項１、請求項２または請求項３記載のオルタネータ用転がり軸受。