JP2006258258A - 車両用補機の軸受け装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 転がり軸受けにおける脆性剥離の構造。
【解決手段】 軸受けが早期に脆性剥離するメカニズムはボールの内外輪への衝突によるものと考えられる。そこでボールがフリー状態になることを防止するために、軸受けの内輪、外輪、ボールを磁化することにより、各々を磁力により離れなくすることによりボールの衝突を防止する。
【選択図】 図３

Description

本発明は、例えば乗用車、トラックなどに搭載されるベルト駆動される補機に使用される軸受け装置に関する。

最近、自動車用エンジン用のオルタネータ、エアコン、アイドラプーリ等補機部品のころがり軸受けは、振動、温度などのきびしい条件下で使用されるようになってきており新しい形態の組織変化を伴う剥離が顕在化してきた。この剥離は外輪、内輪、ボール（またはローラ）いずれの部位でも発生し、その特徴は従来の一般的な転がり疲労寿命とは異なり、いったん発生するとごく短時間（従来比で１／１００〜１／１０００くらい）で剥離する現象である。

この剥離現象は振動の大きい、温度が高いといったストレスが大きな車両で発生するわけでもなく、何が原因であるのかも特定できない状況であった。そのため明確な科学的根拠のない応急処置で対応している状態で、本格的な対策を打てていないのが実情であった。

特に補機の中でも増速比が最も大きく、回転体のイナーシャ自体も大きいオルタネータでは増速比の２乗を乗じた等価イナーシャはもっともおおきく、そのためか信頼性試験等において、上記の剥離不具合発生頻度が最も大きかった。また、ベルト張力が大きく設定されるポリＶベルトやベルト緩みを防止するオートテンショナ付のベルトシステムに搭載される補機でも発生頻度が高い傾向があった。

これらに対し、不具合品のグリスから水素が多く検出されることより、グリスの変性による水素が原因で、水素が外輪やボール等の金属に浸入し、水素脆性により剥離が発生するという説がある（例えば非特許文献１、非特許文献２及び特許文献１参照）。

この理屈に基づき、防止策として軌道輪に電気絶縁膜を形成させることを目的として、添加剤を混入したグリスが提案された。このグリス改良により結果として不具合は一応の低減が見られた。ところが、不具合は完全には消えていない。また、絶縁膜が出来ていながら不具合が発生する矛盾も発生していた。また、不具合発生品では剥離面に塑性変形の形跡が見られるなどの事実もあり、ここでもメカニズム上の矛盾があった。

したがって、事実としてグリスが剥離に影響があることはわかっていたが水素説はメカニズムに矛盾が多数見られたため、絶縁膜の生成を目的としてグリスを開発しても徒労に終わることが予想された。即ち、グリスの何の特性を向上すれば剥離が防止できるのか、また具体的な数値ではいくらであるべきかの閾値がわからないため、開発の方向も見出すことができない状態であった。
梅本実、「鉄鋼材料の強加工によるナノ結晶化と軸受鋼の白色組織」山陽特殊製鋼技報 第１１巻第１号、山陽特殊製鋼（株）、２００４年６月、ｐ．１３−２７） Ｋ．Ｔａｍａｄａ、Ｈ．Ｔａｎａｋａ、「Ｏｃｃｕｒｒｅｎｃｅ ｏｆ ｂｒｉｔｔｌｅ ｆｌａｋｉｎｇ ｏｎ ｂｅａｒｉｎｇｓ ｕｓｅｄ ｆｏｒ ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ ａｎｄ ａｕｘｉｌｉａｒｙ ｄｅｖｉｃｅｓ」、Ｗｅａｒ１９９（１９９６）２４５−２５２ 特開２００２−２２７８５４号公報

これに対し発明者らは、図９に示すような単純な繰り返し回転変動を印加する回転変動試験で剥離不良が再現することを見出した。その条件は実際の４気筒エンジンをシミュレートすべくモータを制御して回転数の２倍の次数（エンジンの爆発の次数相当）で平均回転変動率２％の回転リップルを加えて行った（これは実際のエンジンのこの回転数ではごくありふれた変動率である。アイドリング近辺では３０％以上も変動する）。回転数パターンなどの条件を図１０に示した。ベルトテンションは一般車両の平均値（３００〜５００Ｎ）に設定した。

その結果、ボールが剥離する不具合を再現させた。また、注目すべき点として剥離発生直後の不具合品の特徴として、図１１に示されるように軌道面に圧痕がある点を発見した。再現試験条件では大きな荷重はかかっておらず、本来圧痕は発生し得ない。荷重による応力が降伏応力を超えた場合に圧痕（塑性変形）は発生するが、当接面に摩擦力が生じた場合（潤滑不良時）は、更に小さい応力で圧痕が発生する。したがって発明者らは、大きな荷重ではなく、何らかの条件により潤滑不良が発生して圧痕に至ったと推定した。弾性流体潤滑（ＥＨＬ）理論では、回転でグリスを巻き込むことにより油膜が生成される。したがって、図１２に示されるように、回転速度に大きく依存する。一般には、使用回転域で油膜が確保され、潤滑があるため圧痕は発生しない。しかし、車両ストレス等の条件により、例えば外輪とボールの相対速度がなくなるような条件で衝突があったと仮定すると巻きこみによる油膜は形成されないため、回転潤滑を想定した基油では潤滑されないことになる。即ち発明者らは、適当な速度成分による衝突が、ＥＨＬ理論（回転潤滑）が成立し得ない条件が車両と回転ストレスとによって発生し、軸受け駆動輪と玉の間の潤滑ができなくなって、圧痕が発生したと推定した。そして、この圧痕を起因として、良好な軸受け機能が損なわれ、剥離に至ったと考えた。そこで、発明者らは車両ストレス等の条件によっても、例えば外輪とボールが衝突しないようにすればよいと考えた。

本案は、ボールと内外輪を磁力の力で接触固定し、前記ボールと内外輪の衝突を防止することにより、軸受けの剥離を発生せず、高信頼の車両用補機ひいては車両用発電機を提供することを目的とする。

従来でも、回転子の界磁巻き線に界磁電流を流すことによりシャフトが磁化されていたが、発電量が少ない時は界磁電流が少なく磁力による固定力が低かった。

上記目的を達成するために、請求項１記載の構成では、エンジンにベルトを介して駆動される車両用補機において、前記補機の回転体の支持に使用される軸受けにおいてシールプレートの芯金を磁石にすることにより、内外輪及びボールを磁化し、ボールが内外輪のいずれかと離れることをより少なくし、よって衝突を防止することを特徴としている。衝突を防止することにより、断熱せん断帯を伴う剥離を防止することができ、高信頼の車両用補機を提供できる。

請求項２記載の構成では、軸受けの外輪固定用リテーナプレートの側面に磁石等の磁性材料を接触固定することにより、外輪及びボールを磁化し、ボールが外輪と離れることをより少なくし、よって衝突を防止することを特徴としている。

請求項３記載の構成では、軸受けの挿入固定用ベアリングボックスの外周面に磁石等の磁性材料を接触固定することにより、外輪及びボールを磁化し、ボールが外輪と離れることをより少なくし、よって衝突を防止することを特徴としている。

請求項４記載の構成では、前記車両用補機はオルタネータ（発電機）であることを特徴とする。オルタネータはロータのイナーシャが大きく、回転時に変動を起こしやすい。耐久試験でも不具合が発生しやすい。そのオルタネータに請求項１の軸受け装置を使用することで、より効果が大きい。

請求項５記載の構成では、一般に前記ベルトシステムはポリＶベルトを使用したことを特徴とする。

請求項６記載の構成では、エンジンにベルトを介して駆動される車両用補機において、前記補機の回転体の支持に使用される軸受けの内外輪とボールを磁性体にすることにより、ボールが内外輪のいずれかと離れることをより少なくし、よって衝突を防止することを特徴としている。

請求項７記載の構成では、エンジンにベルトを介して駆動される車両用補機において、前記補機の回転体の支持に使用される軸受けは、磁性材料からなる内外輪とこれら内外輪内のボールを有し、前記ボールを前記内外輪のいずれか一方に吸引するための磁石を有することにより、ボールが内外輪のいずれかと離れることをより少なくし、よって衝突を防止することを特徴としている。

（実施例１）
図３はこの発明の一実施形態を示したものである。図６に示すように本実施例はエンジンのクランクプーリを含め７軸のサーペンタイン方式のベルト駆動システムである。オルタネータプーリ７はクランクプーリに対し３．３倍で増速されている。本システムのベルトは６溝のポリＶベルトを使用している。また、クランクプーリのベルト緩み側にねじりバネ式のオートテンショナが取り付けられており、緩み側のベルトテンションが一定となるように調整する。本実施例では、４００Ｎで設定されている。ベルトシステムは１本のベルトで多数の補機を駆動するいわゆるサーペンタイン方式であり、クランク、エアコン、オルタネータ、アイドラ、パワステ、ウォータポンプ、オートテンショナの順で駆動されている。

その車両用交流発電機０は、電機子として働く固定子１と界磁として働く回転子２、前記回転子２、回転子１の軸を支持するフロント側軸受け３（今後プーリ側をフロント、反プーリ側をリア側と記載する。）とリア側軸受け３ａ、固定子１を支持するフロント側ハウジング４、リア側ハウジング４ａ，フロント側軸受け３を固定するリテーナプレート５、及びスクリュウ５１、リア側軸受け３ａを挿入固定するリアベアリングボックス４１、前記固定子１に直接接続され、前記リアベアリングボックス４１をリア側ハウジング４ａに打ち込み固定するローレットボルト４２、前記ローレットボルト４２を介してリア側ハウジング４ａに固定され交流電力を直流に変換する整流器６、該整流器６の直流電流をブラシ８、回転子２のスリップリング２ａを介し界磁巻き線２ｂに界磁電流を流すことにより発電電流を発生している。また界磁電流量を増減し発電量を制御する電圧調整器９等から構成されている。

ここで、界磁巻き線２ｂに界磁電流を流すことによりシャフトが磁化されている。

以下、軸受けについて説明する。図１，２はフロント側の軸受け３を示している。フロント側軸受け３とリア側軸受け３ａの構成は同じであるのでフロント側の軸受け３の説明のみとする。フロント側の軸受け３の構成は外輪３１、内輪３２、ボール３３、ボール３３を保持して回転する保持器３４、端部のシールプレート３５、前記シールプレート３５の剛性確保のための芯金３６、内部に充填される潤滑用のグリス等によって構成されている。ここで軸受け３のシールプレート３５の構成部品である芯金３６に磁石等の磁性材料を用いる。

（実施例の作用効果）
図７に示したようにボール３３が速度ｖ₀で固定された内輪３２に内輪軌道輪の半径方向から衝突し球面状のへこみ（塑性変形）を生ずる場合を考える（オルタネータの場合、内輪３２は回転するが、半径方向衝突と見た場合は、内輪はオルタネータのロータ慣性、ベルトを介してエンジン本体の慣性で固定されていると仮定する）。ここで、ボール３３と内輪３２が接触した瞬間のボールの中心を原点にしてボール中心の移動量をとり、衝突物体の質量をｍとする。ここでｍの値はボール３３が単体で衝突するときはボール質量、ボール３３が外輪３１およびオルタネータのハウジングボデーと一体となって内輪３２に衝突するときはそれらの合計の質量が衝突物体の質量である。図８には衝突の途中状態、すなわちボールのへこみ量Ｘ₁、内輪のへこみ量Ｘ₂（したがってトータルのへこみ量はＸとなる）の時の関連する寸法を現している。ｒはボール半径、Ｒ₁、Ｒ₂はそれぞれ内輪の曲率側半径、転送面側半径、ａ、ｂは接触楕円の長半径、短半径、Ｒ_c1、Ｒ_c2はへこみ後の接触部の共通半径でありＲ_c1は側面側の共通半径、Ｒ_c2は正面側の共通半径である。ボール３３と内輪３２の材料硬度がほぼ同じであるから

また幾何学的な関係より（ただしａ＜ｒ、Ｒ₁及びｂ＜ｒ、Ｒ₂より概略計算をした）

となる。（ただし、外輪３１の場合は数式２及び３のＲ₂にマイナスの値を代入すればよい。）
数式２及び３によれば（ａ、ｂで現される）接触楕円と（Ｒ_c1、Ｒ_c2で現される）接触面はへこみ量Ｘにより変化することがわかる。

ここで時々刻々のへこみに量Ｘを求める。内輪の圧こん圧力（文献によりいろいろ呼び名がある。ｅｘ接触圧力、塑性降伏圧力）をｐとすると内輪の復元力はｐπａｂとなる。したがって質量ｍの物体の運動方程式は

となる。

ただし、圧こん圧力ｐはＨｕｔｃｈｉｎｇｓの文献によると流動応力（降伏応力）をＹとすると

である。

ｃ’は定数で球体による圧こんの場合約３である。他の事例ではＴａｂｅｒの研究があり、この論文ではｃ’は材料によらず２．８程度と示している例もある。

ここで数式４に数式２を代入、整理すると

となる。

数式６は単振動を現しているから、初期条件として

にて微分方程式を解くと

ただし

である。

衝突が終了するまでのいわゆる負荷時間ｔ_Pは１／４周期であるから

数式２及び７によればボール３３が内輪３２に衝突してからｔ時間後（０からｔ_Pまでの間）の接触楕円の大きさとへこみ量（球体状のくぼみの大きさ）が計算できる。ｔ_P以降はボールがはねかえってしまうのでひずみは緩和されてしまうのでその状況は割愛する。

外輪３１又は内輪３２とボール３３の衝突で塑性変形、即ち跡痕を起因として剥離が発生する。

そこで図１及び図２における軸受け３のシールプレート３５の構成部品である芯金３６に磁石等の磁性材料を用いることにより、軸受け３の構成部品のうちで外輪３１、内輪３２、及びボール３３を磁化し磁力により前記外輪３１、内輪３２、及びボール３３を各々接触固定され衝突を防止することにより、衝突による大きなせん断ひずみ、せん断ひずみ速度が衝突・被衝突体に加わることがなくなるため、該構成部品の脆性剥離を発生することを防止できる。従来構造においても回転子２の界磁巻き線２ｂに界磁電流を流すことによりシャフト２ｃが磁化されその結果内輪３２のみは磁化されていたが、発電量の大小により界磁巻き線２ｂの起磁力が左右される。特に発電量に少ない時は起磁力も少なく外輪３１、内輪３２、ボール３３の各々の接触固定力が少なく衝突防止が困難であった。

車両のストレスを考慮した場合、上記のベアリング構成部品間の衝突は下記条件で発生しやすく、その条件下で本実施例の軸受けを使用することがより効果的である。

・イナーシャが大きく、増速比が大きな補機
エンジン側より見た等価イナーシャは増速比の２乗倍を乗じた数値となる。等価イナーシャが大きな補機ほどベルトの伸び縮みで不安定な挙動を起こしやすい。オルタネータは増速比が２〜３で他の補機と比較して最も増速比が大きい。したがって、このオルタネータに本軸受けを採用することが補記類の中でも最も効果的である。

・サーペンタイン方式
図６に示すように、１本のベルトで多数の補機を駆動するため、回転不安定となりやすい。また、横振動、縦振動のベルト共振は駆動軸分だけ存在するため、共振と実機回転数が一致する確立が増し、回転と振動のストレスから、軸受け部品間の衝突が発生しやすい。特に５軸以上のサーペンタイン方式では、システムの特性方程式が５次となり理論上の固有値が求められない。したがって更に共振設計が難しいため、思わぬ共振により、不具合が発生しやすい。

・オートテンショナ付エンジンシステム
オートテンショナはベルトの張力を一定とすべく、ベルトを押さえる機能を持つが、過渡的なテンション変動時では、そのバネ力で補機類にベルトを介して衝撃荷重を加えてしまう条件がある。

（その他の実施例）
図３を用いて第２実施例を説明する。本実施例ではフロント側軸受け３を磁化するため、外部の磁性体５を接触固定したものである。具体的には、前記軸受け３を固定スクリュウ５１にて接触固定する鉄でできたプレートリテーナの側面に磁石等の磁性材料５５を接触固定することにより、前記軸受け３を磁化することができる。

図４は第３実施例を示す。本実施例ではリア側軸受け３ａを磁化するため、外部の磁性体を接触固定したものである。具体的には、前記軸受け３ａを挿入固定する鉄でできたベアリングボックス４１の外周面に磁石等の磁性材料４５を接触固定することにより、前記軸受け４を磁化することができる。

図２を用いて第４実施例を説明する。ここで軸受け３の構成部品のうちで外輪３１、内輪３２、ボール３３のいずれかを磁性体とすることにより前記外輪３１、内輪３２、ボール３３が磁化される。

本実施例では、軸受け３のシールプレート３５の構成部品である芯金３６を磁化するか、磁石等の磁性材料を用いることにより、軸受け３の構成部品のうちで外輪３１、内輪３２、及びボール３３各々を磁化することができる。

第１、４実施例の車両用交流発電機の軸受けを示した外観図である。 第１、４実施例の車両用交流発電機の軸受けを示した断面図である。 第１、２実施例の車両用交流発電機の主要部を示した断面図である。 第３実施例の車両用交流発電機の主要部を示した断面図である。 従来例の車両用交流発電機の主要部を示した断面図である。 ベルト駆動システムを表した図である。 ボールが内輪に衝突する状態を表した図である。 図７の衝突部分の拡大図である。 回転変動試験の説明図である。 回転変動試験の回転条件を示した説明図である。 回転変動試験での不具合再現品の軌道輪を示した図である。 ベアリングの回転時のグリス潤滑特性を示す図である。

符号の説明

０ 車両用交流発電機
１ 固定子
２ 回転子
２ａ スリップリング
２ｂ 回転子の励磁巻き線
２ｃ シャフト
３、３ａ 軸受け
３１ 軸受け外輪
３２ 軸受け内輪
３３ ボール
３４ 保持器
３５ シールプレート
３６ 芯金
４、４ａ ハウジング
４１ ベアリングボックス
４２ ローレットボルト
４５、５５ 磁性材料
５ リテーナプレート
５１ リテーナプレート固定用スクリュウ
６ 整流器
７ オルタネータプーリ
８ ブラシ
９ 電圧調整器

Claims (7)

1. エンジンにベルトを介して駆動される車両用補機において、
   前記補機の回転体の支持に使用される軸受けは、シールプレートの芯金を磁石等の磁性材料にしたことを特徴とする車両用補機の軸受け装置。
2. エンジンにベルトを介して駆動される車両用補機において、
   前記補機の回転体の支持に使用される軸受けの外輪固定用リテーナプレートの側面に磁石等の磁性材料を接触固定したことを特徴とする車両用補機の軸受け装置。
3. エンジンにベルトを介して駆動される車両用補機において、
   前記補機の回転体の支持に使用される軸受けにおいて、軸受けの挿入固定用ベアリングボックスの外周面に磁石等の磁性材料を接触固定したことを特徴とする車両用補機の軸受け装置。
4. 請求項１乃至３のいずれかに記載の車両用補機において、
   前記車両用補機はオルタネータ（発電機）であることを特徴とする車両用補機の軸受け装置。
5. 請求項１乃至４のいずれかに記載の車両用補機において、
   前記車両用補機はポリＶベルトによって回転駆動されたことを特徴とする車両用補機の軸受け装置。
6. 請求項１乃至５のいずれかに記載の車両用補機において、
   前記軸受けの内外輪及びボールのいずれかを磁性材料とすることを特徴とする車両用補機の軸受け装置。
7. エンジンにベルトを介して駆動される車両用補機において、
   前記補機の回転体の支持に使用される軸受けは、磁性材料からなる内外輪とこれら内外輪内のボールを有し、前記ボールを前記内外輪のいずれか一方に吸引するための磁石を有することを特徴とする車両用補機の軸受け装置。

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