JP2008232178A - 自動車駆動モータ用玉軸受及び駆動モータ - Google Patents

Abstract

【課題】モータ軸の高速回転時における軸受のラジアル剛性の低下を防ぎ、アンバランス振動や機械構造との共振が発生するのを防止することができる、簡単な構成の自動車駆動モータ用玉軸受及び駆動モータを提供すること。
【解決手段】軸受用鋼より成る内輪１と外輪２との間に、複数の玉３を転動自在に介在させた自動車駆動モータ用玉軸受８，９であって、玉３はセラミックスから成っており、予圧が負荷されていて、初期接触角αｘは、５°以上２５°以下で、モータ軸４の回転中における外輪２の接触角αｏは初期接触角αｘより小さく、内輪１の接触角αｉは初期接触角αｘより大きくする。
【選択図】図１

Description

本発明は、ハイブリッド自動車や電気自動車等において、トランスミッション内部に配備され、駆動力を車輪に伝達する駆動モータ、及びこの駆動モータの軸を支持するための駆動モータ用玉軸受に関する。

ハイブリッド自動車のトランスミッション部に用いられる駆動モータは、例えば、特許文献１に示されるような構成を有している。

この駆動モータは、配置スペースが制約されることから、よりコンパクトであることが求められるが、モータの大きさは、発生するトルクに比例するので、要求に応じてコンパクト化されたモータでは大きなトルクを発生することができないという矛盾がある。

そこで、特許文献２に開示されているように、モータの回転速度を高くして、歯車等の減速機を用いることにより、トルクを増大させるという方法でモータの小型化が図られている。

しかし、モータが高速で回転すると、発生する音や振動が大きくなり、ロータ(回転体)のアンバランス等による加振周波数が高くなってくる。このため、これまで問題とならなかった、軸、軸受、歯車系等の機械構造との共振という新たな問題が生じてくる。

例えば、一般乗用車の場合、エンジンの回転速度は6,000rpm程度であるが、近年のモータは14,000rpm程度で回転する。このアンバランス振動に対して、モータ軸を支持する軸受のラジアル剛性も大きくする必要がある。機械構造の固有振動数Ｆ[Hz]は、１自由度系であれば、Ｋを剛性[N/m]、Ｍを質量[kg]とすると、一般に、以下のような式で表すことができる。

したがって、剛性Ｋを大きく設定することによって固有振動数Ｆを大きくすることができることから、高速回転するモータ軸を支持する駆動モータ用玉軸受には、剛性を確保するために予圧を与える等の工夫が必要になってくる。

また、ハイブリッド車の駆動モータにおいて、種々の回転速度制御を行うためにインバータからの交流で駆動させる場合、特に、インバータのキャリア周波数を高く設定して駆動させる場合、モータのロータ側に発生する電圧が大きくなって、ステータ側との間に大きな電位差が生じる。これに伴って、玉軸受の内輪と外輪との間にも大きな電位差が生じて、内輪と外輪の軌道面と玉とに電食と呼ばれる腐食が生じて、玉軸受の耐久性が低下するという問題点があった。

この問題の対策として、特許文献３では、軸受の玉にセラミックスを用いることにより、電食による摩耗を防止し、軸受の耐久性を向上させる技術が開示されている。
特開平１１−２４０３４６号公報 特開２００３−２９９３１７号公報 特開２００３−３２９０４５号公報

しかしながら、従来の駆動モータ用玉軸受においては、図２に示すように、外輪２に矢印Ｅ方向の予圧を与えた状態で、モータ軸が高速回転する時には、玉３が公転による遠心力(矢印Ｆ方向)を受けて、内輪１側の接触角αｉが、外輪２側の接触角αｏより大きくなり、ラジアル方向の剛性が低下するという問題点があった。

そこで、本発明は、上述した従来の不具合を解消して、モータ軸の高速回転時における軸受のラジアル剛性の低下を防ぎ、アンバランス振動や機械構造との共振が発生するのを防止することができる、簡単な構成の自動車駆動モータ用玉軸受及び駆動モータを提供することを課題としている。

上記課題を達成するために、本発明では、自動車に用いられる駆動モータのモータ軸を支持するために、軸受用鋼より成る内輪と外輪との間に、複数の玉を転動自在に介在させた自動車駆動モータ用玉軸受において、前記玉はセラミックスから成っており、予圧が負荷されていて、初期接触角は、５°以上２５°以下で、前記モータ軸の回転中における前記外輪の接触角は前記初期接触角より小さく、前記内輪の接触角は前記初期接触角より大きいことを特徴としている。

また、当該玉軸受は、前記モータ軸の回転速度が、10,000min^-1以上の時に使用することが好ましい。

以上のように、玉をセラミックス製とし、玉軸受の初期接触角を５°以上２５°以下の範囲に設定することにより、遠心力が低減することになるので、モータ軸の回転速度が、例えば10,000min^-1以上の高速回転の領域でも、軸受のラジアル剛性の低下を防止することができ、モータのアンバランス振動や機械構造との共振、及びそれに伴う騒音や機械の破損を防止することができる。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。
図１は、本発明の実施形態に係るハイブリッド自動車の駆動装置を示す軸方向断面図である。

図３は、本発明の実施形態の駆動モータ用玉軸受における回転速度とラジアル剛性との関係を示す特性線図である。図４は、本発明の実施形態の駆動モータ用玉軸受における初期接触角とラジアル剛性との関係を示す特性線図である。

図１に示すように、駆動モータ１０は、出力軸４に外嵌・固定されたロータ５、このロータ５の周囲に配設されたステータ６、このステータ６に巻装されたコイル７等から成っている。出力軸４の前端及び後端は、玉軸受８及び９によって、ケーシング１１に各々回転自在に支持されている。コイル７は図示しない電源装置及びバッテリに接続されており、このバッテリから電流が供給されて出力軸４が回転するようになっている。

出力軸４の前端の近傍にギヤ１２が固定され、このギヤ１２と、カウントシャフト１４に外嵌・固定された第２のギヤ１３とが噛み合っている。したがって、モータ１０によって発生した回転力は出力軸４、ギヤ１２、第２のギヤ１３を介してカウンタシャフト１４に伝達される。このカウンタシャフト１４の前端近傍には、当該シャフト１４と一体的に第３のギヤ１５が形成され、この第３のギヤ１５にディファレンシャル装置１６が固定されている。

本発明は、図１に示したような駆動モータ１０に用いられる玉軸受８，９及び、当該駆動モータに関するものである。

駆動モータ用玉軸受の構成は図２に示したものと同様であり、内輪１の軌道面１ａと外輪２の軌道面２ａとの間に、複数の玉３を転動自在に介在させたものである。

この玉３はセラミックスから成っており、その材料としては、Si₃N₄、Al₂O₃、SiC、ZrO₂等を使用することができる。強度と転動性能を考慮するとSi₃N₄が望ましい。

内輪１及び外輪２の材料には、軸受用鋼を用いる。この軸受用鋼として、高炭素クロム軸受鋼(SUJ2等)を焼入れ処理したもの、肌焼き鋼(SCr420、SCM420等)を浸炭焼入れ処理したもの、あるいは浸炭窒化処理した材料を使用することができる。又、高温における錆を防止し、耐食性を高めるために、マルテンサイトステンレス鋼(SUS440C、SUS420C等)、ステンレス鋼に表面窒化したもの、耐熱・耐食合金(M50、SKH4等)を使用することができる。

この構成のモータ駆動用玉軸受において、玉３の径4.762ｍｍ、内輪１の軌道面１ａの曲率半径比５２％、外輪２の軌道面２ａの曲率半径比５２％、ＰＣＤ38.5ｍｍ、玉数１８個、初期接触角２５°(後述する)、予圧200Nという条件で、玉３の材料を軸受鋼(SUJ2)とした場合と、セラミックス(Si₃N₄)とした場合の、モータ軸の回転速度[min^-1]に対するラジアル剛性[N/μm]の変化を図３に示している。同図において、実線は軸受鋼、破線はセラミックスをそれぞれ示している。
玉３が軸受鋼の場合は、回転速度が上がると共に、ラジアル剛性が低下していくが、セラミックスの場合はそれが抑えられていることが分かる。

セラミックスを用いた場合、回転速度が矢印Ａで示す10,000min^-1以上の領域で、ラジアル剛性が軸受鋼の場合程は低下しないという効果が表れているが、特に、回転速度が矢印Ｂで示す15,000min^-1以上の領域で効果的であることが分かる。

このような結果が得られたのは、内外輪軌道面１ａ，２ａと玉３との接触において、内外輪１，２を形成している軸受用鋼とセラミックスでは、その弾性定数に差があることや、セラミックスの方が密度が小さいこと等から、遠心力が低減したことが原因と考えられる。

また、上記条件で、初期接触角[deg]の変化に対するラジアル剛性[N/μm]を算出したものを図４に示している。軸の回転速度は20,000min^-1で実施した。

外輪軌道面２ａの曲率半径をＲｅ、内輪軌道面１ａの曲率半径をＲｉ、玉径をＤｗ、ラジアル隙間をＣｒとすると、初期接触角αｘ[deg]は、次の式で表される。
αｘ＝ｃｏｓ^−１（(Ｒｅ＋Ｒｉ−Ｄｗ−０．５Ｃｒ)／(Ｒｅ＋Ｒｉ−Ｄｗ)）

図４に示されているように、初期接触角αｘが大きくなるにしたがってラジアル剛性が低下していくので、ラジアル剛性を確保するためには初期接触角αｘを小さく設定する必要がある。

図２において、軸の回転速度が10,000min^-1以上の高速回転になると、矢印Ｆで示す遠心力により、外輪２の接触角αｏが初期接触角αｘより小さくなる（αｏ＜αｘ）と共に、内輪１の接触角αｉは初期接触角αｘより大きくなる（αｉ＞αｘ）。

この場合、内輪１の接触角αｉが大きくなることにより軸受のラジアル剛性が低下するので、（αｉ＞αｘ）の関係において、αｉ−αｘ＝Ｃｏ、で表されるＣｏが略定数として維持されるとすると、上記の如く、初期接触角αｘを小さくすることが、内輪１の接触角αｉを小さく抑えることにつながってくることが分かる。

したがって、図４に示されるように、必要なラジアル剛性を確保するためには、初期接触角αｘを、矢印Ｃで示すように、５°以上、２５°以下に設定する（５°＜αｘ＜２５°）ことが好ましい。ここで、５°以上としたのは、５°以下にすると予圧Ｅ(図２参照)が小さくなり過ぎて回転に影響を及ぼすためである。さらに、より望ましくは、矢印Ｄで示すように、１０°以上、２０°以下（１０°＜αｘ＜２０°）に設定する。

以上のように、玉３をセラミックス製とすることにより、玉３の質量が低減し、遠心力が低減することになるので、モータ軸の回転速度が10,000min^-1以上の高速回転の領域でも軸受のラジアル剛性の低下を防止することができる。

また、高速回転において、玉軸受８，９の初期接触角αｘを予め上記のように設定しておくことによって、ラジアル剛性の低下を防止することができるので、全体的な効果として、モータのアンバランス振動や機械構造との共振や、それに伴う騒音や機械の破損を防止することができる。

本発明の実施形態に係るハイブリッド自動車の駆動装置を示す軸方向断面図である。 駆動モータ用玉軸受における玉位置の変化を示す模式的説明図である。 本発明の実施形態の駆動モータ用玉軸受における回転速度とラジアル剛性との関係を示す特性線図である。 本発明の実施形態の駆動モータ用玉軸受における初期接触角とラジアル剛性との関係を示す特性線図である。

符号の説明

１ 内輪
１ａ 内輪軌道面
２ 外輪
２ａ 外輪軌道面
３ 玉
８，９ 玉軸受
１０ 駆動モータ
αｏ 外輪の接触角
αｉ 内輪の接触角
αｘ 初期接触角

Claims (3)

1. 自動車に用いられる駆動モータのモータ軸を支持するために、軸受用鋼より成る内輪と外輪との間に、複数の玉を転動自在に介在させた構成の自動車駆動モータ用玉軸受において、
   前記玉はセラミックスから成っており、予圧が負荷されていて、初期接触角は、５°以上２５°以下で、前記モータ軸の回転中における前記外輪の接触角は前記初期接触角より小さく、前記内輪の接触角は前記初期接触角より大きくなることを特徴とする自動車駆動モータ用玉軸受。
2. 前記モータ軸の回転速度が、10,000min^-1以上の時に使用することを特徴とする自動車駆動モータ用玉軸受。
3. 請求項１又は２記載の自動車駆動モータ用玉軸受が、前記モータ軸の両端部を支持する形で組み込まれたことを特徴とする駆動モータ。

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