JP2020106145A - シール付き軸受 - Google Patents

Abstract

【課題】設置対象由来の電磁ノイズを常時低減可能なシール付き軸受を提供することを目的とする。【解決手段】本発明にかかるシール付き軸受（軸受１００）は、内輪１０２および外輪１０４の間にて玉１０６を側方から覆うシール１１０を備えている。シール１１０は、導電性を有する樹脂材料から形成されていて、シール１１０を経由して内輪１０２および外輪１０４を通る回路のインピーダンスは、当該軸受１００の軌道面の油膜パラメータが１．０以上のとき、玉１０６を経由して内輪１０２および外輪１０４を通る回路のインピーダンスより小さいことを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、内外の軌道輪の間にて転動体を側方から覆うシールを備えたシール付き軸受に関する。

近年、ＥＶ車（electric car）やＨＶ車（hybrid car）等の開発の進展もあり、一台の自動車に搭載される高電圧部品の数が増加しつつある。高電圧部品の数が増えると、部品同士の電磁気的干渉も大きくなる。電磁気的干渉は、車載ラジオなどの電子機器に伝搬すると、電磁ノイズとして機器の動作に悪影響を及ぼしかねない。そのため、現在、自動車における電磁ノイズ対策が要望されている。なかでも、本願発明者らによって、自動車の各所に設置される軸受を利用した電磁ノイズの除去が検討されている。

ここで通電可能な軸受として、例えば特許文献１には通電式転がり軸受が開示されている。この通電式転がり軸受は、主に転動体の電食防止を目的として、導電性のシールリング１０ａを備えている。シールリング１０ａは、潤滑油の漏洩や異物の侵入を防ぐ部品であり、シールリップ１４ａの先端部に常温溶融塩が封入されることで導電性が高められている。

特開２００９−２６４４０１

本願発明者らは、上述した軸受による電磁ノイズの除去を検討するにあたって、導電性のシールを採用し、状況の変化に左右されることなく電磁ノイズを逃がすことのできる構成の実現を試みた。例えば、軸受を介しての電気の流れやすさは、転動体と軌道輪との接触面積の大小、すなわち転動体と軌道輪との間の油膜の厚みに左右される。油膜は、停車時や低速走行時などの回転数が小さく荷重の大きい状況では薄くなり、高速走行時などの回転数が大きく荷重の小さい状況では厚くなる。したがって、軸受を経由して電磁ノイズを常時低減させるためには、油膜が厚い状況にも対応する必要がある。

本発明は、このような課題に鑑み、設置対象由来の電磁ノイズを常時低減可能なシール付き軸受を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明にかかるシール付き軸受の代表的な構成は、内外の軌道輪の間にて転動体を側方から覆うシールを備えたシール付き軸受において、シールは、導電性を有する樹脂材料から形成されていて、シールを経由して内外の軌道輪を通る回路のインピーダンスは、当該シール付き軸受の軌道面の油膜パラメータが１．０以上のとき、転動体を経由して内外の軌道輪を通る回路のインピーダンスより小さいことを特徴とする。

油膜パラメータとは、摩擦面間の直接接触の程度を表す尺度であり、値が１．０以上とは油膜に十分な厚みがある状態を表している。上記構成では、油膜が厚いとき、すなわち軌道輪と転動体とがあまり接触していないときでも、シールを利用して内外の軌道輪を通る電気回路を実現することが可能になっている。この構成であれば、走行中や停車中のいずれにおいても、電磁ノイズの低減を常時行うことが可能になる。また、上記構成であれば、導電性のシールを優位に利用して電気回路を構成することで、転動体の電食（電蝕）の発生を抑えることも可能である。

上記の樹脂材料は、ニトリルゴム、アクリルゴム、フッ素ゴム、およびシリコンゴムのうち少なくとも１つを含んでもよい。この構成によって、各材料の有する特性を生かし、例えば耐熱性や耐摩耗性など、設置対象に応じた特性を有するシールを実現することが可能になる。

本発明によれば、設置対象由来の電磁ノイズを常時低減可能なシール付き軸受を提供することが可能となる。

本発明の実施形態にかかるシール付き軸受の概要を示した図である。 油膜パラメータと軸受のインピーダンスとの関係を示すグラフである。 シールのリップ部の概要を示した図である。 本発明にかかる軸受の第１から第３変形例を示した図である。 本発明にかかる軸受の第４から第６変形例を示した図である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値などは、発明の理解を容易とするための例示に過ぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示または説明を省略する。

図１は、本発明の実施形態にかかるシール付き軸受（以下、軸受１００）の概要を示した図である。当該軸受１００は、内輪１０２と外輪１０４との間に転動体として一列の玉１０６および保持器１０８を備えた、単列の深溝玉軸受として具現化されている。軸受１００は、片側に接触型のシール１１０を備えている。シール１１０は、内外の軌道輪の間にて玉１０６を側方から覆っていて、潤滑油の漏洩や異物の侵入防止などを行いつつ、内輪１０２と外輪１０４との間で導電回路も形成している。

シール１１０は、内輪１０２および外輪１０４それぞれのシール溝１１２、１１４に嵌められている。シール１１０は、樹脂材料で形成されていて、耐圧性能や強度、および導電性を補うために中心に芯金１１６を備えている。シール１１０の内輪１０２側にはリップ部１１８が設けられていて、リップ部１１８でシール溝１１２に接触することで異物の侵入防止等を行っている。

当該軸受１００は、例えばＥＶ車の内部機構に利用することを想定していて、設置対象由来の電磁ノイズを除去することが可能な構成を実現している。そのために、当該軸受１００は、内輪１０２と外輪１０４との間にてある程度に通電することが可能になっている。特に、本実施形態では、玉１０６を経由する電気回路よりも、シール１１０を経由する電気回路が優位に形成される構成となっている。

上記目的を達成するために、シール１１０は導電性を有する樹脂材料で形成されている。具体的には、シール１１０は、導電性フィラーを含むアクリルゴム製となっている。この構成であれば、導電性だけでなく、耐熱性も確保することができる。これによって、シール１１０は、車両の内部機構等の温度の高くなりやすい環境においても、有効に機能することが可能になる。

シール１１０を経由する回路のインピーダンスは、玉１０６（鋼球）を目安にして、玉１０６を経由した場合よりも電気を通しやすい値に設定している。ここで、一般に、転動体と軌道輪との間の電気の通りやすさには、転動体と軌道輪との間の油膜の厚さが影響する。軸受の油膜は、機構が停止または低速稼働している高圧力下では薄くなり、高速稼働している低圧力および無負荷状態では厚くなる。本実施形態では、機構の運転中や停止中のいずれの状況においても電磁ノイズが除去できるよう、油膜１２０の厚みを考慮したうえで、玉１０６よりもシール１１０に電気が流れるよう設定する。

例えば、図２は、油膜パラメータと軸受のインピーダンスとの関係を示すグラフである。横軸の油膜パラメータとは、摩擦面間の直接接触の程度を表す尺度である（任意単位（‐））。縦軸は、軸受のインピーダンス（Ω）である。一般に、油膜パラメータは、軌道面の油膜の形成の程度を表していて、転がり軸受の寿命に関する指標として利用されている。油膜パラメータ（記号Λ）の値は、Λ＝ｄ／（σ１２＋σ２２）１／２で表される。各項は、ｄ：鋼球と外輪（or内輪）間の最小油膜厚さ、σ１：鋼球の表面粗さ、σ２：外輪（or内輪）の表面粗さである。

図２の各プロットは、従来の玉軸受を示すものであって、本実施形態のシール１１０は備えていない。すなわち、縦軸のインピーダンスは、図１の玉１０６を経由して内輪１０２と外輪１０４とを通る電気回路のインピーダンスに相当する。このグラフからは、油膜パラメータが大きくなるほど、軸受のインピーダンスは上がることが確認できる。これはすなわち、軌道面の油膜１２０が厚くなるほど、従来の軸受は電気が通り難くなることを示している。

本実施形態では、軌道面の油膜１２０（図１参照）が厚いときでも電気が通せるよう、軌道面の油膜パラメータが１．０のときの玉１０６を経由する電気回路のインピーダンス（例えば図２では約１５０Ω）を閾値とする。そして、シール１１０のインピーダンスを、この閾値よりも低い値に設定している。

上記構成であれば、機構が高速稼働していて油膜１２０が厚いときでも、シール１１０を利用して内輪１０２と外輪１０４とを通る電気回路を実現することができる。当然ながら、シール１１０は接触型であるため機構が停止または低速稼働している状況においても内外の軌道輪との間で電気回路を形成する。すなわち、本実施形態の構成であれば、機構の運転中や停止中のいずれにおいても、シール１１０を経由することで軸受インピーダンスを下げることができ、電磁ノイズの低減を常時行うことが可能になっている。また、本実施形態であれば、導電性のシール１１０を玉１０６よりも優位に利用して電気回路を構成することで、玉１０６の電食の発生を抑えることも可能になる。特に、高回転域では軌道面の油膜厚さが厚くなるため、シール部のほうがインピーダンスは小さくなり電流が流れやすくなる。

図３は、シール１１０のリップ部１１８の概要を示した図である。以下、図３を参照して、シール１１０のインピーダンスの設定の仕方について説明する。

図３（ａ）は、リップ部１１８の拡大図である。リップ部１１８の付近では、共に導電体であるリップ部１１８と内輪１０２のシール溝１１２との間に、絶縁体である油膜１２２が存在した状態となっている。この状態は、導体の間に誘電体が充填された、いわばコンデンサとみなすことができる。

ここで、一般的なコンデンサのインピーダンス（Ｚ）は以下の式１で表されている。
Ｚ＝−ｊ１／ωＣ…（式１）

ｊ＝虚数単位、ω＝２πｆ（交流の角周波数）、Ｃ＝キャパシタンス（静電容量）
また一般に、上記式１のうちのコンデンサのキャパシタンスＣは、以下の式２として表されている。この式２は、２枚の平行な導体の間に誘電体が充填されたコンデンサを想定したものである。
Ｃ＝εＳ／ｄ…（式２）

ε＝誘電体の誘電率、Ｓ＝導体の面積、ｄ＝導体の間隔
上記式１および式２を踏まえると、前述したシール１１０を経由する電気回路のインピーダンスは、図３（ａ）中におけるリップ部１１８とシール溝１１２との接触面積Ｓ、およびリップ部１１８とシール溝１１２との間の油膜厚さｄを通じて調節可能であることが分かる。

以下は、接触面積Ｓおよび油膜厚さｄと、シール１１０を経由する電気回路のインピーダンスとの関係を測定した結果である。図３（ｂ）は、リップ部１１８の接触面積Ｓとインピーダンスとの関係を示すグラフである。横軸はリップ部１１８とシール溝との接触面積、縦軸はシール１１０を経由する電気回路のインピーダンスである。各実施例１〜４は、それぞれリップ部１１８の接触面積Ｓおよび油膜厚さｄ（図３（ａ）参照）が異なる軸受である。図３（ｂ）からは、リップ部１１８の接触面積Ｓが大きいほど、インピーダンスは下がることが確認できる。

図３（ｃ）は、リップ部１１８の油膜厚さｄとインピーダンスとの関係を示すグラフである。横軸はリップ部１１８とシール溝１１２との間の油膜厚さ、縦軸はシール１１０を経由する電気回路のインピーダンスである。図３（ｃ）からは、リップ部１１８の油膜厚さｄが厚いほど、インピーダンスが上がることが確認できる。

以上のことから、リップ部１１８の接触面積Ｓおよび油膜厚さｄの増減を通じて、シール１１０を経由する電気回路のインピーダンスが調節可能であることが確認できる。このように調節することで、シール１１０を利用して上記閾値（図２参照）以下のインピーダンスの電気回路を形成し、電磁ノイズの低減を常時行うことの可能なシール付き軸受１００を実現することが可能となる。

当該軸受１００は、上記インピーダンスの設定された導電性アクリルゴムのシール１１０を備えることで、ＥＶ車やＨＶ車のうち、特に差動装置やトランスミッションのシャフトに有効に設置することが可能である。当該軸受１００であれば、走行中や停止中のいずれにおいても、電磁ノイズの低減を常時行うことができる。また、アクリルゴムは耐熱性を有していて、一例として軸受の使用可能温度を１５０℃以上にも高めることを可能にする。したがって、当該軸受１００であれば、軸受は温度の高くなる差動装置内やトランスミッション内においても有効に機能することが可能である。

上述したように、本実施形態ではシール１１０の素材に導電性アクリルゴムを採用しているが、他の樹脂材料も採用可能である。例えば、ニトリルゴムは耐摩耗性に優れ、フッ素ゴムは高い耐熱性と耐薬品性を備えている。また、シリコンゴムは、高い耐熱性と耐寒性を備えている。これらの樹脂材料においても、導電性フィラーによって導電性を付与することで、各材料の有する特性を生かし、設置対象に応じた特性のシール１１０、および電磁ノイズの低減を常時行うことの可能なシール付き軸受１００を実現することが可能となる。

（変形例）
以下、上述した各構成要素の変形例について説明する。図４および図５の各図では、既に説明した構成要素と同じものについては、同じ符号を付することによって説明を省略する。また、以下の説明では、既に説明した構成要素と同じ名称のものについては、異なる符号を付していても、特に明記しない場合は同じ機能を有するものとする。

図４は、本発明にかかる軸受の第１から第３変形例を示した図である。第１から第３変形例の軸受は、軸受１００と同様に、本発明を深溝玉軸受として実施した例である。図４（ａ）は、第１変形例の軸受２００を示した図である。軸受２００では、内輪２０２からシール溝１１２（図１参照）が省かれていて、シール１１０の内輪側のリップ部１１８が内輪２０２の平坦な外周面２０４（内輪の肩部）に接触する構成となっている。この構成の軸受２００においても、図１の軸受１００と同様に、リップ部１１８と内輪２０２の外周面２０４との接触面積の増減によって、インピーダンスを調節することが可能である。

図４（ｂ）は、第２変形例の軸受２２０を示した図である。軸受２２０では、外輪２２２からもシール溝１１４（図１参照）が省かれている。そして、軸受２２０が有するシール２２４は、内輪側のみ樹脂材料に覆われ（樹脂部分２２６）、外輪側は芯金２２８が露出した構成になっている。シール２２４もまた、内輪２０２と外輪２２２との間で電気回路を形成する。

芯金２２８は、外輪２２２の内周面２３０に沿って玉側に屈曲していて、外輪２２２の内周面２３０に面接触する。シール２２４は、内輪２０２と外輪２２２との間に圧入された状態になっていて（しまりばめ）、リップ部１１８が内輪２０２の外周面２０４を摺動する。この軸受２２０においても、リップ部１１８と内輪２０２の外周面２０４との接触面積の増減によって、インピーダンスを調節することが可能である。

図４（ｃ）は、第３変形例の軸受２４０を示した図である。軸受２４０の有するシール２４２は、リップ部２４４が二股に分かれた２カ所で内輪２０２の外周面２０４と接触する。この構成のシール２４２は、図４（ｂ）のシール２２４と比較して、内輪２０２との接触面積（図３（ａ）の接触面積Ｓを参照）が増える。したがって、軸受２４０は、シール２４２が形成する電気回路のインピーダンスが下がり（図３（ｂ）参照）、シール２４２に電気が流れやすくなる。すなわち、軸受２４０は、シール２４２を採用することで、電磁ノイズの低減効果を向上させることが可能である。

図５は、本発明にかかる軸受の第４から第６変形例を示した図である。第４から第６変形例の軸受は、軸受１００と異なり、本発明を単列の円すいころ軸受として実施した例である。

図５（ａ）は、第４変形例の軸受２６０を示した図である。軸受２６０は、内輪２６２と外輪２６４との間に、円すいに沿って並べられた一列のころ２６６と保持器２６８を備えている。軸受２６０もまた、片側に接触型のシール１１０を備えている。シール１１０は、内輪２６２および外輪２６４それぞれのシール溝２７２、２７４に嵌められている。この軸受２６０においても、シール１１０が内輪２６２と外輪２６４との間で電気回路を形成するため、設置対象由来の電磁ノイズを低減させることができる。

図５（ｂ）は、第５変形例の軸受２８０を示した図である。軸受２８０では、図４（ａ）の軸受２００と同様に、内輪２８２からシール溝２７２（図５（ａ）参照）が省かれていて、シール１１０の内輪側のリップ部１１８が内輪２８２の平坦な外周面２８４に接触する構成となっている。この構成の軸受２８０においても、図１の軸受１００と同様に、リップ部１１８と内輪２８２の外周面２８４との接触面積の増減によって、インピーダンスを調節することが可能である。

図５（ｃ）は、第６変形例の軸受３００を示した図である。軸受３００では、外輪３０２からもシール溝２７４（図５（ｂ）参照）が省かれている。そして、軸受３００においても、図４（ｂ）の軸受２４０と同様にシール２２４が圧入され、シール２２４を介して内輪２８０と外輪３０２との間で電気回路が形成されている。シール２２４は、芯金２２８が外輪３０２の内周面３０４に面接触し、リップ部１１８が内輪２８２の外周面２８４を摺動する。そして、軸受３００においても、リップ部１１８と内輪２８２の外周面２８４との接触面積の増減によって、インピーダンスを調節することが可能になっている。

以上のように、本発明に係るシール付き軸受は、深溝玉軸受や円すいころ軸受など、各種の軸受として好適に実現することが可能である。いずれの軸受として実現された場合であっても、導電性を有するシールを備えることで、設置対象由来の電磁ノイズを好適に低減することが可能である。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施例について説明したが、本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

本発明は、内外の軌道輪の間にて転動体を側方から覆うシールを備えたシール付き軸受として利用することができる。

１００…軸受、１０２…内輪、１０４…外輪、１０６…玉、１０８…保持器、１１０…シール、１１２…内輪のシール溝、１１４…外輪のシール溝、１１６…芯金、１１８…リップ部、１２０…玉の油膜、１２２…リップ部の油膜、Ｓ…リップの接触面積、ｄ…リップの油膜の厚さ、２００…第１変形例の軸受、２０２…内輪、２０４…内輪の外周面、２２０…第２変形例の軸受、２２２…外輪、２２４…シール、２２６…樹脂部分、２２８…芯金、２３０…外輪の内周面、２４０…第３変形例の軸受、２４２…シール、２４４…リップ部、２６０…第４変形例の軸受、２６２…内輪、２６４…外輪、２６８…保持器、２７２…内輪のシール溝、２７４…外輪のシール溝、２８０…第５変形例の軸受、２８２…内輪、２８４…内輪の外周面、３００…第６変形例の軸受、３０２…外輪、３０４…外輪の内周面

Claims (2)

1. 内外の軌道輪の間にて転動体を側方から覆うシールを備えたシール付き軸受において、
   前記シールは、導電性を有する樹脂材料から形成されていて、
   前記シールを経由して前記内外の軌道輪を通る回路のインピーダンスは、当該シール付き軸受の軌道面の油膜パラメータが１．０以上のとき、前記転動体を経由して該内外の軌道輪を通る回路のインピーダンスより小さいことを特徴とするシール付き軸受。
2. 前記樹脂材料は、ニトリルゴム、アクリルゴム、フッ素ゴム、およびシリコンゴムのうち少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項１に記載のシール付き軸受。

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