JP2020106145A - シール付き軸受 - Google Patents
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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。
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。
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)
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)
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。
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。
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)
- 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。 - 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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