JP2022042162A - 転がり軸受 - Google Patents
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Abstract
【課題】軸受装置において、耐クリープ性と耐電食性能との両方を同時に実現する。【解決手段】内輪１１の内径面１１ｂと外輪１２の外径面１２ｂとの少なくとも一方が、コーティング層３０によって覆われている。コーティング層３０が複数層からなる。複数層のうち、表面層が、潤滑性を有する耐クリープ被膜３１からなり、表面層を除く少なくとも一層が、絶縁性を有する絶縁被膜３２からなる。【選択図】図１
Description
この発明は、転がり軸受に関する。
軸とハウジング間に転がり軸受を配置する場合、転がり軸受の内輪が軸に嵌合され、外輪がハウジングの内周に嵌合される。内輪又は外輪と、対応する軸又はハウジングとの嵌め合いは、荷重条件、装置の組立て性等を考慮して、しまり嵌め、普通嵌め、すきま嵌めの中から選択される。すきま嵌め状態の内輪又は外輪は、クリープする、すなわち、その嵌合の相手部材である軸又はハウジングに対して円周方向に相対回転することがある。
例えば、自動車のトランスミッション、ＥＶ（電気自動車）のモータ等に備わる軸を転がり軸受を介してハウジングに支持する軸受装置では、ハウジングへの組み付けを容易にするため、転がり軸受の外輪がハウジングにすきま嵌めされている。このため、荷重負荷時や高速回転時の軸のアンバランス荷重等により、外輪がクリープすることがある。
これに対して、特許文献１では、優れた耐クリープ性能を安定して維持する転がり軸受が提案されている。この転がり軸受は、ハウジングとの嵌め合い面である外輪の外径面、又は、軸との嵌め合い面である内輪の内径面に、焼成膜を有する。この焼成膜は、有機バインダと、二硫化モリブデン粉末などの固体潤滑剤粉末と、酸化アンチモン粉末などの摩擦摩耗調整剤とを含む。
一方、ＥＶモータ支持用軸受では、モータからの漏れ電流により転動体と軌道面との間に放電が起こる場合がある。この放電により、内輪、外輪又は転動体に電食損傷が発生する場合がある。
これに対して、特許文献２では、転がり軸受の電食を防止する構造が提案されている。この転がり軸受は、内輪の内径面と端面、及び外輪の外径面と端面に、それぞれセラミックス被膜を形成し、そのセラミックス被膜に絶縁性の合成樹脂を含浸させた転がり軸受が記載されている。
しかしながら、特許文献１の転がり軸受では、固体潤滑剤粉末や摩擦摩耗調整剤を含んでいるものの、これをＥＶモータの軸支持に用いた場合には、モータからの漏れ電流により通電し、転動体と軌道面との間に放電が起こり、電食損傷を起こす可能性がある。
一方で、特許文献２の転がり軸受では、耐電食性能を持たせるためにセラミックスをコーティングしているものの、外輪又は内輪のクリープが発生した場合には、ハウジング又は軸に対する嵌め合い面に潤滑性がないため、軸支持機能に影響を及ぼすほどの摩擦や摩耗がクリープした軌道輪と対応のハウジング又は軸の嵌め合い面において発生する懸念がある。
上述の背景に鑑み、この発明が解決しようとする課題は、内輪又は外輪に漏れ電流が伝わり、内輪又は外輪が対応の軸又はハウジングにすきま嵌めされる使用条件において耐クリープ性及び耐電食性の両方を同時に実現可能な転がり軸受を提供することである。
上記課題を解決するため、この発明は、内輪と、外輪と、前記内輪と前記外輪との間に配置された転動体とを備え、前記内輪の内径面と前記外輪の外径面との少なくとも一方が、コーティング層によって覆われている転がり軸受において、前記コーティング層が複数層からなり、前記複数層のうち表面層が、潤滑性を有する耐クリープ被膜からなり、前記複数層のうち、前記表面層を除く少なくとも一層が、絶縁性を有する絶縁被膜からなることを特徴とする構成を採用した。
上記構成によれば、内輪の内径面又は外輪の外径面を覆う複数層の表面層である耐クリープ被膜は、軸又はハウジングとの嵌め合い面になるので、クリープ発生時に潤滑性を発揮し、内輪の内径面又は外輪の外径面と対応の軸又はハウジングの嵌め合い面における摩擦や摩耗を防止することできる。また、その複数層の表面層を除く少なくとも一層が絶縁性を有する絶縁被膜からなるので、漏れ電流が流れる回路を絶縁被膜で断ち、内輪又は外輪と転動体間における放電を防いで内輪、外輪、転動体の電食損傷を防止することができる。すなわち、上記構成を有する転がり軸受は、これらの効果の両方を同時に実現することができる。
例えば、前記絶縁被膜は、セラミックス、エポキシ系樹脂、及びポリアミドイミド系樹脂の少なくとも一つを含有する焼成膜である。
例えば、前記耐クリープ被膜は、樹脂バインダと、固体潤滑剤の粉末とを含有する焼成膜である。
前記コーティング層の絶縁被膜が、前記内輪の幅面又は前記外輪の幅面を覆う側方被覆部を有するとよい。
前記コーティング層の耐クリープ被膜が、前記内輪の内径面又は前記外輪の外径面とは異なる軌道輪部分を覆い、かつ、軸又はハウジングと接触する部位となる拡張被覆部を有するとよい。
この発明は、上記構成の採用により、内輪又は外輪に漏れ電流が伝わり、内輪又は外輪が対応の軸又はハウジングにすきま嵌めされる使用条件において、嵌め合い面の摩擦、摩耗を防止する耐クリープ性と、軌道輪、転動体の電食を防止する耐電食性との両方を同時に実現可能な転がり軸受を提供することができる。
この発明にかかる一例としての第一の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１、２に示すように、第一の実施形態にかかる転がり軸受１０は、軸１と、軸１を取り囲むハウジング２との間に介在する。
以下、転がり軸受１０の設計上の回転中心線と軸１の回転中心線とが一致する理想的な状態において、その回転中心に沿った方向のことを「軸方向」という。また、その回転中心線回りに一周する円周に沿った方向のことを「円周方向」という。また、その回転中心線に直交する方向のことを「径方向」という。
軸１は、ハウジング２に対して相対的に回転する。軸１は、例えば電気自動車（ＥＶ）のモータに備わる回転軸である。軸１は、円周方向に延びる円筒面状に形成された嵌め合い面１ａを有する。
ハウジング２は、軸１に対して静止し、転がり軸受１０を介して軸１を支持する。ハウジング２は、例えば、上記モータのケースの一部として形成された隔壁である。ハウジング２は、円周方向に延びる円筒面状に形成された嵌め合い面２ａを有する。この嵌め合い面２ａは、軸１の嵌め合い面１ａと同心に設定されている。
転がり軸受１０は、ハウジング２に対して軸１を回転自在に支持し、軸１とハウジング２間で作用するラジアル荷重等を受ける。
図２に例示するＥＶモータは、モータの外周を構成するハウジング２に軸１が挿入され、軸１の周りには、軸１と一体に回転するロータ５が取り付けられている。ハウジング２の内側には、ロータ５の外方に位置するようにステータ６が固定されている。ステータ６の内部にはコイルが取り付けられ、リード線７から電源を供給される。ハウジング２の開口部にはフランジブラケット３が取り付けられている。軸１は、フランジブラケット３の中心孔を貫通している。フランジブラケット３は、円周方向に延びる円筒面状に形成された嵌め合い面３ａを有する。この嵌め合い面３ａも、軸１の嵌め合い面１ａと同心に設定されている。図１中右側となるハウジング２の底側の嵌め合い面２ａと、軸１の嵌め合い面１ａとの間に第一の転がり軸受１０が配置されている。フランジブラケット３の嵌め合い面３ａと軸１の嵌め合い面１ａとの間に第二の転がり軸受１０が配置されている。
転がり軸受１０は、軸１に取り付けられた内輪１１と、ハウジング２又はフランジブラケット３に取り付けられた外輪１２と、これら内輪１１及び外輪１２間に介在する複数の転動体１３と、これら転動体１３間の円周方向の間隔を保つ保持器１４とを備える。転がり軸受１０として深溝玉軸受が例示されている。
内輪１１は、外周側で円周方向に延びる軌道面１１ａを有し、内周側で円周方向に延びる内径面１１ｂを有する環状の軸受部品である。内径面１１ｂは、軸１の嵌め合い面１ａと同心の円筒面状に形成されている。内輪１１の内径面１１ｂは、軸１の嵌め合い面１ａに嵌合されている。
内輪１１の内径面１１ｂと軸１の嵌め合い面１ａ間の嵌め合いは、締め代をもったしまり嵌めに設定されている。内輪１１は、そのしまり嵌めにより、軸１と一体に回転するように固定されている。
外輪１２は、内周側で円周方向に延びる軌道面１２ａを有し、外周側で円周方向に延びる外径面１２ｂを有する環状の軸受部品である。外径面１２ｂは、内輪１１の内径面１１ｂと同心の円筒面状に形成されている。
外輪１２は、ハウジング２とすきま嵌めされている。
内輪１１及び外輪１２は、それぞれ鋼によって形成されている。その金属は、例えば、ＳＵＪ２、ＳＣＭ４２０、ＳＣｒ４２０、ＳＣＲ４２０、ＳＵＳ４４０等である。内輪１１、外輪１２には、焼入れ及び焼戻し処理、浸炭又は浸炭窒化処理等が適宜に施される。
図１に示すように、第一の実施形態では、外輪１２の外径面１２ｂは、コーティング層３０によって覆われている。コーティング層３０は、複数層からなる。コーティング層３０を構成する複数層のうち、最も径方向外側に位置する表面層は、潤滑性を有する耐クリープ被膜３１からなる。この耐クリープ被膜３１の外径面が、ハウジング２の嵌め合い面２ａ又はフランジブラケット３の嵌め合い面３ａにすきま嵌めされる嵌め合い面となる。
耐クリープ被膜３１としては、例えば、樹脂バインダと固体潤滑剤とを含有する焼成膜を採用することができる。その樹脂バインダは、ベース材と硬化剤とを配合し、硬化剤を反応させて硬化させるものである。固体潤滑剤の周囲を樹脂バインダで固めることで、高い密着性と耐摩耗性を発揮する。また、ハウジング２又はフランジブラケット３の摩耗も少なくすることができる。そのベース材としては、例えば、ポリアミドイミド樹脂が耐久性の点から好ましい。また、その硬化剤としては、エポキシ樹脂とそのエポキシ樹脂を反応させる反応性の化合物を合わせて用いると硬化させやすく好ましい。
前記エポキシ樹脂としては、硬化剤として作用できるものであれば特に限定されない。例えばビスフェノールＡ型エポキシ樹脂、クレゾールノボラック型エポキシ樹脂、ビフェニル型エポキシ樹脂、臭素化エポキシ樹脂、脂環式エポキシ樹脂などが挙げられる。前記反応性の化合物としては、脂肪族ポリアミン、ポリアミノアミド、ポリメルカプタン類、芳香族ポリアミン、酸無水物、ジシアンジアミド等を挙げることができる。また、これらの成分以外に、反応性を高めるための硬化促進剤を添加されていてもよい。前記硬化促進剤としては、三級アミン、三級アミン塩、イミダゾール、ホスフィン、ホスホニウム塩、スルホニウム塩等を用いることができる。
前記固体潤滑剤としては、潤滑性能を発揮するため、ハウジング２の材料よりも軟質である材料が好ましく、具体的にはＨｖ５０～１５０であると好ましい。例えば、二硫化モリブデン粉末や、黒鉛粉末、二硫化タングステン、ポリテトラフルオロエチレンなどが挙げられる。この中でも、二硫化モリブデンを単独で用いたり、二硫化モリブデンと他の材料とを混合して用いたりするとよい。
耐クリープ被膜３１の材料として、さらに摩擦摩耗調整剤を含有してもよい。摩擦摩耗調整剤は焼成膜の耐摩耗性を向上させる材料であり、ハウジング２の材料よりも軟質の材料を用いると好ましい。例えば、酸化アンチモン、タルク、マイカ、チタン酸カリウム、すず、銅、亜鉛、ニッケル等が挙げられる。この中でも特に酸化アンチモンが好ましい。
耐クリープ被膜３１を焼成膜として形成するには、例えば、樹脂バインダを溶剤に溶解したものに、固体潤滑剤の粉末や摩擦摩耗調整剤の粉末などを加えて塗工液を調製する。この塗工液を、後述する絶縁被膜やその他の中間膜の表面に塗工した後、加熱して溶剤を蒸発させて被膜を形成させる。
コーティング層３０を構成する層のうち、耐クリープ被膜３１を除く少なくとも一層が、絶縁性を有する絶縁被膜３２からなる。外径面１２ｂの外周に絶縁被膜３２が形成され、絶縁被膜３２の外側に耐クリープ被膜３１が形成されている。
絶縁被膜３２は、絶縁性を有する材料からなる。絶縁被膜３２は、ハウジング２又はフランジブラケット３の嵌め合い面２ａ、３ａから漏れ電流が外輪１２の外径面１２ｂまで到達しないように、外径面１２ｂと嵌め合い面２ａとの間を絶縁するように形成されている。
絶縁被膜３２の材料としては、例えば、セラミックス、エポキシ樹脂、ポリアミドイミド樹脂などが挙げられる。セラミックスやエポキシ樹脂、ポリアミドイミド樹脂の場合、塗工した材料を加熱して焼成膜を形成してもよい。エポキシ樹脂やポリアミドイミド樹脂の場合、硬化剤を含めて焼成することで形成させてもよい。
漏れ電流が外輪１２と内輪１１間に流れる回路を断じ、転動体１３と軌道面１１ａ、１２ａ間の放電を防ぐため、外輪１２の外径面１２ｂと内輪１１の内径面１１ｂの少なくとも一方は、絶縁被膜３２を含むコーティング層３０で被覆することが必要である。転動体１３と軌道面１１ａ、１２ａ間の放電を防ぐことにより、転動体１３、軌道面１１ａ、１２ａの電食が防止される。
図示の絶縁被膜３２は、外輪１２の外径面１２ｂを覆う中央被覆部３２ａと、外輪１２の幅面１２ｃを覆う側方被覆部３２ｂとを有する。ここで、外輪１２の幅面１２ｃは、外輪１２の幅を規定する二側面の一つである。幅面１２ｃは、ハウジング２、フランジブラケット３の側面と軸方向に対向する。
中央被覆部３２ａと側方被覆部３２ｂとは一体に形成された被膜である。側方被覆部３２ｂは、ハウジング２、フランジブラケット３と外輪１２の幅面１２ｃとの間を絶縁するためのものであり、この間の放電を防ぐことにより、ハウジング２、フランジブラケット３、幅面１２ｃの電食が防止される。
第一の実施形態に係る転がり軸受１０は、上述のようなものであり、外輪１２の外径面１２ｂを覆うコーティング層３０を構成する複数層のうち、表面層である耐クリープ被膜３１がハウジング２、フランジブラケット３との嵌め合い面になるので、クリープ発生時に潤滑性を発揮し、外輪１２の外径面１２ｂと対応のハウジング２、フランジブラケット３の嵌め合い面２ａ、３ａにおける摩擦や摩耗を防止することできる。また、コーティング層３０を構成する複数層のうち、表面層である耐クリープ被膜３１を除く少なくとも一層が絶縁性を有する絶縁被膜３２からなるので、漏れ電流が流れる回路を絶縁被膜３２で断ち、内輪１１又は外輪１２と転動体１３間における放電を防いで内輪１１、外輪１２、転動体１３の電食損傷を防止することができる。したがって、転がり軸受１０は、内輪１１又は外輪１２に漏れ電流が伝わり、内輪１１又は外輪１２が対応の軸１又はハウジング２、フランジブラケット３にすきま嵌めされる使用条件において耐クリープ性及び耐電食性の両方を同時に実現することができる。
また、コーティング層３０の絶縁被膜３２が外輪１２の幅面１２ｃを覆う側方被覆部３２ｂを有するので、幅面１２ｃと対向するハウジング２又はフランジブラケット３との間の放電を防ぎ、幅面１２ｃ等の電食を防止することができる。
コーティング層３０は、図示のような二層のものに限定されず、他の役割を有する被膜が外径面１２ｂと耐クリープ被膜３１との間に介在してもよく、また、絶縁被膜３２と耐クリープ被膜３１との間にさらに別の絶縁被膜と別の耐クリープ被膜とを積層されていてもよい。なお、交流電流が流れる場合には耐電食性能として静電容量が関わるため、ある一定の静電容量を有している被膜である必要がある。必要とする静電容量は部品の構成、膜材や膜厚などによって決まるため、使用条件により適宜設定する。
第二の実施形態を図３に基づいて説明する。以下、第一の実施形態との相違点を述べるに留める。
第二の実施形態にかかる転がり軸受では、内輪１１の内径面１１ｂが、複数層からなるコーティング層４０に覆われている。コーティング層４０の絶縁被膜４１は、内輪１１の内径面１１ｂを覆う中央被覆部４１ａと、内輪１１の幅面１１ｃを覆う側方被覆部４１ｂとを有する。内輪１１の幅面１１ｃは、内輪１１の幅を規定する二側面の一つである。幅面１１ｃは、ハウジング２又はフランジブラケット３の側面と軸方向に対向する。
また、コーティング層４０の表面層となる耐クリープ被膜４２は、軸１の嵌め合い面１ａに嵌合される嵌め合い面となる。この実施形態では、耐クリープ被膜４２は、軸１に対して耐クリープ性を発揮することになる。
なお、絶縁被膜４１、耐クリープ被膜４２の材料上の構成や形成方法として、第一の実施形態における絶縁被膜、耐クリープ被膜と同様の構成と形成方法を採用することができる。
コーティング層４０は、絶縁被膜４１と耐クリープ被膜４２との間に中間層４３をさらに有する。中間層４３のさらに表面側に、表面層となる耐クリープ被膜４２が形成されている。
中間層４３の構成は、絶縁被膜４１と耐クリープ被膜４２の性能を阻害しないものであれば特に限定されない。例えば、絶縁性能を向上させるものでもよいし、耐クリープ被膜４２を強固に固定するものでもよいし、その他の性質を持たせるものでもよい。例えば、絶縁被膜４１に耐クリープ被膜４２を直接に積層すると、両者の密着性が不足する場合、両者のいずれにも良好な密着性を有する中間層４３を採用するとよい。また、絶縁被膜４１と耐クリープ被膜４２で必要とする静電容量にならない場合、中間層４３によって必要とする静電容量を実現してもよい。なお、図示しないが、中間層４３は絶縁被膜４１と耐クリープ被膜４２との間だけでなく、絶縁被膜４１と内輪１１との間に形成されていてもよい。また、中間層４３は一層だけでなく、複数の層から形成されていてもよい。
第二の実施形態によれば、漏れ電流が流れる回路を絶縁被膜４１で断ち、内輪１１又は外輪１２と転動体１３間における放電を防いで内輪１１、外輪１２、転動体１３の電食損傷を防止すると共に、内輪１１の幅面１１ｃと対向するハウジング２又はフランジブラケット３との間の放電を防ぎ、幅面１１ｃ等の電食を防止することができる。
第三の実施形態を、図４に基づいて説明する。
第三の実施形態にかかる転がり軸受は、その耐クリープ被膜４２が内輪１１の内径面１１ｂとは異なる軌道輪部分を覆いかつハウジング２と接触する部位となる拡張被覆部４２ｂをさらに有する点で第二の実施形態と相違するものである。中間層４３の中央被覆部４３ａは、絶縁被膜４１の中央被覆部４１ａに重なり、耐クリープ被膜４２の中央被覆部４２ａは、中間層４３の中央被覆部４３ａに重なっている。中間層４３の側方被覆部４３ｂは、絶縁被膜４１の側方被覆部４１ｂに重なり、耐クリープ被膜４２の拡張被覆部４２ｂは、中間層４３の側方被覆部４３ｂに重なっている。
内輪１１がクリープを起こすと、耐クリープ被膜４２の拡張被覆部４２ｂがハウジング２の側面に対して円周方向に摺動することになる。従い、拡張被覆部４２ｂを設けることで、内輪１１の幅面１１ｃ、ハウジング２間における摩擦や摩耗を防止することができる。
このように、第三の実施形態によれば、コーティング層４０の耐クリープ被膜４２が内輪１１の内径面１１ｂとは異なる軌道輪部分（幅面１１ｃ）を覆い、かつ、ハウジング２と接触する部位となる拡張被覆部４２ｂを有するので、当該軌道輪部分（幅面１１ｃ）とハウジング２間における摩擦や摩耗を防止することができる。
なお、ハウジング２で内輪１１を軸方向に支持するため、拡張被覆部４２ｂにより、内輪１１の幅面１１ｃをハウジング２に対して保護するようにしたが、内輪１１の外周側（肩部、面取り部等）にハウジング２で支持する部分がある場合、その外周側部分に拡張被覆部を重ねればよい。
また、第一の実施形態のように外輪１２にコーティング層を形成する場合、そのコーティング層において拡張被覆部に相当する部位を含め、外輪の幅面と軸間における摩擦や摩耗を防止してもよい。
また、第二、第三の実施形態においては、第一の実施形態の外輪を採用してもよいし、コーティング層で被覆されていない外輪を採用してもよい。
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
１ 軸
１ａ 嵌め合い面
２ ハウジング
２ａ 嵌め合い面
１０ 転がり軸受
１１ 内輪
１１ａ 軌道面
１１ｂ 内径面
１１ｃ 幅面
１２ 外輪
１２ａ 軌道面
１２ｂ 外径面
１２ｃ 幅面
１３ 転動体
３０、４０ コーティング層
３１、４２ 耐クリープ被膜
３２、４１ 絶縁被膜
３２ａ、４１ａ、４２ａ 中央被覆部
３２ｂ、４１ｂ 側方被覆部
４２ｂ 拡張被覆部
４３ 中間層
４３ａ 中央被覆部
４３ｂ 側方被覆部
１ａ 嵌め合い面
２ ハウジング
２ａ 嵌め合い面
１０ 転がり軸受
１１ 内輪
１１ａ 軌道面
１１ｂ 内径面
１１ｃ 幅面
１２ 外輪
１２ａ 軌道面
１２ｂ 外径面
１２ｃ 幅面
１３ 転動体
３０、４０ コーティング層
３１、４２ 耐クリープ被膜
３２、４１ 絶縁被膜
３２ａ、４１ａ、４２ａ 中央被覆部
３２ｂ、４１ｂ 側方被覆部
４２ｂ 拡張被覆部
４３ 中間層
４３ａ 中央被覆部
４３ｂ 側方被覆部
Claims (5)
- 内輪と、外輪と、前記内輪と前記外輪との間に配置された転動体とを備え、
前記内輪の内径面と前記外輪の外径面との少なくとも一方が、コーティング層によって覆われている転がり軸受において、
前記コーティング層が複数層からなり、
前記複数層のうち表面層が、潤滑性を有する耐クリープ被膜からなり、
前記複数層のうち、前記表面層を除く少なくとも一層が、絶縁性を有する絶縁被膜からなることを特徴とする転がり軸受。 - 前記絶縁被膜が、セラミックス、エポキシ系樹脂、及びポリアミドイミド系樹脂の少なくとも一つを含有する焼成膜である請求項１に記載の転がり軸受。
- 前記耐クリープ被膜が、樹脂バインダと、固体潤滑剤の粉末とを含有する焼成膜である請求項１又は２に記載の転がり軸受。
- 前記コーティング層の絶縁被膜が、前記内輪の幅面又は前記外輪の幅面を覆う側方被覆部を有する請求項１から３のいずれか1項に記載の転がり軸受。
- 前記コーティング層の耐クリープ被膜が、前記内輪の内径面又は前記外輪の外径面とは異なる軌道輪部分を覆い、かつ、軸又はハウジングと接触する部位となる拡張被覆部を有する請求項１から４のいずれか1項に記載の転がり軸受。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20230306 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20240528 |