JP2023030949A

JP2023030949A - 軸受装置

Info

Publication number: JP2023030949A
Application number: JP2021136377A
Authority: JP
Inventors: 隼人川口; Hayato Kawaguchi
Original assignee: NTN Corp; NTN Toyo Bearing Co Ltd
Current assignee: NTN Corp
Priority date: 2021-08-24
Filing date: 2021-08-24
Publication date: 2023-03-08
Also published as: KR20240050370A; WO2023026978A1; CN117836527A

Abstract

【課題】車両駆動用モータ又は車両駆動用モータに接続された変速機に含まれた回転軸をハウジングに対して転がり軸受で支持する軸受装置において、転がり軸受に備わる軌道輪の量産性及び絶縁被膜の信頼性の低下を避けつつ軌道輪のコストを抑える。【解決手段】転がり軸受１は、回転軸２１とハウジング１０の一方に取り付けられた軌道輪３を有する。一方の軌道輪３のうち、一方の部材１０に嵌合するはめあい面３ｂは、絶縁被膜７からなる。そのはめあい面３ｂとハウジング１０とがすきまばめされている。【選択図】図１

Description

この発明は、車両駆動用モータ等に含まれた回転軸とハウジングとの間に転がり軸受を備える軸受装置に関し、特に転がり軸受の軌道輪を絶縁することに関する。

一般に、電気自動車（ＥＶ）、電動ハイブリッド車（ＨＶ）等の自動車、産機用車両は、駆動用モータと変速機とを含む駆動系を備えている。その駆動用モータ又は変速機の回転軸は、転がり軸受によって支持されている。

駆動用モータや、これに接続された変速機に転がり軸受を組み込む場合、その転がり軸受が介在する回転軸とハウジング間に電位差が生じることがある。駆動用モータは、高効率化のためにインバータ制御の周波数を高くする必要があるが、周波数が高くなると、その転がり軸受に電流が流れやすくなる。

回転軸とハウジングの一方に取り付けられた軌道輪のはめあい面が導電性であると、前述の電位差による電流が転がり軸受に流れて軌道面と転動体の弾性接触域で放電が起こり、軌道輪や転動体に電食が発生することがある。これを防止するため、従来、軌道輪のはめあい面を絶縁被膜で構成することが行われている（特許文献１）。

電食の防止には転がり軸受の高インピーダンス化が有効である。特許文献１に開示された軸受装置は、転がり軸受の軌道輪の本体を金属輪とし、その金属輪の反軌道面側の外周又は内周には、軌道輪のはめあい面の下地面と、その下地面から径方向に凹んだ窪みとを形成し、その窪みの形状に倣うように金属輪の下地面側の周面を絶縁被膜で覆ったり、その窪みを埋めるように下地面側の周面を絶縁被膜で覆ったりすることにより、軌道輪と、嵌め合い相手の回転軸又はハウジングとの間のキャパシタンスを小さくして高インピーダンス化を図っている。

特開２００７－２９８０６０号公報

しかしながら、特許文献１のように金属輪に全周溝状の窪みを一本又は複数本形成したり、分散配置で窪みを多数形成したりして、その窪みに倣わせた形で絶縁被膜を構成した場合、軌道輪のはめあい面から凹んだ窪み被覆部が絶縁被膜の全周に又は多数形成され、その窪み被覆部と、嵌め合い相手のはめあい面との間に隙間が生じるので、軌道輪と嵌め合い相手間の熱伝導性が悪くなり、転がり軸受の放熱性に悪影響を及ぼす懸念がある。

また、絶縁被膜に窪み被覆部が形成されるので、絶縁被膜の成形が難しくなり、量産性が低くなる。

また、その窪み被覆部には隅部や角部の屈曲部があるため、その屈曲部で応力集中し、絶縁被膜が割れたり、剥がれたりし易く、信頼性が低くなる。

また、金属輪の下地面側の周面に窪みを加工する必要があるので、軌道輪のコストが高くなる。

一方、金属輪に窪みを形成せず、絶縁被膜の膜厚を全面的に厚くすることにより、キャパシタンスを小さくすることも可能だが、絶縁被膜の素材使用量が多くなるので、軌道輪のコストが高くなり、また、放熱性が低下する懸念もある。

上述の背景に鑑み、この発明が解決しようとする課題は、車両駆動用モータ又は車両駆動用モータに接続された変速機に含まれた回転軸をハウジングに対して転がり軸受で支持する軸受装置において、転がり軸受に備わる軌道輪の量産性及び絶縁被膜の信頼性の低下を避けつつ軌道輪のコストを抑えることにある。

上記の課題を達成するため、この発明は、車両駆動用モータ又は車両駆動用モータに接続された変速機に含まれた回転軸と、前記回転軸の周囲に設けられたハウジングと、前記ハウジングに対して前記回転軸を支持する転がり軸受とを備え、前記転がり軸受は、内方の軌道輪と、外方の軌道輪と、前記内方の軌道輪と前記外方の軌道輪の間に介在する複数の転動体と、これら複数の転動体を保持する保持器とを有し、前記内方の軌道輪と前記外方の軌道輪のうちの一方の軌道輪は、前記回転軸と前記ハウジングのうちの一方の部材に取り付けられており、前記一方の軌道輪のうち、前記一方の部材に嵌合するはめあい面が、絶縁被膜からなる軸受装置において、前記はめあい面と前記一方の部材とが、すきまばめされている構成を採用した。

上記構成によれば、一方の軌道輪のはめあい面を構成する絶縁被膜と、嵌め合い相手である一方の部材とがすきまばめされているので、そのはめあいすきまに基づいて絶縁被膜と一方の部材との接触面積を減らすこと、すなわちキャパシタンスを小さくして高インピーダンス化を実現することができる。このため、絶縁被膜に窪み被覆部の形成を不要にしつつ絶縁被膜の膜厚を薄くすることが可能になり、これにより、一方の軌道輪の量産性や絶縁被膜の信頼性の低下を避けつつ軌道輪のコストを抑えることができる。

ここで、この発明における車両駆動用モータとは、電気エネルギを変換して車両の駆動源となる回転を出力する電気機器と、車両の回生ブレーキ時に入力回転を電気エネルギに変換する電気機器との少なくとも一方に該当するものを意味する。

また、この発明における変速機とは、入力回転速度を変換して出力側に伝える装置を意味し、その速度変換の比率（減速比、変速比）が連続的に変えられる無段変速装置と、その速度変換の比率が固定されている固定比変速装置とを包含する概念であり、その固定比変速装置には、その速度変換の比率が１種類しかない減速機又は増速機と呼ばれるものが含まれる。

前記はめあい面と前記一方の部材との間に０．００５ｍｍ以上のはめあいすきまが設定されているとよい。このようにすると、車両駆動用モータ又は車両駆動用モータに接続された変速機に含まれた回転軸を支持する用途に実績のある軸受サイズにおいて、一方の軌道輪のはめあい面と一方の部材との間にはめあいすきまが無い場合に比して接触面積を凡そ半分以下に低減して、高インピーダンス化を実現することができる。その分、絶縁被膜を薄くして低コスト化を図ることが可能である。

より好ましくは、前記はめあいすきまが０．０２ｍｍ以上であるとよい。このようにすると、前述の接触面積を凡そ７割低減することができ、絶縁被膜を一層薄くすることができる。

前記絶縁被膜の膜厚が０．０５ｍｍ以下であるとよい。このように絶縁被膜の膜厚を０．０５ｍｍ以下に薄くすると、一方の軌道輪のはめあい面と一方の部材との接触部に作用するラジアル荷重による絶縁被膜の変形を小さくして前述の接触面積の拡大を抑え、高インピーダンスを確保することができる。

前記絶縁被膜が、セラミックス、ポリフェニレンサルファイド樹脂、ポリアミドイミド樹脂、及びエポキシ樹脂の中の少なくとも一つを含有する焼成膜であるとよい。これら材料は、絶縁抵抗、絶縁破壊電圧、機械的強度、加工性などの点で絶縁被膜の材料として好適である。

上述のように、この発明は、上記構成の採用により、車両駆動用モータ又は車両駆動用モータに接続された変速機に含まれた回転軸をハウジングに対して転がり軸受で支持する軸受装置において、転がり軸受に備わる軌道輪の量産性及び絶縁被膜の信頼性の低下を避けつつ軌道輪のコストを抑えることができる。

この発明の実施形態に係る軸受装置の要部を示す縦断正面図図１の軸受装置の側面図図１に示す軸受装置の使用例を示す模式図図１に示す軌道輪とハウジングの接触部の拡大図図４に対する比較例の接触部を示す断面図計算モデルにおける軌道輪とハウジングのはめあいすきまと接触面積の関係を示すグラフ

この発明の一例としての実施形態に係る軸受装置を添付図面の図１～図６に基づいて説明する。

図１～図３に示すこの軸受装置は、ハウジング１０と、車両駆動用モータ２０の回転軸２１と、ハウジング１０に対して回転軸２１を支持する転がり軸受１とを備える。

この軸受装置は、車両の駆動系に組み込まれる回転伝達装置の一部として用いられている。図３に例示する回転伝達装置は、車両駆動用モータ２０と、車両駆動用モータ２０に接続された変速機３０とを備える。変速機３０は、複数の回転軸３１～３３と、これら各回転軸３１～３３に設けられた歯車３４～３６と、回転軸３１，３２，３３を支持する複数の転がり軸受３７，３８とを備える。車両駆動用モータ２０のモータシャフトからなる回転軸２１は、回転軸３１と連結されており、両軸２１，３１は、一体に回転する。車両駆動用モータ２０が駆動源となる場合、車両駆動用モータ２０の出力軸となる回転軸２１から変速機３０の回転軸３１に入力され、変速機３０は、回転軸３１に入力された回転を減速して回転軸３３から出力する歯車減速機となる。車両駆動用モータ２０が回生ブレーキとなる場合、変速機３０は、走行車輪側から回転軸３３に入力された回転を増速して回転軸３１から車両駆動用モータ２０の回転軸２１に出力する歯車増速機となる。

回転軸２１を支持する転がり軸受１と、回転軸３１～３２を支持する転がり軸受３７は、それぞれ深溝玉軸受になっている。回転軸３３を支持する転がり軸受３８は、円すいころ軸受になっている。

図１、図２に示すように、転がり軸受１は、内方の軌道輪２と、外方の軌道輪３と、内方の軌道輪２と外方の軌道輪３との間に介在する複数の転動体４と、これら複数の転動体４を保持する保持器５とを有する。

なお、以下では、この転がり軸受１の軸受中心軸（図示省略、以下、同じ。）に沿った方向を「軸方向」という。また、軸方向に直交する方向を「径方向」という。また、軸受中心軸回りの円周に沿った方向を「周方向」という。図１において、軸受中心軸は、回転輪とする内方の軌道輪２の中心軸である。図１は、軸受中心軸を含む仮想平面の断面を示す。軸方向は、図１において左右方向に相当し、径方向は、図１において上下方向に相当する。

内方の軌道輪２は、転動体４と接触する軌道面２ａを外周側に有し、回転軸２１に嵌合されるはめあい面２ｂを内周側に有する環状部材からなる。

外方の軌道輪３は、転動体４と接触する軌道面３ａを内周側に有し、はめあい面３ｂを外周側に有する環状部材からなる。

転動体４は、鋼球からなる。

保持器５は、内外の軌道面２ａ，３ａ間に介在する複数の転動体４を所定の周方向間隔に保つ環状の軸受部品からなる。

ハウジング１０は、回転軸２１の周囲に設けられたはめあい面１０ａを有する。このはめあい面１０ａは、円筒面状に形成されている。ハウジング１０は、例えば、アルミニウム系材料によって形成される。

内方の軌道輪２の全体は、鋼によって形成されている。

外方の軌道輪３は、軌道面３ａを内周側に有する金属輪６と、金属輪６の外周及び両側面を被覆する絶縁被膜７とからなる。

金属輪６は、鋼によって形成されている。

絶縁被膜７は、絶縁性を有する非金属材製のコーティング層からなる。絶縁被膜７は、金属輪６の円筒面状の外径面に全面的に倣っている。絶縁被膜７の膜厚は、全面的に均一になっている。なお、図１においては、絶縁被膜７を分かり易くするため、その膜厚を大きく誇張している。

絶縁被膜７は、絶縁抵抗、絶縁破壊電圧、機械的強度、加工性などの点から、例えば、セラミックス、ポリフェニレンサルファイド樹脂（ＰＰＳ）、ポリアミドイミド樹脂（ＰＡＩ）、及びエポキシ樹脂の中の少なくとも一つを含有する焼成膜であることが好ましい。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することができる。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も可能である。

セラミックスとしては、例えば、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、チタニア（ＴｉＯ_２）などが挙げられる。例えば、金属輪６の外周にセラミックス被膜を形成し、そのセラミックス被膜にＰＰＳ，ＰＡＩ等の絶縁性の合成樹脂を含侵させて絶縁被膜７を構成することができる。

また、絶縁被膜７は、例えば、ＰＰＳ、ＰＡＩ及びエポキシ樹脂の中の少なくとも一つをマトリックス樹脂とし、このマトリックス樹脂の強化に貢献する繊維材を含む合成樹脂組成物であってもよい。

絶縁被膜７の膜厚は、例えば、０．００１０ｍｍ以上、１．０ｍｍ以下にすることができる。膜厚を不必要に厚くすると、コスト高になるので、１．０ｍｍ以下にすることが好ましい。

特に、ＰＡＩを主成分とした焼成膜又はＰＡＩをマトリックス樹脂とした焼成膜を絶縁被膜７とする場合、膜厚の均一性等を考慮すると、絶縁被膜７の膜厚が０．００５ｍｍ以上、０．１００ｍｍ以下であることが好ましい。この場合、外方の軌道輪３のクリープによる摩耗や絶縁性を考慮すると、絶縁被膜７の膜厚が０．０１０ｍｍ以上、０．０５０ｍｍ以下であることがより好ましい。

外方の軌道輪３のはめあい面３ｂは、絶縁被膜７からなる。このはめあい面３ｂは、外方の軌道輪３の外径を規定する円筒面状に形成されている。

外方の軌道輪３のはめあい面３ｂは、ハウジング１０のはめあい面１０ａと嵌合されている。内方の軌道輪２のはめあい面２ｂは、回転軸２１と嵌合されている。

外方の軌道輪３のはめあい面３ｂの最大外径は、ハウジング１０のはめあい面１０ａの最小内径よりも小さい。すなわち、外方の軌道輪３のはめあい面３ｂは、回転軸２１とハウジング１０のうちの一方の部材としてのハウジング１０とすきまばめされている。外方の軌道輪３のはめあい面３ｂと、ハウジング１０のはめあい面１０ａとの間に設定されているはめあいすきまは、はめあい面１０ａの最小内径とはめあい面３ｂの最大値との差分に相当する。

一方の部材としてのハウジング１０と、この嵌め合い相手である一方の軌道輪としての外方の軌道輪３とが径方向に接触し得る部位は、互いのはめあい面３ｂ、はめあい面１０ａのみである。そのはめあい面３ｂを構成する絶縁被膜７は、駆動用モータ２０からの漏れ電流が流れる回路を絶縁被膜７で断ち、内外の軌道輪２，３と転動体４間における放電を防いで内外の軌道輪２，３、転動体４の電食を防止する。

図４に示すように、外方の軌道輪３のはめあい面３ｂと、ハウジング１０のはめあい面１０ａとの間では、その周方向の大部分の領域において、両はめあい面３ｂ，１０ａ間にすきまｇ_ａが生じる一方、その周方向の残部において、両はめあい面３ｂ，１０ａが接触する。両はめあい面３ｂ，１０ａの接触部は、転がり軸受１に負荷されるラジアル荷重によって変形させられる。このため、両はめあい面３ｂ，１０ａの接触部は、ラジアル荷重の方向（図４において下方向）と直交する平面に沿った方向に幅Ｗａをもって生じる。

絶縁被膜７が前述のラジアル荷重で大きく変形する程、接触部の幅Ｗａが大きくなる。接触部の幅Ｗａが大きくなる程、両はめあい面３ｂ，１０ａの接触面積が大きくなる。ラジアル荷重による絶縁被膜７の変形を抑えるため、絶縁被膜７の膜厚は、０．０５ｍｍ以下であることが好ましい。

ここで、絶縁被膜７による静電容量Ｃは、次の［数１］で表すことができる。

［数１］において、ε_０は真空の誘電率、ε_ｍは絶縁被膜の材料の誘電率、Ｓは両はめあい面３ｂ，１０ａの接触面積、ｄは絶縁被膜７の膜厚である。［数１］から、静電容量Ｃを小さくすること、すなわちインピーダンスを高くするには、接触面積Ｓを小さくすればよいことが分かる。

仮に、ハウジング１０のはめあい面１０ａの内径をより小さくして図５に示すはめあい面１０ｂに変更した場合、外方の軌道輪３のはめあい面３ｂと、ハウジング１０のはめあい面１０ｂとの間のはめあいすきまが図４例よりも小さくなり、すきまｇ_ｂが総じて小さくなるので、両はめあい面３ｂ，１０ｂの接触部の幅Ｗｂが図４例の幅Ｗａよりも大きくなり、したがって、接触面積が図４例よりも大きくなり、高インピーダンス化にとって不利となる。なお、図４、図５においては、はめあいすきまの違いによる接触面積の変化を分かり易くするため、幅Ｗａ、Ｗｂを誇張している。

車両駆動用モータや変速機の回転軸支持用途に実績のある軸受サイズを想定し、はめあいすきまと接触面積の関係を計算した。その計算結果を図６に示す。ここで、計算モデルは、型番６２０７（軸受外径φ７２ｍｍ）に設定した。

図６のグラフから明らかなように、はめあいすきまが０．００５ｍｍ以上のとき、はめあいすきまが無い場合に比して、接触面積を凡そ半分以上減らすことができる。特に、はめあいすきまが０．０２０ｍｍ以上である場合、接触面積を約７割も減らすことができる。

このことから、図１に示す外方の軌道輪３のはめあい面３ｂとハウジング１０のはめあい面１０ａとの間に０．００５ｍｍ以上、より好ましくは０．０２０ｍｍ以上のはめあいすきまを設定することにより、車両駆動用モータ等の回転軸支持用途に実績のある軸受サイズにおいて、両はめあい面３ｂ，１０ａの接触面積を５割以上、より好ましくは７割以上減らして両はめあい面３ｂ，１０ａ間の高インピーダンス化を実現可能なことが分かる。したがって、同じ静電容量を得るとしても、はめあいすきまを０．００５ｍｍ以上にすると絶縁被膜７の膜厚を５割以上低減し、特に、はめあいすきまを０．０２０ｍ以上にすると絶縁被膜７の膜厚を７割以上低減して、絶縁被膜７の低コスト化を図ることが可能である。

図１～図４に示すこの軸受装置は、上述のようなものであり、車両駆動用モータ２０に含まれた回転軸２１と、回転軸２１の周囲に設けられたハウジング１０と、ハウジング１０に対して回転軸２１を支持する転がり軸受１とを備え、転がり軸受１が内方の軌道輪と、外方の軌道輪と、内方の軌道輪と外方の軌道輪の間に介在する複数の転動体と、これら複数の転動体を保持する保持器とを有し、内方の軌道輪と外方の軌道輪のうちの一方の軌道輪３は、回転軸とハウジングのうちの一方の部材（ハウジング１０）に取り付けられており、一方の軌道輪３のうち、一方の部材１０に嵌合するはめあい面３ｂが絶縁被膜７からなるものであって、一方の軌道輪３のはめあい面３ｂと一方の部材１０とがすきまばめされているので、そのはめあいすきまに基づいて絶縁被膜と一方の部材との接触面積を減らして静電容量（キャパシタンス）を小さくし、高インピーダンス化を実現することができる。これにより、この軸受装置は、金属輪６の外周に高インピーダンス化のための窪み加工を無くし、また絶縁被膜７の膜厚を薄くして、一方の軌道輪３の量産性及び絶縁被膜７の信頼性の低下を避けつつ一方の軌道輪３のコストを抑えることができる。

また、この軸受装置は、一方の軌道輪３のはめあい面３ｂと一方の部材１０との間に０．００５ｍｍ以上のはめあいすきまが設定されていることにより、車両駆動用モータ２０の回転軸２１を支持する用途に実績のある軸受サイズにおいて、一方の軌道輪３のはめあい面３ｂと一方の部材１０との間にはめあいすきまが無い場合に比して接触面積を凡そ半分以下に低減して、高インピーダンス化を実現し、その分、絶縁被膜７を薄くして低コスト化を図ることができる。

特に、この軸受装置は、一方の軌道輪３のはめあい面３ｂと一方の部材１０との間のはめあいすきまが０．０２ｍｍ以上であることにより、前述の接触面積を凡そ７割低減して、絶縁被膜７を一層薄くすることができる。

また、この軸受装置は、絶縁被膜７の膜厚が０．０５ｍｍ以下であることにより、一方の軌道輪３のはめあい面３ｂと一方の部材１０との接触部に作用するラジアル荷重による絶縁被膜７の変形を小さくして前述の接触面積の拡大を抑え、高インピーダンスを確保することができる。

また、この軸受装置は、絶縁被膜７がセラミックス、ポリフェニレンサルファイド樹脂、ポリアミドイミド樹脂、及びエポキシ樹脂の中の少なくとも一つを含有する焼成膜であることにより、絶縁被膜７の良好な絶縁抵抗、絶縁破壊電圧、機械的強度、加工性などを得ることができる。

図示例では、車両駆動用モータ２０の回転軸２１を支持する転がり軸受１の外方の軌道輪３とハウジング１０間で高インピーダンス化を図ったが、内方の軌道輪と回転軸間で高インピーダンス化を図る場合も考えられる。この場合、一方の軌道輪としての内方の軌道輪のはめあい面を絶縁被覆で構成し、内方の軌道輪のはめあい面と、一方の部材としての回転軸とをすきまばめし、その膜厚やはめあいすきまを同様に設定すればよいだけなので、その図示説明を省略する。また、図示例では、車両駆動用モータ２０の回転軸２１を支持する軸受装置にこの発明を適用したが、この発明は、変速機３０の回転軸３１～３３を支持する転がり軸受３７、３８の軌道輪のはめあい面を絶縁被覆で構成する場合にも転がり軸受１の場合と同様に適用すればよいだけのことなので、その図示説明を省略する。

今回開示された実施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。したがって、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。

１，３７，３８転がり軸受
２内方の軌道輪
３外方の軌道輪
３ｂはめあい面
４転動体
５保持器
７絶縁被覆
１０ハウジング
２０車両駆動用モータ
３０変速機
２１，３１～３３回転軸

Claims

車両駆動用モータ又は車両駆動用モータに接続された変速機に含まれた回転軸と、前記回転軸の周囲に設けられたハウジングと、前記ハウジングに対して前記回転軸を支持する転がり軸受とを備え、
前記転がり軸受は、内方の軌道輪と、外方の軌道輪と、前記内方の軌道輪と前記外方の軌道輪の間に介在する複数の転動体と、これら複数の転動体を保持する保持器とを有し、
前記内方の軌道輪と前記外方の軌道輪のうちの一方の軌道輪は、前記回転軸と前記ハウジングのうちの一方の部材に取り付けられており、
前記一方の軌道輪のうち、前記一方の部材に嵌合するはめあい面が、絶縁被膜からなる軸受装置において、
前記はめあい面と前記一方の部材とが、すきまばめされていることを特徴とする軸受装置。
前記はめあい面と前記一方の部材との間に０．００５ｍｍ以上のはめあいすきまが設定されている請求項１に記載の軸受装置。
前記はめあいすきまが０．０２ｍｍ以上である請求項２に記載の軸受装置。
前記絶縁被膜の膜厚が０．０５ｍｍ以下である請求項１から３のいずれか１項に記載の軸受装置。
前記絶縁被膜が、セラミックス、ポリフェニレンサルファイド樹脂、ポリアミドイミド樹脂、及びエポキシ樹脂の中の少なくとも一つを含有する焼成膜である請求項１から４のいずれか１項に記載の軸受装置。