JP2024012722A - 転がり軸受 - Google Patents
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Abstract
【課題】寿命の短期化を抑止した導電性高速転がり軸受を提供する。【解決手段】内輪１１と外輪２１との間に形成された環状空間２に、イオン液体が添加されたグリースを封入し、シール部材３１のシール部４１の材料に、水素化ニトリルゴム（ＨＮＢＲ）を用いて導電性高速転がり軸受１を構成した。これにより、イオン液体が添加されたグリースによるシール部４１の膨潤が抑止されるので、高温高速回転による第１リップ部４７及び第２リップ部４８の異常摩耗並びに亀裂の発生が抑止され、導電性高速転がり軸受１の寿命が短期化するのを抑止することができる。【選択図】図２
Description
本発明は、転がり軸受に関し、例えば、電気自動車の駆動用モータに用いられる導電性高速転がり軸受に関する。
電気自動車の駆動用モータは、モータシャフトとハウジングとの間で帯電する。このため、モータシャフトを支持する転がり軸受は、転動体と転送面との間でグリースを通じてスパークが発生することによる電食を抑止する必要がある。例えば、特許文献１には、Ｕ字形状シール溝２ｂと第１リップ７ａ及び第２リップ７ｂとで画定された環状空間Ｓに、イオン性液体を基油としたイオン性流体グリースを塗布又は充填した転がり軸受が開示されている。特許文献１に記載された転がり軸受は、電流が玉３（転動体）を通らずに導電性のシール部材５を通って流れるため、電食の発生を抑制する効果がある。
特許文献１に記載された転がり軸受は、シール部材の材料として、ＥＰＤＭ（エチレンプロピレンゴム）等の導電性ゴムが用いられる。導電性ゴムは、耐油性が劣るため、シール部材の材料として用いた場合、グリースの基油による膨潤が問題視される。特に、電気自動車の駆動用モータにおける高速回転の使用条件下では、シール部材のリップが異常摩耗を起こし、グリースが外部へ漏出して潤滑性能が低下することで転がり軸受の寿命が短期化する。
本発明は、寿命の短期化を抑止した導電性高速転がり軸受を提供することを課題とする。
本発明の転がり軸受は、内輪と、外輪と、前記内輪と前記外輪との間に形成された環状空間に設けられる複数個の転動体と、前記環状空間をシールするシール部材と、を備える転がり軸受であって、前記環状空間には、イオン液体が添加されたグリースが封入され、前記シール部には、水素化ニトリルゴムが用いられることを特徴とする。
本発明によれば、導電性高速転がり軸受の寿命の短期化を抑止することができる。
本発明の一実施形態を添付した図を参照して説明する。
以下、電気自動車の駆動用モータに用いられる導電性高速転がり軸受１（以下「転がり軸受１」と称する）を説明するが、当該転がり軸受１の用途を限定することを意図するものではない。なお、転がり軸受１は、軸平面による断面が軸方向対称（図１における「左右対称」）である。よって、簡潔に説明することを目的に、当該断面の、対称線の図１における右側部分のみ説明する。なお、転がり軸受１の回転中心である軸線（以下「軸線」と称する）を中心とする円周に沿う方向を「周方向」と称する。
以下、電気自動車の駆動用モータに用いられる導電性高速転がり軸受１（以下「転がり軸受１」と称する）を説明するが、当該転がり軸受１の用途を限定することを意図するものではない。なお、転がり軸受１は、軸平面による断面が軸方向対称（図１における「左右対称」）である。よって、簡潔に説明することを目的に、当該断面の、対称線の図１における右側部分のみ説明する。なお、転がり軸受１の回転中心である軸線（以下「軸線」と称する）を中心とする円周に沿う方向を「周方向」と称する。
図１に示されるように、転がり軸受１は、内輪１１と、外輪２１と、内輪１１と外輪２１との間に形成された環状空間２に設けられる複数個の転動体３と、複数個の転動体３を周方向へ一定間隔をあけて保持するリテーナ４（環状保持器）と、を備える。内輪１１、外輪２１、及び転動体３はスチールからなり、リテーナ４は合成樹脂からなる。内輪１１の外周面１２及び外輪２１の内周面２２の軸方向（図１における「左右方向」）中央には、周方向へ延びて転動体３を転送する環状の転送面１３及び２３が設けられる。なお、内輪１１の外周面１２及び外輪２１の内周面２２は、軸線を中心とする円筒面からなる。
転がり軸受１は、環状空間２をシールする一対のシール部材３１（図１に右側のシール部材３１のみ表示）を備える。シール部材３１によってシールされた環状空間２には、一定量のグリース（図示省略）が封入される。グリースは、基油及び増ちょう材を含有し、イオン液体が添加されて体積抵抗率が汎用グリース（１．０×１０-
８～１．０×１０１４Ωｃｍ）よりも低い１．０×１０６Ωｃｍ程度に調整される。
イオン液体は、カチオン及びアニオンを適当に選択することで、各潤滑剤組成物の特性、潤滑剤の寿命の延長、潤滑作用の向上、温度適正の改善のための粘度調節、並びに使用分野を拡張するための電気伝導率の調節が成される。イオン液体に適したカチオンは、ホスホニウムカチオン、イミダゾリウムカチオン、ピリジニウムカチオン又はピロリジニウムカチオンであり、当該カチオンは、フッ素を含有し、且つビス（トリフルオロメチルスルホニル）イミド、ビス（ペルフルオロアルキルスルホニル）イミド、ペルフルオロアルキルスルホナート、トリス（ペルフルオロアルキル）メチド、ビス（ペルフルオロアリール）イミド、ペルフルオロアリールペルフルオロアルキルスルホニルイミド、及びトリス（ペルフルオロアルキル）トリフルオロホスファートから選択されたアニオン、又はハロゲン不含のアルキルスルファートアニオンと組み合わされる。
ここで、イオン液体は、概して高い熱安定性を有することから、高度にフッ素化されたアニオンを含有することが有利である。例えば、ビス（トリフルオロメチルスルホニル）アニオンを含有するイオン液体では、水を吸収する能力を顕著に減少させることが可能である。
このようなイオン液体として、ブチルメチルピロリジニウム－ビス（トリフルオロメチルスルホニル）イミド（ＭＢＰイミド）、メチルプロピルピロリジニウム－ビス（トリフルオロメチルスルホニル）イミド（ＭＰＰイミド）、１－ヘキシル－３－メチルイミダゾリウム－トリス（ペルフルオロエチル）トリフルオロホスファート（ＨＭＩＭＰＦＥＴ）、１－ヘキシル－３－メチルイミダゾリウム－ビス（トリフルオロメチルスルホニル）イミド（ＨＭＩＭイミド）、ヘキシルメチルピロリジニウム－ビス（トリフルオロメチルスルホニル）イミド（ＨＭＰ）、テトラブチルホスホニウム－トリス（ペルフルオロエチル）トリフルオロホスファート（ＢｕＰＰＦＥＴ）、Ｎ－ヘキシルピリジニウム－ビス（トリフルオロメチル）スルホニルイミド（Ｈｐｙｉｍｉｄ）、ブチルメチルピロリジニウム－トリス（ペンタフルオロエチル）トリフルオロホスファート（ＭＢＰＰＦＥＴ）、トリヘキシル（テトラデシル）ホスホニウム－ビス（トリフルオロメチルスルホニル）イミド（ＨＰＤイミド）、１－エチル－３－メチルイミダゾリウムエチルスルファート（ＥＭＩＭエチルスルファート）、１－エチル－３－メチルイミダゾリウム－ビス（トリフルオロメチルスルホニル）イミド（ＥＭＩＭイミド）、１－エチル－２，３－ジメチルイミダゾリウム－ビス（トリフルオロメチルスルホニル）イミド（ＥＭＭＩＭイミド）、Ｎ－エチル－３－メチルピリジニウム－ノナフルオロブタンスルホナート（ＥＭＰｙｆｌａｔ）等がある。
なお、グリースの組成は、例えば、基油としてエステル油が８０質量％、増ちょう剤として脂肪族－芳香族ウレアが１２質量％、添加剤として混合物が３質量％、及びイオン液体としてトリヘキシル（テトラデシル）ホスホニウム－ビス（トリフルオロメチルスルホニル）イミド（ＨＰＤイミド）が５質量％である。他の組成として、基油として合成炭化水素油が８０質量％、増ちょう剤として脂肪族－脂環式ウレアが１２質量％、添加剤として混合物が３質量％、及びイオン液体としてトリヘキシル（テトラデシル）ホスホニウム－ビス（トリフルオロメチルスルホニル）イミド（ＨＰＤイミド）が５質量％がある。
転がり軸受１の両側部（図１に右側部のみ表示）には、シール部材３１が取り付けられるシール取付部５が設けられる。シール取付部５は、内輪１１の外側周縁に沿って設けられた環状のシール溝１５と、外輪２１の内側周縁に沿って設けられた環状のシール溝２５と、を有する。外輪２１のシール溝２５は、軸線に対して一定角度（例えば「２５°」）で傾斜して外輪２１の側面２４から軸方向内側（図１における「左側」）へ進むにつれて拡径された傾斜部２６と、軸線に対して垂直をなす底部２７と、を有する。なお、傾斜部２６と底部２７との間には、Ｒ部２８（曲面）が形成される。
内輪１１のシール溝１５は、外周面１２よりも小径の小径部１６と、小径部１６と内輪１１の外周面１１との間に設けられた底部１７（段部）と、を有する。小径部１６は、軸線を中心とする円筒面からなる。底部１７は、外輪２１のシール溝２５の底部２７よりも内側（図１における「左側」）に設けられて軸線に垂直な平面（底部２７）に対して一定角度（例えば「５°」）で傾斜する。また、底部１７は、内輪１１の外周面１２の外側周端から小径部１６の内側周端へ進むにつれて、内輪１１の側面１４からの距離が短くなる。即ち、小径部１６と底部１７とは鈍角（例えば「９５°」）をなす。
シール部材３１は、芯金３２と、芯金３２の一部を被うシール部４１と、からなる。芯金２２は、シール取付部５のシール溝１５とシール溝２５との間を転がり軸受１の径方向（図１における上下方向、以下「径方向」と称する）へ延びる環状部材からなる。芯金３２の外側周縁には、軸線に沿って内側（図１における「左側」）へ延びるフランジ部３３が形成される。フランジ部３３が形成された芯金３２の外周縁部３５は、フランジ部３３の端面３４が外輪２１のシール溝２５の底部２７に対向する位置まで延ばされている。
シール部４１は、材料として、アクリロニトリルと水素化されたブタジエンのランダム共重合体である水素化ニトリルゴム（ＨＮＢＲ）が用いられる。シール部４１の外周周縁部４２は、芯金３２のフランジ部３３を被って外輪２１のシール溝２５に嵌着（固定）される。外周縁部４２は、シール取付部２５の傾斜部２６と底部２７とに密着される。シール部４１は、芯金３２の内周縁部３６を被う厚肉部４３（図２参照）を有する。厚肉部４３は、芯金３２の内周縁部３６から内輪１１のシール溝１５の底部１７に向かって芯金３２に対して内側へ傾斜して延びる。なお、芯金３２の外側面３７は、シール部４１の薄肉部４４によって被われる。
図２に示されるように、シール部４１の内周縁部４５には、内輪１１のシール溝１５の小径部１６に摺動可能に当接される第１リップ部４７と、シール溝１５の底部１７に摺動可能に当接される第２リップ部４８と、が設けられる。第１リップ部４７は、シール部４１の内周縁部４５から軸方向内側（図２における左側）へ突出して周方向へ延びる。内周縁部４５における第１リップ部４７の外周には、矩形断面の環状溝４９が形成される。環状溝４９の形状（寸法）を調整することで、第１リップ部４７の撓み剛性、即ち、第１リップ部４７の、シール溝１５の小径部１６への押圧力を調節することが可能である。なお、本実施形態では、第１リップ部４７の、シール溝１５の底部１７への接触圧（締め代）は、第２リップ部４８の小径部１６への接触圧よりも小さく、概ね半分となっている。しかし、第１リップ部４７の底部１７への接触圧は、転がり軸受１に予圧を付与したとき、予圧側のシール部材３１、反予圧側のシール部材３１共に、接触が維持されるように設定されている。
第２リップ部４８は、シール部４１の内周縁部４５から、軸線に垂直な平面に対して一定角度（例えば「４５°」）で外側へ傾斜して周方向へ延びる。第２リップ部４８は、第１リップ部４７に対して鈍角（例えば「１３５°」）をなす。シール取付部１５には、第１リップ部４７、第２リップ部４８、及び内輪１１のシール溝１５によって画定された環状空間５０が形成される。ここで、内輪１１のシール溝１５の小径部１６及び底部１７は、切削（外丸削り）によって表面粗さ（Ｒａ）が０．２～０．６μｍに加工される。これにより、第１リップ部４７とシール溝１５の底部１７との接触部、及び第２リップ部４８とシール溝１５の小径部１６との接触部には、周方向へ延びる複数本の溝１８（条線、図３参照）が形成される。
ここで、図４は、本実施形態に係る転がり軸受１における内輪１１のシール溝１５のような小径部１６及び底部１７（段部）を有していない内輪５２の外周面５３に１つのリップ部５４を摺動可能に当接させたシール構造５１（以下「比較例１のシール構造５１」と称する）を示す。他方、図５は、本実施形態に係る転がり軸受１における内輪１１のシール溝１５のような小径部１６及び底部１７（段部）を有していない内輪６２の外周面６３に内側の第１リップ部６４と外側の第２リップ部６５とを摺動可能に当接させたシール構造６１（以下「比較例２のシール構造６１」と称する）を示す。なお、比較例１のシール構造５１における内輪５２の外周面５３、及び比較例２のシール構造６１における内輪６２の外周面６３は、研削による仕上げ加工が施されている。また、比較例１のシール構造５１、及び比較例２のシール構造５２では、芯金がリップ部と軸方向視で重なる位置まで延びている。
本発明の発明者は、比較例１のシール構造５１、比較例２のシール構造６１、及び本実施形態におけるシール構造（図２参照）の各シール構造におけるグリースの漏出抑止作用を評価する試験を行った。具体的には、軸受の温度（１２０℃）、軸の回転数（４２０００ｒｐｍ）、予圧（３９Ｎ）の条件で、１００時間連続運転させたときの各シール構造におけるグリースの漏出抑止作用を評価した。なお、本試験では、イオン液体を添加したグリースを使用した。
その結果、比較例１のシール構造５１では、転がり軸受の外側への基油の滲出が見られた。また、比較例２のシール構造６１では、転がり軸受の外側へのグリースの漏出が見られた。他方、本実施形態におけるシール構造（図２参照）では、基油の滲出及びグリースの漏出が見られず、良好なシール性が示された。
さらに、比較例１のシール構造５１における内輪５２の外周面５３には、リップ部５４との接触部に摩擦熱による変色が見られた。また、比較例２のシール構造６１における内輪６２の外周面６３においても、第１リップ部６４及び第２リップ部６５との接触部に摩擦熱による変色が見られた。これに対し、本実施形態におけるシール構造（図２参照）の底部１７（段部）及び小径部１６には、第１リップ部４７及び第２リップ部４８との接触部に摩擦熱による変色が見られなかった。
本実施形態の作用効果を説明する。
従来、転がり軸受における電食の発生を抑制する技術として、シール部材のリップ部とシール溝との接触部にイオン液体が添加されたグリースを塗布して、電流を転動体へ通さずに導電性のシール部材を通して流すことで、電食の発生を抑制するように構成した転がり軸受（以下「従来の転がり軸受」と称する）が知られている。
従来、転がり軸受における電食の発生を抑制する技術として、シール部材のリップ部とシール溝との接触部にイオン液体が添加されたグリースを塗布して、電流を転動体へ通さずに導電性のシール部材を通して流すことで、電食の発生を抑制するように構成した転がり軸受（以下「従来の転がり軸受」と称する）が知られている。
しかし、従来の転がり軸受は、シール部材の材料として、ＥＰＤＭ（エチレンプロピレンゴム）等の導電性ゴムが用いられていたので、グリースの基油によって材料のゴムが膨潤して、電気自動車の駆動用モータにおける高速回転の使用条件下では、シール部材のリップが異常摩耗を起こし、グリースが外部へ漏出して潤滑性能が低下することにより転がり軸受の寿命が短期化することが問題になっていた。
これに対し、本実施形態では、内輪１１と外輪２１との間に形成された環状空間２に、イオン液体が添加されたグリースを封入し、シール部材３１のシール部４１の材料に、水素化ニトリルゴム（ＨＮＢＲ）を用いて転がり軸受１を構成した。
本実施形態によれば、例えば、電気自動車の駆動用モータのモータシャフトを転がり軸受１で支持した場合、モータシャフト（図示省略）とハウジング（図示省略）との間で帯電した電気は、モータシャフト、内輪１１、グリース、外輪２１を通って流れる。本実施形態では、グリースにイオン液体を添加することで体積抵抗率を１．０×１０６Ωｃｍ程度まで低下させているので、転動体３と転送面１３，２３との間でグリースを通じてスパークが発生することがなく、電食による転がり軸受１の損傷を抑止することができる。
また、本実施形態では、シール部材３１のシール部４１の材料として水素化ニトリルゴム（ＨＮＢＲ）を用いたので、イオン液体が添加されたグリースによるシール部４１の膨潤を抑止することができる。これにより、転がり軸受１の高速回転による第１リップ部４７及び第２リップ部４８の異常摩耗並びに亀裂の発生が抑止され、転がり軸受１の寿命が短期化するのを抑止することができる。
また、本実施形態では、シール部４１の内側の第１リップ部４７を内輪１１のシール溝１５の底部１７（段部）に摺動可能に当接させ、シール部４１の外側の第２リップ部４８をシール溝１５の小径部１６（円筒面）に摺動可能に当接させたので、第１リップ部４７、第２リップ部４８、及びシール溝１５によって画定された環状空間５０にオイル溜まりが形成される。これにより、当該オイル溜まりから、第１リップ部４７とシール溝１５の底部１７との接触部、及び第２リップ部４８とシール溝１５の小径部１６との接触部へ、潤滑油を供給することが可能であり、これら接触部における摩擦抵抗を低減することができる。
さらに、本実施形態では、内輪１１のシール溝１５、即ち、底部１７（段部）及び小径部１６（円筒面）を、切削によって表面粗さ（Ｒａ）０．２～０．６μｍに加工したので、第１リップ部４７とシール溝１５の底部１７との接触部、及び第２リップ部４８とシール溝１５の小径部１６との接触部に、周方向へ延びる複数本の溝１８（条線）が形成される。これら複数本の溝１８に、環状空間５０に形成されたオイル溜まりから潤滑油が供給されることにより、第１リップ部４７とシール溝１５の底部１７との接触部、及び第２リップ部４８とシール溝１５の小径部１６との接触部における摩擦抵抗をより低減することができる。
このように、本実施形態では、基油の滲出、グリースの漏出、並びに第１リップ部４７及び第２リップ部４８の異常摩耗等による損傷を防止すること、さらに２つのリップ部４７，４８によって外部から環状空間２への異物の侵入を抑制することが可能であり、導電性高速転がり軸受１の寿命が短期化することを抑止することができる。
１ 転がり軸受、２ 環状空間、３ 転動体、１１ 内輪、２１ 外輪、３１ シール部材、３２ 芯金、４１ シール部
Claims (4)
- 内輪と、外輪と、前記内輪と前記外輪との間に形成された環状空間に設けられる複数個の転動体と、前記環状空間をシールするシール部材と、を備える転がり軸受であって、
前記環状空間には、イオン液体が添加されたグリースが封入され、
前記シール部材のシール部には、水素化ニトリルゴムが用いられることを特徴とする転がり軸受。 - 前記内輪は、外周面に設けられて前記転動体を転送する転送面と、前記外周面の軸方向両側に設けられて前記外周面よりも小さい外径の小径部と、前記外周面と前記小径部との間に設けられる段部と、を備え、
前記シール部は、前記段部に当接される内側のリップ部と、前記小径部に当接される外側のリップ部と、を備えることを特徴とする請求項１に記載の転がり軸受。 - 前記段部と前記内側のリップ部との接触部、及び前記小径部と前記外側のリップ部との接触部には、前記内輪の周方向へ延びる複数本の溝が設けられることを特徴とする請求項２に記載の転がり軸受。
- 前記複数本の溝は、前記段部及び前記小径部を切削加工することで形成されることを特徴とする請求項３に記載の転がり軸受。
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| JP2020173245A JP2024012722A (ja) | 2020-10-14 | 2020-10-14 | 転がり軸受 |
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