JP5305125B2

JP5305125B2 - オルタネータ用転がり軸受

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Publication number: JP5305125B2
Application number: JP2007326128A
Authority: JP
Inventors: 健太坂口
Original assignee: NTN Corp
Current assignee: NTN Corp
Priority date: 2007-12-18
Filing date: 2007-12-18
Publication date: 2013-10-02
Anticipated expiration: 2027-12-18
Also published as: JP2009150408A; US9234154B2; WO2009078401A1; DE112008003373T5; US20100266231A1

Description

この発明は、自動車の交流発電機であるオルタネータの回転軸を支持するオルタネータ用転がり軸受に関するものである。

一般に、自動車用オルタネータは、自動車エンジンの回転をベルトで受けて発電し、車両の電気負荷に電力を供給すると共に、バッテリを充電することが可能な交流発電機を指してそのように称されている。

図２に示すように、オルタネータは、ハウジングに、ロータ１２を装着されたロータ回転軸１３が、一対の玉軸受Ａで回転自在に支持されている。ロータ１２にはロータコイル１５が取り付けられ、ロータ１２の外周に配置されたステータ１６には、１２０°の位相で３巻のステータコイル１７が取り付けられている。

前記ロータ回転軸１３は、その先端に取り付けられたプーリ２０にベルト（図示省略）で伝達される自動車エンジンからの回転トルクで回転駆動され、ロータコイル１５に電気が流れると、位相をずらして取り付けられた３巻の各ステータコイル１７に交流電流が誘起される。この誘起された３相の交流電流は、レクティファイヤ２１で全波整流され、バッテリに充電される。

プーリ２０は片持ち状態でロータ回転軸１３に取り付けられており、ロータ回転軸１３の高速回転に伴って振動も発生するため、特にプーリ２０側を支持する玉軸受Ａは、苛酷な負荷を受ける。なお、図２中の符号１８はステップリング、１９はファンを示している。

また、オルタネータ用転がり軸受は、加熱されたエンジンルーム内雰囲気で高速回転するため１８０℃以上の高温になる場合があり、その回転数は１００００ｒｐｍ以上の高速回転にもなり、極めて過酷な環境に耐える必要がある。

このようにオルタネータ用転がり軸受は、耐熱性やできるだけ温度上昇を抑制するために低回転トルクであることが求められ、さらに耐久性も要求される。

そのため、転がり軸受に封入される潤滑グリースは、耐熱性の良い基油や増ちょう剤を選択的に採用する必要があり、例えばアルキルジフェニルエーテル油とポリαオレフィン油を混合した基油に、増稠剤として芳香族ジウレア化合物を５〜４０重量％配合した潤滑グリースを用いることが知られている（特許文献１）。

また、電子機器や空調機器に用いる転がり軸受の内部に４０℃の動粘度３０〜７０ｃＳｔの潤滑グリースを充填し、その充填量が、軸受内部の全空間体積に対して５〜２０％に調整されて封入されている転がり軸受が知られている（特許文献２）。

特開平５−２６３０９１号公報特開２００１−１２３１９０号公報

しかし、上記した従来の転がり軸受のうち、前者（特許文献１）の転がり軸受では、オルタネータ用転がり軸受の耐久時間（寿命）を延長できるような潤滑グリースの封入量は特定されておらず、そのために必要な基油粘度も特定されていなかった。

また、後者（特許文献２）に記載の発明は、オルタネータ用転がり軸受に関するものではなく、荷重が小さいハードディスクドライブ用または、回転数は７０００ｒｐｍ程度に
低い空調機器の送風モータ軸を支持する転がり軸受に関するので、グリースの封入量の適正や、適正な基油の動粘度についての技術データを、そのままオルタネータ用転がり軸受に転用できるものではなかった。

そこで、この発明の課題は、上記したように従来技術では解決されていない問題点として、オルタネータ用転がり軸受における回転時の温度上昇の抑制を充分に図ること、また転がり軸受の温度上昇による潤滑グリースの劣化を防止すること、さらにはオルタネータ用転がり軸受の潤滑寿命の延長を図ることを課題としている。

上記の課題を解決するために、この発明においては、４０℃における動粘度が１３〜７３ｃＳｔの基油を、芳香族ウレア系増ちょう剤で増ちょうした潤滑グリースを調製し、この潤滑グリースを軸受両端面のシールされた転がり軸受の内部に封入したものからなり、前記封入する際の潤滑グリースの量は、転がり軸受内部の全空間体積の２０％以上であり、かつ静止空間体積の８０％以下の体積比率であるオルタネータ用転がり軸受としたのである。

ここで、この発明でいう「全空間体積」は、内輪と外輪と密封部材とにより閉じられた空間の体積から、転動体および保持器の体積を除いた体積をいう。
また、この発明でいう「静止空間体積」は、内輪と外輪と密封部材とにより閉じられた空間の体積における軸受回転時に転動体および保持器が通過しない空間の体積をいう。

上記したように構成されるこの発明に係るオルタネータ用転がり軸受は、潤滑グリースの基油として、４０℃における動粘度が１３〜７３ｃＳｔの基油を用いたことにより、潤滑に必要な所用粘度を満たしながら軸受内に滲み出した基油の攪拌抵抗による温度上昇が起り難く、オルタネータに実装された転がり軸受の使用時の軸受温度をほぼ１６０℃以下に抑制できる。

４０℃における動粘度が１３ｃＳｔ未満の柔らかい潤滑グリースでは、玉軸受（例えば深溝玉軸受）に所要の潤滑をする潤滑グリースにならないので好ましくない。また、７３ｃＳｔを超える硬いグリースでは、後述する実験結果からも明らかなように、潤滑グリースの攪拌抵抗による発熱量が大きくなり、オルタネータに実装された転がり軸受が１００００〜２００００回転の高速回転で使用する時の軸受温度が１６０℃を超えるようになり、潤滑グリースが劣化しやすくなって好ましくない。

この発明では、耐熱性の良い芳香族ウレア系増ちょう剤で増ちょうした潤滑グリースを使用していることによっても、１００℃を超えるような高温の使用状態でも増ちょう剤の機能が安定し、潤滑グリースは高温でも所定粘度が維持され、基油を所要面に適当な速度で安定的に供給することができ、長時間にわたり軸受温度の安定的な抑制を図ることができる。

前記潤滑グリースの封入量は、転がり軸受内部の全空間体積の２０％以上であり、かつ静止空間体積の８０％以下の体積比率である。
潤滑グリースの封入量は、転がり軸受内部の全空間体積における２０％以上の体積比率としていることにより、２０％未満の封入量のもの（１００重量程度）に比べて、高速回転（例えば２００００回転／分）での使用耐久時間（寿命）を顕著に長く（３５０時間以上）延長できる。全空間体積における２０％未満の体積比率の潤滑グリースの封入量では、使用耐久時間（寿命）が、１００時間程度となり、かなり短い寿命になる。

また、潤滑グリースの封入量は、転がり軸受内部における静止空間体積の８０％以下の体積比率としたことにより、潤滑作用は充分に発揮され、使用耐久時間（寿命）を延長できる。また、静止空間体積の８０％を超えて潤滑グリースを充填すると、転がり軸受から潤滑グリースが漏れ出ることがあり好ましくなく、またそのような過剰量を封入すると、軸受温度が上昇する傾向が高まり、特に静止空間体積の８５％を超えて潤滑グリースを充填すると軸受温度の上昇が顕著になる。

ところで、オルタネータ用転がり軸受は、高速で回転した際に、転走面の鏡面摩耗が起こりやすいが、そのときに形成される新生面が触媒作用をするので、潤滑グリースが分解しやすく、その分解時に発生した水素が、鋼中に浸透して転走面を脆化し、いわゆる水素脆性による金属剥離が起こる場合がある。

そのような事態を防ぐために、潤滑グリースの基油が、エーテル油の含有率１５〜１００重量％の基油を使用することが好ましい。エーテル油は、水素との結合が比較的強いものであるため、軸受が高速で回転した際に、転走面に基油に由来する水素が発生し難いものだからである。

潤滑グリースの好適な実施態様として、基油がエーテル油１５〜９５重量％とポリαオレフィン油５〜８５重量％の混合油であることが、水素脆性の防止および玉軸受に所要の潤滑性を確保するために好ましい。

また、転がり軸受の寿命の可及的な延長を図るために、芳香族ウレア系増ちょう剤が、耐熱性の良い芳香族ジウレアであるオルタネータ用転がり軸受とすることが好ましい。ウレア系増ちょう剤のなかでも、分子構造からみて耐酸化性の良いベンゼン環を多く含む芳香族ジウレアであって、例えば4,4’-ジフェニルメタンジイソシアネートをイソシアネート基とする芳香族ジウレアである特に耐熱性に優れた芳香族ウレア系増ちょう剤を用いたオルタネータ用転がり軸受とすることが好ましい。

この発明は、オルタネータ用転がり軸受において、所定動粘度の基油を芳香族ウレア系増ちょう剤で増ちょうした潤滑グリースを用い、この潤滑グリースを転がり軸受内部に所定量封入したので、回転時の温度上昇を抑制し、また温度上昇による潤滑グリースの劣化を防止し、このような改良点が総合されてオルタネータ用転がり軸受の潤滑寿命の延長を図ることができるという利点がある。

また、このようなオルタネータ用転がり軸受において、基油がエーテル油とポリαオレフィン油の混合油であるものでは、水素脆性が防止され、かつ玉軸受に所要の潤滑性が確保されるため、さらにオルタネータ用転がり軸受の潤滑寿命の延長を図ることができるという利点がある。

また、芳香族ウレア系増ちょう剤が芳香族ジウレアであり、特にその分子構造にイソシアネート基として4,4’-ジフェニルメタンジイソシアネートを有する芳香族ジウレアを採用すると、１００℃を超えるような高温の使用状態でも増ちょう剤の機能が安定し、長時間にわたり軸受温度が安定的に抑制されて、軸受の潤滑寿命の延長を図ることができる。

この発明に用いるオルタネータ用転がり軸受の構造を添付図面に基づいて説明する。
図１に示すように、実施形態の深溝玉軸受型のオルタネータ用転がり軸受は、同心に配置した外輪１と内輪２との間に複数個のボール型の転動体３を介在させ、この複数個の転動体３を保持する保持器４および外輪１に固定されたシール部材５が、軸方向の両端開口部を密封するように設けられたものであり、転がり軸受Ａの内部に、４０℃の動粘度が１３〜７３ｃＳｔの基油を芳香族ウレア系増ちょう剤で増ちょうした潤滑グリースＧを、軸受内部の全空間体積の２０％以上、かつ静止空間体積の８０％以下の体積比率だけ封入した転がり軸受である。

この発明に用いる４０℃における動粘度が１３〜７３ｃＳｔの基油は、所要の潤滑性を有しながら転がり軸受の温度上昇を抑制できる基油粘度を有する。
オルタネータ用転がり軸受は、通常、自己発熱による軸受温度の上昇が１６０℃である場合において、少なくとも１０００時間の寿命があるように使用耐久性が要求されるが、７３ｃＳｔを超える高粘度の基油を採用すると、潤滑する際に発熱作用によって１６０℃を超えるために寿命が短くなって好ましくないからである。また、４０℃における動粘度が１３ｃＳｔ未満の基油では、オルタネータ用転がり軸受に多用される深溝玉軸受について、油膜を所要の厚さに形成困難になるからである。

基油の種類としては、周知の合成潤滑油または鉱油を採用することができ、そのうち好ましくは、パラフィン系鉱油やナフテン系鉱油等の鉱油類、ポリ−α−オレフィン油（ＰＡＯ）などの合成炭化水素油類、ポリフェニルエーテルもしくはジアルキルエーテルまたはアルキルフェニルエーテルであるジアルキルジフェニルエーテル油、アルキルトリフェニルエーテル油、アルキルテトラフェニルエーテル油等のエーテル油類、ジエステル油、ポリオールエステル油またはこれらのコンプレックスエステル油、芳香族エステル油、炭酸エステル油等のエステル油類等を単独で、あるいは相互に混合して使用できる。
これらの中で高温の耐焼付き寿命、すなわち、これに相関する耐熱性および耐酸化性の優劣を考慮すると、エーテル油、中粘度ＰＡＯ、低粘度ＰＡＯの順に好ましい。

また、水素脆性による金属剥離が起こらないように、基油がエーテル油を含有する基油である潤滑グリースが好ましく、例えばエーテル油と、適正な潤滑性を発揮させるためのポリαオレフィン油の混合油の採用は好ましい。特に、エーテル油１５〜９５重量％とポリαオレフィン油５〜８５重量％の混合油は、水素脆性の防止および玉軸受に所要の潤滑性を確保するものとして好ましい潤滑グリースであり、この傾向からみると、エーテル油１５〜２５重量％とポリαオレフィン油７５〜８５重量％の混合油がより好ましいものである。

このような基油を増ちょうするために配合する増ちょう剤は、芳香族ウレア系増ちょう剤である。脂肪族ジウレア、脂環式ジウレア、芳香族ジウレアを比較すると、結晶構造の安定性、耐熱性、せん断安定性、付着性、耐漏洩性について、比較的脂環式ジウレアは優れているが、それより顕著に芳香族ジウレアが優れている。トルク、圧送性、流動性については脂肪族ジウレアおよび脂環式ジウレアが、この順に優れているが、オルタネータの転がり軸受では、油膜形成性および耐熱性に優れた芳香族ジウレアを使用した潤滑グリースの使用が好ましい。

そして、このような芳香族ジウレアの分子構造に、イソシアネート基として4,4’-ジフェニルメタンジイソシアネートを有する芳香族ジウレアからなる増ちょう剤を配合した潤滑グリースを採用すると、分子量が大きくて熱安定性に優れた増ちょう剤であり、また分子間距離が小さくて、ＯＨ基の水素結合力が高い点で好ましいものである。

因みに、イソシアネート基としてトリレレンジイソシアネート（ＴＤＩ）を有する芳香族ジウレア化合物よりもジフェニルメタンジイソシアネート（ＭＤＩ）を有する芳香族ジウレア化合物の方が、水素結合解離温度（加熱赤外分光分析において、ＮＨ伸縮振動を示すピークが３３００ｃｍ^−１から３４００ｃｍ^−１にシフトする時の温度）が７０℃高い（前者２５０℃、後者３２０℃）ため、後者の芳香族ジウレア化合物を採用することが好ましい。

基油として、エーテル油８０重量％と低粘度ポリαオレフィン油２０重量％の混合油を調整し、４０℃における動粘度が７２．３ｃＳｔの基油を調製した。この基油の半分量に１モルのトリレンジイソシアネート（ＴＤＩ）を溶かし、残りの半分量の基油に２モルのパラトルイジンからなるモノアミンを溶かし、これらを混合攪拌し、１００〜１２０℃で３０分反応させて基油中に芳香族ジウレア化合物を析出させ、芳香族ウレア系増ちょう剤で増ちょうした潤滑グリースを調製した。

上記の潤滑グリースを深溝玉軸受（ＮＴＮ社製：６２０４ＬＬＢ、両側非接触ゴムシール、高炭素クロム軸受鋼、外径１２．８ｍｍ、幅４７ｍｍ、内径２０ｍｍ）に１．８ｇ封入した。この潤滑グリースの封入量は、転がり軸受内部の全空間体積の４０％である。

得られた転がり軸受を、アキシャル荷重７８．４５Ｎ（８ｋｇｆ）、１８０００ｒｐｍ、室温下で５分間連続回転の条件で上昇する軸受温度を調べ（軸受温度上昇試験）、これを３回測定した結果（１５３℃、１５６℃、１５４℃）の平均値を図３の図表（Ｇ１）中に示した。
これにより、４０℃における動粘度が７３ｃＳｔ以下であれば、軸受温度は１６０℃を維持できることがわかる。

［比較例１］
実施例１において、基油として、エーテル油８０重量％と中粘度ポリαオレフィン油２０重量％の混合油を調整し、４０℃における動粘度が１０３ｃＳｔの基油を調製したこと、以外は実施例１と全く同様にして転がり軸受を調製し、上記同様の軸受温度上昇試験を行なって、３回測定した結果（１８０℃、１７２℃、１７６℃）の平均値を図３の図表（Ｇ２）中に併記した。
これにより、４０℃における動粘度が７３ｃＳｔを超えて硬質の潤滑グリースを使用すると、転がり軸受温度は１６０℃を超えて加熱され、軸受寿命に不利な影響を与える可能性が懸念される。

基油として、エーテル油２０重量％と中粘度ポリαオレフィン油８０重量％の混合油を調整し、４０℃における動粘度が７２．３ｃＳｔの基油を調製した。この基油の半分量に１モルの4,4’-ジフェニルメタンジイソシアネート（ＭＤＩ）を溶かし、残りの半分量の基油に２モルのパラトルイジンからなるモノアミンを溶かし、これらを混合攪拌し、１００〜１２０℃で３０分反応させて基油中に芳香族ジウレア化合物を析出させ、芳香族ウレア系増ちょう剤で増ちょうした潤滑グリースを調製した。

調製されたグリースを深溝玉軸受（ＮＴＮ社製：６２０６ＬＬＢ、両側非接触ゴムシール、高炭素クロム軸受鋼、外径６２ｍｍ、幅１６ｍｍ、内径３０ｍｍ）に全空間体積の２４％となるように封入した。
得られた転がり軸受を、ラジアル荷重４９０Ｎ、２００００ｒｐｍの条件で耐久時間を調べ、４４０時間との結果を得て、これを図４の図表中にプロット（Ｂ２）した。

実施例２において、グリースを深溝玉軸受に全空間体積の５０％となるように封入したこと以外は、全く同様にして転がり軸受を調製した。
得られた転がり軸受を、上記同様にラジアル荷重４９０Ｎ、２００００ｒｐｍの条件で耐久時間を調べ、４００時間との結果を得て、これ図４の図表中にプロット（Ｂ３）した。

［比較例２］
実施例２において、グリースを深溝玉軸受に全空間体積の１２％となるように封入したこと以外は、全く同様にして転がり軸受を調製した。
得られた転がり軸受を、上記同様にラジアル荷重４９０Ｎ、２００００ｒｐｍの条件で耐久時間を調べ、１００時間との結果を得て、これ図４の図表中にプロット（ｂ２）した。

［比較例３］
実施例２において、グリースを深溝玉軸受に全空間体積の８％となるように封入したこと以外は、全く同様にして転がり軸受を調製した。
得られた転がり軸受を、上記同様にラジアル荷重４９０Ｎ、２００００ｒｐｍの条件で耐久時間を調べ、８０時間との結果を得て、これ図４の図表中にプロット（ｂ３）した。

図４の結果からも明らかなように、転がり軸受内部の全空間体積の２０％以上の潤滑グリースを充填した転がり軸受の寿命は、４００時間を超え、比較例１、２との差は３５０時間程度と顕著であることがわかる。

実施例２において、グリースを深溝玉軸受（ＮＴＮ社製：６２０４ＬＬＢ、両側非接触ゴムシール、高炭素クロム軸受鋼、外径１２．８ｍｍ、幅４７ｍｍ、内径２０ｍｍ）に静止空間体積の７５％となるように封入したこと以外は、全く同様にして転がり軸受を調製した。
得られた転がり軸受を、上記同様にラジアル荷重６７Ｎ、１００００ｒｐｍの条件で回転させ、グリース漏れの有無を、初期封入量と試験後の封入量に差があるかどうかによって評価し、結果を図５の図表中にプロット（Ｂ４）した。

［比較例４〜７］
実施例４において、グリースを深溝玉軸受（ＮＴＮ社製：６２０４ＬＬＢ、両側非接触ゴムシール、高炭素クロム軸受鋼、外径１２．８ｍｍ、幅４７ｍｍ、内径２０ｍｍ）に静止空間体積の１１０、１２０、１４０、１５０％となるようにそれぞれ封入したこと以外は、全く同様にして比較例４〜７の転がり軸受を調製した。

得られた転がり軸受を、上記同様にラジアル荷重６７Ｎ、１００００ｒｐｍの条件で回転させ、グリース漏れの有無を、初期封入量と試験後の封入量に差があるかどうかによって評価し、結果を図５の図表中にプロット（ｂ４〜ｂ７）した。
図５の結果からも明らかなように、静止空間体積の８０％以下の体積比率で潤滑グリースを充填した転がり軸受については、グリース漏れがないことがわかる。

実施形態の断面図実施形態の使用状態を説明するオルタネータの断面図実験に用いた潤滑グリースの基油粘度と転がり軸受温度の関係を示す図表転がり軸受内の潤滑グリース量の初期封入量と転がり軸受の寿命の関係を示す図表転がり軸受内の潤滑グリース量の初期封入量と試験後の軸受内残量との関係を示す図表

符号の説明

１外輪
２内輪
３転動体
４保持器
５シール部材
１２ロータ
１３ロータ回転軸
１５ロータコイル
１６ステータ
１７ステータコイル
１８ステップリング
１９ファン
２０プーリ
２１レクティファイヤ

Claims

同心に配置した内輪と外輪との間に複数個の転動体を介在させ、この複数個の転動体を保持器で保持し、外輪に固定されたシール部材が軸方向の両端開口部を密封するように設けられた軸受の内部に、エーテル油を含有して４０℃における動粘度が１３〜７３ｃＳｔの基油と芳香族ウレア系増ちょう剤とを含有する潤滑グリースを封入し、前記潤滑グリースの封入量は、転がり軸受内部の内輪と外輪と密封部材とにより閉じられた空間の体積から、転動体および保持器の体積を除いた体積である全空間体積の２０％以上であり、かつ内輪と外輪と密封部材とにより閉じられた空間の体積における軸受回転時に転動体および保持器が通過しない空間の体積である静止空間体積の８０％以下の体積比率であるオルタネータ用転がり軸受。
基油が、エーテル油とポリαオレフィン油の混合油である請求項１に記載のオルタネータ用転がり軸受。
基油が、エーテル油１５〜９５重量％とポリαオレフィン油５〜８５重量％の混合油である請求項２に記載のオルタネータ用転がり軸受。
芳香族ウレア系増ちょう剤が、芳香族ジウレアからなる芳香族ウレア系増ちょう剤である請求項１に記載のオルタネータ用転がり軸受。
芳香族ジウレアが、その分子構造にイソシアネート基として4,4’-ジフェニルメタンジイソシアネートを有する芳香族ジウレアである請求項４に記載のオルタネータ用転がり軸受。