(57)【要約】【課題】  車両のストレスが加わってもグリスの潤滑が確保され、軸受けの剥離を発生せず、高信頼の車両用補機ひいては車両発電機を用いたエンジンベルトシステムを提供する。【解決手段】  オルタネータ１等のようにエンジンにベルトを介して駆動される車両用補機において、前記補機の回転体の支持に使用される転がり軸受けのグリスの耐面圧がＥＨＬ理論によらない条件下で、軌道輪、転動体間に圧痕（塑性変形）が発生する際の接触面圧以上とする。【選択図】      図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンにベルトを介して駆動される車両用補機において、前記補機の回転体の支持に使用される転がり軸受けのグリスの耐面圧は、弾性流体潤滑（ＥＨＬ潤滑）によらない条件下で、軌道輪、ボール間に圧痕（塑性変形）が発生する際の接触面圧以上としたことを特徴とするエンジンベルトシステム。
【請求項２】
前記ベルトシステムは、ポリＶベルトを使用したことを特徴とする請求項１に記載のエンジンベルトシステム。
【請求項３】
前記ベルトシステムは、サーペンタイン方式であることを特徴とするに請求項１もしくは２に記載のエンジンベルトシステム。
【請求項４】
前記サーペンタインのベルトシステムは、５軸以上であることを特徴とする請求項３に記載のエンジンベルトシステム。
【請求項５】
前記ベルトシステムは、オートテンショナが搭載されていることを特徴とする請求項２乃至４の何れかに記載のエンジンベルトシステム。
【請求項６】
前記潤滑用グリスの耐圧は、７５００ＭＰａ以上としたことを特徴とする請求項１乃至５の何れかに記載のエンジンベルトシステム。
【請求項７】
前記転がり軸受けは、玉軸受けであることを特徴とする請求項１乃至６の何れかに記載のエンジンベルトシステム。
【請求項８】
前記補機のエンジンに対する増速比は、２〜３．５であることを特徴とする請求項１乃至７の何れかに記載のエンジンベルトシステム。
【請求項９】
前記車両用補機は、オルタネータ（発電機）であることを特徴とする請求項１乃至８の何れかに記載のエンジンベルトシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば乗用車、トラックなどに搭載されるエンジンベルトシステムであって、特にベルト駆動される補機に使用されるベアリングに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
最近、自動車用エンジン用のオルタネータ、エアコン、アイドラプーリ等補機部品のころがり軸受けは、振動、温度などのきびしい条件下で使用されるようになってきており、新しい形態の組織変化を伴う剥離が顕在化してきた。この剥離は外輪、内輪、ボール（またはローラ）いずれの部位でも発生し、その特徴は従来の一般的な転がり疲労寿命とは異なり、いったん発生するとごく短時間（従来比で１／１００〜１／１０００くらい）で剥離する現象である。
【０００３】
この剥離現象は振動が大きい、温度が高いといったストレスが大きな車両で発生するわけでもなく、何が原因であるのかも特定できない状況であった。そのため明確な科学的根拠のない応急処置で対応している状態で、本格的な対策を打てていないのが実情であった。
【０００４】
特に補機の中でも増速比が最も大きく、回転体のイナーシャ自体も大きいオルタネータでは増速比の２乗を乗じた等価イナーシャはもっとも大きく、そのためか信頼性試験等において、上記の剥離不具合発生頻度が最も高かった。また、ベルト張力が大きく設定されるポリＶベルトやベルト緩みを防止するオートテンショナ付のベルトシステムに塔載される補機でも発生頻度が高い傾向があった。
【０００５】
これらに対し、不具合品のグリスから水素が多く検出されることより、グリスの変性による水素が原因で、水素が外輪やボール等の金属に浸入し、水素脆性により剥離が発生するという説が文献Ｗｅａｒ１９９（１９９６）２４５−２５２に示されている。この理屈に基づき、防止策として軌道輪に電気絶縁膜を形成させることを目的として、添加剤を混入したグリスが提案された。このグリス改良により結果として不具合は一応の低減が見られた。ところが、不具合は完全には消えていない。また、絶縁膜が出来ていながら不具合が発生する矛盾も発生していた。また、不具合発生品では剥離面に塑性変形の形跡が見られるなどの事実もあり、ここでもメカニズム上の矛盾があった。
【０００６】
したがって、事実としてグリスが剥離に影響があることはわかっていたが水素説はメカニズムに矛盾が多数見られたため、絶縁膜の生成を目的としてグリスを開発しても徒労に終わることが予想された。即ち、グリスの何の特性を向上すれば剥離が防止できるのか、また具体的な数値ではいくらであるべきかの閾値がわからないため、開発の方向も見出すことができない状態であった。
【非特許文献１】Ｋ．Ｔａｍａｄａ、Ｈ．Ｔａｎａｋａ、「Ｏｃｃｕｒｒｅｎｃｅ  ｏｆ  ｂｒｉｔｔｌｅ  ｆｌａｋｉｎｇ  ｏｎ  ｂｅａｒｉｎｇｓ  ｕｓｅｄ  ｆｏｒ  ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ  ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ  ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ  ａｎｄ  ａｕｘｉｌｉａｒｙ  ｄｅｖｉｃｅｓ」、Ｗｅａｒ１９９（１９９６）２４５−２５２
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
これに対し発明者らは、図２に示すような単純な繰り返し回転変動を印加する回転変動試験で剥離不良が再現することを見出した。その条件は実際の４気筒エンジンをシミュレートすべくモータを制御して回転数の２倍の次数（エンジンの爆発の次数相当）で平均回転変動率２％の回転リップルを加えて行った（これは実際のエンジンのこの回転数ではごくありふれた変動率である。アイドリング近辺では３０％以上も変動する）。回転数パターンなどの条件を図３に示した。ベルトテンションは一般車両の平均値（３００〜５００Ｎ）に設定した。
【０００８】
その結果、ボールが剥離する不具合を再現することができた。また、注目すべき点として剥離発生直後の不具合品の特徴として、図４に示されるように軌道面に圧痕がある点を発見した。再現試験条件では大きな荷重はかかっておらず、本来圧痕は発生し得ない。荷重による応力が降伏応力を超えた場合に圧痕（塑性変形）は発生するが、当接面に摩擦力が生じた場合（潤滑不良時）は、更に小さい応力で圧痕が発生する。したがって発明者らは、大きな荷重ではなく、何らかの条件により潤滑不良が発生して圧痕に至ったと推定した。ＥＨＬ理論では、回転でグリスを巻き込むことにより油膜が生成される。したがって、図６に示されるように、回転速度に大きく依存する。一般には、使用回転域で油膜が確保され、潤滑があるため圧痕は発生しない。しかし、これが何らかの条件により、例えば外輪とボールの相対速度がなくなるような条件で衝突があったと仮定すると巻きこみによる油膜は形成されないため、回転潤滑を想定した基油では潤滑されないことになる。この場合には例えば極圧添加剤のようなクッションとなりえる物質が介在したほうが効果的である。したがって、発明者らは添加剤の役割は絶縁膜の形成ではなく、クッションとして潤滑を確保することと考えた。
【０００９】
発明者らは、適当な速度成分による衝突など、ＥＨＬ理論（回転潤滑）が成立し得ない条件が車両と回転ストレスとによって発生し、軸受け駆動輪と玉の間の潤滑ができなくなって、圧痕が発生したと推定した。そして、この圧痕を起因として、良好な軸受け機能が損なわれ、剥離に至ったと考えた。
【００１０】
本案は、ＥＨＬ理論によらない条件（回転なし等）であっても所定以上の耐面圧値が確保できるように軸受けの構成要素を改良することで、車両のストレスが加わってもグリスの潤滑が確保され、軸受けの剥離を発生せず、高信頼の車両用補機ひいては車両発電機を用いたエンジンベルトシステムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を達成するために、請求項１の構成では、  エンジンにベルトを介して駆動される車両用補機において、前記補機の回転体の支持に使用される転がり軸受けのグリスの耐面圧がＥＨＬ理論によらない条件下で、軌道輪、転動体間に圧痕（塑性変形）が発生する際の接触面圧以上としたこと特徴としている。
【００１２】
衝突等の際はグリスを巻き込む可能性も当然あるが、接触部でのボールと外輪の回転方向速度差も０となる可能性があるため、回転速度に基づくＥＨＬ潤滑（油の粘性による油分巻き込み作用）が全く効かない場合も想定される。例えば、軌道輪に対し、相対速度が無くなる様に完全に垂直に衝突した場合には、周方向の速度による潤滑がなくなるため、潤滑不良となりえる。本構成ではそういった条件下でも軌道輪、転動体間に圧痕（塑性変形）が発生しないため、焼付け等も発生せず高信頼の軸受けを提供できる。
【００１３】
請求項２の構成では、請求項１の構成で前記ベルトシステムはポリＶベルトを使用したことを特徴としている。ポリＶベルトでは一般にベルトテンションが大きめに設定される。このため、各補機のプーリに加わる軸荷重も大きくなる。これは軸受けの軌道輪とボールが衝突する際にバネ力として作用して衝撃力を高めるため、衝突による不具合が発生しやすい。これに対し高耐圧のベアリングを使用するため、衝突が発生しても潤滑が確保され剥離を防止できるため、高信頼の補機ひいては高信頼のシステムを提供できる。
【００１４】
請求項３の構成では前記ベルトシステムはサーペンタイン方式であることを特徴としている。サーペンタイン方式では１本のベルトで多数の補機を駆動するため、回転不安定となりやすい。また、横振動、縦振動のベルト共振は駆動軸分だけ存在するため、共振と実機回転数が一致する確率が増し、回転と振動のストレスから、軸受け部品間の衝突が発生しやすい。
【００１５】
請求項４の構成では、５軸以上のサーペンタイン方式であることを特徴としている。特に５軸以上のサーペンタイン方式では、システムの特性方程式が５次となり理論上の固有値が求められない。したがって更に共振設計が難しいため、思わぬ共振により、不具合が発生しやすい。したがって特にこのシステムで効果的である。
【００１６】
請求項５の構成では、前記ベルトシステムはオートテンショナが塔載されていることを特徴としている。オートテンショナはベルトの張力を一定とすべく、ベルトを押さえる機能を持つが、過渡的なテンション変動時では、そのバネ力で補機類にベルトを介して衝撃荷重を加えてしまう条件が発生する。本案では衝撃荷重に対する耐圧を高く設定されているため、このようなことに対しても不具合を防止できる。
【００１７】
請求項６の構成では、前記潤滑用グリスの耐圧は、７５００ＭＰａ以上としたことを特徴としている。ボール衝突等により外輪をくぼませている（または外輪衝突によりボールをくぼませる）途中の接触部の平均圧力ｐは４８００ＭＰａにもなることと想定される。本案ではボールと軌道輪が衝突し、圧痕（塑性変形）が発生する平均面圧を４８００ＭＰａと想定し、ばらつきを含めた局部的な最大面圧を７５００ＭＰａと想定した。ＥＨＬ潤滑によらない（ベアリングの速度によらない）潤滑材の耐圧を７５００ＭＰａとしたので、一般に考えられる車両の何らかのストレスがあっても、圧痕（塑性変形）までには至らず剥離を防止できる。
【００１８】
請求項７の構成では、前記転がり軸受けは玉軸受けであることを特徴としている。
【００１９】
転がり軸受けの中でも玉軸受けは転動体が玉であるので、軌道面との接触面積が小さく、玉がフリーとなりやすい。したがって衝突が発生する機会が増すためより本構成が効果的である。
【００２０】
請求項８の構成では、前記補機のエンジンに対する増速比は２〜３．５であることを特徴としている。エンジン側より見た等価イナーシャは増速比の２乗倍を乗じた数値となる。等価イナーシャが大きな補機ほどベルトの伸び縮みで不安定な挙動を起こしやすい。増速比が２〜３．５では特に不安定となるため、このようなシステムに対し本軸受けを採用することが効果的である。
【００２１】
請求項９の構成では、前記車両用補機はオルタネータ（発電機）であることを特徴としている。オルタネータはロータのイナーシャが大きい上増速比も大きい。したがって、回転時に変動を起こしやすく耐久試験でも不具合が発生しやすい。そのオルタネータに請求項１のベアリングを使用することで、より効果が大きい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
（実施例１）
図１はこの発明の補機として車両用発電機としての一実施形態を示したものである。なお、本実施例は図５に示すようにエンジンのクランクプーリ１０１を含め７軸のサーペンタイン方式のベルト駆動システムである。オルタネータ１はクランクプーリ１０１に対し３．３倍で増速されている。本システムのベルトは６溝のポリＶベルトを使用している。また、クランクプーリのベルト緩み側にねじりバネ式のオートテンショナ１０６が取り付けられており、緩み側のベルトテンションが一定となるように調整する。本実施例では、４００Ｎで設定されている。ベルトシステムは１本のベルトで多数の補機を駆動するいわゆるサーペンタイン方式であり、クランク１０１、エアコン１０２、オルタネータ１、アイドラ１０３、パワステ１０４、ウォータポンプ１０５、オートテンショナ１０６の順で駆動されている。
【００２３】
そのオルタネータ１は、電機子として働く固定子２と界磁として働く回転子３、前記回転子、回転子の軸を支持するフロント側ベアリング５（今後プーリ側をフロント、反プーリ側をリア側と記載する。）とリア側ベアリング６、固定子を支持するハウジング４、前記固定子に直接接続され、交流電力を直流に変換する整流器７、界磁電流量を増減し発電量を制御する電圧調整器１１等から構成されている。
【００２４】
以下、ベアリングについて説明する。図９は本実施例のフロント側のベアリング５の説明図である。リア側のベアリング６は寸法が異なるのみで同様な構造としている。フロント側、リア側のベアリングとも外輪５１、内輪５２、ボール５３、ボールを保持して回転する保持器５４、端部の防水用シール５５、内部に充填される潤滑用のグリス等によって構成されている。なお、外輪５１、内輪５２、ボール５３はＳＵＪ２（材質）で作られている。本実施例ではフロント側の外輪最外径をΦ４７、内輪最内径をΦ１７とし、リア側の外輪最外径をΦ３５、内輪最内径をΦ１５としている。フロント側のボールはΦ９で７個、リア側のボールはΦ６で８個としている。なお、上記Φの数字の単位はｍｍである。本実施例のグリスはフロント、リアのベアリングとも同じものを使用している。ベースの基油はアルキルジフェニエルエーテルで動粘度を高温使用時に１２ｍｍ2／ｓとし回転時の潤滑を確保している。また、極圧添加剤等の混入で、回転速度によらない潤滑の耐圧を８０００ＭＰａとしている。
【００２５】
（実施例の作用効果）
図７に示したようにボール５３が速度ｖ0で固定された内輪５２に内輪軌道輪の半径方向から衝突し球面状のへこみ（塑性変形）を生ずる場合を考える（オルタネータの場合内輪は回転するが、半径方向衝突と見た場合は、内輪はオルタネータのロータ慣性、ベルトを介してエンジン本体の慣性で固定されていると仮定する）。ここで、ボールと内輪が接触した瞬間のボールの中心を原点にしてボール中心の移動量Ｘをとり、衝突物体の質量をｍとする。ここでｍの値はボールが単体で衝突するときはボール質量、ボールが外輪およびオルタネータのハウジングボデーと一体となって内輪に衝突するときはそれらの合計の質量が衝突物体の質量である。
【００２６】
図８には衝突の途中状態、すなわちボールのへこみ量Ｘ1、内輪のへこみ量Ｘ2（したがってトータルのへこみ量はＸとなる）の時の関連する寸法を現している。ｒはボール半径、Ｒ1、Ｒ2はそれぞれ内輪の曲率側半径、転送面側半径、ａ、ｂは接触楕円の長半径、短半径、Ｒc1、Ｒc2はへこみ後の接触部の共通半径でありＲc1は側面側の共通半径、Ｒc2は正面側の共通半径である。ボールと内輪の材料硬度がほぼ同じであるから
【００２７】
【数１】
2006256471.tif 000003
また幾何学的な関係より（ただしａ＜ｒ、Ｒ1及びｂ＜ｒ、Ｒ2より概略計算をした）、
【００２８】
【数２】
2006256471.tif 000004
【００２９】
【数３】
2006256471.tif 000005
となる（ただし、外輪の場合は数式２、３のＲ2にマイナスの値を代入すればよい）。
【００３０】
数式２及び３によれば（ａ、ｂで表される）接触楕円と（Ｒc1、Ｒc2で表される）接触面はへこみ量Ｘにより変化することがわかる。
【００３１】
ここで時々刻々のへこみに量Ｘを求める。内輪の接触面圧（文献によりいろいろ呼び名がある。ｅｘ接触圧力、塑性降伏圧力）をｐとすると内輪の復元力はｐπａｂとなる。したがって質量ｍの物体の運動方程式は
【００３２】
【数４】
2006256471.tif 000006
となる。
【００３３】
ただし、接触面圧ｐはＨｕｔｃｈｉｎｇｓの文献によると流動応力（降伏応力）をＹとすると
【００３４】
【数５】
2006256471.tif 000007
である。
【００３５】
ｃ’は定数で球体による圧痕の場合、約３である。他の事例ではＴａｂｅｒの研究があり、この論文ではｃ’は材料によらず２．８程度と示している例もある。尚、本実施例では転動体が玉の場合で計算例を示しているが、円筒のころ軸受けであっても接触面が楕円から長方形に変わるだけで、数式５の関係は変わらない。
【００３６】
ここで数式４に数式２を代入、整理すると
【００３７】
【数６】
2006256471.tif 000008
となる。
【００３８】
数式６は単振動を現しているから、初期条件として
2006256471.tif 000009
にて微分方程式を解くと
【００３９】
【数７】
2006256471.tif 000010
ただし
【００４０】
【数８】
2006256471.tif 000011
である。
【００４１】
衝突が終了するまでのいわゆる負荷時間ｔPは１／４周期であるから、
【００４２】
【数９】
2006256471.tif 000012
数式２及び７によればボール５３が内輪５２に衝突してからｔ時間後（０からｔPまでの間）の接触楕円の大きさとへこみ量（球体状のくぼみの大きさ）が計算できる。ｔP以降はボールがはねかえってしまうのでひずみは緩和されてしまうのでその状況は割愛する。
【００４３】
ベアリング軌道輪と玉との衝突で塑性変形、即ち跡痕が発生した場合、正常な軸受け機能ができないため、すくなくともこれ以上の外力は車両側で防止する必要がある。
【００４４】
しかし、従来では前述の外力以下でも不具合が発生していた。跡痕が発生する際の接触面の応力は、数式５より降伏応力の３倍である。なお、ボール、及び、軌道輪の材質によれば、降伏応力は１６００ＭＰａであるから、４８００ＭＰａの応力が平均で発生する。
【００４５】
ひとつの目安としては４８００ＭＰａ以上の耐圧力のグリスがあれば圧痕が発生するまでの圧力に耐え、潤滑が確保されることになる。もののばらつき、局部的な圧力を考慮し、安全率を約１．５倍として７５００ＭＰａとすればより確実な潤滑を確保することができる。
【００４６】
本実施例では、８０００ＭＰａの耐圧としているため、異常な場合を除き、車両ストレスを起因とするベアリングとボールの衝突による圧痕の発生が確実に防止できる。これにより、圧痕を起因とした剥離を防止できる。
【００４７】
なお、ベアリングのボール、軌道輪の材質に応じて降伏応力が変わったとしても、その降伏応力の３倍以上の耐圧力のグリスを用いれば良い。
【００４８】
車両のストレスを考慮した場合、上記のベアリング構成部品間の衝突は下記条件で発生しやすく、その条件下で本実施例の軸受けを使用することがより効果的である。
【００４９】
・イナーシャが大きく、増速比が大きな補機
エンジン側より見た等価イナーシャは増速比の２乗倍を乗じた数値となる。等価イナーシャが大きな補機ほどベルトの伸び縮みで不安定な挙動を起こしやすい。オルタネータは増速比が２〜３で他の補機と比較して最も増速比が大きい。したがって、このオルタネータに本軸受けを採用することが補記類の中でも最も効果的である。
【００５０】
・ポリＶベルト
ポリＶベルトは一般に大きなテンションで設定されるため、確補機のプーリに加わる軸荷重も大きくなる。これは軸受けの軌道輪とボールが衝突する際の衝撃力を高めるため、不具合が発生しやすい。このようなシステムでより効果的である。
【００５１】
・サーペンタイン方式
１本のベルトで多数の補機を駆動するため、回転不安定となりやすい。また、横振動、縦振動のベルト共振は駆動軸分だけ存在するため、共振と実機回転数が一致する確立が増し、回転と振動のストレスから、軸受け部品間の衝突が発生しやすい。特に５軸以上のサーペンタイン方式では、システムの特性方程式が５次となり理論上の固有値が求められない。したがって更に共振設計が難しいため、思わぬ共振により、不具合が発生しやすい。
【００５２】
・オートテンショナ付エンジンシステム
オートテンショナはベルトの張力を一定とすべく、ベルトを押さえる機能を持つが、過渡的なテンション変動時では、そのバネ力で補機類にベルトを介して衝撃荷重を加えてしまう条件がある。
【００５３】
（その他の実施例）
本実施例ではオルタネータに高耐圧潤滑のグリスの軸受けを使用したが、ベルト連結される他の補機の軸受けに使用しても良い。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】第一実施例の車両用交流発電機の主要部を示した断面図である。
【図２】回転変動試験の説明図である。
【図３】回転変動試験の回転条件を示した説明図である。
【図４】回転変動試験での不具合再現品の軌道輪を示した図である。
【図５】第一実施例のエンジンのベルトレイアウトを示した図である。
【図６】ベアリングの回転時のグリス潤滑特性を示す図である。
【図７】ベアリングボールと軌道面の衝突を説明する図である。
【図８】ベアリングボールと軌道面の衝突を説明する図である。
【図９】第一実施例のベアリングの断面図である。
【符号の説明】
【００５５】
１  オルタネータ、５  フロント側ベアリング、６  リア側ベアリング、外輪５１、内輪５２、ボール５３、保持器５４、防水用シール５５、１０１  クランクプーリ、
１０２  エアコン、１０３  アイドラ、１０４  パワステ、１０５  ウォータポンプ、１０６  オートテンショナ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2006256471.tif 000018
【図７】
2006256471.tif 000019
【図８】
2006256471.tif 000020
【図９】
2006256471.tif 000021