自動車業界の進化が続いており、最新世代の車両は電動化、コネクティビティ、自動運転へのトレンドによって形成されており、それによって性能、効率、安全性に対する新たな要求が課せられています。電動化への移行により、従来の内燃エンジン車はハイブリッド車やバッテリー電気自動車（BEV）に徐々に置き換えられています。排出ガスの観点から見ると、ハイブリッド車や電気自動車への移行により、運転効率が向上すると同時に、車両のダイナミクスと乗客の快適さの観点から運転体験が向上します。
車両効率は、現代の自動車にとって最も重要な性能指標の 1 つです。摩擦損失を最小限に抑えて燃料消費量を削減し、航続距離を延ばすことは、多くのメーカーにとって長い間設計上の重要な優先事項でした。これは、内燃エンジン、トランスミッション、ディファレンシャル、ホイール アセンブリなど、さまざまな自動車システムの機械的可動部品に固有の摩擦損失が電力損失の主な原因となるためです。ハイブリッド車や従来の内燃エンジン (ICE) パワートレインと比較して、完全電気自動車の可動コンポーネントは約 100 分の 1 です。従来の車両や多くのハイブリッド車は通常、主な動力源として内燃エンジンに依存していますが、これらはよりコンパクトで強力な電気モーターに置き換えられています。これらのモーターに含まれる可動部品ははるかに少なく、パワートレイン システムが大幅に簡素化されます。
1. 電気自動車: ベアリングの減少、要求の増加
車両のタイプやパワートレインの設計に関係なく、特に摩擦損失を最小限に抑えることが最重要である場合、ボール ベアリングはあらゆる形式の動力伝達と動作において重要なコンポーネントであり続けます。従来の内燃エンジン車両は、内燃エンジン自体、トランスミッション、ディファレンシャル、ステアリングシステム、ブレーキシステム、ホイールアセンブリ、その他の車両部品など、さまざまなシステムやコンポーネントが適切に機能することを保証するためにベアリングに大きく依存しています。完全電気自動車では、ベアリングは従来の内燃機関自動車と同様の機能を果たします。ただし、電気自動車のパワートレイン アーキテクチャが簡素化されているため、モーター、減速ギアボックス、ディファレンシャル アセンブリに必要なベアリングの数が減少します。これら 3 つのサブシステムは通常、電気駆動システムと呼ばれる単一のユニットに統合されます (図 1)。
電動化は、設計の簡素化を通じて車両のパワートレインに影響を与えるだけでなく、さまざまなパワートレイン システムやコンポーネントの設計要件にも大きな影響を与えます。全体的な車両の電力効率を高め、純粋な電気自動車や多くのプラグインハイブリッド電気自動車 (PHEV) の航続距離を延ばすために、自動車 OEM メーカーが採用する戦略の 1 つに、軽量材料の使用とさまざまなシステムやコンポーネントの小型化による重量削減が含まれます。内燃機関と比較して、電気モーターは通常、単位重量あたりの出力 (キロワットあたりのキロワット) が高くなります。電気自動車はバッテリーの重量が比較的大きいため、本質的に質量が大きいことを考えると、これは非常に有利です。それにもかかわらず、重量の観点から見ると、電気駆動システムと電気モーターは、さらなる軽量化を達成するためにさらなる改良が必要な領域とみなされることがよくあります。
2.軽量化により需要が増加しています。
ハイブリッドおよび完全電動パワートレインに使用されるベアリングは、従来の内燃エンジン車に使用されるベアリングよりも大幅に高い回転速度と温度に耐える必要があります。電気自動車の軽量化が進む傾向により、電気モーターや駆動システム内のベアリングに対する要求はさらに高まるでしょう。これらの高速および高温の要件に加えて、これらの高速ベアリングは、ベアリングの潤滑剤として一般的に使用されるさまざまなグリースおよび/またはオイルを利用して、低摩擦および低騒音レベルで動作する必要もあります。
さらに、電気駆動システムでは、全体の効率を高めるために、より高いバス電圧と炭化ケイ素または窒化ガリウムのインバーターの採用が増えています。ただし、これは同時に、転動体を流れる電流によるベアリング (およびギア) の損傷のリスクを高めます。迷走電流によって引き起こされる電食の問題を克服するために、ベアリングメーカーはさまざまな解決策を提案してきました。現在、さまざまな絶縁ソリューションが調査またはテスト中ですが、これまでのところ、最も信頼性が高く、最高のパフォーマンスを発揮するソリューションは、セラミック転動体を組み込んだハイブリッド ベアリングの使用です (タイトル画像を参照)。これらにより、摩擦損失を最小限に抑えながら、必要な電気絶縁機能が確保されます。
3.どのような材料が使用できますか?
転がり軸受は、ボールや円筒ころなどの転がり要素を利用して、可能な限り低い摩擦で動力と運動を伝達するという本来の機能を果たします。これらの回転要素を軸受ユニット内に正しく固定するには、軸受保持器が必要です (図 2)。ベアリングケージは金属またはプラスチックから製造できます。金属ベアリングケージの一般的な材料には鋼や真鍮があり、通常はスタンピングまたは機械加工によって製造されます。プラスチック製軸受保持器は、射出成形可能なエンジニアリング ポリマーから製造されており、最も一般的なのはポリアミドとポリエーテル エーテル ケトン (PEEK) です。
ポリアミド 66 (PA66) およびポリアミド 46 (PA46) をガラス繊維で強化すると、自動車の動力伝達システムに明確な利点がもたらされます。 PA66 は優れた機械的強度、靱性、耐薬品性を備えているため、耐久性と弾力性のある製品に最適です。優れた耐熱性と寸法安定性により、その汎用性がさらに高まります。対照的に、PA46 は熱安定性に優れているため、高温環境に優れています。 PA46 は優れた流動特性を備えているため、優れた性能を要求する用途に好まれます。 PA66 と PA46 のどちらかを選択する場合、最適なパフォーマンスを達成するには、特定のアプリケーション要件に対する費用対効果と機械的特性の包括的な評価が不可欠です。
ガラス繊維強化 PA66 は、最大約 120°C の温度で動作する用途向けのコスト効率の高いソリューションとして広く採用されています。ガラス繊維強化 PA46 は通常、PA66 では対応できない高温および高速用途で使用され、同時に PEEK のより経済的な代替品としても機能します。 150°C を超える温度が持続したり、腐食性の化学環境が含まれる条件では、PEEK が適切な選択肢となります。
4.プラスチックリテーナの破損モード
プラスチック製ケージは、動作中、通常、熱、機械、化学、摩擦負荷の複合的な影響を受けます。プラスチック製軸受保持器がその性能限界を超えると、故障が発生する可能性があります。頻繁に観察される破損モードには、高い遠心力 (高速回転によって引き起こされる、図 3 を参照) によるケージの変形が含まれ、最悪のシナリオではケージの完全な破壊につながる可能性があります。高速動作中、ケージは非常に高い動作温度にさらされ、ピーク温度が 150°C を超えることも珍しくありません。
保持器の変形は、保持器と転動体間、保持器と軸受の内輪または外輪との間で意図しない接触や滑りを引き起こす可能性があり、軸受の性能に悪影響を及ぼします。プラスチック製ケージと他の (金属) ベアリング部品との間の意図しない接触は、通常、摩擦の増加、過剰な摩擦熱の発生、ベアリングの動作温度の上昇、およびケージの耐用年数の減少を引き起こします。
高速ベアリングはグリースまたはオイルを使用して潤滑されるため、プラスチック製ケージと潤滑剤の間に長期にわたる化学的適合性が必要です。したがって、選択されたプラスチック材料は、使用される潤滑剤に長時間さらされた後でもその強度特性を保持する必要があります。
5.耐久性に優れたコンパクトなリテーナー
Enhalic の Stanyl® 材料は、約 70% の結晶化度を示す PA46 化合物です。この高い結晶化度により、高温での優れた剛性と強度特性が得られ、優れた高温ポリアミド材料となります。
高い硬度と強度に加え、PA66などのポリアミドと比較して優れた耐疲労性、耐クリープ性、耐摩耗性を発揮します。その高い剛性と耐クリープ性により、ベアリングケージは高温下でも優れた剛性を維持し、変形やクリープに耐えることができます。ベアリングは熱環境で高速で動作することが多いため、特に重要です。この PA46 材料は PA66 よりも約 30% 高い剛性を示し、高い遠心荷重下での変形に耐えることができるより硬いケージの設計が可能になります (図 4)。
Stanyl® 材料は、高い剛性と耐クリープ性に加えて、高いウェルド ライン強度、耐疲労性、耐衝撃性を備えています。この強度特性の組み合わせにより、ケージがより堅牢で耐久性のあるものになります。ウェルド ラインは多くの場合回避が難しく、特定のケージ設計では避けられない場合もあります。ただし、高強度ポリマーの特性により、ケージの早期破損のリスクが軽減され、ベアリングの耐用年数が延長されます。この材料は、ほとんどの自動車用オイルやグリースにも耐性があります (図 5)。
6. 180万N・m転がり軸受
ケージの変形 (傘効果として知られています) は、ベアリングの速度性能の主な制限要因です。 Stanyl® 材料の高い剛性と強度特性により、回転速度が向上するだけでなく、設計の柔軟性も向上します。 SKFはこの材料を利用して保持器設計を最適化し、高加減速および高速動作に対する優れた耐性を保証します。 SKF の高速転がり軸受 1.8 (SKFHSBB1.8) は、軸受平均直径 (ndm) 1,800,000 を達成します。ベアリングの平均直径は、ベアリングのサイズ範囲内の回転速度の指標として機能します。 ndm 値が高いほど、速度能力が高いことを意味します。ケージの質量分布が最適化され、ケージの骨格の厚さが強化されて、ケージの傘効果と遠心力によって引き起こされるケージの応力が最小限に抑えられました (図 6)。その結果、保持器の疲労寿命が向上します。ボールベアリングの採用により、モーターの出力密度が向上します。
電気モーターとドライブシャフトの重量を軽減する 1 つの方法は、モーターのサイズを小さくすることです。ただし、このアプローチ自体は、モーターの出力トルクや車両の加速性能に悪影響を与える可能性があります。電力損失を補うために、モーターの回転速度を高めることで、より軽いモーター重量で同等の電力出力を達成し、電力密度を向上させることができます (図 7)。軽量化だけでなく、よりコンパクトなモーターは、必要な出力を生成しながらスペースも節約します。よりコンパクトなモーターのもう 1 つの利点は、その設計で必要な高価な希土類材料が少なくなり、さらなるコスト削減の機会が得られることです。
7. 20,000rpmモーター
強力でコンパクトなモーターは通常、高い回転速度で動作します。このような高出力密度デバイスは、毎分 20,000 回転以上を容易に達成できます。このような高い速度で機能するモーターは、信頼性の高い動作を実現するだけでなく、摩擦による電力損失を最小限に抑えて高効率を維持する必要があります。 SKF HSBB1.8 で採用されている Stanyl® ケージは、これらの高い回転速度を可能にし、それによってさらに高い出力密度を備えたモーターの設計を容易にします。
転がり軸受用の軸受保持器を超えて、この PA46 材料は滑り軸受やブッシュ (滑り軸受とも呼ばれます) にも広く使用されています。転がり運動に依存する転がり軸受とは異なり、すべり軸受とブッシュは滑り運動によって動作します。したがって、トライボロジーの観点から見ると、このタイプのベアリングには非常に高い性能が要求されることがよくあります。 PA46 材料の高温、低摩擦、低摩耗特性により、Stanyl® はすべり軸受やブッシュに非常に適しています。過去 30 年間にわたり、この材料は滑り軸受に使用されて成功してきました。応用例には、フロントエンド補助ドライブ (FEAD) ベルト テンショナーで使用されるブッシングと摩擦ライナー (図 8) のほか、ギアボックスやその他の用途内のさまざまな汎用ブッシングやスラスト ワッシャー コンポーネントが含まれます。
材料の摩擦特性をさらに強化するために、Enhance の配合の多くには低摩擦摩耗添加剤が組み込まれています。これらの添加剤は、ポリテトラフルオロエチレン (PTFE) をベースとするか、PTFE を含まないものです。 PTFE を含まない材料は、POM、PA66、PPS、PPA などの PTFE 含有ポリマーの代替品として機能します。
