JP2005509808A5 - - Google Patents

Description

軸受

本発明は、ピストンエンジン用の主軸受、クランクピン軸受またはクロスヘッド軸受に関する。また、本発明は、ピストンエンジン用の主軸受、クランクピン軸受またはクロスヘッド軸受のシェルの製造方法に関する。

従来のこの種の軸受は、円筒状軸受面を有するように、例えば精密ボアを用いて機械加工されている。この種の軸受は、対応する軸受ジャーナルを支持するための軸受面を規定する上部シェルと下部シェルとを含む。ジャーナルの回動の流体力学的効果により軸受面とジャーナルとの間の油膜に圧力が形成され、軸受面からジャーナルを持ち上げる圧力が生じる。しかし、作動中のピストンエンジンのクランクシャフトのジャーナルは、主軸受、クランクピン軸受またはクロスヘッド軸受の中心軸との正確な整列を維持できないことがよく知られている。クランクシャフトの曲げ及び捻りのため、ジャーナル中心軸と軸受中心軸との間に各エンジンサイクル中に変化するずれが発生する。該ずれは、高いエッジ圧力を発生させることがあり、かかる圧力は、軸受材に疲労亀裂をもたらす可能性がある。また、高いエッジ圧力は、小さな油膜膜厚とも関連がある。この種の軸受に共通する、高い油膜圧力と関連する他の問題は、ずれとは関係ないが、主軸受の中心軸に沿った油膜圧力の分布と関連がある。

ずれにより引き起こされる高いエッジ圧力を減少させるために、軸受シェルの修正された軸受面が提案された。ＤＫ−Ｕ−９６００１３２号に開示された一つの方法によると、少なくとも軸受エッジに近接した軸受面をベアリングの主軸方向に沿った輪郭を持つように機械加工することにより、軸受に対するジャーナルのずれに余地を与えてエッジ圧力を減少させる。しかし、このような輪郭をシェルの軸受面に機械加工することは、比較的費用がかかり、また軸受面質に輪郭形状を加工するのに特別な装備が必要である。

ＤＫ−Ｕ−９６００１３２号に開示されたエッジ圧力を減少させるための他の方法は、シェルの前方及び／又は後側端域付近の領域において、シェルの外表面からシェル材料を除去することである。こうすれば、シェルのこれらの領域は、軸受ハウジングにより支持されないため、剛性が低下し、ずれたジャーナルにより加えられる圧力により動的に変形され得る。しかし、場合によってはエッジ圧力は高いが非常に小さな領域にのみ作用することになり、従ってエッジ領域に加わる力（圧力×面積）は、シェルを変形させるのに不十分であることが明らかになった。このような場合、結果的なエッジ圧力は非常に高くなり、軸受は予想寿命が尽きる前に損傷され得る。エッジ領域に加わる力がシェルを変形させるのに十分に大きいとしても、各エンジンサイクル中に発生するエッジ領域の動的変形は、シェル材料の疲労をもたらす可能性がある。

かかる背景の下、本発明は、冒頭で言及したような軸受であって、前述の問題を解決する軸受を提供することを目的とする。この目的は、請求項１に従い、シェルに、強度の低下した領域を少なくとも一つ設け、これによって、軸受ハウジングヘッドの締め付けにより生じる接線方向の荷重によりシェルを変形せしめることによって達成される。この変形は、シェルの軸受面に彎入部を形成する。この彎入部は、油膜圧力を局部的に減少させ、及び／又は油膜の膜厚を増加させる。

好ましい実施形態によれば、壁厚が減少した領域はシェルの外表面からシェル材料を除去することにより設けられる。シェルの外表面に窪みを設けることが好ましい。好ましい実施形態によると、壁厚が減少した領域は、ジャーナルの軸受シャフトのずれにより高い油膜圧力が発生しやすい領域、即ちシェルの前方及び／又は後側端域に位置する。他の好ましい実施形態によると、壁厚が減少した領域の最大油膜圧力を減少させるため、シェルの中心部に位置する該領域にさらに軸受を設けても良い。ミラーカッターで窪みを容易に加工するため、窪みは長方形または楕円形であることが好ましい。或いは、窪みの形は、角が丸くなった台形であっても良い。

本発明の他の目的は、前述の問題を解決するシェルを提供することである。この目的は、請求項１３に従い、シェルに、強度の低下した領域を少なくとも一つ設け、これによって、軸受ハウジングヘッドの締め付けにより生じる接線方向の荷重によりシェルを変形せしめることによって達成される。

この変形は、シェルの軸受面に彎入部を形成する。この彎入部は、油膜圧力を局部的に減少させ、及び／又は油膜の膜厚を増加させる。

壁厚が減少した領域は、好ましい実施形態によって、シェルの外表面からシェル材料を除去することにより設けられる。シェルの外表面に窪みを設けることが好ましい。好ましい実施形態によると、壁厚が減少した領域は、ジャーナルの軸受シャフトのずれにより高い油膜圧力が発生しやすい領域、即ちシェルの前方及び／又は後側端域に位置する。他の好ましい実施形態では、シェルの中心部にも壁厚が減少した領域を設け、これによって当該領域の最大油膜圧力を減少させることとしても良い。ミラーカッターまたはグラインダーで窪みを容易に加工するため、窪みは台形、長方形または楕円形であることが好ましい。

本発明の別の目的は、上述の問題を克服する、ピストンエンジン用の主軸受、クランクピン軸受またはクロスヘッド軸受のシェルの製造方法を提供することである。この目的は、請求項１４に従い、少なくとも1つの突出部を除いて前記シェルの外表面にほぼ対応する形状の支持面をジグに設け、前記シェルを前記支持面上に配置し、前記シェルに対し、前記シェルの実質的に全外表面を確実に前記支持面と接触させるのに十分に大きい接線方向の荷重を加え、これによって前記シェルを変形させて前記支持面と一致させ、前記シェルがジグ内にあって接線方向の荷重がかかっている状態で、前記シェルの内部表面の軸受表面を機械加工し、前記ジグの支持面から前記シェルを除去して前記シェルを変形前の形状に復帰させることにより、軸受面に少なくとも１つの彎入部が形成されることにより、達成される。

シェルがジグ内部にあるときに機械加工された軸受面は円形アーチ状の輪郭を有することが好ましく、また前記軸受表面は直円柱の半分に相当する形状を有することが好ましい。好ましい実施形態によると、前記少なくとも１つの彎入部は前記シェルの前側端域および／または後側端域に形成され、或いは、又はそれに加えて、前記シェルの中心部に形成される。シェルが確実に変形前の形状に復帰するように、変形は実質的に弾性的であることが好ましい。

本発明の別の実施形態では、支持面上の突出部は従来型のジグの支持面上に配置された膜材料からなる１以上の層から形成され、好適には前記支持面が直円柱の半分に相当する形状を有する。或いは、前記少なくとも１つの突出部は軸受面を形成する材料と一体である。

本発明の別の目的は、前述の問題を克服する、ピストンエンジン用の主軸受、クランクピン軸受またはクロスヘッド軸受の別の製造方法を提供することである。この目的は、請求項２１にしたがって：
ａ）好ましくは有限要素法を使用して、荷重状態にある前記シェルの前記軸受表面にわたる油膜圧力とその分布を決定し、および／または荷重状態にある軸受表面にわたる油膜膜厚とその分布を決定し、
ｂ）油膜圧力が最大値を超える、および／または油膜膜厚が最小値を下回る領域を識別し、
ｃ）段階ｂ）において識別された領域において、前記シェルの軸受面に彎入部を形成することにより達成される。

好ましくは、段階ａ）における荷重状態は、内燃機関の最大荷重状態に対応するように選択される。有利には、前記軸受面の典型的な形状は、直円柱の半分に相当するように選択される。好ましい実施形態では、段階ｃ）を実行する前に、軸受面の形状を修正して段階ａ）およびｂ）を繰り返す。軸受の形状を最適化するため、前記シェルの外表面からシェル材料を除去することにより彎入部を形成し、それによって該シェルの強度が局部的に低下することにより、前記シェルを軸受ハウジングに取り付けて前記シェルに接線方向の圧力が加わったとき、前記彎入部が前記シェルの軸受面に形成される。或いは、前記シェルの軸受面から材料を除去することにより前記彎入部を形成する。

本発明の別の目的は、上述の問題を克服する助けとなる、ピストンエンジン用の主軸受、クランクピン軸受またはクロスヘッド軸受のシェルを、製造中に支持するためのジグを提供することである。この目的は、請求項２７に従って、支持面に、シェルが支持面に押し付けられたときにシェルを変形させるための少なくとも１つの突出部を設けることにより達成される。

好ましい実施形態によると、少なくとも１つの突出部はジグの一部である。或いは、少なくとも１つの突出部は、従来型のジグの支持面上に配置された膜材料の１以上の層から形成され、好適には前記支持面が直円柱の半分に相当する形状を有する。

本発明による軸受、シェル及び製造方法の、他の目的、特徴及び利点は、以下の詳細な説明から明白になる。

以下の詳細な説明において、添付図面に示された例示的実施形態を通じて本発明をより詳細に説明する。

詳細な説明

以下の詳細な説明において、本発明を、好ましい実施形態により説明する。図１において、軸受１は、火花点火式エンジンまたはディーゼルエンジンのようなピストンエンジンの主軸受、クランクピン軸受またはクロスヘッド軸受としての使用に適した種類のものである。該軸受は、クロスヘッド単流掃気式ディーゼルエンジン（大型エンジンの出力は、シリンダ当たり３５０〜６７００ｋＷ）などの、船舶または定置発電所において原動機として用いられる、中速４行程ディーゼルエンジンまたは低速２行程ディーゼルエンジンに特に好適である。

前記軸受は、上部シェルと下部シェルとを含む。しかし、本明細書において用いられる「上部」及び「下部」という用語は、シェルの使用を重力場に関する特定の位置に限定するものではなく、各シェルの名称を区別するためだけに用いられる。

軸受のほぼ円筒状の軸受面２０は、２つの分離面５、６において互いに接触する２つのシェル３、４の内面に設けられている。シェル３、４は、鋼支持材からなり、該支持材の内面には軸受メタルが配置されている。図面において、キャリア材と軸受材との間の遷移領域は図示されていないが、２つの軸受材は、単一体として互いに結合されていることを理解されたい。軸受材としてスズ-アルミニウム合金を用いる場合は、該合金は圧延により積層され、また軸受材にホワイトメタルまたは鉛青銅が用いられる場合は、円心鋳造によりキャリー材上に鋳造することができる。シェル３、４は、前側端域１７と後側端域１８とを有している。

本実施形態において、シェル３、４は、いわゆる「厚」型である。これは、シェルの厚さが、軸受１により支持される軸４０の直径の４．５％より大きい軸受を意味する。厚型シェル軸受において、シェル３、４は十分厚く、従って、シェル３、４が軸受ハウジングまたはシェル３、４から突出し、外表面１４の全周囲に沿って軸受ハウジングにより支持されない場合にも、発生する動的影響に対して軸受面２０を支持できる剛性を有する。

下部軸受ハウジング部９は、エンジンベッドプレート（図示せず）に直接設けられ、下部シェル４は、ベッドプレートの軸受ボーリングに直接配置される。上部軸受ハウジング部１１は、軸受スタッド１２（ナット付きボルトまたはネジ棒であっても良い）により、ベッドプレート（図示せず）側に締め付けられる。軸受スタッド１２の下端部は、ベッドプレートの上部ネジ孔にネジ結合され、軸受スタッドは、シェル３、４に所望の度合のプレストレスをかけるのに十分に大きな保持力を発生させることになる。軸受スタッド１２により上部軸受ハウジング部１１をベッドプレート（図示せず）側に締め付けると、半径方向の圧力が発生し、これにより上部シェル３が関連分離面５、６を通じて下部シェル４側に加圧され、シェル３、４に接線方向の荷重が発生する。

ジャーナルまたは軸４０は、二つのシェル３、４により形成されたほぼ円筒状の空間内で回転する。軸受面２０とジャーナル表面との間の油膜がジャーナル４０を支持し、またジャーナル表面とシェル３、４の内面との間の直接的な接触を実質的に防止し、潤滑を提供する。

図２ａは、円筒状の軸受面２０を有するシェル３、４に対し、有限要素法で計算して得られた油膜圧力の大きさと分布を示すグラフである。また、他の数値解析法も用いることができる。図２ａでは、説明のみを目的として、円状の軸受面が平面に展開されている。いわゆる有限要素法による計算のために、軸受の荷重を、運転中のエンジンの最大荷重条件に対応するように選択した。クランクシャフトの曲げと捻り及びその結果生じるジャーナルのずれを、油膜圧力の計算に考慮した。図２ａのグラフにおいて、油膜圧力が最大値を超える領域を確認することができる。該最大値は、平面Ａ−Ａ'−Ａ''で表示されている。

図２ｂは、油膜圧力の決定と類似の方式で決定された油膜膜厚を示すグラフである。該グラフにおいて、油膜膜厚が小さな領域を容易に確認することができる。油膜膜厚と油膜圧力は共に、軸受のどの領域において、軸受面２０の彎入部が軸受の性能を改善させることができるかを決定するための基準として用いられる。

また、軸受の中間において、油膜圧力が高すぎる場合がある。主軸受の中心軸に沿った一端から他端までの圧力分布は、通常図２ｃに示されるような形状を取る。油膜圧力は、軸受の中間において最大となる。軸受のキャパシティを全体的に増加させるためには、軸受の中間の最大荷重がかかる領域における最大圧力を減少させ、よって軸受面全体に油膜圧力をより均等に分布させることが好適であると言える。例えば、有限要素法を用いて、軸受面のどの領域において、油膜圧力が予め設定された最大臨界値（一点鎖線Ｂ−Ｂ'で表示）を超えるかを決定することができる。

同一の有限要素法を用いて、油膜膜厚を決定してグラフ（図示せず）または他の視覚化媒体で示すことができ、さらに、例えば十分な潤滑に必要な最小油膜膜厚値と比較することができる。

有限要素法を用いた最初の計算時においては、ほぼ直円柱状の軸受面の形状から始めるのが一般的である。軸受面の形状修正、例えば、最大値を超える油膜圧力を有すると確認された領域の彎入部の効果を決定するための有限要素法による他の計算のために、軸受面の形状を修正することができる。軸受の特性を最適化するため、油膜圧力の再計算を行う毎に、彎入部の深さ、形状及び位置を繰り返し調整しても良い。

軸受面２０の彎入部の正確な形状、深さ及び位置が決定されれば、好ましい一実施形態に従って彎入部を形成することができる。

第１の好ましい実施形態によると、図３ａ、図３ｂに示すように、シェルの外表面からシェル材料が除去される。ミラー（ｍｉｌｌｅｒ）、カッターまたはグラインダーを用いて、シェル３、４の外表面１４に半楕円状の穴３０ を設ける。該穴３０は、シェル３、４の前側端域１７側に開口している。さらに、ミラー、カッターまたはグラインダーを用いて、シェルの外表面１４の中心部に楕円状の穴３１を設ける。シェル３、４の外表面１４の穴３０、３１は、シェルの壁厚を減少させてシェルの強度を局部的に低下させる。上部ハウジング部１１をベッドプレート（図示せず）側に締め付けることにより、シェル３、４に作用する接線方向の荷重のため、シェル３、４が図４に見られるように変形される（該図において、変形の大きさは説明のために著しく誇張されている）。滑らかな形状の彎入部が軸受面２０に形成される。穴３０、３１の底は、ハウジングと接触しない。軸受面２０に彎入部を有する軸受１において、最大油膜圧力は減少する。最大油膜圧力が小さくなる程、軸受の耐久性及び／又は荷重容量が増加する。

窪み３０または３１は、楕円状である必要はなく、所望の変形と、従って正確な彎入部が得られれば、いずれの形状でも良い。長方形または台形（丸くなった隅を有する）も可能である。前記窪み３０、３１は、シェルの円周の一部のみか、または全円周にわたって設けることができる。窪み３０、３１は、シェルの幅の一部のみか、または全幅にわたって設けることができる。本発明の前記実施形態による彎入部形成方法は、いわゆる厚型シェルに特に好適であることが分かった。前記窪みは、シェルの厚さの０．０１〜１４％、好ましくは０．０５〜１０％の深さを有していて良い。

本発明の他の実施形態（図５、図６）では、シェルは、いわゆる「薄型シェル」である。一般的に薄型シェルの軸受は、シェル３、４の厚さが軸受で支持される軸４０の直径の１．５〜３％である軸受を言う。薄型シェルの軸受の一般的な特徴は、シェル３、４がエンジンの作動中に発生する動的影響に対し、軸受メタルと軸受面２０を支持するのにシェル３、４自体の厚さが十分でないため、シェル３、４は、その全幅にわたって軸受ハウジングで支持されなければならないことである。締め付けの間、上部軸受ハウジング部１１は、エンジンベッドプレート（図示せず）上の正確に機械加工された傾斜面５０、５１に楔留めされて配置される。上部ハウジング部１１は、軸受スタッド１２（ナット付きボルトまたはネジ棒であっても良い）により、ベッドプレート（図示せず）側に締め付けられる。軸受スタッドの下端部は、ベッドプレートにある上部ネジ孔にネジ結合され、軸受スタッドは、シェル３、４に所望の度合のプレストレスを加えるのに十分に大きな保持力を発生させる。

油膜が薄すぎるか、及び／又は油膜圧力が大きすぎる薄型シェル３、４の軸受面２０の領域は、厚型シェルについて前述したのと同一の方法で計算される。

薄型シェル３、４の彎入部は、次のように形成される。軸受メタル（図示されていない）の層が形成された後、シェル３、４は、従来からの製造方法と同じように、円筒状の支持面を有するジグに載置され、ボアの精密機械加工が行われる。

しかしながら本発明の場合、シェル３、４が載置されるジグ４５の支持面５５は、完全に円筒状を呈してはいない。支持面５５には、有限要素法によって油膜圧力が高すぎると判定された箇所や、油膜が薄すぎると判定された箇所に相当する領域に、突出部５７が設けられる。シェル３、４は、締め付け具３６・３７によって、その外表面１４が支持面５５に実質上完全に接触するようにジグ４５に押しつけられる。これによってシェル３、４は、図５ｂに示されるように、（実質的に弾力性を持って）変形せしめられる。（ただし、説明のために、変形の度合いは著しく強調されている。）

次に、シェル３、４がジグ４５の中に固締されて変形せしめられている状態で、シェル３、４に円筒状の軸受面を形成すべく、従来の方法により孔の精密加工が行われる。すると、ジグ４５の支持面５５の突出部５７によって上方に押し上げられているシェルの部分において、精密機械加工による部材の除去がより多く行われることになる（図５ｂの点線部分を参照）。ジグ４５から締め付け具３６・３７が取り外されると、シェル３、４はジグ４５の中に押し付けられる前の形状に戻り、彎入部が形成される（図６参照）。シェル３、４がジグ４５の中にあるときに加工された軸受面２０は、円弧状の輪郭を有し、好ましくは直円柱の半分に対応する形状を有する。好適な実施形態においては、彎入部はシェル３や４の前側端域１７又は／及び後側端域１８に形成され、又はその代わりに（又はそれに加えて）シェル３や４の中央部に形成される。シェル３、４がジグ４５の中で変形される前の形状に戻ることが保証されるように、変形の度合いは、実質的に完全に弾性的な範囲であることが好ましい。

クランク軸の軸受の軸受軸の中心がわざと互い違いに設けられるエンジンに特に適する実施形態では、軸受面２０は、斜円柱状の輪郭を持つように加工される。

ある実施形態において、支持面の突出部５７は、図５ｃに示される普通のジグ４５の支持面５５の上に、フィルムやフィルムの層５８を設けることによって形成される。または、突出部５７は、支持面５５を形成する部材に一体化された部分である。

軸受の概略図である。 有限要素法により決定された油膜圧力と分布を示す展開されたグラフである。 有限要素法により決定された油膜膜厚を示す展開されたグラフである。 軸受が整列しているとき、軸受の中心軸に沿った油膜圧力の分布を示す。 局部的に壁厚を減少させたシェルを概略的に示す。 図３ａのシェルを他の角度から見た図である。 軸受に取り付けられた図３ａ、図３ｂのシェルを示す図と、変形部の部分拡大図である。 他の実施形態によるシェルを示す。 軸受に取り付けられた図５のシェルを示す。