JP2006057660A - 内燃機関のコネクティングロッド用針状ころ軸受 - Google Patents

Abstract

【課題】 低粘度、希薄潤滑下で極端に油膜厚さが薄い条件下でも長寿命が得られるようにする。
【解決手段】 内燃機関のコネクティングロッド用針状ころ軸受の少なくとも転動体の表面に、微小凹形状のくぼみをランダムに無数に設け、前記くぼみを設けた面の面粗さパラメータＲｙniを０．４〜１．０μｍの範囲内とし、かつ、Ｓｋ値を−１．６以下とする。
【選択図】 図１

Description

この発明は内燃機関におけるコネクティングロッド用針状ころ軸受に関する。

例えば２サイクル内燃機関においては、図１０に示すように、クランクピン３４とピストン３６のピストンピン３８をコネクティングロッド４０で連結し、コネクティングロッド４０の小端部４２とピストンピン３８との間およびコネクティングロッド４０の大端部４４とクランクピン３４との間に針状ころ軸受４６，４８を介在させた構造が採用されている。

コネクティングロッド４０の小端部４２における針状ころ軸受４６の回りはその構造上各種の問題点が内在している。たとえば、(I)シリンダ摺動面の摩耗、(II)爆発に伴うピストンピン３８の撓み、(III)ピストンピン３８の傾き、(IV)ピストンピンボスの摩耗等がある。こうした状況下での対策として、上記(I)に対しては分散メッキの工業化、(II)に対しては限界肉厚の設定、(III)に対してはコネクティングロッド小端部規制化によって対応しており、特にコネクティングロッドの傾き防止としては、コネクティングロッドを外径面の球面化（実開昭６３−１７１７１９号）やコネクティングロッド両幅面のスラスト軸受化（実開平１−９１１２１号）が提案されている。

ところで、前記(IV)のピストンピン３８の摩耗は、ピストンピン３８が鋼製であるのに対し、ピストン３６の材質がアルミニウム製であり、爆発に伴う熱影響ではめあい部にすきまが生じることにより発生する。ピストンピン３８の摩耗はピストンピン３８の傾きの原因となり、コネクティングロッド小端部４２の針状ころ軸受４６においてはエッジロードが生じやすく、早期フレーキングの原因となる。このため、ピストンピン３８に対して摩耗対策を講じる必要がある。
実開平３−８４４１８号公報（第１図、第１４図）

近年、汎用エンジンは環境規制、低燃費からより希薄潤滑下での高速回転化が進んでおり、潤滑不良による金属接触の発生に起因する表面起点型剥離がますます発生しやすくなってきている。

特許文献１には、転動体の表面に微小な凹凸を形成して油膜形成能力を向上させたころ軸受が記載されている。これら従来の微小凹部形状のくぼみは面粗さをパラメータＲｑniで表示したとき、軸方向面粗さＲｑni（Ｌ）と円周方向面粗さＲｑni（Ｃ）との比の値Ｒｑni（Ｌ）／Ｒｑni（Ｃ）の値が１．０以下となり（Ｒｑni≧０．１０）、あわせて面粗さのパラメータＳｋ値が−１．６以下となるようにしており、これにより相手面が粗面でも仕上げ面のよい面でも長寿命になるようにしている。

しかし、低粘度、希薄潤滑下で油膜厚さが極端に薄い場合にはその効果が十分に発揮できない場合がある。

この発明の内燃機関のコネクティングロッド用針状ころ軸受は、少なくとも転動体の表面に、微小凹形状のくぼみをランダムに無数に設け、前記くぼみを設けた面の面粗さパラメータＲｙniが０．４μｍ≦Ｒｙni≦１．０μｍの範囲内であり、かつ、Ｓｋ値が−１．６以下であることを特徴とするものである。

ここに、パラメータＲｙniは基準長毎最大高さの平均値すなわち、粗さ曲線から、その平均線の方向に基準長さだけ抜き取り、この抜き取り部分の山頂線と谷底線との間隔を粗さ曲線の縦倍率の方向に測定した値である（ISO 4287:1997）。

パラメータＳｋは粗さ曲線の歪み度（スキューネス）を指し（ISO 4287:1997）、凹凸分布の非対称性を知る目安の統計量であり、ガウス分布のような対称な分布ではＳｋ値は０に近くなり、凹凸の凸部を削除した場合は負、逆の場合は正の値をとることになる。Ｓｋ値のコントロールは、バレル研摩機の回転速度、加工時間、ワーク投入量、チップの種類と大きさ等を選ぶことにより行える。Ｓｋ値を幅方向、円周方向とも−１．６以下とすることにより、微小凹形状のくぼみが油溜りとなり、圧縮されても滑り方向、直角方向への油のリークは少なく、油膜形成に優れ、油膜形成状況は良好で、表面損傷を極力抑える効果がある。

周知のとおり、ころ軸受は転動体（ころ）の転がり運動によって回転または揺動運動する軸を支持する機械要素である。通常、転動体は内輪の軌道と外輪の軌道との間に転動自在に介在するが、軸の外周面を直接軌道面とした内輪を有しないタイプも存在する。少なくとも転動体の表面にとしたのは、軌道面にも同様に微小凹形状のくぼみを形成したものを排除しない趣旨であり、また、転動体の転動面のみならず端面にも微小凹形状のくぼみを形成したものを排除しない趣旨である。

請求項２の発明は、請求項１の内燃機関のコネクティングロッド用針状ころ軸受において、前記くぼみを設けた面の面粗さパラメータＲｙmaxが０．４〜１．０であることを特徴とする。パラメータＲｙmaxは基準長毎最大高さの最大値である（ISO 4287:1997）。

請求項３の発明は、請求項１または２の内燃機関のコネクティングロッド用針状ころ軸受において、前記くぼみを設けた面の面粗さをパラメータＲｑniで表示したとき、軸方向面粗さＲｑni（Ｌ）と円周方向面粗さＲｑni（Ｃ）との比の値Ｒｑni（Ｌ）／Ｒｑni（Ｃ）が１．０以下であることを特徴とする。パラメータＲｑniとは、粗さ中心線から粗さ曲線までの高さの偏差の自乗を測定長さの区間で積分し、その区間で平均した値の平方根であり、別名自乗平均平方根粗さともいう。Ｒｑniは拡大記録した断面曲線、粗さ曲線から数値計算で求められ、粗さ計の触針を幅方向および円周方向に移動させて測定する。

この発明によれば、少なくとも転動体の表面に、微小凹形状のくぼみをランダムに無数に設けることによって、油膜形成能力が向上し、低粘度・希薄潤滑下で極端に油膜厚さが薄い条件下でも長寿命となる。とくに、前記くぼみを設けた面の面粗さパラメータＲｙniを０．４μｍ≦Ｒｙni≦１．０μｍの範囲内に設定し、従来よりも小さく抑えたことにより、希薄潤滑下でも油膜切れを防ぐことが可能で、従来品に比べ、極端に油膜厚さが薄い条件下でも長寿命を得ることができる。また、Ｓｋ値については、−１．６以下が表面凹部の形状、分布が加工条件により油膜形成に有利な範囲である。

針状ころ軸受は内輪と外輪と転動体とを主要な構成要素としている。そして、転動体の転動面および端面ならびに内外輪の軌道面の少なくとも一つに、微小凹形状のくぼみをランダムに無数に形成して微小粗面化してある。この微小粗面は、くぼみを設けた面の面粗さパラメータＲｑniが０．４μｍ≦Ｒｑni≦１．０μｍの範囲内であり、かつ、Ｓｋ値が−１．６以下、好ましくは−４．９〜−１．６の範囲である。また、くぼみを設けた面の面粗さパラメータＲｙmaxが０．４〜１．０である。さらに、面粗さを各表面の軸方向と円周方向のそれぞれで求めてパラメータＲｑniで表示したとき、軸方向面粗さＲｑni（Ｌ）と円周方向面粗さＲｑni（Ｃ）の比の値Ｒｑni（Ｌ）／Ｒｑni（Ｃ）が１．０以下になっている。このような微小粗面を得るための表面加工処理としては、特殊なバレル研摩によって、所望の仕上げ面を得ることができるが、ショット等を用いてもよい。

パラメータＲｙni、Ｒｙmax、Ｓｋ、Ｒｑniの測定方法、条件を例示するならば次のとおりである。なお、これらのパラメータで表される表面性状を、ころ軸受の転動体や軌道輪といった構成要素について測定する場合、一ヶ所の測定値でも代表値として信頼できるが、たとえば直径方向に対向する二ヶ所を測定するとよい。
パラメータ算出規格：JIS B 0601:1994（サーフコム JIS 1994）
カットオフ種別：ガウシアン
測定長さ：５λ
カットオフ波長：０．２５ｍｍ
測定倍率：×１００００
測定速度：０．３０ｍｍ／ｓ
測定箇所：ころ中央部
測定数：２
測定装置：面粗さ測定器サーフコム１４００Ａ（東京精密株式会社）

図１に示す針状ころ軸受１は、転動体として針状ころ２を保持器３に組み込んだ針状ころ軸受であり、針状ころ２で相手軸を支持するようになっている。針状ころ表面に、仕上面の異なる表面処理を施した複数種類の針状ころ軸受を製作し、寿命試験を行なった結果について説明する。寿命試験に用いた針状ころ軸受は、図１に示すように、外径Ｄｒ＝３３ｍｍ、内径ｄｒ＝２５ｍｍ、針状ころ２の直径Ｄ＝４ｍｍ、長さＬ＝２５．８ｍｍで、１５本の針状ころを用いた保持器３付きの軸受である。試験軸受として針状ころの表面粗さ仕上の異なる３種類を製作した。すなわち、研削後スーパーフィニッシュを施した軸受Ａ（比較例）と、微小凹形状のくぼみをランダムに無数に形成した軸受Ｂ（比較例）および軸受Ｃ（実施例）とである。各試験軸受の針状ころにおける仕上面状況を図２ないし図４に示す。具体的には、図２は軸受Ａの表面粗さ、図３は軸受Ｂの表面粗さ、図４は軸受Ｃの表面粗さをそれぞれ示す。また、各試験軸受の表面仕上面の特性値パラメータ一覧を表１に示す。なお、Ｒｑni（Ｌ／Ｃ）については、軸受Ｂ、Ｃは１．０以下であり、軸受Ａは１．０前後の値である。

使用した試験装置は図５に概略図で示したようなラジアル荷重試験機１１で、回転軸１２の両側に試験軸受１を取り付け、回転と荷重を与えて試験を行なうものである。試験に用いたインナレース（相手軸）の仕上は研摩仕上のＲa０．１０〜０．１６μｍである。アウタレース（外輪）も共通である。試験条件は以下のとおりである。
軸受ラジアル荷重：２０００ｋｇｆ
回転数：４０００ｒｐｍ
潤滑剤：クリセフオイルＨ８（試験条件で２ｃｓｔ）

図６に油膜パラメータΛ＝０．１３の下での寿命試験結果を示す。同図の縦軸がＬ10寿命（ｈ）を表している。同図から明らかなとおり、軸受Ａが７８ｈ、軸受Ｂが８２ｈであったのに対して軸受Ｃは１２１ｈであった。このデータが示すように、実施例である軸受Ｃは、油膜パラメータΛ＝０．１３という低粘度、希薄の非常に過酷な潤滑条件下でも長寿命効果を得ることができる。

図７に示す２円筒試験機を使用して金属接触率を評価した。図７において、駆動側円筒２２（Ｄ円筒：Driver）と従動側円筒２４（Ｆ円筒：Follower）は各々の回転軸の片端に取り付けられ、２本の回転軸２６，２８はそれぞれプーリ３０，３２を介して別々のモータで駆動できるようになっている。Ｄ円筒２２側の軸２６をモータで駆動し、Ｆ円筒２４はＤ円筒２２に従動させる自由転がりにした。Ｆ円筒２４は、表面処理に関して比較例と実施例の２種類を用意した。試験条件等詳細は表２のとおりである。

金属接触率の比較データを図８に示す。同図は横軸が経過時間、縦軸が金属接触率を表し、図８（Ａ）は比較例の軸受におけるころの転動面の金属接触率を、図８（Ｂ）は実施例の軸受におけるころの転動面の金属接触率を、それぞれ示す。これらの図を対比すれば、比較例に比べて実施例では金属接触率が改善されていることを明瞭に確認できる。言い換えれば、油膜形成率（＝１００％−金属接触率）が、実施例の軸受の方が比較例の軸受に比べて、運転開始時で１０％程度、試験終了時（２時間後）で２％程度、向上している。

針状ころ軸受の断面図 試験軸受における転動体の仕上げ面状況を示す粗さ曲線図 試験軸受における転動体の仕上げ面状況を示す粗さ曲線図 試験軸受における転動体の仕上げ面状況を示す粗さ曲線図 試験装置の概略図 寿命試験結果を示すグラフ ２円筒試験機の全体概略図 Ａは比較例の金属接触率を示すグラフ、Ｂは実施例の金属接触率を示すグラフ コネクティングロッドの使用部分を示す断面図

符号の説明

１ 針状ころ軸受
２ 転動体
２ａ くぼみ
３ 保持器

Claims (3)

1. 少なくとも転動体の表面に、微小凹形状のくぼみをランダムに無数に設け、前記くぼみを設けた面の面粗さパラメータＲｙniが０．４μｍ≦Ｒｙni≦１．０μｍの範囲内であり、かつ、Ｓｋ値が−１．６以下であることを特徴とする内燃機関のコネクティングロッド用針状ころ軸受。
2. 前記くぼみを設けた面の面粗さパラメータＲｙｍａｘが０．４〜１．０の範囲内であることを特徴とする請求項１の内燃機関のコネクティングロッド用針状ころ軸受。
3. 前記くぼみを設けた面の面粗さをパラメータＲｑniで表示したとき、軸方向面粗さＲｑni（Ｌ）と円周方向面粗さＲｑni（Ｃ）との比の値Ｒｑni（Ｌ）／Ｒｑni（Ｃ）が１．０以下であることを特徴とする請求項１または２の内燃機関のコネクティングロッド用針状ころ軸受。

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