JP2006329252A - 軸受及び軸の間の回転摺動構造及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 軸及び軸受の間に保持される潤滑油のせん断抵抗に伴うエネルギ損失を低減可能な軸及び軸受の間の回転摺動構造を提供する。
【解決手段】 軸１及び軸受２の少なくとも一方の回転摺動面１ａには周方向の溝１ｂが形成され、溝の内面には撥油膜が形成されている。溝は回転摺動面の両端部分をの除いて形成され、両端部分には撥油膜は形成されない。撥油膜は、ポリェーテルサルフョンと、４弗化エチレン及び６弗化プロピレンの共重合体とを含んで形成される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、軸及び軸受の間の回転摺動構造及びその製造方法に関する。

転がり軸受を使用しない内燃機関のクランク軸のピンとコンロッドの軸受との間の回転摺動構造において、ピンの回転摺動面全体に周方向にＶ形の油導入溝を形成することにより、毛細管現象によって油導入溝を介してピンの回転摺動面全体に潤滑油を行きわたらせると共に油導入溝内で潤滑油を保持し、ピンと軸受との間の焼付けを防止することが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

実開昭６０−１２１５２３号公報 特開平３−１２１７７４号公報 特開平７−１１６９５８号公報 特開２００４−２２５８９６号公報 特開２００４−２３９３４６号公報

前述のピンと軸受との間の回転摺動構造において、ピンの油導入溝内に保持される潤滑油と、ピン及び軸受との間には、それぞれ比較的大きな摩擦力が発生し、潤滑油はピン及び軸受のそれぞれの回転摺動面に追従しようとするために、ピンと軸受との間の相対回転に際して、潤滑油はピン及び軸受の周方向にせん断され、この潤滑油のせん断抵抗によって比較的大きなエネルギ損失が発生していた。

従って、本発明の目的は、軸及び軸受の間に保持される潤滑油のせん断抵抗に伴うエネルギ損失を低減可能な軸及び軸受の間の回転摺動構造及びその製造方法を提供することである。

本発明による請求項１に記載の軸及び軸受の間の回転摺動構造は、軸及び軸受の少なくとも一方の回転摺動面には周方向の溝が形成され、前記溝の内面には撥油膜が形成されていることを特徴とする。

また、本発明による請求項２に記載の軸及び軸受の間の回転摺動構造は、請求項１に記載の軸及び軸受の間の回転摺動構造において、前記溝は前記回転摺動面の両端部分を除いて形成され、前記両端部分には撥油膜は形成されないことを特徴とする。

また、本発明による請求項３に記載の軸及び軸受の間の回転摺動構造は、請求項１又は２に記載の軸及び軸受の間の回転摺動構造において、前記軸受はメタル軸受であることを特徴とする。

また、本発明による請求項４に記載の軸及び軸受の間の回転摺動構造は、請求項１から３のいずれかに記載の軸及び軸受の間の回転摺動構造において、前記撥油膜は、ポリエーテルサルフォンと、４弗化エチレン及び６弗化プロピレンの共重合体とを含んで形成されることを特徴とする。

また、本発明による請求項５に記載の軸及び軸受の間の回転摺動構造の製造方法は、軸及び軸受の少なくとも一方の回転摺動面に周方向の溝を形成する段階と、前記溝が形成された前記回転摺動面に撥油膜を形成する段階と、前記撥油膜が形成された前記回転摺動面を前記溝の一部を残して所望寸法に仕上げる段階、とを有することを特徴とする。

本発明による請求項１に記載の軸及び軸受の間の回転摺動構造によれば、軸及び軸受の少なくとも一方の回転摺動面には周方向の溝が形成されているために、溝内に潤滑油が保持されて軸と軸受との間の焼付けを防止することができる。また、溝の内面に形成された撥油膜によって、溝内に保持された潤滑油と溝との間の摩擦力が非常に小さくなるために、軸及び軸受との間の相対回転に際して、潤滑油は他方の回転摺動面に容易に追従することができる。それにより、潤滑油のせん断抵抗は非常に小さくなり、せん断抵抗に伴うエネルギ損失は低減することができる。

また、本発明による請求項２に記載の軸及び軸受の間の回転摺動構造によれば、請求項１に記載の軸及び軸受の間の回転摺動構造において、溝は回転摺動面の両端部分を除いて形成され、両端部分には撥油膜は形成されないために、溝及び撥油膜が形成されていない回転摺動面の両端部分によって、潤滑油は回転摺動面の外側へ流出し難くなり、溝内に潤滑油が保持され易く、軸と軸受との間の焼付けをさらに確実に防止することができる。

また、本発明による請求項３に記載の軸及び軸受の間の回転摺動構造によれば、請求項１又は２に記載の軸及び軸受の間の回転摺動構造において、軸受はメタル軸受であり、軸と軸受との間の摺動抵抗を低減することができる。

また、本発明による請求項４に記載の軸及び軸受の間の回転摺動構造によれば、請求項１から３のいずれかに記載の軸及び軸受の間の回転摺動構造において、撥油膜は、ポリエーテルサルフォンと、４弗化エチレン及び６弗化プロピレンの共重合体とを含んで形成されるものであり、この撥油膜は、耐熱性及び耐久性が高く、内燃機関のクランク軸又はカム軸等の回転摺動構造への使用に適している。

また、本発明による請求項５に記載の軸及び軸受の間の回転摺動構造の製造方法によれば、周方向の溝が形成された回転摺動面に撥油膜が形成されることにより、溝の内面にも撥油膜が形成され、次いで、溝の一部を残して回転摺動面を所望寸法に仕上げることにより、残された溝の一部には撥油膜が形成されたまま残り、請求項１に記載の回転摺動構造を容易に製造することができる。

図１は本発明による軸及び軸受の間の回転摺動構造を示す断面図である。同図において、１は例えば内燃機関のクランク軸であり、２はクランク軸を支えるためのメタル軸受である。メタル軸受２はハウジング３に固定されている。クランク軸１の回転摺動面１ａには、両端部分を除いて全体的に周方向の溝１ｂが形成されている。溝１ｂは、互いに独立する複数の溝としても良いが、一つ又は複数の螺旋溝とすることにより、ハウジング３及びメタル軸受２を貫通して形成された単一の潤滑油供給通路４を介して回転摺動面１ａの略中央部に供給された潤滑油が、螺旋溝の毛細管現象により回転摺動面１ａ全体に供給され易くなる。

こうして、クランク軸１の回転摺動面１ａの大部分に溝１ｂが形成されることにより、クランク軸１とメタル軸受２との間の見かけ接触面積（実際的には潤滑油の存在によってクランク軸１とメタル軸受２とは殆ど接触することはない）を小さくして摺動抵抗を減少させることができ、また、溝１ｂ内には潤滑油が保持され、メタル軸受２の回転摺動面２ａとクランク軸１の回転摺動面１ａとが直接的に接触する機会を減少させ、メタル軸受２とクランク軸１との間の相対回転に際して、メタル軸受２とクランク軸１との間の焼付けを防止することができる。

回転摺動面１ａの両端部分には溝１ｂは形成されておらず、それにより、潤滑油が回転摺動面１ａの外側へ流出し難くなって溝内に潤滑油が保持され易く、クランク軸１とメタル軸受２との間の焼付けをさらに確実に防止することができる。

しかしながら、クランク軸１の回転摺動面１ａに単に溝１ｂを形成しただけでは、溝１ｂ内に保持される潤滑油と、溝１ｂ及びメタル軸受２の回転摺動面２ａとの間には、それぞれ比較的大きな摩擦力が発生し、クランク軸１とメタル軸受２との間の相対回転に際して、潤滑油は溝１ｂとメタル軸受２の回転摺動面２ａとにそれぞれ追従しようとして周方向にせん断されるために、この潤滑油のせん断抵抗によって比較的大きなエネルギ損失が発生することとなる。

本実施形態では、溝１ｂの拡大断面図である図２に示すように、溝１ｂの内面に撥油膜１ｃが形成されている。それにより、溝１ｂ内に保持された潤滑油と溝１ｂとの間の摩擦力が非常に小さくなり、クランク軸１とメタル軸受２との間の相対回転に際して、潤滑油は溝１ｂ内を容易に滑ってメタル軸受２の回転摺動面２ａに容易に追従し、潤滑油のせん断抵抗は非常に小さくなるために、せん断抵抗に伴うエネルギ損失を非常に小さくすることができる。こうして、このエネルギ損失に伴う燃料消費の悪化を改善することできる。

このようなクランク軸１の回転摺動面１ａを形成するためには、クランク軸１の回転摺動面１ａの部分拡大断面図である図３に示すように、先ず、回転摺動面１ａの両端部分を除いて全体的に溝１ｂを加工する。この溝１ｂの加工は、特に高い精度を必要とせず、例えば、旋盤等によって回転摺動面１ａを荒削りすれば良い。次いで、荒削りされた回転摺動面１ａ全体に撥油膜１ｃを形成する。その後、回転摺動面１ａを所望寸法Ａ（所望外径）に仕上げ加工する。こうして、図１に示すような回転摺動面１ａを容易に形成することができる。溝１ｂの深さは、図３に示すように、回転摺動面１ａが所望寸法Ａに仕上げられた時にも溝１ｂの一部が残るように形成されなければならない。ところで、もし、両端部分に撥油膜１ｃが形成されていると、潤滑油は両端部分の撥油性により回転摺動面１ａの外側へ流出し易くなるが、仕上げ加工によって回転摺動面１ａの両端部分の撥油膜１ｃは除去され、潤滑油は回動摺動面１ａの外側へ流出し難くなる。

クランク軸１の回転摺動面１ａの溝１ｂ内に形成する撥油膜１ｃは、耐熱性及び耐久性に優れたものとしなければならない。ＰＥＳ（ポリエーテルサルホン）とＦＥＰ（４弗化エチレン及び６弗化プロピレンの共重合体）とによって図４に示すような断面を有する被膜を形成すると、耐熱性及び耐久性に優れた良好な撥油膜とすることができる。図４において、１０は、フェライト系及びオーステナイト系ステンレス、高クロムモリブデン鋼、又は、アルミ合金等の金属基材である。この金属基材１０の撥油膜側表面１０ａは、ショットブラスト又は化学処理等によって適度の粗さとされる。この撥油膜側表面１０ａ上に密着性に優れた親油性（表面張力が大きい）を有するＰＥＳ３０のみからなる下層を配して（例えば、ＰＥＳを有機溶媒中に溶解させたＰＥＳ溶液として）８０から１８０°Ｃで３０分程度の一次焼成を行う。次いで、この下層と一体をなすように、ＰＥＳ３０の連続相中にＦＥＰ２０の離散相（粒子）が分散した上層を配して（例えば、ＰＥＳ溶液とＦＥＰを有機溶媒中に分散させたＦＥＰ分散液との混合液として）３５０から３８０°Ｃで３０分程度の二次焼成を行う。こうして、二次焼成により形成された上層表面は、典型的には、粒子径０．５μｍから５μｍ程度の微細なＦＥＰ粒子が、粒子径と同等程度の間隔で分散している。すなわち、本撥油膜は、基材表面に密着したＰＥＳの下層と、この下層のＰＥＳと一体を成すＰＥＳの連続相中にＦＥＰの拡散相が分散して成る上層とで構成され、この上層が撥油被膜の表面として露出している。

このように形成された撥油膜は、ＦＥＰ粒子２０がＨＣ等の油を撥油性により持ち上げ、ＦＥＰ粒子間に露出しているＰＥＳ３０が親油性によって持ち上げられた油を引っ張るために、撥油膜の僅かな傾斜によって、撥油膜上の油を良好に滑落させることができる。撥油膜におけるＰＥＳとＦＥＰとの重量比は任意として良いが、例えば、４０（ＰＥＳ）：６０（ＦＥＰ）から８０（ＰＥＳ）：２０（ＦＥＰ）とすれば良く、６０（ＰＥＳ）：４０（ＦＥＰ）から７５（ＰＥＳ）：２５（ＦＥＰ）とすることが好ましい。７０（ＰＥＳ）：３０（ＦＥＰ）とすることにより、撥油性能をほぼ最大とすることができ、約１７度の傾斜角度でも油滴を滑落させることができる。

本実施形態において、撥油膜１ｃを形成する溝１ｂは、クランク軸１の回転摺動面１ａに形成したが、これは本発明を限定するものではなく、撥油膜１ｃを形成する溝１ｂは、メタル軸受２の回転摺動面２ａだけに形成しても良く、また、クランク軸１及びメタル軸受２の回転摺動面１ａ，２ａの両方に形成しても良い。メタル軸受２の回転摺動面２ａに溝１ｂを形成する際にも、両端部分には溝１ｂも撥油膜も形成しないことが好ましく、前述した製造方法のように、溝１ｂ内を含めて回転摺動面２ａの全体に撥油膜を形成した場合には、メタル軸受２の回転摺動面２ａを所望寸法（所望内径）に仕上げる際に両端部分の撥油膜を除去することが好ましい。メタル軸受２が省略される場合には、ハウジングに形成された軸受に対して同様に溝１ｂが形成されれば良い。

本願発明は、クランク軸１及びメタル軸受２の間の回転摺動構造に限定されるものではなく、クランク軸のピン及びコンロッドの間の回転摺動構造、及び、カム軸及び軸受の間の回転摺動構造等のような潤滑油を使用する全ての軸及び軸受との間の回転摺動構造に適用可能である。

本発明による軸及び軸受の間の回転摺動構造を示す断面図である。 溝の拡大断面図である。 回転摺動面の部分拡大断面図である。 撥油膜の部分拡大断面図である。

符号の説明

１ クランク軸
１ａ 回転摺動面
１ｂ 溝
１ｃ 撥油膜
２ メタル軸受
２ａ 回転摺動面
３ ハウジング
４ 潤滑油供給通路

Claims (5)

1. 軸及び軸受の少なくとも一方の回転摺動面には周方向の溝が形成され、前記溝の内面には撥油膜が形成されていることを特徴とする軸及び軸受の間の回転摺動構造。
2. 前記溝は前記回転摺動面の両端部分を除いて形成され、前記両端部分には撥油膜は形成されないことを特徴とする請求項１に記載の軸及び軸受の間の回転摺動構造。
3. 前記軸受はメタル軸受であることを特徴とする請求項１又は２に記載の軸及び軸受の間の回転摺動構造。
4. 前記撥油膜は、ポリエーテルサルフォンと、４弗化エチレン及び６弗化プロピレンの共重合体とを含んで形成されることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の軸及び軸受の間の回転摺動構造。
5. 軸及び軸受の少なくとも一方の回転摺動面に周方向の溝を形成する段階と、前記溝が形成された前記回転摺動面に撥油膜を形成する段階と、前記撥油膜が形成された前記回転摺動面を前記溝の一部を残して所望寸法に仕上げる段階、とを有することを特徴とする軸及び軸受の間の回転摺動構造の製造方法。

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