JP2006520877A - 穴圧縮を連続的に変化させた焼結滑り軸受 - Google Patents

Abstract

本発明は、円形軸受穴（１４）を備えたエンジンおよび変速機用焼結滑り軸受であって、軸受穴（１４）が、少なくとも近似的に閉鎖気孔の高圧縮領域（９）と低圧縮開放気孔領域（１０）とを周面に交互に配設して有し、高圧縮領域（９）および低圧縮領域（１０）の軸受穴直径が少なくとも近似的に同一である焼結滑り軸受（５）、その製造方法および製造装置に関する。

Description

本発明は、エンジンおよび変速機用焼結滑り軸受に関する。

焼結滑り軸受はエンジンおよび変速機においてさまざまに利用され、安価に製造され、簡単に応用される。従来の焼結軸受の利用範囲の限界は最大ラジアル荷重によって定められており、これらのラジアル荷重は軸受装置の別の、例えば焼結材料、滑り速度、潤滑剤、使用温度等のパラメータに依存している。焼結滑り軸受とは異なり、固体滑り軸受は一般に比較的高いラジアル荷重および滑り速度において利用することができる。というのも、シャフトと軸受との間に形成される潤滑剤膜が強い荷重時にも両方の摩擦対偶を分離できるからである。これは焼結滑り軸受の場合限定的にのみ機能する。というのも潤滑剤は相応に高い圧力の場合に焼結材料の気孔に圧入されるからである。これにより、軸受とシャフトとの間で固体接触が生じ、摩擦が高まり、摩耗が強まり、最終的に焼結滑り軸受が故障することがある。

先行技術からなかんずく特許文献１による焼結滑り軸受が公知であり、この焼結滑り軸受は高圧縮微細気孔摺動面と軸線方向に延びる低圧縮開放気孔潤滑剤溜とを周面に交互に配設した軸受穴を有し、潤滑剤溜は少なくとも２つの縦条溝を備えた条溝構造体によって形成されている。このような焼結滑り軸受では欠点として、動作時に条溝で油膜が剥ぎ取られることがあり、これにより軸受隙間への潤滑剤の供給がもはや確保されなくなるので、特定の動作状態のとき比較的強い騒音が発生する。

そのことは、条溝が軸受穴の中心軸線に対して鋭角で傾いた特許文献２による焼結滑り軸受にもあてはまる。特許文献３も、前記諸欠点を有する焼結滑り軸受を示している。

先行技術による相応する焼結滑り軸受では摺動面が動作時にいわゆる完全潤滑を有し、構成される圧力に基づいてシャフトと軸受との間に分離する潤滑剤膜が生じる。しかし開放気孔ゾーンの領域では潤滑剤膜が焼結材料の開放気孔に圧入され、この領域ではシャフトがいわゆる混合摩擦状態で作動される。この作動状態のときなかんずく摩擦も軸受の摩耗も流体力学的動作時よりも強い。
独国特許発明第１９９３７５６７号明細書 独国特許発明第１９９４７４６２号明細書 独国特許発明第１０１０７４８５号明細書

本発明の課題は、焼結滑り軸受の利点（寿命、焼結材料中に蓄えられた潤滑剤による潤滑）を維持しつつ固体軸受の利点（小さい摩擦係数、高い耐荷重能力、高い滑り速度）に焼結滑り軸受で近づくことである。

この課題は、本発明によれば、円形軸受穴を備えたエンジンおよび変速機用焼結滑り軸受であって、軸受穴が、少なくとも近似的に閉鎖気孔の高圧縮領域と開放気孔の低圧縮領域とを周面に交互に配設して有し、高圧縮領域および低圧縮領域の軸受穴直径が少なくとも近似的に同一である焼結滑り軸受によって解決される。高圧縮領域は、軸受穴内で支承されたシャフトまたは軸用の軌道として働く。高圧縮領域では粉末粒子間の気孔が近似的にまたは完全に閉じており、本発明に係る焼結滑り軸受は固体軸受に類似して従来の焼結滑り軸受よりも少なくとも高いラジアル荷重および滑り速度において利用することができる。というのも潤滑剤は高い圧力において高圧縮領域では焼結材料の気孔の間に圧入できないからである。先行技術による焼結滑り軸受とは異なり、低い回転数において完全潤滑が既に達成される。それとともに、低回転数では公知の焼結滑り軸受は混合摩擦状態で作動するため、高い摩耗が現れるが、本発明に係る焼結滑り軸受は低回転数において利用することができる。それとともに、軸受とシャフトとの間の固体接触は高い摩擦、高い摩耗により軸受に故障をもたらすことがあるが、これを防止することができる。さらに、先行技術による焼結滑り軸受とは異なり、油が高圧縮領域ではほぼ閉じた気孔に浸入できないので、低粘性油を利用することができる。これにより特にコールドスタートに対する焼結滑り軸受の適性が高まる。というのも、温度が約−４０℃前後と低くかつ高粘性油を標準焼結滑り軸受において利用するとき良好な機能は保証されていないからである。低粘性油が利用されるにもかかわらず、十分な耐荷重能力が達成される。設けられている低圧縮または非圧縮領域は、気孔内に潤滑剤が浸入できて、低圧縮領域が潤滑剤溜としても働くという公知の焼結滑り軸受の利点を有する。それとともに、焼結材料中に蓄えられた潤滑剤による長寿命潤滑が可能となる。高圧縮と低圧縮とに関する軌道の不均一性は軸受隙間の潤滑剤供給を損なわず、なかんずくこの不均一性は軸受の荷重方向中立性に影響しない。本発明によれば、高圧縮領域および低圧縮領域の軸受穴直径が少なくとも近似的に同一である。これは、先行技術の方から条溝または溝の態様で存在する潤滑剤溜が設けられていないことと理解される。高圧縮領域と低圧縮領域との軸受穴直径の違いが製造不正確さから生じることがあるが、通常の真円度誤差の範囲内である。軸受穴直径がほぼ近似的に同一であることによって、先行技術による焼結滑り軸受では起き得ることであるが、直径の連続的変化のゆえに潤滑剤膜が段差で剥がれることはない。

本発明の有利な１構成では、高圧縮領域および低圧縮領域の軸受穴直径が同一である。本発明のこのような構成は低圧縮領域と高圧縮領域との間に段差が存在しない利点を有し、段差で、もしくは摺動面と潤滑剤溜との間の稜で、潤滑剤膜の剥取りは起き得ない。これにより軸受の動作信頼性と寿命が高まる。

本発明の特別有利な１構成では、高圧縮領域と低圧縮領域との間で軸受穴の周面にわたって密度が少なくとも近似的に連続的に変化している。低圧縮領域では密度は少なくとも近似的に軸受の基本密度に一致している。最高密度の領域ではほぼすべての気孔が閉じており、穴表面でほぼ完全な素材密度が達成される。穴から外方にかけて密度は再び減少し、１０分の数ｍｍにまで減少後に再び軸受の基本密度値に達する。本発明に係る焼結滑り軸受は高圧縮領域と低圧縮領域との間で軸受穴領域において連続的圧縮変化を有し、その際、圧縮の変化は穴断面の種類と材料排除の程度とに依存している。重要なのは、先行技術により公知の焼結滑り軸受で該当することであるが、高圧縮領域と低圧縮領域との間で急激な圧縮変化が起きないことである。

本発明の他の有利な１構成において、焼結滑り軸受は少なくとも近似的に閉鎖気孔の高圧縮領域を少なくとも２つ有する。あらゆる荷重方向に対して焼結滑り軸受の十分な機能性が与えられているようにこの数が定められていると特別有利である。本発明に係る焼結滑り軸受は、油が気孔に入り込み、低圧縮領域で進出し得るので、焼結滑り軸受全体が潤滑剤溜として働く利点を有する。

本発明の有利な１構成において、穴は軸受幅の少なくとも一部にわたって、少なくとも近似的に閉鎖気孔の高圧縮領域および／または低圧縮開放気孔領域を有する。高圧縮領域と低圧縮領域は一方の軸受縁から反対側の軸受縁まで、または軸受幅の一部にわたってのみ、延設することができる。高圧縮領域の幅およびその相互距離は可変とすることができる。距離と幅は軸受内で必ずしも一定とする必要もなく、例えば統計的に変動させることができる。

本発明の特別有利な１構成において、穴は軸受幅の少なくとも半分にわたって、少なくとも近似的に閉鎖気孔の高圧縮領域および／または開放気孔の低圧縮領域を有する。周方向だけでなく軸線方向での圧縮変化が有利である。というのも、穴の周囲にわたって不均一な圧縮によって耐荷重能力の異なる諸領域、すなわち強圧縮領域における高耐荷重能力、低圧縮領域における多少低い耐荷重能力が得られるからである。これにより、焼結軸受の機能性が耐荷重方向に左右されることは防止される。いわゆるエッジランナを考慮して、同軸に組み込まれなかったシャフトが軸受縁で専ら低圧縮領域に載置されることのないよう、圧縮領域の数が奇数であると特別有利である。奇数の圧縮領域によって軸受の騒音挙動は偶数の圧縮領域の場合よりも良好となることが判明した。

本発明の他の有利な１構成において、少なくとも近似的に閉鎖気孔の高圧縮領域と開放気孔の低圧縮領域は相互にずらして配置されている。

本発明の特別有利な１構成において、少なくとも近似的に閉鎖気孔の高圧縮領域に対して開放気孔の低圧縮領域はそれぞれ軸線方向で向き合わせて付設されている。圧縮領域を軸線方向でずらして高圧縮領域が低圧縮領域に向き合うようにした場合、軸受内にあるシャフトは常に高圧縮領域上にくる。

前記課題は、焼結滑り軸受を製造するための方法であって、粉末が金型に注入され、周方向で近似的に正弦波状断面の穴を有する圧粉体がプレスによって生成され、この圧粉体が焼結され、最後に、穴の近似的正弦波状断面がサイジングによって円形穴幾何学形状へと成形される方法によっても解決される。その際、サイジングプロセス時に低圧縮領域内への材料排除が行われないと有利である。低圧縮領域における密度はこの場合軸受の基本密度に一致し、例えば鉄軸受の場合６．０ｇ／ｃｍ^３である。最大の材料排除は最高密度領域で起き、その目的はすべての気孔を閉じることである。それとともに穴表面でほぼ完全な素材密度が達成される。穴から外側にかけて密度は再び減少し、１０分の数ｍｍにまで減少後に再び軸受の基本密度値に達する。本発明に係る焼結滑り軸受が８ｍｍの穴直径を有する場合、サイジングプロセスにおいて半径方向で約１００〜３００μｍの材料排除が行われる。これらの値は素材または穴直径になお適合させることができる。本発明に係る方法によって、軸受穴の領域で圧縮が連続的に変化した焼結滑り軸受が生成され、圧縮の変化および強さは穴断面の種類と材料排除の規模とに依存している。

本発明に係るコアロッドは周方向で正弦波状に異形化されており、本発明に係る上パンチと下パンチは同一の断面を有する。これにより、圧粉体の周方向で変化する穴幾何学形状が得られる。正弦波状断面は最も深い個所に歯底円（最小軸受穴直径）、最も高い個所に歯先円（最大軸受穴直径）を有する。正弦波状断面の歯底円と歯先円との間の直径差がサイジング時の材料排除度を生じる。サイジングマンドレルの直径は焼結時の寸法変動を介して圧粉体穴断面の歯先円に適合される。それとともに穴内のゾーンのうちその直径が歯先円直径よりも小さい各ゾーンが圧縮され、歯底円領域では圧縮が起きずまたはごく僅かに起きるだけである。最大圧縮個所ではほぼすべての気孔が閉じている。

本発明の有利な１構成において、粉末が金型に注入され、周方向で近似的に正弦波状断面の穴を有する圧粉体がプレスによって生成され、軸受の各半分で、別の正弦波状断面に対して或る角度だけずらされた正弦波状断面がプレスされ、この圧粉体が焼結され、最後に、穴の近似的に正弦波状断面がサイジングによって円形穴幾何学形状へと成形される。

本発明の特別有利な１構成において、粉末が低圧縮領域では近似的に焼結滑り軸受の基本密度に圧縮され、高圧縮領域では近似的に軸受素材の密度に圧縮される。これにより、低圧縮領域では気孔が開口したままとなることが達成され、潤滑剤を蓄えることができる。軸受の潤滑剤含浸は例えば真空下で行うことができる。

本発明の他の有利な１構成において、粉末が半径方向で１００〜３００μｍ圧縮される。これにより、高圧縮領域では少なくとも近似的に完全な気孔閉鎖が達成される。

前記課題は、焼結滑り軸受を製造しかつ本発明に係る方法を実施するための装置であって、プレス工具が設けられており、このプレス工具がダイと外周面を異形化されたコアロッドとからなり、このコアロッドに、同一断面を有する上パンチおよび下パンチが付設されており、コアロッドおよびパンチの異形化が周方向で正弦波状断面となった装置によっても解決される。

本発明の特別有利な１構成において、ダイと外周面を異形化された上および下コアロッドとからなるプレス工具が設けられており、これらのコアロッドに、同一断面を有する上パンチおよび下パンチが付設されており、異形化が周方向で正弦波状断面であり、上コアロッドおよび上パンチが下コアロッドおよび下パンチに対して或る角度だけ回して配置されている。

実施例の略図を基に本発明を説明する。

図１は先行技術、例えば特許文献１、特許文献２、特許文献３による焼結滑り軸受１を示しており、高圧縮領域２と低圧縮領域３との間に段差４付きの移行部があり、段差は欠点として、作動時に油膜が段差４で剥ぎ取られることがあり、すると軸受隙間への潤滑剤供給がもはや確保されていない。

図２は本発明に係る焼結滑り軸受５の焼結後の軸受穴１４を示す。軸受穴１４の正弦波状断面６は成形プロセス時に持ち込まれ、最も深い個所に歯底円７（最小軸受穴直径）、最も高い個所に歯先円８（最大軸受穴直径）を有する。正弦波状断面６の歯底円７と歯先円８との間の直径差がサイジング時の材料排除度を生じる。サイジングマンドレルの直径は焼結時の寸法変動を介して圧粉体穴断面の歯先円８に適合される。それとともに穴内の領域のうちその直径が歯先円直径８よりも小さい各領域が圧縮され、歯底円７領域では圧縮が起きずまたはごく僅かに起きるだけである。最大圧縮の個所ではほぼすべての気孔が閉じている。

図３は本発明に係る焼結滑り軸受５のサイジング後の軸受穴１４を示しており、図２による軸受穴１４の正弦波状断面６がサイジングによって円形軸受穴１４へと成形されている。

図４は圧縮の異なる領域９、１０を有する本発明に係る軸受穴１４の展開図であり、ハッチング領域が高圧縮領域９である。低圧縮領域１０はハッチングなしである。異なる圧縮を有するゾーンは上側軸受縁１２から下側軸受縁１３まで通じている。

図５は圧縮の異なる領域９、１０を有する本発明に係る軸受穴１４の展開図であり、軸受幅ｂの半分以降で圧縮領域が任意の角度だけ相互に回されている。これにより、軸受５内にある図示しないシャフトが、軸受の半分では常に高圧縮領域９上にくることができる。

図６は圧縮の異なる領域９、１０を有する本発明に係る軸受穴１４の展開図であり、高圧縮領域９もしくは低圧縮領域１０は軸線方向で図５とは異なりもはや重なり合っていない。高圧縮領域９の幅と相互距離は可変とすることができる。距離と幅は軸受５内で一定である必要もなく、例えば統計的に変動させることができる。低圧縮領域１０の最小幅は製造技術上の限界によって定められている。領域の数を増やして穴直径を小さくすると、サイジング時に低密度領域で材料が一層ずらされる。そのことから極端な場合気孔閉鎖が生じる。これにより、所要の低圧縮領域１０では潤滑剤溜としての機能性を得るために気孔が閉鎖されないように最小幅を選択しなければならないことが明らかとなる。例えば穴直径が８ｍｍである場合最高圧縮の２点間の周方向距離は３．５ｍｍ以上とすべきであろう。

サイジングプロセス時に低圧縮領域では材料排除を行うべきではないことに起因して、低圧縮領域１０の密度は軸受５の基本密度に一致し、例えば鉄軸受の場合６．０ｇ／ｃｍ^３である。

最大の材料排除は最高密度領域１０で起き、その目的はすべての気孔を閉じることである。これにより、穴表面では使用素材のほぼ完全な密度が達成される。穴から内側にかけて密度は再び減少し、１０分の数ミリメートルにまで減少後に再び軸受の基本密度値に達する。例えば穴直径が８ｍｍであるとサイジングプロセス中に半径方向で１００〜３００μｍの材料排除が行われる。

図７は本発明に係るプレス装置１５を充填状態時の断面で示す。このプレス装置１５は超硬合金インサート１７を備えたダイ１６からなる。さらに下パンチ１８と上パンチ１９が設けられており、下パンチ１８は穴２３を有し、上パンチ１９は正弦波状断面の穴２０を有する。下パンチ１８および上パンチ１９に付設されたコアロッド２１は同一の正弦波状断面を有する。充填状態のとき粉末が押型空間２２に注入され、この押型空間は超硬合金インサート１７と下パンチ１８とコアロッド２１とによって形成される。上パンチ１９および／または下パンチ１８に加圧力が加えられ、粉末が圧粉体へと圧縮され、この圧粉体はコアロッド２１、下パンチ１８および上パンチ１９の正弦波状断面に起因して相応する正弦波状断面６の軸受穴１４を有する。

図８は仕上げプレスされた圧粉体を抜き出すときの本発明に係るプレス装置１５を断面で示しており、圧粉体は図２による軸受穴１４を有する。抜出し時に上パンチ１９がダイから引き出され、圧粉体は下パンチ１８によって抜き出される。引き続き圧粉体は焼結され、場合によって生じたバリは引き続き除去される。

圧粉体の製造時、周方向で正弦波状断面６を有する穴幾何学形状が生成される。周方向で正弦波状断面を有する穴幾何学形状は、図示しない焼結プロセス後にサイジング過程を介して、正弦波状断面６を有する軸受穴１４を円形サイジングマンドレルでサイジングすることによって、圧縮の異なる領域９、１０を有する軸受穴１４の円形穴幾何学形状が生成されることを可能とし、こうして焼結滑り軸受５内に図３による円形軸受穴１４が生成される。高圧縮領域９の圧縮度は、例えば上パンチ１９、コアロッド２１等の成形工具の寸法設計を介して調整することができる。図５または図６による焼結滑り軸受５の軸受穴１４の軸線方向圧縮変化は、相互にずらされた２つのコアロッド２１とパンチ１９とによって形成される。

本発明によれば圧粉体はプレス工具によってプレスされ、コアロッド２１と成形パンチ１８、１９とによって周方向で正弦波状断面６の幾何学形状が形成される。軸受穴１４内の圧縮を軸線方向でも変化させる場合に限り、２つの相互にずらされたコアロッド２１とパンチ１８、１９が使用される。周方向で正弦波状断面６を有する軸受穴１４はわずかな公差を生成するため、円形サイジングマンドレルでサイジングされ、これにより平滑な摺動面と軸受穴１４の部分的に高圧縮な領域９とが生成される。最後に軸受５は真空下で潤滑剤を含浸される。

本発明に係る焼結滑り軸受５は先行技術により公知の焼結滑り軸受と同じ利用目的に使用することができる。それは特にあらゆる種類の電動機用に利用することができ、その際低粘性油を利用することができ、これによりエンジンの「コールドスタート」時の挙動が改善される。本発明に係る焼結滑り軸受は低回転数において既に流体力学的範囲で動作し、少なくとも近似的に円形な軸受穴によって潤滑剤溜の稜での潤滑剤膜の剥取りが防止される。

先行技術による焼結滑り軸受を示す。 本発明に係る焼結滑り軸受の焼結後の軸受穴を示す。 本発明に係る焼結滑り軸受のサイジング後の軸受穴を示す。 軸線方向で変化のない、圧縮の異なるゾーンを有する軸受穴の展開図である。 軸線方向での変化が重なり合った、圧縮の異なるゾーンを有する軸受穴の展開図である。 軸線方向での変化が重なり合っていない、圧縮の異なるゾーンを有する軸受穴の展開図である。 本発明に係るプレス装置を充填状態時の断面で示す。 本発明に係るプレス装置を抜出し状態時の断面で示す。

Claims (14)

1. 円形軸受穴（１４）を備えたエンジンおよび変速機用焼結滑り軸受であって、軸受穴（１４）が、少なくとも近似的に閉鎖気孔の高圧縮領域（９）と開放気孔の低圧縮領域（１０）とを周面に交互に配設して有し、高圧縮領域（９）および低圧縮領域（１０）の軸受穴直径が少なくとも近似的に同一である焼結滑り軸受（５）。
2. 高圧縮領域（９）および低圧縮領域（１０）の軸受穴直径が同一であることを特徴とする、請求項１記載の焼結滑り軸受（５）。
3. 高圧縮領域（９）と低圧縮領域（１０）との間で軸受穴の周面にわたって密度が少なくとも近似的に連続的に変化していることを特徴とする、請求項１または２記載の焼結滑り軸受（５）。
4. 焼結滑り軸受（５）が、少なくとも近似的に閉鎖気孔の高圧縮領域（９）を少なくとも２つ有することを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項記載の焼結滑り軸受（５）。
5. 軸受穴（１４）が、軸受幅（ｂ）の少なくとも一部にわたって、少なくとも近似的に閉鎖気孔の高圧縮領域（９）および／または開放気孔の低圧縮領域（１０）を有することを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項記載の焼結滑り軸受（５）。
6. 軸受穴（１４）が、軸受幅（ｂ）の少なくとも半分にわたって、少なくとも近似的に閉鎖気孔の高圧縮領域（９）および／または開放気孔の低圧縮領域（１０）を有することを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項記載の焼結滑り軸受（５）。
7. 少なくとも近似的に閉鎖気孔の高圧縮領域（９）と開放気孔の低圧縮領域（１０）が相互にずらして配置されていることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項記載の焼結滑り軸受（５）。
8. 少なくとも近似的に閉鎖気孔の高圧縮領域（９）に対して開放気孔の低圧縮領域（１０）がそれぞれ軸線方向で向き合わせて付設されていることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか１項記載の焼結滑り軸受（５）。
9. 請求項１〜８のいずれか１項記載の焼結滑り軸受（５）を製造するための方法において、粉末が金型に注入され、周方向で近似的に正弦波状断面の穴を有する圧粉体がプレスによって生成され、この圧粉体が焼結され、最後に、穴の近似的正弦波状断面がサイジングによって円形穴幾何学形状へと成形されることを特徴とする方法。
10. 請求項１〜９のいずれか１項記載の焼結滑り軸受（５）を製造するための方法において、粉末が金型に注入され、周方向で近似的に正弦波状断面の穴を有する圧粉体がプレスによって生成され、軸受の各半分で、別の正弦波状断面に対して或る角度だけずらされた正弦波状断面がプレスされ、この圧粉体が焼結され、最後に、穴の近似的正弦波状断面がサイジングによって円形穴幾何学形状へと成形されることを特徴とする方法。
11. 請求項１〜１０のいずれか１項記載の焼結滑り軸受（５）を製造するための方法において、粉末が低圧縮領域（１０）では近似的に焼結滑り軸受（５）の基本密度に圧縮され、高圧縮領域（９）では近似的に軸受素材の密度に圧縮されることを特徴とする方法。
12. 請求項１〜１１のいずれか１項記載の焼結滑り軸受（５）を製造するための方法において、粉末が半径方向で１００〜３００μｍ圧縮されることを特徴とする方法。
13. 請求項１〜１２のいずれか１項記載の焼結滑り軸受（５）を製造しかつ前記方法を実施するための装置であって、ダイと外周面を異形化されたコアロッド（２１）とからなるプレス工具が設けられており、このコアロッドに、同一断面を有する上パンチ（１９）および下パンチ（１８）が付設されており、コアロッド（２１）およびパンチ（１８、１９）の異形化が周方向で正弦波状断面となった装置。
14. 請求項１〜１３のいずれか１項記載の焼結滑り軸受（５）を製造しかつ前記方法を実施するための装置であって、ダイ（１６）と外周面を異形化された上および下コアロッドとからなるプレス工具が設けられており、これらのコアロッドに、同一断面を有する上パンチ（１９）および下パンチ（１８）が付設されており、異形化が周方向で正弦波状断面であり、上コアロッドおよび上パンチが下コアロッドおよび下パンチに対して或る角度だけ回して配置されている装置。

Images