JP2007085512A - クランクシャフト支持用転がり軸受 - Google Patents

Abstract

【課題】 潤滑性に優れた針状ころ軸受を使用して、長寿命のクランクシャフト支持用軸受を提供する。
【解決手段】 針状ころ軸受は、軌道輪としての外輪と、外輪の軌道面上に転動自在に配置される複数の針状ころとを備える。そして、軸受部品の表面、具体的には、外輪の軌道面、および／または、針状ころの転動面の表面にランダムに無数の微小凹形状のくぼみを設けて、くぼみを設けた面の面粗さパラメータＳｋ値を−１．６以下に設定し、軸受部品の表面積に対するくぼみの面積率を１０〜４０％の範囲内に設定する。
【選択図】 図７

Description

この発明は、内燃機関に使用されるクランクシャフトを支持する転がり軸受に関するものである。

クランクシャフト１は、図９に示すように、軸部２と、クランクアーム３と、隣接するクランクアーム３の間にコンロッドを配置するためのクランクピン４とを有する。そして、軸部２は、針状ころ軸受５によって回転自在に支持されている。

軸部２を支持する軸受は、例えば図１１に示すような、外輪６と、外輪６の内径面に沿って配置される針状ころ７と、隣接する針状ころ７の間隔を保持する保持器８とを備える針状ころ軸受５が用いられることがある。

このような針状ころ軸受５は、針状ころ７と軌道面とが線接触するので、軸受投影面積が小さい割に高負荷容量と高剛性が得られる利点を有しており、自動車や二輪エンジン等、あらゆる分野に広く利用されている。また、針状ころ軸受５は、滑り軸受と比較すると負荷容量は低いが、回転時の摩擦抵抗が小さいので、回転トルクの低減や支持部分の給油量を減らすことが可能となる。

ただし、図１０に示すように、軸部２の両端にはクランクアーム３が配置されており、針状ころ軸受５を軸方向に圧入することができない。そこで、このような場所に使用可能な軸受が、例えば、米国特許第１９２１４８８号公報（特許文献１）に記載されている。

同公報に記載されている針状ころ軸受は、図１２に示すような、外輪９を軸受の軸線方向に延びる分割線９ｃによって分割した外輪部材９ａ，９ｂと、同様に分割した保持器（図示せず）とを備える。
米国特許第１９２１４８８号公報

上記構成の針状ころ軸受５は、滑り軸受と比較すると軸受回転時のトルク損失は少ない一方で、耐荷重性は劣る。そのため、油膜形成には不利であり、転動部分での早期剥離等のトラブルが発生する恐れがある。

また、エンジンの始動直後の数秒間は、オイルポンプはエンジンの始動開始に比べて油圧の立ち上がりが遅れるので、潤滑油の供給が滞る。その結果、潤滑不良による焼付き等が発生する恐れがある。

そこで、この発明の目的は、潤滑性に優れ、長寿命のクランクシャフト支持用軸受を提供することである。

この発明に係るクランクシャフト支持用転がり軸受は、軸受部品としての軌道輪と、軌道輪に沿って配置される複数の転動体とを備える。そして、軸受部品は、表面にランダムに形成した無数の微小凹形状のくぼみを有する。

上記構成のように、軸受部品の表面にランダムに無数の微小凹形状のくぼみを設けたことによって、油膜形成能力が向上し、エンジン始動直後の希薄潤滑下でも十分な厚さの油膜を形成することが可能となる。

好ましくは、軸受部品の表面積に対するくぼみの面積率は、１０〜４０％の範囲内である。くぼみの面積率が１０％未満の場合、油膜形成能力が低く、特にエンジン始動直後などには十分な厚さの油膜を形成することができない。一方、くぼみの面積率が４０％を超えると、転動面の接触面積が減少して潤滑性能が劣化する。

好ましくは、軸受部品の面粗さパラメータＳｋ値は、−１．６以下である。軸受部品の面粗さパラメータを上記範囲内に設定することにより、油膜形成性が向上するので、耐久性に優れたクランクシャフト支持用転がり軸受を得ることができる。

なお、本明細書中「Ｓｋ値」とは、粗さ曲線の歪度（スキューネス）を指し（ＩＳＯ４２８７：１９９７）、凹凸分布の非対称性を知る目安の統計量を指すものとし、この値は、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。また、Ｓｋ値のコントロールは、バレル研磨機の回転速度、加工時間、ワーク投入量、チップの種類と大きさ等を選択することにより行うことができる。

この発明は、軸受部品の表面に微小凹形状のくぼみを設けることにより、油膜形成性を向上させて、耐久性に優れたクランクシャフト支持用転がり軸受を得ることができる。

図１を参照して、この発明の一実施形態に係るクランクシャフト支持用軸受を説明する。

図１に示すクランクシャフト支持構造は、クランクシャフト１５と、エンジンブロック１６ａと、ベアリングキャップ１６ｂと、クランクシャフト１５とベアリングキャップ１６ｂとの間に配置され、クランクシャフト１５を回転自在に支持する針状ころ軸受１１とを備える。

針状ころ軸受１１は、軸受の軸線方向に延びる分割線によって分割された複数の外輪部材１２を有する軌道輪としての外輪と、外輪の軌道面上に転動自在に配置される複数の針状ころ１３と、円周上の一箇所に軸線方向に延びる切断部１４ａを有する一体型の保持器１４とを備える。

外輪部材１２は、図２（ａ）に示すような円筒を切削加工により形成し、図２（ｂ）に示すように円周方向の２箇所で割ることによって得られる。このとき、分割部分の端面には研削加工等を施さないので、図２（ｃ）に示すように割れたときの凹凸が残っている。軸受使用時には、対応する端面を突合させることにより円筒形状の外輪を得る。なお、このような製造方法を「自然割り」という。

一方、保持器１４は、図３（ａ）に示すように、円周上の一箇所に切断部１４ａを有する一体型の保持器であって、図３（ｂ）に示すように、切断部１４ａの一方側端部に凸部１４ｂを有し、他方側端部に凹部１４ｃを有する。この凸部１４ｂと凹部１４ｃとは、軸受組込み時に嵌合して固定される。

上記構成の針状ころ軸受１１において、軸受回転時の潤滑性能を向上させるため、軸受部品の表面、具体的には、外輪の軌道面、および／または、針状ころ１３の転動面の表面にランダムに無数の微小凹形状のくぼみを設ける。これにより、油膜形成能力が向上し、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。

このとき、Ｓｋ値を−１．６以下に設定し、軸受部品の表面積に対するくぼみの面積率を１０〜４０％の範囲内に設定する。加工方法としては、特殊なバレル研磨によって所望の仕上げ面を得ることができるが、ショットピーニングやショットブラスト等を用いてもよい。

これにより、微小凹形状のくぼみが油溜りとなり、油膜形成に優れ、表面損傷を極力抑える効果がある。なお、くぼみの面積率が１０％未満である場合、微小凹形状のくぼみが少なすぎて長寿命効果が小さくなる。一方、くぼみの面積率が４０％より大きい場合には、転動面の接触面積が減少して長寿命効果が小さくなる。

Ｓｋ値の測定方法および条件の一例を以下に示す。この測定方法によって、例えばころの表面性状を測定する場合、一箇所の測定値でも代表値として信頼できるが、直径方向に対向する２箇所を測定することにより、より信頼性の高い測定結果を得ることができる。

パラメータ算出規格：ガウシアン
測定長さ：５λ
カットオフ波長：０．２５ｍｍ
測定倍率：１００００倍
測定速度：０．３０ｍｍ／ｓ
測定箇所：ころ中央部
測定数：２箇所
測定装置：面粗さ測定器サーフコム１４００Ａ（東京精密株式会社）
また、凹形状のくぼみの定量的測定は、例えば、ころの表面を拡大し、その画像から市販されている画像解析システムを使用して行うことができる。さらには、特開２００１−１８３１２４号公報に記載されている表面検査方法および表面性状検査装置を用いれば、安定して精度よく測定することができる。この方法でくぼみの定量的測定を行う場合、画像の白い部分は表面平坦部、黒い部分は微小なくぼみとして解析する。

上記公報に記載されている測定装置による測定条件の一例を以下に示す。この場合も、一箇所の測定値でも代表値と信頼できるが、２箇所以上を測定することにより、さらに信頼性の高い測定結果を得ることができる。

観察視野：８２６μｍ×６２０μｍ
（ころの直径がφ４未満の場合、４１３μｍ×３１０μｍが望ましい）
測定位置：ころ中央部
即定箇所：２箇所
次に、上記構成の針状ころ軸受１１をクランクシャフト１５に組込む方法を説明する。

まず、予め針状ころ１３をポケットに組込んだ保持器１４を準備する。次に、保持器１４の組込みは、切断部１４ａがクランクシャフト１５に組込み可能な程度まで弾性変形させることにより行う。このとき、保持器１４の凸部１４ｂと凹部１４ｃとを係合させてクランクシャフト１５に固定する。最後に、外輪部材１２をクランクシャフト１５の径方向から組込み、そのさらに外側にシリンダブロック１６ａとベアリングキャップ１６ｂとを組込む。

その結果、図４（ａ）および（ｂ）に示すように、クランクシャフト１５と、保持器１４と、外輪部材１２と、シリンダブロック１６ａおよびベアリングキャップ１６ｂとの内径面が同心円状に配置され、針状ころ１３の安定した回転を確保することができる。

上記の組込み手順とすることにより、両端をクランクアームで挟まれた軸部にも組込みが可能となる。さらに、この針状ころ軸受１１は、外輪部材１２を組込む際に保持器１４が脱落する心配がない。そのため、組込み作業が容易となり、保持器１４の脱落を防止するための特別の部材も必要としない。その結果、作業工数および作業コストを抑えることができる。

このとき、保持器１４は、金属材料をプレス加工や切削加工して製造した金属製保持器であってもよいが、弾性変形能の高い樹脂材料を射出成型して製造した樹脂製保持器とすることにより、さらに組込み作業が容易となる。

また、外輪は、２つの外輪部材１２からなる例を示したが、これに限ることなく、３つ以上の外輪部材１２を組み合わせるものであってもよい。さらに、保持器１４は、円周上の一箇所に切断部１４ａを有する一体型の保持器の例を示したが、これに限ることなく、円周上の複数箇所に切断部を有する分割型の保持器であってもよい。

次に、この発明の効果を確認するために、図５に示すようなラジアル荷重試験２１を用いて、回転軸２２の両側に取り付けた試験軸受２３に荷重を加えながら回転試験を行った。なお、回転軸２２および試験軸受２３の軌道輪の表面粗さＲａは、０．１０〜０．１６μｍの範囲内に設定されており、試験条件は以下の通りである。

軸受ラジアル荷重：２０００ｋｇｆ
回転数：４０００ｒｐｍ
潤滑油：クリセフオイルＨ４６
上記の試験に用いる軸受として、図６に示すような針状ころ３２と針状ころを収容するポケットを有する保持器３３とを備え、針状ころ軸受３１の外径Ｄｒ＝３３ｍｍ、内径ｄｒ＝２５ｍｍ、針状ころ３２の直径Ｄ＝４ｍｍ、ころ長さＬ＝２５．８ｍｍであって、針状ころ３２が１５本収容された針状ころ軸受３１を使用する。

また、この発明の一実施形態に係る針状ころ軸受（本発明品）は、表１上段の表面性状を得るために表面処理を施しており、表面状態を図７に示す。一方、比較対象となる従来の針状ころ軸受（従来品）は、特段の表面処理を施しておらず、表面性状は表１下段に、表面状態は図８に示す通りである。

表１を参照して、本発明品は、従来品と比較して１．７倍の剥離寿命が得られることが確認された。

なお、上記の各実施形態においては、クランクシャフトの軸部を支持する軸受として針状ころ軸受を使用した例を示したが、これに限ることなく、内輪、外輪、転動体、および保持器を備える転がり軸受を使用してもよい。この場合、内輪、外輪、および転動体のうちの少なくとも１の軸受部品に上記の表面処理を行う。

さらに、この発明に係るクランクシャフト支持構造は、自動車や二輪車等のあらゆるエンジンのクランクシャフトに適用可能である。また、エンジンの気筒数は単気筒であっても多気筒であってもよいが、図９のＰ部に示すような両端をクランクアームで挟まれた軸部を有する多気筒エンジンに使用されるクランクシャフトに適用することにより、より大きな効果が期待できる。

以上、図面を参照してこの発明の実施形態を説明したが、この発明は、図示した実施形態のものに限定されない。図示した実施形態に対して、この発明と同一の範囲内において、あるいは均等の範囲内において、種々の修正や変形を加えることが可能である。

この発明は、内燃機関のクランクシャフトを支持する軸受に有利に利用される。

この発明の一実施形態に係るクランクシャフト支持構造を示す図である。 図１の針状ころ軸受の外輪部材を示す図であって、（ａ）分割前の正面図、（ｂ）は（ａ）を２箇所で分割した状態を示す図、（ｃ）は（ｂ）の分割部分の拡大図である。 図１の針状ころ軸受の保持器を示す図であって、（ａ）は側面図、（ｂ）は切断部の拡大図である。 この発明の一実施形態に係るクランクシャフト支持構造の組込み後の状態であって、（ａ）は軸方向から見た図、（ｂ）は軸と垂直な方向から見た図である。 この発明の効果確認試験で使用したラジアル荷重試験機の概略図である。 効果確認試験に使用した針状ころ軸受を示す図である。 表１の表面処理を施した後の構成部品表面状態を示す図である。 表面処理を施していない構成部品の表面状態を示す図である。 従来のクランクシャフトを示す図である。 図９のＰ部の拡大図である。 従来のクランクシャフトの軸部を支持する針状ころ軸受を示す図である。 従来の分割外輪を示す図である。

符号の説明

１，１５ クランクシャフト、２ 軸部、３，１７ クランクアーム、４ クランクピン、５，１１，３１ 針状ころ軸受、６，９ 外輪、９ａ，９ｂ，１２ 外輪部材、９ｃ 分割線、７，１３，３２ 針状ころ、８，１４，３３ 保持器、１４ａ 切断部、１４ｂ 凸部、１４ｃ 凹部、１６ａ シリンダブロック、１６ｂ ベアリングキャップ、２１ ラジアル荷重試験、２２ 回転軸、２３ 試験軸受。

Claims (3)

1. 軸受部品としての軌道輪と、
   前記軌道輪に沿って配置される複数の転動体とを備え、クランクシャフトを支持する転がり軸受であって、
   前記軸受部品は、表面にランダムに形成した無数の微小凹形状のくぼみを有する、クランクシャフト支持用転がり軸受。
2. 前記軸受部品の表面積に対する前記くぼみの面積率は、１０〜４０％の範囲内である、請求項１に記載のクランクシャフト支持用転がり軸受。
3. 前記軸受部品の面粗さパラメータＳｋ値は、−１．６以下である、請求項１または２に記載のクランクシャフト支持用転がり軸受。

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