JP2009092200A - ４サイクルエンジン用の軸受 - Google Patents

Abstract

【課題】 ４サイクルエンジンにおいて長期間の使用に耐えうる軸受を提供することである。
【解決手段】 中空円筒状の鋼製保持器１に複数の針状ころ４を転動自在に保持した４サイクルエンジン用の軸受において、上記保持器１の表面には浸硫窒化処理を施して浸硫窒化層１１を形成するとともに、この浸硫窒化層１１は、鋼製保持器１の表面に形成される窒素化合物による単一層１２と、この単一層に連続するとともに当該浸硫窒化層１１の表層を形成する硫黄化合物による多孔質層１３とからなる。
【選択図】 図３

Description

この発明は、二輪車、オール・テレーン・ビークル、船外機等に搭載する４サイクルエンジン用の軸受に関する。

エンジンには、ピストンとクランクシャフトとを連結するコネクティング・ロッド（以下「コンロッド」という）に代表されるように、軸受を備えた部品が数多く存在する。特に、コンロッドの大端部に用いられる軸受は、高速回転に対応するために、針状ころを保持する保持器を、コンロッドの大端部の連結孔とクランクピンとの間に直接組み込むようにしている。そして、この軸受は、針状ころを保持する保持器の表面に、銀メッキや銅メッキを施して耐摩耗性を向上させている。このように保持器の表面の耐摩耗性を向上させているのは、例えば、コンロッドとクランクピンとの高速回転に応じて、保持器の表面がコンロッドの連結孔とすべり接触し、軸受の耐焼き付き性に大きな影響を及ぼすからである。
なお、耐摩耗性を向上させるために、特許文献２に示されるように、保持器の表面に窒化処理を施した軸受も従来知られている。
特開２００５−２７３８９７号公報 特開２００５−１０６２０４号公報

上記のようにした保持器を用いた軸受の潤滑には、エンジンオイルが使われるが、４サイクル用エンジンに用いられる部品はその数が多いだけでなく、それらの素材や特性も異なるので、それら多くの部品をすべて潤滑できるように、エンジンオイルにはいろいろな添加剤が含まれているのが現状である。

そして、上記エンジンオイルに含有される添加剤の中には、ジアルキルジチリオンリン酸亜鉛（ＺｎＤＴＰ）のような硫黄成分が含まれている場合が多々ある。硫黄成分は、銀や銅と化学反応しやすい性質があるため、上記のようなエンジンオイルを使用すると、当該エンジンオイルに含有される硫黄成分と、保持器の表面に施されたメッキに含有される銀や銅が化学反応してしまい、保持器表面に硫化銀や硫化銅が生成されてしまう。

そして、新たに生成された硫化銀や硫化銅からなる層は、鋼製の保持器表面との結合力が弱いため、当該保持器の表面が摩耗すると、硫化銀や硫化銅からなる層が容易に脱落してしまう。このようにして、早期に硫化銀や硫化銅からなる層が脱落してしまうと、鋼製の保持器表面が早期にむき出しになり、保持器の表面と連結孔との潤滑が流体潤滑から混合潤滑へと移行して、早期に焼き付きが生じることもあった。
つまり、従来の軸受は、４サイクルエンジンに用いた場合に、長期間の使用に耐えられないという問題があった。

なお、上記特許文献２に示される軸受を４サイクルエンジンに用いた場合には、エンジンオイル中の硫黄成分と保持器が化学反応することはない。しかし、特許文献２に示される軸受は、エンジンのような厳しい使用環境下では、上記メッキを施した軸受よりも短寿命であることが実験の結果わかっている。ただし、その原因はいまのところ明らかではない。
この発明の目的は、４サイクルエンジンにおいて長期間の使用に耐えうる軸受を提供することである。

この発明は、中空円筒状の鋼製保持器に複数の針状ころを転動自在に保持した４サイクルエンジン用の軸受に係るものである。
そして、第１の発明は、保持器の表面には浸硫窒化処理を施して浸硫窒化層を形成するとともに、この浸硫窒化層は、鋼製保持器の表面に形成される窒素化合物による単一層と、この単一層に連続するとともに当該浸硫窒化層の表層を形成する硫黄化合物による多孔質層とからなる点に特徴を有する。

第２の発明は、上記第１の発明を前提として、浸硫窒化層が５μｍないし２０μｍの厚さにした点に特徴を有する。
第３の発明は、上記第１または第２の発明を前提として、上記保持器が、針状ころを保持するポケットを除く円筒状の全外周面を平坦にした点に特徴を有する。

第１〜３の発明によれば、エンジンオイル中の硫黄成分と化学反応しないように、保持器の表面にあらかじめ硫黄化合物層を形成している。しかも、この硫黄化合物層は、浸硫窒化処理によって、窒素化合物層と一体的かつ連続的に形成されている。このように、硫黄化合物層と窒素化合物層とが結合するように形成されれば、従来のように、層が容易に脱落してしまうこともなく、長期にわたって耐摩耗性を保持することができる。
しかも、硫黄化合物層は多孔質層なので、オイルポケットを形成するとともに安定的に油膜を保持して、保持器表面のかじりや異常摩耗の低減効果を大幅に向上することができる。また、長期間の使用によって硫黄化合物層が摩耗しても、その下には窒素化合物層があるので、なお耐摩耗性を確保することができる。

特に第２の発明によれば、耐摩耗性を長期にわたって維持することができる。
特に第３の発明によれば、保持器外周面の接触面積が大きくなるので、単位面積当たりの荷重が小さくなり、耐摩耗性を一層長期間維持することができる。

図１〜図３を用いて、この発明の実施形態について説明する。
図１は、この発明に係る軸受Ａの構造を示す斜視図である。この図からも明らかなように、中空円筒状の鋼製保持器１には、平坦な外周面１ａから内周面１ｂまで貫通するポケット２を複数形成している。上記保持器１には、当該ポケット２に突出する複数の保持片３を形成するとともに、この保持片３によって、針状ころ４がポケット２から脱落しないように保持している。
上記のようにポケット２内に保持される針状ころ４は、その一部が、保持器１の外周面１ａおよび内周面１ｂから露出する寸法関係を維持している。

図２は、上記軸受Ａを４サイクルエンジンに用いた場合の概念図であり、具体的には、コンロッドとクランクシャフトとを連結する連結部に上記軸受Ａを用いた状態を示している。
この図からも明らかなように、コンロッド５の大端部６には連結孔７を形成するとともに、この連結孔７にはクランクピン１０を設け、これら連結孔７とクランクピン１０との間に、上記保持器１を直接組み込んで、軸受Ａを構成している。
一方、上記クランクピン１０の両端にはクランクジャーナル８を連続させるとともに、上記クランクピン１０およびクランクジャーナル８でクランクシャフトを構成している。なお、図中符号９は、クランクジャーナル８に設けたバランスウェイトである。

そして、上記軸受Ａにおいてクランクピン１０を支持させたとき、当該クランクピン１０と連結孔７の内壁７ａとの間に、保持器１が保持する針状ころ４が密着する寸法関係を維持している。つまり、コンロッド５の大端部６が、クランクジャーナル８を中心に回転運動しても、針状ころ４は、クランクピン１０と連結孔７の内壁７ａに密着状態を維持しながら、両者間で転動することとなる。
このとき、上記コンロッド５の大端部６は、上記のように一定の回転軌跡を描くようにして移動するため、軸受Ａには遠心力が作用する。軸受Ａに遠心力が作用すると、保持器１は遠心力を受け、その外周面１ａを連結孔７の内壁７ａに接触摺動させながら針状ころ４の転動に追従する。

このように、保持器１の外周面１ａが、連結孔７の内壁７ａに高速で接触摺動するため、上記外周面１ａが早期に磨耗して、軸受Ａを焼き付かせてしまう。そこで、この実施形態においては、保持器１の表面に浸硫窒化処理を施している。
浸硫窒化処理とは、硫黄と窒素を含んだ塩浴炉内あるいはガス炉内を、例えば５４０℃に設定し、当該炉内に鋼製の被処理物（ここでは保持器１）を１２０分載置して、鋼材の表面に硫黄と窒素の化合物を形成する表面処理方法である。鋼製の保持器１に上記浸硫窒化処理を施すと、図３に示すように、保持器１の表面に浸硫窒化層１１が形成される。

この浸硫窒化層１１は、保持器１の表面に形成される窒素化合物による単一層１２と、この単一層１２に連続するとともに当該浸硫窒化層１１の表層を形成する硫黄化合物による多孔質層１３とからなる。上記多孔質層１３は、油膜を安定的に保持することができるため、保持器１の初期摺動時における面当たりが改善されるとともに、長期にわたって滑らかな摺動を維持することができる。
一方、単一層１２は強度が高く、保持器１表面のかじりや異常磨耗を低減するとともに、保持器１には窒素原子が拡散するため、表面の疲労強度も向上することができる。

そして、保持器１の最表面に、あらかじめ硫黄化合物からなる層を形成しているので、４サイクルエンジンに用いられるエンジンオイル中の硫黄成分によって、保持器１が化学反応を起こすことがない。したがって、従来のように、保持器１の表面にコーティングした層が化学反応を起こして、保持器表面との結合関係のない新たな層が形成されてしまうこともない。
言い換えれば、硫黄化合物からなる多孔質層１３を、窒素化合物からなる単一層１２と一体的かつ連続的に形成しておくので、４サイクルエンジン中において、エンジンオイルに含有される硫黄成分に浸されても、何ら化学反応を生じることなく、長期にわたって耐摩耗性を保持することができる。
なお、上記浸硫窒化層１１の厚さは、薄すぎると効果が発揮されず、厚すぎれば保持器１の表面からはがれやすくなってしまうため、実用上５μｍ〜２０μｍの範囲内が最適である。

また、上記実施形態においては、ポケット２を除いて保持器１の全周面を平坦にしたが、保持器の形状は上記実施形態に限らず、例えば、保持器の断面形状をＭ字形のようにしてもよい。ただし、保持器の円筒状全周面を平坦にしたほうが、断面形状をＭ字形にするよりも、接触摺動面積が大きくなるので、単位面積当たりの荷重を小さくすることができ、上記浸硫窒化層と相俟って、耐摩耗性を一層向上させることができる。
また、上記実施形態においては、軸受をコンロッドに用いる場合について説明したが、４サイクルエンジン用のエンジンオイルに浸される環境であれば、コンロッドに限らず広く適用することができる。

実施形態における軸受の斜視図である。 軸受をコンロッドに用いた場合の概念図である。 保持器の表面を示す概念図である。

符号の説明

１ 保持器
４ 針状ころ
１１ 浸硫窒化層
１２ 窒素化合物による単一層
１３ 硫黄化合物による多孔質層
Ａ 軸受

Claims (3)

1. 中空円筒状の鋼製保持器に複数の針状ころを転動自在に保持した４サイクルエンジン用の軸受において、上記保持器の表面には浸硫窒化処理を施して浸硫窒化層を形成するとともに、この浸硫窒化層は、鋼製保持器の表面に形成される窒素化合物による単一層と、この単一層に連続するとともに当該浸硫窒化層の表層を形成する硫黄化合物による多孔質層とからなる４サイクルエンジン用の軸受。
2. 上記浸硫窒化層は５μｍ〜２０μｍの厚さにしたことを特徴とする上記請求項１記載の４サイクルエンジン用の軸受。
3. 上記保持器は、針状ころを保持するポケットを除く円筒状の全外周面を平坦にしたことを特徴とする上記請求項１または２記載の４サイクルエンジン用の軸受。

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