JP2009092246A - 軸受システム - Google Patents

Abstract

【課題】ハウジング中でシャフトを支承する軸受システムであって、簡単かつ安価に製造できるものを提供する。
【解決手段】本発明は、ハウジング３の中にシャフト２を支承するための、次のような軸受システム１に関する。この軸受システムの場合、ハウジング３の中に、少なくとも１つのシェル状の軸受面４が形成されて、軸受面にシャフト２が配置されている。そして軸受面４とシャフト２の間にギャップ５が形成されている。またギャップ５に少なくとも１つの絞り要素６が設けられている。
【選択図】図１

Description

本発明は、ハウジング中でシャフトを支承する軸受システムに関する。

内燃機関のシャフトは、多くの場合すべり軸受に支承される。このすべり軸受は軸受面を含み、この軸受面の少なくとも一部分は、支承されるシャフトを取り囲む。この場合、軸受面とシャフトとの間にギャップを生じ、このギャップに潤滑剤が存在する。この潤滑剤は、軸受面またはシャフトに設けられた穴、溝、またはそのほかの凹部を通って、このギャップに達する。

ハウジングおよびシャフトの熱膨張係数が異なることによって、軸受システムのこのギャップは変動を余儀なくされる。その場合ギャップが大きすぎると、望ましからぬ大量の潤滑剤が軸受システムから流出する。そうするとギャップ中の潤滑剤膜が破断して、軸受システムが早期に摩耗する可能性がある。

この種の問題は、とくにハウジングの構造に軽金属を使用している場合に生じる。なぜならば、軽金属の熱膨張係数は、スチールの熱膨張係数や、多くの場合スチールの代わりにシャフトに用いられる材料の熱膨張係数と異なるからである。クランクシャフトほど強い荷重がかからないシャフトの軸承は、できるだけ簡単に、かつ少ない部品を用いて行いたい。

本発明は上記の従来技術の課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、ハウジング中でシャフトを支承する軸受システムであって、簡単かつ安価に製造できるものを提供することである。

上記目的を達成するために、ハウジング中でシャフトを支承する次のような軸受システムを提案する。

すなわちこの場合、ハウジング中に少なくとも１つのシェル状の軸受面が形成され、この軸受面上にシャフトを配置することができる。そして軸受面とシャフトの間にギャップが形成され、このギャップの中に少なくとも１つの潤滑剤流の絞り要素が設けられているという、このような軸受システムである。

本発明は、軸受面をハウジング中に直接組み込む。そのためハウジングに軸受ブロックを形成し、シャフトと対向する面を加工して、そこに軸受面を形成する。したがって軸受面を含む軸受ブロックは、ハウジングと同一材料でかつ一体型に形成されている。本発明では軸受ブシュの使用が省かれるので、軸受システムが少ない部品で安価に製造できるようになる。

この軸受システムはとくに、内燃機関のクランクシャフトほどには機械的負荷がかからないシャフトを支承するのに適している。この種のシャフトは、たとえば内燃機関のカムシャフトまたはカウンターシャフト、あるいはトランスミッションのさまざまなシャフトである。

ここでハウジングのうち、軸受システムを形成する部分は、しばしば軽金属から製造されるが、シャフトはスチール合金製が好ましいので、軸受面とシャフトの間のギャップに絞り要素を設ける。この絞り要素は潤滑剤の流れを制限し、温度が高くなってギャップが拡大されるとき、軸受システム中で潤滑剤圧が降下するのを防止する。したがってギャップの中に存在する潤滑剤膜が破断するのも防止される。

軸受面それぞれに絞り要素を２つずつ設け、絞り要素それぞれを軸受面の一方の周縁に割り当てる。これにより、軸受面とシャフトのあいだに形成されているギャップは、両側の絞り要素がその境界となる。

この軸受面に少なくとも１つの凹部を設けて、この凹部に絞り要素を配置することができる。この凹部には、絞り要素がチャンバに収められた状態で固定されている。この凹部の形状は、絞り要素が遊びをともなって凹部に支承されていて、潤滑剤が好ましくは凹部と絞り要素の間でこのギャップを通過するという、このような形状とする。この形状によって、絞り要素は半径方向に膨張することが可能となる。この凹部は、少なくとも一部が軸受面の中で周回する溝として形成されるのが好ましい。

この絞り要素を少なくとも円弧形に形成することができる。軸受システムはしばしば、ただ１つの半円形の上に限って、軸受面の異形輪郭付けを持つ。その場合、主たる負荷方向に対向する軸受面、したがって主たる負荷方向と反対側に配置されているもう１つの軸受面ほどには強い負荷を受けない軸受面で、異形輪郭付けされる。

ここで異形輪郭付けとは、凹部と、軸受システムに潤滑剤を供給する装置とを、配置することをいう。負荷がかかると、主たる負荷に対向する軸受面で、ギャップが大きくなる。したがってここに、潤滑剤流を制限する絞り要素を配置するのが好ましい。そのためには絞り要素を半円形に形成するのが好ましい。

この絞り要素はリング状に形成することができる。この種の絞り要素はシャフト全体を取り囲み、とくにシャフトの負荷方向が交代する場合に有利である。

この絞り要素は断面矩形リングとして形成することができる。断面矩形リングは、簡単かつ安価に製造できる。

この絞り要素は、凹部に対して相対回転可能な状態でシャフト上に配置することができる。そのためには、絞り要素にスロットを１本設け、シャフトに取り付ける際に絞り要素を拡大できるようにするのが好ましい。絞り要素は取り付け後、シャフト上に回転を固定されて配置され、凹部の中に浮動状態で支承される。潤滑剤流は、凹部と絞り要素の間に生じたギャップ中に生じる。この形状の場合、絞り要素が半径方向に、そして凹部の幅によっては軸方向にも、動きそして膨張することができる。軸方向におけるギャップ幅、すなわち凹部側壁と絞り要素との間におけるギャップ幅は、潤滑剤圧によって決定される。

この絞り要素は、外周側および／または内周側に、少なくとも１つの突起および／またはくぼみを持つ。この場合絞り要素の基本形は、全円形または円弧形、たとえば半円形の断面矩形リングとする。

絞り要素の有利な実施形態は、外周側面のほぼ中央にくぼみまたは突起を１つ持つ。このくぼみまたは突起は円形とすることができる。絞り要素のもう１つの有利な実施形態は、外周側と内周側にくぼみを持つ。

この刻み目があれば、くぼみに隣接する材料、または突起自体が、たとえばその隣接す
る構造スペースで絞り要素が膨張するなどして圧力が作用するとき、半径方向の隣接する自由な領域に逃げて、応力の消滅を生じる。

素材は、圧力や温度によって塑性変形するものを選択するのが好ましい。したがって絞り要素に対する材料選択と形状付与によって、短い供給時間の後は、最適な潤滑剤流を継続的に生じることができる。

絞り要素のため考えられる素材は、ポリマー、とくにはポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ化合物）、ポリエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリアミドイミド（ＰＡＩ）、ポリイミドからなる各ポリマーが好ましい。

前記絞り要素の有利な作用は、ここに説明した軸受システムに限定されるものではない。むしろこの種の絞り要素は、絞り要素を備えるすべり軸受であって考えられるすべてのものに、有利に使用できる。

この絞り要素には、絞り要素をシャフトに圧し付けるバネ要素が１つ割り当てられる。そのためにはこのバネ要素が、絞り要素に直接に、好ましくはその外周側に作用できるものとする。別な実施形態では、バネ要素が、絞り要素に間接的に作用することができる。このバネ要素は、流体力学的および静力学的な潤滑剤圧に依存せずに、絞り要素に一定の押圧力を加える。したがって絞り要素は、たとえばシャフトの始動プロセスにおいても、つねにシャフトに密着する。それだけでなくこの絞り要素を、流体力学的圧力の影響から遮断することができる。この遮断は、構造的な適合によって、あるいは部品を別個のものとすることによって行われる。流体力学的な潤滑剤圧がフランクにだけ作用するよう、この遮断を行うことができる。

潤滑剤を供給する装置を設けることができる。この装置を穴として形成し、この穴を、軸受面に、あるいはシャフトに、そして好ましくは２つの絞り要素の間に、開口させることができる。この穴に加えて１つの溝を設け、穴によって供給された潤滑剤を、絞り要素、軸受面、およびシャフトの間の中間スペースに、この溝によって分配することもできる。

冒頭の特許請求の範囲に記載するように、この軸受システムは、カムシャフト、カウンターシャフト、シフトシャフト、またはトランスミッションシャフトを支承するのに用いられる。上記の軸受システムは、とくにこれらのシャフトを支承するのに適する。なぜならばこれらのシャフトには、クランクシャフトのような負荷がかからないからである。従ってこれらのシャフトは、コスト上の理由から単純な仕様ともしたい。

本発明による軸受システムの実施例をいくつか、添付の図面によって詳しく説明する。図面はいずれも模式的なものである。

以上説明したように、本発明により、簡単かつ安価に製造することができる。

以下に図面を参照して、この発明を実施するための最良の形態を、実施例に基づいて例示的に詳しく説明する。ただし、この実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは、特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。

（実施例）
図１および図２を参照して、本発明の実施例に係る軸受システムについて説明する。図１は、本発明の実施例に係る軸受システムの構成を示す模式的断面図である。図２（ａ）〜（ｃ）は、絞り要素のさまざまな実施形態の構成を示す模式的断面図である。

図１は、ハウジング３にシャフト２を支承する軸受システム１を示す。ハウジング３には、シェル状の軸受面４が直接に形成され、この軸受面にシャフト２が回転可能な状態で支承されている。軸受面４とシャフト２の間では、運転中、潤滑剤の流体力学的な圧力によって、そして場合によってはそのほかの諸影響、たとえばスプリング力によって、ギャップ５が形成される。ここで、ハウジング３のうち軸受システムを形成する部分は軽金属から製造され、シャフト２はスチール合金製であることが好ましい。

潤滑剤流を制限するため、ギャップ５には２つの絞り要素６が設けられ、各絞り要素はそれぞれ、軸受面４の一方および他方の周縁７に割り当てられている。絞り要素６は、軸受面４に設けられた凹部８の中を案内され、そこに固定されている。この絞り要素６は、潤滑剤の流れを制限し、温度が高くなってギャップ５が拡大されるとき、軸受システム１中で潤滑剤圧が降下するのを防止する。これにより、ギャップ５の中に存在する潤滑剤膜の破断が防止される。また、凹部８の形状は、絞り要素６が遊びを有して凹部８に収められ、潤滑剤が凹部８と絞り要素６との間を通過できるような形状となっている。凹部８のこの形状により、絞り要素６は半径方向に膨張することが可能となる。

本実施例では、絞り要素６は断面矩形リングとして半円形に形成されている。絞り要素６は、別の実施形態で形成されてもよく、凹部８に対して相対回転可能な状態でシャフト２の上に配置されている。

潤滑剤流の制限は、必ずしもシャフト２の全周で行われる必要はなく、半円形（円弧形）に形成された絞り要素６が、負荷がかかることによってギャップ５が大きくなる領域に配置されていればよい（異形輪郭付け）。

両者絞り要素６の間で、潤滑剤を供給する装置（穴）１１が、ギャップ５に設けられている。

この軸受システム１はとくに、カムシャフト、カウンターシャフト、シフトシャフト、またはトランスミッションシャフト、すなわち、内燃機関のクランクシャフトほどには機械的負荷がかからないシャフトを支承するのに適する。

図２は、絞り要素のさまざまな実施形態を示す。これらの絞り要素は、上述した軸受システム１だけでなく、そのほかのすべり軸受システムに用いることも考えられる。

絞り要素６は、断面矩形リングに形成されるのが基本形であるが、絞り要素を円形とすることも、あるいは円弧形、たとえば半円形とすることもできる。絞り要素はポリマー素材、たとえばＰＴＦＥ、ＰＥＥＫ、ＰＡＩ、ポリイミドからなっている。

第１の実施形態の場合、絞り要素６は外周側に断面台形の突起９を持つ（図２（ａ））。第２の実施形態では、絞り要素６は外周に断面半円形のくぼみ１０を持ち（図２（ｂ））、第３の実施形態では、絞り要素６は外周と内周それぞれに１つずつ断面半円形のくぼみ１０を持つ（図２（ｃ））。このような突起９やくぼみ１０によって刻み目が形成されることにより、くぼみ１０に隣接する材料または突起９自体が、たとえば、その隣接する構造スペースで絞り要素が膨張するなどして圧力が作用するとき、半径方向の隣接する自由な領域に逃げて、応力を消滅させることが可能となる。

図示は省略するが、絞り要素６には、絞り要素６をシャフト２に圧し付けるバネ要素を設けてもよい。バネ要素は、絞り要素６に直接的に、好ましくはその外周側に作用できるものでもよいし、あるいは、間接的に作用するものであってもよい。バネ要素によって、絞り要素６には流体力学的および静力学的な潤滑剤圧に依存せずに一定の押圧力が加わり、たとえばシャフト２の始動プロセスにおいても絞り要素６がつねにシャフト２に密着するようになる。

ここで、本実施例においては、ハウジング３に図３に示すような環状部材３ａが組み込まれることによって、軸受面４が形成されるように構成されている。図３は、環状部材の構成を示す模式的断面図であって軸に垂直な断面を示している。図４は、環状部材の構成を示す模式的断面図であって軸に沿った断面を示している。

環状部材３ａの内周面には、軸方向の両縁にそれぞれ凹部８が形成されるとともに、軸方向の中央付近に潤滑剤を供給するための穴１１が開口している。

本実施例に係る軸受システム１は、ギャップ５に充填された潤滑剤が、軸受としての機能を主として発揮する構成となっている。すなわち、ギャップ５に充填された潤滑剤が、シャフト２とハウジング３（環状部材３ａ）との間の摩耗を抑制するとともに、シャフト２とハウジング３（環状部材３ａ）との間のクッションの役割を果たしている。

絞り要素６は、軸受システム１に負荷がかかったときに潤滑剤がギャップ５から外部に漏れ出てしまうのを抑制する。例えば、図１において図の下方に向かって軸に垂直な荷重がシャフト２に作用した場合には、ギャップ５の大きさ（径方向における幅）は、軸受面４が荷重によって負荷を受ける領域（図の下方側）では小さくなり、軸受面４が負荷を受ける領域とは反対側（図の上方側）では相対的に大きくなる。本実施例では、このようにギャップ５が大きくなる領域に絞り要素６を配置することによって、ギャップ５が大きくなることによって潤滑剤が外部に漏れ出るのを抑制し、潤滑剤による軸受機能を長期的に維持することができる。

本実施例では、半円形の絞り要素６を用いているが、リング状の絞り要素を用いれば、負荷方向が変化する構成においても潤滑剤の漏れを効果的に抑制することができる。

図１は、本発明の実施例に係る軸受システムの構成を示す模式的断面図である。 図２は、絞り要素のさまざまな実施形態の構成を示す模式的断面図である。 図３は、環状部材の構成を示す模式的断面図である。 図４は、環状部材の構成を示す模式的断面図である。

符号の説明

１ 軸受システム
２ シャフト
３ ハウジング
４ 軸受面
５ ギャップ
６ 絞り要素
７ 周縁
８ 凹部
９ 突起
１０ くぼみ
１１ 穴

Claims (11)

1. ハウジング（３）の中にシャフト（２）を支承するための軸受システム（１）であって、
   ハウジング（３）の中に、少なくとも１つのシェル状の軸受面（４）が形成されて、軸受面にシャフト（２）が配置されており、
   軸受面（４）とシャフト（２）の間にギャップ（５）が形成され、
   ギャップ（５）に少なくとも１つの絞り要素（６）が設けられていることを特徴とする軸受システム。
2. ２つの絞り要素（６）が設けられていて、絞り要素はそれぞれが軸受面（４）の一方の周縁（７）に割り当てられていることを特徴とする、請求項１に記載の軸受システム。
3. 前記軸受面（４）に少なくとも１つの凹部（８）が設けられていて、この凹部に絞り要素（６）が配置されていることを特徴とする、請求項１または２に記載の軸受システム。
4. 前記絞り要素（６）が少なくとも円弧形に形成されていることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の軸受システム。
5. 前記絞り要素（６）がリング状に形成されていることを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載の軸受システム。
6. 前記絞り要素（６）が断面矩形リングとして形成されていることを特徴とする、請求項１〜５のいずれかに記載の軸受システム。
7. 前記絞り要素（６）が、凹部（８）に対して相対回転可能な状態で、シャフト（２）の上に配置されていることを特徴とする、請求項１〜６のいずれかに記載の軸受システム。
8. 前記絞り要素（６）が、外周側および／または内周側に少なくとも１つの突起（９）および／またはくぼみ（１０）を持つことを特徴とする、請求項１〜７のいずれかに記載の軸受システム。
9. 前記絞り要素（６）にバネ要素が割り当てられていて、このバネ要素が絞り要素（６）をシャフト（２）に圧し付けることを特徴とする、請求項１〜８のいずれかに記載の軸受システム。
10. 潤滑剤を供給する装置（１１）が設けられていることを特徴とする、請求項１〜８のいずれかに記載の軸受システム。
11. カムシャフト、カウンターシャフト、シフトシャフト、またはトランスミッションシャフトを支承するために用いられる、請求項１〜１０のいずれかに記載の軸受システム。

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