JP2011515639A - クランクシャフト用騒音遮断転動体軸受 - Google Patents

Abstract

シャフト１４を隣接する支持表面３８に対して回転するように支持するためのラジアル転動体軸受１０。このラジアル転動体軸受１４は、複数の転動体１８と、レース２２とを含む。このレースは、それらの複数の転動体のための軸受軌道を形成する凸面の第１の表面４４、及びその凸面の第１の表面に対向する第２の表面４８であって、当該レースの当該第２の表面と、隣接する支持表面及びシャフトのうちの１つとの間に中空空間５２を形成するプロファイルを有する第２の表面４８を含む。その中空空間は、第１のラジアル荷重が軸受に加えられるときに第１の容積を有し、第１のラジアル荷重より大きな第２のラジアル荷重が軸受に加えられるときに、第１の容積より小さな第２の容積を有する。

Description

本出願は、２００８年１０月２７日出願の米国特許仮出願第６１／１０８，５９２号の優先権を主張し、その全体は参照により本明細書に組み込まれている。

本発明は軸受に関し、より詳しくは燃焼機関のクランクシャフト用の軸受に関する。

自動車及び他の内燃機関に最も一般的に使用される軸受の型式は、流体滑り軸受と呼ばれる。流体滑り軸受は、荷重を支持し、移動している部品を分離する上で、外部的に加圧された潤滑油の連続的な流れによって供給される流体フィルムに依存している。流体滑り軸受は、荷重を支持するために流体フィルムの流体圧力をさらに高め、圧縮された潤滑油の局所的ウエッジを発生させるためのシャフトの相対的な動きを使用することによって動作する。

使用できる可能性のある別の型式の軸受は、転動体軸受である。転動体軸受は、最小限の量の潤滑油しか必要なく、外部加圧源なしで動作することができる。軸受要素が前方に転がるとき、それらは軸受表面上に堆積されるどのような潤滑流体も集め圧縮する。この動きによって発生する微小流体ウエッジは、集中荷重を支持する非常に高い圧力を有する。

米国特許仮出願第６１／１０８，５９２号

転動体軸受を燃焼機関のクランクシャフト用に利用することによって、効率などの流体滑り軸受より優れた利点を提供することができる。しかし、転動体軸受はかなりの騒音を発生させる可能性がある。本発明を実施する転動体軸受は、クランクケース内への騒音の伝達を減少させる。

流体滑り軸受は、外部加圧潤滑油の連続した流れを必要とし、これが供給されない場合には直ちに機能しなくなる。流体フィルム内で起きる剪断力に主として起因する、流体軸受の動作に伴うかなりの摩擦損失が存在する。エンジン摩擦全体のほとんど４分の１は、この摩擦及び熱源に帰すことができる。

転動体軸受は流体滑り軸受と同じ摩擦損失を被らない。転動体と軸受表面の間に形成される流体ウエッジは極めて小さく、ほとんど剪断を生じさせず、したがってはるかに低い摩擦レベルになる。転動体軸受、又は転がり軸受はほんの少しの潤滑油で動作し、これによって変動する潤滑条件及び中断にも極めて耐用性があるようになる。しかしそれらは、それらが伝達する比較的大量の騒音及び振動のためにエンジン用途にめったに使用されない。

より良好な経済性及びより少ない排気ガスを目指した、自動車及び他の内燃機関の効率の改善に相当な関心が存在する。これを成し遂げる１つの方法は、流体力学的エンジン軸受を転動体設計で置き換えることである。これは技術的には可能であるが、騒音及び振動を伴う問題点が存在する。流体力学的流体フィルム軸受は、それ自体極めて少ない騒音又は振動しか発生させず、クランクシャフトの高調波などの他の源によって生じる騒音又は振動も実質的に吸収することができる。対照的に転動体軸受は、それらの動作の自然な機能として周期的な振動を発生させる。これらの振動はそれらの周囲に伝達され、不快な結果を伴って感じる又は聞くことができる共鳴を励起させる可能性がある。本発明によって、エンジン構造体への騒音及び振動の伝達の負の影響なしでより効率的な転動体軸受の使用が可能になる。

一実施例では、本発明は、隣接する支持表面に対して回転するようにシャフトを支持するためのラジアル転動体軸受を提供する。このラジアル転動体軸受は、複数の転動体と、レースとを含む。このレースは、それらの複数の転動体のための軸受軌道を形成する凸面の第１の表面、及びその凸面の第１の表面に対向する第２の表面であって、当該レースの当該第２の表面と、隣接する支持表面及びシャフトのうちの１つとの間に中空空間を形成するプロファイルを有する第２の表面を含む。その中空空間は、第１のラジアル荷重が軸受に加えられるときに第１の容積を有し、第１のラジアル荷重より大きな第２のラジアル荷重が軸受に加えられるときに、第１の容積より小さな第２の容積を有する。

別の実施例では、本発明は、支持表面と、第１のラジアル荷重、及び第１のラジアル荷重より大きな第２のラジアル荷重を発生させるように支持表面に対して回転可能なクランクシャフトとを含むクランクシャフト軸受アセンブリを提供する。このアセンブリは、支持表面に対して回転するようにクランクシャフトを支持するためのラジアル転動体軸受をさらに含む。このラジアル転動体軸受は、複数の転動体と、レースであって、それらの複数の転動体のための軸受軌道を形成する凸面の第１の表面、及びその凸面の第１の表面と対向する第２の表面であり、当該レースの当該第２の表面と、支持表面及びクランクシャフトのうちの１つとの間で中空空間を形成するプロファイルを有する第２の表面を含むレースとを含む。その中空空間は、第１のラジアル荷重が軸受に加えられるときに第１の容積を有し、第２のラジアル荷重が軸受に加えられるときに、第１の容積より少ない第２の容積を有する。

本発明の他の態様は、詳細な説明及び添付の図面を考慮することによって明らかになるであろう。

本発明を実施するクランクシャフト軸受アセンブリの部分横断面図である。 図１のクランクシャフト軸受アセンブリの一構造に対する、このアセンブリの軸受のたわみに対する軸受に加えられるラジアル荷重を示すグラフである。 図１のクランクシャフト軸受アセンブリの代替の実施例の部分横断面図である。

本発明のどのような実施例も詳細に説明する前に、本発明はその出願において、以下の説明に記載される又は以下の図面に図示される構成部品の構造及び配置の詳細に限定されないことを理解されたい。本発明は、他の実施例とすることもでき、様々な方法で実施又は実行することができる。また、本明細書で使用される語法及び術語は、説明のためのものであり限定的であると見なすべきではないことを理解されたい。本明細書での「含む」、「備える」又は「有する」及びそれらの変形形態の使用は、その後に列記される項目及びそれらの均等物並びに追加の項目を包含することが意図されている。そうではないと特定されない又は限定されない限り、用語「搭載される」、「結合される」、「支持される」及び「連結される」及びそれらの変形形態は広義に使用され、直接的又は間接的な搭載、結合、支持及び連結の両方を包含する。さらに、「結合される」及び「連結される」は、物理的又は機械的な結合又は連結に限定されない。

図１は、シャフト１４を支持する軸受１０の一実施例を示す。軸受１０は、複数の転動体１８と、レース２２と、保持器又はケージ２４とを含む。図示のシャフト１４は、内燃機関用のクランクシャフトであり、軸受１０はこのクランクシャフト１４をクランクケース３０に対して回転するように支持する。図示のクランクシャフト１４は、クランクケース３０との適切な位置合わせで軸受１０を保持するための円筒状のジャーナル部分３４を含む。クランクケース３０の円筒状の内径は、軸受支持表面３８を含む。他の実施例ではこのシャフト１４は、内燃機関又は他の非エンジン用途のいずれかのカム・シャフト、バランス・シャフト、又は別の種類のシャフトであることができる。

複数の転動体１８は、シャフト１４が回転でき力を伝達できるように、シャフト１４を支持する。図示の構造では、この転動体１８はシャフト１４の円筒状のジャーナル部分３４の上を直接転がる又は動く。他の構造では、転動体が内輪レースに沿って転がるように、内輪レースをジャーナル部分３４と転動体１８の間に配設することができる。

これらの複数の転動体１８は、しばしばニードル又はピンと呼ばれる円筒状の転動体であるが、ボール、テーパの付いた転動体、又は他の知られた型式の転動体を含む他の型式の転動体であることができる。その上、ケージ２４は取り除くことができ、これらの複数の転動体１８は、複数の転動体１８の全周又は部分的な補集合であることができる。さらに、図示のケージ２４は、円筒状のジャーナル３４の周りに設置できるように２分割されたケージである。

このレース２２は、凸面の内側表面又は中高の表面４４と、内側表面４４に対向する凹面の外側表面４８とを含む。この中高の表面４４は、転動体１８が沿って転がるための軸受軌道５０を形成する。図１を見れば分かるように、この凹面の外側表面４８は、凹面の表面４８と支持表面３８によって境界の定められたある容積又は中空空間５２を画成するプロファイルを有する。一構造では、この中高の表面４４は、１０．１６マイクロメートル（４００マイクロインチ）の高さ５４を有し、中空空間５２は７．６２マイクロメートル（３００マイクロインチ）の深さ５６を有する。勿論他の構造では、中高の表面４４の高さ５４及び中空空間５２の深さ５６は、任意の適切な寸法であることができる。このレース２２は、レース２２の凹面の外側表面４８の両端部のところに全体的に円筒状の平らなランド又は支持表面６０をさらに含む。この表面６０は、レース２２をクランクケース３０の支持表面３８上に支持する。凹面の外側表面４８の長さ６４は、図１に示すようにランド６０間の距離として定義される。一構造では、ランド６０のところのフレッチング又は磨耗を減少させるためにレース２２とクランクケース３０の支持表面３８の間に中間スリーブを使用することができる。

図示の構造では、このレース２２は軸受の外輪（すなわち、ジャーナル部分３４又は内側軸受軌道と比較してシャフト１４の回転中心から半径方向外向きに配置された）レースである。他の構造では、このレース２２は内輪レースであり、シャフト１４に隣接することができる。その上図示の構造では、このレース２２は、シャフト１４の円筒状のジャーナル部分３４の周りでの設置を容易にするための２分割レースである。

動作中、このクランクシャフト１４は軸６８の周りを回転し、（図１に矢印７２によって示す）変動するラジアル荷重が軸受１０に加えられる。したがって、この軸受１０は軸方向（すなわち、軸６８に沿った）荷重を支持するスラスト軸受と比較して、ラジアル軸受である。比較的軽いラジアル荷重の下で、このレース２２は容易に変形する。ラジアル荷重が軸受１０に加えられるとき、ランド６０は支持表面３８に沿って離れて摺動する又は広がる。したがって、中空空間５２の長さ６４は増大し、一方中空空間５２の深さ５６が減少し、空間５２の容積は減少する。

このレース２２は、中空空間５２があるので比較的低いばね定数を有し、転動体１８が接触表面（すなわち、軸受軌道５０又はジャーナル部分３４）内の非一様性に遭遇するとき、この低いばね定数が低い振動力を発生させる。図２は、この低いばね定数をグラフ的に図示する。一構造では、このレース２２は軸受鋼から形成される。他の構造では、このレース２２は、他の種類の鋼等を含む、任意の適切な材料から形成することができる。

比較的重い又は大きなラジアル荷重の下では、このレース２２は、中空空間５２が消滅する又はなくなるように変形する。したがって、この軸受軌道５０は高い剛性で、又は中空空間５２が存在するときより高いばね定数で支持される。図２は、１００パーセント荷重のところでのこの高い剛性（すなわち、線の勾配）をグラフ的に示す。一構造では、空間５２が消滅するときの荷重は、全又は最大ラジアル荷重の３０〜６０パーセントの範囲内にある。

このレース２２の中高の表面４４は、比較的低いラジアル荷重のところで結果として低い流体力学的抗力になる、転動体１８との小さな接触サイズ又はゾーンを作り出す。比較的高いラジアル荷重のところでは、中高の表面４４の高さ５４は減少し、結果としてより大きな接触ゾーンとより低い接触応力になり、したがって軸受１０の高い耐久性になる。

一実施例では、さらなる振動減衰を与えるように、レース２２に外側表面４８上に弾力性のある被覆を付着させることができる。その上、又は別の実施例では、さらなる減衰を与えるように中空空間５２内に油の供給を行うことができる。そのような構造では、空間５２への油の供給を行うためにランド６０内の軸方向の溝を使用することができる。

図３は、図１の軸受１０の代替の実施例を示す。図３の軸受１０’は、図１の軸受１０と類似し、同様な構成部品はダッシュ記号の加えられた同様な参照番号が与えられており、本明細書ではこれらの実施例の間の差のみ論じる。

図３を参照すると、２分割レース２２’がクランクケース３０’内に設置された後、未硬化の高分子が開口部又はポート８０’を介して圧力下で中空空間５２’内に注入される。これによって、動作振動を最小限にするための転動体１８’及びレース２２’の小さな予荷重の設定が可能になる。この高分子は、エポキシ樹脂、ウレタン、又はＲＴＶなどの高分子を含むことができ、この高分子は、圧縮性の気泡又は圧縮性の微粒子を含むことができる。逆止弁８２’が高分子を中空空間５２’内に保持する。加振機及び加速度計８３’がシャフト１４’に一時的に連結される。高分子が空間５２’内に注入されているとき、この加速度計８３’が加振機によって引き起こされるシャフト１４’の振動を測定する。シャフト１４’の振動が減少し始めるとき、又は所望のレベルに到達するとき、所望の予荷重をレース２２’に与えるために高分子の注入は停止する。

このランド６０’は、高分子注入中に空気ポケットが空間５２’を逃げ出すのを可能にするが、高分子は空気より相当に高い粘度を有するので、高分子が逃げ出さない軸方向に向いた浅いスクラッチ又は溝８４’を含む。空間５２’内に空気ポケットが少しでもあると、軸受１０’に荷重が加えられるときに高分子をクリープさせ、その結果レース２２’の予荷重を減少させる、又は取り除く可能性がある。

動作中、ラジアル荷重がシャフト１４’から軸受１０’に加えられる。したがって、このレース２２’は、転動体１８’と、シャフト１４’のジャーナル部分３４’と、レース２２’との間の接触のために、中高の表面４４’の高さ５４’を減少させるように収縮し、空間５２’内の高分子内の圧力が増加する。その上、この高分子は、十分に高い荷重が軸受１０’に加えられるまでより低い剛性を与える小さな圧縮性の微粒子又は気泡を含有することができる。そのような高い荷重が軸受１０’に加えられるとき、高分子内の圧力はこの微粒子又は泡が圧縮されるようにし、それがより高い荷重の下で軸受レース２２’の剛性を増加させる。したがって、この気泡又は圧縮性の微粒子は、高分子に２つのばね定数を与える。

したがって本発明は特に、騒音及び振動を減少させるクランクシャフト用のラジアル転動体軸受を提供する。

Claims (20)

1. 隣接する支持表面に対して回転するようにシャフトを支持するためのラジアル転動体軸受において、
   複数の転動体と、
   レースであって、
   前記複数の転動体のための軸受軌道を形成する凸面の第１の表面、及び
   前記凸面の第１の表面に対向する第２の表面であって、当該レースの当該第２の表面と、前記隣接する支持表面及び前記シャフトのうちの１つとの間に中空空間を形成するプロファイル、を有する第２の表面を含むレースとを備え、
   前記中空空間が、第１のラジアル荷重が当該軸受に加えられるときに第１の容積を有し、
   前記中空空間が、前記第１のラジアル荷重より大きな第２のラジアル荷重が当該軸受に加えられるときに、前記第１の容積より小さな第２の容積を有する、ラジアル転動体軸受。
2. 前記レースが前記軸受の外輪レースであり、それによって前記中空空間が前記第２の表面と前記隣接する支持表面との間に形成される、請求項１に記載のラジアル転動体軸受。
3. 前記中空空間内に弾力性のある高分子をさらに備える、請求項２に記載のラジアル転動体軸受。
4. 前記隣接する支持表面を貫通して延びて前記中空空間と流体連通する開口部をさらに備え、前記高分子が前記開口部を介して前記中空空間内に注入される、請求項３に記載のラジアル転動体軸受。
5. 前記複数の転動体が円筒状の転動体である、請求項１に記載のラジアル転動体軸受。
6. 前記第２のラジアル荷重より大きな第３のラジアル荷重が前記軸受に加えられるときに、前記レースの前記第２の表面が、前記隣接する支持表面及び前記シャフトのうちの１つと接触し、それによって前記中空空間がなくなる、請求項１に記載のラジアル転動体軸受。
7. 全荷重が、前記軸受に加えられる最大ラジアル荷重として定義され、前記レースの前記弾力性が、前記第３の荷重が前記全荷重の約３０から６０パーセントになるようなものである、請求項６に記載のラジアル転動体軸受。
8. 前記第２の表面の前記プロファイルの一部分が凹面である、請求項１に記載のラジアル転動体軸受。
9. 前記第２の表面が、前記シャフト及び前記隣接する支持表面のうちの１つの上で前記レースを支持する円筒状の平らな支持表面を含む、請求項８に記載のラジアル転動体軸受。
10. 前記円筒状の平らな支持表面が、前記円筒状の平らな支持表面を横切って延びて前記中空空間との流体連通を与える軸方向の溝を含む、請求項９に記載のラジアル転動体軸受。
11. 前記隣接する支持表面がエンジン・クランクケースであり、前記シャフトがエンジン・クランクシャフトである、請求項１に記載のラジアル転動体軸受。
12. 弾力性のある被覆を前記第２の表面の少なくとも一部分上にさらに備える、請求項１に記載のラジアル転動体軸受。
13. 支持表面と、
    第１のラジアル荷重、及び前記第１のラジアル荷重より大きな第２のラジアル荷重を発生させるように前記支持表面に対して回転可能なクランクシャフトと、
    前記支持表面に対して回転するように前記クランクシャフトを支持するためのラジアル転動体軸受において、
    複数の転動体と、
    レースであって、前記複数の転動体のための軸受軌道を形成する凸面の第１の表面、及び前記凸面の第１の表面と対向する第２の表面であって、当該レースの当該第２の表面と、前記支持表面及び前記クランクシャフトのうちの１つとの間で中空空間を形成するプロファイル、を有する第２の表面を含むレースとを含むラジアル転動体軸受とを備え、
    前記中空空間が、前記第１のラジアル荷重が前記軸受に加えられるときに第１の容積を有し、
    前記中空空間が、前記第２のラジアル荷重が前記軸受に加えられるときに、前記第１の容積より少ない第２の容積を有する、クランクシャフト軸受アセンブリ。
14. 前記レースが前記ラジアル転動体軸受の外輪レースであり、それによって前記中空空間が前記第２の表面と前記支持表面との間に形成される、請求項１３に記載のクランクシャフト軸受アセンブリ。
15. 前記支持表面がクランクケースを含む、請求項１３に記載のクランクシャフト軸受アセンブリ。
16. 前記中空空間内に弾力性のある高分子をさらに備える、請求項１３に記載のクランクシャフト軸受アセンブリ。
17. 前記支持表面を貫通して延びて前記中空空間と流体連通する開口部をさらに備え、前記弾力性のある高分子が前記開口部を介して前記中空空間内に注入される、請求項１６に記載のクランクシャフト軸受アセンブリ。
18. 前記第２の表面の前記プロファイルの一部分が凹面である、請求項１３に記載のクランクシャフト軸受アセンブリ。
19. 前記第２の表面が、前記クランクシャフト及び前記支持表面のうちの１つの上で前記レースを支持する円筒状の平らな支持表面を含む、請求項１３に記載のクランクシャフト軸受アセンブリ。
20. 前記円筒状の平らな支持表面が、前記円筒状の平らな支持表面を横切って延びて前記中空空間との流体連通を与える軸方向の溝を含む、請求項１９に記載のクランクシャフト軸受アセンブリ。

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