JP2012068065A - 内燃機関の主軸受部の油膜可視化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 内燃機関のクランクシャフトの主軸受部分に生成される油膜部分の挙動を可視化して観察することができると共に、油膜厚さの変更や調整などを含む各種の設定を簡単な操作で高精度に行うことができる内燃機関の主軸受部の油膜可視化装置を提供する。
【解決手段】 本発明に係る内燃機関の主軸受部の油膜可視化装置１００は、透光性を有する材料で製作された模擬クランクシャフト４と、模擬クランクシャフト４を装置本体に対して支持するための主軸受キャップ７と、模擬クランクシャフト４と主軸受キャップ７との間に取り付けられる滑り軸受７Ａと、を備え、加振装置により模擬クランクシャフト４を滑り軸受７Ａ方向に対して変位させつつ、模擬クランクシャフト４の透光性を有する部位を介して、模擬クランクシャフト４と滑り軸受７Ａとの間に生成される油膜の挙動を可視化したことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の主軸受部に生成される油膜の状態を可視化により観察するための技術に関する。

ディーゼルエンジンにおいては、クランクシャフトを回転自在に支持する主軸受部周辺にてパチパチといった約２ｋ〜２０ｋＨｚ程度の衝撃的異音（いわゆるパチパチ音）が発生する場合があり、そのような異音が発生する場合には、その異音の発生部位やその異音が高周波数域での衝撃的な音質であることなどから、使用者等に対して信頼性等に関する違和感や不安感を与えてしまうといったおそれがあった。

かかる衝撃的異音の発生メカニズムなどについての解明は困難なものであり、これまでにも、衝撃的異音の発生原因の解明や、衝撃的異音の緩和策などについて、種々の研究が試みられてきている。

その一つとして、非特許文献１に記載されているようなものがある。
非特許文献１では、単体試験により、前述したような衝撃的異音と、キャビテーションとの関係を明らかにしている。この単体試験は、平板状のガラスと、試験片の平面部分と、の間にオイルを満たした状態で、ピエゾ素子により試験片を加振し、その際におけるガラスと試験片間に生成される油膜内の挙動をガラス窓から高速度カメラで撮影すると共に、マイクロホンで騒音を測定するようにした装置を用いて行われている。

そして、かかる単体試験によって、油膜内のキャビテーションの生成から消滅を観察した結果、油膜内に存在するキャビテーション（気泡）が押し潰されて崩壊し、その崩壊したキャビテーションが外周に到達して大気に開放された時に、パチパチ音が発生することが確認された。

加藤丈幸ほか、エンジン軸受で発生するキャビテーション異音の解析と防止方法について、豊田自動織機技報、Ｎｏ．４５ ＡＵＧ．２００２、p.１０−１５

非特許文献１に記載されている単体試験装置は、実際の内燃機関のクランクシャフトの主軸受部分を模倣したものではなく、従って、より実際の内燃機関に近い状態での確認が求められる。

しかしながら、内燃機関のクランクシャフトを含む主軸受部分は構成が複雑であり、可視化のためのガラス部分をどこに設けるかなど、可視化にあたっては簡単ではないのが実情である。

また、油膜厚さ（クランクシャフトの軸部外周と主軸軸受の隙間）の変更や微妙な調整などの各種の設定を、簡単な操作で高精度に行うことができるようにすることなども望まれる。

本発明は、かかる実情に鑑みなされたものであり、比較的簡単かつ低コストな構成でありながら、内燃機関のクランクシャフトの主軸受部分に生成される油膜部分の挙動を可視化して観察することができると共に、油膜厚さの変更や調整などを含む各種の設定を簡単な操作で高精度に行うことができる内燃機関の主軸受部の油膜可視化装置を提供することを目的とする。

このため、本発明に係る内燃機関の主軸受部の油膜可視化装置は、
内燃機関のクランクシャフトの主軸受部の油膜を観察する主軸受部の油膜可視化装置であって、
少なくとも一部が透光性を有する材料で製作された模擬クランクシャフトと、
当該模擬クランクシャフトを装置本体に対して支持するための主軸受キャップと、
模擬クランクシャフトと、主軸受キャップと、の間において、主軸受キャップ側に取り付けられる滑り軸受と、
を備え、
加振装置により模擬クランクシャフトを滑り軸受方向に対して変位させつつ、前記模擬クランクシャフトの透光性を有する部位を介して、模擬クランクシャフトと、滑り軸受と、の間に生成される油膜の挙動を可視化したことを特徴とする。

本発明において、主軸受キャップ或いは滑り軸受の少なくとも一方は、実際の内燃機関において利用可能なものであることを特徴とすることができる。

本発明において、加振装置は、駆動源の回転を、偏心機構を介して、模擬クランクシャフトの滑り軸受方向における往復運動に変換することを特徴とすることができる。

本発明において、偏心機構と、模擬クランクシャフトと、の間に、模擬クランクシャフトと、滑り軸受と、の隙間を調整可能な隙間調整機構が、クランクシャフト長手方向に沿って少なくとも２つ並んで配設されることを特徴とすることができる。

本発明によれば、比較的簡単かつ低コストな構成でありながら、内燃機関のクランクシャフトの主軸受部分に生成される油膜部分の挙動を可視化して観察することができると共に、油膜厚さの変更や調整などを含む各種の設定を簡単な操作で高精度に行うことができる内燃機関の主軸受部の油膜可視化装置を提供することができる。

本発明の一実施の形態に係る内燃機関の主軸受部の油膜可視化装置の構成を概略的に示した正面図（クランクシャフトの長手方向から見た図）である。 同上実施の形態に係る内燃機関の主軸受部の油膜可視化装置の側面図である。 同上実施の形態に係る内燃機関の主軸受部の油膜可視化装置により、滑り軸受の潤滑面に形成される油膜部分Ｂを可視化した様子を示す図である。

以下、本発明に係る一実施の形態を、添付の図面を参照しつつ説明する。なお、以下で説明する実施の形態により、本発明が限定されるものではない。

本発明者は、実際の内燃機関（実機）に近い状態で、クランクシャフトの主軸受部におけるキャビテーションの発生と衝撃的異音の発生する状況を観察することによって、衝撃的異音の発生メカニズムの解明を試みた。

本発明者は、これまでの種々の研究結果から、キャビテーションに起因する衝撃的異音の発生メカニズムを解析するには、実機の主軸受における油膜部分を可視化する必要があると考えた。

このため、透明アクリル樹脂製の模擬クランクシャフトに上下方向の変位を与えた状態で油膜部を可視化することができる単体試験装置（主軸受部油膜可視化装置）を製作することとした。ただし、透明でなくても、またアクリル樹脂製でなくても、ある程度可視化できる程度の透光性を有する材料で、入手や加工等が比較的容易な材料であれば採用することができる。

具体的には、可視化する主軸受の滑り軸受（ベアリング）と主軸受キャップは実機の部品を使用し，模擬クランクシャフトは上下方向に振動させる構成とし、最小油膜厚さ（クランクシャフト軸受部外周と、滑り軸受潤滑面と、の隙間）は実機の状態を、比較的簡単な操作で高精度に再現可能であることを目標に単体試験装置を製作した。

ここで、図１に、本実施の形態に係る単体試験装置（主軸受部油膜可視化装置）１００の正面図を示し、図２に側面図を示す。

図１、図２に示すように、単体試験装置１００では、主軸受キャップ７は実機（実際の内燃機関）の部品を、クランクシャフト長手方向３つ並べた構成とし、クランクシャフト長手方向中央の主軸受キャップ７に、実機で利用される滑り軸受７Ａ（上下２分割のうちの下側のみ）を組み込み、滑り軸受７Ａの潤滑面と、アクリル樹脂等により形成された透明な模擬クランクシャフト４の軸部と、を対面させる構成としている。

そして、本実施の形態では、滑り軸受７Ａの潤滑面に供給された潤滑オイルによって形成される油膜部分Ｂ（図２参照）を、透明な模擬クランクシャフト４を介して可視化の対象とした。
図１中の矢印Ａが、透明な模擬クランクシャフト４を透過して主軸受キャップ７に支持されている滑り軸受７Ａの潤滑面を可視化した方向を示す。
両サイドの主軸受キャップ７には装置の剛性保持の役割を持たせるために、ベアリングは無しとして剛性高く支持させる構成とした。

図２に示されている駆動用フランジ８には、例えばユニバーサルジョイント等により、図１に示した電動モータの回転が伝えられるようになっている。

駆動用フランジ８には、その回転中心から所定に偏心された軸を有する偏心ベアリングホルダ１（偏心機構：回転直線運動変換機構）を介して、連結アームとして機能する上下位置調整機構２延いては模擬クランクシャフト４が連結されている。

これにより、電動モータにより駆動用フランジ８が回転駆動されると、偏心ベアリングホルダ１を介して、上下位置調整機構２延いては模擬クランクシャフト４が図１、図２において上下方向への変位成分を持って振動される（変位が与えられる）ことになる。かかる電動モータ（駆動源）、偏心ベアリングホルダ（偏心機構）１が、加振装置を構成している。

なお、偏心ベアリングホルダ１は、上述したように、電動モータ及び駆動用フランジ８の回転中心に対して偏心している構造であるので、偏心ベアリングホルダ１は偏心を伴う円運動となるため、これに連結されている上下位置調整機構２の基端部（偏心ベアリングホルダ１との連結部）は上下方向以外に横方向（左右方向）へも変動されるが、この横方向の変動は、上下位置調整機構２の先端側に取り付けられている模擬クランクシャフト４に対しても、上下方向以外に横方向への変位成分を与えてしまうことになる。

このような横方向変位は、透明な模擬クランクシャフト４と、滑り軸受７Ａの潤滑面と、の間の油膜形成に悪影響を与えてしまうおそれがある。
このため、本実施の形態では、透明な模擬クランクシャフト４の上下方向変位以外の変位成分を抑制するためのストッパーリンク５を設け、これにより、透明な模擬クランクシャフト４の滑り軸受７Ａ側において、上下方向成分の変位が主体となるようにしている。

ストッパーリンク５は、図１左右方向に延在され両端にボール５Ｂが取り付けられたシャフト５Ａと、各ボール５Ｂをそれぞれ左右方向への遊動を規制しつつ支持する支持要素５Ｃと、シャフト５Ａの長さを微細に調整可能なねじ式調整機構部５Ｄと、を含んで構成されている。
なお、２つの支持要素５Ｃのうちの一方は模擬クランクシャフト４に取り付けられ、他方は主軸受キャップ７（装置フレームなど）に対して略一体的に取り付けられている。

従って、このストッパーリンク５によって、模擬クランクシャフト４を、上下方向への変位に対して大きなストレスなどを作用させることなく、主軸受キャップ７延いては滑り軸受７Ａに対する横方向への変位を所定に規制することができる。これにより、透明な模擬クランクシャフト４と、滑り軸受７Ａの潤滑面と、の間の油膜形成を実機に近い状態とすることができる。

また、本実施の形態では、模擬クランクシャフト４と、滑り軸受７Ａの潤滑面と、の隙間（最小油膜厚さ）は、クランクシャフト（電動モータ出力軸）の長手方向に沿って２箇所に設けた上下位置調整機構２のねじ部２Ａを回転させてその長さを調整することにより、調整することができる構造とした。上下位置調整機構２が、隙間調整機構に相当する。

従って、本実施の形態によれば、模擬クランクシャフト４と、滑り軸受７Ａの潤滑面と、の隙間（最小油膜厚さ）を、簡単な作業で高精度に設定及び調整することができる。
また、上下位置調整機構２をクランクシャフト（電動モータ出力軸）の長手方向に沿って２箇所に設けた構成としたので、模擬クランクシャフト４と、滑り軸受７Ａの潤滑面と、の平行度なども簡単な作業で高精度に調整することができる。

模擬クランクシャフト４に加わる油膜圧力の反力については、上下位置調整機構２に取り付けられるロードセル（或いは歪みゲージなど）３にて計測し、模擬クランクシャフト４の変位（上下方向及び左右方向）については、当該模擬クランクシャフト４の前後面のそれぞれに取り付けられた金属体（例えば鉄製の支持要素５Ｃなど）の変位を、これらに対応して主軸受キャップ７（装置フレームなど）に略一体的に取り付けられるギャップセンサ用ブラケット６に取り付けられる都合４個のギャップセンサ（図示せず）によって上下方向及び左右方向の変位を計測可能な構成とした。

なお、本実施の形態に係る単体試験装置（主軸受部油膜可視化装置）１００においては、高速度カメラにより、滑り軸受７Ａの潤滑面に形成される油膜部分Ｂを撮影すると共に、騒音計により衝撃的異音を測定可能となっている。

ここで、本実施の形態に係る単体試験装置（主軸受部油膜可視化装置）１００を用いて行った、高速度カメラによる主軸受油膜部Ｂの観察結果について述べる。
実験は、単体試験装置１００の回転数がディーゼルエンジンのアイドル回転領域である６００ｒｐｍのとき、実機における衝撃的異音の発生状況を再現していると判断されることから、６００ｒｐｍで実施することとした。

高速度カメラにより油膜を観察した結果、模擬クランクシャフト４が上方向に移動するときにキャビテーションが発生し、一つ一つのキャビテーションは大きく成長する。
次に、下方向に移動するに従いキャビテーションは消滅してゆくといった状況が繰り返される。
このような下方向に移動するときに、時々衝撃的異音が観測された。

図３は、衝撃的異音が発生したときの高速度カメラの映像を示す。
図３中のグラフは上方の線が模擬クランクシャフト４の上下方向の変位を示し、下方の線は近接（滑り軸受７Ａ端部より約１００ｍｍ）に設置した騒音計の音圧波形を示し、縦線は映像のグラフ上の位置を示す。

映像は音圧波形から衝撃的異音の発生した瞬間を示しており，図３中の楕円印部と同部の拡大図からキャビテーション（気泡）が消滅せずに油膜の外に飛び出す現象が確認された。キャビテーションは１回きりではなく連続して大気中に飛び出していたことも確認された。

このように、本実施の形態に係る単体試験装置（主軸受部油膜可視化装置）１００を用いて行った実験によれば、油膜厚さが増加するとき油膜内にキャビテーションの発生が見られ、次に油膜厚さが減少し最小油膜厚に達する以前に消滅してゆくキャビテーションの一部が油膜外に飛び出す現象を見い出すことができた。

さらに、このキャビテーションの飛び出す現象に同期して衝撃的異音が発生していることを確認することができた。

以上説明したように、本実施の形態に係る単体試験装置（主軸受部油膜可視化装置）１００によれば、実際のエンジンの主軸受キャップ７及び滑り軸受（下側のみ）７Ａを用いて、アクリル樹脂製などにより製作された透光性を有する模擬クランクシャフト４を支持する一方で、模擬クランクシャフト４を上下方向に変動させることで、滑り軸受（下側のみ）７Ａと、模擬クランクシャフト４の軸部と、の間に生成される油膜の挙動を可視化して観察できるようにしたので、比較的簡単な構成でありながら、良好に主軸受部の油膜生成の様子やキャビテーションの挙動などを観察することができる。

また、上下位置調整機構２をクランクシャフト（電動モータ出力軸）の長手方向に沿って２箇所に設けた構成としたので、油膜厚さの設定や調整を正確に行うことができると共に、模擬クランクシャフト４と、滑り軸受７Ａの潤滑面と、の平行度なども簡単な作業で高精度に調整することができる。

更に、ロードセル３を配設しているので、軸受部７Ａにおける油圧などを測定して所定に設定や調整することができる。

また、ストッパーリンク５によって、模擬クランクシャフト４を、上下方向への変位に対して大きなストレスなどを作用させることなく、主軸受キャップ７延いては滑り軸受７Ａに対する横方向への変位を所定に規制することができるため、透明な模擬クランクシャフト４と、滑り軸受７Ａの潤滑面と、の間の油膜形成を実機に近い状態にセットすることができる。

なお、本実施の形態では、模擬クランクシャフト４の全体をアクリル樹脂等により製作しているが、これに限定されるものではなく、観察用として一部に透光性を有する材料により製作したようなクランクシャフトを用いることもできる。

本実施の形態では、ディーゼルエンジンについて説明してきたが、本発明はこれに限定されるものではなく、ガソリンエンジンは勿論、クランク機構を備えた他の機械装置における主軸受部の油膜挙動観察に利用できるものである。

本発明は、上述した発明の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々変更を加え得ることは可能である。

１ 偏心ベアリングホルダ（偏心機構：回転直線運動変換機構）
２ 上下位置調整機構（隙間調整機構）
３ ロードセル
４ 模擬クランクシャフト（透明などの所定の透光性を有する材料により製作）
５ ストッパーリンク
６ ギャップセンサ用ブラケット
７ 主軸受キャップ（ベアリングキャップ）
７Ａ 滑り軸受（下側）
８ 駆動用フランジ
１００ 単体試験装置（主軸受部油膜可視化装置）

Claims (4)

1. 内燃機関のクランクシャフトの主軸受部の油膜を観察する主軸受部の油膜可視化装置であって、
   少なくとも一部が透光性を有する材料で製作された模擬クランクシャフトと、
   当該模擬クランクシャフトを装置本体に対して支持するための主軸受キャップと、
   模擬クランクシャフトと、主軸受キャップと、の間において、主軸受キャップ側に取り付けられる滑り軸受と、
   を備え、
   加振装置により模擬クランクシャフトを滑り軸受方向に対して変位させつつ、前記模擬クランクシャフトの透光性を有する部位を介して、模擬クランクシャフトと、滑り軸受と、の間に生成される油膜の挙動を可視化したことを特徴とする内燃機関の主軸受部の油膜可視化装置。
2. 主軸受キャップ或いは滑り軸受の少なくとも一方は、実際の内燃機関において利用可能なものであることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の主軸受部の油膜可視化装置。
3. 加振装置は、駆動源の回転を、偏心機構を介して、模擬クランクシャフトの滑り軸受方向における往復運動に変換することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の内燃機関の主軸受部の油膜可視化装置。
4. 偏心機構と、模擬クランクシャフトと、の間に、模擬クランクシャフトと、滑り軸受と、の隙間を調整可能な隙間調整機構が、クランクシャフト長手方向に沿って少なくとも２つ並んで配設されることを特徴とする請求項３に記載の内燃機関の主軸受部の油膜可視化装置。