JP2013524111A - 皮膜を有さないクラッシュリリーフを備えた軸受 - Google Patents

Abstract

半円筒形の軸受部材であって、該軸受部材の長さにわたって、該軸受部材のそれぞれの向き合った周方向端部における分割面まで延びた凹面状の軸受面を有する軸受部材を備えるスプリット軸受が開示される。軸受面は、分割面に隣接するクラッシュリリーフ領域を除く軸受面全体にわたって延びた溶射された軸受オーバーレイが形成されている。軸受部材は、クラッシュリリーフ領域を除いて、実質的に一定の外径及び内径を有し、クラッシュリリーフ領域において、内径は、前記軸受面の他の領域におけるよりも大きい。このような軸受を製造する方法も開示される。慣用のスプリット軸受の場合よりも、少ないオーバーレイ材料が必要とされる。

Description

本発明は、軸受、軸受用材料及び軸受の製造方法に関する。

現代のエンジンにおいて使用される軸受は、しばしば対立する特性の組合せを有する必要がある。軸受は概して複数の層を有する。つまり、約１〜約１０ｍｍの範囲の厚さを有する鋼又は青銅のような強い材料のバッキング層と、約０．１〜約１ｍｍの範囲の厚さを有する、通常は銅又はアルミニウムの合金をベースとする軸受合金の層と、選択的に、約５〜約５０μｍの範囲の厚さを有する、軸受合金層の上部におけるいわゆるオーバーレイ層とである。付加的な層が設けられてもよい。つまり、バッキング層と軸受合金層との間の付着を高める助けとなるようこれらの層の間に配置され、例えば、従来技術において公知のような、アルミニウム又はアルミニウム合金、ニッケル、又は別の材料の薄い層（概して約５〜５０μｍであるが、約３００μｍまでのより一層厚い層が知られている）を有する層である。別の層、いわゆる中間層が、軸受合金層とオーバーレイ層との間に配置されてよく、２つの層の間の付着を高めるために及び／又は２つの層の間の合金成分の望ましくない拡散を防止する又は最小限にするためにバリヤとして働くために設けられてよい。このような中間層は通常、極めて薄く、約０．５〜５μｍのオーダである。

設けられている場合、オーバーレイ層は、軸受自体と、軸受と協働するシャフトジャーナルとの間の実際の滑り面若しくは摺動面を提供する。オーバーレイは概して、主要成分としてのすず、鉛、カドミウム又はアルミニウムを有する合金をベースとする比較的柔軟な材料である。軸受合金層よりも概して柔軟なオーバーレイの目的は、軸受及びエンジン製造法で行われる機械加工法における不完全性により生じる軸受とシャフトジャーナルとの間の僅かな不整合を吸収することができる、適合可能な層を提供することである。つまり、オーバーレイ層は、適合特性を有する。オーバーレイ層は、耐焼付き性、耐疲労性、耐腐食性、耐摩耗性でもなければならず、潤滑油に含まれる汚れ及び粒子の埋込み性を提供しなければならない。良好な耐疲労性及び耐摩耗性は概して、高い強度及び硬さに関係する。良好な耐焼付き性は、滑り面を形成する材料が、オーバーレイ合金がその組成により概して有する良好な適合性を有することを必要とする。同様の要求は、オーバーレイが設けられておらず、軸受合金自体が実際の滑り面若しくは摺動面を形成している軸受合金層にも関連する。しかしながら、留意すべきは、幾つかのエンジンにおいては、困難な保守条件により、摺動面（概して荷重を受ける領域）の少なくとも一部においてオーバーレイ層が摩耗されるのが一般的であり、これにより、その下の軸受合金層を露出させ、ひいては軸受合金層が実際の摺動面若しくは滑り面となってしまう。

例えば引用したことによりその内容全てが本願に記載されたものとする国際公開第９９／４７７２３号及び国際公開第２００６／０３５２２０号から、高速フレーム溶射（ＨＶＯＦ）法によって、アルミニウム及びアルミニウム合金をベースとする軸受合金層及びオーバーレイ皮膜層を提供することが知られている。

ジャーナル部材（例えばクランクシャフト）又は摺動部材（例えばプッシュロッド又はコネクタロッド）の周囲に組み付けるための２つの半円筒形の半割シェルを概して含むスプリット軸受を製造する場合、半割シェルの内側長手方向縁部に沿ってボアリリーフ若しくはクラッシュリリーフ部分（以下では概してクラッシュリリーフと称呼する）を提供することも知られている。軸受の分割面に隣接した領域における軸受半割シェルの壁部の狭窄部の形態を成すクラッシュリリーフは概して、高速中ぐりのような機械加工法により軸受ライニングの一部を除去することにより形成される。クラッシュリリーフを有するスプリットジャーナル軸受の典型的な例は米国特許出願第２００５／０１９６０８４号明細書に開示されており、その内容は全て引用したことにより本明細書に記載されたものとする。クラッシュリリーフは、２つの軸受半割シェルが係合させられたときに生ぜしめられるあらゆる僅かな変形若しくは不整合を吸収するためにスプリットジャーナル軸受の軸受面に設けられている。

図１を参照すると、銅ベース材料のような軸受合金のより柔軟な層が形成された概して矩形の硬質金属（例えば鋼又はその他の硬質合金）ブランクから開始することによって軸受半割シェル１を製造することが知られている。ブランクは次いで、ブランクを所要の半円筒形に変形させるためにプレス及びスタンピングされ、この場合、軸受合金３のより柔軟な層は、このように形成された半割シェルの内側ライニング面を形成し、基材のより硬質の金属２は外面を形成する。半割シェル１は次いで初期荒削りが行われ、その後、クラッシュリリーフ部分４の形成を含む、正確な厚さへのより正確な中ぐりが行われる。クラッシュリリーフ４は軸受ライニング３に形成され、これは、軸受ライニング３が、クラッシュリリーフ４の領域において、ライニング面における他の部分よりも薄くなることを意味する。次いで、オーバーレイ５がＨＶＯＦ法により半割シェルの内面に噴射され、オーバーレイ５の厚さは内面全体にわたって比較的一定にする。次いで、半割シェル１に、クラッシュリリーフ部分４を含めて最終的な機械加工及び中ぐりが行われ、これにより、オーバーレイ５の上面６を除去し、軸受半割シェルに、所要の正確なボア厚さ及びクラッシュリリーフ寸法、並びに概して滑らかな軸受面６を残す。最終的な機械加工及び中ぐりの後でさえも、露出した軸受面６全体は、ＨＶＯＦ溶射によって塗装されたオーバーレイ５から成る。

図２は、半割シェルの長手方向軸線に関して外形寸法Ｄ_outerを有する外側バッキング面７と、外径寸法Ｄ_outerよりも小さな内径寸法Ｄ_innerを有する内側ボア面８とを有する半割シェル１の一部を、概略的な形式で、かつそれぞれの層を特定することなく示している。クラッシュリリーフ４は別個に形成されており、ジョイント面９において除去されたオーバーレイの深さによって提供されたクラッシュリリーフ寸法ｄを有する。

発明の概要
本発明の第１の態様によれば、
（ｉ）金属ストリップを、半円筒形の軸受部材であって、その全長にわたって、前記軸受部材のそれぞれの反対側の周方向端部における分割面まで延びた凹面状の軸受面を有する軸受部材に成形する工程と、
（ｉｉ）溶射法によって前記軸受面の大部分に対して軸受オーバーレイを提供するが、前記分割面に隣接した軸受面の領域には前記軸受オーバーレイを提供しない工程と、
（ｉｉｉ）前記分割面に隣接した前記軸受面の領域に、前記軸受オーバーレイを有さないクラッシュリリーフ部分を機械加工する工程と、
を含む、スプリット軸受を製造する方法が提供される。

金属ストリップの形状は通常、半円筒形の軸受部材に成形される前には矩形若しくは長方形である。ストリップは、バッキング材料としての、鋼又はその他の硬質金属又は合金から成ってよく、一方の側に形成された、青銅等のより柔軟な軸受ライニング材料を備える。幾つかの方法において、軸受ライニングは、ストリップが半円筒形の軸受部材に成形される前又はその後に、バッキング材料に溶射されるか又はＣＶＤ又はＰＶＤによって形成されるか又は電気めっきされる。より一般的には、ライニングは、焼結及び圧延によって、又は連続鋳造（必要に応じて後で機械加工、圧延及び焼きなまし工程を行う）によって、ストリップ状のバッキング材料に提供される。２つ（又は３つ以上）の別々の層を必要とすることなく、軸受のために要求される機械的強度及び減摩特性を有する、幾つかの青銅のような特別な軸受材料から形成された"一金属原子"ストリップを使用することもできる。しかしながら、このような材料の高いコストは不利である恐れがある。

好適な実施の形態において、軸受オーバーレイは、金属溶射法によって提供される金属の、例えば合金ベースの金属マトリックスである。高速フレーム溶射（ＨＶＯＦ）はこれに関して特に有効な技術であり、例えば、アルミニウム及びアルミニウム合金オーバーレイ材料とともに用いることができる。特に有効であることが分かった軸受オーバーレイ合金は、ＡｌＳｎ２０Ｃｕ、ＡｌＳｎ２０Ｍｇ３、ＡｌＳｎ６Ｓｉ２ＣｕＮｉＭｎＶ、ＡｌＳｎ１２Ｃｕ及びＡｌＳｎ４０Ｃｕを含む。ＨＶＯＦ溶射のために、オーバーレイ合金材料は、ＨＶＯＦ溶射ガンに供給される前に粉末の形態で提供される。

その代わりに又はそれに加えて、ポリマのような他のオーバーレイ材料を用いてもよい。ＨＶＯＦ溶射はポリマには適していないので慣用の溶射ガンが用いられることが認められるであろう。

仕上げられた軸受のクラッシュリリーフ領域における軸受面は、通常使用時には、大きな荷重を受けないので、この領域を、しばしば比較的高価な材料である軸受オーバーレイで皮膜形成することを省略することができる。したがって、軸受を大量に製造する場合、時間の経過とともに材料及びエネルギの大きな節約につながり、このことは経済的及び環境的に有利である。さらに、被覆する必要のある表面積を減じることにより、溶射ガンのパスの回数、又は溶射ガンのノズルを移動させる総距離を減じることができ、これにより、製造に要する時間を短縮することができる。僅かな時間の節約でさえ、大きなコスト削減、及び大量製造法における効率の改善につなげることができる。

さらに、オーバーレイの溶射提供の前にクラッシュリリーフ部分が機械加工され、その後、滑らかな軸受面を残すためにオーバーレイ厚さを減じる際にオーバーレイの溶射提供の後に２回目の機械加工が行われる従来の方法とは対照的に、クラッシュリリーフ部分を形成するために必要な機械加工工程は一回のみである。これは、より迅速な製造を提供する。

本発明の好適な実施の形態の方法において、多数の半円筒形の軸受部材が金属ブランクから成形され、必要な場合は、オーバーレイが溶射される前に初期荒削りが行われる。オーバーレイを提供するために、多数の半円筒形の軸受部材は、その凹面状の軸受面が同じ向きを向くように、共通の軸線を中心にして整合させられる。次いで、オーバーレイを溶射するためにロボットアームが用いられる。ロボットアームを適切にプログラムすることにより、どこにオーバーレイが提供されるかを合理的な精度で制御することができ、これにより、ジョイント面に隣接した凹面状の軸受面の領域は、これらの領域をマスクする必要なく、実質的にオーバーレイが存在しないままにしておくことができる。これは、オーバーレイが軸受面に電気めっきされ、その際、望まれないところ又は必要とされないところへのオーバーレイの堆積を回避するために、めっきの前に誘電マスクが提供されなければならないような方法とは、対照的である。ＰＣＤ、ＣＶＤ及びスパッタリングのような他の堆積プロセスも、オーバーレイのない領域を形成するために、下に位置する基材のマスキングを必要とする。

本発明の第２の態様によれば、半円筒形の軸受部材であって、該軸受部材は、その全長にわたって、軸受部材の周方向のそれぞれの反対側の端部における分割面まで延びた凹面状の軸受面を有し、該軸受面には、分割面に隣接したクラッシュリリーフ領域を除いて軸受面全体にわたって延びた、溶射された軸受オーバーレイが形成されている、半円筒形の軸受部材を備え、該軸受部材は、内径が軸受面の他の領域よりも大きくなっているクラッシュリリーフ領域を除いて、実質的に一定の外径及び内径を有する、スプリット軸受が提供される。

従来技術のスプリット軸受を示す断面図である。 スプリット軸受の寸法を特徴付ける基準系を概略的に示す図である。 本発明のスプリット軸受を形成する方法における第１の工程を示す図である。 本発明のスプリット軸受を形成する方法における第２の工程を示す図である。 本発明のスプリット軸受を形成する方法における第３の工程を示す図である。

詳細な説明
発明の実施の形態を添付の図面を参照しながら以下にさらに詳細に説明する。

本発明の特に好適な実施の形態が図３から図５に示されており、これらの図面は、製造時の３つの段階におけるスプリット軸受の断面図を示している（軸受はほぼ対称的であるので、軸受の一方の半分だけが示されている）。

図３に示したように、半円筒形の軸受部材１０は、半円筒形の半割シェルに形成された、鋼又はその他の硬質金属の外側バッキング層１１と、より柔軟な青銅又はその他の軸受合金ライニング層１２とを有する。軸受部材１０は、所望の寸法及び形状に従うよう中ぐり作業が行われ、壁厚：
ｔ＝Ｄ_outer−Ｄ_inner
は、中心軸線を中心にして一方の分割面１３から他方の分割面（図示せず）まで計測した場合に１８０°にわたって実質的に一定である。軸受部材は内面１４を有する。

次いで、アルミニウム合金（例えばＡｌＳｎ２０Ｃｕ、ＡｌＳｎ２０Ｍｇ３、ＡｌＳｎ６Ｓｉ２ＣｕＮｉＭｎＶ、ＡｌＳｎ１２Ｃｕ、ＡｌＳｎ４０Ｃｕ又はその他）のような軸受合金が、ロボットアームに取り付けられた溶射機を用いるＨＶＯＦ法によって内面１４に提供される。当業者に公知のように、溶射機にはアルミニウム合金粉末が供給され、このアルミニウム合金粉末は次いで、ガスジェットにおいて内面１４に向かって加速させられると同時に火炎において加熱及び部分的に溶融させられる。これは、図４に示したように、内面１４に厚い、高密度のオーバーレイ皮膜１５の堆積を生じる。しかしながら、分割面１３に隣接した内面１４の領域１６にはオーバーレイは意図的に溶射されない。これは、ロボットアームの適切な制御により行われる。溶射の前にこの領域１６をマスクする必要はない。僅かな程度の過剰溶射が生じることがあり、オーバーレイの一部の粒子は領域１６へ到達するが、これは、これらの領域１６がその後に再び中ぐり又は機械加工されるならば、ほとんど取るに足らないことであり、軸受オーバーレイ合金の廃棄物は最小限になる。

引き続き、軸受部材１０の内面は、概して中ぐり作業によって再び機械加工されて、オーバーレイ皮膜１５の最も上側の層を除去し（これにより、溶射法の後にオーバーレイ皮膜１５を滑らかにする）、それと同時に、分割面１３に隣接してクラッシュリリーフ１７が形成される。この実施の形態におけるクラッシュリリーフ１７は、領域１６における少量のライニング層１２の除去を必要とするが、オーバーレイ皮膜１５を有さない。中ぐり作業により、オーバーレイ皮膜１５からライニング層１２への滑らかな移行部が形成される。クラッシュリリーフ１７の領域における壁厚ｔ_crushは、図３における元の壁厚ｔよりも小さいことが分かる。

本発明の実施の形態により、より少ないオーバーレイ材料（通常は高価な合金粉末）が使用され、本発明の実施の形態は、慣用の方法よりも、１つ少ない機械加工工程（クラッシュリリーフは溶射の後に初めて形成される）、又は少なくともより少ない工具及び機械セットアップ回数をも含む。

本明細書の詳細な説明及び請求項を通じて、「含む」及びその変化形は、「含むが、限定しない」という意味であり、その他の成分、添加物、構成部分、整数又は工程を排除すること（及び排除しないこと）を意図しない。本明細書の詳細な説明及び請求項を通じて、単数の記載は、文脈がそうでないことを要求しない限り、複数を含む。特に、不定冠詞が使用されている場合、明細書は、文脈がそうでないことを要求しない限り、複数及び単数を考慮しているものと理解すべきである。

発明の特定の態様、実施の形態又は実施例に関連して説明された特徴、整数、特徴、化合物、化学成分又はグループは、ここに記載されたあらゆるその他の態様、実施の形態又は実施例と両立不可能でない限りこれらに適用可能であることを理解すべきである。この明細書（あらゆる添付の請求項、要約及び図面を含む）に開示された特徴の全て、及び／又は開示されたあらゆる方法又はプロセスの工程の全ては、このような特徴及び／又は工程のうちの少なくとも幾つかが相互に排他的である組合せを除き、あらゆる組み合わせで組み合わされてよい。発明は、前記実施の形態のいずれかの詳細に限定されない。発明は、本明細書（あらゆる添付の請求項、要約及び図面を含む）に開示された特徴のうちのいずれかの新規の特徴、又はいずれかの新規の組み合わせ、又は開示されたあらゆる方法又はプロセスの工程のうちのいずれかの新規の工程、又はいずれかの新規の組合せにまで拡張する。

読み手の注意は、本願に関する本明細書と同時又はその前に出願されかつ本明細書による公衆の調査に開放された全ての文書及び文献に向けられ、全てのこのような文書及び文献の内容は、引用したことによりここに記載されたものとする。

Claims (13)

1. （ｉ）金属ストリップを、半円筒形の軸受部材であって、該軸受部材の長さにわたって、該軸受部材のそれぞれの反対側の周方向端部における分割面まで延びた凹面状の軸受面を有する軸受部材に形成する工程と、
   （ｉｉ）軸受オーバーレイを、前記軸受面の大部分に、溶射法によって提供するが、前記分割面に隣接する前記軸受面の領域には前記オーバーレイを提供しない工程と、
   （ｉｉｉ）前記分割面に隣接する前記軸受面の領域にクラッシュリリーフ部分を機械加工する工程と、を含み、前記クラッシュリリーフ部分は、前記軸受オーバーレイを有さないことを特徴とする、スプリット軸受を製造する方法。
2. 前記軸受オーバーレイは、軸受合金である、請求項１記載の方法。
3. 前記溶射法は、高速フレーム溶射である、請求項１又は２記載の方法。
4. 前記軸受オーバーレイは、ポリマである、請求項１記載の方法。
5. 前記軸受部材は、前記軸受オーバーレイが提供される前に、実質的に一定の壁厚に機械加工される、請求項１から４までのいずれか１項記載の方法。
6. 前記分割面に隣接する前記軸受面の領域は、前記溶射法の間、マスクされない、請求項１から５までのいずれか１項記載の方法。
7. 半円筒形の軸受部材であって、該軸受部材の長さにわたって、該軸受部材のそれぞれの反対側の周方向端部における分割面まで延びた凹面状の軸受面を有する軸受部材を備え、前記軸受面は、前記分割面に隣接するクラッシュリリーフ領域を除く前記軸受面全体にわたって延びた溶射された軸受オーバーレイが形成されており、前記軸受部材は、前記クラッシュリリーフ領域を除いて、実質的に一定の外径及び内径を有し、前記クラッシュリリーフ領域において、前記内径は、前記軸受面の他の領域におけるよりも大きいことを特徴とする、スプリット軸受。
8. 前記軸受オーバーレイは、軸受合金である、請求項７記載のスプリット軸受。
9. 前記軸受オーバーレイは、ポリマである、請求項７記載のスプリット軸受。
10. 前記軸受部材は、硬質金属のバッキング層と、より軟質の金属のライニング層とを含み、該ライニング層は、前記クラッシュリリーフ領域において露出させられている、請求項７から９までのいずれか１項記載のスプリット軸受。
11. 前記クラッシュリリーフ領域における前記オーバーレイと前記ライニング層との移行部は、段状ではない、請求項１０記載のスプリット軸受。
12. 実質的に、添付の図面の図３から図５までを参照してこれまでに説明されたような又は添付の図面の図３から図５までに示されたような、スプリット軸受を製造する方法。
13. 実質的に、添付の図面の図３から図５までを参照してこれまでに説明されたような又は添付の図面の図３から図５までに示されたような、スプリット軸受。

Images