JP2015034572A - Bearing structure of rotor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、回転体を回転可能に支持する軸受と、回転体に対向する軸受面に潤滑油を供給する潤滑油供給機構とを備える軸受構造に関する。 The present invention relates to a bearing structure including a bearing that rotatably supports a rotating body and a lubricating oil supply mechanism that supplies lubricating oil to a bearing surface facing the rotating body.
内燃機関のクランクシャフトは、シリンダブロック(アッパブロックあるいはクランクケースアッパ)とこれに締結されるベアリングキャップ(あるいはロアブロック)とにより構成されるジャーナル軸受によってジャーナルを回転自在に支持されている。ジャーナル軸受は、一般的にシリンダブロックおよびベアリングキャップを軸受支持部としており、それぞれに装着された半割りの軸受板(軸受メタル)によって軸受面が形成される。この軸受面にはクランクシャフトの回転摩擦を低減するために潤滑油が供給されている。また、クランクシャフトのピンにはコネクティングロッドの大端部が回転自在に連結されおり、このピンにより枢支される大端部のピン軸受の軸受面にもクランクシャフトの内部に形成される油路から潤滑油が供給されている。 A crankshaft of an internal combustion engine rotatably supports a journal by a journal bearing including a cylinder block (upper block or crankcase upper) and a bearing cap (or lower block) fastened thereto. A journal bearing generally has a cylinder block and a bearing cap as bearing support portions, and a bearing surface is formed by a half bearing plate (bearing metal) attached to each. Lubricating oil is supplied to the bearing surface in order to reduce rotational friction of the crankshaft. The large end of the connecting rod is rotatably connected to the pin of the crankshaft, and the oil passage formed inside the crankshaft is also formed on the bearing surface of the pin bearing of the large end pivoted by this pin. Lubricating oil is supplied from
クランクシャフトの給油方式として、シリンダブロックに形成した油路から各ジャーナル軸受に潤滑油を供給し、隣接するピン軸受に対しては、ピンの外周面および隣接するジャーナルの外周面に開口するようにクランクシャフト内に形成したシャフト内油路を介して潤滑油を給油するものがある(以下、ブロック給油方式と呼ぶものとする)。このブロック給油方式では、ピン軸受へ給油するジャーナル軸受において、ピン軸受への給油が滞らないように、シリンダブロック側の軸受半体(ベアリングハーフ)であるアッパベアリングの内面に周方向の全長にわたって油溝を形成した溝付きのプレーンベアリングを用い、ベアリングキャップ側の軸受半体であるロアベアリングに溝なしのプレーンベアリングを用いることになる。 As a crankshaft lubrication system, lubricating oil is supplied to each journal bearing from an oil passage formed in the cylinder block, and for the adjacent pin bearing, it opens to the outer peripheral surface of the pin and the outer peripheral surface of the adjacent journal. There is a type in which lubricating oil is supplied through an in-shaft oil passage formed in the crankshaft (hereinafter referred to as a block oil supply system). In this block lubrication method, in the journal bearing that lubricates the pin bearing, the oil is fed over the entire length in the circumferential direction on the inner surface of the upper bearing, which is the bearing half on the cylinder block side, so that the lubrication to the pin bearing does not stagnate. A plain bearing with a groove formed with a groove is used, and a plain bearing without a groove is used for a lower bearing which is a bearing half on the bearing cap side.
また、他の給油方式として、クランクシャフト内部に形成したシャフト内油路にクランク軸方向の一端から潤滑油を供給し、遠心力による加圧を利用して各ピンおよび各ジャーナルに潤滑油を給油するセンター給油方式(例えば、特許文献1)や、シリンダブロック側から給油されるジャーナルとこのジャーナルからシャフト内油路を介して給油されるジャーナルとが混在する給油方式(例えば、特許文献2)もある(以下、シャフト内給油方式と呼ぶものとする)。これらのシャフト内給油方式では、シャフト内油路から給油されるジャーナル軸受についてはアッパおよびロアの両軸受半体に溝なしのプレーンベアリングを使用することができる。そのため、前述したアッパベアリングに溝付きのプレーンベアリングを用いる方式に比べ、軸受面とジャーナル外面との隙間(以下、軸受隙間と呼ぶものとする)からの潤滑油の漏れ量を少なくすることができ、オイルポンプの小型化が可能になるとともに、潤滑油のクランクシャフトによる飛散および飛散した潤滑油のクランクシャフトとの衝突に起因する撹拌抵抗を低減させることかできる。 As another lubrication method, lubricating oil is supplied from one end in the direction of the crankshaft to the oil passage in the shaft formed inside the crankshaft, and lubricating oil is supplied to each pin and each journal by applying pressure by centrifugal force. A center oiling system (for example, Patent Document 1) and a fueling system (for example, Patent Document 2) in which a journal that is lubricated from the cylinder block side and a journal that is lubricated from this journal through an oil passage in the shaft are mixed. There is (hereinafter referred to as an in-shaft oiling system). In these in-shaft oil supply systems, plain bearings without grooves can be used for both the upper and lower bearing halves of the journal bearing that is supplied from the oil passage in the shaft. For this reason, the amount of lubricating oil leaked from the gap between the bearing surface and the journal outer surface (hereinafter referred to as the bearing gap) can be reduced compared to the above-described method using a plain bearing with a groove in the upper bearing. The oil pump can be downsized, and the agitation resistance caused by the scattering of the lubricating oil by the crankshaft and the collision of the scattered lubricating oil with the crankshaft can be reduced.
しかしながら、従来のクランクシャフトの給油方式においても回転摩擦を低減させる余地があった。 However, there is still room for reducing rotational friction in the conventional crankshaft oiling system.
本発明は、このような背景に鑑みなされたもので、回転摩擦を低減可能な回転体の軸受構造を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such a background, and an object of the present invention is to provide a bearing structure for a rotating body that can reduce rotational friction.
本願発明者らは、鋭意研究を重ねた結果、従来のクランクシャフトの給油方式を採用して、図12に示すようなブロック給油方式のクランクシャフト101および図13に示すようなシャフト内給油方式のクランクシャフト102において、ロアベアリングの表面圧力が負圧になることがあることを見出した。なお、ここではクランクシャフトを直列4気筒内燃機関用としており、図12および図13中の矢印は給油の方向を示している。図12に示すブロック給油方式のクランクシャフト101では、左から順に第1〜第5のジャーナル軸受のすべてにおいて、アッパベアリングに溝付きのプレーンベアリングが用いられる。これに対し、図13に示すシャフト内給油方式のクランクシャフト102では、左から順に第1〜第5としたジャーナル軸受のうち、第2および第4ジャーナル軸受において、アッパベアリングに溝付きのプレーンベアリングが用いられる一方、第1、第3および第5ジャーナル軸受においては、アッパおよびロアの両方に溝なしのプレーンベアリングを用いて全周にわたって溝がない構成となっている。
As a result of intensive research, the inventors of the present application have adopted a conventional crankshaft oiling system, a block oiling crankshaft 101 as shown in FIG. 12, and an in-shaft oiling system as shown in FIG. It has been found that in the
図14は、回転速度を2000rpm、供給油圧を300kPaとしたときの、図12および図13に示す両給油方式のクランクシャフト101、102の第3ジャーナル(シャフト中央部)におけるロアベアリングの表面圧力の推移を示している。同図からわかるように、ロアベアリングの表面圧力は上昇および下降を繰り返す波形を示しており、表面圧力が最も低くなる所定の区間(期間)で表面圧力が負の値になっている。この区間ではジャーナルの回転中心がロアベアリングから離れる方向に振れ、軸受隙間の体積が拡大することによって負圧が発生しているものと考えられる。
FIG. 14 shows the surface pressure of the lower bearing in the third journal (shaft center portion) of the
また、本願発明者らは、外部の電動オイルポンプからの供給油圧を250kPaに低下させ、供給油圧を一定に保ったまま回転速度を変化させたときの両クランクシャフト101、102を用いた内燃機関のモータリングフリクションを計測した。その結果、図15に示すように、アッパベアリングに溝なしのプレーンベアリングを多用できる図13に示すシャフト内油路給油方式のクランクシャフト102の方が、図12に示すブロック給油方式のクランクシャフト101に比べてフリクションが低くなることを見出した。
Further, the inventors of the present application reduced the supply hydraulic pressure from an external electric oil pump to 250 kPa, and changed the rotational speed while keeping the supply hydraulic pressure constant, so that the internal combustion engine using both
いずれの給油方式のクランクシャフト101、102においても、供給油圧の低下によってリークオイルの撹拌抵抗は減少するが、潤滑油の漏れ量が多い図12に示すブロック給油方式の方が撹拌抵抗の減少幅は大きいものと考えられる。ところが、図15に示すように、低回転域からフリクションに差が生じており、溝付きのアッパベアリングを使用せざるを得ない図12に示すブロック給油方式のクランクシャフト101のジャーナル軸受において撹拌抵抗が減少した影響よりも大きな影響が、図13に示すシャフト内給油方式のクランクシャフト102のジャーナル軸受において発生しているものと考えられる。図13に示すシャフト内給油方式のクランクシャフト102については、全周溝なしのプレーンベアリングを3つのジャーナル軸受に適用していることから、この影響は、この3つのジャーナル軸受において、図16のイメージ図に示すように、供給油圧の低下によって軸受隙間に粘性の低い空気膜層が構成され、粘性引き摺り抵抗が低減したことによるものと推測できる。
In any of the oil
前述したようなジャーナルの回転中心の暴れにより軸受隙間の体積が変化してプレーンベアリングの軸受面で負圧が発生することは、一方の軸受半体に溝なしのプレーンベアリングを用いた従来の内燃機関においても生じていたものと推測される。ただし、負圧により吸入される流体は、溝付きのプレーンベアリング側にシリンダブロックから供給された潤滑油またはプレーンベアリングから側方に漏れた直後の周辺オイルであると考えられる。このような粘性流体を主体とする流体が負圧部へ充填されたのでは、大きな軸受摩擦損失の低減効果は期待できない。 As described above, the volume of the bearing gap changes due to the rotation of the rotation center of the journal and negative pressure is generated on the bearing surface of the plain bearing. The conventional internal combustion using a plain bearing without a groove on one bearing half body It is presumed that it had also occurred in the organization. However, the fluid sucked by the negative pressure is considered to be the lubricating oil supplied from the cylinder block to the grooved plain bearing side or the peripheral oil immediately after leaking sideways from the plain bearing. If the fluid mainly composed of such a viscous fluid is filled in the negative pressure portion, the effect of reducing a large bearing friction loss cannot be expected.
同様に、両方の軸受半体に溝なしのプレーンベアリングを使用できるシャフト内給油方式の内燃機関においても、負圧によって充填される流体は、溝付きのプレーンベアリングよりは少ないが、プレーンベアリングの側部から再流入する周辺オイルが大半を占めるものと予想される。したがって、ジャーナルの回転中心が離れて荷重が加わらなくなる区間においても潤滑油の粘性によって軸受摩擦損失が発生していると考えられる。 Similarly, in an in-shaft internal combustion engine that can use plain bearings without grooves in both bearing halves, the fluid filled by negative pressure is less than that of plain bearings with grooves, but on the side of the plain bearings. It is expected that the peripheral oil re-entering from the area will account for the majority. Therefore, it is considered that bearing friction loss occurs due to the viscosity of the lubricating oil even in the section where the rotation center of the journal is separated and no load is applied.
なお、静圧軸受に分類される空気軸受の技術は存在するが、この技術は専用の高圧空気発生装置で作った圧縮空気を軸受隙間に供給して回転体を浮上させる技術であり、別途、コンプレッサやサージタンク、圧力配管などの装置が必要になる。そのため、軸受摩擦を低減させることは可能であるが、重量、コスト、消費エネルギの点で不利になる。 Although there are air bearing technologies classified as static pressure bearings, this technology is a technology that floats the rotating body by supplying compressed air made by a dedicated high-pressure air generator to the bearing gap. Equipment such as a compressor, surge tank, and pressure piping are required. Therefore, although it is possible to reduce bearing friction, it is disadvantageous in terms of weight, cost, and energy consumption.
本発明は、本願発明者らのこのような知見に基づきなされたものである。前述した回転摩擦を低減させるという課題は、本発明の一側面によれば、回転体(2)を回転可能に支持する軸受(12)と、前記回転体(2)に対向する前記軸受(12)の軸受面(11a)に潤滑油を供給する潤滑油供給路(21〜24)と、前記軸受(12)に形成され、前記軸受面(11a)に開口する軸受面開口(30a)と前記軸受(12)の外面に開口する外面開口(30b)とを連通する連通孔(30)と、前記連通孔(30)に設けられ、前記外面開口(30b)側から前記軸受面開口(30a)側へ空気を流通させて前記軸受面(11a)の内側に空気を導入する空気導入機構(40、50)とを有することを特徴とする回転体の軸受構造を提供することにより達成される。 This invention is made | formed based on such knowledge of this inventor. According to one aspect of the present invention, the above-described problem of reducing rotational friction is a bearing (12) that rotatably supports a rotating body (2) and the bearing (12) that faces the rotating body (2). ) For supplying lubricating oil to the bearing surface (11a), the bearing surface opening (30a) formed in the bearing (12) and opening in the bearing surface (11a) A communication hole (30) that communicates with the outer surface opening (30b) that opens to the outer surface of the bearing (12), and the communication surface (30) are provided in the communication hole (30), and the bearing surface opening (30a) from the outer surface opening (30b) side. This is achieved by providing a bearing structure for a rotating body having an air introduction mechanism (40, 50) for introducing air into the bearing surface (11a) by circulating air to the side.
このように、回転体を軸支する軸受の軸受面と外部空間との間に、空気を軸受面に導入する空気導入機構が設けられることにより、軸受隙間に効率よく空気が取り込まれて軸受面に空気層が形成されるため、潤滑油が取り込まれる従来の構成に比べて回転体の粘性抵抗を低減させることができる。 Thus, by providing an air introduction mechanism that introduces air into the bearing surface between the bearing surface of the bearing that pivotally supports the rotating body and the external space, the air is efficiently taken into the bearing gap so that the bearing surface Since the air layer is formed on the surface, the viscous resistance of the rotating body can be reduced as compared with the conventional configuration in which the lubricating oil is taken in.
また、本発明の一側面によれば、前記軸受面開口(30a)は、前記回転体(2)の回転中心が前記軸受面(11a)から離れ始めたときに軸受隙間が拡大する部位に対して前記回転体(2)の回転方向下流側の位置に設けられている構成とすることができる。 Further, according to one aspect of the present invention, the bearing surface opening (30a) is located at a position where a bearing gap is enlarged when the rotation center of the rotating body (2) starts to move away from the bearing surface (11a). The rotating body (2) can be provided at a position downstream of the rotating direction.
軸受面の円周上のこのような角度位置に軸受面開口を設けることにより、軸受面と回転軸との隙間が拡大している周方向の区間で空気層を形成しやすくすることができ、回転摩擦の低減効果をより高くすることができる。 By providing the bearing surface opening at such an angular position on the circumference of the bearing surface, it is possible to easily form an air layer in a circumferential section where the gap between the bearing surface and the rotating shaft is widened, The effect of reducing rotational friction can be further increased.
また、本発明の一側面によれば、前記回転体は、内燃機関(1)のクランクシャフト(2)であり、前記軸受は、シリンダブロック(7)および当該シリンダブロック(7)に締結されるベアリングキャップ(9)により構成される軸受支持部(10)と、前記シリンダブロック(7)および前記ベアリングキャップ(9)のそれぞれに装着されるブロック側軸受半体(11U)およびキャップ側軸受半体(11L)により構成される軸受メタル(11)とを有するクランクジャーナル軸受(12)であり、前記連通孔(30)の前記軸受面開口(30a)が、前記キャップ側軸受半体(11L)の軸受面における周方向の中央に対して前記クランクシャフト(2)の回転方向下流側に形成され、前記連通孔(30)の前記外面開口(30b)が、前記軸受面開口(30a)よりも鉛直方向で下方に形成されている構成とすることができる。 According to another aspect of the present invention, the rotating body is a crankshaft (2) of an internal combustion engine (1), and the bearing is fastened to the cylinder block (7) and the cylinder block (7). A bearing support portion (10) constituted by a bearing cap (9), a block side bearing half (11U) and a cap side bearing half which are respectively mounted on the cylinder block (7) and the bearing cap (9). (11L) is a crank journal bearing (12) having a bearing metal (11), and the bearing surface opening (30a) of the communication hole (30) is formed on the cap side bearing half (11L). The outer circumferential opening (30b) of the communication hole (30) is formed on the downstream side in the rotation direction of the crankshaft (2) with respect to the circumferential center of the bearing surface. There may be a configuration that is formed downward in the vertical direction than the bearing surface opening (30a).
この構成によれば、ブロック側軸受半体およびキャップ側軸受半体の回転方向上流側に軸受面開口が形成されないため、クランクシャフトのジャーナル軸受に適用した場合に内燃機関の膨張行程において潤滑油が連通孔を逆流することを防止できる。また、外面開口が軸受面開口よりも鉛直方向で下方に形成されることにより、連通孔内の潤滑油の排出が容易になる。 According to this configuration, since the bearing surface opening is not formed on the upstream side in the rotational direction of the block side bearing half and the cap side bearing half, the lubricating oil is applied during the expansion stroke of the internal combustion engine when applied to the journal bearing of the crankshaft. It is possible to prevent backflow through the communication hole. Further, since the outer surface opening is formed below the bearing surface opening in the vertical direction, the lubricating oil in the communication hole can be easily discharged.
また、本発明の一側面によれば、前記潤滑油供給路は、前記クランクシャフト(2)の内部に形成されて前記クランクシャフト(2)のジャーナル(3)の外面に開口するシャフト内油路(24)を含み、前記ブロック側軸受半体(11U)および前記キャップ側軸受半体(11L)はともに、縦断面において平坦な軸受面を有するプレーンベアリングである構成とすることができる。 Further, according to one aspect of the present invention, the lubricating oil supply passage is formed in the crankshaft (2) and opens in the outer surface of the journal (3) of the crankshaft (2). (24), both the block side bearing half (11U) and the cap side bearing half (11L) can be configured as plain bearings having a flat bearing surface in a longitudinal section.
この構成によれば、両軸受半体にプレーンベアリングを用いているため、クランクシャフトと軸受面との間で発生する負圧が大きくなり、より多くの空気を軸受隙間に流入させることができる。 According to this configuration, since plain bearings are used for both bearing halves, the negative pressure generated between the crankshaft and the bearing surface increases, and more air can flow into the bearing gap.
また、本発明の一側面によれば、前記ブロック側軸受半体(11U)および前記キャップ側軸受半体(11L)は、それぞれ貫通孔(11d)を有する同一の形状に形成され、前記潤滑油供給路は、前記シリンダブロック(7)に形成されて、前記内燃機関(1)に設けられるオイルポンプから供給される前記潤滑油を前記ブロック側軸受半体(11U)の前記貫通孔(11d)に供給するメイン油路(22)を含む構成とすることができる。 Also, according to one aspect of the present invention, the block side bearing half (11U) and the cap side bearing half (11L) are each formed in the same shape having a through hole (11d), and the lubricating oil The supply path is formed in the cylinder block (7), and the lubricating oil supplied from an oil pump provided in the internal combustion engine (1) is supplied to the through hole (11d) of the block side bearing half (11U). It can be set as the structure containing the main oil path (22) supplied to.
この構成によれば、内燃機関の組立工程で組み込むベアリングの種類を少なくする(最も少ない場合、油溝に大径の油孔が開口する溝付きのプレーンベアリング、および単一の小径の油孔が穿設された溝なしのプレーンベアリングの2種類にする)ことができるため、作業者による誤組立を防止できるとともに、部品管理コストを削減できる。 According to this configuration, the number of types of bearings incorporated in the assembly process of the internal combustion engine is reduced (in the least case, a grooved plain bearing in which a large-diameter oil hole is opened in the oil groove and a single small-diameter oil hole are provided. Therefore, it is possible to prevent erroneous assembly by an operator and to reduce the part management cost.
また本発明の一側面によれば、前記空気導入機構(40)は、潤滑油に比べて大きな流量をもって空気を流通させる螺旋状オリフィス(43)を含む構成とすることができる。 Further, according to one aspect of the present invention, the air introduction mechanism (40) can include a spiral orifice (43) that allows air to flow at a larger flow rate than the lubricating oil.
この構成によれば、空気導入機構に螺旋状オリフィスを用いることにより、クランクシャフト側の高圧の潤滑油が螺旋状オリフィスを通過して漏れ出すことを防止でき、動圧軸受としての機能を損なうことがない。また、軸受隙間が拡大して負圧が発生した場合には、外部空間から粘性の低い空気を吸い込ませ、螺旋状オリフィスを通過させて軸受隙間に供給することができる。 According to this configuration, by using a spiral orifice for the air introduction mechanism, high-pressure lubricating oil on the crankshaft side can be prevented from leaking through the spiral orifice, and the function as a hydrodynamic bearing can be impaired. There is no. Further, when the bearing gap is enlarged and negative pressure is generated, low-viscosity air can be sucked from the external space and supplied through the spiral orifice to the bearing gap.
また、本発明の一側面によれば、前記空気導入機構(50)は、前記軸受面(11a)側の圧力が正のときに閉弁し、前記軸受面(11a)側の圧力が所定の負圧力を超えると開弁する一方向弁(52)を含む構成とすることができる。 Further, according to one aspect of the present invention, the air introduction mechanism (50) is closed when the pressure on the bearing surface (11a) side is positive, and the pressure on the bearing surface (11a) side is predetermined. A one-way valve (52) that opens when the negative pressure is exceeded may be included.
この構成によれば、空気導入機構が一方向弁を含むことにより、クランクシャフト側の高圧の潤滑油が外部空間側へ漏れ出すことを閉弁した一方向弁によって防止でき、動圧軸受としての機能を損なうことがない。また、軸受隙間が拡大して所定の負圧力を超える負圧が発生した場合には、一方向弁が開弁して外部空間から粘性の低い空気を吸い込ませて軸受隙間に空気を供給することができる。 According to this configuration, since the air introduction mechanism includes the one-way valve, the high-pressure lubricating oil on the crankshaft side can be prevented from leaking to the external space side by the closed one-way valve, There is no loss of functionality. In addition, when a negative pressure exceeding the specified negative pressure is generated due to the expansion of the bearing gap, the one-way valve opens to suck in low-viscosity air from the external space and supply air to the bearing gap. Can do.
このように本発明によれば、回転摩擦を低減可能な回転体の軸受構造を提供することができる。 Thus, according to this invention, the bearing structure of the rotary body which can reduce rotational friction can be provided.
以下、図面を参照して、本発明を自動車用の内燃機関1に適用した実施形態について詳細に説明する。
Hereinafter, an embodiment in which the present invention is applied to an automobile
≪第1実施形態≫
まず、図1〜図9を参照して第1実施形態に係る回転体の軸受構造について説明する。図1に示すように、軸受構造は、直列4気筒内燃機関(以下、単に内燃機関1と呼ぶ)のクランクシャフト2に適用されている。クランクシャフト2は、同軸にかつ軸方向に離間する位置に設けられた5つのジャーナル3と、隣接する2つのジャーナル3間において、各ジャーナル3の軸端に接続する一対のウェブ4によってジャーナル3の回転中心から離間した位置に配置される4つのクランクピン5とを有している。ウェブ4は、クランクアームを構成するものであり、クランクピン5と相反する側の適宜の位置に一体に形成されたカウンタウェイト6を備えている。クランクシャフト2の図中の左端には、内燃機関1のカムシャフトを駆動するためのスプロケットや補機を駆動するためのクランクプーリなどが取り付けられる。一方、クランクシャフト2の図中の右端には、変速機を備える伝動装置に結合されるフライホイールが取り付けられる。
<< First Embodiment >>
First, the bearing structure of the rotating body according to the first embodiment will be described with reference to FIGS. As shown in FIG. 1, the bearing structure is applied to a
内燃機関1は、直列配置された4つのシリンダを構成するアッパブロック7(シリンダブロック)を有し、アッパブロック7の下部には、クランクケースの上部を構成するスカートと共にクランクシャフト2を支持する5つの支持壁8が一体に形成されている。各支持壁8の下部にはベアリングキャップ9が締結され、支持壁8とベアリングキャップ9とによって5つのジャーナル支持部10が構成される。本実施形態では、内燃機関1がシリンダ軸線を鉛直方向に延在させた直立状態にあるものとして説明するが、内燃機関1の搭載角度はこれに限定される必要はない。
The
各ジャーナル支持部10では、支持壁8とベアリングキャップ9とにより略円形断面の円筒孔が形成されており、この円筒孔にジャーナル3の軸受面11aを構成する半割りの軸受メタル11(11U、11L)が装着されることにより、クランクシャフト2のジャーナル3を回転可能に支持するジャーナル軸受12が構成される。以下、支持壁8に形成された半円形状の切欠部に装着される軸受メタル11の半体をアッパベアリング11Uと称し、ベアリングキャップ9に形成された半円形状の切欠部に装着される軸受メタル11の半体をロアベアリング11Lと称する。また、5つのジャーナル軸受12およびこれを構成する要素やこれに対応するジャーナル3などの要素を、図1の左側から順に第1、第2・・第5とし、クランクピン5を、図1の左側から順に第1、第2・・第4として説明する。
In each
図2および図3に示すように、本実施形態では、5つのベアリングキャップ9は、アッパブロック7の下面に締結されるロアブロック13と一体に形成されている。他の実施形態では、ベアリングキャップ9は、それぞれ別体に構成されてもよく、一体のラダーフレームとしてロアブロック13と別体に構成されてもよい。
As shown in FIGS. 2 and 3, in the present embodiment, the five
アッパブロック7の吸気側および排気側にはウォータージャケット14が形成されている。また、両ウォータージャケット14間のクランクシャフト2よりも上方部分には、クランクシャフト2と平行にシリンダ列方向に延在するオイルギャラリ21が形成されている。オイルギャラリ21には内燃機関1に付設されたオイルポンプから潤滑油が供給される。
図1および図2に示すように、第2および第4ジャーナル軸受12では、それぞれアッパブロック7と一体の支持壁8に、第2および第4ジャーナル軸受12に潤滑油を供給するためのメイン油路22が支持壁8の厚さ方向の中央を通ってオイルギャラリ21から下方へ延びるように形成されている。第2および第4ジャーナル軸受12では、アッパベアリング11Uの外側すなわち支持壁8の半円筒状切欠の内周面に、周方向に延びる油供給溝23が形成されている。
As shown in FIGS. 1 and 2, in the second and
本実施形態では、オイルギャラリ21の潤滑油が図1の矢印で示すように第2および第4支持壁8に形成されたメイン油路22を通って第2および第4ジャーナル軸受12に供給され、第2および第4ジャーナル3に供給された潤滑油が、クランクシャフト2内に形成されたシャフト内油路24を通って隣接するクランクピン5およびジャーナル3に供給されるようになっている。
In the present embodiment, the lubricating oil in the
シャフト内油路24は、各ジャーナル3の外面に開口するようにジャーナル3内に形成されたジャーナル油路26と、各クランクピン5の外面に開口するようにクランクピン5内に形成されたピン油路27と、互いに隣接するジャーナル油路26とピン油路27とを連通させるようにクランクシャフト2の軸方向および径方向に延在する連通油路28とにより構成される。連通油路28(28A、28B、28C、28D)は、第2ジャーナル3のジャーナル油路26から第1クランクピン5のピン油路27を経由して第1ジャーナル3のジャーナル油路26に至る第1分岐油路28Aと、第2ジャーナル3のジャーナル油路26から第2クランクピン5のピン油路27を経由して第3ジャーナル3のジャーナル油路26に至る第2分岐油路28Bと、第4ジャーナル3のジャーナル油路26から第3クランクピン5のピン油路27に至る第3分岐油路28Cと、第4ジャーナル3のジャーナル油路26から第4クランクピン5のピン油路27を経由して第5ジャーナル3のジャーナル油路26に至る第4分岐油路28Dとから構成されている。
The shaft
第2および第4ジャーナル軸受12では、油供給溝23に整合するアッパベアリング11Uの軸方向中央であって周方向に異なる位置に、外周面と内周面とにそれぞれ開口する2つの給油孔11bが形成されている。そして、第2および第4ジャーナル軸受12では、クランクシャフト2内の連通油路28を介して他の軸受部分に継続的に潤滑油を供給するために、アッパベアリング11Uが、軸受面11aをなす内周面の軸方向の中央にて周方向の全長にわたって延在する給油溝11cが形成された溝付きのプレーンベアリングとされるともに、ジャーナル油路26が、ジャーナル3の周方向に180度異なる位置で外面に開口する貫通孔により形成されている。一方、第2および第4ジャーナル軸受12のロアベアリング11Lは、縦断面において平坦な軸受面11aを有する溝なしのプレーンベアリングとされている。
In the second and
図1および図3に示すように、第1、第3および第5ジャーナル軸受12では、第1、第2および第4分岐油路28A、28B、28Dから潤滑油が供給されるため、支持壁8にメイン油路22が形成されておらず、アッパベアリング11Uおよびロアベアリング11Lともに、軸受面11aに給油溝11cが形成されない溝なしのプレーンベアリングとされている。ジャーナル油路26は、第2および第4ジャーナル3とは異なり、ジャーナル3の中央から径方向の一方に延びてジャーナル3の外面に開口するように形成されている。
As shown in FIGS. 1 and 3, in the first, third, and
一方、第1、第3および第5ジャーナル軸受12では、図3および図4に示すように、各ベアリングキャップ9およびロアベアリング11Lに、軸受面11aに開口する軸受面開口30aとベアリングキャップ9の外面(ウォータージャケット14ではなくオイル溜めを画成する面)に開口する外面開口30bとを連通する連通孔30が形成されている。連通孔30は、ベアリングキャップ9に形成された貫通孔9aと、これに接続するようにロアベアリング11Lに形成された貫通孔11dとにより構成されており、ロアベアリング11Lに形成された貫通孔11dの内側端部が軸受面開口30aとなっている。ロアベアリング11Lの貫通孔11dは、第2および第4ジャーナル軸受12(図2)のアッパベアリング11Uに形成された給油孔11bに比べて小径とされている。
On the other hand, in the first, third and
連通孔30には、外面開口30b側から軸受面開口30a側へ空気を流通させて軸受面11aの内側に空気を導入する空気導入機構40が設けられている。本実施形態の空気導入機構40は、図4に示すように、ベアリングキャップ9の貫通孔9aにおけるロアベアリング11L側の端部に形成されたねじ孔41と、このねじ孔41に螺合する止めねじ42(いもねじ)とによって形成される両者間の螺旋状オリフィス43である。止めねじ42は、ロアベアリング11L側の端面に六角穴が形成された六角穴付き止めねじ42である。なお、螺旋状オリフィス43と第1貫通穴との連通を確保するため、止めねじ42の六角穴と相反する側の端面が斜めまたは凹凸面に形成されるとよい。
The
螺旋状オリフィス43は、ねじ山の頂とねじ溝の谷底との間に形成される隙間に加え、止めねじ42の追い側フランク42aとこれに対向するねじ孔41の進み側フランク41aとの間に形成される隙間により構成され、ロアベアリング11Lの背面に隣接する位置に設けられている。なお、図示は省略するが、このフランク間に形成される隙間を安定させるために、ロアベアリング11Lと止めねじ42との間に弾性部材を介装して止めねじ42を外面開口30b側に常時付勢するとよい。
In addition to the gap formed between the top of the thread and the bottom of the thread groove, the
あるいは、螺旋状オリフィス43を、止めねじ42の進み側フランク42bとこれに対向するねじ孔41の追い側フランク41bとの間に形成される隙間によって形成されるように構成してもよい。この場合には、フランク間に形成される隙間を安定させるために、ねじ孔41の底と止めねじ42との間に皿ばねなどの弾性部材を介装して止めねじ42を軸受面開口30a側に常時付勢するとよい。
Alternatively, the
螺旋状オリフィス43は、外面開口30b側から軸受面開口30a側へ空気を流通させる一方、軸受面開口30a側から外面開口30b側への潤滑油の流通を阻害するようにその寸法が設定されている。これにより、軸受隙間に負圧が発生したときに螺旋状オリフィス43を流通した空気が連通孔30を介して軸受隙間に導入される。螺旋状オリフィス43の寸法および性能については後に詳述する。
The size of the
図3に示すように、クランクシャフト2は矢印で示すように図中において時計回りに回転しており、ジャーナル3はピストンの往復運動の影響によって上下方向に大きく振れる。連通孔30は、ロアベアリング11Lの軸受面11aにおける最下端(中方向の中央)に対して左方すなわちクランクシャフト2の回転方向の下流側に位置に軸受面開口30aを形成している。つまり、軸受面開口30aは、ジャーナル3の回転中心がロアベアリング11Lの最下端で軸受面11aから離れ始めたときに軸受隙間が拡大する部位に対してジャーナル3の回転方向下流側の位置に設けられている。
As shown in FIG. 3, the
また、連通孔30は、軸受面開口30aから左斜め下方へ延びてベアリングキャップ9の外面に外面開口30bを形成している。つまり、連通孔30の外面開口30bが、軸受面開口30aよりも鉛直方向で下方に形成されている。そのため、螺旋状オリフィス43を通過した若干の潤滑油は連通孔30を下降して外面開口30bからオイル溜めに排出され、第1、第3および第5ジャーナル軸受12の軸受隙間が負圧になると、空気を優先的に流通させて軸受面11aの内側に空気を導入する。
Further, the
なお、第2および第4ジャーナル軸受12(図2)のロアベアリング11L、並びに第1、第3および第5ジャーナル軸受12(図3)のアッパベアリング11Uには、貫通孔11dが形成された第1、第3および第5ジャーナル軸受12(図3)のロア軸受と同一形状のものが用いられている。
The
次に、螺旋状オリフィス43の寸法および性能について説明する。発明者らは、螺旋状オリフィス43を形成する止めねじ42の寸法(ねじ孔41の寸法も合わせて)を変化させて軸受面11a側に充填した潤滑油に正圧を加え、螺旋状オリフィス43を通過する潤滑油の流量を測定する実験を行った。止めねじ42の寸法としては、ねじの呼びM4、M8の2つの径を用意し、M4については長さ5mmおよび10mmの2つの長さを、M8については長さ4.4mm、8.8mmおよび17.6mmの3つの長さをそれぞれ用意し、合計5つの異なる寸法について実験を行った。結果は図5に示す通りであった。
Next, the dimension and performance of the
また、ねじの呼びM8、長さ17.6mmを除く4つの異なる寸法の止めねじ42について、軸受面11a側に充填した空気に負圧を加え、螺旋状オリフィス43を通過する空気の流量を測定する実験を行った。結果は図6に示す通りであった。これら4つの寸法の止めねじ42による潤滑油の流量と空気の流量とを比較したグラフが図7である。図7に示すように、ねじの呼びM4、長さ5mmの止めねじ42において、潤滑油流量に対する空気流量の比率が最も大きくなり、本発明に適した特性が示されたことから、ねじの呼びM4、長さ5mmの止めねじ42を空気導入機構40に採用し、モータリングフリクションを測定した。
For the
モータリングフリクションの測定は、先に述べた従来の給油方式のクランクシャフト101、102について行った条件と同一の条件、すなわち、オイルポンプからの供給油圧を250kPaで一定にして、回転速度を変化させて行った。結果は図8に示す通りとなり、本発明に係る軸受構造では、従来の両給油方式のクランクシャフト101、102に比べてフリクショントルクが減少した。特に、低回転速度域でフリクショントルクの減少量が大きくなっている。
The motoring friction is measured by changing the rotation speed while keeping the same conditions as those for the conventional
これは、本発明に係る軸受構造において、供給油圧を様々な値で一定にしたときの、クランクシャフト2の回転速度とロアベアリング11Lの軸受面11aにおける最小圧力(油圧)との関係を示す図9のグラフに示されるように、低回転速度域においてロアベアリング11Lの表面圧力が最小になっていることと調和する。すなわち、ロアベアリング11Lの軸受面11aで発生する負圧により、粘性の低い空気が軸受隙間に混入することによって油膜粘性抵抗が低下したことに起因するものと考えられる。
This is a diagram showing the relationship between the rotational speed of the
このように、第1、第3および第5ジャーナル軸受12(図3および図4)において、軸受隙間(軸受面11a)と外部(オイル溜め)とを連通する連通孔30に外部側から軸受隙間側に優先的に空気を流通させる螺旋状オリフィス43が設けられたことにより、軸受隙間に負圧が発生したときに軸受隙間に効率よく空気が取り込まれて軸受面11aに空気層が形成されるため、潤滑油が取り込まれる従来の構成に比べてクランクシャフト2の回転摩擦が低減する。
In this way, in the first, third and fifth journal bearings 12 (FIGS. 3 and 4), the bearing clearance from the outside to the
また、連通孔30の軸受面開口30aが、ロアベアリング11Lの最下端に対してクランクシャフト2の回転方向の下流側に位置、すなわちジャーナル3の回転中心がロアベアリング11Lにおける内燃機関1の膨張行程におけるピストン移動方向の端部で軸受面11aから離れ始めたときに軸受隙間が拡大する部位に対してジャーナル3の回転方向下流側の位置に設けられたことにより、軸受面11aとジャーナル3との隙間が拡大している周方向の区間で空気層が形成されやすくなり、クランクシャフト2の回転摩擦(粘性抵抗)がより効果的に低減する。
Further, the bearing surface opening 30a of the
さらに、連通孔30の軸受面開口30aが、ロアベアリング11Lの最下端に対してクランクシャフト2の回転方向下流側に形成されたことにより、内燃機関1の膨張行程において潤滑油が連通孔30を逆流することが防止される。また、連通孔30の外面開口30bが軸受面開口30aよりも鉛直方向で下方に形成されたことにより、連通孔30内の潤滑油の排出が容易になり、軸受隙間が負圧になったときに空気が優先的に軸受面11aの内側に導入される。
Further, since the bearing surface opening 30a of the
本実施形態では、図1に示すように、クランクシャフト2の内部にジャーナル3の外面に開口するシャフト内油路24が形成され、第1、第3および第5ジャーナル軸受12において、アッパベアリング11Uおよびロアベアリング11Lがともに、縦断面において平坦な軸受面11aを有するプレーンベアリングとされたことにより、ジャーナル3と軸受面11aとの間で発生する負圧が大きくなり、より多くの空気を軸受隙間に流入させてクランクシャフト2の回転摩擦がより効果的に低減させることができる。
In the present embodiment, as shown in FIG. 1, an in-
そして、第2および第4ジャーナル軸受12(図2)のロアベアリング11L、並びに第1、第3および第5ジャーナル軸受12(図3)のアッパベアリング11Uに、貫通孔11dが形成された第1、第3および第5ジャーナル軸受12(図3)のロア軸受と同一形状のものが用いられることにより、5つのジャーナル軸受12に2種類のベアリングハーフのみが用いられることになり、これにより、作業者による誤組立の防止が図られるとともに、部品管理コストが削減される。
A first through
また本実施形態では、空気導入機構40が連通孔30の所定位置に設けられた螺旋状オリフィス43によって構成されることにより、クランクシャフト2側の高圧の潤滑油が螺旋状オリフィス43を通過して漏れ出すことが防止され、動圧軸受としての機能が損なわれることはない。また、軸受隙間が拡大して負圧が発生した場合には、外部空間から粘性の低い空気を吸い込ませ、吸い込んだ空気を螺旋状オリフィス43を通過させて軸受隙間に供給することが可能である。
Further, in the present embodiment, the
≪第2実施形態≫
次に、図10および図11を参照して第2実施形態に係る回転体の軸受構造について説明する。なお、第1実施形態と形態または機能が同一または同様の要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
<< Second Embodiment >>
Next, the bearing structure of the rotating body according to the second embodiment will be described with reference to FIGS. 10 and 11. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the element which is the same or the same as that of 1st Embodiment, or a function, and the overlapping description is abbreviate | omitted.
本実施形態の軸受構造では、第1、第3および第5ジャーナル軸受12(図1参照)に設けられる空気導入機構50が第1実施形態と異なっている。本実施形態の空気導入機構50は、ベアリングキャップ9に形成された貫通孔9aのロアベアリング11L側の端部が拡径されることによって形成された弁収容部51と、弁収容部51に収容されて外面開口30b側から軸受面開口30a側のみに流体を流通させる一方向弁52とにより構成されている。
In the bearing structure of this embodiment, the
弁収容部51は、連通孔30が開口する底面の中央に弁座51aが形成される一方、開放面がロアベアリング11Lによって覆われている。開放面の中央にはロアベアリング11Lの貫通孔11dが配置されている。一方向弁52は、ハウジング53と、弁座51aに着座するチェックボール54と、チェックボール54とハウジング53との間に介装されてチェックボール54を弁座51a側に常時付勢する付勢手段である圧縮コイルばね55とを備えている。これにより、一方向弁52は、軸受面11a側の圧力が正のときに閉弁し、軸受面11a側の圧力が所定の負圧力を超えると開弁する。
The
空気導入機構50がこのように構成されることにより、クランクシャフト2側の高圧の潤滑油が外部空間側へ漏れ出すことが閉弁した一方向弁52によって防止され、動圧軸受としての機能が損なわれることはない。また、軸受隙間が拡大して所定の負圧力を超える負圧が発生した場合には、一方向弁52が開弁して外部空間から粘性の低い空気が吸い込まれ、軸受隙間に空気が供給される。
By configuring the
以上で具体的実施形態の説明を終えるが、本発明は上記実施形態に限定されることなく幅広く変形実施することができる。例えば、上記実施形態では、一例として自動車用の内燃機関1のクランク軸受として軸受構造の説明を行ったが、他の用途に用いる内燃機関のクランクシャフトや、クランクシャフト以外の軸受にも当然に適用可能である。また、クランクシャフトに適用する場合には、直列4気筒に限らず、2気筒や3気筒、あるいは5気筒以上の直列気筒型、V型並びに水平対向型などの内燃機関にも適用することができる。また、潤滑油供給路や空気導入機構40、連通孔30、その他の部材や部位の具体的構成や配置、数量、角度など、本発明の趣旨を逸脱しない範囲であれば適宜変更可能である。一方、上記実施形態に示した軸受構造の各構成要素は必ずしも全てが必須ではなく、適宜選択することができる。
Although the description of the specific embodiment is finished as described above, the present invention is not limited to the above embodiment and can be widely modified. For example, in the above-described embodiment, the bearing structure has been described as a crank bearing of the
1 内燃機関
2 クランクシャフト(回転体)
3 ジャーナル
7 アッパブロック(シリンダブロック)
9 ベアリングキャップ
10 ジャーナル支持部(軸受支持部)
11 軸受メタル
11L ロアベアリング(キャップ側軸受半体)
11U アッパベアリング(ブロック側軸受半体)
11a 軸受面
11d 貫通孔
12 ジャーナル軸受
21 オイルギャラリ
22 メイン油路
23 油供給溝
24 シャフト内油路
30 連通孔
30a 軸受面開口
30b 外面開口
40 空気導入機構
43 螺旋状オリフィス
50 空気導入機構
52 一方向弁
1
9
11
11U upper bearing (block side bearing half)
Claims (7)
前記回転体に対向する前記軸受の軸受面に潤滑油を供給する潤滑油供給路と、
前記軸受に形成され、前記軸受面に開口する軸受面開口と前記軸受の外面に開口する外面開口とを連通する連通孔と、
前記連通孔に設けられ、前記外面開口側から前記軸受面開口側へ空気を流通させて前記軸受面の内側に空気を導入する空気導入機構と
を有することを特徴とする回転体の軸受構造。 A bearing that rotatably supports the rotating body;
A lubricating oil supply path for supplying lubricating oil to the bearing surface of the bearing facing the rotating body;
A communication hole that is formed in the bearing and communicates with a bearing surface opening that opens to the bearing surface and an outer surface opening that opens to the outer surface of the bearing;
A bearing structure for a rotating body, comprising: an air introduction mechanism that is provided in the communication hole and introduces air into the bearing surface by allowing air to flow from the outer surface opening side to the bearing surface opening side.
前記軸受は、シリンダブロックおよび当該シリンダブロックに締結されるベアリングキャップにより構成される軸受支持部と、前記シリンダブロックおよび前記ベアリングキャップのそれぞれに装着されるブロック側軸受半体およびキャップ側軸受半体により構成される軸受メタルとを有するクランクジャーナル軸受であり、
前記連通孔の前記軸受面開口が、前記キャップ側軸受半体の軸受面における周方向の中央に対して前記クランクシャフトの回転方向下流側に形成され、
前記連通孔の前記外面開口が、前記軸受面開口よりも鉛直方向で下方に形成されていることを特徴とする、請求項1または請求項2に記載の回転体の軸受構造。 The rotating body is a crankshaft of an internal combustion engine;
The bearing includes a bearing support portion configured by a cylinder block and a bearing cap fastened to the cylinder block, and a block side bearing half and a cap side bearing half mounted on the cylinder block and the bearing cap, respectively. A crank journal bearing having a bearing metal configured,
The bearing surface opening of the communication hole is formed on the downstream side in the rotational direction of the crankshaft with respect to the center in the circumferential direction of the bearing surface of the cap-side bearing half.
The bearing structure for a rotating body according to claim 1, wherein the outer surface opening of the communication hole is formed below the bearing surface opening in a vertical direction.
前記ブロック側軸受半体および前記キャップ側軸受半体はともに、縦断面において平坦な軸受面を有するプレーンベアリングであることを特徴とする、請求項3に記載の回転体の軸受構造。 The lubricating oil supply path includes an in-shaft oil path that is formed inside the crankshaft and opens to an outer surface of a journal of the crankshaft.
The bearing structure for a rotating body according to claim 3, wherein both the block side bearing half and the cap side bearing half are plain bearings having a flat bearing surface in a longitudinal section.
前記潤滑油供給路は、前記シリンダブロックに形成されて、前記内燃機関に設けられるオイルポンプから供給される前記潤滑油を前記ブロック側軸受半体の前記貫通孔に供給するメイン油路を含むことを特徴とする、請求項3または請求項4に記載の回転体の軸受構造。 The block side bearing half and the cap side bearing half are each formed in the same shape having a through-hole,
The lubricating oil supply path includes a main oil path that is formed in the cylinder block and supplies the lubricating oil supplied from an oil pump provided in the internal combustion engine to the through hole of the block side bearing half. The bearing structure for a rotating body according to claim 3 or 4, characterized in that:
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JP2017025783A (en) * | 2015-07-22 | 2017-02-02 | トヨタ自動車株式会社 | Internal combustion engine |
US11536170B2 (en) | 2021-03-08 | 2022-12-27 | Mazda Motor Corporation | Crankshaft bearing structure |
-
2013
- 2013-08-08 JP JP2013164848A patent/JP2015034572A/en active Pending
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