JP2016217501A - 内燃機関用軸受および内燃機関用軸受の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関用の軸受において暖機特性を改善する。【解決手段】半割軸受１１は、相手軸と摺動する内周面１１２およびハウジングと接する外周面１１３を有する半円筒形状に樹脂で形成された軸受本体１１１と、軸受本体１１１に形成されたオイルリリーフおよびクラッシリリーフを有する。【選択図】図３

Description

本発明は、自動車等の内燃機関において用いられる軸受に関する。

自動車等の内燃機関（エンジン）において用いられる、いわゆる主軸受またはコンロッド軸受としては、鋼等で形成された裏金上に銅系またはアルミニウム系の軸受合金で形成されたライニング層を有するバイメタルを用いた軸受が知られている（例えば特許文献１）。また、内燃機関用ではないが、事務機器等において用いられる軸受としては、樹脂で形成した軸受が知られている（例えば特許文献２および３）。

特開２０１３−１６７２８０号公報 特開２００８−１９８８０号公報 特開２０００−８７９５４号公報

自動車の内燃機関に要求される特性の一つに、冷間起動時の潤滑油昇温速度を高めること、いわゆる高い暖機特性がある。しかし、特許文献１記載のように金属で形成された軸受を用いると、熱伝導率が比較的高いため潤滑油の熱が軸受を介して逃げてしまい、潤滑油の温度が上がりにくいという問題があった。特許文献２および３に記載の軸受は事務機器等、無潤滑の環境で用いられるものであり、潤滑油とともに用いられる内燃機関用軸受としては用いることができないという問題があった。

これに対し本発明は、内燃機関用の軸受において暖機特性を改善する技術に関する。

本発明は、相手軸と摺動する内周面およびハウジングと接する外周面を有する半円筒形状に樹脂で形成された軸受本体と、前記軸受本体に形成されたオイルリリーフと、前記軸受本体に形成されたクラッシリリーフとを有する内燃機関用軸受を提供する。

前記軸受本体が、前記内周面および前記外周面の少なくとも一方に形成された油溝を有してもよい。

この内燃機関用軸受は、前記油溝に対応する位置において前記外周面から前記内周面まで貫通する油孔を有してもよい。

この内燃機関用軸受は、前記内周面のうち前記油溝以外の部分に形成された、前記油溝よりも細い微細溝を有してもよい。

この内燃機関用軸受は、前記外周面に凸部を有してもよい。

前記相手軸の軸方向から見たときの自由状態における前記外周面の一端から他端までの距離が、当該内燃機関用軸受が組付けられるハウジングの内径よりも長くてもよい。

また、本発明は、半円筒形状の樹脂体を成形する工程と、前記樹脂体から所定の幅の軸受本体を切り出す工程とを有する内燃機関用軸受の製造方法を提供する。

さらに、本発明は、射出成形により軸受本体を成形する工程を有する内燃機関用軸受の製造方法を提供する。

本発明によれば、内燃機関用の軸受において暖機特性を改善することができる。

内燃機関におけるクランクシャフト１を例示する図 主軸受１０の外観を例示する図 半割軸受１１の外観を例示する図 半割軸受１１の断面構造を例示する図 クラッシリリーフを例示する図 油溝１１６および油孔１１７の断面構造を例示する図 内周面１１２に形成された微細溝１１８を例示する図 軸受の例２に係る製造方法を示すフローチャート 例２に係る製造工程を例示する図 軸受の例３に係る製造方法を示すフローチャート 例３に係る製造工程を例示する図

１．構造
図１は、内燃機関におけるクランクシャフト１を例示する図である。クランクシャフト１においては、主軸受１０、コンロッド軸受２０、およびクランクワッシャ３０が用いられる。主軸受１０は、シリンダブロック（図示略）のハウジング（図示略）に装着してクランクシャフト１のジャーナルを把持し、クランクシャフト１を支える軸受である。コンロッド軸受２０は、コネクティングロッド２に装着してクランクシャフト１のピンを把持し、コネクティングロッド２を支える軸受である。クランクワッシャ３０は、主軸受１０と組み合わせて用いられ、クランクシャフト１の軸方向の力を支える軸受である。クランクワッシャ３０は、クランクシャフト１およびシリンダブロックの軸方向の位置決めをする機能も有する。

図２は、主軸受１０の外観を例示する図である。主軸受１０は、半円筒形状の２つの軸受（半割軸受１１および半割軸受１２）から構成される。半割軸受１１はクランクシャフト１から見てピストン側に装着される軸受（アッパー軸受）であり、半割軸受１２はその反対側に装着される軸受（ロアー軸受）である。半割軸受１１および半割軸受１２は、本発明に係る内燃機関用軸受の一例である。

図３は、半割軸受１１の外観を例示する図である。半割軸受１１は、軸受本体１１１を有する。この例で、軸受本体１１１は、すべて樹脂で形成されている。樹脂としては、熱硬化性樹脂または熱可塑性樹脂が用いられる。

熱硬化性樹脂としては、例えば、熱硬化性ポリイミド樹脂（ＰＩ）、フェノール樹脂（ＰＦ）、尿素樹脂（ＵＦ）、メラミン樹脂（ＭＦ）、エポキシ樹脂（ＥＰ）、フラン樹脂（ＦＦ）、キシレン樹脂（ＸＦ）、アルキド樹脂（ＵＰ）、シリコン樹脂（ＳＩ）、アリル樹脂（ＰＤＡＰ）、またはこれらの樹脂に繊維（ガラス繊維や炭素繊維）を混合した材料（いわゆる繊維強化プラスチック、ＦＲＰ）が用いられる。

熱可塑性樹脂としては、例えば、ポリ塩化ビニル樹脂（ＰＶＣ）、ポリ塩化ビニリデン樹脂（ＰＶｄＣ）、ポリビニルアルコール樹脂（ＰＶＡ）、ポリスチレン樹脂（ＰＳ）、アクリロニトリル・スチレン樹脂（ＡＳ）、アクリロニトリル・ブタジエン・スチレン樹脂（ＡＢＳ）、ポリエチレン樹脂（ＰＥ）、エチレン・酢酸ビニル共重合樹脂（ＥＶＡ）、ポリプロピレン樹脂（ＰＰ）、ポリアセタール樹脂（ＰＯＭ）、ポリメチルメタクリレート樹脂（ＰＭＭＡ）、変性アクリル樹脂（ＭＳ）、酢酸セルローズ樹脂（ＣＡ）、ポリカーボネート樹脂（ＰＣ）、ポリエステル樹脂（ＰＥＴ、ＰＴＴ、ＰＢＴ、ＰＥＮ、ＰＢＮ等）、ポリアミド樹脂（ＰＡ）、ポリウレタン樹脂（ＰＵ）、フッ素樹脂（ＰＴＦＥ、ＦＥＰ、ＰＦＡ等）、ポリアミドイミド樹脂（ＰＡＩ）、ポリフェニレンスルファイド（ＰＰＳ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、熱可塑性ポリイミド（ＴＰＩ）、ポリベンゾイミダゾール（ＰＢＩ）、ポリエーテルイミド樹脂（ＰＥＩ）、ポリサルフォン樹脂（ＰＳＦ）、ポリエーテルサルフォン樹脂（ＰＥＳ）、ポリアリレート樹脂（ＰＡＲ）、またはこれらを基にした繊維強化プラスチックなどが用いられる。

内燃機関で用いられることから、樹脂の耐熱温度（例えば連続使用温度）が１８０℃以上であることが好ましく、２００℃以上であることがより好ましい。また、暖機特性を向上させる観点から、樹脂の熱伝導率が１Ｗ／ｍＫ以下であることが好ましく、０．５Ｗ／ｍＫ以下であることがより好ましい。また、寸法変化等の吸水による悪影響を避けるため、樹脂の吸水率が０．２％以下であることが好ましい。特に熱可塑性樹脂においては吸水によりガラス転移点が低下するという問題があるので、吸水率が０．２％以下であることが好ましい。さらに、シリンダブロック内での膨張を抑制する観点から、樹脂の線膨張率が７０×１０^-6以下であることが好ましい。

軸受本体１１１がすべて樹脂で形成されていることにより、樹脂本体が金属で形成されている例と比較して潤滑油の熱が軸受を介してハウジングに逃げにくくなり、エンジンを冷間起動したときの潤滑油の昇温速度を向上させることができる。

軸受本体１１１は半円筒形状に成形されており、クランクシャフト１と摺動する内周面１１２（摺動面）、およびハウジング（図示略）に接する外周面１１３を有する。クランクシャフト１の径は、例えばφ３０〜１５０ｍｍであり、軸受本体１１１は、クランクシャフト１の径に合わせた内径を有する。さらに、軸受本体１１１は、半割軸受１２と接する合せ面１１４および合せ面１１５を有する。

この例で、半割軸受１１は、内周面１１２に油溝１１６を有する。油溝１１６は、摺動面に潤滑油を供給し、さらに供給された潤滑油を保持するための溝である。また、油溝１１６には、外周面１１３から内周面１１２まで貫通した油孔１１７が少なくとも１つ設けられている。クランクシャフト１のうち半割軸受１１により支持される部分には、油溝１１６に対向する位置に油孔（図示略）が設けられている。この油孔はクランクシャフト１のうちコンロッド軸受２０に支持される部分まで貫通している。潤滑油はシリンダブロック内に設けられた油路（図示略）を介して、半割軸受１１の外周面１１３に供給される。外周面１１３に供給された潤滑油は油孔１１７を介して内周面１１２（摺動面）まで供給され、主軸受を潤滑する。摺動面の潤滑油はクランクシャフト１の油孔を介してコンロッド軸受２０の摺動面に供給される。

図４は、半割軸受１１の断面構造を例示する図である。図４（Ａ）は、合せ面に垂直な方向から半割軸受１１を見た外観図である。図４（Ｂ）は、図４（Ａ）のＢ−Ｂ断面図を示している。この断面は、軸方向に垂直な断面（摺動方向に平行な断面）である。この例で、この断面において、軸受本体１１１の肉厚は一様ではなく、中心部ほど厚く、中心部から端部（合せ面）に向かうにつれ薄くなっている。これは、内径円（内周面１１２の描く円）の中心が、外径円（外周面１１３が描く円）の中心から外側に偏心している（ずれている）ためである。この偏心により、いわゆるオイルリリーフが形成される。オイルリリーフとは、半割軸受内周面の中心部を基準とする円（内周面の中心部を通る円）に対する、内周面の隙間をいう。オイルリリーフの深さ（量）は、合せ面から所定の高さ（例えば６〜１３ｍｍ）を基準として測定され、例えば、０．００５〜０．０２５ｍｍである。オイルリリーフは、合せ面付近のオイルクリアランスを拡大し、くさび膜圧力の形成を助ける。また、さらに、オイルリリーフは、油膜の形成を助け、油量を増加させ軸受を冷却させる。

また、この例では、油溝１１６は、合せ面１１４から合せ面１１５まで摺動方向の全長に渡って形成されている。油溝の深さも一様ではなく、軸受本体１１１の中心部ほど深く、中心部から合せ面に向かうにつれ浅くなっている。

さらに、軸受本体１１１には、クラッシリリーフが設けられている。クラッシリリーフとは、内周面１１２のうち合せ面１１４および合せ面１１５に接する部分において、軸受本体１１１の幅全体に対して設けた逃がしをいう。

図５は、クラッシリリーフを例示する図である。なおここでは説明のため、実際よりもクラッシリリーフを誇張して図示している。合せ面の位置における、内周面１１２のうちクラッシリリーフ以外の部分が描く円と内周面１１２との位置の差をクラッシリリーフの深さｄといい、内周面１１２のうちクラッシリリーフが形成されている部分の長さをクラッシリリーフの長さＬという。クラッシリリーフの深さｄは、例えば０．０１〜０．０６ｍｍであり、クラッシリリーフの長さＬは、例えば４〜９．５ｍｍである。クラッシリリーフは、軸受をハウジングに組付けたときに合せ面近傍の内周面１１２が相手軸側にわずかに倒れ込んでも、軸との接触を防ぐものである。また、クラッシリリーフは、合せ面近傍において潤滑油を排出させ、軸受を冷却する効果、および摺動面に侵入した異物を排出する効果を有する。

図６は、油溝１１６および油孔１１７の断面構造を例示する図である。図６は、摺動方向に垂直な断面（軸方向に平行な断面）を示している。この断面において、油溝１１６は、底部が狭く開口部が広い台形の形状を有している。油溝１１６の底幅Ｗは、例えば、２〜５ｍｍであり、油溝１１６の深さＤは、底幅Ｗより小さく、例えば、０．５〜１ｍｍである。

この例で、内周面１１２のうち油溝１１６以外の部分には、油溝１１６と比較して微細な微細溝（マイクログルーブ）が形成されている。

図７は、内周面１１２に形成された微細溝１１８を例示する図である。微細溝１１８は、断面が円弧形状の溝が、規則正しく配置されたものである。この例で、隣り合う２つの溝と溝との間の頂部は平坦ではなく鋭利な形状をしている。隣り合う２つの頂部の間隔をピッチＰといい、頂部を基準とした溝の深さを深さｈという。微細溝１１８は、深さｈよりもピッチＰの方が大きい。深さｈは、例えば１〜２０μｍであることが好ましく、１〜６μｍであることがより好ましい。ピッチＰは、例えば０．１〜０．４ｍｍであることが好ましく、０．１〜０．２ｍｍであることがより好ましい。微細溝１１８により、いわゆるストライベック線図における無潤滑状態から流体潤滑状態に至るまでの間が接近し、流体潤滑状態が早期に確保される。さらに、なじみ性および保油性も向上する。

また、軸受本体１１１は、しめしろ（いわゆるクラッシ）を有する。すなわち軸受本体１１１は、半円よりも径が長い。

ふたたび図３を参照する。半割軸受１１は、外周面１１３において爪１１９を有する。爪１１９は、半割軸受１１がハウジングに対して回転してしまうのを抑制するための回り止めとなる凸部の一例である。さらに、爪１１９は、誤組付け防止や周方向および軸方向において位置決めをする機能を有する。

また、半割軸受１１は、いわゆる張りを有する。張りとは、軸方向から見たときの自由状態（ハウジングに組付けていない状態）における外径寸法を、ハウジングの内径よりも大きくすることをいう。張りは、例えば０．８〜１．３ｍｍである。張りは、組付けの際にハウジングの内周に半割軸受１１の外周をなじませる効果、および組付けの際に半割軸受１１がハウジングから移動または脱落するのを防止する効果を有する。

半割軸受１２の詳細な説明は省略するが、油溝および油孔を有していない点以外は、半割軸受１１と同様である。コンロッド軸受２０についても詳細な説明は省略するが、２つの半割軸受を組み合わせて用いる点は主軸受１０と同様である。ただし、コンロッド軸受２０においては、２つの半割軸受はいずれも油溝および油孔を有していない。コンロッド軸受２０の２つの半割軸受は、本発明に係る内燃機関用軸受の別の例である。

２．製造方法
主軸受１０およびコンロッド軸受２０の製造方法としては、いくつかの方法が適用可能である。いずれの方法を用いても、金属製の軸受と比較して製造工程を簡略化することができる。

２−１．例１
この例で、軸受は、射出成形または圧縮成形等により１個ずつ成形される。油溝、油孔、および微細溝は、金型に油溝、油孔、微細溝を作り込んで成形してもよいし、半円筒形状に成形したものに切削加工等で形成してもよい。

２−２．例２
図８は、軸受の例２に係る製造方法を示すフローチャートであり、図９は製造工程を例示する図である。

ステップＳ１１において、樹脂が半円筒形状に成形される。図９（Ａ）は、ステップＳ１１において成形された樹脂成形体を例示している。ここでいう半円筒形状は、軸方向の長さが、完成品の軸受の幅よりも長い形状をいう。この成形は、射出成形または圧縮成形等により行われる。

ステップＳ１２において、樹脂成形体から、軸受完成品の幅の成形体が切り出される。図９（Ｂ）は切り出された成形体を例示している。

ステップＳ１３において、各成形体に対し、必要な仕上げ処理等が施される。ここでいう仕上げ処理には、例えば、油溝の形成、油孔の形成、微細溝の形成、および面取りが含まれる。

２−３．例３
図１０は、軸受の例３に係る製造方法を示すフローチャートであり、図１１は製造工程を例示する図である。

ステップＳ２１において、樹脂が円筒形状に成形される。図１１（Ａ）は、ステップＳ２１において成形された樹脂成形体を例示している。ここでいう円筒形状は、軸方向の長さが、完成品の軸受の幅よりも長い形状をいう。この成形は、射出成形または圧縮成形等により行われる。

ステップＳ２２において、円筒の樹脂成形体が軸方向に切断され、２分割される。半円筒形状の樹脂成形体が２つできる。図１１（Ｂ）は、ステップＳ２２において分割された樹脂成形体を例示している。以下、半円筒形状の樹脂成形体から軸受完成品の幅の成形体を切り出す工程（ステップＳ２３）および仕上げ処理（ステップＳ２４）については、ステップＳ１２およびＳ１３と同様である。

３．変形例
本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、種々の変形実施が可能である。以下、変形例をいくつか説明する。以下の変形例のうち２つ以上のものが組み合わせて用いられてもよい。

軸受の具体的な形状は実施形態で例示したものに限定されない。例えば、油溝、油孔、微細溝、オイルリリーフ、クラッシリリーフ、および爪のうち少なくとも１つは省略されてもよい。あるいは、半割軸受１２やコンロッド軸受２０において、油溝および油孔の少なくとも一方を設けてもよい。また、これらの要素の具体的なサイズは実施形態で例示したものに限定されない。また、油溝や油孔の具体的形状、数、および位置は実施形態で例示したものに限定されない。さらに、半割軸受は張りを有していなくてもよい。

実施形態では油溝１１６が合せ面１１４から合せ面１１５まで通じている例を説明した。しかし、油溝は、周方向の一部においてのみ形成されていてもよい。また、油溝は摺動面（内周面）に形成されるものに限定されず、外周面に形成されてもよい。すなわち、油溝は、軸受本体の内周面および外周面の少なくとも一方に形成されればよい。

１…クランクシャフト
２…コネクティングロッド
１０…主軸受
１１…半割軸受
１１１…軸受本体
１１２…内周面
１１３…外周面
１１４…合せ面
１１５…合せ面
１１６…油溝
１１７…油孔
１１８…微細溝
１１９…爪
１２…半割軸受
２０…コンロッド軸受
３０…クランクワッシャ

Claims (5)

1. 相手軸と摺動する内周面およびハウジングと接する外周面を有する半円筒形状に樹脂で形成された軸受本体と、
   前記軸受本体に形成されたオイルリリーフと、
   前記軸受本体に形成されたクラッシリリーフと
   を有する内燃機関用軸受。
2. 前記軸受本体が、
   前記内周面および前記外周面の少なくとも一方に形成された油溝、
   前記外周面から前記内周面まで貫通する油孔、
   前記内周面のうち前記油溝以外の部分に形成された、前記油溝よりも細い微細溝、および
   前記外周面に形成された凸部
   のうち少なくとも１つを有する
   ことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関用軸受。
3. 前記相手軸の軸方向から見たときの自由状態における前記外周面の一端から他端までの距離が、当該内燃機関用軸受が組付けられるハウジングの内径よりも長い
   ことを特徴とする請求項１または２のいずれか一項に記載の内燃機関用軸受。
4. 半円筒形状の樹脂体を成形する工程と、
   前記樹脂体から所定の幅の軸受本体を切り出す工程と
   を有する内燃機関用軸受の製造方法。
5. 射出成形により軸受本体を成形する工程
   を有する内燃機関用軸受の製造方法。

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