JP2017180588A - ワッシャ - Google Patents

Abstract

【課題】回転軸に保持されていなくても摺動面における摩擦トルクが安定しているワッシャを提供する。
【解決手段】ワッシャ１は、環状に形成された平板の部材であるワッシャ本体を有する。ワッシャ本体は表裏に互いに平行な２つの端面を有する。ワッシャ１は、これら２つの端面で相手部材と摺動し、その相手部材のスラスト荷重を受ける。一方の端面である第１面１０ａは、ランド部１１ａと、テーパ部１２ａと、油溝１３ａとを有する。ランド部１１ａは、第１面１０ａに沿った部分である。テーパ部１２ａは、ランド部１１ａに対して周方向に傾斜している部分である。１つのランド部１１ａと、このランド部１１ａに隣接するテーパ部１２ａとを合わせて領域１５ａと呼ぶ。領域１５ａの数である「領域数」が３のときにワッシャ１が支えることのできる力は最大となり、ワッシャ１の摺動面に生じる摩擦トルクが最も抑えられる。
【選択図】図２

Description

本発明は、潤滑油を介して他の部材と摺動するワッシャに関する。

自動車のエンジンや光ディスクドライブなどには、他の部材（相手部材という）と摺動してその相手部材のスラスト荷重を受ける摺動部材が用いられる。これらの摺動部材において摩擦抵抗を低減することが求められている。この摩擦抵抗を低減するための構成として、摺動面にテーパ部とランド部とを設けることによって、スラストカラーなどの相手部材との間にくさび状の隙間を形成し、流体動力学的な効果によって軸受の負荷能力を生じさせるものがある。

例えば、特許文献１には、回転軸に保持されこの回転軸とともに回転するスラストカラーと、このスラストカラーの回転軸の軸方向における両側に配置され回転軸およびスラストカラーの移動を規制する一対のスラスト軸受と、を有し、スラストカラーのスラスト軸受と対峙する受圧面に、回転軸を垂線とする平面に対して傾斜したテーパ面と、このテーパ面に連なり平面に平行なランド面と、を回転軸の周方向に交互に複数配置したスラスト軸受構造が開示されている。

特開２０１３−２４６６号公報

ところでこれらの摺動部材には、回転軸に保持されないワッシャがある。ワッシャは回転軸に保持されていないため、摺動面が常に回転軸に垂直な姿勢を保つとは限らず、摩擦トルクが安定せずに大きく振れる場合がある。

これに対し本発明は、回転軸に保持されていなくても摺動面における摩擦トルクが安定しているワッシャを提供する。

本発明は、環状に形成された板の面で他の部材と摺動するワッシャ本体と、前記面の周方向に奇数個に等分された領域と、を有し、前記領域の各々には、１つのランド部と、前記面において該ランド部の周方向に隣接し該ランド部に対して該周方向に傾斜した、少なくとも１つのテーパ部と、が設けられていることを特徴とするワッシャを提供する。

本発明において、前記領域は、前記面の反対側の面にも設けられてもよい。

本発明において、前記領域の各々には、前記テーパ部が、前記ランド部の周方向における両側に隣接してそれぞれ設けられてもよい。

本発明において、前記ランド部の前記周方向における一方の側に設けられたテーパ部は、該ランド部の該周方向における他方の側に設けられたテーパ部と該ランド部を介して対称であってもよい。

本発明において、隣り合う２つの前記領域の間には、外周面から内周面にわたって潤滑油を通す油溝が設けられてもよい。

本発明において、前記ワッシャ本体の内周面に切欠部が設けられてもよい。

本発明において、前記面が有する前記領域の数は３であってもよい。

本発明によれば、回転軸に保持されていなくても摺動面における摩擦トルクが安定しているワッシャを提供することができる。

本発明の実施形態に係るワッシャ１の一例を示す概要図。 ワッシャ１を第１面１０ａの側から見た図。 軸Ｏを中心とした円に沿ってワッシャ１を切断した断面Ｓｃを示す図。 領域の数に対するワッシャ１の負荷容量と摩擦トルクとを示す図。 領域数の異なるワッシャ１をそれぞれ示す図。 領域数の異なる各ワッシャ１において接触点を説明するための図。

１．実施形態
図１は、本発明の実施形態に係るワッシャ１の一例を示す概要図である。ワッシャ１は、環状に形成された平板の部材であるワッシャ本体を有する。ワッシャ本体は表裏に互いに平行な端面を有する。ワッシャ本体の一方の端面を第１面１０ａと呼び、他方の端面を第２面１０ｂと呼ぶ。ワッシャ１は、これら２つの端面で相手部材（他の部材）と摺動し、その相手部材のスラスト荷重（軸方向に沿った荷重）を受ける。ワッシャ本体は、環の内側の面である内周面１７と、外側の面である外周面１８とを有する。なお、ワッシャ本体の材質には、スチールやブロンズ（例えばリン青銅）など様々な金属が好適に用いられる。

図２は、ワッシャ１を第１面１０ａの側から見た図である。図２において、ワッシャ１が配置される空間をｘｙｚ右手系座標空間として表し、座標記号のうち、円の中に点を描いた記号は、紙面奥側から手前側に向かう矢印を表す。空間においてｘ軸に沿う方向をｘ軸方向という。また、ｘ軸方向のうち、ｘ成分が増加する方向を＋ｘ方向といい、ｘ成分が減少する方向を−ｘ方向という。ｙ、ｚ成分についても、上記の定義に沿ってｙ軸方向、＋ｙ方向、−ｙ方向、ｚ軸方向、＋ｚ方向、−ｚ方向を定義する。

図２に示す通り、ワッシャ本体の環の軸Ｏはｚ軸方向に沿って配置されている。第１面１０ａはワッシャ本体の＋ｚ方向の側であり、第２面１０ｂ（図２において図示せず）はワッシャ本体の−ｚ方向の側である。内周面１７は、軸Ｏから半径ｒ０の距離にある面である。外周面１８は、軸Ｏから半径ｒ３の距離にある面である。

内周面１７には、図示しない回転軸が収容される。この回転軸の外径は内周面１７の内径よりもわずかに小さい。すなわち、内周面１７に回転軸を収容すると内周面１７と回転軸とに隙間が生じる。これにより、ワッシャ本体は回転軸に保持されない。また、ワッシャ１の軸Ｏは、上述した回転軸の中心とずれることがある。そのため、ワッシャ１の端面である第１面１０ａや第２面１０ｂは、軸Ｏに垂直な面に沿っているが、回転軸の中心に垂直な面からずれることがある。

ワッシャ本体の内周面１７には、複数の切欠部１９が設けられている。図２に示すワッシャ１では、内周面１７の３箇所に切欠部１９が設けられている。切欠部１９のうち最も軸Ｏから遠い部分は軸Ｏから距離ｒ１だけ離れている。

第１面１０ａは、ランド部１１ａと、テーパ部１２ａと、油溝１３ａとを有する。ランド部１１ａは、軸Ｏに垂直な面、すなわち、第１面１０ａに沿った部分である。テーパ部１２ａは、ランド部１１ａに対して周方向に傾斜している部分である。

図２に示す位相θは、ｘｙ平面上において軸Ｏを中心とした円周上の点の位置を示す値であり、軸Ｏからその点へ向いたベクトルと、＋ｘ方向のベクトルとが成す角度で表される。したがって、位相θは０度のときに＋ｘ方向を示し、９０度のときに＋ｙ方向を示し、１８０度のときに−ｘ方向を示し、２７０度のときに−ｙ方向を示す。

ここで、ワッシャ１の断面によりランド部１１ａ、テーパ部１２ａ、および油溝１３ａのｚ軸方向の形状を説明する。
図３は、軸Ｏを中心としてｘｙ平面上に描いた円に沿ってワッシャ１を切断した断面Ｓｃを示す図である。断面Ｓｃはｘｙ平面上において軸Ｏを中心とする半径ｒ２の円に沿っている。ここで、半径ｒ２の円とは、図１に示すように、軸Ｏを中心とする径方向において「切欠部１９のうち最も軸Ｏから遠い部分」と「外周面１８」とを結ぶ線分の中間点を通る円である。したがって、半径ｒ２は、以下の式（１）によって算出される。
ｒ２＝（ｒ１＋ｒ３）／２ …（１）

なお、切欠部１９のうち最も軸Ｏから遠い部分と外周面１８との距離は、（ｒ３−ｒ１）であり、上述した円はこの中間点を通るので、この距離の半分を距離ｒ４とすると半径ｒ２は、以下の式（２）によっても表される。
ｒ２＝ｒ１＋ｒ４ …（２）

半径ｒ０，ｒ２，ｒ３および距離ｒ１，ｒ４は、ワッシャ１が支える相手部材の大きさなどに応じて決められるが、例えば、ｒ０＝２４．５ｍｍ、ｒ１＝２６．５ｍｍ、ｒ２＝２９．５ｍｍ、ｒ３＝３２．５ｍｍ、ｒ４＝３．０ｍｍなどである（この例は図２のワッシャ１の寸法を示すものではない）。これらの相対的な大小関係は少なくともｒ０≦ｒ１＜ｒ２＜ｒ３で表される。

図３には、ｚ軸方向の位置を示す「ｚ」と、位相θを示す「θ」とで構成されるｚθ座標で断面Ｓｃを表した形状が示されている。ランド部１１ａは、ｚ＝０の平面から＋ｚ方向に高さｄ１を有する。テーパ部１２ａは、ワッシャ１の周方向においてランド部１１ａの両側に隣接してそれぞれ設けられている。テーパ部１２ａは、周方向においてランド部１１ａの両側から厚みが減少するように傾斜した部分であり、その最も薄い部分はランド部１１ａを基準として、深さｄ２の窪みとなっている。なお、深さｄ２は正の値であり、０ｍｍおよび負の値にはならない。

油溝１３ａは、内周面１７から外周面１８に向かって潤滑油を通す溝である。油溝１３ａは、テーパ部１２ａの周方向においてランド部１１ａが隣接する側の反対側の端部に隣接していて、その深さは深さｄ３である。深さｄ３は、深さｄ２よりも深い。

なお、図３において示される位置は相対的であり、実際には高さｄ１＞深さｄ３≫深さｄ２である。例えば、高さｄ１＝１．０ｍｍ（ミリメートル）、深さｄ３＝０．２ｍｍ、深さｄ２＝０．０２５ｍｍである。

また、ランド部１１ａの周方向における一方の側に設けられたテーパ部１２ａは、他方の側に設けられたテーパ部１２ａと、ランド部１１ａを介して対称である。ここでいう「対称」とは、軸Ｏに沿ったベクトルと、この軸Ｏを中心とする一つの径方向に沿ったベクトルとで表される平面のうち、ランド部１１ａの周方向における中間点を通る平面を鏡映面としたときに、このランド部１１ａの両側のテーパ部１２ａが互いに鏡像となる「鏡像対称」をいう。ワッシャ１と摺動する相手部材の回転方向が正逆いずれもあり得る場合であっても、ランド部１１ａの周方向における両側に設けられた２つのテーパ部１２ａがランド部１１ａを介して互いに鏡像対称であることにより、摺動によって潤滑油が誘導される隙間の形状は同じになる。

テーパ部１２ａおよび油溝１３ａは、ランド部１１ａよりも−ｚ方向に凹んだ部位である。したがって、ランド部１１ａはテーパ部１２ａよりも＋ｚ方向に突出した部位であり、テーパ部１２ａよりも第１面１０ａと摺動する相手部材に近い部位である。

深さｄ２は、０．０４ｍｍ以下であることが望ましく、０．０１ｍｍ程度（例えば０．００５ｍｍ以上０．０１５ｍｍ未満）であることが最も望ましい。

またこの断面Ｓｃにおいて、ランド部１１ａは、周方向に沿って角度θ１にわたって存在し、テーパ部１２ａは、周方向に沿って角度θ２にわたって存在している。そして、この断面において油溝１３ａは、周方向に沿って角度θ３にわたって存在している。図３に示す例では、角度θ３は角度θ１よりも小さい。

テーパ比とは、ランド部１１ａと、このランド部１１ａに隣接する１つのテーパ部１２ａの周方向に沿った範囲のうち１つのテーパ部１２ａが占める比率である。テーパ比ｋは、以下の式（３）で表される。
ｋ＝θ２／（θ２＋θ１） …（３）

テーパ比は、０．５以上０．９以下であることが望ましく、０．６以上０．８以下であることがより望ましい。最も望ましいテーパ比は、０．７である。

第２面１０ｂにも、ランド部１１ｂ、テーパ部１２ｂ、および油溝１３ｂが設けられている。ランド部１１ｂ、テーパ部１２ｂ、および油溝１３ｂは、大きさ、すなわち、周方向の長さとｚ軸方向の深さ、およびこれらの周方向における並び方、鏡像関係などがそれぞれ、ランド部１１ａ、テーパ部１２ａ、および油溝１３ａと共通である。

つまり、ワッシャ１の第１面１０ａには、１つのランド部１１ａ、このランド部１１ａの両側に隣接した２つのテーパ部１２ａ、および、これら２つのテーパ部１２ａのいずれか一方に隣接した１つの油溝１３ａからなる組が、第１面１０ａにおいて１２０度ごとに３つ設けられている。そして、ワッシャ１の第２面１０ｂには、１つのランド部１１ｂ、このランド部１１ｂの両側に隣接した２つのテーパ部１２ｂ、および、これら２つのテーパ部１２ｂのいずれか一方に隣接した１つの油溝１３ｂからなる組が、第２面１０ｂにおいて１２０度ごとに３つ設けられている。

さらに、ランド部１１ａとランド部１１ｂとは周方向において同じ位相で設けられている。例えば、図３に示すランド部１１ａおよびランド部１１ｂは、いずれも３０度と１５０度を中心に設けられている。なお、図２に示す通りランド部１１ａは、３０度、１５０度に加えて２７０度、つまり１２０度ごとに３箇所、第１面１０ａに設けられており、ランド部１１ｂはランド部１１ａと第２面１０ｂにおいて同じ位相で設けられている。したがって、ランド部１１ａとランド部１１ｂとは周方向において位相差がない。テーパ部１２ａとテーパ部１２ｂ、および油溝１３ａと油溝１３ｂも同様に、周方向において位相差がない。

また、図３に示す例において、上述した「１つのランド部１１ａと、このランド部１１ａに隣接するテーパ部１２ａとを合わせた領域」である領域１５ａが、第１面１０ａに３つ設けられている。これら３つの領域１５ａは、同形状、同サイズであるので、第１面１０ａを周方向に３個に等分した各領域である。

第２面１０ｂにおいても同様である。すなわち、「１つのランド部１１ｂと、このランド部１１ｂに隣接するテーパ部１２ｂとを合わせた領域」である領域１５ｂは、第２面１０ｂに３つ設けられている。これら３つの領域１５ｂは、同形状、同サイズであるので、第２面１０ｂを周方向に３個に等分した各領域である。

図４は、上述した領域１５ａ（または領域１５ｂ）の数に対するワッシャ１の負荷容量［Ｎ］と摩擦トルク［Ｎ・ｍ］とを示す図である。図４の横軸には、ワッシャ１の第１面１０ａに設けられた領域１５ａの数である「領域数」が、縦軸にはワッシャ１の平均の負荷容量［Ｎ］と摩擦トルク［Ｎ・ｍ］とが、それぞれ表される。図４に示す通り、領域数が減っていくほど負荷容量［Ｎ］は増加し、摩擦トルク［Ｎ・ｍ］は減少する。そして、領域数が３のときに負荷容量［Ｎ］は最大となり、摩擦トルク［Ｎ・ｍ］は最小となる。ワッシャ１の負荷容量［Ｎ］は、そのワッシャ１が支えることのできる力であるから、領域数が３のときにワッシャ１が支えることのできる力は最大となる。また、領域数が３のときにワッシャ１の摺動面に生じる摩擦トルクは最も抑えられる。

一方、図４ではワッシャ１の平均の負荷容量［Ｎ］と摩擦トルク［Ｎ・ｍ］とを領域数ごとに比較することで、領域数を評価したが、摩擦トルクの瞬間値の変動が少ないか多いか、すなわち摩擦トルクが安定しているか否かも、ワッシャ１の耐久性などに関して指標となる。図５は、領域数の異なるワッシャ１をそれぞれ示す図である。図５（ａ）に示すワッシャ１は、第１面１０ａに同形状の領域１５ａが３つあるので、領域数は３である。図５（ｂ）に示すワッシャ１は、第１面１０ａに同形状の領域１５ａが２つあるので、領域数は２である。図５（ｃ）に示すワッシャ１は、第１面１０ａに同形状の領域１５ａが４つあるので、領域数は４である。

図６は、領域数の異なる各ワッシャ１において相手部材に最も近づく点（以下、接触点という）を説明するための図である。図５（ａ）に示した領域数３のワッシャ１は、図６（ａ）に示すようにランド部１１ａのある３点が相手部材に最も近づく点である。三次元空間において、直線上にない３点は１つの面上にあるので、ワッシャ１がこれらの３点で相手部材と接触することにより、ワッシャ１の摺動面の姿勢は安定する。

一方、図５（ｂ）に示した領域数２のワッシャ１は、図６（ｂ）に示すようにランド部１１ａのある２点が接触点である。三次元空間における２点は、必ず１つの直線上にある。そのため、ワッシャ１がこれらの２点のみで相手部材と接触すると、その２点を通る直線を軸としてワッシャ１が回転する場合があり、ワッシャ１の摺動面の姿勢は不安定になる。

図５（ｃ）に示した領域数４のワッシャ１は、図６（ｃ）に示すようにランド部１１ａのある４点が接触点である。三次元空間において、上述した通り、３点で１つの面が特定されるが、４点存在すると、それらの４点全てが同一面上に存在するとは限らない。そのため、ワッシャ１がこれらの４点で相手部材と接触すると、そのうちのいずれか３点で相手部材が支持され、残りの１点は相手部材から浮くことがある。そして、４点のうち３点を選ぶ選び方は４通りであるため、この選び方の数だけ姿勢が存在することとなる。すなわち、ワッシャ１の摺動面の姿勢は不安定になる。

特に、領域数が偶数だと、接触点の数も偶数になり、領域数で第１面１０ａは等分されているので、偶数の点のうちの一つの点には、必ず軸Ｏを中心として反対側にも点がある。したがって、これら軸Ｏを中心として互いに反対側にある２つの点が含まれる直線を軸として、ワッシャ１が回転する場合があり、ワッシャ１の摺動面の姿勢は不安定になる。

つまり、領域数が４を超える場合であっても、領域数が偶数であると、奇数である場合に比べてワッシャ１の摺動面の姿勢は不安定になる。

以上説明した通り、領域数が３である場合にワッシャ１は摺動面の姿勢が安定し易い。また、４を超える場合には領域数が奇数である方が偶数である場合よりもワッシャ１の摺動面の姿勢が安定し易い。つまり、ワッシャ１は、他の部材と摺動する第１面１０ａまたは第２面１０ｂの周方向に奇数個に等分された領域１５ａを有していればよい。

２．変形例
以上が実施形態の説明であるが、この実施形態の内容は以下のように変形し得る。また、以下の変形例を組み合わせてもよい。

２−１．変形例１
上述した実施形態において、テーパ部１２ａは、周方向の全領域においてランド部１１ａに対して傾斜していたが、ランド部１１ａに隣接していない領域においては傾斜していない部分を有していてもよい。この構成であっても、テーパ部１２ａがランド部１１ａと隣接する領域においてはランド部１１ａに対して周方向に傾斜しているため、テーパ部１２ａとランド部１１ａとの成す角は比較的鋭角であり、テーパ部１２ａの表面を流れる潤滑油がこの傾斜に沿って相手部材との隙間が狭くなる方に誘導されて、くさび効果を奏する。

２−２．変形例２
上述した実施形態において、ワッシャ１の第１面１０ａにはランド部１１ａ、テーパ部１２ａ、油溝１３ａが、第２面１０ｂにはランド部１１ｂ、テーパ部１２ｂ、油溝１３ｂがそれぞれ設けられていたが、これらは第１面１０ａ、第２面１０ｂのいずれか一方の面にだけ設けられていてもよい。また、第１面１０ａおよび第２面１０ｂの両方にこれらが設けられている場合に、それぞれの周方向の位相が異なっていてもよい。

２−３．変形例３
上述した実施形態において、ランド部１１ａおよびランド部１１ｂの周方向における一方の側に設けられたテーパ部１２ａおよびテーパ部１２ｂは、それぞれ他方の側に設けられたテーパ部１２ａ、テーパ部１２ｂと、ランド部１１ａ、ランド部１１ｂを介して鏡像対称であったが、非対称であってもよい。

また、テーパ部１２ａおよびテーパ部１２ｂは、ランド部１１ａまたはランド部１１ｂの両側に設けられていたが、一方の側だけに設けられていてもよい。

２−４．変形例４
上述した実施形態において、切欠部１９は、ワッシャ１の内周面１７において、３つの油溝１３ａ、油溝１３ｂに相当する３箇所にそれぞれ重ねて設けられていたが、ワッシャ１は切欠部１９を有していなくてもよい。例えば、内周面１７に収容される軸との隙間を通って潤滑油が第１面１０ａと第２面１０ｂとを行き来するように構成されていてもよい。

２−５．変形例５
上述した実施形態において、ワッシャ１の第１面１０ａには油溝１３ａが、第２面１０ｂには油溝１３ｂがそれぞれ設けられていたが、油溝はいずれか一方の端面にだけ設けられていてもよい。また、油溝は、いずれの端面にも設けられなくてよい。油溝１３ａが設けられていない場合、例えばテーパ部１２ａやテーパ部１２ｂは、それらの最も薄い部分同士で隣接すればよい。

１…ワッシャ
１０ａ…第１面
１０ｂ…第２面
１１ａ，１１ｂ…ランド部
１２ａ，１２ｂ…テーパ部
１３ａ，１３ｂ…油溝
１５ａ，１５ｂ…領域
１７…内周面
１８…外周面
１９…切欠部

Claims (7)

1. 環状に形成された板の面で他の部材と摺動するワッシャ本体と、
   前記面の周方向に奇数個に等分された領域と、
   を有し、
   前記領域の各々には、１つのランド部と、前記面において該ランド部の周方向に隣接し該ランド部に対して該周方向に傾斜した、少なくとも１つのテーパ部と、が設けられている
   ことを特徴とするワッシャ。
2. 前記領域は、前記面の反対側の面にも設けられている
   ことを特徴とする請求項１に記載のワッシャ。
3. 前記領域の各々には、前記テーパ部が、前記ランド部の周方向における両側に隣接してそれぞれ設けられている
   ことを特徴とする請求項１または２に記載のワッシャ。
4. 前記ランド部の前記周方向における一方の側に設けられたテーパ部は、該ランド部の該周方向における他方の側に設けられたテーパ部と該ランド部を介して対称である
   ことを特徴とする請求項３に記載のワッシャ。
5. 隣り合う２つの前記領域の間には、外周面から内周面にわたって潤滑油を通す油溝が設けられている
   ことを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載のワッシャ。
6. 前記ワッシャ本体の内周面に切欠部が設けられている
   ことを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載のワッシャ。
7. 前記面が有する前記領域の数は３である
   ことを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載のワッシャ。

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