JP2017180590A - ワッシャ - Google Patents

Abstract

【課題】摺動面が階段形状の被覆層で覆われたものに比べてワッシャの油膜圧力を向上させる。【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。ワッシャ本体は平板であるため、表裏に互いに平行な端面を有する。ワッシャ本体１６の一方の端面を第１面１０ａと呼ぶ。第１面１０ａは、油溝１３ａを有する。油溝１３ａは、内周面１７から外周面１８にわたって潤滑油を通す溝である。第１面１０ａのうち油溝１３ａを除く領域には被覆層１５ａがコーティングされている。被覆層１５ａは３箇所に分割されており、そのそれぞれにランド部１１ａと２つのテーパ部１２ａ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に沿った部分であってテーパ部１２ａよりも＋ｚ方向に隆起した部位である。テーパ部１２ａは、ランド部１１ａの周方向に隣接し、このランド部１１ａに対して周方向に傾斜している部分である。【選択図】図２

Description

本発明は、他の部材と摺動するワッシャに関する。

自動車のエンジンなどで利用される摺動部材には、他の部材（相手部材）と摺動する摺動面でスラスト荷重を受けるものがある。この摺動部材において低速回転時でも油膜圧力を向上させることが求められている。

例えば、特許文献１には、放射状に形成された給油溝によりスラスト受面が扇形の複数のスラストパッド面に分割されており、スラストパッド面には、周縁に沿って所定幅および一定の所定高さに突出し、前側の給油溝に向けて開口するコ字状の第１凸部が形成されたスラストすべり軸受が開示されている。

特開２０１３−１４８１３６号公報

特許文献１に記載のスラストパッド面構造は、多くても３段までの階段形状であり、テーパ／ランド構造の摺動部材に比べて潤滑油を滑らかに流動させることはできなかった。

これに対し本発明は、摺動面が階段形状の被覆層で覆われたものに比べて油膜圧力を向上させたワッシャを提供する。

本発明は、環状に形成され、軸方向の端面で他の部材と摺動するワッシャ本体と、前記端面を被覆する、樹脂が含まれた被覆層と、を有し、前記被覆層は、前記軸方向に隆起したランド部と、該ランド部の周方向に隣接し該ランド部に対して周方向に傾斜しているテーパ部と、を有す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、前記ワッシャ本体は、軸方向両側の端面でそれぞれ他の部材と摺動し、前記被覆層は、前記各端面をそれぞれ被覆してもよい。

本発明において、前記被覆層は、前記ランド部と、該ランド部の周方向の両側にそれぞれ前記テーパ部とを有してもよい。

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、前記各端面のうち一方の端面に設けられた前記被覆層は、他方の端面に設けられた前記被覆層と、前記周方向における前記ランド部の位置が異なってもよい。

本発明において、前記端面には、前記テーパ部に向けて潤滑油を供給する油溝が設けられていてもよい。

本発明において、前記各端面のうち一方の端面に設けられた前記被覆層は、他方の端面に油溝が設けられた前記周方向の位置に前記ランド部を有してもよい。

本発明によれば、摺動面が階段形状の被覆層で覆われたものに比べて油膜圧力を向上させることができる。

本発明の実施形態に係るワッシャ１の一例を示す分解斜視図。 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。 摺動による被覆層１５ａの弾性変形を説明するための概略図。

１．実施形態
図１は、本発明の実施形態に係るワッシャ１の一例を示す分解斜視図である。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１６を有する。ワッシャ本体１６は平板であるため、表裏に互いに平行な端面を有する。ワッシャ本体１６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つの端面で他の部材（相手部材という）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１６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１６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。

また、図１に示す通り、ワッシャ本体１６の第１面１０ａの一部は、樹脂を含む被覆層１５ａによって被覆されている。そして図１には示されていないが、ワッシャ本体１６の第２面１０ｂの一部も、第１面１０ａと同様に、樹脂を含む被覆層１５ｂによってコーティング（被覆）されている。被覆層１５ａおよび被覆層１５ｂ（以下、これらを区別しない場合、単に「被覆層１５」という）はワッシャ本体１６の２つの端面に設けられているので、上述した通り、相手部材と摺動し、そのスラスト荷重を受ける。なお、被覆層１５の材質には、摩擦係数の低いＰＴＦＥ（polytetrafluoroethylene）、ＰＡＩ（polyamide-imide）、ＰＩ（Polyimide）などの樹脂が好適に用いられる。また、被覆層１５の材質には、硬質物や固体潤滑剤が含まれた複合部材を用いてもよい。

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１６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１６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１６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。

ワッシャ本体１６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６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、油溝１３ａを有する。油溝１３ａは、内周面１７から外周面１８にわたって潤滑油を通す溝である。第１面１０ａのうち油溝１３ａを除く領域には被覆層１５ａがコーティングされている。

図２に示す被覆層１５ａは３箇所に分割されており、そのそれぞれにランド部１１ａと２つのテーパ部１２ａ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の周方向に隣接し、このランド部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。

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。ワッシャ１を切断した断面Ｓ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を中心とする放射方向において「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）。

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座標でこの断面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Ｆ０から＋ｚ方向に厚み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の両側に配置される領域であり、このランド部１１ａに対して周方向に傾斜するように形成された部分である。テーパ部１２ａ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、テーパ部１２ａの最も薄い部分に隣接していて、その深さは深さｄ３である。深さｄ３は、深さｄ２よりも深い。テーパ部１２ａは油溝１３ａに隣接しているため、油溝１３ａから潤滑油を供給される。すなわち、油溝１３ａは、隣接するテーパ部１２ａに向けて潤滑油を供給する。

なお、図３において示される位置は相対的であり、実際には厚みｄ１＞深さｄ３≫深さｄ２である。例えば、厚み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放射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方向に隆起した部位であり、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。

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。

被覆層１５は、樹脂を含むため相手部材との摺動により圧力がかかると弾性変形し易い。図４は、摺動による被覆層１５ａの弾性変形を説明するための概略図である。第１面１０ａには、ランド部１１ａと、このランド部１１ａの周方向の両側に隣接したテーパ部１２ａとを有する被覆層１５ａがコーティングされている。第１面１０ａの側には相手部材８ａが配置されており、相手部材８ａはワッシャ１と第１面１０ａで摺動する。このとき、ランド部１１ａは相手部材８ａに最も近い位置にあり、ランド部１１ａが相手部材８ａから図４（ａ）に矢印で示した−ｚ方向のスラスト荷重を受ける。

ランド部１１ａが−ｚ方向のスラスト荷重を受けると、このランド部１１ａを有する被覆層１５ａは図４（ｂ）に示すように−ｚ方向に圧縮する。これにより、相手部材８ａがワッシャ１と摺動していないとき、図４（ａ）に示す通り、テーパ部１２ａの最も薄い部分の深さはランド部１１ａを基準として深さｄ２であったが、摺動しているとき、この部分の深さは図４（ｂ）に示す通り、ランド部１１ａを基準として深さｄ２０（ｄ２０＜ｄ２）となる。また、テーパ部１２ａのランド部１１ａ（またはこれに沿って摺動する相手部材８ａ）に対する角度が小さくなる。

相手部材８ａがワッシャ１に対して相対的に静止しているとき、つまり摺動していないとき、相手部材８ａとテーパ部１２ａとが成す角は、図４（ａ）に示す通り、角度αである。一方、相手部材８ａがワッシャ１に対して相対的に回転し、相手部材８ａとランド部１１ａとが摺動しているとき、相手部材８ａとテーパ部１２ａとが成す角は角度βである。角度βは角度αよりも鋭角である（β＜α）。

すなわち、ワッシャ１は相手部材８ａと摺動すると被覆層１５ａがスラスト荷重を受けて弾性変形しｚ軸方向に縮む。そのため、相手部材８ａとテーパ部１２ａとが成す角はより浅くなり、相手部材８ａとテーパ部１２ａとの隙間が狭くなる。このため、この狭くなった隙間に潤滑油が流入することで、油膜圧力が増大する。

特に、相手部材８ａに対して周方向に角度βの傾斜があるテーパ部１２ａを有する被覆層１５ａをワッシャ本体１６の第１面１０ａにコーティングすることは困難であるが、角度βよりも大きい角度αの傾斜があるテーパ部１２ａを有する被覆層１５ａを第１面１０ａにコーティングすることは、比較的容易である。したがって、この実施形態におけるワッシャ１は、製造し易く、かつ、相手部材と摺動する際に被覆層１５が弾性変形して変形前よりも高い「くさび効果」を奏するので、より少ない量の潤滑油で摩擦抵抗が低減する。

図３に戻り、第２面１０ｂの構成について説明する。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。

一方、ランド部１１ａとランド部１１ｂとは周方向において異なる位相で設けられている。例えば、図３に示すランド部１１ａは、３０度や１５０度を中心に設けられているが、ランド部１１ｂは、９０度を中心に設けられている。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６０度の位相差がある。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６０度の位相差がある。切欠部１９は、ワッシャ１の内周面１７において、３つのランド部１１ａおよび３つのランド部１１ｂに相当する合計６箇所にそれぞれ重ねて設けられている。

この構成において、ワッシャ１に相手部材からｚ軸方向の荷重がかかると、上述した第１面１０ａの構成と第２面１０ｂの構成との位相差により、ワッシャ１は弾性変形する。

特に、図３に示す被覆層１５ａは、第２面１０ｂに油溝１３ｂが設けられた周方向の位置にランド部１１ａを有し、被覆層１５ｂは、第１面１０ａに油溝１３ａが設けられた周方向の位置にランド部１１ｂを有する。＋ｚ方向で摺動する相手部材からスラスト荷重を受けるランド部１１ａの周方向の位置は、反対側の端面である第２面１０ｂのうち−ｚ方向で摺動する相手部材から最も遠い油溝１３ｂのある位置であるから、ランド部１１ａが受ける−ｚ方向のスラスト荷重は、正反対の抗力を第２面１０ｂから受けておらず、ワッシャ１の弾性変形に寄与し易い。

ワッシャ１が弾性変形すると、ランド部１１ａおよびランド部１１ｂの軸方向の高さが低くなり、テーパ部１２ａおよびテーパ部１２ｂの軸方向の高低差が縮まるので、相手部材とテーパ部１２ａとの隙間が狭くなり、この隙間に潤滑油が誘導されることで生じる「くさび効果」が増大する。

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、被覆層１５ａは油溝１３ａ以外の領域の全部を覆っていたが、一部を覆っていてもよい。例えば、ワッシャ１は、油溝１３ａとテーパ部１２ａとの間に被覆層１５ａが被覆されていない部分を有していてもよい。また、被覆層１５ａは、油溝１３ａも含めて第１面１０ａの全体を覆ってもよい。

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、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と、このランド部１１ａの両側に隣接した２つのテーパ部１２ａと、いずれか一方のテーパ部１２ａに隣接した油溝１３ａとからなる組が、第１面１０ａにおいて１２０度ごとに３つ設けられ、第２面１０ｂにおいても、これらに相当する構成が３つ設けられていたが、これらの組が端面に設けられる数は３つに限られない。これらの組は複数であれば、２つであってもよいし、４つ以上であってもよい。

２−３．変形例３
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る。

２−４．変形例４
上述した実施形態において、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を介して対称であったが、非対称であってもよい。例えば相手部材の回転方向が一方向に限定されている場合、潤滑油が誘導される方のテーパ部１２ａが、誘導されない側のテーパ部１２ａに比べて、軸Ｏに垂直な面に対する角度が浅いように設計されていればよい。

また、ランド部１１ａの周方向における一方の側にテーパ部１２ａが設けられている場合に、他方の側にテーパ部１２ａが設けられていなくてもよい。

２−５．変形例５
上述した実施形態において、第１面１０ａに設けられた被覆層１５ａは、第２面１０ｂに設けられた被覆層１５ｂと、周方向におけるランド部１１ａ、ランド部１１ｂの位置が異なっていたが、これらの位置が同じであってもよい。

２−６．変形例６
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つのランド部１１ａおよび３つのランド部１１ｂに相当する合計６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。また、油溝１３ａやテーパ部１２ａなどに、軸Ｏに沿った方向の孔が設けられていてもよい。これらの孔は、潤滑油を通す孔であるため、潤滑油は第１面１０ａと第２面１０ｂとを行き来する。

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…被覆層
１６…ワッシャ本体
１７…内周面
１８…外周面
１９…切欠部
８ａ…相手部材

Claims (7)

1. 環状に形成され、軸方向の端面で他の部材と摺動するワッシャ本体と、
   前記端面を被覆する、樹脂が含まれた被覆層と、を有し、
   前記被覆層は、前記軸方向に隆起したランド部と、該ランド部の周方向に隣接し該ランド部に対して周方向に傾斜しているテーパ部と、を有する
   ことを特徴とするワッシャ。
2. 前記ワッシャ本体は、軸方向両側の端面でそれぞれ他の部材と摺動し、
   前記被覆層は、前記各端面をそれぞれ被覆する
   ことを特徴とする請求項１に記載のワッシャ。
3. 前記被覆層は、前記ランド部と、該ランド部の周方向の両側にそれぞれ前記テーパ部とを有する
   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. 前記各端面のうち一方の端面に設けられた前記被覆層は、他方の端面に設けられた前記被覆層と、前記周方向における前記ランド部の位置が異なる
   ことを特徴とする請求項２に記載のワッシャ。
6. 前記端面には、前記テーパ部に向けて潤滑油を供給する油溝が設けられている
   ことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載のワッシャ。
7. 前記各端面のうち一方の端面に設けられた前記被覆層は、他方の端面に油溝が設けられた前記周方向の位置に前記ランド部を有する
   ことを特徴とする請求項２に記載のワッシャ。

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