JP2018155381A - クランクシャフトの軸受装置 - Google Patents

Abstract

【課題】スラスト軸受の油膜による圧力損失を抑制しつつ軸受面の摺動摩擦損失を低減することのできるクランクシャフトの軸受装置を提供する。
【解決手段】軸受装置は、クランクシャフトのジャーナルを支持する軸受支持部の両側面にスラスト軸受を備えている。スラスト軸受は、半割円環形状の軸受面と、軸受面を内周側から外周側へと横切るように形成された複数の油溝と、を有している。また、スラスト軸受は、変速機の側に面した側面に配置される第１スラスト軸受と、変速機と反対側に面した側面に配置される第２スラスト軸受と、を含んでいる。第１スラスト軸受は、複数の油溝の間の軸受面が、クランクシャフト回転方向に向かって壁厚が厚くなるように形成されたテーパ面を含んで構成される。また、第２スラスト軸受は、複数の油溝の間の軸受面が、壁厚が一定となる平面によって構成されている。
【選択図】図４

Description

本発明は、内燃機関のクランクシャフトの軸受装置に関し、特にクランクシャフトから軸線方向のスラスト荷重を受けるスラスト軸受の構造に関する。

内燃機関は、クランクシャフトの径方向の力を受け止めるすべり軸受と、クランクシャフトの軸方向の力を受け止めるスラスト軸受とを備えている。すべり軸受は、シリンダブロック内に設けられた軸受支持部の軸受孔に配置され、クランクシャフトのジャーナルを回転自在に支持する。また、スラスト軸受は、半割円環形状の軸受面を有する軸受であり、軸受支持部の両側面において軸受孔の周縁に配置される。

スラスト軸受の形状については、従来から種々のものが提案されている。例えば特許文献１には、軸受面にテーパ面を含むテーパランドが形成された、いわゆるテーパランド軸受をスラスト軸受に採用することが提案されている。このようなテーパランド軸受の構成によれば、軸受面の負荷容量が増大するので、軸受面の摩擦が低減される。

特開２０１４−０４０８９９号公報 特開２０１０−０７１３１２号公報 特開２００３−１１３９２８号公報 特開２０１４−２０２２９５号公報

ところで、内燃機関のクランクシャフトは、トルクコンバータ等の変速機に連結されている。このような構造では、クランクシャフトに対して主として変速機の側から内燃機関の本体へと向かう方向のスラスト荷重が発生する。このため、変速機の側に面するスラスト軸受と変速機とは反対の側に面するスラスト軸受では、受ける荷重の大きさが異なることとなる。

上述したように、クランクシャフトのスラスト軸受に上述したテーパランド軸受を用いると、軸受面の摺動摩擦損失が低減される。しかしながら、テーパランド軸受は、油膜の圧力の上昇によって圧力損失が大きくなるという背反がある。このため、軸受面が受けるスラスト荷重が比較的小さい場合には、スラスト軸受にテーパランド軸受を採用することが最善とはいえない場合もある。上記従来の軸受装置では、クランクシャフトに発生するスラスト荷重の特徴を考慮した上で、スラスト軸受の油膜圧力と軸受面の摺動摩擦を最適化することはなされていない。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、スラスト軸受の油膜による圧力損失を抑制しつつ軸受面の摺動摩擦損失を低減することのできるクランクシャフトの軸受装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、第１の発明は、一端に変速機が連結されたクランクシャフトを支持するクランクシャフトの軸受装置であって、
前記軸受装置は、
向かい合う２つの側面の間を貫通する軸受孔を有し、前記クランクシャフトのジャーナルを前記軸受孔によって支持する軸受支持部と、
半割円環形状の軸受面と、前記軸受面を内周側から外周側へと横切るように形成された複数の油溝と、を有し、前記２つの側面のそれぞれにおける前記軸受孔の周縁に配置されることによって前記クランクシャフトの軸方向の力を受けるスラスト軸受と、を備え、
前記スラスト軸受は、
前記２つの側面のうち前記変速機の側に面した側面に配置される第１スラスト軸受と、
前記２つの側面のうち前記変速機と反対側に面した側面に配置される第２スラスト軸受と、を含み、
前記第１スラスト軸受は、前記複数の油溝の間の軸受面が、前記クランクシャフトの回転方向に向かって壁厚が厚くなるように形成されたテーパ面を含んで構成され、
前記第２スラスト軸受は、前記複数の油溝の間の軸受面が、壁厚が一定となる平面によって構成されていることを特徴としている。

第２の発明は、第１の発明において、
前記第１スラスト軸受は、前記複数の油溝の間の軸受面が、前記テーパ面の最厚部から前記壁厚が一定となるように形成された平面を含んで構成されていることを特徴としている。

第３の発明は、第１又は第２の発明において、
前記軸受支持部は、
内燃機関のエンジンブロックに設けられたサドル部と、
前記サドル部に固定され、前記サドル部に配置された前記クランクシャフトを回転自在に支持するキャップ部と、を含み、
前記スラスト軸受は、前記サドル部又は前記キャップ部の何れか一方又は両方に設けられていることを特徴としている。

第４の発明は、第１乃至第３の何れか１つの発明において、
前記スラスト軸受は、前記クランクシャフトの径方向の力を受けるすべり軸受と一体に構成されたフランジ軸受として構成されていることを特徴としている。

クランクシャフトには、変速機からクランクシャフトを押す方向のスラスト荷重が発生する。このため、第１スラスト軸受とクランクシャフトとの間の摩擦は、第２スラスト軸受とクランクシャフトとの間の摩擦よりも大きくなる。第１の発明によれば、第１スラスト軸受の軸受面は、クランクシャフトの回転方向に向かって壁厚が厚くなるように形成されたテーパ面を含んで構成され、第２スラスト軸受の軸受面は、壁厚が一定になるように形成された平面によって構成されている。このような構成によれば、摩擦の大きい軸受面の負荷容量を摩擦の小さい軸受面の負荷容量よりも大きくすることができるので、スラスト軸受の油膜の圧力損失を抑制しつつ軸受面の摺動摩擦損失を低減することが可能となる。

第２の発明によれば、第１スラスト軸受の軸受面は、テーパ面の最厚部から壁厚が一定になるように形成された平面を含んで構成されている。このような構成によれば、軸受面の負荷容量を効果的に大きくすることができるので、摺動摩擦損失の低減に大きく貢献することができる。

第３の発明によれば、スラスト軸受は、サドル部またはキャップ部の何れか一方又は両方に設けられている。このため、本発明によれば、クランクシャフトのスラスト荷重を確実に受けることができる。

第４の発明によれば、スラスト軸受は、すべり軸受と一体に構成されたフランジ軸受として構成されている。このため、本発明によれば、部品点数を削減することができる。

本発明の実施の形態１に係るクランクシャフトの軸受装置が適用された内燃機関（エンジン）のエンジン本体の構成を示す図である。 図１におけるクランクシャフトの軸受部Ａを拡大した図である。 図２における軸受部をＢ−Ｂで切断してクランクシャフトの軸線方向から見た模式図である。 テーパランド軸受の構成を説明するための図である。 図５中の曲線Ｃ−Ｃに沿って軸受を切断した場合の断面形状を模式的に示す図である。 平形状軸受の構成を説明するための図である。 図７中の曲線Ｄ−Ｄに沿って軸受を切断した場合の断面形状を模式的に示す図である。 内燃機関の運転時に、テーパランド軸受として構成されたスラスト軸受の軸受面に発生する油膜圧力分布を示す図である。 内燃機関の運転時に、平形状軸受として構成されたスラスト軸受の軸受面に発生する油膜圧力分布を示す図である。 軸受装置の構造の変形例を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。ただし、以下に示す実施の形態において各要素の個数、数量、量、範囲等の数に言及した場合、特に明示した場合や原理的に明らかにその数に特定される場合を除いて、その言及した数に、この発明が限定されるものではない。また、以下に示す実施の形態において説明する構造は、特に明示した場合や明らかに原理的にそれに特定される場合を除いて、この発明に必ずしも必須のものではない。

実施の形態１．
以下、図面を参照して本発明の実施の形態１について説明する。

［実施の形態１の構成］
図１は、本発明の実施の形態１に係るクランクシャフトの軸受装置が適用された内燃機関（エンジン）のエンジン本体の構成を示す図である。図１は、エンジン本体をクランクシャフトの中心軸を通る鉛直面で切断した断面を模式的に示している。本実施の形態のエンジンは火花点火式エンジンである。エンジンは、動力源として車両に搭載される。このエンジンのエンジン本体１には複数の気筒が備えられている。図１では４つの気筒を直列に配置した例が示されているが、気筒数と気筒の配列には限定はない。

エンジン本体１には、クランクシャフト２が内蔵されている。クランクシャフト２の一端側には、図示しない変速機が連結されている。変速機は、トルクコンバータを備えたオートマチック・トランスミッション（ＡＴ）や連続可変変速機（ＣＶＴ）でもよいし、またクラッチを備えた変速機であってもよい。なお、以下の説明では、エンジン本体１において、変速機が設けられている側を「エンジン後側」と称し、変速機が設けられていない側を「エンジン前側」と称することとする。

図２は、図１におけるクランクシャフトの軸受部Ａを拡大した図である。また、図３は、図２における軸受部をＢ−Ｂで切断してクランクシャフトの軸線方向から見た模式図である。以下、図２及び図３を参照して、クランクシャフト２の軸受装置について更に詳しく説明する。図２に示すように、クランクシャフト２は、軸受支持部の両側面を貫通する軸受孔１８に配置されたすべり軸受１２１，１２２によって回転自在に支持されている。すべり軸受１２１，１２２は、クランクシャフトの径方向の力を受けるための軸受であり、円筒形状の部品をその軸を含む平面で二分割した半割型の一対の軸受として構成されている。すべり軸受１２１，１２２は、それぞれ軸受支持部としてのサドル部１４とキャップ部１６に設置される。サドル部１４は、エンジン本体１のエンジンブロック側に構成された構造物であり、また、キャップ部１６は、エンジン本体１のエンジンブロックとは別部品として構成された構造物である。キャップ部１６がサドル部１４に固定されることにより、すべり軸受１２１，１２２が配置された軸受孔１８が形成される。

第２気筒と第３気筒の間に位置するサドル部１４の２つの側面のうち、エンジン後側（つまり変速機の側）に面する側面には、受座１４１が設けられる。また、サドル部１４の２つの側面のうち、エンジン前側（つまり変速機と反対側）に面する側面には、受座１４２が設けられる。受座１４１，１４２はスラスト軸受３，４の位置決めを行うための凹部であり、軸受孔１８の周縁に設けられる。スラスト軸受３，４は、円環形状の部品をその軸を含む平面で二分割した半割円環形状の軸受として構成されている。なお、スラスト軸受３は本発明の「第１スラスト軸受」に対応し、スラスト軸受４は本発明の「第２スラスト軸受」に対応している。スラスト軸受３，４は、半割円環形状の軸受面３１，４１がクランクシャフト２の摺動面２２に対向するように受座１４１，１４２の上にそれぞれ配置される。摺動面２２は、ジャーナル２１の両端に設けられた円環状の平面である。クランクシャフト２が回転すると、摺動面２２が軸受面３１，４１に対して摺動する。このような構成によれば、スラスト軸受３，４は、クランクシャフト２に発生する軸線方向のスラスト荷重を軸受面３１，４１によって受け止める。

［実施の形態１の特徴的構成］
次に、本実施の形態１の軸受装置の特徴的構成について説明する。本出願の発明者は、クランクシャフト２が受けるスラスト荷重について鋭意研究を重ねた。その結果、車両の走行中において、クランクシャフト２には主として変速機が連結されているエンジン後側からエンジン前側に向かう方向のスラスト荷重が発生することを見出した。このような前提に立って考察すると、例えばエンジン本体にトルクコンバータを介してＣＶＴが連結されている構成では、車両の走行中において、主としてトルクコンバータからエンジン本体に向かう方向のスラスト荷重が発生することとなる。この場合、摺動面２２の摺動による摩擦損失は、サドル部１４に対してエンジン前側に設けられたスラスト軸受４の側よりも、サドル部１４に対してエンジン後側に設けられたスラスト軸受３の側が相対的に大きいこととなる。

そこで、本実施の形態１の軸受装置では、スラスト軸受３にスラスト軸受４よりも負荷容量の大きい軸受が用いられている。より詳しくは、エンジン後側に配置されるスラスト軸受３にはテーパランド軸受が用いられ、エンジン前側に配置されるスラスト軸受４には平形状軸受が用いられる。以下、これらの軸受の構成について更に詳しく説明する。

図４は、テーパランド軸受の構成を説明するための図である。また、図５は、図４中の曲線Ｃ−Ｃに沿って軸受を切断した場合の断面形状を模式的に示す図である。なお、これらの図中に矢印Ｘで示す方向は摺動面２２に対する軸受面３１の相対的なすべり方向を示し、図中に矢印Ｙで示す方向はクランクシャフト２の回転方向を示している。これらの図に示すように、スラスト軸受３としてのテーパランド軸受は、軸受面３１に油溝３２とテーパ部３３とランド部３４とが形成されている。油溝３２は、軸受面３１の内周側から外周側に向かって横切るように形成された溝であって、複数個形成されている。

軸受面３１における２つの油溝３２の間には、テーパ部３３とランド部３４が形成されている。テーパ部３３は、油溝３２の端部からクランクシャフト２の回転方向に向かって（つまり相対的なすべり方向に沿って）軸受の厚さである壁厚が徐々に厚くなるように傾斜したテーパ面によって形成されている。このようなテーパ部３３の形状によれば、軸受面３１の相対的なすべり方向に沿って摺動面２２との隙間が徐々に狭くなる。ランド部３４は、壁厚が最も厚いテーパ部３３の最厚部から軸受面３１の相対的なすべり方向に沿って隣の油溝３２にまで延びる平面によって構成されている。このようなランド部３４の形状によれば、軸受面３１と摺動面２２との隙間が一定となる。なお、油溝３２は、テーパ部３３及びランド部３４よりも深い溝となっているため、油溝３２とテーパ部３３との境界及び油溝３２とランド部３４との境界は段差になっている。スラスト軸受３には、このようなテーパ部３３及びランド部３４から構成されるテーパランド部が、軸受面３１の周方向に複数個連続して形成されている。

図６は、平形状軸受の構成を説明するための図である。また、図７は、図６中の曲線Ｄ−Ｄに沿って軸受を切断した場合の断面形状を模式的に示す図である。なお、これらの図中に矢印Ｘで示す方向は摺動面２２に対する軸受面４１の相対的なすべり方向を示し、図中に矢印Ｙで示す方向はクランクシャフト２の回転方向を示している。これらの図に示すように、スラスト軸受４としての平形状軸受は、油溝４２とリリーフ部４４とを除いた軸受面４１に平形部４３が形成されている。平形部４３は、クランクシャフト２の回転方向に向かって（つまり軸受面４１の相対的なすべり方向に沿って）摺動面２２との隙間が一定となる平面によって形成されている。油溝４２は、軸受面４１の内周側から外周側に向かって横切るように形成された溝であって、複数個（図では２個）形成されている。なお、油溝４２は、平形部４３よりも深い溝となっているため、油溝４２と平形部４３との境界は段差になっている。リリーフ部４４は、軸受面４１の両端部のエッジを切り欠いて形成されている。

［実施の形態１の軸受装置の作用効果］
次に、上述の構造で得られる軸受装置の作用効果について、図８及び図９を参照して説明する。

図８は、内燃機関の運転時に、テーパランド軸受として構成されたスラスト軸受の軸受面に発生する油膜圧力分布を示す図である。図８に示すように、テーパランド部に発生する油膜圧力は、テーパ部３３の最厚部において最大となり、ランド部３４に向かうにつれてゼロに近づく。この油膜圧力を軸方向に積分したもの、すなわち、油膜圧力分布の面積が、軸受面３１の油膜が摺動面２２を保持する力の大きさを示している。一方、図９は、内燃機関の運転時に、平形状軸受として構成されたスラスト軸受の軸受面に発生する油膜圧力分布を示す図である。図９に示すように、平形部４３には油膜圧力が発生しない。

上述したように、本実施の形態１のエンジンの構成では、変速機が連結されているエンジン後側からエンジン前側へと向かう方向のスラスト荷重がクランクシャフト２に発生する。このため、スラスト軸受３の軸受面３１とクランクシャフト２の摺動面２２との間の油膜圧力が低いと、軸受面３１の摩耗や摩擦損失による燃費の悪化が問題となるおそれがある。このため、スラスト軸受３は、油膜圧力を高める必要性が高い。一方、スラスト軸受４の軸受面４１が受けるスラスト荷重は、スラスト軸受３の軸受面３１が受けるスラスト荷重よりも相対的に小さい。このため、スラスト軸受４は油膜圧力を高める必要性は低く、むしろ油膜圧力を低く保持して圧力損失を抑える構成の方が好ましい。

本実施の形態１の軸受装置では、スラスト軸受３に上記のテーパランド軸受が用いられ、スラスト軸受４に上記の平形状軸受が用いられている。このような構成によれば、スラスト軸受３の軸受面３１とクランクシャフト２の摺動面２２との間の油膜を保持しつつ、スラスト軸受４の軸受面４１と摺動面２２との間の油膜の圧力損失が低減される。これにより、スラスト軸受３，４の油膜による圧力損失を抑制しつつ軸受面３１，４１の摺動摩擦損失を低減することが可能となる。

また、軸受面の油膜圧力に負圧が発生すると軸受面に異物を呼び込むおそれがある。このような状況は、例えば、軸受面の壁厚がすべり方向に沿って薄くなるようないわゆる逆テーパ面を含む軸受面において発生する。この点、本実施の形態１の軸受装置では、スラスト軸受４は平形部４３によって構成されているため、負の油膜圧力による軸受面への異物の呼び込みを有効に防ぐことが可能となる。

また、本実施の形態１の軸受装置では、スラスト軸受３がランド部３４を含んで構成され、スラスト軸受４が平形部４３を含んで構成されている。このような構成によれば、平面で形成された軸受面によるスクイズ効果によって、クランクシャフト２の歪みによる摺動面２２のブレを有効に抑えることができる。

［軸受装置の構造の変形例］
図１０は、軸受装置の構造の変形例を示す図である。この図に示す例では、スラスト軸受３，４が、すべり軸受１２１と一体となったフランジ軸受７として構成されている。このような軸受装置の構造によれば、部品点数を削減することができる。

スラスト軸受３，４は、サドル部１４に替えてまたはサドル部１４に加えて、キャップ部１６の両側面に設けられていてもよい。また、スラスト軸受３の軸受面３１は、ランド部３４を含まずテーパ部３３のみで構成されていてもよい。さらに、スラスト軸受３において、テーパランド部が連続する数は特に限定されない。

１ エンジン本体
２ クランクシャフト
３ スラスト軸受
４ スラスト軸受
７ フランジ軸受
１４ サドル部
１６ キャップ部
１８ 軸受孔
２１ ジャーナル
２２ 摺動面
３１ 軸受面
３２ 油溝
３３ テーパ部
３４ ランド部
４１ 軸受面
４２ 油溝
４３ 平形部
４４ リリーフ部
１２１，１２２ すべり軸受
１４１，１４２ 受座

Claims (4)

1. 一端に変速機が連結されたクランクシャフトを支持するクランクシャフトの軸受装置であって、
   前記軸受装置は、
   向かい合う２つの側面の間を貫通する軸受孔を有し、前記クランクシャフトのジャーナルを前記軸受孔によって支持する軸受支持部と、
   半割円環形状の軸受面と、前記軸受面を内周側から外周側へと横切るように形成された複数の油溝と、を有し、前記２つの側面のそれぞれにおける前記軸受孔の周縁に配置されることによって前記クランクシャフトの軸方向の力を受けるスラスト軸受と、を備え、
   前記スラスト軸受は、
   前記２つの側面のうち前記変速機の側に面した側面に配置される第１スラスト軸受と、
   前記２つの側面のうち前記変速機と反対側に面した側面に配置される第２スラスト軸受と、を含み、
   前記第１スラスト軸受は、前記複数の油溝の間の軸受面が、前記クランクシャフトの回転方向に向かって壁厚が厚くなるように形成されたテーパ面を含んで構成され、
   前記第２スラスト軸受は、前記複数の油溝の間の軸受面が、壁厚が一定となる平面によって構成されていることを特徴とするクランクシャフトの軸受装置。
2. 前記第１スラスト軸受は、前記複数の油溝の間の軸受面が、前記テーパ面の最厚部から前記壁厚が一定となるように形成された平面を含んで構成されていることを特徴とする請求項１に記載のクランクシャフトの軸受装置。
3. 前記軸受支持部は、
   内燃機関のエンジンブロックに設けられたサドル部と、
   前記サドル部に固定され、前記サドル部に配置された前記クランクシャフトを回転自在に支持するキャップ部と、を含み、
   前記スラスト軸受は、前記サドル部又は前記キャップ部の何れか一方又は両方に設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載のクランクシャフトの軸受装置。
4. 前記スラスト軸受は、前記クランクシャフトの径方向の力を受けるすべり軸受と一体に構成されたフランジ軸受として構成されていることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載のクランクシャフトの軸受装置。

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