JP2019105357A - すべり軸受 - Google Patents

Abstract

【課題】軸部材の焼き付きを抑制することが可能なすべり軸受を提供する。【解決手段】内周面でクランクシャフト（軸部材）を摺動可能に支持する、負の線膨張係数を有する物質で形成された一対の環状部材を、すべり軸受の軸方向に直交する方向に沿って、所定の間隔を隔てて形成する。低温時には、環状部材が膨張して、環状部材とクランクシャフトと裏金とによって密閉された空間が形成される。形成された空間に潤滑油を閉じ込めることができるため、潤滑油を早期に昇温することができる。これによって、潤滑油の粘度が下がり、潤滑効果を向上させることができる。さらに、高温時には、環状部材が収縮するため、環状部材とクランクシャフトとの間に隙間が形成される。形成された隙間からは潤滑油が流出して、新たな潤滑油が供給されるため、油量が増えることですべり軸受の冷却効果が高まり、すべり軸受の耐焼き付き性の低下が抑制される。【選択図】図２

Description

本発明は、すべり軸受に関する。

従来、例えばエンジンのクランクシャフト（軸部材）を支持する軸受には、潤滑油等による油膜を介して、回転する軸部材を支持するすべり軸受が用いられている。

このようなすべり軸受においては、例えば、軸部材が高速で回転している際に、油膜が切れて軸部材が軸受に接触（片当たり）することにより、軸受に傷が生じる、いわゆる焼き付きが発生する可能性がある。一旦焼き付きが発生すると、軸受を交換する必要があるため、すべり軸受を設計する際には、焼き付きを発生しにくくするための対策を行う必要がある。

例えば、特許文献１では、すべり軸受に環状部材を設置するととともに、軸部材の外周面に、環状部材が入り込む環状溝を設置している。そして、環状部材を正の熱膨張率を有する材料で形成している。これによって、高温時には、膨張した環状部材が軸部材の環状溝に入り込むため、昇温された油が保持されることによって、すべり軸受を焼き付きにくくしている。

特開２０１２−１１２４９２号公報

しかしながら、この従来技術にあっては、軸受の焼き付きの発生を十分に抑制することができなかった。

本発明は、軸部材を焼き付きにくくすることが可能なすべり軸受を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、円環状のすべり軸受のうち、軸部材を摺動可能に支持する内周面に、負の線膨張係数を有する物質で形成された一対の環状部材が、前記すべり軸受の軸方向に直交する方向に沿って、所定の間隔を隔てて形成されることを特徴とする。

図１は、一般的なすべり軸受けの一例である、自動車用エンジンのクランクシャフトのすべり軸受の構造の一例を示す図であり、（ａ）はすべり軸受の斜視図である。（ｂ）はすべり軸受のｘｚ断面図である。 図２は、実施形態のすべり軸受の構造を示すｘｚ断面図であり、（ａ）は低温時におけるすべり軸受のｘｚ断面図である。（ｂ）は高温時におけるすべり軸受のｘｚ断面図である。

（一般的なすべり軸受けの構造の説明）
発明の実施形態について説明する前に、一般的なすべり軸受けの構造について説明する。図１は、一般的なすべり軸受けの一例である、自動車用エンジンのクランクシャフトのすべり軸受けの構造の一例を示す図である。特に、図１（ａ）は、すべり軸受１０ａの斜視図である。なお、以後の説明のため、図１（ａ）に示すように、すべり軸受１０ａの中心軸３０をｚ軸とし、中心軸３０に直交する方向を、それぞれｘ軸、ｙ軸とするｘｙｚ座標系を設定する。図１（ｂ）は、すべり軸受１０ａのｘｚ断面図である。なお、クランクシャフト２は、適用されるエンジンの気筒数、エンジンの形式等に応じた数のクランクジャーナルを備えており、これらのクランクジャーナルが、それぞれすべり軸受１０ａによって支持されている。すなわち、クランクシャフト２は、複数のすべり軸受１０ａによって支持されている。図１には、１か所のすべり軸受１０ａのみを示すが、図示しない他のすべり軸受１０ａも、全て同じ構造を備えている。

すべり軸受１０ａを形成する軸受メタル５は、中空状の円筒を直径方向に２等分した半割形状の金属部材（半割軸受メタル５ａ，５ｂ）であり、断面が半円弧状となっている。軸受メタル５は、図１（ｂ）に示すように、裏金１１とライニング層１２とオーバレイ層１３とを含む。すべり軸受１０ａは、半割軸受メタル５ａと半割軸受メタル５ｂとを円筒状に組み合わせることにより形成される。すべり軸受１０ａは、内部に形成される中空部分にて円柱状のクランクシャフト２を支持する。なお、クランクシャフト２は、軸部材の一例である。クランクシャフト２の外径Ｄ１は、すべり軸受１０ａの内径Ｄ２よりもわずかに小さく形成されている。クランクシャフト２の外周面３と、すべり軸受１０ａの内周面１５ａとの間に形成される隙間には、図１に不図示の潤滑油供給機構によって潤滑油（エンジンオイル）が供給されて、油膜１４が形成される。そして、すべり軸受１０ａの内周面１５ａ上を、油膜１４を介して、クランクシャフト２の外周面３が摺動する。

軸受メタル５は、曲率中心から遠い順に、裏金１１とライニング層１２とオーバレイ層１３とを順に積層した円環状の構造を有する。すなわち、裏金１１が軸受メタル５の最外層を構成し、オーバレイ層１３が軸受メタル５の最内層を構成する。裏金１１とライニング層１２とオーバレイ層１３とは、それぞれ円周方向に対して一定の厚みを有している。例えば、裏金１１の厚みは約１．３ｍｍであり、ライニング層１２の厚みは約０．２ｍｍであり、オーバレイ層１３の厚みは約１０μｍである。オーバレイ層１３の曲率中心側の表面の半径（軸受メタル５の内径）は約４０ｍｍである。オーバレイ層１３の内側（軸受メタル５の曲率中心側）の表面（円環状の内周面１５ａ）は、クランクシャフト２の摺動面を形成する。

裏金１１は、すべり軸受１０ａの強度を向上させる部材である。ライニング層１２は、軸受としての特性および性能、例えば、摩擦特性、耐焼付性、耐摩耗性、なじみ性、異物埋収性（異物ロバスト性）、および耐腐食性等の特性を改善するための層である。ライニング層１２は、軸受合金で形成される。軸であるクランクシャフト２との凝着を防ぐため、軸受合金と軸とは、いわゆる「ともがね」となることを避けるために、異なる材料が用いられる。例えば、クランクシャフト２が鋼で形成されていた場合、軸受合金としては、アルミニウム合金等、鋼とは異なる合金が用いられる。オーバレイ層１３は、ライニング層１２の摩擦係数、なじみ性、耐腐食性、および異物埋収性（異物ロバスト性）等の特性を改善するためのコーティング層として、樹脂系コーティングまたは金属めっきで形成される。

（実施形態のすべり軸受けの構造の説明）
次に、本願発明の実施形態について説明する。本実施形態は、本発明のすべり軸受を、自動車用エンジンのクランクシャフト２のすべり軸受１０ｄに適用した例である。以下、図２を用いて、本実施形態のすべり軸受１０ｄの構造を説明する。

図２は、実施形態のすべり軸受１０ｄのｘｚ断面図である。特に、図２（ａ）は、低温時におけるすべり軸受１０ｄのｘｚ断面図である。図２（ｂ）は、高温時におけるすべり軸受１０ｄのｘｚ断面図である。なお、簡単のため、図２（ａ），図２（ｂ）において、図１に示したライニング層１２とオーバレイ層１３は省略している。

図２（ａ），図２（ｂ）において、クランクシャフト２（軸部材）を摺動可能に支持する裏金１１（軸受メタル５）の内周面１５ａには、温度が上昇すると体積が減少して、温度が下降すると体積が増加する、負の線膨張係数を有する物質で形成された、矩形断面を有する一対の環状部材２４ａ，２４ｂが、すべり軸受１０ｄの中心軸３０に直交する方向に沿って、所定の間隔を隔てて形成されている。

環状部材２４ａ，２４ｂの外周面は、それぞれ、裏金１１（軸受メタル５）の内周面１５ａに環状に形成された環状溝部２２ａ，２２ｂに嵌合されている。環状溝部２２ａ，２２ｂは、所定の間隔を隔てて、すべり軸受１０ｄの中心軸３０に直交する方向に形成されている。環状溝部２２ａ，２２ｂを設置する所定の間隔、および環状溝部２２ａ，２２ｂの幅（環状部材２４ａ，２４ｂの幅）は、すべり軸受１０ｄが所定の負荷容量を有するように適宜決定すればよい。

なお、すべり軸受１０ｄは、環状溝部２２ａ，２２ｂを形成せずに、環状部材２４ａ，２４ｂが、裏金１１の内周面１５ａに直接当接する構成としてもよい。

環状部材２４ａ，２４ｂを構成する、負の線膨張係数を有する物質としては、例えば、ぺロブスカイト（Perovskite）を用いることができる。ぺロブスカイトは、物質の結晶構造名である。具体的な物質（化合物）としては、チタン酸カルシウム（ＣａＴｉＯ_３）、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ_３）、ビスマス・ランタン・ニッケル酸化物（Ｂｉ_０．９５Ｌａ_０．０５ＮｉＯ_３）、ビスマス・ニッケル・鉄酸化物（ＢｉＮｉ_１−ｘＦｅ_ｘＯ_３）等がよく知られており、そのいずれの材料を用いてもよい。なお、負の線膨張係数がより大きい物質を用いると、すべり軸受の肉厚の変形量を、より大きく設定することができる。また、負の線膨張係数が大きい物質を用いると、当該物質の配合量を調整することによって、すべり軸受の肉厚の変形量を広範囲に亘って調整することが可能である。例えば、ビスマス・ニッケル・鉄酸化物は、負の線膨張係数が、−１８７×１０^−６／℃と非常に大きいため、本実施形態における軸受メタル５の材料として好適である。

一方、環状溝部２２ａ，２２ｂが形成される裏金１１（軸受メタル５）は、正の線膨張係数を有し、なおかつ、線膨張係数の絶対値が、環状部材２４ａ，２４ｂを形成する物質の線膨張係数の絶対値と略等しい部材で形成することが望ましい。すなわち、環状溝部２２ａ，２２ｂの大きさ（溝の深さ、溝の幅）は、温度が上昇すると膨張し、温度が低下すると収縮する。一方、環状部材２４ａ，２４ｂは、温度が上昇すると収縮し、温度が低下すると膨張する。したがって、温度によらずに、環状部材２４ａ，２４ｂは、環状溝部２２ａ，２２ｂに嵌め合わさった状態を保持するのが望ましい。つまり、低温時には、膨張した環状部材２４ａ，２４ｂが収縮した環状溝部２２ａ，２２ｂに嵌め合わさり、高温時には、収縮した環状部材２４ａ，２４ｂが膨張した環状溝部２２ａ，２２ｂに嵌め合わさるように、環状溝部２２ａ，２２ｂの大きさが設計される。

なお、負の線膨張係数を有する物質としてぺロブスカイトを使用する場合には、すべり軸受を使用する環境の温度範囲を考慮してすべり軸受１０ｄの設計を行う必要がある。すなわち、低温になると、ぺロブスカイト特性を有する物質で形成された環状部材２４ａ，２４ｂは膨張する。このときにエンジンが始動すると、すべり軸受１０ｄとクランクシャフト２とが接触してしまう可能性がある。そのため、低温で膨張した環状部材２４ａ，２４ｂが、クランクシャフト２に接触することがないように、温度変化に伴う、環状部材２４ａ，２４ｂの変形範囲を事前に予測して、各部の寸法を設計する必要がある。

（すべり軸受の作用の説明）
次に、すべり軸受１０ｄの作用について説明する。図２（ａ）に示すように、低温時には、ぺロブスカイト特性を有する物質で形成された環状部材２４ａ，２４ｂが膨張する。一方、低温時には、裏金１１に形成された環状溝部２２ａ，２２ｂは収縮する。そして、すべり軸受１０ｄは、所定の温度を下回る低温時において、環状部材２４ａ，２４ｂは、環状溝部２２ａ，２２ｂに嵌め合わさった状態を保ったまま、環状部材２４ａ，２４ｂの内周面１５ｄが、クランクシャフト２に当接する。したがって、すべり軸受１０ｄの軸受内径が狭まることによって、潤滑由は、環状部材２４ａ，２４ｂとクランクシャフト２と裏金１１とで形成される空間に閉じ込められる。そして、閉じ込められた油膜１４の油温が、せん断発熱によって上昇するため、潤滑油の油温を早期に上昇させることができる。なお、所定の温度は、潤滑油の早期昇温が必要な温度に応じて適宜決定すればよい。

一方、高温時には、環状部材２４ａ，２４ｂが収縮するとともに、裏金１１に形成された環状溝部２２ａ，２２ｂは膨張する。したがって、図２（ｂ）に示すように、環状部材２４ａ，２４ｂは、環状溝部２２ａ，２２ｂに嵌め合わさった状態を保ったまま、環状部材２４ａ，２４ｂの内周面１５ｄは、クランクシャフト２から離隔する。したがって、すべり軸受１０ｄの軸受内径が広がることによって、閉じ込められていた潤滑油が環状部材２４ａ，２４ｂの内周面１５ｄを超えて、ｚ軸正方向側およびｚ軸負方向側に流出する。そして、油膜１４には、図２（ａ），図２（ｂ）に不図示の潤滑油供給機構によって新たな潤滑油が供給されるため、油量が増えることで、すべり軸受１０ｄの冷却効果が高まる。これによって、高温時には、すべり軸受１０ｄを焼き付きにくくすることができる。

ところで、クランクシャフト２は、エンジンの運転中に撓みを生じ、クランクシャフト２の中心軸が、すべり軸受１０ｄの中心軸３０に対して傾きを生じる可能性がある。このように、クランクシャフト２に傾きが生じると、クランクシャフト２は、当該クランクシャフト２を摺動可能に支持するすべり軸受１０ｄの内周面１５ｄの端部に片当たりする。このような場合、片当たりが発生した内周面１５ｄの端部の温度が上昇する。すると、環状部材２４ａ，２４ｂを形成した物質のぺロブスカイト特性によって、片当たりが発生した内周面１５ｄの端部が、温度の上昇に応じた量だけ収縮する。そのため、クランクシャフト２の傾きに応じた量だけ環状部材２４ａ，２４ｂの内周面１５ｄの肉厚が薄くなって、すべり軸受１０ｄは、傾いたクランクシャフト２と面当たりすることになる。これにより、すべり軸受１０ｄの負荷容量が上がるため、耐焼き付き性の低下が抑制される。

なお、裏金１１を形成する部材が有する正の線膨張係数の絶対値と、環状部材２４ａ，２４ｂを形成する物質が有する負の線膨張係数の絶対値とは略等しいことが望ましいと前記した。しかし、このような条件を満足する適切な物質の組み合わせがない場合は、少なくとも、所定の温度よりも低い温度領域において、環状部材２４ａ，２４ｂが環状溝部２２ａ，２２ｂに嵌め合わさった状態となればよい。この場合、高温時には、環状溝部２２ａ，２２ｂと環状部材２４ａ，２４ｂとの間に隙間が生じる可能性がある。しかしながら、高温時には、前記したように、潤滑油を環状部材２４ａ，２４ｂと環状溝部２２ａ，２２ｂとの隙間から流出させる必要があるため、生じた隙間は、潤滑油の流出路として作用させることができる。

以上説明したように、実施形態のすべり軸受１０ｄは、内周面１５ｄでクランクシャフト２（軸部材）を摺動可能に支持する、負の線膨張係数を有する物質で形成された一対の環状部材２４ａ，２４ｂが、すべり軸受１０ｄの軸方向に直交する方向に沿って、所定の間隔を隔てて形成される。したがって、低温時には、環状部材２４ａ，２４ｂが膨張して、環状部材２４ａ，２４ｂとクランクシャフト２と裏金１１とによって密閉された空間が形成される。そして、その空間に潤滑油を閉じ込めることができるため、潤滑油を早期に昇温することができる。これによって、潤滑油の粘度が下がり、潤滑効果を向上させることができる。さらに、高温時には、環状部材２４ａ，２４ｂが収縮するため、環状部材２４ａ，２４ｂとクランクシャフト２との間に隙間が形成される。そして、その隙間から潤滑油が流出するとともに、潤滑油供給機構によって新たな潤滑油が供給されるため、油量が増えることで、すべり軸受１０ｄの冷却効果が高まるため、すべり軸受１０ｄの耐焼き付き性の低下が抑制される。

また、実施形態のすべり軸受１０ｄにおいて、一対の環状部材２４ａ，２４ｂは、軸受メタル５の内周面１５ａに、すべり軸受１０ｄの中心軸３０に直交する方向に沿って形成された環状溝部２２ａ，２２ｂに嵌まり合う。したがって、低温時に膨張した環状部材２４ａ，２４ｂは、環状溝部２２ａ，２２ｂと確実に嵌まり合うため、環状部材２４ａ，２４ｂとクランクシャフト２との間に、より一層密閉された空間が形成される。そして、その空間に潤滑油を閉じ込めることができるため、潤滑油を早期に昇温することができ、潤滑効果を向上させることができる。特に、実施形態のすべり軸受１０ｄでは、環状溝部２２ａ，２２ｂを形成する裏金１１（軸受メタル５）が正の線膨張係数を有し、なおかつ、線膨張係数の絶対値が、環状部材２４ａ，２４ｂを形成する物質の線膨張係数の絶対値と略等しいものとした。したがって、低温時における環状溝部２２ａ，２２ｂの膨張量と、環状溝部２２ａ，２２ｂの収縮量とを略等しくすることができる。これによって、温度変化によらずに、環状部材２４ａ，２４ｂと環状溝部２２ａ，２２ｂとが嵌め合わさった状態を保つことができるため、広い温度範囲に亘って、潤滑効果の向上と焼き付きの抑制とを両立させることができる。

また、実施形態のすべり軸受１０ｄにおいて、一対の環状部材２４ａ，２４ｂは、少なくとも所定の温度よりも低い温度領域において、環状溝部２２ａ，２２ｂおよびクランクシャフト２（軸部材）に当接する。したがって、環状部材２４ａ，２４ｂとクランクシャフト２とによって密閉された空間に、潤滑油を確実に閉じ込めることができる。したがって、潤滑油を早期に確実に昇温することができ、これによって、潤滑油の粘度が下がるため、潤滑効果を向上させることができる。

また、実施形態のすべり軸受１０ｄにおいて、一対の環状部材２４ａ，２４ｂは、少なくとも所定の温度よりも高い温度領域において、環状溝部２２ａ，２２ｂに当接するとともに、クランクシャフト２（軸部材）から離隔する。したがって、温められた潤滑油が、環状部材２４ａ，２４ｂの内周面１５ｄを超えて流出する。そのため、高温時において、すべり軸受１０ｄを焼き付きにくくすることができる。

また、実施形態のすべり軸受１０ｄは、ぺロブスカイト構造を有する物質で形成した。ぺロブスカイト構造を有する物質は、負の線膨張係数が大きいため、すべり軸受１０ｄの肉厚の変形量を大きく設定することができる。したがって、広い温度範囲に亘って、すべり軸受１０ｄとクランクシャフト２とを確実に面当たり状態とすることができるため、すべり軸受１０ｄを焼き付きにくくすることができる。

また、実施形態のすべり軸受１０ｄは、ビスマス・ニッケル・鉄酸化物で形成した。ビスマス・ニッケル・鉄酸化物は、負の線膨張係数が特に大きいため、すべり軸受１０ｄの肉厚の変形量をより一層大きく設定することができる。したがって、より広い温度範囲に亘って、すべり軸受１０ｄとクランクシャフト２とを確実に面当たり状態とすることができるため、すべり軸受１０ｄを焼き付きにくくすることができる。

なお、本実施形態のすべり軸受１０ｄは、エンジンのクランクシャフト２に適用するのが好適である。これは、昨今広く実用化している、アイドリングストップ機能を備えたエンジンにおいては、エンジンの回転／停止が頻発するため、クランクシャフト２の焼き付きが発生する可能性が増えるおそれがあり、焼き付きの発生を抑制する必要性が高まっているためである。

本発明の実施形態を説明したが、この実施形態は、例示であり、発明の範囲を限定することは意図していない。この新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。この実施形態は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

例えば、上記の実施形態では、すべり軸受１０ｄを２個の環状部材２４ａ，２４ｂで形成したが、環状部材の個数は２個に限定されるものではない。すなわち、３個以上の環状部材を、それぞれ所定の間隔を隔てて設置しても同様の効果が得られる。

また、上記の実施形態では、本発明のすべり軸受１０ｄをクランクシャフト２の軸受に適用した例を説明したが、本発明の適用範囲はこの限りではない。すなわち、すべり軸受１０ｄは、軸部材を摺動可能に支持するすべり軸受であれば適用可能であり、例えば、バキュームポンプの軸受等に適用してもよい。

また、上記の実施形態では、負の線膨張係数を有する物質として、ぺロブスカイト特性を有する物質を用いる例を説明したが、負の線膨張係数を有する物質は、ぺロブスカイト特性を有する物質に限定されるものではない。すなわち、例えばガラス繊維等の材料を用いてもよい。

２ クランクシャフト（軸部材）
３ 外周面
５ 軸受メタル
５ａ，５ｂ 半割軸受メタル
１０ａ，１０ｄ すべり軸受
１１ 裏金
１２ ライニング層
１３ オーバレイ層
１４ 油膜
１５ａ，１５ｄ 内周面
２２ａ，２２ｂ 環状溝部
２４ａ，２４ｂ 環状部材
３０ 中心軸
Ｄ１ 外径
Ｄ２ 内径

Claims (6)

1. 円環状のすべり軸受のうち、軸部材を摺動可能に支持する内周面に、負の線膨張係数を有する物質で形成された一対の環状部材が、前記すべり軸受の軸方向に直交する方向に沿って、所定の間隔を隔てて形成される、
   ことを特徴とするすべり軸受。
2. 前記一対の環状部材は、前記内周面に、前記すべり軸受の軸方向に直交する方向に沿って形成された環状溝部に嵌まり合う、
   ことを特徴とする請求項１に記載のすべり軸受。
3. 前記一対の環状部材は、少なくとも所定の温度よりも低い温度領域において、前記環状溝部および前記軸部材に当接する、
   ことを特徴とする請求項２に記載のすべり軸受。
4. 前記一対の環状部材は、少なくとも所定の温度よりも高い温度領域において、前記環状溝部に当接するとともに、前記軸部材から離隔する、
   ことを特徴とする請求項２または請求項３に記載のすべり軸受。
5. 前記物質は、ぺロブスカイト構造を有する物質である、
   ことを特徴とする請求項１から請求項４のうちいずれか１項に記載のすべり軸受。
6. 前記物質は、ビスマス・ニッケル・鉄酸化物である、
   ことを特徴とする請求項５に記載のすべり軸受。

Images