JP2020148209A - すべり軸受 - Google Patents

Abstract

【課題】従来のすべり軸受では、低粘度潤滑油下における摺動部のフリクションのさらなる低減が望まれていた。【解決手段】軸体Ｊを回転自在に保持する軸穴２を有し、軸穴２の内周面における幅方向の両端部に、多数の微細凹部を形成したテクスチャ領域ＴＡを有するすべり軸受１とし、低粘度潤滑油下であっても、摺動面のフリクション低減及び耐摩耗性のさらなる向上を同時に実現した。【選択図】図１

Description

本発明は、すべり軸受に関し、例えば、内燃機関のクランクシャフトを保持するのに好適なすべり軸受に関するものである。

従来におけるすべり軸受としては、特許文献１に記載されているものがある。特許文献１に記載のすべり軸受は、外側の裏金材と内側のベアリングメタルとを積層し、軸方向両端部の厚さが中央部よりも厚くなるように曲面加工してあると共に、ベアリングメタルの表面（内周面）に、円周方向の条痕が多数形成してある。このすべり軸受は、条痕により軸受全面積に渡って高い油膜圧力を保持し、ベアリングの潤滑性能を向上させると共に、ベアリング打音を低減する。

特開平５−２５６３２０号公報

ところで、近年では、内燃機関、とくに自動車のエンジンにおいて、省燃費や省資源の観点から潤滑油の低粘度化が進められている。このため、自動車のエンジンでは、各摺動部の油膜厚さが薄くなり、油膜を通して局部的に金属同士の接触が生じる境界潤滑状態に移行し易いことから、低粘度潤滑油下であっても、摺動部のフリクション低減と耐摩耗性の向上を図るための改善が望まれていた。

本発明は、上記従来の状況に鑑みて成されたものであり、低粘度潤滑油下であっても、軸体との摺動面のフリクション低減と耐摩耗性の向上を同時に図ることができるすべり軸受を提供することを目的としている。

本発明に係わるすべり軸受は、軸体を回転自在に保持する軸穴を有し、軸穴の内周面における幅方向の両端部に、多数の微細凹部を形成したテクスチャ領域を有することを特徴としている。

本発明に係わるすべり軸受は、上記構成を採用したことにより、低粘度潤滑油下であっても、軸体との摺動面のフリクション低減と耐摩耗性の向上を同時に図ることができる。

本発明に係わるすべり軸受の第１実施形態を説明するクランクシャフトの要部の断面図（Ａ）、及びすべり軸受の正面図（Ｂ）である。 図１に示すすべり軸受を構成するアッパメーメタルの内側の平面図（Ａ）、及びロアメタルの内側の平面図（Ｂ）である。 テクスチャ領域の断面図（Ａ）、及び微細凹部の深さに関するすきま比と負荷容量係数との関係を示すグラフ（Ｂ）である。 テクスチャ領域の拡大図を含むすべり軸受の内側の平面図である。 本発明に係わるすべり軸受の第２実施形態を説明する図であって、テクスチャ領域の拡大図を含むすべり軸受の内側の平面図である。 本発明に係わるすべり軸受の第３実施形態を説明する側面図（Ａ）、及び図Ａ中のＸ−Ｘ線矢視に基づく断面図（Ｂ）である。

〈第１実施形態〉
図１（Ａ）に示すすべり軸受１は、自動車のエンジン等の内燃機関において、クランクケースＣＣとクランクシャフトＣＳのジャーナル部Ｊとの間に介装してあり、潤滑油が存在する軸受空間部を介してクランクシャフトＣＳを回転自在に保持する。この実施形態のすべり軸受は、クランクケースＣＣに装着する都合上、図１（Ｂ）に示すように、１８０度の円弧を成すアッパーメタル１Ａとロアメタル１Ｂに２分割してある。

上記のすべり軸受１は、アッパーメタル１Ａ及びロアメタル１ＢをクランクケースＣＣに取り付けた状態において、クランクシャフトＣＳの一部であるジャーナル部Ｊを回転自在に保持する軸穴２を形成する。よって、この実施形態の軸体はジャーナル部Ｊである。また、すべり軸受１のアッパーメタル１Ａは、図２（Ａ）に示すように、内周面における幅方向の中央に、潤滑油の供給溝３が全周に渡って形成してあり、供給溝３には、外部からの潤滑油の供給を行うための２つの流通孔４，５が形成してある。他方、ロアメタル１Ｂは、図２（Ｂ）に示すように、凹凸のない滑らかな内周面を有している。

そして、すべり軸受１のロアメタル１Ｂは、軸穴２の内周面における幅方向（図２中で上下方向）の両端部に、多数の微細凹部を形成したテクスチャ領域ＴＡを有している。この実施形態では、アッパーメタル１Ａにも、軸穴２の内周面における幅方向（図２中で上下方向）の両端部に、同様のテクスチャ領域ＴＡを有している。

テクスチャ領域ＴＡは、より望ましい実施形態として、軸穴２の下部中心、すなわち、すべり軸受１のロアメタル１Ｂの下部中心から周方向における±５０度の範囲θｔに形成することができる。また、テクスチャ領域ＴＡは、周方向に渡って一定の幅寸法Ｗｔを有しており、より望ましい実施形態として、軸穴２の幅方向の端部から、幅寸法Ｗｈの１／３〜１／１０の範囲に形成し、且つ軸受端部にテクスチャ未形成部を形成することができる。このテクスチャ未形成部は、後述する微細凹部の未形成領域Ｎｔである。

各微細凹部は、より望ましい実施形態として、ジャーナル部Ｊの回転方向Ｒｊを先端とする先細り形状を有する。なお、この実施形態の軸体は、クランクシャフトＣＳのジャーナル部Ｊであるから、その回転方向Ｒｊは一方向である。また、各微細凹部は、より望ましい実施形態として、図３に示すように、その深さＤｇを、境界潤滑条件下で形成される油膜厚さＴｏと微細凹部の底面からジャーナル部Ｊの表面までの距離ＣＬとの比が１．２倍〜５倍となるように設定することができる。

境界潤滑条件は、摺動面の油膜厚さが軸穴２の表面粗さ程度以下に薄くなり、油膜を通して局部的に金属接触が生じているような潤滑状態であり、一般的には、油膜厚さと表面粗さの比であるλ値が３以下の状態である。そこで、すべり軸受１では、動圧効果を発揮する微細凹部の深さＤｇとして、境界潤滑条件下で形成される油膜厚さＴｏと微細凹部の底面からジャーナル部Ｊの表面までの距離ＣＬとの比が１．２倍〜５倍となるように設定している。

この実施形態のすべり軸受１は、図４に示すように、テクスチャ領域ＴＡの各微細凹部が、平面視でＶ形状を成す多数の溝Ｇであると共に、２本の線分の交点Ａをジャーナル部Ｊの回転方向Ｒｊに向けて所定間隔で配置してある。これらの溝Ｇは、成形する方法が限定されるものではないが、例えば、レーザ加工やプレス等の塑性加工により形成することが可能である。

Ｖ形状の溝Ｇは、２本の線分の成す角度がとくに限定されるものではないが、潤滑油の動圧効果をより高めるうえで、例えば、４５〜１２０度の範囲、より望ましくは６０〜１２０度の範囲にするのが良い。本願発明における微細凹部は、上記のような溝Ｇや各種形状のディンプル等を採用することができ、上記溝Ｇが成すＶ形状も、ジャーナル部Ｊ（軸体）の回転方向Ｒｊを先端とする先細り形状に含まれる。

また、すべり軸受１は、より望ましい実施形態として、微細凹部である溝Ｇ，Ｇ同士の間隔Ｐｇを、溝の幅寸法Ｗｇの１／５〜５倍とすることができる。さらに、すべり軸受１は、より望ましい実施形態として、微細凹部である溝の幅寸法Ｗｇを、１０〜１００μｍとすることができる。

さらに、すべり軸受１は、より望ましい実施形態として、軸穴２の内周面における幅方向の端部に、微細凹部の未形成領域Ｎｔを有する。この未形成領域Ｎｔは、周方向に一定の幅寸法Ｗｎを有しており、より望ましい実施形態として、その幅寸法Ｗｎをテクスチャ領域ＴＡの幅寸法Ｗｔの１／１０以下にすることができる。

さらに、すべり軸受１は、より好ましい実施形態として、軸穴２の内周面において、テクスチャ領域ＴＡ以外の表面粗さＲａを、０．０１μｍ〜０．１μｍにすることができ、また、表面に硬質炭素被膜を有する軸体と組み合わせることができる。この実施形態では、ジャーナル部Ｊの表面に、ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）等の硬質炭素被膜を形成する。さらに、すべり軸受１は、より好ましい実施形態として、軸穴２の内周面の材質がアルミニウム合金であるものとすることができる。

ところで、自動車のエンジンは、ピストンの上下運動をクランクシャフトＣＳの回転運動に変換するのであるが、とくに、燃焼室で生じた燃焼圧力によってピストンが下降した際、コネクティングロッドを介してクランクシャフトＣＳに下向きの負荷が加わる。このとき、クランクシャフトＣＳは、ジャーナル部Ｊの部分で保持され、主に下向きの負荷に伴ってクランクシャフトＣＳが撓み、ジャーナル部Ｊの片側若しくは両側の端部に負荷が加わり、潤滑状態が悪化し、摩擦係数及び摩耗の増大につながる。

これにより、自動車のエンジンでは、クランクシャフトＣＳのジャーナル部Ｊが、すべり軸受１に片当たりする状態になる。この片当たりの状態は、摺動面の摩耗やフリクションを増大させる原因になる。その一方で、自動車のエンジンでは、省燃費や省資源の観点から潤滑油の低粘度化が進められており、この場合、摺動部の油膜厚さが小さくなり、油膜を通して局部的に金属同士の接触が生じる境界潤滑状態に移行し易くなる。

これに対して、この実施形態のすべり軸受１は、軸穴２の内周面における幅方向の両端部に、多数の微細凹部を形成したテクスチャ領域ＴＡ，ＴＡを有するので、テクスチャ領域ＴＡを形成する微細凹部がいわゆる油溜まりとして機能し、潤滑油の動圧効果を高めるのに伴って油膜反力を増大させることで、潤滑領域を拡大させ、境界潤滑状態への移行を抑制する。これにより、すべり軸受１は、低粘度潤滑油下であっても、ジャーナル部Ｊとの摺動面のフリクションと摩耗を低減することができる。

また、上記のすべり軸受１は、とくに、クランクシャフトＣＳのジャーナル部Ｊを回転自在に保持するものであって、軸穴２の下部中心から周方向における±５０度の範囲にテクスチャ領域ＴＡが形成してある。このようなすべり軸受１は、先述したジャーナル部Ｊの片当たりに極めて有効である。しかも、このすべり軸受１は、テクスチャ領域ＴＡの加工範囲を最小限にして摺動面のフリクションの低減効果を実現し得るので、加工時間の短縮化や製造コストの低減などに貢献することができる。

ここで、硬質部材と軟質部材との摺動面では、硬質部材側にテクスチャ領域を形成して、摺動による微細凹部の摩耗消失を抑制するのが一般的である。しかし、この実施形態のクランクシャフトＣＳとすべり軸受１との組合せにおいては、硬質部材側であるジャーナル材にテクスチャ領域を形成すると、このテクスチャ領域がやすりのように作用して軟質部材側である軸受材の摩耗が加速する懸念がある。

また、上記のすべり軸受１は、より好ましい実施形態として、軸穴２の内周面の材質をアルミニウム合金とし、表面に硬質炭素被膜を有するジャーナル部Ｊと組み合わされるものとしている。これにより、すべり軸受１は、上記したテクスチャ領域ＴＡの作用効果と硬質炭素被膜による作用効果とが相俟って、摺動面のフリクションの低減を実現することができる。

さらに、上記のすべり軸受１は、軸穴２の幅方向の端部から、幅寸法Ｈｗの１／３〜１／１０の範囲にテクスチャ領域ＴＡを形成したことにより、先述したジャーナル部Ｊの片当たりに極めて有効である。しかも、このすべり軸受１は、テクスチャ領域ＴＡの加工範囲を最小限にして摺動面のフリクションの低減効果を実現し得るので、加工時間の短縮化や製造コストの低減などに貢献することができる。

さらに、上記のすべり軸受１は、テクスチャ領域ＴＡの微細凹部を、ジャーナル部Ｊの回転方向Ｒｊを先端とする先細り形状にすることで、ジャーナル部Ｊの回転に伴って潤滑油が先細りの先端側に集められる状態になり、これにより潤滑油の動圧効果が増すと共に、油膜反力も増大して境界潤滑状態への移行を抑制し、摺動面のフリクションのさらなる低減を実現する。

さらに、上記のすべり軸受１は、微細凹部の深さＤｇを境界潤滑条件下で形成される油膜厚さＴｏと微細凹部である溝Ｇの底面からジャーナル部Ｊの表面までの距離ＣＬとの比が１．２倍〜５倍となるように設定することで、潤滑油の動圧効果を充分に確保し、摺動面のフリクションのさらなる低減を実現する。ここで、図３において、すべり軸受１における微細凹部の深さＤｇは、微細凹部の底面とジャーナル部Ｊ（軸体）との距離ＣＬから決定される。

図３（Ｂ）は、無限幅傾斜平板すべり軸受において、微細凹部の深さＤｇに関するすきま比ｍと負荷容量係数Ｋｗとの関係を示すグラフである。すきま比ｍは、微細凹部の深さＤｇを１としたときの前記距離ＣＬの比率である。負荷容量係数Ｋｗは、グラフから明らかなように、すきま比ｍは２付近にピークが見られる。そこで、前記距離ＣＬは、微細凹部の深さＤｇに対して、２前後の範囲で設定するのが望ましい。なお、すべり軸受１は、上記の如く境界潤滑条件下で形成される油膜厚さＴｏと微細凹部である溝Ｇの底面からジャーナル部Ｊの表面までの距離ＣＬとの比から微細凹部の深さＤｇが決まるので、微細凹部が溝Ｇである場合、ジャーナル部Ｊの片当たりを考慮すると、軸穴２の端部に向かうほど溝Ｇの深さＤｇが漸次減少する構成にしても良い。

さらに、上記のすべり軸受１は、微細凹部が、平面視でＶ形状を成す多数の溝Ｇであると共に、２本の線分の交点Ａをジャーナル部Ｊ（軸体）の回転方向Ｒｊに向けて配置してある。このような溝Ｇを有するすべり軸受１は、ジャーナル部Ｊの回転に伴って、潤滑油が溝Ｇの交点Ａに向けて集められる状態になる。これにより、すべり軸受１は、潤滑油の動圧効果を充分に確保し、油膜反力を高めて境界潤滑状態への移行を抑制し、摺動面のフリクション及び摩耗の低減を実現する。

さらに、上記のすべり軸受１は、微細凹部である溝Ｇ同士の間隔Ｐｇを溝Ｇの幅寸法Ｗｇの１／５〜５倍にし、また、溝Ｇの幅寸法Ｗｇを１０〜１００μｍにすることにより、テクスチャ領域ＴＡにおける潤滑油の動圧効果を充分に確保し、油膜反力を高めて境界潤滑状態への移行を抑制し、摺動面のフリクション及び摩耗の低減を実現する。

さらに、上記のすべり軸受１は、軸穴２の内周面における幅方向の端部に、微細凹部の未形成領域Ｎｔを有するので、軸穴２の幅方向の両端部から潤滑油が過度に流出するのを抑制して、油膜保持性のさらなる向上を実現する。

さらに、上記のすべり軸受１は、微細凹部の未形成領域Ｎｔの幅寸法Ｗｎをテクスチャ領域ＴＡの幅寸法Ｗｔの１／１０以下にすることで、テクスチャ領域ＴＡによる摺動面のフリクションの低減効果と未形成領域Ｎｔによる油膜の保持効果とを両立させることができる。

さらに、上記のすべり軸受１は、軸穴２の内周面において、テクスチャ領域以外の表面粗さＲａを０．０１μｍ〜０．１μｍにすることで、より一層の摩擦低減効果を得ることができる。

〈第２実施形態〉
図５は、本発明のすべり軸受の第２実施形態を説明する図である。なお、以下の各実施形態において、第１実施形態と同一の部位は、同一符号を付して詳細な説明を省略する。

図５に示すすべり軸受１は、軸穴の内周面における幅方向の両端部に、微細凹部としての多数のディンプルＤを形成したテクスチャ領域ＴＡを有している。図示例のディンプルＤは、概略として鏃状を成していて、中央の先細り部分Ｓｄを有し、この先細り部分Ｓｄをジャーナル部Ｊの回転方向Ｒｊに向けて、所定間隔で縦横に配列してある。なお、これらのディンプルＤは、縦横配列に限らず、例えば千鳥状に配置しても良い。

上記構成を備えたすべり軸受１は、先の実施形態と同様に、テクスチャ領域ＴＡのディンプルＤが油溜まりとして機能する。そして、すべり軸受１は、ジャーナル部Ｊの回転に伴って、潤滑油が各ディンプルＤの先細り部分Ｓｄに集められる状態となる。これにより、すべり軸受１は、テクスチャ領域ＴＡにおいて、潤滑油の動圧効果を高めるとともに油膜反力を増大させることで、潤滑領域を拡大させ、境界潤滑状態への移行を抑制する。このようにして、すべり軸受１は、低粘度潤滑油下であっても、ジャーナル部Ｊとの摺動面のフリクション及び摩耗を低減することができる。

なお、上述した第１及び第２の実施形態のように、クランクシャフトＣＳを保持するすべり軸受１では、ロアメタル１Ｂにテクスチャ領域ＴＡを設けることにより、低粘度潤滑油下におけるジャーナル部Ｊとの摺動面のフリクション及び摩耗を低減し得るのであるが、他の二分割型のすべり軸受では、軸体との配置関係などに応じて、２つの半円形メタルのいずれか一方若しくは両方にテクスチャ領域を設けることができる。

〈第３実施形態〉
図６（Ａ）及び（Ｂ）に示すすべり軸受１は、一般的なリング型であって、その内周面に供給溝や流通孔が無く、幅方向の両端部にテクスチャ領域ＴＡを有している。図示のテクスチャ領域ＴＡは、円周方向における一部の範囲θｔに設けてあるが、その範囲θｔは先の実施形態で説明した±５０度の範囲に限定されるものではなく、それ以上の範囲に設けることも可能であるし、全周にわたって設けても構わない。この実施形態のすべ軸受１にあっても、先の実施形態と同様の効果を得ることができ、低粘度潤滑油下において、図示しない軸体との摺動面のフリクション及び摩耗を低減し得る。

〈実施例〉
本発明に係わるすべり軸受の効果を確認するため、単体軸受試験機を用いて摩耗試験及び摩擦試験を行った。摩耗試験においては、高回転、高荷重、高油温での長時間耐久試験を行い、摩擦試験においては、燃費測定運転条件での摩擦評価を行った。

摩耗試験の具体的条件を表１に示す。この摩耗試験において、比較例１のすべり軸受は、一般的に使用されている軸受であり、軸穴の内周面全域に、円周方向に連続する条痕を形成したものである。比較例２のすべり軸受は、軸穴の内周面全域に、軸線方向に連続する多数の溝を互いに平行に形成したものである。

実施例１〜５のすべり軸受は、軸穴の内周面に、平面視でＶ形状の多数の溝を有するテクスチャ領域（図４参照）を形成し、Ｖ形状の角度、溝幅及び溝深さを夫々異ならせたものである。これらのうち、実施例４のすべり軸受は、軸穴の幅方向の端部に、テクスチャ領域の未形成領域を形成したものである。摩耗試験の結果を表１に示す。

表１から明らかなように、比較例１及び２のすべり軸受については、いずれも軸穴の内周面の幅方向両端部付近に形成した条痕や溝が摩耗により消失していることを確認した。これに対して、実施例１〜３のすべり軸受については、いずれも軸穴の内周面の幅方向両端部付近に軽微な摺動痕が認められたが、テクスチャ領域を維持することができた。また、実施例４及び５のすべり軸受については、いずれも軸穴の内周面の幅方向両端部付近に明確な摺動痕を観察することができず、充分なテクスチャ領域を維持することができた。実施例１〜５の結果により、本発明のすべり軸受は、テクスチャ領域により、明らかな耐摩耗性向上効果が得られることを確認した。

摩擦試験の具体的条件を表２に示す。この摩擦試験における比較例１及び２、並びに実施例１〜５のすべり軸受は、摩耗試験と同じものである。摩擦試験の結果を表２に示す。なお、試験結果である相対摩擦力は、比較例１を１００とした。

表２から明らかなように、比較例１の相対摩擦力が１００であるのに対して、比較例２の相対摩擦力は１２０であった。これに対して、実施例１〜５のすべり軸受は、実施例３の相対摩擦力が５５であるのを最高値として、いずれも相対摩擦力が低いものとなり、テクスチャ領域により、顕著なフリクションの低減効果が得られることを確認した。

以上の各試験結果から、本発明に係わるすべり軸受は、省燃費型ガソリンエンジンにおけるクランクシャフトの軸受として、顕著な摩擦低減効果のみならず、耐摩耗性の向上によるさらなる省燃費化やエンジン騒音の低減などに非常に有効であることを確認した。

なお、本発明に係わるすべり軸受は、その構成が上記実施形態及び実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で変更することができ、例えば、テクスチャ領域に形成する微細凹部の形状、大きさ、配置などを適宜選択することが可能である。

１ すべり軸受
２ 軸穴
Ａ 溝における線分の交点
Ｄ ディンプル（微細凹部）
Ｇ 溝（微細凹部）
Ｊ ジャーナル部（軸体）
Ｎｔ 未形成領域
Ｓｄ 先細り部分
ＴＡ テクスチャ領域

Claims (13)

1. 軸体を回転自在に保持する軸穴を有し、
   軸穴の内周面における幅方向の両端部に、多数の微細凹部を形成したテクスチャ領域を有することを特徴とするすべり軸受。
2. 内燃機関のクランクシャフトのジャーナル部を軸体として回転自在に保持するすべり軸受であって、
   テクスチャ領域が、軸穴の下部中心から周方向における±５０度の範囲に形成してあることを特徴とする請求項１に記載のすべり軸受。
3. テクスチャ領域が、軸穴の幅方向の端部から、幅寸法の１／３〜１／１０の範囲に形成してあることを特徴とする請求項１又は２に記載のすべり軸受。
4. 微細凹部が、軸体の回転方向を先端とする先細り形状を有していることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のすべり軸受。
5. 微細凹部の深さに関し、境界潤滑条件下で形成される油膜厚さと微細凹部の底面から軸体の表面までの距離との比が１．２倍〜５倍であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のすべり軸受。
6. 微細凹部が、平面視でＶ形状を成す溝であると共に、２本の線分の交点を軸体の回転方向に向けて配置してあることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のすべり軸受。
7. 微細凹部である溝同士の間隔が、溝の幅寸法の１／５〜５倍であることを特徴とする請求項６に記載のすべり軸受。
8. 微細凹部である溝の幅寸法が、１０〜１００μｍであることを特徴とする請求項６又は７に記載のすべり軸受。
9. 軸穴の内周面における幅方向の端部に、微細凹部の未形成領域を有することを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載のすべり軸受。
10. 微細凹部の未形成領域の幅寸法が、テクスチャ領域の幅寸法の１／１０以下であることを特徴とする請求項９に記載のすべり軸受。
11. 軸穴の内周面は、テクスチャ領域以外の表面粗さＲａが、０．０１μｍ〜０．１μｍであることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載のすべり軸受。
12. 表面に硬質炭素被膜を有する軸体と組み合わされることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１項に記載のすべり軸受。
13. 軸穴の内周面の材質が、アルミニウム合金であることを特徴とする請求項１〜１２のいずれか１項に記載のすべり軸受。

Images