JP2021530653A - 滑り軸受要素 - Google Patents

Abstract

本発明は、支持層（２）と滑り層（３）とを含み、滑り層（３）に少なくとも１つの潤滑剤溝（５）が形成されている滑り軸受要素（１）に関する。潤滑剤溝（５）の少なくとも一部は、表面構造を備えた表面を有しており、この表面構造は複数の凹部（７）を有する。

Description

本発明は、支持層と滑り層とを含み、滑り層に少なくとも１つの潤滑剤溝が形成されている滑り軸受要素に関する。

湿式滑り軸受の滑り面で潤滑剤に起因するキャビテーションの問題が発生することが知られている。その結果として効率の損失、及び特に滑り軸受の滑り面の損傷が生じる。

キャビテーションの問題に対処するために、既に先行技術において多種多様な解決策が提案された。例えば、特許文献１に記載されている滑り軸受は、金属支持体と、支持体に接続された焼結多孔質金属層と、多孔質金属層の細孔に浸透して焼結金属層上に重なるライニング層とを有しており、ライニング層は粒子状の耐摩耗性充填材１０〜３０体積％、フィブリル化アラミド繊維２〜１０体積％、及び溶融加工可能なフルオロポリマ２〜１０体積％を含むＰＴＦＥを含有している。これによりキャビテーションエロージョンに対する軸受の耐性が向上する。

特許文献２は、軸受の耐キャビテーション性を改善するための別の方法を記載している。軸受自体は変更されず、潤滑剤としてイオン性液体が使用される。

更に、耐キャビテーション性を改善するために滑り軸受のさまざまな幾何学的変更も記載されている。例えば特許文献３により、段階的な移行を作り出して軸受面の形状の急激な変化を回避するために、複数の傾斜面を形成する軸受が知られている。

滑り軸受の幾何学的変化によってキャビテーションの問題を制御しようとする別の例は、特許文献４又は５から知られている。

国際公開第１９９９／０４５２８５（Ａ１）号 独国特許出願公開第１０２００８０４６５４３（Ａ１）号明細書 特開平１１−２７０５５６Ａ号公報 特開２００１−０５０２５２号公報 特開２００３−２２２１１９号公報

本発明の課題は、キャビテーションエロージョンに対する滑り軸受の耐性を改善することである。

本発明のこの課題は、冒頭に記載した滑り軸受において潤滑剤溝の少なくとも一部が表面構造を備えた表面を有しており、この表面構造は複数の凹部を有することによって解決される。

複数の凹部を形成することにより、凹部によって大きく変動する圧力差を回避できるため、潤滑隙間内の潤滑剤の自然の流れの変化は潤滑剤溝の存在に基づいてより適切に回避することができる。凹部の助けにより、発生する負圧ピークをより広い領域に分散させることができ、それによってこれらの負圧ピークの影響が低減される。したがって表面構造によって、軸受の滑り面のキャビテーションエロージョンを大幅に低減できる。更に、表面構造の形成は、表面構造が比較的容易に製造可能であり、そのため滑り軸受要素の製造コストに関しては少なくともほぼコスト中立的であるという利点がある。

この効果を強化するために、実施形態によっては、凹部は、平面図で見て０．１〜６０ｍｍの範囲から選択された最大直径を有し、及び／又は凹部は、０．１〜２０ｍｍの間の最大深さを有し、及び／又は隣り合う凹部間の最大間隔は、０．１〜６０ｍｍの範囲から選択されている。

これにより表面上に凹部が比較的密に配置されるようになっている。

滑り軸受要素の別の実施形態によれば、凹部は、平面図で見て、円形又は楕円形又は涙滴形の断面形状を有するようにすることができる。丸みを帯びた断面形状により、冷却剤、特に潤滑剤のより好ましい流動状況が生み出されてキャビテーションエロージョンを防止する。

滑り軸受要素の特別な実施形態によれば、凹部が球冠状に形成されているようにすることができ、それによって前述のより好ましい流動状況の効果を強めることができる。

滑り軸受要素の別の実施形態によれば、滑り層の円周方向に複数の凹部が相前後して配置されて波形表面構造が形成されており、及び必要に応じてこの表面構造内に潤滑剤を入れるための少なくとも１つの半径方向孔が配置されているようにすることができる。波形表面構造の領域に潤滑剤入口を配置することにより、潤滑剤が潤滑隙間に流入することによって大きい圧力差が発生することもより適切に回避することができる。

滑り軸受要素の一実施形態によれば、半径方向孔は、波形表面構造の波の山に配置されているようにすることができる。これにより流入する潤滑剤に半径方向孔の円周方向で前後にリザーバが提供され、これらに潤滑剤が流入できるので再び圧力差の形成をより適切に回避することができる。

滑り軸受要素の別の実施形態によれば、凹部の縁領域が凸状に丸みを帯びているようにすることができ、そうすることによって凹部と滑り面との間の移行をより緩やかに形成することができ、それによってまた潤滑剤の流動状況にも好影響を与えることができる。

別の実施形態の変形によれば、潤滑剤溝は、少なくとも部分的に滑り層の半径方向の厚さに対応する深さを有するようにすることができる。それによりキャビテーションは、制御されて耐キャビテーション性の大きい材料、例えば支持層の鋼が存在する領域に移動することが達成できる。

本発明をよりよく理解するために、以下の図を参照してより詳細に説明する。

図は、それぞれ著しく簡略化された模式的表現で示されている。

図１は滑り軸受要素の斜視図である。 図２は滑り軸受要素の第１の実施形態の詳細を示す平面図である。 図３は滑り軸受要素の別の実施形態の詳細を示す平面図である。 図４は滑り軸受要素の別の実施形態の詳細を示す斜視図である。 図５は図４による滑り軸受要素の実施形態の詳細を示す断面図である。 図６は滑り軸受要素の別の実施形態の詳細図である。 図７は滑り軸受要素の実施形態の詳細を示す平面図である。 図８は滑り軸受要素の別の実施形態の詳細を示す平面図である。 図９は滑り軸受要素の更に別の実施形態の詳細を示す平面図である。 図１０は滑り軸受要素の実施形態の詳細を示す斜視図である。 図１１は滑り軸受要素の実施形態の詳細を示す縦断面図である。 図１２は滑り軸受要素の実施形態の詳細を示す横断面図である。

最初に確認しておくと、記載された種々の実施形態において同じ部材には同じ参照符号若しくは同じ部材名称を付す。この場合、説明全体に含まれている開示内容は同じ参照符号若しくは同じ部材名称を有する同じ部材に準用され得る。説明において選択された位置を表す言葉、例えば上、下、横なども直接説明及び表示された図を基準としており、位置が変化した場合には新しい位置に準用されるものとする。

図１は、滑り軸受要素１の斜視図である。滑り軸受要素１は、支持層２と、その上に配置されて支持層２と結合された滑り層３を含むか、若しくはこれらの２つの層からなる。

滑り軸受要素１はシェル設計、特にハーフシェル設計の他に、例えば図１に破線で示されているように、軸受ブッシュとして別様に設計されてもよい。

支持層２は通常、硬い材料からなる。支持シェルとも呼ばれる支持層２の材料として青銅、黄銅などを使用できる。本発明の好適な実施形態では、支持層２は鋼からなる。

滑り軸受要素１の動作時には、支持される構成要素、例えばシャフトが滑り層３の上で回転する。

しかしながら本発明の枠内で、２層設計と並んで３層以上からなる滑り軸受要素１を構成することもできる。例えば滑り層３と支持層２との間に軸受金属層を配置することができる。この軸受金属層と滑り層３との間、又は支持層２と滑り層３若しくは軸受金属層との間に、少なくとも１つの中間層４、例えば拡散バリア層及び／又は結合層を配置することもできる。

この種類の多層滑り軸受用のこのタイプの設計構造は、原理的に先行技術により公知であるので、これに関して関連する先行技術を参照されたい。

滑り層３の半径方向内側の表面には、少なくとも１つの潤滑剤溝５が形成されており、それを通って潤滑剤、例えば潤滑油が、滑り層３と支持された構成要素との間の軸受隙間に供給される。

図２には、滑り軸受要素１の第１の実施形態の詳細が示されており、滑り層３内の潤滑剤溝５の平面図が具体的に示されている。

図２から分かるように、溝底部６は全体が表面構造を備えており、表面構造は溝底部６の複数の凹部７によって形成されている。しかしまた、溝底部６の一部、例えば潤滑剤溝５の溝出口８の領域のみがこの表面構造を備えることも可能である。更に、潤滑剤溝５の側壁もそのような表面構造を少なくとも部分的に備えることが可能である。

凹部７は、特に行と列に配置されている。図２に示された滑り軸受要素１の実施形態では、それぞれ２列目がずらして配置されているので、凹部７は「交互に」配置されている。しかしまた各行に各列の凹部７があり、したがって凹部７の列がずれていないことも可能である。

図示及び上記の凹部７の配置若しくは形成のパターンは、例示的な性格のものに過ぎない。滑り軸受要素１における凹部７の他の配置パターンも可能である。

滑り軸受要素１の好適な実施形態によれば、凹部７は（平面図で見て）０．１〜６０ｍｍの範囲、特に５〜６０ｍｍの範囲から選択された最大直径９を有するようにすることができる。

最大直径９は、滑り層３の表面のそれぞれの凹部７をちょうど包絡する円の直径である。したがって図２に従う滑り軸受要素１の実施形態に示されるように、滑り層３の表面における円形断面を有する凹部７の場合、円の直径は最大直径と一致する。非円形断面の場合、包絡円は、図３で左上の凹部７に基づいて破線で示されているように、滑り層３の表面の凹部７の断面形状をちょうど包囲する円である。

滑り軸受要素１の別の実施形態によれば、滑り面の平面、即ち滑り層３の表面における隣り合う凹部７間の最大間隔１０は、０．１〜６０ｍｍの範囲、特に１０〜５０ｍｍの範囲から選択されているようにすることできる。この場合、隣り合う凹部間には、最大間隔を超える間隔はない。

凹部間の間隔は１０〜４０ｍｍの範囲、特に１０〜３０ｍｍの範囲から選択することができる。

これらの幾何学的寸法に基づいて複数の凹部７は、１ｃｍ²の面積に１〜１０個の凹部７が配置又は形成されていることを意味することができる。

滑り軸受要素１の別の実施形態によれば、凹部７は、滑り面、即ち滑り層３の表面に垂直な方向で、０．１〜２０ｍｍの間、特に５〜２０ｍｍの間の最大深さを有するようにすることができる。

凹部７は、半径方向の直径９及び／又は同じ深さの上記の説明の意味で、すべて同じ間隔及び／又は同じ直径９を有することができる。しかしまた凹部７間の最大間隔１０が変化することも可能である。例えば隣り合う凹部７間の最大間隔１０が、滑り軸受要素１の円周方向１１で小さくなるようにすることができる。特に、隣り合う凹部７間の最大間隔１０が溝出口８の領域で小さくなるように、したがってここでは凹部７が「より密に」配置されているようにすることができる。

代替として、又はこれに加えて、滑り面上の凹部７の断面のサイズが変化し、特に円周方向１１で小さく又は大きくなることも可能であり、この場合も好ましくは溝出口８の領域により大きな直径９を有する凹部７を配置することができる。

代替として、又はこれに加えて、凹部７の最大深さが半径方向で変化すること、例えば滑り軸受要素１の端面１２に続いて潤滑剤溝５内に配置されている凹部７と比較して、より大きい半径方向深さを有する凹部７が溝出口８に配置されていることも可能である。

既に示唆したように、滑り軸受要素１の他の実施形態によれば、凹部７は滑り層３の滑り面で異なる形状を有する可能性がある。例えば凹部７は、図２に示された円形断面で形成することができる。しかしまた凹部は図３に示すように、滑り層３の滑り面で異なる断面形状、例えば楕円形又は涙滴形を有することができる。滑り層３の滑り面における凹部は、図示された実施形態の断面形状の他に、別の断面形状、例えば以下で説明するように、鎌形の断面形状を有することもできるが、丸みを帯びた断面形状が選好される。

更に、潤滑剤溝５内に異なる断面形状を有する凹部７、例えば円形及び涙滴形及び／又は楕円形及び／又は鎌形の断面を有する凹部７が滑り層３の滑り面に配置又は形成されていることが可能である。

凹部７が滑り層３の滑り面で細長い断面形状、例えば涙滴形又は楕円形を有する場合、凹部７は、好ましくは滑り層３の滑り面で凹部７の断面の最も長い寸法が滑り軸受要素１の円周方向１１の方向に延びるように向けられている。しかし原理的に凹部の最も長い寸法を軸方向に向けることが可能である。

凹部７は、好ましくは半径方向に先細になっている。好適な実施形態によれば、このために凹部７を球冠状に形成することができる。

図４及び図５には、滑り軸受要素１の別の実施形態が部分的に示されている。この実施形態では、滑り層３の円周方向１１に複数の凹部７が相前後して配置されており、その結果として、特に図５の詳細図から分かるように、溝底部６は波形の表面構造を有する。波は特に円周方向１１に進んでいる。

更に、この実施形態においては、潤滑剤を入れるための少なくとも１つの半径方向孔１３が、この波形表面構造に配置されていることを提供することができる。一実施形態によればこの半径方向孔１３は波形表面構造の波の山に配置されており、このことは図４及び図５にも示されている。しかし原理的に半径方向孔を波の谷又は波の側部又はその他の場所に配置することも可能である。

複数の、例えば２つ又は３つなどの半径方向孔１３が配置又は形成されてもよく、好ましくはそれらのすべてを波の山に配置することができる。しかし上記の説明に従い、半径方向孔１３の少なくとも一部又は複数の半径方向孔１３のうちの少なくとも１つを他の場所に配置することもできる。波の山の数は、一般に１〜４０個、特に２〜１０個である。

しかしまたそのような半径方向孔１３が波の山と波の谷の両方に配置されていることも可能である。

更に波は、図４に示すように潤滑剤溝５の全幅１４にわたって延びることが好ましい。しかしまた、複数の波状構造が相並んで形成されて、それぞれが潤滑剤溝５の幅１４の部分領域にのみ延びるが、一緒になって好ましくは潤滑剤溝５の幅１４全体を覆うことも可能である。このために一実施形態によれば、波の山と波の谷は、滑り軸受要素の円周方向１１でずらして、即ち幅１４の方向で整列させずに配置することができる。

潤滑剤溝５の幅１４の方向で複数の波形を相並んで形成する場合、波構造が異なる大きさの波の谷及び／又は異なるサイズの波の山を有するようにしてもよい。

図６の詳細（凹部７の断面が示されている）から分かるように、別の実施形態によれば、凹部７の縁領域１５が凸状に丸みを帯びるようにされている。この縁領域１５は、それぞれの凹部７全体の周囲に延びるように形成できる。しかしまた滑り軸受要素１の円周方向１１で互いに反対側の凹部７の２つの端部領域のみが、そのような丸みを帯びた縁領域として形成されていることも可能である。その際に両端部領域１５の凸状曲線が異なる半径を有するようにしてもよい。この場合に凹部７のより強く丸みを帯びた縁領域１５が、より丸みの少ない他方の他の縁領域１５に対して潤滑剤の流れ方向で先行するように配置又は形成されていることが好ましい。

完全を期すためにこの箇所で注記すると、潤滑剤溝５は溝出口８で浅くなって滑り層３の滑り面に移行する。即ち潤滑剤溝５の深さは溝出口８に向かって小さくなり、好ましくは滑り面への移行部でゼロになる。

潤滑剤溝５が専ら滑り層３内に形成されているようにすることができる。しかしながら滑り軸受要素１の別の実施形態に従い、潤滑剤溝５が少なくとも部分的に滑り層３の半径方向における厚さに対応する深さを有するようにすることもできる。したがって潤滑剤溝５は少なくとも部分的に滑り層３全体部わたり、特に少なくとも滑り軸受要素１の端面１２に続く領域で半径方向に延びることができる。

記述したように、凹部７は上記の形状とは異なる形状を有することもできる。例えば図３の左中央の凹部７で破線で示されているように、両側に涙滴形状が形成されてもよい。したがって凹部７は、両側で少なくともほぼ尖るように形成することができる。

凹部７は鎌形にすることもできる。

図７〜図１０は、滑り軸受要素１内の潤滑剤溝５の種々異なる実施形態を示している。

例えば潤滑剤溝５は、（それぞれ滑り面３を平面図で見て）滑り軸受要素１の軸方向に延びる端面１２を起点として少なくともほぼ長方形の形状を有することができ、次いで滑り層３の滑り面１６への出口に向かって断面拡大部１７を備えることができる。断面拡大部１７は、例えば円形に形成することができ、したがって潤滑剤溝５は滑り層３の滑り面１６に漸次浅くなっている。

図８に示すように、この基本的な形状は別様に形成することもできる。そのため潤滑剤溝５の第１の部分は長方形に形成されておらず、図８に破線で示されているように、滑り層３の滑り面１６への潤滑剤溝５の出口１８に向かって先細に、例えばほぼ尖端状に形成されていることが可能である。

しかし一実施形態によれば、潤滑剤溝５は再び断面拡大部１７を付けて形成することができる。したがって一般的に潤滑剤溝５は、（それぞれ滑り面３を平面図で見て）断面拡大部１７へと続く断面縮小部を備えることができる。

断面拡大部１７は、図７について述べたのと同様に円形に形成することができるが、ほぼ涙滴形又は楕円形などに形成されてもよく、これらの幾何学的形状は互いに移行でき又は（例えば図８に示すように）重なり合って配置されることができる。

図９から分かるように、２つの丸い若しくは丸みを帯びた幾何学的形状を互いに組み合わせることもできる。例えば潤滑剤溝５は端面１２を起点として少なくともほぼ半楕円の形状を有することができる。必要に応じてこの第１の領域の後に第２の領域が続くことができ、これは図９に破線で示されているように、例えばほぼ円形又はほぼ楕円形又はほぼ涙滴形などに形成されてよい。

潤滑剤溝９の底面は平坦に形成することができる。しかしまた図１０に示すように、潤滑剤溝９の底面１９は、少なくとも一部の領域で湾曲形状を有することもできる。例えば底面１９は、少なくとも部分的に５〜２００ｍｍの範囲から選択された曲率半径を有することができ、湾曲形状は異なる半径で設計することもできる。

更に、潤滑剤溝の側面２０、２１を底面１９に対して直角に配置することも一般的に可能である。他方で、滑り軸受要素１の軸方向における潤滑剤溝５の断面を示す図１１に示されているように、これらの側面２０、２１の少なくとも１つが底面１９に対して９０°に等しくない角度２２、２３で配置されているようにすることも一般的に可能である。角度２２、２３は、例えば９１°から１７０°の範囲、特に１３０°から１６５°の範囲から選択することができる。

図１２に示されている滑り軸受要素１の別の実施形態によれば、滑り軸受要素１の円周方向で再び複数の凹部７が、異なる深さを有する潤滑剤溝５内に配置されており、その深さは端面１２を起点として滑り層３の滑り面１６への潤滑剤溝５の出口１８に向かって小さくなる。しかしながらこの実施形態では、個々の凹部７が円周方向で互いに直接隣接しているので、凹部７間の間隔はゼロである。したがって凹部７の間に波の山は配置されていない。この場合、ある凹部７から次の凹部７への移行部２４が滑り面１６に対して直角に配置されず、滑り軸受要素１の円周方向で面取りされていると好都合である。必要に応じて移行部２４のエッジ及び／又はコーナーは丸みを付けて形成されてよい。

図７〜図１２には潤滑剤溝５の実施形態の例が示されているに過ぎないことに留意されたい。

更に、潤滑剤溝５は、滑り軸受要素１の軸方向で（図５に示されているような）互いに隣り合う複数の波形表面構造、又は（図１２に示されているような）複数の階段状表面構造を有することが可能であり、これらの表面構造は必要に応じて円周方向に移動され、例えば滑り軸受要素１の軸方向で見て波の山の隣に波の谷が配置されている。

更に、凹部７を潤滑剤溝５と組み合わすことも可能である。例えば波構造（図５）又は階段構造（図１２）は追加的に潤滑剤溝５の面の１つ、例えば底面１９に、例えば図２及び図３に示されているような凹部７を有することができる。

実施形態の例は可能な実施形態を示すものであり、個々の実施形態を互いに組み合わせることも可能であることに留意されたい。

最後に、形式的には、構造を理解しやすくするために、滑り軸受要素１は必ずしも縮尺通りに表現されていない。

１ 滑り軸受要素
２ 支持層
３ 滑り層
４ 中間層
５ 潤滑剤溝
６ 溝底部
７ 凹部
８ 溝出口
９ 直径
１０ 最大間隔
１１ 円周方向
１２ 面
１３ 半径方向孔
１４ 幅
１５ 縁領域
１６ 滑り面
１７ 断面拡大部
１８ 出口
１９ 底面
２０ 側面
２１ 側面
２２ 角度
２３ 角度
２４ 移行部

Claims (10)

1. 支持層（２）と滑り層（３）とを含み、滑り層（３）に少なくとも１つの潤滑剤溝（５）が形成されている滑り軸受要素において、
   前記潤滑剤溝（５）の少なくとも一部が表面構造を備えた表面を有し、該表面構造は複数の凹部（７）を有することを特徴とする、滑り軸受要素（１）。
2. 前記凹部（７）は、平面図で見て、０．１〜６０ｍｍの範囲から選択された最大直径（９）を有することを特徴とする、請求項１に記載の滑り軸受要素（１）。
3. 前記凹部（７）は０．１〜２０ｍｍの間の最大深さを有することを特徴とする、請求項１又は２に記載の滑り軸受要素（１）。
4. 前記凹部（７）は、平面図で見て、円形又は楕円形又は涙滴形の断面形状を有することを特徴とする、請求項１〜３の何れか一項に記載の滑り軸受要素（１）。
5. 前記凹部（７）は球冠状に形成されていることを特徴とする、請求項４に記載の滑り軸受要素（１）。
6. 前記複数の凹部（７）が滑り層（３）の円周方向（１１）に相前後して配置されて波形表面構造が形成されていること、及び必要に応じて前記波形表面構造内に潤滑剤を入れるための少なくとも１つの半径方向孔（１３）が配置されていることを特徴とする、請求項１〜５の何れか一項に記載の滑り軸受要素（１）。
7. 前記半径方向孔（１３）は前記波形表面構造の波の山に配置されていることを特徴とする、請求項６に記載の滑り軸受要素（１）。
8. 前記凹部（７）の縁領域（１５）が凸状に丸みを帯びていることを特徴とする、請求項１〜７の何れか一項に記載の滑り軸受要素（１）。
9. 前記潤滑剤溝（５）は少なくとも部分的に滑り層（３）の半径方向の厚さに対応する深さを有することを特徴とする、請求項１〜８の何れか一項に記載の滑り軸受要素（１）。
10. 隣り合う凹部（７）間の最大間隔（１０）は０．１〜６０ｍｍの範囲から選択されることを特徴とする、請求項１〜９の何れか一項に記載の滑り軸受要素（１）。

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