JP3918603B2 - 燃料ポンプ用軸受とその製造方法および燃料ポンプ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複層構造を有する燃料ポンプ用軸受とその製造方法およびそれを用いた燃料ポンプに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
自動車等のエンジンは、燃料を燃料タンクから、燃料噴射弁のデリバリパイプや高圧ポンプへ圧送するための（低圧）燃料ポンプを備える。この燃料ポンプは、インタンク式に限らず、その内部に燃料を吸入して燃料ライン等に燃料を吐出するものであるから、その内部の構成部材は、燃料に対する耐蝕性（耐燃料性）が要求される。特に、燃料ポンプ内で高速回転をする電機子の回転軸を支承する軸受は、電機子の安定した回転を確保する観点からその要請が大きい。そこで、従来の軸受は、銅系や黄銅系の焼結材、さらには、特開２００１−１９２７５４号公報等にあるような、Ｃｕ−Ｚｎ−Ｎｉ−Ｐ−Ｃ系黒鉛分散型Ｃｕ基焼結合金等で構成されていた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、最近では、アルコール燃料等、従来と異なる成分を含有した燃料も使用されるようになってきた。また、世界的なモータリゼーション化により、各国毎で精製された燃料が自動車に使用されるようになり、その燃料中には多くの酸化物や硫黄分等が含有されていることも多い。
その結果、従来の軸受では、その耐蝕性が必ずしも十分とはいえなくなってきた。特に、回転軸と軸受との間では、僅かなクリアランスの確保が要求されるところ、その回転軸が摺接する摺接層側で僅かでも腐食が生じると、その回転軸は安定した回転が困難となる。特に、その腐食が進行すると、燃料ポンプのロック状態を生じ兼ねない。
ここで、軸受全体を化学的に安定なカーボン（黒鉛）で形成することも考えられる。しかし、軸受全体をカーボンで形成すると、割れ等が発生し易く、また、その加工方法も限定されることから寸法精度を確保するために多くのコストがかかってしまう。
本発明は、このような事情に鑑みて為されたものである。つまり、強度低下、コスト上昇等を抑制しつつ、少なくとも回転軸が摺接する摺接側での耐蝕性を向上させ、安定した摺動特性が得られる軸受を提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、この課題を解決すべく鋭意研究し、試行錯誤を重ねた結果、軸受をカーボン層と、金属カーボン層との複層構造とすることを思い付き、本発明を完成させるに至ったものである。
すなわち、本発明の燃料ポンプ用軸受は、主にカーボンからなる摺接層と、主にカーボンおよび金属からなり該摺接層に結合して該摺接層を支持する支持層とで構成され、
前記支持層が、該支持層全体を１００質量％としたときに、カーボン（Ｃ）が２０〜３０質量％、亜鉛（Ｚｎ）が１８〜２６％、残部が銅（Ｃｕ）および不可避不純物からなるか、
または、前記支持層が、該支持層全体を１００質量％としたときに、Ｃが２０〜３０質量％、Ｚｎが９〜１６％、ニッケル（Ｎｉ）が９〜１６質量％、リン（Ｐ）が０．１〜０．７％、残部がＣｕおよび不可避不純物からなることを特徴とする。
本発明では、摺接層を、摺動特性に優れるのみならず、化学的に安定なカーボン（黒鉛）で形成したので、燃料の組成に拘らず、安定した耐蝕性が得られる。このため、回転軸とこれを支承する本発明の軸受との間では、ロック等の発生が防止されつつ、優れた摺動性が発揮される。
そして、比較的脆弱なその摺接層（カーボン層）を、強度的に優れた金属とカーボンとの混合層（金属カーボン層）で支持したので、本発明の軸受は全体的な強度も十分に確保されている。
なお、ここで支持層にもカーボンを混在させているのは、カーボン同士の結合を介して摺接層と支持層とを強固に結合させるためである。
また、軸受は通常、内周側が摺接層で外周側が支持層となることが多いが、本発明では、この逆でも良い。例えば、回転軸に軸受を圧入してその外周面を摺接面とする場合でも良い。
【０００５】
（燃料ポンプ）
本発明は、軸受としてのみならず、それを用いた燃料ポンプとしても把握できる。
すなわち、本発明は、筒状のハウジングと、該ハウジング内に収納され回転軸を軸受で支承された電機子を有するモータと、該モータによって駆動され燃料を吸入して吐出するポンプとを備える燃料ポンプにおいて、前記軸受が上述の本発明の燃料ポンプ用軸受で構成されることを特徴とする燃料ポンプとしても良い。
【０００６】
（燃料ポンプ用軸受の製造方法）
また、上記軸受は、次の本発明に係る製造方法を用いると、容易に製造できる。
すなわち、本発明の燃料ポンプ用軸受の製造方法は、金属粉末とカーボン粉末とを混合した混合粉末を環状の第１キャビティを有する第１成形用金型へ充填する第１充填工程と、該第１充填工程後の混合粉末を加圧成形して環状の第１粉末成形体とする第１成形工程と、該第１粉末成形体を内部に載置した状態で該第１粉末成形体の内周側または外周側に形成された環状の第２キャビティを有する第２成形用金型へカーボン粉末を充填する第２充填工程と、該第２充填工程後のカーボン粉末を第１粉末成形体と共に加圧成形して環状の複層構造をした第２粉末成形体を得る第２成形工程と、該第２粉末成形体を加熱して焼成する焼成工程と、該焼成工程により得られた焼成体に整形加工を施して、主にカーボンからなる摺接層と該摺接層に結合して該摺接層を支持し主にカーボンおよび金属からなる支持層とで構成された環状の軸受とする整形工程と、を備えることを特徴とするものである。
【０００７】
【発明の実施の形態】
次に、実施形態を挙げ、本発明をより詳しく説明する。なお、以下に述べる内容は、上記の燃料ポンプ用軸受、その製造方法および燃料ポンプのいずれにも適宜該当するものである。
（１）支持層の組成
支持層の組成は、燃料中で必要となる耐蝕性を有し、また、摺接層と強く結合するものであることが求められる。そこで、例えば、支持層が次のような組成からなると好適である。
【０００８】
すなわち、その支持層が、支持層全体を１００質量％としたときに、Ｃを２０〜３０質量％、Ｚｎを１８〜２６％、残部をＣｕおよび不可避不純物とすると良い。また、その支持層は、支持層全体を１００質量％としたときに、Ｃを２０〜３０質量％、Ｚｎを９〜１６％、Ｎｉを９〜１６質量％、Ｐを０．１〜０．７％、残部をＣｕおよび不可避不純物としても良い。
ＺｎおよびＮｉは、Ｃｕに固溶してＣｕ−ＺｎまたはＣｕ−Ｚｎ−Ｎｉ合金の固溶体相からなる素地を形成し、支持層の強度や耐蝕性を確保する。Ｚｎが少なすぎると耐蝕性の向上が図れず、Ｚｎが多すぎると強度の確保が難しい。また、Ｎｉは、少なすぎても多すぎても、強度の確保が難しくなる。
Ｐは、焼結性を向上させ、支持層の強度向上に有効な成分である。特に、素地中に分散し得る硬質のＣｕ−Ｐ合金を形成するため、支持層の耐摩耗性向上に効果がある。Ｐが少なすぎると強度の向上が望めず、多すぎると強度の低下を招く。
Ｃは、素地中に分散する黒鉛として主に存在する。特に、本発明の軸受では、Ｃを支持層に含有することにより、支持層と摺接層とを強固に結合させることができる。
【０００９】
（２）摺接層の組成
摺接層は、Ｃを主成分とするが、より具体的的には、潤滑性に優れた黒鉛からなる。その結果、回転軸との間の摩擦係数も小さく、摺動特性や耐摩耗性に優れた軸受が得られる。
なお、本発明の摺接層は、多少の不純物（不可避不純物を含む）を含んでも良い。この不純物は、例えば、バインダー等の樹脂や焼成工程により支持層から拡散してきた金属等である。
【００１０】
（３）摺接層および支持層の厚さ
摺接層は、摩耗量を考慮して一定以上の厚みを有することが好ましいが、その一方で、割れやコスト等を考慮して、その厚みは一定以内であることが好ましい。本発明者が研究したところ、その摺接層の厚さ（ｔ）は、摺接層と支持層とを併せた厚さ（ｔ₀）の５〜２０％、望ましくは７〜１５％であると好ましい。厚さで直接いうなら、０．０７〜０．１５ｍｍ、望ましくは、０．０８〜０．１２ｍｍ程度が好ましい。
摺接層は、あまりに薄すぎると、勿論、摩耗の進行によって摺接層が実質的に無くなってしまうが、ある程度の厚さを有していれば問題はない。なぜなら、摩耗の進行によって軸受面圧が低下し、摩耗量が飽和するようになるからである。なお、支持層の厚みは、薄すぎると支持層としての機能を果さず、厚すぎると軸受の大型化やハウジングへの圧入等が困難となる。そして、支持層の厚みは、例えば、軸受をハウジングに圧入等したときに、その支持層が弾性体として働く範囲にすると好ましい。
【００１１】
（４）燃料ポンプ用軸受の製造方法
本発明の製造方法を用いると、燃料ポンプ用軸受は、摺接層と支持層との各組成を構成する原料粉末を成形用金型のキャビティへ充填し、加圧成形し、焼成した後、所望寸法に加工することにより製造される。
カーボンの原料粉末は、市販の黒鉛粉末を使用でき、適宜、バインダー等が混在していても良い。また、金属の原料粉末は、各種の合金粉末でも素粉末でも良く、また、アトマイズ粉末等を使用することもできる。いずれの粉末でも、平均粒径が１０〜１００μｍ程度のものを用いるのが好ましい。
【００１２】
充填した粉末の加圧成形は、２５０〜４５０ＭＰａ程度で行えば良い。なお、第１充填工程および第１成形工程で用いる第１成形用金型と、第２充填工程および第２成形工程で用いる第２成形用金型とを、全く別々に用意すると、作業性の向上（量産化）が図れる。もっとも、各工程毎に金型の一部（例えば、芯金等）を変更して、第１成形用金型または第２成形用金型とすると、設備費を抑えつつ低コストの生産も可能となる。
【００１３】
焼成する温度は、原料粉末の材質にも依るが、カーボンが焼成される温度であって、かつ、金属が溶融しない範囲の温度である。一般的には、７００〜９００℃程度とすると良い。また、焼成雰囲気は、真空中、不活性ガス中または窒素ガス雰囲気中等が好ましい。
この焼成工程で得られた焼成体に整形工程で加工を施すことにより、摺接層と支持層とが所定の寸法や面粗度に仕上げられる。支持層は、例えば、サイジングにより整形加工され、摺接層は、例えば、シェービングにより整形加工される。なお、焼成工程での熱収縮等を予め考慮して、成形用金型の寸法や原料粉末の充填量を調整すると良い。また、摺接層は、全体的に均一な組成であれば十分だが、適宜、混合粉末の組成を順に変更して組成的に傾斜機能をもたすようにしても良い。
【００１４】
【実施例】
以下に、実施例を挙げて、本発明を具体的に説明する。
（燃料ポンプ）
本発明の一実施例である燃料ポンプ１０を図１に示す。この燃料ポンプ１０は、ポンプ２０と、このポンプ２０の駆動源であるモータ３０とから主になる。
先ず、モータ３０について説明する。モータ３０は、ブラシ付の直流モータであり、円筒状のハウジング１１内に環状に配設された永久磁石と、この内周側に同心円上に配設された電機子３２とからなる。電機子３２の内部には、コイルが収納されており、その表面にはコア３２ａの端面が露出している。電機子３２の上部には、円板状の整流子５０が配設されている。そして、コネクタ４５に埋設されたターミナル４６から、ブラシ（図示せず）およびその整流子５０を介して、電機子３２内のコイルへ直流電力が供給される。
次に、ポンプ２０は、ケーシング本体２１と、ケーシングカバー２２と、インペラ２３とから主になる。ケーシング本体２１とケーシングカバー２２とによって一つのケーシング部材が構成され、その内部にインペラ２３が回転自在に収容されている。このインペラ２３は、電機子３２の回転軸３５と連結されており、両者は一体的に回転する。
【００１５】
ここで、その回転軸３５の下方（図中）は、ケーシング本体２１の中央に圧入された環状の軸受２５によって支承されている。また、その下端は、ケーシングカバー２２の中心に圧入固定されたスラスト軸受２６によって支承されている。さらに、回転軸３５の上方は、軸受２７により支承されている。こうして電機子３２は、滑らかに回転する。
そして、電機子３２が回転すると、羽根片を周縁部に形成してなるインペラ２３も回転して、燃料は、燃料吸入口４０から吸入され、ポンプ流路４１を通って、燃料室３１に圧送される。燃料室３１に圧送された燃料は、電機子３２の周囲を通過し燃料吐出口４３から燃料ラインに吐出される。なお、燃料吐出口４３には逆止弁部材４４が設けられているため、燃料ライン内の燃料の漏出が防止される。
【００１６】
次に、軸受２５の構造について、その断面拡大図である図２を用いて説明する。軸受２５は、外周側の支持層２５ａと、内周側の摺接層２５ｂとの２層構造からなる。支持層２５ａは、金属粉末とカーボン粉末との混合粉末を焼成したものであり、ケーシング本体２１への圧入を容易にすべく、その両端外周面は面取りがされている。また、摺接層２５ｂはカーボン粉末を焼成したものであり、回転軸３５が嵌入し易いように、その両端内周面は面取りがされている。本実施例では、軸受２５の全体厚みを０．８ｍｍ、摺接層２５ｂの厚みを０．１ｍｍ（支持層２５ａは残厚）とした。
【００１７】
次に、この軸受２５の製造方法について、図３〜５を用いて説明する。
先ず、カーボン粉末と金属粉末との混合粉末３からなる第１粉末成形体１の製造工程を、図３を参照しつつ説明する。
混合粉末３は、カーボン粉末と黄銅（Ｃｕ−３０％Ｚｎ）粉末とを所定の割合で配合し、ボールミルで混合したものである。
この混合粉末を有底円環状の第１キャビティ１０１を形成する第１成形用金型１００に充填した。なお、第１成形用金型１００は、円筒状のダイ１１０と、そのダイ１１０に下方から嵌装される円筒状の下パンチ１２０と、さらにその下パンチ１２０の中央に嵌装される芯金となるピン１３０と、このピン１３０を中央に嵌装可能な上パンチ１５０とからなる。そして、第１キャビティ１０１に充填した混合粉末３を、ピン１３０を中央に嵌装させた状態で上パンチ１５０と下パンチ１２０とで加圧する。その後、下パンチ１２０を押上げると、環状の第１粉末成形体１が得られる。
【００１８】
次に、第１粉末成形体１にカーボン粉末４を加えて、第２粉末成形体２を製造する工程について、図４を参照しつつ説明する。
第１粉末成形体１を有底円環状のキャビティ２０１に載置した。このキャビティ２０１を形成する第２成形用金型２００は、円筒状のダイ２１０と、そのダイ２１０の下方から嵌装される円筒状の下パンチ２２０と、さらにその下パンチ２２０の中央に嵌装される芯金となるピン２３０と、このピン２３０を中央に嵌装可能な上パンチ２５０とからなる。ここで、ダイ２１０は前述のダイ１１０と同形であるが、ピン２３０はピン１３０よりも細い。これに応じて、下パンチ２２０および上パンチ２５０の内径は、下パンチ１２０および上パンチ１５０の内径よりも小さくなっている。
【００１９】
その結果、キャビティ２０１に第１粉末成形体１を載置すると、第１粉末成形体１の内径とピン２３０の外径との間には環状のキャビティ２０２が形成される。ここに、上記カーボン粉末４を充填する。
そして、その状態から下パンチ２２０と上パンチ２５０とで第１粉末成形体１とカーボン粉末４とを加圧成形する。
そして、下パンチ２２０を押上げると、第１粉末成形体１の内周側にカーボン粉末４が加圧成形された第２粉末成形体２が得られる。
この得られた第２粉末成形体２を９００℃ｘ８時間焼成して焼成体３を得た。
【００２０】
次に、この焼成体３の内外周面の整形工程について、図５を用いて説明する。焼成体３を整形型３００上に載置した。この整形型３００は、円筒状のダイ３１０と、そのダイ３１０の下方から嵌装される円筒状の下パンチ３２０と、さらにその下パンチ３２０の中央に嵌装される芯金となるピン３３０と、このピン３３０と同径のピン３６０を中央に嵌装する上パンチ３５０とからなる。
ピン３３０とピン３６０とで焼成体３を位置決めして、上パンチ３５０で焼成体３を下方に押圧して整形する。このとき、ダイ３１０の内周面により焼成体３の外周面が整形され、ピン３６０の外周面により焼成体３の内周面が整形される。そして、下パンチ３２０を押上げると、内外径が所定寸法に整形された軸受２５が得られる。そして、外周端および内周端の面取加工を行うと、図２に示したような軸受２５が得られる。
本実施例では、軸受２５について主に説明したが、軸受２７、さらにはスラスト軸受２６についても同様に、摺接層と支持層との２層構造とすることができる。
【００２１】
【発明の効果】
本発明によると、燃料ポンプ用軸受の強度低下やコスト上昇等を抑制しつつ、その摺接面の耐蝕性を従来以上に確保できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例である燃料ポンプを示す断面図である。
【図２】その燃料ポンプで使用した軸受の拡大断面図である。
【図３】その軸受の第１粉末成形体の製造工程を示す模式図である。
【図４】その軸受の第２粉末成形体の製造工程を示す模式図である。
【図５】その軸受の整形工程を示す模式図である。
【符号の説明】
１ 第１粉末成形体
２ 第２粉末成形体
１０ 燃料ポンプ
２０ ポンプ
２５ 軸受
２５ａ 支持層
２５ｂ 摺接層
３０ モータ
３２ 電機子
１００ 第１成形用金型
１０１ 第１キャビティ
２００ 第２成形用金型
２０２ 第２キャビティ

Claims (4)

1. 主にカーボンからなる摺接層と、
   主にカーボンおよび金属からなり該摺接層に結合して該摺接層を支持する支持層とで構成され、
   前記支持層は、該支持層全体を１００質量％としたときに、カーボン（Ｃ）が２０〜３０質量％、亜鉛（Ｚｎ）が１８〜２６％、残部が銅（Ｃｕ）および不可避不純物からなることを特徴とする燃料ポンプ用軸受。
2. 主にカーボンからなる摺接層と、
   主にカーボンおよび金属からなり該摺接層に結合して該摺接層を支持する支持層とで構成され、
   前記支持層は、該支持層全体を１００質量％としたときに、Ｃが２０〜３０質量％、Ｚｎが９〜１６％、ニッケル（Ｎｉ）が９〜１６質量％、リン（Ｐ）が０．１〜０．７％、残部がＣｕおよび不可避不純物からなることを特徴とする燃料ポンプ用軸受。
3. 前記摺接層の厚さ（ｔ）は、該摺接層と前記支持層とを併せた厚さ（ｔ₀）の５〜２０％である請求項１または２に記載の燃料ポンプ用軸受。
4. 筒状のハウジングと、
   該ハウジング内に収納され回転軸を軸受で支承された電機子を有するモータと、
   該モータによって駆動され燃料を吸入して吐出するポンプとを備える燃料ポンプにおいて、
   前記軸受は、請求項１〜３のいずれかに記載の燃料ポンプ用軸受からなることを特徴とする燃料ポンプ。

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