JP4912046B2

JP4912046B2 - クロスヘッド軸受

Info

Publication number: JP4912046B2
Application number: JP2006159295A
Authority: JP
Inventors: 康宏三浦; 裕一富田; 素平山田
Original assignee: Daido Metal Co Ltd
Current assignee: Daido Metal Co Ltd
Priority date: 2006-06-08
Filing date: 2006-06-08
Publication date: 2012-04-04
Anticipated expiration: 2026-06-08
Also published as: JP2007327560A

Description

本発明は、大型２サイクルディーゼル機関のコネクティングロッドの上端に設けられてピストンロッドの下端に固定される軸を揺動自在に軸支すると共に、その軸受面に油膜交換を促進させるための油溝が軸方向で複数形成されるクロスヘッド軸受に関するものである。

大型２サイクルディーゼル機関に用いられるクロスヘッド軸受は常に下向きの高い荷重を受けながら低速で揺動運動を行なうため、軸受面に形成される油膜が極めて薄く潤滑状態が過酷なすべり軸受であり、負荷能力の向上が重要な課題となっている。一般的に、クロスヘッド軸受の軸受すき間比を小さくして、中央あて角１２０〜１５０°の範囲で軸受すき間比をゼロとした接触軸受構造に近づけると、軸受全面で大きなスクイズ作用が得られ負荷能力の向上に有利となる。しかしながら、軸受すき間比を小さくすると油膜のくさび作用が弱まり、油膜厚さが減少する、即ち、油膜特性が低下するという欠点がある。

一方、クロスヘッド軸受には、油膜交換を促進させる目的から荷重側軸受面に多数の油溝が軸方向で設けられており、軸受すき間比が小さい軸受でも油溝の両側方にくさび形状のテーパ面を設けることにより、油膜のくさび作用が増大して油膜特性を改善することができる。このように油溝の両側方にテーパ面を設けることにより油膜特性を改善した例は、非特許文献１（社団法人日本機械学会編「日本機械学会論文集Ｃ編第６９巻第６８１号
ｐｐ．１４０４〜１４０９」２００３年５月２５日発行、発行所：社団法人日本機械学会）に記載されている。
日本機械学会論文集Ｃ編６９巻６８１号ｐｐ．１４０４〜１４０９

しかしながら、上記した非特許文献１のように、油溝の両側方にテーパ面を設けることにより油膜特性の向上を図ることができるものの、テーパ面により軸の荷重を支えるランド面（受圧面）が減少するため、クロスヘッド軸受の十分な負荷能力の向上を得られるものではなかった。本発明は、上記した事情に鑑みなされたものであり、その目的とするところは、高い油膜特性を維持しつつ負荷能力をより向上させたクロスヘッド軸受を提供することにある。

上記した目的を達成するために、請求項１に係る発明においては、大型２サイクルディーゼル機関のコネクティングロッドの上端に設けられてピストンロッドの下端に固定される軸を揺動自在に軸支すると共に、その軸受面に油膜交換を促進させるための油溝が軸方向で複数形成されるクロスヘッド軸受において、前記油溝の両側方に前記軸受内面から前記油溝に向けて、底辺が下り傾斜する傾斜面で上辺が前記軸受内面となる多数の細溝を所定のピッチで形成したことを特徴とする。

また、請求項２に係る発明においては、請求項１に記載のクロスヘッド軸受において、前記細溝のピッチを、０．１〜１．０ｍｍで形成したことを特徴とする。

請求項１に係る発明においては、油溝の両側方に軸受内面から油溝に向けて、底辺が下り傾斜する傾斜面で上辺が軸受内面となる多数の細溝を所定のピッチで形成することにより、細溝の上辺である軸受内面で軸が支持されるため、ランド部（受圧面）の減少を抑制することができ、これによってクロスヘッド軸受の負荷能力の向上を図ることができる。また、細溝は、底辺が下り傾斜する傾斜面となっているので、傾斜面のくさび作用により、厚い油膜が形成され油膜の交換性が向上して油温の上昇が抑制されるため、軸の焼付きを防止することができる。

また、請求項２に係る発明においては、細溝のピッチを、０．１〜１．０ｍｍで形成したことにより、クロスヘッド軸受の負荷能力をより向上させることができる。細溝のピッチが０．１ｍｍ未満では、軸のランド部（受圧面）が減少して充分な負荷能力の向上を図ることができず、また、細溝のピッチが１ｍｍを超えると細溝の上辺における受圧面での油膜の形成が途切れる現象が発生し易くなり、場合によって軸の焼付きが発生する場合がある。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は、大型２サイクルディーゼル機関の１つのピストン３に対応するクロスヘッド機構１を示す概略図であり、図２は、クロスヘッド機構１に使用されるクロスヘッド軸受６の平面図（Ａ）と、該平面図のＡ−Ａ線で切断した断面図（Ｂ）である。

図１において、大型２サイクルディーゼル機関のクロスヘッド機構１は、シリンダ２内を摺動するピストン３のピストンロッド４の下端に固定される軸５を揺動自在に軸支するものであり、軸５と摺動する軸受面にホワイトメタル等の軸受合金層が形成されるクロスヘッド軸受６とこれを介挿する軸受ハウジング７を有している。そして、クロスヘッド機構１は、その下端がクランク軸９に回転自在に軸支されるコネクティングロッド８の上端に形成されている。

上記のように構成される大型２サイクルディーゼル機関においては、ピストン３の上下運動をコネクティングロッド８を介してクランク軸９の回転運動に変換するようになっている。そして、クロスヘッド機構１においては、特に下方の軸受ハウジング７に固定される下方のクロスヘッド軸受６に対し常に下向きに荷重が作用すると共にコネクティングロッド８の揺動運動も作用する。このため、クロスヘッド軸受６の軸受面への負荷が大きく、また軸受面に形成される油膜が極めて薄く潤滑状態が苛酷なすべり軸受である。

このような負荷が大きく且つ潤滑状態が苛酷なクロスヘッド軸受６では、油膜厚さを増大させる方策を検討する必要があると共に、極めて大きな負荷を受ける軸受面の負荷能力の向上を図る必要もある。そこで、本発明の実施形態に係るクロスヘッド軸受６を用いることにより、負荷能力の向上と油膜形成の容易性が達成できるものである。

図２にクロスヘッド軸受６の構造を示す。このクロスヘッド軸受６には、その軸受面に油を供給するための油溝が４箇所形成されている。この油溝のうちの２つは、クロスヘッド軸受６の縦中心線を挟んで左右対称に位置する中央油溝１０として形成されるものであり、この２つの中央油溝１０は、それぞれの縦中心線のなす角度がα（４０〜６０°が望ましい）となる位置に形成されている。そして、この２つの中央油溝１０の縦中心線のなす角度αが中央油溝ピッチ角を表している。また、２つの中央油溝１０のクロスヘッド軸受６の両外側には、端部油溝１５がそれぞれ形成されている。この端部油溝１５は、中央油溝１０の縦中心線と端部油溝１５の縦中心線のなす角度がβ（４０〜３０°が望ましい）となる位置に形成されている。そして、この角度βが端部油溝ピッチ角を表している。

また、上記した中央油溝１０及び端部油溝１５には、それぞれ中央油穴１１及び端部油穴１６が形成されており、この中央油穴１１及び端部油穴１６から軸５とクロスヘッド軸受６との間に潤滑油が供給されるようになっている。

上記した４つの油溝のうち両側方に位置する２つの端部油溝１５の縦中心線のなす角度は、図２に示すように、α＋２β（１２０°前後）で表されることとなるが、このα＋２βが軸５とクロスヘッド軸受６とが接触する範囲である中央あて角を表している。また、クロスヘッド軸受６の軸受面のうち、２つの中央油溝１０によって挟まれる範囲が軸受中央ランド部１２として形成されると共に、中央油溝１０と端部油溝１５とによって挟まれる範囲が軸受端部ランド部１７として形成されている。なお、クロスヘッド軸受６の軸受合金はアルミニウム合金（例えば、Ａｌ−４０質量％Ｓｎ）を用いた。

また、上記した中央油溝１０及び端部油溝１５の両側方に、軸受内面である軸受中央ランド部１２及び軸受端部ランド部１７から油溝１０，１５に向けて、底辺１９ｂが下り傾斜する傾斜面で上辺が軸受内面となる多数の細溝１９が所定のピッチで形成されている。そこで、図３を参照して上記した細溝１９の構成をより詳細に説明する。図３は、図２（Ａ）のＢ−Ｂ線で切断した断面図（Ａ）と、該断面図（Ａ）のＣ−Ｃ線で切断した断面図（Ｂ）である。

各油溝１０，１５は、図３（Ａ）で示すように、底部が半円形状に形成され、その上両側が多数の細溝が形成される細溝部１９となっている。細溝部１９の細溝は、図３（Ａ）に示すように、底辺１９ｂが下り傾斜する傾斜面で上辺が軸受内面となっており、その細溝のピッチＰは、０．１ｍｍ〜１．０ｍｍに設定される。細溝のピッチＰが０．１ｍｍ未満では、軸のランド部（受圧面）が減少して充分な負荷能力の向上を図ることができず、また、細溝のピッチＰが１ｍｍを超えると細溝の上辺１９ａにおける受圧面での油膜の形成が途切れる現象が発生し易くなり、場合によって軸の焼付きが発生する場合がある。

なお、この細溝部１９は、ボーリング加工によって形成されるものであるが、そのテーパ幅角Ｌは、底辺１９ｂの一端とクロスヘッド軸受６の軸受中心とを結ぶ線と、底辺１９ｂの他端とクロスヘッド軸受６の軸受中心とを結ぶ線と、がなす角度で表され、そのテーパ幅角Ｌ＝１〜１０°となるように加工され、さらに底辺１９ｂの傾斜角度であるテーパ角γは、底辺１９ｂと油溝１０の縦中心線の垂線と、がなす角度で表され、そのテーパ角γ＝０．１〜２°となるように加工される。

次ぎに、上記のように構成されるクロスヘッド軸受６を図４に示す軸受試験機３０で試験した試験結果について説明する。図４は、軸受試験機３０の概略構成を示すもので、試験軸３１が、クランク機構（図示しない）により揺動運動を行う。その揺動運動を行なう試験軸３１の上方には、試験軸３１と当接する支持軸受３３を有する支持軸受ハウジング３２が配置され、その支軸軸受ハウジング３２を介して油圧ラム（図示しない）によって変動荷重が与えられる。また、試験軸３１の下方には、本実施態様におけるクロスヘッド軸受６と同じ構造を有する試験軸受３４が支持台３５に固定されるようになっている。上記した支持軸受３３及び試験軸受３４には、給油通路３６を介して潤滑油が供給されるようになっている。ただし、本実験結果を得るために使用された軸受試験機３０の試験軸受３４に負荷できる最大面圧は、１４０ＭＰａとなっている。

上記した軸受試験機３０にて、本実施形態に係るクロスヘッド軸受６に係る実施品と、細溝部１９の代わりに、細溝部１９の位置に浅いテーパ面を有する二次溝（本実施形態と比較して、上辺１９ａが存在せず、テーパ状の底辺１９ｂだけからなるテーパ面が油溝１０，１５の両側方に形成されたもの）を形成した軸受である比較品と、で油圧ラムによる荷重を徐々に増加させたときに、どの大きさの軸受面圧で焼付きが発生したかを試験した試験結果が図５に示されている。なお、軸受試験機３０における試験条件は、表１に示す通りである。即ち、試験軸受３４の非焼付き性を評価する負荷限界試験は、軸材料としてＳ４５Ｃからなりその軸粗さが最大軸粗さ平均０．８μｍの試験軸３１の揺動速度を３００ｃｐｍ、揺動角を±２０°に各々設定し、さらに潤滑油として７０℃のマリンオイルＳＳ３０を２００ｃｃ／ｍｉｎで供給するように設定した後、軸受面圧のサイクル最大値Ｐｗｍａｘを段階的に増大させ、軸受寸法「直径１００ｍｍ×長さ４０ｍｍ×厚さ５ｍｍ」の試験軸受３４に焼付きが発生する限界軸受面圧を求める方法で実施した。試験中の試験軸受３４の表面温度は、試験軸受３４の中央部の表面から０．５ｍｍの深さに埋め込んだ熱電対で測定したが、この表面温度が８０℃以上に急上昇した場合に焼付き発生と判断した。

図５に示すように、細溝部１９を形成した試験軸受３４は、本試験機３０における最大軸受面圧（１４０ＭＰａ）をかけても、焼付が発生しなかった。これに対し、細溝部１９に代えて浅いテーパ面を有する二次溝とした場合には、１１０ＭＰａまでの軸受面圧に対しては焼付傾向が見られないが、１１０ＭＰａの軸受面圧を超えたときに、表面温度が８０℃以上に急上昇して焼付が発生した。このように、細溝部１９を形成した試験軸受３４において、高い軸受面圧でも焼付が発生しないのは、細溝の上辺１９ａである軸受内面で試験軸３１が支持されるため、ランド部（受圧面）の減少を抑制することができ、これによって軸受３４の負荷能力の向上を図ることができると共に、細溝の下り傾斜する傾斜面となっている底辺１９ｂのくさび作用により、厚い油膜が形成され油膜の交換性が向上して油温の上昇が抑制されるため、焼付きを防止することができるからである。これに対し、比較品の浅いテーパ面を有する二次溝の場合には、大きな荷重によって二次溝の切り上がり部が試験軸３１の外周と当接して油膜切れ現象を発生させ、くさび作用による油膜形成効果を減退させることにより焼付が発生すると考えられるからである。

なお、上記した実施形態におけるクロスヘッド軸受６においては、クロスヘッド軸受６の軸受半径Ｒと、軸５の軸半径ｒとの関係について詳細に説明しなかったが、本実施形態に係るクロスヘッド機構１においては、前述した中央あて角の範囲で、軸受すきま比（（Ｒ−ｒ）／ｒ）が「０．０００１±０．０００２」に設定されている。

また、上記した実施形態では、クロスヘッド軸受に好適な一例について説明したが、本発明はこれに限るものではない。本発明の範囲を逸脱しない限りにおいて各種設計変更は可能である。例えば、本発明の効果が大きい中央油溝１０の両側方のみに本発明の細溝からなる二次溝を形成し、端部油溝１５には本発明の細溝からなる二次溝を形成しない等の変更も可能である。

大型２サイクルディーゼル機関の１つのピストンに対応するクロスヘッド機構を示す概略図である。クロスヘッド機構に使用されるクロスヘッド軸受の平面図（Ａ）と、該平面図のＡ−Ａ線で切断した断面図（Ｂ）である。図２（Ａ）のＢ−Ｂ線で切断した断面図（Ａ）と、該断面図のＣ−Ｃ線で切断した断面図（Ｂ）である。軸受試験機の概略構成図である。軸受試験機で試験した実施品と比較品との焼付試験結果を表すグラフである。

符号の説明

１クロスヘッド機構
４ピストンロッド
５軸
６クロスヘッド軸受
８コネクティングロッド
１０中央油溝
１１中央油穴
１２軸受中央ラウンド部
１５端部油溝
１６端部油穴
１７軸受端部ラウンド部
１９細溝部
１９ａ上辺
１９ｂ底辺

Claims

大型２サイクルディーゼル機関のコネクティングロッドの上端に設けられてピストンロッドの下端に固定される軸を揺動自在に軸支すると共に、その軸受面に油膜交換を促進させるための油溝が軸方向で複数形成されるクロスヘッド軸受において、
前記油溝の両側方に前記軸受内面から前記油溝に向けて、底辺が下り傾斜する傾斜面で上辺が前記軸受内面となる多数の細溝を所定のピッチで形成したことを特徴とするクロスヘッド軸受。
前記細溝のピッチを、０．１〜１．０ｍｍで形成したことを特徴とする請求項１記載のクロスヘッド軸受。