JP5107972B2 - 内燃機関のクランク軸を支承する軸受装置 - Google Patents
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Description
内燃機関の最初の運転時には、ジャーナル部用すべり軸受の円周方向溝に供給される潤滑油中に、潤滑油路内に残留した異物が混入しがちである。異物とは、油路を切削加工した時の金属加工屑や鋳造時の鋳砂等を意味する。この異物は、クランク軸の回転によって潤滑油の流れに付随し、従来の内燃機関用すべり軸受では、軸受円周方向端部に形成されるクラッシュリリーフや面取等の隙間部を通じて潤滑油と共に排出される。しかしながら、近年の内燃機関は、クランク軸の高回転化により、潤滑油よりも比重の大きな異物に作用する慣性力(異物が円周方向に沿って前進しようとする慣性力)が大きくなって、すべり軸受の組み合わせ端面(一対の半円筒形状軸受の組み合わせ端面)における隙間部分から異物が排出されずに、油溝を有しない側のすべり軸受(他方の半円筒形状軸受)の摺動面部分に進入し、異物による軸受摺動面の損傷が発生しやすくなっている。
かくして、本発明の目的は、異物排出性に優れ、樹脂製摺動層を有するすべり軸受の内周面を形成する樹脂製摺動層に対する異物の影響を低減化した、内燃機関のクランク軸を支承する軸受装置を提供することである。
内部給油路構造を有するクランク軸のジャーナル部およびクランクピン部が、それぞれ、一対の金属製半円筒形状軸受を組み合わせた円筒形状体であるすべり軸受で支承される、内燃機関のクランク軸を支承する軸受装置であり、
前記ジャーナル部用すべり軸受および前記クランクピン部用すべり軸受のうち、少なくとも一方のすべり軸受について、該すべり軸受を構成する前記一対の半円筒形状軸受のうち、少なくとも一方の半円筒形状軸受が、その内周面に樹脂製摺動層を有し、
また、前記ジャーナル部用すべり軸受を構成する前記一対の半円筒形状軸受のうち、少なくとも一方の半円筒形状軸受の内周面に円周方向に延在する油溝が形成されている、前記軸受装置において、
前記油溝は、前記少なくとも一方の半円筒形状軸受の円周方向長さの中央部を含み、
前記油溝の溝底面が、平坦部なしに連続的に起伏する複数の山と複数の谷から成る凹凸面になされており、
前記軸受内周面すなわち軸受摺動面と前記谷の深さとで規定される溝深さをH、前記凹凸面の高低差すなわち前記山の高さをhとしたとき、前記複数の山のうちの任意の山と、これに隣接する位置にある前記谷との寸法関係が、関係式h<0.15Hによって規定されることを特徴とする内燃機関のクランク軸を支承する軸受装置。
クランク軸のジャーナル部に用いる一対の半円筒形状軸受のうち、内周面に円周方向油溝を形成する半円筒形状軸受については、内周面(軸受摺動面)のみでなく、油溝の内表面にも樹脂製摺動層を付与することも許容される。
本発明の第二の実施形態では、前記油溝が、前記半円筒形状軸受の円周方向全長に亘って軸受内周面に形成される。
本発明の第三の実施形態では、前記油溝の円周方向長さが、半円筒形状軸受の円周方向全長よりも短く、該油溝の円周方向両端部の少なくとも一方が、半円筒形状軸受の円周方向端面に達しない。
本発明の第四の実施形態では、前記軸受内周面すなわち軸受摺動面と前記溝底面の谷部とで規定される溝深さについて、半円筒形状軸受の円周方向長さの中央部における溝深さ(半円筒形状軸受の円周方向端面位置を円周方向角度0°とした時、円周方向角度90°位置に最も近く形成される谷部の深さを意味する)をd0、円周方向の油溝両端部における溝深さ(円周方向の油溝両端部に最も近く形成される谷部の深さを意味する)をd1としたとき、前記油溝が、関係式d1≦d0を満たす。
本発明の第五の実施形態では、前記樹脂製摺動層の厚さが0.5〜3μmである。
(1)クランク軸用すべり軸受は、通常、鋼製裏金の一方の表面にアルミニウム軸受合金層または銅軸受合金層を形成した積層構造体として提供されるが、すべり軸受を構成する一対の半円筒形状軸受の内周面に樹脂製摺動層を形成することによって、アルミニウム軸受合金層または銅軸受合金層を保護し、すべり軸受のなじみ性、耐疲労性または耐荷重性を向上させることができる。
また、凹凸面の高低差hを溝深さHの15%未満とし、谷部と山部に沿って流れる時の潤滑油の圧力変化を最小限とし、さらに、溝底面を連続した凹凸面で形成して潤滑油の圧力を穏やかに変化するようにしたので、潤滑油は油溝内を円滑に流れる。
溝底面の凹凸の高低差hが溝深さHの15%以上であると、溝底面付近の潤滑油の流れが乱れて溝内を円滑に流れなくなり、内燃機関に圧力損失が発生し、また、油溝内で異物を浮上させようとする力が働くので、異物が軸受摺動面領域に進入してしまう場合がある。
さらに、溝深さHを一定にしたすべり軸受でも、軸受円周方向中央部から端部に向かって溝深さHを小さくし、軸受円周方向端部における軸受幅方向端部からの潤滑油の漏れ量を減少させるすべり軸受でも、溝底面凹凸の高低差hを溝深さHの15%未満にすることにより、潤滑油の流れに影響を与えることなく、油溝底面を転動する異物の移動速度を低下させて、軸受円周方向端部における軸受幅端部から異物を排出させることができる。
(3)以上に述べたとおり、異物排出性に優れ、すべり軸受の内周面を形成する樹脂製摺動層に対する異物の影響を低減化した、内燃機関のクランク軸を支承する軸受装置を提供することができる。
以下、添付図面を見ながら本発明の実施例および比較例について説明する。
ジャーナル10は、一対の半円筒形軸受30A、30Bを介して、内燃機関のシリンダブロック下部に支持されている。図面で上側に位置する半円筒形軸受30Aは、その内周面全長に亘って潤滑油溝(円周方向油溝)36が形成されている。
また、ジャーナル10は、その直径方向貫通孔10aを有し、ジャーナル10が矢印X方向に回転すると、貫通孔10aの両端開口が交互に油溝36に連通する。
さらに、ジャーナル10、図示されないクランクアーム、および、クランクピン12を貫通して潤滑油路20が、クランク軸内部に形成されている。
シリンダブロックに設けたオイルギャラリーから、ジャーナル10を支承する主軸受を構成する一対の半円筒形状のすべり軸受30A、30Bのうち、内周面に油溝36が形成された半円筒形状のすべり軸受30Aの壁を貫通して形成された開口を通じて、潤滑油溝36内に潤滑油が供給される。回転するジャーナル10に形成された直径方向貫通孔10aの両端開口が潤滑油溝36と間欠的に連通するが、その連通時に貫通孔10a内に潤滑油圧が作用し、更には貫通孔10aに連通する潤滑油路20にも潤滑油供給圧力が作用し、クランクピン12の外周面に存在する潤滑油路20の出口(開口)から、クランクピン12とコンロッド軸受22の間の摺動面部に潤滑油が供給される。
樹脂製摺動層30cの厚さは、好適には0.5〜30μm、更に好適には0.5〜3μmである。
すべり軸受30Aは、その内周面(軸受摺動面)32の幅方向中央部に、円周方向に延在する潤滑油用油溝36を有する。油溝36は、内周面の全長に亘って形成され、両端面34で溝端が開放されている。また、油溝36は、その溝底面が、平坦部なしに連続的に起伏する複数の山36Aと複数の谷36Bから成る凹凸面になされている。本実施例では、複数の谷36Bの最深部が、軸受中心(軸線)に対する半径rの円弧(38)上にある。
ここで、内周面(軸受摺動面)32を基準面とする油溝36の深さをH(これは、内周面32から谷36Bの最深部までの深さに等しい)とし、凹凸面の高低差すなわち山の高さをh(本実施例では一定)としたとき、Hとhは、以下の関係式(1)を満たすようになされている。好適には、山の高さhは10μm以上になされる。
また、凹凸面の高低差を、h<0.15Hの関係式を満たすように形成したことにより、凹凸面の谷部分および山部分に沿って流れる時の潤滑油の圧力変化を最小限にし、さらに溝底面を連続した凹凸面で形成して圧力を緩やかに変化するようにしたことにより、潤滑油が油溝内を円滑に流れる。好適には、異物の転動速度を低下させるために円周方向油溝の溝底面が、連続する6つ以上の凹凸(山と谷)で形成される。
*具体的数値の一例: 軸受内径寸法45mm、溝深さHが0.8mmの溝を形成したすべり軸受の場合には凹凸の高低差すなわち山の高さhは10μm以上0.12mm未満にすることが好ましい。連続する谷36Bまたは山36Aのピッチは、円周方向油溝の溝底面を連続する6つ以上の凹凸(山と谷)で形成するように円周角度36°以下となるピッチにすることが好ましい。
すべり軸受30Aと同様に、すべり軸受40は、その内周面(軸受摺動面)42に、樹脂製摺動層が形成されている。
また、すべり軸受30Aと同様に、すべり軸受40は、その内周面(軸受摺動面)42の幅方向中央部に、円周方向に延在する油溝46を有する。油溝46は、油溝36と違って、内周面の全長に亘って形成されておらず、溝端が軸受両端面44で開放されていない。このように、両端面44で溝端を開放させない構成を採用すると、溝端からの潤滑油漏れ量が減少し、潤滑油に付随する異物の移動速度が低下する。軸受円周方向端部領域に到達した異物は移動速度が遅く、直進しようとする慣性力が小さいので、軸受幅方向端部から潤滑油と共に排出することができる。
すべり軸受50は、その内周面(軸受摺動面)52に、すべり軸受30Aと同様に樹脂製摺動層が形成されている。
すべり軸受50は、油溝56の溝端が軸受両端面54で開放されている点を除き、すべり軸受40とほぼ同様な油溝構造を有する。
油溝56の溝深さHが、すべり軸受50の円周方向長さの中央部で最大になされ、両溝端に向かって次第に小さくなされていることにより、溝端からの潤滑油漏れ量が減少し、潤滑油に付随する異物の移動速度が低下する。軸受周方向端部に到達した異物は移動速度が遅く、直進しようとする慣性力が小さいので、軸受幅方向端部から潤滑油と共に排出することができる。
また、図示例に限定されず、円周方向油溝の端部が軸受の片側端面でのみ開放される場合も可能であり、油溝底面の円周方向に沿う断面形状は、実施例に示すような単一円弧に沿う形状に限らず、曲率の異なる複数の円弧に沿う形状であってもよい。
なお、本願のすべり軸受には従来のすべり軸受と同じく、すべり軸受の厚さを軸受円周方向の中央部から端部に向かって薄くなるように偏肉させてもよく、また、軸受円周方向端部の軸受内周面側にクラッシュリリーフや面取りを形成してもよい。
[比較例1]
図9、図10は、比較例1に係わる公知の半円筒形状すべり軸受60を示す。図7は、すべり軸受60の内周面を見た図であり、図10は、図9におけるX−X線に沿う断面図である。すべり軸受60は、その内周面(軸受摺動面)62の幅方向中央部に、円周方向に延在する油溝66を有する。油溝66は、内周面の全長に亘って形成され、軸受両端面64で溝端が開放されている。油溝66の溝底面は、起伏のない平坦面である。
図11、図12は、比較例2に係わる半円筒形状すべり軸受70を示す。図11は、すべり軸受70の内周面を見た図であり、図12は、図11におけるXII−XII線に沿う断面図である。すべり軸受70は、その内周面(軸受摺動面)72の幅方向中央部に、円周方向に延在する油溝76を有する。油溝76は、内周面の全長に亘って形成され、軸受両端面74で溝端が開口されている。油溝76の底面は、溝両端部分を除く、中央領域の大部分が比較例1の油溝66と同様に起伏のない平坦面である。溝両端部分における油溝76の底面には、溝深さHの50%である高さhを有する各複数の隆起部78が形成され、他の箇所に比して溝横断面面積が小さくなっている。
実施例では、軸受の壁に設けた油穴(図示せず)を通じて円周方向油溝内に供給された潤滑油が油溝内を円周方向に流れる。油溝の溝底面を、好適には10μm以上の高低差の凹凸面により形成したことにより、凹凸面は、潤滑油と共に油溝内に進入して油溝底面に沿って転動する異物の抵抗になり、異物の移動速度を低下させる。軸受円周方向端部に到達した異物は移動速度が遅く、円周方向に直進しようとする慣性力が小さいので軸受幅方向端部より排出される潤滑油と共に排出することができる。凹凸面の高低差hを油溝深さHの15%未満とし、谷部および山部に沿って流れる時の潤滑油の圧力変化を最小限になし、さらに、溝底面を連続した凹凸面で形成して潤滑油圧力が穏やかに変化するように構成したので、潤滑油は油溝内を円滑に流れる。
比較例1の場合、油溝内に潤滑油と共に進入した異物は、油溝底面に沿って転動するが、溝底面が平坦であるため抵抗が少なく、異物の移動速度を低下させる効果はない。このため、異物の円周方向に直進しようとする慣性力が大きく、軸受の円周方向端面に到達した異物が軸受幅方向に排出されることなく、対をなす相手側半割形状軸受(図示せず)の軸受摺動面領域に進入しやすい。
比較例2の場合、油溝内を円周方向に流れる潤滑油は軸受の円周方向端部付近の油溝底面に断続的に形成された隆起部付近で局部的で急激な潤滑油の圧力変動が生じるため、油溝内を潤滑油が円滑に流れず圧力損失が生じる。また、潤滑油流れ方向に対する隆起部の下流側では、絞り効果によって潤滑油の流速が大きくなるため、異物の移動速度も速くなる。このため、異物の円周方向に直進しようとする慣性力が大きく、軸受の円周方向端面に到達した異物が、軸受幅方向に排出されることなく、対となる相手側半割形状軸受(図示せず)の軸受摺動面領域に進入しやすい。また、隆起部による円周方向溝内の潤滑油の急激な圧力変動により異物が潤滑油中で浮上し、隆起部を有する軸受自体の軸受摺動面領域への進入も生じやすくなるという新たな問題も発生する。
これに対して、比較例1,2では、前記のとおり、軸受外部へ異物が排出され難い。ジャーナル部用すべり軸受の外部に排出されない異物は、ジャーナル部用すべり軸受の内周面領域に進入するだけでなく、潤滑油とともにクランクピン部のすべり軸受の内周面領域にも進入しやすい。すべり軸受の摺動面領域に異物が進入すると、すべり軸受の内周面に付与した樹脂製摺動層の破損や剥離が発生して、樹脂製摺動層の消失が生じる結果になる。
10a 貫通孔
12 クランクピン
14 コンロッド
16 大端部ハウジング
16A コンロッド側大端部ハウジング
16B キャップ側大端部ハウジング
20 潤滑油路
24 半円筒形軸受
26 半円筒形軸受
30A すべり軸受
30B すべり軸受
30a 鋼製裏金
30b 軸受合金層
30c 樹脂製摺動層
32 内周面(軸受摺動面)
34 端面
36 油溝
36A 山
36B 谷
38 円弧
40 すべり軸受
42 内周面(軸受摺動面)
44 端面
46 油溝
50 すべり軸受
52 内周面(軸受摺動面)
54 端面
56 油溝
60 すべり軸受
62 内周面(軸受摺動面)
64 端面
66 油溝
70 すべり軸受
72 内周面(軸受摺動面)
74 端面
76 油溝
78 隆起部
H 油溝の深さ
h 山の高さ
Claims (6)
- 内部給油路構造を有するクランク軸のジャーナル部およびクランクピン部が、それぞれ、一対の金属製半円筒形状軸受を組み合わせた円筒形状体であるすべり軸受で支承される、内燃機関のクランク軸を支承する軸受装置であり、
前記ジャーナル部用すべり軸受および前記クランクピン部用すべり軸受のうち、少なくとも一方のすべり軸受について、該すべり軸受を構成する前記一対の半円筒形状軸受のうち、少なくとも一方の半円筒形状軸受が、その内周面に樹脂製摺動層を有し、
また、前記ジャーナル部用すべり軸受を構成する前記一対の半円筒形状軸受のうち、少なくとも一方の半円筒形状軸受の内周面に円周方向に延在する油溝が形成されている、前記軸受装置において、
前記油溝は、前記少なくとも一方の半円筒形状軸受の円周方向長さの中央部を含み、
前記油溝の溝底面が、平坦部なしに連続的に起伏する複数の山と複数の谷から成る凹凸面になされており、
前記軸受内周面すなわち軸受摺動面と前記谷の深さとで規定される溝深さをH、前記凹凸面の高低差すなわち前記山の高さをhとしたとき、前記複数の山のうちの任意の山と、これに隣接する位置にある前記谷との寸法関係が、関係式h<0.15Hによって規定されることを特徴とする内燃機関のクランク軸を支承する軸受装置。 - 前記山の高さhが10μm以上であることを特徴とする請求項1に記載された内燃機関のクランク軸を支承する軸受装置。
- 前記油溝が、前記半円筒形状軸受の円周方向全長に亘って軸受内周面に形成されていることを特徴とする請求項1または請求項2に記載された内燃機関のクランク軸を支承する軸受装置。
- 前記油溝の円周方向長さが、半円筒形状軸受の円周方向全長よりも短く、該油溝の円周方向両端部の少なくとも一方が、半円筒形状軸受の円周方向端面に達していないことを特徴とする請求項1または請求項2に記載された内燃機関のクランク軸を支承する軸受装置。
- 前記軸受内周面すなわち軸受摺動面と前記溝底面の谷部とで規定される溝深さについて、前記半円筒形状軸受の円周方向長さの中央部における溝深さをd0、円周方向の油溝両端部における溝深さをd1としたとき、前記油溝が、関係式d1≦d0を満たすことを特徴とする請求項1から請求項4までのいずれか1項に記載された内燃機関のクランク軸を支承する軸受装置。
- 前記樹脂製摺動層の厚さが0.5〜3μmである請求項1から請求項5までのいずれか1項に記載された内燃機関のクランク軸を支承する軸受装置。
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