JP5163873B2 - 回転軸、これを用いた摺動装置、回転軸の加工装置、回転軸の加工方法、クランクシャフト、カムシャフト及びエンジン - Google Patents

Description

本発明は、例えばエンジンのクランクシャフトやカムシャフトとして使用される回転軸、これを用いた摺動装置、回転軸の加工装置、回転軸の加工方法、クランクシャフト、カムシャフト及びエンジンに関する。

摺動装置は、例えばエンジンに設けられるクランクピン，クランクジャーナル、及びそのクランクピン，クランクジャーナルを支持する軸受メタル等に用いられている。
上記のクランクピン，クランクジャーナルが軸受メタル上を摺動する際、摺接面に発生する摩擦を低減するために、軸の表面に、長手方向が摺動方向と直交する凹部を、軸の表面の部位に応じて溝の深さを変えて設けたものがある（特許文献１参照）。

これは、摺動方向及び摺動速度が変化する軸の往復摺動時に、軸と軸受との間に介在する潤滑油を摺動面に満遍なく潤させるために、凹部は、潤滑油を保持し、かつ、摺動時に凹部近傍の摺動面に潤滑油を提供する機能（以下、潤滑油を保持する機能）を発揮することに基づく。
特開２００２−２３５８５２号公報 特開２００５−２４９１２７号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載されている摺動装置は、軸が回転摺動する摺動装置ではない。すなわち、クランクシャフト等のように、軸が円筒状のすべり軸受の内面を回転摺動する摺動装置において、軸であるクランクピンは、すべり軸受けであるクランクシャフトの円筒内を、軸心を中心に回転摺動する。

その際に、摺動面に発生する摩擦を低減しかつ耐焼付き性を向上するためには、潤滑油が、回転する軸に充分に巻き込まれて、油膜を形成する層となって軸の軸受け幅端部の回転方向へ安定して流れることが前提となる。
概して、軸の低速回転時には、潤滑油は前述のように安定して軸の回転方向へ流れる。しかし、軸の高速回転時には、低速回転時と比べて軸心を安定して回転せず、軸受の端部において軸受けに多く接触するようになり、該接触の際に摺動面に発生する摩擦力も大きく、負荷が大きくなると耐焼付き性に問題が生じる。
この摩擦により、潤滑油の流れは乱されて、低速回転時のように軸に巻き込まれず、軸の回転方向へ安定して流れないことが生じ得る。
このように、潤滑油の流れに乱れが生じる場合には、前述した摩擦を低減するための前提を欠くこととなる。この状況下において、従来のような凹部を軸の表面に設けるだけでは、低フリクションという効果及び耐焼付き性は、必ずしも十分に発現されないという問題が生じる。
またさらに、凹部をフォームローラにより塑性加工形成する場合においては，クランクシャフトは表面硬度が非常に高いために、工具寿命が短くなるという問題点が生じる。

また、軸心を中心に回転可能な軸と、該軸を潤滑油を介して支持するための円筒形状のすべり軸受とを有する低摩擦摺動装置における前記軸にあって、前記軸の外表面に１つ以上の凹部が設けられ、前記凹部の一部は、長手方向が前記軸の回転方向と直交する方向に対して傾斜していることを特徴とするものがある（特許文献２参照）。
これは低速回転時のように、軸に巻き込まれず、軸の回転方向へ安定して流れず、潤滑油の流れに乱れが生じる場合においても、摩擦を効果的に低減することを狙いとしている。

そこで本発明は、高速回転時に発生し得る前述の状況下においても、低フリクションという効果を発揮し、耐焼付き性を向上させることができる回転軸、これを用いた摺動装置、回転軸の加工装置、回転軸の加工方法、クランクシャフト、カムシャフト及びエンジンの提供を主たる目的とするとともに、潤滑用凹部を塑性加工するに際して工具寿命を向上させられる回転軸、これを用いた摺動装置、回転軸の加工装置、回転軸の加工方法、クランクシャフト、カムシャフト及びエンジンの提供を副たる目的としている。

上記目的を達成するための本発明に係る回転軸は、潤滑液を介して滑り軸受に回転自在に支持されるとともに、その滑り軸受と摺接する外周面に複数の潤滑用凹部を配列形成した回転軸において、上記外周面の摺接領域を、潤滑油が流出しない内域と、この内域の両側であって外部に潤滑油が流出する外縁域とに区分するとともに、その両外縁域に配列されている各潤滑用凹部の開口を長方形にし、かつ、それらの潤滑用凹部を内域に配列した潤滑用凹部よりも深く形成しているとともに、両外縁域に配列されている潤滑用凹部を、潤滑液を回転方向に流動させる所要の角度で回転方向と交差するように配列し、かつ、それら潤滑用凹部の長手方向を配列方向に向けて揃列させている。

上記目的を達成するための本発明に係る摺動装置は、上記の回転軸を、潤滑液を介して滑り軸受に回転自在に支持していることを特徴としている。

上記目的を達成するための本発明に係る回転軸の加工装置は、上記した回転軸を保持して軸回りに回転させるチャッキング部と、外周縁部に潤滑用凹部を形成するための凹凸を形成したフォームローラを回転駆動するフォーミングローラ駆動部と、上記回転軸の外周面に当接したフォームローラに対して荷重を付与する荷重付与部と、フォーミングローラ駆動部又はチャッキング部若しくはそれら双方を、回転軸に対してフォームローラを近接離間する方向及び回転軸の軸線方向に移動するための移動部とを有し、移動部は、回転軸の外周面にフォームローラを所定荷重で当接させ、その回転軸を回転させてフォームローラを連れ回りさせるとともに、フォームローラと回転軸とを、この回転軸の軸線方向に相対的に移動させることにより、当該回転軸の上記滑り軸受との摺接領域のうち、内域の両側に区分した外縁域に配列されている潤滑用凹部を、その内域に配列した潤滑用凹部よりも深く加工することを特徴としている。

請求項１〜１０のいずれか１項に記載した回転軸の加工方法であって、回転軸の外周面にフォームローラを所定の荷重で当接させ、その回転軸を回転させてフォームローラを連れ回りさせるとともに、フォームローラと回転軸とを、この回転軸の軸線方向に相対的に移動させることにより、当該回転軸の上記滑り軸受との摺接領域のうち、内域の両側に区分した外縁域に配列されている潤滑用凹部を、その内域側から外縁に向けて次第に深くなるように加工している。

上記目的を達成するための本発明に係るクランクシャフトは、上記した回転軸を採用したものである。
上記目的を達成するための本発明に係るカムシャフトは、上記した回転軸を採用したものである。

上記目的を達成するための本発明に係るエンジンは、上記した回転軸を少なくとも一部に採用したものである。

本発明によれば、高速回転時においても摩擦を低くできるとともに、耐焼付き性を向上させることができる。
また、回転軸の摺接領域における表面硬度を所要の分布にすることにより、潤滑用凹部を塑性加工するに際して、工具寿命を向上させることができる。
回転軸と軸受との隙間から潤滑油が排出される外縁域においても、これらの領域に配列された潤滑用凹部における潤滑油保持機能の効果が顕著に現れ、低摩擦性及び優れた耐焼付き性を得ることができる。
１つの潤滑用凹部が、この潤滑用凹部の長手方向へ誘導した潤滑油の流線は、当該長手方向の延長線上に位置する他の潤滑用凹部によってさらに延長されて、同一方向に向かう潤滑油の流線を、摺動面の広範囲なエリアへ確保することが可能となる。

以下に、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照して説明する。図１（Ａ）は、本発明の第一の実施形態に係る回転軸を適用した摺動装置の概略分解斜視図、（Ｂ）は、その摺動装置の断面図、（Ｃ）は、（Ｂ）に包囲線Ｉで示す部分の拡大図、図２は、その回転軸の表面硬度の分布図であり、縦軸が硬度も横軸が摺接領域を示している。また、図３は、仮想線上に揃列した潤滑用凹部の拡大断面図である。
なお、以下に説明する各図において、潤滑用凹部と回転軸との比率やその潤滑用凹部の大きさ，形成数等については、説明を容易にするために変異，簡素化を図っており、実際のものとは異なっている。

一例に係る摺動装置Ａ１は、滑り軸受（以下、単に「軸受」という。）１０と、回転軸２０とを有して構成されている。
軸受１０は、潤滑液である潤滑油（以下、「潤滑油」という。）を介し、詳細を後述する回転軸２０を回転自在に支持するものであり、所要の全長にした円筒形に形成されている。

上記軸受１０には、回転軸２０との間に潤滑油を供給するための供給口（図示しない）が形成されており、その供給口から回転軸２０との摺接領域ａに適量の潤滑油を送給するようになっている。

回転軸２０は、所要の長さにした円柱状に形成されており、これの外周面２０ａであって、上記摺接領域ａに複数の潤滑用凹部３０…を形成している。
摺接領域ａは、回転軸２０が軸受１０と摺接する領域であり、内域ａ１と、これの両側の外縁域ａ２，ａ２とに区分している。
「外縁域」は、軸受１０の両端部から外部に潤滑油が流出することが想定される領域であり、また、「内域」は、潤滑油の流出が想定されない領域のことである。

本実施形態に示す回転軸２０は、少なくとも上記摺接領域ａにおいて、表面硬度を所要の分布となるようにしている。具体的には、図２に示すように、上記外縁域ａ２，ａ２の表面硬度を、内域ａ１の表面硬度よりも低くしている。
すなわち、内域ａ１と外縁域ａ２，ａ２とを区分する境界を、表面硬度が変化する位置に一致させている。
なお、外縁域ａ２，ａ２の表面硬度を内域ａ１の表面硬度よりも低くせずに、摺接領域ａにおいてほぼ一定の値にしてもよいことは勿論である。
また、回転軸２０の外縁域ａ２，ａ２において内域ａ１側から外縁に向けて表面硬度を次第に低下させた構成にしてもよい。

潤滑油は、回転軸２０と軸受１０との上記摺接領域ａに生じる摩擦を低減するためのものであり、その摺接領域ａに適量存在していることが重要であり、回転軸２０の回転に伴って流動する。
上記摺接領域ａに生じる摩擦を低減するためには、上述したように潤滑油が回転軸２０に巻き込まれ、その回転軸２０の回転方向αに、油膜を形成する層となって安定して流動することが前提となる。

そこで、本実施形態においては、回転軸２０の高速回転時においても、潤滑油が回転軸２０の回転方向αに安定して流動するように、潤滑用凹部３０に、潤滑油の流れを促進させる機能をもたせている。
すなわち、潤滑用凹部３０に、回転軸２０の回転方向αに向けて潤滑油を誘導する機能と、回転軸２０の回転方向αに潤滑油を押動する機能とを併有させており、具体的には、次のとおりである。

図１に示す各潤滑用凹部３０…は、これらの開口３０ａが長方形の輪郭にして形成されている。換言すると、直方体形に凹陥形成されている。
上記潤滑用凹部３０の開口３０ａは、これの長手方向と直交する方向の幅寸法Ｗが５０〜１５０μｍ、上記長手方向の長さ寸法Ｌが、上記幅寸法Ｗの２倍以上１０倍以下となるように設定している。
換言すると、潤滑用凹部３０の短辺３０ｂの幅寸法Ｗが５０〜１５０μｍ、長辺３０ｃの長さ寸法Ｌが、上記幅寸法Ｗの２倍以上１０倍以下となるように設定している。

上記した形態にした潤滑用凹部３０は、図３に示すように、摺接領域ａの外縁域ａ２，ａ２に配列されているものを、内域ａ１に配列されているものよりも深く形成している。
このように深さを異ならせることにより、回転軸２０と軸受１０との隙間から潤滑油が排出される外縁域ａ２，ａ２においても、これらの領域に配列された潤滑用凹部３０における潤滑油保持機能の効果が顕著に現れ、低摩擦性及び優れた耐焼付き性を得ることができるのである。

上記した潤滑用凹部３０…は、これらのうちの少なくとも一部のものを、潤滑油が回転方向に流動するように配列している。
すなわち、本実施形態においては、外縁域ａ２，ａ２に形成されている複数の潤滑用凹部３０…を、潤滑油が回転方向に流動するように、外縁域ａ２，ａ２に配列されている潤滑用凹部３０…を、潤滑湯を回転方向αに流動させる所要の角度θ１で当該回転方向αと交差するように配列し、かつ、それら潤滑用凹部３０…の長手方向を配列方向に向けて揃列している。

敷衍すると、摺接領域ａを二分する中心軸線Ｏ１を中心とする線対称形状に配列されている。
具体的には、図１（Ｂ）に示すように、複数の潤滑用凹部３０…が中心軸線Ｏ１と、所要の角度θ１で図示上下逆向きＶ字形に交差する複数の仮想線Ｏ２…上に、互いに一定の間隔で配列されている。
また、各上下逆向きＶ字形にした仮想線Ｏ２…どうしは、中心軸線Ｏ１に沿う方向（回転方向α）において、互いに一定の間隔になっている。

交差角度θ１は、０°を超え６０°以下に設定することが好ましく、さらに３０°以上６０°以下に設定することがより好ましい。この角度範囲内に交差角度θ１を設定することにより、潤滑用凹部３０は、潤滑油の流れを誘導する機能とともに、潤滑油を保持する機能を合わせ持つことができる。

上記潤滑用凹部３０が外周面２０ａに開口する総開口面積の割合は、摺接領域ａの総面積の０．３％以上１０％以下としている。
０．３％率未満の場合には、十分な焼き付き性向上効果が得られず、１０％を超える場合には負荷容量の低下が見られ、金属接触が発生するという問題が生じ得る。

上述のように配列した潤滑用凹部３０の作用は、次のとおりである。
１つの潤滑用凹部３０が、この潤滑用凹部３０の長手方向へ誘導した潤滑油の流線は、当該長手方向の延長線上に位置する他の潤滑用凹部３０によってさらに延長されて、同一方向に向かう潤滑油の流線を、摺動面の広範囲なエリアへ確保することが可能となる。
回転軸２０の軸心Ｏ３に垂直な平面に対して相互に鏡像となるように他の潤滑用凹部３０を配列し、さらに、平面に分割される各領域内に位置する潤滑用凹部３０の長手方向は、すべて平行となるように配置している。
これにより、潤滑用凹部３０によって誘導される潤滑油の流れは、平面に対して左右対称に流れることとなり、平面に分割される各領域へ供給される潤滑油の均衡が図れ、また、当該各領域内における潤滑用凹部３０によって誘導される潤滑油の流れは、平行となり互いに干渉することがない。

ところで、回転軸２０が、回転方向αに向けて回転するものとすると、摺接領域ａに生じる摩擦を低減させるためには、前述したように、潤滑油が回転軸２０の回転方向αに向かって安定して流れることが前提となる。

ここで、潤滑用凹部３０は、これの内部に流入する潤滑油の流れを、側壁３０ｄ（図３参照）が屈折させて、当該潤滑用凹部３０の長手方向に向けて誘導するものと考えられる。
そこで、潤滑油が回転軸２０の回転方向αに向かって流動するように、従来技術において開示されているように、潤滑用凹部３０の長手方向を回転軸２０の回転方向αと直交する方向に向けるのではなく、長手方向を直交する方向に対して傾けて、潤滑用凹部３０を配列しているのである。

次に、摺動装置Ａ１に発生する摩擦を低減するために、摺接領域において潤滑油が満遍なく潤っていることが好ましい。
この状況を実現するために、前述した潤滑用凹部３０によって誘導される潤滑油の流れを制御することが重要である。
本実施形態においては、潤滑用凹部３０…によって誘導される潤滑油の流れを、互いに干渉しあうことなく、広範囲に行き届き、摺動面の各部位へ均等に、摺動面の全体へ拡散するように制御することができる。
これにより、潤滑用凹部３０…によって誘導される潤滑油の流れが互いに干渉しあって消滅したり、潤滑油の流れが特定の方向のみに誘導されて、摺動面の特定の部位にのみ潤滑油が滞留したり、摺動面における潤滑油の潤いの不均衡の発生を防止できるものと考えられる。

次に、図４（Ａ）〜（Ｃ）を参照して、第二〜第四の実施形態に係る回転軸について説明する。なお、上述した実施形態において説明したものと同等のものについては、それらと同一の符号を付して詳細な説明を省略する。

同図（Ａ）に示す摺動装置Ａ２は、軸受１０と、第二の実施形態に係る回転軸４０とを有して構成されている。
第二の実施形態に係る回転軸４０は、複数の潤滑用凹部３０…を、中心軸線Ｏ１を挟む両側に線対称形状に配列したものである。
具体的には、中心軸線Ｏ１とともに摺接領域ａを四分する軸線Ｏ５，Ｏ５を挟む両側に線対称形状にそれぞれ配列したものである。
すなわち、複数の潤滑用凹部３０…が軸線Ｏ５（中心軸線Ｏ１）と、所要の角度θ２で図示上下逆向きＶ字形に交差する複数の仮想線Ｏ４，Ｏ４上に、互いに一定の間隔で配列されている。
また、各上下逆向きＶ字形にした仮想線Ｏ４，Ｏ４どうしは、中心軸線Ｏ１（軸線Ｏ５）に沿う方向において、互いに一定の間隔になっている。

同図（Ｂ）に示す摺動装置Ａ３は、軸受１０と、第三の実施形態に係る回転軸５０とを有して構成されている。
第三の実施形態に係る回転軸５０は、中心軸線Ｏ１上、及び中心軸線Ｏ１を挟む両側領域であって、所要の角度θ３で図示上下逆向きＶ字形に交差する複数の仮想線Ｏ６，Ｏ６上に、中心軸線Ｏに沿う方向において互いに一定の間隔にして、複数の潤滑用凹部３０…を揃列したものである。

同図（Ｃ）に示す摺動装置Ａ４は、軸受１０と、第四の実施形態に係る回転軸６０とを有して構成されている。
第四の実施形態に係る回転軸６０は、中心軸線Ｏ１を中心とする内域ａ１に、その中心軸線Ｏ１と平行な仮想線Ｏ７上に複数の潤滑用凹部３０…を揃列し、かつ、外縁域ａ２，ａ２に、所要の角度θ４で図示上下逆向きＶ字形に交差する複数の仮想線Ｏ８，Ｏ８上に、複数の潤滑用凹部３０…を互いに一定の間隔にして揃列したものである。

上記各実施形態によれば、上述した図１において説明した回転軸２０と同等の効果が得られるとともに、長手方向が同一延長線上にある潤滑用凹部３０の列の両端の離隔を、よりコンパクトに縮めることが可能となり、当該潤滑用凹部３０列における各潤滑用凹部３０間の潤滑油の流れの連係をより強固なものとすることができる。

また、各潤滑用凹部３０列に誘導される潤滑油の流れを、中心軸線Ｏ１を中心とする均等な方向へ向かう流れとして、各凹部群ごとに集約することができ、高速回転時に発生し得る潤滑油の流れの乱れに対して、潤滑用凹部３０によって誘導される潤滑油の流れが乱されることを低減することが可能となる。

次に、図５，６を参照して、軸加工装置について説明する。図５（Ａ）は、軸加工装置の要部を示す部分正面図、（Ｂ）は、軸加工装置の一部をなすフォーミングローラ駆動部の側面図、図６（Ａ）は、フォームローラの拡大正面図、（Ｂ）は、その側面図である。

一例に係る軸加工装置Ｂは、フォーミングローラ駆動部１００、チャッキング部１１０、荷重付与部１２０、及び移動部１３０を有して構成されいる。
チャッキング部１１０は、加工前の回転軸の両端を保持して軸回りに回転させるものであり、主軸台１１１と、この主軸台１１１に対して進退可能な心押し台１１２とを有している。

主軸台１１１は、図示しないモータを内蔵するととともに、開閉動作する爪１１３を設けたものであり、加工前の回転軸２０´の一端部を把持するようになっている。
他方、心押し台１１２は、主軸台１１１と同軸上に配置した尖頭状のセンタシャフト１１４を備えており、このセンタシャフト１１４を加工前の回転軸２０´の他端部に係合させるようになっている。これにより、加工前の回転軸２０´は軸回りに回転可能に保持される。

フォーミングローラ駆動部１００は、加工前の回転軸２０´の外周面に上述した潤滑用凹部３０…を形成するためのものであり、本体部１０２と、フォームローラ１０１を下端に配設したフォーミング工具１０３とを有して構成されている。

フォームローラ１０１は、上述した潤滑用凹部３０…を加工前の回転軸２０´の外周面に形成するための微細な凹凸（凹部１０１ａ，凸部１０１ｂ）を外周面に連成したものである。

フォーミング工具１０３は、下向きコ字形の支持部材１０４に、フォームローラ１０１を回転自在に軸支したものである。

本体部１０２は、側面視において縦長方形のハウジング１０５内に、上記フォーミング工具１０３を支持する支持軸１０６、この支持軸１０６を鉛直方向で移動自在に支持するスライダ１０７、荷重付与部１２０、及び荷重検知装置１１９を配設したものである。

荷重付与部１２０は、支持軸１０６を介してフォームローラ１０１に所要の荷重を加えるためのものであり、上記回転軸２０´の外周面に当接したフォームローラ１０１に対して所要の荷重を付与するものである。
本実施形態においてはコイルばねを採用しているが、例えば空圧や油圧を用いたシリンダ類を用いてもよい。

荷重検知装置１１９は、荷重付与部１２０によりフォームローラ１０１に対して付与された荷重を検知する機能を有するものであり、図示しないロードセルが内蔵されている。
また、この荷重検知装置１１９で検知した荷重に基づき、荷重付与部１２０によりフォームローラ１０１に与える荷重を増減制御する制御部（図示しない）が接続されている。
制御部は、荷重検知装置１１９で検知した荷重に基づき、荷重付与部１２０に制御情報を送出して所定の荷重を回転軸２０´に付与することにより、潤滑用凹部３０…の深さを上述したようにコントロールしている。
本実施形態においては、回転軸２０の外縁域ａ２の表面硬度を内域ａ１の表面硬度よりも低くしており、荷重付与部１２０は、内域ａ１と外縁域ａ２に等しい荷重を付与している。

移動部１３０は、フォーミングローラ駆動部１００又はチャッキング部１１０若しくはそれら双方を、加工前の回転軸２０´に対してフォームローラ１０１を近接離間する方向及び加工前の回転軸２０´の軸線方向に移動するためのものである。

この移動部１３０は、加工前の回転軸２０´の外周面にフォームローラ１０１を所定荷重で当接させ、その加工前の回転軸２０´を回転させてフォームローラ１０１を連れ回りさせるようにしている。
また、フォームローラ１０１と加工前の回転軸２０´とを、この加工前の回転軸２０´の軸線方向に相対的に移動させることにより、当該加工前の回転軸２０´の摺接領域ａのうち、外縁域ａ２，ａ２に配列されている潤滑用凹部３０…を内域ａ１に配列されているものよりも深く加工するようにしている。

以上の構成からなる軸加工装置Ｂによる加工方法は、次のとおりである。
加工前の回転軸２０´の外周面にフォームローラ１０１を所定の荷重で当接させ、その加工前の回転軸２０´を回転させてフォームローラ１０１を連れ回りさせる。
フォームローラ１０１を連れ回りさせながら、フォームローラ１０１と加工前の回転軸２０´とを、この加工前の回転軸２０´の軸線方向に相対的に移動させる。
これにより、当該加工前の回転軸２０´の上記軸受１０との摺接領域ａのうち、外縁域ａ２，ａ２に配列されている潤滑用凹部３０…を内域ａ１に配列されているものよりも深く加工する。

以上の加工方法によれば、クロロールフォーミング加工で一定の加重を付加することにより、外縁域ａ２，ａ２の潤滑用凹部３０…の深さを、内域ａ１の潤滑用凹部３０…よりも深く形成することができる。
また、表面硬度にほぼ分布がない従来の回転に比べて押し付け荷重を低く設定できるので、フォームローラ１０１に生じる応力を低くできることになり、そのフォームローラ１０１の寿命を延ばすことが可能となる。
すなわち、回転軸の表面硬度に分布をもたせることで、マイクロロールフォーミングにおける工具寿命の向上を実現することが可能となる。

上述した構成からなる各回転軸はクランクシャフト、カムシャフト、エンジンの少なくとも一部にそれぞれ採用することができる。
この場合、外縁域ａ２，ａ２における硬度が低いためにカウンターウェイトとクランクピン，クランクジャーナルの角部にフィレットロール加工が有効に作用し、角部により大きな圧縮残留応力付与ができることが可能である。

回転軸の回転方向と直交する方向に対して傾斜する好ましい角度の特定及び潤滑用凹部３０の深さが、摩擦の低減及び耐焼付き性に効果を発揮することの確認を目的として、実際に摺動装置を製作し、摩擦試験を行った。

具体的には、長手方向の軸の方向と直交する方向に対して傾斜する角度、様々な形態を有する潤滑用凹部３０を外周面に配列形成した回転軸２０と、円筒状の軸受メタル（軸受１０）とから構成される摺動装置の試験体を製作し、回転軸２０を軸受１０の円筒内で回転させて、摺動面に発生する摩擦係数を算出する摩擦試験を行った。

図７は、試験に用いた摺動装置を示すものであり、（Ａ）は軸受の縦断面図、（Ｂ）は、その側面図、（Ｃ）は、回転軸の縦断面図、（Ｄ）は、その側面図である。
軸受１０は、外径φ６０の鋼製円筒１１に、内径φ４５ｍｍのアルミメタル１２を圧入したものである。一方、円柱軸２０は円筒状を呈し、外径がφ４３の炭素鋼（Ｓ５５Ｃ）の高周波焼き入れ焼き戻し材である。

円柱軸２０及び軸受１０の幅厚ｔ１，ｔ２は、双方ともに２０ｍｍである。
マイクロロールフォーミング加工にあたって、所望の潤滑用凹部３０…を形成するために上記したフォームローラを製作し、このフォームローラを円筒表面に押し付け塑性加工することにより潤滑用凹部３０…を形成した。
潤滑用凹部３０…を形成後、潤滑用凹部３０…の各エッジ部にできた盛り上がりを粒径９μｍのテープラップフィルムにより除去し、試験に供した。
潤滑用凹部３０…の形態と、後述する試験結果を示す。
実施例における円柱軸の高周波焼き入れは、上記した図２に示す分布となるようにコイル幅を変え、表面硬度約ＨＲＣ６０となる領域を１４ｍｍ程度とした。

この結果、マイクロロールフォーミング加工により実施例での外縁域（軸受け幅端部）における軸受け幅端部の深さは１０μmとなり、内域（その他の部分）における潤滑用凹部３０…の深さは３μmとなった。また、比較例は３μmの深さの潤滑用凹部３０…であった。

まず、各試験体において、潤滑用凹部３０…の開口部は長方形（矩形状）を呈し、開口部の短辺は５０〜１５０μｍであり、長辺は、短辺の２倍以上１０倍以下であり、前述した好ましい範囲内に形成されている。
また、潤滑用凹部３０…が回転軸の外周面に開口する面積の合計は、回転軸の表面積の０．３％以上１０％以下に形成され、上述した好ましい範囲内に形成されている。

さらに、潤滑用凹部３０…の長手方向が、回転軸の回転方向と直交する方向に対して傾斜する角度（表中の長手方向傾斜角）は、各試験体において、０°以上の様々な角度に設けられている。

なお、各試験体の回転軸の外周面に設けられる潤滑用凹部３０…の配列は、図１（Ｂ）に示す形態に統一した。
これは、回転軸の外周面に配列された潤滑用凹部３０…のパターンは、本実施形態の他に無数に存在するものであり、他と比較して、本実施形態における潤滑用凹部３０…の配列が摩擦に効果を発揮する配列の形態であると特定して立証することが不可能であること、また、各試験体は、比較のため、長手方向の回転方向の回転方向と直交する方向に対して傾斜する角度のものを製作する必要があったことによる。

本発明における潤滑用凹部３０…の配置が摩擦の低減に効果を発揮することは、前述したように、潤滑用凹部３０…の配列により生じる作用が、当然にもたらす効果であると主張するものである。

次に、試験に用いた装置について説明する。図８は、試験に用いた内接円筒試験機の概略図である。
車のエンジンのクランクシャフト等に用いられる回転軸とすべり軸受から構成される摺動装置において、通常、すべり軸受は固定され、軸のみが回転する。
本実施例においては、クランクシャフト等に用いられる軸の回転速度を再現するために、回転軸２０を軸受メタル（軸受）１０の円筒内に回転させるとともに、軸受１０も回転軸２０の回転方向αと反対の方向βへ回転させて、両者の回転速度の絶対値を合算した相対回転速度が、前記クランクシャフトにおける軸の回転数と同程度となるようにした。
よって、回転軸２０及び軸受メタル１０それぞれ図示しないＡＣサーボモータを取り付け、独立に回転制御できるようにしている。
そして、５Ｗ３０の潤滑油を入れた図示しない油浴内に、上記の回転軸２０及び軸受メタル１０を浸すことにより、それら円柱軸２０と軸受メタル１０との間に油膜を形成した。また、相対回転運動中に発生する摩擦トルクを、回転軸２０に取り付けた図示しないトルクセンサにより計測して、摩擦係数の算出を可能としている。

本試験における、回転軸２０と軸受メタル１０との相対回転速度の測定可能範囲は、０〜１２ｍ／ｓであり、回転軸２０及び軸受メタル１０の平均転がり速度は、０〜２ｍ／ｓである。
実験は、ラジアル荷重２０ｋｇの荷重条件下で行い、使用した潤滑油は５Ｅ３０ＳＪであり、油温度は８０℃である。

試験は、表１に示すような回転条件において行った。
表１に示す回転軸２０及び軸受メタル１０の回転速度ｕ１，ｕ２は、回転軸２０の回転方向を正として示している。
回転軸２０と軸受メタル１０との相対回転速度（ｕ１−ｕ２）は、表中に示す回転軸２０及び軸受メタル１０の回転速度の絶対値を合算し、条件Ａでは６ｍ／ｓである。
各試験体の摺動面に発生する摩擦の評価は、試験機により求められる摩擦係数により行うが、比較の基準となる試験体を、比較例１と定めた。
比較例１における潤滑用凹部は、これらの深さが均一であり、長手方向と傾斜する角度が０°であるため、両者において好ましい形態に設けられていない。
この比較例１に対して、潤滑用凹部３０…において、潤滑用凹部３０…の深さと長手方向が傾斜する角度とのいずれかが、本実施形態における好ましい形態に設けられている実施例１〜３の摩擦係数を比較する。
なお、表には、各試験体の摩擦係数を、比較例１の摩擦係数で除した比率（摩擦係数比）に変えて示している。

試験の結果、実施例１は、深さが均一である比較例１に対して、摩擦係数の比率が、下回っていることから、外縁域（軸受け幅端部）における潤滑用凹部３０…の深さが深いことによる効果であることが確認される。

長手方向が傾斜する角度が７０°である比較例２に対しても下回っていることから、潤滑用凹部３０…の長手方向が、回転軸２０の回転方向と直交する方向に対して傾斜する角度は、０°より大きく６０°以下となることが好ましく、さらに３０°以上６０°以下とすることがより好ましいことが確認される。

さらに、実施例３は、長手方向が傾斜する角度及び外縁域における潤滑用凹部の深さとも、前述した好ましい形態に製作されているが、他の実施例よりも摩擦係数は下回るものであり、摩擦の低減に対して最も効果を発揮した試験体であるといえる。
また、摩擦係数比の高かった比較例では、外縁域での回転軸と軸受メタルとの接触の痕が付いており，ほとんど接触痕の観察されなかった比較例のほうが耐焼付き性に優れる。

なお、本発明は上述した各実施形態に限るものではなく、次のような変形実施が可能である。
上述した実施形態に示す潤滑用凹部３０…は、回転軸に配列形成したものを例示したが、軸受２０の円筒内面に配列形成してもよい。
すなわち、円筒形の滑り軸受に回転軸を潤滑液を介して回転自在に支持した摺動装置において、滑り軸受の内周面に、複数の潤滑用凹部を配列形成しているとともに、上記内周面の摺接領域を、内域とこれの両側の外縁域とに区分するとともに、外縁域に配列されている潤滑用凹部を、内域に配列されているものよりも深く形成した構成にしてもよい。

上述した実施形態においては、回転軸２０の外縁域ａ２の表面硬度を内域ａ１の表面硬度よりも低くしておき、荷重付与部１２０は、内域ａ１と外縁域ａ２に等しい荷重を付与した例について説明したが、次のようにしてよい。
・回転軸２０の外縁域ａ２の表面硬度と内域ａ１の表面硬度を同じ値に設定しておき、荷重付与部は、内域における荷重よりも、外縁域における荷重を増加させて付与する。
回転軸２０の外縁域ａ２の表面硬度と内域ａ１の表面硬度を同じ値に設定しておき、荷重付与部は、外縁域において、内域側から外縁に向けて荷重が次第に増加するように付与する。

上述した実施形態においては、潤滑用凹部の開口を長方形にした例について説明したが、開口を円形、楕円形、三角形若しくは５角形以上の凹凸多角形にしてもよい。

軸受としては、クランクシャフト等に用いることを考慮して、２つの半円筒状に分解可能に構成したものであってもよい。

（Ａ）は、本発明の第一の実施形態に係る回転軸を適用した摺動装置の概略分解斜視図、（Ｂ）は、その摺動装置の断面図、（Ｃ）は、（Ｂ）に包囲線Ｉで示す部分の拡大図である。 同上の回転軸の表面硬度の分布図であり、縦軸が硬度も横軸が摺接領域を示している。 仮想線上に揃列した潤滑用凹部の拡大断面図である。 （Ａ）〜（Ｃ）は、第二〜第四の実施形態に係る回転軸について断面図である。 （Ａ）は、軸加工装置の要部を示す部分正面図、（Ｂ）は、軸加工装置の一部をなすフォーミングローラ駆動部の側面図、側面図である。 （Ａ）は、フォームローラの拡大正面図、（Ｂ）は、その側面図である。 試験に用いた摺動装置を示すものであり、（Ａ）は軸受の縦断面図、（Ｂ）は、その側面図、（Ｃ）は、回転軸の縦断面図、（Ｄ）は、その側面図である。 試験に用いた内接円筒試験機の概略図である。

符号の説明

１０ 滑り軸受
２０ 回転軸
２０ａ 外周面
３０ 潤滑用凹部
３０ａ 潤滑用凹部の開口
１０１ フォームローラ
１００ フォーミングローラ駆動部
１１０ チャッキング部
１１０ａ，１１０ｂ 凹凸
１２０ 荷重付与部
１３０ 移動部
Ａ１〜Ａ４ 摺動装置
Ｂ 回転軸の加工装置
ａ 摺接領域
ａ１ 内域
ａ２ 外縁域
Ｏ１ 中心軸線

Claims (15)

1. 潤滑液を介して滑り軸受に回転自在に支持されるとともに、その滑り軸受と摺接する外周面に複数の潤滑用凹部を配列形成した回転軸において、
   上記外周面の摺接領域を、潤滑油が流出しない内域と、この内域の両側であって外部に潤滑油が流出する外縁域とに区分するとともに、その両外縁域に配列されている各潤滑用凹部の開口を長方形にし、かつ、それらの潤滑用凹部を内域に配列した潤滑用凹部よりも深く形成しているとともに、
   両外縁域に配列されている潤滑用凹部を、潤滑液を回転方向に流動させる所要の角度で回転方向と交差するように配列し、かつ、それら潤滑用凹部の長手方向を配列方向に向けて揃列させていることを特徴とする回転軸。
2. 潤滑液を介して滑り軸受に回転自在に支持されるとともに、その滑り軸受と摺接する外周面に複数の潤滑用凹部を配列形成した回転軸において、
   上記外周面の摺接領域を、潤滑油が流出しない内域と、これの両側の外部に潤滑油が流出する外縁域とに区分するとともに、
   両外縁域に配列されている各潤滑用凹部の開口を長方形にし、かつ、それらの潤滑用凹部を内域に配列した潤滑用凹部よりも深く形成しているとともに、
   上記両外縁域の表面硬度を、内域の表面硬度よりも低くしていることを特徴とする回転軸。
3. 上記潤滑用凹部の開口は、これの長手方向と直交する方向の幅寸法が、５０〜１５０μｍ、前記長手方向の長さ寸法が、幅寸法の２倍以上１０倍以下である請求項１又は２に記載の回転軸。
4. 両外縁域に配列されている複数の潤滑用凹部の交差角度を、０°を超えかつ６０°以下とした請求項１又は３に記載の回転軸。
5. 両外縁域に配列されている潤滑用凹部を、摺接領域を二分する中心軸線を中心とした線対象となるように配列している請求項１〜４のいずれか１項に記載の回転軸。
6. 上記潤滑用凹部が外周面に開口する総開口面積の割合は、摺接領域の総面積の０．３％
   以上１０％以下とした請求項１〜５のいずれか１項に記載の回転軸。
7. 両外縁域において内域側から外縁に向けて表面硬度を次第に低下させている請求項２〜６のいずれか１項に記載の回転軸。
8. 請求項１〜７のいずれか１項に記載した回転軸を、潤滑液を介して滑り軸受に回転自在に支持している摺動装置。
9. 請求項１〜７のいずれか１項に記載した回転軸を保持して軸回りに回転させるチャッキング部と、
   外周縁部に潤滑用凹部を形成するための凹凸を形成したフォームローラを回転駆動するフォーミングローラ駆動部と、
   上記回転軸の外周面に当接したフォームローラに対して荷重を付与する荷重付与部と、
   フォーミングローラ駆動部又はチャッキング部若しくはそれら双方を、回転軸に対してフォームローラを近接離間する方向及び回転軸の軸線方向に移動するための移動部とを有し、
   移動部は、回転軸の外周面にフォームローラを所定荷重で当接させ、その回転軸を回転させてフォームローラを連れ回りさせるとともに、フォームローラと回転軸とを、この回転軸の軸線方向に相対的に移動させることにより、当該回転軸の上記滑り軸受との摺接領域のうち、内域の両側に区分した両外縁域に配列する潤滑用凹部を、その内域に配列した潤滑用凹部よりも深く加工することを特徴とする回転軸の加工装置。
10. 回転軸の両外縁域の表面硬度を内域の表面硬度よりも低くしており、
    荷重付与部は、内域と外縁域に等しい荷重を付与する請求項９に記載の回転軸の加工装置。
11. 荷重付与部は、両外縁域において、内域側から外縁に向けて荷重が次第に増加するように付与する請求項９に記載の回転軸の加工装置。
12. 請求項１〜７のいずれか１項に記載した回転軸の加工方法であって、
    回転軸の外周面にフォームローラを所定の荷重で当接させ、その回転軸を回転させてフォームローラを連れ回りさせるとともに、フォームローラと回転軸とを、この回転軸の軸線方向に相対的に移動させることにより、当該回転軸の上記滑り軸受との摺接領域のうち、内域の両側に区分した両外縁域に配列されている潤滑用凹部を、その内域に配列した潤滑用凹部よりも深く加工することを特徴とする回転軸の加工方法。
13. 請求項１〜７のいずれか１項に記載の回転軸を採用したことを特徴とするクランクシャフト。
14. 請求項１〜７のいずれか１項に記載の回転軸を採用したことを特徴とするカムシャフト。
15. 請求項１〜７のいずれか１項に記載の回転軸を少なくとも一部に採用したことを特徴とするエンジン。

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