JP5428907B2 - バランスシャフトのすべり支持構造 - Google Patents

Description

本発明は、バランスシャフトのすべり支持構造、特に、内燃機関などのバランサーに用いられ、バランスシャフト及び支持部材の摺動面間に作用する変動荷重を支持するようにしたバランスシャフトのすべり支持構造に関する。

一般に、かかるバランスシャフトのすべり支持構造では、相対的に回転可能なバランスシャフト及び支持部材の摺動面間に潤滑油を供給して潤滑油膜を形成するようにしている。そして、この潤滑油膜内に生ずる油膜圧力により荷重を支持することで、摩擦損失を低減し、磨耗や焼付きを防止すると共に、緩衝作用により騒音の抑制効果をもたらすようにしている。これらの効果は、摺動面間の潤滑油膜の厚さが厚いほど、また潤滑油量が多いほど大きくなることが知られている。

従来からこのような摺動面間の潤滑油量を多くするために、軸受の内周面に周方向に多数の細溝ないしは条痕を並列に形成した技術が提案されている。そして、特許文献１には、軸及び軸受の間に保持される潤滑油のせん断抵抗に伴うエネルギ損失を低減するために、軸及び軸受の少なくとも一方の回転摺動面に周方向の溝が形成され、該溝の内面に撥油膜が形成された、軸及び軸受の間の回転摺動構造が開示されている。

また、特許文献２には、潤滑油膜に十分な軸受支持圧力を発生させる軸受構造として、立軸斜流ポンプ等の流体機械において、流体潤滑層を介して向かい合う下側軸受部材及び上側軸受部材の摺動面の少なくとも一方に撥油性でスリップ流れを生じさせる摺動面の第１領域と、親油性でスリップ流が０もしくは第１領域より小さい摺動面の第２領域とを形成し、第１領域と第２領域を摺動方向に沿って交互に配置するか、又は、第１領域を第２領域の中に点在させた軸受構造が開示されている。

なお、特許文献３，４には、すべり軸受ではないが、転がり軸受の内輪及び外輪の軌道面及び転動体の転動面の少なくとも一つの転がり面に溝が形成され、その上に撥油膜が形成された転がり軸受が開示されている。

特開２００６−３２９２５２号公報 特開２００７−２１１９５６号公報 特開２００７−１９２３３０号公報 特開２００８−２２３９４２号公報

ところで、例えば、自動車用の内燃機関などのバランサーに用いられているすべり支持構造では、バランスシャフトと支持部材とに相互に作用する荷重の大きさや方向が、エンジン速度やバランスシャフトの１回転において変わり、その変動荷重のうち最大のものが作用する方向（以下、これを荷重集中方向と称し、これに対応する、バランスシャフトと支持部材の摺動面を荷重集中部位と云う）に対応して形成される隙間に所定の油膜圧力が発生しないと、該部位において、いわゆる油膜切れなどが生じ、流体潤滑域からバランスシャフトが支持部材に部分的に直接に接触する混合潤滑域や境界潤滑域に移行し、両者間の摩擦損失の増大、延いては、磨耗や発熱、焼き付などを招くおそれがある。したがって、通常は、このような事態を避けるべく、十分な量の潤滑油を供給するとか、バランスシャフトと支持部材との互いの面圧が小さくなるように、バランスシャフト及び支持部材の径を大きくしたり、支持部材の幅を広くすることなどの対策が採られている。

しかしながら、このような対策を採ることはすべり支持構造の大型化やコスト上昇を招くことから、すべり支持構造そのものにより十分な油膜圧力を発生させて、摩擦損失を低減することのできるすべり支持構造が求められている。

なお、上述の特許文献１に開示された軸及び軸受の間の回転摺動構造は、軸及び軸受の間に保持される潤滑油のせん断抵抗に伴うエネルギ損失を低減するための技術であり、荷重集中部位が存する場合については触れられていない。また特許文献２に開示された軸受構造は、上側軸受部材及び下側軸受部材の摺動面に荷重が上方向から下方向に均一に作用するスラスト軸受形式のものであり、摺動面に荷重が集中する部位が存する回転軸の軸受形式のものについては、言及されていない。

そこで、本発明の目的は、上記従来の実情に鑑みなされたもので、荷重集中部位が存する場合であっても、該部位において十分な油膜圧力を発生させて摩擦損失を低減することができるバランスシャフトのすべり支持構造を提供することにある。

上記の目的を達成するための本発明に係るバランスシャフトのすべり支持構造の一形態は、相対的に回転可能なバランスシャフト及び支持部材の摺動面間に潤滑油が供給されるバランスシャフトのすべり支持構造において、前記バランスシャフトと前記支持部材との荷重集中部位に対応する前記バランスシャフトの軸部の摺動面部位を挟み、潤滑油の流れ方向の少なくとも上流側及び下流側の摺動面領域に、他よりも撥油性の高い領域が設けられていることを特徴とする。

本発明に係るバランスシャフトのすべり支持構造の一形態よれば、バランスシャフトと支持部材との間で、アンバランスマスに作用する遠心力の影響の結果として荷重が集中することにより、両者間の隙間が狭くなったとき、バランスシャフト及び支持部材の摺動面の荷重集中部位に対応するバランスシャフトの軸部の摺動面部位を挟んで潤滑油の流れ方向の少なくとも上流側及び下流側の摺動面領域に設けられている他よりも撥油性の高い領域面により、潤滑油膜内の潤滑油の流れが制御されて、油膜圧力が増大されると共に、油膜内負圧の発生が防止される。かくて、潤滑油の粘性抵抗による摩擦損失を低減することができる。

ここで、上記バランスシャフトのすべり支持構造の一形態において、前記荷重集中部位に対応する摺動面部位には非撥油処理が施されて非撥油性面に形成されると共に、前記撥油性の高い領域には撥油処理が施されて撥油性面に形成されてもよい。

この形態によれば、非撥油性面と撥油性面との間に段差を有することなく摺動面が形成されるので、摩擦損失をさらに低減することができる。

なお、前記バランスシャフトの軸部における前記撥油性面に挟まれた摺動面部位は、前記アンバランスマスの重心の偏心方向に対応する半径方向位置にあることが好ましい。

本発明によれば、バランスシャフトと支持部材との間で荷重が集中することにより両者間の隙間が狭くなったときでも、他よりも撥油性の高い領域面により、潤滑油膜内の潤滑油の流れが制御されて、油膜圧力が増大されると共に、油膜内負圧の発生が防止される。かくて、潤滑油の粘性抵抗による摩擦損失を低減することができる。

本発明の実施形態における、バランスシャフトを示す正面図である。 図１に示すバランスシャフトと軸受部材との関係を示す一部断面側面図である。 図１に示す実施形態において、バランスシャフトの軸部への撥油面の形成態様を示す正面図である。 本発明の実施形態において、バランスシャフトの１回転における油膜圧力の発生の様子を説明するためのグラフであり、（Ａ）は従来との対比で本実施形態による油膜圧力、（Ｂ）は本実施形態による速度分布図である。

以下、添付の図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について詳細に説明する。

まず、本発明のエンジンバランサーのバランスシャフトにおける回転軸のすべり支持構造の一実施形態につき、図１及び図２を参照して説明する。

ここで、エンジンバランサー（不図示）とは、エンジンの二次の慣性力に起因する上下振動を抑制するためのものであり、例えば、クランクシャフトの回転に同期して駆動され、相互に反対方向に回転する一対のバランスシャフトを有している。そして、これらのバランスシャフトは、例えばシリンダブロックの下部のオイルパン内に位置するように固設されたハウジング内で軸受により回転自在に支持されている。

このバランスシャフト２０には、図１及び図２に示すように、その軸方向の中央部にほぼ半円柱状のアンバランスマス２２が軸中心から偏心されて設けられ、両端の軸部２４がそれぞれ不図示のハウジングに設けられたジャーナルベアリング２６に回転自在に支持されている。

そして、この実施形態では、バランスシャフト２０の軸部２４の摺動面に撥油性面が形成されている。具体的には、図３に示すように、バランスシャフト２０の中心２４_Oから半径方向の距離e離れた位置２２eにアンバランスマス２２の重心があるとしたときに、バランスシャフト２０の軸部２４の表面において、アンバランスマス２２の偏心方向に対応する半径方向位置２４cを中央に含む所定範囲の摺動面部位２４bから２４dまでは非撥油性又は低撥油性面とされている摺動面部位Ｘ（以下、非撥油性面の摺動面部位Ｘと称す）に形成されているのに対し、当該非撥油性面の摺動面部位Ｘを挟む両側の摺動面領域２４aから２４bまで、及び摺動面領域２４dから２４eまでが撥油性面の摺動面領域Ｙに形成されている。

ここで、バランスシャフト２０の軸部２４に非撥油性面の摺動面部位Ｘ及び撥油性面の摺動面領域Ｙを形成するに際しては、当該摺動面部位Ｘに対しては何等の処理を施さずに、摺動面領域Ｙのみに対して高撥油性の材料を塗布するか、又は当該摺動面部位Ｘ及び摺動面領域Ｙに対し、非撥油性（又は低撥油性）の材料及び高撥油性の材料を、それぞれ、塗布することによってもよい。

なお、高撥油性の材料としては、フルオロアルキルシランを用いることができ、例えば、エタノール、テトラエトキシシラン、フルオロアルキルシラン、及び塩酸水溶液の混合液を摺動面領域Ｙに塗布した後、大気炉において約２００℃で約３０分間焼成する。このようにすると、バランスシャフト２０の軸部２４の基材（鉄）にシラノール基（О−Ｓｉ−Ｏ；ガラス層ＳｉＯ２）が強固に形成され、シラノール基の末端すなわち最表面に撥油性の高いＲｆ基（フッ素）が形成され、高撥油性の摺動面が得られる。

また、非撥油性（又は低撥油性）の材料としては、上記の混合液からフルオロアルキルシランを除いた混合液を用いることができ、同様に塗布した後に焼成する。このようにすると、バランスシャフト２０の軸部２４の基材（鉄）にシラノール基（О−Ｓｉ−Ｏ；ガラス層ＳｉＯ２）のみが形成されて、非撥油性（又は低撥油性）の摺動面が得られる。

なお、非撥油性（又は低撥油性）の材料及び高撥油性の材料を、部位は異なるが、同時に塗布するに際しては、ローラ表面に、上記エタノール、テトラエトキシシラン、フルオロアルキルシラン、及び塩酸水溶液の混合液と、上記エタノール、テトラエトキシシラン、及び塩酸水溶液の混合液とを部位を異ならせて塗布して、バランスシャフト２０の軸部２４に転写し、そして焼成すればよい。このようにすると、非撥油性面（又は低撥油性面）と高撥油性面との間に段差を有することなく摺動面が形成される。具体的には、高撥油性膜の最表面側のＲｆ基は数ｎｍ程度の厚さであり、両者に共通するシラノール基（О−Ｓｉ−Ｏ）の厚さ６０〜２００ｎｍに比べて極めて薄く、マクロ的には両者の膜厚にはほとんど差がない、平滑な膜の摺動面が得られる。したがって、摩擦損失をさらに低減することができる。

次に、このエンジンバランサーの実施形態の作用を説明する。今、バランスシャフト２０が不図示の油通路を介して潤滑油の供給を受けながら図３に示す反時計回りに回転しているとする。このとき、バランスシャフト２０にはアンバランスマス２２の重心に加わる遠心力による偏心荷重が作用し、軸部２４とジャーナルベアリング２６とでは、アンバランスマス２２の重心位置２２eの偏心方向に対応する半径方向において最大の荷重が作用する。したがって、この偏心方向に対応する、軸部２４の表面の半径方向位置２４cを中央に含む、所定範囲の摺動面部位２４bから２４dまでが荷重集中部位となる。この荷重集中部位は、バランスシャフト２０の回転に伴い、ジャーナルベアリング２６との関係ではその中心に対する半径方向位置が変動するが、軸部２４との関係ではアンバランスマス２２の重心の偏心方向に対応する半径方向位置２４cであり一定である。

そこで、バランスシャフト２０がジャーナルベアリング２６に対して、図３に示すように、反時計回りに回転しているとしたとき、これを相対的に考察すると、ジャーナルベアリング２６がバランスシャフト２０に対して時計回りに相対回転しているとみなすことができる。したがって、供給された潤滑油は、ジャーナルベアリング２６の相対回転に伴い、軸部２４とジャーナルベアリング２６との間に形成された隙間内を同じく時計回りに流れるとみなすことができる。このとき、この隙間内で軸部２４の非撥油性面の摺動面部位Ｘの上流側の領域２４aから２４bまでの撥油性面の摺動面領域Ｙに接触している側と、ジャーナルベアリング２６に接触している側との潤滑油の速度は、撥油性面の摺動面領域Ｙでのすべりにより、図４（Ｂ）に示すように、ほぼ等しくなり、隙間での平均速度が大きく、延いては、流量も多くなる。

これに対し、荷重集中部位に対応する２４bから２４dまでの非撥油性面の摺動面部位Ｘでは、この摺動面部位Ｘに接触している側で潤滑油とのすべりが抑制されるので、潤滑油の速度が大きくなることなく、図４（Ｂ）に示すような速度分布となる。この結果、隙間内での平均速度が撥油性面の摺動面領域Ｙにおける平均速度より小さく、すなわち、流量が少なく維持される。したがって、隙間内での流量の釣り合いの結果として、図４（Ａ）に示すように、荷重集中部位に対応する隙間において、撥油性面を備えない従来の油膜圧力Ｐa(破線)に比べ大きな油膜圧力Ｐb（実線）を発生させることができる。この大きな油膜圧力Ｐbにより、軸部２４を遠心力に抗して半径方向内方に押し込んで、最小油膜厚さを厚くすることができ、軸部２４、延いては、バランスシャフト２０の偏心量を小さくできる。

一方、軸部２４の非撥油性面の摺動面部位Ｘに関し上述の相対回転方向の下流側の摺動面領域２４dから２４eまでにおいては、撥油性面の摺動面領域Ｙと潤滑油とのすべりが生ずることにより、潤滑油の軸部２４からの剥離が促進されるので、潤滑油膜内での負圧の発生が抑制される。この負圧発生抑制作用により、軸部２４の回転に対する粘性抵抗を低減することができ、摩擦損失を少なくすることができる。

なお、上述の説明においては、非撥油性面の摺動面部位Ｘに関し、潤滑油の流れ方向の上流側及び下流側の摺動面領域として、領域２４aから２４bまで、及び領域２４dから２４eまでのように、軸部２４の中心２４oから所定の角度幅を有する領域を撥油性の高い領域とする実施形態につき説明したが、この撥油性の高い領域は、アンバランスマス２２の重心の偏心方向と反対側の摺動面の領域にも、換言すると、非撥油性面の摺動面部位Ｘを除く軸部２４の全摺動面領域としてもよい。

２０ バランスシャフト
２２ アンバランスマス
２４ 軸部
２６ ジャーナルベアリング
Ｘ 非撥油性面の摺動面部位
Ｙ 撥油性面の摺動面領域

Claims (3)

1. 相対的に回転可能なバランスシャフト及び支持部材の摺動面間に潤滑油が供給されるバランスシャフトのすべり支持構造において、
   前記バランスシャフトと前記支持部材との荷重集中部位に対応する前記バランスシャフトの軸部の摺動面部位を挟み、潤滑油の流れ方向の少なくとも上流側及び下流側の摺動面領域に、他よりも撥油性の高い領域が設けられていることを特徴とするバランスシャフトのすべり支持構造。
2. 前記荷重集中部位に対応する摺動面部位には非撥油処理が施されて非撥油性面に形成されると共に、前記撥油性の高い領域には撥油処理が施されて撥油性面に形成されていることを特徴とする請求項１に記載のバランスシャフトのすべり支持構造。
3. 前記バランスシャフトの軸部における前記撥油性面に挟まれた摺動面部位は、前記アンバランスマスの重心の偏心方向に対応する半径方向位置にあることを特徴とする請求項１又は２に記載のバランスシャフトのすべり支持構造。

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