JP5466143B2 - 軸部材のすべり軸受構造 - Google Patents

Description

本発明は、軸部材のすべり軸受構造、特に、自動車用の内燃機関などに用いられる軸部材のすべり軸受構造に関する。

一般に、かかる軸部材のすべり軸受構造では、軸部材及び軸受部材の摺動面間のクリアランスに潤滑油を供給して潤滑油膜を形成し、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、摩擦損失の低減、摩耗や焼付き防止作用をもたらすようにしている。

従来からこのような摺動面間のクリアランスに潤滑油を保持するために、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などが提案されている。

また、特許文献１には、軸及び軸受メタルの間に潤滑油を充満させて、局所的な高い油膜圧力の発生をなくし、軸受メタルの割れや損傷を防止するために、半割円筒状軸受メタルの軸受幅方向の両端に、軸受内部から軸方向に流出する潤滑油の漏れを防止するシール装置を設けると共に、上下の軸受メタルの少なくとも一方に軸受内に潤滑油を導入する給油孔と軸受内の劣化した潤滑油を外部に排出する排油孔を設け、さらに排油孔に排油孔から排出される潤滑油量を調整する絞り装置を設けた舶用大型ディーゼル機関用のすべり軸受が開示されている。

特開平９−２０３４１２号公報

ところで、自動車用の内燃機関などでは、その暖機完了後は、すべり軸受構造でのそれほど大きな摺動抵抗（摩擦損失）は発生しないが、例えば、極低温（−３０℃程度）から室温（２０〜２５℃程度）での低温始動時には非常に大きな摺動抵抗を生じている。これは、潤滑油の粘度が温度に依存し、かかる低温時には粘度が急激に増大するからである。

そこで、このような低温時の摺動抵抗を下げるために、軸受部の早期の温度上昇を図りたいが、かかる低温時では供給される潤滑油自体の温度も低く温度上昇が遅れること、及びせん断抵抗により発生した熱により潤滑油温度が上昇するにしても、この潤滑油は軸受部から直ぐに流出してしまうことから、軸受部の温度上昇に時間がかかるという問題があった。

一方、暖機完了後の定常運転や高速運転での高温時（８０〜１２０℃程度）では、十分な潤滑油量がないと過度の温度上昇を招き、焼き付きなどの不具合を発生させることから、高温時に十分な冷却能力を発揮できるすべり軸受構造が求められている。

なお、上述の特許文献１に開示されたすべり軸受は、大きな負荷変動が発生する舶用大型ディーゼル機関のクランク軸を支持するためのすべり軸受で、軸及び軸受メタルの間に潤滑油を充満させて、局所的な高い油膜圧力の発生をなくして軸受メタルの割れや損傷を防止するために、軸受内部から軸方向に流出する潤滑油の漏れを防止するシール装置を設けるもので、軸受部の温度の早期上昇を意図するものではない。

そこで、本発明は、上記従来の実情に鑑みなされたもので、低温時の摺動抵抗の早期低減が可能で、高温時の潤滑油による冷却作用を阻害することのない軸部材のすべり軸受構造を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するための本発明に係る軸部材のすべり軸受構造の一形態は、相対的に回転可能な軸部材及び軸受部材の摺動面間に潤滑油が供給される軸部材のすべり軸受構造において、前記軸受部材の両側に前記摺動面間からの潤滑油の流出を制限するシール部材を備え、前記シール部材は、前記摺動面間の潤滑油の温度が低温状態から高温状態に上昇するのにともない前記摺動面間に保持される潤滑油量が減少するように変形する部材で形成されていることを特徴とする。

なお、本明細書において、「低温状態」とは、摺動面間の潤滑油の温度が上述の極低温（−３０℃程度）から室温（２０〜２５℃程度）にある状態、及び「高温状態」とは、同じく摺動面間の潤滑油の温度が上述の暖機完了後の定常運転や高速運転での高温（８０〜１２０℃程度）にある状態を意味する。

この一形態の軸部材のすべり軸受構造によれば、シール部材は、摺動面間の潤滑油の温度が低温状態から高温状態に上昇するのにともない摺動面間に保持される潤滑油量が減少するように変形する。したがって、低温時には、軸部材及び軸受部材の摺動面間に供給された潤滑油は、その軸受部の両端から漏れる量が制限されるので、軸受部に保持された潤滑油がせん断されて加熱され、潤滑油延いては軸受部の温度が早期に上昇する。よって、摺動抵抗の早期低減が可能となる。一方、高温時には、シール部材が摺動面間に保持される潤滑油量が減少するように変形するので、潤滑油が軸受部の両端から漏れる量が制限されずに流出が促進される。よって、潤滑油による冷却延いては焼き付き防止作用が奏される。このように、温度に対応して変形するシール部材を採用するという簡単な構成で、低温時の摺動抵抗の早期低減が可能で、高温時の潤滑油による冷却作用を阻害することのない軸部材のすべり軸受構造を得ることができる。

ここで、上記一形態において、前記シール部材は、前記摺動面間の潤滑油の温度が低温状態から高温状態に上昇するのにともないその硬度が低下する材料で形成されていてもよい。

この形態によれば、摺動面間の潤滑油の温度が低温状態にあるときはシール部材の硬度が高く変形しにくいので、軸部材及び軸受部材の摺動面間に供給された潤滑油の、軸受部の両端から漏れる量が制限される。一方、高温状態にあるときはシール部材の硬度が低く変形しやすいので、潤滑油が軸受部の両端から漏れる量が制限されずに流出が促進される。

また、上記一形態において、前記シール部材は、前記摺動面間の潤滑油の低温状態から高温状態への所定の温度域において、負の熱膨張率を有する材料で形成されていてもよい。

この形態によれば、シール部材が負の熱膨張率を有する材料で形成されているので、低温状態においてはシール部材が膨張変形し摺動面間からの潤滑油の流出が制限される。一方、高温状態においてはシール部材が収縮変形し摺動面間からの潤滑油の流出が制限されない。

本発明によれば、簡単な構成で、低温時の摺動抵抗の早期低減が可能で、高温時の潤滑油による冷却作用を阻害することがない軸部材のすべり軸受構造を得ることができる。

本発明に係る軸部材のすべり軸受構造の実施形態を示す横断面図である。 図１の軸部材のすべり軸受構造の第１の実施形態の下側半分を示す縦断面図であり、（Ａ）は低温時、（Ｂ）は低温から高温に至る途中、（Ｃ）は高温時である。 本発明に係る軸部材のすべり軸受構造の第１の実施形態に用いられるシール部材を示す斜視図である。 本発明に係る軸部材のすべり軸受構造の第２の実施形態に用いられるシール部材と軸部材のより正確な関係を示す（Ａ）斜視図、及び（Ｂ）部分断面図である。 本発明に係る軸部材のすべり軸受構造の第２の実施形態の下側半分を示す縦断面図であり、（Ａ）は低温時、（Ｂ）は高温時である。 本発明に係る軸部材のすべり軸受構造におけるシール部材の取付けの第３の実施形態を示す下側半分の縦断面図であり、（Ａ）は左右別体、（Ｂ）は左右一体のシール部材である。

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、本発明をエンジンのクランクシャフトのすべり軸受構造に適用した実施形態において、第１の実施形態につき、図１及び２を参照して説明する。図１及び２において、１０は回転する軸部材としてのクランクシャフトのメインジャーナル、１２はメインジャーナル１０を回転自在に支持するための軸受部材としてのジャーナルベアリングである。ジャーナルベアリング１２は、不図示のシリンダブロックに形成された上側ハウジング１４ａ及びこれに締結されるベアリングキャップに形成された下側ハウジング１４ｂからなるハウジング１４に収容され、挟まれて固定されている。

なお、本実施の形態では、ジャーナルベアリング１２は、上側ジャーナルベアリング１２ａ及び下側ジャーナルベアリング１２ｂとで構成されている。そして、上側ジャーナルベアリング１２ａ及び下側ジャーナルベアリング１２ｂは、それぞれ、上側裏金１２ａ１及び下側裏金１２ｂ１に上側ライニング１２ａ２及び下側ライニング１２ｂ２が、それぞれ、装着されて構成されている（なお、図２には、下側裏金１２ｂ１と下側ライニング１２ｂ２とで構成される下側ジャーナルベアリング１２ｂのみが示されている）。そして、メインジャーナル１０と、上側ジャーナルベアリング１２ａ及び下側ジャーナルベアリング１２ｂで構成されているジャーナルベアリング１２とは、それらの全周に亘り所定のクリアランスを有するように設定され、このクリアランスに対し油通路１５及び上側ジャーナルベアリング１２ａに形成され油孔を介して潤滑油が供給される。

そこで、本第１の実施形態においては、軸部材としてのメインジャーナル１０の外周部であって、ジャーナルベアリング１２の両端部に対応する位置に、それぞれ、環状溝１６が形成されている（なお、図２にはメインジャーナル１０の下半分及び下側ジャーナルベアリング１２ｂのみが示されている）。そして、これらの環状溝１６にシール部材１８が配置されている。

当該シール部材１８は、図３に示すように、幅ｗと厚さｔのほぼ矩形断面を有する環状とされ、軸受部への装着に便利なように合口１８ａが形成されている。そして、シール部材１８は、その内径部が環状溝１６内に装着されて、低温時において、その外径部の側面がジャーナルベアリング１２の両端部に当接するように位置されている。そして、このシール部材１８は、メインジャーナル１０とジャーナルベアリング１２との摺動面間の潤滑油の温度が低温状態から高温状態に上昇するのにともないその硬度が低下する材料で形成されている。なお、このような性質を有する材料としては、フッ素ゴムを挙げることができ、シール部材１８がフッ素ゴムで形成される。

この第１の実施形態の軸部材のすべり軸受構造によれば、シール部材１８は、メインジャーナル１０とジャーナルベアリング１２との摺動面間の潤滑油の温度が低温状態から高温状態に上昇するのにともない、摺動面間に保持される潤滑油量が減少するように変形する。すなわち、摺動面間の潤滑油の温度が低温状態にあるときは、シール部材１８の硬度が高く変形しにくいので、潤滑油の油圧がかかってもシール部材１８は図２（Ａ）に示すように、その外径部の側面がジャーナルベアリング１２の両端部にほぼ当接するように維持される。したがって、メインジャーナル１０とジャーナルベアリング１２との摺動面間に供給された潤滑油は、軸受部の両端から漏れる量が制限され、メインジャーナル１０とジャーナルベアリング１２との相対回転によって軸受部に保持された潤滑油がせん断されて加熱され、潤滑油延いては軸受部の温度が早期に上昇する。

一方、上記低温状態から高温状態に至るにつれ、シール部材の硬度は低くなり変形しやすくなるので、潤滑油が軸受部の両端から漏れる量が制限されなくなる。すなわち、摺動面間の潤滑油の温度が低温状態から高温状態に至る途中にあるときは、シール部材１８は図２（Ｂ）に示すように、潤滑油の油圧による変形量が中庸であるのに対し、高温状態では、図２（Ｃ）に示すように、潤滑油の油圧によるシール部材１８の変形量が大きくなる。したがって、シール部材１８の外径部の側面とジャーナルベアリング１２の両端部との間隙が大きくなり、潤滑油が軸受部の両端から漏れる量が制限されずに流出が促進される。よって、潤滑油による冷却延いては焼き付き防止作用が奏される。

次に、本発明に係る軸部材のすべり軸受構造の第２の実施形態を、図４及び図５を参照して説明する。この第２の実施形態が上述の実施形態と異なるのは、シール部材が、前記摺動面間の潤滑油の低温状態から高温状態への所定の温度域において、負の熱膨張率を有する材料で形成されている点のみであるから、同一機能部位については前実施形態で用いたのと同一の符号を用い重複説明を避ける。

この第２の実施形態においては、図４（Ａ），（Ｂ）に示すように、幅ｗと厚さｔのほぼ矩形断面を有するシール部材１８’がメインジャーナル１０の環状溝１６に装着される。このとき、環状溝１６の深さ及びシール部材１８の幅ｗと厚さｔを含む各寸法は、低温時には図５（Ａ）に示すように、熱膨張したシール部材１８’の外径部の側面がジャーナルベアリング１２の端部に重なって当接し、高温時には図５（Ｂ）に示すように、熱収縮したシール部材１８’の外径部がメインジャーナル１０の外径とほぼ等しくなるように設定されている。

なお、上述の負の熱膨張率を有する材料としては、例えば、タングステン酸ジルコニウム（ＺｒＷ₂Ｏ₈）を用いればよい。

このように構成された本実施の形態によれば、今、エンジンが冷機状態にある低温時では、シール部材１８’は膨張状態にあり、その外径部の側面が、図５（Ａ）に示すように、ジャーナルベアリング１２の端部に重なって当接した状態、換言すると、シール部材１８’のメインジャーナル１０外径からの突出厚さｔ´がメインジャーナル１０とジャーナルベアリング１２とのクリアランスよりも大きい状態にある。この状態では、メインジャーナル１０及びジャーナルベアリング１２の摺動面間のクリアランスに油通路１５を介して供給された潤滑油は、その流出が膨張状態にあるシール部材１８’によって妨げられて、ジャーナルベアリング１２による軸受部の両端からの潤滑油漏れ量が制限される。したがって、両側のシール部材１８’の間の軸受部に保持された潤滑油は、メインジャーナル１０の回転に伴いせん断されて熱を発生し、この結果、軸受部の温度が早期に上昇することになる。

一方、エンジンの暖機後の高温時には、シール部材１８’が熱収縮状態にあり、図５（Ｂ）に示すように、その外径部がメインジャーナル１０の外周面に形成された環状溝１６内に入り込み、メインジャーナル１０の外径と同一となるように変形する。換言すると、突出厚さｔ´がゼロまたは負となるように収縮変形する。この状態では、油通路１５を介して供給された潤滑油は、収縮状態にあるシール部材１８’によってはその流出が妨げられず、ジャーナルベアリング１２による軸受部の両端からの潤滑油漏れ量が制限されないので、潤滑油による軸受部の冷却作用が奏される。

次に、本発明に係る軸部材のすべり軸受構造の第３の実施形態を、図６を参照して説明する。この第３実施形態が上述の第１実施形態と異なるのは、シール部材の取り付け方が異なる点のみであるから、同一機能部位については前実施形態で用いたのと同一の符号を用い重複説明を避ける。

すなわち、この第３の実施形態では、シリンダブロックに形成された上側ハウジング１４ａ及びこれに締結されるベアリングキャップに形成された下側ハウジング１４ｂからなるハウジング１４に、シール部材取付用の環状溝２０が形成される。そして、この第３の実施形態においては、外周部に軸方向に延在する取付片部が形成されたシール部材１８”が用いられ、このシール部材１８”の取付片部１８”ａがハウジング１４の取付用環状溝２０に取付けられた後にジャーナルベアリング１２が装着されて、シール部材１８”が固定される。なお、このシール部材１８”は第１の実施形態と同様に、低温状態から高温状態に上昇するのにともないその硬度が低下する材料（フッ素ゴム）で形成されている。ここで、図６（Ａ）は左右別体のシール部材１８”、図６（Ｂ）は左右一体のシール部材１８”の場合を示し、それぞれに対応させて上述のシール部材取付用の環状溝２０が形成されている。

この第３の実施形態においては、図６（Ａ）、（Ｂ）のいずれの形態でも、軸受部材側にシール部材１８”が取付けられた後に軸部材に組み付けることができるので、組み付け性が向上する。そして、低温時にシール部材１８”の内径部が軸部材としてのメインジャーナル１０の外周部に接触するように配置されるので、シール部材１８”の内径部はメインジャーナル１０とのクリアランスがほとんどゼロに維持される。よって、潤滑油の粘度が高い低温時には、供給される潤滑油の油圧も高くなるが、シール部材１８”は高い硬度で変形が少なく、このようにシール部材１８”とメインジャーナル１０とのクリアランスが小さく維持されることにより、潤滑油の軸受部からの流出が制限され、軸受部の温度上昇を助けることができる。また、エンジンの停止時には、長い時間、軸受部からの潤滑油の流出を阻止することができるのである。また、高温時にはシール部材１８”は硬度が低く変形量が大きくなり流出が促進されること上述の通りである。

なお、上記説明では、本発明をクランクシャフトのメインジャーナルの軸受部に適用した実施形態につき説明したが、他の部位のすべり軸受構造、例えば、クランクシャフトのピン部、カムシャフトのメインジャーナル軸受部などにも本発明を適用することが可能であることは言うまでもない。

１０ メインジャーナル（軸部材）
１２ ジャーナルベアリング（軸受部材）
１２ａ 上側ジャーナルベアリング
１２ｂ 下側ジャーナルベアリング
１４ ハウジング
１４ａ 上側ハウジング
１４ｂ 下側ハウジング
１６ 環状溝
１８、１８’、１８” シール部材
２０ 環状溝

Claims (3)

1. 相対的に回転可能な軸部材及び軸受部材の摺動面間に潤滑油が供給される軸部材のすべり軸受構造において、
   前記軸受部材の両側に前記摺動面間からの潤滑油の流出を制限するシール部材を備え、
   前記シール部材は、前記摺動面間の潤滑油の温度が低温状態から高温状態に上昇するのにともない前記摺動面間に保持される潤滑油量が減少するように変形する部材で形成されていることを特徴とする軸部材のすべり軸受構造。
2. 前記シール部材は、前記摺動面間の潤滑油の温度が低温状態から高温状態に上昇するのにともないその硬度が低下する材料で形成されていることを特徴とする請求項１に記載の軸部材のすべり軸受構造。
3. 前記シール部材は、前記摺動面間の潤滑油の低温状態から高温状態への所定の温度域において、負の熱膨張率を有する材料で形成されていることを特徴とする請求項１に記載の軸部材のすべり軸受構造。

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