JP5933979B2 - ラジアルすべり軸受 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関のクランクシャフトなどの比較的大きなラジアル荷重が負荷される軸の支持に好適なラジアルすべり軸受に関する。

回転軸を軸支するラジアルすべり軸受は、円筒状の軸受面が形成された軸受台、あるいは軸受台とこれに形成された円筒孔に装着される円筒状の軸受板（ベアリングメタル）とにより構成される。軸受面を形成する軸受部材（軸受台または軸受板）には、一体型と半割り型とがあり、クランクシャフトのような異径軸の軸受には、一般的に半割り型が採用される。また、クランクシャフトのような大きなラジアル荷重を軸支する軸受には、潤滑油を用いる流体潤滑軸受が一般的に用いられる。

流体潤滑軸受は、回転軸の外周面と軸受面との間に軸受隙間（軸受面の半径と回転軸の半径との差）を設け、主にこの隙間に給油した潤滑油のくさび作用およびスクイズ作用により、油膜によって軸受面から浮上させた状態で回転軸を支持する。したがって、流体潤滑軸受では、潤滑油が軸受隙間から外部に漏れるようになっており、回転軸の運転（回転）中には潤滑油を常時供給する必要がある。

流体潤滑軸受の軸受隙間が大きいと、外部に漏れる潤滑油の量が増えることにより、内燃機関の出力でオイルポンプを駆動する自動車などでは、オイルポンプの負荷増大により燃費が悪化する。これを防止するため、軸受部材の内周面の軸方向両端部に、固体潤滑剤からなる凸部を周方向に沿って設けたラジアルすべり軸受が提案されている（特許文献１）。

特開２００１−１８２７５１号公報

しかしながら、特許文献１のすべり軸受では、潤滑油の漏れを制限することはできるが、油膜反力による支持荷重については何ら検討されていない。特に、潤滑油を供給するオイル供給溝などの給油凹部が軸受部材の内周面に形成される場合には、これがない場合に比べて油膜反力が低くなるため、軸受部材の幅を広くするなどの対策をとる必要がある。

本発明は、このような従来技術に含まれる課題を解消するべく案出されたものであり、油膜反力による支持荷重を効果的に向上できるラジアルすべり軸受を提供することを目的とする。

このような課題を解決するために、本発明の一側面によれば、回転軸（２）を軸支するラジアルすべり軸受（１）であって、軸受部材（１０）の内周面には、潤滑油を供給する給油凹部（２４，２５）が開口するとともに、軸方向両端部にて周方向に延在する第１凸部（１４）と前記給油凹部の開口縁に配置された第２凸部（１５，１１５，２１５）とが形成された構成とする。

この構成によれば、回転軸を支持する潤滑油が給油凹部に流出し難くなるため、軸受面における油膜圧力を高めて支持荷重を大きくすることができる。

また、本発明の一側面によれば、前記給油凹部が周方向に延在する給油溝（２５）であり、前記第２凸部（１５）が前記給油溝の軸方向両側に周方向に延在するように形成された構成とすることができる。

この構成によれば、給油溝が形成された如何なる部位においても、回転軸を支持する潤滑油が給油凹部に流出し難くなるため、軸受面における油膜反力を高めることができる。

また、本発明の一側面によれば、前記給油凹部が給油孔（２４）であり、前記第２凸部（１１５，２１５）が前記給油孔を囲繞するように形成された構成とすることができる。

この構成によれば、給油孔が形成された角度位置で油膜反力が回転軸を支持するときに、潤滑油が軸方向および周方向への移動により給油凹部に流出して軸受面全体における油膜反力が小さくなることを防止できる。

また、本発明の一側面によれば、前記第２凸部（２１５）が周方向に延在するように形成された構成とすることができる。これにより、回転軸の荷重が大きくなる位置に給油孔が設けられた場合にも、第２凸部の周方向端部に回転軸が片当りすることを抑制できる。

また、本発明の一側面によれば、前記第１凸部および前記第２凸部の厚さが１５μｍ以下である構成とすることができる。これにより、凸部が形成されていない軸受面部分における油膜圧力の低下を抑制して断面全体での油膜反力を効果的に増大させることができる。

また、本発明の一側面によれば、前記第１凸部および前記第２凸部が樹脂被膜層からなる構成とすることができ、これにより、凸部を容易に形成することができる。

また、本発明の一側面によれば、前記第１凸部および前記第２凸部が金属めっき層からなる構成とすることができ、これにより、耐摩耗性の高い凸部を形成することができる。

また、本発明の一側面によれば、前記軸受部材の内周面には機械加工による条痕（１３）が形成され、前記第１凸部および前記第２凸部が前記条痕上に形成された構成とすることができる。

この構成によれば、軸受面に対する凸部の付着力を高めることができる。また、凸部が磨耗しても、条痕の谷部には凸部の分子が残っており、条痕の平均厚さ分だけ油膜厚さを薄くできる、すなわち凸部が残っているのと同じ状態にできるため、磨耗し易い材料で凸部を形成した場合や回転軸の偏心量が大きい場合に効果を持続させることができる。

このように本発明によれば、油膜反力による支持荷重を効果的に向上できるラジアルすべり軸受を提供することができる。

第１実施形態に係る軸受を適用したエンジンの断面図 図１中のII−II線に沿うエンジンの縦断面図 図１中のロアベアリングの詳細図 図１中のアッパベアリングの詳細図 くさび作用の効果説明図 スクイズ作用の効果説明図 油膜圧力の分布図 図１に示すアッパベアリングによる油膜圧力の分布図 図１に示す凸部の状態変化を示す概念図 第２実施形態に係るアッパベアリングの詳細図 図３実施形態に係るアッパベアリングの詳細図

以下、図面を参照して、本発明に係るラジアルすべり軸受（以下、単に軸受と称する。）１を往復ピストンエンジンＥのクランクシャフト２のジャーナル軸受に適用した複数の実施形態について詳細に説明する。

≪第１実施形態≫
まず、図１〜図９を参照して本発明の第１実施形態を説明する。図１および図２に示すように、軸受１は、シリンダブロック３に一体形成されたベアリングホルダ４と、ロワブロック５に一体形成され、ボルト６によってベアリングホルダ４に締結されるベアリングキャップ７と、ベアリングホルダ４とベアリングキャップ７との接合部に水平方向に形成された貫通孔８に装着される半割りのベアリングメタル１０とより構成され、水平方向に延在させた状態でクランクシャフト２をベアリングメタル１０の内周面（以下、軸受面１０ａと称する。）により支持する。

シリンダブロック３には、クランクシャフト２と平行に延在するオイルギャラリ２１がクランクシャフト２の上方に形成されており、オイルギャラリ２１から分岐するオイル供給路２２がベアリングホルダ４に厚さ方向の中央を通って下方へ延びるように形成されている。オイル供給路２２の下流端は貫通孔８の内周面に開口しており、ベアリングホルダ４側の貫通孔８の半円筒面には、オイル供給路２２に整合する軸方向中央にて周方向に延在する溝状のオイル溜め２３が形成されている。

図４に併せて示すように、ベアリングホルダ４に装着される半円筒状のアッパベアリング１１には、オイル溜め２３に整合する軸方向中央にて外周面と内周面１１ａとに開口する２本の給油孔２４がそれぞれ周方向に異なる位置に形成されている。また、アッパベアリング１１の内周面１１ａには、給油孔２４が形成された軸方向の中央に、周方向に延在する給油溝２５が形成されている。

クランクシャフト２のジャーナル２ａには、軸心を通って径方向に貫通するジャーナル内油路２６が形成されており、ジャーナル内油路２６の中央部からはクランクピン２ｂに向かう給油路２７が形成されている。これにより、オイル供給路２２からオイル溜め２３、給油孔２４を通って給油溝２５に供給されたオイルが、ジャーナル内油路２６および給油路２７を通ってクランクピン２ｂを軸支するコンロッド９の軸受部に供給されるようになっている。

ロアベアリング１２およびアッパベアリング１１により円筒形に構成されるベアリングメタル１０の軸受面１０ａは、ジャーナル２ａの半径よりも軸受隙間ｃ分だけ大きな半径に設定される。なお、軸受隙間ｃは通常、軸受半径の１／１０００程度あるいはそれ以下（例えば、軸受半径が３０ｍｍの場合、３０μｍ以下）に設定される。また、図には明示されないが、アッパおよびロアの両ベアリング１１，１２の周方向両端には、組付け時の締め代に相当するクラッシュリリーフが設けられる。クラッシュリリーフは、潤滑油による異物の排出や、潤滑油の効率的な排出の機能も果たす。また、アッパおよびロアの両ベアリング１１，１２には、適度なオイルリリーフが設定される。オイルリリーフは、半速ふれ回り（half speed whirl）の防止や、くさび油膜の積極的形成、冷却油量の確保などの機能を果たす。

図３（Ａ）はベアリングキャップ７に装着されるロアベアリング１２の正面図であり、図３（Ｂ）はロアベアリング１２の下面図であり、図３（Ｃ）は、（Ｂ）中のＣ−Ｃ断面図である。ロアベアリング１２は、半円筒状に成形された一定幅の板材からなり、その内周面１２ａには機械加工による条痕１３（図９参照）が形成されている。条痕１３は、ボーリング加工により形成してもよく、ダイヤモンド加工、プレス加工などによるマイクログルーブ仕上げなどによって形成してもよい。ロアベアリング１２の内周面１２ａの軸方向両端縁には、片当りを防止するための面取り１２ｂが施されている。ロアベアリング１２の周方向の一端には、径方向外側へ突出する位置決め用の爪１２ｃが一体形成されている。ロアベアリング１２の内周面１２ａには、軸方向両端部にて周方向に延在する２本の第１凸部１４が形成されている。

図４（Ａ）はアッパベアリング１１の正面図であり、図４（Ｂ）はアッパベアリング１１の下面図であり、図４（Ｃ）は、（Ｂ）中のＢ−Ｂ断面図である。アッパベアリング１１もロアベアリング１２と同様に半円筒状に成形された一定幅の板材からなり、その内周面１１ａには機械加工による条痕１３が形成されている。また、アッパベアリング１１にも、内周面１１ａの軸方向両端縁に面取り１１ｂが施されており、周方向の一端に位置決め用の爪１１ｃが形成されている。

アッパベアリング１１の内周面１１ａに開口して延在する給油溝２５は、一定幅および一定深さに形成されて軸直角方向に延在するように半周にわたって形成されている。アッパベアリング１１の内周面１１ａには、軸方向両端部にて周方向に延在する２本の第１凸部１４と、給油溝２５の軸方向両側の開口縁に沿って周方向に延在する２本の第２凸部１５とが形成されている。各第１凸部１４および各第２凸部１５は、同一かつ一定の幅および厚さに形成され、互いに平行に軸直角方向に延在している。

第１凸部１４および第２凸部１５の幅は、１ｍｍ〜２ｍｍが好ましい。第１凸部１４および第２凸部１５の厚さは、１μｍ〜１５μｍが好ましく、２μｍ〜５μｍがより好ましい。ここでは、各第１凸部１４および各第２凸部１５は、幅が１ｍｍ、厚さが５μｍとされている。

第１凸部１４および第２凸部１５は、底摩擦抵抗および高耐熱性の単一樹脂からなる樹脂被膜層として形成することができる。あるいは、単一合成樹脂に固体潤滑剤を含む複合樹脂からなる樹脂被膜層として形成してもよい。樹脂被膜層は、例えば、アッパおよびロアの両ベアリング１１，１２を脱脂、洗浄、余熱して、スプレー塗装またはスクリーン印刷により内周面１１ａ，１２ａに樹脂被膜層となる塗料を塗布し、この塗料を高温反応硬化させることで形成される。

第１凸部１４および第２凸部１５の主材となる樹脂としては、ポリアミド樹脂（ＰＡ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、シリコーン樹脂、ポリアミドイミド樹脂（ＰＡＩ）、ポリイミド樹脂（ＰＩ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）などを用いることができる。また、これらの樹脂のなかから選択される２種以上の複合樹脂を用いてもよい。なお、「複合樹脂」とは、樹脂ブレンド、ポリマーアロイ、共重合体化等を含むものである。

一方、固体潤滑剤としては、二硫化モリブデン（ＭｏＳ_２）や二硫化タングステン（ＷＳ_２）などの遷移金属硫化物、グラファイト、六方晶ボロンナイトライド、合成マイカ、タルクのフィラーなどの無機固体潤滑剤や、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、四弗化エチレンパーフルオロアルキルビニルエーテル（ＰＦＡ）などのフッ素系樹脂からなるフィラーが挙げられる。これらは単独で用いてもよく、２種類以上を併用してもよい。

或いは、第１凸部１４および第２凸部１５を金属めっき層により形成してもよい。金属めっき層の主材としては、錫、銅、銀などの軟質金属およびこれらの合金を用いることができる。金属めっき層は、例えばめっき処理あるいは蒸着により形成することができる。

このように構成された軸受１によれば、クランクシャフト２を支持する潤滑油が軸方向に移動して給油溝２５に流出し難くなるため、軸受面１０ａにおける油膜反力すなわち支持荷重が大きくなる。

この効果について以下に具体的に説明する。まず、給油溝２５が形成されていないロアベアリング１２について説明すると、凸部１４，１５が形成されていない通常のラジアルすべり軸受３０１の断面では、クランクシャフト２の矢印方向への回転によるくさび作用によって図５（Ａ）に矢印で示すような分布の圧力が発生する。なお、図中には、中心２ｘを有するジャーナル２ａと中心３１０ｘを有する軸受面３１０ａとを、軸受隙間ｃ（半径差）を誇張して示している。ここで、矢印で示す油膜圧力の垂直成分を円周に沿って積分したものが支持荷重となる。このうち圧力が最も大きくなる角度位置Ｆでの軸受部材３１０の軸方向に沿う油膜圧力は図５（Ｂ）に示すような分布となる。

上記した凸部１４，１５の厚さの上限値は、くさび作用によって負荷容量が最大となるときの最小油膜厚さｈ_２以下とするのが好ましい。なお、上記凸部１４，１５の厚さの下限値は、後述する圧力流れの速度向上による圧力増大効果を得るために好ましい値であることを意味する。

一方、凸部１４，１５が形成されていない通常のラジアルすべり軸受３０１の断面では、スクイズ作用によって図６（Ａ）に示すような分布の油膜圧力が発生する。このうち圧力が最も大きくなる角度位置Ｆでの軸方向に沿う油膜圧力は図６（Ｂ）に示すような分布となる。スクイズ作用による油膜圧力は、油膜厚さが小さくなるほど大きくなり、平行面すきまの場合には油膜厚さの３乗に反比例する。そのため、油膜厚さや軸受隙間ｃにもよるが、ここではくさび作用による圧力とスクイズ作用による圧力とを足し合わせた油膜圧力が図７（Ａ）に示すような分布となるものとする。

ここで、図７（Ｂ）を参照して、特許文献１のように軸受部材４１０の内周面の軸方向両端部に凸部４１４を設けたラジアルすべり軸受４０１について検討すると、特許文献１の実施の形態に記載されているような、凸部４１４の厚さが２０〜５０μｍとされて組付け時に凸部４１４と回転軸とがかなり強く接触している状態では、回転軸を回転させても両凸部４１４間ではくさび作用もスクイズ作用も働かないため、油膜圧力は図７（Ｂ）に示すように０となる。

その後、内燃機関を強制的に初期運転させたとして、なじみ運転によって凸部４１４が徐々に削り取られて凸部４１４間でくさび作用とスクイズ作用とが有効的に働くようになると、凸部４１４では油膜厚さが凸部４１４間よりも薄いことにより、凸部４１４での圧力勾配が大きくなり、油膜圧力は図７（Ｃ）の実線で示すような分布となって断面全体での油膜圧力（支持荷重）が大きくなる。なお、図７（Ｂ）、（Ｃ）中の破線は（Ａ）の圧力分布を示している。

本実施形態では、上記したように第１凸部１４の厚さを、くさび作用による負荷容量が最大になるときの最小油膜厚さｈ_２以下に設定しているため、初期運転時から油膜圧力を図７（Ｃ）のように高めて支持荷重を最大限に引き上げることができる。

次に、内周面１１ａの軸方向中央に周方向に延在する給油溝２５が形成されたアッパベアリング１１について説明する。給油溝２５ではくさび作用およびスクイズ作用が働かないものとし、くさび作用およびスクイズ作用による圧力に比べて非常に小さな給油圧力を無視すると、凸部がないラジアルすべり軸受３０１による油膜圧力は図８（Ａ）に示すような分布となる。

一方、特許文献１のような凸部４１４が形成されたラジアルすべり軸受４０１においては、なじみ運転によってくさび作用とスクイズ作用とが有効的に働くようになったときでも、潤滑油が給油溝２５に流出しやすいため、油圧圧力は図８（Ｂ）に示すような分布となり、給油溝２５がない場合とくらべてその効果が大幅に低下してしまう。

本実施形態では、上記したように給油溝２５の両側に第２凸部１５が形成されたことにより、潤滑油が給油溝２５に流出し難い。そのため、油膜圧力は、図８（Ｃ）に示すようになり、第２凸部１５がない場合に比べて大幅に増大する。なお、第２凸部１５の厚さが、最大負荷容量となるときの最小油膜厚さｈ_２以下である５μｍとされたことにより、凸部１４，１５が形成されていない領域での油膜圧力の低下を抑制して、断面全体での油膜反力を増大できることは、第１凸部１４と同じである。

また、本実施形態では、第２凸部１５が給油溝２５の軸方向両側に周方向に延在するように形成されているため、給油溝２５が形成された如何なる部位においても、ジャーナル２ａを支持する潤滑油が給油溝２５に流出し難くなるため、軸受面１０ａの油膜反力が大きくなる。

そして本実施形態では、図９の左上に示すように、アッパベアリング１１の内周面１１ａに条痕１３が形成され、第１および第２凸部１４，１５が条痕１３上に形成されるため、凸部１４，１５の軸受面１０ａに対する付着力が高くなっている。また、図９の左下に示すように、凸部１４，１５が磨耗しても、条痕１３の谷部には凸部１４，１５の分子が残ることで、条痕１３の平均厚さ分だけ油膜厚さが薄くなる、すなわち図９の右下に示すように凸部１４，１５が残っているのと同じ状態になるため、磨耗し易い樹脂コーティングなどで凸部１４，１５を形成した場合やジャーナル２ａの偏心量ｅが大きい場合にも効果が持続する。

また、アッパベアリング１１の内周面１１ａに給油溝２５が形成され、ロアベアリング１２の内周縁が平坦（溝なし）とされたことにより、燃料の燃焼によって大きな下向きの軸荷重を受けるロアベアリング１２の油膜圧力を大きくできる一方、軸荷重が比較的小さなアッパベアリング１１には給油溝２５を設けてジャーナル内油路２６を介するクランクピン２ｂへの給油を可能にしつつ、負荷容量の低下も抑制できる。

≪第２実施形態≫
次に、第２実施形態に係る軸受１について図１０を参照して説明する。なお、第１実施形態と同様の部材や部位には同一の符号を付し、その構成および効果についての説明を省略する。以降の実施形態においても同様とする。

本実施形態の軸受１は、第１実施形態と同様にクランクシャフト２を軸支するために用いられる。図示省略するが、本実施形態では、ベアリングホルダ４にはオイル溜め２３は形成されておらず、ベアリングホルダ４における貫通孔８を画定する半円筒面にオイル供給路２２が直接開口する。本実施形態のアッパベアリング１１１は、内周面１１１ａに上記給油溝２５が形成されておらず、オイル供給路２２に連通する１本の給油孔２４のみが内周面１１１ａの軸方向の中央に開口している。第１凸部１４は第１実施形態と同様に軸方向両端部にて周方向に延設されている。一方、第２凸部１１５は、給油孔２４を囲繞するようにその開口縁に沿って内周面１１１ａに形成されている。

アッパベアリング１１１がこのように構成された軸受１によっても、給油孔２４が形成された角度位置で油膜反力がジャーナル２ａを支持するときに、潤滑油が軸方向および周方向への移動により給油孔２４に流出して軸受面全体での油膜反力が小さくなることを防止できる。

≪第３実施形態≫
次に、第３実施形態に係る軸受１について図１１を参照して説明する。本実施形態の軸受１では、アッパベアリング２１１の構成のみが第２実施形態と相違する。本実施形態のアッパベアリング２１１も、内周面２１１ａに上記給油溝２５は形成されておらず、オイル供給路２２に連通する１本の給油孔２４のみが内周面２１１ａの軸方向中央に開口している。第１凸部１４は第１実施形態と同様であり、第２凸部２１５は、給油孔２４を囲繞するようにその開口縁に沿って内周面２１１ａに形成されるとともに、半周にわたって周方向に延在するように形成されている。アッパベアリング２１１がこのように構成された軸受１によっても、第２実施形態と同様の効果を得ることができるとともに、ジャーナル２ａの荷重が大きくなる位置に給油孔２４が設けられていても、第２凸部２１５の周方向端部にジャーナル２ａが片当りすることを抑制できる。

以上で具体的実施形態の説明を終えるが、本発明は上記実施形態に限定されることなく幅広く変形実施することができる。例えば、上記実施形態では、アッパおよびロアの両ベアリング１１，１２に第１凸部１４を形成しているが、アッパベアリング１１のみに形成してもよい。また、上記実施形態では、オイル供給路２２がアッパベアリング１１に接続しているが、給油孔２４が形成されたロアベアリング１２に接続してもよい。上記実施形態では、第１凸部１４および第２凸部１５，２１５をアッパおよびロアの両ベアリング１１，１２、２１２の周方向全域に形成しているが、負荷の大きな部位のみに形成する形態としてもよい。上記実施形態では、ベアリングメタル１０に凸部１４、１５、１１５、２１５が形成されているが、ベアリングメタル１０を用いない軸受の場合には、ベアリングホルダ４やベアリングキャップ７に相当する軸受壁の軸受面に凸部１４、１５、１１５、２１５を形成してもよい。この他、各部材や部位の具体的構成や配置、数量など、本発明の趣旨を逸脱しない範囲であれば適宜変更可能である。他方、上記実施形態に示した本発明に係る軸受１の各構成要素は必ずしも全てが必須ではなく、少なくとも本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて適宜取捨選択することが可能である。

１ ラジアルすべり軸受
２ クランクシャフト
２ａ ジャーナル
１０ ベアリングメタル（軸受部材）
１３ 条痕
１４ 第１凸部
１５，１１５，２１５ 第２凸部
２４ 給油孔
２５ 給油溝

Claims (8)

1. 回転軸を軸支するラジアルすべり軸受であって、
   軸受部材の内周面における軸方向両端部に当該内周面の周方向に延在するように形成された一対の第１凸部と、
   前記一対の第１凸部の間において前記内周面に開口する給油凹部と、
   前記内周面に前記給油凹部の開口縁に沿って且つ前記第１凸部から離間して形成された第２凸部と
   を有することを特徴とするラジアルすべり軸受。
2. 前記給油凹部が、前記周方向に延在し、底面に給油孔が開口する給油溝であり、
   前記第２凸部が前記給油溝の軸方向両側の開口縁に沿って前記周方向に延在するように形成されたことを特徴とする、請求項１に記載のラジアルすべり軸受。
3. 前記給油凹部が、前記内周面に開口する給油孔であり、
   前記第２凸部が、前記給油孔を囲繞するように当該給油孔の開口縁に沿って形成されたことを特徴とする、請求項１に記載のラジアルすべり軸受。
4. 前記給油凹部が、前記内周面に開口する給油孔であり、
   前記第２凸部が、前記給油孔を囲繞するように当該給油孔の開口縁に沿って形成されるとともに前記周方向に延在するように形成されたことを特徴とする、請求項１に記載のラジアルすべり軸受。
5. 前記第１凸部および前記第２凸部の厚さが１５μｍ以下であることを特徴とする、請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載のラジアルすべり軸受。
6. 前記第１凸部および前記第２凸部が樹脂被膜層からなることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載のラジアルすべり軸受。
7. 前記第１凸部および前記第２凸部が金属めっき層からなることを特徴とする、請求項１〜請求項５いずれか一項に記載のラジアルすべり軸受。
8. 前記内周面には機械加工による条痕が形成され、前記第１凸部および前記第２凸部が前記条痕上に形成されたことを特徴とする、請求項６または請求項７に記載のラジアルすべり軸受。

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