JP6445010B2 - 内燃エンジン用のベアリング - Google Patents

Description

本発明は、一般にコネクティングロッドにおいてまたは内燃エンジンのエンジンブロック内の中央軸受として使用される、内燃エンジン用のベアリングに関する。

近年、環境への有害ガスの排出を最小化するために、一連の技術が内燃エンジンに実装されている。これらのガスの排出の低減は、他の要因の中でも、内燃エンジンの熱出力の増大、およびそれゆえに燃料消費率の低減と関係している。

結果として、新しいエンジンは「小型化」のプロセスを経ており、それはそれらの容積および重量の低減であって、それらの比出力を維持するかあるいは向上させるものである。このことは全ての構成要素におけるより大きな熱的および機械的な負荷を伴い、そのことは、存在する摩耗および摩損のために、可動要素の場合により深刻となる。

内燃エンジンにより生み出される力の影響を最も受ける構成要素の１つはコネクティングロッドであり、このコネクティングロッドは、ピストンの直線運動を回転運動に変換するための、ピストンとクランクシャフトとの間の連結を形成する。この方法では、コネクティングロッドは、一方でピストンに取り付けられ、他方でクランクシャフトに取り付けられる。この記述的な情報によると、ピストンに取り付けられたコネクティングロッドの端部は上端部として知られ、かつクランクシャフトに取り付けられたコネクティングロッドの端部は下端部として知られている。

コネクティングロッドとクランクシャフトの間の下端部では、これらの構成要素の間における摩損および摩耗を低減するために、より軟質の材料で作られたベアリングが使用される。コネクティングロッドの上端部では、構成要素の間における摩損をまた低減するために、ピストンの孔およびピンの間にブッシュが嵌められている。コネクティングロッドで使用されるベアリングは、また、この分野における技術者によく知られているように、簡易な組み立てを可能とする機能を有していて、組み立てにおけるシャフトの位置合わせ不良および含まれる微粒子に耐える。ここで述べた例はコネクティングロッドに嵌められたベアリングに関するが、例えばクランクシャフトやカムシャフトのような内燃エンジンの他の構成要素においてベアリングが使用され得ることは確かである。

これらのアプリケーションのためのベアリングは、通常、その内径において、鉛およびスズを基材とした合金（バビット合金またはホワイトメタルとして知られる）もしくは異なる密度のスズを含むアルミニウムを基材とした合金、または異なる密度の鉛を含む銅合金で被覆された炭素鋼の層からなる。銅合金で作られたこれらのベアリングは、また、鉛およびスズを基材とした追加的な被覆を有する。

しかしながら、上述したように、内燃エンジンの動作状態はますます厳しいものになっており、鉛およびスズを基材とした合金、またはアルミニウムを基材とした合金で作られたベアリングは、つぶれてしまって要求される信頼性および耐久性を保証しない。したがって、換言すれば、現行の技術で新しいエンジンの要求を十分には満たしておらず、そのことは青銅（銅合金）を基材としたトライメタルのベアリングにも当てはまる。

これについて、鉛の使用が、この元素に関連する環境リスクを念頭において、強く反対され、いくつかの国では禁止されているという事実をまた付け加えなければならない。

鉛フリーのベアリングを得るための他の解決方法が特許文献１および特許文献２において見られる。

特許文献２は、金属層と、この金属層上の銅合金層と、この銅合金層上にありかつ２０〜５０重量％の亜鉛を含む銅−亜鉛中間層と、この中間層上のスズまたはアルミニウムを基材とする耐摩耗層とを備えたベアリングに言及している。

同文献において、耐摩耗層は、他の元素に混ざって、０．１〜２５重量％の亜鉛を含んでいてもよく、そのことは、亜鉛析出物のより低い体積比率およびより低い硬度をもたらす。これとは別に、中間の銅−亜鉛層が、それが固体潤滑要素を含んでおらずかつ高硬度の金属層として特徴付けられているために、焼付きに対するより低い耐性を示すことは注目に値する。

さらに、特許文献１には、金属層と、この金属層上の中間層と、この中間層上の耐摩耗層とを備えたベアリングが記載されている。この耐摩耗層は鉛フリーであって、スズを基材とした合金で作られており、当該合金は２〜１０重量％の銀を含んでいる。このスズベースの合金は、また、銅、アンチモン、亜鉛およびニッケルのうち１つ以上の元素を０．１〜２５重量％だけ含んでいる。

しかしながら、この北アメリカの文献は、例えば銀のような貴金属を使用しており、そのことがベアリングを極めて高価なものにするため、経済性の観点から有利な解決方法を提示してはいない。これとは別に、銀が、また、電気化学的方法を使用したより高い析出率に適した電気化学ポテンシャルの観点から好ましくないことは覚えておく価値がある。

したがって、現行の技術において、ベアリングが、特に、例えば、負荷容量、耐焼付き性、耐摩耗性、高価な材料の使用、あるいは環境に有害な材料の使用等の側面に関する非常に多くの欠点を呈していることに留意されたい。

米国特許第６３５７９１９号明細書 英国特許出願公開第２３２１４６８号明細書

しかしながら、ここで例示した問題および現行の技術において生じる他の問題を解決するために、本発明は、その目的の一つとして、例えば鉛のような環境に有害な材料または元素を使用しないベアリングを提供することを有する。

本発明の他の目的は、現行の技術におけるベアリングに対して、より大きな負荷容量を有するベアリングを提供することである。

ベアリングの生産をより負担の少ないものにするために廉価な材料を使用するベアリングを提供することが、また本発明の目的の一つである。

加えて、より高い耐摩耗性および耐焼付き性を有するベアリングを提供することが本発明の目的の一つである。

その固有の特性のために、本発明は、また、ここで議論したベアリングの役割およびそれらの問題が一例として網羅的なものではないため、現行の技術において、ここで例として提示していない他の問題を解決するかも知れない。

上述した現行技術の欠点を克服するために、本発明は、内燃エンジンのためのベアリングであって、鋼支持層と、鋼支持層上に被せられかつ銅合金を含む被覆層と、被覆層上に直接被せられたニッケルベースの拡散防止バリア層と、拡散防止バリア層上に被せられかつスズ−亜鉛のマトリクスおよび亜鉛析出物を含む耐摩耗層とを備えたベアリングを提示する。

本発明の追加的または代替的な実施形態によると、以下の特徴およびそれらの予想される変形例が単独であるいは組合せにおいてまた存在してもよい。

拡散防止バリア層は、９０〜１００重量％のニッケルを含んでいる。

拡散防止バリア層は、１〜１０μｍの厚みである。

耐摩耗層は、２５〜４０重量％の亜鉛を含んでいる。

耐摩耗層は、２７〜３２重量％の亜鉛を含んでいる。

耐摩耗層は、６０〜７５重量％のスズを含んでいる。

耐摩耗層は、５〜３０μｍの厚みである。

本発明は、加えて、内燃エンジンのためのベアリングであって、鋼支持層と、鋼支持層上に被せられかつ銅合金を含む被覆層と、被覆層上に直接被せられたニッケルベースの拡散防止バリア層と、拡散防止バリア層上に被せられかつスズ−亜鉛のマトリクスおよび亜鉛析出物を含む耐摩耗層と、ベアリングの使用時に拡散防止バリア層と耐摩耗層との間に形成されるニッケル−亜鉛ベースの中間層と、ベアリングの使用時に耐摩耗層上に形成される亜鉛ベースの重畳層とを備えたベアリングを提示する。

上述したベアリングに関して、および本発明の追加的または代替的な実施形態によると、以下の特徴およびそれらの予想される変形例が単独であるいは組合せにおいてまた存在してもよい。

重畳層は、ベアリングの使用開始時に耐摩耗層上に形成される。

中間層は、重畳層の形成の後にベアリングの使用時間の経過および温度の上昇により拡散防止バリア層と耐摩耗層との間に形成される。

中間層は、１〜５μｍの厚みである。

重畳層は、９０〜１００重量％の亜鉛を含んでいる。

重畳層は、０〜１０重量％のスズを含んでいる。

重畳層は、１〜３μｍの厚みである。

拡散防止バリア層は、９０〜１００重量％のニッケルを含んでいる。

拡散防止バリア層は、１〜１０μｍの厚みである。

耐摩耗層は、２５〜４０重量％の亜鉛を含んでいる。

耐摩耗層は、２７〜３２重量％の亜鉛を含んでいる。

耐摩耗層は、６０〜７５重量％のスズを含んでいる。

耐摩耗層は、５〜３０μｍの厚みである。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る被覆されたベアリングに含まれる層の概略図である。 図２は、本発明の第２の実施形態に係る被覆されたベアリングに含まれる層の概略図である。

本発明に含まれるベアリングの目的、機能的な改良点および利点は、特定の実施形態に関連して添付図面を参照してなされる説明から当業者に明らかになるだろう。図面は概略的なものであって、それらは単に、下記の請求項において定義される発明を超えて何らかの限定を加えることなく、教訓的な方法で本発明を説明しようとするものであるため、それらの寸法または比率は現実を反映していないかも知れない。

以下、添付図面を参照しつつ、本発明の特定の実施形態について説明する。図面および以下の説明では、同様の部分には記述の全体および図面において同じ参照番号を付す。図面は必ずしも正確な縮尺ではない。特定の特徴部分は誇張されたスケールであるいは図における他の方法によって示されているかも知れないし、従来からある要素の細部のいくらかは、この説明をより明確かつ簡潔にすることを目的として示されていないかも知れない。本発明は、異なる実施形態にも適用可能である。特定の実施形態が詳細に説明されかつ図示されるが、それらは原理を説明するためのものと見なされるべきであり、本発明を図示されかつこの記述で説明されるものに単に限定することを意図するものではない。以下に記載される実施形態の異なる例が単独であるいは任意の適当な組合せにおいて同様の望ましい成果物を作り出すために使用され得ることを認識されたい。

第１の実施形態では、図１に示すように、本発明のベアリング１は、従来技術から知られているように、鋼支持層２を備えている。この鋼支持層２の上に、被覆層３があり、この被覆層３は銅合金を含んでおり、この合金は例えば青銅である。当業者なら知っているように、被覆層３を形成するために他の銅合金が用いられてもよいことは明らかである。

この第１の実施形態では、本発明のベアリング１は、また、ニッケルを基材とする拡散防止バリア層４を備えており、この層は被覆層３上に被せられている。この拡散防止バリア層４の特定の実施形態では、その厚みは１〜１０μｍであってもよい。これとは別に、特定の実施形態では、この拡散防止層４は９０〜１００重量％のニッケルと、単独であるいは組み合わせて１０重量％までの例えば銅、亜鉛またはスズのような他の材料とを含んでいてもよい。

拡散防止バリア層４の上には、耐摩耗層５があり、この耐摩耗層５はスズ−亜鉛のマトリクスと硬質亜鉛析出物とを含んでいる。特定の実施形態では、この耐摩耗層５は、２５〜４０重量％の亜鉛と６０〜７５重量％のスズとを含み、より具体的には、２７〜３２重量％の亜鉛と６８〜７３重量％のスズとを含んでいる。これとは別に、また特定の実施形態では、この耐摩耗層５は５〜３０μｍの厚みを有していて、それとは別に耐摩耗層５の硬さは１０〜２５ＭＨＫ０．００１であってもよい。

注意できることとして、この第１の実施形態のベアリング１は現行の技術と比べて重量でより多くの亜鉛を耐摩耗層５に含んでおり、そのことが実質的な利点、例えば、硬質亜鉛析出物のより高い含有率、より高い硬度、およびより高い耐摩耗性のような利点をもたらす。

これとは別に、この耐摩耗層５がその作製において例えば亜鉛のような低コストの金属を使用して貴金属を使用しないという事実は、それが例えば銀を使用する従来技術のベアリングよりも経済的でより実用的な解決策になることを意味する。

耐摩耗層５において例えば銀やインジウムのような貴金属ではなく亜鉛を使用することの別の利点は、高い析出率を伴う適切な電気化学ポテンシャルが得られることであり、その析出率はスズを基材としかつ鉛フリーの現行技術のベアリングにおける他の耐摩耗層の析出率と比べて２倍にも及ぶ。

第１の実施形態に係るベアリング１が鉛を使用しておらず、したがって現行技術のベアリングに比べて環境に対してより有害でないことも言及する価値がある。

第２の実施形態では、図２に示すように、本発明のベアリング１は、また、鋼支持層２と、この鋼支持層２上に被せられた被覆層３とを備えており、これらの層は本発明の第１の実施形態と同じ特性を有している。

これとは別に、この第２の実施形態では、本発明のベアリングは、また、拡散防止バリア層４と、耐摩耗層５とを備えており、その両方が本発明の第１の実施形態において上述した特性を有している。

この第２の実施形態では、ベアリング１は追加的に、ニッケル−亜鉛を基材としかつ拡散防止バリア層４と耐摩耗層５との間に配置された中間層６と、亜鉛を基材としかつ耐摩耗層上に配置された重畳層７とを備えている。

中間層６および重畳層７は、ベアリング１が例えば内燃エンジンの動作中に使用されるときに形成されるという特性を共通に有している。

この態様では、本発明の第２の実施形態において、ベアリング１は、使用されない初期段階では、次の層、すなわち鋼支持層２、被覆層３、拡散防止バリア層４、および耐摩耗層５を備えている。これに続いて、それが使用されるようになると、同じベアリング１が次の層、すなわち鋼支持層２、被覆層３、拡散防止層４、中間層６、耐摩耗層５、および重畳層７を備えるようになる。

より正確には、ベアリング１の使用開始時に、亜鉛ベースの重畳層７が耐摩耗層５の上に形成される。時間の経過および温度の上昇により、中間層６が拡散防止バリア層４と耐摩耗層５との間に形成される。

特定の実施形態では、中間層６は１〜５ｍの厚みを有していてもよく、一方、重畳層は１〜３μｍの厚みを有していてもよい。

また特定の実施形態では、重畳層は９０〜１００重量％の亜鉛と０〜１０重量％のスズとを含んでいてもよい。

本発明の第２の実施形態は、第１の実施形態の説明において上述した利点を有している。加えて、第２の実施形態は、以下に記載する他の利点を有している。

ベアリング１の使用の開始後に形成されるニッケル−亜鉛ベースの中間層６は、銅−亜鉛または純ニッケルを基材とした拡散防止バリア層を使用するベアリングに比べて、耐摩耗性および耐焼付き性に関してより効果的な解決を提供する。また、この中間層６は被覆層３へのスズの拡散を防止し、それにより剥離によるベアリングの故障を防止する。

さらに、亜鉛ベースの重畳層７は、ベアリング１に優れた耐摩耗性を与える。

最後に、中間層６および重畳層７の形成が本発明のベアリング１の複層構造に対する硬さ勾配を向上させるということを利点として強調する価値がある。この勾配は負荷容量および耐摩耗性の増大に寄与する。

したがって、その実施形態を通じて、本発明はその目的を達成しかつ現行技術のベアリングに存在する障害を克服する。

本発明のベアリングが内燃エンジンにおいて特に有用であることに関わらず、本発明のベアリングは他のタイプの応用物のために構成されてもよいし、それが実施される態様における変形例を呈してもよく、そのため本発明の保護範囲は添付する特許請求の範囲の内容のみに限定されるものではなく、予想される同等の変形物をも含んでいる。

Claims (13)

1. 内燃エンジンのためのベアリング（１）であって、
   鋼支持層（２）と、
   上記鋼支持層（２）上に被せられかつ銅合金を含む被覆層（３）と、
   上記被覆層（３）上に被せられたニッケルベースの拡散防止バリア層（４）と、
   上記拡散防止バリア層（４）上に被せられかつスズ−亜鉛のマトリクスおよび亜鉛析出物を含む耐摩耗層（５）と、
   上記ベアリング（１）の使用時に上記拡散防止バリア層（４）と上記耐摩耗層（５）との間に形成されるニッケル−亜鉛ベースの中間層（６）と、
   上記ベアリング（１）の使用時に上記耐摩耗層（５）上に形成される亜鉛ベースの重畳層（７）とを備えている
   ことを特徴とするベアリング。
2. 請求項１において、
   上記重畳層（７）が、上記ベアリングの使用開始時に上記耐摩耗層（５）上に形成される
   ことを特徴とするベアリング。
3. 請求項１または２において、
   上記中間層（６）が、上記重畳層（７）の形成の後に上記ベアリング（１）の使用時間の経過および温度の上昇により上記拡散防止バリア層（４）と上記耐摩耗層（５）との間に形成される
   ことを特徴とするベアリング。
4. 請求項１において、
   上記中間層（６）が、１〜５μｍの厚みである
   ことを特徴とするベアリング。
5. 請求項１において、
   上記重畳層（７）が、９０〜１００重量％の亜鉛を含んでいる
   ことを特徴とするベアリング。
6. 請求項１において、
   上記重畳層（７）が、０〜１０重量％のスズを含んでいる
   ことを特徴とするベアリング。
7. 請求項１において、
   上記重畳層（７）が、１〜３μｍの厚みである
   ことを特徴とするベアリング。
8. 請求項１において、
   上記拡散防止バリア層（４）が、９０〜１００重量％のニッケルを含んでいる
   ことを特徴とするベアリング。
9. 請求項１において、
   上記拡散防止バリア層（４）が、１〜１０μｍの厚みである
   ことを特徴とするベアリング。
10. 請求項１において、
    上記耐摩耗層（５）が、２５〜４０重量％の亜鉛を含んでいる
    ことを特徴とするベアリング。
11. 請求項１０において、
    上記耐摩耗層（５）が、２７〜３２重量％の亜鉛を含んでいる
    ことを特徴とするベアリング。
12. 請求項１において、
    上記耐摩耗層（５）が、６０〜７５重量％のスズを含んでいる
    ことを特徴とするベアリング。
13. 請求項１において、
    上記耐摩耗層（５）が、５〜３０μｍの厚みである
    ことを特徴とするベアリング。