JP6644603B2 - ワッシャ - Google Patents

Description

本発明は、潤滑油を介して他の部材と摺動するワッシャに関する。

自動車のエンジンや光ディスクドライブなどには、他の部材（相手部材）と摺動してその相手部材のスラスト荷重を受ける摺動部材が用いられる。これらの摺動部材において摩擦抵抗を低減することが求められている。摩擦抵抗を低減するための構成として、摺動面にテーパ部とランド部とを設けることによって、スラストカラーなどの相手部材との間にくさび状のすきまを形成し、流体動力学的な効果によって軸受の負荷能力を生じさせるものがある。

例えば、特許文献１の請求項３には、テーパ部とランド部とを有する軸受パッドを備え、摺動面の一部に設けた多孔質部材を経由して浸出する潤滑流体によって流体膜を冷却するテーパランド形スラスト軸受が開示されている。

特開平１０−２１３１３０号公報

ところでこれらの摺動部材では、テーパ部とランド部とに潤滑油を供給する必要があるが、内周側から供給した潤滑油は回転による遠心力を受けて過剰に外周側に流動し、摺動面の全体に行き渡り難くなる場合がある。

特許文献１に記載された技術は、潤滑油の油溝（流体供給口）の摺動面側を多孔質部材で覆っているが、異なる材質を互いに接着しなければならず、接着面の破損や加工費の増大などが問題となっていた。

これに対し本発明は、供給した潤滑油が摺動面に行き渡り易いワッシャの技術に関する。

本発明は、環状に形成された板の面で他の部材と摺動するワッシャ本体と、前記面に設けられたランド部と、前記面において、前記ランド部の周方向に隣接して設けられ該ランド部に対して該周方向に傾斜したテーパ部と、前記面において、前記ワッシャ本体の内周面から外周面に向かって潤滑油を通す油溝であって、内周端から外周端までのどの領域においても径方向に沿って外に進むほど一定の割合で断面積が小さくなる油溝と、を有することを特徴とするワッシャを提供する。

本発明において、前記油溝は、前記外周端の断面の幅が前記内周端の断面の幅よりも狭くてもよい。

本発明において、前記油溝は、前記ワッシャ本体の外周面に到達しなくてもよい。

本発明において、前記油溝は、前記外周端の断面の深さが前記内周端の断面の深さよりも浅くてもよい。

本発明によれば、供給した潤滑油が摺動面に行き渡り易い。

本発明の実施形態に係るワッシャ１の一例を示す概要図。 ワッシャ１を第１面１０ａの側から見た図。 軸Ｏを中心とした円に沿ってワッシャ１を切断した断面Ｓｃを示す図。 油溝１３ａの断面積を示す図。 断面積Ｓ（ｒ）の距離ｒに応じた変化の例を示す図。 外周端の断面積が内周端の断面積よりも小さくなる具体例を示す図。 外周端が外周面１８に到達していない場合の油溝１３ａの一例を示す図。 変形例におけるワッシャ１を説明するための図。

１．実施形態
図１は、本発明の実施形態に係るワッシャ１の一例を示す概要図である。ワッシャ１は、環状に形成された平板の部材であるワッシャ本体を有する。ワッシャ本体は表裏に互いに平行な端面を有する。ワッシャ本体の一方の端面を第１面１０ａと呼び、他方の端面を第２面１０ｂと呼ぶ。ワッシャ１は、これら２つの端面で他の部材（相手部材という）と摺動し、その相手部材のスラスト荷重（軸方向に沿った荷重）を受ける。ワッシャ本体は、環の内側の面である内周面１７と、外側の面である外周面１８とを有する。なお、ワッシャ本体の材質には、スチールやブロンズ（例えばリン青銅）など様々な金属が好適に用いられる。

図２は、ワッシャ１を第１面１０ａの側から見た図である。図２において、ワッシャ１が配置される空間をｘｙｚ右手系座標空間として表し、座標記号のうち、円の中に点を描いた記号は、紙面奥側から手前側に向かう矢印を表す。空間においてｘ軸に沿う方向をｘ軸方向という。また、ｘ軸方向のうち、ｘ成分が増加する方向を＋ｘ方向といい、ｘ成分が減少する方向を−ｘ方向という。ｙ、ｚ成分についても、上記の定義に沿ってｙ軸方向、＋ｙ方向、−ｙ方向、ｚ軸方向、＋ｚ方向、−ｚ方向を定義する。

図２に示す通り、ワッシャ本体の環の軸Ｏはｚ軸方向に沿って配置されている。第１面１０ａはワッシャ本体の＋ｚ方向の側であり、第２面１０ｂ（図２において図示せず）はワッシャ本体の−ｚ方向の側である。内周面１７は、軸Ｏから半径ｒ０の距離にある面である。外周面１８は、軸Ｏから半径ｒ３の距離にある面である。

ワッシャ本体の内周面１７には、複数の切欠部１９が設けられている。図２に示すワッシャ１では、内周面１７の３箇所に切欠部１９が設けられている。切欠部１９のうち最も軸Ｏから遠い部分は軸Ｏから距離ｒ１だけ離れている。

第１面１０ａは、ランド部１１ａ（第１ランド部）と、テーパ部１２ａ（第１テーパ部）と、油溝１３ａとを有する。ランド部１１ａは、軸Ｏに垂直な面、すなわち、第１面１０ａに沿った部分である。テーパ部１２ａは、ランド部１１ａに対して周方向において傾斜している部分である。

図２に示す位相θは、ｘｙ平面上において軸Ｏを中心とした円周上の点の位置を示す値であり、軸Ｏからその点へ向いたベクトルと、＋ｘ方向のベクトルとが成す角度で表される。したがって、位相θは０度のときに＋ｘ方向を示し、９０度のときに＋ｙ方向を示し、１８０度のときに−ｘ方向を示し、２７０度のときに−ｙ方向を示す。

ここで、ワッシャ１の断面によりランド部１１ａ、テーパ部１２ａ、および油溝１３ａのｚ軸方向の形状を説明する。
図３は、軸Ｏを中心としてｘｙ平面上に描いた円に沿ってワッシャ１を切断した断面Ｓｃを示す図である。断面Ｓｃはｘｙ平面上において軸Ｏを中心とする半径ｒ２の円に沿っている。ここで、半径ｒ２の円とは、図１に示すように、軸Ｏを中心とする径方向において「切欠部１９のうち最も軸Ｏから遠い部分」と「外周面１８」とを結ぶ線分の中間点を通る円である。したがって、半径ｒ２は、以下の式（１）によって算出される。
ｒ２＝（ｒ１＋ｒ３）／２ …（１）

なお、切欠部１９のうち最も軸Ｏから遠い部分と外周面１８との距離は、（ｒ３−ｒ１）であり、上述した円はこの中間点を通るので、この距離の半分を距離ｒ４とすると半径ｒ２は、以下の式（２）によっても表される。
ｒ２＝ｒ１＋ｒ４ …（２）

半径ｒ０，ｒ２，ｒ３、および距離ｒ１は、ワッシャ１が支える相手部材の大きさなどに応じて決められるが、例えば、ｒ０＝２４．５ｍｍ、ｒ１＝２６．５ｍｍ、ｒ２＝２９．５ｍｍ、ｒ３＝３２．５ｍｍ、ｒ４＝３．０ｍｍなどである（この例は図２のワッシャ１の寸法を示すものではない）。

図３には、ｚ軸方向の位置を示す「ｚ」と、位相θを示す「θ」とで構成されるｚθ座標で断面Ｓｃを表した形状が示されている。ランド部１１ａは、ｚ＝０の平面から＋ｚ方向に厚みｄ１を有する。テーパ部１２ａは、ワッシャ１の周方向においてランド部１１ａの両側に隣接してそれぞれ設けられている。テーパ部１２ａは、周方向においてランド部１１ａの両側から厚みが減少するように傾斜した部分であり、その最も薄い部分はランド部１１ａを基準として、深さｄ２の窪みとなっている。なお、テーパ部１２ａはランド部１１ａより厚みが減少した部位であるため、深さｄ２は正の値であり、０ｍｍおよび負の値にはならない。

油溝１３ａは、内周面１７から外周面１８に向かって潤滑油を通す溝である。油溝１３ａは、テーパ部１２ａの周方向においてランド部１１ａが隣接する側の反対側の端部に隣接していて、その深さは深さｄ３である。深さｄ３は、深さｄ２よりも深い。

なお、図３において示される位置は相対的であり、実際には厚みｄ１＞深さｄ３≫深さｄ２である。例えば、厚みｄ１＝１．０ｍｍ（ミリメートル）、深さｄ３＝０．２ｍｍ、深さｄ２＝０．０２５ｍｍである。

また、ランド部１１ａの周方向における一方の側に設けられたテーパ部１２ａは、他方の側に設けられたテーパ部１２ａと、ランド部１１ａを介して対称である。ここでいう「対称」とは、軸Ｏに沿ったベクトルと、この軸Ｏを中心とする一つの径方向に沿ったベクトルとで表される平面のうち、ランド部１１ａの周方向における中間点を通る平面を鏡映面としたときに、このランド部１１ａの両側のテーパ部１２ａが互いに鏡像となる「鏡像対称」をいう。ワッシャ１と摺動する相手部材の回転方向が正逆いずれもあり得る場合であっても、ランド部１１ａの周方向における両側に設けられた２つのテーパ部１２ａがランド部１１ａを介して互いに鏡像対称であることにより、摺動によって潤滑油が誘導される隙間の形状は同じになる。

テーパ部１２ａおよび油溝１３ａは、ランド部１１ａよりも−ｚ方向に凹んだ部位である。したがって、ランド部１１ａはテーパ部１２ａよりも＋ｚ方向に突出した部位であり、テーパ部１２ａよりも第１面１０ａと摺動する相手部材に近い部位である。

深さｄ２は、０．０４ｍｍ以下であることが望ましく、０．０１ｍｍ程度であることが最も望ましい。

またこの断面Ｓｃにおいて、ランド部１１ａは、周方向に沿って角度θ１にわたって存在し、テーパ部１２ａは、周方向に沿って角度θ２にわたって存在している。そして、この断面において油溝１３ａは、周方向に沿って角度θ３にわたって存在している。図３に示す例では、角度θ３は角度θ１よりも小さい。

テーパ比とは、ランド部１１ａと、このランド部１１ａに隣接する１つのテーパ部１２ａの周方向に沿った範囲のうち１つのテーパ部１２ａが占める比率である。１この例でテーパ比ｋは、以下の式（３）で表される。
ｋ＝θ２／（θ２＋θ１） …（３）

テーパ比は、０．５以上０．９以下であることが望ましく、０．６以上０．８以下であることがより望ましい。最も望ましいテーパ比は、０．７である。

第２面１０ｂにも、ランド部１１ｂ、テーパ部１２ｂ、および油溝１３ｂが設けられている。ランド部１１ｂ、テーパ部１２ｂ、および油溝１３ｂは、大きさ、すなわち、周方向の長さとｚ軸方向の深さ、およびこれらの周方向における並び方、鏡像関係などがそれぞれ、ランド部１１ａ、テーパ部１２ａ、および油溝１３ａと共通である。

つまり、ワッシャ１の第１面１０ａには、１つのランド部１１ａ、このランド部１１ａの両側に隣接した２つのテーパ部１２ａ、およびこれら２つのテーパ部１２ａのいずれか一方に隣接した１つの油溝１３ａからなる組が、第１面１０ａにおいて１２０度ごとに３つ設けられている。そして、ワッシャ１の第２面１０ｂには、１つのランド部１１ｂ、このランド部１１ｂの両側に隣接した２つのテーパ部１２ｂ、およびこれら２つのテーパ部１２ｂのいずれか一方に隣接した１つの油溝１３ｂからなる組が、第２面１０ｂにおいて１２０度ごとに３つ設けられている。

さらに、ランド部１１ａとランド部１１ｂとは周方向において同じ位相で設けられている。例えば、図３に示すランド部１１ａおよびランド部１１ｂは、いずれも３０度と１５０度を中心に設けられている。なお、図２に示す通りランド部１１ａは、３０度、１５０度に加えて２７０度、つまり１２０度ごとに３箇所、第１面１０ａに設けられており、ランド部１１ｂはランド部１１ａと第２面１０ｂにおいて同じ位相で設けられている。したがって、ランド部１１ａとランド部１１ｂとは周方向において位相差がない。テーパ部１２ａとテーパ部１２ｂ、および油溝１３ａと油溝１３ｂも同様に、周方向において位相差がない。

油溝１３ａと油溝１３ｂとは同形状であるため、断面積も差がない。以下、油溝１３ａの断面積について説明するが、油溝１３ｂについても同様である。

図４は、油溝１３ａの断面積を示す図である。油溝１３ａは軸Ｏを中心として径方向に放射状に延び、ワッシャ本体の内周面から外周面に向かって潤滑油を通す。油溝１３ａの断面積Ｓ（ｒ）は、油溝１３ａを、径方向に垂直な周面で切断した場合の面積で定義される。断面積Ｓ（ｒ）は、軸Ｏから断面までの径方向の距離ｒを独立変数とする関数で表される。

油溝１３ａのうち、径方向に沿って軸Ｏに最も近い部分を内周端と呼ぶ。また、油溝１３ａのうち、径方向に沿って軸Ｏから最も遠い部分を外周端と呼ぶ。内周面１７には切欠部１９が設けられていて、油溝１３ａは切欠部１９に重ねて設けられているため、内周端は切欠部１９と重なる断面であり、その面積は図４に示す通りＳ（ｒ１）である。また、この例において油溝１３ａは外周面まで到達しているため、油溝１３ａの外周端は外周面と重なる断面であり、その面積は図４に示す通りＳ（ｒ３）である。

図５は、断面積Ｓ（ｒ）の距離ｒに応じた変化の例を示す図である。図５に示す通り、油溝１３ａは、外周端の断面積Ｓ（ｒ３）が、内周端の断面積Ｓ（ｒ１）よりも小さい。図５には、この条件を満たす４つの例としてＣＡＳＥ１〜４が挙げられる。

図５に示すＣＡＳＥ１は、内周端から外周端までのどの領域においても径方向に沿って外に進むほど一定の割合で断面積が小さくなる場合である。図５に示すＣＡＳＥ２も同様に全領域において外に進むほど断面積が小さくなるが、変化率が途中で変わる場合である。

図６は、外周端の断面積が内周端の断面積よりも小さくなる具体例を示す図である。
油溝１３ａは、径方向に沿って外に進むほど断面の幅が狭くなるように形成されていてもよい。ここで、「断面の幅」とは、軸Ｏを中心とする周面で切断したときの断面の周方向の長さ（最大長）を意味する。

図６（ａ）に示す例では、油溝１３ａの断面が、内周端から外周端に至るまで深さｄ４を一定としているが、軸Ｏからの距離ｒがｒ１、ｒ２、ｒ３のとき、断面の幅はそれぞれ幅ｗ１、ｗ２、ｗ３である。そして、幅ｗ１、ｗ２、ｗ３の間には、ｗ１＞ｗ２＞ｗ３の関係がある。このように、深さが一定であっても、外周端の幅が内周端の幅よりも狭くなっていることによって油溝１３ａは外周端の断面積が内周端の断面積よりも小さい形状となる。

なお、幅ｗ２は、半径ｒ２の円周のうち、角度θ３に相当する部分の長さに当たるため、角度の単位がラジアンである場合に、ｗ２＝２×ｒ２×θ３である。

図６（ｂ）に示す例では、油溝１３ａの断面が、内周端から外周端に至るまで幅ｗ２を一定としているが、軸Ｏからの距離ｒがｒ１、ｒ２、ｒ３のとき、断面の深さはそれぞれ深さｄ５、ｄ４、ｄ６である。そして、深さｄ５、ｄ４、ｄ６の間には、ｄ５＞ｄ４＞ｄ６の関係がある。このように、幅が一定であっても、外周端の深さが内周端の深さよりも浅くなっていることによって油溝１３ａは外周端の断面積が内周端の断面積よりも小さい形状となる。
なお、軸Ｏを中心とする周面で油溝１３ａを切断した断面の形状は矩形に限られない。

図５に示すＣＡＳＥ３は、内周端から外周端までのうち、一部の領域（この場合、内周端を含み外周端を含まない）において、径方向に沿って外に進むほど断面積が小さくなる場合である。ＣＡＳＥ３において、上述したこの領域以外では、油溝１３ａの断面積は変化しなくてもよく、また、増加してもよい。

図５に示すＣＡＳＥ４は、油溝１３ａの外周端が外周面に到達していない場合である。ＣＡＳＥ４において、油溝１３ａの断面積Ｓ（ｒ）は、距離ｒがｒ３に至る前に０になる。

図７は、外周端がワッシャ本体の外周面１８に到達していない場合の油溝１３ａの一例を示す図である。図７に示すように、油溝１３ａは外周面１８に到達していない。この場合であっても、油溝１３ａの外周端の断面積は内周端の断面積よりも小さい。

以上説明した通り、外周端の断面積が内周端の断面積よりも小さくなるように油溝１３ａを設けることで、油溝１３ａを通る潤滑油は径方向に沿って外側に押し出されるほど狭い領域を通過しなければならず、圧力が増す。これにより、ワッシャ本体の内周面１７の側から供給された潤滑油は、遠心力によって軸Ｏから離れるように外側に流れたとしても、油溝１３ａにおいて外周端の断面積が内周端の断面積よりも小さいため、外周端を出る際に抵抗を受ける。したがって、潤滑油は外周面１８の外へ漏れ難くなり、潤滑油は摺動面の全体に行き渡り易くなる。

２．変形例
以上が実施形態の説明であるが、この実施形態の内容は以下のように変形し得る。また、以下の変形例を組み合わせてもよい。

２−１．変形例１
上述した実施形態において、油溝１３ａは、テーパ部１２ａの最も薄い部分に隣接していたが、テーパ部１２ａに隣接していなくてもよい。例えば、ワッシャ１は、油溝１３ａとテーパ部１２ａとの間にテーパ部１２ａと異なる部分を有していてもよい。

図８は、この変形例におけるワッシャ１を説明するための図である。図４には、この変形例におけるワッシャ１を＋ｚ方向から見た形状が描かれている。図４に示すように、この変形例におけるワッシャ１の第１面１０ａには、油溝１３ａとテーパ部１２ａとの間には、ボトム部１４ａが設けられている。

ボトム部１４ａは、テーパ部１２ａの最も薄い部分に隣接した面であり、軸Ｏに垂直な面、すなわち、第１面１０ａに沿った部分である。したがって、ボトム部１４ａのランド部１１ａを基準とした深さは、テーパ部１２ａの最も薄い部分の深さと同じ「深さｄ２」である。この構成であっても、テーパ部１２ａとランド部１１ａとの成す角は比較的鋭角であり、周方向に沿って傾斜しているため、潤滑油がこの傾斜によって狭くなる方の隙間に誘導されて、くさび効果を奏する。

２−２．変形例２
上述した実施形態において、ワッシャ１の第１面１０ａには、ランド部１１ａと、このランド部１１ａの両側に隣接した２つのテーパ部１２ａと、いずれか一方のテーパ部１２ａに隣接した油溝１３ａとからなる組が、第１面１０ａにおいて１２０度ごとに３つ設けられ、第２面１０ｂにおいても、これらに相当する構成が３つ設けられていたが、これらの組が端面に設けられる数は３つに限られない。これらの組は複数であれば、２つであってもよいし、４つ以上であってもよい。

２−３．変形例３
上述した実施形態において、ワッシャ１の第１面１０ａにはランド部１１ａ、テーパ部１２ａ、油溝１３ａが、第２面１０ｂにはランド部１１ｂ、テーパ部１２ｂ、油溝１３ｂがそれぞれ設けられていたが、これらは第１面１０ａ、第２面１０ｂのいずれか一方の面にだけ設けられていてもよい。また、第１面１０ａおよび第２面１０ｂの両方にこれらが設けられている場合に、それぞれの周方向の位相が異なっていてもよい。

２−４．変形例４
上述した実施形態において、ランド部１１ａおよびランド部１１ｂの周方向における一方の側に設けられたテーパ部１２ａおよびテーパ部１２ｂは、それぞれ他方の側に設けられたテーパ部１２ａ、テーパ部１２ｂと、ランド部１１ａ、ランド部１１ｂを介して鏡像対称であったが、非対称であってもよい。

また、テーパ部１２ａおよびテーパ部１２ｂは、ランド部１１ａまたはランド部１１ｂの両側に設けられていたが、一方の側だけに設けられていてもよい。

２−５．変形例５
上述した実施形態において、切欠部１９は、ワッシャ１の内周面１７において、３つの油溝１３ａ、油溝１３ｂに相当する３箇所にそれぞれ重ねて設けられていたが、ワッシャ１は切欠部１９を有していなくてもよい。例えば、内周面１７に収容される軸との隙間を通って潤滑油が第１面１０ａと第２面１０ｂとを行き来するように構成されていてもよい。

１…ワッシャ
１０ａ…第１面
１０ｂ…第２面
１１ａ…ランド部
１１ｂ…ランド部
１２ａ…テーパ部
１２ｂ…テーパ部
１３ａ…油溝
１３ｂ…油溝
１４ａ…ボトム部
１７…内周面
１８…外周面
１９…切欠部

Claims (4)

1. 環状に形成された板の面で他の部材と摺動するワッシャ本体と、
   前記面に設けられたランド部と、
   前記面において、前記ランド部の周方向に隣接して設けられ該ランド部に対して該周方向に傾斜したテーパ部と、
   前記面において、前記ワッシャ本体の内周面から外周面に向かって潤滑油を通す油溝であって、内周端から外周端までのどの領域においても径方向に沿って外に進むほど一定の割合で断面積が小さくなる油溝と、
   を有することを特徴とするワッシャ。
2. 前記油溝は、前記外周端の断面の幅が前記内周端の断面の幅よりも狭い
   ことを特徴とする請求項１に記載のワッシャ。
3. 前記油溝は、前記ワッシャ本体の外周面に到達しない
   ことを特徴とする請求項１または２に記載のワッシャ。
4. 前記油溝は、前記外周端の断面の深さが前記内周端の断面の深さよりも浅い
   ことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のワッシャ。

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