JP6644604B2 - ワッシャ - Google Patents

Description

本発明は、他の部材と摺動するワッシャに関する。

自動車のエンジンなどで利用される摺動部材には、他の部材（相手部材）と摺動する摺動面でスラスト荷重を受けるものがある。この摺動部材において低速回転時でも油膜圧力を向上させることが求められている。

例えば、特許文献１には、放射状に形成された給油溝によりスラスト受面が扇形の複数のスラストパッド面に分割されており、スラストパッド面には、周縁に沿って所定幅および一定の所定高さに突出し、前側の給油溝に向けて開口するコ字状の第１凸部が形成されたスラストすべり軸受が開示されている。

特開２０１３−１４８１３６号公報

特許文献１に記載のスラストパッド面構造は、多くても３段までの階段形状であり、傾斜した面を有する摺動部材に比べて潤滑油を滑らかに流動させることはできなかった。

これに対し本発明は、摺動面が階段形状の被覆層で覆われたものに比べて油膜圧力を向上させたワッシャを提供する。

本発明は、環状に形成され、軸方向両側の端面でそれぞれ他の部材と摺動するワッシャ本体と、前記端面をそれぞれ被覆する、樹脂が含まれた被覆層と、を有し、前記被覆層は、周方向の一方側に沿って進むほど前記軸方向の高さが減少するように傾斜する第１テーパ部と、該周方向の他方側に沿って進むほど前記軸方向の高さが減少するように傾斜する第２テーパ部と、互いに隣接する前記第１テーパ部と前記第２テーパ部との境界に、前記ワッシャ本体の径方向に沿った稜線と、互いに隣接しない前記第１テーパ部と前記第２テーパ部との間に、該第１テーパ部または該第２テーパ部に向けて潤滑油を供給する油溝と、を有し、前記各端面のうち一方の端面に設けられた前記被覆層は、他方の端面に油溝が設けられた前記周方向の位置に前記稜線を有することを特徴とするワッシャを提供する。

また、本発明は、環状に形成され、軸方向両側の端面でそれぞれ他の部材と摺動するワッシャ本体と、前記端面をそれぞれ被覆する、樹脂が含まれた被覆層と、を有し、前記端面は、周方向の一方側に沿って進むほど前記軸方向の高さが減少するように傾斜する第１斜面と、該周方向の他方側に沿って進むほど前記軸方向の高さが減少するように傾斜する第２斜面と、を有し、前記被覆層は、前記第１斜面を被覆する第１テーパ部と、前記第２斜面を被覆する第２テーパ部と、互いに隣接する前記第１テーパ部と前記第２テーパ部との境界に、前記ワッシャ本体の径方向に沿った稜線と、互いに隣接しない前記第１テーパ部と前記第２テーパ部との間に、該第１テーパ部または該第２テーパ部に向けて潤滑油を供給する油溝と、を有し、前記各端面のうち一方の端面に設けられた前記被覆層は、他方の端面に油溝が設けられた前記周方向の位置に前記稜線を有することを特徴とするワッシャを提供する。

本発明によれば、摺動面が階段形状の被覆層で覆われたものに比べて油膜圧力を向上させることができる。

本発明の実施形態に係るワッシャ１の一例を示す分解斜視図。 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。 摺動による被覆層１５ａの変形を説明するための概略図。 変形例７における被覆層１５ａの被覆されたワッシャ本体１６の領域を示す図。

１．実施形態
図１は、本発明の実施形態に係るワッシャ１の一例を示す分解斜視図である。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１６を有する。ワッシャ本体１６は平板であるため、表裏に互いに平行な端面を有する。ワッシャ本体１６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１６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１６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。

また、図１に示す通り、ワッシャ本体１６の第１面１０ａの一部は、樹脂を含む被覆層１５ａによって被覆されている。そして図１には示されていないが、ワッシャ本体１６の第２面１０ｂの一部も、第１面１０ａと同様に、樹脂を含む被覆層１５ｂによってコーティング（被覆）されている。被覆層１５ａおよび被覆層１５ｂ（以下、これらを区別しない場合、単に「被覆層１５」という）はワッシャ本体１６の２つの端面に設けられているので、上述した通り、相手部材と摺動し、そのスラスト荷重を受ける。なお、被覆層１５の材質には、摩擦係数の低いＰＴＦＥ（polytetrafluoroethylene）、ＰＡＩ（polyamide-imide）、ＰＩ（Polyimide）などの樹脂が好適に用いられる。また、被覆層１５の材質には、硬質物や固体潤滑剤が含まれた複合部材を用いてもよい。

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１６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１６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１６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１６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６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、油溝１３ａを有する。油溝１３ａは、内周面１７から外周面１８にわたって潤滑油を通す溝である。第１面１０ａのうち油溝１３ａを除く領域は、軸Ｏに垂直な平面であり、被覆層１５ａがコーティングされている。

図２に示す被覆層１５ａは３箇所に分割されており、そのそれぞれに第１テーパ部１２ａと第２テーパ部１４ａとを有する。第１テーパ部１２ａおよび第２テーパ部１４ａは、いずれも＋ｚ方向に、軸Ｏに垂直な面、すなわち、第１面１０ａに対して傾斜した面を有し、この面によって相手部材と摺動する。ただし、第１テーパ部１２ａと第２テーパ部１４ａとでは傾斜の方向が異なる。

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。

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。ワッシャ１を切断した断面Ｓ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を中心とする放射方向において「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座標でこの断面Ｓｃを表した形状が示されている。第１テーパ部１２ａは、周方向の一方側（図３で位相θが増加する側）に沿って進むほど＋ｚ軸方向の高さが減少するように傾斜する部分である。第２テーパ部１４ａは、周方向の他方側（図３で位相θが減少する側）に沿って進むほど＋ｚ軸方向の高さが減少するように傾斜する部分である。

複数に分割された被覆層１５ａが有する第１テーパ部１２ａおよび第２テーパ部１４ａ（以下、これらを区別しない場合、単に「テーパ部」という）は稜線Ｐを介して隣接している。この稜線Ｐはワッシャ１の径方向に沿って延びており、被覆層１５ａのうち、最も＋ｚ方向に突出した部分である。

稜線Ｐは、＋ｚ方向の高さ、つまりｚ＝０の平面Ｆ０からの＋ｚ方向の高さが高さｄ１である。また、被覆層１５ａのｚ軸方向の厚みは、ワッシャ本体１６の第１面１０ａのうち、被覆層１５ａが被覆する領域の＋ｚ方向の位置から稜線Ｐの＋ｚ方向の位置までの距離に相当する厚みｄ２である（厚みｄ２≪高さｄ１）。なお、厚み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、被覆層１５ａの最も薄い部分に隣接していて、稜線Ｐの位置を基準としたその深さは深さｄ３である。深さｄ３は、厚みｄ２よりも大きい（厚みｄ２≪深さｄ３）。第１テーパ部１２ａまたは第２テーパ部１４ａは油溝１３ａに隣接しているため、ワッシャ１の回転方向に応じて、少なくとも油溝１３ａからいずれかのテーパ部に向けて潤滑油が供給される。すなわち、油溝１３ａは、隣接する第１テーパ部１２ａまたは第２テーパ部１４ａに向けて潤滑油を供給する。

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

また、第１テーパ部１２ａと第２テーパ部１４ａとは、稜線Ｐおよび軸Ｏを含む平面を鏡面として鏡像対称である。すなわち、稜線Ｐおよび軸Ｏを含む平面を鏡面としたときに、第１テーパ部１２ａと第２テーパ部１４ａとは互いに鏡像となる。

この構成により、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、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。

厚みｄ２は、０．０４ｍｍ以下であることが望ましく、０．０１ｍｍ程度（例えば０．００５ｍｍ以上０．０１５ｍｍ未満）であることが最も望ましい。

被覆層１５は、樹脂を含むため相手部材からのスラスト荷重を受けて弾性変形し易く、また、相手部材との摺動により稜線Ｐがなじんで消失し易い。図４は、摺動による被覆層１５ａの変形を説明するための概略図である。第１面１０ａには、第１テーパ部１２ａと第２テーパ部１４ａとを有する被覆層１５ａがコーティングされている。第１面１０ａの側には相手部材８ａが配置されており、相手部材８ａはワッシャ１と第１面１０ａで摺動する。ワッシャ１の使用を開始した時点では、図４（ａ）に示す通り、相手部材８ａに最も近い位置に被覆層１５ａの稜線Ｐがある。そのため、稜線Ｐは、相手部材８ａから図４（ａ）に矢印で示した−ｚ方向のスラスト荷重や、周方向のせん断応力を受ける。

稜線Ｐが−ｚ方向のスラスト荷重や周方向のせん断応力を受けると、摩耗や摩擦熱などの影響によってこの稜線Ｐが相手部材８ａに「なじみ」、消失するとともに第１面１０ａに沿ったランド部１１ａが形成される。形成されたこのランド部１１ａは、＋θ側の稜線Ｐ１で第１テーパ部１２ａと隣接し、−θ側の稜線Ｐ２で第２テーパ部１４ａと隣接する。また、このランド部１１ａにおける被覆層１５ａの厚みは稜線Ｐが存在したときの被覆層１５ａの厚みｄ２よりも小さい厚みｄ２０である（ｄ２０＜ｄ２）。

このように、ワッシャ１の被覆層１５が相手部材となじむことにより、被覆層１５は傾斜角度の異なる２つのテーパ部の境界にワッシャ本体の端面に沿ったランド部が形成されて、図４（ｂ）に示すように「テーパ／ランド構造」になるため、例えば相手部材８ａと第１テーパ部１２ａとの隙間に誘導された潤滑油は、くさび効果で発生した油膜圧力をランド部が支えるため、油膜圧力が増大する。

図３に戻り、第２面１０ｂの構成について説明する。第２面１０ｂにも、第１テーパ部１２ｂ、第２テーパ部１４ｂ、および油溝１３ｂが設けられている。第１テーパ部１２ｂ、第２テーパ部１４ｂ、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、第１テーパ部１２ａ、第２テーパ部１４ａ、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、周方向の一方側に沿って進むほど＋ｚ軸方向の高さが減少するように傾斜する第１テーパ部１２ａと、周方向の他方側に沿って進むほど＋ｚ軸方向の高さが減少するように傾斜する第２テーパ部１４ａと、これら２つのテーパ部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、周方向の一方側に沿って進むほど−ｚ軸方向の高さが減少するように傾斜する第１テーパ部１２ｂと、周方向の他方側に沿って進むほど−ｚ軸方向の高さが減少するように傾斜する第２テーパ部１４ｂと、これら２つのテーパ部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。

一方、被覆層１５ａと被覆層１５ｂとは周方向において異なる位相で設けられている。例えば、図３に示す被覆層１５ａは、３０度や１５０度に稜線Ｐが配置されるように設けられているが、被覆層１５ｂは、９０度に稜線Ｐが配置されるように設けられている。したがって、被覆層１５ａと被覆層１５ｂとは周方向において６０度の位相差がある。切欠部１９は、ワッシャ１の内周面１７において、３つの被覆層１５ａおよび３つの被覆層１５ｂの稜線Ｐに相当する合計６箇所にそれぞれ重ねて設けられている。

この構成において、ワッシャ１に相手部材からｚ軸方向の荷重がかかると、上述した第１面１０ａの構成と第２面１０ｂの構成との位相差により、ワッシャ１は弾性変形する。

特に、図３に示す被覆層１５ａは、第２面１０ｂに油溝１３ｂが設けられた周方向の位置に稜線Ｐを有し、被覆層１５ｂは、第１面１０ａに油溝１３ａが設けられた周方向の位置に稜線Ｐを有する。＋ｚ方向で摺動する相手部材からスラスト荷重を受ける稜線Ｐの被覆層１５ａにおける周方向の位置は、反対側の端面である第２面１０ｂのうち−ｚ方向で摺動する相手部材から最も遠い油溝１３ｂのある位置であるから、被覆層１５ａが受ける−ｚ方向のスラスト荷重は、正反対の抗力を第２面１０ｂから受けておらず、ワッシャ１の弾性変形に寄与し易い。

ワッシャ１が弾性変形すると、被覆層１５ａおよび被覆層１５ｂの軸方向の高さが低くなり、それぞれのテーパ部の軸方向の高低差が縮まるので、相手部材とテーパ部との隙間が狭くなり、この隙間に潤滑油が誘導されることで生じる「くさび効果」が増大する。

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、被覆層１５ａは油溝１３ａ以外の領域の全部を覆っていたが、一部を覆っていてもよい。例えば、ワッシャ１は、油溝１３ａと第１テーパ部１２ａとの間や、油溝１３ａと第２テーパ部１４ａとの間に、被覆層１５ａが被覆されていない部分を有していてもよい。また、被覆層１５ａは、油溝１３ａも含めて第１面１０ａの全体を覆ってもよい。

この構成であっても、テーパ部は、周方向に傾斜しているため、テーパ部と相手部材との成す角は比較的鋭角であり、テーパ部の表面を流れる潤滑油がこの傾斜に沿って相手部材との隙間が狭くなる方に誘導されて、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、周方向の一方側に沿って進むほど＋ｚ軸方向の高さが減少するように傾斜する第１テーパ部１２ａと、周方向の他方側に沿って進むほど＋ｚ軸方向の高さが減少するように傾斜する第２テーパ部１４ａと、これら２つのテーパ部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には油溝１３ａが、第２面１０ｂには油溝１３ｂがそれぞれ設けられていたが、油溝はいずれか一方の端面にだけ設けられていてもよい。また、油溝は、いずれの端面にも設けられなくてよい。

また、上述したテーパ部は、被覆層１５がコーティングされることによって、いずれか一方の端面にだけ設けられていてもよい。この場合、ワッシャ１は、テーパ部が設けられている側の端面だけで相手部材と摺動してもよい。

２−４．変形例４
上述した実施形態において、第１テーパ部１２ａと第２テーパ部１４ａとは、稜線Ｐおよび軸Ｏを含む平面を鏡面として鏡像対称であったが、非対称であってもよい。例えば相手部材の回転方向が一方向に限定されている場合、潤滑油が誘導される方のテーパ部が、誘導されない側のテーパ部に比べて、軸Ｏに垂直な面に対する角度が浅いように設計されていればよい。

２−５．変形例５
上述した実施形態において、第１面１０ａに設けられた被覆層１５ａは、第２面１０ｂに設けられた被覆層１５ｂと、周方向におけるランド部１１ａ、ランド部１１ｂの位置が異なっていたが、これらの位置が同じであってもよい。

２−６．変形例６
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つのランド部１１ａおよび３つのランド部１１ｂに相当する合計６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。また、油溝１３ａやテーパ部１２ａなどに、軸Ｏに沿った方向の孔が設けられていてもよい。これらの孔は、潤滑油を通す孔であるため、潤滑油は第１面１０ａと第２面１０ｂとを行き来する。

２−７．変形例７
上述した実施形態において、第１面１０ａのうち油溝１３ａを除く、軸Ｏに垂直な平面には、被覆層１５ａがコーティングされていたが、被覆層１５ａが被覆するワッシャ本体１６の端面は、軸Ｏに垂直な平面に限られない。被覆層１５ａがコーティングされる第１面１０ａには、例えば、軸Ｏに垂直な平面に対して傾斜した斜面を有していてもよい。

図５は、変形例７における被覆層１５ａの被覆されたワッシャ本体１６の領域を示す図である。ワッシャ本体１６の＋ｚ方向の端面には、周方向の一方側（図５で位相θの増加する側）に沿って進むほど＋ｚ方向の高さが減少するように傾斜する第１斜面１０２ａと、周方向の他方側（図５で位相θの減少する側）に沿って進むほど＋ｚ方向の高さが減少するように傾斜する第２斜面１０４ａと、が設けられている。

図５（ａ）に示す通り、被覆層１５ａは、第１斜面１０２ａを被覆する部分により第１テーパ部１２ａを形成し、第２斜面１０４ａを被覆する部分により第２テーパ部１４ａを形成する。そして、第１テーパ部１２ａと第２テーパ部１４ａとの境界には、径方向に沿った稜線Ｐが形成される。

この場合であっても、相手部材８ａと摺動することによって被覆層１５ａがなじむと、稜線Ｐが消失するとともに、新たにランド部１１ａが形成される。ランド部１１ａとその周方向の両側に残存する第１テーパ部１２ａおよび第２テーパ部１４ａは、ワッシャ１に正逆両方向の回転に対して、いずれもくさび効果を発生させる「テーパ／ランド構造」を構成するため、上述した通り、潤滑油による油膜圧力が増大する。

１…ワッシャ、
１０ａ…第１面
１０ｂ…第２面
１１ａ、１１ｂ…ランド部
１２ａ、１２ｂ…第１テーパ部
１３ａ、１３ｂ…油溝
１４ａ、１４ｂ…第２テーパ部
１５ａ、１５ｂ…被覆層
１６…ワッシャ本体
１７…内周面
１８…外周面
１９…切欠部
８ａ…相手部材
Ｏ…軸
Ｐ…稜線

Claims (2)

1. 環状に形成され、軸方向両側の端面でそれぞれ他の部材と摺動するワッシャ本体と、
   前記端面をそれぞれ被覆する、樹脂が含まれた被覆層と、を有し、
   前記被覆層は、
   周方向の一方側に沿って進むほど前記軸方向の高さが減少するように傾斜する第１テーパ部と、
   該周方向の他方側に沿って進むほど前記軸方向の高さが減少するように傾斜する第２テーパ部と、
   互いに隣接する前記第１テーパ部と前記第２テーパ部との境界に、前記ワッシャ本体の径方向に沿った稜線と、
   互いに隣接しない前記第１テーパ部と前記第２テーパ部との間に、該第１テーパ部または該第２テーパ部に向けて潤滑油を供給する油溝と、を有し、
   前記各端面のうち一方の端面に設けられた前記被覆層は、他方の端面に油溝が設けられた前記周方向の位置に前記稜線を有する
   ことを特徴とするワッシャ。
2. 環状に形成され、軸方向両側の端面でそれぞれ他の部材と摺動するワッシャ本体と、
   前記端面をそれぞれ被覆する、樹脂が含まれた被覆層と、を有し、
   前記端面は、周方向の一方側に沿って進むほど前記軸方向の高さが減少するように傾斜する第１斜面と、該周方向の他方側に沿って進むほど前記軸方向の高さが減少するように傾斜する第２斜面と、を有し、
   前記被覆層は、
   前記第１斜面を被覆する第１テーパ部と、
   前記第２斜面を被覆する第２テーパ部と、
   互いに隣接する前記第１テーパ部と前記第２テーパ部との境界に、前記ワッシャ本体の径方向に沿った稜線と、
   互いに隣接しない前記第１テーパ部と前記第２テーパ部との間に、該第１テーパ部または該第２テーパ部に向けて潤滑油を供給する油溝と、を有し、
   前記各端面のうち一方の端面に設けられた前記被覆層は、他方の端面に油溝が設けられた前記周方向の位置に前記稜線を有する
   ことを特徴とするワッシャ。

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