JP7202150B2 - 軸受部材、ハウジング及びこれらを用いた軸受装置 - Google Patents

Description

本発明は、軸受部材、ハウジング及びこれらを用いた軸受装置に関する。

近年、発動機は、燃費の更なる向上のために軽量化が求められている。そのため、発動機のハウジングをはじめとする各構造体は、軽量化にともなって剛性が低下する傾向にある。その結果、発動機のハウジングは、運転時における変形が大きくなる傾向にある。このような発動機の場合、軸受部材はハウジングによって保持されている。そのため、運転時においてハウジングや軸受部材の変形が大きくなると、軸受部材の外周面とハウジングの内周面との間に微小な相対滑り振動が発生し、フレッチング損傷を招くという問題がある。

そこで、軸受部材の外周面又はハウジングの内周面に微小な粗面部を形成することが知られている（特許文献１参照）。これにより、粗面部を形成する凸状部分は、摺動部材をハウジングへ組み付けたとき、ハウジングによる締め付けによって変形する。この粗面部の変形によって、軸受部材の外周面とハウジングの内周面とが接触する面積は拡大する。その結果、ハウジングと軸受部材との間の微小な相対滑り振動が低減され、フレッチング損傷が低減される。

しかしながら、特許文献１のように微小な粗面部を形成した場合、粗面部の凸状部分のうち組み付け時に変形しなかった凸状部分は、発動機の運転中に変形する。この凸状部分の変形によって、軸受部材の外径は減少する。軸受部材の外径が減少すると、ハウジングと軸受部材との間には微小な滑りの原因となる隙間が生じる。この隙間によって、ハウジングと軸受部材との間に微小な相対滑り振動が生じ、フレッチング損傷が進行するという問題がある。

特開平１０－１５９８５３号公報

そこで、軸受部材の外径の変化を低減し、微小な相対滑り振動によるフレッチング損傷を低減する軸受部材、ハウジング及びこれらを用いた軸受装置を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本実施形態では、一体の円筒状又は周方向へ分割された円弧筒状に形成され、外周側のハウジングに組み付けられる軸受部材は、前記ハウジングの内周面に対向する側に設けられている外周面を備える。前記外周面の表面粗さの最大高さＲｚ（μｍ）は、２．００μｍ≦Ｒｚ≦４．００μｍである。また、前記表面粗さの負荷曲線におけるパラメータである突出山部平均高さＲｐｋ（μｍ）と負荷長さ率Ｍｒ１（％）との比の値は、０．０１０≦Ｒｐｋ／Ｍｒ１≦０．１００である。

外周面の表面粗さの最大高さＲｚ（μｍ）をこのように設定することにより、粗面状の軸受部材の外周面は、凹凸の谷から山までの距離が小さくなる。そのため、粗面状の外周面の凸状部分は組み付け時にほぼ変形する。これにより、運転時に摩耗及び変形する部分は少なくなり、運転時における外周面の形状の変化は小さくなる。その結果、運転時における軸受部材の外径の変化が低減され、微小な相対滑り振動の原因となる隙間の形成が抑えられる。したがって、ハウジングと軸受部材との間の微小な相対滑り振動が低減され、フレッチング損傷を低減することができる。

また、表面粗さの負荷曲線におけるパラメータである突出山部平均高さＲｐｋ（μｍ）と負荷長さ率Ｍｒ１（％）との比の値を上述のように設定することにより、外周面を形成する凸状部分の先端は平坦に近づく。そのため、ハウジングと軸受部材との接触面積は拡大する。その結果、軸受部材とハウジングとの摩擦力が増大し、軸受部材とハウジングとの間の微小な相対滑り振動が低減され、フレッチング損傷を低減することができる。

また、本実施形態では、前記外周面の負荷曲線におけるパラメータである突出谷部平均深さＲｖｋ（μｍ）は、０．２０μｍ≦Ｒｖｋ≦１．００μｍであることが好ましい。
外周面の負荷曲線におけるパラメータである突出谷部平均深さＲｖｋ（μｍ）をこのように設定することにより、粗面状の外周面は、凹状部分における深さが確保される。これにより、締め付け時や運転時などに軸受部材やハウジングから生じる摩耗粉は、この凹状部分への排出が促される。したがって、軸受部材の外周面とハウジングの内周面とが対向する隙間における摩耗粉の堆積を低減することができる。

本実施形態では、軸受の外周面に代え、ハウジングの内周面について、表面粗さを上記のように設定してもよい。

本実施形態では、軸受装置は、前記軸受部材又は前記ハウジングの少なくともいずれか一方を備える。これにより、ハウジングと軸受部材との間の微小な相対滑り振動が低減され、フレッチングによる損傷を低減することができる。

一実施形態による軸受部材を適用した軸受装置を示す概略図 図１に示す軸受装置の組み付けを示す概略図 一実施形態における軸受部材において、要部を拡大した模式図 一実施形態における軸受部材の試験条件を示す概略図 一実施形態における軸受部材の評価を示す概略図 一実施形態における軸受部材の実施例及び比較例の試験結果を示す概略図

以下、一実施形態を図面に基づいて説明する。
まず、本実施形態の軸受装置を適用した発動機について説明する。本実施形態の場合、軸受装置は、発動機として例えばディーゼルエンジン又はガソリンエンジンに適用される。
図１及び図２に示すように、軸受装置１０は、ハウジング１１と軸受部材１２とを備えている。本実施形態の場合、ハウジング１１は、コンロッド１３の一部分である。コンロッド１３は、その長手方向においてハウジング１１と反対側の端部が図示しないピストンに接続している。ハウジング１１は、互いに分離可能な上側ハウジング２１及び下側ハウジング２２を有している。下側ハウジング２２は、上側ハウジング２１との間に軸受部材１２を収容する。軸受部材１２は、この上側ハウジング２１と下側ハウジング２２との間に収容される。軸受部材１２は、一体の円筒状、又は周方向へ分割された円弧筒状に形成されている。図１及び図２に示す例の場合、軸受部材１２は、二つに分割され、それぞれ半円筒状の半割軸受である上側部材３１及び下側部材３２を有している。

２つに分割された軸受部材１２は、上側ハウジング２１と下側ハウジング２２との間に収容される。図２に示すように分離している上側ハウジング２１と下側ハウジング２２とは、例えばボルト４１などの締結部材によって図１に示すように一体に組み付けられる。下側ハウジング２２を貫くボルト４１を上側ハウジング２１へねじ込むことにより、上側ハウジング２１と下側ハウジング２２とは、一体に接続されるとともに、分割された軸受部材１２を内側に保持する。軸受部材１２は、その外周の長さがハウジング１１の内周の長さよりもわずかに大きく設定されている。そのため、上側ハウジング２１と下側ハウジング２２とをボルト４１で締め付けることにより、軸受部材１２は圧縮応力を受ける。これにより、軸受部材１２は、ハウジング１１に固く固定される。

この軸受部材１２を含む軸受装置１０について詳細に説明する。
本実施形態の場合、上側ハウジング２１及び下側ハウジング２２によって構成されるハウジング１１は、径方向内側に軸受部材１２と接するハウジング内周面５１を有している。また、上側部材３１及び下側部材３２によって構成される軸受部材１２は、径方向外側にハウジング１１と接する軸受外周面５２を有している。これらハウジング内周面５１又は軸受外周面５２の少なくともいずれか一方は、粗面処理が施されている。すなわち、ハウジング内周面５１又は軸受外周面５２の少なくともいずれか一方は、表面に凹凸を有する粗面状である。本実施形態の場合、粗面処理は、軸受部材１２の軸受外周面５２に施されている。

図３に示すように本実施形態の軸受外周面５２は、表面粗さとして次のように設定している。すなわち、軸受外周面５２の表面粗さは、最大高さＲｚ（μｍ）を２．００μｍ≦Ｒｚ≦４．００μｍに設定している。また、軸受外周面５２において負荷曲線におけるパラメータである突出山部平均高さＲｐｋ（μｍ）と負荷長さ率Ｍｒ１（％）との比の値Ｒｐｋ／Ｍｒ１は、０．０１０≦Ｒｐｋ／Ｍｒ１≦０．１００に設定している。この比の値Ｒｐｋ／Ｍｒ１は、負荷曲線における突出山部平均高さＲｐｋを負荷長さ率Ｍｒ１で除したパラメータであり、粗面状の軸受外周面５２における表面の形状を示す指標となる。比の値Ｒｐｋ／Ｍｒ１が上記の設定した範囲、つまり０．０１０≦Ｒｐｋ／Ｍｒ１≦０．１００にあるとき、粗面状の軸受外周面５２における凸状部分の先端が平面に近い鈍角となる。換言すると、比の値Ｒｐｋ／Ｍｒ１が０．０１０≦Ｒｐｋ／Ｍｒ１≦０．１００であるとき、粗面状の軸受外周面５２は凹凸があるものの凸状部分の先端が平坦に近い状態にあるといえる。

表面粗さの最大高さＲｚを２．００μｍ≦Ｒｚ≦４．００μｍと設定することにより、粗面状の軸受外周面５２における凹凸は小さくなる。そのため、ハウジング１１に組み付けられる際にハウジング１１から軸受部材１２に力が加わると、軸受外周面５２は凸状部分の大部分が変形する。これにより、発動機の運転時に振動が加わっても、粗面状の軸受外周面５２における凹凸の微小な変形は低減される。軸受外周面５２の微小な変形が低減されることにより、軸受部材１２の外径の変化は小さくなる。その結果、微小な相対滑り振動の原因となるハウジング１１と軸受部材１２との間の微小な隙間の形成が回避される。したがって、ハウジング１１と軸受部材１２との間の微小な相対滑り振動が低減され、フレッチング損傷が低減される。

上述のように比の値Ｒｐｋ／Ｍｒ１を０．０１０≦Ｒｐｋ／Ｍｒ１≦０．１００と設定することにより、粗面状の軸受外周面５２における凸状部分の先端が平坦に近くなる。これにより、ハウジング１１と軸受部材１２とを組み付けたとき、ハウジング内周面５１と軸受外周面５２との接触面積は確保されやすくなる。すなわち、軸受外周面５２の凸状部分の先端が平坦に近くなることにより、軸受外周面５２は先端が鋭利な場合に比較してハウジング内周面５１との接触面積が拡大する。その結果、組み付けられたハウジング１１と軸受部材１２との摩擦力が増大し、ハウジング１１と軸受部材１２との間の微小な相対滑り振動が低減される。したがって、フレッチング損傷をより低減することができる。

本実施形態の場合、軸受外周面５２において負荷曲線におけるパラメータである突出谷部平均深さＲｖｋ（μｍ）は、０．２０μｍ≦Ｒｖｋ≦１．００μｍに設定している。ハウジング１１に軸受部材１２を組み付けるとき、ハウジング１１と軸受部材１２との接触部分からは摩耗等にともなう微細な摩耗粉が生じる。また、発動機の運転時においても、ハウジング１１と軸受部材１２との接触部分からは微細な摩耗粉が生じることがある。この生じた摩耗粉がハウジング１１と軸受部材１２との間に堆積すると、ハウジング１１及び軸受部材１２の不要な損傷や摩耗の原因となる。本実施形態のように突出谷部平均深さＲｖｋを０．２０μｍ≦Ｒｖｋ≦１．００μｍと設定することにより、粗面状の軸受外周面５２は凹状部分において十分な空間が確保される。これにより、ハウジング１１と軸受部材１２との接触部分から生じた摩耗粉は、粗面状の軸受外周面５２の凹状部分への排出が促される。その結果、発動機の運転時において摩耗粉を原因とするハウジング１１及び軸受部材１２の間の微小な相対的な滑り振動が低減され、フレッチング損傷が低減される。

次に、上記の構成による軸受装置１０に用いる軸受部材１２の製造方法について説明する。
軸受部材１２は、例えばＡｌ、Ｃｕ又はこれらの合金からなる軸受合金層と鋼の裏金層とを接合することにより形成される。形成された軸受部材１２は、図示しない軸部材側の内周面に、例えばＰｂ、Ｓｎ、Ｂｉ又はこれらの合金からなるめっき層を形成してもよい。これら軸受合金層と裏金層とからなる軸受部材１２は、ハウジング１１のハウジング内周面５１に対向する軸受外周面５２に粗面処理が施される。すなわち、裏金層を備える軸受部材１２の場合、裏金層の外周面に粗面処理が施される。

軸受外周面５２の粗面処理の方法としては、例えば研磨、切削、ショットピーニング、レーザーやキャビテーションによるショットレスピーニング等が挙げられる。粗面状の軸受外周面５２における比の値Ｒｐｋ／Ｍｒ１は、例えば研磨や切削等を用いて制御される。また、粗面状の軸受外周面５２における表面粗さの最大高さＲｚ及び突出谷部平均深さＲｖｋは、例えばショットピーニング、レーザーやキャビテーションによるショットレスピーニング等によって制御される。ショットピーニングは、ショット材として、例えば金属系の材料である鋼、ステンレス、Ｚｎ、Ａｌ、セラミック系の材料であるアルミナ、炭化ケイ素、ジルコニア、その他の材料であるガラス、樹脂等を用いることができる。

（実施例）
次に、上述の軸受部材１２の実施例について説明する。
図６に示すように試料１～試料１０の軸受部材１２を、図１に示すようにコンロッド１３と一体のハウジング１１に組み付けて本実施形態の軸受装置１０を検証した。軸受部材１２は、周方向において２つに分割した半円筒形状の半割軸受である。また、本実施形態の場合、２つに分割した円筒状の軸受部材１２は、コンロッド１３の軸と垂直な位置に合わせ目を設定している。軸受部材１２の寸法は、外径を４６ｍｍ、幅を１６．５ｍｍ、肉厚を１．５ｍｍに設定した。軸受部材１２は、炭素鋼の裏金層に銅合金を軸受合金層として積層した２層構造とした。試料１～試料１０の軸受部材１２の軸受外周面５２は、研磨の後、ショットピーニングすることによって、それぞれ所定の表面粗さとした。コンロッド１３は、炭素鋼で形成した。軸受部材１２とこれに支持される図示しない軸部材とのオイルクリアランス量は、０．０５０ｍｍに設定した。ハウジング内周面５１の表面粗さに関するパラメータは、それぞれＲｚ＝１．６０μｍ、Ｒｐｋ／Ｍｒ１＝０．０２８、Ｒｖｋ＝０．２９μｍに設定した。試料１～試料１０の軸受部材１２の軸受外周面５２は、図６に示すように表面粗さに関するパラメータを設定した。試料１～試料１０のうち、本実施形態の条件を満たす試料１～試料６は、本実施形態の実施例品である。一方、本実施形態の条件を満たさない試料７～試料１０は、比較例品である。

軸受部材１２の耐フレッチング性は、軸受部材１２をハウジング１１に組み付けた後、この軸受部材１２の内側に図示しない軸部材を通し、軸部材にて試験機に固定し、ハウジング１１の片側に繰り返し振動荷重を加えることによって評価した。評価の条件は、図４に示す通りである。すなわち、振動荷重は３０ｋＮ、周波数は６０Ｈｚ、繰り返し回数は６×１０^６回、振動試験温度は１５０℃及び１８０℃に設定した。

耐フレッチング性は、振動試験後の軸受部材１２の軸受外周面５２の外観を観察し、その損傷度合いを対象として評価した。具体的には、２つに分割された軸受部材１２の合わせ目を０°とし、３０°～５０°の位置における軸方向の損傷を検出する。そして、検出した損傷に基づいて、図５に示す「１」～「５」の５段階の評価ランクを用いて評価した。この場合、ランクが「３」以上であるとき、フレッチングによる損傷は「なし」と判定した。

実施例品である試料１～６は、温度条件に関わらず損傷「なし」と判定された。これに対し、比較例品である試料７～１０は、温度条件に関わらず損傷「あり」と判定された。
実施例品である試料１～６は、軸受外周面５２に形成された凹凸が２．００μｍ≦Ｒｚ≦４．００μｍである。そのため、軸受外周面５２の凹凸は、ハウジング１１と軸受部材１２との組み付け時に大部分が変形し、ハウジング１１へ組み付けた後における変形が低減される。その結果、軸受部材１２の外径の変化は低減され、組み付け後におけるハウジング１１と軸受部材１２との間の微小な相対滑り振動も低減される。これにより、実施例品は、フレッチング損傷が低減されると考えられる。
これに対し、比較例品である試料１０は、ＲｚがＲｚ＞４．００μｍである。そのため、ハウジング１１と軸受部材１２との組み付け後における軸受部材１２の外径の変化が大きくなり、組み付け後におけるハウジング１１と軸受部材１２との微小な相対滑り振動が低減されないと考えられる。また、比較例品である試料７～８は、ＲｚがＲｚ＜２．００μｍである。そのため、ハウジング１１と軸受部材１２との組み付け時における軸受外周面５２の変形が小さく、組み付け後における微小な相対滑り振動の低減が図れないと考えられる。

また、実施例品である試料１～６は、いずれも比の値Ｒｐｋ／Ｍｒ１を０．０１０≦Ｒｐｋ／Ｍｒ１≦０．１００に設定している。そのため、粗面状である軸受外周面５２は、凸状部分の先端が平坦に近い形状になっている。これにより、ハウジング内周面５１と軸受外周面５２とが接触する面積は大きく、ハウジング１１と軸受部材１２との摩擦力は大きくなる。その結果、ハウジング１１と軸受部材１２との組み付け後における微小な相対滑り振動が低減されるとともに、フレッチング損傷が低減されると考えられる。
一方、比較例品である試料７及び８～１０は、いずれも比の値Ｒｐｋ／Ｍｒ１が０．０１０≦Ｒｐｋ／Ｍｒ１≦０．１００の範囲外である。そのため、ハウジング内周面５１と軸受外周面５２とが接触する面積は小さく、ハウジング１１と軸受部材１２との摩擦力は小さくなる。その結果、ハウジング１１と軸受部材１２と組み付け後における微小な相対滑り振動の低減が図れないと考えられる。

さらに、実施例品である試料１～６のうちＲｖｋを０．２０μｍ≦Ｒｖｋ≦１．００μｍに設定した試料４～６は、試料１～３と比較してより優れた評価ランクを示した。Ｒｖｋを０．２０μｍ≦Ｒｖｋ≦１．００μｍに設定した試料４～６は、軸受外周面５２の凹状部分に十分な空間が確保される。そのため、ハウジング１１と軸受部材１２との組み付け時やその後の振動によって生じた摩耗粉の排出が促される。一方、上記の条件を満たしていない試料１は、摩耗粉の排出が不十分となるおそれがあると考えられる。
ところで、試料２及び試料３のようにＲｖｋがＲｖｋ＞１．００μｍとなると、軸受外周面５２の凹状部分は過大になると考えられる。このような過大な凹状部分を有する軸受外周面５２は、ハウジング１１と軸受部材１２との組み付け後に外径の変化を招くと考えられる。

上述の実施形態では、軸受部材１２の軸受外周面５２に粗面処理を施す例について説明した。しかし、粗面処理は、軸受部材１２に限らず、ハウジング１１のハウジング内周面５１に施してもよい。また、粗面処理は、軸受部材１２の軸受内周面５２及びハウジング１１のハウジング内周面５１の双方に施してもよい。

上述の実施形態では、ハウジング１１及び軸受部材１２の裏金層を鋼で形成する例を説明した。しかし、ハウジング１１及び軸受部材１２は、例えばアルミニウム合金、銅合金、チタン合金のような炭素鋼よりも弾性係数が小さい材料を用いてもよい。また、本実施形態のハウジング内周面５１及び軸受外周面５２は、リン酸塩処理やエッチング等の化学的処理を施してもよく、Ｐｂ、Ｓｎ、Ｂｉ、Ａｇ、Ａｌ等を主体とした金属皮膜、ＤＬＣ皮膜、樹脂皮膜、或いはセラミクス皮膜を設けてもよい。

以上説明した本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の実施形態に適用可能である。

図面中、１０は軸受装置、１１はハウジング、１２は軸受部材、５１はハウジング内周面、５２は軸受外周面を示す。

Claims (5)

1. 一体の円筒状又は周方向へ分割された円弧筒状に形成され、外周側のハウジングに組み付けられる軸受部材であって、
   前記ハウジングの内周面に対向する側に設けられている外周面を備え、
   前記外周面の表面粗さの最大高さＲｚ（μｍ）は、
   ２．００μｍ≦Ｒｚ≦４．００μｍ
   であり、かつ
   前記表面粗さの負荷曲線におけるパラメータである突出山部平均高さＲｐｋ（μｍ）と負荷長さ率Ｍｒ１（％）との比の値は、
   ０．０１０≦Ｒｐｋ／Ｍｒ１≦０．１００
   である軸受部材。
2. 前記外周面の負荷曲線におけるパラメータである突出谷部平均深さＲｖｋ（μｍ）は、
   ０．２０μｍ≦Ｒｖｋ≦１．００μｍ
   である請求項１記載の軸受部材。
3. 一体又は周方向へ分割された円筒状に形成されている軸受部材を、外周側から保持するハウジングであって、
   前記軸受部材の外周面に対向する側に設けられている内周面を備え、
   前記内周面の表面粗さの最大高さＲｚ（μｍ）は、
   ２．００μｍ≦Ｒｚ≦４．００μｍ
   であり、かつ
   前記表面粗さの負荷曲線におけるパラメータである突出山部平均高さＲｐｋ（μｍ）と負荷長さ率Ｍｒ１（％）との比の値は、
   ０．０１０≦Ｒｐｋ／Ｍｒ１≦０．１００
   であるハウジング。
4. 前記内周面の負荷曲線におけるパラメータである突出谷部平均深さＲｖｋ（μｍ）は、
   ０．２０μｍ≦Ｒｖｋ≦１．００μｍ
   である請求項３記載のハウジング。
5. 請求項１若しくは２記載の軸受部材、又は請求項３若しくは４記載のハウジングを備える軸受装置。

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