JP7204577B2 - 滑り軸受、内燃機関、及び自動車 - Google Patents

Description

本発明は、滑り軸受、内燃機関、及び自動車に関する。

２つの半割軸受を組み合わせて用いる滑り軸受が知られている。特許文献１には、下側軸受１０及び上側軸受２０を組み合わせて用いる軸受において、振動及び騒音の悪化を抑制しつつ摩擦を低減するため、下側軸受１０のオイルリリーフ量を上側軸受２０のオイルリリーフ量よりも大きくする技術が記載されている（特に段落００２９参照）。また。特許文献２には、剛性に差のあるハウジングに２つの半割軸受を組み付ける軸受において内周面の合せ面近傍に段差ができる問題に対処するため、下側軸受の合せ面近傍の肉厚を中央部よりも薄くする技術が記載されている（特に図１参照）。

特開２０１８－１５５３５５号公報 特開２０１０－１５６３７３号公報

特許文献１に記載の技術においては、上側軸受１０にオイルリリーフが設けられており、このオイルリリーフのぶんだけシャフトが移動する余地があった。シャフトの移動はエンジンの振動及び騒音の原因となる可能性がある。また、特許文献２に記載の技術は、内周面の合せ面近傍にできる段差を解消することを課題とするものであって、エンジンの振動及び騒音を低減するものではない。

これに対し本発明は、シャフトの軸心の移動を抑制するための技術を提供する。

本発明は、第１半割軸受と、第２半割軸受とを有し、前記第１半割軸受の平均クリアランスが、前記第２半割軸受の平均クリアランスよりも小さく、前記第１半割軸受の真円部が、当該第１半割軸受の軸方向から見て中心角が６０°以上の円弧に相当する長さを有する滑り軸受を提供する。

前記真円部が、前記中心角が１２０°以下の円弧に相当する長さを有してもよい。

前記真円部以外の部分が、前記真円部よりも半径の大きい円弧形状を有してもよい。

前記第２半割軸受は、前記軸方向から見て中心から合せ面に向けて徐々に肉厚が薄くなる形状を有してもよい。

前記第１半割軸受が上側半割軸受であり、前記第２半割軸受が下側半割軸受であってもよい。

前記第１半割軸受の摺動面が、相手軸の回転方向下流側において溝が形成された第１領域、及び回転方向上流側において当該溝が形成されない第２領域を有してもよい。

前記第１半割軸受が、前記摺動面から背面まで貫通する油孔を有し、
前記溝は、前記油孔に接続されてもよい。

また、本発明は、上記いずれか一項に記載の滑り軸受を用いた内燃機関を提供する。

さらに、本発明は、上記の内燃機関を有する自動車を提供する。

本発明によれば、シャフトの軸心の移動を抑制することができる。

内燃機関におけるクランクシャフト１を例示する図。 主軸受１０の構造を例示する図。 上側半割軸受１１の形状を例示する図。 下側半割軸受１２の形状を例示する図。 上側半割軸受１１の摺動面１１２の構造を例示する図。 内燃機関の運転中において軸心が移動する様子を例示する図。 溝１１２５の意義を説明する図。

図１は、内燃機関（エンジン）におけるクランクシャフト１を例示する図である。クランクシャフト１においては、主軸受１０、コンロッド軸受２０、およびクランクワッシャ３０が用いられる。主軸受１０は、シリンダブロック（図示略）のハウジング（図示略）に装着してクランクシャフト１のジャーナルを把持し、クランクシャフト１を支える滑り軸受である。コンロッド軸受２０は、コネクティングロッド２に装着してクランクシャフト１のピンを把持し、コネクティングロッド２を支える滑り軸受である。クランクワッシャ３０は、主軸受１０と組み合わせて用いられ、クランクシャフト１の軸方向の力を支える軸受である。クランクワッシャ３０は、クランクシャフト１およびシリンダブロックの軸方向の位置決めをする機能も有する。

図２は、主軸受１０の構造を例示する図である。主軸受１０は、上側（アッパ）半割軸受１１及び下側（ロア）半割軸受１２の２つの半割軸受を組み合わせたものである。上側半割軸受１１及び下側半割軸受１２は、それぞれ、第１半割軸受及び第２半割軸受の一例である。なお、「上側」及び「下側」はこれら２つの半割軸受の相対的な位置関係を示すものであり、必ずしも重力方向との関係を示すものではない。内燃機関に組付けられたときにピストン側に位置するものを「上側」、これと反対側に位置するものを「下側」という。

図２は軸方向から見た外観を示す。図２において、クランクシャフト１は時計回りに回転する。「軸方向」とは、クランクシャフト１が延びる方向をいう。「軸方向から見る」とは、クランクシャフト１の軸心又はその延長線上にある視点から見ることをいう。なおこの例において、主軸受１０は軸方向において均一な形状を有しているので、主軸受１０の幅方向の中心を通る、軸方向に垂直な断面も図２と同じ形状を有する。

上側半割軸受１１は、軸受本体１１１．摺動面１１２、背面１１３、合せ面１１４、及び合せ面１１５を有する。軸受本体１１１は、上側半割軸受１１の本体である。軸受本体１１１は、例えば、背面１１３から摺動面１１２に向かって、裏金、ライニング層、及びオーバレイ層の順で積層された積層構造を有する。裏金は、軸受本体１１１に機械的強度を与える構造であり、例えば、鋼、鋳鉄、又は樹脂で形成される。ライニング層は、滑り軸受としての機能を与える層であり、例えば、Ｃｕ系又はＡｌ系のいわゆる軸受合金で形成される。オーバレイ層は、摺動面の特性を改善するための層であり、例えば、樹脂、個体潤滑材、及び金属の少なくとも１種で形成される。なお、裏金、ライニング層、及びオーバレイ層のうち少なくとも１層は省略されてもよい。また、ここで説明した材料あくまで例示であって、上側半割軸受１１を形成する材料はこれらに限定されるものではない。

摺動面１１２は、主軸受１０の内周面であり、クランクシャフト１と摺動する面である。背面１１３は、主軸受１０の外周面であり、ハウジング（図示略）に接する面である。合せ面１１４及び合せ面１１５は、下側半割軸受１２と接する面である。

下側半割軸受１２は、軸受本体１２１、摺動面１２２、背面１２３、合せ面１２４、及び合せ面１２５を有する。軸受本体１２１は、下側半割軸受１２の本体である。摺動面１２２は、主軸受１０の内周面であり、クランクシャフト１と摺動する面である。背面１２３は、主軸受１０の外周面であり、ハウジング（図示略）に接する面である。合せ面１２４及び合せ面１２５は、上側半割軸受１１と接する面である。この例においては、合せ面１２４が合せ面１１５と、合せ面１２５が合せ面１１４と、それぞれ接する。

図３は、上側半割軸受１１の形状を例示する図である。図３は、上側半割軸受１１の軸方向の中心を通り、かつ軸方向に垂直な断面を示す。図３においてクランクシャフト１は時計回りに回転する。説明の便宜上、図３では摺動面１１２の形状を誇張して描いている。この断面において、背面１１３は中心Ｃａから半径Ｒｏの円弧を描く。この円弧の中心Ｃａ及び合せ面１１４（クランクシャフト１の回転方向上流側の合せ面）を結ぶ線分Ｌ１を基準とする角度θを用いて摺動面１１２及び背面１１３上の位置を表す。

摺動面１１２は、真円部１１２２、リリーフ部１１２１、及びリリーフ部１１２３を有する。真円部１１２２は、中心Ｃａから半径Ｒｉの円弧を描く部分をいう。ここでいう「真円」とは、摺動面（内周面）の円弧の中心が、背面（外周面）の円弧の中心と同一であることを意味する。中心Ｃａは背面１１３が描く円弧の中心であるので、軸受本体１１１のうち真円部１１２２に相当する部分は、肉厚（軸受本体１１１の径方向の厚さ）が均一である。なお真円部１１２２の肉厚は（Ｒｏ－Ｒｉ）である。リリーフ部１１２１及びリリーフ部１１２３は、真円部１１２２よりも背面１１３側に凹んだ部分、すなわち真円部１１２２よりも軸受本体１１１の肉厚が薄い部分である。この例において、リリーフ部１１２１は、真円部１１２２との境界から合せ面１１４に向かうにつれて肉厚が薄くなる（真円からの乖離が大きくなる）。同様に、リリーフ部１１２３は、真円部１１２２との境界から合せ面１１５に向かうにつれて肉厚が徐々に薄くなる。この例において、摺動面１１２のプロファイル（形状）は左右対称である。

この例において、リリーフ部１１２１及びリリーフ部１１２３は、中心Ｃａと異なる中心Ｄ１から半径Ｒｒ１の円弧を描く。なお、Ｒｒ１＞Ｒｉである。中心Ｄ１は、中心Ｃａと軸受本体１１１の周方向の中心（θ＝９０°）とを結ぶ直線上において、中心Ｃａよりも下側半割軸受１２側に位置する。すなわち、リリーフ部１１２１及びリリーフ部１１２３が描く円弧の中心は、背面１１３が描く円弧の中心Ｃａから偏心している。

一例において、リリーフ部１１２１、真円部１１２２、及びリリーフ部１１２３の円弧の長さは、その中心角が以下の長さとなるように設計される。
リリーフ部１１２１： 中心角３０°
真円部１１２２： 中心角１２０°
リリーフ部１１２３： 中心角３０°

図４は、下側半割軸受１２の形状を例示する図である。図４は、下側半割軸受１２の軸方向の中心を通り、かつ軸方向に垂直な断面を示す。図４においてクランクシャフト１は時計回りに回転する。説明の便宜上、図４では摺動面１２２の形状を誇張して描いている。この断面において、背面１２３は中心Ｃａから半径Ｒｏの円弧を描く。下側半割軸受１２における半径Ｒｏは、設計値としては、上側半割軸受１１における半径Ｒｏと同一である。この円弧の中心Ｃａ及び合せ面１２４（クランクシャフト１の回転方向上流側の合せ面）を結ぶ線分Ｌ２を基準とする角度θを用いて摺動面１２２及び背面１２３上の位置を表す。なお、上側半割軸受１１における角度表現と整合させるため、基準位置（合せ面１２４）における角度をθ＝１８０°と定義する。

摺動面１２２は、リリーフ部１２２１及びリリーフ部１２２２を有する。摺動面１２２の形状は左右対称であり、リリーフ部１１２１は１８０°≦θ≦２７０°の範囲に、リリーフ部１２２２は２７０°≦θ≦３６０°の範囲に、それぞれ形成される。リリーフ部１２２１及びリリーフ部１２２２は、摺動面１２２の中心（θ＝２７０°）を通る半径Ｒｉの仮想円弧よりも背面１２３側に凹んだ部分、すなわち軸受本体１２１の中心部よりも肉厚が薄い部分である。なお下側半割軸受１２における半径Ｒｉは、設計値としては、上側半割軸受１１における半径Ｒｉと同一である。この例において、リリーフ部１２２１は、摺動面１２２の中心から合せ面１２４に向かうにつれて肉厚が薄くなる（真円からの乖離が大きくなる）。同様に、リリーフ部１２２２は、中心から合せ面１２５に向かうにつれて肉厚が薄くなる。

この例において、リリーフ部１２２１及びリリーフ部１２２２は、中心Ｃａと異なる中心Ｄ２から半径Ｒｒ２の円弧を描く。なお、Ｒｒ２＞Ｒｉである。中心Ｄ２は、中心Ｃａと軸受本体１２１の周方向の中心（θ＝２７０°）とを結ぶ直線上において、中心Ｃａよりも上側半割軸受１１側に位置する。すなわち、リリーフ部１２２１及びリリーフ部１２２２が描く円弧の中心は、背面１２３が描く円弧の中心Ｃａから偏心している。リリーフ部１２２１及びリリーフ部１２２２は、いわゆるオイルリリーフとして当業者に知られているものである。

図５は、上側半割軸受１１の摺動面１１２の構造を例示する図である。図５は、クランクシャフト１の中心軸の位置から摺動面１１２を見た概略図である。図の左側がクランクシャフト１の回転方向上流側、右側が下流側である。摺動面１１２には、溝１１２５及び孔１１２６が形成される。孔１１２６は、ハウジングすなわち背面１１３側から供給される潤滑油を摺動面１１２に供給するための油孔である。溝１１２５は、孔１１２６から供給される潤滑油を保持し、また周方向に行き渡らせるための油溝である。溝１１２５は、孔１１２６に接続される。すなわち、溝１１２５は、孔１１２６と一部が重なる。溝１１２５は、摺動面１１２において周方向の中心Ｃｓを基準とし、上流側と下流側とで非対称である。より詳細には、下流側、すなわち中心Ｃｓから合せ面１１５までは半周すべてに渡って溝１１２５が形成されているが、上流側、すなわち中心Ｃｓから合せ面１１４までは周方向の一部のみに溝１１２５が形成されている。より詳細には、中心Ｃｓから合せ面１１４までにおいて、中心Ｃｓ寄り（すなわち下流側）の一部のみに溝１１２５が形成されている。一例において、回転方向の下流側の溝１１２５は６０°≦θ≦１８０°の範囲に形成される。溝１１２５が形成される領域が第１領域の一例である。一方で、０°≦θ＜６０°の範囲に溝１１２５は形成されない。この領域が第２領域の一例である。なお、下側半割軸受１２の摺動面１２２には、溝及び孔は形成されない。

以上をまとめると、主軸受１０においては、上側半割軸受１１と下側半割軸受１２とで摺動面のプロファイルが異なっている。すなわち摺動面のプロファイルが上下非対称である。摺動面プロファイルが上下非対称であることにより、上側半割軸受１１の平均クリアランスは、下側半割軸受１２の平均クリアランスよりも小さい。ここで、平均クリアランスとは、軸受の相手軸として想定されるシャフトが理想的な位置（シャフトの軸心が中心Ｃａと同一である位置）と仮定した場合に、軸方向に垂直な断面においてシャフトと半割軸受との間に形成される隙間の面積をいう。正確にはこの面積を軸方向に積分して得られる体積が平均クリアランスであるが、軸方向において摺動面の形状が均一である場合には、特定の断面における面積を比較すれば十分である。なお従来は、上下とも下側半割軸受１２のような摺動面の形状を有する半割軸受（上下対称）を用いることがほとんどであった。以下、主軸受１０をこのように設計した理由を説明する。

図６は、内燃機関の運転中において軸心が移動する様子を例示する図である。本願発明者らの研究によれば、ある種の内燃機関において、その運転中におけるクランクシャフト１の軸心は、主軸受１０の摺動面のプロフィール（形状）に沿って移動する（例えば、円を描くように移動する）のではなく、特定の領域（この例では下側半割軸受１２側の領域）に偏った移動をする。このような知見の下、内燃機関の振動及び騒音を低減したいという課題に対しては、軸心の移動を制限するというのが一つの解である。

このような状況の下、本願の発明者らは、上側半割軸受１１においては軸心の移動を制限するため、摺動面１１２において真円の部分をなるべく広くとるという着想に至った。しかし、摺動面１１２をすべて真円とすると、油膜圧力が形成されにくくなってしまうという問題がある。そこで本願の発明者らは、真円部に加えてリリーフ部を設ける着想に至った。本願発明者らの研究によれば、軸心の移動量を抑制する観点から、真円部１１２２の中心角は６０°以上であることが好ましい。また、適正な油膜圧力を得る観点から、真円部１１２２の中心角は１２０°以下であることが好ましい。

図７は、溝１１２５の意義を説明する図である。例えば、上側半割軸受１１と下側半割軸受１２とが軸方向に垂直な断面においてずれて取り付けられた場合、クランクシャフト１の回転方向に沿ってみると、下側半割軸受１２から上側半割軸受１１に移行する部分（図の破線丸部分）において、クランクシャフト１と摺動面とのクリアランスが急に広くなってしまう可能性がある（図６ではずれを誇張して描いてある）。本実施形態においては、特に上側半割軸受１１側において軸心の移動を抑制する趣旨であるが、下側半割軸受１２から上側半割軸受１１に移行する部分においてクリアランスが広くなると、油膜圧力が低下し、軸心の移動を抑制する効果が低下してしまうおそれがある。そこで本実施形態では、上側半割軸受１１の回転方向上流側においては、摺動面積を確保し油膜圧力の低下を抑制する目的で、溝１１２５が形成されない領域を設けている。これにより、例えば周方向の全周に渡って溝を形成する構成と比較すると、摺動面積が確保され油膜圧力の低下を抑制することが期待される。

本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、種々の変形実施が可能である。以下、変形例をいくつか説明する。以下の変形例のうち２つ以上のものが組み合わせて用いられてもよい。

上述の実施形態においては、上側半割軸受１１及び下側半割軸受１２のいずれも、いわゆるクラッシリリーフを有さない例を説明した。しかし、上側半割軸受１１及び下側半割軸受１２の少なくともいずれか一方が、シャフトの回転方向上流側及び下流側の少なくともいずれか一方の合せ面近傍においてクラッシリリーフを有してもよい。

上側半割軸受１１及び下側半割軸受１２の摺動面の形状はいずれも例示である。例えば、上側半割軸受１１におけるリリーフ部１１２１及びリリーフ部１１２３の形状は、実施形態で説明したような円弧形状に限定されない。直線を描くもの、２次曲線を描くものなど、リリーフ部１１２１及びリリーフ部１１２３の形状はどのようなものであってもよい。

上述の実施形態においては、上側半割軸受１１の摺動面１１２のプロファイルが左右対称である例を説明した。しかし、摺動面１１２のプロファイルは左右非対称であってもよい。この場合において、リリーフ部１１２１及びリリーフ部１１２３の一方が省略されてもよい。

上述の実施形態においては、上側半割軸受１１の平均クリアランスが下側半割軸受１２の平均クリアランスよりも小さい例を説明した。しかし、上側半割軸受と下側半割軸受とにおける平均クリアランスの大小関係が入れ替えられてもよい。すなわち、上側半割軸受の平均クリアランスが下側半割軸受の平均クリアランスよりも大きくてもよい。

主軸受１０の摺動面に形成される孔、溝、又は凹凸等の表面形状は、実施形態において例示されたものに限定されない。例えば、摺動面１１２は溝１１２５及び孔１１２６を有していなくてもよい。あるいは、下側半割軸受１２の摺動面１２２に、孔、溝、及び凹凸の少なくとも１種の表面形状が形成されてもよい。

本発明の滑り軸受は、自動車の内燃機関における主軸受として用いられるものに限定されない。内燃機関において主軸受以外の軸受として用いられたり、自動車において内燃機関以外の部分に用いられたり、自動車以外の装置において用いられてもよい。

１…クランクシャフト、２…コネクティングロッド、１０…主軸受、１１…上側半割軸受、１２…下側半割軸受、１２…半割軸受、２０…コンロッド軸受、３０…クランクワッシャ、１１１…軸受本体、１１２…摺動面、１１３…背面、１１４…合せ面、１１５…合せ面、１２１…軸受本体、１２２…摺動面、１２３…背面、１２４…合せ面、１２５…合せ面、１１２１…リリーフ部、１１２２…真円部、１１２３…リリーフ部、１１２５…溝、１１２６…孔、１２２１…リリーフ部、１２２２…リリーフ部

Claims (8)

1. 第１半割軸受と、
   第２半割軸受と
   を有し、
   前記第１半割軸受の、シャフトが理想的な位置にあると仮定した場合に、軸方向に垂直な断面において当該シャフトと当該第１半割軸受との間に形成される隙間であってシャフトが移動可能な部分の面積である平均クリアランスが、前記第２半割軸受の、当該シャフトが理想的な位置にあると仮定した場合に、当該断面において当該シャフトと当該第２半割軸受との間に形成される隙間であってシャフトが移動可能な部分の面積である平均クリアランスよりも小さく、
   前記第１半割軸受の内周面のうち、前記断面において周方向の中心を含む円弧部分である真円部が、当該第１半割軸受の軸方向から見て中心角が６０°以上の円弧に相当する長さを有し、
   前記真円部が、前記中心角が１２０°以下の円弧に相当する長さを有する
   ジャーナル軸受である滑り軸受。
2. 前記真円部以外の部分が、前記真円部よりも半径の大きい円弧形状を有する
   請求項１に記載の滑り軸受。
3. 前記第２半割軸受は、前記軸方向から見て中心から合せ面に向けて徐々に肉厚が薄くなる形状を有する
   請求項１又は２に記載の滑り軸受。
4. 内燃機関に組付けられたときにピストン側に位置するものを上側半割軸受、反対側に位置するものを下側半割軸受とするとき、
   前記第１半割軸受が上側半割軸受であり、前記第２半割軸受が下側半割軸受である
   請求項１乃至３のいずれか一項に記載の滑り軸受。
5. 前記第１半割軸受の摺動面が、相手軸の回転方向下流側において溝が形成された第１領域、及び回転方向上流側において当該溝が形成されない第２領域を有する
   請求項１乃至４のいずれか一項に記載の滑り軸受。
6. 前記第１半割軸受が、前記摺動面から背面まで貫通する油孔を有し、
   前記溝は、前記油孔に接続される
   請求項５に記載の滑り軸受。
7. 請求項１乃至６のいずれか一項に記載の滑り軸受を用いた内燃機関。
8. 請求項７に記載の内燃機関を有する自動車。

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