JPH09229070A - 内燃機関のクランク軸受構造 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 異物埋収性を損なうことなく、耐摩耗性、耐
熱性を高められる内燃機関のクランク軸受構造を提供す
る。 【解決手段】 軸受メタル１０の軸受面側に裏金１６よ
り硬度の低い合金層１１を形成し、軸受面にクランクシ
ャフトに摺接するオーバレイ層１２を形成し、オーバレ
イ層１２を合金層１１より硬度が低い材質で形成し、軸
受面の幅方向の両端部に合金層１１が露出した合金層露
出部１３を形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、内燃機関のクランク
軸受構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】クランクシャフトを回転可能に支承する
クラン軸受は、軸受隙間に侵入する異物に対する埋収性
を確保するために硬度を低くする必要がある反面、耐摩
耗性を確保するために硬度を高めたいという要求があ
る。

【０００３】従来のクランク軸受構造として、例えば図
５に示すように、クランクシャフトを回転可能に支承す
る軸受メタル２０は、半割り形をした円筒状の裏金２６
を主体として形成され、裏金２６の軸受面には合金層２
１を介してオーバレイ層２２が形成される。

【０００４】合金層２１は、疲労強度を確保するため、
銅（Ｃｕ）と鉛（Ｐｂ）を主成分とするケルメット合金
により形成される。

【０００５】オーバレイ層２２は、クランクシャフトに
対する焼き付きを防ぐなじみ性、異物の埋収性を確保す
るために、鉛（Ｐｂ）と錫（Ｓｎ）を主成分とする鉛合
金により形成される。

【０００６】オーバレイ層２２は軸受面の全面にわたっ
て形成されている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところで、機関の高速
運転時に、軸受メタルの荷重および温度が上昇するのに
伴って、軸受メタルとジャーナル部の間に介在する潤滑
油膜が薄くなり、軸受面はその両端部で摩耗が進む傾向
がある。

【０００８】しかしながら、従来の軸受メタル２０にあ
っては、軸受面を構成するオーバレイ層２２は、硬度の
低い鉛合金によって形成されているため、高速運転時に
軸受面の両端部で摩耗が進み、軸受面が樽形状に摩耗す
る可能性がある。軸受面が樽形状に摩耗すると、同じ入
力荷重でも油膜圧力の最大値が大きくなり、軸受として
の耐疲労性が悪化する。

【０００９】オーバレイ層２２を硬度の高い材質で形成
すると、軸受面が樽形状に摩耗することを防止できる反
面、異物の埋収性が悪化し、不慮の異物の侵入に対する
信頼性が悪化するという問題点が生じる。

【００１０】さらに、硬度の低い鉛合金からなるオーバ
レイ層２２は、エッジ部のめくれ等を防止するため、そ
の両端部に形成される面取り幅が大きくなり、実質摺動
面積が小さくなるという問題点がある。

【００１１】また、鉛合金からなるオーバレイ層２２
は、クランクシャフトの鉄系の材質に比べて熱伝導率が
悪いため、軸受面の温度が上昇しやすく、耐熱性を十分
に確保することが難しい。

【００１２】この発明は、上記の問題点を解消し、異物
埋収性を損なうことなく、耐摩耗性、耐熱性を高められ
る内燃機関のクランク軸受構造を提供することを目的と
している。

【００１３】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の内燃機
関のクランク軸受構造は、ピストンの往復動をコンロッ
ドを介して回転運動に変換するクランクシャフトを備
え、機関本体にクランクシャフトを回転可能に支承する
軸受メタルを備え、軸受メタルの軸受面側に裏金より硬
度の低い合金層を形成し、軸受メタルの軸受面の中央部
に合金層より硬度が低いオーバレイ層を形成し、軸受メ
タルの軸受面の幅方向の両端部に合金層が露出する合金
層露出部を形成する。

【００１４】請求項２に記載の内燃機関のクランク軸受
構造は、請求項１に記載の発明において、オーバレイ層
の熱伝導率をクランクシャフトの熱伝導率より高くす
る。

【００１５】請求項３に記載の内燃機関のクランク軸受
構造は、請求項２に記載の発明において、前記オーバレ
イ層をアルミニウム系の合金により形成する。

【００１６】請求項４に記載の内燃機関のクランク軸受
構造は、請求項１から３のいずれか一つに記載の発明に
おいて、前記合金層をアルミニウム系の合金により形成
する。

【００１７】請求項５に記載の内燃機関のクランク軸受
構造は、請求項１から３のいずれか一つに記載の発明に
おいて、前記合金層を銅系の合金により形成する。

【００１８】請求項６に記載の内燃機関のクランク軸受
構造は、請求項１から５のいずれか一つに記載の発明に
おいて、前記合金層露出部の端部に軸受面のエッジ部を
削除した面取り部を形成し、面取り部の面取り幅を０．
３ｍｍ以下に設定する。

【００１９】

【作用】請求項１に記載の内燃機関のクランク軸受構造
において、軸受面の両端部にオーバレイ層より硬度の高
い合金層露出部が形成されているため、高速時に軸受面
の両端部で摩耗量が大きくなることが抑えられ、軸受面
が樽形状に摩耗することを防止できる。

【００２０】軸受メタルの軸受面の油膜圧力が上昇する
中央部に硬度の低いオーバレイ層が形成されているた
め、ランクシャフトに対する焼き付きを防ぐなじみ性、
異物の埋収性が確保される。

【００２１】請求項２に記載の内燃機関のクランク軸受
構造において、軸受メタルとクランクシャフトの軸受隙
間に形成される潤滑油膜は、瞬時的な荷重下で昇温、昇
圧する最小油膜部が生じ、軸受メタルに働く荷重が大き
い運転時に、最小油膜部の粘度が著しく上昇してジャー
ナル部に付与される摩擦損失を増大させる可能性があ
る。

【００２２】軸受メタルの軸受面の中央部を構成するオ
ーバレイ層は全周に渡ってクランクシャフトより熱伝導
率の高い材質により形成されているため、最小油膜部に
発生する摩擦熱が熱伝導率の低いクランクシャフトに流
入することが抑えられて、最小油膜部で発生した熱はオ
ーバレイ層に速やかに流入する。

【００２３】こうして軸受メタルの最小油膜部近傍の温
度上昇が抑えられることにより、最小油膜部の潤滑油粘
度が低下することが抑えられ、最小油膜部の油膜厚さを
確保し、最小油膜部における液膜のせん断率が著しく高
くなって摩擦損失が急増することを防止し、軸受メタル
全体の摩擦損失を減少させて、燃費および出力を改善で
きる。

【００２４】請求項３に記載の内燃機関のクランク軸受
構造において、軸受メタルのオーバレイ層をアルミニウ
ム系の合金により形成する構造のため、潤滑油膜からオ
ーバレイ層への熱伝導量を確保するとともに、異物埋収
性を十分に確保できる。

【００２５】請求項４に記載の内燃機関のクランク軸受
構造において、軸受メタルの合金層をアルミニウム系の
合金により形成する構造のため、潤滑油膜から合金層へ
の熱伝導量を確保するとともに、高速時に要求される疲
労強度並びに耐摩耗性を十分に確保することができる。

【００２６】請求項５に記載の内燃機関のクランク軸受
構造において、軸受メタルの合金層を銅系の合金により
形成する構造のため、高速時に要求される疲労強度並び
に耐摩耗性を十分に確保することができる。

【００２７】請求項６に記載の内燃機関のクランク軸受
構造において、合金層露出部の端部に軸受面のエッジ部
を削除した面取り部を形成する構造により、硬度の低い
オーバレイ層に面取り部を形成する従来の構造に比べ
て、面取り部の面取り幅を０．３ｍｍ以下に形成するこ
とが可能となり、軸受メタルの実質摺動面積を拡大する
ことができる。

【００２８】

【実施例】以下、本発明の実施例を添付図面に基づいて
説明する。

【００２９】図１に示すように、クランクシャフトを回
転可能に支承する軸受メタル１０は、半割り形をした円
筒状の裏金１６を主体として形成される。裏金１６は鋼
材により形成される。

【００３０】軸受メタル１０に回転可能に支承されるク
ランクシャフトは、鋼材または鋳鉄材により形成され
る。図示しないオイルポンプからの潤滑油が軸受メタル
１０とクランクシャフト間の軸受隙間に供給されるよう
になっている。

【００３１】図１において、１１は軸受メタル１０の裏
金１６の軸受面側に形成される合金層である。この合金
層１１は、３００μｍの厚さをもった層状に形成され、
裏金１６より硬度の低い合金層１１を介して軸受メタル
１０に懸かる荷重に耐える耐荷重性を確保する合金層１
１は、疲労強度と耐摩耗性に優れる材質として、アルミ
ニウム（Ａｌ）を主成分とし、２０％程度の錫（Ｓｎ）
を含むアルミニウム合金により形成される。なお、合金
層１１は銅（Ｃｕ）を主成分として、３０％程度の鉛
（Ｐｂ）を含むケルメット合金により形成することも考
えられる。

【００３２】軸受メタル１０のクランクシャフトに摺接
する軸受面には、合金層１１より硬度の低いオーバレイ
層１２が形成される。オーバレイ層１２は、軸受メタル
１０の全周に渡って、２０ミクロン程度の厚さで層状に
形成される。クランクシャフトに摺接する軸受面に、合
金層１１に比べて柔らかい材質でオーバレイ層１２が形
成されることにより、クランクシャフトに対する焼き付
きを防ぐなじみ性、異物の埋収性が確保される。

【００３３】本発明の要旨とするところであるが、クラ
ンクシャフトに摺接する軸受面の幅方向の両端部に合金
層１１が露出する合金層露出部１３が形成される。オー
バレイ層１２は軸受面の両端部を残して中央部に形成さ
れ、各合金層露出部１３の間に挟まれる。

【００３４】オーバレイ層１２は、合金層１１より硬度
が低く異物埋収性に優れ、かつクランクシャフトより熱
伝導率が高い材質として、アルミニウム（Ａｌ）を主成
分とし、３０〜４０％程度の錫を含むアルミニウム合金
により形成される。

【００３５】鉄（Ｆｅ）を主成分とするクランクシャフ
トの熱伝導率が５０Ｗ／ｍＫ程度であるのに対して、オ
ーバレイ層１２はアルミニウム合金により形成すること
により、その熱伝導率が１６０Ｗ／ｍＫ程度に設定され
る。

【００３６】合金層露出部１３の端部には、軸受面のエ
ッジ部を削除した面取り部１４が形成される。面取り部
１４の面取り幅は０．３ｍｍ以下に設定され、従来装置
に比べて小さくする。

【００３７】以上のように構成され、次に作用について
説明する。

【００３８】図２は、所定の運転条件で軸受メタル１０
の油膜厚さを算出した結果を示している。この算出方法
は、潤滑油の圧力依存性を考慮したＥＨＬ解析（参考資
料…第１２回内燃機関シンポジウム講演論文集、講演番
号６１）による。

【００３９】図３は、実際に機関を運転し、軸受メタル
１０の軸受面の摩耗量を計測した実験結果を示してい
る。

【００４０】図２および図３に示す結果から、軸受メタ
ル１０の軸受面は、周方向について油膜が著しく薄くな
る部位が生じ、その両端部における摩耗量が大きくなる
ことがわかる。

【００４１】このため、軸受面の全面を硬度の低い鉛合
金からなるオーバレイ層により形成した従来装置は、高
速時に軸受面の両端部で摩耗量が大きくなり、軸受面が
樽形状に摩耗しやすい。

【００４２】本発明において、軸受メタル１０の軸受面
は、硬度の低いオーバレイ層１２の両側部に硬度の高い
合金層露出部１３が帯状に形成されているため、軸受面
の両端部で摩耗量が大きくなることが抑えられ、軸受面
が樽形状に摩耗することを防止できる。

【００４３】図４は、所定の運転条件で軸受メタルに支
承されるジャーナル部の形状を樽状のものと、直円柱状
のものとで、軸受メタルの油膜圧力の分布を上記ＥＨＬ
解析方法により算出した結果を示している。樽状のもの
は、直円柱状のものに比べて、油膜圧力の最大値が大き
くなることがわかる。

【００４４】この解析結果から、軸受面の中央部の油膜
中の粘度は、中央部に発生する圧力により上昇している
ので、軸受負荷能力（油膜形成の能力）を担っているの
は、軸受面の中央部であることがわかる。

【００４５】本発明は軸受メタル１０の軸受面の中央部
に硬度の低いオーバレイ層１２を形成しているため、油
膜圧力が低く保たれる両端部に硬度の高い合金層露出部
１４が形成されても、異物埋収性を十分に確保できる。

【００４６】また、軸受メタル１０とクランクシャフト
の軸受隙間に形成される潤滑油膜は、瞬時的な荷重下で
昇温、昇圧する最小油膜部が生じ、軸受メタル１０に働
く荷重が大きい運転時に、最小油膜部の粘度が著しく上
昇してジャーナル部に付与される摩擦損失を増大させる
可能性がある。

【００４７】軸受メタル１０の軸受面の中央部を構成す
るオーバレイ層１２は全周に渡ってクランクシャフトよ
り熱伝導率の高い材質により形成されているため、最小
油膜部に発生する摩擦熱が熱伝導率の低いクランクシャ
フトに流入することが抑えられて、最小油膜部で発生し
た熱はオーバレイ層１２に速やかに流入する。

【００４８】こうして軸受メタル１０において最小油膜
部近傍の温度上昇が抑えられることにより、最小油膜部
の潤滑油粘度が低下することが抑えられ、最小油膜部の
油膜厚さを確保し、最小油膜部における液膜のせん断率
が著しく高くなって摩擦損失が急増することを防止でき
る。

【００４９】合金層露出部１３の端部に軸受面のエッジ
部を削除した面取り部１４を形成する構造により、硬度
の低いオーバレイ層１２に面取り部を形成する従来の構
造に比べて、面取り部１４の面取り幅を０．３ｍｍ以下
に形成することが可能となり、軸受メタル１０の実質摺
動面積を拡大することができる。

【００５０】

【発明の効果】以上説明したように請求項１に記載の内
燃機関のクランク軸受構造は、軸受面の中央部にオーバ
レイ層が形成され、軸受面の幅方向の両端部に硬度の高
い合金層露出部が形成されているため、異物埋収性を確
保しつつ、高速時に軸受面の両端部で摩耗量が大きくな
ることが抑えられ、軸受面が樽形状に摩耗することを防
止できる。

【００５１】請求項２に記載の内燃機関のクランク軸受
構造は、軸受メタルの軸受面の中央部を構成するオーバ
レイ層がクランクシャフトより熱伝導率の高い材質によ
り形成されているため、最小油膜部で発生した熱はオー
バレイ層に速やかに流入し、軸受メタル全体の摩擦損失
を減少させて、燃費および出力を改善できる。

【００５２】請求項３に記載の内燃機関のクランク軸受
構造は、軸受メタルのオーバレイ層をアルミニウム系の
合金により形成する構造のため、潤滑油膜からオーバレ
イ層への熱伝導量を確保するとともに、クランクシャフ
トに対する焼き付きを防ぐなじみ性、異物埋収性を十分
に確保できる。

【００５３】請求項４に記載の内燃機関のクランク軸受
構造は、軸受メタルの合金層をアルミニウム系の合金に
より形成する構造のため、潤滑油膜から合金層への熱伝
導量を確保するとともに、高速時に要求される疲労強度
並びに耐摩耗性を十分に確保することができる。

【００５４】請求項５に記載の内燃機関のクランク軸受
構造は、軸受メタルの合金層を銅系の合金により形成す
る構造のため、高速時に要求される疲労強度並びに耐摩
耗性を十分に確保することができる。

【００５５】請求項６に記載の内燃機関のクランク軸受
構造は、合金層露出部の端部に軸受面のエッジ部を削除
した面取り部を形成する構造により、硬度の低いオーバ
レイ層に面取り部を形成する構造に比べて、面取り部の
面取り幅を０．３ｍｍ以下に形成することが可能とな
り、軸受メタルの実質摺動面積を拡大することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例を示す軸受メタルの断面図。

【図２】軸受メタルの油膜厚さを計算した結果を示す線
図。

【図３】軸受メタルの油膜圧力を測定した結果を示す線
図。

【図４】軸受メタルの油膜圧力を計算した結果を示す線
図。

【図５】従来の軸受メタルの断面図。

【符号の説明】

１０ 軸受メタル １１ 合金層 １２ オーバレイ層 １３ 合金層露出部 １４ 面取り部

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ピストンの往復動をコンロッドを介して回
   転運動に変換するクランクシャフトを備え、 機関本体にクランクシャフトを回転可能に支承する軸受
   メタルを備え、 軸受メタルの軸受面側に裏金より硬度の低い合金層を形
   成し、 軸受メタルの軸受面に合金層より硬度が低いオーバレイ
   層を形成し、 軸受メタルの軸受面の幅方向の両端部に合金層が露出す
   る合金層露出部を形成したことを特徴とする内燃機関の
   クランク軸受構造。
2. 【請求項２】オーバレイ層の熱伝導率がクランクシャフ
   トの熱伝導率より高いことを特徴とする請求項１に記載
   の内燃機関のクランク軸受構造。
3. 【請求項３】前記オーバレイ層をアルミニウム系の合金
   により形成したことを特徴とする請求項２に記載の内燃
   機関のクランク軸受構造。
4. 【請求項４】前記合金層をアルミニウム系の合金により
   形成したことを特徴とする請求項１から３のいずれか一
   つに記載の内燃機関のクランク軸受構造。
5. 【請求項５】前記合金層を銅系の合金により形成したこ
   とを特徴とする請求項１から３のいずれか一つに記載の
   内燃機関のクランク軸受構造。
6. 【請求項６】前記合金層露出部の端部に軸受面のエッジ
   部を削除した面取り部を形成し、 面取り部の面取り幅を０．３ｍｍ以下に設定したことを
   特徴とする請求項１から５のいずれか一つに記載の内燃
   機関のクランク軸受構造。