KR102367180B1 - 반할 스러스트 베어링, 스러스트 베어링, 베어링 장치 및 내연 기관 - Google Patents

반할 스러스트 베어링, 스러스트 베어링, 베어링 장치 및 내연 기관 Download PDF

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다이도 메탈 고교 가부시키가이샤
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Abstract

본 발명의 반원환 형상의 반할 스러스트 베어링은, 축선 방향력을 받기 위한 슬라이딩면과, 슬라이딩면의 반대측의 배면을 갖고, 슬라이딩면에 수지 피복층을 갖는 반할 스러스트 베어링에 있어서, 수지 피복층의 두께가, 상기 반할 스러스트 베어링의 둘레 방향 중앙부에서 최대이고, 반할 스러스트 베어링의 둘레 방향 양단부를 향하여 작아지고 있는 것을 특징으로 한다. 본 발명은 스러스트 베어링, 베어링 장치, 내연 기관에도 관한 것이다.

Description

반할 스러스트 베어링, 스러스트 베어링, 베어링 장치 및 내연 기관
본 발명은 자동차, 선박용, 일반 산업 기계 등의 내연 기관에 있어서, 특히, 크랭크 축의 축선 방향력을 받기 위한 반원환 형상의 반할 스러스트 베어링에 관한 것으로서, 특히, 축선 방향력을 받기 위한 슬라이딩면과 슬라이딩면의 반대측의 배면을 갖고, 기판 상에 피복된 수지 피복층이 슬라이딩면을 형성하는 반할 스러스트 베어링에 관련된 것이다. 또한, 본 발명은, 이 반할 스러스트 베어링을 갖는 스러스트 베어링, 및 이 스러스트 베어링을 구비한 베어링 장치, 및 이 베어링 장치를 구비한 내연 기관에도 관한 것이다.
내연 기관의 크랭크 축은, 저널부에 있어서, 한 쌍의 반할 베어링을 원통 형상으로 조합하여 구성되는 주(主) 베어링을 개재하여, 내연 기관의 실린더 블록 하부에 회전 자유롭게 지승(支承)된다. 한 쌍의 반할 베어링 중 일방(一方) 또는 양방(兩方)이, 크랭크 축의 축선 방향력을 받는 반할 스러스트 베어링과 조합하여 이용된다. 반할 스러스트 베어링은, 반할 베어링의 축선 방향 단면(端面)의 일방 또는 양방에 배치된다. 반할 스러스트 베어링은, 크랭크 축에 발생하는 축선 방향력을 받는다. 즉, 클러치에 의해서 크랭크 축과 변속기가 접속될 때 등에, 크랭크 축에 대하여 입력되는 축선 방향력을 지승하는 것을 목적으로 하여 배치된다.
반할 스러스트 베어링으로서, 강제(鋼製) 등의 백 메탈층에 얇은 베어링 합금층을 접착한 바이메탈이 이용되지만, 추가로 그 위에 수지층을 피복한 것도 주지이다(일본 공개특허 특개2013-130273호 공보 등). 저마찰로 부드럽고 탄성이 있는 수지층을 피복함으로써, 윤활성을 향상시키고, 베어링의 소착이나 마모를 억제하는 것이 가능하게 되어 있다.
최근에 엔진의 고성능화, 고기능화가 진행되고 있다. 그에 따라 축과 같은 상대 부재의 저강성화가 진행되어 베어링의 고면압화가 요구되고 있다. 이와 같은 조건은 베어링에 있어서는 엄격한 사용 환경이 되고 있다. 특히, 아이들링 스톱이나 하이브리드 차의 적용에 의해, 우수한 내(耐)소착 성능을 갖는 것이 요망되고 있다.
이와 같은 베어링에 있어서는, 운전시에, 상대 부재(예를 들면, 축 부재) 표면과 슬라이딩 부재의 슬라이딩면과의 사이에 윤활유 등의 유체 윤활막이 형성됨으로써, 상대 부재 표면과 슬라이딩 부재의 슬라이딩면과의 직접 접촉이 방지되고 있다. 종래 기술에 의한 스러스트 베어링에 부여된 수지 피복층은 균일한 층 두께로 피복이 실시되어 있지만, 유막(油膜) 압력이 부족하여 지승 능력 부족이 되고, 상기 사용 환경 하에 있어서 소착을 초래할 가능성이 있다. 소착을 방지하기 위해서는 슬라이딩면 전체에서 유막 형성이 필요하지만, 엄격한 엔진 환경에서 우수한 내소착 성능을 갖기 위해서는, 상기 종래 기술로는 불충분하다.
본 발명은, 우수한 유막 형성을 촉진함으로써 우수한 내소착 성능을 갖는 반할 스러스트 베어링, 나아가서는 스러스트 베어링을 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.
본 발명의 일 관점에 의하면, 반원환 형상을 갖고, 축선 방향력을 받기 위한 슬라이딩면과, 상기 슬라이딩면의 반대측의 배면을 갖고, 기판 상에 피복된 수지 피복층이 상기 슬라이딩면을 형성하고 있는 반할 스러스트 베어링이 제공된다. 이 반할 스러스트 베어링은, 수지 피복층의 두께가, 반할 스러스트 베어링의 둘레 방향 중앙부에서 최대이고, 반할 스러스트 베어링의 둘레 방향 양단(兩端)부를 향하여 작아지고 있는 것을 특징으로 한다.
또한, 여기서 「반원환 형상」이란, 2개의 반원에 의해 내주(內周) 및 외주(外周)가 규정된 형상이지만, 이들은 기하학적으로 엄밀하게 반원일 필요는 없다. 예를 들면, 외주면 또는 내주면의 일부가 (예를 들면, 둘레 방향 단면에서) 직경 방향으로 돌출되어 있어도 되고, 둘레 방향 단면으로부터 (예를 들면, 둘레 방향 단면 수직 방향으로) 연장부가 존재해도 된다.
본 발명의 일 구체예에 의하면, 둘레 방향 중앙부가, 원주 각도로 75°∼105°의 위치에 있는 것이 바람직하다.
본 발명의 일 구체예에 의하면, 반할 스러스트 베어링의 둘레 방향 단면을 따라서 반할 스러스트 베어링을 보았을 때, 반할 스러스트 베어링의 슬라이딩면이, 둘레 방향 중앙부에서 돌출한 볼록 형상의 윤곽을 갖고 있는 것이 바람직하다.
본 발명의 일 구체예에 의하면, 슬라이딩면의 윤곽이 곡선으로 구성되는 것이 바람직하다.
본 발명의 일 구체예에 의하면, 슬라이딩면의 윤곽이 직선으로 구성되는 것이 바람직하다.
또, 본 발명의 일 구체예에 의하면, 슬라이딩면의 윤곽이 곡선과 직선으로 구성되어 있어도 된다.
본 발명의 일 구체예에 의하면, 수지 피복층의 두께가 원주 각도에 대하여, 이하의 식으로 규정되는 것이 바람직하다.
Figure 112020046408312-pct00001
여기서, t(θ)는 원주 각도 θ에 있어서의 수지 피복층의 두께의 값이고, tmax는 수지 피복층의 두께의 최대값이고, B는 수지 피복층의 두께가 최대가 되는 원주 각도(°)의 값이고, A, C, D는 10≤C≤100, 30≤D≤95이고, A＝100－D를 만족시키는 정수이다.
본 발명의 일 구체예에 의하면, (1) 식에 의해 규정되는 수지 피복층의 두께의 원주 각도에 대한 곡선의 기울기가 최대가 되는 위치가, B 위치로부터 15°∼65° 떨어져 있는 위치에 있는 것이 바람직하고, 20°∼60° 떨어져 있는 위치에 있는 것이 더 바람직하다.
본 발명의 일 구체예에 의하면, (1) 식에 의해 규정되는 t(θ)/tmax×100의 원주 각도에 대한 곡선의 접선의 최대 기울기가, 0.10∼1.20인 것이 바람직하고, 0.15∼0.90인 것이 더 바람직하다.
본 발명의 다른 관점에 의하면, 본 발명은, 2개의 반할 스러스트 베어링으로 이루어지는 스러스트 베어링으로서, 이 2개의 반할 스러스트 베어링 중 적어도 하나가, 상기의 본 발명의 반할 스러스트 베어링인 스러스트 베어링이 제공된다.
본 발명의 일 구체예에 의하면, 반할 스러스트 베어링은, 내연 기관의 크랭크 축의 축선 방향력을 받기 위한 반할 스러스트 베어링인 것이 바람직하다.
본 발명의 또 다른 관점에 의하면, 본 발명은, 상기의 본 발명의 반할 스러스트 베어링을 구비한 베어링 장치도 제공된다.
본 발명의 또 다른 관점에 의하면, 본 발명은, 상기의 본 발명의 베어링 장치를 구비한 내연 기관도 제공된다.
본 발명의 수지 피복을 실시한 반할 스러스트 베어링은, 수지 피복층의 두께의 둘레 방향의 분포를 제어함으로써, 유막 형성을 촉진하고, 저마찰 기능을 손상시키지 않고, 내소착 성능을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 구성 및 그 대부분의 이점을, 첨부의 개략 도면을 참조하여 이하에 의해 상세하게 서술한다. 도면은, 예시의 목적에 의해, 몇 가지 비한정적인 실시예를 나타낸다.
도 1은 베어링 장치의 분해 사시도.
도 2는 베어링 장치의 단면도.
도 3은 본 발명의 반할 스러스트 베어링의 일례의 정면도.
도 4는 도 3의 반할 스러스트 베어링의 Y1 화살표에서 본 측면도.
도 5는 본 발명의 반할 스러스트 베어링의 일례를, 반경 방향 중앙부에서 둘레 방향으로 절단한 단면의 전개도.
도 6은 본 발명의 반할 스러스트 베어링의 다른 예를, 반경 방향 중앙부에서 둘레 방향으로 절단한 단면의 전개도.
도 7은 본 발명의 반할 스러스트 베어링의 또 다른 예를, 반경 방향 중앙부에서 둘레 방향으로 절단한 단면의 전개도.
도 8은 본 발명의 반할 스러스트 베어링의 또 다른 예를, 반경 방향 중앙부에서 둘레 방향으로 절단한 단면의 전개도.
도 9는 본 발명의 반할 스러스트 베어링의 또 다른 예를, 반경 방향 중앙부에서 둘레 방향으로 절단한 단면의 전개도.
먼저, 도 1 및 도 2를 이용하여 본 발명의 반할 스러스트 베어링(8)을 갖는 베어링 장치(1)의 일례의 전체 구성을 설명한다. 도 1 및 도 2에 나타내는 바와 같이, 실린더 블록(2)의 하부에 베어링 캡(3)을 장착하여 구성된 베어링 하우징(4)에는, 양 측면 사이를 관통하는 원형 구멍인 베어링 구멍(보지(保持) 구멍)(5)이 형성되어 있고, 측면에 있어서의 베어링 구멍(5)의 주연(周緣)에는 원환상 오목부인 받이 시트(6, 6)가 형성되어 있다. 베어링 구멍(5)에는, 크랭크 축의 저널부(11)를 회전 자유롭게 지승하는 반할 베어링(7, 7)이 원통 형상으로 조합되어 감합(嵌合)된다. 받이 시트(6, 6)에는, 크랭크 축의 스러스트 칼라면(12)을 개재하여 축선 방향력 f(도 2 참조)를 받는 반할 스러스트 베어링(8, 8)이 원환상으로 조합되어 감합된다. 반할 스러스트 베어링(8)은, 원환상으로 조합하지 않고, 예를 들면, 실린더 블록(2)측에만 감합되어도 된다.
다음으로, 본 발명의 반할 스러스트 베어링(8)의 일례의 정면도 및 사시도를 도 3 및 도 4에 나타낸다. 반할 스러스트 베어링(8)은, 반원환 형상의 평판에 형성된 기판(89) 상에 수지 피복층(88)을 갖고 있다. 기판(89)은, 통상, 강제의 백 메탈층에 얇은 베어링 합금층을 접착한 바이메탈에 의해서 구성되는 것이 바람직하지만, 백 메탈만의 구성, 또는 그 외의 구성이어도 된다. 반할 스러스트 베어링(8)은 축선 방향을 향한 슬라이딩면(81)(베어링면)을 구비하고, 슬라이딩면(81)은 수지 피복층으로 구성된다. 슬라이딩면(81)에는, 윤활유의 보유성(保油性)을 높이기 위하여, 둘레 방향 양단면(83, 83)의 사이에 적어도 1개의 오일 홈(81a)(도 3에서는 2개의 오일 홈을 도시하고 있음)이 형성되어 있어도 된다.
반할 스러스트 베어링(8)은 축선 방향에 수직인 기준면(84)을 획정하고 있고, 이 기준면(84) 내에, 실린더 블록(2)의 받이 시트(6)에 배치되도록 적합하게 된 실질적으로 평탄한 배면(84a)을 갖는다(도 4 참조). 배면(84a)은 기판(89)의 저면이기도 하다. 기판(89)은, 기준면(84)(배면(84a))으로부터 축선 방향 반대측의 상면(82)을 갖고, 기판의 상면에는 수지 피복층(88)이 피복되어 있다. 수지 피복층(88)의 표면은, 기준면(84)(배면(84a))으로부터 축선 방향으로 떨어져 있는 슬라이딩면(81)을 형성하고, 슬라이딩면(81)은, 크랭크 축의 스러스트 칼라면(12)을 개재하여 축선 방향력 f(도 2 참조)를 받게 되어 있다.
도 5는 반할 스러스트 베어링(8)을, 소정의 반경으로 절단한 단면을 전개한 도면이고, 도 5에 나타난 반할 스러스트 베어링(8)의 횡방향 양단부가 반할 스러스트 베어링(8)의 둘레 방향 양단면(83)(원주 각도 0°, 180°), 도 5에 나타난 반할 스러스트 베어링(8)의 횡방향 중앙이, 반할 스러스트 베어링(8)의 둘레 방향 중앙(85)(원주 각도 90°)을 나타낸다. 원주 각도는, 반할 스러스트 베어링(8)의 원환 형상의 중심을 중심으로 하는 둘레 방향 양단면(83)으로부터의 각도를 말한다. 본 명세서에서는, 크랭크 축의 슬라이딩하는 방향(도 3에 화살표 SD로 나타냄)의 후방측 단면을 0°, 슬라이딩 방향 전방측 단면을 180°로 잡는다(도 3 참조).(단, 슬라이딩 방향 전방측 단면을 0°로 잡더라도, 본 발명의 범위에는 영향은 없다.)
도 5에는 기판(89) 상의 수지 피복층(88)을 나타낸다. 수지 피복층(88)은, 수지 피복층의 두께가, 반할 스러스트 베어링의 둘레 방향 중앙부(86)에서 최대이고, 반할 스러스트 베어링의 둘레 방향 양단부(83)를 향하여 작아지고 있다. 또한, 둘레 방향 중앙부(86)는, 엄밀하게 둘레 방향 중앙(85)(원주 각도 90°)에 위치할 필요는 없고, 슬라이딩 방향으로 본 수지 피복층(88)의 두께 분포가 전체적으로 볼록 형상을 나타내면 된다. 바람직한 둘레 방향 중앙부(86)는, 원주 각도로 75°∼105°의 위치이다.
수지 피복층은, 두께의 최대값이 2∼30 ㎛ 정도, 최소값이 1∼28 ㎛ 정도가 되는 것이 바람직하다. 두께의 최대값 및 최소값이 이 범위이면, 수지 피복층의 마모에 의한 조기의 기판 노출과 열전도성의 악화를 방지할 수 있기 때문에, 보다 내소착성이 향상된다.
이와 같은 분포 형상으로 제어함으로써, 윤활유의 유막 형성이 용이해지고, 저마찰 기능을 손상시키지 않고, 내소착 성능이 향상한다. 이 기구는 이하와 같다.
수지는 탄성체이기 때문에 스트레치(신축) 작용이 일어나기 때문에, 수지 피복층의 두께가 큰 둘레 방향 중앙부를 중심으로 스트레치 작용을 발휘하여, 윤활유의 흐름 분포에 의한 유막 압력이 발생하고, 스러스트 베어링면 전체에서 우수한 유막 형성을 촉진할 수 있고, 내소착성이 향상한다.
또한, 수지 피복층(88)의 둘레 방향의 두께 분포는, 원주 각도에 대하여, 이하의 식으로 규정되는 분포를 갖는 것이 바람직하다.
Figure 112020046408312-pct00002
여기서, t(θ)는 원주 각도 θ에 있어서의 수지 피복층(88)의 두께의 값이고, tmax는 수지 피복층의 두께의 최대값이고, B는 수지 피복층의 두께가 최대가 되는 원주각(°)의 값이고, A, C, D는 10≤C≤100, 30≤D≤95이고, A＝100－D를 만족시키는 정수이다.
(1) 식에 의해 규정되는 수지 피복층(88)의 두께의 원주 각도에 대한 곡선의 접선의 기울기가 최대가 되는 위치가, B 위치(둘레 방향 중앙부(86))로부터 15°∼65° 떨어져 있는 위치에 있는 것이 바람직하고, B 위치로부터 20°∼60° 떨어져 있는 위치에 있는 것이 더 바람직하다. 또, (1) 식에 의해 규정되는 t(θ)/tmax×100의 원주 각도에 대한 곡선의 접선의 최대 기울기가 0.10∼1.20인 것이 바람직하고, 접선의 최대 기울기가 0.15∼0.90인 것이 더 바람직하다. 이들 조건을 만족시킴으로써, 유막 형성이 더 용이해지고, 내소착 성능이 더 향상된다.
이 수지 피복층(88)의 둘레 방향 두께 분포는, 어느 직경 방향 위치에 있어서도 성립하는 것이 바람직하다. 그러나, 직경 방향 중앙의 반경 위치에서, 이 두께 분포가 성립되어 있으면 된다. 이 경우이더라도 유막 형성은 용이해진다. 또한, 수지 피복층(88)의 둘레 방향 두께 분포가 어느 직경 방향 위치에 있어서도 성립하는 경우이더라도, 둘레 방향 중앙부(86)의 원주 각도가 일치할 필요가 없다. 단, 어느 직경 방향 위치에 있어서도, 둘레 방향 중앙부(86)의 원주 각도가 75°∼105°인 것이 바람직하다.
상기의 수지 피복층(88)의 둘레 방향 두께 분포는, 전체적인 분포이고, 국소적으로 보면 작은 요철은 존재하는데, 이와 같은 국소적 요철은 존재해도 된다.
반할 스러스트 베어링(8)의 기판(89)의 상면(82)은, 도 5에 나타내는 바와 같이 평탄면인 것이 바람직하다. 이 경우, 수지 피복층(88)의 두께 분포가 슬라이딩면(81)의 윤곽 형상이 된다. 이 경우, 슬라이딩면(81)의 윤곽 형상의 둘레 방향 중앙부와 원주 방향 단부와의 고저차는 1∼17 ㎛ 정도가 바람직하다.
그러나, 기판(89)의 상면(82)은 평탄면이 아니어도 된다. 예를 들면, 도 6에 나타내는 바와 같이 둘레 방향 중앙부가 높아진 것이나, 또는 도 8, 도 9와 같은 둘레 방향의 중앙을 향하여 낮아져도 되고, 그 외의 형상이어도 된다. 이 경우, 슬라이딩면(81)의 윤곽 형상은, 중앙이 높아져도 되고(도 6), 평탄해도 되고(도 8), 중앙이 낮아져도 되고(도 9), 그 외의 형상이어도 된다.
또한, 어느 형상이더라도, 스러스트 릴리프(87)가 형성되어도 된다(도 7). 스러스트 릴리프(87)는, 슬라이딩면(81)측의 둘레 방향 양단면에 인접하는 영역에, 벽 두께가 단면을 향하여 서서히 얇아지도록 형성되는 벽 두께 감소 영역이고, 반할 스러스트 베어링(8)의 둘레 방향 단면의 직경 방향 전장(全長)에 걸쳐서 연장되어 있다. 스러스트 릴리프(87)는, 반할 스러스트 베어링(8)을 분할형의 베어링 하우징(4) 내에 조립하였을 때의 위치 어긋남 등에 기인하는, 한 쌍의 반할 스러스트 베어링(8, 8)의 둘레 방향 단면(83, 83)끼리의 위치 어긋남을 완화하기 위하여 형성된다.
또한, 본 발명의 반할 스러스트 베어링(8)은, 기준면(84)으로부터 슬라이딩면(81)까지의 축선 방향 거리가, 반할 스러스트 베어링(8)의 어느 직경 방향 위치에 있어서도, 반할 스러스트 베어링(8)의 둘레 방향 중앙부(86)에서 최대이고, 반할 스러스트 베어링의 둘레 방향 양단부(83)를 향하여 작아지도록 형성되는 것이 바람직하다. 즉, 반할 스러스트 베어링(8)의 둘레 방향을 따라서 반할 스러스트 베어링(8)을 보았을 때, 반할 스러스트 베어링(8)의 슬라이딩면(81)이, 둘레 방향 중앙부에서 돌출한 볼록 형상의 윤곽을 갖고 있는 것이 바람직하고, 이 슬라이딩면(81)의 윤곽이 곡선으로 구성되어도 되고, 직선으로 구성되어도 된다.
반할 스러스트 베어링(8)의 기판(89)의 상면(82)이 평탄면인 경우에는, 이 슬라이딩면(81)의 윤곽은, 수지 피복층(88)의 두께 분포에 의해 결정되고, 수지 피복층(88)의 최대 두께인 곳에서 슬라이딩면(81)이 돌출되어 있게 된다. 내연 기관의 작동시에, 윤곽이 둘레 방향 중앙부에서 돌출되어 있는 것에 의해서, 상대 축재의 회전 운동에 따라서, 둘레 방향 중앙부를 중심으로 하는 웨지 막 작용에 의한 유막 압력이 발생한다. 또한, 상기에 설명한 수지 피복층에 의한 스트레치 작용에 의한 유막 압력의 발생과 더불어, 스러스트 베어링면 전체에서 우수한 유막 형성을 촉진할 수 있고, 내소착성이 향상됨과 함께 마모가 억제된다. 가령 접촉하였다고 하더라도, 반할 스러스트 베어링(8)은 수지 피복층에 의해서 피복된 것이므로, 저마찰 기능을 손상시키지 않는다.
반할 스러스트 베어링(8)의 기판(89)의 상면(82)이 평탄면이 아니고, 슬라이딩면(81)의 윤곽의 최대 돌출부가, 수지 피복층(88)의 두께의 최대의 위치와 일치하지 않는 경우가 있더라도, 슬라이딩면(81)의 윤곽의 최대 돌출부와 수지 피복층(88)의 최대 두께인 곳이, 둘레 방향 중앙(85) 근방에 근접하여 위치하기 때문에, 상기와 마찬가지의 효과가 얻어진다.
수지 피복층(88)을 형성하는 수지는, 예를 들면, PAI(폴리아미드이미드), PI(폴리이미드), PBI(폴리벤조이미다졸), PA(폴리아미드), 페놀, 에폭시, POM(폴리아세탈), PEEK(폴리에테르에테르케톤), PE(폴리에틸렌), PPS(폴리페닐렌설파이드), PEI(폴리에테르이미드) 및 불소 수지 및 엘라스토머 중에서 선택되는 1종 또는 2종 이상으로 이루어지는 합성 수지로 이루어지는 것이 바람직하다.
수지 피복층은, 수지 외에, 고체 윤활제 및 충전재의 양방 또는 어느 것을 포함해도 된다. 고체 윤활제로서는, 예를 들면, 흑연, MoS2, WS2, h-BN, PTFE, 멜라민시아누레이트, 불화흑연, 프탈로시아닌, 그래핀나노플레이트렛, 풀러린, 초고분자량 폴리에틸렌 및 Nε-라우로일-L-리딘으로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상이 있고, 고체 윤활제를 함유함으로써, 슬라이딩층의 슬라이딩 특성을 높일 수 있다. 바람직한 고체 윤활제의 함유량은 10∼70 체적%이다. 충전재로서는, 예를 들면, CaF2, CaCO3, 탈크, 마이카, 멀라이트, 인산 칼슘, 산화철, 산화알루미늄, 산화크롬, 산화세륨, 산화지르코늄, 산화티탄, 산화실리콘, 산화마그네슘 등의 산화물, Mo2C(몰리브덴카바이트), SiC 등의 탄화물, 질화알루미늄, 질화규소, c-BN 등의 질화물 및 다이아몬드 중에서 선택되는 1종 또는 2종 이상이 있고, 이 충전재를 함유 함으로써, 슬라이딩층의 내마모성을 높이는 것이 가능하게 된다. 바람직한 충전제의 함유량은 1∼25 체적%이다.
반할 스러스트 베어링(8)의 기판(89)은, 상기와 같이, 백 메탈층과, 이 백 메탈층 상에 마련된 베어링 합금층을 구비하는 것이 바람직하다. 백 메탈층으로서는 Fe 합금, Cu, Cu 합금 등의 금속판을 이용할 수 있고, 베어링 합금층은, 구리 합금, 알루미늄 합금, 주석 합금 등의 합금으로 형성할 수 있다. 베어링 합금층 상에 주석 합금, 비스무트 합금 및 납 합금 등의 도금층 및 PVD법에 의해 증착한 금속 오버레이층을 마련해도 된다. 백 메탈층이 없고, 고강도의 알루미늄 합금 또는 구리 합금 등의 베어링 합금층만을 이용할 수도 있다. 백 메탈층 표면, 즉, 베어링 합금층과의 계면이 되는 측에 다공질 금속층을 형성해도 되지만, 다공질 금속층은 백 메탈층과 동일한 조성을 갖는 것도, 다른 조성 또는 재료를 이용하는 것도 가능하다. 백 메탈층의 표면에 다공질 금속층을 마련함으로써, 슬라이딩층과 백 메탈층의 접합 강도를 높일 수 있다. 다공질 금속층은 Cu, Cu 합금, Fe, Fe 합금 등의 금속 분말을 금속판이나 조(條) 등의 표면 상에 소결함으로써 형성할 수 있다. 다공질 금속층의 공공률(空孔率)은 20∼60% 정도이면 되고, 다공질 금속층의 두께는 0.05∼0.50 ㎜ 정도로 하면 된다. 이 경우, 다공질 금속층의 표면 상에 피복되는 슬라이딩층의 두께는 0.05∼0.40 ㎜ 정도가 되도록 하면 된다. 단, 여기서 기재한 치수는 일례이며, 본 발명이 이 값으로 한정되는 것은 아니고, 다른 치수로 변경하는 것도 가능하다.
다음으로, 수지 피복층(88)을 기판(89) 상에 도포하는 방법에 대하여 설명한다. 수지 피복층(88)의 도포는, 예를 들면, 스프레이, 롤, 패드, 스크린 등의 코팅법을 이용하는 것이 바람직하다. 수지 피복층(88)의 두께 제어는, 이들 코팅법에 있어서, 수지의 토출량이나 부착량이나 전사량의 부분 제어를 행하는 것에 의해서, 슬라이딩면 전체에서의 층 두께 분포 형상을 제어한다. 수지의 토출량의 제어의 일례로서, 예를 들면, 다수의 토출 노즐을 라인에 대하여 직각 방향으로 일렬로 배치하고, 토출 노즐은 중앙에 위치하는 것일수록 많은 수지를 토출하도록 조정한다. 둘레 방향 양단부를 라인의 흐름 방향을 향하여 배치하여 반할 스러스트 베어링(8)을 라인에 흐르게 함으로써, 둘레 방향 중앙부의 수지의 부착량이 최대가 되고, 피복 두께가 최대로 제어할 수 있다. 각 토출 노즐로부터의 수지의 토출량을 조정함으로써 원하는 수지 피복층의 두께 분포가 제어 가능해진다.
실시예
강철 백 메탈 상의 알루미늄 합금(Al-Sn-Si)의 베어링 합금층을 접착한 평탄한 반원환 형상의 기판(외경 80 ㎜, 내경 60 ㎜, 두께 1.5 ㎜)을 준비하였다. 수지는, PAI를 이용하여, 그 베어링 합금층의 표면에 스프레이 코팅법으로, 다수의 도료 토출 노즐을 라인에 대하여 직각 방향으로 일렬로 배치하여 기판을 라인에 흐르게 하여 수지를 도포하고, 수지 피복층을 형성하였다. 이와 같이 하여, 둘레 방향 중앙부에서 수지 피복층의 두께가 최대가 되고, 둘레 방향 양단부를 향하여 두께가 작아지는 (이하, 이 형상을 볼록부라고 함) 반할 스러스트 베어링의 시료 A 및, 수지 피복층의 두께가 대략 균일한(볼록부가 없는) 시료 B를 제작하였다. 시료 A의 수지 피복층의 두께는, 둘레 방향 중앙부에서 10 ㎛(원주 각도 70°), 둘레 방향 단부에서 6 ㎛였다. 시료 B의 수지 피복층의 두께는, 대략 균일하게 10 ㎛로 하였다. 수지 피복층의 두께는, 직경 방향 중앙의 각 원주 각도로 시료를 잘라내고, 광학현미경에 의한 단면 관찰에 의해서 두께를 측정하였다.
시료 A 및 시료 B를 이용하여 표 2의 조건으로 소착 시험을 행하였다. 상대 축재로서 S55C를 이용하여, 상대 축재를 2000 rpm으로 회전시키면서, 1 ㎫/10 min의 비율로 하중을 증가시키고, 소착이 발생하지 않는 최대의 하중을 비소착 면압이라고 하였다. 윤활유로서 VG22를 100℃에서 200 cc/min의 비율로 공급하였다. 시험 결과는, 표 1에 나타낸 바와 같이, 수지 피복층의 두께가 대략 균일한 시료 B가 비소착 면압 5 ㎫였던 것에 대하여, 둘레 방향 중앙부에 볼록부를 갖는 시료 A가 비소착 면압 6 ㎫가 되고, 둘레 방향 중앙부에 볼록부를 가짐으로써 내소착성이 개선되는 결과가 되었다.
Figure 112020046408312-pct00003
Figure 112020046408312-pct00004
다음으로, 반할 스러스트 베어링의 수지 피복층의 두께가 최대가 되는 위치(이하, 볼록부 위치라고 함)에 의한 내소착성에의 영향을 조사하기 위하여, 형상, 재질, 제조 방법은 시료 A와 동일하게 한 채로, 볼록부 위치만을 원주 각도로 70°∼110°까지 변화시킨 시료 1∼7을 제작하였다. 이들 시료를 상기의 조건으로 소착 시험에 제공하였다. 결과를 표 3에 나타낸다. 볼록부 위치가 원주 각도로 75°∼105°의 시료는 비소착 면압이 7 ㎫였지만, 볼록부 위치가 원주 각도로 70°, 110°의 시료는 비소착 면압이 6 ㎫가 되었다. 이것은, 원주 각도로 75°∼105°로 볼록부를 가짐으로써 유막 형성이 용이하게 되고, 비소착 면압이 향상되었다고 생각된다.
Figure 112020046408312-pct00005
다음으로, 볼록부 위치를 90°에 고정한 채, 수지 피복층의 두께의 원주 각도에 대한 분포를 변화시켰다. 이 분포를 식 (1)
Figure 112020046408312-pct00006
에 따른 분포로 하였다. t(θ)는 원주 각도 θ의 위치에서의 수지 피복층의 두께이고, tmax는 볼록부 위치에서의 수지 피복층의 두께이고, 10 ㎛로 하였다. B는 볼록부 위치의 원주 각도 90°이다. 볼록부 위치 θ＝B에서는 t(θ)＝tmax가 되므로 A＋D＝100이 되고, D가 결정되면 A도 결정된다.
그래서, C 및 D의 값을 변화시켜 내소착성에 미치는 영향을 조사하였다. 변화시킨 C 및 D 및 비소착 면압을 표 4에 나타낸다.
Figure 112020046408312-pct00007
표 4에 나타난 결과로부터, 시료 11∼14가 시료 15∼18보다 큰 비소착 면압이 얻어졌다. 이에 의해, (1) 식의 파라미터 C 및 D가, 10≤C≤100 또한 30≤D≤95를 만족시키는 것은 내소착성이 향상된다는 것을 알 수 있었다.
다음으로, 파라미터 C 및 D를 이 범위 내에서 더 변화시켜, 그 경우의 최대경사 위치의 원주 각도와 내소착성과의 관계를 조사하였다. 그 결과를 표 5에 나타낸다.
Figure 112020046408312-pct00008
표 5에 나타난 결과로부터, 시료 22∼26이 시료 21, 27보다 큰 비소착 면압이 얻어지고, 시료 23∼25가 더 큰 비소착 면압이 얻어졌다. 이에 의해, (1) 식의 파라미터 C 및 D가, 10≤C≤100 또한 30≤D≤95를 만족시키는 것 중, 최대 경사 위치의 원주 각도가, 볼록부 위치의 원주 각도로부터 15°∼65° 떨어져 있는 위치에 있는 것은 내소착성이 향상되고, 20°∼60° 떨어져 있는 위치에 있는 것은 내소착성이 더 향상된다는 것을 알 수 있었다.
다음으로, 최대 경사 위치에서의 식 (1)에 의해 나타내어진 곡선 A×exp[－{(θ－B)/C}2]＋D(즉, t(θ)/tmax×100)의 접선의 기울기(최대 경사)의 값과 내소착성과의 관계를 조사하였다. 그 결과를 표 6에 나타낸다.
Figure 112020046408312-pct00009
표 6에 나타난 결과로부터, 시료 32∼39가 시료 31, 42에 비하여 큰 비소착 면압이 얻어지고, 시료 33∼37이 더 큰 비소착 면압이 얻어졌다. 이에 의해, 최대 경사값이 0.10∼1.20인 것은 내소착성이 향상되고, 0.15∼0.90인 것은 내소착성이 더 향상된다는 것을 알 수 있었다.
또한, 수지 피복층의 두께의 내소착성에의 영향을 조사하기 위하여, 원주 각도 90°의 위치에 볼록부를 마련하고, 10≤C≤100 또한 30≤D≤95를 만족시키고, 최대 경사 위치의 원주 각도가, 볼록부 위치의 원주 각도로부터 20°∼60° 떨어져 있는 위치에 있고, 최대 경사값을 0.15∼0.90으로 조정한 것에 대하여, 수지 피복층의 두께를 표 7과 같이 변화시킨 시료 43∼47을 제작하였다. 즉, 볼록부 위치에서의 수지 피복층의 두께를 2∼30 ㎛, 수지 피복층의 최소 두께를 1∼28 ㎛로 변화시켰다. 그러나, 표 7에 나타낸 바와 같이, 비소착 면압은 어느 시료에서도 14 ㎫이고, 수지 피복층의 두께에 관계없이 일정한 결과가 얻어졌다. 따라서, 상기 요건을 설정하면, 수지 피복층의 절대 두께에 관계없이 우수한 내소착성이 얻어진다는 것을 알 수 있었다.
Figure 112020046408312-pct00010
1: 베어링 장치
11: 저널부
12: 스러스트 칼라면
2: 실린더 블록
3: 베어링 캡
4: 베어링 하우징
5: 베어링 구멍(보지 구멍)
6: 받이 시트
7: 반할 베어링
8: 반할 스러스트 베어링
81: 슬라이딩면
81a: 오일 홈
82: 기판의 상면
83: 둘레 방향 양단면
84: 기준면
84a: 배면
85: 둘레 방향 중앙
86: 둘레 방향 중앙부
87: 스러스트 릴리프
88: 수지 피복층
89: 기판
f: 축선 방향력
SD: 슬라이딩 방향

Claims (15)

  1. 반원환 형상의 반할 스러스트 베어링으로서, 축선 방향력을 받기 위한 슬라이딩면과, 상기 슬라이딩면의 반대측의 배면을 갖고, 기판 상에 피복된 수지 피복층이 상기 슬라이딩면을 형성하고 있는 반할 스러스트 베어링에 있어서,
    수지 피복층의 두께가, 상기 반할 스러스트 베어링의 둘레 방향 중앙부에서 최대이고, 상기 반할 스러스트 베어링의 둘레 방향 양단부를 향하여 작아지고 있고,
    상기 수지 피복층의 두께는, 상기 반할 스러스트 베어링의 둘레 방향 양단부에서 최소로 되어 있는, 반할 스러스트 베어링.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 둘레 방향 중앙부가, 원주 각도로 75°∼105°의 위치인, 반할 스러스트 베어링.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 반할 스러스트 베어링의 둘레 방향을 따라서 상기 반할 스러스트 베어링을 보았을 때, 상기 반할 스러스트 베어링의 상기 슬라이딩면이, 상기 둘레 방향 중앙부에서 돌출한 볼록 형상의 윤곽을 갖고 있는, 반할 스러스트 베어링.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 슬라이딩면의 상기 윤곽이 곡선으로 구성되는, 반할 스러스트 베어링.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 슬라이딩면의 상기 윤곽이 직선으로 구성되는, 반할 스러스트 베어링.
  6. 제 1 항 또는 제 2 항 있어서,
    상기 수지 피복층의 두께가 원주 각도에 대하여, 이하의 식으로 규정되고,
    Figure 112021089078706-pct00011

    여기서, t(θ)는 원주 각도 θ에 있어서의 상기 수지 피복층의 두께의 값이고, tmax는 상기 수지 피복층의 두께의 최대값이고, B는 상기 수지 피복층의 두께가 최대가 되는 원주 각도(°)의 값이고, A, C, D는 10≤C≤100, 30≤D≤95이고, A＝100－D를 만족시키는 정수인, 반할 스러스트 베어링.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 (1) 식에 의해 규정되는 상기 수지 피복층의 두께의 원주 각도에 대한 곡선의 접선의 기울기가 최대가 되는 위치가, B 위치로부터 15°∼65° 떨어져 있는 위치에 있는, 반할 스러스트 베어링.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 곡선의 접선의 기울기가 최대가 되는 위치가, B 위치로부터 20°∼60° 떨어져 있는 위치에 있는, 반할 스러스트 베어링.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 (1) 식에 의해 규정되는 t(θ)/tmax×100의 원주 각도에 대한 곡선의 접선의 최대 기울기가, 0.10∼1.20인, 반할 스러스트 베어링.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 접선의 최대 기울기가 0.15∼0.90인, 반할 스러스트 베어링.
  11. 2개의 반할 스러스트 베어링으로 이루어지는 스러스트 베어링으로서, 당해 2개의 반할 스러스트 베어링 중 적어도 하나가, 제 1 항 또는 제 2 항에 기재된 반할 스러스트 베어링인, 스러스트 베어링.
  12. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    내연 기관의 크랭크 축의 축선 방향력을 받기 위한 반할 스러스트 베어링인, 반할 스러스트 베어링.
  13. 제 1 항 또는 제 2 항에 기재된 반할 스러스트 베어링을 구비한 베어링 장치.
  14. 제 13 항에 기재된 베어링 장치를 갖는 내연 기관.
  15. 반원환 형상의 반할 스러스트 베어링으로서, 축선 방향력을 받기 위한 슬라이딩면과, 상기 슬라이딩면의 반대측의 배면을 갖고, 기판 상에 피복된 수지 피복층이 상기 슬라이딩면을 형성하고 있는 반할 스러스트 베어링에 있어서,
    수지 피복층의 두께가, 상기 반할 스러스트 베어링의 둘레 방향 중앙부에서 최대이고, 상기 반할 스러스트 베어링의 둘레 방향 양단부를 향하여 작아지고 있고,
    상기 수지 피복층의 두께가 원주 각도에 대하여, 이하의 식으로 규정되고,
    Figure 112021089078706-pct00021

    여기서, t(θ)는 원주 각도 θ에 있어서의 상기 수지 피복층의 두께의 값이고, tmax는 상기 수지 피복층의 두께의 최대값이고, B는 상기 수지 피복층의 두께가 최대가 되는 원주 각도(°)의 값이고, A, C, D는 10≤C≤100, 30≤D≤95이고, A＝100－D를 만족시키는 정수인, 반할 스러스트 베어링.
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