WO2015025576A1 - 内燃機関用電動式空気流量制御装置 - Google Patents

内燃機関用電動式空気流量制御装置 Download PDF

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大輔 平沼
將弘 杢尾
小島　和夫
昇 馬場
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Definitions

  • the present invention relates to an electric air flow control device that is disposed in an intake air passage of an internal combustion engine and suitably controls the amount of intake air supplied to the internal combustion engine.
  • the electric air amount control device is constituted by a motor or the like that controls rotation of a gear mechanism integrated with one end of an air flow control valve (throttle valve) shaft that receives a reaction force of a spring at a required gear ratio.
  • the air flow control valve is generally characterized by a butterfly valve structure that controls opening and closing in a circular passage, and is repeatedly opened and closed at a maximum rotational operation angle of about 90 °.
  • the rotational operation angle of the throttle valve is about 90 °, and the rotation of the motor that gives the driving force is 4
  • the degree of rotation is general, and it is not continuously rotated at a high speed unlike a normal motor.
  • the drive motor is only subjected to a slight forward / reverse rotation control that is almost close to a stop state, although it involves a slight opening / closing control of the throttle valve corresponding to the accelerator operation. It is. (The balance force to maintain the throttle valve opening to ensure the target operating state depends on the motor, but compared to the motor for general industrial equipment, there is no continuous continuous rotation operation.)
  • the load environment of the motor that is the drive source of these electric air flow control devices mounted on the internal combustion engine, the rotation speed of the motor itself, the low temperature environment considering the continuous running state from the state left in the cold region
  • rolling bearings represented by balls and needles and a cylindrical slide bearing structure for maintaining and maintaining the stable operation of the motor rotor.
  • the driving state of the in-vehicle motor can be broadly divided into the continuous high-speed rotation operation specification that drives the cooling water circulation pump, cooling fan, air conditioning fan, etc., and various related equipment control (for example, for electric brake control, electric type There are two types of operation specifications with almost no continuation of continuous rotation of the air flow rate control device.
  • the positional relationship between the motor rotation shaft and the bearing only changes within a very limited narrow range.
  • a rolling bearing such as a ball or needle
  • the rotation of the ball or the needle itself cannot be expected, and the rolling The member and the inner and outer ring raceway surfaces are in a point or line contact state at substantially the same position. If a high vibration load environment peculiar to an internal combustion engine (vehicle) is applied in such a state, a high stress (surface pressure) is generated at the minimal contact portion between the rolling member and the inner and outer ring raceway surfaces, and the rolling member or raceway surface As a result, a damage defect is induced.
  • Non-Patent Document 1 Non-Patent Document 2, Non-Patent Document 3, and Patent Document 1
  • Patent Document 2 Non-Patent Document 3
  • Patent Document 1 Various proposals (non- Patent Document 1, Non-Patent Document 2, Non-Patent Document 3, and Patent Document 1) have been made.
  • Non-Patent Document 1 discloses that the material of the sintered oil-impregnated bearing includes Cu—Sn, Cu—Sn—C, Cu—Sn—Ni, Cu—Sn—C—P, and Cu—Sn—MoS 2.
  • Non-Patent Document 2 discloses a Cu-Sn-MoS2-based HZ18 material as an electronically controlled throttle bearing, providing solid lubricating performance by adding molybdenum disulfide, and lubricating oil to be impregnated.
  • PTFE as a fluorine-based and lubricant thickener, it is possible to provide bearings with excellent quietness and wear resistance even in high-temperature environments of 150 ° C.
  • a comparison of wear amount characteristics under evaluation conditions of a speed of 3000 r / min, a radial load of 9.8 N, and an atmospheric temperature of 160 ° C. is disclosed, and the wear amount after about 450 hours has been reduced to 1/3.
  • Non-Patent Document 3 proposes Cu—Sn, Cu—Sn—C, Cu—Sn—Ni—C, etc. as copper alloy bearing materials.
  • 2 to 6% by mass of the metal matrix is Ni
  • 7 to 13% is Sn
  • the remainder is Cu
  • An excellent sliding material is made by impregnating perfluoropolyether as a lubricating oil into the pores of a porous sintered body made of impurities, in which a Ni—Sn—Cu alloy phase of 20 to 100 ⁇ m is dispersed in a Cu—Sn alloy matrix. It is introduced that dynamic characteristics can be realized.
  • NTN oil-impregnated bearing handbook CAT. No. 9015-II / J NTN Special Alloy Co., Ltd.
  • Website Information Product Introduction “Electronic Control Throttle Bearing” Sintered alloy Nikkaloy material specification partial catalog: Hitachi Powdered Metals, August 2005 edition
  • In-vehicle motors especially motors for electric air flow control devices mounted in the vicinity of an internal combustion engine, are usually applied with a high vibration load specific to the internal combustion engine as well as the temperature environment. It is well known that the vibration environment in a diesel internal combustion engine is more severe. In order to continue the stable rotation of the motor, it is essential to design a stable and highly reliable bearing structure, and seizure resistance and wear resistance are important as performances imposed on the shaft and the bearing. As proposed in Non-Patent Documents 1 and 2 and Patent Document 1, anti-seizure resistance is supported by copper alloy material design and impregnated lubricant design for general iron shaft materials. There are many cases.
  • Non-Patent Document 2 and the wear amount comparison described in Patent Document 1 are general rotary sliding wear evaluations.
  • the inner peripheral surface is pressed with a required radial load, and the wear dimensions, wear volume, weight, etc. after the required time are compared.
  • the rotor of the motor for the electric air flow control device requires a balancing operation corresponding to load fluctuations such as the rotational torque of the spring member added to the air flow control valve shaft and the fluid force applied to the air flow control valve. And is transmitted to the bearing as a relatively static load fluctuation through the rotor shaft.
  • load fluctuations such as the rotational torque of the spring member added to the air flow control valve shaft and the fluid force applied to the air flow control valve.
  • load fluctuations such as the rotational torque of the spring member added to the air flow control valve shaft and the fluid force applied to the air flow control valve. And is transmitted to the bearing as a relatively static load fluctuation through the rotor shaft.
  • bearings that support the rotor shaft the general rotational sliding wear characteristics (bearing strength against static radial loads) alone It is insufficient, and it is important to improve the wear resistance against the knocking phenomenon between the rotor shaft and the
  • vibration acceleration 245m / s 2 in the gasoline internal combustion engine is a required value of a general vibration environment, it can withstand a beating phenomenon due to the vibration acceleration 343 m / s 2 levels in diesel engine motor
  • An object of the present invention is to provide an electric air flow rate control device including
  • the present invention provides a mechanical property of the bearing material as well as material strength. It defines the index value of ductility focusing on the brittleness of steel.
  • the present invention relates the relationship between the crushing strength and the compressive deformation rate (particularly, the deformation rate until crack initiation) of a cylindrical sintered metal bearing employed as a motor rotor shaft bearing for an electric air flow control device. It is characterized in that each is defined above the required value.
  • An electric air flow control device is a copper alloy-based cylindrical slide bearing for supporting a rotor shaft of a motor, which is a rotational drive source of a throttle valve that is disposed in an intake air passage and directly controls an intake air amount.
  • a rotational drive source of a throttle valve that is disposed in an intake air passage and directly controls an intake air amount.
  • FIG. 1 is a cross-sectional structure diagram of an electric air flow control device showing an embodiment of the invention. It is a disassembled side view which shows engagement operation
  • FIG. 6 is a characteristic diagram showing a comparison between a crushing strength-compression deformation characteristic obtained at the time of compression evaluation of a cylindrical solid bearing material. It is the explanatory photograph which showed the crack generation situation seen at the time of compression evaluation. It is explanatory drawing which showed the superiority / inferiority determination in the abrasion resistance evaluation of a cylindrical solid bearing material on the crushing strength and compression deformation rate matrix.
  • FIG. 1 is an overall sectional view showing an embodiment of an electric air flow control device according to the present invention
  • FIG. 2 is an exploded side view as seen from various drive gears.
  • an intake air passage 2 and a motor housing portion 4 for housing the motor 3 are integrally formed in a body 1 that is often made of aluminum die casting.
  • a throttle valve shaft 5 passing through the passage is supported by bearing structures 6a and 6b for stably maintaining the rotational operation of the throttle valve shaft 5 (in this embodiment, a needle
  • a rolling bearing having a structure is shown, it may be a rolling bearing having a ball structure or a plain cylindrical sliding bearing.
  • a throttle valve 7 for optimizing control of the amount of intake air to the internal combustion engine is integrated with a portion corresponding to the intake air passage 2 of the throttle valve shaft 5 by fastening screws 8.
  • the integrally formed metal plate 9 a of the throttle valve gear 9 is integrally fastened to the step portion 5 a of the throttle valve shaft 5 by a nut 10.
  • the throttle valve gear 9 meshes with a small-diameter gear portion 13 a of an intermediate gear 13 that is rotatably arranged with respect to the intermediate shaft 12 that is press-fitted and fixed in the hole portion 11 of the body 1.
  • the motor 3, which is a drive source for controlling the opening and closing of the throttle valve 7, includes a rotor 14a integrated with the rotor shaft 14, a magnet 15, a front bearing 16 for stably supporting the rotor shaft 14, a rear bearing 17, It is composed of a case member 18 or the like that fixes and supports various components, and is housed and fixed in the motor housing portion 4 by fastening a motor fixing screw 19.
  • a small-diameter drive gear 20 is integrated with one end of the rotor shaft 14 of the motor 3 and meshes with the large-diameter gear portion 13 b of the intermediate gear 13.
  • the rotational operation of the motor 3 that is controlled as required is a two-stage configuration constituted by meshing of the drive gear 20 and the large-diameter gear portion 13b of the intermediate gear 13 and the small-diameter gear portion 13a of the gear 13 and the throttle valve gear 9. This is transmitted via the reduction gear mechanism, and the intake air passage 2 of the final throttle valve 7 is opened and closed.
  • a torsion spring 21 is clamped and fixed in a space between the rear face of the throttle valve gear 9 and the body 1, and each end of the torsion spring 21 is latched and supported on the body 1 side and the throttle valve gear 9 side.
  • a preload in the rotational direction acts on the throttle valve shaft 5 with respect to the body 1.
  • an air flow control device is integrated with an air supply pipe in a collection portion of an air supply pipe branched into each cylinder of the internal combustion engine, and exposed to a high temperature and high vibration environment peculiar to the internal combustion engine.
  • the motor body is directly fastened and fixed to the air supply pipe. Even more severe vibration environment conditions.
  • the front bearing 16 is a rolling bearing composed of inner and outer rings and steel balls
  • the rear bearing 17 is a simple cylindrical sliding bearing.
  • the loads received by these bearings include a general rotational sliding load with the motor 3 rotor shaft 14 and a collision with the rotor shaft 14 caused by propagation of the vibration environment received by the air flow control device from the internal combustion engine side. ) Broadly divided into loads.
  • the improvement in the bearing strength that supports the rotor shaft 14 of the motor 3 is the key. It is important to improve the wear resistance of the simple cylindrical slide bearing shown in FIG. In particular, the design for improving the wear resistance against the knocking load caused by the vibration environment of the internal combustion engine greatly affects the merchantability.
  • the impregnation design that is, the characteristics of the sintered metal, that is, the pores, even if the base material strength of the sintered metal is the same for a general rotational sliding load environment. It is possible to improve the lubrication performance and to improve the wear resistance by optimizing the design of the oil to be impregnated (see FIG. 3). However, the design of the impregnating oil to improve the erosion resistance due to the impact load has almost no effect, and it is essential to improve the base material strength of the sintered metal itself.
  • Fig. 3 shows an example of evaluation of general rotational sliding wear characteristics of Cu-Sn and Cu-Sn-Ni two materials.
  • Bearing load and specific wear amount (wear volume when sliding unit distance) ratio (specific wear) The relationship of the specific wear amount at the time of evaluation of the minimum bearing load of the Cu—Sn material shown by the quantity characteristic 31 is shown as a ratio).
  • the Cu-Sn-Ni specific wear amount characteristic 32 shown by a broken line in consideration of optimization of the alloy component is compared with the one-dot chain line Cu-Sn specific wear amount characteristic 31, and the wear amount is suppressed to a higher PV value range. It is possible to realize excellent characteristics. Furthermore, by optimizing the lubricating oil impregnated in the pores peculiar to the sintered metal, it is possible to realize the specific wear amount characteristic 23 shown by a solid line even with the same alloy design material.
  • Table 2 compares the specific wear amount ratio when the PV value is 4.0 in FIG. 3 as the maximum bearing load environment when an arbitrary internal combustion engine is mounted.
  • the wear amount of the Cu-Sn-Ni material is reduced to about 27% with respect to the wear amount of the Cu-Sn material, and the wear amount of the same material considering the optimization of the impregnating oil is reduced to about 17%. It is possible.
  • Table 3 compares the PV value, which is the bearing load when the specific wear amount ratio reaches 3.0 in FIG.
  • the Cu-Sn-based material can handle a high bearing load of 1.85 times as much as the Cu-Sn-Ni-based material, and the same material considering optimization of the impregnating oil can be as large as 2.72 times.
  • Table 2 The characteristics shown in FIG. 3, Table 2, and Table 3 are a comparison of specific wear amounts obtained by rotational sliding evaluation under a static pressure load environment.
  • Many products mounted on the internal combustion engine are applied with a variable load due to vibrations of the internal combustion engine itself, and the electric air flow control device of the present invention is no exception.
  • a shocking impact load due to vibration is applied during rotational sliding operation, and it is important to improve the proof stress in a complex environment that takes into account the impact resistance against general rotational sliding. It is.
  • Table 4 shows a comparison of the amount of wear on the inner peripheral surface of the bearing obtained by forward / reverse rotation sliding evaluation in a vibration environment using an actual machine.
  • the vibration condition is a specification presented by an arbitrary customer.
  • This durability specification includes two types, a combined evaluation of sine wave excitation and vibration acceleration close to actual driving conditions, and random wave excitation, which covers both the specification environment of gasoline engines and diesel engines from the viewpoint of sharing parts. Compare the results of.
  • FIG. 4 shows an enlarged photograph of the vicinity of the inner peripheral portion corresponding to the rotation axis after the evaluation of each of the Cu—Sn-based material and FIG. 5 after the evaluation of each of the Cu—Sn—Ni-based materials. What should be noted is not only the size of the inner diameter portion 41 of the Cu—Sn-based material shown in FIG. As shown in FIG.
  • the Cu—Sn based material is It can be said that it is a material that clearly exhibits brittleness (brittleness) with poor ductility.
  • FIG. 6 shows an example of evaluation of the crushing strength characteristics.
  • the vertical axis shows the crushing strength calculated from the cylindrical compression load
  • the horizontal axis shows the compression deformation rate when the already defined compression load is applied.
  • characteristic examples 61 and 62 are Cu—Sn based materials
  • characteristic examples 63 to 66 are Cu—Sn—Ni based materials. All of the characteristics have the same tendency as the general compressive strength characteristics of metals in which the amount of deformation in the compression direction increases as the crushing strength (load applied in the compression direction) increases.
  • the vertical cylinder crushing strength corresponds to a material strength index value for judging a general rotational sliding wear characteristic of the design material.
  • the compressive deformation rate on the horizontal axis corresponds to a ductility index value for determining a yield strength against a knocking load caused by a dynamic load fluctuation such as vibration.
  • Exceptional wear resistance and chipping resistance are obtained in the characteristic example 63 material without expanding the inner diameter size and dropping off the corners.
  • the crushing strength is improved with the same material series as the characteristic example 61 (the maximum crushing strength value 62a is equal to the maximum value 63a of the characteristic example 63).
  • the evaluation is performed in consideration of the striking load, the excellent wear resistance and chipping resistance seen in the material of characteristic example 63 are not improved.
  • the characteristic example 62 of the Cu—Sn material shown in FIG. 6 has the same component design as that of the characteristic example 61, but the design value of the sintered density is in the relationship of characteristic example 61 ⁇ characteristic example 62.
  • the characteristic examples 64 to 66 of the Cu—Sn—Ni-based material have the same component design as the characteristic example 63, but the design value of the sintered density is characteristic example 63 ⁇ characteristic example 64 ⁇ characteristic example 65 ⁇ .
  • the characteristic example 66 is related.
  • FIG. 6 Typical rotational sliding wear resistance characteristics when static load is applied to the samples of the pressure ring strength characteristics examples 61 to 66, and tapping wear characteristics when dynamic load is applied in an excitation environment.
  • Table 5 shows the four types of determination symbols marked with ⁇ , ⁇ , and ⁇ , which are organized by crushing strength and compression deformation rate.
  • FIG. 9 shows the relationship between the maximum value of the crushing strength of each sample shown in Table 5, the compression deformation rate of the maximum value, and the overall judgment symbol.
  • the ⁇ mark material which is an acceptable determination, exists in the high pressure ring strength and high compression deformation rate region.
  • the wear resistance is insufficient for general rotational sliding under static load, and the wear resistance against dynamic load such as vibration is extremely inferior. There is a low compression deformation rate.
  • stamping material satisfies the wear resistance against general rotational sliding under static load.
  • the wear resistance against dynamic load such as vibration
  • the damage situation is extremely inferior, as in the case of the comprehensive judgment ⁇ stamp material, and the adoption is not preferable.

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Abstract

　内燃機関特有の高振動環境に起因するたたき負荷に対しても優れた耐摩耗性を有するモータ回転子軸受構造を備えた電動式空気流量制御装置を実現可能とする。　内燃機関への吸入空気量を制御する絞り弁７の回転制御駆動源であるモータ３の回転子軸１４を支持するフロント軸受１６、リア軸受１７の少なくともいずれかの軸受に円筒形状焼結金属製すべり軸受を採用し、該円筒形状焼結金属製軸受の圧環強さと圧縮変形率の関係が、圧環強さ最大値２３０Ｎ/ｍｍ2以上、かつ、圧環強さ最大値における圧縮変形率が３．５％以上の機械的性質を有する軸受設計とする。

Description

内燃機関用電動式空気流量制御装置
　本発明は、内燃機関の吸入空気通路に配設され、内燃機関に供給される吸入空気量を好適に制御する電動式空気流量制御装置に関するものである。
　自動車の走行制御については、各種構成部品の電子制御が多用化されており、内燃機関へ供給する吸入空気量についても、運転者によるアクセルの踏込み量をワイヤ等の連結構造によって機械的に連動制御させる機械式空気流量制御装置に代わって、各種運転条件を電気信号に変換後、最適化された電気信号によって制御される電動式空気流量制御装置が標準化される傾向にある。
　また、昨今では、環境対応としての排気ガス規制が厳格化、複雑化しており従来、詳細な吸入空気流量制御の少なかったディーゼル式内燃機関についても電動制御化が多用される傾向にある。
　電動式空気量制御装置は、ばねの反力を受けた空気流量制御弁（絞り弁）軸の一端に一体化された歯車機構を所要の歯車比で回転制御するモータ等によって構成されている。空気流量制御弁の特徴は、円形状通路内を開閉制御するバタフライ弁構造が一般的であり、最大回転動作角度約９０°の繰返し開閉制御が実施される。
　空気流量制御のための絞り弁が、通路全閉相当位置から通路全開状態までの開閉制御を受けたとしても絞り弁の回転動作角度は約９０°であり、駆動力を与えるモータの回転は４回転程度が一般的であり、通常のモータの如く連続高速回転されることはない。
　また、高速道路等の連続一定走行状態を考えるとアクセル操作に対応した絞り弁の僅かな開閉制御が伴うものの駆動用モータにとっては、ほぼ停止状態に近い程度の僅かな正逆回転制御を受けるのみである。（目標運転状態を確保する絞り弁開度を維持するための釣合い力をモータに依存しているが、一般産業設備用のモータに比較すると連続継続回転動作は皆無に等しい。）
　内燃機関に搭載されるこれらの電動式空気流量制御装置の駆動源であるモータの負荷環境を考えると、モータ自体の回転速度、寒冷地での放置状態から連続走行状態を考慮した低高温環境とともに、内燃機関、走行路面等から伝達される振動環境が存在する。モータ回転子の軸部両端近傍には、モータ回転子の安定動作を維持継続するためのボール、ニードルに代表される転がり軸受や円筒形状のすべり軸受構造が存在している。
　車載用モータの運転状態を大別すると、冷却水循環用ポンプ、冷却ファン、空調用ファン等を駆動する連続高速回転継続運転仕様と、各種関連機器制御用（例えば、電動式ブレーキ制御用、電動式空気流量制御装置用等）の連続回転継続が皆無に近い運転仕様の２通りである。
　後者の場合、モータ回転軸と軸受との位置関係は、極めて限られた狭い範囲で変化するのみであり、ボール、ニードル等の転がり軸受の場合、ボール、ニール自体の回転は期待できず、転がり部材と内外輪軌道面は、ほぼ同一位置での点あるいは線接触状態となる。このような状態で内燃機関（車輌）特有の高振動負荷環境が印加されると、転がり部材と内外輪軌道面の極少接触部には高応力（面圧）が発生し、転がり部材もしくは軌道面の損傷不具合が誘発される結果となる。
　連続高速回転継続が皆無に近いモータ運転状態の特異性及び車輌振動環境の厳しさを配慮した高寿命モータとしては、回転軸の材質（一般的には鉄系材質）を考慮した上で、銅合金系の円筒形状すべり軸受構造が採用されていることが多い。特に、軸受部材の生産性、潤滑性が考慮され、その大半が銅合金系の焼結金属に潤滑油が含浸された設計構造である。このような焼結含油軸受については、長期にわたって安定した回転支持可能な高信頼性が求められており、基材である銅合金の金属マトリックス、含浸される潤滑油に対して種々の提案（非特許文献1、非特許文献２、非特許文献３、特許文献１）がなされている。
　非特許文献１には、焼結含油軸受の材質として、Ｃｕ-Ｓｎ系、Ｃｕ-Ｓｎ-Ｃ系、Ｃｕ-Ｓｎ-Ｎｉ系、Ｃｕ-Ｓｎ-Ｃ-Ｐ系、Ｃｕ-Ｓｎ-ＭｏＳ２系の各種が提案されており、非特許文献２には、Ｃｕ-Ｓｎ-ＭｏＳ２系のＨＺ１８材が電子制御スロットル用軸受としてクローズアップされ、二硫化モリブデン添加による固体潤滑性能の付与、含浸される潤滑油にふっ素系、潤滑油の増ちょう剤にＰＴＦＥを採用することにより１５０℃の高温環境でも静粛性、耐摩耗性に優れた軸受の提供が可能とされ、従来材質との摩耗試験比較として、回転速度３０００ｒ/ｍｉｎ、ラジアル荷重９．８Ｎ、雰囲気温度１６０℃評価条件下での摩耗量特性比較が開示されており、約４５０ｈ経過後の摩耗量が１/３に低減されている。
　また、非特許文献３には銅合金系軸受材質として、Ｃｕ-Ｓｎ系、Ｃｕ-Ｓｎ-Ｃ系、Ｃｕ-Ｓｎ-Ｎｉ-Ｃ系等の提案がなされており、特許文献１では、銅合金系焼結基材の機械的性質及び含浸油の潤滑性能向上を目的とした具体的提案として、金属マトリックスのうち質量比で２～６％がＮｉ、７～１３％がＳｎ、残部がＣｕ及び不純物からなり、Ｃｕ-Ｓｎ合金基地中に２０～１００μｍのＮｉ-Ｓｎ-Ｃｕ合金相が分散する多孔質焼結体の空孔にパーフルオロポリエーテルを潤滑油として含浸したものが、優れた摺動特性を実現できると紹介されている。
特許第４７４９２６０号公報
ＮＴＮ含油軸受ハンドブック：ＣＡＴ．Ｎｏ．９０１５－II/Ｊ ＮＴＮ特殊合金（株）ホームページ情報：製品紹介「電子制御スロットル用軸受」 焼結合金ニッカロイ材料仕様偏カタログ：日立粉末冶金（株）２００５年８月版
　車載用のモータ、特に、内燃機関近傍に搭載される電動式空気流量制御装置用のモータについては、温度環境はもとより内燃機関特有の高振動負荷の印加が通常であり、ガソリン式内燃機関に比較しディーゼル式内燃機関での振動環境がより厳しいものであることは良く知られている。モータの安定した回転維持継続のためには、安定した高信頼性軸受構造の設計が必須であり、軸及び軸受に課せられる性能として、耐焼き付き性、耐摩耗性が重要である。耐焼き付き性については、非特許文献１、２、特許文献１でも提案されている如く、一般的な鉄系軸材質に対して銅合金系材質設計、含浸される潤滑油設計で対応されていることが多い。
　一方、耐摩耗性については、比較的静的な軸受負荷及び潤滑性能に依存される耐回転摺動摩耗性と振動等動的負荷環境に起因した軸、軸受間の相対的な運動による耐たたき摩耗性が重要である。
　非特許文献２に開示されている摩耗量特性、特許文献１に記載されている摩耗量比較は、一般的な回転摺動摩耗評価であり、所要の一定速度で回転する軸に対して、軸受内周面を所要のラジアル荷重で押圧、所要時間後の摩耗寸法、摩耗体積、重量等を比較したものである。
　電動式空気流量制御装置用モータの回転子には、空気流量制御弁軸に付加されるばね部材の回転トルク、空気流量制御弁に印加される流体力等の負荷変動に対応した釣り合い動作が要求され、回転子軸を介して比較的静的な負荷変動として軸受に伝達される。また、内燃機関特有の高振動環境にも対応した耐力設計が必要であり、回転子軸が支持される軸受を考えると、一般的な回転摺動摩耗特性（静的ラジアル負荷に対する耐力）のみでは不十分であり、高振動環境に起因した回転子軸、軸受間のたたき現象に対する耐摩耗性向上が重要である。
　本発明は、一般的な振動環境の要求値であるガソリン式内燃機関での振動加速度２４５ｍ/ｓ2、ディーゼル式内燃機関での振動加速度３４３ｍ/ｓ2レベルに起因するたたき現象にも耐え得るモータを備えた電動式空気流量制御装置の提供を目的とする。
　本発明は、モータ回転子軸と円筒形状すべり軸受との微細隙間で発生する両部材間の相対的なたたき現象による摩耗をも抑制するために、軸受材質の機械的性質として、材料強度とともに材料の脆さに着目した延性の指標値を規定するものである。
　焼結金属等の円筒形状製品については、実体強度の見極めとして圧環強さで比較されることが一般的である。一方、金属の延性を見極める指標値としては、伸び率、衝撃値等が用いられているが、円筒形状実体での圧環強さ評価時に把握可能な下記式で定義される圧縮変形率を延性の指標値として代用することが有効である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000001
  本発明は、電動式空気流量制御装置用モータ回転子軸の軸受として採用される円筒形状焼結金属製軸受の圧環強さと圧縮変形率（特に、き裂発生までの変形率）との関係を各々所要値以上に規定したことを特徴とする。
　本発明の電動式空気流量制御装置は、吸入空気通路内に配設され吸入空気量を直接制御する絞り弁の回転駆動源であるモータの回転子軸支持用円筒形状すべり軸受に、銅合金系材質でありながら高圧環強さ、高圧縮変形率を有する好適材を採用しており、一般的な回転摺動摩耗及び内燃機関等の振動環境起因のたたき摩耗に対しても十分耐え得る高信頼性軸受構造を維持することが可能である。
発明の実施例を示した電動式空気流量制御装置の断面構造図である。 モータ、絞り弁軸間の各ギア部材の噛み合い作動を示す分解側面図である。 静的軸受荷重印加回転摺動摩耗評価における軸受材仕様別の比摩耗量特性比較を示した特性図である。 動的軸受荷重印加回転摺動摩耗評価におけるＣｕ-Ｓｎ系軸受材評価終了時の損傷状況例を示した説明写真である。 動的軸受荷重印加回転摺動摩耗評価におけるＣｕ-Ｓｎ-Ｎｉ系軸受材評価終了時の損傷状況例を示した説明写真である。 円筒形状実体軸受材の圧縮評価時に得られる圧環強さ-圧縮変形率特性比較を示した特性図である。 圧縮評価時に見られるき裂発生状況を示した説明写真である。 円筒形状実体軸受材の耐摩耗性評価における優劣判定を圧環強さ、圧縮変形率マトリックス上に示した説明図である。
　図1は、本発明である電動式空気流量制御装置の一実施例を示す全体断面図、図２は、各種駆動ギア側から見た分解側面図である。
　一般には、アルミダイカスト製であることが多いボディ１には、吸入空気通路２とモータ３収納用のモータハウジング部４が一体成形されている。
　ボディ１の吸入空気通路２内には、通路を貫通する絞り弁軸５が、該絞り弁軸５の回転動作を安定維持させるための軸受構造６ａ、６ｂに支持され（本実施例では、ニードル構造の転がり軸受を示しているが、ボール構造の転がり軸受、単純円筒形状のすべり軸受であってもよい。）配設されている。また、該絞り弁軸５の吸入空気通路２対応部には、内燃機関への吸入空気量を最適化制御するための絞り弁７がねじ８の締結によって一体化されている。
　絞り弁軸５の段差部５ａには、絞り弁ギア９の一体成形金属板９ａがナット１０によって一体締結されている。絞り弁ギア９は、ボディ１の穴部１１に圧入固定された中間軸１２に対して回転可能な如く配設された中間ギア１３の小径ギア部１３ａと噛み合っている。
　絞り弁７開閉制御のための駆動源であるモータ３は、回転子軸１４が一体化された回転子１４ａ、マグネット１５、回転子軸１４を安定支持するためのフロント軸受１６、リア軸受１７、各種構成部品を固定支持したケース部材１８等より構成され、モータハウジング部４内に、モータ固定ねじ１９の締結によって収納固定されている。
　モータ３の回転子軸１４の一端には、小径の駆動ギア２０が一体化されており、中間ギア１３の大径ギア部１３ｂと噛み合っている。
　所要に制御されるモータ３の回転動作は、駆動ギア２０と中間ギア１３の大径ギア部１３ｂ、同ギア１３の小径ギア部１３ａと絞り弁ギア９との各々噛み合いによって構成された２段の減速歯車機構を経由して伝達されており、最終絞り弁７の吸入空気通路２開閉動作に至っている。
　尚、絞り弁ギア９背面のボディ１との空間には、ねじりばね２１が挟着固定されており、ねじりばね２１の各々端部がボディ１側及び絞り弁ギア９側に係止支持され、ボディ１に対して、絞り弁軸５には、回転方向の予荷重が作用している。
　空気流量制御装置は、内燃機関の各気筒に分岐された給気配管の集合部に、給気配管と一体化されることが一般的であり、内燃機関特有の高温、高振動環境下にさらされているが、モータハウジング部４に収納固定される絞り弁７開閉制御駆動用モータ１の一般的な片持ち固定構造を考慮すると、当該モータは給気配管に直接締結固定されるボディ１本体よりも過酷な振動環境条件下にもなり得る。
　図１実施例については、モータ３回転子軸１４を支持する軸受として、フロント軸受１６には、内外輪及び鋼球より構成される転がり軸受を、リア軸受１７には、単純円筒形状のすべり軸受を示しているが、両者すべり軸受構造であっても製品構成上の問題はない。
　これらの軸受が受ける負荷としては、モータ３回転子軸１４との一般的な回転摺動負荷と空気流量制御装置が内燃機関側から受ける振動環境の伝播によって生じる回転子軸１４との衝突（たたき）負荷に大別される。
　空気流量を直接制御する絞り弁７の駆動源であるモータ３の高信頼性確保のためには、モータ３の回転子軸１４を支持する軸受構造の耐力向上がポイントであり、図１実施例のリア軸受１７に示した単純円筒形状すべり軸受の耐摩耗性向上が重要である。特に、内燃機関の振動環境に起因するたたき負荷に対する耐摩耗性向上設計が商品性を大きく左右する。
　焼結金属製のすべり軸受において、一般的な回転摺動負荷環境に対しては、焼結金属の基材強度が同一であっても焼結金属の特徴である含浸設計、つまり、空孔に含浸させる油種の最適化設計によって潤滑性能を改善し、耐摩耗性向上の実現が可能（図３参照）である。しかし、衝突負荷に起因する耐たたき摩耗性向上に対する含浸油設計対応は、その効果が皆無に近く、焼結金属自体の基材強度の向上が必須となる。
　また、衝突負荷に起因するたたき現象に伴った損傷形態の特徴としては、軸受内周面の単純摩耗の他に内周面両端面側角部近傍からの欠け発生の問題があり、焼結金属自体の基材設計については、破壊強さ（圧環強さ）の向上とともに設計材質の脆さの指標となる延性（粘り強さ）の向上も極めて重要な設計要因である。
　上記本発明に採用のモータ３回転子軸１４対応軸受（円筒形状焼結金属製リア軸受１７）材と従来軸受材の各種特性評価例として、表１に示す成分設計材質での耐摩耗性比較を説明する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　図３に、Ｃｕ-Ｓｎ系、Ｃｕ-Ｓｎ-Ｎｉ系２材質の一般的な回転摺動摩耗特性評価例として、軸受負荷と比摩耗量（単位距離摺動時の摩耗体積）比率
（比摩耗量特性３１で示したＣｕ-Ｓｎ系材質の最低軸受負荷評価時の比摩耗量を１．０として比率表示）の関係を示す。一点鎖線のＣｕ-Ｓｎ系比摩耗量特性３１に対して、合金成分の最適化を考慮した破線で示すＣｕ-Ｓｎ-Ｎｉ系比摩耗量特性３２は、より高ＰＶ値域まで摩耗量が抑制された良好な特性の実現が可能となる。さらに、焼結金属特有の空孔に含浸させる潤滑油の最適化によっては、同一合金設計材質であってもさらに優れた実線で示す比摩耗量特性２３の実現も可能である。
　表２に、任意の内燃機関搭載時における最大軸受負荷環境として、図３におけるＰＶ値４．０時の比摩耗量比を比較する。Ｃｕ-Ｓｎ系材質の摩耗量に対して、Ｃｕ-Ｓｎ-Ｎｉ系材質の摩耗量は２７％程度に、さらに、含浸油最適化を考慮した同材質の摩耗量については１７％程度に低減することが可能である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
　次に、車輌搭載時の保証寿命より要求される限界軸受摩耗量として、図３における比摩耗量比３．０到達時の軸受負荷であるＰＶ値を表３に比較する。
Ｃｕ-Ｓｎ系材質に対して、Ｃｕ-Ｓｎ-Ｎｉ系材質は１．８５倍、さらに、含浸油最適化考慮の同材質は２．７２倍の高軸受負荷対応が可能である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000004
　上記図３、表２、表３に示した特性は、静的な押圧荷重環境下での回転摺動評価で得られた比摩耗量の比較である。内燃機関に装着される製品の多くは、内燃機関自体の振動等に起因した変動荷重が印加されており、本発明の電動式空気流量制御装置も例外ではない。つまり、回転摺動動作中に振動に起因した衝撃的なたたき荷重が印加されており、一般的な回転摺動に対する耐摩耗性とともにたたき荷重を加味した複合環境下での耐力向上が重要な特性である。
　表４に、実機による振動環境下での正逆回転摺動評価で得られた軸受内周面の摩耗量比較を示す。振動条件としては、任意の顧客より提示されたスペックである。本耐久スペックは、部品共用化の観点から、ガソリンエンジン、ディーゼルエンジンにおける仕様環境を両方が網羅された、正弦波加振と実走行条件に近い振動加速の複合評価とランダム波加振の２種類の結果を相対比較する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000005
　軸受内径摩耗量として、初期に対する内径の寸法変化を比較しているが、サイン波、ランダム波いずれの加振においてもＣｕ-Ｓｎ-Ｎｉ系材質に比較し、Ｃｕ-Ｓｎ系材質には約４１倍から約９９倍の摩耗が見られている。
  図４に、Ｃｕ-Ｓｎ系材質、図５に、Ｃｕ-Ｓｎ-Ｎｉ系材質各々の評価終了後の回転軸と対応する内周部近傍の拡大写真を示す。着目すべきは、図４に示すＣｕ-Ｓｎ系材質の内径部４１の寸法拡大とともに、内径角部４２のほぼ全周に見られる欠けである。図５に示すＣｕ-Ｓｎ-Ｎｉ系材質の同角部５２への欠け発生は皆無であり、耐たたき摩耗性に優れたＣｕ-Ｓｎ-Ｎｉ系材質に比較し、Ｃｕ-Ｓｎ系材質は、明らかに延性の劣った脆さ（脆性）を露呈した材質であると言える。
　焼結金属等の円筒形状製品については、実体強度の見極めとしてＪＩＳに規定され下記式で算出される圧環強さが比較されることが一般的であり、各種設計材質に対応した同一形状品での圧環強さ特性評価事例を図６に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000006
　縦軸に、円筒形状の圧縮荷重より算出される圧環強さを、横軸に、既に定義した圧縮荷重印加時の圧縮変形率を示している。
　図６において、特性例６１、６２は、Ｃｕ-Ｓｎ系材質、特性例６３～６６は、Ｃｕ-Ｓｎ-Ｎｉ系材質を示す。いずれの特性も圧環強さ（圧縮方向印加荷重）の上昇に伴って、圧縮方向変形量が増加する金属の一般的な圧縮強さ特性と同様の傾向である。
　各特性の圧環強さ最大値６１ａ～６６ａにおいて、円筒形状外周部水平方向の引張り応力最大部位にき裂が発生し、特性は低下傾向となる。さらに荷重を印加し続けると特性の低下傾向が一度は緩和されるが、各々の特性の変曲点６１ｂ～６６ｂにおいて、円筒形状内周部直角方向の引張り応力最大部位にき裂発生が追加され、それ以降特性は急速な低下傾向を示す。（圧環強さ特性評価終了後の実体外観例を図７に参考添付する。７１ａ、７１ｂが圧環強さ最大点６１ａ～６６ａ到達時の発生き裂であり、７２ａ、７２ｂが圧環強さ６１ｂ～６６ｂ到達時の発生き裂である。）
　各々の特性例６１～６６の圧環強さ最大値６１ａ～６６ａに着目すると、縦軸圧環強さは、設計材質の一般的な回転摺動摩耗特性を判断するための材料強度指標値に相当し、横軸の圧縮変形率は、振動等動的な荷重変動に起因するたたき負荷に対する耐力を判断するための延性指標値に相当する。
　振動等動的なたたき負荷を加味した具体的評価事例として示した表４（内径摩耗量比較）図４、図５（ともに評価終了後の拡大写真）の試料は、図６圧環強さ特性に示した特性例６１、６３の試料と同一仕様である。
　特性例６３材に内径寸法の拡大及び角部の脱落はなく優れた耐摩耗性、耐欠け性の向上が得られている。特性例６１と同一材質系列で圧環強さの向上を図った（圧環強さの最大値６２ａは、特性例６３の最大値６３ａと同等）特性例６２についても、前記と同様の振動等動的なたたき負荷を加味した評価を実施しているが、特性例６３材に見られた優れた耐摩耗性、耐欠け性の向上には至らない。
　つまり、円筒形状部材の材料強度指標値となる圧環強さの向上によって、一般的な回転摺動摩耗に対する耐力向上は可能であるが、内燃機関等振動負荷環境に起因するたたき現象に対しては、圧環強さの向上とともに設計材質の延性指標値となる圧縮変形率の向上設計がより重要であることがわかる。
　尚、図６に示したＣｕ-Ｓｎ系材質の特性例６２は、特性例６１と同一の成分設計であるが、焼結密度の設計値は、特性例６１＜特性例６２の関係にある。また、Ｃｕ-Ｓｎ-Ｎｉ系材質の特性例６４～６６についても、特性例６３と同一の成分設計であるが、焼結密度の設計値は、特性例６３＜特性例６４＜特性例６５＜特性例６６の関係にある。
　図６圧環強さ特性の特性例６１～６６の試料に対する静的荷重印加時の一般的な回転摺動耐摩耗特性と加振環境下での動的荷重印加時の耐たたき摩耗特性を×、△、□、○印の４種類の判定記号を用いて、圧環強さ及び圧縮変形率別に整理すると表５の如くである。  図９には、表５に示した各々試料の圧環強さ最大値、同最大値の圧縮変形率と総合判定記号の関係を示す。
  採用可能判定である○印材は、高圧環強さ、高圧縮変形率領域に存在している。一方、静的荷重負荷の一般的な回転摺動に対して耐摩耗性が不足し、振動等動的荷重負荷の耐たたき摩耗性に対しても著しく劣る採用不可判定△印材は、低圧環強さ、低圧縮変形率存在している。
  また、採用可能総合判定○印材の最も低い圧環強さと同等の圧環強さを有するが、圧縮変形率が小さい□印材については、静的荷重負荷の一般的な回転摺動に対する耐摩耗性は満足するものの、振動等動的荷重負荷の耐たたき摩耗性については、総合判定△印材と同様に著しく劣った損傷状況であり、採用は好ましくない。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000007
    つまり、高信頼性の電動式空気流量制御装置実現のためには、基材強度の指標である圧環強さと延性の指標である圧縮変形率の最適化が極めて重要である。
　  １　　ボディ
　  ２　　吸入空気通路
    ３    モータ
    ４    モータハウジング
    ５    絞り弁軸
    ６ａ、６ｂ    軸受構造
    ７    絞り弁
    ８    ねじ
    ９    絞り弁ギア
    ９ａ    金属板
  １０    ナット
  １１    穴部
  １２    中間軸
  １３    中間ギア
  １３ａ    小径ギア部
  １３ｂ    大径ギア部
  １４    回転子軸
  １４ａ    回転子
  １５    マグネット
  １６    フロント軸受
  １７    リア軸受
  １８    ケース部材
  １９    モータ固定ねじ
  ２０    駆動ギア
  ２１    ねじりばね
  ３１～３３    比摩耗量特性
  ４１    内径部
  ４２、５２    内径角部
  ６１～６６    圧環強さ特性例
  ６１ａ～６６ａ    圧環強さ最大値
  ６１ｂ～６６ｂ    圧環強さ変曲点
  ７１ａ、７１ｂ    外周部発生き裂
  ７２ａ、７２ｂ    内周部発生き裂
  ７１、７２    圧環強さ密度依存特性例

Claims (2)

  1. 　内燃機関に供給される吸入空気量を直接制御する絞り弁機構の回転制御駆動源であるモータの回転子軸支持用軸受の少なくても一方が、焼結金属製円筒形状であり、当該軸受実体での圧縮強度評価で把握される圧環強さと圧縮変形率の関係において、圧環強さの最大値が２３０Ｎ/ｍｍ2以上であり、圧環強さ最大値に対応した圧縮変形率が３．５％以上の機械的性質を有することを特徴としたモータ回転子軸用軸受を構成してなる内燃機関用電動式空気流量制御装置。
  2. 　請求項１に記載の焼結金属製軸受材質の成分が少なくともＣｕ、Ｓｎ、Ｎｉの配合からなる銅合金系であることを特徴とする内燃機関用電動式空気流量制御装置。
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