WO2024201766A1 - 軸受機構 - Google Patents

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WO2024201766A1
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recesses
oil
bearing mechanism
oil retention
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英樹 増尾
健 筒治
勇人 平山
毅 樋口
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Nissan Motor Co Ltd
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Nissan Motor Co Ltd
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C17/00—Sliding-contact bearings for exclusively rotary movement
    • F16C17/02—Sliding-contact bearings for exclusively rotary movement for radial load only

Definitions

  • the present invention relates to a bearing mechanism.
  • bearing mechanisms used as mechanical parts such as automobile engine parts, have attempted to reduce friction by providing minute recesses on the sliding surfaces of the components to stabilize oil film formation.
  • Patent Document 1 discloses a low-friction sliding member in which, in order to effectively obtain a friction reduction effect, a plurality of texture groups each consisting of at least two adjacent minute recesses are formed on at least one sliding surface of a pair of sliding members having sliding surfaces that slide against each other with a lubricating oil interposed therebetween, the recesses have portions that overlap each other in the sliding direction or the direction in which the lubricating oil flows, the spacing between the texture groups is greater than the spacing between adjacent recesses, and the texture groups are uniformly distributed on the sliding surface.
  • At least one embodiment of the present invention has been made in consideration of the above circumstances, and specifically, in a bearing mechanism consisting of a shaft and a sliding bearing, the object is to reduce friction while maintaining oil retention and improving seizure resistance during high-speed sliding, even under conditions where the supply of lubricating oil is extremely low, such as at low speeds.
  • the above object of the present invention can be achieved by any one of the following (1) to (6).
  • a bearing mechanism comprising a shaft that rotates and slides in the presence of lubricating oil and a plain bearing that is softer than the shaft, the sliding surface of the shaft having an oil retention area with recesses arranged at predetermined intervals around the entire circumference, and a pressure-receiving area with a continuous flat surface around the entire circumference, the oil retention area and the pressure-receiving area being arranged alternately in the longitudinal direction of the shaft, and the relationship between the length W1 of the oil retention area in the axial direction intersecting the circumferential direction and the length W2 of the pressure-receiving area in the axial direction intersecting the circumferential direction satisfies W2/W1 ⁇ 2.
  • a bearing mechanism according to any one of (1) to (4) above, in which the recesses of the oil retention regions adjacent in the axial direction are arranged so as not to overlap in the axial direction.
  • a bearing mechanism according to any one of (1) to (5) above, in which the recesses are arranged at equal intervals in the circumferential direction within the oil retention region and are arranged so as to be aligned in the axial direction with the midpoint positions between the circumferential recesses in adjacent oil retention regions.
  • FIG. 2 is a schematic configuration diagram of a bearing mechanism according to the present embodiment.
  • 5A to 5C are schematic diagrams showing examples of recesses and flat portions on a sliding surface of a shaft according to the present embodiment.
  • 11 is a diagram for explaining a method for calculating an area ratio of a recessed portion to a sliding surface of a shaft.
  • FIG. FIG. FIG. 13 is a diagram showing another form of a conventional product.
  • FIG. 2 is a configuration diagram showing an overview of a test device used in the examples.
  • 1 is a table showing specifications and evaluation results of examples. 1 is a graph showing the evaluation results of examples.
  • the bearing mechanism 100 is composed of a shaft 10 that rotates and slides in the presence of lubricating oil 30, and a sliding bearing 20 that has a lower hardness than the shaft 10.
  • the shaft 10 has an oil retention area A and a pressure-receiving area B on its surface.
  • the oil retention area A and the pressure-receiving area B are each continuous around the entire circumference of the shaft 10, and are arranged alternately in the longitudinal direction of the shaft 10.
  • the shaft 10 rotates and slides about the central axis C. In FIG. 1, the longitudinal direction of the shaft 10 coincides with the direction along the central axis C.
  • the oil retention area A is a predetermined area set on the shaft 10, and multiple recesses 40 are formed at predetermined intervals around the entire circumference of the shaft 10.
  • the recess 40 is long in the direction perpendicular to the sliding direction of the shaft 10.
  • the recess 40 is rectangular with the length along the long axis of the shaft 10 as the longitudinal direction and the length along the circumferential direction of the shaft 10 as the short direction. This makes it easier to supply lubricating oil 30 to the surface of the shaft 10 in the axial direction compared to, for example, a configuration in which all four sides of the same area ratio are the same length, or a configuration in which the recess 40 is a rectangle that is long in the sliding direction of the shaft 10.
  • the longitudinal length of the recess 40 matches the width W1 of the oil retention area A.
  • the depth of the recess 40 is 2 ⁇ m or more and 15 ⁇ m or less. If the depth of the recess 40 exceeds 15 ⁇ m, the oil film thickness at the edge portion of the recess 40 during sliding becomes too small, making it easier for seizure to occur, and it becomes difficult to smoothly supply the lubricating oil 30 to the pressure-receiving area B.
  • the circumferential spacing d of the recesses 40 in the oil retention area A is preferably equal to the circumferential spacing from the viewpoint of the stable supply of the lubricating oil 30 to the surface of the shaft 10.
  • the recesses 40 formed in the oil retention area A are circumferentially offset by a predetermined distance so as not to overlap axially with the recesses 40 formed in adjacent oil retention areas A in the longitudinal direction of the shaft 10. This allows the oil retention area A to improve the oil supply capacity of the shaft 10 and prevent oil film breakdown. Therefore, the bearing mechanism 100 reduces friction even in situations where the supply of lubricating oil 30 is extremely low, such as at low revolutions.
  • the recesses 40 are preferably arranged at equal intervals in the circumferential direction within the oil retention area A, and are preferably arranged so as to axially align with the midpoint position P between the circumferential recesses in adjacent oil retention areas A. That is, as shown in FIG. 2, the recesses 40 in the oil retention area A are preferably arranged so that the circumferential interval d between the recesses in each oil retention area A is equal, and the interval d between the recesses 40 in adjacent oil retention areas A in the axial direction is shifted by half. As a result, the recesses 40 are evenly arranged in a staggered pattern in the longitudinal direction on the surface of the shaft 10, as shown in FIG. 2. Therefore, the bearing mechanism 100 is capable of supplying lubricating oil 30 evenly throughout the entire shaft 10, and oil film breakdown can be more effectively prevented.
  • the pressure-receiving area B is a specified area set on the surface of the shaft 10, and is formed only of a continuous flat portion around the entire circumference of the shaft 10. In other words, unlike the oil-retaining area A, the pressure-receiving area B does not have any uneven structures such as recesses 40, and only the outer surface of the shaft 10 exists.
  • pressure-receiving area B has a flat portion around the entire circumference, a pressure-receiving area is secured around the entire circumference of shaft 10, and large localized hydraulic fluctuations are unlikely to occur. Therefore, even during high-speed sliding, the bearing mechanism 100 suppresses partial thinning of the oil film due to hydraulic fluctuations, and seizure is prevented.
  • the relationship between the axial width W1 of the oil retention area A and the axial width W2 of the pressure-receiving area B is W2/W1 ⁇ 2. From the viewpoint of oil retention and prevention of seizure during high-speed sliding, it is more preferable to set W2/W1 to 2 or greater and 3 or less. With this configuration, even when the amount of lubricating oil 30 supplied is extremely reduced, such as when no lubricating oil 30 is supplied at low temperatures or when the amount of lubricating oil 30 is reduced, it is possible to prevent seizure during high-speed sliding while reducing friction.
  • the area ratio of the recesses 40 on the sliding surface 11 of the shaft 10 is 0.19% or more and 0.49% or less, and preferably 0.19% or more and 0.36% or less. This effectively reduces the metal back temperature and improves seizure resistance during high-speed sliding.
  • the area ratio is the ratio of the area S2 of the recesses 40 to the area S1 of the sliding surface of the shaft 10.
  • FIG. 3 is a diagram showing an example of a method for calculating the area ratio. As shown in FIG. 3, a part of the sliding surface 11 of the shaft 10 is cut out, and the width W1 of the oil retention area A (which also corresponds to the longitudinal length of the recesses 40) is "a", the width W2 of the pressure-receiving area B is "b”, the short-side length (length along the circumferential direction) of the recesses 40 is "c”, and the length between adjacent recesses 40 in the circumferential direction in adjacent oil retention areas A is "d".
  • the area ratio can be calculated by the formula 1 "a ⁇ c/2(a+b) ⁇ (c+d)" (see FIG. 3).
  • a+c represents the area of the recesses 40
  • 2(a+b) ⁇ (c+d) represents the area of the area of the sliding surface 11 defined by the recesses 40 arranged in the axial and circumferential directions based on the target recess 40.
  • FIG. 4A and 4B show the configuration of a conventional product that does not satisfy the implementation conditions of the bearing mechanism 100 of this embodiment.
  • the recesses 40 formed in the oil retention areas A adjacent in the axial direction are aligned in the axial direction.
  • the supply of lubricating oil 30 to areas of the sliding surface 11 where there are no recesses 40 in the axial direction, such as the dotted line part in the figure is delayed, and a sufficient oil film is not formed, making it easy for seizure to occur during high-speed sliding.
  • the pressure-receiving area B is discontinuous in the circumferential direction of the shaft 10.
  • the bearing mechanism 100 has recesses 40 formed in the oil retention area A that satisfy the above-mentioned conditions (the dimensional relationship of W2/W1, the area ratio of the recesses 40, etc.), so that even when the supply of the lubricating oil 30 is extremely reduced, such as when the lubricating oil 30 is not supplied at low temperatures or when the amount of the lubricating oil 30 is reduced, the rotating and sliding shaft 10 can be provided with the oil transport function of the lubricating oil 30.
  • the above-mentioned conditions the dimensional relationship of W2/W1, the area ratio of the recesses 40, etc.
  • the bearing mechanism 100 can distribute the lubricating oil 30 around the entire circumference of the sliding surface 11 of the shaft 10 to form a stable oil film, so that even under conditions where the supply of the lubricating oil 30 is extremely low, it is possible to prevent seizure during high-speed sliding while reducing friction.
  • the plain bearing 20 has a lower hardness than the shaft 10 and is disposed so as to cover at least a portion of the outer peripheral surface of the shaft 10.
  • the plain bearing 20 has a surface roughness (calculated average roughness Ra) of Ra 0.12 or less in order to minimize contact between the sliding surfaces of the shaft 10 and the plain bearing 20 and suppress contact heat generation.
  • This arithmetic average roughness is based on JIS (Japanese Industrial Standards) B 0601:2001, etc.
  • the plain bearing 20 is provided with supply holes 21 for supplying lubricating oil 30 to the outer surface of the shaft 10.
  • the shape, arrangement, number, etc. of the supply holes 21 are not particularly limited and can be set appropriately depending on the specifications of the machine part to which the bearing mechanism 100 is applied, the amount of lubricating oil 30 to be supplied, etc.
  • the bearing mechanism 100 of this embodiment is composed of the shaft 10 which rotates and slides in the presence of lubricating oil 30, and the sliding bearing 20 which has a lower hardness than the shaft 10, and the sliding surface 11 of the shaft 10 has an oil retention area A having recesses 40 arranged at predetermined intervals around the entire circumferential direction, and a pressure-receiving area B in which a continuous flat surface is present around the entire circumferential direction, the oil retention area A and the pressure-receiving area B are arranged alternately in the major axis direction of the shaft 10 (direction along the central axis C), and the relationship between the axial length W1 of the oil retention area A which intersects the circumferential direction and the axial length W2 of the pressure-receiving area B which intersects the circumferential direction satisfies W2/W1 ⁇ 2.
  • This configuration allows the bearing mechanism 100 to distribute the lubricating oil 30 around the entire circumference of the sliding surface 11 of the shaft 10, forming a stable oil film, so that even in situations where the supply of lubricating oil 30 is extremely low, it is possible to reduce friction and prevent seizure during high-speed sliding.
  • the recess 40 may be elongated in a direction perpendicular to the sliding direction.
  • the recess 40 makes it easier to supply lubricating oil 30 to the surface of the shaft 10 in the axial direction.
  • the area ratio of the recesses 40 on the sliding surface 11 may be 0.19% or more and 0.49% or less.
  • the oil retention area A in which the recess 40 is formed can act to provide the rotating and sliding shaft 10 with an oil transport function for the lubricating oil 30.
  • the pressure-receiving area B can have a sufficient area with a flat portion over the entire circumference. Therefore, even in a situation where the supply of lubricating oil 30 is extremely low, the bearing mechanism 100 can effectively reduce the metal back surface temperature while reducing friction, improving seizure resistance during high-speed sliding.
  • the depth of the recess 40 may be 15 ⁇ m or less.
  • the recess 40 can smoothly supply the lubricating oil 30 to the entire sliding surface 11 of the shaft 10.
  • the recesses 40 of the oil retention areas A that are adjacent in the axial direction may be arranged so as not to overlap in the axial direction.
  • the bearing mechanism 100 can prevent seizure during high-speed sliding while reducing friction even in situations where the supply of lubricating oil 30 is extremely low, such as at low rotation speeds.
  • the recesses 40 may be arranged at equal intervals in the circumferential direction within the oil retention area A, and may be arranged so as to be aligned in the axial direction with the midpoint position P between the circumferential recesses 40 in adjacent oil retention areas A.
  • the bearing mechanism 100 is capable of supplying lubricating oil 30 evenly throughout the entire shaft 10, effectively preventing oil film breakdown, and improving seizure resistance during high-speed sliding while reducing friction even in situations where the supply of lubricating oil 30 is extremely low, such as at low rotation speeds.
  • Example 1 to 3 and Comparative Examples 2 and 3 the recesses in the oil retention region were arranged in a staggered pattern in the axial direction, and the pressure-receiving region had a shape with a continuous flat portion all around the circumferential direction, as shown in Fig. 2.
  • Comparative Example 1 the recesses in the oil retention region were aligned in the axial direction, and the pressure-receiving region had a discontinuous shape in the circumferential direction, as shown in Fig. 4B.
  • the recesses in each sample of Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 3 were formed using a pulsed fiber laser oscillator with a maximum output of 100 W.
  • the femtosecond laser irradiated during recess formation had a wavelength of 1064 nm, a pulse width of 100 ns, pulse energy of 1 mJ, and a repetition frequency of 40 to 80 kHz.
  • the testing apparatus 200 includes support members 210 that rotatably support both ends of the shaft 10, and a connecting rod 220 that is attached to the center of the shaft 10 via a sliding bearing 20.
  • a supply port for supplying lubricating oil 30 is provided in the connecting rod 220, and the connecting rod 220 is connected to an external supply unit 300 through piping so that the lubricating oil 30 can be supplied.
  • the shaft 10, supported by the support members 210, rotates and slides in a predetermined direction within the sliding bearing 20 due to the driving force of a drive unit (not shown).
  • the evaluation test consisted of a trial run and a test run. - For the test run, no static load was applied and the shaft was rotated at a peripheral speed equivalent to approximately 5 m/s for several minutes. As a test run, after the trial run, the circumferential speed was increased to approximately 10 m/s, and the static load applied to the connecting rod 220 was increased stepwise by approximately 4 kN to 5 kN per few minutes to a static load of approximately 40 kN to 50 kN, and the back surface temperature (metal back surface temperature) of the plain bearing 20 was measured. Lubricating oil was supplied at a rate of 100 ml per minute from the trial run until the end of the test run.
  • FIG. 7 The results of the evaluation test are shown in Fig. 7.
  • the vertical axis represents the metal back surface temperature of each sample when the specified load is reached, and the horizontal axis represents the ratio (W2/W1) of the axial length W1 of the retaining area to the axial length W2 of the pressure-receiving area.
  • W2/W1 of Comparative Example 1 is "0", which indicates that the pressure-receiving area is discontinuous in the circumferential direction of the shaft.
  • the metal back temperature in Example 1 was 182°C
  • the metal back temperature in Example 2 was 181°C
  • the metal back temperature in Example 3 was 172°C.
  • the area ratio of the recesses in Example 1 was 0.49%
  • the area ratio of the recesses in Example 2 was 0.36%
  • the area ratio of the recesses in Example 3 was 0.19%.
  • the pressure-receiving area is discontinuous in the circumferential direction of the shaft as shown in Figure 4B, and the recesses are aligned in the axial direction in adjacent oil retention areas.
  • the pressure-receiving area has a continuous flat portion around the entire circumferential direction of the shaft, the oil retention area and the pressure-receiving area are alternately arranged in the axial direction, and the recesses are arranged so that they do not overlap in the axial direction in adjacent oil retention areas.
  • the pressure-receiving area has a continuous flat portion around the entire circumferential direction of the shaft" and “the recesses are arranged so that they do not overlap in the axial direction in adjacent oil retention areas” also contribute to stabilizing oil film formation.
  • Lubricating oil supply unit A oil holding area; B pressure-receiving area; d circumferential spacing of recesses in oil retention area; P is the midpoint position of the circumferential spacing of the recesses; W1 Width of oil holding area, W2 Width of pressure area.

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Abstract

【課題】軸とすべり軸受で構成される軸受機構において、低回転時のような潤滑油の供給が極端に少ない状況下であっても、フリクションを低減しつつ、油保持性を維持して高回転摺動時の耐焼き付け性を向上させること。 【解決手段】潤滑油３０の存在下で回転摺動する軸１０と、軸１０よりも低硬度なすべり軸受２０と、で構成され、軸１０の摺動面１１には、周方向全周にわたって所定の間隔で配置された凹部４０を有する油保持領域Ａと、周方向全周にわたって連続する平坦面が存在する受圧領域Ｂと、を有し、油保持領域Ａと受圧領域Ｂは、軸１０の長軸方向（中心軸Ｃに沿う方向）に交互に配置され、油保持領域Ａの周方向と交差する軸方向の長さＷ１と、受圧領域Ｂの周方向と交差する軸方向の長さＷ２との関係がＷ２／Ｗ１≧２となる。

Description

軸受機構
　本発明は、軸受機構に関する。
　従来から、例えば自動車用のエンジン部品等の機械部品として利用される軸受機構は、構成部品の摺動面に微細な凹部を設けて油膜形成を安定化することでフリクションの低減を図っている。
　特許文献１には、フリクション低減効果を有効に得るため、潤滑油が介在されて互いに摺動する摺動面を有する一対の摺動部材の少なくとも一方の摺動面に少なくとも２つの近接する微細な凹部からなるテクスチャ群を複数形成し、凹部は、摺動方向又は潤滑油の流れる方向に互いに重なる部位を有し、テクスチャ群同士の間隔は、近接する凹部同士の間隔よりも大きく、かつ摺動面に一様に分布された低摩擦摺動部材について開示されている。
特開２００７－２２５１０５号公報
　軸の外周面に潤滑油の供給源となる凹部が形成された軸受機構において、低回転時等のオイル供給が極端に少ない状況下においてフリクションを低く保つためには、油溜まりとなる凹部を増設する必要がある。しかし、フリクションを低減させるために凹部の数を増加させると、油膜切れを防止する効果は得られるが、その反面、軸の受圧部分の面積が低減して荷重が高くなるため、高速摺動時に焼付き易くなるという課題が生じる。
　本発明の少なくとも一実施形態は、上述の事情に鑑みてなされたものであり、具体的には、軸とすべり軸受で構成される軸受機構において、低回転時のような潤滑油の供給が極端に少ない状況下であっても、フリクションを低減しつつ、油保持性を維持して高回転摺動時の耐焼き付け性を向上させることにある。
　本発明の上記目的は、下記（１）～（６）の何れか１つによって達成される。
　（１）潤滑油の存在下で回転摺動する軸と、前記軸よりも低硬度なすべり軸受と、で構成される軸受機構であって、前記軸の摺動面には、周方向全周にわたって所定の間隔で配置された凹部を有する油保持領域と、周方向全周にわたって連続する平坦面が存在する受圧領域と、を有し、前記油保持領域と前記受圧領域は、前記軸の長軸方向に交互に配置され、前記油保持領域の周方向と交差する軸方向の長さＷ１と、前記受圧領域の周方向と交差する軸方向の長さＷ２との関係がＷ２／Ｗ１≧２となる、軸受機構。
　（２）前記凹部は、摺動方向に対して垂直な方向が長い、上記（１）の軸受機構。
　（３）前記凹部の前記摺動面における占める面積率は、０．１９％以上０．４９％以下である、上記（１）又は（２）の軸受機構。
　（４）前記凹部の深さは、１５μｍ以下である、上記（１）～（３）の何れかの軸受機構。
　（５）軸方向で隣り合う前記油保持領域の前記凹部は、軸方向で重ならないように配置される、上記（１）～（４）の何れかの軸受機構。
　（６）前記凹部は、前記油保持領域内で周方向に等間隔で配置され、隣り合う油保持領域における周方向の凹部間の中点位置と軸方向で揃うように配置される、上記（１）～（５）の何れかの軸受機構。
　本発明の少なくとも一実施形態によれば、軸とすべり軸受で構成される軸受機構において、低回転時のような潤滑油の供給が極端に少ない状況下であっても、フリクションを低減しつつ、油保持性を維持して高回転摺動時の耐焼き付け性を向上させることができる。
本実施形態に係る軸受機構の概略構成図である。 本実施形態に係る軸の摺動面に対する凹部と平坦部の例を示す概略構成図である。 軸の摺動面に対する凹部の面積率の算出方法を説明するための図である。 従来品の形態の図である。 従来品の他の形態を示す図である。 実施例で使用する試験装置の概要を示す構成図である。 実施例の仕様及び評価結果を示す表である。 実施例の評価結果を示すグラフである。
　以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。ここで示す実施形態は、本発明の技術的思想を具体化するために例示するものであって、本発明を限定するものではない。また、本発明の要旨を逸脱しない範囲で当業者等により考え得る実施可能な他の形態、実施例及び運用技術等は全て本発明の範囲、要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
　さらに、本明細書に添付する図面は、図示と理解のし易さの便宜上、適宜縮尺、縦横の寸法比、形状等について、実物から変更し模式的に表現される場合があるが、あくまで一例であって、本発明の解釈を限定するものではない。
　図１に示すように、本実施形態に係る軸受機構１００は、潤滑油３０の存在下で回転摺動する軸１０と、軸１０より低硬度なすべり軸受２０と、で構成される。
　軸１０は、図２に示すように、表面に油保持領域Ａと、受圧領域Ｂと、を有する。油保持領域Ａと受圧領域Ｂは、それぞれ軸１０の周方向全周にわたって連続し、軸１０の長軸方向に対して交互に配置される。軸１０は、中心軸Ｃを軸心として回転摺動する。なお、図１において、軸１０の長軸方向は、中心軸Ｃに沿う方向と一致する。
　油保持領域Ａは、軸１０に設定された所定の領域であって、軸１０の周方向全周にわたって所定の間隔を空けて複数の凹部４０が形成される。
　凹部４０は、軸１０の摺動方向に対して垂直な方向が長い。換言すると、凹部４０は、軸１０の長軸方向に沿う長さを長手方向とし、軸１０の周方向に沿う長さを短手方向とする長方形をなす。これにより、凹部４０は、例えば同じ面積率の４辺を同じ長さとした構成や、軸１０の摺動方向に長い長方形とした構成と比べて、軸１０の表面に対する軸方向への潤滑油３０の供給が容易となる。凹部４０の長手方向の長さは、油保持領域Ａの幅Ｗ１と一致する。
　凹部４０は、潤滑油の供給安定性の観点から、深さ２μｍ以上１５μｍ以下とするのが好ましい。凹部４０は、深さが１５μｍを超えると、摺動時に凹部４０のエッジ部分での油膜厚さが小さくなりすぎて焼き付きが生じ易くなると共に、受圧領域Ｂに潤滑油３０を円滑に供給し難くなる。
　油保持領域Ａにおける凹部４０の周方向の間隔ｄは、軸１０の表面に対する潤滑油３０の供給安定性の観点から、周方向に等間隔で配置するのが好ましい。
　油保持領域Ａに形成される凹部４０の周方向に対する形成位置は、軸１０の長軸方向で隣り合う油保持領域Ａに形成された凹部４０と軸方向で重ならないように、周方向に所定距離ずらして配置される。これにより、油保持領域Ａは、軸１０の油供給能力を向上させて油膜切れが防止できる。そのため、軸受機構１００は、低回転時等の潤滑油３０の供給が極端に少ないような状況であってもフリクションが低減される。
　凹部４０は、油保持領域Ａ内で周方向に等間隔で配置され、隣り合う油保持領域Ａにおける周方向の凹部間の中点位置Ｐと軸方向で揃うように配置するのが好ましい。すなわち、油保持領域Ａにおける凹部４０の配置は、図２に示すように、各油保持領域Ａの凹部の周方向の間隔ｄを均等に揃え、軸方向で隣り合う油保持領域Ａの凹部４０の間隔ｄを半分ずらして配置するのが好ましい。これにより、軸１０の表面には、図２に示すように、長軸方向に対して凹部４０が千鳥状に均等配置される。したがって、軸受機構１００は、軸１０全体を通して均等に潤滑油３０の供給が可能となるため、油膜切れをより効果的に防止することができる。
　受圧領域Ｂは、軸１０の表面に設定された所定の領域であって、軸１０の周方向全周にわたって連続した平坦部のみで形成される。すなわち、受圧領域Ｂは、油保持領域Ａのように凹部４０等の凹凸構造は一切形成されず、軸１０の外表面のみが存在する。
　受圧領域Ｂは、周方向全周にわたって平坦部を有するため、軸１０の全周で受圧面積が確保できると共に、部分的に大きな油圧変動が生じ難い。そのため、軸受機構１００は、高速摺動時であっても油圧変動による部分的な油膜の薄膜化が抑制され、焼付きが防止される。
　軸受機構１００は、油保持領域Ａの軸方向の幅Ｗ１と、受圧領域Ｂの軸方向の幅Ｗ２の関係が、Ｗ２／Ｗ１≧２の寸法関係である。Ｗ２／Ｗ１は、油保持性と高速摺動時の焼付き防止の観点から２以上３以下とするのがより好ましい。このような構成とすることで、低温で潤滑油３０が供給されない場合や、潤滑油３０の油量が減った場合等、潤滑油３０の供給量が極端に低下した場合においても、フリクションを低減させつつ高速摺動時の焼付きが防止できる。
　軸受機構１００は、軸１０の摺動面１１における凹部４０の面積率は、０．１９％以上０．４９％以下であり、好ましくは０．１９％以上０．３６％以下である。これにより、メタル背面温度を効果的に低減させ、高速摺動時における耐焼付き性を向上させることができる。
　前記面積率は、軸１０の摺動面の面積Ｓ１に対する凹部４０の面積Ｓ２の割合である。図３は、前記面積率の算出方法の一例を示した図である。図３に示すように、軸１０の摺動面１１の一部を切り出し、油保持領域Ａの幅Ｗ１（凹部４０の長手方向の長さにも相当）を「ａ」、受圧領域Ｂの幅Ｗ２を「ｂ」、凹部４０の短手方向の長さ（周方向に沿う長さ）を「ｃ」、隣り合う油保持領域Ａにおいて周方向に近接する凹部４０の間の長さを「ｄ」としたとき、式１「ａ×ｃ／２（ａ＋ｂ）×（ｃ＋ｄ）」により算出することができる（図３を参照）。式中の「ａ＋ｃ」は凹部４０の面積、「２（ａ＋ｂ）×（ｃ＋ｄ）」は対象とする凹部４０を基準として軸方向及び周方向に配置された凹部４０で画成された摺動面１１の領域の面積を表す。
　図４Ａ、図４Ｂは、本実施形態の軸受機構１００の実施条件を満たしていない従来品の形態が示されている。図４Ａに示す形態は、軸方向で隣り合う油保持領域Ａに形成される凹部４０が軸方向で揃っている。このような形態の場合、図中の点線部分等の摺動面１１において軸方向に凹部４０が存在しない領域への潤滑油３０の供給が滞って十分な油膜が形成されず、高速摺動時に焼付きが生じ易い。また、図４Ｂに示す形態は、受圧領域Ｂが軸１０の周方向に不連続となる。このような形態の場合、図４Ａに示した形態と同様、油膜形成が不安定となり、高速摺動時に焼付きが生じ易い。このように、従来品は、低回転時等の潤滑油３０の供給が極端に少ない状況の場合、油膜形成が不安定で高速摺動に対応できない。
　これに対し、本実施形態に係る軸受機構１００は、図２に示すように、油保持領域Ａに前述した条件（Ｗ２／Ｗ１の寸法関係、凹部４０の面積率等）を満たす凹部４０が形成されるため、低温で潤滑油３０が供給されない場合や、潤滑油３０の油量が減った場合等、潤滑油３０の供給量が極端に低下した場合においても、回転摺動する軸１０に潤滑油３０の油運搬作用を持たせることができる。そのため、軸受機構１００は、軸１０の摺動面１１の全周に潤滑油３０を行き渡って安定した油膜形成が可能となるため、潤滑油３０の供給が極端に少ない状況下でも、フリクション低減を図りつつ高速摺動時の焼付きが防止できる。
　すべり軸受２０は、軸１０よりも低硬度であり、軸１０の外周面の少なくとも一部を覆って配置される。すべり軸受け２０は、軸１０とすべり軸受２０との摺動面同士の接触を極力無くして接触発熱を抑制するため、表面粗さ（算出平均粗さＲａ）はＲａ０．１２以下である。この算術平均粗さは、ＪＩＳ　（日本工業規格）Ｂ　０６０１：２００１等に基づくものである。
　すべり軸受２０は、潤滑油３０を軸１０の外表面に供給するための供給孔２１が設けられている。供給孔２１の孔形状、配置位置、配置数等は、特に制限されず、軸受機構１００が適用される機械部品の仕様や潤滑油３０の供給量等に応じて適宜設定できる。
　［作用効果］
　以上説明したように、本実施形態に係る軸受機構１００は、潤滑油３０の存在下で回転摺動する軸１０と、軸１０よりも低硬度なすべり軸受２０と、で構成され、軸１０の摺動面１１には、周方向全周にわたって所定の間隔で配置された凹部４０を有する油保持領域Ａと、周方向全周にわたって連続する平坦面が存在する受圧領域Ｂと、を有し、油保持領域Ａと受圧領域Ｂは、軸１０の長軸方向（中心軸Ｃに沿う方向）に交互に配置され、油保持領域Ａの周方向と交差する軸方向の長さＷ１と、受圧領域Ｂの周方向と交差する軸方向の長さＷ２との関係がＷ２／Ｗ１≧２となる。
　このような構成により、軸受機構１００は、軸１０の摺動面１１の全周に潤滑油３０を行き渡って安定した油膜形成が可能となるため、潤滑油３０の供給が極端に少ない状況下であっても、フリクション低減を図りつつ高速摺動時の焼付きが防止できる。
　また、軸受機構１００において、凹部４０は、摺動方向に対して垂直な方向を長くしてもよい。
　このような構成により、凹部４０は、軸１０の表面に対する軸方向への潤滑油３０の供給が容易となる。
 
　また、軸受機構１００において、凹部４０の摺動面１１における面積率は、０．１９％以上０．４９％以下としてもよい。
　このような構成により、凹部４０が形成される油保持領域Ａの作用により、回転摺動する軸１０に潤滑油３０の油運搬作用を持たせることができる。また、受圧領域Ｂは、周方向全周にわたって平坦部を有する受圧領域Ｂの面積も十分確保できる。したがって、軸受機構１００は、潤滑油３０の供給が極端に少ない状況下においても潤滑油３０の供給が極端に少ない状況下であっても、フリクション低減を図りつつメタル背面温度を効果的に低減させ、高速摺動時における耐焼付き性を向上させることができる。
　また、軸受機構１００において、凹部４０の深さは、１５μｍ以下としてもよい。
　このような構成により、凹部４０は、軸１０の摺動面１１全体にわたって潤滑油３０を円滑に供給することができる。
　また、軸受機構１００において、軸方向で隣り合う油保持領域Ａの凹部４０は、軸方向で重ならないように配置してもよい。
　このような構成により、油保持領域Ａに形成される凹部は、摺動面１１に対して一部に偏らないように配置されるため、軸１０の油供給能力が向上して油膜切れが防止できる。したがって、軸受機構１００は、低回転時等の潤滑油３０の供給が極端に少ないような状況であってもフリクションを低減しつつ、高速摺動時の焼付きが防止できる。
　また、軸受機構１００において、凹部４０は、油保持領域Ａ内で周方向に等間隔で配置され、隣り合う油保持領域Ａにおける周方向の凹部４０間の中点位置Ｐと軸方向で揃うように配置してもよい。
　このような構成により、軸１０の摺動面１１には、例えば図２に示すように、長軸方向に対して凹部４０が千鳥状に均等に配置され、摺動面１１に対して凹部４０を一様に配置することができる。したがって、軸受機構１００は、軸１０全体を通して均等に潤滑油３０の供給が可能となるため、油膜切れを効果的に防止され、低回転時等の潤滑油３０の供給が極端に少ないような状況であってもフリクションの低減を図りつつ、高速摺動時の耐焼付き性がより向上し得る。
　以下、本発明を実施例により具体的に説明するが、本発明の範囲は下記の実施例に限定されるものではない。
　本発明の実施形態に係る軸受機構１００となる実施例及び比較例について説明する。
　［サンプルの仕様］
　実施例１～実施例３、比較例１～比較例３の各サンプルは、以下の仕様とした。
　実施例１～実施例３、比較例２、比較例３は、図２に示すように油保持領域の凹部を軸方向に千鳥状に配置し、受圧領域は周方向全周にわたって連続する平坦部を有する形状とした。比較例１は、図４Ｂに示すように、油保持領域の凹部を軸方向で揃え、受圧領域は周方向に不連続な形状とした。
〈軸〉
・材料：Ｓ４５Ｃのシャフト、φ５２（５２ｍｍ）
・表面硬度（ロックウェル硬さ）：ＨＲＣ５０
・表面処理：高周波焼入れ焼戻し
・表面粗さ：Ｒａ０．０３（ラップ加工による）
・円筒度：０．０５ｍｍ以内
〈すべり軸受〉
・材料：Ａｌ合金
・ハウジング径：φ５５（５５ｍｍ）
・クリアランス：４０μｍ以下
・表面硬度：５０－６０Ｈｖ
・表面処理：なし
・表面粗さ：Ｒａ０．１２。
　実施例１～実施例３、比較例１～比較例３の各サンプルの凹部は、最大１００Ｗ級のパルスファイバーレーザー発振器を用いて形成した。凹部形成時に照射したフェムト秒レーザーは、波長：１０６４ｎｍ、パルス幅：１００ｎｓ、パルスエネルギー：１ｍＪ、繰り返し周波数：４０～８０ｋＨｚとした。
　また、実施例１～実施例３、比較例１～比較例３の各サンプルの詳細な仕様（凹部のサイズ（長手及び短手方向の長さ、深さ）、周方向における凹部の形成間隔、油保持領域と受圧領域の幅及び比率、凹部の面積率等）については、図５に示す表にまとめた。
　［試験方法］
　実施例及び比較例は、下記に示す評価試験を実施し、メタル背面温度（すべり軸受の背面温度）を測定した。試験中に供給した潤滑油は、エンジンオイル（ＩＬＳＡＣ規格：ＳＮ/ＧＦ－５、オイル粘度：５Ｗ－３０）を使用した。
　〈試験装置〉
　試験装置２００は、図６に示すように、軸１０の両端を回転可能に支持する支持部材２１０と、すべり軸受２０を介して軸１０の中央部分に装着されるコンロッド２２０と、を備える。コンロッド２２０には、潤滑油３０を供給するための供給口が設けられ、外部の供給部３００と配管を通じて潤滑油３０が供給可能に接続される。軸１０は、図示しない駆動部による駆動力により、支持部材２１０に支持されたまますべり軸受２０内を所定方向に回転摺動する。
　〈試験詳細〉
　評価試験は、試運転と、試験運転とを実施した。
・試運転は、静的荷重を掛けず、軸を周速約５ｍ／ｓ相当で数分間回転させた。
・試験運転として、試運転後に周速を約１０ｍ／ｓ相当に上げ、コンロッド２２０に掛ける静的荷重を約４ｋＮ～５ｋＮ／数分間ずつ段階的に増加させて約４０ｋＮ～５０ｋＮ程度の静的荷重としたときのすべり軸受２０の背面温度（メタル背面温度）を測定した。
・潤滑油は、試運転から試験運転終了時まで毎分１００ｍｌずつ供給した。
　試験結果は、図６及び図７の表に示す通りであった。
　［評価結果］
　図７は、上記評価試験の結果が示されている。図７のグラフは、縦軸を指定荷重到達時の各サンプルのメタル背面温度とし、横軸を保持領域の軸方向の長さＷ１と受圧領域の軸方向の長さＷ２の比率（Ｗ２／Ｗ１）とした。図７において、比較例１のＷ２／Ｗ１は「０」となるが、これは受圧領域が軸の周方向に不連続であることを示している。
　図７に示すように、実施例１のメタル背面温度は１８２℃、実施例２のメタル背面温度は１８１℃、実施例３のメタル背面温度１７２℃であり、各サンプルの油保持領域の軸方向の長さＷ１と受圧領域の軸方向の長さＷ２の関係は、実施例１はＷ２／Ｗ１＝２、実施例２及び実施例３はＷ２／Ｗ１＝３であった。これに対し、比較例１はメタル背面温度が２０９℃、Ｗ２／Ｗ１＝０であり、比較例３はメタル背面温度が１８９℃、Ｗ２／Ｗ１＝５であった。この試験結果は、油保持領域の軸方向の長さＷ１と受圧領域の軸方向の長さＷ２の関係がＷ２／Ｗ１≧２とすることが、メタル背面温度を低下させること、すなわちフリクション低減を図りつつ高速摺動時の焼付きを防止するのに有効であることを示している。
　図７に示すように、比較例２のメタル背面温度は１８９℃であり、Ｗ２／Ｗ１＝３であり、面積率は０．７０％であった。一方、実施例１の凹部の面積率は０．４９％、実施例２の凹部の面積率は０．３６％、実施例３の凹部の面積率は０．１９％であった。この試験結果は、Ｗ２／Ｗ１≧２とすることに加え、摺動面に対する凹部の面積率が０．１９％以上０．４９％以下とすることが、メタル背面温度を低下させること、すなわちフリクション低減を図りつつ高速摺動時の焼付きを防止するのに有効であることを示している。
　実施例１と、実施例２及び実施例３とを比較すると、実施例１はＷ２／Ｗ１＝２であるのに対し、実施例２及び実施例３は何れもＷ２／Ｗ１＝３であった。この試験結果は、油保持領域の軸方向の長さＷ１と受圧領域の軸方向の長さＷ２の関係を２≦Ｗ２／Ｗ１≦３とすることが、フリクション低減及び高速摺動時の耐焼付き性の向上に有効的であることを示している。
　比較例１は、図４Ｂに示すような受圧領域が軸の周方向に不連続であり、凹部の配置が隣り合う油保持領域において軸方向で揃って配置されている。これに対し、実施例１～実施例３は、図２に示すように、受圧領域が、軸の周方向全周にわたって平坦部が連続し、油保持領域と受圧領域は軸方向に交互に配置し、凹部の配置を隣り合う油保持領域において軸方向で重ならないように配置されている。このことから、メタル背面温度の低減化を図る上で、前述した「油保持領域の軸方向の長さＷ１と受圧領域の軸方向の長さＷ２の関係」に加え、「受圧領域は、軸の周方向全周にわたって平坦部が連続すること」や「凹部の配置は、隣り合う油保持領域において軸方向で重ならないこと」も、油膜形成の安定化に寄与していることが確認された。
　　１０　軸、
　　１１　摺動面、
　　２０　すべり軸受、
　　２１　潤滑油の供給孔、
　　３０　潤滑油、
　　４０　凹部、
　１００　軸受機構、
　２００　試験装置、
　２１０　支持部材、
　２２０　コンロッド、
　３００　潤滑油の供給部、
　Ａ　油保持領域、
　Ｂ　受圧領域、
　ｄ　油保持領域における凹部の周方向の間隔、
　Ｐ　凹部の周方向の間隔の中点位置、
　Ｗ１　油保持領域の幅、
　Ｗ２　受圧領域の幅。

Claims (6)

  1. 　潤滑油の存在下で回転摺動する軸と、前記軸よりも低硬度なすべり軸受と、で構成される軸受機構であって、
    　前記軸の摺動面には、周方向全周にわたって所定の間隔で配置された凹部を有する油保持領域と、周方向全周にわたって連続する平坦面が存在する受圧領域と、を有し、
    　前記油保持領域と前記受圧領域は、前記軸の長軸方向に交互に配置され、
    　前記油保持領域の周方向と交差する軸方向の長さＷ１と、前記受圧領域の周方向と交差する軸方向の長さＷ２との関係がＷ２／Ｗ１≧２となる、軸受機構。
  2. 　前記凹部は、摺動方向に対して垂直な方向が長い、請求項１に記載の軸受機構。
  3. 　前記凹部の前記摺動面における面積率は、０．１９％以上０．４９％以下である、請求項１に記載の軸受機構。
  4. 　前記凹部の深さは、１５μｍ以下である、請求項１に記載の軸受機構。
  5. 　軸方向で隣り合う前記油保持領域の前記凹部は、軸方向で重ならないように配置される、請求項１に記載の軸受機構。
  6. 　前記凹部は、前記油保持領域内で周方向に等間隔で配置され、隣り合う油保持領域における周方向の凹部間の中点位置と軸方向で揃うように配置される、請求項１に記載の軸受機構。
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JP2000155284A (ja) * 1998-11-19 2000-06-06 Canon Inc 偏向走査装置
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