JP2019190552A - 半割軸受 - Google Patents

Abstract

【課題】摺動面への潤滑油の供給を促進する。【解決手段】半割軸受（１）は、相手軸と摺動する内周面（１１）を有する半円筒形状の軸受本体（１０）と、内周面（１１）の周方向（θ）に沿って形成され、相手軸の軸方向（ｚ）の中央部分（Ｃ）を含み、溝（Ｇ）を有さない平坦領域（１１１）と、内周面（１１）のうち平坦領域（１１１）に対し軸方向（Ｇ）の少なくとも片側において複数の溝（Ｇ）が形成された溝領域（１１２、１１３）とを有する。【選択図】図２

Description

本発明は、半割軸受に関する。

摩擦特性を向上させるため、内周面に溝等の表面構造を形成した半割軸受が知られている。例えば特許文献１には、内周面の軸方向中央部分に油溝を形成し、さらのその両側に軸方向に対して斜めに複数の細溝を形成した半割軸受が記載されている。

特開２００２−１５５９４６号公報

近年、自動車用エンジンにおいて、さらなる効率化が要求される傾向がある。エンジンにおける損失を低減するため、今後、オイルポンプの吐出圧力が低減される可能性がある。このような状況において、本発明は、摺動面への潤滑油の供給を促進するための技術を提供する。

本発明は、相手軸と摺動する内周面を有する半円筒形状の軸受本体と、前記内周面の周方向に沿って形成され、前記相手軸の軸方向の中央部分を含み、溝を有さない平坦領域と、前記内周面のうち前記平坦領域に対し前記軸方向の少なくとも片側において複数の溝が形成された溝領域とを有する半割軸受を提供する。

前記平坦領域の前記軸方向における幅が、前記溝領域の当該軸方向における幅よりも狭くてもよい。

前記複数の溝の各々の長さが、前記内周面のうち前記平坦領域を除いた領域の前記軸方向の幅の半分以上であってもよい。

前記溝領域が、前記内周面のうち前記平坦領域に対し前記軸方向の一方側に形成された第１溝領域及び他方側に形成された第２溝領域を有し、前記第１溝領域に形成された前記複数の溝と、前記第２溝領域に形成された前記複数の溝とは、前記内周面の周方向において互い違いに形成されてもよい。

前記複数の溝の各々の、当該溝が延びる方向に垂直な断面の形状が、楕円弧であってもよい。

前記複数の溝の各々の延びる方向が、前記軸方向に対して２０〜４５°の角度をなしてもよい。

前記相手軸が、前記内周面に潤滑油を供給するための油孔を有し、前記平坦領域が、前記内周面が前記相手軸と摺動するときに前記油孔が描く軌跡と重なってもよい。

また、本発明は、相手軸と摺動する内周面を有する半円筒形状の軸受本体と、前記内周面の周方向に沿って形成され、溝を有さない平坦領域と、前記内周面のうち前記平坦領域
に対し前記軸方向の少なくとも片側において複数の溝が形成された溝領域とを有し、前記相手軸が、前記内周面に潤滑油を供給するための油孔を有し、前記平坦領域が、前記内周面が前記相手軸と摺動するときに前記油孔が描く軌跡と重なる半割軸受を提供する。

本発明の半割軸受によれば、摺動面への潤滑油の供給を促進することができる。

一実施形態に係る半割軸受１の外観を例示する図。 内周面１１を仮想的に平面に展開した展開図。 溝Ｇの形状を例示する図。 相手軸の油孔と摺動面の溝との位置関係を例示する図。 断面における油孔と溝Ｇとの位置関係を例示する図。 変形例に係る半割軸受１の表面構造を例示する図。 別の変形例に係る半割軸受１の表面構造を例示する図。 さらに別の変形例に係る半割軸受１の表面構造を例示する図。

本願発明者らは、３ＤＣＦＤ（３次元数値流体力学）解析を用いて、いわゆるコンロッド軸受（コネクティングロッドにおいて用いられる軸受）における潤滑油の流れを解析した。その結果、油孔から流出した潤滑油は、その油孔の近辺に留まり、幅方向（軸方向）に広がりにくい傾向があること、さらには、摺動方向に沿って流れた潤滑油は合せ面周辺において幅方向に広がり、油孔から流出した潤滑油の多くが摺動面に供給されずに軸受の外部に排出されることが分かった。

この潤滑油の流れは、軸受全体の冷却をすることはできても、（特に摺動による発熱を受ける）摺動面の局所を冷却する機能は不十分であること、さらには、摺動面における油膜形成が十分になされていない可能性があることを示唆している。本発明は、この問題に対処する。

図１は、一実施形態に係る半割軸受１の外観を例示する図である。半割軸受１は、例えば、２つ組み合わせて円筒形とし、自動車のエンジンにおいてコンロッド軸受として用いられる。この場合の相手軸はクランクシャフトである。図１（Ａ）は、半割軸受１の正面図（半割軸受１と摺動する相手軸の中心から見た図）を、図１（Ｂ）は側面図を示す。なおここでは、要素間の位置関係を説明するために、相手軸の径方向の位置をｒ、周方向の位置をθで表し、相手軸の軸方向をｚ軸とする座標系を用いる。また、図面を簡単にするため、後述する溝Ｇは図示を省略する。

半割軸受１は、軸受本体１０により構成される。軸受本体１０は、半円筒形状を有する。詳細には、軸受本体１０は、内周面１１、合せ面１２、合せ面１３、及び外周面１４を有する。外周面１４はハウジングにより支持される面である。合せ面１２及び合せ面１３は、他の半割軸受と組み合わせる際に、他の半割軸受の合せ面と対向する面である。内周面１１は、相手軸と摺動する摺動面となる面である。相手軸は、θ方向（この例では時計回り）に回転する。すなわちθ方向は摺動方向である。相手軸の径は、例えばφ３０〜１５０ｍｍである。軸受本体１０は、支持する軸の径に合わせた内径を有する。

一例において、軸受本体１０は、裏金及びライニング層が径方向に積層された２層構造を有する。外周面１４側が裏金であり、内周面１１側がライニング層である。裏金は、半割軸受１に機械的な強度を与える層であり、例えば、鋼、鋳鉄、又は樹脂で形成される。ライニング層は、軸受として要求される特性、例えば、摩擦特性、耐焼付き性、耐摩耗性
、なじみ性、異物埋収性、及び耐腐食性を改善するための層である。ライニング層は、軸受合金で形成される。一例において、ライニング層は、アルミニウム合金又は銅合金で形成される。

なお、ライニング層の上（最表面）にはさらに、オーバレイ層（コーティング層）が形成されてもよい。オーバレイ層は、摺動面の特性を改善するための層である。オーバレイ層は、合金により形成されてもよいし、樹脂を含んでもよい。一例において、オーバレイ層は、バインダー樹脂及び添加物を含む。バインダー樹脂は、例えば、ポリアミドイミド（ＰＡＩ）樹脂、ポリイミド（ＰＩ）樹脂、ポリアミド樹脂、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ポリアセタール樹脂、ポリエーテルケーテルケトン樹脂、及びポリフェニレンサルファイド樹脂のうち少なくとも一種を含む。添加物は、例えば、固体潤滑剤、軟質物、硬質物、及びカップリング剤のうち少なくとも一種を含む。固体潤滑材は、摩擦特性を改善するために添加される。固体潤滑剤は、例えば、ＭｏＳ_２、ＷＳ_２、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、グラファイト、ｈ−ＢＮ、及びＳＢ_２Ｏ_３のうち少なくとも一種を含む。例えばＭｏＳ_２は、良好な潤滑性を与える。また、ＰＴＦＥは分子間凝集力が小さいので、摩擦係数を低減する効果がある。さらに、グラファイトは濡れ性を向上させ、初期なじみ性を向上させる。初期なじみ性とは、摺動開始後に相手材と摺接する際、摺動面が摩耗して平滑になり、摺動性を向上させる性質である。初期なじみ性の発現により摺動性が向上すると、摺動層全体としての摩耗量が低減される。軟質物は、異物埋収性を改善するために添加される。軟質物は、例えば、Ｓｎ、Ａｌ、又はＢｉのうち少なくとも１種を含む。硬質物は、耐摩耗性を改善するために添加される。硬質物は、例えば、ＳｉＣ、Ａｌ_２Ｏ_３、ＴｉＮ、ＡｌＮ、ＣｒＯ_２、Ｓｉ_３Ｎ_４、ＺｒＯ_２、Ｆｅ_３Ｐのうち少なくとも一種を含む。

図２は、内周面１１を仮想的に平面に展開した展開図を示す。図において、縦軸及び横軸は、それぞれ、ｚ軸及びθ軸である。内周面１１は、平坦領域１１１、溝領域１１２、溝領域１１３、クラッシリリーフ１１４、及びクラッシリリーフ１１５を有する。

平坦領域１１１は、内周面１１において周方向θに沿って形成される。ここで、「平坦領域１１１が周方向θに沿って形成される」とは、周方向の始点から終点まで、ｚ軸上の所定位置が全て平坦領域１１１に含まれる（すなわち一続きである）ことをいう。一例において、周方向の始点はθ＝０°であり、終点はθ＝１８０°であり、ｚ軸上の所定位置はｚ＝０（軸方向の中心）である。別の例において、周方向の始点はクラッシリリーフ１１４の端点であり、終点はクラッシリリーフ１１５の端点である。

この例において、平坦領域１１１は、内周面１１のうち、軸方向の中心線Ｃを含む。すなわち、平坦領域１１１は、内周面１１のうち軸方向の中央部分近辺に形成される。平坦領域１１１は、溝を有さない（溝が形成されていない）領域をいう。ここでいう溝は、肉眼で確認できる程度の溝であり、一例においては幅１００μｍ以上、深さ５０μｍ以上で一方向に延びる凹部をいう。

中心線Ｃに沿って、中心線Ｃを含む領域に平坦領域１１１が設けられることにより、油膜圧力の発生を妨げる構造が排除される。したがって、半割軸受１は、油膜圧力がより発生しやすい構造を有する。

溝領域１１２（第１溝領域の一例）は、内周面１１のうち平坦領域１１１から見て軸方向の一方側（図の＋θ側）に存在する、複数の溝Ｇｕが形成された領域をいう。溝領域１１２の外縁は、内部に全ての溝Ｇｕを含み、軸受本体１０の外縁と平行な辺を有する四角形であって、その面積が最小のもの、として定義される。

溝領域１１３（第２溝領域の一例）は、内周面１１のうち平坦領域１１１から見て軸方向の他方側（溝領域１１２と反対側。図の−θ側）に存在する、複数の溝Ｇｌが形成された領域をいう。溝領域１１３の外縁は、内部に全ての溝Ｇｌを含み、軸受本体１０の外縁と平行な辺を有する四角形（すなわち、θ軸及びｚ軸に平行な辺を有する四角形）であって、その面積が最小のもの、として定義される。なお、軸方向に沿って見たときに、溝領域１１２と溝領域１１３との間の領域は全て平坦領域１１１である。

クラッシリリーフ１１４及びクラッシリリーフ１１５は、＋θ側（合せ面１２側）の端及び−θ側（合せ面１３側）の端から、それぞれ所定の長さに渡って形成された逃げ（凹部）である。図１（Ｂ）のように側面から見ると、内周面１１の稜線はほぼ円弧を描くが、クラッシリリーフ１１４及びクラッシリリーフ１１５に相当する部分は、この円弧よりも凹んでいる。なお溝Ｇｕ及び溝Ｇｌは、クラッシリリーフ１１４及びクラッシリリーフ１１５には形成されない。

この例において、平坦領域１１１の軸方向における幅Ｗ１は、内周面１１のうち平坦領域１１１を除いた領域の軸方向における幅（Ｗ２＋Ｗ３）の半分より狭い。すなわち、
Ｗ１＜（Ｗ２＋Ｗ３）／２ …（１）
である。さらにこの例において、幅Ｗ１は、内周面１１のうち平坦領域１１１から見て軸方向の一方側の領域の幅Ｗ２、及び他方側の領域の幅Ｗ３のそれぞれより狭い。すなわち、
Ｗ１＜Ｗ２ かつ Ｗ１＜Ｗ３ …（２）
である。さらにこの例において、幅Ｗ１は、溝領域１１２の幅Ｗ４及び溝領域１１３の幅Ｗ５のそれぞれより狭い。すなわち、
Ｗ１＜Ｗ４ かつ Ｗ１＜Ｗ５ …（３）
である。さらにこの例において、内周面１１の表面構造は、軸方向の中心線Ｃに対して対称であるので、
Ｗ１＜Ｗ２＝Ｗ３ …（４） かつ
Ｗ１＜Ｗ４＝Ｗ５ …（５）
である。

このように、溝Ｇｕ及び溝Ｇｌは、いずれも、内周面１１の軸方向における端まで達しておらず、すなわち、溝Ｇｕ及び溝Ｇｌは、いずれも、半割軸受１の側面に開口していない。内周面１１の軸方向における端から溝Ｇまでの距離は、例えば１〜３ｍｍである。このように、軸方向の端に溝Ｇを形成しないことにより、側面からの潤滑油の漏れを抑制することができる。

この例において、溝Ｇｕ及び溝Ｇｌは、いずれもｚ軸に沿って（θ軸に垂直方向に）延びる。すなわち、溝領域１１２及び溝領域１１３の定義と併せて考えると、溝Ｇｕの長さＬｕ及び溝Ｇｌの長さＬｌは、幅Ｗ４及び幅Ｗ５と等しい。また、溝Ｇｕ及び溝Ｇｌは、互いにθ座標が同じ位置に形成される。なお、溝Ｇｕ及び溝Ｇｌを区別しないときは単に溝Ｇという。

また、この例において、長さＬｕ及び長さＬｌは、それぞれ、幅Ｗ２及び幅Ｗ３の半分よりも長い。すなわち、長さＬｕ及び長さＬｌは、それぞれ、内周面１１のうち平坦領域１１１を除いた領域の軸方向における幅（Ｗ２＋Ｗ３）の１／４以上である（次式（６）及び（７））。
Ｌｕ≧（Ｗ２＋Ｗ３）／４ …（６） かつ
Ｌｌ≧（Ｗ２＋Ｗ３）／４ …（７）
この例において、内周面１１の表面構造は、軸方向の中心線Ｃに対して対称であるので、
Ｌｕ≧（Ｗ２／２） …（８） かつ
Ｌｌ≧（Ｗ３／２） …（９）
である。

図３は、溝Ｇが延びる方向に垂直な断面、この例では周方向と平行かつ軸方向と垂直な断面における溝Ｇの形状を例示する図である。この図に示されるように、溝Ｇの稜線は楕円弧（ここでいう楕円弧は円弧も含む）を描く。一例において、溝Ｇの幅Ｗｇは１００〜２００μｍであり、深さＤｇは５０〜１００μｍである。このように比較的浅い溝であれば、プレス加工又はパッド印刷等の非切削加工により形成することが可能である。すなわち、製造コストを低減することができる。

この例において、隣り合う２つの溝Ｇの間隔ｐは、溝Ｇの幅Ｗｇよりも広い。Ｗｇ＞ｐとすることで、溝Ｇと溝Ｇとの間の平坦部分を確保することができ、摺動面積を確保することができる。なお、間隔ｐは幅Ｗｇと同程度であってもよい。

図４は、相手軸の油孔と摺動面の溝との位置関係を例示する図である。ここでは、図３と同様に仮想的な展開図を用いる。この例において、相手軸は、摺動面に潤滑油を供給する（流出させる）油孔９１を有する。潤滑油は、例えばオイルリザーバーからオイルポンプによって汲み上げられ、相手軸中の油孔９１を介して摺動面に供給される。図４においては、相手軸の摺動に伴ってこの油孔が内周面上を移動する軌跡Ｔが示される。軌跡Ｔは、溝Ｇの少なくとも一部と重なる（オーバーラップする）。詳細には、軌跡Ｔは、溝Ｇｕ及び溝Ｇｌの双方と重なる。このように、軌跡Ｔが溝Ｇの少なくとも一部とオーバーラップすることにより、油孔から出た潤滑油が溝Ｇに沿って流れやすくなり、ｚ軸方向における潤滑油の移動が促進される。なお、図４においては、図面が煩雑になるのを避けるため、軌跡Ｔを半割軸受１の外側まで拡張して描いているが、実際には軌跡Ｔは内周面１１と重なる範囲に留まる。

図５は、断面における油孔と溝Ｇとの位置関係を例示する図である。図５は、軸方向と平行かつ周方向と垂直な断面を示す。ここでは相手軸としてシャフト９を図示している。シャフト９は油孔９１を有する。油孔９１は、開口部に面取り９２を有し、油孔９１の最表面の径Ｒｐｏは、内部の径Ｒｐｂよりも広い。図４で説明した軌跡Ｔは、この最表面の開口の軌跡である。一例において、油孔９１と溝Ｇとが重なっている部分の幅Ｗｏは、平坦領域１１１の幅Ｗ１の２．５〜２５％程度である。油孔が広すぎると潤滑油の排出圧力が不足し、狭すぎると製造誤差等により油孔９１と溝Ｇとの重なりが生じなくなる可能性がある。

以上で説明したように本実施形態に係る半割軸受１によれば、摺動面への潤滑油の供給を促進することができる。

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。

図６は変形例に係る半割軸受１の表面構造を例示する図である。この例において、溝Ｇは軸方向に対して斜めに延びている。詳細には、溝Ｇについて、軸方向中央側の端（油孔９１に近い端）を始点（点Ｐ１）、軸方向外側の端（油孔９１から遠い端）を終点（点Ｐ２）と定義したとき、終点のθ座標は、始点のθ座標よりも大きい（すなわち、終点は始点よりも回転方向の下流側にある）。このとき、溝Ｇの延びる方向と軸方向とのなす角αの角度は、一例において２０°≦α≦４５°を満たす。このように、溝Ｇの延びる方向が周方向成分を有することにより、溝Ｇを介した潤滑油の供給をより促進することができる。

図７は別の変形例に係る半割軸受１の表面構造を例示する図である。この例において、溝Ｇは、図６の例と同様に軸方向に対して斜めに延びている。図７の例は、溝領域１１２の溝Ｇｌの始点（点Ｐ１）の位置（θ座標）と溝領域１１３の溝Ｇｕの始点（点Ｐ３）の位置とが互い違いになっている（ずれている）点において図６の例と異なっている。点Ｐ１と点Ｐ３との位置ずれの量は、溝Ｇの間隔ｐの半分（ｐ／２）であることが好ましい。θ軸上において、溝Ｇｌの始点の位置と溝Ｇｕの始点の位置とをずらすことにより、θ軸方向においてより均一に潤滑油を供給することができる。なお、図２のように溝Ｇが軸方向に平行に延びている構造において、溝Ｇｌの始点の位置と溝Ｇｕの始点の位置とをずらしてもよい。

図８はさらに別の変形例に係る半割軸受１の表面構造を例示する図である。この例において、溝Ｇは、軸方向に平行に延びている。図８の例は、平坦領域１１１が軸方向の中心線Ｃと重なっておらず、溝領域１１２側にずれている。これは、相手軸において油孔９１が形成される位置が、軸方向の中心からずれているところ、油孔９１の軌跡Ｔと重なるように溝Ｇｌ、溝Ｇｕ、及び平坦領域１１１を形成するためである。この例によれば、相手軸において油孔９１が形成される位置が軸方向の中心からずれていても、摺動面における潤滑油の供給を促進することができる。

溝Ｇの形状は、図２及び６〜８において例示したものに限定されない。例えば、溝領域１１２に属する複数の溝Ｇｌは、すべてが同じ形状ではなく、一部の溝Ｇｌが他の溝Ｇｌと違う形状を有していてもよい。例えば、一部の溝Ｇｌは他の溝Ｇｌと、幅、深さ、及び長さの少なくとも１つが異なっていてもよい。あるいは、少なくとも一部の溝Ｇｌが内周面１１の軸方向の端まで達していてもよい（すなわち、少なくとも一部の溝Ｇｌが、半割軸受１の側面まで達していてもよい）。さらに、２つ以上の溝Ｇが、周方向に延びる別の溝により繋がれてもよい。このような構造を採用することにより、異物排出性を向上させることができる。

また、溝Ｇは、始点から終点まで一様でなく、その形状が変化してもよい。例えば、溝Ｇは、始点に近いほど（溝Ｇの延びる方向に垂直な）断面積が広く、終点に近いほど断面積が狭くてもよい。このような構造を採用することにより、側面からの潤滑油の漏れを抑制することができる。さらに、溝Ｇは、周方向において一様でなくてもよい。例えば、シミュレーション等により負荷が高いと予想される領域において、他の領域よりも溝Ｇの密度を増やしたり、溝Ｇの幅を広げたりしてもよい。

実施形態においては、半割軸受が、平坦領域の軸方向における両側に溝領域を有する例を説明したが、半割軸受は、平坦領域の軸方向における片側のみに溝領域を有してもよい。相手軸の油孔９１が軸方向の中心に無い場合など、相手軸の構造によっては、このような構造が有効な場合もある。

半割軸受１の構造、特に、内周面１１以外の構造は、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、外周面１４に爪や凹部などの構造が形成されてもよい。

半割軸受１と組み合わせて用いられる他の半割軸受は、半割軸受１と異なる構造を有していてもよい。他の半割軸受は、例えば、内周面から外周面まで連なる孔（油孔）、及び内周面において周方向に沿って形成された油溝を有してもよい。この油溝は、半割軸受における溝Ｇよりも溝の延びる方向に垂直な断面における断面積が広くてもよい。

半割軸受１の用途はコンロッド軸受に限定されない。いわゆる主軸受等、コンロッド軸受以外の軸受として用いられてもよい。

１…半割軸受、９…シャフト、１０…軸受本体、１１…内周面、１２…合せ面、１３…合せ面、１４…外周面、１６…外周面、９１…油孔、９２…面取り、１１１…平坦領域、１１２…溝領域、１１３…溝領域、１１４…クラッシリリーフ、１１５…クラッシリリーフ、Ｃ…中心線、Ｇ…溝、Ｇｌ…溝、Ｇｕ…溝、Ｔ…軌跡

Claims (8)

1. 相手軸と摺動する内周面を有する半円筒形状の軸受本体と、
   前記内周面の周方向に沿って形成され、前記相手軸の軸方向の中央部分を含み、溝を有さない平坦領域と、
   前記内周面のうち前記平坦領域に対し前記軸方向の少なくとも片側において複数の溝が形成された溝領域と
   を有する半割軸受。
2. 前記平坦領域の前記軸方向における幅が、前記内周面のうち前記平坦領域を除いた領域の当該軸方向における幅の半分よりも狭い
   請求項１に記載の半割軸受。
3. 前記複数の溝の各々の長さが、前記内周面のうち前記平坦領域を除いた領域の前記軸方向の幅の１／４以上である
   請求項１又は２に記載の半割軸受。
4. 前記溝領域が、前記内周面のうち前記平坦領域に対し前記軸方向の一方側に形成された第１溝領域及び他方側に形成された第２溝領域を有し、
   前記第１溝領域に形成された前記複数の溝と、前記第２溝領域に形成された前記複数の溝とは、前記内周面の周方向において互い違いに形成される
   請求項１乃至３のいずれか一項に記載の半割軸受。
5. 前記複数の溝の各々の、当該溝が延びる方向に垂直な断面の形状が、楕円弧である
   請求項１乃至４のいずれか一項に記載の半割軸受。
6. 前記複数の溝の各々の延びる方向が、前記軸方向に対して２０〜４５°の角度をなす
   請求項１乃至５のいずれか一項に記載の半割軸受。
7. 前記相手軸が、前記内周面に潤滑油を供給するための油孔を有し、
   前記平坦領域が、前記内周面が前記相手軸と摺動するときに前記油孔が描く軌跡と重なる
   請求項１乃至６のいずれか一項に記載の半割軸受。
8. 相手軸と摺動する内周面を有する半円筒形状の軸受本体と、
   前記内周面の周方向に沿って形成され、溝を有さない平坦領域と、
   前記内周面のうち前記平坦領域に対し前記相手軸の軸方向の少なくとも片側において複数の溝が形成された溝領域と
   を有し、
   前記相手軸が、前記内周面に潤滑油を供給するための油孔を有し、
   前記平坦領域が、前記内周面が前記相手軸と摺動するときに前記油孔が描く軌跡と重なる
   半割軸受。

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