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JP6577003B2 - 半割軸受およびすべり軸受 - Google Patents

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Description

本発明は、内燃機関のクランク軸を支承するすべり軸受を構成する半割軸受に関するものである。本発明は、この半割軸受を備えた、燃機関のクランク軸を支承する円筒形状のすべり軸受にも関するものである。
内燃機関のクランク軸は、そのジャーナル部において、一対の半割軸受から成る主軸受を介して内燃機関のシリンダブロック下部に支承される。主軸受に対しては、オイルポンプによって吐出された潤滑油が、シリンダブロック壁内に形成されたオイルギャラリーから主軸受の壁に形成された貫通口を通じて、主軸受の内周面に沿って形成された潤滑油溝内に送り込まれる。また、ジャーナル部の直径方向には第1潤滑油路が貫通形成され、この第1潤滑油路の両端開口が主軸受の潤滑油溝と連通するようになっている。さらに、ジャーナル部の第1潤滑油路から、クランクアーム部を通る第2潤滑油路が分岐して形成され、この第2潤滑油路が、クランクピンの直径方向に貫通形成された第3潤滑油路に連通している。このようにして、シリンダブロック壁内のオイルギャラリーから貫通口を通じて主軸受の内周面に形成された潤滑油溝内に送り込まれた潤滑油は、第1潤滑油路、第2潤滑油路および第3潤滑油路を経て、第3潤滑油路の末端に開口した吐出口から、クランクピンと一対の半割軸受から成るコンロッド軸受の摺動面間に供給される(例えば、特許文献1参照)。クランク軸の表面と主軸受およびコンロッド軸受の摺動面との間に油が供給される。
クランク軸との摺動時の摩擦損失を低減するために、半割軸受の摺動面に複数の微小な凹部を形成することが提案されている(例えば特許文献2、特許文献3および特許文献4参照)。
特開平8−277831号公報 実開昭58−149622号公報 特開2008−95721号公報 特表2000−504089号公報
上記の特許文献2から特許文献4までに記載されたような従来の摺動面に複数の微小な凹部を形成した半割軸受は、内燃機関の運転時の半割軸受の摺動面とクランク軸の表面とが近接する動作時に、凹部付近の油の流れに乱流が生じる。この乱流の発生により摩擦損失が発生し、さらに凹部に隣接する摺動面と軸表面との間の油の圧力が大きく低下するために、軸の負荷を支承できなくなり摺動面と軸表面とが接触し、摩擦損失が大きくなるという問題があった。
本発明の目的は、内燃機関の運転時にこのような乱流の発生による摩擦損失を低減できる内燃機関のクランク軸のすべり軸受を構成する半割軸受、およびそのすべり軸受を提供することである。
本発明に係る半割軸受は、内燃機関のクランク軸を支承するすべり軸受を構成するものである。半割軸受は、半円筒形状を有し、内周面が摺動面を形成している。この半割軸受の摺動面は、半割軸受の周方向中央を含む中央部領域と、この中央部領域の両側の端部領域とからなり、中央部領域と端部領域のそれぞれの摺動面は、円弧面形状(すなわち、断面が円弧形状)を有し、端部領域の円弧面の円中心が中央部領域の円弧面の円中心よりも前記半割軸受から離れた側に偏位しており、中央部領域は、周方向中央を基準として最大で±65°の円周角度範囲にある。中央部領域は、周方向中央を基準として最小で±40°の円周角度範囲を含むことが好ましい。
この半割軸受の中央部領域および端部領域には、それぞれ、複数の凹部が形成されている。凹部は、摺動面から半割軸受の外径側に後退した平滑な凹部表面を有し、凹部表面は、半割軸受の周方向に平行な断面視にて、半割軸受の外径側に凸の曲線を形成している。いずれの凹部にも、凹部の周縁に隣接して溝形成領域が形成されており、溝形成領域には、凹部表面から半割軸受の外径側に後退した複数の周方向溝が形成されており、複数の周方向溝は、凹部の周縁から半割軸受の周方向に延びている。
そして、中央部領域における凹部の溝形成領域が凹部に占める面積割合よりも、端部領域における凹部の溝形成領域が凹部に占める面積割合が大きくなっている。
さらに、中央部領域の凹部の周方向溝の最大深さよりも、端部領域の凹部の周方向溝の最大深さが大きくなっている。
本発明の一具体例では、中央部領域における凹部の溝形成領域が凹部に占める面積割合S1に対する、端部領域における凹部の溝形成領域が凹部に占める面積割合S2が1.5倍以上であることが好ましい。
本発明の一具体例では、中央部領域における凹部の周方向溝の最大深さに対する、端部領域における凹部の溝周方向溝の最大深さが2倍以上であることが好ましい。
本発明の一具体例では、中央部領域の凹部の深さD1(すなわち、凹部表面の最深部の摺動面からの深さ)が2〜50μmであることが好ましい。
本発明の一具体例では、中央部領域における凹部の周方向溝の深さD2(すなわち、周方向溝の最深部の凹部表面からの深さ)は、凹部の中央側から周縁側へ向かって大きくなっていることが好ましい。
本発明の一具体例では、中央部領域における凹部の周方向溝の最大深さD2が0.5〜3μmであることが好ましい。
本発明の一具体例では、端部領域における凹部の周方向溝の最大深さD4が1〜10μmであることが好ましい。
本発明の一具体例では、中央部領域および端部領域のいずれの周方向溝も、最大幅Wが20〜150μmであることが好ましい。
本発明の一具体例では、中央部領域における凹部の溝形成領域が凹部に占める面積割合S1は0.15〜0.55であることが好ましい。
本発明の一具体例では、端部領域における凹部の溝形成領域が凹部に占める面積割合S2が0.3〜0.90であることが好ましい。
本発明の一具体例では、凹部の摺動面での開口形状は、円形、又は楕円形、又は四角形であることが好ましい。
本発明の一具体例では、中央部領域および端部領域のいずれにおいても、凹部表面は、半割軸受の軸線方向の断面視にて、半割軸受の外径側に凸形状の曲線を形成することが好ましい。
本発明の一具体例では、複数の凹部は、半割軸受の摺動面の全体に均一に形成されていることが好ましい。
本発明の一具体例では、中央部領域の凹部は、半割軸受の周方向中央に近いほど深さD1が大きいこと、換言すれば、周方向端部に近いほど凹部の深さD1が小さくなることが好ましい。
本発明の一具体例では、中央部領域の凹部は、半割軸受の周方向中央に近いほど、開口面積A1が大きくなること、換言すれば、周方向端部に近いほど凹部の開口面積A1が小さくなることが好ましい。
本発明の一具体例では、中央部領域の摺動面の凹部は、半割軸受の周方向中央に近いほど、凹部に占める溝形成領域の面積割合S1が小さいこと、換言すれば、周方向端部に近いほど凹部の表面における溝形成領域の面積割合S1が大きいことが好ましい。
本発明は、上記に説明した半割軸受を備えた、内燃機関のクランク軸を支承する円筒形状のすべり軸受にも関するものである。このすべり軸受は、上記に説明した半割軸受の一対を組み合わせて構成することが好ましい。
クランク軸の軸受装置を示す概略図。 本発明の第1の具体例による半割軸受を軸受の軸線方向から見た図。 図2に示す半割軸受を摺動面側から見た平面図。 図3の中央部領域の凹部を摺動面側から見た図。 図4のA−A断面(周方向)の断面図。 図3の端部領域の凹部を摺動面側から見た図。 図6のB−B断面(周方向)の断面図。 半割軸受と軸との動きを示す図。 図4の凹部の油の流れを示す図。 比較例の凹部を摺動面側から見た図。 本発明の第2の具体例による半割軸受を摺動面側から見た平面図。 図11の半割軸受の中央部領域の周方向中央側に配された凹部を摺動面側から見た図。 図11の半割軸受の中央部領域の周方向端部側に配された凹部を摺動面側から見た図。 図11の半割軸受の凹部に設けられた周方向溝の断面図。 図11の半割軸受の凹部の油の流れを示す図。 本発明の第3の具体例による半割軸受の凹部を摺動面側から見た図。 図16の凹部のC−C断面図(軸線方向)。 本発明の第4の具体例による半割軸受の凹部を摺動面側から見た図。
以下、本願発明の具体例について図面を参照しながら説明する。
図1に内燃機関の軸受装置1を概略的に示す。この軸受装置1は、シリンダブロック8の下部に支承されるジャーナル部6と、ジャーナル部6と一体に形成されてジャーナル部6を中心として回転するクランクピン5と、クランクピン5に内燃機関から往復運動を伝達するコンロッド2とを備えている。そして、軸受装置1は、クランク軸を支承するすべり軸受として、ジャーナル部6を回転自在に支承する主軸受4と、クランクピン5を回転自在に支承するコンロッド軸受3とをさらに備えている。
なお、クランク軸は複数のジャーナル部6と複数のクランクピン5とを有するが、ここでは説明の便宜上、1つのジャーナル部6および1つのクランクピン5を図示して説明する。図1において、紙面奥行き方向の位置関係は、ジャーナル部6が紙面の奥側で、クランクピン5が手前側となっている。
ジャーナル部6は、一対の半割軸受41、42によって構成される主軸受4を介して、内燃機関のシリンダブロック下部81に軸支されている。図1で上側にある半割軸受41には、内周面全長に亘って油溝41aが形成されている。また、ジャーナル部6は、直径方向に貫通する潤滑油路6aを有し、ジャーナル部6が矢印X方向に回転すると、潤滑油路6aの両端の入口開口6cが交互に主軸受4の油溝41aに連通する。
クランクピン5は、一対の半割軸受31、32によって構成されるコンロッド軸受3を介して、コンロッド2の大端部ハウジング21(ロッド側大端部ハウジング22およびキャップ側大端部ハウジング23)に軸支されている。
上述したように、主軸受4に対して、オイルポンプによって吐出された潤滑油が、シリンダブロック壁内に形成されたオイルギャラリーから主軸受4の壁に形成された貫通口を通じて主軸受4の内周面に沿って形成された油溝41a内に送り込まれる。
さらに、ジャーナル部6の直径方向に第1の潤滑油路6aが貫通形成され、第1の潤滑油路6aの入口開口6cが潤滑油溝41aと連通できるようになっており、ジャーナル部6の第1の潤滑油路6aから分岐してクランクアーム部(図示せず)を通る第2の潤滑油路5aが形成され、第2の潤滑油路5aが、クランクピン5の直径方向に貫通形成された第3の潤滑油路5bに連通している。
このようにして、潤滑油は、第1の潤滑油路6a、第2の潤滑油路5aおよび第3の潤滑油路5bを経て、第3の潤滑油路5bの端部の吐出口5cから、クランクピン5とコンロッド軸受3の間に形成される隙間に供給される。
一般に主軸受4およびコンロッド軸受3は、その摺動面と軸表面との間の油に圧力が発生することで、クランク軸からの動荷重負荷を支承する。内燃機関の運転時、主軸受4およびコンロッド軸受3の摺動面に加わる負荷の大きさおよびその方向は、常に変動し、その負荷と釣り合う油膜圧力を発生するように、ジャーナル部6およびクランクピン5の中心軸線が主軸受4およびコンロッド軸受3の軸受中心軸に対して偏心しながら移動する。このため、主軸受4およびコンロッド軸受3の軸受隙間(軸表面と摺動面との間の隙間)は、摺動面の何れの位置においても、常に変化する。例えば、4サイクル内燃機関では、燃焼行程において、コンロッド軸受や主軸受に加わる負荷が最大となり、この時、例えばコンロッド軸受では、クランクピン5が、図1の紙面上側の半割軸受の周方向中央付近の摺動面に向かう方向(矢印M)に移動し、この半割軸受の周方向中央付近の摺動面とクランクピンの表面が最も近接し、この部分の摺動面に向かう方向の負荷が加わる。
なお、主軸受では、図1に示す紙面下側の軸受キャップ82側に組まれる半割軸受の周方向中央付近の摺動面に向かう方向の負荷が加わり、下側の半割軸受の周方向中央付近の摺動面とジャーナル部6の表面が最も近接する。
従来技術の複数の微小な凹部を摺動面に形成した半割軸受では、微小凹部を有する半割軸受の摺動面と軸表面とが離間した状態から、相対的に近接するように動作し、摺動面と軸表面が最近接したとき、凹部内の油は圧縮され高圧となり、凹部内から摺動面と軸表面との隙間に流出する。微小な凹部の表面が平滑である場合、凹部内で高圧となり摺動面と軸表面との間の隙間に流出する油流のうち、一部のみが軸の回転方向と同方向を向くが、大部分の油流は軸の回転方向と異なる方向を向く油流となる。この軸の回転方向と異なる方向を向く油流が形成されると、摺動面と軸表面との間の隙間には、回転する軸表面に付随する油流が形成されているため、流れ方向が異なる油流同士が、凹部の開口に隣接する摺動面と軸表面との間で衝突を起こし、それにより乱流が発生する。乱流の発生により摩擦損失は生じる。乱流により凹部開口に隣接する摺動面と軸表面との間の油の圧力が大きく低下すると、軸の負荷を支承できなくなり摺動面と軸表面とが接触し、摩擦損失が大きくなる。
本発明は、このような従来技術の問題に対処するものである。本発明に係る半割軸受では、半割軸受の摺動面は、下記に説明するように、それぞれの円中心が一致していない円弧面からなる中央部領域とその両側の2つの端部領域とからなる。中央部領域と各端部領域には、それぞれ、複数の凹部が形成されている。いずれの領域に形成された凹部も、摺動面から半割軸受の外径側に後退した平滑な凹部表面を有し、凹部の周縁に隣接して凹部表面から半割軸受の外径側に後退した複数の周方向溝を有する溝形成領域を有する。凹部表面は、半割軸受の周方向に平行な断面視にて、半割軸受の外径側に凸の曲線を形成する。複数の周方向溝は、半割軸受の周方向と平行に延びる。
ここで、凹部表面とは、周方向溝を除いた凹部の表面をいう。平面領域は、凹部と中心が同じで、凹部開口と相似する形状を有するもののうち、周方向溝と交わらない最大の領域として定義される。凹部の開口とは、凹部が摺動面(またはその仮想延長面)と交差する面を指し、換言すれば凹部を摺動面垂直方向から見た、凹部の形状をいう。溝形成領域は、凹部の表面のうち、平面領域以外の領域をいい、平滑な凹部表面と周方向溝とが両存している。本発明では、中央部領域の摺動面の凹部の溝形成領域が凹部に占める面積割合よりも、端部領域の摺動面の凹部の溝形成領域が凹部に占める面積割合のほうが大きくなっており、中央部領域の摺動面の凹部の周方向溝の最大深さよりも、端部領域の摺動面の凹部の周方向溝の最大深さが大きくなっている。
以下、本発明の半割軸受をコンロッド軸受3に適用した例を示して説明する。しかし、本発明は、コンロッド軸受3に限定されないで、主軸受4を構成する半割軸受として構成することもできる。コンロッド軸受3または主軸受4を構成する一対の半割軸受のうち、両方が発明の半割軸受とすることもできるが、一方のみ発明の半割軸受であってもよく、例えば他方が従来の摺動面が凹部を有さない半割軸受であってもよい。
図2は、本発明に係る半割軸受(コンロッド軸受3)の第1の具体例を示す。コンロッド軸受3は、一対の半割軸受31、32の周方向の端面76を突き合わせて、全体として円筒形状に組み合わせることによって形成される。円筒形状の内周面を形成する面が摺動面7である。摺動面7は、半割軸受31、32の周方向中央10を含む中央部領域7Cと、中央部領域の両側の端部領域7Eとからなる。中央部領域7Cと両端部領域7E、7Eは、それぞれ円弧面形状(周方向断面で見ると円弧になる)であり、中央部領域7Cの円弧の円中心C1に対し、端部領域7Eの円弧の円中心C2が偏位している。この中央部領域7Cと端部領域7Eの円中心は、半割軸受31、32の周方向中央10を通る中心線CL上にあるが、両端部領域7E、7Eの円中心C2は、中央部領域7Cの円中心C1よりも外側、すなわち半割軸受31、32から遠い側に偏位した位置にある。円中心C1、C2は中心線CL上に存在ことが好ましい。そして、円中心C1が半割軸受の有する円筒形状の中心であることが好ましい。なお、2つの端部領域のそれぞれの円中心が一致していることが望ましいが、上記関係を満たす限り一致していなくてもよい。
中央部領域7Cや端部領域7Eは、半割軸受31、32の周方向断面で見ると、円弧形状を有するが、この円弧形状は、必ずしも幾何学的に厳密な円弧でなくてもよく、例えば楕円弧であってもよい。
中央部領域7Cの円周角度θ1は、周方向中央10を基準(周方向中央10を円周角度0°とする)として±65°の範囲内である。すなわち、中央部領域7Cの周方向端の一方が0°〜−65°の範囲にあり、他端が0°〜65°の範囲にある(周方向のどちらの方向を円周角度のプラスとするかは任意である)。ただし、中央部領域7Cの範囲は、中心線CLに対して対称であることが好ましい。また、中央部領域7Cの円周角度θ1は、−40°〜40°の範囲を含むことが好ましい。なお、上記円周角度は、中央部領域7Cの円中心C1を中心とする円周角度である。
半割軸受31、32の中央部領域7Cにおける厚さは、周方向で一定であることが好ましい。しかし、半割軸受31、32の周方向中央で厚さが最大で、中央部領域7Cの周方向の両端部側へ向かって連続して減少するようにしてもよい。
図3に、半割軸受の摺動面に配された複数の凹部71C、71E、図4に摺動面側から見た中央部領域7Cの凹部71C、図6に摺動面側から見た端部領域7Eの凹部71Eの一例を示す。もちろん本発明はこの形態の限定されるものではない。尚、以後、理解を容易にするために各図面において凹部は誇張して描かれている。
半割軸受31、32の摺動面7に形成された複数の凹部71C、71Eは、この例では、開口形状や開口面積や深さ等の寸法が同じものが、中央部領域および端部領域を含む摺動面のほぼ全面に均一に設けられている。なお、摺動面7での複数の凹部71の均一な配置とは、幾何学的に厳密な均一な配置を意味するものではなく、略均一な配置であればよい。図3は、半円筒形の半割軸受31、32を摺動面側からから見た平面図であるから、周方向の端部76側に近いほど凹部71の形状は歪んで描かれている。
図4は、中央部領域7Cにおける摺動面7への開口形状が円形の凹部71Cを示す。凹部71Cは、その中央側表面の平滑である平面領域72と、凹部71Cの周縁に隣接する側に複数の周方向溝731Cを有する溝形成領域73からなる。溝形成領域73においては、平面領域72と連なる平滑な表面に周方向溝731Cが、凹部71の周縁から半割軸受の周方向に延在している。図4において、破線(仮想線)内の領域が平面領域72であり、破線と凹部の周縁までの間の領域が溝形成領域部73である。
凹部71Cの凹部表面(周方向溝を除いた凹部71Cの表面)は、半割軸受31、32の周方向に平行な断面視(図4のA−A断面)にて、半割軸受31、32の外径側に膨出する、すなわち外径側に凸の曲線となっている(図5)。
一具体例によれば、凹部71Cは、半割軸受31、32の周方向に平行な方向以外のいずれの方向の断面視(例えば、摺動面7に垂直方向の断面)でも、半割軸受31、32の外径側に膨出する曲線になるようにすることができる。
凹部71Cの摺動面7からの深さ(凹部に隣接する摺動面からの凹部最深部の深さ)D1は、2〜50μmとすることが好ましく、2〜30μmとすることがより好ましい。凹部71Cの摺動面7への開口が円形状である場合の開口径は、0.05〜5mmとすることができる。凹部の開口形状が円形状以外の場合には、その開口の面積が、円形状開口の面積に相当する面積となる円形開口部寸法(円相当径)とする。
複数の周方向溝731Cは、凹部71Cの周縁から半割軸受31、32の周方向と平行な方向に延びるが、半割軸受31、32の周方向に対し僅かに傾斜(最大1°)することは許容される。
一具体例によれば 周方向溝731Cは、溝形成領域の表面からの深さD2が、周方向端部を除き周方向溝731Cの延びる方向(長手方向)に亘って一定になされ、幅W(溝形成領域表面における周方向溝の半割軸受の軸線方向の長さ)も周方向溝731の長手方向に亘って一定になされる。周方向溝731Cの断面形状は矩形状である。
周方向溝731Cの深さ(周方向溝に隣接する凹部表面からの周方向溝の最深部の深さ)D2は、0.5〜3μmとすることが好ましい。周方向溝731Cの深さD2は、凹部71Cの深さD1よりも小さくなされる。周方向溝731Cの幅Wは、20〜150μmとすることが好ましい。また、周方向溝731Cの幅Wは、1つの凹部71Cに対して、少なくとも3以上の周方向溝731Cが形成される寸法にすることが好ましい。なお、周方向溝731Cの深さD2や幅Wは、周方向溝731Cの長手方向に沿って変化させてもよい。この場合、周方向溝731Cの最大溝深さ、最大幅が上記寸法となることが好ましい。なお、中央部領域7Cの各凹部71Cにおいて、周方向溝731Cの最大溝深さ、最大幅が同じになされていることが好ましい。
中央部領域7Cの各凹部71Cは、凹部における溝形領域73の面積割合S1が0.15〜0.55とすることが好ましい。凹部の面積A1とは、凹部を摺動面側からみたとき(すなわち、摺動面に垂直な方向からみたとき)の凹部領域の面積であり、溝形成領域の面積A2とは、凹部を摺動面側からみたとき(すなわち、摺動面に垂直な方向からみたとき)の溝形成領域の面積A2である。平面領域の面積も同様に定義される。
面積割合S1は、凹部の面積A1(平面領域72の面積と溝形成領域73の面積の和)に対する溝形成領域73の面積A2の比(A2/A1))である(図4参照)。
図6は、端部領域7Eにおける摺動面7への開口形状が円形の凹部71Eを示す。
凹部71Eは、その中央側表面の平滑である平面領域72と、凹部71Eの周縁に隣接する側に複数の周方向溝731Eを有する溝形成領域73からなる。溝形成領域73においては、平面領域72と連なる平滑な表面に周方向溝731Eが、凹部71の周縁から半割軸受の周方向に延在している。
端部領域7Eの各凹部71Eは、凹部における溝形領域73の面積割合S2が中央部領域7Cの各凹部71Cの凹部における溝形領域73の面積割合S1よりも大きくなされている。また、端部領域7Eの各凹部71Eは、凹部における溝形領域73の面積割合S2が0.3〜0.9とすることが好ましい。また、端部領域7Eの各凹部71Eは、凹部における溝形領域73の面積割合S2が、中央部領域7Cの各凹部71Cの凹部における溝形領域73の面積割合S1の2倍以上であることが好ましい。
凹部71Eの凹部表面(周方向溝を除いた凹部71Eの表面)は、半割軸受31、32の周方向に平行な断面視(図6のB−B断面)にて、半割軸受31、32の外径側に膨出する、すなわち外径側に凸の曲線となっている(図7)。一具体例によれば、凹部71Eは、半割軸受31、32の周方向に平行な方向以外のいずれの方向の断面視(例えば、摺動面7に垂直方向の断面)でも、半割軸受31、32の外径側に膨出する曲線になるようにすることができる。
凹部71Eの摺動面7からの深さ(凹部に隣接する摺動面からの凹部最深部の深さ)D3は、2〜50μmとすることが好ましく、2〜30μmとすることがより好ましい。凹部71Eの摺動面7における開口が円形状である場合の開口径は、0.05〜5mmとすることができる。凹部の開口形状が円形状以外の場合には、その開口の面積が、円形状開口の面積に相当する面積となる円形開口部寸法(円相当径)とする。
複数の周方向溝731Eは、凹部71Eの周縁から半割軸受31、32の周方向と平行な方向に延びるが、半割軸受31、32の周方向に対し僅かに傾斜(最大1°)することは許容される。一具体例によれば 周方向溝731Eは、溝形成領域の表面からの深さD4が、周方向溝731Eの延びる方向(長手方向)に亘って一定になされ、幅W(溝形成領域表面における周方向溝の半割軸受の軸線方向の長さ)も周方向溝731Eの長手方向に亘って一定になされる。周方向溝731Eの断面形状は矩形状である。
端部領域7Eの凹部71Eの周方向溝731Eの深さD4は、中央部領域7Cの凹部71Cの周方向溝731Cの深さD2よりも大きくなされている。また、端部領域7Eの凹部71Eの周方向溝731Eの深さD4は、1〜10μmであることが好ましい。また、端部領域7Eの凹部71Eの周方向溝731Eの深さD4は中央部領域7Cの凹部71Cの周方向溝731Cの深さD2の2倍以上であることが好ましい。
本具体例では、周方向溝731Eの深さD4は、凹部71Eの深さD3よりも小さくなされる。周方向溝731Eの幅Wは、20〜150μmとすることが好ましい。また、周方向溝731Eの幅Wは、1つの凹部71Eに対して、少なくとも3以上の周方向溝731Eが形成される寸法にすることが好ましい。なお、周方向溝731Eの深さD4や幅Wは、周方向溝731Eの長手方向に沿って変化させてもよい。この場合、周方向溝731Eの最大溝深さ、最大幅が上記寸法となることが好ましい。なお、端部領域7Eの各凹部71Eにおける、周方向溝731Eの最大溝深さ、最大幅が同じになされていることが好ましい。
本具体例のコンロッド軸受3は、一対の半割軸受31、32の周方向の端面76を突き合わせて、全体として円筒形状に組み合わせることによって形成される。半割軸受31、32は、Cu軸受合金またはAl軸受合金である摺動層を有することができる。あるいは、Fe合金製の裏金層上にCu軸受合金またはAl軸受合金の摺動層を有することができる。また、円筒形状の内周面である摺動面7(あるいは凹部71C、凹部71Eの内面を含む摺動層の表面)に軸受合金よりも軟質なBi、Sn、Pbのいずれか1種からなる、あるいはこれら金属を主体とする合金からなる表面部や合成樹脂を主体とする樹脂組成物からなる表面部を有してもよい。但し、凹部71C、凹部71Eの表面は、このような表面部を有さない方が好ましい。凹部71C、凹部71Eの表面や周方向溝731C、周方向溝731Eの表面が軟質であると、油中に多くの異物が含まれる場合、異物が埋収、堆積しやすくなるからである。凹部71C、凹部71Eの表面や周方向溝731C、周方向溝731Eの内面に異物が埋収、堆積すると、凹部を流れる油に乱流が発生しやすくなる。
上記のとおり本発明の半割軸受は、平面領域72および溝形成領域73からなる凹部71C、71Eを中央部領域7Cおよび端部領域7Eにそれぞれ有するが、この半割軸受において摩擦損失が減少する理由を以下に説明する。
半割軸受31の摺動面7と軸5の表面が、離間した状態から相対的に近接するように動作し、摺動面7と軸5の表面が最近接した状態を図8に示す。前記したように内燃機関の燃焼行程において軸5は、半割軸受31の周方向中央付近の摺動面7に向かう方向(矢印M)に移動し、半割軸受31の中央部領域7Cの摺動面7と軸5の表面が最近接する。
そのとき、中央部領域7Cの凹部71C内の油は、特に開口の凹部表面の中央部付近で最も圧縮され高圧となるが、開口の平面領域72では表面が平滑であるため、全方位に流れる油流F1が形成される(図9)。油流F1は、軸の回転方向Zとは異なる方向にも形成される。しかし、凹部71Cには、開口の周縁に隣接する溝形成領域73には、半割軸受31の周方向と平行な方向に延びる複数の周方向溝731Cが形成されているため、平面領域72から流れた油流F1は、周方向溝731Cに誘導され、半割軸受31の周方向(軸の回転方向Z)と同方向に向かって流れ(図9の油流F2)、半割軸受31の摺動面7と軸表面との間の隙間に半割軸受31の周方向と同方向に向かって流出する。
他方、摺動面7と軸5の表面との間の隙間には、回転する軸表面に付随する油流F3が形成されている(図9)。この油流F3の流れ方向と凹部71Cから流出する油流F2の流れ方向は、同方向を向くために乱流が発生し難く、摩擦損失が生じ難い。
また、半割軸受31の中央部領域7Cの摺動面7と軸5の表面が最近接したときであっても、端部領域7Eの摺動面7と軸5表面との間には、十分な隙間が形成される。このため、端部領域7Eの摺動面7の凹部71E内の油の圧力は高くなり難く、凹部71E内の油は、軸回転方向Zとは逆方向の油流が形成され難い。
端部領域7Eの摺動面7の凹部71Eは、凹部における溝形領域73の面積割合S2が中央部領域7Cの各凹部71Cの凹部における溝形領域73の面積割合S1よりも大きくなされ、さらに、端部領域7Eの凹部71Eの周方向溝731Eの深さD4は、中央部領域7Cの凹部71Cの周方向溝731Cの深さD2よりも大きして、周方向溝731Eによる凹部71E内の油を軸回転方向Zと同方向を向く油流F2を形成する効果を高めたほうがよい。
図10は、本発明とは異なる中央部領域7Cの摺動面7の凹部271を摺動面7側から見たものである。この凹部271は、摺動面7での開口形状が楕円であり、凹部271の中央部付近の表面を含め表面全面に半割軸受の周方向と平行な周方向溝273を形成しており、平面領域部を有さない。その他は、上記で説明したものと同じである。
図10に、摺動面7と軸表面が最近接したときの中央部領域7Cの摺動面7の凹部271内から摺動面7と軸表面との間の隙間に流出する油流F1’、F1’Rを示す。矢印Zは、上記の通り、軸の回転方向(軸表面の移動方向)を示す。
摺動面7と軸表面が最近接したとき、中央部領域7Cの摺動面7の凹部271内の油は圧縮され高圧となるが、特に凹部271の中央部付近の凹部の深さが最深となる表面付近の油が高圧となる。図10ではこの領域にも周方向溝273を有するので、特に高圧となった油が、周方向溝273に誘導され、凹部271から摺動面7と軸表面との間の隙間への軸回転方向Zと同方向の油流F1’だけでなく、軸回転方向Zとは逆方向の油流F1’Rが形成される。
摺動面7と軸5表面との間の隙間には、回転する軸表面に付随する油流F3が形成されているが、流れ方向が異なる油流F1’Rと油流F3とが、凹部271の開口に隣接する摺動面7と軸表面との間で衝突することにより乱流が発生する。この乱流の発生で摩擦損失が生じる。また、乱流の発生により凹部271の開口に隣接する摺動面7と軸表面との間の油の圧力が大きく低下すると、軸の負荷を支承できなくなり摺動面と軸表面とが接触し、さらに摩擦損失が大きくなる。
本実施例では、半割軸受31、32の中央部領域7Cの摺動面7および端部領域7Eの摺動面7のほぼ全面に、複数の凹部71を均一に設けた例を示したが、これに限定されないで、中央部領域7Cの摺動面7又は端部領域7Eの摺動面7又は中央部領域7Cの摺動面7及は端部領域7Eの摺動面7の任意の範囲にのみ部分的に複数の凹部を設けるようにしてもよい。また、中央部領域7Cおよび端部領域7Eの境界部を含む凹部71は、端部領域7Eの凹部71Eの構成とすることが好ましいが、中央部領域7Cの凹部7Cの構成であってもよい。
以下、本発明の他の形態の非限定的具体例を説明する。
第2の具体例
図11〜図15は、複数の凹部71C、71Eが、中央部領域7Cおよび端部領域7Eの摺動面にほぼ均一に配されているが、楕円形状の開口を有し、その長軸が半割軸受31、32の周方向と平行な方向を向いている。(図11においても。周方向の端部76側に近いほど凹部の形状は歪んで描かれている。)凹部71C、71Eは、周方向での配置位置が、半割軸受31、32の周方向中央10に近くに位置するものほど、凹部の開口面積A1が大きく、周方向端面76に近いほど開口面積A1が小さくなっている。なお、凹部の楕円形状の開口は、その長軸が半割軸受31、32の周方向と平行な方向以外の方向、例えば、半割軸受31、32の軸線方向を向くようにしてもよい。
中央部領域7Cの摺動面7の凹部71Cの凹部表面は、半割軸受31、32の周方向に平行な断面視にて、半割軸受31、32の外径側に膨出(外径側に凸)するだけでなく、半割軸受31、32の周方向に平行な方向以外のいずれの方向の断面視でも、半割軸受31、32の外径側に膨出(外径側に凸)する曲面となっている。そして、凹部71Cの複数の周方向溝731Cは、断面形状が円弧形状を有し(図14参照)、凹部71Cの半割軸受軸線方向の端部の周方向溝を除き、溝幅Wは、凹部の周縁側で最大で、凹部の中央部側へ向かって小さくなっている。同様に、溝深さD2も凹部の周縁側で最大で、凹部の中央部側へ向かって小さくなっている。なお、中央部領域7Cの摺動面7の各凹部71Cにおいては、周方向溝731Cは、最大溝深さ、最大幅が同じになされている。
中央部領域7Cの摺動面7の凹部71Cは、半割軸受31、32の周方向中央10に近くに位置するものほど、凹部71Cの深さD1(最大深さ)が大きく、周方向端面76に近いほど凹部深さD1が小さくなっている。また、半割軸受31、32の周方向中央10に近くに位置するものほど、凹部71Cの面積A1が大きく、周方向端面76に近いほど凹部71Cの面積A1が小さくなっている。
さらに、凹部71Cは、半割軸受31、32の中央部領域7Cの摺動面7の周方向での配置位置が、半割軸受31、32の周方向中央10に近いほど、凹部における溝形成領域の面積割合S1が小さく、中央部領域7Cの周方向端部に近いほど面積割合S1が大きくなっている。図12および図13には、半割軸受31、32の、それぞれ周方向中央に近くの凹部71CC(図11)、および中央部領域7Cの周方向端部に近くの凹部71CEを摺動面7側から見た図を示す。
4サイクル内燃機関では、半割軸受の周方向中央側の摺動面に配される凹部ほど、凹部内の油は高圧となり、中央部領域7Cの周方向端部側ほど、凹部内の油圧の増加が少ない。本具体例の凹部71Cは、半割軸受31、32の摺動面7の周方向中央10に近くに配置されるものほど、凹部に占める溝形成領域73の面積割合S1が小さく、平面領域72の面積割合が大きくなる。図15は、半割軸受31、32の摺動面7の周方向中央10近くに配された凹部71CCを摺動面7側から見た図を示し、摺動面7と軸5表面が最近接したときの凹部71CC内から摺動面7と軸表面とに間の隙間に流出する油流F2を示す図であり、矢印Zは、軸の回転方向を示す。
もしも溝形成領域73の面積割合S1が大きく、平面領域72の面積割合が小さい場合には、凹部開口の中央部付近で高圧となった油が、周方向溝731Cに誘導され、凹部71CCから摺動面7と軸表面との間の隙間への軸回転方向Zと同方向の油流F2だけでなく、軸回転方向Zとは逆方向の油流が形成されることがある。この軸回転方向Zとは逆方向の油流が形成されると、軸表面に付随し軸回転方向Zと平行な方向に流れる油流F3と衝突して乱流が発生する。
反対に、本具体例の凹部71CCのように、溝形成領域73の面積割合S1が小さく平面領域72の面積割合が大きいと、平面領域72において、軸回転方向Zとは異なる方向への油流F1が形成されやすくなり、油流F1のうちで軸回転方向Zと逆方向の油流成分が少なくなる。平面領域72の面積が大きいと、凹部71CCの中央部付近の平面領域72にて高圧となった油が、溝形成領域73に達するまでに、圧力が低下しやすくなる。このため、凹部71CCの軸回転方向Zの後方側に形成された周方向溝731Cが、摺動面7と軸表面との間の隙間を軸表面に付随し軸の回転方向Zと平行方向に流れる油流F3の一部から、凹部71CC内に導く油流F31が形成されるようになる。
他方、凹部71CEは、軸表面と凹部71CEの表面が最近接したときであっても、凹部71CE内の油の圧力は高くなり難く、凹部71CE内の油は、軸回転方向Zとは逆方向の油流が形成され難いため、凹部71CEの溝形成領域73の面積割合を大きくして、周方向溝731Cによる凹部71CE内の油を軸回転方向Zと同方向を向く油流F2を形成する効果を高めたほうがよい。
端部領域7Eの摺動面7の凹部71Eの凹部表面は、半割軸受31、32の周方向に平行な断面視にて、半割軸受31、32の外径側に膨出(外径側に凸)するだけでなく、半割軸受31、32の周方向に平行な方向以外のいずれの方向の断面視でも、半割軸受31、32の外径側に膨出(外径側に凸)する曲面となっている。
凹部71Eの複数の周方向溝731Eは、断面形状が円弧形状を有し(図14参照)、凹部71Eの半割軸受の軸線方向の端部の周方向溝を除き、溝幅Wは、凹部の周縁側で最大で、凹部の中央部側へ向かって小さくなっている。同様に、溝深さD4も凹部の周縁側で最大で、凹部の中央部側へ向かって小さくなっている。
端部領域7Eの凹部71Eは、半割軸受31、32の周方向中央10側の近くに位置するものほど、凹部71Eの深さD3(最大深さ)が大きく、周方向端面76に近いほど凹部深さD3が小さくなっている。また、半割軸受31、32の周方向中央10に近くに位置するものほど、凹部71Eの面積A1が大きく、周方向端面76に近いほど凹部71Eの面積が小さくなっている。
さらに、凹部71Eは、半割軸受31、32の端部領域7Eの摺動面7の周方向での配置位置が、半割軸受31、32の周方向中央10に近いほど、凹部における溝形成領域の面積割合S2が小さく、周方向端面76に近いほど面積割合S2が大きくなっている。
端部領域7Eの摺動面7の凹部71Eの周方向溝731Eの溝深さD4と中央部領域7Cの摺動面7の凹部71Cの周方向溝731Cの溝深さD2の関係および端部領域7Eの摺動面7の凹部71Eの凹部における溝形成領域の面積割合S2と中央部領域7Cの摺動面7の凹部71Cの凹部における溝形成領域の面積割合S1との関係は、具体例1と同じである。
第3の具体例
図16は、摺動面7での開口形状が四角形である凹部71C、71Eを示す。矢印Zは、軸回転方向を示し、凹部の開口形状の四角形の2辺は、軸回転方向と平行に配される。なお、図16は、周方向溝731C、731Eを省略して図示している。
図17は、図17に示す凹部71C、71EのC―C部の断面(半割軸受31、32の軸線方向の断面)示す。この断面形状は、逆台形形状であり、凹部71C、71Eの表面の軸線方向の両端部を除く表面は、摺動面7と平行になされている。図17も、周方向溝731C、731Eを省略して図示している。なお、凹部71C、71Eの半割軸受31、32の周方向に平行な断面視での表面は、半割軸受31、32の外径側に膨出する曲面となっている。
第4の具体例
図18に摺動面7での開口形状が四角形である凹部71C、71Eを示す。図16とは異なり、凹部の開口形状の四角形の対角線が、軸回転方向と平行となるように配される。図18に示す凹部71C、71Eは、凹部71C、71Eの半割軸受31、32の周方向に平行な断面視での表面、及び、半割軸受31、32の軸線方向に平行な断面視での表面は、半割軸受31、32の外径側に膨出する曲面となっている。なお、図18も周方向溝731C、731Eを省略して図示している。
上記に凹部71C、71Eの開口形状として、円形、楕円形および四角形を示したが、これらの開口形状は、幾何学的に厳密な円形、楕円形および四角形を意味するものではなく、略円形、略楕円形、および略四角形であればよい。さらに、凹部71の開口形状は、これらの形状に限定されないで、他の形状であってもよい。
上記説明は、発明の半割軸受を内燃機関のクランク軸のクランクピンを支承するコンロッド軸受に適用した例を示したが、発明の半割軸受は、クランク軸のジャーナル部を支承する主軸受を構成する一対の半割軸受の一方または両方に適用することができる。また、半割軸受は、油穴や油溝を有するようにしてもよく、半割軸受は、凹部71C、71Eを除く摺動面の全体が半割軸受の周方向に延びる複数の溝部を有して構成してもよい。
1 軸受装置
2 コンロッド
3 コンロッド軸受
4 主軸受
5 クランクピン
5a、5b 潤滑油路
5c 吐出口
6 ジャーナル部
6a 潤滑油路
6c 入口開口
10 半割軸受の周方向中央
31、32 半割軸受
41、42 半割軸受
41a 油溝
7 摺動面
7C 中央部領域
7E 端部領域
70 クラッシュリリーフ
71C、71CC、71CE、71E 凹部
72 平面領域
73 溝形成領域
731C、731E 周方向溝
76 周方向端面
CL 中心線
D1、D3 凹部の深さ
D2、D4 周方向溝の深さ
R 端部領域の円弧半径
W 周方向溝の幅
Z クランクピンの回転方向
X ジャーナル部の回転方向
M 軸の移動方向
θ1 中央部領域の角度範囲

Claims (19)

  1. 内燃機関のクランク軸を支承するすべり軸受を構成する半割軸受であって、半円筒形状を有し、内周面が摺動面を形成している前記半割軸受において、
    前記半割軸受の摺動面は、前記半割軸受の周方向中央を含む中央部領域と、該中央部領域の両側の端部領域とからなり
    前記中央部領域および前記端部領域のそれぞれの摺動面は、円弧面形状を有し、前記端部領域の円弧面の円中心が前記中央部領域の円弧面の円中心よりも前記半割軸受から離れた側に偏位しており、前記中央部領域は、前記周方向中央を基準として最大で±65°の円周角度範囲にあり、
    前記半割軸受の前記中央部領域および前記端部領域には、それぞれ、複数の凹部が形成されており、前記凹部は、前記摺動面から前記半割軸受の外径側に後退した平滑な凹部表面を有し、前記凹部表面は、前記半割軸受の周方向に平行な断面視にて、前記半割軸受の外径側に凸の曲線を形成しており、
    前記凹部には、前記凹部の周縁に隣接して溝形成領域が形成されており、該溝形成領域には、前記凹部表面から前記半割軸受の外径側に後退した複数の周方向溝が形成されており、前記複数の周方向溝は、前記凹部の周縁から前記半割軸受の周方向に延びており、
    前記中央部領域における前記凹部の前記溝形成領域が前記凹部に占める面積割合よりも、前記端部領域における前記凹部の前記溝形成領域が前記凹部に占める面積割合が大きく、前記中央部領域の前記凹部の前記周方向溝の最大深さよりも、前記端部領域の前記凹部の前記周方向溝の最大深さが大きくなっていることを特徴とする半割軸受。
  2. 前記中央部領域における前記凹部の前記溝形成領域が前記凹部に占める面積割合に対する前記端部領域における前記凹部の前記溝形成領域が前記凹部に占める面積割合は1.5倍以上であることを特徴とする請求項1に記載された半割軸受。
  3. 前記中央部領域における前記凹部の前記周方向溝の最大深さに対する前記端部領域における前記凹部の前記溝周方向溝の最大深さは2倍以上であることを特徴とする請求項1または請求項2に記載された半割軸受。
  4. 前記中央部領域の前記凹部の深さが2〜50μmであることを特徴とする請求項1から請求項3までのいずれか1項に記載された半割軸受。
  5. 前記中央部領域における前記周方向溝の深さは、前記凹部の中央側から周縁側へ向かって大きくなっていることを特徴とする請求項1から請求項4までのいずれか1項に記載された半割軸受。
  6. 前記中央部領域における前記周方向溝の最大深さが0.5〜3μmであることを特徴とする請求項1から請求項5までのいずれか1項に記載された半割軸受。
  7. 前記端部領域における前記周方向溝の最大深さが1〜10μmであることを特徴とする請求項1から請求項6までのいずれか1項に記載された半割軸受。
  8. 前記中央部領域および前記端部領域の前記周方向溝の最大幅が20〜150μmであることを特徴とする請求項1から請求項7までのいずれか1項に記載された半割軸受。
  9. 前記中央部領域における前記凹部の前記溝形成領域が前記凹部に占める面積割合は0.15〜0.55であることを特徴とする請求項1から請求項8までのいずれか1項に記載された半割軸受。
  10. 前記端部領域における前記凹部の前記溝形成領域が前記凹部に占める面積割合は0.3〜0.90であることを特徴とする請求項1から請求項9までのいずれか1項に記載された半割軸受。
  11. 前記中央部領域および前記端部領域の前記凹部の開口形状は、円形、楕円形、又は四角形の形状を有することを特徴とする請求項1から請求項10までのいずれか1項に記載された半割軸受。
  12. 前記中央部領域および前記端部領域の前記凹部の表面は、半割軸受の軸線方向の断面視にて、半割軸受の外径側に凸形状の曲線を形成することを特徴とする請求項1から請求項11までのいずれか1項に記載された半割軸受。
  13. 前記中央部領域および前記端部領域の前記複数の凹部が、前記半割軸受の摺動面の全体に均一に形成されていることを特徴とする請求項1から請求項12までのいずれか1項に記載された半割軸受。
  14. 前記中央部領域の前記凹部は、前記半割軸受の周方向中央に近いほど深さが大きくなることを特徴とする請求項1から請求項13までのいずれか1項に記載された半割軸受。
  15. 前記中央部領域の前記凹部は、前記半割軸受の周方向中央に近いほど、開口面積が大きくなることを特徴とする請求項1から請求項14までのいずれか1項に記載された半割軸受。
  16. 前記中央部領域の前記凹部は、前記半割軸受の周方向中央に近いほど、前記溝形成領域が前記凹部に占める面積割合が小さくなることを特徴とする請求項1から請求項15までのいずれか1項に記載された半割軸受。
  17. 前記中央部領域は、前記周方向中央を基準として最小で±40°の円周角度範囲を含むことを特徴とする請求項1から請求項16までのいずれか1項に記載された半割軸受。
  18. 請求項1から請求項17までのいずれか1項に記載された半割軸受を備えた、内燃機関のクランク軸を支承する円筒形状のすべり軸受。
  19. 前記半割軸受の一対を組み合わせて構成されていることを特徴とする請求項18に記載されたすべり軸受。
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