(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
裏金の内周側にライニング層が形成され、回転軸を潤滑油を介してライニング層で支持する、半割り構造のラジアルすべり軸受であって、
裏金は、ライニング層より厚い第１の裏金層と、第１の裏金層とライニング層との間に配置され、ライニング層より厚い第２の裏金層と、を含み、
第２の裏金層の熱膨張率が第１の裏金層の熱膨張率より高く、
裏金は、回転軸方向の両端部より中央部が外周側へ窪んでいる、ラジアルすべり軸受。
【請求項２】
請求項１に記載のラジアルすべり軸受であって、
ラジアルすべり軸受は、内燃機関のコネクティングロッドの大端部に装着され、前記回転軸としてクランクシャフトのクランクピンを潤滑油を介してライニング層で支持する、ラジアルすべり軸受。
【請求項３】
回転軸を潤滑油を介してラジアルすべり軸受で支持する回転軸の軸受構造であって、
前記ラジアルすべり軸受が、請求項１または２に記載のラジアルすべり軸受である、回転軸の軸受構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ラジアルすべり軸受及び回転軸の軸受構造に関し、特に、裏金の内周側にライニング層が形成され、回転軸を潤滑油を介してライニング層で支持する、半割り構造のラジアルすべり軸受、及び回転軸を潤滑油を介してラジアルすべり軸受で支持する回転軸の軸受構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
回転軸を潤滑油を介して支持する軸受構造の関連技術が下記特許文献１，２に開示されている。特許文献１のすべり軸受では、ベアリングメタルの軸方向両端部の厚さが中央部の厚さよりも厚くなるようにベアリングメタルを曲面加工するとともに、ベアリングメタル表面に円周方向の条痕溝を多数設けている。これによって、すべり軸受の軸受全面積に渡って高い油膜圧力を保持し、軸受の潤滑性能の向上、及びベアリング打音の低減を図っている。
【０００３】
また、特許文献２の軸受構造では、低温域から中温域にかけて負の熱膨張率を有し、中温域から高温域にかけて正の熱膨張率を有する熱膨張材料により軸受ハウジングを構成することで、潤滑油が供給される、軸受ハウジングと回転軸との間の隙間を、低温域では大きくし、中温域では小さくし、高温域では再度大きくしている。これによって、低温域における摩擦の抑制、中温域における燃費悪化の抑制、高温域における油膜切れの抑制を図っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平５−２５６３２０号公報
【特許文献２】特開２００８−３０９１９９号公報
【特許文献３】特開２００５−２６４１７９号公報
【特許文献４】特開２００６−２８３９０５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
回転軸を潤滑油を介してラジアルすべり軸受で支持する場合に、低温時には、潤滑油の粘度が高いため、回転軸が回転するときの粘性摩擦損失が大きくなる。粘性摩擦損失を小さくするためには、潤滑油の温度を速やかに上昇させて潤滑油の粘度を速やかに低くする必要があり、そのためには、軸受と回転軸との間の隙間に供給された潤滑油を滞留させ、滞留した潤滑油自体の攪拌発熱により潤滑油の昇温を促進させることが望ましい。一方、潤滑油の粘度が低く、粘性摩擦損失が小さい高温時において、潤滑油による潤滑性能・冷却性能を向上させるためには、軸受と回転軸との間の隙間に供給された潤滑油の排出を促進させて、潤滑油の循環を促進させることが望ましい。
【０００６】
特許文献１では、ベアリングメタルと回転軸との間の隙間は、低温時・高温時に関係なく、軸方向両端部が中央部より小さくなる。そのため、低温時においては、ベアリングメタルと回転軸との間の隙間に滞留する潤滑油の攪拌発熱により潤滑油の昇温を図ることが可能となるものの、高温時においても、ベアリングメタルと回転軸との間の隙間に潤滑油が滞留して潤滑油の循環が促進されなくなる。さらに、高温時において、ベアリングメタルの軸方向両端部と回転軸が接触して磨耗・焼付きが生じる虞がある。
【０００７】
また、特許文献２では、低温時において、軸受ハウジングと回転軸との間の隙間が大きくなって潤滑油が滞留しないため、滞留した潤滑油自体の攪拌発熱により潤滑油の昇温を促進させることが困難である。そのため、潤滑油の昇温により潤滑油の粘度を速やかに低くして粘性摩擦損失を小さくすることは困難である。
【０００８】
本発明は、回転軸を潤滑油を介してラジアルすべり軸受で支持する場合に、低温時に潤滑油の昇温を促進させ、高温時に潤滑油の循環を促進させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係るラジアルすべり軸受及び回転軸の軸受構造は、上述した目的を達成するために以下の手段を採った。
【００１０】
本発明に係るラジアルすべり軸受は、裏金の内周側にライニング層が形成され、回転軸を潤滑油を介してライニング層で支持する、半割り構造のラジアルすべり軸受であって、裏金は、ライニング層より厚い第１の裏金層と、第１の裏金層とライニング層との間に配置され、ライニング層より厚い第２の裏金層と、を含み、第２の裏金層の熱膨張率が第１の裏金層の熱膨張率より高いことを要旨とする。
【００１１】
上記構成によれば、低温時においては、ラジアルすべり軸受の割り面近傍での回転軸に対する隙間（オイルリリーフ）が狭くなることで、ライニング層と回転軸との間の隙間に供給された潤滑油が滞留し、この潤滑油の攪拌発熱により潤滑油の昇温を促進させることができる。一方、高温時においては、内周側の第２の裏金層の熱膨張量が外周側の第１の裏金層の熱膨張量より大きくなる裏金の熱膨張により、ラジアルすべり軸受の割り面近傍での回転軸に対する隙間（オイルリリーフ）が広くなることで、ライニング層と回転軸との間の隙間に供給された潤滑油の排出を促進させることができ、潤滑油の循環を促進させることができる。
【００１２】
さらに、本発明では、裏金は、回転軸方向の両端部より中央部が外周側へ窪んでいる。
【００１３】
上記構成によれば、低温時においては、ラジアルすべり軸受の回転軸方向両端部での回転軸に対する隙間（サイドクリアランス）が狭くなることで、ライニング層と回転軸との間の隙間に供給された潤滑油が滞留し、この潤滑油の攪拌発熱により潤滑油の昇温を促進させることができる。一方、高温時においては、内周側の第２の裏金層の熱膨張量が外周側の第１の裏金層の熱膨張量より大きくなる裏金の熱膨張により、ラジアルすべり軸受の回転軸方向両端部での回転軸に対する隙間（サイドクリアランス）が広くなることで、ライニング層と回転軸との間の隙間に供給された潤滑油の排出を促進させることができ、潤滑油の循環を促進させることができる。
【００１４】
本発明の一態様では、ラジアルすべり軸受は、内燃機関のコネクティングロッドの大端部に装着され、前記回転軸としてクランクシャフトのクランクピンを潤滑油を介してライニング層で支持することが好適である。
【００１５】
また、本発明に係る回転軸の軸受構造は、回転軸を潤滑油を介してラジアルすべり軸受で支持する回転軸の軸受構造であって、前記ラジアルすべり軸受が、本発明に係るラジアルすべり軸受であることを要旨とする。
【発明の効果】
【００１６】
以上説明したように、本発明によれば、回転軸を潤滑油を介してラジアルすべり軸受で支持する場合に、低温時に潤滑油の昇温を促進させることができ、高温時に潤滑油の循環を促進させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施形態に係るラジアルすべり軸受が用いられる内燃機関のコネクティングロッドの概略構成を示す図である。
【図２】本発明の実施形態に係るラジアルすべり軸受を用いた回転軸の軸受構造の概略を示す図である。
【図３】本発明の実施形態に係るラジアルすべり軸受を用いた回転軸の軸受構造の概略を示す図である。
【図４】本発明の実施形態に係るラジアルすべり軸受の作用を説明する図である。
【図５】本発明の実施形態に係るラジアルすべり軸受の作用を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明を実施するための形態（以下実施形態という）を図面に従って説明する。
【００１９】
図１は、本発明の実施形態に係るラジアルすべり軸受が用いられる内燃機関のコネクティングロッドの概略構成を示す図であり、図２，３は、本発明の実施形態に係るラジアルすべり軸受を用いた回転軸の軸受構造の概略を示す図である。図１，２は回転軸方向から見た図を示し、図３は回転軸方向に垂直な方向から見た図を示す。ただし、図１〜３を含む各図において、ラジアルすべり軸受（大端部軸受）の厚さや、回転軸（クランクピン）とラジアルすべり軸受（大端部軸受）との間の隙間等のサイズについては、説明の便宜上、実際のサイズよりも大きく図示している。
【００２０】
内燃機関のコネクティングロッド１０は、ピストン１１の往復直線運動を図示しないクランクシャフトに伝達して回転運動に変換する部品である。図１に示すように、コネクティングロッド１０は、ピストン１１側の小端部１２と、クランクシャフト側の大端部１３と、小端部１２と大端部１３との間を繋ぐコラム部１４とから構成されている。なお、コネクティングロッド１０は、ニッケル・クロム鋼、クロム・モリブデン鋼、チタン合金などの材料から構成され、高い機械的強度が要求される部材である。
【００２１】
小端部１２は、ピストン１１との接続部であって、ピストン１１に連結されたピストンピン１５が挿通される小端部貫通孔１６が形成されている。そして、小端部貫通孔１６には、ピストンピン１５を支持するための小端部軸受１７が設けられる。小端部軸受１７は、例えば、爆発行程における高荷重を、ピストン１１を介して受けるため、高い負荷容量が要求される。小端部１２の運動形態は、コネクティングロッド１０全体の往復運動と大端部１３の回転運動との合成から揺動運動となるため、小端部軸受１７には、軸受内周面の広い範囲に亘って高荷重が作用する。したがって、軸受内周面には、例えば、大端部１３に形成される図示しないジェット孔や連通孔から潤滑油が給油され、潤滑油を介して軸荷重を支持する。
【００２２】
大端部１３は、クランクシャフトとの接続部であって、クランクシャフトのクランクピン１８が挿通される大端部貫通孔１９が形成されている。そして、大端部貫通孔１９には、クランクピン１８を支持するための大端部軸受３０が設けられる。なお、大端部１３は、コラム部１４と一体成形された大端部本体２０と大端部本体２０に締結されるキャップ２１とから構成され、大端部本体２０にキャップ２１を締結して形成される大端部貫通孔１９に半割り構造の大端部軸受３０が装着される。
【００２３】
コラム部１４は、上記のように、小端部１２と大端部１３との間を繋ぐ部分であって、一般的に、コラム部１４、小端部１２、及び大端部本体２０は一体成形される。コラム部１４には、大端部１３から小端部１２に潤滑油を供給するために、例えば、図示しない連通孔が形成される。また、クランクピン１８は、上記のように、クランクシャフトと大端部１３とを接続する軸であって、ピストン１１の往復動による力を受けて回転すると共に、その力をクランクシャフトに伝達するための部材である。
【００２４】
上記のように、コネクティングロッド１０がピストン１１とクランクシャフトのクランクピン１８とを連結することにより、エンジンの作動時にピストン１１が図示しないシリンダ内を往復運動すると、その往復運動がコネクティングロッド１０を介してクランクシャフトの回転運動に変換され、クランクシャフトの回転動力がエンジン出力として得られる仕組みになっている。
【００２５】
大端部軸受３０は、回転軸であるクランクピン１８を潤滑油を介して支持するラジアルすべり軸受（ジャーナルすべり軸受とも称される）であり、図２に示すように、回転軸の周方向に関して２分割された略半円筒形状の半割り軸受３１により構成される。一方の半割り軸受３１は軸受支持部材としての大端部本体２０に装着され、他方の半割り軸受３１は軸受支持部材としてのキャップ２１に装着され、２つの半割り軸受３１の周方向に関する両端部同士を合わせることで、略円筒形状の大端部軸受３０が構成される。半割り軸受３１は、裏金３２と、裏金３２の内周側に形成されたライニング層としての軸受合金層３３とを含んで構成される。クランクシャフトには、給油路が形成されており、この給油路を経てクランクピン１８の外周面と軸受合金層３３との間の隙間に潤滑油が供給される。半割り構造の大端部軸受３０は、クランクピン１８を潤滑油を介してライニング層（軸受合金層３３）で支持する。ここでの潤滑油は、油膜を形成することにより、軸と軸受が焼き付くことなく機関を運転すること、軸と軸受内周面との摩擦損失や磨耗を低減することを主な役割とするが、冷却、洗浄、防錆等の役割も果たしている。
【００２６】
本実施形態では、裏金３２は、低熱膨張率裏金層３４と、低熱膨張率裏金層３４と軸受合金層３３との間（低熱膨張率裏金層３４の内周側）に配置された高熱膨張率裏金層３５とを含んで構成されるバイメタル構造であり、低熱膨張率裏金層３４及び高熱膨張率裏金層３５はいずれも正の熱膨張率を有し、さらに、内周側の高熱膨張率裏金層３５の熱膨張率が外周側の低熱膨張率裏金層３４の熱膨張率より高い。高熱膨張率裏金層３５の厚さは低熱膨張率裏金層３４の厚さに等しく（あるいはほぼ等しく）、低熱膨張率裏金層３４の厚さ及び高熱膨張率裏金層３５の厚さは、いずれも軸受合金層３３の厚さより厚い。低熱膨張率裏金層３４の種類としては、例えば鋼等が挙げられ、高熱膨張率裏金層３５の種類としては、例えばアルミニウム合金や銅合金等が挙げられる。また、軸受合金層３３の種類としては、例えば銅−鉛合金やアルミニウム合金等が挙げられる。なお、軸受合金層３３の内周側にオーバーレイを形成することも可能である。
【００２７】
さらに、本実施形態では、半割り軸受３１（裏金３２及び軸受合金層３３）は、図３に示すように、回転軸方向の両端部より中央部が外周側へ窪むように回転軸方向に関して湾曲している。これによって、半割り軸受３１（軸受合金層３３）のクランクピン１８に対するクリアランスは、回転軸方向の両端部が中央部より狭くなる。この状態では、半割り軸受３１（裏金３２）は、回転軸方向に関しては、中央部で軸受支持部材としての大端部１３（大端部本体２０またはキャップ２１）に接触し、回転軸方向の両端部では大端部１３（大端部本体２０またはキャップ２１）との間に微小クリアランスが形成される。また、半割り軸受３１（裏金３２）は、周方向に関しては、合わせ面（両端部）付近で大端部１３（大端部本体２０またはキャップ２１）との間に微小クリアランスが形成される。
【００２８】
内燃機関の冷間始動直後等、半割り軸受３１の温度が低いときは、図２に示すように、半割り軸受３１の合わせ面近傍でのクランクピン１８に対するクリアランス（オイルリリーフ）３６が狭くなることにより、クランクピン１８と軸受合金層３３との間の隙間に充填された潤滑油の排出が抑制される。さらに、半割り軸受３１の温度が低いときは、図３に示すように、半割り軸受３１（裏金３２）の回転軸方向の両端部が中央部より内周側（クランクピン１８側）に張り出しており、半割り軸受３１の回転軸方向両端部でのクランクピン１８に対するクリアランス（サイドクリアランス）３７が狭くなることによっても、クランクピン１８と軸受合金層３３との間の隙間に充填された潤滑油の排出が抑制される。
【００２９】
低温時においては、潤滑油の粘度が高く、クランクピン１８が大端部１３に対して回転するときの粘性摩擦損失が大きくなりやすいが、本実施形態では、低温時において、オイルリリーフ３６及びサイドクリアランス３７が狭くなる。そのため、低温時においては、クランクピン１８と軸受合金層３３との間の隙間に充填された潤滑油が滞留し、滞留した潤滑油自体の攪拌発熱により潤滑油の温度上昇が促進される。これによって、潤滑油の粘度を速やかに低くすることができ、クランクピン１８が大端部１３に対して回転するときの粘性摩擦損失を低減することができる。
【００３０】
内燃機関の運転とともに半割り軸受３１の温度が上昇すると、裏金３２が熱膨張する。裏金３２の熱膨張の際には、高熱膨張率裏金層３５の熱膨張率が低熱膨張率裏金層３４の熱膨張率より高いため、内周側の高熱膨張率裏金層３５の熱膨張量が外周側の低熱膨張率裏金層３４の熱膨張量より大きくなる。そのため、内燃機関の定常運転時等、半割り軸受３１の温度が高いときは、半割り軸受３１の温度が低いときと比較して、裏金３２の周方向に関する曲率が小さくなり、図４に示すように、半割り軸受３１の合わせ面近傍でのクランクピン１８に対するクリアランス（オイルリリーフ）３６が広くなる。これによって、クランクピン１８と軸受合金層３３との間の隙間に充填された潤滑油の排出が促進される。この状態では、半割り軸受３１（裏金３２）は、周方向に関して合わせ面（両端部）付近でも大端部１３（大端部本体２０またはキャップ２１）と接触する。
【００３１】
さらに、半割り軸受３１の温度が高いときは、半割り軸受３１の温度が低いときと比較して、裏金３２の回転軸方向に関する曲率も小さくなり、図５に示すように、半割り軸受３１の回転軸方向両端部でのクランクピン１８に対するクリアランス（サイドクリアランス）３７が広くなる。これによっても、クランクピン１８と軸受合金層３３との間の隙間に充填された潤滑油の排出が促進される。この状態では、半割り軸受３１（裏金３２）は、回転軸方向の両端部でも大端部１３（大端部本体２０またはキャップ２１）と接触する。その際には、内燃機関の定常運転時に相当する温度において、半割り軸受３１のクランクピン１８に対するクリアランスが回転軸方向において均一となる（回転軸方向の両端部と中央部とで等しくなる）ように、低温時における裏金３２の回転軸方向に関する曲率を設計することが好ましい。
【００３２】
このように、本実施形態では、潤滑油の粘度が低く、粘性摩擦損失が小さい高温時において、裏金３２の熱膨張によりオイルリリーフ３６及びサイドクリアランス３７が広くなる。したがって、高温時において、潤滑油の循環を促進することができ、潤滑油による潤滑性能・冷却性能を向上させることができる。
【００３３】
以上説明した本実施形態では、２分割された半割り軸受３１の両方について、裏金３２を低熱膨張率裏金層３４と高熱膨張率裏金層３５によるバイメタル構造にすることが可能である。ただし、本実施形態では、２分割された半割り軸受３１のいずれか一方について、裏金３２を低熱膨張率裏金層３４と高熱膨張率裏金層３５によるバイメタル構造にすることも可能である。なお、特許文献３，４のように、１層の（バイメタル構造でない）裏金上に軸受合金層を形成した構造では、軸受合金層の厚さが裏金と比べて薄く、低温時にオイルリリーフやサイドクリアランスを狭くし、高温時に熱膨張によってオイルリリーフやサイドクリアランスを広くする作用を十分に得ることは困難である。
【００３４】
一般に、厚さｈ１、弾性定数Ｅ１、線膨張率α１の材料１と、厚さｈ２、弾性定数Ｅ２、線膨張率α２の材料２とによる、長さｌのバイメタル構造において、温度がΔＴだけ上昇したときに端部に発生する変位δは、以下の（１）式で表される（金属便覧６．６節ｐ９４２参照）。
【００３５】
δ＝６×ΔＴ×(α１−α２)×ｌ2×ｍ×ｎ
／[(ｈ１＋ｈ２)×(ｍ＋１)×(ｎ＋１)×(ｍ×ｎ＋１)]          （１）
ただし、ｍ＝Ｅ２／Ｅ１，ｎ＝ｈ２／ｈ１
【００３６】
本実施形態において、低熱膨張率裏金層３４（材料１）を厚さｈ１＝１．２５ｍｍの鋼（Ｅ１＝２．１×１０11Ｐａ、α１＝１．１×１０-5）とし、高熱膨張率裏金層３５（材料２）を厚さｈ２＝１．２５ｍｍのアルミニウム合金（Ｅ２＝７．０×１０10Ｐａ、α２＝２．２×１０-5）とすると、ΔＴ＝５０℃（例えば２０℃→７０℃）の温度上昇が生じたときに、（１）式より、径４０ｍｍの軸受オイルリリーフ位置におけるクリアランス変化は約０．１１ｍｍとなり、回転軸方向の幅１５ｍｍの軸受端部と中央部のクリアランス変化は約７μｍとなる。一方、１層の（バイメタル構造でない）裏金上に軸受合金層を形成した構造において、裏金（材料１）を厚さｈ１＝２．３ｍｍの鋼（Ｅ１＝２．１×１０11Ｐａ、α１＝１．１×１０-5）とし、軸受合金層（材料２）を厚さｈ２＝０．２ｍｍのアルミニウム合金（Ｅ２＝７．０×１０10Ｐａ、α２＝２．２×１０-5）とすると、ΔＴ＝５０℃の温度上昇が生じたときに、（１）式より、径４０ｍｍの軸受オイルリリーフ位置におけるクリアランス変化は約０．０２ｍｍとなり、回転軸方向の幅１５ｍｍの軸受端部と中央部のクリアランス変化は約１．４μｍとなる。したがって、特許文献３，４のように、１層の（バイメタル構造でない）裏金上に軸受合金層を形成した構造では、熱膨張によるクリアランス変化が小さく、低温時にオイルリリーフやサイドクリアランスを狭くし、高温時に熱膨張によってオイルリリーフやサイドクリアランスを広くする作用を十分に得ることが困難となる。
【００３７】
以上の説明では、本発明の実施形態に係るラジアルすべり軸受を用いた回転軸の軸受構造として、コネクティングロッド１０の大端部軸受３０を例に挙げて説明した。ただし、本発明に係るラジアルすべり軸受を用いた回転軸の軸受構造は、コネクティングロッド１０の大端部軸受３０以外に、例えばカムシャフト用軸受等のその他のエンジン部材用軸受にも適用することが可能であり、さらに、エンジン部材用軸受以外の用途に適用することも可能である。このように、本発明に係るラジアルすべり軸受を用いた回転軸の軸受構造は、回転軸を潤滑油を介してラジアルすべり軸受で支持する構造であれば、種々の軸受に適用することが可能である。
【００３８】
以上、本発明を実施するための形態について説明したが、本発明はこうした実施形態に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。
【符号の説明】
【００３９】
１０  コネクティングロッド、１１  ピストン、１２  小端部、１３  大端部、１４  コラム部、１５  ピストンピン、１６  小端部貫通孔、１７  小端部軸受、１８  クランクピン、１９  大端部貫通孔、２０  大端部本体、２１  キャップ、３０  大端部軸受、３１  半割り軸受、３２  裏金、３３  軸受合金層、３４  低熱膨張率裏金層、３５  高熱膨張率裏金層、３６  オイルリリーフ、３７  サイドクリアランス。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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