(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
外側の環状の比較的硬質の鋼鉄製支持層（12）、および前記鋼鉄層（12）に接合された内側の環状の比較的軟質の金属製ベアリング層（14）を備え、
前記鋼鉄層（12）は、円筒状の内面を有し、前記円筒状の内面は、単一のバイメタル片の両縁を溶接により繋ぎ合わせることによって形成される継ぎ目（17）において、ベアリング（10）の軸に沿って延びる溝（29）を有し、
前記内側層（14）は、前記鋼鉄層（12）の内面に適合する外面を有し、前記内側層（14）は、溶接による融解後に固化した径方向の突起（25）を備えることによって前記溝（29）を概ね充填するようになっている、単一のバイメタル片から形成されるスリーブ状ベアリング（10）。
【請求項２】
前記内側のベアリング層（14）は、連続的で、亀裂または表面不連続性の無い内側円筒状面（39）を有する請求項１記載のベアリング（10）。
【請求項３】
前記溝（29）は、Ｖ字形である請求項１記載のベアリング（10）。
【請求項４】
前記Ｖ字形の溝（29）は、前記鋼鉄層（12）の径方向の厚さの約40％に当たる径方向の深さ寸法を有する請求項３記載のベアリング（10）。
【請求項５】
前記鋼鉄層（12）は、ベアリング（10）の全周にわたって実質的に連続的で中断されていない請求項１記載のベアリング（10）。
【請求項６】
前記内側層（14）は、ベアリング（10）の全周にわたって実質的に連続的で中断されていない請求項５記載のベアリング（10）。
【請求項７】
前記内側のベアリング層（14）は、負荷ベアリング面（39）を形成するために機械加工された円筒状の内面を有し、前記負荷ベアリング面（39）は、連続的で亀裂または表面不連続性が無い請求項１記載のベアリング（10）。
【請求項８】
前記鋼鉄層（12）は、円筒状の外面（37）を有する請求項１記載のベアリング（10）。
【請求項９】
前記鋼鉄層（12）の外面（37）は、機械加工されている請求項８記載のベアリング（10）。
【請求項１０】
前記溝（29）の深さ寸法は、幅寸法よりも大きい請求項１記載のベアリング（10）。
【請求項１１】
前記溝（29）は、断面視において火炎状の開口部（30）を有する請求項10記載のベアリング（10）。
【請求項１２】
前記溝（29）の深さ寸法は、前記溝（29）の幅寸法の少なくとも３倍である請求項11記載のベアリング（10）。
【請求項１３】
バイメタルからなるスリーブ状ベアリング（10）の製造方法であって、
比較的硬質の鋼鉄製支持層（12）、およびこの鋼鉄層（12）に接合された比較的軟質の金属製ベアリング層（14）からなる単一のバイメタル片を調製する工程と、
前記バイメタル片を管状に湾曲させて、このバイメタル片の両縁を継ぎ目（17）に沿って互いに突き合わせ、この鋼鉄層の突き合わされた両縁に沿って、溝（29）が形成されるようにする工程と、
比較的軟質の金属材料が、前記鋼鉄層の突き合わされた両縁の間に形成された溝（29）に流入してこの溝（29）を概ね充填するように、前記バイメタル片の両縁を、溶接する工程とを含む方法。
【請求項１４】
前記溝（29）は、Ｖ字形をなすことを特徴とする請求項13記載の方法。
【請求項１５】
前記Ｖ字形溝（29）の径方向の深さは、前記鋼鉄層（12）の径方向の厚さのほぼ40％であることを特徴とする請求項14記載の方法。
【発明の詳細な説明】
発明の背景
発明の分野
本発明は、レーザーで溶接されたスリーブ状ベアリングに関し、具体的には、カムシャフト用ベアリングとして適用しうる、外側の鋼製補強層と内側の軟質金属製負荷ベアリング層を備えるバイメタルのスリーブ状ベアリングに関する。
従来技術の説明
スリーブ状ベアリング及びブッシングは、通常、比較的硬い外側の支持層と、内側の柔軟な負荷ベアリング層とで形成されている。外層は一般に鋼で形成される。内層は、アルミニウム、スズ、鉛、銅、ケイ素、および他の合金用元素を含む、種々の合金で形成することができる。内層に使用される合金は、形状適合性、親油性、耐捕獲性、耐磨耗性、および疲労抵抗などの、種々の好ましい特性を発揮するものである。
通常、これらのスリーブ状ベアリングを形成するには、先ず、熱と圧力、或いは急冷鋳造法を用いて、２枚の平坦な帯状片同士を結合して、バイメタルの帯状材料を作る。次に、バイメタルの帯状片を筒状に湾曲させた後、筒の軸芯方向の出合ったエッジ同士を溶接して、スリーブ状ベアリングを形成する。
米国特許第4,751,777号明細書は、スリーブ状ベアリング及びブッシングを形成するためのプロセスを開示しており、ここでは、スリーブ状ベアリングを形成するために、軸芯方向の出合ったエッジ同士を溶接している。ベアリング面が溶接操作によって損なわれることのないように、外側の鋼鉄の層のみがレーザーで溶融されるように、レーザー溶接が用いられている。
米国特許第4,751,777号明細書に記載されたプロセスでは、内側のベアリング面にベアリングの全長に延びる軸芯方向の亀裂がある。このような亀裂は、異物を収集する可能性があり、ベアリングの欠陥を招くおそれがある。
また、溶接された接合部で出合っているエッジ同士が正確に揃っていない場合、前述の亀裂により、小さな出っ張りが形成される可能性がある。このような出っ張りにより、ベアリングに早期に磨耗し易いスポットが形成されることがある。さらに、施工業者やエンドユーザーは、一般に、ベアリング面に亀裂が存在することは望ましくないと考えている。
米国特許第4,044,441号明細書は、２個の半円筒形部分を、180度だけ離間した２本の溶接線、すなわち、スリーブの軸芯に沿って延びる径方向の面上の２本の溶接線に沿って溶接して形成したバイメタルのスリーブ状ベアリングを示している。しかしこの構成によると、軸芯方向に延びる２本の亀裂がベアリング面に形成され、米国特許第4,751,777号の構成が有するのと同じ不都合が生じる。
発明の要約
本発明の目標は、連続しており亀裂と表面欠陥の無いベアリング面が得られるように、単一の湾曲したバイメタルの帯状片から形成されたバイメタルのスリーブ状ベアリングを得ることにある。亀裂の無いベアリング面は、前述したスリーブ状ベアリングに付随する問題を排除する。
本発明のベアリングは、ベアリングスリーブの周方向の寸法に応じた長さで切断された、単一のバイメタルの帯状片から形成される。帯状片を切断する操作は、切断ブレードにより先ずベアリング層をスライスし、次に鋼鉄層に達するようにする。切り取られる帯状片のエッジ領域は、ブレードの動きによって移動させられるため、軟質のベアリング層のエッジは、面取り部を有し、鋼鉄層のエッジは、突出したフランジまたはバリを有する。
切り取られたバイメタルの帯状片を円筒状の筒形状に曲げた後、帯状片の隣接し合うエッジ同士をレーザーで溶接して、スリーブ状ベアリングが形成される。
溶接の操作中は、帯状片の互いに出合った面取りされたエッジ上の軟質金属材料は、鋼製の帯状片の面取りされたエッジ領域に沿って形成された狭い溝内に融けて流れ込む。この作用は、さもなければベアリングのベアリング面上に形成されると思われる軸芯方向の亀裂を、除去または防止する。ベアリングの内面は殆ど連続的で亀裂が無い。
スリーブ状ベアリングの内面と外面は、特に溶接線または接合部に沿って、円滑な表面形状が提供されるように機械加工される。
本発明の目標は、単一のバイメタルの帯状片から形成された、スリーブの内面と外面に沿って目に見える軸芯方向の亀裂が存在しないバイメタルのスリーブ状ベアリングを得ることにある。本発明の具体的な特徴と利点は、添付された図面と、本発明について解説した実施形態の記載によって明らかであろう。
前述した本発明の目標、特徴および利点は、下記の本発明に関するより詳細な説明と、この説明に不可欠な添付図面とに詳細に示され、また明白となると思う。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明に基いて設計されたバイメタルのスリーブ状ベアリングの斜視図である。
図２は、帯状片切断操作中における切断ブレードとバイメタルの帯状片の部分断面図である。切り取られた帯状片は、本発明におけるスリーブ状ベアリングを形成するために使用できる。
図３は、切り取られた複数のバイメタルの帯状片を、筒状のスリーブ形状に湾曲した状態を示す図である。
図４〜図６は、帯状片が図３の筒状の形状である時に、バイメタルの帯状片の端部同士を付き合わせることによって形成されたジョイントまたは接合部の部分拡大図である。
図４は、レーザー溶接前のジョイントを示す。
図５は、溶接操作後のジョイントを示す。
図６は、筒またはスリーブの内面と外面が機械加工された後のジョイントを示す。
図７は、図１のスリーブ状ベアリングの側面図であり、レーザー溶接操作中にレーザービームガンがスリーブの長手方向の継ぎ目上を辿った経路を示す。
各図中、類似した符号は類似する部品を示す。
好適実施形態の詳細な説明
図１を参照すると、ここには、外側の環状鋼鉄層12と、内側の環状負荷ベアリング層またはライニング14とを含むバイメタルのスリーブ状ベアリングまたはブッシング10が示されている。ベアリングは、１枚のバイメタルの帯状片を円筒形に曲げて形成されており、帯状片の軸芯方向のエッジ16同士は隣接し、ベアリングの軸芯方向の全長に延びる軸芯方向の継ぎ目17を形成している。エッジ16同士は、レーザーで溶接されて前記継ぎ目を形成している。
本発明は、特に継ぎ目17に沿ってスリーブ状ベアリングの内面と外面が連続的で、目に見える亀裂または不連続性が無いように溶接された継ぎ目17を形成し処理するための構成に関している。
図２は、スリーブ状ベアリングの形成に使用可能な平坦なバイメタルの帯状片20を示す。図に示されているように、帯状片は、比較的厚い第１鋼鉄層12と、より薄い比較的軟質のベアリング層14とを含む。負荷ベアリング層は、アルミニウム、スズ、鉛、銅、および他の合金用元素を含む種々の合金で形成することができる。すなわち、負荷ベアリング層は、鋼の融点よりも実質的に低い融点を持った公知のバビット材料であるのが良い。
例えば米国特許第3,078,563号または第2,763,058号明細書に記載されているような、種々の異なった手法を用いて、鋼鉄層12とベアリング層14をラミネートすることができる。
図２は、バイメタルの帯状片によって形成されるスリーブ状ベアリングの周方向の寸法21と同一の長さを有するバイメタルの帯状の断片20を作るために、下向きに動くブレード24によって、横方向に切断されつつある、平坦なバイメタルの帯状片を示す。
まず、ブレード24がベアリング層14を、次に鋼鉄層12を下向きにスライスする時、ブレードはバイメタルに対して剪断力を発揮するので、ベアリング層14の各エッジには面取り部25が形成され、鋼鉄層12の各エッジには下方に突出するフランジ27が形成される。
ブレード24の側面は、切断作用によって形成された各エッジに対して加圧された摩擦力を発揮し、これによって、バイメタルのエッジ領域が移動して、面取り部25とエッジのフランジ27が形成される。
バイメタルの帯状断片20は、図３に示すように、円筒形状に曲げられる。曲げられた帯状片の隣接し合ったエッジ同士は、図４に示すように、Ｖ字形の溝29を形成している。このＶ字形の溝29の径方向の深さ寸法は、同溝の幅寸法の数倍、例えば幅寸法の３倍または４倍である。図４では、溝の深さ寸法は、垂直または径方向を向いており、溝の幅寸法は、水平、周方向または深さ寸法のと直交する方向を向いている。
溝29は、鋼鉄層12上の面取り部30によって形成された、外向きに開く開口部を有する。ブレード24の切断作用の結果（図２を参照）、ベアリング層14のエッジ領域同士は、面取り部30と直接接触している。
バイメタルの帯状片を筒状に形成すると、図１および図３に示すように、バイメタルの帯状片の隣接したエッジによって形成された継ぎ目17を、レーザー溶接する。図４では、レーザービームは符号32で示してある。レーザービームは、通常、幅または直径33を有する光エネルギーの円柱形のビームである。
レーザービームが、鋼鉄層12とベアリング層またはライニング14を斜めに下向きに通過すると、ビームによって横断された材料は溶融される。したがって、鋼鉄層12の隣接エッジ同士は一緒に融け合って、亀裂または中断の無い、連続した均一な鋼製層を形成する。また、レーザービームの経路内では、レーザーの熱がライニング14の材料を揮発または沸騰させる。レーザービームの経路に接するライニング材料は、融けて、揮発した材料が占めていた空間内に流れ込む。融けたライニング材料の一部は毛細管作用によってＶ字形の溝29内に流れ込む。
図５は、レーザー溶接操作後の継ぎ目17の状態を示す。ライニング材料14は、融けて固まって溝29を実質的に満たす径方向の突起を有する。ライニング材料の溝29内への上向きの流れにより、層14の露出面内に窪み35が形成される。
継ぎ目の全長にわたって、図５に示された形状に合わせて均等に溶接されるように、レーザー溶接操作には、継ぎ目17に沿った長手方向に連続的に移動するように構成された連続レーザー源を使用しても良い。連続ウエーブのレーザーは、継ぎ目17の長さに沿った連続的な溶接を作り出す。この構成の第１の利点は、均一性と亀裂の無い連続性である。
溶接操作が完了した後、外側の鋼鉄層12と内層14の露出面は、図６に示す状態となるように機械加工される。図６に示すように、鋼鉄層12の外側の周面37は、軸芯方向に平坦で、周方向には円形であり、ライニング14の内面39は、軸芯方向にほぼ平坦である。実際の機械加工された面37と39は、円筒径で同心状である。
面37と39を形成する機械加工は、筒状ベアリングのための固定具を変えずに実施するのが好ましい。各機械加工の間、同じ回転中心を維持することにより、機械加工された面37と39の真の同心性を達成できる。
図６の機械加工されたスリーブ状ベアリングは、種々の寸法と壁面厚さを有することができる。
一つの実施形態では、外側鋼鉄層12は、約2mm（0.08インチ）の径方向の壁面厚さを有し、内側ベアリング層14は、約0.5mm（0.02インチ）の径方向の壁面厚さを有する。Ｖ字形の溝29の径方向の深さは、約0.76（0.03インチ）または1mm（0.04インチ）、すなわち、鋼鉄層12の厚さの約40または50％とすることができる。
図７に示すように、レーザービーム32は、軸芯方向（図４では垂直）に対して傾斜し、ベアリングの中心軸を向いている。通常、傾斜角度は、ブッシングの表面および継ぎ目17の長さ方向に対して約75度である。レーザービームを傾斜させる目的は、ビームが融けた鋼鉄材料またはベアリング材料を、継ぎ目から吹き飛ばすのを防ぐことにある。ビームは、鋼鉄層の双方のエッジを横断するように向けられているので、溶接された材料を消耗することなく、継ぎ目材料の完全な溶融が達成される。
レーザービームの焦点スポット33は約600ミクロンで良い。ビームの強度は、完全な溶接または溶融が達成されるように、すなわち、外側鋼鉄層12と内側ベアリング層14を貫通するように選択される。
この溶接操作は、米国特許第4,751,777号及び第4,044,441号明細書に記された構造の特徴である軸芯方向の亀裂を除去するように設計されている。'777号と'441号の米国特許の双方において、溶接操作は、ベアリングの外側鋼鉄層のみが融けるように制御される。内側のベアリング層は、そのまま残されているので、溶接操作後のベアリングの内面には、少なくとも１本の軸芯方向の亀裂が残る。
本発明は、図６に記された、亀裂の無い、バイメタルのスリーブ状ベアリング構造を得ることを目標にしている。図６に示されたＶ字形の溝は、融かされたライニング材料14のための貯蔵手段を提供するので、ライニング材料は、より効果的に継ぎ目17を接ぐ。溶接されたバイメタルのスリーブの表面が、37および39のように旋盤などによって機械加工された後は、スリーブは、鋼鉄層12内および負荷ベアリング面39上に亀裂の無い、スリーブ状ベアリングとして機能することができる。
上記の教示に照らして、本発明の種々の修正および変形が可能であることは明らかである。したがって、添付された請求の範囲内において、上記した具体的な記載以外の方法で、本発明を実施することが可能である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図５】
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【図７】
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【図４】
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【図６】
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