(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
凹面状の軸受面と、軸方向の両端面と、周方向の両接合面と、前記軸方向の両端面の間の軸方向の幅とを有するエンジン用の軸受シェルであって、
前記軸受面に沿うように前記周方向の両接合面に向かって周方向のオイル分配溝が延び、前記周方向のオイル分配溝は、前記軸受シェルの前記軸方向の幅の４〜９．２５％の溝幅を有し、
前記周方向のオイル分配溝は、前記両接合面の間で前記軸受面のうち前記軸受シェルのより高いピーク負荷を受ける領域である一部に沿って延びるエンジン用の軸受シェル。
【請求項２】
請求項１記載のエンジン用の軸受シェルにおいて、
前記周方向のオイル分配溝は、前記軸受シェルの前記軸方向の幅の４〜６％の軸方向の幅を有するエンジン用の軸受シェル。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のエンジン用の軸受シェルにおいて、
前記周方向のオイル分配溝の両端部は、前記両接合面から離間されているエンジン用の軸受シェル。
【請求項４】
先行する請求項のいずれか１項に記載のエンジン用の軸受シェルにおいて、
前記周方向のオイル分配溝は、前記軸受シェルの前記軸受面のうち軸方向にて３分割のうちの中央の領域にあるエンジン用の軸受シェル。
【請求項５】
請求項４記載のエンジン用の軸受シェルにおいて、
前記周方向のオイル分配溝は、前記軸方向の両端面から等距離にあるエンジン用の軸受シェル。
【請求項６】
先行する請求項のいずれか１項に記載のエンジン用の軸受シェルを有する軸受アセンブリを備えたエンジン。
【請求項７】
請求項６記載のエンジンにおいて、
前記軸受シェルは、クランクシャフト・コネクティングロッド軸受アセンブリの一部を有するエンジン。
【請求項８】
主軸受アセンブリとコネクティングロッド軸受アセンブリとを有するエンジンであって、
各軸受アセンブリは、各々ピストンから燃焼負荷を受けるように構成された有負荷状態の軸受シェルと、相補的な無負荷状態の軸受シェルとを有し、
前記コネクティングロッド軸受アセンブリの前記有負荷状態の軸受シェルは、請求項１〜５のいずれか１項に記載の軸受シェルであるエンジン。
【請求項９】
主軸受アセンブリとコネクティングロッド軸受アセンブリとを有するエンジンであって、
各軸受アセンブリは、各々ピストンから燃焼負荷を受けるように構成された有負荷状態の軸受シェルと、相補的な無負荷状態の軸受シェルとを有し、
前記主軸受アセンブリの前記有負荷状態の軸受シェルは、請求項１〜５のいずれか１項に記載の軸受シェルであるエンジン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、滑り軸受のための軸受シェルに関し、特にエンジンクランクシャフト軸受のための軸受シェルに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に内燃エンジンにおいて、コネクティングロッド軸受アセンブリ及び主軸受アセンブリにてクランクシャフトを回転させるために、各々１組の中空の半円筒形軸受ライニングシェル（「半軸受」としても知られる）が用いられる。
【０００３】
コネクティングロッド軸受アセンブリは、クランクシャフトピンにつながるコネクティングロッドの「ビッグエンド」に設けられる。コネクティングロッド軸受アセンブリにおける軸受シェルは、ピストンに最も近く、対応するピストンの加熱に由来する燃焼負荷を受けることに起因して、相補的な「無負荷状態」の軸受シェルよりも高いピーク負荷を受けるので、「有負荷状態」の軸受シェルとして知られている。主軸受アセンブリは、主（軸）クランクシャフトジャーナルを支持するハウジングをエンジンブロック及びエンジンキャップが形成するところに設けられる。コネクティングロッド軸受アセンブリの場合とは対照的に、主軸受アセンブリでは、ピストンから最も遠い軸受シェルが、「有負荷状態」の軸受シェルとして知られ、かつ、対応するピストンシリンダの加熱に由来する燃焼負荷をも受けることに起因して、相補的な「無負荷状態」の軸受シェルよりも高いピーク負荷を受ける軸受シェルである。
【０００４】
軸受シェルの軸受面は、一般に、強固なバッキング材が、使用中に協働する可動部（すなわちクランクシャフトジャーナル）に対面する軸受面をなすように、好ましい減摩特性を持つ１以上の層でコーティングされた層構造を有する。公知の軸受シェルは、ライニング層で覆われたバッキングと、オプションでオーバーレイ層とを備える。強固なバッキング材は、およそ１ｍｍ以上の厚みを持つスチールであり得る。バッキングの上に、例えば、当該バッキングに密着するように、銅系の材料（例えば、銅−スズ、つまりブロンズ）又はアルミニウム系の材料（例えば、アルミニウム又はアルミニウム−スズ合金）からなる、ライニング層が設けられる。ライニング層の厚みは、一般に、およそ０．０５〜０．５ｍｍ又は０．１〜０．５ｍｍの範囲（例えば、付随する不純物を除き、８重量％のＳｎと、１重量％のＮｉと、残余のＣｕとからなる銅系の合金の場合、３００μｍ）である。軸受面は、６〜２５μｍのプラスチックポリマー系の複合層又は合金層（例えば、スズ系の合金オーバーレイ）からなる層（すなわち、「オーバーレイ層」）で、任意的にコーティングされる。例えば、国際公開第２０１０／０６６３９６号はプラスチックポリマー系の複合材料をオーバーレイ層として使用する例を記載し、国際公開第２００４／００７８０９号は公知のスズ系のオーバーレイを開示している。
【０００５】
潤滑油は、エンジンブロック又はエンジンキャップの中を通るオイルギャラリから主軸受アセンブリへ分配され、オイル供給チャネルが軸受シェルの中のラジアルオイル供給穴を通して軸受すきまへオイルを供給する。クランクシャフトの中を通る（「ドリリング」として知られる）流路は、主軸受アセンブリの軸受すきまからコネクティングロッド軸受アセンブリの軸受すきまへオイルを再分配する。通常動作では、クランクシャフトジャーナルと軸受シェルとは、それらの間に「流体潤滑」として知られる条件下で形成されたくさび型のクッション状の油膜により、互いに隔てられている。
【０００６】
軸受シェルは、過大な高ピーク負荷の下における動作により損傷を受け得る。過大なピーク負荷は、一般に軸受アセンブリの「過負荷」と呼ばれ、機械疲労を引き起こす。
【０００７】
軸受アセンブリにおける高ピーク負荷は、クランクシャフトジャーナルと軸受シェルとの間にて、これに対応して局所的な高ピークオイル圧力と高ピークオイル温度とをもたらす。高性能のオイル添加剤を添加しても、軸受アセンブリが高温動作条件下で動作する場合、潤滑油の動的粘性は大幅に低下して、油膜が薄くなり得る。高ピーク負荷と、ひいては高いオイル温度に起因して起こる油膜の動的な低粘性とは、油膜の介在が無くなることにより、クランクシャフトジャーナルと軸受シェルとの間の直接的な物理的接触の頻度を増加させる結果、使用中の軸受シェルの摩耗速度が増加してしまう。
【０００８】
軸受シェルの高温動作は、金属−合金の結晶粒界への少数種のマイグレーション（例えば、アルミニウム−スズ・ライニング層における結晶粒界へのスズのマイグレーション。これは、当該層を弱体化させる）の亢進などにより、軸受シェルの熱的劣化をも引き起こす。更に、高温動作は、層間における金属種のマイグレーション（例えば、オーバーレイ層及び／又はライニング層からの拡散）を引き起こし得る。更に、高温動作は、潤滑油の熱的劣化を引き起こすので、より頻繁なオイル交換が必要になる。
【０００９】
従来のクランクシャフト主軸受アセンブリでは、エンジンの中を通る流路を設けることにより高圧潤滑油の供給を受ける無負荷状態の軸受シェルにおけるラジアルオイル供給穴を通じて、クランクシャフトジャーナルと軸受シェルとの間の軸受すきまにオイルが供給される。
【００１０】
主軸受アセンブリの場合には、対応するクランクシャフトドリリングを通じてコネクティングロッド軸受アセンブリへオイルを供給するために、無負荷状態の軸受シェルの軸受面（凹面状の内面）の中央に沿って幅広の周方向オイル分配溝を設けることが公知である。各クランクシャフト回転の期間を長くするために、オイル溝が用いられる。すなわち、その期間に、幅広の周方向溝から穴を通じて主ジャーナルへ、そしてクランクシャフト内部ドリリングを通じてコネクティングロッド軸受アセンブリへオイルが供給される。幅広の周方向溝は、クランクシャフト軸受アセンブリの全体にオイルが高圧で供給されることを保証するために必要である。ピーク負荷が分配される表面積を最大化することに動機付けられて、溝付き軸受が下側の主軸受シェルとして用いられることはない。幅広の周方向オイル分配溝を有する無負荷状態の主軸受シェルは、国際公開第２０１２／０６９１９１号に例示されている。
【００１１】
従来のクランクシャフトコネクティングロッド軸受アセンブリでは、主軸受すきまからクランクシャフトドリリングを通じて高圧潤滑油の供給を受ける無負荷状態の軸受シェルにおけるラジアルオイル供給穴を通じて、クランクシャフトジャーナルと軸受シェルとの間の軸受すきまに、オイルが供給される。
【００１２】
コネクティングロッド軸受アセンブリは、主軸受アセンブリよりも高いピーク負荷を受け得て、かつ、特にその性能限界の近傍で動作し得る。従来は、コネクティングロッド軸受アセンブリの中のピーク圧力を最小化するために、有負荷状態及び無負荷状態のいずれのコネクティングロッド軸受シェルにもオイル分配溝が設けられなかった。それは、負荷が拡散する表面積を最大化するためであった。
【発明の概要】
【００１３】
第１の観点によれば、凹面状の軸受面と、軸方向の両端面と、周方向の両接合面と、軸方向の両端面の間の軸方向の幅とを有するエンジン用の軸受シェルであって、軸受面に沿うように軸方向の両端面に向かって周方向のオイル分配溝が延び、周方向のオイル分配溝は、軸受シェルの軸方向の幅の４〜９．２５％の溝幅を有するエンジン用の軸受シェルが提供される。
【００１４】
第２の観点によれば、第１の観点によるエンジン用の軸受シェルを有する軸受アセンブリを備えたエンジンが提供される。
【００１５】
第３の観点によれば、主軸受アセンブリとコネクティングロッド軸受アセンブリとを有するエンジンであって、各軸受アセンブリは、各々ピストンから燃焼負荷を受けるように構成された有負荷状態の軸受シェルと、相補的な無負荷状態の軸受シェルとを有し、コネクティングロッド軸受アセンブリの有負荷状態の軸受シェルは、第１の観点による軸受シェルであるエンジンが提供される。
【００１６】
第４の観点によれば、主軸受アセンブリとコネクティングロッド軸受アセンブリとを有するエンジンであって、各軸受アセンブリは、各々ピストンから燃焼負荷を受けるように構成された有負荷状態の軸受シェルと、相補的な無負荷状態の軸受シェルとを有し、主軸受アセンブリの有負荷状態の軸受シェルは、第１の観点による軸受シェルであるエンジンが提供される。
【００１７】
周方向のオイル分配溝は、軸受シェルの軸方向の幅の４〜６％の軸方向の幅を有し得る。
【００１８】
周方向のオイル分配溝は、両接合面の間で軸受面の全部又は一部に沿って延び得る。
【００１９】
周方向のオイル分配溝は、両接合面の間で軸受面の全部又は一部に沿って延び得て、かつ、周方向のオイル分配溝の両端部は、両接合面から離間され得る。
【００２０】
周方向のオイル分配溝は、軸受シェルの軸受面のうち軸方向にて３分割のうちの中央の領域にあり得る。
【００２１】
周方向のオイル分配溝は、軸方向の両端面から等距離にあり得る。
【００２２】
軸受シェルは、クランクシャフト・コネクティングロッド軸受アセンブリの一部を有し得る。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１Ａ】コネクティングロッド軸受シェルの斜視図である。
【図１Ｂ】図１Ａのコネクティングロッド軸受シェルの断面図である。
【図２】周方向の溝の様々な幅に対するオイル流量及びオイル動作温度のグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下に説明する実施形態では、類似する特徴が一貫して同一の参照符号で示されている。
【００２５】
図１Ａは、軸受シェル（例えば、コネクティングロッド軸受シェル）１００の概略を、一般に「半軸受」と呼ばれる中空の半円筒形軸受ライニングシェルの形態で示している。
【００２６】
軸受シェル１００は、強固なスチールバッキング１０２からなる基材と、当該バッキングの凹面状の内面の上の軸受ライニング層（例えば、アルミニウム−スズ合金層）１０４とを有している。オプションとして、「オーバーレイ」層（例えば、プラスチックポリマーマトリックスと、当該マトリックスの全体に分配された微粒子とを含むプラスチックポリマー系の複合層）１０６が基材の上に設けられる。オーバーレイ層１０６は、軸受シェル１００の寿命の全期間にわたって滑り面を提供するように構成されている。オーバーレイ層１０６は、軸受シェル１００の最内層であって、軸受アセンブリにて協働する可動部に対面するように構成されている（例えば、オーバーレイ層は組み立てられた軸受にてクランクシャフトジャーナルを受け入れ、これらは潤滑油の膜を介して互いに協働する）。
【００２７】
軸受シェル１００には、軸受面１１６に沿うように両接合面１１０に向かって周方向にかつ軸方向両端面１１２に対して平行に延びる、幅の狭いオイル分配溝１０８が設けられている。オイル分配溝１０８は、軸方向両端面１１２の間の中央に位置する（例えば、又は少なくとも、両端面から離間されて、軸受シェルの軸方向にて３分割のうちの中央の領域にある）。使用に際し、幅の狭いオイル分配溝１０８を有する軸受シェル１００は、エンジンの軸受アセンブリにおける有負荷状態の軸受シェルとして使用される。例えば、コネクティングロッド軸受アセンブリの場合には、主軸受アセンブリからクランクシャフトの中の流路（クランクシャフトドリリング）を通じて、コネクティングロッド軸受アセンブリへオイルが供給される。コネクティングロッド軸受シェル１００におけるオイル分配溝１０８には、軸受シェルを通じてラジアル方向に延びるオイル穴（不図示）が任意的に設けられる。オイルは、このオイル穴を通じて、コネクティングロッドの中のオイル供給流路（コネクティングロッドドリリング）に出て、コネクティングロッドがピストンピンに接続する、コネクティングロッドの反対側の端部（「スモールエンド」）にて軸受ブシュに入る。
【００２８】
図１Ｂは、軸受シェル１００の軸方向の断面図を示している。軸受シェルは、協働するジャーナルの回転軸に対して直交する、互いに平行な軸方向の両端部１１２を有し、軸方向の幅Ｗ１を有する。周方向の溝１０８は、協働する回転クランクシャフトジャーナルに対面して使用中に潤滑油を含んだ軸受すきまが介在する軸受面１１６の凹みである。溝１０８は、軸受面１１６に隣接して、軸方向の幅Ｗ２を有する。この溝は、壁が直角に立っていてもよいし、図示のように軸受面１１６から離れるにつれて幅が減少するようになっていてもよい。溝幅Ｗ２は、軸受面１１６にて規定され、使用に際して周方向のオイル溝１０８の中の潤滑油がクランクシャフトに接触する。軸受面１１６にて、溝１０８は、軸受シェル１００の軸方向の幅Ｗ１の４〜９．２５％に相当する、好ましくは４〜６％に相当する幅Ｗ２を有する。
【００２９】
有負荷状態のコネクティングロッド軸受シェルの軸受面１１６に周方向のオイル分配溝１０８を設けることにより、有負荷状態の軸受シェルにオイルが直接供給可能になる。無負荷状態の軸受シェルおける供給穴を通じた従来のオイル供給に比べて、より多くの熱が生成されるので、有負荷状態の軸受シェルの全体にわたってより均一にオイルが分配されるべきなのである。
【００３０】
更に、軸受すきまが同一である場合、周方向のオイル溝は、図２に示すように一定の軸受すきま及び一定のポンピング条件では、軸受アセンブリへ供給される潤滑油の流量増強を可能にする。この場合、オイル流量の増大は、高効率の熱放散を可能にする。これに代えて、コネクティングロッド軸受アセンブリは、クランクシャフトジャーナルと軸受シェルとの間の軸受すきまを小さくすることにより、軸受アセンブリに供給される潤滑油の流量を変えないようにしてもよい。
【００３１】
したがって、周方向のオイル分配溝を設けることにより、潤滑油が軸受シェルの優れた冷却を達成することができる結果、対応する軸受アセンブリの低温動作が可能になる。具体的には、図２にも示されるように、周方向の溝が無い場合に比べて温度が数度低くなる。高温動作条件では、軸受シェル材料及び潤滑油の熱的劣化速度は、動作温度の影響を特に受けやすく、動作温度が低下すれば急速に低下する。したがって、高性能動作条件下でコネクティングロッド軸受アセンブリの動作温度を数度低減すれば、軸受シェルの耐久力が実質的に向上し、軸受シェル及び潤滑油の寿命も延びる。
【００３２】
高速動作では、クランクシャフトジャーナルと軸受シェルとは、「流体潤滑」として知られる条件下で、それらの間に注入されるオイルのくさび型クッションで離間されている。動作温度を下げると、オイルがより大きい動的粘性を持つようになり、軸受シェルとクランクシャフトジャーナルとの間の油膜の厚みが増大する。油膜の厚みが増大すれば、軸受シェルとクランクシャフトジャーナルとの間の直接接触が低減し、したがって摩耗が低減する。
【００３３】
周方向の溝が軸受シェルの幅の９．２５％以下、特に６％以下の幅を有する場合には、軸受シェルの負荷を受ける軸受面積の低下は、より厚い油膜の利用と、軸受シェルの動作温度が低くなったことによる軸受シェル及び潤滑油の熱的劣化の低減とを通じて、軸受シェルの摩耗速度の低下によって補償される。しかしながら、上記範囲を上回ると、軸受面の面積の低下は、動作温度の上昇と、油膜の厚みの減少とを招来し得るので、物理的接触による摩耗頻度が増加し、軸受シェル及び潤滑油の双方の熱的劣化が進むことになる。
【００３４】
したがって、軸受の設計における相反する要求の間で、軸受シェルの軸方向の幅の４〜９．２５％の幅を有するという、周方向のオイル分配溝の範囲は、軸受シェルの耐久力の向上をもたらす。４〜６％の範囲では、軸受シェルとジャーナルとの間の物理的接触による軸受シェルの摩耗が低減されるので、特に性能が向上し得る。
【００３５】
１６．３ｍｍと４８ｍｍとの軸方向の幅Ｗ１を有する実施例の軸受シェルでは、周方向のオイル分配溝の幅Ｗ２はそれぞれ０．７ｍｍ及び２．０ｍｍであり、軸受面に対する溝壁の傾斜は７５°であり、溝底に達する溝深さはおよそ０．５ｍｍであり、溝底における軸受の（ラジアル方向の）厚みは少なくとも０．５ｍｍである。
【００３６】
軸受シェルは、（ラジアル方向で）薄く、高負荷を受ける。したがって、周方向のオイル溝は、溝底における軸受シェルの強度を維持するために浅くなっている。
【００３７】
周方向の溝の軸方向の壁は、大きい傾斜（例えば、軸受面に対して少なくとも４５°）を有する。
【００３８】
図示の実施形態では、両接合面の間で、軸受シェルの軸受（内）面の全部にわたって周方向の溝が延びている。これに代えて、周方向の溝は、例えば両接合面の間で３０〜６０°の角度のみで止まるという具合に、軸受面の一部に延びるだけでもよい。あるいは、軸受シェルは、両接合面に隣接する部分のみに周方向の溝を有し、他の軸受シェルにおける全周にわたる周方向の溝の両端に連結されることで、完全な軸受アセンブリをなすように組み合わされることとしてもよい。
【００３９】
部分的な周方向の溝は、軸受シェルのより高いピーク負荷を受ける領域に目標を絞ってオイル流量を向上させ得るので、全周にわたる周方向の溝よりも大きい性能向上を提供し得る。
【００４０】
なお、ここに提示された図面は例示的でありかつ実寸ではない。
【００４１】
本明細書の説明及び請求項を通じて、「有する」及び「包含する」という用語及びそれらの変形は、「含むが限定されない」という意味であり、その他の成分、添加物、構成部材、整数又はステップを排除する（及び排除しない）ことを意図しない。本明細書の説明及び請求項を通じて、単数形は、文脈がそうでないことを要求していない限り複数を含む。特に、不定冠詞が使用されている場合、文脈がそうでないことを要求していない限り、複数及び単数を想定しているものと理解すべきである。
【００４２】
発明の特定の態様、実施の形態又は実施例に関連して記載された特徴、整数、特性、化合物、化学的成分又はグループは、両立不能でない限り、ここに記載されたあらゆるその他の態様、実施の形態又は実施例に適用可能である。本明細書（あらゆる添付の請求項、要約書及び図面を含む）に開示された全ての特徴、及び／又はそのように開示されたあらゆる方法又はプロセスの全てのステップは、このような特徴及び／又はステップのうちの少なくともいくつかが互いに排他的であるような組み合わせを除き、あらゆる組み合わせにおいて組み合わされてよい。本発明は、前記実施の形態のいずれの詳細にも限定されない。本発明は、本明細書（あらゆる添付の請求項、要約書及び図面を含む）に開示された特徴のうちのいずれかの新規の１つ又は新規の組み合わせ、又はそのように開示されたあらゆる方法又はプロセスのステップのうちのあらゆる新規の１つ又はあらゆる新規の組み合わせまで拡張される。
【００４３】
読者の注意は、本出願に関連して本明細書と同時に又は本明細書の前に出願されかつ本明細書とともに公衆の閲覧に開放された全ての文書及びドキュメントに向けられ、全てのこのような文書及びドキュメントの内容は引用により本明細書に組み込まれる。
【図１Ａ】
0006461970.tif 000002
【図１Ｂ】
0006461970.tif 000003
【図２】
0006461970.tif 000004