(57)【要約】【課題】十分な軸受静的強度と耐摩耗性を備え、溶融や焼付き等の軸受不良の発生を防止しまたは遅延させることができるようにする。【解決手段】ジャーナル軸受システム２０は、ブッシュ２４とこのブッシュ内部に設けられたジャーナルピン２２とを含む。ブッシュおよびジャーナルピンのうち少なくとも１つが、ベース材料と、固体潤滑剤と、を有した嵌合長さＬの嵌合表面を備える。上記固体潤滑剤の濃度が上記嵌合長さＬに沿って変化する。不均一な組成によって、固体潤滑剤は、端部４０Ａ，４０Ｂ付近で比較的高い濃度となる領域５０Ａ，５０Ｂと、中央部で比較的低い濃度となる中央領域５２と、を備える。上記の高濃度領域と低濃度領域との間の境界線は、端部から内側に長さＬの約２５％の位置に生ずる。【選択図】図１
2005164040.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ブッシュと、
上記ブッシュ内部に設けられたジャーナルピンと、
を備え、かつ、
上記ブッシュおよび上記ジャーナルの少なくとも一方が、ベース材料と、固体潤滑剤と、を有した嵌合表面を備え、かつ、上記固体潤滑剤の濃度が上記嵌合表面の嵌合長さに沿って変化することを特徴とするジャーナル軸受システム。
【請求項２】
上記濃度が、上記嵌合長さの中間部よりも、端部付近において増大することを特徴とする請求項１に記載のジャーナル軸受システム。
【請求項３】
上記濃度が、上記嵌合長さに沿って、最大値の少なくとも５０％だけ変化することを特徴とする請求項１に記載のジャーナル軸受システム。
【請求項４】
上記ベース材料は基材に付与されたコーティングを含むことを特徴とする請求項１に記載のジャーナル軸受システム。
【請求項５】
上記ベース材料は銅系（copper-based）の材料を含み、かつ、上記固体潤滑剤は金属を含むことを特徴とする請求項１に記載のジャーナル軸受システム。
【請求項６】
上記固体潤滑剤は鉛を含むことを特徴とする請求項５に記載のジャーナル軸受システム。
【請求項７】
上記嵌合長さの第１・第２端部付近の第１・第２位置において、上記濃度が３０％より大きく、かつ、
上記第１・第２位置の間の第３位置において、上記濃度が１０〜３０％であることを特徴とする請求項６に記載のジャーナル軸受システム。
【請求項８】
上記嵌合長さの第１・第２の終端から２０％の範囲内にある第１・第２位置において、上記濃度が３５％より大きく、かつ、
上記長さの中央から５０％の範囲内の大部分に亘って、上記濃度が１０〜３０％であることを特徴とする請求項６に記載のジャーナル軸受システム。
【請求項９】
ターボファンのトランスミッションにおける歯車を支持することを特徴とする請求項１に記載のジャーナル軸受システム。
【請求項１０】
動圧軸受用ライニング製造方法であって、
上記ライニングの長さに沿って濃度が変化するように、上記ライニング上に固体潤滑剤を付与する段階を備えた製造方法。
【請求項１１】
上記固体潤滑剤を付与する段階がスパッタリングを含むことを特徴とする請求項１０に記載の動圧軸受用ライニング製造方法。
【請求項１２】
上記固体潤滑剤を付与する段階がベース材料の付与と同時に行われることを特徴とする請求項１０に記載の動圧軸受用ライニング製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、軸受材料に関し、より具体的には、ジャーナル軸受用の摩擦防止材料に関する。
【背景技術】
【０００２】
ジャーナル軸受は、回転部材のための構造支持部材として用いられる。動圧軸受は、ジャーナルピンとブッシュとの間にある液体潤滑剤の膜を利用する。一般的な構成においては、ジャーナルピンは、比較的に硬く、潤滑性のない材料から形成される。ブッシュ、もしくはブッシュの少なくとも表面層は、より柔軟（compliant）で、より潤滑性のあるベアリング材料から形成される。上記軸受材料の物性の長所には、潤滑性、高い熱伝導率、疲労強度が適宜に組合せられている点が挙げられる。潤滑性は、動圧軸受が液体潤滑剤の局所的なもしくは全体的な損失が生ずる異常事態に対処し、液体潤滑剤を補強する状況においても、望ましい。一般的な金属ジャーナル軸受材料は、合金、つまりスズ、鉛、アルミニウム、銀、銅等を組み合わせたものを含む。特に重要なものとしては、ターボファンエンジン用のファンドライブ・ギアシステムにおける遊星歯車のジャーナル軸受が挙げられる。上記用途の例示的な軸受材料には、ベース成分として銅が用いられ、固体潤滑剤として鉛が用いられる。例示的な鉛の濃度は、２１〜３０重量％である。例示的な製造技術は、銅とスズとの共同堆積(codeposition)を含み、スズ粒子を付着させた銅母材（マトリックス）を生成する。その他の材料を使用してもよい。例えば、銅−銀の組合せが特許文献１に開示されている。
【０００３】
それにも拘わらず、当該分野において改良の余地がある。
【特許文献１】米国特許第６，５８８，９３４号明細書
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の一形態は、ジャーナル軸受システムを含む。該システムは、ブッシュと、このブッシュ内部に設けられたジャーナルピンとを含む。ブッシュおよびジャーナルピンのうち少なくとも一方が、ベース材料と、固体潤滑剤と、を有した嵌合表面を備える。上記固体潤滑剤の濃度が上記勘合表面の嵌合長さに沿って変化する。
【０００５】
種々の実施例において、上記濃度は、上記嵌合長さの中間部よりも、端部付近において増大してもよい。上記濃度は、上記嵌合長さに沿って、最大値の少なくとも５０％だけ変化してもよい。上記ベース材料は基材に付与されたコーティングを含んでもよい。上記ベース材料は銅系（copper-based）の材料を含んでもよく、上記固体潤滑剤は金属を含んでもよい。上記固体潤滑剤は鉛を含んでもよい。上記嵌合長さの第１・第２端部付近の第１・第２位置において上記濃度が３０％より大きく、かつ、上記第１・第２位置の間の第３位置において上記濃度が１０〜３０％であってもよい。上記嵌合長さの第１・第２の終端から２０％の範囲内にある第１・第２位置において、上記濃度が３５％より大きく、かつ、上記長さの中央から５０％の範囲内の大部分に亘って、上記濃度が１０〜３０％であってもよい。上記システムは、ターボファンのトランスミッションにおける歯車を支持してもよい。
【０００６】
本発明のもう１つの形態は、ブッシュと、ジャーナルピンと、潤滑剤を失った後に長期間の運転を可能にする手段と、を備えた動圧軸受装置を含む。種々の実施例において、上記手段は銅母材内部において、長手方向に変化する鉛濃度を含んでもよい。
【０００７】
本発明のもう１つの形態は動圧軸受用ライニング製造方法を含む。上記ライニングの長さに沿って濃度が変化するように、上記ライニング上に固体潤滑剤が付与される。
【０００８】
種々の実施例において、上記固体潤滑剤を付与する段階がスパッタリングを含んでもよい。上記固体潤滑剤を付与する段階がベース材料の付与と同時に行われてもよい。
【０００９】
本発明の１つもしくは複数の態様についての詳細が、添付図面と以下の詳細な説明に開示されている。明細書、図面、特許請求の範囲を参照すれば、本発明のその他の特徴、目的、利点が明らかとなろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
図１は、ジャーナル２２と、ブッシュ２４と、を含んだ軸受システム２０を示す。該実施例のジャーナル２２は、第１・第２の端部にシャフト部２６Ａ，２６Ｂを備え、付随したキャリヤ板２８Ａ，２８Ｂが取り付けられる。ジャーナル２２は、円筒形の軸受表面３２を備えた中央部３０を有する。潤滑通路３４が、中央通路（図示せず）から上記表面３２まで延び、該軸受表面３２と、対となるブッシュ２４の軸受表面３５との間の空間に液体潤滑剤（例えば、油）を導入する。該実施例のブッシュ２４は、基材３６と、この基材３６の内側（内部）円筒表面に塗布されたコーティング３８と、を含む。上記コーティング３８の内部円筒表面は、ブッシュ軸受表面３５となる。該実施例の態様においては、コーティング３８は、第１・第２の端部４０Ａ，４０Ｂとの間の長さＬに沿って延び、かつ、厚さＴを有する。ある実施例の用途においては、基材３６は、ターボファンエンジンのファンドライブ・トランスミッションの金属（例えば、スチール）遊星歯車となる。上記のような用途においては、ジャーナル２２もスチールからなる。コーティング３８は、例えば、ベース材料（例えば、銅）と、固体潤滑剤（例えば、鉛）と、を含む。ベース材料と固体潤滑剤とが組み合わされた材料が、上記基材の内側表面上に徐々に形成される。共同堆積（codeposition）技術には、例えば、スパッタリング（例えば、米国特許第４，９０４，３６２号明細書を参照）、電子ジェット蒸着（例えば、米国特許第５，５７１，３３２号明細書を参照）、化学蒸着メッキ（例えば、米国特許第４，７８８，０８２号明細書を参照）、プラズマ溶射、電気メッキが挙げられる。
【００１１】
本発明によれば、上記長さＬを共有する２つの軸受表面の間に嵌合領域を備えており、コーティング３８の組成は該嵌合領域に沿って長手方向に変化する。該実施例の態様では、コーティングの組成は、任意の長手方向位置において周方向に均一である。該実施例の態様では、上記コーティングの組成は、任意の長手方向位置において径方向にも均一である。
【００１２】
該実施例の態様においては、不均一な組成によって、固体潤滑剤は、上記端部４０Ａ，４０Ｂ付近で比較的高い濃度となり、中央領域で比較的低い濃度となる。コーティングが均一な組成であると、流体力学的な潤滑損失が、通常、軸受不良（例えば、溶融や焼付き）をもたらす。不良は、軸受が必要とされている箇所の近くで通常確認される。
【００１３】
潤滑剤濃度が通常よりも高ければ高いほど、上記不良の発生を防止し、もしくは、遅延させ得る。より低い濃度である残りの領域では、通常の動作時に、十分な軸受静的強度と耐摩耗性とが得られる。例えば、固体潤滑剤が均一に高い濃度であると、コーティングの強度は余りにも小さくなり、コーティングは静的な変形に耐えられず、所望の標準動作寿命を実現できなくなる。
【００１４】
図１は、高濃度固体潤滑剤領域５０Ａ，５０Ｂと低濃度中央領域５２とを示す。該実施例においては、上記の高濃度領域と低濃度領域との間の境界線は、上記端部から内側に長さＬの約２５％に相当する位置に生ずる。しかしながら、多くの実施例において、急激に濃度を変化させることは、明らかに実際的ではない。上記変化は、所定の製造技術によって実現可能な程度に急激であるか、もしくは、これよりも緩やかであろう。ある実施例においては、中央領域５２の支配濃度（dominant concentration）は、ほぼ平均２８％（特定されない限りは重量％）の鉛となる。これは、上記長さ上で最低の濃度を示す。上記端部領域の支配濃度は３５〜４５％の鉛となる。この値のピーク値は、上記長さ上で最高の濃度を示す。中央領域の濃度を、より広範囲に、例えば２０〜３０％にしてもよい。端部領域の濃度は、より広範囲に、例えば３０〜５０％にしてもよい。端部領域の長さを、２５％、２０％、１５％、もしくは１０％としてもよい。該領域の局所濃度、平均濃度、中央値（メジアン）濃度、その他の濃度特性という点から、所定の領域の濃度が計量される。コーティング厚さＴは、例えば、０．０１３〜０．１１ｍｍ（０．０００５〜０．００４５inch）であり、より厳密には０．０２５〜０．０７６ｍｍ（０．００１０〜０．００３０inch）である。対称的な分布に関した実施例について示したが、分布荷重（loading）（特に、潤滑不良条件における荷重）では、非対称的な分布であってもよい。例えば、端部領域の長さは異なっていてもよく、これらの領域のピーク値等の濃度特性も異なっていてもよい。上述した基本的な銅−鉛システムであっても、種々の目的に応じて、当該分野で公知であるか、もしくは、既に開発された他の成分を含んでもよい。
【００１５】
本発明の１つもしくは複数の態様の説明がなされた。それにも拘わらず、本発明の趣旨と内容から逸脱することなく、種々の改良が可能であることが理解できよう。例えば、既存の軸受構造等や既存の製造技術等に本発明の原理を適用することが可能である。具体的な使用、構造、技術に応じて、具体的な組み込みがなされよう。従って、その他の態様も添付の特許請求の範囲に属する。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の原理に従う軸受システムをやや概略的に示す縦断面図。
【符号の説明】
【００１７】
２０…本発明の軸受システム
２２…ジャーナル
２４…ブッシュ
２６Ａ，２６Ｂ…軸部
２８Ａ，２８Ｂ…キャリヤ板
３０…中央部
３２…円筒形の軸受表面
３４…潤滑剤経路
３５…対となる軸受表面
３８…コーティング
３６…基材
４０Ａ，４０Ｂ…コーティングの第１・第２端部
５０Ａ，５０Ｂ…固体潤滑剤の高濃度領域
５２…固体潤滑剤中央の低濃度領域
【図１】
2005164040.tif 000003
【外国語明細書】
1. TITLE OF INVENTION
BEARING MATERIAL
2. DETAILED DESCRIPTION OF INVENTION
BACKGROUND OF THE INVENTION
(1) Field of the Invention
The invention relates to bearing materials. More particularly, the invention relates to anti-friction materials for journal bearings.
(2) Description of the Related Art
Journal bearings are used as structural supports for rotating parts. Hydrodynamic bearings utilize a film of liquid lubricant between the journal pin and bushing. In common configurations, the journal pin is formed of a relatively rigid, non-lubricious, material. The bushing, or at least a surface layer thereof, is formed of a more compliant, more lubricious, bearing material. Advantageous properties for such bearing materials involve an appropriate combination of lubricity, high thermal conductivity, and fatigue strength. Lubricity is desirable even in the context of a hydrodynamic bearing to augment the liquid lubricant and address abnormal conditions causing local or total loss of liquid lubricant. Common metallic journal bearing materials include alloys or other combinations of tin, lead, aluminum, silver, and copper. Of particular interest are the journal bearings of planetary gears in fan drive gear systems for turbofan engines. Exemplary bearing material in that application utilizes copper as a base constituent and lead as a solid lubricant. Exemplary lead concentrations are 21-30% by weight. Exemplary manufacturing techniques involve codeposition of the copper and lead to create a copper matrix with embedded lead particles. Other materials may be used. For example, U.S. patent 6,588,934 discloses a copper-silver combination.
Nevertheless, there remains room for improvement in the art. 
SUMMARY OF THE INVENTION
One aspect of the invention involves a journal bearing system. The system includes a bushing and a journal pin within the bushing. At least one of the bushing and journal pin has an engagement surface with an engagement length comprising a base material and a solid lubricant. A concentration of the solid lubricant varies along the engagement length.
In various implementations, the concentration may be higher near ends of the engagement length than in an intermediate portion. The concentration may vary by at least 50% of a maximum value along said engagement length. The base material may comprise a coating applied to a substrate. The base material may comprise a copper-based material and the solid lubricant may comprise a metal. The solid lubricant metal may comprise lead. The concentration may be greater than 30% at first and second locations near first and second ends of the engagement length and 10-30% in an third location, between the first and second locations. The concentration may be greater than 35% at first and second locations within first and second terminal 20% of the engagement length and 10-30% over a majority of a central 50% of the length. The system may support a gear in a turbofan transmission.
Another aspect of the invention involves a hydrodynamic bearing apparatus comprising a bushing, a journal pin, and means for providing extended operation after a lubricant loss. In various implementations, the means may comprise a longitudinally varying lead concentration within a copper matrix.
Another aspect of the invention involves a method for preparing a lining for a hydrodynamic bearing. A solid lubricant is applied along the lining, the solid lubricant being applied with concentration that varies along a length of the lining.
In various implementations, the application of the solid lubricant may comprise sputtering. The application of the solid lubricant may be simultaneous with the application of a base material.
The details of one or more embodiments of the invention are set forth in the accompanying drawings and the description below. Other features, objects, and advantages of the invention will be apparent from the description and drawings, and from the claims.
DETAILED DESCRIPTION
The figure shows a bearing system 20 comprising a journal 22 and a bushing 24. The exemplary journal has shaft portions 26A and 26B at first and second ends mounted to associated carrier plates 28A and 28B. The journal has a central portion 30 having a cylindrical bearing surface 32. A lubrication passageway 34 extends to the surface 32 from a central passageway (not shown) to introduce liquid lubricant (e.g., oil) to a space between the bearing surface 32 and a mating bearing surface 35 of the bushing. The exemplary bushing includes a substrate 36 and a coating 38 applied to an inner (interior) cylindrical surface of the substrate. The interior cylindrical surface of the coating 38 provides the bushing bearing surface 35. In the exemplary embodiment, the coating extends along a length L between first and second ends 40A and 40B and has a thickness T. In an exemplary application, the substrate 24 may be a metallic (e.g., steel) planetary gear in a fan drive transmission of a turbofan engine. In such an application, the journal 22 may also be formed of steel. An exemplary coating 38 comprises a base material (e.g., copper) and a solid lubricant (e.g., lead). The combined base and solid lubricant materials may be gradually built up on the substrate inner surface. Exemplary codeposition techniques include sputtering (e.g., U.S. patent 4,904,362), electron jet vapor deposition (e.g., U,S. patent 5,571,332), chemical vapor plating (U.S. patent 4,788,082), plasma spraying, and electroplating. 
With an exemplary engagement region between the two bearing surfaces sharing the length L, according to the present invention the composition of the coating 38 varies longitudinally along such engagement region. In the exemplary embodiment, the coating composition may be circumferentially uniform at any given longitudinal position. In the exemplary embodiment, the coating composition may be radially uniform at an given longitudinal position. 
In the exemplary embodiment, the composition non-uniformity provides relatively high concentrations of solid lubricant near the ends 40A and 40B and relatively low concentrations in a central region. With uniform coating compositions, a loss of the hydrodynamic lubrication typically results in bearing failure (e.g., melting and/or seizure). Failures are typically observed near the needs of the bearing. The higher than normal solid lubricant concentrations may avoid or delay such failure. The remaining lesser concentration region serves to provide sufficient bearing static strength and wear resistance during normal operation. For example, a uniform high concentration of solid lubricant might leave the coating with too little strength to resist static deformation and achieve a desired normal operating life. 
The drawing shows high solid lubricant concentrations regions 50A and 50B and a central low concentration region 52. In the exemplary implementation, the dividing lines between the high and low concentration regions may occur approximately 25% of the length L inboard of the end portions. Clearly, however, in many implementations abrupt changes in concentration may be impractical. The changes may be as abrupt as any given manufacturing technology can provide or may be yet more gradual. In an exemplary implementation, the dominant concentration in the central region 52 is a fairly standard 28% lead (by weight unless otherwise identified). This may represent the minimum concentration along the length. The dominant concentration in the end regions may be in the range of 35-45% lead. The peak of this value may represent the maximum concentration along the length. An exemplary broader concentration for the central region is 20-30%. An exemplary broader concentration for the end regions is 30-50%. The end region lengths may be 25%, 20%, 15%, and 10%. Concentrations in any given region may be measured in terms of concentration at any point in the region, mean concentration, median concentration, or other characteristic concentration. Exemplary coating thicknesses T are 0.013-0.11mm (0.0005-0.0045 inch), more narrowly 0.025-0.076mm (0.0010-0.0030 inch). Although illustrated with respect to a symmetric distribution, a distributed loading (especially loading in lubrication failure conditions) may suggest asymmetric distributions. For example, the end regions may be of different lengths and the peak or other characteristic concentrations in those regions may differ. Even within the basic copper-lead system described, other components may be included for a variety of purposes as are known in the art or may yet be developed.
One or more embodiments of the present invention have been described. Nevertheless, it will be understood that various modifications may be made without departing from the spirit and scope of the invention. For example, the principles of the invention may be applied to existing or other bearing configurations and to existing or other manufacturing techniques. The particular uses, configurations, and techniques may influence any particular implantation. Accordingly, other embodiments are within the scope of the following claims.
3. BRIEF DESCRIPTION OF DRAWINGS
The figure is a semi-schematic longitudinal sectional view of a bearing system according to principles of the invention. 
Like reference numbers and designations in the various drawings indicate like elements.
1. A journal bearing system comprising:
a bushing; and
a journal pin within the bushing, 
wherein at least one of the bushing and journal pin has an engagement surface with an engagement length comprising a base material and a solid lubricant, a concentration of the solid lubricant varying along the engagement length.
2. The system of claim 1 wherein:
the concentration is higher near ends of the engagement length than in an intermediate portion.
3. The system of claim 1 wherein:
the concentration varies by at least 50% of a maximum value along said engagement length.
4. The system of claim 1 wherein:
the base material comprises a coating applied to a substrate.
5. The system of claim 1 wherein:
the base material comprises a copper-based material; and
the solid lubricant comprises a metal.
6. The system of claim 5 wherein:
the solid lubricant metal comprises lead.
7. The system of claim 6 wherein the concentration is:
greater than 30% at first and second locations near first and second ends of the engagement length; and 
10-30% in an third location, between the first and second locations.
8. The system of claim 6 wherein the concentration is:
greater than 35% at first and second locations within first and second terminal 20% of the engagement length; and 
10-30% over a majority of a central 50% of the length.
9. The system of claim 1 supporting a gear in a turbofan transmission.
10. A method for preparing a lining for a hydrodynamic bearing comprising:
applying a solid lubricant along the lining, the solid lubricant being applied with concentration that varies along a length of the lining.
11. The method of claim 10 wherein:
the applying of the solid lubricant comprises sputtering.
12. The method of claim 10 wherein:
the applying of the solid lubricant is simultaneous with the application of a base material.
1. ABSTRACT
A journal bearing system includes a bushing and a journal pin within the bushing. At least one of the bushing and journal pin has an engagement surface with an engagement length comprising a base material and a solid lubricant. A concentration of the solid lubricant varies along the engagement length.
2. REPRESENTING DRAWING  FIG.  1
【図１】
2005164040.tif 000004