(57)【要約】【課題】  本発明の目的は、軸受部分の摩擦をより効果的に低減することのできる軸受潤滑構造を提供すること。【解決手段】  本発明の軸受潤滑構造は、回転軸２と該回転軸２を支持する軸受３とを備え、回転軸２と軸受３との間を潤滑油により潤滑させるもので、回転軸２の回転方向に形成された溝４が軸受３の摺動面上に形成されると共に、球状微粒子５が潤滑油中に添加されており、球状微粒子５が、回転軸２と軸受３との間に作用する荷重以上の圧壊強度を有し、溝４の深さよりも大きい直径を有しており、軸受摺動面の摩擦をすべり摩擦から転がり摩擦に変換することを特徴としている。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転軸と該回転軸を支持する軸受とを備え、前記回転軸と前記軸受との間を潤滑油により潤滑させる軸受潤滑構造において、
前記回転軸の回転方向に形成された溝が前記軸受の摺動面上に形成されると共に、球状微粒子が前記潤滑油中に添加されており、
前記球状微粒子が、前記回転軸と前記軸受との間に作用する荷重以上の圧壊強度を有し、前記溝の深さよりも大きい直径を有しており、軸受摺動面の摩擦をすべり摩擦から転がり摩擦に変換することを特徴とする軸受潤滑構造。
【請求項２】
回転軸と該回転軸を支持する軸受とを備え、前記回転軸と前記軸受との間を潤滑油により潤滑させる軸受潤滑構造において、
前記回転軸の回転方向に形成された溝が前記軸受の摺動面上に形成されると共に、多孔質球状微粒子が前記潤滑油中に添加されており、
前記多孔質球状微粒子が、前記回転軸と前記軸受との間に作用する荷重以上の圧壊強度を有し、前記溝の深さよりも大きい直径を有していることを特徴とする軸受潤滑構造。
【請求項３】
前記多孔質球状微粒子が、アルミナ又はシリカからなることを特徴とする請求項２に記載の軸受潤滑構造。
【請求項４】
前記多孔質球状微粒子の表面に、前記軸受よりも低硬度の摩擦低減材を付着させたことを特徴とする請求項２又は３に記載の軸受潤滑構造。
【請求項５】
前記摩擦低減材が、二硫化モリブデン又はダイアモンド状硬質炭素からなることを特徴とする請求項４に記載の軸受潤滑構造。
【請求項６】
前記軸受の両端に、シール部材を配設したことを特徴とする請求項１〜５の何れか一項に記載の軸受潤滑構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、軸受部の潤滑を行う軸受潤滑構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
摺動部分の潤滑のために潤滑油を用いることは一般によく行われている。例えば、［特許文献１］には、内燃機関におけるピストン−シリンダ間の潤滑に関する記載があり、潤滑油（エンジンオイル）中に球状の物質を添加している。球状の物質は、０．１〜３０μｍでオイルに溶融せず、耐熱性のある物質とされている。このようにすることで、潤滑油による摩擦低減効果に加えてベアリングと同様の摩擦低減効果も得ることで、さらなる摩擦低減効果を得ようとしている。
【特許文献１】特開平８−２０７９１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、上述した［特許文献１］に記載のものは、ピストン−シリンダ間の潤滑に関する発明であり、軸受部での潤滑に関しては十分な考慮の行われていないものであった。従って、本発明の目的は、軸受部分の摩擦をより効果的に低減することのできる軸受潤滑構造を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
請求項１に記載の軸受潤滑構造は、回転軸と該回転軸を支持する軸受とを備え、回転軸と軸受との間を潤滑油により潤滑させるもので、回転軸の回転方向に形成された溝が軸受の摺動面上に形成されると共に、球状微粒子が潤滑油中に添加されており、球状微粒子が、回転軸と軸受との間に作用する荷重以上の圧壊強度を有し、溝の深さよりも大きい直径を有しており、軸受摺動面の摩擦をすべり摩擦から転がり摩擦に変換することを特徴としている。
【０００５】
また、請求項２に記載の軸受潤滑構造は、回転軸と該回転軸を支持する軸受とを備え、回転軸と軸受との間を潤滑油により潤滑させる軸受潤滑構造において、回転軸の回転方向に形成された溝が軸受の摺動面上に形成されると共に、多孔質球状微粒子が潤滑油中に添加されており、多孔質球状微粒子が、回転軸と軸受との間に作用する荷重以上の圧壊強度を有し、溝の深さよりも大きい直径を有していることを特徴としている。
【０００６】
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の発明において、多孔質球状微粒子が、アルミナ又はシリカからなることを特徴としている。
【０００７】
請求項４に記載の発明は、請求項２又は３に記載の発明において、多孔質球状微粒子の表面に、軸受よりも低硬度の摩擦低減材を付着させたことを特徴としている。
【０００８】
請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の発明において、摩擦低減材が、二硫化モリブデン又はダイアモンド状硬質炭素からなることを特徴としている。
【０００９】
請求項６に記載の発明は、請求項１〜５の何れか一項に記載の発明において、軸受の両端に、シール部材を配設したことを特徴としている。
【発明の効果】
【００１０】
請求項１及び請求項２に記載の軸受潤滑構造によれば、回転軸が回転し始める際には、潤滑油に添加された球状微粒子が、回転軸と軸受との双方に接触しつつ転がることでベアリング効果が得られ、摺動面の摩擦を効果的に低減させることができる。このため、単に潤滑油のみで行う潤滑よりも回転軸が回転し始める際の摩擦低減効果に優れ、特にオイル切れが発生している、あるいは、摺動面に十分な潤滑油が留まっていない場合でも良好な潤滑効果が得られる。
【００１１】
このとき、軸受の表面には回転軸の回転軸方向に溝が形成されているため、球状微粒子はこの溝に沿って転がりやすくなり、より確実にベアリング効果が得られる。なお、軸受表面の溝深さは球状微粒子の直径よりも浅いので、軸受の表面と回転軸とが直接触れることがなく、始動時に油膜が十分に形成されていない場合でも両者の表面が荒れてしまうのを防止することができる。また、回転軸が回転を始めた後は、その回転によって摺動面に潤滑油が供給されることで摺動面に油膜が形成され、良好な潤滑効果が得られる。回転軸の回転後は、油膜によって軸受の内部で回転軸が浮いた状態となるため、振動抑制の効果が高い。
【００１２】
また、特に、請求項２に記載の軸受潤滑構造の場合は、球状微粒子が多孔質物質によって構成されているため、微粒子中に潤滑油が含浸され、回転軸と軸受との双方に接触しつつ転がる時にこの潤滑油が染み出すので、さらなる潤滑効果が得られる。なお、ここに言う微粒子とは、その直径が１μｍ以下の粒子のことを言う。
【００１３】
請求項３に記載の軸受潤滑構造では、多孔質球状粒子がアルミナ（Ａｌ2Ｏ3）又はシリカ（ＳｉＯ2）によって構築されているが、回転軸と軸受との間に作用する荷重以上の圧壊強度を有し、かつ、多孔質とするには、これらの素材が都合がよい。
【００１４】
請求項４に記載の軸受潤滑構造では、多孔質球状微粒子の表面に、軸受の硬度よりも低硬度の摩擦低減材を付着させたので、回転軸と軸受との双方に接触しつつ転がる時に回転軸表面や軸受表面を傷つけることがなく、長期にわたって安定した潤滑効果を得ることができる。
【００１５】
請求項５に記載の軸受潤滑構造では、摩擦低減材が二硫化モリブデン（ＭｏＳ2）又はダイアモンド状硬質炭素（ＤＬＣ：ダイアモンドライクカーボン）によって構築されているが、これらの素材であると効果的に摩擦を低減することができる。ダイアモンド状硬質炭素（ＤＬＣ：ダイアモンドライクカーボン）は、高硬度、低摩耗、低摩擦、表面平滑性に優れるという特徴を持ち、金型、工具、摺動部品などのコーティング剤としても利用されている。
【００１６】
請求項６に記載の軸受潤滑構造では、軸受の両端にシール部材を配することで、軸受と回転軸との間の潤滑油を摺動面に封止させておくことができ、球状微粒子（多孔質球状微粒子）を摺動面の部分の潤滑油にのみ添加すればよい。このため、コストを抑えられるだけでなく、粒状微粒子を潤滑油中にまんべんなく分散させる必要などがなくなり、都合がよい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明の軸受潤滑構造の一実施形態について以下に説明する。本実施形態の軸受潤滑構造は、車両に搭載された内燃機関におけるクランクシャフトの軸受部分に適用されている。この軸受部分の模式断面図を図１に示す。なお、この図は模式的に示されており、軸受部分の長さに対するクランクシャフト１のジャーナル２の太さや、軸受部分のボーリング軸受３の内表面に形成された溝４や球状微粒子５のクランクシャフト１に対する大きさなどは分かりやすいようにデフォルメされており、実際のものとは異なっている。
【００１８】
図１に示されるように、クランクシャフト（回転軸）１のジャーナル２を回転自在に支持するジャーナル軸受部分が示されている。ジャーナル軸受は、シリンダーブロック６とベアリングキャップ７とでジャーナル２を把持することで構成されている。シリンダーブロックとベアリングキャップとでジャーナル軸受を構成すること自体は通常の内燃機関のジャーナル軸受で一般的な構造である。しかし、本実施形態のジャーナル軸受部分には、ボーリング加工によって内面に溝４を形成させた図２（ａ）に示されるボーリング軸受３が組み付けられている。
【００１９】
ボーリング軸受３は、シリンダーブロック６とベアリングキャップ７と共に二分割されており、図２（ａ）には、その一方のみが単体で示されている。シリンダーブロック６にベアリングキャップ７が固定されることで、ボーリング軸受３によって円筒状の摺動面が形成される。上述した溝４は、この摺動面上に形成されていることとなる。なお、シリンダーブロック６やベアリングキャップ７の内部には、このジャーナル軸受の摺動面にエンジンオイル（潤滑油）を供給あるいは回収するためのオイルホール８［図４参照］が形成されており、ボーリング軸受３には、このオイルホール８に連通する供給孔９が穿孔されている。
【００２０】
溝４は、クランクシャフト１の回転方向に沿って形成されている。溝４は、その延設方向に対して直角な断面において、底部が滑らかな凹曲面となるように形成されている。なお、溝４は、本実施形態のようにクランクシャフト１の回転方向に平行な複数の溝として形成される以外に、回転方向にほぼ平行となるなるなら螺旋状に形成されてもよい。この場合も、溝４はクランクシャフト１の回転方向に形成されたと言うことができる。溝４のピッチＰや深さＤ［図２（ｂ）参照］に関しては、追って詳しく説明する。
【００２１】
また、シリンダーブロック６及びベアリングキャップ７に組み付けられたボーリング軸受３の両端には、リング状のオイルシール１０が取り付けられている。オイルシール１０は、摺動面に供給されたエンジンオイルを摺動面に留めるために取り付けられている。オイルシール１０自体の構造は、公知のオイルシールと同様であり、内蔵されたコイルリングによってシールリップの先端部をジャーナル２に表面に押しつけることでシーリングを行っている。また、本実施形態のオイルシール１０は、このシール部へのダストの進入を抑止するダストリップも有している。
【００２２】
ここで用いられるエンジンオイルには、多孔質物質からなる球状微粒子５が添加されている。ここに言う微粒子とは、１００ｎｍ〜１μｍ以下の粒子状物質のことを言う。上述した溝４の深さＤは、この多孔質球状微粒子５の外径よりも浅くされている。即ち、ジャーナル２とボーリング軸受３とはほとんど直接接触することがない。本実施形態の多孔質球状微粒子５の外径は１μｍであり、溝４の深さＤは０．５μｍである。また、溝４のピッチＰは、深さＤの４０〜１００倍程度確保されている。溝４は耐摩耗性を考慮し、溝がなくならない範囲で使用し続けられるよう、溝４のピッチＰと深さＤの比Ｒ（＝Ｐ／Ｄ）は４０〜１００とされている。
【００２３】
多孔質球状微粒子５の素材としては、ＣｄＳ，ＣｄＳｅ，ＳｉＯ2（シリカ），ＴｉＯ2，ＢａＴｉＯ3，ＳｒＴｉＯ，ＺｎＯ，Ａｇ，Ａｕ，Ｐｔ，Ｒｕ，Ｃｏ，Ｆｅ3Ｏ4，Ａｌ2Ｏ3（アルミナ），ポリスチレンなどが可能である。しかし、潤滑過程で潰れてしまわないように、クランクシャフト１（ジャーナル２）とボーリング軸受３との間に作用する荷重以上の圧壊強度を有している必要があることから、ＳｉＯ2（シリカ）又はＡｌ2Ｏ3（アルミナ）であることが好ましい。また、上で列挙したものの中には貴金属なども含まれており、コスト的に高いものがあるが、ＳｉＯ2（シリカ）又はＡｌ2Ｏ3（アルミナ）はコストの面からも好適である。
【００２４】
ここでは、多孔質球状微粒子５を製造するに際して、真空下で原材料となる液体を冷却し、加圧して凝縮させ粒子化する。この方法によると、粒径分布が小さく、量産性に優れている。上述した製法によると、製造した粒子のうちの９５％のものを、目標粒径の寸法公差内に収めることができる。さらに、本実施形態の多孔質球状微粒子５には、その表面にボーリング軸受３よりも低硬度の摩擦低減材を付着させてある。摩擦低減材としては、ＭｏＳ2やＤＬＣが好適である。このとき、これらの素材をボーリング軸受３よりも低硬度とすることで、ボーリング軸受３の表面を摩耗させることを抑止できる。
【００２５】
上述した多孔質球状微粒子５をエンジンオイルに添加することによって得られる効果について以下に説明する。まず、始動時の潤滑性を向上させることができる。通常、エンジンが停止している状態からスタータモータでクランクシャフト１を回転させて始動する際には、ジャーナル２と軸受との間にエンジンオイルが十分に留まっていなく（部分的にオイル切れ状態となっている場合もある）、オイルポンプによるエンジンオイルの供給もまだ開始されていない。このため、エンジンオイルによる潤滑（すべり摩擦の潤滑）が十分でなく、始動時のフリクションが大きくなる傾向がある。
【００２６】
始動時のフリクションが大きいと、スタータモータの起動トルクを挙げる必要が生じ、これに伴って消費電力も増加する。極低温環境も考慮すると、極低温環境下でのバッテリ放電率低下を見越してより大きな消費電力を確保する必要が生じる。このため、スタータモータやバッテリの大型化が必要となる。本実施形態によれば、始動時には、図３（ａ）に示されるように、クランクシャフト１のジャーナル２とボーリング軸受３との間にエンジンオイル中に添加された多孔質球状微粒子５が介在するため、この多孔質球状微粒子５がベアリングボールと同様の働きをし、摩擦が低減される。この結果、エンジンの始動性が良好となる。
【００２７】
本実施形態の多孔質球状微粒子５は、多孔質素材によって形成されており、その多孔質球状微粒子５の表面には上述した摩擦低減材が付着されているため、多孔質球状微粒子５がベアリングボールと同等の機能を果たす際の摩擦が低減され、始動時のフリクションをより一層低減できる。また、多孔質球状微粒子５の表面に摩擦低減材が付着されていない場合においても、多孔質球状微粒子５は多孔質素材によって形成されているため、このとき孔部に溜まったオイルが染み出し、潤滑がより効果的に行われるようになっている。さらに、多孔質球状微粒子５自体はジャーナル２とボーリング軸受３との間に作用する荷重よりも高い圧壊強度を有しているため、潰れて機能しなくなってしまうようなことはない。その一方で、摩擦低減材の硬度はボーリング軸受３の硬度よりも小さくされているので、多孔質球状微粒子５によってボーリング軸受３の表面を摩耗させてしまう心配もない。
【００２８】
エンジンが始動され、その運転が安定した後は、図３（ｂ）に示されるように、ジャーナル２とボーリング軸受３との摺動によって摺動面全体にエンジンオイルが供給されると共に、オイルポンプによって摺動面上に上述したオイルホール８を介してエンジンオイルが供給され、ジャーナル２とボーリング軸受３との間に油膜が形成される。この結果、エンジンが安定して運転されているときは、油膜による潤滑となる。油膜による潤滑は、振動減衰特性や静粛性、摺動面の摩耗抑止特性に優れる。このように、本実施形態によれば、始動時には転がり軸受として機能して起動時の摩擦を低減すると共に、始動後はすべり軸受としてＮＶＨ（ノイズ・バイブレーション・ハーシュネス）特性及び耐久性に優れる軸受構造を実現することができる。
【００２９】
また、多孔質球状微粒子５をエンジンオイルに添加することで、エンジンオイルのみの場合よりも粘度を低下させることが可能であることも分かった。このため、エンジンオイルの温度に対する特性を大幅に変化させることなく粘度を低下させてフリクション低減を図ることができる。ここでは、エンジンのジャーナル軸受に適用しているので、フリクション低減によって燃費向上効果が得られる。エンジンのジャーナル軸受以外の軸受に適用した場合は、粘度低下によるフリクション低減によって、回転軸の出力増大や回転軸の駆動力増大効果が得られる。
【００３０】
また、エンジンオイルに多孔質球状微粒子５を添加することで、エンジンオイル全体で観た場合に比重・比熱を小さくできることもわかった。この結果、より早期にエンジンオイルの温度を昇温させることが可能である。潤滑油であるエンジンオイルは、より早期に所定の温度に達してより早期に良好な潤滑作用を発現することが求められるため、このようにより早期に昇温させることが可能であると都合がよい。
【００３１】
エンジンオイル全体の比重・比熱を小さくすることを考慮した場合、多孔質球状微粒子５自体の比熱や比重が重要であり、これらのことを考慮すると、やはり多孔質球状微粒子５の素材としては上述したＳｉＯ2（シリカ）又はＡｌ2Ｏ3（アルミナ）が好適である。また、このような多孔質球状微粒子５を添加することで、耐熱性を向上させることも可能である。また、比熱・比重を小さくしたことによる効果に加えて、熱伝導性が高くなることによる早期昇温効果がある。
【００３２】
さらに、本実施形態では、ボーリング軸受３の両端にオイルシール１０を配設した。このため、クランクシャフト１のジャーナル２とボーリング軸受３との間にエンジンオイル（及び添加された多孔質球状微粒子５）をより留めやすくなり、より確実に効果的な潤滑を行うことが可能となっている。特に、オイルシール１０によって多孔質球状微粒子５（及びエンジンオイル）を摺動面に留めておくことができると、始動時の潤滑を確実に向上させることができる。
【００３３】
また、オイルシール１０を設けると共に、オイルホール８によって摺動面のエンジンオイルを排出させないようにすれば、多孔質球状微粒子５をジャーナル２とボーリング軸受３と摺動面部分にのみ添加することも可能となり、コストを抑えることができる。さらに、エンジンオイルの温度が低い（粘度が高い）ときにはオイルシール１０とジャーナル２との間にエンジンオイルが横漏れしない程度の隙間を形成させ、暖機後はこの隙間から温度上昇に伴って粘度が低下したエンジンオイルが排出されるようにしてもよい。
【００３４】
さらに、エンジンオイルの早期暖機を行うシステムと併用してもよい。このようなシステムと併用すると、軸受部分の潤滑をより効果的に行うことができる。このシステムの構成図を図４に示す。図４は、クランクシャフト１の軸受部分へのエンジンオイルの供給経路を示しており、オイルパン１１内に配置されたオイルストレーナ１２からの配管１３と、断熱貯留タンク１４からの配管１５とが、サーモ切替弁１６に接続されている。断熱貯留タンク１４は、その容器が断熱構造とされており、内部のエンジンオイルの温度低下を抑止しつつ貯留させておくものである。
【００３５】
サーモ切替弁１６は、内部を通過させるエンジンオイルの温度によって流入元を断熱貯留タンク１４側（図中Ａ）とするか、オイルパン１１側（図中Ｂ）とするかを切り換えるものである。ここでは、内部を通過するエンジンオイルの温度が、暖機完了時点での所定温度よりも低いときはＡ側が開かれ、Ｂ側が閉じられる。暖機が完了した後は、Ｂ側が開かれ、Ａ側が閉じられる。なお、断熱貯留タンク１４とサーモ切替弁１６との間には、断熱貯留タンク１４側からオリフィス１７及び逆止弁１８が配設されている。
【００３６】
サーモ切替弁１６を介してオイルパン１１又は断熱貯留タンク１４から供給されたエンジンオイルをオイルポンプ１９に導く配管２０も、サーモ切替弁１６に接続されている。オイルポンプ１９の導入側はこの配管２０であるが、オイルポンプ１９の導出側には配管２１が接続されている。配管２１の他端は、水冷オイルクーラ２２に接続されている。なお、配管２１から配管２０にかけて配管２３が配設されておりこの配管２３上には、配管２１内の油圧に応じて開閉するバルブ２４が配設されている。
【００３７】
バルブ２４は、配管２１内の油圧が所定以上となった場合に開き、配管２１内のエンジンオイルをオイルポンプ１９の上流側に環流させる。このようにすることで、オイルポンプ１９の下流側の油圧が異常に高くならないようにしている。なお、水冷オイルクーラ２２にはオイルフィルタ２５も取り付けられている。水冷オイルクーラ２２からは、配管２６が導出されており、配管２６の端部は、動弁系へ接続された配管２７と、クランクシャフト１のジャーナル２及びボーリング軸受３の摺動面にエンジンオイルを供給するオイルホール８に接続された配管２８とに接続されている。
【００３８】
また、配管２６の途中には、上述した断熱貯留タンク１４へと分岐された配管２９も接続されている。さらに、ジャーナル２及びボーリング軸受３の摺動面からエンジンオイルを排出するオイルホール８にも、上述した断熱貯留タンク１４に接続された配管３０が接続されている。これらの配管２９，３０上には、オリフィス３１，３２がそれぞれ配されている。上述したシステムを用いて、暖機中はオイルポンプ１９による給油油圧を低圧とし、断熱貯留タンク１４内の暖かいエンジンオイルをジャーナル２及びボーリング軸受３の摺動面に供給することで、軸受部分での油温を上昇させ、暖機時のフリクション低減を行う。暖機後は、通常の供給油圧でオイルパン１１からのエンジンオイルをジャーナル２及びボーリング軸受３の摺動面に供給し、すべり潤滑油による良好な潤滑を行う。
【００３９】
本発明は、上述した実施形態に限定されるものではない。例えば、上述した実施形態では、回転軸が内燃機関の出力軸となるクランクシャフトであり、このクランクシャフトのジャーナル軸受に対して本発明を適用したものであった。しかし、本発明は、このような内燃機関の軸受以外の軸受に対しても適用が可能である。例えば、車両に搭載された内燃機関に関して言えば、トランスミッション内部の軸受部や、カムシャフトの軸受部などにも本発明を適用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の軸受潤滑構造の一実施形態を適用した内燃機関のジャーナル軸受部分を示す模式断面図である。
【図２】（ａ）は本発明の軸受潤滑構造の一実施形態におけるボーリング軸受の斜視図、（ｂ）は（ａ）におけるＩＩ−ＩＩ線断面図である。
【図３】本発明の軸受潤滑構造の一実施形態を適用した内燃機関のジャーナル軸受部分の回転軸に垂直な断面での断面図である。
【図４】暖機過程の油温上昇促進システムの構成図である。
【符号の説明】
【００４１】
１…クランクシャフト（回転軸）、２…ジャーナル、３…ボーリング軸受、４…溝、５…（多孔質）球状微粒子、６…シリンダーブロック、７…ベアリングキャップ、８…オイルホール、９…供給孔、１０…オイルシール（シール部材）。
【図１】
2005098410.tif 000003
【図２】
2005098410.tif 000004
【図３】
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【図４】
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