(57)【要約】２から２０重量％のシリコンと、０．１から４重量％の銅とを含み、残りが純粋なアルミニウムである鍛錬加工されたアルミニウムマトリックスを有するアルミニウムスラストワッシャ。アルミニウムスラストワッシャは裏打ち層のないモノメタル構造から成形される。鍛錬加工されたアルミニウムマトリックスは、スラストワッシャの使用に伴ってアルミニウムマトリックスが摩耗し、残留するシリコン粒子が増え続けるような機械的特性を有する。
2004520540.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルミニウムスラストワッシャであって、
鍛錬加工されたアルミニウムマトリックスを含み、前記アルミニウムマトリックスは、
２〜２０重量％のシリコンと、
０．１〜４重量％の銅とを含み、
残りがアルミニウムであり、
前記アルミニウムスラストワッシャは裏打ち層なしでモノメタルから成形される、アルミニウムスラストワッシャ。
【請求項２】
前記アルミニウムマトリックスは、９．５〜１１．５重量％のシリコンと、０．７５〜１．２５重量％の銅とを含み、残りがアルミニウムである、請求項１に記載のアルミニウムスラストワッシャ。
【請求項３】
前記アルミニウムマトリックスは、０．０４ｍｍ２の面積中で数えて、粒径が５μｍより大きいシリコン粒子が少なくとも４個存在するように分散されたシリコン粒子を有する、請求項１に記載のアルミニウムスラストワッシャ。
【請求項４】
前記シリコン粒子は最大で１５μｍの大きさである、請求項３に記載のアルミニウムスラストワッシャ。
【請求項５】
前記アルミニウムマトリックス材料が摩耗し、スラスト面にシリコン粒子を露出させて残し、これにより、前記アルミニウムスラストワッシャの使用に伴って、前記スラスト面でのシリコン粒子の密度が高くなり続ける、請求項１に記載のアルミニウムスラストワッシャ。
【請求項６】
前記アルミニウムマトリックス材料はさらに、錫、鉛、クロム、バナジウム、マンガン、およびマグネシウムからなる群から選択された１つまたはそれ以上の元素を０〜５重量％含む、請求項１に記載のアルミニウムスラストワッシャ。
【請求項７】
前記アルミニウムスラストワッシャは、前記アルミニウムマトリックスを鋳造することにより成形され、次いでその後、前記アルミニウムマトリックスを熱処理し、冷間圧延して、シリコン粒子が所望のとおり分散された合金ストリップを得て、その後、前記合金ストリップをプレス加工して前記アルミニウムスラストワッシャを成形する、請求項１に記載のアルミニウムスラストワッシャ。
【請求項８】
前記アルミニウムマトリックスは、裏打ちのないモノメタル構造を可能とするのに十分な強度を有し、前記マトリックスは、前記アルミニウムマトリックス材料が摩耗するほど十分に柔軟であり、前記スラストワッシャの使用に伴って、前記アルミニウムスラストワッシャのスラスト面にシリコン粒子を露出させて残す、請求項１に記載のアルミニウムスラストワッシャ。
【請求項９】
前記アルミニウムマトリックスはビッカーズ硬度４５から６５である、請求項１に記載のアルミニウムスラストワッシャ。
【請求項１０】
前記アルミニウムスラストワッシャはその上で成形される流体力学的特徴を含む、請求項１に記載のアルミニウムスラストワッシャ。
【請求項１１】
前記アルミニウムスラストワッシャはその上で成形される油溝を含む、請求項１に記載のアルミニウムスラストワッシャ。
【請求項１２】
アルミニウムスラストワッシャであって、
鍛錬加工されたアルミニウムマトリックスを含み、前記アルミニウムマトリックスは、
２〜２０重量％のシリコンと、
０．１〜４重量％の銅とを含み、
残りがアルミニウムであり、
前記アルミニウムスラストワッシャは裏打ち層なしでモノメタルから成形され、前記アルミニウムマトリックスは、０．０４ｍｍ２の面積中で数えて、粒径が５μｍより大きいシリコン粒子が少なくとも４個存在するように分散されたシリコン粒子を有する、アルミニウムスラストワッシャ。
【請求項１３】
アルミニウムスラストワッシャであって、
鍛錬加工されたアルミニウムマトリックスを含み、前記アルミニウムマトリックスは、
２〜２０重量％のシリコンと、
０．１〜４重量％の銅とを含み、
残りがアルミニウムであり、
前記アルミニウムスラストワッシャは裏打ち層なしでモノメタルから成形され、前記アルミニウムマトリックスは、裏打ちのないモノメタル構造を可能とするのに十分な強度を有し、前記マトリックスは、前記アルミニウムマトリックス材料が摩耗するほど十分に柔軟であり、前記スラストワッシャの使用に伴って、前記アルミニウムスラストワッシャのスラスト面にシリコン粒子を露出させて残す、アルミニウムスラストワッシャ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の背景】
本明細書は、この出願に対して優先権を主張する、２０００年９月５日に出願された仮特許出願第６０／２２９，８２０号に開示のアルミニウムスラストワッシャを援用する。
【０００２】
【技術分野】
この発明は一般的に、横方向のスラスト荷重に対して、クランク軸等の回転軸を支持するのに用いられる種類のスラストワッシャに関し、特にこのようなスラストワッシャの構造および製造方法に関する。
【０００３】
【関連の先行技術】
スラストワッシャは通常、横方向のスラスト荷重に対して回転クランク軸などを支持することを必要とする多くの適用例において用いられる。たとえば、エンジンの適用例では、クランク軸は、その軸に沿って強制的に軸を変位させるよう作用する軸方向のスラスト荷重を受ける。伝統的には、このようなスラストワッシャはバイメタル構造を有するよう製造されており、アルミニウム−鉛またはアルミニウム−錫等の軸受材料の層が鋼の支持裏打ち層に接合される。このような軸受は十分に機能するが、バイメタル構造により、このような軸受の製造の費用および複雑さが増し、バイメタルの組合せのせいで、スラスト軸受の製造に伴うどのようなスクラップ材料の再利用も非実用的となる。さらに、鋼の裏打ち層は、本質的にアルミニウムの軸受層よりも重く、このため軸受層材料よりもスラスト軸受の重量をさらに増加させる一因となる。
【０００４】
バイメタルスラスト軸受の製造における１つの利点は、プレス成形工程において非常に迅速かつ安価に製造できることである。バイメタル材料の半製品またはストリップが、スラスト面上にいかなる流体力学的特徴をも含むよう成形するために打抜および／またはコイニングされる。
【０００５】
１つの公知の適用例では、スラスト軸受全体が、未知の組成のアルミニウム合金材料の塊から機械加工されている。機械加工されたスラスト軸受は、バイメタルタイプのスラストワッシャで使用される伝統的なプレス成形工程を用いて成形することができないと考えられている。個々のスラストワッシャを機械加工するのにかかる費用および複雑さは、全アルミニウム構造から得られるどのような利点よりもはるかに重要視されている。
【０００６】
この発明に従って構成されるスラスト軸受は、公知の先行技術の上述の限定を克服するかまたは極めて最小限にする。
【０００７】
【発明の概要および利点】
この発明に従って、スラストワッシャはプレス成形によりすべてアルミニウム合金材料から作製される。
【０００８】
この発明のさらなる一局面に従って、アルミニウム合金は好ましくはアルミニウム−シリコン合金である。
【０００９】
この発明のさらなる一局面に従って、アルミニウム−シリコン合金は少なくとも２ｗｔ％のシリコンを含む。
【００１０】
この発明のさらに別の一局面に従って、シリコン含有量は２から２０ｗｔ％の範囲にある。
【００１１】
この発明のさらなる一局面に従って、アルミニウム−シリコン合金は０．１から４ｗｔ％の銅を含む。
【００１２】
この発明のさらなる一局面に従って、アルミニウム−シリコンワッシャは、０．０４ｍｍ２の面積で数えると、粒径が５μｍより大きいシリコン粒子が少なくとも４個存在するような密度および大きさの、アルミニウムマトリックスに存在するシリコン粒子を有する。
【００１３】
この発明のさらに別の一局面に従って、シリコン粒子は、マトリックスの全体にわたって存在し、クランク軸の反対側の面を研磨するのに役立つ。
【００１４】
この発明のさらなる一局面に従って、ワッシャのスラスト面が摩耗すると、アルミニウムマトリックスは摩耗し取除かれるが、シリコン粒子は表面に埋込まれたまま残るので、スラスト面でのシリコン粒子の密度が高くなり続ける。したがって、スラストワッシャが摩耗するにつれて、その軸受特性がスラスト面でのシリコン粒子がたまるのに伴い実際に高まり、これによりスラストワッシャの研磨および摩耗特性を高める。
【００１５】
この発明のこれらおよび他の特徴および利点は、以下の詳細な記載および添付の図面に関連して考慮されるとより容易に理解される。
【００１６】
［詳細な説明］
この発明の現在の好ましい実施形態に従ったスラストワッシャが、概して図１および図２の１０に示され、これは、内側凹面１２および外側凸面１４を有する一般的に半円形で平面の構造からなる。図１に示されるスラストワッシャ１０はスラストワッシャアセンブリの半分からなり、これを補完する同じまたは類似の半円形構造を有し、このため一緒に噛み合い、たとえばエンジンブロックに取付けられると、スラストワッシャアセンブリは回転軸、たとえば公知の態様で図１に示されるクランク軸１６を取囲む。簡単に示すために、スラストワッシャアセンブリの半分だけが参照され、この半分のスラストワッシャは当該技術において周知であるとおり、対で用いられることが理解される。
【００１７】
この発明に従ったスラストワッシャ１０は、スラスト面１８および背面２０を含む。背面２０は、当該技術において周知であり従来的でもあるハウジングまたはエンジンブロック（図示せず）等の支持構造に対して留められている。スラスト面１８は、軸１６の回転軸に対応する、スラストワッシャ１０の中心の縦軸Ａに対して垂直に、背面の外側に面している。スラスト面１８は、軸１６の対向面２２に面し、向い合っており（図５〜図７）、この対向面はスラスト面１８と平行に配置され、通常の態様では、たとえばクランク軸アームの側面として設けられる。図１および図５では、軸が矢印２４の方向に回転し、このため対向面２２はスラスト面１８と相対的に矢印２４の方向に回転する。スラストワッシャ１０には少なくとも１つ、好ましくは少なくとも２つの舌部または耳部２６が設けられ、これらは外面１４から外向きに放射状に突き出してブロックまたは他の支持構造のカウンタボア（図示せず）に嵌合して、スラスト軸受１０を適切に配置し、回転に対してこれを支持する。
【００１８】
スラスト面１８は複数の油流れ溝２８を備えて成形され、そこを通る油が回転軸、およびスラスト面と対向面２２との間の界面に供給され得る。
【００１９】
スラスト面１８はさらに、図２、４および５に、総称的に３０と示される流体力学的特徴を備えて成形され得、動作中、軸１６の回転する対向面２２と協働してスラスト面１８と対向面２２との間に油膜を形成し、流体力学的なスラスト支持を対向面２２にもたらす。このような流体力学的特徴３０は、この発明の譲受人に譲渡された米国特許第５，１９２，１３６号に開示されたものと同じかまたは類似していてもよく、その開示は引用によりこの明細書中に援用される。図４および図５は図２のスラスト面を過度に誇張した側面図を示し、ここでは流体力学的特徴は斜めになった面部分３２を含み、この部分は傾斜面として作用して、油を矢印２４の方向に運び、隣接する高くなったランド面３４に乗せる。ランド面３４は平坦または曲面状であってもよいが、好ましくは平坦である。油は対向面２２により傾斜面３２にまで流され、対向面２２および高くなったランド面３４によって形成された狭い軸流路３５に流れ込むことになる（図５）。誘導された周囲の油の流れがランド面３４の上方で油圧を上げ、これにより、比較的高いスラスト荷重を取扱うのに適した流体力学的支持作用を達成する。この効果はしばしば流体力学的潤滑油膜ウェッジと称される。流体力学的特徴３０および溝２８の正確な形状は、各々の特定の適用例および達成されるべき流体力学的効果に依存する。したがって、図面に示される流体力学的特徴３０は、例示の目的のためだけであり、この発明を流体力学的特徴３０に限定することを意図するものではない。
【００２０】
この発明に従って、スラストワッシャ構造１０全体が、スラスト面材料として適した単一の材料から作製される。より具体的には、スラストワッシャ構造１０は、所望のとおり、スラスト面の表面上に油溝２８および流体力学的特徴３０を備えて、スラストワッシャ１０の形状にプレス成形することができる、アルミニウム合金軸受材料からすべてが作製される。この「モノメタル」構造には、通常のバイメタルの構造のスラストワッシャに備えられるような鋼の裏打ち層がない。
【００２１】
この発明に従った鍛錬加工されたアルミニウムマトリックスはアルミニウム−シリコン合金からなる。好ましいシリコン含有量は２から２０ｗｔ％の範囲にあるが、より好ましくは９．５から１１．５ｗｔ％の間にある。アルミニウム−シリコン合金モノメタルスラストワッシャ構造１０はさらに好ましくは、０．４から４ｗｔ％の銅を含み、残りをアルミニウムとする。随意には、アルミニウム−シリコン合金は、合金中に０から５ｗｔ％の量で錫、鉛、クロム、バナジウム、マンガンおよびマグネシウムからなる群から選択される１つまたはそれ以上の添加物を任意に含んでいてもよい。好ましい実施形態では、マトリックスは９．５から１１．５ｗｔ％のシリコン、および０．７５から１．２５ｗｔ％の銅を含み、その残りが純粋なアルミニウムである。
【００２２】
好ましいアルミニウム−シリコン合金は、好ましくは、２つの逆回転チルドロール間に材料を鋳造する等のように、急速凝固工程を用いて、ストリップ形状に鋳造される。鋳造の後、材料は、アルミニウムマトリックスにおいてある特定の粒径および分散密度でシリコン粒子を成長させるのに十分な温度および時間で熱処理される。熱処理されたストリップを次に冷間圧延して、完成材料の最終のシリコン粒子の大きさおよび密度を達成する。この発明に従って、スラストワッシャ構造の厚さ全体にわたって（すなわち、スラスト面１８と背面２０との間に）分散されるシリコン粒子は、初めは均一に分散される。完成材料は少なくともいくつかのシリコン粒子を有し、そのシリコン粒子は少なくとも５μｍまたはそれ以上の指定された平均粒径を有し、このシリコン粒子は、マトリックス全体において０．０４ｍｍ２の面積中に、指定された粒径のシリコン粒子が平均して少なくとも４個あるような密度で、アルミニウムマトリックス全体に存在する。合金材料の典型的な微細構造が図３に示されるが、ここでシリコン粒子は３６として示され、アルミニウムマトリックスは３８として示される。スラストワッシャ１０の初期の成形の間（すなわち、使用前）のシリコン粒子３８の均一な分散が図６に概略的に例示されるが、ここでは、スラスト面１８でのシリコン粒子３６の密度が、スラストワッシャ１０の厚さ全体にわたってシリコン粒子３６の密度とほぼ同じであることがわかる。
【００２３】
材料が熱処理され冷間圧延されると、スラストワッシャ構造１０をストリップから半製品にし、所望の形状にプレス成形して、溝２８および流体力学的特徴３０等の所望の特徴を含むようにする。プレス成形工程は、当該技術において周知であるバイメタルタイプのスラストワッシャをプレス成形するのに用いられる工程と同じであってもよく、コイニング工程を含んでいてもよい。
【００２４】
この発明のさらなる一局面に従って、スラストワッシャ１０の成形から結果として生じるスクラップ材料はすべて、追加のスラストワッシャ１０の製造に用いるために再利用される。言換えれば、半製品にされたスクラップ材料および／または不満足なスラストワッシャ１０はいずれも再生され、再び溶解され、次いで再び鋳造され、熱処理されて、さらなるスラストワッシャ１０を製造するための材料を提供する。この態様では、スラストワッシャ材料に無駄がない。
【００２５】
スラストワッシャ１０のアルミニウムマトリックスは、裏打ち材料を必要とせずにスラストワッシャを成形するのに十分な強度となるような機械的特性を有する。マトリックスの特性はまた、アルミニウムマトリックス材料がすり減るのを可能にし、シリコン粒子をスラスト面１８に露出させて残し、このためスラスト面１８でのシリコン粒子の密度はスラストワッシャ１０の利用に伴って高くなる。
【００２６】
動作においては、対向面２２はスラスト面１８に対して回転する（これらの表面は図６および図７では離れて示されるが、実際は図５に示されるとおり対面している）ので、スラスト面１８上に存在するシリコン粒子３６が研磨剤として作用して、対向面２２を研磨する。対向面２２を研磨することにより、対向面２２はより平滑となり、対向面２２とスラスト面１８との間の流体力学的作用を高めることができ、これによりワッシャ構造１０のスラスト軸受特性を向上させる。対向面２２を研磨することによりまた、スラストワッシャ１０を摩耗するよう作用する対向面上のいずれの欠陥も取除く。時間がたつにつれ、スラストワッシャ１０にいくらか摩耗がもたらされ、これにより表面のアルミニウムマトリックス材料３１が取除かれることとなる。しかしながら、図７に概略的に示されるように、シリコン粒子３６はアルミニウムマトリックス３１に埋込まれたまま残り、取除かれずにスラスト面１８にたまっていく。その結果、スラストワッシャ１０が摩耗すると、スラスト面１８でのシリコン粒子３６の密度が増加し続ける。摩耗のこのような段階が図７に例示されるが、ここでは、スラストワッシャ構造１０の残り全体では、スラスト面１８でのシリコン粒子３６の密度がより高いことがわかる。結果として、スラスト面１８での高くなったシリコン粒子密度によりスラストワッシャ１０の研磨作用が増し、このため対向面２２は、スラストワッシャ１０が新しいとき（図６）よりもワッシャ１０が摩耗したとき（図７）の方がもっと研磨される。このような増加した研磨作用により、流体力学的効果が引続き向上し、スラストワッシャ１０の継続的な摩耗を実際に減らし、このようなシリコン粒子がないアルミニウム合金材料に比べてスラストワッシャ１０の有効寿命を延長する。
【００２７】
明らかに、この発明の多くの修正および変更が上述の教示を考慮すると可能である。したがって、前掲の特許請求の範囲内で、この発明が具体的に記載されるのとは別の方法で実施され得ることが理解されるべきである。この発明は特許請求の範囲により規定される。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の現在の好ましい実施形態に従って構成されたスラストワッシャの正面立面図である。
【図２】図１の線２〜２に沿った端面図である。
【図３】アルミニウムマトリックスにおけるシリコン粒子の存在を示す、スラストワッシャ材料の微細構造を概略的に表わす図である。
【図４】スラストワッシャの流体力学的特徴を示す誇張された断面図である。
【図５】スラストワッシャの流体力学的特徴を示す誇張された断面図である。
【図６】使用前の軸対向面とともに示された、図２の線６〜６に沿った概略的な断面図である。
【図７】図６と類似であるが、スラストワッシャの摩耗の段階を示す図である。
【国際公開パンフレット】
2004520540.tif 000003
2004520540.tif 000004
2004520540.tif 000005
2004520540.tif 000006
2004520540.tif 000007
2004520540.tif 000008
2004520540.tif 000009
2004520540.tif 000010
2004520540.tif 000011
2004520540.tif 000012
2004520540.tif 000013
2004520540.tif 000014
2004520540.tif 000015
2004520540.tif 000016
2004520540.tif 000017
【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
2004520540.tif 000018
【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
2004520540.tif 000019
2004520540.tif 000020
【国際調査報告】
2004520540.tif 000021