(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
裏金上に軸受合金層を設け、その軸受合金層の表面側を円筒状の軸受面としたすべり軸受であって、
低剛性の軸受ハウジングに取り付けられ、油膜圧力によって前記軸受合金層の表面が軸線方向に凹状に変形する程度の大きなすべり軸受において、
前記軸受面の軸線方向両側に、それぞれ当該軸受面の軸線方向両端間の途中から端に向かって径方向外側に傾斜する傾斜面を形成し、その傾斜面の軸線方向長さを、前記軸受面のうち油膜圧力が最大となる部分の軸線方向両側が最も長く、そこから周方向に離れるに従って次第に短くなるように定めたことを特徴とするすべり軸受。
【請求項２】
裏金上に軸受合金層を設け、その軸受合金層の表面側を円筒状の軸受面としたすべり軸受であって、
高剛性の軸受ハウジングに取り付けられ、油膜圧力によって前記軸受合金層の表面が軸線方向に凹状に変形する程度の小さなすべり軸受において、
前記軸受面の軸線方向両側に、それぞれ当該軸受面の軸線方向両端間の途中から端に向かって径方向外側に傾斜する傾斜面を形成し、その傾斜面の軸線方向長さを、前記軸受面のうち油膜圧力が最大となる部分の軸線方向両側が最も短く、そこから周方向に離れるに従って次第に長くなるように定めたことを特徴とするすべり軸受。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は裏金上に軸受合金層を設けてなる円筒状のすべり軸受に係り、特に耐摩耗性および非焼付性の向上を図ったすべり軸受に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、車両用エンジンに使用されるすべり軸受にあっては、軸受面の軸線方向両端部に、図１０にＣで示すテーパ状のクラウニングを設けていた。このクラウニングＣを設ける理由を以下に説明する。
図１１は、例えば、コネクティングロッドの大端部側の軸受構造を示す。コネクティングロッド１は燃料の燃焼圧力をピストンから受けてその燃焼圧力をクランク側に伝達する作用をなすもので、大端部２にすべり軸受３が設けられ、そのすべり軸受３にクランクピン４が支持されている。クランクピン４はコネクティングロッド１から燃焼圧力を受けて円弧状に撓む。すると、クランクピン４がすべり軸受３の軸受面の両端部分に片当たりする。なお、図１１では、クランクピン４の撓みは誇張して描いてある。
【０００３】
クランクピン４がすべり軸受３の両端部分に片当たりすると、その部分の潤滑油膜の厚さが薄くなり、荷重変動や回転速度変動などによって油膜が破られ易くなる。そして、油膜破壊が生ずると、すべり軸受３の軸受合金５とクランクピン４とが直接接触するいわゆる金属接触を起こし、すべり軸受の早期摩耗や焼付きを引き起こす原因となる。そこで、従来では、すべり軸受３の両端部に図１０に示すクラウニングＣを設け、クランクピン４が撓んでも、すべり軸受３の両端部に片当たりすることを防止して、早期摩耗や焼付きを防止するよいうにしているのである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
図１２は、すべり軸受３と大端部２の弾性変形を考慮（クランクピン４の撓みを無視する。）した理論計算によるすべり軸受３の軸線方向に沿った油膜厚さを示す。これによれば、油膜厚さは、軸線方向の中央部分（０で示す辺り）が最も厚く、中央部分から軸線方向両端に行くに従って薄くなっている。このことは、すべり軸受３の軸線方向中央部分に最も大きな荷重が作用するため、油膜圧力が油膜厚さ分布と同様に軸線方向中央部分が最も高くなり、後述する理由ですべり軸受３の軸受面が軸線方向の中央部で最も深くなるように円弧凹面状に変形することによるものである。このように軸受面が変形すると、クランクピン４がすべり軸受３の両端部に片当たりしてしまう。
【０００５】
上述のようにすべり軸受３の軸受面が変形する主な理由は、次の２つを挙げることができる。１つは、軸受面を構成する軸受合金５は、Ａｌ系合金やＣｕ系合金などで構成されていて比較的軟質である。このため、軸受合金５が、大きな油膜圧力の作用する軸線方向中央部分において最も深くなるように厚さ方向に弾性変形するからである。
【０００６】
他の１つは、最近の車両用エンジンの軽量化にある。すなわち、エンジンの軽量化により、エンジンを構成する各部にアルミニウム合金が使用されたり、或いは軸受を取り付ける軸受ハウジング部分が薄肉化されたりしている。この軽量化は、コネクティングロッド１にも及んでおり、大端部２の剛性は低下傾向にある。そして、この剛性低下により、すべり軸受３に作用する荷重を最終的に受ける大端部２が変形し、その結果、すべり軸受３全体が太鼓の胴のように中高状に変形するため、軸受面が円弧凹面状に変形するのである。
【０００７】
ところが、従来のクラウニングＣは、クランクピン４の撓みを考慮して設けられたもので、上記のような軸受合金５の弾性変形や大端部２の弾性変形による片当たりには対処できず、早期摩耗や焼付きを回避できないという問題を生ずる。この解決策として、クラウニングＣを形成する軸線方向領域を長くすれば良いように思われるかもしれないが、しかし、これでは、潤滑油膜が形成される領域が減少してしまうため、受圧面積が減少することとなって真の軸受面圧が高くなり、負荷能力が低くなってしまう。
【０００８】
本発明は上記の事情に鑑みてなされたもので、その目的は、負荷能力の減少を極力抑えながら軸受合金や軸受ハウジングの弾性変形による軸の片当たりを防止することができるすべり軸受を提供するところにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、基本的には、軸受面の軸線方向両側に、それぞれ当該軸受面の軸線方向両端間の途中から端に向かって径方向外側に傾斜する傾斜面を、円周方向各部で長さが異なるように形成したところにあり、これによれば、軸受合金や軸受ハウジングの弾性変形に対応できる。つまり、周方向各部の傾斜面の長さを、軸受面の周方向各部の変形程度に合わせて設定するので、傾斜面の形成領域を必要最小限の領域に抑えることができる。このため、負荷能力の低減を極力抑えながら軸受合金や軸受ハウジングの弾性変形に対応して軸の片当たりを防止でき、早期摩耗や焼付きを防止することができる。
【００１０】
具体的には、軸受ハウジングの剛性が低い場合には、請求項１の発明のように、傾斜面の軸線方向長さを、軸受面のうち油膜圧力が最大となる部分の軸線方向両側が最も長く、そこから周方向に離れるに従って短くなるように設定する。この構成により、すべり軸受の軸受面は、最大油膜圧力部分で最も深く円弧凹面状に変形するので、この部分の軸線方向両側の傾斜面の長さを最も長くすることによって軸が軸受面の軸方向両端部に片当たりすることを極力防止できる。
【００１１】
軸受ハウジングの剛性が大きい場合には、請求項２の発明のように、傾斜面の軸線方向長さを、軸受面のうち油膜圧力が最大となる部分の軸線方向両側が最も短く、そこから周方向に離れるに従って長くなるように構成する。軸受ハウジングの剛性が大きい場合、軸受面が凹状に変形する程度は少ない。このことから、傾斜面のうち最大油膜圧力部分の軸方向両側に存する部分の長さを短くすることができる。このため、最大油膜圧力部分を通る軸線方向の線に沿う部分では、軸を正規に受ける軸受面の領域が長くなり、軸受面積を広く取ることができるので、他の部分の傾斜面の軸線方向長さは長くして軸受面積を小さくしても差支えなくなる。そして、傾斜面の長さを長くした部分では、大きな負荷能力の低下なしに油膜の剪断抵抗を受ける軸受面積を減少させ得るので、摩擦損失を減少することができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を車両用エンジンのコネクティングロッドに取り付けられるクランクピン用すべり軸受に適用した第１実施例につき図１〜図５を参照しながら説明する。
図４はコネクティングロッドの全体を示す。同図において、コネクティングロッド１１は、ロッド本体１２の幅広の一端部にキャップ１３をボルト１４によって固定して構成されている。このコネクティングロッド１１において、ロッド本体１２の一端部とキャップ１３によって構成される大端部１５およびロッド本体１２の他端部である小端部１６は軸受ハウジングとして機能し、それら大端部１５および小端部１６に形成された嵌合穴１７および１８内にはすべり軸受１９および２０が取り付けられている。
【００１３】
上記の両すべり軸受１９、２０のうち、大端部１５のすべり軸受１９はクランクシャフトのクランクピン２１（図５参照）を受け、小端部１６のすべり軸受２０はピストンに組み込まれたピストンピン（図示せず）を受けるようになっている。本発明の適用対象である大端部１５のすべり軸受１９は、図１に示す半割軸受２２、２３を２個上下に突き合わせて構成された二分割形のものである。なお、小端部１６のすべり軸受２０は巻きブシュまたは合せ目のない円筒状のものである。
【００１４】
大端部１５のすべり軸受１９を構成する上下の半割軸受２２、２３は、鋼板製の裏金層２４の表面にＡｌ系或いはＣｕ系などの軸受合金層２５を装着して構成されている。なお、場合によっては、軸受合金層２５の表面にオーバレイ層を被着することもある。このような半割軸受２２、２３において、軸受合金層２５の内周面によって構成される軸受面の軸方向両側には、傾斜面２６、２７が形成されている。
【００１５】
これら傾斜面２６、２７の構成などは双方について同じであるから、以下では、上側に半割軸受２２の傾斜面２６について説明し、下側の半割軸受２３の傾斜面２７については説明を省略する。なお、上下の半割軸受２２、２３において、それぞれの最大油膜圧力が発生する部分は対称位置に存在している。
【００１６】
さて、半割軸受２２の軸方向両側の傾斜面２６は、軸受面の軸線方向途中から端に行くに従って径方向外側に向かって傾斜している。そして、この傾斜面２６の軸線方向長さは、半割軸受２２を展開して示す図２のように、円周方向各部で異なっている。この場合、大端部１５の剛性は比較的低いものとし、傾斜面２６の長さは最大油膜圧力を生ずる箇所の軸線方向両側、つまりの最大油膜圧力部分を通る軸線方向の線Ｃ上の部分が最も長く、線Ｃから周方向両側に離れるに従って次第に短くなるように設定されている。
【００１７】
以下に、この傾斜面２６の開始位置の設定および傾斜面２６の傾き具合の設定構成について説明する。
まず、前述した図１２は軸受合金および大端部（軸受ハウジング）の弾性変形を考慮した流体潤滑理論に基づいて計算した油膜厚さ分布を示したものであった。この油膜厚さ分布を生じさせる油膜圧力の分布を図３（ａ）に示した。この図３（ａ）によれば、すべり軸受の軸線方向中央部の油膜圧力が高いため、軸受合金２５が厚さを薄くする方向に弾性変形したり、大端部１５がすべり軸受２２と共に変形し、軸受合金２５の内周面である軸受面が凹状に変形する。
【００１８】
このような軸受面の変形によって軸線方向両端部分では、クランクピン２１と軸受合金２５との隙間が小さくなる。すると、両者が荷重変動などの原因で微小に直接接触し、これにより軸受合金２５の端部が摩耗し、その際の発熱量が大きい場合には焼付きに至る。このような摩耗や焼付きを生じさせないような傾斜面２６を得るために、理論計算により、軸受合金２５の表面の変形状態を求めた。これを図３（ｂ）に示す。そして、この変形形態から、軸受合金２５の両端部分の肉厚を、表面側から減少させる加工を施して傾斜面２６を形成する。
【００１９】
前記最大油膜圧力を生ずる箇所を通る軸線方向の線Ｃに沿う傾斜面２６の最大肉厚減少量Ｓ（図１参照）は、軸線方向端部の変形量によって決まる。すなわち、最大肉厚減少量Ｓはハウジングの剛性、軸受合金厚さ、同合金のヤング率が支配的であるので、次の式によって最大肉厚減少量Ｓの最適量が導かれる。
Ｓ＝Ｋ×最大面圧×軸受合金厚さ／軸受合金のヤング率
なお、Ｋは大端部１５の剛性によって定まる定数で１００〜５００の範囲で剛性に応じて定める。剛性が大きい程、Ｋは小さい値を適用する。
【００２０】
また、傾斜面２６を設ける円周方向の領域は、最大油膜圧力が作用する箇所を通る線Ｃを中心に半割軸受２２の周長Ｌの１／２程度とする。そして、傾斜面２６の軸線方向長さは、線Ｃ上を最も長く設定し、ここから周方向両側に向かって次第に短くなって傾斜面２６の形成領域の端では０となるようにする。そして、線Ｃの両側傾斜面２６の軸線方向長さは、半割軸受２２の幅をＢとした場合、大端部１５の剛性が低いとき、Ｂ／４以下に設定する。このように線Ｃから離れるに従って傾斜面２６の長さが短くなっても、これは、軸受合金２５に作用する荷重が線Ｃから離れるに従って小さくなるので、何等支障はない。なお、傾斜面２６の開始位置を結んでできる線は直線でも良いし、曲線でも良い。なお、傾斜面２６はクランクピン２１の撓みに対しても、片当たりを生じないように機能する。
【００２１】
このように本実施例によれば、軸受面の軸線方向両側に傾斜面２６を設けたので、円筒状軸受面の変形によって変形クランクピン２１がすべり軸受１９の両端部に片当たりすること、ひいては早期摩耗や焼付きが生ずることを防止できる。しかも、傾斜面２６は軸受面の変形度合いの少ない部分では、その長さが短いので、軸受面として有効に作用する面積を大きく確保でき、負荷能力の低減を抑えながら、早期摩耗や焼付きが生ずることを防止できるものである。
【００２２】
図６および図７は本発明の第２実施例を示すもので、上記第１実施例と同一部分には同一符号を付して示す。
この実施例では、ロッド本体１２の断面の形状が図６に示すようにほぼＨ字形をなし、両片ａを結ぶ中継片ｂの延長方向と一点鎖線Ａで示すすべり軸受１９の軸線方向とが一致している。このようなロッド本体１２では、中継片ｂが大端部１５に嵌着されたすべり軸受１９の軸線方向に沿って変形し難くしており、従って大端部１５の剛性は比較的高い。このように、大端部１５の剛性が高い場合、半割軸受２２に形成する傾斜面２６の長さは、図７に示すように、最大荷重が作用する箇所を通る軸線方向の線Ｃの両側においては、Ｂ／８以下、そこから円周方向両側に行くに従ってＢ／８を越えた長さに定められている。なお、傾斜面２６の周方向の形成領域は線Ｃを中心にしてＬ／２の範囲であり、その形成領域の両端における傾斜面２６の長さはＢ／４以下に設定されている。
【００２３】
このように傾斜面２６を定めれば、最大油膜圧力部分を通る軸線方向の線に沿う部分では、軸を正規に受ける軸受面の領域が長くなり軸受面積を広く取ることができるので、他の部分の傾斜面の軸線方向長さは長くして軸受面積を小さくしても差支えなくなる。そして、傾斜面の軸線方向長さを長くした部分では、大きな負荷能力の低下なしに潤滑油膜の剪断抵抗を受ける軸受面積が減少させることができるので、摩擦損失を減少させることができる。
【００２４】
なお、本発明は上記し且つ図面に示す実施例に限定されるものではなく、以下のような拡張或いは変更が可能である。
第１実施例において、傾斜面２６、２７の周方向の形成領域は図８に示す本発明の第３実施例のように半割軸受２２、２３の周方向全体に拡大しても良い。  第２実施例において、傾斜面２６、２７の周方向の形成領域は図９に示す本発明の第４実施例のように半割軸受２２、２３の周方向全体に拡大しても良い。図９の場合、周方向両端での傾斜面２６、２７の軸線方向長さはＢ／４以下とする。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例を示す要部の縦断面図
【図２】上半割軸受の展開図
【図３】軸受面の油膜圧力分布と軸受面の凹状変形の状態を示すグラフ
【図４】コネクティングロッドの正面図
【図５】コネクティングロッドの大端部の縦断側面図
【図６】本発明の第２実施例を示すもので、ロッド本体の断面形状とすべり軸受の装着方向との関連を示す部分斜視図
【図７】図２相当図
【図８】本発明の第３実施例を示す図２相当図
【図９】本発明の第４実施例を示す図２相当図
【図１０】従来のクラウニングを設けたすべり軸受を示す図１相当図
【図１１】クランクピンが撓んだ状態で示す図５相当図
【図１２】軸受合金と軸受ハウジングの弾性変形を考慮した油膜厚さ分布を示すグラフ
【符号の説明】
図中、１１はコネクティングロッド、１２はロッド本体、１３はキャップ、１５は大端部（軸受ハウジング）、１９はすべり軸受、２２、２３は半割軸受、２４は裏金、２５は軸受合金、２６、２７は傾斜面である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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