JP4730342B2

JP4730342B2 - 軸受構造

Info

Publication number: JP4730342B2
Application number: JP2007155591A
Authority: JP
Inventors: 計宏桜井
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2007-06-12
Filing date: 2007-06-12
Publication date: 2011-07-20
Anticipated expiration: 2027-06-12
Also published as: JP2008309199A

Description

本発明は、軸受構造に関する。

内燃機関のクランクシャフト、カムシャフト等には軸受構造が採用されている。この軸受構造においては、軸と軸受との熱膨張率差に起因して、軸と軸受との間の間隙の体積が温度変化に伴って変化することがある。

例えば、エンジンのクランクシャフトに鉄系材料を使用し、軸受であるエンジンブロックに鉄系材料よりも熱膨張率が高いアルミ合金を使用する技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。また、低熱膨張率を有する材料を軸受ハウジングに用いる技術が開示されている（例えば、特許文献２参照）。さらに、軸受ハウジングを二重構造とし、熱膨張率が大きい支持部材を軸受ハウジングの内周面の外側に配置する技術が開示されている（例えば、特許文献３参照）。

特開昭６０−２１９４３６号公報特開２００５−４０８２６号公報特開平９−２４２７４５号公報

特許文献１の技術では、軸と軸受との間の間隙は、低温域においては小さく高温域においては大きくなる。この場合、低温域においては軸と軸受との摩擦が大きくなってしまう。また、高温域においてにはオイルの流出量が大きくなってしまい、オイルポンプの負担が大きくなる。特許文献２の技術では、温度上昇に伴って軸と軸受との間の間隙が小さくなる。したがって、高温域において油膜が不足するおそれがある。特許文献３の技術では、低温域および高温域において軸と軸受との間の間隙が適度に調整される。しかしながら、内燃機関の中温域に上記間隙が比較的大きくなってしまう。それにより、オイルポンプの負担が大きくなる。その結果、燃費が悪化するおそれがある。

本発明は、低温域における摩擦を抑制することができ、高温域におけるオイル流出および油膜切れを抑制することができ、中温域における燃費悪化を抑制することができる軸受構造を提供することを目的とする。

本発明に係る軸受構造は、軸受部と、軸受部に嵌合する軸と、を備え、潤滑液体が充填される軸受部と軸との間隙は、低温域および高温域に比較して中温域において小さくなり、軸受部の一部または全部は、低温域から中温域にかけて負の熱膨張率を有し、中温域から高温域にかけて正の熱膨張率を有する熱膨張材料から構成されることを特徴とするものである。本発明に係る軸受構造においては、低温域において軸と軸受部との間の摩擦を抑制することができる。また、高温域においてオイル流出および油膜切れを抑制することができる。さらに、中温域において燃費悪化を抑制することができる。

軸の一部または全部は、低温域から中温域にかけて正の熱膨張率を有し、中温域から高温域にかけて負の熱膨張率を有する熱膨張材料から構成されていてもよい。本発明に係る他の軸受装置は、軸受部と、軸受部に嵌合する軸と、を備え、潤滑液体が充填される軸受部と軸との間隙は、低温域および高温域に比較して中温域において小さくなり、軸の一部または全部は、低温域から中温域にかけて正の熱膨張率を有し、中温域から高温域にかけて負の熱膨張率を有する熱膨張材料から構成されることを特徴とするものである。

本発明に係る内燃機関の他の軸受構造は、軸受部と、軸受部に嵌合する軸と、を備え、軸受部の一部または全部は、低温域から中温域にかけて負の熱膨張率を有し、中温域から高温域にかけて正の熱膨張率を有する熱膨張材料から構成されることを特徴とするものである。本発明に係る内燃機関の他の軸受構造においては、低温域において軸と軸受部との間の摩擦を抑制することができる。また、高温域においてオイル流出および油膜切れを抑制することができる。さらに、中温域において燃費悪化を抑制することができる。

本発明に係る内燃機関のさらに他の軸受構造は、軸受部と、軸受部に嵌合する軸と、を備え、軸の一部または全部は、低温域から中温域にかけて正の熱膨張率を有し、中温域から高温域にかけて負の熱膨張率を有する熱膨張材料から構成されることを特徴とするものである。本発明に係る内燃機関のさらに他の軸受構造においては、低温域において軸と軸受部との間の摩擦を抑制することができる。また、高温域においてオイル流出および油膜切れを抑制することができる。さらに、中温域において燃費悪化を抑制することができる。

熱膨張部材は、Ｍｎ_３ＸＮで表されるマンガン窒化物からなり、Ｘの少なくとも一部はゲルマニウムで置換されていてもよい。

本発明によれば、低温域における摩擦を抑制することができ、高温域におけるオイル流出および油膜切れを抑制することができ、中温域における燃費悪化を抑制することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。

図１は、本発明の第１実施例に係る軸受構造１００の全体構成を示す模式図である。軸受構造１００は、例えば内燃機関に用いられる軸受構造であり、クランクシャフト、カムシャフト等に用いられる。

図１に示すように、軸受構造１００は、軸受部として機能する軸受ハウジング１０に軸２０が回転可能に嵌合した構造を有する。軸受ハウジング１０は、二分割された一対の分割ハウジングであり、ブロックハウジング１１とキャップハウジング１２とからなる。ブロックハウジング１１とキャップハウジング１２とは、ボルト１３によって締結されている。軸受ハウジング１０と軸２０との間には間隙３０が介在する。この間隙３０には潤滑油等の潤滑液体が充填されている。それにより、軸受ハウジング１０と軸２０との間の摩擦が低減される。潤滑液体は、潤滑液体循環手段として機能するオイルポンプ２００によって循環する。

間隙３０は、低温域（例えば、２０℃以下のいずれかの温度域）および高温域（例えば、１００℃以上のいずれかの温度域）に比較して中温域（例えば、２０℃〜１００℃のいずれかの温度域）において小さくなる。ここでいう低温域とは、内燃機関の低温始動時等で、機関温度が比較的低い温度であることにより、カムシャフトやクランクシャフト近傍の温度が比較的低くなる場合の温度域である。一方、高温域とは、内燃機関が高負荷、高回転で運転するとき等で、機関温度が比較的高い温度であることによりカムシャフトやクランクシャフト近傍の温度が比較的高くなる場合の温度域である。中温域とは、定常運転時等の温度域のことをいう。

本実施例においては、軸受ハウジング１０の熱膨張率が所定の温度範囲において負になることによって、間隙３０の体積が調整されている。具体的には、軸２０は、低温域〜高温域のいずれの温度域においても正の熱膨張率を有する材料からなり、例えば鉄系材料からなる。ブロックハウジング１１およびキャップハウジング１２は、低温域から中温域にかけて負の熱膨張率を有し、中温域から高温域において正の熱膨張率を有する熱膨張材料からなる。ブロックハウジング１１およびキャップハウジング１２を構成する材料は、後述する。

図２（ａ）は、温度と軸２０の径または軸受ハウジング１０の軸受の径との関係を示す模式図である。図２（ｂ）は、温度と間隙３０の体積との関係を示す模式図である。図２（ａ）において、横軸は温度を示し、縦軸は軸２０の径および軸受ハウジング１０の軸受の径を示す。図２（ｂ）において、横軸は温度を示し、縦軸は間隙３０の体積を示す。なお、間隙３０の体積が小さい場合には軸２０と軸受ハウジング１０の軸受との距離は小さく、間隙３０の体積が大きい場合には軸２０と軸受ハウジング１０の軸受との距離は大きくなる。

図２（ａ）に示すように、軸２０の径は、低温域、中温域および高温域のいずれの温度範囲においても、温度上昇に伴って大きくなる。一方、軸受ハウジング１０の軸受の径は、低温域から中温域にかけて温度上昇に伴って小さくなり、中温域から高温域にかけて温度上昇に伴って大きくなる。

したがって、図２（ｂ）に示すように、低温域においては、間隙３０の体積は比較的大きくなる。この場合、軸２０と軸受ハウジング１０との間の摩擦が低減される。それにより、クランキング回転数が大きくなる。その結果、内燃機関の始動性が向上する。

中温域においては、軸受ハウジング１０の軸受の径が小さくなることから、間隙３０の体積は小さくなる。この場合、潤滑液体流出量が抑制される。それにより、潤滑液体を循環させるオイルポンプ２００の負担が軽減される。その結果、燃費が向上する。なお、内燃機関の定常運転時における温度域は、中温域である。すなわち、内燃機関が作動中に最も長い時間とりうる温度域は中温域である。したがって、中温域において燃費が向上すると、大幅な燃費向上がもたらされる。

高温域においては、軸受ハウジング１０の軸受の径が再度大きくなることから、間隙３０の体積が過小となることが抑制される。それにより、油膜切れが抑制される。また、軸受ハウジング１０の軸受の径は、中温域において一度小さくなっていることから、高温域において過大となることが抑制される。それにより、潤滑液体流出量が抑制される。また、軸２０の回転に伴う振動、騒音の発生が抑制される。

以上のことから、本実施例に係る軸受構造を用いることによって、低温域における摩擦を抑制することができ、高温域におけるオイル流出および油膜切れを抑制することができ、内燃機関の定常運転時における燃費悪化を抑制することができる。

次に、軸受ハウジング１０に用いることができる熱膨張材料について説明する。上述したように、上記熱膨張材料は、所定の温度域において負の熱膨張率を有する。このような性質を有する材料は、例えば、逆ペロブスカイト構造を有するマンガン窒化物Ｍｎ_３ＸＮ（Ｘの少なくとも一部はＧｅで置換）、タングステン酸ジルコニウムＺｒＷ_２Ｏ_８、シリコン酸化物Ｌｉ_２Ｏ−Ａｌ_２Ｏ_３−ｎＳｉＯ_２等である。これらの熱膨張材料は、軸受および軸に用いられる金属に求められる強度と同程度の強度を備える。

図３（ａ）および図３（ｂ）に、上記マンガン窒化物の線膨張率ΔＬ／Ｌ_０および線膨張係数αを示す。ここで、α（Ｔ）＝（ｄＬ／ｄＴ）／Ｌ_０である。また、Ｔは温度、Ｌは温度Ｔでの長さ、Ｌ_０は基準温度での長さ、ΔＬは（Ｌ−Ｌ_０）を示す。図３（ａ）および図３（ｂ）においては、基準温度は４００Ｋである。図３（ａ）および図３（ｂ）において、横軸は温度Ｔを示し、縦軸はマンガン窒化物の線膨張率ΔＬ／Ｌ_０を示す。

図３（ａ）および図３（ｂ）に示すように、線膨張率ΔＬ／ΔＬ_０は、所定の温度域において負になる。また、上記マンガン窒化物の組成を変更することによって、線膨張係数α、線膨張率ΔＬ／Ｌ_０、および線膨張率ΔＬ／Ｌ_０が負になる温度域が変化する。したがって、軸受構造１００を用いる温度域、間隙３０の望ましい範囲等に応じて上記マンガン窒化物の組成を変更することによって、間隙３０を最適化することができる。

タングステン酸ジルコニウムおよびシリコン酸化物についても、組成を変更することによって、線膨張係数α、線膨張率ΔＬ／Ｌ_０、および線膨張率ΔＬ／Ｌ_０が負になる温度域を変化させることができる。

なお、ボルト１３を構成する材料は特に限定されるものではないが、軸受ハウジング１０を構成する材料と同じであることが好ましい。この場合、ボルト１３の熱膨張は、軸受ハウジング１０の熱膨張と略同一となる。それにより、ボルト１３の緩みを抑制することができる。

また、ブロックハウジング１１およびキャップハウジング１２の熱膨張率が正から負に変化する変極点は、−２０℃〜―５０℃程度であることが好ましい。内燃機関が使用される最低温度環境域において間隙３０が大きくなるからである。また、間隙３０が最も小さくなる温度は、内燃機関の定常運転における軸受構造１００の温度（例えば、８０℃〜１２０℃程度）であることが好ましい。この場合、燃費悪化を特に抑制できるからである。

続いて、本発明の第２実施例に係る軸受構造１００ａについて説明する。本実施例においても、間隙３０は、低温域および高温域に比較して中温域において小さくなる。本実施例においては、軸受ハウジングの一部の部材の熱膨張率が所定の温度範囲において負になることによって、間隙３０の体積が調整されている。以下、詳細を説明する。

図４は、軸受構造１００ａの全体構成を示す模式図である。図４に示すように、軸受構造１００ａは、図１の軸受構造１００と異なり軸受ハウジング１０の代わりに軸受ハウジング１０ａを備える。軸受ハウジング１０ａは、ブロックハウジング１１の代わりにブロックハウジング１１ａを備える。ブロックハウジング１１ａは、低温域〜高温域のいずれの温度範囲においても正の熱膨張率を有する。したがって、ブロックハウジング１１ａの軸受の径は、低温域において比較的小さくなる。

ここで、軸受構造１００ａにおいては、内燃機関の筒内圧、バルブスプリング等に起因して、回転軸が軸受ハウジング１０ａのキャップハウジング１２側に偏っている。また、実施例１で説明したようにキャップハウジング１２の軸受の径は低温域において比較的大きくなっている。したがって、低温域においてブロックハウジング１１ａの軸受の径が小さくても、軸２０と軸受ハウジング１０ａとの間の摩擦を抑制することができる。

続いて、本発明の第３実施例に係る軸受構造１００ｂについて説明する。本実施例においても、間隙３０は、低温域および高温域に比較して中温域において小さくなる。本実施例においては、軸の熱膨張率が所定の温度範囲において負になることによって、間隙３０の体積が調整されている。以下、詳細を説明する。

図５は、軸受構造１００ｂの全体構成を示す模式図である。図５に示すように、軸受構造１００ｂは、図１の軸受構造１００と異なり、軸受ハウジング１０ｂに軸２０ｂが回転可能に嵌合した構造を有する。軸受ハウジング１０ｂは、ブロックハウジング１１ｂとキャップハウジング１２ｂとからなる。ブロックハウジング１１ｂおよびキャップハウジング１２ｂは、低温域〜高温域において正の熱膨張率を有する材料からなり、例えばアルミ合金からなる。また、軸２０ｂは、低温域から中温域にかけて軸受ハウジング１０ｂの熱膨張率よりも大きい正の熱膨張率を有し、中温域から高温域にかけて負の熱膨張率を有する熱膨張材料から構成される。

図６（ａ）は、温度と軸２０ｂの径または軸受ハウジング１０ｂの軸受の径との関係を示す模式図である。図６（ｂ）は、温度と間隙３０の体積との関係を示す模式図である。図６（ａ）において、横軸は温度を示し、縦軸は軸２０ｂの径および軸受ハウジング１０ｂの軸受の径を示す。図６（ｂ）において、横軸は温度を示し、縦軸は間隙３０の体積を示す。

図６（ａ）に示すように、軸受ハウジング１０ｂの軸受の径は、低温域、中温域および高温域のいずれの温度範囲においても、温度上昇に伴って大きくなる。一方、軸２０ｂの径は、低温域から中温域にかけて温度上昇に伴って大きくなり、中温域から高温域にかけて温度上昇に伴って小さくなる。また、低温域から中温域においては軸２０ｂの熱膨張率は軸受ハウジング１０ｂの熱膨張率に比較して大きいことから、図６（ｂ）に示すように、低温域から中温域にかけて体積３０は小さくなり、中温域から高温域にかけて体積３０は大きくなる。したがって、本実施例に係る軸受構造を用いることによって、低温域における摩擦を抑制することができ、高温域におけるオイル流出および油膜切れを抑制することができ、内燃機関の定常運転時における燃費悪化を抑制することができる。

なお、軸２０ｂを構成する材料は、実施例１で挙げたマンガン窒化物Ｍｎ_３ＸＮ（Ｘの少なくとも一部はＧｅで置換）、タングステン酸ジルコニウムＺｒＷ_２Ｏ_８、シリコン酸化物Ｌｉ_２Ｏ−Ａｌ_２Ｏ_３−ｎＳｉＯ_２等の組成を変更することによって、組成される。

続いて、本発明の第４実施例に係る軸受構造１００ｃについて説明する。本実施例においても、間隙３０は、低温域および高温域に比較して中温域において小さくなる。本実施例においては、軸受ハウジングの熱膨張率が所定の温度範囲において負になり、軸の熱膨張率が所定の温度範囲において負になることによって、間隙３０の体積が調整されている。以下、詳細を説明する。

図７は、軸受構造１００ｃの全体構成を示す模式図である。図７に示すように、軸受構造１００ｃは、図１の軸受構造１００と異なり、軸受ハウジング１０ｃに軸２０ｃが回転可能に嵌合した構造を有する。軸受ハウジング１０ｃは、低温域から中温域にかけて負の熱膨張率を有し、中温域から高温域において正の熱膨張率を有する熱膨張材料からなる。軸２０ｃは、低温域から中温域にかけて正の熱膨張率を有し、中温域から高温域にかけて負の熱膨張率を有する熱膨張材料から構成される。

本実施例においては、低温域から中温域にかけて、軸２０ｃの径が大きくなるとともに軸受ハウジング１０ｃの軸受の径が小さくなることから、中温域において間隙３０の体積は小さくなる。この場合、軸２０ｃの径が大きくなるか軸受ハウジング１０ｃの軸受の径が小さくなるかいずれかである場合に比較して、間隙３０の体積をより小さくすることができる。それにより、中温域における潤滑液体流出量がより抑制される。その結果、燃費がより向上する。

なお、上記各実施例においては内燃機関の軸受構造について説明したが、本発明はそれに限定されない。本発明は、低温域、中温域および高温域の３つの温度範囲で使用される軸受構造であれば適用することができる。

本発明の第１実施例に係る軸受構造の全体構成を示す模式図である。（ａ）は温度と軸の径または軸受ハウジングの軸受の径との関係を示す模式図であり、（ｂ）は温度と間隙の体積との関係を示す模式図である。マンガン窒化物の線膨張率ΔＬ／Ｌ_０および線膨張係数αを示す図である。本発明の第２実施例に係る軸受構造の全体構成を示す模式図である。本発明の第３実施例に係る軸受構造の全体構成を示す模式図である。（ａ）は温度と軸の径または軸受ハウジングの軸受の径との関係を示す模式図であり、（ｂ）は温度と間隙の体積との関係を示す模式図である。本発明の第４実施例に係る軸受構造の全体構成を示す模式図である。

符号の説明

１０軸受ハウジング
１１ブロックハウジング
１２キャップハウジング
１３ボルト
２０軸
１００軸受構造

Claims

軸受部と、
前記軸受部に嵌合する軸と、を備え、
潤滑液体が充填される前記軸受部と前記軸との間隙は、低温域および高温域に比較して中温域において小さくなり、
前記軸受部の一部または全部は、低温域から中温域にかけて負の熱膨張率を有し、中温域から高温域にかけて正の熱膨張率を有する熱膨張材料から構成されることを特徴とする軸受構造。
前記軸の一部または全部は、低温域から中温域にかけて正の熱膨張率を有し、中温域から高温域にかけて負の熱膨張率を有する熱膨張材料から構成されることを特徴とする請求項１記載の軸受構造。
軸受部と、
前記軸受部に嵌合する軸と、を備え、
潤滑液体が充填される前記軸受部と前記軸との間隙は、低温域および高温域に比較して中温域において小さくなり、
前記軸の一部または全部は、低温域から中温域にかけて正の熱膨張率を有し、中温域から高温域にかけて負の熱膨張率を有する熱膨張材料から構成されることを特徴とする軸受構造。
軸受部と、
前記軸受部に嵌合する軸と、を備え、
前記軸受部の一部または全部は、低温域から中温域にかけて負の熱膨張率を有し、中温域から高温域にかけて正の熱膨張率を有する熱膨張材料から構成されることを特徴とする軸受構造。
軸受部と、
前記軸受部に嵌合する軸と、を備え、
前記軸の一部または全部は、低温域から中温域にかけて正の熱膨張率を有し、中温域から高温域にかけて負の熱膨張率を有する熱膨張材料から構成されることを特徴とする軸受構造。
前記熱膨張部材は、Ｍｎ_３ＸＮで表されるマンガン窒化物からなり、前記Ｘの少なくとも一部はゲルマニウムで置換されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の軸受構造。