JP2011047425A - クランクシャフト用ローラーベアリング - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構造でクランクシャフトを回転可能に支持することができ、しかも衝撃荷重が発生することなく騒音が大きくならないクランクシャフト用ローラーベアリングを提供する。
【解決手段】シリンダブロック３とベアリングキャップ４とによって形成される軸受孔７に装着されてクランクシャフトのジャーナル部６を回転自在に支持するクランクシャフト用ローラーベアリング１であって、前記軸受孔７に隙間Ｓを隔てて嵌め込まれた外輪１０と、前記外輪１０の内周面１４に周方向に間隔を隔てて複数配設され前記ジャーナル部６に回転可能に接するローラー１６と、前記シリンダブロック３に形成され、前記隙間Ｓにオイルを供給して油膜ダンパーを形成するためのオイル通路３０とを備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、自動車エンジン等に用いるクランクシャフト用ローラーベアリングに関する。

通常、自動車用エンジンのクランクシャフトは、すべり軸受で支持されている（特許文献１，２）。

図７に示すように円筒状に形成されたすべり軸受７０は、シリンダブロック３とベアリングキャップ４とで形成される軸受孔７に取り付けられ、クランクシャフトのジャーナル部６を支持する。クランクシャフトは、複数のクランクピン７１がクランクアーム７２、バランスウェイト７３及びジャーナル部６を介して直列に連結され、一端部に出力用のフランジ（図示せず）を有し、他端部に補機やカムシャフト駆動用プーリ（図示せず）を取り付ける取付軸７４を有している。オイルポンプ（図示せず）からの潤滑油が、ジャーナル部６のオイル供給孔６０を介してジャーナル部６とすべり軸受７０との隙間に供給され、ジャーナル部６の回転に伴い、隙間にくさび油膜を形成することで油膜圧力を発生させてジャーナル部６を支持している。

すべり軸受７０は油膜がダンパーとなっているので、クランクシャフトのジャーナル部６がすべり軸受７０に激しく当たるのを吸収し、爆発圧力等に起因する衝撃荷重が抑制される。

特開２００１−２４１４４２号公報 特開２００４−２４５３８８号公報

ところですべり軸受７０は油膜がないと金属同士が接触して摺動抵抗が大きいものである。特にエンジンがスタートする瞬間は、油圧がかかっていないため油膜が生じておらず、金属同士が接触している状態であり、この状態でのエンジンスタートが度重なるとジャーナル部６やすべり軸受７０が磨耗することになる。また運転中もすべり軸受７０は潤滑油で浮いているが、潤滑油の粘性抵抗の発生は避けられない。ローラーベアリングであれば粘性抵抗は無視できスムーズに回転するので、エンジンスタート時も摺動抵抗がなく、エンジンを始動し易くスターターモータを小さくできるメリットがある。また前記したようにすべり軸受７０は、運転中も潤滑油で浮いているとはいえ、潤滑油の粘性抵抗が避けられないのに対し、ローラーベアリングは、その転がり摩擦係数が潤滑油の粘性抵抗より少ないので、すべり軸受７０に比べてフリクションが少なくなっている。

このため最近、クランクシャフトのフリクションを下げるため、すべり軸受７０に換えてローラーベアリングを採用するための研究が行われている。しかしながらローラーベアリングの場合は、すべり軸受７０のように油膜がダンパーとなるような干渉部材がないため、クランクシャフトのジャーナル部６がローラーベアリングの内輪に当たり、衝撃荷重が発生する。この衝撃荷重はローラーベアリングの内輪、ローラー、外輪を通してシリンダブロック３に伝わる。その結果としてローラーベアリングはすべり軸受７０に対し騒音が大幅に大きくなる。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、安価で簡単な構造で、フリクションが小さく、しかも衝撃荷重を抑制し騒音が大きくならないクランクシャフト用ローラーベアリングを提供することにある。

上記課題を解決するために本発明は、シリンダブロックとベアリングキャップとによって形成される軸受孔に装着されてクランクシャフトのジャーナル部を回転自在に支持するクランクシャフト用ローラーベアリングであって、前記軸受孔に隙間を隔てて嵌め込まれた外輪と、前記外輪の内周面に周方向に間隔を隔てて複数配設され前記ジャーナル部に回転可能に接するローラーと、前記シリンダブロックに形成され、前記隙間にオイルを供給して油膜ダンパーを形成するためのオイル通路とを備えたことを特徴とする。

また前記外輪の外周面又は前記軸受孔の内周面の上下に、周方向に沿って形成された凹部を設けるのが好ましい。

また前記外輪と前記シリンダブロック又はベアリングキャップとの間に、前記外輪が周方向に移動不能で且つピストンの往復動方向に移動可能となる固定ピンを介設するのが好ましい。

上記構成によれば、エンジンスタート時はローラーベアリングによる転がり摩擦でフリクションが小さく、運転中は、ローラーベアリングの外輪と軸受孔との間の隙間にオイルが供給されて油膜ダンパーが形成されるので、オイルによるダンピング効果によってエンジン回転時のクランクシャフトの激しい動きに対してクッション性を持たせ、衝撃荷重を吸収することができる。また、シリンダブロックとベアリングキャップにローラーベアリングを取り付けるための軸受孔をローラーベアリングの外輪より大径にして隙間を形成するだけでよいため、簡単な構造であり安価に製造できる。

本発明のクランクシャフト用ローラーベアリングによれば、安価で簡単な構造で、フリクションが小さく、しかも衝撃荷重を抑制しエンジンの騒音を小さくすることができる。

図１（Ａ）は、本発明の一実施形態に係るクランクシャフト用ローラーベアリングを軸受孔に設置した状態を示す断面図で、（Ｂ）はローラーのリテーナーの斜視図である。 図２（Ａ）は、図１のＡ―Ａ断面図で、（Ｂ）は外輪の一部を示す斜視図である。 図３は、本発明の別の実施形態に係るクランクシャフト用ローラーベアリングを軸受孔に設置した状態を示す断面図である。 図４（Ａ）は、図３のＢ―Ｂ断面図で、（Ｂ）は外輪に形成された凹部の一部分及び固定ピンを示す斜視図ある。 図５は、図１及び図２に示す実施形態での隙間とオイルの圧力との関係を示す説明図である。 図６は、図３及び図４に示す別の実施形態での隙間とオイルの圧力との関係を示す説明図である。 図７は、従来のクランクシャフト用すべり軸受を示す断面図である。

本発明の好適な実施形態を添付図面に基づいて説明する。

なお、図１〜図６の実施形態において、図７の従来例で示した部材と同等の機能を有する部材については同一の符号を付して説明する。

図１及び図２に第１の実施形態（以下、実施形態１という）を示す。シリンダブロック３とベアリングキャップ４とに半円形状の凹部を設け、この凹部同士をつき合わせてシリンダブロック３とベアリングキャップ４とをボルト５で結合して軸受孔７が形成されている。この軸受孔７に、クランクシャフトのジャーナル部６を回転自在に支持するローラーベアリング１が配置される。ローラーベアリング１は、外輪１０と、この外輪１０内で回転可能な多数のローラー１６と、これらローラー１６を回転可能に保持するリテーナー１７とからなる。

リテーナー１７は図１（Ｂ）に示すように、ローラー１６を嵌め込むための取付穴１７ａが形成された薄肉円筒状の支持体で、多数のローラー１６をジャーナル部６の周方向に所定の間隔を隔てて回転可能に保持するようになっている。ローラー１６は直径と長さが略等しいが、長さが直径よりも長くすると重荷重に耐えることができる。外輪１０の内周面１４には、これらローラー１６を回転可能に案内する軌道溝１５が周方向に形成されている。一方、これらローラー１６は、高周波焼入れ等で硬度が上げられたジャーナル部６の外周面に回転可能に接している。すなわち、ジャーナル部６と外輪１０との間にローラー１６が回転可能に介在されており、ジャーナル部６は、ローラー１６を介して外輪１０と相対的に回転可能になっている。なお、図１ではローラー１６は複列構成となっているが、単列構成でもよい。

軸受孔７の内径は、ローラーベアリング１の外輪１０の外径より大きく形成され、軸受孔７と外輪１０との間に環状の隙間Ｓが形成され、したがって外輪１０は隙間Ｓを隔てて軸受孔７に嵌め込まれている。なお、図１及び図２では、隙間Ｓを誇張して記載している。

外輪１０の外周面１１に上方へ突出するように固定ピン２が取り付けられ、固定ピン２の先端がシリンダブロック３に穿設された嵌合穴３１に嵌合するようになっている。固定ピン２は、外輪１０がシリンダブロック３に対して回転しないようにするための回転止めであると共に外輪１０がジャーナル部６の軸方向に移動しないための位置決め用であるが、固定ピン２と共に外輪１０がピストン（図示せず）の往復動方向（上下方向）に移動できるように嵌合穴３１の径は固定ピン２の外径より幾分大きく形成されている。なお固定ピン２をシリンダブロック３側に取り付けて、外輪１０に嵌合穴を形成してもよい。

シリンダブロック３にはオイル通路３０が形成されており、オイル通路３０の先端は前記した軸受孔７と外輪１０との間の環状の隙間Ｓに連通している。オイル通路３０の他端はクランクシャフトで駆動されるオイルポンプ（図示せず）に接続されている。したがって隙間Ｓには、オイル通路３０から一定量の潤滑油が供給されるようになっている。なお、供給された潤滑油は隙間Ｓの両端部からあふれて流れ出し、オイルパン（図示せず）へ戻るようになっている。

以上のように構成されたクランクシャフト用ローラーベアリング１の作用について説明する。

エンジン始動時にスターターモータ（図示せず）によりクランクシャフト（ジャーナル部６）が回転駆動される。ジャーナル部６が回転すると、ジャーナル部６に接する複数のローラー１６が外輪１０の軌道溝１５に沿って転動するので、このときの転がり摩擦だけで回転を円滑に支持することができる。このとき、まだオイルポンプ（図示せず）は立ち上がっていないため隙間Ｓに潤滑油が供給されておらず、隙間Ｓに油膜ダンパーが形成されていない。このためシリンダブロック３内のピストン（図示せず）の上下動により、ジャーナル部６も上下動してローラー１６を介して外輪１０が軸受孔７に衝突するが、始動時は爆発荷重が少ないので、衝撃が小さく騒音も小さく余り問題はない。

エンジン始動後は、オイルポンプ（図示せず）が駆動されることで、潤滑油がローラーベアリング１の外輪１０と軸受孔７との間の隙間Ｓに供給されて隙間Ｓ内が潤滑油で満たされる。このため潤滑油による油膜ダンパーが形成され、燃焼行程での爆発荷重を吸収するクッションとなる。すなわち、燃焼行程での爆発荷重による揺れを潤滑油の粘性を用いて抑制するダンピング効果を発揮できる。

運転中もオイルポンプが駆動されているので、潤滑油がオイル通路３０より隙間Ｓに供給され続け、隙間Ｓ内が潤滑油で充満される。このため、潤滑油によって形成された油膜ダンパーが、エンジンからの爆発圧を吸収し、ジャーナル部６、ローラー１６及び外輪１０に衝撃荷重を発生させることがない。

また、隙間Ｓ内に油膜ダンパーが形成されているが、固定ピン２により外輪１０がシリンダブロック３に対して回転することがないため、従来のすべり軸受７０のような油膜による粘性抵抗を無視することができ、ジャーナル部６の回転はローラーベアリング１の転がり摩擦であり、フリクションが小さく円滑に回転される。

次に、図３及び図４により別の実施形態（以下、実施形態２という）について説明する。なお実施形態２は、基本的に実施形態１と同じであるので相違点のみ説明する。

実施形態２は、軸受孔７に隙間Ｓを隔てて嵌め込まれる外輪１０の外周面１１に、周方向に沿って形成された凹部１２を上下にそれぞれに設けたものである。即ち、図４に示すように、下側の凹部１２は筒内圧荷重を受ける下側の角度θ（略９０°）の荷重範囲に亘って形成されており、上側の凹部１２はピストン等の慣性力を受ける上側の角度θ（略９０°）の荷重範囲に亘ってそれぞれ形成されている。上側の凹部１２には、オイル通路３０からの潤滑油がそのまま供給されるが、下側の凹部１２には、上側の凹部１２に供給された潤滑油があふれて外輪１０の外周面１１に沿って流れ落ちて供給される。あるいはオイル通路３０を分岐して潤滑油を積極的に下側の凹部１２に供給してもよい。

また凹部１２の幅（軸方向）は、外輪１０の幅の５０〜９０％程度である。凹部１２によって外輪１０の外周面１１には、図４（Ｂ）に示すように周方向壁部１２ａと軸方向壁部１２ｂとが形成される。

なお、図３及び図４では凹部１２を外輪１０の外周面１１に設けているが、軸受孔７の内周面に上下に設けてもよい。

実施形態２によれば、軸方向壁部１２ｂが隙間Ｓに対して段部となって絞りを形成することになり、隙間Ｓに供給された潤滑油が隙間Ｓから流出しにくくなり、隙間Ｓ内での潤滑油の圧力が高くなる。このため実施形態２は、前述した実施形態１に比べて外部からの衝撃による揺れを潤滑油の粘性を用いて抑制する、いわゆるオイルによるダンピング効果をより増すことができる。また周方向壁部１２ａが形成されていることで、凹部１２内の潤滑油が周方向（下方）へ流れ落ちることがない。

また実施形態１と同様に、外輪１０の外周面１１から上方へ突出するように凹部１２に固定ピン２が取り付けられ、固定ピン２の先端がシリンダブロック３に穿設された嵌合穴３１に嵌合するようになっている。同様に嵌合穴３１の径は固定ピン２の外径より幾分大きく形成されて、固定ピン２と共に外輪１０がピストンの往復動方向に移動できるようになっている。なお固定ピン２をシリンダブロック３側に取り付けて、外輪１０に嵌合穴を形成してもよい。

運転中はジャーナル部６が高速に回転することで、外輪１０が僅かながら回転しようとする。外輪１０が回転すると凹部１２も回転して筒内圧による荷重範囲及び慣性力を受ける荷重範囲を外れてしまい、凹部１２内の油膜ダンパーによるダンピング効果が適確に発揮できなくなってしまうが、固定ピン２がシリンダブロック３の嵌合穴３１に嵌合しているため、外輪１０がシリンダブロック３に対して回転することがなく、それぞれの荷重範囲に凹部１２を保持しておくことができる。

次に、図５及び図６に基づいて実施形態１及び実施形態２の隙間Ｓから潤滑油があふれて洩れる洩れ流量速度について説明する。

図５に示す実施形態１では、隙間Ｓに充満されている潤滑油の圧力をＰ１（パスカル）、大気圧をＰａ（パスカル）、軸受孔７の半径をＤ１（メートル）、外輪１０（外周面１１）の半径をＤ２（メートル）とすると、潤滑油が隙間Ｓの両側から洩れる洩れ流量速度Ｕ１は、次式で表される。
Ｕ１＝α／√（１−ｍ² α²）・√{２〔（Ｐ１−Ｐａ）／ρ〕}×２

ここでｍは開口比であるが、隙間Ｓには絞り要素がないので、ｍ＝１である。またαは縮流係数で、ρは潤滑油の密度（Ｋｇ／ｍ³）である。したがって洩れ流量速度Ｕ１は、
Ｕ１＝α／√（１−α²）・√{２〔（Ｐ１−Ｐａ）／ρ〕}×２
となる。

図６に示す実施形態２では、隙間Ｓに充満されている潤滑油の圧力をＰ２（パスカル）、軸方向壁部１２ｂにより隙間Ｓが絞られた箇所の潤滑油の圧力をＰ１（パスカル）、大気圧をＰａ（パスカル）、軸受孔７の半径をＤ１（メートル）、外輪１０（外周面１１）の半径をＤ２（メートル）、外輪１０の凹んだ周面の半径をＤ３（メートル）とすると、潤滑油が隙間Ｓの両側から洩れる洩れ流量速度Ｕ２は、次式で表される。
Ｕ２＝α／√（１−ｍ² α²）・√{２〔（Ｐ２−Ｐ１）／ρ〕}×２

ここで開口比ｍは、
ｍ＝（Ｄ１²―Ｄ２²）／（Ｄ１²―Ｄ３²）＜１なので、
α／√（１−ｍ² α²）α＜α／√（１−α²）となる。
またＰａは大気圧なので、
Ｐ２−Ｐ１＜Ｐ１−Ｐａ ∵Ｐａ≪Ｐ１＜Ｐ２
よって、Ｕ２＜Ｕ１となる。すなわち、実施形態２では実施形態１より潤滑油の洩れ流量速度が小さく漏れが少ないので、より長い時間油圧を高く保つことができることになり、より強い荷重にも耐えることが可能である。

本発明によれば、エンジン始動時は、ジャーナル部６がローラーベアリング１により小さいフリクションで滑らかに回転支持され、その後はオイルポンプが駆動されることで潤滑油がローラーベアリング１の外輪１０と軸受孔７との間の隙間Ｓに供給されて油膜ダンパーが形成され、燃焼行程での爆発荷重を吸収するクッション効果を有する。運転中においてもローラーベアリング１の外輪１０と軸受孔７との間の隙間Ｓに充満しているオイルによるダンピング効果で爆発圧等の衝撃荷重を吸収し、騒音を低減できるようになる。

また、固定ピン２により外輪１０がシリンダブロック３に対して回転することがないため、隙間Ｓ内に形成された油膜ダンパーの粘性抵抗を無視することができ、ジャーナル部６はローラーベアリング１の転がり摩擦によってフリクションが小さく円滑に回転される。

さらに、ローラーベアリング１を取り付ける軸受孔７をローラーベアリング１の外輪１０の径より大きく形成するだけでよいため、加工が容易で安価に製造することができる。

１ ローラーベアリング
２ 固定ピン
３ シリンダブロック
４ ベアリングキャップ
６ ジャーナル部
７ 軸受孔
１０ 外輪
１１ 外周面
１２ 凹部
１２ａ 周方向壁部
１２ｂ 軸方向壁部
１４ 内周面
１５ 軌道溝
１６ ローラー
１７ リテーナー
３０ オイル通路
３１ 嵌合穴
Ｓ 隙間

Claims (3)

1. シリンダブロックとベアリングキャップとによって形成される軸受孔に装着されてクランクシャフトのジャーナル部を回転自在に支持するクランクシャフト用ローラーベアリングであって、
   前記軸受孔に隙間を隔てて嵌め込まれた外輪と、
   前記外輪の内周面に周方向に間隔を隔てて複数配設され前記ジャーナル部に回転可能に接するローラーと、
   前記シリンダブロックに形成され、前記隙間にオイルを供給して油膜ダンパーを形成するためのオイル通路と、
   を備えたことを特徴とするクランクシャフト用ローラーベアリング。
2. 前記外輪の外周面又は前記軸受孔の内周面の上下に、周方向に沿って形成された凹部を設けた請求項１記載のクランクシャフト用ローラーベアリング。
3. 前記外輪と前記シリンダブロック又はベアリングキャップとの間に、前記外輪が周方向に移動不能で且つピストンの往復動方向に移動可能となる固定ピンを介設した請求項１又は請求項２記載のクランクシャフト用ローラーベアリング。

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