JPH1130224A - 内燃機関のクランクシャフト支持構造 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 高温雰囲気下での軸受の疲労寿命の向上、高
回転精度化、および内燃機関全体のコンパクト化を図
る。 【解決手段】 クランクシャフト４を支持する転がり軸
受１０につき、内輪１２および外輪１３の両方またはい
ずれか一方を次の構成とする。すなわち、内外輪１２，
１３は、鋼を素材とし、残留オーステナイト量が８パー
セント以下で、かつ硬度がＨＲＣ６０以上とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、クランクシャフ
トの支持用軸受を改良した内燃機関のクランクシャフト
支持構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】内燃機関におけるクランクシャフトの支
持用軸受は、極めて高い回転精度と長寿命化が求められ
ている。従来、これらにつき、高回転高精度化の対策と
しては、実機での嵌め合い後にラジアル隙間を可能な限
り小さな隙間とするか、負隙間とすることにより、回転
に伴う振動や異音を抑制する方策が採られている。ハウ
ジングがアルミ等の場合、広域温度上、一部が負隙間と
なる。長寿命化対策としては、厳しい作用荷重に対して
軸受の疲労寿命を向上させるため、一般的に、焼入れ，
焼戻し後の残留オーステナイト量を通常よりも多目にし
た軌道輪を使うようにしている。また、高荷重対策とし
ては、接触面の面圧を下げるために、転動体を大きくし
たり、軸受サイズを大きくすること等が行われている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、今日の
内燃機関は、高速回転化、高荷重化の方向にあり、さら
には環境問題も新たな課題となっていて、環境問題への
対応のために潤滑条件も厳しくなっている。その結果、
高速回転化と相まって高温雰囲気下での使用となる。こ
のように高温雰囲気下での使用となると、疲労寿命の向
上を狙って多くした残留オーステナイトが、マルテンサ
イト変態することに伴って生じる寸法変化が起き易くな
り、これが軸受寿命のばらつきの追加要因となってい
る。また、このように経年の寸法安定性が悪くなるた
め、実機での嵌め合い時の初期ラジアル隙間を小さくす
ることができず、回転精度を上げることが難しい。な
お、転動体を大きくし、軸受サイズを大きくすること
は、高荷重対策となり、長寿命化にもつながるが、内燃
機関のコンパクト化の妨げとなり、ケーシング等の設計
変更を伴うことになり、実施が困難である。

【０００４】この発明は、上記の課題を解消するもので
あり、高温雰囲気下でのクランクシャフト支持用軸受の
疲労寿命の向上、高回転高精度化、および内燃機関全体
のコンパクト化を図ることを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解消するた
めに、この発明の内燃機関のクランクシャフト支持構造
は、クランクシャフトを支持する転がり軸受の内輪およ
び外輪の両方またはいずれか一方を、鋼を素材とし、残
留オーステナイト量が８パーセント以下で、かつ硬度が
ＨＲＣ６０以上のものとしている。

【０００６】内外輪の残留オーステナイト量は、多くす
ると疲労寿命の向上に好ましいが、近年の内燃機関のよ
うな高温雰囲気下での使用では、経年の寸法安定性が低
下する。一方、製鋼技術の進歩により、素材となる鋼の
化学成分や、熱処理温度を適宜定めることにより、残留
オーステナイト量を８パーセント以下としても、疲労寿
命の確保に必要なＨＲＣ６０以上とすることが可能とな
っている。そこで、このように必要硬度が確保できる範
囲で残留オーステナイト量を抑え、高温雰囲気下での経
年の寸法安定性を確保することで、内燃機関の軸受とし
て、却って寿命の向上，安定化が得られることになる。
また、経年の寸法安定性が確保されることで、初期ラジ
アル隙間を小さくすることができ、回転精度を上げるこ
とが可能となる。さらに、このように疲労寿命が向上す
ることから、軸受の大型化が回避でき、内燃機関のコン
パクト化が図れる。

【０００７】上記残留オーステナイト量および硬度とし
た内輪または外輪は、窒化処理を施したものであっても
良い。このように窒化処理を施すことで、硬度が増し、
一層の疲労寿命の向上が図れる。

【０００８】

【発明の実施の形態】この発明の一実施形態を図１ない
し図３と共に説明する。この内燃機関は、２サイクルの
ガソリンエンジン、または二輪車用の４サイクルガソリ
ンエンジンからなり、シリンダ１内を往復動するピスト
ン２は、コネクティングロッド３を介してクランクシャ
フト４に連結されている。コネクティングロッド３のピ
ストン２およびクランクシャフト４への連結は、各々保
持器付き針状ころ５，６を介してピストンピン７および
クランクピン８により行われている。なお、針状ころ
５，６を設ける代わりに、メタル製の滑り軸受を介在さ
せ、あるいはピストンピン７およびクランクピン８をコ
ネクティングロッド３に直受けさせても良く、一般の４
サイクルガソリンエンジンやディーゼルエンジンの場合
に、このような滑り接触が採用される。クランクシャフ
ト４は、ケーシング９の軸受取付孔に嵌合させた一対の
軸受１０，１０で支持され、フライホイール１１が取付
けられている。

【０００９】このクランクシャフト用の軸受１０は、深
溝玉軸受からなり、内輪１２と外輪１３の間に、保持器
１４に保持された球形の転動体１５を介在させてある。
軌道輪である内輪１２および外輪１３は、鋼を素材と
し、残留オーステナイト量が８パーセント以下で、かつ
硬度がＨＲＣ６０以上のものとしてある。これら内外輪
１２，１３は、詳しくは例えば次の実施例で示す化学成
分を持つ素材および処理を採用したものである。この素
材および処理による軌道輪は、内輪１２だけとしても、
外輪１３だけとしても良い。また、さらにこれら内輪１
２および外輪１３に窒化処理を施しても良い。

【００１０】この実施形態の内燃機関のクランクシャフ
ト支持構造によると、近年の鋼の品質向上に伴って生じ
ている鋼の性質変化を利用し、クランクシャフト４の軸
受１０の内輪１２および外輪１３を、前記材質としたも
のであるため、後にベンチ試験結果を示すように、高温
雰囲気下においても、優れた耐久性が得られる。そのた
め、高温雰囲気下でのクランクシャフト支持用軸受の疲
労寿命の向上、高回転高精度化と共に、内燃機関全体の
コンパクト化を図ることができる。

【００１１】

【実施例】図１の内燃機関において、軸受１０の内輪１
２および外輪１３は、重量比にして炭素０．９５〜１．
１０％、けい素またはアルミニウム１〜２％、マンガン
１．１５％以下、クロム０．９０〜１．６０％、残部鉄
および不純物からなり、酸素含有量１３ppm 以下とした
鋼を素材とし、その素材によって形成された製品の焼入
れ後、１８０℃〜４００℃（好ましくは２３０℃〜３０
０℃、さらに好ましくは２５０℃〜２８０℃）の高温で
焼戻しを行って残留オーステナイトを８％以下とし、か
つ硬度をＨＲＣ６０以上としたものである。なお、製品
の厚みが厚肉の場合、上記素材にモリブデン（Ｍｏ）を
添加して焼入れ性を向上させるのが良い。このモリブデ
ン添加量は０．２５重量％以下とし、好ましくは０．１
０〜０．２５重量パーセントとする。

【００１２】なお、酸素含有量を１３ppm 以下としたの
は、非金属介在物の試験結果から、１３ppm 以下になれ
ば、破面上に大きな非金属介在物が殆ど観察されなくな
り、したがって残留オーステナイトの転動寿命に及ぼす
効果も削減することが考えられるからである。また、Ｓ
ｉおよびＡｌを１〜２重量％としたのは、１重量％以下
のＳｉの添加またはＡｌの添加では高温焼戻し時の硬度
が小さくなり、２重量％以上では、靱性の点で好ましく
なく、鍛造や切削、研削の加工性に問題が生じるからで
ある。さらに、高温焼戻し温度は、好ましくは２３０℃
〜３００℃、さらに好ましくは２５０℃〜２８０℃であ
るが、２３０℃焼戻し品における残留オーステナイト
は、試験片の実験結果で８％とされており、したがって
残留オーステナイト量は８％以下、好ましくは６％以下
とする。

【００１３】上記構成の内外輪１２，１３は、実験の結
果、標準軸受に比べて図２に示すように高温雰囲気にお
ける寸法安定性が高いことが確認された。同図は、１５
０℃を保持して長時間放置した場合の寸法変化率を示
す。比較例とした標準軸受は、日本工業規格（ＪＩＳ）
に定められた５種類の軸受鋼（ＳＵＪ１〜ＳＵＪ５）の
うち、ＳＵＪ２の軸受鋼を素材として形成した製品を焼
入れ後、標準焼戻し（１８０℃で焼戻し）したものであ
り、残留オーステナイトは１６％、硬さはＨＲＣ６１．
０〜６２．０である。ＳＵＪ２の軸受鋼の化学成分は、
Ｃ；０．９５〜１．１０、Ｓｉ；０．１５〜０．３５、
Ｍｎ；＜０．５０、Ｐ；０．０２５、Ｓ＜０．０２５、
Ｃｒ；１．３０〜１．２０である。

【００１４】つぎに、軸受疲労寿命の試験の結果につき
説明する。この試験は、軸受を内燃機関のクランクシャ
フトの支持に使用した場合の使用条件および負荷で、前
記実施例品および標準品の軸受につき行ったものであ
る。ただし、試験結果は、下記の供試品と同様な供試品
につき、下記の試験条件と同じ条件で行った試験結果を
解析して得た予測データである。 供試品 供試品となるクランクシャフト用の軸受の概略形状は、
図３に示すように、外輪の外径が６８φ、内輪の内径が
２８φ、幅が１８（単位はいずれもmm）の玉軸受であ
る。実施例品は、軸受の内外輪および転動体を、上記実
施例欄で説明した製法，材質で製造したものであり、高
度はＨＲＣ６４、６２、６０の３種類のものである。残
留オーステナイト量は、いずれも８％以下である。標準
品は、内外輪および転動体がいずれも軸受鋼（ＳＵＪ
２）からなり、硬度が６０．０、残留オーステナイト量
が８％を超え５％以下のものである。これら実施例品と
標準品の軸受定格荷重は、次の通りである。 実施例品 標準品 基本動定格荷重Ｃ 26.7 kN (2730kgf) 26.7 kN (2730kgf) 基本静定格荷重Ｃ₀ 14.0 kN (1430kgf) 14.0 kN (1430kgf)

【００１５】試験条件 内輪回転数 ： 7000 r/min 負荷サイクル ： 1250 cpm ラジアル荷重 ：500 〜1000kgf スラスト荷重 ： 0 kgf 軸受温度 ： 120 ℃ 組込み後隙間 ： 0 μm 狙い 潤滑 ： 滴下潤滑 使用オイル ： 純正エンジンオイル ただし、ラジアル荷重は、図４に示すように最小 500 k
gf、最大1000kgf となる正弦波状に与えた。

【００１６】試験結果 表１に試験結果を、図５にワイブルチャートを示す。表
１に示す負荷回数は、点接触データの負荷回数である。

【００１７】

【表１】

【００１８】同表およびチャートからわかるように、実
施例品は、標準品に対して１０％寿命（Ｌ₁₀）で約１．
１５倍ないし２．０倍である。ちなみに、５０％寿命
（Ｌ₅₀）では約２．２倍であった。破損状況は、いずれ
も内輪剥離であった。なお、上記試験軸受とは別に、長
寿命対策の施された所定の従来軸受を、同じ条件で試験
した結果では、寿命については実施例品と同じ程度であ
ったが、破損状況は、外輪剥離が生じたものと内輪剥離
が生じたものとがあった。

【００１９】上記の実施例品となる試供品は、いずれも
窒化処理を施していないものであるが、同じ試験条件
で、窒化処理を施した場合の試験結果として、表２に示
す結果が得られた。同表からわかるように、窒化処理を
施した実施例品の寿命は、標準品に対して１０％寿命
（Ｌ₁₀）で１．８３〜３．００倍であり、より一層の改
善が確認された。

【００２０】

【表２】

【００２１】

【発明の効果】この発明の内燃機関のクランクシャフト
支持構造は、クランクシャフトを支持する転がり軸受に
おける内輪および外輪の両方またはいずれか一方を、鋼
を素材とし、残留オーステナイト量が８パーセント以下
で、かつ硬度がＨＲＣ６０以上のものとしたため、次の
各効果が得られる。 内燃機関の高温仕様（例えば１２０〜２００℃）の運
転状況においても、クランクシャフト支持用の軸受の疲
労寿命が長い。 そのため、軸受の大型化を伴うことがなく、その大型
化に伴う内燃機関の大型化や、ケーシングの設計変更等
も不要で、低コストで供給できる。 高温仕様下でも軸受の寸法安定性が高いため、実機で
の嵌め合い時の初期ラジアル隙間を小さくすることが可
能で、高い回転精度を得ることができる。また、内輪の
クリープが防止できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施形態の断面図である。

【図２】その軸受と一般軸受の高温雰囲気下での寸法変
化率を示すグラフである。

【図３】供試品となる軸受の概略形状を示す断面図であ
る。

【図４】疲労試験の負荷サイクルを示すグラフである。

【図５】同疲労試験の試験結果を示すグラフである。

【符号の説明】

２：ピストン ３：コネクティングロッ
ド ４：クランクシャフト １０：軸受 １２：内輪 １３：外輪

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 クランクシャフトを転がり軸受で支持し
   た内燃機関のクランクシャフト支持構造において、前記
   転がり軸受における内輪および外輪の両方またはいずれ
   か一方が、鋼を素材とし、残留オーステナイト量が８パ
   ーセント以下で、かつ硬度がＨＲＣ６０以上のものであ
   ることを特徴とする内燃機関のクランクシャフト支持構
   造。
2. 【請求項２】 前記残留オーステナイト量および前記硬
   度の内輪または外輪が、窒化処理を施したものである請
   求項１記載の内燃機関のクランクシャフト支持構造。