すべり軸受のトライボロジー
（エンジン軸受）

エンジンベアリング内の油膜圧力発生のメカニズムと負荷容量

一般のすべり軸受では、相対するすべり面の間に潤滑油を挟み、外力を受けながら相対運動をします。この時潤滑油は粘性流動を起こし、それに伴って潤滑油中に発生した粘性抵抗につり合う油膜圧力が発生します。

すべり軸受は、軸と軸受の間にわずかな隙間を設けて軸を回転させるので、隙間を満たした油が軸の回転につれて先細りの空間に引きずり込まれるときの「くさび膜圧力」と、軸が軸受のすべり面に接近して隙間が時間とともに狭くなる時の「絞り膜圧力」が発生します。これらが組合されて、すべり面に働く外力を支える力、すなわち、すべり軸受の「油膜圧力」を発生させることになります。この時の「くさび膜圧力」「絞り膜圧力」それぞれの圧力分布形態のモデルを下図に示しました。

実際のエンジンのクランクシャフトには複雑に変動する力が加わります。その変動する力につれてクランクシャフトの軸心は軸受内で絶えず移動するため、上図のような単純な圧力分布を示すことはありません。
このような理由からクランクシャフトの正確な作動解析をして、負荷容量を知る必要があります。

エンジンベアリングの潤滑

クランクシャフトとエンジンベアリング間に適切な給油状態が保たれているとき、停止から定常回転に移るまでのすべり運動と潤滑油の挙動は、次のような過程をたどります。

(1) 停止しているとき

運転中にシャフトとベアリングのすべり面に介在していた油は、長時間停止している間にシャフトの自重で押し出されています。このじょうたいではクランクシャフトとエンジンベアリングは個体接触をしています。

(2) 回転が始まったとき
「境界潤滑」「混合潤滑」

このとき同時に給油が始まりますが、接触面への油の到達が遅れたり、たとえ同時に油が届いたときでも給油圧だけではクランクシャフトを持ち上げるだけの力が無いため、金属相互の相対すべりが始まります。やがてシャフトの回転に伴って油のくさび膜圧力が働き、シャフトが浮き上がって接触面に油膜が作られていきます。このように、すべり面は「境界潤滑状態」から「混合潤滑状態」へと移っていきます。

相対すべりが始まるとき、特に境界潤滑状態ではすべり面の平滑さが欠けていると、微小な凹凸での固体接触が起こるため、一様な油膜が形成されにくくなります。また、接触面の表面あらさが粗いときに、この状態を長く続けると激しい摩耗や焼付きなどの損傷に至ることがあります。

(3) 定常回転になったとき
  「流体潤滑」

潤滑油のくさび膜圧力がさらに増加し、流体力学上からみて平衡状態を保ったとき、初めて安定した油膜が形成され、クランクシャフトはエンジンベアリングの表面を離れ、油膜を介しての相対すべり状態、すなわち「流体潤滑状態」での回転になります。

このように、安定した油膜を作って流体潤滑状態を確保することが、すべり軸受では必須の条件となります。このときの油膜の厚さは、クランクシャフトの負荷状態や油の粘度によって様々な値を取り、厳しい使用条件の下では、1マイクロメートル（1μm）以下の値になるため、接触面の表面あらさ・幾何交差には極めて高い精度が要求されます。

エンジンベアリングとその関連部位に求められる条件

エンジンの高性能化に伴い、エンジンベアリングの使用条件はますます厳しくなり、以下のことが重要となります。

1. エンジンの高速・高荷重による軸受温度の上昇、また、それに伴う潤滑油の酸化・劣化などに対する軸受および潤滑油の耐久性向上。
2. 軸受の負荷条件が厳しいときには、油膜厚さが1μm以下と非常に薄い状態で使われるため、軸受およびその周辺構成部品の高精度確保。

以上のようにエンジンベアリングは、周辺構成部品の精度や潤滑法に密接な関係があり。「すべり軸受」そのものを十分に理解して使用したときに、最高の性能が発揮されます。このような状況のもとで、弊社は社内・社外にわたって次のような努力をしております。

変動荷重の種類

4サイクルエンジンでは、クランクシャフトが2回転する間に、爆発荷重・回転慣性荷重・往復慣性荷重が発生し、これらの荷重が組み合わあされ複雑な変動荷重となって、メインベアリングとコンロッドベアリングに加わります。
その様子をコンロッドベアリングを例にとり、下図に示しました。

クランクシャフトの作動解析と軸受設計

エンジンベアリングにかかる負荷状態には大きな違いがみられ、作動解析による荷重極線図と軸心軌跡図には著しい変化が現れます。

荷重極線図は、軸受にかかる変動荷重の様相を示しています。ここから最大軸受面圧を求めることができるので、機械的強さを主眼にした軸受材料、特に軸受合金の選択を行うことができます。

軸心軌跡図は、変動する荷重につれてクランクシャフトの軸心が、軸受内を絶えず動き回る軌跡を示すので、最小油膜厚さや、その発生位置を読み取ることができます。

この作動解析で、油膜が薄くなり過ぎて焼付きなどが憂慮されるときには、軸受幅、油穴位置、カウンターウェイト、油温などの改善を行うことになります。

下図は、軸受内面展開上での油膜厚さの分布図及び油膜圧力の分布の例です。

作動解析の実用例・・・軸受にかかる荷重

直列4気筒2000ccのガソリンエンジンと、ディーゼルエンジンの軸受固定座標の荷重極線図の例を示しました。 軸受に作用する荷重の大きさと方向を示しています。

ガソリンエンジン

Aが低速運転、Bが高速運転の状態を示します。低速の領域では爆発力の影響が大きく、高速では慣性力の影響を強く受けていることが分かります。

A. 低速運転状態（1000 rpm）

B. 高速運転状態（5600 rpm）

ディーゼルエンジン

ガソリンエンジンに比べ、爆発力の影響をさらに大きく受けていることが分かります。

A. 低速運転状態（1000 rpm）

B. 高速運転状態（4000 rpm）

作動解析の実用例・・・軸受の油膜厚さ

直列4気筒2000ccのガソリンエンジンと、ディーゼルエンジンの1サイクルにおけるクランク軸心の軸心軌跡を軸受固定座標で示しています。軸受内での軸の動きを示しています。

ガソリンエンジン

Aが低速運転、Bが高速運転の状態を示します。軸受の中で軸がどう動くのかや、油膜厚さが分かります。代表として、コンロッドベアリングとメインベアリングと#3ジャーナルの例を示しています。

のところが最小油膜厚さの位置です。

A. 低速運転状態（1000 rpm）

B. 高速運転状態（5600 rpm）

ディーゼルエンジン

ガソリンエンジンに比べ、メインベアリング（#3）の軸心軌跡では、爆発力による軸心の急激な動きがみられます。

A. 低速運転状態（1000 rpm）

B. 高速運転状態（4000 rpm）

作動解析の応用例・・・クランクシャフトのバランス率が悪い事例

クランクシャフトのバランスが悪いときには、特に高速域でメインベアリングの特定な部位に非常に高い面圧がかかったり、さらには最小油膜厚さが極端に薄くなる事態を招くことがあります。
次に直列4気筒2000ccガソリンエンジンを例にとって、改善する手段の一例を紹介します。

メインベアリングの荷重極線図と最大面圧　6500rpm-1/2負荷

#3ベアリングの荷重が非常に高い

対応として軸受面圧の低減、あるいは最小油膜厚さを増加させるには、次のような事例があります。

(1) #3ジャーナルベアリング有効幅を拡大したときの比較（計算値）

#3メインベアリングの面圧と最小油膜厚さ　600rpm-1/2負荷　M/N#3

受圧面積を広げることによって、面圧低減、油膜厚さの増加を図ることができる

(2) クランクシャフトのバランス率を変化させたときの比較（計算値）

メインベアリングの荷重曲線図と最大面圧　6500rpm-1/2負荷

#3ベアリングの荷重とともに全体の荷重も小さくなっている
バランス率　57%改良

#3ベアリングの負荷低減比較

作動解析の応用例・・・クランクシャフトピン部の給油穴位置

コンロッドベアリングへの給油量を増やすため、クランクシャフトにあける油穴は、最適な位置を選ぶことが重要です。
給油穴の位置は油膜の厚いところ（油膜圧力の低いところ）に設定します。油膜の厚さや圧力の分布は軸固定の軸心軌跡図やエクステントマップから知ることができます。

(1) 軸心軌跡図・・・軸固定座標の軸心変化

低速から高速までのすべての運転状態において油膜の厚い範囲を、給油穴位置の推奨範囲とします。
下図はクランクピンが爆発上死点にあるときの給油圧位置の推奨範囲を表しています。

a.低速運転状態(1000rpm)

b.高速運転状態(6000rpm)

(2) エクステントマップ・・・油膜圧力分布

下図は、エンジン回転の1サイクル（2回転、720°）でのコンロッドベアリングの幅方向中央部での円周方向油膜圧力分布を示したエクステントマップです。
エクステントマップで油膜圧力の低いところを給油穴の軌跡が通過するようにクランクピンの給油穴位置を設定します。

下図は上記エクステントマップにおける、クランクシャフト回転角度270°のときのクランクピン給油穴位置と軸受角度との位置関係を表しています。

設計診断のための計算解析

軸受の使用条件の解析のために、以下のような解析ツールを開発しております。

計算解析ツール

計算される軸受特性要素

〇：計算予測可能　◎：より詳細に予測可能