内燃機関超基礎講座 | すべり軸受を転がり軸受に置換するとエンジンはどうなるか - MotorFan[モーターファン]

• 2020/08/25
• Motor Fan illustrated編集部

分割式のニードル軸受。従来すべり軸受構造をとっていたクランクジャーナル、およびカムジャーナル部に転がり軸受を用いることで低フリクション化を実現する。NTNによれば、すべり軸受に対して起動トルクは90%、回転トルクは50%低減できるという。エンジン側は従来構造と想定し、組み付けのための分割構造とした。

自動車用エンジン内部の回転軸部には、すべり軸受が用いられている。これらを低抵抗の転がり軸受にすると、エンジンの効率はさらに向上する。ベアリングのスペシャリスト・NTNの考える次世代について訊いてみた。
＊本記事は2013年に執筆したものです。現在とは異なる場合があります。

　エンジンは、多くの軸を有している。それらの軸を効率良く回したい。だったら、軸受部にボールベアリングやニードルベアリングといった、転がり軸受を備えればいいと思いつく。実際、エンジン補機類の軸受部には転がり軸受は不可欠だ。では、エンジン内部ではどうか。

　容易に想起できる部位としては、クランクシャフトのジャーナル部、コンロッドの大／小端部、カムシャフトのジャーナル部、カムロブの接触部、バランスシャフト。エンジン自体、というくくりで考えると、さほど多くない。そしてご存じのとおり、これらの多くはすべり軸受構造を用いているのである。

クランクジャーナルに用いる分割式ニードル軸受の外輪部には、クラッキング構造を採用。機械加工で真円とした外輪を割り、組み付けに対応させる方法だ。運転中は保持器／ころは始終回り続けていることから、外輪には高い真円度が求められる。

「すべり軸受を転がり軸受にすると、回転トルクと起動トルクを著しく下げることができます。そこで、クランクシャフトとコンロッドに転がり軸受を適用するとどれくらいの効果があるのか試算してみたところ、およそ3%という数字を得ました」

　そう語るのは、NTNパワートレーン技術部の阿部克史氏である。しかも彼らは実際のエンジンに転がり軸受を装着し、テストも行なっている。結果、1.5%の燃費向上を実現したという。前述の3%という数字との差異があるのは、試算では潤滑系統の高効率化も含めているため。すべり軸受は多量のオイルを要するのに対し、転がり軸受ならばオイルポンプを小容量低トルクにできるし、軸受部でのオイル引きずりも少なくできる。

「実機組み込みではさすがに潤滑系統の見直しまではできませんでした。しかし逆にそれだからこそ、純粋にすべり→転がり化の数字だけを得られたと思います」と、パワートレーン技術部・部長の中野賀泰氏は説明する。つまり、まだ取り代がある。

カムジャーナル用の分割式ニードル軸受は、保持器がC断面の樹脂で、分割構造ではない。軸部には、広げてはめる。ころのそれぞれが接触しないように配置することで、ころ同士の接触による効率低下を防いでいる。外輪はプレス構造で分割式。カムホルダーから脱落しないよう、位置決めのための突起を備えている。

　では、早くそれらを転がり軸受に転化すればいいではないかと思うが、眼前に立ちはだかるのは信頼性という厚い壁。すべり軸受は油膜が介在すれば半永久的に作動する。そして、何よりクランク・コンロッドまわりはエンジンの燃焼圧力を引き受ける部位だけに、高い荷重性能も求められる。形状が薄く寸法の制約が少ない、価格が安価というメリットも挙げられる。転がり軸受には低抵抗という美点の半面、寿命という問題がどうしてもつきまとうのだ。

　視点を変えてみれば、カムトレーンは効率の観点から直打からローラー式のロッカーアームへシフトしている。荷重が低いという違いはあるものの、メリットがデメリットを大きく上回ったからこその普及だろう。また、各社が急速に採用するアイドルストップにも、転がり軸受の恩恵は大きい。頻繁にエンジンの運転/停止を繰り返すほど、転がり軸受の効果はどんどん大きくなっていく。

バランスシャフトに転がり軸受を用いた例。すでに実際のエンジンに採用されている技術だ。写真の赤丸部に、左側はニードル軸受を、右側には玉軸受を備えている。ニードルとボールにはそれぞれメリットがあり、どちらを選ぶかはメーカーそれぞれの個性があるという。

　並行して、NTNはカムシャフトジャーナルの転がり軸受化を検討し、そしてバランスシャフトではすでに転がり化を実用化している。残念ながら後者は日本メーカーでの採用ではなかったが、採用実績は本格普及への大きな一歩といえるだろう。

チェーンガイドに転がり軸受を装備。多くの人が、これを見せられると「この手があったか！」と膝を打つという。ベースは従来品と同様に樹脂、これに転がり軸受を備える。低回転域ほど効果は大きく、1000回転でフリクションを最大50%、平均すると22%の低減が見込めるという。

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August 25, 2020 at 06:27AM
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