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Oct 30, 2023

エンジンベアリングの材質と選択

Una cosa che i costruttori di motori e anche i non costruttori di motori sanno è questo

エンジン製造者はもちろん、エンジン製造者でなくても知っていることの 1 つは、金属と金属の接触はよくないということです。 これは非常に悪いことなので、エンジン製造業者はそれを防ぐためにあらゆる努力をします。 ベアリングメーカーやコーティング会社も、高価なコンポーネントを破壊することなく製品が極度の酷使に耐えられるようにするために懸命に取り組んでいます。

ベアリング シェルは、クランクやロッドなど、相互作用する重要なコンポーネントを保護するように設計されていますが、そのパフォーマンスには人々が思っている以上のものがあります。

ベアリングの取り付けを生業とする一流のエンジン製造業者は、ベアリングを最大限に活用する方法についてある程度の知識を持っています。 あるビルダーは、中間ベアリングの推奨クリアランス設定に従っているが、後部のジャーナルのクリアランスをもう少し広げて、クランクが小刻みに動くときにクランクの端に引っかからないようにしていると述べています。

クランクシャフトはエンジン内で最も重い可動部品であるため、曲がったり曲がったりしないと思われるかもしれませんが、燃焼圧力とドライブトレインの要求により、特にレース用途では、クランクに継続的に限界までストレスがかかることになります。

ベアリングはクランクシャフトを支持する上で非常に重要な役割を果たし、エンジンの寿命にも影響するため、アプリケーションに適切なベアリングを選択することは、エンジン構築の性能と耐久性にとって非常に重要です。 エンジン製造者が最も望まないことは、ベアリングの疲労が発生することです。これにより、金属片が給油システムに混入する可能性があります。

ベアリングのメーカーは、クリアランスは常に懸念事項であり、ほとんどの用途では推奨クリアランス仕様を使用する必要があると述べています。 標準用途ではクリアランスは重要ですが、材料のニーズは軸受メーカーが用途を仕様化する際に考慮します。 ただし、何らかの方法でアップグレードして馬力を向上させようとしている場合は、標準的な乗用車のエンジンの場合、そのアプリケーションから得られたものと比較して、より堅牢な材料を使用する必要があるかもしれません。

より多くのパワーを引き出したい場合は、銅/鉛ベアリングが最も強力です。 ベアリングエンジニアは、特定のベアリングや材料の強度を評価するために馬力の数値ではなくベアリングの単位荷重を主に気にしていると述べていますが、ベアリングのニーズを決定するのは多かれ少なかれシリンダー圧力です。 当社のベアリング専門家によると、シリンダー圧力が 9,000 psi に達するのがアルミニウムの限界とみなされ、それを超える場合はトライメタルを検討する必要があります。

純正用途の場合、OEM はかなり前からアルミニウム バイメタル ベアリングに切り替えてきました。アルミニウム バイメタル ベアリングは製造コストが安く、一般的なトライメタル ベアリングよりも数千マイル長く使用できるためです。 現在、在庫生産エンジンは 200,000 マイル以上の耐久性が期待されているため、これらの用途にはアルミニウム ベアリングが最も合理的です。

しかし、性能面では、耐荷重能力と適合性の点で、依然としてトライメタルベアリングが王者です。 これらのベアリングは耐久性がありながら、クランクシャフトがねじれたときの油膜を管理できる必要があります。

アルミニウムベアリングは、クランクシャフトを磨き、ノードや破片を邪魔にならないように拭き取るか、洗い流すシリコン複合材の摩耗能力と硬度のおかげで、軽度の負荷の用途でははるかに長く使用できます。 ただし、銅/鉛のトリメタルベアリングとアルミニウムのバイメタルベアリングの摩耗率には大きな違いがあります。

ベアリングは綱渡りをする必要があります。なぜなら、一方では耐久性、耐荷重性、摩耗性のために硬い強度の材料が必要である一方、他方では調整がずれた場合の適合性のために柔らかい材料が必要だからです。 埋め込み性は滑り特性と同様にソフトな位相特性です。 したがって、ベアリングのスタイルを選択するときは、エンジンの用途を検討し、エンジンに必要なものが最も重要かを判断する必要があります。

トライメタルベアリングの銅/鉛層は、最大 12,000 psi 以上の耐荷重能力を提供し、800 馬力以上を発生するエンジンに最適です。 一方、銅には耐焼付き性がないため、トリメタルベアリングにもバビットの薄いオーバーレイが施されています。 この層は、87% の鉛、10% の錫、3% の銅の混合物です。 このオーバーレイは、潤滑性、耐焼き付き性、および埋め込み性を提供します。 バビット層の厚さは通常、わずか 0.001 インチから 0.0005 インチです。

高性能アプリケーションにはトリメタル ベアリングがよく選ばれますが、Babbitt オーバーレイは摩耗が早くなる傾向があります。 常に妥協が存在します。 バイメタルベアリングは永久に長持ちし、磨耗することはありませんが、銅/鉛ほど高い負荷には耐えられません。 アプリケーションにとってどの特性が最も重要かを決定しなければならないエンジン ビルダーにとって、これは常にバランスをとる作業です。

今日のエンジン設計では、新しい考え方と軸受材料が推進されています。 例えばハイブリッドモデルではアイドリングストップ動作が多くなります。 これにより、ベアリングメーカーが提供するものが変わりつつあります。 メーカーはアルミニウムよりも耐摩耗性の高い素材を重視しています。 メーカーは、金属と金属の接触の増加に対処するために、アルミニウムに硬質粒子をさらに追加したり（つまり、より多くのシリコン）、あるいはベアリングをコーティングしたりしています。

あるベアリングメーカーは、アルミニウムベアリングの主にポリマーコーティングがいくつかのプラスの効果を示しており、現在生産中であると述べています。 耐摩耗材をスプレーして塗布します。 このポリマーコーティングには、耐摩耗性のための硬質粒子など、他の多くの要素も含まれています。 エンジン製造業者は、摩耗油膜強度が問題となる可能性がある追加の保険として、これらのベアリングを使用できます。

エンジン設計が進化し続けるにつれ、「設計」と「製造」の重要性がますます高まっています。 これは主に、低粘度のモーターオイルを使用する際のエンジン効率の向上によってベアリング負荷が増加し、ベアリングの動作温度が上昇することが原因です。 その結果、一般的にジャーナルとベアリングの間の油膜の厚さが減少します。 最小油膜厚さは 0.0004 インチになるため、安定した油膜の生成を支援し、あらゆる動作条件下でシャフトとベアリングの分離を確保するには、形状 (設計) と製造精度が非常に重要です。

高品質のベアリングには、ある程度の位置ずれを補正し (適合性)、オイル内の硬い汚染物質から保護する (埋め込み性) という固有の特性がありますが、エンジン製造者は、クランクシャフトとハウジングの準備および全体の清浄度に細心の注意を払うことで、ベアリング システムの耐久性を確保できます。 。

バイメタルとトリメタルを大まかに比較する場合、注意を払う価値があります。 材料は幅広い機能のバランスをとる必要があるため、2 つの材料ファミリーの違いについては大まかに説明することしかできません。 再構築業者が、どのブランドのベアリングがさまざまな特性にわたってどのように機能するかを額面どおりに判断することはほぼ不可能です。 ベアリングの専門家は、信頼できる確立されたブランドのベアリングを信頼するのが最善であると述べています。 これにより、素材が最も厳格な耐久性基準に従って評価およびテストされていることを保証します。

ベアリングを取り付ける際には、清浄度が最も重要な問題となります。 ベアリングの早期損傷のほとんどは、ホーニング砥粒、ガラスビーズ、またはその他の破片が油路から除去されなかったり、最終組み立て前に部品が適切に洗浄されなかったりすることによって引き起こされます。 エンジンを再組み立てする前に、シリンダー ブロック、クランクシャフト、その他のエンジン部品を洗浄するには、熱い石鹸水と適切な毛ブラシを使用するのが最善の方法です。 リビルド後に残った破片はオイルシステムによって拾われ、ベアリングに到達することに注意してください。

クランクシャフトのたわみはレースやパフォーマンスの用途では一般的であり、ロッドハウジングのボアの歪みや純正エンジンと比較して油膜の厚さが薄くなる可能性があります。 より柔らかいバビット フェーシングにより、ベアリング面がクランクシャフトとともにわずかに「動く」ことができ、高負荷および高回転数の状況での焼き付きを回避できるため、パフォーマンスおよびレース エンジンの構築にはトライメタル ベアリングが好ましい選択肢となります。

ほとんどの用途におけるベアリングのクリアランスの一般的な規則は、シャフト直径 1 インチあたりのクリアランスが 0.00075 インチから 0.0010 インチの間です。 この場合、2.000 インチのシャフト直径には、0.0015 インチから 0.0020 インチのベアリング クリアランスが必要になります。 この公式を使用すると、ほとんどのストック アプリケーションで安全な開始点が得られます。 高性能エンジンの場合は、上記計算で求めた最大値に.0005˝を加算することを推奨します。 したがって、2.000 インチのシャフトの推奨クリアランスは 0.0025 インチになります。

偏心率も考慮する必要がある要因です。 これはベアリングの厚さであり、通常、中心は各パーティング ライン付近の領域よりも厚くなっています。 純正ベアリングの偏心量は .0002 ～ .0008 ですが、高性能ベアリングの場合は .0006 ～ .0012 です。 一部のレースベアリングはベアリングとクランクの間のオイルウェッジの形成を制御するために厚さを使用しますが、他のベアリングは高回転で油膜を維持するためにより大きな偏心を持ちます。 多くのレーシング クランクは、強度を向上させるためにジャーナルの側面のフィレット半径が大きくなっています。 これには、より大きな半径をクリアするために側面が面取りされたベアリングが必要です。

アプリケーションに適切なベアリングを選択する際には、考慮すべき変数が数多くあります。 私たちはベアリングの材料と選択の表面をなぞっただけです。 ベアリングのメーカーは、次の構築に適した部品を選択するために役立つヒントやガイドを多数提供しています。そのため、遠慮せずに希望のサプライヤーに連絡して支援やアドバイスを求めてください。