私たちが当たり前と思っていることがいくつかあります。 たとえば、人間の心臓は平均的な生涯で10億回以上鼓動しますが、私たちの注意を引くのに必要な問題は1つだけです。 それで、それはエンジンの静かな主力、謙虚なメインベアリングであります。 それは何年にもわたって厳しい仕事をし、ほとんど気づかれることさえありません。
あなたが気付かないかもしれないことは、これらの小さな驚異がエンジン全体の中で最も科学的に進んだコンポーネントのいくつかであるということです。 それらを作るために必要な冶金学と精度は、クリーンルームと科学雑誌のものです。 それでも、重量はわずか数オンスで、それほど高価ではなく、5億回以上のエンジン回転に耐えます。 驚いたことに、今日使用されている合金は200年近く前に発明され、それ以来ほとんど変わっていません。
彼らが何をしているのか、彼らの歴史、構成、そして彼らが最善を尽くすために何が必要なのかを見てみましょう。
基礎
簡単に言えば、ベアリングは「特に回転部品とそのハウジングの間で摩擦に耐える機械の一部」です。 主軸受は、ピストンエンジンのエンジンブロックと回転クランクシャフト間のインターフェースです。 クランクには最小限の摩擦で自由に回転させることと、極端な力と熱の下でクランクをしっかりと固定することの2つの役割があります。
これらの2つの機能は目的を超えて機能するため、そこに課題があります。 これについては少し詳しく説明しますが、ベアリングは硬い金属（通常は鋼）でできており、クランクシャフトと接触している柔らかい合金が付いています。 特定のタイプのベアリングは、ジャーナル、プレーン、またはスライディングベアリングと呼ばれます。
メインベアリングは円形ですが、シェルと呼ばれる半分に分割されています。 シェルは、タブ、タング、または場合によってはピンで所定の位置に保持されます。 シェルはエンジンブロックのボアに収まり、ハウジングの円周よりわずかに大きくなっています。 それらはこの位置でわずかに押しつぶされ、それはそれを所定の位置に保ち、またより効率的に熱をハウジングに伝達するのに役立ちます。 それらはまた、潤滑を促進し、通常はハウジングを変形させる負荷を処理する能力を促進するために、これまでになくわずかに楕円形になっています。
下部シェルはエンジンブロックに収納され、上部シェルはメインベアリングキャップに収納されています。 クランクシャフトが取り付けられると、半円形の部品がエンジンブロックにボルトで固定されます。 これで、クランクシャフトを支えるハウジングが完成しました。 スプリットブロックを使用するボクサーエンジンなどの例外があるため、両方のシェルがエンジンブロックに収容されます。
最後に、メインベアリングは一定の潤滑のためにのみ耐えることができます。 エンジンオイルは高圧でクランクケースに送り込まれます。 これにより、クランクシャフトとメインベアリングの間にわずか数原子の厚さの一定の流体層が提供されます。 一部のメインベアリングには、ベアリングに直接オイルを送り込むための溝と通路があります。
クランクケースの内側には、他に2種類の補完ベアリングがあります。 コネクティングロッドベアリングは、メインベアリングの対応物です。 これらは、エンジンの燃焼によって生成された運動エネルギーがクランクシャフトに付着するポイントで摩擦を負います。 スラストベアリングはクランクシャフトの前後の「遊び」を制御し、正しい位置に保ちます。
メインベアリングの数は、エンジンの設計、具体的にはシリンダーの数と配置によって異なります。 たとえば、直列6気筒エンジンには7つのメインベアリングがありますが、V-8には5つしかない場合があります。
このすべての作業を行うために必要な精度の量は、誇張するのは難しいです。 機械加工と材料の公差はミクロン単位で測定され、正確なトルクとボルトの伸びが成功と失敗のすべての違いを生む可能性があります。 そのため、エンジンビルダーは大金を支払われます！
ベアリングの始まり
ベアリングの概念は、エジプトの古代世界とローマ帝国にまでさかのぼります。 しかし、ベアリングの最初の実用的な概念は、他ならぬレオナルド・ダ・ヴィンチによってスケッチされました。
すべり軸受の重要な開発は、マサチューセッツ州の金細工職人であるアイザックバビットがかじりに強い金属を発明した1839年に起こりました。 かじりは、2つの金属表面が互いに接触したときに、くっついたりこすったりしたときに発生します。 柔らかい、または減摩素材は、彼に敬意を表して「バビット」（小文字に注意）と呼ばれるようになりました。
オリジナルのバビットメタルは、銅、アンチモン、鉛、ヒ素、スズでできた柔らかい合金で、必要に応じてさまざまな程度で作られています。 次に、バビットはより硬い金属に結合され、鋼が事実上の業界標準になります。
バビット氏はまた、興味深い特性を理解しました。柔らかい素材が薄いほど、長持ちします。 これが事実である理由を理解するのに1世紀以上かかるでしょう（以下に明らかにされています）。
すべり軸受を作る技術は、完全にフィットするように、実際のクランクシャフトの周りのシェルに溶融バビット合金を注ぐことでした。 実際、この技術は1950年代まで使用されていましたが、大量生産には最適ではありませんでした。 一部のスペシャリストは、貴重なコレクターカーの独創性を維持するために、この技術を存続させています。
初期の車のほとんどはすべり軸受を採用していましたが、メインベアリングにボールベアリングを採用した奇妙なボールもいくつかありました。 最も注目すべきは、この記事で取り上げたプジョーL45です。
バビットの錬金術
バビットが2世紀近く前に発明した元の公式は、今日でも使用されているものの基礎となっています。 この合金の秘密は、金属マトリックス複合材料と呼ばれる、より柔らかい金属に非常に硬い金属結晶が浮遊していることです。
結晶は小さなダイヤモンドのように非常に硬く、柔らかい材料がすり減って結晶間に微細な空隙ができます。 これは、オイルまたはベアリングクリアランスと呼ばれます。 この「空間」は、オイルが存在する場所です。 ゴルフボールが空気の境界層を作成して空気中をさらに飛ぶのを助けるためのディンプルを持っているのと同様に、摩擦を最小限に抑えるための流体境界層を提供します。 バビットメタルは5/10,000インチの厚さまで薄くすることができ、バビットメタルが発見したように、少ないほど多くなります。
メインベアリングの一般的な構造には、鋼の裏当て、銅/鉛などのより柔らかい材料の中間層、ニッケルの境界層、そして最後にバビットメタルが含まれます。 これは「トライメタル」ベアリングと呼ばれますが、スチールとバビットメタルだけでそれほど要求の厳しいアプリケーションでは対応できません。
材料科学は時間とともに多くの進歩を遂げてきたため、特に高性能エンジンでは、より近代的な材料が採用されています。 これらは、特に許容誤差が非常に厳しいためにオイルの供給が損なわれる可能性がある場合に、摩擦をさらに低減するナノポリマーです。 いくつかの例は、グラファイト/モリブデン（または「モリブデン」）、シリコン、およびその他のエキゾチックな材料です。
知っておくべきこと
メインベアリングがどのように機能するかについての実用的な知識を持って、次に実用的な情報を見てみましょう。 トレードオフは、合金の「レシピ」によって制御されます。このレシピは、特定の特性を他の特性よりも優先するように調整され、エンジンのRPM範囲、動作温度、および 他の要因の中でも、ピークシリンダー負荷。
一流の生産者によって説明されているように、ベアリングの特性 キングベアリング、 以下の通り：
- 負荷容量 （疲労強度）は、ベアリングが疲労亀裂を発生させることなく耐えることができるサイクル応力の最大値です。
- 耐摩耗性 ベアリング材料がその寸法安定性（オイルクリアランス）を維持する能力です。
- 互換性 （耐焼付き性）は、ジャーナル材料との物理的結合に抵抗するベアリング材料の能力です。
- 適合性 ジャーナル、ハウジング、またはベアリング自体の欠陥に対応するベアリング材料の能力です。
- 埋め込み性 は、潤滑油内を循環する小さな異物を吸収する軸受材料の能力です。
- 耐食性 潤滑剤の化学的攻撃に抵抗するベアリング材料の能力です。
- キャビテーション耐性 は、流れる潤滑剤の圧力が急激に低下した結果として形成されるキャビテーション気泡の崩壊によって引き起こされる衝撃応力に耐えるベアリング材料の能力です。
ベアリングが適切に動作するためには、適切な潤滑を選択することが不可欠です。 レーシングエンジンのように、エンジンが狭いクリアランスで構築されている場合は、低粘度（つまり、より水っぽい）オイルが必要ですが、より大きなベアリングクリアランスが使用される場合は、より高い粘度のオイルが適用されます。 オイルがどのように循環するか（そしてどれだけ）、どれだけきれいになるか、そしてそれが冷却されるかどうかを知ることは、仕事に適したベアリングを選択するために重要です。
ベアリングは非常に厳しい公差で動作するため、適切な取り付けには高レベルの精度と専門知識が不可欠です。 それらは、5 / 10,000インチ単位で、標準、特大、および小さめの寸法で製造されています。 クラッシュの高さを正確に取得することも別の要因です。 きつすぎるとベアリングが座屈してオイルが不足し、少なすぎるとベアリングがチャタリングして過熱します。
幸いなことに、適切に取り付けられたベアリングは通常、他のほとんどのエンジンコンポーネントよりも長持ちし、エンジンの故障の原因になることはめったにありません。 それらを交換するには、エンジンを再構築する必要があります。
うまくいけば、あなたはこれらの小さな男たちが何をしているのか、そして彼らを作るために何が起こっているのかについてより良い理解を持っているでしょう。 静止部品であるため過小評価されていますが、自動車が遠い昔に開発された技術を駆使して本質的な機能を果たしています。
参考文献
- バビット（合金）、 クランクケース、 アイザックバビット、 メインベアリング、 と すべり軸受 ウィキペディアの記事。
- バブ、Mvs、A。ラマクリシュナ、 ジャーナルベアリング材料と現在の傾向のレビュー、American Journal of Materials Science and Technology、2015年1月。
- ベアリングタンズジェイの技術的なヒント、That Racing Channel、2014年9月8日。
- ボリグ、ランディ、 技術：エンジンに適切なベアリングを選択する、シェビーハードコア、2016年4月25日
- チャイルズ、ピーター、 ジャーナルベアリング、機械設計工学ハンドブック（第2版）、2019年。
- エンジンクランクシャフトベアリング、AA1Car
- エンジンベアリングを交換するまでのマイル数、マクナリー研究所、2022年2月25日
- メインベアリングクリアランスを確認および設定する方法、キングベアリング、2021年3月11日
- バビットベアリングを注ぐ方法、Belmont Metals、2019年4月3日。
- コペリオビッチ、ドミトリ、 エンジンベアリングとその仕組み、キングベアリング、2014年10月。
- クリダー、ロブ、 キャップイットオフ—メインキャップについて知っておくべき主なこと、Engine Labs、2020年1月23日。
- メインベアリングの取り付け、キングベアリング、2016年12月27日。
- 軸受に使用される材料、Matmatch.com。
- スコット、ロバート、 ジャーナルベアリングとその潤滑、機械潤滑、2005年7月。
- スミス、ジェフ、 エンジンベアリングのクイックガイド、On All Cylinders、2016年9月23日。
- エンジンベアリング（メインベアリング）、Tribonet、2019年8月14日。
- クランクシャフトにボールベアリングを使わないのはなぜですか？、Quora、2020。