CN103261712A

CN103261712A - 球窝接头

Info

Publication number: CN103261712A
Application number: CN2011800609387A
Authority: CN
Inventors: 小森健太郎
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2010-12-24
Filing date: 2011-12-05
Publication date: 2013-08-21
Also published as: JPWO2012086393A1; EP2657551A1; US20130272776A1; EP2657551A4; WO2012086393A1

Abstract

提供一种耐磨性、耐腐蚀性以及滑动特性的稳定性优异的球窝接头。本发明的球窝接头（1）具有：球头销（10），其具有球面部（11）；和树脂制座（20），其将所述球面部（11）保持成转动自如，其特征在于，在所述球面部（11）的表面设有硬度为6～39GPa的非晶质硬质碳膜。另外，关于本发明的球窝接头（1），所述非晶质硬质碳膜（DLC膜）（12）的均方根粗糙度在60nm以下是优选的，所述树脂制座（20）为聚缩醛、尼龙、聚酰胺、聚四氟乙烯、聚醚醚酮、弹性体或它们的纤维增强复合材料是优选的。

Description

球窝接头

技术领域

本发明涉及将具有球面部的球头销保持成转动自如的球窝接头。

背景技术

如图8所示，球窝接头801构成为具有：球头销810，其具有球面部811；和树脂制座820，其具有沿着该球面部811的形状（曲率）的曲面部821。在该结构的球窝接头801中，保持于树脂制座820的曲面部821的球面部811转动自如，从而能够使两个部件相接合的角度自由变化，非常有用，因此，广泛应用于机动车的底盘部件即悬架、臂、横拉杆、转向机构、连杆机构、稳定器等。

关于球窝接头，以机动车的运动性能、乘坐感觉性能、转向操纵感、安全性或耐久性的提高为目的，很早以来一直在研究、开发各种各样的技术。

例如，通常广泛进行下述这样的技术：通过对铁部件进行渗碳处理和氮化处理来形成Fe_2-3NC相。

近年，例如，如专利文献1、2所记载那样提出有改良润滑剂组成物的技术，或者如专利文献3、4所记载那样提出有关于座（壳）的材质或结构的技术，或者如专利文献5、6所记载那样提出有在防尘密封件和与该防尘密封件抵接的轴部件中的至少一方设置非晶质硬质碳膜（DLC膜）的技术等。

另外，如非专利文献1所记载那样，提出有在球头销的球面部设置Fe₃O₄氧化铁（磁铁矿）层的技术。

在先技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2003-20492号公报

专利文献2：日本特许第4199109号公报

专利文献3：日本特表2004-538431号公报

专利文献4：日本特表2005-535854号公报

专利文献5：日本特开2006-300204号公报

专利文献6：日本特开2005-83400号公报

非专利文献

非专利文献1:Thomas auf dem Brinke,Jurgen Crummenauer,Rainer Hans,WernerOppel,“Plasma-Assisted Surface Treatment（Nitriding,nitrocarburizing and oxidation ofsteel,cast iron and sintered materials）”,2006,p.39-40,[online].verlag moderne industrie,Sulzer Metco.[retrieved on2010-12-17].Retrieved from theInternet:URL:http://thinfilm.sulzermetco.com/pdf/nitriding_gb.pdf.

发明内容

发明要解决的课题

可是，在通常进行的形成Fe_2-3NC相的技术或如专利文献1～6那样不在球头销的球面部形成保护皮膜的技术的情况下，球窝接头所要求的耐磨性、耐腐蚀性和滑动动作（例如，转矩动作）的稳定性主要由润滑脂承担。润滑脂对使用的环境温度敏感，另外，其会从使用的机构***内流出或对长年老化缺乏耐用性，因此存在下述这样的问题：实际工作环境下的耐磨性、耐腐蚀性以及转矩动作的稳定性较低。

另外，在非专利文献1所记载的在球头销的球面部设置磁铁矿层的技术的情况下，虽然能够通过磁铁矿层获得良好的耐磨性、耐腐蚀性，但接头部分的滑动动作变得不稳定，从而存在容易发生因摩擦而反复停止或滑动的粘滑运动现象这样的问题。

本发明是鉴于上述问题而完成的，其课题在于提供一种耐磨性、耐腐蚀性以及滑动特性的稳定性优异的球窝接头。

用于解决问题的课题

为了解决所述课题，本发明的球窝接头具有：球头销，其具有球面部；和树脂制座，其将所述球面部保持成转动自如，其特征在于，在所述球面部的表面设有硬度为6～39GPa的非晶质硬质碳膜。

如果将非晶质硬质碳膜的硬度设定为这样的特定的范围，则非晶质硬质碳膜的硬度不会过高，因此，能够抑制滑动时的非晶质硬质碳膜对树脂制座的磨损攻击性（对象攻击性。），从而能够提高耐磨性。另外，由于非晶质硬质碳膜的硬度不会过低，因此，能够抑制因磨损导致非晶质硬质碳膜消失这一情况。另外，由于设有非晶质硬质碳膜，因此润滑性和耐腐蚀性优异。其结果是，能够形成非晶质硬质碳膜和树脂制座的耐磨性、耐腐蚀性以及滑动特性的稳定性优异的球窝接头。

在本发明中，所述非晶质硬质碳膜的均方根粗糙度在60nm以下是优选的。这样，非晶质硬质碳膜的表面的粗糙度不会过高，因此，能够更不容易损害非晶质硬质碳膜和树脂制座的耐磨性、耐腐蚀性以及润滑性。因此，能够获得更加稳定的滑动特性。

在本发明中，所述树脂制座为聚缩醛、尼龙、聚酰胺、聚四氟乙烯、聚醚醚酮、弹性体或它们的纤维增强复合材料是优选的。这样，树脂制座的这些弹力特性和冲击吸收性互相配合，能够更加可靠地获得稳定的滑动特性。

发明效果

根据本发明，由于将非晶质硬质碳膜的硬度设定在特定的范围，因此，能够提供耐磨性、耐腐蚀性以及滑动特性的稳定性优异的球窝接头。

附图说明

图1是对本发明的一个实施方式的球窝接头进行说明的局部剖视图。

图2是用于说明球对盘摩擦磨损试验的情况的说明图。

图3是示出表2所示的实施例1～8和比较例1～4的磨损比率的柱形图。该图中的纵轴表示磨损比率。

图4是对表2所示的实施例1～8和比较例1～4的硬度与磨损比率的关系进行图示的曲线图。该图中的横轴表示硬度［GPa］，纵轴表示磨损比率。

图5是对滑动动作（转矩动作）试验的情况进行说明的说明图。

图6是示出采用低粘度的通用润滑脂的滑动动作试验的结果的曲线图。该图中的横轴表示时间［秒］，纵轴表示转矩［Nm］。

图7是示出采用高粘度的通用润滑脂的滑动动作试验的结果的曲线图。该图中的横轴表示时间［秒］，纵轴表示转矩［Nm］。

图8是对现有的球窝接头进行说明的局部剖视图。

具体实施方式

本发明的主旨在于，通过在球头销的球面部设置特定的硬度的非晶质硬质碳膜，来使滑动时的滑动动作（转矩动作）平滑地稳定，使滑动特性稳定化。

以下，参照适当附图对用于实施本发明的球窝接头的形态详细地进行说明。

如图1所示，本发明的一个实施方式的球窝接头1具有：球头销10，其具有球面部11；和树脂制座20，其将该球面部11保持为转动自如。即，树脂制座20具有沿着球头销10的球面部11的形状（曲率）的曲面部21，该曲面部21和球头销10的球面部11以抵接的方式组合在一起。

在作为一个实施方式来说明的图1所示的球头销10的例子中，如所述那样组合起来的球头销10和树脂制座20设置成，球头销10的轴部件12从圆筒状的壳体30的一个开口部31突出。该开口部31具有向内侧弯折而形成的弯折部32。从壳体30的另一个开口部33***的球头销10和树脂制座20以下述方式被固定：树脂制座20在与该弯折部32的内侧抵接的位置停止，并利用塞子40将该另一个开口部33封闭。

壳体30固定于未图示的悬架、臂、横拉杆、转向机构、连杆机构、稳定器等机动车的底盘部件。因此，关于本实施方式的球窝接头1，通过树脂制座20的曲面部21和球头销10的球面部11滑动，该球窝接头1以固定于机动车的底盘部件的壳体30（树脂制座20）为基点转动自如地进行动作。

另外，在图1所示的例子中，在壳体30的外周面设有凸缘部35，以从该凸缘部35覆盖至球头销10的轴部件12的任意位置的方式设有防尘罩50。防尘罩50由橡胶或合成橡胶等弹性体形成，以免妨碍球头销10的动作，在防尘罩50的内侧填充有润滑脂60。在此，在所述的弯折部32整周地形成有曲面部34，该曲面部34具有隔着不与球面部11直接接触的程度的细微的间隙而与球面部11对应的曲面。因此，随着球头销10的转动，润滑脂60被从球面部11与曲面部34之间供给至球头销10的球面部11与树脂制座20的曲面部21之间，从而使它们的滑动更加顺畅地进行。并且，关于润滑脂60，只要是对球窝接头1来说通常使用的润滑脂，就能够任意使用，并不特别限定。

在该结构的球窝接头1中，在本发明中，在球头销10的球面部11的表面设有硬度为6～39GPa的非晶质硬质碳膜（以下，仅称作“DLC膜”。）13。

通过设置这样硬度的DLC膜13，能够抑制滑动时的DLC膜13对树脂制座20的磨损攻击性，同时能够抑制磨损所导致的DLC膜13的消失。即，作为球窝接头1的耐磨性优异，并且不会损害DLC膜13的润滑性和耐腐蚀性，因此能够使滑动特性优异。

如果DLC膜13的硬度不足6GPa，则DLC膜13的硬度过低，因此，DLC膜13会由于与树脂制座20的曲面部21滑动而磨损并消失。

另一方面，如果DLC膜13的硬度超过39GPa，则DLC膜13的硬度过高，因此磨损攻击性升高，从而导致作为配对件的树脂制座20的磨损量增大。

因此，将DLC膜13的硬度设定为6～39GPa。DLC膜13的硬度优选设定为9～29GPa，更加优选的是设定为9～21GPa。

DLC膜13的硬度与DLC膜13中的氢含量存在良好的相关性。即，如果DLC膜13中的氢含量较多，则存在DLC膜13的硬度变低的趋势，如果DLC膜13中的氢含量较少，则存在DLC膜13的硬度变高的趋势。在DLC膜13的硬度如所述那样为6～39GPa的范围的情况下，虽然根据原料、压力、成膜时间、偏压、等离子体强度等成膜条件会稍微不同，但只要使DLC膜13中的氢含量大约为17～43at％（原子％）即可。

作为DLC膜13的原料，能够列举出例如甲烷（CH₄）、乙炔（C₂H₂）、甲苯（C₇H₈）、苯（C₆H₆）、四甲基硅烷（Si（CH₃）₄；TMS）等碳化氢气体。另外，作为DLC膜13的成膜方法，能够恰当地使用应用了这些原料的等离子体CVD（Chemical VaporDeposition：化学气相沉积）。并且，DLC膜13只要具有所述的硬度，当然也能够以等离子体CVD以外的成膜方法进行成膜。能够根据所希望的硬度来适当地选择以什么样的方法和条件来设置DLC膜13。在DLC膜13中也可以含有Si（硅）、Ti（钛）、W（钨）、Cr（铬）等。当含有这些元素时，能够控制DLC膜13的硬度或杨氏弹性模量等机械特性或纳米级的表面结构，同时能够控制润滑脂60中含有的石蜡成分等添加成分的吸附性。

并且，关于DLC膜13的硬度或杨氏弹性模量，能够通过遵循ISO14577的纳米压痕法（纳米压痕仪）来测量，能够精度良好地计算出来。

另外，DLC膜13中的氢含量例如能够通过卢瑟福背散射分析法（RutherfordBackscattering Spectrometry；RBS）来测量。

DLC膜13的表面粗糙度以均方根粗糙度（Rq）表示优选设定为60nm以下。如果均方根粗糙度在60nm以下，则DLC膜13的表面的粗糙度不会过高，因此能够更加可靠地抑制DLC膜13对树脂制座20的磨损攻击性。因此，能够更加可靠地获得耐磨性优异的球窝接头1。

关于DLC膜13的均方根粗糙度（Rq），能够利用原子间力显微镜（AFM）来测量，并根据得到的结果遵循JIS B0601：2001计算出来。

DLC膜13的硬度、杨氏弹性模量、氢含量或表面粗糙度（均方根粗糙度）等膜物性能够通过使用的原料气体种类、或施加的偏压等装置条件、或成膜时间的组合来控制。例如，在使用CH₄、C₂H₂、C₆H₆、C₇H₈、TMS等作为原料气体的情况下，通过将压力设定为0.1～9.0Pa、将球面部11的偏压设定为400～2000V、将等离子体输出设定为20～200W、并将成膜时间设定为15～240min，能够在所述的范围内任意调整所述膜物性。

关于树脂制座20，能够恰当地采用由聚缩醛、尼龙、聚酰胺、聚四氟乙烯、聚醚醚酮、弹性体或者这些材料的纤维增强复合材料制作而成的树脂制座。如果是由从这些材料中选择出的材料制作成的树脂制座，则能够获得优异的弹力特性和冲击吸收性。并且，对于树脂制座20，只要能够起到本发明的所希望的效果，也能够使用由这以外的树脂或纤维增强复合材料制作成的树脂制座。

球头销10、壳体30、塞子40这样的构成部件优选为包括普通钢和特种钢的钢铁制件，但也可以是非铁金属制的部件或陶瓷制的部件等。

作为普通钢，能够列举出由日本工业标准（JIS）规定的一般结构用轧制钢材（SS材）、焊接结构用轧制钢材（SM材）、锅炉和压力容器用钢材（SB材）、高压气体容器用钢板和带钢（SG材）、热轧钢材和带钢（SPH材）、钢管用热轧碳素钢带钢（SPHT材）、机动车结构用热轧钢板和带钢（SAPH材）、冷轧钢板和带钢（SPC材）等。

另外，作为特殊钢，高碳铬轴承钢（SUJ2材）、铬钢（SCr材）、铬钼钢钢材（SCM材）、镍铬钼钢（SNCM）是优选的，但能够列举出机械结构用碳素钢（S-C材）、碳素工具钢钢材（SK材）、切削工具用合金工具钢钢材（SKS材），冷模用合金工具钢钢材（SKD材）、热模用合金工具钢钢材（SKT材）、高速工具钢钢材（SKH材）、碳铬轴承钢钢材（SUJ材）、弹簧钢钢材（SUP材）、不锈钢钢材（SUS材）、耐热钢钢材（SUH材）、恒温压力容器用碳素钢钢材（SLA材）、磁芯钢或磁铁钢、锻钢件（SF材）、铸钢件（SC材）、铸铁件（FC材）等。

作为非铁金属，能够列举出铝、镁、钛或者以从这些材料中选择的任意一种作为主要成分的合金。

作为铝或铝合金，能够列举出由JIS规定的纯Al（1000系）、Al-Cu、Al-Cu-Mg系合金（2000系）、Al-Mn、Al-Mn-Mg系合金（3000系）、Al-Si-Cu-Mg-Ni、Al-Si系合金（4000系）、Al-Mg系合金（5000系）、Al-Mg-Si系合金（6000系）、Al-Zn-Mg-Cu、Al-Zn-Mg系合金（7000系）、Al-Cu合金（AC1A）、Al-Cu-Mg合金（AC1B）、Al-Cu-Mg-Ni合金（AC5A）、Al-Si合金（AC3A、ADC1）、Al-Cu-Si合金（AC2A、AC2B）、Al-Si-Cu合金（AC4B、ADC10、ADC12）、Al-Si-Mg合金（AC4C、AC4CH、ADC3）Al-Si-Cu-Mg-Ni合金（AC8A、AC8B、AC8C、AC9A、AC9B、ADC14）、Al-Mg合金（AC7A、ADC5、ADC6）等。

作为镁或镁合金，能够列举出由JIS规定的1～7种。

作为钛或钛合金，能够列举出由JIS规定的1～4种。

关于球头销10、壳体30、塞子40，只要是根据用途从所述的材料中适当地选择来形成的部件即可。即，球头销10、壳体30、塞子40可以由从所述材料中选择的同一材料形成，另外，也可以由不同的材料形成。

实施例

接下来，对确认了本发明的效果的实施例进行说明。

首先，在由SUJ2材料构成的直径

6mm的球部件的表面根据表1所示的条件形成DLC膜，从而制作出了实施例1～8和比较例1～4。并且，在比较例1上没有形成DLC膜。表1中的C₂H₂表示乙炔，C₆H₆表示苯，C₇H₈表示甲苯，TMS表示四甲基硅烷。

[表1]

使用表1所示的实施例1～8和比较例1～4的球部件、和由聚缩醛制作成的圆形的盘部件，进行图2所示的球对盘摩擦磨损试验。

如图2所示，球对盘摩擦磨损试验在下述这样的条件下进行：在聚缩醛制的盘部件201的表面涂敷润滑脂，对6mm的球部件202施加的载荷：5N，滑动速度：1mm/秒，温度：25℃，5000周期。

试验结束后，分别观察盘部件201和球部件202的表面，并调查盘部件201的磨损比率和球部件202表面的DLC膜的状态。另外，由于测量了形成的DLC膜的氢含量［at％］、均方根粗糙度［nm］、杨氏弹性模量［GPa］以及硬度［GPa］，因此在表2中一并示出。并且，表2中的“―”表示，由于不存在作为测量对象的DLC膜，因此没有进行测量。

[表2]

表2所示的氢含量通过卢瑟福背散射分析法（Rutherford BackscatteringSpectrometry；RBS）测量。在RBS中，对试样照射氦（He）离子，特别是对于氢含量，根据对反冲并向前方散射的氢进行检测的结果来计算。

均方根粗糙度是使用原子间力显微镜（AFM）来测量一条边在20μm以上且在50μm以下的区域，并根据所得到的结果遵循JIS B0601：2001计算出的。

杨氏弹性模量和硬度是使用遵循ISO14577的纳米压痕仪测量出的。

关于磨损比率，通过表面粗糙度计来测量盘部件201（参照图2）的表面上的因球对盘摩擦磨损试验而形成的滑动伤的深度，将以比较例1的磨损量为1.00的情况下的比率表示为磨损比率。另外，以光学显微镜观察球部件202（参照图2）的表面，确认DLC膜是否因磨损而消失。

如表2和图3所示，在比较例3、4中，由于DLC膜的硬度过高，使得盘部件201的磨损量增大，磨损比率（即，磨损量）与比较例1相比为5倍以上。

参照表2和图4可知，以DLC膜的硬度40～50GPa（即，比较例3、4）为边界，磨损比率急剧增大。

在比较例2中，盘部件201的磨损比率是与比较例1相同的程度，比较良好，但由于DLC膜的硬度过低，因此，形成于球部件202的表面的DLC膜由于球对盘摩擦磨损试验而消失。

与此相对，实施例1～8的磨损比率都是良好。另外，也不存在由球对盘摩擦磨损试验所引起的球部件202表面的DLC膜的消失。

根据实施例1～8和比较例2～4的结果可知，需要将DLC膜的硬度设定为作为本发明的重要条件的6～39GPa。

另外，根据实施例4可知，只要DLC膜的均方根粗糙度在60nm程度以下，就能够可靠地获得良好的磨损比率。

接下来，使用根据实施例1～8的条件在球面部形成了DLC膜的球头销，进行了滑动动作（转矩动作）的测量。并且，在以下的说明中，将根据实施例1～8的条件在球面部形成了DLC膜的球头销称作实施例1～8。

首先，进行使用低粘度的通用润滑脂时的滑动动作的测量。在该测量中，根据表1的实施例1～8所示的条件在由SCM材料制作成的球头销的球面部形成DLC膜。在形成有DLC膜的球头销的球面部涂敷新日本石油株式会社制开式齿轮用复合脂（Cranoc Compound）FL作为低粘度的通用润滑脂，将聚缩醛制座抵接于所述球面部并组装到壳体内，从而制作成了滑动动作试验用的球窝接头。

并且，如图5所示，将制作成的滑动动作试验用的球窝接头501的壳体530夹在由该图中的虚线所示的板材570和由实线所示的板材580之间进行固定。并且，在由虚线所示的板材570设有使球头销501的轴部件512突出的孔部（未图示），使球头销501的轴部件512从该孔部突出。

将转矩扳手590安装至从板材570突出的轴部件512，使转矩扳手590旋转来测量转矩动作。并且，在该测量中，在25℃的环境温度下将转矩扳手590的转速设定为5度／秒并使其旋转25～30秒。

并且，为了进行比较，制作了在球面部（参照图8的标号811）设有厚度约2μm的磁铁矿层的比较例5的球头销，并且与所述实施例1～8相同地制作了球窝接头501。另外，与所述内容相同，使用两张板材570、580进行固定，并利用转矩扳手590以与前述内容相同的条件测量了转矩动作。

其结果如图6所示，在实施例1～8中，转矩动作始终稳定，与此相对，在比较例5中，转矩动作剧烈地忽上忽下，不稳定。

从实施例中选择DLC膜的硬度不同的实施例1、2、5、7、8，与使用低粘度的通用润滑脂的滑动动作试验相同，进行使用高粘度的通用润滑脂的滑动动作试验。其结果在图7中示出。并且，使用新日本石油株式会社制Lipa Knock Deluxe2作为高粘度的通用润滑脂。

如图7所示，DLC膜的硬度处于6～39GPa的范围的实施例1、2、5、7、8的转矩动作在滑动试验期间都始终稳定。

如以上说明那样可知，球窝接头具有球头销和树脂制座，所述球头销具有球面部，所述树脂制座将球面部保持成转动自如，在该球窝接头中，通过在球面部的表面设置硬度为6～39GPa的非晶质硬质碳膜，能够实现耐腐蚀性优异、磨损比率小、且滑动动作（转矩动作）的稳定性优异的球窝接头，即，耐磨性和滑动特性的稳定性优异的球窝接头。

另外，可知，如果非晶质硬质碳膜的均方根粗糙度在60nm以下，就能够更加可靠地实现所述的耐磨性、耐腐蚀性以及滑动特性的稳定性优异的球窝接头。

另外，在所述的实施例中使用了聚缩醛制的盘部件作为树脂制座，但强烈地暗示了下述内容：对于与聚缩醛制的部件同等的部件、即通常在相同的条件下使用的由尼龙、聚酰胺、聚四氟乙烯、聚醚醚酮、弹性体或者它们的纤维增强复合材料制作成的座，也可以起到大致相同的效果。

标号说明

1：球窝接头；

10：球头销；

11：球面部；

12：轴部件；

13：非晶质硬质碳膜（DLC膜）；

20：树脂制座；

21：曲面部；

30：壳体；

31：开口部；

32：弯折部；

33：开口部；

34：曲面部；

35：凸缘部；

40：塞子；

50：防尘罩；

60：润滑脂。

Claims

1.一种球窝接头，所述球窝接头具有：

球头销，其具有球面部；和

树脂制座，其将所述球面部保持成转动自如，

所述球窝接头的特征在于，

在所述球面部的表面设有硬度为6～39GPa的非晶质硬质碳膜。

2.根据权利要求1所述的球窝接头，其特征在于，

所述非晶质硬质碳膜的均方根粗糙度在60nm以下。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的球窝接头，其特征在于，

所述树脂制座为聚缩醛、尼龙、聚酰胺、聚四氟乙烯、聚醚醚酮、弹性体或它们的纤维增强复合材料。