CN109844292A

CN109844292A - 具有滑动接触表面的构件

Info

Publication number: CN109844292A
Application number: CN201680090072.7A
Authority: CN
Inventors: 金子大介; 佐藤政克
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2016-10-20
Filing date: 2016-10-20
Publication date: 2019-06-04
Anticipated expiration: 2036-10-20
Also published as: WO2018073849A1; CN109844292B; US20200049099A1; JPWO2018073849A1; US10760525B2; JP6717964B2

Abstract

为了提供一种具有滑动接触表面的构件，其中，所述滑动接触表面在与指定构件滑动接触时具有小摩擦，并且更均匀地保持润滑油。[解决方案]一种具有滑动接触表面的构件，所述滑动接触表面与指定构件滑动接触，润滑剂设在所述滑动接触表面和所述指定构件之间，其中，所述滑动接触表面是具有凹槽部和同高的平坦部的珩磨表面。当使用基于ISO 13565‑1获得的平均线计算并且用所述滑动接触表面的横截面曲线推导时，滑动接触表面的十点平均粗糙度为0.6μm至7.0μm，切割水平为20％时的负荷长度比为60％至98％，有效负荷粗糙度为0μm至1μm，并且具有从平均线起算的0.2μm或更大的深度的凹槽部的间隔的平均值为79μm至280μm。

Description

具有滑动接触表面的构件

技术领域

本发明涉及具有被配置为与指定构件滑动接触的滑动接触表面的构件，并且具体地，涉及内燃机的气缸体。

背景技术

在作为一种内燃机类型的往复式发动机中，活塞在设置在气缸体中的气缸孔内进行往复运动。在往复运动期间，活塞的外周表面与气缸孔的内周壁表面彼此滑动接触，由此在活塞的外周表面与气缸孔的内周壁表面之间产生摩擦力。摩擦力造成能量损失，因此，优选的是，使气缸孔的内周壁表面尽可能平坦，以抑制活塞与气缸孔之间的摩擦力。然而，如果使气缸孔的内周壁表面是平坦的，则润滑油不能被保持在活塞的外周表面和气缸孔的内周壁表面之间，这往往会引起由于活塞和气缸孔之间的摩擦热而导致的活塞与气缸孔之间的咬合。

因此，已知以下的一种气缸体，其中：气缸孔的内周壁表面形成有基本平坦的平稳表面和用于保持润滑油的凹槽部，以便在将润滑油保持在活塞的外周表面和气缸孔的内周壁表面之间的同时减小活塞与气缸孔之间的摩擦力(参见例如专利文献1)。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：JP4678802B

发明内容

本发明要实现的任务

然而，在根据现有技术的气缸体中，不一定获得预期的结果。本发明人的研究结果揭示了，没有充分考虑凹槽部应该具有何种形状以及应该以何种密度形成凹槽部以便获得最佳结果。

鉴于这些现有技术的问题和发明人的见解，本发明的目的是提供一种构件，该构件具有滑动接触表面使得滑动接触表面在与指定构件滑动接触时施加减小的摩擦力并且更均匀地保持润滑油。

实现任务的手段

为了实现以上目的，提供了一种具有滑动接触表面(40)的构件(2)，所述滑动接触表面(40)被配置为借助润滑剂与指定构件(4)滑动接触，其中，所述滑动接触表面是具有凹槽部和平坦的平稳部的珩磨表面，并且其中，如通过使用按照ISO13565-1从所述滑动接触表面的横截面曲线推导出的均值线针对所述滑动接触表面计算出的，十点平均粗糙度为0.6μm至7.0μm，切割水平为20％时的负荷长度比为60％至98％，有效负荷粗糙度为0μm至1μm，并且具有从所述均值线起算的0.2μm或更大的深度的所述凹槽部之间的间隔的均值为79μm至280μm。

根据这种布置，因为将具有从均值线起算的预定深度或更大深度的凹槽部之间的间隔的均值调节成在预定范围内，所以当滑动接触表面与指定构件滑动接触时的摩擦力减小，并且可以更均匀地保持润滑油。

在以上布置中，具有所述滑动接触表面的所述构件是用在内燃机(1)中的气缸体(2)，并且所述滑动接触表面是气缸孔(3)的内周壁表面。

根据这种布置，能够构成内燃机的气缸孔的内周壁表面，其中，当与活塞滑动接触时的摩擦力减小，并且可以更均匀地保持润滑油。

为了实现上述目的，提供了一种评估具有滑动接触表面的构件的方法，所述滑动接触表面设置有凹槽部和平坦的平稳部并且被配置为借助润滑剂与指定构件滑动接触，该方法被配置为评估咬合时间和由于具有所述滑动接触表面的所述构件与所述指定构件之间的摩擦导致的每单位时间的能量损耗，该方法包括：通过从所述滑动接触表面的横截面曲线(50)中去除凹槽部并且根据ISO 13565-1向横截面曲线应用指定滤波器来计算均值线(54)；并且评估所述滑动接触表面的预定区域中的具有大于或等于相对于均值线达预定阈值的深度的所述滑动接触表面的所述凹槽部之间的间隔的均值。

根据这种方法，通过获得具有与具有滑动接触表面的构件与指定构件之间的摩擦以及咬合时间充分相关的从均值线起算的深度的凹槽部的间隔并且评估预定区域中的间隔的均值，能够评估咬合时间和由于摩擦而导致的每单位时间的能量损耗。

优选地，预定阈值为0.2μm。

根据这种方法，能够获得与具有滑动接触表面的构件与指定构件之间的摩擦以及咬合时间充分相关的深度的凹槽部的间隔。

本发明的效果

根据以上布置，能够提供一种具有滑动接触表面使得滑动接触表面在与指定构件滑动接触时施加减小的摩擦力并且更均匀地保持润滑油的构件。

附图说明

图1是应用了根据本发明的具有滑动接触表面的构件的内燃机的示意图；

图2是根据本发明的滑动接触表面的放大视图；

图3是用于说明获得粗糙度曲线的方法的说明图；

图4是用于说明十点平均粗糙度的定义的说明图；

图5是用于说明负荷长度比的定义的说明图；

图6是用于说明有效负荷粗糙度的定义的说明图；

图7是用于说明凹槽部之间的间隔的定义的说明图；

图8是示出关于摩擦减小效果的相关系数和关于相对于阈值的咬合时间的相关系数的变化的示图；

图9是示出具有从均值线起算的0.2μm或更大深度的凹槽部之间的间隔、摩擦减小效果和咬合时间之间的关系的示图；以及

图10是根据实施方式的具有滑动接触表面的构件的粗糙度曲线。

具体实施方式

下面，将参照图1至图9描述将根据本发明的具有滑动接触表面的构件应用于内燃机的实施方式。

本发明的内燃机1由四冲程往复式发动机组成。如图1所示，在内燃机1中，气缸体2设置有气缸孔3，并且活塞4被可滑动地容纳在气缸孔3中。活塞4经由活塞销5连接到连杆6的上端，而连杆6的下端经由曲柄销7连接到曲轴8。

气缸盖15接合到气缸体2的上侧，气缸盖15设置有进气口13和排气口14，进气口13和排气口14分别在进气门11和排气门12的作用下打开和关闭。气缸盖15的内周壁表面、活塞4的上表面和气缸孔3联合地限定燃烧室16。

活塞4具有：顶部部分21，燃烧气体压力作用于该顶部部分上；一对边缘部分22，其从顶部部分21垂下；一对侧壁部分23，其将边缘部分22彼此连接；以及一对销毂部分24，其分别设置在侧壁部分23上。顶部部分21设置有被附接到该顶部部分的外周的三个活塞环25至27。要注意的是，上侧的两个活塞环25和26是具有端隙28的压缩环，而最靠近曲轴8的活塞环27是油环。

在膨胀冲程期间，当燃烧压力向下推动活塞4时，施加到活塞4的力被传递到连杆6，同时，活塞4从气缸孔3的内周壁表面(特别地，从气缸孔3的内周壁表面的推力侧部分)接收横向压力。结果，活塞4的推力侧边缘部分22与气缸孔3之间的间隙中的润滑油的油膜厚度变小并且引起边界润滑条件，使得在边缘部分22和气缸孔3之间发生摩擦。另外，活塞环25和26的外周表面滑动地接触气缸孔3的内周壁表面，因此，它们之间也发生摩擦。在本实施方式中，气缸孔3的与活塞4以及活塞环25和26的外周表面相对的内周壁表面作为与活塞4以及活塞环25和26的外周表面滑动接触的滑动接触表面40。即，形成有具有滑动接触表面40的气缸孔3的气缸体2作为具有滑动接触表面的构件。

如图2所示，作为滑动接触表面40的气缸孔3的内周壁表面形成有：多个基本平坦的平稳表面部分41，其被形成为具有基本相同高度；和凹槽部42，各自形成在平稳表面部分41中的邻接平稳表面部分41之间。凹槽部42用于保持润滑油，以防止气缸孔3发生咬合。

在气缸孔3的内周壁表面上的十二个位置处测量横截面曲线50，这十二个位置包括气缸孔3的三个竖直区域中的每个中在周缘方向上相互间隔开大约90度的四个位置，这三个竖直区域包括上止点处的与活塞4相对的区域、在上止点和下止点之间的中间位置处的与活塞4相对的区域以及在下止点处的与活塞4相对的区域。横截面曲线50用于评估表面的粗糙度并且表示从预定参考表面起算的高度的测量值的竖直分布。图3A示出了以这种方式获得的横截面曲线50的示例。此示例是从ISO 13565-1复制的。

将截止波长λC为0.8mm的高斯相位补偿滤波器应用于横截面曲线50，以获得参考滤波器均值线52。随后，通过去除横截面曲线50的在参考滤波器均值线52下方的部分，获得如图3B所示的去除了谷的横截面曲线53。将高斯相位补偿滤波器应用于去除了谷的横截面曲线53，由此获得图3C中示出的均值线54。图3D用同一曲线图示出横截面曲线50和均值线54。最后，通过从横截面曲线50中减去均值线54，获得如图3E所示的粗糙度曲线51。

首先，根据JIS B0601：2001，从粗糙度曲线51中获得十点平均粗糙度Rz。如图4所示，针对在竖直方向上设定在参考长度(0.8mm)内的粗糙度曲线51的一部分，获得十点平均粗糙度Rz作为第一最高突起部分55a至第五最高突起部分55b的高度的绝对值(从均值线54到相应投影部分的顶部的距离Y_p1至Y_p5)的平均值和第一最低凹进部分56a至第五最低凹进部分55b的深度的绝对值(从均值线54到相应凹进部分的底部的距离Y_v1至Y_v5)的平均值之和。即，可以用下面的等式(1)表示Rz：

优选地，进行配置，使得气缸孔3的内周壁表面的十点平均粗糙度Rz为0.6μm至7.0μm。如果Rz小于0.6μm，则凹进部分56变浅，因此不能充分保持润滑油。即，滑动接触表面40的润滑油保持能力变差。另一方面，如果Rz超过7.0μm，则滑动接触表面40的摩擦阻力变高。

接下来，为了评估平稳表面部分41与整体的比率，按照ISO 4287获得负荷长度比Rmr(20)。如图5所示，负荷长度比Rmr(20)是切割水平为20％时粗糙度曲线51的突起部分的切割长度(图5中的b1、b2、...bi、...bn)的总和与评估长度(4.0mm)的比率(单位：百分比)，其中，切割长度被给定为高度(单位：百分比)，其中，最高突起部分55a的高度对应于100％并且最低凹进部分56a的高度对应于0％。即，可以用下面的等式(2)表示负荷长度比Rmr(20)：

优选地，进行配置，使得切割水平为20％时滑动接触表面40的负荷长度比Rmr(20)在60％至98％的范围内。如果负荷粗糙度Rmr(20)小于60％，则滑动接触表面40的摩擦阻力变大。另一方面，如果负荷粗糙度Rmr(20)超过98％，则凹进部分56的数目变得过小。即，油槽的数目变少，因此滑动接触表面40的润滑油保持能力变差。

通常，负荷长度比Rmr被给定为切割水平的函数。下面，当切割水平为x％时Rmr的值被表示为Rmr(x)。例如，切割水平为0％时的负荷长度比被表示为Rmr(0)，其总是等于100％。

接下来，按照ISO 13565-2评估有效负荷粗糙度Rk，已知有效负荷粗糙度Rk是用于评估平稳结构表面的润滑性的参数。如图6所示，在最高突起部分55a的顶部的高度对应于100％并且最低凹进部分56a的底部的高度对应于0％的情况下，通过在纵轴上绘制与x％对应的粗糙度曲线51中的高度并且在横轴上绘制负荷长度比Rmr(x)来形成曲线图。此外，确定在横轴方向(负载长度比Rmr(x))上间隔开40％的两个点(点C和D)，使得这两点之间的高度h的梯度最小化。由此，通过连接点C和D，获得最小梯度线60。随后，获得最小梯度线60与极限线相交的交点A、B(负荷长度比Rmr(x)＝0并且Rmr(x)＝100)。通过计算纵轴方向上的交点之间的差值来获得有效负荷粗糙度Rk。

优选地，进行配置，使得气缸孔3的内周壁表面的有效负荷粗糙度Rk小于或等于1μm。如果有效负荷粗糙度Rk大于1μm，则滑动接触表面40的摩擦阻力变高。

如图7所示，凹槽部42被定义为深度大于或等于相对于均值线54(图3)达一定阈值的部分。凹槽部42之间的间隔的均值d被定义为评估长度的部分的各自从对应凹槽部42的起始延伸到下一个凹槽部42的起始的长度(图7中的c₁、c₂、...c_i、...c_n)的均值；即，凹槽部42的波长(空间周期)的均值。

优选地，进行配置，使得滑动接触表面40的凹槽部42之间的间隔的均值d为79μm至280μm。如果均值d小于79μm，则活塞4与气缸孔3之间的滑动阻力由于凹槽部42而增加。如果均值d大于280μm，则凹槽部42的间隔变得过大，使得变得难以均匀地保持润滑油。

如下地确定用于限定滑动接触表面40的凹槽部42的深度阈值D_th和凹槽部42之间的间隔的均值d的优选的值和范围。首先，准备一个具有一个气缸孔3并用作参考的气缸体2和九个各自具有一个气缸孔3并用作样本的气缸体2。气缸孔3被形成为使得凹槽部42的间隔和/或凹槽部42的深度对于各气缸孔而言是不同的。

接着，为了评估用作样本的每个气缸孔3(i＝1至9)的内周壁表面的粗糙度，测量每个气缸孔3的内周壁表面的横截面曲线50。对于所测得的每条横截面曲线50，去除凹槽部42并按照ISO 13565-1应用滤波器，以获得均值线54和粗糙度曲线51。随后，通过使用针对每个气缸孔3获得的粗糙度曲线51，获得十点平均粗糙度Rz、切割水平为20％时的负荷长度比Rmr(20)和有效负荷粗糙度Rk。另外，对于每条粗糙度曲线51，针对从0μm至0.5μm的以0.1μm为间隔的阈值D_th的每个值，获得评估长度中的与阈值D_th对应的凹槽部42之间的间隔的均值di(D_th)(i＝1至9)。

随后，使用具有用作参考的气缸孔3的气缸体2构成发动机1，并且在旋转速度为1500rmp并且油温为80摄氏度的条件下进行单缸熄火测试，以测量摩擦过程中每单位时间的能量损耗。此外，使用用作样本的每个气缸体2构成发动机1，并且进行类似的单缸熄火测试，以测量每个发动机1的由于摩擦导致的每单位时间的能量损耗。然后，从由于具有用作参考的气缸孔3的发动机1中的摩擦而导致的每单位时间的能量损耗中减去由于具有用作样本的气缸孔3的每个发动机1中测得的摩擦而导致的每单位时间的能量损耗，以获得每个发动机1的摩擦减小效果W_i(i＝1至9)。

另外，通过对多个样本的与阈值D_th的相应值对应的凹槽部42之间的间隔的均值di(D_th)求平均来获得d_av(D_th)。另外，通过对多个气缸孔的摩擦减小效果W_i求平均，获得W_av。通过使用这些值，根据以下等式获得凹槽部42的间隔与摩擦减小效果之间的相关系数ρ_w(D_th)：

另外，对于使用用作样本的气缸体2的每个发动机1，在频率为20Hz且油温为80摄氏度的条件下，使用单元试件进行抗咬合测试，以获得咬合时间T_i(秒)(i＝1至9)。咬合时间是在活塞4与气缸孔3之间发生咬合之前的时间。

通过对所获得的多个样本的咬合时间T_i求平均，获得平均值T_av。然后，通过使用与阈值D_th的每个值对应的T_av和d_av(D_th)，根据以下等式，获得凹槽部42的间隔与咬合时间之间的相关系数ρ_T(D_th)。

随后，为了确定阈值D_th的优选值，在横轴上绘制阈值D_th并且在纵轴上绘制ρ_w(D_th)和ρ_T(D_th)，以获得图8。优选的是，阈值D_th表现出与摩擦减小效果W和咬合时间T二者的强相关性。如图8所示，当D_th为0.2μm时，ρ_w(D_th)和ρ_T(D_th)二者都大，因此，确定0.2μm是阈值D_th的优选值。

然后，将针对每个气缸孔3获得的十点平均粗糙度Rz、切割水平为20％时的负荷长度比Rmr(20)、有效负荷粗糙度Rk、当阈值D_th为0.2μm时每个气缸孔3的凹槽部42之间的间隔的均值d、摩擦减小效果W和咬合时间T总结在表1中。另外，在横轴上绘制凹槽部42之间的间隔的均值d，并且在图9中的纵轴上绘制摩擦减小效果W(W)和咬合时间T(秒)。

表1

经判断，如果摩擦减小效果W为10W或更大，则由于摩擦而导致的能量损耗充分降低。另外，经判断，如果咬合时间T为260秒或更长，则判断可以避免气缸孔3与活塞4之间发生咬合。根据表1，表明当滑动接触表面40被形成为使得十点平均粗糙度Rz为0.6μm至7.0μm，切割水平为20％时的负荷长度比Rmr(20)为60％至98％，有效负荷粗糙度Rk为0μm至1μm，并且具有从均值线54起算的0.2μm或更大的深度的凹槽部42之间的间隔的均值d为79μm至280μm时，由于摩擦而导致的能量损耗得以抑制并且可以避免活塞4和气缸孔3之间发生咬合。

另外，参照图9，随着凹槽部42之间的间隔的均值d增大，咬合时间T缩短，而摩擦减小效果W增强。另一方面，随着凹槽部之间的间隔的均值d减小，咬合时间T延长，而摩擦减小效果W减弱。可以理解的是，当凹槽部42之间的间隔的均值d为79μm至280μm时，摩擦减小效果W为10W或更大并且咬合时间T为260秒或更长。

接下来，将描述对气缸孔3的内周壁表面进行的加工。气缸孔3的内周壁表面是通过两个珩磨阶段而形成的珩磨表面，这两个珩磨阶段包括使用至少两种珩磨石进行粗加工以及在粗加工之后执行的精加工。用于粗加工的珩磨石具有140-270目的金刚石磨粒，优选地包括具有通过包括铜、锡、铁、钴、镍、钨等的合金的金属结合而结合在一起的230目的金刚石颗粒的金属结合金刚石珩磨石。珩磨操作的次数是30至60次，优选地，40次。

精加工中使用的珩磨石具有1500至3500目的金属结合金刚石颗粒，并且优选地包括3000目的陶瓷结合珩磨石。珩磨操作的次数是20次至200次，优选地是150次。

测量已经经以上提到的粗加工和精加工处理的气缸孔3的内周壁表面的横截面曲线50，并且在图10中示出按照ISO 13565-1获得的粗糙度曲线71的重要部分。在图10中，用虚线示出与从均值线54起算的0.2μm深度对应的高度。粗糙度曲线71在高度方向上的分辨率为大致0.01μm，并且检测并评估深度比0.2μm深的凹槽部42(例如，图10中的71a)。均值线54的高度大致接***稳表面部分41，但是该高度根据凹槽部42而变化。

如使用粗糙度曲线71计算的，十点平均粗糙度Rz为2.0μm，切割水平为20％时的负荷长度比Rmr(20)的值为94％，具有从均值线54起算的2.0μm或更大深度的凹槽部42之间的间隔的均值d为276μm。

对具有已经过以上提到的粗加工和精加工处理的气缸孔3的发动机1进行单缸熄火测试，结果是，所测得的摩擦减小效果W为38W。这证实实现了足够的摩擦减小效果。此外，对发动机1进行抗咬合测试，结果是，所测得的咬合时间T为260秒或更长。这证实实现了足够的抗咬合性能。

另一方面，无法预测的是，具有与日本专利No.4678802的图6中示出的粗糙度曲线CV1对应的气缸孔3的发动机1能实现足够的摩擦减小效果W和足够长的咬合时间T。这是因为，在粗糙度曲线CV1中，高度方向上的分辨率为大致0.4μm，因此，高度方向上的分辨率不足，并且不能够准确地检测具有大约0.2μm深度的凹槽部42。另外，没有描述粗糙度曲线CV1是根据ISO 13565-1获得的粗糙度曲线，并且不清楚如何获得用于确定凹槽部42的均值线54。因此，在具有与粗糙度曲线CV1对应的气缸孔3的发动机1中，使用根据ISO 13565-1获得的均值线计算出的凹槽部之间的间隔的均值d不在79μm至280μm的范围内。

前文中已经描述了本发明的具体实施方式，但是本发明不限于该实施方式，并且可以按各种方式进行修改或改变。具有滑动接触表面的构件被描述为气缸体2，但是它可以是指定构件可以借助润滑油与其滑动接触的任何构件。

符号说明

1 内燃机

2 气缸体

3 气缸孔

4 活塞

40 滑动接触表面

Claims

1.一种具有滑动接触表面的构件，所述滑动接触表面被配置为借助润滑剂与指定构件滑动接触，

其中，所述滑动接触表面是具有凹槽部和平坦的平稳部的珩磨表面，并且

其中，如通过使用按照ISO 13565-1从所述滑动接触表面的横截面曲线推导出的均值线针对所述滑动接触表面计算出的，十点平均粗糙度为0.6μm至7.0μm，切割水平为20％时的负荷长度比为60％至98％，有效负荷粗糙度为0μm至1μm，并且具有从所述均值线起算的0.2μm或更大深度的所述凹槽部之间的间隔的均值为79μm至280μm。

2.根据权利要求1所述的具有滑动接触表面的构件，其中，具有所述滑动接触表面的所述构件是用在内燃机中的气缸体，并且所述滑动接触表面是气缸孔的内周壁表面。