JP2005320934A - 往復運動部材 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単かつ安価な構成でありながら、潤滑特性を初期から長期に亘って良好に維持することができる往復運動部材を提供する。
【課題解決手段】ピストンスカート部１０の所定範囲内に、固体潤滑被膜が存在する存在部分Ａ（凸状部分）と、固体潤滑被膜が存在しない非存在部分Ｂ（凹状部分）と、を含み、存在部分Ａ間に存在する非存在部分Ｂに潤滑油を保持させることができる所定のパターンからなる固体潤滑被膜を、印刷方法により形成する。これにより、非存在部分Ｂに潤滑油を良好に保持させることができるので、簡単かつ安価な構成でありながら、潤滑特性を初期から長期に亘って良好に維持することができる往復運動部材を提供できる。
【選択図】図２

Description

本発明は、内燃機関、エアコンプレッサ、プランジャなどの往復運動装置において他部品に対して摺動されるピストン等の往復運動部材に関する。

内燃機関などに用いられるピストンを往復運動部材の一例として説明すると、ピストンは、該ピストンの周囲に刻設されるピストンリング溝に保持されるピストンリングを介して円筒状のシリンダライナに嵌挿され、該ピストンがピストンピン、コネクティングロッドを介してクランクシャフトに連結されることによって、ピストンの往復運動とクランクシャフトの回転運動との間で運動変換が行なわれる。

なお、ピストンリングとシリンダライナ間、及びピストンピン廻りに揺動されるピストンのスカート部とシリンダライナ間には潤滑油が存在し、該潤滑油によって、各両者間の潤滑が良好に行なわれ、スカッフィング（溶着）や摩擦を抑制すると共にフリクションの低減などが図られる。

ここで、ピストンリングとシリンダライナ間の潤滑特性を改善することは勿論、シリンダ内の空気を圧縮する圧縮行程や燃焼行程などにおいては、ピストン上面側から圧力が作用する一方、クランク角度に応じてピストンに連結されるコネクティングロッドが往復運動方向におけるシリンダ中心軸に対して傾いているため、力の釣り合いより、ピストンをシリンダライナ内壁に向けて押圧する側圧が発生し、それによってピストンのスカート部がシリンダライナへ押し付けられて往復運動されるため、ピストンのスカート部とシリンダライナとの間の潤滑特性を改善して、ピストンのスカート部とシリンダライナとの間で発生するスカッフィング（溶着）を防止すると共に、摩耗を長期に亘って抑制すること、及びフリクションを低減することも重要である。

このため、従来においては、特許文献１のように、ピストンのスカート部に固体潤滑材を含有させたコーティングを施すなどしてピストンのスカート部とシリンダライナと間の潤滑特性の改善を図ったものがある。

しかしながら、特許文献１のように、ポリイミド樹脂をバインディングとして用いた場合には、初期なじみ性は高いものの耐摩耗性が低いため所定時間の運転後には摩耗が進行してピストン母材（アルミ合金）が露呈してしまうため、長期に亘って潤滑特性を高く維持することは難しかった。また、長期間放置後において、潤滑油がピストンのスカート部とシリンダライナ間から脱してしまうため、長期間放置後の始動時に、ピストンのスカート部とシリンダライナ間の潤滑が不十分になるといった問題の解決は、例え固体潤滑材がピストンのスカート部にコーティングされていたとしても難しかった。

このため、潤滑油の保持特性を改善するために、特許文献２のように、ピストンのスカート部の外周面に、該外周面の円周方向に延在する条痕を機械加工により形成し、その上に固体潤滑被膜を形成するようにしたものがある。また、スカート部の全面に固体潤滑被膜をコーティングした後、機械加工により切削して条痕を形成するようにしたものもある。

しかしながら、これらのものは、ピストンの製造が複雑化するため製造コストが増大するという問題がある。また、加工方法の制約などから、条痕の形状も限られたものとなり設計自由度が低いという問題もある。
特開昭５４−１６２０１４号公報 特開２００１−２７９４９５号公報

本発明は、上記従来の実情に鑑みなされたもので、簡単かつ安価な構成でありながら、潤滑特性を初期から長期に亘って良好に維持することができる往復運動部材（例えば、ピストン）を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するため、請求項１に記載の発明に係る往復運動部材は、
潤滑油の存在する環境下において往復運動する往復運動部材の往復運動摺動面の所定範囲に、固体潤滑材を塗布することで、凸状に存在する凸状部分と、凹状に存在する凹状部分と、を設け、前記凸状部分間に存する凹状部分に潤滑油を保持させるようにしたことを特徴とする。
前記固定潤滑材の塗布は、印刷方法により行なうことができる。

また、請求項３に記載の発明に係る往復運動部材のように、往復運動する往復運動部材の往復運動摺動面の所定範囲に、固体潤滑材を印刷方法により塗布することで、凸状に存在する凸状部分と、凹状に存在する凹状部分と、を設ける。
なお、前記印刷方法は、スクリーン印刷方法又はパッド印刷方法とすることができる。
また、前記凹状部分は、固体潤滑被膜を形成せず、固体潤滑被膜が存在しない非存在部分とすることができる。

ところで、往復運動部材が本体装置（往復運動部材がピストンの場合には、内燃機関）に配設されて実際に使用されるときに、少なくとも重力方向において、前記凸状部分と、前記凹状部分と、が交互に存するようなパターンで固体潤滑被膜が形成されることが好ましい。

本発明は、ピストンなどの往復運動部材の往復運動摺動面（ピストンのスカート部分など）の所定範囲に、固体潤滑材を塗布することで、凸状に存在する凸状部分と、凹状に存在する凹状部分と、を設け、前記凸状部分間に存する凹状部分に潤滑油を保持させるようにしたので、簡単かつ安価な構成でありながら、初期から長期に亘って潤滑特性を良好に維持することができ、以ってスカッフィングの抑制と、耐摩耗性の改善と、を共に高いレベルで両立させることができる。即ち、本発明によれば、簡単かつ安価な構成でありながら、潤滑特性を初期から長期に亘って良好に維持することができる往復運動部材を提供することができる。

以下、添付の図面を参照しつつ、本発明の一実施の形態について詳細に説明する。

本発明の一実施の形態に係る往復運動部材としてのピストン１は、図１及び図２に示すように、ピストン頂面２に、シリンダヘッドに配設されるバルブとの干渉を避けるためのバルブリセス３が設けられ、ピストン側面にはトップランド４、トップリング溝５、セカンドランド６、セカンドリング溝７、サードランド８、オイルリング溝９が設けられると共に、オイルリング溝９の下にピストンスカート部１０が設けられる。また、図示しないクランク軸に連結されるコネクティングロッド（図示せず）の小端部に回動自在に挿入保持されるピストンピン（図示せず）を挿入保持するためのピストンピン孔１２が、ピンボス部１１にクランク軸長手方向と略平行に開口されている。なお、ピストン１は、例えば、Ｓｉ系アルミニウム合金（ＡＣ８Ａなど）で形成されるが、他の材質であってもよい。

そして、本実施形態では、図１、図２に示すように、ピストンスカート部１０の斜線部分に、所定パターンの固体潤滑被膜を、例えば印刷法によって形成（塗布）する。より詳細には、固体潤滑被膜は、二硫化モリブデン、二硫化タングステン、グラファイト、ＰＴＦＥ、窒化ホウ素、クラスターダイヤモンド、シリコンなどの潤滑成分を単体又は複合して各種樹脂に溶剤又は水を用いて分散させた塗料又はインク状の物質からなり、本実施形態では、該固体潤滑被膜を、シルク印刷法、パッド印刷法などの印刷法でピストンスカート部１０の必要部位に塗布することで形成する。

なお、シルク印刷は、例えばシルク（絹）などの編み目状になった版（スクリーン）を用い、その上に前記塗料又はインク状の物質をのせて、スクリーンの編み目から前記塗料又はインク状の物質を通過させることによって塗布する印刷方法である。また、パッド印刷は、所定の形状に彫り込んだ版下に前記塗料又はインク状の物質インクを流し込み、それをパッドに写し取り、さらにこのパッドを成形品表面（ここではピストンスカート部１０）に押し付けることで前記塗料又はインク状の物質を成形品に転写する印刷方法である。

ここで、形成する固体潤滑被膜の所定パターンの具体例としては、図３（Ａ）〜（Ｃ）、図４（Ａ）〜（Ｃ）に示すように、要求する潤滑特性に応じて種々のパターンを採用することができる。

なお、本実施形態では、ピストンスカート部１０の所定範囲内に、固体潤滑被膜が存在する存在部分Ａ（数μｍから１０数μｍ程度の被膜厚さ分だけ凸状となる部分。幅方向の寸法は、例えば０．１〜１ｍｍ程度）と、固体潤滑被膜が存在しない非存在部分Ｂ（数μｍから１０数μｍ程度の存在部分Ａの被膜厚さ分だけ凹状となる部分。幅方向の寸法は、例えば存在部分Ａの幅方向の寸法の３〜５倍程度）と、を含み、存在部分Ａ間に存在する非存在部分Ｂに潤滑油を保持させることができる所定のパターンからなる固体潤滑被膜を、印刷方法により形成するようにしたので、これにより、以下のような作用効果を奏することができる。

即ち、
（１）固体潤滑被膜が存在する存在部分Ａによって、ピストンスカート部１０と図示しないシリンダライナ間の潤滑特性を良好なものとして、ピストンスカート部１０とシリンダライナ間のなじみを良くして、スカッフィングの発生を効果的に抑制すると共に、固体潤滑被膜が存在しない非存在部分Ｂにより潤滑油を比較的多量に保持し、該多量に保持される潤滑油を存在部分Ａに効果的に供給して耐摩耗性を向上させると共にフリクションを低減することができる。

また、存在部分Ａで発生した微少スカッフを非存在部分Ｂで寸断することができるので、スカッフィングが拡大することを効果的に抑制できるという面もある。

そして、存在部分Ａと非存在部分Ｂとを混在させたことから、ピストンスカート部１０とシリンダライナ間の接触面積が実質的に小さくなるため、存在部分Ａとシリンダライナ間において発生する油圧（面圧）を実質的に高めることができるため、存在部分Ａとシリンダライナとが直接接触する惧れを従来に比べて抑制することができる。このため、耐スカッフィング特性、耐摩耗性を向上させることができる。

（２）更に、非存在部分Ｂに潤滑油が保持されるので、ピストンスカート部１０とシリンダライナ間に潤滑油を良好に保持しておくことができるので、潤滑油の保持性は高いが耐摩耗性が低い固体潤滑被膜（例えば、二硫化モリブデンやグラファイトなど）に代えて、潤滑油の保持性は劣るが耐摩耗性に優れる固定潤滑被膜（例えば、ＰＴＦＥなど）を用いても、例えば長期間放置後の始動時におけるピストンスカート部１０とシリンダライナ間の潤滑油不足に起因するピストンスカート部１０とシリンダライナ間のスカッフィングの発生を効果的に抑制することができる。従って、潤滑油の保持性は劣るが耐摩耗性に優れる固体潤滑被膜を採用することができ、以って摩耗を長期に亘って抑制すること、及びフリクションを長期に亘って低く維持することが可能となる。

言い換えれば、耐摩耗性を犠牲にして潤滑油の保持特性を高めるように固体潤滑被膜を形成する各種材料の選択や配合を決める必要があったが、固体潤滑被膜が存在する存在部分Ａ（凸状部分）と、固体潤滑被膜が存在しない非存在部分Ｂ（凹状部分）と、を少なくとも往復運動方向において交互に存在させることで、トレードオフな関係にある潤滑油の保持特性と耐摩耗性とを共に高いレベルで両立させることが可能となり、以って固体潤滑被膜を形成する材料の採用自由度、配合自由度を格段に向上させることができる。

（３）本実施形態では、印刷方法を用いて固体潤滑被膜を形成するようにしたので、簡単かつ安価な方法で、所望のパターンの固体潤滑被膜を形成することができる。

また、機械加工（切削加工など）で条痕を形成する場合に比べ、比較的大きな切削力やクランプ力がピストンに対して作用することがないので、精密形状に形成されているピストンプロフィールへの悪影響も抑制することができる。更に、本実施形態によれば、所定パターンの固体潤滑被膜を一括処理で形成できるから、製造時間も短くて済むというメリットがある。

そして、機械加工（切削加工など）終了後や表面処理（錫メッキなど）後の完成品に対して後加工で固体潤滑被膜を形成できるため、ピストンの製造工程の大きな変更が必要ないと共に、例えば業者に該被膜形成処理を委託することなども可能とすることができるというメリットもある。

また、後加工で固体潤滑被膜を形成すれば良いので、機械加工やメッキなどの表面処理加工が共通するピストンに関して、固体潤滑被膜の形成が要求されないピストン（使用環境が厳しくない仕様）と、固体潤滑被膜の形成が必要なピストン（使用環境が厳しい仕様）と、を、同じピストン製造ラインを利用して製造できるというメリットもある。

このような印刷方法によって固体潤滑被膜をピストンスカート部に凹凸状に形成することによる作用効果は、潤滑油を摺動面に介在させないタイプの往復運動部材（固体潤滑材のみで潤滑特性を確保するもの）に対しても同様に奏せられるものである。

なお、本実施形態では、印刷方法により固体潤滑被膜をピストンスカート部に凹凸形状に形成することとして説明したが、これに限定されるものではなく、例えばマスキングなどを利用したスプレーなどによる塗布方法あるいは、塗布ノズル等を用いてスカート部に直接固体潤滑被膜材を塗布して所定パターンに形成することも可能である。

上記実施形態では、凹状部分に固体潤滑被膜を形成しない構成として説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、凸状部分間に形成される凹状部分に潤滑油を保持することが可能であれば、凸状部分より厚みの薄い固体潤滑被膜を凹状部分に形成しても良いことは勿論である。

以上説明したように、本実施形態によれば、ピストンなどの往復運動部材の往復運動摺動面の所定範囲に、凸状部分Ａと、凹状部分Ｂと、を含み、凸状部分Ａ間に存在する凹状部分Ｂに潤滑油を保持させることができる所定のパターンからなる固体潤滑被膜を印刷方法により形成するようにしたので、簡単かつ安価な構成でありながら、潤滑特性を初期から長期に亘って良好に維持することができ、以ってスカッフィングの抑制と、耐摩耗性の改善と、を共に高いレベルで両立できる往復運動部材を提供することが可能となる。即ち、本実施形態によれば、簡単かつ安価な構成でありながら、潤滑特性を初期から長期に亘って良好に維持することができる往復運動部材を提供することができる。

なお、図３（Ａ）〜（Ｃ）、図４（Ａ）〜（Ｃ）において固体潤滑被膜の所定パターンを例示したが、これに限定されるものではなく、要求される特性に応じて適宜変更できることは勿論である。

ところで、本実施形態では、往復運動部材として内燃機関などに用いられピストンを例にして説明したが、例えばエアコンプレッサーなどに用いられるピストンにも本発明は適用できるものである。

更に、流体の通路切換え等を行なうためのプランジャバルブの往復運動部材（プランジャ）の摺動面にも、本発明を適用できるものである。

また、液体を送出するためのプランジャ（例えば燃料ポンプなどの往復運動部材）の摺動面にも、本発明を適用できるものである。なお、この場合において、送出される燃料がプランジャとシリンダ間の潤滑油として機能することは一般的に知られている事項である。

ここで、往復運動部材の往復運動方向と、往復運動部材が実際に使用される際の重力方向とが一致する場合には、固定潤滑被膜の所定パターンは、少なくとも往復運動方向（重力方向）において、固体潤滑被膜の存在する存在部分Ａ（凸状部分）と、非存在部分Ｂ（凹状部分）と、が交互に存在するパターンとなる。また、往復運動部材の往復運動方向と、往復運動部材が実際に使用される際の重力方向とが一致しない場合には、少なくとも往復運動方向及び重力方向において、固体潤滑被膜の存在する存在部分Ａと、非存在部分Ｂと、が交互に存在するようなパターンとすることが好ましい。

本発明の一実施の形態に係る往復運動部材としてのピストンの外観を示す斜視図である。 同上ピストンを図１のＸ方向から見た図である。 （Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は、それぞれピストンスカート部（往復運動部材の摺動面）に形成された固体潤滑被膜のパターンの一例を示す図である。 （Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は、それぞれピストンスカート部（往復運動部材の摺動面）に形成された固体潤滑被膜のパターンの一例を示す図である。

符号の説明

１ ピストン（往復運動部材に相当）
１０ ピストンスカート部（摺動面に相当）
Ａ 固体潤滑被膜の存在部分（凸状部分）
Ｂ 固体潤滑被膜の非存在部分（凹状部分）

Claims (7)

1. 潤滑油の存在する環境下において往復運動する往復運動部材の往復運動摺動面の所定範囲に、固体潤滑材を塗布することで、凸状に存在する凸状部分と、凹状に存在する凹状部分と、を設け、前記凸状部分間に存する凹状部分に潤滑油を保持させるようにしたことを特徴とする往復運動部材。
2. 前記固定潤滑材の塗布が、印刷方法により行なわれることを特徴とする請求項１に記載の往復運動部材。
3. 往復運動する往復運動部材の往復運動摺動面の所定範囲に、固体潤滑材を印刷方法により塗布することで、凸状に存在する凸状部分と、凹状に存在する凹状部分と、を設けたことを特徴とする往復運動部材。
4. 前記印刷方法が、スクリーン印刷方法又はパッド印刷方法であることを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の往復運動部材。
5. 前記凹状部分は、固体潤滑被膜が形成されず、固体潤滑被膜が存在しない非存在部分であることを特徴とする請求項１〜４の何れか１つに記載の往復運動部材。
6. 往復運動部材が使用されるときに、少なくとも重力方向において、前記凸状部分と、前記凹状部分と、が交互に存するようなパターンで固体潤滑被膜が形成されることを特徴とする請求項１〜５の何れか１つに記載の往復運動部材。
7. 前記往復運動部材が内燃機関のピストンであり、前記往復運動摺動面が該ピストンのスカート部であることを特徴とする請求項１〜６の何れか１つに記載の往復運動部材。
   

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