JP2006177449A - すべり軸受、ハウジングおよび軸受ユニット - Google Patents

Abstract

【課題】 すべり軸受の裏金の背面とハウジングの内面との間が微小摺動することにより生じる、フレッティング摩耗を低減する手段を提供する。
【解決手段】 ハウジングに収納され、回転軸を支持するすべり軸受において、前記ハウジング及びすべり軸の双方又は片方の接触面に、ドロップレットを含むアモルファス状カーボンの被覆層を生成する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、自動車やその他の機械装置の構造部品として用いられる、すべり軸受、ハウジング、およびすべり軸受とハウジングとからなる軸受ユニットに関する。

近年、自動車業界では、エンジンの高出力化および小型化に伴い、エンジンのクランクシャフトを支持するすべり軸受は、従来のサイズと同じままか、あるいはそれ以下のサイズになるにもかかわらず、より大きな荷重を支えることが要求される。また、自動車の軽量化に伴い、すべり軸受を固定するハウジングは、薄肉化されたり、アルミニウム合金が使用されたりと、従来よりも剛性が低くなってきている。すべり軸受に対する負荷が増大し、ハウジングの剛性が低下することにより、すべり軸受の裏金の背面とハウジングの内面との間が微小摺動することで生じる、フレッティング摩耗が従来よりも生じやすくなっている。

フレッティング摩耗を低減するための従来の手法として、例えば、特許文献１に記載されたものがある。特許文献１のすべり軸受の軸受構造は、すべり軸受の裏金の背面とハウジングの内面の少なくとも一方に、アモルファス合金の被覆層を設けている。フレッティング摩耗は、摺動部間の微小摺動による、凝着および酸化が原因であると考えられている。アモルファス合金は優れた非凝着性を示すため、裏金の背面とハウジングの内面との間に微小摺動が繰り返し生じても凝着しにくくなる。これにより、フレッティング摩耗が低減する。

しかし、上記のような従来のすべり軸受の軸受構造においても、フレッティング摩耗の低減を実現しうるものの、更なるフレッティング摩耗の低減が要望されていた。
特開平１０−３０６３９号公報

そこで、本発明は、すべり軸受の裏金の背面とハウジングの内面との間が微小摺動することにより生じる、フレッティング摩耗を低減する手段を提供することを目的とする。

本発明は、ハウジングに収納され、回転軸を支持するすべり軸受において、前記ハウジングとの接触面に、ドロップレットを含むアモルファス状カーボンの被覆層が存在する、すべり軸受である。

また本発明は、回転軸を支持するすべり軸受を収納するハウジングにおいて、前記すべり軸受との接触面に、ドロップレットを含むアモルファス状カーボンの被覆層が存在する、ハウジングである。

さらに本発明は、回転軸を支持するすべり軸受と、前記すべり軸受を収納するハウジングとからなる軸受ユニットにおいて、前記すべり軸受と前記ハウジングの接触面に、ドロップレットを含むアモルファス状カーボンの被覆層が存在する、軸受ユニットである。

本発明のすべり軸受、ハウジング、およびすべり軸受とハウジングとからなる軸受ユニットによれば、すべり軸受に対する負荷の増大や、ハウジングの剛性の低下などの苛酷な条件下においても、フレッティング摩耗を低減することができる。

以下、本発明に係るすべり軸受、ハウジングおよび軸受ユニットについて詳細に説明する。

まず、本発明の特徴は、微小摺動する摺動部の表面にドロップレットを含むアモルファス状カーボンの被覆層が存在していることである。

ドロップレットとは、アークイオンプレーティング法（Ａｒｃ Ｉｏｎ Ｐｌａｔｉｎｇ：ＡＩＰ）による成膜法特有のものであり、成膜時に膜表面に生じる粒状突起物のことである。

また、アークイオンプレーティング法とは、ＰＶＤ（Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：物理蒸着）法の一種であり、イオンを利用して物体表面に薄膜を合成する手法のことである。アークイオンプレーティング法を用いるメリットとしては、成膜処理が他の手法に比べて早いことや、被覆された膜の基盤との密着性が良いことなどが挙げられる。

微小摺動する摺動部の表面に、上記アモルファスカーボンの被覆層を設けることのメリットは２つある。まず、被覆されるカーボン膜はアモルファス状であるため、優れた非凝着性を示すことから、微小摺動が生じても摺動部の凝着や酸化が起こりにくい。よって、上記カーボン膜を摺動表面に被覆しない場合に比べて、フレッティング摩耗が低減する。また、上記カーボン膜にはドロップレットと呼ばれる粒状突起物が膜表面に存在しているため、相手側の摺動表面を研摩することにより、さらに凝着や酸化がこりにくく、フレッティング摩耗の低減が促進される。摺動面に被覆されるカーボン膜が、アモルファス状を形成し、かつ、膜表面にドロップレットを含むことで、従来のアモルファス合金の被覆層を摺動表面に設けたものよりも、より一層大きなフレッティング摩耗の低減が可能となる。

上記アモルファスカーボンの被覆層は、すべり軸受のハウジングとの接触面に設けても良いし、ハウジングのすべり軸受との接触面に設けても良い。また、すべり軸受のハウジングとの接触面とハウジングのすべり軸受との接触面の両方に設けても良い。

上記アモルファスカーボンの被覆層の厚さは、１μｍ〜１０μｍであることが望ましい。被覆層の厚さが１μｍより小さい場合には、摩耗の初期段階で被覆層が失われるおそれがある。被覆層の厚さが１０μｍよりも大きい場合には、被覆層が剥がれやすくなるおそれがあり、さらに、成膜に多くの時間を要するため経済的ではない。

上記アモルファスカーボンの被覆層の表面粗さは、算術平均粗さＲａが０．２μｍ〜０．５μｍであることが望ましい。Ｒａが０．２μｍより小さい場合には、相手側の摺動表面を研摩する効果が現れにくくなるおそれがある。Ｒａが０．５μｍより大きい場合には、相手側の摺動表面を研摩しすぎにより傷めてしまうおそれがあり、さらに被覆層からドロップレットが剥離しやすくなるため、その剥離部分から被覆層が割れてしまうおそれがある。

すべり軸受、ハウジングおよび軸受ユニットは、導入ガス中のメタンの存在比が１０％〜２０％、バイアス電圧が−３０Ｖ〜−９０Ｖ、および成膜時の最高処理温度が１５０℃〜２５０℃の条件下でアークイオンプレーティング法を用いて、微小摺動する摺動表面にアモルファス状カーボンを被覆するのが望ましい。

導入ガス中のメタンの存在比が１０％より小さい場合には、放電が安定しないおそれがある。導入ガス中のメタンの存在比が２０％より大きい場合には、カーボン被覆層が弱くなるため、剥離が生じやすくなるおそれがある。

バイアス電圧は、値が低いほど強固な膜を作ることができ、そのためには−３０Ｖ以下が望ましい。一方、低すぎると対象となる温度が高くなり、すべり軸受が熱により軟化し、疲労により割れやすくなったり、変形が起こりやすくなるおそれがあるので、−９０Ｖ以上が望ましい。

成膜時の最高処理温度が２５０℃より大きい場合には、すべり軸受が熱により軟化し、疲労により割れやすくなったり、変形が起こりやすくなるおそれがある。成膜時の最高処理温度が１５０℃より小さい場合には、強固な膜を作ることが困難となるおそれがあり、生産性の低下を招くおそれがある。

例えば、スパッタリング法によりアモルファス状カーボン層を被覆した場合には、被覆層表面に十分なドロップレットを得ることが困難である。本発明は、被覆層にドロップレットを含むことが特徴的部分であるため、ドロップレットを多く含む、アークイオンプレーティング法により成膜するのが適している。

なお、被覆層表面にドロップレットが過度に存在する場合、微粒子を投射することで、表面の過剰なドロップレットを除去することのできる、エアロラップやマイクロブラストを行うのが効果的である。

以下、実施例により本発明を具体的に説明する。

（実施例１）
本発明に係るすべり軸受の耐フレッティング性を確認するため、アークイオンプレーティング法を用いて、試験片の摺動部にアモルファス状カーボンを被覆し、往復摺動実験を行った。試験片には、冷間圧延板（ＪＩＳ Ｇ３１４１ ＳＰＣＣ）を使用した。図１に、本実験で用いた往復摺動試験機の模式図を示す。往復摺動運動は、偏心カム２０を用い、ＤＣモーター１０の回転運動を往復運動に変換することにより行った。実験では、荷重レバー７０によりセラミックピン８０に荷重を与え、セラミックピン８０を試験片９０に押し付けた状態で、セラミックピン８０を往復摺動させた。実験後、試験片の摺動部の平均摩耗量を測定した。表１に試験条件を示す。

続いて、アークイオンプレーティング法による成膜条件を表２に示す。

本実施例では、導入ガス中のメタンの存在比を１０％、バイアス電圧を−３０Ｖ、成膜時の最高処理温度を１５０℃に設定し、また、被覆層の厚さを３μｍ、被覆層の表面粗さＲａを０．２６μｍとして、ドロップレットを含むアモルファス状カーボンを被覆した。

（実施例２）
導入ガス中のメタンの存在比を１０％、バイアス電圧を−６０Ｖ、成膜時の最高処理温度を２００℃に設定し、また、被覆層の厚さを１１μｍ、被覆層の表面粗さＲａを０．２９μｍとして、ドロップレットを含むアモルファス状カーボンを被覆し、実施例１と同様の手順により往復摺動実験を行った。

（実施例３）
導入ガス中のメタンの存在比を２０％、バイアス電圧を−６０Ｖ、成膜時の最高処理温度を２００℃に設定し、また、被覆層の厚さを８μｍ、被覆層の表面粗さＲａを０．４６μｍとして、ドロップレットを含むアモルファス状カーボンを被覆し、実施例１と同様の手順により往復摺動実験を行った。

（実施例４）
導入ガス中のメタンの存在比を２０％、バイアス電圧を−９０Ｖ、成膜時の最高処理温度を２５０℃に設定し、また、被覆層の厚さを１９μｍ、被覆層の表面粗さＲａを０．３８μｍとして、ドロップレットを含むアモルファス状カーボンを被覆し、実施例１と同様の手順により往復摺動実験を行った。

（比較例１）
ＣＶＤ法を用いて、試験片の摺動部にドロップレットを含まないアモルファス状カーボンを被覆し、往復摺動実験を行った。本比較例では、導入ガス中のメタンの存在比を１０％、バイアス電圧を−６０Ｖ、成膜時の最高処理温度を２００℃に設定し、また、被覆層の厚さを３μｍ、被覆層の表面粗さＲａを０．０９μｍとして、アモルファス状カーボンを被覆し、実施例１と同様の手順により往復摺動実験を行った。

（比較例２）
スパッタリング法を用いて、試験片の摺動部にドロップレットを含まないアモルファス状カーボンを被覆し、往復摺動実験を行った。本比較例では、導入ガス中のメタンの存在比を２０％、バイアス電圧を−９０Ｖ、成膜時の最高処理温度を１８０℃に設定し、また、被覆層の厚さを８μｍ、被覆層の表面粗さＲａを０．１１μｍとして、アモルファス状カーボンを被覆し、実施例１と同様の手順により往復摺動実験を行った。

表３に、各実施例および各比較例における往復摺動実験による、試験片の摺動部の平均摩耗量を示す。

表３から、各比較例と比べて、いずれも実施例の場合においても、試験片の摺動部の摩耗を小さく抑えることができることが分かる。また、すべての実施例において、膜剥離が生じなかったのに対し、各比較例においては、膜剥離が生じた。以上より、摺動部にドロップレットを含むアモルファス状カーボンを被覆すると、相手面の研摩効果により、摺動による凝着および酸化が起こりにくくなり、耐フレッティング性が向上する。

（アークイオンプレーティング法の条件の耐フレッティング性への影響調査）
アークイオンプレーティング法の成膜条件を種々のものに変えて、試験片の摺動部にアモルファス状カーボンを被覆し、上記往復摺動実験により、試験片の摺動部の耐フレッティング性の違いを調べた。

導入ガス中のメタンの存在比が１０％〜２０％、バイアス電圧が−３０Ｖ〜−９０Ｖ、および成膜時の最高処理温度が１５０℃〜２５０℃の条件下でアークイオンプレーティング法を行うことが好ましいことを前述した。実験Ａ、実験Ｂおよび実験Ｃは、上記条件をすべて満たす場合である。実験Ｄは、導入ガス中のメタンの存在比は上記条件を満たすが、バイアス電圧および成膜時の最高処理温度は上記条件を満たさない場合である。実験Ｅは、導入ガス中のメタンの存在比および成膜時の最高処理温度は上記条件を満たすが、バイアス電圧は上記条件を満たさない場合である。実験Ｆは、バイアス電圧は上記条件を満たすが、導入ガス中のメタンの存在比および成膜時の最高処理温度は上記条件を満たさない場合である。実験Ｇは、導入ガス中のメタンの存在比およびバイアス電圧は上記条件を満たすが、成膜時の最高処理温度は上記条件を満たさない場合である。実験Ｈは、バイアス電圧および成膜時の最高処理温度は上記条件を満たすが、導入ガス中のメタンの存在比は上記条件を満たさない場合である。表４に実験結果を示す。

表４から、実験Ａ〜実験Ｃは膜剥離が生じなかったのに対し、実験Ｄ〜実験Ｈは膜剥離が生じた。また、実験Ａ〜実験Ｃは、実験Ｄ〜実験Ｈに比べて、試験片の摺動部の平均摩耗量が小さい。よって、導入ガス中のメタンの存在比が１０％〜２０％、バイアス電圧が−３０Ｖ〜−９０Ｖ、および成膜時の最高処理温度が１５０℃〜２５０℃の条件下でアークイオンプレーティング法を行うと、膜がはがれにくく、試験片の摺動部の平均摩耗量のより小さなアモルファス状カーボン膜を被覆することができる。

本発明は、例えば、自動車用エンジンのクランクシャフトを支持するすべり軸受、およびすべり軸受を収納するハウジングに適用できる。

本発明に係る実施例で用いた、耐フレッティング性評価のための往復摺動試験機の模式図である。

符号の説明

１０ ＤＣモーター、２０ 偏心カム、３０ カムフォロアー、４０ スプリング、５０ リニアガイド、６０ 往復動軸、７０ 荷重レバー、８０ セラミックピン、９０ 試験片、１００ 変位計。

Claims (5)

1. ハウジングに収納され、回転軸を支持するすべり軸受において、
   前記ハウジングとの接触面に、ドロップレットを含むアモルファス状カーボンの被覆層が存在する、すべり軸受。
2. 回転軸を支持するすべり軸受を収納するハウジングにおいて、
   前記すべり軸受との接触面に、ドロップレットを含むアモルファス状カーボンの被覆層が存在する、ハウジング。
3. 回転軸を支持するすべり軸受と、前記すべり軸受を収納するハウジングとからなる軸受ユニットにおいて、
   前記すべり軸受と前記ハウジングの接触面に、ドロップレットを含むアモルファス状カーボンの被覆層が存在する、軸受ユニット。
4. ハウジングに収納され、回転軸を支持するすべり軸受の製造方法において、
   導入ガス中のメタンの存在比が１０％〜２０％、バイアス電圧が−３０Ｖ〜−９０Ｖ、および成膜時の最高処理温度が１５０℃〜２５０℃の条件下でアークイオンプレーティング法を用いて、前記ハウジングとの接触面にアモルファス状カーボンを被覆する、すべり軸受の製造方法。
5. 回転軸を支持するすべり軸受を収納するハウジングの製造方法において、
   導入ガス中のメタンの存在比が１０％〜２０％、バイアス電圧が−３０Ｖ〜−９０Ｖ、および成膜時の最高処理温度が１５０℃〜２５０℃の条件下でアークイオンプレーティング法を用いて、前記すべり軸受との接触面にアモルファス状カーボンを被覆する、ハウジングの製造方法。

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