JP2008095721A - 摺動部材 - Google Patents

Abstract

【課題】摩擦の低減効果の高い摺動部材を提供する。
【解決手段】摺動部材１０は、粘性流体を介して摺動する第１部材１１および第２部材１２と、第１部材の摺動面および第２部材の摺動面のうちの少なくとも一方に形成された微細な凹部１３と、を有する。第１部材と第２部材との接触部１４の形状に関して、接触部の幅をＢ、滑り方向２１に沿う長さをＨとした場合に、Ｂ／Ｈが１以下の場合には、凹部を、滑り方向への粘性流体の流れを促進するように、配置する。Ｂ／Ｈが１より大きい場合には、凹部を、滑り方向に対して直交する方向２２への粘性流体の流れを促進するように、配置する。
【選択図】図２

Description

本発明は、粘性流体を介して第１部材と第２部材とが摺動する摺動部材に関する。

潤滑油を始めとする粘性流体を介して第１部材と第２部材とを摺動させるに際して、摩擦を低減するために、摺動面に微細な窪みや溝などの凹部を形成することが行われている（特許文献１、２参照）。凹部の形成は、凹部による油溜めの効果、凹部による接触部内の油の流れの制御、あるいは凹部によるマイクロ動圧の効果などを期待するものである。

このような微細な凹部を形成する技術は、例えば、回転摺動するクランクピンと軸受けメタルとの間の摩擦の低減や、往復摺動するピストンリングとボアとの間の摩擦の低減のために適用されている。
特開２００２−２１３６１２号公報 特開２００２−２３５８５２号公報

微細な凹部を形成することによって摩擦の低減を実現し得るものの、さらなる摩擦の低減が要請されている。また、従来の摺動部材においては、微細な凹部を、第１部材と第２部材との接触部の形状に応じてどのように配置するのが良いかについて言及されていない。

そこで、本発明の目的は、摩擦の低減効果の高い摺動部材を提供することにある。

上記目的を達成する請求項１に記載の本発明は、粘性流体を介して摺動する第１部材および第２部材と、
前記第１部材の摺動面および前記第２部材の摺動面のうちの少なくとも一方に形成された微細な凹部と、を有し、
前記第１部材と前記第２部材との接触部の形状に関して、接触部の幅をＢ、滑り方向に沿う長さをＨとした場合に、Ｂ／Ｈが１以下であり、
前記凹部は、前記滑り方向への前記粘性流体の流れを促進するように、配置されてなる摺動部材である。

また、上記目的を達成する請求項５に記載の本発明は、粘性流体を介して摺動する第１部材および第２部材と、
前記第１部材の摺動面および前記第２部材の摺動面のうちの少なくとも一方に形成された微細な凹部と、を有し、
前記第１部材と前記第２部材との接触部の形状に関して、接触部の幅をＢ、滑り方向に沿う長さをＨとした場合に、Ｂ／Ｈが１より大きく、
前記凹部は、前記滑り方向に対して直交する方向への前記粘性流体の流れを促進するように、配置されてなる摺動部材である。

本発明によれば、第１部材と第２部材との接触部の形状に応じた凹部の配置形態としてあるので、摩擦の低減効果が高く、耐摩耗性や耐焼き付き性に優れた摺動部材を提供できる。

以下、図面を参照して本発明を実施するための最良の形態を説明する。

図１は、内燃機関に用いられるクランクシャフト１１０を示す図、図２（Ａ）は、軸部と、軸部を回転自在に保持する軸受けメタルとを示す断面図、図２（Ｂ）は、軸部と軸受けメタルとの接触部１４の形状の説明に供する図、図３（Ａ）（Ｂ）、図４（Ａ）（Ｂ）は、滑り方向２１への潤滑油の流れを促進するための、凹部１３の配置形態を示す図、図５は、凹部１３の最大長さ方向を滑り方向２１に対して傾斜させて凹部１３を配置した形態の説明に供する図である。なお、理解の容易のために、微細な凹部１３は誇張して表される。

図１を参照して、内燃機関に用いられるクランクシャフト１１０は、ジャーナル部１１１やピン部１１２などの軸部を含んでいる。ジャーナル部１１１は、軸受けメタルを介して、シリンダブロックに回転自在に支持されている。ピン部１１２は、軸受けメタルを介して、コンロッドの大端部と回転自在に連結されている。内燃機関の摺動部としては、軸部と軸受けメタルとの間のように回転摺動する摺動部のほか、シリンダボアとピストンリングとの間のように往復摺動する摺動部もある。

図２（Ａ）を参照して、本発明の実施形態に係る摺動部材１０は、粘性流体としての潤滑油を介して摺動する第１部材１１および第２部材１２と、第１部材１１の摺動面および第２部材１２の摺動面のうちの少なくとも一方に形成された微細な凹部１３と、を有している。第１部材１１と第２部材１２とは、回転摺動する。第１部材１１は、クランクシャフト１１０のジャーナル部１１１やピン部１１２などの軸部であり、第２部材１２は、軸部を回転自在に保持する軸受けメタルである。図示例では、第１部材１１の外周面に微細な凹部１３が形成されている。

図２（Ｂ）は、第１部材１１と第２部材１２との接触部１４を展開して示している。図中の符号「２１」は、滑り方向を表し、符号「２２」は、滑り方向２１に対して直交する方向を表している。また、図中符号「Ｂ」は、滑り方向２１に対して直交する方向２２に沿う長さ、つまり接触部１４の幅を表し、符号「Ｈ」は、滑り方向２１に沿う長さを表している。以下の説明では、「滑り方向２１に対して直交する方向２２」を、簡略化のために単に、「直交方向２２」とも言う。

第１部材１１と第２部材１２との接触部１４の形状は、接触部１４の幅Ｂよりも、滑り方向２１に沿う長さＨが長い長方形となっている。第１部材１１と第２部材１２との接触部１４の形状に関して、Ｂ／Ｈが１より小さくなる。接触部１４の幅Ｂに対して滑り方向２１に沿う長さＨが大きいと、第１部材１１と第２部材１２との間に介在する潤滑油が摺動に伴って、側方の開放口１５から漏れ出てしまう現象が発生する。このような潤滑油の流れが、図３（Ａ）（Ｂ）、図４（Ａ）（Ｂ）に、矢印１６によって示されている。その結果、油膜厚さが減少して摩擦係数が大きくなり、第１部材１１と第２部材１２との摩擦が大きくなる。回転速度などによって変化するものの、潤滑油の速度ベクトルは、滑り方向２１に対して２０度〜４５度程度の角度をなしていると推定される。このように、接触部１４が、直交方向２２に潤滑油を漏れさせやすい形状を有する場合にあっては、凹部１３を単純に形成しても摩擦低減効果を十分に発現できない。接触部１４の形状が正方形の場合（Ｂ／Ｈ＝１）も同様の問題が生じ得る。

そこで、本発明では、第１部材１１と第２部材１２との接触部１４の形状に関して、Ｂ／Ｈが１以下であるときには、凹部１３を、滑り方向２１への潤滑油の流れを促進するように、配置してある。凹部１３の配置形態によって、滑り方向２１への潤滑油の流れが促進され、側方の開放口１５から漏れ出る潤滑油の流れが抑えられる。その結果、油膜厚さの減少を抑えて、摩擦低減効果を十分に発現できる摺動部材１０を提供できる。

図３（Ａ）（Ｂ）、図４（Ａ）（Ｂ）を参照して、凹部１３は、滑り方向２１に沿って凹部１３が存在しない領域ｆを形成するように、配置されている。凹部１３は、その中に潤滑油を取り込み、取り込んだ潤滑油を保持する機能を有している。このため、潤滑油を滑り方向２１に流す観点からすれば、潤滑油を取り込む凹部１３は、抵抗体として働いてしまう。そこで、上述のように凹部１３を配置することによって、潤滑油の流れに対する抵抗体として働く凹部１３が滑り方向２１に沿って存在しない領域ｆが形成され、結果として、滑り方向２１への潤滑油の流れが促進される。

図３（Ａ）には、凹部１３を千鳥格子状に配置した形態が示され、図３（Ｂ）には、凹部１３を正方格子状に配置した形態が示されている。千鳥格子配置の場合、凹部１３は、滑り方向２１に隣り合う凹部１３同士（例えば、１３ａを付した凹部と、１３ｂを付した凹部同士）が滑り方向２１に見てオーバラップすることがないように配置されている。滑り方向２１に沿って凹部１３が存在しない領域ｆを形成するためである。滑り方向２１に沿って凹部１３が存在しない領域ｆの幅は、正方格子配置の方が、千鳥格子配置に比べて、大きい寸法を採りやすい。したがって、正方格子配置は、千鳥格子配置に比べて、滑り方向２１への潤滑油の流れをより促進し得る配置である。

図５を参照して、凹部１３の最大長さ方向を滑り方向２１に対して傾斜させて凹部１３を配置してもよい。滑り方向２１に対する凹部１３の最大長さ方向の傾きを「傾斜角度α」と称する。

図４（Ａ）（Ｂ）には、凹部１３の最大長さ方向を滑り方向２１に対して傾斜させて、凹部１３を配置した形態が示されている。図４（Ａ）は、傾斜方向を同じにして凹部１３を配置した例であり、図４（Ｂ）は、接触部１４の幅方向の略中央を境界に傾斜方向を対称にして凹部１３を配置した例である。

凹部１３の傾斜角度αは特に限定されないが、例えば、３０度〜７０度である。凹部１３による動圧効果を十分に発揮させるためには、潤滑油が凹部１３に入射する方向を、凹部１３の最大長さ方向に対して直交する方向に近付けることが望ましい。凹部１３を傾斜させることにより、側方の開放口１５に向かって流れる潤滑油は、凹部１３の最大長さ方向に対して直交する方向に近付いて、凹部１３に入射することになる。これにより、凹部１３に取り込まれる潤滑油が増え、動圧効果を十分に発揮して、より優れた摩擦低減効果を発現できる。接触部１４の幅方向に沿う両側に開放口１５が存在する図示例にあっては、図４（Ｂ）に示した配置形態の方が、図４（Ａ）に示した配置形態に比べて好ましい。接触部１４の幅方向の略中央を境界にして図中左右のいずれの領域においても、潤滑油を、凹部１３の最大長さ方向に対して直交する方向に近付けて、凹部１３に入射させることができ、より優れた摩擦低減効果を発現できるからである
凹部１３の傾斜角度αは同じでもよいし、接触部１４の幅方向に沿って変化させてもよい。例えば、接触部１４内における潤滑油の速度ベクトルに合致するように、接触部１４の幅方向の略中央部分では、凹部１３の最大長さ方向を直交方向２２に沿わせ（傾斜角度α＝９０度）、幅方向の端部近傍では、凹部１３の最大長さ方向を滑り方向２１に対して傾斜させてもよい。接触部１４の幅方向の全域にわたって、潤滑油を、凹部１３の最大長さ方向に対して直交する方向に近付けて、凹部１３に入射させることができ、より優れた摩擦低減効果を発現できるからである。

図６（Ａ）は、シリンダボア１２１と、シリンダボア１２１に対して往復摺動するピストンリング１２２とを示す断面図、図６（Ｂ）は、シリンダボア１２１とピストンリング１２２との接触部１４の形状の説明に供する図、図７（Ａ）（Ｂ）は、滑り方向２１に対して直交する方向２２への潤滑油の流れを促進するための、凹部１３の配置形態を示す図である。なお、理解の容易のために、微細な凹部１３は誇張して表される。

図６（Ａ）を参照して、本発明の実施形態に係る摺動部材３０は、粘性流体としての潤滑油を介して摺動する第１部材３１および第２部材３２と、第１部材３１の摺動面および第２部材３２の摺動面のうちの少なくとも一方に形成された微細な凹部１３と、を有している。第１部材３１と第２部材３２とは、往復摺動する。第１部材３１は、シリンダボア１２１であり、第２部材３２は、ピストンリング１２２である。図示例では、第１部材３１の内周面に微細な凹部１３が形成されている。

図６（Ｂ）は、第１部材３１と第２部材３２との接触部１４を展開して示している。第１部材３１と第２部材３２との接触部１４の形状は、接触部１４の幅Ｂが、滑り方向２１に沿う長さＨよりも長い長方形となっている。第１部材３１と第２部材３２との接触部１４の形状に関して、Ｂ／Ｈが１より大きくなる。滑り方向２１に沿う長さＨに対して接触部１４の幅Ｂが大きいと、第１部材３１と第２部材３２との間に介在する潤滑油が、直交方向２２に十分に広がらずに、滑り方向２１に沿う端部から漏れ出てしまう現象が発生する。その結果、油膜厚さが減少し、第１部材３１と第２部材３２との摩擦が大きくなる。このように、接触部１４が、滑り方向２１に潤滑油を漏れさせやすい形状を有する場合にあっては、凹部１３を単純に形成しても摩擦低減効果を十分に発現できない。

そこで、本発明では、第１部材３１と第２部材３２との接触部１４の形状に関して、Ｂ／Ｈが１より大きいときには、凹部１３を、滑り方向２１に対して直交する方向２２への潤滑油の流れを促進するように、配置してある。凹部１３の配置形態によって、直交方向２２つまりピストンリング１２２の周方向への潤滑油の流れが促進され、滑り方向２１に沿う端部から漏れ出る潤滑油の流れが抑えられる。その結果、油膜厚さの減少を抑えて、摩擦低減効果を十分に発現できる摺動部材３０を提供できる。

図７（Ａ）（Ｂ）を参照して、凹部１３は、滑り方向２１に見た凹部１３同士の間隔ｗ１が滑り方向２１に対して直交する方向２２に見た凹部１３同士の間隔ｗ２を超えないように、配置されている。図７（Ａ）には、凹部１３を千鳥格子状に配置した形態が示され、図７（Ｂ）には、凹部１３を正方格子状に配置した形態が示されている。

千鳥格子配置のように、滑り方向２１に見た凹部１３同士の間隔ｗ１が直交方向２２に見た凹部１３同士の間隔ｗ２よりも小さくなるように凹部１３を配置した場合には、単位長さあたりに占める凹部１３の割合は、滑り方向２１に見た方が大きい。潤滑油の流れに対する抵抗体として働く凹部１３が、直交方向２２よりも滑り方向２１に沿って多く存在する結果、直交方向２２への潤滑油の流れが促進される。

正方格子配置のように、滑り方向２１に見た凹部１３同士の間隔ｗ１と、直交方向２２に見た凹部１３同士の間隔ｗ２とが等しい場合でも、凹部１３の形状は滑り方向２１に対して直交する方向２２に扁平していることから、単位長さあたりに占める凹部１３の割合は、滑り方向２１に見た方が大きい。したがって、千鳥格子配置の時と同様に、潤滑油の流れに対する抵抗体として働く凹部１３が、直交方向２２よりも滑り方向２１に沿って多く存在する結果、直交方向２２への潤滑油の流れが促進される。

なお、千鳥格子配置の場合、凹部１３は、滑り方向２１に隣り合う凹部１３同士（例えば、１３ａを付した凹部と、１３ｂを付した凹部同士）が滑り方向２１に見てオーバラップして配置してもよい。滑り方向２１に見て凹部１３を必ず存在させることにより、凹部１３を、滑り方向２１への潤滑油の流れに対する抵抗体としてより働かせるためである。

正方格子配置は正四角形に配置したものであるが、矩形格子配置は正四角形以外の矩形に配置したものである。矩形格子配置の場合には、滑り方向２１に見た凹部１３同士の間隔ｗ１が、直交方向２２に見た凹部１３同士の間隔ｗ２よりも小さくなるように、凹部１３を配置すればよい。

本発明では、第１部材３１と第２部材３２とが往復摺動する場合に、凹部１３の最大長さ方向を滑り方向２１に対して傾斜させて、凹部１３を配置することを除外するものではない。ただし、往復摺動の場合、第１部材３１と第２部材３２との間に介在する潤滑油の流れ挙動が、往動のときと、復動のときとで異なる。往復摺動の場合は、一方向に回転摺動する場合に比べて、潤滑油の流れ挙動が複雑である。このため、傾斜の条件によっては、往動時には効果を発揮するが、復動時に十分な効果が得られない虞も発生し得る。そこで、本実施形態では、一般的な配置形態、すなわち、凹部１３の最大長さ方向を滑り方向２１に対して直交させる配置形態を採用している。

第１部材および第２部材の材質には特に制限はなく、用途に応じて種々の材料が用いられる。例えば、ピストンおよびシリンダを備える内燃機関用の摺動部材にあっては、鉄やアルミニウムなどの金属から形成することが望ましい。また、形状についても特に制限はなく、あらゆる形状の摺動部材が採用され得る。

凹部１３は、摺動面における凹部１３の占有面積率が０．５％以上１０％以下であることが望ましい。占有面積率が０．５％より小さい場合には、凹部１３の割合が少なすぎるため、動圧効果が十分発揮できず、摩擦低減効果が十分発現しないおそれがある。また、１０％を超えると、平端部の割合が相対的に減少するため、負荷容量が減少し、結果として、金属同士の直接接触が生じるため、摩擦低減効果が十分発現しないばかりか、逆に摩擦が増加してしまうおそれがある。また、耐摩耗性や耐焼き付き性も低下してしまう懸念がある。したがって、凹部１３の占有面積率を０．５％以上１０％以下とすることにより、優れた摩擦低減効果が得られる。

凹部１３の形状は、滑り方向２１に対して直交する方向２２に扁平していることが望ましい。滑り方向２１に対して直交する方向２２に扁平な形状とは、直交方向２２の最大長さが、滑り方向２１の最大長さよりも大きくなる形状である。扁平な形状は、矩形に限られず、楕円形状、多角形状、円形状であってもかまわない。凹部１３の形状が、直交方向２２に扁平していることにより、摺動部に多くの潤滑油を流入させることができ、摩擦の低減が図られる。

凹部１３の短辺長さは、５０μｍ以上１５０μｍ以下であり、凹部１３の長辺長さは、凹部１３の短辺長さの２倍以上１０倍以下であることが望ましい。凹部１３の短辺の長さが５０μｍより小さい場合、潤滑油の凹部１３への流入保持が十分に行われなくなるおそれがあり、また、１５０μｍを超える場合には、負荷容量が低下し、金属接触が起こりやすくなるおそれがある。さらに、長辺長さを短辺長さの２倍以上１０倍以下にすることによって、摺動面に多くの潤滑油を流入させ、また、摺動面からの潤滑油の側方漏れを抑制し、摩擦特性を向上できる。さらに、深さと、大きさとの比も重要である。凹部１３の短辺の長さが５０μｍより小さいと深さに対する感度が増加するため、加工上の制御が困難になってくる。一方で、凹部１３の短辺の長さが１５０μｍより大きいと、凹部１３が接触面積に対して相対的に大きくなってくるので、好ましくない。例えばクランクシャフト１１０のように軸がたわむような接触状態においては局部的に油膜が薄い接触箇所が存在するため、凹部１３の大きさが大きくなりすぎると、その部分に油が流入してしまい、金属接触が増大し、摩擦が悪化する。

凹部１３は、その深さが０．５μｍ以上１０μｍ以下であることが望ましい。凹部１３の深さが０．５μｍより小さい場合には、特に高速摺動時での油膜が厚い状態において、十分な摩擦低減効果が得られない。また、１０μｍを超えると、低速摺動時での油膜が薄い状態において、負荷容量が減少し、金属接触が生じ、摩擦が悪化するとともに耐焼き付き性なども低下するという問題がある。したがって、凹部１３の深さを０．５μｍ以上１０μｍ以下とすることにより、優れた摩擦低減効果が得られる。

図８（Ａ）は、摺動面に形成されている凹部１３を示す斜視図、図８（Ｂ）は、図８（Ａ）の８Ｂ−８Ｂ線に沿う断面図である。

図８を参照して、凹部１３の形状は、凹部１３の滑り方向２１の断面形状において、最表面の長さをＬ、滑り方向２１前側から凹部１３底面の極値を示す位置１７までの長さをＳとした場合に、Ｓ／Ｌが０．２以下であることが望ましい。図８における符号ｔは、凹部１３の深さを示している。Ｓ／Ｌが０．２を超えると、凹部壁面の油の流れが効果的に作用しないため、動圧効果が十分に得られず、摩擦低減効果が十分発現されない。したがって、Ｓ／Ｌを０．２以下とすることにより、動圧効果が十分発揮され、優れた摩擦低減効果が得られる。

上述した第１と第２の部材１１、１２、３１、３２は、内燃機関や変速機の摺動部に使用する摺動部材１０、３０あることが望ましい。十分な摩擦低減を発現する第１と第２の部材１１、１２、３１、３２を適用することによって、内燃機関や変速機の摺動部における摩擦を減少することができ、摺動部の耐摩耗性や耐焼き付き性を向上させることができる。

（実施例）
本発明の効果を確認するため、凹部の形状や配置が異なる種々の摺動部材を製作し、摩擦係数を求める下記の実験を行った。

まず、回転摺動する運動形態における効果確認を行った。

図９（Ａ）（Ｂ）は、実施例において、摺動面に形成した凹部１３の断面形状を示す断面図である。図１０は、実施例において、凹部１３の配置形態（Ｘ、Ｙ、Ｚ、Ｖ、およびＷ）を示す図である。

実際の内燃機関用クランクシャフト（図１参照）を用いて、摩擦の低減効果を評価した。クランクシャフトのジャーナル部に微細な凹部１３を形成した。モータ駆動によりクランクシャフトを回転させ、ジャーナル部と軸受けメタルとの間に発生する摩擦トルクを計測した。ジャーナル部径はφ５３ｍｍである。ジャーナル部と軸受けメタルとの接触部の形状に関して、接触部の幅をＢ、滑り方向２１に沿う長さをＨとした場合に、Ｂ／Ｈは１以下である。

クランクシャフトは、ＳＶ４０Ｃ鋼製で高周波焼入れを施してある。荷重は無負荷で、慣性力のみが作用する状態で評価した。また、油は５Ｗ３０油、供給油温９０℃、回転数は５００ｒｐｍから６０００ｒｐｍで行った。実施例１〜６では、回転数５００ｒｐｍ時の各仕様の摩擦トルクを求めた。比較例１では、ジャーナル部に凹部を形成せずに、算術平均粗さＲａ０．０７μｍの粗さに仕上げ、回転数５００ｒｐｍ時の摩擦トルクを求めた。比較例１の摩擦トルクに対する各実施例の摩擦トルクの比を算出し、摩擦低減効果を算出した。

実施例１〜６は、いずれもφ５３ｍｍのジャーナル部の５箇所に、凹部微細形状を形成した。凹部微細形状は、マイクロインデント加工、マスクブラスト加工により形成した。

ジャーナル部と軸受けメタルとの接触部の形状はＢ／Ｈが１以下である。このため、滑り方向２１に沿って凹部が存在しない領域が形成されるように、凹部１３を配置した。

マイクロインデント加工では、所望の凹部を形成するためにインデンタを製作し、インデンタを円筒表面に押し付け粗塑性加工することにより凹部を形成した。

マスクブラスト加工では、光リソグラフィ技術を利用し、樹脂製マスクに凹部微細形状を形成し、その樹脂マスクをジャーナル部表面に貼り付けた後、平均粒径２０μｍのアルミナ砥粒を、投射ノズルからワ−クまでの距離を１００ｍｍとし、投射流量１００ｇ／ｍｉｎ、投射圧０．４ＭＰａの条件下で投射し、凹部微細形状を得た。各種方法を用いて凹部微細形状を形成した後、凹部形状周辺に形成されたエッジ部の盛り上がりを粒径９μｍのテープラップフィルムにより除去し、試験に供した。

凹部１３の断面形状は、滑り方向２１前側の凹部壁面を急峻とした三角形状（図９（Ａ））、および半円弧形状（図９（Ｂ））とした。下記の表１には、断面形状を、「Ａ」、および「Ｂ」の記号にて表す。

凹部１３の配置形態は、千鳥格子配置（図１０の欄Ｚ）、正方格子配置（欄Ｙ）、凹部１３の最大長さ方向を滑り方向２１に対して傾斜させた配置（欄Ｘ、Ｖ、Ｗ）とした。凹部１３の傾斜角度αは、４５度（欄Ｘ）、６７．５度（欄Ｖ）、３０度（欄Ｗ）とした。下記の表１には、配置形態を、「Ｘ」、「Ｙ」、「Ｚ」、「Ｖ」、および「Ｗ」の記号にて表す。

実験結果を下記の表１に示す。

表１に示すように、比較例１の摩擦トルクに対する各実施例１〜６の摩擦トルクの比は、いずれの場合も１より小さい。接触部の形状がＢ／Ｈが１以下の場合、滑り方向２１に沿って凹部１３が存在しない領域を形成するように凹部１３を配置し、滑り方向２１への潤滑油の流れを促進することにより、摩擦を低減できるという本発明の効果を確認した。凹部１３の最大長さ方向を滑り方向２１に対して傾斜させて凹部１３を配置することにより（実施例１、４、５、６）、千鳥格子配置（実施例３）および正方格子配置（実施例２）に比べて、摩擦をさらに低減できることがわかった。実施例１、４より、凹部１３の断面形状を、滑り方向２１前側の凹部壁面を急峻とした三角形状の方（図９（Ａ））が、半円弧形状（図９（Ｂ））に比べて、摩擦低減効果が高いことがわかった。

次に、往復摺動する運動形態における効果確認を行った。

図１１は、ピストンリング／ボア模擬試験機４０を示す斜視図、図１２は、実験中に得られた往復摺動時の摩擦係数の波形の一例を示す図である。

ピストンリング／ボア模擬試験４０は、ピストンリングとボアとの間のように、往復摺動する部材同士における摩擦低減効果を確認するために行った。図１１を参照して、ピストンリング／ボア模擬試験機４０は、粘性流体としての潤滑油を介して摺動するリング４１とプレート４２とを含んでいる。実験では、リング４１を固定し、プレート４２のみを往復摺動させた。図中の両矢印は滑り方向２１を、片矢印は荷重方向を示す。往復摺動運動は、クランク機構を用いて、回転運動を往復運動に変換することにより行った。摺動距離つまり滑り方向２１に沿う長さＨは、１工程あたり３０ｍｍとした。リング４１とプレート４２との接触部の幅Ｂは、４０ｍｍとした。リング４１とプレート４２との接触部の形状に関して、Ｂ／Ｈは１より大きい（Ｂ／Ｈ＝４０／３０＝１．３）。

実施例７、８のリングおよびプレートは次のように製作した。リング４１の材料には、ＳＣＭ４３５浸炭焼入れ焼き戻し材を用いた。リング４１の先端は曲率半径３０ｍｍの円弧状に形成した。アール３０ｍｍの表面を算術平均粗さＲａ０．０１μｍに仕上げた後、その表面に、非晶質硬質炭素膜をＣＶＤ法により形成した。一方、プレート４２の材料には、４０ｍｍ×６０ｍｍ×５ｍｍ厚のダイキャスト用アルミニウム合金（ＡＤＣ１２）の板材を用いた。マスクブラスト処理により、プレート表面に凹部微細形状を形成した。

リング４１とプレート４２との接触部の形状はＢ／Ｈが１より大きい。このため、滑り方向２１に見た凹部１３同士の間隔が直交方向２２に見た凹部１３同士の間隔を超えないように、凹部１３を配置した。

マスクブラスト加工では、光リソグラフィ技術を利用し、樹脂製マスクに凹部微細形状を形成し、その樹脂マスクをプレート表面に貼り付けた後、平均粒径２０μｍのアルミナ砥粒を、投射ノズルからワ−クまでの距離を１００ｍｍとし、投射流量１００ｇ／ｍｉｎ、投射圧０．４ＭＰａの条件下で投射し、凹部微細形状を得た。凹部微細形状を形成した後、凹部形状周辺に形成されたエッジ部の盛り上がりを粒径９μｍのテープラップフィルムにより除去し、試験に供した。

実施例７、８ともに、凹部１３の大きさは、８０μｍ×３２０μｍ、凹部１３の占有面積率は、２．５％とした。凹部１３の深さは３μｍとした。凹部１３の配置形態は、実施例７では、正三角形状に配置した千鳥格子配置（図７（Ａ）参照）とし、実施例８では、正方格子状に配置した正方格子配置（図７（Ｂ）参照）とした。

比較例２には、Ｒａ０．３μｍに仕上げたオーステナイト鋳鉄（ＦＣＡ）製のプレートと、Ｒａ０．２μｍに仕上げた硬質Ｃｒメッキ層を持つリングとを用いた。

実験は、押し付け荷重を２５０Ｎ、一往復あたりの摺動距離を３０ｍｍ、摺動速度を６００回／ｍｉｎ、５Ｗ３０の油（油供給温度２５℃）を摺動面に０．８ｃｃ／ｍｉｎで滴下して行った。図１０に一例を示したように、往復摺動中に得られた摩擦係数の波形を積分し、この値を比較することで、比較例２に対する摩擦係数比とした。

実験結果を下記の表２に示す。

表２に示すように、比較例２に対する各実施例７、８の摩擦係数比は、いずれも１より小さい。滑り方向２１に見た凹部１３同士の間隔が直交方向２２に見た凹部１３同士の間隔を超えないように凹部１３を配置し、直交方向２２への粘性流体の流れを促進することにより、摩擦を低減できるという本発明の効果を確認した。凹部１３を千鳥格子配置（実施例７）とすることにより、正方格子配置（実施例８）する場合に比べて、摩擦をさらに低減できることがわかった。

内燃機関に用いられるクランクシャフトを示す図である。 図２（Ａ）は、軸部と、軸部を回転自在に保持する軸受けメタルとを示す断面図、図２（Ｂ）は、軸部と軸受けメタルとの接触部の形状の説明に供する図である。 図３（Ａ）（Ｂ）は、滑り方向への潤滑油の流れを促進するための、凹部の配置形態を示す図である。 図４（Ａ）（Ｂ）は、滑り方向への潤滑油の流れを促進するための、凹部の配置形態を示す図である。 凹部の最大長さ方向を滑り方向に対して傾斜させて凹部を配置した形態の説明に供する図である。 図６（Ａ）は、シリンダボアと、シリンダボアに対して往復摺動するピストンリングとを示す断面図、図６（Ｂ）は、シリンダボアとピストンリングとの接触部の形状の説明に供する図である。 図７（Ａ）（Ｂ）は、滑り方向に対して直交する方向への潤滑油の流れを促進するための、凹部の配置形態を示す図である。 図８（Ａ）は、摺動面に形成されている凹部を示す斜視図、図８（Ｂ）は、図８（Ａ）の８Ｂ−８Ｂ線に沿う断面図である。 図９（Ａ）（Ｂ）は、実施例において、摺動面に形成した凹部の断面形状を示す断面図である。 実施例において、凹部の配置形態を示す図である。 ピストンリング／ボア模擬試験機を示す斜視図である。 実験中に得られた往復摺動時の摩擦係数の波形の一例を示す図である。

符号の説明

１０ 摺動部材、
１１ 第１部材、
１２ 第２部材、
１３ 凹部、
１４ 接触部、
１５ 側方の開放口、
１７ 凹部底面の極値を示す位置、
２１ 滑り方向、
２２ 直交方向（滑り方向に対して直交する方向）、
３０ 摺動部材、
３１ 第１部材、
３２ 第２部材、
４０ ピストンリング／ボア模擬試験機、
４１ リング、
４２ プレート、
１１０ クランクシャフト、
１１１ ジャーナル部、
１１２ ピン部、
１２１ シリンダボア、
１２２ ピストンリング、
Ｂ 接触部の幅、
Ｈ 滑り方向に沿う接触部の長さ、
ｆ 滑り方向に沿って凹部が存在しない領域、
α 滑り方向に対する凹部の最大長さ方向の傾き、
ｗ１ 滑り方向に見た凹部同士の間隔、
ｗ２ 滑り方向に対して直交する方向に見た凹部同士の間隔。

Claims (13)

1. 粘性流体を介して摺動する第１部材および第２部材と、
   前記第１部材の摺動面および前記第２部材の摺動面のうちの少なくとも一方に形成された微細な凹部と、を有し、
   前記第１部材と前記第２部材との接触部の形状に関して、接触部の幅をＢ、滑り方向に沿う長さをＨとした場合に、Ｂ／Ｈが１以下であり、
   前記凹部は、前記滑り方向への前記粘性流体の流れを促進するように、配置されてなる摺動部材。
2. 前記凹部は、前記滑り方向に沿って前記凹部が存在しない領域を形成するように、配置されていることを特徴とする請求項１に記載の摺動部材。
3. 前記凹部は、前記凹部の最大長さ方向を前記滑り方向に対して傾斜させて、配置されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の摺動部材。
4. 前記第１部材と前記第２部材とは、回転摺動することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の摺動部材。
5. 粘性流体を介して摺動する第１部材および第２部材と、
   前記第１部材の摺動面および前記第２部材の摺動面のうちの少なくとも一方に形成された微細な凹部と、を有し、
   前記第１部材と前記第２部材との接触部の形状に関して、接触部の幅をＢ、滑り方向に沿う長さをＨとした場合に、Ｂ／Ｈが１より大きく、
   前記凹部は、前記滑り方向に対して直交する方向への前記粘性流体の流れを促進するように、配置されてなる摺動部材。
6. 前記凹部は、前記滑り方向に見た凹部同士の間隔が前記滑り方向に対して直交する方向に見た凹部同士の間隔を超えないように、配置されていることを特徴とする請求項５に記載の摺動部材。
7. 前記第１部材と前記第２部材とは、往復摺動することを特徴とする請求項５または請求項６に記載の摺動部材。
8. 前記凹部は、前記摺動面における前記凹部の占有面積率が０．５％以上１０％以下であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１つに記載の摺動部材。
9. 前記凹部の形状が、前記滑り方向に対して直交する方向に扁平していることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１つに記載の摺動部材。
10. 前記凹部の短辺長さが５０μｍ以上１５０μｍ以下であり、凹部の長辺長さが凹部の短辺長さの２倍以上１０倍以下であることを特徴とする請求項９に記載の摺動部材。
11. 前記凹部は、その深さが０．５μｍ以上１０μｍ以下であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１つに記載の摺動部材。
12. 前記凹部の滑り方向の断面形状において、最表面の長さをＬ、滑り方向前側から凹部底面の極値を示す位置までの長さをＳとした場合に、Ｓ／Ｌが０．２以下であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１つに記載の摺動部材。
13. 前記第１部材および前記第２部材は、内燃機関の摺動部に使用するものである請求項１〜１２のいずれか１つに記載の摺動部材。

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