JP4655609B2

JP4655609B2 - 摺動部材

Info

Publication number: JP4655609B2
Application number: JP2004352651A
Authority: JP
Inventors: 俊和南部; 芳輝保田; 洋輔肥塚
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2004-02-05
Filing date: 2004-12-06
Publication date: 2011-03-23
Anticipated expiration: 2024-12-06
Also published as: JP2005249194A

Description

本発明は、粘性流体を介して摺動させる摺動部材に関する。

従来から、油を始めとする粘性流体を介して摺動させる摺動部材における摩擦を低減するためには、摺動部材の摺動面に微細な窪みや凹部、溝などを形成することが行われている。

このような窪み、凹部、溝などを摺動部材に形成する技術は、たとえば、往復摺動を行う内燃機関などに用いられているピストン／ボアの摩擦の低減を目的としている。

このような従来の技術の一例としては、摩擦を低減させるための摺動部材として、摺動面において、摺動方向に対してその深さを変化させた微細な凹部を形成したものがある（特許文献１参照）。
特開２００３−２３５８５２号公報

しかしながら、従来の摺動部材においては、摺動面に形成されている微細な凹部の断面形状に関して言及されたものはない。

たとえば、マスクブラスト処理などを用いて、摺動部に直角に硬質粒子を投射し形成された微細凹部の断面形状は、凹部中央を最深部とするＵ字型形状となっている。このような微細凹部形状の場合、ある程度の摩擦低減効果が得られるものの、限定的な効果にとどまっており、より一層の摩擦係数の低減が望まれている。

そこで本発明の目的は、摩擦係数の低減効果の高い摺動部材を提供することである。

上記課題を解決するための本発明は、粘性流体を介在させて摺動させる摺動部材において、前記摺動部材の摺動する２物体間で硬度が高い方の摺動面に設けられた微細な凹部を有し、前記凹部の開口部摺動方向の長さをＬとし、前記凹部の開口部摺動方向の一端から前記凹部の最低部位置までの長さをＳとして、Ｓ／Ｌが０〜０．３であり、前記摺動面における前記凹部の占有面積率が０．５〜１０％であることを特徴とする。

本発明によれば、摺動部材の摺動する２物体間で硬度が高い方の摺動面に形成された微細な凹部の形状を、凹部の開口部摺動方向の長さをＬとし、前記凹部の開口部摺動方向の一端から前記凹部の最低部位置までの長さをＳとして、Ｓ／Ｌが０〜０．３となるようにすることで、摺動部材の摩擦係数が少なくなり、耐磨耗性や耐焼き付き性を向上させることができる。さらに、摺動面における凹部の占有面積率を０．５％以上としたことから、凹部の機能を十分発現できて摩擦係数の低減が十分発現され、また、摺動面における凹部の占有面積率を１０％以下としたことから、固体接触の割合が増大せず、摩擦が増大せず、焼き付き性の悪化を抑えることができる。

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および２は、本発明を適用した摺動部材の構造を示す図面であり、図１（ａ）は平面図、図１（ｂ）は図１（ａ）におけるＡ−Ａ線に沿う断面図、図１（ｃ）は摺動面の拡大図である。図２は摺動面に形成されている凹部の断面形状の一例を示す断面図である。

この摺動部材１は、第１部材１１と第２部材１２よりなり、第１部材１１は第２部材１２に対して図示Ｕ１方向に、第２部材１２は第１部材１１に対して図示Ｕ２方向に相対的に回転する。

第２部材１２の摺動面２３には、図１（ｃ）に示すように、微細な凹部２１が複数設けられている。なお、図１（ｃ）は摺動面の微細な凹部を概念的に示したものであって実際に図示するような大きさや配置により形成されているものではない。

このような微細な凹部の形状は、図２に示すように、その断面が、凹部２１の開口部摺動方向（図示矢印方向）の長さをＬとし、凹部２１の開口部摺動方向の一端から凹部２１の最低部位置までの長さをＳとした場合、Ｓ／Ｌが０〜０．３以下、好ましくは０．２以下、より好ましくは０．１以下である。なお、下限はいずれの場合も０である。

さらに、この微細な凹部２１の形状は、その断面が、凹部内の少なくとも一部の壁面２２が摺動面２３に直角な線Ｃに対して０度（すなわち摺動面２３と直角）〜３０度、好ましくは０〜１０度の傾きθを有する。より好ましくは、この壁面２２の傾きが摺動面２３に対してできる限り直角に近付けることである。

これは、Ｓ／Ｌを０．３以下、もしくはこの壁面２２の傾きを摺動面２３に対して直角に近付けることにより、微細な凹部２１による幾何学的な平均油膜厚さの増大によるせん断率の減少に加えて、マイクロ動圧効果が増大して油膜が増大し、摩擦係数が減少できるという優れた効果がもたらされる。

このようなＳ／Ｌの値、および壁面２３の角度は、Ｓ／Ｌが０．３を超えるとまたは３０度を超える角度になると、マイクロ動厚効果が十分発現されなくなり、油膜増大効果が減少し、摩擦係数の減少効果が低下するため好ましくない。

この凹部の断面形状は、後述する実施例のように、たとえば、直角三角形状、Ｗ型形状、矩形状など、好ましくは摺動方向の前端の壁面が摺動面２３に対してほぼ直角な形状とする。

また、凹部２１の深さは、凹部２１の最低部位置までの深さをｔ、摺動中の粘性流体膜（通常油膜）の厚さをｈとした場合に、その比ｈ／ｔが０．０４〜５となるように形成する。これにより優れた摩擦低減効果を発揮する。上記の比ｈ／ｔが０．０４より小さい場合には、固体接触割合が増大し、耐焼き付き性が悪化するおそれがあり好ましくなく、一方、ｈ／ｔが５より大きい場合には、摩擦係数低減効果が十分発現されなくなるので好ましくない。

さらに、摺動面２３に形成した凹部２１の占有面積率（凹部の開口面積の総計／摺動面の全面積）が０．５〜１０％とすることが好ましい。これは、占有面積率が０．５％未満の場合には、凹部の機能が十分発現できず、摩擦係数の低減が十分発現されないため好ましくないものであり、一方、占有面積率が１０％を超えると固体接触の割合が増大し、摩擦が増大するばかりでなく、焼き付き性も悪化する傾向にあるため好ましくないものである。

さらに、微細な凹部２１の摺動面２３から見た形状は、摺動方向よりも摺動方向に直交する方向に長い扁平した形状である。そして、その短辺の長さ（摺動方向の長さ）が５０〜１５０μｍであり、長辺の長さ（摺動方向に直交する方向の長さ）が短辺の２〜１０倍とすることが好ましい。

このように凹部の開口の大きさを扁平とし、その短辺の長さを５０〜１５０μｍとするのは、多くの内燃機関の摺動部品では弾性変形を伴うため実際の接触面積が剛体の場合の投影面積に比べて極めて小さくなるために、１５０μｍより長くなると接触面積に対する凹部の占める割合が増大して、摩擦低減機能が十分に発現されなくなるので好ましくなく、一方、５０μｍより短い場合には、凹部の深さと凹部の大きさの関係から、動圧効果が十分得られなくなり、摩擦低減効果が十分得られなくなるので好ましくないものである。

また、長辺の長さ（摺動方向に直交する方向の長さ）を短辺の２〜１０倍とするのは、２倍未満の場合には、摺動方向に対して凹部の油たまり効果が十分に発揮されず、好ましくない。

一方、実際のエンジン摺動部品では、クランク軸を例に取ると、軸とメタルの投影面積に対して、実際には軸のたわみにより軸の端部に油膜の薄い箇所が存在する。このような接触状態において、凹部の大きさが１０倍を超えると、端部の油膜の薄い接触領域に対して凹部がはみ出して存在するため、油膜が薄くなり好ましくないためである。

また、このような凹部は、摺動部材の少なくともいずれか一方に形成されていればよいものであるが、たとえば、第１部材１１と第２部材１２からなる摺動部材の摺動面２３における硬度が２つの部材間で異なる場合、硬度が高い方の摺動面に微細な凹部２１を形成することが好ましい。これは、硬度の高い方に凹部２１を形成することで凹部２１の深さの変化が少なくて済み、耐久性に優れた摺動部材となる。

このような凹部２１は、たとえばエキシマレーザ、塑性加工、マスクブラスト、ＭＲＦ（マイクロロールフォーミング、微細塑性加工法）などにより形成することができる。なお、摺動部材間に介在させる粘性流体は、特に限定されるものではなく、通常、摺動部材に用いられる、たとえば潤滑油などである。

次に、上述のように構成された実施の形態に基づいて、実際にさまざまな凹部形状を形成した摺動部材を製作して摩擦係数を求める実験を行った。

実験に用いる摺動部材は、図１に示したとおり、第１部材１１である外円筒と、第２部材１２である内円筒からなる。このような部材に対する試験として、図４に示す内接２円筒試験機を用いた。

用いた円筒試験機は、外円筒１０１として外径φ６０の鋼製円筒に内径φ４５ｍｍのアルミメタルを圧入したものを用い、一方、内円筒１０２は外径がφ４３、軸方向曲率半径Ｒ７００ｍｍの鋼鉄（ＳＣＭ４２０Ｈ鋼）の浸炭焼き入れ焼き戻し材を用いた。そして内筒を軸１０３で軸支し、矢印Ｗ方向に所定のラジアル荷重で外筒１０１に接触させている。なお、内円筒１０２および外円筒１０１の幅はともに２０ｍｍである。また、外円筒１０１および内円筒１０２にはそれぞれＡＣサーボモータ（不図示）を取り付け独立に回転制御できるようにしている。

そして、５Ｗ３０の油を入れた油浴１０５内にこの外円筒１０２および内円筒１０２を浸すことで、外円筒１０２および内円筒１０２の間に油膜を形成させた。

実験は、ラジアル荷重２０ｋｇ、油温度８０℃、相対滑り速度０．３〜１２ｍ／ｓにおいて、平均速度を０〜２ｍ／ｓまで変化させ、内円筒軸１０３に取り付けたトルクセンサにより回転トルクを計測して接線力を算出し、ラジアル荷重で除することにより摩擦係数を求めた。なお、平均速度は内円筒速度をｕ１、外円筒速度ｕ２とした場合、（ｕ１＋ｕ２）／２である。同様に相対滑り速度は、（ｕ１−ｕ２）である。

（実施例および比較例）
実施例１〜６は、いずれもφ４３ｍｍの内円筒表面に本発明を適用した微細な凹部を形成した。一方、比較例１および２には、本発明を適用していない凹部を形成した。これら凹部は、エキシマレーザ、塑性加工、ＭＲＦ加工、マスクブラスト処理などにより形成した。なお、断面形状が、直角三角形状、矩形形状、２等辺三角形状は、塑性加工を用いたインデンターにより、Ｗ形状に関してはエキシマレ−ザ加工により、Ｕ字形状に関してはマスクブラスト加工によりそれぞれ作製した。

実施例、比較例のいずれも凹部形成後、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。

図３は、各実施例および比較例における凹部形状を示す図面である。なお、図中の矢印は、相対的な摺動方向を示す。

実施例１は、図３（ａ）に示すように、断面が直角三角形状であり、摺動方向前端の壁面を摺動面に直角な線に対して直角となるようにしている。

実施例２は、図２（ｂ）に示すように、断面がＷ形状であり、摺動方向前端および後端の壁面を摺動面に直角な線に対して直角となるようにしている。

実施例３は、図３（ｃ）に示すように、断面が矩形形状であり、摺動方向前端および後端の壁面を摺動面に直角な線に対して直角となるようにしている。

実施例４は、図３（ａ）に示すように、断面が直角三角形状であり、摺動方向前端および後端の壁面を摺動面に直角な線に対して直角となるようにしている（実施例１と大きさ異なる）。

実施例５は、図３（ｂ）に示すように、断面がＷ形状であり、摺動方向前端および後端の壁面を摺動面に直角な線に対して直角となるようにしている（実施例２と大きさ異なる）。

実施例６は、図３（ｃ）に示すように、断面が矩形形状であり、摺動方向前端および後端の壁面を摺動面に直角な線に対して直角となるようにしている（実施例３と大きさ異なる）。

比較例１は、図３（ｄ）に示すように、断面がＵ字形状で、その壁面は摺動面に直角な線に対して３０度を超え、なだらかにカーブする形状となっている。

比較例２は、図３（ｅ）に示すように、断面がほぼ２等辺三角形状であり、その壁面は全て摺動面に直角な線に対して４５度を超えるものとなっている。

表１に各実施例および比較例における凹部の大きさ、占有面積率（表中面積率）、深さ、および図３中の断面形状、および実験結果を示す。

次に凹部形状におけるＳ／Ｌと摩擦係数の関係について実験した結果を示す。図５に実際に制作した凹部の断面形状の計測形状を示し、図６に凹部２１を形成した摺動面２３の凹部２１形成パターンを示す（図５に示した（ａ）〜（ｃ）の全ての凹部で同じパターンとなるようにした）。

そして、図７に図５に示した各凹部形状におけるＳ／Ｌと摩擦係数の減少率（％）の関係を示す。なお、図５に示した凹部断面形状は、図５（ａ）がＳ／Ｌ＝０．５とした凹部（ブラスト加工により制作）、図５（ｂ）がＳ／Ｌ＝０．２となるように摺動方向前端壁が摺動面に対して直角な垂線から角度を持たせた凹部（ＭＲＦ加工により制作）、図５（ｃ）がＳ／Ｌ＝約０．１以下となるように、摺動方向前端壁が摺動面に対してほぼ直角の凹部（インデンターによるインデント加工により制作）である。また、図７に示した摩擦係数の減少率はＳ／Ｌ＝０．５のときを基準としての減少率である。

まず表１から、本発明を適用した実施例は、いずれも比較例と比べて摩擦係数が低くなっていることがわかる。また、各実施例から、摺動方向前端のみ直角な壁面を有する２等辺三角形状が特に好ましいことがわかる。また、比較例の形状と実施例の形状から、凹部内の壁面が、なだらかな形状（比較例１）よりもより急峻な角度（比較例２および実施例）となる方が、摩擦係数が小さくなる傾向を示していることがわかる。

次に図７から、Ｓ／Ｌの値が小さくなるほど、摩擦係数が減少することがわかる。特にＳ／Ｌ＝０．３付近でほぼ１０％程度の減少率となっており、Ｓ／Ｌ＝０．３で有効な摩擦係数の減少効果があることがわかる。また、Ｓ／Ｌ＝０．２以下では、Ｓ／Ｌ＝０．５〜０．３の間よりも減少率の傾きが大きくなっていて、摩擦係数の減少効果が大きくなっていることがわかる。したがって、Ｓ／Ｌの値は、０．２以下であればより好ましく、さらにＳ／Ｌ＝０．１以下ではいっそう好ましいものである。

このような摺動部材における摩擦係数低減のメカニズムは今のところ明確ではないが、以下のように推論している。すなわち、微細な凹部を摺動方向に形成することで、凹部が存在しない平滑面に対して、凹部の分だけ平均油膜厚さが増大し、平均せん断率が減少している効果に加えて、摺動方向と直交する方向の凹部の壁面を急峻にし、できる限り直角に近付けることで、より多くの油を接触部に流入させることが可能となり、また、凹部による微視的な動圧効果を合わせて発生することで、より広い作動条件で摩擦低減効果を発現しているものと考えている。

以上のように、本発明を適用することで、油などの粘性流体を介在した少なくとも２物体の摺動部材に関して、少なくとも一方の摺動表面に微細な凹部を形成し、その凹部内の少なくとも一つの壁面を急峻として、できる限り直角に近付けることで、摩擦係数が少なくなり、摺動特性が向上する。また、これにより油膜厚さも厚く維持されるようになって摩擦が低減し、耐磨耗性や耐焼き付き性が向上する。

本発明は、内燃機関の摺動部分、たとえば、内燃機関（エンジン）のピストン／ボアに好適である。

摺動部材を示す図面であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は図１（ａ）におけるＡ−Ａ線に沿う断面図、（ｃ）は摺動面の表面の拡大図である。上記摺動部材の摺動面に形成されている凹部の断面形状の一例を示す断面図である。実施例および比較例にける凹部断面形状を説明するための図面である。内接２円筒試験機を概略図である。Ｓ／Ｌと摩擦係数の関係を実験した凹部形状を示す図面である。摺動面の凹部形成パターンを示す図面である。Ｓ／Ｌと摩擦係数の減少率を示すグラフである。

符号の説明

１…摺動部材、
１１…第１部材、
１２…第２部材、
２２…壁面、
２３…摺動面。

Claims

粘性流体を介在させて摺動させる摺動部材において、
前記摺動部材の摺動する２物体間で硬度が高い方の摺動面に設けられた微細な凹部を有し、
前記凹部の開口部摺動方向の長さをＬとし、前記凹部の開口部摺動方向の一端から前記凹部の最低部位置までの長さをＳとして、Ｓ／Ｌが０〜０．３であり、
前記摺動面における前記凹部の占有面積率が０．５〜１０％であることを特徴とする摺動部材。
前記凹部の開口部の形状が、前記摺動方向よりも摺動方向に直交する方向に長い扁平した形状であると共に、摺動方向に直交する方向の長さが、摺動方向の長さの２〜１０倍であることを特徴とする請求項１記載の摺動部材。
前記凹部の開口部の形状が、前記摺動方向よりも摺動方向に直交する方向に長い扁平した形状であると共に、前記開口部の摺動方向の長さが、５０〜１５０μｍであることを特徴とする請求項１又は２に記載の摺動部材。
前記Ｓ／Ｌが０〜０．２であ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。
前記凹部内の壁面の少なくとも一部が摺動面に直角な線に対して０〜３０度の傾きを有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の摺動部材。
前記凹部の開口部摺動方向の一端は、前記凹部の前記摺動方向前端であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の摺動部材。
前記角度を有する壁面は、少なくとも前記摺動方向の前端方向に位置する壁面であることを特徴とする請求項５又は６に記載の摺動部材。
前記凹部の断面形状は、直角三角形状、矩形状、およびＷ型状のうちいずれかであることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一つに記載の摺動部材。
前記凹部は、その前記最低部位置までの深さをｔとし、前記摺動面における摺動時の粘性流体膜厚さをｈとした場合に、その比ｈ／ｔが０．０４〜５となるように形成されていることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一つに記載の摺動部材。