DE60124055T2

DE60124055T2 - Gleitflachstruktur für eine Brennkraftmaschine und Brennkraftmaschine mit dieser Gleitflachstruktur

Info

Publication number: DE60124055T2
Application number: DE60124055T
Authority: DE
Inventors: Kenshi Kamakura-shi Ushijima; Yoshiteru Yokohama-shi Yasuda; Makoto Yokohama-shi Kano
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2000-11-20
Filing date: 2001-11-16
Publication date: 2007-03-01
Anticipated expiration: 2021-11-17
Also published as: EP1630396A3; DE60124055D1; US6739238B2; US20020090155A1; EP1207314A3; EP1207314A2; EP1630396A2; EP1630396B1; EP1207314B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Gleitstruktur für eine hin- und hergehende Brennkraftmaschine entsprechend des Oberbegriffteiles des unabhängigen Anspruchs 1. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine Technologie zur Reduzierung der Reibung auf der Grundlage einer Mikrostruktur der Gleitoberflächen der im Verhältnis zueinander gleitbaren mechanischen Bauteile. Noch genauer betrifft diese Erfindung eine Oberflächenrauhigkeits- Mikrostruktur der Gleitelemente einer Gleitstruktur für eine hin- und hergehende Brennkraftmaschine, die vorgesehen ist, um den Reibungsverlust in der hin- und hergehenden Brennkraftmaschine zu reduzieren.
Die Gleitelemente der hin- und hergehenden Brennkraftmaschinen enthalten eine Kurbelwelle, ein Lagermetall, einen Kolbenmantel, eine Zylinderwand und dergleichen. In einer zugehörigen Technik hat die Gleitoberfläche der Kurbelwelle eine Mikrostruktur, in der tiefe Täler über einen breiten Bereich seiner Basisoberfläche, die feine Vorsprünge und Aussparungen enthält, fortlaufend gebildet sind. In einer weiteren zugehörigen Technik hat eine Gleitoberfläche des Kolbenmantels eine zehn- Punkt Hauptrauhigkeit Rz von nicht weniger als 20 μm, was in dem JIS B 0601- 1994 beschrieben ist. Infolge der Oberflächenrauhigkeit verbleiben selbst noch dann, wenn die Gleitoberfläche des Kolbenmantels Verschleiß unterliegt, mikroskopisch kleine Täler, die auf der Gleitoberfläche gebildet sind, und wirken als Ölrückhalteaussparungen. Die Wirkung des Zurückhaltens von Öl kann die Eigenschaften gegen Festfressen des Kolbenmantels unter unzureichenden Schmierungsbedingungen derselben und hohen Drehzahl- und Hochlastbedingungen der Brennkraftmaschine verbessern. Außerdem hat in der zugehörigen Technik eine Gleitoberfläche der Zylinderwand eine kreuz- geschliffene Mikrostruktur, in der tiefe Täler über einen breiten Bereich fortlaufend angeordnet sind, um sich schneidende Nuten zu bilden.
US 6 095 690 zeigt eine Gleitstruktur entsprechend des Oberbegriffteiles des unabhängigen Anspruchs 1. Insbesondere schlägt das Dokument Gleitlagerelemente für den gebrauch in hergehenden Brennkraftmaschinen vor, die Schmieröltaschen auf den Gleitoberflächen haben. Die Schmierungsöltaschen haben vorbestimmte Tiefen und sind in vorbestimmten Bereichen vorgesehen. Diese zugehörige Technik zielt darauf, die Eigenschaften gegenüber Festfressen der Gleitlagerelemente unter einer unzureichenden Schmierungsbedingung der Gleitlagerelemente und hohen Drehzahl- und Hochlastbedingungen der Brennkraftmaschine verbessern.
Im Wesentlichen wird die Dicke eines Schmierölfilms, die zwischen den sich relativ bewegenden Gleitoberflächen, die solch eine zuvor beschriebene Oberflächenrauhigkeit haben und die einer Last unterworfen werden, gebildet wird, in Abhängigkeit von einem Gleichgewicht zwischen einer Schmierölmenge, die in einen Spalt zwischen den Gleitoberflächen bei einer relativen Bewegung der Gleitoberflächen eingeleitet wird, und der Schmierölmenge, die aus dem Spalt infolge des Druckes, der durch eine Last verursacht wird, leckt oder abgegeben wird, festgelegt. Nachdem das Schmieröl aus dem Spalt abgegeben worden ist, strömt das Schmieröl entlang der Gleitoberflächen, die den Spalt bilden, und eine große Menge des Schmieröls strömt aus einem Abschnitt des Spaltes heraus, wobei die Schmierölströmung eine Laminarströmung ist. Die Menge der Laminarströmung verändert sich im Verhältnis zur dritten Potenz des Spaltes, der eine Laminarströmung, um hindurchzugehen, gestattet. Wenn sich demzufolge solch ein Abschnitt des Spaltes in eine Richtung der Strömung des Schmieröls über einen breiten Bereich von den Gleitoberflächen erstreckt, wird sich der Strömungswiderstand an dem Abschnitt des Spaltes bemerkenswert vermindern.
Zusätzlich werden, wenn die in der zugehörigen Technik beschriebene Kurbelwelle mit einem Lagermetall, das mikroskopisch kleine Ölrückhalteaussparungen auf der Gleitoberfläche hat, verwendet wird, die kontinuierlichen mikroskopisch kleinen tiefen Täler der Gleitoberfläche der Kurbelwelle mit den mikroskopisch kleinen Ölrückhalteaussparungen der Gleitoberfläche des Lagermetalls fluid- verbunden. Ähnlich gibt es in der Kombination von Zylinderwand, wie sie in der zugehörigen Technik beschrieben worden ist, und dem Kolbenmantel, der mikroskopisch kleinen Ölrückhalteaussparungen auf der Gleitoberfläche hat, die Tendenz, dass eine Fluid- Verbindung zwischen dem kontinuierlichen mikroskopisch kleinen tiefen Tälern der Gleitoberfläche der Zylinderoberfläche und den mikroskopisch kleinen Ölrückhalteaussparungen der Gleitoberfläche des Kolbenmantels auftritt. Wenn das Schmieröl aus dem Spalt zwischen den Gleitoberflächen dieser Gleitelemente abgegeben wird, strömt das Schmieröl wahlweise durch den Bereich der Gleitoberflächen, wo die tiefen Täler und die Ölrückhalteaussparungen fluid- verbunden sind. Dies verursacht eine Reduzierung des Strömungswiderstandes, so dass sich die Dicke des Schmierölfilms vermindert. Als ein Ergebnis wird eine Scherkraft des Schmieröls größer, um dadurch den Reibungsverlust in der Brennkraftmaschine zu erhöhen.
Es gibt eine Forderung, die zuvor beschriebenen Probleme in der zugehörigen Technik zu beseitigen.
Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Gleitstruktur für eine hin- und hergehende Brennkraftmaschine zu schaffen, die in der Lage ist die Reduzierung des Strömungswiderstandes in dem Schmieröl, das zwischen gegenüberliegenden Gleitoberflächen von zwei Gleitelementen strömt, zu unterdrücken, um den Reibungsverlust zu reduzieren.
Entsprechend der vorliegenden Erfindung wird diese Aufgabe durch eine Gleitstruktur für eine hin- und hergehende Brennkraftmaschine gelöst, die die Merkmale des unabhängigen Anspruchs 1 hat.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind in den Unteransprüchen niedergelegt.
Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung in größerer Ausführlichkeit mittels der Ausführungsbeispiele derselben in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen erläutert, wobei:
1A eine schematische, perspektivische Ansicht einer Mikrostruktur einer Gleitoberfläche der Gleitelemente einer Gleitstruktur eines ersten Ausführungsbeispieles entsprechend der vorliegenden Erfindung, die eine Basisoberfläche und Vertiefungen zeigt;
1B eine Draufsicht der in der 1a gezeigten Mikrostruktur ist;
1C eine Schnittdarstellung der in der 1a gezeigten Mikrostruktur ist; die 2A und 2B Modelle einer mikroskopisch kleinen Oberflächenkonfiguration der Gleitoberfläche der 1A–1C sind, die eine zwei- dimensionale Rauhigkeitskonfiguration und eine Laminarströmung von Schmieröl zeigen;
3 ein Diagramm ist, dass eine Beziehung zwischen der Rauhigkeitshöhe und der kumulativen Verteilung der Rauhigkeitshöhe einer zusammengesetzten Rauhigkeitskonfiguration zeigt;
4 ein Diagramm ist, das eine Beziehung zwischen dem Reibungsverlust und dem Verhältnis H/h der Tiefe N der Vertiefungen zu der Dicke h des Schmierölfilms zeigt;
5 ein Diagramm ist, das eine Beziehung zwischen dem Reibungsverlust und einem Verhältnis C einer Summe von Öffnungsflächen der Vertiefungen in der Oberflächen- Flächeneinheit der Gleitoberfläche ist; und
6 ein Diagramm ist, das eine Beziehung zwischen dem Reibungsverlust und dem Verhältnis r/h der Rauhigkeitshöhe r der Basisoberfläche zu der Dicke h eines Schmierölfilms ist;
7A eine schematische perspektivische Ansicht einer Mikrostruktur einer Gleitoberfläche der Gleitoberfläche des Gleitaufbaus eines Ausführungsbeispieles ist, dass nicht von dem Umfang der vorliegenden Erfindung gedeckt ist, die eine Basisoberfläche und Nuten zeigt;
7B eine schematische Draufsicht der in der 7A gezeigten Mikrostruktur ist;
7C eine schematische Schnittdarstellung der in der 7A gezeigten Mikrostruktur ist; die 8A und 8B Modelle einer mikroskopisch kleinen Oberflächenkonfiguration der Gleitoberfläche der 7A–7C zeigen, die eine zwei- dimensionale Rauhigkeitskonfiguration und eine Laminarströmung des Schmieröls zeigen;
9A eine Kurbelwelle und ein Lagermetall zeigt;
9B eine Schnittdarstellung des Lagermetalls ist, genommen entlang der Linie 9B-9B der 9A; und
10 eine Zylinderwand, einen Kolbenmantel und Kolbenringe zeigt.
In Bezug auf die 1A–1C werden nachstehend die Gleitelemente für eine hin- und hergehende Brennkraftmaschine eines ersten Ausführungsbeispiels entsprechend der vorliegenden Erfindung erläutert. Im tatsächlichen Betrieb sind zwei Gleitelemente über Schmieröl dazwischen relativ gleitbar. Die zwei Gleitelemente haben zwei zueinander gegenüberliegende und mit dem Schmieröl geschmierte Gleitoberflächen. Die 1A–1C zeigen einen Mikroaufbau jeder der Gleitoberflächen. Wie in der 1A dargestellt enthält die Gleitoberfläche die Basisoberfläche 10 und eine Mehrzahl von mikroskopisch kleinen Vertiefungen 11, die voneinander durch die Basisoberfläche 10 getrennt sind. Die Basisoberfläche 10 ist zwischen die Vertiefungen 11 dazwischen liegend. Die Basisoberfläche hat mikroskopisch kleine Unregelmäßigkeiten, nämlich Aussparungen und Vorsprünge, die, wie in der 1C gezeigt, eine maximale Höhe t haben. Die maximale Höhe t wird durch den Ausdruck der maximalen Höhe Ry, beschrieben in dem JIS 0601- 1994, repräsentiert. Die Vertiefungen 11 hatten eine im Wesentlichen eine Teil- Kugelform. Fall die Anzahl der Vertiefungen 11 durch 1 bis N angezeigt wird, haben die Vertiefungen 11 maximale Durchmesser d_1–N, wie in der 1B gezeigt, und maximale Tiefen k_1–N, wie in der 1C gezeigt. Der maximale Durchmesser jeder Vertiefung 11 bedeutet einen maximalen Durchmesser einer Öffnungsfläche der Vertiefung 11. Die maximalen Abstände zwischen den benachbarten Vertiefungen 11 werden durch L₁__N, gezeigt in der 1B, angezeigt und die Unterteilung derselben wird mit P₁__N, gezeigt in der 1B, angezeigt. Der Durchschnittswert k der maximalen Tiefen k₁__N ist größer als die maximale Höhe t. Die Durchschnittswerte d der maximalen Durchmesser d₁__N der Vertiefungen 11 der einen von den Gleitoberflächen ist kleiner als der Durchschnittswert L der minimalen Abstände L₁__N zwischen den Vertiefungen 11 der anderen von den Gleitoberflächen.
Die Gleitoberflächen bilden einen ersten Spalt dazwischen, von dem eine Laminarströmung des Schmieröls leckt. In der Annahme, dass die Gleitoberflächen vollständig glatte Oberflächen sind und ein zweiter Spalt dazwischen gebildet ist, von dem die Laminarströmung des Schmieröls leckt, ist das erste Oberflächenintegral T einer umgekehrten Zahl von ersten Spalten kleiner als das zweite Oberflächenintegral Tglatt einer umgekehrten Zahl von dem zweiten Spalt unter der Bedingung, dass die Laminarströmung des Schmieröls, dass jeweils aus dem ersten und dem zweiten Spalt leckt, im Wesentlichen gleiche Strömungswiderstände in Bezug auf den Druckgradienten in einer Richtung der Leckage der Laminarströmungen des Schmieröls haben. Hierin bedeutet die vollständig glatte Oberfläche eine theoretisch vollständig glatte Oberfläche. Die theoretisch vollständig glatte Oberfläche ist eine Ebene, in der eine Mittellinie einer Rauhigkeitskurve liegt und die eine Oberflächenrauhigkeit von im Wesentlichen null hat.
Außerdem ist, wenn die gegenüberliegenden Gleitoberflächen die theoretisch vollständig glatten Oberflächen sind, die einen minimalen Spalt MIC dazwischen bilden und eine Menge des Schmieröls, das in den minimalen Spalt MIC bei einer relativen Bewegung der zwei Gleitelemente sich mit der Menge des Schmieröls, das davon durch den zwischen den zwei Gleitelementen erzeugten Druck abgegeben wird, ausgleicht, der minimale Spalt MIC größer als die Summe der maximalen Höhe t der mikroskopisch kleinen Unregelmäßigkeiten der Basisoberflächen 10 und kleiner als der Durchschnittswert k der maximalen Tiefen der Vertiefungen 11 von zumindest einer der Gleitoberflächen. In diesem Fall wird der Reibungsverlust reduziert. Der minimale Spalt MIC wird unter einer gewöhnlichen Betriebsbedingung des Motors, die häufig auftritt und am meisten von Reibungsverlust und Kraftstoffverbrauch beeinflusst wird, festgelegt. Die gewöhnliche Betriebsbedingung des Motors beträgt 1/3 der maximalen Drehzahl und ¼ einer maximalen Last. Die gewöhnliche Betriebsbedingung des Motors kann eine maximale Betriebszeit bei 1/3 einer maximalen Drehzahl und ¼ einer maximalen Last enthalten. Der minimale Spalt MICO, der kleiner als der minimalen Spalt MIC ist, wird unter einer anderen Betriebsbedingung des Motors festgelegt, die eine Hochdrehzahl- und Hochtemperatur- Betriebsbedingung ist.
Insbesondere die Dicke des zwischen den Gleitoberflächen gebildeten Schmierölfilmes, auf den die Last aufgebracht wird, wird in Abhängigkeit von dem Ausgleich zwischen einer Menge des Schmieröls, das in den Spalt zwischen den Gleitoberflächen bei einer relativen Bewegung der Gleitoberflächen eingeleitet wird und einer Menge des Schmieröls, das abgegebene oder durch Leckage aus dem Spalt infolge des aufgebrachten Druckes austritt, festgelegt. Nachdem das Schmieröl aus dem Spalt zwischen den Gleitoberflächen abgegeben worden ist, strömt es entlang der Gleitoberflächen und eine große Menge des Schmieröls strömt aus einem relativ breiten Raum heraus, der durch die Oberflächenkonfigurationen der Gleitoberflächen gebildet ist, wobei der Strömungswiderstand klein ist. Hierbei ist die Strömung des Schmieröls eine Laminarströmung und die Größe der Laminarströmung verändert sich proportional zu der dritten Potenz des Spaltes, der der Laminarströmung gestattet, dort hindurchzuströmen. Wenn sich demzufolge ein relativ breiter Raum zwischen den Gleitoberflächen in eine Richtung der Strömung des Schmieröls erstreckt, wird der Strömungswiderstand in dem Schmieröl, das dort durch den relativ breiten Raum hindurchströmt, bemerkenswert reduziert. In diesem Ausführungsbeispiel wird das Verhältnis zwischen dem Durchschnittswert d des maximalen Durchmessers der Vertiefungen 11 der anderen Gleitoberfläche durch d < L repräsentiert. Infolge der Beziehung d < L zwischen dem Durchschnittswert d und dem Durchschnittswert L können die Vertiefungen 11 der einen Gleitoberfläche gehindert werden, sich miteinander über die Vertiefungen 11 der anderen Gleitoberfläche zu verbinden. Demzufolge ist der relativ breite Raum, der sich kontinuierlich in jede Richtung erstreckt, nicht zwischen den Gleitoberflächen gebildet. Einer großen Menge des Schmieröls ist es gestattet, durch den relativ engen Raum, gebildet durch die gegenüberliegenden Basisoberflächen 10 der Gleitoberflächen, zu strömen. Der Strömungswiderstand in dem Schmieröl, das durch den relativ engen Raum hindurchgeht, ist erhöht. Andererseits wird eine Scherkraft des Schmieröls an den Vertiefungen 11 vermindert. Als ein Ergebnis können die Gleitoberflächen, die die zuvor beschriebene Mikrostruktur haben, den minimalen Spalt dazwischen beibehalten, der erforderlich ist, um eine geeignete Dicke des Schmierölfilms bei Rauhigkeitsspitzen der Gleitoberflächen sicher zu stellen, während die Scherkraft an den Vertiefungen 11 reduziert wird. Dies kann den Reibungsverlust zwischen den Gleitelementen vermindern.
Nachstehend werden quantitative Untersuchungen der Wirkung der Reduzierung des Reibungsverlustes diskutiert. Wenn die zuvor beschriebene Beziehung d < L zwischen dem Durchschnittswert d und dem Durchschnittswert L vorhanden ist, wird die schmierende Ölströmung gedrückt, um durch den relativ engen Raum zwischen der Basisoberfläche 10 der Gleitoberflächen, wie zuvor erläutert, hindurchzugehen. Der Strömungswiderstand in dem Schmieröl, das durch den Raum hindurchgeht, wird unter Verwendung eines Models einer mikroskopisch kleinen Oberflächenkonfiguration, gezeigt in der 2A, der Gleitoberfläche berechnet. In der 2A ist eine zwei- dimensionale Rauhigkeitskonfiguration durch Schraffieren und eine Laminarströmung ist durch einen Pfeil gezeigt. Der Strömungswiderstand in dem Schmieröl kann festgelegt werden, um ungefähr dem Strömungswiderstand der Laminarströmung, die die mikroskopisch kleinen Unregelmäßigkeiten der Gleitoberfläche der 2A kreuzt, zu entsprechen. Der Strömungswiderstand in dem Schmieröl wird im Hinblick auf die Rauhigkeitskonfiguration der Gleitoberflächen berechnet, um einen Spalt zwischen den Gleitoberflächen zu erhalten. Der Spalt kann in der Annahme festgelegt werden, dass der Strömungswiderstand in dem Schmieröl, das dort hindurch geht, im Wesentlichen zu dem Strömungswiderstand, der erzeugt wird, wenn der Schnierölfilm, der eine Dicke eines vorbestimmten Wertes hat, zwischen den theoretisch vollständig glatten Oberflächen gebildet wird, gleich ist. Hierin kann, wenn die Rauhigkeitskonfiguration der Basisoberfläche 10 der Gleitoberfläche eine drei- dimensionale Zufallskonfiguration ist, der Strömungswiderstand in dem Schmieröl, das entlang der Basisoberfläche 10 strömt, auf ungefähr den Strömungswiderstand festgelegt werden, der erzeugt wird, wenn die Basisoberfläche 10, wie in der 2B gezeigt, glatt ist. Demzufolge kann der Spalt zwischen den Gleitoberflächen als der Spalt zwischen den glatten Basisoberflächen der Gleitoberflächen festgelegt werden.
Außerdem kann der Reibungsverlust, der bei der relativen Gleitbewegung der Gleitoberflächen verursacht wird, im Wesentlichen im Verhältnis zu einem Oberflächenintegral einer umgekehrten Zahl eines Spaltes zwischen den Gleitoberflächen festgelegt werden, nämlich einem Oberflächenintegral einer umgekehrten Zahl einer Dicke eines Schmierölfilms, der zwischen den Gleitoberflächen gebildet wird. Hierin wird eine Rauhigkeitskonfiguration von jeder der Gleitoberflächen, die durch sowohl die Basisoberfläche 10, als auch durch die Vertiefungen 11 gebildet wird, durch eine umgekehrte Zahl der Dicke des Schmierölfilms beträchtlich beeinflusst. Demzufolge wird die umgekehrte Zahl der Dicke des Schmierölfilms relativ zu einer Zusammensetzungsrauhigkeitskonfiguration, gebildet durch das Zusammenwirken der Basisoberfläche 10 und der Vertiefungen 11 berechnet. Die kumulative Verteilung der Rauhigkeitshöhe der Zusammensetzungsrauhigkeit ist in der 3 gezeigt, die auf der Grundlage der Abbot- Firestone-Kurve unter Verwendung der Parameter in Bezug zu der Basisoberfläche 10 und der Vertiefungen 11 berechnet wird. Die Abbot- Firestone- Kurve ist in der ISO 4287 : 1997 und in der DIN 4762 beschrieben, die hierbei durch Bezug enthalten sind.
Die Parameter sind wie folgt:
R: Rauhigkeitshöhe des Basisoberfläche 10
Ry: maximale Höhe der Rauhigkeit der Basisoberfläche 10
H: Tiefe der Vertiefungen 11
C: Verhältnis einer Summe der Öffnungsflächen der Vertiefungen 11 zu der Einheitsoberflächenfläche der Gleitoberfläche.
Der Grund für die Reduzierung des Reibungsverlustes in diesem Ausführungsbeispiel wird wie folgt erklärt. Der Strömungswiderstand in dem Schmieröl ist umgekehrt proportional zu der dritten Potenz des Spaltes, der dem Schmieröl gestattet, dort hindurch zu gehen. Die Gleitoberflächen der Gleitelemente dieses Ausführungsbeispieles sind so aufgebaut, um das Schmieröl zu drücken, um, wie zuvor beschrieben, durch den engen Raum zwischen den Basisoberflächen 10 hindurchzugehen und um den Strömungswiderstand in dem Schmieröl, das durch den engen Raum hindurchgeht, zu erhöhen. Infolge der Erhöhung des Strömungswiderstandes in dem Schmieröl wird kein minimaler Spalt zwischen den Gleitoberflächen nicht wesentlich reduziert. Hierin wird ein Spalt zwischen den Gleitoberflächen als ein minimaler Spalt festgelegt, wenn der Strömungswiderstand in dem Schmieröl, das durch den Spalt hindurchgeht, zu dem Strömungswiderstand in dem Schmieröl, das durch einen Spalt zwischen den theoretisch vollständig glatten Oberflächen hindurchgeht, wenn die Gleitoberflächen die theoretisch vollständig glatten Oberflächen sind, gleich ist. Andererseits vermindert sich der Strömungswiderstand in dem Schmieröl an den Vertiefungen 11, wodurch die Vertiefungen 11 den minimalen Spalt beeinflussen, um ihn unter den Spalt zwischen den theoretisch vollständig glatten Oberflächen zu vermindern. Inzwischen wird die Abscherrate (das Produkt einer umgekehrten Zahl des Spaltes zwischen den Gleitoberflächen und einer relativen Geschwindigkeit der Gleitoberflächen) des Schmieröls durch die Vertiefungen 11 reduziert. Die Wirkung der Reduzierung der Abscherrate des Schmieröls durch die Vertiefungen 11 wird in hohem Maße gezeigt, wenn mit dem Einfluss für die Verminderung des minimalen Spaltes durch die Vertiefungen 11 verglichen wird. Dies verursacht ein Reduzierung des gesamten Reibungsverlustes zwischen den Gleitelementen. Falls die Rauhigkeitshöhe r der Basisoberfläche sich erhöht, werden die Wirkung der Reduzierung des Strömungswiderstandes in dem Schmieröl und der Einfluss zum Vermindern des minimalen Spaltes durch die Vertiefungen 11 die Wirkung der Reduzierung der Abscherrate des Schmieröls durch die Vertiefungen 11 überschreitet. Demzufolge wird sich die Reibung zwischen den Gleitoberflächen erhöhen. Die Reibung verändert sich umgekehrt proportional zu dem Spalt zwischen den Gleitoberflächen. Wenn demzufolge die Rauhigkeitshöhe r der Basisoberfläche 10 näher zu der Dicke des Schmierölfilms zwischen den Gleitoberflächen ist, wird die Reibung, die zwischen den Gleitoberflächen verursacht wird, beeinflusst, um sich zu erhöhen. Es wird verstanden, dass der Reibungsverlust zwischen den Gleitelementen reduziert werden kann, wenn ein Oberflächenintegral einer umgekehrten Anzahl des ersten Spaltes zwischen den Gleitoberflä chen kleiner als ein Oberflächenintegral einer umgekehrten Anzahl des zweiten Spaltes zwischen den Gleitoberflächen in der Annahme ist, die theoretisch vollständig glatten Oberflächen unter der Bedingung zu sein, dass der Strömungswiderstand in dem Schmieröl, das aus dem ersten Spalt leckt, zu dem Strömungswiderstand in dem Schmieröl, das von dem zweiten Spalt in Bezug zu dem Druckgradient in der Leckagerichtung des Schmieröls leckt, gleich ist.
Außerdem wird es verstanden, dass wenn die zuvor erwähnte Beziehung d < L zwischen dem Durchschnittswert d und dem Durchschnittswert L vorhanden ist, wenn die Summe der maximalen Höhen t der mikroskopisch kleinen Unregelmäßigkeiten des Basisoberfläche 10 kleiner als die Dicke des Schmierölfilms ist, der zwischen den Gleitoberflächen gebildet ist, je größer die Oberflächenfläche und die Tiefe von jeder Vertiefung 11 innerhalb der oben beschriebenen Grenzen wird, desto mehr kann der Reibungsverlust reduziert werden. Die vorbestimmte Grenze der Öffnungsfläche der Vertiefung 11 wird auf der Grundlage des maximalen Durchmessers der Vertiefung 11 festgelegt, die kleiner als eine minimale Länge zwischen zwei gegenüberliegenden Enden von jeder der Gleitoberflächen ist. Der Schmierölfilm ist über die minimale Länge gebildet. Falls die Öffnungsfläche der Vertiefung 11 die vorbestimmte Grenze überschreitet, können die zuvor beschriebenen Wirkungen der Vertiefungen 11 nicht erhalten werden. Die vorbestimmte Grenze der Tiefe von jeder Vertiefung 11 ist ein Grenzwert, in dem die Reduzierung der Reibung erreicht werden kann. Falls jede Vertiefung 11 ein extrem großes Volumen hat, wird die Druckeigenschaft des Schmieröls den minimalen Spalt zwischen den Gleitoberflächen beeinflussen.
Weiterhin ist die Form der Vertiefungen 11 nicht auf die zuvor beschriebene im Wesentlichen Teil- Kugelform begrenzt und sie kann verschiedene Formen haben, die eine unregelmäßige Form enthalten. Dieselben Wirkungen der Vertiefungen können unabhängig von der Form der Vertiefungen erhalten werden.
Überdies wenn die zuvor beschriebene Beziehung d < L zwischen dem Durchschnittswert d und dem Durchschnittswert L vorhanden ist, kann die Härte einer Gleitoberfläche größer als eine Härte der anderen Gleitoberfläche festgelegt werden. In solch einem Fall können die Vertiefungen 11 der einen Gleitoberfläche daran gehindert werden, selbst dann nicht von der einen Gleitoberfläche eliminiert zu werden, wenn die andere Gleitoberfläche einem Verschleiß unterliegt, der durch den direkten Kontakt zwischen den Gleitoberflächen verursacht wird. Der Durchschnittswert L der minimalen Abstände zwischen den Vertiefungen 11 der anderen Gleitoberfläche kann demzufolge kleiner festgelegt werden, so dass ein Verhältnis einer Summe der Öffnungsflächen der Vertiefungen 11 der anderen Gleitoberfläche zu der Einheitsoberflächenfläche derselben größer festgelegt werden kann. Nämlich in einem Fall, wo die zuvor beschriebene Beziehung d < L vorhanden ist, kann der Durchschnittswert d der maximalen Durchmesser der Vertiefungen 11 der einen Gleitoberfläche kleiner als der Durchschnittswert D der maximalen Durchmesser der Vertiefungen 11 der anderen Gleitoberfläche festgelegt werden. Als ein Ergebnis kann die Zeit, die erforderlich ist, bis die Vertiefungen 11 abgerieben sind, verlängert werden, wodurch die Wirkung der Reduzierung der Reibung für einen relativ langen Zeitraum erhalten werden kann. Wenn außerdem die Härte der einen Gleitoberfläche größer als die Härte der anderen Gleitoberfläche ist, kann die Höhe t der mikroskopisch kleinen Unregelmäßigkeiten der Basisoberfläche 10 von der einen Gleitoberfläche kleiner als der minimale Spalt MIC festgelegt werden, und die maximale Höhe t der mikroskopisch kleinen Unregelmäßigkeiten der Basisoberfläche 10 der anderen Gleitoberfläche kann größer als der minimale Spalt MIC festgelegt werden. In diesem Fall werden die Höhen t der mikroskopisch kleinen Unregelmäßigkeiten der Basisoberfläche 10 derart eingestellt, das die Summe der maximalen Höhen t der mikroskopisch kleinen Unregelmäßigkeiten der Basisoberfläche 10 kleiner als der minimale Spalt MIC durch den anfänglichen Verschleiß wird, der zum Beginn des Betriebs der relativen Gleitbewegung der Gleitelemente verursacht wird.
Die Gleitstruktur von diesem Ausführungsbeispiel ist auf die Kombination einer Kurbelwelle und eines Lagermetalls einer hin- und hergehenden Brennkraftmaschine für Kraftfahrzeuge anwendbar. Die 9A und 9B zeigen typische Beispiele der Kurbelwelle und des entsprechenden Lagermetalls. Wie in der 9A dargestellt, hat die Kurbelwelle 100 eine Gleitoberfläche 102 gegenüberliegend zu der Gleitoberfläche 106 des Lagermetalls 104. Die Gleitoberflächen 102 und 106 werden mit dem Schmieröl geschmiert. Der Schmierölfilm 110 wird in einem Abstand zwischen den Gleitoberflächen 102 und 106 gebildet. In der 9B bezeichnet die Bezugszahl 112 die minimale Länge der Gleitoberfläche 106, die sich zwischen den gegenüberliegenden axialen Enden des Lagermetalls 104, das kürzer als die Umfangslänge 114 desselben ist, erstreckt.
In der Kurbelwelle und in dem Lagermetall der hin- und hergehenden Brennkraftmaschine für Kraftfahrzeuge wird die relative Geschwindigkeit der Gleitbewegung 20 m/s während der maximalen Drehzahl des Motors überschreiten. Unter solch einer Bedingung wird Reibungswärme in dem Schmieröl auftreten, was die Temperatur desselben veranlasst, anzusteigen. Dies wird die Viskosität des Schmieröls vermindern, wodurch die Dicke des Schmierölfilms, der zwischen der Kurbelwelle und dem Lagermetall gebildet ist, reduziert werden wird. Die Kurbelwelle und das Lagermetall werden wegen der darauf angewandten Trägheitskraft elastisch verformt und dann miteinander in direkten Kontakt gebracht. Mit dem Vorsehen der zuvor beschriebenen Vertiefungen 11 auf den Gleitoberflächen der Kurbelwelle und des Lagermetalls kann ein bestimmtes Volumen des Schmierölfilms durch die Vertiefungen 11 zurückgehalten werden, so dass die Gleitoberflächen örtlich gekühlt werden können. Dies kann Eigenschaften gegen ein Festfressen der Kurbelwelle und des Lagermetalls sicherstellen. Außerdem, wenn Fremdstoffe in den Spalt zwischen der Kurbelwelle und dem Lagermetall eindringen, können die Vertiefungen 11 die Fremdstoffe aufnehmen, um dadurch den direkten Kontakt zwischen der Kurbelwelle und dem Lagermetall zu verhindern.
Die Menge des Schmieröls, die in den Spalt zwischen den Gleitoberflächen der Kurbelwelle und des Lagermetalls eingeleitet wird, ist mit der Menge des Schmieröls, das davon abgegeben wird, in der Annahme ausgeglichen, dass die Gleitoberflächen die theoretisch vollständig glatten Oberflächen sind und dass die Dicke des Schmierölfilms, der zwischen dem Spalt zwischen den theoretisch vollständig glatten Oberflächen gebildet ist, 2 μm unter der zuvor beschriebenen gewöhnlichen Betriebsbedingung des Motors beträgt. Wenn die Kurbelwelle der hin- und hergehenden Brennkraftmaschine für Kraftfahrzeuge unter einer Hochdrehzahl- und Hochlastbedingung betrieben wird, wird die Dicke des Schmierölfilms kleiner als die Dicke derselben, die unter der gewöhnlichen Betriebsbedingung des Motors gebildet wird. In dem Fall des Ausbildens von Vertiefungen 11 auf der Gleitoberfläche der Kurbelwelle der hin- und hergehenden Brennkraftmaschine für Kraftfahrzeuge kann die tatsächliche Viskosität des Schmieröls durch die Kühlwirkung der Vertiefungen 11 erhöht werden, so dass der Verschleißwiderstand der Kurbelwelle verbessert werden kann.
Die Gleitstruktur des ersten Ausführungsbeispieles ist auch auf die Kombination einer Zylinderwand und eines Kolbenmantels einer Brennkraftmaschine anwendbar und auch auf die Kombination einer Zylinderwand und eines Kolbenrings derselben. Die 10 veranschaulicht typische Beispiele der Zylinderwand und des entsprechenden Kolbenkragens und der Kolbenringe, die hin- und hergehend relativ zu der Zylinderwand bewegbar sind. Wie in der 10 veranschaulicht, hat die Zylinderwand 120 eine Gleitoberfläche 122, die der Gleitoberfläche 126 des Kolbenmantels 126 gegenüberliegt. Die Gleitoberfläche 122 ist auch den Gleitoberflächen 130 der Kolbenringe 128, die an dem Kolbenmantel 126 montiert sind, gegenüberliegend.
In einem Fall, wo die Zylinderwand und der entsprechende Kolbenmantel, und die Zylinderwand und der entsprechende Kolbenring mit den Gleitoberflächen des ersten Ausführungsbeispieles versehen sind, kann die Wirkung der Reduzierung der Reibungsverluste, wie zuvor beschrieben, erhalten werden. An dem oberen und dem unteren Totpunkt des Kolbenhubes stoppt der Kolbenmantel die Gleitbewegung relativ zu der Zylinderwand und die Ausbildung des Schmierölfilms wird verschlechtert. In dieser Bedingung wird sich die Dicke des Schmierölfilms zwischen dem Kolbenmantel und der Zylinderwand vermindern und der direkte Kontakt dazwischen neigt dazu aufzutreten. Mit dem Vorsehen der Vertiefungen 11 können selbst unter solchen Umständen die Gleitoberflächen örtlich gekühlt und kontinuierlich mit dem Schmieröl an dem Abschnitt versorgt werden, wo der Grenzfilm des Schmierölfilms unterbrochen ist. Dies kann den Verschleißwiderstand und die Anti- Abnutzungseigenschaften des Kolbenmantels und der Zylinderwand verbessern.
In einer hin- und hergehenden Brennkraftmaschine für Kraftfahrzeuge beträgt die Dicke des Schmierölfilms, der zwischen dem Kolbenmantel und der Zylinderwand gebildet ist, ungefähr 8 μm an einer Mittelposition des Kolbenhubes unter der gewöhnlichen Bedingung des Motors. Bei der Mittelposition des Kolbenhubes ist die Gleitgeschwindigkeit des Kolbens relativ hoch und die Dicke des Schmierölfilms ist relativ groß. Die Dicke des Schmierölfilms, der zwischen dem Kolbenring und der Zylinderwand gebildet ist, beträgt ungefähr 1 μm bei der Mittelposition des Kolbens. Die Gleitstruktur des ersten Ausführungsbeispieles kann auch auf die Zylinderwand und den Kolbenmantel der hin- und hergehenden Brennkraftmaschine für Kraftfahrzeuge und auf die Zylinderwand un den Kolbenring derselben angewandt werden. In solch einem Fall kann die Wirkung der Reduzierung des Reibungsverlustes erhalten werden.
Als nächstes wird eine Modifikation der Gleitstruktur des ersten Ausführungsbeispieles erläutert, das in der Zylinderwand, dem Kolbenmantel und dem Kolbenring der hin- und hergehenden Brennkraftmaschine verwendet wird. Der Durchschnittswert d der maximalen Durchmesser der Vertiefungen 11 der Gleitoberflächen der Zylinderwand und des Kolbenringes beträgt nicht mehr als eine axiale Länge des Kolbenrings. Eine Beziehung zwischen dem Durchschnittswert d der maximalen Durchmesser der Vertiefungen 11 der Gleitoberfläche der Zylinderwand, dem Durchschnittswert LS der minimalen Abstände zwischen den Vertiefungen 11 der Gleitoberfläche des Kolbenmantels und der Durchschnittswert LR der minimalen Abstände zwischen den Vertiefungen 11 der Gleitoberfläche des Kolbenrings wird ausgedrückt wie folgt: d < LS und d < LR. Die maximale Höhe t der mikroskopisch kleinen Unregelmäßigkeiten der Basisoberfläche 10 ist kleiner als eine kleinere Unregelmäßigkeit des minimalen Spaltes MIC zwischen den Gleitoberflächen der Zylinderwand und dem Kolbenmantel und dem minimalen Spalt MIC2 zwischen den Gleitoberflächen der Zylinderwand und dem Kolbenring. Die minimalen Spalte MIC1 und MIC2 werden in der Annahme festgelegt, dass die jeweiligen Gleitoberflächen der Zylinderwand, des Kolbenmantels und des Kolbenringes, wie zuvor beschrieben, theoretisch vollständig glatte Oberflächen sind und dass eine Schmierölmenge, die in die minimalen Spalte MIC1 und MIC2 während der relativen Bewegung der Zylinderwand, des Kolbenmantels und des Kolbenringes eingeleitet wird, mit einer Schmierölmenge, die von den minimalen Abständen MIC1 und MIC2 durch den Druck, der zwischen der Zylinderwand, dem Kolbenmantel und dem Kolbenring unter einer Bedingung der maximalen Betriebszeit der hin- und hergehenden Brennkraftmaschine erzeugt wird, ausgeglichen ist.
In der hin- und hergehenden Brennkraftmaschine wird die Reibung an der mittleren Position des Kolbenhubs wegen der relativ großen Dicke des Schmierölfilms, der dort, wie zuvor beschrieben gebildet ist, unterdrückt. Demzufolge werden selbst dann, wenn die Vertiefungen 11, die eine relativ kleine Größe haben, auf der Gleitoberfläche der Zylinderwand gebildet sind, die Vertiefungen 11 kaum von der Gleitoberfläche infolge von Reibung eliminiert. Demzufolge kann das Verhältnis einer Summe der Öffnungsflächen der Vertiefungen 11 der Gleitoberfläche von jedem des Kolbenrings und des Kolbenmantels zu der Einheitsoberflächenfläche der Gleitoberfläche derselben solange erhöht werden, wie die zuvor beschriebene Beziehung, d. h., d < LS und d < LR zwischen dem Durchschnittswert d, dem Durchschnittswert LS und dem Durchschnittswert LR beibehalten wird. Die Wirkung der Reduzierung des Reibungsverlustes kann für einen relativ langen Zeitraum selbst dann erhalten werden, wenn die Vertiefungen 11 der Gleitoberflächen des Kolbenrings und des Kolbenmantels, die wegen der Reibung kleiner werden, abgeschliffen sind.
Nunmehr wird in Bezug auf die 7A–7C ein Ausführungsbeispiel der Gleitstruktur, das nicht durch die vorliegende Erfindung abgedeckt ist, erläutert. Das Ausführungsbeispiel unterscheidet sich vom ersten Ausführungsbeispiel in der Mikrostruktur der Gleitoberflächen der Gleitelemente, in denen Nuten 21 an Stelle von Vertiefungen 11 gebildet sind. Die Mikrostruktur von jeder der Gleitoberflächen ist in den 7A–7C gezeigt. Wie in der 7A gezeigt, enthält die Gleitoberfläche die Basisoberfläche 20 und eine Mehrzahl von mikroskopisch kleinen nuten 21. Die Basisoberfläche 20 hat mikroskopisch kleinen Unregelmäßigkeiten, nämlich Aussparungen und Vorsprünge, die eine maximale Höhe t haben, wie in der 7C gezeigt. Die maximale Höhe t wird im Hinblick auf die maximale Höhe Ry repräsentiert, wie zuvor in dem JIS B 0601-1994 beschrieben worden ist. Falls die Anzahl der Nuten 21, angezeigt von 1 bis N, beträgt, haben die Nuten 21 die maximale Breite b₁__N, wie in der 7B gezeigt, und die maximalen Tiefen H₁__N, wie in der 1C gezeigt. Die minimalen Abstände zwischen den benachbarten Nuten 21 werden bei L₁__N angezeigt, wie in der 7B gezeigt, und die Unterteilung derselben wird bei P₁__N angezeigt, wie in der 1B gezeigt. Der Durchschnittswert H der maximalen Tiefen H₁__N ist größer als die maximale Höhe t. Die maximalen Breiten b₁__N der Nuten 21 betragen nicht mehr als die Kontaktlänge CL in der Richtung der Gleitbewegung über die die Gleitoberflächen miteinander in Kontakt über einen dazwischen angeordneten Schmierölfilm sind. Der Durchschnittswert b der maximalen Breiten b₁__N der Nuten 21 von einer der Gleitoberflächen ist kleiner als der Durchschnittswert L der minimalen Abstände L₁__N zwischen den Nuten 21 der anderen der Gleitoberflächen.
In diesem Ausführungsbeispiel ist dieselbe Beziehung T < Tglatt, wie in dem ersten Ausführungsbeispiel, vorhanden, zwischen dem ersten Oberflächenintegral T der umgekehrten Zahl des ersten Spaltes zwischen den Gleitoberflächen und dem zweiten Oberflächenintegral Tglatt der umgekehrten Zahl des zweiten Spaltes zwischen den theoretisch vollständig glatten Oberflächen.
Außerdem ist in der Annahme, dass die Gleitoberflächen theoretisch vollständig glatte Oberflächen sind, die den minimalen Spalt MIC, wie zuvor in dem ersten Ausführungsbeispiel beschrieben, bilden, der minimale Spalt MIC größer als die maximale Höhe t der mikroskopisch kleinen Unregelmäßigkeiten der Basisoberfläche 20. In diesem Fall kann der Reibungsverlust reduziert werden.
Wie in dem ersten Ausführungsbeispiel erläutert, wird die Dicke des Schmierölfilms, die zwischen den Gleitoberflächen gebildet ist, auf die die Last aufgebracht wird, in Abhängigkeit von dem Ausgleich zwischen der Menge des Schmieröls, das in den Spalt zwischen den Gleitoberflächen während der relativen Bewegung der Gleitoberflächen eingeleitet wird und einer Menge des Schmieröls, das von dem Spalt infolge des durch die Last erzeugten Druckes abgegeben wird, bestimmt. Wenn das Schmieröl aus dem Spalt zwischen den Gleitoberflächen dieses Ausführungsbeispieles abgegeben wird, ist es einer großen Menge des Schmieröls gestattet, durch den relativ engen Spalt zwischen den gegenüberliegenden Basisoberflächen 20 der Gleitoberflächen hindurch zu gehen. Die Nuten 21 der einen Gleitoberfläche können daran gehindert werden, mit einander über die Nuten der anderen Gleitoberflächen auf der Grundlage der zuvor beschriebenen Beziehung b < L zwischen dem Durchschnittswert b und dem Durchschnittswert L verbunden zu werden. Der Strömungswiderstand in dem Schmieröl, das von dem relativ engen Spalt abgegeben wird, ist erhöht. Andererseits ist die Abscherkraft des Schmieröls an den Nuten 21 reduziert. Ähnlich zu der Gleitstruktur des ersten Ausführungsbeispiels kann die Gleitstruktur dieses Ausführungsbeispieles den minimalen Spalt dazwischen beibehalten, der für das Sicherstellen einer geeigneten Dicke des Schmierölfilms erforderlich ist und kann das Erhöhen der Abscherkraft des Schmieröls bei Rauhigkeitsspitzen der Gleitoberflächen unterdrücken, während die Abscherkraft an den Nuten 21 reduziert wird. Dies kann den Reibungsverlust zwischen den Gleitelementen reduzieren.
Es werden im Wesentlichen dieselben mengenmäßigen Studien der Wirkung der Reduzierung des Reibungsverlustes wie die in dem ersten Ausführungsbeispiel diskutiert. In diesem Ausführungsbeispiel ist die zuvor beschriebene Beziehung b < L zwischen dem Durchschnittswert b und dem Durchschnittswert L vorhanden, so dass das Schmieröl gedrückt wird, um durch den relativ engen Raum zwischen den Basisoberflächen 20 der Gleitoberflächen hindurchzugehen. Der Strömungswiderstand in dem Schmieröl, das durch den engen Raum hindurchgeht, wird unter Verwendung eines Modells einer mikroskopisch kleinen Oberflächenkonfiguration, gezeigt in den 8A, der Gleitoberfläche berechnet. Die 8A zeigt eine zwei- dimensionale Rauhigkeitskonfiguration und eine Laminarströmung, ähnlich zu der von der 2A. Der Strömungswiderstand in dem Schmieröl kann auf den ungefähren Strömungswiderstand in der Laminarströmung, die die mikroskopisch kleinen Unregelmäßigkeiten der Gleitoberfläche der 8a kreuzt, festgelegt werden. Falls die Rauhigkeitskonfiguration der Basisoberfläche 20 der Gleitoberfläche eine drei- dimensionale Zufallskonfiguration ist, kann der Strömungswiderstand in dem Schmieröl, das entlang der Basisoberfläche 20 fließt, auf ungefähr den Strömungswiderstand festgelegt werden, der erzeugt wird, wenn die Basisoberfläche 20, wie in der 8b gezeigt, glatt ist. Der Spalt zwischen den Gleitoberflächen kann als der Spalt zwischen den glatten Basisoberflächen der Gleitoberflächen festgelegt werden.
Wie in dem ersten Ausführungsbeispiel beschrieben, kann der Reibungsverlust, der während der relativen Gleitbewegung der Gleitoberflächen verursacht wird, im Wesentlichen im Verhältnis zu einem Oberflächenintegral der umgekehrten Zahl eines Spaltes zwischen den Gleitoberflächen bestimmt werden, nämlich einem Oberflächenintegral einer umgekehrten Zahl einer Dicke eines Schmierölfilms, der zwischen den Gleitoberflächen gebildet wird. Da die Rauhigkeitskonfiguration von jeder der Gleitoberflächen, die durch sowohl die Basisoberfläche 20, als auch die Nuten 21 gebildet wird, beträchtlich durch diese umgekehrte Zahl der Dicke des Schmierölfilms beeinflusst wird, wird die umgekehrte Zahl der dicke des Schmierölfilms relativ zu einer Zusammensetzungsrauhigkeitskonfiguration, die durch das Zusammenwirken der Basisoberfläche 20 und der Nuten 21 gebildet wird, berechnet. Die kumulative Verteilung der Rauhigkeitshöhe der Zusammensetzungsrauhigkeitskonfiguration ist in der 3 gezeigt, wobei diese zu der in der 1 gezeigten ähnlich ist.
Der Grund für das Reduzieren des Reibungsverlustes in diesem Ausführungsbeispiel ist im Wesentlichen derselbe wie der in dem ersten Ausführungsbeispiel beschriebene. Das Schmieröl wird gedrückt, um durch den engen Raum zwischen den Basisoberflächen 20 der Gleitoberflächen hindurchzugehen. Der Strömungswiderstand in dem Schmieröl, das durch den engen Raum hindurchgeht, erhöht sich. Ähnlich zu den Vertiefungen 11 in dem ersten Ausführungsbeispiel wird die Wirkung der Reduzierung der Abscherrate des Schmieröls durch die Nuten 21 beträchtlich an den Tag gelegt, wenn mit dem Einfluss zur Verminderung des minimalen Spaltes zwischen den Gleitoberflächen durch die Nuten 21 verglichen wird. Dies veranlasst eine Reduzierung des gesamten Reibungsverlustes zwischen den Gleitelementen. Falls sich die Rauhigkeitshöhe r der Basisoberfläche 20 erhöht, wird der Einfluss zur Verminderung des minimalen Spaltes durch die Nuten 21 die Wirkung der Reduzierung der Abscherrate des Schmieröls durch die Nuten 21 übersteigen. Die zwischen den Gleitoberflächen verursachte Reibung wird sich erhöhen. Außerdem kann der Reibungsverlust reduziert werden, wenn dieselbe Beziehung, wie in dem ersten Ausführungsbeispiel beschrieben, zwischen einem Oberflächenintegral einer umgekehrten Zahl des ersten Spaltes zwischen den Gleitoberflächen und einem Oberflächenintegral einer umgekehrten Zahl des zweiten Spaltes zwischen den Gleitoberflächen in der Annahme, dass dies theoretisch vollständig glatte Oberflächen sind, vorhanden ist.
Überdies wird es verstanden, dass falls die zuvor beschriebene Beziehung b < L zwischen dem Durchschnittswert b und dem Durchschnittswert L vorhanden ist, wenn die Summe der maximalen Höhen t der mikroskopisch kleinen Unregelmäßigkeiten der Basisoberfläche 20 kleiner als die Dicke des Schmierölfilms ist, der zwischen den Gleitoberflächen gebildet ist, je größer die Öffnungsfläche und die Tiefe von jeder Vertiefung 11 innerhalb bestimmter Grenzen wird, desto mehr kann der Reibungsverlust reduziert werden. Die vorbestimmte Grenze der Öffnungsfläche der Vertiefung 11 wird auf der Grundlage des maximalen Durchmessers der Vertiefung 11, der kleiner als eine minimale Länge zwischen zwei gegenüberliegenden Enden von jeder der Gleitoberflächen ist, festgelegt. Der Schmierölfilm wird über die minimale Länge gebildet. Falls die Öffnungsfläche der Vertiefung 11 die vorbestimmte Grenze überschreitet, können die zuvor beschriebenen Wirkungen der Vertiefungen 11 nicht erhalten werden. Die vorbestimmten Grenze der Tiefe der Vertiefung 11 ist ein Grenzwert, innerhalb dessen die Reduzierung der Reibung erreicht werden kann. Falls die Vertiefung 11 ein extrem großes Volumen hat, wird die Druckeigenschaft des Schmieröls den minimalen Spalt zwischen den Gleitoberflächen beeinflussen.
Wenn zusätzlich die zuvor beschriebene Beziehung b < L zwischen dem Durchschnittswert b der maximalen Breiten der Nuten 21 von einer Gleitoberfläche und ein Durchschnittswert L der minimalen Abstände zwischen den Nuten 21 der anderen Gleitoberfläche vorhanden ist, kann eine Härte der einen von den Gleitoberflächen größer als eine Härte der anderen der Gleitoberflächen festgelegt werden. In diesem Fall können die Nuten 21 gehindert werden, von der einen Gleitoberfläche selbst dann nicht eliminiert zu werden, wenn die andere Gleitoberfläche infolge des direkten Kontaktes zwischen den Gleitoberflächen abgeschliffen ist. Demzufolge kann der Durchschnittswert L der minimalen Abstände zwischen den Nuten 21 der anderen Gleitoberfläche kleiner festgelegt werden. Ein Verhältnis einer Summe der Öffnungsflächen der nuten 21 von der anderen Gleitoberfläche zur Einheitsoberflächenfläche kann größer festgelegt werden. Es kann nämlich der Durchschnittswert b der maximalen Breiten der Nuten 21 der einen Gleitoberfläche kleiner als der Durchschnittswert B der maximalen breiten der Nuten 21 der anderen Gleitoberfläche festgelegt werden. Als ein Ergebnis kann die Zeit, die erforderlich ist, bis die Nuten 21 abgeschliffen sind, verlängert werden, wodurch die Wirkung der Reduzierung der Reibung für einen relativ langen Zeitraum erhalten werden kann. Wenn überdies die Härte der einen Gleitoberfläche größer als die Härte der anderen Gleitoberfläche ist, kann die maximale Höhe t der mikroskopisch kleinen Unregelmäßigkeiten der Basisoberfläche 20 der einen Gleitoberfläche kleiner als der minimale Spalt MIC festgelegt werden und die maximale Höhe t der mikroskopisch kleinen Unregelmäßigkeiten der Basisoberfläche 20 der anderen Gleitoberfläche kann größer als der minimale Spalt MIC festgelegt werden. In diesem Fall werden die mikroskopisch kleinen Unregelmäßigkeiten der Basisoberfläche 20 derart eingestellt, dass die Summe der maximalen Höhen t der mikroskopisch kleinen Unregelmäßigkeiten der Basisoberfläche 20 kleiner wird als der minimale Abstand MIC durch den Anfangsverschleiß, der während des Startvorgangs der relativen Gleitbewegung der Gleitelemente verursacht wird.
Eine Modifikation der Gleitstruktur dieses Ausführungsbeispieles wird nunmehr erläutert, die in der Zylinderwand, dem Kolbenmantel und dem Kolbenring der hin- und hergehenden Brennkraftmaschine für ein Kraftfahrzeug, wie zuvor beschrieben, verwendet wird. Die Nuten 21 der Gleitoberfläche der Zylinderwand haben einen Durchschnittswert b der maximalen Breiten, der kleiner als der Durchschnittswert L der minimalen Abstände der Nuten 21 der Gleitoberfläche des Kolbenmantels ist. Eine Beziehung zwischen dem Durchschnittswert b der maximalen Breiten der Nuten 21 der Gleitoberfläche der Zylinderwand, dem Durchschnittswert LGC der minimalen Abstände zwischen den Nuten 21 der Gleitoberfläche der Zylinderwand und die Kontaktlänge CL, über die die Gleitoberflächen der Zylinderwand und des Kolbenrings miteinander in Kontakt sind, wird wie folgt ausgedrückt: b + LGC < CL. Die maximale Höhe der mikroskopisch kleinen Unregelmäßigkeiten der Basisoberfläche 20 von jeder der Gleitoberflächen der Zylinderwand, des Kolbenmantels und des Kolbenrings beträgt nicht mehr als eine kleinere eine des minimalen Spaltes MIC1 zwischen den Gleitoberflächen der Zylinderwand und dem Kolbenmantel und dem minimalen Spalt MIC2 zwischen den Gleitoberflächen der Zylinderwand und dem Kolbenring. Hierin werden die minimalen Spalte MIC1 und MIC2 in der Annahmefestgelegt, dass die Gleitoberflächen der Zylinderwand, des Kolbenmantels und des Kolbenrings die zuvor beschriebenen die theoretisch vollständig glatten Oberflächen sind und dass sich eine Menge des Schmieröls, das in die minimalen Spalte MIC1 und MIC2 während der relativen Bewegung der Zylinderwand, des Kolbenmantels und des Kolbenrings eingeleitet wird, mit einer Menge von Schmieröl ausgleicht, das aus den minimalen Spalten MIC1 und MIC2 durch den zwischen der Zylinderwand, dem Kolbenmantel und dem Kolbenring erzeugten Druck unter einer Bedingung der maximalen Betriebszeit der hin- und hergehenden Brennkraftmaschine abgegeben wird.
Die Gleitoberfläche des Kolbenrings hat keine Nuten, wie z. B. die Nuten 21 der Gleitoberfläche des Kolbenmantels. Jedoch in der Annahme, dass die Gleitoberfläche des Kolbenrings Nuten hat, zwischen denen ein unendlicher Abstand vorhanden ist und dass der Durchschnittswert L der minimalen Abstände zwischen den Nuten der Gleitoberfläche des Kolbenrings unendlich ist, ist der Durchschnittswert b der maximalen Breiten der Nuten 21 der Gleitoberfläche der Zylinderwand in Bezug kleiner als der Durchschnittswert L der minimalen Abstände der Nuten der Gleitoberfläche des Kolbenrings. Der Reibungsverlust zwischen der Zylinderwand und dem Kolbenring und zwischen der Zylinderwand und dem Kolbenmantel kann reduziert werden. In dieser Modifikation kann die Wirkung der Reduzierung des Reibungsverlustes für einen relativ langen Zeitraum auf der Grundlage der Beziehung b < L und der Beziehung b + LGC < CL, wie zuvor beschrieben, erhalten werden.
Wie zuvor erläutert, haben die Gleitelemente der Gleitstruktur der vorliegenden Erfindung die Gleitoberflächen, die die Basisoberflächen und die mikroskopisch kleinen Vertiefungen oder Nuten enthalten, die so konstruiert sind, die Reduzierung des Strömungswiderstandes in dem Schmieröl, das durch den Spalt zwischen den Gleitoberfläche hindurchgeht, zu unterdrücken und um eine Dicke des Schmierölfilmes zwischen den Gleitoberflächen, die zum Reduzieren des Reibungsverlustes zwischen den Gleitelementen erforderlich ist, beizubehalten. Die Gleitelemente werden in einer hin- und hergehenden Brennkraftmaschine verwendet, die die Kombination einer Kurbelwelle und eines Lagermetalls, die Kombination einer Zylinderwand eines Kolbenmantels, die Kombination einer Zylinderwand und eines Kolbenringes und dergleichen enthält. Dies kann der Erhöhung der Leistungswirksamkeit des Motors dienen.
Beispiele
Die vorliegende Erfindung wird in größerer Ausführlichkeit durch Beispiele in Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Jedoch sind diese Beispiele nur veranschaulichend und nicht beabsichtigend einen Umfang der vorliegenden Erfindung dazu zu begrenzen.
Beispiel 1
Eine Kurbelwelle und ein Lagermetall wurden vorbereitet, die in einer Brennkraftmaschine für Kraftfahrzeuge, die eine Kolbenverdrängung von ungefähr 2000 cc und eine maximale Drehzahl von 6000 U/min haben, verwendet wurden. Der Schmierölfilm, der eine Dicke von 2 μm hat, wurde unter einer gewöhnlichen Betriebsbedingung des Motors gebildet, in dem die Drehzahl 200 U/min betrug und die Last ¼ war. Die Gleitoberflächen der Kurbelwelle und des Lagermetalls wurden gebildet wie folgt. Die aus Stahl hergestellte Kurbelwelle, die eine Vickers- Härte von ungefähr Hv 500 hat, wurde dem Schleifen mittels eines Läpp- Bandes unterzogen, um eine Basisoberfläche, wie bei 10 in den 1A–1C gezeigt, der Gleitoberfläche zu bilden. Die Basisoberfläche war eine extrem glatte Oberfläche, die mit mikroskopisch kleinen, sich kreuzenden Nuten gebildet war. Die Basisoberfläche hatte eine Oberflächenrauhigkeit, die eine durchschnittliche Rauhigkeit von 0,08 μm im Hinblick auf eine arithmetische mittlere Rauhigkeit Ra, zuvor beschrieben in dem JIS B 0601- 1994, und eine maximale Höhe von 0,5 μm im Hinblick auf Ry, zuvor beschrieben in dem JIS B 0601- 1994, hatte. Die Basisoberfläche wurde dann einer Bestrahlung mit einem pulsierendem Laserstrahl unter Verwendung eines YAG- Lasers unterzogen. Kleinste Vertiefungen, wie mit 11 in den 1A–1C angezeigt, wurden auf der Basisoberfläche gebildet. Die Vertiefungen hatten eine im Wesentlichen Teil- Kugelform und maximale Tiefen k₁__N, die von 3 μm bis 5 μm reichen (der Durchschnittswert betrug k = 4 μm), und maximale Durchmesser d₁__N, die von 10 μm bis 30 μm reichen (der Durchschnittswert d 0 20 μm). Ein Verhältnis einer Summe von Öffnungsflächen der Vertiefungen zu der Einheitsoberflächenfläche der Gleitoberfläche betrug 30–80 %.
Das aus einer Aluminiumlegierung hergestellte Lagermetall, das eine Vickers-Härte von ungefähr Hv 100 hat, wurde dem Räumen unterzogen, um eine Basisoberfläche der Gleitoberfläche zu bilden, wie mit 10 in den 1A–1C angezeigt. Die Basisoberfläche hatte eine Oberflächenrauhigkeit, die durch eine maximale Höhe Ry von 1,0 μm repräsentiert wurde. Die Vertiefungen, wie mit 11 in den 1A–1C angezeigt, wurden in derselben Weise, wie zuvor beschrieben, gebildet. Die Vertiefungen hatten eine im Wesentlichen Teil- Kugelform und maximale Tiefen von k₁__N, die von 3 μm bis 10 μm reichten (einen Durchschnittswert von k = 7 μm), und maximale Durchmesser d₁__N, die von 50 μm bis 80 μm reichten (einen Durchschnittswert von d = 60 μm). Die Unterteilungen P₁__N der Vertiefungen betrugen 110–180 μm, und der Durchschnittswert P der Unterteilungen P₁__N betrug 150 μm. Der Durchschnittswert L der minimalen Abstände L₁__N zwischen den Vertiefungen betrug 30 μm.
Als nächstes wurde ein Verhältnis T/Tglatt des Oberflächenintegrals T einer umgekehrten Zahl der Dicke des Schmierölfilms, der zwischen den so gebildeten Gleitoberflächen der Kurbelwelle und des Lagermetalls gebildet worden ist, zu dem Oberflächenintegral Tglatt einer umgekehrten Zahl der Dicke des Schmierölfilms, der zwischen der theoretisch vollständig glatten Oberfläche gebildet worden ist, relativ zu den Parametern r, H, C, beschrieben in dem ersten Ausführungsbeispiel, und dem Parameter h, der eine Dicke des Schmierölfilms anzeigt, berechnet. Die Berechnungsergebnisse wurden in den 4–6 gezeigt. 4 zeigt die Kennlinienkurven des Verhältnisses T/Tglatt relativ zu dem Verhältnis H/h, die nach Verändern des Verhältnisses C und dem Verhältnis r/h gezeigt wurden. Wie durch die • – gezeichnete Kurve der 4 gezeigt, wenn die Rauhigkeitshöhe r der Basisoberfläche 10 relativ klein war, verminderte sich das Oberflächenintegral T wie sich die Tiefe H der Vertiefungen 11 erhöhte. Wie durch die
gezeichnete Kurve der 4 gezeigt, wenn die Rauhigkeitshöhe r der Basisoberfläche 10 relativ groß war, wurde die gegenteilige Tendenz gezeigt. 5 zeigt die Kennlinienkurven des Verhältnisses T/Tglatt relativ zu dem Verhältnis C, das während des Veränderns des Verhältnisses r/h gezeigt wurde und bei einem konstanten Festlegen des Verhältnisses H/h. Wie durch die • – gezeichnete Kurve der 5 gezeigt, wenn die Rauhigkeitshöhe r der Basisoberfläche 10 relativ klein war, verminderte sich das Oberflächenintegral T wie sich das Verhältnis C erhöhte. Wie durch die • – gezeichnete Kurve der 4 gezeigt, wenn die Rauhigkeitshöhe r der Basisoberfläche 10 relativ groß war, wurde die im Wesentlichen gegenteilige Tendenz gezeigt. 6 zeigt die Kennlinienkurven des Verhältnisses T/Tglatt relativ zu dem Verhältnis r/h, das nach Veränderung des Verhältnisses C und konstantem Festlegen des Verhältnisses H/h gezeigt wurde. Wie in der 6 gezeigt, wenn das Verhältnis r/h größer als ein bestimmter Wert, d. h., ungefähr 1,6 war, wurde das Oberflächenintegral T schnell erhöht. Die Erhöhung in dem Oberflächenintegral T bei einem größeren Verhältnis C (C = 0.8), angezeigt durch die
gezeichnete Kurve, war größer als die Erhöhung im Oberflächenintegral T bei einem kleinere Verhältnis C (C = 0,5), was durch die
gezeichnete Kurve angezeigt ist. Im Beispiel 1 gab es das Verhältnis d < L zwischen dem Durchschnittswert d der maximalen Durchmesser der Vertiefungen der Gleitoberfläche der Kurbelwelle und dem Durchschnittswert L der minimalen Abstände zwischen den Vertiefungen der Gleitoberfläche des Lagermetalls. Es wurde bestätigt, dass der Reibungsverlust zwischen der Kurbelwelle und dem Lagermetall auf der Grundlage der Beziehung d < L reduziert war.
Beispiel 2
Eine Zylinderwand, ein Kolbenmantel und ein Kolbenring wurden vorbereitet, die in derselben Brennkraftmaschine für Kraftfahrzeuge, wie in dem Beispiel 1 beschreiben, verwendet wurden. An der Mittelposition des Kolbenhubes unter der gewöhnlichen Betriebsbedingung des Motors betrug die Dicke des Schmierölfilms, der zwischen den Gleitoberflächen der Zylinderwand und des Kolbenmantels gebildet worden ist, ungefähr 8 μm und die Dicke des Schmierölfilms, der zwischen den Gleitoberflächen der Zylinderwand und des Kolbenrings gebildet worden war, betrug ungefähr 1 μm. Die Gleitoberflächen der Zylinderwand, des Kolbenmantels und des Kolbenrings wurden hergestellt wie folgt. Die aus Gusseisen hergestellte Zylinderwand mit einer Vickers- Härte von ungefähr Hv 300 wurde Honen unterworfen, um, wie in der 10 in den 1A–1C gezeigt, eine glatte Basisoberfläche zu haben. Die Basisoberfläche wurde mit mikroskopisch kleinen, sich kreuzenden Nuten gebildet und hatte eine Oberflächenrauhigkeit, die durch die arithmetische mittlere Rauhigkeit Ra von 0,13 μm und eine maximale Höhe Ry von 1 μm repräsentiert wurde. Die Vertiefungen, wie mit 11 in den 1A–1C bezeichnet, wurden in derselben Weise wie in dem Beispiel 1 beschrieben gebildet. Die Vertiefungen hatten eine im Wesentlichen Teil- Kugelform und maximale Tiefen k₁__N, die von 3 μm bis 5 μm reicht (ein Durchschnittswert = 4 μm), und maximale Durchmesser d₁__N, die von 10 μm bis 30 μm reichen (ein Durchschnittswert = 20 μm). Die Unterteilungen P₁__N der Vertiefungen Lagen in einem Bereich von 60-100 μm und der Durchschnittswert P der Unterteilungen P₁__N betrug 80 μm. Der Durchschnittswert L der minimalen Abstände L₁__N zwischen den Vertiefungen betrug 30 μm.
Der aus einer Aluminiumlegierung hergestellte Kolbenmantel mit einer Vickers-Härte von ungefähr Hv 150 wurde einem Schleifen unterworfen, um dadurch dieselbe Basisoberfläche wie die der Zylinderwand zu bilden. Die Vertiefungen wurden in derselben Weise wie in der 1 beschrieben gebildet. Die Vertiefungen hatten im Wesentlichen eine Teil- Kugelform und maximale Tiefen k₁__N, die von 10 μm bis 15 μm reichen (einen Durchschnittswert von k = 13 μm) und maximale Durchmesser d₁__N, die von 50 μm bis 80 μm reichen (einen Durchschnittswert von d = 60 μm). Die Unterteilungen der Vertiefungen lagen in dem Bereich von 110–180 μm (einem Durchschnittswert von P = 150 μm). Der Durchschnittswert L der minimalen Abstände L₁__N zwischen den Vertiefungen betrug 30 μm.
Der Kolbenring, der eine Chromplattierung und eine Vickers- Härte von ungefähr Hv 1000 hatte, wurde Honen unterzogen, um dieselbe Basisoberfläche wie die der Zylinderwand zu bilden. Die Vertiefungen wurden in derselben Weise wie in der 1 beschrieben gebildet. Die Vertiefungen wurden in derselben Weise wie in dem Beispiel 1 beschrieben gebildet. Die Vertiefungen hatten eine im Wesentlichen Teil- Kugelform und maximale Tiefen k₁__N, die von 3 μm bis 5 μm reichen (einem Durchschnittswert von k = 4 μm), und maximale Durchmesser d₁__N, die von 10 μm bis 30 μm reichen (einen Durchschnittswert von d = 20 μm). Ein Verhältnis einer Summe der Öffnungsflächen der Vertiefungen zu der Einheitsoberflächenfläche der Gleitoberfläche betrug 30–80 %.
Die Berechnung des Verhältnisses T/Tglatt wurde relativ zu den so- gebildeten Gleitoberflächen der Zylinderwand und des Kolbenmantels und der so gebildeten Gleitoberflächen der Zylinderwand und des Kolbenrings, wie in 1 beschrieben, vorgenommen. Im Wesentlichen dieselben Kennlinienkurven des Verhältnisses T/Tglatt wie die des Beispiels 1 wurden aus den Berechnungsergebnissen erhalten. In dem Beispiel 2 ist die Beziehung d < L zwischen dem Durchschnittswert d der maximalen Durchmesser der Vertiefungen der Gleitoberfläche der Zylinderwand und dem Durchschnittswert L der minimalen Abstände zwischen den Vertiefungen der Gleitoberfläche des Kolbenmantels vorhanden. Auch ist dort die Beziehung d < L zwischen dem Durchschnittswert d der maximalen Durchmesser der Vertiefungen der Gleitoberfläche des Kolbenrings und der Durchschnittswert L der minimalen Abstände zwischen den Vertiefungen der Gleitoberfläche der Zylinderwand vorhanden. Es wurde bestätigt, dass der Reibungsverlust zwischen der Zylinderwand und dem Kolbenmantel und zwischen der Zylinderwand und dem Kolbenring auf der Grundlage der Beziehung d < L reduziert war.
Beispiel 3
Eine Zylinderwand, ein Kolbenmantel und ein Kolbenring, die aus denselben Materialien, wie im Beispiel 2 beschrieben, hergestellt sind, wurden vorbereitet, die in derselben Brennkraftmaschine für Kraftfahrzeuge, wie in Beispiel 1 beschrieben, verwendet wurden. Die Gleitoberflächen der Zylinderwand, des Kolbenmantels und des Kolbenrings wurden in derselben Weise, wie in der 2 beschrieben, mit der Ausnahme gebildet, dass die Abmessungen der Vertiefungen der Gleitoberfläche des Kolbenrings wie folgt waren: Die Unterteilungen P₁__N der Vertiefungen lagen in dem Bereich von 60–100 μm (der Durchschnittswert P = 80 μm), und der Durchschnittswert LR der minimalen Abstände L₁__N zwischen den Vertiefungen betrug 30 μm. Der Durchschnittswert d der maximalen Durchmesser d₁__N der Vertiefungen der Gleitoberfläche der Zylinderwand betrug 20 μm. Der Durchschnittswert LS der minimalen Abstände L₁__N zwischen den Vertiefun gen der Gleitoberfläche des Kolbenmantels der Gleitoberfläche des Kolbenmantels betrug 30 μm. Die Berechnung des Verhältnisses T/Tglatt wurde in derselben Weise wie in dem Beispiel 2 beschrieben vorgenommen. Im Wesentlichen dieselben Kennlinienkurven des Verhältnisses T/Tglatt wie die des Beispieles 1 wurden aus den Berechnungsergebnissen enthalten. In dem Beispiel 3 ist die Beziehung d < LS zwischen dem Durchschnittswert d der maximalen Durchmesser der Vertiefungen der Gleitoberfläche der Zylinderwand und dem Durchschnittswert LS der minimalen Abstände zwischen den Vertiefungen der Gleitoberfläche des Kolbenmantels und zu derselben Zeit die Beziehung d < LR zwischen dem Durchschnittswert d der Vertiefungen der Gleitoberfläche der Zylinderwand und dem Durchschnittswert LR der minimalen Abstände zwischen den Vertiefungen der Gleitoberfläche des Kolbenrings vorhanden. Es wurde bestätigt, dass die Wirkung der Reduzierung des Reibungsverlustes zwischen der Zylinderwand und dem Kolbenmantel und zwischen der Zylinderwand und dem Kolbenring erhalten wurde. Außerdem wird es verstanden, dass selbst wenn die Vertiefungen von den Gleitoberflächen des Kolbenmantels und des Kolbenringes abgeschliffen sind, die Wirkung der Reduzierung des Reibungsverlustes für einen relativ langen Zeitraum auf der Grundlage der zuvor beschriebenen Beziehung d < LS und d < LR erhalten werden kann.
Beispiel 4
Eine Zylinderwand und ein Kolbenmantel, die aus demselben Material, wie in dem Beispiel 2 beschrieben, hergestellt worden sind, wurden vorbereitet, die in derselben Brennkraftmaschine für Kraftfahrzeuge, wie in dem Beispiel 1 beschrieben, verwendet wurden. Die Dicke des Schmierölfilms, der zwischen den Gleitoberflächen der Zylinderwand und dem Kolbenmantel gebildet worden ist, betrug, wie in dem Beispiel 2 beschrieben, 8 μm unter der gewöhnlichen Betriebsbedingung des Motors. Die Gleitoberflächen der Zylinderwand und des Kolbenmantels wurden gebildet wie folgt. Die Zylinderwand mit einer Vickers- Härte von ungefähr 300 Hv wurde dem Honen unterworfen, um dadurch eine Basisoberfläche zu erhalten, wie bei 20 in den 7A–7C gezeigt. Die Basisoberfläche war eine extrem glatte, mit mikroskopisch kleinen, sich kreuzenden Nuten versehene Oberfläche. Die Basisoberfläche hatte eine Oberflächenrauhigkeit mit der arithmetischen mittleren Rauhigkeit Ra von 0,03 μm und einer maximalen Höhe Ry von 0,5 μm. Die Basisoberfläche wurde dann der Bestrahlung mit einem Laserstrahl unter Verwendung eines YAG- Lasers unterworfen, um sehr kleine Nuten zu bilden, wie bei 21 in den 7A–7C gezeigt. Die Nuten erstreckten sich zu der Gleitrichtung des Kobenmantels ohne zu kreuzen rechtwinklig. Die Nuten hatten die in der Tabelle 1 aufgelisteten Abmessungen.
Der Kolbenmantel mit einer Vickers – Härte von ungefähr Hv 150 wurde dem Schleifen unterworfen, um eine Basisoberfläche zu bilden, die eine Oberflächenrauhigkeit mit einer maximalen Höhe Ry von 1,0 μm hatte. Diese Basisoberfläche wurde dem Drehen unterworfen, um dieselben Nuten wie die der Gleitoberfläche der Zylinderwand mit Ausnahme für die Abmessungen der in der Tabelle 1 aufgelisteten Nuten zu bilden. Tabelle 1
Die Berechnung des Verhältnisses T/Tglatt wurde relativ zu den so- gebildeten Gleitoberflächen der Zylinderwand und dem Kolbenmantel, wie in dem Beispiel 1 beschrieben, vorgenommen. Im Wesentlicher dieselben Kennlinienkurven des Verhältnisses T/Tglatt wie die des Beispiels 1 wurden aus den Berechnungsergebnissen erhalten. In dem Beispiel 4 ist die Beziehung b < L zwischen dem Durchschnittswert b der maximalen Breiten der Nuten der Gleitoberfläche der Zylinderwand und der Durchschnittswert L der minimalen Abstände zwischen den Nuten der Gleitoberfläche des Kolbenmantels vorhanden. Es wurde bestätigt, dass der Reibungsverlust zwischen der Zylinderwand und dem Kolbenmantel auf der Grundlage der Beziehung b < L reduziert war.
Beispiel 5
Eine Zylinderwand, ein Kolbenmantel und ein Kolbenring, die aus demselben Material, wie in dem Beispiel 2 beschrieben, hergestellt wurden, wurden vorbereitet, die in derselben Brennkraftmaschine für Kraftfahrzeuge, wie im Beispiel 1 beschrieben, verwendet wurden. Die Dicke des Schmierölfilms, der zwischen den Gleitoberflächen der Zylinderwand und dem Kolbenring gebildet wurde, betrug ungefähr 1 μm. Die Gleitoberfläche der Zylinderwand wurde gebildet wie folgt. Eine Basisoberfläche der Gleitoberfläche wurde in derselben Weise wie in dem Beispiel 4 beschrieben gebildet. Die Basisoberfläche hatte eine Oberflächenrauhigkeit, repräsentiert durch die maximale Höhe von 0,5 μm. Sehr kleine Nuten wurden in derselben Weise wie in dem Beispiel 4 beschrieben gebildet. Die Nuten hatten maximale Tiefen H₁__N, die von 3 bis 5 μm reichten, Breiten b₁__N, die von 10 μm bis 30 μm reichten (mit einem Durchschnittswert von b = 4 μm) und Unterteilungen P₁__N, die von 60 μm bis 100 μm reichten (mit einem Durchschnittswert von P = 80 μm). Der Durchschnittswert LGC der minimalen Abstände zwischen den Nuten betrug 60 μm.
Die Gleitoberfläche des Kolbenmantels wurde gebildet wie folgt. Eine Basisoberfläche der Gleitoberfläche wurde in derselben Weise wie in dem Beispiel 4 beschrieben gebildet. Die Basisoberfläche hatte eine Oberflächenrauhigkeit hat dieselbe maximale Höhe Ry wie die der Basisoberfläche der Gleitoberfläche der Zylinderwand. Sehr kleine Nuten wurden in derselben Weise wie in der 4 beschrieben gebildet. Die Nuten hatten dieselben Durchmesser wie die der Gleitoberfläche des Kolbenmantels von Beispiel 4.
Der Kolbenring wurde dem Honen unterworfen, um eine Basisoberfläche der Gleitoberfläche zu bilden. Die Basisoberfläche hatte extrem kleine und sich kreuzende Nuten und eine Oberflächenrauhigkeit, die durch die arithmetische mittlere Rauhigkeit Ra von 0,03 μm und eine maximale Höhe Ry von 0,5 μm repräsentiert wurde.
Die Kontaktlänge CL, über die die Gleitoberflächen der Zylinderwand und des Kolbenrings miteinander über den Schmierölfilm dazwischen in Kontakt waren, betrug 0,5 mm.
Die Berechnung des Verhältnisses T/Tglatt wurde relativ zu den so- gebildeten Gleitoberflächen der Zylinderwand und des Kolbenmantels, wie in dem Beispiel 1 beschrieben, vorgenommen. Es wurden im Wesentlichen dieselben Kennlinien des Verhältnisses T/Tglatt wie die des Beispieles 1 aus den Berechnungsverfahren erhalten. In dem Beispiel 5 ist die Beziehung b < L zwischen dem Durchschnittswert b der maximalen Breiten der Nuten der Gleitoberfläche der Zylinderwand und der Durchschnittswert L der minimalen Abstände zwischen den Nuten der Gleitoberfläche des Kolbenmantels vorhanden. Es wurde bestätigt, dass der Reibungsverlust zwischen der Zylinderwand und dem Kolbenmantel auf der Grundlage der Beziehung b < L reduziert war. Außerdem ist die Beziehung b + LGC < CL zwischen dem Durchschnittswert b, dem Durchschnittswert LGC und der Kontaktlänge CL, wie zuvor beschrieben, vorhanden. Es wird verstanden, dass die Wirkung der Reduzierung des Reibungsverlustes für einen relativ langen Zeitraum auf der Grundlage der Beziehung b + LGC < CL erhalten werden kann. Überdies ist in der Annahme, dass die Gleitoberfläche des Kolbenringes Nuten hat, zwischen denen ein unendlicher Abstand vorhanden ist, und dass der Durchschnittswert L der minimalen Abstände zwischen den Nuten der Gleitoberfläche des Kolbenrings unendlich ist, die Beziehung b < L vorhanden. In diesem Fall wird es verstanden, dass der Reibungsverlust zwischen der Zylinderwand und dem Kolbenring auf der Grundlage der Beziehung b < L reduziert werden kann.

Claims

Gleitstruktur für eine hin- und hergehende Brennkraftmaschine, aufweisend: Gleitelemente (100; 104; 120; 124; 128), relativ gleitbar über Schmieröl dazwischen, wobei die Gleitelemente zueinander gegenüberliegend und mit einer Laminarströmung des Schmieröls geschmierte Gleitoberflächen (102; 106; 122; 126; 130) enthalten, gekennzeichnet durch, jede der Gleitoberflächen enthält eine Basisstruktur (10) mit mikroskopischen Unregelmäßigkeiten, die eine maximale Höhe t und eine Mehrzahl von Vertiefungen (11), haben, gebildet in einer separaten Beziehung zueinander auf der Basisoberfläche (10), wobei, wenn die Gleitoberflächen (102; 106; 122; 126; 130) vollständig glatte Oberflächen sind, die einen minimalen Spalt MIC dazwischen bilden, eine Menge des Schmieröls, eingeleitet in den minimalen Spalt MIC während der relativen Bewegung der Gleitelemente, mit einer Menge des Schmieröls, das von diesem durch den zwischen den Gleitelementen erzeugten Druck abgegeben, im Gleichgewicht ist, der minimale Spalt MIC größer als eine Summe der maximalen Höhen t der mikroskopischen Unregelmäßigkeiten des Basisoberfläche (10) und kleiner als der Durchschnittswert k der maximalen Tiefen der Vertiefungen (11) von zumindest einer der Gleitoberflächen ist, und ein Durchschnittswert d der maximalen Durchmesser der Vertiefungen (11) einer der Gleitoberflächen kleiner als ein Durchschnittswert L der minimalen Abstände der Vertiefungen (11) der anderen der Gleitoberflächen ist.
Gleitstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jede der Gleitoberflächen (102; 106; 122; 126; 130) eine minimale Länge größer als die maximalen Durchmesser der Vertiefungen (11) hat, wobei die minimale Länge sich zwischen zwei gegenüberliegenden Enden der Gleitoberfläche erstreckt, über die ein Film von Schmieröl gebildet ist.
Gleitstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Härte der einen der Gleitoberflächen (102; 106; 122; 126; 130) größer als eine Härte der anderen der Gleitoberflächen (102; 106; 122; 126; 130) ist.
Gleitstruktur nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchschnittswert d der maximalen Durchmesser der Vertiefungen (11) der einen der Gleitoberflächen (102; 106; 122; 126; 130) kleiner als der Durchschnittswert D der maximalen Durchmesser der Vertiefungen (11) der anderen der Gleitoberflächen (102; 106; 122; 126; 130) ist.
Gleitstruktur nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die maximale Höhe t der mikroskopischen Unregelmäßigkeiten der Basisoberfläche (10) der einen der Gleitoberflächen (102; 106; 122; 126; 130) kleiner als der minimale Spalt MIC ist, und die maximale Höhe t der mikroskopischen Unregelmäßigkeiten der Basisoberfläche (10) der anderen der Gleitoberflächen (102; 106; 122; 126; 130) größer als der minimale Spalt MIC ist.
Gleitstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der minimale Spalt MIC vorgesehen ist, unter einer Betriebsbedingung der hin- und hergehenden Brennkraftmaschine festgelegt zu sein, die am meisten von Reibungsverlusten beeinflusst wird.
Gleitstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweiter minimaler Spalt MICO kleiner als der erste minimale Spalt MIC vorgesehen ist, unter einer anderen Betriebsbedingung der hin- und hergehenden Brennkraftmaschine festgelegt zu sein.
Gleitstruktur nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebsbedingung 1/3 einer maximalen Drehzahl und ein !/4 einer maximalen Last aufweist.
Gleitstruktur nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebsbedingung eine maximale Betriebszeit bei 1/3 einer maximalen Drehzahl und ¼ einer maximalen Last aufweist.
Gleitstruktur nach einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Gleitelement, das die eine der Gleitoberflächen hat, vorgesehen ist, eine Kurbelwelle (100) zu sein und das Gleitelement, das die andere der Gleitoberflächen hat, vorgesehen ist, ein Lagermetall (104) zu sein, das die Kurbelwelle (100) lagert.
Gleitstruktur nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleitelemente vorgesehen sind, in der Brennkraftmaschine für Kraftfahrzeuge verwendet zu werden, die maximale Höhe t der mikroskopischen Unregelmäßigkeiten der Basisoberfläche (10) der Gleitoberfläche (102) der Kurbelwelle (100) nicht mehr als 1 μm beträgt, der Durchschnittswert k der maximalen Tiefen der Vertiefungen (11) der Gleitoberfläche der Kurbelwelle (100) in einem Bereich von 1 bis 50 μm ist, der Durchschnittswert k der maximalen Tiefen der Vertiefungen (11) der Gleitoberfläche (106) des Lagermetalls (104) in einem Bereich von 1 bis 50 μm ist und ein Durchschnittswert der maximalen Durchmesser der Vertiefungen (11) der Gleitoberfläche (106) des Lagermetalls (104) nicht mehr als 1 mm beträgt.
Gleitstruktur nach einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Gleitelement, das eine dieser Gleitoberflächen aufweist, vorgesehen ist, eine Zylinderwand (120) zu sein und das Gleitelement, das die andere der Gleitoberflächen hat, vorgesehen ist ein Kolbenmantel (124) zu sein.
Gleitstruktur nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleitelemente (120; 124; 128) vorgesehen sind, in der Brennkraftmaschine für Kraftfahrzeuge verwendet zu werden, die maximale Höhe t der mikroskopischen Unregelmäßigkeiten der Basisoberfläche (10) der Gleitoberfläche (122) der Zylinderwand (120) nicht mehr als 1 μm beträgt, der Durchschnittswert k der maximalen Tiefen der Vertiefungen (11) der Gleitoberfläche (122) der Zylinderwand (120) in einem Bereich von 1 bis 50 μm ist, der Durchschnittswert k der maximalen Tiefen der Vertiefungen (11) der Gleitoberfläche (126) des Kolbenmantels (124) in einem Bereich von 1 bis 50 μm ist und ein Durchschnittswert der maximalen Vertiefungen der Gleitoberfläche (126) des Kolbenmantels (124) nicht mehr als 1 mm beträgt.
Gleitstruktur nach einem der Ansprüche 3–9, dadurch gekennzeichnet, dass das Gleitelement, das die eine der Gleitoberflächen hat, vorgesehen ist, ein Kolbenring (128) zu sein und das Gleitelement, das die andere der Gleitoberflächen hat, vorgesehen ist, eine Zylinderwand (120) zu sein.
Gleitstruktur nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleitelemente (120; 124: 128) vorgesehen sind, in der Brennkraftmaschine für Kraftfahr zeuge verwendet zu werden, die maximale Höhe t der mikroskopischen Unregelmäßigkeiten der Basisoberfläche (10) der Gleitoberfläche (130) des Kolbenrings (128) nicht mehr als 1 μm beträgt, der Durchschnittswert k der maximalen Tiefen der Vertiefungen (11) der Gleitoberfläche (130) des Kolbenrings (128) in einem Bereich von 1 bis 50 μm ist, der Durchschnittswert k der maximalen Tiefen der Vertiefungen (11) der Gleitoberfläche (122) der Zylinderwand (120) in einem Bereich von 1 bis 50 μm ist und ein Durchschnittswert d der maximalen Durchmesser der Vertiefungen (11) der Gleitoberfläche (122) der Zylinderwand (120) nicht mehr als 1 mm beträgt.
Gleitstruktur nach einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Gleitelement, das die eine der Gleitoberflächen hat, vorgesehen ist, eine Zylinderwand (120) zu sein und das Gleitelement, das die andere der Gleitoberflächen hat, vorgesehen ist, ein Kolbenring (128) zu sein.
Gleitstruktur nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleitelemente (120; 124: 128) vorgesehen sind, in der Brennkraftmaschine für Kraftfahrzeuge verwendet zu werden, die maximale Höhe t der mikroskopischen Unregelmäßigkeiten der Basisoberfläche (10) der Gleitoberfläche (122) der Zylinderwand (120) nicht mehr als 1 μm beträgt, der Durchschnittswert k der maximalen Tiefen der Vertiefungen (11) der Gleitoberfläche (122) der Zylinderwand (120) in einem Bereich von 1 bis 50 μm ist, der Durchschnittswert k der maximalen Tiefen der Vertiefungen (11) der Gleitoberfläche (139) des Kolbenrings (128) in einem Bereich von 1 bis 50 μm ist und ein Durchschnittswert d der maximalen Durchmesser der Vertiefungen (11) der Gleitoberfläche (130) des Kolbenrings (128) nicht mehr als 1 mm beträgt.