JP2004125049A

JP2004125049A - 摺動部材及びその製造方法

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Publication number: JP2004125049A
Application number: JP2002289340A
Authority: JP
Inventors: Manabu Wakuta; 和久田　学; Yoshiteru Yasuda; 保田　芳輝
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2002-10-02
Filing date: 2002-10-02
Publication date: 2004-04-22

Abstract

【課題】例えば、自動車用エンジンの動弁機構において、カムとの間の摩擦を大幅に低減することが可能で且つ製造工程の簡略化をも実現することができる摺動部材を提供する。
【解決手段】微小凹部Ｄを略均等に分布させた平面１を有し、この平面１が筒状部材の曲面と潤滑油を介して互いに摺動し合うセラミックから成る摺動部材において、荷重をＰ、摺動部材及び筒状部材の各ヤング率がＥ_１，Ｅ_２である場合に（１／Ｅ_１＋１／Ｅ_２）^−１で表される摺動部材と筒状部材との合成ヤング率をＥ、筒状部材の曲面の半径をｒ、摺動部材と筒状部材との接触部分の長さをｌとした場合、平面に略均等に分布させた微小凹部Ｄの直径ｄを２ｂ＝２×１．０７６４（Ｐｒ／Ｅｌ）^１／２の式で求められる２ｂの１．０〜２．５倍の範囲に設定した。
【選択図】　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、筒状部材の曲面と潤滑油を介して互いに摺動し合う平面を有する摺動部材に係わり、例えば、自動車用エンジンの動弁機構において、吸排気バルブの端部に取り付けられたバルブリフタとカムシャフトのカム（筒状部材）との間に設けられて、バルブリフタの摩耗を防止するバルブリフタ用シムとして用いられる摺動部材及びその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
上記したような自動車用エンジンの動弁機構におけるカムとカムフォロアとの間の摩擦を低減するバルブリフタ用シム（摺動部材）としては、例えば、特開２００１−２５４８０８号公報に記載されたものがある。このバルブリフタ用シムのカムと摺動する平面には、開口が１０〜１００平方μｍ、深さが０．１〜１μｍの微小凹部が均等に分布してあり、平面の表面粗さはＲａ０．１μｍ以下としている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記公報に記載されたバルブリフタ用シムにあっては、カムシャフトのカムとバルブリフタとの接触部分の大きさと比較して微小凹部のサイズが極端に小さくなるようにして選ばれているため、微小凹部に保持される潤滑油がきわめて微量であり、とくに摩擦し合う摺動面同士が直接接触するようなきわめて厳しい潤滑状態にある環境下では、潤滑性能を向上させる作用は少なく、摩擦の低減効果は必ずしも大きくはなかった。
【０００４】
また、上記バルブリフタ用シムを製造するに際しては、微小凹部の基準面を平滑化する第１の超仕上研磨加工工程、微小凹部を形成するレーザ加工工程及び微小凹部の周囲に生じた盛り上がりを除去する第２の超仕上研磨加工工程を順次行わなくてはならないことから、製造効率が良いとは言えないという問題があり、この問題を解決することが従来の課題となっていた。
【０００５】
【発明の目的】
本発明は、上記した従来の課題に着目してなされたもので、例えば、自動車用エンジンの動弁機構において、カムとの間の摩擦を大幅に低減することが可能で且つ製造工程の簡略化をも実現することができる摺動部材及びその製造方法を提供することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明者らが鋭意検討した結果、筒状部材の曲面と潤滑油を介して摺動する平面に略均等に分布させた微小凹部の直径を所定の範囲に設定することで、筒状部材との間の摩擦を大幅に低減し得ることを見出すに至った。
【０００７】
すなわち、本発明は、微小凹部を略均等に分布させた平面を有し、この平面が筒状部材の曲面と潤滑油を介して互いに摺動し合うセラミックから成る摺動部材において、荷重をＰ、摺動部材及び筒状部材の各ヤング率がＥ_１，Ｅ_２である場合に（１／Ｅ_１＋１／Ｅ_２）^−１で表される摺動部材と筒状部材との合成ヤング率をＥ、筒状部材の曲面の半径をｒ、摺動部材と筒状部材との接触部分の長さをｌとした場合、上記平面に略均等に分布させた微小凹部の直径を　２ｂ＝２×１．０７６４（Ｐｒ／Ｅｌ）^１／２の式で求められる２ｂの１．０〜２．５倍の範囲に設定した構成としたことを特徴としており、この摺動部材の構成を前述した従来の課題を解決するための手段としている。なお、上記式の２ｂは、本発明の摺動部材と筒状部材とが互いに摩擦摺動を行うときのヘルツの弾性接触理論による摺動部の幅に相当する量である。
【０００８】
【発明の効果】
本発明の摺動部材では、上記した構成としているので、筒状部材の曲面と潤滑油を介して摺動する平面に略均等に分布させた微小凹部がオイル溜りとして機能して、摩擦し合う筒状部材の曲面と平面との接触部分に潤滑油を十分に行き渡らすことができ、すなわち、潤滑性能を向上させることができ、その結果、筒状部材との間における摩擦の大幅な低減を実現することが可能であるという非常に優れた効果がもたらされる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の摺動部材及びその製造方法について、詳細に説明する。
【００１０】
本発明の摺動部材において、筒状部材の曲面と潤滑油を介して摺動する平面には微小凹部が略均等に分布しており、これらの微小凹部がオイル溜りとして機能することとなって、摩擦係数が大幅に低減することになるが、微小凹部のサイズとしては、請求項１に記載しているように、荷重をＰ、摺動部材及び筒状部材の各ヤング率がＥ_１，Ｅ_２である場合に（１／Ｅ_１＋１／Ｅ_２）^−１で表される摺動部材と筒状部材との合成ヤング率をＥ、筒状部材の曲面の半径をｒ、摺動部材と筒状部材との接触部分の長さをｌとした場合、上記平面に略均等に分布させた微小凹部の直径を　２ｂ＝２×１．０７６４（Ｐｒ／Ｅｌ）^１／２の式で求められる２ｂの値の１．０〜２．５倍の範囲とすることが望ましい。
【００１１】
この理由は、微小凹部の直径が上記式の２ｂの１．０倍に満たないときには、摺動面同士の直接接触を低減するような潤滑機能が発揮されないので、摩擦の低減効果が少なくなり、一方、微小凹部の直径が上記式の２ｂの２．５倍を超えたときには、摺動時に発生するヘルツ接触面圧に十分に耐えることができずに、微小凹部を起点とした微細なクラックの形成によるピッチング及びこれに伴うスカッフィングが生じてしまい、その結果、摺動面の粗さが悪化して摩擦の低減効果が減少する可能性があるからである。
【００１２】
また、微小凹部の分布については、請求項２に記載しているように、筒状部材の曲面と潤滑油を介して互いに摺動し合う平面に対する微小凹部の合計面積率を５〜２０％の範囲とすることが望ましい。
【００１３】
つまり、上記合計面積率が５％に満たないときには、オイル溜りとして実質的に機能しないので、摩擦の低減効果が十分に得られなくなり、一方、上記合計面積率が２０％を越えたときには、摺動時に発生するヘルツ接触面圧に十分に耐えることができずに、微小凹部を起点とした微細クラックの形成によるピッチング及びこれに伴うスカッフィング生じてしまい、その結果、摺動面の粗さが悪化して摩擦の低減効果が減少する可能性があるからである。
【００１４】
さらに、平面の微小凹部を除く部分については、その表面粗さＲａが０．１μｍを超えると、摺動時に発生するヘルツ接触面圧に十分に耐えきれなくなってスカッフィングが生じてしまい、摺動面の粗さが悪化することによって、上記と同様に摩擦が急増してしまう傾向があることから、請求項３に記載しているように、その表面粗さを中心線平均粗さＲａで０．１μｍ以下とすることが望ましい。
【００１５】
さらにまた、本発明の摺動部材において、微小凹部は、請求項４に記載しているように、超仕上研磨加工を施した平滑な平面に細く絞ったレーザ光を照射したり、請求項５に記載しているように、超仕上研磨加工を施した平面にマスク材の貫通孔を通して硬質粒子を噴射したりすることで形成することができる。
【００１６】
この場合、摺動部材の基材をセラミックとしているので、微小凹部の形成工程において、微小凹部の周縁部に微小な盛り上がりが生じることがなく、その結果、このような微小な盛り上がりを除去することのみを目的とした超仕上研磨工程を設けなくても、摩擦の低減効果を発揮する摺動部材を製造することが可能である。
【００１７】
【実施例】
以下、本発明を実施例に基づいて、さらに具体的に説明する。
［実施例１〜４］
まず、研削加工によって形状加工した窒化けい素セラミックの摺動表面に、超仕上研磨加工を施すことによって、表面粗さＲａが０．０４μｍ前後という極めて平滑な平面を得た後、エキシマレーザを用いて、ビーム径、出力密度、照射時間、照射回数を各々変化させて、パルス状のレーザ光をマスク転写法によって照射することにより、平面に微小凹部を形成して本実施例のバルブリフタ用シム（摺動部材）を製作した。
【００１８】
この際、筒状部材として鋼を用い、上記バルブリフタ用シムと筒状部材との各形状データ及び荷重条件に基づいて、上記ヘルツの弾性接触理論、すなわち、２ｂ＝２×１．０７６４（Ｐｒ／Ｅｌ）^１／２の式に基づいて接触部分の幅２ｂを求めると、５４μｍであった。
【００１９】
そこで、微小凹部の直径がこの２ｂの１．０〜２．５倍の範囲となるように、直径が８０μｍの微小凹部を有するバルブリフタ用シム及び直径が１２０μｍの微小凹部を有するバルブリフタ用シムを用意した。
【００２０】
そして、平面に対する微小凹部の合計面積率が５〜２０％の範囲に収まるように、平面に対する微小凹部の合計面積率が７．５％のバルブリフタ用シム及び平面に対する微小凹部の合計面積率が１５％のバルブリフタ用シムを用意した。
【００２１】
すなわち、表１に示すように、微小凹部の直径を８０μｍとし合計面積率を７．５％としたバルブリフタ用シム（実施例１）、微小凹部の直径を８０μｍとし平面に対する微小凹部の合計面積率を１５％としたバルブリフタ用シム（実施例２）、微小凹部の直径を１２０μｍとし平面に対する微小凹部の合計面積率を７．５％としたバルブリフタ用シム（実施例３）及び微小凹部の直径を１２０μｍとし平面に対する微小凹部の合計面積率を１５％としたバルブリフタ用シム（実施例４）を用意した。
【００２２】
［実施例５〜８］
次に、研削加工によって形状加工した窒化けい素セラミックの摺動表面に、超仕上研磨加工を施すことによって、表面粗さＲａが０．０４μｍ前後という極めて平滑な平面を得た後、貫通孔を適宜パターンで配置したマスク材で上記平滑な平面を被覆し、このマスク材の貫通孔を通して、噴射圧力、噴射時間を各々変化させて、硬質粒子を噴射することにより、表１に示すように、上記実施例１〜４のバルブリフタ用シムと同じ仕様の微小凹部を平面に形成して本実施例のバルブリフタ用シム（実施例５〜８）とした。
【００２３】
このようにして製作したバルブリフタ用シムにおける平面の微小凹部のＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）による観察結果の一例として、レーザの照射によって形成された微小凹部を図１及び図２に示し、硬質粒子の噴射によって形成された微小凹部を図３及び図４に示す。図１において、符号１はバルブリフタ用シムの平面、符号Ｄは微小凹部、符号ｄは微小凹部の直径（サイズ）である。
【００２４】
［比較例１］
上記した各実施例のバルブリフタ用シムに用いた窒化けい素セラミックに対して超仕上研磨加工のみを施したものを比較例１とした。
【００２５】
［比較例２〜１１］
この際、微小凹部の直径を４０μｍ、８０μｍ、１２０μｍとした３通りのバルブリフタ用シムを用意し、また、微小凹部の合計面積率を７．５％、１５％、３０％とした３通りのバルブリフタ用シムを用意し、微小凹部がレーザ光の照射により形成されたものと硬質粒子の噴射により形成されたものとをそれぞれ揃えて、最終的に表１に示す仕様の微小凹部を有する比較例２〜１１のバルブリフタ用シムを用意した。
【００２６】
【表１】

【００２７】
［摺動摩擦試験要領］
上記実施例１〜８の仕様のバルブリフタ用シム及び比較例１〜１１の仕様のバルブリフタ用シムを１個ずつ用意して、下記条件による摺動摩擦試験を実施し、試験中の摩擦トルクを調査した。この摺動摩擦試験の結果を表２に示す。
【００２８】
また、実施例１〜４のバルブリフタ用シムを用いて摺動摩擦試験を行ったときの摩擦トルクを図５に示し、実施例５〜８のバルブリフタ用シムを用いて摺動摩擦試験を行ったときの摩擦トルクを図６に示す。なお、摩擦トルクについては、比較例１の摺動部材を摺動摩擦試験に供した場合の摩擦トルクを１として示した。
【００２９】
試験方式：３ローラー・オン・ディスク試験
エンジンオイル：５Ｗ−３０ＳＪ
押し付け荷重：５０ｋｇｆ
オイル温度：８０℃
摺動部材回転数：１０００ｒｐｍ
相手部材：ＳＵＪ２鋼製ローラ（外径φ５ｍｍ×幅５ｍｍ）
【００３０】
【表２】

【００３１】
表２及び図５，６からわかるように、実施例１〜８の仕様のバルブリフタ用シムでは、いずれのバルブリフタ用シムにおいても、摩擦の低減が実現しており、例えば、実施例３のバルブリフタ用シムでは、比較例１の摺動部材と比較して、摩擦トルクが２７％低減した。
【００３２】
上記試験の結果から、摩擦の低減効果が得られるのは、微小凹部の直径が互いに摺動し合うバルブリフタ用シムと鋼製ローラとの接触部分の幅の１．０〜２．５倍の範囲であることが確認された。
【００３３】
また、微小凹部の合計面積率についても適正範囲が存在し、摩擦トルクの低減効果が得られるのは、合計面積率が５〜２０％の範囲であることが確認された。
【００３４】
上記したように、実施例１〜８のバルブリフタ用シムでは、いずれのバルブリフタ用シムにおいても、微小凹部を除く部分の表面粗さＲａを０．１μｍ以下としているので、摺動時に発生するヘルツ接触面圧に十分に耐え得ることとなり、微小凹部を起点とするクラックやこれに伴うピッチングが生じることを阻止可能であり、微小凹部による摩擦の低減効果をより確実なものとすることができる。
【００３５】
また、実施例１〜４のバルブリフタ用シムを製造する際には、超仕上研磨加工を施した平滑な平面にレーザ光を照射することで微小凹部を形成するようにしているので、実施例１〜４の仕様のバルブリフタ用シムを容易に得ることができ、加えて、レーザ光による微小凹部の形成に際して、凹部の周縁部には微小な盛り上がりが形成されないため、このような微小な盛り上がりを除去することのみを目的とした超仕上研磨工程を設ける必要がなく、したがって、製造工程を簡略化することができる。
【００３６】
一方、実施例５〜８のバルブリフタ用シムを製造する際には、超仕上研磨加工を施した平滑な平面を貫通孔が適宜パターンで配置されたマスク材で被覆し、このマスク材の貫通孔を通して硬質粒子を噴射して平面に微小凹部を形成するようにしているので、実施例５〜８の仕様のバルブリフタ用シムを容易に得ることができ、加えて、硬質粒子噴射による微小凹部の形成に際して、凹部の周縁部には微小な盛り上がりが形成されないため、レーザ光による場合と同様に、このような微小な盛り上がりを除去することのみを目的とした超仕上研磨工程を設ける必要がなく、したがって、製造工程を簡略化することができる。
【００３７】
以上説明したように、本発明は、摩擦し合う摺動面同士が直接接触するようなきわめて厳しい潤滑状態にある環境下で摺動する摺動部材において、トライボロジー的な取り組みを鋭意行ってきた結果、摺動部材の摩擦低減に直結する大きな効果が得られる技術を見出したものであって、工業的に有益なものである。
【００３８】
上記した実施例では、本発明の摺動部材がバルブリフタ用シムである場合を示したが、これに限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の摺動部材における摺動表面のＳＥＭ観察結果の一例を示すレーザ光の照射により形成された微小凹部を有する平面の凹凸像である（１５０倍）。
【図２】図１に示した凹部の１０００倍の凹凸像である。
【図３】本発明の摺動部材における摺動表面のＳＥＭ観察結果の他の例を示すマスク材を通して硬質粒子を噴射することにより形成された微小凹部を有する平面の凹凸像である（１５０倍）。
【図４】図３に示した凹部の１０００倍の凹凸像である。
【図５】レーザ光の照射による微小凹部が形成された平面を有する本発明の摺動部材に対して行った摺動摩擦試験の摩擦トルクを示すグラフである。
【図６】マスク材を通して硬質粒子を噴射することで微小凹部が形成された平面を有する本発明の摺動部材に対して行った摺動摩擦試験の摩擦トルクを示すグラフである。
【符号の説明】
１　筒状部材の曲面と潤滑油を介して互いに摺動し合う平面
Ｄ　微小凹部
ｄ　微小凹部の直径（サイズ）

Claims

微小凹部を略均等に分布させた平面を有し、この平面が筒状部材の曲面と潤滑油を介して互いに摺動し合うセラミックから成る摺動部材において、
荷重をＰ、摺動部材及び筒状部材の各ヤング率がＥ_１，Ｅ_２である場合に（１／Ｅ_１＋１／Ｅ_２）^−１で表される摺動部材と筒状部材との合成ヤング率をＥ、筒状部材の曲面の半径をｒ、摺動部材と筒状部材との接触部分の長さをｌとした場合、上記平面に略均等に分布させた微小凹部の直径を　２ｂ＝２×１．０７６４（Ｐｒ／Ｅｌ）^１／２の式で求められる２ｂの１．０〜２．５倍の範囲に設定したことを特徴とする摺動部材。
筒状部材の曲面と潤滑油を介して互いに摺動し合う平面に対する微小凹部の合計面積率を５〜２０％の範囲とした請求項１に記載の摺動部材。
平面の微小凹部を除く部分の表面粗さＲａを０．１μｍ以下とした請求項１または請求項２に記載の摺動部材。
請求項１〜請求項３に記載の摺動部材を製造するに際して、筒状部材の曲面と潤滑油を介して摺動する面に超仕上研磨加工を施して平滑な平面を形成した後、この平滑な平面にレーザ光を照射して微小凹部を形成することを特徴とする摺動部材の製造方法。
請求項１〜請求項３に記載の摺動部材を製造するに際して、筒状部材の曲面と潤滑油を介して摺動する面に超仕上研磨加工を施して平滑な平面を形成した後、貫通孔を適宜パターンで配置したマスク材で上記平滑な平面を被覆し、このマスク材の貫通孔を通して硬質粒子を噴射して平面に微小凹部を形成することを特徴とする摺動部材の製造方法。