JP2004278705A

JP2004278705A - Sliding member, crankshaft, and variable compression ratio engine

Info

Publication number: JP2004278705A
Application number: JP2003072400A
Authority: JP
Inventors: Toshikazu Nanbu; 俊和南部; Yoshiteru Yasuda; 芳輝保田; Kenji Ushijima; 研史牛嶋
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2003-03-17
Filing date: 2003-03-17
Publication date: 2004-10-07
Anticipated expiration: 2023-03-17
Also published as: JP4269726B2

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a sliding member having high seizing resistance by increasing friction reducing effect. <P>SOLUTION: A sliding surface 5 of the sliding member is made of diamond-like carbon 6, and the sliding surface is provided with a recessed part 4 where depth distribution varies in response to oil film thickness distribution from the center toward the end in the orthogonal direction to the sliding direction. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、摺動部材、この摺動部材を用いたクランクシャフト、およびこの摺動部材を用いた可変圧縮比エンジンに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、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、凹面、溝などを形成することが行われている。
【０００３】
このような窪み、凹面、溝などを摺動部材に形成する従来の技術は、形成たとえば、往復摺動を行うピストン／ボアのフリクション低減を目的として、摺動面において、摺動方向に対して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）。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００２−２３５８５２号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の摺動部材は、クランクシャフトなどように、回転運動する摺動条件における摺動方向と直交する方向の微細形状に関しては、凹部や窪み、溝の深さが均一であるため、接触部内の油膜厚さ分布や油膜保持能力に応じた最適化が図られておらず、低フリクションという機能が必ずしも十分に発現されないという問題があった。特にクランクシャフトでは、軸の曲げたわみが発生し、それを支えるメタル材の端部に油膜が薄い場所が存在し、深さの均一な凹凸を形成するだけでは、フリクション低減効果が限定されるだけでなく、軸受け端部での磨耗や焼き付きなどの損傷が懸念されるという問題があった。
【０００６】
そこで本発明の目的は、回転運動する摺動部材において、フリクション低減効果を大きくし、かつ耐焼付き性に優れた摺動部材を提供することである。また、他の目的は、このようにフリクションを低減させた摺動部材を用いることで、回転部分における摩擦抵抗を少なくしたエンジンシステムを提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するための本発明は、摺動面となる硬質炭素皮膜と、前記摺動面における摺動方向と直交する方向の中心から端部方向へ深さ分布が油膜厚さ分布に応じて変化する凹部と、を有することを特徴とする摺動部材である。
【０００８】
また、上記課題を解決するための本発明は、前記摺動部材を用いたことを特徴とする内燃機関のクランクシャフトである。
【０００９】
また、上記課題を解決するための本発明は、シリンダ内を往復動するピストンにピストンピンを介して第１コンロットが接続され、当該第１コンロッドがコンロッド間接続ピンによって第２コンロッドと揺動可能に接続され、当該第２コンロッドがクランクシャフトとクランクピンによって回転可能に装着され、前記第２コンロッドが前記クランクピンを中心に回転位置を変更するためのコントロールロッドとコントロールロッド接続ピンにより揺動可能に接続され、当該コントロールロッドの前記第２コンロッドと接続されていない側の接続部に当該コントロールロッドを移動させて前記ピストンのストロークを変更する制御機構が接続されている可変圧縮比エンジンにおいて、少なくとも前記クランクシャフトの前記クランクピン部分に前記摺動部材を用いたことを特徴とする可変圧縮比エンジン。
【００１０】
【発明の効果】
本発明の摺動部材によれば、摺動面を硬質炭素皮膜とし、この摺動面に摺動方向と直交する方向の中心から端部方向へ、深さ分布が油膜厚さ分布に応じて変化させた凹部を設けたので、摺動面の摩擦係数を下げることが可能となり、フリクション低減効果が大きくなり、耐焼付き性を向上させることができる。
【００１１】
また、本発明によるクランクシャフトによれば、クランクシャフト端部で発生する磨耗や焼き付きを抑制し、摩擦係数を低減することができる。
【００１２】
さらに、本発明により可変圧縮比エンジンによれば、焼き付き性や磨耗が改善され、さらに摩擦係数が低減することにより摩擦損失を低減することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
【００１４】
（第１の実施の形態）
まず、本実施の形態として本発明を適応した部材の一つであるクランクシャフト受について簡単に説明する。
【００１５】
図１はクランクシャフトの軸受け接触部における油膜厚さ分布を説明するための説明図で、図１（ａ）はクランクシャフトの一例を示す平面図であり、図１（ｂ）は軸受け接触部における油膜厚さ分布示すグラフである。
【００１６】
図示するように、クランクシャフト１の軸受けとの接触部２（図示円内の部分）の摺動面において、油膜厚さは、その中央部Ｓに比べて端部Ｔの方が薄い。
【００１７】
本第１の実施の形態は、このようなクランクシャフト１の接触部２、すなわち、軸受けと接触する摺動面において、摺動方向と直交する方向の中心から端部方向へ、深さ分布がこの油膜厚さ分布に応じて変化する微細な凹部を形成し、さらに、おうぶに対して凸部となっている部分の表面、すなわち実際に摺動面５となる部分に硬質炭素皮膜を形成したものである。
【００１８】
この硬質炭素皮膜としては、具体的にはダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）膜６（図４参照）を用いている。
【００１９】
ＤＬＣ膜（Ｄｉａｍｏｎｄ−ＬｉｋｅＣａｒｂｏｎＦｉｌｍｓ）とは、ダイヤモンドのように硬い炭素膜と言う意味でつけられた名称であり、このＤＬＣ膜は、通常、硬さがビッカース硬さＨｖ２０００〜４０００、電気抵抗１０^６〜１０^１２Ω・ｃｍであり、赤外線領域での透光性、高屈折率等の性質がある。またその結晶構造は非晶質である。
【００２０】
このＤＬＣ膜の特徴は、大面積被覆、低温度（約１５０℃程度以上であれば可能）での被覆が可能であり、得られた膜の摩擦係数が極めて小さいことなどである。ＤＬＣ膜が平滑である理由はアモルファス構造を持ち、結晶粒界を持たないためと考えられている。
【００２１】
摺動面となるように設けられたＤＬＣ膜の膜厚は、好ましくは、０．５〜１０μｍである。これは、０．５μｍ未満であると摺動部材そのもの（通常は金属部材）とＤＬＣ膜との密着強度が不足して、部分的にはがれたり、また部分的にＤＬＣ膜の存在しない部分ができたりするために好ましくないものである。一方、１０μｍを超えて厚くするとＤＬＣ膜内の残留応力が大きくなって、同様に部分的に剥離してしまう可能性があるため好ましくないためである。
【００２２】
そして、このＤＬＣ膜は、水素原子が１０原子１％以下となるようにすることが好ましい。
【００２３】
ＤＬＣ膜は、その構造の乱れから、ＤＬＣ膜における炭素原子に未結合の結合手を多く有し、油中においては、この未結合手を拠点として油分子が吸着するために摩擦係数が下がると考えられている。ところが、ＣＶＤのようにプロセス時の環境に水素が多く存在する場合、この未結合手に水素が結合して終端するために油分子が吸着しにくく、このため潤滑油中での摩擦係数が下がりにくい傾向になるものと考えられる。このためＤＬＣ膜中の水素原子は１０原子％以下で少なければ少ないほど好ましいものである。
【００２４】
さらにこのＤＬＣ膜からなる摺動面においては、少なくともその表面に金属が含まれていることが好ましい。このためにＤＬＣ膜には金属元素を添加する。これにより、潤滑油中の極圧添加剤が表面に吸着しやすくかつ反応生成物を表面に形成しやすくなり、潤滑油中で低摩擦な硬質炭素皮膜摺動部材とすることが可能になる。
【００２５】
たとえば、省燃費を目的としてエンジンオイルなどに使用されるような鉱油および合成油を基油とし、モリブデンジチオカーバメートをモリブデン量として５０〜１０００ｐｐｍ（質量比）、ジチオリン酸亜鉛をリン量として０．０１〜０．２質量％を含む潤滑油中においては、表面に金属元素と酸素元素を含まない硬質炭素皮膜では潤滑油中に極圧添加剤として添加されているモリブデンジチオカーバメートおよびジチオリン酸亜鉛の添加剤皮膜が形成されず、炭素皮膜を形成しない鋼製の摺動部材よりも摩擦係数が逆に高くなってしまうのであるが、金属元素と酸素元素をその表面に含ませるようにすることで、極圧添加剤が表面に膜を形成しやすくなると推測されこれにより摩擦係数を下げることができる。
【００２６】
ここで用いる金属としては、工業的に使用されていて、ＤＬＣ膜中に含有させることのできる金属であれば使用可能である。具体的には、たとえば、元素周期律表の第２ｂ、３、４、５ａ、６ａ、７ａ、および８族のうちから選ばれる少なくとも１種の金属元素を４〜２０原子％、なかでもＴｉ、Ｍｏ、Ｗ、Ｎｂ、Ｆｅなどは工業的にも広く利用されているため扱いやすく、また優れた効果を得ることができる。
【００２７】
含有させる金属の量は、金属元素を４〜２０原子％とすることが好ましい。これは、ＤＬＣ膜の表面層中の金属元素量が４原子％未満では極圧添加剤が付着しにくく摩擦が高くなり、一方、２０原子％超過では硬質炭素皮膜の炭素間の結合状態が変化し膜の性状が変わるため、摩擦係数が再び高くなってしまうためである。
【００２８】
このように金属を含有させた場合、金属ととも酸素を含有させることがより好ましい。これは金属と酸素を同時に含有させて、ＤＬＣ膜表面に金属を酸素を含ませるようにすることで、金属と酸素の協調作用により極圧添加剤が表面に膜を形成しやすくなると推測されこれにより、いっそう摩擦係数を下げることができる。
【００２９】
酸素の含有量は特に規定されるものではないが、好ましくは６〜３０原子％含むことが好ましい。これは、ＤＬＣ膜の表面層中の酸素量が６％未満では、金属との協調作用低く極圧添加剤が付着しないため、酸素を入れた効果が少ない。一方、３０原子％を超えると硬質炭素皮膜の炭素間の結合状態が変化し膜の性状が変わるために摩擦係数が高くなって好ましくない。なお、酸素を含有させた場合における金属の含有量は金属単独の含有量の場合と同じである。
【００３０】
図２は摺動面における表面粗さを説明するための説明図であり、図２（ａ）はクランクシャフト１と軸受け接触部２の断面図、図２（ｂ）は接触部２における摺動面の平面図である。また、図３は摺動面における凹部の深さ分布の一例を示すグラフである。
【００３１】
図２（ａ）に示すように、クランクシャフト１の油膜を受ける接触部２には、この接触部２を取り巻くように軸受け３が設けられている。
【００３２】
接触部２の摺動面５には、図２（ｂ）に示すように、凹部４が形成されている。
【００３３】
この凹部４は、摺動方向ｘと直交する方向ｙの中心から端部方向へ、深さ分布が油膜厚さ分布に応じて変化するように形成している。したがって、その深さは、図３に示すように、中央部ほど深く、端部に行くほど浅くなる。
【００３４】
また、凹部の深さは、油膜厚さをｈとし、凹部４の深さをｔとして、その比をｈ／ｔとした場合に、ｈ／ｔが０．２〜２と好ましく、具体的には、たとえば、摺動面５のベース面における凹凸の凸部の最大高さが１μｍ以下（下限値は０であるが実際には加工機械の精度限界となる）となるようにした場合に、凹部４の最大深さが０．５μｍ〜２０μｍであることが好ましい。
【００３５】
このようにｈ／ｔを０．２〜２とすることで、より広い作動条件でフリクション低減効果を発現するとともに、軸受け３端部での磨耗や焼き付きなどの損傷を抑制する。作動条件により油膜厚さが変化するために、より広い作動条件においてフリクション低減効果を発現しつつ、耐磨耗性、耐焼付き性効果を両立させることが可能となるが、この範囲を超えると、動作条件による油膜厚さの変化に対応できなくなるおそれがあるため好ましくないものである。
【００３６】
特にクランク軸では、アルミメタルのような軟質金属と鋼のような硬質金属との組み合わせで運転されるため、このような状態において、ベース面の凸部の最大高さが１μｍ以下、凹部４の最大深さを０．５μｍ〜２０μｍとすることで、固体接触を抑制し、耐磨耗性や耐焼き付き性が向上する。凸部の最大高さが１μｍを超える場合、および凹部４の最大深さが２０μｍを超える場合には、耐磨耗性や耐焼き付き性が低下するため好ましくない。また、凹部４の最大深さが０．５μｍ未満の場合には、フリクション低減効果が十分得られない。
【００３７】
また、凹部４の開口部の長さは、平均で１５〜５００μｍとしている。これは、凹部４の開口部の長さが１５μｍ未満であると、油膜の保持性能が悪化するために、固体接触が発生し好ましくない。一方、５００μｍを越えると、開口部分が広くなりすぎ、凹部への油の流入が増加して負荷容量が下がり固体接触が発生して耐焼き付き性が低下するため好ましくないものである。
【００３８】
このように、凹部４の開口部の長さを平均で１５〜５００μｍとすることで、前述の摩擦係数の低減、耐焼き付き性、耐磨耗性などの抑制を発現するだけでなく、微細形状付与による、振動の増加を抑制することができる。
【００３９】
凹部４の形状は、長方形や円形などさまざまな形状が考えられる。たとえば、図４（ａ）に示すように、ＤＬＣ膜６よりなる摺動面５に円形の凹部４を形成した形態、図４（ｂ）に示すように、ＤＬＣ膜６よりなる摺動面５に溝状の凹部４を形成した形態、図４（ｃ）に示すように、ＤＬＣ膜６よりなる摺動面５に長方形の凹部４を形成した形態などが考えられる。
【００４０】
（実施例）
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の摺動部材を製作して摩擦係数を求める実験を行った。
【００４１】
図５は、本実施例に用いた内接２円筒を説明するための説明図である。
【００４２】
実験に用いる摺動部材は、図５に示すように、外円筒１０と内円筒２０からなる内接２円筒を用いた。外円筒１０は外径φ６０の鋼製円筒１１に内径φ４５ｍｍのアルミメタル１２を圧入したものである。一方、内円筒２０は外径がφ４４．８ｍｍの鋼鉄（ＳＣＭ４３５Ｈ鋼）の焼き入れ焼き戻し材であり、Ｒａ０．０１μｍ以下に仕上げ加工を行った。内円筒２０および外円筒１０の幅はともに１０ｍｍである。
【００４３】
内円筒２０および外円筒１０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、油浴内にこの内円筒２０および外円筒１０を浸すことで、内円筒２０および外円筒１０の間に油膜を形成させた。
【００４４】
実験は、ラジアル荷重５００ｋｇ、油温度８０℃、相対すべり速度０．２〜１２ｍ／ｓにおいて、平均速度を−２〜２ｍ／ｓまで変化させ、内円筒軸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。同様に相対すべり速度は、（ｕ１−ｕ２）である。
【００４５】
測定した摩擦係数は、縦軸を相対すべり速度、横軸を平均速度で表したフリクションマップとして整理した。これらのフリクションマップを基に、摩擦係数の望小解析を実施した。
【００４６】
図６はフリクションマップの一例である。フリクションマップとは、図示するように、縦軸を相対すべり速度、横軸を平均速度で表し、このマップ上に摩擦係数を等高線図として整理したものである。このマップにより内円筒表面の接触部２においてどのような摩擦係数分布となっているかがわかる。なお、図６においては、１２３個のデータをまとめたものである。
【００４７】
摩擦係数は回転トルクとして望小解析を行った。望小解析は以下に示す式により計算した。
【００４８】
望小解析
【００４９】
【数１】

【００５０】
（実施例および比較例）
実施例１〜３および比較例１〜６は、潤滑油に自動車用エンジンオイル５Ｗ−３０ＳＪを用いた。実施例５は、潤滑油に自動車用エンジンオイル０Ｗ−２０（モリブデンジチオカーバメート入り）を用いた。
【００５１】
各実施例は、いずれもφ４４．８ｍｍの内円筒表面に凹部微細形状を形成した（比較例は形成していない）。凹部微細形状は、マスクブラスト処理により形成した。すなわち、光リソグラフィ技術を利用し、樹脂製マスクに凹部微細形状を形成し、その樹脂マスクを円筒表面に貼り付けた後、平均粒径２０μｍのアルミナ砥粒を、投射ノズルからワ−クまでの距離を１００ｍｍとし、投射流量１００ｇ／ｍｉｎ、投射圧０．４ＭＰａの条件下で投射し、凹部微細形状を得た。その後、凹部微細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所望の形状を得た。
【００５２】
その後、ＤＬＣ膜の形成を行った。ＤＬＣ膜は、炭素をターゲットとしたマグネトロンスパッタリング法により、基材表面に硬質炭素皮膜をコーティングしたものである。スパッタリングの際のガスにはアルゴンを用いた。成膜時の試料温度は約２５０℃とした。
【００５３】
なお、この方法では、凹部内にもＤＬＣ膜が形成され得るが、凹部内についてはＤＬＣ膜は形成されてもされなくてもよい。しかしＤＬＣ膜が凹部内にも形成される場合には、形成されたＤＬＣ膜によって凹部内が埋まってしまわないようにする必要がある。
【００５４】
なお、実施例（実施例についてはＤＬＣ膜形成後）の凹部微細形状深さは、いずれのサンプルにおいても１μｍ、面積率は５％とした。
【００５５】
図７は、実施例および比較例の凹部パターンを示す図面である。
【００５６】
実施例１は、図７（ａ）に示すように、開口部の直径がφ１２０μｍのディンプルを、中央部において最大深さが３μｍ、端部において０．３μｍとなるように形成した。
【００５７】
その後、テープラップ加工を施しディンプル周辺のエッジを除去した後、炭素をターゲットとしたマグネトロンスパッタリング法により、この基材表面に硬質炭素皮膜をコーティングした。スパッタリングの際のガスにはアルゴンを用いた。成膜時の試料温度は約２５０℃とした。
【００５８】
ＤＬＣ膜形成後の摺動面の表面粗さを測定したところ仕上げ加工無しで皮膜表面の粗さはＲａ０．０３μｍであった。またＤＬＣ膜の厚さは予め試料の一部をマスクしておき、ＤＬＣ膜が付着した部分とそうでない部分との段差を表面粗さ計で計測することにより求めた結果、０．６μｍであった。
【００５９】
ＤＬＣ膜中の水素量の定量は二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）によった。表面から深さ約２０ｎｍを掘り取り平均の水素量を求めた結果、０．３原子％であった。
【００６０】
比較例１は、実施例１と同様に、開口部の直径がφ１２０μｍのディンプルパターンとして（図７（ａ）参照）、その深さは実施例１と異なり、中央部から端部まで３μｍとなるように形成した。ＤＬＣ膜は実施例１と同様の手法、手順で形成した。ＤＬＣ膜の厚さも同様に０．６μｍであった。
【００６１】
実施例２は、図７（ｂ）に示すように、幅８０μｍ、長さ×３２０μｍの矩形状の凹部を、中央部での最大深さが３μｍ、端部において０．３μｍとなるように形成した。ＤＬＣ膜は実施例１と同様の手法、手順で形成した。ＤＬＣ膜の厚さも同様に０．６μｍであった。
【００６２】
比較例２は、実施例２と同様に、幅８０μｍ、長さ×３２０μｍの矩形状パターンとして（図７（ｂ）参照）、その深さは実施例２と異なり、中央部から端部まで３μｍとなるように形成した。ＤＬＣ膜は実施例１と同様の手法、手順で形成した。ＤＬＣ膜の厚さも同様に０．６μｍであった。
【００６３】
実施例３は、図７（ｂ）に示すように、幅８０μｍ、長さ×３２０μｍの矩形状パターンの凹部を、中央部での最大深さが２μｍ、端部での深さが０．３μｍとなるように形成した。
【００６４】
ＤＬＣ膜は、炭素ターゲットを用いたマグネトロンスパッタリングにより、サンプル基材の表面にコーティングしたものである。また、このスパッタリングにおいては、ターゲット上に二酸化チタン（ＴｉＯ_２）のプレートを置き、同時にスパッタリングを行うことによりＴｉおよびＯがＤＬＣ膜中に入るようにした。スパッタリングの際のガスにはアルゴンを用いた。
【００６５】
またＤＬＣ膜の厚さは予め試料の一部をマスクしておき、硬質炭素皮膜が付着した部分とそうでない部分との段差を表面粗さ計で計測することにより求めた結果、０．７μｍであった。
【００６６】
ＤＬＣ膜中の各元素の存在比の定量はオージェ電子分光法によった。実際に行ったオージェ電子分光法は、まず、分析装置内で試料表面を一定時間Ａｒガスでエッチングし、次に分析装置から取り出してエッチングされた部分の深さを求めた。これを総エッチング時間に対し直線的に割り付けてエッチングレートを求めた。求められたエッチングレートは１分あたり３．８ｎｍであった。
【００６７】
次にこのエッチングレートをもとに一定の深さを掘り取るための時間を逆算し、試料をその時間だけ掘り取ってはオージェ電子分光により組成を分析する操作を所定の回数だけこれを繰り返し、各元素の深さ方向の分布（デプスプロファイル）を求めた。試料表面から５ｎｍの地点から５ｎｍごとに５０ｎｍの深さまで１０点の測定を行い、その平均を以って「表面層の各元素の存在比」とみなした。この分析の結果、膜中にＴｉが７原子％、酸素は２４原子％存在していた。
【００６８】
比較例３は、図７（ａ）に示すように、開口部の直径がφ１２０μｍのディンプル形状の凹部を、深さが中央部から端部まで３μｍとなるように形成した。なお、ＤＬＣ膜は形成していない。
【００６９】
比較例４は、図７（ｃ）に示すように（すなわち凹部を形成していない）、全面を表面粗さＲａが０．０１μｍ以下になるように、テープラップ加工を施し、鏡面に近い状態に仕上げた。
【００７０】
その後、プラズマＣＶＤ法によってＤＬＣ膜を成膜した。炭素源にはベンゼンを用いた。試料温度は２００℃とした。
【００７１】
膜中の水素量の定量は二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）によった。表面から深さ約２０ｎｍを掘り取り平均の水素量を求めた結果４０原子％であった。
【００７２】
比較例５は、図７（ｃ）に示すように（すなわち凹部を形成していない）、全面を表面粗さＲａが０．０１μｍ以下になるように、テープラップ加工を施し、鏡面に近い状態に仕上げた。
【００７３】
その後、ＤＬＣ膜の形成を行った。ＤＬＣ膜は、炭素をターゲットとしたマグネトロンスパッタリング法により、この基材表面に硬質炭素皮膜をコーティングしたものである。スパッタリングの際のガスにはアルゴンを用いた。水素量を求めた結果０．３原子％であった。
【００７４】
比較例６は、図７（ｃ）に示すように（すなわち凹部を形成していない）、全面を表面粗さＲａが０．０１μｍ以下になるように、テープラップ加工を施し、鏡面に近い状態に仕上げた。なお、ＤＬＣ膜は形成していない。
【００７５】
実施例４は、幅８０μｍ、長さ×１６０μｍの矩形状の凹部を、中央部での最大深さが３μｍ、端部において０．３μｍとなるように形成した。ＤＬＣ膜は実施例１と同様の手法、手順で形成した。ＤＬＣ膜の厚さも同様に０．６μｍであった。
【００７６】
実施例５は、幅８０μｍ、長さ×１６０μｍの矩形状の凹部を、中央部での最大深さが３μｍ、端部において０．３μｍとなるように形成した。ＤＬＣ膜は、炭素ターゲットを用いたマグネトロンスパッタリングにより、サンプル基材の表面にコーティングしたものである。また、このスパッタリングにおいては、ターゲット上にＭｏのプレートを置き、同時にスパッタリングを行うことによりＭｏがＤＬＣ膜中に入るようにした。スパッタリングの際のガスにはアルゴンを用いた。
【００７７】
またＤＬＣ膜の厚さは予め試料の一部をマスクしておき、硬質炭素皮膜が付着した部分とそうでない部分との段差を表面粗さ計で計測することにより求めた結果、０．７μｍであった。
【００７８】
比較例７は、炭素ターゲットを用いたマグネトロンスパッタリングにより、サンプル基材の表面にＤＬＣ膜を形成した。また、このスパッタリングにおいては、ターゲット上に二酸化チタン（ＴｉＯ_２）のプレートを置き、同時にスパッタリングを行うことによりＴｉおよびＯがＤＬＣ膜中に入るようにした。Ｔｉの添加量は１原子％となるようにした。スパッタリングの際のガスにはアルゴンを用いた。
【００７９】
また、ＤＬＣ膜の厚さは予め試料の一部をマスクしておき、硬質炭素皮膜が付着した部分とそうでない部分との段差を表面粗さ計で計測することにより求めた結果、０．７μｍであった。また、凹部は形成していない。
【００８０】
比較例８は、比較例７と同様の手法により、Ｔｉ含有量が２５原子％となるように調整した。
【００８１】
比較例９は、実施例１と同様の手法を用いて、直径φ５０μｍのディンプル状の凹部を、中央部での最大深さが３μｍ、端部においても３μｍとなるように形成した。ＤＬＣ膜は、炭素ターゲットを用いたマグネトロンスパッタリングにより、サンプル基材の表面にコーティングしたものである。スパッタリングの際のガスにはアルゴンと水素の混合ガスを使用し、膜中の水素量を１２原子％となるように調整した。
【００８２】
これら実施例および比較例における望小解析結果を表１および表２に示す。なお、この表１におけるトルクは比較例６を１として比較した値である。
【００８３】
【表１】

【００８４】
【表２】

【００８５】
まず、実施例１〜３と比較例３〜６の結果から、摺動面に凹部を形成するとともに摺動面そのものをＤＬＣ膜とすることで、低いトルクで回転可能となっており、この結果からＤＬＣ膜を摺動面とすることで摩擦係数が低くなっていることがわかる。そして、実施例１と比較例１、および実施例２と比較例２の結果から、それぞれ、同じようにＤＬＣ膜を形成した場合においては、凹部を中心部ほど深く、端部ほど浅くしたもの、すなわち、油膜厚さ分布に応じた凹部を形成したものが、いっそう低いトルクで回転可能となっており、摩擦係数が低くなっていることがわかる。
【００８６】
また、実施例３の結果からは、モリブデンジチオカーバメート入りの潤滑油を用いた場合に、Ｔｉ（原子％（表中はａｔ％と記載））入りのＤＬＣとしたことで、いっそう低いトルクで回転可能となっており、摩擦係数が低くなっていることがわかる。
【００８７】
同様に、実施例５の結果からもＭｏ入りのＤＬＣとしたことで、低いトルクで回転可能となっており、摩擦係数が低くなっていることがわかる。
【００８８】
そして、比較例７および８の結果から、Ｔｉ入りのＤＣＬ膜を設けたとしてもその含有量が少ない場合（比較例７）、および多い場合（比較例８）には、いずれも、金属含有量が適切なはに無いではないため、実施例３および５よりトルクが高くなっていて、摩擦係数の低減効果が少ないことがわかる。
【００８９】
また、比較例９の結果からＤＬＣ膜を摺動面として凹部を設けた場合でも、ＤＬＣ膜中の水素が１２原子％と多い場合には、摩擦係数の低減効果が低いことがわかる。これはまた、比較例４および９の結果と各実施例の結果と合わせれば、水素量は少なければすくなうほどよく、比較例４および９の傾向から水素含有量が１０原子％以下にすることが好ましいことがわかる。
【００９０】
以上説明したように本発明の実施の形態および実施例によれば、クランクシャフト１の摺動面５において、油膜厚さの分布と同じく、中央が深く、端部の方が浅くなるように微細な凹部４を形成し、摺動面にＤＬＣ膜を形成したので、フリクション低減効果を発現するとともに、軸受け３端部での磨耗や焼き付きなどの損傷を抑制するという優れた効果をもたらす。
【００９１】
凹部４の深さを、油膜厚Ｚをｈ、凹部深さをｔとして、その比をｈ／ｔが０．２〜２となるようにしたことで、さまざまな油膜厚さに対応して、より広い作動条件でフリクション低減効果を発現するとともに、軸受け３端部での磨耗や焼き付きなどの損傷を抑制することができる。
【００９２】
さらに、摺動面５のベースの凹凸が凸面の最大高さが１μｍ以下となるようにし、凹部４の最大深さを０．５μｍ〜２０μｍとすることで、金属接触を抑制し、耐磨耗性や耐焼き付き性が向上する。
【００９３】
そして、このクランクシャフト１を内燃機関に用いることにより、クランクシャフト１端部で発生する磨耗や焼き付きを抑制し、微細形状付与なしに比べて、摩擦係数を低下できるという優れた機能が発現される。
【００９４】
すなわち、クランクシャフト１は、シリンダ内を往復動するピストンを有する内燃機関において、ピストンはピストンピンを介してアッパリンクと連結され、アッパリンクはＵＬ間接続ピンを介してロアリンクと揺動可能に連結され、クランクピンに回転可能に装着されたロアリンクと、コントロールリンクとはＬＣ間接続ピンを介して揺動可能に連結され、コントロールリンクのロアリンクとは連結されない接続点の位置を運転条件に応じて変更することにより機関圧縮比を可変制御するリンク機構を構成する。
【００９５】
このリンク機構により、通常のレシプロエンジンに比べてクランクシャフト１に対する入力が増加した場合にも、焼き付き性や磨耗が改善され、さらに摩擦係数が低減することにより摩擦損失を低減できるという優れた効果がもたらされる。
【００９６】
（第２の実施の形態）
第２の実施の形態は、前述した第１の実施の形態の摺動部材を用いた可変圧縮比エンジンである。
【００９７】
図８は可変圧縮比エンジンのクランクシャフト部分とエンジンシリンダ内部の概略断面図である。
【００９８】
この可変圧縮比エンジンは、シリンダ１０１内を往復動するピストン１０２に、ピストンピン１０３を介して第１コンロット１０４と接続されており、この第１コンロッド１０４がコンロッド間接続ピン１０５によって第２コンロッド１０６と揺動可能に接続されている。第２コンロッド１０６は、クランクシャフト１とクランクピン１０７によって回転可能に装着されている。そして第２コンロッド１０６は、さらに、コントロールロッド１０８とコントロールロッド接続ピン１０９により揺動可能に接続され、コントロールロッド１０８の第２コンロッド１０６と接続されていない側の接続部１１０は、このコントロールロッド１０８を移動させて機関圧縮比を可変制御する制御機構（不図示）に接続されている。
【００９９】
このように構成された可変圧縮比エンジンは、コントロールロッド１０８を移動させて、第２コンロッド１０６をクランクピン１０７を中心にして回転させることで、実質的にコンロッド長（クランクピンからピストンピンまでの長さＬ）を変えてピストン１０２のストロークを変化させ、機関圧縮比を変更できるようにしている。
【０１００】
このような第１コンロッド１０４と第２コンロッド１０６の接続部であるコンロッド間接続ピン１０５の部分、第２コンロッド１０６とクランクシャフト１の接続部であるクランクピン１０７の部分、および第２コンロッド１０６とコントロールロッド１０８の接続部であるコントロールロッド接続ピン１０９の部分は、いずれも摺動部であり、この摺動部に本発明を適用した摺動部材、すなわち、摺動面に摺動方向と直交する方向の中心から端部方向へ、深さ分布が油膜厚さ分布に応じて変化する微細な凹部を形成し、かつ凸部の表面にＤＬＣを形成したものである。凹部は、油膜厚さをｈとし、凹部の深さをｔとした場合に、その比ｈ／ｔが０．２〜３となることが好ましい。さらに摺動面は、ベース面の凹凸の最大高さが１μｍ以下、凹部の最大深さが０．５〜２０μｍであることが好ましい。
【０１０１】
これにより、通常のレシプロエンジンに比べて、接続部が多くなっているために、クランクシャフトに加わる力が大きくなる可変圧縮比エンジンにおいても、クランクシャフトのクランクピン部分のほか、その他の摺動部において摩擦係数を小さくすることが可能となり、摺動部における耐焼き付き性や耐磨耗性を改善することができ、エンジンの効率を良くすることが可能となる。
【０１０２】
なお、本第２の実施の形態においては、各ロッドが接続されている摺動部すべてに第１の実施の形態による摺動部材を用いたが、これに変えてクランクシャフトのみを本発明による摺動部材としてもよい。これは、可変圧縮比エンジンにおいては、上記のとおり接続部が多くなっているために、クランクシャフトに加わる力が通常のエンジンと比較して大きくなるため、このクランクシャフトのクランクピン部分の摩擦係数を下げるだけでも効率改善効果が期待できるためである。
【図面の簡単な説明】
【図１】クランクシャフトの軸受け接触部における油膜厚さ分布を説明するための説明図であり、（ａ）はクランクシャフトの一例を示す平面図、（ｂ）は軸受け接触部における油膜厚さ分布示すグラフである。
【図２】摺動面における表面荒さを説明するための説明図であり、（ａ）はクランクシャフトと軸受け接触部の断面図、（ｂ）は接触部における摺動面の平面図である。
【図３】摺動面における凹部の深さ分布の一例を示すグラフである。
【図４】摺動面の構造を示す図面である。
【図５】内接２円筒を説明するための説明図である。
【図６】フリクションマップの一例を示す図面である。
【図７】微細な凹部パターンを示す図面である。
【図８】可変圧縮比エンジンのクランクシャフト部分とエンジンシリンダ内部の概略断面図である。
【符号の説明】
１クランクシャフト
２接触部
３軸受け
４凹部
１０外円筒
１１鋼製円筒
１２アルミメタル
２０内円筒
１０１シリンダ
１０２ピストン
１０３ピストンピン
１０４第１コンロッド
１０５コンロッド間接続ピン
１０６第２コンロッド
１０７クランクピン
１０８コントロールロッド
１０９コントロールロッド接続ピン[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a sliding member, a crankshaft using the sliding member, and a variable compression ratio engine using the sliding member.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art Conventionally, in order to reduce friction in a sliding member, a fine depression, concave surface, groove, or the like is formed on a sliding surface of the sliding member.
[0003]
The conventional technique of forming such depressions, concave surfaces, grooves, and the like in a sliding member is, for example, to reduce the friction of a piston / bore that performs reciprocating sliding on a sliding surface with respect to the sliding direction. There is one in which a fine concave portion having a changed depth is formed (see Patent Document 1).
[0004]
[Patent Document 1]
JP-A-2002-235852
[Problems to be solved by the invention]
However, the conventional sliding member, such as a crankshaft, has a uniform concave, concave, or groove depth with respect to a fine shape in a direction orthogonal to the sliding direction in a sliding condition of rotating motion. There has been a problem that optimization according to the oil film thickness distribution in the section and the oil film holding ability has not been achieved, and the function of low friction is not always sufficiently exhibited. Especially in the case of crankshafts, bending bending of the shaft occurs, and there is a place where the oil film is thin at the end of the metal material that supports it, and simply forming unevenness with a uniform depth only limits the friction reduction effect In addition, there is a problem that the bearing ends may be damaged such as wear and seizure.
[0006]
SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a sliding member having a large friction reduction effect and excellent seizure resistance in a rotating sliding member. Another object is to provide an engine system in which the frictional resistance in the rotating part is reduced by using the sliding member in which the friction is reduced as described above.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
The present invention for solving the above-mentioned problem is characterized in that a hard carbon film serving as a sliding surface, and a depth distribution from a center in a direction orthogonal to a sliding direction on the sliding surface to an end portion according to an oil film thickness distribution. And a concave part that changes.
[0008]
According to another aspect of the present invention, there is provided a crankshaft for an internal combustion engine, wherein the sliding member is used.
[0009]
According to the present invention for solving the above-mentioned problems, a first connecting rod is connected to a piston reciprocating in a cylinder via a piston pin, and the first connecting rod can swing with the second connecting rod by a connecting rod between connecting rods. And the second connecting rod is rotatably mounted by a crankshaft and a crankpin, and the second connecting rod is swingable by a control rod and a control rod connecting pin for changing a rotational position around the crankpin. A variable compression ratio engine, wherein a control mechanism that moves the control rod to change the stroke of the piston is connected to a connection portion of the control rod that is not connected to the second connecting rod, On the crankpin part of the crankshaft Variable compression ratio engine characterized by using a serial sliding member.
[0010]
【The invention's effect】
According to the sliding member of the present invention, the sliding surface is a hard carbon film, and the sliding surface has a depth distribution according to the oil film thickness distribution from the center of the direction orthogonal to the sliding direction to the end. Since the changed concave portion is provided, the friction coefficient of the sliding surface can be reduced, the effect of reducing friction is increased, and the seizure resistance can be improved.
[0011]
Further, according to the crankshaft according to the present invention, abrasion and seizure occurring at the end of the crankshaft can be suppressed, and the friction coefficient can be reduced.
[0012]
Further, according to the variable compression ratio engine of the present invention, seizure and wear are improved, and the friction coefficient can be reduced, so that the friction loss can be reduced.
[0013]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0014]
(First Embodiment)
First, a crankshaft receiver, which is one of the members to which the present invention is applied, will be briefly described as the present embodiment.
[0015]
FIG. 1 is an explanatory diagram for explaining an oil film thickness distribution at a bearing contact portion of a crankshaft. FIG. 1A is a plan view showing an example of a crankshaft, and FIG. It is a graph which shows oil film thickness distribution.
[0016]
As shown in the figure, the oil film thickness at the end portion T is smaller at the end portion T than at the center portion S on the sliding surface of the contact portion 2 (the portion in the circle shown in the drawing) of the crankshaft 1 with the bearing.
[0017]
In the first embodiment, the depth distribution of the contact portion 2 of the crankshaft 1, that is, the sliding surface that comes into contact with the bearing, extends from the center in the direction orthogonal to the sliding direction to the end portion. A fine concave portion that changes according to the oil film thickness distribution is formed, and a hard carbon film is formed on the surface of the convex portion with respect to the nape, ie, the portion that actually becomes the sliding surface 5. It was done.
[0018]
As the hard carbon film, specifically, a diamond-like carbon (DLC) film 6 (see FIG. 4) is used.
[0019]
The DLC film (Diamond-Like Carbon Films) is a name given in the meaning of a carbon film as hard as diamond, and this DLC film usually has a Vickers hardness Hv2000 to 4000 and an electrical resistance of 10 ⁶ to 10 ¹² Ω · cm, and has properties such as translucency in the infrared region and a high refractive index. Further, its crystal structure is amorphous.
[0020]
The features of this DLC film are that it can be coated in a large area, can be coated at a low temperature (approximately at least about 150 ° C.), and has a very small coefficient of friction. It is considered that the reason why the DLC film is smooth is that it has an amorphous structure and no crystal grain boundaries.
[0021]
The thickness of the DLC film provided as a sliding surface is preferably 0.5 to 10 μm. If the thickness is less than 0.5 μm, the adhesive strength between the sliding member itself (usually a metal member) and the DLC film is insufficient, and the sliding member is partially peeled off, or a portion where the DLC film does not exist is formed. Is not preferred because On the other hand, if the thickness exceeds 10 μm, the residual stress in the DLC film increases, and similarly, there is a possibility that the film is partially peeled off, which is not preferable.
[0022]
The DLC film preferably has 10% or less of hydrogen atoms of 1% or less.
[0023]
The DLC film has a large number of unbonded bonds to carbon atoms in the DLC film due to disorder of its structure. In oil, when oil molecules are adsorbed based on these unbonded bonds, the friction coefficient decreases. It is considered. However, when a large amount of hydrogen is present in the environment during the process, such as CVD, the hydrogen is bonded to the unbonded bonds and terminated, so that the oil molecules are not easily adsorbed. As a result, the friction coefficient in the lubricating oil decreases. This is likely to be difficult. For this reason, it is preferable that the number of hydrogen atoms in the DLC film be as small as 10 atomic% or less.
[0024]
Further, it is preferable that at least the surface of the sliding surface made of the DLC film contains metal. For this purpose, a metal element is added to the DLC film. Thereby, the extreme pressure additive in the lubricating oil is easily adsorbed on the surface and a reaction product is easily formed on the surface, and a hard carbon film sliding member having low friction in the lubricating oil can be obtained.
[0025]
For example, mineral oil and synthetic oil used for engine oil and the like for the purpose of fuel saving are used as base oils, molybdenum dithiocarbamate is used as molybdenum in an amount of 50 to 1000 ppm (mass ratio), and zinc dithiophosphate is used as a phosphorus amount in an amount of 0.01 to 0.01 ppm. In a lubricating oil containing up to 0.2% by mass, addition of molybdenum dithiocarbamate and zinc dithiophosphate added as extreme pressure additives to the lubricating oil in a hard carbon film containing no metal element and oxygen element on the surface The agent film is not formed, the friction coefficient will be higher than the sliding member made of steel that does not form the carbon film, but by including the metal element and the oxygen element on the surface, It is presumed that the extreme pressure additive easily forms a film on the surface, whereby the coefficient of friction can be reduced.
[0026]
As the metal used here, any metal that is industrially used and can be contained in the DLC film can be used. Specifically, for example, at least one metal element selected from

Groups

2b, 3, 4, 5a, 6a, 7a, and 8 of the Periodic Table of the Elements is 4 to 20 atomic%, among which Ti, Mo, W, Nb, Fe and the like are widely used industrially, so that they are easy to handle and can obtain excellent effects.
[0027]
The amount of the metal contained is preferably 4 to 20 atomic% of the metal element. This is because if the amount of the metal element in the surface layer of the DLC film is less than 4 atomic%, the extreme pressure additive hardly adheres and the friction increases, while if it exceeds 20 atomic%, the bonding state between carbons of the hard carbon film changes. This is because the properties of the film change and the friction coefficient increases again.
[0028]
When a metal is contained as described above, it is more preferable to contain oxygen together with the metal. This is presumed to be that the extreme pressure additive easily forms a film on the surface due to the cooperative action of the metal and oxygen by allowing the metal and oxygen to be simultaneously contained so that the metal contains oxygen on the surface of the DLC film. Thereby, the friction coefficient can be further reduced.
[0029]
The content of oxygen is not particularly limited, but is preferably 6 to 30 atomic%. This is because when the oxygen content in the surface layer of the DLC film is less than 6%, the effect of adding oxygen is small because the extreme pressure additive does not adhere due to the low synergistic effect with the metal. On the other hand, if it exceeds 30 atomic%, the bonding state between the carbons of the hard carbon film changes, and the properties of the film change, which undesirably increases the friction coefficient. The content of the metal when oxygen is contained is the same as the content of the metal alone.
[0030]
2A and 2B are explanatory diagrams for explaining the surface roughness on the sliding surface. FIG. 2A is a cross-sectional view of the crankshaft 1 and the bearing contact portion 2, and FIG. It is a top view of a surface. FIG. 3 is a graph showing an example of the depth distribution of the concave portion on the sliding surface.
[0031]
As shown in FIG. 2A, a bearing 3 is provided on the contact portion 2 of the crankshaft 1 that receives the oil film so as to surround the contact portion 2.
[0032]
As shown in FIG. 2B, a recess 4 is formed on the sliding surface 5 of the contact portion 2.
[0033]
The recess 4 is formed such that the depth distribution changes in accordance with the oil film thickness distribution from the center in the direction y perpendicular to the sliding direction x toward the end. Therefore, as shown in FIG. 3, the depth is deeper toward the center and shallower toward the end.
[0034]
When the oil film thickness is h, the depth of the recess 4 is t, and the ratio is h / t, h / t is preferably 0.2 to 2, and the depth of the recess is preferably 0.2 to 2. For example, when the maximum height of the projections of the irregularities on the base surface of the sliding surface 5 is set to 1 μm or less (the lower limit is 0, but this is actually the accuracy limit of the processing machine), It is preferable that the maximum depth of the concave portion 4 is 0.5 μm to 20 μm.
[0035]
By setting h / t to 0.2 to 2 in this manner, a friction reducing effect is exhibited under wider operating conditions, and damage such as wear and seizure at the end of the bearing 3 is suppressed. Because the oil film thickness changes depending on operating conditions, it is possible to achieve both abrasion resistance and anti-seizure effects while exhibiting a friction reduction effect under wider operating conditions. This is not preferable because the oil film thickness may not be able to cope with a change in oil film thickness due to operating conditions.
[0036]
In particular, since the crankshaft is operated by a combination of a soft metal such as aluminum metal and a hard metal such as steel, in such a state, the maximum height of the convex portion of the base surface is 1 μm or less, and By setting the maximum depth to 0.5 μm to 20 μm, solid contact is suppressed, and abrasion resistance and seizure resistance are improved. When the maximum height of the projection exceeds 1 μm and when the maximum depth of the depression 4 exceeds 20 μm, the wear resistance and the seizure resistance decrease, which is not preferable. If the maximum depth of the recess 4 is less than 0.5 μm, the effect of reducing friction cannot be sufficiently obtained.
[0037]
The length of the opening of the recess 4 is 15 to 500 μm on average. If the length of the opening of the concave portion 4 is less than 15 μm, the oil film holding performance is deteriorated, and solid contact occurs, which is not preferable. On the other hand, if it exceeds 500 μm, the opening becomes too wide, the flow of oil into the recess increases, the load capacity decreases, solid contact occurs, and the seizure resistance decreases, which is not preferable.
[0038]
As described above, by setting the length of the opening of the concave portion 4 to 15 to 500 μm on average, not only the reduction of the friction coefficient, the suppression of the seizure resistance and the abrasion resistance described above, but also the fine shape The increase in vibration due to the application can be suppressed.
[0039]
Various shapes such as a rectangle and a circle can be considered as the shape of the recess 4. For example, as shown in FIG. 4A, a form in which a circular concave portion 4 is formed on a sliding surface 5 made of a DLC film 6, and as shown in FIG. 4B, a sliding surface 5 made of a DLC film 6 4C, a rectangular concave portion 4 is formed on a sliding surface 5 made of a DLC film 6 as shown in FIG. 4C.
[0040]
(Example)
Next, based on the embodiment configured as described above, an experiment was performed to actually produce various concave-shaped sliding members and obtain a friction coefficient.
[0041]
FIG. 5 is an explanatory diagram for describing the two inscribed cylinders used in the present embodiment.
[0042]
As the sliding member used in the experiment, as shown in FIG. 5, two inscribed cylinders composed of an outer cylinder 10 and an inner cylinder 20 were used. The outer cylinder 10 is formed by press-fitting an aluminum metal 12 having an inner diameter of 45 mm into a steel cylinder 11 having an outer diameter of 60. On the other hand, the inner cylinder 20 is a quenched and tempered material of steel (SCM435H steel) having an outer diameter of φ44.8 mm, and was finished to Ra 0.01 μm or less. The width of both the inner cylinder 20 and the outer cylinder 10 is 10 mm.
[0043]
An AC servomotor (not shown) is attached to each of the inner cylinder 20 and the outer cylinder 10 so that rotation can be independently controlled. Then, by immersing the inner cylinder 20 and the outer cylinder 10 in an oil bath, an oil film was formed between the inner cylinder 20 and the outer cylinder 10.
[0044]
In the experiment, at a radial load of 500 kg, an oil temperature of 80 ° C, and a relative sliding speed of 0.2 to 12 m / s, the average speed was changed from -2 to 2 m / s, and the rotational torque was measured by a torque sensor attached to the inner cylindrical shaft. Then, the tangential force was calculated and the coefficient of friction was determined by dividing the tangential force by the radial load. The average speed is (u1 + u2) / 2 when the inner cylinder speed is u1 and the outer cylinder speed is u2. Similarly, the relative sliding speed is (u1-u2).
[0045]
The measured friction coefficients were arranged as a friction map in which the vertical axis represents relative sliding speed and the horizontal axis represents average speed. Based on these friction maps, a minimal analysis of the coefficient of friction was performed.
[0046]
FIG. 6 is an example of the friction map. As shown in the figure, the friction map represents the relative slip speed on the vertical axis and the average speed on the horizontal axis, and the friction coefficient is arranged on this map as a contour map. From this map, it is possible to understand what kind of friction coefficient distribution is formed in the contact portion 2 on the inner cylinder surface. In FIG. 6, 123 pieces of data are put together.
[0047]
For the coefficient of friction, a small analysis was performed as a rotational torque. The desired analysis was calculated by the following equation.
[0048]
Nozomi analysis [0049]
(Equation 1)

[0050]
(Examples and Comparative Examples)
In Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 6, automotive engine oil 5W-30SJ was used as the lubricating oil. In Example 5, automotive engine oil 0W-20 (containing molybdenum dithiocarbamate) was used as the lubricating oil.
[0051]
In each of the examples, the concave fine shape was formed on the inner cylindrical surface of φ44.8 mm (the comparative example was not formed). The concave fine shape was formed by mask blasting. That is, using a photolithography technique, a fine concave shape is formed on a resin mask, and the resin mask is adhered to the cylindrical surface. Then, alumina abrasive grains having an average particle diameter of 20 μm are applied from the projection nozzle to the work. The projection was performed under the conditions of a distance of 100 mm, a projection flow rate of 100 g / min, and a projection pressure of 0.4 MPa to obtain a fine concave portion shape. Thereafter, the bulge of the edge portion formed around the concave fine shape was removed with a tape wrap film having a particle size of 9 μm to obtain a desired shape.
[0052]
After that, a DLC film was formed. The DLC film has a substrate surface coated with a hard carbon film by a magnetron sputtering method using carbon as a target. Argon was used as a gas for sputtering. The sample temperature during film formation was about 250 ° C.
[0053]
In this method, the DLC film may be formed in the concave portion, but the DLC film may or may not be formed in the concave portion. However, when the DLC film is also formed in the recess, it is necessary to prevent the formed DLC film from filling the recess.
[0054]
In each of the samples (after the formation of the DLC film in the examples), the depth of the concave shape was 1 μm, and the area ratio was 5%.
[0055]
FIG. 7 is a drawing showing the concave pattern of the example and the comparative example.
[0056]
In Example 1, as shown in FIG. 7A, a dimple having an opening having a diameter of 120 μm was formed such that the maximum depth was 3 μm at the center and 0.3 μm at the end.
[0057]
Then, after tape lapping was performed to remove edges around the dimples, a hard carbon film was coated on the surface of the substrate by magnetron sputtering using carbon as a target. Argon was used as a gas for sputtering. The sample temperature during film formation was about 250 ° C.
[0058]
When the surface roughness of the sliding surface after the formation of the DLC film was measured, the roughness of the film surface was Ra 0.03 μm without finishing. The thickness of the DLC film was 0.6 μm obtained by masking a part of the sample in advance and measuring the level difference between the portion where the DLC film was attached and the portion where the DLC film was not attached with a surface roughness meter. Was.
[0059]
The amount of hydrogen in the DLC film was determined by secondary ion mass spectrometry (SIMS). When a depth of about 20 nm was dug from the surface and the average amount of hydrogen was determined, it was 0.3 atomic%.
[0060]
Comparative Example 1 is a dimple pattern having a diameter of an opening of 120 μm as in Example 1 (see FIG. 7A), and has a depth of 3 μm from the center to the end unlike Example 1. Formed as follows. The DLC film was formed by the same method and procedure as in Example 1. Similarly, the thickness of the DLC film was 0.6 μm.
[0061]
In Example 2, as shown in FIG. 7 (b), a rectangular recess having a width of 80 μm and a length × 320 μm was formed so that the maximum depth at the center was 3 μm and the end was 0.3 μm. did. The DLC film was formed by the same method and procedure as in Example 1. Similarly, the thickness of the DLC film was 0.6 μm.
[0062]
Comparative Example 2 is a rectangular pattern having a width of 80 μm and a length × 320 μm (see FIG. 7B), as in Example 2, and has a depth of 3 μm from the center to the end unlike Example 2. It formed so that it might become. The DLC film was formed by the same method and procedure as in Example 1. Similarly, the thickness of the DLC film was 0.6 μm.
[0063]
In the third embodiment, as shown in FIG. 7B, a concave portion of a rectangular pattern having a width of 80 μm and a length × 320 μm is formed with a maximum depth of 2 μm at the center and a depth of 0.3 μm at the end. It formed so that it might become.
[0064]
The DLC film is obtained by coating the surface of a sample substrate by magnetron sputtering using a carbon target. In this sputtering, a plate of titanium dioxide (TiO ₂ ) was placed on a target, and simultaneous sputtering was performed so that Ti and O entered the DLC film. Argon was used as a gas for sputtering.
[0065]
The thickness of the DLC film was determined by masking a part of the sample in advance and measuring the step between the portion where the hard carbon film was attached and the portion where the hard carbon film was not attached with a surface roughness meter. there were.
[0066]
The abundance ratio of each element in the DLC film was determined by Auger electron spectroscopy. In the Auger electron spectroscopy actually performed, first, the sample surface was etched with Ar gas in the analyzer for a certain period of time, and then taken out of the analyzer and the depth of the etched portion was determined. This was linearly assigned to the total etching time to determine the etching rate. The determined etching rate was 3.8 nm per minute.
[0067]
Next, based on this etching rate, the time for digging a certain depth is calculated backward, the sample is digged for that time, and the operation of analyzing the composition by Auger electron spectroscopy is repeated a predetermined number of times. The distribution (depth profile) of each element in the depth direction was determined. Ten points were measured from a point 5 nm from the sample surface to a depth of 50 nm every 5 nm, and the average thereof was regarded as “the abundance ratio of each element in the surface layer”. As a result of this analysis, 7 atomic% of Ti and 24 atomic% of oxygen were present in the film.
[0068]
In Comparative Example 3, as shown in FIG. 7A, a dimple-shaped recess having an opening having a diameter of 120 μm was formed so that the depth was 3 μm from the center to the end. Note that no DLC film was formed.
[0069]
In Comparative Example 4, as shown in FIG. 7C (that is, no concave portion was formed), the entire surface was tape-wrapped so that the surface roughness Ra was 0.01 μm or less, and the surface was close to a mirror surface. Finished.
[0070]
Thereafter, a DLC film was formed by a plasma CVD method. Benzene was used as a carbon source. The sample temperature was 200 ° C.
[0071]
The amount of hydrogen in the film was determined by secondary ion mass spectrometry (SIMS). A depth of about 20 nm was dug from the surface and the average amount of hydrogen was found to be 40 atomic%.
[0072]
In Comparative Example 5, as shown in FIG. 7C (that is, no concave portion was formed), the entire surface was tape-wrapped so that the surface roughness Ra was 0.01 μm or less, and a state close to a mirror surface was obtained. Finished.
[0073]
After that, a DLC film was formed. The DLC film is obtained by coating a hard carbon film on the surface of the substrate by a magnetron sputtering method using carbon as a target. Argon was used as a gas for sputtering. The amount of hydrogen was found to be 0.3 atomic%.
[0074]
In Comparative Example 6, as shown in FIG. 7C (that is, no concave portion was formed), the entire surface was tape-wrapped so that the surface roughness Ra was 0.01 μm or less, and a state close to a mirror surface was obtained. Finished. Note that no DLC film was formed.
[0075]
In Example 4, a rectangular recess having a width of 80 μm and a length × 160 μm was formed so that the maximum depth at the center was 3 μm and the end was 0.3 μm. The DLC film was formed by the same method and procedure as in Example 1. Similarly, the thickness of the DLC film was 0.6 μm.
[0076]
In Example 5, a rectangular recess having a width of 80 μm and a length × 160 μm was formed so that the maximum depth at the center was 3 μm and the maximum at the end was 0.3 μm. The DLC film is obtained by coating the surface of a sample substrate by magnetron sputtering using a carbon target. In this sputtering, a Mo plate was placed on a target, and sputtering was performed at the same time so that Mo entered the DLC film. Argon was used as a gas for sputtering.
[0077]
The thickness of the DLC film was obtained by masking a part of the sample in advance and measuring the step between the portion where the hard carbon film was attached and the portion where the hard carbon film was not attached with a surface roughness meter. there were.
[0078]
In Comparative Example 7, a DLC film was formed on the surface of the sample substrate by magnetron sputtering using a carbon target. In this sputtering, a plate of titanium dioxide (TiO ₂ ) was placed on a target, and simultaneous sputtering was performed so that Ti and O entered the DLC film. The addition amount of Ti was set to 1 atomic%. Argon was used as a gas for sputtering.
[0079]
The thickness of the DLC film was determined by masking a part of the sample in advance and measuring the level difference between the portion where the hard carbon film was attached and the portion where the hard carbon film was not attached by a surface roughness meter. Met. Further, no recess is formed.
[0080]
Comparative Example 8 was adjusted by the same method as in Comparative Example 7 so that the Ti content was 25 atomic%.
[0081]
In Comparative Example 9, a dimple-shaped concave portion having a diameter of 50 μm was formed using the same method as in Example 1 such that the maximum depth at the central portion was 3 μm and the end portion was 3 μm. The DLC film is obtained by coating the surface of a sample substrate by magnetron sputtering using a carbon target. As a gas for sputtering, a mixed gas of argon and hydrogen was used, and the amount of hydrogen in the film was adjusted to 12 atomic%.
[0082]
Tables 1 and 2 show the results of the small analysis in these examples and comparative examples. The torque in Table 1 is a value obtained by comparing Comparative Example 6 with 1.
[0083]
[Table 1]

[0084]
[Table 2]

[0085]
First, from the results of Examples 1 to 3 and Comparative Examples 3 to 6, it is possible to rotate with low torque by forming a concave portion on the sliding surface and using the sliding surface itself as a DLC film. It can be seen from the graph that the friction coefficient is reduced by using the DLC film as the sliding surface. From the results of Example 1 and Comparative Example 1 and Examples 2 and Comparative Example 2, when the DLC film was formed in the same manner, the concave portion was deeper toward the center and shallower toward the end. In other words, it can be seen that the one in which the concave portion is formed according to the oil film thickness distribution is rotatable with a lower torque, and the friction coefficient is low.
[0086]
Further, from the results of Example 3, it was found that when lubricating oil containing molybdenum dithiocarbamate was used, DLC containing Ti (atomic% (described as at% in the table)) was used, so that rotation was performed at lower torque. It can be seen that it is possible and the coefficient of friction is low.
[0087]
Similarly, it can be seen from the results of Example 5 that the use of Mo-containing DLC enabled rotation with a low torque and reduced the coefficient of friction.
[0088]
From the results of Comparative Examples 7 and 8, even when the DCL film containing Ti is provided, when the content is small (Comparative Example 7) and when the content is large (Comparative Example 8), the metal content is high. Is not appropriate, the torque is higher than in Examples 3 and 5, and it can be seen that the effect of reducing the friction coefficient is small.
[0089]
Also, from the results of Comparative Example 9, it can be seen that even when the DLC film is used as the sliding surface and the concave portion is provided, when the hydrogen content in the DLC film is as large as 12 atomic%, the effect of reducing the friction coefficient is low. In addition, when the results of Comparative Examples 4 and 9 are combined with the results of the respective examples, the smaller the amount of hydrogen, the better, and the tendency of Comparative Examples 4 and 9 indicates that the hydrogen content should be 10 atomic% or less. Is preferable.
[0090]
As described above, according to the embodiment and the example of the present invention, on the sliding surface 5 of the crankshaft 1, like the distribution of the oil film thickness, the center is deep and the end is shallower. Since the concave portion 4 is formed and the DLC film is formed on the sliding surface, an excellent effect of exhibiting a friction reducing effect and suppressing damage such as wear and seizure at the end of the bearing 3 is provided.
[0091]
By setting the depth of the recess 4 to h, the oil film thickness Z, and the depth of the recess to t, and the ratio of h / t to 0.2 to 2, corresponding to various oil film thicknesses, A friction reducing effect can be exhibited under wider operating conditions, and damage such as wear and seizure at the end of the bearing 3 can be suppressed.
[0092]
Furthermore, the unevenness of the base of the sliding surface 5 is such that the maximum height of the convex surface is 1 μm or less, and the maximum depth of the concave portion 4 is 0.5 μm to 20 μm, thereby suppressing metal contact and abrasion resistance. And seizure resistance are improved.
[0093]
By using the crankshaft 1 for an internal combustion engine, an excellent function of suppressing abrasion and seizure occurring at the end of the crankshaft 1 and lowering the friction coefficient as compared with the case where no fine shape is provided is exhibited. .
[0094]
That is, in an internal combustion engine having a piston which reciprocates in a cylinder, the crankshaft 1 is connected to an upper link via a piston pin, and the upper link can swing with the lower link via a UL connecting pin. The lower link, which is connected and rotatably mounted on the crank pin, and the control link are swingably connected via an LC connecting pin, and the position of a connection point that is not connected to the lower link of the control link is determined by operating conditions. And a link mechanism that variably controls the engine compression ratio by changing the engine compression ratio.
[0095]
With this link mechanism, even when the input to the crankshaft 1 is increased as compared with a normal reciprocating engine, seizure and abrasion are improved, and an excellent effect that a friction coefficient can be reduced so that a friction loss can be reduced. Brought.
[0096]
(Second embodiment)
The second embodiment is a variable compression ratio engine using the sliding member of the first embodiment.
[0097]
FIG. 8 is a schematic sectional view of the crankshaft portion and the inside of the engine cylinder of the variable compression ratio engine.
[0098]
In this variable compression ratio engine, a piston 102 reciprocating in a cylinder 101 is connected to a first connecting rod 104 via a piston pin 103, and the first connecting rod 104 is connected to a second connecting rod 106 by a connecting rod 105 between connecting rods. And swingably connected. The second connecting rod 106 is rotatably mounted on the crankshaft 1 and the crankpin 107. The second connecting rod 106 is further slidably connected to the control rod 108 by a control rod connecting pin 109, and the connecting portion 110 of the control rod 108 on the side not connected to the second connecting rod 106 is connected to the control rod 108. Are connected to a control mechanism (not shown) for variably controlling the engine compression ratio.
[0099]
The variable compression ratio engine configured as described above moves the control rod 108 to rotate the second connecting rod 106 around the crankpin 107, thereby substantially reducing the connecting rod length (from the crankpin to the piston pin). By changing the length L), the stroke of the piston 102 is changed so that the engine compression ratio can be changed.
[0100]
The portion of the connecting pin 105 between the connecting rods, which is the connecting portion of the first connecting rod 104 and the second connecting rod 106, the portion of the crank pin 107, which is the connecting portion of the second connecting rod 106 and the crankshaft 1, and the second connecting rod 106 Each of the control rod connecting pins 109, which is a connecting portion of the control rod 108, is a sliding portion, and the sliding member to which the present invention is applied, that is, the sliding surface is orthogonal to the sliding direction. In this example, a fine concave portion whose depth distribution changes according to the oil film thickness distribution is formed from the center of the direction of the edge to the end portion, and DLC is formed on the surface of the convex portion. It is preferable that the ratio h / t is 0.2 to 3 when the oil film thickness is h and the depth of the recess is t. Further, in the sliding surface, it is preferable that the maximum height of the unevenness of the base surface is 1 μm or less and the maximum depth of the concave portion is 0.5 to 20 μm.
[0101]
As a result, the number of connecting parts is larger than that of a normal reciprocating engine, so even in a variable compression ratio engine in which the force applied to the crankshaft is large, in addition to the crankpin part of the crankshaft, other sliding parts In this case, the friction coefficient can be reduced, the seizure resistance and the wear resistance of the sliding portion can be improved, and the efficiency of the engine can be improved.
[0102]
In the second embodiment, the sliding members according to the first embodiment are used for all the sliding parts to which the rods are connected. Instead, only the crankshaft according to the present invention is used. It may be a sliding member. This is because, in the variable compression ratio engine, the number of connections as described above increases the force applied to the crankshaft as compared with a normal engine. This is because the efficiency improvement effect can be expected simply by lowering the value.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an explanatory diagram for explaining an oil film thickness distribution at a bearing contact portion of a crankshaft, where (a) is a plan view showing an example of a crankshaft, and (b) is an oil film thickness distribution at a bearing contact portion. It is a graph shown.
FIGS. 2A and 2B are explanatory diagrams for explaining surface roughness on a sliding surface, in which FIG. 2A is a cross-sectional view of a contact portion between a crankshaft and a bearing, and FIG.
FIG. 3 is a graph showing an example of a depth distribution of a concave portion on a sliding surface.
FIG. 4 is a drawing showing a structure of a sliding surface.
FIG. 5 is an explanatory diagram for explaining two inscribed cylinders.
FIG. 6 is a drawing showing an example of a friction map.
FIG. 7 is a view showing a fine concave pattern.
FIG. 8 is a schematic sectional view of a crankshaft portion and an inside of an engine cylinder of a variable compression ratio engine.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Crankshaft 2 Contact part 3 Bearing 4 Depression 10 Outer cylinder 11 Steel cylinder 12 Aluminum metal 20 Inner cylinder 101 Cylinder 102 Piston 103 Piston pin 104 First connecting rod 105 Connecting rod connecting pin 106 Second connecting rod 107 Crank pin 108 Control rod 109 Control rod connection pin

Claims

A hard carbon film that becomes the sliding surface,
A concave portion whose depth distribution changes in accordance with the oil film thickness distribution from the center of the sliding surface in the direction perpendicular to the sliding direction to the end direction,
A sliding member comprising:

2. The sliding member according to claim 1, wherein the depth distribution of the recess is deeper toward the center and shallower toward the end.

3. The slide according to claim 1, wherein a ratio h / t of the concave portion is 0.2 to 3 when the oil film thickness is h and the depth of the concave portion is t. Moving member.

The sliding member according to claim 1, wherein the sliding surface has a maximum height of unevenness of a flat portion of 1 μm or less and a maximum depth of the concave portion of 0.5 to 20 μm.

The sliding member according to any one of claims 1 to 4, wherein the hard carbon film has a hydrogen atom content of 10 atom% or less.

The sliding member according to any one of claims 1 to 5, wherein the hard carbon film contains at least 4 to 20 atomic% of a metal on a surface thereof.

A crankshaft for an internal combustion engine using the sliding member according to claim 1.

A first connecting rod is connected to a piston that reciprocates in the cylinder via a piston pin, the first connecting rod is swingably connected to the second connecting rod by a connecting rod between connecting rods, and the second connecting rod is connected to a crankshaft and a crankshaft. The second connecting rod is rotatably mounted by a pin, and the second connecting rod is swingably connected by a control rod and a control rod connecting pin for changing a rotational position about the crank pin, and is connected to the second connecting rod of the control rod. In a variable compression ratio engine in which a control mechanism that changes the stroke of the piston by moving the control rod to a connection part on a side that is not connected is connected,
A variable compression ratio engine using the sliding member according to any one of claims 1 to 7 at least for the crankpin portion of the crankshaft.