JP2006017259A

JP2006017259A - 摺動装置

Info

Publication number: JP2006017259A
Application number: JP2004197111A
Authority: JP
Inventors: Yosuke Hizuka; 洋輔肥塚; Toshikazu Nanbu; 俊和南部; Yoshiteru Yasuda; 芳輝保田; Tatsuomi Nakayama; 達臣中山
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2004-07-02
Filing date: 2004-07-02
Publication date: 2006-01-19

Abstract

【課題】摺動部材が高速回転をする際においても、低摩擦という効果を発揮し得る摺動装置を提供する。
【解決手段】油を介して相対的に回転摺動する２つの摺動部材から構成され、前記２つの摺動部材のうち、いずれか一方もしくは両方の表面に、複数の凹部１０ａが形成される摺動装置において、凹部１０ａが摺動方向に並んだ複数の第１の列１００が形成され、１つの第１の列１００における凹部１０ａと、当該第１の列１００に隣接する他の第１の列１００における凹部１０ａとの摺動方向Ａに直交する方向の離隔距離Ｘは、前記凹部１０ａの開口部の摺動方向Ａに直交する方向の長さＳ以上である。
【選択図】図２

Description

本発明は、摺動装置に関する。

従来から、摺動装置は、例えば、エンジンに設けられるクランクシャフトおよび該クランクシャフトを支持する軸受メタルなどに用いられ、クランクシャフトが軸受メタル上を摺動する際に摺動面に発生する摩擦を低減するために、軸の表面に、長手方向が摺動方向と直交する凹部を、軸表面の部位に応じて溝深さを変えて設けたものがある（特許文献１参照）。軸と軸受メタルとの間に介在する潤滑油を摺動面に満遍なく潤させるために、凹部は、潤滑油を保持し、かつ摺動時に凹部近傍の摺動面に潤滑油を提供する機能（以下、潤滑油を保持する機能）を発揮することに基づく。

しかしながら、従来の摺動部材は、クランクシャフトのような回転運動する軸の摺動面上に形成する凹部の深さなどを規定するものであり、凹部の配置に関して言及するものではない。

上記の回転運動する軸の表面上に凹部を形成した場合、軸が回転する際に、凹部は、摺動面における潤滑油の流れをせき止めて、当該潤滑油の流れに対する抵抗となり得る。この抵抗は、摺動面における摩擦を増加させるという負の効果を生じさせるものであり、軸の回転が高速になるにつれて大きくなる傾向がある。

また、一般に、回転運動する軸を有する摺動装置において、軸は、比較的低速回転域においては、軸心を安定して回転するものの、高速回転域においては、慣性力によって軸心を安定せずに回転運動を行い、油膜が薄く、不安定になるという問題もある。
特開２００２−２３５８５２号公報

そこで、本発明は上記従来技術の有する問題点に鑑みなされたものであり、本発明の目的は、摺動部材が高速回転をする際においても、低摩擦という効果を発揮し得る摺動装置を提供することである。

本発明の目的は、下記の手段により達成される。
（１）油を介して相対的に回転摺動する２つの摺動部材から構成され、前記２つの摺動部材のうち、いずれか一方もしくは両方の表面に、複数の凹部が形成される摺動装置であって、前記凹部が摺動方向に並んだ複数の第１の列が形成され、１つの第１の列における凹部と、当該第１の列に隣接する他の第１の列における凹部とが摺動方向に直交する方向に離隔する第１の距離は、前記凹部の開口部の摺動方向に直交する方向の長さ以上であることを特徴とする摺動装置。

本発明によれば、油を介して相対的に回転摺動する２つの摺動部材から構成され、前記２つの摺動部材のうち、いずれか一方もしくは両方の表面に、複数の凹部が形成される摺動装置において、凹部による摺動面における油の流れに対する抵抗が小さくなるように、凹部を摺動部材の表面上に配置することによって、摺動部材が高速回転をする際においても、摺動面に油膜が保持されつつ、凹部以外の摺動部材の表面上を油が円滑に流れて、摩擦の低減効果が発揮される。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。

図１は、本発明の第１の実施形態における摺動装置１の概略図である。図には、軸心ａを中心に方向Ａに向けて回転する円柱状の軸１０と、これを支える円筒からなるすべり軸受１１とから構成される摺動装置１が示されている。なお、軸１０の長さの寸法は、図に示すものから適宜延長されても良い。さらに、軸１０の表面とすべり軸受け１１の内面１１ａとの間には、図示しない潤滑油が供給される。この潤滑油が、軸１０とすべり軸受１１との摺動面に発生する摩擦を低減するために、摺動面に適量に存在していることが重要である。そのため、本実施形態において、複数の凹部１０ａが、軸１０の表面に設けられている。

図２は、第１の実施形態の軸１０の表面の一部における凹部１０ａの配置を示す拡大図である。矢印Ａは、軸１０の摺動方向を示している。

凹部１０ａは、摺動方向に並んで複数の列１００（列１００ａ〜列１００ｂ）を形成している。１つの列１００における凹部１０ａと、当該列１００に隣接する他の列１００における凹部１０ａとの摺動方向に直交する方向の離隔距離Ｘ（第１の離隔距離）（例えば、列１００ａにおける凹部１０ａ１の端部位置１０ａ１ａと、列１００ａに隣接する列１００ｂにおける凹部１０ａ２の端部位置１０ａ２ａとの間の摺動方向に直交する方向の距離Ｘ）は、凹部１０ａの開口部の摺動方向に直交する方向の長さＳ以上であることが好ましい。

これにより、軸１０が高速回転をする際においても、摺動面に油膜が保持されつつ、凹部１０ａによる油の流れ（以下。油の流れ）に対する抵抗（以下、凹部１０ａによる抵抗）が減り、油が軸１０の表面上を円滑に流れるようになって、摩擦の低減効果を発揮する。

また、離隔距離Ｘは、長さＳの１倍以上２倍以下であることが好ましい。

離隔距離Ｘが長さＳより小さい場合、摺動方向Ａに向かう油の流れに対して、上記の抵抗を生じさせる凹部１０ａが多くなるため、軸１０が高速回転をする際において、油の流れに対する凹部１０ａによる抵抗が増加し、摩擦が増加する。

また、離隔距離Ｘが長さＳの２倍より大きい場合、凹部１０ａに保持された油が、凹部１０ａ以外の軸１０の表面の全域に行き渡らなくなるため、軸１０の表面の中心付近において、すべり軸受１１との金属接触が起こりやすくなり、摩擦が増加する。

上記に対して、離隔距離Ｘが長さＳの１倍以上２倍以下である場合には、摺動面に適度に油を保持でき、また、油の流れに対する凹部１０ａによる抵抗も減少することから、摩擦の低減効果が増加する。

また、凹部１０ａは、さらに摺動方向に直交する方向に並んで複数の第２の列１０１を形成している。ここで、離隔距離Ｘは、１つの第２の列１０１における凹部１０ａと、当該第２の列１０１に隣接する他の第２の列１０１における凹部１０ａとの摺動方向Ａの離隔距離Ｙ（第２の離隔距離）（例えば、列１００ｂにおける凹部１０ａ２の端部位置１０ａ２ｂと、凹部１０ａ３の端部位置１０ａ３ｂとの間の摺動方向の距離Ｙ）に対して、０．５倍以上２倍以下であることが好ましい。

離隔距離Ｘが、離隔距離Ｙの０．５倍の長さより小さい場合、摺動方向に直交する方向における摺動面の延長のうち、当該方向において凹部１０ａが形成されている延長の割合が大きいために、軸１０が高速回転をする際に、凹部１０ａによる抵抗が増加して、摩擦が増加する。

また、離隔距離Ｘが、離隔距離Ｙの２倍の長さより大きい場合には、凹部１０ａの前記割合が小さくなり、油の流れに対する凹部１０ａによる抵抗は減るが、凹部１０ａに保持された油が、軸１０の表面の中央部にまで行き渡らず、金属接触が起こりやすくなり、摩擦が増加する。

上記に対して、離隔距離Ｘが、離隔距離Ｙの０．５倍以上２倍以下の長さである場合には、摺動面内に、油を適度に保持するための凹部１０ａが多く存在することとなり、かつ軸１０が高速回転をする際において、上記の抵抗を生じる凹部１０ａが減少して、摩擦の低減効果が増加する。

また、軸１０において、凹部１０ａが表面に開口する面積の合計は、軸１０の表面積の０．３％以上１０％以下とすることが好ましい。０．３％より小さい場合には凹部１０ａの油閉じ込め効果が十分でなく摩擦低減効果が十分発現されない。逆に１０％を超えると、負荷容量の低下を招き、その結果、金属接触が発生しやすくなり、十分な摩擦低減が発現できない。

さらに、凹部１０ａの最大深さは、０．５μｍ以上２０μｍ以下であることが好ましい。凹部１０ａの深さが０．５μｍより小さい場合、油閉じ込め効果が十分でなく、摩擦低減効果が十分に発現されない。２０μｍを超えると負荷容量の低下を招き、金属接触が発生しやすくなり、十分な摩擦低減が発現できない。

また、凹部１０ａは、長手方向が摺動方向に対して直交する方向に向いていることが好ましい。これにより接触部に多くの油を流入させることが出来、摩擦の低減が図られる。

さらに、凹部１０ａの短辺の長さは、５０μｍ以上１５０μｍ以下であり、且つ長辺の長さは、短辺の長さの２倍以上１０倍以下であることが好ましい。凹部１０ａの短辺の長さが５０μｍより小さい場合、油の凹部１０ａへの流入保持が十分に行われず、また１５０μｍを超える場合には、負荷容量が低下し、金属接触が起こりやすくなる。また、長辺の長さを短辺の２倍から１０倍にすることによって、摺動面に多くの油を流入させ、また摺動面からの油の側方漏れを抑制し、摩擦特性を向上できる。

なお、第１の実施形態において、凹部１０ａは、長手方向が摺動方向に対して直交する方向に向いていることから、凹部１０ａの開口部の長辺の長さは、上記に示した凹部１０ａの開口部の摺動方向に直交する方向の長さＳを意味する。

図３は、第２の実施形態の軸１０の表面の一部における凹部１０ａの配置を示す拡大図である。説明の便宜のため、図３に用いる符号は、図１および図２に示すものと同一としている。

第１の実施形態において、上記の凹部１０ａの配置条件を満足すべく、図２に示すように、凹部１０ａを正方格子状に配置している。しかし、上記の配置条件を満足する凹部１０ａの配置形状は、正方格子状に限定されず、図３に示すように千鳥格子状とすることも出来る。

＜実施例＞
次に、本発明の実施例として、第１及び第２の実施形態において述べた摺動装置１が摩擦の低減に効果を発揮することを確認することを目的として、実際に摺動装置を製作し、摩擦試験を行った。

具体的には、凹部１０ａが、上記の実施形態に示した長さＳに対する離隔距離Ｘの比（以下、Ｘ／Ｓ）および離隔距離Ｙに対する離隔距離Ｘの比（以下、Ｘ／Ｙ）に関して、様々な値に設定されて形成された円筒状を呈する円柱軸１０（軸１０）と、同じく円筒状を呈し、円柱軸１０を支持する軸受メタル１１（すべり軸受け１１）とから構成される摺動装置の試験体を製作した。そして、各試験体において、円柱軸１０を軸受メタル１１の円筒内で回転させて、摺動面に発生する摩擦係数を算出した。

試験に用いた試験体の製作過程について、下記に具体的に説明する。

図４は、試験に用いた摺動装置１の垂直および水平断面図である。軸受メタル１１は外径φ６０の鋼製円筒に内径φ４５ｍｍのアルミメタル１１ｃを圧入したものである。一方、円柱軸１０は円筒状を呈し、外径がφ４３ｍｍ、軸方向曲率半径Ｒ７００ｍｍの鋼鉄（ＳＣＭ４２０Ｈ鋼）の浸炭焼き入れ焼き戻し材である。円柱軸１０および軸受メタル１１の幅厚１０ｂ、１１ｄは、ともに２０ｍｍである。

円柱軸１０の表面には、凹部１０ａを、マイクロブラスト加工により形成した。マイクロブラスト加工では、光リソグラフィ技術を利用し、樹脂製マスクに凹部微細形状を形成し、その樹脂マスクを円筒表面に貼り付けた後、平均粒径２０μｍのアルミナ砥粒を、投射ノズルからワークまでの距離を１００ｍｍとし、投射流量１００ｇ／ｍｉｎ、投射圧０．４Ｍｐａの条件下で投射し、凹部１０ａを得た。

凹部１０ａを形成後、凹部１０ａのエッジ部にできた盛り上がりを粒径９μｍのテープラップフィルムにより除去し、試験に供した。

表１に、上記により製作し、各試験体の円柱軸１０の表面に設けられた凹部１０ａの形態を示す。

比較例１および実施例１，２の円柱軸１０において、凹部１０ａは、第２の実施形態に示した千鳥格子状に配置され、実施例３，４および比較例２の円柱軸１０において、凹部１０ａは、第１の実施形態に示した正方格子状に配置されている。

各試験体の円柱軸１０において、凹部１０ａの開口部の短辺の長さは５０〜１５０μｍであり、長辺の長さは、短辺の長さの２倍以上１０倍以下であり、前述した好ましい範囲内に形成されている。

比較例１および比較例２の軸１０における凹部１０ａは、Ｘ／ＳおよびＸ／Ｙが両者において上記の実施形態において示した好ましい値に設定されずに形成されている。これに対して、実施例１〜４の軸１０における凹部１０ａは、Ｘ／ＳおよびＸ／Ｙがいずれも好ましい値に設定されて形成されている。

また、各試験体の円柱軸１０において、凹部１０ａの最大深さは、０．５μｍ以上２０μｍ以下であり、前述した好ましい範囲内に形成されている。

さらに、各試験体の円柱軸１０において、凹部１０ａが軸１０の表面に開口する面積の合計は、軸１０の表面積の０．３％以上１０％以下となるように形成され、前述した好ましい範囲内に形成されている。

次に、試験に用いた装置について説明する。

図５は、試験に用いた内接２円筒試験機の概略図である。車のエンジンのクランクシャフトなどに用いられる軸とすべり軸受とから構成される摺動装置において、通常、すべり軸受は固定され、軸のみが回転する。本実施例においては、クランクシャフトなどに用いられる軸の回転速度を再現するために、円柱軸１０を軸受メタル１１の円筒内で回転方向Ａに向けて回転させるとともに、すべり軸受け１１も軸１０の回転方向Ａと反対の方向Ｂへ回転させて、両者の回転速度の絶対値を合算した相対回転速度が、クランクシャフトにおける軸の回転数と同程度となるようにした。よって、円柱軸１０および軸受メタル１１にはそれぞれ図示しないＡＣサーボモータを取り付け、独立に回転制御できるようにしている。そして、５Ｗ３０の潤滑油を入れた図示しない油浴内に、この円柱軸１０および軸受メタル１１を浸すことで、円柱軸１０と軸受メタル１１との間に油膜を形成した。そして、相対回転運動中に発生する摩擦トルクを、円柱軸１０に取り付けた図示しないトルクセンサにより計測して、摩擦係数の算出を可能としている。

次に、表２に、本実施例における試験条件について示す。

本試験は、ラジアル荷重２０ｋｇの荷重条件下で行い、使用した潤滑油は５Ｗ３０ＳＪであり、油温度は８０℃である。

試験における円柱軸１０および軸受メタル１１の回転速度は、高速回転域における速度と、低速回転域における速度の２つを設定した。

はじめに、低速回転域における円柱軸１０および軸受メタル１１の回転速度について説明する。

低速回転域における速度として、円柱軸１０の転がり速度Ｕ１を、矢印Ａの方向を正として５ｍ／ｓ、軸受メタル１１の転がり速度Ｕ２を、同じく矢印Ａの方向を正として−１ｍ／ｓとした。すなわち、円柱軸１０は軸受メタル１１よりも速い速度で回転し、相対転がり速度（｜Ｕ１−Ｕ２｜）は６ｍ／ｓ、平均転がり速度（（Ｕ１＋Ｕ２）／２）は２ｍ／ｓである。

次に、高速回転域における円柱軸１０および軸受メタル１１の回転速度について説明する。

高速回転域における速度として、円柱軸１０の転がり速度Ｕ１を、矢印Ａの方向を正として５ｍ／ｓ、軸受メタル１１の転がり速度Ｕ２を、同じく矢印Ａの方向を正として−６．５ｍ／ｓとした。すなわち、円柱軸１０は軸受メタル１１よりも遅い速度で回転し、相対転がり速度（｜Ｕ１−Ｕ２｜）は１１．５ｍ／ｓ、平均転がり速度（（Ｕ１＋Ｕ２）／２）は−０．７５ｍ／ｓ、すなわち矢印Ａと反対の方向に０．７５ｍ／ｓである。

すなわち、本試験において、相対転がり速度は、高速回転域における速度が、低速回転域における速度よりも速くなるように、絶対値としての平均転がり速度は、高速回転域における速度が、低速回転域における速度よりも遅くなるように設定している。一般に、相対転がり速度が遅く、平均転がり速度が速くなるに従って、摺動面における油膜は厚くなる。よって、上記の高速回転域における条件下で形成される油膜は、低速回転域における条件下で形成されるものよりも、薄くなるものと想定される。

次に、試験結果について図６及び７を用いて説明する。

図６は、横軸に各試験体におけるＸ／Ｓの値を示し、縦軸に比較例１の摩擦係数に対する各試験体における摩擦係数の比率をパーセントにより示している。

図７は、横軸に各試験体におけるＸ／Ｙの値を示し、縦軸に比較例１の摩擦係数に対する各試験体における摩擦係数の比率をパーセントにより示している。

図に示すように、Ｘ／Ｓ及びＸ／Ｙを好ましい範囲内に設定した実施例１〜４の摩擦係数は、比較例１の摩擦係数に対して、低速回転域においてほぼ変わらないものの、高速回転域においては、５０％から８０％の範囲内に小さくなる。一方、比較例２の摩擦係数は、比較例１の摩擦係数に対して、高速回転域において６０％程度と小さいが、低速回転域においては１４０％程度と大きくなる。これにより、実施例１〜４は、比較例１，２に対して、低速回転域においても、摩擦低減の効果を維持しつつ、高速回転域において摩擦低減の効果を発揮することが把握される。

Ｘ／Ｓ及びＸ／Ｙの値が大きい試験体（例えば、実施例２〜４、比較例２）は、高速回転域において、摩擦係数が小さい。この理由として、Ｘ／Ｓ及びＸ／Ｙの値が大きい試験体においては、油の流れに対する凹部１０ａによる抵抗が小さいため、軸１０ａの凹部１０ａ以外の表面部における油の流れが円滑になることが考えられる。

また、比較例２は、他の試験体と比較して、低速回転域において、摩擦係数が極端に大きい。これは、比較例２は、他の試験体と比較して、摺動方向に直交する方向における摺動面の延長のうち、当該方向において凹部１０ａが形成されている延長の割合が小さいため、凹部１０ａの油を掻き込む効果および油を保持する効果が発揮されないものと考えられる。

本発明は、上述した実施形態のみに限定されるものではなく、特許請求の範囲内において、種々改変することができる。

例えば、凹部１０ａは、軸１０の表面ではなく、すべり軸受け１１の内面に形成することとしてもよく、あるいは軸１０の表面およびすべり軸受け１１の内面の両方に形成することとしてもよい。

また、軸１０とすべり軸受け１１とは、いずれか一方を、上述したクランクシャフトのみならず、エンジンに用いられるカムシャフト、バランサーシャフトに適用可能である。

本発明の第１の実施形態における摺動装置１の概略図である。第１の実施形態の軸の表面の一部における凹部の配置を示す拡大図である。第２の実施形態の軸の表面の一部における凹部の配置を示す拡大図である。本発明の実施例における試験に用いた摺動装置の垂直および水平断面図である。本発明の実施例における試験に用いた内接２円筒試験機の概略図である。本発明の実施例における試験結果を示す図である。本発明の実施例における試験結果を図６とは異なる態様で示す図である。

符号の説明

１摺動装置、
１０軸（摺動部材）、
１０ａ凹部、
１１すべり軸受（摺動部材）、
１００列（第１の列）、
１０１列（第２の列）、
Ａ摺動方向、
Ｓ凹部の開口部の摺動方向に直交する方向の長さ、
Ｘ離隔距離（第１の離隔距離）、
Ｙ離隔距離（第２の離隔距離）。

Claims

油を介して相対的に回転摺動する２つの摺動部材から構成され、前記２つの摺動部材のうち、いずれか一方もしくは両方の表面に、複数の凹部が形成される摺動装置であって、
前記凹部が摺動方向に並んだ複数の第１の列が形成され、
１つの第１の列における凹部と、当該第１の列に隣接する他の第１の列における凹部とが摺動方向に直交する方向に離隔する第１の距離は、前記凹部の開口部の摺動方向に直交する方向の長さ以上であることを特徴とする摺動装置。
前記第１の離隔距離は、前記凹部の開口部の摺動方向と直交する方向の長さの１倍以上２倍以下であることを特徴とする請求項１に記載の摺動装置。
前記凹部が摺動方向に直交する方向に並んだ複数の第２の列がさらに形成され、
前記第１の離隔距離は、１つの第２の列における凹部と、当該第２の列に隣接する他の第２の列における凹部とが摺動方向に離隔する第２の離隔距離に対して、０．５倍以上２倍以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の摺動装置。
前記凹部が表面に開口する面積の合計は、当該凹部が表面に設けられた摺動部材の表面積の０．３％以上１０％以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の摺動装置。
前記凹部の最大深さは、０．５μｍ以上２０μｍ以下であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の摺動装置。
前記凹部は、長手方向が摺動方向に対して直交する方向に向いていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の摺動装置。
前記凹部の開口部の短辺の長さは、５０μｍ以上１５０μｍ以下であり、且つ長辺の長さは、短辺の長さの２倍以上１０倍以下であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１つに記載の摺動装置。
前記２つの摺動部材のうち、いずれか一方を、エンジンに用いられるクランクシャフトに適用したことを特徴とする請求項１〜７のいずれか１つに記載の摺動装置。
前記２つの摺動部材のうち、いずれか一方を、エンジンに用いられるカムシャフトに適用したことを特徴とする請求項１〜７のいずれか１つに記載の摺動装置。
前記２つの摺動部材のうち、いずれか一方を、エンジンに用いられるバランサーシャフトに適用したことを特徴とする請求項１〜７のいずれか１つに記載の摺動装置。