JP2008025828A - 摺動部材 - Google Patents

Abstract

【課題】摩擦係数の低減効果の高い摺動部材を提供する。
【解決手段】粘性流体を介在させて摺動させる摺動部材は、少なくとも一方の表面に微細な凹部２０を有している。凹部のすべり方向１５の断面形状に関して、最表面の長さをＬとし、すべり方向前側から凹部底面の極値を示す位置２１までの長さをＳとした場合、Ｓ／Ｌが０．２より小さい場合に、凹部のすべり方向後方部の溝底面２２が下に凹の形状に設定してある。
【選択図】図２

Description

本発明は、粘性流体を介在させて摺動させる摺動部材に関する。

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

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

上記のような従来の摺動部材においても、摩擦の低減を実現しうるものの、更なる摩擦の低減が要望されていた。そこで、本発明は、粘性流体を介在させて摺動させる摺動部材における、摺動部間に生じる摩擦係数を低減し得る手段を提供することを目的とする。

本発明は、他の摺動部材との間に粘性流体を介在させて一方向に摺動させる摺動部材において、摺動する側に面し、微細な凹部を有する表面と、前記凹部のすべり方向の断面形状において、最表面の長さをＬとし、すべり方向前側から凹部底面の極値を示す位置までの長さをＳとした場合、Ｓ／Ｌが０〜０．３であり、前記凹部底面の極値を示す位置からすべり方向後方部の溝底面が下に凹の形状となっていることを特徴とする摺動部材である。

本発明によれば、他の摺動部材との間に粘性流体を介在させて一方向に摺動させる摺動部材の摺動面に形成された微細な凹部の形状を、凹部のすべり方向の断面形状において、最表面の長さをＬとし、すべり方向前側から凹部底面の極値を示す位置までの長さをＳとした場合、Ｓ／Ｌが０〜０．３とし、前記凹部底面の極値を示す位置からすべり方向後方部の溝底面が下に凹の形状となるようにしたので、油膜厚さの更なる増大が可能となり、摺動部間に生じる摩擦を低減することができる。結果、摺動部の摩耗や焼付きを抑制することができる。

以下、図面を参照して本発明を実施するための最良の形態を説明する。
図１は、摺動部材１０の一例を一部切り欠いて示す斜視図、図２（Ａ）は、摺動面に形成されている凹部２０を示す斜視図、図２（Ｂ）は、図２（Ａ）の２Ｂ−２Ｂ線に沿う断面図、図２（Ｃ）は、凹部２０の断面形状の他の例を示す断面図である。

図１を参照して、摺動部材１０は、粘性流体としての潤滑油１３を介在して摺動する第１部材１１と第２部材１２とを有している。第１部材１１および第２部材１２は円筒形状を有している。図中に点線によって示される接触領域１４において、第２部材１２の外表面と第１部材１１の内表面とが潤滑油を介在させて摺動している。第２部材１２は、第１部材１１に対して矢印Ｕ１によって示される方向に回転する。図中矢印Ｗは、第２部材１２に作用するラジアル荷重を示している。

摺動部材１０の少なくとも一方の表面、例えば、第２部材１２の外表面１２ａには、微細な凹部２０が複数設けられている。

図２を参照して、このような微細な凹部２０の形状は、その断面が、凹部２０のすべり方向の断面形状において、最表面の長さをＬとし、すべり方向前側から凹部２０底面の極値を示す位置２１までの長さをＳとした場合、Ｓ／Ｌが０〜０．３である場合に、凹部２０のすべり方向後方部の溝底面２２が平坦な形状よりも深く抉られており、図中にて下に凹の形状（図２（Ｃ）参照）となっている。図２における矢印１５は、凹部２０のすべり方向を示し、符号ｔは、凹部２０の最深部の深さを示す。

Ｓ／Ｌの値を０〜０．３とすることにより、微細な凹部２０による幾何学的な平均油膜厚さの増大によるせん断率の減少に加えて、マイクロ動圧効果が増大して油膜厚さが増大し、摩擦係数が低減するという優れた効果が得られる。

また、凹部２０のすべり方向後方部の溝底面２２を、下に凹の形状とすることにより、溝底面２２が上に凸の形状（後述する図３参照）である場合に比べて、凹部２０の体積が増加する。凹部２０によるマイクロ動圧効果が増大することによって、油膜厚さが増大し、摩擦係数が低減するという優れた効果が得られる。

ここで、凹部２０は、摺動面から見た形状が、すべり方向１５よりもすべり方向１５に直交する方向に長い扁平した形状であることが望ましい。扁平な形状は、矩形に限られず、楕円形状や多角形状であってもかまわない。摺動面から見た凹部２０の形状が、すべり方向１５に直交する方向に長い扁平した形状であることにより、摺動部位に多くの潤滑油１３を流入させることができ、摩擦の低減が図られる。

凹部２０は、摺動面における凹部２０の占有面積率が０．５〜１０％であることが望ましい。０．５％より小さい場合には、凹部２０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しないおそれがある。また、１０％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しないおそれがある。

摺動する２物体間で摺動面の硬度が異なる場合には、摺動面の硬度が高い方の摺動面に凹部２０が形成されていることが望ましい。凹部２０の形状が長期にわたって維持され、摩擦の低減が長期にわたって図られる。

凹部２０は、摺動面における摺動時の粘性流体膜厚さをｈとした場合に、深さｔとの比ｈ／ｔが０．０４〜５となるように凹部２０が形成されているが望ましい。０．０４より小さい場合には、油膜を十分確保できず金属接触が生じるため、摩擦低減効果が十分発現しないおそれがある。また、５を超えると、凹部の深さに対して油膜厚さが大きすぎるため、十分な摩擦低減が発現しないおそれがある。

凹部２０は、刃先が中凸アール形状を有する工具による塑性加工により形成されていることが望ましい。上述した凹部２０の断面形状を好適に形成することができるからである。

上述した摺動部材１０は、例えば変速機の摺動部に使用される。十分な摩擦低減を発現する摺動部材１０を適用することによって、変速機の摺動部における摩擦係数を低減させることができる。

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

実験に用いる摺動部材は、図１に示したとおり、第１部材１１である外円筒と、第２部材１２である内円筒からなる。

外円筒は外径φ６０ｍｍの鋼製円筒に内径φ４５ｍｍのアルミメタルを圧入したものである。一方、内円筒は外径が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。内円筒および外円筒の幅はともに２０ｍｍである。

内円筒および外円筒にはそれぞれＡＣサーボモータ（不図示）を取り付け独立に回転制御できるようにしている。そして、５Ｗ３０の油を入れた油浴内にこの内円筒および外円筒を浸すことで、内円筒および外円筒の間に油膜を形成させた。

実験は、ラジアル荷重２０ｋｇ、油温度８０℃、相対すべり速度６ｍ／ｓ、平均速度を３ｍ／ｓにおいて、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。

（実施例および比較例）
図２（Ｂ）は、比較例１における凹部２０の断面形状を示す断面図であり、図３は、比較例２における凹部２０の断面形状を示す断面図である。

実施例１〜３および比較例１および２は、いずれもφ４３ｍｍの内円筒表面に凹部を形成した。実施例１〜３は、本発明を適用した微細な凹部を形成した。一方、比較例１および２には、本発明を適用していない凹部を形成した。これら凹部は、塑性加工により形成した。実施例の凹部は、刃先が中凸アール形状を有する工具による塑性加工により形成した。

実施例、比較例のいずれも、凹部の大きさは、８０μｍ×３２０μｍの矩形形状で、面積率は５％、凹部の深さｔは３μｍとした。

実施例、比較例のいずれも、凹部形成後、凹部形状周辺に形成されたエッジ部の盛り上がりを粒径９μｍのテープラップフィルムにより除去し、試験に供した。

本実施例では、Ｓ／Ｌを０〜０．３の範囲で設定しており、その理由について説明する。凹部形状におけるＳ／Ｌと摩擦係数の関係について実験した結果を示す。図４に実際に制作した凹部の断面形状の計測形状を示す。また、図５に凹部２０が形成された摺動面２３における、凹部２０の形成パターンを示す（図４に示した（ａ）〜（ｃ）の全ての凹部で同じパターンとなるようにした）。

そして、図６に、図４に示した各凹部形状におけるＳ／Ｌと摩擦係数の減少率（％）の関係を示す。なお、図４に示した凹部断面形状は、図４（ａ）がＳ／Ｌ＝０．５とした凹部（ブラスト加工により制作）、図４（ｂ）がＳ／Ｌ＝０．２となるように摺動方向前端壁が摺動面に対して直角な垂線から角度を持たせた凹部（ＭＲＦ加工により制作）、図４（ｃ）がＳ／Ｌ＝約０．１以下となるように、摺動方向前端壁が摺動面に対してほぼ直角の凹部（インデンターによるインデント加工により制作）である。また、図６に示した摩擦係数の減少率は、Ｓ／Ｌ＝０．５のときを基準としての減少率である。

実施例１〜３は、凹部のすべり方向後方部の溝底面を下に凹の形状（図２（Ｃ）参照）とし、その曲率半径Ｒを変化させた。実施例１は曲率半径Ｒを２５０μｍ、実施例２は曲率半径Ｒを５００μｍ、実施例３は曲率半径Ｒを１０００μｍとした。

比較例１は、凹部のすべり方向後方部の溝底面を平坦（図２（Ｂ）参照）とした。したがって、曲率半径Ｒは無限大である。比較例２は、凹部のすべり方向後方部の溝底面を上に凸の形状（負の曲率半径）とした。

表１に、各実施例および各比較例における曲率半径Ｒ、曲率（１／Ｒ）および実験結果を示す。

まず、表１から、本発明を適用した実施例１〜３は、いずれも比較例と比べて摩擦係数が低減していることがわかる。また、各実施例から、曲率半径Ｒの値が小さくなるほど（曲率１／Ｒが大きくなるほど）、より摩擦係数が小さくなる傾向を示していることがわかる。

次に、図６からＳ／Ｌの値が小さくなるほど、摩擦係数が減少することがわかる。特に、Ｓ／Ｌ＝０．３付近でほぼ１０％程度の減少率となっており、Ｓ／Ｌ＝０．３で有効な摩擦係数の減少効果があることがわかる。また、Ｓ／Ｌ＝０．２以下では、Ｓ／Ｌ＝０．５〜０．３の間よりも減少率の傾きが大きくなっていて、摩擦係数の減少効果が大きくなっていることがわかる。したがって、Ｓ／Ｌの値は、０．２以下であればより好ましく、さらにＳ／Ｌ＝０．１以下ではいっそう好ましいものである。

このような摺動部材における摩擦係数低減のメカニズムは今のところ明確ではないが、以下のように推論している。すなわち、微細な凹部を摺動方向に形成することで、凹部が存在しない平滑面に対して、凹部の分だけ平均油膜厚さが増大され、平均せん断率を減少させる効果が生まれる。また、摺動方向と直交する方向における、すべり方向前側の凹部の壁面を急峻にし、できる限り直角に近づけ、さらに、凹部のすべり方向後方部の溝底面を下に凹の形状とすることで、より多くの潤滑油を接触部に流入させることが可能となる。さらに、凹部による微視的な動圧効果を合わせて発生させることで、より広い作動条件で摩擦低減効果を発現しているものと考えている。

以上のように、他の摺動部材との間に粘性流体を介在させて一方向に摺動させる摺動部材の摺動面に形成された微細な凹部の形状を、凹部のすべり方向の断面形状において、最表面の長さをＬとし、すべり方向前側から凹部底面の極値を示す位置までの長さをＳとした場合、Ｓ／Ｌが０〜０．３とし、前記凹部底面の極値を示す位置からすべり方向後方部の溝底面が下に凹の形状となるようにすることで、摩擦係数が減少し摺動特性が向上する。また、これにより油膜厚さも厚く維持されるようになり、耐摩耗性や耐焼き付き性が向上する。

本発明は、他の摺動部材との間に粘性流体を介在させて一方向に摺動させる摺動部材、例えば、内燃機関（エンジン）のクランクシャフトやカムシャフトに好適である。

摺動部材の一例を一部切り欠いて示す斜視図である。 図２（Ａ）は、摺動面に形成されている凹部を示す斜視図、図２（Ｂ）は、図２（Ａ）の２Ｂ−２Ｂ線に沿う断面図であって、比較例１における凹部の断面形状を示すものである。また、図２（Ｃ）は、実施例における凹部の断面形状を示す断面図である。 比較例２における凹部の断面形状を示す断面図である。 Ｓ／Ｌと摩擦係数の関係を実験した凹部形状を示す図面である。 摺動面の凹部形成パターンを示す図面である。 Ｓ／Ｌと摩擦係数の減少率を示すグラフである。

符号の説明

１０ 摺動部材、
１１ 第１部材、
１２ 第２部材、
１２ａ 第２部材の外表面（摺動部材の少なくとも一方の表面）、
１３ 潤滑油（粘性流体）、
１５ 凹部のすべり方向、
２０ 凹部、
２１ 凹部底面の極値を示す位置、
２２ 溝底面、
２３ 摺動面、
Ｌ 最表面の長さ、
Ｓ すべり方向前側から凹部底面の極値を示す位置までの長さ、
ｔ 凹部の深さ。

Claims (7)

1. 他の摺動部材との間に粘性流体を介在させて一方向に摺動させる摺動部材において、
   摺動する側に面し、微細な凹部を有する表面と、
   前記凹部のすべり方向の断面形状において、最表面の長さをＬとし、すべり方向前側から凹部底面の極値を示す位置までの長さをＳとした場合、Ｓ／Ｌが０〜０．３であり、前記凹部底面の極値を示す位置からすべり方向後方部の溝底面が下に凹の形状となっていることを特徴とする摺動部材。
2. 前記凹部は、前記摺動面から見た形状が、すべり方向よりもすべり方向に直交する方向に長い扁平した形状であることを特徴とする請求項１に記載の摺動部材。
3. 前記凹部は、前記摺動面における前記凹部の占有面積率が０．５〜１０％であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の摺動部材。
4. 摺動する２物体間で摺動面の硬度が異なる場合に、摺動面の硬度が高い方の摺動面に前記凹部が形成されている特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の摺動部材。
5. 前記凹部は、その深さをｔとし、前記摺動面における摺動時の粘性流体膜厚さをｈとした場合に、その比ｈ／ｔが０．０４〜５となるように前記凹部が形成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の摺動部材。
6. 前記凹部は、刃先が中凸アール形状を有する工具による塑性加工により形成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載の摺動部材。
7. 前記摺動部材は、内燃機関もしくは変速機の摺動部に使用されるものであることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一つに記載の摺動部材。

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