JP2008121776A - 摺動部材 - Google Patents

Abstract

【課題】摩擦の低減効果が摺動部材を提供する。
【解決手段】粘性流体が介在されて互いに摺動する一対の摺動部材であって、一対の摺動部材のうち少なくとも一方の摺動部材１０の摺動面１１に微細な凹部１２が形成され、凹部１２は底面１２ｂと摺動面１１から底面１２ｂに繋がる急峻な斜面１２ａとから形成され、摺動部材１０の摺動方向または前記粘性流体の流れの方向における、凹部１２の摺動面１１上の開口幅をＬ、摺動面１１から斜面１２ａが始まる位置と斜面１２ａから底面１２ｂが始まる位置との間隔をＳとした場合、Ｓ／Ｌが０〜０．２以下の条件を満足し、さらに、凹部１２の底面１２ｂが湾曲している場合の曲率半径をＲとした場合、１／Ｒが０以上の条件を満足している。
【選択図】図３

Description

本発明は、粘性流体を介して摺動させる摺動部材に係わり、詳細には、摺動部材の摺動面に形成された微細形状に基づく摩擦の低減効果が高い摺動部材に関する。

レシプロ式内燃機関などに使用されるピストンおよびシリンダや動弁機構に使用されるロッカーアームなどのような摺動部材においては、その用途上、摺動面における摩擦を低減（すなわち、摩擦係数を低減）させ、耐摩耗性や耐焼き付き性が優れていることが必要である。

このような摺動部材における摺動面の摩擦を低減する方法としては、摺動部材間に潤滑油などの粘性流体を介して摺動させる方法が知られている。しかしながら、潤滑油を介しただけでは、十分な耐摩耗性や耐焼き付き性を得ることは難しい。

そこで、前記摺動面の摩擦を更に低減するための従来技術としては、摺動面に微細な窪みや凹凸面、溝などを形成する技術、例えば、潤滑油を介して互いに摺動する摺動部材において、潤滑油の流動抵抗を保持することができるように潤滑状態（例えば油膜の厚さ）に応じたディンプル状の窪みを摺動面に形成することによって油膜の厚さを確保し、摺動面の摩擦を低減して耐摩耗性や耐焼き付き性を向上している（特許文献１）。
特開２００２−２１３６１２号公報

しかしながら、上記従来技術のような摺動部材は、潤滑状態に応じた窪みの断面形状を変化させることによって油膜の厚さを確保し、摺動面における摩擦の低減が得られるものの、更なる摩擦の低減が望まれている。

そこで、本発明は、粘性流体を介して摺動する摺動部材に形成された微細な凹部において、従来着目すらされていなかった微細な凹部の底面の形状に着目し、この底面の形状を制御することにより、摩擦の低減効果が高い摺動部材を提供することを目的とする。

前記目的を達成するための本発明に係る摺動部材は、粘性流体が介在されて互いに摺動する一対の摺動部材であって、前記一対の摺動部材のうち少なくとも一方の摺動部材の摺動面に微細な凹部が形成され、前記凹部は底面と前記摺動面から前記底面に繋がる急峻な斜面から形成され、前記摺動部材の摺動方向または前記粘性流体の流れの方向における、前記凹部の前記摺動面上の開口幅をＬ、前記摺動面から前記斜面が始まる位置と前記斜面から前記底面が始まる位置との間隔をＳとした場合、Ｓ／Ｌが０〜０．２以下の条件を満足し、さらに、前記凹部の底面が湾曲している場合の曲率半径をＲとした場合、１／Ｒが０以上の条件を満足していることを特徴とする。

以上のように構成された本発明に係る摺動部材によれば、摺動部材の少なくとも一方の摺動面に微細な凹部が形成され、前記凹部は底面と前記摺動面から前記底面に繋がる急峻な斜面から形成され、前記摺動部材の摺動方向または前記粘性流体の流れの方向における、前記凹部の前記摺動面上の開口幅をＬ、前記摺動面から前記斜面が始まる位置と前記斜面から前記底面が始まる位置との間隔をＳとした場合、Ｓ／Ｌが０〜０．２以下の条件を満足し、さらに、前記凹部の底面が湾曲している場合の曲率半径をＲとした場合、１／Ｒが０以上となるようにしている。この結果、摺動部材間に生じる摩擦を低減することができるので、耐摩耗性や耐焼き付き性を向上させることができる。

以下、本発明の一実施の形態に係る摺動部材を、図面を参照しながら詳細に説明する。図１〜図３は、本発明の一実施の形態に係る摺動部材の説明に供する図である。図１は本実施の形態に係る摺動部材の表面を示す平面図を、図２は摺動部材の表面に形成された微細な凹部における動圧分布を示す説明図を、図３は図１におけるIII−III線に沿う断面図を示したものである。なお、以下の実施の形態で参照する図面では、摺動部材を構成する要素の厚さや形状を誇張して示しているが、これは発明の内容の理解を容易にするためである。

本実施の形態に係る摺動部材１０は、例えばレシプロ式内燃機関におけるシリンダとピストンや軸受などの摺動部に使用されるものであり、図１に示すように、互いに摺動する一対の摺動部材から構成され、互いに摺動する摺動面１１の間には、粘性流体、例えば潤滑油が介在されている。なお、摺動部材間に介在させる粘性流体（以下、「油」と称する）は、特に限定されるものではない。

一対の摺動部材のうち少なくとも一方の摺動部材１０の摺動面１１に微細な凹部１２が一様に形成され、本実施の形態では千鳥状に形成している。なお、図１中の矢印は、摺動方向または油の流れ方向を表している。

凹部１２の摺動面１１の鉛直方向上面から見た方向（図１正面側）開口部の形状は、摺動方向または粘性流体の流れの方向における凹部１２の開口幅Ｌが、前記摺動方向または前記粘性流体の流れの方向に直交する方向における凹部１２の開口幅Ｙと同一でない扁平な形状である。本実施の形態では、摺動方向または粘性流体の流れの方向における凹部１２の開口幅（以下、「短尺方向の長さ」と称する）Ｌよりも、摺動方向または油の流れの方向に直交する方向における凹部１２の開口幅（以下、「長尺方向の長さ」と称する）Ｙの方が長い、扁平な形状で形成されている。

摺動部材１０を摺動させた場合、凹部１２における油の動圧は、図２に示すように、凹部１２の摺動方向または油の流れの方向の後方においては、動圧の効果により油膜が厚くなる方向に力が発生するが、前方においては負圧が発生する。この負圧は、油膜を薄くする結果を招き、摩擦を増加させる。本発明者らが鋭意検討した結果、凹部１２の形状、特に凹部１２の底面の形状を制御することにより、動圧の効果を十分に得ることができ、高い摩擦の低減効果を発揮する摺動部材を得ることができることを見出した。以下、本実施の形態に係る摺動部材１０の特徴的要素である凹部１２の形状について詳細に説明する。

図３に示すように、本実施の形態に係る摺動部材１０における凹部１２は、底面１２ｂと摺動面１１から底面１２ｂに繋がる急峻な斜面１２ａとから形成され、その断面が、摺動方向または粘性流体の流れの方向における、凹部１２の摺動面１１上の開口幅をＬ、摺動面１１から斜面１２ａが始まる位置と斜面１２ａから底面１２ｂが始まる位置との間隔（Ｄ_ｗｔａｎθ）をＳとした場合、Ｓ／Ｌが０〜０．２以下であることが好ましい。また、凹部１２の形状は、凹部１２の斜面１２ａが摺動面１１に直角な線Ｃに対して０度（すなわち、摺動面１１と直角）〜３０度を有することが好ましく、より好ましくは０〜１０度の傾きを有する。すなわち、斜面１２ａの傾きが摺動面１１に対してできる限り直角に近付けることが好ましい。これは、Ｓ／Ｌが０〜０．２、または斜面１２ａの傾きを摺動面１１に対して直角に近づけることにより、凹部１２による幾何学的な平均油膜の厚さの増大によるせん断率の減少に加え、動圧の効果が増大して油膜が厚くなるため、摺動面１１における摩擦を減少させることができるからである。

さらに、凹部１２の底面１２ｂが湾曲している場合の曲率半径Ｒとした場合、１／Ｒが０以上であることが好ましい。これは、１／Ｒが負（０＞１／Ｒ）の場合（図３に示すように、凹部１２の底面１２ｂが摺動面に対して下に凸となっている場合の曲率半径を正、凹部１２の底面１２ｂが摺動面に対して上に凸となっている場合の曲率半径Ｒを負としている）、動圧の効果が減少して油膜が薄くなるため摺動面１１における摩擦が増加してしまうからである。一方、１／Ｒが０以上の場合には、動圧の効果が十分に発揮されて油膜が厚くなるため、摺動面１１における摩擦を減少させることができるからである。

また、摺動面１１における凹部１２が占有する面積の割合（「凹部の開口幅面積の総計／摺動面の全面積」を意味する。以下、「占有面積率」と称する）は、０．５％〜１０％であることが好ましい。これは、占有面積率が０．５％未満の場合には、凹部１２の動圧の効果や油の閉じ込め効果が十分ではなく、占有面積率が１０％を超える場合には、付加容量の低下を招いて金属接触が発生しやすくなり、摩擦が増大してしまうからである。

また、凹部１２の最大深さＤ（摺動面１１から凹部１２の底面１２ｂの最も深い位置までの距離）は、摺動時の粘性流体膜の厚さ（通常油膜の厚さ）をｈとした場合、摺動時の粘性流体膜厚さｈと凹部１２の最大深さＤとの比、「ｈ／Ｄ」が０．０４〜５であることが好ましい。これは、「ｈ／Ｄ」が０．０４未満の場合には、油膜厚さに対して凹部１２の最大深さＤが長すぎるために、付加容量の低下を招いてしまい、金属接触が発生しやすく、十分な摩擦低減効果を得ることができないからであり、また、「ｈ／Ｄ」が５を超える場合には、動圧の効果や油閉じ込め効果が十分ではなく、摩擦低減効果が十分に得ることができないからである。

凹部１２の短尺方向の長さ（摺動方向の長さ）Ｌは、５０μｍ〜１５０μｍであることが好ましく、凹部１２の長尺方向の長さＹ（図１参照）は、短尺方向の長さＬの２倍〜１０倍であることが好ましい。これは、凹部１２の長尺方向の長さＹが５０μｍ未満の場合、油が凹部１２へ十分に流入せず動圧の効果が十分に得ることができず、凹部１２の長尺方向の長さＹが１５０μｍを越える場合、付加容量が低下して金属接触が起こりやすくなるからである。凹部１２が長尺に形成されれば、動圧の効果が十分に発揮され、油膜を厚くすることで摩擦を低減することができる。

なお、凹部１２は、摺動部材の少なくともいずれか一方に形成されていれば良いが、例えば、一の部材と他の部材から構成され、摺動面１１における硬度が２つの部材間で異なる摺動部材の場合、硬度が高い方の摺動面に凹部１２を形成することが好ましい。これは、硬度の高い方に凹部１２を形成することで凹部１２の深さの変化が少なくなり、耐久性に優れた摺動部材となる。

以上のような凹部１２は、例えば、エキシマレーザ、塑性加工、マスクブラスト、ＭＲＦ（マイクロロールフォーミング、微細塑性加工法）などにより形成することができる。

以下、本発明に係る摺動部材を一実施例に基づき詳細に説明する。なお、以下の実施例は発明の理解を容易にするために記載したものであって、本発明の技術的範囲はこの実施例の記載に限定されるものではない。

図４〜図７は本発明の一実施例に係る摺動部材の説明に供する図である。図４は各実施例および各比較例において使用した試験片の概略図を、図５は各実施例および各比較例における試験片表面に形成した微細な凹部の形成パターン示す図を、図６は各実施例および各比較例における試験片表面に形成した微細な凹部の断面形状を説明に供する図を、図７は本実施例で用いた往復摺動試験装置の概略図を示す。

（１）試験片（摺動部材）の製作
まず、図４に示すように、一対の摺動部材として、図４（ａ）に示す押圧部材３０としてのピン試験片（ＳＣＭ４３５＋ＤＬＣ）と、図４（ｂ）に示す平板型の試験片（ＡＤＣ１２）４０とを作製した。そして、試験片（ＡＤＣ１２）４０に凹部４２を、図５に示すような配置構成で一様に形成した。これらの凹部４２は、先端に所定の曲率半径を有する工具を加工面に押し付けて塑性変形をさせることにより、工具の先端形状を加工面に転写させる方法（インデンターによるインデント加工方法）で形成した。なお、実施例１〜４、比較例１〜３における凹部４２は、その開口幅の形状を８０μｍ×３２０μｍで、占有面積率を５％でそれぞれ一定とした。なお、押圧部材３０には微細な凹部は形成していない。

ここで、各実施例および各比較例における凹部４２の形状について説明する。

図６は図５のＶ−Ｖ線に沿う断面図である。図６に示すように、各実施例および各比較例における凹部４２の断面形状は、実施例１、３においては凹部４２の底面の曲率半径Ｒが正（Ｒ＞０）のもの（図６（ａ）参照）を、実施例２、４においては凹部４２の底面の曲率半径Ｒが負（Ｒ＜０）のもの（図６（ｃ）参照）を、比較例２、３においては凹部４２の底面の曲率半径Ｒが概ね０（図６（ｂ）参照）のものを、また、比較例１においては、図示はしないが、凹部４２が斜面を有しないＵ字型断面形状の凹部を有するものをそれぞれ作製した（詳細な試験片の寸法については表２に示す）。なお、凹部４２の開口幅は、「Ｓ」を８μｍ、「Ｌ」を８０μｍとして、Ｓ／Ｌはすべて０．１とした。

（２）摩擦試験の実施
次に、作製した凹部４２の形状が異なるそれぞれの試験片に対して摩擦試験を実施した。

摩擦試験は、図７に示す往復摺動試験装置７０により実施した。この摩擦試験は、試験片４０の表面に凹部４２が形成された試験片４０の摺動面４１に油を塗布し、他方の摺動部材として押圧部材３０を一定の荷重Ｗにより押圧して、試験片４０を往復動させて実施した。

試験条件を表１に、実施例および比較例の摩擦試験結果を表２に示す。なお、表２における摩擦係数は、比較例１における摩擦係数を１として正規化したものである。

表２を参照すれば、本発明に係る摺動部材を適用した各実施例および各比較例のうち、実施例１、実施例３、比較例２、比較例３については、いずれも比較例１と比べて摩擦係数が低くなっていることが分かる。一方、実施例２、実施例４については、いずれも比較例１と比べて摩擦係数が高くなっていることが分かる。この結果から言えることは、凹部の底面が湾曲している場合の曲率半径Ｒとした場合、１／Ｒが負の条件を満足するよりも、１／Ｒが０以上の条件を満足する方が摩擦係数が減少する、すなわち、摺動面における摩擦が低減するということである。

したがって、本発明に係る摺動部材では、摩擦低減効果に優れた摺動部材を提供することができる。

このような摺動部材における摩擦係数の低減のメカニズムは今のところ明確ではないが、以下のように推論する。すなわち、微細な凹部を摺動方向に形成することで、凹部が存在しない摺動面に対して、凹部の分だけ平均油膜の厚さを増大し、平均せん断率が減少している効果に加えて、摺動方向と直交する方向の凹部の壁面を斜面にし、上述のように、凹部の底面の曲率半径Ｒが１／Ｒが０以上の条件を満足することによって、より多くの油を接触部に流入させることが可能となり、また、凹部による微視的な動圧の効果を合わせて発生することで、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られる。

本発明は、内燃機関などの摺動部に適用する摺動部材に有用である。

本実施の形態に係る摺動部材の平面図である。 摺動部材の単一の凹部における動圧分布を示す説明図である。 図１のIII−III線に沿う断面図であり、摺動面に形成された微細な凹部の形状を説明するための図である。 実施例および比較例において使用した試験片の概略図である。 実施例および比較例における試験片表面に形成した微細な凹部の形成パターンを示す図である。 実施例および比較例における試験片表面に形成した微細な凹部の断面形状を説明するための図である。 往復摺動試験装置の概略構成を示す図である。

符号の説明

１０ 摺動部材、
１１ 摺動面、
１２ 凹部、
１２ａ 凹部の斜面、
１２ｂ 凹部の底面、
Ｄ 凹部の深さ、
Ｌ 凹部の摺動面上の開口幅、
Ｓ 摺動面から斜面が始まる位置と斜面から底面が始まる位置との間隔、
Ｒ 曲率半径。

Claims (6)

1. 粘性流体が介在されて互いに摺動する一対の摺動部材であって、
   前記一対の摺動部材のうち少なくとも一方の摺動部材の摺動面に微細な凹部が形成され、前記凹部は底面と前記摺動面から前記底面に繋がる急峻な斜面とから形成され、前記摺動部材の摺動方向または前記粘性流体の流れの方向における、前記凹部の前記摺動面上の開口幅をＬ、前記摺動面から前記斜面が始まる位置と前記斜面から前記底面が始まる位置との間隔をＳとした場合、Ｓ／Ｌが０〜０．２以下の条件を満足し、さらに、前記凹部の底面が湾曲している場合の曲率半径をＲとした場合、１／Ｒが０以上の条件を満足していることを特徴とする摺動部材。
2. 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に記載の摺動部材。
3. 前記凹部は、前記摺動面から前記底面の最も深い位置までの深さをｔとし、前記摺動面における摺動時の粘性流体膜の厚さをｈとした場合、ｈ／ｔが０．０４〜５の条件を満足することを特徴とする請求項１または２に記載の摺動部材。
4. 前記摺動面の鉛直方向上面から見た前記凹部の開口幅の形状は、前記摺動方向または前記粘性流体の流れの方向における前記凹部の開口幅Ｌが、前記摺動方向または前記粘性流体の流れの方向に直交する方向における前記凹部の開口幅Ｙと同一でない扁平な形状であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の摺動部材。
5. 前記摺動面の鉛直方向上面から見た前記摺動方向または前記粘性流体の流れの方向における前記凹部の開口幅Ｌが５０〜１５０μｍであって、前記凹部の開口幅Ｌが、前記摺動方向または前記粘性流体の流れの方向に直交する方向における前記凹部の開口幅Ｙの２倍〜１０倍であ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. 前記摺動部材は内燃機関の摺動部に使用するものであ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。

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