JP2011122617A - 摺動接触部の潤滑構造 - Google Patents

Abstract

【課題】潤滑剤が供給される摺動接触部の温度に拘わらず、摩擦係数を低下させて、動力損失を低減する。
【解決手段】相対的な滑りを伴って接触する二つの部材同士の摺動接触部５，６に、温度が高くなることに伴って粘度が低下する潤滑剤９を介在させる、摺動接触部の潤滑構造において、前記潤滑剤９を介して互いに摺動接触する少なくとも一方の面５，６に、温度の上昇に伴って熱伝導率が増大する材料からなるコーティング層７，８が形成されている。したがって、温度が高い場合には放熱が促進され、接触潤滑の状態であっても潤滑剤の粘度が低下して摩擦係数が低下し、また温度が低い場合には放熱が阻害もしくは抑制され、混合潤滑の状態であっても潤滑剤の粘度が増大して摩擦係数が低下する。
【選択図】図１

Description

この発明は、互いに接触して相対的に運動する二つの部材の摺動接触部の潤滑構造に関し、特に油膜を形成して潤滑するための構造に関するものである。

トルクなどの運動力を伝達するように構成された機械・装置類は、互いに相対運動する複数の部品を備えており、それらの部品同士の接触部分では、荷重が作用した状態で滑りが生じるので、オイルなどの潤滑剤によって潤滑するのが一般的である。例えば、歯車装置では、歯の噛み合いによってトルクを伝達するので、歯面には大きい荷重が作用し、その状態で歯面に滑りが生じるから、歯面に潤滑油を供給し、ここに油膜を形成して歯面同士の凝着を防止するとともに摩擦係数を低下させている。また、歯車がシャフトに回転自在に嵌合している場合には、そのシャフトの外周面と歯車の内周面との間に潤滑を供給して、これらの間の摩擦係数を低下させている。

一方、潤滑のための油膜は、接触面に掛かる荷重によっては必ずしも良好には形成されない場合があり、このような場合、歯面のピッチングが生じる可能性がある。そこで、特許文献１に記載された発明では、歯面に窒化チタンや炭窒化チタンなどからなるコーティング層を形成することにより、歯面の摩擦係数を低下させ、かつ表面硬さを高くし、これにより歯面のピッチング強度を向上させている。また、特許文献２には、シャフトとこれに嵌合している歯車との摺動面にセラミックからなるコーティング層を形成し、これにより耐焼付性と耐摩耗性とを両立させるように構成された発明が記載されている。

特開２０００−２５７６９７号公報 特開昭６２−１７１５６３号公報

上述した各特許文献に記載されている構造では、歯面などの摺動接触面の表面硬さを硬くし、またその摩擦係数を低下させることができる。しかしながら、金属やセラミックなどの高硬度の素材同士が接触する場合、摺動接触面に油膜を形成して素材同士の直接的な接触を回避もしくは抑制することが好ましいが、各特許文献に記載されたコーティング層は表面硬さや摩擦係数を低下させる機能があるものの、油膜の形成・維持に積極的には機能しない。すなわち、従来では、摺動接触面の性状の改善や潤滑油の供給のための技術が種々提案されているが、多様な動作状態もしくは摺動状態に対応して油膜を好適に形成し、もしくは維持する技術が開発されていないのが実情である。

この発明は上記の技術的課題に着目してなされたものであり、摺動接触する部材同士の間に介在する潤滑剤の状態を温度に応じて変化させて摺動接触部における摩擦係数を小さい状態に維持できる潤滑構造を提供することを目的とするものである。

上記の目的を達成するために、請求項１の発明は、相対的な滑りを伴って接触する二つの部材同士の摺動接触部に、温度が高くなることに伴って粘度が低下する潤滑剤を介在させる、摺動接触部の潤滑構造において、前記潤滑剤を介して互いに摺動接触する少なくとも一方の面に、温度の上昇に伴って熱伝導率が増大する材料からなるコーティング層が形成されていることを特徴とするものである。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、温度の上昇に伴って熱伝導率が増大する前記材料は、温度が低い状態では前記コーティング層が形成されている前記一方の面を形成している母材の熱伝導率より小さい熱伝導率となり、かつ温度が高い状態では前記コーティング層が形成されている前記一方の面を形成している母材の熱伝導率より大きい熱伝導率となる材料を含むことを特徴とする摺動接触部の潤滑構造である。

この発明によれば、互いに摺動接触する面の少なくとも一方にコーティング層が形成され、それらの面の間に潤滑剤が介在する。そのコーティング層は、温度が低い状態では熱伝導率が相対的に小さく、また潤滑剤は温度が低い状態では粘度が相対的に大きい。そのため、温度が低い状態では、摺動接触面同士の間の潤滑剤の熱が、コーティング層が形成されている部材に伝達されることがコーティング層によって抑制され、潤滑剤の温度上昇が促進される。すなわち、潤滑剤の粘度が低下してその流動性が高くなることにより、流体潤滑であっても混合潤滑に近い潤滑状態になり、摺動接触面同士の間の実質的な摩擦係数が低下する。また、温度が高い状態では、コーティング層の熱伝導率が相対的に大きくなるので、潤滑剤からコーティング層を介した一方の部材への熱伝達およびそれに伴う放熱が促進され、その結果、潤滑剤の温度が相対的に低下させられてその粘度が増大する。そのため、混合潤滑状態となっていれば、流体潤滑に近い状態となり、摺動接触面同士の間の実質的な摩擦係数が低下する。このように、この発明では、潤滑剤からの放熱特性が温度によって変化し、潤滑剤の粘度を可及的に好適な状態に維持でき、その結果、特別な制御を行うことなく摺動接触部の摩擦係数を低下させることができる。

この発明の一例を示す模式図であって、歯車の歯の噛み合い部を示す図である。 ストライベック線図である。 この発明に係るコーティング層とそのコーティング層が設けられている母材との熱伝導率の温度に応じた変化を示す線図である。

以下、この発明をより具体的に説明する。この発明における「摺動接触部」は、二つの部材が相対的な滑りを伴って接触する部分であり、さらには潤滑剤が介在させられて潤滑が行われる部分である。したがって、その二つの部材は、互いに噛み合っている歯車あるいはそれらの歯面、軸とこれに嵌合している部材であって相対的に回転する部材、ローラとこれが接触している平面などを含む。また、接触の態様は、面接触が一般的であり、例えば歯面同士の接触など原理的には線接触もしくは点接触であっても、ミクロ的な弾性変形が生じたり、潤滑剤が膜状に拡がって歯面同士の接触を媒介しているなどのことを考慮すると、実質的には面接触である。さらに、この発明における「潤滑剤」は、エンジンオイルやミッションオイルなど各種の機械装置類における潤滑のために使用されている一般的な潤滑油であってよく、したがって温度が低い場合には、粘度が相対的に大きくなり、温度が高くなるのに従って粘度が低下する潤滑剤である。特に、摺動接触する面同士の間に介在して潤滑膜を形成する潤滑剤である。

この発明に係る潤滑構造は、上述した潤滑剤によって潤滑される摺動接触部を前提とし、その摺動接触部を構成する二つの面のうち、少なくとも一方の面に、温度に応じて熱伝導率が変化するコーティング層が形成されていることを特徴としている。そのコーティング層は、これが形成されている面の母材とは異なる材料からなるものであることが好ましく、また温度が高い状態では、母材の熱伝導率がコーティング層の熱伝導率より小さくなり、温度が低い状態では、母材の熱伝導率がコーティング層の熱伝導率より大きくなるコーティング層である。その例を示すと、コーティング層が形成されている面の母材がステンレス鋼である場合には、コーティング層をアルミナによって形成すればよい。更に他の例を挙げると、母材とコーティング層との組合せとして、Ｎｉ−Ｍｏ合金とアルミナとの組合せ、Ｎｉ−Ｍｏ合金と窒化珪素との組合せ、ステンレス鋼と窒化珪素との組合せなどがある。

コーティング層を形成するための方法は、その材料に応じて、またコーティング層を設ける箇所の形状や大きさなどによって適宜の方法を採用することができる。例えば、コーティング層を形成する薄膜を摺動接触面に貼り付ける方法、化学反応によって化合物層を形成する方法、メッキ、イオンプレーティング、蒸着、塗布および焼成などの方法によってコーティング層を形成することができる。

図１には、この発明を歯車の歯面に適用した例を模式的に示しており、一対の歯車１，２の歯３，４同士が噛み合い、一方の歯車１が駆動歯車であり、他方の歯車２が従動歯車であって、駆動歯車１から従動歯車２にトルクが伝達されるようになっている。そして、これらの歯車１，２の歯面５，６のそれぞれにコーティング層７，８が形成されている。このコーティング層７，８は、前述したように、温度が高い状態では、母材の熱伝導率がコーティング層の熱伝導率より小さくなり、温度が低い状態では、母材の熱伝導率がコーティング層の熱伝導率より大きくなる材料によって形成されている。具体的には、歯面５，６がステンレス鋼によって構成されている場合には、アルミナによってコーティング層７，８が形成されている。これらの歯面５，６が摺動接触面であり、したがってこれらの歯面５，６によってトルクを伝達する部分が摺動接触部となっている。この摺動接触部、より具体的には各歯面５，６の間には潤滑油が供給され、油膜９が形成される。したがって、油膜９は各コーティング層７，８の間に形成されている。

この歯面５，６同士の間の潤滑の状態、より具体的には両者の間の摩擦係数μは、潤滑油によって潤滑される一般的な摺動接触部と同様に、ストライベック曲線（ストライベック線図）によって説明される潤滑の状態と同様になる。これを図２を参照して説明すると、図２はストライベック曲線を示しており、したがって縦軸が摩擦係数μを示し、横軸がゾンマーフェルト数を示している。そのゾンマーフェルト数は、
η・ΔＶ／（Ｐ／ｂ）
によって表される。ここで、ηは潤滑油の粘度、ΔＶは滑り速度、Ｐは歯面の荷重、ｂは歯幅である。

図２において、「境界潤滑」は歯面５，６に潤滑油の分子が吸着していて歯面５，６が一応は保護されている状態であり、油膜の形成が十分ではないので摩擦係数μが大きくなる。この状態は、荷重Ｐが一定であれば、潤滑油の粘度が小さい場合、あるいは滑り速度が遅い場合に生じ、したがって歯車１，２が停止している場合や低回転数の場合に生じる。また、「流体潤滑」は、歯面５，６が油膜９によって完全に隔てられている状態であり、この状態での摩擦抵抗は潤滑油の粘性抵抗に一致する。したがって、摩擦係数は「境界潤滑」の状態より小さくなる。なお、この流体潤滑の状態では滑り速度ΔＶの増大に伴って潤滑油の剪断抵抗が増大するので、摩擦係数μが次第に大きくなる。これら「境界潤滑」と「流体潤滑」との中間の状態が「混合潤滑」であり、「流体潤滑」に近い状態になるほど、摩擦係数μは小さくなる。

したがって、この発明に係る図１に示す構成の摺動接触部においても、潤滑油の粘度や滑り速度に応じて上記のいずれかの潤滑状態になるが、上述したコーティング層７，８が設けられていることにより、混合潤滑であっても流体潤滑に近い状態になり、また流体潤滑であっても混合潤滑に近付く状態になり、その結果、摩擦係数μを低下させ、動力損失を低減もしくは抑制することができる。

コーティング層７，８によるこのような機能を更に説明すると、図３は歯面５，６の母材の熱伝導率（細い実線）とコーティング層７，８の熱伝導率（太い実線）との温度による変化を示す線であり、温度が低い状態では、母材の熱伝導率Ｋ0 がコーティング層７，８の熱伝導率Ｋ1 より大きくなる。すなわち、熱伝導率Ｋ0 が大きいことにより放熱性が良好な母材と油膜（潤滑油）９との間に、熱伝導率Ｋ1 が小さいことにより油膜９から母材に対する熱伝達を阻害するコーティング層７，８が介在していることになる。そのため、油膜９からの放熱が阻害され、油膜９の温度の上昇が促進される。これを図２を参照して説明すると、油膜９の温度が低い状態では、その粘度ηが大きいことにより「流体潤滑」の状態（図２では符号Ｂで示してある。）になっており、この状態で歯面５，６の相対的な滑りによる剪断作用で油膜９が発熱するが、その放熱がコーティング層７，８によって阻害されていることにより、油膜９の温度上昇が促進され、その粘度ηが低下する。図２に示すように、「流体潤滑」の状態で潤滑油の粘度が低下すると、前述したゾンマーフェルト数の低下によって、潤滑状態としては混合潤滑に近づき、摩擦係数μが低下する。

一方、歯面５，６の温度が高い場合には、油膜９の温度も高くなっているので、油膜９の粘度ηが小さいことにより混合潤滑の状態（図２に符号Ａで示す状態）になっている場合があり、その状態では、図３に示すように、油膜９が接触しているコーティング層７，８の熱伝導率Ｋ1 が大きくなり、油膜９から歯３，４に対する熱伝達あるいは放熱が促進される。その結果、油膜９の温度の低下に伴ってその粘度ηが増大するので、たとえ「混合潤滑」の状態であっても、「流体潤滑」の状態に近づく。すなわち、摩擦係数μが低下する。

上述したように、この発明に係る潤滑構造では、歯面などの相対的に摺動接触する被潤滑面に、温度に応じて母材とコーティング層との熱伝導率の相対的な大小関係が変化するコーティング層が形成されていて、潤滑剤の温度が高い場合には、母材に対してコーティング層の熱伝導率が相対的に大きくなって潤滑剤の放熱を促進し、これにより潤滑剤の粘度を増大させて摺動接触部の摩擦係数を低下させることができる。これとは反対に潤滑剤の温度が低い場合には、コーティング層の熱伝導率が相対的に小さくなって潤滑剤の放熱を阻害もしくは抑制し、これにより潤滑剤の粘度を低下させて摺動接触部の摩擦係数を低下させることができる。ひいては動力の損失を防止もしくは低減することができる。このような作用は、コーティング層の特性によって生じるので、温度センサーやその検出信号を使用した潤滑のための機器を必要としないので、全体としての構成を簡素化でき、またエネルギーの消費を避けられる。

ここで、コーティング層に使用する材料を選択する方法もしくは手順の一例を具体的に説明する。先ず、歯車などの摺動接触する部材に入力される入力トルクおよび入力回転数を決定する。一般に、これらの入力トルクや入力回転数は動力を伝達している際に変化するが、最も頻度の高いトルクや回転数が存在するので、それらの値を代表値として入力トルクおよび入力回転数を決定する。ついで、歯車など摩擦を伴って動力を伝達する部材の損失率（＝１−効率）ε、または摺動接触部の摩擦係数μを求める。これは、上記の入力トルクおよび入力回転数を一定にした状態で、温度（または粘度）の水準を振って（変化させて）求める。

このようにして得られた損失率εまたは摩擦係数μをストライベック線図もしくはその縦軸を損失率εとした線図にプロットする。こうして得られる線図は、前述した図２と類似したものとなり、一般的には極小値をもつ線図となる。このようにして得られる線図において、横軸の（η・ΔＶ）／（Ｐ／ｂ）における（ΔＶ）および（Ｐ／ｂ）は一定としているので、横軸は粘度ηに置き換えることができる。その粘度ηを潤滑油の常圧密度ρ0 で割った値である動粘度ν（＝η／ρ0 ）が温度に対してつぎの関係があることが判っている。
ｌｏｇ［ｌｏｇ（ν＋ｋ）］＝ｍ・ｌｏｇＴ’＋ｂ
ここで、Ｔ’は絶対温度、ｋ，ｍ，ｂは定数である。このことから、粘度ηを温度Ｔに書き換えることができ、したがって極小値となる温度Ｔ1 を求めることができる。

一方、コーティング層の材料や母材を形成する材料の温度毎の熱伝導率は実測して求めておくことができる。したがって、コーティング層に使用する材料は、上記の温度Ｔ1 においてコーティング層の熱伝導率と母材の熱伝導率とが大小逆転するものを選択する。言い換えれば、前述した図３における母材の線とコーティング層の線との交点が上記の温度Ｔ1 となるように、コーティング層の材料を選択する。

なお、この発明は、上記のコーティング層により、潤滑剤の放熱を温度に応じて促進し、また阻害もしくは抑制することにより、摺動接触部の摩擦係数を低下させるように構成されていればよく、したがって互い摺動接触するいずれか一方の面にのみ上記のコーティング層が設けられた構成であってもよい。

１，２…歯車、 ３，４…歯、 ５，６…歯面、 ７，８…コーティング層、 ９…油膜。

Claims (2)

1. 相対的な滑りを伴って接触する二つの部材同士の摺動接触部に、温度が高くなることに伴って粘度が低下する潤滑剤を介在させる、摺動接触部の潤滑構造において、
   前記潤滑剤を介して互いに摺動接触する少なくとも一方の面に、温度の上昇に伴って熱伝導率が増大する材料からなるコーティング層が形成されていることを特徴とする摺動接触部の潤滑構造。
2. 温度の上昇に伴って熱伝導率が増大する前記材料は、温度が低い状態では前記コーティング層が形成されている前記一方の面を形成している母材の熱伝導率より小さい熱伝導率となり、かつ温度が高い状態では前記コーティング層が形成されている前記一方の面を形成している母材の熱伝導率より大きい熱伝導率となる材料を含むことを特徴とする請求項１に記載の摺動接触部の潤滑構造。

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