JP2017067271A

JP2017067271A - シリンダブロック

Info

Publication number: JP2017067271A
Application number: JP2015196988A
Authority: JP
Inventors: 圭司吉原; Keishi Yoshihara
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2015-10-02
Filing date: 2015-10-02
Publication date: 2017-04-06

Abstract

【課題】摺動面のスカッフの発生を低減することができるシリンダブロック１を提供する。
【解決手段】シリンダブロック１は、ピストンと摺動する摺動面がシリンダボア１４に形成されたシリンダブロック１であって、前記摺動面には、複数の溝部が形成されており、摺動面１０の十点平均粗さＲｚは、１．０〜３．０μｍであり、かつ、摺動面１０の中心線平均粗さＲａは、０．０８μｍ以下であり、溝部１２の深さが、１〜６μｍであり、溝部１２が延在する方向と直交する断面において、溝部１２の開口１２ｂを形成する開口縁１２ｃは凸曲面であり、開口縁１２ｃの曲率半径は、０．３〜１．５μｍの範囲にある。
【選択図】図２

Description

本発明は、シリンダボアにピストンと摺動する摺動面を有したシリンダブロックに関する。

従来から、シリンダブロックには、シリンダボアが形成されており、シリンダボアには、ピストンと摺動する摺動面が形成されている。一般的に、一対の摺動部材を摺動する摺動面同士は、摺動面に形成された潤滑油により、流体潤滑状態にあることが好ましい。

たとえば、特許文献１には、中心線平均粗さＲａ０．３μｍ以下の摺動面に、最大深さ５〜３０μｍの溝部が形成されたシリンダブロックが提案されている。このシリンダブロックによれば、摺動面の溝部が潤滑油の油溜りとして作用し、溝部に潤滑油が保持されるので、ピストンとの摺動時に、シリンダブロックの摺動面の溝部から摺動面に、潤滑油を供給することができる。

特開２００２−２３５８５２号公報

しかしながら、特許文献１に係るシリンダブロックには、摺動面に溝部を形成する際に、溝部が延在する方向と直交する断面において、溝部の開口を形成する開口縁に尖った角部が形成される。これにより、摺動時に、シリンダブロックの摺動面の角部にピストンが接触し、摩耗粉が生成される。生成された摩耗粉が、潤滑油を保持する溝部に溜るため、溝部に保持される潤滑油の量は減少してしまう。

このような結果、ピストンがシリンダブロックに摺動するに従って、シリンダブロックの溝部から摺動面に供給される潤滑油が減少し、たとえシリンダブロックの摺動面に溝部を形成したとしても、摺動面に油膜切れが生じることがある。油膜切れが生じたシリンダブロックの摺動面は、摩擦係数が上昇するとともに、その摺動面にスカッフが発生するおそれがある。

本発明は、このような点を鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、摺動面のスカッフの発生を低減することができるシリンダブロックを提供することにある。

前記課題を鑑みて、本発明に係るシリンダブロックは、ピストンと摺動する摺動面がシリンダボアに形成されたシリンダブロックであって、前記摺動面には、複数の溝部が形成されており、前記摺動面の十点平均粗さＲｚは、１．０〜３．０μｍであり、かつ、前記摺動面の中心線平均粗さＲａは、０．０８μｍ以下であり、前記溝部の深さが、１〜６μｍであり、前記溝部が延在する方向と直交する断面において、前記溝部の開口を形成する開口縁は凸曲面であり、前記開口縁の曲率半径は、０．３〜１．５μｍの範囲にあることを特徴とする。

本発明によれば、開口縁からの摩耗粉の発生を抑制し、シリンダブロックの摺動面のスカッフの発生を低減することができる。

本発明の実施形態に係るシリンダブロックの模式的断面斜視図である。図１に示すシリンダブロックの摺動面に形成された溝部の拡大断面斜視図である。（ａ）は、本実施形態に係るシリンダブロックの摺動面の表面プロフィールの一例であり、（ｂ）は、溝部の開口縁の曲率半径を算出する方法を説明するための図である。（ａ）は、シリンダブロックにシリンダボアを形成する方法を説明するための模式的斜視図であり、（ｂ）は、シリンダブロックの摺動面に溝部を形成する方法を説明するための模式的斜視図である。（ａ）は、摺動試験を説明するための図であり、（ｂ）は、シリンダブロックとピストンリングとの摺動面の模式的拡大断面図である。（ａ）は、実施例１〜３に係るシリンダブロックの摺動面の溝部の拡大断面図であり、（ｂ）は、比較例２に係るシリンダブロックの摺動面の溝部の拡大断面図であり、（ｃ）は、その他のシリンダブロックの摺動面の溝部の拡大断面図である。

以下に本発明の実施形態に係るシリンダブロックを、図１〜図３を参照しながら、以下に説明する。

図１は、本発明の実施形態に係るシリンダブロック１の模式的断面斜視図である。図２は、図１に示すシリンダブロック１の摺動面に形成された溝部の拡大断面斜視図である。図３（ａ）は、本実施形態に係るシリンダブロック１の摺動面１０の表面プロフィールの一例であり、図３（ｂ）は、溝部１２の開口縁１２ｃの曲率半径を算出する方法を説明するための図である。

図１に示すように、本実施形態に係るシリンダブロック１は、アルミニウム合金または鋳鉄などの金属材料からなる。シリンダブロック１には、シリンダボア１４が形成されており、シリンダボア１４には、ピストン（図示せず）と摺動する摺動面１０が形成されている。

図１および図２に示すように、シリンダブロック１の摺動面（内周面）１０には、シリンダブロック１の上下方向（ピストンが摺動する方向）に対して傾斜しかつ、相交差した複数の溝部１２（いわゆるクロスハッチ溝）が形成されている。

本実施形態では、シリンダブロック１の摺動面１０の十点平均粗さＲｚは、１．０〜３．０μｍであり、好ましくは１．２〜２．９μｍである。これに加えて、シリンダブロック１の摺動面１０の中心線平均粗さＲａは、０．０８μｍ以下であり、好ましくは、０．０５〜０．０８μｍである。

ここで、摺動面１０の十点平均粗さＲｚが１．０μｍ未満の場合には、シリンダブロック１の摺動面に、潤滑油を保持し難くなると考えられる。一方、摺動面１０の十点平均粗さＲｚが３．０μｍを超える、または摺動面１０の中心線平均粗さＲａが０．０８μｍを超える場合には、摺動面１０の表面粗さが大きいため、オイルを保持しすぎて、オイル消費が悪くなる。摺動面１０の十点平均粗さＲｚが、１．０〜３．０μｍであることは、オイルを保持できるだけの深さの溝があることを表し、中心線平均粗さＲａが、０．０８μｍ以下であることで溝以外の部分は平滑な面で低摩擦であることを示す。摺動面は平滑でかつ、オイルを保持できるだけの深さの溝があることを示している。

本実施形態では、図２に示す溝部１２の深さ（溝部の開口１２ｂからその谷部１２ａまでの距離）は、１〜６μｍであり、好ましくは２〜６μｍである。また、溝部１２は摺動面の１０００μｍ×８００μｍ内で、２〜８本形成されていることが好ましい。

ここで、溝部１２の深さが１μｍ未満である場合、溝部１２に保持される潤滑油の量は十分ではない。一方、溝部１２の深さが６μｍを超えた場合には、１つ１つの溝部１２に保持される潤滑油の量は増加する。しかしながら、摺動時には、溝部１２に保持された潤滑油は、ピストンによりエンジンの上死点近傍に運ばれ易くなり、上死点近傍の燃料の燃焼熱により、多くの潤滑油が蒸発してしまう。

図２に示すように、溝部１２が延在する方向と直交する断面において、溝部１２の開口１２ｂを形成する開口縁１２ｃは凸曲面であり、開口縁１２ｃの曲率半径Ｒは、０．３〜１．５μｍ、好ましくは、０．３〜１．２μｍの範囲にある。

本実施形態では、溝部１２が延在する方向と直交する断面において、溝部１２と、これに隣接する溝部１２との間には、ブラトー状の凸部１３が形成され、凸部１３の角部が、上述した開口縁１２ｃに相当する。

ここで、開口縁１２ｃの曲率半径Ｒが０．３μｍ未満である場合、開口縁１２ｃの曲率半径Ｒが小さいため、開口縁１２ｃが相手材であるピストン（ピストンリング）と接触し、摩耗粉が発生し易い。一方、溝部１２の深さが１〜６μｍの範囲を満たすことを前提として、開口縁１２ｃの曲率半径Ｒが１．５μｍを超えた場合、溝部１２で潤滑油が保持され難い。

ここで、開口縁１２ｃの曲率半径Ｒは、以下に示す方法で算出することができる。まず、図４（ａ）に示すように、シリンダブロック１の摺動面１０の表面プロフィールを測定し、開口縁１２ｃ上の３点を抽出する。

次に、図４（ｂ）に示すように、これらの３点を、Ｘ−Ｙ座標系にプロットし、円の中心（ａ，ｂ），半径（曲率半径）Ｒとした円の方程式（具体的には、（ｘ−ａ）^２＋（ｙ−ｂ）^２＝Ｒ^２）に、３点の各座標を代入し、３元１次方程式を解くことにより、曲率半径Ｒを算出する。

以下に、本発明の実施例を説明する。

＜実施例１＞
以下に示す製造方法により、実施例１に係るシリンダブロックを作製した。具体的には、図４（ａ）に示すように、円筒状の鋳鉄からなるライナーを準備した。次に、刃物４２が取り付けられたバイト４１を回転させて、ボーリング（切削加工）により、ブロック１Ａにシリンダボアを形成した。

次に、図４（ｂ）に示すように、ホーン４３の周面に砥石４４が取付けられた研磨装置を用いて、ホーニングにより、シリンダブロック１の摺動面１０に、溝部１２を形成した。本実施例では、周知の機械式および油圧式の２つの種類の研磨装置を用いて、摺動面１０の第１〜第４のホーニング工程を行った。

まず、第１のホーニング工程では、機械式の研磨装置で、ホーニング時に、機械的に砥石４４を周方向に拡張させ、砥石４４をシリンダブロックに摺動面に押し当てた。砥石４４には、番定＃３００、砥粒がダイヤモンドからなり、これらの砥粒を鉄（金属）で結合した砥石を用いた。次に、第２のホーニング工程では、第１のホーニング工程と同様に、機械式の研磨装置を用い、番定＃８００の砥石（砥粒：ダイヤモンド、結合剤：鉄（金属））を用いた。

なお、第１および２のホーニング工程により、摺動面に溝部が形成されるが、摺動面に形成された溝部の開口縁（エッジ）は、尖っているため、以下に示す第３および第４ホーニング工程により、溝部の開口縁を凸曲面に加工する。

第３のホーニング工程では、油圧式の研磨装置で、ホーニング時に、油圧により砥石４４を周方向に拡張させ、砥石４４をシリンダブロックに摺動面に押し当てた。第３のホーニング工程では、砥石４４に、番定＃１０００、砥粒がダイヤモンドからなり、これらの砥粒を樹脂で結合した砥石を用いた。

次に、第４のホーニング工程では、第３のホーニング工程と同様に、油圧式の研磨装置を用い、番定＃２３００の砥石（砥粒：ダイヤモンド、結合剤：樹脂）を用いた。これにより、表１に示した、摺動面の十点平均粗さＲｚ、中心線平均粗さＲａ、溝部の深さ、および、開口縁の曲率半径Ｒの摺動面を得た。

なお、油圧式の研磨装置は、機械式の研磨装置よりも、砥石４４をシリンダブロックの摺動面に倣わせることができ、さらに、砥粒の結合剤に樹脂を用いた砥石は、結合剤に金属を用いたものよりも、柔らかい。これにより、第３および第４のホーニング工程において、摺動面の溝部の開口縁を凸曲面に加工することができる。

なお、開口縁の曲率半径Ｒは、３箇所測定することにより、これらの範囲を特定した。さらに、表１に、摺動面の８００μｍ（縦）×１０００μm（横）内に形成された溝部の本数を記載した。

＜実施例２＞
実施例１と同じように、シリンダブロックを作製した。実施例１と相違する点は、第３のホーニング工程で用いる砥石に、番定＃１２００の砥石（砥粒：ダイヤモンド、結合剤：樹脂）を用い、表１に示す、摺動面の十点平均粗さＲｚ、中心線平均粗さＲａ、溝部の深さ、および、開口縁の曲率半径Ｒにした点である。

＜実施例３＞
実施例１と同じように、シリンダブロックを作製した。実施例１と相違する点は、第４のホーニング工程で用いる砥石に、番定＃２０００の砥石（砥粒：ダイヤモンド、結合剤：樹脂）を用い、表１に示す、摺動面の十点平均粗さＲｚ、中心線平均粗さＲａ、溝部の深さ、および、開口縁の曲率半径Ｒにした点である。

＜比較例１＞
実施例１と同じように、シリンダブロックを作製した。実施例１と相違する点は、第３および第４のホーニング工程を行なわずに、表１に示す、摺動面の十点平均粗さＲｚ、中心線平均粗さＲａ、溝部の深さ、および、開口縁の曲率半径Ｒにした点である。

＜比較例２＞
実施例１と同じように、シリンダブロックを作製した。実施例１と相違する点は、第４のホーニング工程で用いる砥石に、番定＃３３００の砥石（砥粒：ダイヤモンド、結合剤：樹脂）を用い、表１に示す、摺動面の十点平均粗さＲｚ、中心線平均粗さＲａ、溝部の深さ、および、開口縁の曲率半径Ｒにした点である。

実施例１〜３および比較例１および２に係るシリンダブロックの摺動面に、溶剤（ヘキサデカン）を塗り、シリンダブロックの重量を測定後、８時間放置した。その後、シリンダブロックの重量を再度測定し、これらの重量差から摺動面の単位面積あたりの潤滑油保持量を算出した。この結果を、表２に示す。

次に、図５（ａ）および（ｂ）に示すように、シリンダブロック１を切り出し、シリンダブロック１の摺動面１０にピストンリング２の摺動面２０を摺動させて、その時の摩擦係数およびスカッフ時間を測定した。この結果を、以下の表２に示した。

なお、この試験では、潤滑油に５Ｗ−３０を用い、ピストンリング２の押し付け荷重を３０Ｎとし、エンジンの回転速度５００ｒｐｍに相当する摺動速度でピストンリング２を摺動し、摺動面の温度を７０℃に保持した。また、表２の評価では、スカッフ時間が２００時間以上のものに「○」、それ未満のものに「×」を付した。

表２に示すように、実施例１〜３に係るシリンダブロックの摺動面の潤滑油の保持量は、比較例１、２のものよりも少ない。しかしながら、実施例１〜３に係るシリンダブロックでは、比較例１または２に係るシリンダブロックに比べて、摩擦係数が小さく、スカッフ時間も長く、評価は「○」であった。

実施例１〜３では、シリンダブロックの摺動面１０の表面粗さを小さくした上で、図６（ａ）に示すように、溝部１２の開口縁１２ｃを所定の範囲の曲率半径Ｒを有した凸曲面にしたことにより、潤滑油Ｌが溝部１２（油溜り）から円滑に流出したと考えられる。これにより、シリンダブロックの摺動面１０が、潤滑性を確保しつつ、ピストンリングの摺動面２０に滑らかに接触したと考えられる。この結果、実施例１〜３では、溝部１２の開口縁１２ｃからの摩耗粉の発生を抑えることができ、摩擦係数が小さく、スカッフ時間が長くなったと考えられる。

一方、比較例１のシリンダブロックでは、実施例１〜３のものよりも、摺動面の十点平均粗さＲｚおよび中心線平均粗さＲａが大きかったので、実施例１〜３よりも、摩擦係数が大きく、スカッフ時間も短かったと考えられる。したがって、実施例１〜３の如く、本発明の範囲である、摺動面の十点平均粗さＲｚが１．０〜３．０μｍの範囲を満たし、かつ、摺動面の中心線平均粗さＲａが０．０８μｍ以下を満たすことが少なくとも重要である。

また、比較例２のシリンダブロックでは、摺動面の十点平均粗さＲｚ、中心線平均粗さＲａが実施例１〜３のものと同程度であった。しかしながら、図６（ｂ）に示すように、溝部２４の開口縁の曲率半径Ｒが０．３μｍ未満（具体的には０．１６〜０．１８μｍ）と小さかったため、この部分から摩耗粉が発生したと考えられる。この結果、比較例２の場合には、摺動時前には、摺動面の潤滑油保持量は多かったが、摺動時には、図６（ｂ）に示すように、溝部２４に摩耗粉ｐが入り込み、溝部２４で保持される潤滑油の量が減少したと考えられる。これにより、比較例２では、実施例１〜３に比べて、摩擦係数が大きく、スカッフ時間が短くなったと考えられる。

また、摺動面の十点平均粗さＲｚ、中心線平均粗さＲａが実施例１〜３のものと同程度であっても、溝部２４の開口縁の曲率半径Ｒが、１．５μｍを超えた場合には、摺動時に摺動面１０から潤滑油Ｌが逃げやすく、溝部３４の潤滑油保持量が少なくなると考えられる（図６（ｃ）参照）。この場合も、比較例２と同様に、実施例１〜３に比べて、摩擦係数が大きくなり、スカッフ時間が実施例１〜３のものよりも短くなると考えられる。

以上、本発明の実施の形態を詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更があっても、それらは本発明に含まれるものである。

１：シリンダブロック、１０：（シリンダブロックの）摺動面、１２：溝部、１２ａ：谷部、１２ｂ：開口、１２ｃ：開口縁、１４：シリンダボア、２：ピストンリング、２０：（ピストンリングの）摺動面

Claims

ピストンと摺動する摺動面がシリンダボアに形成されたシリンダブロックであって、
前記摺動面には、複数の溝部が形成されており、
前記摺動面の十点平均粗さＲｚは、１．０〜３．０μｍであり、かつ、前記摺動面の中心線平均粗さＲａは、０．０８μｍ以下であり、
前記溝部の深さが、１〜６μｍであり、
前記溝部が延在する方向と直交する断面において、前記溝部の開口を形成する開口縁は凸曲面であり、前記開口縁の曲率半径は、０．３〜１．５μｍの範囲にあることを特徴とするシリンダブロック。