JP2021050768A - Sliding structure - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、摺動構造に関する。 The present invention relates to a sliding structure.
従来、表面改質技術の1つとして、摺動面に微細加工を施すことで摩擦係数などの摺動特性を改善させる表面テクスチャリングが知られている。
例えば特許文献1には、多数の微細なディンプル状の凹部を摺動面に設けることにより、凹部に保持された潤滑油を平坦部に滲み出させ、摩擦損失や摩耗を抑制することが記載されている。
Conventionally, as one of the surface modification techniques, surface texturing that improves sliding characteristics such as friction coefficient by finely processing the sliding surface is known.
For example, Patent Document 1 describes that by providing a large number of fine dimple-shaped recesses on a sliding surface, lubricating oil held in the recesses is exuded to a flat portion to suppress friction loss and wear. ing.
しかしながら、上記特許文献1では、凹部(ディンプル)の開口面積率(全体に占める開口面積の比率)や深さ、断面形状等については言及されているものの、凹部の形状や配列と摺動方向との関連については触れられていない。特にこの点において、上記特許文献1に記載の技術では十分に摺動特性を改善・向上できているとは言い難い。 However, although Patent Document 1 mentions the opening area ratio (ratio of the opening area to the whole), the depth, the cross-sectional shape, etc. of the recesses (dimples), the shape and arrangement of the recesses and the sliding direction There is no mention of the relationship between. In particular, in this respect, it cannot be said that the technique described in Patent Document 1 can sufficiently improve / improve the sliding characteristics.
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、摺動面に複数のディンプルを有する摺動構造において、従来よりも摺動特性を向上させることを目的とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to improve sliding characteristics in a sliding structure having a plurality of dimples on a sliding surface as compared with the conventional case.
本発明は、第1部材の第1摺動面と第2部材の第2摺動面とが所定の摺動方向に互いに摺動する摺動構造であって、
前記第1摺動面は、複数のディンプルを有し、
以下の条件Aを満足するように構成した。
条件A:前記複数のディンプルのうち少なくとも一のディンプルは、前記摺動方向に隣接する他のディンプルのうち前記摺動方向に最も近い第1隣接ディンプルとの間の前記摺動方向の距離が、前記摺動方向と直交する直交方向に隣接する他のディンプルのうち前記直交方向に最も近い第2隣接ディンプルとの間の前記直交方向の距離よりも大きい。
The present invention has a sliding structure in which the first sliding surface of the first member and the second sliding surface of the second member slide with each other in a predetermined sliding direction.
The first sliding surface has a plurality of dimples and has a plurality of dimples.
It was configured to satisfy the following condition A.
Condition A: At least one of the plurality of dimples has a distance in the sliding direction between the other dimples adjacent to the sliding direction and the first adjacent dimple closest to the sliding direction. It is larger than the distance in the orthogonal direction between the other dimples adjacent in the orthogonal direction orthogonal to the sliding direction and the second adjacent dimple closest to the orthogonal direction.
本発明によれば、摺動面に複数のディンプルを有する摺動構造において、従来よりも摺動特性を向上させることができる。 According to the present invention, in a sliding structure having a plurality of dimples on the sliding surface, the sliding characteristics can be improved as compared with the conventional case.
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
図1は、本実施形態に係る摺動構造を有する摺動構造体10を示す図であり、(a)が摺動構造体10の斜視図、(b)が(a)のA−A線での断面図である。
図1(a)、(b)に示すように、摺動構造体10は、各々平板状の第1部材20と第2部材30を備える。第1部材20と第2部材30とは、互いの摺動面(第1摺動面20a、第2摺動面30a)を対向させた状態で、所定の摺動方向SDに互いに摺動する。この摺動は、第1部材20と第2部材30の双方が動くものでもよいし、いずれか一方のみが動くものでもよい。第1摺動面20aと第2摺動面30aとの間は、潤滑油(潤滑剤)L雰囲気となっている。
1A and 1B are views showing a
As shown in FIGS. 1A and 1B, the
第2部材30の第2摺動面30aは、平坦面状に形成されている。
一方、第1部材20の第1摺動面20aは、第2摺動面30aに平行な平坦面を基調とし、当該平坦面上に複数のディンプル(凹部)21を有している。
The second sliding
On the other hand, the first sliding
図2は、第1部材20の第1摺動面20aを示す平面図であり、図3は、複数のディンプル21の配列を説明するための図であり、図4は、各ディンプル21の形状を説明するための図である。なお、以下の説明では、第1摺動面20aの面内方向のうち、摺動方向SDに沿った方向をx方向、摺動方向SDと直交する方向をy方向という。
図2に示すように、本実施形態における複数のディンプル21は、x方向及びy方向に沿って、各方向とも均一のピッチでマトリクス状に配列されている。また、x方向(摺動方向SD)に隣接する2つのディンプル21間のピッチ(xピッチ)が、y方向に隣接する2つのディンプル21間のピッチ(yピッチ)よりも大きくなっている。
FIG. 2 is a plan view showing a first sliding
As shown in FIG. 2, the plurality of
なお、複数のディンプル21の配列は、図2に示すようなマトリクス状の配列に限定されない。ディンプル21は、図3(a)に示すように、x方向に隣接する他のディンプル21のうちx方向に最も近い第1隣接ディンプル21xとの間のx方向の距離Pxが、y方向に隣接する他のディンプル21のうちy方向に最も近い第2隣接ディンプルとの間のy方向の距離Pyよりも大きくなるように形成されていればよい(条件A)。ここで、或る方向に「隣接する」他のディンプル21とは、基準とするディンプル21から当該方向を中心とする所定の角度範囲(例えば±45°、或いはx方向では±30°、y方向では±60°など)にある直近の他のディンプル21をいう。この場合、Px/Py>2となるのが好ましい。
さらに言えば、第1摺動面20aの全てのディンプル21が上記条件Aを満足する必要はない。少なくとも1つのディンプル21が上記条件Aを満足していればよく、全てのディンプル21のうちの半数以上が上記条件Aを満足しているのがより好ましい。したがって、各ディンプル21は、隣接する他のディンプル21とx方向又はy方向の位置がずれていてもよい。
The arrangement of the plurality of
Furthermore, it is not necessary for all the
ただし、図3(b)に示すように、ディンプル21は、x方向から見て第1隣接ディンプル21xと少なくとも一部が重なり、y方向から見て第2隣接ディンプル21yと少なくとも一部が重なっていることが好ましい(条件B)。しかし、ディンプル21は、本実施形態のようにx方向及びy方向に沿ったマトリクス状の配列であること、すなわち、x方向から見て第1隣接ディンプル21xと全体が重なり、y方向から見て第2隣接ディンプル21yと全体が重なることがより好ましい。
さらに言えば、第1摺動面20aの全てのディンプル21が上記条件Bを満足する必要はない。上記条件Aを満足する少なくとも1つのディンプル21が上記条件Bを満足していればよく、当該ディンプル21を含む全てのディンプル21のうちの半数以上が上記条件Bを満足しているのがより好ましい。
However, as shown in FIG. 3B, the dimple 21 overlaps at least a part with the first
Furthermore, it is not necessary for all the
各ディンプル21の平面視形状は、x方向に長軸を有する楕円形状に形成されている。
ただし、各ディンプル21は、x方向に長尺に、すなわち、x方向の最大幅aがy方向の最大幅bよりも大きく形成されていればよい(条件C)。したがって、各ディンプル21は、例えば図4(a)に示すように、長円形(角丸長方形)でもよいし、x方向(及び/又はy方向)に幅が変化する平面視形状などでもよい。
さらに言えば、第1摺動面20aの全てのディンプル21が上記条件Cを満足する必要はない。上記条件Aを満足する少なくとも1つのディンプル21が上記条件Cを満足していればよく、当該ディンプル21を含む全てのディンプル21のうちの半数以上が上記条件Cを満足しているのがより好ましい。
また、各ディンプル21の幅(x方向の最大幅a及びy方向の最大幅b)は、5〜500μmの範囲内が好ましい。
The plan view shape of each
However, each
Furthermore, it is not necessary for all the
The width of each dimple 21 (maximum width a in the x direction and maximum width b in the y direction) is preferably in the range of 5 to 500 μm.
各ディンプル21の深さ方向の断面形状は特に限定されない。したがって、この断面形状は、例えば図4(b)に示すように、部分球状又は円弧状でもよいし、矩形状などでもよい。
また、各ディンプル21の深さdは、0.5〜20μmの範囲内が好ましい。
The cross-sectional shape of each dimple 21 in the depth direction is not particularly limited. Therefore, as shown in FIG. 4B, for example, the cross-sectional shape may be a partial spherical shape, an arc shape, a rectangular shape, or the like.
The depth d of each
以上のように、本実施形態によれば、ディンプル21は、x方向(摺動方向SD)に隣接する他のディンプル21のうちx方向に最も近い第1隣接ディンプル21xとの間のx方向の距離Pxが、y方向に隣接する他のディンプル21のうちy方向に最も近い第2隣接ディンプル21yとの間のy方向の距離Pyよりも大きく形成されている。
これにより、負荷能力を向上させることができる。すなわち、摺動時において、ディンプル21の周辺では、摺動方向SDの一方側に正の動圧、他方側に負の動圧が生じるところ、x方向に隣接する2つのディンプル21間の距離が近いと、これらの間で正の動圧が負の動圧に相殺されてしまう。一方、摺動方向SDと直交するy方向では、隣接する2つのディンプル21で同様に動圧が生じるため、この現象は生じない。したがって、x方向に隣接する第1隣接ディンプル21xとの間の距離Pxを、y方向に隣接する第2隣接ディンプル21yとの間の距離Pyよりも大きくすることで、摺動方向SDのディンプル21間での動圧の相殺を抑制し、負荷能力を向上させることができる。ひいては摩擦係数を低減させることができる。
よって、第1摺動面20aに複数のディンプル21を有する摺動構造において、ディンプルの構成に及ぼす摺動方向の影響が考慮されていなかった従来に比べ、負荷能力や摩擦係数などの摺動特性を向上させることができる。ひいては、摺動面の直接接触や油膜破断を防ぎ、凝着やアブレッシブ摩耗を抑制することができる。
As described above, according to the present embodiment, the
Thereby, the load capacity can be improved. That is, when sliding, a positive dynamic pressure is generated on one side of the sliding direction SD and a negative dynamic pressure is generated on the other side around the
Therefore, in the sliding structure having a plurality of
また、本実施形態によれば、ディンプル21はx方向の最大幅aがy方向の最大幅bよりも大きい、つまり摺動方向SDに長尺に形成されている。
これにより、ディンプル21と潤滑油による微小くさび効果を効果的に生じさせ、流体圧力を向上させて、さらに負荷能力を向上させることができる。
Further, according to the present embodiment, the
As a result, the fine wedge effect of the
[解析例]
続いて、本実施形態に係る摺動構造の効果を確認した解析例について説明する。
本解析では、ディンプルの配列や形状を変えた複数の解析モデルについて、以下の論文を参照し、潤滑油の運動を記述するレイノルズ方程式及びキャビテーションモデルを用いて、各々の負荷能力を計算した。
・Elrod, H, G., "A Cavitation Algorithm," Trans. ASME, J.Lub. Tech., 103, 1981, 350-354.
・Vijayaraghavan, D. and Keith Jr, T. G., "Development and Evaluation of a Cavita-tion Algorithm," Tribol. Trans., 32, 1989, 225-233.
[Analysis example]
Next, an analysis example in which the effect of the sliding structure according to the present embodiment has been confirmed will be described.
In this analysis, for multiple analytical models with different dimple arrangements and shapes, the load capacity of each was calculated using the Reynolds equation and cavitation model that describe the motion of the lubricating oil with reference to the following papers.
・ Elrod, H, G., "A Cavitation Algorithm," Trans. ASME, J.Lub. Tech., 103, 1981, 350-354.
・ Vijayaraghavan, D. and Keith Jr., TG, "Development and Evaluation of a Cavita-tion Algorithm," Tribol. Trans., 32, 1989, 225-233.
<解析モデル>
解析モデルを図5に示す。また、各解析モデルにおけるディンプルのx方向のピッチ(xピッチ)、y方向のピッチ(yピッチ)、面積率を以下の表1に示す。ディンプルの「面積率」(以下、単に「面積率」という。)とは、第1摺動面の全領域面積(5mm角)に占めるディンプルの開口面積の総和の割合をいう。
The analysis model is shown in FIG. Table 1 below shows the x-direction pitch (x-pitch), y-direction pitch (y-pitch), and area ratio of the dimples in each analysis model. The "area ratio" of the dimples (hereinafter, simply referred to as "area ratio") refers to the ratio of the total opening area of the dimples to the total area area (5 mm square) of the first sliding surface.
図5及び表1に示すように、本解析では、上記実施形態の摺動構造に相当する実施例と、実施例と同じ面積率を有し、円形ディンプルを等ピッチ配列とした比較例1と、比較例1のxピッチを1.26倍した比較例2と、比較例1のxピッチを2倍した比較例3との4つの解析モデルについて解析を行った。円形のディンプルは全て直径200μmとした。楕円形のディンプルは長軸400μm、短軸200μmとした。また、ディンプルの深さ方向の断面形状は矩形断面(図4(b)の右側図参照)とした。 As shown in FIGS. 5 and 1, in this analysis, there is an example corresponding to the sliding structure of the above embodiment, and a comparative example 1 having the same area ratio as that of the embodiment and having circular dimples arranged at an equal pitch. , Four analysis models of Comparative Example 2 in which the x-pitch of Comparative Example 1 was multiplied by 1.26 and Comparative Example 3 in which the x-pitch of Comparative Example 1 was doubled were analyzed. All circular dimples had a diameter of 200 μm. The elliptical dimples had a major axis of 400 μm and a minor axis of 200 μm. The cross-sectional shape of the dimples in the depth direction was a rectangular cross section (see the right side view of FIG. 4B).
<解析条件>
ディンプルを設けた第1部材を固定し、他方の第2部材を摺動方向に移動させた。両部材の摺動方向(図5の左右方向)の両側は周期境界条件(無限遠境界)とし、摺動方向と直交する方向(図5の上下方向)の両側は大気圧条件とした。
その他の解析条件を以下の表1に示す。表中の「クリアランス」は摺動面間の隙間を、「深さ」はディンプルの深さを示す。なお、表1では、10のべき乗数を「E」を用いて表している。
The first member provided with dimples was fixed, and the other second member was moved in the sliding direction. Both sides of the sliding direction (horizontal direction in FIG. 5) of both members were set to periodic boundary conditions (infinity boundary), and both sides in the direction orthogonal to the sliding direction (vertical direction in FIG. 5) were set to atmospheric pressure conditions.
Other analysis conditions are shown in Table 1 below. In the table, "clearance" indicates the gap between the sliding surfaces, and "depth" indicates the depth of the dimples. In Table 1, the power of 10 is represented by using "E".
<解析結果>
ディンプルを有する第1摺動面の圧力分布のコンター図を図6に示す。また、解析結果をまとめたものを以下の表3に示す。表3中の「平均圧力」は圧力分布から算出し、「負荷能力」は平均圧力から基準圧力として大気圧(1atm)を減じて算出した。なお、本解析では、負荷能力に影響する面積率を解析モデル間で合わせ込めていないため、負荷能力を面積率で除したパラメータにより簡易的に面積率の影響を排除して各解析モデルの負荷能力を評価した。
FIG. 6 shows a contour diagram of the pressure distribution of the first sliding surface having dimples. Table 3 below summarizes the analysis results. The "average pressure" in Table 3 was calculated from the pressure distribution, and the "load capacity" was calculated by subtracting the atmospheric pressure (1 atm) as the reference pressure from the average pressure. In this analysis, the area ratio that affects the load capacity is not matched between the analysis models, so the load capacity of each analysis model is simply eliminated by the parameter obtained by dividing the load capacity by the area ratio. Evaluated ability.
表3から、比較例1よりも摺動方向のxピッチが長い比較例2、3の方が、負荷能力を面積率で除した値が大きいことが分かる。したがって、摺動方向のxピッチをyピッチよりも大きくすることにより、負荷能力が向上し、ひいては摩擦係数が低減すると考えられる。この効果は、図6の圧力分布図より、xピッチを広げることで、各ディンプルによる正の動圧が、そのx方向に隣接する他のディンプルによる負圧で相殺されにくくなるためと考えられる。
また、表3から、負荷能力を面積率で除した値は、いずれの比較例よりも実施例の方が大きいことが分かる。したがって、円形のディンプルを摺動方向に長尺な楕円形のディンプルとすることにより、さらに負荷能力が向上し、ひいては摩擦係数が低減すると考えられる。
From Table 3, it can be seen that the values obtained by dividing the load capacity by the area ratio are larger in Comparative Examples 2 and 3 in which the x-pitch in the sliding direction is longer than in Comparative Example 1. Therefore, it is considered that the load capacity is improved and the friction coefficient is reduced by making the x-pitch in the sliding direction larger than the y-pitch. From the pressure distribution diagram of FIG. 6, it is considered that this effect is due to the fact that by widening the x-pitch, the positive dynamic pressure of each dimple is less likely to be offset by the negative pressure of other dimples adjacent in the x-direction.
Further, from Table 3, it can be seen that the value obtained by dividing the load capacity by the area ratio is larger in the examples than in any of the comparative examples. Therefore, it is considered that the load capacity is further improved and the friction coefficient is reduced by making the circular dimples into elliptical dimples that are long in the sliding direction.
[その他]
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記の実施形態に限られない。
例えば、上記実施形態では、摺動面(第1摺動面20a及び第2摺動面30a)が平面同士である場合について説明したが、摺動面は曲面同士であってもよい。したがって、本発明に係る摺動構造は、摺動面が平面同士であるリニアガイドなどは勿論のこと、摺動面が曲面同士であるピン−ブッシュやピン−ピン溝などにも広く適用することができる。
[Other]
Although the embodiment of the present invention has been described above, the present invention is not limited to the above embodiment.
For example, in the above embodiment, the case where the sliding surfaces (first sliding
また、複数のディンプル21は、2つの摺動面(第1摺動面20a及び第2摺動面30a)のうちの少なくとも一方に形成されていればよく、2つの摺動面の双方に形成されていてもよい。
また、複数のディンプルの形成方法は特に限定されず、レーザー加工、ショットピーニング、切削加工その他の加工方法を用いることができる。
その他、上記実施形態で示した細部は、発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
Further, the plurality of
Further, the method for forming the plurality of dimples is not particularly limited, and laser processing, shot peening, cutting processing and other processing methods can be used.
In addition, the details shown in the above-described embodiment can be appropriately changed without departing from the spirit of the invention.
10 摺動構造体
20 第1部材
20a 第1摺動面
21 複数のディンプル
21x 第1隣接ディンプル
21y 第2隣接ディンプル
30 第2部材
30a 第2摺動面
a x方向の最大幅
b y方向の最大幅
L 潤滑油
Px 第1隣接ディンプルとのx方向の距離
Py 第2隣接ディンプルとのy方向の距離
SD 摺動方向
10 Sliding
Claims (7)
前記第1摺動面は、複数のディンプルを有し、
以下の条件Aを満足する摺動構造。
条件A:前記複数のディンプルのうち少なくとも一のディンプルは、前記摺動方向に隣接する他のディンプルのうち前記摺動方向に最も近い第1隣接ディンプルとの間の前記摺動方向の距離が、前記摺動方向と直交する直交方向に隣接する他のディンプルのうち前記直交方向に最も近い第2隣接ディンプルとの間の前記直交方向の距離よりも大きい。 A sliding structure in which the first sliding surface of the first member and the second sliding surface of the second member slide with each other in a predetermined sliding direction.
The first sliding surface has a plurality of dimples and has a plurality of dimples.
A sliding structure that satisfies the following condition A.
Condition A: At least one of the plurality of dimples has a distance in the sliding direction between the other dimples adjacent to the sliding direction and the first adjacent dimple closest to the sliding direction. It is larger than the distance in the orthogonal direction between the other dimples adjacent in the orthogonal direction orthogonal to the sliding direction and the second adjacent dimple closest to the orthogonal direction.
請求項1に記載の摺動構造。 More than half of the plurality of dimples satisfy the condition A.
The sliding structure according to claim 1.
請求項1又は請求項2に記載の摺動構造。
条件B:前記少なくとも一のディンプルは、前記摺動方向から見て前記第1隣接ディンプルと少なくとも一部が重なり、前記直交方向から見て前記第2隣接ディンプルと少なくとも一部が重なる。 Satisfy the following condition B,
The sliding structure according to claim 1 or 2.
Condition B: The at least one dimple overlaps at least a part with the first adjacent dimple when viewed from the sliding direction, and at least a part overlaps with the second adjacent dimple when viewed from the orthogonal direction.
請求項3に記載の摺動構造。 The at least one dimple overlaps the first adjacent dimple when viewed from the sliding direction, and overlaps the entire second adjacent dimple when viewed from the orthogonal direction.
The sliding structure according to claim 3.
請求項3又は請求項4に記載の摺動構造。 More than half of the plurality of dimples satisfy the condition B.
The sliding structure according to claim 3 or 4.
請求項1から請求項5のいずれか一項に記載の摺動構造。
条件C:前記少なくとも一のディンプルは、前記摺動方向の最大幅が、前記直交方向の最大幅よりも大きい。 Satisfy the following condition C,
The sliding structure according to any one of claims 1 to 5.
Condition C: The maximum width of the at least one dimple in the sliding direction is larger than the maximum width in the orthogonal direction.
請求項6に記載の摺動構造。 More than half of the plurality of dimples satisfy the condition C.
The sliding structure according to claim 6.
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Legal Events
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Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20230110 |
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A521 | Request for written amendment filed |
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A02 | Decision of refusal |
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