JP3712052B2

JP3712052B2 - 低摩擦摺動部材

Info

Publication number: JP3712052B2
Application number: JP2001033277A
Authority: JP
Inventors: 眞加納; 芳輝保田; 正博小又; 時夫坂根; 研史牛嶋
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2001-02-09
Filing date: 2001-02-09
Publication date: 2005-11-02
Anticipated expiration: 2021-02-09
Also published as: JP2002235852A; DE60216340T2; US20020148430A1; DE60216340D1; EP1231393B1; US6736101B2; EP1231393A1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、機械部品の摺動面に微細な凹部を形成することによる摩擦低減技術に係わり、例えば自動車用のエンジン部品などの摩擦損失を低減することができる低摩擦摺動部材に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
摺動部材間の摩擦を低減するために、摺動面に窪みや溝などの微細加工を施すことが従来から行われている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の表面微細形状においては、その窪みや溝などの凹部深さが均一であったことから、接触部の摩擦条件としてのすべり速度や油膜せん断速度が大きく変わったとしても、潤滑油の保持能力や油膜厚さの摺動部位に応じた最適化を図ることができず、特に往復摺動部材においては、すべり速度が大きいストローク工程の中央部では、形成油膜が表面粗さの微細凸部により高速でせん断応力を受けるために油膜せん断ロスによるフリクション損失が大きい上に、ストローク端の折り返し点では、逆にすべり速度が０となるために潤滑油が接触部に巻き込まれないことと、潤滑された油が途中の凹部に逃げてしまって油切れを生じるという二つの理由によって、フリクション低減効果が限定されてしまうという問題点があり、このような問題点の解消が従来の摺動部材における課題となっていた。
【０００４】
なお、例えばピストン／ボア間の摺動においては、摺動面を平滑にすると油保持性が低下して焼き付き特性が悪化するものの、フリクションについては最も低くなると言われていた。
【０００５】
【発明の目的】
本発明は、従来の摺動部材における上記課題に着目してなされたものであって、特にエンジンにおけるピストンやバルブリフターのような往復摺動部材において、ストローク端における油切れが生じることがなく、しかもストローク中央部における摩擦損失を低減することができる低摩擦摺動部材を提供することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１に係わる低摩擦摺動部材は、相手材が所定のストローク内で往復摺動する摺動表面に形成された平滑面に深さが規則的に変化する微細な溝状凹部を備えた摺動部材であって、上記摺動表面の溝状凹部間にはプラトー状の凸部が形成されると共に、上記溝状凹部の深さが往復摺動ストロークの中央部において最も深く、当該ストローク両端の折り返し点もしくはその近傍位置に向けて徐々に浅くなるように形成されている構成としたことを特徴としており、摺動部材におけるこのような構成を前述した従来の課題を解決するための手段としている。
【０００７】
本発明に係わる低摩擦摺動部材の実施の形態として、請求項２に係わる摺動部材においては、前記平滑面の表面粗さがＲａで０．３μｍ以下である構成とし、同じく実施の形態として、請求項３に係わる低摩擦摺動部材においては、摩擦接触部が潤滑油で潤滑されている構成とし、請求項４に係わる低摩擦摺動部材においては、最も浅い溝状凹部の最大深さＤｓと最も深い溝状凹部の最大深さＤｄとの比が２倍以上である構成とし、請求項５に係わる低摩擦摺動部材においては、前記凹部の形状が摺動方向に直交する溝形状である構成としたことを特徴としている。
【０００８】
また、同じく実施の形態として請求項６に係わる低摩擦摺動部材においては、粗さ断面曲線の中心線で区切られる溝状凹部の溝幅Ｗｇと凸部の幅Ｗｈとの比Ｗｇ／Ｗｈが１／１０以上である構成、請求項７に係わる低摩擦摺動部材においては、摺動ストロークの中央部におけるＷｇ／Ｗｈ比が１／５〜５の範囲である構成、請求項８に係わる低摩擦摺動部材においては、摺動ストロークの中央部において、溝状凹部に隣接する凸部の表面に形成される計算油膜厚さｈｃに対する前記溝状凹部の最大深さＤｃの比Ｄｃ／ｈｃが２〜１０の範囲である構成、請求項９に係わる低摩擦摺動部材においては、最も深い溝状凹部の最大深さＤｄが５〜３０μｍの範囲である構成、さらに請求項１０に係わる低摩擦摺動部材においては、摺動面の表面粗さがＲａで０．３μｍ以下である相手部材と組み合わせるものである構成としており、摺動部材におけるこのような構成を前述した従来の課題を解決するための手段としたことを特徴としている。
【０００９】
そして、本発明の請求項１１及び１２に係わる低摩擦摺動部材は、本発明に係わる摺動部材における上記構成をエンジン用のシリンダーボア及びシリンダーライナーにそれぞれ適用した構成としたとを特徴としている。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明は、比較的良好な潤滑条件下で、一般的に最も摩擦係数が下げられると言われてきた平滑面に較べて、顕著な摩擦低減効果を発揮する表面微細形状を見出したものであって、本発明に係わる低摩擦摺動部材は、例えば図１に示すように、摺動表面に形成された平滑面１に、深さを規則的に変化させた微細な溝状凹部２を備えており、各凹部２，２の間にプラトー状の凸部３が形成されたものであり、この凹部２が油溜りとなると共に、溝状凹部２の深さが部位によって規則的に変化させてあることから、すべり速度や油膜せん断速度の変化に応じた最適の潤滑油保持能力や油膜厚さのものとなり、摩擦が大幅に低減することになる。このとき、独立した凹部を摺動方向に沿って、各々の深さを変化させた状態で形成させることができるが、上記凹部２を溝形状としたのは、すべり速度の大きなストローク中央部での油の排出がよりスムーズに行われるようになり、大きな摩擦低減効果が得られやすくなることによる。
そして、往復摺動部位においては、折り返し点（ストローク両端）で摺動接線が停止することから油膜巻き込みができなくなるために、摩耗が生じやすく、溝を形成しても早期に摩滅するので、溝は折り返し点から若干摺動範囲内に入った位置から形成することが好ましい。また、接線の摺動速度は折り返し点からストローク中央部に向かって徐々に速くなるので、溝状凹部２の深さが一方のストローク端から中央部に向かって徐々に深くなり、中央部において最も深く、中央部から他方のストローク端に向けて再び徐々に浅くなるように形成する。
【００１１】
本発明に係わる低摩擦摺動部材において、平滑面１、すなわちプラトー状凸部２の頂部平滑面の表面粗さについては、請求項２に記載しているようにＲａ表示で０．３μｍ以下とすることが望ましい。これは、この頂部平滑面１の粗さが０．３μｍを超えると、摺動時に相手部材の摺動面と微小部分で固体接触が発生することがないとは言えず、摩擦低減効果が減少することがあることによる。平滑面１の粗さＲａは小さくなるほど摩擦低減効果が大きくなるが、０．０１μｍより小さくしたとしてもそれ以上の摩擦低減効果を得ることは出来ない。
また、本発明に係わる低摩擦摺動部材は、請求項３に記載しているように、潤滑油で潤滑されていることが望ましく、潤滑油、具体的にはエンジン油もしくはトランスミッション油による潤滑下で基本的に大きな摩擦低減効果を発揮する。さらに、請求項４に記載しているように、摺動表面に形成された微細凹部のうちの最も浅いものの最大深さＤｓに対して、最も深い微細凹部の最大深さＤｄがその２倍以上であることが摩擦低減効果向上の観点から望ましい。このとき、ＤｄがＤｓの２倍未満、すなわちＤｄとＤｓの値が近似している場合には、Ｄｓの値が小さい時にはＤｄの値も小さくなることから、往復摺動時における工程ストロークの中央部での摩擦低減効果が顕著に現れない傾向があり、逆にＤｄの値が大きくなるようにするとＤｓの値も大きくなるので摺動折り返し部（ストローク端）での油膜切れが生じやすくなる。なお、摺動条件やＤｄの絶対値にもよるが、ＤｄとＤｓの間に１０倍以上の変化を形成させても摩擦低減に対するさらなる向上効果はほとんど認められない。
【００１２】
本発明に係わる低摩擦摺動部材において、凹部としての溝の形成方向としては、請求項５に記載しているように摺動方向に直交していることが望ましい。このような溝が摺動方向に直交することにより、摺動時に油膜が凸部に巻き込まれるようになり、低速から高速までの条件下において安定な流体潤滑効果が得られる。特にピストン−ボア摺動部品などに適用した場合には、エンジン油を保油できるので焼き付き特性についても優れたものとなる。
【００１３】
さらに、凹部２と凸部３の大きさについては、請求項６に記載しているように、粗さ断面曲線の中心線によって区切られる溝状凹部２の溝幅Ｗｇと凸部３の幅Ｗｈ（図１参照）の比Ｗｇ／Ｗｈを１／１０以上にすることが摩擦低減効果をさらに向上させる上で好ましい。すなわち、上記Ｗｇ／Ｗｈ比が１／１０より小さい場合には、溝による保油効果と油のすばやい排出効果が充分に得られなくなり、摩擦低減効果が小さなものとなる。このとき、とくに摺動ストロークの中部においては、摺動速度が大きいために、請求項７に記載しているように、上記Ｗｇ／Ｗｈ比を１／５〜５の範囲とすることが望ましい。つまり、摺動速度が大きいストローク中央部においては、上記比が１／５に満たないときには保油効果および排出効果が充分に得られず、上記比が５を超えると凸部３の耐荷重性が低下して、摩耗が生じやすくなることによる。
【００１４】
また、ストローク中央部における油膜厚さについては、請求項８に記載しているように、溝状凹部２に隣接する凸部３の表面（平滑面１）上に形成される油膜厚さｈｃ（計算値）に対する前記溝凹部２の最大深さＤｃの比Ｄｃ／ｈｃを２〜１０の範囲とすることが望ましい。すなわち、Ｄｃ／ｈｃ比が２より小さいと油の排出効果が不足して大きな摩擦低減効果が認められなくなり、逆に１０より大きくなると油の排出が過多となって凸部表面１の油膜が不足しやすくなる傾向があることによる。さらに、摺動表面における凹部２の大きさについては、請求項９に記載しているように、最も深い凹部２（溝部）の最大深さＤｄが５〜３０μｍの範囲となるようにすることが好ましい。これは、Ｄｄが５μｍに満たない場合には、保油性能、油排出性能が共に不足して、ストローク中央部での摩擦低減効果が少なくなり、３０μｍを超えた場合には、通常の自動車用エンジンのピストンやボアにおいて、油の排出が過多となって凸部表面１の油膜が不足しやすくなることによる。なお、エンジンの回転数やエンジン油の粘土特性、計算された油膜厚さが大きく変化する場合には、請求項８に記載されたＤｃ／ｈｃ比の条件を優先させるようにすればよい。
【００１６】
本発明に係わる低摩擦摺動部材と組み合わせる相手部材としては、請求項１０に記載しているように、その摺動面における表面粗さＲａが０．３μｍ以下のものであることが望ましい。すなわち、相手部材の表面粗さが０．３μｍを超えると、摩擦条件によっては固体接触が生じ易くなることがあり、摩擦が大きくなる傾向があるので好ましくない。なお、相手部材摺動面の粗さＲａは小さくなるほど良好であるが、０．１μｍより小さくしても、それ以上大きな効果を望むことはできない。
【００１７】
そして、本発明に係わる低摩擦摺動部材は、請求項１１及び１２に記載しているように、種々のエンジン部品、例えばシリンダーボア及びシリンダーライナーに適用することができ、このような部品の採用によってエンジンの摩擦損失および摩耗量が減少し、エンジン性能が大幅に向上することになる。
【００１８】
【発明の効果】
本発明の請求項１に係わる低摩擦摺動部材は、相手材が所定のストローク内で往復摺動する摺動表面に形成された平滑面に深さが規則的に変化する微細な溝状凹部を備え、この溝状凹部の深さが往復摺動ストロークの中央部において最も深く、ストローク両端の折り返し点側に向けて徐々に浅くなるように形成させてあることから、この凹部が油溜りとなると共に、最適な油膜厚さを保持することができ、特に摺動速度が速くなって行くストローク中央部における摩擦低減効果が確実なものとなって、例えば超仕上げによる超平滑面を備えた摺動部材に較べて、摩擦の大幅な低減を図ることができるというきわめて優れた効果をもたらすものである。
【００１９】
本発明に係わる低摩擦摺動部材実施の一形態として、請求項２に係わる低摩擦摺動部材においては、平滑面の表面粗さＲａを０．３μｍ以下としたものであるから、相手部材との間に固体接触を発生することなく摩擦を低減することができ、同じく実施の形態として請求項３に係わる低摩擦摺動部材においては、摩擦接触部が潤滑油によって潤滑されているので、顕著な摩擦低減効果を得ることができる。
【００２０】
また、請求項４に係わる低摩擦摺動部材においては、浅い凹部と深い凹部との深さの比Ｄｄ／Ｄｓが２以上であるから、ストローク端（摺動の折り返し部）での油切れを生じることなく、ストローク中央部での摩擦を低減することができ、請求項５に係わる低摩擦摺動部材においては、凹部としての溝が摺動方向に直交しているので、油膜を凸部に巻き込むことによって優れた流体潤滑効果を得ることができる。さらに、請求項６に係わる低摩擦摺動部材においては、溝部と凸部との幅の比Ｗｇ／Ｗｈが１／１０以上となっているので、溝による保油効果と速やかな油排出効果とを得ることができ、請求項７に係わる低摩擦摺動部材においては、ストローク中央部における上記Ｗｇ／Ｗｈ比を１／５〜５の範囲としたことにより、摺動速度の大きいストローク中央部においても顕著な摩擦低減効果を得ることができる。
【００２１】
また、本発明の請求項８に係わる低摩擦摺動部材においては、油膜厚さｈｃに対する溝状凹部の深さＤｃの比Ｄｃ／ｈｃが２〜１０の範囲となっているので、油の排出が適度なものとなって、大きな摩擦低減効果を得ることができ、請求項９に係わる摺動部材においては、最も深い凹部の深さＤｄが５〜３０μｍであるから、保油性能と油の排出性能をバランスよく発揮させて摩擦低減効果をより向上させることができ、請求項１０に係わる摺動部材においては、摺動面の粗さＲａが０．３μｍ以下の相手部材と組み合わせるようにしたものであるから、固体接触を生じることなく優れた摩擦特性を確保することができる。
【００２２】
そして、請求項１１及び請求項１２に係わる低摩擦摺動部材は、本発明の上記構成をシリンダーボアやシリンダーライナーといったエンジン用部品にそれぞれ適用したものであるから、エンジンの摩擦損失と摩耗を最小限のものとすることができ、エンジン性能を長期にわたって良好に保持すると共に、エンジンの燃費向上に大きく寄与するという優れた効果がもたらされる。
【００２３】
【実施例】
以下、本発明を実施例に基づいてさらに具体的に説明する。
【００２４】
エンジンボア材料として汎用されている鋳鉄材の平板を用いて、これに研磨加工、表面微細溝加工、ラップ仕上げ加工を適宜施すことによって、表１に示すような種々の仕様の摺動材試験片をそれぞれ作製した。なお、微細溝加工においては、図１に示したような摺動方向に直交する微細溝（溝状凹部）２をストロークの両端部から中央部に向かって深さが徐々に深くなるように形成させた。したがってこの実施例においては、最も深い溝の深さＤｄとストローク中央部における溝深さＤｃの値が一致することになる。
【００２５】
次に、このようにして得られた各摺動材試験片Ｔを図２に示すような往復摺動試験機に組み込み、相手部材Ｐとして、先端部にＲ３０の曲率を有するＵ字状断面を有し、クロムめっきを施したピストンリング相当の試験片Ｐを用い、潤滑油としてエンジンオイルＬを滴下しながら下記の条件のもとに、接触部が線接触となるように組み合わせて摩擦試験を実施した。
【００２６】
往復摺動摩擦試験条件
＊相手部材：Ｓ４０Ｃ＋クロムめっき、Ｒ３０
＊エンジンオイル：５Ｗ−３０ＳＧ、滴下給油
＊供給オイル温度：１００℃
＊負荷荷重Ｗ：３ｋｇ
＊サイクル数：７００ｒｐｍ
＊往復ストロークＳ：３０ｍｍ
【００２７】
上記往復摺動摩擦試験結果を表１に併せて示す。
【００２８】
【表１】

【００２９】
表１に示した結果から明らかなように、実施例１２の摺動部材においては、ラップ仕上げしていないために、実施例１に較べて凸部表面の平滑面における表面粗さが比較的大きいために、摺動面に若干のスカッフィング痕が生じると共に、やや高い摩擦係数を示した。また、実施例１３においては、ストローク端部における浅い溝の深さＤｓ土中央部の深い溝の深さＤｄとの比が１．５と比較的低いために、ストローク中央部での摩擦係数が若干大きくなると共に、摺動速度が小さくて油膜が切れやすい端部付近の溝深さが１０μｍ程度とやや大きいために、油が排出されやすいので、多少のスカッフィングが形成される結果となった。
【００３０】
また、実施例１４においては、溝幅の割合が比較的小さいために、また実施例１５に係わる摺動部材においては、ストローク中央部の計算油膜厚さｈｃと溝深さＤｃとの比がやや小さく、最深溝の深さＤｄの絶対値も３μｍと比較的小さいために、摩擦係数の低減効果が若干小さなものとなり、実施例１６においては、Ｄｄの値が４０μｍと比較的大きいために、摩擦係数がさほど低下せず、摺動端部付近の溝深さがやや深いために油が排出されやすく、若干のスカッフィングが認められた。
【００３１】
一方、平滑面の表面粗さや、深い溝と浅い溝との深さの比、溝幅の割合、油膜厚さに対する溝深さの比などを所定の好ましい範囲とした実施例１ないし１１に係わる摺動部材においては、従来、一般的に摩擦係数が下げられるとされていた平滑面を備えた摺動部材（比較例１）に較べて、約３０％以上の摩擦低減効果が得られると共に、平滑面に較べて油の保持機能を有することから、耐焼き付き性能にも優れるメリットもある。
【００３２】
これに対し、直交溝を持たない平滑面を備えた比較例１に係わる摺動部材、およびほとんど同一深さのＶ形溝からなるクロスハッチ状の凹凸が形成され、表面粗さの大きい比較例２の摺動部材においては、高い摩擦係数を示す結果となった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係わる低摩擦摺動部材の表面微細形状を示す模式図である。
【図２】本発明の実施例において摩擦特性の評価に用いた往復摺動試験要領を示す概略説明図である。
【符号の説明】
１平滑面
２凹部
３凸部

Claims

相手材が所定のストローク内で往復摺動する摺動表面に形成された平滑面に深さが規則的に変化する微細な溝状凹部を備えた摺動部材であって、上記摺動表面の溝状凹部間にはプラトー状の凸部が形成されると共に、上記溝状凹部の深さが往復摺動ストロークの中央部において最も深く、当該ストローク両端の折り返し点もしくはその近傍位置に向けて徐々に浅くなるように形成されていることを特徴とする低摩擦摺動部材。
平滑面の表面粗さがＲａで０．３μｍ以下であることを特徴とする請求項１記載の低摩擦摺動部材。
摩擦接触部が潤滑油で潤滑されていることを特徴とする請求項１または請求項２記載の低摩擦摺動部材。
最も浅い溝状凹部の最大深さＤｓと最も深い溝状凹部の最大深さＤｄとの比が２倍以上であることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の低摩擦摺動部材。
溝状凹部の形状が摺動方向に直交する溝形状であることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の低摩擦摺動部材。
粗さ断面曲線の中心線で区切られる溝状凹部の溝幅Ｗｇと凸部の幅Ｗｈとの比Ｗｇ／Ｗｈが１／１０以上であることを特徴とする請求項５記載の低摩擦摺動部材。
往復摺動ストロークの中央部におけるＷｇ／Ｗｈ比が１／５〜５の範囲であることを特徴とする請求項６記載の低摩擦摺動部材。
往復摺動ストロークの中央部において、溝状凹部に隣接する凸部の表面に形成される計算油膜厚さｈｃに対する前記溝状凹部の最大深さＤｃの比Ｄｃ／ｈｃが２〜１０の範囲であることを特徴とする請求項７記載の低摩擦摺動部材。
最も深い溝状凹部の最大深さＤｄが５〜３０μｍの範囲であることを特徴とする請求項８記載の低摩擦摺動部材。
摺動面の表面粗さがＲａで０．３μｍ以下である相手部材と組み合わせるものであることを特徴とする請求項９に記載の低摩擦摺動部材。
エンジン用シリンダーボアであることを特徴とする請求項９に記載の低摩擦摺動部材。
エンジン用シリンダーライナーであることを特徴とする請求項９に記載の低摩擦摺動部材。