JP6004199B2 - 摺動部材 - Google Patents
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Description
従来から摺動部材の摩擦損失を低減させるため、接触する摺動面の微細な凹凸を除去して可能な限り平滑にする努力がなされていた。
一方で、摺動部材の摩擦損失を低減させるため、平滑化された摺動部材の摺動面に凹部を形成するための加工を施す技術が提案されている。具体的には、断面が略円弧状の無数の凹部を摺動部材の摺動面に形成する技術が提案されている(例えば、特許文献1参照)。
図10は摺動部材32と対向する摺動部材30の摺動面をともに平滑にした状態を示している。
図11は、対向する摺動部材30の摺動面を平滑にし、もう一方の摺動部材32の摺動面38に無数の凹部36を設けた様子を示している。特許文献1によれば、接触摺動部34に潤滑油を供給すると、潤滑油は表面張力により無数に形成された凹部36にて油玉となり、荷重が加えられると、各凹部36の隣接する油玉が互いに連結し、摺動面全域に油膜が形成される。
図10のように、摺動部材30、32間の摺動面が互いに平滑な場合では、接触摺動部34に潤滑油を十分に保持することができず、このため油膜が破断して摺動部材30、32同士が接触することがある。このような摺動部材30、32間で境界潤滑領域での摺動状態が長時間継続すると、摩耗粉の凝着やアブレシブ摩耗が進行して、最終的にいわゆる焼き付きによるロックや、異常摩耗に至ることがある。
また、図11のように、無数の凹部36を摺動面38に設けた場合、摺動開始からしばらく経過すると、摩擦係数が、急激に増加に転じたり、摺動開始直後から摩擦係数が大きな変動を伴いながら高い値に推移することがある。その結果、摺動部材30、32の摺動面に激しい摩耗が生じることがある。
12 リング状摺動部材
132 摺動部材
136,136a,136b 凹部
137,137a,137b 平坦部
138,138a,138b 摺動面
150 レシプロ圧縮機
170 ロータリー圧縮機
180 スクロール圧縮機
188 固定スクロール
189 旋回スクロール
190 スラスト軸受面
191 内周側
192 外周側
図1は本発明の実施の形態1における摺動部材の摺動面の斜視模式図であり、潤滑条件が厳しい第1の領域A及び潤滑条件が厳しくない第2の領域Bを示す。
本発明は、互いの摺動面が摺動する2つの摺動部材に関するものである。少なくとも一方の摺動部材132の摺動面138には、ディンプル状の凹部136が設けられている。
摺動面138は、第1の領域Aの摺動面138aと第2の領域Bの摺動面138bとからなる。ここでは第1の領域Aは、第2の領域Bよりも潤滑条件が厳しい場合とする。
摺動面138aに形成される凹部136aと摺動面138bに形成される凹部136bの形状は互いに異なる。すなわち凹部136aと凹部136bとは、開口寸法及び凹部深さの少なくとも一方が異なる。
図1では、凹部136aと凹部136bとは、開口寸法及び凹部深さが異なる場合を示している。
第1の領域Aに形成される凹部136aの凹部深さは、第2の領域Bに形成される凹部136bの凹部深さよりも浅くし、第1の領域Aにおける凹部136aの開口寸法を、第2の領域Bにおける凹部136bの開口寸法よりも大きくしている。
開口面積率とは、摺動面138の面積に対する凹部136の開口面の総面積の割合のことである。摺動部材132の摺動面138の一部をレーザー顕微鏡にて取り込んでコンピュータ画像処理を行う。凹部136による開口面と、平坦面137を分別した後に、個々の凹部136の開口面の面積の総和を画像処理に用いた摺動面138の全面積で除することで、開口面積率を得る。尚、測定箇所を変えて数回計測して得られた開口面積率の平均値をその条件での代表値とした。
第1の領域Aにおける開口面積率は、凹部136aの開口面と、平坦面137aを分別した後に、個々の凹部136aの開口面の面積の総和を画像処理に用いた摺動面138aの全面積で除することで得ることができる。
第2の領域Bにおける開口面積率は、凹部136bの開口面と、平坦面137bを分別した後に、個々の凹部136bの開口面の面積の総和を画像処理に用いた摺動面138bの全面積で除することで得ることができる。
図1では、第1の領域Aにおける開口面積率を、第2の領域Bにおける開口面積率よりも小さくしている。
これに対し、潤滑条件が厳しくない第2の領域Bでは、潤滑条件が厳しい第1の領域Aと比較して、深さの深いディンプル状の凹部136bが、開口面積率を大きくして設けられている(例えば、直径0.15mm〜0.3mm以内、深さ3〜10μm程度、開口面積率20〜50%程度)。これにより、平滑面の面積を減少させることができ、潤滑油の粘性抵抗が低くなるとともに凹部に保持された潤滑油が平坦部に滲み出ることで摩擦損失や摩耗を低減できる。なお、開口部の形状が略円形であることが好ましい。これは潤滑油が滲み出しやすくなるからである。
図2に示される摩擦実験装置には、2つの摺動部材として、リング状摺動部材12とディスク状摺動部材10が装着される。リング状摺動部材12は、駆動部材14とピン16を介して伝達される回転力により所定方向に回転するとともに、上方から静止軸18を介して荷重負荷を受ける。
したがって、リング状摺動部材12がディスク状摺動部材10に所定圧力で接触しつつディスク状摺動部材10が回転するので、リング状摺動部材12とディスク状摺動部材10の間に摩擦が生じる。尚、この2つの摺動部材10、12間には図示省略の潤滑油が存在している。リング状摺動部材12の側面に貫通穴23が設けられている。リング状摺動部材12の側面の貫通穴23に挿入されたマイクロシリンジ24から、潤滑油がリング状摺動部材12の内周面に適宜供給され、ディスク状摺動部材10の回転による遠心力により2つの摺動部材の接触摺動部に流入する。また、ディスク状摺動部材10及びリング状摺動部材12の同心円上方に設けたガイド部20は静止軸18の軸受を担っている。また、ボール軸受22はリング状摺動部材12とディスク状摺動部材10が片当りせずに面で接触させるための調心機構を担っている。
リング状摺動部材12は、外径が25.6mm、内径が20mm、材質をFC200(硬度HB180程度)で、表面粗さがRa0.2程度の研削仕上げとした。ディスク状摺動部材10は、外径27mm、材質をFC250(硬度HB200程度)で、表面粗さがRa0.2程度の研削加工後ラップ仕上げを行っている。リング状摺動部材12のディスク状摺動部材10との接触面には、潤滑油が摺動面に十分に行き渡るように十字状の溝(図示省略)を設けた。潤滑油の供給はどの実験でも同量で行った。
更に、油膜が形成され難く金属接触が生じるような摺動状態である境界潤滑、油膜が形成され金属接触が生じにくい摺動状態である流体潤滑、また、その遷移状態である混合潤滑の軸受特性値を得る為に、リング摺動部材12とディスク状摺動部材10の相対すべり速度と潤滑油の粘度と面圧を変化させた。
また、面粗度は触針式の形状測定機で数回計測した結果の平均値を、また凹部136の深さはレーザー顕微鏡で数回測定した結果の平均値を示している。
軸受特性数とは、潤滑油の粘度と速度を乗じたものを面圧で除した無次元数で潤滑の状態の指標である。軸受特性数が小さくなるに従って金属面が油膜で隔てられている流体潤滑領域から、油膜が薄くなり金属面の接触が発生する混合潤滑域、更に油膜が非常に少なく金属接触が過多となる境界潤滑領域へと変化する。
図3には、本実施の形態1である条件1(□印)、条件2(△印)、および従来の条件3(◇印)の結果を示している。条件1は、凹部136の開口直径が0.184mm、開口面積率が16%、摺動面138の面粗度がRa0.21、凹部136の深さが1.2μmである。条件2は、凹部136の開口直径が0.176mm、開口面積率が35%、摺動面138の面粗度がRa0.23、凹部136の深さが9.4μmである。条件3は凹み加工を行わず、従来の平滑面であり、摺動面138の面粗度はRa0.2である。
この実験結果から、一つの摺動部の中で、軸受特性数つまり負荷状態の分布に適合したディンプルの仕様を選定して摺動面に配設することにより、平滑面に比べて低い摩擦係数でかつその変動や不安定な摺動を抑制するとともに、摺動面138の摩耗状態も緩和することができることが分かる。
具体例としては、冷凍サイクル用圧縮機の1つであるレシプロ圧縮機の摺動部材が挙げられる。図4にレシプロ圧縮機の横断面図を示す。
(1)シャフト主軸151と主軸受152は片持ち軸受構造であるために、主軸受152の上下端部で片当りが起こる可能性がある。また、どちらの材質も鋳鉄製である。シャフト主軸151は、その表面にリン酸マンガン皮膜処理がなされ、シャフト主軸151の方が主軸受152に比べやや硬度が低い。シャフト主軸151の摺動面及び摺軸受け152の摺動面は、ともに面粗度Ra0.5以下に仕上げられている。
(2)スラスト軸受部153に関して、冷媒の吸入圧縮行程においてクランクシャフトが主軸受152内で傾くことで、シャフト主軸151側のスラスト摺動面154と主軸受152側のスラスト摺動面155の外周側で片当りが起こる可能性があるとともに、平面接触のため油膜圧力が発生し難い。また、シャフト主軸151側のスラスト摺動面154及び主軸受152側のスラスト摺動面155のいずれも鋳鉄製で、主軸側のスラスト摺動面154は一般的にリン酸マンガン皮膜処理がなされ、シャフト主軸151側のスラスト摺動面154の方がやや硬度が低い。スラスト摺動面154、155は、ともに面粗度Ra0.5以下に仕上げられている。
(3)シャフト偏心軸156とコンロッド大端孔157に関して、冷媒の吸入圧縮行程においてコンロッド大端孔157の上下端部で片当りが起こる可能性がある。シャフト偏心軸156が鋳鉄製で、コンロッド158がアルミ合金製であり、シャフト偏心軸156の面及びコンロッド大端孔157の面は、ともに面粗度Ra0.5以下に仕上げられている。
(4)ピストンピン159とコンロッド小端孔160に関して、ピストンピン159がコンロッド小端孔160内で揺動運動するので油膜が一定方向の回転運動に比べて形成され難く、かつ摺動面積が他の摺動部に比べて小さく面圧が高くなる。ピストンピン159がクロム鋼製で、コンロッド158がアルミ合金製である。ピストンピン159の摺動面及びコンロッド小端孔160の摺動面は、ともに面粗度Ra0.5以下に仕上げられている。ピストンピン159は一般的に表面焼入されているかあるいは窒化処理などで表面硬化がなされている。
(5)ピストン161とシリンダボア162に関して、冷媒の吸入圧縮行程においてクランクシャフト163が主軸受152内で傾き、ピストンがレシプロ圧縮機150を横から見て上下方向に傾斜することでピストン161の上下端部で片当りが起こる可能性がある。ピストン161は焼結鉄製で、表面にリン酸マンガン処理がなされている。一方のシリンダボア162は鋳鉄製であり、ピストン161に比べてやや硬度が低い。ピストン161の摺動面及びシリンダボア162の摺動面は、ともに面粗度Ra0.5以下に仕上げられている。
(1)シャフト主軸171と主軸受172、シャフト副軸173と副軸受174に関して、主軸受172、副軸受174の端部にて片当りが起こり易い。シャフト主軸171とシャフト副軸173は一体成型であり鋳鉄製で、シャフト主軸171の摺動面及びシャフト副軸173の摺動面にはリン酸マンガン皮膜処理がなされている。一方の主軸受172、副軸受174は焼結鉄製であり、シャフト主軸171、シャフト副軸173に比べて硬度が低い。主軸受172の摺動面及び副軸受174の摺動面は、ともに面粗度Ra0.5以下に仕上げられている。
(2)ベーン側面175とシリンダベーン溝176については往復動なので油膜圧力が発生し難い。ベーン側面175は合金鋼製で、シリンダベーン溝176は鋳鉄製である。ベーン側面175は面粗度Ra0.5以下に、シリンダベーン溝176はRa1.0以下に仕上げられている。
(3)ベーン先端177とローラ178については線接触摺動で面圧が極めて高くなる。ベーン先端177は合金鋼製で、その摺動面(先端)にはPVD、あるいはCVDによるセラミックス皮膜が形成され硬質化されている。一方のローラ178は鋳鉄製である。ベーン先端177の摺動面及びローラ178の摺動面は、ともに面粗度Ra0.5以下に仕上げられている。
(1)シャフト主軸181と主軸受182、シャフト偏心軸183と偏心軸受184、シャフト副軸185と副軸受186については構造上、主軸受182、偏心軸受184、副軸受186の上下端部で片当りが起こり易い。シャフト主軸181、シャフト偏心軸183、シャフト副軸185はいずれも表面硬化された合金鋼製である。一方の主軸受182、偏心軸受184、副軸受186はいずれも裏金を金属とした樹脂とカーボンの複合材である。シャフト主軸181の摺動面、シャフト偏心軸183の摺動面、及びシャフト副軸186の摺動面は、いずれも面粗度Ra0.5以下に仕上げられている。
(2)固定スクロール188と、主軸受182側から圧縮ガスで固定スクロール188に押し付けられている旋回スクロール189との間に形成されるスラスト軸受面190については平面接触のために油膜圧力が比較的発生し難い。また、スクロール圧縮機の特徴で外周部は低圧、内周部は高圧となるため、スラスト軸受面190は、荷重が変化しやすい摺動面である。固定スクロール188が鋳鉄製で、旋回スクロール189はアルミニウム合金製である。固定スクロール188の摺動面及び旋回スクロール189の摺動面は、とも面粗度Ra0.5以下に仕上げられている。
また、運転後の凹部内の観察から、磨耗によって発生する微小な粉が確認されたことにより、ディンプルは磨耗によって発生した粉の捕捉にも効果を発揮していると考えられる。
この様に、摺動面の負荷の状態により適切なディンプルを設けることにより、性能と信頼性が高いスクロール圧縮機を実現することができる。
これに対し、比較的潤滑状態が厳しくない領域では開口面積が多目で凹部深さが深目の凹部を設ける。これにより、平滑面の面積を減少することができ、潤滑油の粘性抵抗が低くなるとともに凹部に保持された潤滑油が平坦部に滲み出ることで摩擦損失や摩耗を低減できるので、従来の凹部を設けた摺動部材より摩擦損失や摩耗を低減することができる。
Claims (3)
- 互いの摺動面を摺動する2つの摺動部材を有し、少なくとも一方の前記摺動面に、ディンプル状の複数の凹部を設け、前記凹部の形状又は前記凹部による開口面積率が領域により異なる摺動部材であって、
前記領域として、第1の領域と第2の領域とを有し、
前記第1の領域が、前記第2の領域よりも前記摺動面同士が接触する場合に、
前記第1の領域に形成される前記凹部の前記凹部深さを1〜3μm、
前記第2の領域に形成される前記凹部の前記凹部深さを3〜10μm
とし、
前記第1の領域における前記開口面積率を10〜25%、前記第2の領域における前記開口面積率を20〜50%とし、
前記第1の領域における前記凹部の開口寸法を、前記第2の領域における前記凹部の開口寸法よりも大きくしたことを特徴とする摺動部材。 - 前記凹部の開口面が略円形であることを特徴とする請求項1に記載の摺動部材。
- 前記摺動部材が、レシプロ圧縮機、ロータリー圧縮機、又はスクロール圧縮機に用いられる部材であることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の摺動部材。
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