JP6584950B2 - しゅう動部品 - Google Patents
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Description
また、特開2000−169266号公報(以下、「特許文献2」という。)に記載の発明は、焼結したセラミックス材料からなる下地材の表面に硬質皮膜を蒸着したしゅう動面を形成し、このしゅう動面に、多数のディンプルを有する構成とすることにより、耐摩耗性の向上を図ると共に、ディンプルによる液体潤滑性の向上を図るようにしたものである。
また、特許文献2に記載の発明は、しゅう動面にディンプルを設けることで液体潤滑性の向上を図るようにしたものであるが、特許文献1と同様、ディンプルの開口径のしゅう動特性(摩擦係数低減)への影響については考察されていない。
第1の特徴により、しゅう動面における軸受特性数の広い範囲においてしゅう動特性の向上、すなわち、摩擦係数の低減を図ることができる。
第2の特徴により、しゅう動面における軸受特性数の広い範囲において、より一層、しゅう動特性を向上することができる。
第3の特徴により、しゅう動面における摩擦係数を低減することができる。
第4の特徴により、しゅう動面における極低速でのしゅう動特性を良好にすることができる。
第5の特徴により、しゅう動面における密封と潤滑の両立を図ることができる。
(1)複数のディンプルは相互に他のディンプルと独立して設けられ、径の異なる複数のディンプルがランダムに分布するように配置されることにより、しゅう動面における軸受特性数の広い範囲においてしゅう動特性を向上することができる。
そして、この被密封流体をしゅう動部品1を用いて効果的にシールすることができる。例えば、このしゅう動部品1をメカニカルシール装置における一対の回転用密封環及び固定用密封環の少なくともいずれか一方に用いる。回転用密封環のしゅう動面と、これに対向する固定用密封環のしゅう動面とを密接させてしゅう動面の内外周のいずれか一方に存在する被密封流体をシールする。
また、円筒状しゅう動面の軸方向一方側に潤滑油を密封しながら回転軸としゅう動する軸受のしゅう動部品として利用することも可能である。
本例では、ディンプル2は、周方向に独立して等配されたディンプル形成域3に設けられる場合を示しているが、これに限らず、周方向に連続して設けられてもよい。また、本例では、しゅう動部品1は炭化珪素(SiC)より形成した。
そして、しゅう動面Sに形成された多数のディンプル2は、このしゅう動面Sと相対しゅう動する相手側しゅう動面との間に流体力学的な潤滑液膜として介入する液体の一部を保持して、潤滑液膜を安定化させる機能を有するものである。
図2において、しゅう動面に形成された複数のディンプル2は、相互に他のディンプルと独立して設けられ、開口径の異なる複数のディンプルがランダムに分布するように配置されている。ディンプルの開口径のランダム分布の手法として、本例では、乱数を使用して決定し、しゅう動面に一様に分布、すなわち、開口径の異なるディンプルの分布がしゅう動面の全体にわたって一様になるように設定した。
(1)乱数を用いて金属マスクにあける孔の径と位置とを決定する。
(2)決定された径と位置とで金属マスクにレーザ加工などで孔をあける。
(3)ランダムに孔のあけられた金属マスクを対象となるしゅう動部品のしゅう動面上に設置する。
(4)金属マスクの上からフェムト秒レーザを照射したり、イオンエッチングなどで金属マスクの孔を利用してしゅう動面にディンプルを形成する。しゅう動面には、開口径の異なるディンプルが所定の分布でもって一様に配置される。
本例では、複数のディンプル2の開口径は、30〜100μmの範囲に分布されている。また、開口径の小さいディンプル2の方が開口径の大きいディンプル2よりも相対的に多く分布している。
複数のディンプル2の開口径のランダムに分布は、しゅうどう面の軸受特性数G(流体の粘度×速度/荷重)などに応じて設定されるものであり、図3は、開口径が30〜100μm混合ディンプルにおける好適な一例を示したものである。
実施例においては、ディンプル2の開口径が30〜100μmの範囲にランダムに分布された混合ディンプルを用いた。
また、比較例として、ディンプル2の開口径がそれぞれ50μm、75μm及び100μmの3種類であって、しゅう動面に一様に分布された単一のディンプルを用いた。
さらに、複数のディンプル2の深さは、実施例及び比較例共に、極低速でのしゅう動特性が良好な100nmを採用した。
なお、複数のディンプル2の深さは、摩擦係数低減の面から50〜1000nmの範囲内に設定されることが好ましいが、極低速でのしゅう動特性を重視する場合には、100〜200nmの範囲内に設定されることが好ましい。
また、密封と潤滑の両立を図るため、複数のディンプルのしゅう動面に対する面積率は40%を採用したが、これに限らず30〜50%でもよい。
図4において、試験における回転数域において、ディンプルの開口径がφ50μm、φ75μm、φ100μmの比較例においては、軸受特性数Gの値が7.6×10−8を超える範囲で、ディンプルの開口径が大きいほど摩擦係数が下がることが分かる。また、各ディンプルの開口径において、流体潤滑遷移点(以下、「Gc点」という。)が存在し、φ50μm、φ75μm、φ100μmの比較例においては、ディンプルの開口径が小さくなるほどGc点が低G側にシフトし、さらにGc点における摩擦係数が低くなっていることが分かる。
また、ディンプルの開口径がφ30〜100μm混合の実施例においては、G値が約6.0×10−8を超える範囲では、径がφ100μmの時とほとんど同じ摩擦係数を示し、それ以下では、Gc点の低G側へのシフト化、さらにGc点における摩擦係数が低下しており、広い範囲の回転数域で摩擦係数低減に効果があることが分かる。
なお、本試験において試験中にしゅう動面からの漏れは生じていない。
試験機10の本体部分には、固定環11をバネ12を介して非回転状態に支持するケーシング13と、このケーシング13の内周に回転自在に挿通された回転軸14と、この回転軸14の外周に支持された、固定環11と軸方向に対向される回転環15とを備え、回転環15、ケーシング13、回転軸14で囲まれた密封空間には密封対象液Lが封入される。
(1)試験における回転数域において、ディンプルの開口径がφ50μm、φ75μm、φ100μmの比較例においては、軸受特性数Gの値が7.6×10−8を超える範囲で、ディンプルの開口径が大きいほど摩擦係数が下がり、また、ディンプルの開口径が小さくなるほど流体潤滑遷移点(以下、「Gc点」という。)が低G側にシフトし、さらにGc点における摩擦係数が低くなる傾向を持つのに対し、ディンプルの開口径がφ30〜100μm混合の実施例においては、G値が約6.0×10−8を超える範囲では、径がφ100μmの時とほとんど同じ摩擦係数を示し、それ以下では、Gc点の低G側へのシフト化、さらにGc点における摩擦係数が低下しており、広い範囲の回転数域で摩擦係数低減に効果がある。
(2)複数のディンプル2の深さは、摩擦係数低減の面から50〜1000nmの範囲内に設定されることが好ましいが、100〜200nmの範囲内に設定することにより、極低速でのしゅう動特性を良好にすることができる。
(3)複数のディンプルのしゅう動面に対する面積率を30〜50%の範囲内に設定することにより、密封と潤滑の両立を図ることができる。
2 ディンプル
3 ディンプル形成域
4 シール面
10 試験機
11 固定環
12 バネ
13 ケーシング
14 回転軸
15 回転環
16 軸受部分
17 トルクメータ
18 ロードセル
S しゅう動面
Claims (4)
- 一対のしゅう動部品の互いに相対しゅう動する少なくとも一方側のしゅう動面にディンプルが複数配置された被密封流体をシールするしゅう動部品において、開口径の異なる複数のディンプルが、開口径の小さいディンプルの方が開口径の大きいディンプルよりも相対的に多く分布するように、相互に他のディンプルと独立してディンプル形成領域に設けられ、前記ディンプル形成領域は、高圧流体側とは連通し、低圧流体側とは隔離されていることを特徴とするしゅう動部品。
- 前記複数のディンプルは、周方向に独立して等配された前記ディンプル形成領域に設けられていることを特徴とする請求項1記載のしゅう動部品。
- 前記複数のディンプルは、深さが50〜1000nmの範囲に設定されることを特徴とする請求項1又は2記載のしゅう動部品。
- 前記複数のディンプルのしゅう動面に対する面積率が30〜50%であることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載のしゅう動部品。
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