JP7431583B2 - 軸受に結合されたシャフトを備える機械システムおよびかかるシステムを製造する方法 - Google Patents
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Description
軸受の少なくとも2倍の表面硬度を有する焼き付き防止表面コーティングと、
前記領域内に分布する個別のマイクロキャビティのセットにより形成されたマイクロテクスチャと、
を備えることを特徴とする、機械システムである。
シャフトの焼き付き防止表面コーティングは、軸受の少なくとも3倍の表面硬度を有する。
シャフトの焼き付き防止表面コーティングは、軸受の少なくとも6倍の表面硬度を有する。
マイクロキャビティのそれぞれが、15~100μmの間の最大長さと、50nm~100μmの間の深さとを有する。したがって、マイクロキャビティの深さは、表面コーティングの厚さよりも選択的により大きいまたはより小さい場合がある。
マイクロキャビティのそれぞれが、深さと最大長さとの間の比率として定義される1以下の形状比率を有する。
マイクロキャビティは、5~30%の間の表面密度で前記領域内に分布し、この表面密度は、マイクロキャビティを備える前記領域の総面積に対するマイクロキャビティにより占められる総面積の比率として定義される。
外方マイクロキャビティの深さは、表面コーティングの厚さ未満である。換言すれば、外方マイクロキャビティは、コーティングの厚さに制約される。
外方マイクロキャビティの深さは、表面コーティングの厚さを超える。換言すれば、外方マイクロキャビティは、コーティングの下方のシャフトのベース材料中へと貫入し得る。
マイクロキャビティの全てが、同様の寸法(深さおよび長さまたは直径)を有する同一の幾何学形状を有する。実際には、マイクロキャビティの寸法間における同様性の度合いは、利用されるマイクロテクスチャ加工プロセスの精度に依存する。本発明の文脈内において、マイクロキャビティは、寸法偏差がマイクロキャビティの平均寸法の2倍(X2=+100%)と半分(2で除算=-50%)との間に留まる場合には、同様の寸法を有するものとする。一例として、この定義は、次の小数点位置のオーダ(X10=+900%)または前の小数点位置のオーダ(10で除算=-90%)の寸法偏差を排除する。
マイクロキャビティの全てが、第1の幾何学形状を有する第1のタイプのマイクロキャビティと、異なる形状および/または寸法を有する、第1の幾何学形状とは異なる第2の幾何学形状を有する第2のタイプのマイクロキャビティと、を少なくとも備える。これらの形状は、特に円形、楕円形、矩形、三角形等の様々な断面に対応する。本発明の文脈において、第2のタイプのマイクロキャビティは、それらの寸法が第1のタイプのマイクロキャビティの平均寸法の2倍(X2=+100%)超または半分(2で除算=-50%)未満である場合には、異なる寸法を有するものとする。
マイクロキャビティは、材料の表面上に矩形、正方形、三角形、または六角形のマイクロキャビティ網を形成するように所定のパターンで前記ゾーン内に分布する。マイクロキャビティの中心と、所与のパターン内における隣接し合うマイクロキャビティの中心と、の間の間隔は、マイクロキャビティの長手方向寸法(長さまたは直径)の中の1つの値の1~10倍の間である。
マイクロキャビティは、ランダムパターンで前記領域内に分布する。マイクロキャビティの中心と、隣接し合うマイクロキャビティの中心と、の間の間隔は、マイクロキャビティの長手方向寸法の中の1つの値の0.1~10倍の間においてランダムに構成される。
シャフトは、表面コーティングおよびマイクロテクスチャにより完全に覆われた円筒状外方表面を有する。
シャフトは、表面コーティングおよびマイクロテクスチャにより覆われた単一の局所領域を備える円筒状外方表面を有し、この領域は、軸受に接して擦れるように意図された表面の部分を少なくとも部分的に占める。
シャフトは、表面コーティングおよびマイクロテクスチャにより覆われた複数の別個の領域を備える円筒状外方表面を有し、これらの領域は、軸受に接して擦れるように意図された表面の部分を少なくとも部分的に占める。
焼き付き防止表面コーティングは、シャフトの少なくとも2倍の表面硬度を有する。
焼き付き防止表面コーティングは、DLCタイプの無定形炭素から作製される。
焼き付き防止表面コーティングは、窒化物タイプのものである(CrN、MoN等)。
焼き付き防止表面コーティングは、炭化物タイプのものである(CrC、SiC等)。
シャフトは、ピストン内におよびクランクシャフト連結ロッドに属する軸受内に収容されたピストンシャフトである。
シャフトは、ロッカーアームに属する軸受内に収容されたロッカーアームシャフトである。
シャフトは、線形軸受内に収容されたトラニオンである。
シャフトは、クランクピン軸受内に収容されたクランクピンである。
線形軸受/クランクピン軸受は、軸受シェルを備え得る。
軸受は、鋼、銅または銅合金、アルミニウムまたはアルミニウム合金、複合材料等から作製され得る。
シャフトの前記領域内に焼き付き防止表面コーティングを施すステップからなるコーティングするステップと、
前記領域内にマイクロキャビティの全てを形成するステップからなる、マイクロテクスチャ加工するステップと、
を含むことを特徴とする、方法である。
コーティングするステップは、マイクロテクスチャ加工するステップの前に実施される。
マイクロテクスチャ加工するステップは、コーティングするステップの前に実施される。
表面コーティングは、前記領域内のみにおいて施される。
マイクロテクスチャ加工は、前記領域内のみにおいて施される。
表面コーティングは、前記領域を越えて施される。
マイクロテクスチャは、前記領域を越えて施される。
マイクロテクスチャ加工するステップは、一定の設定を維持するマイクロテクスチャ加工設備を用いて実施される。例えば、マイクロテクスチャ加工設備がレーザアブレーション機である場合には、レーザビームの同一の出力、フルエンス、反復頻度、および形状設定が、ならびにレーザビームとシャフトとの間の相対移動、レーザビームとシャフトとの間の相対速度、およびシャフトのヘッドと表面との間の距離が維持される。
マイクロテクスチャ加工するステップは、マイクロキャビティのセットが、第1のタイプのマイクロキャビティおよび異なる幾何学形状を有する第2のタイプのマイクロキャビティを少なくとも備えるように、2つの異なる設定を用いて連続的に設定されるマイクロテクスチャ加工設備を用いて実施される、または異なる設定を有する2つのマイクロテクスチャ加工設備を用いて連続的に実施される。
A 試験番号
B シャフト上のコーティングの特性
C 対抗材リングの特性
D 硬度比Hv1/Hv2
- Hv1:シャフトの焼き付き防止表面コーティングの硬度
- Hv2:シャフトの対抗材軸受の硬度
E テクスチャのタイプ
F テクスチャの密度(%)
G テクスチャの寸法(μm)
H 深さ(μm)
I 形状係数
J シャフト摩耗
K リング摩耗
L 適合(C)または不適合(NC)
M 不適合の理由
2 連結ロッド
3 第1の軸受
4 第2の軸受
5 青銅リング
6 円筒状ボア穴
10 ピストンシャフト
11 円筒状外方表面
12 領域、摩擦領域、中央領域
18 副層
20 焼き付き防止表面コーティング、コーティング、コーティング層、処理部
21 外方表面
30 マイクロテクスチャ、処理部
31 マイクロキャビティ
32 マイクロキャビティ
33 マイクロキャビティ
34 マイクロキャビティ
35 マイクロキャビティ
40 第1のマイクロテクスチャ
41 マイクロキャビティ
Claims (14)
- 内燃機関に対して備えられる、および200MPa未満の平均接触圧力を被る、軸受(4)と前記軸受(4)に対して結合されたシャフト(10)とを備える機械システム(1)において、前記シャフト(10)は、少なくとも1つの領域(12)を備え、前記少なくとも1つの領域(12)には、
Hv硬度において、前記軸受(4)の少なくとも2倍の表面硬度を有する焼き付き防止表面コーティング(20)と、
前記領域(12)内に分布する個別のマイクロキャビティ(31、32、33、34、35)のセットにより形成されたマイクロテクスチャ(30)であって、前記マイクロキャビティ(31、32、33、34、35)は、5~30%の間の表面密度で前記領域(12)内に分布し、前記表面密度は、前記マイクロキャビティ(31、32、33、34、35)を含んだ前記領域(12)の総面積に対する前記マイクロキャビティ(31、32、33、34、35)により占められた総面積の比率として定義され、前記マイクロキャビティ(31、32、33、34、35)のそれぞれが、15~100μmの間の最大長さと、50nm~100μmの間の深さと、を有する、マイクロテクスチャ(30)と、
が設けられていることを特徴とする、機械システム(1)。 - 前記シャフト(10)の前記焼き付き防止表面コーティング(20)は、前記軸受(4)の表面硬度の少なくとも3倍の表面硬度を有することを特徴とする、請求項1に記載の機械システム(1)。
- 前記シャフト(10)の前記焼き付き防止表面コーティング(20)は、前記軸受(4)の表面硬度の少なくとも6倍の表面硬度を有することを特徴とする、請求項2に記載の機械システム(1)。
- 前記マイクロキャビティ(31、32、33、34、35)のそれぞれが、前記深さと前記最大長さとの間の比率として定義される1以下の形状比率を有することを特徴とする、請求項1から3のいずれか一項に記載の機械システム(1)。
- 前記マイクロキャビティ(31、32、33、34、35)は、所定のパターンで前記領域(12)内に分布されて、矩形、正方形、三角形、または六角形のマイクロキャビティ網を表面上に形成しており、マイクロキャビティの中心と、単一パターン内における隣接し合うマイクロキャビティの中心と、の間に、前記マイクロキャビティの長手方向寸法の中の1つの値の1~10倍の間隔を有することを特徴とする、請求項1から4のいずれか一項に記載の機械システム(1)。
- 前記マイクロキャビティ(31、32、33、34、35)は、ランダムパターンで前記領域(12)内に分布されており、マイクロキャビティの中心と、隣接し合うマイクロキャビティの中心と、の間に、前記マイクロキャビティの長手方向寸法の中の1つの値の0.1~10倍の間のランダムである間隔を有することを特徴とする、請求項1から4のいずれか一項に記載の機械システム(1)。
- 前記シャフト(10)は、前記表面コーティング(20)および前記マイクロテクスチャ(30)により完全に覆われた円筒状外方表面(11)を有することを特徴とする、請求項1から6のいずれか一項に記載の機械システム(1)。
- 前記シャフト(10)は、前記表面コーティング(20)および前記マイクロテクスチャ(30)により覆われた単一の局所領域(12)を備える円筒状外方表面(11)を有し、前記領域(12)は、前記軸受(4)に接して擦れるように意図された前記表面(11)の部分を少なくとも部分的に覆っていることを特徴とする、請求項1から6のいずれか一項に記載の機械システム(1)。
- 前記シャフト(10)は、前記表面コーティング(20)および前記マイクロテクスチャ(30)により覆われた複数の別個の領域(12)を備える円筒状外方表面(11)を有し、前記領域(12)は、前記軸受(4)に接して擦れるように意図された前記表面(11)の部分を少なくとも部分的に覆っていることを特徴とする、請求項1から6のいずれか一項に記載の機械システム(1)。
- 請求項1から9のいずれか一項に記載の機械システム(1)を製造するための方法において、
前記シャフト(10)の前記領域(12)内に前記焼き付き防止表面コーティング(20)を施すステップからなる、前記シャフト(10)をコーティングするステップと、
前記シャフト(10)の前記領域(12)内に前記マイクロキャビティ(31、32、33、34)の全てを形成するステップからなる、前記シャフト(10)をマイクロテクスチャ加工するステップと、
を含むことを特徴とする、方法。 - 前記コーティングするステップは、前記マイクロテクスチャ加工するステップの前に実施されることを特徴とする、請求項10に記載の方法。
- 前記マイクロテクスチャ加工するステップは、前記コーティングするステップの前に実施されることを特徴とする、請求項10に記載の方法。
- 前記マイクロテクスチャ加工するステップは、一定の設定を維持するマイクロテクスチャ加工設備を用いて実施されることを特徴とする、請求項10から12のいずれか一項に記載の方法。
- 前記マイクロテクスチャ加工するステップは、2つの異なった設定を用いて連続的に設定されたマイクロテクスチャ加工設備を用いて実施されるか、または異なった設定を有する2つのマイクロテクスチャ加工設備を用いて連続的に実施され、これにより前記マイクロキャビティ(31、32、33、34、35)の全てが、第1のタイプのマイクロキャビティ(31)および異なった幾何学形状を有する第2のタイプのマイクロキャビティ(34、35)を少なくとも備えることを特徴とする、請求項10から12のいずれか一項に記載の方法。
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