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

Description

本発明は、特に内燃機関に対して備えられる、シャフトを受ける軸受に対して結合されたシャフトを備える機械システムに関する。また、本発明は、かかるシステムを製造するための方法に関する。

本発明の分野は、回転運動または振動運動を行うシャフトを固定するための機械システムの分野である。非限定的な一例としては、本発明は、ピストンシャフトまたはロッカーアームシャフトを備えるシステムなどの、特に自動車分野において内燃機関に対して備えられるシャフト－軸受システムに関する。

過酷な繰り返される応力にさらされるかかるトライボシステムにおいて観察される主な問題は、軸受と軸受を貫通するシャフトとの間における接触表面摩耗現象に関する。

従来的には、ピストンシャフトは、表面粗度が低くＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）コーティングを有する鋼から作製され、軸受のボア穴は、銅合金リングを任意に備える。代替的には、軸受のボア穴は、鋼もしくはアルミニウム合金、または複合材料から作製され得る。

シャフトに関しては、表面劣化は、コーティングにおける軽度の摩耗の形態をとり、これは、場合によっては焼き付きをもたらす恐れがある。軸受に関しては、そのような損傷は、パーツ間の空間拡張をもたらす摩耗の形態をとる。

この空間が過度に大きくなると、機関は、騒音がうるさくなり、最終的にあまり良好には機能しなくなる。したがって、２つの対向し合う表面が摩耗状態にならないことが重要であり、そのため焼き付き防止コーティングがその役割を果たし、これらの間の空間が維持される。

この空間を維持するために、これらの問題の中の１つは、焼き付き防止コーティングがはるかにより軟質の金属軸受よりも硬いことから生じる。この問題を改善するための１つの既知の工業的制約は、パラメータＲＰｋと呼ばれる場合のあるピーク粗度係数を最小限に抑えることである。最新技術では、この焼き付き防止コーティングは、０．０８μｍ未満のＲＰｋを有さなければならない。

今日まで、シャフト上のＤＬＣコーティングに対する損傷のこの問題は、完全には解決されていない。

潤滑性を促進するために、一般的には油である潤滑剤リザーバ機能を有するボア穴中においてマクロ機械加工を実施することが知られている。これにより、シャフトとボア穴との間の接触界面における摩擦によって発生するカロリーを放散するのに十分な油が追加されることを確保することが可能となる。

さらに、ミクロンサイズ表面構造物が、接触表面に発生するデブリを捕捉するために使用され得る。これにより、シャフトまたは軸受の表面に由来する粒子に関連するアブレシブ摩耗を限定することが可能となる。

特許文献１は、焼き付き防止表面コーティングを備えるシャフトの一例を説明している。この文献は、ピークおよびピットを備える表面粗度について説明しており、これらのピークおよびピットは、相互に対してリンクされる。換言すれば、この文献は、個別のマイクロキャビティのセットにより形成されるマイクロテクスチャに関する記述はない。

特許文献２は、内燃機関に対して備えられる、軸受および軸受に対して結合されたシャフトなどの２つの摺動要素を備える機械システムについて説明している。例として、この軸受は、ＣｕＰｂ、ＡｌＳｉＳｎ、または同様の合金から作製される。これらの摺動要素の中の少なくとも一方が、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を備える。この文献内で述べられている唯一のコーティング例が、ＭｏＳ２であり、かかるコーティングの使用は、高価であり、摩耗により十分な耐久性を実現することができないと述べられている。この文献は、コーティングのこの使用が十分な解決策であるとはみなしておらず、マイクロキャビティの代替を模索している。

特許文献３は、クランクシャフト連結ロッドに対して関節連結されたピストンシャフトを備える、内燃機関に対して備えられる機械システムの別の例を説明している。このピストンシャフトは、ＤＬＣタイプコーティングおよび表面テクスチャを備え、この表面テクスチャは、潤滑剤排出チャネルを形成する溝と、交差し合う細溝のセットとを備える。したがって、かかるテクスチャは複雑であり、実現が高価となる。さらに、この文献は、実現される性能に関してもテクスチャのサイジングに関する数値に関しても実証試験を含んでいない。

特許文献４は、接触表面同士が相互に接してこすれ合う２つの要素を備える、内燃機関に対して備えられる機械システムの別の例を説明している。第１の要素が、クランクシャフトトラニオンまたはピストンシャフトであり、第２の要素が、連結ロッドボア穴である。

好ましくは、これらの要素の中の１つが、乾式潤滑特性を有する表面コーティングを備え、他方の要素が、コーティングからのデブリおよび／または追加の液体潤滑剤を捕捉するように意図された空洞部を備える。特定の一実施形態では、両方の要素が、空洞部を備える。

この文献もまた、実現される性能を実証する試験を示していない。さらに、この文献は、使用時に十分な性能を実現するための空洞部の寸法特徴について具体的に述べていない。

したがって、上記の解決策の有効性は、問題となっている用途に関して実証されていない。さらに、それらの解決策は、大きな作製コストを共にもたらし得る。

欧州特許出願公開第１４１１１４５号明細書 米国特許出願公開第２００３／１２８９０３号明細書 仏国特許出願公開第２９７４３９９号明細書 国際公開第２００７／０３１１６０号パンフレット

本発明の目的は、焼き付きおよび摩耗に対する耐性に関する十分な解決策を提案することである。

このために、本発明の１つの目的は、特に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、軸受と軸受に対して結合されたシャフトとを備える機械システムにおいて、シャフトが、少なくとも１つの領域を備え、この少なくとも１つの領域が、
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。

単独でまたは組合せで考慮される本発明の他の有利な特徴によれば、
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。

本発明のさらなる目的は、上述のものなどの機械システムを製造するための方法であって、
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。

かかる方法の種々の実施形態によれば、
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。

予期せぬことに、軸受に対して結合されたシャフトを備える機械システムが動作する接触圧力、すなわち２００ＭＰａ未満の平均接触圧力の場において、マイクロキャビティの深さは、本文献の他の箇所に示される耐焼き付き性および耐摩耗性の改善を低下させることなく、コーティングの厚さを上回るまたは下回るものであることができる。同様に、コーティングするステップおよびマイクロテクスチャ加工するステップが実施される順序は、本発明により実現される性能改善に対する影響を有さない。

本発明は、非限定的な例として専ら提示され添付の図面を参照とする以下の説明を読むことによりさらによく理解されよう。

本発明に準拠する連結ロッドおよびピストンシャフトを備える、本発明による機械システムの斜視図である。 図１の矢印ＩＩに沿ったシャフトの立面図である。 図２の線ＩＩＩ－ＩＩＩに沿った断面図である。 図３の詳細部ＩＶの拡大図である。 本発明の第２の実施形態に関する、図４と同様の図である。 本発明の第３の実施形態に関する、図４と同様の図である。 本発明の第４の実施形態に関する、図２と同様の図である。 本発明の第４の実施形態に関する、図３と同様の図である。 本発明の第５の実施形態に関する、図２と同様の図である。 本発明の第５の実施形態に関する、図３と同様の図である。 本発明の第６の実施形態に関する、図２と同様の図である。 本発明の第６の実施形態に関する、図３と同様の図である。 マイクロテクスチャ代替的な一実施形態を示す詳細図である。 マイクロテクスチャ代替的な一実施形態を示す詳細図である。 マイクロテクスチャ代替的な一実施形態を示す詳細図である。 マイクロテクスチャ代替的な一実施形態を示す詳細図である。 マイクロテクスチャ代替的な一実施形態を示す詳細図である。 マイクロテクスチャ代替的な一実施形態を示す詳細図である。

図１～図４は、自動車の内燃機関に対して備えられるように設計された、本発明による機械システム１を示す。

機械システム１は、同様に本発明による連結ロッド２およびピストンシャフト１０を備える。

連結ロッド２は、第１の軸受３を形成する大型端部と、第２の軸受４を形成する小型端部と、を備え、この第２の軸受４は、円筒状ボア穴６を画定する青銅リング５を備える。

ピストンシャフト１０は、軸受４の中に、より具体的には青銅リング５のボア穴６の中に設置されるように意図される。

代替的には、軸受４はリング５を有さなくてもよい。その場合には、シャフト１０は、軸受４のボア穴内に直接的に収容される。

ピストンシャフト１０は、ＤＬＣ無定形炭素から作製された焼き付き防止コーティング２０の薄層を備える円筒状外方表面１１を備える。代替的には、このコーティング２０は、窒化モリブデンＭｏＮもしくはＭｏ_２Ｎから、または任意の他の焼き付き防止材料から作製され得る。

コーティング２０は、トライボロジー機能を有する表面硬化処理部を構築する。このコーティング２０は、非処理シャフトと比較した場合に、シャフト１０の耐焼付き性を改善することが可能である。換言すれば、コーティング２０は、表面１１よりも良好な耐焼付き性を有する外方表面２１を有する。

さらに、コーティング２０は、シャフト１０の表面１１よりも高い表面硬度を有する。好ましくは、コーティング２０は、表面１１の少なくとも２倍の硬さを有する。

さらに、コーティング２０は、シャフト１０の表面よりも高い表面硬度を有する。好ましくは、コーティング２０は、表面１１の少なくとも２倍の硬さを有する。

さらに、コーティング２０は、軸受４のボア穴６よりも高い表面硬度を有する。好ましくは、コーティング２０は、軸受４の少なくとも２倍の硬さを有する。

したがって、コーティング２０は、連結ロッド２の軸受４内におけるピストンシャフト１０の焼き付きを回避させることが可能である。

ピストンシャフト１０は、表面１１とコーティング２０との間に形成された副層１８を備える。非限定的な例としては、副層１８は、クロムまたは窒化クロムから構成され得る。

ピストンシャフト１０は、表面１１上に均等に分布した個別のマイクロキャビティ３１（マイクロメートルスケールの空洞部）のセットにより形成された外方マイクロテクスチャ３０をさらに備える。マイクロテクスチャ３０は、コーティングされたシャフト１０および軸受４の摩耗速度を低減するように意図される。実際問題として、摩耗速度の低減は、コーティング２０の焼き付き防止特性を保持し、シャフト１０と軸受４との間の隙間を維持し、したがって機械的機能を保持するための主要な課題である。

マイクロキャビティ３１は、表面１１上に不連続外方パターンを形成する。マイクロキャビティ３１は、円形断面を有するドーム形状の同一形状を有して、ドームの縁部から中心にかけて深度が浅くなる領域を画定する。

図４に示すように、マイクロテクスチャ３０は、マイクロキャビティ３１がコーティング２０の表面２１にて開口するように、コーティング層中に形成される。

マイクロキャビティ３１のそれぞれが、略均等な寸法を有し、これらの寸法は、レーザビームの精度を前提とすれば極めて若干異なる。本発明の文脈内においては、マイクロキャビティ３１は、寸法偏差がマイクロキャビティ３１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。

所望の性能を実現するために、マイクロキャビティ３１は、１５～１００μｍの間の直径と、５０ｎｍ～１００μｍの間の深さとを有する。これらの寸法が前出のものよりも大きいまたは小さい場合には、軸受４内におけるシャフト１０のトライボロジー挙動は不十分なものとなる。

有利には、マイクロキャビティ３１のそれぞれが、１以下の形状比率を有する。深さと最大長さとの間の比率として定義されるこの形状比率は、シャフト１０上の焼き付き防止コーティング２０の摩耗速度と、軸受４の摩耗とを効果的に低減させるのに最適である。

さらに、マイクロキャビティ３１は、５～３０％の間の表面密度を有しつつ表面１１にわたって分布する。この表面密度は、表面１１の総面積に対する、マイクロキャビティ３１により占められる表面１１の面積の比率として定義される。

実際には、最初に副層１８が、例えば反応性マグネトロンカソードスパッタリングまたは非反応性マグネトロンカソードスパッタリングなどにより表面１１に対して施される。

次に、コーティング層２０が、例えば物理気相堆積（ＰＶＤ）プロセスまたはプラズマ支援化学気相堆積（ＰＡＣＶＤ）プロセスによる真空堆積などにより層１８に対して施される。

最後に、マイクロテクスチャ３０が、ＬＡＳＥＲ（誘導放射放出による光増幅）プロトコル、より具体的にはいわゆるレーザアブレーションを利用して、コーティング２０の表面２１上に決定論的に施される。

代替的には、マイクロテクスチャ３０は、塑性変形複製により（例えば実施されるべきマイクロテクスチャのポジパターンを有するツールを用いて）、化学処理により（ゲートもしくはマスクを用いて）、または形状、寸法、密度、および分布に関するマイクロテクスチャ３０の所望の特徴を実現することを可能にする任意の他の技術により決定論的に施され得る。

図１から図４の例では、表面１１は、コーティング２０およびマイクロテクスチャ３０により完全に覆われる。換言すれば、全表面１１が、コーティング２０およびマイクロテクスチャ３０を備える摩擦領域１２を形成する可能性が高い。

内燃機関のクランクシャフト連結ロッド内のピストンシャフトのトライボシステムをシミュレーションするように設計された、ピストンシャフト専用のテストベッドにおいて、一連の試験を実施した。これらの試験は、種々の構成の材料およびマイクロテクスチャ寸法を伴う。試験される様々な解決策を識別するためにプロトコルを導入した。

試験ごとに、試験されるシャフトを、６３５ＨＶの表面硬度を有する焼き入れ低合金鋼から作製した。シャフトおよび軸受は、２０±５μｍの直径方向隙間を有しつつ、２５ｍｍの直径を有する。軸受の幅は１９ｍｍである。軸受は、シャフト１０の対向側においてリング５を備える。

いくつかのシャフトは、０．７μｍ厚の窒化クロム副層の上に、２μｍ厚を有する水素化されたａ－Ｃ：ＨタイプのＤＬＣ無定形炭素を有する。他のシャフトは、約０．３μｍ厚のＣｒ副層上に、０．７μｍ厚を有する水素化されないｔａ－ＣタイプのＤＬＣ無定形炭素コーティングを有する。ＤＬＣ ａ－Ｃ：Ｈコーティングとシャフトとの硬度比は、３．５であり、ＤＬＣ ｔａ－Ｃコーティングとシャフトとの硬度比は、７である。

マイクロテクスチャは、フェムト秒レーザにより作製されたドーム形状マイクロキャビティから形成される。

これらの試験は、１５ｋＮの荷重にて、すなわちアルミニウム、銅、および鋼または被覆鋼の対抗材のそれぞれに関して３７ＭＰａ、４５ＭＰａ、および５２ＭＰａの印加ヘルツ圧力にて、１８０℃に加熱された環境内で実施される。各試験の持続時間は４時間である。

これらの試験は、以下のＴａｂｌｅ １（表１）、Ｔａｂｌｅ ２（表２）、およびＴａｂｌｅ ３（表３）に詳細を示す。

Ｔａｂｌｅ １（表１）は、接触状態にある表面材料同士の影響を示す。より具体的には、この表は、材料間の硬度比、表面の所見、ならびに存在する場合にはコーティングに対する損傷およびシャフトおよび／または軸受に対する摩耗を示す。試験される表面は、マイクロテクスチャを備えていない。シャフトコーティングの硬度および軸受の硬度により定義される硬度比は、１～２０の間で変動する。

様々な構成の非テクスチャ材料はいずれも、不適合である。この不適合は、コーティング硬度Ｈｖ１が軸受の表面の硬度Ｈｖ２の少なくとも２倍である場合に、このシャフトに対するコーティング摩耗に関し得る（試験１～３、試験５）。硬度比Ｈｖ１／Ｈｖ２の硬度比が１以下である場合には、シャフトに対するコーティングの剥離と、軸受の１５μｍ深さの摩耗とが、やはりその構成を不適合なものにする（試験４）。

これらの例は、平滑表面により生ずる問題と、対抗材の硬度比の影響とを示す。

Ｔａｂｌｅ ２（表２）は、５～１６．７の硬度比を有するコーティングされたシャフトに関するマイクロテクスチャ密度の影響を示す。直径５０μｍおよび深さ５００ｎｍのマイクロキャビティが、シャフト上に作製される。

５～３０％の密度（試験６～１１、試験１４～１７、および試験１９～２２）は、シャフトコーティングに関する非常に低い摩耗（＜０．１μｍ）を示し、これは、本発明により達成される有利な効果を示す。同時に、この摩耗は、軸受において測定不可能である。したがって、試験６～１１、試験１４～１７、および試験１９～２２のマイクロテクスチャは、軸受を構成する材料の性質とは無関係に、軸受の損傷に至ることなくコーティングされたシャフトに対して保護を与える。

他方で、３０％超の密度に関しては（試験１２、試験１３、試験１８、および試験２３）、著しい摩耗が軸受に観察され、そのためこれらの構成は不適合に分類される。

Ｔａｂｌｅ ３（表３）は、マイクロテクスチャの寸法パラメータ、すなわちマイクロキャビティのサイズ（より大きな長さ）および深さの影響を示す。

５００ｎｍ～５０μｍの深さに対して５０～９０μｍで変動する最大寸法を有するマイクロテクスチャを用いて実施された試験２４～３２は、本発明の基準に適合する。これらの試験に関して、非常に少ない摩耗（＜０．１μｍ）がシャフトコーティングにおいて測定される。

最大寸法に関して１００μｍ超のサイズのマイクロテクスチャを用いて実施した試験３３および試験３４は、試験３３および試験３４に関するシャフトにおけるコーティング摩耗の観察を可能にし、これにより、試験３３および試験３４は本発明とは不適合となる。

試験３６は、特許文献３に記載されるマクロテクスチャを用いて実施される。この試験は、４μｍの軸受摩耗と、少なくとも０．２μｍのシャフト摩耗とに起因する不適合を示す。この文献に記載されるテクスチャは、本発明に望まれる基準、すなわちシャフトおよび軸受のコーティングを摩耗から保護するという基準を満たさない。

結果を示す表における列に割り当てられた記号一覧
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

本発明による機械システム１に対して備えられるシャフト１０の他の実施形態が、図５～図１８に示される。シャフト１０の一部を形成するいくつかの要素は、上述の第１の実施形態のものと同等であり、単純化のために同一の参照数字を有する。

図５は、表面１１とコーティング２０との間に副層を有さないシャフト１０を示す。

図６は、コーティングステップの前にマイクロテクスチャ加工ステップが実施されるシャフト１０を示す。マイクロキャビティ４１の形態の第１のマイクロテクスチャ４０は、シャフト１０の表面１１に対して施される。次いで、コーティング２０の薄層が、表面１１に対して施されることにより、コーティングの表面２１が、マイクロキャビティ４１の上方に位置し略同一の幾何形状を有するマイクロキャビティ３１によって形成されるマイクロテクスチャ３０を有する。より具体的には、コーティング２０の施工後に、結果的に得られるマイクロキャビティ３１は、最初のマイクロキャビティ４１と比較した場合に、コーティング２０が施された場合には非常にわずかに異なる寸法を有しつつほぼ同一形状を有する。

図７および図８は、表面１１がコーティング２０により完全に覆われる一方で、マイクロテクスチャ３０が表面１１の１つの中央領域１２においてのみ実施されたシャフト１０を示す。実際には、シャフト１０とボア穴６との間の接触界面は、この領域１２に位置する。したがって、この領域１２にマイクロテクスチャ３０を限定することにより、シャフト１０の持続期間の短縮および製造コストの削減が可能となる。

図９および図１０は、本発明にしたがって処理された２つの別個の領域１２を備えるシャフト１０を示す。領域１２は、２つの対頂角セクタにおいてシャフト１０の中央部分に位置する。各領域１２は、コーティング２０およびマイクロテクスチャ３０を備え、一方で表面１１の残りの部分は、処理部２０および３０を有さず、しかし他の処理を受ける。例えば、各角度セクタが、１５°～１６０°の間の角度に沿って延在してもよい。代替的には、シャフト１０は、例えば１５°～２４０°の間の角度セクタなどに沿って延在する単一の領域１２を備えてもよい。

図１１および図１２は、処理部２０および３０が中央領域１２のみにおいて施され、一方で表面１１の残りの部分が処理部２０および３０を有さず他の処理を受け得るシャフト１０を示す。

本発明の文脈において、「領域１２」は、コーティング２０およびマイクロテクスチャ３０の両者により覆われるシャフト１０の表面として定義される。コーティング２０は、前記領域１２を越えて延在し得る。同様に、マイクロテクスチャ３０は、前記領域１２を越えて延在し得る。

好ましくは、領域１２は、シャフト１０と軸受４との間の摩擦領域に対応する。この領域１２は、変更され得る長さにて摩擦領域を越えて延在してもよい。また、領域１２は、摩擦領域の一部のみに対応してもよい。この場合には、摩擦領域の残りの部分は、コーティング２０のみによって覆われてもよく、またはマイクロテクスチャ３０のみによって覆われてもよく、または全く変更されなくてもよい。

図１３は、矩形断面を有する長尺細溝の形態のマイクロキャビティ３２から形成されたマイクロテクスチャ３０を示す。

図１４は、三角形断面を有するマイクロキャビティ３３から形成されたマイクロテクスチャ３０を示す。

図１５は、楕円形断面を有するマイクロキャビティ３４から形成されたマイクロテクスチャ３０を示す。

図１６は、２つの異なるタイプのマイクロキャビティ３１および３５から形成されたマイクロテクスチャ３０を示す。マイクロキャビティ３１および３５は、円形断面を有するが、マイクロキャビティ３１の直径は、マイクロキャビティ３５の直径よりも大きい。マイクロキャビティ３１および３５は、異なる寸法を有する。

本発明の文脈では、第２のタイプのマイクロキャビティ３５は、それらの寸法が第１のタイプのマイクロキャビティ３１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、それぞれ異なる寸法を有するものとする。本例では、マイクロキャビティ３５の直径は、マイクロキャビティ３１の直径の半分未満である。

図１７は、２つの異なるタイプのマイクロキャビティ３１および３４から形成されたマイクロテクスチャ３０を示す。マイクロキャビティ３１は円形断面を有し、マイクロキャビティ３４は楕円形断面を有する。マイクロキャビティ３１および３４は、異なる形状を有する。

図１６および図１７においては、異なるタイプのマイクロキャビティが、規則的な列をなして交互に分布する。代替的には、異なるタイプのマイクロキャビティが、他の幾何学的パターンで決定論的に分布してもよい。

図１８は、ランダムにおよび所定パターンをなさずに分布したマイクロキャビティ３１から形成されたマイクロテクスチャ３０を示す。非限定的な一例として、かかるランダムパターンは、ショットピーニングプロセスにより実現され得る。

図１６および図１７では、異なるタイプのマイクロキャビティが、規則的な列をなして交互に分布する。代替的には、異なるタイプのマイクロキャビティが、他のパターンで決定論的に分布しても、または図１８におけるようにランダムに分布してもよい。

実施形態に関わらず、機械システム１は、軸受４とシャフト１０との間の界面に２００ＭＰａ未満の平均接触圧力下で動作するように意図され、このシャフト１０は、少なくとも１つの領域１２を備え、この少なくとも１つの領域１２は、シャフト１０の表面１１の硬度の少なくとも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内に不連続に分布する個別のマイクロキャビティのセットから形成されたマイクロテクスチャ３０との両方を備える。

実際には、機械システム１は、本発明の範囲から逸脱することなく、図１～図１８とは異なるように構成することが可能である。

さらに、上述の様々な実施形態および変形例の技術的特徴は、それらすべてにおいてまたはそのいくつかに関して、相互に組み合され得る。

したがって、機械システム１およびこの機械システム１を作製する方法は、コスト、機能、および性能に関して適合化されてもよい。

１ 機械システム
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)

1. 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）。
2. 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）。
3. 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）。
4. 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）。
5. 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）。
6. 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）。
7. 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）。
8. 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）。
9. 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）。
10. 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。
11. 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。
12. 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。
13. 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。
14. 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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