JP4682574B2 - 摺動部材間に介在する潤滑油の油膜厚さの増加方法 - Google Patents

Description

本発明は、摺動部材間に介在する潤滑油の油膜厚さの増加方法に関する。

摺動部材は、内燃機関をはじめとする多くの装置に用いられている。摺動部材の例として、内燃機関用のピストンおよびシリンダーや、クランクピンおよび軸受けメタルが挙げられる。多くの場合、摺動部材は金属でできているため、高速で摺動することによる摺動部材の摩耗や焼付きが問題となってくる。このため、摺動部材の摩耗や焼付きを防止すべく、摺動部材間に生じる摩擦を低減することが必要である。

摩擦を低減する方法の一つに、摺動部材間に潤滑油を介して摺動させる方法がある。しかし、潤滑油を介しただけでは、十分に摩擦を低減し摩耗を防止することができない。

そこで、摺動部材における摩擦を更に低減するために、従来から、摺動面に微細な窪み、凹凸面、溝などを形成する方法が行われている。例えば、潤滑油を介して互いに摺動する摺動部材において、潤滑油の流動抵抗を保持するよう、前記摺動部材の摺動面に特殊な形状の窪みを設ける手段が開示されている（特許文献１参照）。これにより、潤滑油の油膜厚さが確保され、摩擦が低減する。

しかし、上記のような従来の摺動部材においても、摺動部材における摩擦の低減を実現しうるものの、更なる摩擦の低減が要望されていた。
特開２００２−２１３６１２号公報

そこで、本発明は、潤滑油を介して摺動する摺動部材における、摺動部材間の摩擦を低減し得る手段を提供することを目的とする。

本発明は、固定された第一摺動部材に対して摺動自在に設けられた第二摺動部材を摺動させるときに、前記第一摺動部材と前記第二摺動部材との間に介在する潤滑油の油膜厚さを増加させる方法であって、前記第一摺動部材に設けられ前記第一摺動部材を加熱する加熱手段、および／または前記第二摺動部材に設けられ前記第二摺動部材を冷却する冷却手段によって前記第二摺動部材の摺動面の表面温度を前記第一摺動部材の摺動面の表面温度よりも低くさせた状態で前記第二摺動部材を摺動させる、摺動部材間に介在する潤滑油の油膜厚さの増加方法である。

本発明の摺動部材間に介在する潤滑油の油膜厚さの増加方法によれば、摺動部材間に生じる摩擦を低減することができる。結果、摺動部材の摩耗や焼付きを抑制することができる。

以下、本発明に係る摺動部材の制御方法について、詳細に説明する。

まず、発明のメカニズムについて図面を用いて説明する。図１は、第一摺動部材１０が固定され、潤滑油を介して、第二摺動部材２０が第一摺動部材１０と摺動する摺動部材において、両摺動部材の摺動面の表面温度がＴ_Ｍである場合の、摺動部の断面模式図である。この場合、潤滑油の摺動方向の流速分布は、直線形状になっている（クエット流れ）。

続いて、第一摺動部材１０の摺動面の表面温度をＴ_Ｍにし、第二摺動部材２０の摺動面の表面温度をＴ_Ｍよりも低い温度Ｔ_Ｌにした場合、第二摺動部材２０の摺動面近傍にある潤滑油の粘度が増大するため、第二摺動部材２０に引きずられる潤滑油の量が増大する。
結果、潤滑油の摺動方向の流速分布は、図２に示すような、摺動方向に対して凸である放物線形状になると考えられる。この場合、流入する潤滑油の量が増大することで、潤滑油の油膜厚さが増大し、摩擦が低減する。

一方、第一摺動部材１０の摺動面の表面温度をＴ_Ｌにし、第二摺動部材２０の摺動面の表面温度をＴ_Ｍにした場合、図２の場合とは逆に、潤滑油の摺動方向の流速分布は、図３に示すような、摺動方向に対して凹である放物線形状になると考えられる。この場合、流入する潤滑油の量が減少することで、潤滑油の油膜厚さが減少し、摩擦が増大する。

また、第一摺動部材１０の摺動面の表面温度をＴ_Ｍよりも高い温度Ｔ_Ｈにし、第二摺動部材２０の摺動面の表面温度をＴ_Ｌにした場合、図２の場合に比べ、第二摺動部材２０に引きずられる潤滑油の量が更に増大し、潤滑油の摺動方向の流速分布は、図４に示すような放物線形状になると考えられる。この場合、図２の場合よりも更に潤滑油の油膜厚さが増大し、摩擦が低減する。

次に、両摺動部材の摺動面の表面温度がＴ_Ｍで、第二摺動部材２０の摺動面に微細な凹部を形成した場合を考える。この場合、凹部に溜まった潤滑油が摺動面に流入するため、図２の場合と同様、第二摺動部材２０に引きずられる潤滑油の量が増大し、図５に示すような、摺動方向に対して凸である放物線形状になると考えられる。この場合、流入する潤滑油の量が増大することで、潤滑油の油膜厚さが増大し、摩擦が低減する。

一方、両摺動部材の摺動面の表面温度がＴ_Ｍで、第一摺動部材１０の摺動面に微細な凹部を形成した場合、図５の場合とは逆に、潤滑油の摺動方向の流速分布は、図６に示すような、摺動方向に対して凹である放物線形状になると考えられる。この場合、流入する潤滑油の量が減少することで、潤滑油の油膜厚さが減少し、摩擦が増大する。

また、第一摺動部材１０の摺動面の表面温度をＴ_Ｈにし、第二摺動部材２０の摺動面の表面温度をＴ_Ｌにした場合であって、更に、第二摺動部材２０の摺動面に微細な凹部を形成した場合を考える。この場合、２つの摺動部材の温度を制御することによる摩擦低減効果と、摺動部材の一方に微細な凹部を設けることによる摩擦低減効果が組み合わされ、図７に示すように、第二摺動部材２０に引きずられる潤滑油の量が劇的に増大すると考えられる。結果、更なる摩擦の低減が期待できる。本発明は、かような知見に基づいて完成された。

本発明は、固定された第一摺動部材、および潤滑油を介して前記第一摺動部材と摺動する第二摺動部材からなる摺動部材の制御方法であって、前記第二摺動部材の摺動面の表面温度が、前記第一摺動部材の摺動面の表面温度よりも低くなるよう摺動させる、摺動部材の制御方法である。

図２で示したように、固定された第一摺動部材１０と、潤滑油を介して第一摺動部材１０と摺動する第二摺動部材２０からなる摺動部材において、第二摺動部材２０の摺動面の表面温度が、第一摺動部材１０の摺動面の表面温度よりも低くなるよう摺動させることにより、摺動面に流入する潤滑油の量が増大し、それに伴い潤滑油の油膜厚さが増大する。結果、低摩擦を実現する。

以下、摺動部材の各構成要素について、詳細に説明する。

第一摺動部材１０および第二摺動部材２０の材質には特に制限はなく、用途に応じて種々の材料が用いられる。例えば、ピストンおよびシリンダーからなる内燃機関用摺動部材の場合、摺動部は鉄やアルミニウムなどの金属からなることが望ましい。また、形状についても特に制限はなく、あらゆる形状の摺動部材が採用されうる。

第二摺動部材２０の摺動面の表面温度が、第一摺動部材１０の摺動面の表面温度よりも低くなるよう摺動させる手段としては、以下のようなものが考えられる。一つに、液体冷媒や気体冷媒で第二摺動部材２０を直接的に冷却する手段がある。冷媒には、水、アンモニア、炭酸ガス等、種々のものが用いられる。他に、冷却ロールやウォータージャケットのような冷却面を有する装置を第二摺動部材２０に取り付けることにより、第二摺動部材２０を冷却する手段である。このような手段を用いることで、第二摺動部材２０が冷却され、第二摺動部材２０の摺動面の表面温度が、第一摺動部材１０の摺動面の表面温度よりも低くなる。結果、本発明による摺動部材の制御が可能となる。続いて、液体熱媒や気体熱媒で第一摺動部材１０を直接的に加熱する手段がある。熱媒には、蒸気、温水、空気等、種々のものが用いられる。また、加熱ロールのような加熱面を有する装置を、第一摺動部材１０に取り付けることにより、第一摺動部材１０を冷却する手段もある。このような手段を用いることで、第一摺動部材１０が加熱され、第二摺動部材２０の摺動面の表面温度が、第一摺動部材１０の摺動面の表面温度よりも低くなる。結果、本発明による摺動部材の制御が可能となる。上記に示すような手段を用いて、第一摺動部材１０の加熱と、第二摺動部材２０の冷却を同時に行う場合には、第一摺動部材１０の摺動面の表面温度と、第二摺動部材２０の摺動面の表面温度の温度差が顕著になり、更なる本発明の効果が期待できる。

第二摺動部材２０の熱伝導率は、第一摺動部材１０の熱伝導率よりも大きいことが望ましい。第二摺動部材２０の熱伝導率が、第一摺動部材１０の熱伝導率よりも大きいことにより、第二摺動部材２０の摺動面の表面温度が、第一摺動部材１０の摺動面の表面温度よりも低くなり、本発明による摺動部材の制御が可能となる。

第二摺動部材２０の摺動面には、微細な凹部が形成されていることが望ましい。この場合、凹部に溜まった潤滑油が摺動面に流入するため、潤滑油の油膜厚さが増大し、摩擦が低減する。また、凹部を設けることで摺動面の表面積が大きくなり、摺動表面上の熱が逃げやすくなるため、第二摺動部材２０の摺動面の表面温度をより下げることができる。

凹部の表面積率は、０．５％以上１０％以下であることが望ましい。０．５％より小さい場合には、摺動面全体に対する凹部の表面積の割合が少ないために、摩擦低減効果が十分に発現しないおそれがある。また、１０％を超えると、摺動面全体に対する凹部の表面積の割合が多いために流体潤滑効果が得られにくくなり、固体接触を伴った混合潤滑に移行し、摩擦低減効果が十分に発現しないおそれがある。

凹部の深さをｔ、摺動時の油膜厚さをｈとした場合に、ｈ／ｔが０．０４〜５であることが望ましい。ｈ／ｔが０．０４より小さい場合には、流体潤滑から固体接触を伴う混合潤滑領域へ移行してくるため、十分な流体潤滑効果が得られなくなるおそれがある。また、ｈ／ｔが５より大きい場合には、凹部の深さに対して油膜厚さが大きくなりすぎるため、摩擦係数低減効果が十分発現されなくなるおそれがある。ここで、摺動時の油膜厚さｈは、Ｈａｍｒｏｃｋ−Ｄｏｗｓｏｎの式（Ｂ．Ｊ．Ｈａｍｒｏｃｋ ”Ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌｓ ｏｆ ＦｌｕｉｄＦｉｌｍ Ｌｕｂｒｉｃａｔｉｏｎ” ＭｃＧｒａｗ Ｈｉｌｌ，Ｉｎｃ．（１９９４）ｐ．４７２）より算出した、平滑面、等温下での油膜厚さである。

凹部の形状は、摺動方向に直角な方向に扁平していることが望ましい。摺動方向に直角な方向に扁平な形状とは、摺動方向に対して平行な方向の最大長さをＬ、摺動方向に対して垂直な方向の最大長さをＤとしたときに、ＤがＬよりも大きくなるような形状である。形状は、直方体に限られず、楕円形状や多角形状であってもかまわない。凹部形状が、摺動方向に直角な方向に扁平していることにより、摺動部に多くの潤滑油を流入させることができ、摩擦の低減が図られる。

凹部の短辺長さは、５０μｍ以上１５０μｍ以下であり、凹部の長辺長さは、凹部の短辺長さの２倍以上１０倍以下であることが望ましい。凹部の短辺の長さが５０μｍより小さい場合、潤滑油の凹部への流入保持が十分に行われなくなるおそれがあり、また、１５０μｍを超える場合には、負荷容量が低下し、金属接触が起こりやすくなるおそれがある。更に、長辺長さを短辺長さの２倍以上１０倍以下にすることによって、摺動面に多くの潤滑油を流入させ、また、摺動面からの潤滑油の側方漏れを抑制し、摩擦特性を向上できる。

摺動面の摩擦係数を算出するため、往復摺動試験装置を作成し、摩擦試験を行った。ピンの材料としては、焼入れ焼き戻しを施し、表面硬さＨｖを７００とした、クロムモリブデン鋼（ＳＣＭ４２０Ｈ）を用いた。また、プレートの材料としては、ダイキャスト用アルミニウム合金（ＡＤＣ１２）、銅合金（Ｃｕ）、およびオーステナイト鋳鉄（ＦＣＡ）の３種類を用いた。ＳＣＭ４２０Ｈ、ＡＤＣ１２、Ｃｕ、およびＦＣＡの熱伝導率は、ぞれぞれ、８４Ｗ／（ｍ・Ｋ）、９６Ｗ／（ｍ・Ｋ）、４００Ｗ／（ｍ・Ｋ）、および３０Ｗ／（ｍ・Ｋ）である。

（実施例１）
本実施例では、ピンの材料にＳＣＭ４２０Ｈを、プレートの材料にＡＤＣ１２を用いた。また、ピンおよびプレートともに、摺動面に微細な凹部を形成していない。

実験に用いた部材は、図８に示すように、直径６０ｍｍ、幅４０ｍｍの円筒を円弧状に切り出したピン３０と、縦４０ｍｍ×横６０ｍｍ×厚さ７ｍｍのプレート４０とからなる。実験では、ピンを固定し、プレートのみを往復摺動させた。図中の両矢印は摺動方向を、片矢印は荷重方向を示す。ピン３０の平面図を図９Ａに、側面図を図９Ｂに示す。また、プレート４０の平面図を図１０Ａに、側面図を図１０Ｂに示す。往復摺動運動は、クランク機構を用いて、回転運動を往復運動に変換することにより行った。摺動距離は、１工程あたり３０ｍｍとした。

実験は、押し付け荷重を７５ｋｇｆ、回転数を６００ｒｐｍ、５Ｗ３０の油（油供給温度２５℃）を摺動面に０．８ｃｃ／ｍｉｎで滴下して行った。ピンの側に取り付けたロードセルを用いて、せん断力成分の荷重を検出し、押し付け荷重で除することにより摩擦係数を算出した。

ピンの摺動面は、超仕上げ加工を施し、算術平均粗さＲａを０．０２μｍとした。また、プレートの摺動面は、超仕上げ加工を施し、算術平均粗さＲａを０．０４μｍとした。Ｒａは、触針式表面形状測定装置ＦｏｒｍＴａｌｙｓｕｒｆ−１２０Ｌ（Ｔａｙｌｏｒ−Ｈｏｂｓｏｎ社製）により測定した。

（実施例２）
ピンの材料にＳＣＭ４２０Ｈを、プレートの材料にＡＤＣ１２を用い、プレートの摺動面にのみ微細な凹部を形成して、実施例１と同様の手順により摩擦試験を行った。

摺動面に設けられた微細な凹部の制御は、マスクブラスト法を用いて行った。マスクブラスト加工では、光リソグラフィ技術を利用し、樹脂製マスクに凹部微細形状を形成した。次に、その樹脂製マスクを円筒表面に貼り付けた後、投射ノズルからワークまでの距離１００ｍｍ、投射流量１００ｇ／ｍｉｎ、投射圧０．４ＭＰａの条件で、平均粒径２０μｍのアルミナ砥粒を樹脂製マスクに投射し、凹部微細形状を形成した。凹部微細形状の形成後、凹部微細形状周辺に形成されたエッジ部の盛り上がりを、粒径９μｍのテープラップフィルムにより除去し、試験に供した。

摺動方向に平行な方向の凹部の平均長さＸの測定方法について説明する。まず、三次元表面構造解析顕微鏡ＮｅｗＶｉｅｗ５０３２（ザイゴ株式会社製）を用い、非接触三次元白色光位相変調干渉方式により、摺動面の凹部形状を２０点測定した。続いて、測定した２０個の摺動方向に平行な方向の凹部の長さを算術平均することで、Ｘを得た。本実施例では、Ｘ＝８０μｍに設定した。

摺動方向に直角な方向の凹部の平均長さＹの測定方法について説明する。まず、三次元表面構造解析顕微鏡ＮｅｗＶｉｅｗ５０３２（ザイゴ株式会社製）を用い、非接触三次元白色光位相変調干渉方式により、摺動面の凹部形状を２０点測定した。続いて、測定した２０個の摺動方向に直角な方向の凹部の長さを算術平均することで、Ｙを得た。本実施例では、Ｙ＝３２０μｍに設定した。

凹部の表面積率は、マスクブラスト法で用いた凹部微細形状を有する樹脂製マスクから算出した。本実施例では、凹部の表面積率を５％とした。

凹部の平均深さの測定方法について説明する。まず、三次元表面構造解析顕微鏡ＮｅｗＶｉｅｗ５０３２（ザイゴ株式会社製）を用い、非接触三次元白色光位相変調干渉方式により、摺動面の凹部形状を２０点測定した。続いて、測定した２０個の凹部の深さを算術平均することで、凹部の平均深さを得た。本実施例では、凹部の平均深さを３μｍとした。

（実施例３）
ピンの材料にＳＣＭ４２０Ｈを、プレートの材料にＣｕを用い、プレートの摺動面にのみ微細な凹部を形成して、実施例１と同様の手順により摩擦試験を行った。

（比較例１）
ピンの材料にＳＣＭ４２０Ｈを、プレートの材料にＦＣＡを用い、ピンおよびプレートともに摺動面に微細な凹部を形成せずに、実施例１と同様の手順により摩擦試験を行った。

表１に、各実施例および比較例における、ピンの温度、プレートの温度、および比較例１における摩擦係数を１とした場合の摩擦係数を示す。なお、ピンおよびプレートの温度は、クロメル―アルメル熱電対により測定した。

表１から、実施例ではプレートの温度がピンの温度よりも低くなっており、また比較例ではプレートの温度がピンの温度と同じであることが分かる。また、実施例は、いずれも比較例と比べて摩擦係数が減少していることが分かる。比較例１および実施例１の比較から、プレートの材料の熱伝導率をピンの材料の熱伝導率よりも大きくすることで、摩擦係数が減少することが分かる。また、実施例１および実施例２の比較から、プレートの摺動面に微細な凹部を設けることによって、更に摩擦係数が減少することが分かる。更に、実施例２および実施例３の比較から、プレートの材料を熱伝導率のより大きいものに変えることにより、更に摩擦係数が減少することが分かる。

本発明は、例えば、ピストンおよびシリンダーからなる内燃機関用摺動部材の制御方法に適用できる。

両摺動部材の摺動面の表面温度がＴ_Ｍである場合の、摺動部の断面模式図である。 第一摺動部材１０の摺動面の表面温度がＴ_Ｍ、第二摺動部材２０の摺動面の表面温度がＴ_Ｌである場合の、摺動部の断面模式図である。 第一摺動部材１０の摺動面の表面温度がＴ_Ｌ、第二摺動部材２０の摺動面の表面温度がＴ_Ｍである場合の、摺動部の断面模式図である。 第一摺動部材１０の摺動面の表面温度がＴ_Ｈ、第二摺動部材２０の摺動面の表面温度がＴ_Ｌである場合の、摺動部の断面模式図である。 両摺動部材の摺動面の表面温度がＴ_Ｍで、第二摺動部材２０の摺動面に微細な凹部を形成した場合の、摺動部の断面模式図である。 両摺動部材の摺動面の表面温度がＴ_Ｍで、第一摺動部材１０の摺動面に微細な凹部を形成した場合の、摺動部の断面模式図である。 第一摺動部材１０の摺動面の表面温度がＴ_Ｈ、第二摺動部材２０の摺動面の表面温度がＴ_Ｌで、第二摺動部材２０の摺動面に微細な凹部を形成した場合の、摺動部の断面模式図である。 実施例および比較例で用いた往復摺動試験装置を示す概略構成図である。 実施例および比較例で用いたピンを示す図であり、図９Ａは平面図、図９Ｂは側面図である。 実施例および比較例で用いたプレートを示す図であり、図１０Ａは平面図、図１０Ｂは側面図である。

符号の説明

１０…第一摺動部材、２０…第二摺動部材、３０…ピン、４０…プレート。

Claims (8)

1. 固定された第一摺動部材に対して摺動自在に設けられた第二摺動部材を摺動させるときに、前記第一摺動部材と前記第二摺動部材との間に介在する潤滑油の油膜厚さを増加させる方法であって、
   前記第一摺動部材に設けられ前記第一摺動部材を加熱する加熱手段、および／または前記第二摺動部材に設けられ前記第二摺動部材を冷却する冷却手段によって前記第二摺動部材の摺動面の表面温度を前記第一摺動部材の摺動面の表面温度よりも低くさせた状態で前記第二摺動部材を摺動させる、摺動部材間に介在する潤滑油の油膜厚さの増加方法。
2. 前記第二摺動部材の熱伝導率が前記第一摺動部材の熱伝導率よりも大きい、請求項１に記載の摺動部材間に介在する潤滑油の油膜厚さの増加方法。
3. 前記第二摺動部材の摺動面に微細な凹部が形成されてなる、請求項１または請求項２に記載の摺動部材間に介在する潤滑油の油膜厚さの増加方法。
4. 前記凹部の表面積率が０．５％以上１０％以下である、請求項３に記載の摺動部材間に介在する潤滑油の油膜厚さの増加方法。
5. 前記凹部の深さをｔ、摺動時の油膜厚さをｈとした場合に、ｈ／ｔが０．０４〜５である、請求項３または請求項４に記載の摺動部材間に介在する潤滑油の油膜厚さの増加方法。
6. 前記凹部の形状が、摺動方向に直角な方向に扁平している、請求項３〜５のいずれか１項に記載の摺動部材間に介在する潤滑油の油膜厚さの増加方法。
7. 前記凹部の短辺長さが５０μｍ以上１５０μｍ以下であり、凹部の長辺長さが凹部の短辺長さの２倍以上１０倍以下である、請求項６に記載の摺動部材間に介在する潤滑油の油膜厚さの増加方法。
8. 前記摺動部材は、内燃機関の摺動部に使用するものである、請求項１〜７のいずれか１項に記載の摺動部材間に介在する潤滑油の油膜厚さの増加方法。