(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
すべり軸受けと、潤滑油の存在下で回転可能かつ該すべり軸受けと摺動可能な接触をする軸からなる、摺動装置において、
該すべり軸受けは、レシプロエンジンのメインジャーナル・ブッシング、クランクピンの軸受け、ピストンピンのための軸受け、及びカムシャフトのジャーナルのための軸受けからなる群より選ばれたひとつであって、アルミニウム合金から成り、該軸の表面硬さよりも小さい表面硬さを有し、さらに
該すべり軸受けが0.2μｍ以下0.07μｍ以上の表面粗さを有し、該軸が0.05μｍ以下の表面粗さを有する、摺動装置。
【請求項２】
該軸受けが、該軸と摺動可能に接触し、かつ0.1μｍ未満の表面粗さRaを有するブッシングメタルを有する、請求項１に記載の摺動装置。
【請求項３】
該軸受けが、0.05μｍ以下の表面粗さを有する該軸と摺動可能な接触をしかつ0.2μｍ以下の表面粗さを有する平坦な表面部を残して、表面に複数の微細な凹部が形成されるブッシングメタルを有する、請求項１に記載の摺動装置。
【請求項４】
該軸が、鋳鉄及び炭素鋼の一方よりなる、請求項１に記載の摺動装置。
【請求項５】
該軸が、その表面に潤滑油を保持するための複数の微細なピットを形成してなる、請求項１に記載の摺動装置。
【請求項６】
1原子％以下の水素含有量を有する硬質炭素薄膜が、該軸の表面に形成されている、請求項１に記載の摺動装置。
【請求項７】
該軸受けは、その仕上げが表面に直接施されたか、またはその表面層の形成以前に形成された前層に施された軸受けメタルを有する、請求項１に記載の摺動装置。
【請求項８】
該摺動装置が、原動機推進体の群に適用される、請求項１に記載の摺動装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、潤滑油の存在下で軸と軸受けが摺動可能な接触をする摺動装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
摺動装置は、自動車用レシプロエンジンのクランクシャフトが作動される条件のごとき高負荷かつ長寿命を要する環境の下で多く使用されてきた。摺動抵抗を低減することで摺動装置全体の仕事効率を高めることが可能であるので、仕事効率を高める目的でこれまでに種々の努力がなされてきた。潤滑油の存在下で摺動が行われる摺動装置においては、摺動抵抗を低減する一方策は表面粗さを小さくすることであり、これは現在も継続的に続けられている。最近は、加工技術の発展により面を非常に小さな面粗さに加工することが可能となった。
【０００３】
特許文献１及び特許文献２に開示されたごとく、例えば、摩擦力の低減や耐摩耗性の向上の目的で、表面膜や材質の変更に伴い、表面の平均粗さを小さくすることが提案されている。上記特許文献２においては、表面粗さRaは0.03μｍ 以下であることが提案されている。
【０００４】
高負荷環境下で摺動する摺動装置においては、耐焼付け性を得る観点から、一方の摺動面の材質及び硬さが相対する摺動面のそれらと異なっており、相対する摺動面よりも硬さが小さい方の摺動面の表面粗さが相対する摺動面より大きいことが見受けられる。
【０００５】
例えば、自動車用レシプロエンジンのクランクシャフトにおいては、軸は炭素鋼で作られており0.1〜0.03μｍの表面粗さRaに加工されているのに対し、ブッシングはビスマス、錫、銀、鉛、ニッケル等、またはアルミ、錫、鉛、銅及びまたはニッケルからなる合金、またはポリマーからなるブッシングメタルを有しており、0.３〜0.４μｍ程度の比較的大きい初期表面粗さRaを有している。他方、産業界でより多く用いられるので、RqよりもRaが選択される。この場合、ブッシングメタルは作動中になじみが進み、ある程度平滑化する。多くの場合、摺動抵抗を低減するために軸の表面粗さを小さくする努力がなされる一方で、ブッシング側の粗さに関してはほとんど配慮されてこなかった。かような状況にもかかわらず、ある程度の摺動抵抗低減効果は得られてきた。これは、ブッシングメタルの粗さが大きい場合にも、硬さが小さい上記ブッシングメタルのなじみまたは慣らし（接触部の表面粗さが初期摺動によって小さくなることを意味する）が進んだためと考えられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−２８２７６号公報
【特許文献２】特開２００４−１３８１２８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記状況に鑑みて、本発明者等は、軸の比較的硬い材料とすべりブッシングの比較的軟らかい材料の組み合わせからなる多くの摺動装置について、軸の表面粗さと摺動装置の摩擦トルクの関係を詳細に調査した。その調査の結果、軸の表面粗さを十分に小さくした場合には、平滑な表面にすべく軸の表面粗さを小さくしても摩擦トルクが低減せずむしろ上昇することを見出した。これは、軸の表面粗さと測定された摩擦トルクの関係を示す図１に示されている。
【０００８】
また、本発明者等は上記評価結果につき更なる調査を行った。その調査の結果、下記の事実が判った。すなわち、従来の軟質なブッシングメタルは容易になじみまた慣らし運転がなされそのブッシングメタルの表面が平滑化することが一般的である。しかしながら、軸の硬質摺動面が十分平滑化するよう加工されもって表面粗さがある特定粗さよりも小さい場合、相手材のなじみまたは慣らしが著しく遅くなるか、または全くなじまない現象がみられる。これより、摩擦トルクが低減しない上記現象が、ブッシングの表面粗さが大きいままで摺動している事実に基づくことが分かった。
【０００９】
上記評価結果をもとに、軸およびブッシングの二乗平均平方根合成粗さに対する摩擦トルクの傾向を調べた。この調査の結果、該合成粗さと測定された摩擦トルクの関係を示した図２に見るごとく、摩擦トルクは軸とブッシングの両摺動面の合成粗さが小さくなると摩擦トルクも小さくなる傾向であることが分かった。上記合成粗さは下式により表される。
【００１０】
【数１】
0005595916.tif 000002
【００１１】
ここで、Rq(s)とRｑ(b)はそれぞれ軸の表面粗さとブッシングの表面粗さを示す。測定において、軸は2000r.p.m.及び600r.p.m.で回転される。かように、軸の表面粗さが極めて小さい条件下では、比較的大きな表面粗さを有する軸の表面粗さが、すべりブッシングを含む摺動装置の系全体の摩擦トルクに非常に大きな影響を及ぼすことが確認された。それ故、比較的硬質な軸の表面のみを平滑化することは摺動抵抗を低減する対策としては適切ではない。
【００１２】
上記に鑑みて、本発明者等は、摺動装置の摺動抵抗を低減するために、表面粗さが小さくなるように変化させて摺動抵抗を測定する実験の結果、軸の表面粗さがある値よりも小さくなると摩擦トルクが増加するという特異現象を見出した。
【００１３】
さらに、かような特異現象を起す軸の表面粗さ（算術平均粗さ）Raが0.05μｍ以下であることが明らかになった。かような表面粗さでは、軟質のブッシング(相手部材)のなじみまたは慣らしが例外なく進行せず、ブッシングの表面粗さが初期状態のままとなることがほとんどである。
【００１４】
かような知見に基づいて、軸及びすべりブッシングの表面粗さを軸及びすべりブッシングの硬さに応じて設定することにより、すべり軸受けを含む摺動装置の摺動抵抗が大巾に低減することが可能であることが確認される。これにより、本発明の原理に到達する。
【００１５】
それ故、本発明の目的は、従来技術において遭遇した上記問題点を克服する改良された摺動装置を提供することである。
【００１６】
本発明のもうひとつの目的は、潤滑剤の存在の下で軸がすべり軸受け（またはすべりブッシング）と摺動可能に接触している、改良された摺動装置を提供することである。その摺動装置は軸の摺動面とブッシングの摺動面の特別の組み合わせを含むものであり、それにより軸の摺動面の表面粗さが非常に小さい場合でも、ブッシングの摺動面よりも硬質な軸の摺動面の表面粗さに応じた摺動抵抗低減効果を発揮することができる。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明によると、摺動装置は、すべり軸受け（または、すべりブッシング）と、潤滑油の存在下で回転可能でありかつ該すべり軸受けと摺動可能な接触をする軸からなる。該摺動軸受けは、軸の表面硬さよりも小さい表面硬さを有する。
【００１８】
さらに、該すべり軸受けは、0.2μｍ以下の表面粗さを有し、該軸は0.05μｍ以下の表面粗さを有する。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】図１は、本発明に関し本発明者等によって行われた研究で得られた、軸の表面粗さと測定された摩擦トルクの関係を示す表である。
【図２】図２は、本発明に関し本発明者等によって行われた研究で得られた、軸とすべり軸受けの合成粗さと測定された摩擦トルクの関係を示す表である。
【図３】図３は、測定された摩擦トルクと、軸の表面粗さと軸受けの表面粗さの組み合わせの関係を示す表である。
【図４】図４は、本発明による摺動装置の一実施例の略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
本発明によると、図4に示されたごとく、摺動装置１０は、すべり軸受け（または、すべりブッシング）１２と、潤滑油１６の存在下で回転可能でありかつ該すべり軸受けと摺動可能な接触をする軸１４からなる。該すべり軸受けは、軸の表面硬さよりも小さい表面硬さを有する。該すべり軸受けは、0.2μｍ以下の表面粗さ(算術平均粗さ)Raを有し、該軸は0.05μｍ以下の表面粗さを有する。この算術平均粗さは、JIS (日本工業規格)B 0601 またはISO 4287に基づくものである。
【００２１】
好ましくは、図４に示されたごとく、軸受け１２は潤滑油１６の存在下で軸と摺動可能な接触をする軸受けメタル（ブッシングメタル）１８を有する。このブッシングメタルは0.1μｍ未満の表面粗さRaを有する。
【００２２】
また、もうひとつの実施例によると、ブッシングメタルはその表面に潤滑油を保持するための複数の溝または窪み(ピット)のごとき複数の微細な凹部を形成しており、軸と摺動可能な接触をする平坦な表面部を残している。この平滑な表面部は、0.2μｍ以下の表面粗さRaを有している。
【００２３】
さらに、もうひとつの実施例によると、該軸は鋳鉄または炭素鋼からなるものである。
【００２４】
さらに、該軸は好ましくはその表面に、潤滑油を保持するための複数の溝または窪み(ピット) のごとき複数の微細な凹部を形成している。すべり軸受けに過度の荷重が加えられる状況下やすべり軸受けの摺動中に潤滑油の供給量が一時的に減少する場合、摩擦減少効果がさらに増加し、かつ焼き付きのリスクを回避することができる。
【００２５】
さらに、好ましくは4.5原子％未満（より好ましくは、1原子％以下）の水素含有量を有する炭素薄膜を、すべり軸受けと軸の少なくとも一方の表面に形成する。低水素含有量の場合、軸の表面に形成された微細なピットの上記効果が阻害されず、むしろ増大される。
【００２６】
本発明の原理は、好ましくは、レシプロエンジンのメインジャーナル・ブッシング、コンロッドの軸受け、ピストンピンの軸受け、またはカムシャフトのジャーナルのための軸受けを含む摺動装置に適用することができ、それによりとくに高い有益な効果を奏することができる。
【００２７】
実施例
本発明については、比較例との比較の下に下記の実施例を参照してより容易に理解が進むであろう。しかしながら、これらの実施例は発明を説明するものであり、発明の範囲を限定するために解釈されるものではない。
【００２８】
比較例１
エンジン摩擦測定試験が、ガソリン燃料使用エンジン用エンジンオイル（５W-30 の粘度を有する）を用いかつ電動機で駆動される内燃機関（排気量2,500ccの4気筒直列エンジン）で行われた。
【００２９】
エンジンは、複数のメインジャーナル・ブッシングに回転可能に支持された複数のメインジャーナルおよび複数のコンロッド・ハーフブッシングに回転可能に支持された複数のクランクピンを有していた。各メインジャーナルおよび各クランクピンは、0.07μｍの表面粗さ(算術平均粗さ)Raを有した。各メインジャーナル・ブッシングは、メインジャーナル・ブッシングメタルを有し、一方各コンロッド・ハーフブッシングは、コンロッド・ハーフブッシングメタルを有した。各メインジャーナル・ブッシングメタル及び各コンロッド・ハーフブッシングメタルには、潤滑油を保持するための複数の溝が形成され、かつそれらはアルミ合金でできている。さらに、各メインジャーナル・ブッシングメタル及び各コンロッド・ハーフブッシングメタルは、0.24μｍの表面粗さRaと95Hvの表面硬さ（ビッカース硬さ）を有した。
【００３０】
このエンジン摩擦測定試験において、トルクメーターにより摩擦トルクが測定された。試験の結果として、測定されたトルクは2.5Nm であった。
【００３１】
比較例２
比較例１におけると同じエンジン摩擦測定試験が、比較例１におけると同じエンジンオイルを用いて比較例１におけると同じ内燃機関で行われた。このエンジンにおいて、各メインジャーナルおよび各クランクピンは、0.05μｍの表面粗さ(算術平均粗さ)Raを有した。各メインジャーナル・ブッシングメタル及び各コンロッド・ハーフブッシングメタルは、アルミ合金でできており、0.24μｍの表面粗さRaと95Hvの表面硬さ（ビッカース硬さ）を有した。
【００３２】
このエンジン摩擦測定試験において、トルクメーターにより摩擦トルクが測定された。試験の結果として、測定されたトルクは2.2Nm であり、比較例１に比べて若干のトルク低減効果が見られた。
比較例３
比較例１におけると同じエンジン摩擦測定試験が、比較例１におけると同じエンジンオイルを用いて比較例１におけると同じ内燃機関で行われた。このエンジンにおいて、各メインジャーナルおよび各クランクピンは、0.04μｍの表面粗さ(算術平均粗さ)Raを有した。各メインジャーナル・ブッシングメタル及び各コンロッド・ハーフブッシングメタルは、アルミ合金でできており、0.24μｍの表面粗さRaと95Hvの表面硬さ（ビッカース硬さ）を有した。
【００３３】
このエンジン摩擦測定試験において、トルクメーターにより摩擦トルクが測定された。試験の結果として、測定されたトルクは2.4Nm であり、これは比較例１におけるトルクとほぼ同等であり比較例２におけるトルクよりも大きかった。
比較例４
比較例１におけると同じエンジン摩擦測定試験が、比較例１におけると同じエンジンオイルを用いて比較例１におけると同じ内燃機関で行われた。このエンジンにおいて、各メインジャーナルおよび各クランクピンは、0.015μｍの表面粗さ(算術平均粗さ)Raを有した。各メインジャーナル・ブッシングメタル及び各コンロッド・ハーフブッシングメタルは、アルミ合金でできており、0.24μｍの表面粗さRaと95Hvの表面硬さ（ビッカース硬さ）を有した。
【００３４】
このエンジン摩擦測定試験において、トルクメーターにより摩擦トルクが測定された。試験の結果として、測定されたトルクは2.4Nm であり、これは比較例３におけるトルクと同等であった。
比較例５
比較例１におけると同じエンジン摩擦測定試験が、比較例１におけると同じエンジンオイルを用いて比較例１におけると同じ内燃機関で行われた。このエンジンにおいて、各メインジャーナルおよび各クランクピンは、0.07μｍの表面粗さ(算術平均粗さ)Raを有した。各メインジャーナル・ブッシングメタル及び各コンロッド・ハーフブッシングメタルは、アルミ合金でできており、0.15μｍの表面粗さRaと95Hvの表面硬さ（ビッカース硬さ）を有した。
【００３５】
このエンジン摩擦測定試験において、トルクメーターにより摩擦トルクが測定された。試験の結果として、測定されたトルクは2.4Nm であり、これは比較例１におけるトルクとほぼ同等であった。
【実施例１】
【００３６】
比較例１におけると同じエンジン摩擦測定試験が、比較例１におけると同じエンジンオイルを用いて比較例１におけると同じ内燃機関で行われた。このエンジンにおいて、各メインジャーナルおよび各クランクピンは、0.04μｍの表面粗さ(算術平均粗さ)Raを有した。各メインジャーナル・ブッシングメタル及び各コンロッド・ハーフブッシングメタルは、アルミ合金でできており、0.15μｍの表面粗さRaと95Hvの表面硬さ（ビッカース硬さ）を有した。
【００３７】
このエンジン摩擦測定試験において、トルクメーターにより摩擦トルクが測定された。試験の結果として、測定されたトルクは1.9Nm であり、比較例３に比べてクランクシャフトのジャーナルの表面粗さを小さくすることによるトルク低減効果が見られた。
【実施例２】
【００３８】
比較例１におけると同じエンジン摩擦測定試験が、比較例１におけると同じエンジンオイルを用いて比較例１におけると同じ内燃機関で行われた。このエンジンにおいて、各メインジャーナルおよび各クランクピンは、0.015μｍの表面粗さ(算術平均粗さ)Raを有した。各メインジャーナル・ブッシングメタル及び各コンロッド・ハーフブッシングメタルは、アルミ合金でできており、0.15μｍの表面粗さRaと95Hvの表面硬さ（ビッカース硬さ）を有した。
【００３９】
このエンジン摩擦測定試験において、トルクメーターにより摩擦トルクが測定された。試験の結果として、測定されたトルクは1.6Nm であり、実施例１に比べると更なる摩擦トルク低減効果を示しかつ比較例４に比べて大巾な摩擦トルク低減効果を示した。
【実施例３】
【００４０】
比較例１におけると同じエンジン摩擦測定試験が、比較例１におけると同じエンジンオイルを用いて比較例１におけると同じ内燃機関で行われた。このエンジンにおいて、各メインジャーナルおよび各クランクピンは、0.015μｍの表面粗さ(算術平均粗さ)Raを有した。各メインジャーナル・ブッシングメタル及び各コンロッド・ハーフブッシングメタルは、鉛合金でできており、0.07μｍの表面粗さRaと40Hvの表面硬さ（ビッカース硬さ）を有した。
【００４１】
このエンジン摩擦測定試験において、トルクメーターにより摩擦トルクが測定された。試験の結果として、測定されたトルクは1.３Nm であり、実施例２に比べると更なる摩擦トルク低減効果を示した。
【実施例４】
【００４２】
比較例１におけると同じエンジン摩擦測定試験が、比較例１におけると同じエンジンオイルを用いて比較例１におけると同じ内燃機関で行われた。このエンジンにおいて、各メインジャーナルまたは各クランクピンは、0.015μｍの表面粗さ(算術平均粗さ)Raを有した。各メインジャーナル・ブッシングメタル及び各コンロッド・ハーフブッシングメタルは、ビスマス合金でできており、0.07μｍの表面粗さRaと45Hvの表面硬さ（ビッカース硬さ）を有した。
【００４３】
このエンジン摩擦測定試験において、トルクメーターにより摩擦トルクが測定された。試験の結果として、測定されたトルクは1.３Nm であり、実施例３と同じ摩擦トルク低減効果を示した。
【実施例５】
【００４４】
比較例１におけると同じエンジン摩擦測定試験が、比較例１におけると同じエンジンオイルを用いて比較例１におけると同じ内燃機関で行われた。このエンジンにおいて、各メインジャーナルおよび各クランクピンはそれらの表面に複数のピットが形成されていた。各ピットは10μｍの平均深さ、100μｍの平均巾及び300μｍの平均長さを有した。それらのピットの合計表面積は、各各メインジャーナルおよび各クランクピンの全表面積の５％を占めた。各メインジャーナルおよび各クランクピンは、0.015μｍの表面粗さ(算術平均粗さ)Raを有した。各メインジャーナル・ブッシングメタル及び各コンロッド・ハーフブッシングメタルは、アルミ合金でできており、0.07μｍの表面粗さRaと95Hvの表面硬さ（ビッカース硬さ）を有した。
【００４５】
このエンジン摩擦測定試験において、トルクメーターにより摩擦トルクが測定された。試験の結果として、測定されたトルクは1.０Nm であり、実施例４に比べて更なる摩擦トルク低減効果を示した。さらに、この実施例及び比較例４のエンジンにつき、潤滑油の供給を停止して焼き付きが起るまでの時間を測定した。その結果、この実施例のエンジンでは、焼き付きが起こるまでに４２０秒を要した。また、比較例４のエンジンでは、焼き付きが起こるまでに２８秒を要した。
【実施例６】
【００４６】
比較例１におけると同じエンジン摩擦測定試験が、比較例１におけると同じエンジンオイルを用いて比較例１におけると同じ内燃機関で行われた。このエンジンにおいて、各メインジャーナルおよび各クランクピンは、0.015μｍの表面粗さ(算術平均粗さ)Raを有した。１ｍの厚さと0.1原子％以下の水素含有量を有する硬質炭素(ダイヤモンドライク・カーボン)薄膜が、アークイオン・プレーティング法により各メインジャーナルおよび各クランクピンに形成された。各メインジャーナル・ブッシングメタル及び各コンロッド・ハーフブッシングメタルは、アルミ合金でできており、0.07μｍの表面粗さRaと95Hvの表面硬さ（ビッカース硬さ）を有した。
【００４７】
このエンジン摩擦測定試験において、トルクメーターにより摩擦トルクが測定された。試験の結果として、測定されたトルクは0.8Nm であり、実施例４に比べて大巾なトルク低減効果を示した。
【００４８】
軸及び軸受けの構造上の仕様及び比較例1から５及び実施例１から６の実験結果は、表１に示されている。また、比較例1から５及び実施例１から３に関して、測定された摩擦トルクと、軸の表面粗さと軸受けの表面粗さの組み合わせの関係が、図３に示されている。
【００４９】
【表１】
0005595916.tif 000003
【００５０】
本発明は特定の実施態様及び実施例を参照して記載されているが、本発明は前記実施態様及び実施例に限定されるものではない。前記実施態様及び実施例の改変及び変更は、上記教示に照らして当業者により考えられるであろう。本発明の範囲は次の特許請求の範囲を参照して画定される。
【図１】
0005595916.tif 000004
【図２】
0005595916.tif 000005
【図３】
0005595916.tif 000006
【図４】
0005595916.tif 000007