(57)【要約】高負荷エンジンで使用されるピストンピンブッシングの場合、ピストンピンブッシングが、エンジンの始動時に特に（ブッシングの半径方向軸線に対して）中央の領域内で摩滅しやすいという問題が生じる。本発明によれば、ピストンピンブッシングの摺動層面が軸線方向のブッシング横断面にわたって測定される少なくとも主負荷領域内で以下のパラメータ値を有するときに、この問題は解決される：最大で 1.800μm の深さでは、接触領域率(Traganteil)が、最小で99.0％である；凹凸中心断面(Rauchigkeitskernprofil)の深さが、最大で0.30μm である；凹凸中心断面の材料比Mr1 が、最大で8 ％である。ピストンピンブッシングの摺動層が、表面加工処理方法によって最終加工されることによって、本発明のピストンピンブッシングが製造され得る。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ピストンピンブッシングの摺動層面が軸線方向のブッシング横断面にわたって測定される少なくとも主負荷領域内で以下のパラメータ値を有するピストンピンブッシングを特徴とするピストンピンブッシング：
−最大で 1.800μm の深さでは、接触領域率(Traganteil)が、最小で99.0％である；
−凹凸中心断面(Rauchigkeitskernprofil)の深さが、最大で0.30μm である；
−凹凸中心断面の材料比Mr1 が、最大で8 ％である。
【請求項２】
凹凸中心断面の材料比Mr1 は、最大で７％であることを特徴とする請求項１に記載のピストンピンブッシング。
【請求項３】
最大で 1.800μm の深さでは、接触領域率が最小で99.0％であることを特徴とする請求項１又は２に記載のピストンピンブッシング。
【請求項４】
凹凸中心断面の深さは、最大で0.15μm であることを特徴とする請求項３に記載のピストンピンブッシング。
【請求項５】
摺動層は、無鉛の銅母材合金から成ることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のピストンピンブッシング。
【請求項６】
摺動層は、銅−アルミニウム合金，銅−亜鉛合金又は銅−亜鉛−亜鉛合金から成ることを特徴とする請求項５に記載のピストンピンブッシング。
【請求項７】
摺動層の形状の凹凸分布の頻度分布は、最大で0.20μm の半値幅を有することを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載のピストンピンブッシング。
【請求項８】
摺動層の形状の凹凸分布の頻度分布は、最大で0.10μm の半値幅を有することを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載のピストンピンブッシング。
【請求項９】
ピストンピンブッシングの摺動層は、表面加工方法によって最終加工されることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載のピストンピンブッシングを製造する方法。
【請求項１０】
ピストンピンブッシングの摺動層は、プラトーホーニングによって最終加工されることを特徴とする請求項９に記載の方法
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ピストンピンブッシングに関する。さらに本発明は、このピストンピンブッシングを製造する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ピストンピンブッシングは、内燃機関用の連接棒のスモールエンド内に設けられているブッシングである。高負荷エンジンの場合、ブッシングが、エンジンの始動時に特に（ブッシングの半径方向軸線に対して）中央の領域内で摩滅(Einfressen)しやすいという問題が生じる。
【０００３】
ピストンブッシングは、単一材料から作ってもよいし又は支持層及び摺動層を有してもよい。以下で摺動層と言う場合は、内面に沿って存在する材料部分も一体的なピストンピンブッシングを意味する。
【０００４】
以前より、ピストン−連接部の領域内の荷重及び張力分布の問題が集中的に検討されている。
【０００５】
ドイツ連邦共和国特許発明第 30 36 062号明細書中では、ピストンピン孔の縁部を丸くするか又はピストンピン孔を拡大することによって、ピンボスの上の領域内のストレスピークを回避することが試みられている。
【０００６】
ドイツ連邦共和国特許出願公開第 41 33 586号明細書によれば、連接棒の孔、すなわちスモールエンドの表面に隣接する端部領域がフレキシブルに構成されることによって、ピストンピンブッシングの過負荷が回避される。このため、負荷軽減溝が形成されるか又は壁厚が最小限にされる。
【０００７】
ドイツ連邦共和国特許出願公開第 198 28 847 号明細書中では、材料削減部分、特に打抜部分が鉛直線間の移行領域内に設けられることによって、ピストンピンブッシングの十分な寿命がより高い動作力時でも実現される。これによって、半径方向の圧力が、ブッシング端部の領域に移動する。
【０００８】
ドイツ連邦共和国特許出願公開第 100 29 950 号明細書によれば、スモールエンドが、シリンダ形と異なりかつピストンピンを変形する形成孔として構成されていることによって、加負荷時のピンの湾曲によって引き起こされるスモールエンドの外縁部の圧力ピークが吸収される。そのため、ブッシングを使用する必要がなくなる。製造に経費を要しそれ故に高価でありさらにオイルを浪費する負荷軽減溝も必要なくなる。
【０００９】
ブッシングを省略できるものの欠点がある：一方では連接棒とピストンピンとの間の最適な摩擦対は、ブッシングを使用することだけによって実現され得る。他方ではブッシングは、ビッグエンドとの整合にも寄与する。これらのブッシングは、エンド内に組込み後に加工される。
【００１０】
ドイツ連邦共和国特許発明第 0 716 240号明細書中では、平軸受の耐摩滅性を向上することが可能である。このことは、所定の表面構造によって実現される。この表面構造は、平軸受合金層から中間層を介して被覆層に続く。山の高さ，中間層の厚さ及び被覆層の厚さに対して所定の条件を有するこの山−谷構造には、若干の摩滅後でも被覆層及び中間層の一部が、摺動面に属し同時に潤滑剤として任意に使用できるという効果がある。
【００１１】
しかし平軸受は、負荷の種類及び注油条件に関してブッシングと原理的に相違する。平軸受は、圧力オイルで潤滑される。そして多くの場合に流体力学的な潤滑膜が、軸と軸受との間の大きい相対速度に起因して発生する。これに対してスモールエンドでは、多くの場合に非常に小さく振動する相対運動だけが、ピストンピンとピストンピンブッシングとの間で発生する。すなわち、非常に頻繁に混合摩擦条件が発生し、これによって固体接触が発生する。それ故に、ドイツ連邦共和国特許発明第 0 716 240号明細書からの情報をブッシング、特にピストンピンブッシングに直接転用することはできない。
【特許文献１】ドイツ連邦共和国特許発明第 30 36 062号明細書
【特許文献２】ドイツ連邦共和国特許出願公開第 41 33 586号明細書
【特許文献３】ドイツ連邦共和国特許出願公開第198 28 847号明細書
【特許文献４】ドイツ連邦共和国特許出願公開第100 29 950号明細書
【特許文献５】ドイツ連邦共和国特許発明第 0 716 240号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明の課題は、この点に鑑みて高負荷エンジンでもエンジンの始動時に摩滅しにくいピストンピンブッシングを提供すること、さらに適切な製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
この課題は、ピストンピンブッシングの摺動層面が軸線方向のブッシング横断面にわたって測定される少なくとも主負荷領域内で以下のパラメータ値を有するピストンピンブッシングによって解決される：
−最大で 1.800μm の深さでは、接触領域率(Traganteil)が、最小で99.0％である；
−凹凸中心断面(Rauchigkeitskernprofil)の深さが、最大で0.30μm である；
−凹凸中心断面の材料比Mr1 が、最大で8 ％である。
【００１４】
さらにこの課題は、ピストンピンブッシングの摺動層が表面加工方法によって最終加工されることによって解決される。
【００１５】
本発明のピストンピンブッシングの開発で、構成要素，構造及び粒子構造に関して軸受材料を最適化することだけによって問題を解決するのではなくて、特別に形成された表面の形状が問題を解決することが予想外に判明した。ピストンピンブッシングが本発明の所定の表面構造で作られている場合、始動段階中の摩滅が有効に阻止され得る。
【００１６】
例えば凹凸断面の測定範囲内で、十分の一μm オーダーの複数の層が順次走査され、全表面に対する全材料の割合がどのくらいであるかが各走査ステップごとに測定されることによって、特定の断面深さにおける接触領域率を測定することができる。接触領域率は、凹凸断面の最も深い谷の下で 100％である。接触領域率がより浅い断面深さにおいても可能な限り大きいときに、始動段階中の摩滅が阻止されることが判明した。
【００１７】
ピストンピンブッシングの摺動面の形状の特性を決定するもう１つのパラメータは、凹凸断面の深さ、いわゆるRk値である。断面深さを材料比(Materialanteil)（接触領域率とも言う）に対してプロットした場合、一般に小さい接触領域率のときの急峻な降下と大きい接触領域率のときの急峻な降下との間に広くて平坦な部分を有する曲線変化を得る。このRk値の精確な測定は、EN ISO 13565-2中に記されている。主負荷領域内の摺動層のRk値が、最大で0.30μm である場合、摩滅のない始動に関して非常に良好な結果が、本発明のピストンピンブッシングで得られる。
【００１８】
凹凸中心断面の材料比Mr1 の測定も、EN ISO 13565-2中に規定されている。この材料比Mr1 は、百分率で示され、突出しているピークを凹凸中心断面から分離する断面線によって規定されている。Mr1 は、最大で８％である。特にMr1 は、最大で７％である。
【００１９】
最大で 0.900μm の断面深さの主負荷領域内の摺動層面の接触領域率が最小で99.0％であるピストンピンブッシングが特に好ましい。この場合、主負荷領域内の摺動層のRk値が最大で0.15μm であるときが有益であることが判明した。
【００２０】
本発明のピストンピンブッシングは、さらに凹凸断面の頻度分布の半地幅によって特徴付けられ得る。これに対して、摺動層面の山と谷の頻度が、それらの高さの違いに応じてプロットされる。特に最大の半分の分布の幅は、最大で0.20μm 、特に好ましくは最大で 0.10 μm である。
【００２１】
本発明によれば、ピストンピンブッシングが、例えばホーニング，研磨，研削，ラップ仕上げ，寸法合わせ，磨き仕上げ，孔開け，精確な旋盤細工や腐食のような表面加工方法によって要求される表面形状に最終加工されることによって、既に説明したピストンピンブッシングの表面特性が確立される。プラトーホーニング(Plateuhohnen)が特に好ましいことが分かっている。このプラトーホーニングの場合、表面が、多数のステップで特に平坦に形成され得る。
【００２２】
好適な実施形では、本発明のピストンピンブッシングは摺動層を有する。この摺動層の少なくとも一番外側が、無鉛の銅母材合金から成る。組成CuAl（アルミニウム銅），CuZn（真鍮）又はCuSnZn（赤黄銅）が特に好ましい。
【００２３】
始動の摩滅に対する耐性に関する本発明のピストンピンブッシングの摺動層面の特別な利点は、異種の組成から成る粒子構造によって実現してもよいし、均質な組成から成る粒子構造によって実現してもよい。このことは、軸受材料で環境の理由又は製造の理由から合金要素である鉛を省略する必要があるときに特に重要である。不足している鉛の特にト摩滅特性が、この特別な表面構造によって少なくとも補償され得る。すなわち、合金要素としての鉛がなくても、使用時に始動摩滅しない。
【００２４】
以下に、本発明を表及び図面に基づいて詳しく説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
図１ａ中には、第１ピストンピンブッシングの凹凸断面が示されている。この第１ピストンピンブッシングの摺動面は、機械的に表面研磨された。全走査区間は、4.80mmである。断面の全長 R t (EN ISO 4287)は、約２μm である。摺動層の表面は、 0.150μm の断面深さステップで順次測定される。接触領域率が、断面深さごとに測定される。さらに値Rk1 及びMr1 が測定される。結果が、表１中に記されている。
【００２６】
表１中で分かるように、この第１ピストンピンブッシングは、 1.800μm の断面深さで99.5％の接触領域率を有する。さらにその摺動層面のRk値は0.26μm であり、 Mr1値は 5.9％である。
【００２７】
図１ｂ中では、断面深さが接触領域率に対してプロットされている。この分布から、EN ISO 13565-2にしたがって、Rk値が0.26μm である。
【００２８】
図１ｃ中では、個々の凹凸の頻度がプロットされている。この分布は、0.18μm の半値幅を有する。
【００２９】
図２ａ−ｃ及び表２によって示されている本発明の第２ピストンピンブッシングは、プラトーホーニング(Plateauhohnen) によって最終加工される。0.45μm だけの断面深さの場合、この断面深さは、既に99.7％の接触領域率を有する。100 ％の接触領域率は、既に0.75μm の断面深さで達する。0.11μm に対するRk値は、第１ピストンピンブッシングのときよりも遥かに小さい。これに対して、6.9 ％に対するMr1 値はより大きい。頻度分布の半値幅は、0.08μm であり、したがって第１ピストンピンブッシングのときよりも非常に小さい。この第２ピストンブッシングは最大負荷時の使用でも最も適していることが分かっている。
【００３０】
従来のピストンピンブッシング用の測定値が、比較のため図３a,b 及びｃ並びに表３中に示されている。0.450 μm の断面深さの場合、接触領域率は4.7 ％である。0.900 μm の断面深さの場合、68.7％である。1.200 μm の場合、90.0％である。1.800 μm の断面深さの場合、96.2％である。2.400 μm の断面深さで初めて、接触領域率の99％の境界を越える。0.52μm に対するRk値は、本発明の第１ピストンピンブッシングのときの２倍である。9.9 ％に対するMr1 値は、本発明の両ピストンピンブッシングのときよりも遥かに大きい。さらに、0.66μm に対する凹凸頻度分布の半値幅は、本発明の第１ピストンピンブッシングよりも３倍程度大きい。
【００３１】
図４ａ，４ｂ中では、本発明のピストンピンブッシング（図４ａ）及び従来のピストンピンブッシング（図４ｂ）の走査電子顕微鏡写真が示されている。本発明のピストンピンブッシングの摺動層の表面は、プラトーホーニングによって最終加工される。その結果、大きい接触領域率を有する非常に小さい凹凸の表面が、既に僅かな断面深さで得られる。これに対して、従来のピストンピンブッシングの摺動層の表面は、粗いホーニングによって加工される。このことは、非常に大きい凹凸を有する刻印された縞状パターンを招く。これらの凹凸は、特に高負荷エンジンにおけるピストンピンブッシングの使用時に始動過程時の摩滅を招く。
【００３２】
【表１】
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【００３３】
【表２】
2005538322.tif 000004
【００３４】
【表３】
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【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１ａ】第１ピストンピンブッシングの凹凸断面を示す。
【図１ｂ】第１ピストンピンブッシングの異なる断面深さに対する材料比を示す。
【図１ｃ】第１ピストンピンブッシングの凹凸の頻度分布を示す。
【図２ａ】第２ピストンピンブッシングの凹凸断面を示す。
【図２ｂ】第２ピストンピンブッシングの異なる断面深さに対する材料比を示す。
【図２ｃ】第２ピストンピンブッシングの凹凸の頻度分布を示す。
【図３ａ】従来のピストンピンブッシングの凹凸断面を示す。
【図３ｂ】従来のピストンピンブッシングの異なる断面深さに対する材料比を示す。
【図３ｃ】従来のピストンピンブッシングの凹凸の頻度分布を示す。
【図４ａ】本発明のピストンピンブッシングの摺動層面の走査電子顕微鏡写真である。
【図４ｂ】従来のピストンピンブッシングの摺動層面の走査電子顕微鏡写真である。
【図１ａ】
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【図１ｂ】
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【図１ｃ】
2005538322.tif 000008
【図２ａ】
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【図２ｂ】
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【図２ｃ】
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【図３ａ】
2005538322.tif 000012
【図３ｂ】
2005538322.tif 000013
【図３ｃ】
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【国際調査報告】
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