(57)【要約】【課題】摩擦係数の低減効果の高い摺動方法を提供する。【解決手段】第１部材１１と第２部材１２とを粘性流体を介して摺動させる摺動方法であり、第２部材との摺動面に微細な凹部１３を形成した第１部材を、第１部材と第２部材との接触部を固定した座標系から見た場合に、第１部材の移動速度の絶対値が第２部材の移動速度の絶対値よりも大きくなるように摺動させる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１部材と第２部材とを粘性流体を介して摺動させる摺動方法において、
前記第２部材との摺動面に微細な凹部を形成した前記第１部材を、前記第１部材と前記第２部材との接触部を固定した座標系から見た場合に、前記第１部材の移動速度の絶対値が前記第２部材の移動速度の絶対値よりも大きくなるように摺動させることを特徴とする摺動方法。
【請求項２】
前記第２部材は、静止していることを特徴とする請求項１に記載の摺動方法。
【請求項３】
前記第１部材の移動速度の方向と、前記第２部材の移動速度の方向とが同じであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の摺動方法。
【請求項４】
前記凹部は、その深さをｔとし、摺動時の粘性流体膜厚さをｈとした場合に、その比ｈ／ｔが０．０４以上５以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の摺動方法。
【請求項５】
前記凹部は、前記摺動面における前記凹部の占有面積率が０．５％以上１０％以下であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の摺動方法。
【請求項６】
前記凹部は、最大径で５００μｍ以下であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の摺動方法。
【請求項７】
前記凹部の滑り方向の断面形状において、最表面の長さをＬ、滑り方向前側から凹部底面の極値を示す位置までの長さをＳとした場合に、Ｓ／Ｌが０．２以下であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１つに記載の摺動方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、第１部材と第２部材とを粘性流体を介して摺動させる摺動方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
潤滑油を始めとする粘性流体を介して第１部材と第２部材とを摺動させるに際して、摩擦を低減するために、摺動面に微細な窪みや溝などの凹部を形成することが行われている（特許文献１、２参照）。凹部の形成は、凹部による油溜めの効果、凹部による接触部内の油の流れの制御、あるいは凹部によるマイクロ動圧の効果などを期待するものである。
【０００３】
このような微細な凹部を形成する技術は、例えば、回転摺動するクランクピンと軸受けメタルとの間の摩擦の低減や、往復摺動するピストンリングとボアとの間の摩擦の低減のために適用されている。
【特許文献１】特開２００２−２１３６１２号公報
【特許文献２】特開２００２−２３５８５２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
微細な凹部を形成することによって摩擦の低減を実現し得るものの、さらなる摩擦の低減が要請されている。また、従来の摺動方法においては、微細な凹部を、移動側もしくは固定側のいずれの部材に形成するのが良いかについて言及されていない。
【０００５】
そこで、本発明の目的は、摩擦の低減効果の高い摺動方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成する請求項１に記載の本発明は、第１部材と第２部材とを粘性流体を介して摺動させる摺動方法において、
前記第２部材との摺動面に微細な凹部を形成した前記第１部材を、前記第１部材と前記第２部材との接触部を固定した座標系から見た場合に、前記第１部材の移動速度の絶対値が前記第２部材の移動速度の絶対値よりも大きくなるように摺動させることを特徴とする摺動方法である。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、微細な凹部を形成した第１部材を、第１部材と第２部材との接触部を固定した座標系から見た場合に、第１部材の移動速度の絶対値が第２部材の移動速度の絶対値よりも大きくなるように摺動させるようにしたので、摩擦の低減効果が高く、耐摩耗性や耐焼き付き性に優れた摺動方法を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、図面を参照して本発明を実施するための最良の形態を説明する。
【０００９】
図１（Ａ）は、回転摺動する第１と第２の部材１１、１２同士が接触する形態を模式的に示す図、図１（Ｂ）は、往復摺動する第１と第２の部材１１、１２同士が接触する形態を模式的に示す図である。
【００１０】
本発明に係る摺動方法は、第１部材１１と第２部材１２とを粘性流体としての潤滑油を介して摺動させる摺動方法において、第２部材１２との摺動面に微細な凹部１３を形成した第１部材１１を、第１部材１１と第２部材１２との接触部を固定した座標系から見た場合に、第１部材１１の移動速度の絶対値が第２部材１２の移動速度の絶対値よりも大きくなるように摺動させている。このことを、「第１部材１１および第２部材１２のいずれの側に微細な凹部１３を形成すべきか」という点に着目して言い換えると、「第１部材１１と第２部材１２との接触部を固定した座標系から見た場合に、高速移動側の第１部材１１に微細な凹部１３を形成する。」ということである。接触部を固定した座標系から見た場合に、高速移動側の第１部材１１に凹部１３を形成することにより、低速移動側の第２部材１２に凹部１３を形成するよりも油膜厚さが増大し、その結果として、摩擦係数を低減できる。したがって、摩擦の低減効果が高く、耐摩耗性や耐焼き付き性に優れるという効果を得る。
【００１１】
図１（Ａ）（Ｂ）を参照して、「第１部材１１と第２部材１２との接触部を固定した座標系から見た場合に、高速移動側の第１部材１１に微細な凹部１３を形成する」点について説明する。
【００１２】
図１（Ａ）には、軸１１１と、その軸１１１を回転自在に保持する軸受けメタル１１２との間のように、回転摺動する部材同士が接触する形態が示されている。このような接触形態の場合には、軸受けメタル１１２の図中Ａ点が常に軸１１１に接触している。したがって、「接触部を固定した座標系から見た場合に、高速移動側の部材に微細な凹部１３を形成する」とは、軸１１１に微細な凹部１３を形成することになる。よって、この場合には、軸１１１が第１部材１１に相当し、軸受けメタル１１２が第２部材１２に相当する。
【００１３】
回転摺動する部材同士として、具体的には、クランクピンと軸受けメタルとを例示できる。この組み合わせに本発明を適用する場合には、クランクピンが第１部材１１に相当し、軸受けメタルが第２部材１２に相当し、クランクピンに微細な凹部１３を形成する。クランクピンに凹部１３を形成することにより、軸受けメタルに凹部１３を形成するよりも油膜厚さが増大し、摩擦低減効果を十分に発現できる摺動方法を提供できる。
【００１４】
図１（Ｂ）には、プレート１２１とリング１２２との間のように、往復摺動する部材同士が接触する形態が示されている。このような接触形態の場合には、リング１２２の図中Ｂ点が常にプレート１２１に接触している。したがって、「接触部を固定した座標系から見た場合に、高速移動側の部材に微細な凹部１３を形成する」とは、プレート１２１に微細な凹部１３を形成することになる。よって、この場合には、プレート１２１が第１部材１１に相当し、リング１２２が第２部材１２に相当する。
【００１５】
往復摺動する部材同士として、具体的には、ボアとピストンリングとを例示できる。この組み合わせに本発明を適用する場合には、ボアが第１部材１１に相当し、ピストンリングが第２部材１２に相当し、ボアに微細な凹部１３を形成する。ボアに凹部１３を形成することにより、ピストンリングに凹部１３を形成するよりも油膜厚さが増大し、摩擦低減効果を十分に発現できる摺動方法を提供できる。
【００１６】
第２部材１２は、静止していることが好ましい。微細な凹部１３を形成した第１部材１１とは反対側の第２部材１２の摺動面を静止させることにより、油膜厚さが増大する効果が大きくなり、より優れた摩擦低減効果を得ることができるからである。
【００１７】
第１部材１１の移動速度の方向と、第２部材１２の移動速度の方向とが同じであることが好ましい。第１と第２の部材１１、１２の移動速度の方向を同じにすることにより、油膜厚さが増大する効果が大きくなり、より優れた摩擦低減効果を得ることができるからである。
【００１８】
第１部材１１および第２部材１２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を備える内燃機関用の摺動部材にあっては、鉄やアルミニウムなどの金属から形成することが望ましい。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得る。
【００１９】
第１部材１１に形成される凹部１３は、その深さをｔとし、摺動時の油膜厚さ（粘性流体膜厚さに相当する）をｈとした場合に、その比ｈ／ｔが０．０４以上５以下となるように形成されているが望ましい。比ｈ／ｔが０．０４より小さい場合には、油膜を十分確保できず金属接触が生じるため、摩擦低減効果が十分発現しないばかりか、逆に摩擦係数が増加してしまうおそれがある。また、比ｈ／ｔが５を超えると、凹部１３の深さｔに対して油膜厚さｈが大きすぎるため、動圧効果が十分発揮できず、摩擦低減効果が十分発現しないおそれがある。したがって、比ｈ／ｔを０．０４以上５以下とすることにより、摩擦低減効果が効果的に発現できる。
【００２０】
凹部１３は、摺動面における凹部１３の占有面積率が０．５％以上１０％以下であることが望ましい。占有面積率が０．５％より小さい場合には、凹部１３の割合が少なすぎるため、動圧効果が十分発揮できず、摩擦低減効果が十分発現しないおそれがある。また、１０％を超えると、平端部の割合が相対的に減少するため、負荷容量が減少し、結果として、金属同士の直接接触が生じるため、摩擦低減効果が十分発現しないばかりか、逆に摩擦が増加してしまうおそれがある。また、耐摩耗性や耐焼き付き性も低下してしまう懸念がある。したがって、凹部１３の占有面積率を０．５％以上１０％以下とすることにより、優れた摩擦低減効果が得られる。
【００２１】
凹部１３は、最大径で５００μｍ以下であることが望ましい。５００μｍを超えると、接触面に対する凹部１３の大きさが大きすぎるため、例えば入り口部において、凹部１３を通じて油が逆流し、金属接触を促進することになり、結果として、摩擦係数が増加してしまうおそれがある。したがって、凹部１３を最大径で５００μｍ以下とすることにより、接触面における凹部１３の大きさが最適化されるため、摩擦低減効果が効果的に発現できる。
【００２２】
図２（Ａ）は、摺動面に形成されている凹部１３を示す斜視図、図２（Ｂ）は、図２（Ａ）の２Ｂ−２Ｂ線に沿う断面図である。
【００２３】
図２を参照して、凹部１３の形状は、凹部１３の滑り方向２１の断面形状において、最表面の長さをＬ、滑り方向２１前側から凹部１３底面の極値を示す位置１７までの長さをＳとした場合に、Ｓ／Ｌが０．２以下であることが望ましい。図２における符号ｔは、凹部１３の深さを示している。Ｓ／Ｌが０．２を超えると、凹部１３壁面の油の流れが効果的に作用しないため、動圧効果が十分に得られず、摩擦低減効果が十分発現されない。したがって、Ｓ／Ｌを０．２以下とすることにより、動圧効果が十分発揮され、優れた摩擦低減効果が得られる。
【００２４】
図２（Ａ）に示されるように、凹部１３の形状は、滑り方向２１に対して直交する方向２２に扁平していることが望ましい。滑り方向２１に対して直交する方向２２に扁平な形状とは、直交方向２２の最大長さが、滑り方向２１の最大長さよりも大きくなる形状である。扁平な形状は、矩形に限られず、楕円形状、多角形状、円形状であってもかまわない。凹部１３の形状が、直交方向２２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。
【００２５】
上述した第１と第２の部材１１、１２は、内燃機関や変速機の摺動部に使用するものであることが望ましい。十分な摩擦低減を発現する第１と第２の部材１１、１２を適用することによって、内燃機関や変速機の摺動部における摩擦を減少することができ、摺動部の耐摩耗性や耐焼き付き性を向上させることができる。
【００２６】
（実施例）
内接２円筒試験、および、ピストンリング／ボア模擬試験の２種類の試験により、摩擦低減効果を確認した。
【００２７】
図３は、内接２円筒試験機３０を一部切り欠いて示す斜視図、図４（Ａ）〜（Ｄ）は、摺動面に形成される凹部１３の断面形状を示す断面図、図５〜図８は、実施例１〜７における、摺動面上における凹部１３の配置形態を示す平面図である。
【００２８】
内接２円筒試験は、クランクピンと軸受けメタルとの間のように、回転摺動する部材同士における摩擦低減効果を確認するために行った。図３を参照して、内接２円筒試験機３０は、粘性流体としての潤滑油３３を介して摺動する内円筒３１と外円筒３２とを含んでいる。図中に点線によって示される接触領域３４において、内円筒３１の外表面と外円筒３２の内表面とが摺動接触している。図中矢印Ｗは、内円筒３１に作用するラジアル荷重を示している。
【００２９】
外円筒３２は外径φ６０ｍｍの鋼製円筒に内径φ４５ｍｍのアルミメタルを圧入したものである。一方、内円筒３１は外径がφ４３ｍｍ、鋼鉄（ＳＣＭ４４０Ｈ鋼）の焼き入れ焼き戻し材である。
【００３０】
内円筒３１および外円筒３２にはそれぞれＡＣサーボモータ（不図示）を取り付け独立に回転制御できるようにしている。そして、５Ｗ３０の油を入れた油浴内にこの内円筒３１および外円筒３２を浸すことで、内円筒３１および外円筒３２の間に油膜を形成させた。
【００３１】
実験は、ラジアル荷重２０ｋｇ、油温度８０℃、相対すべり速度６ｍ／ｓ、平均速度を２ｍ／ｓにおいて、内円筒軸に取り付けたトルクセンサにより回転トルクを計測して接線力を算出し、ラジアル荷重で除することにより摩擦係数を求めた。
【００３２】
実施例１〜７では、凹部１３を、内円筒３１の外表面にのみ形成した。各実施例１〜７において、（１）凹部１３を形成した内円筒３１を回転し外円筒３２を固定した場合、つまり、移動側の部材に凹部１３を形成した場合の摩擦係数μ１、（２）凹部１３を形成した内円筒３１を固定し外円筒３２を回転した場合、つまり、固定側の部材に凹部１３を形成した場合の摩擦係数μ２、（３）内円筒３１および外円筒３２の両者を、同じ方向に向けて、内円筒３１の移動速度が外円筒３２の移動速度よりも大きくなるように回転した場合の摩擦係数μ３を測定した。そして、各実施例１〜７において、固定側の部材に凹部１３を形成した場合に対する移動側の部材に凹部１３を形成した場合の摩擦係数比α（μ１／μ２）と、内円筒３１および外円筒３２の両者を回転させた場合に対する外円筒３２を静止させた場合の摩擦係数比β（μ１／μ３）を求めた。
【００３３】
凹部微細形状は、マスクブラスト加工により形成した。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、その樹脂マスクを内円筒３１の外表面に貼り付けた後、平均粒径２５μｍのセラミックス粒子を、投射ノズルから投射圧０．５ＭＰａの条件下で投射し、凹部微細形状を得た。凹部微細形状を形成した後、凹部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。凹部１３の深さは３μｍとした。
【００３４】
凹部１３の断面形状は、半円弧形状（図４（Ａ））、矩形形状（図４（Ｂ））、２列三角形状（図４（Ｃ））、三角形状（図４（Ｄ））とした。下記の表１には、断面形状を、「Ｕ」、「Ｒ」、「Ｗ４」および「Ｔ３」の記号にて表す。
【００３５】
凹部１３の配置形態は、実施例１はジグザグ配置（図５（Ａ））、実施例２はジグザグ配置（図５（Ｂ））、実施例３は六角形配置（図６（Ａ））、実施例４は千鳥格子配置（図６（Ｂ））、実施例５は千鳥格子配置（図７（Ａ））、実施例６は千鳥格子配置（図７（Ｂ））、実施例７は千鳥格子配置（図８）とした。
【００３６】
実験結果を下記の表１に示す。
【００３７】
【表１】
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【００３８】
表１に示すように、固定側の部材に凹部１３を形成した場合に対する移動側の部材に凹部１３を形成した場合の摩擦係数比αは、いずれの場合も１より小さい。固定側の部材に凹部１３を形成するよりも移動側の部材に凹部１３を形成することによって、油膜厚さが増大して摩擦を低減できるという本発明の効果を確認した。さらに、内円筒３１および外円筒３２の両者を回転させた場合に対する外円筒３２を静止させた場合の摩擦係数比βは、いずれの場合も１より小さい。凹部１３を形成した部材とは反対側の部材を静止させることによって、油膜厚さが増大して摩擦を低減できるという本発明の効果を確認した。
【００３９】
図９は、ピストンリング／ボア模擬試験機４０を示す斜視図、図１０は、凹部１３の配置形態を示す図である。
【００４０】
ピストンリング／ボア模擬試験は、ピストンリングとボアとの間のように、往復摺動する部材同士における摩擦低減効果を確認するために行った。図９を参照して、ピストンリング／ボア模擬試験機４０は、粘性流体としての潤滑油を介して摺動するリング４１とプレート４２とを含んでいる。実験では、リング４１を固定し、プレート４２のみを往復摺動させた。図中の両矢印は滑り方向２１を、片矢印は荷重方向を示す。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。摺動距離つまり滑り方向２１に沿う長さＨは、１工程あたり３０ｍｍとした。リング４１とプレート４２との接触部の幅Ｂは、４０ｍｍとした。
【００４１】
リング４１の材料には、ＳＣＭ４３５浸炭焼入れ焼き戻し材を用いた。リング４１の先端は曲率半径３０ｍｍの円弧状に形成した。アール３０ｍｍの表面にはＣｒメッキを１００μｍ施し、リング４１の摺動面を算術平均粗さＲａ０．２μｍに仕上げた。一方、プレート４２の材料には、４０ｍｍ×６０ｍｍ×５ｍｍ厚のオーステナイト鋳鉄（ＦＣＡ）の板材を用いた。平坦部の粗さをＲａ０．０５μｍ以下に仕上げた。
【００４２】
実験は、押し付け荷重を２５０Ｎ、一往復あたりの摺動距離を３０ｍｍ、摺動速度を６００回／ｍｉｎ、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。リング４１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求めた。
【００４３】
実施例８、９においては、移動側であるプレート４２に凹部微細形状を形成した。凹部１３の占有面積率は、実施例８は２．５％、実施例９は５％とした。
【００４４】
比較例１においては、固定側であるリング４１に凹部微細形状を形成した。凹部１３の占有面積率は、５％とした。比較例２においては、リング４１およびプレート４２のいずれにも凹部を形成していない。凹部１３の形状は、８０×３２０μｍの矩形状のものを、千鳥格子状に規則的に配置した（図１０参照）。
【００４５】
凹部微細形状は、マスクブラスト加工により形成した。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、その樹脂マスクをプレートやリング表面に貼り付けた後、平均粒径２０μｍのアルミナ砥粒を、投射ノズルからワ−クまでの距離を１００ｍｍとし、投射流量１００ｇ／ｍｉｎ、投射圧０．４ＭＰａの条件下で投射し、凹部微細形状を得た。凹部微細形状を形成した後、凹部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。凹部１３の深さは３μｍとした。
【００４６】
実験結果を下記の表２に示す。
【００４７】
【表２】
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【００４８】
表２に示すように、比較例１の摩擦係数に対する各実施例８、９の摩擦係数の比は、いずれの場合も１より小さい。比較例１、２より、固定側の部材（リング４１）に凹部１３を形成した場合においても摩擦低減効果を得ることはできるものの、内接２円筒試験の場合と同様に、固定側の部材（リング４１）に凹部１３を形成するよりも移動側の部材（プレート４２）に凹部１３を形成することによって、油膜厚さが増大して摩擦をより一層低減できるという本発明の効果を確認した。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】図１（Ａ）は、回転摺動する第１と第２の部材同士が接触する形態を模式的に示す図、図１（Ｂ）は、往復摺動する第１と第２の部材同士が接触する形態を模式的に示す図である。
【図２】図２（Ａ）は、摺動面に形成されている凹部を示す斜視図、図２（Ｂ）は、図２（Ａ）の２Ｂ−２Ｂ線に沿う断面図である。
【図３】図３は、内接２円筒試験機を一部切り欠いて示す斜視図である。
【図４】図４（Ａ）〜（Ｄ）は、摺動面に形成される凹部の断面形状を示す断面図である。
【図５】図５（Ａ）（Ｂ）は、実施例１、２における、摺動面上における凹部の配置形態を示す平面図である。
【図６】図６（Ａ）（Ｂ）は、実施例３、４における、摺動面上における凹部の配置形態を示す平面図である。
【図７】図７（Ａ）（Ｂ）は、実施例５、６における、摺動面上における凹部の配置形態を示す平面図である。
【図８】実施例７における、摺動面上における凹部の配置形態を示す平面図である。
【図９】ピストンリング／ボア模擬試験機を示す斜視図である。
【図１０】凹部の配置形態を示す図である。
【符号の説明】
【００５０】
１１    第１部材、
１２    第２部材、
１３    凹部、
１７    凹部底面の極値を示す位置、
２１    滑り方向、
３０    内接２円筒試験機、
３１    内円筒、
３２    外円筒、
３３    潤滑油、
４０    ピストンリング／ボア模擬試験機、
４１    リング、
４２    プレート、
１１１  軸（第１部材）、
１１２  軸受けメタル（第２部材）、
１２１  プレート（第１部材）、
１２２  リング（第２部材）。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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