(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
粘性流体の存在下で相対的に摺動する摺動部材の少なくとも一方の摺動部材の摺動面に連続波形状の微細凹溝を形成した低摩擦摺動部材であって、前記摺動部材は一方が軸方向に平坦な円筒体、他方が軸直角方向に膨出した太鼓状をした円筒体からなり、前記他方の摺動部材を前記一方の摺動部材に内接させることにより楕円状をした接触領域が生じるように構成され、前記微細凹溝の伸延方向が前記摺動部材の摺動方向と一致するように形成すると共に、前記接触領域に前記微細凹溝が少なくとも２本以上存在することを特徴とする低摩擦摺動部材。
【請求項２】
前記微細凹溝は、前記接触領域に、前記波形が少なくとも２周期存在することを特徴とする請求項１に記載の低摩擦摺動部材。
【請求項３】
前記微細凹溝は、前記摺動部材が相互に接触する接触領域での占有する面積率が１％以上１５％以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の低摩擦摺動部材。
【請求項４】
前記微細凹溝は、溝幅が２００μｍ以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の低摩擦摺動部材。
【請求項５】
前記微細凹溝は、溝深さが、０．５μｍ以上２０μｍ以下であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の低摩擦摺動部材。
【請求項６】
前記摺動部材の前記微細凹溝が形成されていない平坦部の表面粗さ（Ｒa）が、０．０５μｍ以下であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の低摩擦摺動部材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、粘性流体の存在下で相対的に摺動する低摩擦摺動部材に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、ピストンおよびシリンダは、一般的に金属でできているため、高速で摺動することによる摺動面の摩擦や摩耗あるいは焼付きが問題となる。このような摩耗などを防止するには、摺動面相互間に粘性流体を介在させる方法があるが、摩擦などの低減は、十分でない。
【０００３】
更に、摩擦などを低減するために、従来から、摺動面に凹凸面などを形成する方法が行われている。例えば、下記特許文献１では、粘性流体を介して互いに摺動する軸受に所定の深さの多数の潤滑油ポケットをエンボス加工などによりドット状、つまり相互に独立に存在する凹部を形成し、摩擦の低減を図る軸受要素が開示されている。
【０００４】
しかし、上記のような従来の軸受要素のように、相互に独立した凹部を形成することは成形作業自体が面倒なものとなり、また、軸受要素の品質を保証する上において、凹部自体の深さや大きさのばらつきを管理するには、多大な工数が必要となる。
【特許文献１】特表２０００−５０４０８９号公報（要約、図１参照）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、粘性流体の存在下で相対的に摺動する内燃機関用の摺動部材における、摺動面相互間に生じる摩擦や摩耗を低減するために、摺動面に形成する微細な凹部を、簡単に形成でき、深さや大きさに関するばらつきの管理も容易な摩擦低減性能の高い低摩擦摺動部材を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、粘性流体の存在下で相対的に摺動する摺動部材の少なくとも一方の摺動部材の摺動面に連続波形状の微細凹溝を形成した低摩擦摺動部材であって、摺動部材は一方が軸方向に平坦な円筒体、他方が軸直角方向に膨出した太鼓状をした円筒体からなり、前記他方の摺動部材を前記一方の摺動部材に内接させることにより楕円状をした接触領域が生じるように構成され、前記微細凹溝の伸延方向が前記摺動部材の摺動方向と一致するように形成すると共に、前記接触領域に前記微細凹溝が少なくとも２本以上存在することを特徴とする低摩擦摺動部材である。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の低摩擦摺動部材では、粘性流体の存在下で相対的に摺動する摺動部材の少なくとも一方の摺動部材の摺動面に連続波形状の微細凹溝を形成し、この微細凹溝の波形の伸延方向が摺動部材の摺動方向と一致するように形成したので、機械加工などにより微細凹溝を極めて簡単に形成でき、深さや大きさのばらつきの管理も容易となる。特に、波形の伸延方向が摺動方向と一致すると、摺動方向への粘性流体、例えば潤滑油の流れが促進されると共に側方へ潤滑油の漏れが抑制されることになり、潤滑油膜を増大させることができる。潤滑油膜が厚くなると、結果として摩擦係数を減少することになる。
【０００８】
また、波形の伸延方向が摺動方向と一致する連続した微細凹溝とすることで、潤滑油を接触部分に長く滞在させることが可能となり、その結果、低摩擦を発現するという効果がもたらされる。
さらに、接触領域に、少なくとも２本以上の微細凹溝が存在すると、摺動方向への油の流れを効果的に促進できるのみでなく、側方への漏れが抑制され、油膜を増大させる機能をより促進することができる。
【０００９】
なお、本明細書においては、「微細凹溝」とは、ミクロンオーダーの極めて小さな凹部をいうが、その形状は、摺動部材の表面上で連続的に形成されたサイン波や三角波などのように周期的に変化する波形であればよく、その形状は特に限定されるものではなく、種々の形状を含むものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明に係る低摩擦摺動部材について、詳細に説明する。
【００１１】
図１は本発明の実施形態に係る低摩擦摺動部材が使用されるエンジンの要部を示す概略断面図、図２は摩擦低減メカニズムの説明図、図３は図１の低摩擦摺動部材の要部を示す概略斜視図、図４は同低摩擦摺動部材の微細凹部を示す平面図、図５は図４の５−５線に沿う断面図である。
【００１２】
本実施形態に係る低摩擦摺動部材は、例えば、図１に示すようなエンジンのピストン１とシリンダ２、クランクシャフト３とメタル軸受４などのように、粘性流体の存在下で摺動する部分の摩擦や摩耗を大幅に低減するために使用される。
【００１３】
まず、摩擦低減のメカニズムを図面について説明する。図２に示すように、一対の摺動部材を潤滑油の存在下で、摺動方向（図中、両矢印で示す）に摺動する場合、少なくとも一方の摺動部材の摺動面に凹凸形状の加工を施し、一方の摺動部材の摺動方向に平行な方向の凸部の長さＸが、他方の摺動部材の摺動方向に平行な方向の凹部の長さＹよりも大きい場合には、摺動の際、潤滑油を凹部に閉じ込めることができる。これにより、摺動部間に一定の油膜厚さを保持することができ、低摩擦を実現できる。しかし、凹部が大きすぎたり深すぎると、負荷容量が低下し直接接触が生じやすくなる。
【００１４】
このような凹部の形状や凸部の形状は、平面的には長方形状、楕円状、不定形状のあらゆる形状が採用されうるが、特に、凹部の形状を摺動方向と平行に連続して形成すると、摺動方向への油の流れが促進され、側方への漏れが抑制されるため、油膜を増大させることができ、これにより摩擦係数を減少させることができる。
【００１５】
本発明者らは、このような知見に基づき本発明を完成させたものである。つまり、本発明は、摺動方向と一致若しくは平行な方向に伸延するように連続波形状の微細凹溝を形成し、負荷容量に与える影響が小さい状態で、粘性流体の保油性を向上させ、摩擦係数を減少させたものである。
【００１６】
低摩擦摺動部材は、概して、図３に示すように、粘性流体の存在下で密着した状態で、両矢印の方向に相対的に摺動する第１の摺動部材１０と第２の摺動部材１１とからなり、両摺動部材１０，１１の摺動面１０ａ，１１ａには、複数の微細凹溝１２が形成されている。なお、この微細凹溝１２は、両摺動面１０ａ，１１ａのいずれか一方であってもよい。
【００１７】
本実施形態の微細凹溝１２は、図２，３に示すように、摺動部材１０，１１の摺動方向と波形の伸延方向が平行あるいは一致するように形成している。連続した形状の微細凹溝１２を摺動部材１０，１１の摺動方向と平行あるいは一致に形成すると、摺動に伴って摺動方向への油の流れが促進され、側方への漏れが抑制されることになるため、油膜を増大させることができ、これにより摩擦係数を減少させることができることになる。
【００１８】
ここにおいて、それぞれ円筒形状をした摺動部材１０，１１相互の摩擦をより低減させるには、一方は軸方向に平坦な円筒体であっても他方は軸直角方向に膨出した、いわゆる太鼓状をしたものとすることが好ましいが、このように成形すると、他方の摺動部材を一方の摺動部材に内接させることにより両摺動部材１０，１１間で生じる接触領域は、図４，６に示すように、楕円状の接触領域Ｃが生じることになる。本実施形態では、このような楕円状の接触領域Ｃでの微細凹溝１２の状態を検証した。
【００１９】
摺動部材１０，１１が相互に接触する接触領域Ｃは、長径が２aで短径が２ｂであるが、本実施形態の微細凹溝１２は、この接触領域Ｃに少なくとも２本以上存在するように形成することが好ましい。
【００２０】
接触領域Ｃにおいて、少なくとも２本以上の微細凹溝１２を形成すると、摺動方向への油の流れを効果的に促進できるのみでなく、側方への漏れが抑制され、油膜を増大させる機能をより促進することができる。ただし、１本の場合には、この効果が十分に得られない。
【００２１】
この接触領域Ｃにおいて、サイン波形あるいは三角波などの周期的に変化する波形は、少なくとも２周期分存在することが好ましい。このようにすれば、さらに潤滑油を接触領域Ｃに長く滞在させることが可能となり、さらに摩擦を低減できるという効果がもたらされることになり、潤滑油が十分存在しない場合でも焼き付き防止性が向上する。
【００２２】
摺動部材１０，１１の摩擦の低減は、溝幅Ｗ、溝深さＤ、摺動部材１０，１１の微細凹溝１２が形成されていない平坦部１３の表面粗さＲａ、あるいは、微細凹溝１２が接触領域Ｃで占有する面積率によっても影響される。
【００２３】
微細凹溝１２は、図５に示すように、摺動部材１０，１１の平坦な摺動面１０ａ，１１ａから切り込まれた断面矩形状の溝あるいは断面三角形状の溝などとして形成されるが、いずれの断面形状の溝であっても、溝深さＤは、０．５μｍ以上２０μｍ以下であることが好ましい。溝深さＤが、この範囲であれば、安定して摩擦係数を減少でき、また、耐焼き付き防止性を向上することができることが、実験により判明している。なお、微細凹溝１２の深さＤの測定は、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などにより測定することができる。
【００２４】
溝幅Ｗは、２００μｍ以下であることが好ましい。溝幅Ｗが２００μｍ以下であれば、摩擦低減効果が十分発現するが、２００ｕｍ以上あれば、微細凹溝１２へ油が流れ込んでしまい負荷容量が低下する。特に、接触領域Ｃが小さい場合には問題となる。
【００２５】
このような微細凹溝１２であっても、両摺動部材１０，１１の接触領域Ｃでの占有割合{（接触領域Ｃでの溝本数×溝幅Ｗ×溝長さ／πaｂ）×１００％）}、つまり面積率が大きすぎても小さすぎても問題となる。微細凹溝１２の面積率としては、１％以上１５％以下とすれば、安定して摩擦係数を減少でき、焼き付き防止性を向上できる。面積率が１％より小さい場合には、微細凹溝１２を形成した効果が十分発現できず、面積率が１５％以上の場合には、負荷容量が低下し、金属接触が増加するために、摩擦が増大し、焼きつき性も低下する。なお、面積率は、例えば、マスクブラスト法で用いる凹部微細形状を有する樹脂製マスクから算出することができる。
【００２６】
摺動部材１０，１１の微細凹溝１２が形成されていない摺動面１０ａ，１１ａの表面粗さＲａは、０．０５μｍ以下とすることが好ましい。表面粗さＲａが、０．０５μｍ以上であれば、潤滑油の油膜厚さが小さい場合に、金属接触が増大し、焼き付き防止性が低下するという問題があるが、０．０５μｍ以下であれば、このようなことがなく、安定的な焼き付き防止性が得られる。なお、表面粗さＲａは、例えば、触針式表面形状測定装置ＦｏｒｍＴａｌｙｓｕｒｆ−１２０Ｌ（Ｔａｙｌｏｒ−Ｈｏｂｓｏｎ社製）により測定することができる。
【００２７】
前述した摺動部材１０，１１を実験により摩擦係数を測定し、種々の溝形状パターンを有するものにつき検証を試みた。
【００２８】
図６は実験で使用する内接２円筒を示す概略斜視図、図７は微細凹溝の溝形状を例示的に示す平面図である。
【００２９】
実験に使用した摺動部材１０，１１としては、図６に示すような、内接２円筒を形成したものを使用した。
【００３０】
外円筒１５として、外径φ６０の鋼製円筒に内径φ４５ｍｍのアルミメタルを圧入したものを使用し、内円筒１６としては、外径がφ４３ｍｍの鋼鉄（ＳＣＭ４３５Ｈ鋼）の焼き入れ焼き戻し材を使用した。
【００３１】
内円筒１６は、軸方向の曲率半径ｒが７００ｍｍの円弧状外周面となるように成形し、外円筒１５との間で楕円状の接触領域Cが生じるようにした。接触領域Cの長径（２a）は２．５ｍｍ、短径（２ｂ）は１．９ｍｍである。
【００３２】
いずれの試験片も、端部での塑性変形によりできた盛り上がりやバリを除去する目的で、平均粒径９μmのテ−プラップフィルムを使用して、摺動面１０ａ，１１ａの表面粗さＲａが、０．０２μｍ以下となるように仕上げ加工を行った。
【００３３】
実験は、外円筒１５と内円筒１６相互間に油膜を形成するため、エンジン油の浴槽に一部浸漬し、エンジン油の油温度は、８０℃とした。
【００３４】
そして、ラジアル荷重F(白抜き矢印)として２０ｋｇを加え、相対すべり速度Ｕは６ｍ／ｓとし、内円筒１６の軸１６aに取り付けたトルクセンサ１７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Fで除することにより摩擦係数を求めた。
【００３５】
本実施形態の微細凹溝１２の形状パターンとしては、具体例を挙げると、図７Ａ，Ｂ，Fで示すものなど、種々の形状パターンを有するものが考えられるが、試験において使用した試験片としては、図７Ａ，Ｂ，Ｃ、Ｄ，Eの形状パターンを有するものを用いた。
【実施例】
【００３６】
（実施例１）
実施例１の微細凹溝１２のパターンは、図７Ａで示すものであり、工具刃先曲率半径の異なるｃ−ＢＮ切削工具を用い、内円筒を回転させながら工具を揺動し、内円筒１６の外周面にサイン波状の連続溝１２を形成した。溝幅Wは５０μｍ、振幅Tは５００μｍ、溝の深さDは３μｍ、接触領域Cでの山数は３、楕円状の接触領域Cでの溝の本数は３とした。楕円状の接触領域Cでの溝の面積率は、１１．１％であった。
【００３７】
（実施例２）
実施例２は、微細凹溝１２のパターンとして、図７Bで示すものを使用した。実施例１と同様の溝加工を行い、溝幅W、振幅T、溝の深さD、接触領域Cでの山数、楕円状の接触領域Cでの溝の本数及び溝の面積率も同様とした。
【００３８】
（実施例３）
実施例３の微細凹溝１２は、実施例１と同様のパターン及び溝加工であるが、溝幅Wは１００μｍ、振幅Tは２５０μｍとした。溝の面積率は１５．６％であった。
【００３９】
（実施例４）
実施例４の微細凹溝１２は、実施例１と同様のパターン及び溝加工であるが、溝幅Wは１９０μｍ、振幅Tは２５０μｍ、溝の深さDは１μｍ、接触領域Cでの山数は２、接触領域Cでの溝の本数は２とした。溝の面積率は１８．０％であった。
【００４０】
（実施例５）
実施例５の微細凹溝１２も、実施例１と同様のパターン及び溝加工であるが、溝幅Wは３０μｍ、振幅Tは５００μｍ、溝の深さDは１８μｍ、接触領域Cでの山数は２、接触領域Cでの溝の本数は２とした。溝の面積率は３．６％であった。
【００４１】
（実施例６）
実施例５の微細凹溝１２も、実施例１と同様のパターン及び溝加工であるが、溝幅Wは５０μｍ、振幅Tは２５０μｍ、溝の深さDは１０μｍ、接触領域Cでの山数は２、接触領域Cでの溝の本数は２とした。溝の面積率は５．９％であった。
【００４２】
（実施例７）
実施例５の微細凹溝１２も、実施例１と同様のパターン及び溝加工であるが、溝幅Wは５０μｍ、振幅Tは５００μｍ、溝の深さDは６μｍ、接触領域Cでの山数は３、接触領域Cでの溝の本数は３とした。溝の面積率は１１．１％であった。
【００４３】
（比較例１）
比較例１は、連続溝を形成していないものとした。摺動面１０ａ，１１ａの表面粗さＲａは、実施例１と同様、０．０２μｍ以下とした。他の条件も、全て実施例１と同様とした。
【００４４】
（比較例２）
比較例２は、連続溝のパターンを図７Ａで示すものとした。溝幅Wは２５０μｍ、振幅Tは２５０μｍ、溝の深さDは２５μｍ、接触領域Cでの山数は２、接触領域Cでの溝の本数は２とした。溝の面積率は２３．７％であった。
【００４５】
（比較例３）
比較例３の微細凹溝１２は、パターンを図７Ａで示すものとした。溝幅Wは３０μｍ、振幅Tは５００μｍ、溝の深さDは０．３μｍ、接触領域Cでの山数は１、接触領域Cでの溝の本数は１とした。溝の面積率は１．６％であった。
【００４６】
（比較例４）
比較例４の微細凹溝１２は、波形の伸延方向が摺動方向と直交する方向となるように形成した図７Cで示すものとした。この溝は、マスクブラスト処理加工により形成した。すなわち、光リソグラフィのテクニックを利用し、樹脂製マスクに微細形状を形成し、その樹脂マスクを円筒表面およびメタル内面に貼り付けた後、平均粒径２５ｕｍのセラミックス粒子を投射圧５ｋｇ／ｃｍ２で所望の深さになるまで、投射し、微細な凹溝を形成した。その後、微細凹溝周辺に形成されたエッジ部の盛り上がりを粒径９μｍのテ−プラップフィルムにより除去した。本試験片も、端部での塑性変形によりできた盛り上がりやバリを除去する目的で、平均粒径９μmのテ−プラップフィルムを使用して、摺動面１０ａ，１１ａの表面粗さＲａが、０．０２μｍ以下となるように仕上げ加工を行った。また、内円筒と外円筒の接触幅は、２０ｍｍである。
【００４７】
比較例４は、溝幅Wが５０μｍ、振幅Tを５００μｍ、溝の深さDが３μｍ、接触領域Cでの山数を３、接触領域Cでの溝の本数を３、溝の面積率を１１．１％であった。
【００４８】
（比較例５）
比較例５は、パターンDのサイン波状の連続溝で、比較例４と同様に、波形の伸延方向が摺動方向と直交する方向にマスクブラスト処理加工により形成し、平均粒径９μmのテ−プラップフィルムを使用して盛り上がりやバリを除去し、表面粗さＲａが、０．０２μｍ以下となるように仕上げ加工を行った。
【００４９】
比較例５は、溝幅Wが５０μｍ、振幅Tを５００μｍ、溝の深さDが３μｍ、接触領域Cでの山数を３、接触領域Cでの溝の本数を３、溝の面積率を１１．１％であった。
【００５０】
（比較例６）
比較例６は、パターンEの網目状の溝とし、前記比較例４，５と同様、溝幅Wが５０μｍ、振幅Tを５００μｍ、溝の深さDが３μｍ、接触領域Cでの山数を３、接触領域Cでの溝の本数を３とした。溝の面積率は２２．２％であった。
【００５１】
比較例１の場合の摩擦係数を「１」とし、各実験例の摩擦係数を、これと比較した結果、下記の表１で示す結果が得られた。なお、簡便のため、各実験例における微細凹溝１２のパターンＡ〜Eも併記している。
【００５２】
【表１】
0004702186.tif 000002
【００５３】
表１から明らかなように、本実施例のものは、いずれの場合も、比較例１のものより低い摩擦抵抗係数比を示すが、比較例では、摩擦抵抗係数比が１に近似するかあるいは１以上である。これは、微細凹溝１２自体の保油性が摩擦低減効果に大幅に寄与することが分る。
【００５４】
このような本発明の低摩擦摺動部材を、粘性流体の存在下で摺動する内燃機関用の摺動部材、例えば、シリンダ、メタル軸受などの、円弧状内面を形成するものに適用すると、微細凹溝１２が保油性を向上させる油溜まりの役割を発揮し、これら凹部に入り込む油の量が多くなり、負荷容量の低下や油膜が薄くなる事態を防止し、金属同士の直接接触のない、摩擦抵抗が低減する好ましい内燃機関になる。
【００５５】
本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の範囲内で種々改変することができる。例えば、上述した実施形態では、平坦な低摩擦摺動部材に微細凹溝１２を形成したものであるが、これのみでなく、他の種々の形状を有するもの、例えば、ある程度湾曲したものあるいは円弧状の面を有するもの、又は球面のものなどにも適用することもできる。また、微細凹溝１２は、同一周期で同一波高のサイン波、三角波のみでなく、変形したものあるいは種々の形状をした波形であってもよいこともある。
【産業上の利用可能性】
【００５６】
本発明は、粘性流体の存在下で摺動する内燃機関用摺動部材の摺動摩擦の低減を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】本発明の実施形態に係る低摩擦摺動部材が使用されるエンジンの要部を示す概略断面図である。
【図２】摩擦低減メカニズムの説明図である。
【図３】図１の低摩擦摺動部材の要部を示す概略斜視図である。
【図４】同低摩擦摺動部材の微細凹部を示す平面図である。
【図５】図４の５−５線に沿う断面図である。
【図６】実験で使用する内接２円筒を示す概略斜視図である。
【図７】微細凹溝の溝形状を例示的に示す平面図である。
【符号の説明】
【００５８】
１０，１１…摺動部材、
１０ａ，１１ａ…摺動面、
１２…微細凹溝、
C…接触領域、
D…溝深さ、
T…周期、
W…溝幅。
【図１】
0004702186.tif 000003
【図２】
0004702186.tif 000004
【図３】
0004702186.tif 000005
【図５】
0004702186.tif 000006
【図４】
0004702186.tif 000007
【図６】
0004702186.tif 000008
【図７】
0004702186.tif 000009