(57)【要約】【課題】従来、摺動面に微小くぼみを形成し、且つ微小くぼみの表面に占める割合が１０〜４０％となるようにすることが提案されている。しかし、別の条件下では、逆に摩擦係数が大きくなる場合や摩擦係数にばらつきが生じる場合がある。【解決手段】（ａ）に示す境界潤滑では、摺動面の凹凸が摩擦係数の増加に繋がる。窪みの開口面積が１０％を超えると急激に摩擦係数が増加することが判明した。境界潤滑を考えた場合は、窪みの面積割合は１０％以下にする必要がある。（ｂ）に示す流体潤滑では油膜への依存率が高い。窪みの開口面積の総和が大きいと、豊富な油膜が得られるため、窪みの面積割合は５％以上にする必要がある。窪みの面積割合を５〜１０％の範囲に管理すれば、流体潤滑と境界潤滑の両方に対して摩擦係数を下げることができる。【選択図】        図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一対の摺動面間に流体潤滑剤を介在させて相対的に摺動させる機械部品において、前記摺動面に微小窪みを形成するとともに、摺動面に対する前記微小窪みの面積割合を下記の通りとしたことを特徴とする機械部品の摺動面構造。
５％≦（窪みの面積割合）≦１０％
窪みの面積割合＝（（窪みの開口面積の総和）／摺動面単位面積）×１００
窪みの開口面積：例えば開口が正円に近似できて半径がｒであれば、πｒ２
【請求項２】
一対の摺動面間に流体潤滑剤を介在させて相対的に摺動させる機械部品において、前記摺動面に微小窪みを形成するとともに、摺動面に対する前記微小窪みの体積割合を下記の通りとしたことを特徴とする機械部品の摺動面構造。
２×１０５μｍ３／ｍｍ２≦（窪みの体積割合）≦５×１０５μｍ３／ｍｍ２
窪みの体積割合＝（（窪みの体積の総和）／摺動面単位面積）×１００
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は機械部品の摺動面の製造管理技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来機械部品の摺動面に微小なくぼみを形成し、且つこのくぼみを定量的に管理することが知られている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平３−１７２６０８号公報（第１頁）
【０００４】
特許文献１の特許請求の範囲第１項には、「スラスト荷重を受けながらすべり接触するすべり面を備えた機械部品において、前記すべり面に独立した微小くぼみを無数にランダムに設け、この微小くぼみの平均面積が３５〜１５０μｍ２、微小くぼみの表面に占める割合が１０〜４０％としたことを特徴とする」と記載されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明者らが検証したところでは、微小くぼみの表面に占める割合が１０〜４０％となるようにすれば確かに摩擦係数は小さくなる。
しかし、別の条件下では、逆に摩擦係数が大きくなる場合や摩擦係数にばらつきが生じる場合があることが分かった。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
そこで、本発明者らは各種の実験を繰り返し、通常の使用条件であれば、その全てにおいて摩擦係数を下げることができる摺動面を作り出すことに成功した。
すなわち、請求項１は、一対の摺動面間に流体潤滑剤を介在させて相対的に摺動させる機械部品において、摺動面に微小窪みを形成するとともに、摺動面に対する前記微小窪みの面積割合を下記の通りとしたことを特徴とする。
５％≦（窪みの面積割合）≦１０％
窪みの面積割合＝（（窪みの開口面積の総和）／摺動面単位面積）×１００
窪みの開口面積：例えば開口が正円に近似できて半径がｒであれば、πｒ２
【０００７】
潤滑状態には、流体潤滑と境界潤滑の２つの形態がある。流体潤滑は一対の摺動面が油膜で完全に隔離された状態をいう。一方、境界潤滑は、摺動面のところどころが接触することで一対の摺動面は油膜が存在するにも拘わらず、不完全に隔離されている状態をいう。境界潤滑は起動時／停止時に起こりやすい。
【０００８】
流体潤滑では油膜への依存率が高い。窪みの開口面積の総和が大きいと、豊富な油膜が得られるため、窪みの面積割合は５％以上にする必要がある。しかし、１７％を超えると、逆に摩擦係数がばらつく。流体潤滑を考えた場合は、窪みの面積割合は５〜１７％の範囲が望ましい。
【０００９】
一方、境界潤滑では、摺動面の凹凸が摩擦係数の増加に繋がる。窪みの開口面積が１０％を超えると急激に摩擦係数が増加することが判明した。境界潤滑を考えた場合は、窪みの面積割合は１０％以下にする必要がある。
【００１０】
機械部品では、流体潤滑にときどき境界潤滑が介在すると考えることができる。であれば、流体潤滑と境界潤滑の両方を考慮して窪みの面積割合を決める必要があり、５〜１７％の範囲と１０％以下の２つの条件から、機械部品の摺動面構造においては、窪みの面積割合は５〜１０％の範囲にすることが望ましい。
窪みの面積割合を５〜１０％の範囲に管理すれば、流体潤滑と境界潤滑の両方に対して摩擦係数を下げることができる。
【００１１】
請求項２は、一対の摺動面間に流体潤滑剤を介在させて相対的に摺動させる機械部品において、前記摺動面に微小窪みを形成するとともに、摺動面に対する前記微小窪みの体積割合を下記の通りとしたことを特徴とする。
２×１０５μｍ３／ｍｍ２≦（窪みの体積割合）≦５×１０５μｍ３／ｍｍ２
窪みの体積割合＝（（窪みの体積の総和）／摺動面単位面積）×１００
【００１２】
流体潤滑では油膜への依存率が高い。窪みの体積の総和が大きいと、豊富な油膜が得られるため、窪みの面積割合は２×１０５μｍ３／ｍｍ２以上にする必要がある。しかし、８×１０５μｍ３／ｍｍ２超えると、逆に摩擦係数がばらつく。流体潤滑を考えた場合は、窪みの面積割合は２×１０５〜８×１０５μｍ３／ｍｍ２の範囲が望ましい。
【００１３】
一方、境界潤滑では、摺動面の凹凸が摩擦係数の増加に繋がる。窪みの体積割合が５×１０５μｍ３／ｍｍ２を超えると急激に摩擦係数が増加することが判明した。境界潤滑を考えた場合は、窪みの体積割合は５×１０５μｍ３／ｍｍ２以下にする必要がある。
【００１４】
機械部品では、流体潤滑にときどき境界潤滑が介在すると考えることができる。であれば、流体潤滑と境界潤滑の両方を考慮して窪みの体積割合を決める必要があり、２×１０５〜８×１０５μｍ３／ｍｍ２の範囲と５×１０５μｍ３／ｍｍ２以下の２つの条件から、機械部品の摺動面構造においては、窪みの体積割合は２×１０５〜５×１０５μｍ３／ｍｍ２の範囲にすることが望ましい。
窪みの体積割合を２×１０５〜５×１０５μｍ３／ｍｍ２の範囲に管理すれば、流体潤滑と境界潤滑の両方に対して摩擦係数を下げることができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を添付図に基づいて以下に説明する。
図１は本発明の検証に用いた摩擦係数測定装置の原理であり、摩擦係数測定装置１０は、外輪１１、鋼球１２・・・（・・・は複数個を示す。以下同じ）及び内輪１３からなるボールベアリング１４と、外輪１１の外周に嵌めたアウターリング１５と、このアウターリング１５を押し上げるシリンダユニット１６と、このシリンダユニット１６の押力を検出する第１ロードセル１７と、内輪１３から延ばしたてこ１８と、このてこ１８の先端を受けると共に支持力を検出する第２ロードセル１９と、内輪１３に嵌めた分割型メタル２１、２２と、これらのメタル２１、２２に僅かな隙間をおいて嵌めた軸部材２３と、この軸部材２３を図面時計廻りに回転させるモータ２４と、後述する演算器類とからなる。
【００１６】
なお、軸部材２３は図面表裏方向に離して配置した２個の軸受（図示せず）で回転自在に支持するため、軸部材２３は図面上下や左右へ移動しない。
この例では、軸部材２３はエンジンのクランク軸、分割型メタル２１、２２はクランク軸を支える軸受メタルを想定した。
【００１７】
以上に述べ摩擦係数測定装置１０の作用を説明する。
軸部材２３とメタル２１、２２との間に流体潤滑剤としての潤滑油２５を供給し、モータ２４で軸部材２３を所定の速度で時計廻りに回転させる。この回転に伴ってメタル２１、２２及び内輪１３は時計廻りに回転力が作用するが、てこ１８の先端が第２ロードセル１９で支えられているため、メタル２１、２２や内輪１３は回らない。すなわち、潤滑油２５の存在により、メタル２１、２２内を軸部材２３が空転する。
【００１８】
次に、シリンダユニット１６を作動させて、アウターリング１５を押し上げたとする。このときの押力は第１ロードセル１７で常時検知し、このときの押力は「Ｐ」であったとする。
アウターリング１５が僅かに上昇すると、ボールベアリング１４並びにメタル２１、２２が同量だけ上昇する。一方、軸部材２３は上昇しない。
【００１９】
この結果、軸部材２３の下面にメタル２２が接触し、摩擦力が増加する。この摩擦力は前記押力Ｐに比例して増加する。
摩擦力が増加すると、てこ１８に発生する偶力が増加し、第２ロードセル１９に作用する力Ｆが増加する。
【００２０】
第２ロードセル１９の近傍に設けた摩擦係数演算器２７では、第２ロードセル１９で検出した力ｆをてこの１８の長さと軸部材２３の半径との比で処理することで摩擦力Ｆを求め、第１ロードセル１９で検出した押力Ｐと演算式（Ｆ＝μＰ）とにより、そのときの摩擦係数μを演算する。
【００２１】
潤滑油２５は温度により、粘度が変化する。そこで、温度センサ２８で潤滑油２５の温度Ｔを検出し、粘度演算器２９でそのときの潤滑油２５の粘度ηを求める。
【００２２】
また、モータ２４の回転数Ｎから、速度演算器３１により、軸部材２３の外周の速度Ｖを演算する。
以上で、押力Ｐ、摩擦係数μ、粘度η及び速度Ｖが決まる。
【００２３】
ところで、潤滑状態には、流体潤滑と境界潤滑の２つの形態がある。流体潤滑は一対の摺動面が油膜で完全に隔離された状態をいう。一方、境界潤滑は、摺動面のところどころが接触することで一対の摺動面は油膜が存在するにも拘わらず、不完全に隔離されている状態をいう。境界潤滑は起動時／停止時に起こりやすい。
【００２４】
図２はηＶ／Ｐとμの関係を示すグラフであり、荷重（押力）Ｐ、速度Ｖを変化させることで多数のμを求め、グラフにプロットしたところ、略Ｖ字形の曲線が得られた。
周知の通りに、Ｐが大きく、Ｖが小さければ境界潤滑になりやすく、Ｐが小さく、Ｖが大きければ流体潤滑になりやすい。このことから、ηＶ／Ｐ＝０．１付近は境界潤滑領域であり、ηＶ／Ｐ＝２付近は流体潤滑領域であることが確認できた。
【００２５】
すなわち、以下の説明でηＶ／Ｐ＝０．１を境界潤滑の指標、ηＶ／Ｐ＝２を流体潤滑の指標にする。なお、縦軸は通常の等間隔目盛りあるが、横軸は対数目盛であるため、０．１と２の位置は不等間隔になる。
【００２６】
次に、本発明で用いる「窪みの面積割合」及び「窪みの体積割合」の用語を説明する。なお、窪みの面積割合は、面積割合と略記することがある。同様に、窪みの体積割合は、体積割合と略記することがある。
【００２７】
窪みは、実験室的にはレーザ加工法により微細な凹部を形成する。
又、生産性を重んじる生産ラインでは摺動面に球状の物質を高速で投射することで摺動面に無数の微小凹部を形成する。
【００２８】
図３は本発明での面積割合の説明図である。
（ａ）は摺動面３３の拡大図であり、単位面積Ａ×Ａに、無数の微小窪み３４・・・が存在することを示す。ただし、微小窪み３４・・・の数や形状は正確ではない。便宜上、図右上の窪み３４の開口面積をＳ１、その左の窪み３４の開口面積をＳ２、その左の窪み３４の開口面積をＳ３、・・・・・・図左下隅の窪み３４の開口面積をＳｎと呼称する。
【００２９】
（ｂ）は（ａ）のｂ部拡大図であり、仮に窪み３４の開口が正円に近似し、その半径がｒｎであれば、ｎ番目の窪み３４での開口面積Ｓｎはπｒｎ２となる。
（ａ）において、開口面積の総和は、Σ（πｒ１２＋πｒ２２＋・・・＋πｒｎ２）
となり、窪みの面積割合は、（開口面積の総和）／（単位面積Ａ×Ａ）＝（Σ（πｒ１２＋πｒ２２＋・・・＋πｒｎ２）／Ａ２）×１００（％）で求めることができる。
【００３０】
なお、以上は窪みの面積割合の定義を述べたものであり、実験室的にはレーザ加工による窪み３４の径、ピッチ及び単位面積当たりの個数が管理できるため、窪みの面積割合は簡単に求めることができる。
【００３１】
生産ラインでは、窪みと非窪みとの陰影差をコンピュータで画像処理することで、効率よく窪みの面積割合を求めることができる。
【００３２】
図４は本発明での体積割合の説明図である。
（ａ）は摺動面３３の拡大図であり、単位面積Ａ×Ａに、無数の微小窪み３４・・・が存在することを示す。ただし、微小窪み３４・・・の数や形状は正確ではない。便宜上、図右上の窪み３４の体積をＶ１、その左の窪み３４の体積をＶ２、その左の窪み３４の体積をＶ３、・・・・・・図左下隅の窪み３４の体積をＶｎと呼称する。
【００３３】
（ｂ）は（ａ）のｂ−ｂ線断面拡大図であり、仮に窪み３４が半径ｒｎの半球であれば、ｎ番目の窪み３４での体積Ｖｎは２／３（πｒｎ３）となる。
（ａ）において、体積の総和は、Σ（Ｖ１２＋Ｖ２２＋・・・＋Ｖｎ２）となり、窪みの体積割合は、（体積の総和）／（単位面積Ａ×Ａ）＝（Σ（Ｖ１２＋Ｖ２２＋・・・＋Ｖｎ２）／Ａ２）×１００（％）で求めることができる。
【００３４】
なお、以上は窪みの体積割合の定義を述べたものであり、実験室的にはレーザ加工による窪み３４の径、深さ、ピッチ及び単位面積当たりの個数が管理できるため、窪みの体積割合は簡単に求めることができる。
【００３５】
生産ラインでは、窪みと非窪みとの陰影差をコンピュータで画像処理することで、効率よく窪みの面積割合を求めることができる。
【００３６】
図１の装置を用いて、多数のデータを取得し、これらを整理して得たグラフを次に示す。
【００３７】
図５は本発明の窪みを有する摺動面における面積割合と摩擦係数の関係を示すグラフである。
（ａ）は、ηＶ／Ｐが０．１のデータをプロットしたものであり、横軸で０〜１０％の範囲では摩擦係数μはごく小さいことが判明した。
すなわち、ηＶ／Ｐが０．１であるから境界潤滑状態にあり、境界潤滑では、摺動面の凹凸が摩擦係数の増加に繋がる。窪みの開口面積が１０％を超えると急激に摩擦係数が増加することが判明した。境界潤滑を考えた場合は、窪みの面積割合は１０％以下にする必要がある。
【００３８】
（ｂ）は、ηＶ／Ｐが２のデータをプロットしたものであり、この範囲では流体潤滑となる。流体潤滑では油膜への依存率が高い。窪みの開口面積の総和が大きいと、豊富な油膜が得られるため、窪みの面積割合は５％以上にする必要がある。しかし、１７％を超えると、逆に摩擦係数がばらつく。流体潤滑を考えた場合は、窪みの面積割合は５〜１７％の範囲が望ましい。
【００３９】
機械部品では、流体潤滑にときどき境界潤滑が介在すると考えることができる。であれば、流体潤滑と境界潤滑の両方を考慮して窪みの面積割合を決める必要があり、５〜１７％の範囲と１０％以下の２つの条件から、機械部品の摺動面構造においては、窪みの面積割合は５〜１０％の範囲にすることが望ましい。
窪みの面積割合を５〜１０％の範囲に管理すれば、流体潤滑と境界潤滑の両方に対して摩擦係数を下げることができる。
【００４０】
図６は本発明の窪みを有する摺動面における体積割合と摩擦係数の関係を示すグラフである。
（ａ）は、ηＶ／Ｐが０．１のデータをプロットしたものであり、境界潤滑状態にある。境界潤滑では、摺動面の凹凸が摩擦係数の増加に繋がる。窪みの体積割合が５×１０５μｍ３／ｍｍ２を超えると急激に摩擦係数が増加することが判明した。境界潤滑を考えた場合は、窪みの体積割合は５×１０５μｍ３／ｍｍ２以下にする必要がある。
【００４１】
（ｂ）は、ηＶ／Ｐが２のデータをプロットしたものであり、この範囲では流体潤滑となる。流体潤滑では油膜への依存率が高い。窪みの体積の総和が大きいと、豊富な油膜が得られるため、窪みの面積割合は２×１０５μｍ３／ｍｍ２以上にする必要がある。しかし、８×１０５μｍ３／ｍｍ２超えると、逆に摩擦係数がばらつく。流体潤滑を考えた場合は、窪みの面積割合は２×１０５〜８×１０５μｍ３／ｍｍ２の範囲が望ましい。
【００４２】
機械部品では、流体潤滑にときどき境界潤滑が介在すると考えることができる。であれば、流体潤滑と境界潤滑の両方を考慮して窪みの体積割合を決める必要があり、２×１０５〜８×１０５μｍ３／ｍｍ２の範囲と５×１０５μｍ３／ｍｍ２以下の２つの条件から、機械部品の摺動面構造においては、窪みの体積割合は２×１０５〜５×１０５μｍ３／ｍｍ２の範囲にすることが望ましい。
窪みの体積割合を２×１０５〜５×１０５μｍ３／ｍｍ２の範囲に管理すれば、流体潤滑と境界潤滑の両方に対して摩擦係数を下げることができる。
態にある。
【００４３】
尚、実施例ではクランク軸と軸受メタルとを摺動面としたが、摺動面は機械部品に存在する面であれば、その種類は問わない。
【００４４】
【発明の効果】
本発明は上記構成により次の効果を発揮する。
請求項１により、摺動面での窪みの面積割合を５〜１０％の範囲に管理すれば、流体潤滑と境界潤滑の両方に対して摩擦係数を下げることができる。
【００４５】
請求項２により、摺動面での窪みの体積割合を２×１０５〜５×１０５μｍ３／ｍｍ２の範囲に管理すれば、流体潤滑と境界潤滑の両方に対して摩擦係数を下げることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の検証に用いた摩擦係数測定装置の原理
【図２】ηＶ／Ｐとμの関係を示すグラフ
【図３】本発明での面積割合の説明図
【図４】本発明での体積割合の説明図
【図５】本発明の窪みを有する摺動面における面積割合と摩擦係数の関係を示すグラフ
【図６】本発明の窪みを有する摺動面における体積割合と摩擦係数の関係を示すグラフ
【符号の説明】
１０…摩擦係数測定装置、２５…流体潤滑剤剤としての潤滑油、２７…摩擦係数演算器、３４…摺動面、３５…窪み（微小窪み）。
【図１】
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【図２】
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【図３】
2005024050.tif 000005
【図４】
2005024050.tif 000006
【図５】
2005024050.tif 000007
【図６】
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