(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに摺動する摺動部材の少なくとも一方の摺動面に、摺動方向に対して交叉する方向へ向けて延在する複数の条痕を設け、この条痕どうしの間の凸部の表面に微細なディンプルを設けたことを特徴とする潤滑油を用いる摺動部材。
【請求項２】
前記ディンプルの平均深さを０．６〜１．８μｍにしたことを特徴とする請求項１に記載の潤滑油を用いる摺動部材。
【請求項３】
前記凸部は、前記摺動方向に沿う断面で見たときにほぼ台形状をなしていることを特徴とする請求項１に記載の潤滑油を用いる摺動部材。
【請求項４】
前記台形状の部分の縁部に、前記ディンプルによって形成された入江部が形成されていることを特徴とする請求項３に記載の潤滑油を用いる摺動部材。
【請求項５】
前記ディンプルは、オイルプールとなって潤滑油を保持することを特徴とする請求項１に記載の潤滑油を用いる摺動部材。
【請求項６】
前記ディンプルは、平均粒径が２０〜６０μｍのガラスビーズを用いたショットピーニングにより形成されたものであることを特徴とする請求項１に記載の潤滑油を用いる摺動部材。
【請求項７】
前記ガラスビーズは、２０μｍ以上の粒径を有していることを特徴とする請求項６に記載の潤滑油を用いる摺動部材。
【請求項８】
前記凸部どうしの間隔は２００〜４００μｍであることを特徴とする請求項１に記載の潤滑油を用いる摺動部材。
【請求項９】
前記凸部どうしの間隔は２５０〜３００μｍであることを特徴とする請求項８に記載の潤滑油を用いる摺動部材。
【請求項１０】
前記凸部の初期摩耗の前の高さは、７〜１５μｍであることを特徴とする請求項１に記載の潤滑油を用いる摺動部材。
【請求項１１】
前記凸部の初期摩耗の前の高さは、８〜１２μｍであることを特徴とする請求項１に記載の潤滑油を用いる摺動部材。
【請求項１２】
前記凸部どうしの間の条痕にもディンプルが設けられていることを特徴とする請求項８に記載の潤滑油を用いる摺動部材。
【請求項１３】
ピストン本体の側面の少なくともスカート部に、円周方向へ沿って延在する複数の条痕を設け、この条痕どうしの間の凸部の表面に微細なディンプルを設けたことを特徴とする内燃機関用ピストン。
【請求項１４】
ピストンリング用の溝にもディンプルが設けられていることを特徴とする請求項１３に記載の内燃機関用ピストン。
【請求項１５】
ランドにもディンプルが設けられていることを特徴とする請求項１３に記載の内燃機関用ピストン。
【請求項１６】
前記ディンプルの平均深さを０．６〜１．８μｍにしたことを特徴とする請求項１３に記載の内燃機関用ピストン。
【請求項１７】
前記凸部は、前記摺動方向に沿う断面で見たときにほぼ台形状をなしていることを特徴とする請求項１３に記載の内燃機関用ピストン。
【請求項１８】
前記台形状の部分の縁部に、前記ディンプルによって形成された入江部が形成されていることを特徴とする請求項１７に記載の内燃機関用ピストン。
【請求項１９】
前記ディンプルは、オイルプールとなって潤滑油を保持することを特徴とする請求項１３に記載の内燃機関用ピストン。
【請求項２０】
前記ディンプルは、平均粒径が２０〜６０μｍのガラスビーズを用いたショットピーニングにより形成されたものであることを特徴とする請求項１３に記載の内燃機関用ピストン。
【請求項２１】
前記ガラスビーズは、２０μｍ以上の粒径を有していることを特徴とする請求項２０に記載の内燃機関用ピストン。
【請求項２２】
前記凸部どうしの間隔は２００〜４００μｍであることを特徴とする請求項１３に記載の内燃機関用ピストン。
【請求項２３】
前記凸部どうしの間隔は２５０〜３００μｍであることを特徴とする請求項２２に記載の内燃機関用ピストン。
【請求項２４】
前記凸部の初期摩耗の前の高さは、７〜１５μｍであることを特徴とする請求項１３に記載の内燃機関用ピストン。
【請求項２５】
前記凸部の初期摩耗の前の高さは、８〜１２μｍであることを特徴とする請求項１３に記載の内燃機関用ピストン。
【請求項２６】
前記凸部どうしの間の条痕にもディンプルが設けられていることを特徴とする請求項２２に記載の内燃機関用ピストン。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、互いに摺動する摺動部材の摺動面に充分な潤滑油を介在させ、摺動部材の摺動抵抗を低減するとともに異音の発生を有効に防止することができる摺動部材に関する。また、本発明は、スリーブとの摺動面に充分な潤滑油を保持することができる内燃機関用ピストンに関する。
【０００２】
【従来の技術】
摺動部材の摺動抵抗を低減する技術としては、従来、摺動部材の素材にシリコンやフッ素化合物を添加したり、モリブデンやフッ素樹脂等の材料からなるコーティングを行うことも行われている。しかしながら、前者では摺動抵抗の低減に顕著な効果は認められず、また、後者では、コーティングが剥がれたり、摩耗するという問題がある。
【０００３】
特に、内燃機関用ピストン（以下、単にピストンと称する）では、燃焼室内の爆発圧力の一部をスリーブに対して摺動するピストンリングで受け、ピストンリングの下側に設けたスカート部をスリーブと接触させることでピストンの姿勢を保つようにしている。したがって、スカート部とスリーブとの接触が良好に行われないと、摺動抵抗が増加して燃費が低下したり、場合によってはピストンとスリーブ間の接触により異常な音が発生したりする。
【０００４】
特許文献１および特許文献２には、ピストンのスカート部等にサンドブラストやショットピーニングを施して微小なディンプルを形成することが提案されているが、この方法でも異音の発生の防止には効果が無いことが知られている。
【０００５】
一般に、互いに摺動する面は初期の段階で大きく摩耗することが知られている。これは、機械加工により形成されたシャープなエッジが初期の段階で摩耗するためであり、この摩耗は初期摩耗と呼ばれている。初期摩耗は、摺動面に供給される潤滑油の量、摺動面に生じる面圧の大きさや摺動速度、摺動面の表面粗さ、また、それらに影響されて発生する熱などの様々な因子が重なり合いながら発生し、それらのバランスがとれた段階で摩耗量および摺動抵抗は減少する（なじみ現象）。その後は、そのバランスが崩れない限り大きな摩耗を起こすことは無いが、潤滑油の供給や相対摺動速度等に大きな変化が生じると、発熱や摩耗量の急増および摺動面のマクロ的変形等を起こし、異音の発生に至る。
【０００６】
【特許文献１】
実開昭５２−１６４５１号公報
【特許文献２】
実開昭５７−１９３９４１号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
よって、本発明は、摺動部材が初期摩耗を起こすことを前提とし、初期摩耗した後の摺動部材の表面性状を理想的な形態とすることにより、初期摩耗後の摺動を円滑に行って異音の発生を有効に防止することができる摺動部材を提供することを目的としている。また、本発明は、そのような摺動部材を適用することにより、ピストンのスカート部とスリーブとのクリアランスを小さくすることができ、これによってピストンの姿勢を安定させ、ピストン打音の発生を防止して騒音や振動を低減することができるピストンを提供することを目的としている。さらに、本発明は、初期摩耗を運転初期に短時間で生じさせることにより、早期に摺動抵抗を低減することも目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の潤滑油を用いる摺動部材は、互いに摺動する摺動部材の少なくとも一方の摺動面に、摺動方向に対して交叉する方向へ向けて延在する複数の条痕を設け、この条痕どうしの間の凸部の表面に微細なディンプルを設けたことを特徴としている。複数の条痕の延在する方向は、摺動方向に対して直交または略直交することが望ましい。また、本発明の内燃機関用ピストンは、ピストン本体の側面の少なくともスカート部に、円周方向へ沿って延在する複数の条痕を設け、この条痕どうしの間の凸部の表面に微細なディンプルを設けたことを特徴としている。以下、本発明の作用を第１図Ａ以下を参照しながらピストンを例にとって説明する。
【０００９】
第１図Ａは、ディンプルを有しないピストンのスカート部の表面をコンピュータグラフィックで表示したものであり、ピストン本体の円周方向へ向けて延在する条痕および条痕どうしの間の凸部を示している。第１図Ａは、ピストン本体の外周を機械加工した後の状態を示し、凸部は、断面が略円弧状の条痕どうしの間に形成されている。なお、機械加工は、バイト等を用いてピストン本体の外周を切削しながらピストン本体を軸線方向へ相対移動させることにより行うことができる。この場合には、凸部は軸線方向へ向けて螺旋状をなす。
【００１０】
次に、ピストンに初期摩耗が生じると、凸部の先端部が摩滅して第１図Ｂに示すような略台形状となる。そして、台形状の部分の摺接面の縁部にエッジＥが形成されるため、条痕に溜まった潤滑油がエッジＥに阻まれて潤滑の必要な摺接面に供給されなくなる。第２図Ａ，Ｂは第１図Ａ，Ｂに示す凸部の断面形状を示すものであって、第２図Ａはその機械加工後、第２図Ｂは初期摩耗後の状態を示す。第２図Ｂから判るように、初期摩耗後の摺動面の縁部に形成されたエッジは忍び返しのように作用し、潤滑油が摺動面に供給されない箇所が生じる。この場合には、その箇所の温度が上昇して異音の発生の原因となる。
【００１１】
次に、第３図Ａは、本発明におけるピストンのスカート部の表面をコンピュータグラフィックで表示したものであり、ピストン本体の円周方向へ向けて延在する凸部と、この凸部の表面に設けた微細なディンプルを示している。次に、このピストンに初期摩耗が生じると、凸部の先端部が摩滅して第３図Ｂに示すような略台形状となる。そして、この台形状の部分の摺接面の縁部には、ディンプルによって形成された入江部Ｂが出現している。
【００１２】
第５図Ａ，Ｂを参照して本発明のディンプルの機能を説明する。ピストン本体に機械加工を行っただけのものの表面は、第５図Ａに示すように、ミクロ的にはＶ字状の溝が円周方向へ延在した状態となっている。このような表面に潤滑油を供給して面圧をかけると、潤滑油は、毛管作用によって先鋭な先端部よりも溝の底の方に集まり易いので、油膜が形成され難く摺動抵抗は大きい。一方、第５図Ｂは本発明におけるディンプルの例を示している。このような表面に潤滑油を供給すると、第５図Ｃに示すように、ディンプルＤがオイルプールとなって油玉Ｏを保持するから、この表面に面圧がかかっても、油膜Ｓが保持され、摺動抵抗の増加が防止される。
【００１３】
本発明によれば、上記のように微細なディンプルのそれぞれに潤滑油が保持されるとともに、ピストンの上下運動により、潤滑油が入江部Ｂから容易に摺動面に供給される。したがって、初期摩耗が終わってピストンがスリーブになじんだ後は、摺動面に潤滑油が供給されて油膜が形成され、摺動面を潤滑するとともに異音の発生を防止する。第４図Ａ，Ｂは第３図Ａ，Ｂに示す凸部の断面形状を示すものであり、第４図Ａは初期摩耗前、第４図Ｂは初期摩耗後の状態を示す。第４図Ａに示すように、凸部はディンプルによって加工されているから、初期摩耗は急激に生じる。一方、摺動面に供給される潤滑油の量、摺動面に生じる面圧の大きさといった種々の因子のバランスがとれた段階でなじみ現象が生じるが、初期摩耗が運転初期に短時間で生じるため摺動抵抗値が低いレベルでバランスがとれる。しかも、潤滑油が摺動面へ円滑に供給されるとともに、第４図Ｂに示すように、摺動面にもディンプルが残存して潤滑油が溜まるから、初期摩耗後の摺動抵抗を大幅に低減することができる。また、これによりピストンのスカート部とスリーブとのクリアランスを小さくすることができるので、ピストンの姿勢を安定させ、ピストン打音の発生を防止して騒音や振動を低減することができる。
【００１４】
ここで、上記のようななじみ現象は、より早期に、かつ少ない摩耗量で完了することが望ましい。スリーブとの摺動面であるスカート部の円周方向に沿って設けた凸部の先端部は、摺動すると安定する面圧に至るまで摩耗する。これは、摺動の際の面圧に耐えられる対応面積を確保するために、凸部の余分な先端部が除去されるためである。そして、除去された先端部は摩耗粒として潤滑油中に滞留する。この摩耗粉を極力低減するためには、当所からシャープなエッジを形成しておくよりも、面圧に耐えられる平面を予め確保しておくのが有効である。したがって、凸部は、摺動方向に沿う断面で見たときにほぼ台形状をなしていることが望ましい。このように構成することにより、機械加工によってシャープなエッジを形成する場合よりも、摺動面にかかる面圧や表面粗さ、ならびに相対摺動速度に応じて供給される潤滑油の量などがより早期に安定する。
【００１５】
ディンプルは、上記した作用を得るために適度な大きさでなければならない。ディンプルが小さすぎると、潤滑油を保持する能力が不充分になるとともに、入江部の大きさが小さく潤滑油を摺動面に引き出す作用が不充分になる。一方、ディンプルが大きすぎると、凸部の形状の変形が大きく、凸部を設ける効果がなくなる。ディンプルは、ショットピーニングによって形成することができる。この場合には、ディンプルの大きさは、上記したディンプルの大きさの制限から、ディンプルの平均深さは０．６〜１．８μｍであることが望ましい。
【００１６】
次に、第６図Ａ，Ｂは初期摩耗する前の凸部の断面形状を示す。第６図Ａには条痕が断面略円弧状のものを例示したが、これに限定されるものではなく、第６図Ａとは逆に凸部が断面略円弧状であるもの（第６図Ｂ）や、条痕と凸部とが断面視で波状に連続するもの（第６図Ｃ）であっても良い。あるいは、条痕と凸部の断面が台形状（第６図Ｄ）や三角形状（第６図Ｅ）であっても良い。本発明の作用、効果を確実に得るためには、凸部どうしの間隔Ｐは２００〜４００μｍであることが望ましく、２５０〜３００μｍであればさらに好適である。また、初期摩耗の前の条痕の底から凸部の先端までの高さＨ１は、７〜１５μｍであることが望ましく、８〜１２μｍであればさらに好適である。
【００１７】
ディンプルを形成するためのショットピーニングでは、ガラスビーズの微粒子をエアーによってピストンに投射するのが望ましい。また、ショットの平均粒径は２０〜６０μｍであることが望ましく、粒径は２０μｍ以上のものが良い。さらに、ショットピーニングにおけるショットの投射の際の空圧は、１．５〜５．０ｋｇ／ｃｍ２であることが望ましい。なお、ディンプルは凸部の表面にのみ設けることもできるが、条痕を含めた全体に設けることが望ましい。また、ピストンのスカート部のみならず、ピストンリングの溝やランドに上記と同様の凸部およびディンプルを設けることにより、溝とピストンリングでの異音の発生やランドとスリーブでの異音の発生を防止することができる。
【００１８】
なお、本発明の摺動部材は、前記のようなピストンに限定されるものではなく、互いに摺動するあらゆる部材に適用可能である。たとえば、ピストンピン、内燃機関用摺動メタル、カムシャフトホルダ等の往復摺動部品や回転摺動部品に適用することができる。そして、それらの部材の少なくとも一方を上記のように構成することにより、摺動面での潤滑油の確保と異音の発生防止という上記と同等の効果が得られる。
【００１９】
さらに、本発明では、摺動部材の表面に二硫化モリブデンやフッ素樹脂等の固体潤滑剤を、コーティング、含浸あるいは拡散等の表面処理によって予め、またはショットピーニングを施した後に設けることができる。
【００２０】
【実施例】
以下、具体的な実施例を参照して本発明をさらに詳細に説明する。
Ａ．試料の作製
一般的な形状および大きさのピストンを作製した。ピストンの外周には、第６図Ａに示すような断面形状の凸部（条痕）を形成し、凸部どうしの間隔を約２５０μｍ、凸部の高さを約１０μｍとした。次いで、ピストンをターンテーブルの中央に取り付け、ターンテーブルを回転させながらピストンの側面に、平均粒径が４０μｍのガラスビーズを圧縮空気によって投射した。そして、投射圧力を１．５ｋｇ／ｃｍ２から５．０ｋｇ／ｃｍ２まで変化させて複数の試料を作製した。
【００２１】
Ｂ．ディンプルの測定
各試料のディンプルの平均深さについては、各試料の面粗度Ｒａを測定し、そのＲａの値を平均深さとした。第７図にその結果を示した。第７図から判るように、ショットピーニングの投射圧力が高くなるに従ってディンプルの深さが大きくなる。
【００２２】
Ｃ．摩擦損失測定
上記試料から適当なものを選んで内燃機関に装着し、摩擦損失測定を行った。この摩擦損失測定では、内燃機関の摩擦損失馬力を測定し、馬力の変化から摺動抵抗の低減指数を算出した。運転開始時の低減指数を１とし、低減指数の経時変化を第８図に示した。なお、第８図において低減指数が０．９とは、摺動抵抗が１０％低減されたことを示す。また、比較のために、ショットピーニングをしていない第６図Ａに示す断面形状を有するピストンを比較例とし、同様の慣らし運転を行ってその結果を第８図に併記した。
【００２３】
第８図に示すように、本発明例では慣らし運転を開始すると低減指数が１から０．９４まで瞬時にして減少し、その後は緩やかに減少し続ける。これに対して比較例では、低減指数の初期の減少が本発明例よりも緩慢で、その後も本発明例よりも高いレベルを維持している。慣らし運転終了時の低減指数を比較すると、本発明例は比較例と比べて２．２％も低減指数が低いことが確認された。
【００２４】
Ｄ．摺動試験
上記した実施例の試料の側面をスリーブを擬した板材に押し付け、試料を５０ｍｍのストロークで往復移動させた。また、その際に板材の表面に潤滑油を滴下するとともに、押付け荷重を段階的に増加させた。その際の摩擦抵抗をリアルタイムで測定し、摩擦抵抗を時間で積分して単位時間当たりの平均摩擦抵抗を測定した。また、上記慣らし運転で用いた比較例の試料に対しても同じ摺動試験を行った。比較例の平均摩擦抵抗を１としたときの実施例の平均摩擦抵抗を算出し、比較例に対する摺動抵抗低減率（％）を算出した。第９図に平均ディンプル深さと摺動抵抗低減率との関係を示した。図９から、平均ディンプル深さが０．６〜１．８μｍのときに摺動抵抗低減率が高いことが判る。
【００２５】
次に、第９図に示す関係をショットピーニングの投射圧力と摺動抵抗低減率との関係に引き直して第１０図に示した。第１０図には投射圧力が２．５〜４．５ｋｇ／ｃｍ２についてプロットしたが、それらプロットに当てはめられる曲線を延長して一点鎖線で外装した。その結果、投射圧力が１．５〜５．０ｋｇ／ｃｍ２のときに摺動抵抗低減率が高いことが推定される。
【００２６】
Ｅ．焼付き試験
上記摺動試験において、潤滑油の滴下を停止して、摩擦係数を測定しながら焼付きが生じるまで摺動させた。この試験を本発明例と上記比較例の試料に対して行い、その結果を第１１図に示した。第１１図に示すように、比較例では７ｋｇｆで焼付きが生じたのに対して、本発明例では２２ｋｇｆまで焼付きが生じなかった。このように、本発明のピストンが耐焼付き性に優れていることが確認され、異音の発生防止に効果的であることが判った。
【００２７】
【発明の効果】
以上説明したように本発明においては、円周方向へ向けて延在する凸部を設け、この凸部の表面に微細なディンプルを設けているから、ディンプルに潤滑油が保持されるとともに、慣らし運転でディンプルによって形成される入江部から潤滑油が引き出され易くなり、よって、異音の発生を防止することができるとともに、慣らし運転後の摺動抵抗を低減することができる。また、これによりピストンのスカート部とスリーブとのクリアランスを小さくすることができるので、ピストンの姿勢を安定させ、ピストン打音の発生を防止して騒音や振動を低減することができる。
【００２８】
【図面の簡単な説明】
【図１】第１図Ａは、ディンプルを有しないピストンの表面を拡大して表した斜視図であってその初期摩耗前の状態を示す図、第１図Ｂは初期摩耗後の状態を示す図である。
【図２】第２図Ａは、ディンプルを有しないピストンの表面の断面を示す図であってその初期摩耗前の状態を示す図、第２図Ｂは初期摩耗後の状態を示す図である。
【図３】第３図Ａは、本発明のピストンの表面を拡大して表した斜視図であってその初期摩耗前の状態を示す図、第３図Ｂは初期摩耗後の状態を示す図である。
【図４】第４図Ａは、本発明のピストンの表面の断面を示す図であってその初期摩耗前の状態を示す図、第４図Ｂは初期摩耗後の状態を示す図である。
【図５】第５図Ａは従来のピストンの断面を模式的に示す図、第５図Ｂは本発明のピストンの断面を模式的に示す図、第５図Ｃはディンプルに油玉が保持されている状態を示す図である。
【図６】第６図ＡおよびＢは、初期摩耗前のピストンの凸部を示す断面図であって、第６図Ａは条痕が断面略円弧状のものを示す図、第６図Ｂは第６図Ａとは逆に凸部が断面略円弧状であるものを示す図である。第６図Ｃ〜第６図Ｅは、ピストンの初期摩耗前の凸部を示す断面図であって、第６図Ｃは条痕と凸部とが断面視で波状に連続するものを示す図、第６図Ｄは条痕と凸部の断面が台形状のものを示す図、第６図Ｅは凸部と条痕が三角形状のものを示す図である。
【図７】第７図は、実施例における投射圧力と平均ディンプル深さとの関係を示す線図である。
【図８】第８図は、実施例における慣らし運転時間と低減指数との関係を示す線図である。
【図９】第９図は、実施例における平均ディンプル深さと摺動抵抗低減率との関係を示す線図である。
【図１０】第１０図は、実施例における投射圧力と摺動抵抗低減率との関係を示す線図である。
【図１１】第１１図は、実施例における試料の押付け荷重と摩擦係数との関係を示す線図である。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図６Ｄ】
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【図６Ｅ】
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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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【図１１】
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