(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の部材に潤滑剤を介して摺接する摺接面に凹部と凸部とからなるうねりを有する有摺接面部材を製造する製造方法であって、
ワークを高周波焼き入れ処理する第１工程と、
高周波焼き入れ処理された前記ワークを研削加工または研磨加工の少なくともいずれか一方を行う第２工程と、
研削加工または研磨加工の少なくともいずれか一方が施された前記ワークに対してガラスビーズが混合された液体を噴射してうねりを形成する第３工程と、
を備え、
前記うねりの基準長４ｍｍにおける平均凹凸高さＲｃが０．２５μｍ以上１．２μｍ未満、平均凹凸ピッチＳｍが２０μｍ以上１３０μｍ未満、尖りＲｋｕが５未満であることを特徴とする有摺接面部材の製造方法。
【請求項２】
請求項１記載の製造方法において、
前記研削加工または研磨加工の少なくともいずれか一方が施された面の基準長４ｍｍにおける最大高さＲｍａｘが１．０μｍ以下であることを特徴とする有摺接面部材の製造方法。
【請求項３】
請求項１または２記載の製造方法において、
前記ガラスビーズの直径が１０〜７０μｍであり、該ガラスビーズが混合された液体の噴出圧力が６０〜２００ＭＰａであることを特徴とする有摺接面部材の製造方法。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の製造方法において、
前記有摺接面部材が内燃機関用クランクシャフトまたは内燃機関用バランサシャフトであることを特徴とする有摺接面部材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、有摺接面部材の製造方法に関し、一層詳細には、耐焼き付き性が良好でかつオイルが容易に流動することが可能な摺接面を有する有摺接面部材の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、内燃機関の内部に注入されたオイルは、該内燃機関が付勢されてピストンがシリンダボア内を往復動作する際、ピストンの側周壁部とシリンダボアまたはスリーブの内周壁部とが互いに繰り返し摺接することに伴って発生した摩擦熱を除去するという役割を果たす。すなわち、両摺接面に発生した摩擦熱が熱伝導によってオイルへと伝達されることにより、該両摺接面の温度が下降する。その結果、両摺接面に焼き付きが生じることが回避される。
【０００３】
このことから諒解されるように、摺接面を有する部材（以下、有摺接面部材という）においては、その摺接面にオイルを保持させることにより焼き付きが回避される。そこで、オイルが良好に保持されるように、摺接面を特定の形状に加工することが種々提案されている。その例としては、内燃機関のピストンのスカート部に形成された条痕、シリンダボアまたはスリーブの内周壁部に形成されたプラトーホーニング、ローラベアリングに形成された超微細オイルポッド、エンジンメインベアリングに形成されたグルーブ等が挙げられる。これらは既に実施されており、実際、摺接面の耐焼き付き性や疲労強度等が向上した部材として広く認識されるに至っている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の形状を有する摺接面は、必ずしもオイルを良好に流動させることができるものではないという不具合がある。すなわち、前記ピストンのスカート部が往復動作する際や前記各ベアリングに軸支された軸等が回転動作する際に、オイルが条痕とシリンダボアとの間や、超微細オイルポッドあるいはグルーブと軸との間に堰き止められて流動が妨げられるからである。
【０００５】
このような事態が生じると、ピストンのスカート部や各ベアリングに軸支された軸等は、堰き止められたオイルからの反作用力を受けるようになるので、往復動作または回転動作が妨げられる。したがって、該ピストンの往復動作や軸の回転動作等を続行させるために多大な駆動力が必要となり、その結果、例えば、内燃機関の動力燃料の消費量が増加してしまうという不具合が惹起される。
【０００６】
本発明は上記した問題を解決するためになされたもので、耐焼き付き性が良好でかつオイルが良好に流動することが可能な摺接面を有する有摺接面部材を製造するための有摺接面部材の製造方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明は、所定の部材に潤滑剤を介して摺接する摺接面に凹部と凸部とからなるうねりを有する有摺接面部材を製造する製造方法であって、
ワークを高周波焼き入れ処理する第１工程と、
高周波焼き入れ処理された前記ワークを研削加工または研磨加工の少なくともいずれか一方を行う第２工程と、
研削加工または研磨加工の少なくともいずれか一方が施された前記ワークに対してガラスビーズが混合された液体を噴射してうねりを形成する第３工程と、
を備え、
前記うねりの基準長４ｍｍにおける平均凹凸高さＲｃが０．２５μｍ以上１．２μｍ未満、平均凹凸ピッチＳｍが２０μｍ以上１３０μｍ未満、尖りＲｋｕが５未満であることを特徴とする。
【０００８】
摺接面におけるうねりの平均凹凸高さ、平均凹凸ピッチ、尖りがこのような範囲内であると、該摺接面上では潤滑剤が容易に流動する。このため、摺動部材がその摺動動作中に潤滑剤からの反作用力を受けることがないので、摺動動作が妨げられない。したがって、摺動部材を摺動動作させるために多大な駆動力を必要とすることがない。また、この摺接面において発生する摩擦熱は、速やかに潤滑剤へと伝達されるので、該摺接面に焼き付きが生じることが回避される。
【０００９】
この場合、前記研削加工または研磨加工の少なくともいずれか一方が施された面の基準長４ｍｍにおける最大高さＲｍａｘが１．０μｍ以下であることが好ましい。第３工程において、平均凹凸高さ、平均凹凸ピッチ、尖りが上記範囲内であるうねりを確実に形成することができる。
【００１０】
また、前記ガラスビーズの直径が１０〜７０μｍであり、該ガラスビーズが混合された液体の噴出圧力が６０〜２００ＭＰａであることが好ましい。第３工程において、平均凹凸高さ、平均凹凸ピッチ、尖りが上記範囲内であるうねりを一層確実に形成することができる。
【００１１】
なお、有摺接面部材の好適な例としては、内燃機関用クランクシャフトまたは内燃機関用バランサシャフトを挙げることができる。有摺接面部材が内燃機関用クランクシャフトである場合、クランクピンやジャーナルが摺接面となる。一方、有摺接面部材が内燃機関用バランサシャフトである場合、ジャーナルが摺接面となる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る有摺接面部材の製造方法につき好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。
【００１３】
まず、有摺接面部材１０を図１に示す。この有摺接面部材１０は高周波焼き入れ処理された鋼からなり、その周面が図示しない所定の部材に摺接する摺接面１０ａである。
【００１４】
この摺接面１０ａの要部拡大図を図２に示す。この図に示されるように、摺接面１０ａは、微視的には平坦ではなく、凹部１２と凸部１４とが連なってなるうねり１６を多数有する。そして、このうねり１６は、潤滑剤としてのオイルの摺接面１０ａ上における流動を妨げないように、基準長４ｍｍにおける平均凹凸高さ（以下、Ｒｃとも表記する）、平均凹凸ピッチ（以下、Ｓｍとも表記する）および尖り（以下、Ｒｋｕとも表記する）が所定の範囲内となるように形成されている。
【００１５】
ここで、Ｒｃ、ＳｍおよびＲｋｕの定義を示すとともに、その範囲について説明する。
【００１６】
まず、凹凸高さとは、図３に示すように、凹部１２の底部と凸部１４の頂部との差Δである。これを基準長４ｍｍ内において、例えば、図３におけるΔ１〜Δ３を全て測定し、その総和を測定個数で除したものがＲｃである。
【００１７】
有摺接面部材１０においては、うねり１６は、Ｒｃが０．２５μｍ以上１．２μｍ未満となるように形成される。０．２５μｍ未満であると、凹部１２と所定の部材の摺接面との間に介在されたオイルの量が凸部１４と前記摺接面との間に介在されたオイルの量と略等しくなるので、両オイルは略同等の圧力で押圧される。このため、凸部１４と前記摺接面に介在されたオイルの凹部１２への流動が妨げられるようになる。また、１．２μｍ以上であると、凹部１２と前記摺接面との間に介在されたオイルが凸部１４の頂部を通過することができなくなり、その結果、該頂部と所定の部材の摺接面とがオイルを介さずに摺接するようになるので、焼き付きが起こり易くなる。好ましいＲｃの範囲は、０．４〜０．８μｍである。
【００１８】
次に、凹凸ピッチとは、図４に示すように、うねり１６に平均線Ｌを引き、１つの凸部１４と平均線Ｌとの交点Ａから次の凸部１４と平均線Ｌとの交点Ｂとの距離である。これを基準長４ｍｍ内において、例えば、図４におけるＡＢ、ＢＣおよびＣＤの各間の距離を全て測定し、その総和を測定個数で除したものがＳｍである。なお、平均線Ｌは、基準長４ｍｍ内における各凹部１２の底部の位置および各凸部１４の頂部の位置に基づいて最小自乗法により求められた直線である。
【００１９】
うねり１６は、Ｓｍが２０μｍ以上１３０μｍ未満となるように形成される。２０μｍ未満であると、凸部１４の傾斜面の勾配が急になるので、凹部１２と前記摺接面との間に介在されたオイルが凸部１４の頂部を通過することができなくなり、その結果、該頂部と所定の部材の摺接面とがオイルを介さずに摺接するようになるので、焼き付きが起こり易くなる。また、１３０μｍ以上であると、凸部１４全体が長くなるのでその頂部も長くなり、したがって、オイルが該頂部を通過するのに長時間を要するようになる。このため、オイルの流動速度が遅くなり、その結果、摺動する部材がオイルから反作用力を受けるようになるので、摺動動作が妨げられるようになる。好ましいＳｍの範囲は、４０〜７０μｍである。
【００２０】
そして、Ｒｋｕは、凸部１４の鋭利さを表す指標である。Ｒｋｕが３未満、３、３を超える場合に対応する凸部１４の形状を、曲線Ｏ、ＰおよびＱとして図５にそれぞれ示す。この図から、Ｒｋｕが３未満の場合には凸部１４の先端が丸みを帯び、値が大きくなるにつれて鋭利さを増していくこと、Ｒｋｕが３の場合には凸部１４の形状が正規分布曲線形状となることが諒解される。なお、Ｒｋｕは負になることはない。
【００２１】
うねり１６は、Ｒｋｕが５未満となるように形成される。５以上である場合、凸部１４の先端が著しく鋭利になることに伴い傾斜面の勾配が急になるので、凹部１２と前記摺接面との間に介在されたオイルが凸部１４の頂部を通過することができなくなり、その結果、該頂部と所定の部材の摺接面とがオイルを介さずに摺接するようになるので、焼き付きが起こり易くなる。
【００２２】
Ｒｃ、ＳｍおよびＲｋｕが上記範囲内であるうねり１６においては、凹部１２と凸部１４との高低差が小さく、かつ凹部１２の深さおよび凸部１４の高さが略均一である。しかも、凸部１４の斜面の勾配は緩やかであり、かつ凸部１４の頂部はオイルが速やかに通過できるような長さに形成されている。このため、オイルは、有摺接面部材１０が摺動動作する際、次のように流動する。
【００２３】
例えば、有摺接面部材１０が内燃機関用クランクシャフトであり摺接面１０ａがジャーナルである場合、該内燃機関用クランクシャフトは、内燃機関用シリンダブロックのジャーナル受部に固定されたベアリングに摺接する。そして、該内燃機関用クランクシャフトが回転動作すると、ジャーナルの側周壁部（摺接面１０ａ）の凹部１２とベアリングの内周壁部との間に介在されたオイルは、凹部１２と凸部１４との高低差が小さく、かつ凸部１４の斜面の勾配が緩やかであるので、凸部１４の頂部へと流動する。すなわち、オイルが凹部１２とベアリングの内周壁部との間に堰き止められることはない。
【００２４】
凸部１４の頂部へ流動したオイルは、凸部１４とベアリングの内周壁部との間隔が狭いので、高圧力を受ける。このため、オイルは、間隔がより広く、したがって、受ける圧力がより低い凹部１２とベアリングの内周壁部との間へと流動する。この際、凸部１４の頂部はオイルが速やかに通過できる長さであるので、オイルが凸部１４とベアリングの内周壁部との間に堰き止められることはない。また、凹部１２の深さおよび凸部１４の高さが略均一であるので、この流動は摺接面１０ａの全体に亘り略均等に生じる。すなわち、摺接面１０ａの一部においてオイルが堰き止められることはない。
【００２５】
このように、うねり１６のＲｃ、ＳｍおよびＲｋｕを上記範囲内とすることにより、オイルの流動が妨げられることのない摺接面１０ａとすることができる。また、摺接面１０ａおよび前記所定の部材の摺接面に生じる摩擦熱は速やかにオイルに伝達されるので、両摺接面に焼き付きが生じることはない。
【００２６】
次に、このような摺接面１０ａを有する有摺接面部材１０の製造方法について説明する。
【００２７】
本実施の形態に係る有摺接面部材の製造方法のフローチャートを図６に示す。この製造方法は、ワークを高周波焼き入れ処理する第１工程Ｓ１と、高周波焼き入れ処理された前記ワークを研削加工または研磨加工の少なくともいずれか一方を行う第２工程Ｓ２と、研削加工または研磨加工の少なくともいずれか一方が施された前記ワークに対してガラスビーズが混合された液体を噴射してうねりを形成する第３工程Ｓ３とを備える。
【００２８】
まず、第１工程Ｓ１において、ワークを高周波焼き入れ処理する。すなわち、高周波電源に電気的に接続された誘導加熱用コイルに高周波電流を通電することによりワークを誘導加熱して、該ワークの表面を所定温度まで昇温させる。高周波電流の周波数は、通常、数ｋＨｚ〜数１００ｋＨｚである。
【００２９】
ワークが昇温されて所定時間が経過した後、該ワークに対して冷却用オイル等の冷媒を噴射することにより急冷する。これにより、ワークの表面にマルテンサイトが形成されて該表面が硬化される。
【００３０】
次いで、第２工程Ｓ２において、表面にマルテンサイトが形成されたワークに対して研削加工または研磨加工の少なくともいずれか一方を行う。なお、この場合、表面のうねりの基準長４ｍｍにおける最大高さ（以下、Ｒｍａｘとも表記する）が１．０μｍ以下となるまで研削加工や研磨加工を行うと、後述する第３工程Ｓ３において、Ｒｃ、ＳｍおよびＲｋｕが上記範囲内であるうねり１６を確実に形成することができるので好適である。
【００３１】
ここで、Ｒｍａｘの定義について説明する。第２工程Ｓ２が終了した際には、図７に示すように、うねり１６よりも粗いうねり１８が形成されている。このうねり１８の基準長４ｍｍ内における各凹部２０の底部の位置および各凸部２２の頂部の位置に基づいて最小自乗法により直線を求め、平均線ｍとして引く（図７参照）。この平均線ｍと、凸部２２のうち最も高い凸部２２ａとの距離ｈがＲｍａｘである。
【００３２】
そして、第３工程Ｓ３において、研削加工や研磨加工が施された面に対してガラスビーズが混合された液体を噴射し、Ｒｃ、ＳｍおよびＲｋｕが上記範囲内であるうねり１６を形成する。
【００３３】
ここで、ガラスビーズを噴射する噴射装置としては、図８に示す噴射装置３０が例示される。
【００３４】
この噴射装置３０の構成について、図８を参照して説明する。この噴射装置３０は、サージタンク３２と、該サージタンク３２にチューブ３４を介して接続された噴射部３６と、該噴射部３６の内部に設けられたノズル部３８と、該ノズル部３８により噴射部３６内に区画されてサージタンク３２から圧送される水４０およびホッパー４２から供給されるガラスビーズ４４を混合するためのミキシングチャンバ４６と、ガラスビーズ４４が混合された水４０をワークＷの表面に噴射するためのフォーカシングチューブ４８とを備える。そして、サージタンク３２には高圧ポンプ５０が設置されており、この高圧ポンプ５０によりガラスビーズ４４が混合された水４０の噴射圧力を設定することができる。
【００３５】
この噴射装置３０のフォーカシングチューブ４８からワークＷの表面に対してガラスビーズ４４が混合された水４０を噴射することにより、この表面にうねり１６が形成された有摺接面部材１０が得られる。うねり１６が形成された表面が摺接面１０ａである。
【００３６】
具体的には、まず、図８に示すように、第１工程Ｓ１および第２工程Ｓ２を経たワークＷをフォーカシングチューブ４８の軸線に沿って配置する。
【００３７】
そして、高圧ポンプ５０によりサージタンク３２内の水４０をチューブ３４を介して噴射部３６に圧送し、さらにノズル部３８を介してミキシングチャンバ４６に圧送するとともに、ホッパー４２からガラスビーズ４４をミキシングチャンバ４６に供給する。これにより、水４０とガラスビーズ４４とがミキシングチャンバ４６において混合される。ガラスビーズ４４が混合された水４０は、フォーカシングチューブ４８の先端に設けられた噴出口４８ａから噴出され、ワークＷに衝突する。
【００３８】
ここで、ガラスビーズ４４の直径および該ガラスビーズ４４が混合された水４０の噴出圧力は、ワークＷの表面に、Ｒｃ、ＳｍおよびＲｋｕが上記範囲内であるうねり１６が形成されるように設定される。具体的には、ガラスビーズ４４の直径が１０〜７０μｍである場合、該ガラスビーズ４４が混合された水４０の噴射圧力は、６０〜２００ＭＰａに設定される。噴射圧力が６０〜２００ＭＰａである際にガラスビーズ４４の直径が１０μｍ未満であると、Ｒｃが０．２５μｍ未満のうねりが形成されることがある。また、７０μｍを超えると、凸部のＲｋｕが５以上であるうねりや、Ｒｃが１．２μｍ以上のうねりが形成されることがある。一方、ガラスビーズ４４の直径が１０〜７０μｍである際に噴射圧力が６０ＭＰａ未満であると、Ｒｃが０．２５μｍ未満のうねりが形成されることがある。また、２００ＭＰａを超えると、凸部のＲｋｕが５以上であるうねりや、Ｒｃが１．２μｍ以上のうねりが形成されることがある。
【００３９】
ガラスビーズ４４がワークＷに衝突すると、ガラスビーズ４４によってワークＷの表面における衝突箇所が研磨される。さらに、ワークＷはガラスビーズ４４よりも高硬度であるので、図９に示すように、この衝突の際にはガラスビーズ４４が破壊される。その破壊片４４ａは、高圧の水４０によりワークＷの表面に押圧される。その結果、該表面が破壊片４４ａによって研磨される。また、ワークＷの表面には高圧で噴射された水４０も衝突する。すなわち、該表面は、この水４０によっても研磨される。
【００４０】
そして、上記したように、ガラスビーズ４４の直径および該ガラスビーズ４４が混合された水４０の噴射圧力は、Ｒｃ、ＳｍおよびＲｋｕが上記範囲内のうねり１６が形成されるように設定されている。したがって、オイルの流動を妨げることのない摺接面１０ａを有する有摺接面部材１０を得ることができる。
【００４１】
高周波焼き入れ処理された鋼からなる有摺接面部材１０の好適な例としては、内燃機関用クランクシャフトまたは内燃機関用バランサシャフトを挙げることができる。有摺接面部材１０が内燃機関用クランクシャフトである場合、クランクピンやジャーナルが摺接面１０ａとなる。一方、有摺接面部材１０が内燃機関用バランサシャフトである場合、ジャーナルが摺接面１０ａとなる。
【００４２】
このような内燃機関用クランクシャフト（有摺接面部材１０）のクランクピンやジャーナル（摺接面１０ａ）等は、従来技術に係る内燃機関用クランクシャフトのクランクピンやジャーナル等に比して摩擦係数が著しく小さい。このため、該内燃機関用クランクシャフトを回転動作させるためのトルクが著しく小さくなるので、内燃機関の燃料消費量を低減させることができる。しかも、このクランクピンやジャーナルにおいては、上記したようにオイルの流動が妨げられることがないので、内燃機関に焼き付きが生じることもない。
【００４３】
なお、有摺接面部材１０は、自身が固定位置決めされて所定の部材が移動することにより摺接面１０ａを介して該所定の部材に摺接されるものであってもよい。例えば、ベアリングであってもよい。
【００４４】
【実施例】
鋼からなるワークＷに対して高周波焼き入れ処理を施した後に研削加工を行い、次いで、直径４５μｍのガラスビーズ４４が混合され、１６０ＭＰａの噴射圧力で噴射された水４０を衝突させることにより、Ｒｃ＝０．５μｍ、Ｓｍ＝５６μｍ、Ｒｋｕ＝３．３であるうねり１６が形成されたクランクピンおよびジャーナルを有する内燃機関用クランクシャフトを作製した。これを実施例とする。
【００４５】
比較のため、実施例と同様の高周波焼き入れ処理および研削加工が行われ、さらに仕上げ加工が行われたクランクピンおよびジャーナルを有する鋼製の内燃機関用クランクシャフトを作製した。これを比較例とする。
【００４６】
実施例および比較例の内燃機関用クランクシャフトをそれぞれ使用して内燃機関を構成し、各内燃機関用クランクシャフトを種々の回転数で回転動作させ、その際の摩擦係数を測定した。結果を図１０に示す。この図１０から、実施例１のクランクシャフトにおける摩擦係数が比較例１、２における摩擦係数よりも著しく小さいこと、したがって、この内燃機関用クランクシャフトを回転動作させるためのトルクが小さいことが明らかである。
【００４７】
また、上記の回転試験が終了した後、各内燃機関を分解して実施例および比較例の各内燃機関用クランクシャフトを観察したところ、いずれも焼き付きが生じていないことが認められた。
【００４８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る有摺接面部材の製造方法によれば、平均凹凸高さ、平均凹凸ピッチおよび尖りが所定の範囲内であるうねりを有する摺接面が形成される。この該摺接面においては、潤滑剤が容易に流動するので、摺動部材がその摺動動作中に潤滑剤からの反作用力を受けることがない。したがって、摺動動作が妨げられることがないので、多大な駆動力を必要とすることなく摺動部材を摺動動作させることができるという効果が達成される。また、この摺接面において発生する摩擦熱は、速やかに潤滑剤へと伝達されるので、該摺接面に焼き付きが生じることが回避される。
【００４９】
有摺接面部材の好適な例としては、内燃機関用クランクシャフトまたは内燃機関用バランサシャフトを挙げることができる。有摺接面部材が内燃機関用クランクシャフトである場合、クランクピンやジャーナルが摺接面となる。一方、有摺接面部材が内燃機関用バランサシャフトである場合、ジャーナルが摺接面となる。
【００５０】
上記したような摺接面を有する内燃機関用クランクシャフトや内燃機関用バランサシャフトが組み込まれて構成された内燃機関においては、該内燃機関用バランサシャフトや内燃機関用クランクシャフトを回転動作させるトルクが従来技術に係るこれらに比して小さくなる。このため、内燃機関の燃料消費量が低減される。
【図面の簡単な説明】
【図１】有摺接面部材の概略全体図である。
【図２】図１の有摺接面部材の摺接面の縦断面要部拡大図である。
【図３】うねりと凹凸高さとの関係を示して平均凹凸高さの定義を説明する説明図である。
【図４】うねりと凹凸ピッチとの関係を示して平均凹凸ピッチの定義を説明する説明図である。
【図５】うねりの形状と尖りの値との関係を示して尖りの定義を説明する説明図である。
【図６】本実施の形態に係る有摺接面部材の製造方法のフローチャートである。
【図７】うねりの形状を示して最大高さの定義を説明する説明図である。
【図８】うねりを形成するための噴射装置の要部縦断面概略構成図である。
【図９】ガラスビーズが表面に衝突して破壊された状態を示す要部拡大説明図である。
【図１０】実施例および比較例の各内燃機関用クランクシャフトを有する内燃機関の回転数と摩擦係数との相関関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１０…有摺接面部材                      １０ａ…摺接面
１２、２０…凹部                        １４、２２、２２ａ…凸部
１６、１８…うねり                      ３０…噴射装置
４０…水                                ４４…ガラスビーズ
４４ａ…破壊片
【図１】
0004167782.tif 000002
【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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