JP2007002989A - 摺動部材、当該摺動部材を適用したシリンダ、および当該シリンダを適用した内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】 摩耗性および耐焼き付き性に優れ、摺動面における摩擦係数の低減効果を最大限に発揮しうる摺動部材を提供する。
【解決手段】 潤滑剤を介在してピストン２０と相対的に摺動しうるシリンダ１０であって、ピストン２０との摺動面には、複数の凹部１２が形成され、凹部１２の開口部の形状、凹部１２の開口部の寸法、凹部１２の深さ、凹部１２の断面形状、シリンダ１０の内面１１の単位面積あたりに形成される凹部１２の合計容積、および内面１１の単位面積あたりに形成される凹部１２の開口部の合計面積の少なくともいずれか一つは、シリンダ１０の摺動方向Ｐおよび／または摺動方向Ｐと直交する方向の位置に応じて相違する。
【選択図】図１

Description

本発明は、摺動部材、当該摺動部材を適用したシリンダ、および当該シリンダを適用した内燃機関に関する。特に、自動車に用いられる摺動部材、当該摺動部材を適用したシリンダ、および当該シリンダを適用した内燃機関に関する。

温暖化をはじめとする環境問題が地球規模で大きくクローズアップされ、大気中のＣＯ_２削減に向けた自動車燃費改善技術の開発が大きな課題となっており、その一環として、エンジンに用いられる摺動部材の摩擦損失の低減が図られることが求められている。これに鑑み、近年において、耐磨耗性および耐焼き付き性に優れ、且つ摩擦係数の低減効果を最大限に発現することが可能な摺動部材の材料・表面処理・改質の技術の開発が進められている。このような技術の一つとして、摺動部材の摺動面に複数の凹部を形成する技術が開発されている（特許文献１）。この凹部は、摺動部材の摺動時において潤滑剤を保持することを目的に設けられる。
特開２００２−２３５８５２号公報

ところが、摺動面に生じる摩擦力や磨耗の度合など、摺動面における摩擦特性は、摺動部材の摺動方向および／または摺動方向と直交する方向の位置に応じて異なる。この摩擦特性の相違を考慮することなく、凹部を摺動面に形成した場合には、充分な摩擦低減効果が発揮されないことが生じ得る。

本発明は、上記従来技術の有する問題点に鑑みなされたものであり、摩耗性および耐焼き付き性に優れ、摺動面における摩擦係数の低減効果を最大限に発揮しうる摺動部材を提供することを課題とする。

本発明の目的は、下記の手段により達成される。

（１） 潤滑剤を介在して他の部材と相対的に摺動しうる摺動部材であって、前記他の部材との摺動面には、複数の凹部が形成され、凹部の開口部の形状、凹部の開口部の寸法、凹部の深さ、凹部の断面形状、前記摺動面の単位面積あたりに形成される凹部の合計容積、および前記摺動面の単位面積あたりに形成される凹部の開口部の合計面積の少なくともいずれか一つは、当該摺動部材の摺動方向および／または摺動方向と直交する方向の位置に応じて相違することを特徴とする摺動部材。

（２） 前記摺動面は、少なくとも第１の領域と前記第１の領域よりも大きな荷重が付加されうる第２の領域とを有し、前記第１の領域において単位面積あたりに形成される凹部の合計容積は、前記第２の領域において単位面積あたりに形成される凹部の合計容積よりも、大きいことを特徴とする（１）に記載の摺動部材。

（３） 前記摺動面は、少なくとも第１の領域と前記第１の領域よりも大きな荷重が付加されうる第２の領域とを有し、前記第１の領域において形成される凹部の深さは、前記第２の領域において形成される凹部の深さよりも、深いことを特徴とする（１）に記載の摺動部材。

（４） 前記摺動面は、少なくとも第１の領域と前記第１の領域よりも大きな荷重が付加されうる第２の領域とを有し、前記第１の領域において単位面積あたりに形成される凹部の開口部の合計面積は、前記第２の領域において単位面積あたりに形成される凹部の開口部の合計面積よりも、大きいことを特徴とする（１）に記載の摺動部材。

（５） （２）〜（４）のいずれか１つに記載の摺動部材が適用され、ピストンスカートが設けられたピストンと潤滑剤を介在して相対的に摺動しうるシリンダであって、前記ピストンとの摺動面である前記シリンダの内面に、複数の凹部が形成され、前記第２の領域は、前記内面のうち、ピストンスカートとシリンダとが摺接する領域であり、前記第１の領域は、前記内面のうち、前記第２の領域以外の領域であることを特徴とするシリンダ。

（６） 前記内面の面積に対して前記内面に形成される複数の凹部の開口部の合計面積の割合は、０．５％以上１０％以下であり、凹部の深さは、０．５μｍ以上２０μｍ以下であることを特徴とする（５）に記載のシリンダ。

（７） 前記内面を形成する部材は、アルミニウム合金から形成されることを特徴とする（５）または（６）に記載のシリンダ。

（８） 前記内面を形成する部材のＳｉ含有率は、１２％以下であることを特徴とする（５）〜（７）のいずれか１つに記載のシリンダ。

（９） （５）〜（８）のいずれか１つに記載のシリンダと、前記ピストンとを有する内燃機関であって、前記ピストンは、前記シリンダの内面と摺接しうるピストンリングをさらに有し、前記ピストンリングおよびピストンスカートのいずれか一方もしくは両方には、非晶質硬質炭素膜が形成されることを特徴とする内燃機関。

本発明によれば、潤滑剤を介在して他の部材と相対的に摺動しうる摺動部材において、前記他の部材との摺動面に複数の凹部を形成するにあたって、凹部の開口部の形状、凹部の開口部の寸法など凹部の形成条件を、当該摺動部材の摺動方向および／または摺動方向と直交する方向の位置に応じて相違させる。

これにより、本発明の摺動部材は、耐摩耗性および耐焼き付き性に優れ、摺動面における摩擦係数の低減効果を最大限に発揮することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。

図１は、本実施形態におけるエンジンブロック１を示す断面図である。

図１に示されるように、本実施形態におけるエンジンブロック１は、円筒状を呈するシリンダ１０と、シリンダ１０の内部に挿入されうるピストン２０とを有する。

ピストン２０は、ピストンピン２１を介して回転可能に設けられたコネクティングロッド２２に連結され、方向Ｐ（以下、摺動方向Ｐ）へ往復動可能に設けられている。ピストン２０は、往復動時において、コネクティングロッド２２の回転によりシリンダ１０の内面１１上をスラスト／反スラスト方向の領域（第２の領域 以下、スラスト／反スラスト方向領域）Ｓ，ＡＳへ押さえ付けられながら摺動する。なお、本実施形態におけるエンジンブロック１はシリンダライナを用いないタイプであり、シリンダ１０の内面１１とピストン２０とが、直接接触する。

また、ピストン２０は、ピストンピン２１に対してピストンピン２１の軸線と直交する方向に配置されるピストンスカート２３と、ピストン２０の表面に突出するように設けられるピストンリング２４とを有する。ピストンリング２４は、所定の張力を付与された状態でピストン２０に装着され、ピストンリング２４の外周面は全周にわたって均一の圧力でシリンダ１０の内面１１に摺接する。

図２は、シリンダ１０の内面１１を、内面１１に付加される荷重の大きさによって区分した状態を説明するための模式図である。

上述したように、ピストン２０は、コネクティングロッド２２の回転により、スラスト方向／反スラスト方向領域Ｓ，ＡＳへ押さえ付けられるようにして摺動する。これにより、内面１１に付加される荷重の大きさは、シリンダ１０の内面１１の全体にわたって均一ではなく、内面１１上の位置に応じて相違する。すなわち、スラスト方向／反スラスト方向領域Ｓ，ＡＳにおいてピストン２０から付加される荷重は、スラスト／反スラスト方向Ｘに直交する方向Ｙの領域（第１の領域 以下、直交方向領域）Ｒ，Ｒにおいてピストン２０から付加される荷重よりも大きい。また、上述したように、ピストンスカート２３は、ピストンピン２１に対してピストンピン２１の軸線と直交する方向（すなわち、コネクティングロッド２２の回転により、ピストン２０がシリンダ１０の内面１１へ押さえ付けられる方向）に配置されることから、ピストン２０の摺動時において、ピストンスカート２３がスラスト方向／反スラスト方向領域Ｓ，ＡＳに摺接する。

本実施形態では、シリンダ１０とピストン２０との摺動面における摩擦係数の低減効果を最大限に発揮させるために、内面１１に付加される荷重の相違を考慮して、複数の凹部１２が、以下に示す形成条件を満たすように内面１１に形成される。

図３は、シリンダ１０の内面１１を示す展開図である。

凹部１２の開口部の形状、凹部１２の開口部の寸法、凹部１２の深さ、凹部１２の断面形状、シリンダ１０の内面１１の単位面積あたりに形成される凹部１２の合計容積、および内面１１の単位面積あたりに形成される凹部１２の開口部の合計面積の少なくともいずれか一つは、摺動方向Ｐ（図３に示す上下方向）および／または摺動方向Ｐと直交する方向の位置に応じて相違する。

また、直交方向領域Ｒ，Ｒの単位面積あたりに形成される凹部１２の合計容積は、スラスト方向／反スラスト方向領域Ｓ，ＡＳの単位面積あたりに形成される凹部１２の合計容積（ｍｍ^３／ｍｍ^２）よりも大きい。

また、直交方向領域Ｒ，Ｒに形成される凹部１２の深さは、スラスト方向／反スラスト方向領域Ｓ，ＡＳに形成される凹部１２の深さよりも大きい。

また、直交方向領域Ｒ，Ｒの単位面積あたりに形成される凹部１２の開口部の合計面積は、スラスト方向／反スラスト方向領域Ｓ，ＡＳの単位面積あたりに形成される凹部１２の開口部の合計面積よりも大きい。なお、上述した凹部１２の深さおよび凹部１２の開口部の合計面積についての条件に関して、凹部１２は、いずれか一方の条件のみを満たすように形成されてもよく、あるいは両方の条件を満たすように形成されてもよい。

また、内面１１の面積に対して内面１１に形成される複数の凹部１２の開口部の合計面積の割合（以下、面積率と称する。）は０．５％以上１０％以下であり、各凹部１２の深さは０．５μｍ以上２０μｍ以下であることが好ましい。これは、凹部１２の面積率が０．５％未満であり、または凹部１２の深さが０．５μｍ未満である場合には、凹部１２の容積が小さく、潤滑油を十分に保持できないこと、また、凹部１２の面積率が１０％よりも大きく、または凹部１２の深さが２０μｍよりも大きい場合には、シリンダ１０の内面１１とピストン２０との間の摩擦損失が増大することに基づくものである。

上述した形成条件を満たす凹部１２をシリンダ１０の内面１１に形成することによって、耐摩耗性および耐焼き付き性に優れ、摺動面における摩擦係数の低減効果を最大限に発揮することができる。

また、上記の凹部１２をシリンダ１０の内面１１に形成することにより、上述した摺動面における摩擦係数の低減効果などの効果が発揮されることから、内面１１を形成する部材をＡＤＣ（アルミニウム合金）から形成し、当該部材のＳｉ含有率を１２％以下にすることができる。すなわち、エンジンブロックの軽量化を目的に開発されたＡｌ−Ｓｉ系過共析合金にＣｕやＭｇを添加して、マトリックスを強化したＡＤＣ１４のような材料を使わずとも、例えばＳｉ含有率が１０．８％程度のＡｌ−Ｓｉ−Ｃｕ系のＡＤＣ１２のようなアルミ合金を用いることができる。これにより、従来の鋳鉄シリンダライナが不要となり、部品点数の削減や製造工程の簡素化を図ることができる。

また、ピストンスカート２３およびピストンリング２４のいずれか一方もしくは両方に、非晶質硬質炭素膜が形成されることが好ましい。これにより、耐摩耗性および耐焼き付き性を確保し、摺動面における摩擦係数を低減する効果が長期間にわたって持続する。

本発明は、上述した実施形態のみに限定されるものではなく、特許請求の範囲内において、種々改変することができる。

例えば、凹部が表面に形成される摺動部材としては、上記のシリンダに限られず、シリンダライナ、ピストン、ピストンリングなどを挙げることができる。

＜実施例＞
次に、上記の実施形態で示した摺動部材が、耐摩耗性および耐焼き付き性に優れ、摺動面における摩擦係数の低減効果を最大限に発揮するについて効果を発揮することの検証を目的として、実際に試験体を作成して摺動面に生じるフリクション力の測定を行なった。試験体として、上記の実施形態において述べた形成条件に従って凹部を形成した実施例１〜３の試験体と、実施例１〜３と比較するための比較例１および２の試験体とを製作した。

はじめに、実施例１の試験体の特徴について述べる。

エンジンブロックのシリンダの材料として用いられるＡＤＣ１２材を用いて、実施例１の試験体を製作した。具体的には、日産自動車（株）製ＱＲ２５エンジン（４気筒２５００ＣＣ、ボア径φ８９）を用い、鋳鉄製ライナーを削り落し、底に、試験体であるＡＤＣ１２ダイカスト製ＡＬライナを圧入した。試験体は中空円筒形状を呈し、内面に凹部が形成される。凹部は、マスクブラスト処理を用いて形成した。マスクブラスト処理は、光リソグラフィ技術を利用する処理であり、具体的には、凹部形状が形成された樹脂製マスクを試験体の内面に貼り付けた後、平均粒径２０μｍのアルミナ砥粒を投射ノズルからワークに投射して、試験体の内面に凹部を形成する処理である。投射条件として、投射ノズルからワークまでの距離を１００ｍｍ、投射流量を１００ｇ／ｍｉｎ、投射圧を０．４ＭＰａと設定した。さらに、投射後において、凹部１２の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を用いて除去し、実施例１の試験体を得た。

図４は、本実施例において試験体の内面に形成される凹部１２の配置パターンを示す拡大図である。

以上により、実施例１の試験体の内面に、図４に示されるような千鳥模様に配置される深さ一定の複数の凹部１２を形成した。千鳥模様の配置パターンは、隣接する３つの凹部１２の開口の中心点を結んだときに正三角形が形成される配置パターンであり、当該正三角形の大きさを調整することによって、単位面積当たりの凹部１２の面積（面積率）が所望の値になるように調整した。なお、各凹部１２の開口部の寸法（高さＨ×幅Ｗ）は、８０μｍ×３２０μｍである。

また、実施例１の試験体において、スラスト方向／反スラスト方向領域Ｓ，ＡＳにおける凹部１２の面積率は５．０％、凹部１２の深さは３．０μｍ、直交方向領域Ｒ，Ｒにおける凹部１２の面積率は１０％、凹部１２の深さは６．０μｍである。すなわち、実施例１の試験体における凹部１２の面積率および深さは、上述した実施形態で述べた範囲に含まれるものである。

次に、実施例２の試験体の特徴について述べる。

実施例２の試験体は、実施例１の試験体と、スラスト方向／反スラスト方向領域Ｓ，ＡＳおよび直交方向領域Ｒ，Ｒのそれぞれにおいて形成される凹部１２の面積率、凹部１２の深さにおいて異なる。具体的には、実施例２の試験体において、スラスト方向／反スラスト方向領域Ｓ，ＡＳにおける凹部１２の面積率は２．５％、凹部１２の深さは３．０μｍ、直交方向領域Ｒ，Ｒにおける凹部１２の面積率は５．０％、凹部１２の深さは３．０μｍである。すなわち、実施例２の試験体における凹部１２の面積率および深さは、上述した実施形態で述べた範囲に含まれるものである。これ以外の条件は、実施例１の試験体と同様であるので、その説明を省略する。

次に、実施例３の試験体の特徴について述べる。

実施例３の試験体は、実施例１および２の試験体と、スラスト方向／反スラスト方向領域Ｓ，ＡＳおよび直交方向領域Ｒ，Ｒのそれぞれにおいて形成される凹部１２の面積率、凹部１２の深さにおいて異なる。具体的には、実施例３の試験体において、スラスト方向／反スラスト方向領域Ｓ，ＡＳにおける凹部１２の面積率は１．０％、凹部１２の深さは３．０μｍ、直交方向領域Ｒ，Ｒにおける凹部１２の面積率は５．０％、凹部１２の深さは３．０μｍである。すなわち、実施例３の試験体における凹部１２の面積率および深さは、上述した実施形態で述べた範囲に含まれるものである。これ以外の条件は実施例１の試験体と同様であるので、その説明を省略する。

次に、比較例１の試験体の特徴について述べる。

比較例１の試験体は、実施例１〜３の試験体と、内面の各領域における凹部の面積率および深さの条件において異なる。具体的には、比較例１の試験体において、スラスト方向／反スラスト方向領域および直交方向領域のいずれの領域においても、凹部の面積率は０．４％、凹部の深さは０．４μｍである。すなわち、比較例１の試験体における凹部の面積率および深さは、上述した実施形態で述べた範囲に含まれないものである。これ以外の条件は実施例１の試験体と同様であるので、その説明を省略する。

次に、比較例２の試験体の特徴について述べる。

比較例２の試験体は、実施例１〜３および比較例１の試験体と、内面の各領域における凹部の面積率および深さの条件において異なる。具体的には、比較例２の試験体において、スラスト方向／反スラスト方向領域および直交方向領域のいずれの領域においても、凹部の面積率は１２％、凹部の深さは２０μｍである。すなわち、比較例２の試験体における凹部の面積率および深さは、上述した実施形態で述べた範囲に含まれないものである。これ以外の条件は、実施例１の試験体と同様であるので、その説明を省略する。

なお、ここまで説明した実施例１〜３および比較例１〜２の試験体における凹部の形成条件については、後掲の表１にまとめて示した。

図５は、ピストン−シリンダフリクション測定機２の要部を示す概略図である。

上記の実施例および比較例における各試験体の耐焼付き性などの性能について評価するために、図５に示されるピストン−シリンダフリクション測定機（日産自動車（株）製ＱＲ２５エンジン（４気筒２５００ＣＣ、ボア径φ８９））２を用いて、モータリング法により、各試験体の摺動面に生じるフリクション力を測定した。フリクション測定機２は、固定された状態で配置されるピストン２０と、方向Ｑに往復動可能な支持部材２５とを有する。また、ピストン２０には、ピストンリング２４（トップリング、セカンドリング、およびオイルリング）が装着され、当該ピストンリング２４の表面には、イオンプレーディング法によって非晶質硬質炭素膜が形成される。このフリクション測定機２を用いて試験体Ｃの摺動面に生じるフリクション力を測定するにあたって、試験体Ｃを支持部材２５に装着し、固定されたピストン２０と試験体Ｃとの摺動面に潤滑油を供給しつつ、支持部材２５をＱ方向に往復動させて、試験体Ｃの摺動面に生じるフリクション力を測定した。

次に、測定条件について示す。潤滑油はエンジン油５Ｗ３０であり、油温は８０℃、供給油量は１００ｃｃ／ｍｉｎ、摺動速度は７００ｃｐｍ、往復摺動距離は７０ｍｍであり、ピストン２０にスラスト荷重として４９０Ｎを加えた。

図６は、本実施例におけるフリクション力の測定結果を示すグラフである。

上記の測定を行なった結果、図６に示される測定結果を得て、図６に示される曲線を積分することによって得られる摩擦仕事（積分により得られる面積）を算出した。そして、各実施例および比較例におけるフリクション力および摩擦仕事を比較して、各例についての耐摩耗性および耐焼き付き性の検討を行なった。その結果について、表１に示す。

実施例１〜３におけるフリクション力の比率は、比較例１および２におけるフリクション力の比率よりも小さい。すなわち、実施例１〜３の試験体の摺動面における摩擦係数は、比較例１および２の試験体の摺動面における摩擦係数よりも小さいといえる。

これにより、直交方向領域Ｒ，Ｒの単位面積あたりに形成される凹部１２の合計容積を、スラスト方向／反スラスト方向領域Ｓ，ＡＳの単位面積あたりに形成される凹部１２の合計容積（ｍｍ^３／ｍｍ^２）よりも大きくすることが、耐摩耗性および耐焼き付き性を向上させ、摺動面における摩擦係数を低減する効果を発揮させることに効果的であることが把握される。

また、直交方向領域Ｒ，Ｒに形成される凹部１２の深さを、スラスト方向／反スラスト方向領域Ｓ，ＡＳに形成される凹部１２の深さよりも大きくすることも、上記の効果を発揮させることに効果的であることが把握される。

また、直交方向領域Ｒ，Ｒの単位面積あたりに形成される凹部１２の開口部の合計面積を、スラスト方向／反スラスト方向領域Ｓ，ＡＳの単位面積あたりに形成される凹部１２の開口部の合計面積よりも大きくすることも、上記の効果を発揮させることに効果的であることが把握される。

また、内面１１の面積に対して内面１１に形成される複数の凹部１２の開口部の合計面積の割合（以下、面積率と称する。）を０．５％以上１０％以下、各凹部１２の深さを０．５μｍ以上２０μｍ以下とすることも、上記の効果を発揮させることに効果的であることが把握される。

本実施形態におけるエンジンブロックを示す断面図である。 シリンダの内面を、内面に付加される荷重の大きさによって区分した状態を説明するための模式図である。 シリンダの内面を示す展開図である。 本実施例において試験体の内面に形成される凹部の配置パターンを示す拡大図である。 ピストン−シリンダフリクション測定機の要部を示す概略図である。 本実施例におけるフリクション力の測定結果を示すグラフである。

符号の説明

１０ シリンダ、
１１ 内面、
１２ 凹部、
２０ ピストン、
２３ ピストンスカート、
２４ ピストンリング、
Ｐ 摺動方向、
Ｒ，Ｒ スラスト／反スラスト方向Ｘに直交する方向Ｙの領域（第１の領域）、
Ｓ，ＡＳ スラスト／反スラスト方向の領域（第２の領域）。

Claims (9)

1. 潤滑剤を介在して他の部材と相対的に摺動しうる摺動部材であって、
   前記他の部材との摺動面には、複数の凹部が形成され、
   凹部の開口部の形状、凹部の開口部の寸法、凹部の深さ、凹部の断面形状、前記摺動面の単位面積あたりに形成される凹部の合計容積、および前記摺動面の単位面積あたりに形成される凹部の開口部の合計面積の少なくともいずれか一つは、当該摺動部材の摺動方向および／または摺動方向と直交する方向の位置に応じて相違することを特徴とする摺動部材。
2. 前記摺動面は、少なくとも第１の領域と前記第１の領域よりも大きな荷重が付加されうる第２の領域とを有し、
   前記第１の領域において単位面積あたりに形成される凹部の合計容積は、前記第２の領域において単位面積あたりに形成される凹部の合計容積よりも、大きいことを特徴とする請求項１に記載の摺動部材。
3. 前記摺動面は、少なくとも第１の領域と前記第１の領域よりも大きな荷重が付加されうる第２の領域とを有し、
   前記第１の領域において形成される凹部の深さは、前記第２の領域において形成される凹部の深さよりも、深いことを特徴とする請求項１に記載の摺動部材。
4. 前記摺動面は、少なくとも第１の領域と前記第１の領域よりも大きな荷重が付加されうる第２の領域とを有し、
   前記第１の領域において単位面積あたりに形成される凹部の開口部の合計面積は、前記第２の領域において単位面積あたりに形成される凹部の開口部の合計面積よりも、大きいことを特徴とする請求項１に記載の摺動部材。
5. 請求項２〜４のいずれか１つに記載の摺動部材が適用され、ピストンスカートが設けられたピストンと潤滑剤を介在して相対的に摺動しうるシリンダであって、
   前記ピストンとの摺動面である前記シリンダの内面に、複数の凹部が形成され、
   前記第２の領域は、前記内面のうち、ピストンスカートとシリンダとが摺接する領域であり、
   前記第１の領域は、前記内面のうち、前記第２の領域以外の領域であることを特徴とするシリンダ。
6. 前記内面の面積に対して前記内面に形成される複数の凹部の開口部の合計面積の割合は、０．５％以上１０％以下であり、
   凹部の深さは、０．５μｍ以上２０μｍ以下であることを特徴とする請求項５に記載のシリンダ。
7. 前記内面を形成する部材は、アルミニウム合金から形成されることを特徴とする請求項５または６に記載のシリンダ。
8. 前記内面を形成する部材のＳｉ含有率は、１２％以下であることを特徴とする請求項５〜７のいずれか１つに記載のシリンダ。
9. 請求項５〜８のいずれか１つに記載のシリンダと、前記ピストンとを有する内燃機関であって、
   前記ピストンは、前記シリンダの内面と摺接しうるピストンリングをさらに有し、
   前記ピストンリングおよびピストンスカートのいずれか一方もしくは両方には、非晶質硬質炭素膜が形成されることを特徴とする内燃機関。

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