JP4710263B2 - 摺動装置 - Google Patents

Description

本発明は、摺動装置に関する。

従来から、摺動装置は、例えば、エンジンに設けられるクランクシャフトおよび該クランクシャフトを支持する軸受メタルなどに用いられ、クランクシャフトが軸受メタル上を摺動する際に摺動面に発生する摩擦を低減するために、軸の表面に、長手方向が摺動方向と直交する凹部を、軸表面の部位に応じて溝深さを変えて設けたものがある（特許文献１参照）。軸と軸受メタルとの間に介在する潤滑油を摺動面に満遍なく潤させるために、凹部は、潤滑油を保持し、かつ摺動時に凹部近傍の摺動面に潤滑油を提供する機能（以下、潤滑油を保持する機能）を発揮することに基づく。

しかしながら、従来の摺動部材は、クランクシャフトのような回転運動する軸の摺動面上の形状に関して、凹部の深さなどを規定するものであり、相手面であるメタル表面の粗さに関して言及するものではない。

例えば、マスクドブラスト工法を用いて凹部を形成したクランクシャフトと該クランクシャフトを支持する軸受メタルとの摺動において、軸受メタル表面のスキューネスＲｓｋが正であり、表面に突起部分が多く存在している場合、摺動初期において、この突起部分によって相手面であるクランクシャフトの表面が荒れてしまい、摺動面のなじみ性が悪化し、摩擦が増加するという問題がある。
特開２００２−２３５８５２号公報

そこで、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、本発明の目的は、摺動面が良好になじみ、低摩擦という効果を発揮し得る摺動装置を提供することである。

本発明の目的は、下記の手段により達成される。
（１）油を介して相対的に摺動する軸とすべり軸受けとから構成される摺動装置であって、軸は、油溜りのための凹部を形成する処理が施され、すべり軸受けは、表面のスキューネスＲｓｋが負であることを特徴とする摺動装置。

本発明によれば、油を介して相対的に摺動する軸とすべり軸受けとから構成される摺動装置において、軸は、油溜りのための凹部を形成する処理が施され、すべり軸受けは、表面のスキューネスＲｓｋが負であることによって、摺動時において、油溜りの効果が発揮されるとともに、摺動面が良好になじみ、摺動装置に発生する摩擦の低減効果を発揮する。

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、本発明の実施形態における摺動装置１の概略図である。図には、軸心ａを中心に方向Ａに向けて回転する円柱状の軸１０と、これを支える円筒からなるすべり軸受１１とから構成される摺動装置１が示されている。なお、軸１０の長さの寸法は、図に示すものから適宜延長されても良い。さらに、軸１０の表面とすべり軸受け１１の内面１１ａとの間には、図示しない潤滑油が供給される。この潤滑油が、軸１０とすべり軸受１１との摺動面に発生する摩擦を低減するために、摺動面に適量に存在していることが重要である。そのため、本実施形態において、複数の凹部１０ａが、軸１０の表面に設けられている。

図２は、軸１０とすべり軸受け１１との摺動面における拡大図を示している。矢印Ａは、軸１０の摺動方向である。

ここで、軸１０が回転摺動する際に、すべり軸受け１１の内面１１ａのＲｓｋが正である場合は、図３に示すように、すべり軸受け１１の内面１１ａ上に突起部分１１ｂが多く存在することとなり、突起部分１１ｂと、軸１０の凹部１０ａ以外の表面との直接接触が起こりやすくなる。また軸１０の表面とすべり軸受け１１の内面１１ａとの隙間が小さいなど摺動条件が厳しい場合には、凹部１０ａによるすべり軸受け１１の内面１１ａ表面への攻撃性が懸念される。

そこで、本実施形態において、図２に示すように、スキューネスＲｓｋが負であるように、すべり軸受け１１の内面１１ａを形成することとした。スキューネスＲｓｋは、通常、次の式に基づいて測定される。

式中、ｎは測定データのサンプル数、Ｒｑは二乗平均平方根粗さ、Ｙｉはｉ番目の測定データの粗さ曲線の中心線からの高さである（ＪＩＳＢ０６０１参照）。

すべり軸受け１１の内面１１ａのスキューネスＲｓｋを負とすることによって、図２に示すように、すべり軸受け１１の内面１１ａにおいて表面から窪んだ部分の分布が増加し、突起部分１１ｂが減少するため、凹部１０ａを有した軸１０の表面との摺動に関して、摺動面が良好になじみ、摩擦低減効果が十分に得られることとなる。

また、すべり軸受け１１において、内面１１ａの平均粗さＲａは、０．０５μｍ以下であることが好ましい。すべり軸受け１１の内面１１ａの粗さを上記の範囲まで小さくすることによって、軸１０の表面との直接接触による摩擦の増加を抑えることができる。特に摺動条件が厳しく、凹部１０ａが存在する場合には、すべり軸受け１１の内面１１ａの粗さが大きいと、摩擦初期に凹部１０ａが、すべり軸受け１１の突起部分１１ｂを大きく削り、内面１１ａの表面をあらしてしまい、摺動面が良好になじまず、摩擦低減効果が十分に発揮できない。

また、軸１０においても、凹部１０ａ以外の表面の平均粗さＲａは、０．０５μｍ以下であることが好ましい。これによって、油は凹部１０ａ以外の表面が滑らかになることによって、油がより確実に凹部１０ａへ滞留することとなり、凹部１０ａによる油の閉じ込め効果が増加する。これにより、摺動面において十分に油膜を保持できる。また、上記の平均粗さＲａが小さくなることにより、凹部１０ａ以外の表面における突起部分は減少し、すべり軸受け１１の内面１１ａとの直接接触による摩擦の増加を抑えることが出来る。

また、軸１０において、凹部１０ａが表面に開口する面積の合計は、軸１０の表面積の０．３％以上１０％以下とすることが好ましい。０．３％より小さい場合には凹部１０ａの油閉じ込め効果が十分でなく摩擦低減効果が十分発現されない。逆に１０％を超えると、負荷容量の低下を招き、その結果、金属接触が発生しやすくなり、十分な摩擦低減が発現できない。

さらに、凹部１０ａの最大深さは、０．５μｍ以上２０μｍ以下であることが好ましい。凹部１０ａの深さが０．５μｍより小さい場合、油閉じ込め効果が十分でなく、摩擦低減効果が十分に発現されない。２０μｍを超えると負荷容量の低下を招き、金属接触が発生しやすくなり、十分な摩擦低減が発現できない。

また、凹部１０ａは、長手方向が摺動方向に対して直交する方向に向いていることが好ましい。これにより接触部に多くの油を流入させることが出来、摩擦の低減が図られる。

さらに、凹部１０ａの短辺の長さは、５０μｍ以上１５０μｍ以下であり、且つ長辺の長さは、短辺の長さの２倍以上１０倍以下であることが好ましい。凹部１０ａの短辺が５０μｍより小さい場合、油の凹部１０ａへの流入保持が十分に行われず、また１５０μｍを超える場合には、負荷容量が低下し、金属接触が起こりやすくなる。また、長辺の長さを短辺の２倍から１０倍にすることによって、接触部に多くの油を流入させ、また接触域からの油の側方漏れを抑制し、摩擦特性を向上できる。

＜実施例＞
次に、本発明の実施例として、すべり軸受け１１の内面１１ａのＲｓｋが負であること、および表面の平均粗さＲａが０．０５μｍ未満であることが、摩擦の低減に効果を発揮することを確認することを目的として、実際に摺動装置１を製作し、摩擦試験を行った。

具体的には、円筒状の円柱軸１０（軸１０）と、スキューネスＲｓｋおよび平均粗さＲａにおいて様々な形態を有する軸受メタル１１（すべり軸受け１１）とから構成される摺動装置１の試験体を製作し、円柱軸１０を軸受メタル１１の円筒内で回転させて、摺動面に発生する摩擦係数を算出する摩擦試験を行った。

試験に用いた試験体の製作過程について、下記に具体的に説明する。

図４は、試験に用いた摺動装置１の垂直および水平断面図である。軸受メタル１１は外径φ６０の鋼製円筒に内径φ４５ｍｍのアルミメタル１１ｃを圧入したものである。一方、円柱軸１０は円筒状を呈し、外径がφ４３、軸方向曲率半径Ｒ７００ｍｍの鋼鉄（ＳＣＭ４２０Ｈ鋼）の浸炭焼き入れ焼き戻し材である。円柱軸１０および軸受メタル１１の幅厚１０ｂ、１１ｄは、ともに２０ｍｍである。

円柱軸１０の表面には、凹部１０ａを、マイクロブラスト加工により形成した。マイクロブラスト加工では、光リソグラフィ技術を利用し、樹脂製マスクに凹部微細形状を形成し、その樹脂マスクを円筒表面に貼り付けた後、平均粒径２０μｍのアルミナ砥粒を、投射ノズルからワークまでの距離を１００ｍｍとし、投射流量１００ｇ／ｍｉｎ、投射圧０．４Ｍｐａの条件下で投射し、凹部１０ａを得た。

凹部１０ａを形成後、凹部１０ａのエッジ部にできた盛り上がりを粒径９μｍのテープラップフィルムにより除去し、試験に供した。

表１に、上記により製作し、各試験体の円柱軸１０の表面に設けられた凹部１０ａの形態と、後述する試験結果を示す。

まず、比較例１における軸受メタル１１の内面１１ａは、スキューネスＲｓｋが５．７９９であって正であり、平均粗さＲａが０．０６５であって０．０５以上であるため、両者において好ましい形態に設けられていない。これに対して、実施例１〜４の軸受メタル１１の内面１１ａは、スキューネスＲｓｋと平均粗さＲａとのいずれもが、本実施形態における好ましい形態に設けられている。

また、各試験体の円柱軸１０においては、凹部１０ａの開口部の短辺は５０〜１５０μｍであり、長辺は、短辺の２倍以上１０倍以下であり、前述した好ましい範囲内に形成されている。

また、凹部１０ａが軸１０の表面に開口する面積の合計は、軸１０の表面積の０．３％以上１０％以下となるように形成され、前述した好ましい範囲内に形成されている。

また、前記凹部以外の表面の平均粗さＲａは、０．０５μｍ未満であり、前述した好ましい範囲内に形成されている。

次に、試験に用いた装置について説明する。

図５は、試験に用いた内接２円筒試験機の概略図である。車のエンジンのクランクシャフトなどに用いられる軸とすべり軸受とから構成される摺動装置において、通常、すべり軸受は固定され、軸のみが回転する。本実施例においては、クランクシャフトなどに用いられる軸の回転速度を再現するために、円柱軸１０を軸受メタル１１の円筒内で回転方向Ａに向けて回転させるとともに、すべり軸受け１１も軸１０の回転方向Ａと反対の方向Ｂへ回転させて、両者の回転速度の絶対値を合算した相対回転速度が、クランクシャフトにおける軸の回転数と同程度となるようにした。よって、円柱軸１０および軸受メタル１１にはそれぞれ図示しないＡＣサーボモータを取り付け、独立に回転制御できるようにしている。そして、５Ｗ３０の潤滑油を入れた図示しない油浴内にこの円柱軸１０および軸受メタル１１を浸すことで、円柱軸１０と軸受メタル１１との間に油膜を形成した。そして、相対回転運動中に発生する摩擦トルクを、円柱軸１０に取り付けた図示しないトルクセンサにより計測して、摩擦係数の算出を可能としている。

次に、表２に、本実施例における試験条件について示す。

本試験における円柱軸１０の材質はＳＣＭ４２０Ｈ−ＣＱＴであり、軸受けメタル１１の材質はＡ１７Ｘである。試験は、ラジアル荷重２０ｋｇの荷重条件下で行い、使用した潤滑油は５Ｗ３０ＳＪであり、油温度は８０℃である。

円柱軸１０の転がり速度Ｕ１は、矢印Ａの方向を正として５ｍ／ｓであり、軸受メタル１１の転がり速度Ｕ２は、同じく矢印Ａの方向を正として−１ｍ／ｓである。すなわち、円柱軸１０が軸受メタル１１よりも速い速度で回転し、相対転がり速度（｜Ｕ１−Ｕ２｜）が６ｍ／ｓであり、平均転がり速度（（Ｕ１＋Ｕ２）／２）が２ｍ／ｓである条件下において試験を行った。この条件下において油膜は厚くなる。

次に、試験の評価方法について説明する。

各試験体の摺動面に発生する摩擦の評価は、試験機により求められる摩擦係数により行うが、比較の基準とする試験体を比較例１と定め、この比較例１における摩擦係数と、実施例１〜４における摩擦係数とを比較する。なお、表１には、各試験体の摩擦係数を、比較例１の摩擦係数で除した比率に変えて示している。

次に、試験結果について説明する。

試験の結果、実施例１〜４は、摩擦係数の比率が比較例１に対して、いずれも下回っており、実施例１〜４の各項目における値より、スキューネスＲｓｋを負とすること、および平均粗さＲａを０．０５以下とすることが、摩擦を低減させるために好ましいことと確認される。

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。

また、軸１０とすべり軸受け１１とにおいて、いずれか一方を、上述したクランクシャフトのみならず、エンジンに用いられるカムシャフト、バランサーシャフトにも適用可能である。

本発明の実施形態における摺動装置の概略図である。 軸とすべり軸受けとの摺動面における拡大図である。 比較例として示す軸とすべり軸受けとの摺動面における拡大図である。 本発明の実施例における試験に用いた摺動装置の垂直および水平断面図である。 本発明の実施例における試験に用いた内接２円筒試験機の概略図である。

符号の説明

１ 摺動装置、
１０ 軸（第１の摺動部材）、
１０ａ 凹部、
１１ すべり軸受（第２の摺動部材）。

Claims (10)

1. 油を介して相対的に摺動する軸とすべり軸受けとから構成される摺動装置であって、
   前記軸は、油溜りのための凹部を形成する処理が施され、
   前記すべり軸受けは、表面のスキューネスＲｓｋが負であることを特徴とする摺動装置。
2. 前記軸における前記凹部以外の表面の平均粗さＲａは、０．０５μｍ未満であることを特徴とする請求項１に記載の摺動装置。
3. 前記すべり軸受けにおける表面の平均粗さＲａは、０．０５μｍ未満であることを特徴とする請求項１または２に記載の摺動装置。
4. 前記軸における前記凹部が表面に開口する面積の合計は、当該軸の表面積の０．３％以上１０％以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の摺動装置。
5. 前記凹部の最大深さは、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１つに記載の摺動装置。
6. 前記凹部は、長手方向が摺動方向に対して直交する方向に向いていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の摺動装置。
7. 前記凹部の開口部の短辺の長さは、５０μｍ以上１５０μｍ以下であり、且つ長辺の長さは、短辺の長さの２倍以上１０倍以下であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１つに記載の摺動装置。
8. 前記軸を、エンジンに用いられるクランクシャフトに適用したことを特徴とする請求項１〜７のいずれか１つに記載の摺動装置。
9. 前記軸を、エンジンに用いられるカムシャフトに適用したことを特徴とする請求項１〜７のいずれか１つに記載の摺動装置。
10. 前記軸を、エンジンに用いられるバランサーシャフトに適用したことを特徴とする請求項１〜７のいずれか１つに記載の摺動装置。

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