WO2001002712A1 - Element coulissant et piston pour moteur thermique - Google Patents

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WO2001002712A1
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piston
sliding
sliding member
internal combustion
combustion engine
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Shigemi Kobayashi
Masashi Murata
Hidemi Ogihara
Hiroshi Yamada
Kazuhisa Ishizuka
Sakae Tsunashima
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Honda Giken Kogyo Kabushiki Kaisha
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    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16JPISTONS; CYLINDERS; SEALINGS
    • F16J10/00Engine or like cylinders; Features of hollow, e.g. cylindrical, bodies in general
    • F16J10/02Cylinders designed to receive moving pistons or plungers
    • F16J10/04Running faces; Liners
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02FCYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F3/00Pistons 
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01MLUBRICATING OF MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; LUBRICATING INTERNAL COMBUSTION ENGINES; CRANKCASE VENTILATING
    • F01M1/00Pressure lubrication
    • F01M1/08Lubricating systems characterised by the provision therein of lubricant jetting means
    • F01M2001/083Lubricating systems characterised by the provision therein of lubricant jetting means for lubricating cylinders
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16NLUBRICATING
    • F16N7/00Arrangements for supplying oil or unspecified lubricant from a stationary reservoir or the equivalent in or on the machine or member to be lubricated
    • F16N7/14Arrangements for supplying oil or unspecified lubricant from a stationary reservoir or the equivalent in or on the machine or member to be lubricated the lubricant being conveyed from the reservoir by mechanical means
    • F16N7/16Arrangements for supplying oil or unspecified lubricant from a stationary reservoir or the equivalent in or on the machine or member to be lubricated the lubricant being conveyed from the reservoir by mechanical means the oil being carried up by a lifting device

Definitions

  • the present invention relates to a sliding member capable of reducing the sliding resistance of the sliding member and effectively preventing generation of abnormal noise by interposing sufficient lubricating oil on the sliding surfaces of the sliding members sliding with each other.
  • the present invention also relates to a piston for an internal combustion engine capable of retaining a sufficient lubricating oil on a sliding surface with a sleeve.
  • techniques for reducing the sliding resistance of a sliding member include adding a silicon-fluorine compound to the material of the sliding member or performing a coating made of a material such as molybdenum-fluorine resin. I have. However, the former has no remarkable effect on the reduction of sliding resistance, and the latter has a problem that the coating is peeled off or worn.
  • a piston for an internal combustion engine (hereinafter simply referred to as a piston)
  • a part of the explosion pressure in the combustion chamber is received by a piston ring sliding on the sleeve, and a skirt provided below the piston ring is used as the sleeve.
  • the posture of the piston is maintained by contact. Therefore, if the contact between the skirt and the sleeve is not made well, the sliding resistance will increase and fuel consumption will decrease, and in some cases, abnormal noise will be generated due to the contact between the piston and the sleeve. I do.
  • Japanese Utility Model Laid-Open No. 52-16464 and Japanese Utility Model Laid-open No. 57-1933941 have a dimple with sandblasting and shot peening on the piston force. However, it is known that this method is not effective in preventing the generation of abnormal noise.
  • the present invention is based on the premise that the sliding member will undergo initial wear, and by making the surface properties of the sliding member after initial wear ideal, smooth sliding after initial wear is achieved. It is an object of the present invention to provide a sliding member that can effectively prevent generation of abnormal noise.
  • the clearance between the skirt portion of the piston and the sleeve can be reduced, whereby the posture of the piston can be stabilized, and It is an object of the present invention to provide a piston capable of preventing generation of noise and reducing noise and vibration.
  • Another object of the present invention is to reduce the sliding resistance at an early stage by causing the initial wear to occur in a short period of time at the beginning of operation. Disclosure of the invention
  • the sliding member of the present invention is provided with a convex portion extending in a direction crossing the sliding direction on at least one of the sliding surfaces of the sliding members sliding with each other. It is characterized by providing fine dimples. It is desirable that the direction in which the protrusion extends is orthogonal or substantially orthogonal to the sliding direction.
  • the piston for an internal combustion engine of the present invention is characterized in that at least a skirt portion on a side surface of a piston body is provided with a convex portion extending in a circumferential direction, and fine dimples are provided on the surface of the convex portion.
  • FIG. 1A shows the surface of the scar portion of the biston without dimples in combigraphic graphics, and shows a convex portion extending in the circumferential direction of the piston body.
  • FIG. 1A shows a state after the outer periphery of the piston main body is machined, and the convex portion is formed between concave portions having a substantially arc-shaped cross section.
  • the machine Mechanical machining can be performed by relatively moving the biston body in the axial direction while cutting the outer periphery of the biston body using a cutting tool or the like. In this case, the convex portion forms a spiral shape in the axial direction.
  • FIGS. 2A and 2B show the cross-sectional shapes of the projections shown in FIGS. 1A and 1B.
  • FIG. 2A shows the state after machining
  • FIG. 2B shows the state after initial wear.
  • the edge formed on the edge of the sliding surface after the initial wear acts like a sneak-back, and there are places where lubricating oil is not supplied to the sliding surface. In this case, the temperature at that location rises, causing abnormal noise.
  • FIG. 3A is a diagram showing the surface of the skirt portion of the piston in the present invention in a combigraphic graphic, and shows a convex portion extending in the circumferential direction of the body of the piston, and a convex portion of the convex portion. This shows fine dimples provided on the surface.
  • the tip of the convex portion is worn away and becomes substantially trapezoidal as shown in FIG. 3B. At the edge of the sliding contact surface of this trapezoidal portion, an inlet B formed by dimples appears.
  • FIGS. 5A and 5B show the surface of the piston body that has just been machined.
  • the surface of the piston body that has just been machined has microscopic V-shaped grooves extending in the circumferential direction.
  • the lubricating oil is more likely to collect at the bottom of the groove than at the sharp tip due to capillary action, so that an oil film is not easily formed and the sliding resistance is large.
  • FIG. 5B shows an example of a dimple in the present invention.
  • the dimple D becomes an oil pool and holds the oil ball O. Therefore, even if surface pressure is applied to this surface, the oil film S is formed. It is retained, and the increase of the sliding dam is prevented.
  • the lubricating oil is held in each of the fine dimples as described above, and the lubricating oil is easily supplied from the inlet B to the sliding surface by the vertical movement of the piston. Therefore, after the initial wear, the piston has adjusted to the sleeve Thereafter, lubricating oil is supplied to the sliding surface to form an oil film, which lubricates the sliding surface and prevents the generation of oil.
  • FIGS. 4A and 4B show the cross-sectional shapes of the projections shown in FIGS. 3A and 3B.
  • FIG. 4A shows the state before the initial wear
  • FIG. 4B shows the state after the initial wear.
  • the protruding parts are processed by dimples, so initial wear occurs rapidly.
  • the tip of the protrusion provided along the circumferential direction of the skirt which is the sliding surface with the sleeve, is worn down to a stable surface pressure when it slides. This is because the extra tip of the projection is removed to secure a corresponding area that can withstand the contact pressure during sliding. The removed tip stays in the lubricating oil as wear particles.
  • the projection has a substantially trapezoidal shape when viewed in a cross section along the sliding direction.
  • the dimples must be of a suitable size to achieve the above-mentioned effects. If the dimples are too small, the ability to retain the lubricating oil will be insufficient, and the size of the inlet will be small, and the effect of drawing the lubricating oil to the sliding surface will be insufficient. On the other hand, when the dimple is too large, the shape of the convex portion is greatly deformed, and the effect of providing the convex portion is lost. Dimples can be formed by shot peening. In this case, the size of the dimple is limited by the dimple size limitation described above. The average depth of the impulse is preferably 0.6 to 1.8 zm.
  • FIGS. 6A and 6B show the cross-sectional shapes of the protrusions before initial wear.
  • FIG. 6A illustrates an example in which the concave portion has a substantially arc-shaped cross section.
  • the convex portion has a substantially arc-shaped cross section (FIG. 6A).
  • B) or a structure in which a concave portion and a convex portion are continuous in a wavy shape when viewed in cross section FIG. 6C
  • the cross section of the concave and convex portions may be trapezoidal (FIG. 6D) or triangular (FIG. 6E).
  • the interval P between the convex portions is preferably 200 to 400 im, and more preferably 250 to 300 m.
  • the height H, from the bottom of the concave portion to the tip of the convex portion before the initial wear, is preferably 7 to 15 im, more preferably 8 to 12 m.
  • the average particle size of the shot is desirably 20 to 60 m, and the particle size is preferably 20 / m or more.
  • Et al is, the air pressure during the shot projection in Shottopi-learning is from 1.5 to 5. It is desirable that 0 k gZ cm 2.
  • the dimple can be provided only on the surface of the convex portion, but is preferably provided on the entire surface including the concave portion.
  • the grooves and lands of the piston ring are provided with the same protrusions and dimples as above to generate abnormal noise at the groove and the piston ring and at the land and sleeve. Can be prevented from occurring.
  • the sliding member of the present invention is not limited to the piston as described above, but can be applied to any members that slide with each other.
  • the present invention can be applied to reciprocating sliding parts and rotary sliding parts such as piston pins, sliding metals for internal combustion engines, camshaft holders, and the like.
  • a solid lubricant such as molybdenum disulfide or a fluororesin can be provided on the surface of the sliding member in advance by surface treatment such as coating, impregnation or diffusion, or after performing shot peening.
  • FIG. 1A is an enlarged perspective view of a surface of a piston having no dimple, showing a state before initial wear
  • FIG. 1B is a view showing a state after initial wear.
  • FIG. 2A is a view showing a cross section of the surface of the biston having no dimple, showing a state before the initial wear
  • FIG. 2B is a view showing a state after the initial wear
  • FIG. 3A is an enlarged perspective view of the surface of the piston of the present invention, showing a state before initial wear
  • FIG. 3B is a view showing a state after initial wear.
  • FIG. 4A is a view showing a cross section of the surface of the biston of the present invention, showing a state before the initial wear
  • FIG. 4B is a view showing a state after the initial wear.
  • FIG. 5A is a diagram schematically showing a cross section of a conventional piston
  • FIG. 5B is a diagram schematically showing a cross section of a biston of the present invention
  • FIG. 5C is a dimple holding an oil ball. It is a figure showing a state.
  • FIG. 6A and 6B are cross-sectional views showing a convex portion of a piston before initial wear
  • FIG. 6A is a diagram showing a concave portion having a substantially circular arc cross-section
  • FIG. 6B is a diagram showing FIG.
  • FIG. 4 is a view showing a projection having a substantially arc-shaped cross section in reverse.
  • FIGS. 6C to 6E are cross-sectional views showing the convex portion before the initial wear of the piston
  • FIG. 6C is a diagram showing that the concave portion and the convex portion are continuous in a cross-sectional view
  • FIG. 6D is a diagram showing a cross section of a concave portion and a convex portion having a trapezoidal shape
  • FIG. 6E is a diagram showing a convex portion and a concave portion having a triangular shape.
  • FIG. 7 is a diagram showing a relationship between a projection pressure and an average dimple depth in the example.
  • FIG. 8 is a diagram showing a relationship between a running-in operation time and a reduction index in the example.
  • FIG. 9 is a diagram showing the relationship between the average dimple depth and the sliding resistance reduction rate in the example.
  • FIG. 10 is a diagram showing the relationship between the projection pressure and the sliding resistance reduction rate in the example.
  • FIG. 11 is a diagram showing the relationship between the pressing load of the sample and the coefficient of friction in the example. It is. BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
  • Pistons of general shape and size were made.
  • a protrusion (streak) with a cross-sectional shape as shown in Fig. 6A is formed on the outer circumference of the piston, and the interval between the protrusions is about 250 m, and the height of the protrusions is about 10 m. did.
  • the piston was attached to the center of the turntable, and glass beads having an average particle size of 40 m were projected on the side of the piston by compressed air while rotating the turntable. Then, a plurality of samples were prepared by changing the projection pressure from 1.5 kg Z cm 2 to 5.0 kg Z cm 2 .
  • the surface roughness Ra of each sample was measured, and the value of Ra was taken as the average depth.
  • Figure 7 shows the results. As can be seen from FIG. 7, the depth of the dimple increases as the projection pressure of shot beaning increases.
  • Fig. 8 shows the reduction index at the start of operation as 1 and the reduction index with time. In FIG. 8, a reduction index of 0.9 indicates that the sliding resistance was reduced by 10%.
  • a piston having the cross-sectional shape shown in FIG. 6A without shot peening was used as a comparative example, and the same running-in operation was performed. The results are also shown in FIG.
  • the reduction index decreases instantaneously from 1 to 0.94, and thereafter gradually decreases.
  • the initial decrease of the reduction index is slower than that of the example of the present invention, and thereafter, the reduction index maintains a higher level than the example of the present invention. Comparing the reduction indexes at the end of the running-in operation, it was confirmed that the present invention example had a lower reduction index by 2.2% than the comparative example. D. Sliding test
  • the side surface of the sample of the above example was pressed against a plate material simulating a sleeve, and the sample was reciprocated with a stroke of 50 mm. At that time, lubricating oil was dropped on the surface of the plate and the pressing load was increased stepwise. The frictional resistance at that time was measured in real time, and the frictional resistance was integrated over time to determine the average frictional resistance per unit time.
  • the same sliding test was performed on the sample of the comparative example used in the above-mentioned running-in operation. When the average friction resistance of the comparative example was set to 1, the average friction resistance of the example was calculated, and the sliding resistance reduction rate (%) with respect to the comparative example was calculated.
  • Fig. 9 shows the relationship between the average dimple depth and the sliding resistance reduction rate. From FIG. 9, it can be seen that the sliding resistance reduction rate is high when the average dimple depth is 0.6 to 1.8.
  • FIG. 9 the relationship shown in FIG. 9 is redrawn into the relationship between the shot peening projection pressure and the sliding resistance reduction rate, and is shown in FIG. In Fig. 10, plots were made for projection pressures of 2.5 to 4.5 kcm 2 , but the curves applied to these plots were extended and enclosed with dashed lines. As a result, it is estimated that the sliding resistance reduction rate is high when the projection pressure is 1.5 to 5.0 kg O cm Z cm 2 .
  • the convex portion extending in the circumferential direction is provided, and fine dimples are provided on the surface of the convex portion, the dimple holds the lubricating oil, Lubricating oil is easily drawn out from the inlet formed by the dimples in the running-in operation, so that abnormal noise can be prevented and the sliding resistance after the running-in operation can be reduced.
  • the clearance between the skirt and the sleeve of the piston can be reduced, the posture of the piston can be stabilized, and the noise and vibration can be reduced by preventing the piston from hitting. Can be.

Description

明 細 書 摺動部材および内燃機関用ビストン 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ビストンに関する。 背景技術
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 ンゃフッ素化合物を添加したり、 モリブデンゃ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。
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 リ一ブ間の接触により異常な音が発生したりする。
実開昭 5 2 - 1 6 4 5 1号公報および実開昭 5 7— 1 9 3 9 4 1号公報には、 ピストンのス力一ト部等にサンドブラストゃ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。
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ゃ摺動速度、 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。
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、 ビ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、 これによつてビストンの姿勢を安定させ、 ビ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。 発明の開示
本発明の摺動部材は、 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凸部を設け、 この凸部の表面に 微細なディンプルを設けたことを特徴としている。 凸部の延在する方向は、 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 延在する凸部を設け、 こ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 つて説明する。
第 1図 Aは、 ディンプルを有しないビストンのスカー卜部の表面をコンビユー 夕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、 断面が略円弧状の凹部どうしの間に形成されている。 なお、 機 械加工は、 バイト等を用いてビストン本体の外周を切削しながらビストン本体を 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。
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、 凹部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。
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ビユー 夕グラフィックで表示したものであり、 ビ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 ビ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。
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、 摺動抵坊の 増加が防止される。
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 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、 ビストンの姿勢を安 定させ、 ビ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。 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ツ 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。
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 イ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 インプルの平均深さは 0. 6〜 1. 8 zmであることが望ましい。
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 凹部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、 凹部と凸部とが断 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、 凹部と凸部 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 200〜400 imで あることが望ましく、 2 50〜300 mであればさらに好適である。 また、 初 期摩耗の前の凹部の底から凸部の先端までの高さ H,は、 7〜 1 5 imであること が望ましく、 8〜 1 2 mであればさらに好適である。
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 をエア一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 20〜60 mであることが望ましく、 粒径は 20 / m以上のものが良い。 さ らに、 ショットピ一ニングにおけるショットの投射の際の空圧は、 1. 5〜5. 0 k gZ c m2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、 凹部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、 溝とビ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。
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。
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。 図面の簡単な説明
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。
第 2図 Aは、 ディンプルを有しないビ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。 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。
第 4図 Aは、 本発明のビ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。
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は本発明のビス 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。
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は凹部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は凹部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は凹 部と凸部の断面が台形状のものを示す図、 第 6図 Eは凸部と凹部が三角形状のも のを示す図である。
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。
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。
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。
第 1 0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。
第 1 1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。 発明を実施するための最良の形態
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 2 5 0 m, 凸部の高さを約 1 0 m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 4 0 m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 . 5 k g Z c m 2から 5 . 0 k g Z c m 2まで変化させて複数の試料を作製した。
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 R aを測定し、 そ の R a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、 ショットビ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。
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 1 0 %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。
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 . 9 4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。 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 5 0 mm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夕 ィムで測定し、 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 つた。 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 . 8 のときに摺動抵抗低減率が高いことが判る。
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 1 0図に示した。 第 1 0図には投射圧力が 2 . 5〜4 . 5 k c m 2についてプロットしたが、 それらプロッ卜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 . O k g Z c m 2の ときに摺動抵抗低減率が高いことが推定される。
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 1 1図に示した。 第 1 1図に示すように、 比較例では 7 k g f で焼付きが生じたのに対して、 本発明例では 2 2 k g f まで焼付きが生じなか つた。 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。
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つ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、 ビス卜 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。

Claims

請 求 の 範 囲
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凸部を設け、 こ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摺動部材。
2. 前記ディンプルの平均深さを 0. 6〜 1. 8 mにしたことを特徴とする請 求項 1に記載の摺動部材。
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に記載の摺動部材。
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に記載の摺動部材。
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に記載の摺動部材。
6. 前記ディンプルは、 平均粒径が 20〜60 m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 摺動部材。
7. 前記ガラスビーズは、 20 xm以上の粒径を有していることを特徴とする請 求項 6に記載の摺動部材。
8. 前記凸部は複数設けられ、 前記凸部どうしの間隔は 200〜400 であ ることを特徴とする請求項 1に記載の摺動部材。
9. 前記凸部どうしの間隔は 250〜300 imであることを特徴とする請求項 8に記載の摺動部材。
1 0. 前記凸部の初期摩耗の前の高さは、 7〜 1 5 mであることを特徴とする 請求項 1に記載の摺動部材。
1 1. 前記凸部の初期摩耗の前の高さは、 8〜 1 2 mであることを特徴とする 請求項 1に記載の摺動部材。
1 2. 前記凸部どうしの間の凹部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に記載の摺動部材。
1 3. 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 る凸部を設け、 こ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。
14. ビ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 1 3に記載の内燃機関用ビストン。
1 5. 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 1 3に記 載の内燃機関用ピストン。
16. 前記ディンプルの平均深さを 0. 6〜 1. 8 imにしたことを特徴とする 請求項 1 3に記載の内燃機関用ピストン。
1 7. 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 3に記載の内燃機関用ビストン。
1 8. 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 1 7に記載の内燃機関用ピストン。
1 9. 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 3に記載の内燃機関用ビストン。
20. 前記ディンプルは、 平均粒径が 20〜60 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 3に記 載の内燃機関用ビストン。
2 1. 前記ガラスビーズは、 20 /im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。
22. 前記凸部は複数設けられ、 前記凸部どうしの間隔は 200〜400 で あることを特徴とする請求項 1 3に記載の内燃機関用ピストン。
23. 前記凸部どうしの間隔は 250〜300 /mであることを特徴とする請求 項 22に記載の内燃機関用ビストン。
24. 前記凸部の初期摩耗の前の高さは、 7〜 1 5 であることを特徴とする 請求項 1 3に記載の内燃機関用ピストン。
25. 前記凸部の初期摩耗の前の高さは、 8〜 1 2 であることを特徴とする 請求項 1 3に記載の内燃機関用ピストン。
26. 前記凸部どうしの間の凹部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 2 2に記載の内燃機関用ピストン :
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