JP4239596B2

JP4239596B2 - Sliding member, crankshaft, and variable compression ratio engine

Info

Publication number: JP4239596B2
Application number: JP2003011069A
Authority: JP
Inventors: 俊和南部; 芳輝保田; 研史牛嶋
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2003-01-20
Filing date: 2003-01-20
Publication date: 2009-03-18
Anticipated expiration: 2023-01-20
Also published as: JP2004225729A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、摺動部材、この摺動部材を用いたクランクシャフト、およびこの摺動部材を用いた可変圧縮比エンジンに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、摺動部材における摩擦を低減するためには、摺動部材の摺動面に微細な窪み、凹面、溝などを形成することが行われている。
【０００３】
このような窪み、凹面、溝などを摺動部材に形成する従来の技術は、形成たとえば、往復摺動を行うピストン／ボアのフリクション低減を目的として、摺動面において、摺動方向に対して深さを変化させた微細な凹部を形成したものがある（例えば、特許文献１参照。）。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００２−２３５８５２号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の摺動部材は、クランクシャフトなどように、回転運動する摺動条件における摺動方向と直交する方向の微細形状に関しては、凹部や窪み、溝の深さが均一であるため、接触部内の油膜厚さ分布や油膜保持能力に応じた最適化が図られておらず、低フリクションという機能が必ずしも十分に発現されないという問題があった。特にクランクシャフトでは、軸の曲げたわみが発生し、それを支えるメタル材の端部に油膜が薄い場所が存在し、深さの均一な凹凸を形成するだけでは、フリクション低減効果が限定されるだけでなく、軸受け端部での磨耗や焼き付きなどの損傷が懸念されるという問題があった。
【０００６】
そこで本発明の目的は、回転運動する摺動部材において、フリクション低減効果を大きくすることのできる摺動部材を提供することである。また、他の目的は、このようにフリクションを低減させた摺動部材を用いることで、回転部分における摩擦抵抗を少なくしたエンジンシステムを提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するための本発明は、外円筒の内周面に当接し、前記内周面に対して周方向に相対的に回転する内円筒の外周面をなす摺動面に少なくとも摺動方向に不連続な複数の微細な凹部を有し、前記凹部は、前記凹部がない場合の摺動面に前記回転によって形成される前記摺動方向と直交する方向の中心部ほど厚く端部ほど薄く分布した油膜厚さ分布に対応して、前記摺動方向と直交する方向の中心から端部方向へ、前記凹部の深さ分布が中央部ほど深く、端部ほど浅いことを特徴とする摺動部材である。
【０００８】
また、本発明は、上記の摺動部材を用いたことを特徴とする内燃機関のクランクシャフトである。
【０００９】
さらに、シリンダ内を移動するピストンにピストンピンを介して第１コンロッドが接続され、当該第１コンロッドがコンロッド間接続ピンによって第２コンロッドと揺動可能に接続され、当該第２コンロッドがクランクシャフトとクランクピンによって回転可能に装着され、前記第２コンロッドが前記クランクピンを中心に回転位置を変更するためのコントロールロッドとコントロールロッド接続ピンにより揺動可能に接続され、当該コントロールロッドの前記第２コンロッドと接続されていない側の接続部に当該コントロールロッドを移動させて前記ピストンのストロークを変更する制御機構が接続されている可変圧縮比エンジンにおいて、少なくとも前記クランクシャフトの前記クランクピン部分に上記摺動部材を用いたことを特徴とする可変圧縮比エンジンである。
【００１０】
【発明の効果】
本発明の摺動部材によれば、摺動面に摺動方向と直交する方向の中心から端部方向へ、深さ分布が油膜厚さ分布に応じて変化する微細な凹部を形成したことで、より多くの油を接触部に流入させることが可能となり、より広い作動条件でフリクション低減効果を発現するとともに、軸受け端部での磨耗や焼き付きなどの損傷を抑制することができる。
【００１１】
また、本発明によるクランクシャフトによれば、クランクシャフト端部で発生する磨耗や焼き付きを抑制し、摩擦係数を低減することができる。
【００１２】
さらに、本発明により可変圧縮比エンジンによれば、焼き付き性や磨耗が改善され、さらに摩擦係数が低減することにより摩擦損失を低減することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
【００１４】
（第１の実施の形態）
まず、本実施の形態として本発明を適応した部材の一つであるクランクシャフト受について簡単に説明する。
【００１５】
図１はクランクシャフトの軸受け接触部における油膜厚さ分布を説明するための説明図で、図１（ａ）はクランクシャフトの一例を示す平面図であり、図１（ｂ）は軸受け接触部における油膜厚さ分布示すグラフである。図１（ｂ）のグラフにおいて、縦軸は油膜厚さ（μｍ）であり、横軸は軸受けとの接触部の幅（接触部幅）を示し、この接触部幅を０〜１として示したものである。
【００１６】
図示するように、クランクシャフト１の軸受けとの接触部２（図示円内の部分）の摺動面において、油膜厚さは、その中央部Ｓに比べて端部Ｔの方が薄い。
【００１７】
本実施の形態は、このようなクランクシャフト１の接触部２、すなわち、軸受けと接触する摺動面において、摺動方向と直交する方向の中心から端部方向へ、深さ分布がこの油膜厚さ分布に応じて変化する微細な凹部を形成したものである。
【００１８】
図２は摺動面における表面荒さを説明するための説明図であり、図２（ａ）はクランクシャフト１と軸受け接触部２の断面図、図２（ｂ）は接触部２における摺動面の平面図である。また、図３は摺動面における凹部の深さ分布の一例を示すグラフである。
【００１９】
図２（ａ）に示すように、クランクシャフト１の油膜を受ける接触部２には、この接触部２を取り巻くように軸受け３が設けられている。
【００２０】
接触部２の摺動面５には、図２（ｂ）に示すように、凹部４が形成されている。
【００２１】
この凹部４は、摺動方向と直交する方向の中心から端部方向へ、深さ分布が油膜厚さ分布に応じて変化するように形成したため、図３に示すように、軸受け幅の中央部ほど深く、端部に行くほど浅くなるように形成されている。
【００２２】
この凹部４の形成範囲は、軸受け３の全幅をＢとし、微細な凹部４の形状を有する範囲をＳとした場合に、少なくともＳ／Ｂ＞０．２の範囲であることが好ましい。この範囲以下となる場合、凹部４の形成範囲が少なくなりすぎて十分なフリクション低減が得られない。
【００２３】
また、凹部の深さは、油膜厚さをｈとし、凹部４の深さをｔとして、その比をｈ／ｔとした場合に、ｈ／ｔが０．２〜２と好ましく、具体的には、たとえば、摺動面５のベース面における凹凸の凸部の最大高さが１μｍ以下（下限値は０であるが実際には加工機械の精度限界となる）となるようにした場合に、凹部４の最大深さが０．５μｍ〜２０μｍであることが好ましい。
【００２４】
このようにｈ／ｔを０．２〜２とすることで、より広い作動条件でフリクション低減効果を発現するとともに、軸受け３端部での磨耗や焼き付きなどの損傷を抑制する。作動条件により油膜厚さが変化するために、より広い作動条件においてフリクション低減効果を発現しつつ、耐磨耗性、耐焼付き性効果を両立させることが可能となるが、この範囲を超えると、動作条件による油膜厚さの変化に対応できなくなるおそれがあるため好ましくないものである。
【００２５】
特にクランク軸では、アルミメタルのような軟質金属と鋼のような硬質金属との組み合わせで運転されるため、このような状態において、ベース面の凸部の最大高さが１μｍ以下、凹部４の最大深さを０．５μｍ〜２０μｍとすることで、金属接触を抑制し、耐磨耗性や耐焼き付き性が向上する。凸部の最大高さが１μｍを超える場合、および凹部４の最大深さが２０μｍを超える場合には、耐磨耗性や耐焼き付き性が低下するため好ましくない。また、凹部４の最大深さが０．５μｍ未満の場合には、フリクション低減効果が十分得られない。
【００２６】
また、凹部４の開口部の長さは、平均で１５〜５００μｍとしている。これは、凹部４の開口部の長さが１５μｍ未満であると、油膜の保持性能が悪化するために、金属接触が発生し好ましくない。一方、５００μｍを越えると、開口部分が広くなりすぎ、凹部への油の流入が増加して負荷容量が下がり金属接触が発生して耐焼き付き性が低下するため好ましくないものである。
【００２７】
このように、凹部４の開口部の長さを平均で１５〜５００μｍとすることで、前述の摩擦係数の低減、耐焼き付き性、耐磨耗性などの抑制を発現するだけでなく、微細形状付与による、振動の増加を抑制することができる。
【００２８】
凹部４の形状は、後述する実施例のごとく、長方形や円形などさまざまな形状が考えられる。
【００２９】
【実施例】
次に、上述のように構成された実施の形態に基づいて、実際にさまざまな凹部形状の摺動部材を製作して摩擦係数を求める実験を行った。
【００３０】
図４は、本実施例に用いた内接２円筒試験機を説明するための説明図で、図４（ａ）は実験に用いた摺動部材の構成を示す断面図、図４（ｂ）は内接２円筒試験機の回路図である。
【００３１】
実験に用いる摺動部材は、図４（ａ）に示すように、外円筒１０と内円筒２０からなる。外円筒１０は外径φ６０ｍｍの鋼製円筒１１に内径φ４５ｍｍのアルミメタル１２を圧入したものである。一方、内円筒２０は外径がφ４４．８ｍｍの鋼鉄（ＳＣＭ４４０Ｈ鋼）の焼き入れ焼き戻し材である。内円筒２０および外円筒１０の幅はともに１０ｍｍである。
【００３２】
内円筒２０および外円筒１０にはそれぞれＡＣサーボモータ（不図示）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の油を入れた油浴内にこの内円筒２０および外円筒１０を浸すことで、内円筒２０および外円筒１０の間に油膜を形成させた。
【００３３】
実験は、ラジアル荷重５００ｋｇ、油温度８０℃、相対すべり速度０．２〜１２ｍ／ｓにおいて、平均速度を−２〜２ｍ／ｓまで変化させ、内円筒軸に取り付けたトルクセンサにより回転トルクを計測して接線力を算出し、ラジアル荷重で除することにより摩擦係数を求めた。なお、平均速度は内円筒速度をｕ１、外円筒速度ｕ２とした場合、（ｕ１＋ｕ２）／２である。同様に相対すべり速度は、（ｕ１−ｕ２）である。
【００３４】
測定した摩擦係数は、縦軸を相対すべり速度、横軸を平均速度で表したフリクションマップとして整理した。これらのフリクションマップを基に、摩擦係数の望小解析を実施した。図５はフリクションマップの一例であり、フリクションマップとは、図示するように、縦軸を相対すべり速度、横軸を平均速度で表し、このマップ上に摩擦係数を等高線図として整理したものである。このマップにより内円筒表面の接触部２においてどのような摩擦係数分布となっているかがわかる。
【００３５】
また、耐焼き付き性および耐磨耗性を評価する目的で、電気抵抗法による分離電圧の測定を実施した。分離電圧は図４（ｂ）に示す回路を作製し、運転中の外円筒１０と内円筒２０の間の抵抗変化に起因する電圧を測定することにより実施した。本回路では、完全に油膜で分離されている場合に、分離電圧が７５０ｍＶを示し、完全に接触している場合に０ｍＶを示すことになるように、抵抗Ｒ１およびＲ２の抵抗値を決めている。
【００３６】
耐焼き付き性および耐磨耗性は、この分離電圧が大きい値の方が優れることは言うまでもない。運転時の分離電圧を計測し、完全分離状態の７５０ｍＶで除した値を油膜形成率と定義し、フリクションマップと同様に油膜形成率マップとして表した。油膜形成率は、望目特性として解析を行った。図６は、この油膜形成率マップの一例を示す図面である。このマップは縦軸を相対すべり速度、横軸を平均速度で表し、マップ上に油膜形成率を等高線図として整理したものである。このマップにより内円筒表面の接触部２においてどのような油膜形成率の分布となっているかがわかる。
【００３７】
なお、図５および図６においては、１２３個のデータをまとめたものである。
【００３８】
摩擦係数は回転トルクとして望小解析を行い、油膜形成率に関しては分離電圧として望目解析を行った。望小解析、および望目解析は以下に示す式により計算した。
【００３９】
望小解析
【００４０】
【数１】

【００４１】
望目特性解析
【００４２】
【数２】

【００４３】
（実施例および比較例）
実施例は、いずれもφ４４．８ｍｍの内円筒表面に凹部微細形状を形成した（比較例は形成していない）。凹部微細形状は、マスクブラスト処理により形成した。すなわち、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、噴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、凹部微細形状を得た。その後、凹部微細形状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により除去し、試験に供した。なお、実施例および比較例の凹部微細形状深さはいずれのサンプルにおいても、１μｍ、面積率は５％とした。
【００４４】
実施例および比較例では、図７に示すように、微細な凹部形状パターンを形成した。
【００４５】
実施例１は、図７（ａ）に示すように、開口部の直径がφ１２０μｍのディンプルを、中央部において最大深さが２μｍとなるように、端部での深さが０．３μｍとなるように形成した。
【００４６】
実施例２は、図７（ｂ）に示すように、幅８０μｍ、長さ×３２０μｍの矩形状の溝を、中央部での最大深さを２μｍ、端部での深さが０．３μｍとなるように形成した。した。
【００４７】
実施例３は、図７（ｃ）に示すように、幅１２０μｍで、軸受け幅に渡る溝を、中央部での最大深さが２μｍ、端部での深さが０．３μｍとなるように形成した。
【００４８】
比較例は、図７（ｄ）に示すように、全面を表面粗さＲａが０．０１μｍ以下になるように、テープラップ加工を施し、鏡面に近い状態に仕上げた。
【００４９】
これら実施例および比較例における望小解析結果を表１に示す。
【００５０】
【表１】

【００５１】
表１から明らかなように、本発明を適用した実施例は、いずれも比較例と比べて、低いトルクで回転可能なことを示しており、この結果から摩擦係数が低くなっていることがわかる。また、同時に測定した電気抵抗法による分離電圧も実施例の方が比較例に比べて大きな値を示しており、金属接触の割合が減少していることがわかる。なお、試験後の摺動部観察の結果からも電気抵抗法の結果と矛盾しない結果が得られた。
【００５２】
以上説明したように本発明の実施の形態によれば、クランクシャフト１の摺動面５において、油膜厚さの分布と同じく、中央が深く、端部の方が浅くなるように微細な凹部４を形成したことで、フリクション低減効果を発現するとともに、軸受け３端部での磨耗や焼き付きなどの損傷を抑制するという優れた効果をもたらす。
【００５３】
特に、軸受け３の全幅をＢとし、微細な凹部４の形状を有する範囲をＳとした場合に、少なくともＳ／Ｂ＞０．２の範囲に微細な凹部４を、中央部ほど深く端部方向に浅くなるように形成したことで、フリクション低減効果が増加する。
【００５４】
凹部４の深さを、油膜厚Ｚをｈ、凹部深さをｔとして、その比をｈ／ｔが０．２〜２となるようにしたことで、さまざまな油膜厚さに対応して、より広い作動条件でフリクション低減効果を発現するとともに、軸受け３端部での磨耗や焼き付きなどの損傷を抑制することができる。
【００５５】
さらに、摺動面５のベースの凹凸が凸面の最大高さが１μｍ以下となるようにし、凹部４の最大深さを０．５μｍ〜２０μｍとすることで、金属接触を抑制し、耐磨耗性や耐焼き付き性が向上する。
【００５６】
そして、このクランクシャフト１を内燃機関に用いることにより、クランクシャフト１端部で発生する磨耗や焼き付きを抑制し、微細形状付与なしに比べて、摩擦係数を低下できるという優れた機能が発現される。
【００５７】
すなわち、クランクシャフト１は、シリンダ内を往復動するピストンを有する内燃機関において、ピストンはピストンピンを介してアッパリンクと連結され、アッパリンクはＵＬ間接続ピンを介してロアリンクと揺動可能に連結され、クランクピンに回転可能に装着されたロアリンクと、コントロールリンクとはＬＣ間接続ピンを介して揺動可能に連結され、コントロールリンクのロアリンクとは連結されない接続点の位置を運転条件に応じて変更することにより機関圧縮比を可変制御するリンク機構を構成する。
【００５８】
このリンク機構により、通常のレシプロエンジンに比べてクランクシャフト１に対する入力が増加した場合にも、焼き付き性や磨耗が改善され、さらに摩擦係数が低減することにより摩擦損失を低減できるという優れた効果がもたらされる。
【００５９】
（第２の実施の形態）
第２の実施の形態は、前述した第１の実施の形態の摺動部材を用いた可変圧縮比エンジンである。
【００６０】
図７は可変圧縮比エンジンのクランクシャフト部分とエンジンシリンダ内部の概略断面図である。
【００６１】
この可変圧縮比エンジンは、シリンダ１０１内を往復動するピストン１０２に、ピストンピン１０３を介して第１コンロッド１０４と接続されており、この第１コンロッド１０４がコンロッド間接続ピン１０５によって第２コンロッド１０６と揺動可能に接続されている。第２コンロッド１０６は、クランクシャフト１とクランクピン１０７によって回転可能に装着されている。そして第２コンロッド１０６は、さらに、コントロールロッド１０８とコントロールロッド接続ピン１０９により揺動可能に接続され、コントロールロッド１０８の第２コンロッド１０６と接続されていない側の接続部１１０は、このコントロールロッド１０８を移動させて機関圧縮比を可変制御する制御機構（不図示）に接続されている。
【００６２】
このように構成された可変圧縮比エンジンは、コントロールロッド１０８を移動させて、第２コンロッド１０６をクランクピン１０７を中心にして回転させることで、実質的にコンロッド長（クランクピンからピストンピンまでの長さＬ）を変えてピストン１０２のストロークを変化させ、機関圧縮比を変更できるようにしている。
【００６３】
このような第１コンロッド１０４と第２コンロッド１０６の接続部であるコンロッド間接続ピン１０５の部分、第２コンロッド１０６とクランクシャフト１の接続部であるクランクピン１０７の部分、および第２コンロッド１０６とコントロールロッド１０８の接続部であるコントロールロッド接続ピン１０９の部分は、いずれも摺動部であり、この摺動部に本発明を適用した摺動部材、すなわち、摺動面に摺動方向と直交する方向の中心から端部方向へ、深さ分布が油膜厚さ分布に応じて変化する微細な凹部を形成したものである。したがって、そしてこの凹部の深さ分布は、中央部ほど深く、端部にいくほどこと浅くなっている。摺動面の摺動方向と直交する方向の幅をＢとし、凹部を形成する範囲をＳとした場合に、少なくともＳ／Ｂ＞０．２となるように凹部が形成されていることが好ましい。
【００６４】
また、凹部は、油膜厚さをｈとし、凹部の深さをｔとした場合に、その比ｈ／ｔが０．２〜３となることが好ましい。さらに摺動面は、ベース面の凹凸の最大高さが１μｍ以下、凹部の最大深さが０．５〜２０μｍであることが好ましい。
【００６５】
これにより、通常のレシプロエンジンに比べて、接続部が多くなっているために、クランクシャフトに加わる力が大きくなる可変圧縮比エンジンにおいても、クランクシャフトのクランクピン部分のほか、その他の摺動部において摩擦係数を小さくすることが可能となり、摺動部における耐焼き付き性や耐磨耗性を改善することができ、エンジンの効率を良くすることが可能となる。
【００６６】
なお、本第２の実施の形態においては、各ロッドが接続されている摺動部すべてに第１の実施の形態による摺動部材を用いたが、これに変えてクランクシャフトのみを本発明による摺動部材としてもよい。これは、可変圧縮比エンジンにおいては、上記のとおり接続部が多くなっているために、クランクシャフトに加わる力が通常のエンジンと比較して大きくなるため、このクランクシャフトのクランクピン部分の摩擦係数を下げるだけでも効率改善効果が期待できるためである。
【図面の簡単な説明】
【図１】クランクシャフトの軸受け接触部における油膜厚さ分布を説明するための説明図であり、（ａ）はクランクシャフトの一例を示す平面図、（ｂ）は軸受け接触部における油膜厚さ分布示すグラフである。
【図２】摺動面における表面荒さを説明するための説明図であり、（ａ）はクランクシャフトと軸受け接触部の断面図、（ｂ）は接触部における摺動面の平面図である。
【図３】摺動面における凹部の深さ分布の一例を示すグラフである。
【図４】内接２円筒試験機を説明するための説明図であり、（ａ）は実験に用いた摺動部材の構成を示す断面図、（ｂ）は内接２円筒試験機の回路図である。
【図５】フリクションマップの一例を示す図面である。
【図６】油膜形成率マップの一例を示す図面である。
【図７】微細な凹部形状パターンを示す図面である。
【図８】可変圧縮比エンジンのクランクシャフト部分とエンジンシリンダ内部の概略断面図である。
【符号の説明】
１クランクシャフト
２接触部
３軸受け
４凹部
１０外円筒
１１鋼製円筒
１２アルミメタル
２０内円筒
１０１シリンダ
１０２ピストン
１０３ピストンピン
１０４第１コンロッド
１０５コンロッド間接続ピン
１０６第２コンロッド
１０７クランクピン
１０８コントロールロッド
１０９コントロールロッド接続ピン[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a sliding member, a crankshaft using the sliding member, and a variable compression ratio engine using the sliding member.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, in order to reduce the friction in the sliding member, it has been performed to form fine depressions, concave surfaces, grooves and the like on the sliding surface of the sliding member.
[0003]
The conventional technology for forming such depressions, concave surfaces, grooves, etc. in the sliding member is to form the sliding surface with respect to the sliding direction in order to reduce the friction of the piston / bore that performs reciprocating sliding. There is one in which a minute recess having a changed depth is formed (for example, see Patent Document 1).
[0004]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Laid-Open No. 2002-235852
[Problems to be solved by the invention]
However, the conventional sliding member, such as a crankshaft, has a uniform recess, dent, and groove depth with respect to the fine shape in the direction perpendicular to the sliding direction under the sliding condition of rotational movement. There has been a problem that optimization according to the oil film thickness distribution in the section and the oil film holding ability has not been achieved, and the function of low friction is not necessarily fully exhibited. Especially in crankshafts, bending of the shaft occurs, and there is a place where the oil film is thin at the end of the metal material that supports it, and only by forming unevenness with uniform depth, the effect of reducing friction is limited. In addition, there is a problem that damage such as wear and seizure at the bearing end is concerned.
[0006]
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a sliding member capable of increasing the friction reduction effect in a rotating sliding member. Another object is to provide an engine system in which the frictional resistance in the rotating portion is reduced by using the sliding member with reduced friction.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
The present invention for solving the above-described problems is at least slid on a sliding surface which is in contact with the inner peripheral surface of the outer cylinder and forms the outer peripheral surface of the inner cylinder which rotates relative to the inner peripheral surface in the circumferential direction. A plurality of fine recesses that are discontinuous in the direction, and the recesses are thicker toward the center in the direction orthogonal to the sliding direction formed by the rotation on the sliding surface when there is no recess. thin to correspond to the oil film thickness profile distributed, the from the direction of the center perpendicular to the sliding direction to the end direction, the depth distribution of the recess deeper central portion, sliding, characterized in that shallow enough end It is a moving member.
[0008]
The present invention also provides a crankshaft for an internal combustion engine using the above-described sliding member.
[0009]
Further, a first connecting rod is connected to a piston moving in the cylinder via a piston pin, the first connecting rod is swingably connected to the second connecting rod by a connecting pin between connecting rods, and the second connecting rod is connected to the crankshaft. The second connecting rod is rotatably mounted by a crank pin, and the second connecting rod is swingably connected by a control rod for changing the rotational position around the crank pin and a control rod connecting pin, and the second connecting rod of the control rod In a variable compression ratio engine connected to a control mechanism for changing the stroke of the piston by moving the control rod to a connection portion on the side not connected to the sliding portion, the sliding at least on the crankpin portion of the crankshaft Characterized by the use of members A variable compression ratio engine.
[0010]
【The invention's effect】
According to the sliding member of the present invention, the fine concave portion in which the depth distribution changes according to the oil film thickness distribution from the center of the direction orthogonal to the sliding direction to the end portion is formed on the sliding surface. As a result, more oil can be caused to flow into the contact portion, and a friction reducing effect can be exhibited under a wider operating condition, and damage such as wear and seizure at the bearing end portion can be suppressed.
[0011]
Further, according to the crankshaft of the present invention, it is possible to suppress wear and seizure generated at the end of the crankshaft and reduce the friction coefficient.
[0012]
Furthermore, according to the variable compression ratio engine of the present invention, the seizure property and wear are improved, and the friction loss can be reduced by further reducing the friction coefficient.
[0013]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
[0014]
(First embodiment)
First, a crankshaft receiver that is one of the members to which the present invention is applied will be briefly described as an embodiment.
[0015]
FIG. 1 is an explanatory view for explaining the oil film thickness distribution in the bearing contact portion of the crankshaft, FIG. 1 (a) is a plan view showing an example of the crankshaft, and FIG. 1 (b) is in the bearing contact portion. It is a graph which shows oil film thickness distribution. In the graph of FIG. 1 (b), the vertical axis represents the oil film thickness (μm), the horizontal axis represents the width of the contact portion with the bearing (contact portion width), and the contact portion width is indicated as 0 to 1. Is.
[0016]
As shown in the drawing, the oil film thickness of the sliding surface of the contact portion 2 (portion in the circle shown) with the bearing of the crankshaft 1 is smaller at the end portion T than at the central portion S.
[0017]
In the present embodiment, in the contact portion 2 of the crankshaft 1, that is, the sliding surface in contact with the bearing, the depth distribution of the oil thickness from the center in the direction perpendicular to the sliding direction to the end portion direction. A fine concave portion that changes in accordance with the thickness distribution is formed.
[0018]
2A and 2B are explanatory views for explaining the surface roughness on the sliding surface. FIG. 2A is a cross-sectional view of the crankshaft 1 and the bearing contact portion 2, and FIG. FIG. FIG. 3 is a graph showing an example of the depth distribution of the recesses on the sliding surface.
[0019]
As shown in FIG. 2A, the contact portion 2 that receives the oil film of the crankshaft 1 is provided with a bearing 3 so as to surround the contact portion 2.
[0020]
As shown in FIG. 2B, a recess 4 is formed on the sliding surface 5 of the contact portion 2.
[0021]
Since the recess 4 is formed so that the depth distribution changes in accordance with the oil film thickness distribution from the center in the direction orthogonal to the sliding direction to the end direction, as shown in FIG. It is formed so as to be deeper and shallower toward the end.
[0022]
The formation range of the recess 4 is preferably at least S / B> 0.2, where B is the entire width of the bearing 3 and S is the range having the fine recess 4 shape. When it is below this range, the formation range of the recess 4 becomes too small, and sufficient friction reduction cannot be obtained.
[0023]
The depth of the recess is preferably 0.2 to 2 when the oil film thickness is h, the depth of the recess 4 is t, and the ratio is h / t. For example, when the maximum height of the convex and concave portions on the base surface of the sliding surface 5 is 1 μm or less (the lower limit value is 0, but actually becomes the accuracy limit of the processing machine), It is preferable that the maximum depth of the recess 4 is 0.5 μm to 20 μm.
[0024]
By setting h / t to 0.2 to 2 in this way, a friction reducing effect is exhibited under a wider operating condition, and damage such as wear and seizure at the end of the bearing 3 is suppressed. Since the oil film thickness changes depending on the operating conditions, it is possible to achieve both wear resistance and seizure resistance effects while expressing the effect of reducing friction under a wider range of operating conditions. This is not preferable because it may not be possible to cope with changes in the oil film thickness due to operating conditions.
[0025]
In particular, the crankshaft is operated with a combination of a soft metal such as aluminum metal and a hard metal such as steel. In such a state, the maximum height of the convex portion of the base surface is 1 μm or less, and the concave portion 4 By setting the maximum depth to 0.5 μm to 20 μm, metal contact is suppressed, and wear resistance and seizure resistance are improved. When the maximum height of the convex part exceeds 1 μm and when the maximum depth of the concave part 4 exceeds 20 μm, the wear resistance and seizure resistance are lowered, which is not preferable. In addition, when the maximum depth of the recess 4 is less than 0.5 μm, the effect of reducing friction cannot be obtained sufficiently.
[0026]
Moreover, the length of the opening part of the recessed part 4 shall be 15-500 micrometers on average. If the length of the opening of the recess 4 is less than 15 μm, the oil film holding performance deteriorates, which is not preferable because metal contact occurs. On the other hand, if it exceeds 500 μm, the opening becomes too wide, the inflow of oil into the recess increases, the load capacity decreases, metal contact occurs, and seizure resistance decreases, which is not preferable.
[0027]
In this way, by setting the average length of the opening of the recess 4 to 15 to 500 μm, not only the above-described reduction of the friction coefficient, suppression of seizure resistance, wear resistance, etc., but also the fine shape An increase in vibration due to the application can be suppressed.
[0028]
As the shape of the recess 4, various shapes such as a rectangle and a circle are conceivable as in the embodiments described later.
[0029]
【Example】
Next, on the basis of the embodiment configured as described above, experiments were conducted in which sliding members having various concave shapes were actually manufactured to obtain a friction coefficient.
[0030]
FIG. 4 is an explanatory diagram for explaining the inscribed two-cylinder testing machine used in this example. FIG. 4 (a) is a sectional view showing the configuration of the sliding member used in the experiment, and FIG. 4 (b). These are the circuit diagrams of an inscribed 2 cylinder testing machine.
[0031]
The sliding member used for the experiment is composed of an outer cylinder 10 and an inner cylinder 20 as shown in FIG. The outer cylinder 10 is formed by press-fitting an aluminum metal 12 having an inner diameter of 45 mm into a steel cylinder 11 having an outer diameter of 60 mm. On the other hand, the inner cylinder 20 is a quenching and tempering material of steel (SCM440H steel) having an outer diameter of φ44.8 mm. Both the inner cylinder 20 and the outer cylinder 10 have a width of 10 mm.
[0032]
An AC servomotor (not shown) is attached to each of the inner cylinder 20 and the outer cylinder 10 so that the rotation can be controlled independently. Then, an oil film was formed between the inner cylinder 20 and the outer cylinder 10 by immersing the inner cylinder 20 and the outer cylinder 10 in an oil bath containing oil of 5W30.
[0033]
In the experiment, when the radial load is 500 kg, the oil temperature is 80 ° C., the relative sliding speed is 0.2 to 12 m / s, the average speed is changed from −2 to 2 m / s, and the rotational torque is measured by the torque sensor attached to the inner cylindrical shaft. Then, the tangential force was calculated, and the coefficient of friction was obtained by dividing by the radial load. The average speed is (u1 + u2) / 2 when the inner cylinder speed is u1 and the outer cylinder speed u2. Similarly, the relative sliding speed is (u1-u2).
[0034]
The measured coefficient of friction was organized as a friction map with the vertical axis representing relative sliding speed and the horizontal axis representing average speed. Based on these friction maps, we performed a small-scale analysis of the friction coefficient. FIG. 5 is an example of a friction map. As shown in the figure, the friction map is a graph in which the vertical axis represents relative sliding speed and the horizontal axis represents average speed, and the friction coefficient is arranged as a contour map on this map. . From this map, it can be seen what friction coefficient distribution is in the contact portion 2 on the inner cylindrical surface.
[0035]
In addition, for the purpose of evaluating the seizure resistance and the wear resistance, the separation voltage was measured by an electric resistance method. The separation voltage was implemented by preparing the circuit shown in FIG. 4B and measuring the voltage resulting from the resistance change between the outer cylinder 10 and the inner cylinder 20 during operation. In this circuit, the resistance values of the resistors R1 and R2 are determined so that the separation voltage is 750 mV when completely separated by an oil film and 0 mV when completely separated. .
[0036]
Needless to say, the seizure resistance and the wear resistance are superior when the separation voltage is large. The separation voltage during operation was measured, and a value obtained by dividing the separation voltage by 750 mV in a completely separated state was defined as an oil film formation rate, and was represented as an oil film formation rate map in the same manner as the friction map. The oil film formation rate was analyzed as a desired characteristic. FIG. 6 is a drawing showing an example of the oil film formation rate map. In this map, the vertical axis represents relative sliding speed and the horizontal axis represents average speed, and the oil film formation rate is arranged as a contour map on the map. From this map, it can be seen what kind of distribution of the oil film formation rate is in the contact portion 2 on the inner cylindrical surface.
[0037]
In FIG. 5 and FIG. 6, 123 pieces of data are collected.
[0038]
The friction coefficient was analyzed as the rotational torque, and the oil film formation rate was analyzed as the separation voltage. The desired analysis and desired analysis were calculated by the following formulas.
[0039]
Small hope analysis [0040]
[Expression 1]

[0041]
Desired characteristic analysis [0042]
[Expression 2]

[0043]
(Examples and Comparative Examples)
In each of the examples, a concave fine shape was formed on the inner cylindrical surface of φ44.8 mm (comparative example was not formed). The concave fine shape was formed by mask blasting. That is, using a photolithographic technique, after forming a concave fine shape on a resin mask and pasting the resin mask on a cylindrical surface, alumina abrasive grains having an average particle diameter of 20 μm are set to a distance from the injection nozzle to the workpiece. The projection was made under the conditions of 100 mm, a projection flow rate of 100 g / min, and a projection pressure of 0.4 MPa to obtain a fine concave portion. Then, the bulge of the edge part formed in the circumference | surroundings of the recessed micro shape was removed with the tape wrap film with a particle size of 9 micrometers, and it used for the test. In addition, the concave fine shape depth of the example and the comparative example was 1 μm and the area ratio was 5% in any sample.
[0044]
In Examples and Comparative Examples, a fine concave shape pattern was formed as shown in FIG.
[0045]
In Example 1, as shown in FIG. 7A, a dimple having an opening diameter of φ120 μm has a depth of 0.3 μm at the end so that the maximum depth is 2 μm at the center. Formed as follows.
[0046]
In Example 2, as shown in FIG. 7B, a rectangular groove having a width of 80 μm and a length of 320 μm, a maximum depth of 2 μm at the central portion, and a depth of 0.3 μm at the end portion are obtained. It formed so that it might become. did.
[0047]
In Example 3, as shown in FIG. 7C, the groove extending over the bearing width is 120 μm in width so that the maximum depth at the center is 2 μm and the depth at the end is 0.3 μm. Formed.
[0048]
In the comparative example, as shown in FIG. 7 (d), the entire surface was subjected to tape wrap processing so that the surface roughness Ra was 0.01 μm or less, and finished in a state close to a mirror surface.
[0049]
Table 1 shows the results of the desired analysis in these examples and comparative examples.
[0050]
[Table 1]

[0051]
As is apparent from Table 1, all of the examples to which the present invention was applied showed that they can be rotated with a lower torque than the comparative examples, and it can be seen from this result that the coefficient of friction is low. . In addition, the separation voltage obtained by the electrical resistance method measured at the same time is larger in the example than in the comparative example, and it can be seen that the ratio of the metal contact is reduced. In addition, the result which is not inconsistent with the result of an electrical resistance method was obtained also from the result of the sliding part observation after a test.
[0052]
As described above, according to the embodiment of the present invention, in the sliding surface 5 of the crankshaft 1, as with the oil film thickness distribution, a fine recess 4 is formed so that the center is deep and the end is shallow. As a result, the friction reduction effect is exhibited, and an excellent effect of suppressing damage such as wear and seizure at the end of the bearing 3 is brought about.
[0053]
In particular, when the entire width of the bearing 3 is B and the range having the shape of the fine recess 4 is S, the fine recess 4 is at least in the range of S / B> 0.2, and the deeper the center, the end direction. By forming it so as to be shallow, the effect of reducing friction increases.
[0054]
By setting the depth of the recess 4 to h, the oil film thickness Z as h, and the recess depth as t, and the ratio of h / t is 0.2 to 2, corresponding to various oil film thicknesses, A friction reducing effect is exhibited under a wider operating condition, and damage such as wear and seizure at the end of the bearing 3 can be suppressed.
[0055]
Further, the unevenness of the base of the sliding surface 5 is set so that the maximum height of the convex surface is 1 μm or less, and the maximum depth of the concave portion 4 is 0.5 μm to 20 μm, thereby suppressing metal contact and wear resistance. And seizure resistance are improved.
[0056]
By using this crankshaft 1 for an internal combustion engine, the wear and seizure generated at the end of the crankshaft 1 is suppressed, and an excellent function of reducing the coefficient of friction is achieved compared to the case where no fine shape is imparted. .
[0057]
That is, the crankshaft 1 is an internal combustion engine having a piston that reciprocates in a cylinder. The piston is connected to the upper link via a piston pin, and the upper link can swing with the lower link via a UL connection pin. The lower link, which is connected and rotatably mounted on the crank pin, and the control link are connected so as to be swingable via the LC connection pin, and the position of the connection point that is not connected to the lower link of the control link is determined as an operating condition. A link mechanism that variably controls the engine compression ratio is configured by changing according to the above.
[0058]
With this link mechanism, even when the input to the crankshaft 1 is increased compared to a normal reciprocating engine, the seizure and wear are improved, and the friction loss is reduced by reducing the friction coefficient. Brought about.
[0059]
(Second Embodiment)
The second embodiment is a variable compression ratio engine using the sliding member of the first embodiment described above.
[0060]
FIG. 7 is a schematic cross-sectional view of the crankshaft portion of the variable compression ratio engine and the inside of the engine cylinder.
[0061]
In this variable compression ratio engine, a piston 102 reciprocating in a cylinder 101 is connected to a first connecting rod 104 via a piston pin 103, and the first connecting rod 104 is connected to a second connecting rod 106 by an connecting rod connecting pin 105. And is swingably connected. The second connecting rod 106 is rotatably mounted by the crankshaft 1 and the crankpin 107. The second connecting rod 106 is further swingably connected by a control rod 108 and a control rod connecting pin 109, and the connecting portion 110 of the control rod 108 that is not connected to the second connecting rod 106 is connected to the control rod 108. Is connected to a control mechanism (not shown) that variably controls the engine compression ratio.
[0062]
In the variable compression ratio engine configured as described above, the control rod 108 is moved and the second connecting rod 106 is rotated around the crankpin 107, so that the length of the connecting rod is substantially reduced (from the crankpin to the piston pin). The length L) is changed to change the stroke of the piston 102 so that the engine compression ratio can be changed.
[0063]
The connecting rod connecting pin 105 portion which is the connecting portion between the first connecting rod 104 and the second connecting rod 106, the crank pin 107 portion which is the connecting portion between the second connecting rod 106 and the crankshaft 1, and the second connecting rod 106 The part of the control rod connecting pin 109 which is the connecting part of the control rod 108 is a sliding part, and the sliding member to which the present invention is applied to this sliding part, that is, the sliding surface is orthogonal to the sliding direction. From the center of the direction to the end direction, a fine recess whose depth distribution changes according to the oil film thickness distribution is formed. Therefore, the depth distribution of the concave portion is deeper at the center portion and shallower toward the end portion. It is preferable that the recess is formed so that at least S / B> 0.2, where B is the width in the direction perpendicular to the sliding direction of the sliding surface and S is the range in which the recess is formed. .
[0064]
Further, the recess preferably has a ratio h / t of 0.2 to 3 when the oil film thickness is h and the depth of the recess is t. Further, the sliding surface preferably has a maximum height of irregularities of the base surface of 1 μm or less and a maximum depth of the recesses of 0.5 to 20 μm.
[0065]
As a result, the number of connecting parts is larger than that of a normal reciprocating engine, so even in a variable compression ratio engine where the force applied to the crankshaft is large, in addition to the crankpin part of the crankshaft, other sliding parts Thus, it is possible to reduce the friction coefficient, improve seizure resistance and wear resistance at the sliding portion, and improve engine efficiency.
[0066]
In the second embodiment, the sliding members according to the first embodiment are used for all the sliding portions to which the rods are connected. Instead, only the crankshaft is used according to the present invention. A sliding member may be used. This is because, in a variable compression ratio engine, since the number of connections is increased as described above, the force applied to the crankshaft is larger than that in a normal engine. This is because an efficiency improvement effect can be expected simply by lowering the value.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an explanatory diagram for explaining the oil film thickness distribution at a bearing contact portion of a crankshaft, (a) is a plan view showing an example of a crankshaft, and (b) is an oil film thickness distribution at a bearing contact portion. It is a graph to show.
2A and 2B are explanatory views for explaining surface roughness on a sliding surface, in which FIG. 2A is a cross-sectional view of a crankshaft and a bearing contact portion, and FIG. 2B is a plan view of the sliding surface at the contact portion;
FIG. 3 is a graph showing an example of a depth distribution of a concave portion on a sliding surface.
4A and 4B are explanatory diagrams for explaining an inscribed two-cylinder testing machine, in which FIG. 4A is a cross-sectional view showing a configuration of a sliding member used in the experiment, and FIG. 4B is a circuit of the inscribed two-cylinder testing machine. FIG.
FIG. 5 is a diagram showing an example of a friction map.
FIG. 6 is a drawing showing an example of an oil film formation rate map.
FIG. 7 is a drawing showing a fine concave shape pattern.
FIG. 8 is a schematic cross-sectional view of a crankshaft portion and an engine cylinder inside a variable compression ratio engine.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Crankshaft 2 Contact part 3 Bearing 4 Recess 10 Outer cylinder 11 Steel cylinder 12 Aluminum metal 20 Inner cylinder 101 Cylinder 102 Piston 103 Piston pin 104 First connecting rod 105 Connecting rod connecting pin 106 Second connecting rod 107 Crank pin 108 Control rod 109 Control rod connection pin

Claims

A plurality of minute recesses discontinuous at least in the sliding direction are formed on the sliding surface which is in contact with the inner circumferential surface of the outer cylinder and which forms the outer circumferential surface of the inner cylinder which rotates relative to the inner circumferential surface in the circumferential direction. Have
It said recess, corresponding to the oil film thickness distribution was thinly distributed as thick end as the center in a direction orthogonal to the sliding direction defined by the rotation on the sliding surface in the absence of the recess, the sliding A sliding member characterized in that the depth distribution of the concave portion is deeper toward the center portion and shallower toward the end portion from the center in the direction orthogonal to the moving direction to the end portion direction.

The concave portion has a width in a direction perpendicular to the sliding direction of the sliding surface as B and a width in a direction perpendicular to the sliding direction of the sliding surface in a range in which the concave portion is formed as S. The sliding member according to claim 1, wherein the sliding member is formed so that at least S / B> 0.2.

The said recessed part is the said recessed part from which the ratio h / t becomes 0.2-3 when the said oil film thickness is set to h and the depth of the said recessed part is set to t. The sliding member according to 2.

In the sliding surface, the maximum height of the convex and concave portions of the base surface is 1 μm or less, and the maximum depth of the concave portion formed in the sliding surface is 0.5 to 20 μm from the base surface. The sliding member according to claim 3.

A crankshaft for an internal combustion engine, wherein the sliding member according to any one of claims 1 to 4 is used.

A first connecting rod is connected to a piston that reciprocates in the cylinder via a piston pin, the first connecting rod is swingably connected to a second connecting rod by a connecting pin between connecting rods, and the second connecting rod is connected to a crankshaft and a crank. The second connecting rod is rotatably mounted by a pin, and the second connecting rod is swingably connected by a control rod for changing a rotational position around the crank pin and a control rod connecting pin, and the second connecting rod of the control rod In a variable compression ratio engine to which a control mechanism for changing the stroke of the piston is moved by moving the control rod to a connection part on the side not connected,
A variable compression ratio engine, wherein the sliding member according to any one of claims 1 to 4 is used at least in the crank pin portion of the crank shaft.