专利名称：包括滑动轴承的滑动装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种滑动装置，在该滑动装置中，一轴在存在润滑油的情况下可滑动 地与一轴承接触。
背景技术：
滑动装置已经频繁使用在高载荷和要求持久性的情况下，诸如自动车往复式发动 机的曲柄轴进行操作的情况。由于可通过减小滑动阻力而改善整个滑动装置的工作效率， 所以已经投入各种努力来改善工作效率。在存在润滑油时进行滑动的滑动装置中，减小滑 动阻力的措施是最小化表面粗糙度，这在目前已经被持续实行。近年来，可对表面进行机器 加工从而在机器加工技术的发展下获得非常小的表面粗糙度。例如，为了减小摩擦力并且改善抗磨性，已经提出最小化平均粗糙度连同改变表 面膜和材料，如日本专利临时出版物No. 2004-28276以及2004-138128所公开的。在出版 物No. 2004-138128中，表面粗糙度Ra被认为是不能大于0. 03微米。在高载荷情况下产生滑动的滑动装置中，从实现抗卡塞的观点来看，一个滑动表 面在材料和硬度方面是不同于相对的滑动表面的，其中，发现硬度小于相对滑动表面的硬 度的滑动表面的表面粗糙度大于相对表面的表面粗糙度。例如，在自动车往复式发动机的曲柄轴中，采用碳钢制造轴并且经过机器加工以 形成具有0. 1至0. 03微米的表面粗糙度Ra，而衬套采用由诸如铋、锡、银、铅、镍等金属制 成的衬套金属，由铝、锡、铅、铜和/或镍制成的合金，或聚合物，该衬套金属具有大约0. 3至 0. 4微米的相对大的初始表面粗糙度Ra。另一方面，已经选择Ra而不是Rq，因为其更多地 使用在本行业中。在这种情况下，在衬套金属的操作期间，衬套金属不断地改变形状，使得 衬套金属的平整化达到特定程度。在许多情况下，已经做出努力来最小化该轴的表面粗糙 度，从而减小摩擦阻力；但是，几乎还没有考虑到衬套侧部的表面粗糙度。虽然存在这种情 况，但是已经能够实现特定的滑动阻力降低效果。这应该是源自于下述事实，即，即使衬套 金属的粗糙度较大，具有较小硬度的上述衬套金属的改型或磨合(意味着，接触部分的表 面粗糙度由于初始滑动而变小)逐渐进行。
发明内容
鉴于上述情况，本发明人已经详细地观察了轴的表面粗糙度和滑动装置的摩擦扭 矩之间的关系，对于许多滑动装置来说，每个滑动装置都包括轴的相对硬的材料和滑动衬 套的相对软的材料的组合。由于这一观察，已经发现，如果该轴的表面粗糙度被充分地最小 化，那么即使该轴的表面粗糙度被降低从而获得较平滑的平面，摩擦扭矩也不能降低，反而 会升高。这描述在图1中，图1示出该轴的表面粗糙度与测得的摩擦扭矩之间的关系。然后，本发明人已经对上述评价结果进行了进一步的观察。观察的结果是，下述事 实已经确定一般地，传统软质衬套金属会容易地进行改型或磨合，使得衬套金属的表面平 滑化。但是，如果该轴的硬质滑动表面经机器加工形成为足够地平滑使得其表面粗糙度小
3于特定的专门粗糙度，那么观察到相对材料的改型被明显地延缓，或者没有进行改型的现 象。从上面可知，摩擦扭矩没有被降低的上述现象源自于在衬套的表面粗糙度保持为大的 情况下进行滑动这一事实。根据上述评价结果，已经观察到相应于该轴和衬套的摩擦扭矩相对于均方根合成 粗糙度的趋势。作为这一观察的结果，已经确定随着相应于该轴和衬套的两个滑动表面的 合成粗糙度下降，摩擦扭矩趋向于降低，如图2所示，合成粗糙度和所测得的摩擦扭矩之间 的关系示出在图2中。该合成粗糙度表示为Eq =/"C;Eq(s)2+Eq(b)-2'其中，Rq(S)和Rq(b)分别表示该轴的表面粗糙度和该衬套的表面粗糙度。在测 量时，该轴以2000r.p.m和600r.p.m进行旋转。因此，已经确定，在该轴的表面粗糙度非常 小的情况下，具有相对大的表面粗糙度的轴的表面粗糙度很大地影响了包括滑动衬套的滑 动装置的整个系统中的摩擦扭矩。因此，仅仅对相对硬质的轴的表面进行平滑化处理并不 适合作为降低滑动阻力的措施。鉴于上述内容，本发明人已经发现这种独特的现象，S卩，如果该轴的表面粗糙度降 低得低于特定值，那么摩擦扭矩将增加，这是根据实验得来的结果，即，当降低表面粗糙度 从而降低该滑动装置的滑动阻力时测量该摩擦扭矩。此外，已经变得明显的是，产生这种独特现象的轴的表面粗糙度(算数平均数粗 糙度)Ra不大于0.05微米。采用这种表面粗糙度，几乎通常的是，更软质的衬套(相对部 件)的改型或磨合毫无意外地无法进行，使得该衬套的表面粗糙度保持在其初始状态。根据所了解的这种情况，可以确定，包括滑动衬套的滑动装置的抗滑动性能够通 过将该轴和滑动衬套的表面粗糙度设定为符合该轴的硬度和滑动衬套的硬度而明显地降 低。这得到本发明的原则。因此，本发明的目的是提供一种改善的滑动装置，该滑动装置能够有效地克服传 统技术中遇到的上述缺点。本发明的另一目的是提供一种改善的滑动装置，在该滑动装置中，轴可在存在润 滑油的情况下与滑动衬套可滑动地接触，该滑动装置包括该轴的滑动表面和该衬套的滑动 表面的特殊组合，由此带来滑动阻力降低的效果，符合比该衬套的滑动表面硬的该轴的滑 动表面的表面粗糙度，即使在该轴的滑动表面的表面粗糙度非常小的情况下。根据本发明，一种滑动装置包括滑动轴承(或者滑动衬套)，以及轴，所述轴在存 在润滑油的情况下可旋转地且可滑动地接触所述滑动轴承。所述滑动轴承的表面硬度小于 所述轴的表面硬度，另外，所述滑动轴承具有不大于0. 2微米的表面粗糙度Ra，所述轴具有不大于 0. 05微米的表面粗糙度Ra。
图1是轴的表面粗糙度和测得摩擦扭矩之间的关系的图表，由本发明的发明人执 行的研究获得。图2是示出轴和滑动轴承的合成粗糙度与测得摩擦扭矩之间的关系的图表，由本 发明的发明人的研究获得。
图3是示出测得摩擦扭矩与轴的表面粗糙度和轴承的表面粗糙度的组合之间的 关系的图表。图4是根据本发明的滑动装置的实施例的示意性剖视图。
具体实施例方式根据本发明，滑动装置10包括滑动轴承(或滑动衬套)12，以及轴14，该轴可在存 在润滑油16的情况下可旋转地并且可滑动地接触滑动轴承，如图4所示。该滑动轴承的表 面硬度小于该轴的表面硬度。该滑动轴承的表面粗糙度(算数平均数粗糙度)Ra不大于 0.2微米，该轴的表面粗糙度不大于0. 05微米。该算数平均数粗糙度基于JIS (日本工业标 准)B 0601 或者 IS04287.优选地，轴承12包括在存在润滑油16的情况下可与该轴可滑动地接触的轴承金 属(或者衬套金属)18，如图4所示。该衬套金属具有小于0. 1微米的表面粗糙度Ra。另外，根据另一实施例，该衬套金属在其表面形成有精细的凹陷，诸如用于保持润 滑油的凹槽或坑(凹点)，形成可与该轴可滑动地接触的平整表面部分。该平整表面部分的 表面粗糙度Ra不大于0. 2微米。此外，根据另一实施例，该轴由铸铁或碳钢形成。此外，该轴优选地在其表面形成有精细的凹陷，诸如凹槽或坑(凹点)，用于保持 润滑油。在将过量载荷施加至滑动轴承的情况下或者在滑动轴承滑动期间润滑油的供给量 暂时下降的情况下，摩擦减小的作用可以被进一步地增强，同时避免卡塞的风险。而且，具有优选地小于4. 5个原子百分率(更优选地，不超过1个原子百分率)的 氢含量的碳薄膜形成在滑动轴承和轴其中的至少一个的表面上。在低氢含量的情况下，形 成在轴的表面处的精细小坑的上述作用不会被抑制，而是能够被增强。本发明的原理可以优选地应用至包括往返式内燃机的主轴颈衬套、连接杆的轴 承、活塞销的轴承，或者凸轮轴的轴颈的轴承的滑动装置，由此具有尤其高的有利效果。实例本发明将参照下述实例与比较例进行比较而更加容易理解；但是，这些实例是用 于示出本发明，而不是意在限制本发明的范围。比较例1已经在内燃机(具有2，500cc的排量的四缸并行发动机)上执行发动机摩擦测量 测试，其使用用于以汽油为燃料的发动机的发动机油(具有5W-30的粘性)并且由电动机 驱动。发动机具有曲柄轴和曲柄销，该曲柄轴具有由主轴颈衬套可旋转地支撑的主轴 颈，所述曲柄销由连接杆半衬套可旋转地支撑。每个主轴颈和每个曲柄销具有0.07微米的 表面粗糙度(算数平均数粗糙度)Ra。每个主轴颈衬套具有主轴颈衬套金属，每个连接杆半 衬套具有连接杆半衬套金属。每个主轴颈衬套金属和每个连接杆半衬套金属形成有用于保 持润滑油的凹槽并且由铝合金形成。另外，每个主轴颈衬套金属和每个连接杆半衬套金属 具有0. 24微米的表面粗糙度Ra和95Hv的表面硬度(维氏硬度)。在发动机摩擦测量测试中，通过扭矩计测量摩擦扭矩。作为测试的结果，所测得的 扭矩是2. 5Nm。
比较例2与比较例1相同的发动机摩擦测量测试使用与比较例1相同的发动机油执行在与 比较例1相同的内燃机上。在发动机中，每个主轴颈和每个曲柄销具有0.05微米的表面粗 糙度(算数平均数粗糙度)Ra。每个主轴颈衬套金属和每个连接杆半衬套金属由铝合金形 成并且具有0. 24微米的表面粗糙度Ra和95Hv的表面硬度(维氏硬度)。在发动机摩擦测量测试中，通过扭矩计测量摩擦扭矩。作为测试的结果，所测得的 扭矩是2. 2Nm，与比较例1相比较，体现出轻微的扭矩降低效果。比较例3与比较例1相同的发动机摩擦测量测试使用与比较例1相同的发动机油执行在与 比较例1相同的内燃机上。在发动机中，每个主轴颈和每个曲柄销具有0.04微米的表面粗 糙度(算数平均数粗糙度)Ra。每个主轴颈衬套金属和每个连接杆半衬套金属由铝合金形 成并且具有0. 24微米的表面粗糙度Ra和95Hv的表面硬度(维氏硬度)。在发动机摩擦测量测试中，通过扭矩计测量摩擦扭矩。作为测试的结果，所测得的 扭矩是2. 4Nm，几乎等于比较例1中的扭矩并且高于比较例2中的扭矩。比较例4与比较例1相同的发动机摩擦测量测试使用与比较例1相同的发动机油执行在与 比较例1相同的内燃机上。在发动机中，每个主轴颈和每个曲柄销具有0. 015微米的表面 粗糙度(算数平均数粗糙度)Ra。每个主轴颈衬套金属和每个连接杆半衬套金属由铝合金 形成并且具有0. 24微米的表面粗糙度Ra和95Hv的表面硬度(维氏硬度)。在发动机摩擦测量测试中，通过扭矩计测量摩擦扭矩。作为测试的结果，所测得的 扭矩是2. 4Nm,等于比较例3中的扭矩。比较例5与比较例1相同的发动机摩擦测量测试使用与比较例1相同的发动机油执行在与 比较例1相同的内燃机上。在发动机中，每个主轴颈和每个曲柄销具有0.07微米的表面粗 糙度(算数平均数粗糙度)Ra。每个主轴颈衬套金属和每个连接杆半衬套金属由铝合金形 成并且具有0. 15微米的表面粗糙度Ra和95Hv的表面硬度(维氏硬度)。在发动机摩擦测量测试中，通过扭矩计测量摩擦扭矩。作为测试的结果，所测得的 扭矩是2. 4Nm，几乎等于比较例1中的扭矩。实例1与比较例1相同的发动机摩擦测量测试使用与比较例1相同的发动机油执行在与 比较例1相同的内燃机上。在发动机中，每个主轴颈和每个曲柄销具有0.04微米的表面粗 糙度(算数平均数粗糙度)Ra。每个主轴颈衬套金属和每个连接杆半衬套金属由铝合金形 成并且具有0. 15微米的表面粗糙度Ra和95Hv的表面硬度(维氏硬度)。在发动机摩擦测量测试中，通过扭矩计测量摩擦扭矩。作为测试的结果，所测得的 扭矩是1. 9Nm，与比较例3相比较，体现出由于降低曲柄轴的轴颈的表面粗糙度而造成的摩 擦扭矩降低效果。实例2与比较例1相同的发动机摩擦测量测试使用与比较例1相同的发动机油执行在与 比较例1相同的内燃机上。在发动机中，每个主轴颈和每个曲柄销具有0. 015微米的表面
6粗糙度(算数平均数粗糙度)Ra。每个主轴颈衬套金属和每个连接杆半衬套金属由铝合金 形成并且具有0. 15微米的表面粗糙度Ra和95Hv的表面硬度(维氏硬度)。在发动机摩擦测量测试中，通过扭矩计测量摩擦扭矩。作为测试的结果，所测得的 扭矩是1. 6Nm，与实例1相比较，体现出进一步的摩擦扭矩降低效果，以及优于比较例4的大 摩擦扭矩降低效果。实例3与比较例1相同的发动机摩擦测量测试使用与比较例1相同的发动机油执行在与 比较例1相同的内燃机上。在发动机中，每个主轴颈和每个曲柄销具有0. 015微米的表面 粗糙度(算数平均数粗糙度)Ra。每个主轴颈衬套金属和每个连接杆半衬套金属由铅合金 形成并且具有0. 07微米的表面粗糙度Ra和40Hv的表面硬度(维氏硬度)。在发动机摩擦测量测试中，通过扭矩计测量摩擦扭矩。作为测试的结果，所测得的 扭矩是1. 3Nm，与实例2相比较，体现出进一步的摩擦扭矩降低效果。实例 4与比较例1相同的发动机摩擦测量测试使用与比较例1相同的发动机油执行在与 比较例1相同的内燃机上。在发动机中，每个主轴颈和每个曲柄销具有0. 015微米的表面 粗糙度(算数平均数粗糙度)Ra。每个主轴颈衬套金属和每个连接杆半衬套金属由铋合金 形成并且具有0. 07微米的表面粗糙度Ra和45Hv的表面硬度(维氏硬度)。在发动机摩擦测量测试中，通过扭矩计测量摩擦扭矩。作为测试的结果，所测得的 扭矩是1. 3Nm，体现出与实例3相同的摩擦扭矩降低效果。实例 5与比较例1相同的发动机摩擦测量测试使用与比较例1相同的发动机油执行在与 比较例1相同的内燃机上。在发动机中，每个主轴颈和每个曲柄销在其表面形成有凹坑，每 个凹坑具有10微米的平均深度、100微米的平均宽度和300微米的平均长度。凹坑的总表 面面积占每个主轴颈或每个曲柄销的整个表面面积的5%。每个主轴颈和每个曲柄销具有 0.015微米的表面粗糙度(算数平均数粗糙度)Ra。每个主轴颈衬套金属和每个连接杆半 衬套金属由铝合金形成并且具有0. 07微米的表面粗糙度Ra和95Hv的表面硬度(维氏硬 度)。在发动机摩擦测量测试中，通过扭矩计测量摩擦扭矩。作为测试的结果，所测得的 扭矩是l.ONm，与实例4相比较，体现出进一步的摩擦扭矩降低效果。另外，相应于这一实例 的发动机和比较例4的发动机测量当停止供给润滑油时产生卡塞的时间长度，其中，需要 420秒在这一实例的发动机中引起卡塞，而需要28秒在比较例4的发动机中引起卡塞。实例6与比较例1相同的发动机摩擦测量测试使用与比较例1相同的发动机油执行在与 比较例1相同的内燃机上。在发动机中，每个主轴颈和每个曲柄销具有0. 015微米的表面粗 糙度(算数平均数粗糙度)Ra。通过电弧离子电镀过程而在每个主轴颈和每个曲柄销上形 成具有Im厚度并且不超过0. 1个原子百分率的氢含量的硬质碳(金刚石状碳)薄膜。每 个主轴颈衬套金属和每个连接杆半衬套金属由铝合金形成并且具有0. 07微米的表面粗糙 度Ra和95Hv的表面硬度(维氏硬度)。在发动机摩擦测量测试中，通过扭矩计测量摩擦扭矩。作为测试的结果，所测得的扭矩是0. 8Nm,与实例4相比较，体现出大的摩擦扭矩降低效果。表1示出该轴和轴承的结构规格以及比较例1至5和实例1至6的实验结果。 另外，测得摩擦扭矩与轴的表面粗糙度和轴承的表面粗糙度的组合之间的关系示出在图3 中，结合有比较例1至5和实例1至3。[表 1] 虽然已经参照本发明的特定实施例和实例描述了本发明，但是本发明并不局限于 上述实施例和实例。本领域技术人员在上述教导下能够想到上述实施例和实例的改进和变化。本发明的范围参照随后的权利要求进行限定。
权利要求
一种滑动装置包括滑动轴承；以及轴，所述轴在存在润滑油的情况下可旋转地且可滑动地接触所述滑动轴承，其中，所述滑动轴承的表面硬度小于所述轴的表面硬度，其中，所述滑动轴承具有不大于0.2微米的表面粗糙度Ra，所述轴具有不大于0.05微米的表面粗糙度Ra。
2.根据权利要求1所述的滑动装置，其中，所述轴承包括可滑动地接触所述轴的衬套 金属，所述衬套金属的表面粗糙度Ra小于0. 1微米。
3.根据权利要求1所述的滑动装置，其中，所述轴承包括衬套金属，在其表面形成有精 细的凹陷，得到与具有不大于0. 05微米的表面粗糙度的所述轴可滑动地接触的平整表面 部分，所述平整表面部分具有不大于0. 2微米的表面粗糙度Ra。
4.根据权利要求1所述的滑动装置，其中，所述轴由铸铁和碳钢其中的一个形成。
5.根据权利要求1所述的滑动装置，其中，所述轴在其表面形成有用于保持所述润滑 油的精细凹坑。
6.根据权利要求1所述的滑动装置，其中，在所述滑动轴承和所述轴其中至少一个的 表面上形成具有不大于1个原子百分率的氢含量的硬质碳薄膜。
7.根据权利要求1所述的滑动装置，其中，所述滑动轴承是从下述组中选出来的一个， 所述组包括往复式发动机的主轴颈衬套、曲柄销的轴承、活塞销的轴承以及用于凸轮轴的 轴颈的轴承。
8.根据权利要求1所述的滑动装置，其中，所述轴承包括轴承金属，在其表面上或者其 表面层之前的前一层上直接对所述轴承金属进行表面加工。
9.根据权利要求1所述的滑动装置，其中，所述滑动装置应用在马达推进器组上。
全文摘要
一种滑动装置包括滑动轴承，以及轴，所述轴在存在润滑油的情况下可旋转地且可滑动地接触所述滑动轴承。所述滑动轴承的表面硬度小于所述轴的表面硬度。另外，所述滑动轴承具有不大于0.2微米的表面粗糙度Ra，所述轴具有不大于0.05微米的表面粗糙度。
文档编号F16C17/00GK101910653SQ20078010211
公开日2010年12月8日 申请日期2007年12月28日 优先权日2007年12月28日
发明者卡梅洛·谷利奥塔, 本杰明·杜福伊, 樋口毅, 阿兰·帕斯格里莫德, 马渕丰 申请人:日产自动车株式会社