すべり軸受の 素材スクリーニング試験 の評価 | 摩擦摩耗試験分析BOX | ジュンツウネット21

すべり軸受の素材スクリーニング試験の評価では,すべり軸受の材料開発に欠かせないスクリーニング試験の評価について,最近の材料開発への適用例を交え,解説する。

大同メタル工業株式会社 黒田 浩次  2008/4

はじめに

エンジン用すべり軸受は,主軸受,コンロッド軸受,ピストンピンブシュなどに代表されるように,エンジンの爆発エネルギーを回転エネルギーに変える軸の回転運動において,潤滑油膜を介して軸の回転摺動を滑らかに支える役割を担っている。すべり軸受には図1のように,耐疲労性・耐摩耗性に代表される「強さ・硬さ」と,なじみ性・異物埋収性などの「柔らかさ」という,相反する特性が同時に要求される宿命を持っている。

すべり軸受の必要特性
図1 すべり軸受の必要特性

自動車エンジンの進歩とともに,軸受にも高性能化,高機能化が追求されている。さらに近年,地球環境保護の観点から,特に耐焼付き性やなじみ性に寄与する構成元素のひとつである鉛の使用が制限され始めたことから,軸受には一層苛酷な条件下で耐焼付き性やなじみ性とともに,耐疲労性,耐摩耗性の向上も要求され,これに対応した自動車エンジン用鉛フリー軸受材料の開発が進められてきた。

本稿では,すべり軸受の材料開発に欠かせないスクリーニング試験の評価について,最近の材料開発への適用例を交え,解説する。

1. すべり軸受スクリーニング試験の手順

エンジン用すべり軸受材料開発段階で要求される評価項目を表1に示す。スクリーニングは,主に軸受材料の基本特性を平板形状などで評価する基礎研究試験と,軸受形状で特性を評価する軸受性能評価試験とに分けられる。材料開発スクリーニング試験として,開発初期段階は適正材料としての方向付け,絞り込みのため基礎研究試験を主に,開発中期段階には実際のエンジンでの使用環境をシミュレートした軸受性能評価試験を行う。さらに,開発後期段階には実際のエンジンを用いたベンチ試験により,実機での評価を行う。

表1 すべり軸受スクリーニング試験種類

すべり軸受スクリーニング試験種類

2. 代表的なスクリーニング試験評価法

2.1 基礎研究試験

i )摩擦摩耗試験
 摩擦摩耗現象は,さまざまな因子の影響を受ける複雑なものであり,評価する試験機も多種多様である。

図2にJIS K7218-1986に規定されている代表的な試験機の概略図を示す。この試験は,トライボロジーハンドブックにも紹介されている代表的なすべり摩耗試験法*1であり,日本国内では材料の基礎研究試験に広く利用されている。平板形状の材料と軸材質から成る円筒端面とを摺動させ,あらゆる潤滑下で摩擦,摩耗および焼付きの評価が可能である。

摩擦摩耗試験機概略図
図2 摩擦摩耗試験機概略図

図3に,この試験法でPbフリーCu合金軸受の耐焼付き性を評価した結果を示す*2。

焼付き試験(摩擦摩耗試験機)結果
図3 焼付き試験(摩擦摩耗試験機)結果

ii)非凝着性試験
 近年,自動車の低燃費化から潤滑油の低粘度化が計られ,軸と軸受が直接接触する頻度が増加する傾向にある。この直接接触により,フリクション増加,軸受材料の軸への凝着を引き起こし,最終的に焼付きに至る場合がある。

基本的なトライボロジー特性のひとつとして,図4に示すスクラッチ試験機で軸受材料の非凝着性を評価している。この試験機では,圧子を軸受表面にセットし,ドライ条件で水平移動させながら徐々に荷重を掛け,圧子を軸受表面に潜り込ませ,規定荷重での摩擦係数測定および試験後の摺動表面観察を行う。また図5に,特殊技術でMoS2を表面に付着させた低フリクション軸受材料の摩擦係数比較結果を示す*3。

スクラッチ試験機概略図
図4 スクラッチ試験機概略図
スクラッチ試験による摩擦係数推移
図5 スクラッチ試験による摩擦係数推移

2.2 軸受性能評価試験

i )疲労試験
 動荷重を受けるエンジン用軸受は,油膜を介して荷重を受けるため,動荷重試験による疲労評価を主体として開発材料を評価する試験機は多い。図6に代表的な疲労試験機を示す。偏心した試験軸と油圧の反力を利用して,油膜を介し軸受表面に動荷重を発生させる構造となっている。この試験機は実機エンジンに比べ,より大きな(2~3倍)面圧を与えることができ,主に開発材料スクリーニング時に一定時間負荷時の疲労しない最大面圧を疲労強度として評価する方法と,実機エンジン耐久試験との相関に利用できる一定荷重繰り返し負荷時の疲労発生サイクル数,いわゆるS-N線図を求める方法がある。図7に荷重(軸受面圧)と繰り返し数の試験結果例を示す*4。

疲労試験機概略図
図6 疲労試験機概略図
繰り返し疲労試験結果
図7 繰り返し疲労試験結果

さらに,実機のエンジンで起こり得る損傷をシミュレートした試験にも適用されている。異物を原因とした軸受表面のクラックをシミュレートする試験として,あらかじめ軸受表面に異物を埋収させて試験を行うことにより,開発材の異物に対する影響度を評価する例が報告されている*5。

ii)焼付き試験
 高速下で静荷重を累積負荷し,軸受の焼付き評価を行う代表的な試験機を図8に示す。この試験機は,回転数と給油量を一定(例えば7,200rpm,150mL/min)にしておき,軸受に段階的に荷重を負荷し,焼付かない最大面圧を耐焼付き性として評価する。焼付き判定は,焼付き試験中に軸受背面温度を測定し,その温度または駆動トルクが一定値を超えた場合を焼付きと判定する。

焼付き試験機概略図
図8 焼付き試験機概略図

また,この試験機を用いて,混入異物が軸受表面に傷を付けた場合の焼付き現象を想定し,軸受表面にあらかじめ円周方向に押し込み傷を付け,焼付き試験を行う例が報告されている。図9にその軸方向の表面形状と試験結果の一例を示す*6。

傷付け焼付き試験結果
図9 傷付け焼付き試験結果

iii)摩擦,摩耗試験
 軸受形状(半割,円筒)での摩擦係数,摩耗量を測定する試験機を図10に示す。ハイブリッドやアイドルストップエンジンでしばしば発生する,金属接触状態をシミュレートさせるため,起動停止条件にて軸と軸受間の油膜形成が不十分な状態を作り出し,軸回転摺動時の起動摩擦係数と試験後の肉厚摩耗量・質量減で評価する。

摩擦摩耗試験機概略図
図10 摩擦摩耗試験機概略図

摩擦係数の例として,前記低フリクション軸受の起動摩擦係数の推移を図11に示す。また摩耗量測定の例として,Si 粒子サイズおよび分布を適正化した耐摩耗アルミ合金軸受の摩耗試験の結果も報告されている*7。

起動摩擦係数の推移
図11 起動摩擦係数の推移

iv)回転荷重試験
 図12は,慣性力が支配的となるエンジンの高回転域を模した試験機であり,試験軸に取り付けられたアンバランスウエイトで軸受の全周に負荷をかけ,耐疲労性,耐焼付き性,耐摩耗性などの評価が可能である。

回転荷重試験機概略図
図12 回転荷重試験機概略図

この試験機を用いて,実機における片当たりなどの局部当たり発生時をシミュレートした例として,軸受とハウジングとの間にシム(例:10μm)を挿入し,軸受の内面形状に凸形状を生じさせた状態で試験した結果を図13に示す*5。この方法は,軸受の疲労強度と同時になじみ性を評価でき,実機に近い使用環境下における開発材料のスクリーニング試験の例となっている。

シム噛み試験結果
図13 シム噛み試験結果

おわりに

エンジン開発の進歩は著しく,また地球環境保護という社会的課題も課せられ,すべり軸受にはエンジン開発で生ずる多種多様なニーズに迅速に対応するのみならず,軸受自身も環境に配慮したものであることが要求されている。

今後も,軸受材料開発を一層進めるため,総合的かつ新しい発想でより実機エンジンの使用環境をシミュレートしたスクリーニング試験評価の研究開発に取り組む必要がある。

 

〈参考文献〉
*1 養賢堂:トライボロジーハンドブック(2001) 353
*2 K.Zushi et al.:Development of Lead Free Copper Based Alloy for Piston Pin Bushing Under Higher Load Engines, SAENo.2006-01-1105(2006)
*3 Y.Kagohara et al.:Basic Characteristics of Leadfree Aluminum Alloy Bearings with Low Frictional Property of Adhered Molybdenum Disulfide, SAENo.2007-01-1570(2007)
*4 A.Ono et al.:Development of Lead Free Bearing Material with Multi Layer for Heavy Loaded Engines, Aachener Kolloquium Fahrzeug-und Motorentechnik, 14,(2005)
*5 籠原ほか:自動車エンジン用Pbフリーアルミニウム合金軸受の開発,自動車技術会春季学術講演会前刷集,20075301(2007)
*6 朝倉ほか:鉛フリーオーバレイ付きアルミ合金軸受の開発,日本自動車技術会秋季学術講演会前刷集,20075768(2007)
*7 Y.Kagohara et al:Development of Lead Free AluminumAlloy Bearing with Higher Amount of Silicon, FISITA No.F2006 P191(2006)


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