成果報告書詳細
管理番号20130000000442
タイトル平成22年度-平成24年度成果報告書 省エネルギー革新技術開発事業 先導研究 内燃機関軸受へのダイヤモンドライクカーボン材料適用の研究開発
公開日2013/6/15
報告書年度2010 - 2012
委託先名大同メタル工業株式会社 日産自動車株式会社 国立大学法人名古屋大学
プロジェクト番号P09015
部署名省エネルギー部
和文要約 次世代自動車の省エネルギーには、停止時エンジンを止めるようなエコカーシステムや内燃機関と電動モータ、バッテリーを併用したハイブリッドシステムが有効であることは既に実証済みであり、その更なる効率向上とコスト低減の両立による普及促進が今後の課題である。エンジン起動時のモータ、バッテリー負荷を低減し、回生エネルギーを十分確保するためには、内燃機関の摩擦損失低減が不可欠である。そこで、ダイヤモンドライクカーボン(DLC)をクランク支持軸受に適用することで、軸受と軸表面の直接接触摩擦を低減、かつ耐久性を向上させた内燃機関軸受の実現を目的とする。特に、DLC材料の耐焼付性の定量的メカニズムを解明して、高速・高面圧下における摩擦発熱を抑制することにより、高面圧で軸受を使用可能にすることで、軸受面積を低減させ、通常走行時の内燃機関部分負荷条件でのクランク支持軸受の粘性摩擦動力損失低減を図ることにより、次世代自動車の省エネルギー技術を確立する。
 本研究では、内燃機関クランク支持軸受への適用において、直接接触摩擦低減及び耐久性維持の両立を目標とする。そのため、平成22-24年度において、大同メタル工業株式会社では、1.軸受材料へのDLC適用技術開発と性能評価を行った。内燃機関のクランク支持軸受としてDLC成膜方法及び技術を構築し、軸受単体性能を評価した。その結果に基づき、国立大学法人名古屋大学では、2.DLCの耐摩耗,焼付性向上と低摩擦化を両立する設計指針構築を行った。DLCの直接接触時の摩擦低減メカニズムを明らかにして、DLC構造変化層の形成原理を提案した。さらに、日産自動車株式会社では、3.DLC軸受を用いた内燃機関設計技術構築を行った。軸受単体の性能特性に応じた接触状態を実現するための摺動面形状や、クランク軸や軸受の構造設計技術を構築し、実機性能評価を行った。以下に結果を示す。
 1.硬度・膜厚・表面粗さによるDLCの基礎摺動評価で、耐焼付性及び起動μ目標値を達成するDLC構造/軸受材料を提案した。DLC軸受の単体評価で、目標値を達成する耐焼付性,起動μ及び耐久性(耐疲労性,耐摩耗性)維持を確認した。
 2.荷重・油温制御したDLCの摩耗試験を行い、摩擦面温度及び荷重によるDLCの摩耗体積の影響を明らかにした。摩擦面温度が増加すると摩耗体積は増加し、油中でも表面層がグラファイト化したDLC構造へ変化した層が形成することを示し、DLC構造変化層が温度とせん断力の増加に伴い形成する原理を提案した。支配因子の影響を定量化するため、反射分光分析によるDLC構造変化層の検出方法を開発し、DLC構造変化に及ぼす成膜方法の影響から、DLC摩擦低減のための設計指針を提案した。更なる耐摩耗性,耐焼付性,超低摩擦指針を提案するため、設計パラメータ(構造変化層厚さ/有効表面粗さ)を提案・実証し、摩擦熱による構造変化層の成長と表面粗さの減少に伴う低摩擦化,耐焼付性向上を解明した。
 3.クランク軸,軸受構造を模擬したモデル計算で軸受荷重を求めて混合潤滑計算で摩擦損失を計算する手法を用いて、通常運転条件で軸受の摩擦損失を現状から半減し、かつシャフト強度,剛性維持できる軸受幅,軸径を机上検討にて決定した。耐摩耗性・耐疲労性を確保する設計手法を確立するため、片当たり低減の設計パラメータを提案した。実機評価において、DLC軸受のクランク軸受摩擦損失低減効果及び耐久性を確認した。
英文要約Title:Development of diamond like carbon coated bearing in internal combustion engine (FY2010-FY2012) Final Report

The object of this project is to develop a bearing with reduced direct contact friction under boundary lubrication conditions between bearing and crankshaft, and improved bearing performance, by applying diamond like carbon (DLC). The target performance of DLC coated bearing, in addition to mass production ability, is to meet the demand for bearing performances (wear resistance and fatigue resistance) and to reduce the direct contact friction while maintaining the durability.
Therefore, Daido Metal will develop the technology to apply DLC to bearing materials and evaluate the performance. The DLC film formation method and mass production technology for journal bearings in internal combustion engine will be established. Based on the results, Nagoya University will develop the design principle of DLC with wear resistance, seizure resistance and reduced friction. The mechanism of friction reduction when DLC is in direct contact with shaft will be clarified and the theory about the formation of sliding film on DLC will be proposed. Nissan Motor will develop the technology of the design for engine using DLC coated bearing, and the structure of sliding surface and crankshaft and bearing to reach the contact condition corresponding to the performance characteristic of bearing, and evaluate the performance in engine.
The following are the results obtained. The seizure resistance and friction coefficient of DLC coated and conventional samples were evaluated with ring-on-disk test and rig-test. Compared with conventional samples, the seizure resistance and friction property of DLC coated samples were improved, durability of that were maintained.
The theory for the formation of the layer transformed to graphite on DLC with increase of the temperature and shear strength was proposed by the result of wear test in oil. To clarify the mechanisms for high performances of DLC, the transformed layer on DLC after sliding in oil was detected and the thickness of transformed layer was measured with reflective spectroscopy. The thickness of transformed layer is affected by the applied load and oil temperature. To propose the mechanisms for high wear, seizure resistance and low friction of DLC, the parameter between thickness of transformed layer and effective surface roughness was designed and confirmed. To grow the transformed layer by friction heat and to improve the friction and seizure resistance by smooth surface roughness were cleared.
The bearing width and shaft diameter was determined to reduce friction loss by half with calculation simulation. The shape of shaft and the structure of surrounding parts of housing to control the edge load on the bearing surface were proposed. The effect of friction loss reduction and the durability for DLC coated bearings were confirmed in engine.
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