1.09MB - 新エネルギー・産業技術総合開発機構

ＮＥＤＯ 省エネルギー技術フォーラム 2013
省エネルギー革新技術開発事業
フ
フェーズ名：先導研究
ズ名 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
事業実施法人名：大同メタル工業(株)，名古屋大学，日産自動車（株）
研究開発期間：平成２２年１１月～平成２５年２月
１．研究開発の背景、目的、目標
１．１．背景（テーマの位置付け，必要性，重要性）
2
○ 重要技術である次世代自動車（EV, PHEV）の早期普及を目指し、
技術課題の自動車の省エネ，コスト低減（小型化）技術を確立する
エンジン構造
エンジンの摩擦損失割合
ピストンピン
ピストン
ピストンピンブシュ
シ
コンロッド
（ロッド本体）
主軸受（上側）
全損失の
約１０％
クランク
ピストン
バルブ
その他
40%
40%
10%
10%
スラスト
ワッシャー
（上側）
コンロッド軸受
（上側）
スラスト
ワッシャー
ワッシャ
（下側）
主軸受（下側）
本研究技術が適用される軸受
コンロッド軸受
（下側）
コンロッド（キャップ）
常用運転
・自動車用エンジンは、数100の部品で構成され、摺動する部品の間で生じる摩擦 （フリクショ
ン）により
ン）により、エネルギーロスが発生している
ネルギ
スが発生している
⇒ 省エネ（燃費改善）のためにフリクションを低減するには、摺動抵抗を下げる必要がある
１．研究開発の背景、目的、目標
１．１．背景（テーマの位置付け，必要性，重要性）
3
すべり軸受のフリクション
摩
摩擦係数
境界潤滑
混合 EHL 流体潤滑
潤滑
金属
軸受合金
μ = 0.3
鋼裏金
DLC
μ = 0.01以下
軸受定数 ηｖ/p
ストライベック線図
イベ ク線
○通常運転時 （流体潤滑）
オイルによる潤滑膜を形成し、軸と軸受の
直接接触摩擦を低減し、フリクションを低くできる
○高出力運転時，起動運転時 （境界・混合潤滑）
オイルによる潤滑膜形成能力低下
↓
軸と軸受の直接接触発生
↓
摩擦発熱 摩擦抵抗の増大
摩擦発熱，摩擦抵抗の増大
↓
フリクション増加，
焼付発生（耐久性維持困難）
○ 高速高面圧下の境界潤滑域における摩擦発熱・抵抗の抑制に
よる直接接触摩擦低減の技術開発は、クランク摩擦損失低減（自動
車の省エネ，燃費改善）にとって重要となる
１．研究開発の背景、目的、目標
１．２． 目的
4
◎ すべり軸受表面にDLCを適用させて、軸受と軸表面の
直接接触摩擦を
直接
接触摩擦を低減
低減 かつ 耐久性
耐久性を維持
を維持できる
できる 軸受を開発する
軸受合金層
DLC層
鋼裏金層
本研究のDLC軸受（課題）
① 大同 ・・・ 高い接着を有するDLC軸受構造
② 名大 ・・・ 超低摩擦現象とそのﾒｶﾆｽﾞﾑ
（軟質な軸受材料への適用）
（摩擦による超低せん断層の形成）
③ 日産 ・・・ 片当たりを低減するエンジン設計
（摺動面形状・周辺部品変形量制御構造の提案）
１．研究開発の背景、目的、目標
１．３
１．
３. 目標
5
◎ 目標値
① クランク（軸受）摩擦半減
→ 機械損失10%，内ｸﾗﾝｸ摩擦は10%×40%
機械損失
内ｸ ｸ摩擦は
（ ）
（4%）
→ ｸﾗﾝｸ摩擦4%を半減：燃費2%に相当 （燃費評価モードにて確認）
② 耐久性維持
→ 軸受トライボ性能（耐疲労性，耐摩耗性）と両立
軸受 ラ
性能（耐疲労性，耐摩耗性） 両
◎ 達成プロセス（日産：混合潤滑計算より）
①
②
③
名大・大同での取り組み
① 流体摩擦の低減
・・・ 焼付面圧 向上
（軸受径及び幅低減）
② 接
接触摩擦の低減
減
・・・ 起動摩擦 低減
日産での取り組み
摩擦損失半減の方法
③ エンジン設計からの改善
・・・ 摺動面形状，
軸受支持剛性低減
１．研究開発の背景、目的、目標
１．３
１．
３. 目標
6
◎ 本研究における低摩擦技術の波及効果
○ 軽量化効果
＊ クランク、ブロックのコンパクト化で、5kg程度軽量化
＊ バッテリーやモーター重量３０％減で、４kg程度低減
バ
や
タ 重量
減
程度低減
→ エンジン系の重量低減は重量バランスや支持構造の車両影響で約２．５倍
→ 車両重量約２％低減 ＝ さらに燃費２％低減
→ バッテリー，モーターの軽量化によるコストダウン
・ ﾄﾄｰﾀﾙ燃費低減効果として４～５％程度が期待できる
ﾀﾙ燃費低減効果として４ ５％程度が期待できる
・ ｺｽﾄﾀﾞｳﾝによるHEV等の早期普及，普及率UPに貢献
→ 自動車全体の省エネとなる
・ 機械技術一般にも適用可能 → 更なる波及効果が期待できる
２．研究開発体制、研究
研究開発体制、研究開発
開発内容
内容
7
２．１．研究開発体制
２．１．
研究開発体制 大同メタル
研究開発責任者：佐藤 善昭
どのようなDLC
どのような
DLCが軸受に適しているか？
が軸受に適しているか？
○ 軸受材料へのDLC適用技術開発と性能評価
軸受供給
実機条件提示
評価条件提示
材料開発指針
DLC軸受の開発
DLC軸受を適用させるには？
DLC
軸受を適用させるには？
設計指針
○ DLC軸受を用いた
内燃機関設計技術構築
実機条件提示
日産自動車
委嘱技術委員
中原綱光東京工業大学名誉教授
DLC摺動メカニズムは？
DLC
摺動メカニズムは？
○ DLCの耐摩耗、耐焼付
向上と低摩擦化を両立する
設計指針構築
名古屋大学
２．研究開発体制、研究
研究開発体制、研究開発
開発内容
内容
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２．２．研究開発内容
（１） 軸受材料へのDLC適用技術開発と性能評価
どのようなDLC
どのような
DLCが軸受に適しているのか？
が軸受に適しているのか？ （大同メタル工業）
＊ DLC構造の提案，焼付評価50%向上，摩擦係数25%低下
（２） DLCの耐摩耗
DLCの耐摩耗、耐焼付向上と低摩擦化を両立する設計指針構築
耐焼付向上と低摩擦化を両立する設計指針構築
DLCの摺動
DLC
の摺動メカニズムは？
メカニズムは？
（名古屋大学）
＊ DLCの耐摩耗、耐焼付、超低摩擦指針の提案
（３） DLC軸受を用いた内燃機関設計技術構築
DLC軸受を適用させるには？
DLC
軸受を適用させるには？
（日産自動車）
＊ 耐疲労性，耐摩耗性を確保する設計手法の確立
耐疲労性 耐摩耗性を確保する設計手法の確立
＊ DLC軸受の実機確認
（１） 軸受材料へのDLC適用技術開発と性能評価
9
＊ DLC構造の提案，焼付評価50%向上，摩擦係数25%低下
供試材
（大同メタル工業）
大
タ
業
DLC軸受構造
DLC
軸受構造
DLC硬さ
DLC硬さ
（GPa
GPa）
）
DLC厚さ
DLC厚さ
（um
um））
DLC（No.1 ）軸受
8
4
DLC（No.2 ）軸受
60
1
DLC（No.3） 軸受
12
4
耐焼付性 N=3
比較材
ｱﾙﾐ系軸受合金
目標値
（50%向上）
No.1
66%向上
No.2
100%以上向上
No.3
100%以上向上
0
6
12
18
▲ ： 平均値
24
起動μ N=3
30MP
30MPa
■ ： ばらつき
耐焼付性向上
→ 流体抵抗（摺動面積低減）の低減に寄与
目標値
（25%低減）
比較材
ｱﾙﾐ系軸受合金
10%低減
30%低減
10%低減
00.012
012
00.024
024
00.036
036
00.048
048
00.060
060
起動μ低減
→ 接触抵抗の低減に寄与
0.072
0 072
（２） DLCの耐摩耗、耐焼付向上と低摩擦化を両立する設計指針構築
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＊ DLCの耐摩耗、耐焼付、超低摩擦指針の提案 （名古屋大学）
設計指針の提案
摩擦両面の表面粗さ変化を検討し、
摩擦両面の表面粗さ変化を検討し
“構造変化層厚さ/有効表面粗さ“のパラメータ導入により、
構造変化層を固体潤滑膜として低摩擦となる設計指針を提案した
σ∗
2σ∗
3σ∗
Average line of
roughness height
d
z
t d
t
α=
∞
As
= P ( z > D ) =  φ ( z )dz
D
A
DLC膜の境界潤滑メカニズムの提案
耐焼付性評価 及び 起動摩擦評価より
① 荷重増加 及び 繰り返し摩擦 に伴う摩擦面温度の増加
② 構造変化層厚さの増加 及び 構造変化層の残存
③ 表面粗さに対して十分な厚さの固体潤滑剤（構造変化層）の形成
⇒ 油中の境界潤滑におけるDLCの焼付面圧の増加，起動摩擦係数の低減
（３） DLC軸受を用いた内燃機関設計技術構築
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＊ 耐疲労性，耐摩耗性を確保する設計手法の確立（日産自動車）
DLC軸受を適用する方策
○ ｸﾗﾝｸ剛性と荷重ﾊﾟﾀｰﾝの改善
○ 摺動面形状
⇒ 高速高負荷条件での焼付試験 及び 計算結果から、
クランク剛性，荷重パターンの改善，摺動面形状によって、
片当たり強度を低下することができ、DLC適用での摺動面積低減の
可能性を確認した
能性を確認 た
＊ DLC軸受の実機確認
実機耐久評価（60h）
⇒ 摩擦損失半減となるDLC軸受の実機確認を実施し、
耐久性維持を確認した
３．成果、実績等
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３．１．成果
成果
（１） 軸受材料へのDLC適用技術開発と性能評価
軟質な軸受材料へのDLC適用によるなじみを考慮したDLC軸受構造を提案し
耐焼付性50%向上，摩擦係数25%低減を確認し、耐疲労性及び耐摩耗性が従来
材 比べ
材に比べて同等以上であることを確認した
等 上 ある とを確認 た
（２） DLCの耐摩耗，耐焼付向上と低摩擦化を両立する設計指針構築
DLCの耐摩耗 耐焼付向上と低摩擦化を両立する設計指針構築
摩擦面温度により粗さに対して十分な厚さで生成するDLC上の構造変化層が、
摩耗，焼付，摩擦に優れることを実証し、設計指針（構造変化層厚さ/有効表面粗さ）
摩耗，焼付，摩擦に優れる とを実証し、設計指針（構造変化層厚さ/有効表面粗さ）
を提案した
（３） DLC軸受を用いた内燃機関設計技術構築
荷重に対する部品剛性，摺動面形状を設計ﾊﾟﾗﾒｰﾀとする評価技術及びｸﾗﾝｸ剛
性，作用荷重特性の改善と摺動面形状を組合せるｴﾝｼﾞﾝ構造技術により、設計手法
を確立した
摩擦損失半減となるDLC軸受の実機確認を実施し、耐久性維持を確認した
３．成果、実績等
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３．２．実績等
実績等
日付
学会名
39th LEEDS - LYON SYMPOSIUM
2012.9
ON TRIBOLOGY 2012
発表テーマ
Evaluation of the transformed layer of
DLC coatings after sliding in oil using
spectroscopic reflectometry
2012.9
39th LEEDS - LYON SYMPOSIUM
ON TRIBOLOGY 2012
Hardness Effect of DLC on
Tribological Properties for Sliding
Bearing under Boundary Lubrication
Condition in Additive-free Mineral
Base Oil
2013.5
日本トライボロジー学会
トライボロジー会議2013春
トライボ
ジ 会議
春
軸受材料としてのDLCコーティングの
基礎摺動特性
WTC2013
5th World Tribology Congress
Characteristic of structure changed
layer of Hydrogen free DLC after
sliding test in additive-free mineral
base oil
2013.9
３．成果、実績等
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３．３．原油換算省エネ効果
原油換算省 ネ効果
◆ 指標A：従来車両の１台あたりの年間エネルギー消費量と、１台あたりの燃費低減効果
-2L/km） ＝ 667L/台（ガソリン）
平均走行距離（1万km）×平均燃費（6.67×10
均走行 離
均燃費
台 ガ
＝ 604L/台（原油換算）
台
油換算
604L/台 × 燃費低減率2% ＝ 12L/台（原油換算）
・・・
1台あたりの燃費低減効果
摩擦損失半減による
◆ 指標B：各年時点の使用台数（国内）
2025年 ： 12L × 676万台（日産分：359万台）
676万台（日産分 359万台） ＝ 8.1（日産分：4.3）万kL/年
8 1（日産分 4 3）万kL/年
2030年 ： 12L × 1678万台（日産分：677万台） ＝ 20.1（日産分：8.1）万kL/年
2025年
2030年
指標A（効果量）
12 L/年
12 L/年
指標B（導入量）
676万台
1678万台
省エネ効果量
原油換算（kL/年）
8.1万
20.1万
燃費低減による軽量化効果の
推定（+2～3%）により、さらなる
省エネ効果量が期待できる
上記は自家用車にて事業化した場合のみを示したが、本技術は大同メタル工業からの供給により、
内燃機関を用いたトラック、船舶などの運輸関連での採用や、発電所のタービン軸の支持軸受、
産業機械の軸受での採用によって、更なる省エネルギーの波及効果が想定される