CN103339391A - 发动机用轴 - Google Patents

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Abstract

提供一种发动机用轴，该发动机用轴采用组装式，能够使用一体型滚动轴承，从而消除对内环和外环的偏离的问题，而且摩擦小，耐用性高。由在一体型的内环（4a、8a）与外环（4c、8c）之间收纳有带有保持架（4d、8d）的滚子（4b、8b）的一体型滚动轴承构成配置在组装式发动机用轴的颈轴（5）的外径面上的滚动轴承（4、8），由具有富氮层的部件构成内环（4a、8a）、外环（4c、8c）、滚子（4b、8b）中的至少一个部件，从而提高耐用性。

Description

发动机用轴
技术领域
本发明涉及汽车发动机的曲柄轴、可变气门机构的控制轴或凸轮轴、平衡装置的平衡轴等组装式发动机用轴。
背景技术
例如在内燃机中，利用曲柄轴将活塞的往复运动经由连杆转换为旋转运动。
该曲柄轴存在一体式的和组装式的。
因为一体式的曲柄轴无法从轴向插入曲柄轴颈支承轴承或连杆的大端部，所以必须将它们分开组装在曲柄轴上。
另外，在曲柄轴颈、曲柄销的外周配置有滚动轴承的情况下，也无法从轴向插入滚动轴承，因此，作为滚动轴承，需要使用将内环和外环分离的分离型的滚动轴承。
当配置这样的分离型的滚动轴承时，内环和外环容易偏离，有可能影响耐用性。
相反，若采用专利文献1、专利文献2公开的由分开部件构成曲柄臂、曲柄销、曲柄轴颈的组装式的曲柄轴，则能够在组装前从轴向插入曲柄轴颈支承轴承、连杆的大端部。
另外，当在曲柄销、曲柄轴颈的外周配置滚动轴承时，也能够在组装前从轴向将滚动轴承插入曲柄销、曲柄轴颈的外径面，因此，作为滚动轴承，能够使用内环和外环未分离的一体型滚动轴承。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2003-314529号公报
专利文献2：日本特开2009-257512号公报
发明内容
发明需要解决的课题
但是，近年来，随着汽车的高速化发展，并且为了实现燃料效率提高，曲柄轴、可变气门机构的控制轴或凸轮轴、平衡装置的平衡轴等的发动机用轴也要求具有更小的摩擦和耐用性。
于是，本发明的目的在于提供一种组装式发动机用轴，其中，将一体型滚动轴承用于曲柄轴等发动机用轴，从而消除对内环和外环的偏离的问题，并且实现低摩擦和高耐用性。
用于解决课题的技术方案
为了解决上述的课题，本发明所涉及的组装式发动机用轴在一体型的内环与外环之间配置有收纳有保持架和滚动体的一体型滚动轴承，内环、外环、滚动体是钢制的且其中至少一个由具有富氮层的部件构成。
作为本发明所涉及的组装式发动机用轴承，除了将曲柄臂、曲柄销和曲柄轴颈分离的组装式的曲柄轴之外，还有发动机的可变气门机构的控制轴、凸轮轴、平衡装置的平衡轴等。
上述富氮层的特征在于，奥氏体结晶粒度的粒度编号超过10号，且残余奥氏体量为11体积%以上25体积%以下，且含氮量为0.1重量%以上0.5重量%以下，且表面硬度为HRC58（Hv653）以上。
用于上述曲柄轴的滚动轴承的外环也可以直接形成在连杆的大端部的内表面。
用于上述曲柄轴的滚动轴承的内环在组装前压入曲柄销和曲柄轴颈的外径面。
上述滚动轴承能够使用滚针轴承或圆柱滚子轴承。
上述滚针轴承或圆柱滚子轴承的外环能够带有凸缘。
上述滚动轴承也可以是滚珠轴承。
构成上述曲柄轴的曲柄销和曲柄轴颈可以是铸铁制的。
本发明所涉及的发动机用轴能够用于四冲程两缸以上的发动机。
发明效果
本发明所涉及的组装式发动机用轴使用一体型滚动轴承，因此，不存在内环和外环偏离的问题，而且由于内环、外环、滚动体中的至少一个部件由具有富氮层的具有耐用性的部件构成，因此，摩擦小，耐用性高。
附图说明
图1是表示作为本发明所涉及的组装式发动机用轴的实施方式的曲柄轴的组装后的状态的正视图。
图2是表示图1的组装式的曲柄轴的组装前的分离零件的一部分的纵截正面图。
图3是表示作为本发明所涉及的发动机用轴的实施方式的组装式的曲轴的其它的方式的组装后的部分放大正视图。
图4是表示作为本发明所涉及的发动机用轴的实施方式的组装式的曲轴的其它的实施方式的组装后的部分放大正视图。
图5是说明两阶段的热处理方法的图。
图6是说明两阶段的热处理方法的变形例的图。
图7是作为本发明所涉及的组装式发动机用轴的实施方式的控制轴的组装后的部分放大正视图。
图8是作为本发明所涉及的组装式发动机用轴的实施方式的凸轮轴的组装后的部分放大正视图。
图9是作为本发明所涉及的组装式发动机用轴的实施方式的平衡轴的组装后的部分放大正视图。
具体实施方式
下面，基于附图对本发明的实施方式进行说明。
图1表示作为本发明所涉及的组装式发动机用轴的实施方式的串联四缸用的曲柄轴的组装后的状态。
串联四缸用的曲柄轴是在第一至第五曲柄轴颈部1a、1b、1c、1d、1e之间设置有第一至第四的四组曲柄部2a、2b、2c、2d的结构，在第五曲柄轴颈部1e的端部设置有法兰（flange）3。
图2表示组装前的第一至第二曲柄轴颈部1a、1b和设置在它们之间的第一曲柄部2a，另外的第三至第五曲柄轴颈部1c、1d、1e由与第二曲柄轴颈部1b同样的分离部件构成，第二至第四的三组曲柄部2b、2c、2d由与第一曲柄部2a同样的分离部件构成。
在第一至第二曲柄轴颈部1a、1b的颈轴5的外径面配置有滚动轴承4。
滚动轴承4除了能够使用图1和图2所示的滚针轴承之外，如果发动机体具有充分的空间，则能够使用截面高度高的圆柱滚子轴承、滚珠轴承。
图1和图2的滚动轴承4是滚针轴承，包括内环4a、带有保持架4d的滚子4b、外环4c。
内环4a在组装前被压入曲柄轴颈部1a、1b的颈轴5的外径面，进一步在该内环4a的外表面从轴向插入带有保持架4d的滚子4b和外环4c。
第一至第四的四组曲柄部2a、2b、2c、2d是将分别相对的曲柄臂6通过曲柄销7紧固的结构，在曲柄臂6的相对面的偏心位置设置有销孔6a，并且通过将曲柄销7的端部压入该销孔6a进行组装。
在曲柄销7的外径面，在组装前经由滚动轴承8从轴向插入有连杆9的大端部。
滚动轴承8是滚针轴承，包括内环8a、带有保持架8d的滚子8b、外环8c，在图1和图2的实施方式中，外环8c一体形成于连杆9的大端面的内径面，外环8c也可以如图3的实施方式所示，与连杆9的大端部独立地形成。
滚动轴承8的内环8a在组装前压入曲柄销7的外径面，并且从轴向将在内表面一体形成有带有保持架8d的滚子8b和外环8c的连杆9的大端部插入在内环8a的外表面。
在第一至第四的四组曲柄部2a、2b、2c、2d的曲柄臂6的外表面的中心，形成有将第一至第五曲柄轴颈部1a、1b、1c、1d、1e的颈轴5的端部压入的轴孔10。
在图3所示的实施方式中，作为滚动轴承4、滚动轴承8，使用外环8c带有凸缘（collar）的滚针轴承。
另外，在图4所示的实施方式中，配置于第一至第五曲柄轴颈部1a、1b、1c、1d、1e的滚动轴承4使用滚珠轴承。
上述第一至第四的四组曲柄部2a、2b、2c、2d的曲柄臂6、法兰3、第一至第五曲柄轴颈部1a、1b、1c、1d、1e的轴颈支撑的轴能够由铸铁形成，但即使对使用铸铁的曲柄轴进行高频处理、奥氏体回火处理等热处理，也无法使表面硬度提高至轴承滚动接触面所需的HRC58（Hv653）以上。
因此，在本发明中，为了提高滚动轴承4、滚动轴承8的转动疲劳寿命，在SUJ2等钢制形成的、内环4a、8a、滚子4b、8b、外环4c、8c中的至少一个的接触面，设置有如下的富氮层。
作为有效的富氮层，其奥氏体结晶粒度的粒度编号超过10号，且残余奥氏体量为11体积%以上25体积%以下，且含氮量为0.1重量%以上0.5重量%以下，且表面硬度为HRC58（Hv653）以上。
通过采用这样的富氮层的结构，能够提高内环4a、8a、滚子4b、8b、外环4c、8c的接触面的疲劳寿命，并且能够提高轴承的耐用性，从而实现曲柄轴的长寿命化。
上述的富氮层能够通过对内环4a、8a、滚子4b、8b、外环4c、8c的接触面实施如下说明的低温二次淬火法的热处理来形成。
图5是说明用于得到具有上述的富氮层的部件的两阶段的热处理方法的一个例子的图。另外，图6是说明图5所示的两阶段的热处理方法的变形例的图。图5是表示进行一次淬火和二次淬火的方法的热处理图案，图6是表示在淬火过程中将材料冷却至A1转变点温度以下，之后进行再加热，进行最终淬火的方法的热处理图案。以上均能够得到具有上述的富氮层的部件。在这些图中，在处理T1中，使碳或氮扩散至钢的基底并且充分进行碳的渗入之后，冷却至A1转变点以下。接着，在图中的处理Ｔ2中，再加热至比处理T1低的温度，从而实施油淬火。其中，上述的图5和图6所示的热处理方法统称为两段式热处理。
上述的热处理与接着浸碳氮化处理并直接进行一次淬火的情况相比，更能够使表层部分渗碳氮化，并且提高开裂强度，减少时效老化尺寸变化率。根据上述的热处理方法，能够得到奥氏体晶粒的粒径为以往的二分之一以下的微组织。接受了上述的热处理的部件，其转动疲劳特性为长寿命，并且能够提高开裂强度，减少时效老化尺寸变化率。而且，奥氏体晶粒无论在存在富氮层的表层部还是在比表层部更靠内侧的内部都不会变化。从而，作为上述的结晶粒度编号的范围的对象的位置为表层部和内部。
上述的奥氏体结晶粒度可以通过JIS（Japanese Industrial Standards：日本工业标准）中规定的通常的方法求得，也可以通过切片法求出与上述结晶粒度编号对应的平均粒径而进行换算。此处，奥氏体晶粒是指淬火加热中相转变的奥氏体的晶粒，它是指通过冷却转变为马氏体之后也作为过去的历史而残存的晶粒。
残余奥氏体量为研磨后转动面的表层50μm处的值，例如能够通过Ｘ射线衍射法对马氏体α（211）与残余奥氏体γ（220）的衍射强度进行比较来测定。另外，也能够通过利用奥氏体相为非磁体，铁素体相为强磁体，使用磁秤等求出磁化力来进行测定。另外，能够利用市场销售的测量装置进行简单测定。
富氮层是形成在表层的增加了含氮量的层，例如能够通过渗碳氮化、氮化、渗氮等处理形成。富氮层的含氮量为研磨后的转动面的表层50μm处的值，例如能够通过EPMA(Electron Probe Micro-Analysis：波长色散型X射线显微分析仪）测定。
以上说明的是组装式的曲柄轴的实施方式，但是本发明也能够适用于可变气门机构的控制轴或凸轮轴、平衡装置的平衡轴等组装式发动机用轴。
图7是可变气门机构的控制轴11的实施方式。
控制轴11是在由滚针轴承12支承的颈部13设置有控制凸轮14的结构。
滚针轴承12包括内环12a、带有保持架12d的滚子12b、带有凸缘的外环12c。
图8是可变气门机构的凸轮轴15的实施方式。
凸轮轴15是在由滚针轴承16支承的颈部17设置有气门凸轮18的结构。
滚针轴承16包括内环16a、带有保持架16d的滚子16b、带有凸缘的外环16c。
在图9中，平衡装置的平衡轴19是在由滚针轴承20支承的颈部21设置有平衡负载部22的结构。
滚针轴承20包括内环20a、带有保持架20d的滚子20b、带有凸缘的外环20c。
以上，参照附图说明了本发明的实施方式，但是，本发明并不限于图示的实施方式。能够对图示的实施方式，在与本发明相同的范围内或在等效的范围内进行各种修正、变形。
附图标记说明
1a、1b、1c、1d、1e  曲柄轴颈部
2a、2b、2c、2d  曲柄部
3  法兰
4  滚动轴承
4a  内环
4b  滚子
4c  外环
4d  保持架
5  颈轴
6  曲柄臂
6a  销孔
7  销
8  滚动轴承
8a  内环
8b  滚子
8c  外环
8d  保持架
9  连杆
10  轴孔
11  控制轴
12  滚针轴承
12a  内环
12b  滚子
12c  外环
12d  保持架
13  颈部
14  控制凸轮
15  凸轮轴
16  滚针轴承
16a  内环
16b  滚子
16c  外环
16d  保持架
17  颈部
18  气门凸轮
19  平衡轴
20  滚针轴承
20a  内环
20b  滚子
20c  外环
20d  保持架
21  颈部
22  平衡负载部

Claims (14)

1.一种组装式发动机用轴，其特征在于：
在一体型的内环与外环之间配置有收纳有保持架和滚动体的一体型滚动轴承，内环、外环、滚动体是钢制的且其中至少一个由具有富氮层的部件构成。
2.如权利要求1所述的组装式发动机用轴，其特征在于：
所述组装式发动机用轴是将曲柄臂、曲柄销和曲柄轴颈分离的组装式的曲柄轴。
3.如权利要求1所述的组装式发动机用轴，其特征在于：
所述组装式发动机用轴是发动机的可变气门机构的控制轴。
4.如权利要求1所述的组装式发动机用轴，其特征在于：
所述组装式发动机用轴是发动机的可变气门机构的凸轮轴。
5.如权利要求1所述的组装式发动机用轴，其特征在于：
所述组装式发动机用轴是发动机的平衡装置的平衡轴。
6.如权利要求1～5中任一项所述的组装式发动机用轴，其特征在于：
所述富氮层的奥氏体结晶粒度的粒度编号超过10号，且残余奥氏体量为11体积%以上25体积%以下，且含氮量为0.1重量%以上0.5重量%以下，且表面硬度为HRC58（Hv653）以上。
7.如权利要求2所述的组装式发动机用轴，其特征在于：
所述滚动轴承的外环直接形成于连杆的大端部的内径面。
8.如权利要求2所述的组装式发动机用轴，其特征在于：
所述滚动轴承的内环被压入曲柄销和曲柄轴颈的外表面。
9.如权利要求8所述的组装式发动机用轴，其特征在于：
将所述滚动轴承的内环压入的曲柄销和曲柄轴颈是铸铁制的。
10.如权利要求1～9中任一项所述的组装式发动机用轴，其特征在于：
所述组装式发动机用轴用于四冲程两缸以上的发动机。
11.如权利要求1～10中任一项所述的组装式发动机用轴，其特征在于：
所述滚动轴承为滚针轴承或圆柱滚子轴承。
12.如权利要求1～10中任一项所述的组装式发动机用轴，其特征在于：
所述滚针轴承或圆柱滚子轴承的外环带有凸缘。
13.如权利要求1～10中任一项所述的组装式发动机用轴，其特征在于：
所述滚动轴承为滚珠轴承。
14.一种组装式发动机用轴的制造方法，所述组装式发动机用轴在一体型的内环与外环之间配置有收纳有保持架和滚动体的一体型滚动轴承，内环、外环、滚动体是钢制的且其中至少一个由具有富氮层的部件构成，所述组装式发动机用轴的制造方法的特征在于：
通过两段式热处理形成所述富氮层，所述两段式热处理包括处理T1和处理T2，其中，
所述处理T1使碳、氮扩散至钢基底并且充分进行碳的渗入之后，冷却至A1转变点温度以下，
所述处理T2再加热至比处理T1低的温度，然后实施油淬火。
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