CN106233008A - 曲轴以及轴部件的增强方法 - Google Patents

Abstract

【课题】提供一种曲轴，其当然能够在短时间内进行增强，避免不必要的加工，同时也实现了大范围的增强。【解决手段】具备曲柄销(13)和轴颈销(11)的倒角部(15)，在以倒角部(15)中的作用有最大弯曲载荷的部分为中心向圆周方向的两个方向大致等距离的范围内施加压缩残余应力，用于施加压缩残余应力的加工深度在中心的位置处为最大，随着从中心的位置向圆周方向离开而逐渐减小。

Description

曲轴以及轴部件的增强方法

技术领域

本发明涉及曲轴以及具有轴的部件的增强方法，尤其涉及针对作用于曲柄销或轴颈销的弯曲载荷或扭转应力进行增强的技术。

背景技术

例如曲轴具备轴颈销和曲柄销，连杆的大端部以旋转自如的方式支承于曲柄销，轴颈销以旋转自如的方式支承于发送机体的轴颈轴承。在曲柄销以及轴颈销的角部上为了避免与对方部件碰撞而形成有截面半圆形的槽(倒角部)。倒角部是强度低的部分，当内燃机做功时受到大的弯曲力矩，因此希望增强倒角部的销顶部(直列4缸的情况下是相位为0°和180°的位置)。

作为该增强方法，公知通过利用旋转的辊对倒角部实施塑性加工来进行基于加工固化的增强的技术。但是，在这样的增强方法中，由于增强倒角部的整周，不仅加工花时间，不必增强的部分也增强了，因而很浪费。并且，由于同时对所有曲柄销以及轴颈销的倒角部的整周进行塑性加工，存在沿轴向发生拉伸、曲轴发生弯曲的问题。

专利文献1提出了如下的技术：将通过热锻成型的曲轴平放在下模内，使上模下降，对曲柄销进行局部冷精压。该技术中，在与曲柄销对应的下模以及上模的凹部内设置突起，利用上下模的突起夹持倒角部来进行塑性加工，由此能够在短时间内增强。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2004-243373号公报

发明内容

发明所要解决的课题

但是，专利文献1所记载的技术中，利用突起夹持倒角部来进行塑性加工，因此能够增强的仅限下模与上模的分型线附近的一小部分。而且，存在以下的问题：在与通过塑性加工施加了压缩残余应力的部分相邻的部分产生拉伸残余应力，产生相对弯曲力矩强度下降的部分。

因此，本发明的目的在于提供曲轴以及轴部件的增强方法，其当然能够在短时间内对轴部件进行增强，避免不必要的加工，同时也实现了大范围的增强。并且，本发明的目的还在于提供如下的曲轴以及轴部件的增强方法：通过从必须增强的部分至不必增强的部分逐渐施加压缩残余应力，能够减小与施加了压缩残余应力的部分相邻的部分产生的拉伸残余应力。

用于解决课题的手段

本发明是一种曲轴，该曲轴在曲柄销与曲柄臂的连接部分以及/或者轴颈销与曲柄臂的连接部分局部地施加有压缩残余应力，所述曲轴的特征在于，压缩残余应力被施加在以曲柄销以及轴颈销的圆形截面中的作用有最大弯曲载荷的部分为中心向圆周方向的两个方向大致等距离的范围内，用于施加压缩残余应力的加工深度在中心的位置处为最大，随着从中心的位置向圆周方向离开而逐渐减小。

根据本发明，压缩残余应力以曲柄销以及轴颈销的圆形截面中的作用有最大弯曲载荷的部分为中心被施加，因此能够在短时间内对该部分在大范围内施加最大的压缩残余应力。并且，仅对必须增强的部分施加压缩残余应力，因此无浪费。而且，曲柄销以及/或者轴颈销被局部加工，因此抑制了加工导致的沿轴向的拉伸。

此外，在本发明中，用于施加压缩残余应力的加工深度在中心的位置处为最大，随着从中心的位置向圆周方向离开而逐渐减小。即，以加工量为月牙形的方式进行加工。通过这样的加工，在曲柄销以及轴颈销的圆形截面中的作用有最大弯曲载荷的部分，压缩残余应力的大小和深度为最大，随着从该处向圆周方向离开而逐渐减小，接着抵达无压缩残余应力的部分。因此，能够减小在与施加了压缩残余应力的部分相邻的部分产生的拉伸残余应力。

此处，曲柄臂具备平衡配重，作用有最大弯曲载荷的部分在曲柄销与曲柄臂的连接部分中是与平衡配重所在的方向180°相反的一侧的部分，在轴颈销与曲柄臂的连接部分中是平衡配重所在的方向上的部分。

接着，本发明是一种轴部件的增强方法，该轴部件具有截面为圆形的部分，所述轴部件的增强方法的特征在于，对在使用轴部件时在截面为圆形的部分的圆周方向上弯曲载荷以及/或者扭转应力为最大的部分从法线方向按压按压部件，对弯曲载荷以及/或者扭转应力为最大的部分施加压缩残余应力。

根据本发明，利用按压部件按压轴部件的弯曲载荷以及/或者扭转应力为最大的部分，因此能够在短时间内对该部分施加最大的压缩残余应力，并且能在大范围内施加该最大的压缩残余应力。另外，能够仅对必须增强的部分施加压缩残余应力，因此不浪费。而且，对轴部件局部地进行塑性加工，因此能够抑制塑性加工导致的沿轴向的拉伸。

此处，优选按压部件具备由大致圆筒曲面构成的按压面，按压面的曲率半径比截面的曲率半径大。如果利用这样的按压部件按压轴部件的截面为圆形的部分，则在按压面的圆周方向中心，截面为圆形的部分接受最深的塑性加工，随着从该处向圆周方向离开，塑性加工的深度变浅，接着抵达不受塑性加工的部分。即，以加工量为月牙形的方式进行加工。

通过进行这样的塑性加工，在截面为圆形的部分中的与按压面的圆周方向中心对应的部分，压缩残余应力的大小和深度为最大，随着从该处向圆周方向离开而逐渐减小，接着抵达无压缩残余应力的部分。因此，能够减小在与施加了压缩残余应力的部分相邻的部分产生的拉伸残余应力。

在本发明中，优选具备退避部，该退避部设在按压面的圆周方向两侧，在按压面按压截面为圆形的部分的状态下离开该部分，退避部在从侧面观察时呈大致圆弧形。即，在按压面的两端部设置有从侧面观察时呈大致圆弧形的退避部，从而在月牙形的加工量的两端部，随着朝向圆周方向，退避部渐渐离开被加工部件。由此，在月牙形的加工量的两端，退避部对被加工部件的压入量减少，能够减轻两端侧的材料的加工从而抑制压缩残余应力的产生。即，在月牙形的加工量的两端，能够使压缩残余应力接近零，因此能够减小在与施加了压缩残余应力的部分相邻的部分产生的拉伸残余应力。

另外，如上所述，在使按压面的曲率半径比轴部件的截面的曲率半径大的方式中，按压面按压轴部件的截面为圆形的部分的范围限于上侧的一部分。因此，优选按压面具备成型区间和渐变区间，成型区间是在从法线方向向圆周方向两侧45°以内的范围内由大致圆筒曲面构成的区间，该大致圆筒曲面具有从轴部件的曲率半径中减去按压量而得的曲率半径，渐变区间是在超越成型区间且向圆周方向两侧90°以内的范围内渐渐扩径至轴部件的曲率半径加上退避量而得的曲率半径的区间。在该方式中，成型区间的曲率半径比轴部件的曲率半径小，因此能够对更广的范围(最大为单侧45°的范围)进行增强。

并且，具备渐渐扩径至轴部件的曲率半径加上退避量而得的曲率半径的渐变区间，因此施加给轴部件的压缩残余应力在渐变区间内渐渐减少，抵达无压缩残余应力的部分，因此能够减小在与施加了压缩残余应力的部分相邻的部分产生的拉伸残余应力。另外，形成区间优选为向圆周方向两侧30°～45°的范围。并且，渐变区间优选为超越成型区间且向圆周方向两侧60°～75°的范围。

本发明能够应用于例如曲轴、带轮轴、凸轮轴等具有截面为圆形的部分的任意轴部件。轴部件为曲轴的情况下，截面为圆形的部分是在两个角部具有槽的曲柄销以及/或者轴颈销，以曲柄销朝向上下方向的方式配置曲轴，利用按压部件从上下方向按压槽。

按压部件优选是仅与槽接触的形状。由此，能够对必须增强的部分集中进行塑性加工。

发明的效果

根据本发明的曲轴以及轴部件的增强方法，当然能够在短时间内进行增强，避免不必要的加工，同时也实现了大范围的增强。而且，根据本发明，压缩残余应力从必须增强的部分至不必增强的部分被逐渐施加，由此得到了能够减小在与增强部分相邻的部分产生的拉伸应力等效果。

附图说明

图1是示出本发明的第1实施方式的曲轴的侧视图。

图2是示出对本发明的第1实施方式的曲柄销进行增强的状态的侧视图。

图3是示出在本发明的第1实施方式中对轴颈销进行增强的状态的侧视图。

图4是示出在本发明的第1实施方式中对曲柄销进行增强的状态的放大侧视图。

图5是沿图2的箭头V-V线的剖视图。

图6是示出月牙形的加工部分的端部细节的放大图。

图7是示出本发明的第2实施方式的轴部件的增强方法的沿图2中箭头V-V线的剖视图。

图8是示出加工部分细节的放大图。

具体实施方式

1.第1实施方式

以下参照附图对本发明的第1实施方式进行说明。图1是示出本实施方式的曲轴1的侧视图。曲轴1是通过热锻成型的，在作为旋转轴的轴颈销11上形成有向半径方向突出的曲柄臂12，在一对曲柄臂12的端部架设有曲柄销13，在一对曲柄臂12中的一方的另一端部形成有平衡配重14。在各轴颈销11以及曲柄销13的两个角上形成有由截面为大致半圆形的槽构成的倒角部15。

图2示出利用下模2以及上模3对曲柄销13的倒角部15进行塑性加工的状态，曲轴1以使曲柄销13朝向上下方向的方式载置于下模2。在下模2的一侧形成有向上方延伸的长的一对第1下冲头(按压部件)21。而且，在下模2的另一侧形成有向上方延伸的短的一对第2下冲头(按压部件)22。同样地，在上模3的一侧形成有向下方延伸的长的一对第1上冲头(按压部件)31。而且，在上模3的另一侧形成有向下方延伸的短的一对第2上冲头(按压部件)32。

图3示出利用下模4以及上模5对轴颈销11的倒角部15进行塑性加工的状态。在下模4上形成有向上方延伸的短的一对下冲头41。而且，在上模5上形成有向下方延伸的短的一对上冲头51。

图4是示出第2上冲头32的细节的剖视图。如图4所示，第2上冲头32的截面成为半圆形，其曲率半径被设定成比倒角部15的曲率半径小。另外，第1上冲头31、第1下冲头21、第2下冲头22、下冲头41以及上冲头51也与第2上冲头32同样地形成。

图5示出第1下冲头21以及第2上冲头32的侧视形状。在第1下冲头21的上表面形成有由圆筒曲面构成的按压面23。按压面23的曲率半径被设定成比倒角部15的曲率半径大。并且，在按压面23的两侧形成有由圆筒曲面构成的退避部24。同样地，在第2上冲头32的下表面形成有由圆筒曲面构成的按压面33。

按压面33的曲率半径被设定成比倒角部15的曲率半径大。并且，在按压面33的两侧形成有由圆筒曲面构成的退避部34。此外，第1上冲头31、第2下冲头22、下冲头41以及上冲头51也与第1下冲头21以及第2上冲头32同样地形成。

本实施方式的曲轴1是通过在常温下进行塑性加工来增强倒角部15的。以下对实施方式的曲轴的增强方法进行说明。首先，将曲轴1载置于下模2。该情况下，使图1的右端的曲柄销13和其左侧相邻的曲柄销13朝向上下方向载置于下模2。而且，能够利用隔垫等支承曲轴1的左端部的适当的部分。

当在该状态下使上模3下降时，第2上冲头32的按压面33与曲柄销13的倒角部15接触，利用该按压面33与第1下冲头21的按压面23对倒角部15进行压缩。如图4所示，通过该塑性加工，压缩残余应力16被施加于倒角部15。压缩残余应力16在距表面较浅的部分处大，越向深部越减弱。利用该压缩残余应力16，抵消倒角部15被施加弯曲力矩时产生的拉伸应力。

而且，倒角部15是利用具有比其曲率半径大的曲率半径的按压面23、33而加工的，如图5所示，倒角部15被塑性加工成月牙形。即，压缩残余应力被施加在以倒角部15中的作用有最大弯曲载荷的部分为中心向圆周方向的两个方向大致等距离的范围内，用于施加压缩残余应力的加工深度在中心的位置处为最大，随着从中心的位置向圆周方向离开而逐渐减小。

此处，上述曲轴1是直列4缸用的，该情况下，在内燃机做功时，在相位为0°和180°的位置、即图5中的倒角部15的顶点和最下点处承受最大的弯曲力矩。具体而言，在曲柄销13的情况下，是倒角部15的位于与平衡配重13的方向180°相反的一侧的部分。而且，在轴颈销11的情况下，是倒角部15的位于平衡配重13的方向上的部分。

上述曲轴1中，利用第2上冲头32和第1下冲头21按压倒角部15的弯曲力矩最大的部分，因此能够在短时间内向该部分施加最大的压缩残余应力，并且能够在大范围内施加该最大的压缩残余应力。另外，能够仅对必须增强的部分施加压缩残余应力，因此不浪费。而且，对倒角部15局部进行塑性加工，因此能够抑制塑性加工导致的沿轴向的拉伸。

尤其，如图5所示，在上述实施方式中，以倒角部15的顶点和最下点为中心呈月牙形地进行塑性加工，因此在被施加最大的弯曲力矩的部分施加有最大的压缩残余应力，随着从该部分向圆周方向离开，压缩残余应力减小，接着抵达无压缩残余应力的部分。因此，能够减小在与施加了压缩残余应力的部分相邻的部分产生的拉伸残余应力。由于利用在第1下冲头21以及第2上冲头32上形成有由圆筒曲面构成的退避部24、34的装置来进行加工，因此能更可靠地得到这样的效果。

即，在本实施方式中，在按压面23、33的两端部设置有由圆筒曲面构成的退避部24、34，因此在月牙形的加工量的两端部，随着朝向圆周方向，退避部24、34渐渐离开倒角部15。由此，在月牙形的加工量的两端(图6中点P所示)，退避部24、34对倒角部15的压入量减少，能够减轻两端侧的部分的加工，减小在与施加了压缩残余应力的部分相邻的部分产生的拉伸残余应力。

如图6所示，月牙形的加工量的端部P向半径方向外侧翘曲，对倒角部15的加工被减轻了与该翘曲相应的量。即，在月牙形的加工量的两端P能够使压缩残余应力接近零，因此能够减小在与施加了压缩残余应力的部分相邻的部分产生的拉伸残余应力。

接着，使曲轴1的上下反转，使左端的曲柄销13和其右侧相邻的曲柄销13朝向上下方向载置于下模2，与上述同样地进行倒角部15的塑性加工。并且，利用图3所示的下模4以及上模5对轴颈销11的倒角部15进行塑性加工。这样塑性加工后的曲柄销13以及轴颈销11的倒角部15也能得到与上述同等的作用、效果。

上述实施方式将本发明应用于具有倒角部的曲轴中，但即使应用于不具有倒角部的曲轴中也能够得到与上述同等的作用、效果。此外，并不限于上述那样的直列型发动机的曲轴1，也能应用于V型发动机的曲轴等。

另外，在上述实施方式中，如图2所示，利用多个上下冲头21、22、31、33进行2个曲柄销13的增强，但也可以利用一对上下冲头一个个地对曲柄销13进行增强。或者，可以使用整体模具一次性对所有的曲柄销13以及所有的轴颈销11进行增强。但是，当利用上下冲头加工曲柄销13以及轴颈销11时，会沿轴向发生拉伸。因此，如果一次性加工曲柄销13以及轴颈销11的多个位置或者所有位置，则可能由于沿轴向的拉伸而导致销产生弯曲或平衡配重13倾斜等，使得曲轴发生变形。因此，为了避免产生这样的缺陷，优选一个位置一个位置地对曲柄销13以及轴颈销11进行加工。

上述实施方式是将本发明应用于曲轴的例子，但除此之外，也能够应用于带轮轴、凸轮轴等具有截面为圆形的部分的所有轴部件。

2.第2实施方式

参照图7和图8对本发明的第2实施方式进行说明。

图7示出第1下冲头121以及第2上冲头132的侧视形状。在第2上冲头132的下表面形成有按压面133。按压面133在从法线I的方向(从曲率中心O朝向第2上冲头132的中心线的方向)向圆周方向两侧45°以内的范围内具有由大致圆筒曲面构成的成型区间A，该大致圆筒曲面具有从倒角部15的截面的曲率半径中减去按压量而得的曲率半径。此处，所谓“按压量”是按压面133沿法线I加工倒角部15的厚度。在成型区间A内，利用按压面133基本均匀地进行加工。

如图8所示，在超越成型区间A且向圆周方向两侧90°以内的范围内，设有渐渐扩径至倒角部15的曲率半径加上退避量而得的退避半径N的渐变区间B。在图8中，实线是倒角部15的半径R、虚线是成型后的成型半径S(倒角部15的半径-按压量)、点划线是退避半径N(倒角部15的半径+退避量)。在渐变区间B内，绕曲率中心O进行凸轮仿形，按每个角度的点处设定距曲率中心O的距离从而设定形状。

具体而言，确定成型区间A和渐变区间B的角度，从成型区间A的端点起每隔10°地设定直径来确定点。该情况下，将渐变区间B的角度除以10°而计算出点数，并计算退避半径N与成型半径S之差。并且，按该半径之差除以点数所求出的值每隔10°地扩大半径。由此，随着超越成型区间A而朝向圆周方向，距曲率中心O的距离渐渐增加，在点P上与倒角部15的半径R一致，并且当进一步朝向圆周方向时，向与成型区间A相反的方向凸出，从而达到退避半径N。

第1下冲头121也与上述第2上冲头132同样地构成。即，在第1下冲头121的上表面形成有按压面123，在按压面123上，在从法线I的方向向圆周方向两侧45°以内的范围内具有由大致圆筒曲面构成的成型区间A，该大致圆筒曲面具有从倒角部15的截面的曲率半径中减去按压量而得的曲率半径。并且，在超越成型区间A且向圆周方向两侧90°以内的范围内，设有渐渐扩径至倒角部15的曲率半径加上退避量而得的曲率半径的渐变区间B。

对利用上述结构的第1下冲头121以及第2上冲头132来增强倒角部15的方法进行说明。当使上模3下降时，第2上冲头132的按压面133中的成型区间A与曲柄销13的倒角部15接触，利用该成型区间A和第1下冲头121的按压面123的成型区间A对倒角部15进行加工。通过该加工，倒角部15被施加了压缩残余应力。倒角部15的成型区间A大致整体上都沿上下方向成型了按压量，因此压缩残余应力在成型区间A内大致均匀。并且，利用该压缩残余应力抵消了倒角部15被施加弯曲力矩时产生的拉伸应力。

另一方面，在渐变区间B内，随着朝向圆周方向，加工量逐渐减少，接着抵达不加工的部分。因此，对倒角部15施加的压缩残余应力在渐变区间B内渐渐减小，直至无压缩残余应力的部分，因此能够减小在与施加了压缩残余应力的部分相邻的部分产生的拉伸残余应力。

产业上的可利用性

本发明能够用于增强例如曲轴、带轮轴、凸轮轴等具有截面为圆形的部分的任意轴部件。

标号说明

1：曲轴；2：下模；3：上模；4：下模；5：上模；11：轴颈销；12：曲柄臂；13：曲柄销；14：平衡配重；15：倒角部；21：第1下冲头(按压部件)；22：第2下冲头(按压部件)；23：按压面；24：退避部；31：第1上冲头(按压部件)；32：第2上冲头(按压部件)；33：按压面；34：退避部；41：下冲头；51：上冲头；121：第1下冲头(按压部件)；123：按压面；132：第2上冲头(按压部件)；133：按压面。

Claims (8)

1.一种曲轴，该曲轴在曲柄销与曲柄臂的连接部分以及/或者轴颈销与曲柄臂的连接部分局部地施加有压缩残余应力，

所述曲轴的特征在于，

所述压缩残余应力被施加在以所述曲柄销以及轴颈销的圆形截面中的作用有最大弯曲载荷的部分为中心向圆周方向的两个方向大致等距离的范围内，

用于施加所述压缩残余应力的加工深度在所述中心的位置处为最大，随着从所述中心的位置向圆周方向离开而逐渐减小。

2.根据权利要求1所述的曲轴，其特征在于，

所述曲柄臂具备平衡配重，所述作用有最大弯曲载荷的部分在所述曲柄销与曲柄臂的连接部分中是与所述平衡配重所在的方向180°相反的一侧的部分，在所述轴颈销与所述曲柄臂的连接部分中是所述平衡配重所在的方向上的部分。

3.一种轴部件的增强方法，该轴部件具有截面为圆形的部分，

所述轴部件的增强方法的特征在于，

对在使用所述轴部件时在所述截面为圆形的部分的圆周方向上弯曲载荷以及/或者扭转应力为最大的部分从法线方向按压按压部件，对所述弯曲载荷以及/或者扭转应力为最大的部分施加压缩残余应力。

4.根据权利要求3所述的轴部件的增强方法，其特征在于，

所述按压部件具备由大致圆筒曲面构成的按压面，所述按压面的曲率半径比所述截面的曲率半径大。

5.根据权利要求4所述的轴部件的增强方法，其特征在于，

具备退避部，该退避部设在所述按压面的圆周方向两侧，在所述按压面按压所述截面为圆形的部分的状态下离开该部分，所述退避部在从侧面观察时呈大致圆弧形。

6.根据权利要求3所述的轴部件的增强方法，其特征在于，

所述按压部件具备对所述轴部件加工规定的按压量的按压面，所述按压面具备成型区间和渐变区间，所述成型区间是在从所述法线方向向圆周方向两侧45°以内的范围内由大致圆筒曲面构成的区间，该大致圆筒曲面具有从所述轴部件的截面的曲率半径中减去所述按压量而得的曲率半径，所述渐变区间是在超越所述成型区间且向圆周方向两侧90°以内的范围内渐渐扩径至所述轴部件的曲率半径加上退避量而得的曲率半径的区间。

7.根据权利要求3至6中的任意一项所述的轴部件的增强方法，其特征在于，

所述轴部件为曲轴，所述截面为圆形的部分是在两个角部具有槽的曲柄销或者轴颈销，以所述曲柄销朝向上下方向的方式配置所述曲轴，利用所述按压部件从上下方向按压所述槽。

8.根据权利要求3至7中的任意一项所述的轴部件的增强方法，其特征在于，

所述按压部件是仅与所述槽接触的形状。