CN111656029A - 联接结构体 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种联接结构体(105)，由螺栓连接相互接合的一对联接部件(105A)，其中，所述联接部件(105)以钢铁为材料，接合面(Sa)以外的表面的硬度以洛氏硬度计为50HRC以上，所述接合面(Sa)的硬度以洛氏硬度计为30HRC以上且低于50HRC，所述接合面(Sa)的算术平均粗糙度(Ra)为0.2μm以上且0.5μm以下，所述联接结构体(105)抑制制造成本，并且实现了弯曲疲劳强度的确保和由磨蚀产生的磨损粉导致的二次破损的防止的并存。

Description

联接结构体
技术领域
本发明涉及由螺栓连结相互接合的一对联接部件的联接结构体，具体而言，涉及用于连杆机构的构成要素等的联接结构体。
背景技术
作为上述的联接结构体，例如，有用于可变压缩比发动机的复动连杆机构的中间连杆。该中间连杆为了安装于曲轴的曲柄销上，由在曲柄销的插通部分分割的一对联接部件构成。而且，中间连杆通过由螺栓连结夹着曲柄销而相互接合的联接部件彼此，被安装于曲柄销。另外，构成复动连杆机构的其他连杆分别与各联接部件连结。
上述中间连杆(联接结构体)在发动机运转时反复受到弯曲输入，因此，在制造时，需要弯曲疲劳强度高的材料及强化工艺。作为确保高硬度及高韧性的连杆，有专利文献1记载的部件。专利文献1中记载有一种适当添加了Si、Al、Cr、Mo、V、W、Ni以及Co的钢材，该钢材是通过600℃以上的高温回火，硬度为HRC50以上的高硬度高韧性钢。
专利文献1:日本特开2003－328078号公报
然而，在上述的联接结构体中，由于与螺栓之间的间隙，联接部件的接合面彼此反复进行相对微小往复运动，由此，产生作为接合面的摩擦磨损的磨蚀(Fretting)。因此，考虑在联接结构体中采用专利文献1记载的高硬度及高韧性的钢材。但是，专利文献1中记载的钢材不仅回火温度高，而且材料的添加元素多，因此，存在制造成本增加的问题点。
发明内容
本发明是鉴于上述目前的状况而开发的，其目的在于提供一种联接结构体，由螺栓连接相互接合的一对联接部件，其中，能够抑制制造成本，并且，使弯曲疲劳强度的确保和磨蚀引起的二次破损的防止并存。
本发明的联接结构体具有由螺栓连结相互接合的一对联接部件的结构。而且，联接结构体的所述联接部件的特征在于，以钢铁为材料，接合面以外的表面的硬度以洛氏硬度计为50HRC以上，所述接合面的硬度以洛氏硬度计为30HRC以上且低于50HRC，所述接合面的算术平均粗糙度Ra为0.2μm以上且0.5μm以下。所述联接结构体在制造联接部件中，不需要大量添加元素及高温的回火，能够将钢铁作为材料，通过渗碳处理及淬火确保期望的硬度。
本发明的联接结构体通过将所述联接部件的接合面以外的表面的硬度以洛氏硬度计设为50HRC以上，确保整体的弯曲疲劳强度，防止弯曲疲劳引起的表面龟裂破损。另外，联接结构体通过将所述联接部件的接合面的硬度以洛氏硬度计设为30HRC以上且低于50HRC，且将算术平均粗糙度Ra设为0.2μm以上且0.5μm以下，使粗糙度的谷的部分包含由于磨蚀而在接合面上产生的磨损粉，防止磨损粉引起的二次破损。
这样，联接结构体在由螺栓连结相互接合的一对联接部件的结构中，能够抑制制造成本，并且使弯曲疲劳强度的确保和磨蚀引起的二次破损的防止并存。
附图说明
图1是说明在本发明的联接结构体的第一实施方式中，能够应用联接结构体的可变压缩比发动机的剖视图；
图2是将作为联接结构体的中间连杆设为分解状态进行说明的侧视图；
图3是表示维氏硬度和距表面的深度(距离)的关系的图表；
图4是说明作为联接部件的连杆部件的立体图；
图5是表示联接结构体的螺栓的插通部分的剖视图；
图6是表示疲劳强度和渗碳深度的关系的图表。
标记说明
E：可变压缩比发动机
102：活塞
104：第一连杆
105：中间连杆(联接结构体)
105A：连杆部件(联接部件)
105B：凹部
106：曲轴
107：控制轴
107：曲柄销
108：第二连杆
BT：螺栓
Sa：接合面
具体实施方式
〈第一实施方式〉
图1是说明可应用本发明的联接结构体的可变压缩比发动机的剖视图。图示的可变压缩比发动机E中，上连杆104的上端部经由活塞销103与在汽缸101的内部进行往复移动的活塞102连结。上连杆104的下端部经由第一连杆销P1及第一轴衬B1与中间连杆105的一端部连结。
就中间连杆105而言，在中央插通有曲轴106的曲柄销107，并且，另一端部经由第二连杆销P2及第二轴衬B2与下连杆108的上端部连结。下连杆108在下端部连结有控制杆109，并且，与使该控制杆109平行地往复移动的促动器(未图示)连结。
具备上述结构的可变压缩比发动机E使控制杆109移动，使下连杆108以曲柄销107为中心转动。由此，可变压缩比发动机E使从曲柄销107至活塞销103的长度即连杆长L变化，使活塞102的行程变化，变更压缩比。
在此，中间连杆105为了安装于曲轴106的曲柄销107上，如图2所示，由在曲柄销107的插通部分分割的一对连杆部件105A、105A构成。2个连杆部件105A、105A是在图2所示的侧面具有以曲柄销107为中心的旋转对称形状的同一结构的零件。
该中间连杆105在夹着曲柄销107的状态下将连杆部件105A、105A彼此接合，如图2中所示，利用穿过各连杆部件105A而拧装于对方侧的连杆部件105A的螺栓BT连结。由此，中间连杆105被安装于曲柄销107。
而且，就中间连杆105而言，在一连杆部件105A经由第一连杆销P1及第一轴衬B1可旋转地连结上连杆104的下端部。另外，在另一连杆部件105A经由第二连杆销P2及第二轴衬B2连结下连杆108的上端部。
上述中间连杆105在可变压缩比发动机E运转时，随着活塞102的往复移动，进行使曲柄销107绕曲轴106的中心轴转动的动作，因此，反复受到弯曲输入。另外，中间连杆105为了安装于曲柄销107上，必须形成由一对连杆部件105A、105A构成的分割结构。
因此，就中间连杆105而言，通过与螺栓BT之间的间隙，连杆部件105A的接合面Sa彼此反复进行相对的微小往复运动，产生接合面Sa的摩擦磨损即磨蚀。
本发明的联接结构体适于上述中间连杆105。在以下的说明中，作为由一对联接部件构成的联接结构体，示例由一对连杆部件105A、105A构成的中间连杆105。
即，中间连杆105如上述是由螺栓BT将相互接合的一对连杆部件105A、105A连接的部件。连杆部件105A以钢铁为材料，将接合面Sa以外的表面的硬度以洛氏硬度计设为50HRC以上，将接合面Sa的硬度以洛氏硬度计设为30～50HRC，将接合面Sa的算术平均粗糙度Ra设为0.2～0.5μm。
上述中间连杆105在制造连杆部件105时，不需要以往那样大量的添加元素及高温的回火，能够以钢铁为材料，通过渗碳处理及淬火确保期望的硬度。另外，连杆部件105能够控制为通过在渗碳及淬火的处理后，研磨接合面Sa，能够控制为接合面Sa的硬度以洛氏硬度计为30HRC以上且低于50HRC，接合面Sa的算术平均粗糙度Ra为0.2μm以上且0.5μm以下。
上述中间连杆105通过限定连杆部件105A的接合面Sa以外的硬度的下限，以在螺栓联接时不受表面压力屈曲，通过限定硬度的上限，能够确保整体的弯曲疲劳强度，防止弯曲疲劳引起的表面龟裂破损。另外，中间连杆105通过使连杆部件105A的接合面Sa的洛氏硬度比接合面软，由磨蚀产生的磨损粉的硬度也降低，能够防止磨损粉引起的二次破损。另外，通过规定接合面的算术平均粗糙度Ra，使粗糙度的谷部分包含因磨蚀而在接合面Sa产生的磨损粉，防止磨损粉引起的二次破损。此外，磨损粉为粒径0.1μm以下的微粉末。
这样，中间连杆(联接结构体)105在由螺栓BT连结相互接合的一对连杆部件(联接部件)105A的结构中，能够抑制制造成本，并且，兼备弯曲疲劳强度的确保和磨蚀的磨损粉引起的二次破损的防止。
另外，中间连杆105作为更期望的实施方式，连杆部件105A的接合面Sa的表层为马氏体组织，并且能够包含5％以上且15％以下的剩余奥氏体。
即，中间连杆105形成为将接合面Sa的表层设为硬且致密的马氏体组织，且包含上限15％的剩余奥氏体的组织。由此，中间连杆105能够确保接合面Sa的硬度。
另外，中间连杆105设为将其接合面Sa的表层设为硬且致密的马氏体组织，且包含下限5％的剩余奥氏体的组织。由此，中间连杆105除表面粗糙度的谷部分外，通过柔软且变形能力高的奥氏体相，埋没更多由接合面Sa的磨蚀产生的磨损粉，更可靠地防止磨损粉引起的二次破损。
另外，中间连杆105作为更期望的实施方式，如图3所示，接合面Sa的硬度从表面朝向内部减少，作为该减少梯度，距表面0.5mm以上且0.6mm以下的位置(深度位置)的维氏硬度可设为550HV。另外，碳浓度越高，硬度越硬，因此，碳浓度从表面朝向内部也减少。
即，在一对连杆部件105A、105A中，为了防止接合面Sa的磨蚀磨损，提高接合面Sa的表面压力，抑制运转时的滑动量是有效的。因此，连杆部件105通过在其内部设置硬度高的有效固化层，能够确保高表面压力时的耐凹陷性，使抑制螺栓联接时的凹陷引起的表面压力降低和抑制滑动并存。
另外，中间连杆105作为更期望的实施方式，能够设为螺栓BT实现的连杆部件105A彼此的联接轴向力为1300MPa以上且1800MPa以下的部件。即，中间连杆105能够对内部的上述有效固化层提供未凹陷的范围的螺栓轴向力。
另外，中间连杆105作为更优选的实施方式，如图4所示，连杆部件105A能够在接合面Sa上的螺栓BT的插通部110设置锪孔状的凹部105B。
凹部105B也如图5所示，在各连杆部件105A中，设置于螺栓BT的头部侧。即，螺栓BT的插通部110由一连杆部件105A的螺栓通孔110A和另一连杆部件105A的内螺纹孔110B构成。因此，各连杆部件105A在螺栓BT的头部侧、即成为螺栓通孔110A侧的位置设置有凹部105B。
此外，凹部105B也能够设置于螺栓BT的内螺纹侧，但如图示例，如果设置于螺栓BT的头部侧，则也能够确保螺栓BT和内螺纹孔110B的充分的拧合范围。
另外，凹部105B形成为与螺栓BT的插通部110同心状，其形状没有特别限定，但考虑机械的强度，期望将内面设为曲面，在图示例中，设为对确保机械的强度有利的半球状。
在此，在由螺栓BT连结一对部件的情况下，在相互的接合面Sa上产生的表面压力集中于以螺栓BT为中心的同心圆上是众所周知的，在除此以外的部分容易不均匀。表面压力集中在接合面Sa上的圆如图5所示，是决定以螺栓BT的头部中心为顶点且底面和斜边形成的角度θ为45度的圆锥形的底面的圆。因此，上述凹部105B的接合面Sa的开口部的直径R1比上述圆锥形的底部的直径R2小。
即，中间连杆105是由凹部105B排除在连杆部件105A的接合面Sa上比表面压力集中的部分靠内侧的区域的结构。由此，中间连杆105能够减少连杆部件105A彼此的接合面积，相应地使接合面Sa上的表面压力的分布均匀，并且，在受到螺栓BT的联接轴向力时，利用由于凹部105B的存在而结构上产生的应力，提高表面压力。
另外，中间连杆105作为更期望的实施方式，能够将连杆部件105A的接合面Sa的碳浓度设为0.4wt％以上且0.6wt％以下。即，中间连杆105通过限定接合面Sa上的碳浓度的范围，能够容易控制接合面Sa表层的剩余奥氏体量。
另外，中间连杆105如基于图1所说明地，用于根据配置于曲轴106的下侧的控制轴109的旋转位置改变活塞102的上死点而使压缩比连续地变化的可变压缩比发动机E。中间连杆105具有由螺栓BT连结夹着曲轴106的曲柄销107相互接合的一个及另一个连杆部件105A、105A的结构。
而且，将上端部与活塞102连结的第一连杆104的下端部与一连杆部件105A可旋转地连结。另外，将下端部与控制轴109的偏心轴部连结的第二连杆108的上端部与另一连杆部件105A可旋转地连结。
上述中间连杆105如上述，在可变压缩比发动机E运转时反复受到弯曲输入，并且连杆部件105A彼此在接合面Sa上反复进行相对的微小往复运动。
与此相对，中间连杆105通过规定连杆部件105A的接合面Sa以外的表面的硬度，还规定接合面Sa的洛氏硬度及算术平均粗糙度Ra，防止屈曲及确保整体的弯曲疲劳强度，并且，使粗糙度的谷部分包含因磨蚀而在接合面Sa产生的磨损粉，防止磨损粉引起的二次破损。由此，中间连杆105成为能够有助于提高可变压缩比发动机E的耐久性的部件。
另外，上述中间连杆105作为更期望的实施方式，具备在其制造时，对连杆部件105A进行渗碳处理的工序，渗碳处理为真空渗碳处理。
由此，中间连杆105能够防止氧化，并且，容易控制连杆部件105的接合面Sa上的碳浓度，并且，在通常的硬度检查中能够抑制产生难以管理的表面的软化层。其结果，可以不需要管理粒界氧化层。另外，通过将真空渗碳处理设为真空渗碳气淬，能够容易控制冷却速度，能够抑制剩余奥氏体量。
图6是表示疲劳强度和渗碳深度的关系的图表。由该图可知，在对连杆部件105进行渗碳处理的情况下，如果将渗碳深度设为0.4mm以上且1.6mm以下的范围，则能够得到650MPa以上的疲劳强度。
〈实施例〉
在此，通过以下说明的处理顺序，制造了实施例1～15及比较例1～5的连杆部件(联接部件)。连杆部件的材料使用SCr420H(JIS)。
实施例1～14中，进行了真空渗碳处理。在该真空渗碳处理中，在将钢铁制的连杆部件投入炉内部后，将炉内设为真空并在1050℃下进行加热。然后，向炉内导入30秒乙炔气，接着，导入4分钟氮气对连杆部件进行渗碳处理。将其设为1脉冲反复数次。然后，以比渗碳温度低的温度进行淬火前的保持，然后，通过氮气对连杆部件进行淬火(冷却)。在淬火时，将氮气的供给压力设为1.0MPa。
实施例15中，进行了气体渗碳处理。在该气体渗碳处理中，在将钢铁制的连杆部件投入炉内后，向炉内导入丁烷气，将炉内的碳势(CP)设定为0.8，对连杆部件在930℃下进行2.5小时的渗碳处理。
然后，在实施例1～15及比较例1～5中，使淬火前的保持温度不同。该保持温度是决定连杆部件的接合面以外的部分的硬度的条件，如果保持温度低，则柔软，如果高则变硬。此外，连杆部件的接合面以外的硬度期望在每单位的体积大的部分进行评价，因此，在螺栓插通孔的侧面部(例如图2中所示的A部)进行测定。
另外，在实施例1～15及比较例1～5中，使淬火的姿势不同。淬火的姿势是对连杆部件的接合面施加氮气的方式，是决定接合面的硬度的条件。“纵”是对连杆部件的接合面直接施加氮气的姿势，该情况下，因为急冷，所以变硬。另外，“平”是对连杆部件的接合面顺畅地施加氮气的姿势，该情况下，因为温度难以降低，所以变柔软。
另外，在实施例1～15及比较例1～5中，对连杆部件的接合面进行研磨，以使算术平均粗糙度Ra成为表1。
另外，在实施例1～15及比较例1～5中，使对连杆部件的渗碳处理的脉冲次数不同。脉冲次数是用于将距接合面的表面0.5～0.6mm的位置的维氏硬度设为550HV的条件，随着脉冲次数变多，碳到达内部且变硬。
另外，在实施例1～15及比较例1～5中，使淬火气体温度不同。该淬火气体温度是决定连杆部件的接合面的奥氏体余量的条件，气体温度越高，剩余奥氏体量越多。
关于实施例1～15及比较例1～5，测定连杆部件的接合面以外的部分的洛氏硬度、连杆部件的接合面的剩余奥氏体量、粒界氧化层的有无及厚度、连杆部件的接合面的洛氏硬度、碳量(碳浓度)、算术平均粗糙度Ra、维氏硬度为550HV的深度(距接合面的深度)。此外，在除实施例12的各实施例及比较例中，将接合面上的锪孔状的凹部设为半球的碗形。就实施例12而言，接合面为无凹部的平面。
洛氏硬度的测定是用洛氏硬度计以5点平均求出连杆部件的接合面以外的部分及连杆部件的接合面的表面的HRC硬度(基于JIS Z2245)。
算术平均粗糙度Ra的测定是用触针式粗糙度仪求出连杆部件的接合面的算术平均粗糙度Ra(基于JIS B0601－1994)。
粒界氧化层的有无及厚度的测定通过电子探针微分析仪分析连杆部件的接合面的截面深度方向的构成元素，确认有无粒界氧化层。另外，通过扫描型电子显微镜观察截面，测定粒界氧化层的厚度。
剩余奥氏体量的测定通过X射线衍射装置分析连杆部件的接合面的剩余奥氏体量。
碳量(碳浓度)的测定是通过电子探针微分析仪(Electron Probe MicroAnalyzer；EPMA)测定连杆部件的接合面的碳浓度。
就维氏硬度的测定而言，通过维氏硬度计对连杆部件的接合面的截面测定距表面的深度方向的维氏硬度，特定维氏硬度HV为550HV的位置。(基于JIS Z 2244测定)
另外，关于实施例1～15及比较例1～5，由螺栓连结一对连杆部件作为中间连杆，测定螺栓的联接轴向力。还进行了单侧的疲劳试验。具体而言，由螺栓连结一对连杆部件，使用在大气环境中常温下电脑控制的Instron8501 hydraulic testing machine(INSTRON8501液压试验机)，在48kN的荷重控制下，在单侧进行。反复频率为10Hz，循环数为1000万次，确认了试验后的连杆零件的状态。
将实施例1～15及比较例1～5的各处理条件以及测定结果示于表1。
[表1]
Figure BDA0002609895830000091
由表1表明，在比较例1～5中，在任一连杆部件上的曲柄销的安装部(特别是安装部和外侧的距离的最短部)破损。比较例1中，接合面以外的部分的洛氏硬度为48HRC。比较例2中，接合面的洛氏硬度为28HRC，比较例3中，接合面的洛氏硬度为54HCR。比较例4中，接合面的算术平均粗糙度Ra为0.7μm，比较例5中，接合面的算术平均粗糙度Ra为0.01μm。
与此相对，实施例1～15中没有确认任意的接合面的破损。关于实施例6～15，由于磨蚀而在接合面上产生偏差，确认产生微细的龟裂。实施例12中，由于没有锪孔状的凹部，所以在接合面上产生了微细的龟裂。此外，在实施例6～15中产生的龟裂在结构上没有影响，即使作为产品也是能够使用的极微细的。
对实施例1～15进行仔细地研究，在实施例6中，接合面的剩余奥氏体量为4％，实施例7中，接合面的剩余奥氏体量为18％。在实施例8中，得到维氏硬度550HV的深度(距接合面的距离)为0.43mm，在实施例9中，得到维氏硬度550HV的深度为0.67mm。
另外，实施例10中，连杆部件彼此的联接轴向力是1100MPa，实施例11中，连杆部件彼此的联接轴向力为1920MPa。实施例12中，接合面如上述为没有凹部的平面。实施例13中，接合面的碳量(碳浓度)为0.38Cwt％，在实施例14中，接合面的碳量为0.72Cwt％。实施例15中，进行了气体渗碳处理，其结果，确认厚度为21μm的粒界氧化层。该粒界氧化层有可能成为龟裂产生的起点，因此，不优选。
从以上的试验结果发现了以下的条件(1)～(9)对本发明的联接结构体(中间连杆)是必要或合适的。
(1)接合面以外的表面的硬度以洛氏硬度计为50HRC以上。
(2)接合面的硬度以洛氏硬度计为30HRC以上且低于50HRC。
(3)接合面的算术平均粗糙度Ra为0.2μm以上且0.5μm以下。
(4)接合面的表层为包含5％以上且15％以下的剩余奥氏体的马氏体组织。
(5)距接合面的表面0.5mm以上且0.6mm以下的位置的维氏硬度为550HV。
(6)螺栓对联接部件彼此的联接轴向力为1300MPa以上且1800MPa以下。
(7)在接合面上的螺栓的插通部具有锪孔状的凹部。
(8)接合面的碳浓度为0.4wt％以上且0.6wt％以下。
(9)渗碳处理为真空渗碳处理。
本发明的联接结构体具备上述条件(1)～(9)中的至少(1)～(3)，从而判明了具有能够使确保弯曲疲劳强度和耐磨蚀性并存的一定的效果。另外，从比较例1～5表明，如果缺少条件(1)～(3)中的任一个，则成为产生破损的结果。
而且，关于满足上述条件(1)～(9)的全部的实施例1～5，判明了接合面上的磨蚀被抑制，且实现弯曲疲劳强度的确保和磨蚀的磨损粉引起的二次破损的防止的并存。换而言之，在作为本发明的联接结构体，实现弯曲疲劳强度的确保和耐磨蚀性二者的基础上，确认了上述条件(1)～(9)的有用性。
本发明的联接结构体的结构的细节不限于上述实施方式及实施例，在不脱离本发明宗旨的范围能够进行适当变更。另外，在各实施方式中，作为联接结构体，示例了用于可变压缩比发动机的中间连杆，但能够应用于由螺栓连结一对联接部件的结构，即在联接部件彼此的接合面上产生相对的往复移动的各种联接结构体。

Claims (8)

1.一种联接结构体，由螺栓连结相互接合的一对联接部件，其特征在于，
所述联接部件以钢铁为材料，
接合面以外的表面的硬度以洛氏硬度计为50HRC以上，
所述接合面的硬度以洛氏硬度计为30HRC以上且低于50HRC，
所述接合面的算术平均粗糙度Ra为0.2μm以上且0.5μm以下。
2.如权利要求1所述的联接结构体，其特征在于，
所述联接部件的所述接合面的表层为马氏体组织，并且，包含5～15％的剩余奥氏体。
3.如权利要求1或2所述的联接结构体，其特征在于，
所述联接部件的所述接合面的硬度从表面向内部减少，
该减少梯度为，距表面0.5mm以上0.6mm以下的位置的维氏硬度为550HV。
4.如权利要求1～3中任一项所述的联接结构体，其特征在于，
由所述螺栓联接的联接部件彼此的联接轴向力为1300MPa以上且1800MPa以下。
5.如权利要求4所述的联接结构体，其特征在于，
所述联接部件在所述接合面上的所述螺栓的插通部具有凹部。
6.如权利要求1～5中任一项所述的联接结构体，其特征在于，
所述联接部件的所述接合面的碳浓度为0.4wt％以上且0.6wt％以下。
7.如权利要求1～6中任一项所述的联接结构体，其特征在于，
该联接结构体用于根据配置于曲轴的下侧的控制轴的旋转位置改变活塞的上死点而使压缩比连续地变化的可变压缩比发动机，
具有由螺栓将夹着所述曲轴的曲柄销而相互接合的一联接部件及另一联接部件连结的结构，
将上端部与所述活塞连结的第一连杆的下端部可旋转地与所述一联接部件连结，并且，将下端部与所述控制轴的偏心轴部连结的第二连杆的上端部与所述另一联接部件可旋转地连结。
8.一种联接结构体的制造方法，其特征在于，具备：
在制造权利要求1～7中任一项所述的的联接结构体时，
对所述联接部件进行渗碳处理的工序，
所述渗碳处理为真空渗碳处理。
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