JP2004522913A - 溶椄により結合される部分を持つ軸 - Google Patents

Abstract

軸（１）上に固定されて一緒に回転する素子（２）は、軸の軸線（３）に対して横向きに位置する面を持ち、軸（１）の座面（４）と軸線に対して直角な素子の面（６，８）との間に形成される隅において、溶接が行われる。回転に悪影響を及ぼすことなく耐久的な結合を行うため、溶接ビード（２０）が、軸（１）の軸線（３）に対して横向きに位置する面（６；８）にある始点（２１）から始まって、隅に導かれ、それから更に、軸の軸線に対して横向きに位置する面（６；８）にある終点（２１′）へ導かれる。
図：図１

Description

【０００１】
本発明は、軸であって、その上に取付けられかつ固定されて一緒に回転する素子を持ち、少なくとも素子が取付けられる区域において軸が円柱状であり、素子が円柱状座面及び座面に対して横向きに位置する少なくとも１つの面を持ち、軸の座面と座面に対して横向きに位置する素子の面との間に形成される隅において溶接が行われるものに関する。ここで区域とは、素子の固定個所及び少なくとも１つの長手方向におけるその周囲である。
【０００２】
軸は、駆動軸、変速機軸、クランク軸、カム軸又はピストン機関の釣合い軸であり、従って一緒に回転する素子は、任意のフランジ、車又は歯車、クラッチの部分、カム又は釣合い重りであり得る。特に高い回転数で回転する軸が考えられ、従って精度及び回転に関して高度の要求が軸に課される。このような軸は一般に熱処理鋼または肌焼鋼から成り、素子はしばしば肌焼鋼及び／又は鍛造部品、精密鋳造部品又は焼結部品から成っている。
【０００３】
一緒に回転する部品に対して有利で好ましい材料は、０．４５％以下の炭素含有量を持つ鋼又は鋳鉄又は球状黒鉛鋳鉄であり、基本組織の基質は、少なくとも０．４５％のフエライト、残部はパーライト、マルテンサイト又は中間段階組織（ベイナイト）から成っている。
【０００４】
このような組合わせでは、摩擦溶接又はレーザ溶接を使用する特別の解決策を別として、特にアーク溶接による直接の溶接結合を回避せねばならない、という信条があった。これに対して２つの理由があった。即ち第１の軸の加熱は、回転に悪影響を及ぼす歪みを生じ、第２に溶接ビードの始端及び／又は終端に亀裂が生じて、疲労限度を低下させるか又は早期の破壊を生じる。亀裂の発生は、特に、アークの確立及び衰弱が溶接部の溶融に同期化不能なことで説明される。
【０００５】
従って本発明の課題は、直接の溶接特にアーク溶接のこのような組合わせを利用可能にすることである。精度、回転又は疲労限界に悪影響を及ぼすことなく、軸と素子とが結合されるようにする。
【０００６】
本発明によれば、これは、溶接ビードが、軸の座面に対して横向きに位置する面上の始点において始まり、隅へ導かれ、それから再び座面に対して横向きに位置する面上の終点へ導かれていることによって、達せられる。
従って溶接ビードの始点及び終点は、傷つき易い部分、大抵の場合軸から離れている。少なくともこの面の区域において荷重を受けることの少ない素子の横向きに位置する面上において、溶接ビードの始端クレータ及び／又は終端クレータは邪魔にならない。その結合する部分は隅にある。溶接ビードは、軸の全周に従うことができるが、そうする必要はない。即ち溶接ビードは周囲の１つの部分又は複数の部分に限られたままにすることができる。このような隅に設けられる溶接継手の有利な負荷事例は、非常に細い短い溶接ビードを可能にする。それにより溶接ビードの特別な形状によって、熱の導入が少なく、軸は歪まない。
【０００７】
座面に対して横向きに位置する面の位置に応じて、溶接ビードの種々の形状が有利である。第１の実施形態において、軸の座面に対して横向きに位置する面が、軸線に対して実質的に直角であり、溶接ビードが始点から隅へ導かれ、弧部分を経て隅の後に続き、それから湾曲部により終点へ導かれている（請求項２）。それにより溶接ビードが一定の速度で引かれるようにすることができる。溶接ビードが角を作ると、この角の所でアークの滞在期間が長くなり、工作物の局部加熱が大きくなる。第２の実施形態では、溶接ビードが始点から終点へ直線的に導かれ、その間で隅に接している（請求項３）。この溶接ビードは特に容易に形成可能であり、形成時間を節約し、一定の溶接速度を保証する。溶接ビードの幅のため、溶接ビードは、直線上の案内にもかかわらず、有限の長さの弧を含む。
【０００８】
軸の座面に対して横向き位置する面が軸線に対して実質的に平行であると、溶接ビードが、湾曲部にある始点から隅へ、更に終点へ導かれている（請求項４）。別の実施形態では、溶接ビードが、始点から終点まで、隅に接する弧で導かれている（請求項５）。
【０００９】
軸線に対して平行な複数の面の場合、これらの面が繰返して素子が同じ相互間隔で周囲にわたって分布し、これらの面の各々が軸と共に溶接ビードを受入れる隅を形成している（請求項６）。
【００１０】
こうして形成される結合部の良好な疲労限度を可能にし、できるだけ僅かで局部的にすぎない加熱への努力を可能にするため、本発明の展開において、溶接ビードの高さが軸の直径の１／１５〜１／２５である（請求項７）。溶接ビードの高さは、隅継手では、それを区画する四分円の半径で規定される。
【００１１】
溶接継手の熱的及び冶金的改善のため、ＭＩＧ溶接が実施されない場合、溶接（ＴＩＧ溶接、プラズマ溶接又はレーザ溶接）が保護ガス中で冷たい補足線を供給しながら行われる（請求項８）。ある種の基本材料では、溶接がオーステナイトの補足線を供給しながら行われる（請求項９）。冷たい補足線は熱の導入を少なくする。しかしこれは、ＭＩＧ法におけるように補足線が通電しない時にのみ可能である。オーステナイト補足線は組織を改善するように作用する。
【００１２】
分割されないケースにおいて、ケース内で一緒に回転する機関素子を既に組込まれている軸に結合しようとする場合、ＴＩＧ溶接又はプラズマ溶接が使用される。なぜならばこの方法では、溶接スパッタが生じないからである。脈動する溶接電流は、良好な溶込みで可能な限り僅かな熱の導入を行うために特に有利である。
【００１３】
軸が内燃機関の釣合い軸であり、素子が偏心した重心を持つ釣合い重りであるものにおいて、本発明によれば、溶接部が軸の重心とは反対の側に設けられている（請求項１０）と、特に有利である。
この側では、素子のはめ合い面が、遠心力により軸へ押付けられ、それにより有利な応力状態が得られる。
【００１４】
機能的かつ製造技術的に有利な構造は、釣合い重りが、軸の重心とは反対側にある２つの外側端面及び切欠きを持つ偏心環であり、それにより釣合い重りが、切欠きの両側で互いに向き合う内側面を持つ２つの環部分と、偏心した重心の側にある扇形部分とから成っている点（請求項１１）にある。釣合い重りのこの構成では、最小の重質量により、重心の最大偏心距離が得られる。それにより、極端な場合軸の軸線に対して横向きに位置する４つの面及び軸線に対して平行に位置する２つの面が、溶接結合のために利用可能であり、横向きに位置する面の２つが周囲の一部にわたってのみ利用可能である。
【００１５】
有利な解決策は、溶接ビードが軸線に対して直角な内側面に設けられている（請求項１２）。これらの溶接ビードはそこに実際上構造空間も必要とせず、軸を包囲する釣合い重りの支持作用により応力を受けない軸の個所に存在する。
【００１６】
特に良好な解決策は、溶接ビードが軸線に対して平行な内側面に設けられており（請求項１３）、これらの内側面の２つが直径上で互いに対向している点（請求項１４）にある。それにより万一の熱歪みが中心対象であり、互いに打消し合う。
【００１７】
図により本発明が以下に説明される。
【００１８】
図１及び図２において、軸が符号１を付けられ、その回転軸線が符号３を付けられ、軸１上に固定されて一緒に回転する素子が符号２を付けられている。軸１はここでは釣合い軸であり、一緒に回転する素子は釣合い重りであり、この釣合い重りは軸１の円柱状座面４上に取付けられている。軸１はここではその全長にわたって円柱状であるが、素子の片側で段付けされて、直径を増大されることもできるので、そこに一層大きい円柱状座面４′を持っている。
【００１９】
素子２、ここでは平衡重りは、２つの外側面６と、周囲の一部にわたってのみ延びる切欠き７とを持ち、この切欠きは２つの内側端面８を形成している。これらの端面８は、一般に軸線３に対して横向きに位置し、特別な場合軸線に対して直角である。こうして面６，８と軸１の座面４との間に直角の隅が形成されて、溶接のために提供される。面６，８は軸線に対して直角でなくてもよい。即ちその直線母線が軸の座面と角をなし、この角が直角の程度であれば、充分である。
【００２０】
釣合い重り２は２つの環部分９と偏心した重心１１を持つ扇形部分１０とから成っている。間にある切欠き７を持つ両方の環部分９は、それにより「ズボン吊り」を形成し、このズボン吊りが運転中扇形部分１０を遠心力に対して保持する。釣合い重り２は、例えば軸１の座面４へ滑りばめではまる円筒状座面１２を持っている。
【００２１】
軸は、ここでは通常の状態ではよく溶接できない熱処理鋼たとえば熱処理された４２ＣｒＭｏ４から成り、焼入れされるか又は肌焼きされている。焼入れされた組織を持つ両部分の溶接は、一般に特別な手段、例えば特別な溶接添加材を必要とする。釣合い重り２はここでは鋳造された肌焼き鋼例えばＣ１５から成っているが、鋳鋼又は球状黒鉛鋳鉄（例えばＧＧＧ４０）から成っていてもよい。
【００２２】
釣合い重り２を軸１上に固定するため、両方の内側面８にそれぞれ１つの溶接ビード２０が設けられる。溶接ビード２０は、始点２１即ち始端クレータから、本来の溶接継手である弧部分２３にある湾曲部２２を経て、再び湾曲部２２を経て、終点２１即ち終端クレータへ延びている。ここでは溶接される面の角対称面にある溶接ビード２０の高さ２４は、小さくてもよく、例えば２５ｍｍの軸直径では１．３ｍｍである。この細い溶接ビードによって、工作物へ僅かな熱しか導入されない。
【００２３】
図３は、図２の変形例を示し、溶接ビード３０が始端クレータ３１と終端クレータ３１′との間で直線的に延びている点でのみ図２とは相違している。その場合溶接継手自体は、溶接ビード３０が軸１に接する区域３３のみである。
【００２４】
図４は別の適用例を示している。軸１上にボス４２がある。その結合のため、互いに対向する２つの溶接ビード４０が設けられ、その推移は図２に示すものと同じである。万一の熱歪みを考慮する溶接ビードの対称配置の利点は明らかである。
【００２５】
最後に図５は、適用例として軸１上への歯車５２の固定を示している。ここでは３つの直線状溶接ビード５０が設けられ、その始端クレータ５１及び終端クレータ５１′は、再び軸１から離れて歯車５２上にある。本発明による溶接結合は、すべての端面で、従ってこの場合見えない歯車５２の側でも行うことができる。歯車が肌焼きされている場合、溶接継手の範囲では肌焼きしないようにする。
【００２６】
溶接自体は、保護ガス中でなるべくＴＩＧ又はＭＩＧ法で行われ、例えば材料対において、オーステナイトの補足線が供給される。熱の導入を最小にするため、補足線は、冷たい状態で、従って予熱されずに供給される。
【００２７】
図６は、ここでは断面図でなく側面図で示されている釣合い軸の例で、溶接結合の実施形態を示している。この他の実施形態は、図１の実施形態の代わりに又はこれに加えて使用することができる。
【００２８】
展開図では長方形の切欠き７は、軸線に対して直角な平面にある２つの内側面８と、軸線に対して平行な平面にある２つの別の内側面６０により区画されている。これらの両方の面６０も軸の座面と共に隅を形成し、この実施形態ではこれらの隅がそれぞれ１つの溶接ビード６１を受入れている。溶接ビード６１は、湾曲部６３にある始端クレータ６２から、溶接結合を行う直線部分へ、それから再び湾曲部にある終端クレータ６２′へ延びている。両方のクレータ６２，６２′は、再び釣合い重り１０の内側面６０のみにある。図７の変形例では、溶接ビード７１は、弧なるべく円弧にある始端クレータ７２から終端クレータ７２′へ延びている。弧状の溶接ビード７１は、長さ７４にわたって軸と釣合い重りとの結合を行う。
【００２９】
上述した溶接結合は、軸の減少しない回転精度で非常に良好な疲労限界値を得た。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の対象の縦断面図を示す。
【図２】図１のＢ−Ｂによる横断面図を示す。
【図３】変形例における図１のＢ−Ｂによる横断面図を示す。
【図４】図２に類似な本発明の第１の他の実施形態の横断面図を示す。
【図５】図２に類似な本発明の第２の他の実施形態の横断面図を示す。
【図６】他の実施形態における図１の対象の平面図を示す。
【図７】図６の変形例を示す。

Claims (14)

1. 軸（１）であって、その上に取付けられかつ固定されて一緒に回転する素子（２）を持ち、少なくとも素子が取付けられる区域において軸が円柱状であり、素子が円柱状座面（１２）及び座面に対して横向きに位置する少なくとも１つの面を持ち、軸の座面と座面に対して横向きに位置する素子の面との間に形成される隅において溶接が行われるものにおいて、溶接ビード（２０；３０；４０；５０；６１；７１）が、軸（１）の座面に対して横向きに位置する面（６；８；６０）上の始点（２１；３１；４１；５１；６２；７２）において始まり、隅へ導かれ、それから再び座面に対して横向きに位置する面（６；８；６０）上の終点（２１′，３１′，４１′；５１′，６２′，７２′）へ導かれていることを特徴とする軸。
2. 軸の座面に対して横向きに位置する面（６；８）が、軸線に対して実質的に直角であるものにおいて、溶接ビード（２０；４０）が始点（２１；４１）から隅へ導かれ、弧部分（２３）を経て隅の後に続き、それから湾曲部（２２）により終点（２１′；４１′）へ導かれていることを特徴とする、請求項１に記載の軸。
3. 軸の座面に対して横向きに位置する面（６；８）が軸線に対して実質的に直角であるものにおいて、溶接ビード（３０；５０）が始点（３１；５１）から終点（３１′；５１′）へ直線的に導かれ、その間で隅に接していることを特徴とする、請求項１に記載の軸。
4. 座面（１２）に対して横向き位置する面（６０）が軸線に対して実質的に平行であり、溶接ビード（６１）が、湾曲部（６３）にある始点（６２）から隅へ、更に終点（６２′）へ導かれていることを特徴とする、請求項１に記載の軸。
5. 座面（１２）に対して横向き位置する面（６０）が軸線に対して実質的に平行であり、溶接ビード（７１）が、始点（７２）から終点（７２′）まで、隅に接する弧（７４）で導かれていることを特徴とする、請求項１に記載の軸。
6. 素子が同じ相互間隔で周囲にわたって分布し、かつ軸線に対して実質的に平行な複数の面を持ち、これらの面の各々が軸と共に溶接ビードを受入れる隅を形成していることを特徴とする、請求項４に記載の軸。
7. 溶接ビードの高さ（２４）が軸（１）の直径の１／１５〜１／２５であることを特徴とする、請求項１に記載の軸。
8. 溶接が保護ガス中で冷たい補足線を供給しながら行われることを特徴とする、請求項１に記載の軸。
9. 溶接が保護ガス中でオーステナイトの補足線を供給しながら行われることを特徴とする、請求項１に記載の軸。
10. 軸（１）が内燃機関の釣合い軸であり、素子（２）が偏心した重心（１１）を持つ釣合い重りであるものにおいて、溶接部が軸（１）の重心（１）とは反対の側に設けられていることを特徴とする、請求項１に記載の軸。
11. 釣合い重りが、軸（１）の重心（１１）とは反対側にあって軸線に対して直角な２つの外側面（６）及び切欠き（７）を持つ偏心環であり、それにより釣合い重りが、切欠き（７）の両側で互いに向き合う内側面（８）を持つ２つの環部分（９）と、偏心した重心の側にある扇形部分（１０）とから成っていることを特徴とする、請求項１０に記載の軸。
12. 内側面（８）が軸線に対して直角であるものにおいて、溶接ビード（２０；３０）が軸線に対して直角な内側面（８）に設けられていることを特徴とする、請求項１１に記載の軸。
13. 内側面（６０）が軸線に対して平行であるものにおいて、溶接ビード（６１；７１）が軸線に対して平行な内側面（６０）に設けられていることを特徴とする、請求項１１に記載の軸。
14. 内側面（６０）が軸線に対して平行であるものにおいて、軸線に対して平行な内側面（６０）が互いに対向し、その各々が溶接ビード（６１；７１）を受入れていることを特徴とする、請求項１３に記載の軸。