JP2008296267A - 組立式クランクシャフトの製造方法および組立式クランクシャフト - Google Patents

Abstract

【課題】回転方向におけるクランクアームの位相合せが簡単で精度確保が容易であり、しかもクランクジャーナルやクランクピンの中空内部の広範な利用を可能にすると共に、該中空内部への内装部品の収納も容易とする組立式クランクシャフトの製造方法を提供する。
【解決手段】クランクジャーナル１１、クランクピン１２を形成する中空のジャーナル部材、ピン部材を、クランクアーム１３を形成する一対のアーム部材の間で回転させて、それらの両端を前記アーム部材に摩擦溶接し、このとき、予め前記ジャーナル部材、ピン部材に強化部材１７Ａ、１７Ｂを圧入嵌合される。アーム部材を回転方向に位置固定して摩擦溶接するので、クランクアーム１３の回転方向の位相を簡単に合せることができる。また、バリ２０がクランクジャーナル１１およびクランクピン１２の両端側に形成されるので、様々な強度部材、機能部材を中空部１１ａ，１２ａに収めることができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、エンジン用クランクシャフトに係り、特にクランクジャーナルおよびクランクピンの領域で接合された組立式クランクシャフトの製造方法と該製造方法によって得られた組立式クランクシャフトとに関する。

従来、この種の組立式クランクシャフトは、中実のクランクジャーナルおよびクランクピンの中央を接合部位として、サブマージドアーク溶接を利用して組立てられるのが一般であったが（例えば、特許文献１参照）、最近では、量産性の向上、重量軽減、冷却能の向上等を意図して、クランクジャーナルおよびクランクピンを中空構造として、摩擦溶接を利用して組立てることが行われている（特許文献２）。

図６は、特許文献２に記載された組立式クランクシャフトを示したもので、クランクジャーナル１およびクランクピン２の中央を接合部位として摩擦溶接を利用して単独エレメント３同士が接合され、クランクジャーナル１内の中空室１ａとクランクピン２内の中空室２ａとは、クランクアーム４内に設けたオイル通路５により互いに接続された構造となっている。また、各中空室１ａ、２ａ内には、オイル案内の改善を図るための成形体６（内装部材）が収められている。

特公平６−６９６１６号公報 特開平９−１２６２１９号公報

しかるに、上記特許文献２に記載されるものでは、従来一般の組立式クランクシャフトの製造と同様、クランクジャーナル１およびクランクピン２の中央で摩擦溶接を行っているため、回転方向におけるクランクアーム３の位相合せが極めて困難で、所望の組立精度を安定して確保することができない、という問題があった。

また、摩擦溶接に際してクランクジャーナル１およびクランクピン２の中央に、それぞれの中空室１ａ、２ａに突出する大きなバリ７が形成されるため、各中空室１ａ、２ａに収める内装部材は限られたものとなり、クランクジャーナルおよびクランクピンの中空内部を広範に利用することができない、という問題があった。また、前記バリ７の形成により成形体６を安定して収めることが困難で、図６に示されるようにスペーサエレメント８にて成形体６を保持するなどの面倒な対策が必要で、製造が面倒になる、という問題もあった。

本発明は、上記した従来の問題点に鑑みてなされたもので、その課題とするところは、回転方向におけるクランクアームの位相合せが簡単で精度確保が容易であり、しかもクランクジャーナルやクランクピンの中空内部の広範な利用を可能にすると共に、該中空内部への内装部品の収納も容易とする組立式クランクシャフトの製造方法を提供し、併せて該製造方法によって得られた組立式クランクシャフトを提供することにある。

以下に、本発明の態様をいくつか例示し、それらについて項分けして説明する。なお、以下の説明で、強度部材とはクランクシャフトの強度強化に寄与する部材を、機能部材とはクランクシャフトの機能強化に寄与する部材をそれぞれいう。

（１）クランクアームを形成するアーム部材と、クランクジャーナルを形成する中空のジャーナル部材と、クランクピンを形成する中空のピン部材とを用意し、対向して配置した一対のアーム部材の間で前記ジャーナル部材、前記ピン部材を回転させて、該ジャーナル部材およぴピン部材の両端を前記アーム部材に摩擦溶接することを特徴とする組立式クランクシャフトの製造方法。

このように行う組立式クランクシャフトの製造方法においては、一対のアーム部材の間でジャーナル部材、ピン部材を回転させて、それらの両端をアーム部材に摩擦溶接するので、クランクアームの回転方向の位相を簡単に合せることができる。また、ジャーナル部材およびピン部材の両端がアーム部材に対する摩擦溶接部位となっているので、クランクジャーナルおよびクランクピンの中央内側にバリが形成されることはなく、クランクジャーナルおよびクランクピンの中空内部を、強度強化または機能強化のための様々な内装部材の収納スペースとして有効利用できる。さらに、クランクジャーナルおよびクランクピンの中央内側にバリが形成されることがないことから、クランクジャーナルおよびクランクピンの内面を内装部材の保持に利用でき、該内装部材の収納も容易となる。

（２）少なくともジャーナル部材の中空内部に、予め強度部材または機能部材を圧入嵌合することを特徴とする（１）項に記載の組立式クランクシャフトの製造方法。

本組立式クランクシャフトの製造方法は、上記したようにクランクジャーナルおよびクランクピンの中央内方にバリが形成されることがないので、（２）項に記載のように少なくともジャーナル部材の中空内部に、予め強度部材または機能部材を圧入嵌合することで、強度的または機能的に優れた組立式クランクシャフトを製造できる。

（３）クランクジャーナルおよびクランクピンの領域で接合され、前記クランクジャーナルおよびクランクピンが中空構造となっていて、該中空内部が互いにオイル通路を介して接続されている組立式クランクシャフトにおいて、前記クランクジャーナルおよびクランクピンとクランクアームとの連接部位で摩擦溶接されていることを特徴とする組立式クランクシャフト。

本（３）項記載の組立式クランクシャフトにおいては、クランクジャーナルおよびクランクピンの両端がクランクアームに対する摩擦溶接部位となっているので、クランクジャーナルおよびクランクピンの中央内方にバリが存在せず、クランクジャーナルおよびクランクピンの中空内部を、強度強化または機能強化のための様々な内装部材の収納スペースとして利用することができる。

（４）少なくともクランクジャーナルの中空内部に、強度部材または機能部材が圧入嵌合されていることを特徴とする請求項３に記載の組立式クランクシャフト。

本（４）項に記載の組立式クランクシャフトにおいては、少なくともクランクジャーナルの中空内部に、強度部材または機能部材が圧入嵌合されているので、強度的または機能的に強化される。

本発明に係る組立式クランクシャフトの製造方法によれば、クランクアームの回転方向の位相を簡単に合せることができるので、精度的に優れた組立式クランクシャフトを安定して製造できる。また、クランクジャーナルおよびクランクピンの中空内部を、強度強化または機能強化のための様々な内装部材の収納スペースとして有効利用できるので、利用価値の高い組立式クランクシャフトを製造できる。さらに、クランクジャーナルおよびクランクピンの中空内部への内装部材の収納や油孔の機械加工も容易となるので、製造性の向上も達成できる。

また、本発明に係る組立式クランクシャフトによれば、精度的に優れていることに加え、クランクジャーナルやクランクピンの中空内部を様々な内装部材の収納スペースとして利用することができるので、利用価値の高いものとなる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を添付図面に基いて説明する。

図１、２は、本発明に係る組立式クランクシャフトの第１の実施形態を示したものである。本第１の実施形態としての組立式クランクシャフト１０は、４気筒エンジン用として構成されており、回転軸線Ｃ上に所定の間隔で配置された複数（ここでは、３つ）のクランクジャーナル１１と、前記回転軸線Ｃと平行な軸線上に前記クランクジャーナル１１と交互をなすように配置された複数（ここでは、４つ）のクランクピン１２と、前記クランクジャーナル１１およびクランクピン１２を連結する複数のクランクアーム１３とを備えている。各クランクアーム１３にはカウンタウエイト部１４が一体に設けられており、また、両端側にはクランクジャーナル１１と同軸にフランジジャーナル１５、シャフトジャーナル１６が摩擦溶接されている。クランクジャーナル１１、フランジジャーナル１５およびシャフトジャーナル１６は、図示を略すクランクケースにベアリングを介して回動自在に支承され、一方、クランクピン１２には、図示を略すピストンと連動するコネクティングロッドが同じくベアリングを介して回動自在に連結されるようになっており、クランクシャフト１０は、ピストンの往復動に応じて回転軸線Ｃを中心に回転する。

本第１の実施形態において、上記クランクジャーナル１１、フランジジャーナル１５およびシャフトジャーナル１６を含むジャーナル部をはじめ、各クランクピン１２は中空構造となっている。なお、説明の便宜のため、以下ではクランクジャーナル１１を代表させてジャーナル部を説明する。クランクジャーナル１１の中空部（中空室）１１ａおよびクランクピン１２の中空部（中空室）１２ａには、後述の環状の強化部材（内装部材）１７Ａ、１７Ｂが収められている。強化部材１７Ａ、１７Ｂは、対応するクランクジャーナル１１、クランクピン１２に圧入嵌合する状態で固定されている。

また、各クランクジャーナル１１の中空部１１ａと各クランクピン１２の中空部１２ａとは、クランクアーム１３内に設けた油孔（オイル通路）１８を介して互いに接続されている。一方、クランクジャーナル１１およびクランクピン１２には、内部の強化部材１７Ａ、１７Ｂにも貫通する半径方向のポート（オイル通路）１９が設けられている。これにより、クランクジャーナル１１のベアリングに供給されたオイルは、ポート１９からクランクジャーナル１１内の中空部１１ａへ、該中空部１１ａから油孔１８を経てクランクピン１２内の中空部１２ａへ、さらに該中空部１２ａからポート１９を経てクランクピン１２のベアリングへと供給される。

本組立式クランクシャフト１０は、上記クランクジャーナル１１およびクランクピン１２とクランクアーム１３との連接部位で摩擦溶接されている。この摩擦溶接によってクランクジャーナル１１とクランクピン１２の両端部位にバリ２０（図２）が形成されるが、強化部材１７Ａ、１７Ｂの長さを適当に設定することで、これら強化部材１７Ａ、１７Ｂにバリ（内バリ）２０が干渉することはなく、クランクジャーナル１１、クランクピン１２の中空部１１ａ、１２ａ内に該強化部材１７Ａ、１７Ｂを安定して収めることができる。なお、外バリは、機械加工によって除去される。

ここで、強化部材１７Ａ、１７Ｂとしては、目的に応じて種々の強度部材または機能部材が選択される。すなわち、クランクジャーナル１１およびクランクピン１２の補強（強度アップ、剛性アップ等）を目的とする場合は、クランクシャフト１０の母材（以下、シャフト母材という）より高強度を有する強度部材が選択される。高強度クランクシャフトの場合は、クランクジャーナル１１およびクランクピン１２に高周波焼入を施して強度アップを図るのが一般であるので、この場合は、強度部材として熱処理（焼入、焼戻し）によってシャフト母材より高強度となる素材を選択し、事前に熱処理を施すようにする。また、補強を目的とする場合は、シャフト素材より線膨張係数の大きな強度部材を選択することも有効である。この場合は、使用中の温度上昇により該強度部材が熱膨張してクランクジャーナル１１およびクランクピン１２に強く密着するので、強度アップに寄与するものとなる。

一方、クランクジャーナル１１およびクランクピン１２の機能強化を目的とする場合は、その機能強化に適合した機能部材が選択される。例えば、冷却機能の向上を目的とする場合は、シャフト母材より熱伝導率の高い素材よりなる機能部材が選択される。この場合、重量増加をできるだけ抑えることを意図してアルミ系材料を選択するのが望ましい。また、防振機能の向上を目的とする場合は、振動吸収性に優れた機能部材が選択される。この場合、多孔質材の利用も有効である。

本組立式クランクシャフト１０を製造するには、図３に示すように、上記クランクジャーナル１１を形成する中空のジャーナル部材２１と、クランクピン１２を形成する中空のピン部材２２とクランクアーム１３（カウンタウエイト部１４を含む）を形成するアーム部材２３とを用意する。そして、アーム部材２３には、予め上記した油孔１８を形成し、一方、ジャーナル部材２１およびピン部材２２には、予め上記した強化部材１７Ａ、１７Ｂを圧入嵌合する。摩擦溶接に際しては、対向して配置した一対のアーム部材２３の間でジャーナル部材２１、ピン部材２２を回転させ、この回転するジャーナル部材２１、ピン部材２２の両端に一対のアーム部材２３を押付ける。すると、摩擦熱によりジャーナル部材２１、ピン部材２２の両端部が加熱され、該両端部が所定の加熱温度になったところでこれらの回転を停止し、一対のアーム部材２３を所定のアプセット力で押付ける。これによりジャーナル部材２１およぴピン部材２２の両端部がアーム部材２３に圧接（溶接）され、図１、２に示した組立式クランクシャフト１０が得られる。

上記のようにして行う組立式クランクシャフト１０の製造方法においては、一対のアーム部材２３の間でジャーナル部材２１、ピン部材２２を回転させて、それらの両端をアーム部材２３に摩擦溶接するので、溶接中、アーム部材２３の回転方向の位置は一定となる。したがって、事前にアーム部材２３を回転方向に位置決めすれば、摩擦溶接によってクランクアーム１３の回転方向の位相が変化することはなく、これによって組立精度に優れた組立式クランクシャフト１０を安定して得ることができる。また、ジャーナル部材２１およびピン部材２２の両端がアーム部材２３に対する摩擦溶接部位となっているので、予めジャーナル部材２１、ピン部材２２に強化部材１７Ａ、１７Ｂを圧入嵌合させても、摩擦溶接によるバリ２０（図２）が強化部材１７Ａ、１７Ｂに干渉することはなく、強化部材１７Ａ、１７Ｂを安定して中空部１１ａ、１２ａ（図１、２）に収めることができる。さらには、ジャーナル部材２１、ピン部材２２に強化部材１７Ａ、１７Ｂを圧入嵌合させるので、強化部材１７Ａ、１７Ｂを保持するための特別の対策は不要になり、その分、製造が容易となる。

図４は 本発明に係る組立式クランクシャフトの第２の実施形態を示したものである。なお、本第２の実施形態としての組立式クランクシャフト１０の基本構造は上記第１の実施形態と同じであるので、ここでは、図１、２に示した部分と同一部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する。本第２の実施形態の特徴とするところは、上記第１の実施形態における強化部材１７Ａ、１７Ｂに代えて、トーショナルダンパ（内装部材）３０Ａ、３０Ｂをクランクジャーナル１１の中空部１１ａおよびクランクピン１２の中空部１２ａに収めた点にある。

上記トーショナルダンパ３０Ａ、３０Ｂは、ここでは環状のウエイト部材３１と該ウエイト部材３１に嵌合された環状の弾性体３２との二重構造となっており、クランクジャーナル１１およびクランクピン１２の内面に圧入嵌合されている。このようなトーショナルダンパ３０Ａ、３０Ｂをクランクジャーナル１１およびクランクピン１２の中空内部に配置したことにより、質量部としてのウエイト部材３１と弾性体３２とによりバネ−質量系が構成され、クランクシャフト１０の捩れ振動の振幅が大きくなると、該バネ−質量系が共振して、クランクシャフト１０の捩れ振動が低減される。したがって、このトーショナルダンパ３０は、本発明でいう機能部材に相当する。

本第２の実施形態としてのクランクシャフト１０の製造方法は、上記第１の実施形態と同じであり、図３に示したように、予めジャーナル部材２１およびピン部材２２の内部に上記したトーショナルダンパ３０Ａ、３０Ｂを圧入嵌合し、これらを一対のアーム部材２３の間で回転させて摩擦溶接を行う。

なお、上記第１、第２の実施形態においては、クランクジャーナル１１およびクランクピン１２の双方の中空部に強化部材１７Ａ、１７Ｂ（図１、２）、トーショナルダンパ３０Ａ、３０Ｂ（図４）収めるようにしたが、これら強化部材、トーショナルダンパはクランクジャーナル１１側だけに収めてもよいものである。

図５は 本発明に係る組立式クランクシャフトの第３の実施形態を示したものである。なお、本第３の実施形態としての組立式クランクシャフト１０の基本構造も上記第１の実施形態と同じであるので、ここでは、図１、２に示した部分と同一部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する。本第３の実施形態の特徴とするところは、上記第１の実施形態における強化部材１７Ａに代えて、オイル送り部材（内装部材）４０をクランクジャーナル１１の中空部１１ａに収めた点にある。

上記オイル送り部材４０は、環状の本体部４１の内面に螺旋状（ねじ状、フィン状）の翼部４２を設けており、クランクジャーナル１１の内面に圧入嵌合されている。このオイル送り部材４０においてその翼部４２は、油孔１８側へのオイル流れを生じるように螺旋向きが設定されている。このようなオイル送り部材４０をクランクジャーナル１１の中空部１１ａに配置したことにより、該中空部１１ａ内に供給されたオイルは、クランクシャフト１０の回転に応じてオイル通路１８を経てクランクピン１２内の中空部１２ａへ効果的に送られる。この結果、オイル通路１８、１９内の圧損が低下し、これによって小型のオイルポンプの使用が可能になり、潤滑系のコスト低減を図ることができる。したがって、このオイル送り部材４０は、本発明でいう機能部材に相当する。

本第３の実施形態としてのクランクシャフト１０の製造方法は、上記第１の実施形態と同じであり、図３に示したように、予めジャーナル部材２１の内部に上記したオイル送り部材４０を圧入嵌合し、これらを一対のアーム部材２３の間で回転させて摩擦溶接を行う。

本発明の第１の実施形態である組立式クランクシャフトの全体構造を示す断面図である。 本第１の実施形態である組立式クランクシャフトの要部構造を示す断面図である。 本第１の実施形態である組立式クランクシャフトの組立方法を示す模式図である。 本発明の第２の実施形態である組立式クランクシャフトの要部構造を示す断面図である。 本発明の第３の実施形態である組立式クランクシャフトの要部構造を示す断面図である。 従来の組立式クランクシャフトの一例を示す断面図である。

符号の説明

１０ 組立式クランクシャフト
１１ クランクジャーナル
１１ａ クランクジャーナルの中空室
１２ クランクピン
１２ａ クランクピンの中空室
１３ クランクアーム
１４ カウンタウエイト部
１７Ａ、１７Ｂ 強化部材（内装部材）
１８ 油孔（油通路）
１９ ポート（油通路）
２０ バリ
２１ ジャーナル部材
２２ ピン部材
２３ アーム部材
３０Ａ、３０Ｂ トーショナルダンパ（内装部材）
３１ ウエイト部材
３２ 弾性体
４０ オイル送り部材

Claims (4)

1. クランクジャーナルを形成する中空のジャーナル部材と、クランクピンを形成する中空のピン部材とクランクアームを形成するアーム部材とを用意し、対向して配置した一対のアーム部材の間で前記ジャーナル部材、前記ピン部材を回転させて、該ジャーナル部材およぴピン部材の両端を前記アーム部材に摩擦溶接することを特徴とする組立式クランクシャフトの製造方法。
2. 少なくともジャーナル部材の内面に、予め強度部材または機能部材を圧入嵌合することを特徴とする請求項１に記載の組立式クランクシャフトの製造方法。
3. クランクジャーナルおよびクランクピンの領域で接合され、前記クランクジャーナルおよびクランクピンが中空構造となっていて、該中空内部が互いにオイル通路を介して接続されている組立式クランクシャフトにおいて、前記クランクジャーナルおよびクランクピンとクランクアームとの連接部位で摩擦溶接されていることを特徴とする組立式クランクシャフト。
4. 少なくともクランクジャーナルの中空部に、強度部材または機能部材が圧入嵌合されていることを特徴とする請求項３に記載の組立式クランクシャフト。

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