JP2012149743A - エンジン用シャフト - Google Patents

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Abstract

【課題】エンジン用シャフトを組立式として一体型の転がり軸受の使用を可能とし、内輪や外輪のずれを懸念することなく、低フリクションで、耐久性が高い、エンジン用シャフトを提供するものである。
【解決手段】組立式のエンジン用シャフトのジャーナル軸５の外径面に配置された転がり軸受４を、一体型の内輪４ａ、８ａと外輪４ｃ、８ｃの間に、保持器４ｄ、８ｄ付きのころ４ｂ、８ｂを収容した一体型転がり軸受によって構成し、内輪４ａ、８ａ、外輪４ｃ、８ｃ、ころ４ｂ、８ｂのうちの少なくとも一つの部材を、窒素富化層を有する部材で構成し、耐久性を向上させた。
【選択図】図２

Description

この発明は、自動車エンジンのクランクシャフト、可変動弁機構のコントールシャフトやカムシャフト、バランサ装置のバランスシャフトなどの組立式のエンジン用シャフトに関するものである。
例えば、内燃機関においては、ピストンの往復運動を、コンロッドを介してクランクシャフトにより回転運動に変換している。
このクランクシャフトには、一体式のものと組立式のものとがある。
一体式のクランクシャフトは、クランクジャーナル支持軸受やコンロッドの大端部を、軸方向から挿入することができないため、これらを分割してクランクシャフトに組立てなければならない。
また、クランクジャーナルやクランクピンの外周に転がり軸受を配置する場合においても、軸方向から転がり軸受を挿入することができないため、転がり軸受としては、内輪や外輪を分割した分割型の転がり軸受を使用する必要がある。
このような分割型の転がり軸受を配置する場合には、内輪や外輪がずれ易く、耐久性に懸念がある。
これ対し、特許文献１や特許文献２に開示されているような、クランクウェブ、クランクピン、クランクジャーナルを分割ピースで構成した組立式のクランクシャフトの場合、組立前に、軸方向からクランクジャーナル支持軸受やコンロッドの大端部を挿入することができる。
また、クランクピンやクランクジャーナルの外周に転がり軸受を配置する場合も、組立前に、クランクピンやクランクジャーナルの外径面に軸方向から転がり軸受を挿入することができるため、転がり軸受として、内輪や外輪が分割されていない一体型のものを使用することができる。
特開２００３−３１４５２９号公報 特開２００９−２５７５１２号公報
ところで、近年は、自動車の高速化が進み、また、燃費向上を図るために、クランクシャフト、可変動弁機構のコントールシャフトやカムシャフト、バランサ装置のバランスシャフト等のエンジン用シャフトについてもより低フリクションで、耐久性が要求されるようになっている。
そこで、この発明は、クランクシャフト等のエンジン用シャフトに一体型の転がり軸受を使用し、内輪や外輪のずれの懸念をなくし、しかも低フリクションで、耐久性が高い、組立式のエンジン用シャフトを提供しようとするものである。
前記の課題を解決するために、この発明に係る組立式のエンジン用シャフトは、一体型の内輪と外輪の間に、保持器と転動体を収容した一体型転がり軸受が配置され、内輪、外輪、転動体は、鋼製で、その少なくとも一つを、窒素富化層を有する部材で構成している。
この発明に係る組立式のエンジン用シャフトとしては、クランクウェブ、クランクピン及びクランクジャーナルを分割した組立式のクランクシャフトの他、エンジンの可変動弁機構のコントロールシャフト、カムシャフト、バランサ装置のバランスシャフトなどがある。
前記窒素富化層は、オーステナイト結晶粒度の粒度番号が１０番を超え、かつ、残留オーステナイト量が１１体積％以上２５体積％以下であって、かつ、窒素含有量が０．１重量％以上０．５重量％以下であって、かつ、表面硬度がＨＲＣ５８（Ｈｖ６５３）以上であることを特徴とする。
前記クランクシャフトに使用する転がり軸受の外輪は、コンロッドの大端部の内面に直接形成するようにしてもよい。
前記クランクシャフトに使用する転がり軸受の内輪は、組立前に、クランクピンとクランクジャーナルの外径面に圧入している。
前記転がり軸受は、ニードル軸受又は円筒ころ軸受を使用することができる。
前記ニードル軸受又は円筒ころ軸受の外輪は、鍔付きにすることができる。
前記転がり軸受は、玉軸受であってもよい。
前記クランクシャフトを構成するクランクピンとクランクジャーナルは、鋳鉄製にすることができる。
この発明に係るエンジン用シャフトは、４サイクル２気筒以上のエンジンに使用することができる。
この発明に係る組立式のエンジン用シャフトは、一体型の転がり軸受を使用するので、内輪や外輪のずれの懸念がなく、しかも内輪、外輪、転動体の少なくとも一つの部材を、窒素富化層を有する耐久性を有する部材で構成しているので、低フリクションで、耐久性が高い。
この発明に係る組立式のエンジン用シャフトの実施形態であるクランクシャフトの組立後の状態を示す正面図である。 図１の組立式のクランクシャフトの組立前の分割パーツの一部を示す縦断正面図である。 この発明に係るエンジン用シャフトの実施形態である組立式のクランクシャフトの他の形態を示す組立後の部分拡大正面図である。 この発明に係るエンジン用シャフトの実施形態である組立式のクランクシャフトの他の実施形態を示す組立後の部分拡大正面図である。 二段階の熱処理方法を説明する図である。 二段階の熱処理方法の変形例を説明する図である。 この発明に係る組立式のエンジン用シャフトの実施形態であるコントロールシャフトの組立後の部分拡大正面図である。 この発明に係る組立式のエンジン用シャフトの実施形態であるカムシャフトの組立後の部分拡大正面図である。 この発明に係る組立式のエンジン用シャフトの実施形態であるバランスシャフトの組立後の部分拡大正面図である。
以下、この発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
図１は、この発明に係る組立式のエンジン用シャフトの実施形態である直列４気筒用のクランクシャフトの組立後の状態を示している。
直列４気筒用のクランクシャフトは、第１〜第５のクランクジャーナル部１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｅの間に、第１〜第４の４組のクランク部２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄを設けた構成であり、第５のクランクジャーナル部１ｅの端部にはフランジ３を設けている。
図２は、組立前の第１〜第２のクランクジャーナル部１ａ、１ｂと、その間に設けられる第１のクランク部２ａを示しており、その他の第３〜第５のクランクジャーナル部１ｃ、１ｄ、１ｅは、第２のクランクジャーナル部１ｂと、第２〜第４の３組のクランク部２ｂ、２ｃ、２ｄは、第１のクランク部２ａと同様の分割ピースからなる。
第１〜第２のクランクジャーナル部１ａ、１ｂのジャーナル軸５の外径面には、転がり軸受４が配置されている。
転がり軸受４は、図１及び図２に示すニードル軸受の他、エンジンブロックに十分なスペースがある場合には、断面高さが高い円筒ころ軸受や玉軸受を使用することができる。
図１及び図２の転がり軸受４は、ニードル軸受であり、内輪４ａ、保持器４ｄ付きのころ４ｂ、外輪４ｃからなる。
クランクジャーナル部１ａ、１ｂのジャーナル軸５の外径面には、内輪４ａが、組立前に圧入され、さらにその外面に、保持器４ｄ付きのころ４ｂと外輪４ｃが軸方向から挿入される。
第１〜第４の４組のクランク部２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄは、それぞれ対向するクランクウェブ６をクランクピン７によって締結した構造であり、クランクウェブ６の対向面の偏心位置にピン穴６ａを設け、このピン穴６ａにクランクピン７の端部を圧入することによって組み立てられる。
クランクピン７の外径面には、組立前に、転がり軸受８を介してコンロッド９の大端部が軸方向から挿入される。
転がり軸受８は、ニードル軸受であり、内輪８ａ、保持器８ｄ付きのころ８ｂ、外輪８ｃからなり、図１及び図２の実施形態では、外輪８ｃを、コンロッド９の大端部の内径面に一体形成しているが、外輪８ｃを、図３の実施形態に示すように、コンロッド９の大端部と別体にしてもよい。
転がり軸受８の内輪８ａは、組立前に、クランクピン７の外径面に圧入し、内輪８ａの外面に、保持器８ｄ付きのころ８ｂと、外輪８ｃを内面に一体形成したコンロッド９の大端部を軸方向から挿入している。
第１〜第４の４組のクランク部２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄのクランクウェブ６の外面の中心には、第１〜第５のクランクジャーナル部１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｅのジャーナル軸５の端部が、圧入される軸穴１０が形成されている。
図３に示す実施形態においては、転がり軸受４、転がり軸受８として、外輪８ｃに鍔が付いたニードル軸受を使用している。
また、図４に示す実施形態においては、第１〜第５のクランクジャーナル部１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｅに配置される転がり軸受４に、玉軸受を使用している。
上記第１〜第４の４組のクランク部２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄのクランクウェブ６、フランジ３、第１〜第５のクランクジャーナル部１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｅのジャーナル軸は、鋳鉄によって形成することができるが、鋳鉄を使用したクランクシャフトでは、高周波処理やオーステンパー処理などの熱処理を行なっても、表面硬度を軸受転走面に必要なＨＲＣ５８（Ｈｖ６５３）以上までは上げられない。
このため、この発明では、転がり軸受４、転がり軸受８の転動疲労寿命を向上させるために、ＳＵＪ２などの鋼製で形成された、内輪４ａ、８ａ、ころ４ｂ、８ｂ、外輪４ｃ、８ｃの少なくとも一つの接触面に、次のような窒素富化層を設けている。
有効な窒素富化層としては、オーステナイト結晶粒度の粒度番号が１０番を超え、かつ、残留オーステナイト量が１１体積％以上２５体積％以下であって、かつ、窒素含有量が０．１重量％以上０．５重量％以下であって、かつ、表面硬度がＨＲＣ５８（Ｈｖ６５３）以上のものがある。
窒素富化層をこのような構成にすることにより、内輪４ａ、８ａ、ころ４ｂ、８ｂ、外輪４ｃ、８ｃの接触面の疲労寿命を向上させることができ、軸受の耐久性が向上し、クランクシャフトの長寿命化を図ることができる。
上記の窒素富化層は、内輪４ａ、８ａ、ころ４ｂ、８ｂ、外輪４ｃ、８ｃの接触面に対して、以下に説明する低温二次焼入法の熱処理を施すことにより、形成することができる。
図５は、上記の窒素富化層を有する部材を得るための二段階の熱処理方法の一例を説明する図である。また、図６は、図５に示す二段階の熱処理方法の変形例を説明する図である。図５は、一次焼入および二次焼入を行う方法を示す熱処理パターンであり、図６は、焼入途中で材料をＡ１変態点温度以下に冷却し、その後、再加熱して最終的に焼入する方法を示す熱処理パターンである。いずれも、上記した窒素富化層を有する部材を得ることができる。これらの図において、処理Ｔ１では鋼の素地に炭素や窒素を拡散させまた炭素の溶け込みを十分に行った後、Ａ１変態点以下に冷却する。次に、図中の処理Ｔ２において、処理Ｔ１よりも低温に再加熱し、そこから油焼入を施す。なお、上記した図５および図６に示す熱処理方法を、総称して二段階熱処理と呼ぶ。
上記の熱処理は、浸炭窒化処理に引き続いてそのまま１回焼入するよりも、表層部分を浸炭窒化しつつ、割れ強度を向上させ、経年寸法変化率を減少することができる。上記の熱処理方法によれば、オーステナイト結晶粒の粒径を従来の２分の１以下となるミクロ組織を得ることができる。上記の熱処理を受けた部材は、転動疲労特性が長寿命であり、割れ強度を向上させ、経年寸法変化率も減少させることができる。
なお、オーステナイト結晶粒は、窒素富化層が存在する表層部でも、それより内側の内部でも変化しない。したがって、上記の結晶粒度番号の範囲の対象となる位置は、表層部および内部とする。
上記のオーステナイト結晶粒度は、ＪＩＳに規定されている通常の方法で求めてもよいし、上記結晶粒度番号に対応する平均粒径を切片法により求めて換算してもよい。ここで、オーステナイト結晶粒とは、焼入加熱中に相変態したオーステナイトの結晶粒のことであり、これは、冷却によりマルテンサイトに変態した後も、過去の履歴として残存しているものをいう。
残留オーステナイト量は、研削後に転動面の表層５０μｍにおける値であって、例えば、Ｘ線回折法によるマルテンサイトα（２１１）と残留オーステナイトγ（２２０）との回折強度の比較で測定することができる。その他、オーステナイト相が非磁性体であり、フェライト相が強磁性体であることを利用して、磁気天秤などにより磁化力を求めることによっても測定できる。その他、市販の測定装置を用いて簡単に測定することができる。
窒素富化層は、表層に形成された窒素含有量を増加した層であって、例えば、浸炭窒化、窒化、浸窒などの処理によって形成することができる。窒素富化層の窒素含有量は、研削後の転動面の表層５０μｍにおける値であって、例えば、ＥＰＭＡ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｐｒｏｂｅ Ｍｉｃｒｏ―Ａｎａｌｙｓｉｓ：波長分散型Ｘ線マイクロアナライザ）で測定することができる。
以上、組立式のクランクシャフトの実施形態について説明したが、この発明は、可変動弁機構のコントールシャフトやカムシャフト、バランサ装置のバランスシャフトにも適用することができる。
図７は、可変動弁機構のコントールシャフト１１の実施形態である。
コントロールシャフト１１は、ニードル軸受１２によって支持されたジャーナル部１３に、コントロールカム１４を設けたものである。
ニードル軸受１２は、内輪１２ａ、保持器１２ｄ付きのころ１２ｂ、鍔付の外輪１２ｃからなる。
図８は、可変動弁機構のカムシャフト１５の実施形態である。
カムシャフト１５は、ニードル軸受１６によって支持されたジャーナル部１７に、動弁カム１８を設けたものである。
ニードル軸受１６は、内輪１６ａ、保持器１６ｄ付きのころ１６ｂ、鍔付の外輪１６ｃからなる。
図９は、バランサ装置のバランスシャフト１９は、ニードル軸受２０によって支持されたジャーナル部２１に、カウンターウェイト部２２を設けたものである。
ニードル軸受２０は、内輪２０ａ、保持器２０ｄ付きのころ２０ｂ、鍔付の外輪２０ｃからなる。
以上、図面を参照してこの発明の実施形態を説明したが、この発明は、図示した実施形態のものに限定されない。図示した実施形態に対して、この発明と同一の範囲内において、あるいは均等の範囲内において、種々の修正や変形を加えることが可能である。
１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｅ クランクジャーナル部
２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ クランク部
３ フランジ
４ 転がり軸受
４ａ 内輪
４ｂ ころ
４ｃ 外輪
４ｄ 保持器
５ ジャーナル軸
６ クランクウェブ
６ａ ピン穴
７ ピン
８ 転がり軸受
８ａ 内輪
８ｂ ころ
８ｃ 外輪
８ｄ 保持器
９ コンロッド
１０ 軸穴
１１ コントロールシャフト
１２ ニードル軸受
１２ａ 内輪
１２ｂ ころ
１２ｃ 外輪
１２ｄ 保持器
１３ ジャーナル部
１４ コントロールカム
１５ カムシャフト
１６ ニードル軸受
１６ａ 内輪
１６ｂ ころ
１６ｃ 外輪
１６ｄ 保持器
１７ ジャーナル部
１８ 動弁カム
１９ バランスシャフト
２０ ニードル軸受
２０ａ 内輪
２０ｂ ころ
２０ｃ 外輪
２０ｄ 保持器
２１ ジャーナル部
２２ カウンターウェイト部

Claims (13)

  1. 一体型の内輪と外輪の間に、保持器と転動体を収容した一体型転がり軸受が配置され、内輪、外輪、転動体は、鋼製で、その少なくとも一つが、窒素富化層を有する部材で構成されている組立式のエンジン用シャフト。
  2. クランクウェブ、クランクピン及びクランクジャーナルを分割した組立式のクランクシャフトである請求項１の組立式のエンジン用シャフト。
  3. エンジンの可変動弁機構のコントロールシャフトである請求項１の組立式のエンジン用シャフト。
  4. エンジンの可変動弁機構のカムシャフトである請求項１の組立式のエンジン用シャフト。
  5. エンジンのバランサ装置のバランスシャフトである請求項１の組立式のエンジン用シャフト。
  6. 前記窒素富化層は、オーステナイト結晶粒度の粒度番号が１０番を超え、かつ、残留オーステナイト量が１１体積％以上２５体積％以下であって、かつ、窒素含有量が０．１重量％以上０．５重量％以下であって、かつ、表面硬度がＨＲＣ５８（Ｈｖ６５３）以上である、請求項１〜５のいずれかに記載の組立式のエンジン用シャフト。
  7. 前記転がり軸受の外輪が、コンロッドの大端部の内径面に直接形成されている請求項２記載のエンジン用シャフト。
  8. 前記転がり軸受の内輪が、クランクピンとクランクジャーナルの外面に圧入されている請求項２記載の組立式のエンジン用シャフト。
  9. 前記転がり軸受の内輪を圧入するクランクピンとクランクジャーナルが鋳鉄製である請求項９記載の組立式のエンジン用シャフト。
  10. ４サイクル２気筒以上のエンジンに使用する請求項１〜９のいずれかに記載の組立式のエンジン用シャフト。
  11. 前記転がり軸受が、ニードル軸受又は円筒ころ軸受である請求項１〜１０のいずれかに記載の組立式のエンジン用シャフト。
  12. 前記ニードル軸受又は円筒ころ軸受の外輪が鍔付きであることを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載の組立式のエンジン用シャフト。
  13. 前記転がり軸受が、玉軸受である請求項１〜１０のいずれかに記載の組立式のエンジン用シャフト。
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