JP2012180925A - エンジン用シャフト及びその製造方法 - Google Patents

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および他の軸受の内輪４ａ、８ａ、外輪４ｃ、８ｃ及び転動体４ｂ、８ｂを鋼製とし、外輪４ｃ、８ｃと転動体４ｂ、８ｂは、窒素富化層を有し、表面硬度がＨＲＣ５８（Ｈｖ６５３）以上であり、内輪４ａ、８ａは、窒素富化層を有し、かつ残留オーステナイト結晶粒度の粒度番号が１１番を超え、残留オーステナイト量が１０体積％以上５０体積％以下で、表面硬度がＨＲＣ５８（Ｈｖ６５３）以上であることを特徴とする。
【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及びその製造方法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及びその製造方法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を配置した組立式のエンジン用シャフトにおいて、内輪、外輪及び転動体が、鋼製であり、外輪と転動体は、窒素富化層を有し、表面硬度がＨＲＣ５８（Ｈｖ６５３）以上であり、内輪は、窒素富化層を有し、かつ残留オーステナイト結晶粒度の粒度番号が１１番を超え、残留オーステナイト量が１０体積％以上５０体積％以下で、表面硬度がＨＲＣ５８（Ｈｖ６５３）以上であることを特徴とする。
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。

前記内輪は、軸に圧入されるか、軸に圧入されずに、中空のまま使用される。

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、前記ニードル軸受又は円筒ころ軸受の外輪は、鍔付きのものを使用することができる。
前記転がり軸受としては、エンジンブロックに十分なスペースがある場合には、ニードル軸受や円筒ころ軸受よりも、断面高さが高い玉軸受を使用することもできる。
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。
前記内輪４ａ、８ａは、Ａ１変態点以上で浸炭窒化処理を行い、その後、Ａ１変態点より低い温度まで冷却し、この温度で６０分以上１８０分以下の時間を保持し、その後、高周波焼入れを行い、焼戻しを行うことにより製造される。このような工程で内輪４ａ、８ａを製造すると、窒素富化層を有し、かつ残留オーステナイト結晶粒度の粒度番号が１１番を超え、かつ残留オーステナイト量が１０体積％以上５０体積％以下であって、かつ、表面硬度がＨＲＣ５８（Ｈｖ６５３）以上のものが得られる。

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、転動体は、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。 この発明の熱処理方法を説明する図である。 （Ａ）（Ｂ）は内輪の高周波焼入れによる硬化層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に、次のような硬化処理を行っている。

ころ４ｂ、８ｂ、外輪４ｃ、８ｃは、浸炭窒化処理を行うことで、窒素富化層を有し、表面硬度がＨＲＣ５８（Ｈｖ６５３）以上に形成されている。

内輪４ａ、８ａは、図５に示すように、Ａ１変態点以上で浸炭窒化処理を行い、その後、Ａ１変態点より低い温度まで冷却し、この温度で６０分以上１８０分以下の時間を保持する。その後、高周波焼入れを行い、焼戻しを行う。このような工程で内輪４ａ、８ａを製造すると、窒素富化層を有し、かつ残留オーステナイト結晶粒度の粒度番号が１１番を超え、かつ残留オーステナイト量が１０体積％以上５０体積％以下であって、かつ、表面硬度がＨＲＣ５８（Ｈｖ６５３）以上のものである。

前記内輪４ａ、８ａに対する高周波焼入れの硬化層２３は、図６（Ａ）に示すように、表層のみとしても、図６（Ｂ）に示すように、内径側まで硬化させてもよい。

内輪４ａ、８ａ、ころ４ｂ、８ｂ、外輪４ｃ、８ｃを上記のような構成にすることにより、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
２３ 硬化層

Claims (12)

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を配置した組立式のエンジン用シャフトにおいて、内輪、外輪及び転動体が、鋼製であり、外輪と転動体は、窒素富化層を有し、表面硬度がＨＲＣ５８（Ｈｖ６５３）以上であり、内輪は、窒素富化層を有し、かつ残留オーステナイト結晶粒度の粒度番号が１１番を超え、残留オーステナイト量が１０体積％以上５０体積％以下で、表面硬度がＨＲＣ５８（Ｈｖ６５３）以上であることを特徴とする組立式のエンジン用シャフト。
2. 前記内輪は、軸に圧入されている請求項１記載の組立式のエンジン用シャフト。
3. 前記内輪は、軸に圧入されずに、中空のまま使用される請求項１記載の組立式のエンジン用シャフト。
4. 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１〜３のいずれかに記載の組立式のエンジン用シャフト。
5. 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４に記載の組立式のエンジン用シャフト。
6. 前記転がり軸受が、玉軸受である請求項１〜３のいずれかに記載の組立式のエンジン用シャフト。
7. 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１〜６のいずれかに記載の組立式のエンジン用シャフト。
8. 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１〜６のいずれかに記載の組立式のエンジン用シャフト。
9. エンジンの可変動弁機構のカムシャフトである請求項１〜６のいずれかに記載の組立式のエンジン用シャフト。
10. 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１〜６のいずれかに記載の組立式のエンジン用シャフト。
11. ４サイクル２気筒以上のエンジンに使用する請求項１〜１０のいずれかに記載の組立式のエンジン用シャフト。
12. 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を配置した組立式のエンジン用シャフトの製造方法において、鋼製の内輪を、Ａ１変態点以上で浸炭窒化処理を行い、その後、Ａ１変態点より低い温度まで冷却し、この温度で６０分以上１８０分以下の時間を保持し、その後、高周波焼入れを行い、焼戻しを行うことを特徴とする組立式のエンジン用シャフトの製造方法。
    

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