JP2015048492A - 多気筒エンジン用クランク軸の焼入れ硬化層深さ設定方法、そのクランク軸の製造方法、及びそのクランク軸 - Google Patents

Abstract

【課題】多気筒エンジン用クランク軸のピン部及びジャーナル部の焼入れの際、曲がり及び伸びを低減できる焼入れ深さ設定方法を提供する。【解決手段】設定方法は、ピン部に焼入れを施す第１基準条件並びにジャーナル部に焼入れを施す第２基準条件の各基準条件で曲がり量及び伸び量を把握する第１、第２ステップと、第１基準条件から各ピン部の焼入れ深さを個別に変更した各第１変更条件並びに第２基準条件から各ジャーナル部の焼入れ深さを個別に変更した各第２変更条件の各変更条件で曲がり量及び伸び量を把握する第３、第４ステップと、変更条件ごとに基準条件に対する曲がり量及び伸び量の各変化率を求める第５、第６ステップと、曲がり量及び伸び量の各変化率に基づき、曲がり量及び伸び量が最小になる各部位の焼入れ深さを算出する第７ステップとを含む。【選択図】図８

Description

本発明は、多気筒エンジンに搭載されるクランク軸について、そのすべてのピン部及びジャーナル部に個々のフィレット部の領域まで高周波焼入れを施す際の焼入れ硬化層深さの設定方法に関する。また、本発明は、その焼入れ硬化層深さ設定方法を用いたクランク軸の製造方法、及びその製造方法により製造されたクランク軸に関する。

自動車、自動二輪車、船舶、農機などのレシプロエンジンには、シリンダ（気筒）内でのピストンの往復運動を回転運動に変換して動力を取り出すため、クランク軸が不可欠である。クランク軸は、ピストンを支持するためにピン部を有する。このピン部の数は、エンジンの気筒数（ピストン数）と一致する。

図１は、一般的な多気筒エンジン用クランク軸の一例を模式的に示す平面図である。同図に例示するクランク軸１は、４気筒エンジンに搭載されるものであり、５つのジャーナル部Ｊ１〜Ｊ５、４つのピン部Ｐ１〜Ｐ４、フロント部Ｆｒ、フランジ部Ｆｌ、及びジャーナル部Ｊ１〜Ｊ５とピン部Ｐ１〜Ｐ４をそれぞれつなぐ８つのクランクアーム部（以下、単に「アーム部」ともいう）Ｗ１〜Ｗ８から構成される。なお、アーム部Ｗ１〜Ｗ８には、図示しないカウンターウエイトが適宜設けられる。

以下では、ジャーナル部Ｊ１〜Ｊ５、ピン部Ｐ１〜Ｐ４、及びアーム部Ｗ１〜Ｗ８のそれぞれを総称するとき、その符号は、ジャーナル部で「Ｊ」、ピン部で「Ｐ」、アーム部で「Ｗ」とも記す。ピン部Ｐ、このピン部Ｐにつながる一組のアーム部Ｗ、及びこれらの各アーム部Ｗにつながるジャーナル部Ｊをまとめて「スロー」ともいう。

ジャーナル部Ｊ、フロント部Ｆｒ及びフランジ部Ｆｌは、クランク軸１の回転中心と同軸上に配置され、ピン部Ｐは、クランク軸１の回転中心からピストンストロークの半分の距離ほど偏心して配置される。ジャーナル部Ｊは、すべり軸受けメタルを介してエンジンブロックに支持され、回転中心となる。ピン部Ｐには、すべり軸受けメタルを介してコネクティングロッド（以下、「コンロッド」ともいう）が連結され、このコンロッドにピストンが連結される。

通常、このようなクランク軸１のピン部Ｐ及びジャーナル部Ｊは、個々のフィレット部（アーム部Ｗへの付け根）の領域までの全域にわたって高周波焼入れ（以下、単に「焼入れ」ともいう）が施され、表層が強化される。ピン部Ｐ及びジャーナル部Ｊの耐摩耗性を向上させるとともに、クランク軸１の疲労強度を向上させるためである。

ここで、高周波焼入れ法は、被焼入れ材の表層に相変態によるマルテンサイト相の硬化層を形成する表面強化法である。クランク軸のピン部及びジャーナル部にフィレット部の領域を含めて焼入れが施されると、焼入れ硬化層の体積膨張に伴ってクランク軸の曲がりが発生する。このようなクランク軸の曲がりは、ピン部の数が２つ以上となる多気筒エンジン用クランク軸で顕著に発生する。体積が膨張する焼入れ硬化層の箇所が多くなるからである。クランク軸の著しい曲がりは、エンジンの組立て時に組込みトラブルをもたらすだけでなく、エンジン運転時に異常な振動を誘発する可能性もある。

したがって、特に多気筒エンジン用のクランク軸には、高周波焼入れによる曲がりを低減することが求められる。高周波焼入れによるクランク軸の曲がりを低減する従来技術としては、下記のものがある。

特許文献１には、ピン部を３つ以上有する多気筒エンジン用クランク軸について、ピン部及びジャーナル部のうちのピン部の焼入れ硬化層深さ（以下、「焼入れ深さ」ともいう）に着目し、クランク軸の長手方向中央部分に位置するピン部の焼入れ深さを、長手方向端部側に位置するピン部の焼入れ深さよりも浅くしたクランク軸が記載されている。

また、特許文献２には、主に４気筒エンジンを想定した多気筒エンジンに搭載されるクランク軸について、高周波焼入れを施す際、クランク軸の曲がり量が最小になるように、各ピン部及び各ジャーナル部への焼入れエネルギ量を周方向で調整し、焼入れ深さを周方向で変化させる焼入れ方法及び焼入れ装置が記載されている。

また、特許文献３、４でも、主に４気筒エンジンを想定した多気筒エンジンに搭載されるクランク軸の焼入れ方法及び焼入れ装置が記載されている。同文献では、ピン部及びジャーナル部のうちのピン部の焼入れ条件に着目し、クランク軸の長手方向中央部分に位置するピン部と長手方向端部側に位置するピン部とで高周波加熱時間を変えて焼入れを行い、ピン部における歪みを少なくすることとしている。

実開平３−１３０４２４号公報 特開平８−３３７８２２号公報 特開２００２−２２６９１７号公報 特開２００２−２２６９１８号公報

ところで、多気筒エンジン用クランク軸のピン部及びジャーナル部に焼入れが施されると、実態として、クランク軸には、曲がりが発生することはもとより、長手方向への伸びも発生する。クランク軸の伸びが著しい場合でも、エンジン組立て時の組込みトラブルや、エンジン運転時の異常振動が問題となり得る。

しかし、前記特許文献１〜４に記載された従来技術のいずれも、クランク軸の曲がりのみに着眼し、クランク軸の伸びについてまったく考慮していない。したがって、多気筒エンジン用のクランク軸に焼入れを施す際には、クランク軸の曲がりを低減すると同時に、クランク軸の伸びを低減することが強く望まれる。

本発明は、このような実情に鑑みてなされたものであり、多気筒エンジン用のクランク軸について、高周波焼入れの際に曲がり及び伸びを同時に低減することができる焼入れ硬化層深さの設定方法を提供することを目的とする。また、本発明の他の目的は、高周波焼入れによる曲がり及び伸びが低減された多気筒エンジン用クランク軸の製造方法、及びそのクランク軸を提供することにある。

本発明は、上記の課題を解決するため、下記（Ｉ）に示すクランク軸の焼入れ硬化層深さ設定方法、下記（II）に示すクランク軸の製造方法、及び（III）に示すクランク軸を要旨とする。

（Ｉ）多気筒エンジン用のクランク軸のピン部及びジャーナル部のすべてに個々のフィレット部の領域まで高周波焼入れを施す際の焼入れ硬化層深さの設定方法であって、
ピン部に焼入れを施す第１基準条件を決定し、この第１基準条件のときのクランク軸の曲がり量及び伸び量を把握する第１ステップと、
ジャーナル部に焼入れを施す第２基準条件を決定し、この第２基準条件のときのクランク軸の曲がり量及び伸び量を把握する第２ステップと、
前記第１基準条件から各ピン部の焼入れ硬化層深さを個別に変更し、これらの各第１変更条件のときのクランク軸の曲がり量及び伸び量を把握する第３ステップと、
前記第２基準条件から各ジャーナル部の焼入れ硬化層深さを個別に変更し、これらの各第２変更条件のときのクランク軸の曲がり量及び伸び量を把握する第４ステップと、
第１ステップ及び第３ステップで把握した曲がり量及び伸び量に基づき、前記第１変更条件ごとに、前記第１基準条件に対する曲がり量及び伸び量それぞれの変化率を求める第５ステップと、
第２ステップ及び第４ステップで把握した曲がり量及び伸び量に基づき、前記第２変更条件ごとに、前記第２基準条件に対する曲がり量及び伸び量それぞれの変化率を求める第６ステップと、
第５ステップ及び第６ステップで求めた、前記第１変更条件及び前記第２変更条件ごとの曲がり量変化率及び伸び量変化率に基づき、クランク軸の曲がり量及び伸び量が最小になる、各ピン部及び各ジャーナル部それぞれの焼入れ硬化層深さを算出し設定する第７ステップと、を含む、クランク軸の焼入れ硬化層深さ設定方法である。

上記の焼入れ硬化層深さ設定方法は、
ジャーナル部の中心軸に沿った長手方向を３次元座標系のｚ軸方向とし、ピン部のうちの先頭に配置された第１ピン部の偏心方向をｙ軸方向とし、ｙ軸及びｚ軸と直交する方向をｘ軸方向とし、
さらに、各ピン部及び各ジャーナル部の各部位について、評価対象の部位をｊとし、焼入れ硬化層深さを変更した部位をｉとしたとき、
前記第７ステップにおいて、
ピン部及びジャーナル部の各部位ｊについて、ｘ軸方向の曲がり量Ａ’_xjを下記の（１）式で表し、ｙ軸方向の曲がり量Ａ’_yjを下記の（２）式で表し、ｚ軸方向の伸び量Ｂ’_zjを下記の（３）式で表し、これらの（１）式〜（３）式を用いて下記の（４）式で表される目的関数が最小となるように、下記の（５）式で表される焼入れ硬化層深さｄ’_iを算出し設定する構成であることが好ましい。

上記の（１）式〜（５）式中、
α_j、β_jは重み係数であり、
Ａ_xj及びＡ_yj、並びにＢ_zjは、それぞれ予め任意に設定した焼入れ硬化層深さ条件での各部位ｊのｘ軸方向の曲がり量及びｙ軸方向の曲がり量、並びにｚ軸方向の伸び量であり、
ａ_xij及びａ_yij、並びにｂ_zijは、それぞれ前記第３ステップ及び前記第４ステップで各部位ｉの焼入れ硬化層深さを変更したときの部位ｊごとのｘ軸方向の曲がり量変化率及びｙ軸方向の曲がり量変化率、並びにｚ軸方向の伸び量変化率であり、
ｄ_iは予め任意に設定した焼入れ硬化層深さ条件での部位ｉの焼入れ硬化層深さであり、
Δｄ_iはｄ_iに対する焼入れ硬化層深さの変化量である。

上記の焼入れ硬化層深さ設定方法において、
前記第１基準条件は、すべてのピン部の焼入れ硬化層深さが同じで、すべてのジャーナル部の焼入れ硬化層深さがゼロであり、
前記第２基準条件は、すべてのジャーナル部の焼入れ硬化層深さが同じで、すべてのピン部の焼入れ硬化層深さがゼロであることが好ましい。

ここで、ばらつきを考慮して、すべてのピン部の焼入れ硬化層深さが、すべてのピン部の焼入れ硬化層深さを平均したものから±０．２ｍｍ以内であれば、すべてのピン部の焼入れ硬化層深さが同じと定義する。また、すべてのジャーナル部の焼入れ硬化層深さが、すべてのジャーナル部の焼入れ硬化層深さを平均したものから±０．２ｍｍ以内であれば、すべてのジャーナル部の焼入れ硬化層深さが同じと定義する。

（II）多気筒エンジン用のクランク軸の製造方法であって、
クランク軸に高周波焼入れを施し、各ピン部及び各ジャーナル部の焼入れ硬化層深さを、上記（Ｉ）の焼入れ硬化層深さ設定方法により設定された焼入れ硬化層深さにする、クランク軸の製造方法である。

（III）上記（II）の製造方法により製造された、多気筒エンジン用のクランク軸である。

本発明のクランク軸の焼入れ硬化層深さ設定方法によれば、高周波焼入れの際に曲がり及び伸びを同時に低減することができる焼入れ深さを設定することが可能である。また、本発明のクランク軸の製造方法によれば、高周波焼入れによる曲がり及び伸びが低減された多気筒エンジン用クランク軸を製造することができる。

一般的な多気筒エンジン用クランク軸の一例を模式的に示す平面図である。 高周波焼入れ時のクランク軸の変形挙動を示す模式図であって、同図（ａ）はピン部のみに焼入れを施した場合を、同図（ｂ）はジャーナル部のみに焼入れを施した場合をそれぞれ示す。 焼入れシミュレーションで用いたクランク軸の解析モデルを示す図であって、同図（ａ）は平面図を、同図（ｂ）はそのアーム部を拡大した断面図を示す。 基準条件でのシミュレーション結果を示す図であって、同図（ａ）はクランク軸の曲がりの分布を、同図（ｂ）はクランク軸の伸びの分布をそれぞれ示す。 ピン部のみに焼入れを施す第１変更条件でのシミュレーション結果の一例を示す図であって、同図（ａ）はクランク軸の曲がりの分布を、同図（ｂ）はクランク軸の伸びの分布をそれぞれ示す。 ジャーナル部のみに焼入れを施す第２変更条件でのシミュレーション結果の一例を示す図であって、同図（ａ）はクランク軸の曲がりの分布を、同図（ｂ）はクランク軸の伸びの分布をそれぞれ示す。 表３に示す最適な焼入れ深さを採用してピン部及びジャーナル部のすべてに焼入れを施す条件でのシミュレーション結果を示す図であって、同図（ａ）はクランク軸の曲がりの分布を、同図（ｂ）はクランク軸の伸びの分布をそれぞれ示す。 本発明のクランク軸の焼入れ深さ設定方法の手順を示すフローチャートである。

以下に、本発明の多気筒エンジン用クランク軸の焼入れ硬化層深さの設定方法、クランク軸の製造方法、及びそのクランク軸について、その実施形態を詳述する。

１．焼入れによるクランク軸の曲がり及び伸びの発生メカニズム
図２は、高周波焼入れ時のクランク軸の変形挙動を示す模式図であって、同図（ａ）はピン部のみに焼入れを施した場合を、同図（ｂ）はジャーナル部のみに焼入れを施した場合をそれぞれ示す。図２（ａ）、（ｂ）では、上段に１スローの断面図を、下段にその簡易線図をそれぞれ示しており、上段の断面図には、高周波焼入れによる焼入れ硬化層を斜線で表示している。

クランク軸のアーム部Ｗにおいて、ピン部Ｐとジャーナル部Ｊのつなぎ部分（図２の上段の断面図中、点線で囲った部分）は剛性が低く、危険断面と称される。図２（ａ）に示すように、ピン部Ｐのみにフィレット部の領域まで焼入れを施した場合、アーム部Ｗの危険断面のピン部Ｐ側にまで焼入れ硬化層ＨＰが形成されることから、危険断面のピン部Ｐ側がマルテンサイト変態により膨張する。これにより、ピン部Ｐを間に挟む一組のアーム部Ｗは、互いに開く方向に変形する。このため、クランク軸はアーム部Ｗ同士が開くように曲がることになり、この曲がりに起因する伸びと、焼入れ硬化層ＨＰの特にピン平行部のマルテンサイト変態による膨張による伸びとが重畳する。したがって、ピン部Ｐのみに焼入れを施した場合は、クランク軸は長手方向に＋（プラス）の伸び量で伸びる様相となる。ここでいうピン平行部は、ピン部Ｐにおける軸と平行な部分、すなわちピン部Ｐにおけるフィレット部を除いた部分である。

一方、図２（ｂ）に示すように、ジャーナル部Ｊのみにフィレット部の領域まで焼入れを施した場合、アーム部Ｗの危険断面のジャーナル部Ｊ側にまで焼入れ硬化層ＨＪが形成されることから、危険断面のジャーナル部Ｊ側がマルテンサイト変態により膨張する。これにより、ピン部Ｐを間に挟む一組のアーム部Ｗは、互いに閉じる方向に変形する。このため、クランク軸はアーム部Ｗ同士が閉じるように曲がることになるが、これはクランク軸の長手方向への縮みとなり、焼入れ硬化層ＨＪの特にジャーナル平行部のマルテンサイト変態による膨張による伸びと相殺される。したがって、ジャーナル部Ｊのみに焼入れを施した場合、クランク軸は長手方向に−（マイナス）の伸び量で縮む様相となるか、又は小さい伸び量で伸びる様相となる。ここでいうジャーナル平行部は、ジャーナル部Ｊにおける軸と平行な部分、すなわちジャーナル部Ｊにおけるフィレット部を除いた部分である。

このように、ピン部とジャーナル部とでは、高周波焼入れが施されたときの曲がり及び伸びの傾向が異なる。このため、ピン部の焼入れとジャーナル部の焼入れを組み合わせ、個々の焼入れ状態、具体的には焼入れ深さを適切に設定することにより、クランク軸全体の曲がり及び伸びの最小化が見込まれる。

２．焼入れ深さの適正化によるクランク軸の曲がり及び伸びの低減の検討
２−１．基準条件での曲がり量及び伸び量
下記の寸法の直列４気筒エンジン用クランク軸を例に挙げ、ピン部及びジャーナル部に個々のフィレット部の領域まで高周波焼入れを施すシミュレーションを実施した。
・ピン部の直径：φ６０ｍｍ
・ジャーナル部の直径：φ７５ｍｍ
・ピン部の偏心量（ピストンストロークの半分）：５５ｍｍ
・アーム部の最大厚み：２０ｍｍ
・アーム部の最大幅：１０５ｍｍ

図３は、焼入れシミュレーションで用いたクランク軸の解析モデルを示す図であって、同図（ａ）は平面図を、同図（ｂ）はそのアーム部を拡大した断面図を示す。図３（ａ）に示すように、シミュレーションでは、クランク軸の回転中心である５つのジャーナル部Ｊのうち、先頭に配置された第１ジャーナル部Ｊ１の中心軸上で、かつ当該第１ジャーナル部Ｊ１の長手方向の中央位置を３次元座標系の原点とした。ｚ軸方向は、ジャーナル部Ｊの中心軸に沿った長手方向、すなわち第１ジャーナル部Ｊ１から第２ジャーナル部Ｊ２に向かう方向とした。ｙ軸方向は、ピン部Ｐのうちの先頭に配置された第１ピン部Ｐ１の偏心方向、すなわちクランク軸をフロント部側から見たときの第１ジャーナル部Ｊ１から第１ピン部Ｐ１に向かう方向とした。ｘ軸方向は、第１ピン部Ｐ１の偏心方向に直角な方向とした。

シミュレーションは、第１基準条件、第２基準条件及び参考条件という３種の条件で行った。第１基準条件は、ピン部Ｐのみに焼入れを施す場合であり、すべてのピン部Ｐの焼入れ深さが同じ４．６３ｍｍで、すべてのジャーナル部Ｊの焼入れ深さがゼロ（０）である。第２基準条件は、ジャーナル部Ｊのみに焼入れを施す場合であり、すべてのジャーナル部Ｊの焼入れ深さが同じ４．４３ｍｍで、すべてのピン部Ｐの焼入れ深さがゼロ（０）である。参考条件は、第１基準条件と第２基準条件を組み合わせ、ピン部Ｐ及びジャーナル部Ｊの両方に焼入れを施す場合であり、すべてのピン部Ｐの焼入れ深さが同じ４．６３ｍｍで、すべてのジャーナル部Ｊの焼入れ深さが同じ４．４３ｍｍである。

その際、焼入れ深さは、ピン部及びジャーナル部のいずれも、アーム部Ｗの危険断面におけるフィレット部の焼入れ硬化層Ｈの４５°方向での厚みとした（図３（ｂ）参照）。焼入れ硬化層Ｈの厚みは、マルテンサイト相の体積分率が０．５になる位置と定義した。なお、実験で焼入れ硬化層を定義する場合は、ＪＩＳ Ｇ０５５９の有効硬化層深さで定義するのが望ましい。

上記の焼入れシミュレーションにより、クランク軸の曲がり及び伸びを評価した。曲がりは、第１ジャーナル部Ｊ１と第５ジャーナル部Ｊ５の各中心（各ジャーナル部の中心軸上で、かつ当該各ジャーナル部の長手方向の中央位置）を結んだ直線を基準とし、この基準線からの各ジャーナル部Ｊ２、Ｊ３、Ｊ４の中心のｘ軸方向及びｙ軸方向の変位で示される（図３（ａ）中の塗潰し丸印部）。伸びは、第１ジャーナル部の中心、すなわち原点を基準とし、この原点からの各ジャーナル部Ｊ２、Ｊ３、Ｊ４、Ｊ５の中心のｚ軸方向の変位で示される（図３（ａ）中の塗潰し丸印部）。

ここで、図３に例示するクランク軸は、４気筒エンジン用クランク軸であることから、ｙ軸−ｚ軸平面（図３の紙面）に対し面対称の形状となる。ピン部がジャーナル部の周りに１８０°の位相角で配置され、ピン部の配置が２次元的だからである。このため、クランク軸の曲がりは、第１ピン部Ｐ１の偏心方向（ｙ軸方向）のみに生じ、第１ピン部Ｐ１の偏心方向に直角な方向（ｘ軸方向）には生じない。

図４は、基準条件でのシミュレーション結果を示す図であって、同図（ａ）はクランク軸の曲がりの分布を、同図（ｂ）はクランク軸の伸びの分布をそれぞれ示す。図４（ａ）の縦軸に示すｙ軸方向の曲がり量は、第１ピン部の偏心方向への曲がり量であり、「＋（プラス）」（図中では省略）が第１ピン部の偏心方向に変位していることを意味し、「−（マイナス）」が第１ピン部の偏心方向と逆方向に変位していることを意味する。図４（ｂ）の縦軸に示すｚ軸方向の伸び量は、長手方向の伸び量であり、「＋」（図中では省略）が伸びていることを意味し、「−」が縮んでいることを意味する。

曲がりに関しては、図４（ａ）に示すように、ピン部のみに焼入れを施す第１基準条件の場合、各ジャーナル部が第１ピン部の偏心方向（＋）に曲がるのに対し、ジャーナル部のみに焼入れを施す第２基準条件の場合は、各ジャーナル部が第１ピン部の偏心方向とは逆方向（−）に曲がることがわかる。そして、ピン部及びジャーナル部の両方に焼入れを施す参考条件の場合は、それらの曲がりが相殺されることとなる。本参考条件の場合は、ジャーナル部の焼入れ時の影響が大きく、その結果として、第１ピン部の偏心方向とは逆方向（−）への曲がりが発生する。

一方、伸びに関しては、図４（ｂ）に示すように、ピン部のみに焼入れを施す第１基準条件の場合、各ジャーナル部が伸びるのに対し、ジャーナル部のみに焼入れを施す第２基準条件の場合は、各ジャーナル部が縮むことがわかる。そして、ピン部及びジャーナル部の両方に焼入れを施す参考条件の場合は、それらの伸びと縮みが相殺されることとなる。本参考条件の場合は、ピン部の焼入れ時の影響が大きく、その結果として、伸びが発生する。

２−２．変更条件での曲がり量及び伸び量
前記図３に示すクランク軸の解析モデルについて、上記の第１基準条件（ピン部の焼入れ深さが同じ）から各ピン部の焼入れ深さを個別に変更し、これらの各第１変更条件で焼入れシミュレーションを行った。第１変更条件は、ピン部のみに焼入れを施す場合であり、第１基準条件で焼入れ深さを４．６３ｍｍとしているピン部のうちから１つのピン部を順次選択し、選択したピン部のみで焼入れ深さを２．５９ｍｍと浅焼きに変更したものである。

第１変更条件としては、例えば、第１ピン部の焼入れ深さが２．５９ｍｍに変更され、これ以外の各ピン部の焼入れ深さが第１基準条件のままの４．６３ｍｍである。同様に、第２ピン部の焼入れ深さが２．５９ｍｍに変更され、これ以外の各ピン部の焼入れ深さが第１基準条件のままの４．６３ｍｍである。これらの各第１変更条件では、すべてのジャーナル部の焼入れ深さがゼロである。

また、前記図３に示すクランク軸の解析モデルについて、上記の第２基準条件（ジャーナル部の焼入れ深さが同じ）から各ジャーナル部の焼入れ深さを個別に変更し、これらの各第２変更条件で焼入れシミュレーションを行った。第２変更条件は、ジャーナル部のみに焼入れを施す場合であり、第２基準条件で焼入れ深さを４．４３ｍｍとしているジャーナル部のうちから１つのジャーナル部を順次選択し、選択したジャーナル部のみで焼入れ深さを２．５０ｍｍと浅焼きに変更したものである。

第２変更条件としては、例えば、第１ジャーナル部の焼入れ深さが２．５０ｍｍに変更され、これ以外の各ジャーナル部の焼入れ深さが第２基準条件のままの４．４３ｍｍである。同様に、第２ジャーナル部の焼入れ深さが２．５０ｍｍに変更され、これ以外の各ジャーナル部の焼入れ深さが第２基準条件のままの４．４３ｍｍである。第３ジャーナル部の焼入れ深さが変更されたときも同様である。これらの各第２変更条件では、すべてのピン部の焼入れ深さがゼロである。

上記の焼入れシミュレーションにより、第１変更条件及び第２変更条件のそれぞれにおけるクランク軸の曲がり及び伸びを評価した。

図５は、ピン部のみに焼入れを施す第１変更条件でのシミュレーション結果の一例を示す図であって、同図（ａ）はクランク軸の曲がりの分布を、同図（ｂ）はクランク軸の伸びの分布をそれぞれ示す。図５（ａ）の縦軸に示すｙ軸方向の曲がり量の意味、及び図５（ｂ）の縦軸に示すｚ軸方向の伸び量の意味は、前記図４の場合と同様である。後述する図６及び図７でも同様である。

曲がりに関しては、図５（ａ）に示すように、第２ピン部の焼入れ深さを浅くした第１変更条件の場合、第１基準条件の場合と比較して曲がり量が小さくなることがわかる。これに対し、第１ピン部の焼入れ深さを浅くした第１変更条件の場合は、第１基準条件の場合と比較して曲がり量が大きくなり、第２ピン部の焼入れ深さを浅くした場合と曲がり度合いの傾向が逆になることがわかる。また、伸びに関しては、図５（ｂ）に示すように、第１ピン部及び第２ピン部の焼入れ深さを浅くした第１変更条件の場合、第１基準条件の場合と比較して伸び量が小さくなることがわかる。

図６は、ジャーナル部のみに焼入れを施す第２変更条件でのシミュレーション結果の一例を示す図であって、同図（ａ）はクランク軸の曲がりの分布を、同図（ｂ）はクランク軸の伸びの分布をそれぞれ示す。

曲がりに関しては、図６（ａ）に示すように、第２ジャーナル部及び第３ジャーナル部の焼入れ深さを浅くした第２変更条件の場合は、第２基準条件の場合と比較して曲がりが小さくなることがわかる。これに対し、第１ジャーナル部の焼入れ深さを浅くした第２変更条件の場合は、第２基準条件の場合と比較して曲がりが大きくなり、第２ジャーナル部及び第３ジャーナル部の焼入れ深さを浅くした場合と曲がり度合いの傾向が逆になることがわかる。また、伸びに関しては、図６（ｂ）に示すように、第１ジャーナル部、第２ジャーナル部及び第３ジャーナル部の焼入れ深さを浅くした第２変更条件の場合は、第２基準条件の場合と比較して縮み量が同等か小さくなることがわかる。

このように、ピン部のみに焼入れを施す場合と、ジャーナル部のみに焼入れを施す場合とでは、曲がり及び伸びの傾向が異なることに加え、ピン部及びジャーナル部の各部位のうちでどの部位の焼入れ深さを変更するかでも、曲がり及び伸びの傾向が異なることがわかる。このため、ピン部の焼入れとジャーナル部の焼入れを組み合わせ、ピン部及びジャーナル部のすべての部位に焼入れを施すに際し、上記の基準条件（第１基準条件、第２基準条件）及び変更条件（第１変更条件、第２変更条件）のそれぞれでの曲がり量及び伸び量を活用し、各部位の焼入れ深さを適切に設定することにより、クランク軸全体の曲がり及び伸びを同時に低減することができると考えられる。

２−３．基準条件及び変更条件のそれぞれでの曲がり量及び伸び量の活用
上記の第１基準条件及び上記の各第１変更条件（ピン部の焼入れ深さを第１基準条件から個別に変更）のそれぞれでの曲がり量及び伸び量に基づき、第１変更条件ごとに、第１基準条件に対する曲がり量及び伸び量それぞれの変化率を求める。これと合わせ、上記の第２基準条件及び上記の各第２変更条件（ジャーナル部の焼入れ深さを第２基準条件から個別に変更）のそれぞれでの曲がり量及び伸び量に基づき、第２変更条件ごとに、第２基準条件に対する曲がり量及び伸び量それぞれの変化率を求める。

ここで、ピン部Ｐ及びジャーナル部Ｊの各部位（Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４、Ｊ１、Ｊ２、Ｊ３、Ｊ４及びＪ５）について、評価対象の部位をｊとし、焼入れ深さを変更した部位をｉする。そして、曲がり量変化率は、ｘ軸方向ではａ_xijとし、ｙ軸方向ではａ_yijとする。さらに、ｚ軸方向の伸び量変化率は、ｂ_zijとする。

下記の表１に、曲がり量変化率をまとめて示す。下記の表２に、伸び量変化率をまとめて示す。

なお、ここでは、４気筒エンジン用クランク軸を例に挙げているため、ｘ軸方向には曲がりが発生せず、ｘ軸方向の曲がり量変化率ａ_xijが生じない。このため、下記の表１では、ｙ軸方向の曲がり量変化率ａ_yijのみを表示する。もっとも、３気筒エンジンや直列６気筒エンジンや８気筒エンジン、さらにはＶ型６気筒エンジンや８気筒エンジンといった多気筒エンジンに搭載されるクランク軸の場合は、ピン部の配置が３次元的であることから、曲がりはｙ軸方向のみならず、ｘ軸方向にも発生する。したがって、４気筒エンジン用クランク軸以外の多気筒エンジン用クランク軸の場合は、ｘ軸方向の曲がり量変化率も検討に加える。

表１中、例えば、焼入れ深さ変更部位ｉがＰ１で、曲がり評価部位ｊがＪ２である欄の数値「−０．０６１５４」は、第１ピン部Ｐ１の焼入れ深さが第１基準条件に対して＋１ｍｍ変化（増加）した場合に、第２ジャーナル部Ｊ２の曲がりが、第１ピンの偏心方向（＋）と逆方向（−）に０．０６１５４ｍｍ変化することを意味する。

ここで、基準条件、すなわち上記の第１基準条件（ピン部の焼入れ深さが同じ４．６３ｍｍ）、及び上記の第２基準条件（ジャーナル部の焼入れ深さが同じ４．４３ｍｍ）での各部位ｊについて、予め任意に設定した焼入れ硬化層深さ条件（参考条件：各ピン部の焼入れ深さが４．６３ｍｍ、各ジャーナル部の焼入れ深さが４．４３ｍｍ）でのｘ軸方向の曲がり量をＡ_xjとし、ｙ軸方向の曲がり量をＡ_yjとし、ｚ軸方向の伸び量をＢ_zjとする。すると、各部位ｊについて、ピン部及びジャーナル部それぞれの焼入れ深さを、予め任意に設定した焼入れ硬化層深さ条件での焼入れ深さからΔｄ_iほど変更したとき、このときのｘ軸方向の曲がり量Ａ’_xjは下記の（１）式で表すことができる。同じく、ｙ軸方向の曲がり量Ａ’_yjは下記の（２）式で表すことができ、ｚ軸方向の伸び量Ｂ’_zjは下記の（３）式で表すことができる。

これらの（１）式〜（３）式を用い、各部位ｊの曲がり量Ａ’_xj、Ａ’_yjと伸び量Ｂ’_zjの２乗和で示される目的関数を定義する。この目的関数は、下記の（４）式で表される。

次に、（４）式の目的関数が最小となるようなΔｄ_iを求める。そして、各部位ｉについて、求めたΔｄ_iより、下記の（５）式で表される焼入れ深さｄ’_iを算出する。このｄ’_iが、各部位ｊ（Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４、Ｊ１、Ｊ２、Ｊ３、Ｊ４及びＪ５）において曲がり及び伸びを最小化する最適な焼入れ深さとなる。

（５）式中、ｄ_iは基準条件での各部位ｉの焼入れ深さであり、Δｄ_iはｄ_iに対する焼入れ深さの変化量である。

また、上記（４）式中、α_j、β_jは重み係数である。具体的には、α_jは曲がりの要因に対する重み係数であり、β_jは伸びの要因に対する重み係数である。これらの重み係数α_j、β_jは、０または正の任意の値を設定することができ、各要因の重要度により適宜決定する。本発明では、曲がりのみならず、伸びも重視する。このため、曲がりの要因に対する重み係数α_jのうち最大のものをα_max、伸びの要因に対する重み係数β_jのうち最大のものをβ_maxとしたとき、α_maxに対するβ_maxの比の値β_max／α_maxは、０．０００１〜１０．０程度とするのが好ましい。より好ましくは、β_max／α_maxは１以上とする。

例えば、上記（４）式に関し、上述のとおりに４気筒エンジン用クランク軸を対象とする場合、クランク軸の曲がりは第２ジャーナル部Ｊ２、第３ジャーナル部Ｊ３及び第４ジャーナル部Ｊ４で評価し、クランク軸の伸びは第５ジャーナル部Ｊ５で評価する。重み係数α_j、β_jはいずれも１とする。そうすると、上記（４）式の目的関数は、下記の（６）式となる。

そして、上記（２）式及び（３）式、並びに上記表１及び表２に示す曲がり量変化率ａ_yij及び伸び量変化率ｂ_zijなどを用い、（６）式の目的関数が最小となるように、各部位ｊ（Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４、Ｊ１、Ｊ２、Ｊ３、Ｊ４及びＪ５）の最適な焼入れ深さｄ’_iを算出すると、下記の表３に示すとおりになる。なお、目的関数を最小化させる際、焼入れ深さに上下限を設ける。ここでは、実用性を踏まえて２ｍｍ〜５ｍｍの範囲を許容するものとする。

図７は、表３に示す最適な焼入れ深さを採用してピン部及びジャーナル部のすべてに焼入れを施す条件でのシミュレーション結果を示す図であって、同図（ａ）はクランク軸の曲がりの分布を、同図（ｂ）はクランク軸の伸びの分布をそれぞれ示す。なお、同図には、比較のために、前記図４に示した参考条件（ピン部の焼入れ深さが同じで、且つジャーナル部の焼入れ深さが同じ）の場合のシミュレーション結果も示している。同図に示すように、ピン部及びジャーナル部のすべての部位に焼入れを施すに際し、各部位の焼入れ深さを適切に設定することにより、クランク軸全体の曲がり及び伸びを同時に低減することが確認できる。

３．多気筒エンジン用クランク軸の焼入れ硬化層深さ設定方法
本発明の焼入れ深さの設定方法は、以上の知見に基づいて完成されたものであり、多気筒エンジン用クランク軸のピン部及びジャーナル部のすべてに個々のフィレット部の領域まで高周波焼入れを施すに際し、下記の第１ステップ〜第７ステップの一連のステップを経て、各部位の焼入れ深さを設定するものである。

図８は、本発明のクランク軸の焼入れ深さ設定方法の手順を示すフローチャートである。先ず、第１ステップにおいて、ピン部に焼入れを施す第１基準条件を決定し、この第１基準条件のときのクランク軸の曲がり量及び伸び量を把握する。これと合わせ、第２ステップにおいて、ジャーナル部に焼入れを施す第２基準条件を決定し、この第２基準条件のときのクランク軸の曲がり量及び伸び量を把握する。

このとき、第１基準条件のピン部焼入れ深さ、及び第２基準条件のジャーナル部焼入れ深さは、任意に決定することができるが、クランク軸に要求される仕様の範囲内とする。また、実施例では、第１基準条件において、すべてのピン部の焼入れ深さが同じであるが、焼入れ深さが各ピンで異なっていても構わない。同様に、第２基準条件において、すべてのジャーナル部の焼入れ深さが同じであるが、焼入れ深さが各ジャーナルで異なっていても構わない。また、実施例では、第１基準条件のジャーナル、第２基準条件のピン部の焼入れ深さはゼロとしているが、第１基準条件と第１基準変更条件の対応する各ジャーナル部の焼入れ深さが同じであれば、０である必要も、各ジャーナル部の焼入れ深さが同じである必要も無い。同様に、第２基準条件と第２基準変更条件の対応する各ピン部の焼入れ深さが同じであれば、０である必要も、各ピンの硬化層深さが同じである必要も無い。ただし、ばらつきを考慮して、基準条件の焼入れ深さに対し、変更条件の対応する部位の焼入れ深さが±０．２ｍｍ以内であれば、基準条件の焼入れ深さと、変更条件の焼入れ深さは同じと定義する。

また、曲がり量及び伸び量の把握は、上記の項目「２−１」で述べたとおり、コンピュータによるシミュレーションで行うことができる。ただし、シミュレーションに代え、実験で行うこともできる。これらの第１ステップと第２ステップの順序は入れ替わっても構わない。

次に、第３ステップにおいて、第１基準条件から各ピン部の焼入れ硬化層深さを個別に変更し、これらの各第１変更条件のときのクランク軸の曲がり量及び伸び量を把握する。これと合わせ、第４ステップにおいて、第２基準条件から各ジャーナル部の焼入れ硬化層深さを個別に変更し、これらの各第２変更条件のときのクランク軸の曲がり量及び伸び量を把握する。

このとき、第１変更条件で変更したピン部焼入れ深さ、及び第２変更条件で変更したジャーナル部焼入れ深さは、任意に決定することができるが、クランク軸に要求される仕様の範囲内で浅焼きまたは深焼きとする。曲がり量及び伸び量の把握は、第１ステップ及び第２ステップと同様に、上記の項目「２−２」で述べたとおり、コンピュータによるシミュレーションで行うことができるが、実験で行うこともできる。これらの第３ステップと第４ステップの順序は入れ替わっても構わない。

続いて、第５ステップにおいて、第１ステップ及び第３ステップで把握した曲がり量及び伸び量に基づき、第１変更条件ごとに、第１基準条件に対する曲がり量変化率及び伸び量変化率を求める。これと合わせ、第６ステップにおいて、第２ステップ及び第４ステップで把握した曲がり量及び伸び量に基づき、第２変更条件ごとに、第２基準条件に対する曲がり量変化率及び伸び量変化率を求める。ここでは、上記の項目「２−３」で述べた表１及び表２のような一覧をまとめる。

次いで、第７ステップにおいて、第５ステップ及び第６ステップで求めた、第１変更条件及び第２変更条件ごとの曲がり量変化率及び伸び量変化率に基づき、クランク軸の曲がり量及び伸び量が最小になる、各ピン部及び各ジャーナル部それぞれの焼入れ深さを算出し設定する。このとき、各部位の焼入れ深さの算出は、上記の項目「２−３」で述べたとおり、上記（４）式の目的関数が最小となるように演算を実行することで行える。

このようにして得られた各部位の焼入れ深さは、クランク軸の曲がり及び伸びを最小化する最適なものとなる。したがって、多気筒エンジン用クランク軸に高周波焼入れを施すに際し、ピン部及びジャーナル部の各部位の焼入れ深さとして、上記の設定方法で得られた各部位の焼入れ深さを個々に設定することにより、クランク軸の曲がり及び伸びを同時に低減することが可能になる。

また、高周波焼入れ時に、各部位の焼入れ深さが、上記の設定方法で得られた焼入れ深さとなるように、各部位の焼入れ条件（例：高周波コイルへの電力、加熱時間）を個々に調整することにより、曲がり及び伸びが低減されたクランク軸を製造することができる。

その他本発明は上記の実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、種々の変更が可能である。

本発明は、あらゆる多気筒エンジンに搭載されるクランク軸に有効に利用できる。

１：クランク軸、
Ｊ、Ｊ１〜Ｊ５：ジャーナル部、 Ｐ、Ｐ１〜Ｐ４：ピン部、
Ｆｒ：フロント部、 Ｆｌ：フランジ部、
Ｗ、Ｗ１〜Ｗ８：クランクアーム部、
Ｈ、ＨＰ、ＨＪ：焼入れ硬化層

Claims (5)

1. 多気筒エンジン用のクランク軸のピン部及びジャーナル部のすべてに個々のフィレット部の領域まで高周波焼入れを施す際の焼入れ硬化層深さの設定方法であって、
   ピン部に焼入れを施す第１基準条件を決定し、この第１基準条件のときのクランク軸の曲がり量及び伸び量を把握する第１ステップと、
   ジャーナル部に焼入れを施す第２基準条件を決定し、この第２基準条件のときのクランク軸の曲がり量及び伸び量を把握する第２ステップと、
   前記第１基準条件から各ピン部の焼入れ硬化層深さを個別に変更し、これらの各第１変更条件のときのクランク軸の曲がり量及び伸び量を把握する第３ステップと、
   前記第２基準条件から各ジャーナル部の焼入れ硬化層深さを個別に変更し、これらの各第２変更条件のときのクランク軸の曲がり量及び伸び量を把握する第４ステップと、
   第１ステップ及び第３ステップで把握した曲がり量及び伸び量に基づき、前記第１変更条件ごとに、前記第１基準条件に対する曲がり量及び伸び量それぞれの変化率を求める第５ステップと、
   第２ステップ及び第４ステップで把握した曲がり量及び伸び量に基づき、前記第２変更条件ごとに、前記第２基準条件に対する曲がり量及び伸び量それぞれの変化率を求める第６ステップと、
   第５ステップ及び第６ステップで求めた、前記第１変更条件及び前記第２変更条件ごとの曲がり量変化率及び伸び量変化率に基づき、クランク軸の曲がり量及び伸び量が最小になる、各ピン部及び各ジャーナル部それぞれの焼入れ硬化層深さを算出し設定する第７ステップと、を含む
   ことを特徴とするクランク軸の焼入れ硬化層深さ設定方法。
2. ジャーナル部の中心軸に沿った長手方向を３次元座標系のｚ軸方向とし、ピン部のうちの先頭に配置された第１ピン部の偏心方向をｙ軸方向とし、ｙ軸及びｚ軸と直角な方向をｘ軸方向とし、
   さらに、各ピン部及び各ジャーナル部の各部位について、評価対象の部位をｊとし、焼入れ硬化層深さを変更した部位をｉとしたとき、
   前記第７ステップにおいて、
   ピン部及びジャーナル部の各部位ｊについて、ｘ軸方向の曲がり量Ａ’_xjを下記の（１）式で表し、ｙ軸方向の曲がり量Ａ’_yjを下記の（２）式で表し、ｚ軸方向の伸び量Ｂ’_zjを下記の（３）式で表し、これらの（１）式〜（３）式を用いて下記の（４）式で表される目的関数が最小となるように、下記の（５）式で表される焼入れ硬化層深さｄ’_iを算出し設定する
   ことを特徴とする請求項１に記載のクランク軸の焼入れ硬化層深さ設定方法。
   

   

   上記の（１）式〜（５）式中、
   α_j、β_jは重み係数であり、
   Ａ_xj及びＡ_yj、並びにＢ_zjは、それぞれ予め任意に設定した焼入れ硬化層深さ条件での各部位ｊのｘ軸方向の曲がり量及びｙ軸方向の曲がり量、並びにｚ軸方向の伸び量であり、
   ａ_xij及びａ_yij、並びにｂ_zijは、それぞれ前記第３ステップ及び前記第４ステップで各部位ｉの焼入れ硬化層深さを変更したときの部位ｊごとのｘ軸方向の曲がり量変化率及びｙ軸方向の曲がり量変化率、並びにｚ軸方向の伸び量変化率であり、
   ｄ_iは予め任意に設定した焼入れ硬化層深さ条件での各部位ｉの焼入れ硬化層深さであり、
   Δｄ_iはｄ_iに対する焼入れ硬化層深さの変化量である。
3. 前記第１基準条件は、すべてのピン部の焼入れ硬化層深さが同じで、すべてのジャーナル部の焼入れ硬化層深さがゼロであり、
   前記第２基準条件は、すべてのジャーナル部の焼入れ硬化層深さが同じで、すべてのピン部の焼入れ硬化層深さがゼロである
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載のクランク軸の焼入れ硬化層深さ設定方法。
4. 多気筒エンジン用のクランク軸の製造方法であって、
   クランク軸に高周波焼入れを施し、各ピン部及び各ジャーナル部の焼入れ硬化層深さを、請求項１から３のいずれかに記載の焼入れ硬化層深さ設定方法により設定された焼入れ硬化層深さにする
   ことを特徴とするクランク軸の製造方法。
5. 請求項４に記載の製造方法により製造された
   ことを特徴とする多気筒エンジン用のクランク軸。

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