JP2805356B2 - 中空のクランクシャフトおよびその製造法 - Google Patents

中空のクランクシャフトおよびその製造法

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JP2805356B2 JP1285108A JP28510889A JP2805356B2 JP 2805356 B2 JP2805356 B2 JP 2805356B2 JP 1285108 A JP1285108 A JP 1285108A JP 28510889 A JP28510889 A JP 28510889A JP 2805356 B2 JP2805356 B2 JP 2805356B2
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エミテック・ゲゼルシャフト・フュア・エミッシオンス テクノロジー・ミット・ベシュレンクテル・ハフツング
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、クランク・アーム内へ開口した貫通孔を有
する中空のクランクシャフトに関する。
〔従来の技術〕
この種のクランクシャフトは、重量および慣性モーメ
ントの減少のためおよびコスト上の理由による材料節減
のために次第に多く使われている。このクランクシャフ
トは貫通孔と共に鋳造されるか又は鍛造されるか又は後
から作孔され、また単一部品としてか又は互いに接合さ
れる個個の区分として製造される。
この種のクランクシャフトの場合、旧来の中実のクラ
ンクシャフトの場合よりも高負荷時の十分な曲げ並びに
ねじり強度の問題とクランク・アームにおけるピン突出
部の範囲のき裂の危険とが大きい。き裂発生の危険はガ
ス圧および遠心力の影響を受ける中空横断面の変形の可
能性によって一層大きくなる。
〔発明が解決しようとする課題〕
本発明の課題は、冒頭に述べた形式のクランクシャフ
トにおいて、一層有利な重量で大きな負荷を受け止める
ことができ、前述の危険に対抗できるようにすることで
ある。
〔課題を解決するための手段〕
このような課題を本発明は次のようにして解決した。
すなわち、クランク・アーム内において、その横断面に
わたって分配された拡張部材がクランク・ジャーナルお
よびクランク・ピンの範囲の開口内に、かつピン構造面
の外側の開口内に挿入されており、これらの拡張部材は
特にクランク・ジャーナルおよびクランク・ピンの両方
の内少なくとも一方の貫通孔内の拡張部材と一緒にクラ
ンク・アームおよびクランク・ピンの材料中に残留プレ
ストレスを生ぜしめ、かつ持続させるのである。
一様に分配されたこのような残留プレストレスがクラ
ンクシャフト、特にクランク・アームの材料中に後述の
拡張部材によって生ぜしめられることによって、クラン
クシャフトの曲げ強度並びになじり強度が著しく向上
し、この場合重量軽減も可能になる。圧縮に対してプレ
ストレスをあたえられる拡張部材により中空のシャフト
構造の剛性が内部から得られ、その結果き裂発生の危険
を伴う局部的な応力ピークが防止される。拡張部材によ
る支持力の強化は、ピンからアームへ移行部のき裂のお
それのある個所の不都合な応力ピークを他のクランク・
アーム範囲へ一様に分布させる。この場合、危険な範囲
における交番応力の発生を避けることができる。という
のは、応力変動をプレストレス以下に保つことができる
からである。この場合、正または負の値で変動する応力
はき裂発生の点で引張りと圧縮との交番応力に比して危
険が少ない。これと並んで、材料中のプレストレスはク
ランクシャフトの固有振動数を高めるという有利な作用
を有し、これによって危険性のある中空シャフトが固有
振動数の増大を呈し、この固有振動数は運転中クランク
シャフトの回転数によって決定される振動範囲にとって
有利となる。とあるのを［さらに、材料中のプレストレ
スは、クランクシャフトの運転速度により決定される振
動範囲に対してより好ましい増大された固有振動数を中
空シャフトが持つように、クランクシャフトの固有振動
数を高めるという有利な作用を有する。
有利な実施態様によれば、クランク・ジャーナルおよ
びクランク・ピンの出口開口への拡張部材として多くの
スリーブが使われ、これらのスリーブはクランク・アー
ム材料中にアーム横断面の全域又は少なくとも外周域に
わたってほぼ一様にプレストレスを生ぜしめる。このよ
うな拡張部材によれば、クランクシャフトの特にき裂発
生のおそれのある危険な範囲が、重畳された圧縮プレス
トレスの作用を受ける。
拡張部材としては円すい形の円板を使うこともでき、
この円すい形の円板は軸線方向でフラットに圧縮する方
向で弾性的又は塑性的に変形されて半径方向での拡開を
生ずる。簡単な形としては円すい形の薄板円板であって
よく、このような円板がクランク・アームの出口開口内
へ挿入され、機械的手段でフラットに圧縮される。別の
可能性としては、円すい円板を対をなして互いに逆向き
に配置し、軸線方向で互いに締結する。この場合、１組
の円板組を２つの隣り合う両方のクランク・アーム内に
挿入して締結することができるが、各１つの円板組を一
方のクランク・アーム範囲の各出口開口内へ挿入するこ
とも可能である。円板相互間の締結はねじ区分を有する
アンカーによって行なうか又は円すい円板を一体に結合
している中間スリーブを機械的又は油圧式に拡張するこ
とによって行なう。いずれにせよ円すい形又は湾曲形の
円板をフラットな形に拡開又は圧縮することによって円
板相互の締結がなされる。この場合各円板は一方のクラ
ンク・アームにおけるクランク・ピンおよびクランク・
ジャーナルの出口開口内で一平面内に位置している必要
がある。
前述のクランク・アーム強化と組み合わせて、一実施
態様によれば、クランク・ジャーナル並びにクランク・
ピンの出口開口内の拡張部材以外に、クランク・アーム
のピン横断面の外側に位置する開口内に別の拡張部材が
付加的に挿入される。この場合やはり円形断面のスリー
ブ又はピンの場合に適用されるが、ほぼ円形又は長円形
のクランク・アームの場合、横断面が三角形又は三日月
形の拡張体であると特に有利である。軸線方向でプレス
嵌めするためにはこの拡張体が円すい形又は角すい形で
あるとよい。プレストレスを伴う挿入は、熱的な前処理
の後に、温度補償の際の嵌め合わされた部分の緊縮もし
くは伸長によって行なうこともできる。このような場合
クランク・アームの特に外周域に一様な応力分布を期す
る必要がある。
別の有利な組合わせによれば、クランク・ジャーナル
およびクランク・ピンの円筒区分内へスリーブの形の拡
張部材が挿入され、この拡張部材がクランク・ジャーナ
ルおよびクランク・ピンの材料中に接線方向の引張りプ
レストレスを生ぜしめる。なお、クランク・アーム内の
開口に挿入する既述の拡張部材もこのような作用を部分
的には有している。有利な実施態様においてはピン用の
拡張部材として円筒状のスリーブが使われ、このスリー
ブは弾性限界を越えて塑性的に拡開される。このように
して、わずかな材料消費並びに比較的安価な材料にもか
かわらず、ピン範囲における曲げ強度、座屈強度並びに
ねじり強度の改善を果たすことができる。この場合強調
すべき点として、以上述べた詳細は例えば穴あけされて
いるか又は中空鋳造された一体構造のクランクシャフト
にも当てはまることであり、個個の区分から組み立てら
れるクランクシャフトのための特別な実施態様によれ
ば、ピン内に接線方向の引張り応力を生ぜしめる強化用
のスリーブ部材が同時に差し嵌め合わせたピン部材の結
合のためのプレストレスをも生ぜしめることができる。
以上は、円すい円板からもっぱらクランク・アーム範
囲における拡張部材として、また円筒スリーブがピン範
囲における有利な拡張部材としてそれぞれ使われる点に
ついて述べたが、これら両方の部材共その使用を逆にす
ることができ、つまり、ピン内へも個個の拡張可能な円
板体を挿入することができ、またクランク・アーム範囲
にも拡張可能なスリーブを挿入することができる。この
場合これらの円板体並びにスリーブはたんに油圧式にで
はなく、例えば機械的な拡張手段によってもシャフト材
料の弾性変形に抗して塑性的に拡張させることができ
る。さらに、スリーブを付加的な円板体又は充てん材と
組み合わせることもでき、かくして円形の中空体範囲の
非円形の変形に対する付加的な強化が達成される。
シャフト材料の弾性変形に対処するスリーブの塑性的
な拡張が有利な製作法、それも外側に位置するほど高い
降状点を有する材料を選ぶ必要のある製作法といえるの
に対して、遊びを有して嵌め合わされて調質される部材
の熱的な接合（緊縮、膨張）も製作法として適してい
る。また、プレス嵌めを生ずるための軸線方向の圧入も
可能である。
ピン範囲で分割されている個個の区分から組み立てら
れるクランクシャフトに特に用いることのできる拡張も
しくは緊張部材の有利な実施態様として、互いに結合さ
れている段付きスリーブをあげることができる。この段
突きスリーブはピン内の貫通孔に挿入されると共にクラ
ンク・アーム範囲に特に口径を減少された出口開口にも
挿入される。この場合クランク・ジャーナルとクランク
・ピンとが重なっている理由から、クランク・アームに
は中心からずらした半円をなして多数の開口が形成され
ており、これらの開口は個個の拡張可能なスリーブを挿
入することができる。半径方向の円板部分又は既述の円
すい円板によって中空のクランク・ピンの内部に閉ざさ
れた室を形成することができ、有利な実施態様によれば
この室に振動減衰材、例えばセラミック又はプラスチッ
クの粒材が充てんされる。
〔実施例〕
次に、図面に示した実施例に従って本発明を説明す
る： 第１図にはクランクシャフトの２つのクランク・アー
ム1,2を含む区域が示されている。クランク・アーム1,2
はクランク・ピン３を介して互いに結合されていて、中
空のクランク・ジャーナル4,5へ続いている。クランク
・アームにはカウンター・ウエイト6,7が配置されてい
る。クランク・ピン３は互いに差し嵌められたピン突出
片23,24から構成されており、各ピン突出片23,24は内部
へ挿入された１つのスリーブ26によって互いに結合さ
れ、プレストレスを受けている。このスリーブ26とは独
立の円筒スリーブ27,28が貫通孔10の出口29,30内へ挿入
されており、これらの円筒スリーブ27,28もスリーブ26
と同様に機械的にか又は特に油圧式に拡張されている。
クランク・ピン３と同様の形式で中空のクランク・ジャ
ーナル4,5も互いに差し嵌められたピン突出片33,34;35,
36から構成されており、各ピン突出片内へ相互の結合の
ため並びにプレストレスをあたえるために各１つの拡張
されたスリーブ39,40が挿入されている。これらのスリ
ーブ39,40とは独立にクランク・アーム1,2の範囲におい
て貫通孔48,49内へ円筒スリーブ41,42が挿入されてお
り、これらの円筒スリーブ41,42も油圧式か又は機械的
に塑性変形されていてクランク・アーム1,2の範囲にプ
レストレスを及ぼしている。
第２図は第１図中のＡ−Ａ線に沿ったクランク・ジャ
ーナル４の断面図である。クランク・ジャーナル４は前
述のようにピン突出片33,34から構成されていて、内部
に結合部材兼プレストレス部材としてのスリーブ39が挿
入されている。クランク・アーム１が端面図で示されて
おり、中空のクランク・ピンの円形の出口開口29と並ん
で別の円形は出口開口56,57が見える。出口開口56,57は
スリーブ27による出口開口29と同様にスリーブ58,59に
より拡張されてプレストレスをあたえられている。ま
た、リブを形成する貫通しない切欠きとしてか又は貫通
孔52,53,54,55としての構造がクランク・アームに施さ
れており、その内部に拡張部材としての成形片60,61,6
2,63が挿入されている。
第３図には第１図中のＢ−Ｂ線に沿ってクランク・ピ
ン３が断面図で示されている。符号30は出口開口であ
る。端面図で示されているクランク・アーム１内には、
スリーブ42を有する貫通孔49と並んで、拡張スリーブ6
6,67を有する２つの出口開口64,65も設けられている。
リブを形成する貫通してない切欠きとしてか又は貫通孔
68,69,70,71が拡張部材としての成形片72,73,74,75によ
ってプレストレスをあたえられている。
第４図に示すクランクシャフトの場合、クランク・ピ
ン３はやはり互いに差し嵌められたピン突出部23,24か
ら構成されているが、第１図の実施例と異なって１つの
スリーブ25によって包囲されている。このスリーブ25は
軸受性質を有する高強度の材料から成っていて、この材
料は同時に大きなプレストレス作用を受け止める。クラ
ンク・ピンの貫通孔10内には１つの段付きスリーブ26が
挿入されており、この場合スリーブ26はピン突出部内へ
嵌合した中間区分をその中間区分に続いて出口開口29,3
0内へ達する小さな直径のスリーブ区分27,28とを有して
いる。この段付きスリーブ26およびピン突出部23を特に
油圧によって塑性的に拡張することによって、ピン突出
部24および軸受スリーブ25の材料中並びにクランク・ア
ーム1,2の範囲に引張りプレストレスが生ぜしめられ
る。出口開口30内に嵌まるスリーブ区分28内には付加的
に円すい円板50が挿入されており、この円すい円板50は
例えば機械的な軸方向での圧縮による塑性変形によって
プレストレスの支持並びに円筒孔の強化を生ずる。段付
きスリーブ26によってそのスリーブ区分27,28の周囲に
環状の中空室31,32が形成され、これらの中空室31,32へ
振動減衰性の材料を充てんすることができる。ジャーナ
ル・ピン4,5もクランク・ピン３と同じ形式でクランク
・アーム1,2と一体のピン突出片33−34,35−36の相互の
差嵌めによって構成され、軸受けスリーブ37,38によっ
て包囲されている。貫通孔8,9内には段付きスリーブ39,
40が挿入されていて、図面ではクランク・アーム1,2の
出口開口48,49に嵌まるスリーブ区分41,42の詳細が示さ
れている。スリーブ39,40並びにピン突出片34,35の塑性
的な拡張によって、ピン突出片相互の結合と同時にピン
突出片33,36内並びに軸受スリーブ37,38内にプレストレ
スがあたえられ、クランク・アーム1,2内にプレストレ
スがあたえられる。クランク・アーム２内に位置するス
リーブ区分42内には一対の円すい円板43,44が挿入され
ており、これらの円すい円板は結合スリーブ45を介して
互いに一体に結合されている。この結合スリーブ45の機
械的又は油圧式の拡張によって円すい円板43,44のフラ
ットな拡開、ひいてはスリーブ区分42のプレストレス並
びに円筒孔の強化が生ぜしめられる。段付きスリーブ3
9,40によって環状の中空室46,47が形成され、この内部
には振動減衰性の材料を充てんすることができる。
第５図に示されている一体構造のクランクシャフトの
場合、クランク・アーム1,2はクランク・ピン３を介し
て互いに結合されており、このクランク・アームにクラ
ンク・ジャーナル4,5の突出部が結合されている。クラ
ンク・アーム1,2はクランク・ピン３とは反対側にカウ
ンターウエイト6,7を有している。クランク・ジャーナ
ル4,5は、クランク・アームの範囲において口径を減少
された貫通孔8,9を有している。クランク・ピン３は段
付きの貫通孔10を有している。ジャーナル4,5の出口開
口48,49内には軸線方向で向きを逆に対をなした円すい
円板15−16,17−18が挿入されている。クランク・ピン
３の貫通開口10の出口開口29,30にも同様に円すい円板1
1−12,13−14が挿入されている。円すい円板11−12,13
−14には、各円板相互の締結のために逆の向きのねじ区
分を有するねじロッド19,20が挿入されており、貫通開
口8,9における円すい円板15−16,17−18の各円板は中空
リベット21,22によって互いに締結されている。別の同
様の部材を使うこともできる。開口端側へ向かって口径
を減少した貫通孔の形状は、鍛造によるクランクシャフ
トの場合、例えばピン中心平面での突合わせ溶接によっ
てピン範囲でクランクシャフトの組立てを行なうことが
できる。
第４図および第５図の実施例においても図示の縦断平
面の外側においてクランク・アームの別の開口に拡張部
材を挿入して拡張させるか又は軸線方向でプレス嵌めす
ることができる。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明のクランクシャフトの部分の縦断面図、
第２図は第１図中のＡ−Ａ線による横断面図、第３図中
は第１図中のＢ−Ｂによる横断面図、第４図は第１図の
例とは異なる実施例のクランクシャフト部分の縦断面
図、第５図はさらに別の実施例のクランクシャフト部分
の縦断面図である。 1,2……クランク・アーム， ３……クランク・ピン， 4,5……クランク・ジャーナル， 6,7……カウンターウエイト， 8,9,10……貫通孔， 11,12,13,14,15,16,17,18……円すい円板， 19,20……ねじロッド， 21,22……中空リベット， 23,24……ピン突出片， 25……軸受スリーブ， 26……段付きスリーブ， 27,28……円筒区分， 29,30……出口開口， 31,32……中空室， 33,34,35,36……ピン突出片， 37,38……軸受スリーブ， 39,40……段突きスリーブ， 41,42……スリーブ， 43,44……円すい円板， 45……結合スリーブ， 46,47……中空室， 48,49,52,53,56,57……出口開口， 54,55……貫通孔， 58,59……スリーブ， 60,61,62,63,68,69,70,71……成形体， 64,65,72,73……出口開口， 66,67……スリーブ， 74,75……貫通孔。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭55−103112（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−17713（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−289517（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−104812（ＪＰ，Ａ) 特公 昭59−6259（ＪＰ，Ｂ２) 特公 昭55−40766（ＪＰ，Ｂ２) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) F16C 3/06

Claims (19)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】クランク・アーム内へ開口した貫通孔を有
    する中空のクランクシャフトにおいて、クランク・アー
    ム（1,2）内において、その横断面にわたって分配され
    た第１拡張部材（27,28,41,42,58,59,60,61,66,67,72,7
    3）が、クランク・ジャーナル（4,5）およびクランク・
    ピン（３）の範囲の開口（29,30,48,49,52,53,56,57,6
    4,65,68,69）内に挿入されており、第１拡張部材はクラ
    ンク・アームの材料中に残留プレストレスを生ぜしめ且
    つ持続させる、また、クランク・アーム（1,2）内にお
    いて、第２拡張部材（62,63,74,75）がジャーナルおよ
    びピン横断面の外側の開口（54,55,70,71）内に挿入さ
    れており、第２拡張部材はクランク・アームの材料中に
    残留プレストレスを生ぜしめ且つ持続させることを特徴
    とするクランクシャフト。
  2. 【請求項２】第３拡張部材（26、39、40）が、クランク
    ・ジャーナル（4,5）およびクランク・ピン（３）の両
    方の内少なくとも一方の開口（8,9,10）内に挿入されて
    いて、クランク・ジャーナルの材料中に残留プレストレ
    スを生ぜしめ且つ持続させることを特徴とする請求項１
    記載のクランクシャフト。
  3. 【請求項３】クランク・アーム（1,2）内の第１拡張部
    材として円筒状のスリーブ（27,28;41,42;58,59,66,6
    7）が設けられており、これらのスリーブは弾性限界を
    越えて塑性的に半径方向で拡張されていることを特徴と
    する請求項１記載のクランクシャフト。
  4. 【請求項４】クランク・アーム内の第１拡張部材とし
    て、横断面が円形、三日月形又は三角形であって縦方向
    で円すい形又は角すい形の形体の成形体が、不変のプレ
    ストレスのもとに挿入又は圧入されていることを特徴と
    する請求項３記載のクランクシャフト。
  5. 【請求項５】クランク・アーム（1,2）内の第１拡張部
    材として円すい形の円板（11−12,13−14,15−16,17−1
    8,43−44）が設けられており、これらの円板は弾性変形
    又は塑性変形によって平らな円板形を呈するように半径
    方向で拡大されていることを特徴とする請求項３記載の
    クランクシャフト。
  6. 【請求項６】円すいの円板（11−12,13−14,15−16,17
    −18,43−44）が逆向きに対をなして配置されていて、
    各円板組が中央部において互いに軸線方向で締結されて
    いることを特徴とする請求項５記載のクランクシャフ
    ト。
  7. 【請求項７】円すい形の円板（11−12,13−14）が軸線
    方向でアンカー（19,20）又は中空リベット（21,22）に
    よって互いに締結されていることを特徴とする請求項６
    記載のクランクシャフト。
  8. 【請求項８】円すいの円板（43−44）が一体成形されて
    拡張された結合スリーブ（45）によって軸線方向で互い
    に締結されていることを特徴とする請求項６記載のクラ
    ンクシャフト。
  9. 【請求項９】クランク・ジャーナル（4,5）内およびク
    ランク・ピン（３）内の両方の内少なくとも一方の第３
    拡張部材として円筒スリーブ（26,39,40）が使われてお
    り、この円筒スリーブは弾性限界を越えて変形されてい
    ることを特徴とする請求項２記載のクランクシャフト。
  10. 【請求項１０】クランクシャフトが、一体の鍛造品又は
    鋳造品として構成されていることを特徴とする請求項１
    から９までのいずれか１項記載のクランクシャフト。
  11. 【請求項１１】クランクシャフトが、クランク・ピン
    （３）およびクランク・ジャーナル（4,5）の両方の内
    少なくとも一方の範囲で突合わせ溶接されと個個の鍛造
    区分から構成されていることを特徴とする請求項１から
    ９までのいずれか１項記載のクランクシャフト。
  12. 【請求項１２】クランクシャフトが、互いに差し嵌めら
    れて締結されているか又は溶接されている複数のピン部
    分から成るクランク・ピン（３）およびクランク・ジャ
    ーナル（4,5）の少なくとも一つを備えた個々の部材か
    ら構成されていることを特徴とする請求項１から９まで
    のいずれか１項記載のクランクシャフト。
  13. 【請求項１３】クランク・アーム（1,2）内の第１拡張
    部材として役立てられる円筒スリーブ（27,28;41,42）
    がスリーブ区分（26;39;40）と一体に構成されており、
    スリーブ区分（26,39,40）はクランク・ピン（３）およ
    びクランク・ジャーナル（4,5）のための拡張部材並び
    に締結部材として使われていることを特徴とする請求項
    １から12までのいずれか１項記載のクランクシャフト。
  14. 【請求項１４】互いに差し嵌められたクランク・ジャー
    ナル（4,5）用の拡張兼締結部材が、直径の大きな中間
    のスリーブ（39,40）とこのスリーブの両端に同軸的に
    接続される直径の小さなスリーブ（41;42）とから成っ
    ていることを特徴とする請求項13記載のクランクシャフ
    ト。
  15. 【請求項１５】クランク・アーム（1,2）内の、拡張兼
    締結部材によって形成された中空室（31,32,46,47）に
    セラミック又はプラスチックから成る粒体のような振動
    減衰材が充てんされていることを特徴とする請求項13記
    載のクランクシャフト。
  16. 【請求項１６】請求項１から15までのいずれか１項記載
    のクランクシャフトの製造法において、拡張部材を油圧
    による内部圧によって拡張することを特徴とする、クラ
    ンクシャフトの製造法。
  17. 【請求項１７】請求項１から15までのいずれか１項記載
    のクランクシャフトの製造法において、拡張部材を機械
    的手段によって拡張又は拡開することを特徴とする、ク
    ランクシャフトの製造法。
  18. 【請求項１８】請求項１から17までのいずれか１項記載
    のクランクシャフトの製造法において、拡張部材に過冷
    を施して組付け前のクランク・アームに加熱を施すか又
    はそのいずれかに処理し、互いの差嵌めの後に温度補償
    を施すことを特徴とする、クランクシャフトの製造法。
  19. 【請求項１９】請求項１から15までのいずれか１項記載
    のクランクシャフトの製造法において、オーバーサイズ
    の拡張部材を軸線方向でプレス嵌めすることを特徴とす
    る、クランクシャフトの製造法。
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