JP3728947B2 - 油孔を有する回転体の摺動部の高周波焼入れ処理方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関のクランクシャフトのピン部やジャーナル部に用いて好適の、回転体の摺動部の高周波焼入れ処理方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
クランクシャフトのピン部にはコネクティングロッド（以下、コンロッドという）の端部が連接され、ジャーナル部は軸受によってクランクケースに支承され、ピン部やジャーナル部の外周は摺動部となる。このような摺動部の潤滑を良くするために、ピン部及びジャーナル部に油孔を設けて、この油孔よりピン部及びジャーナル部に潤滑油の供給を行なえるようにしている。
【０００３】
図７は、このような摺動部に高周波焼入れ処理を施した、従来のクランクシャフトのピン部の模式的構造を示す図であり、（ａ）はその正面図、（ｂ）は（ａ）のＣ−Ｃ矢視断面図である。
図７（ａ）に示すように、クランクシャフト１には、ジャーナル部１０，１０の間に、アーム部１２を介してピン部２０が設けられ、このピン部２０にはコンロッド１３の端部が連接されている。そして、ピン部２０には、図７（ａ），（ｂ）に示すように、油孔３０が穿設されており、油孔３０はジャーナル部１０，アーム部１２内に形成された図示しない油孔と連通しており、エンジンオイル（潤滑油）の一部が、このピン部２０に設けられた油孔３０を介して、ピン部２０の外周表面に供給されるようになっている。そして、ピン部２０の外周表面には、高周波焼入れ処理により硬化された、高周波焼き入れ層（以降、焼入れ層と略す）４０が形成されている。
【０００４】
この焼入れ層４０によって、ピン部２０の表面（摺動部）の耐摩耗性が向上する。
なお、このようなピン部２０の外周表面の高周波焼入れ処理は、例えば、図８に示すように、ピン部２０の周囲に、略円形の加熱コイル２を配置して、この加熱コイル２に接続される高周波電源３から電流を供給してピン部２０の外周表面に電磁誘導による熱を発生させることにより行なっている。加熱コイル２は、上部コイル２ａと下部コイル２ｂとからなる２つ割れに形成され、上部コイル２ａ，下部コイル２ｂは互いに離接して開閉できるようになっている。これにより、ピン部２０を加熱コイル２内に設置または加熱コイル２内から取外すときには、上部コイル２ａ，下部コイル２ｂを離隔して加熱コイル２を開放状態にし、そして、ピン部２０に高周波焼入れ処理を行なうときには、上部コイル２ａ，下部コイル２ｂを互いに近接させて加熱コイル２を略閉状態にさせるようにしている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図７に示すような熱処理を施した従来の回転体の摺動部構造では、次のような課題がある。
つまり、図７（ｂ）に示すような熱処理を施された部分と熱処理の施されない部分との境界、即ち、高周波焼入れ境界（以降、焼入れ境界と略す）４５には、熱処理により引張内部応力が発生する。このため、焼入れ境界４５を中心とした部分は内燃機関の運転中に作用する荷重に対する強度が弱い。
【０００６】
さらに、焼入れ境界４５の存在する油孔３０の内周面３７は、構造的に表面加工しにくいために表面が粗く切欠き感度が比較的大きい上に、高周波焼入れされて硬度が強化されることで、この切欠き感度がさらに上昇するため、上述の引張内部応力による強度の低下に加えて、この部分の強度が一層低下してしまう。
このため、焼入れ境界４５が疲労破壊の起点となって、ピン部２０が疲労破壊を起こす虞がある。
【０００７】
こうした疲労破壊を防止するために、従来より、幾つかの構造や方法が開発されている。
例えば、油孔内周にその開口部からピン部軸心付近にかけて高周波焼入れ層を形成して、高周波焼入れ処理を施された部分と高周波焼入れ処理の及ばない部分との境界を、応力の小さいピン部軸心側に移動させるもの（実開昭６３−７２３１４）や、ピン部又はジャーナル部の外周面に焼入れを施すとともに、ピン部，ジャーナル部に形成され油孔の全内周面にも焼入れ層を形成するもの（実開平２−７８８０７）や、油孔の内部において、高周波焼入れ処理を施された部分と高周波焼入れ処理の及ばない部分との境界近傍にレーザ焼入れ又はショットピーニングを施すもの（特開平０９−０１４２５２）等があり、窒化処理を施した被化合物（例えば、ピン部の油孔）の場合は、その表面に沿って化学研磨液を流して、被化合物表面の化合物層を除去するとともに被化合物表面を加工して強度を高めるもの（特開平０３−２３２９８４）等がある。
【０００８】
しかし、これらの技術は、何れも、疲労破壊を防止するための処理が困難であったり、複雑な加工作業が必要であるという不具合がある。つまり、油孔のような小径の穴の内部に焼入れやショットピーニングを施すことは困難な技術であり、また、小径穴である油孔の表面に沿って化学研磨液を流して化合物層の除去や加工を行なうことは簡単な処理ではない。
【０００９】
本発明は、このような課題に鑑み創案されたもので、容易な加工作業により製造することができ、耐摩耗性が高く、且つ、強度の高い、回転体の摺動部の高周波焼入れ処理方法を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
このため、請求項１記載の本発明の回転体の摺動部の高周波焼入れ処理方法は、軸受け部材に対し摺動する回転体の摺動部の表面に開口するように油孔が形成され、該摺動部の周囲に加熱コイルを配置して、該摺動部の表面のうち該油孔の開口部の周辺を除いた部位に高周波焼入れ処理を施す方法において、前記油孔の開口部近傍の前記摺動部表面と加熱コイルとの離間距離を、前記油孔の開口部近傍以外の前記摺動部表面と加熱コイルとの離間距離より大きくした状態で高周波焼入れ処理を施すことを特徴としている。
また、請求項２記載の本発明の回転体の摺動部の高周波焼入れ処理方法は、請求項１の方法において、前記加熱コイルは、前記油孔の開口部の外周付近は覆わないことを特徴としている。
また、請求項３記載の本発明の回転体の摺動部の高周波焼入れ処理方法は、前記油孔の開口部に、前記加熱コイルによる熱を吸収するマスキング部材を差し込んだ状態で高周波焼入れ処理を施すことを特徴としている。
いずれの処理方法も、油孔の開口部の周辺は高周波焼入れ処理されずに、高周波焼入れ処理を施した部位と高周波焼入れ処理を施さない部位との境界が表面の強度を確保し易い回転体の摺動部表面に形成されることになる。したがって、かかる境界が油孔内に形成されなくなるため、油孔内には、引張内部応力は発生しない。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、図面により、本発明の実施形態について説明する。各実施形態としては、本発明の回転体の摺動部の高周波焼入れ処理方法をクランクシャフトのピン部に適用した例を説明する。
まず、図１〜図４を参照して本発明の第１実施形態としての回転体の摺動部構造について説明する。
【００１２】
図１は本実施形態にかかるクランクシャフトのピン部１２０を示す模式的構造図であって、（ａ）は正面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ矢視断面図、図２は本実施形態にかかるクランクシャフトの要部構造を示す正面図、図３はその高周波焼入れ処理を示す断面図、図４はその高周波焼入れ処理の変形例を示す断面図である。
【００１３】
図２に示すように、クランクシャフト１には、ジャーナル部１０，１０間にアーム部１２を介してピン部１２０が設けられており、このピン部１２０にコンロッド（軸受け部材）１３が連接されていて、本実施形態では、このピン部１２０が回転体の摺動部に相当する。
図１（ａ），（ｂ），図２に示すように、本実施形態のピン部（回転体の摺動部）１２０は、直径方向に貫通する油孔１３０をそなえている。この油孔１３０の両端は、油孔開口部１３５においてピン部１２０の外周に開口している。
【００１４】
そして、ピン部１２０の外周には、高周波焼入れ処理が施されている。この高周波焼入れ処理は、ピン部１２０の外周面全体ではなく、油孔１３０の内周面１３７及び油孔開口部１３５周辺を含んでピン部１２０の幅方向に拡がる部分（焼入れ未処理部１５０）を除いた部分（焼入れ部１４０）に施されている。
したがって、焼入れ部１４０と焼入れ未処理部１５０との境界（焼入れ境界）１４５は、ピン部１２０の外周面であって且つ油孔１３０から離隔した位置に形成されている。
【００１５】
ところで、油孔１３０は、ピン部１２０の外周のうち、図２に太線で示すピン谷部１６０ａと丁度その反対側（反対外周）１６０ｂとを外れた場所に開口するように配置されている。本実施形態の場合、ピン谷部１６０ａ並びにその反対外周１６０ｂを含む直径と直交する直径上に油孔１３０が配置されている。したがって、油孔開口部１３５の周辺位置に設けられる焼入れ未処理部１５０は、ピン谷部１６０ａ並びにその反対外周１６０ｂとの何れからも外れるように設けられている。
【００１６】
なお、油孔１３０は、ピン谷部１６０ａ並びにその反対外周１６０ｂを含む直径と直交する直径（以降、直交直径と言う）上に位置するとは限らず、直交直径に対して適当な角度を持つ直径上に配置することもある。しかし、かかる角度は、油孔１３０を通る焼入れ未処理部１５０がピン谷部１６０ａ並びにその反対外周１６０ｂ上に位置してしまう程のものではない。
【００１７】
ピン部１２０は、コンロッド１３の端部を軸支しながら、ジャーナル部１０の軸心線１５を中心に回転する。この時、コンロッド１３はピン部１２０の軸心線１２５を中心に自転しながら、ジャーナル部１０の軸心線１５を中心に公転する。そして、ピン部１２０に一端を連接されたコンロッド１３及びコンロッド１３の他端に接続されるピストン（図示略）が上下運動するため、この上下運動の際の慣性力により、ピン部１２０とコンロッド１３との接触圧力はピン谷部１６０ａ並びにその反対外周１６０ｂで最大となる。このため、ピン谷部１６０ａ並びにその反対外周１６０ｂは最も摩耗し易い部分となる。
【００１８】
したがって、本実施形態のピン部１２０は、油孔１３０を通ってピン部１２０の幅方向に拡がる焼入れ未処理部１５０を有するが、この焼入れ未処理部１５０はピン谷部１６０ａ並びにその反対外周１６０ｂの何れからも離隔した位置にあり、一方、ピン谷部１６０ａ並びにその反対外周１６０ｂには焼入れ処理が施されているので、ピン部１２０の摩耗を低減させることができる。
【００１９】
ここで、最も摩耗の生じやすいピン谷部１６０ａ並びにその反対外周１６０ｂにのみ高周波焼入れ等の熱処理を施すということも考えられるが、この場合、ピン部１２０の一部分のみの偏った加熱となって、ピン部１２０が熱変形してしまう。したがって、ピン谷部１６０ａ並びにその反対外周１６０ｂにのみ熱処理を施すことは実用的ではない。
【００２０】
ところで、本実施形態のピン部１２０の焼入れ処理は、既に説明した従来技術（図８参照）と同様に高周波電源に接続された加熱コイルを用いて行なうが、本実施形態の場合、加熱コイル２００をオーバル状に形成しており、図３に示すように、ピン部１２０の周囲に、このオーバル形状の加熱コイル２００を配置して、この加熱コイル２００を作動させてピン部１２０の外周面に電磁誘導による熱を発生させることにより行なっている。この際、加熱コイル２００には高周波電源から電流が送られ、これにより加熱コイル２００が作動する。
【００２１】
この時、加熱コイル２００は、オーバル形状を構成するその長手方向がピン部１２０の油孔１３０方向に沿うようにして、ピン部１２０の周囲に配置される。したがって、加熱コイル２００とピン部１２０の表面との距離は、油孔開口部（開口部）１３５付近では他の部分よりも離隔した位置になっており、油孔開口部１３５の周辺及び油孔内部１３７については加熱コイル２００の電磁誘導の作用が弱くなって高周波焼入れ処理がなされないようになっている。
【００２２】
なお、図３に示すように、加熱コイル２００は上部コイル２０１と下部コイル２０２とからなる２つ割れに形成されており、上部コイル２０１，下部コイル２０２は互いに離接して開閉できるようになっている。これにより、ピン部１２０を加熱コイル２００内に設置または加熱コイル２００内から取外すときには、上部コイル２０１，下部コイル２０２を離隔して加熱コイル２００を開放状態にし、そして、ピン部１２０に高周波焼入れ処理を行なうときには、上部コイル２０１，下部コイル２０２を互いに近接させて、ピン部１２０を挟むように加熱コイル２００を略閉状態にさせるようにしている。
【００２３】
したがって、ピン部１２０を加熱コイル２００の内部に設置し、この後、加熱コイル２００を閉じて加熱コイル２００に電流を流すことで、焼入れ未処理部１５０を除いた部分、即ち、ピン谷部１６０ａ並びにその反対外周１６０ｂを含む焼入れ部１４０に高周波焼入れ処理を施すことができるのである。
なお、図１（ｂ），図３において、焼入れ部１４０をスマッジングで示しているが、高周波焼入れ処理される部分の厚みについては誇張して示している。
【００２４】
本発明の第１実施形態にかかる回転体の摺動部としてのピン部１２０は、上述のように構成され、焼入れ境界１４５がピン部１２０の外周面に位置するので、以下のような作用，効果が得られる。
ピン部１２０の外周面は、油孔１３０の内面に比較して、表面加工作業を行ない易いため表面粗さが細かく（即ち、滑らかで）切欠き感度も低い。本構造では、焼入れ境界１４５が、このように切欠き感度の低いピン部１２０の外周面に位置しているので、油孔内部１３７に位置する場合よりも、焼入れ境界１４５の疲労強度が高くなって疲労破壊の起点部となりにくい。即ち、ピン部１２０が疲労破壊しにくくなる。
【００２５】
また、油孔内部１３７は、高周波焼き入れ処理されず、したがって、油孔内部１３７が硬化されることもない。このため、切欠き感度が高くなることもないので、油孔１３０の強度の低下が防止される。
また、油孔内部１３７には焼入れ境界も存在しないので、これに起因する引張内部応力も発生しない。このため、内燃機関の運転中に作用する荷重に対する疲労強度の低下も防止される。
【００２６】
したがって、本構造によれば、ピン部（回転体の摺動部）１２０の強度低下を招くことなしに、ピン部１２０の耐摩耗性を向上させることができるという利点がある。
さらに、高周波焼き入れ処理による疲労強度の低下がないために疲労強度を向上させるための作業が不要となって、作業が容易になるという利点もある。
【００２７】
また、本実施形態の加熱コイルは、油孔開口部１３５の周辺で加熱コイル２００をピン部１２０から大きく離隔させているが、高周波焼入れ処理が油孔開口部１３５の周辺と油孔内部１３７とを除いた部分に施されるようなものであれば良く、例えば、図４に示すように、２つの加熱コイル２０１ａ，２０２ａを、高周波焼入れ処理中にピン部１２０の周囲のうちの油孔開口部１３５の外周付近は覆わないように形成して、この油穴開口部１３５の外周付近に電磁誘導が発生しないようにしたものでもよい。
【００２８】
なお、図４においても、図１（ｂ），図３と同様に、スマッジングで示す高周波焼入れ処理される部分（焼入れ部１４０を）の厚みについては誇張して示している。
次に、第２実施形態について説明する。
図５及び図６は本発明の第２実施形態にかかるクランクシャフトのピン部２２０について示すもので、図５はその模式的構造を示す図であって、（ａ）は正面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ矢視断面図であり、図６はその高周波焼入れ処理を示す断面図である。
【００２９】
本実施形態のピン部２２０は、図５（ａ），（ｂ）に示すように、第１実施形態と同様に、直径方向に貫通する油孔２３０をそなえ、ピン部２２０の表面の油孔開口部２３５の周辺及び油孔内部２３７（焼入れ未処理部２５０）を除いた部分（焼入れ部２４０）に、高周波焼入れ処理が施されている。これにより、第１実施形態と同様に、焼入れ部２４０と焼入れ未処理部２５０との境界（焼入れ境界）２４５が、ピン部２２０の外周面に形成される。
【００３０】
本実施形態のピン部２２０は、図６に示すように、ピン部２２０の周囲に、図示しない高周波電源を接続された略円形状の加熱コイル３００を配置して、この加熱コイル３００により、ピン部２２０の外周面に高周波焼入れ処理を施して製作される。
この高周波焼入れ処理の際、ピン部２２０の油孔開口部２３５には、加熱コイル３００による熱を吸収するマスキング（冷し金）３４０が差し込まれている。
【００３１】
マスキング３４０は、油孔２３０の径よりも僅かに径の小さい円柱状の胴体部３４１と、油孔２３０の径よりも大きい円板状のヘッド部３４２とが同一軸心線上に並んだ形状のものである。このマスキング３４０には、磁力線を通したときに透磁率が高くてヒステリシス損失と渦電流損失が小さい金属を用いることが望ましい。
【００３２】
ここで、マスキング３４０は、ヘッド部３４２がピン部２２０に当接するまで胴体部３４１を油孔内部２３７に差し込まれ、この際、ヘッド部３４２は油孔開口部２３５及びその周辺部を覆う。
このようにマスキング３４０を油孔２３０に差し込むことで、マスキング３４０に当接する油孔開口部２３５の周辺及び油孔内部２３７はマスキング３４０に冷やされ、また、マスキング３４０に当接しないピン部２２０の外周面であっても、ヘッド部３４２に覆われた部分は加熱コイル３００による電磁誘導の影響を直接には受けず、したがって焼入れ処理されないようになっている。同様に、油孔内部２３７のピン部２２０中心側についても、ヘッド部３４２に覆われているので焼入れ処理されない。
【００３３】
そして、加熱コイル３００は上部コイル３０１と下部コイル３０２とからなる上下２つ割れに形成されており、上部コイル３０１，下部コイル３０２は互いに離接方向に移動できるようになっている。これにより、ピン部２２０の設置及び取外し時には、上部コイル３０１，下部コイル３０２を離隔して加熱コイル３００を開放状態にし、そして、高周波焼入れを行なうときには、上部コイル３０１，下部コイル３０２を互いに近接させて、ピン部２２０を挟むように加熱コイル３００を略閉状態にさせるようになっている。
【００３４】
したがって、加熱コイル３００に電気を流すと、加熱コイル３００内のピン部２２０の外周には電磁誘導による熱が発生するが、マスキング３４０により覆われた油孔開口部２３５の周辺及び油孔内部２３７は、マスキング３４０によって、吸熱作用で冷やされたり、電磁波シールドされて電磁誘導されないため、これらの油孔開口部２３５の周辺及び油孔内部２３７（焼入れ未処理部２５０）を除いた、ピン部２２０の外周面に焼入れ部２４０が形成されるのである。
【００３５】
なお、図５（ｂ）及び図６においても、図１（ｂ），図３，図４と同様に、スマッジングで示す高周波焼入れ処理される部分（焼入れ部２４０を）の厚みについては誇張して示している。
本発明の第２実施形態の回転体の摺動部にかかるピン部２２０は、上述のように構成され、焼入れ境界２４５がピン部２２０の外周面に位置するので、第１実施形態と同様にピン部（回転体の摺動部）２２０の疲労強度を低下させることなしに、ピン部２２０の耐摩耗性を向上させることができるという利点がある。さらに、高周波焼き入れ処理による疲労強度の低下がないために疲労強度を向上させるための作業が不要となって、作業が容易になるという利点もある。
【００３６】
この第２実施形態では、マスキング３４０として吸熱性と電磁波シールド性とを共にそなえるものとして、油孔開口部２３５周辺及び油孔内部２３７を焼入れしないようにしているが、焼入れを確実に阻止できるならば、マスキング３４０は、吸熱性，電磁波シールド性のいずれかをそなえるものでもよい。
なお、本発明の回転体の摺動部構造は、上述の実施形態に限定されるものではなく、種々変形して実施することができる。例えば、クランクシャフトのジャーナル部や、トランスミッション等、回転体の摺動部の耐摩耗性を向上させたい部分に、広く適用しうるものである。
【００３７】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明の回転体の摺動部の高周波焼入れ処理方法によれば、回転体の疲労強度を低下させることなしに、回転体の摺動部の耐摩耗性を向上させることができるという利点がある。
さらに、回転体の疲労強度を高める作業が不要となって、回転体の摺動部の表面に高周波焼入れ処理を行なうだけでよいので、加工作業が容易になるという利点もある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態にかかる回転体の摺動部（クランクシャフトのピン部）を示す模式的構造図であって、（ａ）は正面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ矢視断面図である。
【図２】本発明の第１実施形態にかかるクランクシャフトの要部構造を示す側面図であり、ピン部（回転体の摺動部）の油孔及び高周波焼入れ未処理部の位置を示す図である。
【図３】本発明の第１実施形態にかかる回転体の摺動部の高周波焼入れ処理を示す断面図である。
【図４】本発明の第１実施形態にかかる回転体の摺動部の高周波焼入れ処理の変形例を示す断面図である。
【図５】本発明の第２実施形態にかかる回転体の摺動部（クランクシャフトのピン部）を示す模式的構造図であって、（ａ）は正面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ矢視断面図である。
【図６】本発明の第２実施形態にかかる回転体の摺動部の高周波焼入れ処理工程を示す断面図である。
【図７】従来のクランクシャフトのピン部の模式的構造を示す図であって、（ａ）は正面図、（ｂ）は（ａ）のＣ−Ｃ矢視断面図である。
【図８】従来のクランクシャフトのピン部の高周波焼入れ処理を示す斜視図である。
【符号の説明】
１０ ジャーナル部
１２ アーム部
１３ コネクティングロッド（軸受け部材）
１２０，２２０ ピン部（回転体の摺動部）
１３０，２３０ 油孔
１３５，２３５ 油孔開口部（開口部）
１４０，２４０ 焼き入れ部
１４５，２４５ 高周波焼入れ境界
２００，２０１ａ，２０２ａ，３００ 加熱コイル
３４０ マスキング（冷し金）

Claims (3)

1. 軸受け部材に対し摺動する回転体の摺動部の表面に開口するように油孔が形成され、該摺動部の周囲に加熱コイルを配置して、該摺動部の表面のうち該油孔の開口部の周辺を除いた部位に高周波焼入れ処理を施す方法において、
   前記油孔の開口部近傍の前記摺動部表面と加熱コイルとの離間距離を、前記油孔の開口部近傍以外の前記摺動部表面と加熱コイルとの離間距離よりも大きくした状態で高周波焼入れ処理を施す
   ことを特徴とする、回転体の摺動部の高周波焼入れ方法。
2. 前記加熱コイルは、前記油孔の開口部の外周付近は覆わないことを特徴とする、請求項１記載の回転体の摺動部の高周波焼入れ処理方法。
3. 軸受け部材に対し摺動する回転体の摺動部の表面に開口するように油孔が形成され、該摺動部の周囲に加熱コイルを配置して、該摺動部の表面のうち該油孔の開口部の周辺を除いた部位に高周波焼入れ処理を施す方法において、
   前記油孔の開口部に、前記加熱コイルによる熱を吸収するマスキング部材を差し込んだ状態で高周波焼入れ処理を施す
   ことを特徴とする、回転体の摺動部の高周波焼入れ処理方法。

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