JP3815658B2 - シリンダブロック - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エンジンのシリンダブロック及びその製造方法に関する。さらに詳しくは、シリンダブロックに用いられるクランクシャフト用の軸受け及びその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
通常、図13に示すようなシリンダーブロック101は、上部側のシリンダーブロック本体部103と、該本体部103の下部に配設されたベアリングキャップ105とを備えており、これらの本体部103とベアリングキャップ105は、共にアルミニウム合金から構成されている。また、本体部103とベアリングキャップ105によって軸受部107が形成され、該軸受部107内にクランクシャフト(図示せず)が回転可能に支持されている。該クランクシャフトは、剛性や回転バランス等の理由から鉄系合金、即ち鋼又は鋳鉄から形成されている。なお、シリンダブロック101は、車両走行時には約100℃以上に温度が上昇する。
【0003】
ここで、アルミニウム合金の線膨張係数は約22×10-6/K、鉄系部材の線膨張係数は約12×10-6/Kであるため、車両が走行してエンジンが高温状態になると、クランクシャフトの外径よりも軸受部の軸穴径の方が広がり率が大きくなる。よって、車両走行時におけるクランクシャフトと軸穴109とのクリアランスが大きくなり、クランクシャフト回転時の振動や騒音が大きかった。
この振動や騒音を防止するには、軸受部107とクランクシャフトとをほぼ同等の熱膨張係数を有する材料にする方法、即ち、例えば特公平6−86882号公報に記載されているように軸受部を鉄系材料で鋳ぐるむ方法がある。
【0004】
しかし、アルミニウムの比重(2.7g/cm3)に対して、鋼の比重は7.8g/cm3、鋳鉄の比重は6.9g/cm3であり、鉄系材料の比重は、アルミニウム合金の約2.5〜3倍であるため、軸受部を鉄系材料で鋳ぐるむとシリンダブロック自体の重量が大きくなるという問題があった。
また、鋳ぐるみ材は、鉄系材料であり、母材となるアルミニウム合金とは異種材料同士であるため、アルミニウム合金部材との密着性が必ずしも良好といえなかった。
さらに、軸受部は、切削加工によって軸穴を形成するという最終仕上げを行うが、鋳ぐるみ材である鉄系材料は硬いために切削加工性が良好ではなかった。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記課題を解決し、高温時におけるエンジンの振動や騒音が小さく、重量が小さいシリンダブロック及びその製造方法を提供することを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るシリンダブロックは、シリンダブロック本体部と、該本体部の下面に取り付けられた軸受けとを備え、これらの本体部の下面及び軸受けによって形成された軸受部に、クランクシャフト用の軸穴を設け、該軸穴の内周面をクランクシャフトが回転する際の摺動面としたシリンダブロックであって、前記軸受けの摺動面を含む摺動部をADC12などのアルミニウム合金層によって形成するとともに、前記摺動部の周辺部を、粒子、繊維、又はこれら粒子と繊維の混合物を圧縮成形したプリフォームにアルミニウム合金溶湯を鋳込んで含浸および複合化した複合材によって形成することにより、前記軸受けが前記アルミニウム合金層と前記複合材とから構成されており、前記複合材の熱膨張率が摺動部に設けたアルミニウム合金層よりも小さい。
【0007】
摺動部よりも周辺部の方が熱膨張率が小さいので、車両走行時などのエンジンが高温になる場合には、摺動部が熱によって外周に向かって膨張しようとするが、周辺部の複合材によって内周側に押し戻され、結果的に軸穴径の広がりが小さくなる。よって、クランクシャフトと軸穴とのクリアランスがあまり大きくならないため、車両走行時におけるエンジンの振動や騒音を低く抑えることができる。さらに、軸受部をアルミニウム合金層と、アルミニウム合金を用いた複合材とから構成しているため、シリンダブロックの軽量化を図ることができ、しいては車両全体の重量軽減化にも寄与する。また、アルミニウム合金による複合化が部分的なものであるため、簡単でかつコストが安価ですむ。そして、摺動部はアルミニウム合金層からなるため、軸穴の周面を切削加工して最終仕上げを行う際に切削加工性が良好である。
【0008】
上記粒子又は繊維としては、酸化物、炭化物、窒化物などのセラミックスを好適に用いることができる。該酸化物には、例えばシリカ(SiO2)、アルミナ(Al23)、ムライト(Al23−SiO2)、スピネル(MgO−Al23)、マグネシア(MgO)、CaO(カルシア)がある。炭化物には、炭化ケイ素(SiC)が、窒化物には、窒化ケイ素(Si34)、窒化アルミニウム(AlN)、窒化ホウ素(BN)などが好ましい。
【0009】
上記複合材によれば、粒子や繊維を用いているため、軸受部の剛性及び靱性が向上する。また、粒子や繊維の縦弾性係数(ヤング率)を大きいもの、例えば鋼の縦弾性係数である2.1×1011N/m2よりも大きいものを使用することによって、剛性の高いアルミニウム複合材とすることができる。
【0010】
そして、本発明に係るシリンダブロックの製造方法は、粒子及び繊維の少なくともいずれかにシリカ系添加剤を加えたのち、圧縮成形してプリフォームを成形するステップと、該プリフォームにアルミニウム合金溶湯を鋳込むことによって、クランクシャフトとの摺動部をアルミニウム合金層とし、該摺動部の周辺を複合材とした軸受部を作製するステップとを含んでいる。
上記粒子の平均径は10〜500μm、及び繊維の平均径は1〜10μmであり、かつ、プリフォームの体積率は15〜40%が好ましい。これらの粒子又は繊維の材質としては、酸化物であるシリカ、アルミナ、ムライト、スピネル、マグネシア、カルシア、炭化物である炭化ケイ素、及び窒化物である窒化ケイ素、窒化アルミニウム、窒化ホウ素のうち少なくともいずれかを用いることができる。さらに、上記体積率の定義は、圧縮成形体のプリフォーム中に占める粒子と繊維の体積の割合であり、プリフォームの体積と重量からプリフォームのかさ比重を求め、この比重を、添加する粒子や繊維の真比重で割って百分率で示したものである。
【0011】
また、上記製造方法によれば、シリカ系添加剤を加えて粒子や繊維の表面を改質しているため、アルミニウム合金溶湯のプリフォームへの含浸開始圧が1MPa以下となり、複合材を作製する際に短時間で確実にアルミニウム合金溶湯を含浸させることができる。従って、シリンダブロックの製造に要する時間を短縮することができ、また、軸受部の複合材を十分にアルミニウム合金の充填がされたものとすることができる。
【0012】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明に係るシリンダブロック及びその製造方法の実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。
[シリンダブロックの構造]
本発明の実施の形態に係るシリンダブロックは、図1、図2に示すように、その構造によってクランク・ベアリングキャップ式1とクランクロアケース式3とに大別される。
図1のクランク・ベアリングキャップ式シリンダブロック1は、上部にアルミニウム合金からなるシリンダブロック本体部5が配置され、該シリンダブロック本体部5の内部には上下方向にシリンダボア7が形成され、該シリンダボア7をシリンダ(図示せず)が上下運動する。このシリンダブロック1の下面には、半円状の切欠き9が形成されており、この切欠き9に下側から軸受けであるベアリングキャップ11が取り付けらている。これらの切欠き9とベアリングキャップ11によって軸受部13が構成され、該軸受部13内を図示しないクランクシャフトが回転する。
【0013】
図2のシリンダブロック3も上部にシリンダブロック本体部21が配設され、該シリンダブロック本体部21の下面に半円状の切欠き15が形成されている。このシリンダブロック本体部21には、クランクロアケース17が下側から取り付けられ、これらの切欠き15とクランクロアケース17によって軸受部23を構成している。
【0014】
[軸受部の構造]
図1のベアリングキャップ11又は図2のクランクロアケース17の軸受部23は、図3又は図4の断面図に示すように、上面は両端部25が平坦で、中央部が半円状に凹んだ凹部27となっている。両端部25には、上下方向にボルト穴29が貫通して穿設されており、このボルト穴29に長いボルト31が挿通されて、ベアリングキャップ11がシリンダブロック本体部5,21に下側から取り付けられる。
図3及び図4において、ベアリングキャップ11の上面側は、クランクシャフトとの摺動面側に相当するが、この上面側には、ADC12からなるアルミニウム合金層33が形成されており、該アルミニウム合金層33の下側は、ボルト座面側に相当するが、このボルト座面側には複合材35が配設されている。このベアリングキャップ11の両端部25の厚さ(高さ)をA、両端部25の複合材35の厚さ(高さ)をaとすると、両端部25のアルミニウム合金層33の厚さ(高さ)は、A−aとなる。また、ベアリングキャップ11の中央部の最下端部における厚さをB、複合材の厚さをbとすると、摺動面のアルミニウム合金層33の厚さはB−bとなる。そして、a,bの厚さは、A/2≦a<A、B/2≦b<Bの範囲となっている。
【0015】
ここで、a=A、b=Bとすると、軸受けであるベアリングキャップ11にアルミニウム合金層33がなくなり、複合材35のみとなってしまう。これでは、軸穴を切削加工して最終仕上げを施す場合に、切削加工面が複合材となるため、切削加工性が低下する。
【0016】
[軸受部の製造方法]
まず、図5に示すように、粒子、繊維又はこれらの粒子と繊維との混合物に酸化ケイ素系の添加剤を加えたのち、圧縮成形してプリフォーム41を作製する。この添加剤は、粒子や繊維の表面を改質し、アルミニウム合金との濡れ性を向上させるため、添加剤を加えることによって、アルミニウム合金溶湯がプリフォーム41に含浸しやすくなる。
次いで、該プリフォーム41を金型(図示せず)に配置させ、アルミニウム合金溶湯(ADC12)を注入し、金型を閉成したのち、一定の圧力を付与してダイカストを行う。これによって、図6に示すように、アルミニウム合金溶湯がプリフォーム41内の空隙に含浸して複合材35が形成されると共に、該複合材35の上面側にアルミニウム合金層33が形成される。
そして、最終仕上げとして、上面側に切削加工を施して摺動面を形成し、両端部にボルト穴29を穿設することによって、軸受けであるベアリングキャップ11が完成する。
【0017】
[プリフォーム]
プリフォーム41としては、鋼の線膨張係数よりも小さく、かつ、縦弾性係数(ヤング率)が大きいもの、例えば鋼の縦弾性係数よりも大きいものが好ましい。ここで、鋼の線膨張係数は12×10-6/Kであり、鋼の縦弾性係数(ヤング率)は2.1×1011N/m2である。従って、上記プリフォーム41に使用する粒子及び繊維は、線膨張係数が12×10-6/Kよりも小さく、縦弾性係数は2.1×1011N/m2よりも大きい材質のものを用いる。これによって、複合材は、アルミニウム合金よりも熱膨張率(線膨張率及び体積膨張率)が小さく、剛性は高くなる。
【0018】
また、プリフォーム41を構成する粒子や繊維には、シリカ(SiO2)、アルミナ(Al23)、ムライト(Al23−SiO2)などの酸化物、スピネル(MgO−Al23)、炭化ケイ素(SiC)などの酸化物、窒化ケイ素(Si34)などの窒化物を好適に用いることができる。また、上記粒子と繊維とを混合したものを用いることもできるが、この場合に、粒子と繊維とが同等の材質であることは必要とされない。
【0019】
[アルミニウム合金溶湯の含浸]
アルミニウム合金溶湯のプリフォーム41に対する含浸性は、以下の式で示される含浸開始圧Pに依存する。
P=−6・λ・ν・cosθ・Vp/[(1−Vp)・dp]
ここで、λは粒子形状係数、νは流体表面張力、θは接触角、Vpは粒子体積割合、dpは粒子径である。例えば、λ=1、ν=0.893Pam(純アルミニウム)、θ=160(SiC)、Vp=0.35、dp=3μmの場合は、P=0.90MPaとなる。
【0020】
上記含浸開始圧Pを示す式によれば、プリフォーム41を構成する粒子の径が大きいほど、体積率は小さいほど、アルミニウム合金溶湯がプリフォーム41に含浸しやすくなる。ここで、例えば、平均径が3μm以上の粒子及び繊維を用いた場合、プリフォーム41の体積率を35%以下とすると、プリフォーム41へのアルミニウム合金溶湯の含浸開始圧は1MPa以下となる。
一方、プリフォーム41を構成する粒子や繊維に、表面の濡れ性や反応性が良好な材質のシリカ系添加剤を加えることによって、粒子や繊維の表面処理を行うことができ、プリフォーム41へのアルミニウム合金溶湯の含浸が容易になる。
【0021】
[軸受部における高温時の応力状態]
車両走行時にはシリンダブロック1,3が高温になり、ベアリングキャップ11の内部には、図7に示すような応力が働く。
まず、ベアリングキャップ11の表面側に設けられたアルミニウム合金層33が熱膨張し、図7の矢印に示すように、外周側に向けて広がろうとする応力43が作用する。一方、複合材35は、アルミニウム合金層33の線膨張係数よりも小さく、かつ、アルミニウム合金層33の剛性よりも大きいため、広がろうとするアルミニウム合金層33を内周側に押し戻そうとする応力45が作用する。その結果、アルミニウム合金層33と複合材35との熱膨張率の差異分だけ、軸受部13の内周側に向けて収縮する。また、ボルト31には、矢印に示すように、上下方向に沿う応力47が作用する。
【0022】
なお、本発明は、上述した発明の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術思想に基づいて、種々の変形及び変更が可能である。
例えば、本発明は、鉄系シャフトとアルミニウム合金製軸受けからなる構成部材であれば、ミッションシャフトとミッションケース、カムシャフトとシリンダーヘッド、及びカムシャフトとカムキャップにも適用することができる。
さらに、上記実施の形態においては、アルミニウム合金層33を複合材35の表面形状に沿ってほぼ一定の厚さに形成したが、図8,9に示すように、ベアリングキャップ11又はクランクロアケース17を上下方向に約二分割し、摺動面側である上側をADC12からなるアルミニウム合金部材51で、ボルト座面側である下側を複合部材53で構成しても良い。この場合においても、寸法a,b,A,Bの間には、A/2≦a<A、B/2≦b<Bの関係が成立する。
【0023】
【実施例】
次いで、本発明に係るシリンダブロックについての実施例を説明する。本実施例においては、摺動面側にアルミニウム合金層33を設け、該アルミニウム合金層33以外を複合材35とした軸受けを用いた本発明例と、複合材35を全く用いずに、全てアルミニウム合金によって構成した軸受けを用いた比較例1と、アルミニウム合金層33を全く形成せずに、全て複合材35とした軸受けを用いた比較例2とを示す。
【0024】
[本発明例]
プリフォームの作製
まず、粒径が5μmのSiC粒子と、断面の径が3μmのAl23繊維とを8:2の割合で混合した。次いで、この混合物にシリカ(SiO2)ゾルを5wt%添加してSiC粒子とAl23繊維の表面を改質したのち、圧縮成形することによって、図10に示すような、体積率が25%のプリフォーム41を成形した。このプリフォーム41の形状及び寸法は、図10に示すように、両端部の高さが40mm、中央部の高さが15mmであり、軸穴の径はφ60mmとした。
上記SiC粒子の線膨張係数は4.2×10-6/Kであり、Al23繊維の線膨張係数は7.0×10-6/Kである。また、成形後のプリフォームの線膨張係数は4.8×10-6/Kであり、鉄の熱膨張係数(12×10-6/K)よりも十分に小さい。
【0025】
アルミニウム合金溶湯の鋳込み(複合化)
次いで、上記プリフォーム41を700℃に予熱して金型に配置し、700℃で溶解したアルミニウム合金溶湯(ADC12)をプリフォーム41に鋳込んで、図11に示すベアリングキャップ11を作製した。このベアリングキャップ11の寸法は、両端部の高さが45mm、両端部の複合材35の厚さが40mm、中央部の厚さが20mm、中央部の複合材35の厚さが15mm、及び軸穴の径がφ50mmである。ここで、図3と図11を対応させると、A=45mmであり、B=20mmである。また、a=40mm、b=15mmであるため、アルミニウム合金層33の厚さは両端部及び中央部の全体にわたって5mmであり、A/2≦a<A、B/2≦b<Bという条件を満足している。また、ベアリングキャップ11の複合材35における線膨張係数は18×10-6/K、アルミニウム合金層の線膨張係数は22×10-6/Kであった。
【0026】
[比較例1,2]
上記本発明例に対して、比較例1では、プリフォーム41を全く用いずに、全てアルミニウム合金からなるベアリングキャップ(従来技術)を作製した。つまり、アルミニウム合金溶湯(ADC12)を金型中に注入し、ダイカストによってベアリングキャップを作製した。
さらに、比較例2では、アルミニウム合金層33を全く形成することなく、全て複合材35でベアリングキャップを作製した。この複合材35には、上記本発明例のプリフォーム41と同一の材料を用いて作製した。即ち、粒径が5μmのSiC粒子と、断面の粒径が3μmのAl23繊維とを8:2の割合で混合し、シリカ(SiO2)ゾルを5wt%添加したのち、圧縮成形してベアリングキャップを作製した。
【0027】
これらの本発明例及び比較例1,2にて作製したベアリングキャップをシリンダブロック(ADC12)に25℃の状態で組み付けてエンジンを作動させ、−50〜200℃の温度範囲において、温度に対するシリンダブロックの軸穴径の変化量を測定した。その結果を図12のグラフに示す。
このグラフによれば、本発明例が最も穴径の変化量が小さいことが判る。室温程度の20℃付近では、本発明例と比較例との差異はほとんどないが、その後、温度が上昇するにつれて穴径の寸法変化量の差異も徐々に大きくなり、高温時(例えば、200℃)においては、比較例1との差異は約80μm、比較例2の差異は約25μmとなった。
【0028】
そして、本発明例ではシリカゾルを添加したことによって、SiC粒子とAl23繊維の表面の接触角θが160°から120°に低下し、SiC粒子とAl23繊維に対するアルミニウム合金溶湯の濡れ性が向上した。このため、アルミニウム合金溶湯のプリフォーム41に対する含浸開始圧が0.19MPaとなった。しかし、シリカゾルを添加しない場合は、SiC粒子とAl23繊維の混合物の平均粒径が4.6μmとすると、アルミニウム合金溶湯のプリフォームに対する含浸開始圧が0.36MPaであった。この結果から、シリカゾルの添加によって、アルミニウム合金溶湯が大幅にプリフォームに浸透しやすくなることが判明した。
【0029】
【発明の効果】
本発明に係るシリンダブロックは、アルミニウム合金を用いて作製しているため、重量が小さく、エンジン全体の軽量化に寄与する。また、シリンダブロックが高温になっても、クランクシャフトの軸穴径が広がらず、クランクシャフトと軸穴とのクリアランスが大きくならないため、車両走行時においても、エンジンの振動及び騒音を低く抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係るベアリングキャップ式シリンダブロックを示す斜視図である。
【図2】本発明に係るロアケース式シリンダブロックを示す斜視図である。
【図3】図1のA−A線による断面図である。
【図4】図2のB−B線による断面図である。
【図5】本発明に係る軸受けを構成するプリフォームの断面図である。
【図6】本発明に係る軸受けの断面図である。
【図7】高温時において軸受けにかかる応力を示す概略図である。
【図8】本発明の変形例に係る軸受けを示す、図1のA−A線による断面図である。
【図9】本発明の変形例に係る軸受けを示す、図1のB−B線による断面図である。
【図10】実施例にて用いたプリフォームを示す断面図である。
【図11】実施例にて作製した軸受けを示す断面図である。
【図12】本発明例と比較例1,2において作製した軸受けの軸穴径の変化量を示すグラフである。
【図13】従来のシリンダブロックを示す斜視図である。
【符号の説明】
1 ベアリングキャップ式シリンダブロック
3 クランクロアケース式シリンダブロック
5,21 シリンダブロック本体部
7 シリンダボア
9,15 切欠き
11 ベアリングキャップ
13,23 軸受部
17 クランクロアケース
25 両端部
27 凹部
29 ボルト穴
31 ボルト
33 アルミニウム合金層
35 複合材
41 プリフォーム
43,45,47 応力
51 アルミニウム合金部材
53 複合部材

Claims (4)

  1. シリンダブロック本体部と、該本体部の下面に取り付けられた軸受けとを備え、これらの本体部の下面及び軸受けによって形成された軸受部に、クランクシャフト用の軸穴を設け、該軸穴の内周面をクランクシャフトが回転する際の摺動面としたシリンダブロックであって、
    前記軸受けの摺動面を含む摺動部をアルミニウム合金層によって形成するとともに、前記摺動部の周辺部を、粒子、繊維、又はこれら粒子と繊維の混合物を圧縮成形したプリフォームにアルミニウム合金溶湯を鋳込んで含浸および複合化した複合材によって形成することにより、前記軸受けが前記アルミニウム合金層と前記複合材とから構成されており、前記複合材の熱膨張率が摺動部に設けたアルミニウム合金層よりも小さいことを特徴とするシリンダブロック。
  2. 前記軸受けの軸受部の上面の両端部が平坦で、中央部が半円状に凹んだ凹部であり、前記両端部には、前記軸受けをシリンダブロック本体部に下側から取り付けるためのボルト穴が上下方向に貫通して穿設されており、前記クランクシャフトとの摺動面側に相当する前記軸受けの上面側が、前記アルミニウム合金層で形成され、このアルミニウム合金層の下側のボルト座面側が、前記複合材で形成されていることを特徴とする請求項1に記載のシリンダブロック。
  3. 前記アルミニウム合金層が、前記複合材の表面形状に沿ってほぼ一定の厚さに形成されていることを特徴とする請求項1または2のいずれかに記載のシリンダブロック。
  4. 前記プリフォームを形成する粒子および繊維の線膨張係数が12×10 -6 /Kよりも小さく、その縦弾性係数が2.1×10 11 N/m 2 よりも大きいことを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載のシリンダブロック。
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