JP3913792B2 - プッシュロッド - Google Patents
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Description
【産業上の利用分野】
本発明はプッシュロッド、特に、ロッド本体と、そのロッド本体の少なくとも一方の端面に電気抵抗溶接により接合された鋼球とよりなるプッシュロッドに関する。
【0002】
この種プッシュロッドは、例えば内燃機関の動弁機構、摩擦クラッチ等に用いられる。
【従来の技術】
従来、この種プッシュロッドとして、ステンレス鋼製管材よりなるロッド本体と鋼球とをプロジェクション溶接により接合したものが知られている(特開平2−81909号公報参照)。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら従来のプッシュロッドは、そのロッド本体がステンレス鋼製管材より構成されているので、重く、また生産コストが高い、という問題がある。
【0004】
本発明は前記に鑑み、軽量で、且つ生産コストの安い前記プッシュロッドおよびその製造方法を提供することを目的とする。
【0005】
【課題を解決するための手段】
本発明は、Al合金よりなるロッド本体と、そのロッド本体の少なくとも一方の端面に電気抵抗溶接により接合された鋼球とよりなるプッシュロッドであって、前記鋼球の表面と前記Al合金よりなるロッド本体の端面とが、前記電気抵抗溶接により互いに直接接合されており、その接合部にはAlFe金属間化合物層が形成されておらず、且つその接合部においては、前記Al合金よりなるロッド本体の一部が前記鋼球の表面よりその内部に食込んで多数の食込み部分を形成していることを特徴とする。
【0006】
前記プッシュロッドは、そのロッド本体がAl合金より構成されているので、ロッド本体をステンレス鋼製管材より構成する場合に比べて軽量であり、また生産コストも安い。 このようなプッシュロッドを製造するに当り、ロッド本体の一端面を鋼球に加圧力Pで圧接すると共に前記ロッド本体および鋼球間に通電して、それらロッド本体と鋼球とを電気抵抗溶接するが、この場合に、例えばロッド本体としてAl−Mg−Si系合金より構成された管材を用い、溶接電流Iを18000A≦I≦21000Aに、また加圧力Pを350kgf≦P≦400kgfに、さらに通電時間tをt<2サイクル(1サイクル=1/50sec )にそれぞれ設定する。ただし、溶接電流IがI<18000Aではロッド本体および鋼球間の接合強度が低く、またばらつきも大きくなり、一方、I>21000Aでは前記同様に前記接合強度が低下し、また電気料金が上昇する。加圧力PがP<350kgfでは前記同様に前記接合強度が低く、一方、加圧力PがP>400kgfでは前記管材が座屈するおそれがある。通電時間tがt≧2サイクルではロッド本体および鋼球の接合部にAlFe金属間化合物層が形成され易くなるため前記接合強度が大幅に低下する。
【0007】
本発明においてAl合金と鋼とを強固に接合することが可能となり、これにより軽量で、且つロッド本体及び鋼球間の接合強度を高めたプッシュロッドを安価に量産することができるが、これは、前記電気抵抗溶接により、鋼球の表面とAl合金製ロッド本体の端面とが互いに直接接合されており、その接合部には破断荷重低下の原因となるAlFe金属間化合物層が形成されておらず、しかもその接合部においてはAl合金製のロッド本体の一部が鋼球表面よりその内部に食込んで、その食込み部分がアンカ効果を発揮すること、およびロッド本体より生じた液相が鋼球に対して良好な濡れ性を発揮することに起因するものと考えられる。
【0008】
【実施例】
図1において、プッシュロッド1は、内燃機関の動弁機構、摩擦クラッチ等に用いられるもので、ロッド本体2と、そのロッド本体2の少なくとも一方の端面、図示例では両端面3,4に電気抵抗溶接により接合された鋼球5とよりなる。
【0009】
ロッド本体2は、Al合金製管材より構成される。Al合金としては、展伸材、即ち、2000系合金(Al−Cu系合金、Al−Cu−Mg系合金)、3000系合金(Al−Mn系合金)、4000系合金(Al−Si系合金、Al−Si−Cu−Mg系合金)、5000系合金(Al−Mg系合金)、6000系合金(Al−Mg−Si系合金)および7000系合金(Al−Zn−Mg系合金、Al−Zn−Mg−Cu系合金)が用いられる。これらAl合金において、溶接割れをおさえるため、Zn、Cu等の凝固収縮性を持つ金属元素は少ない方がよい。
【0010】
このような材質のロッド本体2を備えたプッシュロッド1は従来のプッシュロッドに比べて軽量であると共に生産コストが安い。
【0011】
特に、常温強度および高温強度、管材を得るための押出し加工性、電気抵抗溶接性ならびにプッシュロッド1の生産コストの各点を考慮すると、6000系合金であるAl−Mg−Si系合金、なかでも6061−T6材が最適である。このような材種選定を行うと、プッシュロッド1におけるロッド本体2と鋼球5との接合強度を従来のそれと同等、若しくはそれを超えるようにすることが可能であり、この種プッシュロッド1は車両用内燃機関の動弁機構に用いられて優れた耐久性を発揮する。
【0012】
プッシュロッド1の製造に当っては、図2に示す交流式電気抵抗溶接機6を用い、次の各工程が順次行われる。
(a) 下部電極7の上向き凹部7a内に鋼球5を設置する。
(b) 上部電極を兼ねた二分割式ホルダ8にロッド本体2を、その両端部がホルダ上、下端面9,10よりそれぞれ突出するように保持させる。
(c) 加圧部材11によりホルダ8を下降させてロッド本体2の一端面4を鋼球5に加圧力Pで圧接すると共に上,下部電極8,7間、したがってロッド本体2および鋼球5間に通電して、それらロッド本体2と鋼球5とを電気抵抗溶接する。
(d) 加圧部材11およびホルダ8を上昇させた後、そのホルダ8をロッド本体2の軸線を含む垂直面内で矢示方向に180°回転させてロッド本体2の他端面3を下方に向け、以後前記同様にロッド本体2と鋼球5とを電気抵抗溶接する。
【0013】
以下、具体例について説明する。
【0014】
ロッド本体2として、6061−T6材よりなり、外径9mm、肉厚2mmの管材を用意した。この場合、図3に示すように、ロッド本体2の各端面3,4において、その内周縁は断面直角であって面取り加工を施されていない。また鋼球5として、高炭素クロム軸受鋼(JIS SUJ2)よりなり、直径9mmのものを用意した。
【0015】
そして、通電時間tをt=1サイクル(1/50sec )に、また加圧力PをP=330,350,または380kgfにそれぞれ設定し、さらに溶接電流Iを13000A≦I≦25000Aの範囲で変化させて、前記同様の電気抵抗溶接を行い、各種プッシュロッド1を製造した。
【0016】
次いで、各種プッシュロッド1について、静的引張り剪断試験を行い、溶接電流Iと破断荷重Lとの関係を調べたところ、図4〜6の結果を得た。比較のため、ステンレス鋼(JIS SUS304)よりなる管材をロッド本体としたプッシュロッド(従来品)の破断荷重Lを求めたところ、L=560kgfであった。
【0017】
図4,5から明らかなように、通電時間t=1サイクル、加圧力P≧350kgfにおいて、溶接電流Iを18000A≦I≦21000Aに設定すると、その溶接強度は従来品のそれと同等か、若しくはそれを超えることが判る。
【0018】
図6に示すように、加圧力PがP<350kgfでは、その接合強度は従来品のそれを下回る。
【0019】
図7はロッド本体2および鋼球5の接合部における金属組織を示す顕微鏡写真である。この例は、図4において溶接電流IをI=20000Aに設定した場合である。図7より、接合部にはAlFe金属間化合物層が形成されていないことが判る。
【0020】
図8は、図7のものを、580℃にて2分間加熱処理した場合の金属組織を示す顕微鏡写真である。また図9は接合部のX線分析写真であり、(a)はFe−Kα線像を、一方、(b)はAl−Kα像をそれぞれ示す。図8,9より、前記加熱処理により接合部にAlFe金属間化合物層が形成されていることが判る。
【0021】
図10は加熱時間と、破断荷重LおよびAlFe金属間化合物層の厚さとの関係を示す。図10より、加熱時間が5sec を超えると破断荷重Lの急激な低下が見られる。これは、5sec を超える加熱により、測定することが困難な程度の極く薄いAlFe金属間化合物層が形成されていることに起因する、と考えられる。加熱時間が15sec を超えると、AlFe金属間化合物層の厚さが急速に増加し、それに伴い破断荷重Lは低下する。
【0022】
この加熱時間は通電時間tに対応し、このことからAlFe金属間化合物層の形成を回避し、また生産性の向上を図るべく、通電時間tはt<2サイクルに設定される。
【0023】
図11は、前記静的引張り剪断試験後の鋼球5断面における金属組織を示す顕微鏡写真であり、また図12は図11の写図である。図13は図11の要部拡大顕微鏡写真である。図14は鋼球5断面におけるX線分析写真であって、(a)はAl−Kα線像を、一方、(b)はFe−Kα線像をそれぞれ示す。
【0024】
図11〜図13から明らかなように、破断はロッド本体2側で発生していて、そのロッド本体2の一部が鋼球5表面よりその内部に食込んで多数の食込み部分12が形成されており、また鋼球5表面に薄いAl層13が形成されている。このAl層13はロッド本体2より生じた液相の良好な濡れ性に起因する。このような食込み部分12のアンカ効果とAl層13の形成とにより、ロッド本体2および鋼球5間の接合強度の向上が図られていると考えられる。
【0025】
図15は、ロッド本体2の各端面3,4において、その内周縁に面取り加工を施した状態を示し、その面取り部の斜面14の長さCはC=0.2mmである。
【0026】
このような面取り部分を持ち、前記と同材種で同一寸法のロッド本体2と、前記と同材種で同一寸法の鋼球5とを用い、加圧力PをP=330kgfに設定した以外は前記と同一条件にて前記同様の電気抵抗溶接を行い、各種プッシュロッド1を製造した。
【0027】
次いで、各種プッシュロッド1について静的引張り剪断試験を行い、溶接電流Iと破断荷重Lとの関係を調べたところ、図16の結果を得た。
【0028】
この図16と、面取り加工を行わなかった場合を示す図6とを比較すると、面取り加工を行わない方がロッド本体2および鋼球5間の接合強度が高いことが判る。
【0029】
図17,18は他のプッシュロッド1における溶接電流Iと破断荷重Lとの関係を示す。図17の例は、ロッド本体2として、2014材よりなる管材を用いた場合を示し、また図18の例はロッド本体2として5056材を用いた場合を示す。各ロッド本体2の寸法は前記と同一であり、また鋼球5の材種および寸法は前記と同一である。さらに電気抵抗溶接条件は加圧力PをP=330kgfに設定した以外は前記と同一である。
【0030】
汎用内燃機関等のプッシュロッド1のように、ロッド本体2および鋼球5間の接合強度が車両用内燃機関のプッシュロッド1に要求される程高くない場合には、両者2,5間の破断荷重LはL=200kgf程度あればよい。この点を考慮すると、ロッド本体2の材種としては、図17,18より2014材、5056材等の6000系合金以外のものも適用可能である。
【0031】
図19は実施例に係るプッシュロッド1を車両用内燃機関Eに適用した場合を示す。この内燃機関Eは、シリンダ15を有するシリンダブロック16、その上端面に接合されるシリンダヘッド17、その下端面に接合されてクランクケースと変速機Tのミッションケースを兼ねるケーシング18、シリンダ15内を摺動するピストン19、このピストン19にコンロッド20を介して連接されるクランク軸21、およびこのクランク軸21からチェン22を介して減速駆動されるカム軸23とを備えており、クランク軸21およびカム軸23はケーシング18に支持される。シリンダヘッド17に、吸、排気ポートを開閉する吸、排気弁24と、これらを開閉作動するロッカアーム25とが設けられ、これらロッカアーム25はプッシュロッド1およびタペット26を介してカム軸23により駆動される。
【0032】
前記内燃機関Eにおいて、シリンダブロック16、シリンダヘッド17およびケーシング18よりなる機関本体EaはAl合金より構成される。このような場合、プッシュロッド1のロッド本体2をAl合金より構成すると、機関本体Eaとプッシュロッド1の線膨脹係数を近似させることが可能となり、これにより、動弁機構における温度による隙間変化を抑制して打音を減少させることができる。
【0033】
図20は実施例に係るプッシュロッド1を多板式摩擦クラッチCLに適用した場合を示す。この摩擦クラッチCLにおいては、駆動ギヤ27の駆動力を、駆動軸28、クラッチアウタ29、各クラッチディスク30および各クラッチプレート31を経て被動軸32に伝達するようになっている。この駆動力の伝達は、クラッチばね33によりプレッシャプレート34を介し各クラッチディスク30を各クラッチプレート31に圧接する、即ち、摩擦クラッチCLを接続状態にすることによって達成される。
【0034】
ケーシング35にはクラッチ切断用駆動源としての油圧シリンダ36が設けられる。プレッシャプレート34は、開口端側を軸受37に支持された有底筒体38を有し、その有底筒体38は被動軸32の孔部39に摺動自在に嵌合される。プッシュロッド1の一端部は油圧シリンダ36のピストン40に形成された凹部41底面に当接し、他端部は有底筒体38に挿入されてその底面に当接する。
【0035】
これにより、油圧シリンダ36を作動させると、ピストン40、プッシュロッド1を介しプレッシャプレート34が移動して前記圧接状態が解除されるので摩擦クラッチCLが切断される。
【0036】
【発明の効果】
以上のように本発明のプッシュロッドは、Al合金よりなるロッド本体と、そのロッド本体の少なくとも一方の端面に電気抵抗溶接により接合された鋼球とよりなるものであって、前記電気抵抗溶接により、鋼球の表面とAl合金製ロッド本体の端面とが互いに直接接合されており、その接合部には破断荷重低下の原因となるAlFe金属間化合物層が形成されておらず、しかもその接合部においてはAl合金よりなるロッド本体の一部が鋼球の表面よりその内部に食込んで多数の食込み部分を形成しているので、その食込み部分がアンカ効果を発揮することと、ロッド本体より生じた液相が鋼球に対して良好な濡れ性を発揮することとが相俟って、軽量で、且つロッド本体及び鋼球間の接合強度を高めたプッシュロッドを安価に量産することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 プッシュロッドの要部破断正面図
【図2】 電気抵抗溶接機の要部破断正面図
【図3】 ロッド本体の要部縦断正面図
【図4】 第1例における溶接電流と破断荷重との関係を示すグラフ
【図5】 第2例における溶接電流と破断荷重との関係を示すグラフ
【図6】 第3例における溶接電流と破断荷重との関係を示すグラフ
【図7】 溶接後のロッド本体および鋼球の接合部における金属組織を示す顕微鏡写真
【図8】 加熱処理後のロッド本体および鋼球の接合部における金属組織を示す顕微鏡写真
【図9】 加熱処理後のロッド本体および鋼球の接合部におけるX線分析写真
【図10】 加熱時間と、破断荷重およびAlFe金属間化合物層の厚さとの関係を示すグラフ
【図11】 静的引張り剪断試験後の鋼球断面における金属組織を示す顕微鏡写真
【図12】 図11の写図
【図13】 図11の要部拡大顕微鏡写真
【図14】 静的引張り剪断試験後の鋼球断面におけるX線分析写真
【図15】 ロッド本体の要部縦断正面図
【図16】 第4例における溶接電流と破断荷重との関係を示すグラフ
【図17】 第5例における溶接電流と破断荷重との関係を示すグラフ
【図18】 第6例における溶接電流と破断荷重との関係を示すグラフ
【図19】 内燃機関の要部破断正面図
【図20】 多板式摩擦クラッチの縦断正面図
【符号の説明】
1 プッシュロッド
2 ロッド本体
3,4 端面
5 鋼球
12 食込み部分
23 カム軸
25 ロッカアーム
34 プレッシャプレート
36 油圧シリンダ(クラッチ切断用駆動源)
CL 摩擦クラッチ
E 内燃機関
Ea 機関本体
Claims (1)
- Al合金よりなるロッド本体(2)と、そのロッド本体(2)の少なくとも一方の端面(3,4)に電気抵抗溶接により接合された鋼球(5)とよりなるプッシュロッドであって、
前記鋼球(5)の表面と前記Al合金よりなるロッド本体(2)の端面(3,4)とが、前記電気抵抗溶接により互いに直接接合されており、その接合部にはAlFe金属間化合物層が形成されておらず、且つその接合部においては、前記Al合金よりなるロッド本体(2)の一部が前記鋼球(5)の表面よりその内部に食込んで多数の食込み部分(12)を形成していることを特徴とするプッシュロッド。
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