JP5138426B2 - 組立式クランク軸 - Google Patents

Description

本発明は、一体成形されたクランクジャーナルおよびクランクウェブと、クランクウェブに形成されたピン孔に圧入されたクランクピンとを備える組立式クランク軸に関する。そして、該クランク軸は、例えば内燃機関に備えられる。

一体成形されたクランクジャーナルおよびクランクウェブと、クランクウェブに形成されたピン孔に圧入されたクランクピンとを備える組立式クランク軸において、クランクウェブには、クランクジャーナルを支持する軸受が軸方向で当接する段部が、クランクウェブとクランクジャーナルとの境界部の周囲に形成される。（例えば、特許文献１参照）
また、クランク軸において、クランクジャーナルには、耐摩耗性および疲労強度を向上させるための熱処理として、例えば高周波焼入れが行われる。（例えば、特許文献２参照）
特開２０００−３４５８５４号公報 特開２００１−２１０４６１号公報

クランクウェブに設けられたピン孔に、該クランクウェブとは別個の部材であるクランクピンが圧入される組立式クランク軸において、クランクピンには、コンロッドを介してピストンに作用する荷重が加わるために、ピン孔の周囲に高い応力が発生する部位（以下、「高応力部」という。）がある。
例えば、図５に示されるように、ピン孔ｆの近傍にクランクジャーナルａとクランクウェブｂとの境界部ｄや、クランクウェブｂにおいてクランクジャーナルａを支持する軸受が軸方向で当接する段部ｅが形成されたクランク軸ｃでは、図６に示されるように、境界部ｄや段部ｅの段差部ｅ１での応力集中による高応力部Ｓ１，Ｓ２が存在する。
このうち、境界部ｄは、クランクジャーナルａに隣接することから、高周波焼入れを施すための加熱コイルｈによるクランクジャーナルａの焼入れの際に、クランクジャーナルａと共に焼入れによる硬化領域が形成される焼入れ範囲（図６に、二点鎖線のハッチングで示される。）内にあるので、疲労強度が向上して、高い応力にも十分に耐えることができる。一方、段差部ｅ１は、境界部ｄに比べてクランクジャーナルａから径方向で遠方に位置するため、加熱コイルｈによる熱が十分に伝わらず、焼入れによる十分な強度を確保することが困難な部分である。このため、ピン孔ｆ近傍の段差部ｅ１近傍における疲労強度を高めるには、クランクジャーナルａのための焼入れとは別に焼入れを施したり、浸炭処理を施す必要が生じて、クランク軸ｃのコスト増加を招来する。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、クランクジャーナルとクランクウェブとの境界部の周囲に形成されると共に軸受が当接する段部の形状を工夫することにより、クランクジャーナルに施される焼入れによる熱を利用して、コストを削減しながら、クランクウェブにおいてピン孔の近傍に位置する該段部の段差部近傍での疲労強度の向上を図ること、および軸受からのスラスト荷重を受ける段部の耐久性の向上を図ることを目的とする。

請求項１記載の発明は、一体成形されたクランクジャーナルおよびクランクウェブと、前記クランクウェブに形成されたピン孔に圧入されたクランクピンとを備える組立式クランク軸であって、前記クランクジャーナルには焼入れが施されており、前記クランクウェブには、前記クランクジャーナルを支持する軸受が軸方向で当接する段部が、前記クランクジャーナルと前記クランクウェブとの境界部の周囲に形成され、前記段部の外周側に環状の段差部が形成された組立式クランク軸において、
前記段部の外周側段差部が、周方向で前記ピン孔に近い近接部と、周方向で前記近接部よりも前記ピン孔から遠い遠方部とに二分され、前記近接部の径方向幅を規定する、クランク軸回転中心線から該近接部外周までの半径が、前記遠方部の径方向幅を規定する、クランク軸回転中心線から該遠方部外周までの半径より小さいように前記近接部が形成されたことを特徴とする組立式クランク軸である。
請求項２記載の発明は、請求項１記載の組立式クランク軸において、径方向で前記境界部と前記ピン孔との間において、前記段部が連続して形成されることを特徴とする。
請求項３記載の発明は、請求項１または２記載の組立式クランク軸において、前記近接部における少なくとも前記ピン孔寄りの応力集中部で焼入れがなされていることを特徴とする。
請求項４記載の発明は、請求項１、２または３記載の組立式クランク軸において、前記近接部は、前記ピン孔に隣接した部位において途切れることなく同じ径方向幅で連続して形成されることを特徴とする。

請求項１記載の発明によれば、軸受が当接する段部の環状段差部のうちで、周方向でクランクピンが圧入されるピン孔に近い近接部は、段差部の遠方部に比べてクランクジャーナルに径方向で近い位置にあるので、該近接部をクランクジャーナルに施された焼入れによる焼入れ範囲内に位置させることができる。この結果、近接部が焼入れにより形成される硬化領域内に位置させることができるので、クランクウェブにおいてピン孔の近傍に位置する近接部近傍での疲労強度が向上する。しかも、近接部近傍でのこの疲労強度の向上は、クランクジャーナルに施される焼入れによる熱を利用して行われるので、ピン孔近傍の段差部近傍での疲労強度を向上させるために、クランクジャーナルの焼入れとは別の焼入れや浸炭処理が不要になって、クランク軸のコストが削減される。
請求項２記載の事項によれば、段部が、近接部を含むピン孔に近接した部位において途切れることがなく、したがって全周またはほぼ全周に渡って形成される。この結果、軸受からのスラスト荷重を段部の全周またはほぼ全周で負担できるので、段部の耐久性が向上し、さらにはクランク軸の耐久性が向上する。
請求項３、４記載の事項によっても、上記した効果が得られる。

以下、本発明の実施形態を図１〜図４を参照して説明する。
図１〜図３は、第１実施形態を説明するための図である。
図１を参照すると、本発明が適用された組立式クランク軸Ｃは、クランク機構を備える内燃機関に備えられる。単気筒の４ストローク内燃機関は、ピストン３が往復運動可能に嵌合するシリンダ孔１ａが形成されたシリンダブロック１と、該シリンダブロック１に結合されたクランクケース２とから構成される機関本体を備える。

クランク軸Ｃは、クランクケース２に保持される１対の軸受５，６を介してクランクケース２に回転可能に支持される。そして、燃焼室内での燃料の燃焼により発生した燃焼ガスの圧力により駆動されて往復運動するピストン３が、該ピストン３とクランク軸Ｃとを連結するコンロッド４を介して、クランク軸Ｃを回転駆動する。それゆえ、ピストン３とコンロッド４とクランクとにより、前記クランク機構が構成される。

クランク軸Ｃは、一方の軸受５に支持されるクランクジャーナル12を有する主軸部11とクランクウェブ13とを備える第１クランク部材10と、他方の軸受６に支持されるクランクジャーナル22を有する主軸部21とクランクウェブ23とを備える第２クランク部材20と、コンロッド４が軸受７を介して連結されるクランクピンＰとを備える。
ここで、第１，第２クランク部材10，20およびクランクピンＰは、互いに別個の部材であると共に組立式クランク軸Ｃを構成するクランク構成部品である。
転がり軸受である各軸受５，６は、クランクジャーナル12，22に嵌合して保持されるインナレース５ａ，６ａと、クランクケース２に圧入されて保持されるアウタレース５ｂ，６ｂと、両レース５ａ，５ｂ；６ａ，６ｂの間に保持される転動体５ｃ，６ｃとを備える。

クランク部材10において、主軸部11およびクランクウェブ13は、クランクジャーナル12を含めて一体成形され、同様に、クランク部材20において、主軸部21およびクランクウェブ23は、クランクジャーナル22を含めて一体成形される。
各クランクジャーナル12，22には、耐摩耗性および疲労強度向上のための熱処理として焼入れが施される。焼入れは、高周波焼入れであり、図５（ａ）に示される加熱コイルｈと同様の、加熱部材としての加熱コイルにより加熱される。

各クランク部材10，20において、クランクウェブ13，23は、クランクジャーナル12，22との境界部（またはフィレット部）14，24から径方向外方に延びている。そして、クランクウェブ13，23には、クランクピンＰが圧入されるピン孔15，25と、軸受５，６のインナレース５ａ，６ａが軸方向で当接する段部16，26が形成される。ピン孔15，25は、この実施形態では、境界部14，24の一部にも形成されている（図２参照）。
なお、軸方向とは、クランク軸Ｃの回転中心線Ｌｃに平行な方向であり、径方向および周方向とは、それぞれ、回転中心線Ｌｃを中心とする径方向および周方向である。
また、第２クランク部材20のクランクジャーナル22、ピン孔25および段部26の構造および焼入れは、第１クランク部材10と基本的に同様であるので、以下では、第１クランク部材10について説明する。

図１，図２を参照すると、段部16は、境界部14の周囲に、環状またはほぼ環状に、ここでは回転中心線Ｌｃを中心とした円環状またはほぼ円環状に形成されている。ここで、ほぼ環状とは、環状が周方向で連続した形状であるのに対して、環状が周方向で部分的に途切れた形状である。
段部16は、インナレース５ａが当接すると共にインナレース５ａから主に軸方向での荷重（以下、「スラスト荷重」という。）が作用する当接面16ｓと、外周縁において当接面16ｓから軸方向に、この実施形態では軸方向内方に向かって延びている外周側段差部30を有する。
ここで、軸方向内方は、軸方向において、軸方向でのクランクピンＰの中心点を含むと共に回転中心線Ｌｃに直交する基準平面Ｈに向かう方向であり、軸方向外方は、軸方向内方とは反対方向である。

主に図２を参照すると、段差部30は、周方向でピン孔15に近い近接部31と、周方向で近接部31よりも遠い遠方部32とに二分される。近接部31は、径方向で遠方部32よりも、クランクジャーナル12に近い位置にある（または、径方向内方に位置する）。径方向および周方向での近接部31の範囲は、近接部31の近傍での高応力部Ｓ２（図３参照）の位置に応じて、該高応力部Ｓ２の全体または過半が、遠方部32の径方向での位置（または、軸方向から見て、後述する距離ｄ２を半径として回転中心線Ｌｃを中心とした仮想円）よりも径方向内方に、またはクランクジャーナル12に対する焼入れの際の焼入れ範囲内に位置するように、設定される。

ピン孔15は、段部16に対して、ピン孔15と回転中心線Ｌｃとの最短距離ｄ３が、径方向幅ｗ２の前記主要幅を規定する遠方部32の、回転中心線Ｌｃからの距離ｄ２よりも小さくなる位置にある。そして、この実施形態では、ピン孔15の一部は近接部31よりも径方向内方に位置する。このため、近接部31は、所定角度θの範囲内でピン孔15により途切れている。

段部16の径方向幅については、近接部31での径方向幅ｗ１は、遠方部32での径方向幅ｗ２よりも小さい。そして、径方向幅ｗ１は、径方向幅ｗ２の主要幅の３／５以下、好ましくは１／２以下であり、径方向幅ｗ１の主要幅は、インナレース５ａの径方向幅ｗｂ（図１参照）の１／２以上である。ここで、径方向幅ｗ１の主要幅とは、周方向範囲で過半に渡る近接部31により規定される径方向幅ｗ１または該径方向幅ｗ１の平均値であり、径方向幅ｗ２の主要幅とは、周方向範囲で過半に渡る遠方部32により規定される径方向幅ｗ２または該径方向幅ｗ２の平均値である。

近接部31は、軸方向から見て、ピン孔15の中心Ｐｃと回転中心線Ｌｃを通ると共に回転中心線Ｌｃから径方向に延びる半直線を基準線Ｌ０としたとき、周方向で基準線Ｌ０を挟んで回転中心線Ｌｃから延びる１対の半直線Ｌ１，Ｌ２により形成される所定角度θの範囲内に位置する。各半直線Ｌ１，Ｌ２は、基準線Ｌ０との間で形成される角度θ１，θ２が等しく、所定角度θは、６０°〜１００°であり、この実施形態では、１００°である。そして、各半直線Ｌ１，Ｌ２と、近接部31がピン孔15により途切れることで形成される端部31ａ，31ｂとを通って回転中心線Ｌｃから延びる半直線Ｌａ，Ｌｂとにより形成される各角度θａ，θｂは、２０°以上である。
また、近接部31および遠方部32の形状は、軸方向から見て、基準線Ｌ０に関して線対称である。

そして、段部16は、近接部31を有すると共に周方向で所定角度θの範囲内の小径部分16ａと、該所定角度θの範囲外の部分であって遠方部32を有する主要部分16ｂとに二分される。主要部分16ｂは、この実施形態では、小径部分16ａよりも大きな外径を有する大径部分である。

このような段部16を有するクランク軸Ｃにおいて、図５で説明した前述の従来技術と同様にクランクジャーナル12に焼入れが施された場合、近接部31が遠方部32よりも径方向内方に位置する（または、径方向幅ｗ１の前記主要幅を規定する近接部31の、回転中心線Ｌｃからの距離ｄ１が距離ｄ２よりも小さくなる位置にある）ことにより、図３に示されるように、近接部31は、焼入れ範囲（図３に、二点鎖線のハッチングで示される。）内にある。そして、ピストン３の荷重がクランクピンＰ（図１参照）に作用することに起因する境界部14での応力集中による高応力部Ｓ１およびピン孔15近傍の近接部31での応力集中による高応力部Ｓ２のうち、高応力部Ｓ１の全体および高応力部Ｓ２の過半は、焼入れにより強度が増大した硬化領域内に位置し、したがってクランクウェブ13において、ピン孔15の近傍に位置する段差部30である近接部31の近傍での疲労強度が向上する。

次に、前述のように構成された実施形態の作用および効果について説明する。
クランクジャーナル12には焼入れが施されており、クランクウェブ13には、クランクジャーナル12を支持する軸受５のインナレース５ａが軸方向で当接する段部16が境界部14の周囲に形成された内燃機関の組立式クランク軸Ｃにおいて、段部16の外周側段差部30が、周方向でピン孔15に近い近接部31と、周方向で近接部31よりも遠い遠方部32とに二分されるとき、近接部31は、遠方部32よりも径方向でクランクジャーナル12に近い位置にあることにより、軸受５が当接する段部16の段差部30のうちで、周方向でクランクピンＰが圧入されるピン孔15に近い近接部31は、段差部30の遠方部32に比べて径方向内方に位置するので、該近接部31をクランクジャーナル12に施された焼入れによる焼入れ範囲内に位置させることができる。この結果、近接部31が焼入れにより形成される硬化領域内に位置させることができるので、クランクウェブ13においてピン孔15の近傍に位置する近接部31近傍での疲労強度が向上する。しかも、近接部31でのこの疲労強度の向上は、クランクジャーナル12に施される焼入れによる熱を利用して行われるので、ピン孔15近傍の段差部30近傍での疲労強度を向上させるために、クランクジャーナル12の焼入れとは別の焼入れや浸炭処理が不要になって、クランク軸Ｃのコストが削減される。

次に、図４を参照して、本発明の第２実施形態を説明する。この第２実施形態は、第１実施形態とは、段部の形状が主に相違し、その他は基本的に同一の構成を有するものである。そのため、同一の部分についての説明は省略または簡略にし、異なる点を中心に説明する。なお、第１実施形態の部分と同一また対応する部分については、必要に応じて同一の符号を使用した。

第２実施形態では、近接部31とピン孔15とは、径方向での間隔をおいて、径方向に離隔しており、段部16および近接部31が、径方向で境界部14（図１参照）とピン孔15との間において、途切れることなく連続して形成され、したがって境界部14の周囲に全周に渡って形成されている。そして、段部16は、所定角度θの全範囲に、または小径部分16ａの周方向での全範囲に渡って径方向幅ｗ１を有する。
なお、この第２実施形態の別の形態として、図４に二点鎖線で示されるように、ピン孔15_１の一部が近接部31よりも径方向内方に形成されていて、段差部30の近接部31がピン孔15_１により途切れていてもよい。

また、第２実施形態では、第１実施形態に比べて、近接部31においてピン孔15に最も近い部位が、周方向で基準線Ｌ０に近い位置にあるので、所定角度θは１００°よりも小さくてもよい。そして、この場合には、遠方部32の周方向での長さが長くなって、主要部分１６ｂが大きくなる。この結果、スラスト荷重を受ける当接面16ｓの面積が増加するので、段部16の耐久性が向上する。

この第２実施形態によれば、第１実施形態と同様の作用および効果が奏されるほか、次の作用および効果が奏される。
径方向で境界部14とピン孔15，15_１との間において、段部16が連続して形成されていることにより、段部16が、近接部31を含むピン孔15，15_１に近接した部位において途切れることがなく、したがって全周またはほぼ全周に渡って形成される。この結果、軸受５（図１参照）からのスラスト荷重を段部16の全周またはほぼ全周で負担できるので、段部16の耐久性が向上し、さらにはクランク軸Ｃの耐久性が向上する。
ここで、ほぼ全周とは、段部16が、前述した「ほぼ環状」である場合である。

以下、前述した実施形態の一部が変更された形態について、変更された部分を中心に説明する。
クランク軸は、第２クランク部材20とクランクピンＰとが一体成形されたクランク構成部品と、第１クランク部材10からなるクランク構成部品とから構成されてもよい。
内燃機関は、多気筒内燃機関であってもよい。また、クランク軸は内燃機関以外の機械に備えられてもよい。

本発明の第１実施形態を示し、本発明が適用された組立式クランク軸を備える内燃機関の要部の断面図であり、クランク軸については、その回転中心線を含む平面での断面図であって、図２のＩ−Ｉ線での断面に相当する断面図である。 図１のＩＩ矢視での軸方向から、クランク軸のクランク構成部品を見た図である。 図１のクランク軸のクランクウェブにおける段部およびピン孔付近に発生する高応力部を説明する模式図である。線断面図である。 本発明の第２実施形態を示し、図２に相当する図の要部の図である。 従来技術を説明するための組立式クランク軸の１つの構成部材を示す図であり、（Ａ）は、クランク軸の回転中心線を含む平面での断面図であって、（Ｂ）のＡ−Ａ線断面図であり、（Ｂ）は、（Ａ）のＢ矢視図である。 図５のクランク軸のクランクウェブにおける段部およびピン孔付近に発生する高応力部を説明する模式図である。

符号の説明

12，22…クランクジャーナル、13，23…クランクウェブ、14，24…境界部、15，25…ピン孔、16，26…段部、30…段差部、31…近接部、32…遠方部、
Ｃ…クランク軸、Ｐ…クランクピン。

Claims (4)

1. 一体成形されたクランクジャーナル(12)およびクランクウェブ(13)と、前記クランクウェブ(13)に形成されたピン孔(15, 15_１)に圧入されたクランクピン(Ｐ)とを備える組立式クランク軸であって、前記クランクジャーナル(12)には焼入れが施されており、前記クランクウェブ(13)には、前記クランクジャーナル(12)を支持する軸受(５)が軸方向で当接する段部(16)が、前記クランクジャーナル(12)と前記クランクウェブ(13)との境界部(14)の周囲に形成され、前記段部(16)の外周側に環状の段差部(30)が形成された組立式クランク軸において、
   前記段部(16)の外周側段差部(30)が、周方向で前記ピン孔(15)に近い近接部(31)と、周方向で前記近接部(31)よりも前記ピン孔(15, 15 _１ )から遠い遠方部(32)とに二分され、
   前記近接部(31)の径方向幅(w1)を規定する、クランク軸回転中心線(Lc)から該近接部(31)外周までの半径(d1)が、前記遠方部(32)の径方向幅(w２)を規定する、クランク軸回転中心線(Lc)から該遠方部(32)外周までの半径(d2)より小さいように前記近接部(31)が形成されたことを特徴とする組立式クランク軸。
2. 径方向で前記境界部(14)と前記ピン孔(15, 15_１)との間において、前記段部(16)が連続して形成される請求項１記載の組立式クランク軸。
3. 前記近接部(31)における少なくとも前記ピン孔(15, 15 _１ )寄りの応力集中部で焼入れがなされている請求項１または２記載の組立式クランク軸。
4. 前記近接部(31)は、前記ピン孔(15, 15 _１ )に隣接した部位において途切れることなく同じ径方向幅(w1)で連続して形成される請求項１、２または３記載の組立式クランク軸。

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