JP5152504B2 - クランクシャフト - Google Patents
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Description
本発明は、クランクシャフトの改良に関する。
一般に、クランクシャフトは、クランクピンの耐摩耗性の向上ならびにクランクピン両端のフィレット部の疲労強度を向上させるため、フィレットＩＨ(Induction Heating)処理、すなわち、クランクピンおよびフィレット部が高周波焼入れ処理される。このようなクランクシャフトでは、フィレット部焼入れ後、フィレット部とクランクアームスラスト面との境界に置き割れが発生することがある。この置き割れを防止するため、フィレットＩＨ処理後、クランクピンおよびフィレット部には、焼戻し処理が施される（例えば、特許文献１参照）。このように、クランクシャフトは、熱処理（フィレットＩＨ処理および焼戻し処理）に多大な工数が費やされており、生産性が低下する要因になっていた。従来のクランクシャフトは、ピン部の置き割れを防止するために過剰な肉盛りを必要としており、さらにそれに伴い、製品機能上、カウンタウェイトの重量も増加させる必要があった。クランクシャフトの重量化は、エンジンの燃費性能低下に直結する。ガソリン価格の高騰ならびに環境破壊がクローズアップされている現在、燃費向上は最も重要な技術的課題の一つである。
特開平７−３４１３４号公報
そこで本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、生産性向上および軽量化が可能なクランクシャフトを提供することを課題としてなされたものである。
上記課題を解決するために、本発明のクランクシャフトは、クランクピンが高周波焼入れ処理されるクランクシャフトであって、前記クランクアームのクランクピン周縁部の軸直角方向の高さ(H)を軸方向の幅(W)で除した値が0.4以下(H/W≦0.4)に、且つ、ピントップを基点0°とした軸回りに-90°から+90°までの範囲における前記幅(W)の最大値(W max )と最小値(W min )との差が7 mm以下(W max - W min ≦7)に設定されて、前記クランクピンのフィレット部とクランクアームのスラスト面との境界における表面からの深さが100μmまでの領域の残留応力積分値が、20000 MPa・μm 以下であることを特徴とする。
（発明の態様）
以下に、本願において特許請求が可能と認識されている発明（以下、請求可能発明と称する）の態様を例示し、例示された各態様について説明する。ここでは、各態様を、特許請求の範囲と同様に、項に区分すると共に各項に番号を付し、必要に応じて他の項の記載を引用する形式で記載する。これは、請求可能発明の理解を容易にするためであり、請求可能発明を構成する構成要素の組み合わせを、以下の各項に記載されたものに限定する趣旨ではない。つまり、請求可能発明は、各項に付随する記載、実施形態の記載等を参酌して解釈されるべきであり、その解釈に従う限りにおいて、各項の態様にさらに他の構成要素を付加した態様も、また、各項の態様から構成要素を削除した態様も、請求可能発明の一態様となり得る。
なお、以下の（１）項が、請求項１に相当する。
以下に、本願において特許請求が可能と認識されている発明（以下、請求可能発明と称する）の態様を例示し、例示された各態様について説明する。ここでは、各態様を、特許請求の範囲と同様に、項に区分すると共に各項に番号を付し、必要に応じて他の項の記載を引用する形式で記載する。これは、請求可能発明の理解を容易にするためであり、請求可能発明を構成する構成要素の組み合わせを、以下の各項に記載されたものに限定する趣旨ではない。つまり、請求可能発明は、各項に付随する記載、実施形態の記載等を参酌して解釈されるべきであり、その解釈に従う限りにおいて、各項の態様にさらに他の構成要素を付加した態様も、また、各項の態様から構成要素を削除した態様も、請求可能発明の一態様となり得る。
なお、以下の（１）項が、請求項１に相当する。
（１）クランクピンが高周波焼入れ処理されるクランクシャフトであって、クランクアームのクランクピン周縁部の軸直角方向の高さ(H)を軸方向の幅(W)で除した値が0.4以下(H/W≦0.4)に、且つ、ピントップを基点0°とした軸回りに-90°から+90°までの範囲における幅(W)の最大値(W max )と最小値(W min )との差が7 mm以下(W max - W min ≦7)に設定されて、クランクピンのフィレット部とクランクアームのスラスト面との境界における表面からの深さが100μmまでの領域の残留応力積分値が、20000 MPa・μm 以下であるクランクシャフト。
従来、クランクシャフトは、フィレットＩＨ処理後の冷却時に、フィレット部とクランクアームのスラスト面との境界（以下、フィレット境界という）に置き割れが発生することが問題となっていた。そこで、本願出願人は、鋭意研究の結果、フィレット境界における表面からの深さが100μmまでの領域の残留応力積分値が20000 MPa・μm以下である場合に、フィレット境界に置き割れが発生しないことを究明した。本項に記載のクランクシャフトによれば、フィレット境界における表面からの深さが100μmまでの領域の残留応力積分値を20000 MPa・μm 以下となる形状設計を行うことにより、フィレットＩＨ処理後の冷却時に、フィレット境界に置き割れが発生するのを回避することができる。
従来、クランクシャフトは、フィレットＩＨ処理後の冷却時に、フィレット部とクランクアームのスラスト面との境界（以下、フィレット境界という）に置き割れが発生することが問題となっていた。そこで、本願出願人は、鋭意研究の結果、フィレット境界における表面からの深さが100μmまでの領域の残留応力積分値が20000 MPa・μm以下である場合に、フィレット境界に置き割れが発生しないことを究明した。本項に記載のクランクシャフトによれば、フィレット境界における表面からの深さが100μmまでの領域の残留応力積分値を20000 MPa・μm 以下となる形状設計を行うことにより、フィレットＩＨ処理後の冷却時に、フィレット境界に置き割れが発生するのを回避することができる。
そして、軸直角方向の高さ(H)を軸方向の幅(W)で除した値が0.4以下(H/W≦0.4)となり、且つ、ピントップを基点0°とした軸回りに-90°から+90°までの範囲における幅の最大値(Wmax)と最小値(Wmin)との差が7 mm以下(Wmax - Wmin≦7)となるようにクランクアームのクランクピン周縁部を形成することにより、フィレット境界における表面からの深さが100μmまでの領域の残留応力積分値を20000 MPa・μm 以下とすることが可能であり、これにより、フィレットＩＨ処理後の冷却時に、フィレット境界（フィレット部とクランクアームのスラスト面との境界）に置き割れが発生するのを回避することができる。これにより、過剰な肉盛りをすることなく置き割れを防止することができるため、焼戻し処理廃止が可能となり、クランクシャフトの生産性を大幅に向上させることができると同時に、クランクシャフトを軽量化してエンジンの燃費性能を向上させることができる。
ここで、フィレットＩＨ後に、フィレット境界に置き割れが発生する２つの理由を説明する。
フィレットＩＨの冷却時、まず、クランクピン表面およびクランクピン周縁部のスラスト面から冷却される。これにより、クランクピン表面およびスラスト面は、熱収縮（1000℃→350℃）し、続いて、マルテンサイト変態（350℃→100℃）により体積膨張して硬化する。この時、クランクピン表面およびスラスト面には、体積膨張に伴う圧縮応力が発生する。これに対し、クランクアームのクランクピン周縁部内部は、高温を維持していることから未変態のオーステナイトの状態である。
（理由１）
さらに、冷却の進行により、クランクピン周縁部内部がマルテンサイト変態（350℃→100℃）により体積膨張して硬化する。これにより、クランクピン周縁部のスラスト面には、クランクピン周縁部の端方向の引張り応力が発生する。言い換えると、クランクピン周縁部の表面（スラスト面）に対して内部で冷却遅れが生じることに起因して、クランクピン周縁部のスラスト面に引張り応力が発生する。
（理由２）
ピントップ0°のフィレット部と90°位置のフィレット部との冷却速度に差があるため、マルテンサイト変態するタイミングにずれが生じ、中間位置にて引張り応力が生じる。
結果として、（理由１）、すなわち、クランクピン周縁部のスラスト面に発生する引張り応力、および、（理由２）、すなわち、ピン部周方向の変態タイミングの差によって生じる引張り応力により、フィレット境界（フィレット部とクランクアームのスラスト面との境界）に置き割れが発生する可能性が高い。
上記（１）で述べたように、クランクシャフトは、クランクピンのフィレット部とクランクアームのスラスト面との境界における表面からの深さが100μmまでの領域の残留応力積分値を20000 MPa・μm 以下に設定することで、フィレットＩＨ後の冷却時における置き割れを回避することができる。そこで、本願出願人は、この条件を満たすためのクランクシャフトの形状をコンピュータシミュレーションおよび実物での評価により探索した。その結果、上記条件を満たすためのクランクアームのクランクピン周縁部の形状は、軸直角方向の高さ(H)を軸方向の幅(W)で除した値が0.4以下(H/W≦0.4)：（条件１）で、且つ、ピントップを基点0°とした軸回りに-90°から+90°までの範囲における幅の最大値(Wmax)と最小値(Wmin)との差が7 mm以下(Wmax - Wmin≦7)：（条件２）であると判明した。
ここで、上記（条件１）を満たすことで、クランクピン周縁部のピントップの剛性が確保され、上記（理由１）に起因する置き割れを回避することができる。また、上記（条件２）を満たすことで、フィレットピントップとフィレットピンショルダとの間の冷却速度差が解消され、上記（理由２）に起因する置き割れを回避することができる。したがって、（条件１）および（条件２）を同時に満たすようにクランクピン周縁部を形成することで、フィレットＩＨ後の冷却時に発生する置き割れを確実に回避することができる。
ここで、フィレットＩＨ後に、フィレット境界に置き割れが発生する２つの理由を説明する。
フィレットＩＨの冷却時、まず、クランクピン表面およびクランクピン周縁部のスラスト面から冷却される。これにより、クランクピン表面およびスラスト面は、熱収縮（1000℃→350℃）し、続いて、マルテンサイト変態（350℃→100℃）により体積膨張して硬化する。この時、クランクピン表面およびスラスト面には、体積膨張に伴う圧縮応力が発生する。これに対し、クランクアームのクランクピン周縁部内部は、高温を維持していることから未変態のオーステナイトの状態である。
（理由１）
さらに、冷却の進行により、クランクピン周縁部内部がマルテンサイト変態（350℃→100℃）により体積膨張して硬化する。これにより、クランクピン周縁部のスラスト面には、クランクピン周縁部の端方向の引張り応力が発生する。言い換えると、クランクピン周縁部の表面（スラスト面）に対して内部で冷却遅れが生じることに起因して、クランクピン周縁部のスラスト面に引張り応力が発生する。
（理由２）
ピントップ0°のフィレット部と90°位置のフィレット部との冷却速度に差があるため、マルテンサイト変態するタイミングにずれが生じ、中間位置にて引張り応力が生じる。
結果として、（理由１）、すなわち、クランクピン周縁部のスラスト面に発生する引張り応力、および、（理由２）、すなわち、ピン部周方向の変態タイミングの差によって生じる引張り応力により、フィレット境界（フィレット部とクランクアームのスラスト面との境界）に置き割れが発生する可能性が高い。
上記（１）で述べたように、クランクシャフトは、クランクピンのフィレット部とクランクアームのスラスト面との境界における表面からの深さが100μmまでの領域の残留応力積分値を20000 MPa・μm 以下に設定することで、フィレットＩＨ後の冷却時における置き割れを回避することができる。そこで、本願出願人は、この条件を満たすためのクランクシャフトの形状をコンピュータシミュレーションおよび実物での評価により探索した。その結果、上記条件を満たすためのクランクアームのクランクピン周縁部の形状は、軸直角方向の高さ(H)を軸方向の幅(W)で除した値が0.4以下(H/W≦0.4)：（条件１）で、且つ、ピントップを基点0°とした軸回りに-90°から+90°までの範囲における幅の最大値(Wmax)と最小値(Wmin)との差が7 mm以下(Wmax - Wmin≦7)：（条件２）であると判明した。
ここで、上記（条件１）を満たすことで、クランクピン周縁部のピントップの剛性が確保され、上記（理由１）に起因する置き割れを回避することができる。また、上記（条件２）を満たすことで、フィレットピントップとフィレットピンショルダとの間の冷却速度差が解消され、上記（理由２）に起因する置き割れを回避することができる。したがって、（条件１）および（条件２）を同時に満たすようにクランクピン周縁部を形成することで、フィレットＩＨ後の冷却時に発生する置き割れを確実に回避することができる。
置き割れを防ぎ、生産性向上および軽量化が可能なクランクシャフトを提供することができる。
本発明の一実施形態を図１−図５に基いて説明する。
図１に示されるように、本実施形態のクランクシャフト１は、クランクジャーナル２、クランクピン３、クランクジャーナル２とクランクピン３との間に設けられるクランクアーム４およびクランクアーム４の反対側へ延びるカウンタウェイト５を有する。図２に示されるように、クランクピン３の両端部には、クランクアーム４のクランクピン周縁部６に連続するフィレット部７が設けられる。
図１に示されるように、本実施形態のクランクシャフト１は、クランクジャーナル２、クランクピン３、クランクジャーナル２とクランクピン３との間に設けられるクランクアーム４およびクランクアーム４の反対側へ延びるカウンタウェイト５を有する。図２に示されるように、クランクピン３の両端部には、クランクアーム４のクランクピン周縁部６に連続するフィレット部７が設けられる。
ここで、本実施形態では、軸断面（クランクピン３の軸線を含む断面）において、フィレット部７とクランクピン周縁部６のスラスト面８との境界Ｂ（フィレット部７の終点）からクランクピン周縁部６の端までのクランクピン３の径方向（図２における上下方向）の距離をクランクピン周縁部６の高さ(H)と規定し、また、クランクピン周縁部６の厚さ、すなわち、境界Ｂからクランクピン周縁部６の外側面６ａまでのクランクピン３の軸方向（図２における左右方向）の距離をクランクピン周縁部６の幅(W)と規定する。
そして、クランクシャフト１は、クランクアーム４のクランクピン周縁部６の高さ(H)を幅(W)で除した値が、0.4以下 (H/W≦0.4)、すなわち、図３においてグレースケールで示される領域に属し、且つ、図４に示されるように、ピントップ（頂部）を基点0°としたクランクピン３の軸回りに-90°から+90°（以下、それぞれ角度位相-90°、角度位相+90°という）までの範囲におけるクランクピン周縁部６の幅(W)の最大値(Wmax)と最小値(Wmin)との差が7mm以下 (Wmax-Wmin≦7)となるように、クランクアーム４のクランクピン周縁部６が形成される。なお、クランクピン周縁部６は、ピンショルダ、すなわち、角度位相-90°および角度位相+90°の位置で幅(W)が最大値(Wmax)となり、ピントップ、すなわち、角度位相0°の位置で幅が最小値(Wmin)となる。
また、明細書の記載を簡潔にするため、以下、クランクピン周縁部６の高さ(H)を幅(W)で除した値が0.4以下 (H/W≦0.4)であるという条件を（条件１）、さらに、ピントップを基点0°としてクランクピン３の軸回りに-90°から+90°までの範囲におけるクランクピン周縁部６の幅(W)の最大値(Wmax)と最小値(Wmin)との差が7mm以下 (Wmax-Wmin≦7)であるという条件を（条件２）と称す。そして、本実施形態のクランクシャフト１は、クランクピン周縁部６が、（条件１）と（条件２）とを同時に満たす形状をなす。
次に、本実施形態の作用を説明する。
図３に、本実施形態のクランクシャフト１におけるクランクピン周縁部６の高さ(H)と幅(W)との関係を示す。この図に示されるように、クランクピン周縁部６の高さ(H)と幅(W)との関係を示す曲線（以下、曲線Ｃという）は、H/W≦0.4の領域（図３においてグレースケールで示される領域）に属している。具体的には、本実施形態において、クランクピン周縁部６の高さ(H)を幅(W)で除した値の最大値が、角度位相-90°および角度位相+90°の部分で約0.36(≦0.4)であることから、クランクピン周縁部６は、高さ(H)を幅(W)で除した値が、0.4以下 (H/W≦0.4)、すなわち、（条件１）を満たす形状をなす。これにより、クランクピン周縁部６のピントップの剛性が確保され、前述した（理由１）に起因する置き割れを回避することができる。
図３に、本実施形態のクランクシャフト１におけるクランクピン周縁部６の高さ(H)と幅(W)との関係を示す。この図に示されるように、クランクピン周縁部６の高さ(H)と幅(W)との関係を示す曲線（以下、曲線Ｃという）は、H/W≦0.4の領域（図３においてグレースケールで示される領域）に属している。具体的には、本実施形態において、クランクピン周縁部６の高さ(H)を幅(W)で除した値の最大値が、角度位相-90°および角度位相+90°の部分で約0.36(≦0.4)であることから、クランクピン周縁部６は、高さ(H)を幅(W)で除した値が、0.4以下 (H/W≦0.4)、すなわち、（条件１）を満たす形状をなす。これにより、クランクピン周縁部６のピントップの剛性が確保され、前述した（理由１）に起因する置き割れを回避することができる。
また、クランクピン周縁部６は、ピントップを基点0°としてクランクピン３の軸回りに-90°から+90°までの範囲におけるクランクピン周縁部６の幅(W)の最大値(Wmax)と最小値(Wmin)との差が7mm以下 (Wmax-Wmin≦7)である。具体的には、図３に示されるように、クランクピン周縁部６の幅(W)は、角度位相-90°および角度位相+90°の部分で最大値(Wmax=11.5mm)、角度位相0°の部分で最小値(Wmin=7.0mm)となることから、クランクピン周縁部６は、幅(W)の最大値(Wmax)と最小値(Wmin)との差(Wmax-Wmin)が4.5mm、すなわち、7mm以下 (Wmax-Wmin≦7)となり、（条件２）を満たす形状をなす。これにより、フィレットピントップ（フィレット部６のピントップ部分）とフィレットピンショルダ（フィレット部６のピンショルダ部分）との間の冷却速度差が解消され、前述した（理由２）に起因する置き割れを回避することができる。
この実施形態では以下の効果を奏する。
本実施形態によれば、クランクアーム４のクランクピン周縁部６の高さ(H)を幅(W)で除した値が0.4以下 (H/W≦0.4)で、且つ、ピントップ（頂部）を基点0°としたクランクピン３の軸回りに-90°から+90°（以下、それぞれ角度位相-90°、角度位相+90°という）までの範囲におけるクランクピン周縁部６の幅(W)の最大値(Wmax)と最小値(Wmin)との差が7mm以下 (Wmax-Wmin≦7)となるように、クランクピン周縁部６を形成した。
これにより、図２においてＢで示されるフィレット境界（フィレット部７とクランクピン周縁部６のスラスト面８との境界）における表面からの深さが100μmまでの領域の残留応力積分値を20000 MPa・μm 以下とすることができる。
その結果、フィレットＩＨ処理後の冷却時に、フィレット境界Ｂに置き割れが発生するのを回避することができる。これにより、焼戻し処理を廃止することが可能になり、クランクシャフトの生産性を大幅に向上させることができる。
また、本実施形態によれば、従来必要であった肉盛り９（図５参照）を廃止することが可能になり、クランクシャフト１を軽量化してエンジンの燃費性能を向上させることができる。
本実施形態によれば、クランクアーム４のクランクピン周縁部６の高さ(H)を幅(W)で除した値が0.4以下 (H/W≦0.4)で、且つ、ピントップ（頂部）を基点0°としたクランクピン３の軸回りに-90°から+90°（以下、それぞれ角度位相-90°、角度位相+90°という）までの範囲におけるクランクピン周縁部６の幅(W)の最大値(Wmax)と最小値(Wmin)との差が7mm以下 (Wmax-Wmin≦7)となるように、クランクピン周縁部６を形成した。
これにより、図２においてＢで示されるフィレット境界（フィレット部７とクランクピン周縁部６のスラスト面８との境界）における表面からの深さが100μmまでの領域の残留応力積分値を20000 MPa・μm 以下とすることができる。
その結果、フィレットＩＨ処理後の冷却時に、フィレット境界Ｂに置き割れが発生するのを回避することができる。これにより、焼戻し処理を廃止することが可能になり、クランクシャフトの生産性を大幅に向上させることができる。
また、本実施形態によれば、従来必要であった肉盛り９（図５参照）を廃止することが可能になり、クランクシャフト１を軽量化してエンジンの燃費性能を向上させることができる。
１ クランクシャフト、３ クランクピン、４ クランクアーム、６ クランクピン周縁部、７ フィレット部、８ スラスト面
Claims (1)
- クランクピンが高周波焼入れ処理されるクランクシャフトであって、
前記クランクアームのクランクピン周縁部の軸直角方向の高さ(H)を軸方向の幅(W)で除した値が0.4以下(H/W≦0.4)に、且つ、ピントップを基点0°とした軸回りに-90°から+90°までの範囲における前記幅(W)の最大値(W max )と最小値(W min )との差が7 mm以下(W max - W min ≦7)に設定されて、前記クランクピンのフィレット部とクランクアームのスラスト面との境界における表面からの深さが100μmまでの領域の残留応力積分値が、20000 MPa・μm 以下であることを特徴とするクランクシャフト。
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