JP5223650B2 - クランクシャフト - Google Patents

Description

本発明は、クランクシャフトに関し、より詳しくは、クランクシャフトの軽量化を促進する技術に関する。

従来、エンジン内部のクランクシャフトにおけるピン及びジャーナルについて、高い硬度を得るために焼入れを行い、マルテンサイト層を形成する技術が用いられている（例えば、特許文献１、特許文献２）。
また、一方で燃費向上を目的としたクランクシャフトの軽量化のため、前記ピン及びジャーナルに隣接して形成された肩部を削る方法が行われている。この場合、クランクシャフトの軸心を挟み、前記肩部と対向して位置するカウンタウェイトも削ることができるため、軽量化の効果は高くなる。

さらに、前記ピンは、付与するマルテンサイト層の深さを、クランクシャフトの軸心から見て外側に位置する側（トップ部）と内側に位置する側（ボトム部）とで均一にする必要がある。ここで、前記肩部はボトム部周辺に比べてトップ部周辺の質量が小さいことから、同じように加熱するとマルテンサイト層の深さが深くなってしまうため、前記焼入れ時にトップ部の加熱出力をボトム部の加熱出力に比べて低く抑える構成としている。
特開２００５−１４６３８４号公報 特開２００６−２０７７３９号公報

しかし、前記の如くピン及びジャーナル周辺の肩部を削った場合は質量が小さくなるため、前記焼入れの際に前記肩部が溶融し、クランクシャフトのバランス精度が悪化することで、エンジン駆動時のノイズやバイブレーションの発生原因となっていた。
また、前記焼入れ時にトップ部の加熱出力をボトム部の加熱出力に比べて低く抑える構成とするには、設備コストの増加に繋がる。また、この構成のみでは、局所的に体積の小さい肩部の溶融は避けられない。このため、クランクシャフトの形状を調整することによって、マルテンサイト層の深さを均一にする構成が求められていた。

そこで本発明は、上記現状に鑑み、クランクシャフトの軽量化を実現した上で、焼入れの際に肩部が溶融することなく、マルテンサイト層の深さをトップ部とボトム部で均一にすることができるクランクシャフトを提供するものである。

本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段を説明する。

即ち、請求項１においては、ピン又は／及びジャーナルに隣接して肩部が形成されたクランクシャフトであって、前記肩部の高さＨは、前記肩部と、前記ピン又は／及びジャーナルと、の間に形成されたフィレットＲ部の上端点を基準とした、前記肩部の上端点までの相対的な高度差であり、前記肩部の幅Ｗは、Ｈ≧０の場合は、前記フィレットＲ部の上端点からクランクシャフトの軸心方向に向かって伸ばした直線と前記肩部の外周面との交点と、前記フィレットＲ部の上端点との距離であり、Ｈ＜０の場合は、前記ピン又は／及びジャーナルの上端からクランクシャフトの軸心方向に向かって伸ばした直線と前記肩部の外周面との交点における接線を引き、前記フィレットＲ部の上端点からクランクシャフトの軸心方向に向かって伸ばした直線と前記接線との交点をとったときの、該交点と前記フィレットＲ部の上端点との距離であり、前記肩部の、幅Ｗ及び高さＨの寸法（ｍｍ）が、Ｗ≦１．７、且つ、Ｈ≦０となるように規定される、又は、１．７＜Ｗ≦６、且つ、Ｈ≦１．７４Ｗ−２．９５８、且つ、Ｈ≦３となるように規定されるものである。

請求項２においては、前記クランクシャフトがｎ箇所のピン、及び、前記ピンと前記ジャーナルとを連結するアームに形成されるｍ箇所のカウンタウェイトを有する場合、前記肩部は、前記ピンの両側の２ｎ箇所、及び、ジャーナルの両側のうちカウンタウェイトが形成されていない部分の（２ｎ−ｍ）箇所に形成されるものである。

請求項３においては、前記クランクシャフトがｎ箇所のピン、及び、前記ピンと前記ジャーナルとを連結するアームに形成される２ｎ箇所のカウンタウェイトを有する場合、前記肩部は、前記ピンの両側の２ｎ箇所に形成されるものである。

本発明の効果として、以下に示すような効果を奏する。

本発明により、クランクシャフトの軽量化を実現した上で、焼入れの際に肩部が溶融することなく、マルテンサイト層の深さをトップ部とボトム部で均一にすることができる。

次に、発明の実施の形態を説明する。
図１は本発明の第一実施形態に係るクランクシャフトを示した図である。
図２はクランクシャフトの肩部に係る第一実施例を示した拡大図である。
図３は肩部の幅Ｗと高さＨとの関係を示した図である。
図４（ａ）はクランクシャフトの肩部に係る第二実施例を示した拡大図、（ｂ）は同じく第三実施例を示した拡大図である。
図５は本発明の第二実施形態に係るクランクシャフトを示した図である。

［クランクシャフトの第一実施形態］
まず始めに、本発明の第一実施形態に係るクランクシャフト１０について、図１を用いて説明をする。なお、本明細書においては説明の便宜上、図１における右側を右側方、左側を左側方として説明する。
図１に示す如く、クランクシャフト１０は直列４気筒エンジンに用いられるものであり、鍛造加工によって一体的に形成されている。そして、クランクシャフト１０の軸心に沿って配列された五箇所のジャーナル３１・３１・・・と、該ジャーナル３１・３１・・・の左側、右側、又は、左右両側に隣接して四箇所ずつ連設された、アーム１１・１１・・・、及び、アーム１２・１２・・・と、互いに対向して配置された一対のアーム１１とアーム１２との間にそれぞれ架設された四箇所のピン２１・２１・・・と、を備えている。

前記ピン２１・２１・・・は、クランクシャフト１０の左外側に配設されるピン２１と、右外側に配設されるピン２１とが、同一軸上に配設されている。また、内側に配設される二箇所のピン２１・２１は、前記左右両外側に配設されるピン２１・２１に対して、クランクシャフト１０の軸心を挟んで対向する同一軸上に配設されている。換言すれば、左右両外側のピン２１・２１と、内側のピン２１・２１とは、位相を互いに１８０度ずらして配設されているのである。本明細書では、前記ピン２１・２１・・・において、クランクシャフト１０の軸心から見て半径方向外側に位置する一側をトップ部２１Ｔ・２１Ｔ・・・とし、内側に位置する他の一側をボトム部２１Ｂ・２１Ｂ・・・とする。

前記アーム１１・１１・・・は前記ジャーナル３１・３１・・・と前記ピン２１・２１・・・とを連結しており、左外側に配設されるピン２１の左側、右外側に配設されるピン２１の右側、及び、内側に配設されるピン２１・２１のそれぞれの内側に合計四箇所配設されている。そして、該ピン２１・２１・・・に対して、クランクシャフト１０の軸心を挟んで対向する箇所には、クランクシャフト１０が回動する際に釣り合いをとるためのカウンタウェイト１１ａ・１１ａ・・・が形成されている。

前記アーム１２・１２・・・は前記ジャーナル３１・３１・・・と前記ピン２１・２１・・・とを連結しており、左外側に配設されるピン２１の右側、右外側に配設されるピン２１の左側、及び、内側に配設されるピン２１・２１のそれぞれの外側に合計四箇所配設されている。換言すれば、前記アーム１２・１２・・・はピン２１・２１・・・を挟んで、前記アーム１１・１１・・・と対向して配設されるのである。該アーム１２・１２・・・には、カウンタウェイトは形成されていない。

前記アーム１１・１１・・・の前記ピン２１・２１・・・と連結される部分、並びにアーム１２・１２・・・の前記ピン２１・２１・・・及びジャーナル３１・３１・・・と連結される部分は、クランクシャフト１０の軸心から外側に向かうにしたがって左右幅が徐々に小さくなるように形成されている。
本明細書では、前記アーム１１・１１・・・、及びアーム１２・１２・・・の左右幅が徐々に小さくなる部分を肩部とする。特に、前記ピン２１・２１・・・の左右両側を挟持する部分を肩部ＳＰ・ＳＰ・・・、前記ジャーナル３１・３１・・・の左右両側を挟持する部分を肩部ＳＪ・ＳＪ・・・とする。

即ち、前記アーム１１・１１・・・はピン２１・２１・・・の側、つまりカウンタウェイト１１ａ・１１ａ・・・が形成されない側に肩部ＳＰ・ＳＰ・・・が形成されており、前記アーム１２・１２・・・は、ピン２１・２１・・・の側に肩部ＳＰ・ＳＰ・・・が、ジャーナル３１・３１・・・の側に肩部ＳＪ・ＳＪ・・・が形成されているのである。換言すれば、前記肩部ＳＰ・ＳＰ・・・は前記ピン２１・２１・・・の左右両側の８箇所に形成され、前記肩部ＳＪ・ＳＪ・・・はジャーナル３１・３１・・・の左右両側の前記アーム１２・１２・・・における、カウンタウェイトが形成されていない部分の４箇所に形成されているのである。
なお、前記ピン２１・２１・・・、肩部ＳＰ・ＳＰ・・、及び、肩部ＳＪ・ＳＪ・・・・の個数は、本実施形態に限定されるものではない。即ち、クランクシャフトがｎ箇所のピン、及び、前記ピンと前記ジャーナルとを連結するアームに形成されるｍ箇所のカウンタウェイトを有する場合、前記肩部は、前記ピンの両側の２ｎ箇所、及び、ジャーナルの両側のうちカウンタウェイトが形成されていない部分の（２ｎ−ｍ）箇所に形成されるのである。ただし、ｍは２ｎより小さい数である。

［肩部］
次に、本発明に係るクランクシャフト１０における、肩部ＳＰ・ＳＰ・・・（以下、肩部ＳＰ）の第一実施例の形状について、図２を用いて説明する。なお、以下は肩部ＳＰについて記載するものであるが、肩部ＳＪ・ＳＪ・・・の形状についても同様に構成されているため、肩部ＳＪ・ＳＪ・・・の説明は省略する。

図２に示す如く、前記肩部ＳＰの高さＨは、前記肩部ＳＰと、前記ピン２１（肩部ＳＪの場合は、ジャーナル３１）と、の間に形成されたフィレットＲ部２１ａの、肩部ＳＰ側の端点である上端点Ｐ１を基準とした、前記肩部ＳＰの上端点Ｐ２（前記肩部ＳＰにおけるクランクシャフト１０の軸心から見て半径方向外側端部の点）までの相対的な高度差である。即ち、本実施例の如く、肩部ＳＰの上端点Ｐ２がフィレットＲ部２１ａの上端点Ｐ１よりも高い位置（クランクシャフト１０の軸心から離れる側の位置）になるように肩部ＳＰが形成されている場合は、前記肩部ＳＰの高さＨはＨ＞０となるのである。そして、上端点Ｐ２と上端点Ｐ１とが同じ高さ（クランクシャフト１０の軸心からの距離が同じ）になるように形成されている場合（図４（ａ）参照）はＨ＝０、上端点Ｐ２が上端点Ｐ１よりも低い位置（クランクシャフト１０の軸心に近くなる側の位置）になるように肩部ＳＰが形成されている場合（図４（ｂ）参照）は、Ｈ＜０となるのである。

また、前記肩部ＳＰの幅Ｗは、図２に示すようにＨ≧０の場合は、前記フィレットＲ部２１ａの上端点Ｐ１の位置における、前記肩部ＳＰのクランクシャフト１０の軸心方向長さである。即ち、前記上端点Ｐ１の高さにおける肩部ＳＰの左右方向の長さであり、換言すれば、上端点Ｐ１からクランクシャフト１０の軸心方向に向かって伸ばした直線と肩部ＳＰの外周面との交点Ｐ３と、前記上端点Ｐ１との距離である。

上記のように構成された肩部ＳＰにおいて、本発明の出願人は実験により、Ｗ≦１．７ｍｍの場合はＨ≦０ｍｍのとき、１．７ｍｍ＜Ｗ≦７．５ｍｍの場合はＨ≦１．７４Ｗ−２．９５８ｍｍのとき、Ｗ＞７．５ｍｍの場合はＨの値に関わらず、クランクシャフト１０の焼入れ時に前記ピン２１に隣接する前記肩部ＳＰが溶融しないことを明らかにした。
また、Ｗ≦６且つＨ≦３のとき、クランクシャフト１０の軽量化によって０．０５％以上の燃費向上効果を得ることができることを明らかにした。

上記による肩部ＳＰの幅Ｗの寸法と高さＨの寸法との関係を図３に示す。具体的には、図３中のＬ１はＨ＝０ｍｍ（Ｗ≦１．７ｍｍ）のグラフ、Ｌ２はＨ＝１．７４Ｗ−２．９５８ｍｍ（１．７ｍｍ＜Ｗ≦７．５ｍｍ）のグラフ、Ｌ３はＷ＝７．５ｍｍのグラフを示している。また、同じくＬ４はＨ＝３ｍｍ（Ｗ≦６ｍｍ）のグラフ、Ｌ３はＷ＝６ｍｍ（Ｈ≦３ｍｍ）のグラフを示している。

即ち、上記の条件によれば、幅Ｗと高さＨの関係が、図３においてＬ１若しくはＬ２よりも下側、又は、Ｌ３よりも右側にあれば、肩部ＳＰが溶融しない条件を充たすことになる。また、Ｌ４よりも下側、且つ、Ｌ５よりも左側にあれば、燃費向上の条件を充たすことになる。つまり、図３に示す網掛け部分が、前記の範囲の重なり部分であり、肩部ＳＰが溶融せず、且つ燃費向上効果を得ることができる、幅Ｗと高さＨの範囲となるのである。

本実施形態におけるクランクシャフト１０は、前記肩部ＳＰの幅Ｗと高さＨは、上記条件を充たす範囲で形成される。即ち、幅Ｗ及び高さＨの寸法（ｍｍ）が、Ｗ≦１．７、且つ、Ｈ≦０となるように規定される、又は、１．７＜Ｗ≦６、且つ、Ｈ≦１．７４Ｗ−２．９５８、且つ、Ｈ≦３となるように規定される。つまり、幅Ｗが１．７ｍｍ以下で高さＨが０ｍｍ以下となるように、又は、幅Ｗが１．７ｍｍより大きく６ｍｍ以下で高さＨが３ｍｍ以下で、且つ、Ｈ≦１．７４Ｗ−２．９５８を充たすように規定されるのである。

上記のように構成することにより、ピン２１及びジャーナル３１周辺の肩部を削ることで軽量化を実現することができ、さらに焼入れの際に前記肩部ＳＰ・ＳＪの溶融を防ぐことができるため、クランクシャフト１０のバランス精度が悪化せず、ノイズやバイブレーションが発生しないのである。

また、本発明の出願人は上記実験により、肩部ＳＰの幅Ｗと高さＨにおける上記条件を充たす場合、前記肩部ＳＰのトップ部２１Ｔ周辺を、ボトム部２１Ｂ周辺と同じように加熱しても、マルテンサイト層の深さが均一になることも明らかにした。即ち、焼入れ時にトップ部２１Ｔ周辺の加熱出力をボトム部２１Ｂ周辺の加熱出力に比べて低く抑えることができる。つまり、クランクシャフト１０の形状を調整することによって、マルテンサイト層の深さを均一にすることが可能となるのである。

［クランクシャフト１０の肩部ＳＰに係る第二・第三実施例］
次に、クランクシャフト１０の肩部ＳＰに係る第二実施例及び第三実施例について、図４（ａ）、（ｂ）を用いて説明をする。
第二実施例に係るクランクシャフトは、図４（ａ）に示すように、アーム１１１の肩部ＳＰの上端点は、ピン１２１と、の間に形成されたフィレットＲ部１２１ａの上端点Ｐ４と一致して形成されている。即ち、肩部ＳＰの高さＨは０となるため、前記の如く、上端点Ｐ４からクランクシャフトの軸心方向に向かって伸ばした直線と肩部ＳＰの外周面との交点Ｐ５と、前記上端点Ｐ４との距離である幅Ｗが６ｍｍ以下となるように肩部ＳＰを形成することにより、軽量化を実現することができ、さらに焼入れの際に前記肩部ＳＰの溶融を防ぐことができるのである。
なお、アーム１１１の肩部ＳＰの上端点が、ピン１２１と、の間に形成されたフィレットＲ部１２１ａの上端点Ｐ４よりも少し高い位置にある場合は、肩部ＳＰの高さＨはＨ＞０となるため、１．７ｍｍ＜Ｗ≦６ｍｍとなるように肩部ＳＰを形成する必要がある。

第三実施例に係るクランクシャフトは、図４（ｂ）に示すように、アーム２１１の肩部ＳＰの上端点Ｐ７は、ピン２２１との間に形成されるべきフィレットＲ部２２１ａの上端点Ｐ６よりも低い位置になるように肩部ＳＰが形成されている。詳しくは、本実施例におけるフィレットＲ部２２１ａは上下中途部で切断された形状となっているため、本来フィレットＲ部２２１ａが形成されていたならば上端であった点を上端点Ｐ６とし、該上端点Ｐ６を基準として、前記肩部ＳＰの上端点Ｐ７までの相対的な高度差を高さＨとするのである。即ち、本実施例における肩部ＳＰの高さはＨ＜０となる。
また、このようにＨ＜０の場合は前記の方法で幅Ｗを規定することができないため、例えば、前記ピン２２１の上端２２１ｂからクランクシャフト１０の軸心方向に向かって伸ばした直線と前記肩部ＳＰの外周面との交点Ｐ８における接線Ｔを引き、前記上端点Ｐ６からクランクシャフトの軸心方向に向かって伸ばした直線と前記接線Ｔとの交点を交点Ｐ９としたときの、該交点Ｐ９と前記上端点Ｐ６との距離を、幅Ｗとするのである。
上記のように、本実施例においては上端点Ｐ７が上端点Ｐ６よりも低い位置になるように肩部ＳＰが形成されており、Ｈ＜０となるため、前記幅Ｗが６ｍｍ以下となるように肩部ＳＰを形成することにより、軽量化を実現することができ、さらに焼入れの際に前記肩部ＳＰの溶融を防ぐことができるのである。

［クランクシャフトの第二実施形態］
次に、本発明の第二実施形態に係るクランクシャフト５０について、図５を用いて説明をする。なお、以下に説明する実施形態において、既出の実施形態と共通する部分については、同符号を付してその説明を省略する。
図５に示す如く、クランクシャフト５０は、クランクシャフト５０の軸心に沿って配列された五箇所のジャーナル３１・３１・・・と、該ジャーナル３１・３１・・・の左側、右側、又は、左右両側に隣接して八箇所に連設された、アーム１１・１１・・・と、互いに対向して配置された一対のアーム１１・１１の間にそれぞれ架設された四箇所のピン２１・２１・・・と、を備えている。

前記ピン２１・２１・・・は、前記実施形態と同様に、左右両外側のピン２１・２１と、内側のピン２１・２１とは、位相を互いに１８０度ずらして配設されている。また、それぞれのピン２１・２１・・・は前記アーム１１・１１・・・によって前記ジャーナル３１・３１・・・と連結されており、該ピン２１・２１・・・に対して、クランクシャフト５０の軸心を挟んで対向する箇所には、クランクシャフト５０が回動する際に釣り合いをとるためのカウンタウェイト１１ａ・１１ａ・・・が形成されている。

前記アーム１１・１１・・・の、前記ピン２１・２１・・・と連結される部分は、クランクシャフト５０の軸心から外側に向かうにしたがって左右幅が徐々に小さくなる部分が肩部ＳＰとして形成されている。即ち、前記アーム１１・１１・・・はピン２１・２１・・・の側、つまりカウンタウェイト１１ａ・１１ａ・・・が形成されない側に肩部ＳＰ・ＳＰ・・・が形成されているのである。換言すれば、前記肩部ＳＰ・ＳＰ・・・は前記ピン２１・２１・・・の両側の８箇所に形成されているのである。
なお、前記ピン２１・２１・・・、肩部ＳＰ・ＳＰ・・の個数は、本実施形態に限定されるものではない。即ち、クランクシャフトがｎ箇所のピン、及び、前記ピンと前記ジャーナルとを連結するアームに形成される２ｎ箇所のカウンタウェイトを有する場合、前記肩部は、前記ピンの両側の２ｎ箇所に形成されるのである。

本実施形態によるクランクシャフト５０においても、前記肩部ＳＰの幅Ｗと高さＨは、寸法（ｍｍ）が、Ｗ≦１．７、且つ、Ｈ≦０となるように規定される、又は、１．７＜Ｗ≦６、且つ、Ｈ≦１．７４Ｗ−２．９５８、且つ、Ｈ≦３となるように規定される。

上記のように構成することにより、前記実施形態と同様の効果を得ることが可能となる。即ち、ピン２１周辺の肩部を削ることで軽量化を実現することができ、さらに焼入れの際に前記肩部ＳＰの溶融を防ぐことができるため、クランクシャフト５０のバランス精度が悪化せず、ノイズやバイブレーションが発生しないのである。また、焼入れ時にトップ部２１Ｔ周辺の加熱出力をボトム部２１Ｂ周辺の加熱出力に比べて低く抑えることができる。つまり、クランクシャフト５０の形状を調整することによって、マルテンサイト層の深さを均一にすることが可能となるのである。

本発明の第一実施形態に係るクランクシャフトを示した図。 クランクシャフトの肩部に係る第一実施例を示した拡大図。 肩部の幅Ｗと高さＨとの関係を示した図。 （ａ）はクランクシャフトの肩部に係る第二実施例を示した拡大図、（ｂ）は同じく第三実施例を示した拡大図。 本発明の第二実施形態に係るクランクシャフトを示した図。

１０ クランクシャフト
１１ アーム
１１ａ カウンタウェイト
１２ アーム
２１ ピン
２１Ｔ トップ部
２１Ｂ ボトム部
３１ ジャーナル
ＳＰ 肩部
ＳＪ 肩部

Claims (3)

1. ピン又は／及びジャーナルに隣接して肩部が形成されたクランクシャフトであって、
   前記肩部の高さＨは、前記肩部と、前記ピン又は／及びジャーナルと、の間に形成されたフィレットＲ部の上端点を基準とした、前記肩部の上端点までの相対的な高度差であり、
   前記肩部の幅Ｗは、Ｈ≧０の場合は、前記フィレットＲ部の上端点からクランクシャフトの軸心方向に向かって伸ばした直線と前記肩部の外周面との交点と、前記フィレットＲ部の上端点との距離であり、Ｈ＜０の場合は、前記ピン又は／及びジャーナルの上端からクランクシャフトの軸心方向に向かって伸ばした直線と前記肩部の外周面との交点における接線を引き、前記フィレットＲ部の上端点からクランクシャフトの軸心方向に向かって伸ばした直線と前記接線との交点をとったときの、該交点と前記フィレットＲ部の上端点との距離であり、
   前記肩部の、幅Ｗ及び高さＨの寸法（ｍｍ）が、
   Ｗ≦１．７、且つ、Ｈ≦０となるように規定される、
   又は、１．７＜Ｗ≦６、且つ、Ｈ≦１．７４Ｗ−２．９５８、且つ、Ｈ≦３となるように規定される、
   ことを特徴とする、クランクシャフト。
2. 前記クランクシャフトがｎ箇所のピン、及び、前記ピンと前記ジャーナルとを連結するアームに形成されるｍ箇所のカウンタウェイトを有する場合、
   前記肩部は、前記ピンの両側の２ｎ箇所、及び、ジャーナルの両側のうちカウンタウェイトが形成されていない部分の（２ｎ−ｍ）箇所に形成される、
   ことを特徴とする、請求項１に記載のクランクシャフト。
3. 前記クランクシャフトがｎ箇所のピン、及び、前記ピンと前記ジャーナルとを連結するアームに形成される２ｎ箇所のカウンタウェイトを有する場合、
   前記肩部は、前記ピンの両側の２ｎ箇所に形成される、
   ことを特徴とする、請求項１に記載のクランクシャフト。

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