JP5289137B2 - 組立クランクシャフトおよびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、別体として製作されたカウンタウェイト部がクランクシャフト本体部に接続されている組立クランクシャフトおよびその製造方法に係り、特に、カウンタウェイト部のクランクシャフト本体部への接続技術の改良に関する。

自動車エンジン等の内燃機関では、ピストンの往復運動をコネクティングロッドを介して回転運動に変更するクランクシャフトが使用されている。クランクシャフトは、ジャーナル軸部を備え、ジャーナル軸部には、それと平行なクランクピン部がアーム部により連結されている。アーム部はウェブ部およびカウンタウェイト部を有している。ウェブ部にクランクピン部が連結され、カウンタウェイト部のジャーナル軸部に対する形成位置は、クランクピン部の接続箇所の反対側である。

クランクシャフトの製造を鍛造により行う場合、図７に示すように、金型２０の下型２２にクランクシャフトの素材１０を配置し、プレスラム（図示略）により上型２１を下型２２に向けて移動する。これにより、図の矢印方向に素材１０を流動させて金型２０内に充填させる。ところが、素材１０のカウンタウェイト部１０Ａでは、金型２０のキャビティにおける最も深い隅部に対応する部位であるため、そこでは素材１０が充填されずに欠肉が生じやすい。

そこで、高荷重を発生させるために、高価な巨大鍛造プレス設備を用いると、製造コストが増大する。また、ヒータ内で素材１０を脱炭近くまで加熱して材料を軟化させることにより金型２０内への充填を容易にすると、ヒータ内で素材１０同士が接着したり、脱炭による素材１０の品質低下が生じる。

このような背景からクランクシャフトの製造では、クランクシャフトの各部位を別体で製作し、それらを接続することが提案されている。図８は、ボルト締結により接続された組立クランクシャフト３０を表す概略構成図である。ボルト締結では、シャフト本体部３１とカウンタウェイト部３２とを別体で製作し、カウンタウェイト部３２をシャフト本体部３１へ接続している。この場合、ジャーナル本体部３１およびカウンタウェイト部３２の材質として同材あるいは異材を用い、それら部位３１，３２の端面を、機械加工で仕上げた後にボルト３３により締結し、ジャーナル本体部３１およびカウンタウェイト部３２を互いの端面同士で一体化している（たとえば特許文献１）。なお、符号３１Ａはジャーナル軸部、符号３１Ｂはウェブ部、符号３１Ｃはクランクピン部を示している。

ところが、この技術では、それら部位３１，３２の端面を数本のボルト３３のみで締結しているため、クランクシャフト３０の回転時（図の矢印方向）にカウンタウェイト部３２で発生する慣性力（図の矢印方向）の全てがボルト３３に負荷される。このため、ボルト３３には、材質・強度・品質について厳しい管理が要求される上に、カウンタウェイト部３２のジャーナル本体部３１への組付時、ボルト締付による締付座面の破壊（圧縮側耐力不足）が発生する虞がある。また、クランクシャフト３０の回転時の振動により、互いの接続面でフレッティングが発生してボルト３３の緩みや破壊が生じる虞がある。さらに、それら部位３１，３２の熱膨張差によるボルト３３の緩みや破壊が生じる虞がある。

そこで、ボルト締結の代わりに溶接を用いることが考えられる。パイプ状としたクランクピン部あるいはジャーナル軸部の端面を接合部とし、その接合部同士に摩擦圧接やビーム溶接等の溶接を行う（たとえば特許文献２，３）。この技術では、ボルト締結の場合と異なり、カウンタウェイト部およびジャーナル本体部を接続部位として用いていない。なお、溶接にはマグネットアーク溶接があり、その溶接方法の特殊性から鋼管への適用例（たとえば特許文献４）があるが、複雑形状の組立クランクシャフトへの適用例はない。

実開平５−９０００２号公報 特開２００８−４９３６２号公報 特開昭６０−１４１６号公報 特開昭５８−７７７８６号公報

以上のような溶接手法では、溶接箇所として用いられるクランクピン部およびジャーナル軸部は、内燃機関での重要な部品であるクランクシャフトにおいて、その高速回転時に生じる遠心力やピストンの爆発荷重を受けとめる部位であるから、耐高負荷性が要求されている。

しかしながら、溶接手法では、クランクピン部およびジャーナル軸部に溶接を行なうため、組織変化による強度低下が生じる虞があった。また、クランクピン部およびジャーナル軸部において仮に必要な強度を確保することができた場合でも、高負荷部位であるため、大量生産では、それら部位について厳しい品質管理を行う必要があり、その結果、製造工程数が増える等の問題が生じる。

そこで、溶接手法でも、ボルト締結と同様にカウンタウェイト部とジャーナル本体部とを接続部位として用いることが考えられる。カウンタウェイト部は、クランクシャフトの回転時、ダイナミックバランス（クランクピン部側とカウンタウェイト部側とのバランス）を確保すればよい。これにより、カウンタウェイト部にはシャフト本体部に使用する高価な鋼材ではなく安価な材質（たとえば鋳造材）が好適である。

この場合、接合面を異形に設定するから、ワークを回転させずに異材同士が接合可能となる溶接手法が好適であり、そのような手法として、ワークを回転させずに局部加熱が可能なマグネットアーク溶接がある。

しかしながら、マグネットアーク溶接は、上記のように組立クランクシャフトへの適用例はなく、実際、組立クランクシャフトは複雑形状を有するから、従来のマグネットアーク溶接をそのまま適用することができない。

したがって、本発明は、強度低下を防止することができ、かつ接合部の厳しい品質管理を不要とするのはもちろんのこと、マグネットアーク溶接に適用可能な組立クランクシャフトおよびその製造方法を提供することを目的とする。

本発明の組立クランクシャフトは、シャフト本体部とカウンタウェイト部とを備え、シャフト本体部に突起部が形成され、シャフト本体部の突起部がカウンタウェイト部と接合され、その接合部内部には、突起部側およびカウンタウェイト部側に中空部が形成され、接合部の接合面は扁平円形状をなし、接合部の突起部側の接合面は、その扁平円形状の長手方向の両端部を結ぶ直線に対して凸状をなし、接合部のカウンタウェイト部側の接合面は、その扁平円形状の長手方向の両端部を結ぶ直線に対して凹状をなしていることを特徴としている。

本発明の組立クランクシャフトは、 次のような製造方法により得られる。すなわち、本発明の組立クランクシャフトの製造方法は、シャフト本体部に凹部を有する突起部を形成し、カウンタウェイト部に凹部を形成し、シャフト本体部の突起部とカウンタウェイト部とをマグネットアーク溶接により接合し、凹部の形成では、接合部の接合面を扁平円形状に形成し、その扁平円形状の形成では、接合部の突起部側の接合面の形状を、その扁平円形状の長手方向の両端部を結ぶ直線に対して凸状をなすように設定し、接合部のカウンタウェイト部側の接合面の形状を、その扁平円形状の長手方向の両端部を結ぶ直線に対して凹状をなすように設定し、接合では、扁平円形状のコイルを用いるとともに、シャフト本体部の突起部およびカウンタウェイト部の凹部により接合部の内部に中空部を形成することを特徴としている。

本発明の組立クランクシャフトの製造方法では、シャフト本体部とカウンタウェイト部との接合部内部に中空部を形成しているので、中実材の場合とは異なり、磁場制御が可能となる。また、マグネットアーク溶接用のコイルとして、従来の円形状のコイルの代わりに、接合部の形状に対応する形状をなす扁平円形状のコイルを用いている。したがって、組立シャフトの製造にマグネットアーク溶接を適用することができる。

ここで、凹部をシャフト本体部の突起部に形成し、凹部をカウンタウェイト部に形成している。凹部から構成される中空部の形成領域は組立クランクシャフトの回転中心の近傍領域であるから、その領域は錘としての作用をほとんど有しない。このような領域に中空部を形成しているので、カウンタウェイト部の作用効率を向上させることができる。

また、シャフト本体部の突起部の開口縁部を扁平円形状をなす接合面とし、カウンタウェイト部の中空部の開口縁部を扁平円形状をなす接合面としているので、溶接時におけるカウンタウェイト部のシャフト本体部に対する位置合わせを容易に行うことができる。したがって、作業性および位置精度の向上を図ることができる。また、接合面は上記形状を有し、接合部の接合面積が大きくなるので、接合強度を向上させることができる。

さらに、シャフト本体部とカウンタウェイト部とを別体で製作しているので、一体成形を行う鍛造とは異なり、材料の金型内への充填の容易化のための高価な巨大鍛造プレス設備が不要となり、製造コストを低減することができる。また、材料の金型内への充填の容易化のために脱炭近くまでの素材の加熱が不要となるから、製品の品質低下を防止することができる。また、成形時の欠肉防止のためにカウンタウェイト部の形状が制限される鍛造とは異なり、カウンタウェイト部の形状設計が自由であるから、その形状設計によりカウンタウェイト部の性能を最大限に得ることができる。

加えて、形状設計の自由度を生かして扇形状のカウンタウェイト部を別体で製作すると、重心位置を大きく設定することができ、これによりダイナミックバランス（＝重量×重心位置）を一定に保持しつつ、重量を減少させることが可能となる。このように組立クランクシャフトのダイナミックバランスの保持と軽量化の両立が可能となる。

また、溶接箇所としてクランクピン部およびジャーナル軸部の端面を用いていないから、溶接部位の厳しい品質管理を不要となる。したがって、製造工程数の増大を防止することができる。マグネットアーク溶接では、局所的でかつエネルギー密度が高い溶接を行うことができる。これにより、接合影響領域（熱による金属組織の変化領域）を減少させることができるから、高品質化および高強度化を図ることができる。

本発明の組立クランクシャフトあるいはその製造方法によれば、強度低下を防止することができ、かつ接合部の厳しい品質管理を不要とするのはもちろんのこと、マグネットアーク溶接に適用可能となる。

本発明の一実施形態に係る組立クランクシャフトの構成を表し、（Ａ）は全体構成を表す側面図、（Ｂ）はアーム部の構成を表す分解斜視図である。 図１に示す組立クランクシャフトの製造においてマグネットアーク溶接を行っている状態を表し、（Ａ）〜（Ｅ）はマグネットアーク溶の各状態を表す概念図である。 図２（Ｃ）に示す状態の部分拡大構成を表し、接合面上でアークが回転している状態を表す斜視図である。 （Ａ），（Ｂ）は本発明の一実施形態に係る組立クランクシャフトの製造方法に用いるシャフト本体部の部分構成とカウンタウェイト部の構成を表す斜視図である。 コンロッドを介して、クランクピン部にピストンが接続された組立クランクシャフトと一体鍛造クランクシャフトとを比較するための図であり、（Ａ）は正面図、（Ｂ）は側面図である。 鋼材と鋳造材との接合部界面の光学顕微鏡による観察写真であり、（Ａ）は接合部の写真、（Ｂ）は（Ａ）の熱影響層Ｘの拡大写真である。 シャフト本体部とカウンタウェイト部を一体的に成形を行う従来の鍛造を表す断面図である。 別体で製作したシャフト本体部とカウンタウェイト部をボルト締結した従来の組立クランクシャフトを表す正面図である。

（１）組立クランクシャフトの構成
以下、本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る組立クランクシャフト１００の構成を表し、（Ａ）は組立クランクシャフト１００の全体構成を表す側面図、（Ｂ）はアーム部の構成を表す分解斜視図である。

組立クランクシャフト１００はジャーナル部１０１を備え、ジャーナル軸部１０１には、それと平行なクランクピン部１０３がアーム部１０２により連結されている。アーム部１０２は、カウンタウェイト部１０２Ａとウェブ部１０２Ｂとを有し、それら部位１０２Ａ，１０２Ｂは、溶接により接合部１０４で接合されている。

ジャーナル軸部１０１、ウェブ部１０２Ｂ、および、クランクピン部１０３は、シャフト本体部１１０を構成している。シャフト本体部１１０とカウンタウェイト部１０２Ａの材質として異材を用いることができ、たとえばシャフト本体部１１０として炭素鋼等の鋼材、カウンタウェイト部１０２Ａとして鋳鉄等の鋳造材を用いることができる。

シャフト本体部１１０のウェブ部１０２Ｂの外周部には、突起部１２１が形成されている。突起部１２１には中空状の凹部１２１Ａが形成され、凹部１２１Ａの開口縁部は扁平円形状をなす接合面１３１である。カウンタウェイト部１０２Ａには、中空状の凹部１２２Ａが形成され、凹部１２２Ａの開口縁部は扁平円形状をなす接合面１３２である。接合面１３１，１３２は接合部１０４を構成している。接合部１０４内部には、凹部１２１Ａ，１２２Ａにより中空部が構成されている。

（２）組立クランクシャフトの製造方法
組立クランクシャフト１００の製造方法について、おもに図２〜４を参照して説明する。図２は、組立クランクシャフト１００の製造においてマグネットアーク溶接を行っている状態を表し、（Ａ）〜（Ｅ）はマグネットアーク溶の各状態を表す概念図である。図３は、図２（Ｃ）示す状態の部分拡大構成を表し、接合面１３１，１３２上でアークＣが回転している状態を表す斜視図である。図２，３では、シャフト本体部１１０の突起部１２１およびカウンタウェイト部１０２Ａの図示を簡略化している。図３では、コイル２００の図示を省略している。図４（Ａ），（Ｂ）は、組立クランクシャフト１００の製造方法に用いるシャフト本体部１１０の部分構成を表す斜視図、カウンタウェイト部１０２Ａの構成を表す斜視図である。

まず、シャフト本体部１１０を鍛造により製作し、カウンタウェイト部１０２Ａを鋳造により製作する。このようにシャフト本体部１１０およびカウンタウェイト部１０２Ａを別体で製作する。次いで、シャフト本体部１１０のウェブ部１０２Ｂの外周部を加工し、図４（Ａ）に示すように突起部１２１を形成する。この場合、突起部１２１に中空状の凹部１２１Ａを形成し、凹部１２１Ａの開口縁部を扁平円形状をなす接合面１３１とする。カウンタウェイト部１０２Ａの外周部を加工し、図４（Ｂ）に示すように中空状の凹部１２２Ａを形成する。この場合、凹部１２２Ａの開口縁部を扁平円形状をなす接合面１３２とする。

次いで、シャフト本体部１１０とカウンタウェイト部１０２Ａをマグネットアーク溶接装置（図示略）に配置する。図２（Ａ）に示すように、コイル２００内部にシャフト本体部１１０の突起部１２１とカウンタウェイト部１０２Ａを配置する。この場合、突起部１２１の接合面１３１とカウンタウェイト部１０２Ａの接合面１３２は、接合部１０４を構成する。

続いて、マグネットアーク溶接により接合部１０４を溶接する。マグネットアーク溶接では、コイル２００に電流を流すことによりコイル２００内に磁場を発生させ、その磁場によりアークを回転させており、ワーク（突起部１２１およびカウンタウェイト部１０２Ａ）を回転させていない。マグネットアーク溶接用のコイルとして、従来の円形状のコイルの代わりに、接合部１０４の形状に対応する形状をなす扁平円形状のコイル２００を用いる。

具体的には、まず図２（Ｂ）に示すように、突起部１２１の接合面１３１とカウンタウェイト部１０２Ａの接合面１３２との間にギャップを形成し、アークＣを発生させる。

このとき、図２（Ｃ），図３に示すように、コイル２００に流れる電流（ｅ；electric current）によりコイル２００内に磁界（ｍ:magnetic field）が発生し、フレミング左手の法則に従い、円周方向に力(Ｆ:Force)が発生する。これにより、その円周方向に沿って回転するアークＣが発生する。すると、図２（Ｄ）に示すようにアークＣにより接合面１３１，１３２が加熱され、発熱部Ｄが形成される。最後に図２（Ｅ）に示すように、接合面１３１，１３２にアップセット荷重Ｐを加えて圧接する。以上のようにして接合部１０４が溶接される。

このようなマグネットアーク溶接では磁場を制御する必要がある。ここで本実施形態では、接合部１０４に中空部１２１Ａ，１２２Ａを形成して接合部１０４を中空形状としているから、中実材とは異なり、磁場制御が可能となっている。磁場は、アークＣが接合面１３１，１３２上を回転するように制御する。この場合、アーク電流の制御を適宜行う。

たとえば出力や磁場制御が不十分である場合、接合面１３１，１３２の内側のみしか溶融していなかったり、接合面１３１，１３２のエッジ゛部で磁場・アークＣが集中して、接合部の縁部の溶融が不均一となったり（アーク不良）、アークＣから放出されたガスがワークに付着する等の不具合が発生する虞がある。したがって、そのような不具合の発生を防止して良好な接合部１０４を得るために磁場制御やアーク電流の制御を行うことは重要である。

また、シャフト本体部１１０の材質として鋼材を用い、カウンタウェイト部１０２Ａの材質として鋳鉄（たとえば球状黒鉛鋳鉄）を用いる場合、球状黒鉛鋳鉄の基地に存在する球状黒鉛が回転による接合条件（摩擦等）により変形して黒鉛変形層が生成すると、接合部１０４の機械的性質低下の原因となる虞がある。

しかしながら、マグネットアーク溶接の場合、ワーク（突起部１２１およびカウンタウェイト部１０２Ａ）自体を回転させないから、黒鉛変質層が生成されず、機械的性質低下の虞がほとんどない。これにより、鋼材からなる突起部１２１と鋳鉄からなるカウンタウェイト部１０２Ａとの接合が可能となる。

以上のように本実施形態では、シャフト本体部１１０とカウンタウェイト部１０２との接合部１０４内部に凹部１２１Ａ，１２２Ａにより中空部を形成しているので、磁場制御が可能となる。また、マグネットアーク溶接用のコイルとして、接合部１０４の形状に対応する形状をなす扁平円形状のコイル２００を用いている。したがって、組立シャフト１００の製造にマグネットアーク溶接を適用することができる。

ここで、凹部１２１Ａをシャフト本体部１１０の突起部１２１に形成し、凹部１２２Ａをカウンタウェイト部１０２Ａに形成している。凹部１２１Ａ，１２２Ａから構成される中空部の形成領域は組立クランクシャフト１００の回転中心の近傍領域であるから、その領域は錘としての作用をほとんど有しない。このような領域に中空部を形成しているので、カウンタウェイト部１０２Ａの作用効率を向上させることができる。

また、シャフト本体部１１０の突起部１２１の開口縁部を扁平円形状をなす接合面１３１とし、カウンタウェイト部１０２Ａの中空部１２２Ａの開口縁部を扁平円形状をなす接合面１３２としているので、溶接時におけるカウンタウェイト部１０２Ａのシャフト本体部１１０に対する位置合わせを容易に行うことができる。したがって、作業性および位置精度の向上を図ることができる。また、接合面１３１，１３２は上記形状を有し、接合部１０４の接合面積が大きくなるので、接合強度を向上させることができる。

さらに、シャフト本体部１１０とカウンタウェイト部１０２Ａとを別体で製作しているので、一体成形を行う鍛造とは異なり、材料の金型内への充填の容易化のための高価な巨大鍛造プレス設備が不要となり、製造コストを低減することができる。また、材料の金型内への充填の容易化のために脱炭近くまでの素材の加熱が不要となるから、製品の品質低下を防止することができる。また、成形時の欠肉防止のためにカウンタウェイト部の形状が制限される鍛造とは異なり、カウンタウェイト部の形状設計が自由であるから、その形状設計によりカウンタウェイト部の性能を最大限に得ることができる。

図５は、コンロッド２０１を介して、クランクピン部１０３にピストン１０１が接続された組立クランクシャフトと一体鍛造クランクシャフトとを比較するための図であり、（Ａ）は正面図、（Ｂ）は側面図である。符号２Ａは、一体鍛造成形されたカウンタウェイト部を示し、別体製作されたカウンタウェイト部１０２Ａは斜線部で示している。たとえば鋳造により扇形状のカウンタウェイト部１０２Ａを別体で製作すると、重心位置を大きく設定することができ、これによりダイナミックバランス（＝重量×重心位置）を一定に保持しつつ、重量を減少させることが可能となる（たとえば１スローあたり１００ｇ程度の軽量化が可能となる）。このように組立クランクシャフト１００のダイナミックバランスの保持と軽量化の両立が可能となる。

また、溶接箇所としてクランクピン部およびジャーナル軸部の端面を用いていないから、溶接部位の厳しい品質管理を不要となる。したがって、製造工程数の増大を防止することができる。マグネットアーク溶接では、局所的でかつエネルギー密度が高い溶接を行うことができる。これにより、接合影響領域（熱による金属組織の変化領域）を減少させることができるから、高品質化および高強度化を図ることができる。

図６は、鋼材（シャフト本体部）と鋳造材（カウンタウェイト部）との接合部界面の光学顕微鏡による観察写真であり、（Ａ）は接合部の写真、（Ｂ）は（Ａ）の熱影響層Ｘの拡大写真である。図６から判るように、局所加熱による熱影響層は０．５〜０．７ｍｍ程度と非常に小さく、溶接後のその界面には亀裂・割れ等の欠陥が発生していないことを確認した。

１００…組立クランクシャフト、１０１…ジャーナル軸部（シャフト本体部）、１０２Ａ…カウンタウェイト部、１０２Ｂ…ウェブ部（シャフト本体部）、１０４…接合部、１１０…シャフト本体部、１２１…突起部、１２１Ａ，１２２Ａ…凹部、１３１，１３２…接合面

Claims (2)

1. シャフト本体部とカウンタウェイト部とを備え、
   前記シャフト本体部に突起部が形成され、
   前記シャフト本体部の突起部が前記カウンタウェイト部と接合され、
   その接合部内部には、前記突起部側および前記カウンタウェイト部側に中空部が形成され、前記接合部の接合面は扁平円形状をなし、
   前記接合部の前記突起部側の接合面は、その扁平円形状の長手方向の両端部を結ぶ直線に対して凸状をなし、前記接合部の前記カウンタウェイト部側の接合面は、その扁平円形状の長手方向の両端部を結ぶ直線に対して凹状をなしていることを特徴とする組立クランクシャフト。
2. シャフト本体部に凹部を有する突起部を形成し、カウンタウェイト部に凹部を形成し、
   前記シャフト本体部の突起部と前記カウンタウェイト部とをマグネットアーク溶接により接合し、
   前記凹部の形成では、接合部の接合面を扁平円形状に形成し、その扁平円形状の形成では、前記接合部の前記突起部側の接合面の形状を、その扁平円形状の長手方向の両端部を結ぶ直線に対して凸状をなすように設定し、前記接合部の前記カウンタウェイト部側の接合面の形状を、その扁平円形状の長手方向の両端部を結ぶ直線に対して凹状をなすように設定し、
   前記接合では、扁平円形状のコイルを用いるとともに、前記シャフト本体部の突起部および前記カウンタウェイト部の前記凹部により前記接合部の内部に中空部を形成することを特徴とする組立クランクシャフトの製造方法。

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