JP5342467B2 - 自動車エンジン用の組立式クランクシャフトおよび組立方法 - Google Patents

Description

本発明は、自動車エンジン用の組立式クランクシャフトに係り、特に軽量で潤滑のための油路の加工が簡単であるとともに組立が簡便かつ確実なクランクシャフトに関するものである。

自動車エンジン用のクランクシャフトは、シリンダブロックの軸受に支持されるジャーナルと、ピストンのコネクティングロッドに接続されるピンと、ジャーナルとピンとを連結するアームとから構成され、アームにはバランスウエイトが一体に設けられている。
クランクシャフトは、通常、ジャーナル、ピン、及びアームが一体化された鍛造型によって作られているが、製作費が嵩み重量も増加し高価なものとなっている。

そこで、出願人は、先に、ジャーナル、ピン、及びアームをそれぞれ別個に製作して、ジャーナルとピンをアームに焼きばめで合体するようにした軽量で安価に製造できるクランクシャフトを開発している（特許文献１）。
このクランクシャフトは、ジャーナル及びピンの軸端にテーパー状の連結軸をそれぞれ延設し、アームには、連結軸が嵌合する円錐面に形成された嵌込用軸孔を設けている。

ところで、ジャーナルおよびピンには軸受（すべり軸受）が設けられており、これに潤滑油を供給するため、潤滑油をオイルポンプでジャーナルに圧送してジャーナル部の軸受の潤滑を行うとともに一部をピンの外周部へ送り込んでいる。
この油路は、一般的には、ジャーナルからピンへドリルで斜めに穿設されている（例えば、特許文献２参照）。

実用新案登録第３１２９２７３号公報 特開２００６−２００６８１号公報

特許文献１のクランクシャフトは、ジャーナル及びピンを中空軸状とするとともにアームを型鍛造で精度よく作ることにより、高品質で量産化できるのみならず、大幅に軽量化されたものとなった。しかしながら、軸受への潤滑のための油路の形成については、ジャーナル及びピンが中空軸状であるので、組立後、ピンの外周へ斜めに穿設してチューブを挿嵌する構成を採るなど、加工が複雑になるという難点があり、また、この油路は焼きばめ部を穿孔するので、焼きばめによる固着を損なう場合がないか懸念される。
さらに、ジャーナルおよびピンは焼きばめによって、アームに合体するが、テーパー状であるので軸方向および回転方向が正確な位置となるようにするには、熟練を要するといった問題がある。

そこで、本発明は、ジャーナルおよびピンに組み付けられる軸受への潤滑油の供給のための加工が極めて簡素で、また、焼きばめによる組立合体が簡便で信頼性の高いものとした自動車エンジン用組立式クランクシャフトおよびその組立方法を提供することを目的としている。

本発明の自動車エンジン用の組立式クランクシャフトは、上記の目的を達成するため、次の手段を採った。すなわち、軸端にテーパ状の連結軸が延設されたジャーナルおよびピンと、該連結軸と嵌合する嵌込用軸孔が形成されるとともにバランスウエイトが一体に形成されたアームとをそれぞれ単体で製作して、該連結軸を該嵌込用軸孔へ焼きばめで合体することにより組立てられる自動車エンジン用の組立式クランクシャフトにおいて、該ジャーナルの連結軸は角錐とし、該ジャーナルおよびピンは、両端が開放された中空軸状であって、中空部から外周へ連通する縦孔が穿設されるとともに外周に該縦孔と連通した油溜まりが形成され、ジャーナルからピンへの油通路を形成せずに、オイルポンプで各ジャーナルおよびピンの中空部へ噴射された潤滑油が軸受面へ供給されるようにしたことを特徴としている。

本発明は、ジャーナル、ピン、およびアームを個別に製作し、これらを焼きばめで固着して作られる自動車エンジン用の組立式クランクシャフトの改良に係り、特にジャーナルおよびピンに取付けられるすべり軸受の潤滑油の供給路を簡素なものとするとともに、組立（焼きばめ）を信頼性が高く簡便に行えるようにしたものである。

すべり軸受への潤滑油の供給のための油路の加工は、ジャーナルおよびピンの中心部を穿設して両端も開放された中空状とし、中空部から外周へ連通する縦孔を穿設するとともに、外周に縦孔と連通した油溜まりを切削するだけである。なお、この加工は当然ながら焼きばめを行う前に行う。

ジャーナルおよびピンは、丸棒から切削加工するとよい。中心部は貫通してパイプ状とし両端は開放されたままとする。なお、適当な寸法のものが入手可能なら鋼管を使用すればよい。
連結軸は、外側へ漸次小さくなるテーパの円錐または角錐に形成するが、ジャーナルの連結軸は角錐としている。もちろん、ピンの連結軸も角錐にしてもよい。なお、角錐はここでは、幾何学的に正確なものをいうのではなく、例えば、円錐面の一部を平坦に削ったものでも含まれる。

ジャーナルの連結軸を角錐にしたのは、組立を簡便確実にするためである。
すなわち、ピンは、クランクシャフトの中心軸に対して垂直な平面内に所定角度回転させて配置されるが、エンジンの形式や気筒数によってその角度は、種々である。ジャーナルの連結軸を角錐にしてアームの嵌込用軸孔を所定の角度回動させて形成することにより連結軸が嵌合することで簡便確実に位置合わせができる。

連結軸のテーパ角度は０．５〜１０度である。０．５度以下では、嵌込用軸孔と隙間が生じる懸念があり、また、１０度以上では、高速回転に伴う振動などによってズレの発生が懸念される。

潤滑のための縦孔は、複数個設けてもよい。また、ジャーナルおよびピンの外周面に形成する油溜まりは、軸受面の全体に潤滑油を行き渡らせるためのもので、例えば、縦孔部周辺に窪みを設けるなど適宜なものとすることができる。
望ましくは、請求項２に記載のように、ジャーナルおよびピンの縦孔を軸方向の中央部に穿設して、ジャーナルおよびピンの外周に該縦孔に連通させた螺旋状の溝を形成するとよい。
なお、本クランクシャフトのジャーナルおよびピンの軸受への潤滑油の供給は、オイルパンからフィルタを通した潤滑油をオイルポンプで各ジャーナルおよびピンの中空部へ噴射することによっている。ピンはジャーナルを中心として回動するので、軌道の適宜な位置に配置して、タイミングを合わせて潤滑油を噴射させる。

アームは、バランスウエイトを一体に形成しており、材質は鉄またはアルミ合金とし、熱間鍛造後、直ちに圧印加工を施したうえ、トリミング加工を行って製作するとよい。これによれば、寸法精度の高いものができるので、工作機械による切削加工を極力少なくできる。なお、ジャーナルおよびピンが焼きばめされる円錐または角錐の嵌込用軸孔は精度良く加工する。

請求項３に記載の発明は、ジャーナルおよびピンのアームへの組立をより簡便にできるようにしたもので、次のように構成した。すなわち、組立（焼きばめ）は、アームが鉄の場合は２００〜６００度Ｃ、アルミ合金の場合は１００〜４００度Ｃに加熱して、テーパの角度を同じくした板状のゲージを該加熱された嵌込用軸孔へ嵌め込んで径が所定の大きさであることを確認した後、常温のジャーナルおよびピンの連結軸を該嵌込用軸孔へ挿嵌して該アームを冷却して合体することを特徴としている。

アームが鉄の場合、２００度Ｃ以下ではジャーナルおよびピンの外形寸法より大きくできない。また、６００度Ｃ以上では、組織が変化してしまう。一方、アルミ合金の場合は１００度Ｃ以下では、必要な大きさにできない。また、４００度Ｃ以上では、組織が変化するので、望ましくない。

本発明による自動車エンジン用の組立式クランクシャフトは、ジャーナルの連結軸は角錐とし、該ジャーナルおよびピンは、両端が開放された中空軸状であって、中空部から外周へ連通する縦孔が穿設されるとともに外周に該縦孔と連通した油溜まりが形成され、ジャーナルからピンへの油通路を形成せずに、オイルポンプで各ジャーナルおよびピンの中空部へ噴射された潤滑油が軸受面へ供給されるようにしたので、組立前の単品の段階で潤滑油の油路が極めて簡単に形成でき、従来のように、組立てられたクランクシャフトに斜めの油路を穿設するという面倒な加工がなくなる。しかも、焼きばめ部には機械加工を施さないので、焼きばめの信頼性が損なわれることはない。さらに、ジャーナルおよびピンの中空部は両端が開放されているので、軽量化に寄与するのみならず潤滑油が滞留して劣化したり異物を収集するといったことも防止される。
加えて、連結軸はテーパを有し、ジャーナルの連結軸を角錐としているので、アームを所定の角度に精度よく簡便に組み付けることができる。しかも、組立てたものは回転方向に対して滑りが皆無である。

また、請求項２に記載の発明は、ジャーナルおよびピンの外周の油溜まりを、縦孔を軸方向の中央部に穿設するとともにジャーナルおよびピンの外周に該縦孔に連通する螺旋状の溝を形成したので、簡単な加工で軸受面全体へ潤滑油を確実に供給することができる。

請求項３に記載の発明は、アームが鉄の場合は２００〜６００度Ｃ、アルミ合金の場合は１００〜４００度Ｃに加熱して、テーパの角度を同じくした板状のゲージを該加熱された嵌込用軸孔へ嵌め込んで径が所定の大きさであることを確認した後、常温のジャーナルおよびピンの連結軸を該嵌込用軸孔へ挿嵌して該アームを冷却して合体してクランクシャフトを組立てるようにしたので、簡便に組立作業ができ、熟練者でなくても失敗することがなくなる。

本発明の自動車エンジン用のクランクシャフトの実施の形態を示すもので、４気筒エンジン用の模型斜視図である。 同、図１の部分（アーム１０Ｃ，１０Ｄ）の詳細を示す拡大図である。 同、ジャーナル２Ｋ、２Ｌ、２Ｍを示す平面図、正面図、側面図である。 同、ピン３Ｊ、３Ｋ、３Ｌ、３Ｍを示す正面図および側面図である。 同、アーム１０Ｄの側面図である。 同、図２のＡ−Ａ視図である。 同、アームの嵌込用軸孔の加熱時の寸法が適正なものであるか確認するための板状ゲージを示す正面図である。

以下に、本発明のクランクシャフトの実施の形態を図１〜図７に基づいて説明する。 図１は、本発明による４気筒エンジン用のクランクシャフトの模式的な構成を示した斜視図であり、図２はその一部であるアーム１０Ｃ，１０Ｄ付近の拡大図である。
図３〜図６は、構成部材の詳細を示すもので、図３および図４はジャーナルおよびピンの正面図および側面図、図５および図６は、アームの側面図および正面図である。

このクランクシャフト１は、図１に示すように、シリンダブロック（図示してない）に軸受を介して回転自在に支持される５個のジャーナル２Ｊ〜２Ｎと、軸受を介してコンロッド５を連結する４個のピン３Ｊ〜３Ｍとが、８個のアーム１０Ａ〜１０Ｈに一体的に連結されている。
この連結は、図２に示すように、ジャーナル２Ｋ，２Ｌと、ピン３Ｋを、バランスウエイト１１を一体にしたアーム１０Ｃ，１０Ｄを介して夫々の軸線を段違い状に配置して組み立てられている。なお、組み立てに際しては、リング状の軸受をジャーナル２Ｊ〜２Ｎおよびピン３Ｊ〜３Ｍに予め外嵌している。

次に、各構成部品について説明する。
ジャーナル２Ｋ，２Ｌ，２Ｍは、図３に示すように、中空部２ｅを有する中空軸状であり、その両端は開放されている。そして、ジャーナル部２ａの両端には外側へ漸次傾斜する角錐状の連結軸２ｂがそれぞれ一体に形成されている。また、ジャーナル部２ａの軸方向の中央部には中空部２ｅと連通し軸面まで貫通する縦孔２ｃが穿設されており、ジャーナル部２ａの外周には油溜まりとして、縦孔２ｃに連通する螺旋状の溝２ｄが形成されている。この溝２ｄは、図３において上側の溝２ｄと下側の溝２ｄは反対向きの螺旋状に形成され、すべり軸受の全面に潤滑油が行き渡るように機能する。

ピン３Ｌは、図４に示すように、中空軸状で両端が開放されており、ピン部３ａの両端に外側へ漸次傾斜する円錐面の連結軸３ｂを有している。また、ピン部３ａの軸方向の中央部には中空部３ｅと連通し軸面まで貫通する縦孔３ｃが穿設されており、ピン部３ａの外周には油溜まりとして、縦孔３ｃに連通する螺旋状の溝３ｄが形成されている。
この溝３ｄは、前記図３のジャーナル２ａに形成した溝２ｄと同様のものである。
なお、ここでは、ジャーナル２Ｋ〜２Ｍおよびピン３Ｊ〜３Ｍに形成される縦孔２ｃ、３ｃは、径が３〜５ｍｍで、溝２ｄ、３ｄは、幅３ｍｍ、深さ１．５ｍｍとしている。
そして、ジャーナル２Ｊ〜２Ｎおよびピン３Ｊ〜３Ｍの軸受への潤滑油の供給は、オイルパンからフィルタを通した潤滑油をオイルポンプで各ジャーナルおよびピンの中空部へ噴射することによっている。ピンはジャーナルを中心として回動するので、軌道の適宜な位置に配置して、タイミングを合わせて潤滑油を噴射させている。

アーム１０Ｄは、図５、６に示すように、バランスウエイト１１が、一体に形成され、ジャーナル２Ｌの連結軸２ｂが嵌合する角錐状の嵌込用軸孔１５と、ピン３Ｋの連結軸３ｂが嵌合する円錐状の嵌込用軸孔１６が設けられている。
全体の大きさは、ここでは、ジャーナル２Ｌの軸心を中心としたＲ（約１５０ｍｍ）の円に収まる大きさであり、厚さは約１６ｍｍとしている。
そして、ジャーナル２Ｌが固着される角錐状の嵌込用軸孔１５の中心（ジャーナル２Ｌの軸心）に対してピン３Ｋの連結軸３ｂを真下に位置させたとき、上部にバランスウエイト１１が位置し、ほぼ、日本髪を結った女性の顔のごとき形状にしている。

バランスウエイト１１は、略１５０度の扇状に形成され、扇状の基端はジャーナル２Ｌの水平方向の中心線上にある。そして、扇状の外縁部は、断面が略１６ｍｍ角に形成され、その内側（ジャーナル２Ｌ寄り）は、表裏とも凹んだ５ｍｍの薄肉に形成され、凹部１２を形成している。

アーム１０Ｄの下部は、ピン３Ｋの中心から半径約３０ｍｍの円弧と前記扇状のバランスウエイト１１の基端へ曲線で結んだ形状としており、下端部はバランスウエイト１１の外縁部の円弧の約１５０ｍｍの円に内接している。
そして、ジャーナル２Ｌとピン３Ｋが固設される面は３．５ｍｍほど厚みを持ったボス部１３、１４が形成されている。

アーム１０Ｄは、熱間鍛造後、直ちに密閉型に納めてプレスする圧印加工を施したうえ、トリミング加工を行って作っている。これによれば、型の形成面の凹凸形状を、能率的に正確に転写できるので、寸法精度の高いものができる。その後、嵌込用軸孔１５，１６を機械加工する。

クランクシャフトの組付は、ジャーナル２Ｌおよびピン３Ｋは、リング状の軸受（図示略）を、その軸端から外挿させてから、それぞれ、アーム１０Ｄの嵌込用軸孔１５，１６へ焼きばめで合体する。
焼きばめは、アーム１０Ｄの表（ここではジャーナルが取付けられる側とする）と裏（コンロッドが取付けられる側とする）にジャーナル２Ｌおよびピン３Ｋの連結軸２ｂ、３ｂを短時間に精度良く取付けることが必要である。

まず、アーム１０Ｄを高周波で２００〜６００度Ｃに加熱して嵌込用軸孔１５，１６を所定の大きさに拡開させる。
次に、嵌込用軸孔１５，１６が所定の大きさ（連結軸２ｂ、３ｂが所定の位置まで挿嵌できる寸法で予め設定する）であるかを確認する。
この作業は、図７に示すゲージ２０を用いて簡便に行われる。

このゲージ２０は、嵌込用軸孔１５用と嵌込用軸孔１６用の２種類があり、それぞれ、嵌込用軸孔１５，１６のテーパと角度が同じのテーパ部２３を前方に備えており、テーパの根元部には当接面２１が形成されている。テーパ部２３の根元部間の長さは、アームの嵌込用軸孔１５，１６が加熱されて拡開して所定の大きさになったときの基準値の大きさとしている。

作業は、ゲージ２０の把手２２を持って加熱されたアーム１０Ｄの嵌込用軸孔１５，１６へ前方側を挿嵌して、嵌込用軸孔１５，１６の上端部が当接面２１に当接するか否かをみる。当接すれば嵌込用軸孔１５，１６が基準値に達していることが確認される。
嵌込用軸孔１５，１６が基準値を超える大きさであることが確認されたら、ジャーナル２Ｌとピン３Ｋの連結軸２ｂ、３ｂを嵌込用軸孔１５，１６へ挿嵌する。そして、アーム１０Ｄを急冷する。
これにより、ジャーナル２Ｌとピン３Ｋを、ほぼ同時にアーム１０Ｄに合体組立することができる。

なお、上記の実施の形態の説明では、発明の内容がよく解るように、アームについて具体的な寸法を示して説明したが、本発明は、この寸法に限定されるものでないことはいうまでもない。

１ クランクシャフト
２ａ ジャーナル部
２ｂ 連結軸
２ｃ 縦孔
２ｄ 溝
２ｅ 中空部
２Ｊ，２Ｋ，２Ｌ，２Ｍ，２Ｎ ジャーナル
３ａ ピン部
３ｂ 連結軸
３ｄ 溝
３ｅ 中空部
３Ｊ，３Ｋ，３Ｌ，３Ｍ ピン
５ コンロッド
１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄ アーム
１０Ｅ，１０Ｆ，１０Ｇ，１０Ｈ アーム
１１ バランスウエイト
１２ 凹部
１３，１４ ボス部
１５ 角錐孔
１６ 円錐孔
２０ ゲージ
２１ 当接面
２２ 把手
２３ テーパ部

Claims (3)

1. 軸端にテーパ状の連結軸が延設されたジャーナルおよびピンと、該連結軸と嵌合する嵌込用軸孔が形成されるとともにバランスウエイトが一体に形成されたアームとをそれぞれ単体で製作して、該連結軸を該嵌込用軸孔へ焼きばめで合体することにより組立てられる自動車エンジン用の組立式クランクシャフトにおいて、該ジャーナルの連結軸は角錐とし、該ジャーナルおよびピンは、両端が開放された中空軸状であって、中空部から外周へ連通する縦孔が穿設されるとともに外周に該縦孔と連通した油溜まりが形成され、ジャーナルからピンへの油通路を形成せずに、オイルポンプで各ジャーナルおよびピンの中空部へ噴射された潤滑油が軸受面へ供給されるようにしたことを特徴とする自動車エンジン用組立式クランクシャフト。
2. 前記ジャーナルおよびピンの外周の油溜まりは、軸方向の中央部に穿設した前記縦孔に連通する螺旋状の溝を形成したことを特徴とする請求項１記載の自動車エンジン用の組立式クランクシャフト。
3. 前記組立は、アームが鉄の場合は２００〜６００度Ｃ、アルミ合金の場合は１００〜４００度Ｃに加熱して、テーパの角度を同じくした板状のゲージを該加熱された嵌込用軸孔へ嵌め込んで径が所定の大きさであることを確認した後、常温のジャーナルおよびピンの連結軸を該嵌込用軸孔へ挿嵌して該アームを冷却して合体することを特徴とする請求項１または請求項２記載の自動車エンジン用の組立式クランクシャフトの組立方法。

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