JP5430825B2 - クランクシャフトの耐久限度、特に曲げ強さ及びねじり強さを向上させる方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、打撃工具によってクランクシャフトに固有の圧縮応力を導入するパルス圧力機又は打撃装置を用いて、溝、孔口、及び断面遷移部等の高荷重領域を局所的にハンマリングすることによって、クランクシャフト、特に大型クランクシャフトの疲労寿命、特に曲げ疲労寿命及びねじり疲労寿命を向上させる方法に関する。本発明は、前述のようなクランクシャフトの疲労寿命を向上させる装置にも関する。

このタイプの方法及び装置は、ＤＥ３４ ３８ ７４２ Ｃ２に記載されている。

局所ハンマリング中の接線応力の不適切な導入を回避するために、この場合、衝撃を発する物体と工作物表面との間にパルス状の圧力が作用しているときに、衝撃方向に対して横方向に相対運動を行わせないことが提案されてきた。このために、打撃工具によって固有の圧縮応力を導入させながら段階的に送り込みを行うべきである。

本発明は、特に有用性に関して冒頭で述べた方法をさらに改善し、且つ疲労寿命、特に曲げ疲労寿命及びねじり疲労寿命を向上させるという目的に基づく。

本発明によれば、この目的は、打撃工具と加工すべきクランクシャフト部分との間に圧縮力が導入されるときに、パルス圧力機又は打撃装置がクランクシャフト部分の表面に対して垂直面上での相対運動のみを行うことによって果たされる。

本発明による方法の場合、従来技術の場合のような接線応力は完全には避けられないとしても概ね避けられる。このような接線応力の回避は、特に、加工中にクランクシャフトが連続回転するが、加工すべきクランクシャフト部分を打撃工具が打撃することによって固有の圧縮応力が導入されている間は、クランクシャフトの回転運動がクランクシャフトへの打撃工具の作用時間の間停止される場合に当てはまる。

これを達成するために、本発明の非常に有利な一改良点において、クランクシャフトの回転運動を確実に停止させるように打撃工具の作用時間及び打撃圧力を選択するようにすることが可能である。

従来技術とは対照的に、本方法はこのようにクランクシャフトの連続駆動によって実行することができるため、本発明による装置をそれに応じて単純に設計することが可能となる。

このために必要なのは、クランクシャフトのための回転駆動装置と伝動装置等それに関連する部品とが損傷のない「確実な停止（positive stops）」をもたらすように打撃周波数及び打撃圧力又は打撃力を選択することだけである。

実際には、駆動システム全体がこの「確実な停止」によってばねのように応力を受け、続いてこのばねへの荷重が再び除去されるとそれに応じてクランクシャフトの回転運動が再び用いられる。

実際には、有利な打撃周波数は０．１〜２０Ｈｚ、好ましくは１〜１０Ｈｚ、さらにより好ましくは３〜６Ｈｚであることが分かっている。動作に応じて、打撃圧力は１〜３０メガパスカル（１０〜３００バール）、好ましくは３〜１３メガパスカル（３０〜１３０バール）、さらにより好ましくは５〜１２メガパスカル（５０〜１２０バール）とするべきである。

上述の値は、本発明による方法を実際に最適に実行することを可能にする。

加工すべきクランクシャフト部分の領域の温度は、６５℃を超えないものとするべきであり、１２〜２５℃の値が好ましい。

本発明による方法は、クランクシャフトの疲労寿命特性を向上させる他の方法によってすでに事前加工されているクランクシャフトに用いることもできる。したがって、例えば、高周波焼入れによってすでに加工されたクランクシャフトを、その後に本発明による方法を用いた固有の圧縮応力の導入によって曲げ疲労寿命及び疲労寿命に関しても向上させることも可能である。

実際には、概して球形の打撃工具による固有の圧縮応力の導入によって、材料マウンド（material mounds）が原因で、荷重を伴わずに表面割れが形成される可能性さえあることが分かっている。概して、これらの割れはそれ以上広がらず、疲労寿命特性に関して深刻な問題でもないが、少なくとも視覚的印象を損ねる。したがって、本発明の一改良点では、打撃工具によって固有の圧縮応力が導入されてから、加工すべきクランクシャフト部分の表面を加工除去することによって表面付近の固有の圧縮応力を低下させ、表面上の変形割れを除去することが可能である。

固有の圧縮応力は、１５ｍｍ以上の深さまで導入され得るため、これは、クランクシャフトの曲げ疲労寿命又は疲労寿命に悪影響を及ぼすことなく、表面領域の材料を数ミリメートル、例えば０．３〜２ｍｍ、好ましくは０．５ｍｍ除去することができることを意味する。

表面は、種々の方法で、例えば研削、施削、又はフライス削りで除去することができる。

特に大型クランクシャフトの場合、溝半径にはいわゆるカテナリー形状が選択されることが多い。荷重応力を比較的小さく保つために非常に大きな遷移部半径が望ましいことが多いが、他方では、できるだけ広い加工面を得るために加工面への遷移部の半径が比較的小さいことが望ましい。

しかしながら、これまで、技術的に有意義な方法でカテナリー形状に固有の圧縮応力を導入することには、実際には問題があった。

この問題を解決するために、ここで、本発明の１つの発展形態は、カテナリーの形態の加工すべきクランクシャフト部分の一改良点において、初期輪郭の形態の連続遷移部半径は、打撃工具による固有の圧縮応力の導入によって圧縮され、そして遷移部半径は、表面から材料を除去する方法によって、カテナリー形状として必要な最終輪郭に加工されることを目的とする。

これは、大きな遷移部半径に対応する連続遷移部半径を有する初期輪郭が設けられることを意味する。この半径は、打撃工具による衝撃強化によって圧縮され、続いて遷移部半径は、対応する大きな遷移部半径及び加工面とのかなり小さな遷移部半径を有するカテナリーの形態の必要な最終輪郭に加工される。

この加工は、例えば研削、施削、又はフライス削りによって、割れを克服又は回避するための表面加工と同じ方法で行うことができる。

この代替法として、カテナリー形状の形態の加工すべきクランクシャフト部分の一改良点において、打撃工具のカテナリー形状がクランクシャフトの長手方向に延びる平面上に形成される一方で、例えば球形がその長手方向に対して垂直面上に形成されるようにすることが可能である。

このように打撃領域が一般的な球形ではなくカテナリー形状の打撃工具は、輪郭形状を１回のプロセスで圧縮すること、したがってさらなる加工を伴わずに作製することを可能にする。

打撃機につき２つの打撃工具を用いる代わりに、それぞれがそれらの長手方向軸と打撃方向に整列するパルス圧力機又は打撃装置と、関連するパルス圧力機又は打撃装置に配置される打撃工具によって一度に１つずつ導入される固有の圧縮応力とを提供することも可能である。

この改良点では、全打撃領域が加工すべきクランクシャフト部分と線接触したままとなる。

本発明による方法は、クランクシャフトの曲げ疲労寿命及び疲労寿命を向上させるためだけでなく、さらに、細長い構成部品、特にクランクシャフトを調整するためにも用いることができる。このプロセスの間、対応した湾曲状のクランクシャフトを真っ直ぐにするために、打撃工具を用いた本発明による方法によって固有の圧縮応力が局所限定的に導入される。このために、打撃工具は、適切な地点にのみ配置する必要がある。既知の調整法とは対照的に、本発明によるこの方法は、疲労寿命に悪影響を及ぼさない。これに対して、本発明による方法の副次的効果は、クランクシャフト又は細長い構成部品の疲労寿命に好ましい影響さえ及ぼすことである。

本発明による方法は、クランクシャフトの加工に関して説明しているが、基本的には、圧縮機軸、エキセン軸、又はクロスリンク軸等、他の細長い構成部品にも適している。基本的に本発明は特定の動荷重を受けるあらゆる構成部品に関する。

本発明の例示的な実施形態を、基本的に図面を参照して以下で説明する。

基本的に、図１に全体図を示す装置の構造は、複数のパルス圧力機１を有するＤＥ３４ ３８ ７４２ Ｃ２による装置の構造に対応するため、主要部品及び従来技術との相違点のみを以下でより詳細に説明する。

装置は、機械ベッド２と、工作物、特にクランクシャフト４を回転させるための伝動装置３’を備える歯車箱３とを有する。クランクシャフト４は、歯車箱３及び伝動装置３’から離れた端で回転できるように、支持体５に保持される。

駆動装置６が、伝動装置３’を介して、チャック７に保持されるクランクシャフト４を確実に連続回転運動できるようにしている。

以下で説明するパルス圧力機１（図には２つ示す）はそれぞれ、クランクシャフト４の位置及び長さに合わせることができるように運動／調整装置９に調整可能に保持される。

パルス圧力機１の構造を図２により詳細に示す。この機械は、加工すべきクランクシャフト部分の半径に対応する多面接触部１１を設けたベース体１０を有し、そしてベース体１０にガイド１２を有し、ベース体１０はガイド１２の支持面上に２つのアンビル１３を保持するとともに、クランクシャフト４の寸法関係と一致するのに必要とされるような支持角度に対しボルト１５を軸として対応する自由度をこれらアンビル１３に与える。２つのアンビル１３のそれぞれの前端には、打撃工具１４として球が配置される。中間部品１６が、打撃ピストン１７とボルト１５とを接続し、衝撃エネルギーをアンビル１３に伝える。

衝撃の効果を高めるために、ベース体１０の反対側に、ばね１９を介して調整可能な締結ボルト２０及び締結ナット２１を用いて応力付与多面部材１８を取り付けることができる。

必要であれば、加工すべきクランクシャフト４の長さにわたって複数のパルス圧力機１を配置することによって、中央を進む、場合によっては偏心的に進む領域全てを同時に加工することができる。

駆動装置６及び伝動装置３’は、クランクシャフト４の連続回転運動をもたらすように設計される。しかしながら、打撃工具１４がクランクシャフト４に当たるとすぐに、回転運動は確実に中断され、打撃工具１４の衝撃期間中に高い衝撃強度を受けることにより、クランクシャフト４は停止する。これによって確実に伝動装置３’において応力が生じるが、これは、相互作用プロセスにおける特殊な伝動継手と、特別に合わせた伝動装置の遊びとにより、いかなる損傷にもつながらない。作業は、３〜６Ｈｚの打撃周波数及び５〜１２メガパスカル（５０〜１２０バール）の圧力で行われることが好ましい。

割れを防止又は回避するために、クランクシャフト４は、必要であれば、研削、フライス削り、又は施削工具を用いて、加工すべきクランクシャフト部分から１．５ｍｍの深さまで材料を除去してもよい。

図４及び図５は、カテナリー形状の半径遷移部を強化するためのカテナリーの形態の打撃工具１４’を示す。見ると分かるように、打撃工具１４’は、クランクシャフト４の長手方向に２つの異なる半径、具体的には、例えば半径１７ｍｍの大きな半径Ｒｙと、例えば半径８ｍｍの小さな半径Ｒｘとを有する。小さな半径Ｒｘは、加工面に対する遷移部半径を表す。図５から分かるように、打撃工具１４’は、打撃工具１４のカテナリー形状の方向に対して垂直な方向に、すなわち、クランクシャフト４の長手方向軸に対して横方向に、球面半径Ｒｚを有する。

図６は、打撃工具１４が１つだけ設けられるパルス圧力機１’を示す。この場合、パルス圧力機１’は、正確に言うと、パルス圧力機１’の長手方向軸と同軸上に配置される打撃工具１４が、加工すべきクランクシャフト部分の領域に垂直に当たるように、クランクシャフト４に対して斜めに位置決めされる。この場合、一度に１つのクランクシャフト部分しか加工されないが、パルス圧力機１’の設計構造及び力伝達はこの目的にはより適しており且つより単純である。さらに、この工具によって孔端を垂直に強化することができる。

この改良点は、端領域及び油孔端等の非対称なクランクシャフト部分で用いることが特に有利であることが分かっている。しかしながら、さらに他の構成部品、特に固有の圧縮応力を対称に導入することができない部分でも用いることができる。

本方法を実施する装置の全体図を示す。 図１の細部「Ａ」に基づいて拡大して示されるパルス圧力機を示す。 図２に示すパルス圧力機を軸方向で示すためにクランクシャフトの断面ＩＩＩ−ＩＩＩを示す。 カテナリー形状を有する打撃工具の側面図を示す。 打撃工具の軸方向（図４の矢印Ａの方向）の図を示す。 打撃工具を１つだけ有するパルス圧力機の細部を示す。

Claims (21)

1. 打撃工具によってクランクシャフトに固有の圧縮応力を導入するパルス圧力機又は打撃装置を用いて、
   溝、孔口、及び断面遷移部等の高荷重領域を局所的にハンマリングすることによって、大型クランクシャフトを含む前記クランクシャフトの曲げ疲労寿命及びねじり疲労寿命を含む疲労寿命を向上させる方法であって、
   前記クランクシャフトを連続回転させながら、前記加工すべきクランクシャフト部分に前記圧縮応力が導入されるときに、前記パルス圧力機又は前記打撃装置は、前記クランクシャフト部分の表面に対して垂直面上の相対運動のみを行い、
   前記クランクシャフトの回転運動が確実に停止するように前記打撃工具の打撃圧力が選択され、前記クランクシャフトの回転運動が停止する打撃工具の作用時間が選択されることを特徴とする大型クランクシャフトを含むクランクシャフトの曲げ疲労寿命及びねじり疲労寿命を含む疲労寿命を向上させる方法。
   
2. 前記打撃工具の打撃周波数は０．１〜２０Ｈｚである請求項１に記載の大型クランクシャフトを含むクランクシャフトの曲げ疲労寿命及びねじり疲労寿命を含む疲労寿命を向上させる方法。
3. 前記打撃工具の打撃周波数は１〜１０Ｈｚである請求項２に記載の大型クランクシャフトを含むクランクシャフトの曲げ疲労寿命及びねじり疲労寿命を含む疲労寿命を向上させる方法。
4. 前記打撃工具の打撃周波数は３〜６Ｈｚである請求項３に記載の大型クランクシャフトを含むクランクシャフトの曲げ疲労寿命及びねじり疲労寿命を含む疲労寿命を向上させる方法。
5. 前記打撃工具の打撃圧力は１〜３０メガパスカル（１０〜３００バール）である請求項１に記載の大型クランクシャフトを含むクランクシャフトの曲げ疲労寿命及びねじり疲労寿命を含む疲労寿命を向上させる方法。
6. 前記打撃工具の打撃圧力は３〜１３メガパスカル（３０〜１３０バール）である請求項５に記載の大型クランクシャフトを含むクランクシャフトの曲げ疲労寿命及びねじり疲労寿命を含む疲労寿命を向上させる方法。
7. 前記打撃工具の打撃圧力は５〜１１メガパスカル（５０〜１１０バール）である請求項６に記載の大型クランクシャフトを含むクランクシャフトの曲げ疲労寿命及びねじり疲労寿命を含む疲労寿命を向上させる方法。
8. 前記加工すべきクランクシャフト部分の領域の温度は６５℃未満である請求項１〜請求項７いずれか１項に記載の大型クランクシャフトを含むクランクシャフトの曲げ疲労寿命及びねじり疲労寿命を含む疲労寿命を向上させる方法。
9. 前記加工すべきクランクシャフト部分の領域の温度は１２〜２５℃である請求項８に記載の大型クランクシャフトを含むクランクシャフトの曲げ疲労寿命及びねじり疲労寿命を含む疲労寿命を向上させる方法。
10. 前記固有の圧縮応力は、疲労寿命特性を向上させる方法によってすでに事前加工されたクランクシャフトに、前記打撃工具によって導入される請求項１に記載の大型クランクシャフトを含むクランクシャフトの曲げ疲労寿命及びねじり疲労寿命を含む疲労寿命を向上させる方法。
11. 前記固有の圧縮応力は、前記クランクシャフトの高周波焼入れ後に前記打撃工具によって導入される請求項１０に記載の大型クランクシャフトを含むクランクシャフトの曲げ疲労寿命及びねじり疲労寿命を含む疲労寿命を向上させる方法。
12. 前記打撃工具によって前記固有の圧縮応力が導入されてから、前記加工すべきクランクシャフト部分の前記表面を加工除去することによって該表面付近の前記固有の圧縮応力を低下させる請求項１〜請求項１１いずれか１項に記載の大型クランクシャフトを含むクランクシャフトの曲げ疲労寿命及びねじり疲労寿命を含む疲労寿命を向上させる方法。
13. 前記加工されたクランクシャフト部分の前記表面は最大３ｍｍ除去される請求項１２に記載の大型クランクシャフトを含むクランクシャフトの曲げ疲労寿命及びねじり疲労寿命を含む疲労寿命を向上させる方法。
14. 前記加工されたクランクシャフト部分の前記表面は０．３〜２ｍｍ除去される請求項１３に記載の大型クランクシャフトを含むクランクシャフトの曲げ疲労寿命及びねじり疲労寿命を含む疲労寿命を向上させる方法。
15. 前記除去は研削、施削、又はフライス削りによって行われる請求項１２〜請求項１４いずれか１項に記載の大型クランクシャフトを含むクランクシャフトの曲げ疲労寿命及びねじり疲労寿命を含む疲労寿命を向上させる方法。
16. カテナリーの形態の前記加工すべきクランクシャフト部分の一改良点において、初期輪郭の形態の連続遷移部半径は、前記打撃工具による前記固有の圧縮応力の導入によって圧縮され、続いて前記遷移部半径は、前記表面から材料を除去する方法によって、カテナリー形状として必要な最終輪郭に加工される請求項１〜請求項１５いずれか１項に記載の大型クランクシャフトを含むクランクシャフトの曲げ疲労寿命及びねじり疲労寿命を含む疲労寿命を向上させる方法。
17. カテナリーの形態の前記加工すべきクランクシャフト部分の一改良点において、前記打撃工具には所望のカテナリー形状が設けられる請求項１〜請求項１６いずれか１項に記載の大型クランクシャフトを含むクランクシャフトの曲げ疲労寿命及びねじり疲労寿命を含む疲労寿命を向上させる方法。
18. 打撃工具の前記カテナリー形状は、前記クランクシャフトの長手方向に延びる平面上に形成され、該長手方向に対して垂直面上に球形が形成される請求項１７に記載の大型クランクシャフトを含むクランクシャフトの曲げ疲労寿命及びねじり疲労寿命を含む疲労寿命を向上させる方法。
19. 前記パルス圧力機又は前記打撃装置はそれぞれ、それらの長手方向軸と打撃方向に整列し、前記固有の圧縮応力は、関連するパルス圧力機又は打撃装置に配置される打撃工具によって一度に１つずつ導入される請求項１〜請求項１８いずれか１項に記載の大型クランクシャフトを含むクランクシャフトの曲げ疲労寿命及びねじり疲労寿命を含む疲労寿命を向上させる方法。
20. 打撃工具とクランクシャフトを回転させる伝動装置とが設けられるパルス圧力機、又は打撃装置によって、前記請求項１〜請求項１９いずれか１項に記載の方法を行う装置であって、
    前記伝動装置には、前記クランクシャフトを回転運動させる連続駆動装置が設けられ、
    打撃工具が選択された作用時間及び打撃圧力でクランクシャフトに当たると回転運動は停止され、この停止によってばね式に応力を受け、続いてこのばねへの荷重が再び除去されるとそれに応じてクランクシャフトの回転運動が再び用いられる請求項１〜請求項１９いずれか１項に記載の方法を行う装置。
21. 前記打撃工具が１つの球からなり、クランクシャフトに対して斜めに位置決めされる打撃工具である請求項２０記載の装置。

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