JP6042472B2 - クランクシャフトのフィレット部の強化方法および強化装置 - Google Patents

Description

本発明は、クランクシャフトのフィレット部を強化する強化方法および強化装置に係り、特に、フィレット部を半径方向のみならず軸方向においても強化する技術に関する。

たとえば、クランクシャフトは、ジャーナルピンとクランクピンを備え、クランクピンにコネクティングロッドの大端部が回転自在に支持され、ジャーナルピンはエンジンブロックのジャーナル軸受に回転自在に支持される。クランクピンおよびジャーナルピンの隅部には、相手部材との干渉を避けるために断面半円状の溝（フィレット部）が形成されている。フィレット部は強度の低い部分であり、内燃機関の爆発時に大きな曲げモーメントを受けるから、フィレット部のピントップ部（直列４気筒の場合は位相が０°と１８０°の位置）を強化することが望まれる。

特許文献１には、パンチの先端部両側に側面視円弧状の勾配面を形成し、勾配面に凸形状金型を摺動自在に配置した鍛造装置が提案されている。この鍛造装置では、凸形状金型がフィレット部を押圧すると、勾配面に沿って凸形状金型が外側に突出し、フィレット部を軸線方向にも押圧して広い強化部位が得られるとされている。

特許第３８９９２４６号公報

しかしながら、特許文献１に記載の技術では、上記のような効果を得ることはできない。その理由は、凸形状金型を外側へ突出させるカム面としての勾配面は円錐面とされ（段落００１１）、凸形状金型が外側に少しでも突出すると円錐面との間に隙間ができ、凸形状金型がパンチに対して傾いてしまうからである。

したがって、本発明は、フィレット部を半径方向のみならず軸線方向においても強化することができるクランクシャフトのフィレット部の強化方法および強化装置を提供することを目的としている。

本発明は、クランクシャフトの使用時に、ピン部またはジャーナル部のフィレット部の円周方向で曲げ荷重および／またはねじり応力が最大となる部分に、前記ピン部またはジャーナル部の軸線に直交する法線方向から押圧部材を押圧し、曲げ荷重および／またはねじり応力が最大となる部分に圧縮残留応力を付与するクランクシャフトのフィレット部の強化方法であって、押圧部材を、ガイド部材によってその押圧方向に対して傾斜した方向に摺動自在に支持し、ガイド部材は、円筒状の凹曲面からなる傾斜面を備え、押圧部材は、傾斜面と摺接する円柱状の凸曲面を備え、押圧部材がフィレット部を押圧したときに押圧部材を傾斜面の中心線に沿う方向へ摺動させてガイド部材に対して相対的に軸線方向へ移動させることを特徴とする。

本発明においては、押圧部材がフィレット部を押圧したときに押圧部材を摺動させて軸線方向へ移動させることにより、押圧部材によってフィレット部を軸線方向に押圧することができる。したがって、フィレット部を半径方向のみならず軸線方向においても強化することができる。

ここで、本発明においては、押圧部材は、フィレット部に対して所定の押圧量を加工する押圧面を備え、押圧面は、法線方向から円周方向両側に４５°以内の範囲でフィレット部の断面の曲率半径から押圧量を減じた曲率半径を有する略円筒曲面からなる成形区間と、成形区間を超え円周方向両側に９０°以内の範囲でフィレット部の曲率半径に逃げ量を加えた逃げ径まで徐々に拡径する徐変区間とを備えていることが望ましい。

上記の態様では、成形区間の曲率半径が軸部材の曲率半径よりも小さいので、より広い範囲（最大で片側４５°の範囲）を強化することができる。また、軸部材の曲率半径に逃げ量を加えた逃げ径まで徐々に拡径する徐変区間を備えているので、軸部材に加えられる圧縮残留応力が徐変区間で徐々に減少し、圧縮残留応力のない部分に至るので、圧縮残留応力を付与した部分に隣接する部分に発生する引張残留応力を低減することができる。なお、形成区間は円周方向両側に３０〜４５°の範囲が好適である。また、徐変区間は、成形区間を超え円周方向両側に６０〜７５°の範囲が好適である。

また、本発明は、クランクシャフトの使用時に、ピン部またはジャーナル部のフィレット部の円周方向で曲げ荷重および／またはねじり応力が最大となる部分に、前記ピン部またはジャーナル部の軸線に直交する方向から押圧部材を押圧し、曲げ荷重および／またはねじり応力が最大となる部分に圧縮残留応力を付与するクランクシャフトのフィレット部の強化装置であって、先端部に円筒状の凹曲面からなる傾斜面を有するガイド部材と、傾斜面と摺接する円柱状の凸曲面を備えた摺動面と前記フィレット部に沿う押圧面とを有する押圧部材とを備え、傾斜面は、フィレット部側を向くように押圧部材の押圧方向に対して一様に傾斜していることを特徴とする。

本発明においては、押圧部材の押圧面でフィレット部を押圧すると、押圧部材がガイド部材の傾斜面に沿って摺動して軸線方向へ移動する。これにより、押圧面がフィレット部を軸線方向に押圧し、したがって、フィレット部を半径方向のみならず軸線方向においても強化することができる。

ここで、軸線を含む断面において傾斜面と直交する直線が押圧面のフィレット部への押圧の作用部を通過することが望ましい。これは、押圧面のフィレット部への押圧の作用部の位置が傾斜面から外れていると、押圧面がフィレット部を軸線に直交する方向から押圧したときに、押圧部材がガイド部材の傾斜面に沿って摺動し難くなるからである。

本発明においては、傾斜面は円筒曲面とする。この場合、ガイド部材をフライス盤等に傾斜させて固定し、フライス工具で穿孔することで傾斜面を加工することができる。一方、押圧部材は、例えば略半リング状をなし、摺動面を円柱曲面として傾斜面に対して円柱曲面の軸線方向へ摺動させる。また、押圧部材の内周面の一側縁に押圧面を設ける。押圧面は、フィレット部側およびフィレット部の軸線方向へ突出する突条とすることができる。

本発明によれば、クランクシャフトのフィレット部を半径方向のみならず軸線方向においても強化することができる。また、フィレット部のより広い範囲を強化することができるとともに、圧縮残留応力を付与した部分に隣接する部分に発生する引張残留応力を低減することができる等の効果が得られる。

本発明の実施形態において強化するクランクシャフトを示す側面図である。 本発明の実施形態においてクランクピンを強化している状態を示す側面図である。 本発明の実施形態においてジャーナルピンを強化している状態を示す側面図である。 （Ａ）は本発明の実施形態における上パンチを示す正面図であり、（Ｂ）はその側断面図である。 （Ａ）は本発明の実施形態におけるホルダを示す正面図であり、（Ｂ）はその側断面図である。 本発明の実施形態においてクランクピンを強化している状態を示す拡大側面図である。 本発明の実施形態の軸部材の強化方法を示す図２における矢印VII−VII線断面図である。 加工部分の詳細を示す拡大図である。

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は本実施形態で強化するクランクシャフト１を示す側面図である。クランクシャフト１は、熱間鍛造によって成形されたもので、回転軸となるジャーナルピン１１に、半径方向へ突出するクランクアーム１２を形成し、一対のクランクアーム１２の端部にクランクピン１３を架設し、一対のクランクアーム１２の一方の他端部にバランスウェイト１４を形成したものである。各ジャーナルピン１１およびクランクピン１３の両隅には、断面が略半円形状の溝からなるフィレット部１５が形成されている。

図２は下型２および上型３によってクランクピン１３のフィレット部１５に塑性加工を行っている状態を示し、クランクシャフト１は、クランクピン１３を上下方向に向けて下型２に載置されている。下型２の一側には、上方に伸びる長い第１下パンチ２１が設けられている。また、下型２の他側には、上方に伸びる短い第２下パンチ２２が設けられている。同様に、上型３の一側には、下方に伸びる長い第１上パンチ３１が設けられている。また、上型３の他側には、下方に伸びる短い第２上パンチ３２が設けられている。

図３は下型４および上型５によってジャーナルピン１１のフィレット部１５に塑性加工を行っている状態を示す。下型４には、上方に伸びる下パンチ４１が設けられている。また、上型５には、下方に伸びる上パンチ５１が設けられている。

図４（Ａ）は上パンチ５１を示す正面図、（Ｂ）はその断面図である。図において符号５２はホルダ（ガイド部材）であり、ホルダ５２は、図５に示すように、矩形の板５３の一側に半円状の孔５４を形成したものである。孔５４は、一点鎖線でその中心を示すように、板５３の表裏側から傾斜した方向から見て円形に形成されている。孔５４の縁部には、断面がＶ字状をなす傾斜面５５が形成されている。傾斜面５５のなす角度は６０〜１５０°とされている。このように構成されたホルダ５２には、一対の押駒（押圧部材）６０が取り付けられている。

押駒６０は略半リング状をなし、その外周には上記傾斜面５５と同形の摺動面６１が形成されている。また、押駒６０の内周の一方の縁部には、内周側および板厚方向外方へ突出する突条（押圧面）６２が形成されている。押駒６０には、板厚方向に貫通する孔６３が形成され、孔６３にはボルト６４およびナット６５が取り付けられている。これらボルト６４およびナット６５により、押駒６０は、所定寸法を超えて互いに離間できないようになっている。また、ホルダ５２の下面には、ストッパ６６が取り付けられており、押駒６０がホルダ５２から落下しないようになっている。

図６は押駒６０の詳細を示す断面図である。図６に示すように、押駒６０の突条６２の断面は略半円状をなし、その曲率半径は、フィレット部１５の曲率半径よりも小さく設定されている。また、突条６２は、クランクアーム１２側へ突出し、その上側ではクランクアーム１２との間に隙間を形成している。さらに、傾斜面５５と直交する直線Ｌは、突条６２のフィレット部１５への押圧の作用部Ｆを通過している。なお、第１上パンチ３１、第１下パンチ２１、第２下パンチ２２、下パンチ４１、および第２上パンチ３２も上記上パンチ５１と同様に形成されている。

図７は、下パンチ４１および上パンチ５１の側面視形状を示すものである。突条６２は、法線ｌの方向（曲率中心Ｏから上パンチ５１の中心線へ向かう方向）から円周方向両側に４５°以内の範囲でフィレット部１５の断面の曲率半径から押圧量を減じた曲率半径を有する略円筒曲面からなる成形区間Ａを有する。ここで、「押圧量」とは、突条６２がフィレット部１５を法線ｌに沿って加工する厚さである。成形区間Ａにおいては、突条６２によってほぼ均等に加工が行われる。

図８に示すように、成形区間Ａを超え円周方向両側に９０°以内の範囲でフィレット部１５の曲率半径に逃げ量を加えた逃げ径Ｎまで徐々に拡径する徐変区間Ｂが設けられている。図８において実線はフィレット部１５の径Ｒ、破線は成形後の成形径Ｓ（フィレット部１５の径−押圧量）、一点鎖線は逃げ径Ｎ（フィレット部１５の径＋逃げ量）である。徐変区間Ｂでは、曲率中心Ｏ周りにカムプロフィールを行うようにして角度毎のポイントで曲率中心Ｏからの距離を設定して形状が設定される。

具体的には、成形区間Ａと徐変区間Ｂの角度を決め、成形区間Ａの端点から１０°ごとに径を設定してポイントを決める。この場合、徐変区間Ｂの角度を１０°で割ってポイント数を算出し、逃げ径Ｎと成形径Ｓの差を算出する。そして、その径の差をポイント数で割って求めた値で１０°おきに径を拡げる。このようにして、成形区間Ａを超えて円周方向へ向かうに従って曲率中心Ｏからの距離が徐々に増加し、点Ｐにおいてフィレット部１５の径Ｒと一致し、さらに円周方向へ向かうと成形区間Ａとは逆方向に凸となって逃げ径Ｎに達する。

下パンチ４１も上記上パンチ５１と同様に構成されている。すなわち、突条６２には、法線ｌの方向から円周方向両側に４５°以内の範囲でフィレット部１５の断面の曲率半径から押圧量を減じた曲率半径を有する略円筒曲面からなる成形区間Ａを有する。また、成形区間Ａを超え円周方向両側に９０°以内の範囲でフィレット部１５の曲率半径に逃げ量を加えた曲率半径まで徐々に拡径する徐変区間Ｂが設けられている。

次に、上記構成の下パンチ４１および上パンチ５１によりフィレット部１５を強化する方法について説明する。本実施形態では、常温で塑性加工することにより、フィレット部１５を強化する。上型５を下降させると、上パンチ５１の突条６２のうち成形区間Ａがクランクピン１３のフィレット部１５に接触し、この成形区間Ａと第１下パンチ１２１の突条６２の成形区間Ａとでフィレット部１５を加工する。このとき、図６に示すように、ホルダ５２の傾斜面５５が押駒６０の間に楔状に入り込み、押駒６０どうしが互いに離間する。そして、突条６２がフィレット部１５の軸線方向側の部分を加工する。以上の加工により、フィレット部１５の半径方向側の部分と軸線方向側の部分に圧縮残留応力が付与される。フィレット部１５の成形区間Ａにおいては、そのほぼ全体に亘って押圧量だけ上下方向に成形されるので、圧縮残留応力は成形区間Ａにおいてほぼ均一である。そして、この圧縮残留応力により、フィレット部１５に曲げモーメントが印加されたときに発生する引張応力が相殺される。

一方、徐変区間Ｂでは、円周方向へ向かうに従って加工量が漸次減少し、次いで加工されない部分に至る。したがって、フィレット部１５加えられる圧縮残留応力が徐変区間Ｂで徐々に減少し、圧縮残留応力のない部分に至るので、圧縮残留応力を付与した部分に隣接する部分に発生する引張残留応力を低減することができる。

ここで、上記クランクシャフト１は直列４気筒用であり、この場合は位相が０°と１８０°の位置、つまり、図７におけるフィレット部１５の頂点と最下点で内燃機関の爆発時に最も大きな曲げ荷重および／またはねじり応力を受ける。具体的には、クランクピン１３の場合は、バランスウェイト１３の方向と１８０°反対側に位置するフィレット部１５の部分である。また、ジャーナルピン１１の場合は、バランスウェイト１３の方向に位置するフィレット部１５の部分である。

本実施形態では、フィレット部１５の曲げ荷重および／またはねじり応力が最大となる部分を上パンチ５１と下パンチ４１によって加工し、フィレット部１５の半径方向側の部分と軸線方向側の部分に圧縮残留応力を付与することができる。また、強化が必要な部分だけに圧縮残留応力を付与することができるので無駄がない。さらに、フィレット部１５を部分的に塑性加工するので、塑性加工による軸方向への伸びを抑制することができる。

特に上記実施形態では、上パンチ５１と下パンチ４１に成形区間Ａと徐変区間Ｂを設けているので、フィレット部１５の広い範囲を強化することができるとともに、圧縮残留応力を付与した部分に隣接する部分に発生する引張残留応力を低減することができる。また、ホルダ５２の傾斜面５５と直交する直線Ｌが突条６２のフィレット部１５への押圧の作用部Ｆを通過しているので、押駒６０を確実に摺動させて軸線方向へ移動させることができる。

次に、クランクシャフト１の上下を反転させ、左端のクランクピン１３とその右隣のクランクピン１３を上下方向に向けて下型２に載置し、上記と同様にしてフィレット部１５の塑性加工を行う。また、図３に示す下型４および上型５によってジャーナルピン１１のフィレット部１５に塑性加工を行う。以上の場合も上記と同等の作用、効果を得ることができる。

なお、上記実施形態では、図２に示すように複数の上下パンチ２１，２２，３１，３３で２つのクランクピン１３の強化を行っているが、一対の上下パンチでクランクピン１３を１つずつ強化してもよい。あるいは、総型を用いて全てのクランクピン１３および全てのジャーナルピン１１を一度に強化してもよい。

本発明は、クランクシャフトのフィレット部の強化に利用可能である。

１ クランクシャフト
２ 下型
３ 上型
４ 下型
５ 上型
１１ ジャーナルピン
１２ クランクアーム
１３ クランクピン
１４ バランスウェイト
１５ フィレット部
２１ 第１下パンチ
２２ 第２下パンチ
３１ 第１上パンチ
３２ 第２上パンチ
４１ 下パンチ
５１ 上パンチ
５２ ホルダ（ガイド部材）
５５ 傾斜面
６０ 押駒（押圧部材）
６１ 摺動面
６２ 突条（押圧面）
Ｌ 直線

Claims (4)

1. クランクシャフトの使用時に、ピン部またはジャーナル部のフィレット部の円周方向で曲げ荷重および／またはねじり応力が最大となる部分に、前記ピン部またはジャーナル部の軸線に直交する法線方向から押圧部材を押圧し、曲げ荷重および／またはねじり応力が最大となる部分に圧縮残留応力を付与するクランクシャフトのフィレット部の強化方法であって、
   前記押圧部材を、ガイド部材によってその押圧方向に対して傾斜した方向に摺動自在に支持し、前記ガイド部材は、円筒状の凹曲面からなる傾斜面を備え、前記押圧部材は、前記傾斜面と摺接する円柱状の凸曲面を備え、前記押圧部材が前記フィレット部を押圧したときに前記押圧部材を前記傾斜面の中心線に沿う方向へ摺動させて前記ガイド部材に対して相対的に軸線方向へ移動させることを特徴とするクランクシャフトのフィレット部の強化方法。
2. 前記押圧部材は、前記フィレット部に対して所定の押圧量を加工する押圧面を備え、前記押圧面は、前記法線方向から円周方向両側に４５°以内の範囲で前記フィレット部の断面の曲率半径から前記押圧量を減じた曲率半径を有する略円筒曲面からなる成形区間と、前記成形区間を超え円周方向両側に９０°以内の範囲で前記フィレット部の曲率半径に逃げ量を加えた逃げ径まで徐々に拡径する徐変区間とを備えてい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のフィレット部の強化方法。
3. クランクシャフトの使用時に、ピン部またはジャーナル部のフィレット部の円周方向で曲げ荷重および／またはねじり応力が最大となる部分に、前記ピン部またはジャーナル部の軸線に直交する方向から押圧部材を押圧し、曲げ荷重および／またはねじり応力が最大となる部分に圧縮残留応力を付与するクランクシャフトのフィレット部の強化装置であって、
   先端部に円筒状の凹曲面からなる傾斜面を有するガイド部材と、前記傾斜面と摺接する円柱状の凸曲面を備えた摺動面と前記フィレット部に沿う押圧面とを有する前記押圧部材とを備え、
   前記傾斜面は、前記フィレット部側を向くように前記押圧部材の押圧方向に対して一様に傾斜していることを特徴とするクランクシャフトのフィレット部の強化装置。
4. 前記軸線を含む断面において前記傾斜面と直交する直線が前記押圧面の前記フィレット部への押圧の作用部を通過することを特徴とする請求項３に記載のクランクシャフトのフィレット部の強化装置。

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