JP6130862B2 - 軸、特にクランク軸の強度を高めるための方法及び工具 - Google Patents

Description

本発明は、軸における複数の支持面、特に切削によりクランク軸におけるあらかじめ加工されている円筒状の複数の表面の強度を高めるための技術的な解決に関するものであり、メインベアリングジャーナル及びストロークベアリングジャーナル並びに場合によってはクランク軸のジャーナルの円筒状の表面が追加的に複数の油孔を備えている。

乗用車のための内燃エンジン用のクランク軸は、数百万単位の個数を有する大量生産部品である。ここで、好ましくは鋼製の鍛造されたクランク軸が高負荷されるクランク軸のために（例えばディーゼルエンジンにおいて）使用される。好ましくは通常の負荷のエンジンの範囲で使用される鋳鉄製のクランク軸ははるかに安価である。エンジン開発の進歩は、高いガス力、したがって高い負荷を受けるクランク軸につながるものであり、エネルギー消費の理由からベアリングサイズが小さくなる（キーワード「ダウンサイジング」）。鋼又は鋳鉄から成るクランク軸のベアリングの許容荷重はこれに伴いますます限界に近づく。

このとき、大きな負荷を受けるベアリングは、部分的に混合摩擦範囲において動作し、現代の車両では慣用のスタート−ストップサイクルを有する無負荷状態におけるエンジンの停止は、更にベアリングを摩耗させるものである。エンジンの動作時におけるベアリング隙間は、計算上、１μｍ以下の範囲にある。大きな負荷を受けるベアリングは、形状的に非常に厳密であるとともに、ベアリングシェルの金属に対するその化学的な相性の良さにより、非常にわずかな表面粗さを必要とする。硬化されたベアリング回転面は、クランク軸の搬送及び取扱い時に、及びベアリングの許容荷重に関して複数の利点をもたらす。この利点を活かすために、１／１０ｍｍの範囲の非常にわずかな硬化深さが必要である。

油孔の保護のために、硬化も同様に用いられる。

しかし、クランク軸のみがメインベアリング及びストロークベアリング並びにジャーナルにおける支持面を備えているわけではない。カムシャフトも同様の支持面を有しており、この支持面は、シリンダバルブのヘッド部へ押し付けられる。ただし、カムシャフトの支持面は、クランク軸の支持する面とは異なり、大きな円及び小さな円から成る断面を有している。軸の両種類に対して、支持面の強度の向上が同程度に設定されている。

例えば工業的な硬化又はニトロ化による支持面の硬化は、当該分野の当業者にとって十分に知られたものである。ベアリング半径のディープローリングのための装置も同様であり、そのため、本発明の範囲においては、このような装置の説明を省略することができる。硬化に比して、ディープローリングが安価かつ非常に環境にやさしい方法である。ディープローリング時には、回転面が高圧下で工具鋼又は金属炭化物から成るディープローリング部材によって変形されるとともにディープローリングされる。ディープローリングされた表面は、ミリメートルの範囲の深さまでの正の残留圧縮応力によって際立っている。したがって、ディープローリングにより、後続の精密加工プロセス後も強度が確保され、ベアリング回転面が取付搬送時又はエンジン動作時の表面損傷に対する抵抗性が高められる。これにより、エンジン動作時におけるベアリング摩耗も低減される。したがって、カウンタ回転面のすべりベアリングシェルは、より長い寿命を有している。

これに基づき、硬化による代わりに、メインベアリング及びストロークベアリング並びに鋼、鋳鉄又はその他の金属化合物から成るクランク軸のジャーナル直径及びフランジ直径における回転面の強度をディープローリングによって向上させ、したがって内燃エンジンの寿命を延ばすという本発明の課題が生じる。油孔の強度の向上も同様に硬化の代わりにディープローリングによってなされるべきである。

本出願人にとって、当該分野の従来技術が、特に以下に説明する特許文献１及び特許文献２から知られている。

特許文献１には、ベアリングジャーナルが油孔を有するとしても、クランク軸の、側方の穿孔を有さないベアリングジャーナルの表面の組織を改善すること、及び同時にベアリングジャーナルを特別な態様で平坦に圧延することが開示されている。加えて、一対の平坦圧延ローラが設けられており、これら平坦圧延ローラは、同一のディスク状に形成されている。ベアリングジャーナル上で転がるこれら平坦圧延ローラの周囲では平坦圧延ローラが第１から第４の突起部を備えており、これら突起部の間には軸方向において同じ大きさの中間室が配置されている。隣接する突起部の間の中間室は、油孔の内径よりも大きい。それゆえ、このように平坦に圧延された表面においては、わずかな切削深さによる追加的な切削加工がはっきりと省略される。その結果、ベアリングジャーナル内では波構造がローラで押し込まれる。油孔は、全く加工されない。

特許文献２には、クランク軸の平坦圧延のための方法及び装置が開示されている。一対のディスク状の平坦圧延ローラは、クランク軸のベアリングジャーナルの両側に対して同じ高さで互いに対向して配置されている。このクランク軸は、駆動源によって回転する。一対の平坦圧延ローラは一方向において互いに離間するように移動する一方、クランク軸のベアリングジャーナルは、クランク軸の平坦圧延によって生じる平坦圧延ローラの外周面によって保持される。しかしながら、この開示内容においては、平坦圧延によって表面構造が同時に平坦圧延されたベアリングジャーナルへもたらされるかどうかについて述べられていない。

特開２００６−３４６８０１号公報 国際公開第２００６／１３５０１４号

本発明の課題は、硬化による代わりに、メインベアリング及びストロークベアリング並びに鋼、鋳鉄又はその他の金属化合物から成るクランク軸のジャーナル直径及びフランジ直径における回転面の強度をディープローリングによって向上させ、したがって内燃エンジンの寿命を延ばすことにある。

本発明の課題は、少なくとも１つの支持面が少なくとも１つの円筒状のディープローリング部材によってディープローリングされ、ディープローリング部材が、表面構造を備えているとともに、支持面の幅にわたって延在していること、及びディープローリングされた支持面がわずかな切込み深さによって切削加工されることによって解決される。

有利には、３つの円筒状のディープローリング部材によって同時にディープローリングが行われる。

好ましくは、クランク軸のメインベアリングジャーナル及びストロークベアリングジャーナルにおける円筒状の支持面がディープローリングされる。しかし、クランク軸のフランジも、その表面強度を向上させるように、したがって動作の進行において形成されつつ当該溝から油が漏れ得る溝の発生を防止するように加工されることが可能である。

場合によっては油孔を有するクランク軸のジャーナルも同様にディープローリングされる。

好ましくは、クランク軸のメインベアリングジャーナル及びストロークベアリングジャーナル並びにジャーナルが、油孔の範囲において点状の肉厚部を有する円筒状のディープローリング部材によってディープローリングされる。

ディープローリングされるべき円筒状の表面の幅にわたって並列する複数の肉厚部を有する複数の円筒状のディープローリング部材によってディープローリングが行われる。

構造化された表面を有するディープローリング部材によってディープローリングされた後、ディープローリングされた面の形状正確性を再び構築するために、切削によるわずかな切削深さでの再加工が必要である。このように再加工された支持面は、つづいて、例えば平坦圧延又はレーザビームによる表面処理によって更に平滑化される。

方法の実施のためのディープローリング工具においては、少なくとも１つの円筒状のディープローリング部材及び少なくとも１つの支持要素が設けられており、該支持要素が、ディープローリングすべき支持面の横断面に関して、ディープローリング部材に対向しており、該ディープローリング部材がその円筒状の表面上に複数の肉厚部又は刻み目を備えており、該肉厚部又は刻み目が周方向若しくは軸方向又は該軸方向に対して斜めに延在している。

ディープローリング部材がその円筒状の表面においてひし形に似た複数の刻み目を有することが適当であると判明した。複数のディープローリング部材の使用時には、これらディープローリング部材がディープローリングされる前記支持面の横断面に関して互いに対向するようになっている。

ディープローリング工具において３つのディープローリング部材を使用する場合には、これらディープローリング部材がディープローリングされる支持面の横断面に関して三角形状の配置を有していれば有利であることが分かった。

少なくとも２つのディープローリング部材の表面構造が並列していれば有利である。３つのディープローリング部材においては、１つのディープローリング部材が支持要素として形成されることができ、該支持要素は、平滑な円筒状の表面を備えている。しかしながら、ディープローリング部材のうち１つは、それ以外の平滑な円筒状の表面上において点状の肉厚部を有しており、該肉厚部が、支持面へのディープローリング部材の押し付け時にそこに存在する油孔の開口部に当接する箇所に正確に設けられている。

クランク軸の長手断面図である。 それぞれ端面視及び側面視における互いに属する２つのディープローリング部材を示す図である。 端面視及び側面視における別のディープローリング部材を示す図である。 端面視、側面視及び平面視における点状の肉厚部を有する別のディープローリング部材を示す図である。 ディープローリング工具の内部における複数のディープローリング部材のあり得る配置を示す図である。 メインベアリングジャーナルと、クランク軸のジャーナル及びフランジとを示す図である。 ストロークベアリングジャーナルを示す図である。 クランク軸における複数の油孔の延在を示す図である。

以下に、本発明を１つの実施例において詳細に説明する。

図１には、メインベアリングジャーナルＪｉ及びストロークベアリングジャーナルＰｉを有するクランク軸から成る長手断面図が示されている。支持する円筒状の複数の表面は、符号２及び３で示されている。メインベアリングジャーナルＪｉとストロークベアリングジャーナルＰｉの間には側面４から成る部分が示唆されている。別の側面部分５及び６は、図１の外側端部において隣接している。破線によって、支持する円筒状の表面２あるいは３上でそれぞれ開口部８及び９を有する油孔７も破線で示唆されている。

図５に示すように、支持する円筒状の表面２及び３がディープローリング工具１０によってディープローリングされるようになっている。このディープローリング工具１０においては、３つの円筒状のディープローリング部材１１，１２及び１３がメインベアリングジャーナルＪｉ又はストロークベアリングジャーナルＰｉの周囲に配置されている。図５から容易に分かるように、これら３つのディープローリング部材１１，１２及び１３は、三角形１４の構造を有している。ディープローリング部材１１が固有のディープローリングケーシング１５内で支持されている一方、ディープローリング部材１２及び１３は１つの共通のケーシング１６内で支持されている。

例えば、図２において側面視及び端面視において示されているように、ディープローリング部材１１及び１２は、その円筒状の表面１７及び１８上に肉厚部１９あるいは２０を備えている。これら肉厚部１９及び２０は、パッド状の隆起部であり、この隆起部は、各円筒状の表面１７及び１８の周囲にわたって延在している。ディープローリング部材１１の各肉厚部１９の間には常に隙間２１があることが分かる。同様のことが、肉厚部２０を有するディープローリング部材１２の円筒状の表面における肉厚部２０においても当てはまる。更に図２から分かるように、ディープローリング部材１２の肉厚部２０は、ディープローリング部材１１の隙間にちょうど対向するように位置している。すなわち、肉厚部１９及び２０は、ディープローリング部材１１及び１２の回転軸線２３及び２４の方向へ並列している。このような並列により、ディープローリングされた、支持面２及び３上には一貫したパターンが生じる。肉厚部１９及び２０は、高くはなく、０．１〜０．５ｍｍほど各円筒状の表面１７及び１８から突出している。これら肉厚部の幅は、同様にわずかであり、０．１〜０．５ｍｍ、好ましくは０．２ｍｍである。同様のことは、間隔２１及び２２についても当てはまり、これら間隔は、通常０．１〜１．０ｍｍ、好ましくは０．５ｍｍ互いに離間している。それにもかかわらず、支持する表面２及び３のディープローリングによって、そこで正の残留圧縮応力が生じ、この残留圧縮応力は、ｍｍ単位の範囲におけるある深さまで達する。したがって、ディープローリングによって、以下の精密処理プロセス後でも強度が確保されるとともに、ベアリング回転面２あるいは３が、取付搬送又はエンジン回転による表面損傷に対してより抵抗力を有することになる。

図３には、ディープローリング部材２５の別の種類が側面視及び端面視において示されている。このディープローリング部材２５も複数の肉厚部２６を備えており、この肉厚部は、ディープローリング部材１１及び１２の肉厚部１９及び２０と同様なものである。ただし、これに対して、肉厚部２６は、図３から明らかに分かるように、ディープローリング部材２５の回転軸線２６の方向へ配置されている。これら肉厚部２６もやはり互いに間隔２８を有している。

図３では不図示の第２のディープローリング部材も、図２における図示と同様に同一の形態を有している。ここでも、これら肉厚部２６は両ディープローリング部材間で互いに係合する。

肉厚部１９，２０あるいは２６の径方向及び軸方向の配置のほかに別の配置も可能であり、この配置は、例えば円筒状の表面１７，１８，２９にわたって斜めに延びるものである。このような配置によって、例えば支持面２及び３上に、ひし形、波形又は図示のようなそれ以外のものである模様が生じる。

油孔７の開口部８及び９が特別な問題を示す。これら開口部８及び９は、そこから生じ得る亀裂の形成を防止するために、特別な硬化を必要とする。この硬化のために、図４において側面視、平面視及び端面視で示されているように、特別なディープローリング部材３０が設けられている。このディープローリング部材３０は、その円筒状の表面３２上にレンズ状の肉厚部３１を備えている。このレンズ状の肉厚部３１は、当該肉厚部が支持する表面２あるいは３上へのディープローリング部材３０の押し付け時に常に油孔７の各開口部８，９に当たるように配置されている。このレンズ状の肉厚部３１は、円筒状の表面３２から約０．１〜１．５ｍｍ突出している。

図４において特に明確にするために分離して示されているように、レンズ状の１つの肉厚部３１は、ディープローリング部材１１，１２あるいは２５上に位置することも可能である。

図６には、縮小した縮尺におけるクランク軸３３が側面図で示されている。このクランク軸３３は、メインベアリングジャーナル１Ｊ〜５Ｊを有している。これらメインベアリングジャーナルＪｉ間にはストロークベアリングジャーナル１Ｐ〜４Ｐが位置している。ジャーナル３４がクランク軸３３の始端部を形成しており、他端部はフランジ３５で形成されている。メインベアリングジャーナルＪｉの本発明によるディープローリングのほかに、ジャーナル３４及びフランジ３５の円筒状の表面のディープローリングもなされる。

図７では、ストロークベアリングジャーナルＰが特別に製造されている。ここで、方法の応用の明確化のために、ストロークベアリングジャーナル１Ｐ〜４Ｐが本発明に基づきディープローリングされるようになっている。

図８に基づくクランク軸３７においては、油孔４０の開口部３８及び３９が視点の前面にある。ディープローリングによって、油孔４０の開口部３８あるいは３９のエッジ部が丸められる。

１ クランク軸
２ 支持面
３ 支持面
４ 側面
５ 側面部分
６ 側面部分
７ 油孔
８ 油孔の開口部
９ 油孔の開口部
１０ ディープローリング工具
１１ ディープローリング部材
１２ ディープローリング部材
１３ ディープローリング部材
１４ 三角形
１５ ケーシング
１６ ケーシング
１７ 円筒状の表面
１８ 円筒状の表面
１９ 肉厚部
２０ 肉厚部
２１ 間隔
２２ 間隔
２３ 回転軸線
２４ 回転軸線
２５ ディープローリング部材
２６ 肉厚部
２７ 回転軸線
２８ 間隔
２９ 円筒状の表面
３０ ディープローリング部材
３１ レンズ状の肉厚部
３２ 円筒状の表面
３３ クランク軸
３４ ジャーナル
３５ フランジ
３６ クランク軸
３７ クランク軸
３８ 開口部
３９ 開口部
４０ 油孔
Ｊｉ メインベアリングジャーナル
Ｐｉ ストロークベアリングジャーナル

Claims (14)

1. 軸における複数の支持面、特に切削によりクランク軸（１，３３，３６，３７）におけるあらかじめ加工されている円筒状の複数の表面の強度を高めるための方法であって、メインベアリングジャーナル（Ｊｉ）及びストロークベアリングジャーナル（Ｐｉ）並びに場合によっては前記クランク軸（１，３３，３６，３７）のジャーナル（３４）の前記円筒状の表面（２，３）が追加的に複数の油孔を備えている前記方法において、
   −少なくとも１つの前記支持面が少なくとも１つの円筒状のディープローリング部材（１１，１２，２５，３０）によってディープローリングされ、
   −前記ディープローリング部材が、表面構造（１９，２０，２６）を備えているとともに、
   −前記支持面の幅にわたって延在しており、そして最後に、
   −ディープローリングされた前記支持面がわずかな切込み深さによって切削加工されること、及び前記クランク軸（１，３３，３６，３７）の前記メインベアリングジャーナル（Ｊｉ）及び前記ストロークベアリングジャーナル（Ｐｉ）並びに前記ジャーナルが、前記油孔（７，４０）の範囲において肉厚部（３１）を有する少なくとも１つの円筒状のディープローリング部材（３０）によってディープローリングされることを特徴とする方法。
2. ３つの円筒状の前記ディープローリング部材（１１，１２，１３）によって同時にディープローリングを行うことを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 前記クランク軸（１，３３，３６，３７）の前記メインベアリングジャーナル（Ｊｉ）及び前記ストロークベアリングジャーナル（Ｐｉ）がディープローリングされることを特徴とする請求項１記載の方法。
4. 前記クランク軸（１，３３，３６，３７）のフランジ（３５）がディープローリングされることを特徴とする請求項１記載の方法。
5. 前記クランク軸（１，３３，３６，３７）の前記ジャーナル（３４）がディープローリングされることを特徴とする請求項１記載の方法。
6. ディープローリングされるべき円筒状の表面（２，３）の幅にわたって並列する複数の肉厚部（１９，２０，２６）を有する複数の円筒状のディープローリング部材（１１，１２，１３，２５）によってディープローリングを行うことを特徴とする請求項２記載の方法。
7. ディープローリングされ、切削により再加工された前記支持面（２，３）を研磨することを特徴とする請求項１記載の方法。
8. 請求項１記載の方法の実施のためのディープローリング工具において、
   当該ディープローリング工具（１５，１６）が少なくとも１つの支持要素（１２，１３）を備えており、該支持要素が、ディープローリングすべき前記支持面（２，３）の横断面に関して、前記ディープローリング部材（１１）に対向しており、該ディープローリング部材（１１）がその円筒状の表面（１７）上に複数の肉厚部（１９）又は刻み目を備えており、該肉厚部又は刻み目が周方向若しくは軸方向（２３）又は該軸方向（２３）に対して斜めに延在していることを特徴とするディープローリング工具。
9. 当該ディープローリング工具（１１，１２，１３，２５）の前記円筒状の表面（１７，１８，２９）の前記肉厚部（１９，２０，２６）がひし形の模様を有することを特徴とする請求項８記載のディープローリング工具。
10. 当該ディープローリング工具が２つのディープローリング部材（１１，１２）を備えており、これらディープローリング部材が、ディープローリングされる前記支持面の横断面に関して互いに対向していることを特徴とする請求項８記載のディープローリング工具。
11. 当該ディープローリング工具が３つのディープローリング部材（１１，１２，１３）を備えており、これらディープローリング部材が、ディープローリングされる前記支持面（Ｊｉ，Ｐｉ）の横断面に関して三角形状の配置（１４）を有することを特徴とする請求項８記載のディープローリング工具。
12. 少なくとも２つの前記ディープローリング部材（１１，１２）の表面構造が並列していることを特徴とする請求項１１記載のディープローリング工具。
13. １つのディープローリング部材が前記支持要素（１３）として形成されており、該支持要素が平滑な円筒状の表面を備えていることを特徴とする請求項１１記載のディープローリング工具。
14. １つのディープローリング部材（３０）がその円筒状の表面（３２）において１つのレンズ状の肉厚部（３１）を有しており、該肉厚部が、支持面（Ｊｉ，Ｐｉ）上への前記ディープローリング部材（３０）の押し付け時にそこに存在する油孔（７，４０）の開口部（８，９，３８，３９）に当接する箇所に正確に設けられていることを特徴とする請求項１１記載のディープローリング工具。

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