JP6412448B2 - クランクシャフトのオイル孔の強化方法および強化工具 - Google Patents

Description

本発明は、クランクシャフトのピン部およびジャーナル部に形成されるオイル孔の口元部を強化する技術に係り、特に、面取を施した口元部を強化する技術に関する。

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には、潤滑油をそれらの表面に供給するオイル孔が開口している。オイル孔の口元部は応力集中が生じる部分であり、内燃機関の爆発時に大きな曲げ応力やねじり応力を受けるから、口元部を強化することが望まれる。

従来、オイル孔の口元部を強化するために、ショットピーニングや窒化処理等が実施されていた。しかしながら、そのような強化方法では、オイル孔の深い部分まで強化することができず、最も強化が必要な部分が強化できないという問題があった。

特許文献１には、オイル孔の面取部にテーパ状の工具を押圧し、面取部に塑性加工を施して圧縮残留応力を付与する技術が開示されている。また、特許文献２には、オイル孔に工具によって打痕を形成して圧縮残留応力を付与する技術が開示されている。

特開昭６２−１４２０４４号公報 特開２００６−１１１９６２号公報

しかしながら、特許文献１に記載の技術では、面取部よりも深部側の強化を別工程で行わなければならないという課題があった。また、特許文献２においては、充分な圧縮残留応力を付与するために長時間を要するという課題があった。さらに、いずれの文献も、必要な疲労強度を得るための具体的な条件を開示するものではなかった。

したがって、本発明は、単純な工程で面取部および円筒部を塑性変形させて必要な疲労強度を得ることができるクランクシャフトのオイル孔の強化方法および強化工具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ピン部およびジャーナル部に形成されたオイル孔の口元部の強化方法であって、口元部は、面取部と、面取部よりも深部側の円筒部とを備え、面取部に対してクランクシャフトの素材の引張強さの３０〜９０％の圧縮残留応力を付与し、円筒部に対して口元部の最外口から円筒部の直径以上の深さの範囲に、成形量（（成形後の直径−成形前の直径）／２）が５／１００〜２０／１００ｍｍの塑性加工を行うことを特徴とする。

以下、上記数値限定の根拠を本発明の作用とともに説明する。
面取部に対してクランクシャフトの素材の引張強さの３０％以上の圧縮残留応力を付与することにより、加工硬化により強度が高められることと相まって面取部に充分な疲労強度を得ることができる。一方、面取部に付与する圧縮残留応力を素材の引張強さの９０％以下としたのは、圧縮残留応力が９０％を超えると過成形となり、面取部にクラックが発生するおそれがあるからである。また、素材が球状黒鉛鋳鉄の場合には、黒鉛が変性することがあるからである。

オイル孔の円筒部における成形量を５／１００ｍｍ以上としたことにより、円筒部に圧縮残留応力が付与されるとともに、加工硬化により強度が高められる。したがって、円筒部に充分な疲労強度を得ることができる。一方、オイル孔の円筒部における成形量を２０／１００ｍｍ以下としたのは、成形量が２０／１００ｍｍを超えると過成形となり、円筒部にクラックが発生するおそれがあるからである。また、素材が球状黒鉛鋳鉄の場合には、黒鉛が変性することがあるからである。

円筒部における成形範囲を口元部の最外口から円筒部の直径以上の深さの範囲としたのは、クランクシャフトの運転中にその範囲で最大応力が発生することがＣＡＥ（設計支援システム）等の解析で判明したからである。なお、成形する範囲は口元部の最外口から円筒部の直径の４／３まであれば充分である。また、オイル孔がピン部およびジャーナル部の外周面に対して傾斜している場合には、オイル孔の中心線の最外口での位置から成形範囲を設定する。

口元部への成形では、面取部への成形と円筒部への成形とを２回に分けて行うこともできるが、一工程で行うことが好ましい。面取部への成形を行った後に円筒部への成形を行うと、面取部への成形により材料が円筒部内に塑性流動し、次に円筒部への成形を行ったときに円筒部内に塑性流動した部分が円筒部の内周面に被る不良が生じる。逆に、円筒部への成形を行った後に面取部への成形を行うと、面取部への成形により材料が円筒部内に塑性流動するダレと呼ばれる不良が生じる。

面取部への成形と円筒部への成形とを一工程で成形を行うための工具としては、面取部への成形のための円錐台部と、この円錐台部の端部から延在する円柱部とを備えたものを用いることもできる。しかしながら、そのような工具では、円錐台部で面取部を押圧したときに円柱部が円筒部に嵌合しているため、面取部の材料が内径側へ塑性流動せず、このため面取部の内径側の部分に圧縮残留応力を付与することができないという問題がある。面取部の内径側の部分は最も強化が要求される部分であるため、上記のような問題は深刻である。また、円筒部に嵌合している工具は、成形が進むに従って円筒部との接触面積が大きくなるため、途中で潤滑油の油膜切れが生じて潤滑が不充分になるという問題もある。そこで、本発明者らは以下のクランクシャフトのオイル孔強化工具を開発した。

すなわち、本発明はクランクシャフトのピン部およびジャーナル部に形成されたオイル孔の口元部を塑性加工するための強化工具であって、口元部は、面取部と、面取部よりも深部側の円筒部とを備え、先端側から、平滑な円筒曲面からなり円筒部を拡径する円柱部と、円柱部よりも直径が小さい縮径円柱部と、縮径円柱部から軸線方向に向けて漸次拡径する平滑な円錐曲面からなり面取部を圧縮する円錐台部とを備え、円柱部は、拡径前の円筒部よりも５／１００〜２０／１００ｍｍ大きい曲率半径を有することを特徴とする。

本発明によれば、円錐台部と円柱部との間に縮径円柱部を有しているため、縮径円柱部とオイル孔の内周面との間に空間ができる。したがって、円錐台部で面取部を成形したときに、材料が外径側だけではなく内径側にも塑性流動する（分流）。したがって、面取部の内径側の部分に圧縮残留応力を付与することができるとともに、加工硬化により強度が高められる。また、オイル孔は、成形前のオイル孔よりも曲率半径が５／１００〜２０／１００ｍｍ大きい円柱部によって成形されるから、上述のようにオイル孔に充分な疲労強度を得ることができる。

この場合、円柱部は縮径円柱部の分だけ長さが短く、しかもオイル孔の成形では円柱部との接触面積が変わらないため、潤滑油が円柱部に行き渡り易く油膜切れが生じ難いことは勿論のこと、成形荷重を低減することができる。しかも、縮径円柱部の外周部に潤滑油の貯まりができるので、円柱部をオイル孔から抜き取る際の潤滑も充分に行うことができる。また、円柱部をオイル孔から抜き取る際に、オイル孔内に塑性流動した面取部の内径側の部分が押し戻されて正規のオイル孔の直径が維持される。

ここで、強化工具の材料としてダイス鋼（ＳＫＤ鋼）やハイス鋼（ＳＫＨ鋼）を用いることができる。この場合、円柱部と縮径円柱部の合計長さは円柱部の直径の３倍以下とすることが望ましい。そのように設定することにより、工具の座屈を防止することができる。

本発明によれば、単純な工程で面取部および円筒部を塑性変形させて必要な疲労強度を得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オイル孔の口元部を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シャフトのオイル孔の口元部を強化している状態を示す平面図である。 本発明の実施形態においてオイル孔の口元部を強化している状態を示す平断面図である。

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は本実施形態でオイル孔を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１に示すように、各ジャーナルピン１１およびクランクピン１３の外周面には、表裏面に貫通するオイル孔１６が形成されている。オイル孔１６の半径方向中央部は、オイル流路１７によって互いに連結されている。オイル流路１７の一端部はクランクアーム１２に開口しており、エンジンブロック内の油が開口からオイル流路１７内に導入され、オイル流路１７からオイル孔１６に導入されるようになっている。図３に示すように、オイル孔１６の開口部には、テーパ状の面取部１８が形成されている。また、面取部１８よりも深部側の部分は断面円形の円筒部１９とされている。

図２はオイル孔１６を強化している状態を示す図である。図２において符号２０は図示しないフレームに支持されたスタンドである。スタンド２０は、上方へ向けて延びる３つのピン２１を備え、ピン２１がオイル孔１６に挿入されることでクランクシャフト１を支持している。

図２において符号３０はパンチホルダであり、図示しない駆動機構によって上下方向に移動させられる。パンチホルダ３０には３つのパンチ３１が先端部を下方に向けて取り付けられている。図３に示すように、パンチ３１は、先端側から、円柱部３２と、円柱部３２よりも直径が小さい縮径円柱部３３と、縮径円柱部３３から軸線方向に向けて漸次拡径する円錐台部３４とを備えている。また、円柱部３２と縮径円柱部３３との境界には、テーパ部３５が形成されている。さらに、円柱部３２においては、成形前の円筒部１９よりも曲率半径が５／１００〜２０／１００ｍｍ大きく設定されている。

次に、上記構成のパンチ３１によりオイル孔１６の口元部を強化する方法について説明する。
オイル孔１６に潤滑油を塗布しておき、図３（Ａ）に示す状態からパンチ３１を下降させ、円柱部３２を円筒部１９へ挿入する。この場合の挿入範囲は、面取部１８の最外口から円筒部１９の直径以上の深さの範囲である。また、円柱部３２による円筒部１９の成形は、（（成形後の直径−成形前の直径）／２）が５／１００〜２０／１００ｍｍとなる塑性加工である。この塑性加工により、円筒部１９に圧縮残留応力が付与されるとともに加工硬化により強度が高められる。

円柱部３２がさらに挿入されると、図３（Ｃ）に示すように、円錐台部３４が面取部１８に当接する。これにより、図３（Ｃ）に矢印で示すように、面取部１８の内径側の部分と外径側の部分が塑性流動する（分流）。すなわち、面取部１８の外径側の部分は面取部１８の外周側へ塑性流動し、面取部１８の内径側の部分は円筒部１９と縮径円柱部３３との間の空間へ塑性流動する。そして、この塑性流動により、面取部１８に対してクランクシャフト１の素材の引張強さの３０〜９０％の圧縮残留応力が付与されるとともに、加工硬化により強度が高められる。これにより、面取部１８に充分な疲労強度を得ることができる。

次いで、パンチ３１を上昇させると、円筒部１９の内周面に突出した面取部１８の内径側の部分は、パンチ３１のテーパ部３５によって押し戻され、正規の円筒部１９の直径が維持される。この場合において、縮径円柱部３３と円筒部１９との間の空間に潤滑油が貯まっているから、テーパ部３５と円柱部３２が潤滑される。

上記実施形態によれば、面取部１８および円筒部１９を塑性変形させて圧縮残留応力を付与するとともに加工硬化により強度を高めるから、面取部１８および円筒部１９に充分な疲労強度を得ることができる。また、パンチ３１が縮径円柱部３３を有しているから、潤滑油の油膜切れを防止して充分な潤滑を行うことができるとともに、成形荷重を低減することができる。

特に、上記実施形態では、円柱部３２と縮径円柱部３３との間にテーパ部３５を有しているので、円筒部１９の内周面に突出した面取部１８の内径側の部分を矯正して正規の円筒部１９の直径を維持することができる。

本発明は、クランクシャフトのオイル孔の強化に利用することができる。

１ クランクシャフト
１１ ジャーナルピン
１２ クランクアーム
１３ クランクピン
１５ フィレット部
１６ オイル孔
１７ オイル流路
１８ 面取部
１９ 円筒部
３１ パンチ
３２ 円柱部
３３ 縮径円柱部
３４ 円錐台部
３５ テーパ部

Claims (2)

1. クランクシャフトのピン部およびジャーナル部に形成されたオイル孔の口元部の強化方法であって、
   前記口元部は、面取部と、該面取部よりも深部側の円筒部とを備え、前記面取部に対してクランクシャフトの素材の引張強さの３０〜９０％の圧縮残留応力を付与し、前記円筒部に対して前記口元部の最外口から前記円筒部の直径以上の深さの範囲に、成形量（（成形後の直径−成形前の直径）／２）が５／１００〜２０／１００ｍｍの塑性加工を行うことを特徴とするクランクシャフトのオイル孔強化方法。
2. クランクシャフトのピン部およびジャーナル部に形成されたオイル孔の口元部を塑性加工するための強化工具であって、
   前記口元部は、面取部と、該面取部よりも深部側の円筒部とを備え、
   先端側から、平滑な円筒曲面からなり前記円筒部を拡径する円柱部と、該円柱部よりも直径が小さい縮径円柱部と、該縮径円柱部から軸線方向に向けて漸次拡径する平滑な円錐曲面からなり前記面取部を圧縮する円錐台部とを備え、
   前記円柱部は、拡径前の前記円筒部よりも５／１００〜２０／１００ｍｍ大きい曲率半径を有することを特徴とするクランクシャフトのオイル孔強化工具。

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