JP7208171B2 - クランク軸 - Google Patents

Description

本開示は、自動車、自動二輪車、農業機械又は船舶等のレシプロエンジンに搭載されるクランク軸に関する。

レシプロエンジンはクランク軸を必要とする。シリンダ（気筒）内でのピストンの往復運動を回転運動に変換することによって動力を取り出すためである。通常、自動車等には多気筒エンジンが用いられる。

図１及び図２は、一般的なクランク軸の一例を示す側面図である。図１及び図２に示すクランク軸１は、４気筒エンジンに搭載されるものである。クランク軸１は、５つのジャーナル部Ｊ１～Ｊ５、４つのピン部Ｐ１～Ｐ４、フロント部Ｆｒ、フランジ部Ｆｌ、及び８つのクランクアーム部（以下、単に「アーム部」ともいう）Ａ１～Ａ８を備える。８つのアーム部Ａ１～Ａ８は、それぞれ、ジャーナル部Ｊ１～Ｊ５の１つとピン部Ｐ１～Ｐ４の１つとの間に配置され、自身が対向するジャーナル部とピン部とをつなぐ。

図１に示すクランク軸１では、８つの全てのアーム部Ａ１～Ａ８がカウンターウエイト部（以下、単に「ウエイト部」ともいう）Ｗ１～Ｗ８を一体で有する。このクランク軸１は４気筒－８カウンターウエイトのクランク軸と称される。

以下では、ジャーナル部Ｊ１～Ｊ５、ピン部Ｐ１～Ｐ４、アーム部Ａ１～Ａ８及びウエイト部Ｗ１～Ｗ８のそれぞれを総称するとき、その符号を、ジャーナル部で「Ｊ」、ピン部で「Ｐ」、アーム部で「Ａ」、ウエイト部で「Ｗ」とも記す。

図２に示すクランク軸１では、８つのアーム部Ａのうち、先頭の第１アーム部Ａ１、最後尾の第８アーム部Ａ８、並びに中央の第４アーム部Ａ４及び第５アーム部Ａ５がウエイト部Ｗを一体で有する。残りのアーム部Ａ２、Ａ３、Ａ６及びＡ７はウエイト部を有しない。このクランク軸１は４気筒－４カウンターウエイトのクランク軸と称される。

ジャーナル部Ｊ、フロント部Ｆｒ及びフランジ部Ｆｌは、クランク軸１の回転中心と同軸上に配置される。各ピン部Ｐは、クランク軸１の回転中心からピストンストロークの半分の距離だけ偏心して配置される。ジャーナル部Ｊは、すべり軸受けによってエンジンブロックに支持され、回転軸となる。各ピン部Ｐはすべり軸受けによってコネクティングロッド（以下、「コンロッド」ともいう）の大端部に連結され、ピストンがそのコンロッドの小端部に連結される。フロント部Ｆｒには、タイミングベルト、ファンベルト等を駆動するためのプーリ（図示省略）が取り付けられる。フランジ部Ｆｌには、フライホイール（図示省略）が取り付けられる。

レシプロエンジンにおいて、振動の抑制は重要な課題である。レシプロエンジンの振動は騒音を引き起こし、レシプロエンジン周辺の環境を悪化させるからである。特に、レシプロエンジンを搭載した自動車等の車両では、快適な室内環境も求められるため、振動の抑制に対する要求は厳しい。ここで、クランク軸は、レシプロエンジン内で回転する重量の大きい部品である。そのため、クランク軸の振動抑制は、レシプロエンジンの振動抑制に大きく寄与する。

クランク軸の振動抑制を図るため、従来、下記の２つの方策がとられている。第１の方策は、クランク軸のジャーナル部を支持するすべり軸受けの構造を適正化することである。第２の方策は、クランク軸に取り付けられる付属部品に振動減衰機能を持たせることである。第１の方策として、特開２０１６－１５３６５８号公報（特許文献１）には、ジャーナル部とすべり軸受けとの間のクリアランスを適切に設定することにより、振動特性を向上させる技術が開示される。第２の方策として、特開２００５－２９９８０７号公報（特許文献２）には、クランク軸のフロント部にダンパプーリを取り付けることにより、曲げ振動及びねじり振動を減衰させる技術が開示される。

特開２０１６－１５３６５８号公報 特開２００５－２９９８０７号公報

第１の方策では、すべり軸受けの摩耗等によってクリアランスが変化した場合、所望の振動抑制性能が得られない。第２の方策では、特殊な構造の付属部品（ダンパプーリ）の取付けにより、レシプロエンジン全体の重量が増加するため、燃費が悪化する。さらに、レシプロエンジンを構成する部品の数が増えるため、信頼性が低下する。要するに、従来の方策では、簡素な構成でクランク軸の振動を十分に抑制できるとは言えない。

本開示の１つの目的は、簡素な構成で振動を十分に抑制できるクランク軸を提供することである。

本開示の実施形態によるクランク軸は、レシプロエンジン用のクランク軸である。クランク軸は、クランク軸の回転中心と同軸に配置される複数のジャーナル部と、複数のジャーナル部に対して偏心した複数のピン部と、各々が、一のジャーナル部と一のピン部との間に配置されて当該ジャーナル部と当該ピン部をつなぐ複数のクランクアーム部と、を備える。クランクアーム部の１つ以上は、焼入れ層が設けられた２つの側面を含むカウンターウエイト部を一体で有する。

本開示の実施形態によるクランク軸によれば、簡素な構成で振動を十分に抑制できる。

図１は、一般的なクランク軸の一例を示す側面図である。 図２は、一般的なクランク軸の他の一例を示す側面図である。 図３は、本発明者らの検討ステップ１で想定したクランク軸の斜視図である。 図４は、図３に示すクランク軸の側面図である。 図５は、図３に示すクランク軸におけるウエイト部付きアーム部の側面図である。 図６は、図５に示すウエイト部付きアーム部の正面図である。 図７は、検討ステップ１での解析結果をまとめた図である。 図８は、本発明者らの検討ステップ２で想定したクランク軸におけるウエイト部付きアーム部の正面図である。 図９は、図８に示すウエイト部付きアーム部のウエイト部の一部を拡大した図である。 図１０は、検討ステップ２での解析結果をまとめた図である。 図１１は、実施形態のクランク軸におけるウエイト部付きアーム部の正面図である。

上記の課題を解決するために、本発明者らは、クランク軸に取り付けられる付属部品ではなくて、クランク軸そのものに着目した。その上で、ウエイト部付きアーム部におけるウエイト部に着目し、鋭意検討を重ねた。その結果下記の知見を得た。

通常、クランク軸は炭素鋼からなる。ピン部及びジャーナル部はすべり軸受けと摺動する。ピン部及びジャーナル部の耐摩耗性を確保するため、ピン部の表面及びジャーナル部の表面は高周波焼入れによって硬化される場合がある。一方、アーム部はクランク軸の剛性を担保する部分であり、アーム部には適度な強度と靭性が必要となる。強度と靭性の確保のため、一般に、アーム部の鋼組織は、パーライト組織、又はフェライト組織とパーライト組織が混在した組織（フェライト＋パーライト組織）である。本明細書では、パーライト組織及びフェライト＋パーライト組織を総称して通常組織ともいう。

ウエイト部はクランク軸の回転バランスを取る部分であり、ウエイト部の質量自体が重要である。つまり、ウエイト部の鋼組織はクランク軸の本質的な機能上で重要ではない。そのため、従来のクランク軸では、ウエイト部の鋼組織について格別な考慮は一切ない。したがって、従来のクランク軸では、ウエイト部の鋼組織は、アーム部の鋼組織と同じく通常組織である。

高周波焼入れが施されない限り、ピン部及びジャーナル部それぞれの鋼組織も通常組織である。その他にフロント部及びフランジ部それぞれの鋼組織も通常組織である。

ここで、同じ化学組成であっても、鋼組織が異なればヤング率等の材料定数が異なる。このことは、例えば、Materials Science and Engineering A vol. 452-453 (2007) pp.633-639，“Elastic constants and internal friction of martensitic steel, ferritic-pearlitic steel, and α-iron”に示される。この文献には、ＳＡＥ１０５０鋼（炭素鋼の一種）について、マルテンサイト組織では、ヤング率が２０３．５ＧＰａであり、ポアソン比が０．２９２１であると記載され、フェライト＋パーライト組織では、ヤング率が２１０．３ＧＰａであり、ポアソン比が０．２８７７であると記載される。

上記のとおり、従来のクランク軸では、ウエイト部の鋼組織は、全体にわたって通常組織である。これに対し、ウエイト部において、通常組織の部分のみならず、通常組織とは異なる鋼組織（以下、「異組織」ともいう）の部分が存在すると仮定する。異組織は、焼入れによって得られるマルテンサイト組織又はベイナイト組織である。この場合、下記の状況が起こると推定される。

クランク軸は一体物である。そのため、クランク軸の回転に伴ってクランク軸が振動した場合、ウエイト部が振動変形する。この場合、通常組織の部分の変形に追従して異組織の部分が変形する。上記のとおり、異組織の部分の材料定数は通常組織の部分の材料定数と異なる。そのため、変形のしやすさが異組織の部分と通常組織の部分とで異なる。そうすると、ウエイト部が振動変形したとき、異組織の部分と通常組織の部分に互いの変形を阻害する力が作用する。この力により振動のエネルギが散逸することから、振動が効率良く減衰される。したがって、クランク軸の振動が抑制される。

上記の推定の妥当性を確認するため、下記の検討を実施した。

［検討ステップ１］
検討ステップ１では、ウエイト部にマルテンサイト組織の焼入れ層を設けた場合の振動の度合いを調査した。この調査は有限要素法（ＦＥＭ）による振動解析によって行った。検討ステップ１の解析では、ウエイト部の底面及び２つの側面のうちから１つ以上の面を選択し、選択した各面に施す焼入れの範囲を種々変更した。

図３～図６は、検討ステップ１で想定したクランク軸を示す図である。これらの図のうち、図３はそのクランク軸の斜視図であり、図４はそのクランク軸の側面図である。図５はそのクランク軸におけるウエイト部付きアーム部の側面図であり、図６はそのウエイト部付きアーム部の正面図である。本明細書では、ウエイト部付きアーム部において、ジャーナル部Ｊが接続されている面を正面といい、その反対側の面、つまりピン部Ｐが接続されている面を裏面という。なお、図６には、アーム部Ａの縦中心線Ａｃ１及び横中心線Ａｃ２が示される。本明細書において、アーム部Ａの縦中心線Ａｃ１は、ジャーナル部Ｊの軸心Ｊｃ及びピン部Ｐの軸心Ｐｃに垂直な直線であり、横中心線Ａｃ２は、縦中心線Ａｃ１及びジャーナル部Ｊの軸心Ｊｃと直交する直線である。ウエイト部付きアーム部において、横中心線Ａｃ２が延びる方向を幅方向という。

図３及び図４を参照し、検討ステップ１で想定したクランク軸１は４気筒－８カウンターウエイトのクランク軸である。クランク軸１は、一般的なクランク軸と同様（図１）、複数のジャーナル部Ｊ１～Ｊ５と、複数のピン部Ｐ１～Ｐ４と、複数のアーム部Ａ１～Ａ８と、を備える。ジャーナル部Ｊ１～Ｊ５は、クランク軸１の回転中心と同軸に配置されている。ピン部Ｐ１～Ｐ４の各々は、ジャーナル部Ｊ１～Ｊ５に対して偏心して配置されている。アーム部Ａ１～Ａ８の各々は、ジャーナル部Ｊ１～Ｊ５の１つとピン部Ｐ１～Ｐ４の１つとの間に配置され、そのジャーナル部とピン部とを接続する。アーム部Ａ１～Ａ８は、それぞれ、ウエイト部Ｗ１～Ｗ８を一体で有する。

図５に示すように、このクランク軸１の解析モデルでは、ウエイト部Ｗ付きアーム部Ａのうちでウエイト部Ｗの裏面に、凹状の肉抜き部１０が形成されている。肉抜き部１０は、ウエイト部Ｗの全幅にわたって形成され、ウエイト部Ｗの２つの側面Ｗｂ１、Ｗｂ２に広がっている。この肉抜き部１０は、ウエイト部Ｗ及びアーム部Ａに跨って形成されている。このため、肉抜き部１０は、アーム部Ａの裏面及び２つの側面Ａａにも広がっている。

肉抜き部１０により、検討ステップ１のウエイト部Ｗ付きアーム部Ａの重量は、大幅に減少する。ただし、ウエイト部Ｗの形状は、ウエイト部Ｗ付きアーム部Ａの支持剛性にほとんど影響を及ぼさない。そのため、検討ステップ１のウエイト部Ｗ付きアーム部Ａの支持剛性はほとんど低下しない。したがって、肉抜き部１０を備えるウエイト部Ｗ付きアーム部Ａを有するクランク軸１の場合、大きな軽量化を期待できる。本明細書において、支持剛性とは、ピン部Ｐに荷重が負荷されたときのアーム部Ａの変形抵抗を意味する。

図６を参照し、ウエイト部Ｗ付きアーム部Ａでは、横中心線Ａｃ２及びジャーナル部Ｊの軸心Ｊｃを含む平面によって、アーム部Ａとウエイト部Ｗとが区分される。すなわち、ウエイト部Ｗ付きアーム部Ａのうち、横中心線Ａｃ２及びジャーナル部Ｊの軸心Ｊｃを含む平面を境界として、ピン部Ｐ側に位置する部分がアーム部Ａであり、ピン部Ｐと反対側に位置する部分がウエイト部Ｗである。本明細書では、説明の便宜上、ウエイト部Ｗ付きアーム部Ａのうち、アーム部Ａ側を上側、ウエイト部Ｗ側を下側という。

アーム部Ａの側面Ａａ、及びウエイト部Ｗの側面Ｗｂ１、Ｗｂ２は、概ね上下方向に延びている。ウエイト部Ｗの側面Ｗｂ１、Ｗｂ２は、下方に向かうにつれて幅方向外方に延びている。側面Ｗｂ１、Ｗｂ２は、底面Ｗａによって接続される。底面Ｗａは、ウエイト部Ｗ付きアーム部Ａの正面視で、ジャーナル部Ｊの軸心Ｊｃを中心とする円弧状をなす。本明細書では、ウエイト部Ｗ付きアーム部Ａにおいて便宜的にウエイト部Ｗ側を下側と定義したことから、側面Ｗｂ１、Ｗｂ２の間の面を底面Ｗａと称するが、実際のクランク軸ではウエイト部Ｗの底面Ｗａが常に下側に位置するわけではない。

検討ステップ１で想定したクランク軸１は、図６に示すように、ジャーナル部Ｊの周囲にスラスト（以下、「ジャーナルスラスト」ともいう）Ｊｔを有する。ジャーナルスラストＪｔは、ウエイト部Ｗ付きアーム部Ａの正面視で、ジャーナル部Ｊの軸心Ｊｃを中心とする円環状をなす。ジャーナルスラストＪｔは、軸心Ｊｃが延びる方向（軸方向）におけるジャーナル部Ｊの移動を規制する。すなわち、レシプロエンジン内では、ジャーナルスラストＪｔと、エンジンブロック（図示略）に取り付けられるすべり軸受けとの接触によって、ジャーナル部Ｊの軸方向の移動が制限される。

図６には、検討ステップ１で焼入れ層が設けられる部分が示される。上述したとおり、ウエイト部Ｗの底面Ｗａは、ウエイト部Ｗ付きアーム部Ａの正面視で、ジャーナル部Ｊの軸心Ｊｃを中心とする円弧状をなす。図６中の符号Ｒｃｗｔは、この底面Ｗａの半径を示す。ジャーナルスラストＪｔは、ウエイト部Ｗ付きアーム部Ａの正面視で、ジャーナル部Ｊの軸心Ｊｃを中心とする円環状をなす。符号Ｒｊｔは、このジャーナルスラストＪｔの半径を示す。

ウエイト部Ｗの底面Ｗａ及び２つの側面Ｗｂ１、Ｗｂ２のうちの１つ以上の面に、焼入れ層が設けられる。ウエイト部Ｗの底面Ｗａは、焼入れ層が設けられる単位として、底面Ｗａに沿う方向において６つの領域ａ１～ａ６に区分される。６つの領域ａ１～ａ６は、底面Ｗａの一方の端から他方の端まで順に連なる。６つの領域ａ１～ａ６それぞれの底面Ｗａに沿う長さは同じである。

また、焼入れ層が設けられる単位として、ウエイト部Ｗの一方の側面Ｗｂ１が、その側面Ｗｂ１に沿う方向（側面Ｗｂ１の長手方向）において２つの領域ｂ１、ｂ２に区分される。２つの領域ｂ１、ｂ２は、ウエイト部Ｗ付きアーム部Ａの正面視で、図６に二点鎖線で示す円弧Ｖｒと側面Ｗｂ１との交点を始点とし、当該交点からウエイト部Ｗの底面Ｗａまで順に連なる。円弧Ｖｒは、ウエイト部Ｗ付きアーム部Ａの正面視で、底面Ｗａと同一の半径Ｒｃｗｔを有し、ジャーナルスラストＪｔの下端（ウエイト部Ｗ側の端）を通る仮想的な円弧である。円弧Ｖｒの中心は、縦中心線Ａｃ１上に位置する。２つの領域ｂ１、ｂ２それぞれの側面Ｗｂ１に沿う長さは同じである。２つの領域ｂ１、ｂ２それぞれの側面Ｗｂ１に沿う長さは、概ね（Ｒｃｗｔ－Ｒｊｔ）／２である。これと同様に、ウエイト部Ｗの他方の側面Ｗｂ２が、その側面Ｗｂ２に沿う方向（側面Ｗｂ２の長手方向）において２つの領域ｃ１、ｃ２に区分される。

検討ステップ１の解析では、ウエイト部Ｗの底面Ｗａ及び２つの側面Ｗｂ１、Ｗｂ２のうちから１つ以上の面を種々選択した。さらに、選択した面における複数の領域ａ１～ａ６、ｂ１、ｂ２、ｃ１、ｃ２のうちから１つ以上の領域を種々選択した。選択した領域に焼入れを施し、マルテンサイト組織（異組織）の焼入れ層を形成した。焼入れ層の厚さ（深さ）は１ｍｍとした。ウエイト部Ｗの焼入れ層以外の部分の鋼組織は、焼入れされないフェライト＋パーライト組織（通常組織）とした。下記の表１に、検討ステップ１で調査した複数のウエイト部Ｗ付きアーム部Ａの焼入れ層の設置パターンを示す。

ウエイト部付きアーム部をそれぞれ備えた複数のクランク軸のモデルについて、上記表１に示す設置パターンでウエイト部に焼入れ層を設け、アクセレランス（イナータンス）を調査した。アクセレランスとは、打撃力（インパルス加振力）を加えたときに、観測点での加速度波形を周波数分析し、周波数ごとに振動加速度を加振力で除した値である。アクセレランスの低下は、同じ振動入力に対して発生する振動加速度が小さいことを意味する。つまり、アクセレランスの低下は振動を抑制できたことを意味する。したがって、各モデルのアクセレランスを比較すれば、振動の抑制を評価できる。

ここでクランク軸の場合、エンジンブロックに取り付けられたすべり軸受けによりクランク軸のジャーナル部が支持される。これにより、クランク軸はエンジン本体と接続される。そのため、レシプロエンジンの振動を抑制するためには、クランク軸のジャーナル部の振動を抑制することが必要である。

クランク軸に入力される振動源として、シリンダ内で爆発が起きたときの爆発荷重が考えられる。爆発荷重はピストンに伝わり、さらにピストンからピストンピンを介してコンロッドに伝わる。コンロッドに伝わった荷重はクランク軸のピン部に入力される。そのため、クランク軸の加振源となるのは主にピン部である。したがって、ピン部の表面を打撃した際のジャーナル部の中心でのアクセレランスを評価した。

具体的には、図４を参照し、第１ピン部Ｐ１の点Ｒに打撃力を入力した。点Ｒは、第１ピン部Ｐ１の軸方向中央であって、第１ピン部Ｐ１の頂上に位置する点であった。打撃力は、ジャーナル部Ｊの軸心Ｊｃに向く方向に与えた。打撃力の入力に対して、第５ジャーナル部Ｊ５の点Ｓで発生する加速度を求めた。点Ｓは、第５ジャーナル部Ｊ５の軸方向中央であって、第５ジャーナル部Ｊ５の軸心Ｊｃ上に位置する点であった。求める加速度は、打撃力の入力方向に沿う方向の加速度とした。

得られた加速度を打撃力で除した後に周波数分析を行い、１Ｈｚから２５００Ｈｚの範囲で加速度振幅を求め、アクセレランスの周波数特性を得た。得られたアクセレランスの周波数特性からアクセレランスの最大値を求めた。

なお、振動解析の際、焼入れ層（マルテンサイト組織）の部分では、ヤング率を２０３．５ＧＰａとし、ポアソン比を０．２９２１とした。焼入れ層以外のフェライト＋パーライト組織の部分では、ヤング率を２１０．３ＧＰａとし、ポアソン比を０．２８７７とした。

ウエイト部付きアーム部をそれぞれ備えた複数のクランク軸のモデルについて、上記表１に示す設置パターンでウエイト部に焼入れ層を設け、モデルごとに上記のような振動解析を実施した。そして、各モデルの振動解析で得られたアクセレランスの最大値を比較して評価した。評価は、ウエイト部に焼入れ層を持たない基本モデルでのアクセレランスの最大値に対する比（アクセレランス比）で行った。アクセレランス比が１を下回れば、振動を抑制できると言える。さらにアクセレランス比が小さいほど、振動を効果的に抑制できると言える。一方、アクセレランス比が１を上回れば、振動を抑制できないと言える。

図７は、検討ステップ１での解析結果をまとめた図である。図７の横軸に表示された番号は、表１に示すモデルＮｏ．と対応する。図７の結果から下記のことが示される。モデルＮｏ．Ａ１～Ａ４と基本モデルとの比較より、ウエイト部Ｗの２つの側面Ｗｂ１、Ｗｂ２の両方に焼入れ層が設けられれば、振動を抑制できる。特に、焼入れ層の領域の側面Ｗｂ１、Ｗｂ２に沿う長さが（Ｒｃｗｔ－Ｒｊｔ）の０．５倍以上であって、焼入れ層の領域がアーム部Ａに隣接すれば、効果的に振動を抑制できる（モデルＮｏ．Ａ１～Ａ３参照）。さらに、焼入れ層の領域の側面Ｗｂ１、Ｗｂ２に沿う長さが（Ｒｃｗｔ－Ｒｊｔ）の１倍以上であれば、振動抑制効果が特に高い（モデルＮｏ．Ａ１及びＡ２参照）。

これに対し、ウエイト部Ｗの２つの側面Ｗｂ１、Ｗｂ２の一方のみに焼入れ層が設けられる場合、振動を抑制できない（モデルＮｏ．Ｄ１参照）。また、ウエイト部Ｗの底面Ｗａに焼入れ層が設けられても、振動抑制効果はほとんど生じない。

要するに、ウエイト部Ｗの２つの側面Ｗｂ１、Ｗｂ２の両方に焼入れ層が設けられるだけで、振動を十分に抑制できる。

［検討ステップ２］
検討ステップ２では、検討ステップ１と同様に、ウエイト部にマルテンサイト組織の焼入れ層を設けた場合の振動の度合いを調査した。検討ステップ２の解析では、ウエイト部２つの側面に設ける焼入れ層の範囲を細分化して種々変更した。それ以外の諸条件は検討ステップ１と同じであった。

図８及び図９は、検討ステップ２で想定したクランク軸におけるウエイト部付きアーム部を示す図である。これらの図のうち、図８はそのウエイト部付きアーム部の正面図であり、図９は図８に示すウエイト部付きアーム部のウエイト部の一部を拡大した図である。

図９には、検討ステップ２で焼入れ層が設けられる部分が示される。焼入れ層が設けられる単位として、ウエイト部Ｗの一方の側面Ｗｂ１が、その側面Ｗｂ１に沿う方向において１０個の領域ｂ’１～ｂ’１０に区分される。１０個の領域ｂ’１～ｂ’１０は、ウエイト部Ｗ付きアーム部Ａの正面視で、円弧Ｖｒと側面Ｗｂ１との交点からウエイト部Ｗの底面Ｗａまで順に連なる。１０個の領域ｂ’１～ｂ’１０それぞれの側面Ｗｂ１に沿う長さは同じである。１０個の領域ｂ’１～ｂ’１０それぞれの側面Ｗｂ１に沿う長さ（側面Ｗｂ１の長手方向における長さ）は、概ね（Ｒｃｗｔ－Ｒｊｔ）／１０である。これと同様に、ウエイト部Ｗの他方の側面Ｗｂ２が、その側面Ｗｂ２に沿う方向において１０個の領域（図示省略）に区分される。

検討ステップ２の解析では、焼入れを施す面として、ウエイト部Ｗの２つの側面Ｗｂ１、Ｗｂ２の両方を選択した。さらに、焼入れ層を設ける領域として、一方の側面Ｗｂ１における１０個の領域ｂ’１～ｂ’１０のうちから１つ以上の領域を種々選択した。他方の側面Ｗｂ２では、アーム部Ａの縦中心線Ａｃ１に対し、側面Ｗｂ１で選択した領域と対称の領域を選択した。選択した領域に焼入れを施し、マルテンサイト組織（異組織）の焼入れ層を形成した。ウエイト部Ｗの焼入れ層以外の部分の鋼組織は、焼入れされないフェライト＋パーライト組織（通常組織）とした。下記の表２に、検討ステップ２で調査した複数のウエイト部Ｗ付きアーム部Ａのモデルにおける焼入れ層の設置パターンを示す。

ウエイト部付きアーム部をそれぞれ備えた複数のクランク軸のモデルについて、上記表２に示す設置パターンでウエイト部に焼入れ層を設け、モデルごとに検討ステップ１と同様に振動解析を実施した。そして、各モデルの振動解析で得られたアクセレランスの最大値を比較して評価した。評価は、ウエイト部に焼入れ層を持たない基本モデルでのアクセレランスの最大値に対する比（アクセレランス比）で行った。

図１０は、検討ステップ２での解析結果をまとめた図である。図１０の横軸に表示された番号は、表２に示すモデルＮｏ．と対応する。図１０の結果から下記のことが示される。焼入れ層の領域の側面Ｗｂ１、Ｗｂ２に沿う長さが（Ｒｃｗｔ－Ｒｊｔ）の０．５倍以上であれば、効果的に振動を抑制できる場合がある（モデルＮｏ．Ｅ’～Ｊ’参照）。この場合、焼入れ層がジャーナルスラストＪｔ寄りに設けられれば、より効果的に振動を抑制できる（モデルＮｏ．Ｅ’１、Ｆ’１、Ｇ’１、Ｈ’１、Ｉ’１、Ｊ’１参照）。さらに、焼入れ層の領域の側面Ｗｂ１、Ｗｂ２に沿う長さが（Ｒｃｗｔ－Ｒｊｔ）の０．９倍以上であれば、振動抑制効果が高い（モデルＮｏ．Ｉ’～Ｊ’参照）。このことから焼入れ層がウエイト部Ｗの側面Ｗｂ１、Ｗｂ２の全域に設けられれば、より高い振動抑制効果が得られると考えられる。

これに対し、焼入れ層の領域の側面Ｗｂ１、Ｗｂ２に沿う長さが（Ｒｃｗｔ－Ｒｊｔ）の０．４倍以下である場合、振動抑制効果はそれほど認められない。

本開示のクランク軸は、上記の知見に基づいて完成されたものである。

本開示の実施形態によるクランク軸は、複数のジャーナル部と、複数のピン部と、複数のクランクアーム部と、を備える。複数のジャーナル部は、クランク軸の回転中心と同軸に配置される。複数のピン部は、複数のジャーナル部に対して偏心する。複数のクランクアーム部の各々は、一のジャーナル部と一のピン部との間に配置されて当該ジャーナル部と当該ピン部とをつなぐ。クランクアーム部の１つ以上は、カウンターウエイト部を一体で有する。カウンターウエイト部は、２つの側面を含む。この２つの側面には、焼入れ層が設けられている。

本実施形態によるクランク軸によれば、ウエイト部の２つの側面の両方に焼入れ層が設けられる。この焼入れ層の鋼組織は、マルテンサイト組織又はベイナイト組織である。ウエイト部付きアーム部のうち、焼入れ層以外の部分の鋼組織は、フェライト＋パーライト組織又はパーライト組織である。ウエイト部の２つの側面にのみ異組織の焼入れ層が設けられることにより、クランク軸に発生する振動を十分に抑制できる。ウエイト部において、側面同士を接続する底面には、焼入れ層が設けられないことが好ましい。通常、クランク軸の回転バランスを調整するときに、ウエイト部の底面に穴明け加工が施される。ウエイト部の底面に硬い焼入れ層が存在しない場合、その穴明け加工に支障はない。

焼入れ層を形成する方法は特に限定されない。例えば、高周波焼入れによって焼入れ層を形成することができる。その他に、炎焼入れやレーザ焼入れによって焼入れ層を形成することができる。加熱方法として、通電加熱を適用してもよい。熱間鍛造によってクランク軸を製造する場合、冷却の段階でウエイト部の側面のみを水冷してもよい。

焼入れ層の厚さ（深さ）は特に限定されない。ただし、実用的には、焼入れ層の厚さは０．５～１０ｍｍ程度である。典型的な例として、高周波焼入れによって焼入れ層を形成する場合、焼入れ層の厚さは０．５～２ｍｍ程度である。

典型的な例では、本実施形態のクランク軸は、４気筒－８カウンターウエイトのクランク軸、又は４気筒－４カウンターウエイトのクランク軸である。ただし、本実施形態のクランク軸はこのタイプに限定されない。例えば、本実施形態のクランク軸は、３気筒エンジン用のクランク軸であってもよいし、直列６気筒エンジン用のクランク軸であってもよい。

焼入れ層が設けられるウエイト部付きアーム部の数は、特に限定されない。クランク軸が複数のウエイト部付きアーム部を有する場合、１つのウエイト部付きアーム部に焼入れ層が設けられてもよいし、２つ以上のウエイト部付きアーム部に焼入れ層が設けられてもよいし、全てのウエイト部付きアーム部に焼入れ層が設けられてもよい。クランク軸に発生する振動を最大限に低減する観点から、全てのウエイト部付きアーム部に焼入れ層が設けられることが好ましい。

典型的な例では、ウエイト部の一方の側面において焼入れ層が設けられる領域は、ウエイト部の他方の側面において焼入れ層が設けられる領域とアーム部の縦中心線に対して対称である。ただし、ウエイト部の両側面における焼入れ層の領域は、アーム部の縦中心線に対して非対称であってもよい。ウエイト部付きアーム部の形状も、アーム部の縦中心線に対して典型的には対称であるが、非対称であってよい。

ウエイト部付きアーム部に肉抜き部が形成されてもよいし、形成されなくてもよい。ただし、クランク軸の重量を低減する観点から、ウエイト部付きアーム部に肉抜き部が形成されることが好ましい。

本実施形態のクランク軸において、焼入れ層は、カウンターウエイト部の側面の全域に設けられることが好ましい。これにより、特に効果的にクランク軸の振動を抑制できる。

本実施形態のクランク軸において、焼入れ層は、カウンターウエイト部の各側面の一部に設けられてもよい。この場合、カウンターウエイト部の底面の半径をＲｃｗｔとし、ジャーナル部のスラストの半径をＲｊｔとしたとき、カウンターウエイト部の各側面において、その長手方向における焼入れ層の長さは、（Ｒｃｗｔ－Ｒｊｔ）の０．５倍以上であることが好ましい。焼入れ層の長さは、好ましくは（Ｒｃｗｔ－Ｒｊｔ）の０．６倍以上であり、より好ましくは（Ｒｃｗｔ－Ｒｊｔ）の０．９倍以上である。これにより、効果的にクランク軸の振動を抑制できる。

焼入れ層がカウンターウエイト部の側面の一部に設けられる場合、この焼入れ層は、ジャーナル部のスラスト寄りの領域に設けられることが好ましい。これにより、より効果的にクランク軸の振動を抑制できる。

以下に、図面を参照しながら、本実施形態のクランク軸の具体例を説明する。

図１１は、本実施形態のクランク軸におけるウエイト部付きアーム部の正面図である。図１１に示すウエイト部Ｗ付きアーム部Ａは、例えば４気筒－８カウンターウエイトのクランク軸が備える８つのウエイト部付きアーム部の全てに適用される。

図１１を参照し、ウエイト部Ｗ付きアーム部Ａの形状は、アーム部Ａの縦中心線Ａｃ１に対して対称である。ウエイト部Ｗ付きアーム部Ａの正面視で、ウエイト部Ｗは、括れ部を有し、括れ部から底面Ｗａに向かって拡幅する。すなわち、ウエイト部Ｗの幅は、ジャーナルスラストＪｔ側で小さく、底面Ｗａ側で大きい。ウエイト部Ｗは、側面Ｗｂ１、Ｗｂ２の下端（底面Ｗａ側の端）で最大幅を有する。ウエイト部Ｗの２つの側面Ｗｂ１、Ｗｂ２それぞれの全域に焼入れ層１１が設けられる。つまり、ウエイト部Ｗ付きアーム部Ａの正面視で、アーム部Ａの横中心線Ａｃ２側からウエイト部Ｗの底面Ｗａ側までの側面Ｗｂ１、Ｗｂ２の全範囲に、焼入れ層１１が設けられる。焼入れ層１１は、側面Ｗｂ１、Ｗｂ２から所定の厚さ（深さ）でウエイト部Ｗに設けられる。この焼入れ層１１は、例えば、高周波焼入れによって形成される。焼入れ層１１の鋼組織は、例えば、マルテンサイト組織である。ウエイト部Ｗ付きアーム部Ａのうち焼入れ層１１以外の部分の鋼組織は、例えば、フェライト＋パーライト組織である。このようなウエイト部Ｗ付きアーム部Ａを備えるクランク軸によれば、クランク軸に発生する振動を十分に抑制できる。

その他、本開示は上記の実施形態に限定されず、本開示の趣旨を逸脱しない範囲で、種々の変更が可能であることは言うまでもない。

本開示は、あらゆるレシプロエンジンに搭載されるクランク軸に有効に利用できる。

１ クランク軸
Ｊ、Ｊ１～Ｊ５ ジャーナル部
Ｊｃ ジャーナル部の軸心
Ｊｔ ジャーナル部のスラスト
Ｐ、Ｐ１～Ｐ４ ピン部
Ｐｃ ピン部の軸心
Ａ、Ａ１～Ａ８ クランクアーム部
Ａａ クランクアーム部の側面
Ａｃ１ アーム部の縦中心線
Ａｃ２ アーム部の横中心線
Ｗ、Ｗ１～Ｗ８ カウンターウエイト部
Ｗａ カウンターウエイト部の底面
Ｗｂ１、Ｗｂ２ カウンターウエイト部の側面
１１ 焼入れ層

Claims (4)

1. レシプロエンジン用のクランク軸であって、
   前記クランク軸の回転中心と同軸に配置される複数のジャーナル部と、
   前記複数のジャーナル部に対して偏心した複数のピン部と、
   各々が、一のジャーナル部と一のピン部との間に配置されて前記ジャーナル部と前記ピン部とをつなぐ複数のクランクアーム部と、
   を備え、
   前記クランクアーム部の１つ以上は、焼入れ層が設けられた２つの側面を含むカウンターウエイト部を一体で有し、
   前記カウンターウエイト部を一体で有する前記クランクアーム部のうち、前記カウンターウエイト部以外の部分の表面は、焼入れ層が設けられておらず、
   前記カウンターウエイト部において、前記２つの側面を接続する底面には焼入れ層が設けられていない、クランク軸。
2. 請求項１に記載のクランク軸であって、
   前記焼入れ層は前記カウンターウエイト部の前記側面の全域に設けられる、クランク軸。
3. 請求項１に記載のクランク軸であって、
   前記カウンターウエイト部は、さらに、
   前記ジャーナル部の軸心を中心とする円弧状をなし、前記２つの側面を接続する前記底面、
   を含み、
   前記底面の半径をＲｃｗｔ、前記ジャーナル部のスラストの半径をＲｊｔとしたとき、前記側面の長手方向における前記焼入れ層の長さは、（Ｒｃｗｔ－Ｒｊｔ）の０．５倍以上である、クランク軸。
4. 請求項３に記載のクランク軸であって、
   前記焼入れ層は、前記カウンターウエイト部の前記側面のうち、前記スラスト寄りの領域に設けられる、クランク軸。
   

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