JPH02176209A - 中空のクランクシャフトおよびその製造法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、クランク・アーム内へ開口した貫通孔ををす
る中空のクランクシャフトに関する。

〔従来の技術〕

この種のクランクシャフトは、重量および慣性モーメン
トの減少のためおよびコスト上の理由による材料節減の
ために次第に多く使われている。

このクランクシャフトは貫通孔と共に鋳造されるか又は
鍛造されるか又は後から作孔され、また単一部品として
か又は互いに接合される個個の区分として製造される。

この種のクランクシャフトの場合、旧来の中実のクラン
クシャフトの場合よりも高負荷時の十分な曲げ並びにね
じり強度の問題とクランク・アームにおけるビン突出部
の範囲のき裂の危険とが大きい。き裂発生の危険はガス
圧および遠心力の影響を受ける中空横断面の変形の可能
性によって一層大きくなる。

〔発明が解決しようとする課題〕

本発明の課題は、冒頭に述べた形式のクランクシャフト
において、−層有利な重量で大きな負荷を受は止めるこ
とができ、前述の危険に対抗できるようにすることであ
る。

〔課題を解決するための手段〕

このような課題を本発明は次のようにして解決した。す
なわち、クランク・アーム内において、その横断面にわ
たって分配された拡張部材がクランク・ジャーナルおよ
びクランク・ピンの範囲の開口内に、かつ場合によって
はピン構造面の外側の開口内に挿入されており、これら
の拡張部材は特にクランク・ジャーナルおよびクランク
・ピンの両方の内生なくとも一方の貫通孔内の拡張部材
と一緒にクランク・アームおよびクランク・ピンの材料
中に残留プレストレスを生ぜしめ、かつ持続させるので
ある。

一様に分配されたこのような残留プレストレスがクラン
クシャフト、特にクランク・アームの材料中に後述の拡
張部材によって生ぜしめられることによって、クランク
シャフトの曲げ強度並びにねじり強度が著しく向上し、
この場合重量軽減も可能になる。圧縮に対してプレスト
レスをあたえられる拡張部材により中空のシフト構造の
剛性が内部から得られ、その結果き裂発生の危険を伴う
局部的な応力ピークが防止される。拡張部材による支持
力の強化は、ピンからアームへの移行部のき裂のおそれ
のある個所の不都合な応力ピークを他のクランク・アー
ム範囲へ一様に分布させる。

この場合、危険な範囲における交番応力の発生を避ける
ことができる。というのは、応力変動をプレストレス以
下に保つことができるからである。

この場合、正または負の値で変動する応力はき裂発生の
点で引張りと圧縮との交番応力に比して危険が少ない。

これと並んで、材料中のプレストレスはクランクシャフ
トの固有振動数を高めるという有利な作用を有し、これ
によって危険性のある中空シャフトが固有振動数の増大
を呈し、この固有振動数は運転中クランクシャフトの回
転数によって決定される振動範囲にとって有利となる。

有利な実施態様によれば、クランク・ジャーナルおよび
クランク・ピンの出口開口への拡張部材として多くのス
リーブが使われ、これらのスリーブはクランク・アーム
材料中にアーム横断面の全域又は少なくとも外周域にわ
たってほぼ一様にプレストレスを生ぜしめる。このよう
な拡張部材によれば、クランクシャフトの特にき裂発生
のおそれのある危険な範囲が、重畳された圧縮プレスト
レスの作用を受ける。

拡張部材としては円すい形の円板を使うこともでき、こ
の円すい形の円板は軸線方向でフラットに圧縮する方向
で弾性的又は塑性的に変形されて半径方向での拡開を生
ずる。簡単な形としては円すい形の薄板円板であってよ
く、このような円板がクランク・アームの出口開口内へ
挿入され、機械的手段でフラットに圧縮される。別の可
能性としては、円すい円板を対をなして互いに逆向きに
配置し、軸線方向で互いに締結する。この場合、１組の
円板組を２つの隣り合う両方のクランク・アーム内に挿
入して締結することができるが、各１つの円板組を一方
のクランク・アーム範囲の各出口開口内へ挿入すること
も可能である。円板相互間の締結はねし区分を有するア
ンカーによって行なうか又は円すい円板を一体に結合し
ている中間スリーブを機械的又は油圧式に拡張すること
によって行なう。いずれにせよ円すい形又は湾曲形の円
板をフラットな形に拡開又は圧縮することによって円板
相互の締結がなされる。この場合各円手反は一方のクラ
ンク・アームにおけるクランク・ピンおよびクランク・
ジャーナルの出口開口内で一平面内に位置している必要
がある。

前述のクランク・アーム強化と組み合わせて、一実施態
様によれば、クランク・ジャーナル並びにクランク・ピ
ンの出口開口内の拡張部材以外に、クランク・アームの
ビン横断面の外側に位置する開口内に別の拡張部材が付
加的に挿入される。この場合やはり円形断面のスリーブ
又はピンの場合に適用されるが、はぼ円形又は長円形の
クランク・アームの場合、横断面が三角形又は三日月形
の拡張体であると特に有利である。軸線方向でプレス嵌
めするためにはこの拡張体が円すい形又は角すい形であ
るとよい。プレストレスを伴う挿入は、熱的な前処理の
後に、温度補償の際の嵌め合わされた部分の緊縮もしく
は伸長によって行なうこともできる。このような場合ク
ランク・アームの特に外周域に−様な応力分布を期する
必要がある。

別の有利な組合わせによれば、クランク・ジャーナルお
よびクランク・ピンの円筒区分内へスリーブの形の拡張
部材が挿入され、この拡張部材がクランク・ジャーナル
およびクランク・ピンの材料中に接線方向の引張りプレ
ストレスを生せしめる。なお、クランク・アーム内の開
口に挿入する既述の拡張部材もこのような作用を部分的
には有している。有利な実施Ｌ！様においてはピン用の
拡張部材として円筒状のスリーブが使われ、このスリー
ブは弾性限界を越えて塑性的に拡開される。

このようにして、わずかな材料消費並びに比較的安価な
材料にもかかわらず、ピン範囲における曲げ強度、座屈
強度並びにねしり強度の改善を果たすことができる。こ
の場合強調すべき点として、以上述べた詳細は例えば穴
あけされているか又は中空鋳造された一体構造のクラン
クシャフトにも当てはまることであり、個個の区分から
組み立てられるクランクシャフトのための特別な実施態
様によれば、ピン内に接線方向の引張り応力を生ぜしめ
る強化用のスリーブ部材が同時に差し嵌め合わせたピン
部材の結合のためのプレストレスをも生ぜしめることが
できる。

以上は、円すい円板がもっばらクランク・アーム範囲に
おける拡張部材として、また円筒スリーブがビン範囲に
おける有利な拡張部材としてそれぞれ使われる点につい
て述べたが、これら両方の部材共その使用を逆にするこ
とができ、つまり、ビン内へも個個の拡張可能な円板体
を挿入することができ、またクランク・アーム範囲にも
拡張可能なスリーブを挿入することができる。この場合
これらの円板体並びにスリーブはたんに油圧式にではな
く、例えば機械的な拡張手段によってもシャフト材料の
弾性変形に抗して塑性的に拡張させることができる。さ
らに、スリーブを付加的な円板体又は充てん材と組み合
わせることもでき、かくして円形の中空体範囲の非円形
の変形に対する付加的な強化が達成される。

シャフト材料の弾性変形に対処するスリーブの塑性的な
拡張が有利な製作法、それも外側に位置するほど高い降
伏点を有する材料を選ぶ必要のある製作法といえるのに
対して、遊びを有して嵌め合わされて調質される部材の
熱的な接合（緊縮、膨張）も製作法として適している。

また、プレス嵌めを生ずるための軸線方向の圧入も可能
である。

ピン範囲で分割されている個個の区分から組み立てられ
るクランクシャフトに特に用いることのできる拡張もし
くは緊張部材の有利な実施態様として、互いに結合され
ている段付きスリーブをあげることができる。この段突
きスリーブはピン内の貫通孔に挿入されると共にクラン
ク・アーム範囲の特に口径を減少された出口開口にも挿
入される。この場合クランク・ジャーナルとクランク・
ピンとが重なっている理由から、クランク・アームには
中心からずらした半円をなして多数の開口が形成されて
おり、これらの開口は個個の拡張可能なスリーブを挿入
することができる。半径方向の円板部分又は既述の円す
い円板によって中空のクランク・ピンの内部に閉ざされ
た室を形成することができ、有利な実施態様によればこ
の室に振動減衰材、例えばセラミック又はプラスチック
の粒材が充てんされる。

〔実施例〕

次に、図面に示した実施例に従って本発明を説明する； 第１図にはクランクシャフトの２つのクランク・アーム
１．２を含む区域が示されている。クランク・アーム１
．２はクランク・ビン３を介して互いに結合されていて
、中空のクランク・ジャーナル４．５へ続いている。ク
ランク・アームにはカウンター・ウェイト６．７が配置
されている。クランク・ビン３は互いに差し嵌められた
ビン突出片２３２４から構成されており、各ビン突出片
２３．２４は内部へ挿入された１つのスリーブ２６によ
って互いに結合され、プレストレスを受けている。この
スリーブ２６とは独立の円筒スリーブ２７．２８が貫通
孔ｌＯの出口２９．３０内へ挿入されており、これらの
円筒スリーブ２７．２８もスリーブ２６と同様に機械的
にか又は特に油圧式に拡張されている。クランク・ビン
３と同様の形式で中空のクランク・ジャーナル４．５も
互いに差し嵌められたビン突出片３３．３４；３５、３
６から構成されており、各ビン突出片内へ相互の結合の
ため並びにプレストレスをあたえるために各１つの拡張
されたスリーブ３９．４０が挿入されている。これらの
スリーブ３９．４０とは独立にクランク・アーム１，２
の範囲において貫通孔４８．４９内へ円筒スリーブ４１
．４２が挿入されており、これらの円筒スリーブ４１．
４２も油圧式か又は機械的に塑性変形されていてクラン
ク・アーム１．２の範囲にプレストレスを及ぼしている
。

第２図は第１図中のＡ−Ａ線に沿ったクランク・ジャー
ナル４の断面図である。クランク・ジャーナル４は前述
のようにビン突出片３３．３４から構成されていて、内
部に結合部材兼プレストレス部材としてのスリーブ３９
が挿入されている。クランク・アームｌが端面図で示さ
れており、中空のクランク・ビンの円形の出口開口２９
と並んで別の円形の出口開口５６．５７が見える。出口
開口５６．５７はスリーブ２７による出口開口２９と同
様にスリーブ５８゜５９により拡張されてプレストレス
をあたえられている。また、リブを形成する貫通しない
切欠きとしてか又は貫通孔５２．５３．５４．５５とし
ての構造がクランク・アームに施されており、その内部
に拡張部材としての成形片６０．６１．６２．６３が挿
入されている。

第３図には第１図中のＢ　−Ｂ　ｙＡに沿ってクランク
・ビン３が断面図で示されている。符号３０は出口開口
である。端面図で示されているクランク・アームｌ内に
は、スリーブ４２を存する貫通孔４９と並んで、拡張ス
リーブ６６、６７を有する２つの出口開口６４．６５も
設けられている。リブを形成する貫通してない切欠きと
してか又は貫通孔６Ｂ、　６９．７０゜７１が拡張部材
としての成形片７２．７３．７４．７５によってプレス
トレスをあたえられている。

第４図に示すクランクシャフトの場合、クランク・ビン
３はやはり互いに差し嵌められたビン突出部２３．２４
から構成されているが、第１図の実施例と異なって１つ
のスリーブ２５によって包囲されている。このスリーブ
２５は軸受性質を有する高強度の材料から成っていて、
この材料は同時に太きなプレストレス作用を受は止める
。クランク・ビンの貫通孔１０内には１つの段付きスリ
ーブ２６が挿入されており、この場合スリーブ２６はビ
ン突出部内へ嵌合した中間区分をこの中間区分に続いて
出口開口２９．３０内へ達する小さな直径のスリーブ区
分２７．２８とを有している。この段付きスリーブ２６
およびビン突出部２３を特に油圧によって塑性的に拡張
することによって、ビン突出部２４および軸受スリーブ
２５の材料中並びにクランク・アーム１．２の範囲に引
張りプレストレスが生ぜしめられる。

出口間口３０内に嵌まるスリーブ区分２８内には付加的
に円すい円板５０が挿入されており、この円すい円Ｆｉ
５０は例えば機械的な軸方向での圧縮による塑性変形に
よってプレストレスの支持並びに円筒孔の強化を生ずる
６段付きスリーブ２６によってそのスリーブ区分２７．
２８の周囲に環状の中空室３１．３２が形成され、これ
らの中空室３１．３２へ振動減衰性の材料を充てんする
ことができる。ジャーナル・ビン４．５もクランク・ビ
ン３と同じ形式でクランク・アーム１．２と一体のビン
突出片３３−３４．３５−３６の相互の差嵌めによって
構成され、軸受スリーブ３７．３８によって包囲されて
いる。貫通孔８，９内には段付きスリーブ３９．４０が
挿入されていて、図面ではクランク・アーム１．２の出
口開口４８．４９に嵌まるスリーブ区分４１．４２の詳
細が示されている。

スリーブ３９．４０並びにピン突出片３４．３５の塑性
的な拡張によって、ピン突出片相互の結合と同時にピン
突出片３３．３６内並びに軸受スリーブ３７．３８内に
プレストレスがあたえられ、クランク・アーム１、２内
にプレストレスがあたえられる。クランク・アーム２内
に位置するスリーブ区分４２内には一対の円すい円板４
３．４４が挿入されており、これらの円すい円板は結合
スリーブ４５を介して互いに一体に結合されている。こ
の結合スリーブ４５の機械的又は油圧式の拡張によって
円すい円板４３．４４のフラットな拡開、ひいてはスリ
ーブ区分４２のプレストレス並びに円筒孔の強化が生ぜ
しめられる。

段付きスリーブ３９．４０によって環状の中空室４６゜
４７が形成され、この内部には振動減衰性の材料を充て
んすることができる。

第５図に示されている一体構造のクランクシャフトの場
合、クランク・アーム１．２はクランク・ビン３を介し
て互いに結合されており、このクランク・アームにクラ
ンク・ジャーナル４．５の突出部が結合されている。ク
ランク・アームｌ、　２はクランク・ビン３とは反対側
にカウンターウェイト６．７を有している。クランク・
ジャーナル４．５は、クランク・アームの範囲において
口径を減少された貫通孔８，９を有している。クランク
・ビン３は段付きの貫通孔１０を有している。ジャーナ
ル４，５の出口開口４８．４９内には軸線方向で向きを
逆に対をなした円すい円板１５−１６．１７−１８が挿
入されている。クランク・ビン３の貫通開口ｌＯの出口
開口２９゜３０にも同様に円すい円板１１−１２．１３
−１４が挿入されている。円すい円板１１〜１２．１３
−１４には、各円板相互の締結のために逆の向きのねし
区分を有するねしロンド１９．２０が挿入されており、
貫通開口８．９における円すい円板１５−１６．１７−
１８の各円板は中空リベット２１．２２によって互いに
締結されている。

別の同様の部材を使うこともできる。開口端側へ向かっ
て口径を減少した貫通孔の形状は、鍛造によるクランク
シャフトの場合、例えばビン中心平面での突合わせ溶接
によってビン範囲でクランクシャフトの組立てを行なう
ことができる。

第４図および第５図の実施例においても図示の縦断平面
の外側においてクランク・アームの別の間口に拡張部材
を挿入して拡張させるが又は軸線方向でプレス嵌めする
ことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のクランクシャフトの部分の４断面図、
第２図は第１図中のＡ−Ａ線による横断面図、第３図中
は第１図中のＢ−Ｂ線による横断面図、第４図は第１図
の例とは異なる実施例のクランクシャフト部分の縦断面
図、第５図はさらに別の実施例のクランクシャフト部分
の縦断面図である。 １．２・・・クランク・アーム１ ３・・・クランク・ビン ４．５・・・クランク・ジャーナル ６．７・・・カウンターウェイト。 ８．９．１０・・・貫通孔。 １１、１２．１３．１４．１５．１６．１７．１８・・
・円すい円板。 １９．２０・・・ねしロンド ２１．２２・・・中空リヘント ２３．２４・・・ピン突出片 ２５・・・軸受スリーブ。 ２６・・・段付きスリーブ ２７　、２８・・・円筒区分 ２９．３０・・・出口開口１ ３１．３２・・・中空室 ３３．３４．３５．３６・・・ピン突出片３７．３８・
・・軸受スリーブ ３９．４０・・・段突きスリーブ ４１．４２・・・スリーブ。 ４３．４４・・・円すい円板 ４５・・・結合スリーブ ４６、４７・・・中空室 ４Ｂ、４９．５２，５３，５６．５７・・・出口開口。 ５４．５５・・・貫通孔。 ５８．５９・・・スリーブ ６０．６１，６２，６３．６８，６９，７０，７１６４
，６５，７２．７３・・・出口開口６６．６７・・・ス
リーブ ７４　、７５・・・貫通孔。 ・・・成形体。 （ほか３名） 呆 図 第 図 第 図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、クランク・アーム内へ開口した貫通孔を有する中空
   のクランクシャフトにおいて、 クランク・アーム（１、２）内において、その横断面に
   わたって分配された拡張部材（２７、２８、４１、４２
   、５８、５９、６０、６１、６６、６７、７２、７３）
   が、クランク・ジャーナル（４、５）およびクランク・
   ピン（３）の範囲の開口（２９、３０、４８、４９、５
   ２、５３、５６、５７、６４、６５、６８、６９）内に
   挿入されており、拡張部材はクランク・アームの材料中
   に残留プレストレスを生ぜしめ、かつ持続させることを
   特徴とする、クランクシャフト ２、クランク・アーム（１、２）内において、拡張部材
   （６２、６３、７４、７５）がピン横断面の外側の開口
   （５４、５５、７０、７１）内に挿入されており、拡張
   部材はクランク・アームの材料中に残留プレストレスを
   生ぜしめ、かつ保っている、請求項１記載のクランクシ
   ャフト ３、拡張部材が、クランク・ジャーナル（４、５）およ
   びクランク・ピン（３）の両方の内少なくとも一方の開
   口（８、９、１０）内に挿入されていて、クランク・ジ
   ャーナルの材料中に残留プレストレスを生ぜしめ、かつ
   保っている、請求項１又は２記載のクランクシャフト ４、クランク・アーム（１、２）内の拡張部材として円
   筒状のスリーブ（２７、２８；４１、４２；５８、５９
   、６６、６７）が設けられており、これらのスリーブは
   弾性限界を越えて塑性的に半径方向で拡張されている、
   請求項１又は２記載のクランクシャフト ５、クランク・アーム内の拡張部材として、横断面が円
   形、三日月形又は三角形であって縦方向で円すい形又は
   角すい形の形体の成形体が、不変のプレストレスのもと
   に挿入又は圧入されている、請求項４記載のクランクシ
   ャフト ６、クランク・アーム（１、２）内の拡張部材として円
   すい形の円板（１１−１２、１３−１４、１５−１６、
   １７−１８、４３−４４）が設けられており、これらの
   円板は弾性変形又は塑性変形によって平らな円板形を呈
   するように半径方向で拡大されている、請求項４記載の
   クランクシャフト ７、円すい形の円板（１１−１２、１３−１４、１５−
   １６、１７−１８、４３−４４）が逆向きに対をなして
   配置されていて、各円板組が中央部において互いに軸線
   方向で締結されている、請求項６記載のクランクシャフ
   ト ８、円すい形の円板（１１−１２、１３−１４）が軸線
   方向でアンカー（１９、２０）又は中空リベット（２１
   、２２）によって互いに締結されている、請求項７記載
   のクランクシャフト ９、円すい形の円板（４３−４４）が一体成形されて拡
   張された結合スリーブ（４５）によって軸線方向で互い
   に締結されている、請求項７記載のクランクシャフト １０、クランク・ジャーナル（４、５）内およびクラン
   ク・ピン（３）内の両方の内少なくとも一方の拡張部材
   として円筒スリーブ（２６、３９、４０）が使われてお
   り、この円筒スリーブは弾性限界を越えて変形されてい
   る、請求項３記載のクランクシフト １１、クランクシフトが、一体の鍛造品又は鋳造品とし
   て構成されている、請求項１から１０までのいずれか１
   項記載のクランクシャフト １２、クランクシャフトが、クランク・ピン（３）およ
   びクランク・ジャーナル（４、５）の両方の内少なくと
   も一方の範囲で突合わせ溶接された個個の鍛造区分から
   構成されている、請求項１から１０までのいずれか１項
   記載のクランクシャフト１３、クランクシャフトが、互
   いに差し嵌められて締結されているか又は溶接されてい
   る複数のピン部分から成るクランク・ピン（３）および
   クランク・ジャーナル（４、５）の両方の内少なくとも
   一方を備えた個個の区分から構成されている、請求項１
   から１０までのいずれか１項記載のクランクシャフト １４、クランク・アーム（１、２）内の拡張部材として
   役立てられる円筒スリーブ（２７、２８；４１、４２）
   がスリーブ区分（２６；３９；４０）と一体に構成され
   ており、スリーブ区分（２６、３９、４０）はクランク
   ・ピン（３）およびクランク・ジャーナル（４、５）の
   ための拡張部材並びに締結部材として使われている、請
   求項１から１３までのいずれか１項記載のクランクシャ
   フト １５、互いに差し嵌められたクランク・ジャーナル（４
   、５）用の拡張兼締結部材が、直径の大きな中間のスリ
   ーブ（３９、４０）とこのスリーブの両端に同軸的に接
   続される直径の小さなスリーブ（４１；４２）とから成
   っている、請求項１から１４までのいずれか１項記載の
   クランクシャフト １６、クランク・アーム（１、２）内の、拡張兼締結部
   材によって形成された中空室（３１、３２、４６、４７
   ）にセラミック又はプラスチックから成る粒体のような
   振動減衰材が充てんされている、請求項１から１５まで
   のいずれか１項記載のクランクシャフト １７、請求項１から１６までのいずれか１項記載のクラ
   ンクシャフトの製造法において、拡張部材を油圧による
   内部圧によって拡張することを特徴とする、クランクシ
   ャフトの製造法。 １８、請求項１から１６までのいずれか１項記載のクラ
   ンクシャフトの製造法において、拡張部材を機械的手段
   によって拡張又は拡開することを特徴とする、クランク
   シャフトの製造法。 １９、請求項１から１６までのいずれか１項記載のクラ
   ンクシャフトの製造法において、拡張部材に過冷を施し
   て組付け前のクランク・アームに加熱を施すか又はその
   いずれかに処理し、互いの差嵌めの後に温度補償を施す
   ことを特徴とする、クランクシャフトの製造法。 ２０、請求項１から１６までのいずれか１項記載のクラ
   ンクシャフトの製造法において、オーバーサイズの拡張
   部材を軸線方向でプレス嵌めすることを特徴とする、ク
   ランクシャフトの製造法。