JPS61252912A - エンジンのクランクシヤフト軸受構造 - Google Patents

エンジンのクランクシヤフト軸受構造

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JPS61252912A
JPS61252912A JP9267385A JP9267385A JPS61252912A JP S61252912 A JPS61252912 A JP S61252912A JP 9267385 A JP9267385 A JP 9267385A JP 9267385 A JP9267385 A JP 9267385A JP S61252912 A JPS61252912 A JP S61252912A
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JP
Japan
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crankshaft
bearing
thermal expansion
metal
cast iron
Prior art date
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Application number
JP9267385A
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English (en)
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Takeshi Okazaki
健 岡崎
Kazuo Sato
和雄 佐藤
Yasushi Asai
裕史 浅井
Katsunori Hanakawa
勝則 花川
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Mazda Motor Corp
Original Assignee
Mazda Motor Corp
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Publication date
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02FCYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F7/00Casings, e.g. crankcases or frames
    • F02F7/0043Arrangements of mechanical drive elements
    • F02F7/0053Crankshaft bearings fitted in the crankcase
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05CINDEXING SCHEME RELATING TO MATERIALS, MATERIAL PROPERTIES OR MATERIAL CHARACTERISTICS FOR MACHINES, ENGINES OR PUMPS OTHER THAN NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES
    • F05C2201/00Metals
    • F05C2201/02Light metals
    • F05C2201/021Aluminium
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05CINDEXING SCHEME RELATING TO MATERIALS, MATERIAL PROPERTIES OR MATERIAL CHARACTERISTICS FOR MACHINES, ENGINES OR PUMPS OTHER THAN NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES
    • F05C2201/00Metals
    • F05C2201/04Heavy metals
    • F05C2201/0433Iron group; Ferrous alloys, e.g. steel
    • F05C2201/0436Iron
    • F05C2201/0439Cast iron
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05CINDEXING SCHEME RELATING TO MATERIALS, MATERIAL PROPERTIES OR MATERIAL CHARACTERISTICS FOR MACHINES, ENGINES OR PUMPS OTHER THAN NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES
    • F05C2251/00Material properties
    • F05C2251/04Thermal properties
    • F05C2251/042Expansivity

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Shafts, Cranks, Connecting Bars, And Related Bearings (AREA)

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、A2合金製の軸受部に鋳鉄製のクランクシャ
フトが支承されたクランクシャフト軸受構造の改良に関
するものである。
(従来の技術) 近年においては、燃費改善の観点から、自動車の軽量化
に対する要求は益々厳しくなっており、中でも重量構成
上高い比率を占めるシリンダーブロックを鋳鉄からA1
合金等の軽量材料へ転換することが重要な課題となって
きている。ところが、軽合金は従来の鋳鉄に較べ熱膨張
が大きいので、従来の鋼製あるいは鋳鉄製クランクシャ
フトを軽合金製のシリンダブロックに組付けた場合には
、温間時にメタルクリアランスが過大となり、振動騒音
が著しく悪化するという問題が生じる。
そこで、例えば実開昭53−41508号公報に記載さ
れているように、軽合金製のシリンダブロック本体に鋳
鉄製の軸受を鋳ぐるみ、これによって鋳鉄製のクランク
シャフトとの間の熱膨張率の差を無くすることが考えら
れる。
(発明が解決しようとする問題点) しかしながら、このように柱台金製のシリンダブロック
に鋳鉄製の軸受を鋳包んだものにあっては、それら両者
間の接合強度に信頼性がないという問題点があり、更に
は、かかる鋳鉄の使用は重量の増加につながり、軽量化
の要請に反するという問題点がある。なお、熱膨張率の
大きな軽合金材料であるAf、Mg等を用いてクランク
シャフトを製造することが考えられるが、これらの材料
は強度、耐摩耗性および剛性の点で著しく劣っているの
で、クランクシャフトへの適用は困難である。また、鋼
ではNiを多量に含んだオーステナイト系ステンレス鋼
が考えられるが、焼入れ硬化が不可能なため強度、およ
び耐摩耗性が不足するとともに、非常にコスト高となる
ので不適当である。更に、鋳鉄においては、高N1のオ
ーステナイト系ダクタイル鋳鉄が考えられるが、強度お
よび硬度が低く、折損、メタル焼付きが生ずるのでやは
り不適当である。
本発明の目的は、このような問題点を解決したクランク
シャフトの軸受構造を提供することにある。
(問題点を解決するための手段) そのために本発明の軸受構造は、重量パーセントで、2
.6〜4.0%のC,1,5〜3.5%のSi。
0、2〜1.0%のMn、および0.005〜0.08
%のMgを含有し、残留オーステナイト量が30〜50
容量パーセントとなるようにオーステンパー処理された
球状黒鉛鋳鉄から形成されたクランクシャフトと、熱膨
張率が17〜22 X 10−’/lのA1合金から形
成された軸受部とを有し、前記クランクシャフトが前記
軸受部に支承されて成ることを特徴とするものである。
詳゛述するに、鋳鉄製のクランクシャフトとAA合金製
のシリンダブロック軸受との組み合せから成る軸受部に
おいては、メタルの焼付きおよびエンジンの振動騒音の
面から、それら両部材のメタルクリアランスを10〜6
0μの範囲内に維持する必要がある。これは、10μ未
満のクリアランスでは、メタルの焼付きが生じてしまい
、また60μを越えるクリアランスではクランクシャフ
トの偏心回転等による振動、騒音が無視し得ない程に顕
著になるからである。本発明者は、かかる範囲にメタル
クリアランスを維持し、しかもクランクシャフトにおい
てはそれに要求される疲労強度および耐メタル焼付性を
満足させるために、次のような材料によりクランクシャ
フトおよびシリンダブロックの軸受部を製造すれば良い
ことを見い出した。
クランクシャフト すなわち、クランクシャフトは、第1表に示す成分から
成り、残留オーステナイト量が30〜50容量%となる
ようにオーステンパー処理された球状黒鉛鋳鉄から製造
する。ここに、残留オーステナイト量は、鋳鉄の熱膨張
係数、疲労強度および硬度に影響を与えるものである。
この残留量が30容量%未満では熱膨張量が小さく、A
11合金製の軸受と組合せた場合に、そのメタルクリア
ランスを10〜60μの範囲内に維持することが困難で
ある。また、この残留量が50容量%を越えると、疲労
強度および硬度が低下し、クランクシャフトとして用い
るのには不適当になる。なお1、残留オーステナイト量
が30〜50容量%のものは約16.5 X l O−
6/l〜1 g、 5 X 10−6/lの熱膨張率を
示す。
また、鋳鉄の組成は上述したように第1表に示しである
が、このうち、Mo、Cu、Niは必要に応じて添加さ
れるものである。第1表に示すように、Cは2.6〜4
.0重量%の範囲が好適であり、2.6重量%未満では
鋳造性が悪化し健全な製品の製造が困難となり、4.0
重量%を越えると、ドロスが発生し易く、強度耐摩耗性
が低下するので好ましくない。Siは1.5〜3.5重
量%の範囲が好適であり、これ以外の範囲では鋳造性が
悪化するので好ましくない。Mnは0.20〜1.0重
量%の範囲が好適であり、0.2重量%未満では焼入性
を減じ、パーライトの析出によって熱膨張量が小さくな
るので不適当であり、1.0重量%を越えると炭化物が
晶出し易くなり、疲労強度特性を悪化させるので好まし
くない。Mgは、黒鉛を球状化させるために、0.00
5〜0.08重重景の範囲が好適である。また、必要に
応じて添加されるMoは、焼入性を増し、疲労強度を向
上させ、クランクシャフト全体を均一なオーステナイト
/黒鉛球状鋳鉄の組織となす効果を有し、適正な熱膨張
を得るために好適である。このMoの添加量は、0.0
3〜0.40重量%が好適であり、0.03重量%未満
では上記の効果が得られず、0.40重量%を越えると
、粒界に炭化物として偏析し、疲労強度が低下するので
好ましくない。同じく必要に応じて添加するCuは、焼
入性を向上させ、さらに残留オーステナイトの生成を促
進させるに効果がある。添加量は0.60〜1.50重
量%が好適であり、0.6重量%未満では上記の効果な
く、熱膨張率が減少してしまい、1.5重世%を越える
と、球状化を阻害し機械的性質を損なうので好ましくな
い。・同じく必要に応じて添加するNiは、上記のCu
と同様の効果を有し、製造されるクランクシャフトの肉
厚に応じて添加するのが好適であるが、1.5重量%を
越えると上記の効果の増進は期待できずコスト高になる
ので、1.5重量%以下が好ましく、更には0.30〜
1.50重量%が好ましい。
次に、上記組成の鋳鉄をオーステンパー処理して残留オ
ーステナイト量を30〜50容量%とするための処理条
件としては、次のようなものが好ましい。すなわち、オ
ーステナイト化温度およびその時間は、それぞれ800
〜950℃および4時間以内が好ましく、それに続く恒
温保持温度および時間はそれぞれ350〜420℃およ
び15分以上3時間以下が好ましい。詳述するに、上記
オーステナイト化温度は高いほど熱膨張量が大となるが
、950℃を越えると、結晶粒が粗大化し疲労強度を低
下させるので好ましくなく、また800℃未満では均一
なオーステナイト化が達成できないので不適当である。
また、オーステナイト化時間は、4時間を越えると結晶
粒が粗大化するので好ましくない。上記恒温保持温度は
、350℃未満では残留オーステナイト量が減り熱膨張
量が減少してしまい、420℃を越えるとトルースタイ
トの析出により熱膨張量がやはり減少するので好ましく
ない。また、恒温保持時間は、15分未満では常温で残
留オーステナイトがマルテンサイトに変態し、熱膨張量
を減少するとともに疲労強度が低下してしまい、3時間
を越えると残留オーステナイトの分解が始まり熱膨張量
がやはり減少するので好ましくない。
シリンダブロックの軸受部 シリンダブロックの軸受部を製造するために用いるAi
!合金は、実用温度範囲に右いて、上記のように製造さ
れたクランクシャフトとの間に好適なメタルクリアラン
スを維持できるように、その熱膨張率を17〜22 X
 10−6/l:の範囲にするのが好ましい。これより
も小さな熱膨張率では、メタルの焼付きがひどくなり、
これよりも大きな範囲では、振動および騒音が激しくな
るので好ましくない。
なお、AA金合金熱膨張率および耐摩耗性はSlの含有
量を変化させることにより、変えることが可能である。
しかるに、Siの含有量が増加すると鋳造性が悪化する
傾向があるので、実用上としては、例えばSiを18〜
20重量%含む、61f合金を用いることができる。
軸受メタル 次に、上記のように製造されるクランクシャフトとシリ
ンダブロック軸受部との間には軸受メタルが介在するが
、この軸受メタルのメタルクリアランスに及ぼす影響に
ついて説明する。この軸受メタルは、通常厚さが例えば
2mmというように薄く、高い爆発荷重でシリンダブロ
ック側に押しつけられるので、この軸受メタルの熱膨張
はほとんど問題にならない。しかし、より信頼性を高め
るためには、シリンダーブロックの軸受と同一か、また
はクランクシャフトと、シリンダーブロック軸受の中間
の熱膨張率を有する材料で軸受メタルを製造することが
好ましい。すなわち、裏金として(高強度)アルミ合金
、オーステナイト系ステンレス鋼など用いることが可能
である。さらに、メタル材料を直接溶射などの手段を用
いてシリンダーブロックの軸受内周壁面に接着すること
も可能である。
(実施例) 第2表に示す条件に従って、本発明によるクランクシャ
フトAおよび従来構成のクランクシャフトCを製造した
。次に、シリンダブロックの軸受部を本発明に従って、
A1合金により2種類製造した。このうち、一方の軸受
部aはSiを10%含む月5ADCIO(熱膨張率21
 X 10−6/l)から製造し、他の軸受部すは、S
iを17%含むアルミ合金材料(熱膨張率17 X 1
0−’/l)から製造した。
第1図は、これら各部材の熱膨張量を示すグラフである
次に、これらの軸受部a、bをそれぞれ上記のクランク
シャツ)AおよびCと組み合わせて、第2図に示すよう
な軸受部を構成し、メタルクリアランスを算出した。第
3図は、この結果を示すグラフである。ここで、組付は
時のメタルクリアランスは30μに設定した。
図から明らかなように、従来のクランクシャフトCとシ
リンダブロック軸受部a、bと組み合わせた場合(破線
I、II)においては、高温側でのメタルクリアランス
が使用限界である60μを超え、低温側ではメタル焼付
限界の10μよりも小さくなる。これに対して、本発明
による軸受構造、すなわち(A、a)あるいは(A、b
)の組み合わせにおいては、それぞれ実線■、■で示す
ように、実用温度範囲である一30℃〜130℃におい
てメタルクリアランスは10〜60μの範囲内に維持さ
れている。
次に、第3表に示す条件の下に、軸受部の騒音およびメ
タル焼付き状態を調べた。この結果、本発明の構成によ
る(ハ)の場合には、焼付きもなく、また騒音レベルも
許容範囲内であった。これに対して他の二側(イ)、(
ロ)はいずれか一方を満すのみであった。
(発明の効果) 以上説明したように、本発明によれば、第1表に示す組
成のダクタイル鋳鉄をオーステンパー処理して残留オー
ステナイト量が30〜50重量%のクランクシャフトを
製造し、このクランクシャフトと、熱膨張率が17〜2
1 X 10−6/lのA1合金から製造したシリンダ
ブロック軸受部とにより、エンジンのクランクシャフト
軸受構造を構成したので、実用温度範囲においてメタル
クリアランスを所定値以下に保持することができ、軸受
の焼付きを防止できると共に、騒音を所定レベル以下に
抑えることができる。従って、本発明によれば、実用上
の障害を供うことなく/1合金製のシリンダブロックと
鋳鉄製のクランクシャフトとを組み合わせることができ
る。
【図面の簡単な説明】
第1図は各部材の熱膨張量を示す特性線図、第2図はク
ランクシャフト軸受構造を示す断面図、第3図はメタル
クリアランスを示す特性線図である。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 重量パーセントで、2.6〜4.0%のC、1.5〜3
    .5%のSi、0.2〜1.0%のMn、および0.0
    5〜0.08%のMgを含有し、残留オーステナイト量
    が30〜50容量パーセントとなるようにオーステンパ
    ー処理された球状黒鉛鋳鉄から形成されたクランクシャ
    フトと、 熱膨張率が17〜22×10^−^6/℃のAl合金か
    ら形成された軸受部とを有し、 前記クランクシャフトが前記軸受部に支承されて成るエ
    ンジンのクランクシャフト軸受構造。
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