JPWO2005090801A1 - クランクシャフト及びその製法 - Google Patents

Abstract

【課題】必要強度を確保しながら軽量化を達成し、併せて、製作及び組付けコストも顕著に低減させ得る、新規な構造を備えたクランクシャフトとその製法を提供する。【解決手段】夫々の軸線を段違い状に配置したジャーナルとピンとを、アームを介して連結させた構造を備えるクランクシャフトに於いて、 夫々別体に作った、ジャーナルとアームには、夫々の軸端に連結軸が延設されており、これ等の連結軸が、別体に作ったアームに設けた嵌込用軸孔に、焼きバメ等の嵌合手段により嵌着されていることを特徴とする。 連結軸の外周面、及び嵌込用軸孔の内周面は円錐面に形成し、又、ジャーナル及びピンは中空軸状に形成するとよい。 更に、素材として、アルミニウム合金乃至はチタン合金を用いてもよい。 アームは、熱間鍛造、熱間コイニング、及びトリミングの各工程を経て作られることも特徴とする。【選択図】図２

Description

本発明は、自動車エンジン等に使われる、新規な構造を備えたクランクシャフト及びその製法に関する。

自動車エンジン等用のクランクシャフトは、小型のものは鋳型を用いた鋳造法で作られる場合もある。 鋳造法によれば、この技法の特性からして、部分的に中空構造にして軽量化を図ることも出来る。

然し、より高い強度特性を求められる多くのクランクシャフトは、鍛造型を用いた鍛造法によって作られる。 その場合、クランクシャフトの構成部材である、ジャーナル（主軸）、ピン、及びアームの三者は、一体化された形態で鍛造される。

この様に、一体構造に作られているクランクシャフトでは、ジャーナルを支持する軸受、及びエンジンシリンダにその一端側を連結されるコンロッドの、他端側に設けた軸受は、軸周り方向に二分割構造とせざるを得なかった。

上記の様に一体構造を備えたクランクシャフトを、鍛造型を用いて製作する場合には、アームの部分が不定形なので、型の成形面の各所に抜き勾配を設ける必要がある。 又、バリ取り等の為の切削仕上げ加工も必要になる。

ところが、型に抜き勾配を設けると、その分、成形品の肉厚が薄くなる部分が生じて、クランクシャフト全体の強度低下を招くことになる。 そこで、この強度低下分を補う為に、アーム部分全体の肉厚を増すことを余儀なくされて、その分、製品が重くなってしまう。 自動車部品の重量増加は、燃費の悪化に繋ながる。

そして、ジャーナルを支持する軸受、及びピンに軸嵌させるコンロッド側の軸受を、夫々二分割構造にすることによって、軸と軸受との滑り面の摺動抵抗が増して円滑な回転が妨げられ、自動車エンジンの場合は、走行性能や燃費の悪化を招くことになる。 更には、軸受の組立構造が複雑化する分、製作費、組立コスト、重量が増すことにもなる。

そこで、本発明の目的は、必要強度を確保しながら軽量化を達成出来、併せて、製作コストも顕著に低減させ、更には、軸受部分での回転動をより円滑にすることの出来る、新規な構造を備えたクランクシャフトとその製法を提供するにある。

上記の目的を達成する為の、本発明によるクランクシャフトは、 夫々の軸線を段違い状に配置したジャーナルとピンとを、アームを介して連結させた構造を備えるクランクシャフトに於いて、 夫々別体に作られた、ジャーナルとピンには、夫々の軸端に連結軸が延設されており、これ等の連結軸が、別体に作られたアームに設けた嵌込用軸孔に、嵌合手段により嵌着されていることを特徴とする。 そして、連結軸は、焼きバメ又は冷やしバメにより、嵌込用軸孔に挿嵌状態で固着させるとよい。 又、連結軸の外周面、及び嵌込用軸孔の内周面は、密嵌状態で嵌まり合う円錐面に形成し、ジャーナル及びピンは、中空軸状に形成されていることも特徴とする。 更に、連結軸とアームとを、これ等両者の当接個所に於いて、溶接手段により連結・合体させてもよい。 或いは、クランクシャフトの素材として、アルミニウム合金乃至はチタン合金を用いてもよい。

そして、本発明によるクランクシャフトの製法は、 夫々の軸線を段違い状に配置したジャーナルとピンとを、アームを介して連結させた構造を備えるクランクシャフトに於いて、 クランクシャフトは、ジャーナル、ピン、及びアームの夫々を別個に作ったうえ、これ等を互いに連結させる方法で組立てられ、アームは、熱間鍛造、熱間コイニング、及びトリミングの各工程を経て作られることを特徴とする。 又、ジャーナル、ピン、及びアームの夫々を、クランクシャフトの形態に連結・合体させるに先立って、ジャーナルには、その支持用のリング状の軸受を、ピンには、シリンダに連なるコンロッドのリング状の軸受を、夫々の軸端から外挿させる工程を付加させることも特徴とする。

本発明によるクランクシャフト及び製法は、鍛造により一体構造に作られる従来技術に比べて、以下に列挙した如き優れた長所を備えている。 （ａ）クランクシャフトの全体を一体に成形する為の、複雑な形状を備えた高価な鍛造型が不用になる。 （ｂ）夫々別個に作った、ジャーナル、ピン、及びアームから、クランクシャフトを組立てるので、鍛造型は、アーム成形用のものだけで足りる。 （ｃ）従って、鍛造型の製作費も顕著に節減出来、又、抜き勾配を設けることに由来する、製品重量の増加の問題も大幅に軽減する。 （ｄ）更には、クランクシャフトの設計変更がより容易になる。例えば、エンジンの気筒数が変わっても、鍛造型の変更等を要しないので、製作コストの目立った上昇を伴わずに、容易に対応出来る。 （ｅ）中空軸状のジャーナル及びピンは、その素材としてパイプ材を使えるので、その分、成形加工費の大幅節減と、軽量化を達成出来る。 （ｆ）ジャーナル及びピンの中空部は、ジャーナル及びピンへの潤滑油の供給路としても役立つ。 （ｇ）クランクシャフトの組立作業は、アームに設けた嵌込用軸孔に、ジャーナル及びピンの各軸端に延設した連結軸を、焼きバメ又は冷やしバメするだけなので、簡単・迅速、且つ、正確に行える。 （ｈ）構造上の特徴からして、クランクシャフトの素材は、従来の鍛造クランクシャフトに用いる鉄に比べて、遙かに比重が小さいにも拘わらず、耐摩耗性に優れたアルミニウム合金乃至はチタン合金を用いることが可能になり、製品重量を更に顕著に軽減出来ると共に、エンジンのレスポンス特性を格段に向上させることが可能になる。 （ｉ）クランクシャフトを円滑に回転させる為のバランサーとしての役割も果たすアームは、熱間鍛造、熱間コイニング、及びトリミングの各工程を経て作ることによって、高い寸法精度のものを、能率的に量産出来る。 （ｊ）ジャーナル、ピン、及びアームを、クランクシャフトの形態に連結・合体させるに先立って、ジャーナルには、その支持用のリング状の軸受を、ピンには、コンロッドのリング状の軸受を、夫々の軸端から外挿させることが出来る。 （ｋ）その為、従来技術では使わざるを得なかった二分構造のすべり軸受に替えて、リング状のころがり軸受又はすべり軸受を使える様になる。 （ｌ）その分、クランクシャフトのより円滑な回転、製作費の節減、軽量化等が可能になる。 （ｎ）、然も、クランクシャフトを円滑に回転させる為に必要な高い寸法精度を容易に得られるので、クランクシャフトのバランス取り作業を簡略化しても、乃至は行わなくても均質の良品を量産出来る。 （ｍ）総じて言えば、従来技術に比べて、クランクシャフトの製作費の大幅節減と、顕著な軽量化を達成出来る。

以下に、本発明の具体的な構成に就いて、図１〜図４を参照しながら説明する。 図１は、自動車エンジン用の、一般的な形態を備えたクランクシャフトＡの部分斜視図である。 図２は、本発明によるクランクシャフトの模式的な構成を示した、部分破断正面図であり、図３は、図２の右端側の側面視図である。 そして、図４は、ピンの全体形状を例示した斜視図である。

クランクシャフトの基本的な構成は、図１及び図２に示した様に、夫々の軸線を段違い状に配置したジャーナル（主軸）１と、ピン２とを、アーム３を介して連結させた形態を備えている。

尚、アーム３には、クランクシャフトの回転を円滑にする為のバランサー部分３ａを一体に形成させているが、図１と図２とでは、アーム３の全体形状が、このバランサー部分３ａも含めて幾分相異している。

次に、本発明によるクランクシャフトの特長的な構成に就いて、図２〜図４を参照しながら説明する。

その主たる特長は、従来技術の様に、クランクシャフト全体を、鍛造法により一体に成形するのではなくて、クランクシャフトの構成要素である、各複数のジャーナル１、ピン２、及びアーム３の夫々を、個々に独立部品として製作したうえ、これ等複数の部品を、嵌合技術によって、クランクシャフトの形態に連結合体させたところにある。

その為に、独立部品としてのジャーナル１及びピン２には、夫々の両軸端又は一方の軸端に、連結軸４，５を突設している。 一方、独立部品としてのアーム３には、連結軸４，５を緊密に嵌合させる為の嵌込用軸孔６，７を設けている。

そして、連結軸４，５の外周面と、嵌込用軸孔６，７の内周面は、互いに緊密に嵌まり合う円錐面に形成している。 図では、円錐面であることを認視し易い様に、そのテーパー角度を誇張して描いているが、実際には、図示の角度よりは緩やかである。

アーム３は、熱間鍛造法によって作られている。 クランクシャフトを円滑に回転させる為には、アーム３の各部位の寸法精度を極力高める必要がある。 そこで、熱間鍛造後、直ちに熱間コイニング（圧印加工）を施したうえ、トリミンング加工を行っている。 熱間鍛造の直後のワークを、密閉型に納めてプレスする圧印加工を施せば、型の形成面の凹凸形状を、能率的に正確に転写することが出来る。

本発明によるクランクシャフトの付随的な特長は、ジャーナル１及びピン２を中空軸状に形成して、中空部ａを設けることにより、軽量化を図ったところにある。 夫々の軸端に連結軸４，５を一体に延設した形態を備えた、中空軸状のジャーナル１及びピン２は、素材としてパイプ材を使えるので、所要の高い寸法精度を確保しながら、簡単・迅速に量産出来る。

上記の如くして量産された、ジャーナル１、ピン２、及びアーム３を、クランクシャフトの形態に組上げる方法として、この実施例では、鉄道車両の車輪のボス部分に、タイヤ部分を焼きバメするのと同様の、作業能率の点でも優れた焼きバメ技術を用いている。

即ち、所定温度に迄加熱して、予め、拡径させて置いたアーム３の嵌込用軸孔６，７に、ジャーナル１及びピン２の連結軸４，５を挿嵌させたうえ、アーム３を冷却させれば、ジャーナル１、ピン２、及びアーム３の三者は、必要とする結合強度が確保された状態で強固に合体される。 焼きバメに替えて、冷やしバメ等の周知の別の嵌合技術を用いてもよい。

然し、大型のクランクシャフトであれば、連結軸４，５と嵌込用軸孔６，７との嵌着による結合強度が、単に、嵌合手段に依存するだけでは、必要とするレベルに達しないことも起こり得る。 その場合には、図２に示した様に、連結軸４，５とアーム３とが当接している部分に溶接を施して、溶接個所ｂを設けるとよい。

更に、本発明によれば、冒頭に記した従来技術の様に、クランクシャフトが一体構造に作られている為に、ジャーナルを支持する軸受、及びピンに軸嵌させるコンロッド側の軸受を、軸周り方向に二分割構造にせざるを得なかった不都合も解消させることが出来る。

と言うのは、本発明のクランクシャフトは、既述の様に、ジャーナル１、ピン２、及びアーム３の夫々を、別個に作ったうえで、これ等三者を嵌合手段によって、クランクシャフトの形態に連結・合体させている。

その為、上記の連結・合体作業に先立って、ジャーナル１には、その支持用のリング状の軸受（図示略）を、その軸端から外挿させ、ピン２には、シリンダに連結されるコンロッドのリング状の軸受（図示略）を、その軸端から外挿させることが出来る。

従って、従来技術の様に、軸周り方向に二分割構造とした為に、製作や組立が面倒で、重量も増す欠点のある軸受を、あえて使う必要が無くなる。 リング状の軸受は、その内周面（滑り面）に分割ラインが存在しないので、その分、摺動抵抗も少なく、クランクシャフトを、より円滑に回転させることが出来る。 そして、ボールベアリングやローラーベアリングも組込み易くなる。

上記実施例では、クランクシャフトの素材として鉄（鋼）を用いている
。 然し、鉄に代えて、アルミニウム合金乃至はチタン合金を用いることも出来る。その場合も、アーム３は、鍛造法によって製作する。 これ等の金属は、鉄に比べて遙かに比重が小さいにも拘わらず、耐摩耗性が優れているので、所要の耐久性を確保しながら、クランクシャフトの重量を更に顕著に軽減させることが出来る。

クランクシャフトの形状例を示した図であって、自動車エンジン用のクランクシャフトの部分斜視図である。 本発明の一実施例としてのクランクシャフトを、部分的に破断して模式的に示した部分正面図である。 同上、図２の右側の端面視図である。 同上、その軸端に連結軸を一体に延設したピンの斜視図である。

【発明の名称】クランクシャフトの製法

【０００１】
【技術分野】
［０００１］本発明は、自動車のエンジンに使われる、クランクシャフトの製法に関する
ものである。
【背景技術】
［０００２］自動車エンジン用のクランクシャフトは、小型のものは鋳型を用いた鋳造法
で作られる場合もある。鋳造法によれば、この技法の特性からして、部分的に中空構造に
して軽量化を図ることも出来る。
［０００３］然し、より高い強度特性を求められる多くのクランクシャフトは、鍛造型を
用いた鍛造法によって作られる。その場合、クランクシャフトの構成部材である、ジャー
ナル（主軸）、ピン、及びアームの三者は、一体化された形態で鍛造される。
［０００４］この様に、一体構造に作られているクランクシャフトでは、ジャーナルを支
持する軸受、及びエンジンシリンダにその一端側を連結されるコンロッドの、他端側に設
けた軸受は、軸周り方向に二分割構造とせざるを得なかった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
［０００５］上記の様に一体構造を備えたクランクシャフトを、鍛造型を用いて製作する
場合には、アームの部分が不定形なので、型の成形面の各所に抜き勾配を設ける必要があ
る。又、バリ取り等の為の切削仕上げ加工も必要になる。
［０００６］ところが、型に抜き勾配を設けると、その分、成形品の肉厚が薄くなる部分
が生じて、クランクシャフト全体の強度低下を招くことになる。そこで、この強度低下分
を補う為に、アーム部分全体の肉厚を増すことを余儀なくされて、その分、製品が重くな
ってしまう。自動車部品の重量増加は、燃費の悪化に繋ながる。
［０００７］そして、ジャーナルを支持する軸受、及びピンに軸嵌させるコンロッド側の
軸受を、夫々二分割構造にすることによって、軸と軸受との滑り面の摺動抵抗が増して円
滑な回転が妨げられ、自動車エンジンの場合は、走行性能や燃費の悪化を招くことになる
。


１

【０００３】
に比べて、以下に列挙した如き優れた長所を備えている。（ａ）クランクシャフトの全体
を一体に成形する為の、複雑な形状を備えた高価な鍛造型が不用になる。（ｂ）夫々別個
に作った、ジャーナル、ピン、及びアームから、クランクシャフトを組立てるので、鍛造
型は、アーム成形用のものだけで足りる。（ｃ）従って、鍛造型の製作費も顕著に節減出
来、又、抜き勾配を設けることに由来する、製品重量の増加の問題も大幅に軽減する。（
ｄ）更には、クランクシャフトの設計変更がより容易になる。例えば、エンジンの気筒数
が変わっても、鍛造型の変更等を要しないので、製作コストの目立った上昇を伴わずに、
容易に対応出来る。（ｅ）中空軸状のジャーナル及びピンは、その素材としてパイプ材を
使えるので、その分、成形加工費の大幅節減と、軽量化を達成出来る。（ｆ）ジャーナル
及びピンの中空部は、ジャーナル及びピンへの潤滑油の供給路としても役立つ。（ｇ）ク
ランクシャフトの組立作業は、アームに設けた嵌込用軸孔に、ジャーナル及びピンの各軸
端に延設した連結軸を、焼きバメ又は冷やしバメするだけなので、簡単・迅速、且つ、正
確に行える。
（ｉ）クランクシャフトを円滑に回転させる為のバランサーとしての役割も果たすアーム
は、熱間鍛造、熱間コイニング、及びトリミングの各工程を経て作ることによって、高い
寸法精度のものを、能率的に量産出来る。（ｊ）ジャーナル、ピン、及びアームを、クラ
ンクシャフトの形態に連結・合体させるに先立って、ジャーナルには、その支持用のリン
グ状の軸受を、ピンには、コンロッドのリング状の軸受を、夫々の軸端から外挿させるこ
とが出来る。（ｋ）その為、従来技術では使わざるを得なかった二分構造のすべり軸受に
替えて、リング状のころがり軸受又はすべり軸受が使える。（ｌ）その分、クランクシャ
フトのより円滑な回転、製作費の節減、軽量化等が可能になる。（ｎ）、然も、クランク
シャフトを円滑に回転させる為に必要な高い寸法精度を容易に得られるので、クランクシ
ャフトのバランス取り作業を簡略化しても、乃至は行わなくても均質の良品を量産出来る
。
（ｍ）総じて言えば、従来技術に比べて、クランクシャフトの製作費の大幅節減と、顕


３

【０００４】
著な軽量化を達成出来る。
【発明を実施するための最良の形態】
［００１２］以下に、本発明の具体的な構成に就いて、図１〜図４を参照しながら説明す
る。 図１は、自動車エンジン用の、一般的な形態を備えたクランクシャフトＡの部分斜
視図である。図２は、本発明によるクランクシャフトの模式的な構成を示した、部分破断
正面図であり、図３は、図２の右端側の側面視図である。そして、図４は、ピンの全体形
状を例示した斜視図である。
［００１３］クランクシャフトの基本的な構成は、図１及び図２に示した様に、夫々の軸
線を段違い状に配置したジャーナル（主軸）１と、ピン２とを、アーム３を介して連結さ
せた形態を備えている。
［００１４］尚、アーム３には、クランクシャフトの回転を円滑にする為のバランサー部
分３ａを一体に形成させているが、図１と図２とでは、アーム３の全体形状が、このバラ
ンサー部分３ａも含めて幾分相異している。
［００１５］次に、本発明によるクランクシャフトの特長的な構成に就いて、図２〜図４
を参照しながら説明する。
［００１６］その主たる特長は、従来技術の様に、クランクシャフト全体を、鍛造法によ
り一体に成形するのではなくて、クランクシャフトの構成要素である、各複数のジャーナ
ル１、ピン２、及びアーム３の夫々を、個々に独立部品として製作したうえ、これ等複数
の部品を、嵌合技術によって、クランクシャフトの形態に連結合体させたところにある。
［００１７］その為に、独立部品としてのジャーナル１及びピン２には、夫々の同軸端又
は一方の軸端に、連結軸４，５を突設している。一方、独立部品としてのアーム３には、
連結軸４，５を緊密に嵌合させる為の嵌込用軸孔６，７を設けている。
［００１８］そして、連結軸４，５の外周面と、嵌込用軸孔６，７の内周面は、互いに緊
密に嵌まり合う円錐面に形成している。図では、円錐面であることを認視し易い様に、そ
のテーパー角度を誇張して描いているが、実際には、図示の角度よりは緩やかである。
［００１９］アーム３は、熱間鍛造法によって作られている。クランクシャフトを円滑に
回転させる為には、アーム３の各部位の寸法精度を極力高める必要がある。そこで、熱間
鍛造後、直ちに熱間コイニング（圧印加工）を施したうえ、トリミング加工を行っている
。


４

【０００２】
更には、軸受の組立構造が複雑化する分、製作費、組立コスト、重量が増すことにもな
る。
［０００８］そこで、本発明の目的は、必要強度を確保しながら軽量化を達成出来、併せ
て、製作コストも顕著に低減させ、しかも高精度にできるクランクシャフトの製法を提供
するにある。
【課題を解決するための手段】
［０００９］上記の目的を達成するため、本発明によるクランクシャフトの製法は、ジャ
ーナル、ピン及びアームを個々に部品として製作し、これらを連結合体する自動車エンジ
ン用のクランクシャフトの製法において、該ジャーナル及びピンは、パイプ材で作られ中
空軸状で軸端に円錐面を形成した連結軸をそれぞれ延設したものとし、該アームは、抜き
勾配が小さく各部位の寸法精度を高くするため、熱間鍛造後直ちに熱間コイニングを施し
たうえトリミング加工を行う工程を経て作られ、該連結合体は、該ジャーナルとピンにリ
ング状の軸受を夫々軸端から外挿させた後、該連結軸を焼きバメ又は冷やしバメにより該
アームに設けた円錐面を形成した嵌込用軸孔に夫々固着することを特徴としている。
［００１０］（削除）
【発明の効果】
［００１１］本発明によるクランクシャフトの製法は、従来技術


２

Claims (8)

1. 夫々の軸線を段違い状に配置したジャーナルとピンとを、アームを介して連結させた構造を備えるクランクシャフトに於いて、 夫々別体に作られた、ジャーナルとピンには、夫々の軸端に連結軸が延設されており、これ等の連結軸が、別体に作られたアームに設けた嵌込用軸孔に、嵌合手段により嵌着されていることを特徴とするクランクシャフト。
2. 連結軸は、焼きバメ又は冷やしバメにより、嵌込用軸孔に挿嵌状態で固着されていることを特徴とする請求項１記載のクランクシャフト。
3. 連結軸の外周面、及び嵌込用軸孔の内周面は、密嵌状態で嵌まり合う円錐面に形成されていることを特徴とする請求項１記載のクランクシャフト。
4. ジャーナル及びピンは、中空軸状に形成されていることを特徴とする請求項１記載のクランクシャフト。
5. 連結軸とアームとが、これ等両者の当接個所に於いて、溶接手段により連結・合体されていることを特徴とする請求項１記載のクランクシャフト。
6. 素材として、アルミニウム合金乃至はチタン合金を用いたことを特徴とする請求項１記載のクランクシャフト。
7. 夫々の軸線を段違い状に配置したジャーナルとピンとを、アームを介して連結させた構造を備えるクランクシャフトに於いて、 クランクシャフトは、ジャーナル、ピン、及びアームの夫々を別個に作ったうえ、これ等を互いに連結させる方法で組立てられ、 アームは、熱間鍛造、熱間コイニング、及びトリミングの各工程を経て作られることを特徴とするクランクシャフトの製法。
8. ジャーナル、ピン、及びアームの夫々を、クランクシャフトの形態に連結・合体させるに先立って、ジャーナルには、その支持用のリング状の軸受を、ピンには、シリンダに連なるコンロッドのリング状の軸受を、夫々の軸端から外挿させる工程を含むことを特徴とする請求項７記載のクランクシャフトの製法。

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