JPWO2019150465A1 - 油穴を有するリンク部品 - Google Patents
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Abstract
内燃機関Eのクランクシャフト106に装着され且つ外側から前記クランクシャフト106側に連通した油穴150Eを有するリンク部品150であって、油穴150Eが、クランクシャフト106側の開口部周縁に傾斜面150Fを有し、油穴150E以外の表面の炭素濃度が0.5wt%以上であり、傾斜面150Fの炭素濃度が0.7wt%以上0.9wt%以下の範囲であるリンク部品150とし、製造コストを抑制しつつ、応力集中が生じ易い油穴部分の耐性を高めて、破損の防止を実現した。
Description
本発明は、内燃機関のクランクシャフトに装着するリンク部品であって、とくに、外側からクランクシャフト側に連通した油穴を有するリンク部品に関するものである。
上記したようなリンク部品としては、例えば、可変圧縮比エンジンの複動リンク機構に用いられる中間リンクがある。この中間リンクは、クランクシャフトのクランクピンに装着する都合上、クランクピンの挿通部分で分割した一対のリンク部材で構成してある。各リンク部材は、外側からクランクシャフト側、すなわちクランクピン側に連通する油穴を有している。そして、中間リンクは、クランクピンを挟んで互いに接合したリンク部材同士をボルトで連結することでクランクピンに装着される。また、各リンク部材には、複動リンク機構を構成する他のリンクが夫々連結される。
上記の中間リンクは、エンジンの運転時に曲げ入力を繰り返し受けるので、製造するに際し、曲げ疲労強度の高い材料や強化プロセスが必要である。高硬度及び高靱性を確保したリンクとしては、特許文献1に記載されているものがある。特許文献1には、Si,Al,Cr,Mo,V,W,Ni及びCoを適正に添加した鋼材であって、600℃以上の高温焼き戻しにより、硬さHRC50以上である高硬度高靱性鋼を提供することが記載されている。浸炭焼き入れ処理は、鉄鋼部品の表面に炭素を含浸させて急冷することで、表面を緻密なマルテンサイト組織にし、部品の耐曲げ疲労性を向上させる技術である。
ところで、上記したような中間リンクのリンク部材は、曲げ入力を受けると、とくに、油穴を設けた箇所に曲げ応力が集中するので、この箇所が破損の起点になるおそれがある。しかし、一般的な浸炭焼き入れ処理では、油穴部分とそれ以外の部分の熱処理品質が同等になってしまうので、油穴部分で大きな曲げ応力に対応することが難しい。その対策として、特許文献1に記載された方法を採用することが考えられるが、特許文献1に記載された技術では、焼き戻し温度が高いうえに、材料の添加元素が多いことから、製造コストが嵩むという問題点があった。
本発明は、上記従来の状況に鑑みて成されたもので、内燃機関のクランクシャフトに装着する油穴付きのリンク部品であって、製造コストを抑制しつつ、応力集中が生じ易い油穴部分の耐性を高めて、破損を防止することができる油穴を有するリンク部品を提供することを目的としている。
本発明に係わる油穴を有するリンク部品は、内燃機関のクランクシャフトに装着され且つ外側から前記クランクシャフト側に連通した油穴を有している。そして、リンク部品は、前記油穴が、前記クランクシャフト側の開口部周縁に傾斜面を有しており、前記油穴以外の表面の炭素濃度が0.5wt%以上であり、前記傾斜面の炭素濃度が0.7wt%以上0.9wt%以下の範囲であることを特徴としている。
本発明に係わる油穴を有するリンク部品は、油穴のクランクシャフト側の開口部周縁に傾斜面を設け、この傾斜面の炭素濃度を他の部分よりも高くすることで、初期亀裂強度を向上させ、応力集中が生じ易い油穴部分の破損を防止する。
この際、リンク部品は、油穴以外の表面の炭素濃度を0.5wt%以上とし、傾斜面の炭素濃度の下限を0.7wt%にすることで材料耐力を確保する。また、リンク部品は、傾斜面の炭素濃度の上限を0.9wt%にすることで、破損の原因になるセメンタイトの発生を抑制し、通常の場合には考慮しなくてよいセメンタイト基点の破損を防止する。このリンク部品は、多くの添加元素や高温の焼き戻しを必要としない。
このようにして、本発明に係る油穴を有するリンク部品は、製造コストを抑制しつつ、応力集中が生じ易い油穴部分の耐性を高めて、破損を防止することができる。
〈第1実施形態〉
図1は、本発明に係わる油穴を有するリンク部品(以下、単に「リンク部品」とする)が適用可能な可変圧縮比エンジンを説明する断面図である。図示の可変圧縮比エンジンEは、シリンダ101の内部を往復動するピストン102に、ピストンピン103を介してアッパリンク104の上端部が連結してある。アッパリンク104は、下端部に、第1リンクピンP1及び第1ブッシュB1を介して中間リンク105の一端部が連結してある。
図1は、本発明に係わる油穴を有するリンク部品(以下、単に「リンク部品」とする)が適用可能な可変圧縮比エンジンを説明する断面図である。図示の可変圧縮比エンジンEは、シリンダ101の内部を往復動するピストン102に、ピストンピン103を介してアッパリンク104の上端部が連結してある。アッパリンク104は、下端部に、第1リンクピンP1及び第1ブッシュB1を介して中間リンク105の一端部が連結してある。
中間リンク105は、中央にクランクシャフト106のクランクピン107が挿通してあると共に、他端部に、第2リンクピンP2及び第2ブッシュB2を介してロアリンク108の上端部が連結してある。ロアリンク108は、下端部に、コントロールロッド109が連結してあると共に、このコントロールロッド109を平行に往復移動させるアクチュエータ(図示せず)に接続してある。
上記構成を備えた可変圧縮比エンジンEは、コントロールロッド109を移動させて、ロアリンク108をクランクピン107を中心にして回動させる。これにより、可変圧縮比エンジンEは、クランクピン107からピストンピン103までの長さであるコンロッド長Lを変化させ、ピストン102のストロークを変化させて圧縮比を変更する。
ここで、中間リンク105は、クランクシャフト106のクランクピン107に装着する都合上、図2に示すように、クランクピン107の挿通部分で分割した一対のリンク部材150,150で構成してある。2つのリンク部材150,150は、図2に示す側面において、クランクピン107を中心とした回転対称形状を有する同一構造の部品である。
そして、中間リンク105は、一方のリンク部材150に、第1リンクピンP1及び第1ブッシュB1を介して、アッパリンク104の下端部を回転可能に連結する。また、他方のリンク部材150には、第2リンクピンP2及び第2ブッシュB2を介して、ロアリンク108の上端部を連結する。
各リンク部材150は、図3に示すように、相手側との接合面Sa側(図3中で下側)に、クランクピン107の半周分に相当する半円形の装着部150Aを有している。
また、各リンク部材150は、接合面Saの反対側(図3中で上側)において、その一方側(図3中で左側)に、接合面Saに対して軸線が直交するボルト通し孔150Bを有し、他方側に、一対のリブ150C,150Cを有している。各リブ150Cには、第1のリンクピンP1及びブッシュB1(又は第2のリンクピンP2及びブッシュB2)を装着するための取付孔150Dが設けてある。
そして、各リンク部材150は、外側からクランクシャフト側に連通する油穴150Eを有している。油穴150Eは、外側におけるボルト通し孔150Bとリブ150Cとの間の位置から、クランクピン107の装着部150Aに連通している。この油穴150Eは、リンク部材150の外側からクランクピン107側へ潤滑油を連続的に供給する。
上記の中間リンク105は、クランクピン107を挟んだ状態にしてリンク部材150,150同士を接合し、図2に示すように、一方のリンク部材150を通して相手側のリンク部材150に螺着するボルトBTで連結する。これにより、中間リンク105は、クランクピン107に装着される。
本発明に係わる油穴を有するリンク部品は、上記中間リンク150を構成するリンク部材150に好適である。リンク部品としてのリンク部材150は、可変圧縮比エンジン(内燃機関)Eのクランクシャフト106に装着され、且つ外側からクランクシャフト106側に連通した油穴150Eを有している。なお、リンク部材150は、直接的にはクランクピン107に装着するが、クランクピン107がクランクシャフト106の一部であることは言うまでもない。
中間リンク105は、可変圧縮比エンジンEの運転時、ピストン102の往復動に伴って、クランクシャフト106の中心軸回りにクランクピン107を回動させる動作をするので、曲げ入力を繰り返し受ける。この際、中間リンク150を構成するリンク部材150は、油穴150Eを設けた箇所に曲げ応力が集中しやすい。
そこで、リンク部材150は、図4に示すように、油穴150Eが、クランクシャフト106側、直接的にはクランクピン107側の開口部周縁に、面取り状の傾斜面150Fを有している。そして、リンク部材150は、油穴150E以外の表面の炭素濃度が0.5wt%以上であり、傾斜面150Fの炭素濃度が0.7wt%以上0.9wt%以下の範囲であるものとしている。
上記のリンク部材150は、その製造において、従来のような多くの添加元素や高温の焼き戻しを必要とせず、傾斜面150Fの角度及び面積や、浸炭処理及び焼き入れによって所望の炭素濃度や硬さを制御することができる。
上記のリンク部材150は、油穴105Eのクランクシャフト106側の開口部周縁に傾斜面150Fを設け、この傾斜面150Fの炭素濃度を他の部分よりも高くすることで、初期亀裂強度を向上させ、応力集中が生じ易い油穴の部分の破損を防止する。
すなわち、リンク部材150は、油穴150E以外の表面の炭素濃度を0.5wt%以上とし、傾斜面150Fの炭素濃度の下限を0.7wt%にすることで材料耐力を確保している。また、リンク部材150は、傾斜面150Fの炭素濃度の上限を0.9wt%にすることで、破損の原因になるセメンタイトの発生を抑制し、通常の場合には考慮しなくてよいセメンタイト基点の破損を防止する。
つまり、リンク部材150は、油穴150Eの開口部周縁に傾斜面が無く、開口部周縁が角である場合を考えると、浸炭処理の際、油穴150Eの開口面及び内面に対して浸炭が進行するので、角の浸炭濃度が著しく高くなる。その結果、油穴150Eの開口部周縁の組織にセメンタイトが発生し易くなる。
そこで、上記のリンク部材150は、油穴150Eの開口部周縁に傾斜面150Fを設けることにより、開口部周縁の浸炭濃度が過大になるのを抑制し、そのうえで傾斜面150Fの炭素濃度の上限を0.9wt%にしている。これにより、リンク部材150は、油穴150Eの開口部周縁におけるセメンタイトの発生を抑制し、セメンタイト基点の破損を防止している。
このようにして、リンク部材150は、製造コストを抑制しつつ、応力集中が生じ易い油穴150Fの部分の耐性を高めて、破損を防止することができる。なお、傾斜面150Fは、油穴150Eの両方の開口部周縁に設けることも可能である。但し、リンク部材150では、クランクシャフト側が曲げ荷重の入力側になるので、クランクシャフト側に傾斜面150Fを設けて炭素濃度を規定している。
ここで、リンク部材150の傾斜面150Fは、図5に示す断面において、油穴150Eの内面の延長線Leと部材表面との交点から傾斜面150Fに至る長さRが、0.05〜0.2mmの範囲であることが好ましい。この長さRは、面取り量と解釈することもできる。なお、図5は、一例として、油穴150Eの軸線に対する傾斜角が45度である傾斜面150Fを示している。
つまり、傾斜面150Fは、上記の長さR(面取り量)を規定することで、面積が決定されるので、下限値を0.05mmとすることで、先述したセメンタイトの発生を抑制する機能を確保する。また、傾斜面150Fは、上記の長さRの上限値を0.2mmとすることで、他の部分よりも高い炭素濃度が確実に得られる。
また、リンク部材150は、より望ましい実施形態として、傾斜面150Fの算術表面粗さRaが1.7μm以下であると共に、最大高さRyが9.8μm以下であるものとすることができる。
上記のリンク部材150は、傾斜面150Fの表面粗さ及び最大高さの上限を規定することで、傾斜面150Fにおける初期亀裂発生を防止することができる。つまり、算術表面粗さRaが1.7μmよりも大きくなると、凹凸の凹部を起点とする破損が生じるおそれがある。また、最大高さRyが9.8μmを超える微細な凸部がある場合、先述した油穴150Eの開口部周縁の説明と同様に、浸炭処理の際に浸炭濃度が凸部に集中してセメンタイトが発生するおそれがある。
そこで、リンク部材150は、油穴150Eの傾斜面150Fにおける表面粗さ及び最大高さの上限を規定することで、表面を平滑にして凹部を起点とする破損を防止すると共に、ミクロな炭素濃度の集中を防いでセメンタイト基点の破損を未然に阻止することができる。
さらに、リンク部材150は、より望ましい実施形態として、傾斜面150Fのロックウェル硬さが58HRC以上であるものとすることができる。
つまり、傾斜面150Fに関しては、先述した炭素濃度の規定に加えて表面の硬さを規定することで、浸炭焼き入れ処理後における表面の残オーステナイト量を規定することができる。そこで、リンク部材150は、傾斜面150Fの硬さ、残留オーステナイト量及び炭素濃度を規定することにより、油穴150E周辺の焼き戻し軟化抵抗、靱性及び曲げ疲労強度を向上させたものとなる。
さらに、リンク部材150は、より望ましい実施形態として、傾斜面150Fの表面における粒界酸化層の厚みが5μm以下であるものとすることができる。このようなリンク部材150を製造するに際しては、浸炭処理を行う工程を備えた製造方法とし、その浸炭処理が、真空浸炭処理であることが望ましい。
一般に、浸炭処理により粒界酸化層が発生すると、粒界酸化層が破損の基点になるおそれがある。上記のリンク部材150は、傾斜面150Fにおける初期亀裂の発生を防止するものであるから、少なくとも傾斜面150Fに粒界酸化層が無いことが望ましい。
そこで、リンク部材150の製造では、浸炭処理として真空浸炭処理を行うことにより、少なくとも傾斜面150Fにおける粒界酸化層の発生を抑制しつつ、先述した炭素濃度、残留オーステナイト量及び硬さを限定して制御することができる。これにより、リンク部材150は、傾斜面150Fとその周辺の表面との間に、傾斜面150Fの方が大になる炭素濃度差を実現している。
〈実施例〉
ここで、以下に説明する処理手順により、実施例1〜12及び比較例1〜3のリンク部材を製造した。リンク部材の材料にはSCr420H(JIS)を用い、比較例3を除いて、傾斜面の面取り量(図5に示す長さR)を0.1mmとした。比較例3は、傾斜面の無いものである。また、油穴の形成の際に生じたツールマーク(工具痕)を研磨により除去した。このツールマークは、破損の起点になるおそれがある。
ここで、以下に説明する処理手順により、実施例1〜12及び比較例1〜3のリンク部材を製造した。リンク部材の材料にはSCr420H(JIS)を用い、比較例3を除いて、傾斜面の面取り量(図5に示す長さR)を0.1mmとした。比較例3は、傾斜面の無いものである。また、油穴の形成の際に生じたツールマーク(工具痕)を研磨により除去した。このツールマークは、破損の起点になるおそれがある。
実施例1〜11は、真空浸炭処理を行った。この真空浸炭処理では、鉄鋼製のリンク部材を炉内部に投入後、炉内を真空にして1050℃で加熱した。その後、炉内にアセチレンガスを30秒間導入し、次に、窒素ガスを4分間導入してリンク部材を浸炭処理をした。これを1パルスとして数回繰り返した。その後、浸炭温度よりも低い温度で焼き入れ前の保持をし、その後、窒素ガスでリンク部材に焼き入れ(冷却)を行った。焼き入れの際、窒素ガスの供給圧力は1.0MPaとした。
実施例12は、ガス浸炭処理を行った。このガス浸炭処理では、鉄鋼製のリンク部材を炉内に投入後、炉内にブタンガスを導入して炉内のカーボンポテンシャル(CP)を0.6に設定し、リンク部材に930℃で2.5時間の浸炭処理をした。
そして、実施例1〜11及び比較例1〜3では、浸炭パルス長(アセチレンガスに対する窒素ガスの比)を異ならせた。この浸炭パルス長は、傾斜面の炭素濃度を決定する条件である。また、実施例1〜12及び比較例1〜3では、リンク部材に対する浸炭処理のパルス回数を異ならせた。パルス回数は、多くなるほど、内部まで炭素が届いて浸炭濃度が高くなる。
さらに、実施例1〜12及び比較例1〜3では、焼き入れ時における窒素ガスの最上流から硬さ測定部までの距離を調整した。この距離は、表面硬さを決定する条件であり、長いほど冷却速度が遅くなって軟らかくなる。なお、リンク部材における硬さの測定部は、傾斜面と、それ以外の部分である。この際、それ以外の部分は、単位当たりのボリュームが大きい部分で評価するのが望ましいので、ボルト挿通孔の側面部(例えば図2中に示すA部)を測定部とした。
さらに、実施例1〜12及び比較例1及び2では、傾斜面を、算術平均粗さRa、及び最大高さRyが表1となるよう研磨した。
実施例1〜12及び比較例1〜3について、傾斜面以外の部分の炭素濃度、傾斜面の炭素濃度、傾斜面の表面のロックウェル硬さHRC、傾斜面の表面の算術平均粗さRa、傾斜面の最大高さRy、粒界酸化層の有無及び厚さを測定した。
炭素濃度の測定は、電子プローブマイクロアナライザー(Electron Probe Micro Analyzer;EPMA)で傾斜面以外の部分の表面、及び傾斜面の表面の炭素濃度を測定した。
ロックウェル硬さの測定は、ロックウェル硬さ計で傾斜面の表面のHRC硬さ(JIS Z2245に準拠)を5点平均で求めた。
算術平均粗さRa、及び最大高さRyの測定は、触針式粗さ計で傾斜面の表面の算術平均粗さRa、最大高さRy(JIS B0601−1994に準拠)を求めた。
粒界酸化層の有無及び厚さの測定は、電子プローブマイクロアナライザーで、傾斜面の断面の構成元素を分析し、粒界酸化層の有無を確認した。また、断面を走査型電子顕微鏡で観察し粒界酸化層の厚さを測定した。
ロックウェル硬さの測定は、ロックウェル硬さ計で傾斜面の表面のHRC硬さ(JIS Z2245に準拠)を5点平均で求めた。
算術平均粗さRa、及び最大高さRyの測定は、触針式粗さ計で傾斜面の表面の算術平均粗さRa、最大高さRy(JIS B0601−1994に準拠)を求めた。
粒界酸化層の有無及び厚さの測定は、電子プローブマイクロアナライザーで、傾斜面の断面の構成元素を分析し、粒界酸化層の有無を確認した。また、断面を走査型電子顕微鏡で観察し粒界酸化層の厚さを測定した。
また、実施例1〜12及び比較例1〜3について、片振りの疲労試験を行った。具体的には、一対のリンク部材をボルトにより連結して、大気環境中常温にてコンピュータ制御されたInstron8501 hydraulic testing machine を用いて、48kNの荷重制御下で、片振りで行った。繰返し周波数は10Hz、サイクル数は1000万回とし、試験後のリンク部品の状態を確認した。
実施例1〜12及び比較例1〜3の各処理条件及び測定結果を表1に示す。
表1から明らかなように、比較例1〜3では、いずれも油穴を起点としてリンク部材に破損が生じた。とくに、比較例1は、傾斜面以外の部分の炭素濃度が0.4wt%で、油穴部分の炭素濃度が0.6wt%であり、比較例2は、油穴部分の炭素濃度が1.1wt%である。比較例3は、傾斜面以外の部分の炭素濃度が0.4wt%である。
これに対して、実施例1〜7は、いずれもリンク部材の破損は無く油穴の微細な亀裂も認められなかった。実施例8〜12については、油穴の傾斜面に微細な亀裂の発生が認められた。そこで、実施例8〜12を仔細に検討すると、実施例8は、傾斜面の算術平均粗さRaが1.71μmであり、実施例9は、表面硬さが56HRCで、傾斜面の算術平均粗さRaが1.8μmである。なお、実施例8〜12において発生した亀裂は、構造的には影響の無いものであり、製品としても使用可能な極めて微細なものである。
また、実施例10は、傾斜面の粗さの最大高さRyが10μmであり、実施例11は、表面硬さが57である。粒界酸化層については、実施例1〜11及び比較例1〜3には認められず、ガス浸炭処理を行った実施例12にのみ認められた。
以上の試験結果から、本発明に係る油穴を有するリンク部品に必要ないしは好適である以下の条件(1)〜(7)を見出した。
(1)油穴が開口部周縁に傾斜面をする。
(2)油穴以外の表面の炭素濃度が0.5wt%以上である。
(3)傾斜面の炭素濃度が0.7wt%以上0.9wt%以下の範囲である。
(4)傾斜面の算術表面粗さRaが1.7μm以下であると共に、最大高さRyが9.8μm以下である。
(5)傾斜面のロックウェル硬さが58HRC以上である。
(6)油穴周辺の表面における粒界酸化層の厚みが5μm以下である。
(7)浸炭処理が、真空浸炭処理である。
(1)油穴が開口部周縁に傾斜面をする。
(2)油穴以外の表面の炭素濃度が0.5wt%以上である。
(3)傾斜面の炭素濃度が0.7wt%以上0.9wt%以下の範囲である。
(4)傾斜面の算術表面粗さRaが1.7μm以下であると共に、最大高さRyが9.8μm以下である。
(5)傾斜面のロックウェル硬さが58HRC以上である。
(6)油穴周辺の表面における粒界酸化層の厚みが5μm以下である。
(7)浸炭処理が、真空浸炭処理である。
本発明に係わるリンク部材は、上記条件(1)〜(7)のうちの少なくとも(1)〜(3)を備えることで、応力集中が生じ易い油穴部分の耐性を高めて、破損を防止することができることが判明した。また、比較例1〜3から明らかなように、条件(1)〜(3)のうちのいずれか1つでも欠落すると、油穴部分に破損が生じる結果となった。
そして、上記条件(1)〜(7)の全てを満足する実施例1〜7については、傾斜面における初期亀裂の発生が確実に防止され、リンク部材の破損を未然に阻止し得ることが判明し、ひいては可変圧縮比エンジンの耐久性向上に大きく貢献し得ることが判明した。換言すれば、リンク部品の破損を防止するうえで、上記条件(1)〜(7)の有用性を確認した。
本発明に係わる油穴を有するリンク部品は、その構成の細部が上記実施形態及び実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。また、実施形態では、可変圧縮比エンジンにおいて、中間リンクを構成するリンク部材を例示したが、油穴を有するリンク部品は、その他の内燃機関の構成要素に適用することも当然可能である。
E 可変圧縮比エンジン(内燃機関)
150 リンク部材(リンク部品)
150E 油穴
150F 傾斜面
106 クランクシャフト
150 リンク部材(リンク部品)
150E 油穴
150F 傾斜面
106 クランクシャフト
Claims (5)
- 内燃機関のクランクシャフトに装着され且つ外側から前記クランクシャフト側に連通した油穴を有するリンク部品であって、
前記油穴が、前記クランクシャフト側の開口部周縁に傾斜面を有し、
前記油穴以外の表面の炭素濃度が0.5wt%以上であり、
前記傾斜面の炭素濃度が0.7wt%以上0.9wt%以下の範囲であることを特徴とする油穴を有するリンク部品。 - 前記傾斜面の算術表面粗さRaが1.7μm以下であると共に、最大高さRyが9.8μm以下であることを特徴とする請求項1に記載の油穴を有する請求項1に記載のリンク部品。
- 前記傾斜面のロックウェル硬さが58HRC以上であることを特徴とする請求項1又は2に記載の油穴を有するリンク部品。
- 前記傾斜面の表面における粒界酸化層の厚みが5μm以下であることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の油穴を有するリンク部品。
- 請求項1〜4のいずれか1項に記載の油穴を有するリンク部品を製造するに際し、
前記リンク部品に浸炭処理を行う工程を備え、
前記浸炭処理が、真空浸炭処理であることを特徴とする油穴を有するリンク部品の製造方法。
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