JP2007030115A - 内燃機関用クランクシャフトのフィレットロール加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】低いロール荷重（押し付け荷重）のもとで、小径ロールによるフィレットロール加工を可能にし、従来成し得なかった幅狭のクランクピン部やジャーナル部に対するフィレットロール加工を実現すると共に、さらなる高疲労強度を有する低コストのクランクシャフトを提供する。
【解決手段】クランクシャフト１のクランクピン部２におけるフィレットアール部２ａにフィレットロール加工を施すに際して、クランクシャフトの素材として降伏比が０．６以下の鋼材を使用すると共に、クランクピン部２の径Ｒ（ｍｍ）と加圧ローラ３の径ｒ（ｍｍ）から算出される（１／Ｒ）＋（１／ｒ）の値が０．１１以上となるような加圧ローラ３を使用し、その時の加工荷重を６００ｋｇｆ以下とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば自動車用エンジンなどの内燃機関に用いられるクランクシャフトにおけるジャーナル部及びクランクピン部のフィレットアール部に圧縮残留応力を付与し、もってジャーナル部及びピン部の疲労強度を向上させることができるフィレットロール加工方法に関するものである。

例えば、自動車に搭載される内燃機関用のクランクシャフトにおいては、ピン部及びジャーナル部のコーナーであるフィレット部には、強度を確保するために丸み（アール）が形成されており、このようなフィレット部に圧縮残留応力を付与して疲労強度を向上させるために、当該フィレットアール部に加圧ローラ（フィレットローラ）を押し付けて局部的な塑性変形を生じさせるフィレットロール加工法が知られている（例えば、特許文献１参照）。

このようなフィレットロール加工法は、熱処理などによる各種強化方法と較べて、電気炉や冷却水を必要としないので、省エネルギー、かつ対環境性が良好なものとなるばかりでなく、短時間で加工できることから、クランクシャフトの簡便な疲労強度向上手段として広く適用されている。
特公平５−４５３８２号公報

ところで、自動車用の内燃機関においては、近年エンジンの高回転、高出力化が求められており、主運動系部品の軽量かつ低フリクション化が必要とされている。特に、内燃機関内の回転部品には、高回転化に対応するために摺動部の低フリクション化が求められている。

内燃機関において、クランクシャフトは、そのジャーナル部において内燃機関本体側に回転自在に締結される一方、クランクピン部においてコネクティングロッドの大端部が回転自在に締結されるようになっており、機関本体及びコネクティングロッドとの摺動面となるクランクジャーナル部及びクランクピン部の耐フリクション性向上のため、ピン及びジャーナル部の幅を狭くすることが要求されている。

このように、幅狭化されたピン及びジャーナル部にフィレットロール加工を適用するには、治具形状などの設計要件から、加圧ロールの小径化が必要となる。しかし、小径ローラを用いた場合、治具自体の剛性が低下することから、従来と同等の加工荷重では治具が変形してしまうという問題がある。

また、上記したエンジンの高回転、高出力化に伴い、クランクシャフトへの入力も高くなる傾向にあるため、クランクシャフトの高強度化も要求されている。
クランクシャフトを高強度化するための手段としては、添加する合金元素の増量や、熱処理工程を追加するなどの方法が挙げられるが、材料費や設備費などが嵩むことから、避けられる傾向にある。

一方、フィレットロール加工によって、クランクシャフトの強度向上を図る場合、コストの増加要因は発生しないものの、加工荷重を増加し、当該加工部に付与する残留応力を増加する必要があると考えられており、加工荷重の増加は、クランクシャフトの曲がり発生に繋がり、この曲がりを修正した場合には、付与された残留応力が開放されるために強度が低下してしまうという問題がある。
さらに、加工荷重の増加によって工具寿命低下も考えられ、高負荷加工では設備の運用費増加に繋がる惧れがある。

本発明は、従来のフィレットロール加工における上記課題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、低いロール荷重（押し付け荷重）のもとでの小径ロールによるフィレットロール加工を可能にし、従来成し得なかった幅狭のクランクピン部やジャーナル部に対するフィレットロール加工を実現すると共に、さらなる高疲労強度を有する低コストのクランクシャフトを提供することにある。

本発明者らは、上記課題の解決に向けて、種々の成分を有する鋼から成るクランクシャフトに、種々の条件でフィレットロール加工を施すことによって得られたクランクシャフトの疲労強度について、素材鋼の強度やフィレットローラ（加圧ローラ）径、負荷荷重（押し付け荷重）などの影響について、鋭意検討を繰り返した結果、素材鋼として降伏比の高い合金鋼を用いることなく、降伏比の低い安価な材料を用いた場合には、加工荷重が小さくても十分な塑性変形を生じさせて、残留応力を付与することができ、加圧ローラやフィレットロールカセットを損傷させることなく疲労強度を向上させることができることを見出すと共に、曲面同士の弾性体の接触に適用されるヘルツの公式（日本機械学会編 新版機械工学便覧、ｐ．Ａ４−１０９参照）における接触面積のパラメータである（１／Ｒ）＋（１／ｒ）を用いて疲労強度を整理すると、上記パラメータがある一定の値を超えると、ヘルツ応力から予測される疲労限度線よりも疲労限度が急激に上昇することを見出し、本発明を完成するに到った。

本発明は上記知見に基づくものであって、本発明の内燃機関用クランクシャフトのフィレットロール加工方法においては、降伏比が０．６以下の鋼から成る内燃機関用クランクシャフトにおけるクランクジャーナル部及びクランクピン部の両端のフィレットアール部にフィレットロール加工を施すに際して、加圧ローラのフィレットアール部に対する押し付け荷重を６００ｋｇｆ以下とすると共に、被加工部であるクランクジャーナル部又はクランクピン部の径Ｒ（ｍｍ）と加圧ローラの径ｒ（ｍｍ）から算出される（１／Ｒ）＋（１／ｒ）の値が０．１１以上となるような加圧ローラを用いるようにしたことを特徴としている。

本発明によれば、素材鋼として降伏比の低い材料を使用すると共に、加圧ローラ（フィレットローラ）の径ｒを当該ｒ（ｍｍ）と被加工部（ジャーナル部又はピン部）の径Ｒ（ｍｍ）とから算出される（１／Ｒ）＋（１／ｒ）の値が０．１１以上となるような径ｒとしていることから、これまでよりも低い加工荷重によって、従来と同等ないしはそれ以上の疲労強度を達成することができ、幅狭のクランクピン部やジャーナル部に対応するために、小径ローラを使用した場合でも、加圧ローラやローラを支持する部材にかかる応力を低減して、ローラの摩耗や損傷を軽減することができ、工具寿命の大幅な延長が可能になる。

このように、合金成分の少ない低コスト材である低降伏比鋼材を用いた高疲労強度のクランクシャフトの製造が可能になり、工具費や管理費など操業コストの低減を含めて大幅な原価低減効果が見込まれる。

以下、本発明の内燃機関用クランクシャフトのフィレットロール加工方法について、詳細に説明する。

フィレットロール加工法とは、図１に示すように、クランクシャフト１のジャーナル軸、又はクランクピン部２のフィレットアール部２ａに、加圧ローラ３をある一定荷重Ｗで押し付けながら、クランクシャフト１軸を回転し、当該フィレットアール部２ａを塑性変形させることによって当該部位に圧縮残留応力を付与し、疲労強度の向上を図る加工方法である。
なお、図１においては、クランクシャフト１のピン部を示しており、符号４は加圧ローラ３を支持するフィレットロールカセット、符号５はクランクシャフト１を回転可能に保持するレストローラである。

本発明の内燃機関用クランクシャフトのフィレットロール加工方法においては、降伏比が０．６以下の素材鋼を用い、そのクランクジャーナル部及びクランクピン部のフィレットアール部に対する加圧ローラによる押し付け荷重を６００ｋｇｆ以下とすると共に、被加工部（ジャーナル部又はピン部）の径Ｒ（ｍｍ）と加圧ローラの径ｒ（ｍｍ）から算出される（１／Ｒ）＋（１／ｒ）の値が０．１１以上となるような加圧ローラを用いるようにしており、これによって、これまで困難とされてきた小径ローラを用いた低荷重域でのフィレットロール加工を可能とし、ヘルツ応力式から予測される小径ローラ適用時の疲労強度よりもさらに高疲労強度なものとし、低コスト素材を用いた高疲労強度のクランクシャフトの低コストによる製造を可能にしている。

本発明において、クランクシャフトの素材として降伏比が０．６以下の鋼材を使用するのは、降伏比が０．６を超える鋼材から成るクランクシャフトのフィレットアール部に疲労強度向上に有効な残留圧縮応力を付与するためには、フィレットロール加工時の押し付け荷重を大きくすることが必要となって、工具寿命、とりわけ小径ローラを備えた工具の寿命が大幅に短くなることによる。
ここで、降伏比が０．６以下の素材鋼としては、例えば、ＪＩＳ Ｇ ４０５１に機械構造用炭素鋼鋼材として規定されるＳ４０Ｃ材、Ｓ４３Ｃ材、Ｓ４５Ｃ材、Ｓ４８Ｃ材などを使用することができる。

また、加圧ローラによる押し付け荷重については、上記のように６００ｋｇｆ以下とすることが必要であるが、これは、フィレットロール加工荷重が６００ｋｇｆを超えると、工具、特に小径ローラ工具の寿命に深刻な影響が生じると共に、降伏比が０．６以下の素材鋼を用いた場合、加工荷重が６００ｋｇｆを超えると、疲労強度がかえって低下する傾向があることによる。
なお、加圧ローラの押し付け荷重は、上記のように６００ｋｇｆ以下であればよいが、有効な圧縮残留応力を生じさせるための下限値としては、材料の降伏強度にもよるが、概ね２５０ｋｇｆ以上の荷重を負荷する必要がある。

被加工部の径Ｒ（ｍｍ）と加圧ローラの径ｒ（ｍｍ）に基づいて算出される（１／Ｒ）＋（１／ｒ）の値は、上記したように曲面と曲面の接触に適用されるヘルツの公式における接触面積のパラメータであって、同一降伏比、同一加圧条件の場合、上記値の増加と共に、降伏強度が上昇する傾向を示し、特にこの値が特定値を超えると、ヘルツ応力からの予測疲労限度線より、疲労限度が急激に上昇する効果が得られることが判明したが、特に当該パラメータの値を０．１１以上とすることによって、上記した疲労限度の急激な上昇領域とすることができ、しかも従来のコンロッドの疲労強度を上回るものとすることができる。

以下、本発明を実施例に基づいて具体的に説明する。なお、本発明は、これらの実施例によって何ら限定されることはない。

表１に示すように、降伏比の異なる４種類の鋼材を用い、熱間鍛造によって、種々の寸法のクランクシャフト鍛造素材に成形し、図１に示すように、クランクピン部２のフィレットアール部２ａにアンダーカット加工を行なった後、ロール荷重及びローラ径を種々に変化させた条件のもとで、上記フィレットアール部２ａにそれぞれフィレットロール加工を施した。

なお、降伏比が０．５３及び０．５６の鋼材としては、機械構造用炭素鋼鋼材Ｓ４０Ｃを使用し、降伏比が０．６２及び０．６９の鋼材としては、ＶやＣｒ、Ｎｉ等の強化元素の添加することによって上記降伏比に調整したものを使用した。
また、クランクシャフト熱間鍛造時における加工及び加熱条件は、現行実用部品の条件を採用した。

上記によって得られたそれぞれのクランクシャフトに対して、疲労試験機を用いてピンフィレット部に繰り返し曲げ荷重を負荷し、得られる繰り返し回数と試験応力の関係、すなわちＳ−Ｎ線図を作成し、これから両振り曲げ疲労限度を求めた。
この結果を表１に併せて示すと共に、これらの結果を種々に整理したグラフを図２〜４に示す。なお、表１において、疲労限度は、現行製品クランクシャフトの強度に対する比で表してある。

図２は、クランクシャフト材料の降伏比を０．５６、ロール荷重を５５０ｋｇｆとし、ピン径とローラ径の組合わせを変化させた場合に、疲労強度に及ぼす接触面積パラメータ（１／Ｒ）＋（１／ｒ）の影響を示すものであって、この図によれば、同一降伏比の材料においては、ピン径及びローラ径の組合せから算出される上記パラメータの値が０．１よりも大きい場合、同パラメータが０．１以下の場合に較べて、疲労強度が急激に上昇する効果が確認され、同パラメータを０．１１以上とすることによって現行製品レベルよりも優れた疲労強度のクランクシャフトが得られることが判明した。

また、図３は、種々の降伏比の材料から成るクランクシャフトに、上記のパラメータ（１／Ｒ）＋（１／ｒ）の値が０．１１以上となる加工ローラを用いてフィレットロール加工した場合の疲労強度に及ぼす材料降伏比の影響を示すグラフであって、図中○及び▲の記号はロール荷重４５０ｋｇｆ、●及び■の記号はロール荷重５５０ｋｇｆ、◆の記号はロール荷重７００ｋｇｆの場合をそれぞれ示すものである。

この図によれば、降伏比が０．６以下の材料においては、４５０ｋｇｆ、５５０ｋｇｆの加工荷重によってクランクシャフトの疲労限度向上が図れるのに対して、７００ｋｇｆの加工荷重ではこのような効果が得られず、現行のクランクシャフト製品よりも疲労限度が低下することが明らかとなった。
一方、０．６以上の高い降伏比を有する鋼材を使用した場合には、加工荷重が低くなるほど疲労限度が低くなっており、現行製品レベルを確保するには、加工荷重を高くすることが必要であって、本発明で規定する（１／Ｒ）＋（１／ｒ）の値が０．１１以上となる加工ローラを用いたフィレットロール加工は、降伏比が０．６以下の材料において有効であることが判明した。

さらに、図４は、降伏比の異なる２種類の鋼材から成るクランクシャフトに、上記のパラメータ（１／Ｒ）＋（１／ｒ）の値が０．２２２となる加工ローラを用いてフィレットロール加工した場合に、疲労強度に及ぼすロール荷重（加工荷重）の影響を示すグラフであって、図中●印は材料降伏比が０．５３の鋼材の場合、◆印は材料降伏比が０．６２の鋼材を用いた場合をそれぞれ示すものである。

この図によると、ロール荷重が６００ｋｇｆ以下の場合には、低降伏比材料の疲労強度が現行クランクシャフト及び高降伏比材料から成るクランクシャフトよりも高い疲労強度を示す一方、６００ｋｇｆを超える加工荷重域では、この逆となり、降伏比が高い材料の方が高い疲労強度を示しており、低降伏比材料を使用する場合には、フィレットロール加工に要する荷重の上限が６００ｋｇｆとなる。
また、６００ｋｇｆを超える荷重による加工を行なった場合には、疲労強度の向上効果が見込めないばかりか、治具変形の可能性や、材料の許容限を超えた応力が負荷され、圧縮残留応力が開放されることによる強度の低下も危惧されることになる。

本発明の本発明の内燃機関用クランクシャフトのフィレットロール加工方法の要領を示す概略図である。 （１／Ｒ）＋（１／ｒａ）の値と疲労強度の関係を示すグラフである。 クランクシャフト鋼材の降伏比と疲労強度の関係を示すグラフである。 ロール荷重と疲労強度の関係を示すグラフである。

符号の説明

１ クランクシャフト
２ クランクピン部
２ａ フィレットアール部
３ 加圧ローラ
４ フィレットロールカセット

Claims (1)

1. 降伏比が０．６以下の鋼から成る内燃機関用クランクシャフトのクランクジャーナル部及びクランクピン部の両端にそれぞれ位置するフィレットアール部に、フィレットロールカセットに備えた加圧ローラを所定荷重で押し付けながら回転させ、当該フィレットアール部に局部的な塑性変形を生じさせるフィレットロール加工において、
   上記フィレットロールカセットの押し付け荷重が６００ｋｇｆ以下であると共に、被加工部である上記クランクジャーナル部又はクランクピン部の径Ｒ（ｍｍ）と、上記加圧ローラの径ｒ（ｍｍ）との間に、以下の式（１）
   （１／Ｒ）＋（１／ｒ）≧０．１１ ・・・（１）
   で表わされる関係を有していることを特徴とする内燃機関用クランクシャフトのフィレットロール加工方法。

Images