JP2008175390A - クランクシャフト - Google Patents

Abstract

【課題】
クランクシャフトの剛性と耐摩耗性を向上させる。
【解決手段】 内燃機関又は往復動式空気圧縮機に用いられ、クランクジャーナルと、クランクピンと、該クランクジャーナルと該クランクピンとの繋ぎ手部分であるクランクアームとからなるクランクシャフトにおいて、上記クランクピンと上記クランクジャーナルの外周縁に形成された強化溝部と、上記クランクピン及び上位クランクジャーナルとは異なる金属からなり、上記強化溝部に嵌合され溶融接合されるように鋳造される外径部材と、上記強化溝部の内側には段付溝部とを備え、上記外径部材は、球状黒鉛鋳鉄からなることを特徴とする。このクランクシャフトは、特に、外径部材が嵌合構造により接合されることにより、長時間使用しても製品の安全性が保持され、優れた製品として使用可能であるという効果を奏する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、往復運動を回転運動に変換する中空状のクランクシャフトに関し、さらに詳細には、クランクピンとクランクジャーナルの外周面に強化溝部を形成し、該強化溝部にクランクピンとクランクジャーナルとは異なる剛性金属を嵌合し溶融接合するように鋳造されたクランクシャフトに関する。

本発明に係るクランクシャフトは、異なる剛性金属により曲げ荷重と、せん断荷重及び捻り荷重に対する剛性が大きく増大し、これに伴い、クランクシャフト部品の信頼性が向上され、鋳型内に設けられた接合用の金属の急冷組織により接合部の鋳鉄（鋳鋼及びダクタイル鋳鉄）組織が密になり、鋳物表面の欠陥を除去することにより、既存の鍛造クランクシャフトに比して生産性に優れ、しかも、低コスト化ができるなど種々の機能性効果が奏される、かなり有用な発明である。

周知の如く、従来通常のクランクシャフトは、主にクランクケース内の主軸受けに軸支され、各シリンダの動力行程により得られたピストンの直線運動をコネクティングロッドを介して回転運動に変換してエンジンの出力を外部に伝える重要な部材である。このクランクシャフトは、クランクジャーナルと、クランクピンと、クランクジャーナルとクランクピンとを繋ぐクランクアームとからなる。クランクシャフトは、クランピンにおいてコネクティングロッドの大端部が接続され、クランクジャーナルにおいてクランクケース内の主軸受けに軸支され、クランクピンを介してピストンの力を受けてこれを回転運動に変換する。

ところが、従来の鍛造型のクランクシャフトは、インゴット鋳造の後、必要に応じていくつかの段階に亘って鍛造処理を施す必要があるために工程が複雑化し、しかも、鍛造後における素材への機械加工にも難点があるために生産性が低く、さらには、コストも高くなるといった欠点がある。

その他、剛性が向上された球状黒鉛鋳鉄を用いてクランクシャフトを一体型に製作する方法があるが、鋳鉄の特性から、鍛造鋼に比して剛性が低く、衝撃に弱い他、鋳鋼及びダクタイル鋳鉄ともにクランクジャーナル及びクランクピンの部位に鋳造の際にできる鋳物欠陥により素材の不良率が高くなり、しかも、耐摩耗性の強化のための表面熱処理が困難であった。

本発明は、上述の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、クランクシャフトの剛性と耐摩耗性を向上させることにある。

本願出願人は、クランクシャフトの研究を重ねた結果、クランクシャフトの外周面に外径部材を接合することにより、製造工程を単純化させつつも剛性を向上できる異種金属接合型のクランクシャフトが製造可能であることを見出し、本発明を完成するに至った。

具体的には、本発明に係るクランクシャフトは、内燃機関又は往復動式空気圧縮機に用いられ、クランクジャーナルと、クランクピンと、該クランクジャーナルと該クランクピンとの繋ぎ手部分であるクランクアームとからなるクランクシャフトにおいて、上記クランクピンと上記クランクジャーナルの外周縁に形成された強化溝部と、上記クランクピン及び上位クランクジャーナルとは異なる金属からなり、上記強化溝部に嵌合し溶融接合するように鋳造される外径部材と、上記強化溝部の内側には段付溝部とを備え、上記外径部材は、球状黒鉛鋳鉄からなることを特徴とする。

本発明は、クランクピンとクランクジャーナルの外周に強化溝部を形成し、該強化溝部に異種金属を外径部材として溶融接合鋳造することにより、クランクシャフトの剛性と耐摩耗性を向上させることができる。

また、本発明は、上記段付溝部が外側から内側へ進むにつれて狭まるような外狭内広の傾斜面が形成された梯形断面を有するものであり、上記外径部材が、上記クランクピンの外径の４％〜１２％の厚さに形成されるようにしてもよい。

さらに、上記外径部材の内側角部には丸み付けが施されてひび割れを予防可能になっているようにしてもよい。

本発明によれば、従来の鍛造により製作されるクランクシャフトは、高価な金型コストにより製品のコストが上昇し、多品種少量生産が困難であるほか、生産工程が複雑であるためにコストが高くなるのに対し、本発明によるクランクシャフトは、外周面に異種金属が接合されたクランクシャフトであり、多品種少量生産が可能であり、生産性を改善して低コストで且つ良質なクランクシャフトを製造することができる。

なお、上述のように、異種金属溶融接合によるひび割れの防止により製品の安全性が向上され、特に、上記外径部材が嵌合構造により接合されることから、部材の材質選択に応じて長時間使用しても寿命を長時間保持することができ、かなり優れた製品が生産できるという効果を奏する。

以下、添付図面に基づき、本発明を詳細に説明する。

図１は、本発明の斜視図であって、図１に示すように、本発明に係るクランクシャフトＡは、コネクティングロッドの大端部に接続されてピストンの力を受けてこれを回転運動に変換するクランクピン１と、クランクケース内における回転運動の中心軸となる部分であるクランクジャーナル２と、クランクジャーナル２とクランクピン１との繋ぎ手部分であるクランクアーム３とを備えてなる。

クランクシャフトＡのクランクピン１及びクランクジャーナル２の外周には、強化溝部４が形成され、強化溝部４にクランクピン１及びクランクジャーナル２の金属材料と異なる種類の金属からなる外径部材４０が嵌合し溶融接合するように鋳造されている。クランクシャフトＡのクランクピン１は、コネクティングロッドの大端部に接続される、断面が円形の軸である。クランクアーム３は、主面が楕円形に形成されている。クランクピン１の外周縁部に形成される外径部材４０は、クランクピン１の周面に亘って形成されるとともに、クランクピン１の端部において連結されるクランクアーム３の主面及び周縁の一部にまで延伸されている。

図２は、本発明の正断面図である。図２に示すように、本発明によるクランクシャフトＡを鋳造するに際し、クランクピン１とクランクジャーナル２の外部には外径部材４０が介在され、クランクピン１の内部にはその中心軸に沿った中空部３１が形成され、クランクジャーナル２の内部には主軸の中心軸に沿ったパイプ状の中空部３０が形成され、全体として鋳造されている。

このとき、外径部材４０は、強化溝部４に嵌合される際に、この強化溝部４からの離脱を防止するために、両端面において、中心軸に向かうにしたがって幅広となるテーパ、すなわち、内方に勾配が設けられている。また、上記外径部材４０の角部に対しては、鋳造接合の際に、尖った角部による溶融素材側に樹脂状の組織が生じないように嵌合前に丸み付けを行う。クランクシャフトＡの高精度な接合及び充分な剛性を確保するために、外径部材４０の厚さは、クランクピン１、クランクジャーナル２の外径に比例して４％〜１２％程度が適切である。

また、上述の外径部材４０の素材は、球状黒鉛鋳鉄、鋳鋼、灰鋳鉄が好ましいが、中でも、球状黒鉛鋳鉄や鋳鋼が特に好ましい。

図２の要部拡大図に示すように、クランクシャフトＡの外側に形成された強化溝部４に外径部材４０が接合されるが、上記外径部材４０が離脱することを防ぐように、上記強化溝部４には、外径部材４０のテーパに対応して内側から外側に向かって傾斜面が形成されており、その傾斜部位が段付溝部４１を形成している。すなわち、段付溝部４１は、内広外狭の傾斜面を有するように形成されている。

図３は、本発明の切開斜視図である。図３に示すように、クランクピン１及びクランクジャーナル２のそれぞれの中心軸に沿って形成された中空部３１，３０は、油溜りの機能をなす。中空部３１は、クランクピン１の中心軸に沿って形成され、クランクピン１の両端に連結されるクランクアーム３を貫通し、その両端の貫通孔がキャップにより閉塞される。クランクピン１及び外径部材４０には、中心軸方向の略中央に中空部３１と連通され、中空部３１内部の油を外径部材４０表面に供給するようにする貫通孔３２が形成されている。中空部３０は、クランクジャーナル２の中心軸に沿って形成され、クランクジャーナル２と連結されるクランクアーム３を貫通し、そのクランクアーム３側の端部の貫通孔がキャップにより閉塞される。クランクジャーナル２は、外径部材４０を介して主軸受けに軸支され、主軸受け側からの油を中空部３０に供給するとともに、クランクジャーナル２の端部において中心軸と直交する方向に設けられクランクジャーナル２の外径部材４０表面に油を供給するようにする溝３３が形成されている。さらに、クランクアーム３には、外表面からクランクピン１の中心軸を貫通するとともに、クランクジャーナル２の中心軸と連通される貫通孔３４が形成されている。貫通孔３４は、中空部３０に供給される油を中空部３１に供給するとともに、クランクシャフトＡ表面全体に油を供給することができる。

上述のように、本発明に係るクランクシャフトＡは、クランクピン１及びクランクジャーナル２の外周縁部に高剛性の外径部材４０が接合されることにより、クランクシャフトＡの強度を大幅に高める。以下、本発明の作動状態を説明する。

一般に、クランクシャフトＡは、クランクケース内に設けられ、各シリンダの動力行程において得られたピストンの直線運動を回転運動に変換してエンジンの出力を外部に伝え、また、吸入、圧縮、排気の行程においてはピストンに運動を伝える。また、クランクシャフトには、以下のような特性が求められる。すなわち、１）動的及び静的なバランスを取りながら円滑に回転すること、２）特に、大きな荷重と衝撃を受けながら高速回転するため、十分な剛性を有すること、及び３）長寿命のための耐摩耗性に優れていることである。

すなわち、本発明に係る外周面に異種金属が接合されたクランクシャフトＡは、クランクピン１とクランクジャーナル２に外径部材４０が嵌合されて製作されるため、鋳鋼球状化鋳鉄から製作されたクランクシャフトに比べて剛性及び耐摩耗性に優れており、鍛造製作されたクランクシャフトに比べて低コストでの製作が可能であるという特徴を有する。

さらに、外周面に異種金属が接合されるクランクシャフトＡは、上述の特徴の他に、鋳型に設けられる接合用金属（外径部材４０）が冷金の働きをする。

なお、本発明に係るクランクシャフトＡは、全体が鋳鋼または球状化黒鉛鋳鉄から製作されたものに比べて、クランクピンやクランクジャーナルの表面熱処理が容易に行えるようになっている。

以上、本発明を添付図面に基づいて詳細に説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載の範囲内である限り、種々の修正及び変更が可能であることはいうまでもない。

本発明を適用したクランクシャフトの斜視図である。 本発明を適用したクランクシャフトの正断面図である。 本発明を適用したクランクシャフトの切開斜視図である。

符号の説明

Ａ クランクシャフト
１ クランクピン
２ クランクジャーナル
３ クランクアーム
４ 強化溝部
４０ 外径部材
４１ 段付溝部

Claims (4)

1. 内燃機関又は往復動式空気圧縮機に用いられ、クランクジャーナルと、クランクピンと、該クランクジャーナルと該クランクピンとの繋ぎ手部分であるクランクアームとからなるクランクシャフトにおいて、
   上記クランクピンと上記クランクジャーナルの外周縁に形成された強化溝部と、
   上記クランクピン及び上位クランクジャーナルとは異なる金属からなり、上記強化溝部に嵌合され溶融接合されるように鋳造される外径部材と、
   上記強化溝部の内側には段付溝部とを備え、
   上記外径部材は、球状黒鉛鋳鉄からなることを特徴とするクランクシャフト。
2. 上記段付溝部は、外狭内広の傾斜面が形成された梯形断面を有することを特徴とする請求項１に記載のクランクシャフト。
3. 上記外径部材は、クランクピンの外径の４％〜１２％の厚さに形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のクランクシャフト。
4. 上記外径部材の内側角部には、丸み付けが施されていることを特徴とする請求項３に記載のクランクシャフト。

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