(57)【要約】【課題】ピン及びジャーナルのフィレットＲ部を高周波焼入れした場合の置割れを効果的に防止する。【解決手段】例えば、ピン１のフィレットＲ部１ａとスラスト部１ｂの接続位置から頂上部Ｐ1のトップ部１ｄまでの、ピン１の中心軸ＣＬ1と直角方向の距離をＨ（mm）、前記接続位置からピン１の肩部１ｅの表面における焼入れ硬化層までの前記中心軸ＣＬ1と直角方向の距離をＬ（mm）、ピン１の直径をＤ（mm）とした場合に、ピン１の肩部１ｅの頂上部Ｐ1側における前記距離Ｌが（−０．０３２Ｄ＋６．６５２１）×Ｈ1/3（mm）以上である高周波焼入れクランク軸。【効果】高周波焼入れ後の焼戻しを省略できて生産性向上が図れ、かつ、高周波焼入れ後の割れ発生による不良コストを低減できる。【選択図】図２
2018112222.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面を高周波焼入れしたクランク軸であって、
ピン又はジャーナルのフィレットＲ部とスラスト部の接続位置から頂上部のトップ部までの、ピン又はジャーナルの中心軸と直角方向の距離をＨ（mm）、前記接続位置からピン又はジャーナルの肩部表面における焼入れ硬化層までのピン又はジャーナルの中心軸と直角方向の距離をＬ（mm。ピン又はジャーナルの焼入れ硬化層が前記接続位置よりも中心軸から近い場合を正、遠い場合を負とする。）、ピン又はジャーナルの直径をＤ（mm）とした場合に、
ピン又はジャーナルの肩部の頂上部側における前記距離Ｌが、（−０．０３２Ｄ＋６．６５２１）×Ｈ1/3（mm）以上であることを特徴とする高周波焼入れクランク軸。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高周波焼入れした際の置割れの発生を防止できるクランク軸に関するものである。なお、置割れとは、焼き入れ完了後、常温で放置しておくことにより残留応力等に起因して発生する割れを言う。
【背景技術】
【０００２】
周知のように、ピン及びジャーナルを有するクランク軸は、ピストンで容積変化を得るようにしたエンジンのような容積型機関の動力伝達部材である。このクランク軸は、クランクケース内のメインベアリングに支持され、燃焼工程におけるピストンの昇降運動を、コネクティングロッドを介して回転運動に変換する一方、吸入、圧縮又は排気工程のための昇降運動を他のピストンに行わせる。このようにして、クランク軸はエンジンの出力を連続した回転力として取り出している。
【０００３】
ところで、大荷重を受けながら高速回転をするクランク軸には、高い強度や耐摩耗性、剛性が要求されることから、高炭素鋼やCr−Mo鋼、Ni−Cr鋼等を型打鍛造したものが多く用いられてきた。
【０００４】
一方、クランク軸で高い強度や耐摩耗性が要求される部位は、ピン・ジャーナルの表面や、フィレットＲ部等に限られているため、合金元素を添加して材料を強化すると、不必要な部分まで強化することになり、その分、合金コストが高くなるという問題があった。
【０００５】
そこで、合金成分は必要以上に添加せず、必要な部分のみを強化する方法として、クランク軸のピン及びジャーナルのそれぞれの表面に高周波焼入れを行うことが広く行われている。
【０００６】
高周波焼入れを行ったクランク軸の焼入れ硬化部位は、マルテンサイト変態による硬化や、膨張によって生じる圧縮残留応力により、疲労強度の向上が見込まれる。
【０００７】
クランク軸のフィレットＲ部を含めて高周波焼入れする場合は、クランクアームのピン側とジャーナル側のそれぞれのフィレットＲ部においても、マルテンサイト変態による硬化や、膨張によって生じる圧縮残留応力による疲労強度の向上を狙っている。
【０００８】
しかしながら、図６に示すような、クランク軸Ａのアーム５におけるピン側頂上部付近や、前記アーム５部において、カウンタウェイト４がない場合のジャーナル側頂上部付近の肉厚が小さい部分においては引張応力が発生する場合があり、これが焼入れ中の割れの原因となる。
【０００９】
肉厚が小さい部分において引張応力が発生する場合がある、前記ピン側頂上部付近（以下、「ピン頂上部Ｐ1」という。）とは、各アーム５のピン１に対してジャーナル２とは反対側の領域をいう。また、ジャーナル側頂上部付近（以下、「ジャーナル頂上部Ｐ2」という。）とは、カウンタウェイト４がないアーム５のジャーナル２に対してピン１と反対側の領域をいう。なお、図６中の３は高周波加熱コイルを示す。
【００１０】
すなわち、ピン１及びジャーナル２のそれぞれのフィレットＲ部１ａ，２ａを焼入れすると、フィレットＲ部１ａ，２ａからスラスト部１ｂ，２ｂにかけて置割れａが発生する場合がある。図７はピン１に発生した置割れａについて示した図であり、図７中の１ｃは円柱部、１ｄはトップ部、１ｅは肩部を示す。トップ部１ｄとは、ピン１の頂上部の最も先端の部分をいう。
【００１１】
なお、カウンタウェイト４がない場合のジャーナル頂上部付近の場合も同様で、図７の円柱部１ｃを円柱部２ｃに、トップ部１ｄをトップ部２ｄに、肩部１ｅを肩部２ｅに置き換えればよい。
【００１２】
置割れが生じたクランク軸は使用することができないので、不良コストの増大となる。このため、従来は、高周波焼入れ後に焼き戻しを行うことで置割れを防止していた。
【００１３】
しかしながら、上記従来の方法は、焼き戻し工程が増えるので、その分生産性が低下するという問題があった。
【００１４】
そこで、特許文献１では、「クランク軸のアームのピン周縁部は、軸直角方向の高さｈを軸方向の幅ｗで除した値を０．４以下（ｈ／ｗ≦０．４）、ピントップを基点（０°）とした軸回りに−９０°から＋９０°までの範囲における前記幅の最大値ｗmaxと最小値ｗminとの差を７mm以下に設定し、ピンのフィレットＲ部とアームのスラスト部との境界における表面からの深さが１００μmまでの領域の残留応力積分値を２００００MPa・μm以下としたクランクシャフト」が提案されている。
【００１５】
この特許文献１で提案された技術によれば、置き割れを防ぎつつ、クランクシャフトの生産性向上及び軽量化が可能であるとしている。
【００１６】
しかしながら、発明者らの調査によれば、上記の特許文献１で提案されたクランクシャフトでは、クランクアームの周縁部におけるｈ／ｗ≦０．４の条件の場合、割れを防止できる旨の記載はあるものの、それ以外の形状等の場合については十分な検討がなされていない。
【００１７】
このような置割れを生じるクランク軸に関して、発明者らの一名は、特許文献２で、クランク軸のピンやジャーナルの頂上部におけるフィレットＲ部とスラスト部の接続部付近における引張応力発生のメカニズムを開示している。
【００１８】
この特許文献２では、該箇所における引張応力発生の一因として、ピン、ジャーナルの頂上部におけるフィレットＲ部側と、このフィレットＲ部と反対の側との冷却速度差があることを開示している。
【００１９】
つまり、クランク軸の高周波焼入れ後の冷却において、フィレットＲ部、スラスト部付近と円柱部のみを冷却剤により冷却する場合、ピン、ジャーナルの頂上部のフィレットＲ部側は速く冷却されることになる。
【００２０】
しかしながら、フィレットＲ部と反対側のピンの肩部やジャーナルのカウンタウェイトの無い部分の肩部は遅れて冷却されるため、遅れて収縮することになる。このため、フィレットＲ部側のスラスト部との接続位置付近（特許文献２の図９（ｄ）における矢印ｃ付近）にはこの遅れた収縮により生じるモーメント（特許文献２の図９（ｄ）における矢印ｍ）の影響でさらに引張応力が発生することを開示している。
【００２１】
この特許文献２で開示したメカニズムによれば、ピンやジャーナルの肩部側の焼入れ範囲が広く、肩部側でも焼入れ時の変態膨張が広い範囲で生じる場合、変態膨張により収縮量が緩和される。そのため、収縮によって生じるモーメントによる曲げも緩和され、それに伴ってフィレットＲ部側のスラスト部との接続位置付近に生じる引張応力は緩和されると考えられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２２】
【特許文献１】特開２０１０−７１４５号公報
【特許文献２】特開２００５−１４６３８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２３】
本発明は、上記の考え方に基づいてなされたものであり、クランクアームの周縁部におけるｈ／ｗ≦０．４の条件を満たさないような場合においても、前記残留応力積分値が２００００MPa・μm以下となって、置割れの発生を防止することができる高周波焼入れクランク軸を提供することを目的としたものである。
【課題を解決するための手段】
【００２４】
本発明は、
表面を高周波焼入れしたクランク軸であって、
ピン又はジャーナルのフィレットＲ部とスラスト部の接続位置から頂上部のトップ部までの、ピン又はジャーナルの中心軸と直角方向の距離をＨ（mm）、前記接続位置からピン又はジャーナルの肩部表面における焼入れ硬化層までのピン又はジャーナルの中心軸と直角方向の距離をＬ（mm。ピン又はジャーナルの焼入れ硬化層が前記接続位置よりも中心軸から近い場合を正、遠い場合を負とする。）、ピン又はジャーナルの直径をＤ（mm）とした場合に、
ピン又はジャーナルの肩部の頂上部側における前記距離Ｌが、（−０．０３２Ｄ＋６．６５２１）×Ｈ1/3（mm）以上であることを最も主要な特徴としている。
【００２５】
本発明では、ピン又はジャーナルの肩部の頂上部側における高周波焼き入れの範囲を適正に規定するので、引張残留応力を低減することができる。
【発明の効果】
【００２６】
本発明は、クランク軸を高周波焼入れする際に、ピン又はジャーナルの肩部の頂上部側における焼入れを適正範囲で行うことができるので、置割れの原因となる引張残留応力の低減を図ることができる。これにより、高周波焼入れ後の焼戻しを省略できることによる生産性向上が図れ、かつ、高周波焼入れ後の割れ発生による不良コストの低減を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明のクランク軸のピン、アーム、ジャーナルを説明する図であり、（ａ）（ｂ）は見る方向を異ならせた斜視図、（ｃ）は正面図、（ｄ）は（ｃ）のＢ部の拡大図である。
【図２】シミュレーションに使用したモデルの各部の概略と、頂上部付近のマルテンサイト分布と、明細書中のＨ，Ｗ，Ｌ，Ｃ／２，Ｄ／２を説明する図であり、クランク軸のピン又はジャーナルの中心軸から頂上部側でかつ円柱部の軸方向１／２部分までを示している。
【図３】Ｌ／Ｈ1/3とスラスト面との境界における表面からの深さが１００μmまでの領域の残留応力の積分値の関係を形状別に示した図である。
【図４】Ｌ／Ｈ1/3とスラスト面との境界における表面からの深さが１００μmまでの領域の残留応力の積分値の関係を示した図で、（ａ）はピン又はジャーナルの円柱部の直径Ｄが３０mmの場合、（ｂ）は同じく直径Ｄが６０mmの場合、（ｃ）は同じく直径Ｄが９０mmの場合、（ｄ）は同じく直径Ｄが１２０mmの場合である。
【図５】ピン又はジャーナルの円柱部の直径Ｄとスラスト面との境界における表面からの深さが１００μmまでの領域の残留応力の積分値が１９０００MPa・μm以下となるＬ／Ｈ1/3との関係を示した図である。
【図６】クランク軸のピン頂上部とジャーナル頂上部を説明する図である。
【図７】クランク軸のピンに発生した置割れを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
本発明では、ピン及びジャーナルそれぞれのフィレットＲ部を高周波焼入れした場合にも、フィレットＲ部からスラスト部にかけて発生する置割れを効果的に防止するという目的を、ピン及びジャーナルの肩部の頂上部側における焼入れ範囲を適正に規定することで実現した。
【実施例】
【００２９】
以下、本発明の効果を確認するために行った実施結果について説明する。
下記表１〜３に実施例における実施条件を、下記表４〜６に実施例における残留応力の積分値等を示す。
【００３０】
発明者らは、下記表１〜３に示すように、図２に示すＤ，Ｈ，Ｗ，Ｌ，Ｃを異ならせた１４種類の形状を用いて焼入れ応力解析シミュレーションにより検討を行った。
【００３１】
Ｄはピン１又はジャーナル２の円柱部１ｃ又は２ｃの直径である。また、Ｈはピン１又はジャーナル２のフィレットＲ部１ａ又は２ａとスラスト部１ｂ又は２ｂの接続位置からトップ部１ｄ又は２ｄまでの、ピン１又はジャーナル２の中心軸ＣＬ1又はＣＬ2と直角方向の距離である。また、Ｌは前記接続位置からピン１又はジャーナル２の肩部１ｅ又は２ｅの表面における焼入れ硬化層までのピン１又はジャーナル２の中心軸ＣＬ1又はＣＬ2と直角方向の距離であり、焼入れ硬化層が前記接続位置よりも中心軸ＣＬ1又はＣＬ2から近い場合を正、遠い場合を負とする。また、Ｗはピン１又はジャーナル２のトップ部１ｄ又は２ｄにおけるフィレットＲ部側のスラスト部１ｂ又は２ｂとの接続位置からピン１又はジャーナル２の中心軸ＣＬ1又はＣＬ2と平行なピン１又はジャーナル２の肩部１ｅ又は２ｅとの交点までの距離である。また、Ｃはピン１又はジャーナル２の円柱部１ｃ又は２ｃの長さである。
【００３２】
シミュレーションは、Ｌの値を制御するために、ピン又はジャーナルの円柱部、フィレットＲ部、スラスト部の熱量の比率を変更して行った。また、熱による膨張収縮や相変態による膨張を考慮したモデルとし、応力−ひずみ関係等の材料特性は、機械構造用炭素鋼鋼材Ｓ３８Ｃのものを使用した。
【００３３】
焼入れ硬化層の境目は、シミュレーションにおけるマルテンサイト分率が０．５となる位置で決定した。このように決定した理由は、日本工業規格（ＪＩＳ）における有効硬化層深さを規定する硬度とシミュレーションにおけるマルテンサイト分率が０．５となる位置がほぼ一致するからである。
【００３４】
対象とするピン又はジャーナルの円柱部の直径Ｄは３０mm、６０mm、９０mm、１２０mm、ピン又はジャーナルの円柱部の長さＣは２５mm、３３mm、フィレットＲは３mm、加熱時間は１５秒とし、冷却はクランク軸の円柱部、フィレットＲ部、スラスト部に冷却液があたるようなスプレー冷却を実施した。
【００３５】
モデルはピン又はジャーナルの頂上部のみの評価であるため、図２に示すような、この頂上部の断面形状を模擬できるような軸対称モデルとした。なお、軸対称の中心軸は、ピン又はジャーナルの中心軸である。
【００３６】
背景技術で説明したように、フィレットＲ部とアームのスラスト部との境界における表面からの深さが１００μmまでの領域の残留応力の積分値が、２００００MPa・μm以下であればクランク軸の頂上部に置き割れが発生しないことが判明している（特許文献１）。
【００３７】
従って、本検討では、クランク軸の頂上部が割れない判定値として前記残留応力の積分値を採用した。なお、この残留応力の積分値を求めるに当たっての残留応力値としては、該当する位置での最大主応力を採用した。
【００３８】
下記表１〜３の各々の条件にて検討した結果を整理したものを、下記表４〜６及び図３に示す。
【００３９】
各々の条件にて形状パラメータを変更したが、ピン１の円柱部１ｃ、またはジャーナル２の円柱部２ｃの直径Ｄが同じであれば、Ｌすなわちピン１やジャーナル２の肩部１ｅ，２ｅの焼入れ範囲とＨの１／３乗の比（Ｌ／Ｈ1/3）と、残留応力の積分値との関係がほぼ一意的に整理できることが分かる。
【００４０】
つまり、ピン１の円柱部１ｃ、またはジャーナル２の円柱部２ｃの直径Ｄが同じであれば、前記距離Ｗや前記円柱部の長さＣが異なっても、Ｌ／Ｈ1/3と残留応力の積分値との関係に影響がないことが分かる。
【００４１】
そこで、ピン１の円柱部１ｃ、またはジャーナル２の円柱部２ｃの直径Ｄごとに、Ｌ／Ｈ1/3と残留応力の積分値との関係を示したものを図４に示す。
【００４２】
先に述べたように、ピンやジャーナルの肩部の焼入れ範囲が大きい場合（Ｌが大きい場合）は、焼入れ部の変態膨張により冷却時の肩部の収縮が緩和され、フィレットＲ部側のスラスト部との接続位置付近を支点とした曲げによる応力集中も緩和されることを意味している。また、Ｈが大きい場合は、焼入れによる表面付近の引張応力が相対的に増大するため、応力集中が助長されてしまうことを意味する。
【００４３】
それぞれの直径Ｄにおいて、肩部の焼入れ範囲Ｌとクランク軸の頂上部の高さＨの１／３乗の比（Ｌ／Ｈ1/3）と、そのときの残留応力の積分値の予測値ｆ（Ｌ／Ｈ1/3）を定式化し（図４中の実線）、各直径Ｄにおける予測値ｆ（Ｌ／Ｈ1/3）が１９０００MPa・μm以下となるＬ／Ｈ1/3の値を整理したものを図５に示す。閾値を１９０００MPa・μmとしたのは、解析結果の予測値ｆ（Ｌ／Ｈ1/3）からのばらつきを考慮したためである。残留応力の積分値が２００００MPa・μm以下のものには、下記表４〜６中の数値に＊印を、予測値ｆ（Ｌ／Ｈ1/3）が１９０００MPa・μm以下のものには＊＊印を付けている。
【００４４】
図５より、高周波焼入れしたクランク軸のフィレットＲ部にて置き割れが発生しないようにするためには、ピンやジャーナルの肩部の焼入れ範囲Ｌを（−０．０３２Ｄ＋６．６５２１）×Ｈ1/3（mm）以上とすればよいことが分かる。
【００４５】
但し、ピンやジャーナルの肩部の焼入れ範囲Ｌが大きくなりすぎると、焼入れ部位が過熱されて頂上部分が融けることになるので、過熱により頂上部分が融けることのない範囲とすることは言うまでもない。
【００４６】
この過熱により頂上部分が融けることのない、ピンやジャーナルの肩部の焼入れ範囲Ｌはクランク軸の鋼種によっても相違するが、１４mm以下、より望ましくは１２mm以下である。また、ピン又はジャーナルのフィレットＲ部とスラスト部の接続位置から頂上部のトップ部までの、距離は１５mm以下、より望ましくは７mm以下である。
【００４７】
【表１】
2018112222.tif 000003
【００４８】
【表２】
2018112222.tif 000004
【００４９】
【表３】
2018112222.tif 000005
【００５０】
【表４】
2018112222.tif 000006
【００５１】
【表５】
2018112222.tif 000007
【００５２】
【表６】
2018112222.tif 000008
【００５３】
本発明は上記の例に限らず、請求項に記載された技術的思想の範疇であれば、適宜実施の形態を変更しても良いことは、言うまでもない。
【００５４】
例えば、上記の実施例は軸対称モデルに基づいたシミュレーションであるため、対象となるクランク軸の高周波焼入れ部はピン、ジャーナルを問わない。
【００５５】
また、本発明のクランク軸は、気筒数やエンジンの形式（直列型、Ｖ型、水平対向型）を問わない。
【産業上の利用可能性】
【００５６】
以上の本発明は、クランク軸の焼入れに限らず、同様の複雑な形状をした素材の焼入れにも適用できる。
【符号の説明】
【００５７】
Ａ    クランク軸
１    ピン
１ａ    フィレットＲ部
１ｂ    スラスト部
１ｃ    円柱部
１ｄ    トップ部
１ｅ    肩部
２    ジャーナル
２ａ    フィレットＲ部
２ｂ    スラスト部
２ｃ    円柱部
２ｄ    トップ部
２ｅ    肩部
４    カウンタウェイト
ＣＬ1、ＣＬ2    中心軸
【図１】
2018112222.tif 000009
【図２】
2018112222.tif 000010
【図３】
2018112222.tif 000011
【図４】
2018112222.tif 000012
【図５】
2018112222.tif 000013
【図６】
2018112222.tif 000014
【図７】
2018112222.tif 000015