(57)【要約】【課題】良好な疲労強度を有するクランクシャフトおよびその製造方法を提供する。【解決手段】クランクジャーナル１３０、クランクピン１４０、クランクジャーナル１３０とクランクピント１４０とを連結するクランクアーム１５０、および、クランクピン１４０の円柱部とクランクアーム１５０との境界に位置する円弧状溝部であるフィレットアール部１７０を有するクランクシャフトである。フィレットアール部１７０の外周面１７１は、焼入れすることで形成された焼入れ硬化層を有し、かつ、焼入れ硬化層の形成後に部分的に研削されている。前記焼入れ硬化層における研削されていない非研削外周面１７２は、フィレットアール部１７０の底１７６からピンスラスト側に位置する外周面領域１７４を、含んでいる。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
クランクジャーナル、
クランクピン、
前記クランクジャーナルと前記クランクピントとを連結するクランクアーム、および、
前記クランクピンの円柱部と前記クランクアームとの境界に位置する円弧状溝部であるフィレットアール部を有し、
前記フィレットアール部の外周面は、焼入れすることで形成された焼入れ硬化層を有し、かつ、前記焼入れ硬化層の形成後に部分的に研削されており、
前記焼入れ硬化層における研削されていない非研削外周面は、前記フィレットアール部の底からピンスラスト側に位置する外周面領域を、含んでいる
ことを特徴とするクランクシャフト。
【請求項２】
前記非研削外周面は、前記フィレットアール部の底からピンスラスト側に位置する外周面領域のみから構成され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。
【請求項３】
前記焼入れは、誘導加熱を利用する局部加熱に基づいていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のクランクシャフト。
【請求項４】
クランクジャーナル、クランクピン、前記クランクジャーナルと前記クランクピントとを連結するクランクアーム、および、前記クランクピンの円柱部と前記クランクアームとの境界に位置する円弧状溝部であるフィレットアール部を有するクランクシャフトの製造方法であって、
焼入れすることで焼入れ硬化層が形成されている前記フィレットアール部の外周面を、部分的に研削加工する研削工程を有し、
前記研削工程においては、前記フィレットアール部の底からピンスラスト側に位置する外周面領域を少なくとも避けて、前記フィレットアール部の外周面が研削加工される
ことを特徴とするクランクシャフトの製造方法。
【請求項５】
前記研削工程においては、前記フィレットアール部の底からピンスラスト側に位置する外周面領域のみを避けて、前記フィレットアール部の外周面が研削加工される
ことを特徴とする請求項４に記載のクランクシャフトの製造方法。
【請求項６】
前記焼入れは、誘導加熱を利用する局部加熱に基づいていることを特徴とする請求項４又は請求項５に記載のクランクシャフトの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、クランクシャフトおよびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の内燃機関の高出力化に伴い、クランクシャフトの疲労強度の向上が要請されており、例えば、クランクシャフトのピン部のフィレットアール部に、高周波焼入れを施して圧縮残留応力を付与することで、疲労強度を向上させている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−２０７７３９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、特許文献１に記載の技術においては、高周波焼入れ後にクランクシャフトの外周面に対し研削加工が施されており、研削加工後において、疲労強度が低下する問題を有している。
【０００５】
本発明は、上記従来技術に伴う課題を解決するためになされたものであり、良好な疲労強度を有するクランクシャフトおよびその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するための本発明の一様相は、クランクジャーナル、クランクピン、前記クランクジャーナルと前記クランクピントとを連結するクランクアーム、および、前記クランクピンの円柱部と前記クランクアームとの境界に位置する円弧状溝部であるフィレットアール部を有するクランクシャフトである。前記フィレットアール部の外周面は、焼入れすることで形成された焼入れ硬化層を有し、かつ、前記焼入れ硬化層の形成後に部分的に研削されている。前記焼入れ硬化層における研削されていない非研削外周面は、前記フィレットアール部の底からピンスラスト側に位置する外周面領域を、含んでいる。
【０００７】
上記目的を達成するための本発明の別の一様相は、クランクジャーナル、クランクピン、前記クランクジャーナルと前記クランクピントとを連結するクランクアーム、および、前記クランクピンの円柱部と前記クランクアームとの境界に位置する円弧状溝部であるフィレットアール部を有するクランクシャフトの製造方法である。本製造方法は、焼入れすることで焼入れ硬化層が形成されている前記フィレットアール部の外周面を、部分的に研削加工する研削工程を有し、前記研削工程においては、前記フィレットアール部の底からピンスラスト側に位置する外周面領域を少なくとも避けて、研削加工される。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の一様相に係るクランクシャフトによれば、フィレットアール部における応力の集中点が位置するフィレットアール部の底からピンスラスト側に位置する外周面領域は、研削されておらず、焼入れ硬化層がそのまま残存している。したがって、焼入れ硬化層の形成によって付与された圧縮残留応力が維持されており、クランクシャフトは良好な疲労強度を呈する。つまり、良好な疲労強度を有するクランクシャフトを提供することが可能である。
【０００９】
本発明別の一様相に係るクランクシャフトの製造方法によれば、研削工程において、フィレットアール部の外周面は、フィレットアール部の底からピンスラスト側に位置する外周面領域を少なくとも避けて、研削加工される。つまり、フィレットアール部における応力の集中点が位置するフィレットアール部の底からピンスラスト側に位置する外周面領域は、研削されず、焼入れ硬化層がそのまま残存することになる。したがって、製造されたクランクシャフトにおいては、焼入れ硬化層の形成によって付与された圧縮残留応力が維持されており、良好な疲労強度を呈する。つまり、良好な疲労強度を有するクランクシャフトの製造方法を提供することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施の形態に係るクランクシャフトを説明するための側面図である。
【図２】図１に示されるクランクシャフトの硬化層を説明するための断面図である。
【図３】図２に示されるフィレットアール部の拡大図である。
【図４】図２に示されるフィレットアール部の構成を説明するための概略図である。
【図５】図１に示されるクランクシャフトの製造方法を説明するためのブロック図である。
【図６】図１に示されるクランクシャフトのピン部の疲労試験結果を示しているＳ−Ｎ曲線である。
【図７】図６に示される実施例を説明するための概略図である。
【図８】図６に示される比較例を説明するための概略図である。
【図９】図２に示されるフィレットアール部の圧縮残留応力およびビッカース硬さに対する研削深さの影響を示しているグラフである。
【図１０】図９に示される実施例における圧縮残留応力およびビッカース硬さの測定場所を説明するための概略図である。
【図１１】図９に示される比較例における圧縮残留応力およびビッカース硬さの測定場所を説明するための概略図である。
【図１２】本発明の実施の形態に係る変形例を説明するための断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。なお、図面の寸法比率は、説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる場合がある。
【００１２】
図１は、本発明の実施の形態に係るクランクシャフトを説明するための側面図、図２は、図１に示されるクランクシャフトの焼入れ硬化層を説明するための断面図、図３は、図２に示されるフィレットアール部の拡大図、図４は、フィレットアール部の構成を説明するための概略図である。
【００１３】
本発明の実施の形態に係るクランクシャフト１００は、図１に示されるように、フランジ部１１０、ギアシャフト部１２０、クランクジャーナル１３１〜１３４、クランクピン１４１〜１４６、クランクアーム１５１〜１５９および焼入れ硬化層１６０を有しており、例えば、レシプロエンジン内のピストンの往復運動を回転運動に変換する自動車エンジン等の内燃機関用部品として適用される。なお、クランクシャフト１００は、鍛造加工による一体成形品であり、後述するように、良好な疲労強度を有している。
【００１４】
フランジ部１１０は、クランクシャフト１００の後端であり、例えば、フライホイールやトルクコンバータが取り付けられる。ギアシャフト部１２０は、クランクシャフト１００の前端であり、例えば、クランクギアやクランクプーリが取り付けられる。
【００１５】
クランクジャーナル１３１〜１３４は、円形状の断面を有しており、中心軸Ｓに沿って回転自在に軸支される。以下において、クランクジャーナル１３１〜１３４は、一括してジャーナル部１３０と称することがある。
【００１６】
クランクピン１４１〜１４６は、円形状の断面を有しており、ジャーナル部１３０の軸（中心軸Ｓ）に対し偏心した位置に配置されて、ピストンのコネクティングロッド（コンロッド）と摺動可能に連結される。以下において、クランクピン１４１〜１４６は、一括してピン部１４０と称することがある。
【００１７】
クランクアーム１５１〜１５９は、ジャーナル部１３０とピン部１４０とを連結している。以下において、クランクアーム１５１〜１５９は、一括してアーム部１５０と称することがある。
【００１８】
焼入れ硬化層１６０は、図２に示されるように、フィレットアール部１７０が占める領域を中心として、ピン部１４０の円柱部を含めて形成されている。これにより、フィレットアール部１７０に圧縮残留応力が付与され、亀裂の伝播を抑制することで、疲労強度が向上している。フィレットアール部１７０は、円弧状（丸みを帯びている）溝部であり、ピン部１４０の円柱部とアーム部１５０との境界（隅肉部）に位置している。なお、フィレットアール部１７０は、焼入れ硬化層の形成前に形成されている。
【００１９】
クランクシャフト１００は、表面仕上げやジャーナル部１３０とピン部１４０との軸心線の平行度を整えるため、図３に示されるように、部分的に研削加工されている。具体的には、フィレットアール部１７０の外周面１７１は、図４に示されるように、非研削外周面１７２および研削外周面１７３を有する。非研削外周面１７２は、フィレットアール部１７０の底１７６からピンスラスト側に位置する外周面領域１７４を含んでいる。なお、底１７６は、フィレットアール部１７０の中心からピン部１４０の軸に直交するように伸ばした線と、フィレットアール部１７０との交点である。
【００２０】
外周面領域１７４は、フィレットアール部１７０における応力の集中点（最大応力を受ける点）が位置しており、かつ、上記のように、研削されておらず、焼入れ硬化層がそのまま残存している。したがって、焼入れ硬化層の形成によって付与された圧縮残留応力が維持されることにより、良好な疲労強度を呈する。つまり、クランクシャフト１００は、良好な疲労強度を有する。
【００２１】
非研削外周面１７２は、外周面領域１７４のみによって構成することが可能であり、この場合、非研削外周面１７２が占める領域を最小化することができる。
【００２２】
次に、本実施の形態に係るクランクシャフト１００の製造方法を説明する。
【００２３】
図５は、図１に示されるクランクシャフトの製造方法を説明するためのブロック図である。
【００２４】
本製造方法は、図５に示されるように、切断工程、鍛造工程、切削工程、第１研削工程、焼き入れ工程および第２研削工程を有する。
【００２５】
切断工程においては、例えば、機械構造用炭素鋼鋼材が切断されてクランクシャフト素材が得られる。
【００２６】
鍛造工程においては、クランクシャフト素材に対して熱間鍛造および鍛造加工が施されて、疲労強度を必要とする部位、例えば、フランジ部１１０やギアシャフト部１２０の疲労強度が向上させられる。
【００２７】
切削工程においては、鍛造工程を経た常温の中間鍛造品に対し切削加工が施されて、例えば、張り出しているバリ等が除去される。
【００２８】
第１研削工程においては、例えば、内周に切刃を有するミラーカッタを利用し、ジャーナル部１３０およびピン部１４０の円柱部の外周面に対し研削加工が施されると共に、フィレットアール部１７０が形成される。なお、第１研削工程は、ミラーカッタを利用する形態に限定されない。
【００２９】
焼き入れ工程においては、フィレットアール部１７０が占める領域を中心として、誘導加熱を利用して局部加熱した後に、冷却することで、焼入れ硬化層１６０が、ジャーナル部１３０の円柱部とフィレットアール部１７０とが占める領域に形成される（図２参照）。これにより、フィレットアール部１７０は、圧縮残留応力が付与され、疲労強度が向上する。なお、局部加熱は、例えば、レーザ加熱を利用することも可能であるが、誘導加熱は、熱損失が小さく加熱効率が良好であり、かつ、温度制御が容易である点で好ましい。また、誘導加熱は、加熱速度の観点から高周波を適用することが好ましい。
【００３０】
第２研削工程においては、例えば、内周に切刃を有するミラーカッタを利用し、ジャーナル部１３０およびピン部１４０の円柱部の外周面に対し研削加工が施される。これにより、表面仕上げがなされ、また、ジャーナル部１３０とピン部１４０との軸心線の平行度が整えられ、クランクシャフト１００が得られる。
【００３１】
この際、フィレットアール部１７０の底１７６からピンスラスト側に位置する外周面領域１７４を少なくとも避けて、研削加工が実施される（図３および図４参照）。つまり、フィレットアール部１７０における応力の集中点が位置するフィレットアール部１７０の底１７６からピンスラスト側に位置する外周面領域１７４は、研削されず、焼入れ硬化層がそのまま残存することになる。したがって、製造されたクランクシャフト１００においては、焼入れ硬化層の形成によって付与された圧縮残留応力が維持されており、良好な疲労強度を呈する。つまり、良好な疲労強度を有するクランクシャフト１００を製造することが可能である。
【００３２】
なお、第２研削工程は、ミラーカッタを利用する形態に限定されない。また、フィレットアール部１７０における研削加工は、外周面領域１７４のみを避けて実施することも可能であり、この場合、非研削外周面１７２が占める領域を最小化することができる。
【００３３】
本実施の形態においては、適用可能なフィレットアール部１７０の自由度が大きい。したがって、フィレットアール部に加圧ローラを押し付けて局部的な塑性変形を生じさせる加工（フィレットロール加工）を実施するための既存の設備を有する場合、フィレットアール部形状を流用することによって、フィレットアール部を形成するための設備を共用することが可能である。
【００３４】
次に、本実施の形態に係るクランクシャフト１００のピン部の疲労試験結果、およびフィレットアール部の圧縮残留応力の測定結果を順次説明する。
【００３５】
図６は、図１に示されるクランクシャフトのピン部の疲労試験結果を示しているＳ−Ｎ曲線、図７および図８は、図６に示される実施例１および比較例１を説明するための概略図である。
【００３６】
図６のＳ−Ｎ曲線に示されるように、実施例は、応力振幅（両振り）σａが小さくなるのに応じて、破断繰り返し数Ｎが増加している。そして、応力振幅（両振り）σａが９８０ＭＰａ以下の場合（９００ＭＰａ、９５０ＭＰａおよび９８０ＭＰａの場合）、破断繰り返し数Ｎが１０７に達しても破断が生じなかった。一方、比較例は、応力振幅（両振り）σａとして８００ＭＰａを適用した場合であっても、４〜５×１０６程度の破断繰り返し数Ｎにおいて、破断が生じた。
【００３７】
したがって、実施例は、疲労強度に関し、比較例より良好な結果を示すことが確認された。
【００３８】
なお、実施例は、図７に示されるように、高周波誘導加熱を利用した焼入れ硬化層の形成後において、ピン部の円柱部の外周面のみを研削することにより製造された。比較例は、図８に示されるように、焼入れ硬化層の形成後において、ピン部の円柱部の外周面に加えて、フィレットアール部を対象として研削することにより製造された。
【００３９】
図９は、図２に示されるフィレットアール部の圧縮残留応力およびビッカース硬さに対する研削深さの影響を示しているグラフ、図１０および図１１は、図９に示される実施例および比較例における圧縮残留応力およびビッカース硬さの測定場所を説明するための概略図である。
【００４０】
図９の圧縮残留応力の測定結果に示されるように、実施例１、２は、フィレットアール部の表層からの研削深さが１００μｍの位置に、圧縮残留応力の最大値があり、その後、研削深さが大きくなるに従って、圧縮残留応力が減少する傾向を有していた。一方、比較例は、研削深さが大きくなるに従って、圧縮残留応力が減少する傾向を有する点では共通していたが、圧縮残留応力の最大値は、実施例１、２に比較して小さい値を示した。
【００４１】
また、実施例１、２および比較例に関し、有限要素法（ＦＥＭ：Ｆｉｎｉｔｅ  Ｅｌｅｍｅｎｔ  Ｍｅｔｈｏｄ）解析を適用し、荷重を付与したときの発生応力を調べたところ、最表面の発生応力が一番高く、内部にいくにしたがって発生応力は低下する傾向を有していた。
【００４２】
したがって、比較例において圧縮残留応力の最大値が、実施例１、２に比較して小さい値を示したのは、フィレットアール部を研削することで、圧縮残留応力の最大値を示す部位が取り除かれたためであると推定される。
【００４３】
なお、図９のビッカース硬さの測定結果に示されるように、実施例１は、有効硬化層深さを比較例と同等としたものであり、実施例２は、比較例よりも有効硬化層深さを大きくしたものである。具体的には、実施例２は、実施例１に比較し、焼入れ硬化層を形成する際の高周波誘導加熱に適用される電力（ｋＷ）を増加させて製造された。また、実施例１、２および比較例における測定場所は、図１０および図１１に示されるように、応力の集中点（最大応力を受ける点）が位置する領域に設定された。
【００４４】
次に、本実施の形態に係る変形例を説明する。
【００４５】
図１２は、本発明の実施の形態に係る変形例を説明するための断面図である。
【００４６】
フィレットアール部は、ピン部１４０の円柱部とアーム部１５０との境界にのみ配置される形態に限定されない。例えば、図１２に示されるフィレットアール部１７８のように、クランクジャーナル１３１（ジャーナル部１３０）の円柱部とクランクアーム１５１（アーム部１５０）との境界にも配置することが可能である。なお、符号１６２は、フィレットアール部１７８が占める領域を中心として、ジャーナル部１３０の円柱部を含めて形成された焼入れ硬化層を示している。
【００４７】
以上のように、本実施の形態に係るクランクシャフトにおいては、フィレットアール部における応力の集中点が位置するフィレットアール部の底からピンスラスト側に位置する外周面領域は、研削されておらず、焼入れ硬化層がそのまま残存している。したがって、焼入れ硬化層の形成によって付与された圧縮残留応力が維持されており、クランクシャフトは良好な疲労強度を呈する。つまり、良好な疲労強度を有するクランクシャフトを提供することが可能である。
【００４８】
また、本実施の形態に係るクランクシャフトの製造方法においては、研削工程において、フィレットアール部の外周面は、フィレットアール部の底からピンスラスト側に位置する外周面領域を少なくとも避けて、研削加工される。つまり、フィレットアール部における応力の集中点が位置するフィレットアール部の底からピンスラスト側に位置する外周面領域は、研削されず、焼入れ硬化層がそのまま残存することになる。したがって、製造されたクランクシャフトにおいては、焼入れ硬化層の形成によって付与された圧縮残留応力が維持されており、良好な疲労強度を呈する。つまり、良好な疲労強度を有するクランクシャフトの製造方法を提供することが可能である。
【００４９】
フィレットアール部の非研削外周面は、フィレットアール部の底からピンスラスト側に位置する外周面領域のみから構成することも可能であり、この場合、非研削外周面が占める領域を最小化することができる。
【００５０】
誘導加熱は、熱損失が小さく加熱効率が良好であり、かつ、温度制御が容易であるため、焼入れ硬化層を形成するための焼入れは、誘導加熱を利用する局部加熱に基づいていることが好ましい。
【００５１】
本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲で種々改変することができる。例えば、必要に応じ、フィレットアール部に加圧ローラを押し付けて局部的な塑性変形を生じさせる加工（フィレットロール加工）をさらに施すことも可能である。
【符号の説明】
【００５２】
１００  クランクシャフト、
１１０  フランジ部、
１２０  ギアシャフト部、
１３０  ジャーナル部、
１３１〜１３４  クランクジャーナル、
１４０  ピン部、
１４１〜１４６  クランクピン、
１５０  アーム部、
１５１〜１５９  クランクアーム、
１６０，１６２  焼入れ硬化層、
１７０，１７８  フィレットアール部、
１７１  外周面、
１７２  非研削外周面、
１７３  研削外周面、
１７４  外周面領域、
１７６  底、
Ｓ  中心軸。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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