(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
クランク軸の１スローにおいてアーム危険断面部それぞれにおけるピンの高周波焼入れ硬化層深さ（ｄＰ、単位ｍｍ）およびジャーナルの高周波焼入れ硬化層深さ（ｄＪ、単位ｍｍ）が、下記（１）〜（５）式により規定される所定の関係を満足することを特徴とするクランク軸。
【数１】
0004007033.tif 000020
ただし、クランク軸が、図１及び図２（ａ）に示す、ジャーナル軸と垂直面に投影した場合に隣接するピンとジャーナルとがオーバーラップするクランク軸である場合には、ピンとジャーナルのオーバーラップしている側のジャーナル部フィレットＲ開始点、終了点をそれぞれＰＪＳ、ＰＪＥとし、ピン部フィレットＲ開始点、終了点をそれぞれＰＰＳ、ＰＰＥとするとともに、線分ＰＪＳＰＪＥ、ＰＰＳＰＰＥの中点をそれぞれＰＪＣ、ＰＰＣとし、上記ｄＪは、領域ＰＰＳ、ＰＰＥ、ＰＪＳ、ＰＪＥにおけるジャーナル側焼入れ硬化層の深さの平均値を意味し、この焼入れ硬化層深さは、ジャーナル表面から垂直方向にとり、ＪＩＳ  Ｇ  ０５５９（’９６）における有効硬化層深さを意味するとともに、上記ｄＰは、領域ＰＰＳ、ＰＰＥ、ＰＪＳ、ＰＪＥにおけるピン焼入れ時のピン側焼入れ硬化層の深さの平均値を意味し、この焼入れ硬化層深さはピン表面から垂直方向にとり、ＪＩＳ  Ｇ  ０５５９（’９６）における有効硬化層深さを意味し、さらに、（１）式〜（５）式におけるＬ１Ｐはピン（１Ｐ）の長さ（単位ｍｍ）を示し、Ｌ２Ｊはジャーナル（２Ｊ）の長さ（単位ｍｍ）を示し、ｈＪＫはアーム部のジャーナル側高さ（単位ｍｍ）であって線分ＰＪＥＰＪＳと直線ＰＰＳＰＰＥとの間の距離を示し、ｈＰＫはアーム部のピン側高さ（単位ｍｍ）であって線分ＰＰＳＰＰＥと直線ＰＪＥＰＪＳとの間の距離を示し、ｌＪＫはアーム部のジャーナル側長さ（単位ｍｍ）であって線分ＰＰＳＰＪＥと線分ＰＰＥＰＪＳとの間の距離を示し、ｌＰＫはアーム部のピン側長さ（単位ｍｍ）であって線分ＰＰＳＰＪＥと線分ＰＰＥＰＪＳとの間の距離を示し、ＤＪはジャーナルの直径（単位ｍｍ）を示し、ＤＰはピンの直径（単位ｍｍ）を示し、さらに添字Ｋは１Ａまたは２Ａで、１Ａはアーム部１Ａを、２Ａはアーム部２Ａを示し、又は
クランク軸が、図１及び図２（ｂ）に示す、ジャーナル軸と垂直面に投影した場合に隣接するピンとジャーナルとがオーバーラップしないクランク軸である場合には、ピンとジャーナルの近接している方側のジャーナル部フィレットＲ開始点、終了点をそれぞれＰＪＳ、ＰＪＥとし、ピン部フィレットＲ開始点、終了点をそれぞれＰＰＳ、ＰＰＥとするとともに、線分ＰＪＳＰＪＥ、ＰＰＳＰＰＥの中点をそれぞれＰＪＣ、ＰＰＣとし、上記ｄＪは、点ＰＪＣからアーム部ピン側表面への最近点をＰＪＣＰとするとき、直線ＰＪＣＰＪＣＰ上での焼入れ硬化層の深さを意味し、この焼入れ硬化層深さは、ＪＩＳ  Ｇ０５５９（’９６）における有効硬化層深さを意味するとともに、上記ｄＰは、点ＰＰＣからアーム部ジャーナル側表面への最近点をＰＰＣＪとするとき、直線ＰＰＣＰＰＣＪ上での焼入れ硬化層の深さを意味し、この焼入れ硬化層深さは、ＪＩＳ  Ｇ  ０５５９（’９６）における有効硬化層深さを意味し、さらに、（１）式〜（５）式におけるＬ１Ｐはピン（１Ｐ）の長さ（単位ｍｍ）を示し、Ｌ２Ｊはジャーナル（２Ｊ）の長さ（単位ｍｍ）を示し、ｈＪＫはアーム部のジャーナル側高さ（単位ｍｍ）であって線分ＰＪＣＰＪＣＰの長さを示し、ｈＰＫはアーム部のピン側高さ（単位ｍｍ）であって線分ＰＰＣＰＰＣＪの長さを示し、ｌＪＫはアーム部のジャーナル側長さ（単位ｍｍ）であって点ＰＪＳを通り直線ＰＪＣＰＪＣＰに平行な直線と、点ＰＪＥを通り直線ＰＪＣＰＪＣＰに平行な直線の距離を示し、ｌＰＫはアーム部のピン側長さ（単位ｍｍ）であって点ＰＰＳを通り直線ＰＰＣＰＰＣＪに平行な直線と、点ＰＰＥを通り直線ＰＰＣＰＰＣＪに平行な直線の距離を示し、ＤＪはジャーナルの直径（単位ｍｍ）を示し、ＤＰはピンの直径（単位ｍｍ）を示し、さらに添字Ｋは１Ａまたは２Ａで、１Ａはアーム部１Ａを、２Ａはアーム部２Ａを示す。
【請求項２】
成形されたクランク軸素材に高周波焼入れを行ってクランク軸を製造する際に、該クランク軸の１スローにおいてアーム危険断面部それぞれにおけるピンの高周波焼入れ硬化層深さ（ｄＰ、単位ｍｍ）およびジャーナルの高周波焼入れ硬化層深さ（ｄＪ、単位ｍｍ）が、下記（１）〜（５）式により規定される所定の関係を満足するようにして、前記高周波焼入れを行うことを特徴とするクランク軸の製造法。
【数２】
0004007033.tif 000021
ただし、クランク軸が、図１及び図２（ａ）に示す、ジャーナル軸と垂直面に投影した場合に隣接するピンとジャーナルとがオーバーラップするクランク軸である場合には、ピンとジャーナルのオーバーラップしている側のジャーナル部フィレットＲ開始点、終了点をそれぞれＰＪＳ、ＰＪＥとし、ピン部フィレットＲ開始点、終了点をそれぞれＰＰＳ、ＰＰＥとするとともに、線分ＰＪＳＰＪＥ、ＰＰＳＰＰＥの中点をそれぞれＰＪＣ、ＰＰＣとし、上記ｄＪは、領域ＰＰＳ、ＰＰＥ、ＰＪＳ、ＰＪＥにおけるジャーナル側焼入れ硬化層の深さの平均値を意味し、この焼入れ硬化層深さは、ジャーナル表面から垂直方向にとり、ＪＩＳ  Ｇ  ０５５９（’９６）における有効硬化層深さを意味するとともに、上記ｄＰは、領域ＰＰＳ、ＰＰＥ、ＰＪＳ、ＰＪＥにおけるピン焼入れ時のピン側焼入れ硬化層の深さの平均値を意味し、この焼入れ硬化層深さはピン表面から垂直方向にとり、ＪＩＳ  Ｇ  ０５５９（’９６）における有効硬化層深さを意味し、さらに、（１）式〜（５）式におけるＬ１Ｐはピン（１Ｐ）の長さ（単位ｍｍ）を示し、Ｌ２Ｊはジャーナル（２Ｊ）の長さ（単位ｍｍ）を示し、ｈＪＫはアーム部のジャーナル側高さ（単位ｍｍ）であって線分ＰＪＥＰＪＳと直線ＰＰＳＰＰＥとの間の距離を示し、ｈＰＫはアーム部のピン側高さ（単位ｍｍ）であって線分ＰＰＳＰＰＥと直線ＰＪＥＰＪＳとの間の距離を示し、ｌＪＫはアーム部のジャーナル側長さ（単位ｍｍ）であって線分ＰＰＳＰＪＥと線分ＰＰＥＰＪＳとの間の距離を示し、ｌＰＫはアーム部のピン側長さ（単位ｍｍ）であって線分ＰＰＳＰＪＥと線分ＰＰＥＰＪＳとの間の距離を示し、ＤＪはジャーナルの直径（単位ｍｍ）を示し、ＤＰはピンの直径（単位ｍｍ）を示し、さらに添字Ｋは１Ａまたは２Ａで、１Ａはアーム部１Ａを、２Ａはアーム部２Ａを示し、又は
クランク軸が、図１及び図２（ｂ）に示す、ジャーナル軸と垂直面に投影した場合に隣接するピンとジャーナルとがオーバーラップしないクランク軸である場合には、ピンとジャーナルの近接している方側のジャーナル部フィレットＲ開始点、終了点をそれぞれＰＪＳ、ＰＪＥとし、ピン部フィレットＲ開始点、終了点をそれぞれＰＰＳ、ＰＰＥとするとともに、線分ＰＪＳＰＪＥ、ＰＰＳＰＰＥの中点をそれぞれＰＪＣ、ＰＰＣとし、上記ｄＪは、点ＰＪＣからアーム部ピン側表面への最近点をＰＪＣＰとするとき、直線ＰＪＣＰＪＣＰ上での焼入れ硬化層の深さを意味し、この焼入れ硬化層深さは、ＪＩＳ  Ｇ０５５９（’９６）における有効硬化層深さを意味するとともに、上記ｄＰは、点ＰＰＣからアーム部ジャーナル側表面への最近点をＰＰＣＪとするとき、直線ＰＰＣＰＰＣＪ上での焼入れ硬化層の深さを意味し、この焼入れ硬化層深さは、ＪＩＳ  Ｇ  ０５５９（’９６）における有効硬化層深さを意味し、さらに、（１）式〜（５）式におけるＬ１Ｐはピン（１Ｐ）の長さ（単位ｍｍ）を示し、Ｌ２Ｊはジャーナル（２Ｊ）の長さ（単位ｍｍ）を示し、ｈＪＫはアーム部のジャーナル側高さ（単位ｍｍ）であって線分ＰＪＣＰＪＣＰの長さを示し、ｈＰＫはアーム部のピン側高さ（単位ｍｍ）であって線分ＰＰＣＰＰＣＪの長さを示し、ｌＪＫはアーム部のジャーナル側長さ（単位ｍｍ）であって点ＰＪＳを通り直線ＰＪＣＰＪＣＰに平行な直線と、点ＰＪＥを通り直線ＰＪＣＰＪＣＰに平行な直線の距離を示し、ｌＰＫはアーム部のピン側長さ（単位ｍｍ）であって点ＰＰＳを通り直線ＰＰＣＰＰＣＪに平行な直線と、点ＰＰＥを通り直線ＰＰＣＰＰＣＪに平行な直線の距離を示し、ＤＪはジャーナルの直径（単位ｍｍ）を示し、ＤＰはピンの直径（単位ｍｍ）を示し、さらに添字Ｋは１Ａまたは２Ａで、１Ａはアーム部１Ａを、２Ａはアーム部２Ａを示す。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、クランク軸およびその製造法に関する。より具体的には、本発明は、成形されたクランク軸素材に高周波焼入れを行うことによって製造した、焼曲がりの発生を抑制しながら耐摩耗性および高疲労強度を有するクランク軸およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
周知のように、クランク軸は、クランク軸、ピンおよびジャーナルを有する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、燃焼工程にあ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とともに、他のピストンに吸入、圧縮または排気工程のための上下運動を行わせる。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す。
【０００３】
大荷重を受けながら高速回転するクランク軸には、高い強度や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用されてきた。また、一方で素材コストを安価に抑えるために、ミーハナイト鋳鉄や球状黒鉛鋳鉄等も用いられている。
【０００４】
このクランク軸の耐摩耗性および疲労強度を向上するためには、クランク軸、ピンおよびジャーナル部それぞれ表面に高周波焼入れを行うことが有効である。しかし、ピンおよびジャーナルそれぞれのフィレットＲ部 (付け根部) を焼入れると、焼曲がりが発生する。かかる焼曲がりが発生すると、高周波焼入れを行った後に、大きな矯正を行う焼曲がり矯正プロセスを経る必要がある。このため、焼入れ硬化部に割れが発生したり、矯正により残留応力分布が変化して疲労破壊危険部の表面近傍における圧縮残留応力が低下し、疲労強度が低下してしまう。さらに、仕上研削時に、焼曲がりに起因して研削量が不均一となり、残留応力分布のバランスが崩れて、新たな曲がりが発生してしまう懸念もある。
【０００５】
このため、焼曲がりを抑制するために、平行部のみに対して高周波焼入れを行うとともに、フィレットＲ部に対してはロール加工を行うことにより加工残留応力を発生させ、これにより、クランク軸の耐摩耗性および耐疲労性を向上させることが行われてきた。
【０００６】
しかし、この方法では、疲労亀裂の発生が最も懸念されるフィレットＲ部に対しては、塑性加工によって残留応力を付与するだけであるため、導入する残留応力が母材降伏応力以下になってしまい、また、変態強化でないために表面硬度の増加を望むことができないという問題があった。
【０００７】
そこで、特開平８−３３７８２２号公報には、焼曲がりと、投入エネルギーや焼入れ深さとの関係をパラメータとして予め作成し、作成したこのマップ等にしたがって焼曲がりを小さくすることができる焼入れ条件を求める発明が提案されている。
【０００８】
また、特開平５−１７１２８３号公報には、焼入れ加熱時に焼曲がりを検知し、この焼曲がり量を低減することができるように、焼入れ中に焼曲がりを機械的に矯正する発明が提案されている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、特開平８−３３７８２２号公報により提案された発明では、クランク軸の形状等のパラメータは全く考慮していないため、各クランク軸毎にマップまたはマップのようなものを高精度で作成するためには、それに見合った量の実験等を繰り返して行わねばならず、精度向上のために時間を要してしまう。
【００１０】
また、特開平５−１７１２８３号公報により提案された発明では、焼入れ完了時に矯正装置を外した段階で、弾性回復による曲がりが発生してしまう。
したがって、これらの従来の技術によっても、焼曲がり量が小さく、焼入れによって所望の高強度が達成されているクランク軸を確実に提供することはできなかった。
【００１１】
本発明の目的は、焼曲がり量が小さく、焼入れによって所望の高強度が達成されているクランク軸および、このようなクランク軸を確実に製造することができるクランク軸の製造法を提供することである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
高周波焼入れを行ったクランク軸中の焼入れ硬化部位には、相変態による膨張によって圧縮残留応力が生じており、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には、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部においても変態膨張による残留応力が発生する。このピン側とジャーナル側の残留応力に不釣り合いがあるとき、クランク軸のアーム危険断面部に残留応力の不釣り合いに起因した焼曲がりを発生するものと推定される。
【００１３】
しかし、クランク軸を高周波焼入れした場合の曲がりについて、これまでは、この曲がりの発生機構が明らかにされていなかった。このため、かかる曲がりを防止するには、多数の実験を行うことによって高周波焼入れ条件と曲がり量との関係を経験的に把握する必要があった。
【００１４】
そこで、本発明者らは、金属組織ならびに力学的な観点からこの部分に梁モデルを適用して焼曲がりの発生機構を鋭意検討した結果、この焼曲がりには、クランク軸の１スローにおける二つのアーム危険断面部それぞれにおけるピンおよびジャーナルそれぞれの焼入れ硬化層深さ dP 、 dJ が大きく影響し、ピンおよびジャーナルそれぞれの焼入れ硬化層深さ dP 、 dJ が所定の関係を満足する場合に、焼曲がりの発生が抑制されることを知見し、さらに検討を重ねた結果、高周波焼入れを行っても、焼曲がりの発生を抑制でき、かつ製造工数を大幅に削減することができるクランク軸およびその製造方法を提供できることを知見して、本発明を完成した。
【００１５】
本発明は、クランク軸の１スローにおいてアーム危険断面部それぞれにおけるピンの高周波焼入れ硬化層深さ(dP 、単位mm) およびジャーナルの高周波焼入れ硬化層深さ(dJ 、単位mm) が、下記(1) 〜(5) 式により規定される所定の関係を満足することを特徴とするクランク軸である。
【００１６】
【数３】
0004007033.tif 000002
【００１７】
ただし、クランク軸が、図１及び図２（ａ）に示す、ジャーナル軸と垂直面に投影した場合に隣接するピンとジャーナルとがオーバーラップするクランク軸である場合には、ピンとジャーナルのオーバーラップしている側のジャーナル部フィレットＲ開始点、終了点をそれぞれＰＪＳ、ＰＪＥとし、ピン部フィレットＲ開始点、終了点をそれぞれＰＰＳ、ＰＰＥとするとともに、線分ＰＪＳＰＪＥ、ＰＰＳＰＰＥの中点をそれぞれＰＪＣ、ＰＰＣとし、上記ｄＪは、領域ＰＰＳ、ＰＰＥ、ＰＪＳ、ＰＪＥにおけるジャーナル側焼入れ硬化層の深さの平均値を意味し、この焼入れ硬化層深さは、ジャーナル表面から垂直方向にとり、ＪＩＳ  Ｇ  ０５５９（’９６）における有効硬化層深さを意味するとともに、上記ｄＰは、領域ＰＰＳ、ＰＰＥ、ＰＪＳ、ＰＪＥにおけるピン焼入れ時のピン側焼入れ硬化層の深さの平均値を意味し、この焼入れ硬化層深さはピン表面から垂直方向にとり、ＪＩＳ  Ｇ  ０５５９（’９６）における有効硬化層深さを意味し、さらに、（１）式〜（５）式におけるＬ１Ｐはピン（１Ｐ）の長さ（単位ｍｍ）を示し、Ｌ２Ｊはジャーナル（２Ｊ）の長さ（単位ｍｍ）を示し、ｈＪＫはアーム部のジャーナル側高さ（単位ｍｍ）であって線分ＰＪＥＰＪＳと直線ＰＰＳＰＰＥとの間の距離を示し、ｈＰＫはアーム部のピン側高さ（単位ｍｍ）であって線分ＰＰＳＰＰＥと直線ＰＪＥＰＪＳとの間の距離を示し、ｌＪＫはアーム部のジャーナル側長さ（単位ｍｍ）であって線分ＰＰＳＰＪＥと線分ＰＰＥＰＪＳとの間の距離を示し、ｌＰＫはアーム部のピン側長さ（単位ｍｍ）であって線分ＰＰＳＰＪＥと線分ＰＰＥＰＪＳとの間の距離を示し、ＤＪはジャーナルの直径（単位ｍｍ）を示し、ＤＰはピンの直径（単位ｍｍ）を示し、さらに添字Ｋは１Ａまたは２Ａで、１Ａはアーム部１Ａを、２Ａはアーム部２Ａを示し、又は
クランク軸が、図１及び図２（ｂ）に示す、ジャーナル軸と垂直面に投影した場合に隣接するピンとジャーナルとがオーバーラップしないクランク軸である場合には、ピンとジャーナルの近接している方側のジャーナル部フィレットＲ開始点、終了点をそれぞれＰＪＳ、ＰＪＥとし、ピン部フィレットＲ開始点、終了点をそれぞれＰＰＳ、ＰＰＥとするとともに、線分ＰＪＳＰＪＥ、ＰＰＳＰＰＥの中点をそれぞれＰＪＣ、ＰＰＣとし、上記ｄＪは、点ＰＪＣからアーム部ピン側表面への最近点をＰＪＣＰとするとき、直線ＰＪＣＰＪＣＰ上での焼入れ硬化層の深さを意味し、この焼入れ硬化層深さは、ＪＩＳ  Ｇ０５５９（’９６）における有効硬化層深さを意味するとともに、上記ｄＰは、点ＰＰＣからアーム部ジャーナル側表面への最近点をＰＰＣＪとするとき、直線ＰＰＣＰＰＣＪ上での焼入れ硬化層の深さを意味し、この焼入れ硬化層深さは、ＪＩＳ  Ｇ  ０５５９（’９６）における有効硬化層深さを意味し、さらに、（１）式〜（５）式におけるＬ１Ｐはピン（１Ｐ）の長さ（単位ｍｍ）を示し、Ｌ２Ｊはジャーナル（２Ｊ）の長さ（単位ｍｍ）を示し、ｈＪＫはアーム部のジャーナル側高さ（単位ｍｍ）であって線分ＰＪＣＰＪＣＰの長さを示し、ｈＰＫはアーム部のピン側高さ（単位ｍｍ）であって線分ＰＰＣＰＰＣＪの長さを示し、ｌＪＫはアーム部のジャーナル側長さ（単位ｍｍ）であって点ＰＪＳを通り直線ＰＪＣＰＪＣＰに平行な直線と、点ＰＪＥを通り直線ＰＪＣＰＪＣＰに平行な直線の距離を示し、ｌＰＫはアーム部のピン側長さ（単位ｍｍ）であって点ＰＰＳを通り直線ＰＰＣＰＰＣＪに平行な直線と、点ＰＰＥを通り直線ＰＰＣＰＰＣＪに平行な直線の距離を示し、ＤＪはジャーナルの直径（単位ｍｍ）を示し、ＤＰはピンの直径（単位ｍｍ）を示し、さらに添字Ｋは１Ａまたは２Ａで、１Ａはアーム部１Ａを、２Ａはアーム部２Ａを示す。
【００１８】
また別の観点からは、本発明は、成形されたクランク軸素材に高周波焼入れを行ってクランク軸を製造する際に、このクランク軸の１スローにおいてアーム危険断面部それぞれにおけるピンの高周波焼入れ硬化層深さ（ｄＰ、単位ｍｍ）およびジャーナルの高周波焼入れ硬化層深さ（ｄＪ、単位ｍｍ）が、下記（１）〜（５）式により規定される所定の関係を満足するようにして、前記高周波焼入れを行うことを特徴とするクランク軸の製造法である。
【００２０】
【数４】
0004007033.tif 000003
【００２１】
ただし、クランク軸が、図１及び図２（ａ）に示す、ジャーナル軸と垂直面に投影した場合に隣接するピンとジャーナルとがオーバーラップするクランク軸である場合には、ピンとジャーナルのオーバーラップしている側のジャーナル部フィレットＲ開始点、終了点をそれぞれＰＪＳ、ＰＪＥとし、ピン部フィレットＲ開始点、終了点をそれぞれＰＰＳ、ＰＰＥとするとともに、線分ＰＪＳＰＪＥ、ＰＰＳＰＰＥの中点をそれぞれＰＪＣ、ＰＰＣとし、上記ｄＪは、領域ＰＰＳ、ＰＰＥ、ＰＪＳ、ＰＪＥにおけるジャーナル側焼入れ硬化層の深さの平均値を意味し、この焼入れ硬化層深さは、ジャーナル表面から垂直方向にとり、ＪＩＳ  Ｇ  ０５５９（’９６）における有効硬化層深さを意味するとともに、上記ｄＰは、領域ＰＰＳ、ＰＰＥ、ＰＪＳ、ＰＪＥにおけるピン焼入れ時のピン側焼入れ硬化層の深さの平均値を意味し、この焼入れ硬化層深さはピン表面から垂直方向にとり、ＪＩＳ  Ｇ  ０５５９（’９６）における有効硬化層深さを意味し、さらに、（１）式〜（５）式におけるＬ１Ｐはピン（１Ｐ）の長さ（単位ｍｍ）を示し、Ｌ２Ｊはジャーナル（２Ｊ）の長さ（単位ｍｍ）を示し、ｈＪＫはアーム部のジャーナル側高さ（単位ｍｍ）であって線分ＰＪＥＰＪＳと直線ＰＰＳＰＰＥとの間の距離を示し、ｈＰＫはアーム部のピン側高さ（単位ｍｍ）であって線分ＰＰＳＰＰＥと直線ＰＪＥＰＪＳとの間の距離を示し、ｌＪＫはアーム部のジャーナル側長さ（単位ｍｍ）であって線分ＰＰＳＰＪＥと線分ＰＰＥＰＪＳとの間の距離を示し、ｌＰＫはアーム部のピン側長さ（単位ｍｍ）であって線分ＰＰＳＰＪＥと線分ＰＰＥＰＪＳとの間の距離を示し、ＤＪはジャーナルの直径（単位ｍｍ）を示し、ＤＰはピンの直径（単位ｍｍ）を示し、さらに添字Ｋは１Ａまたは２Ａで、１Ａはアーム部１Ａを、２Ａはアーム部２Ａを示し、又は
クランク軸が、図１及び図２（ｂ）に示す、ジャーナル軸と垂直面に投影した場合に隣接するピンとジャーナルとがオーバーラップしないクランク軸である場合には、ピンとジャーナルの近接している方側のジャーナル部フィレットＲ開始点、終了点をそれぞれＰＪＳ、ＰＪＥとし、ピン部フィレットＲ開始点、終了点をそれぞれＰＰＳ、ＰＰＥとするとともに、線分ＰＪＳＰＪＥ、ＰＰＳＰＰＥの中点をそれぞれＰＪＣ、ＰＰＣとし、上記ｄＪは、点ＰＪＣからアーム部ピン側表面への最近点をＰＪＣＰとするとき、直線ＰＪＣＰＪＣＰ上での焼入れ硬化層の深さを意味し、この焼入れ硬化層深さは、ＪＩＳ  Ｇ０５５９（’９６）における有効硬化層深さを意味するとともに、上記ｄＰは、点ＰＰＣからアーム部ジャーナル側表面への最近点をＰＰＣＪとするとき、直線ＰＰＣＰＰＣＪ上での焼入れ硬化層の深さを意味し、この焼入れ硬化層深さは、ＪＩＳ  Ｇ  ０５５９（’９６）における有効硬化層深さを意味し、さらに、（１）式〜（５）式におけるＬ１Ｐはピン（１Ｐ）の長さ（単位ｍｍ）を示し、Ｌ２Ｊはジャーナル（２Ｊ）の長さ（単位ｍｍ）を示し、ｈＪＫはアーム部のジャーナル側高さ（単位ｍｍ）であって線分ＰＪＣＰＪＣＰの長さを示し、ｈＰＫはアーム部のピン側高さ（単位ｍｍ）であって線分ＰＰＣＰＰＣＪの長さを示し、ｌＪＫはアーム部のジャーナル側長さ（単位ｍｍ）であって点ＰＪＳを通り直線ＰＪＣＰＪＣＰに平行な直線と、点ＰＪＥを通り直線ＰＪＣＰＪＣＰに平行な直線の距離を示し、ｌＰＫはアーム部のピン側長さ（単位ｍｍ）であって点ＰＰＳを通り直線ＰＰＣＰＰＣＪに平行な直線と、点ＰＰＥを通り直線ＰＰＣＰＰＣＪに平行な直線の距離を示し、ＤＪはジャーナルの直径（単位ｍｍ）を示し、ＤＰはピンの直径（単位ｍｍ）を示し、さらに添字Ｋは１Ａまたは２Ａで、１Ａはアーム部１Ａを、２Ａはアーム部２Ａを示す。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明にかかるクランク軸の製造法の実施の形態を、添付図面を参照しながら詳細に説明する。
【００２３】
図１は、クランク軸０の１スロー分の隣接するピン中心軸とジャーナル中心軸を含む面での断面図であり、図１(a) は全体図、図１(b) はアーム部危険断面部のうち、アーム部2Aにおける危険断面部付近の拡大図である。図１(b) においては、アーム部2Aにおける危険断面部のみの拡大図であるが、アーム部1Aの危険断面に関しても状況は同じであり、ここではアーム部1Aの危険断面部とアーム部2Aの危険断面部を総称してアーム危険断面部Ａと称する。なお、本明細書において「１スロー」とは、ピン１個と両隣のアーム、さらにはその隣のジャーナルの中央横断平面までの領域を意味する。
【００２４】
図１(a) および図１(b) に示すように、ジャーナル1J、2Jを焼入れると、ジャーナル1J、2Jの表面にはマルテンサイト変態による焼入れ深さｄJ の焼入れ硬化層11を生じる。この焼入れ硬化層11が膨張することによりアーム危険断面部Ａに焼曲がりが生じる。一方、ピン1Pの焼入れ時も同様に硬化層12の膨張によりアーム危険断面部Ａは撓む。ただし、撓み方向は、ジャーナル1J、2Jの焼入れ時と、ピン1Pの焼入れ時とで互いに逆向きである。さらに、このアーム危険断面部Ａは剛性が小さいため、クランク軸全体で最も曲がりが発生し易い部分である。そのため、この部分の焼曲がりの検討を高精度で行うことができれば、クランク軸０全体における焼曲がりの発生を抑制することができる。
【００２５】
そこで、本実施の形態では、このクランク軸０のアーム危険断面部Ａを梁モデルを用いてモデル化して焼曲がり量を検討する。
図２(a) および図２(b) は、いずれも、クランク軸０のアーム部1Aまたは2Aの危険断面部を梁に見立てたときの領域を示す説明図である。図２に示すように、クランク軸０は、ジャーナル軸と垂直面にクランク軸を投影した場合に、隣接するピンとジャーナルとがオーバーラップしているもの (図２(a) 参照 )と、隣接するピンとジャーナルとがオーバーラップしていないもの (図２(b) 参照 )との２種に大別される。そこで、それぞれについて以下に列記するようにして、梁モデルを適用する。
(1) ジャーナル軸と垂直面にクランク軸を投影した場合に、隣接するピンとジャーナルとがオーバーラップしているとき
図２(a) に示すように、ピンとジャーナルの中心軸とを含む断面において、ピンとジャーナルのオーバーラップしている側のジャーナル部フィレットＲ開始点、終了点をそれぞれＰJS、ＰJEとし、ピン部フィレットＲ開始点、終了点をそれぞれＰPS、ＰPEとするとともに、線分ＰJSＰJE、ＰPSＰPEの中点をそれぞれＰJC、ＰPCとする。
【００２６】
この際に、「アーム部ジャーナル側焼入れ硬化層深さd J 」は、領域ＰPS、ＰPE、ＰJS、ＰJEにおけるジャーナル側焼入れ硬化層の深さの平均値を意味する。ただし、この焼入れ硬化層深さは、ジャーナル表面から垂直方向にとり、JIS G 0559('96) における有効硬化層深さを意味するものとする。
【００２７】
また、「アーム部ピン側焼入れ硬化層深さｄP 」は、領域ＰPS、ＰPE、ＰJS、ＰJEにおけるピン焼入れ時のピン側焼入れ硬化層の深さの平均値を意味する。ただし、この焼入れ硬化層深さはピン表面から垂直方向にとり、JIS G 0559('96) における有効硬化層深さを意味する。
【００２８】
また、「アーム部ジャーナル側高さｈJK」は、線分ＰJEＰJSと直線ＰPSＰPEとの間の距離を意味する。
また、「アーム部ピン側高さｈPK」は、線分ＰPSＰPEと直線ＰJEＰJSとの間の距離を意味する。
【００２９】
また、「アーム部ジャーナル側長さｌJK」は、線分ＰPSＰJEと線分ＰPEＰJSとの間の距離を意味する。
さらに、「アーム部ピン側長さｌPK」は、線分ＰPSＰJEと線分ＰPEＰJSとの間の距離を意味する。
【００３０】
つまり、本実施の形態では、ジャーナル焼入れ時には、アーム部を、焼入れ硬化層深さがｄJ 、高さがｈJKおよび長さがｌJKの梁と見立てるとともに、ピン焼入れ時には、アーム部を、焼入れ硬化層深さがｄP 、高さがｈPKおよび長さがｌPKの梁と見立てることとする。
【００３１】
なお、図２における添字Ｋは1Aまたは2Aを意味し、1Aは図１のアーム部1Aを意味し、2Aはアーム部2Aを意味する。
(2) ジャーナル軸と垂直面にクランク軸を投影した場合、隣接するピンとジャーナルがオーバーラップしていないとき
図２(b) に示すように、ピンとジャーナルの中心軸を含む断面において、ピンとジャーナルの近接している方側のジャーナル部フィレットＲ開始点、終了点をそれぞれＰJS、ＰJEとし、ピン部フィレットＲ開始点、終了点をそれぞれＰPS、ＰPEとするとともに、線分ＰJSＰJE、ＰPSＰPEの中点をそれぞれＰJC、ＰPCとする。
【００３２】
この際に、「アーム部ジャーナル側焼入れ硬化層深さｄJ 」は、この断面において、点ＰJCからアーム部ピン側表面への最近点をＰJCP とするとき、直線ＰJCＰJCP 上での焼入れ硬化層の深さを意味する。この焼入れ硬化層深さは、JIS G 0559('96) における有効硬化層深さを意味する。
【００３３】
また、「アーム部ピン側焼入れ硬化層深さｄP 」は、この断面において、点ＰPCからアーム部ジャーナル側表面への最近点をＰPCJ とするとき、直線ＰPCＰPCJ 上での焼入れ硬化層の深さを意味する。この焼入れ硬化層深さは、JIS G 0559('96) における有効硬化層深さを意味する。
【００３４】
また、「アーム部ジャーナル側高さｈJK」は、線分ＰJCＰJCP の長さを意味する。
また、「アーム部ピン側高さｈPK」は、線分ＰPCＰPCJ の長さを意味する。
【００３５】
また、「アーム部ジャーナル側長さｌJK」は、この断面において、点ＰJSを通り直線ＰJCＰJCP に平行な直線と、点ＰJEを通り直線ＰJCＰJCP に平行な直線の距離を意味する。
【００３６】
また、「アーム部ピン側長さｌPK」は、この断面において、点ＰPSを通り直線ＰPCＰPCJ に平行な直線と、点ＰPEを通り直線ＰPCＰPCJ に平行な直線の距離を意味する。
【００３７】
つまり、ジャーナル焼入れ時には、アーム部を、焼入れ硬化層深さがｄJ 、高さがｈJKおよび長さがｌJKの梁と見立てるとともに、ピン焼入れ時には、アーム部を焼入れ硬化層深さがｄP 、高さがｈPKおよび長さがｌPKの梁と見立てる。
【００３８】
ただし、各文字の添字Ｋは1Aまたは2Aを示し、1Aはアーム部1Aを意味し、2Aはアーム部2Aを意味する。
図３は、このように定めた梁モデルの簡略図である。図３における符合21は焼入れ硬化層部分を示し、この焼入れ硬化層部分が膨張することにより焼曲がりが発生する。図３において、ε(z) の膨張ひずみが生じたとき、アームの曲がりの曲率半径ρは、クランク軸アーム部高さをｈとすると、梁全体の応力とモーメントの釣合いから、
【００３９】
【数５】
0004007033.tif 000004
【００４０】
と表すことができる。
いま、焼入れ硬化層深さがｄであり、この部分で均一なひずみεが発生していると考えると、アーム部焼入れ硬化層の深さをｄとすると、(6) 式は、
【００４１】
【数６】
0004007033.tif 000005
【００４２】
となる。
ここで、このようにして得られた(7) 式を実際のクランク軸に適用する。すなわち、実際のクランク軸は３次元形状を呈しており、図２の梁の奥行き方向にも焼入れ硬化層の分布が存在し、この分布は、ジャーナルまたはピンの径に比例すると考えられる。そこで、この比例定数をｆ' とすると、ジャーナル焼入れ時のアーム部における実際の曲率半径の式は、(7) 式にこれら３次元的な影響も考慮した下記式、すなわち
【００４３】
【数７】
0004007033.tif 000006
【００４４】
となる。
この(8) 式において、f ＝6 εｆ' であり、材料が同じ場合にはεは一定となるので、f は定数となる。また、(8) 式において、ＤJ はジャーナル径を示し、ＤP はピン径を示し、ρJKはジャーナル焼入れ時のアームの曲率半径を示し、ｄJ はアーム部ジャーナル側焼入れ硬化層の深さを示し、ｈJKはアーム部ジャーナル側高さを示し、添字K は1Aまたは2Aを示し、1Aはアーム部1Aを示し、2Aはアーム部2Aを示す。
【００４５】
これより、アーム部1Aまたは2Aにて生じるたわみ角の絶対値θJKは、
【００４６】
【数８】
0004007033.tif 000007
【００４７】
となる。ただし、(9) 式において、ｌJKはアーム部ジャーナル側長さを示す。
ここで、ジャーナル1Jの端部を完全拘束した場合にアーム部たわみ角とクランク軸１スロー分の曲がり量の関係を示した模式図を図４に示す。図４に示すように、ジャーナル1Jの端部を完全拘束した場合のクランク軸１スロー分の推定曲がり量の絶対値δJ は、
【００４８】
【数９】
0004007033.tif 000008
【００４９】
と表現される。ここで、L1P はピン1Pの長さを示し、L2J はジャーナル2Jの長さを示し、θJ1A はジャーナル焼入れ時のアーム部1Aのたわみ角の絶対値を示し、θJ2A はジャーナル焼入れ時のアーム部2Aのたわみ角の絶対値を示す。
【００５０】
ここで、L2J に1/2 の係数を乗じるのはクランク軸１スロー分に含まれるジャーナル2Jの長さはジャーナル2J全体の1/2 であるからである。
同様に、ピン部表面を焼入れした場合のアーム部にて生じるたわみ角の絶対値θPKは、
【００５１】
【数１０】
0004007033.tif 000009
【００５２】
と表現される。ここで、ｄP はアーム部ピン側焼入れ硬化層の厚みを示し、ｈPKはアーム部ピン側高さを示し、ｌPKはアーム部ピン側長さを示す。
このため、このクランク軸の１スロー分の推定曲がり量の絶対値δP は、
【００５３】
【数１１】
0004007033.tif 000010
【００５４】
と表現される。ここで、θP1A はピン焼入れ時のアーム部1Aのたわみ角の絶対値を示し、θP2A はピン焼入れ時のアーム部2Aのたわみ角の絶対値を示す。
ここで、L2J に1/2 の係数を乗じるのはクランク軸１スロー分に含まれるジャーナル2Jの長さはジャーナル2J全体の1/2 であるからである。
【００５５】
しかし、実際のクランク軸では、加熱時および冷却時に塑性変形を起すため、非線形現象となり、焼入れ硬化層の厚みが増えるにしたがってこのモデル式からずれを生じてくることになる。そこで、この非線形現象による影響に関しては、実験やコンピュータシミュレーション等 (以下、単に「実験等」という。) を行って実際の曲がり量を導出し、上述したモデルによるたわみ量と実験等により得られた結果とをプロットすることによって、明らかにすることができる。
【００５６】
図５は、実験等による曲がり量δ' i と、δi /f (ただし、ｉ：P(ピン焼入れ時) またはJ(ジャーナル焼入れ時) ）の関係の一例をプロットしたグラフである。
【００５７】
このグラフから、実験等による曲がり量δ' i とδi /fとの間には、若干のばらつきが存在するものの、略１：１に対応していると考えられる。なお、このグラフにおけるばらつきは、クランク軸の形状が各々異なっているため、非線形現象の効果が各々のクランク軸で若干異なるためであると考えられる。また、図５のグラフにおいて、縦軸をδi /fとしたのは、本実験等実施時の材質は全て同じものであり、δi をｆで除しても効果に支障がないからである。
【００５８】
これより、δi とδ' i は、(13)式に示すように関数(G) の関係で表すことができる。
【００５９】
【数１２】
0004007033.tif 000011
【００６０】
ただし、(13)式において、δ' i はジャーナル部焼入れ時（添字ｉ：J ）またはピン部焼入れ時（添字ｉ：J ）の１スロー分の実験等により得られる焼曲がり量を示し、ｉはＰ (ピン) またはＪ (ジャーナル) を示す。
【００６１】
また、上述したように、ピン焼入れ時とジャーナル焼入れ時とでは、アーム部における焼入れ硬化層ができる位置が反対の位置であるため、それぞれの焼入れ時に発生する曲がりは反対の方向になる。そこで、
【００６２】
【数１３】
0004007033.tif 000012
【００６３】
とするとき、焼曲がり量は０になる。この関係は、
【００６４】
【数１４】
0004007033.tif 000013
【００６５】
と表すこともでき、この(15)式に(10)式および(12)式の関係を代入すると、
【００６６】
【数１５】
0004007033.tif 000014
【００６７】
あるいは、
【００６８】
【数１６】
0004007033.tif 000015
【００６９】
となる。
ただし、(16)式および(17)式において、 AP 、 BP 、 CP 、 A J、 BJ 、 CJ および Sは以下に列記する(18)式〜(24)式により与えられる。
【００７０】
【数１７】
0004007033.tif 000016
【００７１】
これらの式を満足する焼入れ硬化層の組合せにより高周波焼入れを行えば、クランク軸の焼曲がりを防止できることとなる。しかし、ピン焼入れによる焼曲がり量と、ジャーナル焼入れによる焼曲がり量とを完全に等しくすることは、現実には困難である。このため、焼曲がり量を許容範囲内にすることが工業的に実現可能な方法である。
【００７２】
すなわち、素材の成分のばらつきや操業時の部材の装置へのセッティングの誤差等は不可避的に生じるため、焼入れ硬化深さは狙い値からばらつく。例えば、鍛造クランク軸の場合には、鍛造ビレットの表層側がクランク軸表面となるところと、鍛造ビレットの中心部近傍がクランク軸表面となるところが同一クランク軸内に存在し、鍛造ビレットの部位によって成分にばらつきが存在するため、クランク軸の表面においてもビレットのどの部位であったかによって焼入れ硬化層深さのばらつきが発生することとなる。しかし、たとえ、これらのばらつきが存在しても、任意のアーム部ジャーナル側の焼入れ硬化層深さｄJ に対し、δJ ＝δP を実現するｄP のまわりに±0.5 mmのばらつきが存在しても、クランク全体の曲がり量は規格値を満足できることが経験的に得られている。つまり、アーム部ピン側、ジャーナル側の焼入れ硬化層深さを、
【００７３】
【数１８】
0004007033.tif 000017
【００７４】
あるいは
【００７５】
【数１９】
0004007033.tif 000018
【００７６】
の範囲とすればよい。
同様の観点から、任意のアーム部ジャーナル側の焼入れ硬化層深さｄJ に対し、δJ ＝δP を実現するｄP のまわりに存在するばらつきは、±0.3mm の範囲にあることが望ましく、±0.15mmの範囲にあることがさらに望ましい。
【００７７】
この(25)式または(26)式により示される範囲にあれば、クランク軸の全体の曲がり量を規格内とすることができる。つまり、この(25)式または(26)式の範囲を満足するように、ｄJ およびｄP の組合わせを決定すれば、焼曲がりが少ないクランク軸を製造することができる。なお、本方法は、クランク軸の１スローに関して曲がり量を抑制することによって全体の曲がり量を抑制する方法であるため、エンジンの気筒数がいくらのものでも適用可能である。
【００７８】
なお、(25)式または(26)式の範囲を満足するｄJ およびｄP の組合わせで高周波焼入れを行う手段は、特定の手段に限定されるものではなく、公知の手段によればよい。例えば、市販されているクランク軸用の高周波焼入れ装置において、入力電力を制御することにより、所定の焼入れ硬化層深さとなるように焼入れを行えばよい。
【００７９】
このように、本実施の形態によれば、理論式に基づいて高周波焼入れの条件を決定するため、高精度で、かつ効率的に焼入れ条件を決定することができる。
【００８０】
【実施例】
表１は、各々のクランク軸寸法に関して、アーム部ピン側の焼入れ硬化層深さを決定したときに、焼曲がりの少なくなるアーム部ジャーナル側の焼入れ硬化層深さの範囲を上述した各式に基づいて計算したものである。
【００８１】
【表１】
0004007033.tif 000019
【００８２】
この表のNo.1、2 、7 、21および22に高周波焼入れを行って焼入れ硬化層を形成して、クランク軸を製造した。つまり、各クランク軸とも、アーム部ピン側およびジャーナル側の焼入れ硬化層が、表１の関係を満足するようにして、クランク軸を製造した。
【００８３】
その結果、焼曲がり量を平均で約30％低減できた。
【００８４】
【発明の効果】
本発明によれば、焼曲がりの発生量が少なくなる焼入れ硬化層条件を理論式に基づいて正確に決定できるため、この条件に基づいて高周波焼入れを行うことにより、焼曲がりの少ない高周波焼入れクランク軸を効率よく製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】クランク軸の１スロー分のピン中心軸とジャーナル中心軸を含む面での断面図であり、図１(a) は全体図、図１(b) はアーム部危険断面部のうち、アーム部2Aにおける危険断面部付近の拡大図である。
【図２】図２(a) および図２(b) は、いずれも、クランク軸のアーム危険断面部を梁に見立てたときの領域を示す説明図である。
【図３】梁モデルの簡略図である。
【図４】ジャーナルの端部を完全拘束した場合にアーム部たわみ角とクランク軸１スロー分の曲がり量との関係を示した模式図である。
【図５】実験等による曲がり量δ' i と、δi /fの関係の一例をプロットしたグラフである。
【符号の説明】
0：クランク軸
1J：ジャーナル1J
2J：ジャーナル2J
1P：ピン1P
1A：1J側アーム
2A：2J側アーム
11：ジャーナル部焼入硬化層およびアーム部ジャーナル側焼入硬化層
12：ピン部焼入硬化層およびアーム部ピン側焼入硬化層
13、14：ジャーナル部フィレットR 部
15、16：ピン部フィレットR 部
21：焼入れ硬化層
dP ：アーム部ピン側焼入硬化層深さ
dJ ：アーム部ジャーナル側焼入硬化層深さ
【図１】
0004007033.tif 000022
【図２】
0004007033.tif 000023
【図３】
0004007033.tif 000024
【図４】
0004007033.tif 000025
【図５】
0004007033.tif 000026