(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリンダブロック本体部と、該本体部の下面に取り付けられた軸受けとを備え、これらの本体部の下面及び軸受けによって形成された軸受部に、クランクシャフト用の軸穴を設け、該軸穴の内周面をクランクシャフトが回転する際の摺動面としたシリンダブロックであって、
前記軸受けの摺動面を含む摺動部をアルミニウム合金層によって形成するとともに、前記摺動部の周辺部を、粒子、繊維、又はこれら粒子と繊維の混合物を圧縮成形したプリフォームにアルミニウム合金溶湯を鋳込んで含浸および複合化した複合材によって形成することにより、前記軸受けが前記アルミニウム合金層と前記複合材とから構成されており、前記複合材の熱膨張率が摺動部に設けたアルミニウム合金層よりも小さいことを特徴とするシリンダブロック。
【請求項２】
前記軸受けの軸受部の上面の両端部が平坦で、中央部が半円状に凹んだ凹部であり、前記両端部には、前記軸受けをシリンダブロック本体部に下側から取り付けるためのボルト穴が上下方向に貫通して穿設されており、前記クランクシャフトとの摺動面側に相当する前記軸受けの上面側が、前記アルミニウム合金層で形成され、このアルミニウム合金層の下側のボルト座面側が、前記複合材で形成されていることを特徴とする請求項１に記載のシリンダブロック。
【請求項３】
前記アルミニウム合金層が、前記複合材の表面形状に沿ってほぼ一定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２のいずれかに記載のシリンダブロック。
【請求項４】
前記プリフォームを形成する粒子および繊維の線膨張係数が１２×１０-6／Ｋよりも小さく、その縦弾性係数が２．１×１０11Ｎ／ｍ2よりも大きいことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のシリンダブロック。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エンジンのシリンダブロック及びその製造方法に関する。さらに詳しくは、シリンダブロックに用いられるクランクシャフト用の軸受け及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
通常、図１３に示すようなシリンダーブロック１０１は、上部側のシリンダーブロック本体部１０３と、該本体部１０３の下部に配設されたベアリングキャップ１０５とを備えており、これらの本体部１０３とベアリングキャップ１０５は、共にアルミニウム合金から構成されている。また、本体部１０３とベアリングキャップ１０５によって軸受部１０７が形成され、該軸受部１０７内にクランクシャフト（図示せず）が回転可能に支持されている。該クランクシャフトは、剛性や回転バランス等の理由から鉄系合金、即ち鋼又は鋳鉄から形成されている。なお、シリンダブロック１０１は、車両走行時には約１００℃以上に温度が上昇する。
【０００３】
ここで、アルミニウム合金の線膨張係数は約２２×１０-6／Ｋ、鉄系部材の線膨張係数は約１２×１０-6／Ｋであるため、車両が走行してエンジンが高温状態になると、クランクシャフトの外径よりも軸受部の軸穴径の方が広がり率が大きくなる。よって、車両走行時におけるクランクシャフトと軸穴１０９とのクリアランスが大きくなり、クランクシャフト回転時の振動や騒音が大きかった。
この振動や騒音を防止するには、軸受部１０７とクランクシャフトとをほぼ同等の熱膨張係数を有する材料にする方法、即ち、例えば特公平６−８６８８２号公報に記載されているように軸受部を鉄系材料で鋳ぐるむ方法がある。
【０００４】
しかし、アルミニウムの比重（２．７ｇ／ｃｍ3）に対して、鋼の比重は７．８ｇ／ｃｍ3、鋳鉄の比重は６．９ｇ／ｃｍ3であり、鉄系材料の比重は、アルミニウム合金の約２．５〜３倍であるため、軸受部を鉄系材料で鋳ぐるむとシリンダブロック自体の重量が大きくなるという問題があった。
また、鋳ぐるみ材は、鉄系材料であり、母材となるアルミニウム合金とは異種材料同士であるため、アルミニウム合金部材との密着性が必ずしも良好といえなかった。
さらに、軸受部は、切削加工によって軸穴を形成するという最終仕上げを行うが、鋳ぐるみ材である鉄系材料は硬いために切削加工性が良好ではなかった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記課題を解決し、高温時におけるエンジンの振動や騒音が小さく、重量が小さいシリンダブロック及びその製造方法を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るシリンダブロックは、シリンダブロック本体部と、該本体部の下面に取り付けられた軸受けとを備え、これらの本体部の下面及び軸受けによって形成された軸受部に、クランクシャフト用の軸穴を設け、該軸穴の内周面をクランクシャフトが回転する際の摺動面としたシリンダブロックであって、前記軸受けの摺動面を含む摺動部をＡＤＣ１２などのアルミニウム合金層によって形成するとともに、前記摺動部の周辺部を、粒子、繊維、又はこれら粒子と繊維の混合物を圧縮成形したプリフォームにアルミニウム合金溶湯を鋳込んで含浸および複合化した複合材によって形成することにより、前記軸受けが前記アルミニウム合金層と前記複合材とから構成されており、前記複合材の熱膨張率が摺動部に設けたアルミニウム合金層よりも小さい。
【０００７】
摺動部よりも周辺部の方が熱膨張率が小さいので、車両走行時などのエンジンが高温になる場合には、摺動部が熱によって外周に向かって膨張しようとするが、周辺部の複合材によって内周側に押し戻され、結果的に軸穴径の広がりが小さくなる。よって、クランクシャフトと軸穴とのクリアランスがあまり大きくならないため、車両走行時におけるエンジンの振動や騒音を低く抑えることができる。さらに、軸受部をアルミニウム合金層と、アルミニウム合金を用いた複合材とから構成しているため、シリンダブロックの軽量化を図ることができ、しいては車両全体の重量軽減化にも寄与する。また、アルミニウム合金による複合化が部分的なものであるため、簡単でかつコストが安価ですむ。そして、摺動部はアルミニウム合金層からなるため、軸穴の周面を切削加工して最終仕上げを行う際に切削加工性が良好である。
【０００８】
上記粒子又は繊維としては、酸化物、炭化物、窒化物などのセラミックスを好適に用いることができる。該酸化物には、例えばシリカ（ＳｉＯ2）、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）、ムライト（Ａｌ2Ｏ3−ＳｉＯ2）、スピネル（ＭｇＯ−Ａｌ2Ｏ3）、マグネシア（ＭｇＯ）、ＣａＯ（カルシア）がある。炭化物には、炭化ケイ素（ＳｉＣ）が、窒化物には、窒化ケイ素（Ｓｉ3Ｎ4）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化ホウ素（ＢＮ）などが好ましい。
【０００９】
上記複合材によれば、粒子や繊維を用いているため、軸受部の剛性及び靱性が向上する。また、粒子や繊維の縦弾性係数（ヤング率）を大きいもの、例えば鋼の縦弾性係数である２．１×１０11Ｎ／ｍ2よりも大きいものを使用することによって、剛性の高いアルミニウム複合材とすることができる。
【００１０】
そして、本発明に係るシリンダブロックの製造方法は、粒子及び繊維の少なくともいずれかにシリカ系添加剤を加えたのち、圧縮成形してプリフォームを成形するステップと、該プリフォームにアルミニウム合金溶湯を鋳込むことによって、クランクシャフトとの摺動部をアルミニウム合金層とし、該摺動部の周辺を複合材とした軸受部を作製するステップとを含んでいる。
上記粒子の平均径は１０〜５００μｍ、及び繊維の平均径は１〜１０μｍであり、かつ、プリフォームの体積率は１５〜４０％が好ましい。これらの粒子又は繊維の材質としては、酸化物であるシリカ、アルミナ、ムライト、スピネル、マグネシア、カルシア、炭化物である炭化ケイ素、及び窒化物である窒化ケイ素、窒化アルミニウム、窒化ホウ素のうち少なくともいずれかを用いることができる。さらに、上記体積率の定義は、圧縮成形体のプリフォーム中に占める粒子と繊維の体積の割合であり、プリフォームの体積と重量からプリフォームのかさ比重を求め、この比重を、添加する粒子や繊維の真比重で割って百分率で示したものである。
【００１１】
また、上記製造方法によれば、シリカ系添加剤を加えて粒子や繊維の表面を改質しているため、アルミニウム合金溶湯のプリフォームへの含浸開始圧が１ＭＰａ以下となり、複合材を作製する際に短時間で確実にアルミニウム合金溶湯を含浸させることができる。従って、シリンダブロックの製造に要する時間を短縮することができ、また、軸受部の複合材を十分にアルミニウム合金の充填がされたものとすることができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明に係るシリンダブロック及びその製造方法の実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。
［シリンダブロックの構造］
本発明の実施の形態に係るシリンダブロックは、図１、図２に示すように、その構造によってクランク・ベアリングキャップ式１とクランクロアケース式３とに大別される。
図１のクランク・ベアリングキャップ式シリンダブロック１は、上部にアルミニウム合金からなるシリンダブロック本体部５が配置され、該シリンダブロック本体部５の内部には上下方向にシリンダボア７が形成され、該シリンダボア７をシリンダ（図示せず）が上下運動する。このシリンダブロック１の下面には、半円状の切欠き９が形成されており、この切欠き９に下側から軸受けであるベアリングキャップ１１が取り付けらている。これらの切欠き９とベアリングキャップ１１によって軸受部１３が構成され、該軸受部１３内を図示しないクランクシャフトが回転する。
【００１３】
図２のシリンダブロック３も上部にシリンダブロック本体部２１が配設され、該シリンダブロック本体部２１の下面に半円状の切欠き１５が形成されている。このシリンダブロック本体部２１には、クランクロアケース１７が下側から取り付けられ、これらの切欠き１５とクランクロアケース１７によって軸受部２３を構成している。
【００１４】
［軸受部の構造］
図１のベアリングキャップ１１又は図２のクランクロアケース１７の軸受部２３は、図３又は図４の断面図に示すように、上面は両端部２５が平坦で、中央部が半円状に凹んだ凹部２７となっている。両端部２５には、上下方向にボルト穴２９が貫通して穿設されており、このボルト穴２９に長いボルト３１が挿通されて、ベアリングキャップ１１がシリンダブロック本体部５，２１に下側から取り付けられる。
図３及び図４において、ベアリングキャップ１１の上面側は、クランクシャフトとの摺動面側に相当するが、この上面側には、ＡＤＣ１２からなるアルミニウム合金層３３が形成されており、該アルミニウム合金層３３の下側は、ボルト座面側に相当するが、このボルト座面側には複合材３５が配設されている。このベアリングキャップ１１の両端部２５の厚さ（高さ）をＡ、両端部２５の複合材３５の厚さ（高さ）をａとすると、両端部２５のアルミニウム合金層３３の厚さ（高さ）は、Ａ−ａとなる。また、ベアリングキャップ１１の中央部の最下端部における厚さをＢ、複合材の厚さをｂとすると、摺動面のアルミニウム合金層３３の厚さはＢ−ｂとなる。そして、ａ，ｂの厚さは、Ａ／２≦ａ＜Ａ、Ｂ／２≦ｂ＜Ｂの範囲となっている。
【００１５】
ここで、ａ＝Ａ、ｂ＝Ｂとすると、軸受けであるベアリングキャップ１１にアルミニウム合金層３３がなくなり、複合材３５のみとなってしまう。これでは、軸穴を切削加工して最終仕上げを施す場合に、切削加工面が複合材となるため、切削加工性が低下する。
【００１６】
［軸受部の製造方法］
まず、図５に示すように、粒子、繊維又はこれらの粒子と繊維との混合物に酸化ケイ素系の添加剤を加えたのち、圧縮成形してプリフォーム４１を作製する。この添加剤は、粒子や繊維の表面を改質し、アルミニウム合金との濡れ性を向上させるため、添加剤を加えることによって、アルミニウム合金溶湯がプリフォーム４１に含浸しやすくなる。
次いで、該プリフォーム４１を金型（図示せず）に配置させ、アルミニウム合金溶湯（ＡＤＣ１２）を注入し、金型を閉成したのち、一定の圧力を付与してダイカストを行う。これによって、図６に示すように、アルミニウム合金溶湯がプリフォーム４１内の空隙に含浸して複合材３５が形成されると共に、該複合材３５の上面側にアルミニウム合金層３３が形成される。
そして、最終仕上げとして、上面側に切削加工を施して摺動面を形成し、両端部にボルト穴２９を穿設することによって、軸受けであるベアリングキャップ１１が完成する。
【００１７】
［プリフォーム］
プリフォーム４１としては、鋼の線膨張係数よりも小さく、かつ、縦弾性係数（ヤング率）が大きいもの、例えば鋼の縦弾性係数よりも大きいものが好ましい。ここで、鋼の線膨張係数は１２×１０-6／Ｋであり、鋼の縦弾性係数（ヤング率）は２．１×１０11Ｎ／ｍ2である。従って、上記プリフォーム４１に使用する粒子及び繊維は、線膨張係数が１２×１０-6／Ｋよりも小さく、縦弾性係数は２．１×１０11Ｎ／ｍ2よりも大きい材質のものを用いる。これによって、複合材は、アルミニウム合金よりも熱膨張率（線膨張率及び体積膨張率）が小さく、剛性は高くなる。
【００１８】
また、プリフォーム４１を構成する粒子や繊維には、シリカ（ＳｉＯ2）、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）、ムライト（Ａｌ2Ｏ3−ＳｉＯ2）などの酸化物、スピネル（ＭｇＯ−Ａｌ2Ｏ3）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）などの酸化物、窒化ケイ素（Ｓｉ3Ｎ4）などの窒化物を好適に用いることができる。また、上記粒子と繊維とを混合したものを用いることもできるが、この場合に、粒子と繊維とが同等の材質であることは必要とされない。
【００１９】
［アルミニウム合金溶湯の含浸］
アルミニウム合金溶湯のプリフォーム４１に対する含浸性は、以下の式で示される含浸開始圧Ｐに依存する。
Ｐ＝−６・λ・ν・ｃｏｓθ・Ｖp／[（１−Ｖp）・ｄp]
ここで、λは粒子形状係数、νは流体表面張力、θは接触角、Ｖpは粒子体積割合、ｄpは粒子径である。例えば、λ＝１、ν＝０．８９３Ｐａｍ（純アルミニウム）、θ＝１６０（ＳｉＣ）、Ｖp＝０．３５、ｄp＝３μｍの場合は、Ｐ＝０．９０ＭＰａとなる。
【００２０】
上記含浸開始圧Ｐを示す式によれば、プリフォーム４１を構成する粒子の径が大きいほど、体積率は小さいほど、アルミニウム合金溶湯がプリフォーム４１に含浸しやすくなる。ここで、例えば、平均径が３μｍ以上の粒子及び繊維を用いた場合、プリフォーム４１の体積率を３５％以下とすると、プリフォーム４１へのアルミニウム合金溶湯の含浸開始圧は１ＭＰａ以下となる。
一方、プリフォーム４１を構成する粒子や繊維に、表面の濡れ性や反応性が良好な材質のシリカ系添加剤を加えることによって、粒子や繊維の表面処理を行うことができ、プリフォーム４１へのアルミニウム合金溶湯の含浸が容易になる。
【００２１】
［軸受部における高温時の応力状態］
車両走行時にはシリンダブロック１，３が高温になり、ベアリングキャップ１１の内部には、図７に示すような応力が働く。
まず、ベアリングキャップ１１の表面側に設けられたアルミニウム合金層３３が熱膨張し、図７の矢印に示すように、外周側に向けて広がろうとする応力４３が作用する。一方、複合材３５は、アルミニウム合金層３３の線膨張係数よりも小さく、かつ、アルミニウム合金層３３の剛性よりも大きいため、広がろうとするアルミニウム合金層３３を内周側に押し戻そうとする応力４５が作用する。その結果、アルミニウム合金層３３と複合材３５との熱膨張率の差異分だけ、軸受部１３の内周側に向けて収縮する。また、ボルト３１には、矢印に示すように、上下方向に沿う応力４７が作用する。
【００２２】
なお、本発明は、上述した発明の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術思想に基づいて、種々の変形及び変更が可能である。
例えば、本発明は、鉄系シャフトとアルミニウム合金製軸受けからなる構成部材であれば、ミッションシャフトとミッションケース、カムシャフトとシリンダーヘッド、及びカムシャフトとカムキャップにも適用することができる。
さらに、上記実施の形態においては、アルミニウム合金層３３を複合材３５の表面形状に沿ってほぼ一定の厚さに形成したが、図８，９に示すように、ベアリングキャップ１１又はクランクロアケース１７を上下方向に約二分割し、摺動面側である上側をＡＤＣ１２からなるアルミニウム合金部材５１で、ボルト座面側である下側を複合部材５３で構成しても良い。この場合においても、寸法ａ，ｂ，Ａ，Ｂの間には、Ａ／２≦ａ＜Ａ、Ｂ／２≦ｂ＜Ｂの関係が成立する。
【００２３】
【実施例】
次いで、本発明に係るシリンダブロックについての実施例を説明する。本実施例においては、摺動面側にアルミニウム合金層３３を設け、該アルミニウム合金層３３以外を複合材３５とした軸受けを用いた本発明例と、複合材３５を全く用いずに、全てアルミニウム合金によって構成した軸受けを用いた比較例１と、アルミニウム合金層３３を全く形成せずに、全て複合材３５とした軸受けを用いた比較例２とを示す。
【００２４】
［本発明例］
プリフォームの作製
まず、粒径が５μｍのＳｉＣ粒子と、断面の径が３μｍのＡｌ2Ｏ3繊維とを８：２の割合で混合した。次いで、この混合物にシリカ（ＳｉＯ2）ゾルを５ｗｔ％添加してＳｉＣ粒子とＡｌ2Ｏ3繊維の表面を改質したのち、圧縮成形することによって、図１０に示すような、体積率が２５％のプリフォーム４１を成形した。このプリフォーム４１の形状及び寸法は、図１０に示すように、両端部の高さが４０ｍｍ、中央部の高さが１５ｍｍであり、軸穴の径はφ６０ｍｍとした。
上記ＳｉＣ粒子の線膨張係数は４．２×１０-6／Ｋであり、Ａｌ2Ｏ3繊維の線膨張係数は７．０×１０-6／Ｋである。また、成形後のプリフォームの線膨張係数は４．８×１０-6／Ｋであり、鉄の熱膨張係数（１２×１０-6／Ｋ）よりも十分に小さい。
【００２５】
アルミニウム合金溶湯の鋳込み（複合化）
次いで、上記プリフォーム４１を７００℃に予熱して金型に配置し、７００℃で溶解したアルミニウム合金溶湯（ＡＤＣ１２）をプリフォーム４１に鋳込んで、図１１に示すベアリングキャップ１１を作製した。このベアリングキャップ１１の寸法は、両端部の高さが４５ｍｍ、両端部の複合材３５の厚さが４０ｍｍ、中央部の厚さが２０ｍｍ、中央部の複合材３５の厚さが１５ｍｍ、及び軸穴の径がφ５０ｍｍである。ここで、図３と図１１を対応させると、Ａ＝４５ｍｍであり、Ｂ＝２０ｍｍである。また、ａ＝４０ｍｍ、ｂ＝１５ｍｍであるため、アルミニウム合金層３３の厚さは両端部及び中央部の全体にわたって５ｍｍであり、Ａ／２≦ａ＜Ａ、Ｂ／２≦ｂ＜Ｂという条件を満足している。また、ベアリングキャップ１１の複合材３５における線膨張係数は１８×１０-6／Ｋ、アルミニウム合金層の線膨張係数は２２×１０-6／Ｋであった。
【００２６】
［比較例１，２］
上記本発明例に対して、比較例１では、プリフォーム４１を全く用いずに、全てアルミニウム合金からなるベアリングキャップ（従来技術）を作製した。つまり、アルミニウム合金溶湯（ＡＤＣ１２）を金型中に注入し、ダイカストによってベアリングキャップを作製した。
さらに、比較例２では、アルミニウム合金層３３を全く形成することなく、全て複合材３５でベアリングキャップを作製した。この複合材３５には、上記本発明例のプリフォーム４１と同一の材料を用いて作製した。即ち、粒径が５μｍのＳｉＣ粒子と、断面の粒径が３μｍのＡｌ2Ｏ3繊維とを８：２の割合で混合し、シリカ（ＳｉＯ2）ゾルを５ｗｔ％添加したのち、圧縮成形してベアリングキャップを作製した。
【００２７】
これらの本発明例及び比較例１，２にて作製したベアリングキャップをシリンダブロック（ＡＤＣ１２）に２５℃の状態で組み付けてエンジンを作動させ、−５０〜２００℃の温度範囲において、温度に対するシリンダブロックの軸穴径の変化量を測定した。その結果を図１２のグラフに示す。
このグラフによれば、本発明例が最も穴径の変化量が小さいことが判る。室温程度の２０℃付近では、本発明例と比較例との差異はほとんどないが、その後、温度が上昇するにつれて穴径の寸法変化量の差異も徐々に大きくなり、高温時（例えば、２００℃）においては、比較例１との差異は約８０μｍ、比較例２の差異は約２５μｍとなった。
【００２８】
そして、本発明例ではシリカゾルを添加したことによって、ＳｉＣ粒子とＡｌ2Ｏ3繊維の表面の接触角θが１６０°から１２０°に低下し、ＳｉＣ粒子とＡｌ2Ｏ3繊維に対するアルミニウム合金溶湯の濡れ性が向上した。このため、アルミニウム合金溶湯のプリフォーム４１に対する含浸開始圧が０．１９ＭＰａとなった。しかし、シリカゾルを添加しない場合は、ＳｉＣ粒子とＡｌ2Ｏ3繊維の混合物の平均粒径が４．６μｍとすると、アルミニウム合金溶湯のプリフォームに対する含浸開始圧が０．３６ＭＰａであった。この結果から、シリカゾルの添加によって、アルミニウム合金溶湯が大幅にプリフォームに浸透しやすくなることが判明した。
【００２９】
【発明の効果】
本発明に係るシリンダブロックは、アルミニウム合金を用いて作製しているため、重量が小さく、エンジン全体の軽量化に寄与する。また、シリンダブロックが高温になっても、クランクシャフトの軸穴径が広がらず、クランクシャフトと軸穴とのクリアランスが大きくならないため、車両走行時においても、エンジンの振動及び騒音を低く抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るベアリングキャップ式シリンダブロックを示す斜視図である。
【図２】本発明に係るロアケース式シリンダブロックを示す斜視図である。
【図３】図１のＡ−Ａ線による断面図である。
【図４】図２のＢ−Ｂ線による断面図である。
【図５】本発明に係る軸受けを構成するプリフォームの断面図である。
【図６】本発明に係る軸受けの断面図である。
【図７】高温時において軸受けにかかる応力を示す概略図である。
【図８】本発明の変形例に係る軸受けを示す、図１のＡ−Ａ線による断面図である。
【図９】本発明の変形例に係る軸受けを示す、図１のＢ−Ｂ線による断面図である。
【図１０】実施例にて用いたプリフォームを示す断面図である。
【図１１】実施例にて作製した軸受けを示す断面図である。
【図１２】本発明例と比較例１，２において作製した軸受けの軸穴径の変化量を示すグラフである。
【図１３】従来のシリンダブロックを示す斜視図である。
【符号の説明】
１  ベアリングキャップ式シリンダブロック
３  クランクロアケース式シリンダブロック
５，２１  シリンダブロック本体部
７  シリンダボア
９，１５  切欠き
１１  ベアリングキャップ
１３，２３  軸受部
１７  クランクロアケース
２５  両端部
２７  凹部
２９  ボルト穴
３１  ボルト
３３  アルミニウム合金層
３５  複合材
４１  プリフォーム
４３，４５，４７  応力
５１  アルミニウム合金部材
５３  複合部材
【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】
0003815658.tif 000012
【図１２】
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【図１３】
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