クランクシャフト及びその表面改質方法
【課題】黒鉛鋳鉄製のクランクジャーナル部を支持する滑り軸受の摩耗を抑制する。
【解決手段】クランクシャフトは、自動停止及び自動始動が行なわれる内燃機関の出力軸として用いられるものであり、クランクジャーナル部３１において滑り軸受により回転可能に支持される。クランクシャフトでは、少なくともクランクジャーナル部３１が黒鉛鋳鉄により形成されている。クランクジャーナル部３１は表層部３５に改質層４１を有する（図３（Ｂ））。この改質層４１は、研磨及びラップ処理の施されたクランクジャーナル部３１の表層部３５（図３（Ａ））に対し、１μｍ〜１００μｍの粒径を有する硬質粒子からなるショットを、１００ｍ／ｓ〜３００ｍ／ｓの流速で衝突させてなるショットピーニング処理を行なうことにより形成されるものである。
【解決手段】クランクシャフトは、自動停止及び自動始動が行なわれる内燃機関の出力軸として用いられるものであり、クランクジャーナル部３１において滑り軸受により回転可能に支持される。クランクシャフトでは、少なくともクランクジャーナル部３１が黒鉛鋳鉄により形成されている。クランクジャーナル部３１は表層部３５に改質層４１を有する（図３（Ｂ））。この改質層４１は、研磨及びラップ処理の施されたクランクジャーナル部３１の表層部３５（図３（Ａ））に対し、１μｍ〜１００μｍの粒径を有する硬質粒子からなるショットを、１００ｍ／ｓ〜３００ｍ／ｓの流速で衝突させてなるショットピーニング処理を行なうことにより形成されるものである。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の出力軸を構成するクランクシャフト、及びそのクランクシャフトの表面を改質する方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
停車率の高い市街地走行時の燃費向上等を目的として、信号待ち時等、車両が停車したときには、車両に搭載された内燃機関を自動停止させ、車両の発進時には同内燃機関を自動始動（再始動）させる技術が知られている。この技術は、内燃機関及び電動モータを動力源として備え、負荷状態に応じて内燃機関を自動停止及び自動始動させるハイブリッド車両にも適用可能である。
【０００３】
こうした内燃機関に用いられるクランクシャフトとしては、スチール鋼材を鍛造したものが一般的ではあるが、表層部に対し窒化処理等の熱処理を施しているため、クランクシャフトが高価なものとなっている。
【０００４】
これに対しては、コストを低減するためにクランクシャフトを鋳鉄、例えば球状黒鉛等の黒鉛を分散させてなる鋳鉄（黒鉛鋳鉄）によって形成することが考えられる。この場合、クランクジャーナル部の表層部の表面粗さが極微小となるように仕上げるために、同表層部に対し、研磨及びラップ処理が施される。しかし、これらの処理が施された黒鉛鋳鉄製のクランクシャフトには、次の問題がある。
【０００５】
自動停止及び自動始動が繰り返される内燃機関では、自動停止に伴いオイルポンプも停止され、クランクジャーナル部及び滑り軸受間への潤滑油の供給が停止される。自動始動は、このように摺動部分への潤滑油の供給が停止された状況で行なわれる。そのため、内燃機関の自動停止及び自動始動が頻繁に行なわれることにより、クランクジャーナル部と滑り軸受との間に潤滑油が充分に供給されず、滑り軸受の軸受面が油膜切れしたような状態となる頻度が増えるおそれがある。
【０００６】
一方、黒鉛鋳鉄製のクランクシャフトのクランクジャーナル部の表層部に対し、上述した研磨及びラップ処理を施すと、同表層部の黒鉛の周辺に微細なバリ、カエリ等が多く生ずることがある。また、上記研磨及びラップ処理により、表層部の表面の近くにフェライトの塑性流動層（塑性変形層）が生ずることがある。そして、これらのバリ、カエリ、塑性流動層等により、クランクジャーナル部の表層部の表面粗さが大きくなるおそれがある。
【０００７】
さらに、滑り軸受としては、多くの場合、クランクシャフトよりも硬度の低い材料、例えばアルミニウム合金によって形成されたものが用いられる。
そのため、上記のように自動停止及び自動始動が繰り返されると、滑り軸受の軸受面が、それよりも硬く表面粗さの大きなクランクジャーナル部の表層部によって削り取られて摩耗する現象であるアブレシブ摩耗が発生する。そして、滑り軸受において削り取られた部分がクランクジャーナル部に移着して、同クランクジャーナル部の表層部がさらに粗くなり、滑り軸受の摩耗が進行する。この摩耗の進行は、内燃機関のＮＶ（Noise, Vibration）の悪化や、内燃機関の信頼性の低下を招く。
【０００８】
そこで、黒鉛鋳鉄製クランクシャフトのクランクジャーナル部の表層部を改質することで、滑り軸受の摩耗を抑制することが考えられる。例えば、特許文献１には、黒鉛鋳鉄製部品の表層部に、０．５ｍｍ〜１．０ｍｍの粒径を有する鉄系粒子を、９０ｍ／ｓの流速でショットピーニング処理することが記載されている。このショットピーニング処理を、上記黒鉛鋳鉄製クランクシャフトにおけるクランクジャーナル部の表層部の改質に適用することが考えられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開昭６２−２５３７１１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
ところが、特許文献１に記載された条件で、黒鉛鋳鉄製クランクシャフトのクランクジャーナル部の表層部に対しショットピーニング処理を行なうと、塑性流動層は除去されるものの、黒鉛を含め軟質部がショットの際に削り取られる。そのため、図１０に示すように、クランクジャーナル部５２の表層部５３の表面粗さが、ショットピーニング処理前よりも大きくなり、滑り軸受の軸受面の摩耗を抑制する効果があまり期待できない。なお、図１０中の符号５４は、黒鉛５１の脱落により生じた痕（脱落痕）を示している。
【００１１】
本発明はこのような実情に鑑みてなされたものであって、その目的は、黒鉛鋳鉄製のクランクジャーナル部を支持する滑り軸受の摩耗を抑制することのできるクランクシャフト及びその表面改質方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
以下、上記目的を達成するための手段及びその作用効果について記載する。
請求項１に記載の発明は、内燃機関の出力軸を構成するものであり、クランクジャーナル部において滑り軸受により回転可能に支持され、かつ少なくとも前記クランクジャーナル部が黒鉛鋳鉄により形成されたクランクシャフトであって、前記クランクジャーナル部は表層部に改質層を有し、前記改質層は、前記クランクジャーナル部の前記表層部に対し、１μｍ〜１００μｍの粒径を有する硬質粒子からなるショットを、１００ｍ／ｓ〜３００ｍ／ｓの流速で衝突させてなるショットピーニング処理を行なうことにより形成されるものであることを要旨とする。
【００１３】
また、請求項５に記載の発明は、内燃機関の出力軸を構成するものであり、クランクジャーナル部において滑り軸受により回転可能に支持され、かつ少なくとも前記クランクジャーナル部が黒鉛鋳鉄により形成されたクランクシャフトに適用されて、前記クランクジャーナル部の表層部に改質層を形成するクランクシャフトの表面改質方法であって、前記クランクジャーナル部の前記表層部に対し、１μｍ〜１００μｍの粒径を有する硬質粒子からなるショットを、１００ｍ／ｓ〜３００ｍ／ｓの流速で衝突させてなるショットピーニング処理を行なうことにより前記改質層を形成することを要旨とする。
【００１４】
上記の構成によれば、少なくともクランクジャーナル部が黒鉛鋳鉄により形成されたクランクシャフトでは、クランクジャーナル部の表層部に対し、ショットを衝突させてなるショットピーニング処理が行なわれる。この処理が粒径及び流速についての上記条件のもとで行なわれることにより、クランクジャーナル部の表層部の一部が除去されたり塑性変形されたりして、表面粗さの小さな硬質の改質層が形成される。
【００１５】
上記クランクジャーナル部が滑り軸受によって支持されたクランクシャフトは、滑り軸受の軸受面上を摺動しながら回転する。この際、クランクジャーナル部の表層部の改質層が硬く表面粗さが小さいため、たとえ滑り軸受の軸受面が油膜切れしたような状態となる頻度が増えても、その滑り軸受がクランクジャーナル部の表層部によって削り取られて摩耗する現象（アブレシブ摩耗）が起こりにくい。これに伴い、滑り軸受において削り取られた部分がクランクジャーナル部に移着して、同クランクジャーナル部の表層部がさらに粗くなることが起こりにくく、滑り軸受の摩耗が抑制される。
【００１６】
こうした効果は、ショットピーニング処理がショットの粒径及び流速についての上記条件を満たした状況下で行なわれることにより得られる。
ショットの粒径が１μｍ未満では、衝突のエネルギーが少なく、クランクジャーナル部の表層部に所定の改質層が得られにくい。また、ショットの粒径が１００μｍよりも大きいと、衝突のエネルギーが過大となり、クランクジャーナル部の表層部がショットピーニング処理前よりも粗くなる。上記いずれの場合にも、改質層による滑り軸受の摩耗抑制効果が充分得られない。
【００１７】
ショットの流速が１００ｍ／ｓ未満では、衝突のエネルギーが少なく、クランクジャーナル部の表層部に改質層を形成する効果が充分期待できない。また、ショットの流速が３００ｍ／ｓを上回ると、衝突のエネルギーが過大となり、クランクジャーナル部の表層部の凸凹が大きくなり、表面粗さが許容範囲を越える。上記いずれの場合にも、改質層による滑り軸受の摩耗抑制効果が充分得られない。
【００１８】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記ショットピーニング処理は、研磨及びラップ処理の施された前記クランクジャーナル部の前記表層部に対し行なわれるものであることを要旨とする。
【００１９】
ここで、黒鉛鋳鉄によって形成されたクランクジャーナル部の表層部を、表面粗さが極微小となるように仕上げるために、同表層部に対し、研磨と、ペーパラップ処理等のラップ処理とが施された場合には、その表層部の黒鉛の周辺に微細なバリ、カエリ（かえり）等が多く生ずることがある。また、表層部の表面の近くには、上記研磨、ラップ処理によりフェライトの塑性流動層（塑性変形層）が生ずることもある。そして、これらのバリ、カエリ、塑性流動層等により、表層部の表面粗さが大きくなるおそれがある。
【００２０】
しかし、このようなクランクジャーナル部を有するクランクシャフトであっても、粒径及び流速についての上記条件のもとでショットピーニング処理が行なわれることにより、上記バリ、カエリ、塑性流動層等が除去されたり塑性変形されたりして、クランクジャーナル部の表層部に、表面粗さの小さな硬質の改質層が形成される。
【００２１】
従って、上記ショットピーニング処理は、研磨及びラップ処理の行なわれたクランクジャーナル部の表面改質に特に有効であるといえる。
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の発明において、前記改質層上には固体潤滑皮膜が形成されており、前記固体潤滑皮膜は、前記ショットとして、固体潤滑剤により被覆されたものを用いて前記ショットピーニング処理を行なうことにより、前記改質層の形成とともに形成されるものであることを要旨とする。
【００２２】
上記の構成によれば、ショットピーニング処理に際しては、クランクシャフトにおけるクランクジャーナル部の表層部に対し、固体潤滑剤によって被覆されたショットが衝突させられる。この衝突により、クランクジャーナル部の表層部に改質層が形成されるとともに、その改質層の上に固体潤滑皮膜が形成される。
【００２３】
また、クランクジャーナル部の表層部に、黒鉛が脱落してなる脱落痕があった場合には、上記固体潤滑剤が脱落痕の内壁面に付着し、同内壁面にも固体潤滑皮膜が形成される。
上記クランクジャーナル部が滑り軸受によって支持されたクランクシャフトは、滑り軸受の軸受面上を摺動しながら回転する。この際、固体潤滑皮膜は潤滑作用を発揮することで、摺動特性の改善や耐摩耗性の向上に寄与する。そのため、固体潤滑皮膜が設けられていない場合に比べ、滑り軸受の摩耗が一層抑制される。
【００２４】
請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれか１つに記載の発明において、前記内燃機関は、自動停止及び自動始動が行なわれるものであることを要旨とする。
自動停止及び自動始動が行なわれる内燃機関では、自動停止に伴いオイルポンプも停止され、クランクジャーナル部及び滑り軸受間への潤滑油の供給が停止される。自動始動は、このように摺動部分への潤滑油の供給が停止された状況で行なわれる。そのため、内燃機関の自動停止及び自動始動が頻繁に行なわれることにより、クランクジャーナル部と滑り軸受との間に潤滑油が充分に供給されず、滑り軸受の軸受面が油膜切れしたような状態となる頻度が増えるおそれがある。
【００２５】
しかし、粒径及び流速についての上記条件のもとでショットピーニング処理が行なわれることにより、クランクジャーナル部の表層部に、表面粗さの小さな硬質の改質層が形成される。そのため、内燃機関において自動停止及び自動始動が繰り返されても、滑り軸受がクランクジャーナル部の表層部によって削り取られて摩耗する現象（アブレシブ摩耗）が起こりにくい。
【００２６】
従って、上記ショットピーニング処理は、自動停止及び自動始動の行なわれる内燃機関のクランクシャフト（クランクジャーナル部）の表面改質に特に有効であるといえる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明を具体化した第１実施形態において、内燃機関の各種プーリに伝動ベルトが巻き掛けられた状態を示す略図。
【図２】クランクシャフトを主軸受及びコンロッド軸受とともに示す正面図。
【図３】（Ａ）はクランクジャーナル部の表層部に改質層が形成される前の状態を示す模式図、（Ｂ）は同表層部に改質層が形成された状態を示す模式図。
【図４】ショットを２００ｍ／ｓの流速でクランクジャーナル部に衝突させた場合において、ショットの粒径と表面粗さとの関係を測定した結果を示すグラフ。
【図５】５０μｍの粒径を有するショットを用いた場合において、ショットの流速と表面粗さとの関係を測定した結果を示すグラフ。
【図６】１０μｍの粒径を有するショットを用いた場合において、ショットの流速と表面粗さとの関係を測定した結果を示すグラフ。
【図７】１００μｍの粒径を有するショットを用いた場合において、ショットの流速と表面粗さとの関係を測定した結果を示すグラフ。
【図８】実施例１、実施例２及び比較例の各々について、主軸受の摩耗量を測定した結果を示すグラフ。
【図９】本発明を具体化した第２実施形態において、クランクジャーナル部の表層部に改質層及び固体潤滑皮膜が形成された状態を示す模式図。
【図１０】従来技術を説明する図であって、クランクジャーナル部の表層部の状態を示す模式図。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
（第１実施形態）
以下、本発明を具体化した第１実施形態について、図１〜図８を参照して説明する。
車両には、図１において二点鎖線で示すように、多気筒を有する内燃機関１１が搭載されている。この内燃機関１１の運転は、例えば車両走行中における信号待ちといった一時的な車両停止時に停止され、運転者の始動要求に応じて再開される。本実施形態では、内燃機関１１の通常の運転停止・開始と区別するために、上記状況での内燃機関１１の運転停止を「自動停止」といい、運転再開を「自動始動」というものとする。
【００２９】
この内燃機関１１の出力軸であるクランクシャフト３０の一方の端部には、電磁クラッチ１３を介してクランクプーリ１４が取付けられている。内燃機関１１において、クランクプーリ１４の周辺には各種補機が配置されている。これらの補機としては、例えばエアコン用コンプレッサ、ウォータポンプ、オルタネータ等が挙げられる。各補機の回転軸１５，１６，１７にはプーリ２１，２２，２３が一体回転可能に取付けられている。クランクプーリ１４及び各プーリ２１〜２３には伝動ベルト２４が巻き掛けられており、この伝動ベルト２４により、クランクシャフト３０の回転がクランクプーリ１４及び各プーリ２１〜２３を通じて各回転軸１５〜１７に伝達され、各種補機が駆動される。電磁クラッチ１３は、クランクシャフト３０の回転の各種補機への伝達、及び伝達遮断を切替える。
【００３０】
クランクプーリ１４とオルタネータのプーリ２３との間には、その区間で伝動ベルト２４の張力を調整するためのベルトテンショナ２５が配置されている。
さらに、内燃機関１１には、クランクシャフト３０の回転を利用して作動するオイルポンプ（図示略）が設けられている。
【００３１】
図２に示すように、クランクシャフト３０は、軸線Ｌ１上に所定間隔をおいて設けられた複数のクランクジャーナル部３１と、各クランクジャーナル部３１の軸線Ｌ１に沿う方向についての端部にそれぞれ設けられたアーム部３２と、上記軸線Ｌ１に対して平行になるように、各アーム部３２間に設けられたピン部３３とを備えて構成されている。
【００３２】
このクランクシャフト３０では、各クランクジャーナル部３１が主軸受２８により、内燃機関１１に回転可能に支持される。これらの主軸受２８は、特許請求の範囲における「滑り軸受」に該当する。また、クランクシャフト３０では、各ピン部３３がコネクティングロッド（コンロッド）を介してピストン（共に図示略）に連結される。各ピン部３３とコンロッドとの間には、コンロッド軸受２９が介在される。上記クランクプーリ１４は、クランクシャフト３０の一方の軸端に上記電磁クラッチ１３を介して取付けられる。
【００３３】
なお、クランクシャフト３０には、上記オイルポンプの作動により供給される潤滑油の給油通路（図示略）が形成されており、この給油通路を通じて、クランクジャーナル部３１及び主軸受２８間や、ピン部３３及びコンロッド軸受２９間に潤滑油が供給されて油膜が形成されるようになっている。
【００３４】
上記クランクシャフト３０は、黒鉛を分散させてなる鋳鉄（黒鉛鋳鉄）によって形成されている。黒鉛鋳鉄としては、例えば、重量％で、３．５％〜４．２％の炭素（Ｃ）と、１．９％〜３．２％のケイ素（Ｓｉ）と、０．０２％〜０．０６％のマグネシウム（Ｍｇ）と、それぞれ０．６％〜０．８％の銅（Ｃｕ）及びマンガン（Ｍｎ）と、不純物と、残部の鉄（Ｆｅ）とからなる成分範囲を有するものを用いることができる。
【００３５】
黒鉛としては、球状化処理により粒径が１００μｍ以下にされた球状黒鉛を用いることができる。球状化処理は、鋳鉄の機械的強度を向上させる目的で、溶湯中にマグネシウム（Ｍｇ）等を添加し、黒鉛形状を丸くする処理である。このように球状化処理を行なうことにより、鋳鉄中の黒鉛が球状化したものは、球状黒鉛鋳鉄（ダクタイル鋳鉄）と呼ばれ、ＦＣＤと記載されることがある。
【００３６】
ここで、黒鉛鋳鉄の機械的性質は、一般に、その組織を構成する基地と黒鉛とによって支配され、黒鉛が材料を弱める方向に働く。黒鉛形状が片状から球状になることにより、有効断面の増加及び切欠き作用による応力集中の減少となり機械的性質が向上する。黒鉛鋳鉄は、他の鋳鉄に比べ伸びが大きく、延性を有する。
【００３７】
一方、各主軸受２８は、クランクシャフト３０よりも硬度の低い材料、例えばアルムニウム合金によって形成されている。
上記クランクジャーナル部３１の表面粗さが極微小となるように表面を仕上げるために、図３（Ａ）に示すように、クランクジャーナル部３１の表層部３５に対し、研磨が施されるとともに、その後にペーパラップ処理が施されている。ペーパラップ処理は、表面に砥粒を塗布した布又は紙（ペーパ）を用いた表面仕上げ法である。このペーパラップ処理に際しては、例えば、テープ送り機構に支持されたペーパ（ラップテープ）を、相互に接近離間可能に配した一対のラッピングアームに設けられたシューによりワーク（クランクジャーナル部３１）に押付ける。そして、ラップテープの間でワークを回転させて、そのワークの外周面をラップ加工することが行なわれる。
【００３８】
このように、研磨及びペーパラップ処理が施されたクランクジャーナル部３１では、表層部３５の球状黒鉛３７の周辺に微細なバリ３６、カエリ等が多く生じている。また、表層部３５の表面の近くには、上記研磨、ペーパラップ処理によりフェライトの塑性流動層（塑性変形層）３８が生じている。そして、上記バリ３６、カエリ、塑性流動層３８等により、クランクジャーナル部３１の表層部３５の表面粗さが大きくなっている。また、研磨、ラップ処理等の際に、一部の球状黒鉛３７が表層部３５から脱落することで脱落痕３９が生じている。
【００３９】
これに対し、本実施形態では、上記表層部３５に対し表面改質処理を行なうことにより、図３（Ｂ）に示すように、同表層部３５に、数μｍ〜１０μｍ前後の厚みを有する改質層４１が形成されている。この改質層４１は、クランクシャフト３０を回転させながらクランクジャーナル部３１の表層部３５に対し、次の条件１及び条件２で、ショットピーニング処理を所定時間にわたり行なうことにより形成されるものである。ショットピーニング処理は、ショットを空気又は遠心力によって加速し、これを加工面（この場合、クランクジャーナル部３１の表層部３５）に衝突させて行なう吹付け加工であり、同表層部３５に残留圧縮応力を生じさせ、かつ加工硬化によって疲れ強さを増加させることを目的とする処理である。
【００４０】
条件１：ショットとして、１μｍ〜１００μｍの粒径を有するものを用いること。
条件２：ショットを、１００メートル毎秒（以下「ｍ／ｓ」と記載する）〜３００ｍ／ｓの流速で吹付けること。
【００４１】
上記ショットとしては、硬質粒子、例えば鉄系、セラミック系等の種々の材料を用いることができるが、比較的安価に入手可能であることから、鉄系の硬質粒子、いわゆるスチールショットを用いることが望ましい。
【００４２】
このショットピーニング処理が、上記条件１及び条件２を満たす状況下で行なわれることにより、表層部３５が硬化されるほか、表層部３５に存在する微小なバリ３６、カエリ、塑性流動層３８等が除去されたり塑性変形されたりする。このようにして、クランクジャーナル部３１の表層部３５に、表面粗さの小さな硬質の改質層４１が形成されている。
【００４３】
次に、上記のように構成された第１実施形態のクランクシャフト３０の作用について説明する。
各クランクジャーナル部３１において各主軸受２８によって支持されたクランクシャフト３０は、ピストンの往復移動に伴いピン部３３がコンロッドによって押されることで、軸線Ｌ１を回転中心として回転する。この際、各クランクジャーナル部３１は、基本的には主軸受２８に対し油膜を介して摺動しながら回転する。また、各ピン部３３は、基本的にはコンロッド軸受２９に対し油膜を介して摺動しながら回転する。
【００４４】
一方、自動停止及び自動始動が行なわれる内燃機関１１では、その自動停止に伴いオイルポンプも停止され、クランクジャーナル部３１及び主軸受２８間や、ピン部３３及びコンロッド軸受２９間への潤滑油の供給が停止される。内燃機関１１の自動始動は、このように摺動部分への潤滑油の供給が停止された状況で行なわれる。そのため、内燃機関１１の自動停止及び自動始動が頻繁に行なわれることにより、クランクジャーナル部３１と主軸受２８との間に潤滑油が充分に供給されず、主軸受２８の軸受面が油膜切れしたような状態となる頻度が増えるおそれがある。
【００４５】
ここで、仮に、クランクジャーナル部３１の表層部３５にバリ３６、カエリ、塑性流動層３８等が存在していて、表層部３５の表面粗さが大きい場合には、上記油膜切れの状態でクランクシャフト３０が回転する頻度が増えると、主軸受２８がクランクジャーナル部３１の表層部３５によって削り取られて摩耗する現象（アブレシブ摩耗）が起こる。これに伴い、主軸受２８の軸受面において削り取られた部分がクランクジャーナル部３１に移着して、同クランクジャーナル部３１の表層部３５がさらに粗くなり、主軸受２８の摩耗が進行するおそれがある。
【００４６】
上記の摩耗は、クランクプーリ１４に最も近い箇所の主軸受２８において進行しやすい。これは、クランクシャフト３０には伝動ベルト２４の張力による荷重がクランクプーリ１４を介して加わっていて、クランクプーリ１４に最も近い箇所のクランクジャーナル部３１が主軸受２８の軸受面に対し最も強く押付けられるからである。この状態で内燃機関１１の自動始動が行なわれるため、クランクプーリ１４に最も近い箇所の主軸受２８で摩耗が特に大きくなりやすい。
【００４７】
しかし、クランクジャーナル部３１の表層部３５に対し、条件１及び条件２を満たしたショットピーニング処理が行なわれている第１実施形態では、表層部３５に、バリ３６、カエリ、塑性流動層３８等の少ない硬質の改質層４１が設けられている。そのため、内燃機関１１において自動停止及び自動始動が繰り返されて、たとえ主軸受２８の軸受面が油膜切れしたような状態となる頻度が増えても、上記アブレシブ摩耗が起こりにくい。これに伴い、主軸受２８において削り取られた部分がクランクジャーナル部３１に移着して、同クランクジャーナル部３１の表層部３５の表面粗さがさらに大きくなり、主軸受２８の摩耗が進行することが起こりにくくなる。
【００４８】
こうした効果は、ショットの粒径及び流速について、上記条件１及び条件２を満たしたうえでショットピーニング処理が行なわれることで得られる。
ショットの粒径が１μｍ未満では、同ショットが表層部３５に衝突する際の衝突のエネルギーが少なく、同表層部３５に所定の改質層４１が得られにくい。また、ショットの粒径が１００μｍよりも大きいと、衝突のエネルギーが過大となり、上記表層部３５がショットピーニング処理前よりも粗くなる。上記いずれの場合にも、改質層４１による主軸受２８の摩耗抑制効果が充分得られない。
【００４９】
ショットの流速が１００ｍ／ｓ未満では、衝突のエネルギーが少なく、クランクジャーナル部３１の表層部３５に改質層４１を形成する効果が充分期待できない。また、ショットの流速が３００ｍ／ｓを上回ると、衝突のエネルギーが過大となり、上記表層部３５の凸凹が大きくなり、表面粗さが許容範囲を越える。上記いずれの場合にも、改質層４１による主軸受２８の摩耗抑制効果が充分得られない。
【００５０】
図４は、粒径の異なる複数種類のショットを流速２００ｍ／ｓでクランクジャーナル部３１の表層部３５に衝突させた場合の同表層部３５（改質層４１）の表面粗さ（十点平均粗さ）を測定した結果を示している。なお、ショットピーニング処理前（但し、研磨及びペーパラップ処理は施されている）の表面粗さはＲｚ値で１．０μｍであった。
【００５１】
また、図５、図６及び図７は、５０μｍ、１０μｍ、１００μｍの粒径を有する３種類のショットをそれぞれ複数種類の流速でクランクジャーナル部３１の表層部３５に吹付けた場合の表層部３５（改質層４１）の表面粗さを測定した結果を示している。
【００５２】
これらの図４〜図７から、１μｍ〜１００μｍの粒径を有するショットを用いると、表層部３５（改質層４１）の表面粗さがショットピーニング処理前よりも小さくなることがわかる。また、１００ｍ／ｓ〜３００ｍ／ｓの流速でショットを衝突させると、表層部３５（改質層４１）の表面粗さがショットピーニング処理前よりも小さくなることがわかる。
【００５３】
また、図８は、内燃機関の自動始動及び自動停止を１．５万サイクル繰り返した場合に、クランクプーリ１４に最も近い箇所の主軸受２８がどれだけ摩耗したかを測定した結果を示している。図８中、実施例１は、クランクジャーナル部３１の表層部３５に対し、５μｍ〜５０μｍの粒径を有するショットを、２００ｍ／ｓの流速で衝突させてなるショットピーニング処理が行なわれた場合を示している。比較例は、クランクジャーナル部３１に対し、研磨及びペーパラップ処理が施されただけで、その後にショットピーニング処理が行なわれていない場合を示している。この図８から、実施例１では、比較例に比べ主軸受２８の摩耗量が大幅に少なくなっていることがわかる。
【００５４】
以上詳述した第１実施形態によれば、次の効果が得られる。
（１）クランクジャーナル部３１の表層部３５に対し、１μｍ〜１００μｍの粒径を有する硬質粒子からなるショットを、１００ｍ／ｓ〜３００ｍ／ｓの流速で衝突させてなるショットピーニング処理を行なうようにしている。
【００５５】
そのため、上記表層部３５に、表面粗さの小さな硬質の改質層４１を形成することができ、黒鉛鋳鉄製のクランクジャーナル部３１を支持する主軸受２８の摩耗を抑制することができる。
【００５６】
また、クランクシャフト３０を黒鉛鋳鉄によって形成することで、スチール鋼材を鍛造し、窒化処理等の熱処理を施したクランクシャフトよりもコストの低減を図ることができる。
【００５７】
（２）ショットピーニング処理を、研磨及びペーパラップ処理の施されたクランクジャーナル部３１の表層部３５に対し行なうようにしている。
そのため、研磨及びペーパラップ処理により、微細なバリ、カエリ、塑性流動層３８等が多く生じて、表層部３５の表面粗さが大きなクランクジャーナル部３１を有するクランクシャフト３０であっても、ショットピーニング処理によってクランクジャーナル部３１の表層部３５に改質層４１を形成して、上記（１）の効果を得ることができる。
【００５８】
従って、上記（１）のショットピーニング処理は、研磨及びペーパラップ処理の行なわれたクランクジャーナル部３１の表面改質に特に有効であるといえる。
（３）クランクシャフト３０を、自動停止及び自動始動の行なわれる内燃機関１１のクランクシャフトに適用している。
【００５９】
そのため、自動停止及び自動始動が頻繁に行なわれて、主軸受２８の軸受面が油膜切れしたような状態となる頻度が増えても、その主軸受２８がクランクジャーナル部３１の表層部３５によって削り取られて摩耗する現象（アブレシブ摩耗）を発生しにくくし、もって主軸受２８の摩耗を抑制することができる。
【００６０】
従って、上記（１）のショットピーニング処理は、自動停止及び自動始動の行なわれる内燃機関１１のクランクシャフト３０（クランクジャーナル部３１）の表面改質に特に有効であるといえる。
【００６１】
（第２実施形態）
次に、本発明を具体化した第２実施形態について、上記図８及び図９を参照して説明する。なお、第２実施形態において、第１実施形態と同様の部材、箇所等については、同一の符号を付して詳しい説明を省略する。
【００６２】
図９に示すように、第２実施形態は、１μｍ前後の厚みを有する固体潤滑皮膜４２が改質層４１上に形成されている点において第１実施形態と異なっている。この固体潤滑皮膜４２は、ショットとして、固体潤滑剤により被覆されたものを用いて上記ショットピーニング処理を行なうことにより、改質層４１の形成とともに形成されるものである。
【００６３】
固体潤滑剤としては、例えばスズ（Ｓｎ）、二硫化モリブデン（ＭｏＳ2 ）、鉛（Ｐｂ）、ビスマス（Ｂｉ）等が用いられる。
ショットピーニング処理は、上述した条件１及び条件２を満たした状況下で行なわれる。このショットピーニング処理に際しては、クランクジャーナル部３１の表層部３５に対し、固体潤滑剤によって被覆されたショットが衝突させられる。この衝突により、クランクジャーナル部３１の表層部３５に改質層４１が形成されるとともに、さらにその上に、改質層４１よりも軟質の固体潤滑皮膜４２が形成される。このように、固体潤滑剤により被覆されたショットを用いてショットピーニング処理を行なうことで、改質層４１の形成と、固体潤滑皮膜４２の形成とが一度に行なわれる。
【００６４】
また、クランクジャーナル部３１の表層部３５に、球状黒鉛３７の脱落痕３９があった場合には、上記固体潤滑剤が脱落痕３９の内壁面３９Ａに付着し、同内壁面３９Ａにも固体潤滑皮膜４２が形成される。
【００６５】
上記クランクジャーナル部３１が主軸受２８によって支持されたクランクシャフト３０は、主軸受２８の軸受面上を摺動しながら回転する。この際、固体潤滑皮膜４２は潤滑作用を発揮することで、摺動特性の改善や耐摩耗性の向上に寄与する。
【００６６】
上記図８中の実施例２は、クランクジャーナル部３１の表層部３５に対し、１μｍ〜３０μｍの粒径を有するショットを、３００ｍ／ｓの流速で衝突させてなるショットピーニング処理が行なわれた場合を示している。この図８から、実施例２では、実施例１よりもさらに主軸受２８の摩耗量が少なくなっていることがわかる。
【００６７】
従って、第２実施形態によれば、上述した（１）〜（３）に加え、次の効果が得られる。
（４）ショットとして固体潤滑剤により被覆されたものを用いてショットピーニング処理を行なうことにより、クランクジャーナル部３１の表層部３５に改質層４１を形成するとともに、その改質層４１の上に固体潤滑皮膜４２を形成するようにしている。
【００６８】
そのため、固体潤滑皮膜４２により摺動特性の改善や耐摩耗性の向上を図ることができ、改質層４１上に固体潤滑皮膜４２が形成されていない場合に比べ、主軸受２８の摩耗を一層抑制することができる。
【００６９】
また、脱落痕３９の内壁面３９Ａでの固体潤滑皮膜４２の形成により、表層部３５に対する同固体潤滑皮膜４２の密着性を高めることができる。
さらに、固体潤滑皮膜４２により、クランクジャーナル部３１及び主軸受２８間のフリクションを低減させることも可能である。
【００７０】
そのほか、改質層４１の形成と、固体潤滑皮膜４２の形成とを別々に行なう場合に比べ、工数削減を図ることも可能である。
なお、本発明は、次に示す別の実施形態に具体化することができる。
【００７１】
・ピン部３３の表層部に対しても、クランクジャーナル部３１の表層部３５と同様に、条件１及び条件２を満たした状況下でショットピーニング処理を行なうようにしてもよい。このようにすれば、主軸受２８に加え、コンロッド軸受２９の摩耗を抑制することもできる。
【００７２】
・本発明は、自動停止及び自動始動が行なわれない内燃機関１１のクランクシャフト３０にも適用可能である。
・ショットピーニング処理は、研磨及びラップ処理が施されていないクランクジャーナル部３１の表層部３５に対して行なわれてもよい。また、ショットピーニング処理は、研磨及びラップ処理とは異なる研磨処理が施されて、表層部３５の表面が仕上げられたクランクジャーナル部３１に対して行なわれてもよい。
【００７３】
・本発明は、少なくともクランクジャーナル部３１が黒鉛鋳鉄によって形成されたクランクシャフトであれば広く適用可能である。
【符号の説明】
【００７４】
１１…内燃機関、３０…クランクシャフト、３１…クランクジャーナル部、３５…表層部、４１…改質層、４２…固体潤滑皮膜。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の出力軸を構成するクランクシャフト、及びそのクランクシャフトの表面を改質する方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
停車率の高い市街地走行時の燃費向上等を目的として、信号待ち時等、車両が停車したときには、車両に搭載された内燃機関を自動停止させ、車両の発進時には同内燃機関を自動始動（再始動）させる技術が知られている。この技術は、内燃機関及び電動モータを動力源として備え、負荷状態に応じて内燃機関を自動停止及び自動始動させるハイブリッド車両にも適用可能である。
【０００３】
こうした内燃機関に用いられるクランクシャフトとしては、スチール鋼材を鍛造したものが一般的ではあるが、表層部に対し窒化処理等の熱処理を施しているため、クランクシャフトが高価なものとなっている。
【０００４】
これに対しては、コストを低減するためにクランクシャフトを鋳鉄、例えば球状黒鉛等の黒鉛を分散させてなる鋳鉄（黒鉛鋳鉄）によって形成することが考えられる。この場合、クランクジャーナル部の表層部の表面粗さが極微小となるように仕上げるために、同表層部に対し、研磨及びラップ処理が施される。しかし、これらの処理が施された黒鉛鋳鉄製のクランクシャフトには、次の問題がある。
【０００５】
自動停止及び自動始動が繰り返される内燃機関では、自動停止に伴いオイルポンプも停止され、クランクジャーナル部及び滑り軸受間への潤滑油の供給が停止される。自動始動は、このように摺動部分への潤滑油の供給が停止された状況で行なわれる。そのため、内燃機関の自動停止及び自動始動が頻繁に行なわれることにより、クランクジャーナル部と滑り軸受との間に潤滑油が充分に供給されず、滑り軸受の軸受面が油膜切れしたような状態となる頻度が増えるおそれがある。
【０００６】
一方、黒鉛鋳鉄製のクランクシャフトのクランクジャーナル部の表層部に対し、上述した研磨及びラップ処理を施すと、同表層部の黒鉛の周辺に微細なバリ、カエリ等が多く生ずることがある。また、上記研磨及びラップ処理により、表層部の表面の近くにフェライトの塑性流動層（塑性変形層）が生ずることがある。そして、これらのバリ、カエリ、塑性流動層等により、クランクジャーナル部の表層部の表面粗さが大きくなるおそれがある。
【０００７】
さらに、滑り軸受としては、多くの場合、クランクシャフトよりも硬度の低い材料、例えばアルミニウム合金によって形成されたものが用いられる。
そのため、上記のように自動停止及び自動始動が繰り返されると、滑り軸受の軸受面が、それよりも硬く表面粗さの大きなクランクジャーナル部の表層部によって削り取られて摩耗する現象であるアブレシブ摩耗が発生する。そして、滑り軸受において削り取られた部分がクランクジャーナル部に移着して、同クランクジャーナル部の表層部がさらに粗くなり、滑り軸受の摩耗が進行する。この摩耗の進行は、内燃機関のＮＶ（Noise, Vibration）の悪化や、内燃機関の信頼性の低下を招く。
【０００８】
そこで、黒鉛鋳鉄製クランクシャフトのクランクジャーナル部の表層部を改質することで、滑り軸受の摩耗を抑制することが考えられる。例えば、特許文献１には、黒鉛鋳鉄製部品の表層部に、０．５ｍｍ〜１．０ｍｍの粒径を有する鉄系粒子を、９０ｍ／ｓの流速でショットピーニング処理することが記載されている。このショットピーニング処理を、上記黒鉛鋳鉄製クランクシャフトにおけるクランクジャーナル部の表層部の改質に適用することが考えられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開昭６２−２５３７１１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
ところが、特許文献１に記載された条件で、黒鉛鋳鉄製クランクシャフトのクランクジャーナル部の表層部に対しショットピーニング処理を行なうと、塑性流動層は除去されるものの、黒鉛を含め軟質部がショットの際に削り取られる。そのため、図１０に示すように、クランクジャーナル部５２の表層部５３の表面粗さが、ショットピーニング処理前よりも大きくなり、滑り軸受の軸受面の摩耗を抑制する効果があまり期待できない。なお、図１０中の符号５４は、黒鉛５１の脱落により生じた痕（脱落痕）を示している。
【００１１】
本発明はこのような実情に鑑みてなされたものであって、その目的は、黒鉛鋳鉄製のクランクジャーナル部を支持する滑り軸受の摩耗を抑制することのできるクランクシャフト及びその表面改質方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
以下、上記目的を達成するための手段及びその作用効果について記載する。
請求項１に記載の発明は、内燃機関の出力軸を構成するものであり、クランクジャーナル部において滑り軸受により回転可能に支持され、かつ少なくとも前記クランクジャーナル部が黒鉛鋳鉄により形成されたクランクシャフトであって、前記クランクジャーナル部は表層部に改質層を有し、前記改質層は、前記クランクジャーナル部の前記表層部に対し、１μｍ〜１００μｍの粒径を有する硬質粒子からなるショットを、１００ｍ／ｓ〜３００ｍ／ｓの流速で衝突させてなるショットピーニング処理を行なうことにより形成されるものであることを要旨とする。
【００１３】
また、請求項５に記載の発明は、内燃機関の出力軸を構成するものであり、クランクジャーナル部において滑り軸受により回転可能に支持され、かつ少なくとも前記クランクジャーナル部が黒鉛鋳鉄により形成されたクランクシャフトに適用されて、前記クランクジャーナル部の表層部に改質層を形成するクランクシャフトの表面改質方法であって、前記クランクジャーナル部の前記表層部に対し、１μｍ〜１００μｍの粒径を有する硬質粒子からなるショットを、１００ｍ／ｓ〜３００ｍ／ｓの流速で衝突させてなるショットピーニング処理を行なうことにより前記改質層を形成することを要旨とする。
【００１４】
上記の構成によれば、少なくともクランクジャーナル部が黒鉛鋳鉄により形成されたクランクシャフトでは、クランクジャーナル部の表層部に対し、ショットを衝突させてなるショットピーニング処理が行なわれる。この処理が粒径及び流速についての上記条件のもとで行なわれることにより、クランクジャーナル部の表層部の一部が除去されたり塑性変形されたりして、表面粗さの小さな硬質の改質層が形成される。
【００１５】
上記クランクジャーナル部が滑り軸受によって支持されたクランクシャフトは、滑り軸受の軸受面上を摺動しながら回転する。この際、クランクジャーナル部の表層部の改質層が硬く表面粗さが小さいため、たとえ滑り軸受の軸受面が油膜切れしたような状態となる頻度が増えても、その滑り軸受がクランクジャーナル部の表層部によって削り取られて摩耗する現象（アブレシブ摩耗）が起こりにくい。これに伴い、滑り軸受において削り取られた部分がクランクジャーナル部に移着して、同クランクジャーナル部の表層部がさらに粗くなることが起こりにくく、滑り軸受の摩耗が抑制される。
【００１６】
こうした効果は、ショットピーニング処理がショットの粒径及び流速についての上記条件を満たした状況下で行なわれることにより得られる。
ショットの粒径が１μｍ未満では、衝突のエネルギーが少なく、クランクジャーナル部の表層部に所定の改質層が得られにくい。また、ショットの粒径が１００μｍよりも大きいと、衝突のエネルギーが過大となり、クランクジャーナル部の表層部がショットピーニング処理前よりも粗くなる。上記いずれの場合にも、改質層による滑り軸受の摩耗抑制効果が充分得られない。
【００１７】
ショットの流速が１００ｍ／ｓ未満では、衝突のエネルギーが少なく、クランクジャーナル部の表層部に改質層を形成する効果が充分期待できない。また、ショットの流速が３００ｍ／ｓを上回ると、衝突のエネルギーが過大となり、クランクジャーナル部の表層部の凸凹が大きくなり、表面粗さが許容範囲を越える。上記いずれの場合にも、改質層による滑り軸受の摩耗抑制効果が充分得られない。
【００１８】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記ショットピーニング処理は、研磨及びラップ処理の施された前記クランクジャーナル部の前記表層部に対し行なわれるものであることを要旨とする。
【００１９】
ここで、黒鉛鋳鉄によって形成されたクランクジャーナル部の表層部を、表面粗さが極微小となるように仕上げるために、同表層部に対し、研磨と、ペーパラップ処理等のラップ処理とが施された場合には、その表層部の黒鉛の周辺に微細なバリ、カエリ（かえり）等が多く生ずることがある。また、表層部の表面の近くには、上記研磨、ラップ処理によりフェライトの塑性流動層（塑性変形層）が生ずることもある。そして、これらのバリ、カエリ、塑性流動層等により、表層部の表面粗さが大きくなるおそれがある。
【００２０】
しかし、このようなクランクジャーナル部を有するクランクシャフトであっても、粒径及び流速についての上記条件のもとでショットピーニング処理が行なわれることにより、上記バリ、カエリ、塑性流動層等が除去されたり塑性変形されたりして、クランクジャーナル部の表層部に、表面粗さの小さな硬質の改質層が形成される。
【００２１】
従って、上記ショットピーニング処理は、研磨及びラップ処理の行なわれたクランクジャーナル部の表面改質に特に有効であるといえる。
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の発明において、前記改質層上には固体潤滑皮膜が形成されており、前記固体潤滑皮膜は、前記ショットとして、固体潤滑剤により被覆されたものを用いて前記ショットピーニング処理を行なうことにより、前記改質層の形成とともに形成されるものであることを要旨とする。
【００２２】
上記の構成によれば、ショットピーニング処理に際しては、クランクシャフトにおけるクランクジャーナル部の表層部に対し、固体潤滑剤によって被覆されたショットが衝突させられる。この衝突により、クランクジャーナル部の表層部に改質層が形成されるとともに、その改質層の上に固体潤滑皮膜が形成される。
【００２３】
また、クランクジャーナル部の表層部に、黒鉛が脱落してなる脱落痕があった場合には、上記固体潤滑剤が脱落痕の内壁面に付着し、同内壁面にも固体潤滑皮膜が形成される。
上記クランクジャーナル部が滑り軸受によって支持されたクランクシャフトは、滑り軸受の軸受面上を摺動しながら回転する。この際、固体潤滑皮膜は潤滑作用を発揮することで、摺動特性の改善や耐摩耗性の向上に寄与する。そのため、固体潤滑皮膜が設けられていない場合に比べ、滑り軸受の摩耗が一層抑制される。
【００２４】
請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれか１つに記載の発明において、前記内燃機関は、自動停止及び自動始動が行なわれるものであることを要旨とする。
自動停止及び自動始動が行なわれる内燃機関では、自動停止に伴いオイルポンプも停止され、クランクジャーナル部及び滑り軸受間への潤滑油の供給が停止される。自動始動は、このように摺動部分への潤滑油の供給が停止された状況で行なわれる。そのため、内燃機関の自動停止及び自動始動が頻繁に行なわれることにより、クランクジャーナル部と滑り軸受との間に潤滑油が充分に供給されず、滑り軸受の軸受面が油膜切れしたような状態となる頻度が増えるおそれがある。
【００２５】
しかし、粒径及び流速についての上記条件のもとでショットピーニング処理が行なわれることにより、クランクジャーナル部の表層部に、表面粗さの小さな硬質の改質層が形成される。そのため、内燃機関において自動停止及び自動始動が繰り返されても、滑り軸受がクランクジャーナル部の表層部によって削り取られて摩耗する現象（アブレシブ摩耗）が起こりにくい。
【００２６】
従って、上記ショットピーニング処理は、自動停止及び自動始動の行なわれる内燃機関のクランクシャフト（クランクジャーナル部）の表面改質に特に有効であるといえる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明を具体化した第１実施形態において、内燃機関の各種プーリに伝動ベルトが巻き掛けられた状態を示す略図。
【図２】クランクシャフトを主軸受及びコンロッド軸受とともに示す正面図。
【図３】（Ａ）はクランクジャーナル部の表層部に改質層が形成される前の状態を示す模式図、（Ｂ）は同表層部に改質層が形成された状態を示す模式図。
【図４】ショットを２００ｍ／ｓの流速でクランクジャーナル部に衝突させた場合において、ショットの粒径と表面粗さとの関係を測定した結果を示すグラフ。
【図５】５０μｍの粒径を有するショットを用いた場合において、ショットの流速と表面粗さとの関係を測定した結果を示すグラフ。
【図６】１０μｍの粒径を有するショットを用いた場合において、ショットの流速と表面粗さとの関係を測定した結果を示すグラフ。
【図７】１００μｍの粒径を有するショットを用いた場合において、ショットの流速と表面粗さとの関係を測定した結果を示すグラフ。
【図８】実施例１、実施例２及び比較例の各々について、主軸受の摩耗量を測定した結果を示すグラフ。
【図９】本発明を具体化した第２実施形態において、クランクジャーナル部の表層部に改質層及び固体潤滑皮膜が形成された状態を示す模式図。
【図１０】従来技術を説明する図であって、クランクジャーナル部の表層部の状態を示す模式図。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
（第１実施形態）
以下、本発明を具体化した第１実施形態について、図１〜図８を参照して説明する。
車両には、図１において二点鎖線で示すように、多気筒を有する内燃機関１１が搭載されている。この内燃機関１１の運転は、例えば車両走行中における信号待ちといった一時的な車両停止時に停止され、運転者の始動要求に応じて再開される。本実施形態では、内燃機関１１の通常の運転停止・開始と区別するために、上記状況での内燃機関１１の運転停止を「自動停止」といい、運転再開を「自動始動」というものとする。
【００２９】
この内燃機関１１の出力軸であるクランクシャフト３０の一方の端部には、電磁クラッチ１３を介してクランクプーリ１４が取付けられている。内燃機関１１において、クランクプーリ１４の周辺には各種補機が配置されている。これらの補機としては、例えばエアコン用コンプレッサ、ウォータポンプ、オルタネータ等が挙げられる。各補機の回転軸１５，１６，１７にはプーリ２１，２２，２３が一体回転可能に取付けられている。クランクプーリ１４及び各プーリ２１〜２３には伝動ベルト２４が巻き掛けられており、この伝動ベルト２４により、クランクシャフト３０の回転がクランクプーリ１４及び各プーリ２１〜２３を通じて各回転軸１５〜１７に伝達され、各種補機が駆動される。電磁クラッチ１３は、クランクシャフト３０の回転の各種補機への伝達、及び伝達遮断を切替える。
【００３０】
クランクプーリ１４とオルタネータのプーリ２３との間には、その区間で伝動ベルト２４の張力を調整するためのベルトテンショナ２５が配置されている。
さらに、内燃機関１１には、クランクシャフト３０の回転を利用して作動するオイルポンプ（図示略）が設けられている。
【００３１】
図２に示すように、クランクシャフト３０は、軸線Ｌ１上に所定間隔をおいて設けられた複数のクランクジャーナル部３１と、各クランクジャーナル部３１の軸線Ｌ１に沿う方向についての端部にそれぞれ設けられたアーム部３２と、上記軸線Ｌ１に対して平行になるように、各アーム部３２間に設けられたピン部３３とを備えて構成されている。
【００３２】
このクランクシャフト３０では、各クランクジャーナル部３１が主軸受２８により、内燃機関１１に回転可能に支持される。これらの主軸受２８は、特許請求の範囲における「滑り軸受」に該当する。また、クランクシャフト３０では、各ピン部３３がコネクティングロッド（コンロッド）を介してピストン（共に図示略）に連結される。各ピン部３３とコンロッドとの間には、コンロッド軸受２９が介在される。上記クランクプーリ１４は、クランクシャフト３０の一方の軸端に上記電磁クラッチ１３を介して取付けられる。
【００３３】
なお、クランクシャフト３０には、上記オイルポンプの作動により供給される潤滑油の給油通路（図示略）が形成されており、この給油通路を通じて、クランクジャーナル部３１及び主軸受２８間や、ピン部３３及びコンロッド軸受２９間に潤滑油が供給されて油膜が形成されるようになっている。
【００３４】
上記クランクシャフト３０は、黒鉛を分散させてなる鋳鉄（黒鉛鋳鉄）によって形成されている。黒鉛鋳鉄としては、例えば、重量％で、３．５％〜４．２％の炭素（Ｃ）と、１．９％〜３．２％のケイ素（Ｓｉ）と、０．０２％〜０．０６％のマグネシウム（Ｍｇ）と、それぞれ０．６％〜０．８％の銅（Ｃｕ）及びマンガン（Ｍｎ）と、不純物と、残部の鉄（Ｆｅ）とからなる成分範囲を有するものを用いることができる。
【００３５】
黒鉛としては、球状化処理により粒径が１００μｍ以下にされた球状黒鉛を用いることができる。球状化処理は、鋳鉄の機械的強度を向上させる目的で、溶湯中にマグネシウム（Ｍｇ）等を添加し、黒鉛形状を丸くする処理である。このように球状化処理を行なうことにより、鋳鉄中の黒鉛が球状化したものは、球状黒鉛鋳鉄（ダクタイル鋳鉄）と呼ばれ、ＦＣＤと記載されることがある。
【００３６】
ここで、黒鉛鋳鉄の機械的性質は、一般に、その組織を構成する基地と黒鉛とによって支配され、黒鉛が材料を弱める方向に働く。黒鉛形状が片状から球状になることにより、有効断面の増加及び切欠き作用による応力集中の減少となり機械的性質が向上する。黒鉛鋳鉄は、他の鋳鉄に比べ伸びが大きく、延性を有する。
【００３７】
一方、各主軸受２８は、クランクシャフト３０よりも硬度の低い材料、例えばアルムニウム合金によって形成されている。
上記クランクジャーナル部３１の表面粗さが極微小となるように表面を仕上げるために、図３（Ａ）に示すように、クランクジャーナル部３１の表層部３５に対し、研磨が施されるとともに、その後にペーパラップ処理が施されている。ペーパラップ処理は、表面に砥粒を塗布した布又は紙（ペーパ）を用いた表面仕上げ法である。このペーパラップ処理に際しては、例えば、テープ送り機構に支持されたペーパ（ラップテープ）を、相互に接近離間可能に配した一対のラッピングアームに設けられたシューによりワーク（クランクジャーナル部３１）に押付ける。そして、ラップテープの間でワークを回転させて、そのワークの外周面をラップ加工することが行なわれる。
【００３８】
このように、研磨及びペーパラップ処理が施されたクランクジャーナル部３１では、表層部３５の球状黒鉛３７の周辺に微細なバリ３６、カエリ等が多く生じている。また、表層部３５の表面の近くには、上記研磨、ペーパラップ処理によりフェライトの塑性流動層（塑性変形層）３８が生じている。そして、上記バリ３６、カエリ、塑性流動層３８等により、クランクジャーナル部３１の表層部３５の表面粗さが大きくなっている。また、研磨、ラップ処理等の際に、一部の球状黒鉛３７が表層部３５から脱落することで脱落痕３９が生じている。
【００３９】
これに対し、本実施形態では、上記表層部３５に対し表面改質処理を行なうことにより、図３（Ｂ）に示すように、同表層部３５に、数μｍ〜１０μｍ前後の厚みを有する改質層４１が形成されている。この改質層４１は、クランクシャフト３０を回転させながらクランクジャーナル部３１の表層部３５に対し、次の条件１及び条件２で、ショットピーニング処理を所定時間にわたり行なうことにより形成されるものである。ショットピーニング処理は、ショットを空気又は遠心力によって加速し、これを加工面（この場合、クランクジャーナル部３１の表層部３５）に衝突させて行なう吹付け加工であり、同表層部３５に残留圧縮応力を生じさせ、かつ加工硬化によって疲れ強さを増加させることを目的とする処理である。
【００４０】
条件１：ショットとして、１μｍ〜１００μｍの粒径を有するものを用いること。
条件２：ショットを、１００メートル毎秒（以下「ｍ／ｓ」と記載する）〜３００ｍ／ｓの流速で吹付けること。
【００４１】
上記ショットとしては、硬質粒子、例えば鉄系、セラミック系等の種々の材料を用いることができるが、比較的安価に入手可能であることから、鉄系の硬質粒子、いわゆるスチールショットを用いることが望ましい。
【００４２】
このショットピーニング処理が、上記条件１及び条件２を満たす状況下で行なわれることにより、表層部３５が硬化されるほか、表層部３５に存在する微小なバリ３６、カエリ、塑性流動層３８等が除去されたり塑性変形されたりする。このようにして、クランクジャーナル部３１の表層部３５に、表面粗さの小さな硬質の改質層４１が形成されている。
【００４３】
次に、上記のように構成された第１実施形態のクランクシャフト３０の作用について説明する。
各クランクジャーナル部３１において各主軸受２８によって支持されたクランクシャフト３０は、ピストンの往復移動に伴いピン部３３がコンロッドによって押されることで、軸線Ｌ１を回転中心として回転する。この際、各クランクジャーナル部３１は、基本的には主軸受２８に対し油膜を介して摺動しながら回転する。また、各ピン部３３は、基本的にはコンロッド軸受２９に対し油膜を介して摺動しながら回転する。
【００４４】
一方、自動停止及び自動始動が行なわれる内燃機関１１では、その自動停止に伴いオイルポンプも停止され、クランクジャーナル部３１及び主軸受２８間や、ピン部３３及びコンロッド軸受２９間への潤滑油の供給が停止される。内燃機関１１の自動始動は、このように摺動部分への潤滑油の供給が停止された状況で行なわれる。そのため、内燃機関１１の自動停止及び自動始動が頻繁に行なわれることにより、クランクジャーナル部３１と主軸受２８との間に潤滑油が充分に供給されず、主軸受２８の軸受面が油膜切れしたような状態となる頻度が増えるおそれがある。
【００４５】
ここで、仮に、クランクジャーナル部３１の表層部３５にバリ３６、カエリ、塑性流動層３８等が存在していて、表層部３５の表面粗さが大きい場合には、上記油膜切れの状態でクランクシャフト３０が回転する頻度が増えると、主軸受２８がクランクジャーナル部３１の表層部３５によって削り取られて摩耗する現象（アブレシブ摩耗）が起こる。これに伴い、主軸受２８の軸受面において削り取られた部分がクランクジャーナル部３１に移着して、同クランクジャーナル部３１の表層部３５がさらに粗くなり、主軸受２８の摩耗が進行するおそれがある。
【００４６】
上記の摩耗は、クランクプーリ１４に最も近い箇所の主軸受２８において進行しやすい。これは、クランクシャフト３０には伝動ベルト２４の張力による荷重がクランクプーリ１４を介して加わっていて、クランクプーリ１４に最も近い箇所のクランクジャーナル部３１が主軸受２８の軸受面に対し最も強く押付けられるからである。この状態で内燃機関１１の自動始動が行なわれるため、クランクプーリ１４に最も近い箇所の主軸受２８で摩耗が特に大きくなりやすい。
【００４７】
しかし、クランクジャーナル部３１の表層部３５に対し、条件１及び条件２を満たしたショットピーニング処理が行なわれている第１実施形態では、表層部３５に、バリ３６、カエリ、塑性流動層３８等の少ない硬質の改質層４１が設けられている。そのため、内燃機関１１において自動停止及び自動始動が繰り返されて、たとえ主軸受２８の軸受面が油膜切れしたような状態となる頻度が増えても、上記アブレシブ摩耗が起こりにくい。これに伴い、主軸受２８において削り取られた部分がクランクジャーナル部３１に移着して、同クランクジャーナル部３１の表層部３５の表面粗さがさらに大きくなり、主軸受２８の摩耗が進行することが起こりにくくなる。
【００４８】
こうした効果は、ショットの粒径及び流速について、上記条件１及び条件２を満たしたうえでショットピーニング処理が行なわれることで得られる。
ショットの粒径が１μｍ未満では、同ショットが表層部３５に衝突する際の衝突のエネルギーが少なく、同表層部３５に所定の改質層４１が得られにくい。また、ショットの粒径が１００μｍよりも大きいと、衝突のエネルギーが過大となり、上記表層部３５がショットピーニング処理前よりも粗くなる。上記いずれの場合にも、改質層４１による主軸受２８の摩耗抑制効果が充分得られない。
【００４９】
ショットの流速が１００ｍ／ｓ未満では、衝突のエネルギーが少なく、クランクジャーナル部３１の表層部３５に改質層４１を形成する効果が充分期待できない。また、ショットの流速が３００ｍ／ｓを上回ると、衝突のエネルギーが過大となり、上記表層部３５の凸凹が大きくなり、表面粗さが許容範囲を越える。上記いずれの場合にも、改質層４１による主軸受２８の摩耗抑制効果が充分得られない。
【００５０】
図４は、粒径の異なる複数種類のショットを流速２００ｍ／ｓでクランクジャーナル部３１の表層部３５に衝突させた場合の同表層部３５（改質層４１）の表面粗さ（十点平均粗さ）を測定した結果を示している。なお、ショットピーニング処理前（但し、研磨及びペーパラップ処理は施されている）の表面粗さはＲｚ値で１．０μｍであった。
【００５１】
また、図５、図６及び図７は、５０μｍ、１０μｍ、１００μｍの粒径を有する３種類のショットをそれぞれ複数種類の流速でクランクジャーナル部３１の表層部３５に吹付けた場合の表層部３５（改質層４１）の表面粗さを測定した結果を示している。
【００５２】
これらの図４〜図７から、１μｍ〜１００μｍの粒径を有するショットを用いると、表層部３５（改質層４１）の表面粗さがショットピーニング処理前よりも小さくなることがわかる。また、１００ｍ／ｓ〜３００ｍ／ｓの流速でショットを衝突させると、表層部３５（改質層４１）の表面粗さがショットピーニング処理前よりも小さくなることがわかる。
【００５３】
また、図８は、内燃機関の自動始動及び自動停止を１．５万サイクル繰り返した場合に、クランクプーリ１４に最も近い箇所の主軸受２８がどれだけ摩耗したかを測定した結果を示している。図８中、実施例１は、クランクジャーナル部３１の表層部３５に対し、５μｍ〜５０μｍの粒径を有するショットを、２００ｍ／ｓの流速で衝突させてなるショットピーニング処理が行なわれた場合を示している。比較例は、クランクジャーナル部３１に対し、研磨及びペーパラップ処理が施されただけで、その後にショットピーニング処理が行なわれていない場合を示している。この図８から、実施例１では、比較例に比べ主軸受２８の摩耗量が大幅に少なくなっていることがわかる。
【００５４】
以上詳述した第１実施形態によれば、次の効果が得られる。
（１）クランクジャーナル部３１の表層部３５に対し、１μｍ〜１００μｍの粒径を有する硬質粒子からなるショットを、１００ｍ／ｓ〜３００ｍ／ｓの流速で衝突させてなるショットピーニング処理を行なうようにしている。
【００５５】
そのため、上記表層部３５に、表面粗さの小さな硬質の改質層４１を形成することができ、黒鉛鋳鉄製のクランクジャーナル部３１を支持する主軸受２８の摩耗を抑制することができる。
【００５６】
また、クランクシャフト３０を黒鉛鋳鉄によって形成することで、スチール鋼材を鍛造し、窒化処理等の熱処理を施したクランクシャフトよりもコストの低減を図ることができる。
【００５７】
（２）ショットピーニング処理を、研磨及びペーパラップ処理の施されたクランクジャーナル部３１の表層部３５に対し行なうようにしている。
そのため、研磨及びペーパラップ処理により、微細なバリ、カエリ、塑性流動層３８等が多く生じて、表層部３５の表面粗さが大きなクランクジャーナル部３１を有するクランクシャフト３０であっても、ショットピーニング処理によってクランクジャーナル部３１の表層部３５に改質層４１を形成して、上記（１）の効果を得ることができる。
【００５８】
従って、上記（１）のショットピーニング処理は、研磨及びペーパラップ処理の行なわれたクランクジャーナル部３１の表面改質に特に有効であるといえる。
（３）クランクシャフト３０を、自動停止及び自動始動の行なわれる内燃機関１１のクランクシャフトに適用している。
【００５９】
そのため、自動停止及び自動始動が頻繁に行なわれて、主軸受２８の軸受面が油膜切れしたような状態となる頻度が増えても、その主軸受２８がクランクジャーナル部３１の表層部３５によって削り取られて摩耗する現象（アブレシブ摩耗）を発生しにくくし、もって主軸受２８の摩耗を抑制することができる。
【００６０】
従って、上記（１）のショットピーニング処理は、自動停止及び自動始動の行なわれる内燃機関１１のクランクシャフト３０（クランクジャーナル部３１）の表面改質に特に有効であるといえる。
【００６１】
（第２実施形態）
次に、本発明を具体化した第２実施形態について、上記図８及び図９を参照して説明する。なお、第２実施形態において、第１実施形態と同様の部材、箇所等については、同一の符号を付して詳しい説明を省略する。
【００６２】
図９に示すように、第２実施形態は、１μｍ前後の厚みを有する固体潤滑皮膜４２が改質層４１上に形成されている点において第１実施形態と異なっている。この固体潤滑皮膜４２は、ショットとして、固体潤滑剤により被覆されたものを用いて上記ショットピーニング処理を行なうことにより、改質層４１の形成とともに形成されるものである。
【００６３】
固体潤滑剤としては、例えばスズ（Ｓｎ）、二硫化モリブデン（ＭｏＳ2 ）、鉛（Ｐｂ）、ビスマス（Ｂｉ）等が用いられる。
ショットピーニング処理は、上述した条件１及び条件２を満たした状況下で行なわれる。このショットピーニング処理に際しては、クランクジャーナル部３１の表層部３５に対し、固体潤滑剤によって被覆されたショットが衝突させられる。この衝突により、クランクジャーナル部３１の表層部３５に改質層４１が形成されるとともに、さらにその上に、改質層４１よりも軟質の固体潤滑皮膜４２が形成される。このように、固体潤滑剤により被覆されたショットを用いてショットピーニング処理を行なうことで、改質層４１の形成と、固体潤滑皮膜４２の形成とが一度に行なわれる。
【００６４】
また、クランクジャーナル部３１の表層部３５に、球状黒鉛３７の脱落痕３９があった場合には、上記固体潤滑剤が脱落痕３９の内壁面３９Ａに付着し、同内壁面３９Ａにも固体潤滑皮膜４２が形成される。
【００６５】
上記クランクジャーナル部３１が主軸受２８によって支持されたクランクシャフト３０は、主軸受２８の軸受面上を摺動しながら回転する。この際、固体潤滑皮膜４２は潤滑作用を発揮することで、摺動特性の改善や耐摩耗性の向上に寄与する。
【００６６】
上記図８中の実施例２は、クランクジャーナル部３１の表層部３５に対し、１μｍ〜３０μｍの粒径を有するショットを、３００ｍ／ｓの流速で衝突させてなるショットピーニング処理が行なわれた場合を示している。この図８から、実施例２では、実施例１よりもさらに主軸受２８の摩耗量が少なくなっていることがわかる。
【００６７】
従って、第２実施形態によれば、上述した（１）〜（３）に加え、次の効果が得られる。
（４）ショットとして固体潤滑剤により被覆されたものを用いてショットピーニング処理を行なうことにより、クランクジャーナル部３１の表層部３５に改質層４１を形成するとともに、その改質層４１の上に固体潤滑皮膜４２を形成するようにしている。
【００６８】
そのため、固体潤滑皮膜４２により摺動特性の改善や耐摩耗性の向上を図ることができ、改質層４１上に固体潤滑皮膜４２が形成されていない場合に比べ、主軸受２８の摩耗を一層抑制することができる。
【００６９】
また、脱落痕３９の内壁面３９Ａでの固体潤滑皮膜４２の形成により、表層部３５に対する同固体潤滑皮膜４２の密着性を高めることができる。
さらに、固体潤滑皮膜４２により、クランクジャーナル部３１及び主軸受２８間のフリクションを低減させることも可能である。
【００７０】
そのほか、改質層４１の形成と、固体潤滑皮膜４２の形成とを別々に行なう場合に比べ、工数削減を図ることも可能である。
なお、本発明は、次に示す別の実施形態に具体化することができる。
【００７１】
・ピン部３３の表層部に対しても、クランクジャーナル部３１の表層部３５と同様に、条件１及び条件２を満たした状況下でショットピーニング処理を行なうようにしてもよい。このようにすれば、主軸受２８に加え、コンロッド軸受２９の摩耗を抑制することもできる。
【００７２】
・本発明は、自動停止及び自動始動が行なわれない内燃機関１１のクランクシャフト３０にも適用可能である。
・ショットピーニング処理は、研磨及びラップ処理が施されていないクランクジャーナル部３１の表層部３５に対して行なわれてもよい。また、ショットピーニング処理は、研磨及びラップ処理とは異なる研磨処理が施されて、表層部３５の表面が仕上げられたクランクジャーナル部３１に対して行なわれてもよい。
【００７３】
・本発明は、少なくともクランクジャーナル部３１が黒鉛鋳鉄によって形成されたクランクシャフトであれば広く適用可能である。
【符号の説明】
【００７４】
１１…内燃機関、３０…クランクシャフト、３１…クランクジャーナル部、３５…表層部、４１…改質層、４２…固体潤滑皮膜。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の出力軸を構成するものであり、クランクジャーナル部において滑り軸受により回転可能に支持され、かつ少なくとも前記クランクジャーナル部が黒鉛鋳鉄により形成されたクランクシャフトであって、
前記クランクジャーナル部は表層部に改質層を有し、
前記改質層は、前記クランクジャーナル部の前記表層部に対し、１μｍ〜１００μｍの粒径を有する硬質粒子からなるショットを、１００ｍ／ｓ〜３００ｍ／ｓの流速で衝突させてなるショットピーニング処理を行なうことにより形成されるものであることを特徴とするクランクシャフト。
【請求項２】
前記ショットピーニング処理は、研磨及びラップ処理の施された前記クランクジャーナル部の前記表層部に対し行なわれるものである請求項１に記載のクランクシャフト。
【請求項３】
前記改質層上には固体潤滑皮膜が形成されており、
前記固体潤滑皮膜は、前記ショットとして、固体潤滑剤により被覆されたものを用いて前記ショットピーニング処理を行なうことにより、前記改質層の形成とともに形成されるものである請求項１又は２に記載のクランクシャフト。
【請求項４】
前記内燃機関は、自動停止及び自動始動が行なわれるものである請求項１〜３のいずれか１つに記載のクランクシャフト。
【請求項５】
内燃機関の出力軸を構成するものであり、クランクジャーナル部において滑り軸受により回転可能に支持され、かつ少なくとも前記クランクジャーナル部が黒鉛鋳鉄により形成されたクランクシャフトに適用されて、前記クランクジャーナル部の表層部に改質層を形成するクランクシャフトの表面改質方法であって、
前記クランクジャーナル部の前記表層部に対し、１μｍ〜１００μｍの粒径を有する硬質粒子からなるショットを、１００ｍ／ｓ〜３００ｍ／ｓの流速で衝突させてなるショットピーニング処理を行なうことにより前記改質層を形成することを特徴とするクランクシャフトの表面改質方法。
【請求項１】
内燃機関の出力軸を構成するものであり、クランクジャーナル部において滑り軸受により回転可能に支持され、かつ少なくとも前記クランクジャーナル部が黒鉛鋳鉄により形成されたクランクシャフトであって、
前記クランクジャーナル部は表層部に改質層を有し、
前記改質層は、前記クランクジャーナル部の前記表層部に対し、１μｍ〜１００μｍの粒径を有する硬質粒子からなるショットを、１００ｍ／ｓ〜３００ｍ／ｓの流速で衝突させてなるショットピーニング処理を行なうことにより形成されるものであることを特徴とするクランクシャフト。
【請求項２】
前記ショットピーニング処理は、研磨及びラップ処理の施された前記クランクジャーナル部の前記表層部に対し行なわれるものである請求項１に記載のクランクシャフト。
【請求項３】
前記改質層上には固体潤滑皮膜が形成されており、
前記固体潤滑皮膜は、前記ショットとして、固体潤滑剤により被覆されたものを用いて前記ショットピーニング処理を行なうことにより、前記改質層の形成とともに形成されるものである請求項１又は２に記載のクランクシャフト。
【請求項４】
前記内燃機関は、自動停止及び自動始動が行なわれるものである請求項１〜３のいずれか１つに記載のクランクシャフト。
【請求項５】
内燃機関の出力軸を構成するものであり、クランクジャーナル部において滑り軸受により回転可能に支持され、かつ少なくとも前記クランクジャーナル部が黒鉛鋳鉄により形成されたクランクシャフトに適用されて、前記クランクジャーナル部の表層部に改質層を形成するクランクシャフトの表面改質方法であって、
前記クランクジャーナル部の前記表層部に対し、１μｍ〜１００μｍの粒径を有する硬質粒子からなるショットを、１００ｍ／ｓ〜３００ｍ／ｓの流速で衝突させてなるショットピーニング処理を行なうことにより前記改質層を形成することを特徴とするクランクシャフトの表面改質方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１２−２４７０２９（Ｐ２０１２−２４７０２９Ａ）
【公開日】平成２４年１２月１３日（２０１２．１２．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１２０５８３（Ｐ２０１１−１２０５８３）
【出願日】平成２３年５月３０日（２０１１．５．３０）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１２月１３日（２０１２．１２．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年５月３０日（２０１１．５．３０）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]