クランクシャフト及びその製造方法
【課題】複数の部材を溶接により接合して構成するクランクシャフトにおいて、耐久性の確保に好適な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】クランクピン５及びメインジャーナル６と、これらを連結するクランクウェブ７とにより構成されるクランクシャフト１であり、前記クランクウェブ７は、メインジャーナル６の軸端が挿入されるジャーナル側部材６Ｂと、クランクピン５の軸端が挿入されるピン側部材５Ｂと、が一体に接合されて構成され、前記メインジャーナル６及びクランクピン５の軸端は、前記ジャーナル側部材６Ｂ及びピン側部材５Ｂへの挿入部のジャーナル側部材とピン側部材の接合面側において、夫々前記ジャーナル側部材６Ｂ及びピン側部材５Ｂと軸回りに全周溶接した。
【解決手段】クランクピン５及びメインジャーナル６と、これらを連結するクランクウェブ７とにより構成されるクランクシャフト１であり、前記クランクウェブ７は、メインジャーナル６の軸端が挿入されるジャーナル側部材６Ｂと、クランクピン５の軸端が挿入されるピン側部材５Ｂと、が一体に接合されて構成され、前記メインジャーナル６及びクランクピン５の軸端は、前記ジャーナル側部材６Ｂ及びピン側部材５Ｂへの挿入部のジャーナル側部材とピン側部材の接合面側において、夫々前記ジャーナル側部材６Ｂ及びピン側部材５Ｂと軸回りに全周溶接した。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関のクランクシャフト及びその製造方法に関し、特に、複数の部材を溶接等により接合して構成するに好適なクランクシャフト及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から軽量化のため、複数の部材を溶接等により接合して組立てるクランクシャフトが提案されている(特許文献１参照)。
【０００３】
これは、クランクピン部とジャーナル部とがパイプ材で形成され、クランクアーム部は一対の合せ材により形成され、一方の合せ材にはクランクピン部との結合部としてクランクピン部を形成するパイプ材の外径より大径の穴が設けられ、他方の合せ材にはジャーナル部との結合部としてジャーナル部を形成するパイプ材の外径より大径の穴が設けられ、各穴の内周側にはセレーションが刻設されている。そして、クランクピン部およびジャーナル部を夫々形成するパイプ材の端部はクランクアーム部を形成する一対の合せ材の各穴内において拡管され、その外周部が穴のセレーションに喰い込まされた状態で、クランクアーム部を形成する合せ材に一体に結合されており、一対の合せ材は、互いの合せ面部において接合されている構造を備える。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】実開昭５９−１７７８２１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、内燃機関のクランクシャフトには、エンジン駆動に合わせて繰返しの曲げ荷重が作用し、この曲げ荷重はクランクピンとクランクアームとの連結部およびジャーナルとクランクアームとの連結部に繰り返しの曲げ応力を発生させる。
【０００６】
上記従来例においても、クランクピン部およびジャーナル部を形成するパイプ材の端部を拡管させてその外周部を、内周側にセレーションを刻設した、クランクアームを形成する合せ材の穴に喰い込ませて一体化させるものであるため、上記した曲げ応力は、パイプ材と合せ材との結合部に繰り返し作用することとなる。このため、合せ材の穴とパイプ材の拡管された外周部との嵌合い強度を充分確保したとしても、クランクピンおよびジャーナルの合せ材から突出す根元部には応力集中が生じることとなり、当該根元部位に疲労が生ずる等の耐久性に課題がある。また、パイプ材の端部を拡管させて形成するものであるため、その結合強度が限定され且つ組立作業性も低いものであった。
【０００７】
そこで本発明は、上記問題点に鑑みてなされたもので、複数の部材を溶接により接合して構成するクランクシャフトにおいて、耐久性の確保に好適な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】
【０００８】
本発明は、クランクウェブは、メインジャーナルの軸端が挿入されるジャーナル側部材と、クランクピンの軸端が挿入されるピン側部材と、が一体に接合されて構成され、前記メインジャーナル及びクランクピンの軸端は、前記ジャーナル側部材及びピン側部材への挿入部のジャーナル側部材とピン側部材の接合面側において、夫々前記ジャーナル側部材及びピン側部材と軸回りに全周溶接した構成を備える。
【発明の効果】
【０００９】
エンジン駆動に合わせて繰返しの曲げ荷重が作用して、クランクピンとクランクウェブとの連結部及びメインジャーナルとクランクウェブとの連結部に繰り返し作用する曲げ応力に対して応力集中が発生するクランクウェブから突出すクランクピンおよびジャーナルの根元部を避ける挿入先端側で、前記メインジャーナル及びクランクピンと前記ジャーナル側部材及びピン側部材とを結合することができ、結合部位と応力集中部位とを分離でき、クランクシャフトの耐久性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の一実施形態を示すクランクシャフト及びその製造方法を適用したクランクシャフトの第１実施例を示す断面図。
【図２】同じく図１のクランクシャフトの中間組立状態を示す説明図。
【図３】同じく図１のクランクシャフトの中間組立状態を示す斜視図。
【図４】メインジャーナル及びクランクピンの軸端の前記ジャーナル側部材及びピン側部材への組立状態を説明する断面図。
【図５】キー及びキー溝の配置状態を説明する説明図。
【図６】第２実施例のクランクシャフトの中間組立状態を示す説明図。
【図７】第３実施例のクランクシャフトの中間組立状態を示す説明図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明のクランクシャフト及びその製造方法を図１〜図５に示す一実施形態に基づいて説明する。図１は、本発明を４気筒内燃機関に適用するクランクシャフトの第１実施例を示す断面図である。
【００１２】
図１において、クランクシャフト１は、図示しないコンロッドの大端部(１〜４番気筒に対する)を支承するクランクピン５(＃１〜＃４)と、これらクランクピン５の前後において図示しないシリンダブロックにクランクシャフト１を支承するメインジャーナル６(＃１〜＃５)と、各クランクピン５とメインジャーナル６とを互いに結ぶクランクウェブ７、および各クランクウェブ７に対してクランクシャフト１の回転中心を挾んで対向する位置に所定の質量を付加するカウンタウェイト８等から構成されている。
【００１３】
隣接する(＃１と＃２、＃３と＃４)クランクピン５同士は＃２及び＃４のメインジャーナル６を挟んで対向するクランク角度位置に配置され、＃２と＃３のクランクピン５は＃３のメインジャーナル６を挟んで同じクランク角度位置に配置されている。
【００１４】
各クランクピン５はコンロッドの大端部を支承するために比較的小径に形成され、各メインジャーナル６はクランクピン５に比較して大径に形成されている。各クランクピン５と各メインジャーナル６とは、図５に示すように、クランクシャフト１の軸方向から見て、オーバーラップさせた状態で配置されている。
【００１５】
前記各クランクピン５とメインジャーナル６とを互いに結ぶクランクウェブ７及びカウンタウェイト８は、図３にも示すように、メインジャーナル６と一体となるジャーナル側部材６Ｂとクランクピン５と一体となるピン側部材５Ｂとに分割されている。そして、ジャーナル６及びクランクピン５に対して背面となる面同士を接触させて、ジャーナル側部材６Ｂとピン側部材５Ｂとが結合されることにより、クランクピン５とメインジャーナル６とが相互に連結される。
【００１６】
即ち、クランクシャフト１のメインジャーナル６は、図２（Ａ）に示すように、クランクシャフト１の軸方向両端に配置されるジャーナル軸６Ａとその一端においてジャーナル側部材６Ｂを一体化させた端部(＃１、＃５)ジャーナルユニット２Ａと、端部ジャーナルユニット２Ａ間に配置され、ジャーナル軸６Ａとジャーナル軸６Ａの両軸端においてジャーナル側部材６Ｂを一体化させた中間(＃２〜＃４)ジャーナルユニット２Ｂと、により構成されている(以下では、ジャーナルユニットを総称する場合には、単に「ジャーナルユニット２」とする)。
【００１７】
前記端部ジャーナルユニット２Ａに使用されるジャーナル軸６Ａは、中空軸で構成してもよいが、夫々図示しないフライホイールや補機類の駆動用プーリ・スプロケット等が取付けられて曲げ荷重が作用することから、特に強度及び剛性が要求されるため、中実軸により形成されることが望ましい。また、前記中間ジャーナルユニット２Ｂに使用されるジャーナル軸６Ａは、中実軸で構成してもよいが、クランクシャフト１の軽量化のために、中空軸により形成されることが望ましい。
【００１８】
前記中間(＃２〜＃４)ジャーナルユニット２Ｂに一体化されるジャーナル側部材６Ｂは、＃２及び＃４ジャーナルユニット２Ｂでは、隣接するクランクピン５の角度位置が反対方向であるため、互いに反対方向の角度位置に固定され、＃３ジャーナルユニット２Ｂでは、隣接するクランクピン５の角度位置が同方向であるため、互いに同方向の角度位置に固定される。
【００１９】
前記端部ジャーナルユニット２Ａ及び中間ジャーナルユニット２Ｂにおけるジャーナル軸６Ａとジャーナル側部材６Ｂとの連結は、図４に示すように、ジャーナル側部材６Ｂに設けた結合穴６Ｃに、ジャーナル軸６Ａの軸端を挿入し、圧入嵌合することにより一体化させる。
【００２０】
前記圧入時において、＃２〜＃４ジャーナルユニット２Ｂにおけるジャーナル軸６Ａの軸端とジャーナル側部材６Ｂとの嵌合面には、互いの角度位置を位置決めするキー溝１０Ａを夫々設け、ジャーナル軸６Ａとジャーナル側部材６Ｂのキー溝１０Ａにキー１０を係合させて圧入嵌合させることにより、両軸端に一体化させるジャーナル側部材６Ｂ同士の角度位置を、同一角度若しくは１８０°角度に正確に位置決めすることができる。
【００２１】
この場合のキー溝１０Ａは、図５に示すように、組立時に隣接して固定されるクランクピン５より離れた領域(例えば、Ａ位置若しくはＢ位置)に設けることにより、ピストン及びコンロッドを介してクランクピン５に入力される燃焼荷重が作用しない角度位置にキー溝１０Ａを配置できる。
【００２２】
次いで、互いに圧入により嵌合しているジャーナル軸６Ａの外周面とジャーナル側部材６Ｂの結合穴６Ｃの内周面とを、電子ビーム溶接若しくはレーザビーム溶接により、矢印Ｅ方向からジャーナル軸６Ａの軸端側から嵌合面に沿って全周に渡って溶接して両者を固定する。これによって、メインジャーナル６の軸端は、ジャーナル側部材６Ｂへの圧入部の、ジャーナル側部材６Ｂとピン側部材５Ｂの接合面側において、ジャーナル側部材６Ｂと軸回りに全周溶接される。圧入嵌合されたメインジャーナル６の軸端を、ジャーナル側部材６Ｂとピン側部材５Ｂの接合面側である軸端側から、嵌合面に沿ってジャーナル側部材６Ｂの結合穴６Ｃに溶接固定したので、結合部位を、応力集中部位となるメインジャーナル６の根元から分離して、クランクシャフト１の耐久性を向上させることができる。
【００２３】
なお、ジャーナル軸６Ａの軸端側から電子ビーム溶接若しくはレーザビーム溶接による溶融ビードが突出す場合には、突出する部分を研削等により切取り、端面が平坦になるようにする。この場合に、ジャーナル側部材６Ｂの結合穴６Ｃとジャーナル軸６Ａとの嵌合面の軸端より離れた反対側、即ち、ジャーナル側部材６Ｂより突出しているジャーナル軸６Ａの根元側は、圧入された嵌合状態のままとしている。
【００２４】
また、クランクシャフト１のクランクピン５は、図２（Ｂ）に示すように、クランクピン５とその両軸端においてピン側部材５Ｂを一体化させたクランクピンユニット３(以下では、「ピンユニット３」という)により構成されている。
【００２５】
前記クランクピンユニット３に使用されるピン軸５Ａは、中実軸で構成してもよいが、クランクシャフト１の軽量化のために、中空軸により形成されることが望ましい。前記クランクピンユニット３のピン軸５Ａの軸端に一体化されるピン側部材５Ｂは、＃１〜＃４において同じ角度位置に配置されて、ほぼ同一形状に形成されている。そして、＃１及び＃４ピンユニット３と＃２及び＃３ピンユニット３とは、隣接するジャーナル６に対しての角度位置が１８０°だけ反対方向であるため、組立時にはその角度位置が反対方向となるよう配置される。前記クランクピンユニット３におけるピン軸５Ａとピン側部材５Ｂとの連結も、図４に示すように、ピン側部材５Ｂに設けた結合穴５Ｃに、ピン軸５Ａの軸端を圧入することにより一体化させる。
【００２６】
前記圧入時において、クランクピンユニット３におけるピン軸５Ａの軸端とピン側部材５Ｂとの嵌合面には、互いの角度位置を位置決めするキー溝１１Ａを夫々設け、ピン軸５Ａとピン側部材５Ｂのキー溝１１Ａにキー１１を係合させて圧入嵌合させることにより、両軸端に一体化させるピン側部材５Ｂ同士の角度位置を、同一角度に正確に位置決めすることができる。
【００２７】
この場合のキー溝１１Ａは、図５に示すように、組立時に隣接して固定されるジャーナル６より離れた領域(例えば、Ｃ位置若しくはＤ位置)に設けることにより、ピストン及びコンロッドを介してクランクピン５に入力される燃焼荷重が作用しない角度位置にキー溝１１Ａを配置できる。
【００２８】
次いで、互いに圧入により嵌合しているピン軸５Ａの外周面とピン側部材５Ｂの結合穴５Ｃの内周面とを、電子ビーム溶接若しくはレーザビーム溶接により、ピン軸５Ａの軸端側から嵌合面に沿って全周に渡って溶接して両者を固定する。これによって、クランクピン５の軸端は、ピン側部材５Ｂへの圧入部の、ジャーナル側部材６Ｂとピン側部材５Ｂの接合面側において、ピン側部材５Ｂと軸回りに全周溶接される。圧入嵌合されたクランクピン５の軸端を、ジャーナル側部材６Ｂとピン側部材５Ｂの接合面側である軸端側から、嵌合面に沿ってピン側部材５Ｂの結合穴５Ｃに溶接固定したので、結合部位を、応力集中部位となるクランクピン５の根元から分離して、クランクシャフト１の耐久性を向上させることができる。
【００２９】
なお、ピン軸５Ａの軸端側から電子ビーム溶接若しくはレーザビーム溶接による溶融ビードが突出す場合には、突出する部分を研削等により切取り、端面が平坦になるようにする。この場合に、ピン側部材５Ｂの結合穴５Ｃとピン軸５Ａとの嵌合面の軸端より離れた反対側、即ち、ピン側部材５Ｂより突出しているピン軸５Ａの根元側は、圧入された嵌合状態のままとしている。
【００３０】
前記ジャーナルユニット２及びピンユニット３が、図２（Ａ）（Ｂ）に示すように、組立てられた段階において、端部ジャーナルユニット２Ａのジャーナル側部材６Ｂの背面と＃１ピンユニット３のピン側部材５Ｂの背面とを合わせて、両者の背面の合せ面の周囲を外周側から、電子ビーム溶接若しくはレーザビーム溶接により、全周に渡って溶接して両者を固定する。この場合に、ジャーナル側部材６Ｂがピン側部材５Ｂより小さく形成されているため、ジャーナル側部材６Ｂの背面の周縁をピン側部材５Ｂの背面に全周溶接する状態となる。
【００３１】
次いで、＃１ピンユニット３のピン側部材５Ｂの背面と、＃２ジャーナルユニット２Ｂのジャーナル側部材６Ｂの背面とを、同様に電子ビーム溶接若しくはレーザビーム溶接に溶接接合させ、続いて、＃２ジャーナルユニット２Ｂに＃２ピンユニット３を溶接接合させる。そして、順次、＃２ピンユニット３と＃３ジャーナルユニット２Ｂ、＃３ジャーナルユニット２Ｂと＃３ピンユニット３、・・・・・と順次、溶接接合させ、最終的に＃５ジャーナルユニット２Ａを溶接接合させることにより、組立が完了し、図１に示すクランクシャフト１を得ることができる。
【００３２】
なお、上記した接合順序は、上記した順序に限られず、クランクシャフト１の軸方向中央部分から軸方向端部に向かって順次溶接接合してもよい。また、ピン側部材５Ｂとジャーナル側部材６Ｂとを溶接接合することによりクランクシャフト１として組立てる場合について説明したが、上記両者をボルトナット、リベット等の締結手段により結合させてクランクシャフト１として組立てるものであってもよい。
【００３３】
以上の構成のクランクシャフト１においては、クランクピン５及びメインジャーナル６と、これらを連結するクランクウェブ７とにより構成されるクランクシャフト１であり、前記クランクウェブ７がメインジャーナル６の軸端を圧入嵌合して備えるジャーナル側部材６Ｂとクランクピン５の軸端を圧入嵌合して備えるピン側部材５Ｂとに分離され且つ一体に接合されて構成される。そして、前記メインジャーナル６及びクランクピン５の軸端は前記ジャーナル側部材６Ｂ及びピン側部材５Ｂへの圧入部の先端部において、夫々前記ジャーナル側部材６Ｂ及びピン側部材５Ｂと軸回りに全周溶接している。
【００３４】
このため、エンジン駆動に合わせて繰返しの曲げ荷重が作用して、クランクピン５とクランクウェブ７との連結部及びメインジャーナル６とクランクウェブ７との連結部に繰り返し作用する曲げ応力に対して応力集中が発生するクランクウェブ７から突出すクランクピン５およびジャーナル６の根元部(図中矢印Ｆ参照)を避ける圧入先端側で、前記メインジャーナル６及びクランクピン５と前記ジャーナル側部材６Ｂ及びピン側部材５Ｂとを結合することができ、結合部位と応力集中部位とを分離でき、クランクシャフト１の耐久性を向上させることができる。
【００３５】
また、クランクウェブ７をジャーナル側部材６Ｂとピン側部材５Ｂとに分割しているため、軸方向から見てメインジャーナル６とクランクピン５との軸同士がオーバーラップしているクランクシャフト１であっても、ジャーナル６及びクランクピン５の夫々の端部での各側部材との接合構成とすることが可能となる。
【００３６】
さらに、クランクウェブ７を構成するジャーナル側部材６Ｂとピン側部材５Ｂとが、その背面同士を接触させて接触面の周縁を外周側から全周溶接しているため、レーザビーム溶接や電子ビーム溶接により短時間に接合させることができる。
【００３７】
また、ジャーナルユニット２及びピンユニット３の各側部材５Ｂ，６Ｂと軸部材５Ａ，６Ａとの位置決めのために両者間にキー１０，１１を配置する場合において、図５に示すように、クランクピン５とメインジャーナル６とをクランクシャフト１の中心軸に垂直な平面に投影させた際に、クランクピン５とメインジャーナル６との各中心を結んだ直線Ｋに沿った領域及び各中心を通り前記直線Ｋに対して垂直な直線Ｌに沿った領域にキー溝１０Ａ，１１Ａ及びキー１０，１１が配置されていない構成としている。このため、ピストン及びコンロッドを介して入力される燃焼荷重がクランクピン５に作用し、クランクピン５によりクランクウェブ７に圧縮応力や引張り応力が作用しても、キー溝１０Ａ，１１Ａ及びキー１０，１１に作用することがなく、クランクシャフト１の耐久性を向上できる。
【００３８】
また、クランクピンユニット３の各側部材５Ｂと軸部材５Ａとの位置決めのために両者間にキー１１を配置する場合において、クランクピン５とメインジャーナル６とをクランクシャフト１の中心軸に垂直な平面に投影させた際に、メインジャーナル６の中心から離れる、クランクピン５の中心より外側の領域Ｍ、すなわち、クランクピン断面の、メインジャーナル６から遠い側の半円域にキー溝１１Ａ及びキー１１が配置されている構成としている。このため、ピストン及びコンロッドを介して入力される燃焼荷重がクランクピン５に作用しても、キー溝１１Ａ及びキー１１は荷重方向の背面側にあり、前記燃焼荷重が作用せず、クランクシャフト１の耐久性を損なうことがない。
【００３９】
また、ジャーナルユニット２の各側部材６Ｂと軸部材６Ａとの位置決めのために両者間にキー１０を配置する場合において、クランクピン５とメインジャーナル６とをクランクシャフト１の中心軸に垂直な平面に投影させた際に、クランクピン５の中心から離れる、メインジャーナル６の中心より外側の領域Ｎ、すなわち、メインジャーナル断面の、クランクピン５から遠い側の半円域にキー溝１０Ａ及びキー１０が配置されている構成としている。このため、ピストン及びコンロッドを介して入力される燃焼荷重がクランクピン５からクランクウェブ７に作用しても、キー溝１０Ａ及びキー１０は荷重方向の背面側にあり、前記燃焼荷重が作用せず、クランクシャフト１の耐久性を損なうことがない。
【００４０】
図６及び図７は、クランクシャフトの第２実施例及び第３実施例を示す要部の断面図である。本実施例においては、ジャーナル軸６Ａ及びピン軸５Ａが圧入嵌合する各側部材５Ｂ，６Ｂの結合穴５Ｃ６Ｃが、その背面側の終端において縮径(第２実施例)若しくは拡径(第３実施例)した構成としている。
【００４１】
図６に示す第２実施例のクランクシャフト１においては、ジャーナル軸６Ａ及びピン軸５Ａが圧入嵌合する各側部材５Ｂ，６Ｂの結合穴５Ｃ,６Ｃが、その背面側の終端において縮径した縮径部１３を備える。この縮径部１３は、結合穴５Ｃ,６Ｃの内周面を全周において内側へ突出させるものが図示されているが、結合穴５Ｃ,６Ｃの内周面を部分的に内側へ突出させるものであってもよい。
【００４２】
前記ジャーナル軸６Ａ及びピン軸５Ａを各側部材５Ｂ，６Ｂの結合穴５Ｃ,６Ｃに圧入嵌合させると、ジャーナル軸６Ａ及びピン軸５Ａの先端が前記縮径部１３の軸方向端面に当接して両者の軸方向の位置決めが行われる。次いで、互いに圧入により嵌合しているジャーナル軸６Ａ及びピン軸５Ａの軸端面と各側部材５Ｂ，６Ｂの結合穴５Ｃ,６Ｃの縮径部１３とを、矢印Ｇ方向より、電子ビーム溶接若しくはレーザビーム溶接により、縮径部１３の端面に沿って全周に渡って溶接して両者を固定する。その他の構成は、第１実施例と同様に構成される。
【００４３】
一般に、レーザビーム溶接や電子ビーム溶接の場合、接合部が溶融して溶接ビードとして盛り上がる。しかしながら、本実施例では、各側部材５Ｂ，６Ｂの背面側の結合穴５Ｃ,６Ｃの終端が縮径されているため、盛り上がる溶接ビードが存在しても、各側部材５Ｂ，６Ｂの背面側から突出することがなく、研削等により平面上に仕上げる必要もない。
【００４４】
図７に示す第３実施例のクランクシャフト１においては、ジャーナル軸６Ａ及びピン軸５Ａが圧入嵌合する各側部材５Ｂ，６Ｂの結合穴５Ｃ,６Ｃが、その背面側の終端において拡径した拡径部１４を備える。この拡径部１４は、結合穴５Ｃ,６Ｃの内周面を全周において外径側へ窪ませる。
【００４５】
前記ジャーナル軸６Ａ及びピン軸５Ａを各側部材５Ｂ，６Ｂの結合穴５Ｃ,６Ｃに圧入嵌合させると、ジャーナル軸６Ａ及びピン軸５Ａの先端は前記拡径部１４内に進入し、各側部材５Ｂ，６Ｂの背面に当接させて配置している治具表面に当接して両者の軸方向の位置決めが行われる。次いで、互いに圧入により嵌合しているジャーナル軸６Ａ及びピン軸５Ａの軸外周面と各側部材５Ｂ，６Ｂの結合穴５Ｃ,６Ｃの内周面とを、矢印Ｊ方向より、電子ビーム溶接若しくはレーザビーム溶接により、拡径部１４の端面側から軸外周面に沿って全周に渡って溶接して両者を固定する。その他の構成は、第１実施例と同様に構成される。
【００４６】
一般に、レーザビーム溶接や電子ビーム溶接の場合、接合部が溶融して溶接ビードとして盛り上がる。しかしながら、本実施例では、各側部材５Ｂ，６Ｂの背面側の結合穴５Ｃ,６Ｃの終端が拡径されているため、盛り上がる溶接ビードが存在しても、各側部材５Ｂ，６Ｂの背面側から突出することがなく、研削等により平面上に仕上げる必要もない。
【００４７】
本実施形態においては、以下に記載する効果を奏することができる。
【００４８】
（ア）クランクピン５及びメインジャーナル６と、これらを連結するクランクウェブ７とにより構成されるクランクシャフト１であり、前記クランクウェブ７がメインジャーナル６の軸端を圧入嵌合して備えるジャーナル側部材６Ｂとクランクピン５の軸端を圧入嵌合して備えるピン側部材５Ｂとに分離され且つ一体に接合されて構成され、前記メインジャーナル６及びクランクピン５の軸端は前記ジャーナル側部材６Ｂ及びピン側部材５Ｂへの圧入部の先端部において、夫々前記ジャーナル側部材６Ｂ及びピン側部材５Ｂと軸回りに全周溶接している。このため、エンジン駆動に合わせて繰返しの曲げ荷重が作用して、クランクピン５とクランクウェブ７との連結部及びメインジャーナル６とクランクウェブ７との連結部に繰り返し作用する曲げ応力に対して応力集中が発生するクランクウェブ７から突出すクランクピン５およびジャーナル６の根元部を避ける圧入先端側で、前記メインジャーナル６及びクランクピン５と前記ジャーナル側部材６Ｂ及びピン側部材５Ｂとを結合することができ、結合部位と応力集中部位とを分離でき、クランクシャフト１の耐久性を向上させることができる。
【００４９】
(イ)図６に示すクランクシャフト１では、ジャーナル軸６Ａ及びピン軸５Ａが圧入嵌合する各側部材５Ｂ，６Ｂの結合穴５Ｃ,６Ｃが、その背面側の終端において縮径した縮径部１３を備え、前記互いに圧入により嵌合しているジャーナル軸６Ａ及びピン軸５Ａの軸端面と各側部材５Ｂ，６Ｂの結合穴５Ｃ,６Ｃの縮径部１３とが、縮径部１３の端面に沿って全周に渡って溶接されている。このため、盛り上がる溶接ビードが存在しても、各側部材５Ｂ，６Ｂの背面側から突出することがなく、研削等により平面上に仕上げる必要もない。
【００５０】
(ウ)図７に示すクランクシャフト１では、ジャーナル軸６Ａ及びピン軸５Ａが圧入嵌合する各側部材５Ｂ，６Ｂの結合穴５Ｃ,６Ｃが、その背面側の終端において拡径した拡径部１４を備え、前記互いに圧入により嵌合しているジャーナル軸６Ａ及びピン軸５Ａの軸外周面と各側部材５Ｂ，６Ｂの結合穴５Ｃ,６Ｃの内周面とが、拡径部１４の端面側から軸外周面に沿って全周に渡って溶接されている。このため、盛り上がる溶接ビードが存在しても、各側部材５Ｂ，６Ｂの背面側から突出することがなく、研削等により平面上に仕上げる必要もない。
【００５１】
(エ)メインジャーナル６とクランクピン５との軸同士が、軸方向から見てオーバーラップしている。このため、クランクウェブ７をジャーナル側部材６Ｂとピン側部材５Ｂとに分割して、ジャーナル６及びクランクピン５の夫々の端部での各側部材５Ｂ，６Ｂとの接合構成とすることが可能となる。
【００５２】
(オ)クランクウェブ７を構成するジャーナル側部材６Ｂとピン側部材５Ｂとが、その背面同士を接触させて接触面の周縁を外周側から全周溶接している。このため、レーザビーム溶接や電子ビーム溶接により短時間に接合させることができる。
【００５３】
(カ)クランクピン５とメインジャーナル６とをクランクシャフト１の中心軸に垂直な平面に投影させた際に、クランクピン５とメインジャーナル６との各中心を結んだ直線上の領域及び各中心から前記直線に対して直角となる領域を避けて、ジャーナル６及びクランクピン５の各側部材５Ｂ，６Ｂと軸部材５Ａ，６Ａとの位置決めのためのキー溝１０Ａ，１１Ａ及びキー１０，１１を配置する。このため、ピストン及びコンロッドを介して入力される燃焼荷重がクランクピン５に作用し、クランクピン５によりクランクウェブ７に圧縮応力や引張り応力が作用しても、キー溝１０Ａ，１１Ａ及びキー１０，１１に作用することがなく、クランクシャフト１の耐久性を向上できる。
【００５４】
(キ)クランクピン５とメインジャーナル６とをクランクシャフト１の中心軸に垂直な平面に投影させた際に、メインジャーナル６の中心から離れる、クランクピン５の中心より外側の領域にキー溝１１Ａ及びキー１１が配置されている。このため、ピストン及びコンロッドを介して入力される燃焼荷重がクランクピン５に作用しても、キー溝１１Ａ及びキー１１は荷重方向の背面側にあり、前記燃焼荷重が作用せず、クランクシャフト１の耐久性を損なうことがない。
【００５５】
(ク)クランクピン５とメインジャーナル６とをクランクシャフト１の中心軸に垂直な平面に投影させた際に、クランクピン５の中心から離れる、メインジャーナル６の中心より外側の領域にキー溝１０Ａ及びキー１０が配置されている。このため、ピストン及びコンロッドを介して入力される燃焼荷重がクランクピン５からクランクウェブ７に作用しても、キー溝１０Ａ及びキー１０は荷重方向の背面側にあり、前記燃焼荷重が作用せず、クランクシャフト１の耐久性を損なうことがない。
【符号の説明】
【００５６】
１ クランクシャフト
２ ジャーナルユニット
３ クランクピンユニット
５ クランクピン
６ メインジャーナル
７ クランクウェブ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関のクランクシャフト及びその製造方法に関し、特に、複数の部材を溶接等により接合して構成するに好適なクランクシャフト及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から軽量化のため、複数の部材を溶接等により接合して組立てるクランクシャフトが提案されている(特許文献１参照)。
【０００３】
これは、クランクピン部とジャーナル部とがパイプ材で形成され、クランクアーム部は一対の合せ材により形成され、一方の合せ材にはクランクピン部との結合部としてクランクピン部を形成するパイプ材の外径より大径の穴が設けられ、他方の合せ材にはジャーナル部との結合部としてジャーナル部を形成するパイプ材の外径より大径の穴が設けられ、各穴の内周側にはセレーションが刻設されている。そして、クランクピン部およびジャーナル部を夫々形成するパイプ材の端部はクランクアーム部を形成する一対の合せ材の各穴内において拡管され、その外周部が穴のセレーションに喰い込まされた状態で、クランクアーム部を形成する合せ材に一体に結合されており、一対の合せ材は、互いの合せ面部において接合されている構造を備える。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】実開昭５９−１７７８２１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、内燃機関のクランクシャフトには、エンジン駆動に合わせて繰返しの曲げ荷重が作用し、この曲げ荷重はクランクピンとクランクアームとの連結部およびジャーナルとクランクアームとの連結部に繰り返しの曲げ応力を発生させる。
【０００６】
上記従来例においても、クランクピン部およびジャーナル部を形成するパイプ材の端部を拡管させてその外周部を、内周側にセレーションを刻設した、クランクアームを形成する合せ材の穴に喰い込ませて一体化させるものであるため、上記した曲げ応力は、パイプ材と合せ材との結合部に繰り返し作用することとなる。このため、合せ材の穴とパイプ材の拡管された外周部との嵌合い強度を充分確保したとしても、クランクピンおよびジャーナルの合せ材から突出す根元部には応力集中が生じることとなり、当該根元部位に疲労が生ずる等の耐久性に課題がある。また、パイプ材の端部を拡管させて形成するものであるため、その結合強度が限定され且つ組立作業性も低いものであった。
【０００７】
そこで本発明は、上記問題点に鑑みてなされたもので、複数の部材を溶接により接合して構成するクランクシャフトにおいて、耐久性の確保に好適な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】
【０００８】
本発明は、クランクウェブは、メインジャーナルの軸端が挿入されるジャーナル側部材と、クランクピンの軸端が挿入されるピン側部材と、が一体に接合されて構成され、前記メインジャーナル及びクランクピンの軸端は、前記ジャーナル側部材及びピン側部材への挿入部のジャーナル側部材とピン側部材の接合面側において、夫々前記ジャーナル側部材及びピン側部材と軸回りに全周溶接した構成を備える。
【発明の効果】
【０００９】
エンジン駆動に合わせて繰返しの曲げ荷重が作用して、クランクピンとクランクウェブとの連結部及びメインジャーナルとクランクウェブとの連結部に繰り返し作用する曲げ応力に対して応力集中が発生するクランクウェブから突出すクランクピンおよびジャーナルの根元部を避ける挿入先端側で、前記メインジャーナル及びクランクピンと前記ジャーナル側部材及びピン側部材とを結合することができ、結合部位と応力集中部位とを分離でき、クランクシャフトの耐久性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の一実施形態を示すクランクシャフト及びその製造方法を適用したクランクシャフトの第１実施例を示す断面図。
【図２】同じく図１のクランクシャフトの中間組立状態を示す説明図。
【図３】同じく図１のクランクシャフトの中間組立状態を示す斜視図。
【図４】メインジャーナル及びクランクピンの軸端の前記ジャーナル側部材及びピン側部材への組立状態を説明する断面図。
【図５】キー及びキー溝の配置状態を説明する説明図。
【図６】第２実施例のクランクシャフトの中間組立状態を示す説明図。
【図７】第３実施例のクランクシャフトの中間組立状態を示す説明図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明のクランクシャフト及びその製造方法を図１〜図５に示す一実施形態に基づいて説明する。図１は、本発明を４気筒内燃機関に適用するクランクシャフトの第１実施例を示す断面図である。
【００１２】
図１において、クランクシャフト１は、図示しないコンロッドの大端部(１〜４番気筒に対する)を支承するクランクピン５(＃１〜＃４)と、これらクランクピン５の前後において図示しないシリンダブロックにクランクシャフト１を支承するメインジャーナル６(＃１〜＃５)と、各クランクピン５とメインジャーナル６とを互いに結ぶクランクウェブ７、および各クランクウェブ７に対してクランクシャフト１の回転中心を挾んで対向する位置に所定の質量を付加するカウンタウェイト８等から構成されている。
【００１３】
隣接する(＃１と＃２、＃３と＃４)クランクピン５同士は＃２及び＃４のメインジャーナル６を挟んで対向するクランク角度位置に配置され、＃２と＃３のクランクピン５は＃３のメインジャーナル６を挟んで同じクランク角度位置に配置されている。
【００１４】
各クランクピン５はコンロッドの大端部を支承するために比較的小径に形成され、各メインジャーナル６はクランクピン５に比較して大径に形成されている。各クランクピン５と各メインジャーナル６とは、図５に示すように、クランクシャフト１の軸方向から見て、オーバーラップさせた状態で配置されている。
【００１５】
前記各クランクピン５とメインジャーナル６とを互いに結ぶクランクウェブ７及びカウンタウェイト８は、図３にも示すように、メインジャーナル６と一体となるジャーナル側部材６Ｂとクランクピン５と一体となるピン側部材５Ｂとに分割されている。そして、ジャーナル６及びクランクピン５に対して背面となる面同士を接触させて、ジャーナル側部材６Ｂとピン側部材５Ｂとが結合されることにより、クランクピン５とメインジャーナル６とが相互に連結される。
【００１６】
即ち、クランクシャフト１のメインジャーナル６は、図２（Ａ）に示すように、クランクシャフト１の軸方向両端に配置されるジャーナル軸６Ａとその一端においてジャーナル側部材６Ｂを一体化させた端部(＃１、＃５)ジャーナルユニット２Ａと、端部ジャーナルユニット２Ａ間に配置され、ジャーナル軸６Ａとジャーナル軸６Ａの両軸端においてジャーナル側部材６Ｂを一体化させた中間(＃２〜＃４)ジャーナルユニット２Ｂと、により構成されている(以下では、ジャーナルユニットを総称する場合には、単に「ジャーナルユニット２」とする)。
【００１７】
前記端部ジャーナルユニット２Ａに使用されるジャーナル軸６Ａは、中空軸で構成してもよいが、夫々図示しないフライホイールや補機類の駆動用プーリ・スプロケット等が取付けられて曲げ荷重が作用することから、特に強度及び剛性が要求されるため、中実軸により形成されることが望ましい。また、前記中間ジャーナルユニット２Ｂに使用されるジャーナル軸６Ａは、中実軸で構成してもよいが、クランクシャフト１の軽量化のために、中空軸により形成されることが望ましい。
【００１８】
前記中間(＃２〜＃４)ジャーナルユニット２Ｂに一体化されるジャーナル側部材６Ｂは、＃２及び＃４ジャーナルユニット２Ｂでは、隣接するクランクピン５の角度位置が反対方向であるため、互いに反対方向の角度位置に固定され、＃３ジャーナルユニット２Ｂでは、隣接するクランクピン５の角度位置が同方向であるため、互いに同方向の角度位置に固定される。
【００１９】
前記端部ジャーナルユニット２Ａ及び中間ジャーナルユニット２Ｂにおけるジャーナル軸６Ａとジャーナル側部材６Ｂとの連結は、図４に示すように、ジャーナル側部材６Ｂに設けた結合穴６Ｃに、ジャーナル軸６Ａの軸端を挿入し、圧入嵌合することにより一体化させる。
【００２０】
前記圧入時において、＃２〜＃４ジャーナルユニット２Ｂにおけるジャーナル軸６Ａの軸端とジャーナル側部材６Ｂとの嵌合面には、互いの角度位置を位置決めするキー溝１０Ａを夫々設け、ジャーナル軸６Ａとジャーナル側部材６Ｂのキー溝１０Ａにキー１０を係合させて圧入嵌合させることにより、両軸端に一体化させるジャーナル側部材６Ｂ同士の角度位置を、同一角度若しくは１８０°角度に正確に位置決めすることができる。
【００２１】
この場合のキー溝１０Ａは、図５に示すように、組立時に隣接して固定されるクランクピン５より離れた領域(例えば、Ａ位置若しくはＢ位置)に設けることにより、ピストン及びコンロッドを介してクランクピン５に入力される燃焼荷重が作用しない角度位置にキー溝１０Ａを配置できる。
【００２２】
次いで、互いに圧入により嵌合しているジャーナル軸６Ａの外周面とジャーナル側部材６Ｂの結合穴６Ｃの内周面とを、電子ビーム溶接若しくはレーザビーム溶接により、矢印Ｅ方向からジャーナル軸６Ａの軸端側から嵌合面に沿って全周に渡って溶接して両者を固定する。これによって、メインジャーナル６の軸端は、ジャーナル側部材６Ｂへの圧入部の、ジャーナル側部材６Ｂとピン側部材５Ｂの接合面側において、ジャーナル側部材６Ｂと軸回りに全周溶接される。圧入嵌合されたメインジャーナル６の軸端を、ジャーナル側部材６Ｂとピン側部材５Ｂの接合面側である軸端側から、嵌合面に沿ってジャーナル側部材６Ｂの結合穴６Ｃに溶接固定したので、結合部位を、応力集中部位となるメインジャーナル６の根元から分離して、クランクシャフト１の耐久性を向上させることができる。
【００２３】
なお、ジャーナル軸６Ａの軸端側から電子ビーム溶接若しくはレーザビーム溶接による溶融ビードが突出す場合には、突出する部分を研削等により切取り、端面が平坦になるようにする。この場合に、ジャーナル側部材６Ｂの結合穴６Ｃとジャーナル軸６Ａとの嵌合面の軸端より離れた反対側、即ち、ジャーナル側部材６Ｂより突出しているジャーナル軸６Ａの根元側は、圧入された嵌合状態のままとしている。
【００２４】
また、クランクシャフト１のクランクピン５は、図２（Ｂ）に示すように、クランクピン５とその両軸端においてピン側部材５Ｂを一体化させたクランクピンユニット３(以下では、「ピンユニット３」という)により構成されている。
【００２５】
前記クランクピンユニット３に使用されるピン軸５Ａは、中実軸で構成してもよいが、クランクシャフト１の軽量化のために、中空軸により形成されることが望ましい。前記クランクピンユニット３のピン軸５Ａの軸端に一体化されるピン側部材５Ｂは、＃１〜＃４において同じ角度位置に配置されて、ほぼ同一形状に形成されている。そして、＃１及び＃４ピンユニット３と＃２及び＃３ピンユニット３とは、隣接するジャーナル６に対しての角度位置が１８０°だけ反対方向であるため、組立時にはその角度位置が反対方向となるよう配置される。前記クランクピンユニット３におけるピン軸５Ａとピン側部材５Ｂとの連結も、図４に示すように、ピン側部材５Ｂに設けた結合穴５Ｃに、ピン軸５Ａの軸端を圧入することにより一体化させる。
【００２６】
前記圧入時において、クランクピンユニット３におけるピン軸５Ａの軸端とピン側部材５Ｂとの嵌合面には、互いの角度位置を位置決めするキー溝１１Ａを夫々設け、ピン軸５Ａとピン側部材５Ｂのキー溝１１Ａにキー１１を係合させて圧入嵌合させることにより、両軸端に一体化させるピン側部材５Ｂ同士の角度位置を、同一角度に正確に位置決めすることができる。
【００２７】
この場合のキー溝１１Ａは、図５に示すように、組立時に隣接して固定されるジャーナル６より離れた領域(例えば、Ｃ位置若しくはＤ位置)に設けることにより、ピストン及びコンロッドを介してクランクピン５に入力される燃焼荷重が作用しない角度位置にキー溝１１Ａを配置できる。
【００２８】
次いで、互いに圧入により嵌合しているピン軸５Ａの外周面とピン側部材５Ｂの結合穴５Ｃの内周面とを、電子ビーム溶接若しくはレーザビーム溶接により、ピン軸５Ａの軸端側から嵌合面に沿って全周に渡って溶接して両者を固定する。これによって、クランクピン５の軸端は、ピン側部材５Ｂへの圧入部の、ジャーナル側部材６Ｂとピン側部材５Ｂの接合面側において、ピン側部材５Ｂと軸回りに全周溶接される。圧入嵌合されたクランクピン５の軸端を、ジャーナル側部材６Ｂとピン側部材５Ｂの接合面側である軸端側から、嵌合面に沿ってピン側部材５Ｂの結合穴５Ｃに溶接固定したので、結合部位を、応力集中部位となるクランクピン５の根元から分離して、クランクシャフト１の耐久性を向上させることができる。
【００２９】
なお、ピン軸５Ａの軸端側から電子ビーム溶接若しくはレーザビーム溶接による溶融ビードが突出す場合には、突出する部分を研削等により切取り、端面が平坦になるようにする。この場合に、ピン側部材５Ｂの結合穴５Ｃとピン軸５Ａとの嵌合面の軸端より離れた反対側、即ち、ピン側部材５Ｂより突出しているピン軸５Ａの根元側は、圧入された嵌合状態のままとしている。
【００３０】
前記ジャーナルユニット２及びピンユニット３が、図２（Ａ）（Ｂ）に示すように、組立てられた段階において、端部ジャーナルユニット２Ａのジャーナル側部材６Ｂの背面と＃１ピンユニット３のピン側部材５Ｂの背面とを合わせて、両者の背面の合せ面の周囲を外周側から、電子ビーム溶接若しくはレーザビーム溶接により、全周に渡って溶接して両者を固定する。この場合に、ジャーナル側部材６Ｂがピン側部材５Ｂより小さく形成されているため、ジャーナル側部材６Ｂの背面の周縁をピン側部材５Ｂの背面に全周溶接する状態となる。
【００３１】
次いで、＃１ピンユニット３のピン側部材５Ｂの背面と、＃２ジャーナルユニット２Ｂのジャーナル側部材６Ｂの背面とを、同様に電子ビーム溶接若しくはレーザビーム溶接に溶接接合させ、続いて、＃２ジャーナルユニット２Ｂに＃２ピンユニット３を溶接接合させる。そして、順次、＃２ピンユニット３と＃３ジャーナルユニット２Ｂ、＃３ジャーナルユニット２Ｂと＃３ピンユニット３、・・・・・と順次、溶接接合させ、最終的に＃５ジャーナルユニット２Ａを溶接接合させることにより、組立が完了し、図１に示すクランクシャフト１を得ることができる。
【００３２】
なお、上記した接合順序は、上記した順序に限られず、クランクシャフト１の軸方向中央部分から軸方向端部に向かって順次溶接接合してもよい。また、ピン側部材５Ｂとジャーナル側部材６Ｂとを溶接接合することによりクランクシャフト１として組立てる場合について説明したが、上記両者をボルトナット、リベット等の締結手段により結合させてクランクシャフト１として組立てるものであってもよい。
【００３３】
以上の構成のクランクシャフト１においては、クランクピン５及びメインジャーナル６と、これらを連結するクランクウェブ７とにより構成されるクランクシャフト１であり、前記クランクウェブ７がメインジャーナル６の軸端を圧入嵌合して備えるジャーナル側部材６Ｂとクランクピン５の軸端を圧入嵌合して備えるピン側部材５Ｂとに分離され且つ一体に接合されて構成される。そして、前記メインジャーナル６及びクランクピン５の軸端は前記ジャーナル側部材６Ｂ及びピン側部材５Ｂへの圧入部の先端部において、夫々前記ジャーナル側部材６Ｂ及びピン側部材５Ｂと軸回りに全周溶接している。
【００３４】
このため、エンジン駆動に合わせて繰返しの曲げ荷重が作用して、クランクピン５とクランクウェブ７との連結部及びメインジャーナル６とクランクウェブ７との連結部に繰り返し作用する曲げ応力に対して応力集中が発生するクランクウェブ７から突出すクランクピン５およびジャーナル６の根元部(図中矢印Ｆ参照)を避ける圧入先端側で、前記メインジャーナル６及びクランクピン５と前記ジャーナル側部材６Ｂ及びピン側部材５Ｂとを結合することができ、結合部位と応力集中部位とを分離でき、クランクシャフト１の耐久性を向上させることができる。
【００３５】
また、クランクウェブ７をジャーナル側部材６Ｂとピン側部材５Ｂとに分割しているため、軸方向から見てメインジャーナル６とクランクピン５との軸同士がオーバーラップしているクランクシャフト１であっても、ジャーナル６及びクランクピン５の夫々の端部での各側部材との接合構成とすることが可能となる。
【００３６】
さらに、クランクウェブ７を構成するジャーナル側部材６Ｂとピン側部材５Ｂとが、その背面同士を接触させて接触面の周縁を外周側から全周溶接しているため、レーザビーム溶接や電子ビーム溶接により短時間に接合させることができる。
【００３７】
また、ジャーナルユニット２及びピンユニット３の各側部材５Ｂ，６Ｂと軸部材５Ａ，６Ａとの位置決めのために両者間にキー１０，１１を配置する場合において、図５に示すように、クランクピン５とメインジャーナル６とをクランクシャフト１の中心軸に垂直な平面に投影させた際に、クランクピン５とメインジャーナル６との各中心を結んだ直線Ｋに沿った領域及び各中心を通り前記直線Ｋに対して垂直な直線Ｌに沿った領域にキー溝１０Ａ，１１Ａ及びキー１０，１１が配置されていない構成としている。このため、ピストン及びコンロッドを介して入力される燃焼荷重がクランクピン５に作用し、クランクピン５によりクランクウェブ７に圧縮応力や引張り応力が作用しても、キー溝１０Ａ，１１Ａ及びキー１０，１１に作用することがなく、クランクシャフト１の耐久性を向上できる。
【００３８】
また、クランクピンユニット３の各側部材５Ｂと軸部材５Ａとの位置決めのために両者間にキー１１を配置する場合において、クランクピン５とメインジャーナル６とをクランクシャフト１の中心軸に垂直な平面に投影させた際に、メインジャーナル６の中心から離れる、クランクピン５の中心より外側の領域Ｍ、すなわち、クランクピン断面の、メインジャーナル６から遠い側の半円域にキー溝１１Ａ及びキー１１が配置されている構成としている。このため、ピストン及びコンロッドを介して入力される燃焼荷重がクランクピン５に作用しても、キー溝１１Ａ及びキー１１は荷重方向の背面側にあり、前記燃焼荷重が作用せず、クランクシャフト１の耐久性を損なうことがない。
【００３９】
また、ジャーナルユニット２の各側部材６Ｂと軸部材６Ａとの位置決めのために両者間にキー１０を配置する場合において、クランクピン５とメインジャーナル６とをクランクシャフト１の中心軸に垂直な平面に投影させた際に、クランクピン５の中心から離れる、メインジャーナル６の中心より外側の領域Ｎ、すなわち、メインジャーナル断面の、クランクピン５から遠い側の半円域にキー溝１０Ａ及びキー１０が配置されている構成としている。このため、ピストン及びコンロッドを介して入力される燃焼荷重がクランクピン５からクランクウェブ７に作用しても、キー溝１０Ａ及びキー１０は荷重方向の背面側にあり、前記燃焼荷重が作用せず、クランクシャフト１の耐久性を損なうことがない。
【００４０】
図６及び図７は、クランクシャフトの第２実施例及び第３実施例を示す要部の断面図である。本実施例においては、ジャーナル軸６Ａ及びピン軸５Ａが圧入嵌合する各側部材５Ｂ，６Ｂの結合穴５Ｃ６Ｃが、その背面側の終端において縮径(第２実施例)若しくは拡径(第３実施例)した構成としている。
【００４１】
図６に示す第２実施例のクランクシャフト１においては、ジャーナル軸６Ａ及びピン軸５Ａが圧入嵌合する各側部材５Ｂ，６Ｂの結合穴５Ｃ,６Ｃが、その背面側の終端において縮径した縮径部１３を備える。この縮径部１３は、結合穴５Ｃ,６Ｃの内周面を全周において内側へ突出させるものが図示されているが、結合穴５Ｃ,６Ｃの内周面を部分的に内側へ突出させるものであってもよい。
【００４２】
前記ジャーナル軸６Ａ及びピン軸５Ａを各側部材５Ｂ，６Ｂの結合穴５Ｃ,６Ｃに圧入嵌合させると、ジャーナル軸６Ａ及びピン軸５Ａの先端が前記縮径部１３の軸方向端面に当接して両者の軸方向の位置決めが行われる。次いで、互いに圧入により嵌合しているジャーナル軸６Ａ及びピン軸５Ａの軸端面と各側部材５Ｂ，６Ｂの結合穴５Ｃ,６Ｃの縮径部１３とを、矢印Ｇ方向より、電子ビーム溶接若しくはレーザビーム溶接により、縮径部１３の端面に沿って全周に渡って溶接して両者を固定する。その他の構成は、第１実施例と同様に構成される。
【００４３】
一般に、レーザビーム溶接や電子ビーム溶接の場合、接合部が溶融して溶接ビードとして盛り上がる。しかしながら、本実施例では、各側部材５Ｂ，６Ｂの背面側の結合穴５Ｃ,６Ｃの終端が縮径されているため、盛り上がる溶接ビードが存在しても、各側部材５Ｂ，６Ｂの背面側から突出することがなく、研削等により平面上に仕上げる必要もない。
【００４４】
図７に示す第３実施例のクランクシャフト１においては、ジャーナル軸６Ａ及びピン軸５Ａが圧入嵌合する各側部材５Ｂ，６Ｂの結合穴５Ｃ,６Ｃが、その背面側の終端において拡径した拡径部１４を備える。この拡径部１４は、結合穴５Ｃ,６Ｃの内周面を全周において外径側へ窪ませる。
【００４５】
前記ジャーナル軸６Ａ及びピン軸５Ａを各側部材５Ｂ，６Ｂの結合穴５Ｃ,６Ｃに圧入嵌合させると、ジャーナル軸６Ａ及びピン軸５Ａの先端は前記拡径部１４内に進入し、各側部材５Ｂ，６Ｂの背面に当接させて配置している治具表面に当接して両者の軸方向の位置決めが行われる。次いで、互いに圧入により嵌合しているジャーナル軸６Ａ及びピン軸５Ａの軸外周面と各側部材５Ｂ，６Ｂの結合穴５Ｃ,６Ｃの内周面とを、矢印Ｊ方向より、電子ビーム溶接若しくはレーザビーム溶接により、拡径部１４の端面側から軸外周面に沿って全周に渡って溶接して両者を固定する。その他の構成は、第１実施例と同様に構成される。
【００４６】
一般に、レーザビーム溶接や電子ビーム溶接の場合、接合部が溶融して溶接ビードとして盛り上がる。しかしながら、本実施例では、各側部材５Ｂ，６Ｂの背面側の結合穴５Ｃ,６Ｃの終端が拡径されているため、盛り上がる溶接ビードが存在しても、各側部材５Ｂ，６Ｂの背面側から突出することがなく、研削等により平面上に仕上げる必要もない。
【００４７】
本実施形態においては、以下に記載する効果を奏することができる。
【００４８】
（ア）クランクピン５及びメインジャーナル６と、これらを連結するクランクウェブ７とにより構成されるクランクシャフト１であり、前記クランクウェブ７がメインジャーナル６の軸端を圧入嵌合して備えるジャーナル側部材６Ｂとクランクピン５の軸端を圧入嵌合して備えるピン側部材５Ｂとに分離され且つ一体に接合されて構成され、前記メインジャーナル６及びクランクピン５の軸端は前記ジャーナル側部材６Ｂ及びピン側部材５Ｂへの圧入部の先端部において、夫々前記ジャーナル側部材６Ｂ及びピン側部材５Ｂと軸回りに全周溶接している。このため、エンジン駆動に合わせて繰返しの曲げ荷重が作用して、クランクピン５とクランクウェブ７との連結部及びメインジャーナル６とクランクウェブ７との連結部に繰り返し作用する曲げ応力に対して応力集中が発生するクランクウェブ７から突出すクランクピン５およびジャーナル６の根元部を避ける圧入先端側で、前記メインジャーナル６及びクランクピン５と前記ジャーナル側部材６Ｂ及びピン側部材５Ｂとを結合することができ、結合部位と応力集中部位とを分離でき、クランクシャフト１の耐久性を向上させることができる。
【００４９】
(イ)図６に示すクランクシャフト１では、ジャーナル軸６Ａ及びピン軸５Ａが圧入嵌合する各側部材５Ｂ，６Ｂの結合穴５Ｃ,６Ｃが、その背面側の終端において縮径した縮径部１３を備え、前記互いに圧入により嵌合しているジャーナル軸６Ａ及びピン軸５Ａの軸端面と各側部材５Ｂ，６Ｂの結合穴５Ｃ,６Ｃの縮径部１３とが、縮径部１３の端面に沿って全周に渡って溶接されている。このため、盛り上がる溶接ビードが存在しても、各側部材５Ｂ，６Ｂの背面側から突出することがなく、研削等により平面上に仕上げる必要もない。
【００５０】
(ウ)図７に示すクランクシャフト１では、ジャーナル軸６Ａ及びピン軸５Ａが圧入嵌合する各側部材５Ｂ，６Ｂの結合穴５Ｃ,６Ｃが、その背面側の終端において拡径した拡径部１４を備え、前記互いに圧入により嵌合しているジャーナル軸６Ａ及びピン軸５Ａの軸外周面と各側部材５Ｂ，６Ｂの結合穴５Ｃ,６Ｃの内周面とが、拡径部１４の端面側から軸外周面に沿って全周に渡って溶接されている。このため、盛り上がる溶接ビードが存在しても、各側部材５Ｂ，６Ｂの背面側から突出することがなく、研削等により平面上に仕上げる必要もない。
【００５１】
(エ)メインジャーナル６とクランクピン５との軸同士が、軸方向から見てオーバーラップしている。このため、クランクウェブ７をジャーナル側部材６Ｂとピン側部材５Ｂとに分割して、ジャーナル６及びクランクピン５の夫々の端部での各側部材５Ｂ，６Ｂとの接合構成とすることが可能となる。
【００５２】
(オ)クランクウェブ７を構成するジャーナル側部材６Ｂとピン側部材５Ｂとが、その背面同士を接触させて接触面の周縁を外周側から全周溶接している。このため、レーザビーム溶接や電子ビーム溶接により短時間に接合させることができる。
【００５３】
(カ)クランクピン５とメインジャーナル６とをクランクシャフト１の中心軸に垂直な平面に投影させた際に、クランクピン５とメインジャーナル６との各中心を結んだ直線上の領域及び各中心から前記直線に対して直角となる領域を避けて、ジャーナル６及びクランクピン５の各側部材５Ｂ，６Ｂと軸部材５Ａ，６Ａとの位置決めのためのキー溝１０Ａ，１１Ａ及びキー１０，１１を配置する。このため、ピストン及びコンロッドを介して入力される燃焼荷重がクランクピン５に作用し、クランクピン５によりクランクウェブ７に圧縮応力や引張り応力が作用しても、キー溝１０Ａ，１１Ａ及びキー１０，１１に作用することがなく、クランクシャフト１の耐久性を向上できる。
【００５４】
(キ)クランクピン５とメインジャーナル６とをクランクシャフト１の中心軸に垂直な平面に投影させた際に、メインジャーナル６の中心から離れる、クランクピン５の中心より外側の領域にキー溝１１Ａ及びキー１１が配置されている。このため、ピストン及びコンロッドを介して入力される燃焼荷重がクランクピン５に作用しても、キー溝１１Ａ及びキー１１は荷重方向の背面側にあり、前記燃焼荷重が作用せず、クランクシャフト１の耐久性を損なうことがない。
【００５５】
(ク)クランクピン５とメインジャーナル６とをクランクシャフト１の中心軸に垂直な平面に投影させた際に、クランクピン５の中心から離れる、メインジャーナル６の中心より外側の領域にキー溝１０Ａ及びキー１０が配置されている。このため、ピストン及びコンロッドを介して入力される燃焼荷重がクランクピン５からクランクウェブ７に作用しても、キー溝１０Ａ及びキー１０は荷重方向の背面側にあり、前記燃焼荷重が作用せず、クランクシャフト１の耐久性を損なうことがない。
【符号の説明】
【００５６】
１ クランクシャフト
２ ジャーナルユニット
３ クランクピンユニット
５ クランクピン
６ メインジャーナル
７ クランクウェブ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
クランクピン及びメインジャーナルと、これらを連結するクランクウェブとにより構成されるクランクシャフトであり、
前記クランクウェブは、メインジャーナルの軸端が挿入されるジャーナル側部材と、クランクピンの軸端が挿入されるピン側部材と、が一体に接合されて構成され、
前記メインジャーナル及びクランクピンの軸端は、前記ジャーナル側部材及びピン側部材への挿入部のジャーナル側部材とピン側部材の接合面側において、夫々前記ジャーナル側部材及びピン側部材と軸回りに全周溶接していることを特徴とするクランクシャフト。
【請求項２】
前記メインジャーナルまたはクランクピンが挿入される側部材の結合穴が、その背面側の終端において縮径した縮径部を備え、
前記メインジャーナルまたはクランクピンの軸端面と側部材の結合穴の縮径部とが、縮径部の端面に沿って全周に渡って溶接されてい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】
前記メインジャーナルまたはクランクピンが挿入される側部材の結合穴が、その背面側の終端において拡径した拡径部を備え、
前記メインジャーナルまたはクランクピンの軸外周面と側部材の結合穴の内周面とが、拡径部の端面に沿って全周に渡って溶接されてい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４】
前記メインジャーナルとクランクピンとの軸同士が、軸方向から見てオーバーラップしていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一つに記載のクランクシャフト。
【請求項５】
前記クランクウェブを構成するジャーナル側部材とピン側部材とが、その背面同士を接触させて接触面の周縁を外周側から全周溶接していることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一つに記載のクランクシャフト。
【請求項６】
前記クランクピンとメインジャーナルとをクランクシャフトの中心軸に垂直な平面に投影させた際に、クランクピンとメインジャーナルとの各中心を結んだ直線に沿った領域及び前記クランクピンとメインジャーナルの各中心を通り前記直線に対して垂直な直線に沿った領域を避けて、ジャーナル及びクランクピンの各側部材と軸部材との位置決めのためのキー溝及びキーを配置することを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一つに記載のクランクシャフト。
【請求項７】
前記クランクピンとメインジャーナルとをクランクシャフトの中心軸に垂直な平面に投影させた際に、メインジャーナルの中心から離れる、クランクピンの中心より外側の領域にキー溝及びキーが配置されていることを特徴とする請求項６に記載のクランクシャフト。
【請求項８】
前記クランクピンとメインジャーナルとをクランクシャフトの中心軸に垂直な平面に投影させた際に、クランクピンの中心から離れる、メインジャーナルの中心より外側の領域にキー溝及びキーが配置されていることを特徴とする請求項６に記載のクランクシャフト。
【請求項９】
前記メインジャーナルまたはクランクピンの軸端は、メインジャーナルまたはクランクピンが挿入される前記側部材に圧入嵌合されていることを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか一つに記載のクランクシャフト。
【請求項１０】
クランクピン及びメインジャーナルと、これらを連結するクランクウェブとにより構成されるクランクシャフトの製造方法であり、
前記メインジャーナルの軸端に圧入嵌合するジャーナル側部材とクランクピンの軸端に圧入嵌合するピン側部材とに分離して前記クランクウェブを形成し、
前記メインジャーナルの軸端を、前記ジャーナル側部材に挿入すると共に、ジャーナル側部材とピン側部材の接合面側と、ジャーナル側部材とを軸回りに全周溶接してジャーナルユニットを形成し、
前記クランクピンの軸端を、前記ピン側部材に挿入すると共に、ジャーナル側部材とピン側部材の接合面側と、ピン側部材とを軸回りに全周溶接してクランクピンユニットを形成し、
前記ジヤーナル側部材とピン側部材とを結合することにより、前記ジャーナルユニットとクランクピンユニットとを一体化させて形成す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１】
クランクピン及びメインジャーナルと、これらを連結するクランクウェブとにより構成されるクランクシャフトであり、
前記クランクウェブは、メインジャーナルの軸端が挿入されるジャーナル側部材と、クランクピンの軸端が挿入されるピン側部材と、が一体に接合されて構成され、
前記メインジャーナル及びクランクピンの軸端は、前記ジャーナル側部材及びピン側部材への挿入部のジャーナル側部材とピン側部材の接合面側において、夫々前記ジャーナル側部材及びピン側部材と軸回りに全周溶接していることを特徴とするクランクシャフト。
【請求項２】
前記メインジャーナルまたはクランクピンが挿入される側部材の結合穴が、その背面側の終端において縮径した縮径部を備え、
前記メインジャーナルまたはクランクピンの軸端面と側部材の結合穴の縮径部とが、縮径部の端面に沿って全周に渡って溶接されてい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】
前記メインジャーナルまたはクランクピンが挿入される側部材の結合穴が、その背面側の終端において拡径した拡径部を備え、
前記メインジャーナルまたはクランクピンの軸外周面と側部材の結合穴の内周面とが、拡径部の端面に沿って全周に渡って溶接されてい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４】
前記メインジャーナルとクランクピンとの軸同士が、軸方向から見てオーバーラップしていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一つに記載のクランクシャフト。
【請求項５】
前記クランクウェブを構成するジャーナル側部材とピン側部材とが、その背面同士を接触させて接触面の周縁を外周側から全周溶接していることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一つに記載のクランクシャフト。
【請求項６】
前記クランクピンとメインジャーナルとをクランクシャフトの中心軸に垂直な平面に投影させた際に、クランクピンとメインジャーナルとの各中心を結んだ直線に沿った領域及び前記クランクピンとメインジャーナルの各中心を通り前記直線に対して垂直な直線に沿った領域を避けて、ジャーナル及びクランクピンの各側部材と軸部材との位置決めのためのキー溝及びキーを配置することを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一つに記載のクランクシャフト。
【請求項７】
前記クランクピンとメインジャーナルとをクランクシャフトの中心軸に垂直な平面に投影させた際に、メインジャーナルの中心から離れる、クランクピンの中心より外側の領域にキー溝及びキーが配置されていることを特徴とする請求項６に記載のクランクシャフト。
【請求項８】
前記クランクピンとメインジャーナルとをクランクシャフトの中心軸に垂直な平面に投影させた際に、クランクピンの中心から離れる、メインジャーナルの中心より外側の領域にキー溝及びキーが配置されていることを特徴とする請求項６に記載のクランクシャフト。
【請求項９】
前記メインジャーナルまたはクランクピンの軸端は、メインジャーナルまたはクランクピンが挿入される前記側部材に圧入嵌合されていることを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか一つに記載のクランクシャフト。
【請求項１０】
クランクピン及びメインジャーナルと、これらを連結するクランクウェブとにより構成されるクランクシャフトの製造方法であり、
前記メインジャーナルの軸端に圧入嵌合するジャーナル側部材とクランクピンの軸端に圧入嵌合するピン側部材とに分離して前記クランクウェブを形成し、
前記メインジャーナルの軸端を、前記ジャーナル側部材に挿入すると共に、ジャーナル側部材とピン側部材の接合面側と、ジャーナル側部材とを軸回りに全周溶接してジャーナルユニットを形成し、
前記クランクピンの軸端を、前記ピン側部材に挿入すると共に、ジャーナル側部材とピン側部材の接合面側と、ピン側部材とを軸回りに全周溶接してクランクピンユニットを形成し、
前記ジヤーナル側部材とピン側部材とを結合することにより、前記ジャーナルユニットとクランクピンユニットとを一体化させて形成することを特徴とするクランクシャフトの製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１０−２１０００２（Ｐ２０１０−２１０００２Ａ）
【公開日】平成２２年９月２４日（２０１０．９．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−５６３２４（Ｐ２００９−５６３２４）
【出願日】平成２１年３月１０日（２００９．３．１０）
【出願人】（０００００３９９７）日産自動車株式会社 (16,386)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年９月２４日（２０１０．９．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年３月１０日（２００９．３．１０）
【出願人】（０００００３９９７）日産自動車株式会社 (16,386)
【Ｆターム（参考）】
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