JP2005305450A - 鋳造中空クランクシャフト及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 鋳抜きによる鋳造中空クランクシャフトの更なる軽量化と共に、クランクシャフト製造時の中子の撓み及び鋳湯時の浮き上がりをなくして正確且つ製造性に優れ、更に油孔加工を不要とする。
【解決手段】 内燃機関の鋳造中空クランクシャフトにおいて、ジャーナル部及び／又はピン部の中空部断面が楕円形状を為し且つジャーナル部及びピン部の油孔が中子により鋳抜いて形成されている。アーム部の中空部断面も楕円形状を為している。水平方向に屈曲し且つジャーナル部分及び／又はピン部分に断面が垂直方向に長径部を備えた楕円形状の中子を用いる。水平方向に屈曲し且つジャーナル部分及び／又はピン部分に鋳型に向かって伸びる複数の幅木部を備えた又は垂直方向に鋳型に向かって伸びる複数の幅木部を備えた中子を、鋳ぐるみ、中空部及び油孔を一体に形成する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、内燃機関に使用される鋳造中空クランクシャフト、特に軸部を鋳抜いた中空クランクシャフトおよびその製造方法に関する。

内燃機関は低燃費且つ高性能化が要求され、クランクシャフトも軽量化及び摩擦損失の低減が求められている。更に、近年の低コスト化により製造工程の簡素化は不可欠である。鋳造クランクシャフトの材料には、一般的にダクタイル鋳鉄などが用いられている。然し、機械的性質を確保するために軸径等を大きくとる必要から全体の重量が増し、起動時のトルクが大きくなる等の問題があった。

この問題の解決策として、薄肉金属パイプを鋳ぐるみによって融着させ中空とすることで、軽量化と同時に油孔加工を省略したクランクシャフトが知られている（例えば、特許文献１参照）。然しながら、これでは、中空部と成る軸方向に屈曲した薄肉金属パイプに油孔部と成る小径パイプを枝状に備えた薄肉金属パイプの製造が困難であり、又、鋳込み時にパイプのチラー効果によってクランクシャフト内部が硬化することでの靭性不足や、パイプと鋳鉄材との密着性やパイプ表面の酸化物等を原因とした内部欠陥発生等製造技術、品質及びコスト等などの問題を有しており実用的ではない。

又、クランクシャフトのピン部、ジャーナル部及びアーム部を中子により連続して鋳抜いて軽量化することが知られている（例えば、特許文献２参照）。これによるアーム部中子の強度不足を指摘し、クランクシャフトアーム部肩部にふくらみ部を設けることでアーム部中子の断面積を大きくし、中子全体を両端部の幅木で支える構造とすることが知られている（例えば、特許文献３参照）。然しながら、クランクシャフトには大きな応力が掛かるため、アーム部の鋳抜きによる薄肉化にも限度があり、エンジン設計上からふくらみ部のサイズや位置も制約される。又、中子全体を両端部の幅木で支える構造において、アーム部中子断面積を大きくしても、クランクシャフト軽量化のためにジャーナル部やピン部の中子がアーム部に比べて大きく重くなることからアーム部の中子強度が十分とは言えない。特に、多気筒用クランクシャフト等に屈曲した一体中子を用いると、屈曲のないストレートな中子と異なり部分的に大きな応力が掛かるため、アーム部中子断面積を大きくしても強度は不足する。その結果、鋳型に中子をセットしたときに中子が撓んだり、鋳湯時に中子が浮き上がる若しくは破損する問題がある。

中子の強度不足を補うためにケレンが一般的には用いられる。然し、ケレンは種々の金属被膜処理、例えば鋳鉄鋳物用のケレンでは錫メッキによる防食処理がなされた溶湯とは異なる材質成分を含むと共に、ケレンが最終的に溶湯と溶融接着して鋳物の一部となることから、中空クランクシャフトには好ましい方法ではない。更に、中空部に鋳砂が残留すると、使用時に脱落してエンジンに大きな影響を与えるため、鋳抜き後の中空部の鋳砂を完全に取り除く必要から技術的問題も有している。又、クランクシャフトのジャーナル部やピン部の油孔は加工により設けられているため、バリや切子が中空部に残留して前記同様の問題を有している。

尚、一般に中子強度の向上には、鋳砂へのレジン添加量の増量等が行われることがあるが、レジンの増量はガス発生を伴い、結果として内部欠陥を発生させる可能性が大きく好ましい対策ではない。
このため、近年では、ジャーナル部からピン部のコンロッド軸受部に貫通孔を加工により開け、コンロッドとピン部へのオイル供給はジャ−ナル部に開けた供給口から行う手段が主に用いられている（例えば、特許文献４や非特許文献１参照）。
特開昭５６−１４７９１４号公報 実開昭５７−１３９７２２号公報 実開昭５９−１７７８２０号公報 特開平０７−０２７１２６号公報 自動車技術ハンドブック＜第２分冊＞設計偏１９９１年精興社 （Ｐ８４）

然しながら、上述の加工での方法によると、上述した鋳造法のような大幅な軽量化は不可能であり、更にシリンダブロックのアルミ化により、ジャーナル部のクリアランスが熱膨張差から大きくなり、ジャーナル部からのクランクシャフトへのオイル供給の際にオイル漏れが増大してオイル供給効率が悪くなるという問題がある。又、ジャーナル部からコンロッド軸受部へ斜めにオイル孔を加工するという困難な工程を必要としており、製造面及びコスト面において問題がある。

そこで、本発明者等は上述の課題を解決するために鋭意研究を行った結果、中子断面を楕円形状とし、中子と一体化した幅木部をクランクシャフトのジャーナル部とピン部の油孔部に設けて鋳込みを行うことで、軽量化と同時に油孔を形成し、更に中子の撓み及び鋳湯時の浮き上がりを効果的に防止できることを見出し、本発明を完成するに至った。
本発明は斯かる実験に基づいて為されたもので、鋳抜きによる鋳造中空クランクシャフトの更なる軽量化と共に、クランクシャフト製造時の中子の撓み及び鋳湯時の浮き上がりをなくして正確且つ製造性に優れ、更に油孔加工が不要な鋳造中空クランクシャフト及びその製造方法を提供することを目的とする。

請求項１に係る発明は、内燃機関の鋳造中空クランクシャフトにおいて、ジャーナル部及び／又はピン部の油孔が中子により鋳抜いて形成されていることを特徴とする。
請求項１に係る発明においては、油孔を形成する幅木部は、中空部を形成する中子と一体で成形してもよく、中子に後から組み付けて一体化させてもよい。中子と一体化した幅木部により油孔を後加工を必要とせずに形成することが可能となる。

請求項２に係る発明は、請求項１記載の鋳造中空クランクシャフトにおいて、ジャーナル部及び／又はピン部の中空部断面が楕円形状を為していることを特徴とする。
請求項２に係る発明によれば、中空部断面を楕円形状とすることで、クランクシャフトの一層の軽量化を図ることができる。又、中空部断面を楕円形状とすることで、ピン部とジャーナル部の中空化はクランクシャフトの軽量化に効果的であり、強度を要する位置（方向）の肉厚を厚くし、他部分を薄肉化した楕円形状とすることで最適な軽量化が可能となる。又、製造面でも屈曲中子の変曲部となるピン部とジャーナル部の強度向上が必要であり、楕円中空形状により中子強度向上にも効果がある。更に、楕円形状とすることで油孔形成中子（幅木）を短くできることによるメリットもある。

請求項３に係る発明は、請求項１又は請求項２記載の鋳造中空クランクシャフトにおいて、アーム部の中空部断面が楕円形状を為していることを特徴とする。
請求項３に係る発明によれば、中空部断面を楕円形状とすることで、アーム部の中空化はクランクシャフトの軽量化に効果的であり、強度を要する位置（方向）の肉厚を厚くし、他部分を薄肉化した楕円形状とすることで最適な軽量化が可能となる。又、製造面でも屈曲中子のアーム部の強度向上が必要であり、楕円中空形状により中子強度向上にも効果がある。

請求項４に係る発明は、請求項１乃至請求項３記載の鋳造中空クランクシャフト又はその素材の製造において、水平方向に屈曲し且つジャーナル部分及び／又はピン部分に断面が垂直方向に長径部を備えた楕円形状の中子を用いることを特徴とする。
請求項４に係る発明においては、垂直方向に長径部を備えた楕円形状とすることにより、中子自体の強度向上ができると共に、垂直方向に油孔を形成する幅木部となる中子の長さを短くすることが可能となり、中子をより安定させることができる。

なお、ここで、素材とは鋳造後の未加工のものを意味する。
又、垂直方向に長径部を備えた楕円形状とは、両端部で支える中子構成においては、重力により支点間の部分に撓む方向の力が掛かること、逆に溶湯注湯時に中子には浮力が掛かるため、垂直方向を厚くした楕円形状とし中子強度を高くすることでズレ等を防止できる。更に、垂直方向の中子の一部を幅木とすることでズレ防止を確実にできる。

請求項５に係る発明は、請求項４記載の鋳造中空クランクシャフト又はその素材の製造において、水平方向に屈曲し且つジャーナル部分及び／又はピン部分に鋳型に向かって伸びる複数の幅木部を備えた中子を鋳ぐるみ、中空部及び油孔を一体に形成することを特徴とする。
請求項５に係る発明においては、中子自体で重量の大きいジャーナル部分若しくはピン部分又はジャーナル部分及びピン部分を幅木により固定することが可能となるため、中子の補強のためのケレンを必要とせずに正確な鋳込みが容易にできると同時に後加工が不要な油孔を形成することができる。

請求項６に係る発明は、請求項４又は請求項５記載の鋳造中空クランクシャフト又はその素材の製造において、水平方向に屈曲し且つジャーナル部分及び／又はピン部分に垂直方向に鋳型に向かって伸びる複数の幅木部を備えた中子を鋳ぐるみ、中空部及び油孔を一体に形成したことを特徴とする。
請求項６に係る発明においては、中子自体で重量の大きいジャーナル部分若しくはピン部分又はジャーナル部分及びピン部分を垂直方向に伸びた幅木により上下から固定することが可能となるため、中子の補強のためのケレンを必要とせずにより正確な鋳込みが容易にできると同時に後加工が不要な油孔を形成することができる。

請求項７に係る発明は、請求項４乃至請求項６の何れか１項記載の鋳造中空クランクシャフト又はその素材の製造において、アーム部分の中子の断面が垂直方向に長径部を備えた楕円形状を為していることを特徴とする。

本発明によれば、中子を使用してクランクシャフト内部を中空とすることにより、機械的性質を低下させることなく軽量化と、ジャーナル部とピン部との油孔を一体で形成することで油孔の加工レス化を可能とした。
又、本発明によれば、中空部を楕円形状とし且つジャーナル部及び／又はピン部の油孔を中子により鋳抜くことにより、クランクシャフトの一層の軽量化を図ることができると同時に製造性向上による低コスト化ができる。

又、本発明の製造方法によれば、水平方向に屈曲し且つジャーナル部分及び／又はピン部分に幅木部を備えた中子を用いることで中子を確実に固定可能となり、正確な鋳込みができると同時に油孔を形成することができる。更に、ジャーナル部やピン部の中子を垂直方向に長径部を有する楕円形状とすることで中子自体の強度向上とクランクシャフトの軽量化が可能となる。

以下、本発明の鋳造中空クランクシャフト及びその製造方法の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
図１及び図２は、本発明の一実施形態に係る鋳造中空クランクシャフト（素材）の断面図である。
クランクシャフト本体１は、水平方向に複数の屈曲部を有し且つ断面が楕円形状のジャーナル部４及びアーム部１５と断面が円形状のピン部５と両端軸部を貫通した中空部３とを有している。ピン部５と両端軸部の断面を楕円形状にすることもできる。

ジャーナル部４及びピン部５は、中子と一体化した幅木により複数の油孔６を形成している。ジャーナル部４及びピン部５の油孔６は、ジャーナル部４及びピン部５それぞれについて上下の一方又は両方に設けることができる。油孔６のサイズは、クランクシャフト自体の大きさ等にもよるが、一般に自動車用エンジンにおいてはφ５ｍｍ以下が好ましい。

クランクシャフト本体１は、コンロッド軸受部のピン部７と、釣り合い錘りのクランクウェイト８とを備えている。
本実施形態では、ジャーナル部４のみを中空部断面が楕円形状とした場合について説明したが、ジャーナル部４及びピン部５の両方、又はピン部５だけでも良い。両方が最も好ましい実施形態であるが、クランクシャフトの形状サイズによってはどちらか一方の場合もあり得る。

又、中空クランクシャフトのアーム部１５の中空部断面を楕円形状とする理由は、ジャーナル部４及びピン部５と同様である。
図５及び図７は、図１に示した鋳造中空クランクシャフト（素材）のジャーナル部４及びピン部５の径方向断面である。ここでは、中空部３が垂直方向に長径の楕円形状で上下方向に油孔６を備えている。本実施形態においては、中空部断面の楕円形状の長径と短径の比は３：２としているが、強度を確保できる範囲で変更が可能である。更に、軽量化のために、強度などに問題ない範囲で図６に示した角丸四角形等としても良い。

次に、本実施形態に係る中空クランクシャフトの製造について説明する。
図３及び図４に示す鋳型（砂型）９を造型後、上型を被せる前に下型に中子２の両端部を幅木部１１として支え、同時にジャーナル部分１２とピン部分１３の幅木部も鋳型（砂型）９に固定し、中子２の変形及びズレを防止した後、上型を組み付け、溶湯を注入して各部の中空部を形成すると同時にジャーナル部４とピン部５の油孔６も形成している。

ここで、幅木部１１とは、中子２を鋳型（砂型）９に固定するための柄に当たる部分のことを言い、本実施形態では、柄に当たる部分が両端に位置する。又、中子２を鋳型（砂型）９に固定することからジャーナル部分１２、ピン部分１３も幅木部となる。そして、本実施形態では、φ５ｍｍ以下で抜け勾配を有する略円錐形状のジャーナル部分１２、ピン部分１３により油孔６を形成している。

鋳造に用いる材料としては、ＦＣＤ７００等のダクタイル鋳鉄や合金鋳鉄等を用いることができる。
又、ジャーナル部分１２とピン部分１３の幅木部以外に、クランクシャフトのピン側面部１４の水平方向に幅木部を形成して開口部を設けても良い。これにより中子２の水平方向の固定を確実に行うと同時に、開口部からショットブラスト等の脱砂処理を容易に行うことができる。

尚、本実施形態に係る鋳造中空クランクシャフトの製造方法による中空部３と油孔６を一体で鋳造した鋳造中空クランクシャフト（素材）の脱砂処理には、コリーン処理等の溶融塩処理を行うことでき、本実施形態に係る鋳造中空クランクシャフトの製造方法とコリーン処理を組み合わせて行うこともできる。
以上のように、本実施形態に係る鋳造中空クランクシャフトの製造方法により鋳造した中空クランクシャフトは、内部に収縮巣等の欠陥のない健全な中空鋳造品とすることができ、中実鋳造品に比べ１０〜２０％の重量軽減が可能となる。又、潤滑油をクランクシャフト端部からのセンター給油とすることができ、効率の良いオイル潤滑経路となる。更に、中子の製造、セッテイング等が簡略化でき、油孔加工が不要となるため製造性が向上している。

又、本実施形態における鋳造中空クランクシャフトの軽量化は、外側から軽量化を図るのではなくクランクシャフトのジャーナル部４、ピン部５の内側から軽量化を図るものであるから、クランクシャフトの最大応力はピン部５のローレット加工の隅Ｒ部に発生するが、この部分の応力を低下させずに曲げ剛性を確保した形状とすることができる。

本発明の一実施形態に係る鋳造中空クランクシャフトの断面図である。 図１のＡ−Ａ断面である。 本発明の製造方法に用いる鋳型及び中子の部分断面図（垂直方向）の例である。 本発明の製造方法に用いる鋳型及び中子の部分断面図（水平方向）の例である。 図２のＢ−Ｂ断面図の一例である。 図２のＢ−Ｂ断面図の別の例である。 図２のＣ−Ｃ断面図の一例である。

符号の説明

１ クランクシャフト本体
２ 中子
３ 中空部
４ ジャーナル部
５ ピン部
６ 油孔
７ コンロッド軸受け部のピン部
８ クランクウェイト
９ 鋳型（砂型）
１１ 幅木部
１２ ジャーナル部分
１３ ピン部分
１４ ピン側面部
１５ アーム部

Claims (7)

1. 内燃機関の鋳造中空クランクシャフトにおいて、ジャーナル部及び／又はピン部の油孔が中子により鋳抜いて形成されていることを特徴とする鋳造中空クランクシャフト。
2. 請求項１記載の中空クランクシャフトにおいて、ジャーナル部及び／又はピン部の中空部断面が楕円形状を為していることを特徴とする鋳造中空クランクシャフト。
3. 請求項１又は請求項２記載の鋳造中空クランクシャフトにおいて、アーム部の中空部断面が楕円形状を為していることを特徴とする鋳造中空クランクシャフト。
4. 請求項１乃至請求項３の何れか１項記載の鋳造中空クランクシャフト又はその素材の製造において、水平方向に屈曲し且つジャーナル部分及び／又はピン部分に断面が垂直方向に長径部を備えた楕円形状の中子を用いることを特徴とする鋳造中空クランクシャフトの製造方法。
5. 請求項４記載の鋳造中空クランクシャフト又はその素材の製造において、水平方向に屈曲し且つジャーナル部分及び／又はピン部分に鋳型に向かって伸びる複数の幅木部を備えた中子を鋳ぐるみ、中空部及び油孔を一体に形成することを特徴とする鋳造中空クランクシャフトの製造方法。
6. 請求項４又は請求項５記載の鋳造中空クランクシャフト又はその素材の製造において、水平方向に屈曲し且つジャーナル部分及び／又はピン部分に垂直方向に鋳型に向かって伸びる複数の幅木部を備えた中子を鋳ぐるみ、中空部及び油孔を一体に形成することを特徴とする鋳造中空クランクシャフトの製造方法。
7. 請求項４乃至請求項６の何れか１項記載の鋳造中空クランクシャフト又はその素材の製造において、アーム部分の中子の断面が垂直方向に長径部を備えた楕円形状を為していることを特徴とする鋳造中空クランクシャフトの製造方法。

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