JPH0152605B2

JPH0152605B2 -

Info

Publication number: JPH0152605B2
Application number: JP21677685A
Authority: JP
Inventors: Isao Machida; Tatsuya Iwamura; Yasushi Kawahito; Haruo Matsuyama; Yukimare Kishida; Tooru Okino
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 1985-09-30
Filing date: 1985-09-30
Publication date: 1989-11-09
Also published as: JPS6275118A

Description

【発明の詳細な説明】

Ａ発明の目的 (1) 産業上の利用分野本発明は金属製段付軸、特に大径部および該大
径部の端面に突設される小径部を備え、前記端面
と前記小径部外周面間の環状フイレツト部の外周
面を凹曲面に形成したものの改良に関する。 (2) 従来の技術従来、前記フイレツト部の凹曲面は、その軸方
向全長に亘つて一定の曲率半径を持つように形成
されている。 (3) 発明が解決しようとする問題点前記フイレツト部に凹曲面を設ける理由は、フ
イレツト部への応力集中を緩和し、段付軸の機械
的強度を向上させるためである。したがつて凹曲
面の曲率半径は、出来るだけ大きい方が良いが、
従来のように凹曲面の曲率半径を一定にするとフ
イレツト部の軸方向長さが小径部を支承する軸受
等により制限されているため凹曲面の曲率半径を
大幅に大きくすることができず、段付軸の機械的
強度の向上を十分に達成することができないとい
う問題がある。本発明は前記問題を解消し得る前記段付軸を提
供することを目的とする。Ｂ発明の構成 (1) 問題点を解決するための手段本発明は、前記フイレツト部の前記凹曲面を、
大径部側に配設される曲率半径の大きな第１曲面
と、該第１曲面にスムーズに連続し小径部側に配
設される曲率半径の小さな第２曲面とより構成し
たことを特徴とする。 (2) 作用フイレツト部において、応力集中の起こり易い
大径部側に曲率半径の大きい第１曲面が配設され
るので、その第１曲面により応力集中を緩和し、
段付軸の機械的強度を向上させることができる。
また応力集中の起こりにくい小径部側に曲率半径
の小さな第２曲面が配設されるので、段付軸の機
械的強度を何等損なうことがない。さらに両曲面
の曲率半径を前記のように設定することにより、
両曲面をスムーズに連続させて大径部と小径部間
の所定の範囲に収めることができる。 (3) 実施例第１図は段付軸としての内燃機関用クランク軸
１を示し、そのクランク軸１はクランク主軸２、
クランクアーム３およびクランクピン４よりな
り、それらは金属素材より一体に構成される。こ
の場合、クランクアーム３が大径部に、またクラ
ンク主軸２およびクランクピン４が小径部にそれ
ぞれ該当する。さらにクランク主軸２端部の大径
軸部２ａが大径部に、また小径軸部２ｂが小径部
にそれぞれ該当する。クランクアーム３の両端面
とクランク主軸２およびクランクピン４の外周面
間の環状フイレツト部Ｆ並びにクランク主軸２に
おける大径軸部２ａの端面と小径軸部２ｂの外周
面間の環状フイレツト部Ｆの外周面は、以下に述
べる凹曲面に形成される。各フイレツト部Ｆにおける凹曲面５は略同一の
構成を有するので、クランクアーム３とクランク
主軸２間の凹曲面５について説明すると、第２図
に示すように、凹曲面５はクランクアーム３側の
第１曲面５₁とクランク主軸３側の第２曲面５₁と
より構成される。第１曲面５₁の曲率半径R₁は大きく設定され、
また第２曲面５₂の曲率半径r₁は第１曲面５₁の曲
率半径R₁よりも小さく設定される（即ちR₁＞
r₁）。両曲面５₁，５₂の接続部ａは折れ点を生ず
ることなくスムーズに連続するように形成され
る。また第１曲面５₁のクランクアーム３側終端
部とクランクアーム３端面との接続部ｂは、その
端面が前記終端部に対し接平面をなすように形成
される。さらに第２曲面５₂のクランク主軸２側
終端部とクランク主軸２外周面との接続部ｃは折
れ点が生じるように形成される。この場合クランク主軸２は軸受部材６を介して
クランクケース７に支承されるので、フイレツト
部Ｆの軸方向長さはクランクアーム３端面とそれ
と対向する軸受部材６端面間に収まるように制限
を受ける。本発明においては前記のようにフイレツト部Ｆ
の凹曲面５を第１および第２曲面５₁，５₂より構
成し、また第１曲面５₁の曲率半径R₁を第２曲率
半径r₁よりも大きく設定したので、前記両端面間
に両曲面５₁，５₂を収めることができる。また応力集中の起こり易いクランクアーム３側
に曲率半径R₁の大きな第１曲面５₁を配設し、そ
の上クランクアーム３の端面を第１曲面５₁の終
端部に対し接平面をなすように連続させ、さらに
両曲面５₁，５₂の接続部に折れ点が生じないよう
に形成したので、第１曲面５₁により応力集中を
緩和してクランク軸１の機械的強度を向上させる
ことができる。第２曲面５₂の終端部とクランク
主軸２の外周面間との接続部ｃに折れ点が生じて
いても、第２曲面５₂側には応力集中が起こりに
くいので、前記折れ点によつてクランク軸１の機
械的強度が損なわれることはない。第２図点線示のフイレツト部F′は従来例に該当
し、その凹曲面５′の曲率半径r′は一定で、本発
明における凹曲面５の曲率半径R₁，r₁との間に
は、 R₁＞r′＞r₁ の関係がある。したがつて従来例においてはクランクアーム３
の端面に曲率半径r′の小さな凹曲面５′が連続す
ることになり、本発明に比べて従来例のものは機
械的強度が低くなる。表は前記クランク軸１に用いられる金属素材
例を示す。

【表】この種金属素材としては、炭素含有量が0.1重
量％以上に設定された炭素鋼および合金鋼が用い
られ、また引張強さが40Kg／mm²以上の鋳鉄、アル
ミニウム合金および銅合金が用いられる。炭素含有量が0.1重量％以上の炭素鋼としては、
表の炭素鋼Ａ、熱間鍛造後空冷処理を行うこと
により硬さを向上し得る表の炭素鋼Ｂ〜Ｄ、
JIS S10S〜S50C等の機械構造用炭素鋼が該当す
る。また炭素含有量が0.1重量％以上の合金鋼と
しては、表の合金鋼Ａで示すJIS SCr415、同
Ｂで示すJIS SCr435等のクロム鋼、JIS
SCM435等のクロムモリブデン鋼等が該当する。引張強さが40Kg／mm²以上の鋳鉄としては、表
の鋳鉄Ａで示すJIS FCMP50等のパーライト可
鍛鋳鉄、表の鋳鉄Ｂで示すJIS FCD55等の球
状黒鉛鋳鉄等が該当する。また引張強さが40Kg／mm²以上のアルミニウム合
金としては、表の高力アルミニウム合金Ａで示
すJIS 2017、同合金Ｂで示すJIS 7075等が該当す
る。さらに引張強さが40Kg／mm²以上の銅合金として
は、表の高力黄銅Ａで示すJIS HB_SC1、同合
金Ｂで示すJIS HB_SC2等が該当する。次に前記各種金属素材における代表的な化学成
分の役割について述べる。 (a) 炭素鋼および合金鋼について炭素は、これら鋼の心部の硬さを増し、また軟
窒化処理による表面硬化に寄与するが、炭素含有
量が0.1重量％を下回るとこのような機能を発揮
することができない。特に軟窒化処理においては
炭素含有量を0.1〜0.5重量％に設定すると、機械
的および化学的性質の優れた表面硬化層を得るこ
とができる。クロムおよびアルミニウムは軟窒化促進成分と
して機能する。ただし、バナジウムを添加した炭
素鋼Ｂ〜Ｄにおいてはクロム含有量が0.5重量％
を上回ると硬化深さが増して歪取り矯正能の低下
を来たすので、クロム含有量は0.5重量％以下に
設定される。この現象はアルミニウム含有量が
0.2重量％を上回つた場合にも発生するので、ア
ルミニウム含有量は0.2重量％以下に設定される。バナジウムは中炭素の鋼種ベースに添加され、
熱間鍛造後適切な空冷処理を施すことによつて内
外均一な析出硬化現象を発生する。これにより焼
入れ焼戻し処理を施すことなく、その処理を施し
た場合と同等の硬さを得ることができる。ただ
し、バナジウム含有量が0.3重量％を上回ると靱
性の低下を来たすので、バナジウム含有量は0.3
重量％以下に設定される。チタン、ジルコン、ニオブ＋タンタルから選択
される一種以上の化学成分を0.3重量％以下添加
すると、その化学成分による析出硬化現象より強
度を向上させることができる。ただし、前記化学
成分の含有量が0.3重量％を上回ると軟窒化性が
低下する。ケイ素、マンガン、銅、モリブデン、タングス
テン、コバルトをそれぞれ1.5重量％以上添加す
ると、マトリツクスを強化することができる。た
だし、前記化学成分の含有量が1.5重量％を上回
ると軟窒化性が低下する。イオウ0.15重量％以下、鉛0.3重量％以下、テ
ルル0.1重量％以下、セレン0.3重量％以下にする
と被削性が向上するが、各化学成分が上記含有量
を上回ると靱性が低下する。 (b) アルミニウム合金についてクロム含有量を0.3重量％程度に設定すると、
応力腐食割れを防ぎ、強度を向上させることがで
きる。銅は時効硬化促進成分として機能し、要求硬さ
を満たすためにはその含有量を4.0〜4.8重量％に
設定するのが良いが、反面機械加工性が若干低下
する。マグネシウムは応力腐食割れを防ぐ効果を発揮
し、そのためにマグネシウム含有量を２〜３重量
％に設定するのが良い。またマグネシウムは硬さ
を向上させる効果を発揮し、そのためにはマグネ
シウム含有量を２重量％程度に設定すれば良い。亜鉛は時効硬化促進成分として機能し、その含
有量を６重量％程度に設定することによつて最大
硬さを得ることができる。前記アルミニウム合金は、その基本強度が低い
ので所定の熱処理、例えばJIS 7075の場合には
T6処理を施して強度の向上が図られている。前記銅合金、即ち高力黄銅等は前記炭素鋼や合
金鋼と同等の強度を有するので段付軸用金属素材
として実用性を有する。前記段付軸は前記金属素材に熱間鍛造加工を施
して成形され、成形後そのまま使用に供される
か、または強度向上等の目的で全体または部分的
に冷間押圧加工を施して使用に供される。前記炭素鋼、合金鋼および鋳鉄といつた金属素
材を用いた場合には、押圧加工における押圧力は
200〜900Kg／mm²に設定される。押圧力が200Kg／
mm²以下では強度向上のための一要素である面粗度
の向上を図ることができず、一方900Kg／mm²以上
では押圧工具の寿命の短縮、押圧面の剥離、段付
軸の曲がり等の不具合を発生する。前記アルミニウム合金および鋼合金といつた金
属素材を用いた場合は、押圧力は100〜400Kg／mm²
に設定される。押圧力が100Kg／mm²以下では十分
なヤング率および硬さを得ることができず、一方
400Kg／mm²以上では主として段付軸の曲がり等の
不具合を発生する。前記フイレツト部Ｆの形成は、一般にローラを
用いた表面圧延加工により行われる。前記表の炭素鋼Ａ，Ｂ、鋳鉄Ａ，Ｂ、高力ア
ルミニウム合金Ｂおよび高力黄銅Ｂを用いて、従
来の曲率半径r′を持つフイレツト部F′を備えたク
ランク軸と、本発明の大、小二種の曲率半径R₁，
r₁を持つフイレツト部Ｆを備えたクランク軸を製
造し、各クランク軸に油圧サーボ式疲れ試験機を
用いて繰返し曲げ回数Ｎ＝１×10⁷回の疲れ試験
を施し、荷重レベルの疲労限界を求めた。表は従来のフイレツト部F′を備えたクランク
軸の場合に、また表は本発明のフイレツト部Ｆ
を備えたクランク軸の場合にそれぞれ該当する。表，において、熱処理の欄に記載された各
処理がクランク軸に施され、また冷間押圧加工の
欄の「実施」、「−」はその加工を施した場合と施
さなかつた場合にそれぞれ該当し、さらに強度向
上比は、従来のフイレツト部F′を持つ炭素鋼Ａ製
クランク軸に焼入れ焼戻し処理のみを施した場合
を基準値1.0とし、それに対する比を示している。

【表】

【表】前記表，から明らかなように、各種条件を
同一に設定した場合において本発明に係る前記フ
イレツト部Ｆを備えたクランク軸の場合は従来例
の前記フイレツト部F′を備えたクランク軸に比べ
て機械的強度が向上している。この場合炭素鋼Ａ，Ｂおよび鋳鉄Ａ，Ｂを用い
たクランク軸に軟窒化処理を施すと焼入れ焼戻し
処理等を施したものに比べて機械的強度が向上す
ることが明らかである。第３図は本発明の他の実施例を示し、フイレツ
ト部Ｆの凹曲面５を大きな曲率半径R₂を有する
第１曲面５₁と小さな曲率半径r₂を有する第２曲
面５₂とより構成し、第２曲面５₂のクランク主軸
２側終端部とクランク主軸２外周面との接続部ｃ
を、そのクランク主軸２の母線を含む平面が前記
終端部に対し接平面をなすように形成したもので
ある。なお、本発明は第１曲面５₁の曲率半径が接続
部ｂから同ａに向けて漸減する場合も含むもの
で、結果的に第１曲面の曲率半径が大きければよ
い。Ｃ発明の効果本発明によれば、応力集中の起こり易い大径部
側に曲率半径の大きい第１曲面を配設するので、
この第１曲面により応力集中を緩和し、段付軸の
機械的強度を向上させることができる。また応力
集中の起こりにくい小径部側に曲率半径の小さな
第２曲面を配設するので、段付軸の機械的強度を
何等損なうことがない。さらに両曲面の曲率半径
を前記のように設定することにより、両曲面をス
ムーズに連続させて大径部と小径部間の所定の範
囲に収めることができ、段付軸の他の部位に何等
設計変更を行う必要がない。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の正面図、第２図は
第１図矢視部の拡大断面図、第３図は第２図と
同様の拡大断面図である。Ｆ…フイレツト部、R₁，r₁…曲率半径、１…段
付軸としてのクランク軸、２…小径部としてのク
ランク主軸、３…大径部としてのクランクアー
ム、５…凹曲面、５₁，５₂…第１、第２曲面。

Claims

【特許請求の範囲】１大径部および該大径部の端面に突設される小
径部を備え、前記端面と前記小径部外周面間の環
状フイレツト部の外周面を凹曲面に形成した金属
素材製段付軸において、前記フイレツト部の前記
凹曲面を、大径部側に配設される曲率半径の大き
な第１曲面と、該第１曲面にスムーズに連続し小
径部側に配設される曲率半径の小さな第２曲面と
より構成したことを特徴とする金属素材製段付
軸。２前記金属素材は炭素含有量を0.1重量％以上
に設定された炭素鋼よりなる、特許請求の範囲第
１項記載の金属素材製段付軸。３前記金属素材は炭素含有量を0.1重量％以上
に設定された合金鋼よりなる、特許請求の範囲第
１項記載の金属素材製段付軸。４前記金属素材は引張強さ40Kg／mm²以上の鋳鉄
よりなる、特許請求の範囲第１項記載の金属素材
製段付軸。５前記金属素材は引張強さ40Kg／mm²以上のアル
ミニウム合金よりなる、特許請求の範囲第１項記
載の金属素材製段付軸。６前記金属部材は引張強さ40Kg／mm²以上の銅合
金よりなる、特許請求の範囲第１項記載の金属素
材製段付軸。