JP2005147376A - リンク機構の軸受組立体及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 合わせ面１４に沿う方向Ａの摩擦係数を高めて、ボルト軸力を低減し、ボルト１６を含めたロアリンク１の小型化及び軽量化を図る。
【解決手段】 軸受組立体としてのロアリンク１は、円筒状をなす主軸受部１２の直径方向に沿う合わせ面１４で２本のボルト１６により互いに締結される一対の軸受分割部材１２１，１２２からなる。各軸受分割部材１２１，１２２のピンボス１１，１３にはそれぞれリンク部品が連結される。機械加工により合わせ面１４に主軸受部１２の軸直交方向Ａを長手方向とする凹凸状のツールマークを形成する。
【選択図】 図４

Description

本発明は、リンク機構の軸受組立体に関し、特に、内燃機関の可変圧縮比機構のロアリンクとして好適な軸受組立体に関する。

特許文献１や特許文献２には、内燃機関の機関圧縮比を変更可能な可変圧縮比機構が開示されている。この可変圧縮比機構は、クランクシャフトのクランクピンに回転可能に取り付けられたロアリンクと、このロアリンクと燃焼室を画成するピストンとを連係するアッパリンクと、ロアリンクに一端が連結され、ロアリンクの自由度を規制するコントロールリンクと、を備えている。ロアリンクの他端の揺動支点位置を運転条件に応じて変更することにより、ロアリンクの姿勢が変化し、これに伴ってピストンの上死点位置、ひいては圧縮比が変化する。ロアリンクは、例えば特許文献２に示すように、クランクピンが嵌合する円筒状の主軸受部の直径方向に沿う合わせ面で複数のボルトにより互いに締結される一対の軸受分割部材から構成され、クランクピンに後から組付可能な軸受組立体として構成されている。
特開２００３−９７２８８号公報 特開２００２−６１５０１号公報

上記のロアリンクには、アッパリンク及びコントロールリンクが連結されているため、これらのアッパリンク及びコントロールリンクより荷重が作用し、この荷重に対する反力がクランクピンから主軸受部に作用する。このような力に起因して、上記の合わせ面には、主軸受部の軸直交方向（径方向）に沿う力、つまり一対の軸受分割部材を軸直交方向に互いに滑らそうとする力が作用する。合わせ面の位置を変えても、各リンクの運動に伴ってロアリンクに作用する荷重の方向が変わるために、やはり合わせ面には上記の滑らそうとする力が作用する。このような力に起因して一対の軸受分割部材が合わせ面で互いにずれると、クランクピンに対する主軸受部の摺動面形状を歪ませることになり、摩耗や摩擦が増大する。このような合わせ面での軸直交方向での滑りを解消するために、ボルト軸力を増大すると、ボルトの寸法や重量が増加し、ひいてはリンク機構の大型化や重量増加を招いてしまう。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、合わせ面における軸直交方向・径方向の摩擦係数を有効に向上して、この軸直交方向に沿う合わせ面での滑り現象を軽減・解消することを主たる目的としている。

本発明に係るリンク機構の軸受組立体は、円筒状をなす主軸受部の直径方向に沿う合わせ面で複数のボルトにより互いに締結される一対の軸受分割部材からなり、これら軸受分割部材の少なくとも一方にリンク部品が連結される。上記合わせ面に主軸受部の軸直交方向を長手方向とする凹凸が形成されている。

本発明によれば、合わせ面における軸直交方向の摩擦係数が大きくなり、軸直交方向での合わせ面に沿う両軸受分割部材の滑りに対する抵抗力を高めることができる。従って、両軸受分割部材を締結するボルト軸力が少なくて済み、ボルトを含めた軸受組立体の小型化及び軽量化を図ることができる。

以下、本発明を、内燃機関の可変圧縮比機構のロアリンクに適用した一実施例について、図面を参照して詳細に説明する。

図１に示すように、内燃機関の機関本体としてのシリンダブロックＳＢには、燃焼圧力を受けるピストン２が昇降可能に嵌合する円筒状のシリンダ７が形成されている。シリンダ７の下方には気筒列方向に延びるクランクシャフト３が設けられている。このクランクシャフト３は、主ベアリングキャップ９ａを介してシリンダブロックＳＢに回転可能に支持されている。

可変圧縮比機構は、ピストン２とクランクシャフト３とを連係する複リンク機構としてのピストン−クランク機構であって、クランクシャフト３のクランクピン６１に回転可能に取り付けられる軸受組立体としてのロアリンク１と、このロアリンク１とピストン２とを連係するアッパリンク２１と、機関圧縮比を変更するためにロアリンク１の運動拘束条件を変化させる可変圧縮比手段と、を有している。アッパリンク２１の一端とピストン２とはピストンピン４により回転可能に連結されており、アッパリンク２１の下端とロアリンク１とは第１連結ピン６３により回転可能に連結されている。なお、図中の太線はリンク中心線を表している。

上記の可変圧縮比手段は、制御軸８と、この制御軸８に偏心して設けられた偏心軸部６４と、この偏心軸部６４とロアリンク１とを連係するコントロールリンク２３と、を有している。制御軸８は、クランクシャフト３の斜め下方を気筒列方向に延びており、複ベアリングキャップ９ｂ及び主ベアリングキャップ９ａを介してシリンダブロックＳＢに回転可能に支持されている。コントロールリンク２３の一端とロアリンク１とは第２連結ピン６２により回転可能に連結されており、コントロールリンク２３の他端は偏心軸部６４に回転可能に嵌合している。

制御軸８は、図示せぬアクチュエータにより回転位置が変更・保持される。このアクチュエータは、周知の電子制御ユニットにより機関運転状態に応じて制御される。制御軸８の角度位置を変更することにより、コントロールリンク２３の揺動支点である偏心軸部６４の中心位置がシリンダブロックＳＢに対して変位する。これにより、コントロールリンク２３によるロアリンク１の運動拘束条件が変化して、機関圧縮比が変化する。

このような可変圧縮比機構は、機関運転状態に応じて機関圧縮比を連続的に変更・制御できることに加え、次に述べるような作用効果を奏する。ピストン２とクランクピン６１とを複数のリンク部品（アッパリンク２１及びロアリンク１）により連係する複リンク式のピストン−クランク機構であるため、ピストンとクランクピンとを一本のコンロッドにより連係する単リンク式のピストン−クランク機構に比して、ピストンのストローク特性そのものを例えば単振動特性のような適正な特性に近づけることが可能である。コントロールリンク２３をロアリンク１に連結しているため、制御軸８を比較的スペースに余裕のあるクランクシャフト１の斜め下方のクランクケース内に配置することができる。従って、制御軸８及びそのアクチュエータやコントロールリンク２３をクランクケース内に容易に収容・配置することが可能で、機関搭載性に優れている。

図２〜４は、軸受組立体としてのロアリンク１を示している。ロアリンク１は、クランクピン６１が回転可能に嵌合する軸受孔が形成された円筒状をなす主軸受部１２を有し、かつ、この主軸受部１２の直径に沿う平坦な平面である合わせ面で２本のボルト１６により締結される第１軸受分割部材１２１及び第２軸受分割部材１２２により構成されている。つまり、クランクピン６１に後から組付可能な一対の軸受分割部材１２１，１２２により構成されている。ボルト１６は、主軸受部１２を挟んで両側２箇所に配置され、一方の第２軸受分割部材１２２を貫通して、合わせ面１４を直交して横切り、他方の第１軸受分割部材１２１に螺合する。

各軸受分割部材１２１，１２２は、高強度な金属材料により形成されており、主軸受部１２の略半分を有し、その合わせ面１４には、後述する機械加工が施されている。第１軸受分割部材１２１には、アッパリンク２１との接続点として、第１連結ピン６３が嵌合する円筒状の第１ピンボス１１が形成されている。この第１ピンボス１１を挟み込むように、アッパリンク２１の一端には、図２に示すように、２つの円筒状の軸受としてのピンボス２１ａが二股状に分岐して形成されている。第２軸受分割部材１２２には、コントロールリンクとの接続点として、第２連結ピン６２が嵌合する円筒状の一対の第２ピンボス１３が形成されている。第２ピンボス１３は、コントロールリンクの端部（ピンボス）を挟み込むように二股状に分岐して形成されている。第１ピンボス１１と第２ピンボス１３とは、主軸受部１２を挟んで略反対側に配置されている。但し、両者１１，１３は主軸受部１２の同一直径線上には配置されていない。

なお、図４及び図７にも示すように、合わせ面１４には、一方のボルト１６の孔の周囲に凹部３１が形成されている。これにより、合わせ面１４におけるボルト１６近傍の面圧が局所的に高くなることを防止し、この合わせ面１４での開きを有効に防止することができる。

図４に示すように、機関運転中には、アッパリンクやコントロールリンクから荷重Ｆ１，Ｆ２が作用し、その反力Ｆ３がクランクピンから主軸受部１２に作用する。これらの力に起因して、合わせ面１４には、主軸受部１２の直径方向つまり軸直交方向Ａに沿って軸受分割部材１２１，１２２を互いに滑らそうとする力が作用する。この滑り方向Ａの力に対向するように、第１軸受分割部材１２１と第２軸受分割部材１２２との合わせ面１４は、図８に示すように、機械加工としての切削加工や研削加工によって、軸直交方向Ａを長手方向とする凹凸状のツールマークすなわち工具きずが形成された表面粗さを有する仕上面となっている。つまり、合わせ面１４は、軸直交方向Ａを切削方向・研削方向あるいは工具送り方向とする表面仕上げ加工が施されていて、軸直交方向Ａに延びる筋状の凸部１４ａ及び凹部１４ｂが軸方向Ｂに交互に連続して形成された凹凸形状をなしている。以降、凸部１４ａや凹部１４ｂの長手方向をツールマーク長手方向Ａ'又はツールマーク方向Ａ'と呼ぶ。

ツールマーク方向Ａ'に直交する方向Ｂ（つまり、主軸受部１２の軸方向）に測定して、典型的には、合わせ面１４の粗さ（の大きさ）Ｒａは０．２５〜１０μｍ程度であり、ツールマークのピッチは０．０５〜０．３ｍｍ程度である。このような表面粗さの両分割部材１２１，１２２同士を合わせ面１４で互いに面接触させた場合、図９に示すように、微視的に接触する真実接触領域１７の個々の形状の大半が、滑り方向すなわち軸直交方向Ａの寸法が軸方向Ｂの寸法よりも長い帯状をなしている。つまり、真実接触領域１７は、軸直交方向Ａに沿って延び、かつ、軸方向Ｂに間欠的に分布している。

従って、軸方向Ｂに沿う断面では、図１０に示すように、真実接触領域１７以外の領域、つまり微視的に両部材１２１，１２１が接触していない接触開放領域１８が相対的に大きく、軸直交方向Ａに沿う断面では、図１１に示すように、接触開放領域１８が相対的に小さくなる。

部材が力を受けて微視的にすべる場合（マクロに見れば滑っていない状態）、凝着していた真実接触面は滑りに伴って破断され開放される（図１０及び図１１参照）。開放された面は凝着後に破断した面であり、金属新生面となっており、雰囲気中の物質と反応性が高く、酸化膜などが形成される。これらの金属表面の反応膜は凝着面よりも破断強度が低いため、反応膜が滑り接触したときの摩擦力は小さくなる。よって、この反応膜が形成され接触してから再び破断して凝着するまでの時間が長いほど、トータルの摩擦力は小さくなる。

よって、真実接触領域から開放される領域１８が相対的に小さい滑り方向Ａについては、反応膜が形成され接触して再び破断して凝着する頻度が、軸方向（滑り方向に直交する方向）Ｂに比較して少なくなるので、反応膜が滑り接触しているトータルの時間が、軸方向Ｂに比較して小さくなる。従って、滑り方向Ａの摩擦係数は軸方向Ｂに比して十分に大きい。

この原理を確認するために、図１２に示すような試験装置を用いて摩擦係数の測定を行った。ロアリンクのボルト１６の軸力に相当するボルト軸力Ｎで結合したテストピース１１２１と１１２２の合わせ面に、図８に示すようなツールマーク状の表面粗さを設ける。このツールマーク長手方向Ａ’に対して平行な方向と直交する方向について、テストピースに波形状の荷重Ｆを与え、変位センサによってテストピース間の相対距離を測定しつつ、荷重Ｆ（の振幅）を時間とともに大きくしていく試験を行った。このときの荷重と変位の関係を図１３に示す。荷重が小さい場合、弾性変形によって若干の変位を示すが、荷重―変位線図にヒステリシスが非常に小さい状況が測定される。ある程度以上に荷重（の振幅）を増大させると、急激に変位が増大し、ヒステリシスが大きなループ状の線図となる。今回、ヒステリシスが非常に小さい状況から大きな状態へ急激に変化する変化点での荷重Ｆｍａｘを軸力Ｎで割った値を摩擦係数として整理した。その結果を図１４に示す。同図に示すように、ツールマーク方向Ａ’と平行な方向については、粗さの大きさによらず、ツールマーク方向Ａ’と直交する方向に比して、摩擦係数が十分に大きいことが確認された。特に、表面粗さが比較的小さい場合（Ｒａが０．６μｍ以下の場合）には、ツールマーク方向Ａ’と直交する方向では摩擦係数が著しく小さくなるのに比して、ツールマーク方向Ａ’と平行な場合には十分に高い摩擦係数が得られ、その効果が大きいことが確認された。

以上のように本実施例では、軸受分割部材１２１，１２２の合わせ面１４に、軸直交方向Ａに沿う機械加工を施して、この軸直交方向Ａに長尺なツールマークを形成することにより、軸直交方向Ａの摩擦係数を効果的に増大することができる。このため、軸直交方向Ａに作用する荷重、つまり両軸受分割部材１２１，１２２を軸直交方向Ａに沿って滑らせようとする力に対しての抵抗力が高まり、比較的小さなボルト軸力であっても、両軸受分割部材１２１，１２２の軸直交方向Ａの滑りを防止することができる。従って、ボルト１６を含めた軸受組立体としてのロアリンク１の小型化・軽量化を図ることができる。

特に、２つの両軸受分割部材１２１，１２２の双方の合わせ面に、軸直交方向Ａに沿うツールマークを形成し、その切削・研削方向を一致させることにより、真実接触領域がツールマーク方向Ａに連続する度合いが最も大きく実現でき、摩擦係数を最も効果的に増大することができる。

本発明を可変圧縮比機構のロアリンク１に適用することにより、コンパクトで軽量な機構を実現できる。従って、比較的小型の内燃機関にも可変圧縮比機構を適用することができ、運転条件に応じた適切な圧縮比に制御することができるため、低燃費化や高出力化を図ることができる。

上述したように軸直交方向Ａの摩擦係数を増大することにより、ロアリンク１を構成する２つの軸受分割部材１２１，１２２を最低限のボルト本数である２本のみで結合することが可能となり、軽量化・小型化及び部品点数の低減化を図ることができる。

図１５に示す比較例では、軸受組立体としてのロアリンク１０１の軸方向寸法が、アッパリンクやコントロールリンクが嵌合する二股状のピンボス１０３やクランクピンが嵌合する主軸受部１０２を含めて、ほぼ一定に設定されている。このような比較例では、機関運転中にアッパリンクやコントロールリンクからピンボス１０３に作用する入力荷重が、主軸受部１０２の軸方向両端部に集中的に作用するため、仮想線１０４で示すように、主軸受部１０２の端部が特に変形し易い傾向にある。主軸受部１０２は、主に流体潤滑膜で荷重を支える滑り軸受である。このような滑り軸受においては、軸方向の中央部で油膜圧力が最も高くなり、軸方向の端部では圧力が解放されることから油膜圧力が相対的に低い。従って、比較例のように主軸受部１０２の軸方向両端部に荷重が集中すると、この荷重を油膜圧力で支えることができずに、主軸受部１０２の軸方向両端部とクランクピン１０５との直接の接触が発生し、摩耗や摩擦が増大するおそれがある。

図１６及び図１７は、本実施例に係るロアリンク１の断面形状を簡略的に示している。本実施例では、第１ピンボス１１や第２ピンボス１３と主軸受部１２との間に、軸方向寸法が部分的に短くなったくびれ部１９が設けられている。このくびれ部１９は、主軸受部１２やピンボス１１，１３の軸方向中央部に一体的に接続している。従って、アッパリンクやコントロールリンクからピンボス１１，１３に作用する入力荷重がくびれ部１９を経て主軸受部１２の軸方向中央部に集中的に作用する。このため、仮想線２０で示すように、主軸受部１２の軸方向両端部における局所的な変形を抑制することができる。主軸受部１２の軸方向中央部に集中的に作用する荷重は、軸方向の中央で最も大となる油膜圧力によって効果的に支えることができる。従って、主軸受部１２の変形が抑制されるとともに、主軸受部１２とクランクピンとの直接接触が効果的に抑制・低減され、摩擦、摩耗を低く抑制できる。

図２に示すように、アッパリンク２１の二股状をなすピンボス２１ａがロアリンク１の第１ピンボス１１を挟み込む形態となっているので、アッパリンク２１の揺動範囲を確保するためにロアリンク１の大きさや寸法が規制されており、ボルトの本数や軸力を確保することが困難であり、剛性不足のために、合わせ面１４で軸直交方向Ａに沿う滑り現象を防止することが困難であるが、本実施例のように、合わせ面１４で軸直交方向Ａに大きな摩擦係数が得られると、上述したような軽量かつコンパクトなロアリンク１を実現することができる。

以上のように本発明を具体的な実施例に基づいて説明してきたが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で、種々の変形・変更を含むものである。例えば、上述したような複リンク式の可変圧縮比機構におけるロアリンクに限らず、単リンク式のピストン−クランク機構におけるコンロッドに本発明を適用することもできる。

本発明の一実施例に係るリンク機構としての可変圧縮比機構を示す構成図。 本実施例の軸受組立体としてのロアリンクを示す斜視図。 上記ロアリンクを示す分解斜視図。 上記ロアリンクの縦断面図。 図３の矢視Ｖに対応するロアリンクの上面図。 図３の矢視ＶＩ図。 図３の矢視ＶＩＩ図。 合わせ面の表面形状を微視的に示す斜視図。 合わせ面での微視的な真実接触領域を示す平面対応図。 合わせ面での軸方向に沿う微視的な断面を示す図９のＸ−Ｘ断面対応図。 合わせ面での軸直交方向に沿う微視的な断面を示す図９のＸＩ−ＸＩ線に沿う断面対応図。 合わせ面での摩擦特性の試験装置を示す説明図。 図１２の試験による荷重と変位との関係を示す特性図。 図１２の試験による摩擦係数の測定結果を示すグラフ。 比較例に係るロアリンクを簡略的に示す断面図。 本実施例に係るロアリンクを簡略的に示す断面図。 同じく本実施例に係るロアリンクを簡略的に示す断面図。

符号の説明

１…ロアリンク（軸受組立体）
１２…主軸受部
１１，１３…ピンボス部
１４…合わせ面
１６…ボルト
１２１，１２２…軸受分割部材

Claims (7)

1. 円筒状をなす主軸受部の直径方向に沿う合わせ面で複数のボルトにより互いに締結される一対の軸受分割部材からなり、これら軸受分割部材の少なくとも一方にリンク部品が連結されるリンク機構の軸受組立体であって、
   上記合わせ面に主軸受部の軸直交方向を長手方向とする凹凸が形成されているリンク機構の軸受組立体。
2. 機械加工により上記合わせ面に主軸受部の軸直交方向を長手方向とする応答状のツールマークが形成されている請求項１に記載のリンク機構の軸受組立体。
3. 上記合わせ面のツールマークが、上記一対の軸受分割部材の双方に形成されている請求項２に記載のリンク機構の軸受組立体。
4. 円筒状をなす主軸受部の直径方向に沿う合わせ面で複数のボルトにより互いに締結される一対の軸受分割部材からなり、これら軸受分割部材の少なくとも一方にリンク部品が連結されるリンク機構の軸受組立体であって、
   上記一対の軸受分割部材がボルトにより締結された状態で、上記合わせ面での真実接触点の接触形状の軸直交方向長手寸法が軸方向長手寸法よりも大きくなるように形成されているリンク機構の軸受組立体。
5. 上記リンク機構が、クランクシャフトのクランクピンに回転可能に取り付けられるロアリンクと、このロアリンクとピストンとを連係するアッパリンクと、ロアリンクに一端が連結されたコントロールリンクを介してロアリンクの運動拘束条件を変化させることにより機関圧縮比を可変とする圧縮比可変手段と、を有する内燃機関の可変圧縮比機構であり、
   上記軸受組立体がロアリンクであり、上記主軸受部にクランクピンが回転可能に嵌合し、一方の軸受分割部材にアッパピンの一端が連結され、他方の軸受分割部材にコントロールリンクの一端が連結されている請求項１〜４のいずれかに記載のリンク機構の軸受組立体。
6. 上記アッパリンク及びコントロールリンクとロアリンクとが連結ピンによりそれぞれ連結されており、
   上記連結ピンが嵌合するピンボスと主軸受部とを接続するくびれ部の軸方向寸法が、上記ピンボス及び主軸受部の軸方向寸法に比して短く設定されている請求項５に記載のリンク機構の軸受組立体。
7. 円筒状をなす主軸受部の直径方向に沿う合わせ面で複数のボルトにより互いに締結される一対の軸受分割部材からなり、これら軸受分割部材の少なくとも一方にリンク部品が連結されるリンク機構の軸受組立体の製造方法であって、
   上記合わせ面の切削方向又は研削方向が、上記主軸受部の軸直交方向に設定されているリンク機構の軸受組立体の製造方法。
   

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