JP2007078072A - 内燃機関のコンロッド - Google Patents

Abstract

【課題】 いわゆる斜め割タイプのコンロッドにおいて、キャップをコンロッド本体に固定するためのボルトを螺合させる袋穴の部分から亀裂が発生するのを防止する。
【解決手段】 小端側のボルト３２を螺合させるためにコンロッド本体１１に形成される袋穴４４の軸断面の輪郭が、前記ボルト３２に係合するメネジ部分３５の径Ｄから、軸端部Ｅに近づくにつれて滑らかな曲線で縮径してゆく、縮径部３６を含むように構成する。この縮径部３６の縮径する傾きは、前記軸端部Ｅに近づくにつれてゼロから滑らかに増加するように構成している。もっと言えば、その縮径部３６に相当する部位を球面状（球Ｒ）に形成する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、コンロッド本体とその大端部側に固定されるキャップとの接合面（割り面）がコンロッド長手方向に垂直な面から傾斜されている、いわゆる斜め割タイプのコンロッドの構成に関する。

特許文献１の内燃機関のコネクティングロッド（コンロッド）は、上記の斜め割タイプのものではないが、スタッドボルトによってキャップをコンロッド本体に締結する構成を開示する。そして特許文献１では、コンロッド本体の肩部に空洞部を形成して、この空洞部の底面と側壁面との隅部をＲ面に形成するとともに、その空洞部にスタッドボルトの先端部を突出させることで、応力集中を緩和することができ、従来技術で問題となっていた、メネジ区間終了部の谷部を起点として亀裂が発生する現象を防止できるとする。
実開平１−１４３４１８号公報（空洞部について第２図、従来技術と亀裂の発生原理について第４図）

しかし、上記特許文献１の構成は、コンロッド本体の大端部の肩部を、上記空洞部を形成できるような大きな肉厚のものに形成しなければならない。従って、コンロッドのコンパクト化及び軽量化の障害になる。

また、上記の空洞部は例えば中グリ加工等で形成することが考えられるが、加工コストや工数が増加してしまい、この点でも改善の余地が残されていた。

更には、上記特許文献１の構成は、メネジ区間の終了部の谷部を起点とした亀裂を防止する旨は開示されているものの、メネジ区間よりも更に軸端部側の部位の亀裂を防止する課題については何ら触れられていない。

課題を解決するための手段及び効果

本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段とその効果を説明する。

本発明の観点によれば、以下のように構成する、内燃機関のコンロッドが提供される。即ち、コンロッド本体と、コンロッドとクランクピンとを連結するために前記コンロッド本体の大端部に固定されるキャップと、を備える。前記コンロッド本体と前記キャップとの接合面は、コンロッド長手方向に垂直な面から傾斜されている。前記キャップは、その大端側及び小端側のそれぞれに取り付けられたボルトにより前記コンロッド本体に固定される。前記コンロッド本体には、前記小端側のボルトを螺合させる袋穴が形成されている。この袋穴の軸断面の輪郭は、前記ボルトに係合するネジ刻設部分の径から軸端部に近づくにつれて縮径してゆき、その縮径する傾きが前記軸端部に近づくにつれて滑らかに増加する部分を含む。

この構成により、袋穴の底部の部分での応力集中を緩和することができ、袋穴の疲労破壊を防止できる。また、特許文献１のような径方向に広い空洞部を形成しないで済むので、コンパクトな構成で応力集中の緩和を実現でき、コンロッドをコンパクト化、軽量化することができる。

前記の内燃機関のコンロッドにおいては、前記縮径してゆく部分の曲率半径が１ｍｍ以上であることが好ましい。

この構成により、応力集中を一層良好に緩和することができ、コンロッドの寿命を大幅に延ばすことができる。

前記の内燃機関のコンロッドにおいては、前記袋穴の、前記軸断面の輪郭が縮径してゆく部分に相当する部位が、球面状に形成されており、前記袋穴の軸端部が、前記球面状に形成された部分の頂部に位置していることが好ましい。

この構成により、袋穴の底部が球状に滑らかに縮径しながら軸端部まで至る形状となるので、応力集中を極めて良好に緩和できる。

次に、発明の実施の形態を説明する。図１に断面図を示す本実施形態のコンロッド（コネクティングロッド）１は、細長状のコンロッド本体１１と、このコンロッド本体１１の大端部に固定されるキャップ１２と、を備える。このコンロッド本体１１の大端部には半円状の凹部１５が形成されるとともに、キャップ１２にも半円状の凹部１６が形成されている。そして、キャップ１２がコンロッド本体１１の大端部に取り付けられることで凹部１５と凹部１６とが接合されて、図略のクランク軸のクランクピン２１を枢結するための円状の連結部１７が構成される。この連結部１７の内周面には、軸受としてのメタル部２２が装着される。

なお、コンロッド本体１１の小端部には、図示しないピストンのピストンピン２３を枢結するための連結部１８が構成されている。

コンロッド本体１１と前記キャップ１２との接合面（コンロッド大端部の割り面）Ｐは、コンロッド長手方向に垂直な仮想面Ｖを考えたときに、当該仮想面Ｖから角度αだけ傾斜されている。この傾斜角αは、例えば３０°〜５０°程度の大きさの角度とされている。これにより、いわゆる斜め割タイプのコンロッド１が実現されて、エンジン組立時にコンロッド本体１１のシリンダボアへの挿入を良好に行うことができる。

そして、前記キャップ１２は、その両肩部（大端側と小端側の肩部）に取り付けられたボルト３１・３２によって、前記コンロッド本体１１に固定される。具体的には、前記キャップ１２には、大端側ボルト（ロワーボルト）３１及び小端側ボルト（アッパーボルト）３２の軸部をそれぞれ挿通させる挿通孔４１・４２が形成されるとともに、前記コンロッド本体１１には、前記大端側ボルト３１の軸部に螺合可能な貫通孔４３と、前記小端側ボルト３２の軸部に螺合可能な袋穴４４と、が形成されている。なお、キャップ１２の肩部やボルト３１・３２を特定する場合における「大端側」、「小端側」とは、「コンロッド小端部から遠い側」、「コンロッド小端部に近い側」とそれぞれ言い換えることができる。

この構成で、コンロッド本体１１とキャップ１２とを接合面Ｐで接合させた状態で、２本のボルト３１・３２を接合面Ｐに垂直な方向にキャップ１２側から挿通孔４１・４２へ差し込み、貫通孔４３及び袋穴４４にそれぞれ捩じ込むことで、キャップ１２をコンロッド本体１１に固定することができる。なお本実施形態では、２本のボルト３１・３２は同一形状の部品（共通部品）とされている。

図１の破線で囲った領域（Ａの部分）の拡大断面図が図２に示される。この図２には前記袋穴４４の軸断面が現れており、本実施形態では、この袋穴４４は、９ｍｍ程度の下穴を加工した後、Ｍ１０程度のタップでメネジ加工して形成されている。従って、前記ボルト３２に螺合するメネジ部分（ネジ刻設部分）３５の径Ｄは、９〜１０ｍｍ程度となっている。

そして、この図２から判るように、前記袋穴４４の軸断面の輪郭Ｑは、メネジ部分３５の径Ｄから、袋穴４４の軸端部Ｅに近づくにつれて滑らかな曲線状（円弧状）に縮径してゆく部分３６・３６を含んでいる。

また、この縮径してゆく部分（以下「縮径部」と称する）３６・３６は、その始点付近では縮径の傾きがほぼゼロで輪郭は袋穴４４の軸線に略平行であるが、前記軸端部Ｅに近づくにつれて、その縮径する傾きが滑らかに増加するような曲線形状となっている。

本実施形態では、前記輪郭Ｑの前記縮径部３６・３６の部分は、前記袋穴４４の径と等しい径を有する円弧状に構成されている。言い換えれば、縮径部３６・３６の円弧の直径は、前記メネジ部分３５の径Ｄにほぼ等しい径とされている。これにより、前記縮径部の曲率半径ｒは４．５ｍｍ〜５ｍｍ程度となり、１ｍｍ以上の曲率半径となっている。

もっと言えば、前記袋穴４４の前記縮径部３６・３６に相当する部位は、球面状に構成されている（いわゆる球Ｒ形状）。そして、前記袋穴４４の軸端部Ｅは、前記球面状に形成された縮径部３６の頂点に位置している。

なお、このような形状の袋穴４４を形成する方法としては、上記のような縮径部３６に相当する輪郭を有する刃具でドリル加工する方法のほか、鋳造時に上記袋穴４４を形成する方法、あるいは、コンロッド本体１１を焼結金属で形成する場合、前記袋穴４４を中子を用いて形成する方法等が挙げられる。

以上の構成による効果を説明する。即ち、本実施形態のように滑らかな曲線状の縮径部３６・３６を有せず、図３の比較例のようにメネジ部分３５の径Ｄから軸端部Ｅに向かって直線状に縮径する形状（直線状縮径部３６’・３６’）の場合、ピストンからの爆発荷重によって、直線状縮径部３６’の始点である前記角部Ｎの部分に応力集中が発生し、角部Ｎに過大な圧縮応力が生じて弾性変形及び塑性変形が発生する。そして、上記の爆発荷重が解除されると、上記の塑性変形した部位と塑性変形しなかった部位との間で引張りの歪が発生する。このサイクルの繰返しにより上記の角部Ｎの部分に疲労が蓄積して行く結果、角部Ｎの部分で疲労破壊が起きて、上記の角部Ｎを起点に亀裂が生じてしまう。

一方、本実施形態の袋穴４４の断面輪郭は、図２に示すように、上記のような角部Ｎを形成せず、滑らかな曲面をもってメネジ部分３５の径Ｄから縮径し、その縮径の度合い（傾き）を緩やかに増加させてゆき、最後に軸端部Ｅに至る形状になっている。この形状により上記の応力集中が緩和されて、コンロッド本体１１の疲労破壊を防止できる。

なお、図４には袋穴４４の形状の変形例１及び２が示される。変形例１は、前記角部Ｎに相当する部分に円弧状のＲ部を形成し、このＲ部をもって前記の滑らかな縮径部３６としているものである。変形例２は、図２の球Ｒ形状をやや扁平な楕球Ｒ形状に変形させたものである。

図５には、本実施形態及び変形例１の構成のコンロッドにおける応力集中のシュミレーション実験の結果がグラフとして示される。なお、変形例１については、図４における縮径部３６としてのＲ部の半径ｒが０．３ｍｍである場合と０．４５ｍｍである場合の２つの場合を計算した。また、袋穴４４の径及び前述のメネジ部分３５の径Ｄは、９〜１０ｍｍ程度として計算した。

この図５に示すように、変形例１のＲ部の半径ｒを０．３ｍｍ→０．４５ｍｍと若干増加させるだけで、疲労破壊の原因となる振幅応力を大幅に低減することができている。更には、図２の実施形態のように球Ｒ形状とすると、振幅応力を更に顕著に低減できることが判る。また、図５のグラフには安全率＝１．０の境界線を併せて示すが、図２の実施形態は、上述の振幅応力の大幅な低減が寄与して、安全率が１を上回っていることが判る。

以上に示すように、本実施形態及び変形例１、２のコンロッド１は、コンロッド本体１１と、コンロッド１とクランクピン２１とを連結するために前記コンロッド本体１１の大端部に固定されるキャップ１２と、を備える。そして、前記コンロッド本体１１と前記キャップ１２との接合面Ｐは、コンロッド長手方向に垂直な面Ｐから傾斜されている。前記キャップ１２は、その大端側及び小端側のそれぞれに取り付けられたボルト３１・３２により前記コンロッド本体１１に固定される。前記コンロッド本体１１には、前記小端側のボルト３２を螺合させる袋穴４４が形成されており、この袋穴４４の軸断面の輪郭Ｑは、前記ボルト３２に係合するメネジ部分３５の径Ｄから、軸端部Ｅに近づくに従って滑らかな曲線状に縮径してゆく縮径部３６・３６を含む。その縮径する傾きは、前記軸端部Ｅに近づくにつれて滑らかに増加するようになっている。

これにより、前記袋穴４４の底部の部分での応力集中を緩和することができ、袋穴４４の疲労破壊を防止できる。

また、前記の縮径部３６・３６は、その曲率半径ｒが１ｍｍ以上となる形状であるので、応力集中を一層有効に緩和することができる。

また、本実施形態（図２）の構成では、袋穴４４の、前記軸断面の輪郭Ｑの縮径部３６・３６に相当する部位が球面状に形成されている。従って、上述のように応力集中を良好に回避できる一方で、袋穴４４をコンパクトにでき、コンロッド本体１１の大端部を必要以上に厚肉にしないで済むので、コンロッド１の軽量化及びコンパクト化を実現できるとともに、コンロッド１の移動軌跡をコンパクトにすることができる。

更に、本実施形態では、球面状に形成されている前記縮径部３６・３６の頂部に袋穴４４の軸端部Ｅが位置している。従って、メネジ部分３５の径Ｄから球状に滑らかに縮径して軸端部Ｅに至る形状となるので、応力集中を極めて良好に緩和できる。

以上の実施形態と複数の変形例の構成は、更に下記のように変更することができる。

上記の袋穴４４の縮径部３６は、円弧状や楕円弧状とすることに限らず、例えば放物線状等の滑らかな曲線を採用することができる。

大端側ボルト３１は袋穴ではなく貫通孔４３に螺着されているが、この大端側ボルト３１を螺着する側の穴も、上記の縮径部３６を有する袋穴状とすることができる。しかしながら一般に、斜め割コンロッドにおいて応力集中が問題になるのは小端側のボルト３２の袋穴４４のみであるので、当該小端側のボルト３２の袋穴４４にのみ上記の縮径部３６を有する形状とすれば通常は十分である。

また、キャップ１２を取り付けるための２本のボルト３１・３２は、上記では共通部品としたが、径や長さを異ならせる等して別部品に構成することができる。

本発明の一実施形態に係るコンロッドの断面図。 図１のＡの部分の拡大図。 比較例のコンロッドの袋穴の形状を示す図であって、図２に対応する図。 コンロッドの変形例を示す図。 本実施形態の形状における応力集中のシミュレーション実験結果を示す図。

符号の説明

１ コンロッド
１１ コンロッド本体
１２ キャップ
３２ ボルト
３５ メネジ部分（ネジ刻設部分）
３６ 縮径部（滑らかな曲線で縮径してゆく部分）
４４ 袋穴
Ｄ メネジ部分の径
Ｅ 軸端部
Ｐ 接合面

Claims (3)

1. コンロッド本体と、
   コンロッドとクランクピンとを連結するために前記コンロッド本体の大端部に固定されるキャップと、を備え、
   前記コンロッド本体と前記キャップとの接合面は、コンロッド長手方向に垂直な面から傾斜されており、
   前記キャップは、その大端側及び小端側のそれぞれに取り付けられたボルトにより前記コンロッド本体に固定され、
   前記コンロッド本体には、前記小端側のボルトを螺合させる袋穴が形成されており、
   この袋穴の軸断面の輪郭は、前記ボルトに係合するネジ刻設部分の径から軸端部に近づくにつれて滑らかな曲線で縮径してゆき、その縮径する傾きが前記軸端部に近づくにつれて滑らかに増加する部分を含むことを特徴とする、内燃機関のコンロッド。
2. 請求項１に記載の内燃機関のコンロッドであって、前記縮径してゆく部分の曲率半径が１ｍｍ以上であることを特徴とする、内燃機関のコンロッド。
3. 請求項１又は請求項２に記載の内燃機関のコンロッドであって、
   前記袋穴の、前記軸断面の輪郭が縮径してゆく部分に相当する部位が、球面状に形成されており、
   前記袋穴の軸端部が、前記球面状に形成された部分の頂部に位置していることを特徴とする、内燃機関のコンロッド。
   
   

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