JP2007170452A - 内燃機関のピストンクランク機構におけるロアリンク - Google Patents

Abstract

【課題】ボルト３３先端が噛み合うロアリンクアッパ３１の雌ねじ部３５の上端開口３５ａ付近における応力集中を緩和し、信頼性、耐久性を高める。
【解決手段】複リンク式ピストンクランク機構を構成するロアリンク４は、クランクピンへの組立性のために、クランクピン軸受部２１の中心を通る分割面２４に沿って、ロアリンクアッパ３１とロアリンクロア３２とに分割構成され、一対のボルト３３によって締結される。雌ねじ部３５の両側に一対のリブ４１が設けられるとともに、リブ４１間の平面４５に上端開口３５ａが開口する。平面４５のクランクピン側に溝状の凹部４６が設けられており、これにより応力伝達経路が下方へ迂回するため、上端開口３５ａに近いねじ谷底での応力集中が緩和される。
【選択図】図３

Description

この発明は、レシプロ式内燃機関のピストンクランク機構、特に複リンク式のピストンクランク機構を構成するリンクに関する。

レシプロ式内燃機関のピストンピンとクランクピンとの間を複リンク式のピストンクランク機構で連結した従来技術として、本出願人が先に提案した特許文献１等が公知となっている。これは、ピストンのピストンピンに連結されるアッパリンクと、このアッパリンクとクランクシャフトのクランクピンとを連結するロアリンクと、一端が機関本体側に揺動可能に支持され、かつ他端が上記ロアリンクに連結されるコントロールリンクと、を備えている。そして、上記アッパリンクと上記ロアリンクとは、アッパピンを介して互いに回転可能に連結され、上記コントロールリンクと上記ロアリンクとは、コントロールピンを介して互いに回転可能に連結されている。

このような複リンク式のピストンクランク機構におけるロアリンクは、ピストンが受けた燃焼圧力をアッパリンクを介してアッパピンより受け取り、コントロールピンを支点とする一種の”てこ”のような動作でクランクピンに力を伝達する。従って、ロアリンクは、アッパピン、コントロールピンおよびクランクピンを、それぞれ回転可能に保持しつつ、各ピンから入力を受けた際にもこれらの位置関係を保つだけの強度・剛性が必要である。

一方、ロアリンクは、クランクシャフトに対する組み立て性を確保する必要があるので、上記特許文献１においては、クランクピン軸受部の中心を通る分割面に沿って、２つの半割部つまりロアリンクアッパとロアリンクロアとに分割構成し、両者を複数のボルトにて互いに締結するようにしている。例えば、複数のボルトを下方つまりロアリンクロア側から挿入し、ロアリンクアッパ側の雌ねじに螺合させるようにしている。
特開２００４−１２４７７６号公報

上記のように大きな荷重を受ける部材であるロアリンク自体に雌ねじを形成することは、雌ねじにおける応力集中という点では好ましくない。

図９の参考図には、矢印Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３でもって、爆発燃焼時に、クランクピン、アッパピン、コントロールピンからそれぞれロアリンクに入力される力の方向を示している。このような三者のピンから入力される反対方向の大きな荷重Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３によって、ロアリンク自体に大きな応力が発生する。そして、ロアリンクアッパ１０１とロアリンクロア１０２とが分割面１０７で離れないように、ボルト１０３，１０５には、予め大きな軸力を与えておく必要がある。従って、ボルト１０３，１０５が螺合する雌ねじ部１０４，１０６には、ボルト軸力による応力集中に加えて、ロアリンク自体の荷重による応力が加わる。また、各々のボルト１０３，１０５の両側に作用する力の方向が反対方向となることから、雌ねじ部１０４，１０６には、応力だけでなく、大きなモーメントも作用する。従って、ロアリンクにおける雌ねじ部付近の耐久性を確保することが大きな課題となっている。

図１０は、例えばコントロールピン側のボルト１０３先端が螺合する雌ねじ部１０４の開口端付近の断面を模式的に示しているが、前述したようにクランクピンを挟んで荷重Ｆ２，Ｆ３が作用すると、雌ねじ部１０４とアッパピンとの間で符号１０８で示す線のような応力伝達経路に沿って応力が作用し、ボルト１０３先端付近の雌ねじ部１０４、特に、その谷底に応力が集中しやすい。

さらに、ロアリンク全体に浸炭処理等の表面硬化処理を施している場合には、表面硬化層と母材との境界にボルト先端が噛み合うことになるので、境界面を起点とした疲労による耐久性悪化がより生じやすい。

この発明は、ピストンにピストンピンを介して一端が連結されたアッパリンクと、このアッパリンクの他端にアッパピンを介して連結され、かつクランクシャフトのクランクピンに連結されたロアリンクと、一端が機関本体側に揺動可能に支持され、かつ他端が上記ロアリンクにコントロールピンを介して連結されたコントロールリンクと、を備えてなる内燃機関のピストンクランク機構を前提としており、そのロアリンクを改良したものである。

上記ロアリンクは、上記クランクピンが嵌合する略中央のクランクピン軸受部と、上記アッパピンを保持する一端部のアッパピン用ピンボス部と、上記コントロールピンを保持する他端部のコントロールピン用ピンボス部と、を備えるとともに、上記クランクピン軸受部の中心を通る分割面に沿って、上記アッパピン用ピンボス部を含むロアリンクアッパと、上記コントロールピン用ピンボス部を含むロアリンクロアと、に分割構成され、かつ上記クランクピン軸受部の両側に配置した少なくとも２本のボルトによって上記ロアリンクアッパと上記ロアリンクロアとが締結されている。

そして、少なくとも一方のボルトは、ロアリンクロアとロアリンクアッパのいずれか一方のボルト挿入孔を貫通するとともに、他方に貫通形成された雌ねじ部に螺合して、先端が上記雌ねじ部の開口端から露出しており、上記開口端は、ボルト中心軸に垂直な平面に開口し、かつこの平面に、応力伝達経路を迂回させるための凹部が設けられている。

望ましくは、上記凹部のボルト軸方向の深さは、少なくともねじのピッチよりも大きい。同様に、開口端付近のロアリンク表面に硬化層を有する場合には、上記凹部の底部がこの硬化層よりも下方に達していることが望ましい。

このように雌ねじ部の開口端に隣接して凹部を備えることで、上記のアッパピン用ピンボス部、クランクピン軸受部、コントロールピン用ピンボス部の間でロアリンクに作用する応力の伝達経路が、この凹部の外側へ迂回するようになり、開口端付近の雌ねじ部谷底の応力集中が緩和される。

本発明の一つの態様では、上記雌ねじ部の開口端を両側から挟むように、クランクピン中心軸に直交する面に沿って延びた一対のリブを有し、これらのリブの間の谷間部分に、上記平面が設けられている。上記リブは、例えば、一方のピンボス部の周囲の部分に連続しているが、その長手方向の途中で二股状に分岐する形で上記リブに連続している。

このように一対のリブを設けることで、この相対的に剛性の高いリブが荷重伝達部となる。そのため、凹部により応力伝達経路を迂回させることと相俟って、雌ねじ部における応力がより軽減する。

また上記リブと上記開口端との間に上記凹部を設けるようにすれば、リブからの応力伝達が抑制される。

上記凹部は、例えば、ボルト中心軸を通り、かつクランクピン中心軸に直交する断面において、ボルト中心軸を挟んでクランクピン軸受部側に設けられている。あるいは、クランクピン軸受部の反対側に設けられている。

また上記凹部を、上記開口端の全周に設けるようにしてもよい。

好ましい一つの態様では、上記凹部は、ボルト中心軸を通り、かつクランクピン中心軸に直交する断面において、略Ｕ字形の断面を有しており、ボルトに近い側の隅部半径が反対側の隅部半径よりも大きい。このように隅部半径をボルト側で大きく設定することで、この部分への応力集中を回避でき、雌ねじ部への荷重入力が減少する。

また一つの態様では、ボルト中心軸を通り、かつクランクピン中心軸に直交する断面において、上記凹部は、２つの平行な直線と、両者間の距離を直径とした円弧と、からなるＵ字形の断面形状を有している。このような断面形状の凹部は、例えば円筒状の工具によって容易に加工できる。

さらに、一つの態様では、上記の２つの平行な直線がボルト中心軸に対し傾斜しており、凹部の開放端から底部へ向かうに従ってボルト中心軸から離れるようになっている。このような断面形状の凹部は、例えば僅かに傾斜させた円筒状の工具によって容易に加工できる。このような断面形状とすることで、応力伝達経路は、開口端に最も近い雌ねじ部谷底からより離れる。

この発明によれば、疲労破壊の起点となりやすいボルト先端が噛み合う雌ねじ部の開口端付近の谷底への応力集中が緩和され、雌ねじ部の耐久性、信頼性が向上する。

以下、この発明の一実施例を図面に基づいて詳細に説明する。始めに、この発明のロアリンクが用いられるピストンクランク機構の概略を説明する。

図１は、この複リンク式ピストンクランク機構を可変圧縮比機構として構成した構成例を示す構成説明図である。この機構は、ロアリンク４とアッパリンク５とコントロールリンク１０とを主体とした複リンク式ピストンクランク機構を備えている。

クランクシャフト１は、複数のジャーナル部２とクランクピン３とを備えており、シリンダブロック１８の主軸受に、ジャーナル部２が回転自在に支持されている。上記クランクピン３は、ジャーナル部２から所定量偏心しており、ここにロアリンク４が回転自在に連結されている。カウンタウェイト１５は、ジャーナル部２とクランクピン３とを接続するクランクウェブ１６からクランクピン３とは反対側へ延びている。

上記ロアリンク４は、後述するように２部材に分割可能に構成されているとともに、略中央のクランクピン軸受部に上記クランクピン３が嵌合している。

アッパリンク５は、下端側がアッパピン６によりロアリンク４の一端に回動可能に連結され、上端側がピストンピン７によりピストン８に回動可能に連結されている。上記ピストン８は、燃焼圧力を受け、シリンダブロック１８のシリンダ１９内を往復動する。

ロアリンク４の運動を拘束するコントロールリンク１０は、上端側がコントロールピン１１によりロアリンク４の他端に回動可能に連結され、下端側が制御軸１２を介して機関本体の一部となるシリンダブロック１８の下部に回動可能に連結されている。詳しくは、制御軸１２は、回転可能に機関本体に支持されているとともに、その回転中心から偏心している偏心カム部１２ａを有し、この偏心カム部１２ａに上記コントロールリンク１０下端部が回転可能に嵌合している。

上記制御軸１２は、図示せぬエンジンコントロールユニットからの制御信号に基づいて作動する図示せぬ圧縮比制御アクチュエータによって回動位置が制御される。

上記のような複リンク式ピストンクランク機構を用いた可変圧縮比機構においては、上記制御軸１２が圧縮比制御アクチュエータによって回動されると、偏心カム部１２ａの中心位置、特に、機関本体に対する相対位置が変化する。これにより、コントロールリンク１０の下端の揺動支持位置が変化する。そして、上記コントロールリンク１０の揺動支持位置が変化すると、ピストン８の行程が変化し、ピストン上死点（ＴＤＣ）におけるピストン８の位置が高くなったり低くなったりする。これにより、機関圧縮比を変えることが可能となる。

次に、上記ロアリンク４の一実施例を図２および図３に基づいて説明する。

ロアリンク４は、上記クランクピン３が嵌合する略中央のクランクピン軸受部２１と、上記アッパピン６を保持する一端部のアッパピン用ピンボス部２２と、上記コントロールピン１１を保持する他端部のコントロールピン用ピンボス部２３と、を備えている。そして、クランクピン３への組み立て性のために、上記クランクピン軸受部２１の中心を通る分割面２４に沿って、上記アッパピン用ピンボス部２２を含むロアリンクアッパ３１と、上記コントロールピン用ピンボス部２３を含むロアリンクロア３２と、に分割構成され、両者が、クランクピン軸受部２１の両側にそれぞれ配置された２本のボルト３３（一方のボルトは図では見えない位置にある）によって一体に締結されている。上記シリンダ１９が上下方向に配置されているとすると、クランクケース内で上記ロアリンクアッパ３１が上側に、上記ロアリンクロア３２が下側に、それぞれ位置し、２本のボルト３３は、いずれもロアリンクロア３２の下面側から上方へと挿入されている。

上記アッパピン用ピンボス部２２のピン孔２２ａには、アッパピン６が回転可能に保持される。ここに組み合わされるアッパリンク５は、下端のアッパピン軸受周辺が二股状に形成されており、二股の内側に、ロアリンク４側のアッパピン用ピンボス部２２が回転可能に組み合わされる。

これに対し、コントロールピン１１が回転可能に挿入されるピン孔２３ａを備えたコントロールピン用ピンボス部２３は、二股状に構成されており、この二股の内側に、コントロールリンク１０一端のピンボス部が回転可能に組み合わされる。

２本のボルト３３の中で、アッパピン用ピンボス部２２側に位置する図示されていないボルトは、ロアリンクロア３２のボルト挿入孔を貫通し、ロアリンクアッパ３１側の雌ねじ部に先端部が螺合する。このボルトの中心線の延長線上には、アッパピン用ピンボス部２２が位置し、そのため、雌ねじ部となるねじ孔は、軸方向にロアリンクアッパ３１を貫通しておらず、先端が封止されている。従って、図２では、このボルトは見えていない。

これに対し、コントロールピン用ピンボス部２３側に位置するボルト３３は、上記の二股状をなすコントロールピン用ピンボス部２３の谷間部分にボルト頭部３３ａ（図３参照）が位置しており、ロアリンクロア３２のボルト挿入孔３４を貫通し、かつ先端部が、ロアリンクアッパ３１側の雌ねじ部３５に螺合している（図３参照）。このボルト３３用の雌ねじ部３５つまりねじ孔は、ロアリンクアッパ３１を上下に貫通しており、ボルト３３の先端がロアリンクアッパ３１上面に露出している。

上記雌ねじ部３５の上端開口３５ａは、図示するように、ロアリンクアッパ３１の上面に位置しているが、この開口３５ａを両側から挟むように、クランクピン中心線に直交する面に沿って延びた一対のリブ４１が形成されている。換言すれば、このリブ４１は、ロアリンク４の両側の端面部分を上方へ延長した形状をなし、開口３５ａの周辺の部分をアッパピン用ピンボス部２２上縁部に斜めに連結している。つまり、アッパピン用ピンボス部２２の上縁部がコントロールピン用ピンボス部２３側へ延び、かつ途中で二股に分岐して、一対のリブ４１となっている。

上記の一対のリブ４１の間の谷間部分は、ボルト中心線と直交する平面４５となっており、この平面４５に、上記の上端開口３５ａが開口している。なお、ボルト３３の先端は、上記の上端開口３５ａから突出せず、ボルト３３の先端面と上記平面４５とが同一平面となるように軸方向に合致している。

そして、図３に示すように、上記の上端開口３５ａに隣接して、上記平面４５のクランクピン軸受部２１寄りの端部に、クランクピン軸方向に延びた溝状をなす凹部４６が形成されている。この凹部４６は、一方のリブ４１の内側壁面から他方のリブ４１の内側壁面にまで延びている。ここで、図３は、ボルト３３中心軸を通り、かつクランクピン中心軸に直交する平面に沿った断面を示しているが、このような断面において、上記凹部４６は、略Ｕ字形の断面を有し、かつボルト３３に近い側の隅部半径が反対側（クランクピン側）の隅部半径よりも大きく設定されている。また、凹部４６のボルト３３軸方向の深さは、雌ねじ部３５のねじのピッチよりも大きい。なお、この深さは、同時に、浸炭処理等の表面硬化層と母材との境界よりも深いものとなっている。

図４は、上記のように凹部４６を雌ねじ部３５の上端開口３５ａに隣接して形成した場合の応力の流れ（ロアリンク４が、クランクピン３、アッパピン６、コントロールピン１１の三者から前述した荷重を受けたときの応力）を示しており、図示するように、符号５１で示す線のように、応力伝達経路が凹部４６の外側を通る結果、ボルト３３の先端が噛み合う雌ねじ部３５の上端開口３５ａ付近における応力が小さくなり、上端開口３５ａに近い谷底での応力集中が緩和される。しかも、浸炭処理等の表面硬化層と母材との境界よりも深く凹部４６を設けることにより、疲労破壊の起点となりやすい上記の境界と応力集中部位とが重複しないようにすることができる。従って、雌ねじ部３５の耐久性、信頼性が向上する。

また、凹部４６自体も一種の切欠として応力集中箇所となるが、その底部の隅部半径を十分に大きくし、かつ上記のようにボルト３３に近い側の隅部半径をクランクピン側の隅部半径よりも大きくすることで、凹部４６の隅部の応力集中が雌ねじ部３５から離れるため、雌ねじ部３５への影響が抑制される。

次に、図５は、上記の凹部４６に加えて、平面４５の反対側の端部に第２の凹部４７を設けた実施例を示している。この第２の凹部４７は、凹部４６と同様の断面形状を有し、かつ同様に、一方のリブ４１の内側壁面から他方のリブ４１の内側壁面まで延びている。特に、リブ４１が平面４５から立ち上がる起点となるリブ４１の端部位置に対応して、第２の凹部４７が設けられている。

すなわち、アッパピン用ピンボス部２２からの荷重入力により、リブ４１は、圧縮，引張の荷重を受けるが、これにより、リブ４１の端部付近に応力が集中する。上記第２の凹部４７は、この応力が雌ねじ部３５の上端開口３５ａ付近に伝達されることを抑制する。

次に、図６は、さらに、雌ねじ部３５の上端開口３５ａの全周に亘って連続した凹部４８を設けた実施例を示している。この構成では、上端開口３５ａを中心に、クランクピン軸方向にも凹部４８が存在するので、リブ４１からの入力も低減される。なお、この実施例は、前述した実施例に比べてロアリンク４のクランクピン軸方向の寸法をある程度大きく確保できる場合に好適である。

図７に示す実施例は、図６の実施例と同じく、雌ねじ部３５の上端開口３５ａの全周に亘って凹部４９を形成したものであるが、特に、ボルト３３中心軸を通り、かつクランクピン中心軸に直交する平面に沿った断面において、上記凹部４９は、２つの平行な直線と、両者間の距離を直径とした円弧（半円）と、からなるＵ字形の断面形状を有している。なお、この断面Ｕ字形の凹部４９は、平面４５に対し垂直方向に窪んでいる。このような断面形状の凹部４９は、例えば円筒状の工具によって容易に加工できる。

また、図８に示す実施例は、図３の実施例と同じく、平面４５のクランクピン側の端部に凹部５０を形成したものであるが、特に、ボルト３３中心軸を通り、かつクランクピン中心軸に直交する平面に沿った断面において、上記凹部５０は、２つの平行な直線と、両者間の距離を直径とした円弧（半円）と、からなるＵ字形の断面形状を有し、かつ上記の２つの平行な直線がボルト３３の中心軸に対し傾斜しており、凹部５０の開放端から底部へ向かうに従って、ボルト３３の中心軸から離れていく。このような断面形状の凹部５０は、例えば僅かに傾斜させた円筒状の工具によって容易に加工できる。凹部５０をこのような傾斜した断面形状とすることで、応力伝達経路は、開口端に最も近い雌ねじ部３５谷底からより遠く離れることになる。

ロアリンクが用いられるピストンクランク機構の例を示す構成説明図。 本発明に係るロアリンクの一実施例を示す斜視図。 このロアリンクの要部の断面斜視図。 この実施例における応力伝達経路を示す説明図。 第２の実施例を示すロアリンク要部の断面斜視図。 第３の実施例を示すロアリンク要部の断面斜視図。 第４の実施例を示すロアリンク要部の断面斜視図。 第５の実施例を示すロアリンク要部の断面斜視図。 ロアリンクに作用する荷重の説明図。 従来のロアリンクにおける応力伝達経路を示す説明図。

符号の説明

４…ロアリンク
２１…クランクピン軸受部
２２…アッパピン用ピンボス部
２３…コントロールピン用ピンボス部
３１…ロアリンクアッパ
３２…ロアリンクロア
３３…ボルト
３５…雌ねじ部
４１…リブ
４５…平面
４６、４７、４８、４９、５０…凹部

Claims (12)

1. ピストンにピストンピンを介して一端が連結されたアッパリンクと、このアッパリンクの他端にアッパピンを介して連結され、かつクランクシャフトのクランクピンに連結されたロアリンクと、一端が機関本体側に揺動可能に支持され、かつ他端が上記ロアリンクにコントロールピンを介して連結されたコントロールリンクと、を備えてなる内燃機関のピストンクランク機構において、
   上記ロアリンクは、上記クランクピンが嵌合する略中央のクランクピン軸受部と、上記アッパピンを保持する一端部のアッパピン用ピンボス部と、上記コントロールピンを保持する他端部のコントロールピン用ピンボス部と、を備えるとともに、
   上記クランクピン軸受部の中心を通る分割面に沿って、上記アッパピン用ピンボス部を含むロアリンクアッパと、上記コントロールピン用ピンボス部を含むロアリンクロアと、に分割構成され、
   かつ上記クランクピン軸受部の両側に配置した少なくとも２本のボルトによって上記ロアリンクアッパと上記ロアリンクロアとが締結されており、
   少なくとも一方のボルトは、ロアリンクロアとロアリンクアッパのいずれか一方のボルト挿入孔を貫通するとともに、他方に貫通形成された雌ねじ部に螺合して、先端が上記雌ねじ部の開口端から露出しており、
   上記開口端は、ボルト中心軸に垂直な平面に開口し、かつこの平面に、応力伝達経路を迂回させるための凹部が設けられていることを特徴とする内燃機関のピストンクランク機構におけるロアリンク。
2. 上記凹部のボルト軸方向の深さが、少なくともねじのピッチよりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関のピストンクランク機構におけるロアリンク。
3. 上記雌ねじ部の開口端を両側から挟むように、クランクピン中心軸に直交する面に沿って延びた一対のリブを有し、これらのリブの間の谷間部分に、上記平面が設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関のピストンクランク機構におけるロアリンク。
4. 一方のピンボス部の周囲の部分が、途中で二股状に分岐して上記リブに連続することを特徴とする請求項３に記載の内燃機関のピストンクランク機構におけるロアリンク。
5. ボルト中心軸を通り、かつクランクピン中心軸に直交する断面において、上記凹部は、ボルト中心軸を挟んでクランクピン軸受部側に設けられていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の内燃機関のピストンクランク機構におけるロアリンク。
6. ボルト中心軸を通り、かつクランクピン中心軸に直交する断面において、上記凹部は、ボルト中心軸を挟んでクランクピン軸受部の反対側に設けられていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の内燃機関のピストンクランク機構におけるロアリンク。
7. 上記リブと上記開口端との間に上記凹部が設けられていることを特徴とする請求項３または４に記載の内燃機関のピストンクランク機構におけるロアリンク。
8. 上記凹部が、上記開口端の全周に設けられていることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の内燃機関のピストンクランク機構におけるロアリンク。
9. ボルト中心軸を通り、かつクランクピン中心軸に直交する断面において、上記凹部は、略Ｕ字形の断面を有し、ボルトに近い側の隅部半径が反対側の隅部半径よりも大きいことを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の内燃機関のピストンクランク機構におけるロアリンク。
10. ボルト中心軸を通り、かつクランクピン中心軸に直交する断面において、上記凹部は、２つの平行な直線と、両者間の距離を直径とした円弧と、からなるＵ字形の断面形状を有していることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の内燃機関のピストンクランク機構におけるロアリンク。
11. ボルト中心軸を通り、かつクランクピン中心軸に直交する断面において、上記の２つの平行な直線がボルト中心軸に対し傾斜しており、凹部の開放端から底部へ向かうに従ってボルト中心軸から離れることを特徴とする請求項１０に記載の内燃機関のピストンクランク機構におけるロアリンク。
12. 上記開口端付近のロアリンク表面に硬化層を有し、上記凹部の底部がこの硬化層よりも下方に達していることを特徴とする請求項１〜１１のいずれかに記載の内燃機関のピストンクランク機構におけるロアリンク。
    

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