JP2007170453A - 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】雌ねじ部４１のボルト３３先端と噛み合う部分での応力集中を回避する。
【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とに分割構成される。両者を締結する一方のボルト３３は、ロアリンクアッパ３１の雌ねじ部４１に螺合するが、雌ねじ部４１は貫通孔とならず、クランクピンから加わるモーメントによりボルト３３先端が噛み合う部分の谷底に応力集中が生じやすい。本発明では、モーメントによる応力集中が生じやすい雌ねじ部４１の周方向の一部つまりクランクピンと反対側の部分で、小径の切削工具によりねじ山を部分的に除去する。これにより、疲労破壊の起点となる切欠が存在しなくなるとともにボルト３３から荷重を受けないため、雌ねじ部４１の耐久性が向上する。
【選択図】図２

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

上記のような従来のロアリンクにおいては、雌ねじ部での応力集中の問題がある。特に、ロアリンクはピストンからの燃焼荷重をアッパリンクを経由してクランクピンに伝達したり、クランクピンからの回転力をピストンの往復動に変換する役割を担ったりするために、燃焼荷重と慣性力により最大で数トンの巨大な荷重を受ける。従ってロアリンクのねじ締結部分の強度・剛性を確保するには非常に高度な技術が要求される。

図６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おり、排気行程時には、これらと逆方向の力を受ける。従って、アッパピン用ピンボス部側でロアリンクアッパ１０１とロアリンクロア１０２とを締結する一方のボルト１０５が螺合する雌ねじ部１０６の付近では、荷重Ｆ１と荷重Ｆ２とがほぼ逆方向に作用することから、大きな応力が生じる。特に、雌ねじ部１０６のボルト中心線より外側つまり図の左側部分では、荷重Ｆ１，Ｆ２により反時計回り方向にモーメントを受けるので、この部分での強度確保は非常に厳しいものとなる。

また、アッパリンクを連結するアッパピン用ピンボス部は、潤滑性確保のためにアッパピン軸方向中央部を支持するように構成されて、アッパリンク側の二股状ピンボス部と組み合わされる場合がある。従って、この場合は、アッパピン用ピンボス部に向かって下方から挿入されるボルトに対するねじ孔は、貫通孔とならず、そのため、雌ねじ部での応力集中がより大きな問題となる。

請求項１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に関するものであって、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、かつ一方の貫通孔を通して他方の雌ねじ部に螺合する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、本発明では、特に、応力集中が生じやすい雌ねじ部の周方向の一部に、ねじ山を除去した部分を備えている。例えば、ボルト中心線を中心として、上記クランクピン軸受部と反対側となる周方向の一部において、ねじ山が除去されている。

このように応力集中が生じやすい特定の方向のねじ山を除去しておくことにより、疲労破壊の起点となるねじ切欠が存在しなくなるとともに、ボルト側のねじ山からの荷重入力がなくなる。従って、雌ねじ部の耐久性が向上する。

上記のようにねじ山を除去した部分は、少なくとも、ボルト先端の雄ねじ部ねじ山と噛み合う軸方向の位置に必要であるが、この軸方向の位置に部分的に設けても良く、あるいは、上記雌ねじ部の軸方向の全長に亘ってねじ山を除去するようにしてもよい。なお、軸力低下抑制の点からは、軸方向の一部に設けることが望ましい。

ボルト先端部に対応した軸方向の一部に部分的に設ける場合には、望ましくは、ねじ山が除去されている軸方向の位置から、ボルト基端側の通常のねじ山を備えた軸方向の位置へ向かって、ねじ山の高さが徐々に高くなっていくように形成する。このようにねじ山高さを徐々に変化させることで、各々のピッチにおけるねじ山に作用する荷重が徐々に変化することになり、各々の谷底での応力集中が回避される。

本発明の一つの態様では、上記雌ねじ部のねじ孔は、先端が封止された孔となっている。本発明は、このようなねじ孔の場合に特に問題となるボルト先端と噛み合う位置での応力集中を抑制できる。

クランクピン軸受部中心とアッパピン用ピンボス部中心とを結ぶ直線に対し垂直で、かつクランクピン軸受部中心線を含む第１の平面と、同じく上記直線に対し垂直で、かつアッパピン用ピンボス部中心線を含む第２の平面と、の２つの平面に挟まれた領域に上記雌ねじ部が位置する場合に、クランクピンやアッパピンから受ける荷重による雌ねじ部の応力集中が特に問題となる。本発明は、このような場合に有用である。

上記のようにねじ山を除去した部分を設けるには、例えば、ねじ山を加工した後、雌ねじ部の内径よりも小径な回転工具により雌ねじ部の内周の一部を切削加工すればよい。あるいは、雌ねじ部のねじ山の加工前に、下穴の内周の一部に、該下穴よりも小径な回転工具により凹溝を形成して、ねじ山が部分的に形成されないようにしてもよい。

また、本発明においては、雌ねじ部側にねじ山を除去した部分を設ける代わりに、ボルトの雄ねじ部の周方向の一部に、ねじ山を除去した部分を設けるようにしてもよい。このボルトのねじ山を除去した部分は、雌ねじ部に締結した状態において、周方向の所定の方向を向く。つまり、応力集中が問題となる方向に位置する。これにより、同様に、雌ねじ部の耐久性が向上する。

この発明によれば、ボルトから加わる荷重ないしはモーメントによる応力集中が問題となる雌ねじ部の周方向の特定の方向について、雌ねじ部側もしくはボルト側のねじ山を部分的に除去することにより、疲労破壊の起点となり易い特定の方向の応力集中を抑制でき、雌ねじ部の耐久性ならびに信頼性を高めることができる。

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３３，３４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、上記ボルト３３，３４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３３，３４の中で、コントロールピン用ピンボス部２３側に位置するボルト３４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が位置しており、ロアリンクロア３２のボルト挿入孔を貫通し、かつ先端部が、ロアリンクアッパ３１側の雌ねじ部４０に螺合している。このボルト３４用の雌ねじ部４０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３４の先端がロアリンクアッパ３１上面に露出している。

これに対し、アッパピン用ピンボス部２２側に位置するボルト３３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４１に先端部が螺合する。このボルト３３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、従って、雌ねじ部４１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。

図３は、上記雌ねじ部４１の詳細を示す。図示するように、雌ねじ部４１となるねじ孔は、クランクピン軸受部２１のピン孔２１ａに隣接し、該ピン孔２１ａの側方に位置しているとともに、先端は、アッパピン用ピンボス部２２の下部で終端となっている。そして、このねじ孔の内周の雌ねじ部４１は、ボルト３３とのはめあい長さに相当する長さに亘ってねじが加工されているが、その周方向の一部、詳しくは、ボルト３３の中心線を中心として、クランクピン軸受部２１と反対側となる周方向の一部において、雌ねじ部４１のねじ山４２が除去されている。つまり、各ピッチのねじ山４２は、全周に連続せず、一部が欠落した不連続なものとなっている。この実施例では、雌ねじ部４１の全長に亘って、ねじ山４２の周方向の一部が除去されている。

図４は、上記雌ねじ部４１をその谷底４３に沿った断面で示したものであり、雌ねじ部４１の谷底４３の円に接する相対的に小径（例えば谷底４３の径の半分程度の径）な円４４に沿って、各ねじ山４２の一部が除去されている。つまり、雌ねじ部４１として通常のねじ山４２の加工を施した後、上記の円４４に対応した小径の回転切削工具４５（図３参照）を用いて、ねじ山４２の周方向の一部を切削加工してある。なお、加工方法としては、下穴にねじ山４２を加工する前に、下穴の周方向の一部に、同様の回転切削工具を用いて、上記の円４４に沿った凹溝を形成し、その後、ねじ山４２の加工を行うことで、周方向に不連続なねじ山４２を得るようにしてもよい。

このような構成によれば、雌ねじ部４１の中で、前述した大きなモーメントによる応力集中が問題となるクランクピン軸受部２１と反対側の部分に、応力集中部位となるねじの切欠つまり谷底が存在しないことになり、しかも、この部分では、ボルト３３と実質的に噛み合っていないため、ボルト３３側から荷重を受けることがない。従って、応力集中による疲労破壊が回避され、雌ねじ部４１の耐久性が向上する。

次に、図５は、この発明の異なる実施例を示しており、この実施例では、小径の回転切削工具４５を所定角度傾斜させた姿勢で挿入し、雌ねじ部４１の軸方向の一部、詳しくは、疲労破壊の起点となりやすいボルト３３の先端が噛み合う部分を斜めに切削してある。なお、切削を行う周方向の方向は、前述した実施例と同様である。これにより、ボルト３３の先端部に噛み合うべきねじ山４２が数ピッチに亘って除去されているものの、ボルト３３の基部寄りとなる雌ねじ部４１の部分は、全周に亘ってねじ山４２が残存している。従って、ねじ山４２を除去することに伴う軸力の低下が最小限となる。また、回転切削工具４５により斜めに加工することで、図５のような断面において、ねじ山４２が完全に除去されている部分とねじ山４２が完全に残存している部分との間で、ねじ山４２の高さが徐々に変化することになり、各ピッチのねじ山４２に加わる荷重が徐々に変化することになって、応力集中が回避される。

なお、この図５のような構成の場合も、ねじ山４２の加工後に部分的な切削加工を施すほか、ねじ山４２の加工前の下穴に斜めに凹溝を加工しておくことで、同様のねじ山４２を得ることが可能である。

以上、アッパピン用ピンボス部２２側に位置するボルト３３用の雌ねじ部４１に本発明を適用した実施例を説明したが、本発明は、コントロールピン用ピンボス部２３側に位置するボルト３４が螺合する雌ねじ部４０に適用することもできる。

また、本発明においては、ロアリンクアッパ３１上面とロアリンクロア３２とを結合する複数本のボルトに対する複数の雌ねじ部の全てに対し、雌ねじ部のねじ山の一部を除去する必要は必ずしもなく、応力集中が問題となる雌ねじ部にのみ上述した各実施例のような構成を適用すればよい。

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正面図。 アッパピン用ピンボス部側の雌ねじ部の拡大断面図。 雌ねじ部の谷底に沿った横断面図。 異なる実施例を示すアッパピン用ピンボス部側の雌ねじ部の拡大断面図。 ロアリンクに作用する荷重の説明図。

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
３３，３４…ボルト
４０，４１…雌ねじ部
４２…ねじ山

Claims (10)

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、
   かつ一方の貫通孔を通して他方の雌ねじ部に螺合する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、
   上記雌ねじ部の周方向の一部に、ねじ山を除去した部分を備え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. 上記雌ねじ部の軸方向の全長に亘ってねじ山が除去されている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. ボルト先端部と噛み合う上記雌ねじ部の軸方向の一部において、ねじ山が除去されている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。
4. ねじ山が除去されている軸方向の位置から、ボルト基端側の通常のねじ山を備えた軸方向の位置へ向かって、ねじ山の高さが徐々に高くなっていく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. ボルト中心線を中心として、上記クランクピン軸受部と反対側となる周方向の一部において、ねじ山が除去さ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. 上記雌ねじ部のねじ孔は、先端が封止された孔となっていることを特徴とする請求項１〜５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. クランクピン軸受部中心とアッパピン用ピンボス部中心とを結ぶ直線に対し垂直で、かつクランクピン軸受部中心線を含む第１の平面と、
   同じく上記直線に対し垂直で、かつアッパピン用ピンボス部中心線を含む第２の平面と、
   の２つの平面に挟まれた領域に上記雌ねじ部が位置することを特徴とする請求項１〜６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。
8. 雌ねじ部の内径よりも小径な回転工具により雌ねじ部の内周の一部を切削加工した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. 雌ねじ部のねじ山の加工前に、下穴の内周の一部に、該下穴よりも小径な回転工具により凹溝を形成して、ねじ山が部分的に除去されるようにした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。
10. 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、
    かつ一方の貫通孔を通して他方の雌ねじ部に螺合する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、
    上記ボルトの雄ねじ部の周方向の一部に、ねじ山を除去した部分を備え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。
    

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