JP2009127696A - コネクティングロッドとその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ロッド本体とキャップの当接位置での位置合わせと耐荷重性とに優れ、かつ安価に製造し得るコネクティングロッドを提供する。
【解決手段】ロッド本体２とキャップ３が二箇所において当接し、ボルトによって締結されるコネクティングロッド１であって、二箇所の当接位置では、ロッド本体２の接合面２ａ，２ｂとキャップ３の接合面３ａ，３ｂが当接する。そして接合面２ａ，３ｂ自体が凹状でかつ底側に向けて狭くなる錐面状であり、接合面２ｂ，３ａ自体が凸状でかつ頂点側に向けて細くなる錐面状であり、これら凹状と凸状の接合面２ａ，２ｂ，３ａ，３ｂが嵌合し、各接合面２ａ，２ｂ，３ａ，３ｂにボルト穴２ｃ，２ｄ，３ｃ，３ｄが形成されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、内燃機関のピストンとクランク軸とをつなぐコネクティングロッドに関する。

コネクティングロッドは、一端にピストンピンに連結される小端部を有し、他端にクランク軸に連結される大端部（クランク軸受部）を有している。大端部は、二分割可能に構成されており、略半分がロッド本体によって形成され、残り略半分がキャップによって形成されている。ロッド本体とキャップは、二箇所において当接し、ボルトによって締結される。クランク軸受部の加工時には、ロッド本体とキャップを組付けた状態でクランク軸の取付部、つまり内周面の加工が行われるが、クランク軸への組付時には、ロッド本体とキャップを一旦分離する。よって、当接位置では、内周面を正しくもとの状態に戻せるように、ロッド本体の接合面とキャップの接合面とを正確に位置合わせできることが求められている。また接合部分では、運転中に生じる横滑り力や爆発荷重などに対する耐荷重性も求められている。これら要求を満足するために従来様々なコネクティングロッドが開発されている。例えば特許文献１に開示されたコネクティングロッドは、ロッド本体とキャップが二箇所において当接し、当接する一箇所においてＸ方向に延出する凹部と凸部が嵌合している。そして他の当接箇所においてＹ方向に延出する凹部と凸部が嵌合している。これにより、ボルトの剪断方向に作用していた荷重の一部を、ボルトのみではなく、凹部と凸部の嵌合部で受けることが出来る。しかし、実際に製造する場合、ロッド本体とキャップを別々に製造し、凹部及び凸部も個別に加工することになる。そのため位置合わせができるものの、凹部と凸部との間に加工精度上微少なガタ（隙間）の設定が必要となり、この隙間によって位置合わせの精度が上げられないという問題があった。また耐荷重性が二方向のみに強く、他の方向に弱いという問題もあった。

特許文献２に開示されたコネクティングロッドは、ロッド本体とキャップの当接箇所に位置決めピンとピン穴を有していた。しかし位置決めピンとピン穴は、径が細く耐荷重性を考慮したものではない。またボルト穴と別の位置に設けているために、ロッド本体とキャップの当接箇所の面積を広く確保する必要があり、結果、大端部の幅の増加につながり、コネクティングロッド本体重量を下げる上で障害となるという問題があった。特許文献３に開示されたコネクティングロッドは、ロッド本体とキャップが二箇所において当接し、当接する一箇所において一方向に延出する凹部と凸部を有している。したがって一方向に位置決めができず、耐荷重性も一方向のみに強く、他の方向に弱いという問題があった。

特許文献４に開示されたコネクティングロッドは、いわゆるクラッキング製法によって製作されている。すなわちロッド本体とキャップを接合し、接合した後に破断することで破断面を形成していた。したがってロッド本体とキャップの位置合わせが正確になり、かつ耐荷重性もあらゆる方向に十分に強くなる。しかしこの製法は、実際には破断・破面処理・破面検査という一般の機械加工にない特殊な工程が必要になるという問題、製法上延性に優れた材料は利用できずコネクティングロッドの材質が限定される問題、破断面が一定しないために安全率を設定する必要性があるなどの問題がある。
特開昭６０−８５２２号公報 特開平７−３０５７１６号公報 米国特許第５５２４５０７号明細書 特表２００１−５２４１８３号公報

そこで本発明は、ロッド本体とキャップの当接位置での位置合わせと耐荷重性とに優れ、かつ安価に製造し得るコネクティングロッドを提供することを目的とする。

前記課題を解決するために本発明は、各請求項に記載の通りの構成を備えるコネクティングロッドおよびその製造方法であることを特徴とする。すなわち請求項１に記載の発明によると、ロッド本体とキャップが二箇所において当接し、ボルトによって締結されるコネクティングロッドであって、二箇所の当接位置では、ロッド本体の接合面とキャップの接合面が当接する。当接する一つの接合面自体が凹状でかつ底側に向けて狭くなる錐面状であり、当接する他の接合面自体が凸状でかつ頂点側に向けて細くなる錐面状である。そしてこれら凹状と凸状の接合面が嵌合し、各接合面にボルトが挿通されるボルト穴が形成されている。

したがって凹状で錐面状の接合面と、凸状で錐面状の接合面が嵌合し、この嵌合が二箇所にて行われる。そのためロッド本体とキャップの位置合わせが正確になされ得る。しかも錐面状に当接するために、ボルトを締めることで接合面の隙間が除々に狭くなり、ガタが防止され、位置合わせが正確になされ得る。また耐荷重性は、二箇所において３６０°の方向に発揮され、かつ捩れに対しても発揮され得る。また接合面自体が凹凸形状であるために、広い面積で３６０°にて耐荷重性が発揮され、再組付け時等においては容易に組付けが行われ得る。また位置合わせピンなどの従来構造が不要であるために、位置合わせピンのために接合面の面積を広くする必要もない。また接合面は、破断面ではないため、破断面を形成するクラッキング製法に比べて安価に製造することができる。そして破断されやすい材料等に限定される必要がないために、高強度で高延性の合金を選択することも可能である。このためディーゼルエンジンや高出力エンジン等に好適な材料等を選択することができる。

請求項２に記載の発明によると、凹状でかつ錐面状の接合面の開き角度が、凸状でかつ錐面状の接合面の尖り角度よりも大きくなるように設定されている。したがって接合面は、中心側において確実に当接する。そしてコネクティングロッドは、製造工程においてロッド本体とキャップを組付けた状態で大端部の内周面を削る仕上げ加工を行うことが一般的であるが、本発明では、接合面が中心側で確実に当接し、中心側は、仕上げ工程において削られない。そのため仕上げ加工によって、接合面の当接位置がずれる心配がなく、接合面が外側部で当接する場合に比べて位置合わせが正確になる。

請求項３に記載の発明によると、凹状および凸状の接合面は、いずれも円錐面状に形成されている。したがって接合面は、回転工具等によって製造され得る。そのため多角錐面状の接合面に比べて容易に成形でき、かつ高精度に製造することができる。

請求項４に記載の発明によると、凹状でかつ錐面状の接合面の軸中心と、該接合面のボルト穴の軸中心とが略一致している。そして凸状でかつ錐面状の接合面の軸中心と、該接合面のボルト穴の軸中心とが略一致している。したがってボルトの締結力を強くするほど、凹状と凸状の接合面の軸中心が一致して、ロッド本体とキャップの位置合わせが正確になる。

請求項５に記載の発明によると、コネクティングロッドの製造方法であって、平面状の一対の接合面を有するロッド本体と、平面状の一対の接合面を有するキャップとを製作する粗形工程と、各接合面にボルトが挿通されるボルト穴を加工し、該ボルト穴の加工と同時または前後において、当接する一方の接合面自体を凹状でかつ底側に向けて狭くなる円錐面状に加工し、かつ当接する他方の接合面自体を凸状でかつ頂点側に向けて細くなる円錐面状に加工する加工工程とを有している。

したがって接合面を円錐面状に加工するため、接合面を回転工具等によって容易に加工することができ、かつ高精度に製造することができる。しかも凹状で錐面状の接合面と、凸状で錐面状の接合面が嵌合し、この嵌合が二箇所で行われる。そのためロッド本体とキャップの位置合わせが正確になされ得る。しかも錐面状に当接するために、ボルトを締めることで接合面の隙間が除々に狭くなり、ガタが防止され、位置合わせが正確になされ得る。耐荷重性も３６０°において発揮でき、捩れに対しても発揮され得る。そしてクラッキング製法に比べて安価に製造することもできる。

実施の形態を図１〜４にしたがって説明する。コネクティングロッド１は、自動車のエンジン、船舶のエンジンなどの内燃機関に用いられる部材であって、図１に示すように長尺状の棒部１ａと、小端部（ピストンピン軸受部）１ｂと、大端部（クランク軸受部）１ｃを有している。小端部１ｂは、棒部１ａの一端部において円環状に形成され、内周部にピストンピンが連結される。大端部１ｃは、棒部１ａの他端部において小端部１ｂよりも径が大きい円環状に形成され、内周部にクランク軸が連結される。

コネクティングロッド１は、図１，２に示すようにロッド本体２と、キャップ３と、これらを締結するボルト４を有している。ロッド本体２には、棒部１ａと小端部１ｂと大端部１ｃの一部とが一体に形成されている。キャップ３は、大端部１ｃの残りの部分を形成する。ロッド本体２とキャップ３は、二箇所の当接位置５において当接される。

二箇所の当接位置５は、両位置を結ぶ直線が、ロッド本体２の長手方向に対し直角以外に配置される斜め合せに設定されており、図２，３に示すようにロッド本体２の接合面２ａ，２ｂと、キャップ３の接合面３ａ，３ｂが当接する。接合面２ａ，３ｂは、それ自体全体が凹状に形成されており、底側に向けて狭くなる円錐面の一部を形成する。一方、接合面２ｂ，３ａは、それ自体全体が凸状に形成されており、頂点側に向けて細くなる円錐面の一部を形成する。

図３に示すように凹状の接合面２ａ，３ｂの開き角度２ｆ，３ｇと、凸状の接合面２ｂ，３ａの尖り角度２ｇ，３ｆは、ほぼ同じ大きさに設定されている。例えば９０°〜１５０°に設定されており、前記角度は、鋭角側にすることにより爆発荷重による耐荷重性向上が図られ、鈍角側にすることにより締結時におけるワーク自体の変形等が抑えられることとなる。

凹状の接合面２ａ，３ｂと凸状の接合面２ｂ，３ａは、中心部側同士が確実に当接するように設定されることが好ましい。そのため開き角度２ｆ，３ｇを尖り角度２ｇ，３ｆよりも少し大きくすることが好ましい。例えば開き角度２ｆ，３ｇを＋公差、尖り角度２ｇ，３ｆを一公差などにしたり、設計時に１°以上の差を設けたりすることが好ましい。その結果、仕上げ加工によって大端部１ｃの内周面１ｄを削った場合でも（図１参照）、接合面２ａ，３ａ，３ａ，３ｂの中心部が削られないため、接合位置がずれない。

接合面２ａ，３ｂと接合面２ｂ，３ａは、図１に示すようにロッド本体２とキャップ３を締結する際のボルト４の軸力によって変形する。これにより接合面２ａ，３ｂと接合面２ｂ，３ａとの当接面積が大きくなり、ほぼ全面積にて当接する。

接合面２ａ，２ｂ，３ａ，３ｂの略中央には、図１，２に示すようにボルト穴２ｃ，２ｄ，３ｃ，３ｄが形成されている。ボルト穴３ｃ，３ｄは、円孔であって、キャップ３を貫通しており、ボルト穴３ｃ，３ｄにボルト４の軸４ａが挿通される。ボルト穴２ｃ，２ｄは、ロッド本体２の途中まで延出しており、内周面に雌ねじが形成されている。したがってボルト４の軸４ａがボルト穴２ｃ，２ｄに螺合されることで、ロッド本体２とキャップ３がボルト４によって締結される。

接合面２ａ，２ｂ，３ａ，３ｂは、図１に示すように棒部１ａに対して斜めに延出しており、大端部１ｃが棒部１ａに対して斜めに切断されている。したがってクランク軸のピン径が強度向上のために大きく、それに合わせて大端部１ｃの径がシリンダボアの径よりも大きく設定された場合でも、ロッド本体２をシリンダボアに挿入することが可能になる。そのためコネクティングロッド１をエンジン本体に容易に組付けることができる。

ロッド本体２とキャップ３は、一方の当接位置５において凹凸の関係で当接しており、他方の当接位置５において凸凹の関係で当接している。そのためロッド本体２とキャップ３を逆向きに組付けてしまうことを防止し得る。

コネクティングロッド１の製造方法は、図４に示すように粗形工程、加工工程、仕上げ工程から構成されており、最後にコネクティングロッド１がＥ／Ｇに組付けられる。粗形工程は、粗形材の製造工程であり、ロッド本体２とキャップ３を鍛造または粉末冶金（圧縮／燃結）等によって成形する。なお鍛造等でロッド本体２とキャップ３を別々に成形しても良いが、これらを一体に鍛造等で成形した後に切断してロッド本体２とキャップ３を得る方法であっても良い。

加工工程では、ボルト穴２ｃ，２ｄ，３ｃ，３ｄを加工し、かつ接合面２ａ，２ｂ，３ａ，３ｂを平面状から錐面状に加工する。粗形工程後の接合面は、平面状であって、各接合面の略中央にボルト穴２ｃ，２ｄ，３ｃ，３ｄを加工する。続いて、ボルト穴２ｃ，２ｄ，３ｃ，３ｄの中心軸と同じ位置に中心軸を有するように接合面２ａ，３ｂを凹状でかつ円錐面状に加工し、接合面３ａ，２ｂを凸状でかつ円錐面状に加工する。なお加工工程では、接合面２ａ，２ｂ，３ａ，３ｂを先に錐面状に加工した後に、ボルト穴２ｃ，２ｄ，３ｃ，３ｄを加工しても良いし、接合面２ａ，２ｂ，３ａ，３ｂとボルト穴２ｃ，２ｄ，３ｃ，３ｄとを同時に加工しても良い。

仕上げ工程では、ロッド本体２とキャップ３をボルト４によって締結して、締結した状態で大端部１ｃの内周面１ｄを中ぐり研削する。これにより大端部１ｃの内周面１ｄが仕上げ加工されて、内周面１ｄにメタルおよびクランク軸が装着され得る。Ｅ／Ｇ組付け工程では、ボルト４を弛めてキャップ３をロッド本体２から取外し、クランク軸をロッド本体２とキャップ３によって挟み、ボルト４によってロッド本体２とキャップ３を締結する。

以上のようにしてコネクティングロッド１が形成されている。したがって図１，２に示すように凹状で錐面状の接合面２ａ，３ｂと、凸状で錐面状の接合面３ａ，２ｂが嵌合し、この嵌合が二箇所にて行われる。そのためロッド本体２とキャップ３の位置合わせが正確になされ得る。しかも錐面状に当接するために、ボルト４を締めることで接合面の隙間（２ａと３ａの間，２ｂと３ｂの間）が除々に狭くなり、ガタが防止され、位置合わせが正確になされ得る。また、爆発荷重等に基づきボルト４の剪断方向に働く荷重に対しての耐荷重性は、二箇所において３６０°の方向に発揮され、かつ捩れに対しても発揮され得る。また接合面２ａ，２ｂ，３ａ，３ｂ自体が凹凸形状であるために、広い面積で３６０°にて耐荷重性が発揮され、再組付け時等においては容易に組付けが行われ得る。また位置合わせピンなどの従来構造が不要であるため、位置合わせピンのために接合面の面積を広くする必要がなく、従ってコネクティングロッド１の軽量化に対し障害となることもない。また接合面２ａ，２ｂ，３ａ，３ｂは、破断面ではないため、破断面を形成するクラッキング製法に比べて、特殊な工程を必要とせず、安価に製造することができる。そしてコネクティングロッド１自体も破断しやすい材料等に限定される必要がないために、高強度で高延性の合金を選択することも可能である。このためディーゼルエンジンや高出力エンジン等にとって好適な材料を選択することができる。

また図３に示すように接合面２ａ，３ｂの開き角度２ｆ，３ｇが、接合面３ａ，２ｂの尖り角度３ｆ，２ｇよりも大きくなるように設定されている。したがって接合面２ａ，２ｂ，３ａ，３ｂは、中心側において確実に当接する。そしてコネクティングロッド１は、製造工程においてロッド本体２とキャップ３を組付けた状態で大端部１ｃの内周面１ｄを削る仕上げ加工を行うことが一般的であるが（図１参照）、本形態では、接合面２ａ，２ｂ，３ａ，３ｂが中心側で確実に当接し、中心側は、仕上げ工程において削られない。そのため仕上げ加工によって、接合面２ａ，２ｂ，３ａ，３ｂの当接位置がずれる心配もなく、接合面が外側部で当接する場合に比べて位置合わせが正確になる。

また接合面２ａ，２ｂ，３ａ，３ｂは、図２に示すようにいずれも円錐面状に形成されている。したがって接合面２ａ，２ｂ，３ａ，３ｂは、回転工具等によって製造され得る。そのため多角錐面状の接合面に比べて容易に成形でき、かつ高精度に製造することができる。

また図３に示すように凹状の接合面２ａ，３ｂの軸中心と、ボルト穴２ｃ，３ｄの軸中心とが略一致している。そして凸状の接合面３ａ，２ｂの軸中心と、ボルト穴３ｃ，２ｄの軸中心とが略一致している。したがってボルト４の締結力を強くするほど、凹状と凸状の接合面２ａ，２ｂ，３ａ，３ｂの軸中心が一致して、ロッド本体２とキャップ３の位置合わせが正確になる。

（他の実施の形態）
本発明は、上記実施の形態に限定されず、以下の形態等であっても良い。
（１）上記実施の形態の接合面２ａ，２ｂ，３ａ，３ｂは、円錐面状であった。しかし接合面が四角錐などの多角錐面状、その他の錐面状であっても良い。
（２）上記実施の形態は、ボルト穴２ｃ，２ｄ，３ｃ，３ｄの中心軸と接合面２ａ，２ｂ，３ａ，３ｂの中心軸とが一致になるように設定されていた。しかしボルト穴の中心軸が接合面のいずれかの位置で、例えば接合面の図心と一致するように設定されていても良い。
（３）上記実施の形態は、当接位置がいわゆる斜め合せとなっているが、本発明は、特にこれに限定されるものではない。つまり、二箇所の当接位置を結ぶ直線が、コネクティングロッドの長手方向に対し略９０度で配置された直角合せのコネクティングに、本発明を適用することも出来る。

コネクティングロッドの正面図である。 ロッド本体とキャップの斜視図である。 当接位置近傍におけるロッド本体とキャップの断面図である。 コネクティングロッドの製造工程図である。

符号の説明

１…コネクティングロッド
１ａ…棒部
１ｂ…小端部
１ｃ…大端部
２…ロッド本体
２ａ，２ｂ，３ａ，３ｂ…接合面
２ｃ，２ｄ，３ｃ，３ｄ…ボルト穴
２ｆ，３ｇ…開き角度
２ｇ，３ｆ…尖り角度
３…キャップ
４…ボルト

Claims (5)

1. ロッド本体とキャップが二箇所において当接し、ボルトによって締結されるコネクティングロッドであって、
   前記二箇所の当接位置では、前記ロッド本体の接合面と前記キャップの接合面が当接し、当接する一つの接合面自体が凹状でかつ底側に向けて狭くなる錐面状であり、当接する他の接合面自体が凸状でかつ頂点側に向けて細くなる錐面状であり、これら凹状と凸状の接合面が嵌合し、前記各接合面に前記ボルトが挿通されるボルト穴が形成されていることを特徴とするコネクティングロッド。
2. 請求項１に記載のコネクティングロッドであって、
   凹状でかつ錐面状の接合面の開き角度が、凸状でかつ錐面状の接合面の尖り角度よりも大きくなるように設定されていることを特徴とするコネクティングロッド。
3. 請求項１または２に記載のコネクティングロッドであって、
   凹状および凸状の接合面は、いずれも円錐面状に形成されていることを特徴とするコネクティングロッド。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載のコネクティングロッドであって、
   凹状でかつ錐面状の接合面の軸中心と、該接合面のボルト穴の軸中心とが略一致しており、
   凸状でかつ錐面状の接合面の軸中心と、該接合面のボルト穴の軸中心とが略一致していることを特徴とするコネクティングロッド。
5. ロッド本体とキャップが二箇所において当接し、ボルトによって締結されるコネクティングロッドの製造方法であって、
   平面状の一対の接合面を有するロッド本体と、平面状の一対の接合面を有するキャップとを製作する粗形工程と、
   前記各接合面に前記ボルトが挿通されるボルト穴を加工し、該ボルト穴の加工と同時または前後において、当接する一方の接合面自体を凹状でかつ底側に向けて狭くなる円錐面状に加工し、かつ当接する他方の接合面自体を凸状でかつ頂点側に向けて細くなる円錐面状に加工する加工工程とを有していることを特徴とするコネクティングロッドの製造方法。
   

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