JP2015505356A - 硬質基板および可撓性構造を有する内燃機関コネクティングロッド - Google Patents

Abstract

【課題】 硬質基板および可撓性構造を有する内燃機関コネクティングロッドを提供する。【解決手段】 コネクティングロッドは小端部（1）およびコネクティングロッド本体（2）を含み、コネクティングロッド小端部孔（3）がコネクティングロッド小端部（1）に配置される。コネクティングロッド小端部は硬質基板および可撓性構造を有し、即ち、コネクティングロッド小端部は、引張強度σb≧700MPaの鋼材または合金材料を硬質基板材料として使用し、コネクティングロッド小端部（1）は可撓性構造を有し、ピストンピン（4）を介したシリンダ圧力の作用下で、コネクティングロッド小端部孔（3）による軸方向に生じる弾性変形Δ2は、ピストンピン（4）によって軸方向に生じる曲げ変形Δ1に適応可能であり、ピストンピン（4）はコネクティングロッド小端部孔（3）と適合する。これにより、あらゆる作動条件下において、コネクティングロッド小端部孔はピストンピンに良好に適合し、コネクティングロッド小端部孔とピストンピンの間の摩擦性能が十分に改善する。【選択図】図２

Description

本発明は、往復動内燃機関のコネクティングロッドに関し、特に、硬質材料から作られる可撓性構造を含む内燃機関のブッシュ無しコネクティングロッドに関する。

内燃機関のコネクティングロッドは、ピストンをクランクシャフトに連結させて、駆動力を伝達すると共にそれらの間の運動を可能にするように作用する。コネクティングロッドの小端部はピストンピンを介してピストンに連結され、コネクティングロッドの大端部はクランクシャフトのロッドジャーナルに連結されることにより、ピストンによる爆発圧がクランクシャフトに伝達され、ピストンの往復動はクランクシャフトの回転運動を含む。上記の工程の間に、圧縮、伸長および屈曲を含む交番荷重がコネクティングロッドにかけられる。浮動ピストンピンでは、コネクティングロッドが作動するときには、コネクティングロッドの小端部とピストンロッドの間で相対移動が起こり、交番荷重の作用下で、小端部とピストンピンに摩耗が生じることとなる。摩耗により小端部とピストンピンの間隙が拡大してしまい、ピストンピンに異常音が発生し、小端部およびピストンピンを破損させ、或いはシリンダに衝突することすらある。小端部とピストンロッドの間の摩耗を小さくするために、摩耗低減バイメタルブッシュが摺り軸受として小端部に圧入される。バイメタルブッシュおよび小端部に油溝がフライス加工され、或いは油孔が孔開け加工されて、エンジン作動の間に、潤滑のために飛び散る潤滑油を回収する。

市販車両のエンジンで爆発圧が増大すると、小端部のブッシュにかかる表面圧力は一層大きくなることから、軸受用の材料を選択したり、高い爆発圧を備えたエンジンを開発することが非常に困難になり、製造コストが増大してしまう。

従来技術の滑り軸受を使用する際には、滑り軸受を取り付ける基板には、滑り軸受を取り付ける時に確実な締り嵌めをもたらすように、一層強化された堅固な構造体を用いる。図１に示すように、往復動内燃機関において、同様に滑りブッシュは高い剛性を備えた中心穴に圧入される。従来の連結構造の作動信頼性は、軸受の合金材料の許容圧力、摩擦面上における油溝の位置、嵌合工程、摩擦面の微細な状況、力を受けた時のピストンピンの撓みや変形によって制限される。使用に際して、ブッシュが頻繁に回転すると、油路が簡単に閉塞すると共に、油の欠乏に起因して、ブッシュ合金の摩擦面で削摩や咬合いが生じる。したがって、コネクティングロッド小端部のブッシュにおける機能障害は、往復動内燃機関の作動において、最もよくある機能障害の一つである。

上記の課題を解決するために、特許文献１は、内部ギャラリーと異形ピストンピンを有するリン処理ブッシュ無しピストンおよびコネクティングロッドアセンブリを開示している。ピストンおよびコネクティングロッドアセンブリは、ピストンピンの構造最適化に主に焦点を当てており、リン層がピストンおよびコネクティングロッドアセンブリに被覆されることにより、小径孔とピストンピンの間の摩擦抵抗が改善されている。しかしながら、小端部の構造についてはいかなる改良も行われていない。

本願出願人は、２０１１年７月２６日に、往復動内燃機関用小端部を有するブッシュ無しコネクティングロッドと題する特許文献２を出願した。ブッシュ無しコネクティングロッドの中心孔は、異形ピストンピン孔構造を用いており、即ち、中心孔の中心と孔口の交点は、相対的に幅広の線の一部を回転させると共に油溝を配置することにより形成され、これにより油溝と幅広の線で環が形成される。異形ピストンピンは、小端部の可撓性構造の最適化ではなく、従来からの小端部の一層強化された剛構造に基づき実現されている。長手方向断面から見ると、異型ピストンピン孔の下側内面は弧状にされており、ピストンピンの外面は直線形状とされている。ピストンピンの力による曲げ変形が異形ピストンピン孔の弧状下側内面と一致するときに、それに応じて曲げ変形が異形ピストンピン孔に、ピストンピンの力に従い生じ、高い爆発圧に耐えることができる。しかし、力によるピストンピンの曲げ変形が、異形ピストンピン孔の弧状下側内面と一致しない時には、異形ピストンピン孔はピストンピンに良好に適合しない。

中国特許出願第２００４８００３４３５２．３号 中国特許出願第２０１１２０２６５３９２．６号

現用の軸受材料では高い爆発圧を備えた未来のエンジンに課される高い要件を満たすことができない、また往復動内燃機関用コネクティングロッドの小端部のブッシュの機能不全といった課題を解決するために、本発明の目的の一つは、硬質材料から作られる可撓性構造を含む内燃機関のコネクティングロッドを提供することである。本発明は、コネクティングロッド中心孔に滑りブッシュを圧入することなく、中心孔とピストンピンの間の摩擦性能を改善することができる。

本発明の技術的構想は以下のとおりである。内燃機関のコネクティングロッドは、小端部1およびシャンク2を含み、小端部1は中心孔3を含む。コネクティングロッドの小端部1は硬質材料から作られる可撓性構造を利用する。硬質材料は鋼または合金材料であり、700MPa以上の引張強度σbを有する。コネクティングロッドの小端部1はピストンピン4と適合する。小端部1の可撓性構造は、ピストンピン4の軸方向に沿った曲げ変形Δ1に適応するために、ピストンピン4に作用するシリンダ圧力によって生じる中心孔3の軸方向に沿った弾性変形Δ2が可能となるように作用する。

可撓性構造の小端部1は円形体1.1と可撓性支持体を含む。円形体1.1は中心孔3を取り囲み、また中心孔3は一定の直径を有する完全円形穴である。可撓性支持体は、２個の瓦形支持構造体1.2を中心孔3の２つの端部からその軸方向に沿って夫々延出させることにより形成される。各瓦形支持構造体1.2は半円形よりも小さく、また開口を含み、瓦形支持構造体1.2の開口は、小端部と対向する。瓦形支持構造体1.2の弧状内面は、中心孔3の弧状内面の延長部分である。

好適には、瓦形支持構造体1.2は、延長部分始端から外端まで軸方向に沿って、次第に厚みが小さくされている。コネクティングロッドの中心孔3は、軸方向に沿って、中心から両端に向かい次第に剛度が小さくさせられており、作動時にピストンピンの軸方向に沿って生じる曲げ変形に更に良好に適応する。

好適には、円形体1.1の中心孔3の２つの端面は互いに平行である。

好適には、２個の瓦形支持構造体1.2は、円形体1.1の中心孔3の２つの端部に対称に配置されており、作動中にピストンピンの軸方向に沿った曲げ変形に良好に適応する。

好適には、各瓦形支持構造体は、4〜8mmの厚みH2を有する。

好適には、瓦形支持構造体1.2および円形体1.1は、10〜30mmの半径R3を有する滑らかな連結弧によって連結される。

好適には、２個の瓦形支持構造体の２つの外端面間の距離L1は、円形体1.1の２つの端面間の距離L2の1.5倍から2.5倍とされる。

好適には、弧状油溝5は、シャンク2の近くの中心孔3の弧状内面上に軸方向に沿って配置される。

本発明の改善点としては、コネクティングロッドの中心孔の応力面の下端は、従来の剛体構造ではなく、局所可撓性構造を用いている。即ち、コネクティングロッドの小端部は硬質材料から作られた可撓性構造を用いており、換言すれば、小端部（1）は引張強度σbが700MPa以上の鋼または合金材料から作られる。コネクティングロッドの小端部はピストンピンに適合し、小端部の可撓性構造は、ピストンピンの軸方向に沿った曲げ変形Δ1に適合するために、ピストンピンに作用するシリンダ圧力によって生じる中心孔の軸方向に沿った弾性変形Δ2を可能にするように作用する。弾性変形および曲げ変形を図６に示す。従って、摩擦面の間の微小領域で硬質接触点が発生せず、摩擦の間の咬合い現象が回避される。

とりわけ、小端部は特別な可撓性構造を用いる。円形体1.1は、直径が一定の円形穴である中心孔3を取り囲み、中心孔3の２つの端部には瓦形支持構造体1.2が設けられることから、可撓性構造により、ピストンピンの力に起因して中心孔3が変形させられても、或いは力がかけられない状態で変形させられなくても、又は、力がかけられた状態の継続および変化を受けてピストンピンが変形させられても、中心孔3はピストンピンに適切に適合する。即ち、中心孔3とピストンピンは、全ての作動条件で適切に適合し、また中心孔とピストンピンの間の摩擦性能は本質的に改善する。

更に、２個の油溝5は中心孔の２つの端面上に、中心孔3を貫通するように夫々フライス加工される。２個の瓦形支持構造体1.2は小端部の２つの端部に配置され、各瓦形支持構造体1.2は半円形よりも小さく、また開口を含む。瓦形支持構造体1.2を配置することにより、エンジンのクランク室から飛び散る潤滑油を回収し、その潤滑油を油溝5から摩擦面へ導くように作用する。油溝5のパラメータ、例えば中心孔の垂直中心線と油溝中心および中心孔中心の接続線の間の夾角、油溝の深さH3、潤滑油のくさび角度などを調整することにより、潤滑や放熱が効果的に行われ、また摩擦面間の付着摩耗が回避される。

中心孔に圧入されるブッシュが必要なくなるので、油路がブッシュの回転に起因して閉塞することがない。

要するに、硬質材料から作られる可撓性構造を備えた内燃機関のコネクティングロッドは、エンジンの作動信頼性を高め、コネクティングロッドの構造を単純にし、且つ製造コストを節約するという点で、実用上重要性を持つ。

ブッシュを備えた従来のコネクティングロッドの小端部の構造図。 本発明のコネクティングロッドの小端部の断面図。 図２のコネクティングロッドの小端部の左面図。 本発明のコネクティングロッドの小端部の立体図。 図４の部分Aの拡大図。 ピストンピンの曲げ変形に適合する中心孔の弾性変形を示す構造図。

本発明を更に例証するために、以下に、硬質材料から作られる可撓性構造を備えた内燃機関のコネクティングロッドについて詳述する実施例を、図面と併せて説明する。

図２、図３および図４に示すように、内燃機関のコネクティングロッドは、硬質材料から作られる可撓性構造を備える。コネクティングロッドは小端部1およびシャンク2を含む。小端部1は中心孔3を含む。コネクティングロッドの小端部1は、硬質材料から作られる可撓性構造を用いる。小端部1は、38MnVS6やC70S6のような鋼や合金材料から作られ、700MPa以上の引張強度σbを有する。

コネクティングロッドの小端部1はピストンピン4と適合し、小端部1の可撓性構造は、ピストンピン4の軸方向に沿った曲げ変形Δ1に適合するために、ピストンピン4に作用するシリンダ圧力によって生じる中心孔3のその軸方向に沿った弾性変形Δ2を可能にするように作用する。可撓性構造の小端部1は、円形体1.1と可撓性支持体を含む。円形体1.1は中心孔3を軸方向に沿って包囲し、また、中心孔3は直径が一定の完全円形穴である。可撓性支持体は、２個の瓦形支持構造体1.2を中心穴3の２つの端部からその軸方向に沿って夫々延出させることにより形成される。各瓦形支持構造体1.2は半円形穴よりも小さく、また開口を含む。瓦形支持構造体1.2の開口は小端部1と対向する。瓦形支持構造体1.2の弧状内面は、中心孔3の弧状内面の延長部分である。

瓦形支持構造体1.2の厚みH2は一定で、4〜8mmであり、或いは変更されてもよく、即ち、瓦形支持構造体1.2の厚みはその延長部分始端から外端まで軸方向に沿って次第に厚みが小さくなる。瓦形支持構造体の内表面と中心孔3の内表面は同じ弧度を有し、軸方向に沿って直径が等しい円弧をなす。瓦形支持構造体および円形体は、10〜30mmの半径R3を備えたなめらかな連結弧によって連結される。２個の瓦形支持構造体の２つの外端面間距離L1は、円形体1.1の２つの端面間距離L2の1.5から2.5倍である。本例において、瓦形支持構造体1.2の厚みは、延長部分始端からその外端まで軸方向に沿って次第に厚みが小さくされている。

２個の弧状溝5は、シャンク2の付近の中心孔3弧状内面の２つの側部に軸方向に沿って配置され、各弧状溝5は10〜30mmの直径ΦD2と、0.1〜0.3mmの深さH3を有する。

コネクティングロッドは、従来の往復動内燃機関における下側小端部の剛構造の代わりとなるように、局所可撓性構造を用いる。即ち、シャンクとコネクティングロッド小端部の交点における剛性を調節するように、本発明のパラメータが調節されることにより、従来のコネクティングロッドよりも可撓性が高く、可撓性構造の目的を達成し、且つ、ピストンピン4の軸方向に沿った曲げ変形Δ1に適合するように、ピストンピン4に作用するシリンダ圧力によって生じる中心孔3のその軸方向に沿った弾性変形Δ2を可能にする。従って、摩擦面上での硬質接触点や咬合い現象が回避される。調節可能なパラメータにはL1、L2、R1、R2、R3、H2があり、L1は２個の瓦形支持構造体の２つの外端面間距離を表し、L2は円形体1.1の２つの端面間距離を表し、R1はシャンク2の補強材と瓦形支持構造体間の移行連結弧半径を表し、R2はシャンク2の本体と瓦形支持構造体間の移行連結弧半径を表し、R3は瓦形支持構造体と円形体1.1間の移行連結弧を表し、H2は瓦形支持構造体の厚みを表す。

図４に示すように、２個の油溝5は夫々、中心孔を貫通して中心孔の２つの側部にフライス加工されている。２個の瓦形支持構造体は、小端部の２つの端部に配置されており、各瓦形支持構造体は半円形よりも小さく、且つ開口を含む。瓦形支持構造体を配置することにより、エンジンクランク室から飛び散った潤滑油を回収すると共に、その潤滑油を油溝5から摩擦面へ案内するように作用する。中心孔垂直中心線と油溝中心および中心孔中心の接続線間の夾角α、油溝深さH3、潤滑油くさび角度などの油溝のパラメータが調節されることにより、潤滑や放熱が効果的に行われるとともに、摩擦面間の付着摩耗を回避することができる。

本実施例において、硬質材料および可撓性構造に基づく内燃機関のコネクティングロッドは、以下のパラメータを有する：L1=44mm，L2=23mm，R1=8mm，R2=15mm，R3=20mm，H1=13.65mm，H2=5.9mm，H3=0.15mm，ΦD1=44mm，ΦD2=25mm，α=50°。ΦD1はコネクティングロッド中心孔の直径である。コネクティングロッドの小端部は、ピストンピンと協働して咬合い現象を回避するように変形する。コネクティングロッドは一連のエンジン試験に合格している。1000時間に及ぶエンジン安定性試験の後、中心孔には異常な摩耗は生じておらず、試験後における中心孔の半径方向最大摩耗量は0.005mmであり、中心孔の軸方向に沿った変形は生じていない。

本発明の特定の実施形態について図示および説明してきたが、当該技術分野に属する者であれば、ピストンピン4を介したシリンダの圧力により生じる中心孔3の軸方向に沿った弾性変形Δ2を可能にする他の可撓性構造をコネクティングロッド小端部1に用いて、ピストンピン4の軸方向に沿った曲げ変形Δ1に適合させるようにすることは、明白である。従って、本発明の保護範囲に含まれるこれらの変更は、請求の範囲に限定されている。

1 小端部
1.1 円形体
1.2 瓦形支持構造体
2 シャンク
3 中心孔
4 ピストンピン
5 油溝

Claims (10)

1. 小端部（1）およびシャンク（2）を含む内燃機関のコネクティングロッドであって、前記小端部（1）は中心孔（3）を含むものであって、
   前記コネクティングロッド小端部（1）は硬質材料から作られた可撓性構造を用いており、
   前記硬質材料は引張強度σbが700MPa以上の鋼または合金材料であり、
   前記コネクティングロッド小端部（1）はピストンピン（4）に適合しており、
   前記小端部（1）の可撓性構造は、前記ピストンピン（4）の軸方向に沿った曲げ変形Δ1に適合するために、前記ピストンピン（4）に作用するシリンダ圧力によって前記中心孔（3）にその軸方向に沿って生じる弾性変形Δ2を許容するように作用する
   コネクティングロッド。
2. 前記小端部（1）は円形体（1.1）および可撓性支持体を含み、
   前記円形体（1.1）は前記中心孔（3）を取り囲み、該中心孔（3）は直径が一定の完全円形穴であり、
   前記可撓性支持体は、２個の瓦形支持構造体（1.2）を前記中心孔（3）の２つの端部からその軸方向に沿って夫々延出させることにより形成され、
   各瓦形支持構造体（1.2）は半円形よりも小さく、且つ開口を含み、
   前記瓦形支持構造体（1.2）の開口は前記小端部（1）と対向し、
   前記瓦形支持構造体（1.2）の弧状内面は前記中心孔の弧状内面の延長部分である
   請求項１のコネクティングロッド。
3. 前記瓦形支持構造体（1.2）は、その延長部分始端から軸方向に沿ってその外端まで、次第に厚みが小さくなる、請求項２のコネクティングロッド。
4. 前記円形体（1.1）の中心孔（3）の２つの端面は、互いに平行である、請求項２のコネクティングロッド。
5. 前記２個の瓦形支持構造体（1.2）は、前記円形体（1.1）の中心孔（3）の２つの端部に対称に配置される、請求項２のコネクティングロッド。
6. 各瓦形支持構造体は、4〜8mmの厚みH2を有する、請求項２のコネクティングロッド。
7. 前記瓦形支持構造体（1.2）および円形体（1.1）は、半径R3が10〜30mmの滑らかな連結弧によって連結される、請求項２のコネクティングロッド。
8. 前記２個の瓦形支持構造体の２つの外端面間の距離L1は、前記円形体の２つの端面間の距離L2の1.5から2.5倍である、請求項２のコネクティングロッド。
9. 弧状油溝（5）が前記シャンク（2）の付近において、前記中心孔（3）の弧状内面に軸方向に沿って配置され、
   前記弧状油溝（5）は、10〜30mmの直径ΦD2と、0.1〜0.3mmの深さH3を有する
   請求項２のコネクティングロッド。
10. 前記コネクティングロッドの小端部は、38MnVS6またはC70S6の硬質材料から作られる、請求項１乃至９のいずれかのコネクティングロッド。

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