JP2016033234A - ボルト組立体及びその浸炭方法 - Google Patents

Abstract

【課題】雌ねじ部が形成されたボルト孔への浸炭を防止しつつ、座面強度が要求される座面には浸炭処理を施すボルト組立体及びその浸炭方法を提供する。
【解決手段】固定ボルトにより固定される第１分割部材２２と第２分割部材２３の一方の第１分割部材２２に座面３５を形成し、他方の第２分割部材２３のボルト孔３８の内面に雌ねじ部３９を形成する。第１分割部材２２に、座面３５からボルト孔３６へ向けて縮径するように円錐形状に傾斜もしくは湾曲するテーパ面４１を形成する。浸炭工程では、浸炭用治具４３の傾斜面部４７を、座面３５に当接することなくテーパ面４１に着座させて、ボルト孔３６，３８を塞ぐ。
【選択図】図４

Description

本発明は、一対の第１分割部材と第２分割部材とを固定ボルトにより固定したボルト組立体に関し、特に、このボルト組立体の表面に浸炭処理を施す技術に関する。

内燃機関の複リンク式ピストン−クランク機構は、特許文献１に記載されているように、クランクシャフトのクランピンに回転可能に取り付けられるロアーリンクと、このロアーリンクとピストンとを連結するアッパーリンクと、機関本体に回転可能に支持されるコントロールシャフトと、このコントロールシャフトと上記ロアーリンクとを連結するコントロールリンクと、を有している。

ロアーリンクは、クランクピンに後から組付可能なように、一対の第１分割部材と第２分割部材とをクランクピンを挟んで固定ボルトにより締結・固定するボルト組立体として構成されている。

この種のボルト組立体では、一般的に、一方の第１分割部材に固定ボルトの頭部が着座する座面が設けられ、他方の第２分割部材のボルト孔には、固定ボルトの軸部の外周に形成された雄ねじ部に螺合する雌ねじ部が形成されている。

特開２０１２−６７７５８号公報

ボルト組立体としてのロアーリンクには、内燃機関の運転中に燃焼荷重や慣性荷重が繰り返し作用するために、疲労強度や座面強度を確保するために、その表面に炭素を添加する浸炭処理（その後の焼き入れ、焼き戻し工程も含む）を行なうことが望ましい。浸炭処理が施された浸炭層では、その表面硬さが向上して、疲労強度が向上するとともに、固定ボルトの頭部が着座する第１分割部材の座面では、その座屈強度が向上する。

一方、第２分割部材のボルト孔の内周に形成された雌ねじ部に浸炭処理が施されると、ねじ噛み合い部分のピッチの変形を招いたり、硬度の増加に伴い靱性が低下することで、ねじ噛み合い部分の耐久性や信頼性が低下することが懸念される。従って、雌ねじ部が形成されたボルト孔には、浸炭処理を施さない、つまり防炭処理を行なうことが望ましい。

このような防炭処理として、予め固定ボルトにより一対の分割部材を締結・固定し、この固定ボルトによりボルト孔を塞いだ状態で浸炭処理を行なうことで、ボルト孔を防炭することが考えられる。

しかしながら、この場合には、固定ボルトの頭部が第１分割部材の座面に着座した状態で浸炭処理が行なわれることとなるために、座面に浸炭のガスが入らず、浸炭処理が行なわれない。このため、本来の目的である浸炭処理による座面強度の向上効果が得られない。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、ねじ噛み合い部分を有するボルト孔の浸炭を防止して、ねじ噛み合い部分のピッチの変形や硬度の増加に伴う靱性の低下を抑制しつつ、固定ボルトの頭部が着座する第１分割部材の座面には浸炭処理を施して、座面強度を向上することを目的としている。

本発明は、固定ボルトにより固定される第１分割部材と第２分割部材とを有するボルト組立体についてのものであり、特に、このボルト組立体の表面に浸炭処理を施す技術に関する。上記第１分割部材と第２分割部材には、上記固定ボルトの軸部が挿通するボルト孔が貫通形成される。一方の第１分割部材には、上記固定ボルトの頭部が着座する平坦な座面が設けられるとともに、他方の第２分割部材のボルト孔の内周には、上記固定ボルトの軸部の外周に形成された雄ねじ部に螺合する雌ねじ部が形成されている。

また、上記第１分割部材には、上記ボルト孔の周囲に、上記座面からボルト孔へ向けて縮径するように円錐形状に傾斜もしくは湾曲するテーパ面が形成され、上記浸炭工程では、上記固定ボルトに代えて浸炭用治具を用いて上記第１分割部材と第２分割部材とを固定した状態で浸炭処理が行なわれる。そして、上記浸炭用治具は、上記座面にも浸炭処理が施されるように、上記座面に当接することなく上記ボルト孔を塞ぐように構成されている。

本発明によれば、浸炭工程では、浸炭用治具が座面に当接することなくボルト孔を塞ぐように構成されているために、ねじ噛み合い部分を有するボルト孔の浸炭を防止して、ねじ噛み合い部分のピッチの変形や硬度の増加に伴う靱性の低下を抑制しつつ、固定ボルトの頭部が着座することとなる第１分割部材の座面には浸炭処理を施して、座面強度を向上することができる。

本発明の第１実施例に係るボルト組立体の一例としてのロアーリンクを有する内燃機関の複リンク式ピストン−クランク機構を示す断面図。 図１のロアーリンクの近傍を拡大して示す断面図。 図２のロアーリンクの固定ボルトの締結部分を拡大して示す断面図。 浸炭工程において浸炭用治具をボルト孔に嵌合した態様を示す断面図。 本発明の第２実施例に係る浸炭用治具の着座部分を示す説明図。 本発明の第３実施例に係る浸炭用治具の着座部分を示す説明図。

以下、図示実施例により本発明を説明する。図１は、本発明に係るリンク機構の一例としての内燃機関の複リンク式ピストン−クランク機構を示す断面図である。

この複リンク式ピストン−クランク機構は、内燃機関のピストン１１とクランクシャフト１２のクランクピン１３とを複数のリンク部品で連結するものであって、基本的な構造は上記の特開２０１２−６７７５８等にも記載のように公知であるので、ここでは簡単に説明する。

この複リンク式ピストン−クランク機構は、クランクピン１３に回転可能に取り付けられるロアーリンク１４と、このロアーリンク１４とピストン１１とを連結するアッパーリンク１５と、機関本体としてのシリンダーブロック１０に回転可能に支持されるコントロールシャフト１６と、このコントロールシャフト１６とロアーリンク１４とを連結するコントロールリンク１７と、を有している。

ピストン１１とアッパーリンク１５の上端とはピストンピン１８により相対回転可能に連結されており、アッパーリンク１５の下端とロアーリンク１４とは第１連結ピン１９により相対回転可能に連結されており、コントロールリンク１７の上端とロアーリンク１４とは第２連結ピン２０により相対回転可能に連結されており、コントロールリンク１７の下端はコントロールシャフト１６に偏心して設けられた偏心軸部１６Ａに相対回転可能に取り付けられている。

また、図示していないが、コントロールシャフト１６の回転位置を変更可能なモータや油圧アクチュエータ等のアクチュエータを設け、このアクチュエータによりコントロールシャフト１６の回転位置を変更することによって、ピストン１１の上死点位置及び下死点位置を含むピストン１１のストローク特性を変化させ、ひいては機関圧縮比を変更することが可能である。アクチュエータの動作は図示せぬ制御部によって機関運転状態に応じて制御される。

図２は、本発明の第１実施例に係るボルト組立体としてのロアーリンク１４を示す断面図である。ロアーリンク１４は、クランクシャフト１２のクランクピン１３に後から組み付けることができるように、クランクピン１３を挟んで一対の固定ボルト２１により締結・固定される一対の第１分割部材２２と第２分割部材２３とを有するボルト組立体として構成されており、各分割部材２２，２３には、クランクピン１３を回転可能に支持する軸受面２４の半分がそれぞれ半割形状に形成されている。

また、ロアーリンク１４は、第１連結ピン１９が回転可能に貫通するアッパーリンク１５のピンボス部２５を両側から挟み込むように、第１連結ピン１９が圧入により固定される薄板状の第１ピンボス部２６が二股形状に形成されている。なお、図２の断面図では一方の第１ピンボス部２６のみが描かれている。この二股形状の第１ピンボス部２６の間にアッパーリンク１５のピンボス部２５を配置した上で、第１連結ピン１９を、ロアーリンク１４の第１ピンボス部２６に圧入により固定しつつ、アッパーリンク１５のピンボス部２５に回転可能に貫通させることで、アッパーリンク１５とロアーリンク１４とが相対回転可能に連結される。

同様に、第２連結ピン２０が回転可能に貫通するコントロールリンク１７のピンボス部２７を両側から挟み込むように、第２連結ピン２０が圧入により固定される薄板状の第２ピンボス部２８が二股形状に形成されている。なお、図２の断面図では一方の第２ピンボス部２８のみが描かれている。この二股形状の第２ピンボス部２８の間にコントロールリンク１７のピンボス部２７を配置した上で、第２連結ピン２０を、一対の第２ピンボス部２８に圧入により固定しつつ、コントロールリンク１７のピンボス部２７に回転可能に貫通させることで、コントロールリンク１７とロアーリンク１４とが相対回転可能に連結される。

なお、一方の分割部材に荷重や応力が集中することのないように、第１分割部材２２と第２分割部材２３のうち、一方の第２分割部材２３に第１ピンボス部２６、他方の第１分割部材２２に第２ピンボス部２８が設けられている。

次に、固定ボルト２１による締結部分の構造について、図２及び図３を参照して詳細に説明する。なお、固定ボルト２１は２本あるが、基本的に両者の構造は同じであるために、ここではアッパーリンク１５寄り（図２の右側）の固定ボルト２１の固定構造を例にとって説明する。ここで、本明細書においては便宜上、一対の分割部材２２，２３のうち、固定ボルト２１の頭部３３が着座する方を「第１分割部材」と呼び、固定ボルト２１の軸部３１の雄ねじ部３２が螺合する方を「第２分割部材」と呼んでいる。従って、他方のコントロールリンク１７側の固定ボルト２１の締結構造に着目した場合には、以下の説明とは第１分割部材と第２分割部材の関係が逆になる。

固定ボルト２１は、外周に雄ねじ部３２が形成された軸部３１と、この軸部３１の一端に設けられ、軸部３１よりも大径な頭部３３と、を有している。第１分割部材２２には、固定ボルト２１の頭部３３の平坦な裏面３４が着座する平坦な座面３５が設けられるとともに、固定ボルト２１の軸部３１が貫通する第１ボルト孔３６が貫通形成されている。第１ボルト孔３６は、一端が座面３５に開口し、他端が第１分割部材２２と第２分割部材２３の合わせ面３７に開口している。

第２分割部材２３には、固定ボルト２１の軸部３１が挿通する第２ボルト孔３８が貫通形成されている。この第２ボルト孔３８の内周には、固定ボルト２１の軸部３１の外周に形成された雄ねじ部３２に螺合する雌ねじ部３９が形成されている。第２ボルト孔３８の一端は両分割部材２２，２３の合わせ面３７に開口し、他端は二股形状をなす一対の第１ピンボス部２６同士を繋ぐ底面４０に開口している。

つまり、固定ボルト２１は、燃焼荷重や慣性荷重等を勘案して、二股形状のピンボス部２６，２８側が軸部３１の先端側となるように締結される構造となっており、この関係で、合わせ面３７から底面４０までの距離が比較的短くなっている。従って、ねじ締結部分の強度・剛性を確保するように、第２ボルト孔３８がピンボス部２６（２８）の底面４０にまで貫通する構造とし、雌ねじ部３９が形成される第２ボルト孔３８の長さを十分に確保するようにしている。

そして、図３に示すように、第１分割部材２２には、第１ボルト孔３６の周囲に、平坦面をなす座面３５から第１ボルト孔３６へ向けて縮径するように円錐形状に傾斜あるいは湾曲するテーパ面４１が形成されている。

浸炭工程では、例えば、真空引きしたケース内にロアーリンク１４を配置し、このケース内に浸炭用のガスを注入・加熱して行なわれる。その後、焼き入れ・焼き戻しにより硬化を行ない、図３及び図４の太い実線で示すように、高硬度な浸炭層４２がロアーリンク１４の表面に形成される。

ここで本実施例では、浸炭工程の際、固定ボルト２１に代えて浸炭用治具４３を用いて第１分割部材２２と第２分割部材２３とを固定した状態で浸炭処理を行うようにしている。この浸炭用治具４３は、上記の固定ボルト２１と同様に、頭部４５と軸部４４とを有するボルト形状をなしている。この治具の軸部４４は、固定ボルト２１の軸部３１よりも細く、かつ長く設定されており、第１ボルト孔３６及び第２ボルト孔３８を貫通して、ピンボス部２６の底面４０より突き出しており、この軸部４４の先端部にナット（図示省略）が締結される。この治具の軸部３１の外周には、ナットの内周に形成された雌ねじ部に螺合する雄ねじ部４６が形成されている。

なお、このようにナットを用いる構造に代えて、治具の軸部４４を固定ボルト２１の軸部３１と同じ太さ（径方向寸法）とし、その先端側で第２ボルト孔３８の雌ねじ部３９に螺合・締結する構成としても良い。

治具の頭部４５は、座面３５にも浸炭処理が施されるように、座面３５に当接することなく、第１分割部材２２のテーパ面４１に着座するように構成されている。具体的には、治具の頭部４５は、軸部４４の裏面側が第１分割部材２２に形成されたテーパ面４１と同様に円錐形状に傾斜する傾斜面部４７として構成されている。従って、この浸炭用治具４３を締結した際、図４に示すように、傾斜面部４７が座面３５と接触することなくテーパ面４１に着座して強く接触することとなる。この結果、テーパ面４１及びボルト孔３６，３８が浸炭用治具４３により密閉状態に塞がれた状態となって、浸炭処理が行なわれることがない。一方、座面３５は浸炭用治具４３により塞がれることなく露出した状態となるために、浸炭処理が行なわれ、図３及び図４の太い実線で示すように、座面３５にも浸炭層４２が形成されることとなる。

以上のように本実施例では、浸炭処理の際に固定ボルト２１に代えて専用の浸炭用治具４３を用いるこで、雌ねじ部３９が形成されるボルト孔３６，３８の浸炭を防ぎながら、強度が要求される座面３５には浸炭処理を施して、浸炭層４２を形成することが可能となり、ねじ噛み合い部分の靱性の低下を防ぎつつ、座面３５の強度を向上することができる。なお、浸炭用治具４３は何度も使い回しが可能であるために、製造コストの増加は最小限に抑制される。

図５は、この発明の第２実施例に係る浸炭用治具４３の固定構造を示す説明図である。なお、以下の第２，第３実施例では、基本的な構造は上記第１実施例と同様であるため、ここでは異なる部分についてのみ説明する。

テーパ面４１と傾斜面部４７との傾斜角度を等しく設定すると、寸法のばらつき等に起因して、テーパ面４１と傾斜面部４７との実際の着座位置がボルト孔３６寄りの位置から座面３５寄りの位置の間でばらつくおそれがあり、ひいてはボルト孔３６，３８の密封性を阻害するおそれがある。

そこで、図５の第２実施例では、浸炭用治具４３の傾斜面部４７Ａが、最もボルト孔寄り（図の下側寄り）の位置でテーパ面４１Ａに着座するように、座面３５（軸部の軸方向に直交する方向）に対する傾斜面部４７Ａの傾斜角度を、テーパ面４１Ａの傾斜角度よりも大きく設定している。これによって、傾斜面部４７Ａが常に最もボルト孔寄りの位置でテーパ面４１に安定して着座することとなり、ボルト孔３６，３８を確実に密封することができる。

図５の第３実施例では、浸炭用治具４３の傾斜面部４７Ｂが、最も座面寄り（図の上側寄り）の位置でテーパ面４１Ｂに着座するように、座面３５（軸部の軸方向に直交する方向）に対する傾斜面部４７Ｂの傾斜角度を、テーパ面４１Ｂよりも小さく設定している。これによって、傾斜面部４７Ｂが常に最も座面寄りの位置で安定してテーパ面４１Ｂに着座することとなり、ボルト孔３６，３８を確実に密封することができる。

以上のように本発明を具体的な実施例に基づいて説明してきたが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、種々の変形・変更を含むものである。例えば、上記実施例では傾斜面部をボルト状の軸部と一体の頭部に設けているが、軸部の先端に締結されるナット側に傾斜面部を設ける構造としても良い。

１１…ピストン
１２…クランクシャフト
１３…クランクピン
１４…ロアーリンク
１５…アッパーリンク
１６…コントロールシャフト
１７…コントロールリンク
１９…第１連結ピン
２０…第２連結ピン
２１…固定ボルト
２２…第１分割部材
２３…第２分割部材
３３…頭部
３１…軸部
３２…雄ねじ部
３６…第１ボルト孔
３８…第２ボルト孔
３９…雌ねじ部

Claims (7)

1. 固定ボルトにより固定される第１分割部材と第２分割部材とを有するボルト組立体の表面に浸炭処理を施す浸炭工程を有するボルト組立体の浸炭方法において、
   上記第１分割部材と第２分割部材には、上記固定ボルトの軸部が挿通するボルト孔が貫通形成され、
   一方の第１分割部材には、上記固定ボルトの頭部が着座する平坦な座面が設けられるとともに、他方の第２分割部材のボルト孔の内周には、上記固定ボルトの軸部の外周に形成された雄ねじ部に螺合する雌ねじ部が形成され、
   かつ、上記第１分割部材には、上記ボルト孔の周囲に、上記座面からボルト孔へ向けて縮径するように円錐形状に傾斜もしくは湾曲するテーパ面が形成され、
   上記浸炭工程では、上記固定ボルトに代えて浸炭用治具を用いて上記第１分割部材と第２分割部材とを固定した状態で浸炭処理を行い、
   上記浸炭用治具は、上記座面にも浸炭処理が施されるように、上記座面に当接することなく上記ボルト孔を塞ぐように構成されていることを特徴とするボルト組立体の浸炭方法。
2. 上記浸炭用治具は、上記ボルト孔を挿通する軸部と、この軸部の一端に設けられ、上記座面に当接することなくテーパ面に着座するように、上記テーパ面に対応して傾斜する傾斜面部と、を有することを特徴とする請求項１に記載のボルト組立体の製造方法。
3. 上記傾斜面部は、上記ボルト孔寄りの位置で上記テーパ面に着座するように、上記座面に対する傾斜角度がテーパ面よりも大きく設定されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のボルト組立体の製造方法。
4. 上記傾斜面部は、上記座面寄りの位置で上記テーパ面に着座するように、上記座面に対する傾斜角度がテーパ面よりも小さく設定されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のボルト組立体の製造方法。
5. 上記ボルト組立体が、複リンク式ピストン−クランク機構に用いられ、クランクピンに回転可能に取り付けられるロアーリンクであり、
   上記複リンク式ピストン−クランク機構は、
   上記ロアーリンクとピストンとを連結するアッパーリンクと、
   機関本体に回転可能に支持されるコントロールシャフトと、
   このコントロールシャフトと上記ロアーリンクとを連結するコントロールリンクと、を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のボルト組立体の製造方法。
6. 固定ボルトにより固定される第１分割部材と第２分割部材とを有するボルト組立体において、
   上記第１分割部材と第２分割部材には、上記固定ボルトの軸部が挿通するボルト孔が貫通形成され、
   一方の第１分割部材には、上記固定ボルトの頭部が着座する平坦な座面が設けられる一方、他方の第２分割部材のボルト孔の内周には、上記固定ボルトの軸部の外周に形成された雄ねじ部が螺合する雌ねじ部が形成され、
   かつ、上記第１分割部材には、上記ボルト孔の周囲に、上記座面からボルト孔へ向けて縮径するように円錐形状に傾斜もしくは湾曲するテーパ面が形成され、
   上記ボルト孔を除き、上記座面を含めた第１分割部材の表面に、浸炭処理が施された浸炭層が形成されていることを特徴とするボルト組立体。
7. 上記ボルト組立体が、複リンク式ピストン−クランク機構に用いられ、クランクピンに回転可能に取り付けられるロアーリンクであり、
   上記複リンク式ピストン−クランク機構は、
   上記ロアーリンクとピストンとを連結するアッパーリンクと、
   機関本体に回転可能に支持されるコントロールシャフトと、
   このコントロールシャフトと上記ロアーリンクとを連結するコントロールリンクと、を有することを特徴とする請求項６に記載のボルト組立体。

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