JP2016084906A - コンロッド、内燃機関および自動車両 - Google Patents

Abstract

【課題】ボルトによるキャップ部の結合の際に余分な重量増加を伴うことなく安定な軸力を発生させ得るチタン合金製の分割型コンロッドを提供する。
【解決手段】コンロッド（１）は、チタン合金から形成され、ロッド本体部（１０）と、ロッド本体部の一端に設けられた小端部（２０）と、ロッド本体部の他端に設けられた大端部（３０）とを備え、大端部が、ロッド本体部の他端に連続するロッド部（３３）と、ロッド部に結合されるキャップ部（３４）とに分割された分割型コンロッドであり、キャップ部をロッド部に結合するボルト（４０）をさらに備える。ボルトは、鋼から形成されたボルト本体（４０ａ）と、ボルト本体の表面に設けられたリン酸塩被膜（４０ｂ）とを有する。
【選択図】図２

Description

本発明は、コンロッドに関し、特に、チタン合金製の分割型コンロッドに関する。また、本発明は、そのようなコンロッドを備えた内燃機関や自動車両にも関する。

従来、コンロッド（コネクティングロッド）の材料としては鋼が広く用いられてきたが、近年、コンロッドの軽量化のためにチタン合金を用いることが提案されている（例えば特許文献１）。特許文献１には、チタン合金製の分割型（「組み立て式」と呼ばれることもある。）コンロッドが開示されている。

分割型コンロッドでは、大端部が２つの部分（ロッド部およびキャップ部）に分割されている。キャップ部は、ロッド部にボルトによって結合される。特許文献１に開示されているコンロッドでは、キャップ部の結合にナットは用いられず、ボルトは、雌ねじが切られたボルト孔が形成された大端部に直接締め付けられる。

特開２００７−３０００号公報

コンロッド用のボルトは、鋼製の高強度ボルト（強度区分１２．９または１４．９）であり、そのサイズ（Ｍ８またはＭ９）に対して高い軸力（具体的には４０ｋＮ〜５０ｋＮ）を発生させる。そのため、ボルトの締め付け時に、ねじ面や座面にかじり（焼き付き）が起きやすい。また、チタン合金は焼き付きやすいので、コンロッドがチタン合金製である場合、ボルトを直締めすると、締め付け時の焼き付きがいっそう起こりやすくなる。

そのため、従来、チタン合金製のコンロッドについては、ボルトを直締めせずに鋼製のナットを用いる（つまり鋼製のボルトを鋼製のナットに対して締め付ける）か、あるいは、ボルトを直締めする際にボルト表面に焼き付き防止のためのモリブデングリス（二硫化モリブデンを含むグリス）を塗布することが行われてきた。

しかしながら、ナットを用いる場合、ボルトを直締めする場合に比べてコンロッド全体の重量が増加してしまう。

また、モリブデングリスの塗布を行う場合、量産工程において粘性の高いグリスの量を適切に管理しながら塗布を行うことが実際には困難な場合があり、塗布量にばらつきが発生し得る。塗布量がばらつくと、摩擦係数がばらつくことになるので、スナッグトルク（ねじ面を座面に密着させるのに必要なトルク）のばらつきおよびボルト降伏点のばらつきが大きくなる。その結果、軸力がばらつき、安定した軸力を得ることができない。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、ボルトによるキャップ部の結合の際に余分な重量増加を伴うことなく安定な軸力を発生させ得るチタン合金製の分割型コンロッドを提供することにある。

本発明の実施形態によるコンロッドは、チタン合金から形成され、ロッド本体部と、前記ロッド本体部の一端に設けられた小端部と、前記ロッド本体部の他端に設けられた大端部と、を備え、前記大端部が、前記ロッド本体部の前記他端に連続するロッド部と、前記ロッド部に結合されるキャップ部とに分割された分割型コンロッドであって、前記キャップ部を前記ロッド部に結合するボルトをさらに備え、前記ボルトは、鋼から形成されたボルト本体と、前記ボルト本体の表面に設けられたリン酸塩被膜とを有する。

ある実施形態において、前記リン酸塩被膜は、リン酸亜鉛被膜である。

ある実施形態において、前記リン酸塩被膜は、リン酸マンガン被膜である。

ある実施形態において、前記ボルトは、前記リン酸塩被膜上にグリス層を有していない。

ある実施形態において、前記リン酸塩被膜は、前記ボルトの最表面に位置する。

ある実施形態において、前記チタン合金は、Ｔｉ−５Ａｌ−１Ｆｅ合金である。

本発明の実施形態による内燃機関は、上述した構成を有するコンロッドを備える。

本発明の実施形態による自動車両は、上述した構成を有する内燃機関を備える。

本発明の実施形態によるコンロッドでは、ボルト本体の表面にリン酸塩被膜が設けられている。リン酸塩被膜により、鋼製のボルト本体と、チタン合金製の大端部とが直接接触することが防止されるので、ボルトの締め付け（直締め）時の焼き付き（かじり）が防止される。本発明の実施形態によるコンロッドでは、キャップ部の結合にナットを用いる必要がないので、余分な重量増加が発生しない。さらに、ボルトにグリスを塗布する必要がないので、グリスの塗布量のばらつきに起因する軸力のばらつきが発生しない。そのため、安定した軸力が得られる。

リン酸塩被膜としては、リン酸亜鉛被膜またはリン酸マンガン被膜が好適に用いられる。

軸力の安定の観点からは、ボルトは、リン酸塩被膜上にグリス層を有していないことが好ましい。

また、軸力の安定の観点からは、リン酸塩被膜がボルトの最表面に位置することが好ましい。

コンロッドの材料であるチタン合金は、例えば、Ｔｉ−５Ａｌ−１Ｆｅ合金を好適に用いることができる。Ｔｉ−５Ａｌ−１Ｆｅ合金は、加工性と強度とのバランスに優れる。

本発明の実施形態によるコンロッドは、ボルトによるキャップ部の結合の際に余分な重量増加を伴うことなく安定な軸力を発生させ得るので、自動車両用や機械用の各種の内燃機関（エンジン）に好適に用いられる。

本発明の実施形態によると、ボルトによるキャップ部の結合の際に余分な重量増加を伴うことなく安定な軸力を発生させ得るチタン合金製の分割型コンロッドが提供される。

（ａ）および（ｂ）は、本発明の実施形態によるコンロッド１を示す図である。（ａ）は、コンロッド１全体を示す平面図であり、（ｂ）は、コンロッド１の大端部３０近傍を示す一部切欠き平面図である。 （ａ）は、コンロッド１が備えるボルト４０の正面図であり、（ｂ）は、ボルト４０を頭部４１側から見た平面図であり、（ｃ）は、ボルト４０の表面近傍を示す断面図である。 （ａ）は、実施例１におけるねじ面の摩擦係数μｓ、座面の摩擦係数μｗおよび総合摩擦係数μと、締め付け角度［ｄｅｇ］との関係を示すグラフであり、（ｂ）は、実施例１における全トルク［Ｎ・ｍ］および軸力［ｋＮ］と、締め付け角度［ｄｅｇ］との関係を示すグラフである。 （ａ）は、比較例１におけるねじ面の摩擦係数μｓ、座面の摩擦係数μｗおよび総合摩擦係数μと、締め付け角度［ｄｅｇ］との関係を示すグラフであり、（ｂ）は、比較例１における全トルク［Ｎ・ｍ］および軸力［ｋＮ］と、締め付け角度［ｄｅｇ］との関係を示すグラフである。 実施例１および比較例２〜９について、同じボルトを繰り返し締め付けたときの総合摩擦係数μの変化を示すグラフである。 実施例２、３および４について、同じボルト４０を繰り返し締め付けたときの総合摩擦係数μの変化を示すグラフである。 本発明の実施形態によるコンロッド１を備えたエンジン１００を模式的に示す断面図である。 図７に示すエンジン１００を備えた自動二輪車を模式的に示す側面図である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を説明する。なお、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。

図１に、本発明の実施形態によるコンロッド１を示す。図１（ａ）は、コンロッド１全体を示す平面図であり、図１（ｂ）は、コンロッド１の大端部３０近傍を示す一部切欠き平面図である。

コンロッド１は、チタン合金から形成されている（ただし後述するボルト４０は鋼から形成されている。）。チタン合金としては、例えば、Ｔｉ−５Ａｌ−１Ｆｅ合金を好適に用いることができる。Ｔｉ−５Ａｌ−１Ｆｅ合金は、約５質量％のＡｌおよび約１質量％のＦｅを含むチタン合金である。Ｔｉ−５Ａｌ−１Ｆｅ合金は、加工性と強度とのバランスに優れる。勿論、コンロッド１の材料はＴｉ−５Ａｌ−１Ｆｅ合金に限定されるものではなく、公知の種々の組成のチタン合金（例えばＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金）を用いることができる。

コンロッド１は、図１（ａ）および（ｂ）に示すように、棒状のロッド本体部１０と、ロッド本体部１０の一端に設けられた小端部２０と、ロッド本体部１０の他端に設けられた大端部３０とを備える。

小端部２０には、ピストンピンを通すための貫通孔（「ピストンピン孔」と呼ばれる。）２５が形成されている。一方、大端部３０には、クランクピンを通すための貫通孔（「クランクピン孔」と呼ばれる。）３５が形成されている。

大端部３０は、ロッド本体部１０の他端に連続するロッド部３３と、ロッド部３３に結合されるキャップ部３４とに分割されている。つまり、コンロッド１は、分割型のコンロッドである。分割型のコンロッド１は、例えば、破断工法によって形成される。破断工法は、大端部３０を一体に形成した後に、脆性破断によってロッド部３３とキャップ部３４とに分割する手法である。また、分割型のコンロッド１は、他の工法により形成されてもよく、具体的には、ロッド部３３とキャップ部３４とを別体に形成したり、あるいは、大端部３０を一体に形成した後に機械加工によって切断したりしてもよい。

コンロッド１は、キャップ部３４をロッド部３３に結合するボルト４０をさらに備える。大端部３０には、雌ねじが切られたボルト孔３２が形成されており、ボルト４０は、大端部３０に直締めされる。つまり、ボルト４０によるキャップ部３４の結合の際にナットは用いられない。

ここで、図２を参照しながら、ボルト４０の具体的な構成を説明する。図２（ａ）は、ボルト４０の正面図であり、図２（ｂ）は、ボルト４０を頭部４１側から見た平面図である。図２（ｃ）は、ボルト４０の表面近傍を示す断面図である。

ボルト４０は、図２（ａ）および（ｂ）に示すように、頭部４１と、軸部４２とから構成される。軸部４２の外周面の少なくとも一部に、雄ねじが切られている。

また、ボルト４０は、図２（ｃ）に示すように、鋼から形成されたボルト本体４０ａと、ボルト本体４０ａの表面に設けられたリン酸塩被膜４０ｂとを有する。

ボルト本体４０ａの材料である鋼の組成は特に限定されない。ボルト用、特に、高強度ボルト用に提案されている種々の組成の鋼を好適に用いることができる。

リン酸塩被膜４０ｂは、リン酸塩の溶液を用いてボルト本体４０ａの表面に化学的に（つまり化成処理により）形成される。典型的には、リン酸塩被膜４０ｂは、ボルト本体４０ａの表面全体にわたって形成されている。リン酸塩被膜４０ｂの形成は、例えば、下記（１）〜（５）の工程により行うことができる。
（１）アルカリ脱脂剤によるボルト本体４０ａの表面の洗浄
（２）すすぎ（水洗）
（３）リン酸塩処理浴
（４）すすぎ（水洗）
（５）熱温風による乾燥

リン酸塩被膜４０ｂとしては、例えば、リン酸亜鉛被膜を好適に用いることができる。また、リン酸マンガン被膜も好適に用いることができる。リン酸塩被膜４０ｂの厚さは、典型的には、３μｍ〜５μｍである。

このように、本発明の実施形態によるコンロッド１では、ボルト本体４０ａの表面にリン酸塩被膜４０ｂが設けられている。このリン酸塩被膜４０ｂにより、鋼製のボルト本体４０ａと、チタン合金製の大端部３０とが直接接触することが防止されるので、ボルト４０の締め付け（直締め）時の焼き付き（かじり）が防止される。また、キャップ部３４の結合にナットを用いる必要がないので、余分な重量増加が発生しない。さらに、ボルト４０にグリスを塗布する必要がないので、グリスの塗布量のばらつきに起因する軸力のばらつきが発生しない。そのため、安定した軸力が得られる。

ここで、本願発明者がボルトの表面に対し、種々のグリスの塗布や種々のコーティング（被膜形成）を行って詳細な検証を行った結果を説明する。本願発明者の検証によれば、種々の構成のうちで、リン酸塩被膜を設けた構成がもっとも安定な軸力を発生させ得ることがわかった。つまり、リン酸塩被膜の形成により異質な効果が得られることがわかった。以下、具体的に説明する。

図３（ａ）および（ｂ）に、ボルト本体４０ａの表面にリン酸塩被膜４０ｂとしてリン酸亜鉛被膜を設けた場合（実施例１）についての検証結果を示す。また、図４（a）および（ｂ）に、ボルト表面にモリブデングリスを塗布した場合（比較例１）についての検証結果を示す。図３（ａ）および図４（ａ）は、ねじ面の摩擦係数μｓ、座面の摩擦係数μｗおよび総合摩擦係数μと、締め付け角度［ｄｅｇ］との関係を示すグラフであり、図３（ｂ）および図４（ｂ）は、全トルク［Ｎ・ｍ］および軸力［ｋＮ］と、締め付け角度［ｄｅｇ］との関係を示すグラフである。

図３（ａ）および（ｂ）と、図４（ａ）および（ｂ）との比較から、実施例１では、比較例１よりも高い軸力が実現されていることがわかる（特に図３（ｂ）および図４（ｂ）において楕円で囲まれた領域に着目されたい）。

図５に、実施例１と、ボルト表面に二硫化モリブデンを含む乾性潤滑被膜を形成した場合（比較例２〜９）とについて、同じボルトを繰り返し締め付けたときの総合摩擦係数μの変化を示す。比較例２〜９では、互いに仕様が異なる乾性潤滑被膜を形成した。

図５からわかるように、比較例２〜９では、締め付けを繰り返すと総合摩擦係数μが著しく大きくなっていった。これに対し、実施例１では、締め付けを繰り返しても総合摩擦係数μがほぼ一定であった。このことから、本発明の実施形態によるコンロッド１では、ボルト４０の締め付けを繰り返してもほぼ一定の軸力が得られることがわかる。

なお、図２（ｃ）には、リン酸塩被膜４０ｂ上に別の被膜や層が形成されていない（つまりボルト４０の最表面にリン酸塩被膜４０ｂが位置している）構成を示しているが、本発明の実施形態はこの構成に限定されない。例えば、リン酸塩被膜４０ｂ上に防錆油が塗布されていても（つまり防錆油層が形成されていても）よい。図３および図５に検証結果を示した実施例１では、リン酸亜鉛被膜上に防錆油が塗布されている。

また、焼き付きをいっそう確実に防止するために、リン酸塩被膜４０ｂ上にグリス層（例えばモリブデングリス層）が設けられていてもよい。ただし、グリス層が設けられる場合、グリスの塗布量を適切に管理しないと、軸力のばらつきの原因となるおそれがある。そのため、軸力の安定の観点からは、ボルト４０は、リン酸塩被膜４０ｂ上にグリス層を有していないことが好ましい。ボルト４０がグリス層を有していない場合には、当然ながら、コンロッド１の製造の際に、グリスの塗布工程が省略される。既に説明したように、量産工程において粘性の高いグリスの量を適切に管理しながら塗布を行うことは実際には困難なことがあるので、グリスの塗布工程が省略されることにより、コンロッド１の製造が簡略化されるともいえる。また、リン酸塩被膜４０ｂ上に乾性潤滑被膜（例えば二硫化モリブデンを含む乾性潤滑被膜）が設けられていてもよい。ただし、本願発明者による検証結果では、リン酸塩被膜４０ｂ上に乾性潤滑被膜が設けられている構成よりも、リン酸塩被膜４０ｂ上に乾性潤滑被膜が設けられていない構成の方が、より安定した軸力が得られた。つまり、軸力の安定の観点からは、ボルト４０は、リン酸塩被膜４０ｂ上に乾性潤滑被膜を有していないことが好ましい。これらのことからわかるように、軸力の安定の観点からは、ボルト４０は、リン酸塩被膜４０ｂ上にグリス層および乾性潤滑被膜のいずれも有していない（つまりリン酸塩被膜４０ｂがボルト４０の最表面に位置する）ことが好ましい。

図６に、リン酸亜鉛被膜上に何も塗布されていない場合（実施例２）、リン酸亜鉛被膜上に二硫化モリブデンを含むオイルが塗布されている場合（実施例３）およびリン酸亜鉛被膜上にエンジンオイル（粘度：１０Ｗ−４０）が塗布されている場合（実施例４）について、同じボルト４０を繰り返し締め付けたときの総合摩擦係数μの変化を示す。なお、実施例２、３および４のそれぞれでは、３つのボルト４０（それぞれＮ１、Ｎ２およびＮ３としている）について検証を行った。

図６からわかるように、実施例２では、実施例３および４よりも総合摩擦係数μが安定していた。このことからも、軸力の安定という観点からは、リン酸塩被膜４０ｂ上には別の被膜や層が設けられていないことが好ましいといえる。なお、防錆油については、リン酸塩被膜４０ｂ上に塗布されていても、安定な軸力を得ることへの悪影響が少なかった。この理由は明確ではないが、上述した例（実施例１）では防錆油が速乾性で低粘度であったので多孔質のりん酸亜鉛被膜に浸透してすぐに乾燥し、固体成分のみが残ったためであると推察される。液体成分が残っていると、りん酸亜鉛被膜の一部が剥がれた場合に液体成分に剥がれた部分が浮いてそれによって被膜が削られてしまうと考えられる。これに対し、固体成分のみが残っていると、りん酸亜鉛被膜の一部が剥がれても剥がれた部分が多孔質であるりん酸亜鉛被膜の孔に入るので、リン酸亜鉛被膜の磨耗が進まないと考えられる。

なお、既に説明したように、リン酸塩被膜４０ｂとしては、例えばリン酸亜鉛被膜やリン酸マンガン被膜を用いることができるが、これら以外のリン酸塩被膜であってもよい。

上述したように、本発明の実施形態によるコンロッド１は、ボルト４０によるキャップ部３４の結合の際に余分な重量増加を伴うことなく安定な軸力を発生させ得る。本発明の実施形態によるコンロッド１は、自動車両用や機械用の各種の内燃機関（エンジン）に広く用いられる。図７に、本実施形態の製造方法により製造されたコンロッド１を備えたエンジン１００の一例を示す。

エンジン１００は、クランクケース１１０、シリンダブロック１２０およびシリンダヘッド１３０を有している。

クランクケース１１０内にはクランクシャフト１１１が収容されている。クランクシャフト１１１は、クランクピン１１２およびクランクアーム１１３を有している。

クランクケース１１０の上に、シリンダブロック１２０が設けられている。ピストン１２２は、シリンダボア内を往復し得るように設けられている。

シリンダブロック１２０の上に、シリンダヘッド１３０が設けられている。シリンダヘッド１３０は、シリンダブロック１２０およびピストン１２２とともに燃焼室１３１を形成する。シリンダヘッド１３０は、吸気ポート１３２および排気ポート１３３を有している。吸気ポート１３２内には燃焼室１３１内に混合気を供給するための吸気弁１３４が設けられており、排気ポート内には燃焼室１３１内の排気を行うための排気弁１３５が設けられている。

ピストン１２２とクランクシャフト１１１とは、コンロッド１によって連結されている。具体的には、コンロッド１の小端部２０の貫通孔（ピストンピン孔）にピストン１２２のピストンピン１２３が挿入されているとともに、大端部３０の貫通孔（クランクピン孔）にクランクシャフト１１１のクランクピン１１２が挿入されており、そのことによってピストン１２２とクランクシャフト１１１とが連結されている。大端部３０の貫通孔の内周面とクランクピン１１２との間には、軸受けメタル１１４が設けられている。

図８に、図７に示したエンジン１００を備えた自動二輪車を示す。図８に示す自動二輪車では、本体フレーム３０１の前端にヘッドパイプ３０２が設けられている。ヘッドパイプ３０２には、フロントフォーク３０３が車両の左右方向に揺動し得るように取り付けられている。フロントフォーク３０３の下端には、前輪３０４が回転可能なように支持されている。

本体フレーム３０１の後端上部から後方に延びるようにシートレール３０６が取り付けられている。本体フレーム３０１上に燃料タンク３０７が設けられており、シートレール３０６上にメインシート３０８ａおよびタンデムシート３０８ｂが設けられている。

また、本体フレーム３０１の後端に、後方へ延びるリアアーム３０９が取り付けられている。リアアーム３０９の後端に後輪３１０が回転可能なように支持されている。

本体フレーム３０１の中央部には、図７に示したエンジン１００が保持されている。エンジン１００には、本実施形態におけるコンロッド１が用いられている。エンジン１００の前方には、ラジエータ３１１が設けられている。エンジン１００の排気ポートには排気管３１２が接続されており、排気管３１２の後端にマフラー３１３が取り付けられている。

エンジン１００には変速機３１５が連結されている。変速機３１５の出力軸３１６に駆動スプロケット３１７が取り付けられている。駆動スプロケット３１７は、チェーン３１８を介して後輪３１０の後輪スプロケット３１９に連結されている。変速機３１５およびチェーン３１８は、エンジン１００により発生した動力を駆動輪に伝える伝達機構として機能する。

本発明の実施形態によるコンロッド１は、キャップ部３４の結合にナットを用いる必要がないので、その分軽量化を図ることが可能になる。コンロッド１が軽量化されると、クランクシャフト１１１やバランサー、クランクケース１１０なども軽量化することができるので、エンジン１００全体および自動二輪車全体を軽量化することができる。また、コンロッド１が軽量化されると、エンジン１００の高燃費化や高出力化も実現できる。

本発明の実施形態によると、ボルトによるキャップ部の結合の際に余分な重量増加を伴うことなく安定な軸力を発生させ得るチタン合金製の分割型コンロッドが提供される。本発明の実施形態によるコンロッドは、各種の内燃機関（例えば自動車両用のエンジン）に広く用いられる。

１ コンロッド
１０ ロッド本体部
２０ 小端部
２５ ピストンピン孔
３０ 大端部
３２ ボルト孔
３３ ロッド部
３４ キャップ部
３５ クランクピン孔
４０ ボルト
４０ａ ボルト本体
４０ｂ リン酸塩被膜
４１ ボルトの頭部
４２ ボルトの軸部
１００ エンジン

Claims (8)

1. チタン合金から形成され、
   ロッド本体部と、
   前記ロッド本体部の一端に設けられた小端部と、
   前記ロッド本体部の他端に設けられた大端部と、を備え、
   前記大端部が、前記ロッド本体部の前記他端に連続するロッド部と、前記ロッド部に結合されるキャップ部とに分割された分割型コンロッドであって、
   前記キャップ部を前記ロッド部に結合するボルトをさらに備え、
   前記ボルトは、鋼から形成されたボルト本体と、前記ボルト本体の表面に設けられたリン酸塩被膜とを有するコンロッド。
2. 前記リン酸塩被膜は、リン酸亜鉛被膜である請求項１に記載のコンロッド。
3. 前記リン酸塩被膜は、リン酸マンガン被膜である請求項１に記載のコンロッド。
4. 前記ボルトは、前記リン酸塩被膜上にグリス層を有していない請求項１から３のいずれかに記載のコンロッド。
5. 前記リン酸塩被膜は、前記ボルトの最表面に位置する請求項１から４のいずれかに記載のコンロッド。
6. 前記チタン合金は、Ｔｉ−５Ａｌ−１Ｆｅ合金である請求項１から５のいずれかに記載のコンロッド。
7. 請求項１から６のいずれかに記載のコンロッドを備えた内燃機関。
8. 請求項７に記載の内燃機関を備えた自動車両。

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