JP2016084909A - コンロッド、内燃機関、自動車両およびコンロッドの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】再組み性に優れたチタン合金製の破断分割型コンロッドおよびその製造方法を提供する。【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、ロッド部にボルト（４０）によって結合されるキャップ部（３４）とに破断分割された分割型のコンロッドである。ロッド部および／またはキャップ部は、破断面（Ｆ）の縁から突出した少なくとも１つの立ち面部（ＳＰ）を有する。【選択図】図３

Description

本発明は、コンロッドに関し、特に、チタン合金製の破断分割型コンロッドおよびその製造方法に関する。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。

自動車両の内燃機関には、クランクシャフトとピストンとを連結するために、コンロッド（あるいはコネクティングロッド）と呼ばれる部材が用いられている。コンロッドは、棒状のロッド本体部と、ロッド本体部の一端に設けられた小端部と、ロッド本体部の他端に設けられた大端部とを備える。小端部は、ピストンピンを通すための貫通孔を有し、ピストンに接続される。一方、大端部は、クランクピンを通すための貫通孔を有し、クランクシャフトに接続される。

コンロッドは、「一体型」と「分割型」とに大別される。分割型コンロッドでは、大端部は、ロッド本体部に連続するロッド部と、ロッド部にボルトによって結合されるキャップ部とに分割されている。これに対し、一体型のコンロッドでは、大端部は分割されていない。

従来、コン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。チタン合金を用いてコンロッドを製造する方法としては、特許文献１に開示されているような閉塞鍛造や密閉鍛造、あるいは、非特許文献１に開示されているような熱間鍛造が挙げられる。

これらの方法を用いて分割型コンロッドを製造する場合、大端部を一体で、つまり、ロッド部とキャップ部とを一体で鍛造することにより、材料の歩留まりを高くすることができる。しかしながら、このようにして鍛造を行うと、当然ながら、その後にロッド部とキャップ部とを機械加工によって切り離す必要がある。また、切り離し後にも、ロッド部およびキャップ部の互いに当接する面を加工したり、ロッド部とキャップ部とを精度良く組み付けるための位置決め加工を行ったりする必要がある。チタン合金は、一般に、機械加工性が鋼よりも悪いため、これらの一連の加工工程が、チタン合金製のコンロッドの生産性の悪化や製造コストの増加の一因となっている。

この問題を解決する手法として、破断工法が提案されている。破断工法は、大端部を一体に形成した後に、脆性破断によってロッド部とキャップ部とに分割する手法である。ロッド部およびキャップ部の破断面には、脆性破断によって微細な凹凸が相補的に形成される。これらの破断面に対しては、別途に加工を行う必要がない。また、破断面に相補的に形成された微細な凹凸によって、ロッド部とキャップ部とを組み付けたときに精度良く位置決めを行うことができるので、位置決め構造を形成するための加工を行う必要もない。破断工法によって大端部が分割されたコンロッドを、本願明細書では「破断分割型コンロッド」と呼ぶ。

特開昭６０−２４７４３２号公報 特開２００７−３０００号公報 松原敏彦、「快削チタン合金コネクティングロッドの開発」、チタニウム・ジルコニウム、平成３年１０月、第３９巻、第４号、p. 175-184

チタン合金製の破断分割型コンロッドは、特許文献２に提案されてはいるものの、一般的ではない。つまり、破断工法は、焼結鋼、炭素鋼、非調質鋼および浸炭鋼などの鋼材を用いたコンロッドについては多く実施されているが、チタン合金製のコンロッドについては、実施された例があまりない。チタン合金は靭性が高いので、脆性破断が必要である破断工法をチタン合金製のコンロッドに対して行うことは難しいからである。そのため、チタン合金製の破断分割型コンロッドを好適に製造するための手法が十分に確立されているとは言えない現状であり、チタン合金製の破断分割型コンロッドの種々の特性の向上が求められている。特に、クランクシャフトへの組み付け時の大端部内径の真円度の再現性（「再組み性」と呼ぶ。）のいっそうの向上が求められている。

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、再組み性に優れたチタン合金製の破断分割型コンロッドおよびその製造方法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、前記ロッド部にボルトによって結合されるキャップ部とに破断分割された分割型のコンロッドであって、前記ロッド部および／または前記キャップ部は、破断面の縁から突出した少なくとも１つの立ち面部を有する。

ある実施形態において、前記少なくとも１つの立ち面部は、前記大端部のスラスト面近傍に位置する立ち面部を含む。

ある実施形態において、前記大端部は、前記ボルトがねじ込まれるボルト孔を有し、前記少なくとも１つの立ち面部は、前記ボルト孔近傍に位置する立ち面部を含む。

ある実施形態において、前記少なくとも１つの立ち面部は、複数の立ち面部であり、前記ロッド部および前記キャップ部のそれぞれが前記複数の立ち面部を有する。

ある実施形態において、前記大端部のスラスト面は、前記破断面近傍に凹部を有する。

ある実施形態において、前記少なくとも１つの立ち面部の高さは、０．４ｍｍ以上である。

ある実施形態において、前記少なくとも１つの立ち面部は、略三角形状の断面形状を有する。

ある実施形態において、前記少なくとも１つの立ち面部は、内側側面および外側側面を有し、前記内側側面が前記破断面に対してなす角は、２０°以上７０°以下である。

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。

ある実施形態において、本発明によるコンロッドは、表面の少なくとも一部に形成された窒化クロム層をさらに備える。

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の製造方法は、チタン合金から形成され、ロッド本体部、小端部および大端部を備えたコンロッドを用意する工程（ａ）と、前記コンロッドの前記大端部をロッド部およびキャップ部に破断分割する工程（ｂ）と、を包含するコンロッドの製造方法であって、前記工程（ｂ）は、前記ロッド部および／または前記キャップ部が、破断面の縁から突出する少なくとも１つの立ち面部を有するように実行される。

ある実施形態において、本発明によるコンロッドの製造方法は、前記工程（ｂ）の後、前記コンロッドの表面の少なくとも一部に窒化クロム層を形成する工程（ｃ）をさらに包含する。

ある実施形態において、前記工程（ａ）は、チタン合金を鍛造により成形する工程（ｄ）を含み、前記工程（ｃ）は、前記コンロッドの表面の一部が鍛造肌のままの状態で実行される。

ある実施形態において、前記工程（ｃ）は、前記キャップ部がボルトによって前記ロッド部に結合された状態で実行される。

ある実施形態において、前記工程（ａ）は、チタン合金を鍛造により成形する工程（ｄ）と、前記工程（ｄ）後に、チタン合金の表面に生成したαケースをショットピーニングにより除去する工程（ｅ）と、を含む。

本発明の実施形態によるコンロッドでは、ロッド部および／またはキャップ部が、破断面の縁から突出した少なくとも１つの立ち面部を有するので、コンロッドの組み付け性が向上し、クランクシャフトへの組み付け時の大端部内径の真円度の再現性（再組み性）が向上する。

ロッド部および／またはキャップ部が有する少なくとも１つの立ち面部は、大端部のスラスト面近傍に位置する立ち面部を含むことが好ましい。

また、ロッド部および／またはキャップ部が有する少なくとも１つの立ち面部は、ボルト孔近傍に位置する立ち面部を含むことも好ましい。

少なくとも１つの立ち面部は、複数の立ち面部であってよい。再組み性のいっそうの向上を図る観点からは、ロッド部およびキャップ部のそれぞれが複数の立ち面部を有することが好ましい。

大端部のスラスト面が破断面近傍に凹部を有していると、立ち面部がスラスト面から出っ張ることを防止することができる。

再組み性のいっそうの向上を図る観点からは、立ち面部の高さは、０．４ｍｍ以上であることが好ましい。

立ち面部は、典型的には、略三角形状の断面形状を有する。

また、立ち面部は、典型的には、内側側面および外側側面を有する。内側側面が破断面に対してなす角は、２０°以上７０°以下であることが好ましい。内側側面が破断面に対してなす角が２０°未満であると、再組み性を十分に向上できない（つまり大端部の真円度を十分に向上できない）ことがある。内側側面が破断面に対してなす角が７０°を超えると、エンジンへの組み付け時にキャップ部３４とロッド部３３の組み付け方向が限定され、かえって組み付け性が悪くなることがある。

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、表面の少なくとも一部に形成された窒化クロム層をさらに備えていてもよい。窒化クロム層の形成により、大端部の表面の、破断面近傍に存在する空隙（破断分割の際に破片が欠落することにより形成される）が窒化クロム層により埋められるので、組み付け時のずれをいっそう抑制することができる。

本発明の実施形態によるコンロッドは、再組み性に優れるので、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コンロッドの製造方法では、コンロッドの大端部をロッド部およびキャップ部に破断分割する工程（ｂ）は、ロッド部および／またはキャップ部が破断面の縁から突出する少なくとも１つの立ち面部を有するように実行される。そのため、コンロッドの組み付け性が向上し、クランクシャフトへの組み付け時の大端部内径の真円度の再現性（再組み性）が向上する。

本発明の実施形態によるコンロッドの製造方法は、工程（ｂ）の後、コンロッドの表面の少なくとも一部に窒化クロム層を形成する工程（ｃ）をさらに包含してもよい。工程（ｃ）を行うことにより、大端部の表面の、破断面近傍に存在する空隙（破断分割の際に破片が欠落することにより形成される）が窒化クロム層により埋められるので、組み付け時のずれをいっそう抑制することができる。

工程（ａ）は、チタン合金を鍛造により成形する工程（ｄ）を含んでいてもよい。チタン合金を鍛造により成形することにより、機械的性質に優れたコンロッドが得られる。工程（ａ）が工程（ｄ）を含んでいる場合、工程（ｃ）は、コンロッドの表面の一部が鍛造肌のままの状態で実行されてもよい。

工程（ｃ）において、コンロッドの表面のうち、窒化クロム層の形成が不要な箇所には窒化クロム層が形成されなくてもよい。例えば、工程（ｃ）が、キャップ部がボルトによってロッド部に結合された状態で実行されると、ボルトによって座面およびねじ面をマスキングすることができる。

工程（ａ）は、工程（ｄ）後に、チタン合金の表面に生成したαケースをショットピーニングにより除去する工程（ｅ）を含んでいてもよい。αケースは、加工性や延性、疲労特性などに悪影響を及ぼす酸素濃化層であるので、工程（ｅ）によって除去することが好ましい。また、ショットピーニングにより、コンロッドに残留応力を付与してコンロッドの強度を向上させることができる。

本発明の実施形態によると、再組み性に優れたチタン合金製の破断分割型コンロッドおよびその製造方法が提供される。

（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）および（ｂ）は、それぞれロッド部３３およびキャップ部３４を破断面Ｆ側から見た平面図である。 （ａ）および（ｂ）は、ロッド部３３およびキャップ部３４の、スラスト面３０ｔ近傍およびボルト孔３２近傍における断面構造を模式的に示す図であり、それぞれ図２（ａ）および（ｂ）中の３Ａ−３Ａ’線および３Ｂ−３Ｂ’線に沿った断面図である。 （ａ）は、コンロッド１全体を示す平面図である。（ｂ）は、大端部３０（ロッド部３３およびキャップ部３４）のスラスト面３０ｔ近傍の断面構造を示す図であり、（ａ）中の４Ｂ−４Ｂ’線に沿った断面図である。 特許文献２に開示されている破断分割の手法を示す図である。 立ち面部ＳＰを好適に形成し得る破断分割の手法の例を示す図である。 立ち面部ＳＰを好適に形成し得る破断分割の手法の他の例を示す図である。 （ａ）〜（ｅ）は、立ち面部ＳＰが形成されたキャップ部３４の写真である。（ａ）は、キャップ部３４を破断面Ｆ側から撮影した写真である。（ｂ）および（ｃ）は、それぞれ（ａ）中のスラスト面３０ｔ近傍の領域８Ｂおよびボルト孔３２近傍の領域８Ｃを拡大して示す写真である。（ｄ）および（ｅ）は、それぞれ（ｂ）および（ｃ）中の８Ｄ−８Ｄ’線および８Ｅ−８Ｅ’線に沿った断面を示す光学顕微鏡写真である。 立ち面部ＳＰが形成されたロッド部３３およびキャップ部３４のスラスト面３０ｔ近傍を破断面Ｆ側から撮影した写真である。 立ち面部ＳＰが形成されるメカニズムを模式的に示す図である。 （ａ）は、破断分割の際のスラスト面３０ｔにおける応力を歪ゲージで測定した結果（経過時間と応力との関係）を示すグラフであり、（ｂ）は、応力の測定を行った２つの領域Ｒ１およびＲ２を示す写真である。 立ち面部ＳＰおよび他の部分（母材）について、ナノインデンテーション硬さ（ＨＶ）を測定した結果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１３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。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。また、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。ピストンピン孔２５は、小端部２０の内周面２０ｉによって画定される。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。クランクピン孔３５は、大端部３０の内周面３０ｉによって画定される。

以下の説明においては、ロッド本体部１０の延びる方向を「長手方向」と呼び（図１中の方向Ｘ）、ピストンピン孔２５およびクランクピン孔３５の中心軸の方向を「軸方向」と呼ぶ（図１中の方向Ｙ）。また、長手方向および軸方向に直交する方向を「幅方向」と呼ぶ（図１中の方向Ｚ）。

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にボルト４０によって結合されるキャップ部３４とに破断分割されている。つまり、コンロッド１は、破断分割型コンロッドである。図２（ａ）および（ｂ）は、それぞれロッド部３３およびキャップ部３４を破断面Ｆ側から見た平面図である。図１（ｂ）、図２（ａ）および（ｂ）に示すように、大端部３０には、ボルト孔３２が形成されており、図１（ａ）および（ｂ）に示すように、ボルト４０は、ボルト孔３２にねじ込まれる。ロッド部３３およびキャップ部３４の破断面Ｆは、微細な凹凸を有する。

ここで、図３を参照しながら、ロッド部３３およびキャップ部３４の、スラスト面３０ｔ近傍およびボルト孔３２近傍の構造を説明する。図３（ａ）および（ｂ）は、ロッド部３３およびキャップ部３４の、スラスト面３０ｔ近傍およびボルト孔３２近傍における断面構造を模式的に示す図であり、それぞれ図２（ａ）および（ｂ）中の３Ａ−３Ａ’線および３Ｂ−３Ｂ’線に沿った断面図である。なお、図３（ａ）および（ｂ）では、わかりやすさのために、ロッド部３３およびキャップ部３４がわずかに離れた状態を示している。

図３（ａ）および（ｂ）に示すように、ロッド部３３およびキャップ部３４は、破断面Ｆの縁から突出した少なくとも１つの立ち面部（凸部）ＳＰを有する。

図３（ａ）に示す例では、ロッド部３３は、大端部３０のスラスト面３０ｔ近傍に位置する立ち面部ＳＰを有し、キャップ部３４は、ロッド部３３の立ち面部ＳＰに係合する係合部（凹部）ＥＰを有する。

また、図３（ｂ）に示す例では、キャップ部３４は、ボルト孔３２近傍に位置する立ち面部ＳＰを有し、ロッド部３３は、キャップ部３４の立ち面部ＳＰに係合する係合部ＥＰを有する。

立ち面部ＳＰは、大端部３０の破断分割の際に形成される。立ち面部ＳＰの高さｈは、破断面Ｆの微細な凹凸の高低差より大きい。立ち面部ＳＰは、典型的には、略三角形状（図３（ａ）および（ｂ）では略直角三角形状の場合を例示している。）の断面形状を有する。

立ち面部ＳＰは、内側側面ｓ１および外側側面ｓ２を有する。スラスト面３０ｔ近傍に位置する立ち面部ＳＰ（図３（ａ）参照）では、内側側面ｓ１は、スラスト面３０ｔ側と反対側の側面であり、外側側面ｓ２は、スラスト面３０ｔ側の側面（スラスト面３０ｔと連続する側面）である。ボルト孔３２近傍に位置する立ち面部ＳＰでは、内側側面ｓ１は、ボルト孔３２の内周面３２ｉ側とは反対側の側面であり、外側側面ｓ２は、ボルト孔３２の内周面３２ｉ側の側面（ボルト孔３２の内周面３２ｉと連続する側面）である。

立ち面部ＳＰの内側側面ｓ１が破断面Ｆに対してなす角は、後述するように、２０°以上７０°以下であることが好ましい（図３（ａ）および（ｂ）では略４５°の場合を例示している）。また、立ち面部ＳＰの外側側面ｓ２が破断面Ｆに対してなす角は、典型的には６０°以上１２０°以下である（図３（ａ）および（ｂ）では略９０°の場合を例示している。）。

なお、図３（ａ）には、スラスト面３０ｔ近傍においてロッド部３３側に立ち面部ＳＰが設けられている構成を例示しているが、本発明による実施形態は、この構成に限定されない。スラスト面３０ｔ近傍において、キャップ部３４側に立ち面部ＳＰが設けられていてもよい。さらに、スラスト面３０ｔ近傍において、ロッド部３３側に立ち面部ＳＰが設けられている領域と、キャップ部３４側に立ち面部ＳＰが設けられている領域とが混在してもよい。なお、スラスト面３０ｔ近傍において、ロッド部３３側およびキャップ部３４側のいずれにも立ち面部ＳＰが設けられていない領域が存在してもよい。

また、図３（ｂ）には、ボルト孔３２近傍においてキャップ部３４側に立ち面部ＳＰが設けられている構成を例示しているが、本発明による実施形態は、この構成に限定されない。ボルト孔３２近傍において、ロッド部３３側に立ち面部ＳＰが設けられていてもよい。さらに、ボルト孔３２近傍において、ロッド部３３側に立ち面部ＳＰが設けられている領域と、キャップ部３４側に立ち面部ＳＰが設けられている領域とが混在してもよい。なお、ボルト孔３２近傍において、ロッド部３３側およびキャップ部３４側のいずれにも立ち面部ＳＰが設けられていない領域が存在してもよい。

また、必ずしもロッド部３３およびキャップ部３４のそれぞれが立ち面部ＳＰを有する必要はない。ロッド部３３のみが立ち面部ＳＰを有していてもよいし、キャップ部３４のみが立ち面部ＳＰを有していてもよく、ロッド部３３およびキャップ部３４の両方が立ち面部を有していてもよい。

上述したように、本発明の実施形態によるコンロッド１では、ロッド部３３および／またはキャップ部３４は、破断面の縁から突出した少なくとも１つの立ち面部ＳＰを有する。ロッド部３３および／またはキャップ部３４が、破断面Ｆの微細な凹凸に加えて立ち面部ＳＰを有することにより、コンロッド１の組み付け性が向上し、クランクシャフトへの組み付け時の大端部３０内径の真円度の再現性（再組み性）が向上する。

立ち面部ＳＰの高さｈに特に制限はない。再組み性のいっそうの向上を図る観点からはは、立ち面部ＳＰの高さは、０．４ｍｍ以上であることが好ましく、０．６ｍｍ以上であることがより好ましい。

また、立ち面部ＳＰの内側側面ｓ１が破断面Ｆに対してなす角は、２０°以上７０°以下であることが好ましい。内側側面ｓ１が破断面Ｆに対してなす角が２０°未満であると、再組み性を十分に向上できない（つまり大端部３０の真円度を十分に向上できない）ことがある。内側側面ｓ１が破断面Ｆに対してなす角が７０°を超えると、エンジンへの組み付け時にキャップ部３４とロッド部３３の組み付け方向が限定され、かえって組み付け性が悪くなることがある。

また、既に説明したように、ロッド部３３およびキャップ部３４の少なくとも一方が少なくとも１つの立ち面部ＳＰを有することにより、再組み性の向上効果が得られるが、再組み性のいっそうの向上を図る観点からは、ロッド部３３およびキャップ部３４のそれぞれが複数の立ち面部ＳＰを有することが好ましい。

図４に、本発明の実施形態によるコンロッド１の他の構成を示す。図４（ａ）は、コンロッド１全体を示す平面図である。図４（ｂ）は、大端部３０（ロッド部３３およびキャップ部３４）のスラスト面３０ｔ近傍の断面構造を示す図であり、図４（ａ）中の４Ｂ−４Ｂ’線に沿った断面図である。

図４（ａ）および（ｂ）に示す構成では、大端部３０のスラスト面３０ｔは、破断面Ｆ近傍に凹部３０ｔｃを有する。スラスト面３０ｔｃが凹部３０ｔｃを有していない場合、大端部３０の破断分割の際に形成された立ち面部ＳＰが、スラスト面３０から出っ張ることがある。これに対し、スラスト面３０ｔが破断面Ｆ近傍に凹部３０ｔｃを有していると、立ち面部ＳＰがスラスト面３０ｔｃから出っ張ることが防止される。凹部３０ｔｃの深さｄは、例えば０．９ｍｍ以上１．５ｍｍ以下である。また、凹部３０ｔｃの側面３０ｔｃｓがスラスト面３０ｔとなす角は、例えば０°超６０°以下である。

続いて、本発明の実施形態によるコンロッド１の製造方法を説明する。

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、小端部２０および大端部３０を備えたコンロッド１を用意する工程（用意工程）（ａ）と、コンロッド１の大端部３０をロッド部３３およびキャップ部３４に破断分割する工程（破断分割工程）（ｂ）とを包含する製造方法により製造され得る。ここで、破断分割工程（ｂ）は、ロッド部３３および／またはキャップ部３４が、破断面Ｆの縁から突出する少なくとも１つの立ち面部ＳＰを有するように実行される。破断分割工程（ｂ）において立ち面部ＳＰを好適に形成する手法については、後に詳述する。

コンロッド形成工程（ａ）において用いられるチタン合金としては、既に説明したＴｉ−５Ａｌ−１Ｆｅ合金を好適に用いることができる。また、他の種々の組成のチタン合金を用いてもよい。

破断分割工程（ｂ）の後に、コンロッド１の表面の少なくとも一部に窒化クロム層を形成する工程（ＣｒＮ層形成工程）（ｃ）が行われてもよい。ＣｒＮ層形成工程（ｃ）を行うことにより、大端部３０の表面の、破断面Ｆ近傍に存在する空隙（破断分割の際に破片が欠落することにより形成される）が窒化クロム層により埋められるので、組み付け時のずれをいっそう抑制することができる。

用意工程（ａ）は、チタン合金を鍛造により成形する工程（鍛造工程）（ｄ）を含んでいてもよい。チタン合金を鍛造により成形することにより、機械的性質に優れたコンロッド１が得られる。用意工程（ａ）が鍛造工程（ｄ）を含んでいる場合、ＣｒＮ層形成工程（ｃ）は、コンロッド１の表面の一部が鍛造肌のままの状態で実行されてもよい。

なお、ＣｒＮ層形成工程（ｃ）において、コンロッド１の表面のうち、窒化クロム層の形成が不要な箇所には窒化クロム層が形成されなくてもよい。例えば、ＣｒＮ層形成工程（ｃ）が、キャップ部３４がボルト４０によってロッド部３３に結合された状態で実行されると、ボルト４０によって座面およびねじ面をマスキングすることができる。

また、用意工程（ａ）は、鍛造工程（ｄ）後に、チタン合金の表面に生成したαケースをショットピーニングにより除去する工程（ショットピーニング工程）（ｅ）を含んでいてもよい。αケースは、加工性や延性、疲労特性などに悪影響を及ぼす酸素濃化層であるので、ショットピーニング工程（ｅ）によって除去することが好ましい。また、ショットピーニングにより、コンロッド１に残留応力を付与してコンロッド１の強度を向上させることができる。

続いて、破断分割工程（ｂ）において立ち面部ＳＰを好適に形成する手法を説明する。本願発明者は、大端部３０を破断分割する際の諸々の条件と、形成される破断面Ｆの形状との関係について詳細な検討を行った。その結果、破断分割の際にスラスト面３０ｔ近傍およびボルト孔３２近傍における曲げ応力成分を極力減らすことにより、スラスト面３０ｔ近傍およびボルト孔３２近傍に立ち面部ＳＰを好適に形成し得ることがわかった。以下、本願発明者が検討により得た知見を説明する。

図５に、特許文献２に開示されている破断分割の手法を示す。図５に示す手法では、水平方向に移動可能なスライダ２００および２０１の凸部をコンロッド１の大端部３０のクランクピン孔３５に装入した状態で、スライダ２００および２０１の凸部間にくさび治具２０２を錘２０３により打ち込む。これにより、コンロッド１の大端部３０が、破断起点溝（大端部３０の内周面３０ｉに形成されている）を起点としてロッド部３３とキャップ部３４とに分割される。しかしながら、この手法では、くさび治具２０２がスライダ２００および２０１の凸部に均一に押し当てられる（くさび治具２０２とスライダ２００および２０１の凸部との接触面積が大きい）ので、スラスト面３０ｔ近傍およびボルト孔３２近傍で大きな曲げ応力成分が発生する。そのため、立ち面部ＳＰを好適に形成することができない。

これに対し、図６に示すように、くさび治具２０２の側面に凹部２０２ａを形成する（つまりくさび治具２０２とスライダ２００および２０１の凸部との接触面積を減らす）と、スラスト面３０ｔ近傍およびボルト孔３２近傍における曲げ応力成分を減らすことができるので、立ち面部ＳＰを好適に形成することができる。

また、図７に示すように、くさび治具２０２をスライダ２００および２０１の凸部に上側でのみ接触させると、大端部３０の２つのスラスト面３０ｔのうちの一方（図７において上側に位置するスラスト面３０ｔ）の近傍における曲げ応力成分を減らすことができるので、そのスラスト面３０ｔ近傍に立ち面部ＳＰを好適に形成することができる。一方のスラスト面３０ｔ近傍に立ち面部ＳＰを形成すれば、再組み性を向上させる効果が十分に得られる。

このように、例えば図６および図７に示した手法を用いて破断分割を行うことにより、スラスト面３０ｔ近傍およびボルト孔３２近傍における曲げ応力成分を減らすことができ、スラスト面３０ｔ近傍およびボルト孔３２近傍に立ち面部ＳＰを好適に形成することができる。

図８に、実際に立ち面部ＳＰを形成したキャップ部３４の写真を示す。図８（ａ）は、キャップ部３４を破断面Ｆ側から撮影した写真である。図８（ｂ）および（ｃ）は、それぞれ図８（ａ）中のスラスト面３０ｔ近傍の領域８Ｂおよびボルト孔３２近傍の領域８Ｃを拡大して示す写真である。また、図８（ｄ）および（ｅ）は、それぞれ図８（ｂ）および（ｃ）中の８Ｄ−８Ｄ’線および８Ｅ−８Ｅ’線に沿った断面を示す光学顕微鏡写真である。

図８（ａ）〜（ｅ）（特に図８（ｄ）および（ｅ））から、スラスト面３０ｔ近傍およびボルト孔３２近傍（ボルト孔３２の内周面３２ｉ近傍）に、破断面Ｆの微細な凹凸の高低差よりも大きな高さを有する立ち面部ＳＰが形成されていることがわかる。

また、図９に、実際に立ち面部ＳＰを形成したロッド部３３およびキャップ部３４のスラスト面３０ｔ近傍を破断面Ｆ側から撮影した写真を示す。図９から、スラスト面３０ｔ近傍に立ち面部ＳＰが形成されていることがわかる。また、ロッド部３３およびキャップ部３４の一方の立ち面部ＳＰに対応する他方の領域に、係合部ＥＰが形成されていることもわかる。

図１０に、立ち面部ＳＰが形成されるメカニズムを模式的に示す。図１０に示すように、大端部３０をロッド部３３とキャップ部３４とに破断分割する際、最表面では、曲げによる圧縮応力と、破断前に材料に表れる引張応力とが打ち消し合う。そのため、最表面近傍は、４５°方向のせん断応力で破断し、そのことによって立ち面部ＳＰが形成されると考えられる。

図１１（ａ）に、破断分割の際のスラスト面３０ｔにおける応力を歪ゲージで測定した結果（経過時間と応力との関係）を示す。応力の測定は、図１１（ｂ）中に示す２つの領域Ｒ１およびＲ２において行った。

図１１（ａ）からわかるように、スラスト面３０ｔにおける応力は、２つの領域Ｒ１およびＲ２のいずれについても、破断前に降伏点（８１２ＭＰａ）を超えない。従って、せん断応力で破断していると考えられる。

図１２に、立ち面部ＳＰおよび他の部分（母材）について、ナノインデンテーション硬さ（ＨＶ）を測定した結果を示す。図１２からわかるように、立ち面部ＳＰは、母材とほぼ同じ硬さである。また、既に言及した図８（ｄ）および（ｅ）から、立ち面部ＳＰは、他の部分とほぼ同じ金属組織であり、塑性流動が起こっていないことがわかる。このように、立ち面部ＳＰでは塑性変形している形跡は見られない。

立ち面部ＳＰは、上述したようなメカニズムで形成されるので、破断分割の際にスラスト面３０ｔ近傍およびボルト孔３２近傍における曲げ応力成分を極力減らす（引張応力と相殺される程度の曲げ応力しか発生させない）ことにより、スラスト面３０ｔ近傍およびボルト孔３２近傍に立ち面部ＳＰを好適に形成し得ると考えられる。

上述したように、本発明の実施形態によるコンロッド１では、組み付け性が向上し、クランクシャフトへの組み付け時の大端部３０内径の真円度の再現性（再組み性）が向上する。そのため、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１３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１４に、図１３に示したエンジン１００を備えた自動二輪車を示す。図１４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１３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、クランクシャフト１１１への組み付け時の大端部３０内径の真円度の再現性（再組み性）が高いので、エンジン１００の運転中の大端部３０の真円度が向上し、耐焼付き性が向上する。そのため、大端部３０に要求される剛性が低くなるので、大端部３０を肉薄にして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、再組み性に優れたチタン合金製の破断分割型コンロッドおよびその製造方法が提供される。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
２０ｉ 小端部の内周面
２５ ピストンピン孔
３０ 大端部
３０ｉ 大端部の内周面
３０ｔ 大端部のスラスト面
３０ｔｃ スラスト面の凹部
３２ ボルト孔
３２ｉ ボルト孔の内周面
３３ ロッド部
３４ キャップ部
３５ クランクピン孔
４０ ボルト
１００ エンジン
ＥＰ 係合部
Ｆ 破断面
ＳＰ 立ち面部
ｓ１ 立ち面部の内側側面
ｓ２ 立ち面部の外側側面

Claims (17)

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、前記ロッド部にボルトによって結合されるキャップ部とに破断分割された分割型のコンロッドであって、
   前記ロッド部および／または前記キャップ部は、破断面の縁から突出した少なくとも１つの立ち面部を有するコンロッド。
2. 前記少なくとも１つの立ち面部は、前記大端部のスラスト面近傍に位置する立ち面部を含む請求項１に記載のコンロッド。
3. 前記大端部は、前記ボルトがねじ込まれるボルト孔を有し、
   前記少なくとも１つの立ち面部は、前記ボルト孔近傍に位置する立ち面部を含む請求項１または２に記載のコンロッド。
4. 前記少なくとも１つの立ち面部は、複数の立ち面部であり、
   前記ロッド部および前記キャップ部のそれぞれが前記複数の立ち面部を有する請求項１から３のいずれかに記載のコンロッド。
5. 前記大端部のスラスト面は、前記破断面近傍に凹部を有する請求項１から４のいずれかに記載のコンロッド。
6. 前記少なくとも１つの立ち面部の高さは、０．４ｍｍ以上である請求項１から５のいずれかに記載のコンロッド。
7. 前記少なくとも１つの立ち面部は、略三角形状の断面形状を有する請求項１から６のいずれかに記載のコンロッド。
8. 前記少なくとも１つの立ち面部は、内側側面および外側側面を有し、
   前記内側側面が前記破断面に対してなす角は、２０°以上７０°以下である請求項１から７のいずれかに記載のコンロッド。
9. 前記チタン合金は、Ｔｉ−５Ａｌ−１Ｆｅ合金である請求項１から８のいずれかに記載のコンロッド。
10. 表面の少なくとも一部に形成された窒化クロム層をさらに備える請求項１から９のいずれかに記載のコンロッド。
11. 請求項１から１０のいずれかに記載のコンロッドを備えた内燃機関。
12. 請求項１１に記載の内燃機関を備えた自動車両。
13. チタン合金から形成され、ロッド本体部、小端部および大端部を備えたコンロッドを用意する工程（ａ）と、
    前記コンロッドの前記大端部をロッド部およびキャップ部に破断分割する工程（ｂ）と、
    を包含するコンロッドの製造方法であって、
    前記工程（ｂ）は、前記ロッド部および／または前記キャップ部が、破断面の縁から突出する少なくとも１つの立ち面部を有するように実行されるコンロッドの製造方法。
14. 前記工程（ｂ）の後、前記コンロッドの表面の少なくとも一部に窒化クロム層を形成する工程（ｃ）をさらに包含する請求項１３に記載のコンロッドの製造方法。
15. 前記工程（ａ）は、チタン合金を鍛造により成形する工程（ｄ）を含み、
    前記工程（ｃ）は、前記コンロッドの表面の一部が鍛造肌のままの状態で実行される請求項１４に記載のコンロッドの製造方法。
16. 前記工程（ｃ）は、前記キャップ部がボルトによって前記ロッド部に結合された状態で実行される請求項１４または１５に記載のコンロッドの製造方法。
17. 前記工程（ａ）は、チタン合金を鍛造により成形する工程（ｄ）と、前記工程（ｄ）後に、チタン合金の表面に生成したαケースをショットピーニングにより除去する工程（ｅ）と、を含む請求項１３から１６のいずれかに記載のコンロッドの製造方法。

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