JP2016114245A

JP2016114245A - コネクティングロッド

Info

Publication number: JP2016114245A
Application number: JP2015241235A
Authority: JP
Inventors: ブリッテンアルフォンズ; Britten Alfons; バックウォルター; Buck Walter; シェイファーフランク; Schaefer Frank
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2014-12-11
Filing date: 2015-12-10
Publication date: 2016-06-23
Also published as: BR102015030829A2; GB2535280A; GB2535280B; RU2015151744A; CN105697529A; US20160169270A1; ITUB20155682A1; GB201520890D0; DE102014118404A1; RU2629807C2

Abstract

【課題】コネクティングロッドの耐用寿命をかなり延ばすことを可能にする。【解決手段】分割型であり、クランクシャフトに回転可能に接続することができるコネクティングロッド大端部３を持つコネクティングロッド１であって、コネクティングロッド大端部３のコネクティングロッド軸受カバー６とを有し、貫通穴が、コネクティングロッド大端部３の両側でコネクティングロッド軸受カバー６に設けられ、貫通穴と同軸であり、大端部５を貫通するねじ穴が、大端部に設けられ、ねじが、貫通穴を貫通し、ねじ穴にねじ留めされるコネクティングロッド１の大端部５が、コネクティングロッド軸受カバー６とは逆側で、それぞれのねじ穴の領域に凹部１０を有し、凹部１０が、コネクティングロッド大端部の方向に延び、ねじ軸に対して偏心しているのでそれぞれのねじ穴の最終ねじ山ターンの領域での成分荷重を最小限にする。【選択図】図１

Description

本発明は、ピストンに回転可能に接続することができるコネクティングロッド小端部と、分割型の構成であり、クランクシャフトに回転可能に接続することができるコネクティングロッド大端部と、コネクティングロッド両端部の間にあるコネクティングロッド胴部とを備えるコネクティングロッドであって、コネクティングロッド大端部が、コネクティングロッド胴部側にある大端部と、この大端部にねじ留めすることができるコネクティングロッド軸受カバーとを有し、貫通穴が、コネクティングロッド大端部の両側でコネクティングロッド軸受カバーに設けられ、この貫通穴と同軸であり、大端部を貫通するねじ穴が、大端部に設けられ、ねじが、貫通穴を貫通し、ねじ穴内にねじ留めされるコネクティングロッドに関する。

動作中、コネクティングロッドは、曲げ応力およびねじり荷重を合成された交互の高い引張荷重／圧縮荷重を受ける。様々な荷重はそれぞれ、コネクティングロッドの断面積および長さにわたってかなり異なることがある。特に、分割型コネクティングロッド大端部の領域では、そこで実現されるねじ接続により、コネクティングロッドが高い荷重を受ける。さらに、荷重は、コネクティングロッドの位置に応じて使用中に変化し、したがって経時的に変化することがあり、これは、全体として、使用中にコネクティングロッドが耐えなければならない複雑な荷重プロファイルをもたらす。高性能用途のためのコネクティングロッドの場合、高い安定性およびそれに関連する長い耐用寿命に関する基準に加えて、高いエンジン速度を管理することを可能にする追加の基準も存在する。

冒頭で述べたタイプのコネクティングロッドは、（特許文献１）から知られている。（特許文献１）は、大端部とコネクティングロッド軸受カバーとのねじ接続が実現される態様において、コネクティングロッドの１つの有利な実施形態を述べる。ねじ接続は、ねじのみによって行われ、その際、ねじと相互作用する追加のナットは提供されない。

既知のコネクティングロッドでは、ねじ穴が大端部を完全に貫通するが、ねじ穴に割り当てられるねじは、一部しかねじ穴内にねじ留めされない。その結果、大端部とねじとの間で力を好適に伝達することはできるものの、ねじ穴は、コネクティングロッド軸受カバーとは逆側の大端部の領域において、ねじ穴の長さの一部にわたって未使用のままである。ここで、大端部のより高い重量が不利点として生じ、これは、動かす必要があるより大きな質量をもたらす。

さらに、冒頭で述べたタイプのコネクティングロッドであって、それぞれのねじが、それに割り当てられる大端部のねじ穴の全長にわたってねじ穴にねじ留めされるコネクティングロッドが、実践から知られている。ここで、穴、すなわちねじ穴のねじ山の末端部でのねじ山アンダーカットは、ねじ穴の内径よりもわずかしか大きくない。そのため、動作荷重は、大部分を最終（上側）荷重支持ねじ山ターンによって吸収される。これは、最終荷重支持ねじ山ターンのすぐ上のねじ山ベースで非常に高い応力をもたらす。

欧州特許出願公開第１６０２８４１Ａ２号明細書

本発明の目的は、冒頭で述べたタイプのコネクティングロッドを、それぞれのねじ穴の最終ねじ山ターンの領域での成分応力が最小限になり、長持ちするようにコネクティングロッドの耐用寿命を延ばすことができるように改良することである。

この目的は、特許請求項１の特徴部に従って構成されたコネクティングロッドによって実現される。

本発明によるコネクティングロッドでは、大端部が、コネクティングロッド軸受カバーと逆側で、それぞれのねじ穴の領域に凹部（Freisparung）を有することが企図される。この凹部は、コネクティングロッド大端部の方向に延び、ねじ軸に対して偏心に設けられる。

大端部の領域でのコネクティングロッドのこの設計は、動作荷重によって引き起こされる最終ねじ山ターンに対する荷重付与が減少され、他のねじ山ターンに分散される状況を実現する。その結果、この領域で成分応力も減少され、これは、耐えることができる力を増加し、コネクティングロッドの耐用寿命を延ばす。

本発明に従って提供され、大端部においてそれぞれのねじ穴の領域での所定の半径方向ステップを有する凹部は、ねじ端部への力の流れを抑制し、したがって特に最終ねじ山ターンの荷重緩和をもたらす。

この態様の下で、凹部の輪郭が、ねじ穴の長手方向軸に平行に延びると有利であると考えられる。さらに、凹部のこの設計は、大端部に凹部を単純に形成することができるようにする。

凹部は、好ましくは、ねじ穴の軸方向伸張での視線方向に関して、コネクティングロッド大端部に向いた側で放物線状または部分円形状の輪郭を有する。この設計は、特に、より低い応力ピークを有する様式でのコネクティングロッドにおける力の伝達に寄与する。

それぞれのねじ穴から始めて、それぞれのねじ穴の半径方向での凹部の広がりは、ねじ穴の直径の好ましくは１０〜２０％、好ましくは１３〜１７％、特に１５％である。

特に、同一の凹部がねじ穴の領域に形成されることが企図される。

本発明のさらなる特徴は、従属請求項、添付図面、図面に示される例示的実施形態の説明から分かるが、それらに限定されない。

コネクティングロッド大端部の方向で斜め上から見た、本発明によるコネクティングロッドの斜視図である。コネクティングロッドの大端部の領域での、図１において円で囲われた細部を示す斜視図である。コネクティングロッドの２つのコネクティングロッド両端部の軸受の軸に対して垂直に断面を取った、大端部にねじ留めされたねじの長手方向軸に関する、図１による細部を示す長手方向断面図である。コネクティングロッド大端部の軸受の軸に垂直に断面を取った、コネクティングロッド胴部の下側領域およびコネクティングロッド大端部に関して示される、図１によるコネクティングロッドの概略断面図である。図４に示される細部の拡大図である。図４における例示に応じた、従来技術による一実施形態を示す図である。従来技術に関する図６による細部の拡大図である。ねじ山ターンの角度位置に応じた応力状態を示すための、本発明によるおよび従来技術によるコネクティングロッドに関するグラフを示す図である。従来技術に関する、それぞれのねじ山ターンに応じた雄ねじおよび雌ねじでの応力状態を示すためのグラフである。本発明に関する、それぞれのねじ山ターンに応じた雄ねじおよび雌ねじでの応力状態を示すためのグラフである。従来技術に関する、それぞれのねじ山ターンに応じた上側応力および下側応力に関する応力状態を示すためのグラフである。本発明に関する、それぞれのねじ山ターンに応じた上側応力および下側応力に関する応力状態を示すためのグラフである。

本発明によるコネクティングロッドが図１〜図５に示されており、以下の説明ではまずそれらの図を参照する。

図示されるように、コネクティングロッド１は、ピストンに回転可能に接続することができるコネクティングロッド小端部２と、分割型の構成であり、クランクシャフトに回転可能に接続することができるコネクティングロッド大端部３とを有する。コネクティングロッド１は、コネクティングロッド両端部２、３の間にコネクティングロッド胴部４を有する。コネクティングロッド大端部３の分割型の構成により、コネクティングロッド大端部３は、コネクティングロッド胴部側にある大端部５と、この大端部５にねじ留めすることができるコネクティングロッド軸受カバー６とを有する。コネクティングロッド大端部３の両側で、コネクティングロッド軸受カバー６に貫通穴７が設けられる。２つの貫通穴７が設けられ、それぞれコネクティングロッド大端部３の各側にある。大端部５にはねじ穴８が設けられ、ねじ穴８は、大端部５を貫通しており、コネクティングロッド１が組み立てられるときに貫通穴７と同軸になる。２つのねじ９が提供される。それぞれのねじ９が、コネクティングロッド軸受カバー６の対応する貫通穴７に差し込まれ、大端部５の対応するねじ穴８内にねじ留めされる。したがって、大端部５へのコネクティングロッド軸受カバー６の固定は、２つのねじ９のみによって、したがってナットを用いずに行われる。

コネクティングロッド軸受カバー６とは逆側で、大端部５は、それぞれのねじ穴８の領域に凹部１０を有する。この凹部１０は、コネクティングロッド大端部３の方向に延び、ねじ軸１１に対して偏心して位置決めされる。軸方向伸張に関して、それぞれのねじ穴８は、凹部１０に隣接する。同一の凹部１０がねじ穴８の領域に形成される。

凹部１０の輪郭１２は、対応するねじ穴８の長手方向軸に平行に、すなわちねじ軸１１に平行に延びる。ねじ穴８の軸方向伸張での視線方向に関して、凹部１０は、コネクティングロッド大端部３に向いた側で放物線状の輪郭１２を有する。当然、放物線状の輪郭の代わりに、部分円形の、特に半円形の輪郭をこの領域に提供することもでき、平行に延びる２つの輪郭区域がこの部分円形の輪郭に隣接する。

基本的には、それぞれのねじ穴８から始めて、それぞれのねじ穴８の半径方向での凹部１０の広がりは、ねじ穴８の直径の１０〜２０％、好ましくは１３〜１７％、特に１５％である。

図６および図７に示される従来技術に関する例示的実施形態から、図４および図５による本発明による例示的実施形態と直接比較すると、従来技術では、コネクティングロッドのねじ山の末端部での（ねじ山のない）穴は、大端部の雌ねじの直径よりもわずかしか大きくないことが分かる。したがって、動作荷重は、大部分を最終（上側）荷重支持ねじ山ターンによって吸収される。これは、図７に図示される円１３によって示されている。これは、最終荷重支持ねじ山ターンのすぐ上のねじ山ベースで非常に高い応力をもたらす。

本発明による例示的実施形態では（これについて特に図５の図を参照する）、コネクティングロッド大端部３の方向に延び、ねじ軸１１に対して偏心している凹部１０が提供される。これは、動作荷重によって引き起こされる最終ねじ山ターンに対する荷重付与が減少されて他のねじ山ターンに分散される状況を実現する。その結果、この領域で成分応力も減少される。これは、耐えることができる力を増加し、コネクティングロッドの耐用寿命を延ばす。

図１〜図３による特定の例示的実施形態では、凹部１０は、２ｍｍだけ内側に、すなわちコネクティングロッド大端部３に面するねじ穴８の側面から始めて２ｍｍだけ内側に延びるように構成される。ここで、凹部１０の底部１４に関する１．０ｍｍの半径Ｒが形成される。

図８〜図１２は、従来技術もしくは本発明によるコネクティングロッドに関する詳細を示すグラフ、またはコネクティングロッドの詳細を直接比較するグラフを示す。

図８は、ねじ穴８、すなわち雌ねじにおいて試験中に測定される最大応力を示し、この最大応力は、ねじ穴の円周方向で評価され、この例では雌ねじの最後から２番目のねじ山ターンに関係付けられる。９０°のねじ山ターンの角度位置（これは、コネクティングロッドの内側に対応する、すなわちコネクティングロッド大端部３に面する領域に対応する）に関して、従来技術に関する曲線は、最大応力がその角度位置で生じることを示す。対照的に、本発明によるコネクティングロッドの実施形態に関する曲線に関しては、ねじ山ターンの９０°のこの角度位置で、形成された凹部１０によって引き起こされる大きな極小値が生じる。この凹部１０は、正に応力が最大である位置で、応力を減少する。その他では、コネクティングロッドに対する引張／圧縮荷重のみの場合には、波形の曲線は、ねじ山自体での明確な曲げ応力を示す。

図９は、従来技術に関して、ねじ穴８の個々のねじ山ターンに応じた最大応力を示す。ここでは、１５個の荷重支持ねじ山ターンが提供されている。雌ねじ、すなわちチタンから構成されたコネクティングロッドのねじ穴８と、鋼１０．９から構成されたねじ９の雄ねじとに関する応力プロファイルが示されている。このグラフから、雌ねじの端部への、すなわち最初のねじ山ターンの領域でのねじ穴８内への力の導入が、損壊を及ぼし得る相対最大応力をもたらすことが分かる。

図９に対応する例示として、図１０は、雌ねじの端部でのそれぞれのねじ穴８の領域、すなわち最初のねじ山ターンの領域における凹部１０の形態により、相対最大応力が減少されることを示す。

図１１によるグラフには、従来技術に関して、ねじのプレストレスによって主として静止荷重がかかった状態で、ここでも１５個の荷重支持ねじ山ターンについて、ねじ山ターンに応じて最大応力が示されている。各ねじ山ターンでの最大応力振幅が示されており、一方の曲線が上側応力を示し、他方の曲線が下側応力を示す。上側応力および下側応力は、コネクティングロッドの耐用寿命の推定のための基礎となる。この図から、コネクティングロッドでの引張／圧縮による、損壊を及ぼし得る特に大きな振幅が、最初のねじ山ターンの領域において生成されることが分かる。

図１１の例示に応じて、図１２は、コネクティングロッドの本発明による設計での状態を示す。図１２から、上側応力の値と下側応力の値が、最初のねじ山ターンの領域においてかなり低くなり、また、上側応力と下側応力との間の振幅も減少されることが分かる。

従来技術による上述した変形形態に関して、コネクティングロッドの上記構成では、コネクティングロッドでの力の流れが、ねじ穴、すなわち雌ねじの端部に集中的に導入され、そこで、高い応力およびとりわけまた大きな振幅がねじ山ターンで発生されることが分かる。

対照的に、本発明による例示的実施形態では、ねじ端部のアンダーカット、すなわちコネクティングロッド１の内側への所定の半径方向ステップを有する凹部１０の形状は、ねじ端部への力の流れを抑制し、そこでコネクティングロッドに対する荷重を緩和することを可能にする。

従来技術と比較して、本発明により、ねじ穴または雌ねじの領域において１０倍以上の耐用寿命の延長を期待できる。最大損壊箇所は、ねじ端部（すなわちねじ接続の場合における従来の故障位置）から、前のねじ山ターンに向けて移行する。

１コネクティングロッド
２コネクティングロッド小端部
３コネクティングロッド大端部
４コネクティングロッド胴部
５大端部
６コネクティングロッド軸受カバー
７貫通穴
８ねじ穴
９ねじ
１０凹部
１１ねじ軸
１２輪郭
１３円
１４底部

Claims

ピストンに回転可能に接続することができるコネクティングロッド小端部（２）と、分割型の構成であり、クランクシャフトに回転可能に接続することができるコネクティングロッド大端部（３）と、前記コネクティングロッド両端部（２、３）の間にあるコネクティングロッド胴部（４）とを備えるコネクティングロッド（１）であって、前記コネクティングロッド大端部（３）が、前記コネクティングロッド胴部側にある大端部（５）と、前記大端部（５）にねじ留めすることができるコネクティングロッド軸受カバー（６）とを有し、貫通穴（７）が、前記コネクティングロッド大端部（３）の両側で前記コネクティングロッド軸受カバー（６）に設けられ、前記貫通穴（７）と同軸であり、前記大端部（５）を貫通するねじ穴（８）が、前記大端部（５）に設けられ、ねじ（９）が、前記貫通穴（７）を貫通し、前記ねじ穴（８）にねじ留めされ、前記大端部（５）が、前記コネクティングロッド軸受カバー（６）とは逆側で、それぞれの前記ねじ穴（８）の領域に凹部（１０）を有し、前記凹部（１０）が、前記コネクティングロッド大端部（３）の方向に延び、前記ねじ穴（８）のねじ軸（１１）に対して偏心していることを特徴とするコネクティングロッド（１）。
前記ねじ穴（８）の軸方向伸張に関して、それぞれの前記ねじ穴（８）が前記凹部（１０）に隣接することを特徴とする請求項１に記載のコネクティングロッド。
それぞれの前記ねじ穴（８）から始めて、それぞれの前記ねじ穴（８）の半径方向での前記凹部（１０）の広がりが、前記ねじ穴（８）の直径の１０〜２０％、好ましくは１３〜１７％、特に１５％であることを特徴とする請求項１または２に記載のコネクティングロッド。
前記凹部（１０）の輪郭が、前記ねじ穴（８）の前記長手方向軸（１１）に平行であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のコネクティングロッド。
前記凹部（１０）が、前記ねじ穴（８）の前記軸方向伸張での視線方向に関して、前記コネクティングロッド大端部（３）に向いた側で放物線状の輪郭（１２）または部分円形の輪郭（１２）を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のコネクティングロッド。
同一の凹部（１５）が前記ねじ穴（８）の前記領域に形成されることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載のコネクティングロッド