JP2017203446A - シリンダーブロック - Google Patents

Abstract

【課題】爆発荷重が作用したときにジャーナル隔壁のインロー部の隅Ｒ部に生じる引張応力を緩和し、変動応力を抑えることのできるシリンダーブロックを提供する。
【解決手段】シリンダーブロック１０は、クランク室１５を形成するスカート部１６と、クランク室１５をシリンダー１２ごとに区画するとともにメインキャップ４０が取り付けられることでジャーナル穴２３を形成するジャーナル隔壁２０とを有する。ジャーナル隔壁２０は、ジャーナル穴２３を構成する軸受部２５とメインキャップ４０が嵌め込まれるインロー部２８とメインキャップ４０をジャーナル隔壁２０に取り付ける一対の締結部材２１が締結される一対の締結部２９とを有する軸受壁部２６と、軸受壁部２６とスカート部１６とを接続する接続壁部２７とを備え、接続壁部２７は、平面視にて一対の締結部２９の各々からピストン１１の上動方向へ接続壁部２７の端部まで延びる厚肉部３２を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、シリンダーブロックに関する。

例えば、特許文献１のように、エンジンの動力を伝達するクランクシャフトは、シリンダーブロックに形成されたジャーナル隔壁と、ジャーナル隔壁に締結されるメインキャップとによって回転自在に支持されている。

図６は、シリンダーブロックにメインキャップが締結された状態を示す図である。図６に示すように、シリンダーブロック５０は、ピストン５１が上下動する複数のシリンダー５２と、クランクシャフト５３が配設されるクランク室５５を構成するスカート部５６とを備えている。また、シリンダーブロック５０は、スカート部５６に接続されてクランクシャフト５３の長手方向でクランク室５５をシリンダー５２ごとに区画するジャーナル隔壁６０を備えている。ジャーナル隔壁６０には、クランクシャフト５３のクランクジャーナル５４を挟むように位置する一対の締結部材６１によってメインキャップ７０が締結されている。クランクシャフト５３は、ジャーナル隔壁６０とメインキャップ７０とによって形成されるジャーナル穴６３に回転自在に支持される。

ジャーナル隔壁６０は、クランクシャフト５３のクランクジャーナル５４を回転自在に支持する軸受壁部６６と、軸受壁部６６とスカート部５６とを接続する接続壁部６７とを有している。軸受壁部６６は、ジャーナル穴６３を構成する半円形状の軸受部６５、メインキャップ７０が嵌め込まれるインロー部６８、および、一対の締結部材６１が締結される部位であって軸受部６５を挟む一対の締結部６９を有している。メインキャップ７０は、ジャーナル隔壁６０の軸受部６５とともにジャーナル穴６３を構成する半円形状の軸受部７１を有している。

実開平５−２７２５７号公報

ところで、図７（ａ）に示すように、各シリンダー５２における燃焼によってクランクシャフト５３のクランクピン５７に爆発荷重Ｆが作用すると、その爆発荷重Ｆは、クランクジャーナル５４、メインキャップ７０、および、締結部材６１を介してジャーナル隔壁６０に作用する。そのため、メインキャップ７０をジャーナル隔壁６０から引き離そうとする荷重が作用し、ジャーナル穴６３の中心軸６３Ａをピストン５１の下動方向へ変位δｊだけ変位させる弾性変形が生じる。また、爆発荷重Ｆが作用したクランクシャフト５３には、ピストン１１の下動方向側への撓みが生じる。そのため、ジャーナル隔壁６０には、クランクシャフト５３の撓みに起因して中心軸６３Ａに倒れ角θを生じさせる矢印Ａ方向への弾性変形である倒れ変形が生じる。

一方で、シリンダーブロック５０とメインキャップ７０との合わせ面７４には面圧が生じている。この合わせ面７４には、ボルト締結時には概ね均等に面圧が作用するとともにインロー部６８の隅部である隅Ｒ部７２には圧縮応力が生じる。一方、爆発荷重Ｆの作用によりジャーナル隔壁６０には引張応力が作用するため、合わせ面７４に作用する面圧は概ね均等に低くなる。また、倒れ角θの作用により、ジャーナル隔壁６０には、爆発シリンダー側の部位に引張力が作用し、爆発シリンダーとは反対側の部位に圧縮力が作用する。そのため、合わせ面７４に作用する面圧は、爆発シリンダー側の部位では抜けて低くなり、爆発シリンダーとは反対側の部位では高くなる。

よって、総合的に、ジャーナル隔壁６０の爆発シリンダー側の部位には大きな引張応力が作用し、爆発シリンダーの反対側の部位には小さな引張応力が作用する。したがって、合わせ面７４に作用する面圧は、爆発シリンダー側の部位ほど低く、爆発シリンダーの反対側の部位ほど高くなる傾向を呈する。そのため、図７（ｂ）に模式的に示すように、合わせ面７４の変形として、爆発荷重Ｆによるピストン５１の下動方向への合わせ面７４の平均変位である変位δＦと、倒れ角θによるピストン５１の下動方向への変位δθであって爆発シリンダー側のジャーナル前端と爆発シリンダーの反対側のジャーナル後端との間の変位δθとが生じる。変位δＦはジャーナル隔壁６０が引き伸ばされることにより生じており、これにより隅Ｒ部７２には引張応力が生じる。変位δθは、爆発シリンダーの反対側では合わせ面７４を持ち上げるように作用することから、図８に示すように、隅Ｒ部７２には、爆発シリンダーの反対側ほど大きくなる引張応力が発生する。すなわち、ボルト締結時に圧縮応力、爆発荷重作用時に引張応力となる変動応力が隅Ｒ部７２に作用しており、これによる疲労を回避するため、ジャーナル隔壁６０のインロー部６８の隅Ｒ部７２に生じる引張応力を緩和する方策が求められている。なお、図８では、隅Ｒ部７２に発生している応力を部分的に示しており、また、色の濃い部分ほど応力が大きいことを示している。

本発明は、爆発荷重が作用したときにジャーナル隔壁のインロー部の隅Ｒ部に生じる引張応力を緩和し、変動応力を抑えることのできるシリンダーブロックを提供することを目的とする。

上記課題を解決するシリンダーブロックは、クランクシャフトが配設されるクランク室を形成するスカート部と、前記クランク室をシリンダーごとに区画するとともにメインキャップが取り付けられることでジャーナル穴を形成するジャーナル隔壁とを有するシリンダーブロックであって、前記ジャーナル隔壁は、前記ジャーナル穴を構成する軸受部と前記メインキャップが嵌め込まれる凹形状を有するインロー部と前記メインキャップを前記ジャーナル隔壁に取り付ける一対の締結部材が締結される部位であって前記軸受部を挟む一対の締結部とを有する軸受壁部と、前記軸受壁部と前記スカート部とを接続する接続壁部とを備え、前記接続壁部は、前記ジャーナル隔壁の壁面に対向する平面視にて前記一対の締結部の各々からピストンの上動方向へ前記接続壁部の端部まで延びる厚肉部を有する。

上記構成によれば、接続壁部では、厚肉部によって一対の締結部に対するピストンの上動方向側の部位における剛性が高められる。そのため、爆発荷重がジャーナル隔壁に作用しても、ピストンの下動方向への合わせ面の変位δｆを抑えることができる。その結果、インロー部の隅Ｒ部に生じる引張応力を緩和し、変動応力を抑えることができる。

上記シリンダーブロックにおいて、前記厚肉部は、前記接続壁部の両壁面で突出していることが好ましい。
上記構成によれば、厚肉部における剛性をより高めることができる。また、ジャーナル隔壁を挟む２つのシリンダーのどちらから爆発荷重を受けたとしてもインロー部の隅Ｒ部に生じる引張応力をより確実に緩和することができる。

上記シリンダーブロックにおいて、前記インロー部は、底面と互いに対向する一対の側面とを有し、前記厚肉部は、前記ジャーナル隔壁の壁面に対向する平面視にて前記一対の側面の内側の領域に形成されていることが好ましい。

上記構成によれば、変位δθが作用した場合において、インロー部の外側の壁部の剛性が低いことから、インロー部の隅Ｒ部に生じる引張応力をより効果的に緩和することができる。

上記シリンダーブロックにおいて、前記接続壁部は、前記ピストンとの干渉を回避する逃げ部を有していてもよい。
上記構成によれば、互いに隣接する２つのシリンダーの間隔を小さくすることができる。その結果、エンジンの小型化を図ることができる。

上記シリンダーブロックにおいて、前記厚肉部は、前記逃げ部の両側に形成されていることが好ましい。上記構成によれば、接続壁部のうちで締結部に対するピストンの上動方向側の部位における剛性を高めることができる。その結果、インロー部の隅Ｒ部に生じる引張応力を効果的に緩和することができる。

シリンダーブロックの一実施形態の概略構成を示す図であって、シリンダーブロックにメインキャップが締結された状態をジャーナル隔壁の壁面に対向する平面視で示す図。 図１の２−２線におけるジャーナル隔壁の断面構造を示す断面図。 図１の３−３線におけるジャーナル隔壁の断面構造を示す断面図であって、（ａ）実施例１の断面構造を示す断面図、（ｂ）実施例２の断面構造を示す断面図、（ｃ）実施例３の断面構造を示す断面図。 シミュレーションの結果の一例を示すグラフ。 （ａ）（ｂ）（ｃ）隅Ｒ部付近における形状の他の例を示す断面図。 従来例において、シリンダーブロックにメインキャップが締結された状態をジャーナル隔壁の壁面に対向する平面視で示す図。 （ａ）クランクシャフトに爆発荷重が作用したときのジャーナル穴の変位を模式的に示す図、（ｂ）合わせ面の変形を模式的に示す図。 インロー部の側面部に生じる応力を解析した結果の一例を示す図。

図１〜図４を参照して、シリンダーブロックの一実施形態について説明する。
図１に示すように、シリンダーブロック１０は、例えば鋳鉄製の基材に対して機械加工を行うことにより作製される。シリンダーブロック１０は、ピストン１１が上下動する複数のシリンダー１２と、クランクシャフト１３が配設されるクランク室１５を構成するスカート部１６とを備えている。また、シリンダーブロック１０は、スカート部１６に接続されてクランクシャフト１３の長手方向でクランク室１５をシリンダー１２ごとに区画するジャーナル隔壁２０を備えている。ジャーナル隔壁２０には、クランクジャーナル１４を挟む一対の締結部材２１によってメインキャップ４０が締結されている。そして、クランクシャフト１３は、ジャーナル隔壁２０とメインキャップ４０とによって形成されるジャーナル穴２３にクランクジャーナル１４が配設されていることでシリンダーブロック１０およびメインキャップ４０に回転自在に支持される（図２参照）。

ジャーナル隔壁２０は、ジャーナル穴２３を構成する軸受部２５が形成された軸受壁部２６と、軸受壁部２６とシリンダーブロック１０のスカート部１６とを接続する接続壁部２７とを有している。軸受壁部２６は、軸受部２５のほか、メインキャップ４０が嵌め込まれるインロー部２８と締結部材２１が締結される締結部２９とを有している。

軸受部２５は、ジャーナル隔壁２０の壁面に対向する平面視にてインロー部２８の底面２８ｂからシリンダー１２に向かって張り出す半円形状を有している。なお、この軸受部２５には、図示されない半円形状の軸受メタルが配設される。インロー部２８は、ピストン１１の下動方向、および、クランクシャフト１３の長手方向が開放された凹部であり、軸受部２５が開口する底面２８ｂと、クランクジャーナル１４を挟むように互いに対向する一対の側面２８ｓと、底面２８ｂと側面２８ｓの各々とがなす隅部であってピストン５１の上動方向へ張り出す円弧状の隅Ｒ部２８Ｒとを有している。インロー部２８は、ジャーナル隔壁２０にメインキャップ４０を締結する際にメインキャップ４０が嵌め込まれることにより、ジャーナル隔壁２０に対するメインキャップ４０の位置合わせを行う。一対の締結部２９の各々は、軸受部２５を挟むように軸受部２５の両側に位置して、軸受壁部２６の幅方向における端部を構成する。一対の締結部２９の各々は、インロー部２８の底面２８ｂに開口して締結部材２１が螺合する雌ねじ部３０を有している。

図３（ａ）に示すように、ジャーナル隔壁２０の接続壁部２７は、逃げ部３１、厚肉部３２、および、外側部３３を備えている。逃げ部３１は、接続壁部２７の幅方向における中央位置に形成されている。逃げ部３１は、ピストン１１とジャーナル隔壁２０との干渉が回避されるように、接続壁部２７の壁面２７ａが互いに近づくように窪んでいる部位である。厚肉部３２は、逃げ部３１の両側に位置しており、接続壁部２７の壁面２７ａの双方に一体的に形成される肉盛部３５の分だけ外側部３３よりも肉厚の厚い部位である。肉盛部３５は、外側部３３との段差部分にＲ部を有していることが好ましく、この場合、肉盛部３５の形成範囲は、Ｒ部を含んで設定される。厚肉部３２は、軸受壁部２６の締結部２９の各々からピストン１１の上動方向へ接続壁部２７の端部まで延びている。厚肉部３２は、締結部２９に形成された雌ねじ部３０に対し、ジャーナル隔壁２０の壁面に対向する平面視にてピストン１１の上下動方向で重なっている。外側部３３は、一対の厚肉部３２の外側に位置する部位であって厚肉部３２の各々とスカート部１６とを接続する部位である。

図１に示すように、メインキャップ４０は、例えば鋳鉄製の基材に対して機械加工を行うことにより作製される。メインキャップ４０は、ジャーナル穴２３を構成する半円形状の軸受部４１と、軸受部４１の両側に位置して軸受部４１を挟む一対の嵌込部４２とを有している。軸受部４１は、ジャーナル隔壁２０の壁面に対向する平面視にてシリンダー１２とは反対側へ窪む半円形状を有している。各嵌込部４２は、締結部材２１が挿通される挿通孔４３を有しており、先端の角部は隅Ｒ部２８Ｒとの間に隙間が形成される面取り部で構成されている。メインキャップ４０は、コンロッドを介してクランクピンに連結されたピストン１１がシリンダー１２内に配設され、かつ、クランクジャーナル１４が軸受部２５に配設された状態でシリンダーブロック１０に対して取り付けられる。インロー部２８の底面２８ｂとメインキャップ７０との接触部分が合わせ面４５である。なお、この軸受部４１には、図示されない半円形状の軸受メタルが配設される。

上述した構成のシリンダーブロックの作用について説明する。
上記構成において、ジャーナル隔壁２０の接続壁部２７には、締結部２９の各々からピストン１１の上動方向に向かって延びる厚肉部３２が形成されている。これにより、接続壁部２７では、軸受壁部２６の締結部２９に対するピストン１１の上動方向側の部位において引張応力に対する剛性が高められる。そのため、クランクシャフト１３、メインキャップ４０、および、一対の締結部材２１を介してジャーナル隔壁２０に爆発荷重が作用したとしても、ピストン１１の下動方向への合わせ面４５の変位δＦを抑えることができる。そのため、厚肉部３２が形成されていない場合に比べて、軸受壁部２６のインロー部２８の隅Ｒ部７２に生じる引張応力を緩和することができる。また、クランクシャフト１３の撓み変形による倒れ角θ、合わせ面４５の変位δθが作用したとしても外側部３３の剛性が低いことから、隅Ｒ部２８Ｒに生じる引張応力を緩和することができる。

次に、上述した肉盛部の形成範囲について行ったシミュレーションの結果について説明する。今回のシミュレーションでは、図１および図３（ａ）に示すように、インロー部２８の互いに対向する一対の側面２８ｓ間の距離Ｌ１を基準として、外側部３３の厚みｔ３を０．１９×Ｌ１、厚肉部３２の厚さｔを０．２×Ｌ１、一対の締結部材２１のピッチＰを０．７４×Ｌ１、軸受壁部２６の幅Ｌ２を１．１１×Ｌ１に設定した。そして、図３（ａ），３（ｂ），３（ｃ）に示す実施例１，２，３を解析対象に設定し、ボルト締結時の応力σｓと爆発荷重作用時の応力σＰから等価両振り換算応力を算出した。この等価両振り換算応力は、その値が低いほど疲労破壊が生じにくいことを示す。

図３（ａ）に示すように、実施例１では、逃げ部３１とインロー部２８の側面２８ｓまでの範囲に肉盛部３５を設定した。図３（ｂ）に示すように、実施例２では、逃げ部３１の端部からインロー部２８の側面２８ｓの外側であって軸受壁部２６の端部までの範囲に肉盛部３５を設定した。図３（ｃ）に示すように、実施例３では、逃げ部３１の端部から、外側部３３に繋がるＲ部であって雌ねじ部３０の中心軸上に中心を有するＲ部までの範囲に肉盛部３５を設定した。実施例１〜３の各肉盛部３５は、矩形形状の断面形状を有しており、ピストン１１の上動方向における接続壁部２７の端部まで延びている。図４にシミュレーションの結果を示す。

図４に示すように、各実施例１〜３について実施例１の等価両振り換算応力に対する比を求めた。これより、実施例１を１．０とするとき、実施例２は１．０６、実施例３は１．０８というシミュレーションの結果が得られた。すなわち、インロー部２８の一対の側面２８ｓの内側の領域であって逃げ部３１以外の領域に厚肉部３２が形成された実施例１において、等価両振り換算応力が最も低くなることが確認された。

なお、厚肉部３２の厚みｔは、外側部３３の厚みｔ３に対する比率（＝ｔ／ｔ３）として、合わせ面４５の変位を抑える剛性を得るうえでは１．０５以上であることが好ましく、鋳造時に外側部３３との段差部分に発生する残留応力を抑えるため１．１５以下であることが好ましい。

上記実施形態のシリンダーブロックによれば以下に列挙する作用効果が得られる。
（１）接続壁部２７は、ジャーナル隔壁２０の壁面に対向する平面視にて一対の締結部２９の各々からピストンの上動方向へ延びる一対の厚肉部３２を有する。これにより、インロー部２８の隅Ｒ部２８Ｒに生じる引張応力を緩和し、変動応力を抑えることができる。ここで、インロー部２８の隅Ｒ部２８Ｒに生じる引張応力は、クランクシャフト１３の撓みを抑えること、すなわちクランクシャフト１３の曲げ剛性を高めることによっても抑えることができる。しかしながら、クランクシャフト１３の曲げ剛性を高めるには、クランクピンの太軸化やクランクジャーナル１４の太軸化等が必要とされる。こうした太軸化は、コンロッドとクランクピンとの間の摩擦やジャーナル穴２３におけるクランクジャーナル１４の摩擦といったエンジンフリクションを増大させる。この点、上述した構成によれば、エンジンフリクションを増大させることなく、インロー部２８の隅Ｒ部２８Ｒに生じる引張応力を緩和することができる。

（２）厚肉部３２は、外側部３３よりも肉厚を大きくする肉盛部３５を接続壁部２７の壁面２７ａの双方、すなわち接続壁部２７の両壁面に有することにより、接続壁部２７の両壁面において突出している。こうした構成によれば、いずれか一方の壁面に肉盛部３５を有する場合に比べて、厚肉部３２における剛性がさらに高まるとともにジャーナル隔壁２０を挟む２つのシリンダー１２のどちらから爆発荷重を受けたとしてもインロー部２８の隅Ｒ部２８Ｒに生じる引張応力をより確実に抑えることができる。

（３）厚肉部３２がピストン１１の上動方向における接続壁部２７の端部まで延びていることで厚肉部３２における剛性をより高めることができる。これにより、ピストン１１の下動方向における合わせ面４５の変位δＦがさらに抑えられ、該変位に起因する外側部３３の弾性変形がさらに抑えられる。その結果、インロー部２８に生じる応力をさらに効果的に分散させることができる。

（４）厚肉部３２は、ジャーナル隔壁２０の壁面に対向する平面視にて一対の側面２８ｓの内側の領域に形成されることが好ましい。こうした構成によれば、一対の側面２８ｓの内側の領域においてのみ接続壁部２７の剛性が高くなり、合わせ面４５の変位δＦを抑えることができる効果と変位δθが生じた際に応力が高くならない効果とを両立することができる。これは実施例１，２のシミュレーションの結果からも明らかである。

（５）接続壁部２７に逃げ部３１が形成されている。こうした構成によれば、互いに隣接するシリンダー１２の間隔を小さくすることができる。その結果、シリンダーブロック１０の小型化を図ることができる。

（６）接続壁部２７に逃げ部３１が形成される場合、接続壁部２７において一対の側面２８ｓよりも内側の部分は、逃げ部３１と、逃げ部３１の両側に形成された厚肉部３２とで構成されていることが好ましい。こうした構成によれば、ピストン１１の下動方向への合わせ面４５の変位を抑えつつ、インロー部２８に生じる応力を外側部３３へと効果的に分散させることができる。

なお、上記実施形態は、以下のように適宜変更して実施することもできる。
・接続壁部２７には、逃げ部３１が形成されていなくともよい。こうした構成においては、一対の側面２８ｓよりも内側の領域が厚肉部３２のみで構成されていることが好ましい。これにより、ピストン１１の下動方向へのジャーナル穴２３の変位をさらに抑えることができる。

・厚肉部３２は、締結部２９からピストン１１の上動方向へ延びていればよい。そのため、厚肉部３２は、例えば実施例２のように一対の側面２８ｓよりも外側の領域にその一部を有していてもよい。

・隅Ｒ部付近における形状は、図５（ａ）〜（ｃ）に示すような形状であってもよい。すなわち、隅Ｒ部２８Ｒは、図５（ａ）に示すように嵌込部４２の面取り部分に滑らかに連なる円弧状の断面形状を有していてもよいし、図５（ｂ）に示すようにジャーナル隔壁２０の幅方向において嵌込部４２の外方へ張り出す円弧状の断面形状を有していてもよい。また、隅Ｒ部２８Ｒは、図５（ｃ）に示すようにジャーナル隔壁２０の幅方向における嵌込部４２の外方、および、ピストン１１の上動方向の双方へ張り出す円弧状の断面形状を有していてもよい。

１０…シリンダーブロック、１１…ピストン、１２…シリンダー、１３…クランクシャフト、１４…クランクジャーナル、１５…クランク室、１６…スカート部、２０…ジャーナル隔壁、２１…締結部材、２３…ジャーナル穴、２５…軸受部、２６…軸受壁部、２７…接続壁部、２７ａ…壁面、２８…インロー部、２８ｂ…底面、２８ｓ…側面、２８Ｒ…隅Ｒ部、２９…締結部、３０…雌ねじ部、３１…逃げ部、３２…厚肉部、３３…外側部、３５…肉盛部、４０…メインキャップ、４１…軸受部、４２…嵌込部、４３…挿通孔、４５…合わせ面、５０…シリンダーブロック、５１…ピストン、５２…シリンダー、５３…クランクシャフト、５４…クランクジャーナル、５５…クランク室、５６…スカート部、５７…クランクピン、６０…ジャーナル隔壁、６１…締結部材、６３…ジャーナル穴、６３Ａ…中心軸、６５…軸受部、６６…軸受壁部、６７…接続壁部、６８…インロー部、６９…締結部、７０…メインキャップ、７１…軸受部、７２…隅Ｒ部、７４…合わせ面。

Claims (4)

1. クランクシャフトが配設されるクランク室を形成するスカート部と、前記クランク室をシリンダーごとに区画するとともにメインキャップが取り付けられることでジャーナル穴を形成するジャーナル隔壁とを有するシリンダーブロックであって、
   前記ジャーナル隔壁は、
   前記ジャーナル穴を構成する軸受部と前記メインキャップが嵌め込まれる凹形状を有するインロー部と前記メインキャップを前記ジャーナル隔壁に取り付ける一対の締結部材が締結される部位であって前記軸受部を挟む一対の締結部とを有する軸受壁部と、
   前記軸受壁部と前記スカート部とを接続する接続壁部とを備え、
   前記接続壁部は、
   前記ジャーナル隔壁の壁面に対向する平面視にて前記一対の締結部の各々からピストンの上動方向へ前記接続壁部の端部まで延びる厚肉部を有する
   シリンダーブロック。
2. 前記厚肉部は、前記接続壁部の両壁面で突出している
   請求項１に記載のシリンダーブロック。
3. 前記インロー部は、底面と互いに対向する一対の側面とを有し、
   前記厚肉部は、前記ジャーナル隔壁の壁面に対向する平面視にて前記一対の側面の内側の領域に形成されている
   請求項１または２に記載のシリンダーブロック。
4. 前記接続壁部は、前記ピストンとの干渉を回避する逃げ部を有し、
   前記厚肉部は、前記逃げ部の両側に形成されている
   請求項１〜３のいずれか一項に記載のシリンダーブロック。