JP2018505995A - エンジンまたはコンプレッサ用のケース - Google Patents

Abstract

本発明の枠内で、２つの端面（３１ａ，３１ｂ）を備えた細長いクランク室（３１）を有する、エンジンまたはコンプレッサ用のケース（３，５）が開発された。さらに、少なくとも１つのシリンダ室（３２ａ，３２ｂ）が設けられており、該シリンダ室内ではピストンが、クランクシャフトの回転により運動させられる。前記クランク室（３１）の内径は、前記第１の端面（３１ａ）から第２の端面（３１ｂ）まで単調に先細に縮小している。このように形成されたクランク室は、成形マンドレル（３４）の鋳包みにより、特に簡単に製造され得る。このような成形マンドレルも、鋳包み後に第１の端部側においてケースから引き出すことができるようにするためには、単調に先細になっている必要がある。真っ直ぐな円筒形状のクランク室は、前記の簡単な方法では製造することができなかった。クランク室の、本発明に基づく賦形により、ケースを一体に形成すると同時に、極めてコンパクトに形成することができる。

Description

本発明は、エンジンまたはコンプレッサ用の、コスト効率良く製造されるべきケース、該ケースを有するエンジンまたはコンプレッサ、ならびに製造方法に関する。

背景技術
トラックおよびバスの空気ブレーキ装置に圧縮空気を供給するためには、通常１つ〜２つのピストンを備えたコンプレッサが使用される。駆動源を介してクランクシャフトが回転させられる。各コネクティングロッドは、クランクシャフトとピストンの両方に、回動可能に支持されている。クランクシャフトの回転運動は、コネクティングロッドにより、シリンダ内のピストンの昇降運動に変換される。この昇降運動に基づき、空気が圧縮される。このようなコンプレッサのケースは通常、砂型または金型内で鋳鉄から一体に鋳造される。択一的に、砂型に一体的に注型されたねずみ鋳鉄シリンダを、高圧鋳造により製造されたアルミニウム製の基礎ケースに取り付けることが知られている。

２つ以上のシリンダを備えたコンプレッサの場合、運転中に内部でクランクシャフトが運動する大きなクランク室を高圧鋳造法で製造することは極めて困難である。よってクランク室を含むケース部分は、しばしば２つの部分から製造される。このことは鋳造後に手間のかかる組立を要し、各ケース部分間の結合箇所は原則として漏れを生じやすい。

課題および解決手段
よって本発明の課題は、簡単に一体に製造することができ、したがって従来技術により複数部分から製造されたケースよりも簡単に取り付けられると同時に、漏れが生じにくい、エンジンまたはコンプレッサ用のケースを提供することにある。

この課題は本発明に基づき、主請求項記載のケース、副請求項記載のエンジンまたはコンプレッサ、ならびに別の副請求項記載の製造方法により解決される。別の有利な構成は、これらを引用する従属請求項に記載されている。

本発明の対象
本発明の枠内で、エンジンまたはコンプレッサ用のケースが開発された。このケースは、細長いクランク室を有しており、クランク室は２つの端面を有している。細長いとは、クランク室が１つの軸線に沿って延在しており、この軸線に対して垂直方向の伸長よりも、軸線に沿った伸長の方が大きいことを意味する。クランク室は、クランクシャフトの収容に用いられる。

さらに、少なくとも１つのシリンダ室が設けられており、シリンダ室内でピストンがクランクシャフトの回転により往復運動させられる。

クランク室は第１の端面に開口を有しており、この開口を介してクランクシャフトをクランク室内へ導入することができるようになっている。本発明に基づき、クランク室の内径は、第１の端面から第２の端面まで単調に先細に縮小している。

単調に先細に縮小しているとは、クランク室の内径が、その軸線に沿って第１の端面から第２の端面に到るまで連続して減少しているか、または部分的に同じであるだけで、それ以上には増大しないことを意味する。

このように形成されたクランク室は、成形マンドレルをケース材料で鋳包むことにより、鋳造によって特に簡単に製造され得る、ということが判った。このような成形マンドレルは、鋳包み後にその第１の端部側においてケースから引き出すことができるようにするために、第１の端部から第２の端部まで単調に先細になっている必要がある。これまでの従来技術に基づく、真っ直ぐな円筒形状または多数のアンダカットを有するクランク室は、前記の簡単な方法では製造することができなかった。クランク室の、本発明に基づく賦形により、ケースを一体に形成すると同時に、極めてコンパクトに形成することができる。

この場合はまず、複数のシリンダを有するエンジンまたはコンプレッサでは、１つのシリンダの少なくとも１つのコネクティングロッドのために供与されるクランク室内の運動空間が極めて少なく、これにより通常、コネクティングロッドは比較的細く寸法決めされざるを得ず、かつ／またはクランクケースボデーは前記第１の端部付近の方が、より大きくなっていなければならない、という欠点が考慮された。この欠点は、ケースの大幅に簡単な製造により相殺されることが判った。

有利には、クランク室は第１の端面から第２の端面まで先細に、円錐形または切頭円錐形に延在している。有利には、この円錐または切頭円錐の周壁は、その対称軸線に対して０．５〜１０度、好適には０．５〜５度、極めて特に好適には１〜５度の角度だけ、傾斜している。この場合に、製造に用いられた成形マンドレルを、鋳包み後に最も簡単に除去することができる。ケースは、有利には一体に鋳造されており、有利には少なくとも部分的に、アルミニウム、マグネシウム、チタン、アルミニウム合金、マグネシウム合金またはチタン合金、またはダイカスト可能な別の軽量合金から成っている。クランクケースは両端面から、それぞれその内側に向かって先細に、円錐形または切頭円錐形に延在していてもよく、これは例えば２つの成形マンドレルを鋳包み、次いで互いに反対の方向に引き出すことにより製造可能である。これにより、第２の端面付近でコネクティングロッドに供与される運動空間が拡大され得る。２シリンダ型コンプレッサの場合は例えばこのようにして、両シリンダに関して同一に寸法決めされたコネクティングロッドを使用することができる、ということが達成され得る。

本発明によるエンジンまたはコンプレッサは、本発明によるケースを有している。このケース内には、各１つのピストンを収容するための少なくとも２つのシリンダ室が設けられている。ピストンの駆動は、クランクシャフトにより行われる。このためシリンダ室毎にコネクティングロッドが設けられており、コネクティングロッドは、第１のコネクティングアイで以てクランクシャフトに、かつ第２のコネクティングアイで以て、シリンダ室内で摺動するピストンに、それぞれ回動可能に支持されている。クランクシャフトの軸線に沿って支持された２つのコネクティングロッドを比べると、クランク室の各内径と共に、第１のコネクティングアイの領域のコネクティングロッドの外径および／または第１のコネクティングアイの内径も、本発明に基づき先細に縮小している。

ケースが例えば２つのシリンダを有している場合には、第１のシリンダの方が第２のシリンダよりも、クランクシャフトをクランク室内へ導入可能な開口に近くなる。この場合、クランク室の内径がより大きくなっている第１のコネクティングロッドの場所には、クランクシャフトを中心とした第１のコネクティングアイの運動用に、より多くの運動空間が供与されている。クランクケースの内径がより小さくなっている第２のコネクティングロッドの場所には、クランクシャフトの周りに相応して小さな運動空間が、クランクシャフトを中心とした第２のコネクティングロッドの第１のコネクティングアイの運動用に供与されている。この小さな運動空間に、第２のコネクティングロッドは本発明に基づき適合されている。

もちろん、両シリンダにおいて比較的小さなコネクティングロッドを使用することも可能である。ただし、コネクティングロッドは当然のことながら、厚さが増大するにつれて、より安定性も増す。よって、２つの異なる部品の製造にかかる手間がやや増大しても、２つの異なる大きさのコネクティングロッドを使用することで、各コネクティングロッドにより伝達可能な出力が、全体的に向上され得る。コネクティングロッドの正確な寸法は、用途に応じて、コンプレッサ運転またはエンジン運転の出力要求に基づいて決定される。

一般に、クランクシャフトの軸線に沿ってコンプレッサの駆動部の最も近くに位置するコネクティングロッドは、機械的に最も激しく負荷されることになる。このことは、コネクティングロッドをクランクシャフトに結合するクランクピンにも当てはまる。よって有利には、駆動部はクランクシャフトの第１の端面が位置する端部に接続されている。この場合、駆動部の最も近くに位置するコネクティングロッドは、クランク室内で最大限の運動の自由を有することになると共に、相応して比較的厚く寸法決めされていてよい。

本発明の１つの有利な構成では、各ピストンは同じ直径および／または同じ行程距離を有している。特に好適には、各ピストンは同じ直径と、同じ行程距離の両方を有している。この場合は空気圧縮が一様に行われ、クランク室の先細りが、コンプレッサの下流側に接続された空気供給装置に影響を及ぼすことは最早ない。このためにコンプレッサは、有利にはただ１つの圧縮段しか有していない。

有利には、クランク室の第１の端面にフランジが配置されている。このフランジは、ケースを種々様々な被動部、駆動部および車両のエンジンルーム内のその他のハードウェアに、ケース用鋳型を何ら変更する必要なしに、接続することができる。特に有利には、クランクシャフトは被動部もしくは駆動部との接続のために、フランジを貫通して案内されている。

これに対して択一的に、または組み合わされて、フランジはさらに別の機能を満たしていてもよい。本発明の別の有利な構成では、フランジは、エンジンまたはコンプレッサを車両のエンジンルーム内に取り付けるように形成されていてよい。択一的に、または組み合わされて、フランジは、クランクシャフトを介して駆動される別のユニットをエンジンまたはコンプレッサに取り付けるように形成されていてもよい。前記別のユニットは、例えばパワーステアリングポンプであってよい。

シリンダ室は、完全にケース内に配置されていてよい。しかしまたシリンダ室は、ケース内で始まって、別個の構成部材としてケースに取り付けられるシリンダ内に続いていてもよい。シリンダ摺動面は、摩耗部分である。シリンダ摺動面が摩耗した場合には、ケース全体を放棄せねばならない場合よりも、別個に取り付けられたシリンダのみを交換する方が廉価である。さらに、このようにして重量を節減することができる。例えば、ケース用の材料としては、アルミニウムが特に有利である。なぜならば、アルミニウムは軽量だからである。これに対して、鋼はより酷使に耐えられ、ひいてはシリンダ摺動面としてより良好に適している。アルミニウムから成るケースと、鋼から成るシリンダとを用いて、両材料特有の利点を組み合わせることができる。

本発明の枠内で、本発明によるケースの製造方法も開発された。この方法が優れているのは、２つの端部を有していて、第１の端部から第２の端部に向かって外径が単調に先細に縮小されている細長い成形マンドレルをケース材料で鋳包むことにより、クランク室が製造される点である。ケース材料としては、特にアルミニウムが有利である。

クランク室は、ケース内で最大の中空空間を成すため、クランク室の製造は特に重要であることが判った。この中空空間には、流し込まれた材料が冷えて中空空間が自己支持するようになるまで、成形マンドレルにより安定性が与えられる。このようにして、ケースの一体製造は大幅に簡略化される。有利には、成形マンドレルは鋳包み後に、その第１の端部がケースから引き出される。しかしまた、ダイカスト法とは異なる別の方法では、成形マンドレルを例えば破砕することにより、またはエッチング剤を用いて溶解することにより、破壊して除去することが有意な場合もある。

ケース材料は、成形マンドレルの材料に可能な限り付着しにくいことが望ましい。よって成形マンドレルは、有利にはケース材料とは別の材料から成っている。

成形マンドレルは、特に円錐または切頭円錐として先細に延在していてよい。有利には、この円錐または切頭円錐の周面は、その対称軸線に対して５〜３０度、好適には５〜１５度の角度だけ、傾斜している。

この角度よりもはるかに大きな角度で成形マンドレルが先細になっている場合には、クランク室の第２の端部が、クランクシャフトを中心としたコネクティングロッドの運動に関して、場合により極度に狭くなってしまう。前記角度よりもはるかに小さな角度で成形マンドレルが先細になっている場合には、冷えたケース材料から成形マンドレルを引き出すことが著しく困難になり、引き出そうとすると、場合によっては折れることがある。

詳細な説明
以下に、本発明の対象を図面につき説明するが、これにより本発明の対象が限定されることはない。

従来技術に基づき２つの部分から製造されたクランクケースを示す図である。 従来技術に基づき２つの部分から製造されたクランクケースを、駆動源との接続用の付加的なフランジと共に示す図である。 本発明によるケースの製造を示す図である。 本発明の１つの構成に基づき、２つのシリンダを備えるケース内で使用される２つのコネクティングロッドの比較図である。 本発明によるケースを、駆動部または被動部との接続用の付加的なフランジと共に示す外観図である。

図１には、従来技術に基づき２つの部分から製造されたコンプレッサケースが示されている。このコンプレッサケースは、ケース部分１１および１２から成っている。コンプレッサケースの、クランクシャフトが導入される一方の端部１３では、駆動源との接続部にＴ字形のシールが必要な点が欠点である。このシールは漏れを生じやすい。

図２には、従来技術に基づく別のコンプレッサケースが示されている。このケースも、２つの部分２１および２２から製造されている。駆動源に対する接続用には、付加的なフランジ２３が設けられている。このフランジにより、両ケース部分２１および２２相互のシールは、駆動源接続部に対するシールから分離されている。これにより、漏れの危険は縮小されるが、手間のかかる組立が依然として必要とされている点が欠点であり、かつこのために必要なねじやナットに、ユーザはしばしば空間的な狭さのため、接近することが困難である。

図３には、本発明によるケース３の製造が示されている。このケース３は、クランク室３１ならびに第１のシリンダ室３２ａおよび第２のシリンダ室３２ｂを有している。クランク室３１は、２つの端部３１ａおよび３１ｂを有している。クランク室３１は端部３１ａに開口３３を有しており、開口３３を介してクランクシャフトをクランク室３１内へ導入することができる。図３に示した状態では、この開口３３内とクランク室３１の一部とに、成形マンドレル３４の端部３４ａおよび３４ｂが位置している。この成形マンドレル３４は、その端部３４ａから第２の端部３４ｂまで先細になっている。図３に示した位置では、流し込まれた材料が冷えた後で、成形マンドレル３４は既に、ケース３から部分的に引き出された状態にある。

図４には、図３に示したコンプレッサケースの実施例において使用される２つのコネクティングロッドの比較図が示されている。線Ａの左側には、第１のコネクティングロッド４１ａと、第１のコネクティングロッド４１ａがクランク室内で必要とする運動空間４５ａとが書き込まれている。線Ａの右側には、第２のコネクティングロッド４１ｂと、第２のコネクティングロッド４１ｂがクランク室内で必要とする運動空間４５ｂとが書き込まれている。第２のコネクティングロッド４１ｂは、第１のシリンダ室３２ａよりも開口３３から遠く離れたシリンダ室３２ｂ内で使用される。シリンダ室３２ａ内では、第１のコネクティングロッド４１ａが使用される。シリンダ室３２ａに供与されている運動空間の方が大きくなっている。

第１のコネクティングロッド４１ａは、第１のコネクティングアイ４２ａと、第２のコネクティングアイ４３ａとを有している。第１のコネクティングロッド４１ａは、第１のコネクティングアイ４２ａで以てクランクシャフトに回動可能に、かつ回転軸線をクランクシャフトの回転軸線に対してずらされて、支持されている。これにより第１のコネクティングロッド４１ａは、クランクシャフトが１回転することにより、１回昇降運動させられるようになっている。この運動は、ピストンに対して回動可能に支持された第２のコネクティングアイ４３ａにより、ピストンの昇降運動に変換される。第１のコネクティングアイ４２ａを包囲する領域は、符号４４ａで示されている。クランクシャフトを中心とした運動における前記領域の最大作用半径が、第１のコネクティングロッド４１ａがクランク室内で必要とする運動空間４５ａを決定する。

第２のコネクティングロッド４１ｂも同様に第１のコネクティングアイ４２ｂを有しており、第１のコネクティングアイ４２ｂで以てクランクシャフトに支持されている。第２のコネクティングロッド４１ｂは、その第２のコネクティングアイ４３ｂで以て、第２のピストンに支持されている。コネクティングアイ４２ｂは、領域４４ｂにより包囲されており、領域４４ｂの最大作用半径により、コネクティングロッド全体がクランク室３１内で必要とする運動空間４５ｂが決定される。第２のコネクティングロッド４１ｂの運動空間４５ｂは、第１のコネクティングロッド４１ａの運動空間４５ａよりも小さくなっている。これは、シリンダ室３２ｂの場所におけるクランク室３１の内径が、シリンダ室３２ａの場所に比べて先細に縮小された、という事実を考慮したものである。

図５には、完成した本発明によるケース５の外観図が示されている。クランク軸を導入することができる開口５１には、フランジ５２が被せ嵌められている。ケース５がコンプレッサで使用される場合には、このフランジ５２に駆動部が接続される。これに対してケース５がエンジンで使用される場合には、フランジ５２に被動部が接続される。シリンダ室５３ａおよび５３ｂは、部分的にのみケース５内に位置しており、取付け手段５５を備えた基底板５４で終わっている。基底板５４には後でシリンダヘッドが取り付けられる。ピストンは、シリンダ室５３ａおよび５３ｂのアルミニウム上で直接に摺動するのではなく、プレス嵌めされたシリンダライナ上で摺動し、シリンダライナは、摩耗した場合には交換可能である。

ケースは、高圧鋳造法で製造され得るが、例えば砂型鋳造または金型鋳造等の別のアルミニウム鋳造法でも製造され得る。またケースは、必ずしもアルミニウムから製造されていなくてもよく、例えば鋳鉄から製造されていてもよい。

１１，１２ ケース部分
２１，２２ ケース部分
３ ケース
３１ クランク室
３１ａ，３１ｂ クランク室３１の端部
３２ａ，３２ｂ シリンダ室
３３ クランク室３１の端部３１ａに形成された開口
３４ 成形マンドレル
３４ａ，３４ｂ 成形マンドレル３４の端部
４１ａ，４１ｂ コネクティングロッド
４２ａ，４２ｂ コネクティングロッド４１ａおよび４１ｂの第１のコネクティングアイ
４３ａ，４３ｂ コネクティングロッド４１ａおよび４１ｂの第２のコネクティングアイ
４４ａ，４４ｂ 第１のコネクティングアイ４２ａもしくは４２ｂを包囲する領域
４５ａ，４５ｂ クランク室３１内のコネクティングロッド４１ａ，４１ｂの運動空間
５ ケース
５１ ケース５の開口
５２ フランジ
５３ａ，５３ｂ シリンダ室
５４ 基底板
５５ 取付け手段

Claims (12)

1. エンジンまたはコンプレッサ用のケース（３，５）であって、クランクシャフトを収容するための、２つの端面（３１ａ，３１ｂ）を有する細長いクランク室（３１）と、前記クランクシャフトの回転により往復運動させられるピストンを収容するための、少なくとも１つのシリンダ室（３２ａ，３２ｂ，５３ａ，５３ｂ）とが設けられており、前記クランク室（３１）は、第１の端面（３１ａ）に開口（３３，５１）を有しており、該開口（３３，５１）を介して前記クランクシャフトを前記クランク室（３１）内へ導入することができるようになっているものにおいて、
   前記クランク室（３１）の内径は、前記第１の端面（３１ａ）から第２の端面（３１ｂ）まで単調に先細に縮小していることを特徴とする、エンジンまたはコンプレッサ用のケース（３，５）。
2. 前記クランク室（３１）は、前記第１の端面（３１ａ）から前記第２の端面（３１ｂ）まで先細に、円錐形または切頭円錐形に延在している、請求項１記載のケース（３，５）。
3. 前記円錐または前記切頭円錐の周壁は、その対称軸線に対して０．５〜１０度の角度だけ傾斜している、請求項２記載のケース（３，５）。
4. 当該ケース（３，５）は一体に鋳造されている、請求項１から３までのいずれか１項記載のケース（３，５）。
5. 当該ケース（３，５）は少なくとも部分的に、アルミニウム、マグネシウム、チタン、またはアルミニウム合金、マグネシウム合金、またはチタン合金から成っている、請求項１から４までのいずれか１項記載のケース（３，５）。
6. エンジンまたはコンプレッサであって、
   各１つのピストンを収容するための少なくとも２つのシリンダ室（３２ａ，３２ｂ，５３ａ，５３ｂ）を備えた、請求項１から５までのいずれか１項記載のケース（３，５）と、
   クランクシャフトと、
   シリンダ室毎に１つのコネクティングロッド（４１ａ，４１ｂ）とを有しており、該コネクティングロッド（４１ａ，４１ｂ）は、第１のコネクティングアイ（４２ａ，４２ｂ）で以て前記クランクシャフトに、かつ第２のコネクティングアイ（４３ａ，４３ｂ）で以て、前記シリンダ室（３２ａ，３２ｂ，５３ａ，５３ｂ）内で摺動するピストンに、それぞれ回動可能に支持されているものにおいて、
   前記クランクシャフトの軸線に沿って支持された２つの前記コネクティングロッド（４１ａ，４１ｂ）を比べると、前記クランク室（３１）の各内径と共に、前記第１のコネクティングアイ（４２ａ，４２ｂ）の領域（４４ａ，４４ｂ）の前記コネクティングロッド（４１ａ，４１ｂ）の外径および／または前記第１のコネクティングアイ（４２ａ，４２ｂ）の内径も、先細に縮小していることを特徴とする、エンジンまたはコンプレッサ。
7. 前記ピストンは、それぞれ同じ直径および／または同じ行程距離を有している、請求項６記載のエンジンまたはコンプレッサ。
8. 前記クランク室（３１）の第１の端面（３１ａ）にフランジ（５２）が配置されている、請求項６または７記載のエンジンまたはコンプレッサ。
9. 前記クランクシャフトは、被動部もしくは駆動部との接続のために、前記フランジ（５２）を貫通して案内されている、請求項８記載のエンジンまたはコンプレッサ。
10. 前記フランジは、
    当該エンジンまたはコンプレッサを車両のエンジンルーム内に取り付けるように形成されており、かつ／または
    前記クランクシャフトを介して駆動される別のユニットをエンジンまたはコンプレッサに取り付けるように形成されている、請求項８または９記載のエンジンまたはコンプレッサ。
11. 請求項１から５までのいずれか１項記載のケース（３，５）の製造方法において、
    ２つの端部（３４ａ，３４ｂ）を有していて、第１の端部（３４ａ）から第２の端部（３４ｂ）に向かって外径が単調に先細に縮小されている細長い成形マンドレル（３４）をケース材料で鋳包むことにより、前記クランク室（３１）が製造されることを特徴とする、製造方法。
12. 鋳包み後に、前記成形マンドレル（３４）は前記第１の端部側において前記ケース（３，５）から引き出される、請求項１１記載の方法。

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