JP2019100412A

JP2019100412A - 軸受構造

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Publication number: JP2019100412A
Application number: JP2017230422A
Authority: JP
Inventors: 筒井　高志; Takashi Tsutsui; 高志筒井; 周祐中野; Shusuke Nakano
Original assignee: JTEKT Corp
Current assignee: JTEKT Corp
Priority date: 2017-11-30
Filing date: 2017-11-30
Publication date: 2019-06-24

Abstract

【課題】周方向に分割された内輪と、内輪の外周面を転動する複数の転動体とを備え、一体式のクランクシャフトのクランクピンに適用可能な軸受構造において、内輪を構成する分割体の継ぎ目における軌道面の隙間や段差の発生を抑制する。【解決手段】クランクシャフト１のクランクピン１４と同クランクピン１４を挿通させる挿通孔２０が形成されたコンロッド２との軸受構造は、周方向に分割された内輪４と、内輪４の外周面４ａを転動する複数のころ５とを備える。コンロッド２は、コンロッド本体２１と、コンロッド本体２１と共に挿通孔２０を形成するキャップ部材２２と、キャップ部材２２をコンロッド本体２１に締結するボルト２３とを有する。内輪４は、テーパ状の受け面４ｃを外周に有し、ボルト２３の締結力が受け面４ｃに作用することにより発生する軸方向の力によって内輪４が一対のクランクアーム１１のうち一方のクランクアーム１１に押し付けられる。【選択図】図３

Description

本発明は、内燃機関のクランクシャフトの軸受構造に関する。

従来、車両の駆動源として用いられる内燃機関のクランクシャフトは、複数のクランクアームの間のクランクピンにコンロッド（コネクティングロッド）の大端部が回動可能に連結され、コンロッドの小端部にはピストンが連結されている。コンロッドには、クランクピンを挿通させる挿通孔が形成され、この挿通孔の内周面とクランクピンの外周面との間には軸受が配置されている。

クランクシャフトには、鋳造又は鋳造により全体が一体に成形された一体式のものと、例えば特許文献１に記載されたもののように複数のパーツが組み立てられた組立式のものがある。組立式のクランクシャフトには、円筒状に形成された内輪の外周面を複数の転動体が転動する転がり軸受をクランクピンに装着することができるが、一体式のクランクシャフトに対しては、クランクピンに円筒状の部材を装着することができない。このため、特許文献２，３のクランクシャフトのクランクピンには、二つ割のすべり軸受が装着されている。

特開２０１２−１８０９２５号公報特開２０１６−２０５５９１号公報特開２００８−２１５５６３号公報

転がり軸受と滑り軸受とを比較すると、転がり軸受の方が回転抵抗を低減するために有効であり、回転抵抗を低減することで車両の燃費性能の向上に寄与できる。一体式のクランクシャフトのクランクピンに転がり軸受を装着するためには、例えば内輪を二つ割された分割体で構成し、全体として円筒状に組み合わされた２つの分割体の外周面を軌道面として転動体を転動させることが考えられる。しかし、このように内輪を構成した場合、分割体の継ぎ目に隙間や段差があると、転動体が転動する際に振動が発生したり、転動体が受ける圧力が局所的に高くなって傷がつき、転動体の円滑な転動が妨げられるおそれがある。なお、一体式のクランクシャフトの金属材料は硬度が低いので、クランクピンの外周面を軌道面として転動体を転動させることは、耐久性の面で好ましくない。

そこで、本発明は、周方向に分割された内輪と、内輪の外周面を転動する複数の転動体とを備え、一体式のクランクシャフトのクランクピンに適用可能な軸受構造において、内輪を構成する分割体の継ぎ目における軌道面の隙間や段差の発生を抑制することを目的とする。

上記の目的を達成するため、本発明は、内燃機関のクランクシャフトの複数のクランクアームのうち一対のクランクアームを軸方向に連結するクランクピンと同クランクピンを挿通させる挿通孔が形成されたコンロッドとの軸受構造であって、周方向に分割され、前記クランクピンの外周に配置された内輪と、前記内輪の外周面を転動する複数の転動体とを備え、前記コンロッドは、一端部がピストンに連結された本体と、前記本体の他端部と共に前記挿通孔を形成するキャップ部材と、前記キャップ部材を前記本体に締結する複数のボルトとを有し、前記内輪は、軸方向に対して傾斜したテーパ状の受け面を外周に有し、前記ボルトの締結力が前記受け面に作用することにより発生する軸方向の力によって前記内輪が前記一対のクランクアームのうち一方のクランクアームに押し付けられる、軸受構造を提供する。

本発明によれば、周方向に分割された内輪と、内輪の外周面を転動する複数の転動体とを備え、一体式のクランクシャフトのクランクピンに適用可能な軸受構造において、内輪を構成する分割体の継ぎ目における軌道面の隙間や段差の発生を抑制することができる。

本発明の第１の実施の形態に係る軸受構造の適用対象であるクランクシャフト及びコンロッドをピストンならびに一対の内輪部材と共に示す斜視図である。図１のＡ矢視で示すコンロッドの正面図である。軸受部の構成を示し、（ａ）は軸方向断面図、（ｂ）は軸直交断面図である。第２の実施の形態に係る軸受部を示す軸方向断面図である。軸受部における当接部材を示す斜視図である。第３の実施の形態に係る軸受部を示す軸方向断面図である。

［第１の実施の形態］
本発明の第１の実施の形態について、図１乃至図３を参照して説明する。なお、以下に説明する実施の形態は、本発明を実施する上での好適な具体例として示すものであり、技術的に好ましい種々の技術的事項を具体的に例示している部分もあるが、本発明の技術的範囲は、この具体的態様に限定されるものではない。

図１は、本発明の第１の実施の形態に係る軸受構造の適用対象であるクランクシャフト１及びコンロッド２をピストン３ならびに内輪の分割体である一対の内輪部材４０と共に示す斜視図である。クランクシャフト１は、複数のクランクアーム１１及びバランスウエイト１２と、隣り合う２つのクランクアーム１１を連結する複数のクランクジャーナル１３及びクランクピン１４とを有し、これらの各部が鍛造又は鋳造により一体に成形されている。クランクジャーナル１３及びクランクピン１４の外周面は研削加工されている。また、クランクシャフト１は、車両の駆動源である内燃機関としてのエンジンのシリンダブロックに支持され、回転軸線Ｏを中心として回転する。以下、回転軸線Ｏに平行な方向を軸方向という。

本実施の形態では、クランクシャフト１が直列４気筒エンジンに用いられるものであり、８つのクランクアーム１１が４つのクランクピン１４及び３つのクランクジャーナル１３によって連結されている。クランクジャーナル１３は、隣り合う一対のクランクアーム１１を軸方向に連結し、シリンダブロックに支持される。クランクジャーナル１３の中心軸は、クランクシャフト１の回転軸線Ｏと一致する。クランクピン１４は、隣り合う一対のクランクアーム１１を回転軸線Ｏから偏心した位置で軸方向に連結している。

ピストン３は、シリンダブロックに形成されたシリンダ内に配置され、シリンダに供給される混合気の爆発による燃焼圧力を受ける。この燃焼圧力は、コンロッド２を介してクランクシャフト１に伝達され、クランクシャフト１を回転させる。

図２は、図１のＡ矢視で示すコンロッド２の正面図である。コンロッド２は、クランクピン１４を挿通させる挿通孔２０を有し、クランクピン１４に対して回動可能に連結される。なお、クランクシャフト１には、エンジンの気筒数に応じた数のコンロッド２が連結されるが、図１では１つのコンロッド２のみを図示している。コンロッド２は、一端部がピストン３に連結されたコンロッド本体２１と、コンロッド本体２１の他端部に固定されたキャップ部材２２と、キャップ部材２２をコンロッド本体２１に締結する複数のボルト２３とを有している。

コンロッド２のコンロッド本体２１には、一端部である小端部２１１にピストン３との連結のためのピストンピンを挿通させるピン挿通孔２１１ａが形成され、他端部である大端部２１２には半円状の切り欠き２１２ａが形成されている。小端部２１１と大端部２１２とは、ロッド部２１３によって一体に接続されている。キャップ部材２２には、コンロッド本体２１の大端部２１２側に開口する半円状の切り欠き２２ａが形成されており、この切り欠き２２ａとコンロッド本体２１の切り欠き２１２ａとが組み合わされて挿通孔２０が形成されている。

（クランクピンの軸受構造）
図３は、クランクピン１４とコンロッド２との間の軸受部１０を示し、（ａ）は軸方向断面図、（ｂ）は軸直交断面図である。図３（ｂ）に示すように、本実施の形態では、ボルト２３がキャップ部材２２に形成されたボルト挿通孔２２０に挿通されてコンロッド本体２１に形成されたねじ孔２１０に螺合しているが、これに限らず、コンロッド本体２１に固定されたボルトをキャップ部材２２に挿通させ、キャップ部材２２から突出したボルトの先端部にナットを螺合させてキャップ部材２２をコンロッド本体２１に固定してもよい。

軸受部１０は、内輪４と、複数の転動体としてのころ５と、複数のころ５を保持する保持器６とを有して構成され、クランクピン１４によって連結される一対のクランクアーム１１の側面１１ａの間に配置されている。この軸受部１０により、コンロッド２がクランクピン１４に軸支され、円滑に回動可能となっている。

内輪４は、周方向に分割され、クランクピン１４の外周に配置されている。本実施の形態では、内輪４が直径方向に二分割された二つ割構成であり、一対の内輪部材４０の組み合わせからなる。また、本実施の形態では、軸受部１０が針状ころ軸受（ニードルローラベアリング）として構成され、針状（円柱状）の複数のころ５が保持器６に保持されているが、これに限らず、複数の転動体としてのローラがその回転中心軸を交互に交差させた状態で回転自在にクロス配列されたクロスローラベアリングとしてもよい。

ころ５は、コンロッド２の挿通孔２０の内周面２０ａ、及び内輪４の外周面４ａを転動する。保持器６は、例えば周方向の１箇所又は２箇所に割り部を有する円筒状の樹脂部材、もしくは周方向の２箇所に割り部を有する円筒状の鉄部材からなり、ころ５を保持する複数の保持孔６０が周方向等間隔に形成されている。内輪４を構成する一対の内輪部材４０は、例えばＳＵＪ２等の軸受鋼や低炭素鋼からなる。なお、クランクピン１４の外周面１４ａは熱処理されておらず、その硬度は内輪４の外周面４ａ及び内周面４ｂの硬度よりも低い。

内輪４は、軸方向に傾斜したテーパ状の受け面４ｃを軸方向一端部における外周に有している。本実施の形態では、受け面４ｃが内輪４の外周面４ａ及び内周面４ｂに連続して全周にわたって形成されているが、受け面４ｃが外周面４ａに連続していれば、必ずしも内周面４ｂに連続していなくてもよい。つまり、受け面４ｃは、内輪４の外周側の少なくとも一部に形成されていればよい。内輪４の外周面４ａと受け面４ｃとがなす角度θ_１は鈍角であり、この角度θ_１の好適な範囲は１２０〜１５０°である。図３（ａ）の図示例では、この角度θ_１が１３５°となっている。内輪４の軸方向他端部における端面４ｄは、軸方向に対して垂直な環状の平面である。

コンロッド本体２１及びキャップ部材２２には、複数のころ５が転動する挿通孔２０の内周面２０ａから径方向内方に突出した円弧状の突出部２１４，２２１がそれぞれ形成されている。コンロッド本体２１の突出部２１４とキャップ部材２２の突出部２２１とは、互いに組み合わされ、全体として環状となる。突出部２１４，２２１は、コンロッド本体２１及びキャップ部材２２の軸方向一端部にそれぞれ形成されている。コンロッド本体２１の突出部２１４における先端面２１４ａ、及びキャップ部材２２の突出部２２１における先端面２２１ａは、内輪４における受け面４ｃの角度θ_１に対応する角度θ_２で傾斜した傾斜面である。図３（ａ）の図示例では、角度θ_２が４５°であり、先端面２１４ａ，２２１ａと内輪４の受け面４ｃとが平行である。

なお、コンロッド本体２１の突出部２１４の内径側の端部には、コンロッド本体２１がピストン３から混合気の燃焼圧力を受けても突出部２１４がクランクピン１４の外周面１４ａに突き当たらないようにするための面取り（逃げ部）２１４ｂが設けられている。また、キャップ部材２２の突出部２２１の内径側の端部にも、同様の面取り（逃げ部）２２１ｂが設けられている。また、突出部２１４，２２１の先端面２１４ａ，２２１ａには、複数のころ５が転動する挿通孔２０の内周面２０ａと共に、耐摩耗性を高める熱処理を施すことが望ましい。

コンロッド本体２１における突出部２１４の内周面２０ａからの突出高さ、及びキャップ部材２２における突出部２２１の内周面２０ａからの突出高さは、ころ５の直径に内輪部材４０の厚みを加えた寸法よりも小さく、かつコンロッド本体２１とキャップ部材２２とがボルト２３によって締結されたとき、突出部２１４，２２１の先端面２１４ａ，２２１ａが内輪４の受け面４ｃに当接する高さである。

（第１の実施の形態の作用及び効果）
上記のように構成されたコンロッド２は、突出部２１４，２２１の先端面２１４ａ，２２１ａがボルト２３の締結力によって内輪４の受け面４ｃに当接する。すなわち、一対のボルト２３によってキャップ部材２２をコンロッド本体２１に締結することで、突出部２１４，２２１の先端面２１４ａ，２２１ａが内輪４の受け面４ｃに押し付けられる。図３（ａ）では、この径方向の押圧力をＦ_１で示している。そして、突出部２１４，２２１の先端面２１４ａ，２２１ａが内輪４の受け面４ｃに押し付けられることにより、内輪４の一対の内輪部材４０を一対のクランクアーム１１のうち一方のクランクアーム１１に向かって押し付ける軸方向の力が発生する。図３（ａ）では、この軸方向のスラスト力をＦ_２で示している。

つまり、ボルト２３の締結力が内輪４の受け面４ｃに作用することにより発生する軸方向のスラスト力Ｆ_２によって、内輪４の一対の内輪部材４０が一方のクランクアーム１１に向かって押し付けられ、内輪４の端面４ｄが一方のクランクアーム１１の側面１１ａに押し当てられる。このように、内輪４が径方向の押圧力Ｆ_１を受けて軸方向のスラスト力Ｆ_２を発生させることにより、図３（ｂ）に示すように一対の内輪部材４０の周方向の両端面４０ａ同士が密着した状態で内輪４がクランクピン１４に対して固定され、一対の内輪部材４０の継ぎ目における内輪４の外周面４ａの隙間や段差の発生が抑制される。これにより、ころ５が内輪４の外周面４ａを軌道面として円滑に回転し、軸受部１０において振動や騒音が発生することが抑えられる。

また、内輪４の端面４ｄが一方のクランクアーム１１の側面１１ａに押し当てられることにより発生する摩擦力によって内輪４のクランクピン１４に対するクリープ（滑り）が抑制される。このため、クランクピン１４の外周面１４ａの摩耗が抑えられ、軸受部１０に大きなガタが発生することなく、コンロッド２のクランクピン１４に対する回転の円滑性を長期にわたって維持することも可能となる。なお、内輪４の端面４ｄ及びこの端面４ｄが当接するクランクアーム１１の側面１１ａの少なくとも一方は、摩擦係数を高めるために粗面化されていることが望ましい。

［第２の実施の形態］
次に、本発明の第２の実施の形態について、図４及び図５を参照して説明する。第１の実施の形態では、コンロッド本体２１が突出部２１４を大端部２１２と一体に有し、キャップ部材２２が突出部２２１を一体に有する場合について説明したが、本実施の形態では、これらの突出部２１４，２２１がコンロッド本体２１及びキャップ部材２２と別体となっている。以下、この違いの部分について詳細に説明する。また、図４において、第１の実施の形態と共通する部材等については、図３等において用いた符号を援用する。

図４は、第２の実施の形態に係る軸受部１０を示す軸方向断面図である。図５は、軸受部１０における当接部材７を示す斜視図である。図４に示すように、本実施の形態では、コンロッド本体２１及びキャップ部材２２と内輪４との間に、周方向に延在して内輪４の受け面４ｃに対向する対向面７ａを有する一対の当接部材７が配置されている。一対の当接部材７は、軸方向視においてそれぞれが半円状であり、互いに組み合わされて全体として環状となる。

当接部材７は、軸方向に沿った断面形状が矩形状の環板部７１と、同断面形状が直角三角形状の押圧部７２とを一体に有し、押圧部７２が環板部７１の内径側に設けられている。対向面７ａは、軸方向に対して傾斜したテーパ状の斜面であり、押圧部７２の斜面として形成されている。当接部材７の外周面７ｂは、環板部７１における押圧部７２とは反対側の端面である。

上記のように構成された本実施の形態に係る軸受部１０は、キャップ部材２２がコンロッド本体２１にボルト２３によって締結されることにより、当接部材７の外周面７ｂが挿通孔２０の内周面２０ａに当接すると共に、当接部材７の対向面７ａが内輪４の受け面４ｃに当接する。つまり、ボルト２３の締結力によって当接部材７の対向面７ａが内輪４の受け面４ｃに当接し、内輪４に軸方向の力が発生して一対の内輪部材４０が一方のクランクアーム１１の側面１１ａに押し当てられる。

これにより、第１の実施の形態と同様に、一対の内輪部材４０の周方向の両端面４０ａ同士が密着した状態で内輪４がクランクピン１４に対して固定され、一対の内輪部材４０の継ぎ目における内輪４の外周面４ａの隙間や段差の発生が抑制される。そして、ころ５が円滑に回転し、軸受部１０において振動や騒音が発生することが抑えられる。

なお、一対の当接部材７のそれぞれの環板部７１及び押圧部７２のうち、環板部７１をコンロッド本体２１及びキャップ部材２２と一体にしてもよい。この場合、当接部材７は押圧部７２のみからなる。このように変形しても、上記と同様の作用及び効果を得ることが可能である。また、コンロッド本体２１及びキャップ部材２２と一対の当接部材７とを、例えば凹凸嵌合や溶接によって相対回転不能に結合してもよい。

［第３の実施の形態］
次に、本発明の第３の実施の形態について、図６を参照して説明する。本実施の形態では、内輪４の形状、及び内輪４が押し当てられる部分のクランクアーム１１の形状が第１の実施の形態と異なる。以下、この違いの部分について詳細に説明する。また、図６において、第１の実施の形態と共通する部材等については、図３等において用いた符号を援用する。

図６は、第３の実施の形態に係る軸受部１０を示す軸方向断面図である。第１の実施の形態では、内輪４の軸方向他端部における端面４ｄが軸方向に対して垂直な環状の平面である場合について説明したが、本実施の形態では、内輪４が軸方向他端部に軸方向に対して傾斜したテーパ状の傾斜面４ｅを有している。傾斜面４ｅは、外周面４ａとなす角が鈍角であり、図６の図示例では、この角度θ_３が１３５°である。また、本実施の形態では、内輪４の受け面４ｃと内周面４ｂとの間に軸方向に対して垂直な端面４ｆが形成され、傾斜面４ｅと内周面４ｂとの間に軸方向に対して垂直な端面４ｇが形成されている。軸方向一端部における端面４ｆと軸方向他端部における端面４ｇとの間の軸方向の間隔は、クランクピン１４によって連結される一対のクランクアーム１１の側面１１ａの間隔よりも狭い。

クランクピン１４によって連結される一対のクランクアーム１１のうち一方のクランクアーム１１には、内輪４の傾斜面４ｅに対向する対向面を含む内面１１０ａを有する凹溝１１０が形成されている。凹溝１１０の内面１１０ａは、クランクピン１４の外周面１４ａに段差なく連続する円筒面１１０ｂと、軸方向に対して傾斜して内輪４の傾斜面４ｅと平行に対向する傾斜面１１０ｃとを含んでいる。

上記のように形成された本実施の形態に係る軸受部１０では、第１の実施の形態と同様に、ボルト２３の締結力による径方向の押圧力Ｆ_１によってコンロッド本体２１及びキャップ部材２２の突出部２１４，２２１の先端面２１４ａ，２２１ａが内輪４の受け面４ｃに当接し、軸方向のスラスト力Ｆ_２が発生する。そして、このスラスト力Ｆ_２により、内輪４の傾斜面４ｅが凹溝１１０の傾斜面１１０ｃに当接して押し付けられ、この押し付けによる径方向の反力Ｆ_３によって内輪４における傾斜面４ｅ側の端部の内周面４ｂが凹溝１１０の円筒面１１０ｂ及びクランクピン１４の外周面１４ａに押し付けられる。

このように、本実施の形態では、内輪４の軸方向一端部がボルト２３の締結力による径方向の押圧力Ｆ_１によってクランクピン１４の外周面１４ａに押し付けられ、内輪４の軸方向他端部が径方向の反力Ｆ_３によってクランクピン１４の外周面１４ａに押し付けられる。これにより、第１の実施の形態に比較してさらに一対の内輪部材４０の継ぎ目における内輪４の外周面４ａの隙間や段差の発生が抑制され、振動や騒音が発生することがより確実に抑えられる。なお、第３の実施の形態において、第２の実施の形態のように一対の当接部材７を用いて軸受部１０を構成してもよい。

（付記）
以上、本発明を第１乃至第３実施の形態に基づいて説明したが、これらの実施の形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施の形態の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない点に留意すべきである。

また、本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変形して実施することが可能である。例えば、上記実施の形態では、複数のころ５がコンロッド２の挿通孔２０の内周面２０ａを転動する場合について説明したが、コンロッド２の挿通孔２０に外輪を取り付け、複数のころ５がこの外輪の内周面を転動するようにしてもよい。

１…クランクシャフト１１…クランクアーム
１１０…凹溝１１０ａ…内面
１４…クランクピン２…コンロッド
２０…挿通孔２１…コンロッド本体（本体）
２１４…突出部２１４ａ…先端面
２２…キャップ部材２２１…突出部
２２１ａ…先端面２３…ボルト
３…ピストン４…内輪
４ａ…外周面４ｃ…受け面
４ｅ…傾斜面５…ころ（転動体）
７…当接部材７ａ…対向面

Claims

内燃機関のクランクシャフトの複数のクランクアームのうち一対のクランクアームを軸方向に連結するクランクピンと同クランクピンを挿通させる挿通孔が形成されたコンロッドとの軸受構造であって、
周方向に分割され、前記クランクピンの外周に配置された内輪と、
前記内輪の外周面を転動する複数の転動体とを備え、
前記コンロッドは、一端部がピストンに連結された本体と、前記本体の他端部と共に前記挿通孔を形成するキャップ部材と、前記キャップ部材を前記本体に締結する複数のボルトとを有し、
前記内輪は、軸方向に対して傾斜したテーパ状の受け面を外周に有し、
前記ボルトの締結力が前記受け面に作用することにより発生する軸方向の力によって前記内輪が前記一対のクランクアームのうち一方のクランクアームに押し付けられる、
軸受構造。
前記コンロッドの前記本体及び前記キャップ部材には、前記挿通孔の内周面から径方向内方に突出した突出部が形成されており、
前記ボルトの締結力によって前記突出部の先端面が前記内輪の前記受け面に当接し、前記内輪に前記軸方向の力を発生させる、
請求項１に記載の軸受構造。
前記コンロッドの前記本体及び前記キャップ部材と前記内輪との間に、周方向に延在して前記内輪の前記受け面に対向する対向面を有する当接部材が配置され、
前記ボルトの締結力によって前記当接部材の前記対向面が前記内輪の前記受け面に当接し、前記内輪に前記軸方向の力を発生させる、
請求項１に記載の軸受構造。
前記内輪には、前記受け面が軸方向の一端部に形成され、かつ軸方向の他端部に軸方向に対して傾斜したテーパ状の傾斜面を有し、
前記一方のクランクアームには、前記内輪の前記傾斜面に対向する内面を有する環状の凹溝が形成され、
前記軸方向の力によって前記内輪の前記傾斜面が前記凹溝の内面に当接し、前記内輪の前記他端部が前記クランクピンの外周面に押し付けられる、
請求項１に記載の軸受構造。