JP2020180573A - ピストンとコンロッドの支承構造 - Google Patents

Abstract

【課題】ピストンとコンロッドとが台形嵌合構造を採る場合でのさらなる工夫により、下降組付け時におけるコンロッドのクランクアームへの乗り上げおそれがなく、円滑にクランクピンに嵌合されるように、改善されたピストンとコンロッドの支承構造を提供する。【解決手段】ピストンＡの一対のピストンピンボス１，２間にコンロッドＢの小端部３が配置され、ピストンピン４が嵌合されピストンとコンロッドの支承構造において、ピストンピンボス１，２どうしのピン軸心ｐの方向での間隔ｗがピストンヘッド側ほど狭くなるように設定され、かつ、小端部３のピン軸心ｐの方向での幅がコンロッド大端部側ほど広くなるように設定され、ピストンピンボス１，２の小端部側となる内端面１Ｔ，２Ｔに、小端部３のピストンピンボス側となる外端面３Ａ，３Ｂと内端面１Ｔ，２Ｔとのピン軸心ｐの方向での間隔を所定値ｘに維持可能な突出部８，９が設けられている。【選択図】図１

Description

本発明は、農業用ディーゼルエンジンや走行車両用ガソリンエンジンなどのエンジンに適用されるピストンとコンロッドの支承構造に関するものである。

エンジンにおけるピストンとコンロッド（コネクティングロッドの略称）とは、ピストンピンを用いて相対揺動可能に連結される支承構造が採られている。即ち、ピストンに形成された一対のピストンピンボス間にコンロッドの小端部が配置され、一対のピストンピンボス及び小端部に亘ってピストンピンが嵌合される構造であり、例えば、特許文献１において開示されている。

一方、近年では、特許文献２において開示されるように、同じようなテーパ形状どうしのピストンピンボスと小端部とをピン連結させる構造が採られることも多い。即ち、ピストンピンボスどうしの対向面である内端面を、上側（コンロッド大端部側と反対の側）に行くほどピストンの径方向で中心側に寄る勾配が付けられたテーパ面とし、かつ、コンロッドの小端部を大端部側が幅広となる先窄まり形状にして、小端部におけるピストンピンボスの内端面に臨む一対の外端面をテーパ面とする構造である。

このように下拡がり状のピストンピンボス間に下拡がり状の小端部を配置させる構造、即ち、台形嵌合構造の採用により、内端面及び外端面がいずれも平行な垂直面とされた従来品（特許文献１など）に比べて、ピストンピンボスのピストンヘッド側部分及び小端部の大端部側部分でのピストンピンとの接触面積を増やすことができる。そのため、爆発圧力によるピストン押下げ力を、ピストンピンボス及び小端部に緩和して伝達でき、従って、応力軽減による耐久性向上や軽量化が可能となる利点がある。

特開２００５−１２７２２７号公報 特開２０１６−１６１０６２号公報

ところで、ピストンとコンロッドとをクランク軸に組付けるには、図７に示されるように、ピストンピン４によりコンロッドＢの小端部３が支承された状態のピストンＡ（部分コンプ１８）を、クランク軸１７における対応したクランクピン１７Ｐの上方から下方移動させ、コンロッドＢ下部の大端部上部１２Ａをクランクピン１７Ｐに嵌合させる。
そして、図示は省略するが、コンロッドキャップ１２Ｂ（図４，５を参照）を下方からクランクピン１７Ｐに嵌合させ、コンロッドキャップ１２Ｂを大端部上部１２Ａにボルト止めする、という作業（下降組付け）が行われる。

この場合、図７に示されるように、一対のピストンピンボス１，２間において小端部３が何れか、例えば左ピストンピンボス１に最大限に寄った状態で、コンロッド付ピストンである部分コンプ１８が下降されると、大端部上部１２Ａがクランクアーム１７Ａに乗り上げてしまい、うまく所定のクランクピン１７Ｐに嵌合されない組付け不良の可能性があることが分かってきた。

本発明の目的は、ピストンとコンロッドとが台形嵌合構造を採る場合におけるさらなる工夫により、下降組付け時におけるコンロッドのクランクアームへの乗り上げおそれがなく、円滑にクランクピンに嵌合されるように、改善されたピストンとコンロッドの支承構造を提供する点にある。

本発明は、エンジンのピストンに形成された一対のピストンピンボス間にコンロッドの小端部が配置され、前記一対のピストンピンボス及び前記小端部に亘ってピストンピンが嵌合されているピストンとコンロッドの支承構造において、
前記一対のピストンピンボスどうしのピストンピンのピン軸心方向に沿う方向の間隔がピストンヘッド側ほど狭くなるように設定され、かつ、前記小端部の前記ピン軸心方向に沿う方向の幅がコンロッド大端部側ほど広くなるように設定され、
前記ピストンピンボスの小端部側となる内端面に、前記小端部のピストンピンボス側となる外端面と前記内端面との前記ピン軸心の方向での間隔を所定値に維持可能な突出部が設けられていることを特徴とする。

前記所定値は、前記ピストンと前記コンロッドとの相対揺動に拘らずに前記内端面と前記外端面との前記軸心方向の間隔を一定に維持するものであると好都合である。そして、前記内端面及び／又は前記外端面は勾配角一定のテーパ面に形成されていればより好都合である。

前記突出部は、前記内端面における大端部側の端部に形成されていると良く、前記突出部は、前記一対のピストンピンボスの双方に形成されていることが望ましい。また、前記突出部には、前記コンロッドの揺動による揺動面に平行な突出面が形成されていると好都である。

本発明によれば、詳しくは実施形態の項にて説明するが、爆発圧力の応力軽減及び軽量化が促進される台形嵌合構造を採りながら、コンロッドの大端部上部がクランクアームへ乗り上げる不都合なく所期するピストンピンに嵌合されて、コンロッド付ピストンの下降によるクランク軸への組付けが良好に行えるようになる。

その結果、ピストンとコンロッドとが台形嵌合構造を採る場合におけるさらなる工夫により、下降組付け時におけるコンロッドのクランクアームへの乗り上げおそれがなく、円滑にクランクピンに嵌合されるように、改善されたピストンとコンロッドの支承構造を提供することができる。

ピストンとコンロッドの支承構造を示す断面図 ピストンを左右方向で切った断面図 ピストンを前後方向で切った断面図 コンロッドの正面図 コンロッドを前後方向で切った断面図 コンロッド付ピストンのクランク軸への組付方法を示す作用図 従来におけるコンロッド付ピストンのクランク軸への組付方法を示す作用図

以下に、本発明によるピストンとコンロッドの支承構造の実施の形態（例：農機や建機などの産業用エンジン）を、図面を参照しながら説明する。

図１に、エンジンのピストンＡに形成された一対のピストンピンボス１，２間にコンロッドＢの小端部３が配置され、一対のピストンピンボス１，２及び小端部３に亘ってピストンピン４が嵌合されたピストンとコンロッドの支承構造（以下、単に支承構造と略称する）が示されている。
左右のピストンピンボス１，２のピストンピン孔１Ａ，２Ａ、及びコンロッドＢの小端部３に設けられた軸受部５に亘って円筒状のピストンピン４が嵌合されている。

図１〜図３に示されるように、ピストンＡは、ピストンヘッド（頂面）６ａ及び凹入部６ｂを有するピストン上部６、前後のスカート部７，７、及び左右のピストンピンボス１，２などを有して構成されている。ピストン上部６に連なる左右のピストンピンボス１，２は互いに対称な形状の部分であり、互いに同一のピン軸心ｐを有するピストンピン孔１Ａ，２Ａが形成されている。

各ピストンピン孔１Ａ，２Ａは、ピン軸心ｐに沿う方向でピストン軸心ｚ側（内側）の部分が径一定の直胴内周面１ａ，２ａに形成され、反ピストン軸心ｚ側（外側）の部分が極緩やかに先拡がり（ピストンの径外側拡がり）するテーパ内周面１ｂ，２ｂに形成されている。各テーパ内周面１ｂ，２ｂのピストンの径方向における外端部に止め輪用周溝１０が形成されている。なお、直胴内周面１ａ，２ａ及びテーパ内周面１ｂ，２ｂの一部に架けて、ピン軸心ｐを中心として径外に膨らむ膨出部１ｆ、２ｆが形成されている。

左右ピストンピンボス１，２の構造を左ピストンピンボス１で説明する。図１〜図３に示されるように、左ピストンピンボス１は、ピストンピン孔１Ａのピン軸心ｐに沿う方向の長さが、ピストン軸心ｚに沿う方向でピストンヘッド６ａ側の長さである長幅１ｕが、スカート部７側の長さである狭幅１ｓよりも長くなるように、内端面１Ｔがテーパ面に形成されている。
即ち、左ピストンピンボス１における右ピストンピンボス２に臨む対向面である内端面１Ｔは、勾配角一定のテーパ面（傾斜面）に形成されている。つまり、内端面１Ｔは、基本的には、図２に示されるように、傾斜面１ｋで切られたような直線的なテーパ面に設定されている。

図１〜図３に示されるように、右ピストンピンボス２の構造は、左ピストンピンボス１と左右対称であり、それぞれ対応する箇所として、長幅２ｕ、狭幅２ｓ、内端面２Ｔ、及び傾斜面２ｋが示されている。なお、左右の傾斜面１ｋ，２ｋの角度の絶対値は互いに等しく、従って、左右の内端面１Ｔ，２Ｔの角度の絶対値も互いに等しいものとして描かれている。

一対のテーパ面である左右の内端面１Ｔ，２Ｔにより、一対のピストンピンボス１，２どうしのピストンピンの軸心であるピン軸心ｐ方向に沿う方向の対向間隔（内端面１Ｔ，２Ｔどうしの間隔）ｗは、ピストンヘッド６ａ側ほど狭く（大端部１２側ほど広く）なるように設定されている。より詳しくは、前記対向間隔は、ピストン軸心ｚ方向でピストンヘッド６ａに近づくほど狭くなる状態に設定されている。

図２において、対向間隔ｗは、大端部１２側（スカート部７側）が最も広く（ｗｘ）、ピストンヘッド６ａ側が最も狭く（ｗｉ）なっている。故に、左右のピストンピンボス１，２のピン軸心ｐ方向の長さは、ピストンヘッド６ａ側の長さは、コンロッドＢの大端部１２側（スカート部７側）の長さよりも長くなるように構成されている。これらの寸法差により、ピストンＡとピストンピン４との嵌合部のうちの、爆発圧力による強い押下げ力が作用する箇所の面積を無理なく増やして応力緩和が図られている。

そして、内端面１Ｔの下端部（コンロッドＢの大端部側の部）が、ピストン軸心ｚと平行な突出面８ａが形成されるように、右ピストンピンボス２側に張り出た突出部８が形成されている。具体的には、内端面１Ｔにおけるピストンピン孔１Ａの下端から若干上に上がった位置から下部が次第に横方向（ピストン軸心ｚ方向）に膨出されて突出部８が形成されており、その横先端が突出面８ａになっている。突出部８の範囲は、図３において、ハッチングが施された部分である。

同様に、右ピストンピンボス２においても、ピストンヘッド６ａ側の長幅２ｕが、スカート部７側の狭幅２ｓよりも長くなる内端面２Ｔが、傾斜面２ｋで切られたような直線的で勾配一定のテーパ面（傾斜面）に形成されている。そして、内端面２Ｔの下端部には、ピストン軸心ｚと平行な突出面９ａが形成されるように、次第に横方向（ピストン軸心ｚ方向）に張り出た突出部９が形成されている。

また、ピン軸心ｐの方向における左右の内端面１Ｔ，２Ｔどうしの間には、ピストン上部６に食い込むように形成された上方膨出空間部１１が形成されている。この上方膨出空間部１１の左右側面１１ａ，１１ｂは、各ピストンピン孔１Ａ，２Ａの上端部から始まって上方に延ばされており、前述の傾斜面１ｋ、２ｋよりもピストン径方向で外側に寄った垂直面（又はほぼ垂直面）に形成されている。

図１、図４、図５に示されるように、コンロッドＢは、小端部３、大端部１２、及びコンロッド本体部１３を有している。大端部１２は、Ｉ形断面形状を持つコンロッド本体部１３に一体の大端部上部１２Ａと、大端部１２の下半分に相当するコンロッドキャップ１２Ｂとを、一対のボルト１４，１４で連結することで形成されている。
小端部３は、その小端孔３ｃに内嵌された軸受部（軸受メタル）５を有しており、軸受部５には、ピストンピン４（図１を参照）が相対回転可能に内嵌することができる。

小端部３のピン軸心ｐ方向に沿う方向の小端幅は、大端部１２側ほど広くなるように設定されている。詳しくは、前記小端幅は、ピストン軸心ｚに沿う方向で大端部１２に近づくほど広くなるように、左右の外端面３Ａ，３Ｂのそれぞれが直線的なテーパ面に形成されている。即ち、図５において、小端部３の左右それぞれに描かれる仮想線は、大端部１２の幅と同じ幅を有する場合の小端部（小端幅）を示しており、左外端面３Ａ及び右外端面３Ｂは、その広い幅を有する仮想線による小端部を左右の傾斜面３ａ，３ｂでカットした状態のテーパ面に相当している。

従って、小端部３においては、軸受部５とピストンピン４との嵌合部の幅は、ピストンヘッド６ａ側（図５で紙面上側）の幅ｆよりも大端部側の幅ｅが大きく設定され、爆発圧力による強い押下げ力が作用する箇所の面積を増やして応力緩和が図られている。また、小端部３の頂部には、軸受部５も貫通する通孔１５が形成されており、通孔１５を用いてピストンピン４と軸受部５とに間に潤滑油の供給が可能に構成されている。

図１において、左右の内端面１Ｔ，２Ｔ、及び左右の外端面３Ａ，３Ｂは、それぞれピストン軸心ｚに対する傾斜角度の絶対値が互いに等しい値に設定されており、左内端面１Ｔと左外端面３Ａと、及び右内端面２Ｔと右外端面３Ｂとは、基本はそれぞれ互いに平行である。従って、ピストンピン４を用いて小端部３が左右のピストンピンボス１，２間の中心に配置された組付け状態での台形嵌合構造では、左内端面１Ｔと左外端面３Ａとのピン軸心ｐ方向（左右方向）の隙間１６Ｌと、右内端面２Ｔと右外端面３Ｂとのピン軸心ｐ方向（左右方向）の隙間１６Ｒとは互いに等しい。

但し、左右の内端面１Ｔ，２Ｔにおける大端部１２側の突出部８，９と左右の外端面３Ａ，３Ｂとのピン軸心ｐ方向の隙間は、大端部１２に近づくほど隙間１６Ｌ，１６Ｒより狭くなり、最も狭い箇所の左右幅は左右共にｘである。最小間隔ｘは、突出部８，９の突出面８ａ，９ａと小端部３の下端との左右（ピン軸心ｐの方向）間隔である。つまり、突出面８ａ，９ａは、コンロッドＢのピン軸心ｐの回りの揺動による揺動面（ピストン軸心ｚと平行で、かつ、ピン軸心ｐに直交する面：符記省略）と平行な面に形成されており、内端面１Ｔ、２Ｔと外端面３Ａ，３Ｂとのピン軸心ｐの方向の間隔を最小間隔（所定値）ｘに維持することを可能としている。このように、突出部８，９の部分だけ隙間１６Ｌ，１６Ｒの値を狭い所定値ｘすることによる作用効果について、次に説明する。

図７に示されるように、ピストンＡとコンロッドＢとクランク軸１７とを組付けるには、まず、コンロッドキャップ１２Ｂの外されたコンロッドＢとピストンＡとをピストンピン４で組付けた部分コンプ（Ｃｏｍｐ）１８と、クランク軸１７とを用意する。次いで、部分コンプ１８を、その大端部上部１２Ａがクランク軸心ｙの方向でクランクピン１７Ｐに対応させた状態でクランク軸１７の上方から下降させ、大端部上部１２Ａをクランクピン１７Ｐに嵌合させる。そして、コンロッドキャップ１２Ｂをクランクピン１７Ｐに下方から嵌合させ、ボルト１４，１４で大端部上部１２Ａに組付ける、という具合である。

ところが、図７に示されるように、小端部３が一方の、例えば左ピストンピンボス１に当接するまでピン軸心ｐ方向で偏っている場合には、その状態で部分コンプ１８を下降すると、大端部上部１２Ａがクランクアーム１７Ａに乗り上げてしまい、上手くクランクピン１７Ｐに嵌らない、という組付け不良の問題が生じてきた。

図１に示されるように、台形嵌合構造ではコンロッドＢが垂下された姿勢において、内端面１Ｔ，２Ｔと外端面３Ａ，３Ｂとを互いに平行に設定した状態で、左右のピストンピンボス１，２間に小端部３が配置される。この場合、（１）クランク軸１７を回転させるためのコンロッドＢの揺動により、小端部３における最も幅の広い箇所もピン軸心ｐを中心として揺動するので、その分の隙間縮小分を見越した広い目の隙間１６Ｌ，１６Ｒが設定される。加えて、（２）爆発圧力の応力緩和の点から採られる台形嵌合構造により、ピストンＡ及びコンロッドＢとピストンピン４との接触面積が十分取れていて余裕があるので、軽量化の点から各隙間１６Ｌ，１６Ｒが広い目に設定されている。

つまり、前述した（１）、（２）の各設定により、各ピストンピンボス１，２と小端部３との隙間１６Ｌ，１６Ｒが、従来（特許文献１など参照）に比べて広く設定されていることが、前述した組付け不良の問題が生じること原因であることが分ってきた。

そこで、本発明においては、前述のように、コンロッドＢが所定角度で揺動した場合、即ち、各ピストンピンボス１，２と小端部３との隙間条件が最も厳しくなる状態において、最小又はそれに近いシビアな隙間寸法に設定すべく、突出部８，９を設ける手段である。このような構成にすれば、図１に示されるコンロッドＢが垂下姿勢のときの、小端部３のピン軸心ｐ方向へのズレ動き量を、突出部８，９がない形状（傾斜面１ｋ、２ｋで規定される形状）の場合（図７参照）に比べて大幅に縮小させること（図６参照）ができる。

すると、図６に示されるように、小端部３がピン軸心ｐ方向に最もズレた状態において、クランク軸１７のクランクピン１７Ｐを目掛けて部分コンプ１８を下降移動させても、大端部上部１２Ａは、クランクアーム１７Ａに乗り上げることなく、クランクピン１７Ｐに円滑に嵌合させて組付けることが可能になる。なお、図１や図６においては、図面理解の容易化のため、各突出部８，９と小端部３とのピン軸心ｐの方向の隙間を拡大してあり、図６における各突出部８，９と小端部３との隙間は、実際には視認し難いほど狭い。

以上説明したように、一対のピストンピンボス１，２どうしの間隔ｗがピストンヘッド６ａ側ほど狭くなるように設定され、かつ、小端部３の幅が大端部１２側ほど広くなるように設定された台形嵌合構造であって、左右のピストンピンボス１，２の内端面１Ｔ，２Ｔ又に、内端面１Ｔ、２Ｔと外端面３Ａ，３Ｂとの間隔を所定値ｘに維持可能な突出部８，９が設けられている。故に、突出部８，９によるピストンＡとコンロッドＢとのズレ動き抑制作用により、コンロッド付ピストンのクランク軸への組付け時において、大端部上部１２Ａとクランクピン１７Ｐとが円滑に嵌合されるようになる。

その結果、ピストンピンボス１，２と小端部３との隙間１６Ｌ，１６Ｒを基本的には広くして軽量化を図ること、及び爆発圧力の応力緩和が十分行えるものとしながら、大端部上部１２Ａのクランクアーム１７Ａへの乗り上げなく、部分コンプ１８の下降によるクランク軸１７への組付けが良好に行える効果が得られる。

〔別実施形態〕
突出部８，９のピストン軸心ｚ方向の長さや、ピストン軸心ｚ及びピン軸心ｐの双方に直交する軸心の方向（前後方向）の長さは、種々に変更設定が可能である。
また、小端部３の外端面３Ａ，３Ｂの大端部側の端部をテーパ面ではなくピストン軸心ｚに沿う垂下面（垂直面）として、突出部８，９の突出面８ａ，９ａとのピン軸心ｐ方向の最小間隔（所定値）ｘが面どうしで規定される構成としてもよい。

１ ピストンピンボス
１Ｔ 内端面
２ ピストンピンボス
２Ｔ 内端面
３ 小端部
３Ａ，３Ｂ 外端面
４ ピストンピン
８，９ 突出部
８ａ，９ａ 突出面
Ａ ピストン
Ｂ コンロッド
ｐ ピン軸心
ｗ 間隔
ｘ 所定値

Claims (6)

1. エンジンのピストンに形成された一対のピストンピンボス間にコンロッドの小端部が配置され、前記一対のピストンピンボス及び前記小端部に亘ってピストンピンが嵌合されているピストンとコンロッドの支承構造であって、
   前記一対のピストンピンボスどうしのピストンピンのピン軸心の方向に沿う方向の間隔がピストンヘッド側ほど狭くなるように設定され、かつ、前記小端部の前記ピン軸心の方向に沿う方向の幅がコンロッド大端部側ほど広くなるように設定され、
   前記ピストンピンボスの小端部側となる内端面に、前記小端部のピストンピンボス側となる外端面と前記内端面との前記ピン軸心の方向での間隔を所定値に維持可能な突出部が設けられているピストンとコンロッドの支承構造。
2. 前記所定値は、前記ピストンと前記コンロッドとの相対揺動に拘らずに前記内端面と前記外端面との前記ピン軸心の方向の間隔を一定に維持するものである請求項１に記載のピストンとコンロッドの支承構造。
3. 前記内端面及び／又は前記外端面は勾配角一定のテーパ面に形成されている請求項１又は２に記載のピストンとコンロッドの支承構造。
4. 前記突出部は、前記内端面における大端部側の端部に形成されている請求項１〜３の何れか一項に記載のピストンとコンロッドの支承構造。
5. 前記突出部は、前記一対のピストンピンボスの双方に形成されている請求項４に記載のピストンとコンロッドの支承構造。
6. 前記突出部には、前記コンロッドの揺動による揺動面に平行な突出面が形成されている請求項１〜５の何れか一項に記載のピストンとコンロッドの支承構造。

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