JP2021124051A - ピストン一体型コネクティングロッド連結構造体および内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】連桿比を高くできるピストン一体型コネクティングロッド連結構造体、および、静粛性に優れるエンジンを提供すること。【解決手段】ピストン一体型コネクティングロッド連結構造体１は、ピストン部材２と、スモールエンド部１５と、ピストン部材２およびスモールエンド部１５を連結し、スモールエンド部１５に固定される連結部材４とを備える。連結部材４とピストン部材２とのそれぞれは、互いに対向する第３対向面２７と第４対向面１３とのそれぞれを有する。第２対向面１８と第１対向面１２とは、円弧面に沿って揺動可能に対向配置される。第３対向面２７と第４対向面１３とは、対向配置される。ピストン部材２は、第３対向面２７と第４対向面１３との揺動を案内可能で、第４対向面１３によって形成されるピストン壁９を含む。【選択図】図１

Description

本発明は、ピストン一体型コネクティングロッド連結構造体および内燃機関に関する。

従来、ピストンと、コネクティングロッドとが一体となったピストン一体型コネクティングロッド連結構造体がエンジンに搭載されることが知られている（例えば、下記非特許文献１参照。）。

非特許文献１において、コネクティングロッドは、円筒形状を含むスモールエンドを有しており、かかるスモールエンドが、ピストンピンを介して、ピストンと連結される。

自動車用語辞典、自動車用語編集委員会編、２０００年、第５版、第１５４頁上段のコネクティング・ロッドの図

近年、内燃機関の静粛性が求められ、そのため、ピストン一体型コネクティングロッド連結構造体には、高い連桿比が求められる。連桿比は、コネクティングロッドのビッグエンドに連結されるクランクの半径に対するコネクティングロッドの有効長の比である。コネクティングロッドの有効長は、スモールエンドの回転中心と、ビッグエンドの回転中心との間の長さである。連桿比を高くするには、コネクティングロッドの有効長を長くすることが試案される。

しかし、内燃機関のサイズが限られていることから、コネクティングロッドの有効長を長くするには、限界がある。つまり、スモールエンドの回転中心は、ピストンピンの内側に必ず配置されることから、スモールエンドの回転中心をビッグエンドの回転中心から離隔するには、限界がある。

本発明は、連桿比を高くできるピストン一体型コネクティングロッド連結構造体、および、静粛性に優れる内燃機関を提供する。

本発明（１）は、ピストン部材と、スモールエンド部を有するコネクティングロッド部材と、前記ピストン部材および前記スモールエンド部を連結し、前記ピストン部材および前記スモールエンド部のうちのいずれか一方に固定される連結部材とを備え、前記ピストン部材と前記スモールエンド部とのそれぞれは、互いに対向する第１対向面と第２対向面とのそれぞれを有し、前記連結部材と、前記ピストン部材および前記スモールエンド部のうちの他方とのそれぞれは、互いに対向する第３対向面と第４対向面とのそれぞれを有し、前記第１対向面〜前記第４対向面は、中心が共通する円弧面であり、前記第１対向面と前記第２対向面とは、前記円弧面に沿って揺動可能に対向配置され、前記第３対向面と前記第４対向面とは、対向配置され、前記他方は、前記第３対向面と前記第４対向面との揺動を案内可能で、前記第４対向面によって形成される案内壁を含む、ピストン一体型コネクティングロッド連結構造体を含む。

このピストン一体型コネクティングロッド連結構造体では、他方が、第３対向面と第４対向面との揺動を案内可能で、第４対向面によって形成される案内壁を含むので、第３対向面と第４対向面とが、案内壁に案内されながら、円弧面に沿って揺動できる。円弧面の中心は、非特許文献１のような円周面の中心より配置の自由度が高いため、コネクティングロッド部材の外側に配置でき、コネクティングロッド部材の有効長を長くできる。

その結果、連桿比を高くすることができる。

本発明（２）は、前記コネクティングロッド部材は、さらにビッグエンド部を有し、前記ピストン部材は、前記スモールエンド部に対する前記ビッグエンド部の反対側に位置する一方面を有し、前記中心が、前記一方面上または前記一方面より一方側に位置する、（１）に記載のピストン一体型コネクティングロッド連結構造体を含む。

このピストン一体型コネクティングロッド連結構造体では、中心が、一方面上または一方面より一方側に位置するので、コネクティングロッド部材の有効長を確実に長くできる。

本発明（３）は、前記一方が、前記スモールエンド部であり、前記他方が、前記ピストン部材である、（１）または（２）に記載のピストン一体型コネクティングロッド連結構造体を含む。

しかるに、ピストンは、機械強度の観点から、スペースが狭く、そのため、連結部材を固定しくい場合がある。

一方、このピストン一体型コネクティングロッド連結構造体によれば、連結部材が、ピストン部材ではなく、スペースに余裕のあるスモールエンド部に固定できながら、ピストン部材の機械強度を確保できる。

本発明（４）は、（１）〜（３）のいずれか一項に記載のピストン一体型コネクティングロッド連結構造体を備える、内燃機関を含む。

この内燃機関は、連桿比が高められたピストン一体型コネクティングロッド連結構造体を備えるので、静粛性に優れる。

本発明（５）は、レシプロエンジンである、（４）に記載の内燃機関を含む。

本発明のピストン一体型コネクティングロッド連結構造体は、連桿比を高くできる。

本発明の内燃機関は、静粛性に優れる。

図１は、本発明のピストン一体型コネクティングロッド連結構造体の一実施形態の正面図である。 図２は、図１に示すピストン一体型コネクティングロッド連結構造体の正断面図である。 図３は、図１に示すピストン一体型コネクティングロッド連結構造体の分解斜視図である。 図４は、図２に示すピストン一体型コネクティングロッド連結構造体の横断面図である。 図５は、図４に示すピストン一体型コネクティングロッド連結構造体の分解断面図である。 図６は、図２に示すピストン一体型コネクティングロッド連結構造体の動きを説明する図である。 図７は、図２に示すピストン一体型コネクティングロッド連結構造体の変形例である。 図８は、図４に示すピストン一体型コネクティングロッド連結構造体の変形例である。 図９は、図４に示すピストン一体型コネクティングロッド連結構造体の変形例である。 図１０は、図４に示すピストン一体型コネクティングロッド連結構造体の変形例である。

本発明のピストン一体型コネクティングロッド連結構造体の一実施形態を図１〜図６を参照して説明する。なお、図２は、図４のＸ−Ｘ線の矢視断面図である。図３において、ピストン部材２、コネクティングロッド部材３および連結部材４（後述）の相対配置を明確に把握するために、第１ベアリング部材９１（後述）を省略している。

図１および図２に示すように、このピストン一体型コネクティングロッド連結構造体１は、ピストン部材２と、コネクティングロッド部材３と、連結部材４とを備える。さらに、ピストン一体型コネクティングロッド連結構造体１は、ねじ８０と、ベアリング部材９０とを備える。

ピストン部材２は、ピストン本体５と、ピストン連結部６とを一体的に有する。

ピストン本体５は、ピストン部材２の移動方向（以下、単に移動方向という場合がある。）に沿う軸線を有する有底円筒形状を有する。具体的には、ピストン本体５は、平板部７と、円筒部８とを一体的に有する。円筒部８は、平板部７の周縁部から移動方向他方側（図２における上側に相当）に延びる。

ピストン連結部６は、平板部７の移動方向他方面の中央部から移動方向他方側に延びる。ピストン連結部６は、コネクティングロッド部材３のスモールエンド部１５（後述）の揺動方向およびピストン部材２の移動方向に沿う断面（以降、正断面という場合がある）に、略扇形状を有する。一方、図４に示すように、ピストン連結部６は、スモールエンド部１５の揺動方向および移動方向に直交する方向に沿う断面（以降、横断面という場合がある）において、略Ｔ字形状を有する。ピストン連結部６は、案内壁の一例としてのピストン壁９と、支持壁１０とを一体的に有する。ピストン連結部６は、支持壁１０と、支持壁１０の移動方向他端部の周端縁に連続するピストン壁９とを備える。ピストン壁９は、支持壁１０から横方向外側に突出する部分を有する。

図２に示すように、ピストン壁９は、正面視において、略円弧形状を有する。ピストン壁９の円弧の中心Ｃは、ピストン本体５に対して、例えば、移動方向一方側に位置する。ピストン壁９の中心角αは、本実施形態では、例えば、１８０度未満、例えば、１６５度以下、また、１３５度以下、また、１２０度以下であり、また、例えば、３０度超過、好ましくは、４５度超過、より好ましくは、６０度超過である。図４に示すように、ピストン壁９は、横断面視において、所定厚みを有する平帯形状を有する。ピストン壁９は、第１対向面１２と、第４対向面１３と、ピストン側面１９とを一体的に備える。

第１対向面１２は、ピストン壁９における移動方向一方面である。第１対向面１２は、ピストン壁９における横方向全部にわたって形成されている。

第４対向面１３は、ピストン壁９における移動方向他方面である。第４対向面１３は、ピストン壁９における横方向両端部に形成されている。

ピストン側面１９は、第１対向面１２の横方向両端縁と、第４対向面１３の横方向両端縁とに連続する。

支持壁１０は、ピストン壁９の第４対向面１３の横方向内端縁と、平板部７の一方面とに連続する。支持壁１０は、移動方向に投影したときに、第１対向面１２と重なるが、第４対向面１３と重ならない。

コネクティングロッド部材３は、ピストン部材２のピストン壁９に対して、移動方向他方側に対向配置されている。図１に示すように、コネクティングロッド部材３は、ロッド部１４と、スモールエンド部１５と、ビッグエンド部１６とを一体的に備える。

ロッド部１４は、移動方向に長く延びる。

スモールエンド部１５は、ロッド部１４に対して、移動方向一方側に配置されている。図２〜図４に示すように、スモールエンド部１５は、エンド壁１７を含む。

エンド壁１７は、ピストン壁９と対向配置されている。エンド壁１７は、中心角βが小さい以外は、ピストン壁９に対してやや大きい相似形状を有する。但し、エンド壁１７は、移動方向に投影したときに、その横方向両端縁が、ピストン壁９より突出する。エンド壁１７は、第２対向面１８と、対向面２０と、エンド側面２１とを一体的に有する。

第２対向面１８は、第１対向面１２と対向配置されている。第２対向面１８は、図２に示すように、正断面において、第１対向面１２と略同一の円弧形状を有する。つまり、第２対向面１８と第１対向面１２とは、中心Ｃを共有する。

また、第２対向面１８は、第１対向面１２の中心角αより小さい中心角βを有する。そのため、第２対向面１８の全部は、第１対向面１２と対向する一方、第１対向面１２は、その一部（具体的には、両端部）が、第２対向面１８と対向する。対向面１８の中心角βは、例えば１６５度未満、好ましくは、１３５度未満、より好ましくは、１２０未満であり、また、例えば、３０度以上、好ましくは、４５度以上、より好ましくは、６０度以上である。ピストン壁９の中心角αに対する第２対向面１８の中心角βの比（β／α）は、例えば、０．２以上、好ましくは、０．４以上であり、また、例えば、０．８以下、好ましくは、０．６以下である。

図３および図４に示すように、対向面２０は、第２対向面１８の横方向両端部に対向配置される。対向面２０は、第２対向面１８に対して移動方向他方側に間隔が隔てられる。第２対向面１８がエンド壁１７に含まれるので、エンド壁１７は、ロッド部１４に対して横方向両外側に出張る。

エンド側面２１は、第２対向面１８の横方向両端縁と、対向面２０の横方向両端縁とを接続する。エンド側面２１には、雌ねじ２６が形成されている。

図１に示すように、ビッグエンド部１６は、ロッド部１４に対して、スモールエンド部１５の反対側に配置されている。ビッグエンド部１６は、軸線が横方向に沿う略円筒形状を有する。

図４に示すように、連結部材４は、１つのピストン一体型コネクティングロッド連結構造体１に、２つ設けられる。２つの連結部材４のそれぞれは、コネクティングロッド部材３に固定されている。連結部材４は、横断面視において、略コ字形状を有する。図３に示すように、連結部材４は、側壁２２と、係止壁２３と、対向壁２４とを一体的に備える。

側壁２２は、エンド側面２１およびピストン側面１９の横方向外側に対向配置される。側壁２２は、移動方向に延びる。図３に示すように、側壁２２は、略円弧帯形状を有する。図４に示すように、側壁２２における移動方向他方側部分は、エンド側面２１に接触する。一方、側壁２２における移動方向一方側部分は、ピストン側面１９とわずかな間隔が隔てられる。また、側壁２２における移動方向一方側部分には、厚み方向を貫通する貫通孔２５が形成されている。貫通孔２５は、雌ねじ２６に対応する位置に形成されている。

係止壁２３は、側壁２２における移動方向一端部に連続する。係止壁２３は、横断面視において、横方向に延びる。係止壁２３は、第３対向面２７を含む。第３対向面２７は、ピストン壁９の第４対向面１３と対向配置される。

対向壁２４は、側壁２２における移動方向他端部に連続する。対向壁２４は、係止壁２３に対して移動方向他方側に間隔を隔てて配置される。対向壁２４は、横断面視において、横方向に延びる。対向壁２４は、ピストン壁９の対向面２０と接触する。

ねじ８０は、１つの連結部材４に対して複数設けられる。複数のねじ８０のそれぞれは、貫通孔２５を貫通し、雌ねじ２６に螺着されている。

ベアリング部材９０は、例えば、ベアリングメタルである。ベアリングメタルは、ピストン部材２、コネクティングロッド部材３および連結部材４に比べて、摩擦に優れる金属からなる。ベアリング部材９０は、第１ベアリング９１と、第２ベアリング９２とを含む。

第１ベアリング９１は、第２対向面１８と第１対向面１２との間に介在する。

第２ベアリング９２は、第３対向面２７と第４対向面１３との間に介在する。

次に、このピストン一体型コネクティングロッド連結構造体１の組み付けを説明する。

まず、ピストン部材２とコネクティングロッド部材３とのそれぞれを準備し、ピストン部材２の第２対向面１８と、コネクティングロッド部材３の第１対向面１２とを、図３および図５に示すように、第１ベアリング９１を介して、互いに押し付ける。

次いで、連結部材４を、側壁２２がエンド壁１７に接触するように、ピストン部材２およびコネクティングロッド部材３に対して組み付ける。この際、第３対向面２７および第４対向面１３の間に、第２ベアリング９２を介在させる。

その後、ねじ８０を、貫通孔２５を貫通させ、雌ねじ２６に螺着する。これにより、連結部材４をコネクティングロッド部材３のスモールエンド部１５に固定する。

次に、ピストン一体型コネクティングロッド連結構造体１を備えるエンジン７０を図１の仮想線および図６を参照して説明する。

エンジン７０は、例えば、レシプロエンジンである。エンジン７０は、シリンダ７１と、ピストン一体型コネクティングロッド連結構造体１と、クランク７２とを備える。

シリンダ７１は、ピストン一体型コネクティングロッド連結構造体１のピストン部材２を移動可能に収容する。

クランク７２は、コネクティングロッド部材３のビッグエンド部１６に回転可能に連結されている。

このエンジン７０では、ピストン部材２がシリンダ７１に対して移動する。エンジン７０が、例えば、４サイクルエンジンであれば、吸入工程、圧縮工程、燃焼（膨張）工程、排気工程の４工程のうち、圧縮工程、および、排気工程において、ピストン部材２が移動方向一方側に移動する。この際、スモールエンド部１５の第２対向面１８が、ピストン部材２の第１対向面１２を移動方向一方側に向かって加圧しながら、第２対向面１８および第１対向面１２が互いに揺動する。同時に、ピストン部材２の第４対向面１３が、スモールエンド部１５の第３対向面２７を移動方向他方側に向かって加圧しながら、第３対向面２７および第４対向面１３が互いに揺動する。

対して、吸入工程および燃焼工程において、ピストン部材２が移動方向他方側に移動する。この際、ピストン部材２の第１対向面１２が、スモールエンド部１５の第２対向面１８を移動方向他方側に向かって加圧しながら、第２対向面１８および第１対向面１２が互いに揺動する。同時に、第３対向面２７および第４対向面１３が互いに揺動する。

上記した揺動では、係止壁２３とエンド壁１７とが、ピストン壁９によって揺動方向が規定（案内）されながら、揺動する。

＜一実施形態の作用効果＞
そして、このピストン一体型コネクティングロッド連結構造体１では、ピストン部材２が、ピストン壁９を含むので、第３対向面２７と第４対向面１３とが、ピストン壁９によって案内されながら、円弧面（円周面ではなく、中心角が３６０度未満である円弧形状の面）に沿って揺動できる。円弧面の中心Ｃは、特許文献１のような円周面の中心より配置の自由度が高いため、例えば、コネクティングロッド部材３の外側に配置でき、コネクティングロッド部材３の有効長を長くできる。なお、本実施形態の連桿比は、クランク７２の半径Rに対するコネクティングロッド部材３の有効長Lの比（L／R）である。

従って、ピストン一体型コネクティングロッド連結構造体１を備えるエンジン７０は、静粛性に優れる。

＜変形例＞
以下の各変形例において、上記した一実施形態と同様の部材および工程については、同一の参照符号を付し、その詳細な説明を省略する。また、各変形例は、特記する以外、一実施形態と同様の作用効果を奏することができる。さらに、一実施形態およびその変形例を適宜組み合わせることができる。

図７に示すように、中心Ｃをピストン部材２のピストン本体５上に配置することもできる。この場合には、ピストン壁９の中心角αは、例えば、１８０度である。

図７に示す変形例よりも、一実施形態が好ましい。一実施形態であれば、中心Ｃが、ピストン本体５に対して移動方向一方側に位置するので、コネクティングロッド部材３の有効長Ｌをより長くできる。

また、図示しないが、中心角αは、１８０度を超え、３６０度未満であってもよい。

図８に示すように、連結部材４は、ピストン部材２のスモールエンド部１５に固定されている。

連結部材４において、係止壁２３および対向壁２４は、一実施形態のそれらと移動方向に逆転して配置されている。つまり、係止壁２３は、側壁２２における移動方向他端部に連続する。対向壁２４は、側壁２２における移動方向一端部に連続する。

また、エンド壁１７では、対向面２０が、第４対向面の一例となる。そして、エンド壁１７が、案内壁の一例となる。

この変形例では、エンド壁１７によって、エンド壁１７の対向面２０と、連結部材４の第３対向面２７とが、エンド壁１７によって案内されながら円弧面に沿って揺動する。

図９Ｂに示すように、連結部材４を、スモールエンド部１５の内側に配置することもできる。

スモールエンド部１５は、エンド壁１７の横方向両端部から移動方向一方側に延びる延び壁２８をさらに備える。延び壁２８の移動方向長さは、ピストン壁９の移動方向長さより長い。

連結部材４は、延び壁２８の移動方向一端部から横方向内側に向かって延びる。連結部材４は、係止壁２３のみを備える。係止壁２３は、帯状切片である。係止壁２３には、雌ねじ２６が形成されている。

係止壁２３は、第３対向面２７を備える。第３対向面２７は、第４対向面１３に沿って揺動可能である。

このピストン一体型コネクティングロッド連結構造体１を組み付けるには、図９Ａに示すように、まず、連結部材４を、ピストン壁９の第４対向面１３に対して対向配置する。

その後、図９Ｂに示すように、コネクティングロッド部材３の第２対向面１８を、第１対向面１２と対向配置させる。その後、ねじ８０を、貫通孔２５を貫通させ、雌ねじ２６に螺着する。これにより、連結部材４をスモールエンド部１５に固定する。

一方、図１０Ｂに示す変形例では、連結部材４は、ピストン部材２に固定される。

ピストン部材２のピストン連結部６は、ピストン壁９の横方向両端部から移動方向一方側に延びる第２延び壁３１をさらに備える。第２延び壁３１の移動方向長さは、エンド壁１７の移動方向長さより長い。

連結部材４は、第２延び壁３１の移動方向他端部から横方向内側に向かって延びる。連結部材４は、係止壁２３のみを備える。係止壁２３は、第３対向面２７を備える。第３対向面２７は、対向面２０と円弧面に沿って揺動可能である。

レシプロエンジンの型は、上記に限定されず、例えば、２サイクルエンジンであってもよい。

ピストン一体型コネクティングロッド連結構造体１を備える装置の一例としてレシプロエンジンなどの内燃機関を例示しているが、蒸気機関などの外燃機関であってよい。

また、往復運動および回転運動を互いに変換できる装置であれば、特に限定されず、例えば、プレス機などを例示することもできる。

また、ベアリング部材９０として、ベアリングニードルを挙げることもできる。

１ ピストン一体型コネクティングロッド連結構造体
２ ピストン部材
３ コネクティングロッド部材
４ 連結部材
１２ 第１対向面
１３ 第４対向面
１５ スモールエンド部
１６ ビッグエンド部
１８ 第２対向面
２０ 対向面
２７ 第３対向面
７０ エンジン
Ｃ 中心

Claims (5)

1. ピストン部材と、
   スモールエンド部を有するコネクティングロッド部材と、
   前記ピストン部材および前記スモールエンド部を連結し、前記ピストン部材および前記スモールエンド部のうちのいずれか一方に固定される連結部材とを備え、
   前記ピストン部材と前記スモールエンド部とのそれぞれは、互いに対向する第１対向面と第２対向面とのそれぞれを有し、
   前記連結部材と、前記ピストン部材および前記スモールエンド部のうちの他方とのそれぞれは、互いに対向する第３対向面と第４対向面とのそれぞれを有し、
   前記第１対向面〜前記第４対向面は、中心が共通する円弧面であり、
   前記第１対向面と前記第２対向面とは、前記円弧面に沿って揺動可能に対向配置され、
   前記第３対向面と前記第４対向面とは、対向配置され、
   前記他方は、前記第３対向面と前記第４対向面との揺動を案内可能で、前記第４対向面によって形成される案内壁を含むことを特徴とする、ピストン一体型コネクティングロッド連結構造体。
2. 前記コネクティングロッド部材は、さらにビッグエンド部を有し、
   前記ピストン部材は、前記スモールエンド部に対する前記ビッグエンド部の反対側に位置する一方面を有し、
   前記中心が、前記一方面上または前記一方面より一方側に位置することを特徴とする、請求項１に記載のピストン一体型コネクティングロッド連結構造体。
3. 前記一方が、前記スモールエンド部であり、
   前記他方が、前記ピストン部材であることを特徴とする、請求項１または２に記載のピストン一体型コネクティングロッド連結構造体。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載のピストン一体型コネクティングロッド連結構造体を備えることを特徴とする、内燃機関。
5. レシプロエンジンであることを特徴とする、請求項４に記載の内燃機関。
   

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