JP2021161975A - 内燃機関のリンク部材およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】油路２１の内周面２１ａに対するショットピーニング加工を確実かつ容易にし、燃焼荷重による応力集中に対して油路２１の強度を高める。【解決手段】ロアリンクアッパ６Ａは、アッパピンとアッパリンクとの軸受部へ向かって潤滑油を噴射するように、クランクピン軸受部１１を貫通した油路２１を有する。油路２１は、一定径の単純な円筒形ではなく、潤滑油入口となる内周側開口２２が相対的に小径で潤滑油出口となる外周側開口２３が相対的に大径となった円錐台形をなす。油路２１の内周面２１ａがテーパ状に傾くので、大径な外周側開口２２３を通したショットの投射によるショットピーニング加工が確実かつ容易となる。【選択図】図３

Description

この発明は、内燃機関のクランクピンに連結されるリンク部材およびその製造方法に関し、特に、リンク部材に設けられる油路の改良に関する。

レシプロ式内燃機関のピストンピンとクランクピンとの間を複リンク式のピストンクランク機構で連結した従来技術として、本出願人が先に提案した特許文献１等が公知となっている。これは、ピストンのピストンピンに連結されるアッパリンクと、このアッパリンクとクランクシャフトのクランクピンとを連結するロアリンクと、一端が機関本体側に揺動可能に支持され、かつ他端が上記ロアリンクに連結されるコントロールリンクと、を備えている。そして、上記アッパリンクと上記ロアリンクとは、アッパピンを介して互いに回転可能に連結され、上記コントロールリンクと上記ロアリンクとは、コントロールピンを介して互いに回転可能に連結されている。

このような複リンク式のピストンクランク機構におけるロアリンクは、ピストンが受けた燃焼圧力をアッパリンクを介してアッパピンより受け取り、コントロールピンを支点とする一種の”てこ”のような動作でクランクピンに力を伝達する。

特許文献１には、クランクピンに嵌合するクランクピン軸受部に、クランクピン側の油孔と合致したときに潤滑油を外部へ噴射する油路がほぼ半径方向に沿って貫通形成された構成が開示されている。この油路から噴射された潤滑油は、アッパピンとアッパリンクとの間の軸受部を潤滑する。

また、単リンク式ピストンクランク機構では、リンク部材として、クランクピンにコンロッドが連結される。特許文献２には、クランクピンに嵌合するコンロッド大端部に油路が貫通形成された構成が開示されている。

特開２０１６−１９６８８８号公報 特開２００８−８２４８２号公報

クランクピンが嵌合するクランクピン軸受部には、燃焼荷重の入力に伴い、周方向に沿った荷重が作用し、油路のクランクピン側の開口縁に引張応力や曲げ応力として大きな応力が発生する。そのため、油路の形成がリンク部材の強度上の弱点となっている。

また、応力集中が問題となる箇所での強度向上の手段としてショットピーニング等の圧縮残留応力付与処理が知られているが、クランクピン軸受部に設けられる油路は比較的細く、かつ通路径に比較して通路長が長いので、油路の内周面に対するショットピーニング等の処理は一般に困難である。

この発明は、リンク部材のクランクピン軸受部に形成される油路を、内周面がテーパ状をなすように一端部における第１の開口に対し他端部における第２の開口が拡がっている構成とした。

第１の開口に対し第２の開口が拡がった構成とすることで、油路の内周面がテーパ状に傾いたものとなる。そのため、例えば残留応力付与処理としてショットピーニングを施す場合に、ショットの投射方向に対する被投射面の角度が大きくなり、効果的なショットピーニングが可能となる。ピン先端での押圧による残留応力付与処理等でも同様である。

この発明によれば、油路の内周面がテーパ状となることでショットピーニング等の残留応力付与処理を効果的に行うことができ、応力集中に対する油路の強度が向上する。

一実施例の複リンク式ピストンクランク機構の構成説明図。 一実施例のロアリンクの斜視図。 第１実施例の油路を備えたロアリンクアッパの断面図。 アッパリンクと組み合わせた状態での油路の構成を模式的に示す断面図。 第２実施例の油路を備えたロアリンクアッパの断面図。 アッパリンクと組み合わせた状態での油路の構成を模式的に示す断面図。 第３実施例の油路を備えたロアリンクアッパの断面図。 （ａ）図７のＡ−Ａ線に沿って油路を見た図、（ｂ）図（ａ）のＢ−Ｂ線に沿った断面図、（ｃ）Ｃ−Ｃ線に沿った断面図。 この発明を適用したコンロッドの要部を断面とした平面図。

以下、この発明の一実施例を図面に基づいて詳細に説明する。

初めに、この発明を複リンク式ピストンクランク機構のロアリンクに適用した実施例を説明する。図１は、この発明が適用される複リンク式ピストンクランク機構の構成要素を示している。この複リンク式ピストンクランク機構自体は前述した特許文献１等によって公知のものであり、ピストン１にピストンピン２を介して一端が連結されたアッパリンク３と、このアッパリンク３の他端にアッパピン４を介して連結され、かつクランクシャフトのクランクピン５に連結されたロアリンク６と、このロアリンク６の自由度を規制するコントロールリンク７と、を備えている。上記コントロールリンク７は、一端が機関本体側の支持ピン８に揺動可能に支持され、他端が上記ロアリンク６にコントロールピン９を介して連結されている。なお、上記複リンク式ピストンクランク機構は、上記支持ピン８の位置を可変とすることで、可変圧縮比機構として構成することも可能である。

図２に示すように、上記ロアリンク６は、上記クランクピン５に嵌合する円筒形のクランクピン軸受部１１を中央に有し、かつこのクランクピン軸受部１１を挟んで互いにほぼ１８０°反対側となる位置に、アッパピン用ピンボス部１２およびコントロールピン用ピンボス部１３がそれぞれ設けられている。このロアリンク６は、全体として、菱形に近い平行四辺形をなしており、クランクピン軸受部１１の中心を通る分割面１４において、アッパピン用ピンボス部１２を含むロアリンクアッパ６Ａと、コントロールピン用ピンボス部１３を含むロアリンクロア６Ｂと、の２部品に分割して形成されている。これらのロアリンクアッパ６Ａおよびロアリンクロア６Ｂは、クランクピン軸受部１１をクランクピン５に嵌め込んだ上で、図示せぬ２本のボルトによって互いに締結されている。

上記アッパピン用ピンボス部１２およびコントロールピン用ピンボス部１３は、アッパリンク３やコントロールリンク７を軸方向中央部に挟むように二股状の構成となっており、アッパピン４やコントロールピン９の軸方向端部をそれぞれ支持する一対の片１２ａ，１３ａが、ロアリンク６の軸方向の端面に沿って延びている（図４参照）。つまり、ピンボス部１２，１３の各片１２ａ，１３ａは、円筒状をなすクランクピン軸受部１１の軸方向両端部にそれぞれ接続されている。

上記クランクピン軸受部１１は、半円筒形の一対の軸受メタル１６を介してクランクピン５に嵌合する。クランクピン５は、加圧された潤滑油が供給される潤滑油通路（図示せず）を内部に備えており、半径方向に延びた潤滑油通路の先端がクランクピン５の外周面に油孔として開口している。後述するようにクランクピン軸受部１１には油路が貫通形成されており、この油路がクランクピン５側の油孔と合致したときに油路から潤滑油がいわゆるオイルジェットとして噴射される構成となっている。

ロアリンク６は、アッパリンク３からアッパピン４を介してアッパピン用ピンボス部１２に燃焼荷重が作用し、コントロールピン９を支点として揺動することで、一種の”てこ”のような動作でクランクピン５に力を伝達する。従って、アッパピン用ピンボス部１２に燃焼荷重が図１の下側方向へ作用するのに対し、クランクピン軸受部１１中央付近にクランクピン５からの反力が図１の上側方向に作用し、これにより、ロアリンクアッパ６Ａのアッパリンク３寄りの領域に大きな応力（曲げ応力ないし引張応力）が発生する。

図３は、第１実施例の油路２１をクランクピン軸受部１１に備えてなるロアリンクアッパ６Ａの断面図（クランクピン５の軸方向と直交する面に沿った断面図）を示している。油路２１は、アッパピン用ピンボス部１２においてロアリンク６と連結されるアッパリンク３の軸受部つまりアッパピン４とアッパリンク３との間の摺動面を潤滑するためのもので、クランクピン軸受部１１においてクランクピン５の半径線にほぼ沿って直線状に貫通形成されている。なお、油路２１が「直線状」であるとは、油路２１の中心線が折れ曲がったり湾曲したりせずに一つの直線であることを意味している。

油路２１は、一端部にクランクピン５外周面に対向する内周側開口２２を有し、他端部にロアリンク６の外側へと向かう外周側開口２３を有する。内周側開口２２は、円筒面をなすクランクピン軸受部１１の内周面に開口し、潤滑油入口となる。外周側開口２３は、潤滑油出口となり、アッパピン用ピンボス部１２に支持されるアッパピン４の外周面を指向している。なお、アッパピン４は、アッパピン用ピンボス部１２のピン孔１２ｂに圧入される（図４参照）ものであり、図３に示すピン孔１２ｂの内径と実質的に等しい外径を有している。従って、図３に示すように、油路２１は、ピン孔１２ｂの接線方向に沿って配置されている。

ここで、油路２１は、単純な円筒形ではなく、内周側開口２２が相対的に小径で外周側開口２３が相対的に大径となったいわゆる円錐台形をなしている。つまり、潤滑油入口となる内周側開口２２に対して潤滑油出口となる外周側開口２３が拡がっている。これにより、油路２１の内周面２１ａは、油路２１の中心線に対して一定のテーパ角でもってテーパ状に傾いている。

図４は、ロアリンク６をアッパリンク３と組み合わせた状態でもってアッパピン用ピンボス部１２および油路２１の断面（クランクピン５の軸方向と平行な面に沿った断面）を示している。図示するように、油路２１は、クランクピン軸受部１１の軸方向寸法の中央に位置し、一対の片１２ａの間でアッパリンク３の端部へ向かって開口している。なお、軸受メタル１６には、油路２１に対応する位置に円形の油孔２５が設けられている。

ロアリンクアッパ６Ａ（換言すればロアリンク６）は、鉄系金属材料を用いた鍛造もしくは鋳造によって形成される。鍛造の場合には、ロアリンクアッパ６Ａの全体的な形状を鍛造で形成した後に、油路２１が二次的に機械加工される。鋳造の場合には、油路２１を鋳造時に同時に形成することも可能である。例えば、ロストワックス法による精密鋳造によってテーパ状の油路２１を備えたロアリンクアッパ６Ａを鋳造することができる。いずれの場合も、油路２１の形成後に、ショットピーニング等の残留応力付与処理が油路２１の内周面に施されている。

好ましい一つの例では、以下の工程でロアリンクアッパ６Ａが製造される。まず、ＳＣＲ４２０等のクロムモリブデン鋼を用いて、ロアリンクアッパ６Ａの全体形状を鍛造で形成する。鍛造後、クランクピン軸受部１１やアッパピン用ピンボス部１２ならびにコントロールピン用ピンボス部１３等の必要箇所の機械加工を行うとともに、テーパ状の油路２１を機械加工により形成する。次に、ワークの浸炭処理を行い、浸炭処理に続いて、焼入れ・焼戻しを行う。

その後、油路２１の内周面２１ａ（少なくとも内周側開口２２付近の領域）に、残留応力付与処理具体的にはショットピーニングを施す。このショットピーニングは、径の大きな外周側開口２３側からショットを投射して行う。なお、ショットピーニングは、油路２１の内周面２１ａのほか、強度向上に必要な他の箇所に併せて行うようにしてもよい。次に、面精度が必要な箇所等に最終的な仕上げ加工を施すことで、ロアリンクアッパ６Ａが完成する。

上記のように内周面２１ａがテーパ状となるように円錐台形とした油路２１にあっては、ショットピーニングの際に、ショットの投射方向に対する被投射面（つまり内周面２１ａ）の角度を比較的大きく確保することができ、内周側開口２２付近を効果的にショットピーニング加工することができる。つまり、仮にショットの投射方向が油路２１の中心線と平行であると仮定して、油路２１が一定径の単純な円筒形であった場合には、ショットを被投射面に衝突させることができない。これに対し、上記実施例のように内周面２１ａがテーパ状に傾いていると、投射方向が油路２１の中心線と平行であっても、被投射面となる内周面２１ａにショットを衝突させることができ、効果的な強度向上が図れる。しかも、上記実施例では、ショットの入口となる外周側開口２３が相対的に大径となることから、油路２１の中心線に対して角度を有する方向でもって（つまり斜め方向に）ショットを投射することも可能となり、内周側開口２２付近にショットピーニングを行うことがより容易となる。

このようなことから、テーパ状をなす油路２１の内周面２１ａのテーパ角としては、上述したショットピーニングが可能な角度が必要である。

アッパピン４を指向するように油路２１が設けられる位置は、上述したように、ロアリンク６の中で燃焼荷重による大きな曲げ荷重が作用する場所であり、特に内周側開口２２付近に応力（主にクランクピン５の周方向に沿った引張応力）が集中する。そのため、一般的に、油路２１の形成がロアリンク６の強度上の弱点となり易い。

これに対し、上記実施例では、内周側開口２２付近の強度がショットピーニングによって高く得られるので、応力集中による亀裂の発生などが効果的に抑制される。また、外周側開口２３を大径とすることで相対的に外周側開口２３付近が弱くなって大きな変形が許容されるようになり、これによっても、内周側開口２２での応力集中による亀裂発生が生じにくくなる。

また、円錐台形とした油路２１によれば、図４から理解できるように、油路２１を通して外周側開口２３からオイルジェットとして噴出した潤滑油がテーパ状の内周面２１ａに沿って拡がろうとする。そのため、アッパリンク３の端部の軸方向端面とアッパピン用ピンボス部１２の片１２ａの内側面との間の境界２６により多くの潤滑油を供給することができ、アッパリンク３とアッパピン４外周面との間の摺動面が確実に潤滑される。

なお、図示例のロアリンクアッパ６Ａ（ロアリンク６）は、上記の油路２１のほかに、ピストン１（図１参照）へ向かってオイルジェットを供給するための油路２８を備えている。この油路２８は、クランクピン軸受部１１の円周の中で油路２１よりもコントロールピン９寄りに位置しており、前述した燃焼荷重による応力集中が少ない箇所にある。そのため、図示例では、油路２８は一定径の単純な円筒形に形成されている。必要であれば、この油路２８を油路２１と同様にテーパ状に構成してもよい。

次に、図５および図６は、第２実施例の油路１２１を備えたロアリンクアッパ６Ａを示している。第２実施例の油路１２１は、内周側開口１２２が相対的に大径で外周側開口１２３が相対的に小径となった円錐台形をなしている。つまり、第１実施例の油路２１とは逆に、潤滑油出口となる外周側開口１２３に対して潤滑油入口となる内周側開口１２２が拡がっている。これにより、油路１２１の内周面１２１ａは、油路１２１の中心線に対して第１実施例とは逆向きの一定のテーパ角でもってテーパ状に傾いている。

油路１２１の内周面１２１ａの少なくとも内周側開口１２２付近は、強度向上のための残留応力付与処理として、例えばショットピーニングが施されている。

このような第２実施例の油路１２１においても、相対的に大径となる内周側開口１２２側からショットを投射することで、内周側開口１２２付近をより確実にかつ容易にショットピーニング加工することができる。

また、この第２実施例の油路１２１によれば、図６から理解できるように、内周側開口１２２から流入した潤滑油が絞られながら外周側開口１２３から噴出するので、オイルジェットの流速が高く得られる。そのため、一定径の単純な円筒形をなす油路に比較してロアリンク６の軸受部に対する潤滑性能が向上する。

なお、上記の第１，第２実施例では、残留応力付与処理としてショットピーニングについて説明したが、棒状のピン先端で被加工面を押圧する残留応力付与処理等、公知の残留応力付与処理を広く適用することが可能である。いずれの方法であっても、被加工面となる内周面２１ａ，１２１ａが傾いていること、および、加工工具の入口となる一方の開口を大きく開口していることで、加工が容易となる。

次に、図７および図８は、第３実施例の油路２２１を示している。図８の（ａ）は、図７のＡ−Ａ線に沿って油路２２１を外側から見た図であり、図８の（ｂ），（ｃ）は、Ｂ−Ｂ線およびＣ−Ｃ線に沿った油路２２１の断面図である。これらの図に示すように、油路２２１は、基本的には、潤滑油入口となる一端部の内周側開口２２２から潤滑油出口となる他端部の外周側開口２２３へ向かって徐々に拡がった形状をなしている。

ここで、第３実施例の油路２２１は、単純な円錐台形ではなく、外周側開口２２３が真円形（あるいは真円形にごく近い円形）の開口形状をなすのに対し、内周側開口２２２が細長い楕円形（あるいは長円形でもよい）をなしている。楕円の長径はクランクピン５の周方向に沿っており、短径がクランクピン５の軸方向となる。楕円の長径の長さは、外周側開口２２３の直径よりも短い。

このような構成では、油路２２１の内周面２２１ａは、基本的には外側へ向かって開くように傾斜したテーパ状をなすが、そのテーパ角は、油路２２１内周の各部で異なるものとなる。楕円の長径と短径とで寸法が異なることから、図８の（ｂ），（ｃ）に示すように、長径方向に沿った壁面のテーパ角αは相対的に小さく、短径方向に沿った壁面のテーパ角βは相対的に大きい。

内周側開口２２２は、前述した燃焼荷重を受けたときに、クランクピン５の周方向に沿って引っ張られるので、図８に符号Ｓで示す領域（つまり内周側開口２２２の中でクランクピン５の軸方向に沿った領域）で最も高い応力が発生する。これに対し、第３実施例の油路２２１では、領域Ｓ付近での内周面２２１ａのテーパ角βが大きく得られることから、当該領域Ｓに対する残留応力付与処理例えばショットピーニングが確実かつ容易となる。図８（ｃ）における矢印３３０は、油路２２１の中心線と平行にショットを投射した場合の投射方向を示しており、このように投射されたショットが領域Ｓの壁面に確実に衝突する。

また、この第３実施例の油路２２１によれば、潤滑油入口となる内周側開口２２２がクランクピン５の周方向に長く延びているので、潤滑油噴射期間を長く確保することが可能となる。

以上、この発明を複リンク式ピストンクランク機構のロアリンク６に適用した実施例を説明したが、この発明は、単リンク式ピストンクランク機構におけるコンロッドに適用することも可能である。

図９は、この発明を適用したコンロッド３０１を示している。コンロッド３０１は、ピストンピンに嵌合する小端部３０２と、クランクピンに嵌合する大端部３０３と、を有し、大端部３０３は、小端部３０２と一体の本体部３０３Ａとキャップ部３０４とに２分割して形成されている。キャップ部３０４は、一対のボルト３０５によって本体部３０３Ａに締結されている。つまり、このコンロッド３０１では、大端部３０３がクランクピン軸受部に相当する。

油路３２１は、図示しないピストンの下面もしくはシリンダ内周面へ向けてオイルジェットを供給するように、クランクピンの半径線に沿って本体部３０３Ａ側の大端部３０３を貫通して形成されている。油路３２１は、一定径の単純な円筒形ではなく、潤滑油入口となる内周側開口３２２が相対的に小径で潤滑油出口となる外周側開口３２３が相対的に大径となったいわゆる円錐台形をなしている。つまり、内周側開口３２２に対して外周側開口３２３が拡がっており、これにより、油路３２１の内周面３２１ａは、油路３２１の中心線に対して一定のテーパ角でもってテーパ状に傾いている。油路３２１の内周面３２１ａの少なくとも内周側開口３２２に近い領域は、ショットピーニング等の残留応力付与処理が施されている。

６…ロアリンク
６Ａ…ロアリンクアッパ
１１…クランクピン軸受部
２１，１２１，２２１，３２１…油路

Claims (8)

1. 内燃機関のクランクピンに回転可能に嵌合するクランクピン軸受部を有し、このクランクピン軸受部に、クランクピン側の油孔と合致したときに潤滑油を外部へ噴射する油路が直線状に貫通形成されてなる内燃機関のリンク部材において、
   上記油路は、内周面がテーパ状をなすように一端部における第１の開口に対し他端部における第２の開口が拡がっている、内燃機関のリンク部材。
2. 上記第１の開口がクランクピン側の潤滑油入口であり、上記第２の開口が潤滑油出口である、請求項１に記載の内燃機関のリンク部材。
3. 上記第２の開口がクランクピン側の潤滑油入口であり、上記第１の開口が潤滑油出口である、請求項１に記載の内燃機関のリンク部材。
4. 上記第１の開口が、クランクピンの周方向を長径とした楕円形ないし長円形をなしており、
   短径方向における油路内周面のテーパ角が長径方向における油路内周面のテーパ角よりも大きい、請求項２に記載の内燃機関のリンク部材。
5. 上記油路の内周面の少なくともクランクピン側の部分に、圧縮残留応力付与処理が施されている、請求項１〜４のいずれかに記載の内燃機関のリンク部材。
6. 内燃機関のピストンにピストンピンを介して一端が連結されたアッパリンクと、このアッパリンクの他端とクランクシャフトのクランクピンとを連結するロアリンクと、一端が本体部の支持点に揺動可能に支持され、他端が上記ロアリンクに連結されたコントロールリンクと、を含む複リンク式ピストンクランク機構における上記ロアリンクである、内燃機関のリンク部材。
7. クランクピン軸受部の中心を通る分割面に沿って２分割した形状にリンク部材を形成し、
   上記クランクピン軸受部に、該クランクピン軸受部を貫通する直線状の油路を機械加工し、この油路は、内周面がテーパ状をなすように一端部における第１の開口に対し他端部における第２の開口が拡がっており、
   浸炭処理を行い、
   上記第２の開口側からショットを投射して上記油路の内周面の少なくともクランクピン側の部分にショットピーニングを施す、
   内燃機関のリンク部材の製造方法。
8. 上記第１の開口がクランクピン側の潤滑油入口であり、上記第２の開口が潤滑油出口である、請求項７に記載の内燃機関のリンク部材の製造方法。

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