JP2021169780A - 内燃機関のロアリンク - Google Patents

Abstract

【課題】ロアリンク６のクランクピン軸受部１１に設けられている油孔２１の内周側開口縁での応力集中を緩和する。【解決手段】ロアリンク６は、ロアリンクアッパ６Ａとロアリンクロアとに２分割して構成され、ロアリンクアッパ６Ａ側のクランクピン軸受部１１に油孔２１が貫通形成されている。油孔２１の先端が開口するクランクピン軸受部１１の外周側の面に、薄肉部２２を構成する凹部２３が形成されている。凹部２３は、油孔２１とクランクピンから最大燃焼荷重反力が作用する方向となる周方向位置との間の周方向角度範囲内に位置する。薄肉部２２の肉厚ｔ２は、油孔２１の位置における肉厚ｔ１よりも小さい。薄肉部２２が変位することで油孔２１開口縁での応力集中が緩和される。【選択図】図３

Description

この発明は、内燃機関の複リンク式ピストンクランク機構を構成するロアリンクの改良に関する。

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孔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。この油孔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。

特開２０１６−１９６８８８号公報

ピストンの運動方向が「上下」方向であるとすると、ロアリンク一端のアッパピンには下方へ向かって燃焼荷重が入力され、ロアリンク他端のコントロールピンには同じく下方へ向かって燃焼荷重の反力が作用する。そして、そして、アッパピンとコントロールピンとの間に位置する形となるクランクピンが嵌合するクランクピン軸受部には、燃焼荷重の反力がほぼ上方へ向かって作用する。このような荷重入力に伴い、クランクピン軸受部に貫通形成された油孔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集中する。そのため、油孔の形成がロアリンクの強度上の弱点となっており、複リンク式ピストンクランク機構を備えた内燃機関の高出力化が制限される。

この発明に係る内燃機関のロアリンクは、油孔の先端が開口するクランクピン軸受部の外周側の面に、クランクピンから最大燃焼荷重反力が作用する方向となる周方向位置と上記油孔との間の周方向角度範囲内に位置し、かつ上記油孔の位置におけるクランクピン軸受部の肉厚よりも薄い薄肉部を構成する凹部が形成されている。

このように薄肉部を構成する凹部を形成した構成では、ロアリンクのアッパピン側に燃焼荷重が作用し、クランクピン軸受部に反対方向へ向かう燃焼荷重反力が作用したときに、最大燃焼荷重反力が作用する位置と油孔との間に位置する薄肉部が比較的大きく変位することとなり、それだけ油孔のクランクピン側の開口縁における応力集中が緩和される。

この発明によれば、ロアリンクの強度上の弱点となるクランクピン軸受部における油孔の内周側開口縁における応力集中が緩和され、ロアリンクの強度確保や内燃機関の高出力化の上で有利となる。

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。 ロアリンクアッパの断面図。 半断面としたロアリンクアッパの斜視図。 図３の矢印Ａ方向から見た平面図。 図３のＢ−Ｂ線に沿った断面図。

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。

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。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軸受フランジ部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６参照）。つまり、ピンボス部１２，１３を構成する各々の軸受フランジ部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。クランクピン軸受部１２ａ，１３ａは、それぞれ円形の貫通孔１２ｂ，１３ｂを有し、アッパピン４およびコントロールピン９の端部がそれぞれ圧入されている。そして、一対の軸受フランジ部１２ａ，１３ａの間に構成される溝部１７，１８の中で、それぞれアッパリンク３およびコントロールリンク７が揺動運動する構成となっている。

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には油孔２１が貫通形成されており、この油孔２１がクランクピン５側の潤滑油通路先端と合致したときに油孔２１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、油孔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。図３において、矢印Ｐ１はアッパピン用ピンボス部１２に作用する燃焼荷重を示し、矢印Ｐ２はクランクピン軸受部１１に作用する燃焼荷重反力を示している。燃焼荷重Ｐ１は、ピストン１からアッパリンク３の長手方向に沿った方向にアッパピン４を介してアッパピン用ピンボス部１２に入力される。燃焼荷重反力Ｐ２は、コントロールピン９を支点とするロアリンク６の姿勢で定まる方向に作用し、具体的には、ロアリンクアッパ６Ａにおける半円形をなすクランクピン軸受部１１の中で中央位置よりもコントロールピン９寄りとなる周方向位置へ向かって作用する。なお、Ｐ１，Ｐ２のいずれも燃焼荷重が最大となるときのクランク角における荷重作用方向を示している。

油孔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の連結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、アッパピン４とアッパリンク３との連結部を指向した方向でクランクピン軸受部１１にクランクピン５の半径線にほぼ沿って直線状に貫通形成されている。具体的には、ロアリンクアッパ６Ａにおける半円形をなすクランクピン軸受部１１の中で中央位置よりもアッパピン４寄りとなる周方向位置例えば分割面１４から４５°付近の周方向位置に設けられている。

油孔２１は、ロアリンク６を鍛造で形成する場合には、二次的な機械加工つまりドリル加工によって形成される。ロアリンク６を例えばロストワックス法等で精密鋳造する場合には、油孔２１を型成形することも可能である。アッパリンク３の端部へ向かう油孔２１の先端は、クランクピン軸受部１１の外周側の面、換言すれば一対の軸受フランジ部１２ａの間の溝部１７の底面に開口している。クランクピン５の軸方向については、油孔２１は、一実施例では、クランクピン軸受部１１の軸方向寸法の中央に位置している。

図４は、クランクピン５の軸方向と直交する面に沿って断面としたロアリンクアッパ６Ａの半部を斜め方向から見た斜視図である。図３および図４に示すように、ロアリンクアッパ６Ａにおけるクランクピン軸受部１１の外周側の面には、部分的な薄肉部２２を構成するための凹部２３が二次的な機械加工により形成されている。凹部２３は、クランクピン軸受部１１の周方向について、前述した最大燃焼荷重反力Ｐ２が作用する方向となる周方向位置と油孔２１との間の周方向角度範囲内に位置している。具体的な一例では、凹部２３の周方向の一端２３ａが油孔２１の先端開口に僅かな距離を残して隣接し、かつ、周方向の他端２３ｂが半円形をなすクランクピン軸受部１１の中央付近に位置している。図３に示すように、凹部２３の一端２３ａおよび他端２３ｂの付近の端部（つまり周方向の両端部）は、湾曲面をなしている。また凹部２３の周方向の中間部分では、薄肉部２２が一定の肉厚でもって周方向のある角度範囲に亘って連続して形成されている。換言すれば、薄肉部２２は一定の肉厚の円弧状をなしている。

図５は、凹部２３を図３の矢印Ａ方向から見た平面図である。図示するように、凹部２３は、一対の軸受フランジ部１２ａの間に形成されており、図３から容易に理解できるように、周方向に展開してみたときの平面視においては正方形に近い矩形状をなしている。つまり、一定の肉厚を有する薄肉部２２は円弧形に湾曲した矩形の板状をなしている。

また、図６は、図３のＢ−Ｂ線に沿った断面図を示している。この図６に示すように、凹部２３は、軸方向の両端部２３ｃ，２３ｄが略円弧形に湾曲しており、これらの端部２３ｃ，２３ｄを介して、一対の軸受フランジ部１２ａの互いに対向する側面１２ｃに接続されている。凹部２３の両端部２３ｃ，２３ｄを除く軸方向中央部分に形成される薄肉部２２は、図６に示すように、軸方向に一定の肉厚でもって延びている。また、図６から容易に理解できるように、凹部２３の軸方向に沿った形成範囲は、油孔２１の直径よりも大きい。つまり、図６において油孔２１を凹部２３に投影してみたときに、油孔２１の開口全体が薄肉部２２の形成範囲に包含される。

凹部２３は、軸受フランジ部１２ａの側面１２ｃや溝部１７の底面となるクランクピン軸受部１１の外周側の面を最初に機械加工した後に、さらに二次的に機械加工される。図６における凹部２３の両端部２３ｃ，２３ｄと軸受フランジ部１２ａの側面１２ｃとの間の境界が、基本的なクランクピン軸受部１１の外周面の基準輪郭２４を示している。つまり、凹部２３は、軸受フランジ部１２ａの側面１２ｃにおけるクランクピン軸受部１１の基準輪郭２４を残して軸方向の中央部分がクランクピン５内周側へと凹んだ構成となっている。図３に示すように、基準輪郭２４は、凹部２３の周方向の一端２３ａと他端２３ｂとを、ほぼ一定の肉厚のままクランクピン５とほぼ同心の円弧に沿うように滑らかに連続させた形状をなしている。

なお、実施例の凹部２３は一対の軸受フランジ部１２ａの間の間隔の全体に亘って形成されているが、軸方向の寸法がより小さなものであってもよい。この場合には、基準輪郭２４が幅を有する帯状に残存することとなる。

図３におけるｔ１，ｔ２，ｔ３は、クランクピン軸受部１１の各部の肉厚を示している。いずれも、クランクピン５の半径方向に沿った厚さ寸法である。肉厚ｔ１は、油孔２１の形成位置における肉厚であり、より詳しくは、油孔２１のクランクピン軸受部１１内周側の開口中心を通る断面における厚さ寸法を示している。肉厚ｔ２は、凹部２３により構成される薄肉部２２の肉厚である。また、肉厚ｔ３は、前述した最大燃焼荷重反力Ｐ２が作用する方向となる周方向位置におけるクランクピン軸受部１１の厚さ寸法を示している。

上記実施例においては、薄肉部２２の肉厚ｔ２は、油孔２１の形成位置における肉厚ｔ１よりも小さい。つまり、薄肉部２２の剛性が相対的に低い。従って、アッパピン用ピンボス部１２に最大燃焼荷重Ｐ１が作用し、クランクピン軸受部１１に最大燃焼荷重反力Ｐ２が作用したときに、油孔２１の周囲に比較して薄肉部２２において相対的に大きな変位が生じ、それだけ油孔２１のクランクピン５側の開口縁における応力集中が緩和される。換言すれば、最大燃焼荷重反力Ｐ２が作用する位置から油孔２１へ至る荷重伝達が、油孔２１の手前に位置する薄肉部２２によって制限され、油孔２１開口縁での応力集中が生じにくくなる。特に、図示例では、薄肉部２２が一定の肉厚ｔ２でもって周方向に長く連続し、かつ軸方向に広く拡がって形成されているので、広い範囲で変位が生じ、薄肉部２２の領域内での局部的な応力集中などを回避しつつ油孔２１開口縁での応力集中を効果的に抑制することができる。

さらに、上記実施例においては、薄肉部２２の肉厚ｔ２は、最大燃焼荷重反力Ｐ２が作用する位置における肉厚ｔ３よりも小さい。従って、肉厚が大きく剛性が高い周方向の２カ所（ｔ１の部位およびｔ３の部位）の間に薄肉部２２が存在する形となり、薄肉部２２が優先的に変位して油孔２１開口縁の応力集中が緩和される。

なお、最大燃焼荷重反力Ｐ２が作用する位置における肉厚ｔ３は、油孔２１の形成位置における肉厚ｔ１よりも小さい。つまり、図示例は、「ｔ２＜ｔ３＜ｔ１」の関係を有している。従って、油孔２１開口縁での応力集中を抑制しつつ油孔２１の周囲の剛性および強度を高く得ることができる。

また、上記実施例のように凹部２３を備えたロアリンク６にあっては、いくつかの付加的な利点もある。第１に、燃焼荷重反力Ｐ２が作用する位置では肉厚ｔ３が大きいことから、軸受メタル１６外周面に対する反力ないし圧力が大きく得られるため、クランクピン軸受部１１内での軸受メタル１６の回転が抑制される。第２に、油孔２１に隣接した薄肉部２２における剛性低下によって油孔２１付近での油膜圧力が低くなり、クランクピン５の焼き付きのリスクが低くなる。第３には、凹部２３に潤滑油が溜まり、ロアリンク６の運動に伴ってアッパリンク３やアッパピン４に向かって飛沫供給することができる。その他、凹部２３の形成はロアリンク６の軽量化にも寄与する。

なお、図示例のロアリンクアッパ６Ａ（ロアリンク６）は、上記の油孔２１のほかに、ピストン１（図１参照）ないしシリンダ内壁面へ向かってオイルジェットを供給するための油孔２８を備えている。この油孔２８は、クランクピン軸受部１１の円周の中で最大燃焼荷重反力Ｐ２が作用する位置よりもコントロールピン９寄りに位置している。そのため、前述した燃焼荷重および燃焼荷重反力による開口縁での応力集中は比較的に少ない。従って、油孔２８に対しては凹部ないし薄肉部は設けられていない。

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
１２…アッパピン用ピンボス部
１２ａ…軸受フランジ部
１７…溝部
２１…油孔
２２…薄肉部
２３…凹部
２４…基準輪郭
ｔ１，ｔ２，ｔ３…肉厚

Claims (6)

1. 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にアッパピンを介して連結され、かつクランクシャフトのクランクピンに連結されたロアリンクと、一端が機関本体側に揺動可能に支持され、他端が上記ロアリンクにコントロールピンを介して連結されたコントロールリンクと、を備えてなる内燃機関のピストンクランク機構における上記ロアリンクであって、上記アッパピンと上記コントロールピンとの間に上記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、上記アッパピンと上記アッパリンクとの連結部を指向した油孔が上記クランクピン軸受部を貫通して形成された内燃機関のロアリンクにおいて、
   上記油孔の先端が開口する上記クランクピン軸受部の外周側の面に、上記クランクピンから最大燃焼荷重反力が作用する方向となる周方向位置と上記油孔との間の周方向角度範囲内に位置し、かつ上記油孔の位置におけるクランクピン軸受部の肉厚よりも薄い薄肉部を構成する凹部が形成されている、
   内燃機関のロアリンク。
2. 上記凹部は、クランクピン軸方向の形成範囲が、上記油孔の直径よりも大きい、請求項１に記載の内燃機関のロアリンク。
3. 上記薄肉部における肉厚は、上記最大燃焼荷重反力が作用する方向となる周方向位置における肉厚よりも薄い、請求項１または２に記載の内燃機関のロアリンク。
4. 上記最大燃焼荷重反力が作用する方向となる周方向位置における肉厚は、上記油孔の位置における肉厚よりも薄い、請求項３に記載の内燃機関のロアリンク。
5. 上記凹部は、周方向に展開したときの平面視において矩形状をなすように凹んでいる、請求項１〜３のいずれかに記載の内燃機関のロアリンク。
6. 上記アッパピンを支持するピンボス部が、ロアリンクの端面に沿って延びた一対の軸受フランジ部によって二股状に形成されており、
   上記油孔および上記凹部は、上記一対の軸受フランジ部に挟まれた溝部の底部に位置し、
   上記凹部は、上記軸受フランジ部の側面における上記面の基準輪郭を残して軸方向の中央部分がクランクピン内周側へ凹んでいる、請求項１〜５のいずれかに記載の内燃機関のロアリンク。

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