JP2974836B2 - コネクティングロッド - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、内燃機関の動力をクラ
ンクシャフトに伝達するために使用されるコネクティン
グロッドに関するものであり、さらに詳しくは、アルミ
ニウム合金製であって軽量化されたコネクティングロッ
ドに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、内燃機関においては、ピストンの
往復運動をクランクシャフトに伝達して回転運動に変え
るために、コネクティングロッドが使用されている。前
記コネクティングロッドは、アーム部の一方の端部がピ
ストンに取着される小端部、他方の端部がクランクシャ
フトに取着される大端部となっており、大端部は大端部
半体をアーム側大端部半体にネジを介して結合すること
によりクランクシャフトに取着されるようになってい
る。

【０００３】前記コネクティングロッドは、高回転に耐
える強度、靱性が要求されるので、鋼材から形成される
ことが一般的であった。鋼製のコネクティングロッドに
よれば、強度、靱性については十分であるが、重量が大
きくなる傾向があり、クランクシャフトに掛かる慣性負
荷が大きくなるので、内燃機関の回転数が制限される。

【０００４】一方、コネクティングロッドを軽量化する
ために、アルミニウム合金製のコネクティングロッドが
検討されている。アルミニウム合金製のコネクティング
ロッドによれば、クランクシャフトに掛かる慣性負荷を
低減でき、内燃機関の回転数向上が期待される。

【０００５】しかしながら、アルミニウム合金材は鋼材
に比較して強度が低いため、十分な強度を確保する対策
が必要になる。前記対策の一つとして、前記大端部を大
型にすることが考えられるが、この場合にはシリンダー
を含め内燃機関全体を大型化しなければならず、重量増
にもつながる。従って、前記大端部を十分な強度が得ら
れるほどに大型にすることは難しい。また、アルミニウ
ム合金材自体の強度向上はある程度可能であるが、強度
を上げるに従って破壊靱性が低下するため疲労強度が不
安定になり、ひいては信頼性が低下する傾向があるとの
不都合がある。

【０００６】本発明者らの検討によれば、コネクティン
グロッドでは径の小さな凹曲面部分、金属組織に欠陥の
ある部分及び、傷のある部分などに応力が集中しやすい
ことが判明した。アルミニウム合金製のコネクティング
ロッドのように、破壊靱性が低いコネクティングロッド
では、内燃機関の回転数を高めるとこの部分にクラック
が生じ、瞬時に破損につながることが懸念される。前記
径の小さな凹曲面部分としては、例えば、大端部に形成
されたネジの頭部を納める孔部の底部と側壁部との境
界、ネジ形成部などがある。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、かかる不都
合を解消して、優れた耐久性を有するアルミニウム合金
製の内燃機関用コネクティングロッドを提供することを
目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】そこで、本発明者らは前
記目的を達成するために鋭意研究を重ねた結果、アルミ
ニウム合金材の表面にニッケル−リンメッキを施すこと
により、前記クラックの発生及びその拡大を抑制でき、
疲労強度を向上できることを見い出し、本発明を完成し
た。

【０００９】即ち、本発明のコネクティングロッドは、
大端部半体と、アーム部に一体的に形成されたアーム側
大端部半体とを、ネジを介して結合してなるアルミニウ
ム合金製の内燃機関用コネクティングロッドであって、
表面にニッケル−リンメッキを施してなり、前記ニッケ
ル−リンメッキは、形成されるメッキ層全体に対して８
〜１１重量％のリンを含み、前記メッキ層形成後、さら
に４００℃より高く、５００℃より低い範囲の温度で熱
処理されてなることを特徴とする。前記ニッケル−リン
メッキは、形成されるメッキ層全体に対して、リンの含
有量が８重量％未満では十分な硬度のメッキ層が得られ
ず、１１重量％を越えると逆に得られるメッキ層の硬度
が低下する傾向がある。本発明のコネクティングロッド
は、前記ニッケル−リンメッキ層形成後、さらに前記熱
処理を施すことにより、ニッケル−リンメッキ層中のＮ
ｉ₃-Ｐ化合物が層中に析出し前記メッキ層が強化される
とともに、基体のアルミニウム合金に溶体化が生じ硬度
が向上する。前記熱処理の温度が４００℃未満ではアル
ミニウム合金の溶体化が不十分であり、５００℃以上で
はメッキ層及びアルミニウム合金の硬度が低下する。

【００１０】前記ニッケル−リンメッキ層は、５〜２０
μｍの範囲の厚さに形成されてなることが好ましい。メ
ッキ層の厚さが５μｍ未満のときには、コネクティング
ロッド表面の金属組織の欠陥、傷などが十分に被覆され
ず、メッキ層が薄いために十分な硬度も得られにくいの
で、前記クラックの発生を抑制する効果が低減される傾
向がある。また、メッキ層の厚さを２０μｍ以上として
も前記クラックの発生及び拡大を抑制する効果に変わり
はなく、性能の向上は望めない。

【００１１】

【００１２】

【００１３】

【作用】本発明のアルミニウム合金製の内燃機関用コネ
クティングロッドによれば、表面がニッケル−リンメッ
キにより被覆されるので、表面の金属組織の欠陥、傷な
どが被覆される。また、ニッケル−リンメッキは優れた
硬度を有するので、大端部に形成されたネジの頭部を納
める孔部の底部と側壁部との境界、ネジ形成部など径の
小さな凹曲面部分が補強される。

【００１４】従って、径の小さな凹曲面部分、金属組織
に欠陥のある部分及び、傷のある部分になどの応力が集
中しやすい部分で初期クラックの発生が抑制され、クラ
ックが発生したときにもその拡大が抑制される。前記ニ
ッケル−リンメッキは、８〜１１重量％のリンを含むと
きに、最も硬度の高いメッキ層が得られる。本発明のコ
ネクティングロッドによれば、前記ニッケル−リンメッ
キ層を形成した後、４００℃より高く、５００℃より低
い範囲の温度で熱処理することにより、Ｎｉ₃-Ｐ化合物
がニッケル−リンメッキ層中に析出するとともにアルミ
ニウム合金の溶体化が生じるので、ニッケル−リンメッ
キ層及び基体のアルミニウム合金のそれぞれの硬度が向
上される。

【００１５】前記ニッケル−リンメッキ層は、厚さを５
〜２０μｍの範囲とすることにより、コネクティングロ
ッド表面の金属組織の欠陥、傷などが十分に被覆され
る。

【００１６】

【００１７】

【実施例】次に、添付の図面を参照しながら本発明のコ
ネクティングロッドについてさらに詳しく説明する。図
１は本発明に係わるコネクティングロッドの一部を切り
欠いて示す平面図、図２は図１に示すコネクティングロ
ッド大端部に形成されたネジ孔の拡大図、図３はニッケ
ル−リンメッキ層の膜厚（μｍ）とコネクティングロッ
ドの耐久性との関係を示すグラフ、図４はニッケル−リ
ンメッキ層のリンの含有量（重量％）と硬度（ＨＶ）と
の関係を示すグラフ、図５はコネクティングロッドに膜
厚が１０μｍでありメッキ層全体に対して１０重量％の
リンを含有しているニッケル−リンメッキ層を形成した
後、このコネクティングロッドに加熱処理を施したとき
の加熱温度（℃）と前記メッキ層の硬度（ＨＶ）との関
係を示すグラフ、図６は図５と同じメッキ層を形成した
コネクティングロッドに図５と同様の加熱処理を施した
ときの加熱温度（℃）と基体のアルミニウム合金の硬度
（Ｈ_R Ｂ）との関係を示すグラフである。

【００１８】本実施例のコネクティングロッドは、図１
に示すように、アーム部１の一方の端部がピストン２に
取着される小端部３、他方の端部がクランクシャフト４
に取着される大端部５となっている。小端部３及び大端
部５は、アーム部１と一体的に形成されている。

【００１９】大端部５には、大端部５を貫通するネジ孔
６が設けられており、ネジ孔６の大端部半体５ａ側には
ネジ形成部７が備えられているが、アーム側大端部半体
５ｂ側にはネジが切られていない。大端部５は、ボルト
８を介して大端部半体５ａをアーム側大端部半体５ｂに
結合することによりクランクシャフト４に取着される。
ボルト８はネジ形成部７に螺合され、さらにナット９で
締めることにより、大端部半体５ａをアーム側大端部半
体５ｂに結合するようになっている。

【００２０】本実施例では、前記コネクティングロッド
を急冷高強度アルミニウム合金で形成した。前記アルミ
ニウム合金は、Ｓｉ１７重量％、Ｆｅ４重量％、Ｍｎ２
重量％、Ｃｕ２．５重量％、Ｍｇ０．５重量％を含んで
おり、強度に優れている。

【００２１】前記アルミニウム合金からなるコネクティ
ングロッドは、鋼製の同形のコネクティングロッドに比
較して約１／３の重量が軽量化されており、強度も十分
であるが、破壊靱性については鋼製の場合よりも劣る傾
向がある。

【００２２】前記コネクティングロッドでは、図２に拡
大して示すように、ネジ孔６のアーム側大端部半体５ｂ
側の端部にはボルト８の頭部８ａを収容する凹部６ａが
設けられている。また、ネジ孔６の大端部半体５ａ側に
はネジ形成部７が備えられている。そして、凹部６ａの
底部と側壁部との境界１０、ネジ形成部７など径の小さ
な凹曲面部分に応力が集中しやすい。

【００２３】さらに、アーム側大端部半体５ｂ側のネジ
孔６の側壁には、ネジ孔６を加工したときに形成された
加工目１１が残っており微細な傷になっている。

【００２４】そこで、本実施例では、前記コネクティン
グロッドの破壊靱性を向上させ、耐久性を改良するため
にニッケル−リンメッキを施し、前記コネクティングロ
ッドの全表面にメッキ層１２を形成して、表面の傷など
を被覆するとともに、前記径の小さな凹曲面部分を補強
する。

【００２５】本実施例では、前記ニッケル−リンメッキ
を、前記コネクティングロッドを下記の組成を有するメ
ッキ浴に浸漬する無電解メッキにより行った。

【００２６】前記メッキ浴は、１リットル中に硫酸ニッ
ケル２１ｇ、乳酸２８ｇ、プロピオン酸２ｇ、次亜リン
酸ナトリウム２０ｇを含み、ｐＨ５に調整されている。
前記無電解メッキは、前記メッキ浴の液温を９０℃に調
整し、前記コネクティングロッドを３０〜４０分間浸漬
することにより行った。得られたニッケル−リンメッキ
層１２は膜厚が１０μｍであり、メッキ層全体に対して
１０重量％のリンを含有していた。

【００２７】次に、前記ニッケル−リンメッキ層１２を
形成したコネクティングロッドに加熱処理を施した。加
熱処理は、まず、前記コネクティングロッドを４００℃
の温度に加熱して６０分間保持したのち、一旦水冷し、
再び１８０℃の温度に加熱して１２時間時効処理するこ
とにより行った。前記加熱処理によりニッケル−リンメ
ッキ層１２は、層中にＮｉ₃-Ｐ化合物が析出し、ＨＶ８
５０の硬度が得られた。また、基体のアルミニウム合金
には溶体化が生じ、Ｈ_R Ｂ９５の硬度が得られた。

【００２８】以上のようにして得られたコネクティング
ロッドを内燃機関に取着して実用に供したところ、この
内燃機関でコネクティングロッドにクラックの発生が始
まる回転数を１０％上昇させることができた。

【００２９】次に、メッキ層１２の膜厚を変量したとき
の膜厚とコネクティングロッドの耐久性との関係を図３
に示す。図３は、前記コネクティングロッドを前記メッ
キ浴に浸漬して形成したメッキ層の膜厚（μｍ）と前記
コネクティングロッドの耐久性との関係を示すグラフで
あり、コネクティングロッドの耐久性はコネクティング
ロッドを実用に供したときにクラックの発生が始まる回
転数（ｒ．ｐ．ｍ）で示している。

【００３０】図３から、ニッケル−リンメッキ層の膜厚
を５μｍ以上とすることにより、無処理のコネクティン
グロッドに比較して、クラックの発生が始まる回転数で
示すコネクティングロッドの耐久性が６〜１３％向上す
ることが明らかである。また、ニッケル−リンメッキ層
の膜厚を２０μｍ以上としても、コネクティングロッド
の耐久性は前記以上に改良されない。

【００３１】次に、メッキ層１２においてリンの含有量
を変量したときのメッキ層１２の硬度の変化について、
図４に示す。図４はニッケル−リンメッキ層のリンの含
有量（重量％）と硬度（ＨＶ）との関係を示すグラフで
あり、このときコネクティングロッドは前記ニッケル−
リンメッキ層の形成後に４００℃の温度に加熱され、前
述の条件で加熱処理されている。図４から、ニッケル−
リンメッキ層の硬度はリンの含有量が８重量％未満でも
増加する傾向がみられるが、特に８〜１１重量％のとき
に最も大きくなることが明らかである。

【００３２】次に、コネクティングロッドに対する前述
の加熱処理において最初の加熱温度を変えたときの、加
熱温度とニッケル−リンメッキ層の硬度との関係につい
て、図５に示す。図５は、本実施例のコネクティングロ
ッドにニッケル−リンメッキ層１２を形成した後に、加
熱処理を施したときの加熱温度（℃）とニッケル−リン
メッキ層１２の硬度（ＨＶ）との関係を示すグラフであ
る。尚、図５において、最初の加熱温度を変えた以外の
処理条件は、前述の加熱処理と同様である。

【００３３】図５に示すように、ニッケル−リンメッキ
層１２の硬度は加熱により向上し、約４００℃の温度で
処理したときに、最も高い硬度が得られることが明らか
である。前記硬度の向上は、ニッケル−リンメッキ層中
のＮｉ₃-Ｐ化合物が前記加熱処理によりメッキ層中に析
出するためと考えられる。

【００３４】次に、コネクティングロッドに対する前述
の加熱処理において最初の加熱温度を変えたときの、加
熱温度と基体のアルミニウム合金の硬度との関係につい
て、図６に示す。図６は、本実施例のコネクティングロ
ッドにニッケル−リンメッキ層１２を形成した後に、加
熱処理を施したときの加熱温度（℃）と基体のアルミニ
ウム合金の硬度（Ｈ_R Ｂ）との関係を示すグラフであ
る。尚、図６において、最初の加熱温度を変えた以外の
処理条件は、前述の加熱処理と同様である。

【００３５】図６に示すように、基体のアルミニウム合
金の硬度は加熱により向上し、約５００℃の温度で処理
したときに最も高い硬度が得られ、５００℃を越えると
急峻に低下することが明らかである。前記硬度の向上
は、アルミニウム合金に溶体化が生じ結晶構造が変化す
るためと考えられる。

【００３６】図５及び図６から、本発明のコネクティン
グロッドにおいて、メッキ層及び基体のアルミニウム合
金の双方の硬度をともに向上させるには、前述の加熱処
理を施すときに最初の加熱温度を４００℃より高く、５
００℃より低い範囲とすることが最も適していることが
明らかである。前記温度範囲で加熱処理することによ
り、メッキ層及びアルミニウム合金の双方の硬度が向上
するので、コネクティングロッドの破壊靱性及び耐久性
が増大する。

【００３７】

【発明の効果】以上のことから明らかなように、本発明
のアルミニウム合金製コネクティングロッドによれば、
表面に形成されるニッケル−リンメッキにより、金属組
織の欠陥、傷などが遮蔽されるとともに、応力の集中し
やすい部分が補強されるので、初期クラックの発生、拡
大を抑制することができる。前記ニッケル−リンメッキ
層は、８〜１１重量％のリンを含有させることにより、
硬度の高いメッキ層を得ることができる。本発明のアル
ミニウム合金製コネクティングロッドは、前記ニッケル
−リンメッキ層を形成した後、４００℃より高く５００
℃より低いの範囲の温度で加熱処理することにより、ニ
ッケル−リンメッキ層の硬度を向上させることができる
とともに、基体のアルミニウム合金の硬度もまた向上さ
せることができる。

【００３８】また、本発明のアルミニウム合金製コネク
ティングロッドでは、表面に形成されるニッケル−リン
メッキ層の厚さを５〜２０μｍの範囲とすることによ
り、コネクティングロッド表面の金属組織の欠陥、傷な
どが十分に被覆されるので、初期クラックの発生、拡大
を有効に抑制することができる。

【００３９】

【００４０】従って、本発明のアルミニウム合金製コネ
クティングロッドによれば、優れた強度を有するアルミ
ニウム合金を素材とするとともに、破壊靱性及び疲労強
度が増大されているので、耐久性が向上し、内燃機関の
回転数を上昇させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係わるコネクティングロッドの一部を
切り欠いて示す断面図。

【図２】図１に示すコネクティングロッド大端部に形成
されたネジ孔の拡大図。

【図３】コネクティングロッドに形成したニッケル−リ
ンメッキ層の膜厚（μｍ）とコネクティングロッドの耐
久性との関係を示すグラフ。

【図４】ニッケル−リンメッキ層のリンの含有量（重量
％）とニッケル−リンメッキ層の硬度（ＨＶ）との関係
を示すグラフ。

【図５】コネクティングロッドに膜厚が１０μｍであり
メッキ層全体に対して１０重量％のリンを含有している
ニッケル−リンメッキ層を形成した後、加熱処理を施し
たときの加熱温度（℃）と前記メッキ層の硬度（ＨＶ）
との関係を示すグラフ。

【図６】コネクティングロッドに膜厚が１０μｍであり
メッキ層全体に対して１０重量％のリンを含有している
ニッケル−リンメッキ層を形成した後、加熱処理を施し
たときの加熱温度（℃）と基体のアルミニウム合金の硬
度（Ｈ_R Ｂ）との関係を示すグラフ。

【符号の説明】

５…大端部、 ５ａ…大端部半体、 ５ｂ…アーム側大
端部半体、６…ネジ孔、６ａ…ボルトの頭部を収容する
凹部、 ７…ネジ形成部、１０…凹部６ａの底部と側壁
部との境界、 １１…加工目、１２…メッキ層。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) F16C 7/00 C23C 18/32

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】大端部半体と、アーム部に一体的に形成さ
   れたアーム側大端部半体とを、ネジを介して結合してな
   るアルミニウム合金製の内燃機関用コネクティングロッ
   ドであって、表面にニッケル−リンメッキを施してな
   り、前記ニッケル−リンメッキは、形成されるメッキ層
   全体に対して８〜１１重量％のリンを含み、前記メッキ
   層形成後、さらに４００℃より高く、５００℃より低い
   範囲の温度で熱処理されてなることを特徴とするコネク
   ティングロッド。
2. 【請求項２】前記ニッケル−リンメッキが、５〜２０μ
   ｍの範囲の厚さのメッキ層に形成されてなることを特徴
   とする請求項１記載のコネクティングロッド。