JP4241455B2 - コネクティングロッドのボールジョイント - Google Patents

Description

本発明は、ワッブル式（揺動式）の圧縮機に係り、特に、車両用空調装置における蒸気圧縮式の冷凍サイクルに使用するのに適したワッブル式の冷媒圧縮機において、コネクティングロッドの端部に設けられるボールジョイントに関するものである。

ワッブル式圧縮機においては、コネクティングロッドの端部にボールジョイントが設けられて、それによって、ワッブルプレート（揺動板）又はピストンに対してコネクティングロッドが傾斜することができるように連結される。このボールジョイントは、ワッブルプレート又はピストンの一部にかしめ部を設けて、そのかしめ部がコネクティングロッドの端部に形成されたボール部を包むようにかしめることによって構成される。このようなコネクティングロッドの端部におけるボールジョイントの改良に関する従来技術が特許文献１に記載されている。特許文献１には、かしめ前におけるピストンの円筒部内径をコネクティングロッドのボール径よりも若干大きくすること、及び、かしめパンチの曲面の曲率半径をコネクティングロッドのボールの半径とピストンの円筒部の肉厚とを加えた値にほぼ等しくすること、更に、かしめパンチの曲率中心とボールの中心を一致させること、等が開示されている。

特開平５−２５６２５６号公報

特許文献１に記載されたボールジョイントにおいては、かしめ後にボールの赤道周りにオイル溜めとして大きな隙間が形成される。しかし、開示されたボールジョイントの製造方法によってかしめ部をコネクティングロッドのボール部にかしめ付けた場合には、かしめ部の円筒部の内周面がボールの球面よりもはるかに小さい曲率（大きい曲率半径）を有するようになるので、かしめ部における円筒部の強度が低下して、このコネクティングロッドを使用するワッブル式圧縮機を運転したときに、ボールジョイントのかしめ部からボール部が抜けやすいという問題がある。

また、ワッブル式圧縮機を小型化するためには、ワッブルプレート又はピストンに対するコネクティングロッドの倒れ角度（傾斜角度）を大きくする必要があるが、その場合にはコネクティングロッドのボール部を包むかしめ部の長さ、つまりかしめ部の円筒部の高さを低くすることになるので、ボール部の包み代が小さくなって、ボール部が一層かしめ部から抜けやすくなるという問題がある。

更に、１個のワッブルプレートの周辺部に複数個のコネクティングロッドを連結するために、連結部としてかしめ部からなる複数個のボールジョイントを設ける場合には、複数個のかしめ部のうちの１個にでも不具合が発生すると、そのワッブルプレート全体か、或いは複数個のコネクティングロッドを含めたアッセンブリー全体が不良品ということになるので、不良品の発生率が高くなるだけでなく、不良品１個当りの単価が高くなる結果、ワッブルプレート及び圧縮機全体の製造コストが高くなるという問題もある。

本発明は、従来技術における上記のような問題点に鑑み、流体を高圧まで加圧する圧縮機に使用されると共に、高温の雰囲気において作動する場合でも、ワッブルプレートと、コネクティングロッド端部のボール部との間に設けられるボールジョイントが安定に且つ確実にボール部を保持することができるような、また、低温時にボールジョイントのかしめ部によってコネクティングロッドのボール部が過度に強く締め付けられて、コネクティングロッドがワッブルプレートに対して自由に傾動することができなくなるという恐れがなく、更に、製作時の不具合によって完成率が低下したり製造コストが上昇するのを防止することができるような、ワッブル式圧縮機のための小型で堅牢な構造を有するコネクティングロッド用のボールジョイントを提供することを目的としている。

本発明は、この課題を解決するための手段として、特許請求の範囲の各請求項に記載されている通りの、ワッブル式圧縮機に使用されるコネクティングロッドのためのボールジョイントを提供する。本発明のボールジョイントは、基本的に、ワッブルプレートの揺動運動に応じてピストンをシリンダボア内で往復運動させるために、ワッブルプレートとピストンを連結するコネクティングロッドのワッブルプレート側の端部に設けられて、ワッブルプレートに対するコネクティングロッドの傾動を許すボールジョイントであって、複数個のコネクティングロッドの端部にそれぞれ形成された複数個のボール部と、ワッブルプレートの周辺部に形成されて複数個のボール部をそれぞれ受け入れる複数個の半球形の凹部と、複数個のボール部を半球形の凹部内へ同時に押さえ込むために複数個の円形の穴を有するカバープレートと、カバープレートをワッブルプレートに固定するための手段とを備えていると共に、カバープレートには、その円形の穴へコネクティングロッドを導くための切り欠きが形成されていることを特徴とする。

本発明のボールジョイントにおいては、カバープレートに設けられる切り欠きが、コネクティングロッドによってカバープレートに作用する荷重が実質的に最小となる状態においてコネクティングロッドがとる方向と合致するように形成することが望ましい。それによって、カバープレートがコネクティングロッドによって切り欠きに大きな力を受けて変形するとか、破損するという恐れがなくなる。この切り欠きは、ピストンが吸入行程から圧縮行程へ移行する時期にコネクティングロッドがとる方向と実質的に合致するように形成するのがよい。

また、本発明のボールジョイントにおいては、単一のカバープレートが複数個のコネクティングロッドのボール部を同時に押さえ込む構造になっているので、かしめによって製作される従来のボールジョイントに比べてメンテナンス性に優れているだけでなく、製造時に一部のかしめ不良等によって全体が不良品となるようなデメリットを小さくすることができる利点がある。

本発明のボールジョイントにおいては、カバープレートを弾性変形可能な材料から製作することによって、コネクティングロッドの端部のボール部がワッブルプレートに対して弾力的に連結することが望ましい。更に、カバープレートのみならず、ボール部を介して伝えられる圧縮反力を支持するための半球形の凹部を形成されるワッブルプレートそのものも、実質的に弾性変形可能な材料から製作することにより、カバープレートとの間でボール部を弾力的に挟み込んで支持することが望ましい。それによって、このボールジョイントが二酸化炭素を冷媒とする空調装置における冷媒圧縮機として使用される場合でも、低温時にカバープレートがボール部を過度に強く締め付ける恐れがなくなるので、常に円滑にワッブルプレートに対するコネクティングロッドの傾動が可能になる。

本発明のコネクティングロッドのボールジョイントは優れた強度とメンテナンス性を有するので、ワッブル式の圧縮機の中でも特に過酷な運転条件におかれるもの、例えば冷媒として二酸化炭素を使用する空調装置における冷媒圧縮機用のものとして好適に使用することができる。

図１に、本発明のボールジョイントを備えているコネクティングロッドを使用することができるワッブル式圧縮機（揺動式圧縮機）１の構造を例示する。このワッブル式圧縮機１は相互に連結されたフロントハウジング２、センターハウジング３、及びリアハウジング４からなる外殻を有する。フロントハウジング２とセンターハウジング３の中心部を貫くように、１本のシャフト５が回転自由に軸承されている。シャフト５に対して直角にドライブプレート６が取り付けられており、それに対して鋭角の角度をなすように傾くことができると共に、一体的に回転することができるように、概ね円板状の旋回部材（斜板）７が、ドライブプレート６に対してリンク機構８を介して連結されている。更に、旋回部材７の揺動運動と共に揺動することができる概ね円板状のワッブルプレート（揺動板）１０が、旋回部材７の傾斜した面に対してスラスト軸受９を介して連結されて、シャフト５に対して自由に傾斜することができるように緩挿されている。

シャフト５の軸方向におけるワッブルプレート１０の初期位置は、そのワッブルプレート１０の軸方向の両側においてシャフト５に嵌挿された一対のコイルスプリング１１及び１２の押圧力の釣り合いによって決まる。また、ドライブプレート６に対するワッブルプレート１０の傾斜角度も、シャフト５上におけるワッブルプレート１０の中心の軸方向位置によって決まる。ワッブルプレート１０の中心の軸方向位置は、前述のコイルスプリング１１及び１２の押圧力と、後述のピストンに作用する圧縮反力との釣り合いによって自動的に決まる。なお、ワッブルプレート１０には半径方向に突出する棒状片１３が設けられていて、その先端がセンターハウジング３の内面に形成されたガイド溝１４に係合して案内されるので、ワッブルプレート１０は旋回部材７と共にシャフト５に対して同じ角度だけ傾斜することができるものの、それと共に回転することは制止される。

センターハウジング３の内部にはシャフト５と平行に複数個（例．７個）のシリンダボア１５が開口するように形成されている。それぞれのシリンダボア１５には軸方向に摺動自由なピストン１６が挿入されている。ピストン１６を往復運動させるために、ワッブルプレート１０と各ピストン１６はコネクティングロッド（ロッドと略称する）１７によって、ボールジョイント３２，３３を介して傾動自由に連結されている。ボールジョイント３２及び３３を構成するために、図１に示すように、ロッド１７の両端には球形のボール部１８が形成されていて、それぞれワッブルプレート１０及びピストン１６の一部によって包み込まれている。

ワッブルプレート１０側のロッド１７の端部にはボールジョイント３３が構成される。そのために、ロッド１７のボール部１８を受け入れ得るように、ワッブルプレート１０の周辺部の所定の位置に半球形の凹部３８がロッド１７の数だけ設けられる。ボール部１８は半球形の凹部３８に着座するが、その状態を維持してボール部１８が凹部３８から離れるのを阻止するために、ワッブルプレート１０上の全てのボール部１８を同時に押さえ込む概ね円環状のカバープレート３５がワッブルプレート１０に取り付けられる。カバープレート３５をワッブルプレート１０に取り付ける方法として、例えば、カバープレート３５の外周の概ね全域に曲げ加工を施して、ワッブルプレート１０の周縁部にかしめ付けるという方法をとることができる。このかしめ部３９を図２において拡大して示す。

この場合には、カバープレート３５に予め図３に示すような切り欠き３６をロッド１７の数だけ形成しておいて、ロッド１７の軸部が切り欠き３６を通過することができるようにする。それによってロッド１７のボール部１８がカバープレート３５に形成された円形の穴３７に係合して抜け止め作用を受ける。円形の穴３７の内面はボール部１８の球形に沿った部分的な球面とするとよい。カバープレート３５上において切り欠き３６を設ける位置或いは方向は次のようにして決定される。

図４はシャフト５が一回転する間にボールジョイント３３に作用する荷重の変化を示している。横軸はシャフト５の回転角度Ｒ°に対応し、縦軸は荷重の総和（総荷重）に対応している。図４の線図の右半部から明らかなように、ピストン１６の移動により作動室２０が拡大して冷媒を吸入する吸入行程においては、ボールジョイント３３にボール部１８を凹部３８から引き離そうとする方向の負の力が作用する。この時にカバープレート３５がそれを阻止するので、カバープレート３５側に荷重が作用する。

また、図４の線図の左半部に示すように、ピストン１６が下死点を過ぎた後の圧縮行程においては、ピストンが受ける圧縮荷重（圧縮反力）によって、ボールジョイント３３のボール部１８をワッブルプレート１０に形成された半球形の凹部３８に押し付ける方向の正の力が作用する。この時はワッブルプレート１０に力が作用していて、カバープレート３５には力が作用しないことになる。図示実施例においてはこの性質に着目して、カバープレート３５に作用する荷重が最も小さくなる位置Ｐにおけるロッド１７の、カバープレート３５上における投影の傾斜方向Ｄに沿って切り欠き３６を設ける。

なお、コネクティングロッド１７のピストン１６側の端部に形成されたボール部１８のためにボールジョイント３２が設けられるが、ボールジョイント３２の構造は図１に示すように従来のものと同様なものでよい。例えば、それぞれのロッド１７のボール部１８を受け入れるように、ピストン１６にボール部１８の球面に適合する半球形の底部２７を形成すると共に、その周囲から突出している筒形の部分をボール部１８の周りにかしめ加工することによって、図５に示すようなかしめ部１９を形成してボール部１８を包み込み、ピストン１６に対してロッド１７を傾斜角度θによって示すように傾動自由に連結するボールジョイント３２を形成している。

図６から図８の各図に、前述のボールジョイント３２及び３３を構成する各部分の分解状態と、それらを組み付けるための手順を例示する。図６は図３に部分的に示されているカバープレート３５の全体を示したもので、その周辺部を７等分する位置に円形の穴３７がそれぞれ設けられ、それらと中心部の共通の大きな開口４０とを接続する切り欠き３６が前述のような手法によって決定される方向Ｄに沿って形成されている。

図７に示すように、コネクティングロッド１７の一端のボール部１８には予めピストン１６がかしめ付けられて、それらが相対的に傾動自由なボールジョイント３２を構成している。そのようなピストン１６を有する７本のロッド１７のそれぞれを、切り欠き３６を通過させてカバープレート３５の円形の穴３７の中心まで移動させる。それによってロッド１７の他端のボール部１８が円形の穴３７に整合する。

次に、ピストン１６及びロッド１７とカバープレート３５からなる仮組立体の中心部にシャフト５を挿入し、更に、予め周辺部に均等に７個の半球形の凹部３８を形成されたワッブルプレート１０をシャフト５に挿通させて、それぞれの凹部３８にロッド１７の他端部のボール部１８を嵌合させる。そして、図８に示すようにカバープレート３５の周縁部をワッブルプレート１０の周りにかしめ付けて、１つの大きなかしめ部３９を形成することにより、ワッブルプレート１０とカバープレート３５を一体化し、同時に７個のボールジョイント３３を作り上げる。この時に、図示実施例においては、カバープレート３５の中心開口４０の内周縁部に対して、ワッブルプレート１０の中心開口４１の一部４２をかしめ付けることにより、他のかしめ部４３を形成している。

図示実施例のワッブル式圧縮機１は、このような構造のボールジョイント３２及び３３を備えているから、ワッブルプレート１０が回転を伴わない揺動運動をする時に、ロッド１７はボール部１８を中心としてワッブルプレート１０及びピストン１６に対して傾斜しながら、ワッブルプレート１０の揺動運動による変位の軸方向成分をピストン１６に伝達し、それによってピストン１６をシリンダボア１５内で往復運動させることにより、シリンダボア１５とピストン１６によって形成されて拡縮する作動室２０において、二酸化炭素冷媒のような流体を圧縮する。この場合の傾斜角度θは図２及び図５に示すように、ワッブルプレート１０又はピストン１６の面に対して垂直な直線と、ロッド１７の中心線とのなす角度として定義される。

なお、図１に示したように、センターハウジング３とリアハウジング４との間にはバルブプレート２１が挟み込まれているが、バルブプレート２１には吸入孔２２と吐出孔２３が開口していて、吸入孔２２はリアハウジング４の外周部に形成された吸入室２４と作動室２０との間をリード状の吸気弁を介して連通させることができると共に、吐出孔２３は作動室２０とリアハウジング４の中心部に形成された吐出室２５との間をリード状の吐出弁を介して連通させることができる。

従って、ワッブルプレート１０の揺動運動によってピストン１６がロッド１７によって引っ張られることにより、ピストン１６がバルブプレート２１から離れる方向に移動する時に、図示しない空調装置のエバポレータから吸入室２４へ導入された冷媒のような流体が吸入孔２２を通って作動室２０へ吸入される。それとは逆に、ワッブルプレート１０によってロッド１７を介して押されることによって、ピストン１６がバルブプレート２１に向かって接近する方向に移動する時に、作動室２０内で圧縮された流体が吐出孔２３を通って吐出室２５へ吐出されて、図示しない空調装置のコンデンサ或いはガスクーラーへ導かれることになる。

流体が作動室２０内で圧縮されることによってピストン１６には圧縮反力が作用する。圧縮行程にある約半数のピストン１６から圧縮反力による軸方向力がロッド１７を介してワッブルプレート１０の周辺部に伝えられることにより、ワッブルプレート１０はバルブプレート２１から遠ざかる方向に押される。この軸方向力はシャフト５の周りに均等に分布しないで偏っているのと、リンク機構８がワッブルプレート１０の傾斜角度の変化を許す構造となっているので、コイルスプリング１１及び１２の付勢力と、圧縮反力による偏った軸方向力等との釣り合いによってワッブルプレート１０の傾斜角度が決まり、それに従って、ワッブル式圧縮機１の単位時間当たりの吐出量（吐出能力）が決まる。この吐出能力はワッブル式圧縮機１の負荷、即ち、空調装置の冷房需要の大きさに応じて自動的に且つ無段階に変化する。

図示実施例においては図２や図８に示すように、カバープレート３５の周辺部をワッブルプレート１０の対応部分にかしめ付けることにより、大きなかしめ部３９及び４３を形成して複数個のボールジョイント３３を構成する両者を一挙に連結している。このような構成をとることにより、かしめ不良が生じたときでも、その部分だけを補修することによって、容易に組み付けを完了することができる。これに対して、ロッド１７のボール部１８を１個ずつワッブルプレート１０にかしめ付けることによって完成する従来の組み付け方法では、後でかしめたボールジョイントにかしめ不良が発生すると組立体全体が不良品となるので、先にかしめた部分の工程が全て無駄になる。

また、本発明によって、カバープレート３５の外周のような大きな周辺部をかしめる工程は、ロッド一本毎の小さいボール部１８の周りにかしめ部を形成する作業よりも遥かに容易である。更に、ロッド一本毎にかしめを行う場合に比べて、かしめ部のばらつきが小さくなる。また、本発明の場合には、ロッド１７のボール部１８をカバープレート３５の剛性によって支持するので、カバープレート３５を弾性のある材料から製作すると共に、適度の弾性変形が可能なようにワッブルプレート１０に取り付けることによって、カバープレート３５が板ばねとして作用するので、ロッド１７のボール部１８が弾力的に支持される。従って、温度の変化によってボールジョイント３３が緩んで遊隙ができたり、締まり過ぎて円滑に傾動できなくなるというような、従来のかしめ構造において発生する恐れがある問題が解消する。

また、コネクティングロッド１７がカバープレート３５を貫通する部分には、総荷重の少なくなる方向に切り欠き３６を設けるので、二酸化炭素を冷媒とする圧縮機のボールジョイントのように高温、高圧の環境におかれるものにおいても、ボールジョイント３３が必要以上に緩むことがなく、低温から高温まで良好に作動することができる。更に、二酸化炭素を冷媒とする空調装置の圧縮機は、同等の冷房能力を有するフロンを冷媒とする空調装置の圧縮機よりもピストンや、シリンダー径を小さくできるので、ロッド１７の倒れ角（傾斜角度）θを大きくすることが容易な本発明の構成を採用することにより、圧縮機全体を更に小型化することができるという利点がある。

なお、カバープレート３５とワッブルプレート１０との連結は、図示実施例のようにかしめ部３９，４３等を設けて行うことができるほか、例えば、複数個のロッド１７のボール部１８によって形成される仮想の円よりも内側の位置に３本以上のボルトを使用して、カバープレート３５をワッブルプレート１０に螺着しても、概ね、かしめ付けの場合と同様な効果が得られる。

更に、本発明のボールジョイントの構成では、ワッブルプレート１０の一部を分割して本体から分離可能なカバープレート３５としている点に特徴があるので、このようにワッブルプレート１０を二つの部分に分解することができることからメンテナンス性が格段に向上し、使い勝手も向上する。

本発明によるコネクティングロッドのボールジョイントは、ワッブル式の圧縮機において好適に使用されるものとして説明しているが、このボールジョイントが、ワッブル式のポンプや原動機を含む一般的にはワッブル式（揺動式）の流体機械と言うべきものに適用可能であることは言うまでもない。

本発明によるボールジョイントを有するコネクティングロッドを使用するのに適したワッブル式圧縮機を例示する縦断面図である。 本発明の特徴を備えるボールジョイントを拡大して示す断面図である。 図２に対応するカバープレートの一部を拡大して示す断面図である。 本発明の着眼点を説明するための線図である。 他のボールジョイントを拡大して示す断面図である。 カバープレート全体を示す断面図である。 ボールジョイントに関連する部分の組み付け前の断面図である。 完成したボールジョイント関係の組立体を示す断面図である。

符号の説明

１…ワッブル式（揺動式）圧縮機
１０…ワッブルプレート（揺動板）
１６…ピストン
１７…コネクティングロッド
１８…ボール部
３２，３３…ボールジョイント
３５…カバープレート
３６…切り欠き
３７…円形の穴
３８…半球形の凹部
３９，４３…かしめ部
４０，４１…中心開口

Claims (5)

1. ワッブル式の圧縮機においてワッブルプレートの揺動運動に応じてピストンをシリンダボア内で往復運動させるために、前記ワッブルプレートと前記ピストンを連結するコネクティングロッドの前記ワッブルプレート側の端部に設けられて、前記ワッブルプレートに対する前記コネクティングロッドの傾動を許すボールジョイントであって、複数個の前記コネクティングロッドの端部にそれぞれ形成された複数個のボール部と、前記ワッブルプレートの周辺部に形成されて複数個の前記ボール部をそれぞれ受け入れる複数個の半球形の凹部と、複数個の前記ボール部を前記半球形の凹部内へ同時に押さえ込むために複数個の円形の穴を有するカバープレートと、前記カバープレートを前記ワッブルプレートに固定するための手段とを備えていると共に、前記カバープレートには、前記円形の穴へ前記コネクティングロッドを導くための切り欠きが形成されていて、前記切り欠きが、前記コネクティングロッドによって前記カバープレートに作用する荷重が実質的に最小となる状態において前記コネクティングロッドがとる方向と合致するように形成されることを特徴とする、コネクティングロッドのボールジョイント。
2. 請求項１において、前記切り欠きが、前記ピストンが吸入行程から圧縮行程へ移行する時期に前記コネクティングロッドがとる方向と実質的に合致するように形成されていることを特徴とする、コネクティングロッドのボールジョイント。
3. 請求項１又は２において、前記カバープレートが弾性変形可能な材料から製作されていることによって、前記コネクティングロッドの端部の前記ボール部が、前記ワッブルプレートに対して弾力的に連結されていることを特徴とする、コネクティングロッドのボールジョイント。
4. 請求項３において、前記コネクティングロッドの端部の前記ボール部が、弾性変形可能な材料から製作された前記カバープレートと、同じく弾性変形可能な材料から製作された前記ワッブルプレートに形成されて圧縮反力を支持する前記半球形の凹部との間に挟み込まれることによって、前記ワッブルプレートに対して弾力的に連結されていることを特徴とする、コネクティングロッドのボールジョイント。
5. 請求項１ないし４のいずれかにおいて、前記ワッブル式の圧縮機が、空調装置において冷媒としての二酸化炭素を圧縮するために使用されることを特徴とするコネクティングロッドのボールジョイント。

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