JP4357888B2

JP4357888B2 - シリンダブロック構造

Info

Publication number: JP4357888B2
Application number: JP2003201347A
Authority: JP
Inventors: 健司播磨; 晃弘勝矢; 透白石
Original assignee: NHK Spring Co Ltd; Fuji Jukogyo KK
Current assignee: NHK Spring Co Ltd; Subaru Corp
Priority date: 2003-07-24
Filing date: 2003-07-24
Publication date: 2009-11-04
Anticipated expiration: 2021-01-31
Also published as: JP2004003505A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、クランク軸を軸支するベアリングハウジングが、クランク軸とは異なる熱膨張率の材料で形成されたシリンダブロック構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
エンジンの重量軽減を図るために、アルミ合金を鋳造成形したシリンダブロックが知られている。このシリンダブロックには、複数のベアリングハウジングが設けられており、これらに介装された軸受メタルによって鉄製のクランク軸が軸支されている。そして、エンジン作動時には、シリンダ内における混合気の燃焼により発生した熱がベアリングハウジングに伝達される。ベアリングハウジングの温度が上昇すると、アルミ合金と鉄との熱膨張率の差によって、アルミ合金製のベアリングハウジングと鉄製のクランク軸との間のクリアランス（隙間）が大きくなる。その結果、車両走行時における振動や騒音の発生を招く。
【０００３】
そこで、例えば、特開平１０−１５９６４８号公報には、個々の軸受部（ベアリングハウジング）に、低熱膨張率、高剛性、かつ軽量なアルミ合金製のベアリングキャップを、超音波はんだ付により接合した構成が開示されている。また、一例として、ベアリングキャップの材質が繊維強化アルミニウム合金である点も開示されている。ベアリングキャップは、ベアリングハウジングと同じ幅を有し、ベアリングハウジング毎に一つのベアリングキャップが接合されている。このような構成では、ベアリングキャップを低熱膨張率のアルミニウム合金製とすることにより、それとクランク軸との熱膨張率の差を小さくできる。したがって、温度変化に拘わらず、クランク軸と軸受面との間のクリアランスが適切に保たれるため、振動や騒音の問題を解決できる。
【０００４】
また、特開２０００−２０５０３７号公報には、アルミ合金製のシリンダブロックの左右の外側壁を連結し、かつ、クランク軸のベアリングハウジングをなす個々のバルクヘッドに、強化繊維からなり左右の外側壁を横断するプリフォームを鋳込んだ構成が開示されている。それぞれのバルクヘッドに、その左右全長に亘るような形状を有する単一のプリフォームを鋳込む。これにより、プリフォームが鋳込まれた領域が繊維強化金属（ＦＲＭ）化されるため、バルクヘッドが高剛性化される。その結果、左右の外側壁の振動が抑制されるとともに、軸受面の熱膨張も抑えられる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、クランク軸を軸支するベアリングハウジングには、混合気の燃焼により発生した衝撃的な高荷重を直接受けるため、十分な強度・剛性が要求される。しかしながら、上述した特開２０００−２０５０３７号公報のように、バルクヘッドの左右全長に亘るような形状を有する単一のプリフォームを鋳込む手法では、ベアリングハウジングに要求される強度・剛性を確保できない可能性がある他、製造された製品間で熱膨張のばらつきが生じやすい。なぜなら、個々のベアリングハウジングに単一のプリフォームを鋳込む場合、プリフォーム自体の体積が大きくなるため、鋳込まれたプリフォームの内部までアルミ溶湯が十分に含浸せず、空孔が生じるケースが想定されるからである。一方、プリフォームの体積を小さくした場合、かかる不都合は回避できる反面、クランク軸と軸受面との間のクリアランスを適切に保つという本来の目的を達成することが困難になる。
【０００６】
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、クランク軸を軸支するベアリングハウジングが、クランク軸とは異なる熱膨張率の材料で形成されたシリンダブロック構造において、ベアリングハウジングとクランク軸との熱膨張率の差を小さくするとともに、ベアリングハウジングの強度・剛性の確保を図ることである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
かかる課題を解決するために、本発明は、鉄製のクランク軸を軸支するとともに、クランク軸とは熱膨張率が異なるアルミ合金製のベアリングハウジングを有するシリンダブロック構造を提供する。このシリンダブロック構造は、ベアリングハウジングは、Ｆｅ−Ｃｒ系またはＦｅ−Ｍｎ系の材質を有する強化繊維材を含み、クランク軸の軸方向に横断する方向に配向されたプレート形状の複数の繊維強化金属領域を有する。また、繊維強化金属領域のそれぞれは、繊維強化金属化されていないアルミ合金を介して、クランク軸の軸方向において互いに離間している。
【０００８】
【発明の実施の形態】
図１は、水平対向４気筒エンジンの要部展開図である。左右のシリンダブロック１，２は、アルミ合金（例えば、熱膨張率が21.0×10^-6／℃）により別個に鋳造成形される。左シリンダブロック１には、中央部が半円状の切欠部を有する複数の左側ベアリングハウジング３が設けられているとともに、右シリンダブロック２には、同様の切欠部を有する複数の右側ベアリングハウジング４が設けられている。これらのベアリングハウジング３，４のそれぞれには、軸受メタル５，６が介装されている。クランク軸７は、左右の半円状の切欠部に介装された軸受メタルを軸受面としてクランク軸７を挟み込むことにより、軸支されている。一例として、このクランク軸７は、炭素0.5％を含有する鉄等の鋼材（熱膨張率：12.0×10^-6／℃）で形成されている。クランク軸７は、シリンダ内における混合気の燃焼によるピストンの往復運動がコンロッド８を介して伝達されることにより回転する。この回転時において、ベアリングハウジング３，４は、大きな衝撃的な高荷重を常時受けると共に、混合気の燃焼熱の伝搬により熱膨張する。
【０００９】
図２は、右シリンダブロック２におけるシリンダブロック構造の上面図であり、図３は、ベアリングハウジング４の拡大斜視図である。なお、左シリンダブロック１についても同様のシリンダブロック構造を有しているため、ここでの説明を省略する。
【００１０】
シリンダブロック２に設けられた５つのベアリングハウジング４は、クランク軸７の軸方向Ｌに対して直角に横断するように延在しており、ベアリングハウジング４のそれぞれに設けられた半円状の軸支面９の中心は軸方向Ｌと一致している。また、それぞれのベアリングハウジング４には、３つの繊維強化金属領域１０が並列に設けられている。この繊維強化金属領域１０は、高強度の強化繊維材を含んでおり、アルミ合金と一体的に複合して繊維強化金属化（ＦＲＭ化）された領域である。本実施形態では、強化繊維材は、例えば、熱膨張率が11.6×10^-6／℃のＦｅ−Ｃｒ系耐熱鋼材（Ｆｅ−Ｃｒ−Ｓｉ）で、線径0.1mm程度の金属細線を用いている。また、熱膨張率が8.8×10^-6／℃のＦｅ−Ｍｎ系耐熱鋼材（Ｆｅ−Ｍｎ−Ｓｉ）で、線径0.1mm程度の金属細線を用いててもよい。ただし、本発明として用いることが可能な強化繊維材はこれらに限定されるものではなく、強化繊維材として周知な各種材料を用いることができるのは当然である。
【００１１】
隣接した繊維強化金属領域１０は、繊維強化金属化されていないアルミ合金を介して、互いに離間している。また、それぞれの繊維強化金属領域１０は、同一のプレート幅Ｗ１を有するプレート形状を有しており、軸方向Ｌを横断する方向に配向されている。このような繊維強化金属領域１０のサンドイッチ構造によって、図４に示すベアリングハウジング４とクランク軸７との間のクリアランスＤの変化を有効に調整・保持できる。なお、クリアランスを適切に保つという観点でいえば、それぞれの繊維強化金属領域１０は、クランク軸７の軸方向Ｌと直角方向に配向されることが特に好ましい。
【００１２】
あるベアリングハウジング４における３つの繊維強化金属領域１０のいずれも、ベアリングハウジング４の上面を除く外周囲において、十分な肉を残すアルミ合金で埋設されている。換言すれば、繊維強化金属領域１０は、ベアリングハウジング４における軸方向Ｌの端部に露出していない。これにより、繊維強化金属領域１０は、軸方向Ｌの両側からアルミ溶湯が含浸してくるため、後述する空孔の発生を効果的に抑制できる。
【００１３】
このようなベアリングハウジング３，４のサンドイッチ構造は、例えば、強化繊維材としての金属細線を所定形状のプレートに成形したプリフォームを鋳込むことによって得られる。具体的には、まず、綿状の金属細線の固まりより、厚さＷ１（繊維強化金属領域１０のプレート幅に相当）、所定の空孔率で、かつ強化繊維材が均一に分布したシート状のプリフォームを圧縮成形する。ここで、「空孔率」とは、プリフォームの単位体積当たりに占める空孔（未充填部分）の体積比率をいう。この空孔に鋳込金属であるアルミ溶湯が含浸することによりプリフォームがＦＲＭ化するため、空孔率はＦＲＭの強度・剛性、熱膨張率を決定する重要な要素の一つとなる。したがって、綿状の金属細線の圧縮の程度を適切にコントロールして、所定の空孔率を有するプリフォームを形成する。なお、このような観点でいえば、空孔率の他にも、金属細線の材料、線径、シート重量、シート形状、鋳込むシートの枚数、シート間隔等も重要であり、要求されるベアリングハウジング４の仕様（強度・剛性、熱膨張率等）に鑑みて、これらの要素も考慮されるべきである。
【００１４】
つぎに、シリンダブロック２の鋳造成形型におけるベアリングハウジング４の形成位置に、プリフォームを等間隔で配置した上で、シリンダブロック２のアルミ鋳造成形を行う。プリフォームが鋳込まれると、プリフォーム内の空孔にアルミ溶湯が含浸しＦＲＭ化するため、互いに離間した繊維強化金属領域１０が形成される。その際、各ベアリングハウジング４には複数のプリフォームを鋳込むため、一枚当たりのプリフォームの厚さＷ１は、ベアリングハウジング４の幅Ｗ２に対して薄くすることができる（図３参照）。したがって、個々のプリフォームの体積を小さくすることができるため、プリフォームの周囲から内部にアルミ溶湯が十分に含浸する。その結果、内部に空孔が殆ど存在せず、かつ、アルミ合金と強化繊維材とが強固に結合した密着性の高い繊維強化金属領域１０が形成される。
【００１５】
なお、ベアリングハウジング４の形状が複雑な場合には、温度上昇に伴う熱膨張を考慮して、プリフォームを不等間隔で鋳込み、ベアリングハウジング４の熱膨張をコントロールする。
【００１６】
このように、本実施形態によれば、シリンダブロック１，２におけるシリンダブロック構造において、ベアリングハウジング３，４の熱膨張率を適切にコントロールできるとともに、その強度・剛性を確保することが可能となる。すなわち、繊維強化金属領域１０のサンドイッチ構造によって、ベアリングハウジング３，４の熱膨張率は、アルミ合金と強化繊維材との中間値となるため、クランク軸７との熱膨張率の差を小さくすることができる。その結果、高温状態においても、ＦＲＭ化（複合材化）されたベアリングハウジング３，４と鉄製のクランク軸７との間のクリアランスＤの変化が抑えられ、車両走行時における振動や騒音を低減することが可能となる。
【００１７】
特に、一つのベアリングハウジング３，４に複数の繊維強化金属領域１０を離間して形成されるため、複数の繊維強化金属領域１０における全体的な表面積を大きくすることができる。これにより、強化繊維とマトリックス金属との界面の面積も大きくなるため、界面全体としての強度が向上する。また、個々の繊維強化金属領域１０については、軸受部位を除く全周がアルミ合金と接合しているので、十分な接合強度が確保される。その結果、ベアリングハウジング３，４に要求される強度・剛性とクリアランス調整とを高いレベルで両立できる。
【００１８】
また、一つのベアリングハウジング３，４に複数の繊維強化金属領域１０を離間して設けているため、従来技術と比較して、一つの繊維強化金属領域１０の体積（換言すれば、プレート幅Ｗ１）を小さくすることができる。その結果、上述した理由で、空孔が殆ど存在しない繊維強化領域１０を設けることができるため、ベアリングハウジング３，４に要求される強度・剛性を確保することができる。さらに、製造された製品間でベアリングハウジング３，４の熱膨張のばらつきを抑制できる。
【００１９】
一例として、繊維強化金属領域１０のプレート幅Ｗ１の総和（３×Ｗ１）が、ベアリングハウジング３，４の幅Ｗ２の半分以上を占める構造では、軸支面９付近における繊維強化金属領域１０の体積比率が50％以上となる（熱膨張率は約16.4×10^-6／℃以下）。これにより、ベアリングハウジング３，４の強度・剛性の確保と、クリアランスのコントロールとの高い次元で両立でき、実効性のあるものにすることができる。
【００２０】
なお、上述した実施形態では、水平対向エンジンに適用した例について説明したが、本発明に係るシリンダブロック構造はこれに限定されるものではなく、各種形態のシリンダブロックに適用可能である。例えば、直列エンジンのように、シリンダブロックとクランクロアケースとによってクランク軸を軸支する構造や、シリンダブロックとベアリングキャップとによってクランク軸を軸支する構造に適用してもよい。
【００２１】
また、本発明は、鉄製のクランク軸を軸支するアルミ合金製のベアリングハウジングを有するシリンダブロック構造に限定されるものではなく、熱膨張率が異なる各種の異種金属部材の組み合わせに対して、広く適用することができるのは当然である。
【００２２】
さらに、繊維強化金属領域１０は、金属細線のプリフォームより鋳込まれた形態に限定されるものではない。本発明は、繊維強化金属領域１０の形成手法を問わず、このような領域１０を有するシリンダブロック構造に広く適用可能である。したがって、例えば、強化繊維材とマトリックス（アルミ合金）とが複合材化されたプリフォームより、繊維強化金属領域１０が設けられたシリンダブロック構造も、本発明の適用範囲内に当然に含まれる。
【００２３】
【発明の効果】
本発明では、クランク軸とは熱膨張率が異なる材料で形成されたベアリングハウジングを有するシリンダブロック構造において、ベアリングハウジングには、強化繊維材を含む複数の繊維強化金属領域が設けられており、各繊維強化金属領域が、クランク軸の軸方向において互いに離間している。これにより、ＦＲＭ化されたベアリングハウジングの熱膨張率をクランク軸のそれに近づけることができるため、車両走行時における振動や騒音を低減できる。また、複数の繊維強化金属領域を設けることで、空孔の発生を適切に抑制できるので、ベアリングハウジングの強度・剛性を確保できるとともに、製造された製品間におけるベアリングハウジングの熱膨張のばらつきも抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】水平対向４気筒エンジンの要部展開図
【図２】シリンダブロック構造の上面図
【図３】ベアリングハウジングの拡大斜視図
【図４】クランク軸とベアリングハウジングとの間のクリアランスの説明図
【符号の説明】
１左シリンダブロック、
２右シリンダブロック、
３左側ベアリングハウジング、
４右側ベアリングハウジング、
５，６軸受メタル、
７クランク軸、
８コンロッド、
９軸支面、
１０繊維強化金属領域

Claims

鉄製のクランク軸を軸支するとともに、クランク軸とは熱膨張率が異なるアルミ合金製のベアリングハウジングを有するシリンダブロック構造において、
前記ベアリングハウジングは、Ｆｅ−Ｃｒ系またはＦｅ−Ｍｎ系の材質を有する強化繊維材を含み、クランク軸の軸方向に横断する方向に配向されたプレート形状の複数の繊維強化金属領域を有し、
前記繊維強化金属領域のそれぞれは、繊維強化金属化されていないアルミ合金を介して、クランク軸の軸方向において互いに離間していることを特徴とするシリンダブロック構造。