JP4517731B2 - 内燃機関のコネクティングロッド設計方法 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関のコネクティングロッド設計方法に関し、コネクティングロッドの軽量化を図る設計方法に関する。

従来、軽量でかつ高強度な内燃機関のコネクティングロッドを実現するため、特許文献１，２に記載のものがある。
特許文献１では、一端側にピストンピン穴を形成し、他端側にクランクピン穴を形成したコネクティングロッド本体と、このコネクティングロッド本体の他端側にクランクピン穴を挟んで配置されるキャップと、コネクティングロッド本体およびキャップを締結するボルトと、を含んで構成される内燃機関のコネクティングロッド構造において、コネクティングロッド本体にボルト座面を形成し、この座面とこれに交叉する周壁との境界部分にアンダーカット部を形成し、このアンダーカット部にショットピーニング加工を施して、上記境界部分に圧縮残留応力を付与することが記載されている。

特許文献２では、コネクティングロッド（コンロッド）は、桿部の一端に、雌ねじ孔が形成された第１大端部半体を一体に有するコネクティングロッド本体と、第１大端部半体に２本のボルトにより締結された第２大端部半体とよりなる。コネクティングロッド本体および第２大端部半体は焼結Ａｌ合金より構成される。第１大端部半体の破壊靭性値は第２大端部半体の破壊靭性値よりも大に設定され、また第２大端部半体のヤング率は第１大端部半体のヤング率よりも大に設定される。このように構成することによって、雌ねじの谷底部における疲労破壊強度を向上させることができることが記載されている。

ここで、コネクティングロッドにおけるコネクティングロッド本体とキャップとを締結するためのボルトの設計に際しては、ボルト単体での強度検討を実施する必要があった。
実開平５−４５２２２号公報 特開平５−２０２９２３号公報

しかしながら、ボルト単体にて十分な安全率を確保していても、折損等の問題が生じることがあった。このため、ボルトの直径を決定するにあたり、相場設計（確実に折損を防止できる設計）をする必要があるため、必要強度以上のボルト直径を設定するしかなく、これによりボルトの強度を高くした場合には、ボルトに締結される部分のコネクティングロッド本体およびキャップを厚く形成しなければならず、重量化してしまうという問題があった。

本発明は、上記問題に鑑みなされたものであり、従来の相場設計に頼ることなく、必要最低限の強度を有するボルト直径等を設計する方法を提供することを目的とする。

そのため本発明では、コネクティングロッドにおけるボルトの軸方向強度限界の荷重とピストン慣性力を受けた時におけるボルトの最大荷重とに基づいてボルトの強度安全率を算出する一方、コネクティングロッド本体とキャップとが分離しない限界点における荷重である合わせ面口開き限界におけるボルトの荷重とピストン慣性力による引張荷重とに基づいて合わせ面口開き安全率を算出し、この合わせ面口開き安全率がボルトの強度安全率以上となるように設計した。

本発明によれば、相場設計に頼ることなく、必要最低限の強度でのボルト直径を設計でき、コネクティングロッドの小型化および軽量化を図れるという効果がある。

以下、図面を用いて本発明の実施形態について説明する。
図１は、コネクティングロッド１の構成を示す図である。
コネクティングロッド１は、一端（図の上側）にピストンピン穴（図示しない）が形成され、他端（図の下側）にクランクピン穴２が形成されたコネクティングロッド本体３と、このコネクティングロッド本体３の他端側にクランクピン穴２を挟んで配置されるキャップ４と、コネクティングロッド本体３およびキャップ４を締結するボルト５と、を含んで構成される。

クランクピン穴２は、コネクティングロッド本体３に形成された上側クランクピン穴２ａと、キャップ４に形成された下側クランクピン穴２ｂとで構成され、これらのピン穴２ａ，２ｂの間に、図示しないクランクピンが通る。クランクピンは、コネクティングロッド本体３とキャップ４とがボルト５により固定されることで回転可能に挟まれる。
キャップ４の両側には、ボルト４を挿通可能な貫通孔６がそれぞれ形成されている。一方、コネクティングロッド本体３の両側には、ボルト５の雄ねじ５ａが螺合する雌ねじ７が形成されている。そして、ボルト５の雄ねじ５ａがコネクティングロッド本体３の雌ねじ７に螺合して締め付けられることにより、コネクティングロッド本体３およびキャップ４を締結する。

コネクティングロッド１を使用する場合、コネクティングロッド１には、一端側（図１の上側）へピストン慣性力が加わる。この時、コネクティングロッド本体３には上側の力がかかる。一方、キャップ４にはクランクピンにより下側の力がかかる。
ここで、従来のコネクティングロッドの設計では、コネクティングロッド本体およびキャップを締結するボルトの強度を十分に確保してボルトの折損等の問題を防止するため、ボルトの直径が大きいものを設定する必要があった。これに伴い、ボルトに締結される部分のコネクティングロッド本体およびキャップを厚く形成しなければならず、コネクティングロッドが重量化してしまった。

一方、コネクティングロッドの軽量化のため、ピストン慣性力に基づいてボルトにかかる負荷を計算し、必要最小限と思われるボルト直径を算出してコネクティングロッドの設計を行った場合においても、ボルトが折損する時があった。
そこで本願出願人は、他の要因によりボルトの折損が発生するものだという考えに達して本願の設計方法を発明した。

先ず、コネクティングロッド本体３にはピストン慣性力（図１の上側の力）がかかる一方、キャップ４にはクランクピン穴２内のクランクピンにより下側の力がかかる。この時、上側および下側の力が大きい場合には、クランクピン穴２の内側において、コネクティングロッド本体３の下面３ａと、キャップ４の上面４ａとの間の合わせ面が開いてしまう（これを「合わせ面口開き」と称する）。

合わせ面口開きが生じると、ボルト５の直径が十分に大きい場合であってもボルト５の折損が発生してしまうおそれがあった。
コネクティングロッド１の各部品にかかる力について図２を用いて説明する。
図２は、コネクティングロッド１のボルト５の伸びおよび荷重Ｆを示している。なお図１に示す通り、コネクティングロッド１のボルト５は２つあるので、ピストン慣性力に対してボルト５にかかる荷重を半分にした値として示している。

Ｋｓの線はボルト５の剛性、すなわちボルト５の伸びに対するボルト５にかかる荷重Ｆを示している。なお、点Ａは、ボルト５によりコネクティングロッド本体３およびキャップ４を締め付けた状態において、ピストン慣性力がかかっていない状態における力、すなわちボルト５の純粋な締め付け力Ｆ_Aを示している。
Ｋｃの線は、被締付部であるコネクティングロッド本体３およびキャップ４の大端部がボルト５による圧縮力から開放されている状態における荷重を示している。すなわち、ボルト５を締め付けた状態（図中の点Ａ）からピストン慣性力がコネクティングロッド本体３に発生した場合に、ボルト５の締め付けにより圧縮されていたコネクティングロッド本体３およびキャップ４の大端部にかかる力が開放されている状態であることを示している。なお、この時でもボルト５には点Ａより更に荷重がかかっている（Ｋｓの線を参照）。

Ｋｓの線における点Ｂは、コネクティングロッド１がピストン慣性力を受けたときにおいて、ボルト５に最大の荷重Ｆ_Bがかかった時を示している。図示の通り、点Ｃは、点Ｂから下に降ろした直線と、前述のＫｃの線との交点における荷重Ｆ_Cである。点Ｂと点Ｃとの間における荷重の差（Ｆ_B−Ｆ_C）がピストン慣性力による引張荷重となる。この引張荷重は、ボルト５が分担する分の荷重と、コネクティングロッド本体３およびキャップ４の大端部が分担する分の荷重とに分けられる。ボルト５が分担する分の荷重は、点Ａと点Ｂとにおける荷重の差（Ｆ_B−Ｆ_A）で示されている。コネクティングロッド本体３およびキャップ４の大端部（被締付部）が分担する分の荷重は、点Ａと点Ｃとにおける荷重の差（Ｆ_A−Ｆ_C）で示されている。

また、点Ｄは、Ｋｃの線が０、すなわちコネクティングロッド本体３およびキャップ４の大端部がボルト５による圧縮力を受けなくなった状態を示している。この状態では、コネクティングロッド本体３の下面３ａとキャップ４の上面４ａとの合わせ面が分離しない限界点（合わせ面口開き限界点）であることを示している。
点Ｅは、合わせ面口開き限界点においてボルト５にかかる荷重Ｆ_Eを示している。ボルト５にかかる荷重Ｆが合わせ面口開き限界点を越えている場合、例えば、荷重Ｆ_EXがボルト５にかかった場合（点ＥＸの場合）には、コネクティングロッド本体３およびキャップ４の大端部が荷重を分担することなく、ボルト５に全ての荷重Ｆ_EXがかかることによりボルト５が折損してしまうことを示している。

これを防止するためには、ボルト５の直径を大きく設計して軸方向強度限界を高くする必要があるが、必要以上にボルト直径が大きい場合には、前述の通り、コネクティングロッド本体３およびキャップ４が重量化してしまう。そして、ボルト５の直径を大きくした場合であっても、２つのボルト５間における距離が大きくなってしまう結果、ピストン慣性力による大きなモーメントが発生してしまい、ボルト５が折損するおそれがある。

そこで、コネクティングロッド１の軽量化を図ると共に、ボルト５が折損しない最低限の強度で設計をしなければならず、このためには、コネクティングロッド本体３およびキャップ４の大端部にかかる荷重をボルト５が全て受けることが無いように設定することが必要となる。そのため、ボルト５にかかる荷重Ｆが合わせ面口開き限界点を越えない範囲において、ボルト５の軸方向強度限界の荷重（図の点Ｘにおける荷重）Ｆ_Xが点Ｂと点Ｅとの間における荷重（Ｆ_B≦Ｆ_X≦Ｆ_E）となるように設計をする。

このための設計として先ず、次式に示す通り、ピストン慣性力を受けた時におけるボルト５の軸方向強度限界の荷重Ｆ_Xを、ボルト５の最大荷重（図の点Ｂにおける荷重）Ｆ_Bで除算してボルト５の強度安全率Ｓｆａを算出する。
Ｓｆａ＝Ｆ_X／Ｆ_B ・・・（１）
なお、ボルト５の軸方向強度限界の荷重Ｆ_Xは、ボルト５の直径により変化し、直径が大きければ軸方向強度限界の荷重Ｆ_Xは高くなる一方、直径が小さくなれば軸方向強度限界の荷重Ｆ_Xは小さくなる。

次に、次式に示す通り、合わせ面口開き限界におけるボルト５の荷重Ｆ_Eを、点Ｂと点Ｃとにおける荷重の差（Ｆ_B−Ｆ_C）、すなわちピストン慣性力による引張荷重で除算して合わせ面口開き安全率Ｓｆｂを算出する。
Ｓｆｂ＝Ｆ_E／（Ｆ_B−Ｆ_C） ・・・（２）
このようにして算出した安全率を、次に示す通り、合わせ面口開き安全率Ｓｆｂがボルト５の強度安全率Ｓｆａ以上となるように設定する。

Ｓｆｂ≧Ｓｆａ ・・・（３）
この式は、コネクティングロッド本体３の下面３ａとキャップ４の上面４ａとの合わせ面において口開きが開始することにより、ボルト５の折損が生じることを防止することを示している。すなわち、この条件を満たすように設計されたボルト５の直径、コネクティングロッド本体３およびキャップ４は、ボルト５の軸方向強度限界の荷重Ｆ_Xが点Ｂから点Ｅの範囲内における荷重（Ｆ_B≦Ｆ_X≦Ｆ_E）に設定される。この時、点Ｃから点Ｄの範囲内、すなわちコネクティングロッド本体およびキャップ４の大端部が圧縮された状態である範囲内（Ｋｃの線が０となる点より左側）に設計される。

これにより、ボルト５単体での折損は、実験等によりボルト５の軸方向強度限界まで設定することが可能であるが、軸方向強度限界に達するまでに他の要因である合わせ面口開きによりボルト５が折損してしまうことを防止する。
ここで、（３）の条件を満たさない場合として、ボルト５の軸方向強度限界が点Ｅを越えて（例えばＦ_EX）設定されている場合には、合わせ面口開きによりボルト５が折損してしまう。またボルト５の直径を大きくしたとしても、ボルト５間の距離が大きくなる結果、各ボルトにかかるモーメントが大きくなりボルト５が折損してしまうことがある。本願発明により、従来のコネクティングロッドにおいてボルトの直径を大きくしてもボルトが折損する原因は、合わせ面において口開きが開始してしまうことによることが判った。

一方、ボルト５の軸方向強度限界が点Ｂ未満で設定されている場合には、ボルト５の直径が大きくなることに伴いコネクティングロッド１が重量化してしまうという問題が生じる。
以上より、（３）の条件を満たすように設計すれば、合わせ面口開きによるボルト５の折損を防止する限界の範囲内となり、且つ必要最小限のボルト強度を確保できる。

本実施形態によれば、一端側にピストンピン穴を形成し、他端側にクランクピン穴２を形成するコネクティングロッド本体３と、このコネクティングロッド本体３の他端側にクランクピン穴２を挟んで配置されるキャップ４と、コネクティングロッド本体３およびキャップ４を締結するボルト５と、を含んで構成される内燃機関のコネクティングロッド１を設計する方法において、コネクティングロッド１におけるボルト５の軸方向強度限界の荷重Ｆ_Xとピストン慣性力を受けた時におけるボルトの最大荷重Ｆ_Bとに基づいてボルト５の強度安全率Ｓｆａを算出する一方（Ｓｆａ＝Ｆ_X／Ｆ_B）、コネクティングロッド本体３とキャップ４とが分離しない限界点における荷重である合わせ面口開き限界におけるボルト５の荷重Ｆ_Eとピストン慣性力による引張荷重（Ｆ_B−Ｆ_C）とに基づいて合わせ面口開き安全率Ｓｆｂを算出し（Ｓｆｂ＝Ｆ_E／（Ｆ_B−Ｆ_C））、合わせ面口開き安全率Ｓｆｂがボルト５の強度安全率Ｓｆａ以上（Ｓｆｂ≧Ｓｆａ）となるように設計した。このため、合わせ面口開きの発生によるボルト５の折損を防止できる。そして、上記の条件を満たすようにコネクティングロッド１を設計すれば、ボルト５の直径を必要最小限の大きさに設定でき、これに伴いコネクティングロッド本体３およびキャップ４の大端部の軽量化および小型化ができる。

また本実施形態では、ボルト５の強度安全率Ｓｆａは、軸方向強度限界の荷重Ｆ_Xを最大荷重Ｆ_Bで除算して算出する（Ｓｆａ＝Ｆ_X／Ｆ_B）。このため、より簡単にボルト５の強度安全率Ｓｆａを算出できる。
また本実施形態では、合わせ面口開き安全率Ｓｆｂは、合わせ面口開き限界におけるボルト５の荷重Ｆ_Eをピストン慣性力による引張荷重（Ｆ_B−Ｆ_C）で除算して算出する（Ｓｆｂ＝Ｆ_E／（Ｆ_B−Ｆ_C））。このため、より簡単に合わせ面口開き安全率Ｓｆｂを算出できる。

また本実施形態では、ピストン慣性力による引張荷重は、コネクティングロッド１がピストン慣性力を受けたときにおいてボルト５にかかる最大の荷重Ｆ_Bから、コネクティングロッド本体３およびキャップ４の大端部（被締付部）がボルト５による圧縮力から開放されている状態における荷重を差し引いて算出する（Ｆ_B−Ｆ_C）。このため、実験または計算により簡単にピストン慣性力による引張荷重を算出できる。

なお、本実施形態では、コネクティングロッド本体３とキャップ４とを締め付けるボルト５について説明したが、上側部材と下側部材との間に可動部材がある場合に、上側部材および下側部材をボルトで締め付ける際においても同様に考えることができる。例えば、ブロックのベアリングキャップやカムのキャップにも同様に適用できる。

コネクティングロッドの構成図 コネクティングロッドの各部品の伸びとボルトにかかる荷重とを示す図

符号の説明

１…コネクティングロッド
２…クランクピン穴
３…コネクティングロッド本体
３ａ…下面
４…キャップ
４ａ…上面
５…ボルト
５ａ…雄ねじ
６…貫通孔
７…雌ねじ

Claims (4)

1. 一端側にピストンピン穴を形成し、他端側にクランクピン穴を形成するコネクティングロッド本体と、このコネクティングロッド本体の他端側に前記クランクピン穴を挟んで配置されるキャップと、前記コネクティングロッド本体および前記キャップを締結するボルトと、を含んで構成される内燃機関のコネクティングロッドを設計する方法において、
   コネクティングロッドにおけるボルトの軸方向強度限界の荷重とピストン慣性力を受けた時におけるボルトの最大荷重とに基づいてボルトの強度安全率を算出する一方、
   前記コネクティングロッド本体と前記キャップとが分離しない限界点における荷重である合わせ面口開き限界におけるボルトの荷重とピストン慣性力による引張荷重とに基づいて合わせ面口開き安全率を算出し、
   前記合わせ面口開き安全率が前記ボルトの強度安全率以上となるように設計したことを特徴とする内燃機関のコネクティングロッド設計方法。
2. 前記ボルトの強度安全率は、前記軸方向強度限界の荷重を前記最大荷重で除算して算出することを特徴とする請求項１記載の内燃機関のコネクティングロッド設計方法。
3. 前記合わせ面口開き安全率は、前記合わせ面口開き限界におけるボルトの荷重を前記ピストン慣性力による引張荷重で除算して算出することを特徴とする請求項１または請求項２記載の内燃機関のコネクティングロッド設計方法。
4. 前記ピストン慣性力による引張荷重は、前記コネクティングロッドがピストン慣性力を受けたときにおいてボルトにかかる最大の荷重から、前記コネクティングロッド本体および前記キャップの大端部がボルトによる圧縮力から開放されている状態における荷重を差し引いて算出することを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載の内燃機関のコネクティングロッド設計方法。

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