JP4670342B2 - 内燃機関のピストンクランク機構におけるロアリンク - Google Patents

Description

この発明は、レシプロ式内燃機関のピストンクランク機構、特に複リンク式のピストンクランク機構を構成するリンクに関する。

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。従って、ロアリンクは、アッパピン、コントロールピンおよびクランクピンを、それぞれ回転可能に保持しつつ、各ピンから入力を受けた際にもこれらの位置関係を保つだけの強度・剛性が必要である。

一方、ロアリンクは、クランクシャフトに対する組み立て性を確保する必要があるので、上記特許文献１においては、クランクピン軸受部の中心を通る分割面に沿って、２つの半割部つまりロアリンクアッパとロアリンクロアとに分割構成し、両者を複数のボルトにて互いに締結するようにしている。特に、複数のボルトを下方つまりロアリンクロア側から挿入し、ロアリンクアッパ側の雌ねじに螺合させるようにしている。

また、特許文献２は、ねじ孔が貫通孔とならない場合の雌ねじ部の応力集中を緩和するために、雌ねじ部つまりねじ孔の底部に、半径方向に径を拡大した中空溝を形成することを開示している。
特開２００４−１２４７７６号公報 特開平８−２００３３８号公報

上記のような従来のロアリンクにおいて、アッパリンクを連結するアッパピン用ピンボス部は、潤滑性確保のためにアッパピン軸方向中央部を支持するように構成されて、アッパリンク側の二股状ピンボス部と組み合わされる場合がある。従って、この場合は、アッパピン用ピンボス部に向かって下方から挿入されるボルトに対するねじ孔は、貫通孔とならず、雌ねじ部での応力集中の問題がある。

特に、ロアリンクはピストンからの燃焼荷重をアッパリンクを経由してクランクピンに伝達したり、クランクピンからの回転力をピストンの往復動に変換する役割を担ったりするために、燃焼荷重と慣性力により最大で数トンの巨大な荷重を受ける。従ってロアリンクのねじ締結部分の強度・剛性を確保するには非常に高度な技術が要求される。

図６の参考図には、矢印Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３でもって、爆発燃焼時に、クランクピン、アッパピン、コントロールピンからそれぞれロアリンクに入力される力の方向を示しており、排気行程時には、これらと逆方向の力を受ける。従って、アッパピン用ピンボス部側でロアリンクアッパ１０１とロアリンクロア１０２とを締結する一方のボルト１０５が螺合する雌ねじ１０６には、常に締結による図中下向きの大きな荷重が入力されると同時に、交互に方向が変化する荷重振幅を受けるため、疲労破壊が生じやすい。また、爆発燃焼時には、雌ねじ１０６のボルト中心線よりも外側つまりクランクピン軸受部と反対側の部分に大きな荷重が作用するとともに、ボルト中心線よりもクランクピン軸受部側の部分ではほぼ逆方向の荷重が作用し、かつ雌ねじ１０６全体として反時計回り方向にモーメントを受けるので、雌ねじ１０６のクランクピン軸受部と反対側の部分での強度確保は非常に厳しいものとなる。

上記特許文献２の技術は、単純に軸方向に作用する荷重のみを考慮して、ねじ孔の底部に、ボルト中心線を中心とした真円形の中空溝を形成したものであり、これを上記のようなロアリンクの雌ねじ１０６に適用したとしても、ボルト１０５とクランクピン軸受部との距離が短いことから、中空溝の大きさが制限されることもあって、十分な強度・剛性の確保は、到底困難である。

請求項１の発明は、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、かつ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ロアリンクに関するものであって、上記ロアリンクは、上記クランクピンが嵌合する略中央のクランクピン軸受部と、上記アッパピンを保持する一端部のアッパピン用ピンボス部と、上記コントロールピンを保持する他端部のコントロールピン用ピンボス部と、を備えるとともに、上記クランクピン軸受部の中心を通る分割面に沿って、上記アッパピン用ピンボス部を含むロアリンクアッパと、上記コントロールピン用ピンボス部を含むロアリンクロアと、に分割構成され、かつ上記クランクピン軸受部の両側に配置した少なくとも２本のボルトによって上記ロアリンクアッパと上記ロアリンクロアとが締結されている。例えば、上記ボルト中心線の延長線上に上記アッパピン用ピンボス部が位置している。また、上記アッパピン用ピンボス部は、例えば、アッパピンの軸方向中央部を支持する構成である。そして、上記アッパピン用ピンボス部寄りに配置されたボルトは、ロアリンクロア側から挿通されてロアリンクアッパ側に形成された雌ねじ部に螺合し、上記雌ねじ部の底部には、上記ボルトの先端に対応して、該ボルトの外径よりも半径方向にねじ山高さ以上に拡大した中空溝が形成されており、この中空溝は、ボルト中心線に直交する平面での断面形状が、ボルト中心線に対し非対称であって、ボルト中心線よりもクランクピン軸受部と反対側へ拡大しており、上記中空溝に先端が露出するボルトのねじ溝に、雌ねじ部の全てのねじ山が噛み合っている。

このような構成では、上記中空溝によって、応力が作用する部位（応力線が通る部位）が雌ねじ部のねじ山から離れる。特に、アッパピンからの大きな入力により応力が大きくなりやすいクランクピン軸受部と反対側のねじ山では、ねじ山から半径方向外側へより離れた部位に応力が作用することになり、疲労破壊の起点となりやすいクランクピン軸受部と反対側の雌ねじ部の耐久性が高くなる。しかも、ボルトのねじ溝に雌ねじ部の全てのねじ山が噛み合っているので、ねじ孔の底部つまり中空溝に最も近い１番目の雌ねじ部ねじ山の荷重振幅による疲労が軽減される。

本発明の一つの態様では、上記中空溝は、ボルト中心線に直交する平面での断面形状が、ボルト中心線を中心とした円弧と、ボルト中心線からクランクピン軸受部と反対側へオフセットした点を中心とした同じ径の円弧と、２つの円弧を接線として結ぶ一対の直線と、からなる長円形をなしている。従って、例えば、内周側から円形の加工を行う適宜な切削工具によって、長円形の中空溝を容易に加工することができる。

また本発明の一つの態様では、上記中空溝は、ボルト中心線に直交する第１の端面および第２の端面を有し、ボルト中心線を含む平面での断面形状において、これらの２つの端面が、両者の間隔を直径とする円弧で結ばれている。これにより、例えば、同じ切削工具で連続的に切削加工することが可能となる。

本発明のピストンクランク機構は、上記コントロールリンクの機関本体側の揺動支点位置を変化させることにより、内燃機関の可変圧縮比機構として構成することができる。

また請求項７の発明は、複リンク式の内燃機関のピストンクランク機構におけるリンクであって、第１の軸受部の中心を通る分割面に沿って２つの部品に分割構成されるとともに、互いにボルトで締結され、かつその一つのボルトが螺合する雌ねじ部の近傍に第２の軸受部が存在するリンクにおいて、上記雌ねじ部の底部には、上記ボルトの先端に対応して、該ボルトの外径よりも半径方向にねじ山高さ以上に拡大した中空溝が形成されており、この中空溝は、ボルト中心線に直交する平面での断面形状が、ボルト中心線に対し非対称であり、上記中空溝に先端が露出するボルトのねじ溝に、雌ねじ部の全てのねじ山が噛み合っていることを特徴としている。

この発明によれば、貫通孔とならない形でロアリンクに形成された雌ねじ部の応力集中による耐久性低下を回避することができる。

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。始めに、この発明のロアリンクが用いられるピストンクランク機構の概略を説明する。

図１は、この複リンク式ピストンクランク機構を可変圧縮比機構として構成した構成例を示す構成説明図である。この機構は、ロアリンク４とアッパリンク５とコントロールリンク１０とを主体とした複リンク式ピストンクランク機構を備えている。

クランクシャフト１は、複数のジャーナル部２とクランクピン３とを備えており、シリンダブロック１８の主軸受に、ジャーナル部２が回転自在に支持されている。上記クランクピン３は、ジャーナル部２から所定量偏心しており、ここにロアリンク４が回転自在に連結されている。カウンタウェイト１５は、ジャーナル部２とクランクピン３とを接続するクランクウェブ１６からクランクピン３とは反対側へ延びている。

上記ロアリンク４は、後述するように２部材に分割可能に構成されているとともに、略中央のクランクピン軸受部に上記クランクピン３が嵌合している。

アッパリンク５は、下端側がアッパピン６によりロアリンク４の一端に回動可能に連結され、上端側がピストンピン７によりピストン８に回動可能に連結されている。上記ピストン８は、燃焼圧力を受け、シリンダブロック１８のシリンダ１９内を往復動する。

ロアリンク４の運動を拘束するコントロールリンク１０は、上端側がコントロールピン１１によりロアリンク４の他端に回動可能に連結され、下端側が制御軸１２を介して機関本体の一部となるシリンダブロック１８の下部に回動可能に連結されている。詳しくは、制御軸１２は、回転可能に機関本体に支持されているとともに、その回転中心から偏心している偏心カム部１２ａを有し、この偏心カム部１２ａに上記コントロールリンク１０下端部が回転可能に嵌合している。

上記制御軸１２は、図示せぬエンジンコントロールユニットからの制御信号に基づいて作動する図示せぬ圧縮比制御アクチュエータによって回動位置が制御される。

上記のような複リンク式ピストンクランク機構を用いた可変圧縮比機構においては、上記制御軸１２が圧縮比制御アクチュエータによって回動されると、偏心カム部１２ａの中心位置、特に、機関本体に対する相対位置が変化する。これにより、コントロールリンク１０の下端の揺動支持位置が変化する。そして、上記コントロールリンク１０の揺動支持位置が変化すると、ピストン８の行程が変化し、ピストン上死点（ＴＤＣ）におけるピストン８の位置が高くなったり低くなったりする。これにより、機関圧縮比を変えることが可能となる。

次に、上記ロアリンク４の一実施例を図２に基づいて説明する。

ロアリンク４は、上記クランクピン３が嵌合する略中央のクランクピン軸受部２１と、上記アッパピン６を保持する一端部のアッパピン用ピンボス部２２と、上記コントロールピン１１を保持する他端部のコントロールピン用ピンボス部２３と、を備えている。そして、クランクピン３への組み立て性のために、上記クランクピン軸受部２１の中心を通る分割面２４に沿って、上記アッパピン用ピンボス部２２を含むロアリンクアッパ３１と、上記コントロールピン用ピンボス部２３を含むロアリンクロア３２と、に分割構成され、両者が、クランクピン軸受部２１の両側にそれぞれ配置された２本のボルト３３，３４によって一体に締結されている。上記シリンダ１９が上下方向に配置されているとすると、クランクケース内で上記ロアリンクアッパ３１が上側に、上記ロアリンクロア３２が下側に、それぞれ位置し、上記ボルト３３，３４は、いずれもロアリンクロア３２の下面側から上方へと挿入されている。

上記アッパピン用ピンボス部２２のピン孔２２ａには、アッパピン６が回転可能に保持される。ここに組み合わされるアッパリンク５は、下端のアッパピン軸受周辺が二股状に形成されており、二股の内側に、ロアリンク４側のアッパピン用ピンボス部２２が回転可能に組み合わされる。

これに対し、コントロールピン１１が回転可能に挿入されるピン孔２３ａを備えたコントロールピン用ピンボス部２３は、二股状に構成されており、この二股の内側に、コントロールリンク１０一端のピンボス部が回転可能に組み合わされる。

２本のボルト３３，３４の中で、コントロールピン用ピンボス部２３側に位置するボルト３４は、上記の二股状をなすコントロールピン用ピンボス部２３の谷間部分にボルト頭部（図示せず）が位置しており、ロアリンクロア３２のボルト挿入孔を貫通し、かつ先端部が、ロアリンクアッパ３１側の雌ねじ部に螺合している。このボルト３４用の雌ねじ部つまりねじ孔は、ロアリンクアッパ３１を上下に貫通しており、ボルト３４の先端がロアリンクアッパ３１上面から突出している。

これに対し、アッパピン用ピンボス部２２側に位置するボルト３３は、ロアリンクロア３２のボルト挿入孔を貫通し、ロアリンクアッパ３１側の後述する雌ねじ部に先端部が螺合する。このボルト３３の中心線の延長線上には、アッパピン用ピンボス部２２が位置し、従って、雌ねじ部となるねじ孔は、ロアリンクアッパ３１を貫通しておらず、先端が封止されている。

次に、図３および図４に基づいて、上記ボルト３３が螺合する雌ねじ部４１の詳細を説明する。これらの図に示すように、雌ねじ部４１となるねじ孔は、クランクピン軸受部２１のピン孔２１ａに隣接し、該ピン孔２１ａの側方に位置している。この雌ねじ部４１の底部（図では上端部）には、ボルト３３の外径よりも半径方向に拡大した中空溝４２が形成されており、ボルト３３の先端がこの中空溝４２に露出している。図４は、ボルト３３の中心線に直交する平面に沿った上記中空溝４２の断面形状を示しており、図示するように、中空溝４２は、ボルト中心線に直交する平面に沿った断面では、ボルト３３の中心線に合致する点Ｐ１を中心とした円弧（半円）と、ボルト３３の中心線からクランクピン軸受部２１と反対側へオフセットした点Ｐ２を中心した円弧（半円）と、２つの半円を結ぶ平行な一対の直線と、からなる長円形をなしている。ここで、上記の円弧の半径は、ボルト３３の外径よりも半径方向にねじ山４１ａの高さ以上大きなものとなっている。また、図３は、ボルト３３の中心線を含む平面に沿った断面を示しているが、この断面においては、上記中空溝４２は、ボルト３３の中心線に直交する平面からなる第１の端面４２ａおよび第２の端面４２ｂを有し、かつ、これらの２つの端面４２ａ，４２ｂが、両者の間隔を直径とする円弧で結ばれている。従って、この長円形の中空溝４２は、円形の加工を内周側から行う一つの切削工具でもって、容易に機械加工することができる。

また、雌ねじ部４１は、上記中空溝４２の第２の端面４２ｂで終端となっているが、図３に示すように、ボルト３３の先端部が上記第２の端面４２ｂから中空溝４２内に僅かに突出し、ボルト３３のねじ溝３３ａに、雌ねじ部４１の全てのねじ山４１ａが噛み合った状態となっている。なお、図３の矢印Ｆ２は、前述したように、燃焼行程においてアッパピン６からロアリンク４に入力される荷重の方向を示している。

図５は、上記のような中空溝４２を備えたボルト３３先端部付近におけるロアリンク４側の応力の流れを応力線Ｓでもって示した説明図である。図示するように、前述した燃焼行程と排気行程の繰り返しによって、ロアリンク４には概ね上下方向に沿った荷重振幅が生じるが、上記のように中空溝４２を設けることによって、応力線Ｓは、中空溝４２の外側を通り、雌ねじ部４１のねじ山４１ａ、特に１番目のねじ山４１ａ（最も中空溝４２に近いねじ山４１ａ）から半径方向外側へ離れるようになる。従って、荷重振幅によるねじ山４１ａの疲労が回避される。しかも、１番目のねじ山４１ａも、ボルト３３のねじ溝３３ａに噛み合い、１番目のねじ山４１ａが、ボルト軸力Ｆ４を矢印Ｆ５で示す圧縮荷重として受ける。そのため、１番目のねじ山４１ａが過大な引っ張り荷重（図上方への荷重）を受けることがなく、その谷底部分への応力集中が抑制される。

また、上記実施例のように、中空溝４２は、ボルト３３の中心線に対し非対称であり、クランクピン軸受部２１と反対側へより大きく拡大したものとなっている。従って、雌ねじ部４１のクランクピン軸受部２１と反対側の部分では、図３の矢印Ｆ２に示す爆発燃焼時の大きな荷重が、ねじ山４１ａからより遠く離れた部位を通ることになり、この大きな荷重による雌ねじ部４１の応力をより緩和できる。また、逆に、雌ねじ部４１のクランクピン軸受部２１側の部分では、中空溝４２とクランクピン軸受部２１のピン孔２１ａとの間の距離を、十分に確保することができる。

ロアリンクが用いられるピストンクランク機構の例を示す構成説明図。 本発明に係るロアリンクの一実施例を示す正面図。 ボルト中心線を含む平面に沿った雌ねじ部付近の断面図。 ボルト中心線に直交する平面（図３のＡ−Ａ線）に沿った中空溝の断面図。 中空溝付近の応力の流れを示す説明図。 ロアリンクに作用する荷重の説明図。

符号の説明

４…ロアリンク
２１…クランクピン軸受部
２２…アッパピン用ピンボス部
２３…コントロールピン用ピンボス部
３１…ロアリンクアッパ
３２…ロアリンクロア
３３，３４…ボルト
４１…雌ねじ部
４２…中空溝

Claims (7)

1. 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、かつ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いて、
   上記ロアリンクは、上記クランクピンが嵌合する略中央のクランクピン軸受部と、上記アッパピンを保持する一端部のアッパピン用ピンボス部と、上記コントロールピンを保持する他端部のコントロールピン用ピンボス部と、を備えるとともに、
   上記クランクピン軸受部の中心を通る分割面に沿って、上記アッパピン用ピンボス部を含むロアリンクアッパと、上記コントロールピン用ピンボス部を含むロアリンクロアと、に分割構成され、
   かつ上記クランクピン軸受部の両側に配置した少なくとも２本のボルトによって上記ロアリンクアッパと上記ロアリンクロアとが締結されており、
   上記アッパピン用ピンボス部寄りに配置されたボルトは、ロアリンクロア側から挿通されてロアリンクアッパ側に形成された雌ねじ部に螺合し、
   上記雌ねじ部の底部には、上記ボルトの先端に対応して、該ボルトの外径よりも半径方向にねじ山高さ以上に拡大した中空溝が形成されており、この中空溝は、ボルト中心線に直交する平面での断面形状が、ボルト中心線に対し非対称であって、ボルト中心線よりもクランクピン軸受部と反対側へ拡大しており、
   上記中空溝に先端が露出するボルトのねじ溝に、雌ねじ部の全てのねじ山が噛み合っていることを特徴とする内燃機関のピストンクランク機構におけるロアリンク。
2. 上記中空溝は、ボルト中心線に直交する平面での断面形状が、ボルト中心線を中心とした円弧と、ボルト中心線からクランクピン軸受部と反対側へオフセットした点を中心とした同じ径の円弧と、２つの円弧を接線として結ぶ一対の直線と、からなる長円形をなしていることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関のピストンクランク機構におけるロアリンク。
3. 上記中空溝は、ボルト中心線に直交する第１の端面および第２の端面を有し、ボルト中心線を含む平面での断面形状において、これらの２つの端面が、両者の間隔を直径とする円弧で結ばれていることを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関のピストンクランク機構におけるロアリンク。
4. 上記ボルト中心線の延長線上に上記アッパピン用ピンボス部が位置することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の内燃機関のピストンクランク機構におけるロアリンク。
5. 上記アッパピン用ピンボス部は、アッパピンの軸方向中央部を支持することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の内燃機関のピストンクランク機構におけるロアリンク。
6. 上記コントロールリンクの機関本体側の揺動支点位置を変化させることにより上記ピストンクランク機構が可変圧縮比機構を構成することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の内燃機関のピストンクランク機構におけるロアリンク。
7. 複リンク式の内燃機関のピストンクランク機構におけるリンクであって、第１の軸受部の中心を通る分割面に沿って２つの部品に分割構成されるとともに、互いにボルトで締結され、かつその一つのボルトが螺合する雌ねじ部の近傍に第２の軸受部が存在するリンクにおいて、
   上記雌ねじ部の底部には、上記ボルトの先端に対応して、該ボルトの外径よりも半径方向にねじ山高さ以上に拡大した中空溝が形成されており、この中空溝は、ボルト中心線に直交する平面での断面形状が、ボルト中心線に対し非対称であり、
   上記中空溝に先端が露出するボルトのねじ溝に、雌ねじ部の全てのねじ山が噛み合っていることを特徴とする内燃機関のピストンクランク機構におけるリンク。
   

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