JP4730152B2 - 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におけるロアリンクに関する。

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。

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。
特開２００４−１２４７７６号公報

上記のようなロアリンクには、ピストンが受けた大きな最大燃焼ガス力が、ピストンピン、アッパリンク、アッパピンを介して、アッパピン軸受部から入力される。それと同時に、この荷重と慣性力がつりあうように、クランクピン軸受部やコントロールピン軸受部にも荷重が発生する。

従って、各々の軸受部の面圧は、一般的な単リンク式のレシプロエンジンに比べて厳しいものとなり、摩耗や焼き付きを防ぐために、十分な潤滑状態を維持することが求められる。

しかしながら、上記従来の構成では、アッパピンとクランクピンとの軸間距離が小さく、かつアッパピンから受ける荷重がクランクピンへ向かう方向となっているので、アッパピン軸受部の変形がクランクピン軸受部へ影響し、クランクピンの潤滑状態が悪化しやすい。

また、上記の入力荷重によって、ロアリンクロアとロアリンクアッパとを締結しているボルトに、引張荷重およびせん断荷重が繰り返し作用し、ボルトや該ボルトが螺合する雌ねじ部に応力集中が起こりやすく、特に従来のロアリンクでは、ロアリンクロアとロアリンクアッパとの分割面がアッパピンからの荷重方向に対し斜めに交差しているため、ボルトに大きなせん断荷重が作用する。

この発明は、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を前提としており、そのロアリンクを改良したものである。

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。ここで、上記クランクピン軸受部を挟んでアッパピン用ピンボス部側に位置する上記ボルトの延長線上に上記アッパピン用ピンボス部が位置するように上記分割面が設定されている。

そして、クランクシャフトの回転動作中、上記ピストンピンの中心と上記アッパピンの中心とを結ぶ直線の方向に上記アッパピンを投影してなる空間が、クランクピンと干渉しないようにリンクジオメトリが構成されている。

このような構成では、アッパピンからの荷重方向がクランクピンから外れた形となり、アッパピン用ピンボス部の変形がクランクピン軸受部に及ぼす影響が小さくなる。また必然的にアッパピンとクランクピンとの軸間距離が大きくなり、この点からもクランクピン軸受部への影響が小さくなる。

本発明の一つの態様では、上記アッパピン用ピンボス部は、アッパピン両端部を支持する二股状をなしている。

また一つの態様では、ロアリンクアッパの二股状をなすアッパピン用ピンボス部の間の谷間部分に雌ねじ部が設けられており、ロアリンクロアを貫通したボルトが螺合している。

望ましくは、上記雌ねじ部の先端が上記谷間部分に開口しており、軸方向に雌ねじ部の全てのねじ溝（谷）にボルトのねじ山が噛み合っている。これにより、ボルト先端に対応する雌ねじ部の最初の谷における応力集中が低減する。

また望ましくは、上記ロアリンクアッパと上記ロアリンクロアとの分割面が、上記アッパピンが受ける最大荷重の方向に対しほぼ垂直である。これにより、分割面に沿ってずれようとする方向の成分が少なくなり、ボルトせん断力が軽減する。

本発明の一つの態様では、上記ロアリンクアッパは、上記アッパピン用ピンボス部と上記クランクピン軸受部との間に、クランクピン軸方向に沿った肉厚が、上記クランクピン軸受部の軸方向の長さよりも小さな部位を備える。これにより、アッパピンから入力された荷重が、クランクピン軸受部の軸方向中央部に主に伝達され、潤滑油膜が欠損しやすい軸方向両端部での荷重が小さくなる。

また同様に、本発明の一つの態様では、上記クランクピン軸受部の中心線を通りかつ上記分割面に直交する断面において、クランクピン軸方向に沿った肉厚が、上記クランクピン軸受部の軸方向の長さよりも小さな部位を備える。この構成においても、アッパピンから入力された荷重が、クランクピン軸受部の軸方向中央部に主に伝達され、潤滑油膜が欠損しやすい軸方向両端部での荷重が小さくなる。

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、可変圧縮比機構として構成することができるが、この場合、上記揺動支点位置の変化に拘わらずに、上記ピストンピンの中心と上記アッパピンの中心とを結ぶ直線の方向に上記アッパピンを投影してなる上記空間が、クランクピンと干渉しないことが望ましい。

この発明によれば、アッパピン用ピンボス部の変形がクランクピン軸受部に及ぼす影響が小さくなり、クランクピンとの間で潤滑油膜が確実に保持されて、摩耗や焼き付きが防止される。

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。

ここで、上記シリンダ１９は、図示するように、その中心線ｍが、クランクシャフト１の回転中心に対しコントロールピン１１と反対側に比較的大きくオフセットした配置となっている。

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。図２は、ロアリンク４を斜め上方から見た斜視図であって、このロアリンク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（図１参照）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、いずれもクランクケースの下側から締め付けられる形となる。

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は、いずれも、ロアリンクロア３２側のボルト挿入孔（図示せず）を貫通し、かつ先端部が、ロアリンクアッパ３１に形成された雌ねじ部（図示せず）に螺合しているが、アッパピン用ピンボス部２２側に位置するボルト３３に対する雌ねじ部は、アッパピン用ピンボス部２２へ向かって延びることから、その先端が封止されている。これに対し、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用の雌ねじ部は、ロアリンクアッパ３１を貫通しており、図２に示すように、ボルト３４の先端が雌ねじ部の上端開口から僅かに突出している。

また、上記ロアリンク４の両側の端面に、アッパピン用ピンボス部２２とクランクピン軸受部２１との間を隔てるように凹部３５が設けられており、この部分の肉厚（クランクピン軸方向の厚さ）は、クランクピン軸受部２１の軸方向寸法よりも小さくなっている。なお、この実施例では、クランクピン軸受部２１とコントロールピン用ピンボス部２３との間にも、同様の凹部３６が形成されている。

図３は、上記のように構成されたロアリンク４とアッパリンク５との位置関係を示しており、図の矢印５１は、アッパリンク５の長手方向、詳しくはピストンピン７の中心とアッパピン６の中心とを結んだ線の方向を示し、この矢印５１の方向に、アッパピン６の外径を投影した空間を、領域５２として示す。クランクシャフト１が回転すると、ロアリンク４とアッパリンク５とはそれぞれ揺動運動するので、上記の矢印５１の方向や領域５２の位置は変化するが、ここでは、矢印５１ひいては領域５２がクランクピン３に最も近づいたときの位置関係を示しており、図示するように、上記の領域５２とクランクピン３とが互いに干渉することはない。

従って、クランクピン３から矢印５１の方向に沿ってロアリンク４に作用する荷重は、クランクピン軸受部２１から外れた方向へ向かう形となり、アッパピン用ピンボス部２２の変形に起因するクランクピン軸受部２１の変形が小さくなる。また、図３のような位置関係を実現するために、必然的にアッパピン６とクランクピン３との間の軸間距離が大きくなり、この点からも双方の軸受部相互の変形の影響が少なくなる。

また、図４は、アッパピン６とクランクピン３とを通る断面における荷重伝達経路を示す説明図であって、爆発燃焼時に、アッパピン６から矢印Ｆ１のように荷重が作用し、これが矢印Ｆ２のようにクランクピン３に伝達されるが、上記実施例では、図４の（ｃ）のように、クランクピン軸受部２１の軸方向長さの中央部に主に荷重Ｆ２が作用する。特に、両側の凹部３５により荷重伝達経路の一部が薄肉部となっているので、荷重Ｆ２は軸方向長さの中央部に集中し、クランクピン軸受部２１の両端部に作用する荷重は小さくなる。従って、クランクピン軸受部２１両端部の変形が抑制され、クランクピン３に対する所謂エッジ当たりが回避されるとともに、油膜圧力が高い軸方向中央部で荷重Ｆ２を確実に支承することができる。

さらに上記実施例では、ロアリンクアッパ３１とロアリンクロア３２との分割面２４が、アッパリンク５からの最大荷重の方向に対しほぼ垂直となっている。従って、ボルト３３，３４に加わるせん断力が小さなものとなる。

次に、図５〜図７は、ロアリンク４の第２実施例を示している。この実施例は、特に、アッパピン用ピンボス部２２が、アッパピン６の両端部を支持するように二股状をなしており、二股の内側にアッパリンク５の下端部が挟み込まれるようになっている。これにより、アッパリンク５の重量が軽減する。そして、このようにアッパピン用ピンボス部２２を二股状としたことから、ボルト３３に対応するロアリンクアッパ３１側の雌ねじ部６１がロアリンクアッパ３１を上下に貫通し、その上端が、二股の間の谷間部分の底面に開口している。ボルト３３の先端は、この雌ねじ部６１の先端開口に達しており、軸方向に見て、雌ねじ部６１の全てのねじ溝にボルト３３のねじ山が噛み合っている。

このように構成することで、ボルト３３の先端に対応する位置での雌ねじ部６１の応力集中が緩和され、その耐久性が向上する。

また、この実施例においても、ロアリンク４の両側の端面に、凹部３５，３６が形成されており、荷重伝達経路の幅を狭めている。

従って、図４の（ｂ）に荷重伝達経路を示すように、アッパピン用ピンボス部２２全体の軸方向長さが長くなるにも拘わらず、凹部３５によって、前述した（ｃ）の場合と全く同様に、クランクピン軸受部２１の中央部に主に荷重Ｆ２が作用するようになり、両端部での変形や潤滑不良が抑制される。なお、図４の（ａ）は、凹部３５を備えていない比較例の場合の荷重伝達経路を示しており、この場合は、二股状をなすアッパピン用ピンボス部２２からクランクピン軸受部２１の両端部に荷重Ｆ２が多く伝達されるので、この両端部での変形が大となり、潤滑油膜が消失して、所謂エッジ当たりが生じる懸念がある。

次に、図８は、ロアリンク４の第３実施例を示している。この実施例は、第２実施例と同じく二股状のアッパピン用ピンボス部２２を備えたものであって、特に、ロアリンク４の両側の端面に、より広範囲に亘って凹部７１，７２，７３が形成されており、これらの凹部７１，７２，７３がクランクピン軸受部２１を全周に亘って囲んでいる。従って、アッパピン６やコントロールピン１１からの荷重入力によるクランクピン軸受部２１両端部の変形がより確実に抑制され、所謂エッジ当たりが防止される。

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斜視図。 ロアリンクとアッパリンクとの位置関係を説明する説明図。 比較例（ａ）と第２実施例（ｂ）と第１実施例（ｃ）とにおける荷重伝達経路の説明図。 ロアリンクの第２実施例を示す斜視図。 そのボルト中心に沿った断面を示す断面斜視図。 雌ねじ部との噛み合い状態を示す要部の断面図。 ロアリンクの第３実施例を示す斜視図。

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

Claims (8)

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、さらに、上記クランクピン軸受部を挟んでアッパピン用ピンボス部側に位置する上記ボルトの延長線上に上記アッパピン用ピンボス部が位置するように上記分割面が設定されており、
   クランクシャフトの回転動作中、上記ピストンピンの中心と上記アッパピンの中心とを結ぶ直線の方向に上記アッパピンを投影してなる空間が、クランクピンと干渉しないようにリンクジオメトリが構成され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. 上記アッパピン用ピンボス部は、アッパピン両端部を支持する二股状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. ロアリンクアッパの二股状をなすアッパピン用ピンボス部の間の谷間部分に雌ねじ部が設けられており、ロアリンクロアを貫通したボルトが螺合していることを特徴とする請求項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. 上記雌ねじ部の先端が上記谷間部分に開口しており、軸方向に雌ねじ部の全てのねじ溝にボルトのねじ山が噛み合っていることを特徴とする請求項３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. 上記ロアリンクアッパと上記ロアリンクロアとの分割面が、上記アッパピンが受ける最大荷重の方向に対しほぼ垂直であ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. 上記ロアリンクアッパは、上記アッパピン用ピンボス部と上記クランクピン軸受部との間に、クランクピン軸方向に沿った肉厚が、上記クランクピン軸受部の軸方向の長さよりも小さな部位を備え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. 上記クランクピン軸受部の中心線を通りかつ上記分割面に直交する断面において、クランクピン軸方向に沿った肉厚が、上記クランクピン軸受部の軸方向の長さよりも小さな部位を備えることを特徴とする請求項１〜６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。
8. 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しており、上記揺動支点位置の変化に拘わらずに、上記ピストンピンの中心と上記アッパピンの中心とを結ぶ直線の方向に上記アッパピンを投影してなる上記空間が、クランクピンと干渉しないことを特徴とする請求項１〜７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。

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