JP4752545B2 - 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。例えば、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

上記のような従来のロアリンクにおいては、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９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が螺合する雌ねじ部１０６の付近では、荷重Ｆ１と荷重Ｆ２とがほぼ逆方向に作用することから、大きな応力が生じる。特に、雌ねじ部１０６のボルト中心線より外側つまり図の左側部分では、荷重Ｆ１，Ｆ２により反時計回り方向にモーメントを受けるので、この部分での強度確保は非常に厳しいものとなる。

また、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、そのため、雌ねじ部での応力集中がより大きな問題となる。

また、コントロールピン用ピンボス部側のボルト１０３が螺合する雌ねじ部１０４においても、やはり、荷重Ｆ１と荷重Ｆ３とがほぼ逆方向に作用するので、同様の問題がある。特に、このボルト１０３の雌ねじ部１０４は、そのねじ孔が貫通孔となることが多いが、ロアリンク全体に浸炭処理等の表面硬化処理を施している場合に、表面硬化層と母材との境界にボルト先端が噛み合うことになるので、境界面を起点とした疲労破壊の問題がある。

本発明は、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、かつ一方の貫通孔を通して他方の雌ねじ部に螺合する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。そして、本発明では、特に、上記雌ねじ部のボルト先端側部分に、谷の径を変えずにねじ山の高さを小さくした部分を備え、ボルト中心線を中心として、上記クランクピン軸受部と反対側となる周方向の一部において、上記雌ねじ部のねじ山の高さが小さくなっている。

図１は、この発明の作用を説明するための説明図であって、ボルト２０１のねじ山２１１，２１２…が雌ねじ部２０２のねじ山２２１，２２２…に噛み合っている。そして、ボルト２０１の先端のねじ山２１１が噛み合う雌ねじ部２０２側のねじ山２２１は、その頂部が符号２３１で示すテーパ面に沿って切り取られ、ねじ山の高さが他のねじ山２２２…よりも小さくなっている。従って、ねじ山２１１，２２１同士の接触面積が減少し、ボルト２０１から受ける局部的な荷重が小さくなる。そのため、疲労破壊の起点となり易い最初の谷底２４１に加わるモーメントが抑制され、雌ねじ部２０２の耐久性が向上する。

なお、図２は、参考例として、ボルト２０１側の最初のねじ山２１１の高さをテーパ面２３２により小さくした例を示しているが、このような構成では、接触面積は同様に小さくなるものの、谷底２４１から接触面つまり荷重作用点までの距離Ｌ２が、図１の場合の距離Ｌ１よりも大となるので、相対的にモーメントが大となり、好ましくない。

上記のようにねじ山の高さを小さくした部分は、少なくとも、ボルト先端の雄ねじ部ねじ山と噛み合う箇所に必要であるが、ボルト先端に対応するねじ山から複数ピッチに亘っていてもよい。

本発明の一つの態様では、上記雌ねじ部のボルト先端側から複数ピッチに亘ってねじ山の高さが小さくなっており、かつボルト先端側に向かうほどねじ山の高さが徐々に小さくなっていく。このようにすることで、各ピッチ毎の接触面積が徐々に小さくなる。

また、上記雌ねじ部の全周に亘ってねじ山の高さが小さくなっているように構成してもよく、あるいは、応力集中が問題となる雌ねじ部の周方向の一部においてねじ山の高さが小さくなっているように構成してもよい。例えば、ボルト中心線を中心として、上記クランクピン軸受部と反対側となる周方向の一部において、ねじ山の高さを小さくすることができる。

本発明の一つの態様では、上記ボルトの中心線の延長線上に、上記アッパピン用ピンボス部もしくはコントロールピン用ピンボス部が位置し、上記雌ねじ部のねじ孔は、先端が封止された孔となっている。本発明は、このようなねじ孔の場合に特に問題となるボルト先端と噛み合う位置での応力集中を抑制できる。

クランクピン軸受部中心とアッパピン用ピンボス部中心とを結ぶ直線に対し垂直で、かつクランクピン軸受部中心線を含む第１の平面と、同じく上記直線に対し垂直で、かつアッパピン用ピンボス部中心線を含む第２の平面と、の２つの平面に挟まれた領域に上記雌ねじ部が位置する場合に、クランクピンやアッパピンから受ける荷重による雌ねじ部の応力集中が特に問題となる。本発明は、このような場合に有用である。

この発明によれば、ボルト先端に対応する雌ねじ部の部分のねじ山の高さを小さくし、接触面積を部分的に小さくすることにより、疲労破壊の起点となり易い最初の谷底に加わるモーメントを抑制でき、雌ねじ部の耐久性ならびに信頼性を高めることができる。

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３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４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４０に螺合している。このボルト３４用の雌ねじ部４０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上面に露出している。

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側の雌ねじ部４１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４１となるねじ孔は、軸方向にロアリンクアッパ３１を貫通しておらず、先端が封止されている。

図５は、上記雌ねじ部４１の詳細を示す。図示するように、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とともに、先端は、アッパピン用ピンボス部２２の下部で終端となっている。そして、このねじ孔の内周の雌ねじ部４１は、ボルト３３とのはめあい長さに相当する長さに亘ってねじが加工されているが、その軸方向の上端部分つまりボルト３３先端側と噛み合う部分４４においては、数ピッチに亘って、谷の径を変えずにねじ山４２の高さが小さくなっている。特に、ボルト先端側へ向かうほど、ねじ山４２の高さが徐々に小さくなっていく。より詳しくは、ボルト先端側へ向かうほど大径となるテーパ面４３に沿ってねじ山４２の頂部が形成されている。

上記のような雌ねじ部４１の形成方法としては、円筒状の下穴加工を施した後、封止された先端側部分に、テーパ状の面を加工し、その後、通常の方法で、ねじ山の加工を行う。これにより、頂部の高さが複数ピッチに亘り徐々に変化するねじ山４２を得ることができる。

この他、通常の同じ形のねじ山を作成した後、ねじ山の頂部を切削することで、同様のねじ山４２を得ることもできる。

このような構成によれば、ボルト３３と雌ねじ部４１とのねじ山同士の接触面積が、ボルト３３先端に向かって徐々に小さくなり、応力集中を生じやすいボルト３３先端と噛み合う部分での雌ねじ部４１の耐久性が向上する。

図６は、雌ねじ部４１の異なる実施例を示す。これは、雌ねじ部４１の周方向の一部にのみ、ボルト先端側へ向かうほど、ねじ山４２の高さが徐々に小さくなっていく部分４５を形成した例である。具体的には、ボルト３３の中心線を中心として、クランクピン軸受部２１と反対側となる周方向の一部において、ボルト３３先端部に対応する部分４５で、ねじ山４２の高さが小さくなっている。すなわち、図５のように全周に亘ってねじ山４２の高さを小さくすると、ねじ山同士の接触面積が全周に亘って減ることにより許容軸力を低く設定しなければならなくなる場合があるが、本実施例のように一部のみをテーパ状とすることで、軸力低下を最小限に留めることができる。そして、雌ねじ部４１の谷底に最も大きなモーメントが加わる周方向の部分で、ねじ山４２の高さを小さくしてねじ山同士の接触面積を小さくすることにより、雌ねじ部４１の耐久性を効果的に向上させることができる。

図６のような雌ねじ部４１の形成方法としては、図７に示すように、円筒状の下穴５１を加工した後、その封止された先端側部分に、小径の回転切削工具５２を所定角度傾斜させた姿勢で挿入して、周方向の一部に、傾斜した小径の円筒面５３を加工し、その後、通常の方法で、下穴５１に沿ってねじ山の加工を行えばよい。

この他、通常の同じ形のねじ山を作成した後、同様の回転切削工具５２を用いて、周方向の一部でねじ山の頂部を斜めに切削することで、同様のねじ山４２を得ることもできる。

図８は、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が螺合する雌ねじ部４０に本発明を適用した実施例を示している。上述したように、このコントロールピン用ピンボス部２３側の雌ねじ部４０の先端は、ロアリンクアッパ３１上面に開口しているが、このロアリンクアッパ３１上面に近い部分４６において、数ピッチに亘って、谷の径を変えずにねじ山４２の高さが小さくなっている。具体的には、ロアリンクアッパ３１上面に近いほど大径となるテーパ面に沿ってねじ山４２の頂部が形成されている。

なお、本発明においては、ロアリンクアッパ３１上面とロアリンクロア３２とを結合する複数本のボルトに対する複数の雌ねじ部の全てに対し、雌ねじ部のねじ山高さを小さくする必要は必ずしもなく、応力集中が問題となる雌ねじ部にのみ上述した各実施例のような構成を適用すればよい。

本発明の作用を説明するための説明図。 参考例の説明図。 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。 アッパピン用ピンボス部側の雌ねじ部の拡大断面図。 異なる実施例を示すアッパピン用ピンボス部側の雌ねじ部の拡大断面図。 その加工方法を示す説明図。 コントロールピン用ピンボス部側の雌ねじ部に適用した実施例を示す拡大断面図。 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
４０，４１…雌ねじ部
４２…ねじ山

Claims (5)

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、
   かつ一方の貫通孔を通して他方の雌ねじ部に螺合する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、
   上記雌ねじ部のボルト先端側部分に、谷の径を変えずにねじ山の高さを小さくした部分を備え、
   ボルト中心線を中心として、上記クランクピン軸受部と反対側となる周方向の一部において、上記雌ねじ部のねじ山の高さが小さくな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. 上記雌ねじ部のボルト先端側から複数ピッチに亘ってねじ山の高さが小さくなっており、かつボルト先端側に向かうほどねじ山の高さが徐々に小さくなっていく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. 上記ボルトの中心線の延長線上に、上記アッパピン用ピンボス部もしくはコントロールピン用ピンボス部が位置し、上記雌ねじ部のねじ孔は、先端が封止された孔となっていることを特徴とする請求項１または２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。
4. 上記雌ねじ部が上記ロアリンクアッパに設けられ、かつクランクピン軸受部に対しアッパピン用ピンボス部側に位置し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. クランクピン軸受部中心とアッパピン用ピンボス部中心とを結ぶ直線に対し垂直で、かつクランクピン軸受部中心線を含む第１の平面と、
   同じく上記直線に対し垂直で、かつアッパピン用ピンボス部中心線を含む第２の平面と、
   の２つの平面に挟まれた領域に上記雌ねじ部が位置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。
   

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