JP4827339B2

JP4827339B2 - 摩擦力測定装置

Info

Publication number: JP4827339B2
Application number: JP2001259305A
Authority: JP
Inventors: 藤夫浜; 健年桜井
Original assignee: 帝国ピストンリング株式会社
Priority date: 2001-08-29
Filing date: 2001-08-29
Publication date: 2011-11-30
Anticipated expiration: 2021-08-29
Also published as: JP2003065864A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ピストンリングとシリンダ間に発生する摩擦力を精度よく、簡便に測定できる摩擦力測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、車両用エンジンにおいては低燃費の要求がますます強くなってきており、低燃費を達成するための手段の１つとして、ピストンリングとシリンダ間の摩擦力の低減が求められる。そのために、ピストンリングとシリンダ間の摩擦力を精度よく測定することが必要になる。この摩擦力を測定する装置として、一般的なクランク機構を使用した摩擦力測定装置が知られている。また、クロスヘッド形の機構を使用した測定装置も考案されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、一般的なクランク機構の摩擦力測定装置では、ピストンスラップにより、ピストンとシリンダ間に発生する摩擦力も含んだ測定になることから、ピストンリングとシリンダ間に発生する摩擦力を精度よく測定することは困難であった。一方、クロスヘッド形の機構の測定装置はピストンスラップを発生しないが、装置が大きくなること、高回転には不向きなこと、ピストンやシリンダの脱着に時間がかかることなどの問題点があり、実用的なものは得られていない。
【０００４】
本発明は上記点に鑑みてなされたものであり、その課題は、ピストンリングとシリンダ間に発生する摩擦力を精度よく、簡便に測定でき、しかも比較的高回転時の摩擦力も測定でき、かつ、小型化できる摩擦力測定装置を提供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するために、次の手段を採る。すなわち、
本発明は、ピストンリングを装着したピストンをシリンダ内で往復動させ、前記ピストンリングとシリンダ間に発生する摩擦力を測定する摩擦力測定装置において、
前記ピストンがクロススライダクランク機構によりシリンダ内を往復動するように構成されており、前記クロススライダクランク機構が、前記ピストンに連結されているピストンロッドと、ピストンロッドに連結され、クランクケース内に往復動可能に支持されているスライダフレームと、スライダフレームの運動方向に対して直角方向に移動可能にスライダフレームの窓孔に装着されているスライダと、スライダが回転可能に装着されているクランクシャフトとを備え、
前記シリンダは外周の鍔部がクランクケースに力センサを介して支持され、前記ピストンをシリンダ内で往復動させた時に前記ピストンリングとシリンダ間に発生する摩擦力がシリンダを介して前記力センサに作用し、この力センサで前記摩擦力を検出するように構成され、
前記ピストンの上方は大気に開放され、
前記シリンダの内周側とそれに対向して配置するクランクケース側との間をＯリング手段によってシールすることにより、クランクケース内の圧力変動が前記シリンダの下面に及ぶのを防止するよう構成されていることを特徴とする。
【０００６】
本発明の摩擦力測定装置は、ピストンがシリンダ内をクロススライダクランク機構により往復動することにより、ピストンスラップによるピストンとシリンダとの直接接触がないので、ピストンとシリンダとの摺動による摩擦力を生じない。このため、ピストンリングとシリンダ間に発生する摩擦力を精度よく測定することができる。従って、本発明の摩擦力測定装置は、低摩擦材料、表面処理、表面性状の開発やピストンリングとシリンダの低摩擦の組合せの選定等に有効な摩擦力測定装置となる。
【０００７】
ピストンスラップがない機構には大型船用エンジンに用いられているクロスヘッド形があるが、クロススライダクランク機構を使用した本発明の摩擦力測定装置は小型で、比較的高回転も可能である。
【０００８】
摩擦力測定時、ピストンの往復動によるクランクケース内の圧力変動が若干発生する。しかし、上記Ｏリング手段により、クランクケース内の圧力変動による力がシリンダの下面にかからなくなり、クランクケース内圧変動による影響を受けずに、より精度の高い測定が可能になる。
【０００９】
前記力センサに予め所定荷重をかけるプリロード手段を備えているのが好ましい。
【００１０】
前記ピストンはピストンロッドにねじで直接結合、あるいはボルト又はナットで結合されているのが好ましい。このように構成することにより、ピストンとピストンロッドとを容易に分解できるため、作業性の向上を図れる。
【００１１】
ピストンとピストンロッドの結合は、例えば次のようにして行われる。
（１）ピストンロッドの端面にねじ孔を形成し、ピストンに形成されているボルト孔にボルトを通して締結する。
（２）ピストンロッドの端部の外周にねじを形成し、この端部にピストンのロッド孔を挿通し、ナットで締結する。
（３）ピストンロッドの端部の外周にねじを形成し、ピストンにねじ孔を形成し、ピストンとピストンロッドを直接結合する。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を図１〜図４を参照して説明する。
【００１３】
シリンダ１は、ライナホルダ２の内周にシリンダライナ３を装着している。ライナホルダ２は肉厚の円筒体で、上面の内周側に段差部を全周にわたって有している。シリンダライナ３はライナホルダ２の内周に嵌入されており、鍔部がライナホルダ２の上面の段差部で支持され、ヘッドプレート４でライナホルダ２に固定されている。ヘッドプレート４はライナホルダ２と略同一の内外径を有している環状のプレートで、ボルト５でライナホルダ２の上面に固定されることにより、シリンダライナ３をライナホルダ２に固定する。図２において、６はノックピンである。
【００１４】
シリンダ１は、ライナホルダ２の軸方向の中間部の外周に鍔部２ａを有しており、この鍔部２ａの下に配置されたロードワッシャ７を介してアッパープレート８に支持されている。アッパープレート８はクランクケース９の上面にボルト１０で固定されており、クランクケース９の上面開口部を閉塞している。
【００１５】
ロードワッシャ７は、水晶圧電式の力センサであり、アッパープレート８の上面に円周方向に等間隔をおいて３個配置されている。ロードワッシャ７には中央部にスリーブ１１が嵌め込まれており、スリーブ１１がライナホルダ２の鍔部２ａの下面とアッパープレート８の上面とに形成されている円形凹部１２，１３に挿入されることにより、ロードワッシャ７は各位置に位置決めされている。
【００１６】
１４はプリローディングボルトで、ロードワッシャ７に予め所定荷重をかけるために設けられている。プリローディングボルト１４は例えばＪＩＳＢ０１０１の伸びボルトが使用される。プリローディングボルト１４はライナホルダ２の鍔部２ａに形成されている貫通孔１５とスリーブ１１を挿通し、アッパープレート８に形成されているねじ孔１６に螺着されている。
【００１７】
シリンダ１は、ライナホルダ２の下面にボルト１７で固定された円環１８を有しており、シリンダ１の下部は、アッパープレート８の上面に形成されている円形凹部１９に挿入されている。シリンダ１の円環１８の底面とアッパープレート８の円形凹部１９の底面との間は所定の隙間を有しており、また、シリンダ１の外周面とアッパープレート８の円形凹部１９の内周面との間も所定の隙間を有している。
【００１８】
アッパープレート８の円形凹部１９の底面はシリンダ１の内周より内側部分が僅かに突出した円形の突底部２０を構成しており、その突底部２０の外周にＯリング溝２１が形成されている。円環１８はシリンダライナ３と同一の内径を有しており、シリンダライナ３と同心に固定されている。上記Ｏリング溝２１にＯリング２２が装着されて、アッパープレート８の突底部２０の外周と円環１８の内周とがシールされている。２３は、アッパープレート８に複数、形成されている貫通孔で、シリンダ１内とクランクケース９内とが貫通孔２３によって連通されている。
【００１９】
後述するピストン２４の往復動により、クランクケース９内の圧力変動が若干発生する。しかし、本実施形態においては、上記Ｏリング２２のシールにより、シリンダ１の下面がクランクケース９の内圧変動による影響を受けるのが防止される。また、本実施形態において、シリンダライナ３の下端はライナホルダ２の下端より上方位置にあり、円環１８の上面との間に隙間があるが、円環１８はシリンダライナ３と同一の内径を有し、同心に固定されているため、シリンダライナ３の下面と円環１８の上面にかかる圧力が相殺されるので、シリンダ１がクランクケース９の内圧変動による影響を受けるのが防止される。
【００２０】
なお、本実施形態では、ライナホルダ２の下面に円環１８を取り付けたが、これに限ることはなく、シリンダ１とアッパープレート８との間でＯリングによるシールを行えればよい。従って、例えば、ライナホルダ２と円環１８とを一体に形成することもできる。あるいは、シリンダライナ３を下方に延ばし、シリンダライナ３の内周面がアッパープレート８の突底部２０のＯリング溝２１に装着されているＯリング２２によりシールされるようにすることもできる。
【００２１】
シリンダ１内にはピストン２４が挿入されており、ピストン２４の外周面に形成されている３本のリング溝にそれぞれトップリング２５、セカンドリング２６、及びオイルリング２７が装着され、シリンダ１の内周と摺動するようになっている。ピストン２４にはピストンロッド２８が連結されており、ピストン２４はクロススライダクランク機構によってシリンダ１内を往復動するように構成されている。
【００２２】
ピストンロッド２８は中空ロッドで、先端部は閉塞されて肉厚に形成されており、中央部にねじ孔２９を軸方向に有している。ピストン２４は底面の中央部に円形凹部３０を有しており、その円形凹部３０がピストンロッド２８の先端部に挿入されて、ピストンロッド２８の先端部に保持される。そして、ピストン２４の中央部に形成されているボルト孔３１にボルト３２が挿通され、ピストンロッド２８のねじ孔２９に螺着されることによって、ピストン２４がピストンロッド２８に固定されている。ピストンロッド２８はシリンダ１内を延びて、アッパープレート８に形成されている貫通孔３３に装着されているブシュ３４を挿通し、下端に形成されている鍔部２８ａが後述するスライダフレーム４３の上面にボルト３５で固定されている。
【００２３】
クランクケース９内にはクランクシャフト３６がピストン２４の運動方向（以下、上下方向とする。）に対して直角方向に配されて両端部をベアリング３７，３８によって回転自在に支持されている。クランクシャフト３６は一端がクランクケース９から外側に突出しており、図示外の駆動源によって回転駆動されるように構成されている。
【００２４】
クランクシャフト３６はクランクケース９内に一対のクランクアーム３９を有しており、一対のクランクアーム３９間のクランクピン４０にスライダ４１が回転可能に取り付けられている。スライダ４１はクランクシャフト３６方向に見て略正方形形状のブロック体で、上下に二分割されており、中央部に形成されているピン孔の内周にメタル４２が固定されて、クランクピン４０に回転自在に組み付けられている。
【００２５】
スライダ４１の周囲にはスライダフレーム４３が配置されている。スライダフレーム４３はクランクシャフト３６方向に見て横長の長方形形状の枠体であり、横長の長方形の窓孔４４は高さがスライダ４１の高さと略同じで、横幅はスライダ４１の横幅よりも長い寸法を有している。このスライダフレーム４３の窓孔４４にクランクピン４０に取り付けられているスライダ４１が窓孔４４内をピストン２４の運動方向に対して直角方向（以下、左右方向とする。）に摺動可能に装着されている。
【００２６】
スライダフレーム４３はクランクケース９内を上下方向に往復動可能に一対のガイド棒４５，４６によって支持されている。一対のガイド棒４５，４６はクランクケース９内を上下方向に延びてクランクケース９にボルト４７で固定されており、スライダフレーム４３の長手方向における両端部に上下方向に形成されているガイド棒挿通孔４８をそれぞれ挿通している。スライダフレーム４３は一対のガイド棒挿通孔４８の各上下端部にそれぞれブシュ４９，５０を装着して有しており、各ガイド棒４５，４６がブシュ４９，５０を挿通している。
【００２７】
５１はクランク角度センサ、５２はクランクシャフト３６の端部に取り付けられている角度板であり、クランクシャフト３６と一緒に回転する角度板５２の指示角度をクランク角度センサ５１が読み取ることにより、クランク角度が検出される。
【００２８】
上記クロススライダクランク機構には潤滑油路が適宜形成されており、適切に潤滑されるように構成されている。
【００２９】
以下、上記摩擦力測定装置の作用を説明する。
【００３０】
ピストン２４の上方はヘッドプレート４の孔を通して大気に開放されている。また、ロードワッシャ７には予め所定の荷重がプリローディングボルト１４によってかけられている。この状態で、ピストン２４がクロススライダクランク機構によりシリンダ１内を往復動する。すなわち、クランクシャフト３６が図示外の駆動源によって回転駆動されると、クランクピン４０に装着されたスライダ４１がクランクシャフト３６の中心回りに円軌道を描いて移動する。この際、スライダ４１はスライダフレーム４３の窓孔４４内を摺動し、これに伴ってスライダフレーム４３は上下方向（ピストン２４の運動方向）に直線運動を行う。その結果、スライダフレーム４３に連結固定されているピストンロッド２８を介してピストン２４がシリンダ１内を往復運動する。このときにピストンリング２５，２６，２７とシリンダ１間に発生する摩擦力がシリンダ１を介してロードワッシャ７にかかるので、摩擦力を測定できる。
【００３１】
そして、クランク角度センサ５１によりクランク角度が検出されるので、クランク角度と摩擦力との関係が分かるようになっている。
【００３２】
なお、ピストン２４の往復動により、クランクケース９内の圧力変動が若干発生するが、Ｏリング２２のシールにより、シリンダ１の下面にクランクケース９の内圧による力がかからないため、クランクケース９内の圧力変動が摩擦力に与える影響を防止できる。更に、本実施形態においては、円環１８がシリンダライナ３と同一の内径を有し、同心に固定されているため、シリンダライナ３の下面と円環１８の上面にかかる圧力が相殺され、クランクケース９内の圧力変動が摩擦力に与える影響を防止できる。
【００３３】
そして、ピストン２４はクロススライダクランク機構により往復動されるので、ピストンスラップを生じない。そのため、ピストン２４とシリンダ１との摺動がないので、ピストンリング２５，２６，２７とシリンダ１間に発生する摩擦力を精度よく測定できる。
【００３４】
ピストンリング２５，２６，２７等を交換する際は、ピストン２４がピストン２４の頂面側から挿入されたボルト３２でピストンロッド２８に締結されているので、ピストン２４の交換作業を容易に行える。
【００３５】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の摩擦力測定装置によれば、ピストンリングとシリンダ間に発生する摩擦力を精度よく、簡便に測定でき、しかも比較的高回転時の摩擦力も測定でき、かつ、小型化できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を示す正面断面図である。
【図２】本発明の一実施形態を示す左側面断面図である。
【図３】本発明の一実施形態の一部分を示す左側面拡大断面図である。
【図４】本発明の一実施形態を示す一部破断平面図である。
【符号の説明】
１・・シリンダ、２・・ライナホルダ、２ａ・・鍔部、３・・シリンダライナ、４・・ヘッドプレート、４ａ・・円形凹部、５・・ボルト、６・・ノックピン、７・・ロードワッシャ（ロードセル）、８・・アッパープレート、９・・クランクケース、１０・・ボルト、１１・・スリーブ、１２，１３・・円形凹部、１４・・プリローディングボルト、１５・・貫通孔、１６・・ねじ孔、１７・・ボルト、１８・・円環、１９・・円形凹部、２０・・突底部、２１・・Ｏリング溝、２２・・Ｏリング、２３・・貫通孔、２４・・ピストン、２５・・トップリング、２６・・セカンドリング、２７・・オイルリング、２８・・ピストンロッド、２８ａ・・鍔部、２９・・ねじ孔、３０・・円形凹部、３１・・ボルト孔、３２・・ボルト、３３・・貫通孔、３４・・ブシュ、３５・・ボルト、３６・・クランクシャフト、３７，３８・・ベアリング、３９・・クランクアーム、４０・・クランクピン、４１・・スライダ、４２・・メタル、４３・・スライダフレーム、４４・・窓孔、４５，４６・・ガイド棒、４７・・ボルト、４８・・ガイド棒挿通孔、４９，５０・・ブシュ、５１・・クランク角度センサ、５２・・角度板。

Claims

ピストンリングを装着したピストンをシリンダ内で往復動させ、前記ピストンリングとシリンダ間に発生する摩擦力を測定する摩擦力測定装置において、
前記ピストンがクロススライダクランク機構によりシリンダ内を往復動するように構成されており、前記クロススライダクランク機構が、前記ピストンに連結されているピストンロッドと、ピストンロッドに連結され、クランクケース内に往復動可能に支持されているスライダフレームと、スライダフレームの運動方向に対して直角方向に移動可能にスライダフレームの窓孔に装着されているスライダと、スライダが回転可能に装着されているクランクシャフトとを備え、
前記シリンダは外周の鍔部がクランクケースに力センサを介して支持され、前記ピストンをシリンダ内で往復動させた時に前記ピストンリングとシリンダ間に発生する摩擦力がシリンダを介して前記力センサに作用し、この力センサで前記摩擦力を検出するように構成され、
前記ピストンの上方は大気に開放され、
前記シリンダの内周側とそれに対向して配置するクランクケース側との間をＯリング手段によってシールすることにより、クランクケース内の圧力変動が前記シリンダの下面に及ぶのを防止するよう構成されていることを特徴とする摩擦力測定装置。
前記力センサに予め所定荷重をかけるプリロード手段を備えていることを特徴とする請求項１記載の摩擦力測定装置。
前記ピストンはピストンロッドにねじで直接結合、あるいはボルト又はナットで結合されていることを特徴とする請求項１又は２記載の摩擦力測定装置。