JP4858246B2 - リンク組立体 - 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ロアリンクに好適なリンク組立体に関する。

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。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つの半割部つまりリンクアッパと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リンク組立体としている。例えば、複数のボルトを下方つまりリンクロア側から挿入し、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

上記のように大きな荷重を受けるリンク組立体であるロアリンク自体に雌ねじを形成することは、雌ねじにおける応力集中という点では好ましくない。図７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いる。このような三者のピンから入力される反対方向の大きな荷重Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３によって、ロアリンク自体に大きな応力が発生する。そして、リンクアッパ１０１とリンクロア１０２とが分割面１０７で離れないように、ボルト１０３，１０５には、予め大きな軸力を与えておく必要がある。従って、ボルト１０３，１０５が螺合する雌ねじ部１０４，１０６には、ボルト軸力による応力集中に加えて、ロアリンク自体の荷重による応力が加わる。また、各々のボルト１０３，１０５の両側に作用する力の方向が反対方向となることから、雌ねじ部１０４，１０６には、応力だけでなく、大きなモーメントも作用する。従って、ロアリンクにおける雌ねじ部付近の耐久性を確保することが大きな課題となっている。

図８は、例えばコントロールピン側のボルト１０３先端が螺合する雌ねじ部１０４の開口端付近の断面を模式的に示しているが、前述したようにクランクピンを挟んで荷重Ｆ２，Ｆ３が作用すると、雌ねじ部１０４とアッパピンとの間で符号１０８で示す線のような応力伝達経路に沿って応力が作用し、ボルト１０３先端付近の雌ねじ部１０４、特に、その谷底に応力が集中しやすい。

この発明は、このような課題に鑑みてなされたものである。すなわち、本発明に係るリンク組立体は、第１のピンが嵌合する略中央のピン軸受部が形成されるとともに、２つのピンボス部にそれぞれ保持される第２のピンと第３のピンとによって２つの部品と連結され、上記ピン軸受部の中心を通る分割面に沿って、一方のピンボス部を含むリンクアッパと、他方のピンボス部を含むリンクロアと、に分割構成され、かつ、上記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、上記リンクアッパと上記リンクロアとが締結されている。

典型的には、上記リンク組立体が内燃機関のピストンクランク機構におけるロアリンクであり、上記第１のピンが内燃機関のクランクシャフトのクランクピンであり、上記２つの部品が、内燃機関の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、一端が機関本体側に揺動可能に支持されたコントロールリンクと、である。

少なくとも一方のボルトは、リンクロアとリンクアッパのいずれか一方のボルト挿入孔を貫通するとともに、他方に貫通形成された雌ねじ部に螺合して、先端が上記雌ねじ部の開口端から露出している。上記雌ねじ部の開口端を両側から挟むように、上記第１のピンの中心軸に直交する面に沿って延びた一対のリブを有している。これらのリブは、例えば、一方のピンボス部の周囲の部分に連続しているが、その長手方向の途中で二股状に分岐する形で上記リブに連続している。

これらのリブの間の谷間部分に、ボルト中心軸に垂直な平面が設けられ、この平面に上記開口端が開口している。そして、上記リブが平面に接続する根本部分に、上記リブの内側へ窪んだ凹部が形成されている。

上記凹部は、例えば上記平面へ滑らかに接続する断面円弧状をなしている。このような断面形状の凹部は例えば円筒状の切削用の加工工具を用いて容易に加工することができる。

更に好ましくは、上記一対のリブの内壁面が一方の側で上記平面から起立する起立壁面によって接続されており、上記凹部は、上記平面の三方を囲う一対のリブの内壁面と起立壁面とにわたる略Ｕ字状の範囲に形成されている。

あるいは、上記凹部は、上記ボルト中心軸と同心の一つの円形の範囲に形成されている。このように、凹部の形成範囲をボルト挿入孔を中心軸とする一つの円形の範囲内に制限することにより、雌ねじ部の開口端付近への応力集中を緩和しつつリブの剛性低下を最小限に抑制することができる。

この発明によれば、雌ねじ部の開口端を両側から挟むように一対のリブを設けることで、この雌ねじ部の開口端付近の剛性が高められるとともに、上記２つのピンボス部やクランクピン軸受部の間でリンク組立体に作用する応力の伝達経路が、相対的に剛性の高いリブを経由することとなる。そして、リブの根本部分に凹部を形成することによって、応力伝達経路を凹部の外側へ迂回させることができ、開口端付近の雌ねじ部谷底の応力集中が緩和される。このように、疲労破壊の起点となりやすいボルト先端が噛み合う雌ねじ部の開口端付近の谷底への応力集中が緩和されることから、雌ねじ部の耐久性、信頼性が向上する。

また、凹部をリブの内側に凹設しているので、凹部を設けるためにピン軸方向の幅を大きくする必要がない。従って、内燃機関のピストンクランク機構におけるロアリンクのように、カウンタウェイトとの干渉を回避するためにクランクピン軸方向の幅が制約されるものに本発明のリンク組立体が特に好適である。

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、この発明のリンク組立体として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（第１のピン）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（ピン軸受部）２１に上記クランクピン３が嵌合している。アッパリンク（部品）５は、下端側がアッパピン（第２のピン）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（部品）１０は、上端側がコントロールピン（第３のピン）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および図３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（一方のボルトは図では見えない位置にある）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リンクアッパ３１が上側に、上記リンクロア３２が下側に、それぞれ位置し、２本のボルト３３は、いずれもリンクロア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の中で、アッパピン用ピンボス部２２側に位置する図示されていないボルトは、リンクロア３２のボルト挿入孔を貫通し、リンクアッパ３１側の雌ねじ部に先端部が螺合する。このボルト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、そのため、雌ねじ部となるねじ孔は、軸方向にリンクアッパ３１を貫通しておらず、先端が封止されている。従って、図２では、このボルトは見えていない。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３３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３３の頭部が位置しており、リンクロア３２のボルト挿入孔３４（図３参照）を貫通し、かつ先端部が、リンクアッパ３１側の雌ねじ部３５に螺合している（図３参照）。このボルト３３用の雌ねじ部３５つまりねじ孔は、リンクアッパ３１を上下に貫通しており、ボルト３３の先端がリンクアッパ３１上面に露出している。

上記雌ねじ部３５の上端開口３５ａは、図示するように、リンクアッパ３１の上面に位置しているが、この開口３５ａを両側から挟むように、クランクピン中心線に直交する面に沿って延びた一対のリブ４１が形成されている。換言すれば、このリブ４１は、ロアリンク４の両側の端面部分を上方へ延長した形状をなし、開口３５ａの周辺の部分をアッパピン用ピンボス部２２上縁部に斜めに連結している。つまり、アッパピン用ピンボス部２２の上縁部がコントロールピン用ピンボス部２３側へ延び、かつ途中で二股に分岐して、一対のリブ４１となっている。

上記の一対のリブ４１の間の谷間部分は、ボルト中心線と直交する平面４５となっており、この平面４５に、上記の上端開口３５ａが開口している。なお、ボルト３３の先端は、上記の上端開口３５ａから僅かに突出し、あるいは突出せずにボルト３３の先端面と上記平面４５とが同一平面となるように軸方向にほぼ合致している。

図３及び図４はボルト３３の中心軸方向に沿ってクランクピン３の軸方向に垂直な断面を示し、図５はボルト中心軸方向及びクランクピン軸方向の双方に直交する方向Ｙ１（図３参照）から見た正面図に対応している。これらの図に示すように、リブ４１が平面４５に略垂直に接続する根本部分には、リブ４１の上端開口３５ａ寄りの内壁面４１ａより内側へ窪んだ凹部４６が形成されている。この凹部４６は、その下縁が平面４５へ滑らかに接続する断面円弧状をなしている。

また、一対のリブ４１の内壁面４１ａは、クランクピン軸受部２１に近い奥側で平面４５から略垂直に起立する起立壁面４２によって接続されており、上記の凹部４６は、上記平面４５の三方を囲う２つのリブ内壁面４１ａと起立壁面４２とにわたる略Ｕ字状の範囲にわたって形成されている。すなわち、平面４５が開放する開放端（図３，図４の右側の端部）を除き、平面４５の周囲の全周にわたって凹部４６が形成されている。

凹部４６の各リブ内壁面４１ａに凹設される部分４６ａは、図５に示すように、上記のＹ１方向に沿う同一中心軸４６ｂの断面半円弧状をなし、その下縁が平面４５に滑らかに接続している。また、凹部４６の対向壁面４２に凹設される部分４６ｃは、図４に示すように、リブに沿う部分４６ａと同様の断面半円弧状をなし、その下縁が平面４５に滑らかに接続している。

本形状を設けるにあたっては、本出願人が先に提案した特開２００６−１７７２７２号公報に記載の手法と同様、凹部４６の円弧形状と同じ直径の円筒状の切削用の加工冶具を、平面４５の開放端側（図４の右側）より挿入することによって、上記の平面４５を含めて凹部４６を一工程で加工することが可能であり、その加工が容易である。

図５は、上記のように凹部４６を形成した場合の応力の流れ（ロアリンク４が、クランクピン３、アッパピン６、コントロールピン１１の三者から前述した荷重を受けたときの応力）の一例を示している。図示するように、アッパピンボス部２２からの引張（圧縮）荷重が作用すると、矢印１２５に示すように、その応力が補強用の一対のリブ４１を伝って伝達されるが、これらの応力伝達経路１２５は凹部４６の外側を通ることとなり、ボルト３３の先端が噛み合う雌ねじ部３５の上端開口３５ａ付近における応力が小さくなり、疲労破壊の起点となりやすい上端開口３５ａに近い谷底での応力集中が緩和される。この結果、リブ４１による剛性の向上と相俟って、雌ねじ部３５の耐久性，信頼性が向上する。

また、凹部４６自体も一種の切欠として応力集中箇所となり得るが、本実施例では凹部４６を半径の比較的大きい断面円弧形状とし、かつ、その下縁を平面４５に滑らかに接続させているので、応力集中が低減・回避され、また、応力集中が雌ねじ部３５から離れるため、雌ねじ部３５への影響が抑制される。

更に、ロアリンク４はカウンタウェイト１５と近接して設けられるためにクランクピン軸方向の幅が制約されるものの、凹部４６をリブ４１の内側に凹設しているので、凹部４６を設けることによるロアリンク４自体のクランクピン軸方向の幅の増加を招くことがない。

次に、図６は、上記の凹部４６に加えて、凹部４７を部分的に設けた第２の実施例を示している。この凹部４７は、その下縁４７ａにて図示されるように、ボルト中心軸つまりは雌ねじ部３５と同心の一つの円形の範囲にわたって中空溝形状に形成されている。つまり、雌ねじ部３５の上端開口３５ａ近傍の円形（４７ａ）の範囲にのみ凹部４７を設けており、対向壁面４２には凹部が設けられていない。このように、凹部４７の形成範囲を上端開口３５ａ近傍に制限することにより、雌ねじ部３５の開口端３５ａ付近への応力集中を緩和しつつ、リブ４１や対向壁面４２の剛性低下を最小限に抑制することができる。このような凹部４７は、本出願人が先に提案した特開２００６−１７７４７１号公報に記載の手法と同様、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比較的容易に加工することが可能である。

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。 本発明に係るリンク組立体としてのロアリンクの一実施例を示す斜視図。 このロアリンクの要部を示す断面斜視図。 同じくロアリンクの要部を示す断面図。 この実施例における応力伝達経路を示す説明図。 第２の実施例を示すロアリンク要部の断面斜視図。 ロアリンクに作用する荷重の説明図。 従来のロアリンクにおける応力伝達経路を示す説明図。

符号の説明

３…クランクピン（第１のピン）
４…ロアリンク（リンク組立体）
５…アッパリンク（部品）
６…アッパピン（第２のピン）
１０…コントロールリンク（部品）
１１…コントロールピン（第３のピン）
２１…クランクピン軸受部（ピン軸受部）
２２…アッパピン用ピンボス部（ピンボス部）
２３…コントロールピン用ピンボス部（ピンボス部）
３１…リンクアッパ
３２…リンクロア
３３…ボルト
３５…雌ねじ部
４１…リブ
４５…平面
４６、４７…凹部

Claims (3)

1. 第１のピンが嵌合する略中央のピン軸受部が形成されるとともに、２つのピンボス部にそれぞれ保持される第２のピンと第３のピンとによって２つの部品と連結され、上記ピン軸受部の中心を通る分割面に沿って、一方のピンボス部を含むリンクアッパと、他方のピンボス部を含むリンクロアと、に分割構成され、かつ、上記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、上記リンクアッパと上記リンクロアとが締結されたリンク組立体であって、
   少なくとも一方のボルトは、リンクロアとリンクアッパのいずれか一方のボルト挿入孔を貫通するとともに、他方に貫通形成された雌ねじ部に螺合して、先端が上記雌ねじ部の開口端から露出しており、
   上記雌ねじ部の開口端を両側から挟むように、上記第１のピンの中心軸に直交する面に沿って延びた一対のリブを有し、これらのリブの間の谷間部分に、ボルト中心軸に垂直な平面が設けられ、この平面に上記開口端が開口しており、
   上記平面の三方を囲うように、上記一対のリブの内壁面が一方の側で上記平面から起立する起立壁面と接続されており、
   かつ、上記リブが平面に接続する根本部分に、上記リブの内側へ窪んだ凹部が、上記一対のリブの内壁面と上記起立壁面とにわたる略Ｕ字状の範囲に形成されており、
   この凹部は、上記平面に開口する上記雌ねじ部への応力集中を緩和するように、その下縁が上記平面に滑らかに接続する断面円弧状をなしていることを特徴とするリンク組立体。
2. 上記リンク組立体が内燃機関のピストンクランク機構におけるロアリンクであり、
   上記第１のピンが内燃機関のクランクシャフトのクランクピンであり、
   上記２つの部品が、内燃機関の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、一端が機関本体側に揺動可能に支持されたコントロールリンクと、であることを特徴とする請求項１に記載のリンク組立体。
3. 上記凹部は、上記ボルト中心軸と同心の一つの円形の範囲内に形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のリンク組立体。

Images