JP5070689B2

JP5070689B2 - 連結ピン

Info

Publication number: JP5070689B2
Application number: JP2005254348A
Authority: JP
Inventors: 誠小林; 研史牛嶋; 克也茂木; 直樹高橋
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2005-09-02
Filing date: 2005-09-02
Publication date: 2012-11-14
Anticipated expiration: 2025-09-02
Also published as: JP2007064452A

Description

この発明は、ピストン−クランク機構のようなリンク機構に好適なフルフロート形式の連結ピンに関する。

特許文献１は、本出願人が先に提案したものであって、内燃機関の複リンク式ピストン−クランク機構において、各リンクを連結するためのフルフロート形式の連結ピンを開示している。この連結ピンは、単純な円筒状をなし、長手方向の中央部に嵌合する一方の部材の軸受と、長手方向の両端部にそれぞれ嵌合する他方の部材の二股状の軸受とを、互いに回転自在に連結している。
特開２００３−３２２０５６号公報

このようなフルフロート形式の連結ピンにおいては、連結ピンの全長を短くして対応する軸受の小型化を達成するためには、連結ピン・軸受間の負荷容量を増大する必要がある。しかし、連結ピン・軸受間の負荷を増大すると、連結ピンと軸受との間で焼き付きや過大な摩耗が生じやすくなる。従って、大きな負荷の下でも良好な流体潤滑状態を保ち、金属接触を抑制することが要求されている。

この発明は、２つの部材の軸受にそれぞれ潤滑油膜を介して回転自在に支持されて両部材を互いに揺動可能に連結するとともに、軸受の位置自体が２次元的な移動軌跡に沿って公転運動する連結ピンにおいて、この連結ピンの重心が、該連結ピンの中心から偏心した位置にあることを特徴としている。

例えば内燃機関のピストンピンは、単純な上下直線運動つまり１次元的な直線往復運動を行うに過ぎないが、例えば複リンク式ピストン−クランク機構における２つのリンクを連結する連結ピンは、それ自体が２次元的な軌跡に沿って運動する。そのため、連結ピンの重心が該連結ピンの中心から偏心していると、２次元的な運動の慣性力によるモーメントが連結ピンに作用し、軸受内で連結ピンが回転つまり自転しようとする。従って、この連結ピンの自転により、いわゆる潤滑油のくさび効果が生じ、油膜圧力が発生しやすくなる。そのため、金属接触が緩和され、耐摩耗性、耐焼き付き性といった軸受耐久性能が向上する。

この発明によれば、連結ピン自体の２次元的な運動に伴い該連結ピンが軸受内で回転しようとし、潤滑油のくさび効果により金属接触が抑制されて、耐摩耗性や耐焼き付き性が向上する。

以下、この発明の好ましい実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、本発明に係る連結ピンが適用されるピストン−クランク機構の一例として、複リンク式のピストン−クランク機構を利用した内燃機関の可変圧縮比機構を示している。

これは前述した特許文献１の実施例と同様のものであって、図示するように、シリンダブロック５に形成されたシリンダ６内に、ピストン１が摺動可能に配設されており、このピストン１に、アッパリンク１１の一端がピストンピン２を介して揺動可能に連結されている。このアッパリンク１１の他端は、第１連結ピン１２を介してロアリンク１３の一端部に回転可能に連結されている。このロアリンク１３は、その中央部においてクランクシャフト３のクランクピン４に揺動可能に取り付けられている。なお、ピストン１は、その上方に画成される燃焼室から燃焼圧力を受ける。また、クランクシャフト３は、クランク軸受ブラケット７によってシリンダブロック５に回転可能に支持されている。

上記ロアリンク１３の他端部には、コントロールリンク１５の一端が第２連結ピン１４を介して回転可能に連結されている。このコントロールリンク１５の他端は、内燃機関本体の一部に揺動可能に支持されており、かつ、圧縮比の変更のために、その揺動支点１６が、支持位置可変手段により内燃機関本体に対して変位可能となっている。具体的には、支持位置可変手段として、クランクシャフト３と平行に延びた制御軸１８と、この制御軸１８に偏心して設けられた円形の偏心カム１９と、を有しており、この偏心カム１９の外周面に上記コントロールリンク１５の他端が回転可能に嵌合している。上記制御軸１８は、上記のクランク軸受ブラケット７と制御軸受ブラケット８との間に回転可能に支持されている。

従って、圧縮比の変更のために、図外のアクチュエータにより制御軸１８を回転駆動すると、コントロールリンク１５の揺動支点１６となる偏心カム１９の中心位置が機関本体に対して移動する。これにより、コントロールリンク１５によるロアリンク１３の運動拘束条件が変化して、クランク角に対するピストン１の行程位置が変化し、ひいては機関圧縮比が変更されることになる。

図２は、上記の第１連結ピン１２によるロアリンク１３とアッパリンク１１とのピン連結構造を示している。ロアリンク１３は、クランクシャフト３のカウンタウエイト１７等との干渉を避けるために、そのクランクシャフト３軸方向の寸法が比較的小さく制限されている。

ロアリンク１３の一端部には、中央部にアッパリンク嵌合溝２１が生じるように、一対のピンボス部２２が二股状に対向して形成されており、これらのピンボス部２２には、円筒面をなすピン軸受孔２４がそれぞれ貫通形成されている。この２つのピン軸受孔２４は、同軸上に位置し、かつ、互いに同じ径に形成されている。

一方、アッパリンク１１の端部は、上記アッパリンク嵌合溝２１内にごく僅かな隙間をもって嵌合可能な軸方向寸法を有するピンボス部２６として構成されており、このピンボス部２６に、円筒面をなすピン軸受孔２７が貫通形成されている。このピン軸受孔２７の径は、ロアリンク１３側のピン軸受孔２４の径と等しい。

上記ロアリンク１３と上記アッパリンク１１とを連結する第１連結ピン１２は、外周面が単純な円筒面をなす円柱状をなし、かつその両端部に、それぞれ軸方向に沿った偏心穴２８が形成されている。この第１連結ピン１２の径は、ピン軸受孔２４，２７の径に実質的に等しく、第１連結ピン１２は、これらのピン軸受孔２４，２７に対し回転可能に嵌合する。つまり、双方の部材に対し回転自在なフルフロート形式となっている。これらの軸受面は、適宜な潤滑油供給方式によって潤滑されている。なお、第１連結ピン１２の軸方向の移動は、図示せぬスナップリング等によって拘束される。

図３は、上記第１連結ピン１２の端部付近での断面図であり、図示するように、上記偏心穴２８は断面真円形をなし、第１連結ピン１２の断面において偏心した位置に形成されている。従って、この第１連結ピン１２の重心Ｇは、該連結ピン１２の中心Ｏから偏心穴２８と反対側に偏心している。また、この偏心穴２８は、図２に示したように、連結ピン１２の全長を貫通しておらず、アッパリンク１１を支持する中央部を中実状態に残すようにして、長手方向の両端部にのみ設けられている。

上記のような複リンク式ピストン−クランク機構においては、図４に示すように、クランクピン４の回転に伴ってロアリンク１３は上下に揺動するので、第１連結ピン１２は、符号３０で示すような楕円形に近い形状の２次元的な移動軌跡に沿って空間内を運動する。従って、重心Ｇが偏心した位置にある第１連結ピン１２は、その重心Ｇを通る方向に慣性力Ｆが発生する結果、移動軌跡３０上の移動に伴って第１連結ピン１２を自転させようとする回転モーメントＭが発生する。例えば、図４の（ａ）のような姿勢に第１連結ピン１２があったとすると、慣性力Ｆによって反時計回り方向の回転モーメントＭが発生し、図（ｂ）に示す姿勢になろうとする。重心Ｇの位置が中心から離れているほど回転モーメントＭは大きくなり、第１連結ピン１２の自転速度が、移動軌跡３０に沿った第１連結ピン１２の公転速度に近づく。

これにより、第１連結ピン１２とピン軸受孔２４，２７との間の摺動速度が高くなり、くさび効果による油膜が発生しやすくなる。この油膜の確実な形成により金属接触が抑制され、過度の摩耗や焼き付きが防止される。従って、第１連結ピン１２や軸受孔２４，２７の軸方向寸法の短縮ひいてはロアリンク１３の小型化が可能となる。

また、上記連結ピン１２にアッパリンク１１から燃焼圧による最大荷重Ｌが作用するときに、回転モーメントＭによって、第１連結ピン１２は図５に示すような姿勢となる。このとき、図６に示すように、第１連結ピン１２が撓み変形し、符号Ａで示す中央部の下側部分（アッパリンク１１からの荷重作用方向と反対側の部分）が大きな引張応力を受ける。従って、仮に、この中央部を偏心穴２８が貫通していると、外周面との間の薄肉部分に大きな引張応力が作用することになり、好ましくない。本実施例では、図２に示したように、大きな引張応力を受ける長手方向の中央部が中実状であるので、引張応力に確実に抗することができる。また、この中実となった中央部は両端部に比較して質量が大きくなり、ここに作用する上方への慣性力Ｆは両端部に作用する慣性力Ｆよりも相対的に大きくなるので、図６に示す撓み変形が緩和される、という作用も得られる。

上記偏心穴２８としては、図７に示すように、短軸を偏心方向に一致させた楕円形状の穴としてもよい。このような楕円形状とすることで、外周面との間の肉厚の薄い部分が、真円形の穴の場合よりも広範囲に生じる。例えばロアリンク１３側の二股状のピンボス部２２は、図２に示すような荷重を受けたときに傾くように変形するが、このような軸受孔２４，２７の傾き・変形に対し、第１連結ピン１２の肉厚の薄い部分は容易に追従・変形し、軸受孔２４，２７のエッジが局所的に金属接触することを抑制する。これにより、耐久性が向上する。また、楕円形状とすることで、重心Ｇがより大きく偏心する利点もある。

なお、ロアリンク１３においては、上記の軸受孔２４のエッジへの過大な入力によって、これに隣接するクランクピン４の軸受孔が変形する、という問題があるが、本発明によれば、第１連結ピン１２からの入力がなだらかなものとなるので、このクランクピン軸受孔の変形が抑制される。

図８は、第１連結ピン１２の異なる実施例を示す。この実施例では、上記の実施例とは逆に、アッパリンク１１側が二股状のピンボス部２６を有し、ロアリンク１３側の単一のピンボス部２２がその間に挟み込まれている。このような構成では、アッパリンク１１側から燃焼圧による最大荷重Ｌが作用したときに、引張応力は、重心Ｇ寄りつまり偏心穴２８と反対側の部分（図の上側の部分）に作用するので、偏心穴２８を第１連結ピン１２の全長に亘って貫通形成してある。

上記の各実施例における偏心穴２８に、第１連結ピン１２自体の材質よりも軽量な材質からなる棒状の部材を密に圧入し、第１連結ピン１２の剛性を高めるようにしてもよい。図９の実施例は、偏心穴２８に嵌合する棒状部３１ａとフランジ部３１ｂとが一体となった抜け止め部材３１を軽量な材質から構成し、上記棒状部３１ａを偏心穴２８に圧入して固定したものである。なお図（ａ）は、偏心穴２８が貫通していない例、図（ｂ）は、偏心穴２８が貫通している場合の例を示す。上記フランジ部３１ｂは、第１連結ピン１２の軸方向の移動を規制し、軸受孔２４，２７からの脱落を阻止する。ここで、上記抜け止め部材３１として、その重心が第１連結ピン１２の中心から偏心した構成としてもよく、これにより例えば、第１連結ピン１２と組み合わせた状態での重心Ｇの位置をより大きく偏心させることが可能である。また上記のような軽量な部材を圧入することで第１連結ピン１２自体の剛性が向上するので、その薄肉化が可能となり、重量分布の設定が容易となる。

また、図１０は、第１連結ピン１２の両端に装着される抜け止め用のＣ字形クリップ４１の重心位置を偏心させたものであって、特に、この実施例では、合口４２を構成する一対のつまみ部４３を部分的に大きくし、部分的に重くしている。これにより、第１連結ピン１２に取り付けた状態において、全体の重心Ｇが偏心する。なお、上述した偏心穴２８を備えた第１連結ピン１２と組み合わせることもでき、あるいは、それ自体は重心が偏心していない第１連結ピン１２と組み合わせることもできる。また、この構成では、一対のつまみ部４３に半径方向外側へ慣性力Ｆが作用するので、Ｃ字形クリップ４１を締め付ける方向となり、第１連結ピン１２と一体に回転しやすくなる。なお、つまみ孔４４の位置が第１連結ピン１２の外周面から離れるため、脱着作業の作業性が向上する。

図１１の実施例は、合口４２と反対側（１８０°離れた側）の部分４５を局部的に大きくしたものである。この場合は、形状に自由度があるため、重心位置を大きく偏心させることが可能である。また、大きく張り出した部分４５をつまみながら脱着作業をできるので、その作業性が向上する。

この発明に係る連結ピンが用いられた複リンク式ピストン−クランク機構の全体構成を示す内燃機関要部の断面図。軸受孔および第１連結ピンの断面図。第１連結ピンの横断面図。運動中の第１連結ピンの姿勢を示す説明図。燃焼圧による最大荷重を受けるときの第１連結ピンの姿勢を示す説明図。最大荷重時の第１連結ピンの変形状態を示す説明図。偏心穴を楕円形状とした実施例を示す断面図。偏心穴が貫通した第１連結ピンの異なる実施例を示す断面図。軽量な抜け止め部材を偏心穴に圧入した実施例を示す説明図。Ｃ字形クリップの重心を偏心させた実施例を示す平面図。Ｃ字形クリップの異なる実施例を示す平面図。

符号の説明

１１…アッパリンク
１２…第１連結ピン
１３…ロアリンク
２２…ピンボス部
２４…ピン軸受孔
２６…ピンボス部
２７…ピン軸受孔
２８…偏心穴
４１…Ｃ字形クリップ

Claims

２つの部材の軸受にそれぞれ潤滑油膜を介して回転自在に支持されて両部材を互いに揺動可能に連結するとともに、軸受の位置自体が２次元的な移動軌跡に沿って公転運動する連結ピンにおいて、この連結ピンの重心が、該連結ピンの中心から偏心した位置にあることを特徴とする連結ピン。
重心が偏心するように、少なくとも１つの穴が軸方向に沿って形成されていることを特徴とする請求項１に記載の連結ピン。
断面真円形の穴が連結ピンの中心から偏心した位置に設けられていることを特徴とする請求項２に記載の連結ピン。
断面楕円形の穴が連結ピンの中心から偏心した位置に設けられていることを特徴とする請求項２に記載の連結ピン。
一方の部材の軸受が上記連結ピンの中央部に嵌合し、他方の部材が、上記連結ピンの両端部を支持するように二股状の一対の軸受を備え、一方の部材から連結ピンの中央部に作用する最大荷重の方向が、上記運動により上記連結ピンに作用する慣性力の方向と略反対向きとなるように構成されているとともに、上記穴は、上記連結ピンの中央部を中実状に残して両端部にのみ形成されていることを特徴とする請求項２〜４のいずれかに記載の連結ピン。
一方の部材の軸受が上記連結ピンの中央部に嵌合し、他方の部材が、上記連結ピンの両端部を支持するように二股状の一対の軸受を備え、一方の部材から連結ピンの中央部に作用する最大荷重の方向が、上記運動により上記連結ピンに作用する慣性力の方向と略同じ向きとなるように構成されているとともに、上記穴は、上記連結ピンの全長に亘り貫通形成されていることを特徴とする請求項２〜４のいずれかに記載の連結ピン。
上記軸受からの連結ピンの抜け止めを行う抜け止め部材が、上記穴に嵌合して取り付けられており、この抜け止め部材は、連結ピン自体の材質よりも軽量な材質から形成されていることを特徴とする請求項２〜６のいずれかに記載の連結ピン。
上記抜け止め部材は、連結ピンに取り付けた状態で該連結ピンの中心から離れた位置に重心を有することを特徴とする請求項７に記載の連結ピン。
連結ピンの端部に抜け止め用のＣ字形クリップが装着され、このＣ字形クリップは、重心が偏心するように、合口部分が局部的に大きく形成されていることを特徴とする請求項２に記載の連結ピン。
連結ピンの端部に抜け止め用のＣ字形クリップが装着され、このＣ字形クリップは、重心が偏心するように、合口と反対側の部分が局部的に大きく形成されていることを特徴とする請求項２に記載の連結ピン。
一端がピストンにピストンピンを介して連結されるアッパリンクと、このアッパリンクの他端が第１連結ピンを介して連結されるとともに、クランクシャフトのクランクピンに回転可能に取り付けられるロアリンクと、このロアリンクに第２連結ピンを介して一端が連結されるとともに、他端が内燃機関本体に対して揺動可能に支持されるコントロールリンクと、を備えてなる内燃機関の複リンク式ピストン−クランク機構において、
上記第１連結ピンもしくは第２連結ピンとして用いられることを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載の連結ピン。
上記第１連結ピンとして用いられることを特徴とする請求項１１に記載の連結ピン。