JP5086950B2 - ピストンとコンロッドとの球面連結構造 - Google Patents

Description

本発明は、ピストンとコネクティングロッド（以下、コンロッドと略記する。）との連結構造の改良に関するものである。

従来、ピストンとコンロッドとの連結構造について、各種の構造が提案されてきた（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００６−２７４８６１公報（図３）

特許文献１の図３に示されるように、コンロッド（１６）（括弧付き符号は、特許文献１に記載されている符号を示す。以下同様）の小端部（２４）は、上凹半球面を有する上部保持部材（５６）と下凹半球面を有する下部保持部材（５７）とで保持される。例えば、排気時には、ピストン（１３）の上向き方向の慣性力が、小端部（２４）の下面に作用することで、小端部（２４）の下面と下部保持部材（５７）の下凹半球面が当接する。この当接の形態を、次図で詳しく説明する。

図８は従来のピストンとコンロッドとの球面連結構造を説明する図である。なお、符号は振り直した。
分解図である（ａ）に示すように、コンロッドの小端部２０１は、半径ｒの球面体を有する。一方、下部保持部材２０２の下凹半球面２０３は、半径Ｒの球面を有する。また、上部保持部材２０４の上凹半球面２０５も、半径Ｒの球面を有している。組立を考慮すると、加工公差を見込む必要があり、そのためにはｒ＜Ｒにする必要がある。

すると、組立図である（ｂ）に示すように、小端部２０１は、下部保持部材２０２の開放端部２０６近傍の点Ａで下部保持部材２０２に当接する。小端部２０１の中心を通る軸線２０７から点Ａまでの距離をＬ１とすると、小端部２０１と下部保持部材２０２の間における接触長さは、２π・Ｌ１で表される。点Ａが軸線２０７に近いため、接触長さ（２π・Ｌ１）は小さく、そのために、点Ａにおける面圧（ピストンに加わる力を接触長さで割った値）は大きくなる。

次に、上部保持部材２０４について検討する。ｒ＜Ｒであるため、小端部２０１は、上部保持部材２０４の上凹半球面２０５の中央点Ｂで、上部保持部材２０４に点接触する。点接触であるから、面圧は大きくなる。

面圧が大きい場合に、通常の材料を使用すると、摩耗や焼付きが発生し、部品交換の頻度が高くなる。
対策として、材料を高強度材料に変更する方法があるが、そうすると、ピストン及びコンロッドの調達コストが嵩み、好ましくない。

そこで、ピストンとコンロッドとの連結構造において、面圧を下げることができる構造が求められる。

本発明は、ピストンとコンロッドとの連結構造において、面圧を下げることができる構造を提供することを課題とする。

請求項１に係る発明は、ピストン１３の冠部５０の裏面５３に突出部５４を設け、この突出部５４の底に凹状の第１球面８５を有し、この第１球面８５にコンロッド１６に設けた球状の小端部２４の先端側を滑り可能に嵌合させ、前記小端部２４の大端部側に、保持部材５７に設けた凹状の第２球面９１を滑り可能に嵌合させ、前記小端部２４を前記第１球面８５と前記第２球面９１とで保持する、ピストンとコンロッドとの球面連結構造であって、第１球面８５の中央に、前記小端部２４の半径ｒより小さな半径Ｒ４で球状凹部１２１を設け、前記第２球面９１の開放端１２２側に、クラウニング加工を施すことで前記小端部２４に当接しない非接触面１２３を設けることを特徴とする。
なお、クラウニング加工は湾曲面（球面を含む。）を形成する加工の総称であり、加工具の種類は問わない。

請求項２に係る発明は、第１球面８５と前記球状凹部１２１とが交差する部位に、面取り仕上げを施したことを特徴とする。

請求項１に係る発明では、第１球面８５の中央に、小端部２４の半径ｒより小さな半径Ｒ４で球状凹部１２１を設け、第２球面９１の開放端側に、小端部２４に当接しない非接触面１２３を設ける。
従来は点接触であった第１球面と小端部は、本発明により、第１球面８５の中央に球状凹部１２１を設けることで、リング状の線接触に変更することができ、接触面圧を大幅に低減させることができる。

及び／又は、第２球面９１の開放端側に、小端部２４に当接しない非接触面１２３を設けることで、第２球面９１と小端部２４との当接点位置を軸線１１８から、より離すことができ、この結果、接触面圧を低減させることができる。
すなわち、ピストンとコンロッドとの連結構造において、面圧を下げることができる構造を提供することができる。

また本発明では、非接触面１２３は、第２球面９１の一般半径Ｒと異なる単一の第２の半径Ｒ２で形成する。単一の半径につき、加工が容易になり、加工コストの削減が期待できる。
さらに本発明では、第２球面９１と非接触面１２３とが交差する部位に、面取り仕上げを施したので、小端部２４に摺り傷が付くことを、より確実に防止することができる。

請求項２に係る発明では、第１球面８５と前記球状凹部１２１とが交差する部位に、面取り仕上げを施した。

本発明を実施するための最良の形態を添付図に基づいて以下に説明する。なお、図面は符号の向きに見るものとする。
図１は本発明に係るピストンとコンロッドとの球面連結構造を採用した内燃機関の断面図であり、内燃機関１０は、シリンダブロック１１と、このシリンダブロック１１に設けたシリンダボア１２に移動自在に挿入したピストン１３と、このピストン１３に球面継手１４を介して連結したコンロッド１６と、シリンダブロック１１の下部に回転自在に取付けるとともに中空のクランクピン１７でコンロッド１６をスイング自在に支持する組立式のクランクシャフト１８とを備える。

シリンダブロック１１は、上部に設けたシリンダ部２１と、このシリンダ部２１の内側に嵌合させるとともにシリンダボア１２を形成した筒状のスリーブ２２と、シリンダ部２１の下部に取付けたアッパークランクケース２３とからなる。

コンロッド１６は、ピストン１３に連結した球形状の小端部２４と、クランクピン１７に連結した大端部２５と、これらの小端部２４及び大端部２５のそれぞれを連結するロッド部２６とを一体成形した部材であり、大端部２５をクランクピン１７に滑り軸受３１を介して連結したものである。

ここで、３２はクランクシャフト１８に設けたカウンタウエイト、３３はシリンダブロック１１の上部にヘッドガスケット（不図示）を介して取付けたシリンダヘッド、３４は吸気バルブ、３６は排気バルブ、３７は燃焼室、３８はアッパークランクケース２３とでクランクケースを形成するためにアッパークランクケース２３の下部に複数のボルト４１で取付けたロワークランクケース、４２はロワークランクケース３８の下部に複数のボルト４４で取付けたオイルパンである。

図２は本発明に係るピストン、コンロッド及びクランクシャフトの組立状態を示す斜視図であり、ピストン１３にコンロッド１６をスイング自在に取付け、クランクシャフト１８にコンロッド１６をスイング自在に取付けたことを示す。

ピストン１６は、例えば、材質ＡＣ８Ａ［ＪＩＳ Ｈ ５２０２］の素材を鋳造にて製造し、熱処理としてＴ６処理を施した後に機械加工を施した部材である。
コンロッド１６としては、クロム鋼、クロムモリブデン鋼、又はチタン合金製が好適である。

図３は本発明に係るピストン及びコンロッドの断面図であり、ピストン１３は、燃焼室３７（図１参照）の底面を形成する冠部５０を備える上部ピストン５１と、コンロッド１６の小端部２４の上半球部２４ａを滑り可能に保持するために上部ピストン５１の冠部５０の裏面５３から突出させた突出部５４内に配置した上部保持部材５６と、コンロッド１６の小端部２４の下半球部２４ｂを滑り可能に保持する下部保持部材５７と、この下部保持部材５７を保持するために上部ピストン５１にねじ結合した下部ピストン５８とからなる。

上部ピストン５１は、円板状とした冠部５０と、この冠部５０の縁から下方に延ばした筒状で厚肉としたランド部６１と、このランド部６１から更に下方に延ばした筒状でランド部６１よりも薄肉とした上部スカート部６２と、前述の突出部５４とを一体成形した部材である。

冠部５０は、燃焼室３７（図１参照）に臨む冠面６４を備える。
ランド部６１は、冠面６４側から順に、トップランド６６、トップリング溝６７、セカンドランド６８、セカンドリング溝７１、サードランド７２及びオイルリング溝７３を設けた部分であり、トップリング溝６７にトップリング（不図示）を嵌め、セカンドリング溝７１にセカンドリング（不図示）を嵌め、オイルリング溝７３にオイルリング（不図示）を嵌める。

突出部５４は、上部保持部材５６をピストン１３の半径方向に移動可能に収納する凹部７５と、この凹部７５の開口部７６側の外周面７７に形成したおねじ７８とを備え、凹部７５は、底部８１に小凹部８２を形成した部分である。

上部保持部材５６は、耐熱性、耐摩耗性に優れた窒化ケイ素系セラミックス製であり、コンロッド１６の小端部２４の上半球部２４ａに滑り可能に嵌合する凹状の球面としての第１球面８５と、上部ピストン５１の小凹部８２内に位置する小凸部８６とを備え、凹部７５の内周面８７と上部保持部材５６の外周面８８とは片側にそれぞれ隙間Ｃを有し、同様に、小凹部８２と小凸部８６との間にも片側にそれぞれ隙間Ｃ（不図示）を有する。この隙間Ｃは凹部７５の内周面８７とコンロッド１６の小端部２４との間にも片側にそれぞれ有する。
上記の窒化ケイ素系セラミックスとしては、Ｓｉ_３Ｎ_４（窒化ケイ素）、ＢＮ（窒化ホウ素）、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）、ＴｉＮ（窒化チタン）が好適である。

下部保持部材５７は、コンロッド１６の小端部２４の下半球部２４ｂに滑り可能に嵌合する凹状の球面としての第２球面９１と、下部ピストン５８に嵌合する外周面９２及びおすテーパ部９３と、上部ピストン５１の突出部５４の端面５４ａに当接する当接面９４とを備える４分割とした窒化ケイ素系セラミックス（上に上げた材料が好適である。）製の部材であり、回り止め用ピン（不図示）で上部ピストン５１の突出部５４に対して回転しないようにするとともに、コンロッド１６のロッド部２６に当てる被案内面を設けることでピストン１３をコンロッド１６に対して回転しないようにする部材でもある。なお、５７ａ〜５７ｄ（５７ｃ，５７ｄは不図示）は、下部保持部材５７を構成する４つの分割体である。

下部ピストン５８は、上部ピストン５１の突出部５４の下部及び下部保持部材５７を囲むように配置した筒部９５と、この筒部９５から放射状に延ばした複数のリブ９６と、これらのリブ９６の各先端に連結した円筒状の下部スカート部９７とを一体成形した部材であり、全周に備える下部スカート部９７の上端面９７ａを上部ピストン５１の上部スカート部６２の下端面６２ａに当てた部材である。

筒部９５は、穴部９８に、下部保持部材５７のおすテーパ部９３に密着させためすテーパ部１０１と、下部保持部材５７の外周面９２に所定の隙間を有して嵌合する内周面１０２と、上部ピストン５１のおねじ７８にねじ結合するために内周面１０２の上部に形成しためねじ１０３とを備える。

おすテーパ部９３とめすテーパ部１０１とは、嵌合させることにより筒部９５の軸線に対して下部保持部材５７の軸線を一致させることが可能な部分である。
上記した上部ピストン５１のおねじ７８及び下部ピストン５８のめねじ１０３とは、ねじ結合部１０４を構成する部分である。

上部ピストン５１と下部ピストン５８とは、それらの質量をほぼ同一とした部材であり、上部保持部材５６と下部保持部材５７との質量をほぼ同一としているから、上部ピストン５１及び上部保持部材５６からなる上部ピストン半体１０５Ａの質量と、下部ピストン５８及び下部保持部材５７からなる下部ピストン半体１０５Ｂの質量とはほぼ同一となる。

コンロッド１６は、ロッド部２６の内部に軽量化のための中空部１０６，１０７，１０８，１１０を設け、小端部２４の内部に軽量のための中空部１１０を設けた部材であり、大端部２５（図１参照）側から球面継手１４の滑り面にオイルを供給するためにオイル穴１１４，１１５を設けたものである。

上記した突出部５４、上部保持部材５６、下部保持部材５７、筒部９５及び小端部２４は、上記した球面継手１４を構成する部分である。
１１７は球状の小端部２４の中心を示す中心点であり、ピストン１３の重心でもあるが、中心点１１７をピストン１３の重心にほぼ一致させてもよい。
１１８はピストン１３の軸線である。１１９は中心点１１７を通り且つ軸線１１８に直交する平面に含まれる直線である。

図４は本発明に係る下部保持部材及び上部保持部材の分解図であり、上部保持部材５６では、第１球面８５の中央に、小端部２４の半径ｒより小さな半径Ｒ４で形成した球状凹部１２１が設けられている。

また、下部保持部材５７ａでは、第２球面９１が半径Ｒ（一般半径Ｒと呼ぶ。）で仕上げられているが、加えて、開放端１２２側に、クラウニング加工を施すことで小端部２４に当接しない非接触面１２３が設けられている。この非接触面１２３は、一般半径Ｒより小さな半径Ｒ２で形成することが望ましい。下部保持部材５７ｂは下部保持部材５７ａと同様であるため、説明を省略する。

図５は本発明に係る下部保持部材及び上部保持部材の組立図であり、第１球面８５は中央に球状凹部１２１が存在するため、小端部２４は、点Ｄ、Ｄで接触する。すなわち、従来、小端部２４と第１球面８５とは点接触であったものが、本発明によればリング状の線で接触する。これで、接触時の面圧を大幅に減少させることができる。

また、第２球面９１に非接触面１２３が加えられたので、小端部２４との接触点Ｃは、図で斜め上へ移動する。この結果、軸線１１８から接触点Ｃまでの距離Ｌ２は十分に大きくなる。接触長さ（２π・Ｌ２）が大きくなると、点Ｃにおける面圧（ピストンに加わる力を接触長さで割った値）は小さくなる。

図６は本発明の下部保持部材の別実施例図であり、（ａ）に図４の下部保持部材５７ａを抜き描きした。第２球面９１と非接触面１２３との間に形成される接触点Ｃは、必然的に凸になる。この凸は使用に伴って摩耗し平坦化するが、希に小端部に擦り傷を発生させることがある。対策として、（ｂ）に示すように半径Ｒ３の面取り１２４を施す。面取り１２４は、交差する２つの面９１、１２３の境界に現れるコーナー部を丸めるアール面取りが好ましい。

図７は本発明の上部保持部材の別実施例図であり、（ａ）に図４の上部保持部材５６を抜き描きした。第１球面８５と球面凹部１２１との間に形成される接触点Ｄ、Ｄは、必然的に凸になる。この凸は使用に伴って平坦化するが、希に小端部に擦り傷を発生させることがある。対策として、（ｂ）に示すように半径Ｒ３の面取り１２５、１２５を施す。面取り１２５、１２５もコーナー部を丸めるアール面取りが好ましい。

尚、実施の形態では、図４で説明したように、上部保持部材５６の第１球面８５に球状凹部１２１を設けると共に、下部保持部材５７ａ、５７ｂに非接触面１２３を設けたが、球状凹部１２１と非接触面１２３との一方を設けることでも、本発明の目的は達成される。すなわち、球状凹部１２１及び／又は非接触面１２３をピストンに設ければよい。

本発明のピストンとコンロッドとの球面連結構造は、二輪車、四輪車の内燃機関に好適である。

本発明に係るピストンとコンロッドとの球面連結構造を採用した内燃機関の断面図である。 本発明に係るピストン、コンロッド及びクランクシャフトの組立状態を示す斜視図である。 本発明に係るピストン及びコンロッドの断面図である。 本発明に係る下部保持部材及び上部保持部材の分解図である。 本発明に係る下部保持部材及び上部保持部材の組立図である。 本発明の下部保持部材の別実施例図である。 本発明の上部保持部材の別実施例図である。 従来のピストンとコンロッドとの球面連結構造を説明する図である。

符号の説明

１０…内燃機関、１３…ピストン、１６…コンロッド、２４…小端部、２５…大端部、５０…冠部、５３…裏面、５４…突出部、５７…保持部材（下部保持部材）、８５…第１球面、９１…第２球面、１２１…球状凹部、１２２…開放端、１２３…非接触面、１２４、１２５…面取り。

Claims (2)

1. ピストン（１３）の冠部（５０）の裏面に突出部（５４）を設け、この突出部（５４）の底に凹状の第１球面（８５）を有し、この第１球面（８５）にコンロッド（１６）に設けた球状の小端部（２４）の先端側を滑り可能に嵌合させ、前記小端部（２４）の大端部側に、保持部材（５７）に設けた凹状の第２球面（９１）を滑り可能に嵌合させ、前記小端部（２４）を前記第１球面（８５）と前記第２球面（９１）とで保持する、ピストンとコンロッドとの球面連結構造であって、
   前記第１球面（８５）の中央に、前記小端部（２４）の半径（ｒ）より小さな半径（Ｒ４）の球状凹部（１２１）を設け、前記第２球面（９１）の開放端側に、クラウニング加工を施すことで前記小端部（２４）に当接しない非接触面（１２３）を設け、
   前記非接触面（１２３）は、前記第２球面（９１）の一般半径（Ｒ）と異なる単一の第２の半径（Ｒ２）で形成され、更に前記第２球面（９１）と前記非接触面（１２３）とが交差する部位に面取り仕上げを施した、
   ことを特徴とするピストンとコンロッドとの球面連結構造。
2. 前記第１球面（８５）と前記球状凹部（１２１）とが交差する部位に、面取り仕上げを施したことを特徴とする請求項１記載のピストンとコンロッドとの球面連結構造。

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