JP5665498B2 - クロスヘッド型ディーゼル機関のクロスヘッド - Google Patents

Description

本発明は、クロスヘッド型ディーゼル機関のクロスヘッドに関するものである。

従来より、船舶推進用の主機として、クロスヘッド型ディーゼル機関が用いられている（特許文献１参照）。このようなクロスヘッド型ディーゼル機関は、ピストン棒の一端と連接棒の一端とを回動可能に接続するクロスヘッドを備えており、このクロスヘッドは本体側に固定された摺動板上を摺動しつつ往復動する。クロスヘッドが摺動板上を往復動する際に、ピストンからピストン棒を介してクロスヘッドに力が伝達される。この伝達された力の横方向（摺動板へ向かう方向）への分力は、サイドフォースと称され、摺動板を変形する力となる。
この摺動板の変形を抑えるために、従来では、摺動板の板厚を増加させたり、摺動板の変形を抑えるリブを追加設置したりすることによって、摺動板の強度を増大させることとしていた。

特開平１１−３３６５６０号公報

しかし、摺動板の変形を抑えるために摺動板の強度を増加させると、コストの増大を招くだけでなく、摺動板とクロスヘッドとの間の面圧が上昇して潤滑油の油膜切れといった不具合を招いてしまうおそれがある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、摺動板の強度増大を行うことなく摺動板とクロスヘッドとの間の面圧を低下させることができるクロスヘッド型ディーゼル機関のクロスヘッドを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明のクロスヘッド型ディーゼル機関のクロスヘッドは以下の手段を採用する。
すなわち、本発明にかかるクロスヘッド型ディーゼル機関のクロスヘッドは、ピストン棒の一端と連接棒の一端とを回動可能に接続するピンと、本体側に固定された一側端から他側端へ向かって立設された摺動板に対して摺動しつつ往復動する摺動部と、前記ピンと前記摺動部とを接続する接続部とを備えたクロスヘッド型ディーゼル機関のクロスヘッドにおいて、前記接続部は、前記ピンから前記摺動部へと向かう力が該摺動部の中央から前記摺動板の前記他側端側へオフセットされた位置に加わるように設けられ、前記摺動部は、該摺動部の前記他側端側の端部が前記摺動板側に変位するとともに、該摺動部の前記一側端側の端部が前記ピン側に変位することを特徴とする。

ピンから摺動部へと向かう力（サイドフォース）が、摺動部の中央から摺動板の他側端側へとオフセットされた位置に加わるように接続部が設けられているので、摺動部におけるサイドフォースの作用点が摺動板の他側端側へとオフセットされることになる。これにより、摺動部は、摺動部の他側端側の端部が摺動板側に変位し、摺動部の一側端側の端部がピン側に変位するモーメントを作用点周りに受けることになる。したがって、クロスヘッドにサイドフォースが加わった場合には、摺動部は、摺動部の他側部側端部が摺動板側に変位するとともに、摺動部の一側端側の端部がピン側に変位することになり、しかも摺動部の一側端側の端部の変位が他側端側の端部の変位よりも大きくすることができる。この変位は、サイドフォースが加わったときの摺動板と同様の変形となる。なぜなら、摺動板は、一側端が本体側に固定されて他側端へ向かって立設されているため、クロスヘッドからサイドフォースが加わった場合には、一側端よりも他側端が大きく変位するように撓むからである。したがって、本発明のクロスヘッドは、サイドフォースが加わった場合に、摺動板の変形に対応するように摺動部を変位させることができるので、摺動部と摺動板との間の面圧を低下させることができる。

さらに、本発明のクロスヘッド型ディーゼル機関のクロスヘッドでは、前記接続部の前記摺動部側に位置する腕部が、前記摺動部の中央よりも前記摺動板の前記他側端側へオフセットされていることを特徴とする。

接続部の腕部は、接続部の摺動部側に位置するので、この腕部の位置によって摺動部に加わるサイドフォースの作用点を決定することができる。本発明は、腕部を摺動部の中央よりも摺動板の他側端側へオフセットさせることとしたので、摺動部の他側部側端部を摺動板側に変位させるとともに、摺動部の一側端側の端部をピン側に変位させることができる。
なお、腕部によって作用点を決めるため、腕部の他に摺動部へとサイドフォースを伝達するリブ等を設けずに、腕部のみが摺動部に接続されていることが好ましい。

さらに、本発明のクロスヘッド型ディーゼル機関のクロスヘッドでは、前記接続部の前記摺動部側に位置する腕部の前記一側端側には、前記他側端に向かって形成された切欠部が設けられていることを特徴とする。

腕部の一側端側に、他側端に向かって形成された切欠部が設けられているので、サイドフォースの作用点を摺動部の中央よりも摺動板の他側端側へオフセットさせることができる。また、切欠部を起点とした腕部の変形を許容することができる。これにより、摺動部の他側部側端部を摺動板側に変位させるとともに、摺動部の一側端側の端部をピン側に変位させることが更に円滑に行われる。
なお、切欠部としては、繰り返し荷重による寿命低下を避けるためにＲ形状とすることが好ましい。

さらに、本発明のクロスヘッド型ディーゼル機関のクロスヘッドでは、前記摺動部の前記往復動方向における端部は、該端部以外の部分よりも薄い厚さの薄厚部とされていることを特徴とする。

摺動部の往復動方向における端部を、端部以外の部分よりも薄い厚さとし、剛性を端部以外の部分よりも低下させることとした。これにより、摺動部の端部を介して摺動板に伝達されるサイドフォースを小さくすることができるので、摺動部と摺動板との間の面圧の局所的な上昇を抑えることができる。

さらに、本発明のクロスヘッド型ディーゼル機関のクロスヘッドでは、前記薄厚部は、前記摺動板とは反対側の面が除去された形状とされていることを特徴とする。

摺動板とは反対側の面が除去された形状の薄厚部としたので、容易に加工することができる。また、摺動板に対する摺動面積を減らすことなく薄厚部が形成されるので、面圧を増大させずに薄厚部を形成することができる。

さらに、本発明のクロスヘッド型ディーゼル機関のクロスヘッドでは、前薄厚部は、前記摺動板側の面が除去された形状されていることを特徴とする。

摺動板側の面が除去された形状の薄厚部としてもよい。

また、本発明のクロスヘッド型ディーゼル機関は、上記のいずれかに記載されたクロスヘッドを備えていることを特徴とする。

上記のいずれかのクロスヘッドを備えているので、摺動板の面圧を低下させることができ、摺動板の厚さを薄くでき、あるいは過剰な補強が不要となるので、全体重量を低下させてコストを下げることができる。

本発明のクロスヘッド型ディーゼル機関のクロスヘッドによれば、摺動板とクロスヘッドとの間の面圧を低下させることができるので、摺動板の増厚や補強を可及的に減らすことができ、クロスヘッド型ディーゼル機関の軽量化およびコストダウンを図ることができる。

本発明のクロスヘッド型ディーゼル機関を示した概略縦断面図である。 図１のクロスヘッド周りを示した拡大斜視図である。 クロスヘッドの側面図である。 図３のクロスヘッドの部分拡大平面図である。 図４に示したクロスヘッドの作用を示した図であり、（ａ）は摺動板に対するシューの位置関係を示した平面図、（ｂ）は摺動板およびシューの変形を示した平面図である。 図３に示したクロスヘッドのシュー端部の作用を示した図であり、（ａ）はシューの摺動方向に対する面圧を示したグラフ、（ｂ）はシュー端部の形状を比較例とともに示した部分拡大側面図である。 クロスヘッドの位置に対するサイドフォースの変化を示したグラフである。 摺動板の変形パターンを示した部分拡大斜視図である。 図４に示したクロスヘッドの変形例を示した部分拡大平面図である。 図３に示したクロスヘッドのシュー端部の変形例を示した部分拡大側面図である。

以下に、本発明にかかる一実施形態について、図面を参照して説明する。
図１には、本発明の一実施形態にかかるクロスヘッド型ディーゼル機関の概略が示されている。同図に示されたディーゼル機関は、典型的には船舶推進用の主機として用いられ、２ストローク１サイクルのユニフロー掃気方式とされている。

このディーゼル機関は、下方に位置する台板２０と、台板２０上に設けられた架構（本体）５と、架構５上に設けられたジャケット２１とを備えている。これら台板２０、架構５及びジャケット２１は、上下方向に延在する複数のテンションボルト（図示せず）によって一体的に締め付けられて固定されている。

ジャケット２１にはシリンダライナ２２が設けられており、このシリンダライナ２２の上端にはシリンダカバー２３が設けられている。シリンダライナ２２およびシリンダカバー２３によって形成された空間内にピストン１が往復動可能に設けられている。ピストン１の下端には、ピストン棒２４の上端が回動可能に取り付けられている。

台板２０はクランクケースとされており、クランク軸４が設けられている。クランク軸４の上端には、連接棒３の下端が回動可能に接続されている。

架構５には、ピストン棒２４と連接棒３とを回動可能に接続するクロスヘッド２が設けられている。すなわち、ピストン棒２４の下端および連接棒３の上端がクロスヘッド２に接続されている。クロスヘッド２の両側（図１において左右）には、上下方向に延在する一対の摺動板６が架構５側に固定された状態で設けられている。

図２に示されているように、摺動板６は、架構５の隔壁９に対して固定されている。すなわち、摺動板６は、その一側端である固定端６ａが隔壁９に対して固定され、他側端に向かって立設されている。なお、他側端は、隔壁９に固定されていない自由端６ｂとされている。
摺動板６は、固定端６ａにて隔壁９に対して固定されているだけであり、摺動板６の変形を防止するためのリブ等の補強部材は設けられていない。

クロスヘッド２は、ピストン棒２４の下端と連接棒３の上端とが回動可能に接続されたピン１４と、摺動板６に対して摺動しつつ往復動するシュー（摺動部）８と、ピン１４とシュー８とを接続する連結板（接続部）１３とを備えている。

図３には、ピン１４の端面側からみたクロスヘッド２の側面図が示されている。同図に示されているように、シュー８は、ピン１４の両側に１対設けられている。連結板１３のシュー８側には、腕部１３ａが設けられている。この腕部１３ａは、図４に示されているように、シュー８と連結板１３の本体部１３ｂとを連結する。この腕部１３ａを介して、ピン１４からのサイドフォースが摺動板６へと伝達される。なお、同図に示されているように、シュー８に対しては腕部１３ａのみが接続されており、腕部１３ａ以外にシューに対して力を伝達する部材は設けられていない。

図４に示されているように、腕部１３ａは、ピン１４の軸線方向におけるシュー８の中央部（同図において左右方向における中央部）よりも、ピン１４の軸線方向中央側（同図において左側）にオフセットして位置されている。より具体的には、腕部１３ａの中央軸線Ｃ１は、シュー８の中央軸線Ｃ２よりもピン１４の軸線方向中央側にオフセット量ｄ０だけオフセットされている。したがって、ピン１４から腕部１３ａを介してシュー８に伝達されるサイドフォースの作用点Ｐは、シュー８の中央軸線Ｃ２からオフセットされた腕部１３ａの中央軸線Ｃ１上に位置することになる。したがって、サイドフォースが作用点Ｐに加わると、作用点Ｐ周りに図４において反時計回りのモーメントが発生し、シュー８の内側端部８ｂが摺動板６側（図４において下方）に変位するとともに、シュー８の外側端部８ａがピン１４の軸線側（図４において上方）に変位する。

また、作用点Ｐをシュー８の中央からオフセットしたことにより、摺動板６の固定端６ａ側に位置するシュー８の外側端部（摺動部の一側端側の端部）８ａと作用点Ｐとの距離ｄ１が、摺動板６の自由端６ｂ側に位置するシュー８の内側端部（摺動部の他側端側の端部）８ｂと作用点Ｐとの距離ｄ２よりも大きくなる。これにより、サイドフォースによって作用点Ｐに力が加わった場合、外側端部８ａの変位が内側端部８ｂの変位よりも大きくなる（後述する図５（ｂ）参照）。

一方、図３に示されているように、シュー８の往復動方向（同図において上下方向）における上端部８ｃ及び下端部８ｄには、シュー８の上下方向における中央部８ｅよりも薄い厚さとされた薄厚部８ｆが設けられている。この薄厚部８ｆは、図３のようにクロスヘッド２を側面視した場合に、腕部１３ａの外形線１３ｂと連続するようにテーパ状に形成されている。すなわち、薄厚部８ｆは、摺動板６とは反対側の面がテーパ状に除去されることによって形成されている。図６（ｂ）には、シュー８の端部を拡大して示した図が示されており、同図から分かるように、腕部１３ａの外形線１３ｂと薄厚部８ｆのテーパ部８ｇが連続して形成されている。この形状は、腕部１３ａからシュー８へと向かうサイドフォースの応力線に沿って形成されていることが好ましい。なお、同図には破線にて比較例の形状が示されている。この比較形状は一般的に用いられ、シュー８の端部の厚さが中央部と同等とされており、しかも、腕部１３ａ’の外形線１３ｂ’がシュー８に接続される前にシュー８と同等の幅となっている。すなわち、比較例の形状は、シュー８の端部が本実施形態よりも大きな剛性を有する形状となっている。

次に、図７及び図８を用いて、サイドフォースによる摺動板６の変形について説明する。
図７は、クロスヘッド２の位置に対するサイドフォースの変化を示しており、同図において、横軸はクロスヘッド２を介して摺動板に加わるサイドフォースの大きさを示し、縦軸はクロスヘッド２の往復動方向位置を示す。同図に示されているように、位置Ｚ１及び位置Ｚ２にてサイドフォースが極大値を示すようになっている。これは、位置Ｚ１では、シリンダ内の燃焼空間での爆発によってサイドフォースが増大することを示し、位置Ｚ２では、ピストン棒２４（図１参照）が鉛直方向から傾いて摺動板６へ向かう方向（サイド方向）への分力が大きくなることを示す。このように、サイドフォースの大きさは、クロスヘッド２の往復動方向位置に応じて変化する。

図８には、サイドフォースを受けた場合の摺動板６の変形パターンが２通り示されている。
変形パターンＡは、サイドフォースを受けて摺動板６の自由端６ｂが固定端６ａを支点として撓んで変形するパターンである。
変形パターンＢは、シュー８が摺動板６を局所的に押圧し、摺動板６が局所的に凹変形されるパターンである。
以下に、変形パターンＡ及び変形パターンＢのそれぞれに対して、本実施形態の作用効果について説明する。

［変形パターンＡ］
本実施形態のクロスヘッド２は、変形パターンＡに対して、図４に示した作用点Ｐのオフセットが有効に機能する。
すなわち、図５（ａ）に示されているように、サイドフォースが同図において右方から左方へと加わった場合、摺動板６は、２点鎖線で示すように自由端６ｂが左方へと変位する（変形パターンＡ）。
一方、本実施形態のクロスヘッド２は、腕部１３ａを自由端６ｂ側にオフセットしているので、作用点Ｐがシュー８の中央軸線Ｃ２から自由端６ｂ側にずれることになる。これにより時計回りのモーメントがシュー８に加わり、図５（ｂ）に示すように、シュー８の外側端部８ａをピン１４側（図において右側）に大きく変位させることができる。このシュー８の変形は、摺動板６の変形パターンＡと同様の変形となるので、摺動板６の変形に倣ってシュー８を変形させることになり、摺動板６とシュー８との間の面圧を低下させることができる。

このように、本実施形態によれば、摺動板６の変形パターンＡの変形を許容しつつ面圧を低下させることができるので、摺動板６の板厚増大や他のリブ等の補強部材の追加といった補強対策が不要となる。したがって、図２に示したように、摺動板６の自由端６ｂの変形を抑えるリブを廃止した構造を採用することができる。よって、クロスヘッド型ディーゼル機関の軽量化およびコストダウンを図ることができる。さらには、補強用リブを摺動板６および隔壁９（図２参照）に対して溶接する工程が省略できるので、製造期間および製造コストを大幅に削減することができる。

［変形パターンＢ］
本実施形態のクロスヘッド２は、変形パターンＢに対して、図３に示した薄厚部８ｆが有効に機能する。
すなわち、図６（ｂ）に示されているように、シュー８の端部８ｃ，８ｄに薄厚部８ｆを設けているので、この薄厚部８ｆの剛性はシュー８の中央部８ｅよりも低下している。これにより、シュー８の端部８ｃ，８ｄを介して摺動板６に伝達されるサイドフォースを小さくすることができる。したがって、シュー８端部での面圧の局所的増大を回避することができる。例えば、破線で示した比較例のようにシュー８の端部の厚さを中央部と同様に一定とした場合には、シュー８の端部を介して伝達されるサイドフォースは、図６（ａ）の破線で示すように極大値を示す。これに対して、本実施形態では、図６（ａ）の実線で示すように、端部８ｃ，８ｄの剛性を中央部８ｅに比べて低下させたので、シュー８の端部８ｃ，８ｄの面圧を中央部８ｅと同様にほぼ一定とすることができる。

このように、本実施形態によれば、摺動板６の変形パターンＢの変形を許容しつつシュー端部８ｃ，８ｄの面圧を低下させて均一化することができるので、摺動板６の板厚増大や他のリブ等の補強部材の追加といった補強対策が不要となる。したがって、図２に示したように、摺動板６の自由端６ｂの変形を抑えるリブを廃止した構造を採用することができる。よって、クロスヘッド型ディーゼル機関の軽量化およびコストダウンを図ることができる。さらには、補強用リブを摺動板６および隔壁９（図２参照）に対して溶接する工程が省略できるので、製造期間および製造コストを大幅に削減することができる。
また、摺動板６とは反対側の面が除去された形状の薄厚部８ｆとしたので、容易に加工することができる。さらに、摺動板６に対する摺動面積を減らすことなく薄厚部８ｆが形成されるので、面圧を増大させずに薄厚部８ｆを形成することができる。

次に、本実施形態の変形例について説明する。
図４に示した作用点Ｐのオフセット方法に代えて、図９に示したオフセット方法を採用することができる。すなわち、図９に示した腕部３０は、その基端部３０ａでは腕部３０の中央軸線がシュー８の中央軸線Ｃ２に一致するが、基端部３０ａよりもシュー８側に切欠部３１が形成されている。この切欠部３１は、摺動板６の固定端６ａ側（すなわちシュー８の外側端部８ａ側；同図において上側）に設けられ、摺動板６の自由端６ｂ側（すなわちシュー８の内側端部８ｂ；同図において下側）に向かって形成されている。このように切欠部３１を設けることによって、作用点Ｐをシュー８の内側端部８ｂ側にオフセットさせ、切欠部３１における変形を許容することができる。
さらに、切欠部３１はＲ形状とされているので、応力集中を緩和させることによって繰り返し荷重による寿命低下を避けることができるようになっている。
なお、図９に示した腕部３０の基端部３０ａの中心軸線は、シュー８の中央軸線Ｃ２に一致した形状とされているが、基端部３０ａの中心軸線をシュー８の内側端部８ｂ側にオフセットさせてもよい。

また、図３に示した薄厚部８ｆは、シュー８の腕部１３ａ側の面をテーパ状とした（図１０（ａ）参照）が、これに代えて、図１０（ｂ）に示すように、シュー８の腕部１３ａ側の面を矩形状としても良い。また、図１０（ｃ）に示すように、シュー８の腕部１３ａ側の面をＲ形状としても良い。

また、図１０（ｄ）に示すように、シュー８端部の摺動板６側の面を、摺動板６から離間するようにテーパ状に形成することによって薄厚部８ｆを設けることとしても良い。
さらに、図１０（ｄ）に示した薄厚部８ｆの摺動板６側の形状は、摺動板６の反対側の面（腕部１３ａ側の面）を加工した図１０（ａ）乃至（ｃ）と組み合わせても良い。

２ クロスヘッド
３ 連接棒
５ 架構
６ 摺動板
６ａ 固定端（一側端）
６ｂ 自由端（他側端）
８ シュー（摺動部）
８ａ 外側端部（一側端側の端部）
８ｂ 内側端部（他側端側の端部）
８ｃ 上端（端部）
８ｄ 下端（端部）
８ｅ 中央部（端部以外の部分）
８ｆ 薄厚部
１３ 連結板（接続部）
１３ａ 腕部
１４ ピン

Claims (7)

1. ピストン棒の一端と連接棒の一端とを回動可能に接続するピンと、
   本体側に固定された一側端から他側端へ向かって立設された摺動板に対して摺動しつつ往復動する摺動部と、
   前記ピンと前記摺動部とを接続する接続部と、
   を備えたクロスヘッド型ディーゼル機関のクロスヘッドにおいて、
   前記接続部は、前記ピンから前記摺動部へと向かう力が該摺動部の中央から前記摺動板の前記他側端側へオフセットされた位置に加わるように設けられ、
   前記摺動部は、該摺動部の前記他側端側の端部が前記摺動板側に変位するとともに、該摺動部の前記一側端側の端部が前記ピン側に変位することを特徴とするクロスヘッド型ディーゼル機関のクロスヘッド。
2. 前記接続部の前記摺動部側に位置する腕部が、前記摺動部の中央よりも前記摺動板の前記他側端側へオフセットされていることを特徴とする請求項１に記載のクロスヘッド型ディーゼル機関のクロスヘッド。
3. 前記接続部の前記摺動部側に位置する腕部の前記一側端側には、前記他側端に向かって形成された切欠部が設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載のクロスヘッド型ディーゼル機関のクロスヘッド。
4. 前記摺動部の前記往復動方向における端部は、該端部以外の部分よりも薄い厚さの薄厚部とされていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のクロスヘッド型ディーゼル機関のクロスヘッド。
5. 前記薄厚部は、前記摺動板とは反対側の面が除去された形状とされていることを特徴とする請求項４に記載のクロスヘッド型ディーゼル機関のクロスヘッド。
6. 前薄厚部は、前記摺動板側の面が除去された形状されていることを特徴とする請求項４又は５に記載のクロスヘッド型ディーゼル機関のクロスヘッド。
7. 請求項１から６のいずれかに記載されたクロスヘッドを備えていることを特徴とするクロスヘッド型ディーゼル機関。

Images