JP5984775B2 - コネクティングロッドおよびそれを備えるエンジン - Google Patents

Description

本発明は、コネクティングロッドおよびそれを備えるエンジンに関し、特に、複数の部材から組み立てられる大型エンジン用コネクティングロッドにおいて、動力伝達時における、部材間の結合部位に生じる摩耗やフレッティング亀裂などの疲労損傷等を抑制できるようにした、コネクティングロッドおよびそれを備えるエンジンに関する。

例えば、内燃機関のピストンの往復運動をクランクシャフトの回転運動に変換させるための部品であるコネクティングロッドは、強度を確保するために、例えば鍛造などによって形成される。
しかし、大型エンジンの場合には一体形成することが難しく、複数の部材から構成されていることがある。
ここで、問題なのは、動力伝達時における、部材間の結合部位の摩耗やフレッティング亀裂などの疲労損傷が起こることである。

例えば大型エンジン用コネクティングロッド１の一例を示すと、図５のとおりである。
このコネクティングロッド１は、クランクシャフト２に連結される大端部３と、ピストン（図示省略）側につながる小端部４と、小端部４と大端部３とを連結する連接棒５とから構成されている。
大端部３は、上部冠３ａと下部冠３ｂとに分割され、クランクシャフト２に上下から締結ボルトｂで上部冠３ａと下部冠３ｂとを一体化結合している。
小端部４は、ピストンにピストンピンを介して連結され、小端部４と連接棒５とは一体で構成されている。
そして、連接棒５と大端部３の上部冠３ａとは、間に肉薄の板状の緩衝部材６（スペーサ）を介して連結ボルト７により、一体的にボルト止めされている。

運転開始により、ピストンがシリンダを上下することで、連接棒５を介してクランクシャフト２に伝達され、クランクシャフト２が回転すると、コネクティングロッド１の小端部４は、図中、上下動し、連接棒５がクランクシャフト２を中心に円運動すると共に、大端部３、すなわち上部冠３ａと連接棒５との連結部位が左右に揺動する運動がなされる。
上記コネクティングロッド１は、大型エンジン用であり、重量が大きく、慣性力により相対的に、連接棒５と上部冠３ａとの結合面に圧縮、引張荷重がかかり、結合面に沿ってせん断荷重が働く。連接棒５と上部冠３ａとが直接連結している場合は、上部冠３ａと連接棒５とは、結合面に相対すべり量が作用される（図６参照）。

また、連接棒５と上部冠３ａとの結合面に緩衝部材６が介在されていた場合、連接棒５−上部冠３ａの相対すべり量が、図７に示すように連接棒５−緩衝部材６と、緩衝部材６−上部冠３ａに分割され、連接棒５側、上部冠３ａ側の相対すべり量は見かけ上、小さくなり、摩耗や、フレッティング亀裂発生を低減することができる。
また、緩衝部材６に図８に示すように油路８を通過させることで、摩擦係数を小さくすることが試みられている。なお、緩衝部材６の両端部には、連結ボルト７を挿通する挿通穴７ｈが形成されている。

ところで、特許文献１では、クランクケースとシリンダブロック間に、シリンダブロックと前記クランクケースとの相対移動をスムーズに行うようにするために、オイル供給機構を設けている。

一方、特許文献２では、コネクティングロッドの小端部に形成された潤滑油孔の径を拡大させることなく潤滑油孔を通じた潤滑油の供給量を増加させるために、小端部の上側外周面に付着する潤滑油を保持し、かつ、小端部の下降に伴って保持した潤滑油が潤滑油孔へ導かれるように、小端部の上側外周面に潤滑油孔に向けて形成された複数条の油溝を設けている。

特許第４９９３１０３号公報 特開２００８−２１５３７３号公報

しかしながら、特許文献１、２のいずれにおいても、大型エンジン用のコネクティングロッドが上下動、揺動運動することで、連接棒５と上部冠３ａとの結合面に働く圧縮、引張荷重や、結合面に沿って働くせん断荷重によって、生じる摩耗やフレッティング亀裂発生を抑えることはできず、前述のような緩衝部材６を介在させただけでは、フレッティング疲労対策は不十分である。
また、緩衝部材６に油路８を設けたとしても油路８は緩衝部材６の中間に位置し、連接棒５と上部冠３ａとを緩衝部材６を介して連結ボルト７により結合した場合、連結ボルト７が挿通された挿通穴７ｈ近傍の端部領域、例えば網点で示す領域ｈｐｒは面圧が高く、潤滑油がもたらされないので、潤滑油による緩和効果は期待できない。
本発明は、以上の課題を改善するために提案されたものであって、特に大型エンジンに用いられる、複数の部材を組み立てる方式のコネクティングロッドにおいて、油路から潤滑油が行き渡るようにするために、面圧が比較的高い領域を通る油溝を設けることで、部材間にかかる応力に起因する摩耗、フレッティング疲労を抑制できるようにした、コネクティングロッドおよびそれを備えるエンジン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、請求項１にかかる本発明では、シリンダ内におけるピストンの往復運動をクランクシャフトに伝達されるコネクティングロッドであって、ピストン側に連結された一端を含む第１の部材と、第１部材に接続され、クランクシャフト側に連結された他端を含む第２の部材と、第１部材および第２部材間に介在する緩衝部材と、を備え、緩衝部材のうち第１部材に対向する第１の緩衝面、および、第２部材に対向する第２の緩衝面の少なくとも一方に、潤滑油が供給される油溝が設けられている、ことを特徴とする。

これにより、コネクティングロッドの動作に伴って、第１部材と第２部材間に、圧縮、引張荷重、せん断荷重がかかることで、フレッティングが生じる。しかしながら、第１部材および第２部材間に介在する緩衝部材に形成される油溝に供給される潤滑油により、それぞれ、第１部材と第１部材に対向する第１緩衝面と、第２部材と第２部材間に対向する第２緩衝面との摩擦係数を低減して、フレッティング疲労の発生を抑制することができる。

また、請求項２にかかる本発明では、油溝は、第１緩衝面および第２緩衝面のうち、コネクティングロッドの動作面との交線方向両端に位置する端部領域を通るように設けられている、ことを特徴とする。

これにより、端部領域は、コネクティングロッドが周期的に動作する際に、大きな荷重変化が加えられる領域であるため、フレッティングが生じやすい。そこで、端部領域を通るように油溝を設けることによって、より効果的にフレッティング疲労を抑制することができる。

また、請求項３にかかる本発明では、油溝は、第１緩衝面および第２緩衝面とコネクティングロッドの動作面との交線に対して対称になるように複数設けられている、ことを特徴とする。

これにより、複数の油溝を設けることにより、より効果的にフレッティング疲労を抑制することができる。緩衝面における荷重バランスを確保しつつ、フレッティング疲労を効果的に抑制することができる。

また、請求項４にかかる本発明では、第１部材および第２部材には、コネクティングロッドの長手方向に沿って外部から潤滑油が供給される油路が設けられており、油路は第１緩衝面および第２緩衝面との交点において、油溝に連通している、ことを特徴とする。

コネクティングロッドの長手方向に沿って外部から潤滑油が供給される、既存の油路に対し、緩衝面に設けられる油溝と連通させるという、既存の構造に対し多少の設計変更を行うことで、緩衝面における荷重バランスを確保しつつ、フレッティング疲労を抑制する効果を奏することができる。

また、請求項５記載の本発明では、油溝は、面取り加工された凹状に形成されている、ことを特徴とする。

これにより、油溝から緩衝面への潤滑油の浸透を促進することができる。

また、請求項６記載の本発明では、緩衝部材は、第１部材および第２部材に比較して、耐摩耗性が高い材料により形成されている、ことを特徴とする。

これにより、コネクティングロッドの動作により、第１部材と第２部材間にかかるずれ応力を耐摩耗性の高い緩衝部材によって受け止め、第１部材と第２部材に対するフレッティング疲労の発生を抑制することができる。

さらに、請求項７記載の本発明では、請求項１乃至６記載のコネクティングロッドを備えることを特徴とする。

これにより、フレッティング疲労発生を抑制可能なコネクティングロッドを用いたエンジンを提供することができる。

本発明によれば、大型エンジンにおける分割構造のコネクティングロッドに対し、コネクティングロッドの動作に伴って、分割された第１部材と第２部材間に介在される緩衝部材に形成された油溝により、圧縮、引張荷重、せん断荷重などに起因するフレッティングの発生を抑制することができる。

本発明の第１の実施形態に係るコネクティングロッドの部分的な縦断面図である。 図１に示すコネクティングロッドに用いられる緩衝部材の一例を示した、平面図である。 図２に示す緩衝部材の断面図である。 （ａ）図２に示す緩衝部材に形成される油溝の模式的な断面図、（ｂ）図２に示す緩衝部材に形成される油溝の別例を示す、模式的な断面図である。 従来におけるコネクティングロッドの一例を示す、部分的な縦断面図である。 図５に示すコネクティングロッドの連接棒と上部冠との間に作用する、荷重の影響を示した模式図である。 図５に示すコネクティングロッドの連接棒と上部冠との間に緩衝部材を介在したときの、連接棒と緩衝部材、緩衝部材と上部冠と間に作用される荷重の影響を示した模式図である。 図７に示す緩衝部材の一例を示す平面図である。

以下、本発明を図に示した実施例を用いて詳細に説明する。但し、この実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。

図１に本発明にかかるコネクティングロッド１０を示す。コネクティングロッド１０は、シリンダ（図示省略）内におけるピストン（図示省略）の往復運動をクランクシャフトＣｓに伝達するもので、実質的には、ピストン側に連結された一端を含む第１の部材１１と、第１部材１１に接続され、クランクシャフトＣｓ側に連結された他端を含む第２の部材１２とを具備する。

第１部材１１は、ピストンに例えばピストンピン（図示省略）を介して連結された一端としての小端部１１ａと、小端部１１ａに一体的に棒状に延在する連接棒１１ｂとを含む。
また、第２部材１２は大端部１２をいい、クランクシャフトＣｓに上下から締結ボルト１３で一体化して、クランクシャフトＣｓに結合される上部冠１２ａと下部冠１２ｂとを含む。

そして、第１部材１１における連接棒１１ｂは、大端部１２における上部冠１２ａと、緩衝部材１４を介して、連結ボルト１５により一体的に連結されている。

さらに、以上のようなコネクティングロッド１０において、第１部材１１における小端部１１ａのピストンピンと接する内面から、連接棒１１ｂの軸中心を通過し、緩衝部材１４を貫通して、大端部１２における上部冠１２ａ内を貫いてクランクシャフトＣｓと接触する内面に至る油路１６が設けられている。

また、第１部材１１である小端部１１ａおよび連接棒１１ｂと、大端部１２である上部冠１２ａと下部冠１２ｂとは、例えば焼き入れ性がよく機械的強度に優れるＳＣＭ４３５（クロームモリブデン鋼）を用いることができる。
一方、緩衝部材１４は、耐摩耗性、耐靭性のある素材として、例えば炭素工具鋼（ＳＫ８５）を用いることができる。

次に、緩衝部材１４についてさらに詳細に説明する。
図２に示すように緩衝部材１４は、方形状の肉薄の鋼材（ＳＫ８５）からなる。
緩衝部材１４は、中心を貫くように油路１６を形成する貫通孔１６ｈが形成されている。
また、緩衝部材１４は、長手方向両側の端部領域に、連結ボルト１５を挿通する挿通穴１５ｈが一対ずつ形成されている。
そして、挿通穴１５ｈが形成される端部領域には、油路１６を形成する貫通孔１６ｈから潤滑油を導く油溝１７が３条、長手方向中心軸に対称的に連通形成されている。
すなわち、３条の油溝１７のうち、１条が貫通孔１６ｈを貫いて長手方向中心軸に沿って形成されている。
そして、２条の油溝１７が、長手方向中心軸に沿う油溝１７に対称的に貫通孔１６ｈを起点としてそれぞれ、緩衝部材１４の長手側側縁に向かって拡開形成され、途中から端部領域の挿通穴１５ｈの幅方向外側近傍を通るように、長手側端部に向かって形成されている。
なお、かかる油溝１７は、緩衝部材１４の両面に形成することができる。

油溝１７は、図４（ａ）に示すように径Ｒが略１ｍｍの凹溝としている。径Ｒが略１ｍｍとしたのは、緩衝部材１４と対面する第１部材１１および第２部材１２との面圧の低下を回避するためである。

油溝１７は、図４（ｂ）に示すように、緩衝部材１４の表面の縁部に沿って面取り加工された面取り部１７ｅを設けることもできる。

本発明の実施形態にかかるコネクティングロッド１０は以上のように構成されるものであり、次に、その動作と共に作用、機能を説明する。
図１に示すコネクティングロッド１０を備えたエンジンを動作させると、ピストン（図示省略）がシリンダ（図示省略）を上下することで、小端部１１ａに連なる連接棒１１ｂを介してクランクシャフトＣｓに伝達され、クランクシャフトＣｓが回転すると、コネクティングロッド１０の小端部４は、図中、上下動し、連接棒１１ｂがクランクシャフトＣｓを中心に円運動すると共に、大端部１２、すなわち上部冠１２ａと連接棒１１ｂとの連結部位が左右に揺動する運動がなされる。

そうすると、慣性力により相対的に、連接棒１１ｂと上部冠１２ａとの結合面に介在される緩衝部材１４に、圧縮、引張荷重がかかり、緩衝部材１４の連接棒１１ｂと上部冠１２ａとに対面する緩衝面に、せん断荷重が働く。
ここで、緩衝部材１４は、第１部材１１における連接棒１１ｂおよび第２部材１２における上部冠１２ａの素材、ＳＣＭ４３５に比較して、耐摩耗性が高いＳＫ８５により形成されているため、緩衝面にかかるせん断荷重を耐摩耗性の高い緩衝部材によって受け止め、第１部材１１と第２部材１２に対するフレッティング疲労の発生を抑制することができる。

ところで、エンジンを動作させて、ピストン（図示省略）がシリンダ（図示省略）を上下することで、コネクティングロッド１０の連接棒１１ｂがクランクシャフトＣｓを中心に円運動すると共に、上部冠１２ａと連接棒１１ｂとの連結部位が左右に揺動する運動がなされると、クランクシャフトＣｓを通じて、外部から供給された潤滑油が、上部冠１２ａ内を貫いて形成され、緩衝部材１４を貫通して連接棒１１ｂの軸中心を通過し、小端部１１ａのピストンピンと接する内面に至る油路１６を通じて供給され、コネクティングロッド１０の各部材の潤滑に供される。

ここで、潤滑油は、緩衝部材１４に中心を貫くように形成された貫通孔１６ｈに連通する３条の油溝１７を通じて、長手方向両側の挿通穴１５ｈが形成される端部領域にもたらされ、特に挿通穴１５ｈに挿通される連結ボルト１５の締め付け力により面圧が高い端部領域に作用するせん断荷重を緩和することができ、これにより、効果的にフレッティング疲労を抑制することができる。
すなわち、端部領域は、緩衝面の他の部位に比較して連結ボルト１５の締め付け力により面圧が高く、コネクティングロッドが周期的に動作する際に、大きな荷重変化が加えられる領域であるため、複数の油溝１７からもたらされる潤滑油により効果的にフレッティング疲労を抑制することができる。
なお、油溝１７は、径Ｒが略１ｍｍの凹溝としたので、緩衝部材１４と対面する第１部材１１および第２部材１２との面圧が低下するようなことはない。

さらに換言すれば、油溝１７は、緩衝部材１４の連接棒１１ｂと上部冠１２ａとに対面する第１緩衝面および第２緩衝面に対称になるように３条設けられているので緩衝面における荷重バランスを確保しつつ、フレッティング疲労を効果的に抑制することができる。

以上、本発明にかかるコネクティングロッドの実施形態の一例を挙げて説明した。
本発明は、上述の実施形態に限られない。例えば、油溝１７の形態、形成パターンはあくまでも一例である。すなわち、最も面圧が高い位置に応じて、油溝１７を形成することが望ましい。
さらに、油溝１７の形状は、例えば、図４（ｂ）に示すように、構成することもできる。この場合、油溝１７は、緩衝部材１４の表面の縁部に沿って面取り加工された面取り部１７ｅを設けることもできる。
このようにすることで、油溝１７から緩衝面への潤滑油の浸透を促進することができる。

本発明にかかるコネクティングロッドは、特に大型の定置型エンジンのコネクティングロッドとして好適に用いることができる。

１０ コネクティングロッド
１１ 第１部材
１１ａ 小端部
１１ｂ 連接棒
１２ 第２部材（大端部）
１２ａ 上部冠
１２ｂ 下部冠
１３ 締結ボルト
１４ 緩衝部材
１５ 連結ボルト
１５ｈ 挿通穴
１６ 油路
１６ｈ 貫通孔
１７ 油溝
１７ｅ 面取り部
Ｃｓ クランクシャフト

Claims (7)

1. シリンダ内におけるピストンの往復運動をクランクシャフトに伝達されるコネクティングロッドであって、
   前記ピストン側に連結された一端を含む第１の部材と、
   前記第１部材に接続され、前記クランクシャフト側に連結された他端を含む第２の部材と、
   前記第１部材および第２部材間に介在する緩衝部材と、
   を備え、
   前記緩衝部材のうち前記第１部材に対向する第１の緩衝面、および、前記第２部材に対向する第２の緩衝面の少なくとも一方に、潤滑油が供給される油溝が設けられている、ことを特徴とするコネクティングロッド。
2. 前記油溝は、前記第１緩衝面および第２緩衝面のうち、前記コネクティングロッドの動作面との交線方向両端に位置する端部領域を通るように設けられている、ことを特徴とする請求項１記載のコネクティングロッド。
3. 前記油溝は、前記第１緩衝面および第２緩衝面と前記コネクティングロッドの動作面との交線に対して対称になるように複数設けられている、ことを特徴とする請求項２記載のコネクティングロッド。
4. 前記第１部材および第２部材には、前記コネクティングロッドの長手方向に沿って外部から潤滑油が供給される油路が設けられており、
   該油路は前記第１緩衝面および前記第２緩衝面との交点において、前記油溝に連通している、ことを特徴とする請求項１記載のコネクティングロッド。
5. 前記油溝は、面取り加工された凹状に形成されている、ことを特徴とする請求項１記載のコネクティングロッド。
6. 前記緩衝部材は、前記第１部材および第２部材に比較して、耐摩耗性が高い材料により形成されている、ことを特徴とする請求項１記載のコネクティングロッド。
7. 請求項１乃至６記載のコネクティングロッドを備えることを特徴とするエンジン。

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