JP6166950B2 - 内燃機関の軸受構造 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の軸受構造に関し、特に半径方向の偏荷重を受けた場合でも好適なラジアル軸受機能を発揮する内燃機関の軸受構造に関する。

特に、往復内燃機関に於いて、ピストンピンを軸支するコンロッドの大端部の軸受や、クランク軸を軸支する主軸受のように、半径方向の偏荷重を受ける軸受に於いては、軸受の孔が、それを構成する部材のボルト軸力や軸受メタルのクラッシュ反力などの径方向の偏荷重による変形に起因して歪むために、油膜が形成されるべき軸受空隙が、周方向に沿って不均等となり、それが軸受の潤滑機能を阻害したり、軸受の耐久性を損なう惧れがある。例えば、コンロッドが慣性力により燃焼室側へ引かれるときには、大端部に於いてベアリングキャップを締結しているボルトに対して、引張力が作用するが、引張力がボルトの軸心に対してオフセットしていることから、ボルトを外向きに湾曲させる（外向きに凹形とする）ようなモーメントも作用する。

一般には、図８に於いて文字Ａにより示すように、無負荷時には真円であった軸受の孔が、コンロッドに加わる上向きの力により、直径線が上下に引き伸ばされ（クローズアウトＣＯ）たり、左右に縮められる（クローズインＣＩ）ような変形を行う。そのため、軸受の孔を画定する部材の剛性を強化することにより、そのような問題の発生を回避している。しかしながら、軸受の質量を増大させることとなり、燃費或いは部材コストの点で不利となる問題があった。

特許文献１に開示された従来技術によると、クランク軸を軸支する主軸受のベアリングキャップの合わせ面近傍に拡大部を設けることにより、軸受の質量の増大を最小限に留めつつ軸受の孔を画定する部材の剛性を最大限に高めることが提案されている。しかしながら、部材を肉厚化することには変わりがなく、十分な解決方法とは言えない。また、ベアリングキャップの左右の張り出し量が増大し、用途によっては、スペース的に不利である。

特開２０１２−１３７１５１号公報

引張力の作用を受けたときに締結ボルトが湾曲するのを回避したり、軸受の孔の真円に対する歪みを最小化するためには、締結ボルトの軸心を極力軸受の孔側に寄せることが有利であるが、軸受の孔の外周に沿ってある程度の部材の肉厚が必要であり、また締結ボルトの細径化には高強度材が必要となることから、軸受のコストや質量を増大することなく、軸受の孔の真円からの歪みを最小化し得る技術が望まれる。

このような従来技術の問題点に鑑み、本発明の主な目的は、半径方向の偏荷重を受ける場合でも、軸受孔の変形を抑制することができる軽量かつ小型の内燃機関用の軸受構造を提供することにある。

本発明によれば、このような問題は、第１軸受半部（９）と、該第１軸受半部に合わせ面を介して結合され、前記第１軸受半部と協働して軸受孔（１１）を画定する第２軸受半部（１０）と、前記軸受孔により軸支される回転軸（１２）と、前記軸受孔の両側にて、前記第１軸受半部及び前記第２軸受半部を互いに結合する締結ボルト（１４）とを有し、前記第２軸受半部の、前記軸受孔に対して離反する両外側面に、前記締結ボルトの頭部に対する前記第２軸受半部の当接面の前記ボルト軸線方向投影領域内に至る凹部（２０）が設けられることを特徴とする内燃機関の軸受構造を提供することにより達成される。

このように、第２軸受半部の両外側面に、締結ボルトの頭部からの軸力を支持するべき第２軸受半部の当接面をアンダーカットするような凹部を設けることにより、同部分の軸力に対する剛性を相対的に低下させることができる。それにより、両軸受半部間の合わせ面に作用する軸力の分布を軸受孔側に寄せることが可能となり、軸受孔の変形を抑制できる。しかも、両軸受半部に加わる最大応力を抑制することができる。

このような軸受構造は、径方向の偏荷重を受けるラジアル軸受に対して広く適用可能であるが、前記両軸受半部が、コンロッド本体の大端側端部及び対応するベアリングキャップからなる場合や、前記両軸受半部が、シリンダブロックのバルクヘッド及び対応するベアリングキャップからなる場合について、特に好適に適用可能である。

また、前記両軸受半部に対して前記回転軸を介して加わる半径方向の偏荷重の方向に対して直交する方向の前記軸受孔の寸法の絶対値が最小化するように前記凹部の大きさ及び又は形状が設定されていることにより、凹部の深さ及び又は形状を最適化することができる。

このようにして、半径方向の偏荷重を受けるラジアル軸受に於いて、軸受孔の変形を抑制し、かつ両軸受半部に加わる最大応力を抑制し、しかも軸受の軽量化及び小型化を図ることができる。

本発明の第１実施例に係るコンロッドを示す正面図。 図１に示すコンロッドの側面図。 図１に示すコンロッドの縦断面図。 図１の要部拡大斜視断面図。 図１のＶ−Ｖ線について見た要部拡大横断面図。 従来例及び本発明について、両軸受半部の合わせ面に於ける軸力分布を示す概念図。 本発明の第２実施例に係る主軸受のベアリングキャップを示す正面図。 半径方向の偏荷重を受けた場合に軸受孔に発生する歪みの状況を示す説明図。

以下、添付の図面を参照して、本発明に係る内燃機関の軸受構造の実施形態について詳細に説明する。以下の説明では、シリンダ軸線が垂直であって、クランク軸がシリンダの下方に位置するものと仮定して説明するが、本発明は、エンジンの配置或いは姿勢に関わらず適用可能である。

図１〜３は、本発明が適用された往復内燃機関のコンロッド１を示す。このコンロッド１は、ピストンピン５を軸支する軸受孔４を画定する小端部２と、クランクピン１２を軸支する軸受孔１１を画定する大端部８と、小端部２及び大端部８を互いに連結するコンロッド本体７とを有する。小端部２の軸受孔４は、コンロッド本体７に一体形成された環状部３により画定されており、小端部２の適所には、小端部に降りかかる潤滑油を軸受孔４内に誘導する半径方向孔６が設けられている。

大端部８は、コンロッド本体７に一体形成された二股部９からなる上側軸受半部と、該二股部９に左右一対の締結ボルト１４により結合されたベアリングキャップ１０からなる下側軸受半部とを有し、両軸受半部が互いに協働して、軸受孔１１を画定し、クランクピン１２は、軸受メタル２２を介して、この軸受孔１１により軸支されている。（このように、クランクピン１２を直接軸支しているのは軸受メタル２２であるが、軸受メタル２２を受容する孔を便宜上「軸受孔」と呼ぶものとする。また、軸受メタルを用いない軸受構造であっても本発明が等しく適用可能であることは言うまでもない。）本実施例では、上側軸受半部の両側部には、下側軸受半部に対する合わせ面１３から掘り込まれたねじ孔１５が設けられ、下側軸受半部の両側部には、ねじ孔１５に整合する貫通孔１６が設けられている。本実施例では、締結ボルト１４の軸線は、大端部８と小端部２のそれぞれの軸受孔４，１１の中心同士を結ぶ直線と平行であって、合わせ面１３は、締結ボルト１４の軸線に直交する面をなし、軸受孔１１を上下に２分している。また、図４に詳しく示されているように、締結ボルト１４の頭部の締結当接面は、そのフランジ部１８により画定されているが、貫通孔１６の下側の開口端の外周には、締結ボルトのフランジ部１８の当接面に当接するべき環状当接面１７が設けられている。このようにして、貫通孔１６の下側の開口端から挿入された締結ボルト１４をねじ孔１５に捩じ込むことにより、軸受両半部が互いに強固に結合される。この時、締結ボルト１４の締結力即ち軸力は、貫通孔１６の下側の開口端の外周に設けられた環状当接面１７により支持される。

大端部８に於ける軸受は、クランクピン１２に内設された油路（図示せず）から潤滑油の供給を受け、軸受の軸線方向端から使用済みの潤滑油が排出される。更に、大端部８の各軸線方向端には、図示されないクランクウェブに形成された対応スラスト面に摺接するべきスラスト面１９が形成されており、該スラスト面１９には、大端部に降りかかる潤滑油を両スラスト面により形成されるスラスト軸受に誘導するための半径方向溝２１が設けられている。

図５に良く示されているように、下側軸受半部の両側部は、上下方向を向く概ね半円柱形状をなしているが、合わせ面１３と環状当接面１７との間の部分に於いて、所定上下幅の凹溝をなす凹部２０が、下側軸受半部の左右両側部から前後面にかけて延設されている。本実施例の場合、凹溝をなす凹部２０は、ボルトの軸心を中心とする両側部の外側の１８０度の範囲に渡って設けられている。特に、図４及び５に示されるように、締結ボルト１４の軸線方向投影面上に於いて、凹部２０は、締結ボルト１４のフランジ部１８の当接面の領域内に至る深さを有する部分を含む。

このようなコンロッド大端部のラジアル軸受にあっては、図示されないピストンが往復動を行うのに伴い、各行程位置に応じた方向の半径方向力をピストンピン５から受ける。逆に、ピストンピン５に対して及ぼす力の反力を受けると考えることもできる。いずれにせよ、ピストンが、慣性力などの働きで、コンロッド１を燃焼室側に引っ張るような場合には、図８に於いて文字Ａにより示すように、無負荷時には真円であった軸受の孔が、コンロッドに加わる上向きの力により、上下に引き伸ばされ（クローズアウトＣＯ）、左右に縮められる（クローズインＣＩ）ような変形を行う。そのために、ラジアル軸受に於ける半径方向の空隙が周方向に沿って不均等となり、軸受の適切な潤滑が不可能になる惧れがある。

これは、両軸受半部を結合する締結ボルトの軸力の中心が、軸受の孔の外方に向けて離れていることにより、問題が特に顕著となる。従来は、下側軸受半部の環状当接面を、軸受の孔の外周に必要される肉厚を確保した上で、所要の軸力に耐える径の締結ボルトを用い、下側軸受半部の外側面を、環状当接面から滑らかに連続するように形成している。そのために、下側軸受半部の外側部分の剛性がかなり高くなることから、締結ボルトの軸力の中心が、軸受の孔の外方にずれる傾向が強かった。しかるに、本発明者は、締結ボルトの軸力の中心を、軸受の孔の方向に極力寄せることにより、クローズアウトＣＯ及びクローズインＣＩを低減し得るのではないかとの知見を得るに至った。

そこで、本実施例に於いては、下側軸受半部の外側部分に十分な深さの凹部２０を設けることにより、下側軸受半部の外側部分の剛性が低下し、同部分には軸力があまり発生せず、軸力の中心を軸受の孔の方向に好適に寄せることができるようにしている。

図６（Ａ）は、凹部がない場合の、両軸受半部間の合わせ面に於ける軸力の分布を概念的に示す。図６（Ｂ）は、凹部を設けた場合の両軸受半部間の合わせ面に於ける軸力の分布を同じく概念的に示す。凹部を設けることにより、下側軸受半部の外側部分の剛性が実質的に低下し、軸力の重心が軸受の孔の方向にシフトすることが示されている。

次に、このような凹部の寸法或いは形状を最適化する手法について説明する。発明者は、特定のコンロッドについて凹部の深さを徐々に増大させ、それに応じて締結ボルトの外周に残されるボスの肉厚を減少させることにより、環状当接面の最大応力、クローズインＣＩ及びクローズアウトＣＯがどのように変化するかを測定した。

それによれば、凹部の深さを増大させるに伴い、クローズアウトＣＯが略単調に減少するが、クローズインＣＩについては、凹部の深さを増大させるに伴い、最初は減少するものの、或る限度を超えるとクローズインＣＩが負方向に増大することが見出された。クローズインＣＩが負方向に増大することは、軸受のラジアル方向の空隙が全体的に増大することとなり、軸受の機能上好ましくない。また、凹部の深さが過大であると環状当接面の最大応力が増大する。そこで、クローズインＣＩの絶対値が最小となるような点を選択すると、クローズインＣＩが最小化し、環状当接面の最大応力が抑制されることから、軸受の性能が最適化されると考えることができる。

また、応力解析を行ったところ、凹部が設けられることにより、締結ボルトの締結力により引き起こされる応力が、軸受孔の側に伝達される度合が低くなることも見出された。これも、軸受孔の局部的歪みを回避する上で有用である。

図７は本発明をエンジンの主軸受に適用した第２実施例を示す。この場合、上側軸受半部が、軸受孔３１の上半分が画定されたシリンダブロックの軸受部２９により構成され、下側軸受半部が、軸受孔３１の下半分を画定するベアリングキャップ３０により構成されている。クランク軸３２が、軸受メタル３３を介して、この軸受孔３１により軸支されている。この場合も、図示外のピストンが往復動を行うのに伴い、主軸受にはクランク軸３２を介して半径方向の偏荷重が加わる。

軸受部２９には、ベアリングキャップ３０に対する合わせ面から掘り込まれたねじ孔が設けられ、ベアリングキャップ３０の両側部には、ねじ孔に整合する貫通孔が設けられている。また、貫通孔の下側の開口端の外周には、締結ボルト３４の頭の締結当接面に当接するべき環状当接面が設けられている。このようにして、貫通孔の下側の開口端から挿入された締結ボルトをねじ孔に捩じ込むことにより、ベアリングキャップ３０がシリンダブロックの軸受部２９に対して強固に結合される。この時、締結ボルト３４の締結力即ち軸力は、貫通孔の下側の開口端の外周に設けられた環状当接面により支持される。更に、このように形成された軸受には、図示されない油路を介して潤滑油が供給される。このような主軸受及びその潤滑構造は公知のものからなるものであって良く、その詳しい説明を省略する。

ベアリングキャップは平面図で見たときに概ね長方形をなしているが、所定上下幅の凹溝をなす凹部４０がベアリングキャップ３０の両側面に設けられている。特に、ボルト軸線方向投影面上に於いて、凹部４０は、締結ボルト３４の頭部の当接面の領域内に至る深さを有する部分を含む。本実施例は、シリンダブロックの内部の軸受部に設けられる主軸受に対して適用されたものであるが、シリンダブロックの軸線方向端部に設けられる主軸受に対しても等しく適用可能である。

この場合も、ベアリングキャップの外側部分に十分な深さの凹部を設けることにより、ベアリングキャップの外側部分の剛性が低下し、同部分には軸力があまり発生せず、軸力の中心を軸受の孔の方向に好適に寄せることができるようにしている。

以上で具体的実施形態の説明を終えるが、本発明は上記実施形態に限定されることなく幅広く変形実施することができる。

１ コンロッド
２ 小端部
７ コンロッド本体
８ 大端部
９ 二股部（第１軸受半部）
１０ ベアリングキャップ（第２軸受半部）
１１ 軸受孔
１２ クランクピン
１４ 締結ボルト
１８ フランジ部（頭部）
２０ 凹部
２９ 軸受部（第１軸受半部）
３０ ベアリングキャップ（第２軸受半部）
３１ 軸受孔
３２ クランク軸
３４ 締結ボルト
４０ 凹部

Claims (5)

1. 第１軸受半部と、
   該第１軸受半部に合わせ面を介して結合され、前記第１軸受半部と協働して軸受孔を画定する第２軸受半部と、
   前記軸受孔により軸支される回転軸と、
   前記軸受孔の左右両側にて、各々前記第１軸受半部及び前記第２軸受半部を互いに結合する締結ボルトとを有し、
   前記第２軸受半部の、前記軸受孔に対して離反する左右両外側面に、各々前記締結ボルトの頭部に対する前記第２軸受半部の当接面の前記ボルト軸線方向投影領域内に至る凹部が設けられ、
   前記凹部は、各々前記締結ボルトの軸心を中心として前記第２軸受半部の左右両側部から前後面にかけて前記締結ボルトの軸心周りに円弧状に延在していることを特徴とする内燃機関の軸受構造。
2. 前記凹部は、前記締結ボルトの軸心を中心とする１８０度の範囲に渡って設けられていることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の軸受構造。
3. 前記凹部は、前記軸受孔に対して離反する外側面と、前記外側面と同じ側に位置する前記締結ボルトが貫通する貫通孔の内周面との間の略中央までの深さがあることを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関の軸受構造。
4. 前記両軸受半部が、コンロッド本体の大端側端部及び対応するベアリングキャップからなることを特徴とする請求項１から３の何れか一項に記載の内燃機関の軸受構造。
5. 前記両軸受半部が、シリンダブロックのバルクヘッド及び対応するベアリングキャップからなることを特徴とする請求項１から３の何れか一項に記載の内燃機関の軸受構造。

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