JP6355903B2

JP6355903B2 - ロアリンクのクランクピン連結構造

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Publication number: JP6355903B2
Application number: JP2013174148A
Authority: JP
Inventors: 増田　真也; 真也増田; 牛嶋　研史; 研史牛嶋; 小林　誠; 誠小林
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2013-08-26
Filing date: 2013-08-26
Publication date: 2018-07-11
Anticipated expiration: 2033-08-26
Also published as: JP2015042849A

Description

この発明は、内燃機関の複リンク式ピストンクランク機構に関し、特に、ロアリンクとクランクピンとの連結構造の改良に関する。

レシプロ式内燃機関のピストンピンとクランクピンとの間を複リンク式のピストンクランク機構で連結した従来技術として、本出願人が先に提案した特許文献１等が公知となっている。これは、ピストンのピストンピンに連結されるアッパリンクと、このアッパリンクとクランクシャフトのクランクピンとを連結するロアリンクと、一端が機関本体側に揺動可能に支持され、かつ他端が上記ロアリンクに連結されるコントロールリンクと、を備えている。そして、上記アッパリンクと上記ロアリンクとは、アッパピンを介して互いに回転可能に連結され、上記コントロールリンクと上記ロアリンクとは、コントロールピンを介して互いに回転可能に連結されている。

このような複リンク式のピストンクランク機構におけるロアリンクは、ピストンが受けた燃焼圧力をアッパリンクを介してアッパピンより受け取り、コントロールピンを支点とする一種の”てこ”のような動作でクランクピンに力を伝達する。

特開２００４−１２４７７６号公報

上記のロアリンクにおけるクランクピン軸受部は、軸受メタルを介してクランクピンに嵌合するが、ピストンに最大燃焼荷重が作用するときのロアリンクの姿勢などから定まる周方向の特定の部位に大きな荷重が入力される。このような大きな荷重が入力される部位では、軸受面の軸方向中央部で潤滑油膜の油圧が最も高くなることから、軸方向中央部が外周側へ膨らむように軸受メタルが変形し、軸方向両端部で軸受メタルの焼き付きが生じやすくなる。なお、このような軸受メタルの変形（つまりメタル支持面の変形）を防止するには、クランクピン軸受部周囲の剛性を非常に高く設定する必要があり、ロアリンクの質量が過度に大きくなってしまうので、現実的ではない。

この発明は、ピストンにピストンピンを介して一端が連結されたアッパリンクと、このアッパリンクの他端にアッパピンを介して連結され、かつクランクシャフトのクランクピンに連結されたロアリンクと、一端が機関本体側に揺動可能に支持され、他端が上記ロアリンクにコントロールピンを介して連結されたコントロールリンクと、を備えてなる内燃機関のピストンクランク機構における上記ロアリンクと上記クランクピンとの連結構造であって、
上記ロアリンクは、上記クランクピンに嵌合する中央のクランクピン軸受部と、上記アッパピンを支持するアッパピン用ピンボス部と、上記コントロールピンを支持するコントロールピン用ピンボス部と、を有し、
上記アッパピン用ピンボス部および上記コントロールピン用ピンボス部は、それぞれ二股状をなし、上記クランクピン軸受部の軸方向の両端部にそれぞれ接続されており、
軸受メタルが装着されるクランクピン軸受部は、周方向において、クランクピンからの荷重入力が相対的に大きい第１の部位と相対的に小さい第２の部位とを有し、
上記第２の部位では、軸方向中央部の剛性が軸方向両端部の剛性に比べて低く、上記軸受メタルを装着した状態において、該軸受メタルの反力により軸方向中央部が外周側へ変形してメタル軸受面が樽型に変形しており、
上記第１の部位の軸方向中央部の剛性は、上記第２の部位の軸方向中央部の剛性よりも高く、
上記クランクピンは、軸方向中央部の径が軸方向両端部よりも僅かに大きな樽形をなしている。

周方向の第２の部位では、軸受メタルを装着した状態において、該軸受メタルの反力により軸方向中央部が外周側へ変形してメタル軸受面が樽型に変形していることに加えて、クランクピンからの荷重入力は比較的小さいが、軸方向両端部に比べて軸方向中央部の剛性を低くしておくことで、潤滑油膜の圧力により、軸方向中央部が外周側へ膨らむように軸受メタルが変形する。また荷重入力が大きな周方向の第１の部位では、やはり潤滑油膜の圧力により軸方向中央部が外周側へ膨らむように軸受メタルが変形するが、軸方向中央部の剛性が第２の部位に比べて高いので、その変形が抑制される。結局、荷重入力が大きな第１の部位と荷重入力が小さな第２の部位とで、変形量が近似したものとなる。このような荷重入力時の軸受メタルの変形に対応して、クランクピンは予め樽形に形成されている。従って、荷重入力時に各部でより均一な潤滑油膜が確保され、軸方向両端部での局部的な油膜切れや焼き付きが抑制される。

つまり、荷重入力の大きな第１の部位と荷重入力の小さな第２の部位とを含め、クランクピン軸受部の全周に亘ってほぼ均一な樽形に軸受メタルが変形するようにし、これに対応した樽形にクランクピンを形成することで、均一な潤滑油膜の形成を図っているのである。

この発明によれば、軸受メタルの変形状態とクランクピン形状とを互いに対応したものとすることで、ロアリンクの質量や外形寸法を過度に増加させることなく各部でより均一な潤滑油膜を確保することができ、軸方向両端部での局部的な油膜切れや焼き付きを抑制することができる。

一実施例の複リンク式ピストンクランク機構の構成説明図。一実施例のロアリンクの斜視図。荷重入力の大きな部位を示す説明図。図３のＡ−Ａ線に沿った断面図。図３のＢ−Ｂ線に沿った断面図。図３のＣ−Ｃ線に沿った断面図。第１の部位のメタル支持面の変形を説明する説明図。第２の部位のメタル支持面の変形を説明する説明図。荷重入力時の軸受メタルとクランクピン周面との関係を示した説明図。

以下、この発明の一実施例を図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、この発明が適用される複リンク式ピストンクランク機構の構成要素を示している。この複リンク式ピストンクランク機構自体は前述した特許文献１等によって公知のものであり、ピストン１にピストンピン２を介して一端が連結されたアッパリンク３と、このアッパリンク３の他端にアッパピン４を介して連結され、かつクランクシャフトのクランクピン５に連結されたロアリンク６と、このロアリンク６の自由度を規制するコントロールリンク７と、を備えている。上記コントロールリンク７は、一端が機関本体側の支持ピン８に揺動可能に支持され、他端が上記ロアリンク６にコントロールピン９を介して連結されている。なお、上記複リンク式ピストンクランク機構は、上記支持ピン８の位置を可変とすることで、可変圧縮比機構として構成することも可能である。

図２に示すように、上記ロアリンク６は、上記クランクピン５に嵌合する円筒形のクランクピン軸受部１１を中央に有し、かつこのクランクピン軸受部１１を挟んで互いにほぼ１８０°反対側となる位置に、アッパピン用ピンボス部１２およびコントロールピン用ピンボス部１３がそれぞれ設けられている。このロアリンク６は、全体として、菱形に近い平行四辺形をなしており、クランクピン軸受部１１の中心を通る分割面１４において、アッパピン用ピンボス部１２を含むロアリンクアッパ６Ａと、コントロールピン用ピンボス部１３を含むロアリンクロア６Ｂと、の２部品に分割して形成されている。これらのロアリンクアッパ６Ａおよびロアリンクロア６Ｂは、クランクピン軸受部１１をクランクピン５に嵌め込んだ上で、図示せぬ複数本のボルトによって互いに締結されている。

上記アッパピン用ピンボス部１２およびコントロールピン用ピンボス部１３は、アッパリンク３やコントロールリンク７を軸方向中央部に挟むように二股状の構成となっており、アッパピン４やコントロールピン９の軸方向端部をそれぞれ支持する一対の片１２ａ，１３ａが、ロアリンク６の軸方向の端面に沿って延びている（図６参照）。つまり、ピンボス部１２，１３の各片１２ａ，１３ａは、円筒状のなすクランクピン軸受部１１の軸方向両端部にそれぞれ接続されている。

上記のクランクピン軸受部１１においては、図３の説明図に示すように、周方向の２箇所Ｐ１，Ｐ２において、クランクピン５からの荷重入力が大となる。符号Ｐ１で示す部位は、ピストン１の上死点を僅かに過ぎて燃焼荷重が最大となるときのロアリンク６の姿勢から定まり、符号Ｐ２で示す部位は、ピストン１の運動方向が反転するピストン１の下死点位置でのロアリンク６の姿勢から定まる。これらの部位Ｐ１，Ｐ２は、いずれもアッパピン４の中心とコントロールピン９の中心とを結ぶ直線（Ｃ−Ｃ線）よりも上方側（ピストン１側）に位置し、図示例では、部位Ｐ２は、ロアリンクアッパ６Ａとロアリンクロア６Ｂとの分割面１４にほぼ沿った位置にあり、部位Ｐ１は、部位Ｐ２よりもアッパピン用ピンボス部１２寄りに位置している。クランクピン軸受部１１の中で、これら２つの部位Ｐ１，Ｐ２以外の部位は、荷重入力が相対的に小さい部位であり、特に、アッパピン４の中心とコントロールピン９の中心とを結ぶ直線（Ｃ−Ｃ線）に沿った部位では、最も荷重入力が小さくなる。

上記クランクピン軸受部１１は、半円筒形の一対の軸受メタル１６（図４〜６参照）を介してクランクピン５に嵌合する。ここで、クランクピン５の周面は、軸方向中央部の径が軸方向両端部の径よりも僅かに大きな樽形に形成されており（図９参照）、これに対応して、クランクピン軸受部１１は、上述した荷重分布を考慮して全周に亘ってほぼ均等な樽形に変形するように、各部の剛性が設定されている。

図４は、荷重入力が大である部位Ｐ１を通る図３のＡ−Ａ線に沿った断面を示している。図４の下方に示す部位では、コントロールピン用ピンボス部１３の一対の片１３ａ，１３ａがクランクピン軸受部１１の軸方向両端部に接続されているため、符号１１ａで示す軸方向両端部の剛性は高く、これに対し、符号１１ｂで示す軸方向中央部は薄肉であるため、剛性は低い。一方、図４の上方に示す部位（つまり荷重入力が大である部位Ｐ１）では、符号１１ｃで示す軸方向中央部が厚肉であるため、この部位の剛性は、符号１１ｂで示す部位の剛性よりも相対的に高い。

図５は、荷重入力が大である部位Ｐ２を通る図３のＢ−Ｂ線に沿った断面（詳しくはロアリンクロア６Ｂの分割面）を示している。図５の下方に示す部位（荷重入力が大である部位Ｐ２）では、クランクピン軸受部１１の外側がボルト締結のための中実部となっているので、符号１１ｄで示す軸方向中央部は、軸方向両端部とともに剛性が高い。一方、図５の上方に示す部位では、ボルト孔１８の周囲を囲むカウンターボア１９が形成されており、このカウンターボア１９がクランクピン軸受部１１の内周面（メタル支持面）に近接していることから、符号１１ｅで示す軸方向両端部の剛性は高いものの、符号１１ｆで示す軸方向中央部の剛性は低い。

図６は、荷重入力が小さい図３のＣ−Ｃ線に沿った断面を示している。図６の上方に示す部位では、アッパピン用ピンボス部１２の一対の片１２ａ，１２ａがクランクピン軸受部１１の軸方向両端部に接続されているため、符号１１ｇで示す軸方向両端部の剛性は高く、これに対し、符号１１ｈで示す軸方向中央部は薄肉であるため、剛性は低い。図６の下方に示す部位についても同様であり、符号１１ｇで示す軸方向両端部の剛性が高いのに対し、符号１１ｈで示す軸方向中央部の剛性は低い。

すなわち、クランクピン軸受部１１の全周についてみると、軸方向両端部は、全周に亘って剛性が高い。これに対し、軸方向中央部は、荷重入力が大である部位Ｐ１，Ｐ２では厚肉で剛性が高いが、その他の部位では、半径方向の肉厚が薄く、剛性が低い。

図７および図８は、上記のように剛性が異なる部位でのクランクピン軸受部１１（メタル支持面）の変形状態を説明するものである。これらの図の（ａ）は、クランクシャフト単体での初期状態を示し、（ｂ）は、メタル支持面に軸受メタル１６を装着した状態での変形を示し、（ｃ）は、運転中の荷重入力時の変形状態を示している。図７に示す軸方向中央部の剛性が高い部位Ｐ１，Ｐ２では、メタル支持面は初期状態（ａ）ならびに軸受メタル１６装着状態（ｂ）の双方で円筒面を保っているが、荷重入力を受けると、（ｃ）のように軸方向中央部が大径となるように樽形に変形する。これは、潤滑油膜の圧力が軸方向中央部で高くなることによる。特に、図７に示す部位Ｐ１，Ｐ２では、クランクピン５からの荷重入力が大であるので、これに応じた樽形の変形が生じる。

一方、図８に示す軸方向中央部の剛性が低い他の部位では、初期状態（ａ）で円筒面であるメタル支持面は、軸受メタル１６を装着したときに、該軸受メタル１６の反力によって、（ｂ）に示すように、僅かに樽形に変形する。そして、荷重入力を受けると、（ｃ）のようにさらに大きく樽形に変形する。このとき、クランクピン５から作用する荷重入力は図７の部位Ｐ１，Ｐ２に比較して小さいが、軸方向中央部の剛性が低く、かつ（ｂ）に示す荷重入力前の変形状態から潤滑油膜による変形が上乗せされる形となることから、結局、図７の（ｃ）に示す部位Ｐ１，Ｐ２での変形と同程度の変形が生じる。

従って、運転中は、クランクピン軸受部１１の全周に亘ってメタル支持面がほぼ一定の樽形に変形することとなる。図９に示すように、このメタル支持面の樽形の変形に対応するように、クランクピン５の外周面が予め樽形に形成されている。従って、両者間でほぼ一定の潤滑油膜を確保することができ、軸方向両端部での局部的な油膜切れや焼き付きを防止することができる。

クランクピン５の具体的な樽形形状としては、一般的な直径４０ｍｍ〜５０ｍｍ程度のクランクピン５において、例えば、中央部が両端部よりも半径で１０〜１５μｍ程度大きなものとなっている。過度に極端な樽形とすると、逆に軸方向中央部が焼き付きを生じやすくなってしまう。因みに、潤滑油膜の厚さは、１μｍ程度である。

なお、図３の断面は、クランクピン軸受部１１の軸方向の中央における断面を基本的に示しており（ボルトは図示省略してある）、クランクピン軸受部１１の軸方向中央部における周囲の半径方向の厚さとしては、少なくとも、荷重入力が最も小さいＣ−Ｃ線に沿った部位では薄く、荷重入力が大である２つの部位Ｐ１，Ｐ２では厚く、形成されている。図３から明らかなように、実際のロアリンク６では、ボルト締結に中実部が必要なことなどから、荷重入力が小さいにも拘わらず半径方向の厚さが大きい部位が存在するが、上記実施例では、少なくとも、荷重入力が最も大きい部位と最も小さい部位とのメタル支持面の変形（樽形の程度）が近似したものとなるので、より均等な潤滑油膜を確保することができる。

５…クランクピン
６…ロアリンク
１１…クランクピン軸受部
１２…アッパピン用ピンボス部
１３…コントロールピン用ピンボス部
１６…軸受メタル

Claims

ピストンにピストンピンを介して一端が連結されたアッパリンクと、このアッパリンクの他端にアッパピンを介して連結され、かつクランクシャフトのクランクピンに連結されたロアリンクと、一端が機関本体側に揺動可能に支持され、他端が上記ロアリンクにコントロールピンを介して連結されたコントロールリンクと、を備えてなる内燃機関のピストンクランク機構における上記ロアリンクと上記クランクピンとの連結構造であって、
上記ロアリンクは、上記クランクピンに嵌合する中央のクランクピン軸受部と、上記アッパピンを支持するアッパピン用ピンボス部と、上記コントロールピンを支持するコントロールピン用ピンボス部と、を有し、
上記アッパピン用ピンボス部および上記コントロールピン用ピンボス部は、それぞれ二股状をなし、上記クランクピン軸受部の軸方向の両端部にそれぞれ接続されており、
軸受メタルが装着されるクランクピン軸受部は、周方向において、クランクピンからの荷重入力が相対的に大きい第１の部位と相対的に小さい第２の部位とを有し、
上記第２の部位では、軸方向中央部の剛性が軸方向両端部の剛性に比べて低く、上記軸受メタルを装着した状態において、該軸受メタルの反力により軸方向中央部が外周側へ変形してメタル軸受面が樽型に変形しており、
上記第１の部位の軸方向中央部の剛性は、上記第２の部位の軸方向中央部の剛性よりも高く、
上記クランクピンは、軸方向中央部の径が軸方向両端部よりも僅かに大きな樽形をなしている、ロアリンクのクランクピン連結構造。
上記ロアリンクは、上記アッパピン用ピンボス部を含むロアリンクアッパと、上記コントロールピン用ピンボス部を含むロアリンクロアと、に２分割されて構成され、かつ両者が互いにボルト結合されており、
分割面を挟んで上記ボルトが貫通する中実部が上記第１の部位に対応している、請求項１に記載のロアリンクのクランクピン連結構造。
上記アッパピンの中心と上記コントロールピンの中心とを結ぶ線に沿った部位が、上記第２の部位である、請求項１または２に記載のロアリンクのクランクピン連結構造。
上記クランクピン軸受部の軸方向の中央における半径方向の肉厚が、上記第１の部位では相対的に大きく、上記第２の部位では相対的に小さい、請求項１〜３のいずれかに記載のロアリンクのクランクピン連結構造。
上記第２の部位が、クランクピン軸受部の周方向の２箇所に存在する、請求項１〜４のいずれかに記載のロアリンクのクランクピン連結構造。