JP6602623B2 - コンロッドモジュール及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、コンロッドの大端部及び小端部の少なくとも一方に軸受軌道輪を圧入してなるコンロッドモジュールに関する。

コンロッドは、ピストンに連結される小端部と、クランクシャフトに連結される大端部と、小端部と大端部とを連結するステム部とからなる。例えば特許文献１には、コンロッドの大端部及び小端部の貫通孔に、内周面に軌道面が形成された外輪（筒状部材）が圧入されたコンロッドモジュールが示されている。

特開平７−２９３５４５号公報

コンロッドの小端部及び大端部は、環状を成しているが、ステム部付近とそれ以外の部分とで半径方向の肉厚が異なるため、周方向で剛性が異なっている。従って、コンロッドの小端部及び大端部の貫通孔に外輪を圧入すると、外輪がコンロッドから受ける応力が周方向で異なり、これにより外輪の変形量が周方向で異なるため、外輪の軌道面の真円度が悪化する恐れがある。コンロッドは溶製材の鍛造品で構成されることが多いが、比較的出力の小さいエンジン（例えば、芝刈り機などに使用される汎用エンジン等）の場合、製造コストの低減を図るために焼結金属で形成されることがある。焼結金属は溶製材の鍛造品と比べて剛性が低いため、コンロッドを焼結金属で形成すると、小端部及び大端部の周方向での剛性の差が大きくなり、外輪の周方向位置による変形量の差が大きくなって、外輪の軌道面の真円度が悪化しやすい。

そこで、本発明が解決すべき課題は、焼結金属製のコンロッドの大端部及び／又は小端部の貫通孔に軸受軌道輪（外輪）が圧入されたコンロッドモジュールにおいて、軸受軌道輪に設けられた軌道面の真円度の悪化を抑えることにある。

前記課題を解決するために、本発明は、大端部、小端部、及びこれらを連結するステム部を有する焼結金属製のコンロッドと、前記大端部に設けられた貫通孔及び前記小端部に設けられた貫通孔の少なくとも一方に締め代をもって嵌合された（すなわち圧入された）軸受軌道輪とを有するコンロッドモジュールであって、前記コンロッドのヤング率が１２０ＧＰａ以上１８０ＧＰａ以下であり、前記軸受軌道輪のヤング率が１８０ＧＰａより大きく２４０ＧＰａ以下であり、前記軸受軌道輪の半径方向の厚さをＴ、前記軸受軌道輪が圧入された前記貫通孔の内径寸法をＤ、前記軸受軌道輪と前記貫通孔の周壁との締め代をＩとしたとき、
Ｔ＝（０．０５〜０．１５）×Ｄ
Ｉ＝（０．０００４〜０．００４）×Ｄ
を満たすコンロッドモジュールを提供する。

このように、コンロッドを焼結金属（具体的には、ヤング率１２０ＧＰａ〜１８０ＧＰａの焼結金属）で形成した場合でも、軸受軌道輪を、コンロッドよりもヤング率が高い材料（具体的には、ヤング率１８０ＧＰａ〜２４０ＧＰａの材料）で形成することで、軸受軌道輪の変形が抑えられる。このような材質でコンロッド及び軸受軌道輪を形成した上で、軸受軌道輪の肉厚Ｔ、及び、コンロッドと軸受軌道輪との締め代Ｉを上記の範囲に設定することで、軸受軌道輪の歪な変形を抑えて、軌道面の真円度の悪化を抑えることができる。

上記のようなコンロッドモジュールは、大端部、小端部、及びこれらを連結する連結部を有する圧粉体を形成する工程と、前記圧粉体を焼結して焼結体を形成する工程と、前記焼結体にサイジングを施して焼結金属製のコンロッドを形成する工程と、前記コンロッドの大端部に設けられた貫通孔及び小端部に設けられた貫通孔の少なくとも一方に軸受軌道輪を圧入する工程とを経て製造することができる。

以上のように、本発明によれば、焼結金属製のコンロッドの大端部及び／又は小端部の貫通孔に圧入された軸受軌道輪の軌道面の真円度の悪化を抑えることができる。

本発明の実施形態に係るコンロッドモジュールの断面図である。 上記コンロッドモジュールを構成するコンロッドの正面図である。 上記コンロッドの断面図である。 上記コンロッドの圧粉工程を示す断面図であり、金型に原料粉末を充填した状態を示す。 上記コンロッドの圧粉工程を示す断面図であり、原料粉末を圧縮した状態を示す。 上記コンロッドのサイジング工程を示す断面図であり、焼結体を圧縮する前の状態を示す。 上記コンロッドのサイジング工程を示す断面図であり、焼結体を圧縮した状態を示す。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

本発明の一実施形態に係るコンロッドモジュール１は、エンジンに組み込まれ、例えば刈払機やブロア等に設けられる排気量１００ｃｃ以下（特に排気量５０ｃｃ以下）の小型エンジン（汎用エンジン）に組み込まれる。コンロッドモジュール１は、図１に示すように、コンロッド１０ところ軸受２０，３０とからなる。

コンロッド１０は、図２及び図３に示すように、環状の大端部１１と、大端部１１よりも小径な環状の小端部１２と、これらを連結するステム部１３とを一体に有する。大端部１１には貫通孔１１ａが形成され、小端部１２には貫通孔１２ａが形成される。大端部１１及び小端部１２の内周面（すなわち、貫通孔１１ａ，１２ａを囲む周壁）は、何れも円筒面とされる。ステム部１３には、ステム部１３の延在方向（図中上下方向）に長大な細長形状の貫通孔１３ａが形成される。

コンロッド１０は、焼結金属で形成され、特に、鉄を主成分とする（例えば鉄を８０質量％以上、好ましくは９０質量％以上含む）鉄系焼結金属で形成される。コンロッド１０のヤング率は、１２０ＧＰａ以上、１８０ＧＰａ以下に設定される。

コンロッド１０の焼結金属の組成は、ヤング率が上記の範囲内となるように選定され、例えば、ニッケル０．１〜５質量％（好ましくは０．５〜４質量％）、モリブデン０．１〜３質量％（好ましくは０．３〜２．５質量％）、炭素０．０５〜１質量％（好ましくは０．１〜０．５質量％）、残部が鉄とされる。

コンロッド１０の密度は、例えば７．０ｇ／ｃｍ^３以上、好ましくは７．２ｇ／ｃｍ^３以上とされる。また、コンロッド１０の密度は、例えば７．８ｇ／ｃｍ^３以下、実質的には７．６ｇ／ｃｍ^３以下とされる。

ころ軸受２０は、図１に示すように、内周面に円筒面状の軌道面２１ａを有する軸受軌道輪としての外輪２１と、外輪２１の内周に収容される複数のころ２２（針状ころ）と、複数のころ２２を周方向等間隔に保持する保持器２３とを有する。ころ軸受３０は、ころ軸受２０と同様の構成を成し、内周面に円筒面状の軌道面３１ａを有する軸受軌道輪としての外輪３１と、外輪３１の内周に収容される複数のころ３２（針状ころ）と、複数のころ３２を周方向等間隔に保持する保持器３３とを有する。

外輪２１，３１は、例えば円筒状に形成され、コンロッド１０の大端部１１の貫通孔１１ａ及び小端部１２の貫通孔１２ａにそれぞれ圧入固定される。外輪２１，３１は、コンロッド１０よりもヤング率が高い材料で形成され、具体的にはヤング率が１８０ＧＰａを超える材料で形成される。一方、外輪２１，３１のヤング率が高すぎると加工が困難となるため、外輪２１，３１のヤング率は２４０ＧＰａ以下とされる。

本実施形態の外輪２１，３１は、溶製材で形成され、例えば鋼材からなる。外輪２１，３１は、切削、鍛造、プレス等により形成される。外輪２１，３１には、必要に応じて熱処理（例えば焼き入れ焼き戻し処理）が施される。これにより、外輪２１，３１の表層に硬化層が形成され、表面の硬度、特に軌道面２１ａ，３１ａの硬度がＨＲＣ５８以上とされる。一方、外輪２１，３１の軌道面２１ａ，３１ａの表面硬度はＨＲＣ６５以下とされる。コストに優れる一般的な鋼材製の軸受軌道輪の表面硬度としては、この程度が上限である。外輪２１，３１の軌道面２１ａ，３１ａには、仕上げ加工（例えば研削仕上げ）が施され、これにより軌道面２１ａ，３１ａの真円度及び円筒度が何れも例えば２０μｍ以下、好ましくは１５μｍ以下とされる。

本実施形態では、コンロッド１０を焼結金属で形成しているため、大端部１１及び小端部１２の剛性が周方向で大きくバラつく恐れがある。このようなコンロッド１０の貫通孔１１ａ，１２ａに外輪２１，３１を圧入すると、外輪２１，３１がコンロッド１０から受ける応力のバラつきが大きくなり、外輪２１，３１が歪に変形する恐れがある。本実施形態では、上記のように外輪２１，３１をヤング率の高い材料、すなわち剛性の高い材料で形成しているため、外輪２１，３１の歪な変形を抑えることができる。

また、本実施形態では、外輪２１，３１の軌道面２１ａ，３１ａの硬度を高めに設定しているため、軌道面２１ａ，３１ａとしての機能が確保されると共に、コンロッド１０の貫通孔１１ａ，１２ａに圧入したときの変形がさらに抑えられる。

さらに、本実施形態では、外輪２１の半径方向の厚さ（特に、軌道面２１ａの形成領域における厚さ）Ｔ_２１は、大端部１１の貫通孔１１ａの内径寸法Ｄ_１１に対し、Ｔ_２１＝（０．０５〜０．１５）×Ｄ_１１を満たしている。同様に、外輪３１の半径方向の厚さ（特に、軌道面３１ａの形成領域における厚さ）Ｔ_３１は、小端部１２の貫通孔１２ａの内径寸法Ｄ_１２に対し、Ｔ_３１＝（０．０５〜０．１５）×Ｄ_１２を満たしている。

Ｔが０．０５未満の場合、外輪２１，３１の剛性が不足し、転がり軸受を構成する軸受軌道輪としての性能が低下しやすくなると共に、コンロッド１０の貫通孔１１ａ，１２ａへの圧入により外輪２１，３１が変形しやすくなる。一方、Ｔが０．１５Ｄよりも大きい場合、外輪２１，３１の厚さが必要以上に大きくなり、コンロッドモジュール１の重量が増加する。

さらに、本実施形態では、外輪２１と大端部１１の内周面（貫通孔１１ａの周壁）との締め代Ｉ_１、すなわち、組み付け前における外輪２１の外径寸法Ｄ_２１と貫通孔１１ａの内径寸法Ｄ_１１との差Ｉ_１は、Ｉ_１＝（０．０００４〜０．００４）×Ｄ_１１を満たしている。同様に、外輪３１と小端部１２の内周面（貫通孔１２ａの周壁）との締め代Ｉ_２、すなわち、組み付け前における外輪３１の外径寸法Ｄ_３１と貫通孔１２ａの内径寸法Ｄ_１２との差Ｉ_２は、Ｉ_２＝（０．０００４〜０．００４）×Ｄ_１２を満たしている。

Ｉが０．０００４Ｄ未満の場合、固定力が不足し、コンロッド１０に対して外輪２１，３１が移動して、ころ軸受２０，３０に偏荷重が加わり異常摩耗の原因となる。一方、Ｉが０．００４Ｄより大きい場合、コンロッド１０の貫通孔１１ａ，１２ａへの圧入により外輪２１，３１が変形して真円度が大きくなり、軸受の寿命低下や異音の原因となる。

以上のように、コンロッド１０を焼結金属で形成すると共に、外輪２１，３１を硬い材料で形成した上で、外輪２１，３１の半径方向厚さＴ、及び外輪２１，３１とコンロッド１０との締め代Ｉを所定の範囲内に設定することで、外輪２１，３１の歪な変形を抑え、軌道面２１ａ，３１ａの真円度の悪化を防止することができる。

以下、コンロッド１０の製造方法を説明する。コンロッド１０は、圧粉工程、焼結工程、サイジング工程を経て製造される。

圧粉工程では、まず、各種粉末を混合して原料粉末を形成する。本実施形態では、原料粉末として、鉄、ニッケル、及びモリブデンの完全合金鋼粉（プレアロイ粉）と、炭素粉末としての黒鉛粉末とを含むものが使用される。そして、原料粉末をフォーミング金型に充填して圧縮成形することにより、圧粉体を成形する。具体的には、図４に示すようにダイ４１、コアロッド４２ａ，４２ｂ，４２ｃ、及び下パンチ４３で区画されたキャビティに原料粉末Ｍを充填する。そして、図５に示すように、上パンチ４４を下降させて原料粉末Ｍを圧縮し、図２及び図３に示すコンロッド１０と略同形状の圧粉体１０’を成形する。

焼結工程では、圧粉体１０’を所定温度で所定時間焼結することにより、焼結体が得られる。

サイジング工程では、焼結体を再圧縮して寸法精度が高めることにより、コンロッド１０が得られる。本実施形態では、特に、焼結体１０”の大端部１１”及び小端部１２”の外周面及び内周面を成形する。具体的には、まず、図６に示すように、ダイ５１とコアロッド５２ａ，５２ｂとの間に形成された空間に、焼結体１０”を載置する。その後、図７に示すように、焼結体１０”を上パンチ５４でダイ５１の内周に押し込むことにより、焼結体１０”がダイ５１に圧入されると共に上下パンチ５４，５３で圧縮される。これにより、焼結体１０”の大端部１１”及び小端部１２”の外周面がダイ５１の内周面で成形されると共に、大端部１１”の内周面及び小端部１２”の内周面がそれぞれコアロッド５２ａ，５２ｂの外周面で成形される。また、大端部１１”の内周面と小端部１２”の内周面との相対的な位置関係が、コアロッド５２ａ，５２ｂで矯正される。その後、サイジング金型からコンロッド１０が排出される。

こうして形成されたコンロッド１０の大端部１１の貫通孔１１ａ及び小端部１２の貫通孔１２ａに、それぞれ外輪２１，３１を圧入する。その後、外輪２１，３１の内周に、それぞれころ２２，３２及び保持器２３，３３を組み付けることにより、図１に示すコンロッドモジュール１が完成する。

本発明は上記の実施形態に限られない。例えば、コンロッド１０の構成は上記に限らず、ステム部１３の貫通孔１３ａの形成部分に、他の領域よりも肉厚の薄い薄肉部を設けたり、ステム部１３全体を薄肉化してもよい。あるいは、ステム部１３の貫通孔１３ａを省略し、大端部１１及び小端部１２と同じ肉厚で中実としてもよい。

また、上記の実施形態では、コンロッド１０の大端部１１及び小端部１２の貫通孔１１ａ，１２ａの双方に外輪２１，３１を圧入した場合を示したが、これに限らず、コンロッド１０の大端部１１及び小端部１２の貫通孔１１ａ，１２ａの一方に外輪を圧入し、他方には外輪を圧入しない構成としてもよい。具体的には、例えば、小端部１２の貫通孔１２ａに外輪を圧入する一方で、大端部１３は、コンロッド本体とキャップ部材とに分割し、ボルト等でこれらを固定する構成とすることができる。

また、ころ軸受２０，３０の構成も上記に限られない。例えば、ころ軸受２０又はころ軸受３０あるいはこれらの双方を、外輪の軸方向両端に内径側に突出した鍔部を設け、外輪からころ及び保持器が脱落しないように保持した、いわゆるシェル型のころ軸受を採用してもよい。

本発明の効果を確認するため、焼結金属製のコンロッドに軸受軌道輪（外輪）を圧入し、軌道面（外輪内周面）の真円度及び円筒度を測定した。コンロッドは、ヤング率が１２０ＧＰａ以上１８０ＧＰａ以下の焼結金属で形成した。外輪は、ヤング率が１８０ＧＰａより大きく２４０ＧＰａ以下の材料で形成した。

外輪及びコンロッドの各部寸法を、下記の表１に示す。外輪は、半径方向の肉厚Ｔが１ｍｍのもの（実施例１〜９）と、１．５ｍｍのもの（実施例１０〜１８）を用いた。コンロッドは、貫通孔の内径寸法Ｄが１６ｍｍのもの（実施例１〜９）と、１７ｍｍのもの（実施例１０〜１８）を用いた。外輪とコンロッドの締め代Ｉは、１０μｍ（実施例１〜３、１０〜１２）、２０μｍ（実施例４〜６、１３〜１５）、３０μｍ（実施例７〜９、１６〜１８）とした。

その結果、実施例１〜１８の全てが、真円度及び円筒度共に１５μｍ以下の優れた値を示した。また、実施例１〜１８は、Ｔ／Ｄが０．０５〜０．１５（特に、０．０６〜０．１０）の範囲内であり、且つ、Ｉ／Ｄが０．０００４〜０．００４（特に、０．０００５〜０．００２）の範囲内である。以上より、本発明の数値範囲を満たすことにより、コンロッドに圧入した後の軸受軌道輪の変形が抑えられ、優れた真円度及び円筒度の軌道面が得られることが確認された。

また、何れの実施例も、抜け荷重が２５０Ｎ以上であり、特に、締め代Ｉを２０μｍ以上（Ｉ／Ｄ≧０．００１）とした実施例４〜９、１３〜１８は、抜け荷重が９００Ｎ以上であった。従って、これらの実施例は、外輪軌道面の優れた真円度と、コンロッドと外輪との強固な固定とを両立できることが確認された。

１ コンロッドモジュール
１０ コンロッド
１１ 大端部
１１ａ 貫通孔
１２ 小端部
１２ａ 貫通孔
１３ ステム部
２０，３０ ころ軸受
２１，３１ 外輪（軸受軌道輪）
２１ａ，３１ａ 軌道面
２３，３３ 保持器

Claims (4)

1. 環状の大端部、環状の小端部、及びこれらを連結するステム部を有する焼結金属製のコンロッドと、前記大端部に設けられた貫通孔及び前記小端部に設けられた貫通孔の少なくとも一方に締め代をもって嵌合された円筒状の軸受軌道輪とを有するコンロッドモジュールであって、
   前記コンロッドのヤング率が１２０ＧＰａ以上１８０ＧＰａ以下であり、
   前記軸受軌道輪のヤング率が１８０ＧＰａより大きく２４０ＧＰａ以下であり、
   前記軸受軌道輪の半径方向の厚さをＴ、前記軸受軌道輪が圧入された前記貫通孔の内径寸法をＤ、前記軸受軌道輪と前記貫通孔の周壁との締め代をＩとしたとき、
   Ｔ＝（０．０５〜０．１５）×Ｄ
   Ｉ＝（０．０００４〜０．００４）×Ｄ
   を満たすコンロッドモジュール。
2. 前記コンロッドが、ニッケル０．１〜５質量％、モリブデン０．１〜３質量％、炭素０．０５〜１質量％を含み、残部を鉄とし、
   前記コンロッドの密度が、７．０ｇ／ｃｍ ³ 以上である請求項１に記載のコンロッドモジュール。
3. 環状の大端部、環状の小端部、及びこれらを連結する連結部を有する圧粉体を形成する工程と、前記圧粉体を焼結して焼結体を形成する工程と、前記焼結体にサイジングを施して焼結金属製のコンロッドを形成する工程と、前記コンロッドの大端部に設けられた貫通孔及び小端部に設けられた貫通孔の少なくとも一方に円筒状の軸受軌道輪を圧入する工程とを有するコンロッドモジュールの製造方法であって、
   前記コンロッドのヤング率が１２０ＧＰａ以上１８０ＧＰａ以下であり、
   前記軸受軌道輪のヤング率が１８０ＧＰａより大きく２４０ＧＰａ以下であり、
   前記軸受軌道輪の半径方向の厚さをＴ、前記軸受軌道輪が圧入される前記貫通孔の内径寸法をＤ、前記軸受軌道輪と前記貫通孔の周壁との締め代をＩとしたとき、
   Ｔ＝（０．０５〜０．１５）×Ｄ
   Ｉ＝（０．０００４〜０．００４）×Ｄ
   を満たすコンロッドモジュールの製造方法。
4. 前記コンロッドが、ニッケル０．１〜５質量％、モリブデン０．１〜３質量％、炭素０．０５〜１質量％を含み、残部を鉄とし、
   前記コンロッドの密度が、７．０ｇ／ｃｍ ³ 以上である請求項３に記載のコンロッドモジュールの製造方法。

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