JP2006308027A - コンロッド、内燃機関、自動車両およびコンロッドの製造方法 - Google Patents

コンロッド、内燃機関、自動車両およびコンロッドの製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】破断分割法によって容易に製造可能なチタン合金製の分割型コンロッドおよびその製造方法を提供する。
【解決手段】本発明によるコンロッドは、チタン合金から形成され、ロッド本体部10と、ロッド本体部10の一端に設けられた大端部30とを備え、大端部30が、ロッド本体部10の一端に連続するロッド部33と、ロッド部33に結合されるキャップ部34とに破断分割された分割型コンロッドである。大端部30は、ロッド部33とキャップ部34との合わせ面Pの近傍に介在物8を含み、介在物8の長手方向が合わせ面Pに対して0°以上30°以下の角をなしている。
【選択図】図5

Description

本発明は、クランクシャフトとピストンとを連結するコンロッドおよびその製造方法に関し、特に、大端部が破断分割された破断分割型のコンロッドおよびその製造方法に関する。また、本発明は、そのようなコンロッドを備えた内燃機関や自動車両にも関する。
自動車両の内燃機関には、クランクシャフトとピストンとを連結するために、コンロッド(あるいはコネクティングロッド)と呼ばれる部材が用いられている。図32に、従来のコンロッド401を示す。コンロッド401は、棒状のロッド本体部410と、ロッド本体部410の一端に設けられた小端部420と、ロッド本体部410の他端に設けられた大端部430とを有している。
小端部420は、ピストンピンを通すための貫通孔425を有し、ピストンに接続される。一方、大端部430は、クランクピンを通すための貫通孔435を有し、クランクシャフトに接続される。
大端部430は、ロッド本体部410の一端に連続するロッド部433と、ロッド部433にボルト440によって結合されるキャップ部434とに分割されている。そのため、図32に示したコンロッド401は、分割型のコンロッドと呼ばれる。
従来、コンロッドの材料としては鋼が広く用いられてきたが、近年、コンロッドの軽量化のためにチタン合金を用いることが提案されている。チタン合金を用いてコンロッドを製造する方法としては、特許文献1に開示されているような閉塞鍛造や密閉鍛造、あるいは、非特許文献1に開示されているような熱間鍛造が挙げられる。
これらの方法を用いて図32に示したような分割型コンロッドを製造する場合、大端部を一体で、つまり、ロッド部とキャップ部とを一体で鍛造することにより、材料の歩留まりを高くすることができる。しかしながら、このようにして鍛造を行うと、当然ながら、その後にロッド部とキャップ部とを機械加工によって切り離す必要がある。また、切り離し後にも、ロッド部およびキャップ部の互いに当接する面を加工したり、ロッド部とキャップ部とを精度良く組み付けるための位置決め加工を行ったりする必要がある。チタン合金は、一般に、機械加工性が鋼よりも悪いため、これらの一連の加工工程が、チタン合金製のコンロッドの生産性の悪化や製造コストの増加の一因となっている。
この問題を解決する手法として、破断工法が提案されている。破断工法は、大端部を一体に形成した後に、脆性破断によってロッド部とキャップ部とに分割する手法である。ロッド部およびキャップ部の破断面には、脆性破断によって微細な凹凸が相補的に形成される。これらの破断面に対しては、別途に加工を行う必要がない。また、破断面に相補的に形成された微細な凹凸によって、ロッド部とキャップ部とを組み付けたときに精度良く位置決めを行うことができるので、位置決め構造を形成するための加工を行う必要もない。
この破断工法は、焼結鋼、炭素鋼、非調質鋼および浸炭鋼などの鋼材を用いたコンロッドについては多く実施されているが、チタン合金製のコンロッドについては、これまで実施された例がなく、チタン合金製のコンロッドに実施することは事実上不可能と考えられてきた。なぜならば、チタン合金は靭性が高いので、脆性破断が必要である破断工法をチタン合金製のコンロッドに対して行うことは極端に難しいからである。
また、チタン合金製コンロッドの破断分割は、以下の理由からも難しかった。従来、チタン合金製のコンロッドは、まず、チタン合金塊を塑性加工によって板状や棒状にし、これらの板状や棒状の部材からコンロッドを打ち抜くかあるいは切り出すことによって製造されてきた。あるいは、チタン合金製のコンロッドは、丸棒や板材その他の素形材から鍛造を行い、その鍛造品を仕上げ機械加工することによって製造されてきた。
その際、型設計の容易さや、強度向上、歩留まりの向上のために、図33に示すように、コンロッドを構成するチタン合金のメタルフロー(ファイバーフローとも呼ばれる)がコンロッドの長手方向に平行になるように設計が行われてきた。メタルフローは、鍛造製品にみられる金属組織の流れであり、鍛流線とも呼ばれる。鍛造製品の切断面を腐食すると、メタルフローが繊維状の金属組織として視認される。図33には、メタルフローを模式的に実線MFで示している。上述のように設計されたコンロッドの大端部を破断分割するためには、メタルフローを横切るように、つまり、繊維状の金属組織を切断するように脆性破断を行わなければならない。このような脆性破断を、靭性の高いチタン合金製のコンロッドにおいて行うことは困難である。
特許文献2には、圧延鍛造により形成されたコンロッドの破断分割を容易にする手法として、図34に示すように、メタルフローをコンロッドの長手方向に直交させる手法が開示されている。特許文献2には、この手法によれば、メタルフローを横切らないように破断を行うことができるので、破断分割を容易に行うことができると記載されている。また、特許文献2には、全般にわたって鋼製のコンロッドについての説明が記載されているが、この手法をアルミニウム合金製やチタン合金製のコンロッドに用いることができることが付加的に記載されている。
特開昭60−247432号公報 特開平9−182932号公報 松原敏彦、「快削チタン合金コネクティングロッドの開発」、チタニウム・ジルコニウム、平成3年10月、第39巻、第4号、p. 175-184
しかしながら、本願発明者が、チタン合金製のコンロッドにおける破断分割について詳細な検討を行ったところ、鋼よりも靭性の高いチタン合金から形成されたコンロッドでは、メタルフローを所定の方向に設定するだけでは、破断分割を容易に行うことはできないことがわかった。
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、破断分割法によって容易に製造可能なチタン合金製の分割型コンロッドおよびその製造方法を提供することにある。
本発明によるコンロッドは、チタン合金から形成され、ロッド本体部と、前記ロッド本体部の一端に設けられ、貫通孔を有する大端部とを備え、前記大端部が、前記ロッド本体部の前記一端に連続するロッド部と、前記ロッド部に結合されるキャップ部とに破断分割された分割型コンロッドであって、前記大端部は、前記ロッド部と前記キャップ部との合わせ面の近傍に介在物を含み、前記介在物の長手方向が前記合わせ面に対して0°以上30°以下の角をなし、そのことによって上記目的が達成される。
ある好適な実施形態において、前記介在物の長手方向は、前記合わせ面に対して略平行である。
ある好適な実施形態において、前記合わせ面の近傍におけるメタルフローは前記介在物の長手方向に略平行である。
ある好適な実施形態において、前記チタン合金は、希土類元素および硫黄を含み、前記介在物は、希土類元素と硫黄の化合物である。
ある好適な実施形態において、前記チタン合金は、0.05wt%以上0.7wt%以下の希土類元素および0.05wt%以上0.2wt%以下の硫黄を含む。
ある好適な実施形態において、前記チタン合金は、2.5wt%以上6.75wt%以下のアルミニウムおよび1.6wt%以上4.5wt%以下のバナジウムを含む。
ある好適な実施形態において、本発明によるコンロッドは、ロックウェル硬さが33HRC以上である。
本発明による内燃機関は、上記構成を有するコンロッドを備えており、そのことによって上記目的が達成される。
本発明による自動車両は、上記構成を有する内燃機関を備えており、そのことによって上記目的が達成される。
本発明によるコンロッドの製造方法は、チタン合金から形成され、ロッド本体部および前記ロッド本体部の一端に設けられた大端部を有するコンロッドを用意する工程と、前記コンロッドの前記大端部を所定の破断予定面に沿って破断分割する工程とを包含する破断分割型コンロッドの製造方法であって、前記コンロッドを用意する工程は、前記コンロッドの前記大端部が前記破断予定面の近傍に介在物を含み、且つ、前記介在物の長手方向が前記破断予定面に対して0°以上30°以下の角をなすように行われ、そのことによって上記目的が達成される。
ある好適な実施形態において、前記コンロッドを用意する工程は、熱処理を行う工程を包含する。
ある好適な実施形態において、本発明によるコンロッドの製造方法は、前記大端部を破断分割する工程の前に、前記コンロッドを冷却する工程を包含する。
本発明によるチタン合金製のコンロッドの大端部は、ロッド部とキャップ部との合わせ面の近傍に介在物を含んでおり、この介在物の長手方向は、合わせ面に対して0°以上30°以下の角をなしている。そのため、介在物によって合わせ面に沿った破断分割が助長され、破断分割を容易に行うことができる。
本願発明者は、チタン合金製のコンロッドについて破断分割を好適に行うための手法を種々検討した。その結果、破断分割される部分の近傍に介在物を存在させ、さらに、その介在物の長手方向を所定の方向に向けることにより、従来不可能であると思われていたチタン合金製コンロッドの破断分割を容易に行うことができることを見出した。本願発明は、上記知見に基づいて想到されたものである。
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を説明する。なお、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。
図1および図2に、本実施形態におけるチタン合金製のコンロッド1を示す。図1および図2は、それぞれ破断分割前のコンロッド1を模式的に示す斜視図および平面図である。
コンロッド1は、図1および図2に示すように、ロッド本体部10と、ロッド本体部10の一端に設けられた小端部20と、ロッド本体部10の他端に設けられた大端部30とを備えている。
小端部20には、ピストンピンを通すための貫通孔(「ピストンピン孔」と呼ぶ)25が形成されている。一方、大端部30には、クランクピンを通すための貫通孔(「クランクピン孔」と呼ぶ)35が形成されている。クランクピン孔35は、典型的にはピストンピン孔25よりも大径である。
大端部30は、ロッド本体部10から両側方に広がる肩部31aおよび31bを有している。大端部30の肩部31aおよび31bには、ボルトを通すためのボルト孔32が形成されている。本実施形態では、ボルト孔32は、キャップ部34側からロッド部33側に向かって延び、ロッド部33内部に底面を有する有底孔である。
以下の説明においては、ロッド本体部10の延びる方向を「長手方向」と呼び、クランクピン孔35の中心軸(図1中に一点鎖線で示されている)の方向を「軸方向」と呼ぶ。また、長手方向および軸方向に直交する方向を「幅方向」と呼ぶ。また、図1以降の図面において、長手方向を矢印Zで示し、軸方向を矢印Xで示し、幅方向を矢印Yで示す。
破断分割前の大端部30では、図1および図2に示すように、ロッド部33およびキャップ部34が一体に形成されている。大端部30は、軸方向Xおよび幅方向Yに平行な(すなわち長手方向Xに直交する)破断予定面Aに沿って破断分割される。破断予定面Aは、クランクピン孔35の中心軸を通るように設定される。
図3に、破断分割後のコンロッド1を示す。コンロッド1の大端部30は、ロッド本体部10の他端に連続するロッド部33と、ロッド部33に結合部材(ここではボルト40)によって結合されるキャップ部34とに分割されている。
破断分割によって、ロッド部33およびキャップ部34には、それぞれ微細な凹凸を有する破断面Fが形成される。ロッド部33の破断面Fとキャップ部34の破断面Fとを互いに当接させ、ボルト孔32にボルト40をねじ込むことによって、ロッド部33とキャップ部34とが互いに結合される。ロッド部33およびキャップ部34の破断面Fは、互いに相補的な凹凸を有するので、ロッド部33およびキャップ部34の位置決めが正確になされる。また、破断面Fの凹凸同士が嵌合することによって、ロッド部33とキャップ部34との結合がより強固となり、大端部30全体の剛性が向上する。
本実施形態におけるコンロッド1は、チタン合金中に介在物を含んでいる。図4は、後述するようにして実際に試作したコンロッドの断面を示す顕微鏡写真である。図4に示すように、チタン合金のマトリクス中に介在物8が存在している。介在物8は、異方的な形状を有し、例えば図4に示したような針状(繊維状)や楕円状である。介在物8の長さは、典型的には、10μm〜400μm程度である。なお、図4に例示した介在物8は、希土類元素と硫黄の化合物である。
図5に、ロッド部33とキャップ部34との合わせ面P近傍における介在物8の様子を模式的に示す。図5では、合わせ面P近傍の断面Cにおける介在物8を図中右下に拡大して示している。
図5に示すように、介在物8は、合わせ面Pに略平行に延びている。言い換えると、介在物8は、その長手方向が合わせ面Pに対して略平行となるように並んでいる。ここでは、キャップ部34の断面内の介在物8を示したが、ロッド部33の断面においても、介在物8の長手方向は合わせ面Pに略平行である。
なお、本願明細書では、ロッド部33とキャップ部34との「合わせ面」は、ロッド部33とキャップ部34の表面に形成された微細な凹凸を含む実際の破断面Fではなく、破断分割前のコンロッド1における破断予定面Aと一致する仮想的な面Pを指す。本実施形態では、図1に示したように長手方向Xに直交する(つまり軸方向Xおよび幅方向Yに平行な)破断予定面Aに沿って破断分割が行われるので、合わせ面Pは、長手方向Zに直交し、軸方向Xおよび幅方向Yに平行な平面である。なお、破断予定面Aおよび合わせ面Pは、ここで例示したものに限定されない。破断予定面Aおよび合わせ面Pは、長手方向Zに直交していなくてもよいし、軸方向Xおよび幅方向Yに平行でなくてもよい。
また、図6に、本実施形態におけるコンロッド1のメタルフローを示す。図6中に実線MFで模式的に示すように、合わせ面P近傍におけるメタルフローは、合わせ面Pに略平行である。従って、合わせ面P近傍におけるメタルフローは、介在物8の長手方向に略平行である。このように、介在物8は、典型的には、その長手方向がメタルフローに沿うように並ぶ。これは、メタルフローが形成される際の金属組織の流れに追従して介在物8が伸びるためであると考えられる。従って、後述するように、メタルフローを合わせ面Pに略平行に設定することにより、介在物8の長手方向を合わせ面Pに略平行にすることができる。
上述したように、本実施形態におけるコンロッド1では、メタルフローが合わせ面P(破断分割前の破断予定面A)に対して略平行である。そのため、メタルフローを横切らないように破断分割を行うことができるので、破断分割が容易である。
さらに、本実施形態におけるコンロッド1は、ロッド部33とキャップ部34との合わせ面Pの近傍に、長手方向が合わせ面Pに略平行な介在物8を含んでいる。本願発明者が種々の検討を行ったところによれば、このような介在物8を含むことによって、破断分割をより容易に、より確実に行うことができた。これは、異方的な形状を有する介在物8が破断の起点となることによって、介在物8の長手方向に平行な面に沿った脆性破断が助長されるためであると考えられる。
なお、ここでは、介在物8の長手方向およびメタルフローが軸方向Xに略平行な場合(図5および図6)を例示したが、本発明はこれに限定されない。介在物8の長手方向およびメタルフローは、合わせ面Pに略平行であればよく、合わせ面P内のいずれの方位に向いていてもよい。介在物8の長手方向およびメタルフローは、例えば、図7および図8に示すように幅方向Yに対して略平行(つまり軸方向Xに対して略直交)であってもよいし、軸方向Xおよび幅方向Yに交差していてもよい。
また、介在物8の長手方向およびメタルフローは、図9に示すように、合わせ面Pに対して比較的小さな角度であれば傾斜していてもよい。介在物8の長手方向と合わせ面Pとのなす角θが、0°以上30°以下であれば、破断分割を従来に比べ容易に行うことができる。この理由を図10(a)〜(c)を参照しながら説明する。
図10(a)に示すように、介在物8の長手方向と合わせ面Pとのなす角θが90°である場合、メタルフローに直交する面に沿って破断を行うことになる。そのため、繊維状の金属組織を切断するように破断分割を行わなければならず、破断分割を好適に行うことが難しい。
これに対し、図10(b)に示すように、介在物8の長手方向が合わせ面Pに対して比較的小さな角度で傾斜している場合には、メタルフローに交差する面に沿って破断を行うことにはなるが、図10(a)に示す場合よりも破断を容易に行うことができる。これは、メタルフローを模式的に示す実線MFが合わせ面Pを横切る数を図10(a)と図10(b)とで比較することからもわかるように、切断すべき繊維状組織の数が少なくなるからである。例えば、図10(b)に例示したように、介在物8の長手方向と合わせ面Pとのなす角θが30°であると、切断すべき繊維状組織の数が約1/2となる。
また、図10(c)に示すように、介在物8の長手方向およびメタルフローと合わせ面Pとのなす角θが0°である場合には、メタルフローに平行な面に沿って破断を行うことになる。そのため、破断分割をさらに容易に行うことができる。
このように、介在物8の長手方向と合わせ面Pとのなす角θを0°以上30°以下とすることによって、θ=90°である場合と比較して破断すべき繊維状組織の数を約1/2以下とすることができ、そのため、破断分割を十分に容易に行うことができる。
なお、本実施形態では、図2に示したように、ボルト孔32が有底孔である。このような構造を採用すると、図32に示したようにボルト孔としてロッド部を貫通する貫通孔を形成した場合に比べ、ロッド部33の剛性を向上することができる。ボルト孔として貫通孔を形成した場合であっても、ロッド部を肉厚にすることによって剛性を確保することはできるが、その場合、コンロッドの重量化を招いてしまう。これに対し、ボルト孔32を有底孔にすると、ロッド部33の剛性を確保しつつ、コンロッド1の軽量化を図ることができる。
次に、本実施形態におけるコンロッド1の製造方法を説明する。ここでは、図11および図12に示すコンロッド1を例として製造方法を説明する。図11および図12は、破断分割前のコンロッド1を示す図であり、クランクピン孔35の内周面に形成される好ましい構造の一例を具体的に示している。以下、簡単にこの構造を説明し、続いて、コンロッド1の製造方法を説明する。
クランクピン孔35の内周面には、軸方向Xに延びる破断起点溝50が形成されている。破断起点溝50は、クランクピン孔35の内周面と破断予定面Aとが交差する部分の中央部に位置している。破断起点溝50は、クランクピン孔35の内周面の互いに対向する位置のそれぞれに形成されている。
また、破断起点溝50の両側には、ベアリングとして機能する軸受けメタルを係止するための軸受け係止溝51が形成されている。軸受け係止溝51により軸受けメタルの回転が阻止される。各軸受け係止溝51は、曲面状の底面を有する凹部からなり、クランクピン孔35の周方向に延びるように設けられている。軸受け係止溝51の底面は、軸方向Xに垂直な断面で円弧状に湾曲している。
さらに、軸受け係止溝51の両側に、切り欠き部52がそれぞれ設けられている。各切り欠き部52は、曲面状の底面を有し、クランクピン孔35の周方向に延びるように設けられている。各切り欠き部52の底面は、軸方向Xに垂直な断面で円弧状に湾曲している。また、クランクピン孔35の縁部を面取りすることによりクランクピン孔35の周方向に延びる面取り部53がそれぞれ設けられている。
続いて、このコンロッド1の製造方法を説明する。図13は、本実施形態における製造方法を示すフローチャートである。
まず、チタン合金を用いて鍛造により、ロッド本体部10、小端部20および大端部30を備えたコンロッド1の素体を形成する(ステップS1)。例えば、チタン合金のインゴットを用意し、このインゴットを熱間鍛造することによって、図14および図15に示すような板状部材60および62を形成する。その後、これらの板状部材60および62から、図14および図15中に点線で示すように切り出しを行う。介在物8の長手方向およびメタルフローは、圧延や鍛造などの塑性加工の際の変形方向に沿うように形成される。従って、塑性変形の方向とコンロッド素体の長手方向とが直交するようにコンロッド素体を形成することによって、介在物8の長手方向およびメタルフローを破断予定面A(分割後の合わせ面P)に対して略平行とすることができる。
本実施形態では、材料のチタン合金として、組成がTi−3Al−2V−S−REM(希土類元素、具体的にはLaとCeのミッシュメタル)のチタン合金(例えば大同特殊鋼社製DAT52F)を用いる。
希土類元素および硫黄を含むチタン合金を用いることにより、これらの化合物を介在物としてチタン合金中に存在させることができ、それによって既に述べたように破断分割を容易に行うことができる。希土類元素の含有量は、0.05wt%以上0.7wt%以下であることが好ましく、硫黄の含有量は、0.05wt%以上0.2wt%以下であることが好ましい。
また、2.5wt%以上6.75wt%以下のアルミニウムおよび1.6wt%以上4.5wt%以下のバナジウムを含むチタン合金は、硬さに優れるので、このようなチタン合金を用いることにより、強度の向上を図るとともに脆性破断を行いやすくすることができる。
次に、コンロッド1に機械加工を行う(ステップS2)。図16は、機械加工の詳細な工程を示すフローチャートである。まず、コンロッド1の厚さ面(軸方向Xに垂直な面)を研削し(ステップS21)、続いて、小端部20および大端部30にそれぞれピストンピン孔25およびクランクピン孔35を形成する(ステップS22)。
次に、大端部30のクランクピン孔35の内周面に軸受け係止溝51を形成し(ステップS23)、その後、軸受け係止溝51の両側に切り欠き部52を形成する(ステップS24)。続いて、クランクピン孔35の縁部に面取り部53を形成し(ステップS25)、その後、コンロッド1の肩部31a、31bにそれぞれボルト孔32を形成する(ステップS26)。ピストンピン孔25、クランクピン孔35、軸受け係止溝51、切り欠き部52、面取り部53およびボルト孔32の形成は、切削により行う。
最後に、クランクピン孔35の内周面に破断起点溝50を形成する(ステップS27)。本実施形態では、破断起点溝50をワイヤカット放電加工により形成する。
ワイヤカット放電加工では、クランクピン孔35の内周面の軸方向Xに沿って導電性ワイヤを配置し、この導電性ワイヤとクランクピン孔35の内周面との間にパルス状の高電圧を印加する。それにより、導電性ワイヤとクランクピン孔35の内周面との間にコロナ放電が引き起こされ、クランクピン孔35の内周面が線状に削り取られる。その結果、クランクピン孔35の内周面の中央部に、軸方向Xに直線状に延びる破断起点溝50が形成される。ワイヤカット放電加工によれば、複数のコンロッド1に同時に破断起点溝50を形成することができる。そのため、生産効率が向上する。なお、レーザ加工、切削等の他の機械加工により破断起点溝50を形成してもよい。
また、コンロッド1の厚さ面の研削、ピストンピン孔25およびクランクピン孔35の形成、軸受け係止溝51の形成、切り欠き部52の形成、面取り部53の形成、ボルト孔32の形成および破断起点溝50の形成は、図16に例示した順序に限定されず、任意の順序で行うことができる。例えば、破断起点溝50の形成後に軸受け係止溝51、切り欠き部52および面取り部53を形成してもよい。
続いて、コンロッド1に対して熱処理を行う(図13のステップS3)。本実施形態では、焼なまし処理、固溶化処理および時効処理を順次行う。それぞれの処理の条件の一例を表1に示す。また、表1には、焼なまし処理後と、固溶化処理および時効処理後のそれぞれについて、コンロッド1のロックウェル硬さ(HRC)を併せて示している。
コンロッド1の強度を向上する観点および脆性破断を行いやすくする観点からは、熱処理後のロックウェル硬さが33HRC以上であることが好ましい。
続いて、コンロッド1に表面硬化処理を行い(ステップS4)、その後、大端部30のボルト孔32内に雌ねじ加工を行う(ステップS5)。表面硬化処理は、例えば、コンロッド1の表面に窒化クロムをPVD法によってコーティングすることによって行われる。
次に、コンロッド1の大端部30をロッド部33とキャップ部34とに破断分割する(ステップS6)。
図17に、破断分割の手法の一例を示す。図17に示すように、水平方向に移動可能なスライダ200、201の凸部をコンロッド1の大端部30のクランクピン孔35内に挿入し、スライダ200、201の凸部間にくさび202を錘203により打ち込む。これにより、コンロッド1の大端部30が破断起点溝50を起点として破断予定面Aに沿ってロッド部33とキャップ部34とに破断分割される。
なお、大端部30を破断分割する工程の前に、予め大端部30を所定の温度以下(例えば−40℃以下)に冷却しておくことが好ましい。大端部30の冷却は、例えば、コンロッド1を液体窒素に浸すことによって行うことができる。破断分割工程の前にこのような冷却工程を行うことにより、チタン合金製のコンロッド1の破断分割を容易に行うことができる。従来、このような冷却工程は、鋼製の破断分割型コンロッドに対して行われることはあった。鋼製のコンロッドの場合、荷重を加えられた際の破壊様式が延性破壊から脆性破壊に変化する温度(「延性―脆性遷移温度」と呼ばれる)が室温以下であるため、冷却工程を行うことによって破断分割を容易に行うことができるようになるからである。しかしながら、チタン合金では、この延性―脆性遷移温度がもともと室温以上である。そのため、冷却工程を行う意味は一見ないようにも思える。ところが、本願発明者が、このような技術常識にとらわれることなく敢えて冷却工程を行ったところ、チタン合金製のコンロッドについても破断分割が容易になることが実験的に確認された。この理由は、靭性が若干でも低下することによって破断分割が容易になったのではないかと推測される。
続いて、ロッド部33の破断面Fとキャップ部34の破断面Fとを位置合わせして接触させた状態でボルト孔32にボルト40を挿し込むことにより、ロッド部33とキャップ部34とを組み付ける(図13のステップS7)。
次に、組み付けられたコンロッド1の小端部20のピストンピン孔25および大端部30のクランクピン孔35の内周面を研削する(ステップS8)。このようにして、分割型のコンロッド1が製造される。
その後、組み付けられたコンロッド1の大端部30からボルト40を外すことにより、ロッド部33およびキャップ部34を分解する(ステップS9)。最後に、分解されたロッド部33およびキャップ部34をクランクシャフトのクランクピンに組み付ける(ステップS10)。
本実施形態の製造方法では、上述したように、介在物の長手方向が破断予定面に略平行なコンロッドを用意し、このコンロッドに対して破断分割を行うので、破断分割を容易に行うことができる。
図18(a)〜(e)に、実際に試作したコンロッド1の大端部30の破断面の写真を示す。図18(b)、(c)および(d)は、図18(a)中の丸で囲まれた部分18B、18Cおよび18Dの拡大写真であり、図18(e)は、図18(b)中の丸で囲まれた部分18Eの拡大写真である。介在物8およびメタルフローは、軸方向X(紙面上下方向)に平行である。図18(a)〜(e)に示すように、破断面Fの全面にわたって微細な凹凸を有する脆性破面が得られており、破断分割が好適に行われたことがわかる。
なお、本実施形態では、介在物の長手方向が破断予定面に対して略平行なコンロッドを用意する場合を例示したが、介在物の長手方向は、破断予定面に対して30°以下の角度である限り傾斜していてもよい。
また、本実施形態では、図11および図12に示したように、クランクピン孔35の内周面には、破断起点溝50、軸受け係止溝51および切欠き部52が形成されている。これらを、破断分割の際の応力が破断起点溝50に集中するような形状に形成すると、破断分割の際の「二重割れ」を防止することができるので、より好ましい。以下、より詳しく説明する。
図19(a)、(b)および(c)に、破断起点溝50、切り欠き部52および軸受け係止溝51の断面形状をそれぞれ示す。
図19(a)に示すように、破断起点溝50は、略平行に対向する面および半円形の底面から構成される。破断起点溝50の深さH1は例えば0.5mmであり、底面の曲率半径R1は例えば0.1mmである。
図19(b)に示すように、切り欠き部52は、円弧状の底面から構成される。切り欠き部52の深さH2は例えば0.5mmであり、底面の曲率半径R2は例えば6.5mmである。
図19(c)に示すように、軸受け係止溝51は円弧状の底面から構成される。軸受け係止溝51の深さH3は例えば1.6mmであり、底面の曲率半径R3は例えば6.5mmである。
切り欠き部52の深さH2および軸受け係止溝51の深さH3は、破断起点溝50の深さH1以上である。本実施の形態では、切り欠き部52の深さH2は、破断起点溝50の深さH1とほぼ等しく、軸受け係止溝51の深さH3は、破断起点溝50の深さH1よりも大きい。また、切り欠き部52の底面の曲率半径R2は、破断起点溝50の底面の曲率半径R1よりも大きく、軸受け係止溝51の底面の曲率半径R3は、破断起点溝50の底面の曲率半径R1よりも大きい。
一般に、応力集中係数αは下記式(1)により求められる。なお、式(1)において、Hは切り欠きの深さを表わし、Rは切り欠きの曲率半径を表わす。
α=1+2√(H/R) …(1)
破断起点溝50の深さH1が0.5mmであり、曲率半径R1が0.1である場合には、上式(1)より応力集中係数αは5.5となる。また、切り欠き部52の深さH2が0.5mmであり、曲率半径R2が6.5mmである場合には、上式(1)より応力集中係数αは1.6となる。また、軸受け係止溝51の深さH3が1.6mmであり、曲率半径R3が6.5mmである場合には、上式(1)より応力集中係数αは2.0となる。
このように、破断起点溝50の応力集中係数は切り欠き部52および軸受け係止溝51の応力集中係数よりも大きくなっている。
したがって、クランクピン孔35の内周面の破断起点溝50に応力が集中し、切り欠き部52および軸受け係止溝51では応力集中が緩和される。それにより、クランクピン孔35の内周面の中央部に応力が集中する。
ここで、大端部30の破断分割時の破断起点溝50および切り欠き部52の作用をより詳しく説明する。まず、切り欠き部52が設けられていない場合の大端部30において破断が進行する様子を図20〜図23を参照しながら説明し、続いて、切り欠き部52が設けられている場合の大端部30において破断が進行する様子を図24〜図26を参照しながら説明する。
図20に示す大端部30では、クランクピン孔35の内周面の中央部に形成された破断起点溝50の両側に1対の軸受け係止溝51が形成されており、さらに、これらの軸受け係止溝51の外側(クランクピン孔35の内周面の両端部)にも破断起点溝50が形成されている。
通常、応力は肉薄部分および端部に集中しやすい。大端部30の中央部にボルト孔32が設けられているので、クランクピン孔35の内周面の中央部が肉薄部分となる。そのため、クランクピン孔35の内周面の中央部および両端部に応力が集中する。
したがって、図20に示す大端部30では、破断の起点がクランクピン孔35の内周面の中央部の破断起点溝50および両端部の破断起点溝50の3箇所となる。その結果、図20に矢印で示すように、破断がクランクピン孔35の内周面の中央部および両端部の3箇所から進行する。
この場合、図21および図22に示すように、クランクピン孔35の内周面の中央部からの破断により形成される破断面aとクランクピン孔35の内周面の両端部からの破断により形成される破断面bとが異なる高さに発生すると、図23(a)に示すように、破断面aと破断面bとが間隔をおいて重なり合う領域350が生じ、二重割れが発生する。
なお、図22に示すように、後の工程でクランクピン孔35の内周面がD−D線まで研削される。また、従来の分割型コンロッドの製造方法では、破断分割後の工程でクランクピン孔35の縁部がE−E線まで面取りされる。
次に、図23(b)に示すように、ロッド部33とキャップ部34とが分離されると、破断面aと破断面bとの合流部Mに段差が生じる。図21に示すように、合流部Mは、大端部30の幅方向Yにおける中心線L1よりもクランクピン孔35に近い位置に発生する。
その後、図23(c)に示すように、ロッド部33とキャップ部34とが組み付けられた後、D−D線までクランクピン孔35の内周面が研削される。ロッド部33とキャップ部34とが分解されると、図23(d)に示すように、破断面aと破断面bとが重なり合う領域350から破片341の欠落が起こる。
これに対し、図24に示す大端部30では、クランクピン孔35の内周面の中央部に形成された破断起点溝50の両側に1対の軸受け係止溝51が形成されており、これらの軸受け係止溝51の外側(クランクピン孔35の両端部)に切り欠き部52が形成されている。さらに、クランクピン孔35の縁部には面取り部53が形成されている。
切り欠き部52の応力集中係数は、破断起点溝50の応力集中係数に比べて小さいので、クランクピン孔35の両端部での応力集中が緩和される。また、クランクピン孔35の縁部には面取り部53が形成されているので、クランクピン孔35の縁部での応力集中が緩和される。そのため、クランクピン孔35の内周面の中央部に応力が集中する。
したがって、図24に示す例では、破断の起点がクランクピン孔35の内周面の中央部の1箇所となる。その結果、図24に矢印で示すように、破断がクランクピン孔35の内周面の中央部の1箇所から進行する。
この場合、図25に示すように、クランクピン孔35の内周面の中央部からの破断により破断面Fが形成される。図26(a)に示すように、1つの破断面Fによりロッド部33とキャップ部34とが破断分割され、二重割れが発生しない。
したがって、図26(b)に示すように、ロッド部33とキャップ部34とが分離されたときに、破断面Fに段差が生じない。
その後、図26(c)に示すように、ロッド部33とキャップ部34とが組み付けられた後に、D−D線までクランクピン孔35の内周面が研削される。図26(d)に示すように、ロッド部33とキャップ部34とが分解された場合にも、破片の欠落が起こらない。
このように、切り欠き部52が設けられている場合、図25に示すように、大端部30の幅方向Yにおける中心線L1とクランクピン孔35の内周面との間の領域に複数の破断面の重なり合う領域が存在しない。少なくとも軸方向Xに平行なボルト孔32の接線L2とクランクピン孔35の内周面との間の領域に複数の破断面の重なり合う領域が存在しない場合には、クランクピン孔35の内周面の研削の際に破片が欠落することが防止される。
上述したように、クランクピン孔35の内周面に、破断の起点がクランクピン孔35の内周面の1箇所となるような構造を形成すると、大端部30が1つの破断面Fによりロッド部33とキャップ部34とに破断分割されるので、二重割れの発生を防止できる。したがって、破断面Fに大きな突起部が生じることが防止されるとともに破断面Fから破片が欠落することが防止される。その結果、ロッド部33とキャップ部34との組み付け時に高い真円度および真筒度が得られるとともに、製造不良品の発生率が低減される。
なお、クランクピン孔35の内周面に形成する構造は、ここで例示したものに限定されない。
図27に示す大端部30では、クランクピン孔35の内周面の中央部に形成された破断起点溝50の両側に1対の軸受け係止溝51が形成されているとともに、クランクピン孔35の縁部に面取り部53が形成されている。軸受け係止溝51の外側の部分には破断起点溝50および切り欠き部52は形成されずに平坦面となっている。
平坦面の応力集中係数は、破断起点溝50の応力集中係数に比べて小さいので、クランクピン孔35の内周面の両端部での応力集中が緩和される。また、クランクピン孔35の縁部には面取り部53が形成されているので、クランクピン孔35の縁部での応力集中が緩和される。そのため、クランクピン孔35の内周面の中央部に応力が集中する。
したがって、破断の起点がクランクピン孔35の内周面の中央部の1箇所となる。その結果、図27に矢印で示すように、破断がクランクピン孔35の内周面の中央部の1箇所から進行する。
この場合、クランクピン孔35の内周面の中央部からの破断により破断面が形成される。従って、大端部30が1つの破断面によりロッド部33とキャップ部34とに破断分割されるので、二重割れが発生しない。
図28に示す大端部30では、クランクピン孔35の内周面の中央部に切り欠き部52が形成されており、この切り欠き部52の両側に1対の軸受け係止溝51が形成されている。一方の軸受け係止溝51の外側には破断起点溝50が形成され、他方の軸受け係止溝51の外側にはさらなる切り欠き部52が形成されている。さらに、クランクピン孔35の縁部には面取り部53が形成されている。
この場合、クランクピン孔35の内周面のうち、切り欠き部52が設けられている中央部および端部での応力集中が緩和される。また、クランクピン孔35の縁部には面取り部53が形成されているので、クランクピン孔35の縁部での応力集中が緩和される。そのため、クランクピン孔35の内周面の、破断起点溝50が形成されている端部に応力が集中する。
したがって、破断の起点がクランクピン孔35の内周面の一端部の1箇所となる。その結果、図28に矢印で示すように、破断がクランクピン孔35の内周面の一端部の1箇所から進行する。
この場合、クランクピン孔35の内周面の一端部からの破断により破断面が形成される。従って、大端部30が1つの破断面によりロッド部33とキャップ部34とに破断分割されるので、二重割れが発生しない。
図29に示す大端部30では、クランクピン孔35の内周面の中央部に形成された破断起点溝50の両側に1対の軸受け係止溝51が形成されており、これらの軸受け係止溝51の外側に切り欠き部52が形成されている。クランクピン孔35の縁部には面取り部53は形成されていない。
切り欠き部52の応力集中係数は、破断起点溝50の応力集中係数に比べて小さいので、クランクピン孔35の内周面の両端部での応力集中が緩和される。そのため、クランクピン孔35の内周面の中央部に応力が集中する。
したがって、破断の起点がクランクピン孔35の内周面の中央部の1箇所となる。その結果、図29に矢印で示すように、破断がクランクピン孔35の内周面の中央部の1箇所から進行する。
この場合、クランクピン孔35の内周面の中央部からの破断により破断面が形成される。従って、大端部30が1つの破断面によりロッド部33とキャップ部34とに破断分割されるので、二重割れが発生しない。
本実施形態におけるコンロッド1は、自動車両用や機械用の各種の内燃機関(エンジン)に広く用いられる。図30に、本実施形態の製造方法により製造されたコンロッド1を備えたエンジン100の一例を示す。
エンジン100は、クランクケース110、シリンダブロック120およびシリンダヘッド130を有している。
クランクケース110内にはクランクシャフト111が収容されている。クランクシャフト111は、クランクピン112およびクランクウェブ113を有している。
クランクケース110の上に、シリンダブロック120が設けられている。シリンダブロック120には、円筒状のシリンダスリーブ121がはめ込まれており、ピストン122は、シリンダスリーブ121内を往復し得るように設けられている。
シリンダブロック120の上に、シリンダヘッド130が設けられている。シリンダヘッド130は、シリンダブロック120のピストン122やシリンダスリーブ121とともに燃焼室131を形成する。シリンダヘッド130は、吸気ポート132および排気ポート133を有している。吸気ポート132内には燃焼室131内に混合気を供給するための吸気弁134が設けられており、排気ポート内には燃焼室131内の排気を行うための排気弁135が設けられている。
ピストン122とクランクシャフト111とは、コンロッド1によって連結されている。具体的には、コンロッド1の小端部10の貫通孔(ピストンピン孔)にピストン122のピストンピン123が挿入されているとともに、大端部20の貫通孔(クランクピン孔)にクランクシャフト111のクランクピン112が挿入されており、そのことによってピストン122とクランクシャフト111とが連結されている。大端部20の貫通孔の内周面とクランクピン112との間には、軸受けメタル114が設けられている。軸受けメタル114は、軸受け係止溝51によって係止されている。
図30に示すエンジン100は、本実施形態におけるチタン合金製の分割型コンロッド1を有しているので、軽量化、高燃費化および高出力化を実現できる。
図31に、図30に示したエンジン100を備えた自動二輪車を示す。
図31に示す自動二輪車では、本体フレーム301の前端にヘッドパイプ302が設けられている。ヘッドパイプ302には、フロントフォーク303が車両の左右方向に揺動し得るように取り付けられている。フロントフォーク303の下端には、前輪304が回転可能なように支持されている。
本体フレーム301の後端上部から後方に延びるようにシートレール306が取り付けられている。本体フレーム301上に燃料タンク307が設けられており、シートレール306上にメインシート308aおよびタンデムシート308bが設けられている。
また、本体フレーム301の後端に、後方へ延びるリアアーム309が取り付けられている。リアアーム309の後端に後輪310が回転可能なように支持されている。
本体フレーム301の中央部には、図30に示したエンジン100が保持されている。エンジン100には、本実施形態におけるコンロッド1が用いられている。エンジン100の前方には、ラジエータ311が設けられている。エンジン100の排気ポートには排気管312が接続されており、排気管312の後端にマフラー313が取り付けられている。
エンジン100には変速機315が連結されている。変速機315の出力軸316に駆動スプロケット317が取り付けられている。駆動スプロケット317は、チェーン318を介して後輪310の後輪スプロケット319に連結されている。変速機315およびチェーン318は、エンジン100により発生した動力を駆動輪に伝える伝達機構として機能する。
図31に示した自動二輪車は、本実施形態におけるコンロッド1が用いられたエンジン100を備えているので、好適な性能が得られる。
本発明によると、破断分割法によって容易に製造可能なチタン合金製の分割型コンロッドおよびその製造方法が提供される。
本発明によるコンロッドは、各種の内燃機関(例えば自動車両用のエンジン)に広く用いられる。
本発明の好適な実施形態におけるコンロッドの破断分割前の状態を模式的に示す斜視図である。 本発明の好適な実施形態におけるコンロッドの破断分割前の状態を模式的に示す正面図である。 本発明の好適な実施形態におけるコンロッドの破断分割後の状態を模式的に示す斜視図である。 本発明の好適な実施形態におけるコンロッドに含まれる介在物の顕微鏡写真である。 ロッド部とキャップ部との合わせ面近傍における介在物の様子を模式的に示す図である。 本発明の好適な実施形態におけるコンロッドのメタルフローを模式的に示す図である。 ロッド部とキャップ部との合わせ面近傍における介在物の様子を模式的に示す図である。 本発明の好適な実施形態におけるコンロッドのメタルフローを模式的に示す図である。 介在物の長手方向と合わせ面との関係を説明するための図である。 (a)〜(c)は、介在物の長手方向と合わせ面とのなす角の好適な範囲を説明するための図である。 本発明の好適な実施形態におけるコンロッドの破断分割前の状態を模式的に示す斜視図である。 図11に示すコンロッドの一部を拡大して示す斜視図である。 本発明の好適な実施形態におけるコンロッドの製造方法を示すフローチャートである。 板状部材からコンロッドの素体を切り出す態様の一例を示す図である。 板状部材からコンロッドの素体を切り出す態様の一例を示す図である。 機械加工の詳細な工程を示すフローチャートである。 破断分割の手法の一例を示す断面図である。 (a)〜(e)は、実際に試作したコンロッドの大端部の破断面を示す写真である。(b)、(c)および(d)は、(a)中の丸で囲まれた部分18B、18Cおよび18Dの拡大写真であり、(e)は、(b)中の丸で囲まれた部分18Eの拡大写真である。 (a)は破断起点溝の形状を示す断面図であり、(b)は切り欠き部の形状を示す断面図であり、(c)は軸受け係止溝の形状を示す断面図である。 切り欠き部が設けられていない大端部の破断予定面における破断の進行を説明するための図である。 切り欠き部が設けられていない大端部の破断面の状態を示す図である。 図21中のC部の拡大図である。 (a)〜(d)は、切り欠き部が設けられていない大端部の破断から内周面の研削までの工程を模式的に示す断面図である。 切り欠き部が設けられている大端部の破断予定面における破断の進行を説明するための図である。 切り欠き部が設けられている大端部の破断面の状態を示す図である。 (a)〜(d)は、切り欠き部が設けられている大端部の破断から内周面の研削までの工程を模式的に示す断面図である。 二重割れの防止に好適な他の構造を有する大端部の破断予定面における破断の進行を示す模式図である。 二重割れの防止に好適な他の構造を有する大端部の破断予定面における破断の進行を示す模式図である。 二重割れの防止に好適な他の構造を有する大端部の破断予定面における破断の進行を示す模式図である。 本発明の好適な実施形態におけるコンロッドを備えたエンジンの一例を模式的に示す断面図である。 図30に示すエンジンを備えた自動二輪車を模式的に示す断面図である。 従来の分割型コンロッドを模式的に示す正面図である。 従来のコンロッドのメタルフローを模式的に示す図である。 特許文献2に開示されているコンロッドのメタルフローを模式的に示す図である。
符号の説明
1 コンロッド
8 介在物
10 ロッド本体部
20 小端部
25 ピストンピン孔
30 大端部
31a、31b 肩部
32 ボルト孔
33 ロッド部
34 キャップ部
35 クランクピン孔
40 ボルト
50 破断起点溝
51 軸受け係止溝
52 切り欠き部
53 面取り部
100 エンジン

Claims (12)

  1. チタン合金から形成され、
    ロッド本体部と、
    前記ロッド本体部の一端に設けられ、貫通孔を有する大端部と、を備え、
    前記大端部が、前記ロッド本体部の前記一端に連続するロッド部と、前記ロッド部に結合されるキャップ部とに破断分割された分割型コンロッドであって、
    前記大端部は、前記ロッド部と前記キャップ部との合わせ面の近傍に介在物を含み、
    前記介在物の長手方向が前記合わせ面に対して0°以上30°以下の角をなすコンロッド。
  2. 前記介在物の長手方向が、前記合わせ面に対して略平行である請求項1に記載のコンロッド。
  3. 前記合わせ面の近傍におけるメタルフローが前記介在物の長手方向に略平行である請求項1または2に記載のコンロッド。
  4. 前記チタン合金は、希土類元素および硫黄を含み、前記介在物は、希土類元素と硫黄の化合物である請求項1から3のいずれかに記載のコンロッド。
  5. 前記チタン合金は、0.05wt%以上0.7wt%以下の希土類元素および0.05wt%以上0.2wt%以下の硫黄を含む請求項4に記載のコンロッド。
  6. 前記チタン合金は、2.5wt%以上6.75wt%以下のアルミニウムおよび1.6wt%以上4.5wt%以下のバナジウムを含む請求項1から5のいずれかに記載のコンロッド。
  7. ロックウェル硬さが33HRC以上である請求項1から6のいずれかに記載のコンロッド。
  8. 請求項1から7のいずれかに記載のコンロッドを備えた内燃機関。
  9. 請求項8に記載の内燃機関を備えた自動車両。
  10. チタン合金から形成され、ロッド本体部および前記ロッド本体部の一端に設けられた大端部を有するコンロッドを用意する工程と、
    前記コンロッドの前記大端部を所定の破断予定面に沿って破断分割する工程と、
    を包含する破断分割型コンロッドの製造方法であって、
    前記コンロッドを用意する工程は、前記コンロッドの前記大端部が前記破断予定面の近傍に介在物を含み、且つ、前記介在物の長手方向が前記破断予定面に対して0°以上30°以下の角をなすように行われるコンロッドの製造方法。
  11. 前記コンロッドを用意する工程は、熱処理を行う工程を包含する請求項10に記載のコンロッドの製造方法。
  12. 前記大端部を破断分割する工程の前に、前記コンロッドを冷却する工程を包含する請求項10または11に記載のコンロッドの製造方法。
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