JP4506340B2 - 内燃機関のピストンクランク機構におけるロアリンク - Google Patents

Description

この発明は、レシプロ式内燃機関のピストンクランク機構、特に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。従って、ロアリンクは、アッパピン、コントロールピンおよびクランクピンを、それぞれ回転可能に保持しつつ、各ピンから入力を受けた際にもこれらの位置関係を保つだけの強度・剛性が必要である。

一方、ロアリンクは、クランクシャフトに対する組み立て性を確保する必要があるので、上記特許文献１においては、クランクピン軸受部の中心を通る分割面に沿って、２つの半割部つまりロアリンクアッパとロアリンクロアとに分割構成し、両者を複数のボルトにて互いに締結するようにしている。特に、複数のボルトを下方つまりロアリンクロア側から挿入し、ロアリンクアッパ側の雌ねじに螺合させるようにしている。
特開２００４−１２４７７６号公報

本発明のロアリンクは、上記クランクピンが嵌合する略中央のクランクピン軸受部と、上記アッパピンを保持する一端部のアッパピン用ピンボス部と、上記コントロールピンを保持する他端部のコントロールピン用ピンボス部と、を備えるとともに、上記クランクピン軸受部の中心を通る分割面に沿って、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、に分割構成され、かつ上記クランクピン軸受部の両側に配置した少なくとも２つのボルト締結部によって上記ロアリンクアッパと上記ロアリンクロアとが締結されている。
そして、上記ボルト締結部のうち上記コントロールピン用ピンボス部側のボルト締結部は、上記ロアリンクアッパと上記ロアリンクロアとを貫通したボルトおよびナットから構成され、上記ロアリンクロア側に位置するボルトもしくはナットを回転することで締結されている一方、上記ボルト締結部のうち上記アッパピン用ピンボス部側のボルト締結部は、上記ロアリンクロアを貫通し、上記ロアリンクアッパに形成された雌ねじに螺合するボルトを回転することで締結されている。

さらに、一般に、ロアリンクは剛性向上を目的として浸炭処理が行われるが、その際に、雌ねじ部分には、過度の硬度向上を防止すべく浸炭膜が生じないように防炭処理をする必要があり、コストが嵩む問題が生じる。

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、かつ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を前提としており、そのロアリンクを改良したものである。

本発明のロアリンクは、上記クランクピンが嵌合する略中央のクランクピン軸受部と、上記アッパピンを保持する一端部のアッパピン用ピンボス部と、上記コントロールピンを保持する他端部のコントロールピン用ピンボス部と、を備えるとともに、上記クランクピン軸受部の中心を通る分割面に沿って、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、に分割構成され、かつ上記クランクピン軸受部の両側に配置した少なくとも２つのボルト締結部によって上記ロアリンクアッパと上記ロアリンクロアとが締結されている。そして、上記ボルト締結部の少なくとも１つは、上記ロアリンクアッパと上記ロアリンクロアとを貫通したボルトおよびナットから構成され、上記ロアリンクロア側に位置するボルトもしくはナットを回転することで締結されている。

このようにボルトがロアリンクアッパとロアリンクロアとを貫通する構成では、ロアリンク自体に雌ねじが形成されないため、応力集中の問題が生じない。そして、内燃機関の組立の際には、ボルトもしくはナットをロアリンクロア側から締付作業できるので、作業性に優れたものとなる。

一つの態様では、上記ロアリンクロア側にナットが配置され、該ナットの回転により締結されている。この場合、ロアリンクアッパ側から挿入したボルトによってロアリンクアッパとロアリンクロアとの位置決めがなされるので、ノックピンのような位置決めが不要となり、作業効率が向上する。また、ロアリンクアッパ側にボルト頭部が、ロアリンクロア側にナットが、それぞれ位置するので、ロアリンクの重心位置をクランクピン中心に近付けるような設計が容易となる。

また一つの態様では、上記ロアリンクアッパ側にナットが配置され、上記ロアリンクロア側から挿入したボルトの回転により締結されている。この場合も、ロアリンクアッパ側にナットが、ロアリンクロア側にボルト頭部が、それぞれ位置するので、ロアリンクの重心位置をクランクピン中心に近付けるような設計が容易となる。

この場合、上記ロアリンクアッパ側に上記ナットの回り止め部が設けられていることが望ましい。上記回り止め部としては、例えば、上記ロアリンクアッパと一体に形成されたリブを用いることができる。また、このリブ等からなる上記回り止め部は、応力分散のために、少なくとも２点で上記ナットと当接することが望ましい。

また、ボルトの締付の際に、該ボルトとナットとが容易に同心状態となるように、上記ナットを上記ロアリンクアッパの所定位置に位置決めする位置決め部が上記ロアリンクアッパに設けられていることが望ましい。

上記位置決め部として、例えば上記ロアリンクアッパに上記ナットを挟む一対のリブを設けることができる。このリブは、上記ナットの回り止め部としても機能させることができる。

また、上記ロアリンクアッパ側に上記ナットの脱落防止機構が設けられていることが望ましい。

上記の回り止め部および位置決め部となる上記の一対のリブを上記の脱落防止機構として構成することができ、この場合、上記の一対のリブの間に上記ナットが圧入されるように、それぞれの寸法が設定されている。つまり、一対のリブの間にナットを圧入することで、ナットが所定位置に固定保持され、かつボルト締付時にナットの回り止めがなされる。

上記ナットとしては、上記クランクピンの軸方向に沿った方向の寸法が、これと直交する方向の寸法よりも小さい異形のナットを用いることができる。つまり、ロアリンクは、主にクランクピン軸方向と直交する面に沿って荷重を受け、クランクピン軸方向に沿った応力は非常に小さいので、ナットのクランクピン軸方向の寸法は小さくとも、十分な剛性を確保し得る。

上記ナットと上記ロアリンクアッパとは、それぞれに適した異なる材質とすることができ、例えば、ロアリンクアッパおよびロアリンクロアのみに浸炭処理を行うことが可能である。

本発明の一つの態様では、上記コントロールピン用ピンボス部は、コントロールピン両端部を支持する二股状をなしており、上記ロアリンクロアは、上記コントロールピン用ピンボス部と上記クランクピン軸受部との間に、上記クランクピンの軸方向に沿った肉厚が、上記コントロールピン用ピンボス部の軸方向の全長よりも小さな部位を備えている。これにより、コントロールピン用ピンボス部から作用する荷重が、クランクピンの軸方向中央部に主に加わる。従って、クランクピン軸受部の軸方向中央部で最も高くなる油膜圧力によって効果的に荷重が支持される。

本発明のピストンクランク機構は、上記コントロールリンクの機関本体側の揺動支点位置を変化させることにより、内燃機関の可変圧縮比機構として構成することができる。

この発明によれば、ロアリンク自体に雌ねじが形成されないため、雌ねじ部分での応力集中による耐久性低下の問題を回避することができるとともに、ロアリンクの重心位置をクランクピン中心に近付けるような設計が容易となり、振動騒音の点で有利となる。

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。始めに、この発明のロアリンクが用いられるピストンクランク機構の概略を説明する。

図１は、この複リンク式ピストンクランク機構を可変圧縮比機構として構成した構成例を示す構成説明図である。この機構は、ロアリンク４とアッパリンク５とコントロールリンク１０とを主体とした複リンク式ピストンクランク機構を備えている。

クランクシャフト１は、複数のジャーナル部２とクランクピン３とを備えており、シリンダブロック１８の主軸受に、ジャーナル部２が回転自在に支持されている。上記クランクピン３は、ジャーナル部２から所定量偏心しており、ここにロアリンク４が回転自在に連結されている。カウンタウェイト１５は、ジャーナル部２とクランクピン３とを接続するクランクウェブ１６からクランクピン３とは反対側へ延びている。

上記ロアリンク４は、後述するように２部材に分割可能に構成されているとともに、略中央のクランクピン軸受部に上記クランクピン３が嵌合している。

アッパリンク５は、下端側がアッパピン６によりロアリンク４の一端に回動可能に連結され、上端側がピストンピン７によりピストン８に回動可能に連結されている。上記ピストン８は、燃焼圧力を受け、シリンダブロック１８のシリンダ１９内を往復動する。

ロアリンク４の運動を拘束するコントロールリンク１０は、上端側がコントロールピン１１によりロアリンク４の他端に回動可能に連結され、下端側が制御軸１２を介して機関本体の一部となるシリンダブロック１８の下部に回動可能に連結されている。詳しくは、制御軸１２は、回転可能に機関本体に支持されているとともに、その回転中心から偏心している偏心カム部１２ａを有し、この偏心カム部１２ａに上記コントロールリンク１０下端部が回転可能に嵌合している。

上記制御軸１２は、図示せぬエンジンコントロールユニットからの制御信号に基づいて作動する図示せぬ圧縮比制御アクチュエータによって回動位置が制御される。

上記のような複リンク式ピストンクランク機構を用いた可変圧縮比機構においては、上記制御軸１２が圧縮比制御アクチュエータによって回動されると、偏心カム部１２ａの中心位置、特に、機関本体に対する相対位置が変化する。これにより、コントロールリンク１０の下端の揺動支持位置が変化する。そして、上記コントロールリンク１０の揺動支持位置が変化すると、ピストン８の行程が変化し、ピストン上死点（ＴＤＣ）におけるピストン８の位置が高くなったり低くなったりする。これにより、機関圧縮比を変えることが可能となる。

次に、上記ロアリンク４の一実施例を図２および図３に基づいて説明する。図２は、ロアリンク４を斜め上方から見た斜視図、図３は、クランクピン３と直交する面に沿った断面図である。

ロアリンク４は、上記クランクピン３が嵌合する略中央のクランクピン軸受部２１と、上記アッパピン６を保持する一端部のアッパピン用ピンボス部２２と、上記コントロールピン１１を保持する他端部のコントロールピン用ピンボス部２３と、を備えている。そして、クランクピン３への組み立て性のために、上記クランクピン軸受部２１の中心を通る分割面２４に沿って、上記アッパピン用ピンボス部２２を含むロアリンクアッパ３１と、上記コントロールピン用ピンボス部２３を含むロアリンクロア３２と、に分割構成され、両者が、クランクピン軸受部２１の両側にそれぞれ配置された２本のボルト３３，３４によって一体に締結されている。上記シリンダ１９が上下方向に配置されているとすると、クランクケース内で上記ロアリンクアッパ３１が上側に、上記ロアリンクロア３２が下側に、それぞれ位置し、上記ボルト３３，３４は、いずれもクランクケースの下側から締め付けられる形となる。なお、３５は位置決め用のロケートピンである。

上記アッパピン用ピンボス部２２のピン孔２２ａには、アッパピン６が回転可能に保持される。ここに組み合わされるアッパリンク５は、下端のアッパピン軸受周辺が二股状に形成されており、二股の内側に、ロアリンク４側のアッパピン用ピンボス部２２が回転可能に組み合わされる。

これに対し、コントロールピン１１が回転可能に挿入されるピン孔２３ａを備えたコントロールピン用ピンボス部２３は、二股状に構成されており、この二股の内側に、コントロールリンク１０一端のピンボス部が回転可能に組み合わされる。

２本のボルト３３，３４の中で、アッパピン用ピンボス部２２側に位置するボルト３３は、ロアリンクロア３２のボルト挿入孔３６を貫通し、かつ先端部が、ロアリンクアッパ３１に形成された雌ねじ部３７に螺合している。これに対し、コントロールピン用ピンボス部２３側に位置するボルト３４は、所謂通しボルトとして、ロアリンクロア３２のボルト挿入孔３８およびロアリンクアッパ３１のボルト挿入孔３９の双方を貫通し、かつロアリンクアッパ３１の上面に配置されたナット４０に螺合している。

上記ナット４０は、図４および図５に詳示するように、クランクピン３軸方向に向かう一対の平面４１を有し、かつこの平面４１に沿った方向に細長くなった異形ナットからなる。つまり、図５に示すように、クランクピン３の軸方向に沿った方向の寸法Ｌ２が、これと直交する方向の寸法Ｌ１よりも小さい。また、上記の一対の平面４１は、厳密には互いに完全な平行ではなく、徐々に先細りとなるような緩いテーパ面をなしている。

このようなナット４０に対し、該ナット４０が配置される上記ロアリンクアッパ３１の上面には、図２，図４に示すように、ナット４０を両側から挟み込む一対のリブ４５が形成されている。この一対のリブ４５の互いに対向する内側面４５ａは、個々に平面をなすとともに、上記ナット４０の一対の平面４１に対応した緩いテーパ面をなしている。また、上記の一対のリブ４５は、上記ロアリンクアッパ３１の一部として一体に形成されたものであって、ロアリンクアッパ３１の前後の端面に沿ってそれぞれ上方に延びているとともに、クランクピン軸受部２１の上方部分において、互いにＶ字形をなすように、２つのリブ４５が接続されている。換言すれば、上記ロアリンクアッパ３１の上面に、上記ナット４０を収容する略Ｖ字形の凹部４６（図４参照）が形成され、その両側の壁がリブ４５となっている。この凹部４６は、上述した内側面４５ａの緩いテーパ面によって徐々に先細りとなっているが、その幅の広い側となる一端は側方に開放されており、ここから、図６に矢印ａで示す方向に沿って、ナット４０を挿入することが可能である。

ここで、図４に示すように、ナット４０の一対の平面４１の間の寸法、特に、ねじ孔４０ａ中心を通るクランクピン３軸方向に沿った寸法Ｌ２’は、一対のリブ４５の内側面４５ａの間の寸法、特にボルト挿入孔３９の中心を通るクランクピン３軸方向に沿った寸法Ｌ３よりも僅かに大きい。従って、上記の矢印ａに沿って凹部４６内に挿入されたナット４０は、緩いテーパ面をなす平面４１が同様のテーパ面をなすリブ４５の内側面４５ａに密に合致し、さらにねじ孔４０ａとボルト挿入孔３９とが同心となる位置まで押し込むことによって、軽く圧入された状態となる。これにより、所定位置まで押し込まれたナット４０は、ロアリンクアッパ３１の凹部４６内に確実に固定保持され、脱落することがない。

ピストンクランク機構の組立の際には、このようにロアリンクアッパ３１に取り付けられたナット４０に対し、図６に示すように、ボルト３４が下方から挿入され、クランクケース下面側からボルト３４を回転することによって、締付作業が行われる。他方のボルト３３も同方向から締付作業が行われる。このとき、上記ナット４０は、ボルト挿入孔３９と合致した所定位置に固定保持されているので、ボルト３４との位置合わせ等の作業が不要である。そして、締付作業の間、上記リブ４５が両側からナット４０の回り止めを行うので、極めて容易に締付作業を行うことができる。

上記実施例の構成では、上記リブ４５は、クランクピン３の軸方向と直交する平面に沿って延びているので、この平面に沿ってロアリンク４に作用する荷重に対し、ロアリンク４の剛性向上に寄与する。また、上記ナット４０は、上述のように、クランクピン３の軸方向の寸法Ｌ２が小さなものとなっているが、ロアリンク４においては、このクランクピン３の軸方向には、荷重が殆ど作用せず、小さな寸法Ｌ２でもって十分な剛性の確保が可能である。このような異形のナットとすることで、ナット４０の十分な剛性を確保しつつ、ロアリンク４全体のクランクピン３軸方向の寸法の増大を回避でき、かつ回り止め部ならびに脱落防止となる平面４１とリブ４５との接触面の長さをより大きく確保することができる。

図３の断面図には、矢印Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３でもって、爆発燃焼時に、クランクピン３、アッパピン６、コントロールピン１１からそれぞれロアリンク４に入力される力の方向を示している。図示するように、クランクピン３とコントロールピン１１とから入力される反対方向の力Ｆ１，Ｆ３によって、ロアリンクアッパ３１とロアリンクロア３２とは、特にボルト３４側の領域において互いに引き離されようとし、ボルト３４に引張方向の大きな軸力が生じる。上記実施例では、このような引張方向の大きな応力を受けるロアリンクアッパ３１のコントロールピン１１側の部分に、雌ねじが形成されていないため、応力集中による耐久性低下を回避することができる。なお、反対側のボルト３３の領域では、爆発燃焼時の大きな荷重がロアリンクアッパ３１とロアリンクロア３２とを互いに押し付ける方向に作用するので、相対的に、雌ねじ部分での応力集中の問題は小さい。

また、上記実施例のロアリンク４においては、上記コントロールピン用ピンボス部２３が二股状をなし、そのコントロールピン１１軸方向の全長が比較的大きなものとなっているが、ロアリンクロア３２のクランクピン軸受部２１との間の部分は、クランクピン３軸方向に沿った肉厚が、上記コントロールピン用ピンボス部２３の軸方向の全長よりも小さなものとなっている。つまり、図７に、アッパピン用ピンボス部２２とクランクピン軸受部２１とコントロールピン用ピンボス部２３との三者を通る模式的な断面を示すように、コントロールピン用ピンボス部２３の全長Ｌ５に比較して、中間部３２ａの肉厚Ｌ６は小さく、この結果、コントロールピン１１両端部からアッパピン用ピンボス部２３に加わった荷重Ｆ４が、中間部３２ａを介してクランクピン軸受部２１の軸方向中央部に荷重Ｆ５となって伝達される。従って、潤滑油膜が欠損しやすいクランクピン軸受部２１の軸方向両端部での荷重が小さくなり、油膜圧力が高い軸方向中央部で荷重Ｆ５を確実に支承することができる。

ロアリンクが用いられるピストンクランク機構の例を示す構成説明図。 本発明に係るロアリンクの一実施例を示す斜視図。 同ロアリンクの断面図。 リブとナットとの寸法関係を示す斜視図。 ナットの拡大斜視図。 このロアリンクの組立方法を示す説明図。 クランクピン軸受部等を通る模式的な断面を示す断面図。

符号の説明

４…ロアリンク
２１…クランクピン軸受部
２２…アッパピン用ピンボス部
２３…コントロールピン用ピンボス部
３１…ロアリンクアッパ
３２…ロアリンクロア
３３，３４…ボルト
４０…ナット
４５…リブ

Claims (14)

1. 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、かつ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いて、
   上記ロアリンクは、上記クランクピンが嵌合する略中央のクランクピン軸受部と、上記アッパピンを保持する一端部のアッパピン用ピンボス部と、上記コントロールピンを保持する他端部のコントロールピン用ピンボス部と、を備えるとともに、上記クランクピン軸受部の中心を通る分割面に沿って、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、に分割構成され、かつ上記クランクピン軸受部の両側に配置した少なくとも２つのボルト締結部によって上記ロアリンクアッパと上記ロアリンクロアとが締結されており、
   上記ボルト締結部のうち上記コントロールピン用ピンボス部側のボルト締結部は、上記ロアリンクアッパと上記ロアリンクロアとを貫通したボルトおよびナットから構成され、上記ロアリンクロア側に位置するボルトもしくはナットを回転することで締結されている一方、上記ボルト締結部のうち上記アッパピン用ピンボス部側のボルト締結部は、上記ロアリンクロアを貫通し、上記ロアリンクアッパに形成された雌ねじに螺合するボルトを回転することで締結されている
   ことを特徴とする内燃機関のピストンクランク機構におけるロアリンク。
2. 上記ロアリンクロア側にナットが配置され、該ナットの回転により締結さ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ピストンクランク機構におけるロアリンク。
3. 上記ロアリンクアッパ側にナットが配置され、上記ロアリンクロア側から挿入したボルトの回転により締結さ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ピストンクランク機構におけるロアリンク。
4. 上記ロアリンクアッパ側に上記ナットの回り止め部が設けられていることを特徴とする請求項３に記載の内燃機関のピストンクランク機構におけるロアリンク。
5. 上記回り止め部が上記ロアリンクアッパと一体に形成されたリブからなることを特徴とする請求項４に記載の内燃機関のピストンクランク機構におけるロアリンク。
6. 上記回り止め部は、少なくとも２点で上記ナットと当接することを特徴とする請求項４または５に記載の内燃機関のピストンクランク機構におけるロアリンク。
7. 上記ナットを上記ロアリンクアッパの所定位置に位置決めする位置決め部が上記ロアリンクアッパに設けられていることを特徴とする請求項３〜６のいずれかに記載の内燃機関のピストンクランク機構におけるロアリンク。
8. 上記位置決め部として上記ロアリンクアッパに上記ナットを挟む一対のリブが形成されており、このリブが、上記ナットの回り止め部としても機能することを特徴とする請求項７に記載の内燃機関のピストンクランク機構におけるロアリンク。
9. 上記ロアリンクアッパ側に上記ナットの脱落防止機構が設けられていることを特徴とする請求項３〜８のいずれかに記載の内燃機関のピストンクランク機構におけるロアリンク。
10. 上記の一対のリブの間に上記ナットが圧入されるように、それぞれの寸法が設定されていることを特徴とする請求項８に記載の内燃機関のピストンクランク機構におけるロアリンク。
11. 上記ナットは、上記クランクピンの軸方向に沿った方向の寸法が、これと直交する方向の寸法よりも小さい異形のナットであることを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載の内燃機関のピストンクランク機構におけるロアリンク。
12. 上記ナットと上記ロアリンクアッパとが異なる材質であることを特徴とする請求項３〜１１のいずれかに記載の内燃機関のピストンクランク機構におけるロアリンク。
13. 上記コントロールピン用ピンボス部は、コントロールピン両端部を支持する二股状をなし、上記ロアリンクロアは、上記コントロールピン用ピンボス部と上記クランクピン軸受部との間に、上記クランクピンの軸方向に沿った肉厚が、上記コントロールピン用ピンボス部の軸方向の全長よりも小さな部位を備えることを特徴とする請求項１〜１２のいずれかに記載の内燃機関のピストンクランク機構におけるロアリンク。
14. 上記コントロールリンクの機関本体側の揺動支点位置を変化させることにより上記ピストンクランク機構が可変圧縮比機構を構成することを特徴とする請求項１〜１３のいずれかに記載の内燃機関のピストンクランク機構におけるロアリンク。
    

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