JP2006046615A - 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

Abstract

【課題】ロアリンク４の雌ねじの形成に伴う応力集中による耐久性低下を回避する。
【解決手段】ロアリンク４は、クランクピンが嵌合する略中央のクランクピン軸受部２１と、一端部のアッパピン用ピンボス部２２と、他端部のコントロールピン用ピンボス部２３と、を備えており、クランクピンへの組立性のために、クランクピン軸受部２１の中心を通る分割面２４に沿って、ロアリンクアッパ３１とロアリンクロア３２とに分割構成される。両者は、２本のボルト３３，３４およびナット３７，４０によって一体に締結されている。ナット４０は、二股状のコントロールピン用ピンボス部２３の谷間部分に、ナット挿入溝４２を通して収容配置される。ナット４０は、円筒形であり、端面の六角孔に締付用工具が嵌合して締付られる。
【選択図】図５

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

上記のように大きな荷重を受ける部材であるロアリンク自体に雌ねじを形成することは、雌ねじにおける応力集中という点では好ましくない。

図７の参考図には、矢印Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３でもって、爆発燃焼時に、クランクピン、アッパピン、コントロールピンからそれぞれロアリンクに入力される力の方向を示している。図示するように、クランクピンとコントロールピン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１０１とロアリンクロア１０２とは互いに引き離されようとし、この領域を締結する一方のボルト１０３には、引張方向の大きな力が作用する。従って、上記ボルト１０３には、分割面１０７で離れないように予め大きな軸力を与えておく必要があり、この大きな軸力と上記の引張力とによって、ロアリンクアッパ１０１側の雌ねじ１０４に応力集中の問題が生じる。また、反対方向に作用する力Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３によって、ロアリンクアッパ１０１は曲げ応力も受け、ボルト１０３，１０５が螺合するロアリンクアッパ１０１の雌ねじ１０４，１０６の周辺には、複雑な応力が発生するため、応力集中の問題を回避することが比較的困難である。

一方、ロアリンクアッパとロアリンクロアとを締結するボルトを単純に通しボルトとしてナットにより締付固定するようにしたのでは、ロアリンクの大型化を招来しやすい。

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、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本のボルトおよびナット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、上記ピンボス部の少なくとも一方は、ピン両端部を支持するように二股状ピンボス部となっており、この二股状ピンボス部の谷間部分に、上記ナットが収容されている。

この構成では、ナットと螺合するボルトが、ロアリンクアッパとロアリンクロアとを貫通する所謂通しボルトとなり、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、少なくとも一方のボルトについては、対応するナットが、二股状ピンボス部の谷間部分に収容されているため、ロアリンク全体の大型化が回避される。

好ましくは、上記二股状ピンボス部の間隔が上記ナットの外形寸法よりも狭く構成されているとともに、上記谷間部分の座面まで上記ナットを通すことができるように、上記谷間部分に、部分的に幅を拡大してなるナット挿入溝が形成されている。このようにナット挿入溝を設けることで、アッパピンないしはコントロールピンの両端部を支持する二股状ピンボス部は、本来の寸法を確保することができる。つまり、外形寸法（両端の間の軸方向長さ）を増大することなく、ピンと嵌合する範囲の軸方向長さを十分に確保することができる。

一つの具体的な態様では、上記ナット挿入溝が、上記分割面と平行に、かつクランクピン軸方向と直交する方向に沿って形成されている。従って、組立時には、上記ナット挿入溝を通して分割面と平行な方向にナットが挿入され、ボルトと組み付けられる。

二股状ピンボス部の谷間部分に配置されるナットは、望ましくは、小型化のために、外周面が円筒形をなす。また、円筒形の外周面の軸方向の一部に、外径を拡大した環状の補強部を備えていてもよい。

また望ましくは、上記ナットは、締付用工具との嵌合部が端面に形成されている。上記嵌合部は、例えば六角孔である。従って、ナットの周囲に工具用のスペースを確保する必要がない。

上記ナットと上記ロアリンクアッパおよびロアリンクロアとは、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。

望ましくは、上記コントロールピン用ピンボス部が上記の二股状ピンボス部であり、その谷間部分に収容されたナットを上記ロアリンクロア側から回転操作することにより締付作業がなされる。

さらに望ましくは、上記アッパピン用ピンボス部側に配置された他方のボルト，ナットは、ボルトがロアリンクアッパ側から挿入され、ロアリンクロア側に配置されたナットを回転操作することにより締付作業がなされる。

本発明のロアリンクは、上記分割面が、上記コントロールピンから入力される最大荷重時の荷重方向に対して略垂直となっているように構成できる。あるいは、上記分割面が、上記クランクピンから入力される最大荷重時の荷重方向に対して略垂直となっているように構成できる。

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、ボルトに螺合するナットを二股状ピンボス部の谷間部分に収容したことで、ロアリンク全体の大型化を回避することができる。

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をコントロールリンク１０側の斜め方向から見た斜視図、図３は、コントロールピン１１の中心を通る面（特に後述する分割面２４に直交する面）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、いずれもロアリンクアッパ３１側から挿入されている。

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、アッパピン用ピンボス部２２の外側を通るような形で、所謂通しボルトとしてロアリンクアッパ３１とロアリンクロア３２のボルト挿入孔（図示せず）を貫通し、かつ先端部が、ロアリンクロア３２下面に配置されたナット３７に螺合している。このボルト３３，ナット３７の締付作業は、下方つまりロアリンクロア３２側からナット３７を回転操作することにより行われる。

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、ロアリンクアッパ３１の上面から上記コントロールピン用ピンボス部２３へ向かうように延びており、所謂通しボルトとして、ロアリンクアッパ３１のボルト挿入孔３８およびロアリンクロア３２のボルト挿入孔３９（図３参照）の双方を貫通し、二股状のコントロールピン用ピンボス部２３の谷間部分に収容されたナット４０に螺合している。

より詳しくは、谷間部分の底部となる位置に、上記分割面２４と平行に、座面４１が形成されており、この座面４１上に上記ナット４０が支持されている。また、この座面４１に連続するような形で、谷間部分の幅を部分的に拡大してなるナット挿入溝４２が形成されている。つまり、二股状に分岐した一対のコントロールピン用ピンボス部２３の間隔Ｌ１（図３参照）は、ナット４０の外形寸法よりも狭くなっており、この一対のピンボス部２３の間を上記ナット４０は通過することができない。これに対し、上記ナット挿入溝４２は、ナット４０が通過し得る断面形状を有しており、上記ボルト３４の中心軸と直交する方向、つまり上記分割面２４と平行でかつクランクピン３軸方向と直交する方向に沿って形成され、先端がロアリンク４側面に開口している（図２参照）。従って、組立時には、上記ナット挿入溝４２を通して分割面２４と平行な方向にナット４０が挿入され、上記座面４１上に配置することができる。このようにナット挿入溝４２を介してナット４０を挿入配置することで、ロアリンク４の限られた外形寸法の中で、二股状のコントロールピン用ピンボス部２３の軸方向長さ（コントロールピン１１と嵌合する部分の長さ）を十分に確保することができる。また、ナット挿入溝４２に一旦挿入されたナット４０は、二股状コントロールピン用ピンボス部２３の間隔Ｌ１を通して脱落することがなく、ナット挿入溝４２内に保持されるので、ボルト３４との締付作業の際の作業性向上にも寄与する。

図４は、上記ナット４０の詳細を示している。このナット４０は、外形寸法を小型化するために、外周面が円筒状をなす円筒形ナットからなり、一方の端面（組立状態で下方となる側の端面）に、締付用工具との嵌合部となる六角孔４５が形成されている。この六角孔４５は、ナット４０内周の雌ねじ部４６と実質的に連続している。また、図示例では、雌ねじ部４６部分の剛性向上を図るために、円筒形の外周面の軸方向の一部に、外径を拡大した環状の補強部４７が形成されている。

図５は、上記のロアリンク４の組立方法を説明したものであり、前述したように、ナット４０は、予め、ナット挿入溝４２を通して二股状コントロールピン用ピンボス部２３の谷間部分の座面４１上に配置される。ボルト３３，３４は、それぞれ、ロアリンクアッパ３１側から挿入される。そして、ロアリンクロア３２側からナット３７およびナット４０をそれぞれ回転操作することで、締め付けられる。ここで、上記ナット４０を締め付ける締付用工具は、二股状コントロールピン用ピンボス部２３の間隔Ｌ１を通して挿入され、かつ先端がナット４０の六角孔４５に嵌合する。従って、ナット４０の周囲には、締付用工具のための余分なスペースは不要である。また下方から締付作業する際に、ナット４０がナット挿入溝４２内に保持されるため、締付用工具による締付作業が容易となる。

ここで、上記実施例においては、ロアリンクアッパ３１とロアリンクロア３２との分割面２４は、コントロールピン１１から入力される最大荷重時の荷重方向（図７の矢印Ｆ３参照）に対して略垂直となっている。すなわち、図７の参考例の分割面１０７に比較して、反時計回り方向に多少回転した位置に、分割面２４が位置する。２本のボルト３３，３４は、この分割面２４に対して直交する方向に、かつ互いに平行に配置されるので、図７から理解できるように、一方のボルト３３の軸線はアッパピン用ピンボス部２２の外側を通り、他方のボルト３４の軸線は、その延長線がコントロールピン用ピンボス部２３を横切るようになる。

次に、図６は、この発明の第２の実施例を示す図３と同様の断面図である。この実施例においては、ナット４０が収容される座面４１の高さ位置とナット挿入溝４２の高さ位置とが異なっており、前述した実施例に比較して、上記座面４１は分割面２４により近く位置し、かつナット挿入溝４２は、分割面２４からより離れて位置する。なお、上記座面４１およびナット挿入溝４２は、いずれも、分割面２４に平行である。つまり、ナット挿入溝４２の最も奥となる部分が、上記分割面２４側へ窪んでおり、座面４１となっている。従って、ナット挿入溝４２から挿入されたナット４０は、締付用工具により、さらに上方へ持ち上げられるような形で、ボルト３４に締め付けられる。この実施例では、締付作業の際に、ナット挿入溝４２に対し窪んだ形となる座面４１の部分により、ナット４０がより確実に位置決めされる

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。 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。 ロアリンクの第２の実施例を示す図３と同様の断面図。 ロアリンクアッパに雌ねじを設けた参考例の説明図。

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
４２…ナット挿入溝

Claims (13)

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本のボルトおよびナット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、
   上記ピンボス部の少なくとも一方は、ピン両端部を支持するように二股状ピンボス部となっており、この二股状ピンボス部の谷間部分に、上記ナットが収容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. 上記二股状ピンボス部の間隔が上記ナットの外形寸法よりも狭く構成されているとともに、上記谷間部分の座面まで上記ナットを通すことができるように、上記谷間部分に、部分的に幅を拡大してなるナット挿入溝が形成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. 上記ナット挿入溝が、上記分割面と平行に、かつクランクピン軸方向と直交する方向に沿って形成されていることを特徴とする請求項２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. 上記ナットは、外周面が円筒形をなすことを特徴とする請求項１〜３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。
5. 上記ナットは、円筒形の外周面の軸方向の一部に、外径を拡大した環状の補強部を備えてい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. 上記ナットは、締付用工具との嵌合部が端面に形成されていることを特徴とする請求項１〜５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。
7. 上記嵌合部は、六角孔であることを特徴とする請求項６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. 上記ナットと上記ロアリンクアッパおよびロアリンクロアとが異なる材質であることを特徴とする請求項１〜７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。
9. 上記コントロールピン用ピンボス部が上記の二股状ピンボス部であり、その谷間部分に収容されたナットを上記ロアリンクロア側から回転操作することにより締付作業がなされることを特徴とする請求項１〜８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. 上記アッパピン用ピンボス部側に配置された他方のボルト，ナットは、ボルトがロアリンクアッパ側から挿入され、ロアリンクロア側に配置されたナットを回転操作することにより締付作業がなされることを特徴とする請求項９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. 上記分割面が、上記コントロールピンから入力される最大荷重時の荷重方向に対して略垂直となってい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. 上記分割面が、上記クランクピンから入力される最大荷重時の荷重方向に対して略垂直となってい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。
13. 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１〜１２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。
    

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