JP5273264B2 - 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。

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

上記のような従来のロアリンクにおいては、雌ねじ部での応力集中の問題がある。特に、ロアリンクはピストンからの燃焼荷重をアッパリンクを経由してクランクピンに伝達したり、クランクピンからの回転力をピストンの往復動に変換する役割を担ったりするために、燃焼荷重と慣性力により最大で数トンの巨大な荷重を受ける。従ってロアリンクのねじ締結部分の強度・剛性を確保するには非常に高度な技術が要求される。

図１０及び図１１の参考図には、矢印Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３でもって、燃焼荷重が最大となる最大燃焼荷重時（図１０）及び慣性荷重が最大となる最大慣性荷重時（図１１）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１０に示すように、最大燃焼荷重時には、アッパピンから受ける荷重Ｆ１の方向が、分割面（合わせ面）１０３を閉じる方向となるのに対し、コントロールピンから受ける荷重Ｆ３の方向が、分割面１０３を開く方向となる。このために、クランクピン軸受部１０４の両側に位置する分割面１０３Ａ，１０３Ｂのうち、開き方向（口開き方向・剥がれ引き離す方向）に荷重Ｆ３が作用するコントロールピン用ピンボス部側の分割面１０３Ａ側では、開き方向の荷重Ｆ３に対して高い面圧が要求される。また、図１１に示すように、最大慣性荷重時には、コントロールピン用ピンボス部側の第１分割面１０３Ａには、剪断方向に沿うように荷重Ｆ１と荷重Ｆ３とがほぼ逆方向に作用することとなり、やはり高い面圧が要求される。一方、最大燃焼荷重時にアッパピン側から閉じ方向Ｆ１に荷重が作用するアッパピン用ピンボス部側の分割面１０３Ｂにおいては、面圧の確保よりは、むしろ閉じ方向の高い荷重に対する剛性の確保などが要求される。

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。

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、上記ロアリンクの側面には凹部が凹設されており、この凹部は、上記クランクピン軸受部の両側に位置する第１分割面と第２分割面のうちで、一方の第１分割面のみを横切るように、上記ロアリンクアッパからロアリンクロアにわたって延在している。

この発明によれば、第１分割面にのみ凹部を設けることで、特に第１分割面に開き方向の荷重が作用するような場合に、その開き方向の荷重に対する面圧を高めつつ、他方の第２分割面においては、凹部を設けることなく、その面積を大きく確保することで、応力集中を低減・回避しつつ過大な荷重入力に対する耐久性，信頼性を高めることができる。

以下、この発明の好ましい実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。始めに、この発明の一例である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。

ここで、上記シリンダ１９は、図示するように、その中心線ｍが、クランクシャフト１の回転中心に対しコントロールピン１１と反対側に比較的大きくオフセットした配置となっている。

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〜図４に基づいて説明する。図２はロアリンク４の断面図、図３は側面図である。また、図４はロアリンクアッパ３１及びロアリンクロア３２の互いに締結される合わせ面である分割面２４Ａ，２４Ｂを示す平面図であり、その形状はロアリンクアッパ３１とロアリンクロア３２とで同一のものとなっている。

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２４Ａ，２４Ｂ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３１，３２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。

アッパピン６が回転可能に挿入されるピン孔２２ａを備えたアッパピン用ピンボス部２２は、二股状に構成されており、この二股の内側に、アッパリンク５の一端のピンボス部が回転可能に組み合わされる。これにより、アッパリンク５の重量が軽減する。同様に、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は、いずれも、ロアリンクロア３２側のボルト挿入孔３５，３６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３７，３８に螺合している。アッパピン用ピンボス部２２側に位置するボルト３３に対応するロアリンクアッパ３１側の雌ねじ部３７は、ロアリンクアッパ３１を上下に貫通し、その上端が、二股の間の谷間部分の底面に開口している。ボルト３３の先端は、この雌ねじ部３７の先端開口に達しており、軸方向に見て、雌ねじ部３７の全てのねじ溝にボルト３３のねじ山が噛み合っている。また、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用の雌ねじ部３８は、ロアリンクアッパ３１を上下に貫通しており、ボルト３４の先端が雌ねじ部３８の上端開口から僅かに突出している。

また、上記ロアリンク４の両側の側面には、広範囲に亘って凹部４０が形成されており、この凹部４０の部分におけるクランクピン軸方向寸法（肉厚・厚さ）は、クランクピン軸受部２１などの軸方向寸法よりも小さくなっている。つまり、凹部４０は、ロアリンク４の外周に沿った厚肉な外周リブ３９やアッパピン用ボルトボス部側のボルト３３の付け根部分などを除き、ロアリンク４の側面のほぼ全面にわたって延在しており、アッパピン用ピンボス部２２とクランクピン軸受部２１との間やコントロールピン用ピンボス部２３とクランクピン軸受部２１との間を隔てるように、クランクピン軸受部２１をほぼ全周に亘って囲んでいる。従って、アッパピン６やコントロールピン１１からの荷重入力によるクランクピン軸受部２１両端部の変形がより確実に抑制され、所謂エッジ当たりが防止される。

そして凹部４０は、クランクピン軸受部２１の両側に位置する第１分割面２４Ａと第２分割面２４Ｂのうちで、最大荷重である最大燃焼荷重時に分割面を開く方向に荷重Ｆ３が作用するコントロールピンボス部２３側の第１分割面２４Ａのみを横切るように、ロアリンクアッパ３１からロアリンクロア３２にわたって延在している。最大燃焼荷重時に分割面を閉じる方向に荷重Ｆ２が作用する第２分割面２４Ｂにおいては、図４に示すように、クランクピン径方向の全長に亘って、クランクピン軸方向寸法がクランクピン軸受部２１と同じ一定の寸法Ｃ０に厚肉化されている。

次に、本実施例の特徴的な構成及びその作用効果について、以下に列記する。

（１） 図４に示すように、クランクピン軸受部２１の両側に位置する第１分割面２４Ａと第２分割面２４Ｂのうち、荷重Ｆ３，より具体的には圧縮上死点付近での最大燃焼ガス力による荷重Ｆ３が分割面を開く方向に作用する第１分割面２４Ａ、つまりコントロールピン用ピンボス部２３に近い側の第１分割面２４Ａでは、この第１分割面２４Ａを横切るボルト３４のボルト中心線３４Ａよりもクランクピン軸受部２１に近い内側部分４１の剛性が、ボルト中心線３４Ａよりもクランクピン軸受部２１から遠い外側部分４２の剛性よりも小さく設定されている。

これによって、第１分割面２４Ａにおけるクランクピン軸受部２１寄りの内側部分４１の剛性を相対的に低くし、そのばね定数を小さくすることで、内側部分４１への荷重負担を軽減して、外側部分４２での荷重負担を相対的に増加させることで、この第１分割面２４Ａに作用する開き方向の荷重Ｆ３に対し、ボルト締結部である雌ねじ部３８への過剰な荷重入力や応力集中を抑制し、ボルト軸力を過度に高めたり第１分割面２４Ａの面積を過度に小さくすることなく、開き方向の荷重Ｆ３に対する第１分割面２４Ａでの面圧を適切に確保することが可能となる。

（２）具体的には図５に示すように、内側部分４１のクランクピン径方向の寸法Ｂ１が、外側部分４２のクランクピン径方向の寸法Ｂ２よりも小さく設定されている。つまり、ボルト中心線３４Ａをクランクピン軸受部２１寄りにオフセットさせている。これによって、外側部分４２への荷重分担を大きくしつつ、このように大きな荷重が作用する例えば外側リブ３９からボルト締結部までの距離が比較的大きくなり、ボルト締結部である雌ねじ部３８への過剰な荷重入力や応力集中を軽減することができる。

なお、図５や図８，図９では、第１分割面２４Ａにおける特徴的な形状を誇張して描いており、必ずしも正確な形状を描いたものではない。

（３）更に具体的には、第１分割面２４Ａにおける剛性を適正化するために、ロアリンク４の両側面には、第１分割面２４Ａを横切ってロアリンクアッパ３１からロアリンクロア３２にわたって凹部４０が凹設されている。そして、第１分割面２４Ａでは、内側部分４１におけるクランクピン軸方向の最小寸法（つまり、内側凹部４３の最深部における肉厚）Ｃ１が、外側部分４２におけるクランクピン軸方向の最小寸法（つまり、外側凹部４４の最深部における肉厚）Ｃ２よりも小さく設定されている。このように内側部分４１の肉厚Ｃ１を相対的に小さくすることで、内側部分４１の剛性を相対的に低下させている。

また、このようにロアリンク４の両側面に凹部４０を設け、第１分割面２４Ａを全体としてＩ型形状に構成することで、図７に示すように、クランクピン軸受部２１の軸方向長さの中央部に主に荷重が作用することとなり、クランクピン軸受部２１の両端部に作用する荷重は小さくなる。従って、クランクピン軸受部２１両端部の変形が抑制され、クランクピン３に対する所謂エッジ当たりが回避されるとともに、油膜圧力が高い軸方向中央部で荷重を確実に支承することができる。

（４）また、第１分割面２４Ａでは、凹部４０を挟んで内側のクランクピン軸受部２１と外側の外側リブ３９とがクランクピン軸方向に張り出しており、クランクピン軸受部２１のクランクピン径方向の寸法（厚さ）Ａ１が、外側リブ３９のクランクピン径方向の寸法（厚さ）Ａ２よりも小さく設定されている。このように外側リブ３９を相対的に厚肉に構成することで、外側リブ３９の部分での荷重負担を増加するとともに、この荷重に対する剛性を高めることができる。

特にこの実施例では図２にも示すように、厚肉な外側リブ３９をロアリンクの全周にわたって延設し、アッパピン用ピンボス部２２とコントロールピン用ピンボス部２３とを外側リブ３９で繋ぐ構成として、外側リブ３９への荷重負担及びその剛性を高め、雌ねじ部３８への過度な荷重入力や応力集中をより低減するようにしている。

（５）図６に示すように、凹部４０を設けた本実施例Ｌ１では、凹部を設けない比較例Ｌ２に比して、面積の低下分、第１分割面２４Ａの面圧を高めることができるが、その反面、ボルト軸力に対する剛性の確保が懸念される。そこで本実施例では、ボルト軸力に対する剛性を確保するように、凹部４０にボルト３４の周囲を囲うようにクランクピン軸方向に張り出したボルトボス部４５を設けている。このボルトボス部４５の両側に、内側凹部４３と外側凹部４４とがそれぞれ設けられる。

（６）また、図５に示す例では、荷重分担の大きい外側部分４２の剛性を高めるように、ボルトボス部４５のクランクピン軸方向の最大寸法となる位置を、ボルト中心線３４Ａに対し、クランクピン軸受部２１から遠い側（図５の右側）に所定量ｈ２だけオフセットさせている。

（７）一方、アッパピン用ピンボス部２２に近い第２分割面２４Ｂでは、最大燃焼荷重時にアッパピン用ピンボス部２２より荷重Ｆ２が閉じる方向に作用することから、開き方向に荷重Ｆ３が作用する第１分割面２４Ａ側に比して、面圧の確保よりは、むしろ過大な荷重入力や応力集中に対する剛性・耐久性の確保が重要となる。そこで、この第２分割面２４Ｂの近傍には、ロアリンク４の側面に凹部が設けられておらず、図４に示すように、第２分割面２４Ｂのクランクピン軸方向寸法が径方向全体にわたってクランクピン軸受部と同じ寸法Ｃ０の一定のものとしている。このように、第２分割面２４Ｂの面積を十分大きく確保することで、面圧の過度な上昇や応力集中を抑制し、耐久性，信頼性を向上することができる。

（８）ロアリンクにおけるロアリンクアッパとロアリンクロアにそれぞれアッパピン用ピンボス部とコントロールピン用ピンボス部をクランクピン軸受部を挟んでほぼ反対側に配置した構成では、図１０にも示すように、一般的にアッパピンから受ける荷重Ｆ２が分割面の閉じ方向となるのに対し、コントロールピンから受ける荷重Ｆ３が分割面の開き方向となるために、このコントロールピン用ピンボス部に近い側の分割面（１０３Ａ）が、開き方向の荷重Ｆ３が作用する第１分割面となる。

（９）また、上述した複リンク式のピストンクランク機構は、コントロールリンク１０の機関本体側の揺動支点位置を変化させることにより可変圧縮比機構として機能し、機関運転状態に応じて機関圧縮比を適切に制御することが可能となるものである。

（１０）すなわち、ロアリンク４の側面に凹部４０を凹設し、この凹部４０を、クランクピン軸受部２１の両側に位置する第１分割面２４Ａと第２分割面２４Ｂのうちで、一方の第１分割面２４Ａのみを横切るように、ロアリンクアッパ３１からロアリンクロア３２にわたって延在させている。これによって、例えば上記実施例の如く分割面を開く方向に荷重Ｆ３が作用するコントロールピンボス部２３側の第１分割面２４Ａにのみ凹部４０を設けることで、その開き方向の荷重Ｆ３に対する面圧を高めつつ、閉じ方向に荷重Ｆ２が作用することとなる他方の第２分割面２４Ｂにおいては、凹部４０を設けることなく、その面積を大きく確保することで、応力集中を低減・回避しつつ過大な荷重入力に対する耐久性，信頼性を高めることができる。

以上のように本発明を具体的な実施例に基づいて説明してきたが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で、種々の変形・変更を含むものである。例えば図８に示すように、内側部分４１に対して外側部分４２の剛性をより高めるように、図５の実施例に比してボルトボス部４５Ａの反クランクピン軸受部２１側へのオフセット量ｈ２’を更に大きく設定しても良い。あるいは図９に示すように、ボルトボス部４５Ｂをオフセットさせずに、ボルト中心線３４Ａと同心状の形状としてもよい。この場合でも内側凹部４３を外側凹部４４よりも所定量ｈ１だけ深く設定することなどにより、図５の実施例と同様、内側部分４１の剛性を外側部分４２の剛性よりも低くさせている。

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側面図。 図２のロアリンクの断面図。 上記ロアリンクの分割面を示す平面図。 上記ロアリンクの第１分割面のみを拡大して示す説明図。 本実施例Ｌ１及び比較例Ｌ２の分割面の面圧を示す説明図。 クランクピンからの荷重に対する雌ねじ部との噛み合い状態を示す要部の断面図。 本発明に係る第１分割面の他の形状例を示す平面図。 本発明に係る第１分割面の更に他の形状例を示す平面図。 ロアリンクに作用する最大燃焼荷重を示す説明図。 ロアリンクに作用する最大慣性荷重を示す説明図。

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
２４Ａ…第１分割面
２４Ｂ…第２分割面
３１…ロアリンクアッパ
３２…ロアリンクロア
３３，３４…ボルト
４０…凹部
４１…内側部分
４２…外側部分
４３…内側凹部
４４…外側凹部

Claims (1)

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、
   上記ロアリンクの側面には凹部が凹設されており、この凹部は、上記クランクピン軸受部の両側に位置する第１分割面と第２分割面のうちで、一方の第１分割面のみを横切るように、上記ロアリンクアッパからロアリンクロアにわたって延在しており、
   上記第１分割面は、上記ロアリンクに最大燃焼荷重が作用するとき、分割面を開く方向にのみ荷重が作用する分割面であり、
   上記第２分割面は、上記ロアリンクに最大燃焼荷重が作用するとき、分割面を閉じる方向にのみ荷重が作用する分割面であ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。

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