JPH0510527B2

JPH0510527B2 -

Info

Publication number: JPH0510527B2
Application number: JP58156117A
Authority: JP
Inventors: Tadashi Donomoto; Atsuo Tanaka; Futao Akai
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1983-08-26
Filing date: 1983-08-26
Publication date: 1993-02-10
Also published as: JPS6049115A

Description

【発明の詳細な説明】産業上の利用分野本発明は、内燃機関のコネクテイングロツドに
係り、更に詳細には強化繊維にて複合強化された
軽金属製のコネクテイングロツドに係る。

従来技術内燃機関のコネクテイングロツドは、一般に、
それぞれ互いに共働してクランクシヤフトを受入
れる大端孔を郭定する半円柱状の凹部を有しボル
トにて互いに締結されるコネクテイングロツド本
体とコネクテイングロツドキヤツプとよりなり、
炭素鋼の如き鋼にて形成されている。かかる鋼に
て形成されたコネクテイングロツドは重量が大き
く、内燃機関の軽量化を図ることが困難であるこ
とから、コネクテイングロツドをアルミニウム合
金の如き軽金属にて構成し、アルミナ繊維の如き
強化繊維にて複合強化することが試みられてい
る。かかる強化繊維にて複合強化された従来の軽
金属製のコネクテイングロツドに於ては、コネク
テイングロツド本体及びコネクテイングロツドキ
ヤツプに形成されたボルト挿通孔の周りの部分は
強化繊維によつては複合強化されず、又はボ
ルト挿通孔の軸線に沿つて一方向に配向された強
化繊維にて複合強化されている。

しかし、の場合に於ては、ボルトを構成する
鋼の熱膨張率よりもコネクテイングロツドを構成
する軽金属の熱膨張率が大きいため、内燃機関の
運転中にボルト挿通孔の周りの部分がボルトより
も大きく熱膨張し、このためボルトの軸力が増大
してボルト及びナツトの座面がクリープ変形を起
こすという問題がある。またかかるクリープ変形
の発生を回避すべくボルトの締付け荷重を低下さ
せると、内燃機関の運転中にコネクテイングロツ
ドに作用する引張り荷重及び圧縮荷重により、コ
ネクテイングロツドの大端孔の真円度が損われ、
コネクテイングロツドの大端孔とクランクシヤフ
トとの間に於ける摩擦損失が増大するという問題
が生じる。

また上述のの場合に於ては、ボルト挿通孔の
周りの部分よりもボルトの方が大きく熱膨張して
しまうため、内燃機関の運転中にボルトの締付け
荷重が低下し、これによりコネクテイングロツド
とクランクシヤフトとの連結状態が損われてガタ
ツキを生じたり、これに起因してこれらの間に於
ける摩擦損失が増大するという問題が生じる。ま
た上述のの場合に於てボルト挿通孔の周りの部
分に充填される強化繊維の量を少なくして、該部
分の熱膨張率をボルトを構成する鋼と実質的に同
一の熱膨張率にすることが理論上は可能である
が、実際には少量の強化繊維をボルト挿通孔の周
りにその軸線に沿つて一方向に均一に配向するこ
とは極めて困難である。

発明の目的本発明は、従来の強化繊維にて複合強化された
軽金属製のコネクテイングロツドに於ける上述の
如き問題に鑑み、ボルト挿通孔の周りの部分及び
ボルトの熱膨張率が相互に大きく相違することに
起因するボルト及びナツトの座面のクリープ変形
やボルトの締付け荷重の低下を確実に回避し、こ
れにより内燃機関を長期間に亘り良好に運転させ
ることができるよう改良された軽金属製内燃機関
用コネクテイングロツドを提供することを目的と
している。

発明の構成かかる目的は、本発明によれば、それぞれ互い
に共働してクランクシヤフトを受入れる大端孔を
郭定する半円柱状の凹部を有しボルトにて互いに
締結されるコネクテイングロツド本体とコネクテ
イングロツドキヤツプとよりなる軽金属製内燃機
関用コネクテイングロツドにして、前記本体及び
前記キヤツプの各々の前記ボルトを受入れるボル
ト挿通孔の周りの部分が該ボルト挿通孔の軸線の
周りに螺旋状に配向され且実質的に前記ボルト挿
通孔の両端間に連続的に延在する長繊維にて複合
強化され、前記ボルト挿通孔の周りの部分の前記
軸線に沿う方向の熱膨張率が前記ボルトの熱膨張
率と実質的に同一であることを特徴とする軽金属
製内燃機関用コネクテイングロツドによつて達成
される。

発明の作用及び効果本発明によれば、ボルト挿通孔の周りの部分が
該ボルト挿通孔の軸線の周りに螺旋状に配向され
且実質的にボルト挿通孔の両端間に連続的に延在
する長繊維にて複合強化され、ボルト挿通孔の周
りの部分の軸線に沿う方向の熱膨張率がボルトの
熱膨張率と実質的に同一であるので、ボルト挿通
孔の周りの部分及びボルトの熱膨張率が相互に大
きく相違することに起因してボルト及びナツトの
座面がクリープ変形を起こしたりボルトの締付け
荷重が低下したりするという問題の発生を確実に
防止することができる。

また本発明によれば、強化繊維の量を少なくす
ることなくボルト挿通孔の周りの部分の熱膨張率
がボルトの熱膨張率と実質的に同一にされるの
で、ボルト挿通孔の周りの部分の強度不足を確実
に回避することができる。

尚本発明によるコネクテイングロツドはアルミ
ニウム、マグネシウム、及びこれらを主成分とす
る合金にて形成されてよく、ボルト挿通孔の周り
の部分を複合強化する長繊維は上述の如き軽金属
との両立性に優れ且強度向上効果等に優れたアル
ミナ繊維、炭素繊維、アルミナ−シリカ繊維、炭
化ケイ素繊維などであつてよい。またこれらの長
繊維の体積率はコネクテイングロツドを構成する
金属及び長繊維の種類に応じて20〜70％の範囲に
選定されてよく、またボルト挿通孔の軸線の周り
に螺旋状に配向される長繊維のピツチ角θは、ボ
ルト挿通孔の周りの部分の軸線に沿う方向の熱膨
張率がボルトの熱膨張率と実質的に等しくなるよ
う、軽金属や長繊維の種類、長繊維の繊維径や体
積率等に応じて０＜θ＜30°の範囲に選定される
ことが好ましい。

実施例第１図は本発明によるコネクテイングロツドの
一つの実施例を一部破断して示す正面図、第２図
及び第３図はそれぞれ第１図の線−、線−
による断面図である。

これらの図に於て、１及び２はそれぞれ互いに
共働して図には示されていないクランクシヤフト
を受入れる大端孔３を郭定する半円柱状の凹部
４，５を有するコネクテイングロツド本体及びコ
ネクテイングロツドキヤツプを示している。コネ
クテイングロツド本体１及びコネクテイングロツ
ドキヤツプ２は合せ面１ａ及び２ａが互いに当接
した状態にてボルト６，７及びナツト８，９によ
り互いに締結されるようになつており、かくして
締結されると大端部１０を郭定するようになつて
いる。コネクテイングロツド本体１の凹部４の両
側にはボルト６及び７をそのヘツド部が座面１１
及び１２に当接した状態にて受入れるボルト挿通
孔１３及び１４が設けられており、コネクテイン
グロツド２の凹部５の両側にはボルト６及び７を
受入れるボルト挿通孔１５及び１６がそれぞれボ
ルト挿通孔１３及び１４に整合した位置にて設け
られている。またコネクテイングロツドキヤツプ
２にはボルト６及び７に螺合するナツト８，９を
受ける座面１７及び１８が設けられている。

コネクテイングロツド本体１の大端部１０とは
反対側の端部、即ち小端部１９には図には示され
ていないピストンピンを受入れる小端孔２０が設
けられており、大端部１０と小端部１９とはアー
ム部２１により互いに一体に接続されている。

図示のコネクテイングロツドはアルミニウム合
金（JIS規格AC7A）にて形成されており、小端
部１９とアーム部２１と大端部１０の一部にヘア
ピン形に配向かれた長繊維よりなる第一の強化繊
維束２２と、第一の強化繊維束２２の両側にて大
端孔３の周りに円形に配向された長繊維よりなる
一対の第二の強化繊維束２３及び２４と、第一の
強化繊維束２２の両側にて小端孔２０の周りに円
形に配向された長繊維よりなる一対の第三の強化
繊維束２５及び２６とにより複合強化されてい
る。強化繊維束２２〜２６を構成する長繊維はア
ルミナ繊維（デユポン社製フアイバFP（登録商
標））である。

更にボルト挿通孔１３，１５及びボルト挿通孔
１４，１６の周りの部分は第二の強化繊維束２３
及び２４の間にてそれぞれボルト挿通孔の軸線２
７及び２８の周りにピツチ角θ＝2°にて螺旋状に
配向された長繊維２９及び３０（アルミナ繊維、
デユポン社製フアイバFP（登録商標））にて複合
強化されている。尚この場合ボルト挿通孔の周り
の部分に螺旋状に配向される長繊維２９及び３０
は、第４図に示されている如く、座面１１，１７
（及び１２，１８に近い部分に於ては零に近い小
さいピツチ角にて配向され、それらの間の部分に
於けは比較的大きいピツチ角にて配向されてもよ
い。

上述の如く構成されたコネクテイングロツドは
以下の如く製造された。

まず長さ245mmのアルミナ繊維105000本を束ね
ることにより、第５図に示されている如き第一の
強化繊維束２２を形成した。またアルミナ繊維を
図には示されていない棒体に巻付けることにより
第６図及び第７図示されている如く外径71mm、内
径43mm、高さ５mmの環状の第二の強化繊維束２３
（及び２４）、及び外径34mm、内径18mm、高さ５mm
の環状の第三の強化繊維束２５（及び２６）を形
成した。

更に図には示されていないが直径10mm、長さ55
mmのステンレス鋼（JIS規格SUS304）製の棒体
３１ａの周りにアルミナ繊維のヤーン（繊維数
120本）をピツチ角θ＝2°にて1200回巻付けるこ
とにより外径18mm、内径10mm、長さ50mmの円筒体
３１を形成した。次いでステンレス鋼（JIS規格
SUS304）の板（板厚1.5mm）をプレス加工するこ
とにより形成され、第９図に示されている如く合
せ面３３にて互いに当接した状態に組立てられる
と、内部に製造されるべきコネクテイングロツド
に実質的に対応する形状の空間を郭定する窪み３
４と、窪み３４により郭定される空間と該空間の
外部とを連通する通路を郭定する溝３５とをそれ
ぞれ有する二つの半体３６よりなる容器を用意し
た。尚容器の一方の半体３６の窪み３４の大小端
部を郭定する部分には、それぞれステンレス鋼
（JIS規格SUS304）よりなる外径43mm、長さ26
mm、板厚１mmのパイプ３７及び外径18mm、長さ26
mm、板厚１mmのパイプ３８が溶接により固定され
ていた。

次いで第１０図に示されている如く、容器の半
体３６の窪み３４内に第二及び第三の強化繊維束
２３及び２５、第一の強化繊維束２２、二つの円
筒体３１、第二及び第三の強化繊維束２４及び２
６を配置し、半体３６の合せ面３３を互いに密着
させ、半体３６の外周縁を溶接することにより、
二つの半体３６により形成された容器の内部に第
一乃至第三の強化繊維束及び円筒体が配置された
コネクテイングロツドのプレフオームを形成し
た。

次いで上述の如く形成されたプレフオームを加
熱炉内にて800℃に予熱した後、該プレフオーム
３９を第１１図に示されている如く高圧鋳造用の
鋳型４０内に配置した。次いで鋳型４０内に素早
く750℃のアルミニウム合金（JIS規格AC7A）の
溶湯４１を注湯し、該溶湯をプランジヤ４２によ
り面圧1500Kg／cm²にて加圧し、その加圧状態を溶
湯４１が完全に凝固するまで保持した。溶湯４１
が完全に凝固した後、ノツクアウトピン４３によ
り鋳型４０内より凝固体を取出し、該凝固体より
プレフオーム３９を切出し、該プレフオームの周
縁部を切断して容器を分解することによつて、容
器内にて形成されたコネクテイングロツドの粗材
を取出した。次いでこのコネクテイングロツド粗
材に対し研削等の機械加工を施すことにより、全
長175mm、大端孔３の直径45mm、小端孔２０の直
径18mm、大端孔３の中心と小端孔２０の中心との
間の距離120mm、大端部１０の最大厚さ25mm、小
端部１９の最大厚さ25mm、アーム部２１の平均厚
さ12mmの第１図乃至第３図に示されている如き６
気筒2000ccガソリン機関用のコネクテイングロツ
ドを６個形成した。

上述の如く形成されたコネクテイングロツドの
本体及びキヤツプをボルトの締付けトルク
450kgfcmにて締付けることにより、６気筒、総
排気量2000ccのガソリン機関に組込み、全負荷、
回転数5800rpmにて200時間に亙る連続耐久試験
に供した。試験後ガソリン機関を分解してコネク
テイングロツドを調査したところ、コネクテイン
グロツドのボルト挿通孔の周りの部分及び座面に
は有害な傷、変形、ヘタリなどは全く認められな
かつた。試みにボルトの締付けトルクを
550kgfcmまで増大させて上述の実験条件と同一
の条件にて連続耐久試験を行つたところ、この場
合にもボルト挿通孔の周りの部分及び座面には全
く変形や亀裂などは生じなかつた。更にボルト挿
通孔の周りの部分の軸線に沿う方向の熱膨張率を
測定したところ、該部分の熱膨張率は16.4×10^-6
であり、この値はボルトを構成する鋼の熱膨張率
（16×10^-6）と実質的に等しい値であることが解
つた。

また比較の目的で、第１２図の左半分に示され
ている如く、ボルト挿通孔の周りの部分に強化繊
維が充填されなかつた点を除き上述の実施例と同
一の条件にて形成された比較例１としてのコネク
テイングロツド、及び第１２図の右半分に示され
ている如く、ボルト挿通孔の周りの部分にボルト
挿通孔の軸線に沿つて一方向に体積率40％にて配
向されたアルミナ繊維４４（デユポン社製フアイ
バFP（登録商標）、繊維数224000本）が充填され
た点を除き上述の実施例と同一の条件にて形成さ
れた比較例２としてのコネクテイングロツドを形
成した。

これらのコネクテイングロツドをボルトの締付
けトルク450kgfcmにて締付けたところ、比較例
１のコネクテイングロツドに於てはボルト及びナ
ツトの座面が1.8mm陥没し、コネクテイングロツ
ド本体とコネクテイングロツドキヤツプとを適正
に締結することがけきないことが認められた。ま
た比較例１及び比較例２の６個のコネクテイング
ロツドをそれぞれ上述の実施例に於ける連続耐久
試験にて使用されたガソリン機関と同一のガソリ
ン機関に組込み（それぞれのボルトの締付けトル
クは350kgfcm、450kgfcmであつた）、上述の耐
久試験と同一の条件にて耐久試験を行つた。

その結果比較例１のコネクテイングロツドに於
ては、試験開始後10分経過した時点に於て機関出
力の低下が認められた。また試験開始後100時間
経過した時点に於てガソリン機関の運転を停止し
コネクテイングロツドを調査したところ、大端部
とクランクシヤフトとの間に介装されたベアリン
グシートに異常な偏摩耗が生じていることが認め
られ、またボルト座面及びナツト座面にはボルト
挿通孔の軸線に沿つて延びる微小な亀裂が発生し
ていることが認められた。また比較例２のコネク
テイングロツドに於ては、試験開始後30分経過し
た時点に於て（その場合の油温は140℃であつ
た）、機関出力の低下が認められた。但し試験終
了後に於てもボルト挿通孔の周りの部分及びボル
ト及びナツトの座面には亀裂等の不具合は発生し
ていなかつた。更に上述の比較例１及び比較例２
のコネクテイングロツドのボルト挿通孔の周りの
部分の熱膨張率を測定したところ、それぞれの熱
膨張率は23×10^-6、８×10^-6であり、ボルトを構
成する鋼の熱膨張率16×10^-6とは大きく相違する
値であつた。

異常に於ては本発明を特定の実施例について詳
細に説明したが、本発明はかかる実施例に限定さ
れるものではなく、本発明の範囲内にて種々の実
施例が可能であることは当業者にとつて明らかで
あろう。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明によるコネクテイングロツドの
一つの実施例を一部破断して示す正面図、第２図
及び第３図はそれぞれ第１図の線−、線−
による断面図、第４図は本発明によるコネクテ
イングロツドの他の一つの実施例の要部を示す部
分断面図、第５図乃至第７図はそれぞれ第一乃至
第三の強化繊維束を示す斜視図、第８図は長繊維
が螺旋状に配向されることにより形成された円筒
体を示す斜視図、第９図は第５図乃至第７図に示
された強化繊維束及び第８図に示された円筒体を
収容する容器の半体を示す斜視図、第１０図は第
５図乃至第７図に示された強化繊維束と第８図に
示された円筒体と第９図に示された容器の半体と
よりなるコネクテイングロツドのプレフオームを
示す分解斜視図、第１１図は第１０図に示された
プレフオームを用いて行われる鋳造工程を示す断
面図、第１２図は比較例としての従来の二つのコ
ネクテイングロツドを一部破断して示す正面図で
ある。１……コネクテイングロツド本体、２……コネ
クテイングロツドキヤツプ、３……大端孔、４，
５……凹部、６，７……ボルト、８，９……ナツ
ト、１０……大端部、１１，１２……座面、１３
〜１６……ボルト挿通孔、１７，１８……座面、
１９……小端部、２０……小端孔、２１……アー
ム部、２２……第一の強化繊維束、２３，２４…
…第二の強化繊維束、２５，２６……第三の強化
繊維束、２７，２８……軸線、２９，３０……長
繊維、３１……円筒体、３３……合せ面、３４…
…窪み、３５……溝、３６……容器、３７，３８
……パイプ、３９……プレフオーム、４０……鋳
型、４１……アルミニウム合金の溶湯、４２……
プランジヤ、４３……ノツクアウトピン、４４…
…アルミナ繊維。

Claims

【特許請求の範囲】

１それぞれ互いに共働してクランクシヤフトを
受入れる大端孔を郭定する半円柱状の凹部を有し
ボルトにて互いに締結されるコネクテイングロツ
ド本体とコネクテイングロツドキヤツプとよりな
る軽金属製内燃機関用コネクテイングロツドにし
て、前記本体及び前記キヤツプの各々の前記ボル
トを受入れるボルト挿通孔の周りの部分が該ボル
ト挿通孔の軸線の周りに螺旋状に配向され且実質
的に前記ボルト挿通孔の両端間に連続的に延在す
る長繊維にて複合強化され、前記ボルト挿通孔の
周りの部分の前記軸線に沿う方向の熱膨張率が前
記ボルトの熱膨張率と実質的に同一であることを
特徴とする軽金属製内燃機関用コネクテイングロ
ツド。