JP4380321B2 - 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、特許文献１および特許文献２が公知となっている。これらは、いずれも、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、かつ他端が前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、前記アッパリンクと前記ロアリンクとは、アッパピンを介して互いに回転可能に連結され、前記コントロールリンクと前記ロアリンクとは、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。

典型的なロアリンクの形状は、例えば特許文献１の図１あるいは特許文献２の図４に示されている。

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（ただし、吸入・圧縮・燃焼・排気のエンジンの各行程に応じて支点と力点の関係は異なる。）。したがって、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。そのため、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回転可能に保持する軸受ハウジング部あるいはピンボス部を、部材として一体にした形状をなしている。また、クランクシャフトに対する組み立て性を確保するために、クランクピンの軸受ハウジング部は、半円状の孔を有する部品二つをボルトで互いに締結する構成となっている。

また、ロアリンクは、クランクピンの軌跡円上を並進移動しつつクランクピン中心を軸に揺動運動する運動部品であり、その質量と慣性モーメントが大きいほど他の主運動部品や機関本体に対して大きな慣性力を付与することになる。したがって、ロアリンクは、強度上の要求に加えて、可能な限り軽量にする必要がある。また、ロアリンクの重心位置によっては上述の揺動運動によって大きな慣性力を発生することになる。揺動運動による慣性力を低減するためには、特許文献３で説明されている通り、一般的にはロアリンクの重心位置はクランクピン中心に近いことが望ましい。ただし、他の運動部品の揺動運動による慣性力との相殺効果を狙う場合には、クランクピン中心と厳密に一致する場所ではなく若干ずれた位置が望ましい場合もあり得る。
特開２００１−２２７３６７号公報 特開２００２−６１５０１号公報 特開２００２−１２９９９５号公報

ところで、前記のロアリンクの具体的構造として、図４，図５に示すように、アッパピン用ピンボス部５を有し、かつクランクピンが嵌合する軸受ハウジング２の半割部の一方を有するロアリンクアッパ部品６と、コントロールピン用ピンボス部７を有し、かつ前記軸受ハウジング２の半割部の他方を有するロアリンクロア部品８とに分割して構成し、ロアリンクアッパ部品６とロアリンクロア部品８とを、両者の接合面のうちの、軸受ハウジング２を間に挟んでアッパピン寄りの部位４Ａとコントロールピン寄りの部位４で夫々ボルト９，１０によって締結することが検討されている。

この図４，図５に示すロアリンク１の場合、軸受ハウジング２の両側に配置されるボルト９，１０は、いずれも頭部が下方側に向くようにロアリンクロア部品８側から締め込まれ、ボルト９，１０の各先端側がロアリンクアッパ部品６の袋状のねじ穴１１，１２４に螺合されている。

しかし、このような構造のロアリンク１においては、以下のような課題が存在する。

例えば、内燃機関の燃焼行程においてロアリンク１に入力される力を考慮すると、アッパピン用ピンボス部５からは燃焼荷重１２１が入力され、ロアリンク１がクランクピンに燃焼荷重を伝達した反作用１２２が軸受ハウジング２から入力され、ロアリンク１の運動姿勢を制御するための力１２３がコントロールピン用ピンボス部７から入力される。この際、クランクピンからの入力１２２とコントロールピンからの入力１２３に着目すると、両者は互いにおよそ反対方向の力となるが、それによりボルト１０が図中下方に引っ張られることになる。そして、ボルト１０がこのように引っ張られた際にロアリンクアッパ部品６とロアリンクロア部品８が離れるのを防止するために、ボルト９，１０には予め充分大きな軸力が与えられているが、この軸力に加えて上記の引っ張り力が作用することによって、ロアリンクアッパ部品６側のねじ穴１２４のねじ山１２５には図中下方に向かう大きな力が作用する。

また、ロアリンクアッパ部品６のみに着目すれば、クランクピンからの力１２２と前記の引っ張り力によって、ロアリンクアッパ部品６が軸受ハウジング２を支点にして左斜め下方に曲げられようとするために、ねじ穴１２４のねじ山１２５付近には曲げによる応力も作用する。

したがって、このロアリンク１の構造においては、前記の引っ張り力と曲げ力とが合成されることによってねじ山１２５付近には複雑な応力場が形成され、充分な強度を確保するのが難しいというのが実情である。

なお、ロアリンク１はロアリンクアッパ部品６とロアリンクロア部品８との合わせ面と夫々の荷重１２１〜１２３のなす角度が直角にはならず、これらの荷重１２１〜１２３を受けた際に合わせ面にずれを発生させるような分力が作用する。そして、このように合わせ面にずれが発生すると微動摩耗等のトラブルが発生したり、軸受ハウジング２の真円度が悪化して摩擦抵抗の増大を招く等の不具合を招くため、このような観点からもボルト９，１０の軸力（締め付け力）をより大きくしたいという要求があり、このような要求を満たすためにも前記のねじ山１２５付近の強度確保が一つのネックとなっている。

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、かつ他端が前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、そのロアリンクの構造を改良したものである。

本発明のロアリンクは、ロアリンクアッパ部品とロアリンクロア部品とに分割して構成したものであり、その両部品は、両者の接合面のうちの、軸受ハウジング部を間に挟んでアッパピン寄りの部位とコントロールピン寄りの部位で夫々ボルトによって締結し、コントロールピン寄りに配置されるボルトは、その頭部がロアリンクアッパ部品側に位置されるように、同ロアリンクアッパ部品側から締結するようにした。

本発明によれば、コントロールピン寄りに配置されるボルトがロアリンクアッパ部品側から締結されるため、ロアリンクアッパ部品のコントロールピン寄りのボルト挿通孔をねじ山のない、若しくは、ボルトとの噛合いの少ない孔形状とすることができる。したがって、クランクピンとコントロールピンによって大きな曲げ荷重の作用するロアリンクアッパ部品のコントロールピン寄りのボルト挿通孔周辺部に応力集中が生じにくくなり、この部分の強度確保が容易かつ確実になる。

以下、本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。

図１〜図３は、本発明に係るロアリンク１０１を示している。このロアリンク１０１は、前述した特許文献１や特許文献２によって公知となっている複リンク式のピストンクランク機構に用いられるものであり、図示せぬアッパリンクとコントロールリンクとクランクピン（クランクシャフト）との三者を互いに連結する部品である。コントロールリンクのロアリンク１０１と逆側の端部は制御軸上の偏心カムに回動可能に支持され、制御軸は機関運転条件に応じて回動制御されるようになっている。尚、この実施形態においては、偏心カム、制御軸、制御軸を回動するアクチュエータ等によって機関圧縮比を変更・制御する可変圧縮比手段が構成されている。そして、この可変圧縮比手段は軽負荷条件では機関圧縮比を高くするようになっている。

図１は、ロアリンク１０１を厚さ方向（クランクシャフト軸方向）の中心面（図３の上面図におけるＡ−Ａ線に沿った面）で切断した断面図であり、図２は、このロアリンク１０１をクランクシャフトの軸方向から見た正面図、図３は、このロアリンク１０１の上面図である。

ロアリンク１０１は、クランクピンへの組み立て性のために、アッパピン用ピンボス部５を有するロアリンクアッパ部品６と、コントロールピン用ピンボス部７を有するロアリンクロア部品８とに分割して構成され、両者が一対のボルト９，１０によって締結されている。そして、図示せぬシリンダが上下に配置されているとすると、クランクケース内で前記ロアリンクアッパ部品６は上側に、前記ロアリンクロア部品８は下側にそれぞれ位置している。

ロアリンク１０１は、クランクピンが嵌合される軸受ハウジング２の中心軸３を通る面（接合面）でロアリンクアッパ部品６とロアリンクロア部品８に分割され、軸受ハウジング２は、半割り構造としてその半割部の一方がロアリンクアッパ部品６に、他方がロアリンクロア部品８に夫々形成されている。両部品６，８を結合するボルト９，１０は、両者の接合面のうちの、軸受ハウジング２を間に挟んでアッパピン寄り部位４Ａとコントロールピン寄り部位４に配置されており、アッパピン寄りのボルト９は、ロアリンクロア部品８の下面側から挿入され、ロアリンクアッパ部品６に形成された袋状のねじ孔１１１に螺合されている。一方で、コントロールピン寄りのボルト１０は、ロアリンクアッパ部品６の上面側から挿入され、ロアリンクロア部品８に形成されたねじ孔１２に螺合されている。

なお、図３の上面図からわかるように、アッパピン用ピンボス部５はロアリンク１０１の厚さ方向の中心面１６を貫通するように一ヵ所に形成されており、コントロールピン用ピンボス部７は中心面１６を間に挟んで対向する二ヶ所に分離して形成されている。つまり、コントロールピン用ピンボス部７は二股構造となっており、この二股の内側の溝状の空間１７に、図示せぬコントロールリンクの一端部が配置されるようになっている。

このロアリンク１０１が、図４，図５に示すロアリンク１のように、燃焼時の荷重１２１〜１２３を受けると、ロアリンクアッパ６部品とロアリンクロア部品８が分離させられようとするが、ボルト９，１０によってその分離が阻止される。この際、コントロールピン側のボルト１０は、ロアリンクロア部品８側のねじ孔１２のねじ山と噛合う部分とロアリンクアッパ部品６側の座面１３との間で引っ張り荷重を受けるが、反対にロアリンクアッパ部品６のボルト挿通孔１４の周辺部は両部品６，８の接合面と座面１３との間で圧縮荷重を受けることになる。なお、ボルト挿通孔１４はねじ山のない若しくはねじの噛み合いの少ない孔形状となっている。

この実施形態のロアリンク１０１は、ロアリンクアッパ部品６側のボルト挿通孔１４が噛合いによる応力が作用しにくい形状になっていることに加え、ボルト挿通孔１４の周辺部に作用するボルト１０による圧縮力が部材の厚さ全体にわたって略均一となるため、ロアリンクアッパ部品６側のボルト挿通孔１４周辺部の応力集中を確実に防止することができる。

なお、ロアリンクロア部品８側のねじ孔１２には、図３，４に示したロアリンク１におけるロアリンクアッパ部品６側のねじ穴１２４と同様の応力集中等の問題が発生することが考えられるが、以下の理由によってその問題発生は少なくなっている。

まず、第１に、燃焼時における入力荷重の向きがロアリンクロア部品８側の方がロアリンクアッパ部品６側よりも有利になっており、第２に、コントロールピン用ピンボス部７を支えるために軸受ハウジング２と同ピンボス部７との間に大きなリブ１５が設けられ、その周辺部の強度・剛性が充分に確保されているため、ロアリンクロア部品８のねじ孔１２の周辺部には応力集中が生じにくい。

さらに、第３に、ロアリンクロア部品８のねじ孔１２は、二股状のコントロールピン用ピンボス部５の間の空間１７に向かって貫通しており、袋状に形成されていないため、ボルト１０の先端部が螺合される部位の近傍に応力が集中しにくくなる。

また、このロアリンク１０１においては、アッパピン寄りのボルト９の頭部がロアリンクロア部品８の下面側に配置される一方で、コントロールピン寄りのボルト１０の頭部がアッパリンク部品６の上面側に配置されているため、両ボルト９，１０の頭部が軸受ハウジング２を挟んで略対称の位置になり、ロアリンク１０１全体の重心位置をクランクピン中心軸３に近づけて、慣性力を抑制するうえで有利となる。この特性は、換言すれば、ボルト１０のサイズを拡大した場合にもボルト頭部による重量アンバランスが小さいということであり、ロアリンクアッパ部品６とロアリンクロア部品８をより強固に締結するためにボルトサイズを拡大する上で有利となる。

さらにまた、各ボルト１０，９の頭部が当接するロアリンクアッパ部品６側の座面１３とロアリンクロア部品８側の座面１８の周囲には、軸受ハウジング２側の屹立ブロック部分から連続するように補強リブ１９，２０が夫々設けられている。このリブ１９，２０が設けられていることにより、ロアリンク１０１がピストンからの燃焼荷重や各運動部品の慣性荷重を受けた際に、軸受ハウジング２や各ピンボス部５，７からの荷重によりロアリンクアッパ部品６とロアリンクロア部品８が変形するのを抑制することができる。特に、各座面１３，１８の軸受ハウジング２よりの隅部２１，２２を支点として各部材が曲げ変形し、隅部２１，２２に応力集中が生じるのを効果的に防止することができる。

今、仮に補強リブ１９，２０を設けなかったと仮定すると、上記の隅部２１，２２の応力集中を避けるためにロアリンク全体の肉厚を厚くして、各座面１３，１８から両部品６，８の接合面までの距離を大きくしなければならない。この場合、ロアリンク全体の重量や慣性モーメントが増大し慣性力抑止上不利になるが、この実施形態のように補強リブ１９，２０を設けることにより、充分な強度と剛性を確保したまま各座面１３，１８から接合面までの距離を小さくして、ロアリンク１０１の小型化を図ることができる。なお、補強リブ１９は、図３に示すようにロアリンクアッパ部品６の軸受ハウジング２側からボルト１０の中心軸線２３よりも外側（図中右側）まで延出しており、これによって座面１３付近の補強効果が充分に得られるようになっている。

また、ボルト９，１０の頭部は、図３に示すように、内周が六角形状の凹部からなる操作穴３０が形成されており、この操作穴３０に六角形状の工具を挿入してボルト１０を回転させる構造となっている。ボルトの頭部の外形を六角形状にし、六角形状の凹部を備えた工具によってボルトの頭部を回転させることも考えられるが、この場合、ボルトの頭部の外側に工具を介在させるための充分な空間を確保しなければならないため、補強リブとボルトの頭部の間のクリアランスを大きくせざるを得ない。この場合、補強リブの厚さが制限されたり、ボルトの頭部の大きさ、ひいては、ボルトねじ部の太さが制限されるおそれがあるが、この実施形態のものはスペース効率に優れており、限られた空間内に太いボルト９，１０を設置することができる。したがって、ロアリンクアッパ部品６とロアリンクロア部品８をより強固に締結するうえで有利である。

なお、この実施形態ではボルト９，１０を回転させるための操作穴３０の形状を六角形状としたが、これらのボルト９，１０は大きな軸力を発生させる必要があり、大トルクで締め付けなければならないために、操作穴３０を大トルクでの締め付けの可能な六角形状以外の変形多角形状に形成することも可能である。

次に、各請求項の発明に特有な作用効果について列記する。

請求項２の発明によれば、コントロールピン寄りに配置されるボルトの頭部がロアリンクアッパ部品側に位置され、アッパピン寄りに配置されるボルトの頭部がロアリンクロア部品側に位置されることになるため、両側のボルトの頭部が軸受ハウジングを挟んで略対称となり、ロアリンクの重心位置を他の部品への慣性力の伝達を最小にする上で最適な位置に近づけることが可能となる。

請求項３の発明によれば、ボルトの先端側が螺合されるロアリンクロア部品のコントロールピン寄りのねじ孔が袋形状でないため、ねじ孔のボルト先端側螺合部における応力集中を有効に回避することができる。

請求項４の発明によれば、軸受ハウジングと各ピンボス部からの逆向きの荷重入力によってロアリンクを曲げるような荷重が作用した場合であっても、ボルトの座面の角部からロアリンクが座屈変形するのを補強リブによって確実に規制することができる。

請求項５の発明によれば、補強リブが各ボルトの中心軸線よりもクランクピン中心から離間する方向に延出するため、各ピンボス部からの荷重入力による座屈変形をより効果的に防止することができる。換言すれば、ロアリンクの曲げ変形に対して充分な強度と剛性を確保するという制約条件の中において、ボルト頭部の座面をロアリンクアッパ部品とロアリンクロア部品の接合面により近づけることが可能になる。したがって、ボルト頭部の配置空間も含めてロアリンクをより小型にすることが可能になり、重量と慣性モーメントの低減ひいては慣性力の低減を図ることができる。

請求項６の発明によれば、ボルトの頭部の外側に工具を嵌合してボルトをねじ操作する場合に比較して、工具が補強リブと干渉しにくくなる。したがって、ボルトの頭部を大きくし、ひいてはボルト軸部を太くすることが可能となるため、ロアリンクアッパ部品とロアリンクロア部品をより強力な軸力で締め付け、両部品の接合面の口開きやずれといった問題を確実に回避することができる。

本発明の一実施形態を示す図３のＡ−Ａ線に沿った断面図。 同実施形態のロアリンクをクランクシャフト軸方向から見た正面図。 同実施形態のロアリンクの上面図。 本発明の開発段階で考え出されたロアリンクをクランクシャフト軸方向から見た正面図。 同ロアリンクの縦断面図。

符号の説明

２…軸受ハウジング
５…アッパピン用ピンボス部
６…ロアリンクアッパ部品
７…コントロールピン用ピンボス部
８…ロアリンクロア部品
９，１０…ボルト
１２…ねじ孔
１９，２０…補強リブ
３０…操作穴
１０１…ロアリンク

Claims (8)

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、かつ他端が前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、
   前記ロアリンクは、
   前記アッパピンを保持するアッパピン用ピンボス部を有し、かつ前記クランクピンが嵌合する軸受ハウジング部の半割部の一方を有するロアリンクアッパ部品と、
   前記コントロールピンを保持するコントロールピン用ピンボス部を有し、かつ前記クランクピンが嵌合する軸受ハウジング部の半割部の他方を有するロアリンクロア部品と、に分割して構成し、
   前記ロアリンクアッパ部品とロアリンクロア部品とは、両者の接合面のうちの、前記軸受ハウジング部を間に挟んでアッパピン寄り部位とコントロールピン寄り部位で夫々ボルトによって締結し、
   前記コントロールピン寄りに配置されるボルトは、その頭部がロアリンクアッパ部品側に位置されるように、同ロアリンクアッパ部品側から締結す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. 前記アッパピン寄りに配置されるボルトは、その頭部がロアリンクロア部品側に位置されるように、同ロアリンクロア部品側から締結す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. 前記コントロールピン寄りに配置されるボルトの先端側が螺合されるロアリンクロア部品のねじ孔は貫通していることを特徴とする請求項１または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. 前記ロアリンクアッパ部品とロアリンクロア部品の前記各ボルトの頭部が当接する座面の周域には、各座面と垂直に延出する補強リブを形成した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. 前記補強リブは、ボルトの中心軸線よりもクランクピン中心から離間する方向に延出するように形成した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. 前記ボルトの頭部には、ねじ操作用の多角形工具が嵌合される操作穴を形成した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. 前記コントロールリンクの一端の揺動支点位置を機関運転条件に応じて変更することにより、機関圧縮比を変更・制御する可変圧縮比手段を有することを特徴とする請求項１〜６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. 前記可変圧縮比手段は、軽負荷条件では機関圧縮比を高く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。
   

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