(57)【要約】  軽金属からなるシリンダブロック（２１）のバルクヘッド（２２）に一対のボルト（２４）を介してベアリングキャップ（１）が取り付けられる。ベアリングキャップ（１）は、鉄系金属からなるフレーム（２）と、鋳造された軽合金部（３）と、を有し、フレーム（２）は、ボルト（２４）が貫通する一対の柱部（９）と、円弧形のアーチ部（１０）と、を有する。高温時には、軽合金材料の熱膨張により一対のボルト（２４）のスパンが拡大し、一対の柱部（９）が拡げられる。これに伴いアーチ部（１０）の中央部が上方へ変位するので、軸受クリアランスの増加が抑制される。
2016051600.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
軽金属からなるシリンダブロックのバルクヘッドにボルトを介して取り付けられ、シリンダブロック側の半円形凹部との間で主軸受部を形成する内燃機関のベアリングキャップにおいて、
このベアリングキャップは、鉄系金属からなるフレームと、このフレームを内部に鋳込むように鋳造された軽合金部と、を有し、
上記フレームは、上記ボルトが挿通されるボルト貫通孔を備えた一対の直線状の柱部と、この一対の柱部の先端部を互いに連結した円弧形のアーチ部と、を有する内燃機関のベアリングキャップ。
【請求項２】
クランクシャフト軸方向と直交する平面に沿った断面において、上記軽合金部によって形成される軸受面から該軽合金部と上記フレームとの境界までの半径方向の距離が、上記アーチ部では一定であり、上記柱部では、このアーチ部における距離よりも短い、請求項１に記載の内燃機関のベアリングキャップ。
【請求項３】
上記フレームは、その全体が上記軽合金部によって覆われている、請求項１または２に記載の内燃機関のベアリングキャップ。
【請求項４】
上記柱部のクランクシャフト軸方向に面した端面に、凹部が形成されており、
上記軽合金部は、この凹部内に入り込んだ状態に鋳造されている、請求項１〜３のいずれかに記載の内燃機関のベアリングキャップ。
【請求項５】
上記アーチ部におけるクランクシャフト軸方向に沿った半径方向の断面において、上記軽合金部によって形成される軸受面のクランクシャフト軸方向の中間部に上記アーチ部が埋設されている、請求項１〜４のいずれかに記載の内燃機関のベアリングキャップ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、内燃機関のベアリングキャップ、特に軽合金材料を部分的に用いたベアリングキャップの改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年では、内燃機関のシリンダブロックの多くは、アルミニウム合金等の軽合金にて形成されている。これに対し、クランクシャフトは、相対的に熱膨張率が低い鋼にて形成されているので、ベアリングキャップをアルミニウム合金等の軽合金にて形成すると、温間時に両者の熱膨張差によって軸受クリアランスが拡大し、燃焼力による打音の発生が問題となる。【０００３】
特許文献１，２には、このような軸受クリアランスの拡大を抑制するために、軽合金からなるシリンダブロックの半円形凹部と同じく軽合金からなるベアリングキャップとの双方に、鉄系部材をインサートするようにした構成が開示されている。これらのものでは、主軸受部の全周を鉄系部材が囲っており、主軸受部の熱膨張が抑制される。【０００４】
しかし、このようにシリンダブロック側にも鉄系部材をインサートする構成では、シリンダブロックの重量増加を招来するとともに、シリンダブロックの製造工程が複雑となる問題がある。【０００５】
この発明の目的は、軽合金製のシリンダブロック側の構成を特に変更することなく、温間時の軸受クリアランスの拡大を抑制することができる、軽合金を主体としたベアリングキャップを提供することを目的とする。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平９−１２６２２３号公報
【特許文献２】特開２００２−３４９３４２号公報
【発明の概要】
【０００７】
この発明は、軽金属からなるシリンダブロックのバルクヘッドにボルトを介して取り付けられ、シリンダブロック側の半円形凹部との間で主軸受部を形成する内燃機関のベアリングキャップにおいて、
このベアリングキャップは、鉄系金属からなるフレームと、このフレームを内部に鋳込むように鋳造された軽合金部と、を有し、
上記フレームは、上記ボルトが挿通されるボルト貫通孔を備えた一対の直線状の柱部と、この一対の柱部の先端部を互いに連結した円弧形のアーチ部と、を有する。
【０００８】
鉄系金属からなるフレームに比較して、軽合金製のシリンダブロックおよび軽合金部の熱膨張率は相対的に高い。従って、温度が上昇すると、ベアリングキャップを固定しているバルクヘッドのボルト間のスパンが拡がり、かつ軽合金部も熱膨張するので、フレームの一対の柱部が互いに離れるように拡げられる。この結果、アーチ部の中央部が半径方向内側に変位する。これにより、上下方向に沿った軸受クリアランスの拡大が抑制される。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】この発明に係るベアリングキャップの半断面図。
【図２】同ベアリングキャップの平面図。
【図３】図１のＡ−Ａ線に沿った断面図。
【図４】フレームの斜視図。
【図５】シリンダブロックに取り付けた状態を示す断面図。
【図６】熱膨張による変形状態を誇張して示した断面図。
【図７】フレームの（Ａ）常温時から（Ｂ）高温時への形状変化を説明する説明図。
【図８】本実施例と比較例とで温度変化により生じる径拡大量を対比して示すグラフ。
【図９】フレームの変形に伴う軸受面の変化を示す断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
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。図１〜図３は、この発明に係るベアリングキャップ１の一実施例を示している。このベアリングキャップ１は、鉄系金属からなるフレーム２を、アルミニウム合金等の軽合金材料からなる軽合金部３の内部に鋳込んだ構成であり、予め形成したフレーム２を型内に配置して軽合金材料による軽合金部３の鋳造を行うことにより、両者が一体化されている。
【００１１】
ベアリングキャップ１は、主軸受部の下半部を構成する半円筒面からなる軸受面４を有するとともに、該軸受面４の両側に、機械加工が施された一対の接合面５を有する。そして、各接合面５をそれぞれ貫通するように、一対のボルト貫通孔６が設けられている。一対のボルト貫通孔６は、互いに平行に延びており、軸受面４の両側に位置している。また、前後各々の端面７は、基本的に、クランクシャフト軸方向と直交する平面に沿った平坦面をなしている。
【００１２】
フレーム２は、鋳鉄や鋼等の鉄系金属を材料とした鋳造や鍛造等によって所定形状の一部材として形成されているものであり、図４にも示すように、ボルト貫通孔６ａを有する一対の柱部９と、この一対の柱部９を互いに連結した円弧形のアーチ部１０と、を有する。
【００１３】
上記柱部９は、ボルト貫通孔６ａと平行に（つまり接合面５に直交する方向に）直線状に延びた直方体形状をなし、その先端部９ａの側面に上記アーチ部１０が接続されている。この柱部９のクランクシャフト軸方向に面した各々の端面９ｂには、軽合金部３との物理的係合を得るために、凹部１１がそれぞれ形成されている。
【００１４】
上記アーチ部１０は、図１に示すように軸受面４と同心状に延びている。より詳しくは、アーチ部１０は、図３にも示すように、軸受面４に対しそれぞれ同心な円筒面をなす内周面１０ａおよび外周面１０ｂと、クランクシャフト軸方向と直交する平面に沿った一対の端面１０ｃと、に囲まれた矩形の断面形状を有し、かつ内周面１０ａと外周面１０ｂとの間の半径方向の肉厚が、両端面１０ｃ，１０ｃの間の軸方向長さよりも小さく設定されている。つまり、半径線に沿った各部の断面形状は、柱部９との接続部分を除き一定であり、クランクシャフト軸方向に長い矩形状をなす。
【００１５】
ここで、アーチ部１０の内周面１０ａを仮に１８０°延長した半円を仮想すると、一対の柱部９の互いに対向する内側面９ｃは、この仮想の半円よりも内周側へ張り出している。つまり、円弧形のアーチ部１０は、１８０°よりも小さい角度範囲にあり、内周面１０ａの両端部は、内周側へ張り出した柱部９の内側面９ｃに連続している。なお、一対の内側面９ｃは、アーチ部１０との接合部においては、互いに平行に延びている。
【００１６】
軽合金部３は、上記フレーム２の全体を覆っており、ベアリングキャップ１としての軸受面４、接合面５、端面７は、いずれも軽合金部３によって形成されている。つまり、図１および図３から明らかなように、フレーム２は、ベアリングキャップ１の外部に露出せず、軽合金部３の内部に埋没している。但し、ボルト貫通孔６においては、フレーム２のボルト貫通孔６ａがベアリングキャップ１のボルト貫通孔６の一部として軽合金部３部分のボルト貫通孔６ｂに連続している。換言すれば、フレーム２のボルト貫通孔６ａの内周面は軽合金部３に覆われていない。なお、ボルト貫通孔６の接合面５側の開口端部には、径を拡大した大径部６ｃが設けられており、この大径部６ｃは、接合面５を覆う軽合金部３とフレーム２の柱部９との両者に跨って形成されている。
【００１７】
上記軽合金部３は、フレーム２を内部に鋳込むようにして鋳造されているため、フレーム２の柱部９の凹部１１においては、軽合金部３が凹部１１内に入り込んだ形で固化している。従って、軽合金部３とフレーム２とは、この凹部１１において物理的に堅固に係合し、特に、フレーム２の柱部９の端面９ｂに沿った方向の力の伝達がなされる。
【００１８】
図１に示すように、ベアリングキャップ１をクランクシャフト軸方向と直交する平面に沿った断面で見たときに、軽合金部３とフレーム２との内周側の境界１３は、上述したフレーム２のアーチ部１０の内周面１０ａと柱部９の内側面９ｃとによって画定される。従って、軸受面４から上記境界１３までの距離（換言すればフレーム２の内周側に存在する軽合金部３の半径方向の厚さ）としては、アーチ部１０においては各部で一定であり、柱部９においては、このアーチ部１０における距離よりも短いものとなっている。
【００１９】
また、図３に示すように、クランクシャフト軸方向に沿った半径方向の断面においては、矩形断面をなすアーチ部１０の周囲を全周に亘って囲むように、軽合金部３が矩形断面形状に鋳造されている。軸受面４は、軽合金部３の内周面に形成されており、この軸受面４のクランクシャフト軸方向の中間部にアーチ部１０が埋設されている。すなわち、ベアリングキャップ１のクランクシャフト軸方向寸法のほぼ全長に亘って形成される軸受面４は、アーチ部１０の両端面１０ｃよりもクランクシャフト軸方向（図３の左右方向）にそれぞれ突出している。
【００２０】
次に、図５は、上記のように構成されたベアリングキャップ１を、シリンダブロック２１のバルクヘッド２２下縁に取り付けた状態を示している。シリンダブロック２１は、アルミニウム合金等の軽合金材料を用いてダイキャスト製法等によって鋳造されているものであり、バルクヘッド２２下縁に、主軸受部の上半部を構成する半円形凹部２３が形成されている。ベアリングキャップ１は、このバルクヘッド２２下縁に、一対のボルト２４を介して固定され、バルクヘッド２２側の半円形凹部２３とともに主軸受部を構成する。ボルト２４は、ベアリングキャップ１のボルト貫通孔６を貫通し、かつバルクヘッド２２のネジ孔２５に螺合する。なお、ボルト２４としてスタッドボルトを用い、ベアリングキャップ１の外側に配したナットと組み合わせるようにすることも可能である。また、図示例では、複数の主軸受部をクランクシャフト軸方向に連結するビーム部材２６が、ベアリングキャップ１の下面に重ねて配置されており、このビーム部材２６がベアリングキャップ１とともに一対のボルト２４でもっていわゆる共締めされているが、このビーム部材２６は、本発明において必ずしも必須のものではない。
【００２１】
ここで、ボルト貫通孔６（６ａ，６ｂ）の口径は、ボルト２４の軸部外周面との間の隙間が最小となるように設定されている。つまり、ボルト貫通孔６（６ａ，６ｂ）内にボルト２４を挿通した状態において、その内周面がボルト２４の軸部外周面に実質的に接している。なお、ボルト貫通孔６上端の大径部６ｃに対応してシリンダブロック２１側のネジ孔２５の開口端にも大径部２５ａが形成されており、両者に跨って短い金属管２７が配置されている。
【００２２】
上記のような構成においては、鉄系金属からなるフレーム２に比較して、アルミニウム合金等の軽合金からなるシリンダブロック２１および軽合金部３の熱膨張率が相対的に高い。従って、機関の運転に伴い温度が上昇すると、ベアリングキャップ１を固定しているバルクヘッド２２の一対のボルト２４の間のスパン（図５左右方向の間隔）が拡がる。同時に、ベアリングキャップ１の多くの部分を占める軽合金部３も熱膨張するので、相対的に熱膨張の小さなフレーム２の一対の柱部９が互いに離れるように拡げられる。この結果、一対の柱部９を連結しているアーチ部１０の中央部が上方つまり半径方向内側に変位する。これにより、上下方向に沿った軸受クリアランスの拡大が抑制される。
【００２３】
図６は、シミュレーションにより熱膨張による各部の変形を拡大して描いた説明図であり、図示するように、一対の柱部９が互いに離れるように拡げられる結果、アーチ部１０の中央部が上方に変位し、アーチ部１０を囲む軽合金部３が持ち上げられる。従って、主軸受部の下半部を構成するベアリングキャップ１の軸受面４が楕円形に変形する。これにより、主軸受部は、図６左右方向の径の拡大（熱膨張）に比較して、図上下方向の径の拡大が小さくなり、例えば、過剰な軸受クリアランスによる打音の悪化が抑制される。
【００２４】
図７は、フレーム２の変形を模式的に示した説明図であり、図（Ａ）の常温時（例えば２０℃）には、図４等に示した初期の状態を保っている。温度上昇に伴い、一対の柱部９には、シリンダブロック２１の熱膨張に伴う矢印Ａ１に示す力と、軽合金部３の熱膨張に伴う矢印Ａ２に示す力と、が拡開方向に作用する。この柱部９の拡開に伴い、図（Ｂ）に示す高温時（例えば８０℃）には、アーチ部１０の中央部に矢印Ｂで示す上方への力が発生する。
【００２５】
図８は、上記構成のベアリングキャップ１を用いた主軸受部の熱膨張に伴う径の拡大の実験結果を示している。ここでは、比較例として、全体が軽合金部３と同じアルミニウム合金からなるベアリングキャップを用いた場合の径拡大量を併せて示している。また、図（Ｃ）に示すＤ１，Ｄ２，Ｄ３の３方向について、２０℃から８０℃へと６０℃温度上昇したときの径拡大量（図（Ａ））と、２０℃から１００℃へと８０℃温度上昇したときの径拡大量（図（Ｂ））と、を示している。これらの図に示すように、全体がアルミニウム合金からなるベアリングキャップを用いた場合に比べて、実施例のベアリングキャップ１を用いた場合には、上下方向（Ｄ１）の径の拡大が著しく小さくなる。また、Ｄ２，Ｄ３の斜め方向についても、径の拡大が半減する結果が得られた。
【００２６】
従って、上記実施例のベアリングキャップ１によれば、ベアリングキャップ１のかなりの部分を軽合金材料としてベアリングキャップの軽量化を図りつつ、温間時の軸受クリアランスの増加を抑制することができる。
【００２７】
なお、ベアリングキャップ１の軽合金部３を構成する軽合金材料は、シリンダブロック２１を構成する軽合金材料と同じである必要はなく、各々、適宜な軽合金材料を用いることが可能である。
【００２８】
また、図９は、上記のように温間時にアーチ部１０が上方へ変位しているときのクランクシャフト軸方向に沿った断面を示している。上述したように、軸受面４の軸方向の中間部にアーチ部１０が位置するので、アーチ部１０が上方へ変位したときに、軸受面４の軸方向の中央部が主に上方へ押圧されることとなる。従って、軽合金部３によって構成される軸受面４は、図９に仮想線４Ａとして誇張して示すように、軸方向の中央部が内周側へ膨らんだ凸面となる。そのため、各気筒の交互の燃焼荷重ないし慣性力によりクランクシャフトのジャーナル部３１が傾いたとしても、軸受面４の軸方向両端の端縁４ａつまり両端のエッジがジャーナル部３１外周面に局部的に接触することがない。
【００２９】
このように上記実施例では、軸受面４そのものは常温下で単純な円筒面に加工すれば足りるので、軸受面４の煩雑な凸面加工を要さずに、実際の機関運転時には、軸受面４として理想的な凸面形状を得ることができる。
【図１】
2016051600.tif 000003
【図２】
2016051600.tif 000004
【図３】
2016051600.tif 000005
【図４】
2016051600.tif 000006
【図５】
2016051600.tif 000007
【図６】
2016051600.tif 000008
【図７】
2016051600.tif 000009
【図８】
2016051600.tif 000010
【図９】
2016051600.tif 000011
【国際調査報告】
2016051600.tif 000012
2016051600.tif 000013
2016051600.tif 000014
2016051600.tif 000015