(57)【要約】【課題】ねじ部先端のかじり防止、応力軽減の効果を確保しながら、超音波式軸力計での計測・管理を可能にするクランクピンボルトを得る。【解決手段】コンロッドの分割された大端部をクランクピンに締結するクランクピンボルト２１において、先端面３５に凹部３７を形成し、かつ凹部３７に、軸線３９に直交方向の平らな底部４１を設けた。なお、クランクピンボルトは、凹部の内周面を、底部に向かって徐々に縮径されるテーパ面としてもよい。この場合、凹部は、底部の直径がボルト外径の２０〜６０％、かつテーパ角度が２０〜１２０度であることが望ましい。【選択図】　　　図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
コンロッドの分割された大端部をクランクピンに締結するクランクピンボルトにおいて、
先端面に凹部を有し、
該凹部が、軸線に直交方向の平らな底部を有することを特徴とするクランクピンボルト。
【請求項２】
請求項１記載のクランクピンボルトにおいて、
前記凹部の内周面が、前記底部に向かって徐々に縮径されるテーパ面であることを特徴とするクランクピンボルト。
【請求項３】
請求項２記載のクランクピンボルトにおいて、
前記底部の直径がボルト外径の２０〜６０％、かつ前記テーパ角度が２０〜１２０度であることを特徴とするクランクピンボルト。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、往復動内燃機関の連接棒をクランクピンに締結するクランクピンボルトに関する。
【０００２】
【従来の技術】
コンロッド（連接棒）は、胴部が例えば断面Ｉ字状に形成され、一端がスモールエンド（小端部）、他端がビッグエンド（大端部）となる。このコンロッドは、小端部がピストンピンに接続され、大端部がクランクピンに接続されて、ピストンの往復運動をクランクシャフトへ伝える。ここで、大端部は、一般的に、クランクピンに外挿される円形部が半円弧状のコンロッド本体側と、同じく半円弧状の固定部材とに直径方向で二分割される。半円弧状の固定部材には直径方向両端に一対のボルト挿通穴が穿設されている。大端部は、半円弧状のコンロッド本体側と、半円弧状の固定部材とでクランクピンを挟み、固定部材の一対のボルト挿通穴に挿通したクランクピンボルトの先端を、コンロッド本体側に設けられた雌ねじに螺合することでクランクピンに取り付けられる。
【０００３】
従来、このクランクピンボルト１は、図１１に示すように、ボルト先端部３に、コンロッド本体側に螺合する雄ねじ部５を有し、先端面には肉抜きした凹部７を形成していた。このクランクピンボルト１では、凹部７を設けることにより、ねじ部先端（所謂食いつき部）３ａのかじりを防止し、同時にねじ底応力を軽減させることができた。そして、この凹部７は、通常、底部７ａに向かって徐々に縮径される円錐テーパ状に形成されるのが一般的であった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、近年、主要な締結ボルトの締め付けにおける軸力管理に、超音波式軸力計が用いられるようになってきている。超音波式軸力計は、金属中を超音波が指向性を持ち、良く伝達される特性を利用した一種の長さ計である。即ち、ボルトの一端に超音波の探触子を付けてパルスを発信する。パルスはボルトの反対面で反射されて探触子に帰ってくる。その時点で時計が止まり、音速と時間から長さを計算する。その動作を繰り返して平均値を測定する。これにより、締結ボルトの締め付け時における伸びを測定し、適切な締め付け力による軸力管理が可能となる。
【０００５】
これは、クランクピンボルトの場合、以下のような理由から、適切な締め付け力の管理が必要となるからである。
即ち、大端部はクランクピンを囲み、荷重を伝達しながら回転するため、真円である必要がある。したがって、大端部は、加工時に、規定の締め付け力を付与した状態で内径の仕上げを行う。そのため、エンジンの組み立て・運転時に締め付け力に過不足があれば、内径に変形が生じ、大端部軸受の磨耗等の不具合が発生してしまう。
また、締め付け力が大き過ぎる場合には、ボルト自身や雌ねじ側の応力過多による折損や、逆に締め付け力の弱い場合には、運転中のボルトの緩み等が生じる。このため、適切な締め付け力の管理が重要となっている。
【０００６】
しかしながら、上記した従来のクランクピンボルトは、先端面に凹部を形成し、この凹部を円錐テーパ状に形成していたので、超音波式軸力計によるパルスの反対面を確保することができず、超音波式軸力計を用いた計測・管理を行うことができなかった。
【０００７】
本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、ねじ部先端のかじり防止、応力軽減の効果を確保しながら、超音波式軸力計での計測・管理を可能にするクランクピンボルトを提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
次に、上記の課題を解決するための手段を、実施の形態に対応する図面を参照して説明する。
この発明の請求項１記載のクランクピンボルト２１，５１は、コンロッドの分割された大端部をクランクピンに締結するクランクピンボルト２１，５１において、
先端面に凹部３７，５３を有し、
該凹部３７，５３が、軸線３９に直交方向の平らな底部４１，５５を有することを特徴とする。
【０００９】
このクランクピンボルト２１，５１では、先端面３５に凹部３７，５３が形成されることで、ねじ部先端３３ａのかじりが防止され、ねじ底の応力軽減の効果が確保されながら、軸線３９に直交方向の平らな底部４１，５５によって超音波の反射が可能となり、超音波式軸力計での計測・管理が実現可能となる。
【００１０】
請求項２記載のクランクピンボルト５１は、請求項１記載のクランクピンボルト５１において、
前記凹部５３の内周面が、前記底部５５に向かって徐々に縮径されるテーパ面５７であることを特徴とする。
【００１１】
このクランクピンボルト５１では、凹部５３の内周面が、底部５５に向かって徐々に縮径されるテーパ面５７となり、隅部５９が直交する二面からなる場合に比べ、ボルト締結時における隅部５９への応力の集中が軽減され、ボルト折損等の不適合が未然に防止可能となる。
【００１２】
請求項３記載のクランクピンボルト５１は、請求項２記載のクランクピンボルト５１において、
前記底部５５の直径がボルト外径の２０〜６０％、かつ前記テーパ角度αが２０〜１２０度であることを特徴とする。
【００１３】
このクランクピンボルト５１では、底部５５の直径がボルト外径の２０〜６０％となることで、超音波式軸力計の計測に必要な最低限の超音波反射面積が確保される。また、テーパ角度αが２０〜１２０度となることで、テーパ角度αが２０度以下である場合の応力集中の急激な増加、及びテーパ角度αが１２０度以上である場合の凹部深さの確保不能を防止して、隅部５９における実効ある応力軽減作用が得られる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係るクランクピンボルトの好適な実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。
図１は本発明に係るクランクピンボルトの第一の実施の形態による一部を半断面にした外観図、図２は本発明に係るクランクピンボルトの第一の実施の形態による要部半断面図である。
【００１５】
図１に示すように、クランクピンボルト２１は、六角柱形状の頭部２３の首下に湾曲部２５、大径部２７とが設けられ、小径部２９が先端に向かって延在し、小径部２９の先端部、即ち、ボルト先端部３１にはコンロッド本体側に螺合する雄ねじ部３３が設けられている。ボルト先端部３１の先端面３５には肉抜きした凹部３７が形成され、凹部３７は軸線３９に直交方向の平らな底部４１を有している。この実施の形態において、凹部３７は、図１に示すように、内径が軸線方向の任意の位置で等しい同径、即ち、ストレート形状となっている。
【００１６】
雄ねじ部３３は、転造により形成される。熱処理は、荒引後、焼入れ、焼戻しが施される。頭部２３の下面側である座面２３ａは、ブラスト処理後、１０〜１５μｍの塗膜厚さでコーティングが施される。
【００１７】
このような構成を有するクランクピンボルト２１を実際に製作する場合の具体的な形状寸法を例示すれば、例えば、全長は２８０ｍｍ、六角柱状頭部２３の平行な対向面間寸法は４１ｍｍ、小径部２９の直径は３０ｍｍ、雄ねじ部３３はＭ３３×２でねじ長３８ｍｍ、凹部３７の深さ１６ｍｍ、底部４１の直径φ１０ｍｍ以上とすることができる。
【００１８】
このクランクピンボルト２１によれば、先端面３５に凹部３７が形成されることで、ねじ部先端３３ａのかじりが防止され、ねじ底の応力軽減の効果が確保される。ねじ部先端３３ａにかじりが発生した場合、部品交換となり、クランクピンボルト２１のみならず、雌ねじ（コンロッド本体側）の交換が必要であれば非常に高価となる。本実施の形態によるクランクピンボルト２１によれば、かじりの発生が抑止できることから、このような部品交換をなくすことができる。これと同時に、軸線３９に直交方向の平らな底部４１によって超音波の反射が可能となり、超音波式軸力計での計測・管理を実現させることができる。
【００１９】
また、かじりの発生が抑止できることは、クランクピンボルト２１の分解・再締め付けを行うメンテナンス時にも有益となる。即ち、メンテナンス時には、シリンダからピストンを抜き出す際、クランクピンボルト２１を外して、大端部を分解し、ピストンとコンロッドとを一緒に上へ抜き出し、組み付け時には、これと逆の手順により大端部をクランクピンに取り付けれるが、この際のクランクピンボルト２１のかじりを有効に抑止することができる。
【００２０】
次に、本発明に係るクランクピンボルトの第二の実施の形態を説明する。
図３はクランクピンボルトの第二の実施の形態による要部半断面図である。なお、図１，図２に示した部材と同一の部材には同一の符号を付し、重複する説明は省略するものとする。
この実施の形態によるクランクピンボルト５１は、凹部５３の内周面が、底部５５に向かって徐々に縮径されるテーパ面５７であることを特徴とする。そして、底部５５の直径はボルトの外径の２０〜６０％、かつテーパ面５７のテーパ角度αが２０〜１２０度であることが望ましい。
【００２１】
このクランクピンボルト５１によれば、凹部５３の内周面が、底部５５に向かって徐々に縮径されるテーパ面５７となる。したがって、内周面と底部５５とからなる隅部５９が直交する二面からなる場合に比べ、ボルト締結時における隅部５９への応力の集中が軽減される。この結果、ボルト折損等の不適合が未然に防止可能となる。
【００２２】
そして、底部５５の直径が１０ｍｍ以上となることで、超音波式軸力計の計測に必要な最低限の超音波反射面積が確保される。また、テーパ角度αが２０〜１２０度となることで、テーパ角度αが２０度以下である場合の応力集中の急激な増加がなくなる。更に、テーパ角度αが１２０度以上である場合の凹部深さの確保不能を防止して、隅部５９における実効ある応力軽減作用が得られるようになる。
【００２３】
【実施例】
次に、上記した第一、第二の実施の形態に開示した構成を有するクランクピンボルトを実際に製作し、その応力評価を行った結果を説明する。
図４はストレート凹部を有するクランクピンボルトの穴応力を表した図、図５はストレート凹部を有するクランクピンボルトの穴部疲労限度線図、図６はストレート凹部を有するクランクピンボルトの凹部応力分布図、図７はテーパ凹部を有するクランクピンボルトの穴応力を表した図、図８はテーパ凹部を有するクランクピンボルトの穴部疲労限度線図、図９はテーパ凹部を有するクランクピンボルトの凹部応力分布図、図１０は締付時における連接棒雌ねじ谷の応力分布比較図である。
【００２４】
ここで、図４，図７において、動応力とは、実際の機関運転時に歪ゲージにより応力計測を行ったデータを示す。単体油圧とは、実機を模擬した油圧の試験装置での計測結果を示す。具体的には、実際の連接棒を用いて、クランクピン及びピストンピンに相当するピンに油圧で荷重を加えた。ＦＥＭとは、有限要素法での解析結果を示す。締付力とは、クランクピンボルトを規定値に締め付けた時の応力を示す。爆発力とは、ピストンにかかる燃焼爆発荷重による応力を示す。慣性力とは、ピストンの往復運動及びクランクピンの回転運動の慣性力による応力を示す。
【００２５】
また、図５，図８において、上記の応力を疲労限度線図によって評価した。疲労限度線図において、平均応力とは、爆発力による作用応力（σｍａｘ　）と、慣性による作用応力（σｍｉｎ　）との差の平均値（（σｍａｘ　−σｍｉｎ　）／２）を示す。応力振幅とは、この平均応力を基準とした場合（即ち、ゼロとした場合）の振れ量を示す。基データとは、文献等からの材料データでの評価を示す。諸因子考慮とは、過負荷や質量効果など設計的に安全率を加味したものを示す。疲労限度線図では、値が疲労限度線から上側へはみ出すと、疲労破壊を起こすことを意味する。したがって、ストレート凹部を有するクランクピンボルト及びテーパ凹部を有するクランクピンボルトのいずれの場合も、各評価点において、諸因子考慮の疲労限度線を下回ることが知見できた。
【００２６】
また、図６，図９において、Ｔは、上記の締付力時の応力を示す。Ｔ＋Ｉは、上記の締付力＋慣性力時の応力を示す。Ｔ＋Ｐは、上記の締付力＋爆発力時の応力を示す。なお、凹部（肉抜穴部）の応力に関しては、従来形状の（水平部分のない）凹部の場合は穴底が球状となり応力の高くなる隅部（コーナー部）が存在せず、本発明に係る形状に比べて応力的には劣っているわけではないため、その評価は省略した。
【００２７】
図１０において、グラフ下方の波線は、クランクピンボルトの雄ねじと、コンロッド側雌ねじとの螺合部断面を示している。即ち、クランクピンボルトは、同図の左側から右側へと雌ねじに挿入されて螺合している。つまり、クランクピンボルトは、右端側がねじ部先端となる。同図から分るように、ねじ部先端の応力は、肉抜き無し、ストレート肉抜き、円錐肉抜き、テーパ肉抜きの順で低くなることが知見できた。
【００２８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る請求項１記載のクランクピンボルトによれば、先端面に凹部を有し、この凹部が、軸線に直交方向の平らな底部を有するので、ねじ部先端のかじり防止、応力軽減の効果を確保しながら、超音波の反射を確実にして、超音波式軸力計での計測・管理を可能にすることができる。
【００２９】
請求項２記載のクランクピンボルトによれば、凹部の内周面が、底部に向かって徐々に縮径されるテーパ面であるので、ボルト締結時に、底部と内周面との隅部に作用する応力を軽減し、ボルト折損等の不適合を未然に防止することができる。
【００３０】
請求項３記載のクランクピンボルトによれば、底部の直径がボルトの外径の２０〜６０％、かつテーパ角度が２０〜１２０度であるので、超音波式軸力計の計測に必要な最低限の超音波反射面積を確保できるとともに、底部と内周面との隅部における実効ある応力軽減作用を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るクランクピンボルトの第一の実施の形態による一部を半断面にした外観図である。
【図２】本発明に係るクランクピンボルトの第一の実施の形態による要部半断面図である。
【図３】クランクピンボルトの第二の実施の形態による要部半断面図である。
【図４】ストレート凹部を有するクランクピンボルトの穴応力を表した図である。
【図５】ストレート凹部を有するクランクピンボルトの穴部疲労限度線図である。
【図６】ストレート凹部を有するクランクピンボルトの凹部応力分布図である。
【図７】テーパ凹部を有するクランクピンボルトの穴応力を表した図である。
【図８】テーパ凹部を有するクランクピンボルトの穴部疲労限度線図である。
【図９】テーパ凹部を有するクランクピンボルトの凹部応力分布図である。
【図１０】締付時における連接棒雌ねじ谷の応力分布比較図である。
【図１１】従来のクランクピンボルトの要部半断面図である。
【符号の説明】
２１，５１…クランクピンボルト
３５…先端面
３７，５３…凹部
３９…軸線
４１，５５…底部
５７…テーパ面
α…テーパ角度
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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