コンロッド、内燃機関、自動車両およびコンロッドの製造方法
【課題】優れた機械的特性を部位ごとに有し、且つ、十分な軽量化を行い得るコンロッドを提供する。
【解決手段】本発明によるコンロッドは、ロッド本体部１０と、ロッド本体部１０の一端に設けられた小端部２０と、ロッド本体部１０の他端に設けられた大端部３０とを有し、大端部３０がロッド本体部１０に向かってすぼむように湾曲したアール部３０Ｒを含むコンロッドである。大端部３０は、ロッド本体部１０とは異なる組成の金属材料で形成されてロッド本体部１０に接合されており、大端部３０とロッド本体部１０との接合箇所Ｗは、アール部３０Ｒのロッド本体部１０側の端ＲＥよりも小端部２０側に位置している。
【解決手段】本発明によるコンロッドは、ロッド本体部１０と、ロッド本体部１０の一端に設けられた小端部２０と、ロッド本体部１０の他端に設けられた大端部３０とを有し、大端部３０がロッド本体部１０に向かってすぼむように湾曲したアール部３０Ｒを含むコンロッドである。大端部３０は、ロッド本体部１０とは異なる組成の金属材料で形成されてロッド本体部１０に接合されており、大端部３０とロッド本体部１０との接合箇所Ｗは、アール部３０Ｒのロッド本体部１０側の端ＲＥよりも小端部２０側に位置している。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、コンロッドおよびその製造方法に関する。また、本発明は、コンロッドを備えた内燃機関や自動車両にも関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車両の内燃機関には、クランクシャフトとピストンとを連結するためにコンロッド（あるいはコネクティングロッド）と呼ばれる部材が用いられている。図１６に、一般的なコンロッド４０１を示す。コンロッド４０１は、棒状のロッド本体部４１０と、ロッド本体部４１０の一端に設けられた小端部４２０と、ロッド本体部４１０の他端に設けられた大端部４３０とを有している。
【０００３】
小端部４２０は、ピストンピンを通すためのピストンピン孔４２５を有し、ピストンピンを介してピストンに接続される。一方、大端部４３０は、クランクピンを通すためのクランクピン孔４３５を有し、クランクピンを介してクランクシャフトに接続される。
【０００４】
大端部４３０は、ロッド本体部４１０の一端に連続するロッド部４３３と、ロッド部４３３にボルト４４０によって結合されるキャップ部４３４とに分割されている。そのため、図１６に示したコンロッド４０１は、分割型のコンロッドと呼ばれる。コンロッドとしては、他に、大端部が分割されないタイプのコンロッドも知られている。
【０００５】
従来、コンロッドの材料としては鋼が広く用いられてきたが、近年、チタン合金を用いることが提案されている（例えば特許文献１）。チタン合金を用いてコンロッドを軽量化することにより、クランクシャフトその他のエンジン部品を軽量化できるので、エンジン全体をより軽量化できる。そのため、出力の向上や燃料消費量の削減が可能になる。
【特許文献１】特開昭６０−２４７４３２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、コンロッドの材料としてチタン合金を用いると、以下のような問題が発生することがわかった。
【０００７】
コンロッドに要求される機械的特性は部位ごとに異なる。例えば、コンロッドの小端部やロッド本体部は、使用中に疲労破壊したり衝撃破壊したりしないように、高い強度、高い靭性を有することを要求される。一方、コンロッドの大端部は、クランクピンとの摩擦を小さくするために、クランクシャフトの回転運動によってもクランクピン孔の内周面が変形しないこと、つまり、高剛性、高弾性係数を有し、高速運転をしても変形しにくいことを要求される。
【０００８】
そのため、鋼に比べて弾性係数の低いチタン合金をコンロッドの材料として用いると、軽量化は果たせるものの大端部の剛性が不足してしまう。また、十分な剛性が得られるような大きさにすると、軽量化の利点が失われてしまう。
【０００９】
そこで、本願発明者は、コンロッドの部位ごとに異なる金属材料を用いることを着想した。異なる組成の金属からなる複数の部材を接合してコンロッドを形成することにより、コンロッドの部位ごとに所望の機械的特性を与えることができる。例えば、小端部やロッド本体部には軽量で疲労強度に優れた金属材料を用いる一方で、大端部には高剛性、高弾性係数の金属材料を用いることにより、大端部の剛性を確保しつつ、軽量化を図ることができる。
【００１０】
しかしながら、本願発明者が詳細な検討を行ったところ、このような手法を用いても、実際には十分な軽量化を行うのは難しいことがわかった。コンロッドは、ピストンから伝えられる爆発力をクランクシャフトに伝達するので、高い強度が要求される。そのため、複数の部材を接合することによってコンロッドを形成すると、接合箇所の強度が低下し、十分な強度が得られない。また、低下する強度を補うためにコンロッドを肉厚にして接合箇所の断面積を大きくすれば、その分重量の増加を招いてしまい、異なる金属材料を用いるメリットを得られない。
【００１１】
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、優れた機械的特性を部位ごとに有し、且つ、十分な軽量化を行い得るコンロッドおよびその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明によるコンロッドは、ロッド本体部と、前記ロッド本体部の一端に設けられた小端部と、前記ロッド本体部の他端に設けられた大端部と、を有し、前記大端部は、前記ロッド本体部に向かってすぼむように湾曲したアール部を含むコンロッドであって、前記大端部は、前記ロッド本体部とは異なる組成の金属材料で形成されて前記ロッド本体部に接合されており、前記大端部と前記ロッド本体部との接合箇所は、前記アール部の前記ロッド本体部側の端よりも前記小端部側に位置しており、そのことによって上記目的が達成される。
【００１３】
ある好適な実施形態において、前記ロッド本体部は、前記大端部よりも比重の小さい材料から形成されている。
【００１４】
ある好適な実施形態において、前記大端部と前記ロッド本体部とは摩擦圧接により接合されている。
【００１５】
ある好適な実施形態において、前記小端部および前記ロッド本体部は、前記大端部よりも比強度の高い材料から形成されている。
【００１６】
ある好適な実施形態において、前記小端部および前記ロッド本体部は、チタン合金、アルミニウム合金またはマグネシウム合金から形成されている。
【００１７】
ある好適な実施形態において、前記小端部および前記ロッド本体部は、マルエージング鋼、合金鋼または炭素鋼から形成されている。
【００１８】
ある好適な実施形態において、前記大端部は、高炭素鋼、非調質鋼または焼結鍛造材から形成されている。
【００１９】
ある好適な実施形態において、前記大端部は鉄合金から形成されており、前記小端部および前記ロッド本体部はチタン合金から形成されている。
【００２０】
ある好適な実施形態において、前記大端部の表面から深さ０．２ｍｍまでの平均炭素含有量は０．３質量％未満であり、前記アール部の前記ロッド本体部側の端から前記接合箇所までの距離は３ｍｍ以上である。
【００２１】
ある好適な実施形態において、前記大端部の表面から深さ０．２ｍｍまでの平均炭素含有量は０．３質量％以上０．５質量％以下であり、前記アール部の前記ロッド本体部側の端から前記接合箇所までの距離は５ｍｍ以上である。
【００２２】
ある好適な実施形態において、前記大端部の表面から深さ０．２ｍｍまでの平均炭素含有量は０．５質量％を超え、前記アール部の前記ロッド本体部側の端から前記接合箇所までの距離は７ｍｍ以上である。
【００２３】
本発明による内燃機関は、上記の構成を有するコンロッドを備えている。
【００２４】
本発明による自動車両は、上記の構成を有する内燃機関を備えている。
【００２５】
本発明によるコンロッドの製造方法は、ロッド本体部、前記ロッド本体部の一端に設けられた小端部、および前記ロッド本体部の他端に設けられた大端部を有するコンロッドの製造方法であって、第１の金属材料から形成された第１の部材を用意する工程と、前記第１の金属材料とは異なる組成の第２の金属材料から形成された第２の部材を用意する工程と、前記第１の部材と前記第２の部材とを直動摩擦圧接により接合する工程と、を包含し、そのことによって上記目的が達成される。
【００２６】
ある好適な実施形態において、前記大端部は、前記ロッド本体部に向かってすぼむように湾曲したアール部を含み、前記接合工程は、前記第１の部材と前記第２の部材との接合箇所が、前記アール部の前記ロッド本体部側の端よりも前記小端部側に位置するように行われる。
【００２７】
ある好適な実施形態において、前記大端部は、クランクピンが挿通される貫通孔を有し、前記接合工程は、前記第１の部材と前記第２の部材とを、前記貫通孔の中心軸方向と前記ロッド本体部の延びる方向とに直交する方向に沿って擦り合わせるように行われる。
【００２８】
ある好適な実施形態において、前記大端部は、クランクピンが挿通される貫通孔を有し、前記接合工程は、前記第１の部材と前記第２の部材とを前記貫通孔の中心軸方向に沿って擦り合わせるように行われる。
【発明の効果】
【００２９】
本発明によるコンロッドでは、小端部およびロッド本体部と、大端部とが異なる組成の金属で形成されている。そのため、小端部およびロッド本体部と大端部とで異なる機械的特性を実現でき、コンロッドの部位ごとに優れた機械的特性を付与することができる。
【００３０】
本発明によるコンロッドでは、さらに、大端部とロッド本体部との接合箇所は、大端部のアール部のロッド本体部側の端よりも小端部側に位置している。このように、本発明によるコンロッドでは、最も応力の集中するアール部の端からずれた位置に接合箇所が設けられているので、接合による強度の低下を補うために接合箇所の断面積を増やす必要が少ない。そのため、優れた機械的特性を確保しつつ、十分な軽量化を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を説明する。なお、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。
【００３２】
図１に、本実施形態におけるコンロッド１を示す。コンロッド１は、図１に示すように、棒状のロッド本体部１０と、ロッド本体部１０の一端に設けられた小端部２０と、ロッド本体部１０の他端に設けられた大端部３０とを有している。
【００３３】
小端部２０には、ピストンピンを通すための貫通孔（「ピストンピン孔」と呼ばれる。）２５が形成されている。一方、大端部３０には、クランクピンを通すための貫通孔（「クランクピン孔」と呼ばれる。）３５が形成されている。クランクピン孔３５は、典型的にはピストンピン孔２５よりも大径である。
【００３４】
以下の説明においては、ロッド本体部１０の延びる方向を「長手方向」と呼び、クランクピン孔３５の中心軸の方向を「軸方向」と呼ぶ。また、長手方向および軸方向に直交する方向を「幅方向」と呼ぶ。また、図面において、長手方向を矢印Ｚで示し、軸方向を矢印Ｘで示し、幅方向を矢印Ｙで示す。
【００３５】
大端部３０は、図２に示すように、ロッド本体部１０の端に連続するロッド部３３と、ロッド部３３にボルト４０によって結合されるキャップ部３４とに分割されている。ロッド部３３とキャップ部３４とは、破断分割法によって分割されていることが好ましい。破断分割法とは、ロッド部３３およびキャップ部３４を一体に形成した後に脆性破断によって分割する工法である。この工法によれば、ロッド部３３およびキャップ部３４の破断面Ｆに、脆性破断によって微細な凹凸が相補的に形成される。ロッド部３３およびキャップ部３４の破断面Ｆが互いに相補的な凹凸を有することにより、ロッド部３３とキャップ部３４の位置決めが正確になされる。また、破断面Ｆの凹凸同士が嵌合することによって、ロッド部３３とキャップ部３４との結合がより強固となり、大端部３０全体の剛性が向上する。
【００３６】
本実施形態におけるコンロッド１は、大端部３０が小端部２０およびロッド本体部１０とは異なる組成の金属で形成されてロッド本体部１０に接合されている点において、従来のコンロッドと異なっている。図１および図２には、大端部３０とロッド本体部１０との接合箇所を参照符号Ｗで示している。
【００３７】
コンロッド１の大端部３０には、疲労強度はさほど重要ではなく、高剛性、高弾性係数であることが必要とされる。また、上述した破断分割法を用いる場合には、脆性破断が容易であることも重要である。一方、小端部２０およびロッド本体部１０には、高剛性、高弾性係数であることよりも、疲労強度が高いことが必要とされる。従来のコンロッドでは、すべての部分が同じ材料を用いて一体に形成されるので、上述した好ましい条件をすべて満足させることは難しかった。
【００３８】
本実施形態では、大端部３０が小端部２０およびロッド本体部１０とは異なる組成の金属で形成されているので、コンロッド１の部位ごとに優れた機械的特性を実現することができる。具体的には、大端部３０を高剛性で高弾性係数を有する（さらには破断分割の容易な）金属材料で形成し、小端部２０およびロッド本体部１０を疲労強度の高い金属材料から形成することによって、コンロッド１の機械的特性に好ましい分布（従来のコンロッドでは得られなかった分布）を持たせることができる。さらに、小端部２０およびロッド本体部１０を大端部３０よりも比重（密度）の小さい金属材料から形成することによって、大端部３０の剛性を確保しつつコンロッド１全体の軽量化を図ることができる。例えば、大端部３０を鉄合金から形成し、小端部２０およびロッド本体部１０をチタン合金から形成することによって、軽量で、且つ、機械的特性に優れたコンロッド１が得られる。
【００３９】
本実施形態におけるコンロッド１は、さらに、大端部３０とロッド本体部１０との接合箇所Ｗの位置にも特徴を有している。大端部３０は、図１に示すように、ロッド本体部１０に向かってすぼむように湾曲した（つまり内側に向かって凹む）アール部３０Ｒを含んでおり、接合箇所Ｗは、このアール部３０Ｒの端（ロッド本体部１０側の端）ＲＥよりも小端部２０側に位置している。
【００４０】
小端部２０およびロッド本体部１０の材料として大端部３０よりも比重（密度）の小さい金属材料を用いることによる軽量化効果を最大限に得るためには、アール部３０Ｒの端ＲＥで接合を行う（つまりアール部３０Ｒの端ＲＥと接合箇所Ｗとを一致させる）ことが好ましいと一見思える。しかしながら、複数の部材同士を接合した場合、接合箇所Ｗの強度が低下してしまうので、コンロッド１においてもっとも応力がかかるアール部３０Ｒの端ＲＥで接合を行うと、強度不足を補うために接合箇所Ｗの断面積を大きくする必要がある。そのため、その分重量が増加し、十分な軽量化を行うことができない。
【００４１】
これに対し、本実施形態のように、最も応力の集中するアール部３０Ｒの端ＲＥからずれた位置に接合箇所Ｗを設けると、接合による強度の低下を補うために接合箇所Ｗの断面積を増やす必要が少ない。そのため、優れた機械的特性を確保しつつ、十分な軽量化を図ることができる。
【００４２】
なお、小端部２０から大端部３０に向かう方向（図１中の長手方向Ｚ）に沿ってコンロッド１の断面積の変化を考えると、ロッド本体部１０では小端部２０側から大端部３０側に向かうにつれて断面積は一定の割合で増加する。そのため、典型的には、アール部３０Ｒの端ＲＥは、この断面積の増加率が一定の値から変化する（より高くなる）部分と規定される。
【００４３】
大端部３０とロッド本体部１０との接合は、種々の方法を用いて行うことができるが、摩擦圧接によって行うことが好ましい。摩擦圧接とは、接合する部材同士を高速で擦り合わせ、生じる摩擦熱によって部材を軟化させると同時に圧力を加えて接合する技術である。勿論、融接法を用いてもよいが、融接法を用いて異種材料の接合を行うと、もろい合金や金属間化合物が形成されてしまうことがある。摩擦圧接によれば、そのようなもろい合金や金属間化合物の形成を抑制できるので、種々の異種材料の組み合わせについて接合を好適に行うことができる。また、接合に中間材（第３部材）を用いる方法（溶接、ろう付け等）を用いてもよいが、摩擦圧接法によれば、そのような中間材を用いる方法に比べ、異種の金属材料同士を高強度で接合することが容易である。
【００４４】
また、摩擦圧接によれば、位置精度よく（具体的には０．０５ｍｍ程度の精度で）接合を行うことができるので、そのことによってさらなる軽量化を図ることも可能になる。従来のコンロッドでは、すべての部分が一体で鍛造されるので、ピストンピン孔とクランクピン孔とを三次元的な位置関係を精度良く保って形成することは難しかった。そのため、そのような位置ずれを見込んでコンロッドを肉厚に作る必要があった。例えば、図３（ａ）に示す小端部の最小肉厚Ｔｍｉｎや、図３（ｂ）に示す割り振りＡ１、Ａ２を大きくする必要があった。これに対し、摩擦圧接によれば、そのような位置ずれを小さくすることができる。具体的には、従来、軸方向Ｘについて０．２ｍｍ程度、幅方向Ｙおよび長手方向Ｚについて０．３ｍｍ程度であった位置ずれを０．０５ｍｍ程度に小さくすることができる。そのため、ずれを見込んでコンロッド１を肉厚に形成する必要がなく、さらなる軽量化を図ることができる。コンロッド１の軽量化により往復重量が小さくなると、クランクシャフトやバランサーの重量も小さくすることができるため、内燃機関や自動車両全体の軽量化も可能になる。
【００４５】
また、摩擦圧接によれば、接合箇所Ｗの空隙が少なく、中間材を用いる必要もないため、小端部２０から大端部３０への熱伝導が良くなる。さらに、中間材が不要なので、接合工程を行うための設備を簡易化しやすく、接合工程の自動化を行いやすい。
【００４６】
摩擦圧接は、接合する部材の一方（あるいは両方）を回転させる回転摩擦圧接と、図４に示すように接合する部材の一方を直線的に往復運動させる直動摩擦圧接（Linear Friction Welding）とに大別されるが、コンロッド１は一般に円形の断面を有していないので、直動摩擦圧接を用いることが好ましい。
【００４７】
なお、摩擦圧接により接合を行っても、接合箇所Ｗの金属組織が変化するので接合箇所Ｗの強度はいくぶん低下する。しかし、本実施形態のように接合箇所Ｗの位置をアール部端ＲＥ（最も応力が集中する箇所）からずらすことにより、強度低下を補うために断面積を増加させる必要が少なくなる。また、アール部３０Ｒの端ＲＥから接合箇所Ｗまでの距離Ｄ（図１参照）が長いほど、接合による金属組織の変化の影響をアール部端ＲＥが受けにくく、アール部端ＲＥにおける疲労強度の低減を抑制することができる。以下、大端部３０を鉄合金から形成し、小端部２０およびロッド本体部１０をチタン合金から形成した場合について、アール部端ＲＥから接合箇所Ｗまでの距離Ｄの好ましい範囲を具体的に説明する。
【００４８】
表１に、距離Ｄ（ｍｍ）を変化させたときの、コンロッド全体の重量（ｇ）、アール部端ＲＥの深さ０．１ｍｍでのビッカース硬さ（ＨＶ）、アール部端ＲＥの疲労強度（ＭＰａ）を示す。なお、表１に示したデータは、大端部３０の材料として、表面から深さ０．２ｍｍまでの平均炭素含有量が０．３質量％未満の鉄合金（鋼）を用いるとともに、小端部２０およびロッド本体部１０の材料として、組成がＴｉ−６Ａｌ−４Ｖの（つまり約６質量％のＡｌおよび約４質量％のＶを含む）チタン合金を用いたときのものである。
【００４９】
【表１】
【００５０】
まず、コンロッド１の重量に着目すると、コンロッド１の重量は、距離Ｄが短いほど小さいことがわかる。これは、距離Ｄが短いほど、より多くの部分がチタン合金から形成されるからである。
【００５１】
ところが、アール部端ＲＥの硬さおよび疲労強度に着目すると、距離Ｄが短すぎると、アール部端ＲＥの硬さが低く、疲労強度が低いことがわかる。これは、距離Ｄが短すぎると、接合箇所Ｗにおける金属組織の変化の影響をアール部端ＲＥが受けてしまうからである。
【００５２】
表１には、アール部端ＲＥにおいて好ましい疲労強度が得られるように接合箇所Ｗの断面積を調整した（具体的には増加させた）ときのコンロッド１の重量（「調整重量」と称する）も併せて示している。この調整重量に着目すると、距離Ｄが短すぎると、かえって重量が増加してしまうことがわかる。
【００５３】
図５に、アール部端ＲＥから接合箇所Ｗまでの距離Ｄと、アール部端ＲＥの疲労強度およびコンロッド１の調整重量との関係を示す。
【００５４】
図５から、距離Ｄが長くなるほど疲労強度が向上し、距離Ｄが３ｍｍ以上になると疲労強度がほぼ一定の値をとることがわかる。これは、距離Ｄを３ｍｍ以上にすることにより、アール部端ＲＥが接合箇所Ｗにおける金属組織の変化の影響をほとんど受けなくなることを意味している。また、このことと対応するように、距離Ｄが長くなるほど調整重量が小さくなり、距離Ｄを３ｍｍ以上とすることによって、軽量化効果が十分に得られることがわかる。コンロッド１の全体を鋼から形成したときの重量は表１に示すように３３８ｇであるので、ここで例示した場合について言えば、距離Ｄを３ｍｍ以上とすることによって、約２０％程度の軽量化を図ることができる。なお、図５からもわかるように、距離Ｄは３ｍｍ未満であっても３ｍｍに十分に近ければ（例えば２．５ｍｍ以上であれば）実用上十分な軽量化効果は得られる。
【００５５】
続いて、表２および図６に、大端部３０の材料として、表面から深さ０．２ｍｍまでの平均炭素含有量が０．３質量％以上０．５質量％以下の鉄合金（鋼）を用いたときのデータを示す。小端部２０およびロッド本体部１０の材料については、表１および図５にデータを示したコンロッドと同じである。
【００５６】
【表２】
【００５７】
表２および図６から、距離Ｄが長くなるほど疲労強度が向上し、距離Ｄが５ｍｍ以上になると疲労強度がほぼ一定の値をとることがわかる。また、距離Ｄが長くなるほど調整重量が小さくなり、距離Ｄを５ｍｍ以上とすることによって、軽量化効果が十分に得られることがわかる。従って、この場合には、アール部端ＲＥから接合箇所Ｗまでの距離Ｄを５ｍｍ以上とすることにより、アール部端ＲＥの疲労強度を十分に高く確保し、十分な軽量化を図ることができる。勿論、図６からもわかるように、距離Ｄは５ｍｍ未満であっても５ｍｍに十分に近ければ（例えば４．５ｍｍ以上であれば）実用上十分な軽量化効果は得られる。
【００５８】
また、表３および図７に、大端部３０の材料として、表面から深さ０．２ｍｍまでの平均炭素含有量が０．５質量％を超える鉄合金（鋼）を用いたときのデータを示す。小端部２０およびロッド本体部１０の材料については、表１および図５にデータを示したコンロッドと同じである。
【００５９】
【表３】
【００６０】
表３および図７から、距離Ｄが長くなるほど疲労強度が向上し、距離Ｄが７ｍｍ以上になると疲労強度がほぼ一定の値をとることがわかる。また、距離Ｄが長くなるほど調整重量が小さくなり、距離Ｄを７ｍｍ以上とすることによって、軽量化効果が十分に得られることがわかる。従って、この場合には、アール部端ＲＥから接合箇所Ｗまでの距離Ｄを７ｍｍ以上とすることにより、アール部端ＲＥの疲労強度を十分に高く確保し、十分な軽量化を図ることができる。勿論、図７からもわかるように、距離Ｄは７ｍｍ未満であっても７ｍｍに十分に近ければ（例えば６．５ｍｍ以上であれば）実用上十分な軽量化効果は得られる。
【００６１】
表１から表３および図５から図７に具体的に示したように、本発明によるコンロッド１では、接合箇所Ｗをあえて小端部２０側にずらすことによって、逆にコンロッド１を軽量化し得るという予想外の効果が得られる。
【００６２】
なお、いずれの場合についても、距離Ｄに特に上限はない。ただし、距離Ｄが長すぎると、チタン合金から形成される部分が少なくなり、余分な重量の増加を招いてしまうので、距離Ｄは、１０ｍｍ以下であることが好ましい。
【００６３】
次に、本実施形態におけるコンロッド１の製造方法を説明する。
【００６４】
まず、図８（ａ）に示すような、小端部２０およびロッド本体部１０を含みチタン合金から形成された第１の部材Ｐ１を用意する。また、これとは別に、図８（ｂ）に示すような、大端部３０を含み鉄合金から形成された第２の部材Ｐ２を用意する。第１の部材Ｐ１および第２の部材Ｐ２は、鍛造工程、機械加工工程、熱処理工程などを含む公知の種々の手法によって形成することができる。
【００６５】
次に、用意した第１の部材Ｐ１と第２の部材Ｐ２とを、直動摩擦圧接により接合する。図９に、直動摩擦圧接を行うための摩擦圧接装置５０を示す。
【００６６】
摩擦圧接装置５０は、第１の部材Ｐ１を保持する第１のホルダ５１、第２の部材Ｐ２を保持する第２のホルダ５２、第１のホルダ５１に連結されたアクチュエータ５３および第２のホルダ５２に連結された油圧シリンダ５４を備えている。アクチュエータ５３としては、例えば、油圧サーボ式や電気モータ式のものが用いられる。アクチュエータ５３によって第１の部材Ｐ１を直線状に往復運動させながら、油圧シリンダ５４によって第２の部材Ｐ２を第１の部材Ｐ１に圧接させることにより、摩擦圧接が行われ、第１の部材Ｐ１と第２の部材Ｐ２とが接合される。この接合工程は、第１の部材Ｐ１と第２の部材Ｐ２との接合箇所Ｗが、アール部３０Ｒのロッド本体部１０側の端ＲＥよりも小端部２０側に位置するように行われる。接合を行った後に、接合箇所Ｗのバリを切削することによって、コンロッド１が完成する。
【００６７】
図１０に、第１のホルダ５１および第２のホルダ５２の一例を示す。図１０に示す第１のホルダ５１は、ピストンピン孔２５に挿通されるピン５５と、ロッド本体部１０を両側方から押さえるクランプ５６とによって第１の部材Ｐ１を強固に保持する。また、図１０に示す第２のホルダ５２は、クランクピン孔３５に挿通されるピン５７と、大端部３０のボルト孔に挿入されるボルト５８とによって第２の部材Ｐ２を強固に保持する。
【００６８】
ここで、接合工程における第１の部材Ｐ１の好ましい振動方向を図１１（ａ）および（ｂ）を参照しながら説明する。図１１（ａ）および（ｂ）は、ロッド本体部１０の断面と好ましい振動方向とを示す図である。
【００６９】
接合工程は、図１１（ａ）に示すように、第１の部材Ｐ１と第２の部材Ｐ２とを、コンロッド１の幅方向Ｄ１（図１における方向Ｙに相当）に沿って擦り合わせるように行われることが好ましい。幅方向Ｄ１は、接合面に平行な面内でもっともモーメントの高い（つまり剛性の高い）方向であるので、幅方向Ｄ１に沿って第１の部材Ｐ１を振動させることにより、接合時の弾性変形や塑性変形を少なくすることができる。そのため、接合時に必要な振幅を小さくでき、また、接合精度を向上することができる。
【００７０】
あるいは、接合工程は、図１１（ｂ）に示すように、第１の部材Ｐ１と第２の部材Ｐ２とを軸方向Ｄ２（図１における方向Ｘに相当）に沿って擦り合わせるように行われることが好ましい。軸方向Ｄ２は、接合面に平行な面内でもっともモーメントの低い（つまり剛性の低い）方向であるので、軸方向Ｄ２に沿って第１の部材Ｐ１を振動させることにより、接合時に部材が弾性変形しやすくなる。そのため、接合面同士をなじませやすく、接合箇所Ｗの空隙が少なくなる。それ故、接合強度を向上させることができる。
【００７１】
幅方向Ｄ１および幅方向Ｄ２のいずれに第１の部材Ｐ１を振動させるかは、接合箇所Ｗ近傍の部材の形状や材質、要求性能（例えば接合精度と接合強度のいずれを重視するか）などに応じて適宜設定すればよい。
【００７２】
なお、ここでは第１の部材Ｐ１を振動させる場合を例として製造方法を説明したが、第１の部材Ｐ１ではなく第２の部材Ｐ２を振動させてもよいことは言うまでもない。
【００７３】
続いて、図１２および図１３を参照しながら接合箇所Ｗ近傍の好ましい断面形状を説明する。
【００７４】
図１２（ａ）および（ｂ）に示すように、接合箇所Ｗにおける断面形状をＨ字状にすると、座屈強度（断面モーメント）を下げることなく軽量化を図ることができる。また、図１３（ａ）および（ｂ）に示すように、接合箇所Ｗにおける断面形状を略矩形とすると、座屈強度（断面モーメント）を下げることなく接合面の面積を大きくできるので、接合強度を向上させることができる。
【００７５】
本実施形態では、小端部２０およびロッド本体部１０をチタン合金から形成し、大端部３０を鉄合金（鋼）から形成する場合を例示したが、本発明はこれに限定されるものではない。
【００７６】
小端部２０およびロッド本体部１０は、例えば、チタン合金、アルミニウム合金またはマグネシウム合金から形成されていることが好ましい。これらの金属材料は、高い比強度を有しているので、これらの金属材料を用いることにより、コンロッド１を軽量化することができる。
【００７７】
従来のコンロッドでは、小端部およびロッド本体部をこれらの金属材料から形成した場合には、必然的に大端部もこれらの金属材料から形成される。上記の金属材料は比較的高価なので、大端部には高い比強度が必要とされないにもかかわらずこのような高価な材料を用いると、製造コストの増加を招いてしまう。また、上記の金属材料を用いて同等の機械的強度を確保しようとすると大端部が大きくなってしまい、そのことによっても製造コストが上昇する。
【００７８】
本発明によれば、大端部３０を小端部２０およびロッド本体部１０と異なる組成の金属材料で形成するので、小端部２０およびロッド本体部１０のみをチタン合金、アルミニウム合金またはマグネシウム合金から形成することにより、これらの高価な金属材料の使用量を従来に比べて大端部３０の分だけ削減できる。そのため、製造コストを低減できる。特に鍛造によりコンロッドを形成する場合、従来は、大端部の大きさに合わせるために小端部となる部分の材料の歩留まりが低かった。本発明は、歩留まりの向上にも効果がある。
【００７９】
また、大端部がチタン合金やアルミニウム合金、マグネシウム合金から形成されている場合、クランク側面との摺動により焼付きが生じやすくなるため、表面処理またはスラストワッシャの使用が必要となる。本発明によれば、表面処理を施したりスラストワッシャを用いたりする必要性が低くなる。
【００８０】
あるいは、小端部２０およびロッド本体部１０は、マルエージング鋼、合金鋼または炭素鋼から形成されていることも好ましい。これらの金属材料は、高い疲労強度を有しているので、小端部２０およびロッド本体部１０の材料として好適に用いられる。
【００８１】
従来のコンロッドでは、小端部およびロッド本体部をこれらの金属材料から形成した場合には、必然的に大端部もこれらの金属材料から形成される。上記の金属材料は熱処理後には加工しにくいので、大端部には高い疲労強度が必要とされないにもかかわらずこのような材料を用いると、小端部に比べて加工量の多い大端部の加工が困難になる。
【００８２】
本発明によれば、小端部２０およびロッド本体部１０のみをマルエージング鋼、合金鋼または炭素鋼から形成することにより、大端部３０の加工を容易に行うことができる。また、これらの金属材料は比較的高価でもあるため、これらの金属材料を大端部３０に用いる必要がなくなることにより、製造コストを低減することもできる。
【００８３】
大端部３０は、例えば、高炭素鋼、非調質鋼または焼結鍛造材から形成されていることが好ましい。これらの金属材料は、高弾性係数を有し、脆性が高いので、破断分割が容易である。
【００８４】
従来のコンロッドでは、大端部をこれらの金属材料から形成した場合には、必然的に小端部やロッド本体部もこれらの金属材料から形成される。上記の金属材料は、比較的疲労強度が低いため、小端部やロッド本体部がこれらの金属材料から形成されていると、疲労破壊が問題となる。
【００８５】
本発明によれば、大端部３０のみを高炭素鋼、非調質鋼または焼結鍛造材から形成することにより、小端部２０およびロッド本体部１０の疲労破壊は問題とならない。破断分割の容易な上記金属材料から大端部３０が形成されていると、破断分割工程を簡略化できる。具体的には、冷却工程の省略、破断起点溝作成の簡易化、破断設備の出力の低減が可能となる。また、高弾性係数を有する上記金属材料から大端部３０が形成されていると、大端部３０の変形が抑制され、その結果、大端部３０での焼付が起こりにくくなる。
【００８６】
なお、本実施形態では、異なる組成の金属材料の組み合わせの例として、ベースとなる金属が異なる合金同士の組み合わせを示したが、金属材料の組み合わせはこれに限定されるものではない。ベースとなる金属が同じである合金材料の組み合わせであってもよく、例えば、ＳＣＭ４３５とマルエージング鋼というような鉄合金同士の組み合わせであってもよい。
【００８７】
また、本実施形態では、大端部３０とロッド本体部１０とを接合する好ましい方法として摩擦圧接を例示したが、電子ビーム溶接法やレーザー溶接法を用いることも好ましい。これらの方法では、溶融量が少ないために強度を低下させるもろい合金や金属間化合物が発生しにくく、また、中間材（第３部材）を用いる必要がないので、これらの方法を用いても、異なる組成の金属材料から形成された大端部３０とロッド本体部１０とを好適に接合することができる。また、電子ビーム溶接法やレーザー溶接法を用いると、ワークを移動させないので、さらに位置精度を向上させ得る（具体的には０．０１ｍｍ程度まで）という利点が得られる。また、接合工程の自動化が容易であるという利点も得られる。
【００８８】
また、本実施形態では分割型のコンロッドを例示したが、本発明は、大端部が分割されないタイプのコンロッドにも好適に用いられる。
【００８９】
本実施形態におけるコンロッド１は、自動車両用や機械用の各種の内燃機関（エンジン）に広く用いられる。図１４に、本実施形態におけるコンロッド１を備えたエンジン１００の一例を示す。
【００９０】
エンジン１００は、クランクケース１１０、シリンダブロック１２０およびシリンダヘッド１３０を有している。
【００９１】
クランクケース１１０内にはクランクシャフト１１１が収容されている。クランクシャフト１１１は、クランクピン１１２およびクランクウェブ１１３を有している。
【００９２】
クランクケース１１０の上に、シリンダブロック１２０が設けられている。シリンダブロック１２０には、円筒状のシリンダスリーブ１２１がはめ込まれており、ピストン１２２は、シリンダスリーブ１２１内を往復し得るように設けられている。
【００９３】
シリンダブロック１２０の上に、シリンダヘッド１３０が設けられている。シリンダヘッド１３０は、シリンダブロック１２０のピストン１２２やシリンダスリーブ１２１とともに燃焼室１３１を形成する。シリンダヘッド１３０は、吸気ポート１３２および排気ポート１３３を有している。吸気ポート１３２内には燃焼室１３１内に混合気を供給するための吸気弁１３４が設けられており、排気ポート内には燃焼室１３１内の排気を行うための排気弁１３５が設けられている。
【００９４】
ピストン１２２とクランクシャフト１１１とは、コンロッド１によって連結されている。具体的には、コンロッド１の小端部２０の貫通孔（ピストンピン孔）にピストン１２２のピストンピン１２３が挿入されているとともに、大端部３０の貫通孔（クランクピン孔）にクランクシャフト１１１のクランクピン１１２が挿入されており、そのことによってピストン１２２とクランクシャフト１１１とが連結されている。大端部３０の貫通孔の内周面とクランクピン１１２との間には、軸受けメタル１１４が設けられている。軸受けメタル１１４は、軸受け係止溝によって係止されている。
【００９５】
本実施形態におけるコンロッド１は、既に述べたように十分な軽量化を図り得るので、エンジン１００の吹き上がりを良くし、燃料消費量を少なくすることができる。
【００９６】
図１５に、図１４に示したエンジン１００を備えた自動二輪車を示す。
【００９７】
図１５に示す自動二輪車では、本体フレーム３０１の前端にヘッドパイプ３０２が設けられている。ヘッドパイプ３０２には、フロントフォーク３０３が車両の左右方向に揺動し得るように取り付けられている。フロントフォーク３０３の下端には、前輪３０４が回転可能なように支持されている。
【００９８】
本体フレーム３０１の後端上部から後方に延びるようにシートレール３０６が取り付けられている。本体フレーム３０１上に燃料タンク３０７が設けられており、シートレール３０６上にメインシート３０８ａおよびタンデムシート３０８ｂが設けられている。
【００９９】
また、本体フレーム３０１の後端に、後方へ延びるリアアーム３０９が取り付けられている。リアアーム３０９の後端に後輪３１０が回転可能なように支持されている。
【０１００】
本体フレーム３０１の中央部には、図１４に示したエンジン１００が保持されている。エンジン１００には、本実施形態におけるコンロッド１が用いられている。エンジン１００の前方には、ラジエータ３１１が設けられている。エンジン１００の排気ポートには排気管３１２が接続されており、排気管３１２の後端にマフラー３１３が取り付けられている。
【０１０１】
エンジン１００には変速機３１５が連結されている。変速機３１５の出力軸３１６に駆動スプロケット３１７が取り付けられている。駆動スプロケット３１７は、チェーン３１８を介して後輪３１０の後輪スプロケット３１９に連結されている。変速機３１５およびチェーン３１８は、エンジン１００により発生した動力を駆動輪に伝える伝達機構として機能する。
【０１０２】
図１５に示した自動二輪車は、本実施形態におけるコンロッド１が用いられたエンジン１００を備えているので、好適な性能が得られる。
【産業上の利用可能性】
【０１０３】
本発明によると、優れた機械的特性を部位ごとに有し、且つ、十分な軽量化を行い得るコンロッドが提供される。
【０１０４】
本発明によるコンロッドは、各種の内燃機関（例えば自動車両用のエンジン）に広く用いられる。
【図面の簡単な説明】
【０１０５】
【図１】本発明の好適な実施形態におけるコンロッドを模式的に示す平面図である。
【図２】本発明の好適な実施形態におけるコンロッドを模式的に示す斜視図である。
【図３】（ａ）は小端部の最小肉厚を示す図であり、（ｂ）は割り振りを示す図である。
【図４】直動摩擦圧接を説明するための図である。
【図５】アール部端から接合箇所までの距離と、アール部端の疲労強度およびコンロッドの調整重量との関係を示すグラフである。
【図６】アール部端から接合箇所までの距離と、アール部端の疲労強度およびコンロッドの調整重量との関係を示すグラフである。
【図７】アール部端から接合箇所までの距離と、アール部端の疲労強度およびコンロッドの調整重量との関係を示すグラフである。
【図８】（ａ）および（ｂ）は、本実施形態におけるコンロッドの製造方法において用意される第１の部材および第２の部材を模式的に示す平面図である。
【図９】直動摩擦圧接を行うための摩擦圧接装置を模式的に示す図である。
【図１０】摩擦圧接装置が有する第１のホルダおよび第２のホルダの一例を模式的に示す図である。
【図１１】（ａ）および（ｂ）は、接合工程における好ましい振動方向を説明するための図である。
【図１２】（ａ）はコンロッドの接合箇所近傍を示す平面図であり、（ｂ）は（ａ）中の１２Ｂ−１２Ｂ’線に沿った断面図である。
【図１３】（ａ）はコンロッドの接合箇所近傍を示す平面図であり、（ｂ）は（ａ）中の１３Ｂ−１３Ｂ’線に沿った断面図である。
【図１４】本発明の好適な実施形態におけるコンロッドを備えたエンジンの一例を模式的に示す断面図である。
【図１５】図１４に示すエンジンを備えた自動二輪車を模式的に示す断面図である。
【図１６】従来の分割型コンロッドを模式的に示す平面図である。
【符号の説明】
【０１０６】
１ コンロッド
１０ ロッド本体部
２０ 小端部
２５ ピストンピン孔
３０ 大端部
３０Ｒ アール部
ＲＥ アール部端
３３ ロッド部
３４ キャップ部
３５ クランクピン孔
４０ ボルト
Ｗ 接合箇所
１００ エンジン
【技術分野】
【０００１】
本発明は、コンロッドおよびその製造方法に関する。また、本発明は、コンロッドを備えた内燃機関や自動車両にも関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車両の内燃機関には、クランクシャフトとピストンとを連結するためにコンロッド（あるいはコネクティングロッド）と呼ばれる部材が用いられている。図１６に、一般的なコンロッド４０１を示す。コンロッド４０１は、棒状のロッド本体部４１０と、ロッド本体部４１０の一端に設けられた小端部４２０と、ロッド本体部４１０の他端に設けられた大端部４３０とを有している。
【０００３】
小端部４２０は、ピストンピンを通すためのピストンピン孔４２５を有し、ピストンピンを介してピストンに接続される。一方、大端部４３０は、クランクピンを通すためのクランクピン孔４３５を有し、クランクピンを介してクランクシャフトに接続される。
【０００４】
大端部４３０は、ロッド本体部４１０の一端に連続するロッド部４３３と、ロッド部４３３にボルト４４０によって結合されるキャップ部４３４とに分割されている。そのため、図１６に示したコンロッド４０１は、分割型のコンロッドと呼ばれる。コンロッドとしては、他に、大端部が分割されないタイプのコンロッドも知られている。
【０００５】
従来、コンロッドの材料としては鋼が広く用いられてきたが、近年、チタン合金を用いることが提案されている（例えば特許文献１）。チタン合金を用いてコンロッドを軽量化することにより、クランクシャフトその他のエンジン部品を軽量化できるので、エンジン全体をより軽量化できる。そのため、出力の向上や燃料消費量の削減が可能になる。
【特許文献１】特開昭６０−２４７４３２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、コンロッドの材料としてチタン合金を用いると、以下のような問題が発生することがわかった。
【０００７】
コンロッドに要求される機械的特性は部位ごとに異なる。例えば、コンロッドの小端部やロッド本体部は、使用中に疲労破壊したり衝撃破壊したりしないように、高い強度、高い靭性を有することを要求される。一方、コンロッドの大端部は、クランクピンとの摩擦を小さくするために、クランクシャフトの回転運動によってもクランクピン孔の内周面が変形しないこと、つまり、高剛性、高弾性係数を有し、高速運転をしても変形しにくいことを要求される。
【０００８】
そのため、鋼に比べて弾性係数の低いチタン合金をコンロッドの材料として用いると、軽量化は果たせるものの大端部の剛性が不足してしまう。また、十分な剛性が得られるような大きさにすると、軽量化の利点が失われてしまう。
【０００９】
そこで、本願発明者は、コンロッドの部位ごとに異なる金属材料を用いることを着想した。異なる組成の金属からなる複数の部材を接合してコンロッドを形成することにより、コンロッドの部位ごとに所望の機械的特性を与えることができる。例えば、小端部やロッド本体部には軽量で疲労強度に優れた金属材料を用いる一方で、大端部には高剛性、高弾性係数の金属材料を用いることにより、大端部の剛性を確保しつつ、軽量化を図ることができる。
【００１０】
しかしながら、本願発明者が詳細な検討を行ったところ、このような手法を用いても、実際には十分な軽量化を行うのは難しいことがわかった。コンロッドは、ピストンから伝えられる爆発力をクランクシャフトに伝達するので、高い強度が要求される。そのため、複数の部材を接合することによってコンロッドを形成すると、接合箇所の強度が低下し、十分な強度が得られない。また、低下する強度を補うためにコンロッドを肉厚にして接合箇所の断面積を大きくすれば、その分重量の増加を招いてしまい、異なる金属材料を用いるメリットを得られない。
【００１１】
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、優れた機械的特性を部位ごとに有し、且つ、十分な軽量化を行い得るコンロッドおよびその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明によるコンロッドは、ロッド本体部と、前記ロッド本体部の一端に設けられた小端部と、前記ロッド本体部の他端に設けられた大端部と、を有し、前記大端部は、前記ロッド本体部に向かってすぼむように湾曲したアール部を含むコンロッドであって、前記大端部は、前記ロッド本体部とは異なる組成の金属材料で形成されて前記ロッド本体部に接合されており、前記大端部と前記ロッド本体部との接合箇所は、前記アール部の前記ロッド本体部側の端よりも前記小端部側に位置しており、そのことによって上記目的が達成される。
【００１３】
ある好適な実施形態において、前記ロッド本体部は、前記大端部よりも比重の小さい材料から形成されている。
【００１４】
ある好適な実施形態において、前記大端部と前記ロッド本体部とは摩擦圧接により接合されている。
【００１５】
ある好適な実施形態において、前記小端部および前記ロッド本体部は、前記大端部よりも比強度の高い材料から形成されている。
【００１６】
ある好適な実施形態において、前記小端部および前記ロッド本体部は、チタン合金、アルミニウム合金またはマグネシウム合金から形成されている。
【００１７】
ある好適な実施形態において、前記小端部および前記ロッド本体部は、マルエージング鋼、合金鋼または炭素鋼から形成されている。
【００１８】
ある好適な実施形態において、前記大端部は、高炭素鋼、非調質鋼または焼結鍛造材から形成されている。
【００１９】
ある好適な実施形態において、前記大端部は鉄合金から形成されており、前記小端部および前記ロッド本体部はチタン合金から形成されている。
【００２０】
ある好適な実施形態において、前記大端部の表面から深さ０．２ｍｍまでの平均炭素含有量は０．３質量％未満であり、前記アール部の前記ロッド本体部側の端から前記接合箇所までの距離は３ｍｍ以上である。
【００２１】
ある好適な実施形態において、前記大端部の表面から深さ０．２ｍｍまでの平均炭素含有量は０．３質量％以上０．５質量％以下であり、前記アール部の前記ロッド本体部側の端から前記接合箇所までの距離は５ｍｍ以上である。
【００２２】
ある好適な実施形態において、前記大端部の表面から深さ０．２ｍｍまでの平均炭素含有量は０．５質量％を超え、前記アール部の前記ロッド本体部側の端から前記接合箇所までの距離は７ｍｍ以上である。
【００２３】
本発明による内燃機関は、上記の構成を有するコンロッドを備えている。
【００２４】
本発明による自動車両は、上記の構成を有する内燃機関を備えている。
【００２５】
本発明によるコンロッドの製造方法は、ロッド本体部、前記ロッド本体部の一端に設けられた小端部、および前記ロッド本体部の他端に設けられた大端部を有するコンロッドの製造方法であって、第１の金属材料から形成された第１の部材を用意する工程と、前記第１の金属材料とは異なる組成の第２の金属材料から形成された第２の部材を用意する工程と、前記第１の部材と前記第２の部材とを直動摩擦圧接により接合する工程と、を包含し、そのことによって上記目的が達成される。
【００２６】
ある好適な実施形態において、前記大端部は、前記ロッド本体部に向かってすぼむように湾曲したアール部を含み、前記接合工程は、前記第１の部材と前記第２の部材との接合箇所が、前記アール部の前記ロッド本体部側の端よりも前記小端部側に位置するように行われる。
【００２７】
ある好適な実施形態において、前記大端部は、クランクピンが挿通される貫通孔を有し、前記接合工程は、前記第１の部材と前記第２の部材とを、前記貫通孔の中心軸方向と前記ロッド本体部の延びる方向とに直交する方向に沿って擦り合わせるように行われる。
【００２８】
ある好適な実施形態において、前記大端部は、クランクピンが挿通される貫通孔を有し、前記接合工程は、前記第１の部材と前記第２の部材とを前記貫通孔の中心軸方向に沿って擦り合わせるように行われる。
【発明の効果】
【００２９】
本発明によるコンロッドでは、小端部およびロッド本体部と、大端部とが異なる組成の金属で形成されている。そのため、小端部およびロッド本体部と大端部とで異なる機械的特性を実現でき、コンロッドの部位ごとに優れた機械的特性を付与することができる。
【００３０】
本発明によるコンロッドでは、さらに、大端部とロッド本体部との接合箇所は、大端部のアール部のロッド本体部側の端よりも小端部側に位置している。このように、本発明によるコンロッドでは、最も応力の集中するアール部の端からずれた位置に接合箇所が設けられているので、接合による強度の低下を補うために接合箇所の断面積を増やす必要が少ない。そのため、優れた機械的特性を確保しつつ、十分な軽量化を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を説明する。なお、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。
【００３２】
図１に、本実施形態におけるコンロッド１を示す。コンロッド１は、図１に示すように、棒状のロッド本体部１０と、ロッド本体部１０の一端に設けられた小端部２０と、ロッド本体部１０の他端に設けられた大端部３０とを有している。
【００３３】
小端部２０には、ピストンピンを通すための貫通孔（「ピストンピン孔」と呼ばれる。）２５が形成されている。一方、大端部３０には、クランクピンを通すための貫通孔（「クランクピン孔」と呼ばれる。）３５が形成されている。クランクピン孔３５は、典型的にはピストンピン孔２５よりも大径である。
【００３４】
以下の説明においては、ロッド本体部１０の延びる方向を「長手方向」と呼び、クランクピン孔３５の中心軸の方向を「軸方向」と呼ぶ。また、長手方向および軸方向に直交する方向を「幅方向」と呼ぶ。また、図面において、長手方向を矢印Ｚで示し、軸方向を矢印Ｘで示し、幅方向を矢印Ｙで示す。
【００３５】
大端部３０は、図２に示すように、ロッド本体部１０の端に連続するロッド部３３と、ロッド部３３にボルト４０によって結合されるキャップ部３４とに分割されている。ロッド部３３とキャップ部３４とは、破断分割法によって分割されていることが好ましい。破断分割法とは、ロッド部３３およびキャップ部３４を一体に形成した後に脆性破断によって分割する工法である。この工法によれば、ロッド部３３およびキャップ部３４の破断面Ｆに、脆性破断によって微細な凹凸が相補的に形成される。ロッド部３３およびキャップ部３４の破断面Ｆが互いに相補的な凹凸を有することにより、ロッド部３３とキャップ部３４の位置決めが正確になされる。また、破断面Ｆの凹凸同士が嵌合することによって、ロッド部３３とキャップ部３４との結合がより強固となり、大端部３０全体の剛性が向上する。
【００３６】
本実施形態におけるコンロッド１は、大端部３０が小端部２０およびロッド本体部１０とは異なる組成の金属で形成されてロッド本体部１０に接合されている点において、従来のコンロッドと異なっている。図１および図２には、大端部３０とロッド本体部１０との接合箇所を参照符号Ｗで示している。
【００３７】
コンロッド１の大端部３０には、疲労強度はさほど重要ではなく、高剛性、高弾性係数であることが必要とされる。また、上述した破断分割法を用いる場合には、脆性破断が容易であることも重要である。一方、小端部２０およびロッド本体部１０には、高剛性、高弾性係数であることよりも、疲労強度が高いことが必要とされる。従来のコンロッドでは、すべての部分が同じ材料を用いて一体に形成されるので、上述した好ましい条件をすべて満足させることは難しかった。
【００３８】
本実施形態では、大端部３０が小端部２０およびロッド本体部１０とは異なる組成の金属で形成されているので、コンロッド１の部位ごとに優れた機械的特性を実現することができる。具体的には、大端部３０を高剛性で高弾性係数を有する（さらには破断分割の容易な）金属材料で形成し、小端部２０およびロッド本体部１０を疲労強度の高い金属材料から形成することによって、コンロッド１の機械的特性に好ましい分布（従来のコンロッドでは得られなかった分布）を持たせることができる。さらに、小端部２０およびロッド本体部１０を大端部３０よりも比重（密度）の小さい金属材料から形成することによって、大端部３０の剛性を確保しつつコンロッド１全体の軽量化を図ることができる。例えば、大端部３０を鉄合金から形成し、小端部２０およびロッド本体部１０をチタン合金から形成することによって、軽量で、且つ、機械的特性に優れたコンロッド１が得られる。
【００３９】
本実施形態におけるコンロッド１は、さらに、大端部３０とロッド本体部１０との接合箇所Ｗの位置にも特徴を有している。大端部３０は、図１に示すように、ロッド本体部１０に向かってすぼむように湾曲した（つまり内側に向かって凹む）アール部３０Ｒを含んでおり、接合箇所Ｗは、このアール部３０Ｒの端（ロッド本体部１０側の端）ＲＥよりも小端部２０側に位置している。
【００４０】
小端部２０およびロッド本体部１０の材料として大端部３０よりも比重（密度）の小さい金属材料を用いることによる軽量化効果を最大限に得るためには、アール部３０Ｒの端ＲＥで接合を行う（つまりアール部３０Ｒの端ＲＥと接合箇所Ｗとを一致させる）ことが好ましいと一見思える。しかしながら、複数の部材同士を接合した場合、接合箇所Ｗの強度が低下してしまうので、コンロッド１においてもっとも応力がかかるアール部３０Ｒの端ＲＥで接合を行うと、強度不足を補うために接合箇所Ｗの断面積を大きくする必要がある。そのため、その分重量が増加し、十分な軽量化を行うことができない。
【００４１】
これに対し、本実施形態のように、最も応力の集中するアール部３０Ｒの端ＲＥからずれた位置に接合箇所Ｗを設けると、接合による強度の低下を補うために接合箇所Ｗの断面積を増やす必要が少ない。そのため、優れた機械的特性を確保しつつ、十分な軽量化を図ることができる。
【００４２】
なお、小端部２０から大端部３０に向かう方向（図１中の長手方向Ｚ）に沿ってコンロッド１の断面積の変化を考えると、ロッド本体部１０では小端部２０側から大端部３０側に向かうにつれて断面積は一定の割合で増加する。そのため、典型的には、アール部３０Ｒの端ＲＥは、この断面積の増加率が一定の値から変化する（より高くなる）部分と規定される。
【００４３】
大端部３０とロッド本体部１０との接合は、種々の方法を用いて行うことができるが、摩擦圧接によって行うことが好ましい。摩擦圧接とは、接合する部材同士を高速で擦り合わせ、生じる摩擦熱によって部材を軟化させると同時に圧力を加えて接合する技術である。勿論、融接法を用いてもよいが、融接法を用いて異種材料の接合を行うと、もろい合金や金属間化合物が形成されてしまうことがある。摩擦圧接によれば、そのようなもろい合金や金属間化合物の形成を抑制できるので、種々の異種材料の組み合わせについて接合を好適に行うことができる。また、接合に中間材（第３部材）を用いる方法（溶接、ろう付け等）を用いてもよいが、摩擦圧接法によれば、そのような中間材を用いる方法に比べ、異種の金属材料同士を高強度で接合することが容易である。
【００４４】
また、摩擦圧接によれば、位置精度よく（具体的には０．０５ｍｍ程度の精度で）接合を行うことができるので、そのことによってさらなる軽量化を図ることも可能になる。従来のコンロッドでは、すべての部分が一体で鍛造されるので、ピストンピン孔とクランクピン孔とを三次元的な位置関係を精度良く保って形成することは難しかった。そのため、そのような位置ずれを見込んでコンロッドを肉厚に作る必要があった。例えば、図３（ａ）に示す小端部の最小肉厚Ｔｍｉｎや、図３（ｂ）に示す割り振りＡ１、Ａ２を大きくする必要があった。これに対し、摩擦圧接によれば、そのような位置ずれを小さくすることができる。具体的には、従来、軸方向Ｘについて０．２ｍｍ程度、幅方向Ｙおよび長手方向Ｚについて０．３ｍｍ程度であった位置ずれを０．０５ｍｍ程度に小さくすることができる。そのため、ずれを見込んでコンロッド１を肉厚に形成する必要がなく、さらなる軽量化を図ることができる。コンロッド１の軽量化により往復重量が小さくなると、クランクシャフトやバランサーの重量も小さくすることができるため、内燃機関や自動車両全体の軽量化も可能になる。
【００４５】
また、摩擦圧接によれば、接合箇所Ｗの空隙が少なく、中間材を用いる必要もないため、小端部２０から大端部３０への熱伝導が良くなる。さらに、中間材が不要なので、接合工程を行うための設備を簡易化しやすく、接合工程の自動化を行いやすい。
【００４６】
摩擦圧接は、接合する部材の一方（あるいは両方）を回転させる回転摩擦圧接と、図４に示すように接合する部材の一方を直線的に往復運動させる直動摩擦圧接（Linear Friction Welding）とに大別されるが、コンロッド１は一般に円形の断面を有していないので、直動摩擦圧接を用いることが好ましい。
【００４７】
なお、摩擦圧接により接合を行っても、接合箇所Ｗの金属組織が変化するので接合箇所Ｗの強度はいくぶん低下する。しかし、本実施形態のように接合箇所Ｗの位置をアール部端ＲＥ（最も応力が集中する箇所）からずらすことにより、強度低下を補うために断面積を増加させる必要が少なくなる。また、アール部３０Ｒの端ＲＥから接合箇所Ｗまでの距離Ｄ（図１参照）が長いほど、接合による金属組織の変化の影響をアール部端ＲＥが受けにくく、アール部端ＲＥにおける疲労強度の低減を抑制することができる。以下、大端部３０を鉄合金から形成し、小端部２０およびロッド本体部１０をチタン合金から形成した場合について、アール部端ＲＥから接合箇所Ｗまでの距離Ｄの好ましい範囲を具体的に説明する。
【００４８】
表１に、距離Ｄ（ｍｍ）を変化させたときの、コンロッド全体の重量（ｇ）、アール部端ＲＥの深さ０．１ｍｍでのビッカース硬さ（ＨＶ）、アール部端ＲＥの疲労強度（ＭＰａ）を示す。なお、表１に示したデータは、大端部３０の材料として、表面から深さ０．２ｍｍまでの平均炭素含有量が０．３質量％未満の鉄合金（鋼）を用いるとともに、小端部２０およびロッド本体部１０の材料として、組成がＴｉ−６Ａｌ−４Ｖの（つまり約６質量％のＡｌおよび約４質量％のＶを含む）チタン合金を用いたときのものである。
【００４９】
【表１】
【００５０】
まず、コンロッド１の重量に着目すると、コンロッド１の重量は、距離Ｄが短いほど小さいことがわかる。これは、距離Ｄが短いほど、より多くの部分がチタン合金から形成されるからである。
【００５１】
ところが、アール部端ＲＥの硬さおよび疲労強度に着目すると、距離Ｄが短すぎると、アール部端ＲＥの硬さが低く、疲労強度が低いことがわかる。これは、距離Ｄが短すぎると、接合箇所Ｗにおける金属組織の変化の影響をアール部端ＲＥが受けてしまうからである。
【００５２】
表１には、アール部端ＲＥにおいて好ましい疲労強度が得られるように接合箇所Ｗの断面積を調整した（具体的には増加させた）ときのコンロッド１の重量（「調整重量」と称する）も併せて示している。この調整重量に着目すると、距離Ｄが短すぎると、かえって重量が増加してしまうことがわかる。
【００５３】
図５に、アール部端ＲＥから接合箇所Ｗまでの距離Ｄと、アール部端ＲＥの疲労強度およびコンロッド１の調整重量との関係を示す。
【００５４】
図５から、距離Ｄが長くなるほど疲労強度が向上し、距離Ｄが３ｍｍ以上になると疲労強度がほぼ一定の値をとることがわかる。これは、距離Ｄを３ｍｍ以上にすることにより、アール部端ＲＥが接合箇所Ｗにおける金属組織の変化の影響をほとんど受けなくなることを意味している。また、このことと対応するように、距離Ｄが長くなるほど調整重量が小さくなり、距離Ｄを３ｍｍ以上とすることによって、軽量化効果が十分に得られることがわかる。コンロッド１の全体を鋼から形成したときの重量は表１に示すように３３８ｇであるので、ここで例示した場合について言えば、距離Ｄを３ｍｍ以上とすることによって、約２０％程度の軽量化を図ることができる。なお、図５からもわかるように、距離Ｄは３ｍｍ未満であっても３ｍｍに十分に近ければ（例えば２．５ｍｍ以上であれば）実用上十分な軽量化効果は得られる。
【００５５】
続いて、表２および図６に、大端部３０の材料として、表面から深さ０．２ｍｍまでの平均炭素含有量が０．３質量％以上０．５質量％以下の鉄合金（鋼）を用いたときのデータを示す。小端部２０およびロッド本体部１０の材料については、表１および図５にデータを示したコンロッドと同じである。
【００５６】
【表２】
【００５７】
表２および図６から、距離Ｄが長くなるほど疲労強度が向上し、距離Ｄが５ｍｍ以上になると疲労強度がほぼ一定の値をとることがわかる。また、距離Ｄが長くなるほど調整重量が小さくなり、距離Ｄを５ｍｍ以上とすることによって、軽量化効果が十分に得られることがわかる。従って、この場合には、アール部端ＲＥから接合箇所Ｗまでの距離Ｄを５ｍｍ以上とすることにより、アール部端ＲＥの疲労強度を十分に高く確保し、十分な軽量化を図ることができる。勿論、図６からもわかるように、距離Ｄは５ｍｍ未満であっても５ｍｍに十分に近ければ（例えば４．５ｍｍ以上であれば）実用上十分な軽量化効果は得られる。
【００５８】
また、表３および図７に、大端部３０の材料として、表面から深さ０．２ｍｍまでの平均炭素含有量が０．５質量％を超える鉄合金（鋼）を用いたときのデータを示す。小端部２０およびロッド本体部１０の材料については、表１および図５にデータを示したコンロッドと同じである。
【００５９】
【表３】
【００６０】
表３および図７から、距離Ｄが長くなるほど疲労強度が向上し、距離Ｄが７ｍｍ以上になると疲労強度がほぼ一定の値をとることがわかる。また、距離Ｄが長くなるほど調整重量が小さくなり、距離Ｄを７ｍｍ以上とすることによって、軽量化効果が十分に得られることがわかる。従って、この場合には、アール部端ＲＥから接合箇所Ｗまでの距離Ｄを７ｍｍ以上とすることにより、アール部端ＲＥの疲労強度を十分に高く確保し、十分な軽量化を図ることができる。勿論、図７からもわかるように、距離Ｄは７ｍｍ未満であっても７ｍｍに十分に近ければ（例えば６．５ｍｍ以上であれば）実用上十分な軽量化効果は得られる。
【００６１】
表１から表３および図５から図７に具体的に示したように、本発明によるコンロッド１では、接合箇所Ｗをあえて小端部２０側にずらすことによって、逆にコンロッド１を軽量化し得るという予想外の効果が得られる。
【００６２】
なお、いずれの場合についても、距離Ｄに特に上限はない。ただし、距離Ｄが長すぎると、チタン合金から形成される部分が少なくなり、余分な重量の増加を招いてしまうので、距離Ｄは、１０ｍｍ以下であることが好ましい。
【００６３】
次に、本実施形態におけるコンロッド１の製造方法を説明する。
【００６４】
まず、図８（ａ）に示すような、小端部２０およびロッド本体部１０を含みチタン合金から形成された第１の部材Ｐ１を用意する。また、これとは別に、図８（ｂ）に示すような、大端部３０を含み鉄合金から形成された第２の部材Ｐ２を用意する。第１の部材Ｐ１および第２の部材Ｐ２は、鍛造工程、機械加工工程、熱処理工程などを含む公知の種々の手法によって形成することができる。
【００６５】
次に、用意した第１の部材Ｐ１と第２の部材Ｐ２とを、直動摩擦圧接により接合する。図９に、直動摩擦圧接を行うための摩擦圧接装置５０を示す。
【００６６】
摩擦圧接装置５０は、第１の部材Ｐ１を保持する第１のホルダ５１、第２の部材Ｐ２を保持する第２のホルダ５２、第１のホルダ５１に連結されたアクチュエータ５３および第２のホルダ５２に連結された油圧シリンダ５４を備えている。アクチュエータ５３としては、例えば、油圧サーボ式や電気モータ式のものが用いられる。アクチュエータ５３によって第１の部材Ｐ１を直線状に往復運動させながら、油圧シリンダ５４によって第２の部材Ｐ２を第１の部材Ｐ１に圧接させることにより、摩擦圧接が行われ、第１の部材Ｐ１と第２の部材Ｐ２とが接合される。この接合工程は、第１の部材Ｐ１と第２の部材Ｐ２との接合箇所Ｗが、アール部３０Ｒのロッド本体部１０側の端ＲＥよりも小端部２０側に位置するように行われる。接合を行った後に、接合箇所Ｗのバリを切削することによって、コンロッド１が完成する。
【００６７】
図１０に、第１のホルダ５１および第２のホルダ５２の一例を示す。図１０に示す第１のホルダ５１は、ピストンピン孔２５に挿通されるピン５５と、ロッド本体部１０を両側方から押さえるクランプ５６とによって第１の部材Ｐ１を強固に保持する。また、図１０に示す第２のホルダ５２は、クランクピン孔３５に挿通されるピン５７と、大端部３０のボルト孔に挿入されるボルト５８とによって第２の部材Ｐ２を強固に保持する。
【００６８】
ここで、接合工程における第１の部材Ｐ１の好ましい振動方向を図１１（ａ）および（ｂ）を参照しながら説明する。図１１（ａ）および（ｂ）は、ロッド本体部１０の断面と好ましい振動方向とを示す図である。
【００６９】
接合工程は、図１１（ａ）に示すように、第１の部材Ｐ１と第２の部材Ｐ２とを、コンロッド１の幅方向Ｄ１（図１における方向Ｙに相当）に沿って擦り合わせるように行われることが好ましい。幅方向Ｄ１は、接合面に平行な面内でもっともモーメントの高い（つまり剛性の高い）方向であるので、幅方向Ｄ１に沿って第１の部材Ｐ１を振動させることにより、接合時の弾性変形や塑性変形を少なくすることができる。そのため、接合時に必要な振幅を小さくでき、また、接合精度を向上することができる。
【００７０】
あるいは、接合工程は、図１１（ｂ）に示すように、第１の部材Ｐ１と第２の部材Ｐ２とを軸方向Ｄ２（図１における方向Ｘに相当）に沿って擦り合わせるように行われることが好ましい。軸方向Ｄ２は、接合面に平行な面内でもっともモーメントの低い（つまり剛性の低い）方向であるので、軸方向Ｄ２に沿って第１の部材Ｐ１を振動させることにより、接合時に部材が弾性変形しやすくなる。そのため、接合面同士をなじませやすく、接合箇所Ｗの空隙が少なくなる。それ故、接合強度を向上させることができる。
【００７１】
幅方向Ｄ１および幅方向Ｄ２のいずれに第１の部材Ｐ１を振動させるかは、接合箇所Ｗ近傍の部材の形状や材質、要求性能（例えば接合精度と接合強度のいずれを重視するか）などに応じて適宜設定すればよい。
【００７２】
なお、ここでは第１の部材Ｐ１を振動させる場合を例として製造方法を説明したが、第１の部材Ｐ１ではなく第２の部材Ｐ２を振動させてもよいことは言うまでもない。
【００７３】
続いて、図１２および図１３を参照しながら接合箇所Ｗ近傍の好ましい断面形状を説明する。
【００７４】
図１２（ａ）および（ｂ）に示すように、接合箇所Ｗにおける断面形状をＨ字状にすると、座屈強度（断面モーメント）を下げることなく軽量化を図ることができる。また、図１３（ａ）および（ｂ）に示すように、接合箇所Ｗにおける断面形状を略矩形とすると、座屈強度（断面モーメント）を下げることなく接合面の面積を大きくできるので、接合強度を向上させることができる。
【００７５】
本実施形態では、小端部２０およびロッド本体部１０をチタン合金から形成し、大端部３０を鉄合金（鋼）から形成する場合を例示したが、本発明はこれに限定されるものではない。
【００７６】
小端部２０およびロッド本体部１０は、例えば、チタン合金、アルミニウム合金またはマグネシウム合金から形成されていることが好ましい。これらの金属材料は、高い比強度を有しているので、これらの金属材料を用いることにより、コンロッド１を軽量化することができる。
【００７７】
従来のコンロッドでは、小端部およびロッド本体部をこれらの金属材料から形成した場合には、必然的に大端部もこれらの金属材料から形成される。上記の金属材料は比較的高価なので、大端部には高い比強度が必要とされないにもかかわらずこのような高価な材料を用いると、製造コストの増加を招いてしまう。また、上記の金属材料を用いて同等の機械的強度を確保しようとすると大端部が大きくなってしまい、そのことによっても製造コストが上昇する。
【００７８】
本発明によれば、大端部３０を小端部２０およびロッド本体部１０と異なる組成の金属材料で形成するので、小端部２０およびロッド本体部１０のみをチタン合金、アルミニウム合金またはマグネシウム合金から形成することにより、これらの高価な金属材料の使用量を従来に比べて大端部３０の分だけ削減できる。そのため、製造コストを低減できる。特に鍛造によりコンロッドを形成する場合、従来は、大端部の大きさに合わせるために小端部となる部分の材料の歩留まりが低かった。本発明は、歩留まりの向上にも効果がある。
【００７９】
また、大端部がチタン合金やアルミニウム合金、マグネシウム合金から形成されている場合、クランク側面との摺動により焼付きが生じやすくなるため、表面処理またはスラストワッシャの使用が必要となる。本発明によれば、表面処理を施したりスラストワッシャを用いたりする必要性が低くなる。
【００８０】
あるいは、小端部２０およびロッド本体部１０は、マルエージング鋼、合金鋼または炭素鋼から形成されていることも好ましい。これらの金属材料は、高い疲労強度を有しているので、小端部２０およびロッド本体部１０の材料として好適に用いられる。
【００８１】
従来のコンロッドでは、小端部およびロッド本体部をこれらの金属材料から形成した場合には、必然的に大端部もこれらの金属材料から形成される。上記の金属材料は熱処理後には加工しにくいので、大端部には高い疲労強度が必要とされないにもかかわらずこのような材料を用いると、小端部に比べて加工量の多い大端部の加工が困難になる。
【００８２】
本発明によれば、小端部２０およびロッド本体部１０のみをマルエージング鋼、合金鋼または炭素鋼から形成することにより、大端部３０の加工を容易に行うことができる。また、これらの金属材料は比較的高価でもあるため、これらの金属材料を大端部３０に用いる必要がなくなることにより、製造コストを低減することもできる。
【００８３】
大端部３０は、例えば、高炭素鋼、非調質鋼または焼結鍛造材から形成されていることが好ましい。これらの金属材料は、高弾性係数を有し、脆性が高いので、破断分割が容易である。
【００８４】
従来のコンロッドでは、大端部をこれらの金属材料から形成した場合には、必然的に小端部やロッド本体部もこれらの金属材料から形成される。上記の金属材料は、比較的疲労強度が低いため、小端部やロッド本体部がこれらの金属材料から形成されていると、疲労破壊が問題となる。
【００８５】
本発明によれば、大端部３０のみを高炭素鋼、非調質鋼または焼結鍛造材から形成することにより、小端部２０およびロッド本体部１０の疲労破壊は問題とならない。破断分割の容易な上記金属材料から大端部３０が形成されていると、破断分割工程を簡略化できる。具体的には、冷却工程の省略、破断起点溝作成の簡易化、破断設備の出力の低減が可能となる。また、高弾性係数を有する上記金属材料から大端部３０が形成されていると、大端部３０の変形が抑制され、その結果、大端部３０での焼付が起こりにくくなる。
【００８６】
なお、本実施形態では、異なる組成の金属材料の組み合わせの例として、ベースとなる金属が異なる合金同士の組み合わせを示したが、金属材料の組み合わせはこれに限定されるものではない。ベースとなる金属が同じである合金材料の組み合わせであってもよく、例えば、ＳＣＭ４３５とマルエージング鋼というような鉄合金同士の組み合わせであってもよい。
【００８７】
また、本実施形態では、大端部３０とロッド本体部１０とを接合する好ましい方法として摩擦圧接を例示したが、電子ビーム溶接法やレーザー溶接法を用いることも好ましい。これらの方法では、溶融量が少ないために強度を低下させるもろい合金や金属間化合物が発生しにくく、また、中間材（第３部材）を用いる必要がないので、これらの方法を用いても、異なる組成の金属材料から形成された大端部３０とロッド本体部１０とを好適に接合することができる。また、電子ビーム溶接法やレーザー溶接法を用いると、ワークを移動させないので、さらに位置精度を向上させ得る（具体的には０．０１ｍｍ程度まで）という利点が得られる。また、接合工程の自動化が容易であるという利点も得られる。
【００８８】
また、本実施形態では分割型のコンロッドを例示したが、本発明は、大端部が分割されないタイプのコンロッドにも好適に用いられる。
【００８９】
本実施形態におけるコンロッド１は、自動車両用や機械用の各種の内燃機関（エンジン）に広く用いられる。図１４に、本実施形態におけるコンロッド１を備えたエンジン１００の一例を示す。
【００９０】
エンジン１００は、クランクケース１１０、シリンダブロック１２０およびシリンダヘッド１３０を有している。
【００９１】
クランクケース１１０内にはクランクシャフト１１１が収容されている。クランクシャフト１１１は、クランクピン１１２およびクランクウェブ１１３を有している。
【００９２】
クランクケース１１０の上に、シリンダブロック１２０が設けられている。シリンダブロック１２０には、円筒状のシリンダスリーブ１２１がはめ込まれており、ピストン１２２は、シリンダスリーブ１２１内を往復し得るように設けられている。
【００９３】
シリンダブロック１２０の上に、シリンダヘッド１３０が設けられている。シリンダヘッド１３０は、シリンダブロック１２０のピストン１２２やシリンダスリーブ１２１とともに燃焼室１３１を形成する。シリンダヘッド１３０は、吸気ポート１３２および排気ポート１３３を有している。吸気ポート１３２内には燃焼室１３１内に混合気を供給するための吸気弁１３４が設けられており、排気ポート内には燃焼室１３１内の排気を行うための排気弁１３５が設けられている。
【００９４】
ピストン１２２とクランクシャフト１１１とは、コンロッド１によって連結されている。具体的には、コンロッド１の小端部２０の貫通孔（ピストンピン孔）にピストン１２２のピストンピン１２３が挿入されているとともに、大端部３０の貫通孔（クランクピン孔）にクランクシャフト１１１のクランクピン１１２が挿入されており、そのことによってピストン１２２とクランクシャフト１１１とが連結されている。大端部３０の貫通孔の内周面とクランクピン１１２との間には、軸受けメタル１１４が設けられている。軸受けメタル１１４は、軸受け係止溝によって係止されている。
【００９５】
本実施形態におけるコンロッド１は、既に述べたように十分な軽量化を図り得るので、エンジン１００の吹き上がりを良くし、燃料消費量を少なくすることができる。
【００９６】
図１５に、図１４に示したエンジン１００を備えた自動二輪車を示す。
【００９７】
図１５に示す自動二輪車では、本体フレーム３０１の前端にヘッドパイプ３０２が設けられている。ヘッドパイプ３０２には、フロントフォーク３０３が車両の左右方向に揺動し得るように取り付けられている。フロントフォーク３０３の下端には、前輪３０４が回転可能なように支持されている。
【００９８】
本体フレーム３０１の後端上部から後方に延びるようにシートレール３０６が取り付けられている。本体フレーム３０１上に燃料タンク３０７が設けられており、シートレール３０６上にメインシート３０８ａおよびタンデムシート３０８ｂが設けられている。
【００９９】
また、本体フレーム３０１の後端に、後方へ延びるリアアーム３０９が取り付けられている。リアアーム３０９の後端に後輪３１０が回転可能なように支持されている。
【０１００】
本体フレーム３０１の中央部には、図１４に示したエンジン１００が保持されている。エンジン１００には、本実施形態におけるコンロッド１が用いられている。エンジン１００の前方には、ラジエータ３１１が設けられている。エンジン１００の排気ポートには排気管３１２が接続されており、排気管３１２の後端にマフラー３１３が取り付けられている。
【０１０１】
エンジン１００には変速機３１５が連結されている。変速機３１５の出力軸３１６に駆動スプロケット３１７が取り付けられている。駆動スプロケット３１７は、チェーン３１８を介して後輪３１０の後輪スプロケット３１９に連結されている。変速機３１５およびチェーン３１８は、エンジン１００により発生した動力を駆動輪に伝える伝達機構として機能する。
【０１０２】
図１５に示した自動二輪車は、本実施形態におけるコンロッド１が用いられたエンジン１００を備えているので、好適な性能が得られる。
【産業上の利用可能性】
【０１０３】
本発明によると、優れた機械的特性を部位ごとに有し、且つ、十分な軽量化を行い得るコンロッドが提供される。
【０１０４】
本発明によるコンロッドは、各種の内燃機関（例えば自動車両用のエンジン）に広く用いられる。
【図面の簡単な説明】
【０１０５】
【図１】本発明の好適な実施形態におけるコンロッドを模式的に示す平面図である。
【図２】本発明の好適な実施形態におけるコンロッドを模式的に示す斜視図である。
【図３】（ａ）は小端部の最小肉厚を示す図であり、（ｂ）は割り振りを示す図である。
【図４】直動摩擦圧接を説明するための図である。
【図５】アール部端から接合箇所までの距離と、アール部端の疲労強度およびコンロッドの調整重量との関係を示すグラフである。
【図６】アール部端から接合箇所までの距離と、アール部端の疲労強度およびコンロッドの調整重量との関係を示すグラフである。
【図７】アール部端から接合箇所までの距離と、アール部端の疲労強度およびコンロッドの調整重量との関係を示すグラフである。
【図８】（ａ）および（ｂ）は、本実施形態におけるコンロッドの製造方法において用意される第１の部材および第２の部材を模式的に示す平面図である。
【図９】直動摩擦圧接を行うための摩擦圧接装置を模式的に示す図である。
【図１０】摩擦圧接装置が有する第１のホルダおよび第２のホルダの一例を模式的に示す図である。
【図１１】（ａ）および（ｂ）は、接合工程における好ましい振動方向を説明するための図である。
【図１２】（ａ）はコンロッドの接合箇所近傍を示す平面図であり、（ｂ）は（ａ）中の１２Ｂ−１２Ｂ’線に沿った断面図である。
【図１３】（ａ）はコンロッドの接合箇所近傍を示す平面図であり、（ｂ）は（ａ）中の１３Ｂ−１３Ｂ’線に沿った断面図である。
【図１４】本発明の好適な実施形態におけるコンロッドを備えたエンジンの一例を模式的に示す断面図である。
【図１５】図１４に示すエンジンを備えた自動二輪車を模式的に示す断面図である。
【図１６】従来の分割型コンロッドを模式的に示す平面図である。
【符号の説明】
【０１０６】
１ コンロッド
１０ ロッド本体部
２０ 小端部
２５ ピストンピン孔
３０ 大端部
３０Ｒ アール部
ＲＥ アール部端
３３ ロッド部
３４ キャップ部
３５ クランクピン孔
４０ ボルト
Ｗ 接合箇所
１００ エンジン
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ロッド本体部と、前記ロッド本体部の一端に設けられた小端部と、前記ロッド本体部の他端に設けられた大端部と、を有し、前記大端部は、前記ロッド本体部に向かってすぼむように湾曲したアール部を含むコンロッドであって、
前記大端部は、前記ロッド本体部とは異なる組成の金属材料で形成されて前記ロッド本体部に接合されており、
前記大端部と前記ロッド本体部との接合箇所は、前記アール部の前記ロッド本体部側の端よりも前記小端部側に位置しているコンロッド。
【請求項２】
前記ロッド本体部は、前記大端部よりも比重の小さい材料から形成されている請求項１に記載のコンロッド。
【請求項３】
前記大端部と前記ロッド本体部とは摩擦圧接により接合されている請求項１または２に記載のコンロッド。
【請求項４】
前記小端部および前記ロッド本体部は、前記大端部よりも比強度の高い材料から形成されている請求項１から３のいずれかに記載のコンロッド。
【請求項５】
前記小端部および前記ロッド本体部は、チタン合金、アルミニウム合金またはマグネシウム合金から形成されている請求項１から４のいずれかに記載のコンロッド。
【請求項６】
前記小端部および前記ロッド本体部は、マルエージング鋼、合金鋼または炭素鋼から形成されている請求項１から３のいずれかに記載のコンロッド。
【請求項７】
前記大端部は、高炭素鋼、非調質鋼または焼結鍛造材から形成されている請求項１から６のいずれかに記載のコンロッド。
【請求項８】
前記大端部は鉄合金から形成されており、前記小端部および前記ロッド本体部はチタン合金から形成されている請求項１から３のいずれかに記載のコンロッド。
【請求項９】
前記大端部の表面から深さ０．２ｍｍまでの平均炭素含有量は０．３質量％未満であり、
前記アール部の前記ロッド本体部側の端から前記接合箇所までの距離は３ｍｍ以上である請求項８に記載のコンロッド。
【請求項１０】
前記大端部の表面から深さ０．２ｍｍまでの平均炭素含有量は０．３質量％以上０．５質量％以下であり、
前記アール部の前記ロッド本体部側の端から前記接合箇所までの距離は５ｍｍ以上である請求項８に記載のコンロッド。
【請求項１１】
前記大端部の表面から深さ０．２ｍｍまでの平均炭素含有量は０．５質量％を超え、
前記アール部の前記ロッド本体部側の端から前記接合箇所までの距離は７ｍｍ以上である請求項８に記載のコンロッド。
【請求項１２】
請求項１から１１のいずれかに記載のコンロッドを備えた内燃機関。
【請求項１３】
請求項１２に記載の内燃機関を備えた自動車両。
【請求項１４】
ロッド本体部、前記ロッド本体部の一端に設けられた小端部、および前記ロッド本体部の他端に設けられた大端部を有するコンロッドの製造方法であって、
第１の金属材料から形成された第１の部材を用意する工程と、
前記第１の金属材料とは異なる組成の第２の金属材料から形成された第２の部材を用意する工程と、
前記第１の部材と前記第２の部材とを直動摩擦圧接により接合する工程と、
を包含するコンロッドの製造方法。
【請求項１５】
前記大端部は、前記ロッド本体部に向かってすぼむように湾曲したアール部を含み、
前記接合工程は、前記第１の部材と前記第２の部材との接合箇所が、前記アール部の前記ロッド本体部側の端よりも前記小端部側に位置するように行われる請求項１４に記載のコンロッドの製造方法。
【請求項１６】
前記大端部は、クランクピンが挿通される貫通孔を有し、
前記接合工程は、前記第１の部材と前記第２の部材とを、前記貫通孔の中心軸方向と前記ロッド本体部の延びる方向とに直交する方向に沿って擦り合わせるように行われる請求項１４または１５に記載のコンロッドの製造方法。
【請求項１７】
前記大端部は、クランクピンが挿通される貫通孔を有し、
前記接合工程は、前記第１の部材と前記第２の部材とを前記貫通孔の中心軸方向に沿って擦り合わせるように行われる請求項１４または１５に記載のコンロッドの製造方法。
【請求項１】
ロッド本体部と、前記ロッド本体部の一端に設けられた小端部と、前記ロッド本体部の他端に設けられた大端部と、を有し、前記大端部は、前記ロッド本体部に向かってすぼむように湾曲したアール部を含むコンロッドであって、
前記大端部は、前記ロッド本体部とは異なる組成の金属材料で形成されて前記ロッド本体部に接合されており、
前記大端部と前記ロッド本体部との接合箇所は、前記アール部の前記ロッド本体部側の端よりも前記小端部側に位置しているコンロッド。
【請求項２】
前記ロッド本体部は、前記大端部よりも比重の小さい材料から形成されている請求項１に記載のコンロッド。
【請求項３】
前記大端部と前記ロッド本体部とは摩擦圧接により接合されている請求項１または２に記載のコンロッド。
【請求項４】
前記小端部および前記ロッド本体部は、前記大端部よりも比強度の高い材料から形成されている請求項１から３のいずれかに記載のコンロッド。
【請求項５】
前記小端部および前記ロッド本体部は、チタン合金、アルミニウム合金またはマグネシウム合金から形成されている請求項１から４のいずれかに記載のコンロッド。
【請求項６】
前記小端部および前記ロッド本体部は、マルエージング鋼、合金鋼または炭素鋼から形成されている請求項１から３のいずれかに記載のコンロッド。
【請求項７】
前記大端部は、高炭素鋼、非調質鋼または焼結鍛造材から形成されている請求項１から６のいずれかに記載のコンロッド。
【請求項８】
前記大端部は鉄合金から形成されており、前記小端部および前記ロッド本体部はチタン合金から形成されている請求項１から３のいずれかに記載のコンロッド。
【請求項９】
前記大端部の表面から深さ０．２ｍｍまでの平均炭素含有量は０．３質量％未満であり、
前記アール部の前記ロッド本体部側の端から前記接合箇所までの距離は３ｍｍ以上である請求項８に記載のコンロッド。
【請求項１０】
前記大端部の表面から深さ０．２ｍｍまでの平均炭素含有量は０．３質量％以上０．５質量％以下であり、
前記アール部の前記ロッド本体部側の端から前記接合箇所までの距離は５ｍｍ以上である請求項８に記載のコンロッド。
【請求項１１】
前記大端部の表面から深さ０．２ｍｍまでの平均炭素含有量は０．５質量％を超え、
前記アール部の前記ロッド本体部側の端から前記接合箇所までの距離は７ｍｍ以上である請求項８に記載のコンロッド。
【請求項１２】
請求項１から１１のいずれかに記載のコンロッドを備えた内燃機関。
【請求項１３】
請求項１２に記載の内燃機関を備えた自動車両。
【請求項１４】
ロッド本体部、前記ロッド本体部の一端に設けられた小端部、および前記ロッド本体部の他端に設けられた大端部を有するコンロッドの製造方法であって、
第１の金属材料から形成された第１の部材を用意する工程と、
前記第１の金属材料とは異なる組成の第２の金属材料から形成された第２の部材を用意する工程と、
前記第１の部材と前記第２の部材とを直動摩擦圧接により接合する工程と、
を包含するコンロッドの製造方法。
【請求項１５】
前記大端部は、前記ロッド本体部に向かってすぼむように湾曲したアール部を含み、
前記接合工程は、前記第１の部材と前記第２の部材との接合箇所が、前記アール部の前記ロッド本体部側の端よりも前記小端部側に位置するように行われる請求項１４に記載のコンロッドの製造方法。
【請求項１６】
前記大端部は、クランクピンが挿通される貫通孔を有し、
前記接合工程は、前記第１の部材と前記第２の部材とを、前記貫通孔の中心軸方向と前記ロッド本体部の延びる方向とに直交する方向に沿って擦り合わせるように行われる請求項１４または１５に記載のコンロッドの製造方法。
【請求項１７】
前記大端部は、クランクピンが挿通される貫通孔を有し、
前記接合工程は、前記第１の部材と前記第２の部材とを前記貫通孔の中心軸方向に沿って擦り合わせるように行われる請求項１４または１５に記載のコンロッドの製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【公開番号】特開２００７−１９２３９９（Ｐ２００７−１９２３９９Ａ）
【公開日】平成１９年８月２日（２００７．８．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−３３１３５９（Ｐ２００６−３３１３５９）
【出願日】平成１８年１２月８日（２００６．１２．８）
【出願人】（００００１００７６）ヤマハ発動機株式会社 (3,045)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年８月２日（２００７．８．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年１２月８日（２００６．１２．８）
【出願人】（００００１００７６）ヤマハ発動機株式会社 (3,045)
【Ｆターム（参考）】
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