コネクティングロッド

コネクティングロッドは「コンロッド」とも呼ばれ、^[1]^[2]^[3]ピストンエンジンの一部で、ピストンをクランクシャフトに連結する。クランクとともに、コネクティングロッドはピストンの往復運動をクランクシャフトの回転に変換する。 ^[4]コネクティングロッドはピストンからの圧縮力と引張力を伝達する必要がある。最も一般的な形態では、内燃機関において、ピストン端での旋回とシャフト端での回転を可能にする。

コネクティングロッドの前身は、水車が水車の回転運動を往復運動に変換するために使用する機械的な連結装置である。^[5]

コネクティングロッドの最も一般的な用途は、内燃機関または蒸気エンジンです。

起源

ブルターニュ地方のポールにあるケルト人のオッピダ遺跡で、紀元前69年に作られたとされるコネクティングロッドクランクが発見されている^[6]

連結長の前身は、ローマ時代の水車で使用されていた機械的連結機構である。この連結機構の初期の事例は、ローマ帝国アジア（現在のトルコ）の3世紀後半のヒエラポリスの製材所、小アジア（現在のトルコ）のエフェソスとローマ帝国シリアのゲラサにある6世紀の製材所で発見されている。これらの機械のクランクと連結ロッド機構は、水車の回転運動を鋸刃の直線運動に変換した。^[7]

この設計に関する初期の文献は、1174年から1206年の間にアルトゥク朝（現在のトルコ）で発見され、発明家のアル・ジャザリが、揚水機の一部として水を汲み上げるためにクランクシャフトにコネクティングロッドを組み込んだ機械について記述しているが、^[8]^[9]この装置は、一般的なクランクとコネクティングロッドの設計よりも複雑であった。^[10]^{: 170}また、ルネサンス期イタリアのタッコラや15世紀の画家ピサネッロのスケッチブックにも、コネクティングロッド付きクランクの文書が残っている。^[10]^{: 113}

蒸気機関

1712年のニューコメン大気圧エンジン（世界初の蒸気エンジン）では、ピストンが一方向にしか力を発揮しないため、コネクティングロッドの代わりにチェーンドライブが使用されていました。^{[11]しかし、これ以降の蒸気エンジンのほとんどは}複動式であるため、力は両方向に発生し、コネクティングロッドが使用されるようになりました。典型的な配置では、クロスヘッドと呼ばれる大きな滑り軸受ブロックを使用し、ピストンとコネクティングロッドの間のヒンジはシリンダーの外側に配置され、ピストンロッドの周りにシールが必要です。^[12]

蒸気機関車では、クランクは通常、駆動輪に直接取り付けられています。コネクティングロッドは、車輪のクランクピンとクロスヘッド（ピストンロッドに接続する部分）の間に使用されます。^[13]小型の蒸気機関車では、コネクティングロッドは通常、長方形の断面ですが、^[14]円形断面の船舶用ロッドが使用されることもあります。

外輪船では、連結棒は「ピットマン」と呼ばれます（ピットマンアームと間違えないように）。

内燃機関

内燃機関のコネクティングロッドは、「ビッグエンド」、「ロッド」、および「スモールエンド」で構成されています。スモールエンドはガジョンピン（米国では「ピストンピン」または「リストピン」とも呼ばれる）に接続され、コネクティングロッドとピストン間の回転を可能にします。通常、ビッグエンドは、摩擦を減らすためにプレーンベアリングを使用してクランクピンに接続されますが、一部の小型エンジンでは、ポンプ潤滑システムの必要性を回避するために、代わりに転がり要素ベアリングを使用する場合があります。転がり要素ベアリングを備えたコネクティングロッドは、通常、クランクシャフトをそれらを通して押し付ける必要があるワンピース設計であり、ワンピースクランクシャフトのジャーナルの周りにボルトで固定できる2ピース設計ではありません。^[^{引用が必要}^]

通常、コネクティングロッドの大端のベアリングにはピンホールが開けられており、そこから潤滑油がシリンダー壁のスラスト側に噴出してピストンとピストンリングの移動を潤滑します。

コネクティングロッドは両端が回転するため、ロッドが上下に動いてクランクシャフトの周りを回転すると、コネクティングロッドとピストンの間の角度が変わります。

材料

コネクティングロッドに使用される材料は、炭素鋼、鉄系焼結金属、マイクロアロイ鋼、球状黒鉛鋳鉄など多岐にわたります。^{[15]大量生産される自動車エンジンでは、コネクティングロッドはほとんどの場合}鋼で作られています。高性能アプリケーションでは、「ビレット」コネクティングロッドが使用されることがあります。これは、鋳造または鍛造ではなく、金属の固体ビレットから機械加工されたものです。

その他の材料には、T6-2024アルミニウム合金や T651-7075アルミニウム合金があり、耐久性を犠牲にして軽量性と高衝撃吸収性を実現します。チタンはより高価なオプションですが、重量を軽減します。鋳鉄は、モータースクーターなどの安価で性能の低い用途に使用できます。

操作中の障害

クランクシャフトが回転するたびに、コネクティングロッドにはピストンとクランクピンの角度によるせん断力、ピストンが下方に移動するときの圧縮力、ピストンが上に移動するときの引張力など、大きな繰り返しの力が加わります。^[16]これらの力はエンジン速度（RPM）の2乗に比例します。

コネクティングロッドの故障は、しばしば「ロッド投げ」とも呼ばれ、壊れたロッドがクランクケースの側面を突き抜け、エンジンを修理不能にすることがよくあります。^[17]コネクティングロッド故障の一般的な原因は、高エンジン回転による引張破損、ピストンがバルブに当たったときの衝撃力（バルブトレインの問題による）、ロッドベアリングの故障（通常は潤滑の問題による）、またはコネクティングロッドの不適切な取り付けです。^[18]^[19]^[20]^[21]

シリンダーの摩耗

クランクシャフトからコネクティングロッドを介してピストンに加わる横方向の力により、シリンダーが摩耗して楕円形になることがあります。円形のピストンリングが楕円形のシリンダー壁に対して適切に密閉できないため、エンジンの性能が大幅に低下します。

横方向の力の大きさはコネクティングロッドの角度に比例するため、コネクティングロッドが長いほど横方向の力とエンジンの摩耗が軽減されます。ただし、コネクティングロッドの最大長はエンジンブロックのサイズによって制限されます。ストローク長とコネクティングロッド長を足しても、ピストンがエンジンブロックの上部を超えて移動してはなりません。

マスター・スレーブロッド

星型エンジンでは通常、マスターアンドスレーブコネクティングロッドが使用されます。つまり、1 つのピストン (アニメーションの一番上のピストン) には、クランクシャフトに直接接続されたマスターロッドがあります。残りのピストンは、マスターロッドの端の周りのリングにコネクティングロッドの取り付け部を固定します。

V12 エンジンなどのシリンダー数が多いマルチバンクエンジンでは、クランクシャフトの長さが限られているため、多数のコネクティングロッドジャーナルを配置するスペースがほとんどありません。ほとんどのロードカーエンジンで使用されている最も単純な解決策は、シリンダーの各ペアでクランクジャーナルを共有することですが、これによりロッドベアリングのサイズが小さくなり、異なるバンクの対応する (つまり反対側の) シリンダーがクランクシャフトの軸に沿ってわずかにオフセットされることになります (これにより、ロッキングカップルが生成されます)。別の解決策は、マスターアンドスレーブコネクティングロッドを使用することです。この方法では、マスターロッドに 1 つ以上のリングピンも含まれ、これが他のシリンダーのスレーブロッドの大端に接続されます。マスタースレーブロッドの欠点は、マスターピストンから 180° 離れていないすべてのスレーブピストンのストロークの長さが常にマスターピストンのストロークの長さよりもわずかに長くなるため、V 型エンジンの振動が大きくなることです。

マスター・スレーブ・コネクティングロッドの最も複雑な例の1つは、第二次世界大戦のために開発された24気筒のユンカース・ユモ222実験用航空機エンジンである。このエンジンは6列のシリンダーで構成され、各列には4つのシリンダーがあった。6つのシリンダーの各「層」には1本のマスター・コネクティングロッドが使用され、他の5本のシリンダーにはスレーブ・ロッドが使用された。^[22]約300台のテストエンジンが製造されたが、このエンジンは量産には至らなかった。

フォークアンドブレードロッド

フォークアンドブレードロッドは「スプリットビッグエンドロッド」とも呼ばれ、VツインのオートバイエンジンやV12航空機エンジンに使用されています。^[23]各シリンダーペアごとに、「フォーク」ロッドがビッグエンドで2つに分割され、反対側のシリンダーの「ブレード」ロッドがフォークのこの隙間に収まるように細くなっています。この配置により、シリンダーペアがクランクシャフトに沿ってオフセットされているときに発生するロッキングカップルが除去されます。

ビッグエンドベアリングの一般的な配置は、フォークロッドに、中央の隙間を含むロッドの全幅に渡る 1 つの幅広ベアリングスリーブを設けることです。ブレードロッドは、クランクピン上を直接走行するのではなく、このスリーブの外側を走行します。これにより、2 つのロッドが前後に振動し (互いに対して回転するのではなく)、ベアリングにかかる力と表面速度が低減します。ただし、ベアリングの動きも連続回転ではなく往復運動になるため、潤滑にとってより困難な問題となります。

フォークアンドブレードロッドを採用した有名なエンジンとしては、ロールスロイスマーリンV12 航空機エンジン、EMD 2 ストロークディーゼルエンジン、さまざまなハーレーダビッドソンV ツインオートバイエンジンなどがあります。

参照

参考文献

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