CN105637241B

CN105637241B - 往复式发动机的曲轴

Info

Publication number: CN105637241B
Application number: CN201480056702.XA
Authority: CN
Inventors: 石原广郎; 石原广一郎; 今西宪治; 吉野健; 薮野训宏
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2013-10-16
Filing date: 2014-10-14
Publication date: 2018-02-13
Anticipated expiration: 2034-10-14
Also published as: JPWO2015056440A1; BR112016006749A2; US10012260B2; EP3059460A1; MX2016005004A; CN105637241A; US20160258476A1; JP6323462B2; EP3059460A4; EP3059460B1; WO2015056440A1

Abstract

曲轴具有成为旋转中心轴的轴颈部(J)、相对于该轴颈部(J)偏心的销部(P)、将轴颈部(J)和销部(P)相连的曲轴臂部(A)，在曲轴臂部(A)中的全部曲轴臂部(A)或一部分曲轴臂部(A)一体地具有平衡块部。在曲轴臂部(A)的靠轴颈部(J)侧的表面上，在沿着该表面的轮廓的缘部(11)的内侧，沿着该缘部(11)形成有凹部(10)。由此，在谋求曲轴的轻量化和扭转刚性的提高的同时，能够谋求弯曲刚性的提高。

Description

往复式发动机的曲轴

技术领域

本发明涉及可搭载于汽车用发动机、船舶用发动机、发电机等通用发动机这样的往复式发动机的曲轴。

背景技术

往复式发动机将在缸(汽缸)内的活塞的往复运动变换成旋转运动而输出动力，因此需要曲轴。曲轴大致分成由模锻制造的曲轴和由铸造制造的曲轴。尤其是，在汽缸数为两个以上的多缸发动机中，大多采用强度和刚性占优势的前者的模锻曲轴。

图1是示意性地表示通常的多缸发动机用曲轴的一个例子的侧视图。图1所示的曲轴1可搭载于四缸发动机，包括5个轴颈部J1～J5、4个销部P1～P4、前部Fr、法兰部Fl以及分别将轴颈部J1～J5和销部P1～P4相连的8片曲轴臂部(以下也简称为“臂部”)A1～A8。该曲轴1在全部8个臂部A1～A8一体地具有平衡块部(日文：カウンターウエイト部)(以下也简称为“平衡块部(日文：ウエイト部)”)W1～W8，被称为四缸－8平衡块的曲轴。

以下，在对轴颈部J1～J5、销部P1～P4、臂部A1～A8以及平衡块部W1～W8分别进行统称时，也将轴颈部的附图标记记为“J”，将销部的附图标记记为“P”，将臂部的附图标记记为“A”，将平衡块部的附图标记记为“W”。也将销部P以及与该销部P相连的一组臂部A(包括平衡块部W在内)统一称为“曲拐”。

平衡块部W也可以设置于全部的臂部A，但也可以仅设置于一部分的臂部A。在例如搭载于四缸发动机的曲轴中，有时在8个臂部A中的、前头的第1臂部A1、最末尾的第8臂部A8以及中央的两个臂部(第4臂部A4、第5臂部A5)设置有平衡块部W。在该情况下，剩余的第2、第3、第6以及第7臂部A2、A3、A6以及A7不具有平衡块部W。该曲轴称为四缸－4平衡块的曲轴。

轴颈部J、前部Fr以及法兰部Fl配置于与曲轴1的旋转中心相同的轴线上。销部P相对于曲轴1的旋转中心偏心活塞冲程的一半的距离地配置。轴颈部J被滑动轴承支承于发动机缸体，成为旋转中心轴。销部P通过滑动轴承与连接杆(以下也称为“连杆”)的大端部连结，该连杆的小端部与活塞连结。前部Fr是曲轴1的前端部。在前部Fr安装有用于驱动正时皮带、风扇动力带等的减震皮带轮2。法兰部Fl是曲轴1的后端部。在法兰部Fl安装有飞轮3。

在发动机中，燃料在各缸内爆发。由该爆发形成的燃烧压力引起活塞的往复运动而作用于曲轴1的销部P，与此同时，经由与该销部P相连的臂部A向轴颈部J传递，变换成旋转运动。此时，曲轴1一边反复弹性变形一边旋转。

在支承曲轴的轴颈部的轴承中存在润滑油。根据曲轴的倾斜以及弹性变形，在轴承内，油膜压力以及油膜厚度与轴承载荷以及轴颈部的轴心轨迹相互关联地变化。而且，根据轴承处的轴颈部的表面粗糙度和轴承金属的表面粗糙度，不仅油膜压力变化，也产生局部的金属接触。确保油膜厚度对于防止由断油导致的轴承发热胶着并且防止局部的金属接触而言是重要的，影响燃耗性能。

另外，伴随着曲轴的旋转而产生的弹性变形以及在轴承内的间隙中移动的轴心轨迹使旋转中心产生偏离，因此，影响发动机振动(机架振动)。而且，该振动在车身上传播，因此，影响乘车室内的噪声以及乘车舒适度。

为了提高这样的发动机性能，要求曲轴的刚性较高、难以变形。除此之外，要求曲轴轻量化。

在曲轴上施加有缸内压力(缸内的燃烧压力)以及旋转离心力的载荷。为了对这些载荷施加变形阻力，谋求扭转刚性以及弯曲刚性的提高。在曲轴的设计中，首先，确定轴颈部的直径、销部的直径、活塞冲程等主要参数。在确定主要参数后，臂部的形状设计成为剩下的设计区域。因此，通过臂部的形状设计来使扭转刚性和弯曲刚性一起提高成为重要的要件。

另一方面，曲轴需要静平衡以及动平衡获得均衡的质量分配，以便其在运动力学上可作为旋转体进行顺利的旋转。因而，对于根据弯曲刚性和扭转刚性的要件确定的臂部侧的质量，在获得静平衡以及动平衡的同时考虑轻量化的基础上，对平衡块部侧的质量进行调整成为重要的要件。

对于静平衡而言，调整为使臂部以及平衡块部的各部分的质量矩(“质量”×“重心半径”)的全部的和成为零。另外，对于动平衡而言，调整为，以曲轴的旋转轴线上的某一点为基准，以使从该基准点到各部分的重心的轴向上的距离乘以各部分的质量矩(“质量”×“重心半径”×“轴向距离”)，并使这些积的全部的和成为零。

而且，为了在一曲拐内(与一汽缸相对应的曲轴的区域)相对于燃烧压力载荷保持平衡，对平衡率进行调整。平衡率是平衡块部侧的质量矩相对于曲轴的包括销部的(严密地说也包括连杆的一部分在内的)臂部侧的质量矩的比例，进行调整以使平衡率处于某恒定范围内。

谋求提高曲轴的臂部的刚性和轻量化成为此消彼长的关系，为了同时达成两者的要求，以往以来提出了各种与臂部形状有关的技术。作为现有技术，存在下述技术。

日本专利第4998233号公报(专利文献1)公开了一种臂部，其中，在臂部的销部侧的表面以及轴颈部侧的表面上，在将轴颈部的轴心和销部的轴心连结的直线(以下也称为“臂部中心线”)上集中地设置有较大程度地凹陷的凹槽。在该专利文献1中公开的臂部的目的在于提高轻量化和刚性。轴颈部侧表面的凹槽有助于通过质量的减小来进行的轻量化，而且，该凹槽的周围的厚壁部有助于扭转刚性的提高。不过，由于在臂部中心线上集中地存在较大程度地凹陷的凹槽，实际上并不怎么能够期待弯曲刚性的提高。

日本特表2004－538429号公报(专利文献2)、日本特表2004－538430号公报(专利文献3)、日本特开2012－7726号公报(专利文献4)以及日本特开2010－230027号公报(专利文献5)公开了一种臂部，其中，在臂部的轴颈部侧的表面上，在臂部中心线上设置有较大面积地深深凹陷的孔部。在这些专利文献2～5中公开的臂部中也可谋求轻量化和扭转刚性的提高。不过，由于在臂部中心线上存在较大面积地深深凹陷的孔部，实际上弯曲刚性降低。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利第4998233号公报

专利文献2：日本特表2004－538429号公报

专利文献3：日本特表2004－538430号公报

专利文献4：日本特开2012－7726号公报

专利文献5：日本特开2010－230027号公报

发明内容

发明要解决的问题

根据所述专利文献1～5所公开的技术，能够谋求曲轴的轻量化和扭转刚性的提高。不过，对于曲轴的弯曲刚性的提高，在这些现有技术中存在极限，强烈期望对其进行技术革新。

本发明是鉴于这样的实际情况而做成的。本发明的目的在于提供一种能够在谋求曲轴的轻量化和扭转刚性的提高的同时、谋求弯曲刚性的提高的往复式发动机的曲轴。

用于解决问题的方案

本发明的一实施方式的往复式发动机的曲轴包括：轴颈部，其成为旋转中心轴；销部，其相对于该轴颈部偏心；以及曲轴臂部，其将所述轴颈部和所述销部相连，在所述曲轴臂部中的全部曲轴臂部或一部分曲轴臂部一体地具有平衡块部。

在所述曲轴臂部的靠所述轴颈部侧的表面上，在沿着该表面的轮廓的缘部的内侧，沿着该缘部形成有凹部。

在上述的曲轴中，能够设为如下结构：所述凹部扩展至所述缘部的区域中的从所述销部的轴心到偏心方向的顶部的范围的区域的一部分。

在该曲轴中，能够设为如下结构：所述凹部扩展至所述缘部的区域中的所述顶部的区域。取而代之，也能够设为如下结构：所述凹部扩展至所述缘部的区域中的一侧部的区域。取而代之，也能够设为如下结构：所述凹部扩展至所述缘部的区域中的两侧部的区域，所述凹部相对于将所述轴颈部的轴心和所述销部的轴心连结起来的直线对称。

上述的曲轴能够采用如下结构：在所述曲轴臂部中的没有所述平衡块部的曲轴臂部的靠所述销部侧的表面上，在沿着该表面的轮廓的缘部的内侧，沿着该缘部形成有凹部。

发明的效果

根据本发明，通过在臂部的靠轴颈部侧的表面形成有凹部，臂部的缘部被厚壁化，缘部的内侧由于凹部而被薄壁化，凹部的内侧的中央部被厚壁化。由此，能够在谋求曲轴的轻量化和扭转刚性的提高的同时，谋求弯曲刚性的提高。

附图说明

图1是示意性地表示通常的多缸发动机用曲轴的一个例子的侧视图。

图2是用于说明臂部的弯曲刚性的评价法的示意图。

图3的(a)以及(b)是用于说明臂部的扭转刚性的评价法的示意图，图3的(a)表示1曲拐的侧视图，图3的(b)表示其从其轴向观察时的主视图。

图4的(a)～(c)是表示将臂部视作单纯的圆板的情况下的典型例的图，图4的(a)表示矩形截面圆板，图4的(b)表示凸型截面圆板，图4的(c)表示凹型截面圆板。

图5的(a)～(c)是表示将臂部视作单纯的梁的情况下的典型例的图，图5的(a)表示矩形截面梁，图5的(b)表示凸型截面梁，图5的(c)表示凹型截面梁。

图6是针对截面惯性矩以及极惯性矩根据截面形状汇总大小关系的图。

图7的(a)～(e)是示意性地表示本发明的第1实施方式的曲轴的臂部形状的一个例子的图，图7的(a)表示从轴颈部侧沿着轴向观察时的主视图，图7的(b)表示A－A剖视图，图7的(c)表示B－B剖视图，图7的(d)表示C－C剖视图，图7的(e)表示D－D剖视图。

图8的(a)～(e)是示意性地表示本发明的第2实施方式的曲轴的臂部形状的一个例子的图，图8的(a)表示从轴颈部侧沿着轴向观察时的主视图，图8的(b)表示E－E剖视图，图8的(c)表示F－F剖视图，图8的(d)表示G－G剖视图，图8的(e)表示H－H剖视图。

图9的(a)～(e)是示意性地表示本发明的第3实施方式的曲轴的臂部形状的一个例子的图，图9的(a)表示从轴颈部侧沿着轴向观察时的主视图，图9的(b)表示I－I剖视图，图9的(c)表示J－J剖视图，图9的(d)表示K－K剖视图，图9的(e)表示L－L剖视图。

图10的(a)～(e)是示意性地表示本发明的第4实施方式的曲轴的臂部形状的一个例子的图，图10的(a)表示从轴颈部侧沿着轴向观察时的主视图，图10的(b)表示M－M剖视图，图10的(c)表示N－N剖视图，图10的(d)表示O－O剖视图，图10的(e)表示P－P剖视图。

图11的(a)～(e)是示意性地表示本发明的第5实施方式的曲轴的臂部形状的一个例子的图，图11的(a)表示从销部侧沿着轴向观察时的主视图，图11的(b)表示Q－Q剖视图，图11的(c)表示R－R剖视图，图11的(d)表示S－S剖视图，图11的(e)表示T－T剖视图。

具体实施方式

以下，对本发明的往复式发动机的曲轴的实施方式进行详细论述。

1.在曲轴的设计中应该考虑的基本技术

1－1.臂部的弯曲刚性

图2是用于说明臂部的弯曲刚性的评价法的示意图。如图2所示，对于曲轴的各曲拐而言，由缸内的爆发形成的燃烧压力的载荷F经由连杆施加于销部P。此时，各曲拐的两端的轴颈部J由轴承支承着，因此，载荷F从销部P经由臂部A向轴颈轴承传递。由此，臂部A成为3点弯曲的载荷施加状态，弯曲力矩M作用于臂部A。与此相伴，在臂部A上，在板厚方向的外侧(轴颈部J侧)产生压缩应力，在与板厚方向的外侧相反的内侧(销部P侧)产生拉伸应力。

在销部P以及轴颈部J的各直径作为设计参数确定了的情况下，臂部A的弯曲刚性依赖于各曲拐的臂部形状。平衡块部W几乎无助于弯曲刚性。此时，销部P的轴向中央处的燃烧压力施加方向的位移u如下述的(1)式所示那样成为与施加于销部P的燃烧压力的载荷F成正比、与弯曲刚性成反比的关系。

u∝F/(弯曲刚性)…(1)

1－2.臂部的扭转刚性

图3的(a)以及(b)是用于说明臂部的扭转刚性的评价法的示意图，图3的(a)表示1曲拐的侧视图，图3的(b)表示沿着其轴向观察时的主视图。曲轴以轴颈部J为中心进行旋转运动，因此，如图3的(a)以及(b)所示，产生扭矩T。因此，为了相对于曲轴的扭转振动不引起共振而确保顺利的旋转，需要提高臂部A的扭转刚性。

在销部P以及轴颈部J的各直径作为设计参数确定了的情况下，臂部A的扭转刚性依赖于各曲拐的臂部形状。平衡块部W几乎无助于扭转刚性。此时，轴颈部J的螺旋角γ如下述的(2)式所示那样成为与扭矩T成正比、与扭转刚性成反比的关系。

γ∝T/(扭转刚性)…(2)

2.本实施方式的曲轴

2－1.用于提高臂部刚性的想法

如上所述，平衡块部几乎无助于弯曲刚性和扭转刚性。因此，在本实施方式中，提出了轻量且同时提高弯曲刚性和扭转刚性的臂部形状。

2－1－1.使扭转刚性提高的形状

在此，基于材料力学的理论对用于使扭转刚性提高的典型的形状进行研究。对于所述图3的(a)以及(b)所示的臂部A，为了一边维持轻量化一边使扭转刚性提高，增大极惯性矩是有效的。

图4的(a)～(c)是表示在材料力学上出于扭转刚性的观点考虑，将臂部视作单纯的圆板的情况下的典型例的图，图4的(a)表示矩形截面圆板，图4的(b)表示凸型截面圆板，图4的(c)表示凹型截面圆板。图4的(a)所示的矩形截面圆板、图4的(b)所示的凸型截面圆板以及图4的(c)所示的凹型截面圆板考虑维持轻量化，将重量设为相同。即，这些圆板的截面形状为矩形、凸型以及凹型的，截面形状彼此不同，但它们的体积相同。

具体而言，图4的(a)所示的矩形截面圆板的截面形状是矩形，厚度是H₀，直径是B₀。图4的(b)所示的凸型截面圆板的截面形状是中央部比外周部突出而成的凸型，最外周的直径是B₀。该中央部的与突出相对应的厚度是H₂，直径是B₂，其外周部的厚度是H₁。图4的(c)所示的凹型截面圆板的截面形状是中央部比外周部凹陷而成的凹型，最外周的直径是B₀。该中央部的厚度是H₁，凹坑的深度是H₃，凹坑的直径是B₃。

对于这些圆板的扭转刚性的大小关系，在将重量设为相同的条件下进行调查。通常，根据材料力学的理论，在扭转刚性、极惯性矩以及螺旋角之间存在下述的(3)式～(5)式所表示的关系。根据这些式的关系，增大极惯性矩对扭转刚性的提高是有效的。

扭转刚性：G×J/L…(3)

极惯性矩：J＝(π/32)×d⁴…(4)

螺旋角：γ＝T×L/(G×J)…(5)

在(3)式～(5)式中，L是轴向长度，G是横向弹性模量，d是圆棒的半径，T是扭矩。

图4的(a)～(c)所示的3种圆板的重量相同这样的条件是指体积相同这样的条件。因此，关于上述3种圆板的各尺寸参数，存在下述的(6)式的关系。

(π/4)×B₀×B₀×H₀＝(π/4)×(B₀×B₀×H₁+B₂×B₂×H₂)＝(π/4)×{B₀×B₀×(H₁+H₃)－B₃×B₃×H₃)}…(6)

并且，3种圆板各自的极惯性矩考虑厚度而以下述的(7)式～(9)式表示。

矩形截面圆板的极惯性矩：

J_(A)＝(π/32)×H₀×B₀ ⁴…(7)

凸型截面圆板的极惯性矩：

J_(B)＝(π/32)×(H₁×B₀ ⁴+H₂×B₂ ⁴)…(8)

凹型截面圆板的极惯性矩：

J_(C)＝(π/32)×{(H₁+H₃)×B₀ ⁴－H₃×B₃ ⁴}…(9)

根据这些(7)式～(9)式，矩形截面圆板的极惯性矩J_(A)、凸型截面圆板的极惯性矩J_(B)以及凹型截面圆板的极惯性矩J_(C)的大小关系以下述的(10)式所示。

J_(B)＜J_(A)＜J_(C)…(10)

该(10)式是根据材料力学从理论上导出的结论。若定性地说，该结论能够从如下这样的材料力学方面的研究来理解：在距扭转中心的距离较远处配置较多的构件的截面形状使极惯性矩变高。

例如，作为同一重量的条件、即满足上述(6)式的条件的实例，想到将各尺寸参数如下述那样设定了的情况。

B₀＝100mm、H₀＝20mm、H₁＝10mm、H₂＝H₃＝20mm、B₂＝B₃＝100/√2＝70.71mm。

在该实例的情况下，矩形截面圆板的极惯性矩J_(A)根据上述(7)式求出，如下述的(11)式所示。

J_(A)＝1.96×10⁸…(11)

凸型截面圆板的极惯性矩J_(B)根据上述(8)式求出，如下述的(12)式所示。

J_(B)＝1.47×10⁸…(12)

凹型截面圆板的极惯性矩J_(C)根据上述(9)式求出，如下述的(13)式所示。

J_(C)＝2.45×10⁸…(13)

根据这些(11)式～(13)式，能够在数值上确认上述(10)式的关系成立。

因而，对于扭转载荷，扭转刚性以凸型截面圆板、矩形截面圆板、以及凹型截面圆板的顺序变高，可以说凹型截面圆板是最优选的形状。

2－1－2.使弯曲刚性提高的形状

在此，基于材料力学的理论对用于使弯曲刚性提高的典型的形状进行研究。对于所述图2所示的臂部A，为了一边维持轻量化一边使弯曲刚性提高，增大针对弯曲的截面惯性矩是有效率的。

图5的(a)～(c)是表示在材料力学上出于弯曲刚性的观点考虑，将臂部的截面形状单纯化并将臂部视作单纯的梁的情况下的典型例的图，图5的(a)表示矩形截面梁，图5的(b)表示凸型截面梁，图5的(c)表示凹型截面梁。图5的(a)所示的矩形截面梁、图5的(b)所示的凸型截面梁以及图5的(c)所示的凹型截面梁考虑维持轻量化而将重量设为相同。即，这些梁的截面形状为矩形、凸型以及凹型，截面形状彼此不同，但它们的截面的面积相同。

具体而言，图5的(a)所示的矩形截面梁的截面形状是矩形，厚度是H₀，宽度是B₃。图5的(b)所示的凸型截面梁的截面形状是中央部比两侧部突出而成的凸型，整个宽度是B₃。该中央部的厚度是H₂，宽度是B₂，该两侧部各自的厚度是H₁，宽度是B₁/2。图5的(c)所示的凹型截面梁的截面形状是中央部比两侧部凹陷而成的凹型，整个宽度是B₃。该中央部的厚度是H₁，宽度是B₁，该两侧部各自的厚度是H₂，宽度是B₂/2。

对于这些梁的刚性相对于弯曲载荷的大小关系，在将重量设为相同的条件下进行调查。通常，根据材料力学的理论，矩形梁的弯曲刚性和截面惯性矩的关系以下述的(14)式～(16)式表示。根据这些式的关系，增大截面惯性矩使弯曲刚性提高。

弯曲刚性：E×I…(14)

截面惯性矩：I＝(1/12)×b×h³…(15)

挠曲位移：u＝k(M/(E×I))…(16)

在(14)式～(16)式中，b是宽度，h是厚度，E是纵向弹性模量，M是弯曲力矩，k是形状系数。

图5的(a)～(c)所示的3种梁的重量相同这样的条件是指体积彼此相同、即截面的面积彼此相同这样的条件。因此，关于上述3种梁的各尺寸参数，存在下述的(17)式的关系。

B₃×H₀＝(H₂×B₂+B₁×H₁)＝(H₂×B₂+B₁×H₁)…(17)

并且，3种梁各自的截面惯性矩以下述的(18)式～(20)式表示。

矩形截面梁的截面惯性矩：

I_(D)＝(1/12)×B₃×H₀ ³…(18)

凸型截面梁的截面惯性矩：

I_(E)＝1/3×(B₃×E₂ ³－B₁×H₃ ³+B₂×E₁ ³)…(19)

在该式中，

E₂是“(B₂×H₂ ²+B₁×H₁ ²)/{2×(B₂×H₂+B₁×H₁)}”，

E₁是“H₂－E₂”，

H₃是“E₂－H₁”。

凹型截面梁的截面惯性矩：

I_(F)＝1/3×(B₃×E₂ ³－B₁×H₃ ³+B₂×E₁ ³)…(20)

在该式中，

E₂是“(B₂×H₂ ²+B₁×H₁ ²)/{2×(B₂×H₂+B₁×H₁)}”，

E₁是“H₂－E₂”，

H₃是“E₂－H₁”。

上述(19)式和上述(20)式的形式是相同的。这表示在重量相同这样的条件下凸型截面梁的截面惯性矩I_(E)和凹型截面梁的截面惯性矩I_(F)相同。

总之，矩形截面梁的截面惯性矩I_(D)、凸型截面梁的截面惯性矩I_(E)以及凹型截面梁的截面惯性矩I_(F)的大小关系如下述的(21)式所示。

I_(D)＜I_(E)＝I_(F)…(21)

该(21)式是根据材料力学从理论上导出的结论。定性地来说，该结论能够从如下这样的材料力学上的研究来理解：在距弯曲中立面的距离较远处配置较多的构件的截面形状使截面惯性矩提高。

例如，作为同一重量的条件、即满足上述(17)式的条件的实例，想到将各尺寸参数如下述那样设定了的情况。

B₁＝B₂＝50mm、B₃＝100mm、H₀＝20mm、H₁＝10mm、H₂＝30mm。此时，E₁＝12.5mm、E₂＝17.5mm、H₃＝7.5mm。

在该实例的情况下，矩形截面梁的截面惯性矩I_(D)根据上述(18)式求出，如下述的(22)式所示。

I_(D)＝6.67×10⁴…(22)

凸型截面梁的截面惯性矩I_(E)根据上述(19)式求出，如下述的(23)式所示。

I_(E)＝2.04×10⁵…(23)

凹型截面梁的截面惯性矩I_(F)根据上述(20)式求出，如下述的(24)式所示。

I_(F)＝2.04×10⁵…(24)

根据这些(22)式～(24)式能够在数值上确认上述(21)式的关系成立。

因而，针对弯曲载荷，凸型截面梁和凹型截面梁具有同等的弯曲刚性，可以说，与矩形截面梁相比，使臂部的一部分厚壁化那样的凸型截面梁或凹型截面梁是弯曲刚性较高且优选的形状。

2－1－3.使弯曲刚性和扭转刚性提高的形状的汇总

图6是针对与弯曲刚性和扭转刚性直接关连的截面惯性矩以及极惯性矩根据截面形状汇总大小关系而成的图。在图6中，针对所述图4的(a)～(c)以及图5的(a)～(c)所示的矩形截面、凸型截面以及凹型截面的截面形状的每一个截面形状，以矩形截面为基准“1”的比率表示极惯性矩以及截面惯性矩。

根据图6所示的结果，作为为了使弯曲刚性和扭转刚性提高而共用的有效的方法，可以说使臂部的厚度厚壁化是有效率的。特别是，若截面形状是凸型或凹型，则弯曲刚性提高，另一方面，若截面形状是凹型，则扭转刚性提高，因此，可以说通过将这些组合来使弯曲刚性和扭转刚性一起提高。

2－2.本实施方式的曲轴的概要

根据所述图6所示的结果，为了使弯曲刚性和扭转刚性一起提高，将臂部的截面形状设计成将凸型和凹型组合而成的形状是有效的。即，使沿着臂部的轮廓的缘部厚壁化、使该缘部的内侧薄壁化、使作为更靠内侧的位置的中央部(在臂部中心线上靠近轴颈部的部分)厚壁化。通过在使臂部的离扭转中心较远的缘部厚壁化的同时使该缘部的内侧薄壁化，能够一边实现轻量化一边确保扭转刚性较高。臂部的缘部的厚壁化有助于确保弯曲刚性。此外，对于确保弯曲刚性而言，臂部的中央部的厚壁化有助于确保弯曲刚性。

基于以上内容，本实施方式的曲轴是在臂部的轴颈部侧的表面上，在沿着该表面的轮廓的缘部(尤其是，相当于臂部的两侧部的缘部)的内侧沿着该缘部形成有凹部而成的。由此，臂部的凹部的外侧的缘部被厚壁化、缘部的内侧由于凹部而被薄壁化，凹部的内侧被厚壁化，因此，能够在谋求曲轴的轻量化和扭转刚性的提高的同时，谋求弯曲刚性的提高。

而且，也可以是，在具有没有平衡块部的臂部的曲轴的情况下，在没有平衡块部的臂部的靠销部侧的表面上，在沿着该表面的轮廓的缘部(尤其是，相当于臂部的两侧部的缘部)的内侧，沿着该缘部形成有凹部。在该情况下，能够一边确保曲轴的扭转刚性和弯曲刚性的提高一边进一步谋求轻量化。

2－3.具体例

[第1实施方式]

图7的(a)～(e)是示意性地表示本发明的第1实施方式的曲轴的臂部形状的一个例子的图，图7的(a)表示从轴颈部侧沿着轴向观察时的主视图，图7的(b)表示A－A剖视图，图7的(c)表示B－B剖视图，图7的(d)表示C－C剖视图，图7的(e)表示D－D剖视图。图7的(b)的A－A截面是臂部中心线Ac上的截面。图7的(c)的B－B剖视图是与A－A截面平行的截面。图7的(d)的C－C截面是与臂部中心线Ac呈直角且通过销部的轴心Pc的截面，图7的(e)的D－D截面是与C－C截面平行的截面。

图7的(a)～(e)所示的第1实施方式的臂部A在轴颈部J侧的表面形成有凹部10。具体而言，臂部A具有沿着轴颈部J侧的表面的轮廓的缘部11。凹部10在该缘部11的内侧沿着该缘部11形成。由此，臂部A的缘部11在整个范围内被厚壁化，缘部11的内侧由于凹部10而被薄壁化，凹部10的内侧的中央部被厚壁化。其结果，曲轴能够谋求轻量化和扭转刚性的提高，与此同时能够谋求弯曲刚性的提高。

在此，作为销部P和臂部A的接缝的销圆角部是容易产生应力集中的部分。因此，大多对销圆角部实施由高频感应加热进行的淬火，以提高疲劳强度。此时，臂部A的缘部11的区域、尤其是相当于销部P的偏心方向的顶部的区域(以下也称为“销顶部”)与要实施淬火的销圆角部邻接，因此，若不确保一定程度的厚度，则存在产生淬裂的情况。针对那样的情况，第1实施方式的臂部A的缘部11没有间断地在包括销顶部在内的整个范围内被厚壁化，对淬裂的抗性优异。

[第2实施方式]

图8的(a)～(e)是示意性地表示本发明的第2实施方式的曲轴的臂部形状的一个例子的图，图8的(a)表示从轴颈部侧沿着轴向观察时的主视图，图8的(b)表示E－E剖视图，图8的(c)表示F－F剖视图，图8的(d)表示G－G剖视图，图8的(e)表示H－H剖视图。图8的(a)的E－E截面、F－F截面、G－G截面、H－H截面分别与所述图7的(a)的A－A截面、B－B截面、C－C截面、D－D截面的位置相对应。

图8的(a)～(e)所示的第2实施方式的臂部A是以所述图7的(a)～(e)所示的第1实施方式的臂部A的结构为基础并对其结构的一部分进行变形而成的。在第2实施方式中，如图8的(a)以及(b)所示，形成于臂部A的靠轴颈部J侧的表面的凹部10扩展到臂部A的缘部11的区域中的、顶部(销顶部)的区域。即，臂部A的缘部11的厚度在销顶部局部变薄。

即使是这样的结构的第2实施方式的臂部A，缘部11也除了一部分之外被厚壁化，缘部11的内侧由于凹部10而被薄壁化，凹部10的内侧的中央部被厚壁化。因而，第2实施方式的曲轴与第1实施方式的曲轴同样地能够谋求轻量化和扭转刚性的提高，与此同时能够谋求弯曲刚性的提高。

话虽如此，若臂部A的缘部11的一部分被薄壁化，则与该薄壁化部分的贡献的量相对应地使扭转刚性变小。不过，在缘部11的区域中，只要是从销部P的轴心Pc到销顶部的范围的区域(以下也称为“销顶侧区域”)，该缘部11的厚度即使变薄，扭转刚性的降低也较少，弯曲刚性几乎不降低。因而，在使臂部A的凹部10扩展到缘部11的情况下，限定于缘部11的区域中的、销顶侧区域，凹部10在该限定的销顶侧区域的一部分扩展即可。

在第2实施方式中，臂部A的缘部11的厚度在销顶部变薄，因此，在销圆角部实施由高频感应加热进行的淬火的情况下，存在臂部A的销顶部容易产生淬裂的倾向。因此，臂部A的缘部11的销顶部的厚度需要能够防止淬裂的最低限的厚度。

[第3实施方式]

图9的(a)～(e)是示意性地表示本发明的第3实施方式的曲轴的臂部形状的一个例子的图，图9的(a)表示从轴颈部侧沿着轴向观察时的主视图，图9的(b)表示I－I剖视图，图9的(c)表示J－J剖视图，图9的(d)表示K－K剖视图，图9的(e)表示L－L剖视图。图9的(a)的I－I截面、J－J截面、K－K截面、L－L截面分别与所述图7的(a)的A－A截面、B－B截面、C－C截面、D－D截面的位置相对应。

图9的(a)～(e)所示的第3实施方式的臂部A是出于与上述的第2实施方式的技术思想同样的观点考虑，对所述图7的(a)～(e)所示的第1实施方式的臂部A的结构的一部分进行变形而成的。在第3实施方式中，如图9的(a)以及(e)所示，形成于臂部A的靠轴颈部J侧的表面的凹部10扩展到臂部A的缘部11的销顶侧区域中的、一侧部的区域的一部分。即，臂部A的缘部11的厚度在销顶侧区域的一侧部的一部分处局部地变薄。凹部10也可以扩展到臂部A的缘部11的销顶侧区域中的、一侧部的整个区域。

即使是这样的结构的第3实施方式的臂部A，缘部11也除了一部分之外被厚壁化，缘部11的内侧由于凹部10而被薄壁化，凹部10的内侧的中央部被厚壁化。因而，第3实施方式的曲轴也产生与上述的第2实施方式的曲轴同样的效果。

在第3实施方式中，臂部A的凹部10没有扩展到缘部11的销顶部。因此，可确保臂部A的缘部11的销顶部处的厚度，对伴随着高频感应加热而产生的淬裂的抗性优异。

[第4实施方式]

图10的(a)～(e)是示意性地表示本发明的第4实施方式的曲轴的臂部形状的一个例子的图，图10的(a)是从轴颈部侧沿着轴向观察时的主视图，图10的(b)表示M－M剖视图，图10的(c)表示N－N剖视图，图10的(d)表示O－O剖视图，图10的(e)表示P－P剖视图。图10的(a)的M－M截面、N－N截面、O－O截面、P－P截面分别与所述图7的(a)的A－A截面、B－B截面、C－C截面、D－D截面的位置相对应。

图10的(a)～(e)所示的第4实施方式的臂部A是出于与上述的第2实施方式的技术思想同样的观点考虑，对所述图7的(a)～(e)所示的第1实施方式的臂部A的结构的一部分进行变形而成的。在第4实施方式中，如图10的(a)以及(e)所示，形成于臂部A的靠轴颈部J侧的表面的凹部10扩展到臂部A的缘部11的销顶侧区域中的、两侧部的各区域的一部分，相对于臂部中心线Ac(将轴颈部J的轴心Jc和销部P的轴心Pc连结起来的直线)对称。即，臂部A的缘部11的厚度在销顶侧区域的两侧部各自的一部分处局部且对称地变薄。

即使是这样的构成的第4实施方式的臂部A，缘部11也除了一部分之外被厚壁化，缘部11的内侧由于凹部10而被薄壁化，凹部10的内侧的中央部被厚壁化。因而，第4实施方式的曲轴也产生与上述的第2实施方式的曲轴同样的效果。

在第4实施方式中，与上述的第3实施方式相同地，臂部A的凹部10没有扩展到缘部11的销顶部。因此，可确保臂部A的缘部11的销顶部的厚度，对伴随着高频感应加热而产生的淬裂纹的抗性优异。

上述的第2～第4实施方式都是臂部A的距曲轴的旋转中心较远的缘部11(销顶侧区域)的一部分局部地变薄，因此，与上述的第1实施方式相比较，臂部A侧的重心半径变小。与此相伴，臂部A侧的质量矩变小，因此，能够考虑曲轴的静平衡以及动平衡来减小平衡块部W的质量。因而，上述的第2～第4实施方式对曲轴整体的进一步轻量化是有用的。

[第5实施方式]

上述的第1～第4实施方式的凹部10不仅形成于具有平衡块部的臂部A、还形成于没有平衡块部的臂部A的靠轴颈部J侧的表面。在没有平衡块部的臂部的情况下，那样的凹部也可以形成于臂部A的靠销部P侧的表面。

图11的(a)～(e)是示意性地表示本发明的第5实施方式的曲轴的臂部形状的一个例子的图，图11的(a)表示从销部侧沿着轴向观察时的主视图，图11的(b)表示Q－Q剖视图，图11的(c)表示R－R剖视图，图11的(d)表示S－S剖视图，图11的(e)表示T－T剖视图。图11的(b)的Q－Q截面是臂部中心线Ac上的截面。图11的(c)的R－R剖视图是与Q－Q截面平行的截面。图11的(d)的S－S截面是与臂部中心线Ac呈直角且通过轴颈部的轴心Jc的截面，图11的(e)的T－T截面是与S－S截面平行的截面。图11的(a)的Q－Q截面、R－R截面分别与所述图7的(a)的A－A截面、B－B截面的位置相对应。

图11的(a)～(e)所示的第5实施方式的臂部A不具有平衡块部。例如，就四缸－4平衡块的曲轴来说，该臂部A是第2、第3、第6、第7臂部A2、A3、A6、A7。

第5实施方式的臂部A除了形成于靠轴颈部J侧的表面的凹部10之外，还在靠销部P侧的表面形成有凹部20。具体而言，臂部A具有沿着靠销部P侧的表面的轮廓的缘部21。凹部20在该缘部21的内侧沿着该缘部21形成。由此，对于臂部A，在连结有销部P的一侧，缘部11在整个范围内被厚壁化，缘部11的内侧由于凹部10而被薄壁化，凹部10的内侧的中央部被厚壁化。而且，对于臂部A，在连结有轴颈部J的一侧，缘部21在整个范围内被厚壁化，缘部21的内侧由于凹部20而被薄壁化，凹部20的内侧的中央部被厚壁化。其结果，能够一边确保曲轴的扭转刚性和弯曲刚性的提高，一边进一步谋求轻量化。

第5实施方式的凹部20是与上述的第1实施方式的凹部10同样的形状。不过，第5实施方式的凹部20也能够变更成与上述的第2～4实施方式的凹部10同样的形状。

本发明的曲轴以可搭载于所有往复式发动机的曲轴为对象。即，发动机的汽缸数既可以是双缸、三缸、四缸、六缸、八缸以及十缸中的任一个，也可以是更多缸。发动机汽缸的排列也可以是直列配置、V型配置、对置配置等，不做特别限制。发动机的燃料也可以是汽油、柴油、生物燃料等种类，不做特别限制。另外，作为发动机，也包括内燃机和电动机复合而成的混合动力发动机。

产业上的可利用性

本发明能够有效地利用于可搭载于所有往复式发动机的曲轴。

附图标记说明

1、曲轴；J、J1～J5、轴颈部；Jc、轴颈部的轴心；P、P1～P4、销部；Pc、销部的轴心；Fr、前部；Fl、法兰部；A、A1～A8、曲轴臂部；Ac、臂部中心线；W、W1～W8、平衡块部；2、减震式带轮；3、飞轮；10、凹部；11、缘部；20、凹部；21、缘部。

Claims

1.一种往复式发动机的曲轴，其中，该曲轴包括：轴颈部，其成为旋转中心轴；销部，其相对于该轴颈部偏心；以及曲轴臂部，其将所述轴颈部和所述销部相连，该曲轴是可搭载于往复式发动机的曲轴，

该曲轴在所述曲轴臂部中的全部曲轴臂或一部分曲轴臂一体地具有平衡块部，

在所述曲轴臂部的靠所述轴颈部侧的表面上，在沿着该表面的所述销部的轴心侧区域的轮廓的、缘部的两侧部的内侧，沿着该缘部形成有凹部，所述曲轴臂部的所述凹部的内侧的中央部被厚壁化。

2.根据权利要求1所述的往复式发动机的曲轴，其中，

所述凹部扩展至所述缘部的区域中的顶部的区域。

3.根据权利要求1所述的往复式发动机的曲轴，其中，

所述凹部扩展至所述缘部的区域中的一侧部的区域。

4.根据权利要求1所述的往复式发动机的曲轴，其中，

所述凹部扩展至所述缘部的区域中的两侧部的区域，所述凹部相对于将所述轴颈部的轴心和所述销部的轴心连结起来的直线对称。

5.根据权利要求1～4中任一项所述的往复式发动机的曲轴，其中，

在所述曲轴臂部中的没有所述平衡块部的曲轴臂部的靠所述销部侧的表面上，在沿着该表面的轮廓的缘部的两侧部的内侧，沿着该缘部形成有凹部。