JP2001214921A - 内燃機関のクランク軸 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 クランク軸において、エンジンの高出力化に
対して、軸受メタルの軸方向の配置幅を確保しつつ、フ
ィレット部にかかる応力に対する強度を向上させること
を目的としている。 【解決手段】 クランク軸のフィレット部Ｐ1に形成さ
れるアール面５を、長径２Ｘがクランク軸芯Ｏ１と平行
な楕円Ｃ0を基礎とする部分楕円形状としている。好ま
しくは、フィレット部Ｐ1に形成されるアール面５の基
礎楕円Ｃ0は、長径２Ｘと短径２Ｙの比を略２：１と
し、また、基礎楕円Ｃ0の長径２Ｘの二分の一の値Ｘ
を、フィレット部Ｐ1につながるクランクピン１の軸径
Ｄ1の０．０５倍程度とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本願発明は、内燃機関のクラ
ンク軸に関し、特に、クランクピン等軸部材とクランク
アームとのフィレット部におけるアール面形状に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】図１は一般的なクランク軸を示してお
り、ジャーナル２間にクランクピン１を偏芯配置し、１
対のクランクアーム３によりジャーナル２とクランクピ
ン１とを一体に結合している。クランクピン１とクラン
クアーム３とのフィレット部（付根隅部）Ｐ1並びにジ
ャーナル２とクランクアーム３とのフィレット部Ｐ2
を、それぞれアール面加工してある。

【０００３】図３は従来の単アール型のフィレット部Ｐ
1を示しており、アール面３０は単一の曲率半径Ｒ0によ
り部分円状（四半円状）に形成され、クランクピン１の
表面１ａとクランクアーム３の端面３ａに、それぞれ滑
らかにつながっている。

【０００４】図４は従来例の改良型であって、２段アー
ル型のフィレット部Ｐ1を示しており、クランクピン１
の表面１ａに滑らかにつながる大きな曲率半径Ｒ1の１
段目アール面３１ａと、クランクアーム３の端面３ａに
滑らかにつながる小さな曲率半径Ｒ2の２段目アール面
３１ｂとを組み合わせている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】エンジンの高出力化に
伴い、クランク軸も強度の向上が求められ、軸径及び材
質等の改良と共に、応力が集中するフィレット部につい
てもその強度の向上が求められている。

【０００６】図３の単アール型では、強度を向上させる
ためには曲率半径Ｒ0を大きくすることになるが、曲率
半径Ｒ0とアール面３０の軸方向幅Ｌとは同じ値になる
ため、曲率半径Ｒ0の増加に比例してアール面３０の軸
方向幅Ｌも増加する。そうすると、クランクピン用軸受
メタル１０の配置スペースが狭められ、軸受メタル１０
の軸方向幅を狭くしなければならず、軸受メタル１０の
面圧が高くなり、この点で高出力化に対応できなくな
る。

【０００７】これに対処するために、クランクピン１を
長くして軸受メタル１０の配置スペースを確保しようと
すれば、クランク軸全体が長大化し、エンジンも大形化
する。

【０００８】図４の２段アール型では、大きな応力がか
かるクランクピン表面１ａ側のアール面３１ａを大きな
曲率半径Ｒ1とすることにより、応力に対する強度を維
持し、一方、比較的応力が小さいクランクアーム端面３
ａ側のアール面３１ｂを小さな曲率半径Ｒ2とすること
により、全体アール面３１の軸方向幅Ｌを、大きな曲率
半径Ｒ1よりも小さくし、これによりクランクピン用軸
受メタル１０の軸方向の配置スペースを充分に確保し、
軸受メタル１０の幅が狭くなるのを防ぐことができる。

【０００９】ところが、曲率半径（Ｒ1,Ｒ2)の異なる２
つのアール面３１ａ，３１ｂを継ぎ足して全体アール面
３１を構成しているので、アール面３１ａ,３１ｂの継
ぎ目Ａを境として応力分布が２つの異なるパターンに分
割されてしまい、応力ピークが２箇所で発生し、この点
で応力に対する強度に問題が生じてくる。

【００１０】また、２段アール型のアール面３１を成形
加工する場合には、まず２段アール面の原型としてテン
プレートを製作し、該テンプレートに倣って研削砥石の
表面を２段アール型にトリミングしなければならず、し
かも、数回研削加工する毎に、テンプレートによって砥
石表面を再トリミングしなければならず、加工に手間が
かかる。

【００１１】

【発明の目的】本願発明は、エンジンの高出力に対し
て、軸受メタルの軸方向の配置スペースを確保しつつ、
フィレット部にかかる応力を緩和し、かつ、強度を向上
させることを目的としている。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本願請求項１記載の発明は、クランク軸のフィレッ
ト部に形成されるアール面を、長径がクランク軸芯と平
行な楕円を基礎とする部分楕円形状としていることを特
徴とする内燃機関のクランク軸である。

【００１３】請求項２記載の発明は、請求項１記載の内
燃機関のクランク軸において、アール面の基礎楕円の長
径と短径の比を、略２：１としている。

【００１４】請求項３記載の発明は、請求項１又は２記
載の内燃機関のクランク軸において、フィレット部につ
ながるクランクピン又はジャーナルの軸径に対し、アー
ル面の基礎楕円の長径の二分の一の値を、０．０５倍程
度としている。

【００１５】

【発明の実施の形態】図１において、前述の説明内容と
部分的に重複するが、まずクランク軸全体の一般的構造
を説明する。クランク軸は、ジャーナル２間にクランク
ピン１を偏芯配置し、１対のクランクアーム３によりジ
ャーナル２とクランクピン１とを一体に結合している。

【００１６】ジャーナル２は、クランクケース等に形成
された主軸受１１に、主軸受メタル１２を介して回転自
在に支持され、クランクピン１は連接棒１４の大端部側
に形成されたクランクピン受け１５に、軸受メタル１０
を介して回動自在に連結されている。

【００１７】クランクピン１とクランクアーム３とのフ
ィレット部（付根隅部）Ｐ1並びにジャーナル２とクラ
ンクアーム３とのフィレット部Ｐ2に、それぞれアール
面５，６を形成してある。

【００１８】図２は、クランクピン１とクランクアーム
３とのフィレット部Ｐ1に本願発明を適用した例を示し
ており、アール面５は部分楕円形状となっている。アー
ル面５の基礎となる楕円Ｃ0は、長径２Ｘ方向がクラン
ク軸芯Ｏ１（図１）と平行になっており、該楕円Ｃ0の
１／４を利用して上記アール面５を形成している。

【００１９】したがって、クランクピン１の表面１ａに
対しては、アール面５のうち、最も曲率半径が大きな部
分が滑らかにつながり、クランクアーム３の端面３ａに
対しては、アール面５のうち、最も曲率半径が小さな部
分が滑らかにつながり、しかも、アール面５全体は、途
中に継ぎ目を有することなく連続している。また、楕円
Ｃ0の１／４を利用しているので、アール面５の軸方向
幅Ｌは、基礎楕円Ｃ0の長径２Ｘの二分の一（すなわち
Ｘ）となり、アール面５の径方向の幅Ｗは、基礎楕円Ｃ
0の短径２Ｙの二分の一（すなわちＹ）となっている。

【００２０】基礎楕円Ｃ0の長径２Ｘと短径２Ｙとの
比、いいかえればアール面５の軸方向幅Ｌと、径方向幅
Ｗとの比は、略２：１になっており、また、アール面５
の軸方向幅Ｌは軸受メタル１０の厚みｔ１よりは大きく
設定されている。

【００２１】クランクピン１の軸径Ｄ1とアール面５の
長径２Ｘとの関係は、長径２Ｘの二分の一（すなわち
Ｘ）がクランクピン軸径Ｄ1の０．０５倍程度となるよ
うに設定することが好ましく、この比率であると、応力
に対する強度維持が行なえる範囲でありながら、アール
面５の軸方向幅Ｌの増大化を可能な限り抑えることがで
きる。具体的な一例を掲げると、軸径Ｄ1が１００mm程
度のクランクピン１に対して、Ｘ＝５mm程度の楕円を基
礎として、アール面５を形成する。

【００２２】長径２Ｘと短径２Ｙとの比率を２：１程度
に設定していると、アール面５の軸方向幅Ｌをできるだ
け短くしながらも、クランクピン表面１ａ側の最大曲率
半径とクランクアーム端面３ａ側の最小曲率半径との差
が極端に大きくなるのを防ぐことができる。

【００２３】なお、長径２Ｘの二分の一（すなわちＸ）
がクランクピン軸径Ｄ1の０．０５倍程度より大きくな
ると、応力に対する強度は増加してくるのであるが、ク
ランクピン用軸受メタル１０の軸方向幅が犠牲になり始
めることになる。一方、長径２Ｘの二分の一（すなわち
Ｘ）がクランクピン軸径Ｄ1の０．０５倍程度より小さ
くなると、応力に対する強度が低くなってくることにな
る。

【００２４】図２では、クランクピン１とクランクアー
ム３とのフィレット部Ｐ1について説明したが、図１の
ジャーナル２とクランクアーム３とのフィレット部Ｐ2
のアール面６についても適用できるのは勿論であり、図
２の場合と同様に楕円を基礎としたアール面を形成する
ことができる。

【００２５】ただし、クランクピン１とジャーナル２と
を比較した場合、１つの気筒に対してクランクピン１は
１本で筒内圧に対応するのに比べ、ジャーナルは２本で
対応することになり、しかも、一般的にクランクピン１
はジャーナル２よりも細径で製造されるので、エンジン
の高出力化に対しては、部分楕円のアール面をクランク
ピンに適用する場合の方が効果は顕著である。

【００２６】

【その他の発明の実施の形態】（１）楕円の長径２Ｘと
短径２Ｙの比率は、２：１に限定されるものではなく、
機関の種類により、フィレット部にかかる応力分布に応
じて変更することは可能である。

【００２７】（２）クランクピン１等の軸径Ｄ1に対す
る長径２Ｘの二分の一（すなわちＸ）の値の倍率は、前
記０．０５倍程度に限定されるものではなく、機関の種
類により、フィレット部にかかる応力分布に応じて変更
することは可能である。

【００２８】以上説明したように本願発明によると、 （１）クランク軸のフィレット部Ｐ1（又はＰ2）に形成
されるアール面５（又は６）を、長径２Ｘがクランク軸
芯Ｏ１と平行な楕円Ｃ0を基礎とする部分楕円形状とし
ているので、アール面５の曲率半径は、クランクピン表
面１ａ側からクランクアーム端面３ａ側へいくに従い、
大きい値から小さい値へと滑らかに変化することにな
る。これにより、大きな応力がかかるクランクピン表面
１ａ側部分では大きな曲率半径により応力に対する強度
を維持し、一方、比較的小さな応力がかかるクランクア
ーム端面３ａ側の部分では小さな曲率半径によりアール
面５の軸方向幅Ｌを小さく抑え、それにより軸受メタル
１０の軸方向の配置スペースを確保し、クランク軸を長
大化することなく軸受メタル１０の面圧を低く抑えるこ
とができる。すなわち、アール面５の軸方向幅Ｌの増加
を抑えて、クランク軸の長大化を防ぎつつ、フィレット
部Ｐ1にかかる応力に対する強度を保つことができる。

【００２９】（２）アール面５を、クランクピン表面１
ａ等軸部材表面からクランクアーム端面３ａまで、滑ら
かにつながる部分楕円形状としているので、図４の２段
アール型のように、途中にアール面の継ぎ目が生じて応
力ピークが分離した応力分布になることはない。すなわ
ち、応力分布をなだらかな分布に緩和して、応力に対す
る強度を安定させることができる。

【００３０】（３）アール面５を部分楕円形状としてい
るので、アール面５を成形する場合において、図４の２
段アール型のように、テンプレートを用いて砥石をトリ
ミングする必要はなく、数値制御による研削によって簡
単に加工することができる。

【００３１】（４）請求項２記載の発明のように、フィ
レット部Ｐ1に形成されるアール面５の基礎楕円Ｃ0を、
長径２Ｘと短径２Ｙの比が略２：１の楕円とすると、ア
ール面５の軸方向幅Ｌをできるだけ短くしながらも、ク
ランクピン表面１ａ側（軸部材表面側）の最大曲率半径
とクランクアーム端面３ａ側の最小曲率半径との差が極
端に大きくなるのを防ぐことができる。

【００３２】（５）請求項３記載の発明のように、フィ
レット部Ｐ1に形成されるアール面５の基礎楕円Ｃ0の長
径２Ｘの二分の一が、フィレット部Ｐ1につながるクラ
ンクピン１等の軸径Ｄ1の０．０５倍程度であると、応
力に対する強度を保ちながらも、アール面５の軸方向幅
Ｌを充分に抑制することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 一般的なクランク軸の正面図である。

【図２】 本願発明を適用したフィレット部の拡大正面
図である。

【図３】 従来例のフィレット部の拡大正面図である。

【図４】 別の従来例のフィレット部の拡大正面図であ
る。

【符号の説明】

１ クランクピン ２ ジャーナル ３ クランクアーム ５,６ アール面 １０ クランクピン用軸受メタル １２ 主軸受メタル

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 クランク軸のフィレット部に形成される
   アール面を、長径がクランク軸芯と平行な楕円を基礎と
   する部分楕円形状としていることを特徴とする内燃機関
   のクランク軸。
2. 【請求項２】 請求項１記載の内燃機関のクランク軸に
   おいて、アール面の基礎楕円は、長径と短径の比が略
   ２：１であることを特徴とする内燃機関のクランク軸。
3. 【請求項３】 請求項１又は２記載の内燃機関のクラン
   ク軸において、フィレット部につながるクランクピン又
   はジャーナルの軸径に対し、アール面の基礎楕円の長径
   の二分の一の値を、０．０５倍程度としていることを特
   徴とする内燃機関のクランク軸。