JP2003083396A - レシプロ式エンジンのバランサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】従来はエンジンの回転数の２倍の速度で回転さ
せていたバランスシャフトの回転速度を低下させること
の可能な装置を提供すること。 【解決手段】クランク軸１と連動して回転駆動されるバ
ランサ軸７と、該バランサ軸７に固着されたカム８と、
該カム８と係合し、前記バランサ軸７が一回転する間に
複数回往復運動されるバランスマス１３とを有するよう
に構成した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明が属する技術分野】本発明は、レシプロ式エンジ
ンの爆発行程で発生する振動を緩和するバランサに関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】従来のバランスウェイトはクランクピン
とジャーナルをつなぐクランクアームの延長に設けた釣
合いおもりである。

【０００３】気筒数の少ないエンジンでは、回転運動部
分の質量による慣性力や、往復運動部分による慣性力の
一部を釣り合わせて、バランスを保ち、軸受にかかる荷
重を軽減させている。多気筒エンジンでは、振動を互い
に打ち消し合っているが、部分的に不釣合いが有るの
で、軸受荷重の軽減と高速時のねじれ振動を減少するた
めバランスウェイトを付けている。

【０００４】しかし、この従来のバランスウェイトだけ
では不十分な面があるので、最近の４気筒エンジンで
は、図６及び図７に示すように、クランク軸５０の両脇
に２本のバランスシャフト５１を配設し、その２本のバ
ランスシャフト５１をクランク軸５０の回転速度（エン
ジンの回転速度）の２倍の速度で正・逆回転するものが
提案され、実施もされてきた。即ち、クランク軸５０の
両脇に配設された２本のバランスシャフト５１は、クラ
ンクギア５２、中間ギア５３及びバランスシャフトギア
５４を介して、クランク軸５０より回転力を得るように
なっている。このとき、バランスシャフトギア５４の歯
数はクランクギア５２の歯数の半分に設定されている為
に、バランスシャフト５１はクランク軸５０の回転速度
の２倍の速度で回転する。なお、２本のバランスシャフ
ト５１は同歯数のバランスシャフトドライブギア５５に
よって、互いに逆向きに同速度で回転するように連結さ
れている。また、前記２本のバランスシャフト５１に
は、半割り形状のアンバランスマス５６がそれぞれ固着
されている。そして、該アンバランスマス５６は、図７
に示すように、バランスシャフトドライブギア５５の噛
合い位置における垂直面に関して面対称となる関係で配
置されている。

【０００５】このような構成のエンジンが運転状態にあ
ると、バランスシャフト５１がエンジン回転数の２倍で
回ることによって、ピストン５７の往復運動によって生
ずる慣性力と逆向きの力を発生して、該ピストン５７の
慣性力を打ち消し、エンジンの振動を低減する。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところが、この従来装
置においては、バランスシャフト５１がエンジン回転数
の２倍で回転することにより、ジャーナル部に熱が発生
することで起こる部品の熱損や、駆動部品の強度低下が
発生するという欠点があった。

【０００７】そこで本発明の目的は、従来はエンジンの
回転数の２倍の速度で回転させていたバランスシャフト
の回転速度を低下させることの可能な装置を提供するこ
とにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、請求項１に記載の発明では、クランク軸と連動し
て回転駆動されるバランサ軸と、該バランサ軸に固着さ
れたカムと、該カムと係合し、前記バランサ軸が一回転
する間に複数回往復運動されるバランスマスとを有して
なるものである。

【０００９】この発明によると、バランサ軸を従来より
も低い速度で回転駆動させることによって、往復動する
バランスマスでピストンの慣性力を打ち消し、エンジン
の振動を低減することができる。

【００１０】請求項２に記載の発明では、請求項１に記
載の発明において、前記カムには複数の頂部を有するカ
ム溝が形成され、前記バランスマスに取付けられた係留
子が前記カム溝に嵌合することによって該バランスマス
が前記カムに係留されるようにしたものである。

【００１１】この発明によると、カム溝によって、バラ
ンスマスの往復運動がより確実に行われる。

【００１２】請求項３に記載の発明では、請求項１また
は２に記載の発明において、前記バランスマスの往復動
を案内するガイドを、頂部が閉塞されたシリンダとし、
該シリンダの頂部にそれぞれ弁装置を備えた吸入口及び
吐出口を設けるとともに、これら吸入口及び吐出口を冷
凍回路に連結したものである。

【００１３】この発明によると、バランスマスの往復動
を利用して冷媒を圧縮してエアコンを作動させることが
できる。

【００１４】請求項４に記載の発明では、請求項１〜３
の何れかに記載の発明において、前記バランサ軸の回転
速度を前記クランク軸の回転速度と等速とし、前記カム
の端面には前記バランサ軸の軸心に関して点対称位置に
２つの頂部を有するカム溝を形成したものである。

【００１５】この発明によると、バランサ軸の回転速度
を前記クランク軸の回転速度と等速とすることができる
ため、バランサ軸やバランスマスの関係する摺動部での
負担が大幅に軽減される。

【００１６】請求項５に記載の発明では、請求項１〜４
の何れかに記載の発明において、前記バランサ軸はピス
トンの運動方向線上において前記クランク軸と平行に１
本配設されるとともに、前記バランスマスは前記ピスト
ンの運動方向と平行な方向に往復動されるようにしたも
のである。

【００１７】この発明によると、バランスマスの往復運
動が、ピストンの慣性力の打ち消しにのみ確実に作用す
る。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、この発明の実施の形態を添
付図面に基づいて説明する。

【００１９】（第１実施形態）図１は、本発明に関係す
る主要部のみ（シリンダブロックは図示せず）を示した
正面図であり、クランク軸１には、コンロッド２を介し
てピストン３が連結されるとともに、その一端にはクラ
ンクプーリ４が取付けられ、さらにその他端にはフライ
ホイール５がとりつけられている。該クランク軸１の下
方には、第１オイルパン６が配設され、該第１オイルパ
ン６にはバランサ軸７が、クランク軸１と平行に且つ回
転可能に支持されている。このとき、前記バランサ軸７
は、ピストン３の運動方向線上に位置するのが好適であ
る。即ち、後述のバランスマス１３とピストン３との互
いの運動方向が同一直線上で整合するため、２次慣性力
が効果的に相殺される。つまり、余分なアンバランス分
力に基づく慣性力が別に新たに発生することはない。バ
ランサ軸７の一端で、クランク軸１のほぼ中央部に対応
する位置にはカム８が固着され、他端にはバランサ軸ギ
ア９が取付けられている。該バランサ軸ギア９は中間ギ
ア１０を介してクランクギア１１と噛合い、クランク軸
１の回転によって前記バランサ軸７が回転駆動される。
前記バランサ軸ギア９とクランクギア１１とは同歯数と
されている。前記カム８は、バランサ軸７の軸心に関し
て点対称位置に２つの頂部を有するほぼ楕円形状をして
おり、その両端面には、該カム形状に沿ったカム溝１２
が刻設されている。従って、該カム溝１２はバランサ軸
７の軸心に関して点対称位置に２つの頂部を有するほぼ
楕円形状をとなされている。なお該カム溝１２には、バ
ランスマス１３に一体に取付けられた係留子１４が嵌合
し、該バランスマス１３は、第１オイルパン６に形成さ
れたガイド１５に嵌挿されて、ピストン３の運動方向と
平行な方向に往復運動するように案内される。第１オイ
ルパン６の下方には第２オイルパン１６が配置され、シ
リンダブロック全体の下面が閉塞されている。

【００２０】引き続き、上記のように構成された第１実
施形態の作用を説明する。

【００２１】クランク軸１が回転してエンジンが運転状
態にあると、ピストン３が上下往復動して２次慣性力Ａ
を発生する（エンジンの運転中に発生する慣性力をグラ
フで示した図３を参照）。他方、クランクギア１１、中
間ギア１０及びバランサ軸ギア９を介してクランク軸１
から得た回転力で、バランサ軸７が回転駆動される。こ
のとき、前記バランサ軸ギア９とクランクギア１１とは
同歯数とされているため、バランサ軸７はクランク軸１
と等速度で回転する。該バランサ軸７の回転で、該バラ
ンサ軸７に固着されたカム８が回転し、該カム８のカム
溝１２に沿って前記係留子１４が動くことで、該カム８
に係留されたバランスマス１３がガイド１５に案内され
ながら上下往復動する。バランスマス１３の往復動によ
って慣性力が発生するが、バランサ軸７はクランク軸１
と等速度で回転することと、カム溝１２には２つの頂部
が設けられていることから、バランサ軸による慣性力Ｂ
は、図３に示すように、バランサ軸７の１回転で２つの
山を有する形となる。ここで、ピストン３による２次慣
性力Ａと、バランサ軸による慣性力Ｂとは、互いの位相
が９０°ずれるように設定されているため、これら２次
慣性力Ａとバランサ軸による慣性力Ｂとは、互いに打ち
消し合うように作用して、ピストン３による２次慣性力
Ａが、外部に振動として伝達するのを低減することがで
きる。

【００２２】上述の第１実施形態によって次のような効
果を奏する。 （ａ）バランサ軸の回転速度を従来の半分とすることが
できるため、ジャーナル部の耐磨耗性が向上したり、駆
動部品の耐久性を向上することができる。 （ｂ）従来のアンバランスマスを回転させる方式のもの
においては、横方向の慣性力を相殺するため、２本のバ
ランサを互いに逆回転するように設けていたが、この実
施形態によるものにおいては、横方向の慣性力は発生し
ないため、バランサは１個で済み、部品点数の削減およ
び構造の簡素化が図れ、それによってコスト低減にも貢
献し得る。

【００２３】（第２実施形態）上記第１実施形態のもの
において、ガイド１５の部分を変更したものを、第２の
実施形態として図４に示す。これによると、バランスマ
ス１３の往復動を案内するガイド１５を、頂部（図にお
いては下底部）が閉塞されたシリンダとするとともに、
該シリンダの頂部にそれぞれ弁装置（図示せず）を備え
た吸入口１７及び吐出口１８が形成されている。そし
て、これら吸入口１７及び吐出口１８は、エアコンの冷
凍回路にそれぞれ連結されている。他の構成は上記第１
実施形態のものと同様であるため、同様な部材に対して
は、同一符号を付して説明を省略する。

【００２４】上記構成になる第２実施形態の作用をつぎ
に説明する。

【００２５】クランク軸１が回転してエンジンが運転状
態にあると、上記第１実施形態のものと同様に、クラン
ク軸１から駆動力を受けて回転するカム８の作用によっ
て、バランスマス１３がガイド１５であるシリンダ内を
上下往復動する。該往復動によって、閉塞されたシリン
ダ頂部とバランスマス１３の端面との間に形成された密
閉空間（圧縮室）が、膨張・収縮を繰り返す。この膨張
・収縮動作がそのまま吸入・圧縮作用となり、冷凍回路
における冷媒の圧縮動作が行われ、エアコンが運転さ
れ、冷房作用を受けることができる。つまり、バランス
マス１３が図において上昇するとき、前記密閉空間が膨
張するため、それに基づく吸入作用によって、吸入側の
冷凍回路に連結された吸入口１７を経て冷媒が前記密閉
空間内に吸入される。つづいて、バランスマス１３が図
において下降すると、前記密閉空間が収縮されて、それ
に基づく圧縮作用によって、前記密閉空間内に吸入され
ていた冷媒が、圧縮されて吐出口１８を経て冷凍回路の
吐出側へと送り出される。

【００２６】この第２実施形態によれば、上記第１実施
形態で得られる効果の他に、さらに下記のような効果を
享受し得る。 （ｃ）バランスマス１３の動きを、そのまま冷媒の圧縮
機として利用するため、カーエアコン用として別に新た
な圧縮機を設置する必要が無く、従って、車にとって部
品の削減が可能となり、コスト低減にも大きく貢献でき
る。 （ｄ）前記密閉空間内に対して冷媒が吸入・排出される
ことによって、それがダンパー的な作用をし、カム８を
含めてバランスマス１３の動きが安定した円滑なものと
なり、運動部分からの余分な振動の発生を抑制すること
ができる。

【００２７】（第３実施形態）さらに、上記第１実施形
態及び第２実施形態のものにおいて、カム８の形状を変
更したものを、第３の実施形態として図５に示す。これ
によると、バランサ軸７に取付けられたカム１９は、該
バランサ軸７の軸心に関して点対称位置に４つの頂部を
有しており、両端面には該カム１９の形状に沿ったカム
溝２０が形成されている。従って、前記カム溝２０は前
記バランサ軸７の軸心に関して点対称位置に４つの頂部
を有した形状とされている。そして、同様に前記カム溝
２０にはバランスマス１３の係留子１４が嵌合して、該
バランスマス１３がカム１９に対して係留されている。
なお、クランクギア１１の歯数は、バランサ軸ギア９の
歯数の半分に設定されている。

【００２８】上記構成になる第３実施形態において、エ
ンジンが運転状態にあると、クランク軸１の回転速度の
半分の速度でバランサ軸７、ひいてはカム１９が回転す
るが、該カム溝２０の頂部の数は、第１及び第２の実施
形態のものの倍とされているため、第１及び第２の実施
形態のものと同様、ピストン３の上下移動による慣性力
が効果的に打ち消される。

【００２９】この第３実施形態によれば、さらに下記の
ような効果を享受し得る。 （ｅ）バランサ軸７の回転速度をクランク軸１の回転速
度の半分とすることができるため、バランサ軸７やバラ
ンスマス１３の関係する摺動部での負担が大幅に軽減さ
れ、その結果、摺動部品の耐久性が大きく向上するとと
もに、動力損失の低減に大きく貢献し得る。

【００３０】本発明は、上記実施形態に限定されるもの
ではなく、下記のようにしても実施は可能である。 ○ 前記カム溝１２、２０は、カム８、１９の両端面に
形成されたが、いずれか片側だけに形成して、所謂「方
持ち」でバランスマス１３を係留するようにしても良い
し、また、カム８、１９の外周面に埋め込み式の溝とし
てカム溝１２、２０を形成するようにしても良い。 ○ バランサ軸７はピストン３の運動方向線上に位置す
るように配置したが、余分に発生する振動が許容される
範囲内で、それらを適宜量ずらすことが可能である。 ○ また、バランサ軸７は１本と限らず、２本以上の複
数本であっても実施は可能である。

【００３１】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、バ
ランサ軸を比較的低い速度で回転させることができるた
め、関係するジャーナル部等の耐磨耗性が高くなり、従
って、エンジン全体としての耐久性が高くなるという効
果を有している。

【図面の簡単な説明】

【図１】エンジンの本発明に関係する主要部だけを示す
正面図

【図２】クランク軸とバランスマスの連係状態を示す模
式図（図１におけるＸ−Ｘ矢視）

【図３】エンジンの運転中に発生する慣性力をグラフで
示す説明図

【図４】第２実施形態を示す模式図（図１におけるＸ−
Ｘ矢視）

【図５】第３実施形態を示す模式図（図１におけるＸ−
Ｘ矢視）

【図６】従来の技術を示す正面図

【図７】従来のクランク軸とバランスシャフトの連係状
態を示す模式図（図６におけるＹ−Ｙ矢視）

【符号の説明】

１ クランク軸 ３ ピストン ６ 第１オイルパン ７ バランサ軸 ８、１９ カム ９ バランサ軸ギア １０ 中間ギア １１ クランクギア １２、２０ カム軸 １３ バランスマス １５ ガイド １６ 第２オイルパン １７ 吸入口 １８ 吐出口 Ａ ２次慣性力 Ｂ バランサ軸による慣性力

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｆ１６Ｈ 21/20 Ｆ１６Ｈ 21/28 21/28 53/02 Ｚ 53/02 53/06 53/06 Ｆ０４Ｂ 35/00 １０２

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 クランク軸と連動して回転駆動されるバ
   ランサ軸と、該バランサ軸に固着されたカムと、該カム
   と係合し、前記バランサ軸が一回転する間に複数回往復
   運動されるバランスマスとを有してなるレシプロ式エン
   ジンのバランサ。
2. 【請求項２】 前記カムには複数の頂部を有するカム溝
   が形成され、前記バランスマスに取付けられた係留子が
   前記カム溝に嵌合することによって該バランスマスが前
   記カムに係留されることを特徴とする請求項１に記載の
   レシプロ式エンジンのバランサ。
3. 【請求項３】 前記バランスマスの往復動を案内するガ
   イドを、頂部が閉塞されたシリンダとし、該シリンダの
   頂部にそれぞれ弁装置を備えた吸入口及び吐出口を設け
   るとともに、これら吸入口及び吐出口を冷凍回路に連結
   したことを特徴とする請求項１または２に記載のレシプ
   ロ式エンジンのバランサ。
4. 【請求項４】 前記バランサ軸の回転速度を前記クラン
   ク軸の回転速度と等速とし、前記カムの端面には前記バ
   ランサ軸の軸心に関して点対称位置に２つの頂部を有す
   るカム溝を形成したことを特徴とする請求項１〜３の何
   れかに記載のレシプロ式エンジンのバランサ。
5. 【請求項５】 前記バランサ軸はピストンの運動方向線
   上において前記クランク軸と平行に１本配設されるとと
   もに、前記バランスマスは前記ピストンの運動方向と平
   行な方向に往復動されることを特徴とする請求項１〜４
   の何れかに記載のレシプロ式エンジンのバランサ。