JP2004286218A - ４気筒エンジンのバランサ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 従来の生産設備を大きく変更しないで生産可能であって、１次および２次の慣性力および慣性偶力と、１次慣性力によるクランク軸廻りのローリング起振モーメントの全てが０となる変形列型４気筒エンジンのバランサ装置を提供する。
【解決手段】 ２プレーンクランクピン配列の直列４気筒エンジンにおいて、ピストン・クランク機構の等価質量系のクランク回転部分質量を往復部分質量の２分の１未満とし、等速逆方向のバランサ軸１２をクランク軸６と平行に設けた。
【選択図】 図３

Description

本発明は変形列型４気筒エンジンのバランサ装置に関し、１次および２次の慣性力および慣性偶力と１次慣性力によるクランク軸廻りのローリング起振モーメントを完全に０にするバランサ装置に関するものである。

従来広く採用されている４気筒４サイクルエンジンのクランクピン配置は、第１気筒および第４気筒が０°で第２気筒および第３気筒が１８０°であり、４気筒が全て１平面内に収るため１プレーンクランク配列と呼ばれる。このような１プレーンクランク４気筒エンジンでは、１次の慣性力および慣性偶力は０であるが、２次の慣性力および１次慣性力によるクランク軸廻りの２次ローリング起振モーメントが残る。

この２次の慣性力を消去しようとすれば、クランク軸に対し、２倍速等方向と２倍速逆方向の２本のバランサ軸をシリンダ両側の対称な位置に設ける必要がある。

さらに２次ローリングモーメントを消去しようとすれば、バランサ軸をシリンダ方向で一定量オフセットする必要がある。

このようなバランサ軸は、一定の幾何学的条件を満たす必要があり、設計の自由度が大幅に制限される。

また、バランサ軸がクランク軸の２倍速で回るため高回転エンジンではバランサ軸受けの耐久性や機械騒音上の種々の問題を伴う。

一方、前述の１プレーンクランクピン配列と異なり、クランクピンが、例えば第１気筒０°、第２気筒９０°、第３気筒２７０°、第４気筒１８０°として、第１、第４気筒の平面と第２、第３気筒の平面が直交２平面を構成するようにした２プレーンクランク配列構造が提案されている。このような２プレーンクランクピン構造のエンジンは、１プレーンクランクピン配列に比べ、気筒同士による往復運動部分質量の打消作用が小さいため、振動防止技術の点で難しさがあるが、逆に自動二輪車等においては、振動の振幅、Ｓ／Ｎ比および周波数の点でエンジンの燃焼圧を身体で感じ、加速フィーリングが向上し運転感覚が非常に良好となるため、このような２プレーンクランクエンジン構造における振動抑制技術の実用化が望まれている。

前述の１プレーンクランクピン構造の各種問題点を解決するため、エンジンを２プレーンクランクピン構造として、等速逆回転の１本のバランサ軸をクランク軸と平行に設け、バランサ軸上に第１、第２気筒用と第３、第４気筒用の２個のバランサウェイトを設けて、エンジンの振動を軽減することが提案されている（例えば特許文献１参照）。

しかしながら、特許文献１に記載の４気筒エンジンは、基本的に各気筒の回転部分質量（クランクピン位置換算値でありピンの逆方向を向いているとする）が各気筒の往復部分質量の２分の１である必要がある。しかし、このような質量に対応する回転部分を従来広く採用されている１プレーンクランクピン配列の４気筒エンジンと同一部材で同一の空間内に設置することは困難であり、生産性が悪くなる。

特開昭５７−６９１７３号公報

本発明は上記の点に鑑みなされたものであり、従来の生産設備を大きく変更しないで生産可能であって、１次および２次の慣性力および慣性偶力と、１次慣性力によるクランク軸廻りのローリング起振モーメントの全てが０となる変形列型４気筒エンジンのバランサ装置の提供を目的とする。

前記目的を達成するため、本発明では、２プレーンクランクピン配列の直列４気筒エンジンにおいて、ピストン・クランク機構の等価質量系のクランク回転部分質量を往復部分質量の２分の１未満とし、等速逆方向のバランサ軸をクランク軸と平行に設けたことを特徴とする４気筒エンジンのバランサ装置を提供する。

本発明では、２プレーンクランクピン配列の直列４気筒エンジンにおいて、クランク軸に対し等速逆方向のバランサ軸を用い、クランク軸の回転部分質量を往復部分質量の２分の１未満として、ｘ、ｙ、ｚ方向の起振モーメントが０になるように構成しているため、クランク室空間をさほど大きくすることなく、エンジン振動を抑制し、１次および２次の慣性力および慣性偶力と、１次慣性力によるクランク軸廻りのローリング起振モーメントの全てが０となって、快適な運転感覚のエンジンを実現することができる。この場合、実際にエンジンを生産するに際し、従来の生産設備に対し、ピン配置やオイル通路等必要最小限の変更を行えば既設の生産ラインを使用可能である。

このようなバランサ装置において、クランクの回転部分質量が０、あるいは各気筒の往復部分質量の２分の１より小とすれば、クランク軸回りの１次ピッチング起振モーメントを、クランク軸に対し、等速逆方向のバランサ軸が発生する１次ピッチング起振モーメントと１次ヨーイング起振モーメントにより相殺し打消すことができる。

以下図１、図２および図３を用いて本発明のバランサ装置についてさらに説明する。なお以下の説明において、座標系はｚ軸が紙面手前を向いた右手座標系を用いている。また、クランクの回転方向は、紙面手前側からみて反時計方向とする。

本実施形態では、従来の問題であった、高回転速度エンジンにおいては、ネジリ固有振動数低下による耐久性の点を解決できる。

また、本発明者等は前述のクランク配列と異なる配列で１次モーメントを最小にし、２次モーメントが最大になるような形態の２プレーンクランク（第１気筒０゜、第２気筒１８０°、第３気筒２７０°、第４気筒９０°）を用いて加速および振動フィーリングの改善を図ったが、１次および２次モーメントにより振動の抑制が困難であった。そこで本発明者等はクランク形態を変えて２次モーメントが０で１次モーメントが最大の２プレーンクランクを採用し、その１次モーメントをバランサで完全に消すことを図った。

図１は本発明が適用される４気筒エンジンの１気筒を示す構成説明図であり、図２は４気筒のクランク配列の説明図である。クランク軸６に結合されたクランク２０はクランクピン２３を介してコンロッド２１に連結され、さらにピストンピン２４を介してピストン２２に連結される。各気筒の往復部分質量の質点はピストンピン２４の位置であり、回転部分質量の質点はクランクピン２３の位置である。図２に示すように、このエンジンは、４気筒の各気筒のクランクピン配置が、第１気筒のクランク２０ａは０°、第２気筒のクランク２０ｂは９０°、第３気筒のクランク２０ｃは２７０°、第４気筒のクランク２０ｄは１８０°の２プレーンクランクピン配列構造である。

このようなクランク構造のエンジンの往復部分質量が発生する起振モーメントについては以下のように算出される。

シリンダピッチをｌ、往復部分質量をｍ、角速度をω、クランク半径をｒとすると、ｙ方向の１次ピッチングモーメントＭｙ１は以下の数式（１）で表わされる。

また、２次ピッチングモーメントＭｙ２は２次の項が以下の数式（２）のように０となるからＭｙ２＝０である。

クランク軸の回転部分質量（クランクピン位置換算値でありピンの逆方向を向いているとする）を、各気筒の往復部分質量の２分の１より小、Ａ＜１、Ａ＋Ｂ＝１とすると、以下の数式（３）のモーメントを発生する。ここで、Ａ、Ｂはクランク軸の回転部分質量と等速等方向バランサとによる往復部分質量の分担割合を表わす比であり、例えばクランク軸の回転部分質量が各気筒の往復部分質量の１／２の場合、Ａ＝１、Ｂ＝０であり等速等方向バランサを持たない構造となる。これは特開昭５７−６９１７３号の構造に相当する。また、本願の請求項２の場合は、Ａ＝０、Ｂ＝１となる。なお、Ａはマイナスの値でもよい。Ａ＝０とはクランク回転部分質量を０にすることである。これはクランク回転部分質量すなわちクランクウェブがクランク軸心に関しこれと対称位置のクランクピンに作用する往復部分質量とバランスがとれて回転している状態である。

ここで、クランク軸に対し、等速等方向のバランサ軸により以下の数式（４）のモーメントを発生させ、同じく等速逆方向のバランサ軸により数式（５）のモーメントを発生させる。

これにより、
Ｍｙ１−（Ｍｙ１ｃ１＋Ｍｙ１ｂ１＋Ｍｙ１ｂ２）＝０
となり、ｙ方向の１次ピッチングモーメントは消去される。

なお、クランク回転による起振モーメントを０にするためには、ｙ方向とともにｘ方向の起振モーメントを消去しなければならないが、クランク軸とバランサ軸によるｘ方向の起振モーメントはそれぞれ以下の（数６）で示す数式（６−１）（６−２）（６−３）となる。

これにより、
Ｍｘ１ｃ１＋Ｍｘ１ｂ１＋Ｍｘ１ｂ２＝０
となり、互いに打消合う。したがって、ｘ方向の起振モーメントは消去される。

次に、１次慣性力によるクランク軸まわりの２次ローリング起振モーメントについて説明する。これは、ｚ方向の起振モーメント（図２参照）である。本発明では、上記ｘ方向及びｙ方向について起振モーメントが消去されるとともにｚ方向についても起振モーメントが０になり消去されることを説明する。

従来広く採用されている４気筒エンジンのクランクピン配置（１プレーンクランクピン配列）である第１気筒、第４気筒０°、第２気筒、第３気筒１８０°において、１次慣性力による起振モーメントＭｚ１は、以下の数式（７）のように表わされ、クランク軸まわりの２次ローリング起振モーメントとなって残る。

これに対し、本発明のエンジンでは、クランクピン配列が第１気筒０°、第２気筒９０°、第３気筒２７０°、第４気筒１８０°の２プレーンクランクピン配列であり、１次慣性力による起振モーメントＭｚ１は、以下の数式（８）で示すように、Ｍｚ１＝０となり、各気筒で互いに打ち消し合う。

なお、上記説明においては、コンロッド質量を一般的な往復部分質量と回転部分質量に分ける方法で計算したため、クランク軸まわりのモーメント計算においてはコンロッド重心まわりの慣性モーメントを用いた値とは修正トルクと呼ばれる誤差がある。しかしながらこの誤差は比較的小さいため無視した。

図３は、上記本発明の実施例に係るバランサ装置の基本構成図である。クランク軸６にギヤホイル３１を固定し、このギヤホイル３１に係合するチェーン３０を介して第１バランサ軸１１をクランク軸６に対し等速等方向に回転させる。また一対のギヤ１４、１５を介して第２バランサ軸１２を第１バランサ軸１１に対し等速逆方向に回転させる。これにより２本のバランサ軸が１本はクランク軸に対し等速等方向に、他の１本は等速逆方向に回転する。このとき回転部分質量は往復部分質量の２分の１より小さくなるように構成する。

次に本発明の別の実施例について説明する。この実施例は、２プレーンクランクピン配列の４気筒エンジンにおいて、クランク軸の回転部分質量を０としたものである。この実施例では、クランク軸に対し、前記実施例の数式（４）（５）に代えて、以下の数式（９）（１０）のモーメントをそれぞれ等速等方向および等速逆方向に発生させる。

これにより、Ｍｙｃ１＝０であるから、前記実施例の場合と同様に、
Ｍｙ１＋Ｍｙｃ１＋Ｍｙ１ｂ１＋Ｍｙ１ｂ２
＝Ｍｙ１＋Ｍｙ１ｂ１＋Ｍｙ１ｂ２＝０となり、１次ピッチングモーメントは消去される。

バランサ軸によるｘ方向の起振モーメントは以下の数式（１１−１）（１１−２）となる。

したがって、Ｍｘ１ｂ１＋Ｍｘ１ｂ２＝０となって、互いに打消し合う。
１次慣性力によるクランク軸まわりの２次ローリング起振モーメントについては前記実施例と同様に、Ｍｚ１＝０となって各気筒で互いに打消し合う。

図４は本発明が適用される自動二輪車の左側面図である。前輪１はヘッドパイプ２に連結されたフロントフォーク３で支持され、ヘッドパイプ２に接続されたメインフレーム前部の燃料タンク４の下側に４気筒エンジン５が載置される。このエンジン５のクランク軸６は車幅方向に配設され、エンジン５の各気筒がクランク軸６に沿って配設されている。このクランク軸６の回転運動がチェーン７を介して後輪８に伝達される。

本発明が適用されるこの４気筒エンジン５は前述の２プレーンクランクピン配列であり、２本のバランサ軸を有するバランサ装置が設けられる。

図５は本発明の実施例に係るバランサ装置（図６の右側の装置）の基本構成図である。図５（Ａ）は車両側方からの視図（断面）であり、図５（Ｂ）は車両前方から即ち図６の方向からの視図（断面）である。このバランサ装置１０は、クランク軸と等速等方向の第１バランサ軸１１とクランク軸と等速逆方向の第２バランサ軸１２とにより構成される。各バランサ軸１１、１２にはバランスウェイト１３が装着される。第１バランサ軸１１は、エンジンのクランク軸と直結でもよいし、又はギヤ、チェーン等の適当な伝達機構を介してクランク軸に対し等速等方向になるように連結してもよい。この第１バランサ軸１１に第１ギヤ１４を固定し、この第１ギヤ１４と同径同歯数の第２ギヤを第２バランサ軸１２に固定し、これらの第１第２ギヤ１４、１５を噛み合わせる。これにより第２バランサ軸１２はクランク軸に対し等速逆方向に回転する。

このようなバランサ装置１０は、図６に示すように、車体の左右両側に取付けられる。図６左側の装置の軸配置に関しては、図６の右側装置の車両中心線に対する左右対称配置である。また、バランスウェイト１３の位相に関しては、バランサ軸１１、１２の各々に対して１８０°の逆位相の位置である。即ちこの実施例の場合、左右一対の等速等方向、同じく一対の等速逆方向の合計４本のバランサ軸により構成されている。本願発明の「バランサ軸」とはこのような構成も含む。なお、上記実施例では、ギヤ１４、１５を用いて第１バランサ軸１１を介して上記第２バランサ軸１２をクランク軸に対し等速逆方向に回転させる構成としたが、このような構成に代えて、クランク軸から適当な伝達機構を介して等速逆方向の回転を得るように構成してもよい。この実施例の場合従来の自動二輪車のエンジン周囲のレイアウト（エンジン搭載位置、気化器等の配置等）を変更することなく、且つクランク軸部分の車幅方向への突出量も少なく抑えることができてバンク角を減少することのないバランサ装置の配置となっている。

以上説明したように、本発明では、２プレーンクランクピン配列の直列４気筒エンジンにおいて、クランク軸に対し等速逆方向のバランサ軸を用い、クランク軸の回転部分質量を往復部分質量の２分の１未満として、ｘ、ｙ、ｚ方向の起振モーメントが０になるように構成しているため、クランク室空間をさほど大きくすることなく、エンジン振動を抑制し、１次および２次の慣性力および慣性偶力と、１次慣性力によるクランク軸廻りのローリング起振モーメントの全てが０となって、快適な運転感覚のエンジンを実現することができる。この場合、実際にエンジンを生産するに際し、従来の生産設備に対し、ピン配置やオイル通路等必要最小限の変更を行えば既設の生産ラインを使用可能である。

また、バランサ軸は偶力バランサであるため、クランクに平行であれば設置位置の制限はない。したがって、クランク軸端部の外側や側部の空間部の適当な位置に設けることができ、また２本のバランサ軸を用いて等速等方向のバランサ軸を等速逆方向のバランサ軸の反転装置として兼用することができ、設計の自由度が大きいエンジンが得られる。また、２本のバランサ軸を用いて等速等方向のバランサ軸と等速逆方向のバランサ軸の反転装置を背面ジェネレータの駆動軸として兼用することもできる。クランク軸の回転部分質量を０にした場合には、クランク軸は従来の１プレーンクランクと同サイズで従来の生産設備、クランクケース等を共通使用できるものが多い。

またクランク軸の回転部分質量を０より大きく２分の１未満とすることにより、振動バランスに必要な偶力（モーメント）の一部をクランクのウェブの大きさや位相で実現し、不足分を等速等方向のバランサ軸でまかなうことができる。したがって、等速等方向バランサ軸の大きさを回転部分質量を０位下にする場合に比べ小さくすることができ、占有空間を小さくして消費エネルギも少なくできる。即ち、クランク室にスペース的余裕がある場合には、振動を打消すのに必要なモーメントのうち、クランク自体の分担割合を大きく、バランサ軸の分担割合を小さくすることによりバランサ装置を小型化することができる。

本発明のバランサ装置の各方向のモーメント計算のための説明図である。 本発明のクランクピン配列の説明図である。 本発明のバランサ装置の基本構成図である。 本発明が適用される自動二輪車の側面図である。 本発明のバランサ装置の基本構成図である。 本発明のバランサ装置を備えた自動二輪車の正面図である。

符号の説明

６：クランク軸、１０：バランサ装置、１１：第１バランサ軸、
１２：第２バランサ軸、２０：クランク、２１：コンロッド、
２２：ピストン、２３：クランクピン、２４：ピストンピン。

Claims (1)

1. ２プレーンクランクピン配列の直列４気筒エンジンにおいて、ピストン・クランク機構の等価質量系のクランク回転部分質量を往復部分質量の２分の１未満とし、等速逆方向のバランサ軸をクランク軸と平行に設けたことを特徴とする４気筒エンジンのバランサ装置。
   

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