JP2005061630A - クランクシャフト - Google Patents

Abstract

【課題】 公知の配置による欠陥を回避しながら、比較的大きいトルクの伝達ができるように、上記種類のクランクシャフトを簡易でコスト的に有利な手段により改良することである。
【解決手段】 挿入方向に見て係合ストラット５の前部領域を係合ストラットの後部領域に接続する、挿入方向に見て先細の円錐体９に構成すること、およびクランクウェブ１に対する係合ストラット軸方向移動を防止するための止めリング１０を装着することによって解決される。係合ストラットの後部領域に続くのが円錐体なので、係合ストラットも、したがってそれに対応するクランクウェブ穴も段階的な寸法調整が必要なく、隙間のできる恐れがなく、係合ストラットの全長にわたって確実な収縮結合が保証される。また円錐体の平均直径は前部先端直径より基本的に大きく、それが達成可能な伝達トルクの点で有利に作用する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、少なくとも1つの軸受ピン、およびこれに対し径方向にずれた、少なくとも1つのクランクピンを有し、軸受ピンおよびクランクピンが、それらを結合するクランクウェブから反対方向に突出しており、軸受ピンおよび/またはクランクピンが、クランクウェブに設けた穴と噛み合い、収縮結合によってクランクウェブと結合されており、挿入方向に見て後方に当る、比較的大きな直径を持つ後部領域と、それとは違い、挿入方向に沿って先細の前部領域とを備える、係合ストラットを有する、特に大型ディーゼルエンジンとして構成された短行程エンジン用のクランクシャフトに関する。

この種のクランクシャフトは特許文献１から公知である。大型エンジンの場合では、仕上り重量を低減するために、すべてのシリンダを貫通するクランクシャフトを小型の構造部材から組み立てることがしばしば必要である。その場合、収縮結合により対応するクランクウェブに結合されている同種類だけのピン（通例は軸受ピン）と、対応するクランクウェブに適合させて形成されている別なピン（通例ではクランクピン）とからなるクランクシャフトと、軸受ピンもクランクピンもクランクウェブの対応穴で収縮しているクランクシャフトとでは区別される。

短行程エンジンの場合、軸受ピンとクランクピンの径方向距離はピン半径の和の領域内、あるいはそれ以内であることを前提としなければならない。しかし、上記特許文献1から読み取れる配置によると、クランクウェブが係合ストラットに対応する穴によって余りにも弱体化しないように、係合ストラットの後部領域と前部領域は、前部領域の方が後部領域より直径が小さくなるように相互間で段階的に寸法調整されている。ところが、収縮結合を実現するには、ピン径を対応の穴直径より大きめにする必要があり、それが穴直径に対して一定の割合に相当するので、相対的に大きな後部直径およびそれに相応して大きめになった係合ストラットの領域が収縮結合後にクランクウェブの対応領域を拡大させ、その結果、図6に示されるように、前部領域において、比較的余剰分の少ない小さめの直径を持つ係合ストラットの前部領域とこの領域に対応するクランクウェブ穴の間に隙間が生じる危険がある。それにより、負荷がかかる場合、力の流れ全体が係合ストラットの後部領域を通り抜けるので、トルク伝達強度の点で好ましくない影響を及ぼすことになる。
DK-PS 122 682

以上の状況より、本発明の課題は、公知の配置による欠陥を回避しながら、比較的大きいトルクの伝達ができるように、上記種類のクランクシャフトを簡易でコスト的に有利な手段により改良することにある。

この課題は、本発明に基づき、挿入方向に見て係合ストラットの前部領域を係合ストラットの後部領域に接続する、挿入方向に見て先細の円錐体に構成すること、およびクランクウェブに対する係合ストラットの軸方向移動を防止するための止めリングを装着することによって解決される。

このような対策によって、上述した従来技術の欠点が、長所は保持したまま、完全に回避される。係合ストラットの後部領域に続くのが円錐体なので、係合ストラットも、したがってそれに対応するクランクウェブ穴も段階的な寸法調整が必要なく、隙間のできる恐れがなく、係合ストラットの全長にわたって確実な収縮結合が保証される。しかも、前部円錐体の先端では比較的小さな直径が達成可能なので、腕側は比較的多くの材料が残り、クランクウェブの弱体化が避けられる。また他方、円錐体の平均直径は前部先端直径より基本的に大きく、それが達成可能な伝達トルクの点では有利に作用する。係合ストラットの円錐形態は、確かに軸方向の作用力を引き起こす。それにより生じる軸方向の運動は、係合ストラットの後部領域における噛合わせ幅を縮小させ、前部領域においては収縮結合を実現し得なくするが、それは制止装置の設置によって確実に解消される。

プレアンブル記載の対策において、有利な実施形態および合目的的な改良形態は従属請求項に記載されている。

特に好ましい実施形態として、制止装置は、噛合わせピンの外周側切欠き溝およびクランクウェブの穴側に開いた切欠き溝に噛合う、少なくとも1つの止めリングを含む形態をとることができる。止めリングは、有利なことに、軸方向に働く圧力が比較的小さくなるように、その幅を比較的大きくすることができる。その他、止めリングはクランクウェブ材料とは異なる、嵌め込むのに非常に適した材料で構成することができ、それによって極めて高い安定性が保証されるという利点も認められる。

止めリングは、スリット付き開放リングとして構成すれば有用になることがある。この場合、止めリングはピストンリング状の形態となり、ピストンリング式の簡易組立が保証される。

さらにまた別な合目的的対策として、穴側切欠き溝の深さを、少なくとも想定収縮幅を差し引いたリング径に相当するように構成することができる。この対策により、組立時に止めリングを穴側切欠き溝に挿入することができ、係合ストラットの腕側穴への導入が容易になる。

プレアンブル記載の対策において、その他有利な実施形態として、制止装置の構成は、係合ストラットまたは腕側穴の壁面に適合させて形成された、それぞれ対応構成部の切欠き溝と噛合い、その高さがせいぜい想定収縮幅に相当する程度の、少なくとも部分的に旋回するウェブが、少なくとも1つ含まれるようにすることができる。この実施形態では、有利なことに、追加の構成部材は必要でない。

いずれの場合でも、制止装置は係合ストラットの前部領域と後部領域との間の境界領域に設置するのが有利である。それにより、制止装置の作用機構に働く曲げ応力の低レベル維持状態が確保される。実験からも、この対策を採り入れた場合にはクランクウェブ領域に顕著な応力集中が起こらないことが明らかになった。

さらに別な実施形態として、制止装置形成のために、係合ストラットに、挿入方向に沿って上げ勾配となり、その勾配が最大でも想定収縮幅に相当する円錐体を構成することができる。この場合には、好ましくも、軸方向の力によって追加的に径方向の力が生成され、それが伝達可能なトルクの大きさに関して有利に作用する。

プレアンブルに記載の対策において、その他有利な実施形態および合目的的な改良形態は残りの従属請求項に記載されており、それらについては下記実施形態の説明から、また図面を手掛かりに詳細に考察することができる。

本発明の主要適用領域は、大型エンジン、特に船舶原動装置などとして使用される、ピストン直径の大きな短行程の2サイクルディーゼルエンジンである。大きさの規模の例としては、気筒穴直径980mmの12気筒大型ディーゼルエンジンを挙げることができる。この場合は回転数を引き上げるために、行程は従来の2400mmから約1200mmに短縮されている。これは代表例であるが、もちろんこの数字に限定されることはない。

図1に基づくクランクシャフトは、クランクウェブ1を有しており、そこから離れた一方の側には軸受ピン2が、反対側のもう一方の側にはこれとは径方向にずれたクランクピン3が存在する。軸受ピン2とクランクピン3の径方向距離は、ピン直径の和の半分より小さい。図1には軸受ピン2とクランクピン3とが描かれている。大型エンジン用のクランクシャフトの場合は、自明のように、相前後して同軸配置された複数の軸受ピンと、所定の点火順序に応じて互いに位置シフトさせた、軸に平行な複数のクランクピンが配備されている。

図に描かれた軸受ピン2は、収縮結合によりクランクウェブ1と結合している。同図のクランクピン3は、クランクウェブ1に一体形成されている。当然のことながら、クランクピン3だけが、あるいは軸受ピン2とクランクピン3の双方が収縮結合によりクランクウェブ1と結合している実施形態も考えられる。最後に挙げたような実施形態は、部品重量が非常に大きい特別な大型エンジンの場合には優先的に適用すべきである。

収縮結合により隣接クランクウェブと結合している各ピンについて、この場合、軸受ピン2は、クランクウェブ1の対応穴4と噛み合う収縮結合によりその内部で固定される係合ストラット5を備えている。これは、矢印6で示す挿入方向に見て後部に当る、この場合には円柱形の領域7を有するが、この領域は略軸受ピン2の直径に相当する比較的大きな直径を有し、また挿入方向に見て前部に当る領域8も有するが、その前部先端直径は後部領域7の直径に比べて小さいので、軸受ピン2の係合ストラット5の前部先端とクランクピン3の接続領域の間の部分ではクランクウェブ1は十分に肉厚な幅を有している。図1に基づく実施形態では、係合ストラット5の前部領域8は円錐台状に形成された外周輪郭を有している。この部分は、以下では簡易化のため円錐体9と称する。円錐体9は常に、係合ストラット5の後部領域7に無段接続する円錐部分領域と係合ストラットの前部先端の間に位置している。クランクウェブ1の穴4は対応した輪郭になっていて、後部領域7に対応した円柱切断面と前部領域8に対応した円錐切断面を有している。係合ストラット5の前部領域8は、円錐体9の形態如何で、後部領域7と同等の直径から、それよりも小さい前部先端の直径に到るまで均等な先細形態になっている。

円錐体9に勾配があるので、収縮過程で生じた径方向の力に起因して挿入方向とは反対向きに軸方向の力が発生する。この軸方向力による係合ストラット5の押し戻しを防止するために、係合ストラット5の軸方向移動を阻止する制止装置が取り付けられている。図1に示された実施形態の場合では、これは、係合ストラット5の外周側切欠き溝11と、および同時に、共平面であるクランクウェブ1の穴側に開いた切欠き溝12とも噛合う取り巻き止めリング10を含んでいる。止めリング10は、クランクシャフトのベース材料よりも硬質の材料、好ましくはバネ鋼で作られているのが目的に沿うが、これは径方向に比較的幅広に構成されている。

止めリング10は、図2から明らかなように、周辺にスリット13が入っている。したがって、止めリング10は組立の際ピストンリング式に広げることができる。止めリング10は、組立の際、加熱クランクウェブ1の穴側に開いた切欠き溝12に差し込むのが目的に適っており、そうすれば噛合いピン5を押し込んだ際に、そのバネ作用により噛合いピン5の外周側切欠き溝11に嵌まり込む。この操作過程を可能にするため、切欠き溝12は、切欠き溝12の領域において生じる径方向の収縮幅を差し引いた止めリング10の径方向の幅に少なくとも相当する深さを有している。クランクウェブ1は組立の際に加熱されるので、この収縮幅を差し引くことが可能である。本例の止めリング10は、係合ストラット5の後部円柱領域7と前部円錐領域8の境界領域に配置されているので、止めリング10の曲げ応力もクランクウェブ1の領域における応力集中も非常に小さいものと想定することができる。

図3に基づく実施形態では、制止機構として、係合ストラット5に適合するように形成された、完全旋回式または部分旋回式のウェブ14が取り付けられており、これに対応するクランクウェブ1の穴側に開いた切欠き溝15と噛み合っている。ウェブ14が係合ストラット5の最大直径から、この場合には係合ストラット5の後部領域7の直径からはみ出した隆起高hは、最大でもせいぜい、腕1の切欠き溝15領域で想定できる収縮幅程度である。それにより、ウェブ14を持つ係合ストラット5を加熱されたクランクウェブの対応穴4に挿入する場合、確実な作業性が確保される。ウェブ14は、クランクウェブ1の冷却過程でこれと共平面の切欠き溝15と噛み合わされる。この切欠き溝は、強制力の作用を回避するために少なくとも径方向については大きめにすることができる。図に描かれた例では軸方向の幅が僅かに大きめになっている。

ウェブ15は、切欠き部の応力負荷を回避するために側方の溝16で側面補助されている。その他の点については、図3の実施形態は図1の実施形態に相応している。このことは、係合ストラット5の後部領域7と前部領域8間の境界領域における制止装置形成ウェブ14の配置についても当てはまる。

また別な実施形態が図4に描かれている。この場合には、挿入方向に見て係合ストラット5の後部に当る後部領域7は、挿入方向に沿って上り勾配の円錐台状の側面(以下では円錐体17と称する)を有している。したがって、円錐体17は係合ストラット5の前部領域8に配置された円錐体9とは反対向きの先細形態になっている。同じことは、係合ストラット5に対応するクランクウェブ1の穴4にも当てはまる。穴4には、切欠き部応力負荷の回避のため、係合ストラット5の後部領域7と前部領域8に対応する両部分間の境界領域に周回溝18が設けられている。

係合ストラット5の後部領域7における後方直径に対する円錐体17の隆起高h'、つまり係合ストラット5の後部領域7における最大半径と最小半径との差は、最大でもクランクウェブ1の穴4の後部領域における想定収縮幅に相当する程度なので、係合ストラット5を、加熱したクランクウェブ1の穴4に挿入することが可能である。円錐体17の勾配が円錐体9の勾配とは反対向きなので、係合ストラット5がクランクウェブ1に対して軸方向に移動する事態が防止される。円錐体9の領域で生成される軸方向の力により、円錐体17の領域で働く有効な半径方向の力が高められ、その結果収縮結合の耐負荷性が高められる。

図5に基づくまた別の実施形態では、係合ストラット5の前部領域8が2つの部分に分かれている。すなわち、挿入方向に沿って先細の円錐台状に形成された(以下では円錐体19と称する)、後部領域7に接続する第1区間と、挿入方向に沿って上り勾配になっている円錐台状に形成された(以下では円錐体20と称する)、円錐体19に接続する第2区間である。円錐体19とは反対向きの円錐体20は、この場合、係合ストラット5のクランクウェブ1に対する軸方向の動きを止める制止装置として機能する。両円錐体19,20の最小半径と挿入方向に見て前方に当たる係合ストラット5の前部正面に対応する円錐体20の最大直径との差、つまり上り勾配の高さh'は、最大でも円錐体19,20に対応するクランクウェブ1の穴4の両部分間の境界領域における想定収縮幅に相当する程度である。係合ストラット5の後部領域7は、この場合には円柱形にすることができる。

本発明の実施形態について詳しく説明したのは、確かに上記の通り数例であるが、実施形態はそれですべてというわけではない。詳しくは述べないが、例えば制止装置構成のためのバネ式制止ピンの使用など、別な実施形態も考えられる。それぞれの係合ストラット5の領域に同種または異種の複数制止装置を配備することも同様に考えられよう。したがって、本発明は記載された実施形態に限定されるものではない。

本発明に基づくクランクシャフトの一部分の部分断面図である。 図1の実施形態に基づく制止装置を形成する止めリングの部分図である。 係合ストラットに適合するように形成された制止ウェブを持つ、図1および図2の実施形態に対する代替手段を示す図である。 係合ストラットの後部領域に適合するように形成された、制止装置形成のための円錐体を持つ別の実施形態の図である。 係合ストラットの前部領域が反対向きの2つの円錐体を持つ別な代替手段の図である。 従来技術による先細の係合ストラットの部分図である。

符号の説明

1 クランクウェブ
2 軸受ピン
3 クランクピン
4 腕穴
5 係合ストラット
6 矢印
7 後部領域
8 前部領域
9 円錐体
10 止めリング
11 外周側切欠き溝
12 穴側に開いた切欠き溝
13 スリット
14 ウェブ
15 切欠き溝
16 溝
17 円錐体
18 周回溝
19 円錐体
20 円錐体

Claims (11)

1. 少なくとも1つの軸受ピン(2)と、それに対して径方向にずれた、少なくとも1つのクランクピン(3)とを有し、前記軸受ピン(2)およびクランクピン(3)が、それらを結合するクランクウェブ(1)から反対方向に突出しており、前記軸受ピン(2)および/またはクランクピン(3)が、クランクウェブ(1)に設けた穴(4)に噛み合い、収縮結合によってクランクウェブ(1)と結合されており、挿入方向に見て後方に当る、比較的大きな直径を持つ後部領域(7)と、それとは違い、挿入方向に沿って先細の前部領域(8)とを備える、係合ストラット(5)を有する、特に大型ディーゼルエンジンとして構成された短行程エンジン用のクランクシャフトであって、係合ストラット(5)の挿入方向に見て前方に当る前部領域(8)が、係合ストラットの後部領域(7)に接続する、挿入方向に沿って先細の円錐体(9,19)を備えること、およびクランクウェブ(1)に対する係合ストラット(5)の軸方向移動を防止するための制止装置を備えることを特徴とするクランクシャフト。
2. 前記制止装置が、係合ストラット(5)の外周側切欠き溝(11)およびクランクウェブ(1)の穴側に開いた切欠き溝(12)に噛み合う、少なくとも1つの止めリング(10)を含むことを特徴とする請求項1に記載のクランクシャフト。
3. 前記止めリング(10)が、径方向スリット(13)付きの開放リングとして構成されていることを特徴とする請求項2に記載のクランクシャフト。
4. 前記止めリング(10)が、クランクシャフトのベース材料よりも硬質の材料からなることを特徴とする請求項2または請求項3に記載のクランクシャフト。
5. 前記止めリング(10)がバネ鋼からなることを特徴とする請求項4に記載のクランクシャフト。
6. 穴側に開いた切欠き溝(12)の深さが、少なくとも、切欠き溝(12)の領域における想定収縮幅を除いた止めリング(10)の径方向幅に相当することを特徴とする請求項2ないし請求項5のいずれか1項に記載のクランクシャフト。
7. 前記制止装置が、係合ストラット(5)または腕側の穴(4)の壁面に適合するように形成され、少なくとも部分的に旋回し、それぞれ相対する構成部の対応する切欠き溝(15)に噛み合い、その径方向高さ(h)が最大でも切欠き溝(15)の領域における想定収縮幅に相当するウェブ(14)を有することを特徴とする請求項1に記載のクランクシャフト。
8. 前記制止装置が、係合ストラット(5)の後部領域と前部領域(7,8)の間の境界領域に設けられることを特徴とする請求項1ないし請求項7のいずれか1項に記載のクランクシャフト。
9. 前記係合ストラット(5)が、前記制止装置を形成するために、挿入方向に沿って上り勾配になっている円錐体(17または20)を備えており、その勾配の高さ(h')が、最大でも腕穴(4)の対応領域の収縮幅に相当する程度であることを特徴とする請求項1に記載のクランクシャフト。
10. 前記係合ストラット(5)の後部領域(7)に、挿入方向に沿って上り勾配になっている円錐体(17)が少なくとも部分的に設けられることを特徴とする請求項9に記載のクランクシャフト。
11. 前記係合ストラット(5)の前部領域(8)が、挿入方向に沿って先細の円錐体(9)に接続する、挿入方向に沿って上り勾配になっている円錐体(20)を有することを特徴とする請求項10に記載のクランクシャフト。
    
    

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