JP2007270945A - クランクシャフト - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関の全高の抑制やカウンタウェイトの大型化を図ったとしても、ピストンの往復移動の案内を安定して行うことのできるクランクシャフトを提供する。
【解決手段】エンジンの全高を低く抑えるためにピストン３の位置をクランクシャフト寄りに設定したり、エンジンの運転時の振動騒音を低減するためにカウンタウェイト９を大型化したりすると、ピストン３が下死点を含む所定範囲を通過するとき、ピストン３のスカート部１４がカウンタウェイト９の突出方向先端部と干渉するおそれがある。こうした問題に対処するため、カウンタウェイト９の突出方向先端部は、下死点を含む所定範囲を通過するピストン３のスカート部１４を避ける形状に形成される。より詳しくは、カウンタウェイト９の突出方向先端部におけるスカート部１４側に、ピストン３の中心から離れるほどカウンタウェイト９の突出方向基端に接近するよう傾斜するテーパ面９ａが形成される。
【選択図】図４

Description

本発明は、クランクシャフトに関するものである。

内燃機関においては、シリンダ内壁に沿って往復移動するピストンがコネクティングロッドを介してクランクシャフトに連結されており、上記ピストンの往復運動がコネクティングロッドによってクランクシャフトの回転運動に変換される。このクランクシャフトは、シリンダブロックに回転可能に支持されるクランクジャーナルから径方向に突出するクランクアームと、同アームの先端部に設けられて上記コネクティングロッドと連結されるクランクピンと、上記クランクアームに設けられてクランクピン側と反対側に突出するカウンタウェイトとを備えている。このカウンタウェイトは、ピストンの往復運動に伴うクランクシャフトの回転中における振動発生を抑制するためのものであって、その振動発生を抑制可能な質量を有している。

図６は、特許文献１におけるピストンとコネクティングロッドとの連結構造を示す断面図である。同図から分かるように、ピストン５１とコネクティングロッド５２とにはそれぞれピンボス部５３，５４が形成されており、それらピンボス部５３，５４をピストン５１の径方向に貫通するピストンピン５５により、ピストン５１とコネクティングロッド５２とが連結されている。ピストン５１とコネクティングロッド５２とのピンボス部５３，５４は、ピストンピン５５に対し周方向に相対回転可能となっている。従って、ピストン５１の往復運動をコネクティングロッド５２によってクランクシャフトの回転運動に変換する際には、ピンボス部５３，５４とピストンピン５５とが同ピン５５の軸線を中心に相対回転する。

図７は、上記ピストン５１の詳細な構造を示す破断斜視図である。同図から分かるように、ピストン５１は、円板状に形成された頭部５６と、頭部５６におけるピンボス部５３側の面の外縁から突出するスカート部５７とを備えている。このスカート部５７はピストン５１の往復運動を案内するためのものである。ここで、ピストン５１においては、その往復運動が行われる際、ピストンピン５５（図６）の軸線を中心とする回転方向に変位する可能性がある。こうしたピストン５１の変位が生じたときには、スカート部５７の外周面がシリンダ内壁と接触し、その接触を通じてピストン５１が円滑に往復運動するよう案内される。

ところで、近年は、内燃機関の全高を低く抑えるためにピストン位置をクランクシャフト寄りに設定すること、及び、内燃機関の運転時の振動騒音を低減するためにクランクシャフトのカウンタウェイトを大型化して質量の増大を図ることが行われている。しかし、このようにピストン位置及びカウンタウェイトを設定すると、ピストンとカウンタウェイトとが最も接近するとき、すなわちピストンが下死点を通過するときに、カウンタウェイトにおけるクランクジャーナルに対する突出方向の先端部が、ピストンのスカート部と干渉するおそれがある。

そこで、特許文献１に示されるように、クランクシャフトの回転時におけるカウンタウェイトの移動経路上にスカート部が張り出さないよう、同スカート部を小さく形成するようにしている。より詳しくは、図６に示されるように、クランクジャーナルと共に回転するカウンタウェイト５８は、ピストン５１の頭部５６のピンボス部５３側におけるピストンピン５５の両端付近を同ピン５５の軸線と直交する方向に通過する。このため、スカート部５７は、ピストンピン５５の両端部付近に張り出さないよう、頭部５６のピンボス部５３側におけるピストンピン５５の径方向両側のみに設けられている（図６では一方のスカート部５７のみ図示）。このようにスカート部５７を形成すれば、ピストン５１が下死点を通過するとき、スカート部５７とカウンタウェイト５８とが干渉することはない。
特開２００５−７６６４１公報

上記のようにスカート部を小さく形成すれば、ピストンが下死点を通過するとき、スカート部とカウンタウェイトとの干渉を回避することができるようにはなる。しかし、スカート部を小さくすると、往復運動するピストンがピストンピンの軸線を中心に変位するとき、スカート部とシリンダ内壁との接触面が小さくなり、それらの接触を通じて行われるピストンの往復移動の案内を安定して行えなくなるおそれがある。

本発明はこのような実情に鑑みてなされたものであって、その目的は、内燃機関の全高の抑制やカウンタウェイトの大型化を図ったとしても、ピストンの往復移動の案内を安定して行うことのできるクランクシャフトを提供することにある。

以下、上記目的を達成するための手段及びその作用効果について記載する。
上記目的を達成するため、請求項１記載の発明では、回転可能に支持されるクランクジャーナルから径方向に突出するクランクアームと、そのクランクアームの先端部に設けられてピストンとコネクティングロッドを介して連結されるクランクピンと、前記クランクアームに設けられて前記クランクピン側と反対側に突出するカウンタウェイトとを備え、前記クランクジャーナルの回転に伴い前記カウンタウェイトが回転するとともに前記ピストンが下死点を通過するとき、前記カウンタウェイトの突出方向先端部が前記ピストンのスカート部に最も接近するクランクシャフトにおいて、前記カウンタウェイトの突出方向先端部は、下死点を含む所定範囲を通過する前記ピストンのスカート部を避ける形状に形成されていることを要旨とした。

内燃機関の全高を低く抑えるためにピストン位置をクランクシャフト寄りに設定したり、内燃機関の運転時の振動騒音を低減するためにクランクシャフトのカウンタウェイトを大型化して質量の増加を図ったりする場合がある。この場合、ピストンが下死点を含む所定範囲を通過するとき、ピストンのスカート部がクランクジャーナルと共に回転するカウンタウェイトのクランクジャーナルに対する突出方向の先端部と干渉するおそれがある。ここで、仮に上記干渉をスカート部を小さく形成することによって回避したとすると、スカート部とシリンダ内壁との接触面が小さくなり、それらの接触を通じて行われるピストンの往復移動の案内を安定して行えなくなるおそれがある。しかし、上記構成によれば、ピストンのスカート部を小さく形成せずとも、カウンタシャフトとスカート部との干渉を回避することが可能になる。従って、内燃機関の全高の抑制やカウンタウェイトの大型化を図ったとき、スカート部とカウンタウェイトとの干渉を回避すべく同スカート部を小さく形成しなくてもよくなる。このため、スカート部とシリンダ内壁との接触面積を大きくとり、それらの接触を通じてピストンの往復移動の案内を安定して行うことができる。

請求項２記載の発明では、請求項１記載の発明において、前記カウンタウェイトの突出方向先端部には、下死点を含む所定範囲を通過する前記ピストンのスカート部との間にクリアランスを生じさせるようテーパ面が形成されていることを要旨とした。

上記構成によれば、カウンタウェイトとスカート部との干渉を回避するための同カウンタウェイトの形状の形成として、カウンタウェイトの突出方向先端部へのテーパ面の形成を行うだけでよいため、上記干渉を回避するためのカウンタウェイトの形状の形成を容易に行うことができる。

請求項３記載の発明では、請求項２記載の発明において、前記カウンタウェイトは、前記クランクジャーナルと共に回転して突出方向先端部が前記ピストンのスカート部に最も接近するとき、その突出方向先端部がピストンの外周面よりも同ピストンの中心寄りに位置するものであり、前記テーパ面は、前記カウンタウェイトの突出方向先端部における前記スカート部側に形成され、前記ピストンの中心から離れた部分ほど前記カウンタウェイトの突出方向基端側に接近するよう傾斜するものとした。

クランクシャフトの軸線方向長さを抑えるため、カウンタウェイトはコネクティングロッドに近い位置に設けられる。このため、カウンタウェイトの突出方向先端部は、ピストンの外周面よりも同ピストンの中心寄りに位置する。上記構成によれば、こうした状況のもとでも、カウンタウェイトの突出方向先端部に上記テーパ面を形成することにより、的確にカウンタウェイトとスカート部との間にクリアランスを生じさせて両者の干渉を回避することができる。

以下、本発明を自動車用エンジンのクランクシャフトに具体化した一実施形態を図１〜図５に従って説明する。
図１に示されるクランクシャフト１は、エンジンのシリンダ内壁２に沿って往復移動するピストン３とコネクティングロッド４を介して連結されており、エンジンの燃焼エネルギによりピストン３に対しその移動方向に働く力をコネクティングロッド４を介してクランクシャフト１の周方向への力として受けるものである。

このクランクシャフト１は、エンジンのシリンダブロック５に回転可能に支持されるクランクジャーナル６から径方向に突出するクランクアーム７と、同アーム７の先端部に設けられて上記コネクティングロッド４と連結されるクランクピン８と、クランクアーム７からクランクピン８側と反対側に突出するカウンタウェイト９とを備えている。

クランクシャフト１のクランクピン８は、コネクティングロッド４の基端に設けられた大端部１０をクランクシャフト１の軸線方向に貫通するとともに、その大端部１０に対し周方向に摺動可能となっている。一方、コネクティングロッド４の先端に設けられた小端部１１は、ピストン３との連結に用いられている。ここで、ピストン３は、円板状に形成された頭部１５と、頭部１５のクランクシャフト１側において同シャフト１の軸線方向に間隔をおいて設けられた一対のピンボス部１２と、コネクティングロッド４の小端部１１を同シャフト１の軸線方向に貫通するとともに一対のピンボス部１２に回転可能に支持されるピストンピン１３とを備えている。このピストンピン１３は、ピンボス部１２及び小端部１１に対し、ピストンピン１３の周方向に摺動可能となっている。

従って、エンジンの駆動によりピストン３が図２に示されるようにシリンダ内壁２に沿って図中上下方向に往復運動すると、そのピストン３の往復運動がコネクティングロッド４によりクランクシャフト１の回転運動に変換される。ピストン３の往復運動に伴うクランクシャフト１の回転は、クランクシャフト１に所定の質量を有する上記カウンタウェイト９を設けることで滑らかに行われる。これによりクランクシャフト１の回転中における振動発生が抑制される。

また、ピストン３が往復運動するとき、ピストン３にはエンジンの燃焼エネルギによる力や回転するクランクシャフト１からの力が作用し、こうした力の作用によってクランクピン８の軸線を中心とする回転方向に変位する。ピストン３には、上述したクランクピン８の軸線を中心とする回転方向へのピストン３の変位により、ピストン３の往復運動が円滑に行えなくなることがないよう、頭部１５におけるピンボス部１２側の面の外縁からクランクシャフト１側に向けて突出する円筒状のスカート部１４が設けられている。なお、ピストン３において、スカート部１４、ピンボス部１２、及び頭部１５は一体形成されている。

往復運動中のピストン３がピストンピン１３の軸線を中心に回転方向に変位すると、スカート部１４の外周面におけるピストンピン１３の径方向両側の部分のうち、一方側の部分（以下、スラスト面１４ａという）と、他方側の部分（以下、スラスト面１４ｂという）とのいずれかがシリンダ内壁２と接触する。こうしたスラスト面１４ａ，１４ｂとシリンダ内壁２との接触を通じて、ピストン３が上述したようにピストンピン１３の軸線を中心とする回転方向に変位するとしても、そのピストン３が円滑に往復運動するよう案内される。

図３は、ピストン３が下死点に達した状態を示す側面図である。同図から分かるように、カウンタウェイト９の突出方向先端部は、クランクジャーナル６の周方向において円弧状をなすよう形成されている。そして、ピストン３が下死点に達すると、上記カウンタウェイト９の突出方向先端部とピストン３のスカート部１４とが最も接近した状態になる。このため、エンジンの全高を低く抑えるためにピストン３の位置をクランクシャフト寄りに設定したり、エンジン運転時の振動騒音を低減するためにカウンタウェイト９を大型化して質量の増加を図ったりする場合、ピストン３が下死点を通過するとき、カウンタウェイト９の突出方向先端部がピストン３のスカート部１４と干渉するおそれがある。

上述した問題に対処するため、図中において、ピストン３が下死点を含む所定範囲を通過するとき、カウンタウェイト９の突出方向先端部とスカート部１４との間にクリアランスが生じるよう、そのスカート部１４を図中の二点鎖線で示すように削り取ることが考えられる。しかし、この場合はスカート部１４を二点鎖線で示すように削り取って小さくした分だけ、スラスト面１４ａ，１４ｂも小さくなる。このため、往復移動するピストン３がピストンピン１３の軸線を中心とする回転方向に変位し、スラスト面１４ａ，１４ｂとシリンダ内壁２とが接触したとき、それらの接触面積が小さくなることは避けられない。従って、スラスト面１４ａ，１４ｂとシリンダ内壁２との接触を通じて行われるピストン３の往復移動の案内を安定して行うことができないおそれがある。

そこで、この実施形態では、上述したようにスカート部１４を削り取る代わりに、カウンタウェイト９の突出方向先端部を、下死点を含む所定範囲を通過するピストン３のスカート部１４を避ける形状に形成する。この場合、スカート部１４とカウンタウェイト９との干渉を回避するために、スカート部１４を削り取って小さくしなくてもよいため、それに伴ってスラスト面１４ａ，１４ｂが小さくなることはない。従って、往復移動するピストン３がピストンピン１３の軸線を中心とする回転方向に変位し、スラスト面１４ａ，１４ｂとシリンダ内壁２とが接触するとき、それらの接触面を大きくとることができ、同接触を通じてピストン３の往復移動の案内を安定して行うことができる。

次に、カウンタウェイト９における突出方向先端部の詳細な形状について、図４及び図５を併せ参照して説明する。
図４は、図３のピストン３及びカウンタウェイト９の突出方向先端部を矢印Ａ−Ａ方向から見た断面図である。同図に示されるように、カウンタウェイト９は、クランクシャフト１の軸線方向長さを極力抑えるため、コネクティングロッド４に近い位置に設けられる。このため、カウンタウェイト９の突出方向先端部は、ピストン３の外周面よりも同ピストン３の中心寄りに位置する。そして、カウンタウェイト９の突出方向先端部におけるスカート部１４側には、ピストン３の中心から離れるほどカウンタウェイト９の突出方向基端（図中下端）に接近するよう傾斜するテーパ面９ａが形成されている。このテーパ面９ａは、下死点を含む所定範囲を通過するピストン３のスカート部１４との間にクリアランスを生じさせるように形成されている。

このように形成されたテーパ面９ａをピストン３側から見た状態を図５に示す。同図は、図４のピストン３のスカート部１４及びカウンタウェイト９の突出方向先端部を矢印Ｂ−Ｂ方向から見た断面図である。こうしたテーパ面９ａをカウンタウェイト９の突出方向先端部に形成することで、その先端部が下死点を含む所定範囲を通過するピストン３のスカート部１４を避ける形状に形成されることとなる。従って、ピストン３が下死点を含む所定範囲を通過するとき、カウンタウェイト９の突出方向先端部は、スカート部１４とテーパ面９ａとの間にクリアランスを保った状態で、同スカート部１４よりも同ピストン３の中心寄りの部分に出し入れされる。

なお、カウンタウェイト９においては、その突出方向先端部にテーパ面９ａを形成した分だけ質量減になるが、カウンタウェイト９におけるテーパ面９ａ以外の部分で質量増が行われており、それによってカウンタウェイト９全体の質量が円滑なクランクシャフト１の回転を実現可能な値に保持されている。

以上詳述した本実施形態によれば、以下に示す効果が得られるようになる。
（１）エンジンの全高を低く抑えるためにピストン３の位置をクランクシャフト１寄りに設定したり、エンジンの運転時の振動騒音を低減するためにカウンタウェイト９を大型化したりすると、ピストン３が下死点を含む所定範囲を通過するとき、ピストン３のスカート部１４がカウンタウェイト９の突出方向先端部と干渉するおそれがある。こうした問題に対処するため、カウンタウェイト９の突出方向先端部が、下死点を含む所定範囲を通過するピストン３のスカート部１４を避ける形状に形成されている。この場合、上述したようにエンジンの全高の抑制やカウンタウェイト９の大型化を図ったとき、スカート部１４とカウンタウェイト９との干渉を回避すべく、同スカート部１４を小さく形成しなくてもよくなる。従って、往復移動するピストン３がピストンピン１３の軸線を中心とする回転方向に変位し、スラスト面１４ａ，１４ｂとシリンダ内壁２とが接触するとき、それらの接触面を大きくとることができ、同接触を通じてピストン３の往復移動の案内を安定して行うことができる。

（２）カウンタウェイト９とスカート部１４との干渉を回避するための同カウンタウェイト９の形状の形成として、カウンタウェイト９の突出方向先端部へのテーパ面９ａの形成を行うだけでよいため、上記干渉を回避するためのカウンタウェイト９の形状の形成を容易に行うことができる。

（３）クランクシャフト１の軸線方向長さを抑えるため、カウンタウェイト９はコネクティングロッド４に近い位置に設けられる。このため、カウンタウェイト９の突出方向先端部は、ピストン３の外周面よりも同ピストン３の中心寄りに位置する。こうした状況のもとでも、カウンタウェイト９の突出方向先端部におけるスカート部１４側に、ピストン３の中心から離れるほどカウンタウェイト９の突出方向基端に接近するよう傾斜するテーパ面９ａを形成することにより、的確にカウンタウェイト９とスカート部１４との間にクリアランスを生じさせて両者の干渉を回避することができる。

なお、上記実施形態は、例えば以下のように変更することもできる。
・カウンタウェイト９の突出方向先端部がピストン３の外周面よりも同ピストン３の中心から離れる側に位置する場合には、その突出方向先端部におけるスカート部１４側に、ピストン３の中心に近づくほどカウンタウェイト９の突出方向基端に接近するよう傾斜するテーパ面を形成してもよい。

・カウンタウェイト９とスカート部１４との干渉を回避するための同カウンタウェイト９の形状として、テーパ面以外の形状を採用してもよい。例えば、下死点を含む所定範囲を通過するピストン３のスカート部１４を避けるようにへこむ湾曲面をカウンタウェイト９の突出方向先端部に形成してもよい。

本実施形態のクランクシャフト全体を示す側面図。 ピストンの往復運動とクランクシャフトの回転運動との関係を示す略図。 ピストンが下死点に達した状態を示す側面図。 図３のピストン及びカウンタウェイトの突出方向先端部を矢印Ａ−Ａ方向から見た断面図。 図４のピストンのスカート部及びカウンタウェイトの突出方向先端部を矢印Ｂ−Ｂ方向から見た断面図。 ピストンとコネクティングロッドとの連結構造の従来例を示す断面図。 従来のピストンの詳細な構造を示す破断斜視図。

符号の説明

１…クランクシャフト、２…シリンダ内壁、３…ピストン、４…コネクティングロッド、５…シリンダブロック、６…クランクジャーナル、７…クランクアーム、８…クランクピン、９…カウンタウェイト、９ａ…テーパ面、１０大端部、１１…小端部、１２…ピンボス部、１３…ピストンピン、１４…スカート部、１４ａ…スラスト面、１４ｂ…スラスト面、１５…頭部。

Claims (3)

1. 回転可能に支持されるクランクジャーナルから径方向に突出するクランクアームと、そのクランクアームの先端部に設けられてピストンとコネクティングロッドを介して連結されるクランクピンと、前記クランクアームに設けられて前記クランクピン側と反対側に突出するカウンタウェイトとを備え、前記クランクジャーナルの回転に伴い前記カウンタウェイトが回転するとともに前記ピストンが下死点を通過するとき、前記カウンタウェイトの突出方向先端部が前記ピストンのスカート部に最も接近するクランクシャフトにおいて、
   前記カウンタウェイトの突出方向先端部は、下死点を含む所定範囲を通過する前記ピストンのスカート部を避ける形状に形成されている
   ことを特徴とするクランクシャフト。
2. 前記カウンタウェイトの突出方向先端部には、下死点を含む所定範囲を通過する前記ピストンのスカート部との間にクリアランスを生じさせるようテーパ面が形成されている
   請求項１記載のクランクシャフト。
3. 前記カウンタウェイトは、前記クランクジャーナルと共に回転して突出方向先端部が前記ピストンのスカート部に最も接近するとき、その突出方向先端部がピストンの外周面よりも同ピストンの中心寄りに位置するものであり、
   前記テーパ面は、前記カウンタウェイトの突出方向先端部における前記スカート部側に形成され、前記ピストンの中心から離れた部分ほど前記カウンタウェイトの突出方向基端側に接近するよう傾斜するものである
   請求項２記載のクランクシャフト。

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