JP2008032177A

JP2008032177A - カウンタウェイト

Info

Publication number: JP2008032177A
Application number: JP2006208603A
Authority: JP
Inventors: Satoshi Kameyama; 智亀山; Toru Yamamoto; 徹山本
Original assignee: Toyota Motor Corp; Aichi Steel Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp; Aichi Steel Corp
Priority date: 2006-07-31
Filing date: 2006-07-31
Publication date: 2008-02-14
Also published as: WO2008015532A2; WO2008015532A3

Abstract

【課題】カウンタウェイトの大きな重量化を招くことなく効果的にカウンタウェイトの慣性モーメントを増加。
【解決手段】従来のカウンタウェイトの径方向の大きさは基準非干渉領域Ｓａ内までであるが、本カウンタウェイト２ではこの基準非干渉領域Ｓａよりも径方向外側に存在するピストン下端部非干渉領域Ｓｂとシリンダブロック非干渉領域Ｓｃとの重複領域内に外径拡大部８ａを形成している。このことによりシリンダブロック１６やピストン６の下端部６ａに干渉することなく基準非干渉領域Ｓａよりも径方向外側にウェイト部８を拡大できる。したがってカウンタウェイト２の大きな重量化を招くことなく効果的に慣性モーメントを増加させることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関のクランク軸にピストンと共に配置されることにより内燃機関の振動を防止するカウンタウェイトに関する。

バランスウェイトとも呼ばれるカウンタウェイトは、コンロッド側の運動とのバランスを取ることにより内燃機関の振動を防止するためにクランクシャフトに設けられている。このカウンタウェイトの外周部の径が大きいと、下死点状態でのピストンの下端部に干渉したり、クランク軸周りに存在するクランクケースなどを含むシリンダブロックに干渉する。

このためクランクジャーナルの中心軸から、上述のような干渉をしない最長の径方向位置をカウンタウェイトの外周部の限界として、カウンタウェイトの外周形状を形成している（例えば特許文献１参照）。
実開平２−１５０４４４号公報（第４−５頁、図１）

このような外周形状としたカウンタウェイトにおいて、慣性モーメントを大きくして更に振動抑制効果を高めるためには、既に外周形状については限界位置にあるため、単純に径を大きくしたのでは、ピストンやシリンダブロックとの干渉は避けられない。

このため図７に示すごとく径方向でなく周方向に隣接してウェイト拡大部Ｅｘを形成していた。しかしこの手法でウェイト拡大部Ｅｘを設けるとカウンタウェイトＣｗの重心がよりクランクジャーナルＣの回転中心Ｃｐに近くなる。このためウェイト拡大部Ｅｘによる質量増加の割には慣性モーメントが増加しないという問題が存在した。必要な慣性モーメントを得るためにはウェイト拡大部Ｅｘの更なる増大やカウンタウェイトＣｗを厚くする必要があり、カウンタウェイトＣｗの重量化に伴って内燃機関の重量が大きく増加する問題を生じた。

本発明は、カウンタウェイトのウェイト部がクランク軸の径方向においてシリンダブロックよりも下死点状態のピストンの下端部の方に近い内燃機関にて、カウンタウェイトの大きな重量化を招くことなく効果的にカウンタウェイトの慣性モーメントを増加させることを目的とするものである。

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。
請求項１に記載のカウンタウェイトは、クランク軸のクランクピンとはクランクジャーナルを挟んで対向する位相側にあるウェイト部が、クランク軸の径方向においてシリンダブロックよりも下死点状態のピストンの下端部の方に近い内燃機関のクランク軸に設けられるカウンタウェイトであって、前記ウェイト部が、クランクジャーナルの中心軸から下死点状態のピストンの下端部に干渉しない最大の長さを半径として設定される基準非干渉領域よりも外側に少なくとも一部が存在する外径拡大部を有すると共に、該外径拡大部にて前記基準非干渉領域よりも外側に存在する部分の全体は、クランクジャーナルの周りに存在するシリンダブロックと干渉しないシリンダブロック非干渉領域と、クランクピンの周りに存在するピストンの下端部と干渉しないピストン下端部非干渉領域との重複領域内に存在していることを特徴とする。

従来はカウンタウェイトのウェイト部における径方向の大きさは上記基準非干渉領域の外周縁までであるが、本発明ではこの基準非干渉領域よりも外側に存在するピストン下端部非干渉領域に着目している。このピストン下端部非干渉領域はクランク軸の回転位相に応じて変化する。クランクジャーナルの中心軸にピストン下端部非干渉領域の外周縁が最も近くなる位相では、ピストン下端部非干渉領域の外周縁は基準非干渉領域の外周縁に一致するが、これ以外の位相ではピストン下端部非干渉領域の外周縁は基準非干渉領域から離れて外側へ広がる。したがってこのピストン下端部非干渉領域と前記シリンダブロック非干渉領域との重複領域内であれば、ウェイト部を拡大してもピストンの下端部やシリンダブロックのいずれにも干渉することはない。したがって上述のごとく外径拡大部を、少なくとも一部が基準非干渉領域よりも外側となるようにして、ウェイト部に設けることができる。

このように外径拡大部を形成しているため、カウンタウェイトの大きな重量化を招くことなく、効果的に慣性モーメントが増加できる。
請求項２に記載のカウンタウェイトでは、請求項１において、前記ピストン下端部非干渉領域は、クランク軸方向から見て、クランクピンの中心軸を中心として、下死点又は上死点状態のピストンの下端部に干渉しない最大の長さを長径とし、下死点と上死点との中間状態のピストンの下端部に干渉しない最大の長さを短径とする長円形の領域であることを特徴とする。

ピストン下端部非干渉領域はこのような範囲として設定することができ、基準非干渉領域より外側にあるシリンダブロック非干渉領域とピストン下端部非干渉領域との重複領域を利用することによりカウンタウェイトの大きな重量化を招くことなく、効果的に慣性モーメントが増加できるようになる。

請求項３に記載のカウンタウェイトでは、請求項１又は２において、前記シリンダブロック非干渉領域は、クランク軸方向から見て、クランクジャーナルの中心軸を中心として、シリンダブロックに干渉しない最大の長さを半径とする円形の領域であることを特徴とする。

シリンダブロック非干渉領域はこのような範囲として設定することができる。このシリンダブロック非干渉領域とピストン下端部非干渉領域との重複領域に基準非干渉領域より外側に少なくとも一部が存在する外径拡大部を形成することで、カウンタウェイトの大きな重量化を招くことなく、効果的に慣性モーメントが増加できるようになる。

請求項４に記載のカウンタウェイトでは、請求項１〜３のいずれかにおいて、クランク軸方向から見て、クランクジャーナルの中心軸とクランクピンの中心軸とを通る直線上の点を中心として前記重複領域内を通過する円形の境界線を設定し、前記重複領域内にある前記境界線の一部又は全部を前記外径拡大部の外周縁部の一部又は全部としたことを特徴とする。

重複領域内にて外径拡大部を形成する場合に、このように円形の境界線を設定して、重複領域内にある境界線の一部又は全部を外径拡大部の外周縁部の一部又は全部の形状を規定しても良い。

請求項５に記載のカウンタウェイトでは、請求項１〜３のいずれかにおいて、クランク軸方向から見て、クランクジャーナルの中心軸とクランクピンの中心軸とを結ぶ直線線分上の点であって、クランクジャーナルの中心軸とクランクピンの中心軸とを除く点を中心として前記重複領域内を通過する円形の境界線を設定し、前記重複領域内にある前記境界線の一部又は全部を前記外径拡大部の外周縁部の全部としたことを特徴とする。

円形の境界線の中心位置をこのように制限して、外径拡大部の外周縁部の全部を規定しても良い。このように外周縁部の全部が規定された外径拡大部は、クランク軸方向から見て１種類の円弧により外径拡大部の外形が形成されることにより切削加工等による成形加工が容易となる。

［実施の形態１］
図１は上述した発明が適用されたカウンタウェイト２を用いた内燃機関４の縦断面図を示している。図１の(Ａ)はピストン６が上死点にあり、(Ｂ)はピストン６が下死点にある状態を示している。

カウンタウェイト２のウェイト部８は、コンロッド１０のビッグエンド１０ａが取り付けられているクランクピン１２とはクランクジャーナル１４を挟んで対向する位相側にて、クランクジャーナル１４の中心軸１４ａ側から広がる扇状形状で形成されている。

このウェイト部８の詳細な形状は次のごとくである。まず図１に示したごとくクランク軸方向（クランクジャーナル１４の軸方向と同じ）から見て、円形の基準非干渉領域Ｓａ、長円形のピストン下端部非干渉領域Ｓｂ及び円形のシリンダブロック非干渉領域Ｓｃが設定されている。

ここで基準非干渉領域Ｓａは、クランク軸方向から見て、クランクジャーナル１４の中心軸１４ａから、下死点状態のピストン６の下端部６ａに干渉しない最大の長さを半径とする領域である。

ピストン下端部非干渉領域Ｓｂは、クランク軸方向から見て、クランクピン１２の中心軸１２ａを中心とする長円形である。すなわち、この中心軸１２ａから下死点状態（又は上死点状態）のピストン６の下端部６ａに干渉しない最大の長さを長径とし、下死点と上死点との中間状態のピストン６の下端部６ａに干渉しない最大の長さを短径とする長円形の領域である。図１のクランク角状態では縦長状態で表されている。このピストン下端部非干渉領域Ｓｂは、基準非干渉領域Ｓａを包含し、基準非干渉領域Ｓａより外側に領域が拡大したものとなっている。

シリンダブロック非干渉領域Ｓｃは、クランク軸方向から見て、クランクジャーナル１４の中心軸１４ａを中心として、この中心軸１４ａからシリンダブロック１６に干渉しない最大の長さを半径とする円形の領域である。

ここで内燃機関４の構成は、シリンダブロック非干渉領域Ｓｃが基準非干渉領域Ｓａよりも大きい領域である。このことはウェイト部８が、クランク軸の径方向（クランクジャーナル１４の径方向と同じ）においてシリンダブロック１６よりも下死点状態のピストン６の下端部６ａの方に近い内燃機関４であることを示している。即ちウェイト部８をクランク軸の径方向に拡大した場合にシリンダブロック１６よりも下死点状態のピストン６の下端部６ａが干渉することを示している。

図２に、基準非干渉領域Ｓａより外側において、ピストン下端部非干渉領域Ｓｂとシリンダブロック非干渉領域Ｓｃとの重複領域Ｓｗを破線ハッチングにて示す。
ウェイト部８においては、図１に示したごとく、基準非干渉領域Ｓａよりも外側に出ている外径拡大部８ａが形成されており、この外径拡大部８ａの全体は重複領域Ｓｗ内に存在する。本実施の形態では、クランク軸方向から見て、クランクジャーナル１４の中心軸１４ａとクランクピン１２の中心軸１２ａとを結ぶ直線線分Ｌａ上に中心点２ａを設定し、これを中心として、重複領域Ｓｗ内を通過する円形の境界線ＣＬを設定する。更に本実施の形態では、この境界線ＣＬは、直線線分Ｌａをクランクジャーナル１４の中心軸１４ａ側に延長した場合に基準非干渉領域Ｓａの外周縁部と交わる点Ｐａを通過させ、かつウェイト部８の径方向外側の位相領域ではシリンダブロック非干渉領域Ｓｃ内となるように設定したものとする。このように設定するとウェイト部８の径方向外側の位相領域に限っては、円形の境界線ＣＬは重複領域Ｓｗ内に必ず存在する。この境界線ＣＬの形状を外周縁部として外径拡大部８ａの外周縁部の全体の形状を規定する。このことにより外径拡大部８ａの外周縁部は１種類の半径の円弧状に形成される。

このようにウェイト部８が形成されているので、従来（図７）のごとく周方向縁部８ｂ側に外径拡大部８ａと同じ質量の増加をした場合に比較して、カウンタウェイト２の回転中心であるクランクジャーナル１４の中心軸１４ａから増加分の重心までの距離が長くなる。したがって同じ質量の増加でも従来に比較して慣性モーメントは大きくなる。

以上説明した本実施の形態１によれば、以下の効果が得られる。
（イ）．従来においてはカウンタウェイトの径方向の大きさは上述した基準非干渉領域Ｓａ内までである。しかし本実施の形態のカウンタウェイト２ではこの基準非干渉領域Ｓａよりも径方向外側に存在するピストン下端部非干渉領域Ｓｂに着目し、シリンダブロック非干渉領域Ｓｃとの重複領域Ｓｗ内に外径拡大部８ａを形成している。このことによりシリンダブロック１６やピストン６の下端部６ａに干渉することなく基準非干渉領域Ｓａよりも径方向外側にウェイト部８を拡大できる。

したがってカウンタウェイト２の大きな重量化を招くことなく効果的に慣性モーメントを増加させることができる。
（ロ）．本実施の形態では、重複領域Ｓｗ内の全体を外径拡大部８ａとするのではなく、上述したごとくの境界線ＣＬを設定して、境界線ＣＬを外周縁部とする外径拡大部８ａを形成している。本実施の形態では、重複領域Ｓｗ内にある境界線ＣＬの一部を外径拡大部８ａの外周縁部の全部としている。尚、境界線ＣＬの径の調節や、外径拡大部８ａの位相幅の調節により、重複領域Ｓｗ内にある境界線ＣＬの全部を外径拡大部８ａの外周縁部の全部とすることもできる。

このことにより外径拡大部８ａは外形が１種類の円弧にて形成されているので成形加工が極めて容易となる。
［実施の形態２］
図３に示すごとく本実施の形態のカウンタウェイト３２のウェイト部３８においては、境界線の設定は行わず、基準非干渉領域Ｓａよりも径方向外側に設定した重複領域Ｓｗ内において、ウェイト部３８の形成位相領域部分Ｓｗａ全体を外径拡大部３８ａとして形成している。

したがって前記実施の形態１の場合よりも、重複領域Ｓｗを最大限利用することで、外径拡大部３８ａの質量増加が図られている。このことによりカウンタウェイト３２の回転中心であるクランクジャーナル４４の中心軸４４ａから外径拡大部３８ａの重心までの距離も長くなっているので、慣性モーメントはより大きくできる。

以上説明した本実施の形態２によれば、以下の効果が得られる。
（イ）．このようにシリンダブロック４６やピストン３６の下端面３６ａとの干渉を起こすことなく、要求に応じてカウンタウェイト３２の慣性モーメントを前記実施の形態１の場合よりも大きくできる。したがってカウンタウェイト３２の大きな重量化を招くことなく効果的に慣性モーメントが増加できる。

（ロ）．カウンタウェイト３２のウェイト部３８においては、前記実施の形態１の場合よりもウェイト部３８の外形の一部はピストン下端部非干渉領域Ｓｂの外周縁部に沿っているため、長円弧部分が存在する。しかし、この部分はピストン下端部非干渉領域Ｓｂ内に含まれるようにクランクピン４２の中心軸４２ａを回転中心とする円弧にて近似できる。このようにウェイト部３８の外形を２種類の円弧にて形成すれば、クランクジャーナル４４の中心軸４４ａを回転中心とする切削加工と、クランクピン４２の中心軸４２ａを回転中心とする切削加工とにより比較的容易に成形加工できる。

尚、クランクジャーナル４４の中心軸４４ａ回転での、外径拡大部３８ａに対する切削加工径を小さくするように調節することで、外径拡大部３８ａの質量の調節を容易に行うことができる。

［その他の実施の形態］
（ａ）．前記実施の形態１において、外径拡大部の外形を規定している境界線ＣＬはクランクジャーナルの中心軸とクランクピンの中心軸との間の直線線分内に中心点を有する円形にて設定していた。この代わりに図４に示すカウンタウェイト６２のごとく、クランクジャーナル７４の中心軸７４ａとクランクピン７２の中心軸７２ａとの間から外れた位置に中心点６２ａを配置しても良い。この中心点６２ａにて円形の境界線ＣＬを設定し、重複領域Ｓｗ内における境界線ＣＬ部分の一部又は全部を、ウェイト部６８の外径拡大部６８ａにおける外周縁部として形成できる。

図４ではクランクジャーナル７４の中心軸７４ａとクランクピン７２の中心軸７２ａを通る直線Ｌｂ上で、クランクピン７２の中心軸７２ａより下側の位置に中心点６２ａを配置して、この中心点６２ａにて円形の境界線ＣＬを設定している。

又、図５の(Ａ)のカウンタウェイト９２のごとくクランクジャーナル１０４の中心軸１０４ａとクランクピン１０２の中心軸１０２ａを通る直線Ｌｂ上で、両中心軸１０２ａ，１０４ａとの間に、中心点９２ａを配置しても良い。この中心点９２ａにて円形の境界線ＣＬを設定して、重複領域Ｓｗ内における境界線ＣＬ部分の一部又は全部を、ウェイト部９８の外径拡大部９８ａにおける外周縁部として形成できる。

又、図５の(Ｂ)のカウンタウェイト１２２のごとくクランクジャーナル１３４の中心軸１３４ａとクランクピン１３２の中心軸１３２ａを通る直線Ｌｂ上で、クランクジャーナル１３４の中心軸１３４ａより上側に中心点１２２ａを配置しても良い。この中心点１２２ａにて境界線ＣＬを設定して、重複領域Ｓｗ内における境界線ＣＬ部分の一部又は全部を、ウェイト部１２８の外径拡大部１２８ａにおける外周縁部として形成できる。

図４，５のいずれの構成もカウンタウェイトの大きな重量化を招くことなく、効果的に慣性モーメントを増加させることができる。
（ｂ）．前記各実施の形態では、外径拡大部の外周縁部の形は、クランク軸方向から見て１種類の円弧のみ、あるいは長円弧と円弧との２種類の組み合わせ（又は２種類の円弧の組み合わせ）で形成されていたが、３種類以上の円弧又は長円弧の組み合わせでも良い。又、円弧や長円弧状でなく、他の形状でも良い。例えば矩形状に設けても良い。いずれの構成もカウンタウェイトの大きな重量化を招くことなく効果的に慣性モーメントを増加させることができる。

（ｃ）．各実施の形態では外径拡大部全体が、基準非干渉領域Ｓａよりも外側にあり、その全体が重複領域Ｓｗ内に存在したが、図６に示すカウンタウェイト１５２のごとく、基準非干渉領域Ｓａよりも内側にあるウェイト部１５８の外周縁部から外側へ外径拡大部１５８ａを突出させても良い。この場合、外径拡大部１５８ａにて基準非干渉領域Ｓａよりも外側に存在する部分の全体は、重複領域Ｓｗ内に存在させるように構成している。

このような構成においてもカウンタウェイトの大きな重量化を招くことなく、効果的に慣性モーメントを増加させることができる。
（ｄ）．外径拡大部はウェイト部に対して最初から一体に形成するのではなく、ウェイト部を形成した後に、別途形成した外径拡大部を接合しても良い。

このような構成においてもカウンタウェイトの大きな重量化を招くことなく、効果的に慣性モーメントを増加させることができる。

実施の形態１の内燃機関におけるカウンタウェイトの形状と回転状態を示す説明図。上記カウンタウェイトのピストン下端部非干渉領域Ｓｂ、シリンダブロック非干渉領域Ｓｃ及びその重複領域Ｓｗを示す説明図。実施の形態２の内燃機関におけるカウンタウェイトの形状を示す説明図。他の実施の形態の内燃機関におけるカウンタウェイトの形状を示す説明図。他の実施の形態の内燃機関におけるカウンタウェイトの形状を示す説明図。他の実施の形態の内燃機関におけるカウンタウェイトの形状を示す説明図。従来のカウンタウェイトの形状を示す説明図。

符号の説明

２…カウンタウェイト、２ａ…中心点、４…内燃機関、６…ピストン、６ａ…下端部、８…ウェイト部、８ａ…外径拡大部、８ｂ…周方向縁部、１０…コンロッド、１０ａ…ビッグエンド、１２…クランクピン、１２ａ…中心軸、１４…クランクジャーナル、１４ａ…中心軸、１６…シリンダブロック、３２…カウンタウェイト、３６…ピストン、３６ａ…下端面、３８…ウェイト部、３８ａ…外径拡大部、４２…クランクピン、４２ａ…中心軸、４４…クランクジャーナル、４４ａ…中心軸、４６…シリンダブロック、６２…カウンタウェイト、６２ａ…中心点、６８…ウェイト部、６８ａ…外径拡大部、７２…クランクピン、７２ａ…中心軸、７４…クランクジャーナル、７４ａ…中心軸、９２…カウンタウェイト、９２ａ…中心点、９８…ウェイト部、９８ａ…外径拡大部、１０２…クランクピン、１０２ａ…中心軸、１０４…クランクジャーナル、１０４ａ…中心軸、１２２…カウンタウェイト、１２２ａ…中心点、１２８…ウェイト部、１２８ａ…外径拡大部、１３２…クランクピン、１３２ａ…中心軸、１３４…クランクジャーナル、１３４ａ…中心軸、１５２…カウンタウェイト、１５８…ウェイト部、１５８ａ…外径拡大部、ＣＬ…境界線、Ｌａ…直線線分、Ｌｂ…直線、Ｓａ…基準非干渉領域、Ｓｂ…ピストン下端部非干渉領域、Ｓｃ…シリンダブロック非干渉領域、Ｓｗ…重複領域、Ｓｗａ…ウェイト部の形成位相領域部分。

Claims

クランク軸のクランクピンとはクランクジャーナルを挟んで対向する位相側にあるウェイト部が、クランク軸の径方向においてシリンダブロックよりも下死点状態のピストンの下端部の方に近い内燃機関のクランク軸に設けられるカウンタウェイトであって、
前記ウェイト部が、クランクジャーナルの中心軸から下死点状態のピストンの下端部に干渉しない最大の長さを半径として設定される基準非干渉領域よりも外側に少なくとも一部が存在する外径拡大部を有すると共に、該外径拡大部にて前記基準非干渉領域よりも外側に存在する部分の全体は、クランクジャーナルの周りに存在するシリンダブロックと干渉しないシリンダブロック非干渉領域と、クランクピンの周りに存在するピストンの下端部と干渉しないピストン下端部非干渉領域との重複領域内に存在していることを特徴とするカウンタウェイト。
請求項１において、前記ピストン下端部非干渉領域は、クランク軸方向から見て、クランクピンの中心軸を中心として、下死点又は上死点状態のピストンの下端部に干渉しない最大の長さを長径とし、下死点と上死点との中間状態のピストンの下端部に干渉しない最大の長さを短径とする長円形の領域であることを特徴とするカウンタウェイト。
請求項１又は２において、前記シリンダブロック非干渉領域は、クランク軸方向から見て、クランクジャーナルの中心軸を中心として、シリンダブロックに干渉しない最大の長さを半径とする円形の領域であることを特徴とするカウンタウェイト。
請求項１〜３のいずれかにおいて、クランク軸方向から見て、クランクジャーナルの中心軸とクランクピンの中心軸とを通る直線上の点を中心として前記重複領域内を通過する円形の境界線を設定し、前記重複領域内にある前記境界線の一部又は全部を前記外径拡大部の外周縁部の一部又は全部としたことを特徴とするカウンタウェイト。
請求項１〜３のいずれかにおいて、クランク軸方向から見て、クランクジャーナルの中心軸とクランクピンの中心軸とを結ぶ直線線分上の点であって、クランクジャーナルの中心軸とクランクピンの中心軸とを除く点を中心として前記重複領域内を通過する円形の境界線を設定し、前記重複領域内にある前記境界線の一部又は全部を前記外径拡大部の外周縁部の全部としたことを特徴とするカウンタウェイト。