JP2008224015A - クランクシャフト - Google Patents

Abstract

【課題】クランクウェブおよびカウンターウェイトの等価曲げ剛性の改善と等価質量の低減がはかられたクランクシャフトを提供する。
【解決手段】メインジャーナル１３とクランクピン５とを連結するクランクウェブ１４を有し、クランクウェブ１４のメインジャーナル中心１７を挟んでクランクピン５と反対側の位置にカウンターウェイト１５が設けられたクランクシャフト４において、クランクウェブ１４のクランクピン側となる内側面１４ａに、メインジャーナル中心１７と同心状に段差１６が設けられ、この段差１６よりもメインジャーナル中心１７寄りの部分に対して、この段差１６より外周側の部分が薄肉となるよう形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関等に用いられるクランクシャフトに関する。

内燃機関やレシプロ式コンプレッサに用いられるクランクシャフトは、大まかに言えばクランクシャフトを内燃機関本体に対して回転可能に支承する部位であるメインジャーナルと、メインジャーナルの回転中心より偏心した部位に配置されコネクティングロッドに連結されるクランクピンと、メインジャーナルとクランクピンとを連結するクランクウェブから構成される。また多くの場合、クランクウェブのメインジャーナル中心を挟んでクランクピンと反対側の位置にカウンターウェイトが設けられている。カウンターウェイトはクランクウェブにボルト等で連結されるか、あるいは一体に形成されており、メインジャーナル回転中心を中心としたクランクピン及び該クランクピンに連結されるコネクティングロッドによって発生する回転アンバランスを相殺する。

一方、従来の可変圧縮比内燃機関として、特許文献１や特許文献２に記載の複リンク式ピストンクランク機構を用いた構成が知られている。

図５は、この公知の複リンク式ピストンクランク機構の正面図（内燃機関前方からクランク軸に平行な視線で見た図）を示し、図６は、このような構成を直列４気筒内燃機関として適用した場合の図５の右側から見た縦断面図を示している。図６において左側が内燃機関前方であり、左側から順に１番〜４番気筒となる。

この公知の複リンク式ピストンクランク機構は、ピストン１のピストンピン２に連結されるアッパーリンク３と、このアッパーリンク３とクランクシャフト４のクランクピン５とを連結するロアリンク６と、クランクシャフト４に略並行に延びるコントロールシャフト７と、一端がコントロールシャフト７に揺動可能に支持され他端がロアリンク６に連結されるコントロールリンク８と、を備えている。また、コントロールシャフト７に対するコントロールリンク８の揺動中心と、コントロールシャフト７の回転中心とが偏心しており、このコントロールシャフト７の回転位置に応じてロアリンク６の姿勢が変化し、クランクピン５からピストンピン２までの距離が変化するようになっている。
アッパーリンク３とロアリンク６とはアッパーピン９を介して、コントロールリンク８とロアリンク６とはコントロールピン１０を介して、それぞれ揺動可能に連結される。

尚、クランクシャフト７は、内燃機関前端、各気筒間および内燃機関後端の５箇所のバルクヘッドに設けられたメインベアリング１１ａ〜１１ｅによってシリンダブロック１２に保持されている。
特開２００１−２２７３６７号公報 特開２００２−６１５０１号公報 特開平４−６４７１５号公報 特開昭６１−２６２２１７号公報 特公昭５８−２８４４６号公報 特公平１−２９９６６号公報 特開昭６３−８８２１７号公報

クランクシャフトは微視的に見れば弾性体であるため、内燃機関の運転時に弾性変形する。特にクランクシャフトの振動系の共振周波数と内燃機関の回転速度の整数倍の周波数とが一致した場合、クランクシャフトの共振が励起され、振れ回るクランクシャフトがクランクシャフトの軸受部を経由して内燃機関本体に加振力を伝達するために内燃機関の運転騒音が悪化したり、クランクシャフトが変形しメインジャーナルやクランクピンの軸中心が連結される相手側部品の穴中心とずれるために潤滑状態が悪化するなどの不具合が発生する場合が有る。

クランクシャフトの共振には、大きく分けて、クランクシャフトがメインジャーナルの回転中心を中心としてねじり変形する場合と、クランクシャフトがメインジャーナルの回転軸と直交する向きに曲げ変形する場合と、がある。後者の曲げ共振を改善するためにはクランクピンおよびメインジャーナルの曲げ剛性の改善、クランクウェブの曲げ剛性の改善、カウンターウェイトの等価曲げ質量の低減および等価曲げ剛性の改善等の方策が考えられるが、クランクピンおよびメインジャーナルの寸法は摩擦損失を低減する観点からあまり大きく出来ないため、現実にはクランクウェブやカウンターウェイトでの曲げ共振対策が必要になる。

クランクウェブやカウンターウェイト部の形状に着目した従来技術としては、特許文献３〜６などが挙げられるが、いずれもクランクウェブやカウンターウェイトに凹部を形成するという特徴を有しているものの、ベアリング配置や潤滑性や鋳造性の改善を目的としたものである。

また、クランクウェブのメインジャーナル回転中心に近い部位に凹部を設けた構成では、これらはクランクウェブの等価剛性を減少させるばかりでなく、等価質量に大きく寄与するカウンターウェイト外周付近の質量はほとんど減少させないために、曲げ変形にとっては悪化要因となりうるものである。

従って、本発明の第１の目的は、クランクシャフトの曲げ共振の対策としてクランクウェブおよびカウンターウェイト部の等価曲げ剛性の改善と等価質量の低減である。

一方、前述の複リンク式内燃機関においては、圧縮比を可変に構成することが出来るというメリットに加え、複リンク式ピストンクランク機構のロアリンク６が梃子のような作用をすることによってクランクスロー（メインジャーナル回転中心からクランクピン５中心までの距離）に比べてピストン往復動のストロークを大きくすることが出来るというメリットを有する。すなわち、単リンク式のピストンクランク機構を用いる従前の内燃機関ではピストン往復動のストロークを拡大するためにはクランクスローを拡大しなければならず、クランクシャフトが回転する際の生存空間を大きくしなければならなかったが、複リンク機構を適切に設計すればクランクシャフトの生存空間はコンパクトに保ったままピストンストロークを拡大することが可能であるということであり、特にクランクシャフト４の回転中心よりも下方の内燃機関寸法を小さく保ったまま大排気量の内燃機関を実現することができ、内燃機関ひいてはそれが搭載される車両の低重心化に寄与する。

しかしながら、複リンク式ピストンクランク機構を用いてピストンストロークの拡大をしようとする際、ピストンストロークの拡大分だけ内燃機関の全高が増えるという問題点がある。仮に、内燃機関の全高を一定に保ったままピストンストロークを拡大しようとすると、下死点におけるピストン１の位置がクランクシャフト４回転中心に近接してくることになり、クランクシャフト４外周部とピストン１の干渉の恐れがでてくる。また、往復運動するピストン１を支えるシリンダボアはおおよそ下死点におけるピストンスカートの位置まで設ける必要が有り、同様にシリンダボアとクランクシャフト４外周部との干渉の恐れもでてくる。

尚、ピストンとクランクシャフトの干渉問題に着目した従来技術としては特許文献７という例があるが、これはピストン側に切り欠きを設けてクランクシャフトのカウンターウェイトとの干渉を防止するものである。

本発明の第２の目的は、これらの干渉の恐れをクランクシャフト側の形状によって解消し、内燃機関の全高を増やすことなくピストンストロークの拡大を実現することである。

そこで、本発明は、メインジャーナルとクランクピンとを連結するクランクウェブを有し、上記クランクウェブのメインジャーナル中心を挟んで上記クランクピンと反対側の位置にカウンターウェイトが設けられたクランクシャフトにおいて、上記クランクウェブのクランクピン側となる内側面に、メインジャーナル中心と同心状に段差を設け、この段差よりメインジャーナル中心寄りの部分よりも、この段差より外周側の部分が薄肉となるよう形成されていることを特徴としている。

本発明によれば、カウンターウェイトが内燃機関前後方向に曲がるように振動する共振モードの周波数を高くすることができ、運転中のクランク共振による騒音の悪化や潤滑状態の悪化を抑制することが可能になる。

以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。尚、複リンク式ピストンクランク機構の基本的な構成自体は前述した公知技術のものと特に変わりがないので、対応する部分には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

図１〜図４は、本発明の第１実施例の説明図である。図１は、クランクシャフトの側面図であり、直列４気筒の複リンク式内燃機関の１気筒分の構成部品を抜き出して図示したものである。図２は、図１におけるＡ−Ａ線に沿った断面図であり、図１のクランクシャフトをクランクピンの長手方向中心で切断した断面図である。図３は、本発明に係るクランクシャフトが適用された複リンク式ピストンクランク機構をクランクシャフト軸方向から見た構成説明図であり、図４は、本発明に係るクランクシャフトが適用された複リンク式ピストンクランク機構をクランクシャフト軸直角方向から見た構成説明図である。

クランクシャフト４はシリンダブロック１２のバルクヘッドのメインベアリング１１にメインジャーナル１３で支持され、クランクピン５にロアリンク６が回転自由に連結されている。本実施例の場合はクランクシャフト４は４気筒分すべてを連続した単一の材料から形成されている。クランクピン５とメインジャーナル１３とはクランクウェブ１４で連結されている。クランクウェブ１４のメインジャーナル中心１７を挟んでクランクピンと反対側の位置に、カウンターウェイト１５が形成されている。カウンターウェイト１５は、クランクピン５とロアリンク６の質量に起因するメインジャーナル中心１７周りの回転アンバランスをなるべく釣り合わせるように設定されている。カウンターウェイト１５の外周は、メインジャーナル中心１７を中心とする円弧状に形成されている。

そして、本実施例では、クランクウェブ１４のクランクピン５の方向を向いた内側面１４ａに、メインジャーナル中心１７と同心円状に段差１６が形成されており、段差１６よりもメインジャーナル中心１７に近い部位のクランクウェブ１４及びカウンターウェイト１５の肉厚は、段差１６よりも外周側のカウンターウェイト１５に比べて厚くなるよう形成されている。

内燃機関の運転時には、クランクピン５にはそれに連結される部品から燃焼荷重や慣性力が入力される。これらの入力のうち図１の上下方向の成分はクランクシャフト４を曲げ変形させようとする力として作用する。この力が交番荷重として作用することにより、クランクシャフト４は図１の矢印Ｐに示される方向に変形する。この変形時にカウンターウェイト１５の先端部は片持ち梁の曲げ振動に類似した振動モードを示すが、段差１６を境にカウンターウェイト１５の根元側が厚く、先端側が薄くなっているため、カウンターウェイト１５の全体を同一の肉厚で形成する場合や、先端側を根元側に比べて厚くする場合に比べ、本実施例のクランクシャフト４は片持ち梁の曲げ振動モードの等価質量が小さくなり、かつ等価剛性が高い形状になっている。従って、クランクシャフト４の曲げ共振の周波数、特にカウンターウェイトが振動の腹となるような共振モードの固有振動数は、従来技術のクランクシャフトに比較して高くなる。また、同一振幅の荷重がクランクピン５に作用した際のカウンターウェイト１５の振幅は従来技術より本実施例のほうが小さくなる。このように曲げ振動特性が改善されることにより、内燃機関運転時のクランク曲げ振動、特に回転速度の整数倍とクランクシャフト４の曲げ振動の固有振動数が一致する運転条件でのクランク曲げ振動が低減され、内燃機関に発生する騒音を減少させることができると共に、メインジャーナル１３やクランクピン５の軸受に対する傾きや偏心が減少するので、メインジャーナル中心１７やクランクピン中心１８が連結される相手側部品（メインベアリング１１やロアリンク６）の穴中心とずれるために生じる潤滑状態の悪化が防止され、フリクションロスを低減することができる。

本実施例においては、クランクシャフト４のカウンターウェイト１５の最大外径（最大半径）、すなわちメインジャーナル中心１７からカウンターウェイト先端部１５ａまでの距離が、従来技術のクランクシャフトよりも大きく形成されており、図３のように内燃機関を前方から見た際に、カウンターウェイト１５がシリンダボアの下端２０と重なる。このように、カウンターウェイト１５の最大外径（最大半径）がメインジャーナル中心１７からシリンダボア下端２０までの距離よりも大きく構成されていることにより、カウンターウェイト１５は充分大きい質量をもつことになり、クランクピン５およびロアリンク６に起因するメインジャーナル中心１７を基準とした回転アンバランスをさらに好適な方向に釣り合わせることが可能になる。尚、カウンターウェイト先端部１５ａと干渉するシリンダボア下端部２０には切り欠き２１が設けられている。

また、カウンターウェイト１５に設けられた段差１６は、メインジャーナル中心１７から段差１６まで距離が、メインジャーナル中心１７からピストン下死点時のピストンスカート下端２２までの距離より短くなるよう設定されていると共に、メインジャーナル中心１７からシリンダボア下端２０までの距離より短くなるよう設定されている。

このように段差１６を設けることにより、クランクウェブ１４のピストンスカートと干渉しない部分及び、クランクウェブ１４のシリンダボアと干渉しない部分の厚さをそれぞれ大きくすることができ、クランクウェブ１４の剛性、ひいてはクランクシャフト４の剛性を高くすることができる。

そして、カウンターウェイト１５をその一般断面部１５ｂにおいては厚肉にし良好な回転バランス改善効果と曲げ振動低減効果を得つつ、カウンターウェイト１５との干渉を避けるためのシリンダボア下端の切り欠き２１をより小さくし、かつピストンスカートをより幅広い形状にすることができる。すなわち、段差１６を設けたことにより前述の振動特性改善のみならず、カウンターウェイト１５の最大外径を大きな値にしつつもピストン１やシリンダボアとの干渉問題は最小限の範囲でしか発生し得ないという効果も得ることができる。また、メインジャーナル中心１７からカウンターウェイト先端部１５ａまでの距離、すなわちカウンターウェイト１５のメインジャーナル中心１７を基準とした半径、を大きく保ちつつもピストン１が下降した際にピストン１とクランクシャフト４とが干渉することを防止でき、ピストン１の下降量すなわち内燃機関の行程容積を拡大することが可能になる。

さらに、本実施例では、シリンダブロック１２のシリンダボア下端２０は、従来の内燃機関より低い位置まで下げられており、メインジャーナル中心１７からシリンダボア下端２０までの距離はカウンターウェイト１５の最大外径よりも小さくなっている。つまり、筒状に下方に延びたシリンダボア壁の側方をカウンターウェイト先端部１５ａが通過する。このように構成することにより、前述のようにピストン１を従来より下方までストロークさせた場合にもピストン１の姿勢を安定させることが可能になる。

また、本実施例では、上記のように構成したことにより、従来のピストンクランク機構を用いる内燃機関や従来の複リンク式内燃機関よりも、下死点におけるピストン１の下端からメインジャーナル中心１７までの距離を小さくすることが可能になる。換言すれば、内燃機関のシリンダーブロックの高さを一定に保ったまま、本発明のクランクシャフト４を適用することによりピストン１のストローク量を大きくすることができ、排気量を拡大することが可能になる。通常の単リンク式ピストンクランク機構を用いる内燃機関においてはピストンのストローク量はクランクスロー（メインジャーナル中心１７からクランクピン中心１８までの距離）の略２倍であるが、複リンク式ピストンクランク機構を用いる内燃機関においてはロアリンク６がてこのような役割をすることにより、クランクスローの２倍以上のピストンストロークが得られる。特に、複リンク式ピストンクランク機構のリンクジオメトリ（各リンク節の長さ）を適切に設定すれば、大きなピストンストローク拡大効果が得られる。

上記実施形態から把握し得る本発明の技術的思想について、その効果とともに列記する。

（１） メインジャーナルとクランクピンとを連結するクランクウェブを有し、上記クランクウェブのメインジャーナル中心を挟んで上記クランクピンと反対側の位置にカウンターウェイトが設けられたクランクシャフトにおいて、上記クランクウェブのクランクピン側となる内側面に、メインジャーナル中心と同心状に段差が設けられ、この段差よりもメインジャーナル中心寄りの部分に対して、この段差より外周側の部分が薄肉となるよう形成されている。これによって、カウンターウェイトが内燃機関前後方向に曲がるように振動する共振モードの周波数を高くすることができ、運転中のクランク共振による騒音の悪化や潤滑状態の悪化を抑制することが可能になる。また、クランクウェブもしくはカウンターウェイトの一部分と、ピストンスカートもしくはシリンダボア壁との干渉を避けることができる。換言すれば、上記段差を設けないクランクシャフトを採用する場合に比べてピストンスカートもしくはシリンダボア壁をクランクシャフト回転中心により近い位置に配置することが可能になり、内燃機関の高さを一定に保ったままピストンストロークを拡大することが可能になる。

（２） 上記（１）に記載のクランクシャフトは、ピストンにピストンピンを介して一端が連結されたアッパーリンクと、このアッパーリンクの他端とクランクシャフトのクランクピンとを連結するロアリンクと、一端が本体部の支持点に揺動可能に支持され、他端が上記ロアリンクに連結されたコントロールリンクと、を備えてなるピストンクランク機構に適用される。これによって、クランクシャフトの共振を抑制することが出来るため、内燃機関の潤滑性能改善や音振性能改善に大きく寄与することができる。また、上記ピストンクランク機構の各リンク節の長さを適切に設計すれば、クランクスローに比べてピストンストロークを大きく設定することが出来るため、クランクウェブもしくはカウンターウェイトの一部分と、ピストンスカートもしくはシリンダボア壁との干渉を避け内燃機関の高さを一定に保ったままピストンストロークを従来よりも拡大できる効果がより顕著に得られる。

（３） 上記（１）または（２）に記載のクランクシャフトにおいて、上記カウンターウェイトの最大半径が、上記メインジャーナル中心からシリンダボア下端までの距離より大きくなるよう設定されている。これによって、カウンターウェイトを上記段差を設けない場合よりも大きな径に形成することができ、各クランクスローでのクランクシャフトのバランス率を改善することができ、内燃機関の音振性能を効果的に改善することができる。

（４） 上記（１）〜（３）のいずれかに記載のクランクシャフトにおいて、上記メインジャーナル中心から上記段差までの距離が、該メインジャーナル中心からピストン下死点時のピストンスカート下端までの距離より短くなるよう設定されている。これによって、カウンターウェイトのメインジャーナル中心を基準とした半径を大きく保ちつつも、ピストンが下降した際にピストンとクランクシャフトとが干渉することを防止でき、ピストンの下降量すなわち内燃機関の行程容積を拡大することが可能になる。その際に、上記段差が設けられているためにピストンスカートと干渉しない部分のクランクウェブの厚さは大きくすることができ、クランクシャフトの剛性を高くできるため潤滑状態や音振性能を改善することが可能になる。

（５） 上記（１）〜（４）のいずれかに記載のクランクシャフトのおいて、上記メインジャーナル中心から上記段差までの距離が、該メインジャーナル中心からシリンダボア下端までの距離より短くなるよう設定されている。これによって、カウンターウェイトのメインジャーナル中心を基準とした半径を大きく保ちつつも、シリンダボアとクランクシャフトとが干渉することを防止でき、ピストンの下降量すなわち内燃機関の行程容積を拡大することが可能になる。その際に、上記段差が設けられているためにシリンダボアと干渉しない部分のクランクウェブの厚さは大きくすることができ、クランクシャフトの剛性を高くできるため潤滑状態や音振性能を改善することが可能になる。

（６） 上記（１）〜（５）のいずれかに記載のクランクシャフトのおいて、ピストン往復のストロークが、クランクピン中心から上記メインジャーナル中心までの距離の２倍より大きくなるよう設定されている。これによって、クランクシャフトのクランクスローに比べて内燃機関の排気量を拡大することが可能になる。特にピストンの往復位置を段差を設けない従来のクランクシャフトを採用する場合よりも全体的に下側にすることが可能になり、大きなピストン往復量を確保しつつも内燃機関全体の高さを低く保つことが可能になる。

本発明に係るクランクシャフトの側面図。 図１のＡ−Ａ線に沿った断面図。 本発明に係るクランクシャフトが適用された複リンク式ピストンクランク機構をクランクシャフト軸方向から見た構成説明図。 本発明に係るクランクシャフトが適用された複リンク式ピストンクランク機構をクランクシャフト軸直角方向から見た構成説明図。 公知の複リンク式ピストンクランク機構の構成説明図。 直列４気筒内燃機関の例の縦断面図。

符号の説明

５…クランクピン
１３…メインジャーナル
１４…クランクウェブ
１５…カウンターウェイト
１６…段差
１７…メインジャーナル中心
１８…クランクピン中心

Claims (6)

1. メインジャーナルとクランクピンとを連結するクランクウェブを有し、上記クランクウェブのメインジャーナル中心を挟んで上記クランクピンと反対側の位置にカウンターウェイトが設けられたクランクシャフトにおいて、
   上記クランクウェブのクランクピン側となる内側面に、メインジャーナル中心と同心状に段差が設けられ、この段差よりもメインジャーナル中心寄りの部分に対して、この段差より外周側の部分が薄肉となるよう形成されていることを特徴とするクランクシャフト。
2. ピストンにピストンピンを介して一端が連結されたアッパーリンクと、このアッパーリンクの他端とクランクシャフトのクランクピンとを連結するロアリンクと、一端が本体部の支持点に揺動可能に支持され、他端が上記ロアリンクに連結されたコントロールリンクと、を備えてなるピストンクランク機構に適用され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。
3. 上記カウンターウェイトの最大半径が、上記メインジャーナル中心からシリンダボア下端までの距離より大きくなるよう設定されていることを特徴とする請求項１または２に記載のクランクシャフト。
4. 上記メインジャーナル中心から上記段差までの距離が、該メインジャーナル中心からピストン下死点時のピストンスカート下端までの距離より短くなるよう設定されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のクランクシャフト。
5. 上記メインジャーナル中心から上記段差までの距離が、該メインジャーナル中心からシリンダボア下端までの距離より短くなるよう設定されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のクランクシャフト。
6. ピストン往復のストロークが、クランクピン中心から上記メインジャーナル中心までの距離の２倍より大きくなるよう設定されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のクランクシャフト。

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