JP2009085316A - クランクシャフト - Google Patents

Abstract

【課題】カウンタウェイトをシャフト本体に接合して形成されたクランクシャフトにおいて、それらカウンタウェイトとシャフト本体との間で必要とされる接合強度を得る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１においては、各気筒のピストン２がそれぞれコネクティングロッド３を介して連結されるクランクシャフト４を備えている。クランクシャフト４における各気筒に対応する部分には、クランクシャフト４の回転バランスを調整すべく質量調整の可能な質量調整部６を有するカウンタウェイト７が設けられる。このカウンタウェイト７は、クランクシャフト４のシャフト本体４ａとば別体とされ、同シャフト本体４ａを形成する材料よりも比重の大きい材料によって形成されている。そして、カウンタウェイト７をシャフト本体４ａに対し液相拡散接合によって接合することにより、クランクシャフト４が形成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、クランクシャフトに関するものである。

自動車等に搭載されるエンジンのクランクシャフトは、コネクティングロッドを介して連結されたピストンの往復運動に伴って回転運動するものであり、コネクティングロッドの組み付けられるクランクピン、及び、同シャフトの回転バランスを調整するためのカウンタウェイトを備えている。なお、クランクシャフトは、球状黒鉛鋳鉄（ＦＣＤ）等によって形成されている。

ところで、クランクシャフトのカウンタウェイトに関しては、エンジンにおけるクランクケース内のスペースの関係から、体積を抑えつつ質量を増加させることが望まれている。こうした要求を満たすべく、カウンタウェイトをクランクシャフトのシャフト本体と別体として同シャフト本体の材料よりも比重の大きい材料により形成し、そのカウンタウェイトをシャフト本体に対しボルトにより接合することでクランクシャフトを形成することが考えられる。

ただし、このようにカウンタウェイトをシャフト本体に接合することで形成されたクランクシャフトでは、エンジン駆動時の回転や振動によるボルトの緩み、及びボルトの分の部品点数の増加といった不具合が生じる。また、上記ボルトを締めるために必要とされるボルト穴がカウンタウェイト側に形成される場合、そのボルト穴の形成に伴いカウンタウェイトの質量が減少するという不具合も生じる。

また、別体のカウンタウェイトのシャフト本体への接合方法としては、例えば特許文献１に示される方法も提案されている。同文献では、シャフト本体に別体のカウンタウェイトを差し込み、その後にカウンタウェイトを加圧してシャフト本体に対し同カウンタウェイトを塑性締結している。これにより、カウンタウェイトがシャフト本体に接合されてクランクシャフトが形成される。この場合、上述した部品点数の増加やカウンタウェイトの質量減少といった不具合を回避することができる。
特開２００５−００９５９５公報（段落［００１９］、図７）

上記特許文献１に示されるように、別体のカウンタウェイトを上述した塑性結合を用いてシャフト本体に接合することで、部品点数の増加やカウンタウェイトの質量減少といった不具合を回避することができるようにはなる。しかし、上述した塑性締結を用いたカウンタウェイトとシャフト本体との接合によって、それらの間で必要とされる接合強度を得ることが可能かどうかは不明であり、上記必要とされる接合強度が得られない可能性が高い。

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、カウンタウェイトをシャフト本体に接合して形成されたクランクシャフトにおいて、それらカウンタウェイトとシャフト本体との間で必要とされる接合強度を得る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、エンジンのクランクシャフトであって、シャフト本体を形成する材料よりも比重の大きい材料によって形成されたカウンタウェイトを、同シャフト本体に対し液相拡散接合によって接合した。

カウンタウェイトのシャフト本体に対する液相拡散接合は次のように行われる。すなわち、カウンタウェイトとシャフト本体との間にそれらよりも融点の低いインサート金属を挟み、そのインサート金属を溶融させるとともに母材（カウンタウェイト及びシャフト本体）の接合面を溶融させることでインサート金属の原子を母材に向けて拡散させ、その後に等温凝固させることによってカウンタウェイトとシャフト本体とが接合される。液相拡散接合に関しては、接合面の清浄化及び密着化が促進されることから異種材料の接合に適している。この液相拡散接合により異種材料からなるカウンタウェイトとシャフト本体とを接合することにより、それらの間での必要とされる接合強度を得ることができるようになる。

また、シャフト本体の材料よりも比重の大きい材料でカウンタウェイトを形成することで、エンジンのクランクケース内における限られたスペースでカウンタウェイトに必要とされる質量を確保することができる。また、上記スペースの問題がなくとも、カウンタウェイトに必要とされる質量を確保するうえで同カウンタウェイトをより小さなものとすることができ、エンジンのクランクケース内で飛散する潤滑油とカウンタウェイトとの接触を可能な限り少なくし、その接触に伴うクランクシャフトの回転抵抗の増加が抑えられるという効果が得られるようになる。

請求項２記載の発明では、請求項１記載の発明では、前記シャフト本体に関しては、エンジンの各気筒に対応する部分にそれぞれクランクピン及びクランクアームを備え、同シャフトの長手方向中央で軸線と直交する面を中心とした両側の形状が前記面についての面対称とはならない非対称形状となっており、前記カウンタウェイトは、前記シャフト本体における各気筒毎のクランクアームに対応する部分にそれぞれ接合されていることを要旨とした。

非対称形状のクランクシャフトに関しては、その形状の関係から回転バランスが良好でない状態となるため、その回転バランスを良好なものとすべくカウンタウェイトの質量が各気筒毎に異なる値となるよう調整される。より詳しくは、クランクシャフトの回転バランスを良好なものとするうえでの各カウンタウェイトの質量の適正値が定められ、各気筒に対応するカウンタウェイトの質量が各々の適正値となるよう調整される。従って、各気筒に対応するカウンタウェイトのうち、いくつかは大きな質量を有するものとしなければならず、エンジンのクランクケース内におけるスペースの関係から上記質量の確保が困難になる可能性がある。しかし、比重の大きいカウンタウェイトを用いることにより、上記質量の確保が困難になるという不具合の発生を回避することができる。

請求項３記載の発明では、請求項２記載の発明において、前記クランクピンに関しては、一つにつき複数の気筒のコネクティングロッドが組み付けられるものであることを要旨とした。

一つのクランクピンに複数のコネクティングロッドが組み付けられるクランクシャフトにおいては、カウンタウェイトの数が少なくなる関係から、一つのカウンタウェイトの質量が大きくなる傾向がある。このため、エンジンのクランクケース内におけるスペースの関係から上記質量の確保が困難になる可能性があるが、比重の大きいカウンタウェイトを用いることにより、上記質量の確保が困難になるという不具合の発生を回避することができる。

以下、本発明を自動車用Ｖ型８気筒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に示されるように、Ｖ型８気筒のエンジン１においては、各気筒のピストン２がそれぞれコネクティングロッド３を介して連結されるクランクシャフト４を備えている。そして、クランクシャフト４における各気筒に対応する部分にはそれぞれ、同シャフト４のシャフト本体４ａからその軸線に対し直交する方向に突出するクランクアーム９と、そのクランクアーム９に支持されてコネクティングロッド３の大端部３ａが組み付けられるクランクピン５とが設けられている。このクランクピン５に大端部３ａが組み付けられたコネクティングロッド３においては、その小端部３ｂがピストン２のピストンピン２ａに組み付けられている。

また、クランクシャフト４における各気筒に対応する部分、より詳しくは各気筒毎のクランクアーム９に対応する部分には、クランクシャフト４の回転バランスを調整すべく質量調整の可能な質量調整部６を有するカウンタウェイト７が設けられている。このカウンタウェイト７の質量調整部６は、同カウンタウェイト７における上記軸線から離れた部分である外縁部に形成されている。そして、質量調整部６の外縁部から同軸線に向けてのドリル等による切削を通じて穴８を形成することにより、質量調整部６での質量調整が行われることとなる。

図２は、上記クランクアーム９、クランクピン５、及びカウンタウェイト７をクランクシャフト４の径方向から見た側面図である。同図から分かるように、クランクピン５は、一対のクランクアーム９によってそれらの間に支持されるとともに、クランクシャフト４（シャフト本体４ａ）の軸線に対し偏心した状態で同軸線に対し平行に延びている。そして、一つのクランクピン５には、Ｖ型エンジンにおける各バンクの対応する二つの気筒のコネクティングロッド３の大端部３ａが組み付けられている。また、上記カウンタウェイト７は、クランクピン５に対し上記軸線を挟んだ反対側であって、一対のクランクアーム９に対応する部分、言い換えれば各気筒に対応する部分にそれぞれ設けられている。

図３は、上記クランクシャフト４の全体構造を概略的に示したものである。同図から分かるように、クランクシャフト４に関しては、同シャフト４の長手方向中央で軸線と直交する面Ｆを中心とした両側の形状が同面Ｆについての面対称とはならない非対称形状となっている。こうした非対称形状のクランクシャフト４においては、その形状の関係から回転バランスが良好でない状態となるため、同回転バランスを良好なものとするうえでの各カウンタウェイト７の質量の適正値が気筒毎に定められ、その適正値が得られるよう各カウンタウェイト７の質量が定められる。また、各カウンタウェイト７の質量の微調整に関しては、それぞれのカウンタウェイト７の質量調整部６（図１）での質量調整を通じて各気筒毎に行われる。

ところで、クランクシャフト４のカウンタウェイト７に関しては、エンジン１においてクランクシャフト４の収容されるクランクケース内のスペースの関係から、体積を抑えつつ質量を増加させることが望まれている。こうした要求を満たすべく、クランクシャフト４においては、カウンタウェイト７をシャフト本体４ａと別体として同シャフト本体４ａの材料よりも比重の大きい材料により形成し、そのカウンタウェイト７をシャフト本体４ａに対し接合することで形成されている。なお、この実施形態では、シャフト本体４ａは球状黒鉛鋳鉄（ＦＣＤ）によって形成されており、カウンタウェイト７は上記球状黒鉛鋳鉄よりも比重の大きい材料、例えばタングステンによって形成されている。

上述したように、シャフト本体４ａを形成する材料よりも比重の大きい材料で別体のカウンタウェイト７を形成するとともに、そのカウンタウェイト７をシャフト本体４ａに接合することで、カウンタウェイト７の体積を抑えつつ質量を増加させることが可能になる。ただし、クランクシャフト４はエンジン駆動時に回転したり振動を受けたりするため、カウンタウェイト７とシャフト本体４ａとの間の接合強度が上述した回転や振動に対して耐え得るレベル以上、すなわち必要レベル以上でないと、カウンタウェイト７とシャフト本体４ａとの接合に不具合が生じる。

こうした不具合に対処すべく、本実施形態では、カウンタウェイト７とシャフト本体４ａとの間で必要とされる接合強度が得られるよう、それらカウンタウェイト７とシャフト本体４ａとを液相拡散接合によって接合している。以下、この液相拡散接合について図４及び図５を参照して詳しく説明する。

図４は、カウンタウェイト７をシャフト本体４ａから分離した状態を示している。上記液相拡散接合を行うに当たっては、まずカウンタウェイト７とシャフト本体４ａとの間にそれらよりも融点の低いインサート金属１０を配置し、そのインサート金属１０をカウンタウェイト７とシャフト本体４ａとで挟んだ状態とする。

図５（ａ）〜（ｅ）は、カウンタウェイト７とシャフト本体４ａとの液相拡散接合の過程、すなわち液相拡散接合におけるインサート金属溶融過程、母材溶融過程、等温凝固過程、均一化過程を示したものである。液相拡散接合では、インサート金属１０をカウンタウェイト７とシャフト本体４ａとで挟んだ状態で、インサート金属１０、並びにカウンタウェイト７及びシャフト本体４ａの同インサート金属１０に接する部分を溶融可能な温度である接合温度への加温が行われる。

図５（ａ）に示されるインサート金属溶融過程では、上記加温により接合温度に達した直後であって、カウンタウェイト７とシャフト本体４ａとの間に挟まれたインサート金属のみが溶融されて液相となる。図５（ｂ）に示される母材溶融過程では、接合温度での保持中にカウンタウェイト７及びシャフト本体４ａ（母材）におけるインサート金属１０に接する部分（接合面）が溶融し、溶融相が拡大する。図５（ｃ）及び（ｄ）に示される等温凝固過程では、液相となったインサート金属の原子が母材側（カウンタウェイト７側及びシャフト本体４ａ側）に向かって拡散し、液相（溶融相）の幅が減少する。図５（ｅ）に示される均一化過程では、液相がなくなった後、固相状態での原子の拡散により同原子の均一な状態が得られ、組織上からも接合面が消失し、接合が完了する。

上述した液相拡散接合に関しては、接合面の清浄化及び密着化が促進されることから異種材料の接合に適しており、この液相拡散接合により異種材料からなるカウンタウェイト７とシャフト本体４ａとを接合することで、それらの間での必要とされる接合強度を得ることができるようになる。

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）シャフト本体４ａの材料よりも比重の大きい材料によって形成されたカウンタウェイト７を液相拡散接合によりシャフト本体４ａに接合したため、カウンタウェイト７とシャフト本体４ａとが異種材料によって形成されていても、両者の間での必要される接合強度を得ることができる。

（２）シャフト本体４ａの材料よりも比重の大きい材料でカウンタウェイト７を形成することで、エンジン１のクランクケース内における限られたスペースでカウンタウェイト７に必要とされる質量を確保することができる。また、上記スペースの問題がなくとも、カウンタウェイト７に必要とされる質量を確保するうえで同カウンタウェイト７をより小さなものとすることができ、エンジン１のクランクケース内で飛散する潤滑油とカウンタウェイト７との接触を可能な限り少なくし、その接触に伴うクランクシャフト４の回転抵抗の増加を抑えることができる。

（３）仮に、比重の小さい材料でカウンタウェイト７を形成したとすると、カウンタウェイト７に必要とされる質量を確保するために同ウェイトの体積を大きくしなければならなくなる。カウンタウェイト７における体積の拡大に関しては、シャフト本体４ａの軸線から離れる方向（図１の下方）への拡大には限界があり、シャフト本体４ａの周方向（図１の矢印方向）への拡大によって実現せざるを得ない。カウンタウェイト７における体積の拡大をシャフト本体４ａの周方向への拡大によって実現しようとすると、それに伴ってカウンタウェイト７の重心がシャフト本体４ａの軸線により近くなることから、同ウェイト７の質量調整によるクランクシャフト４の回転バランスの調整の感度が悪くなる。しかし、比重の大きい材料でカウンタウェイト７を形成することができるため、上述した不具合が生じることを抑制できるようになる。

（４）非対称形状のクランクシャフト４に関しては、その形状の関係から回転バランスが良好でない状態となるため、その回転バランスを良好なものとすべくカウンタウェイト７の質量が各気筒毎に異なる値となるよう調整される。より詳しくは、クランクシャフト４の回転バランスを良好なものとするうえでの各カウンタウェイト７の質量の適正値が定められ、各気筒に対応するカウンタウェイト７の質量が各々の適正値となるよう調整される。従って、各気筒に対応するカウンタウェイト７のうち、いくつかは大きな質量を有するものとしなければならず、エンジン１のクランクケース内におけるスペースの関係から上記質量の確保が困難になる可能性がある。しかし、比重の大きいカウンタウェイト７を用いることにより、上記質量の確保が困難になるという不具合の発生を回避することができる。

（５）Ｖ型８気筒のエンジン１に用いられるクランクシャフト４のように、一つのクランクピン５に複数のコネクティングロッド３が組み付けられるクランクシャフトにおいては、カウンタウェイト７の数が少なくなる関係から、一つのカウンタウェイト７の質量が大きくなる傾向がある。このため、エンジン１のクランクケース内におけるスペースの関係から上記質量の確保が困難になる可能性があるが、比重の大きいカウンタウェイト７を用いることにより、上記質量の確保が困難になるという不具合の発生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。
・一つのクランクピン５に一つのコネクティングロッド３が組み付けられるクランクシャフトに本発明を適用してもよい。

・対称形状のクランクシャフト、すなわちクランクシャフトにおける長手方向中央にて同シャフトの軸線と直交する面を中心とした両側の形状が面対称となるクランクシャフトに本発明を適用してもよい。こうした対称形状のクランクシャフトとしては、直列４気筒、直列６気筒、及びＶ型１２気筒といった形式のエンジンに用いられるクランクシャフトをあげることができる。図６は、直列４気筒のエンジンに用いられるクランクシャフト１１の全体構造を概略的に示したものである。同図から分かるように、このクランクシャフト１１においては、同シャフト１１の長手方向中央で軸線と直交する面Ｆを中心とした両側の形状が同面Ｆについての面対称となる対称形状となっている。

・カウンタウェイト７を形成する材料をタングステン以外の材料であって、シャフト本体４ａの材料よりも比重の大きい材料としてもよい。
・シャフト本体４ａを形成する材料を球状黒鉛鋳鉄以外の材料とし、それよりも比重の大きい材料によってカウンタウェイト７を形成してもよい。

本実施形態のエンジンにおけるクランクシャフト周りの構造を示す略図。 クランクアーム、クランクピン、及びカウンタウェイトをクランクシャフトの径方向から見た側面図。 同クランクシャフトの全体構造を示す概略斜視図。 カウンタウェイトをシャフト本体から分離した状態を示す側面図。 （ａ）〜（ｅ）は、カウンタウェイトとシャフト本体との液相拡散接合の過程を示す概略図。 クランクシャフトの他の例を示す概略斜視図。

符号の説明

１…エンジン、２…ピストン、２ａ…ピストンピン、３…コネクティングロッド、３ａ…大端部、３ｂ…小端部、４…クランクシャフト、４ａ…シャフト本体、５…クランクピン、６…質量調整部、７…カウンタウェイト、８…穴、９…クランクアーム、１０…インサート金属。

Claims (3)

1. エンジンのクランクシャフトであって、シャフト本体を形成する材料よりも比重の大きい材料によって形成されたカウンタウェイトを、同シャフト本体に対し液相拡散接合によって接合したことを特徴とするクランクシャフト。
2. 前記シャフト本体に関しては、エンジンの各気筒に対応する部分にそれぞれクランクピン及びクランクアームを備え、同シャフトの長手方向中央で軸線と直交する面を中心とした両側の形状が前記面についての面対称とはならない非対称形状となっており、
   前記カウンタウェイトは、前記シャフト本体における各気筒毎のクランクアームに対応する部分にそれぞれ接合されている請求項１記載のクランクシャフト。
3. 前記クランクピンに関しては、一つにつき複数の気筒のコネクティングロッドが組み付けられ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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