JP2014040856A - Crank shaft of multi-cylinder engine, and method for designing the same - Google Patents

Crank shaft of multi-cylinder engine, and method for designing the same Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a crank shaft for a multi-cylinder engine, capable of reducing flexural vibration and torsional vibration and having a lighter weight by dynamic vibration evaluation.SOLUTION: A crank shaft of a multi-cylinder engine having two or more cylinders is mounted with a fly wheel on a shaft end. The flexural rigidity and the torsional stiffness of the crank arm part are higher at a position closer to the fly wheel, and are increased in three or more steps.

Description

本発明は、自動車用エンジン、船舶用エンジン、発電機などの汎用エンジンといったレシプロエンジンに搭載されるクランク軸に関し、特に、気筒数が2以上の多気筒エンジンに搭載されるクランク軸、およびそのクランク軸の設計方法に関する。   The present invention relates to a crankshaft mounted on a reciprocating engine such as a general-purpose engine such as an automobile engine, a marine engine, and a generator, and more particularly, a crankshaft mounted on a multi-cylinder engine having two or more cylinders, and the crank The present invention relates to a shaft design method.

レシプロエンジンは、ピストンの往復運動を回転運動に変換して動力を取り出すため、クランク軸を必要とする。クランク軸は、型鍛造によって製造されるものと、鋳造によって製造されるものとに大別され、多気筒エンジンには、強度と剛性に優位な前者の型鍛造クランク軸が多用される。   The reciprocating engine requires a crankshaft to extract power by converting the reciprocating motion of the piston into a rotational motion. Crankshafts are roughly classified into those manufactured by die forging and those manufactured by casting, and the former die-forged crankshaft, which is superior in strength and rigidity, is frequently used in multi-cylinder engines.

図1は、一般的な多気筒エンジン用クランク軸の一例を模式的に示す平面図である。同図に例示するクランク軸1は、4気筒エンジンに搭載されるものであり、5つのジャーナル部J1〜J5、4つのピン部P1〜P4、フロント部Fr、フランジ部Fl、およびジャーナル部J1〜J5とピン部P1〜P4をそれぞれつなぐ8枚のクランクアーム部(以下、単に「アーム部」ともいう)A1〜A8から構成され、8枚の全てのアーム部A1〜A8にカウンターウエイト部(以下、単に「ウエイト部」ともいう)W1〜W8を有する4気筒−8枚カウンターウエイトのクランク軸である。   FIG. 1 is a plan view schematically showing an example of a crankshaft for a general multi-cylinder engine. The crankshaft 1 illustrated in the figure is mounted on a four-cylinder engine, and includes five journal portions J1 to J5, four pin portions P1 to P4, a front portion Fr, a flange portion Fl, and journal portions J1 to J1. It consists of 8 crank arm parts (hereinafter also simply referred to as “arm parts”) A1 to A8 that connect J5 and the pin parts P1 to P4, respectively. This is a crankshaft of a 4-cylinder-8-counterweight having W1 to W8.

なお、以下では、ジャーナル部J1〜J5、ピン部P1〜P4、アーム部A1〜A8およびウエイト部W1〜W8それぞれを総称するとき、その符号は、ジャーナル部で「J」、ピン部で「P」、アーム部で「A」、ウエイト部で「W」とも記す。ピン部Pおよびこのピン部Pにつながる一組のアーム部Aをまとめて「スロー」ともいう。   Hereinafter, when the journal portions J1 to J5, the pin portions P1 to P4, the arm portions A1 to A8, and the weight portions W1 to W8 are collectively referred to, the reference numerals are “J” for the journal portion and “P” for the pin portion. ”,“ A ”for the arm portion and“ W ”for the weight portion. The pin portion P and the pair of arm portions A connected to the pin portion P are collectively referred to as “slow”.

ジャーナル部J、フロント部Frおよびフランジ部Flは、クランク軸1の回転中心と同軸上に配置され、ピン部Pは、クランク軸1の回転中心からピストンストロークの半分の距離だけ偏心して配置される。ジャーナル部Jは、すべり軸受けによってエンジンブロックに支持され、回転中心軸となる。ピン部Pには、すべり軸受けによってコンロッドが連結され、このコンロッドにピストンが連結される。フロント部Frは、クランク軸1の一方の軸端であり、タイミングベルトやファンベルトを駆動するためのダンパプーリ2が取り付けられる。フランジ部Flは、クランク軸1の他方の軸端であり、フライホイール3が取り付けられる。   The journal portion J, the front portion Fr, and the flange portion Fl are arranged coaxially with the rotation center of the crankshaft 1, and the pin portion P is arranged eccentric from the rotation center of the crankshaft 1 by a distance that is half the piston stroke. . The journal portion J is supported by the engine block by a sliding bearing and serves as a rotation center shaft. A connecting rod is connected to the pin portion P by a sliding bearing, and a piston is connected to the connecting rod. The front portion Fr is one shaft end of the crankshaft 1, and a damper pulley 2 for driving a timing belt and a fan belt is attached to the front portion Fr. The flange portion Fl is the other shaft end of the crankshaft 1, and the flywheel 3 is attached to the flange portion Fl.

エンジンの各シリンダ(気筒)内で燃料が爆発(燃焼)するのに伴い、その爆発力は、ピストンの往復運動をもたらしてクランク軸1のピン部Pに作用し、これと同時に、そのピン部Pにつながるアーム部Aを介してジャーナル部Jに伝達され、回転運動に変換される。その際、クランク軸1は、弾性変形を繰り返しながら回転する。その変形挙動の基本形について以下に例示する。   As the fuel explodes (combusts) in each cylinder of the engine, the explosive force causes the piston to reciprocate and acts on the pin portion P of the crankshaft 1, and at the same time, the pin portion. It is transmitted to the journal part J via the arm part A connected to P and converted into a rotational motion. At that time, the crankshaft 1 rotates while repeating elastic deformation. Examples of the basic form of the deformation behavior are given below.

図2は、直列4気筒エンジン用クランク軸を梁モデルで近似した場合のクランク軸の変形挙動を説明する模式図であり、同図(a)は第1気筒または第4気筒で爆発が生じたときの状態を、同図(b)は第3気筒または第4気筒で爆発が生じたときの状態をそれぞれ示す。同図には、すべてのアーム部の剛性が一定のクランク軸を対象とし、各気筒で生じた爆発による爆発力Fがクランク軸に作用したときのクランク軸の変形パターンと、クランク軸の各ジャーナル部での軸受け荷重の分配の様子を表示している(非特許文献1参照)。図2に示すように、各気筒で爆発が生じると、その爆発力Fは、当該気筒におけるクランク軸のピン部に作用すると同時に、そのピン部につながる一組のアーム部を介してそのアーム部につながるジャーナル部に主に付与されるが、その際にクランク軸の弾性変形、とりわけアーム部の弾性変形に伴い、すべてのジャーナル部に軸受け荷重として分配される。クランク軸は、このような弾性変形を繰り返しながら回転する。   FIG. 2 is a schematic diagram for explaining the deformation behavior of the crankshaft when the in-line four-cylinder engine crankshaft is approximated by a beam model. FIG. 2A shows an explosion in the first cylinder or the fourth cylinder. FIG. 5B shows the state when the explosion occurred in the third cylinder or the fourth cylinder. The figure shows the crankshaft deformation pattern when the explosion force F caused by the explosion generated in each cylinder is applied to the crankshaft, and the journals of the crankshaft. The state of distribution of the bearing load at the part is displayed (see Non-Patent Document 1). As shown in FIG. 2, when an explosion occurs in each cylinder, the explosion force F acts on the pin portion of the crankshaft in the cylinder, and at the same time, the arm portion via a pair of arm portions connected to the pin portion. This is mainly applied to the journal portion connected to, and at that time, it is distributed as a bearing load to all the journal portions in accordance with the elastic deformation of the crankshaft, particularly the elastic deformation of the arm portion. The crankshaft rotates while repeating such elastic deformation.

ところで、クランク軸のジャーナル部を支持する軸受けには潤滑油が存在しており、クランク軸の傾斜や弾性変形に応じ、軸受け内で油膜圧力や油膜厚さが、軸受け荷重やジャーナル部の軸心軌跡と相互に関連しながら変化する。さらに、軸受けにおけるジャーナル部の表面粗さと軸受けメタルの表面粗さに応じ、油膜圧力だけでなく、部分的な金属接触も生じる。油膜厚さの確保は、油切れによる軸受け焼き付きを防止するとともに、部分的な金属接触を防止するために重要であり、燃費性能に影響する。   By the way, there is lubricating oil in the bearing that supports the journal part of the crankshaft, and the oil film pressure and oil film thickness in the bearing depend on the inclination and elastic deformation of the crankshaft. It changes while correlating with the trajectory. Furthermore, depending on the surface roughness of the journal part in the bearing and the surface roughness of the bearing metal, not only the oil film pressure but also partial metal contact occurs. Ensuring the oil film thickness is important for preventing bearing seizure due to running out of oil and preventing partial metal contact, and affects fuel efficiency.

また、クランク軸の回転に伴う弾性変形や、軸受け内のクリアランスの中で移動する軸心軌跡は、回転中心のズレを生じさせるので、エンジン振動(マウント振動)に影響し、さらにその振動は、車体を伝播して乗車室内のノイズ、乗り心地に影響する。   In addition, the elastic deformation accompanying the rotation of the crankshaft and the shaft center trajectory that moves in the clearance in the bearing cause a shift of the center of rotation, which affects the engine vibration (mount vibration). It propagates through the car body and affects the noise and ride comfort in the passenger compartment.

このようなエンジン性能を向上させるため、クランク軸は剛性が高く、変形し難いことが求められる。従来、前記図2に示す爆発力や回転遠心力の荷重がクランク軸に付加され、これらの荷重に対する変形抵抗は、静的な観点からのねじり剛性、曲げ剛性の向上のみで考えられてきた。   In order to improve such engine performance, the crankshaft is required to have high rigidity and be difficult to deform. Conventionally, loads of explosive force and rotational centrifugal force shown in FIG. 2 are applied to the crankshaft, and deformation resistance against these loads has been considered only by improving torsional rigidity and bending rigidity from a static viewpoint.

例えば、特許文献1には、クランク軸の軽量化を図りつつ、ねじり剛性と曲げ剛性を高めるために、アーム部のピン側表面およびジャーナル側表面の中央部に肉抜き凹部を設ける技術が開示されている。同文献に開示された技術は、1つのアーム部に対する軽量化、高剛性化に着目し、単独のアーム部それぞれに対する設計方法を示すものであり、複数のアーム部に対する設計思想や方針、クランク軸全体のアーム部に対するそれらを与えるものではない。つまり、設計上である剛性値の目標が与えられたときに、いかにして単独のアーム部の軽量化を図るかを示す設計方法であり、また、逆に設計上で軽量化の目標値が与えられたときに、いかにして単独のアーム部の剛性を上げるかを示す設計方法である。   For example, Patent Document 1 discloses a technique in which a hollow portion is provided in the central portion of the pin side surface and the journal side surface of the arm portion in order to increase the torsional rigidity and the bending rigidity while reducing the weight of the crankshaft. ing. The technique disclosed in this document focuses on weight reduction and high rigidity for one arm part, and shows a design method for each single arm part. It does not give them to the whole arm part. In other words, it is a design method that shows how to reduce the weight of a single arm when a rigidity value target in design is given, and conversely, the target value for weight reduction in design is It is a design method that shows how to increase the rigidity of a single arm part when given.

また、特許文献2には、材料力学の3モーメント法を用い、クランク軸を段付き丸棒梁で近似し、ジャーナル部に負荷される荷重値を最小化するように、アーム部の剛性およびアーム部の質量モーメントから、カウンターウエイト部の質量モーメントの最適配分を求める最適化の計算手法が示されている。同文献に開示された技術は、アーム部の剛性について既存値を採用するか、または別の方法で決定し、その後で、ジャーナル部の荷重が最小化となるようにカウンターウエイト部の質量モーメントを調整する方法である。   Further, Patent Document 2 uses a three-moment method of material mechanics, approximates the crankshaft with a stepped round bar beam, and minimizes the load value applied to the journal part and the rigidity of the arm part and the arm. An optimization calculation method for obtaining an optimum distribution of the mass moment of the counterweight portion from the mass moment of the portion is shown. The technique disclosed in this document adopts an existing value for the rigidity of the arm part or determines it by another method, and then sets the mass moment of the counterweight part so that the load on the journal part is minimized. It is a method to adjust.

また、特許文献3には、フライホイールの振動を低減して耐久性を向上させるために、多気筒エンジン用クランク軸において、フライホイールが装着されるフランジ部に最も近い位置に配置されたアーム部の肉厚を、他のアーム部よりも大きくする技術が開示されている。同文献に開示された技術は、フライホイールに最も近い最後尾のスローに着目し、その最後尾のスローのアーム部の肉厚と、他のスローのアーム部の肉厚を関係付けるものであり、他のスローのアーム部の肉厚は一定であることが前提条件になっている。   In Patent Document 3, in order to reduce the vibration of the flywheel and improve the durability, in the crankshaft for a multi-cylinder engine, an arm portion disposed at a position closest to a flange portion to which the flywheel is mounted. A technique for making the wall thickness of the arm larger than that of the other arm portions is disclosed. The technology disclosed in this document focuses on the last thrown throw that is closest to the flywheel, and relates the thickness of the arm part of the last throw to the thickness of the arm part of the other throw. It is a precondition that the thickness of the arm portion of the other throw is constant.

つまり、アーム部の厚みに関して、フライホイールに最も近い最後尾のアーム部がそれ以外のアーム部よりも大きくされ、さらにアーム部の幅に関しては、最後尾のスローのアーム部がそれ以外のスローのアーム部よりも大きくされており、アーム部全数で見たときの剛性の増加は2段階に留まっている。具体的には、図1に示す直列4気筒エンジン用クランク軸を例に挙げると、第1アーム部A1〜第6アーム部A6までが同一の剛性であり、最後尾のスローの第7アーム部A7の剛性がそれよりも高く、最後尾の第8アーム部A8の剛性がさらに高くなっている。   In other words, with regard to the thickness of the arm part, the last arm part closest to the flywheel is made larger than the other arm parts, and further, with respect to the width of the arm part, the arm part of the last throw is the other throw part. The size of the arm portion is larger than that of the arm portion, and the increase in rigidity when viewed in the total number of arm portions remains in two stages. Specifically, taking the crankshaft for an in-line 4-cylinder engine shown in FIG. 1 as an example, the first arm part A1 to the sixth arm part A6 have the same rigidity, and the seventh arm part of the last throw The rigidity of A7 is higher than that, and the rigidity of the last eighth arm part A8 is further increased.

特開2009−133331号公報JP 2009-133331 A 特開平10−169637号公報Japanese Patent Laid-Open No. 10-169637 実開平5−1013号公報Japanese Utility Model Publication No. 5-1013

石川義和著,「自動車用ガソリンエンジン設計の要諦」,山海堂,2002Yoshikazu Ishikawa, “Key points for designing gasoline engines for automobiles”, Sankaido, 2002

しかし、前記特許文献1〜3に開示されたいずれの技術をもってしても、エンジン性能を向上させるために、曲げ振動およびねじり振動を有効に抑制するには限界があるのが実情である。   However, even with any of the techniques disclosed in Patent Documents 1 to 3, the actual situation is that there is a limit to effectively suppressing bending vibration and torsional vibration in order to improve engine performance.

本発明は、このような実情に鑑みてなされたものであり、動的な振動評価により、曲げ振動およびねじり振動のいずれも軽減しつつ、軽量化を図ることができる多気筒エンジン用クランク軸、およびそのクランク軸の設計方法を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of such circumstances, and a crankshaft for a multi-cylinder engine capable of reducing weight while reducing both bending vibration and torsional vibration by dynamic vibration evaluation, Another object of the present invention is to provide a design method for the crankshaft.

本発明は、上記の課題を解決するため、下記の(I)に示す多気筒エンジンのクランク軸、および(II)に示すクランク軸の設計方法を要旨とする。   In order to solve the above-described problems, the present invention is summarized as a crankshaft of a multi-cylinder engine shown in (I) below and a crankshaft design method shown in (II).

(I)軸端にフライホイールが取り付けられる多気筒エンジンのクランク軸であって、
クランクアーム部の曲げ剛性およびねじり剛性がフライホイールに近いクランクアーム部ほど高く、その曲げ剛性およびねじり剛性の増加が3段階以上であることを特徴とする多気筒エンジンのクランク軸である。
(I) A crankshaft of a multi-cylinder engine having a flywheel attached to the shaft end,
The crankshaft of a multi-cylinder engine is characterized in that the bending rigidity and torsional rigidity of the crank arm part are higher as the crank arm part is closer to the flywheel, and the increase in bending rigidity and torsional rigidity is three or more.

このクランク軸は、クランクアーム部の曲げ剛性およびねじり剛性がクランクアーム部ごとに異なることが好ましい。   In the crankshaft, it is preferable that the bending rigidity and torsional rigidity of the crank arm portion are different for each crank arm portion.

(II)軸端にフライホイールが取り付けられる多気筒エンジンのクランク軸の設計方法であって、
クランクアーム部の曲げ剛性およびねじり剛性をフライホイールに近いクランクアーム部ほど高くし、その曲げ剛性およびねじり剛性の増加を3段階以上とすることを特徴とする多気筒エンジンのクランク軸の設計方法である。
(II) A method for designing a crankshaft of a multi-cylinder engine in which a flywheel is attached to the shaft end,
The crankshaft design method of the multi-cylinder engine is characterized in that the bending rigidity and torsional rigidity of the crank arm portion are increased as the crank arm portion is closer to the flywheel, and the bending rigidity and torsional rigidity are increased in three or more stages. is there.

このクランク軸の設計方法は、クランクアーム部の曲げ剛性およびねじり剛性をクランクアーム部ごとに異ならせることが好ましい。   In this crankshaft design method, it is preferable that the bending rigidity and torsional rigidity of the crank arm portion are different for each crank arm portion.

本発明によれば、曲げ振動およびねじり振動のいずれも軽減しつつ、軽量化を図ることができる。   According to the present invention, it is possible to reduce the weight while reducing both bending vibration and torsional vibration.

一般的な多気筒エンジン用クランク軸の一例を模式的に示す平面図である。It is a top view which shows typically an example of the general crankshaft for multicylinder engines. 直列4気筒エンジン用クランク軸を梁モデルで近似した場合のクランク軸の変形挙動を説明する模式図であり、同図(a)は第1気筒または第4気筒で爆発が生じたときの状態を、同図(b)は第3気筒または第4気筒で爆発が生じたときの状態をそれぞれ示す。It is a schematic diagram explaining the deformation | transformation behavior of a crankshaft when the crankshaft for in-line 4 cylinder engines is approximated by the beam model, The figure (a) shows the state when explosion occurs in the 1st cylinder or the 4th cylinder. FIG. 4B shows a state when an explosion occurs in the third cylinder or the fourth cylinder, respectively. クランク軸のバランス設計に用いるアーム部およびバランス部の諸設計値の代表例を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the representative example of the various design values of the arm part used for the balance design of a crankshaft, and a balance part. 3次元物体の慣性モーメントおよび慣性乗積を説明するための模式図である。It is a schematic diagram for demonstrating the moment of inertia and the inertial product of a three-dimensional object. ダンパプーリおよびフライホイールを含むクランク軸系全体の回転運動の考察に用いる分布質量の代表例を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the representative example of the distributed mass used for consideration of the rotational motion of the whole crankshaft system containing a damper pulley and a flywheel. 従来のねじり振動解析で用いるモデルを示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the model used by the conventional torsional vibration analysis. 本発明のクランク軸の概要をまとめた図である。It is the figure which put together the outline | summary of the crankshaft of this invention. 本発明のクランク軸におけるアーム部の剛性分布の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the rigidity distribution of the arm part in the crankshaft of this invention. フライホイールの面外変形を示す図である。It is a figure which shows the out-of-plane deformation | transformation of a flywheel. ダンパプーリの構造と面外変形を示す図である。It is a figure which shows the structure and out-of-plane deformation | transformation of a damper pulley. 本発明のクランク軸の設計要領をまとめた図である。It is the figure which summarized the design point of the crankshaft of this invention. 実施例におけるクランク軸の曲げ剛性分布を示す図である。It is a figure which shows the bending rigidity distribution of the crankshaft in an Example. 実施例におけるクランク軸のねじり剛性分布を示す図である。It is a figure which shows the torsional rigidity distribution of the crankshaft in an Example. 実施例の結果としてクランク軸の曲げの固有周波数およびねじりの固有周波数を示す図である。It is a figure which shows the natural frequency of the bending of a crankshaft, and the natural frequency of torsion as a result of an Example. 実施例の結果としてクランク軸の重量を示す図である。It is a figure which shows the weight of a crankshaft as a result of an Example. 実施例の結果としてクランク軸の各軸回りの慣性モーメントを示す図である。It is a figure which shows the moment of inertia around each axis | shaft of a crankshaft as a result of an Example. 実施例の結果としてクランク軸の各ジャーナル部の軸受け荷重を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the bearing load of each journal part of a crankshaft as a result of an Example.

以下に、本発明の多気筒エンジンのクランク軸、およびそのクランク軸の設計方法について、その実施形態を詳述する。   Hereinafter, embodiments of the crankshaft of the multi-cylinder engine of the present invention and the design method of the crankshaft will be described in detail.

1.クランク軸の設計で考えるべき基本技術
1−1.クランク軸のバランス
クランク軸は回転体であるので、前記特許文献1〜3に開示された設計方法のほかに、基礎技術として、回転軸に対して、静バランスと動バランスをとり、さらにバランス率を満足することが、回転運動を滑らかにするために必須の設計条件となることが知られている。これらの条件をカウンターウエイト部の重量配分で満足することが、クランク軸を設計する上での前提条件である。
1. 1. Basic technologies to be considered in crankshaft design 1-1. Crankshaft balance Since the crankshaft is a rotating body, in addition to the design methods disclosed in Patent Documents 1 to 3, as a basic technology, a static balance and a dynamic balance are taken with respect to the rotating shaft, and the balance ratio is further increased. It is known that satisfying the above becomes an essential design condition for smoothing the rotational motion. Satisfying these conditions with the weight distribution of the counterweight portion is a precondition for designing the crankshaft.

(1)静バランス
図3に示すように、直列4気筒エンジンに搭載される8枚カウンターウエイトのクランク軸を例に挙げ、クランク軸の静バランスを説明する。静バランスを検討するにあたり、各アーム部、各ウエイト部の質量と重心半径をそれぞれ次のとおりに定義する。
アーム部の質量:MAj
アーム部の重心半径:RAj
ウエイト部の質量:MWj
ウエイト部の重心半径:RWj
ここで、「j」は、クランク軸のフロント部側から順に付したアーム部、ウエイト部の番号であり、4気筒エンジン用クランク軸の場合、j=1、・・・、8である。
(1) Static Balance As shown in FIG. 3, the crankshaft static balance will be described by taking an example of an eight counterweight crankshaft mounted on an in-line four-cylinder engine. In examining the static balance, the mass and the gravity center radius of each arm part and each weight part are defined as follows.
Arm mass: M Aj ,
Arm center of gravity radius: R Aj ,
Weight of weight part: M Wj ,
Weight center of gravity radius: R Wj .
Here, “j” is the number of the arm portion and the weight portion attached in order from the front portion side of the crankshaft, and j = 1,..., 8 in the case of a crankshaft for a four-cylinder engine.

なお、図3には、フロント部側から3番目の第3アーム部A3、第3ウエイト部W3の諸設計値を代表的に例示している。   FIG. 3 representatively illustrates various design values of the third arm portion A3 and the third weight portion W3 that are third from the front portion side.

この場合に、静バランスをとるとは、下記の(1)式を満足することである。   In this case, taking a static balance means satisfying the following expression (1).

Figure 2014040856
Figure 2014040856

(2)動バランス
同様に図3に示すクランク軸を例に挙げ、クランク軸の動バランスを説明する。動バランスを検討するにあたり、さらにクランク軸の回転軸のある1点を基点とし、各アーム部の重心までの距離、各ウエイト部の重心までの距離をそれぞれ次のとおりに定義する。
アーム部の重心までの距離:LAj
ウエイト部の重心までの距離:LWj
ここで、「j」は、上記(1)式と同様に、4気筒エンジン用クランク軸の場合、j=1、・・・、8である。
(2) Dynamic Balance Similarly, taking the crankshaft shown in FIG. 3 as an example, the dynamic balance of the crankshaft will be described. In examining the dynamic balance, the distance to the center of gravity of each arm part and the distance to the center of gravity of each weight part are defined as follows, with a certain point of the rotation axis of the crankshaft as a base point.
Distance to the center of gravity of the arm: L Aj
Distance to weight center of gravity: L Wj .
Here, “j” is j = 1,..., 8 in the case of the crankshaft for a four-cylinder engine, as in the above equation (1).

この場合に、動バランスをとるとは、下記の(2)式を満足することである。   In this case, dynamic balance means satisfying the following expression (2).

Figure 2014040856
Figure 2014040856

上記(1)式、(2)式は、従来から行われている静バランス、動バランスの設計方法であり、それぞれクランク軸の各アーム部、各ウエイト部の重心に対して和を求め、その和が0(ゼロ)になるようにクランク軸の形状を調整し設計する。   The above formulas (1) and (2) are conventionally used static balance and dynamic balance design methods, and the sum is obtained for the center of gravity of each arm portion and each weight portion of the crankshaft. The crankshaft shape is adjusted and designed so that the sum is 0 (zero).

(3)バランス率
クランク軸のピン部およびコンロッドの一部を含むアーム部側の質量モーメントに対するウエイト部側の質量モーメントの割合をバランス率と呼ぶ。バランス率がある一定範囲内であることがクランク軸のスムーズな回転に寄与するので、ウエイト部の質量は0(ゼロ)を含まないある範囲内で付加することが必要である。そのため、ウエイト部を小さくして軽量化するには限度がある。したがって、剛性確保のためにアーム部の質量の調整が必要であり、しかも、バランス率の確保のためには下限のあるウエイト部の質量の調整が必要であるため、クランク軸の軽量化に際しては、適切な目標とする質量がある程度決定される。
(3) Balance ratio The ratio of the mass moment on the weight portion side to the mass moment on the arm portion side including the pin portion of the crankshaft and a part of the connecting rod is called a balance rate. Since the balance ratio within a certain range contributes to the smooth rotation of the crankshaft, the weight of the weight portion needs to be added within a certain range not including 0 (zero). For this reason, there is a limit to reducing the weight and reducing the weight. Therefore, it is necessary to adjust the mass of the arm part in order to ensure rigidity, and in addition, it is necessary to adjust the mass of the weight part with a lower limit in order to ensure the balance ratio. The appropriate target mass is determined to some extent.

1−2.3次元運動力学の理論
次に、一般的な3次元の運動体力学の広い理論から、クランク軸系全体の回転運動を考える。これにより、基本的な形で把握が可能になり、振動のブレの少ない理想的な回転体としてクランク軸の満たすべき要件が明らかになる。
1-2. Theory of three-dimensional kinematics Next, the rotational motion of the entire crankshaft system will be considered from a wide theory of general three-dimensional kinematics. As a result, the basic shape can be grasped, and the requirements to be satisfied by the crankshaft as an ideal rotating body with less vibration fluctuation are clarified.

(1)回転運動の表現
回転体の運動力学では、回転体の回転中心からの位置ベクトルをr、運動量ベクトルをpとしたとき、角運動量Lは下記の(3)式で定義される。
(1) Representation of rotational motion In the kinematics of a rotating body, when the position vector from the rotation center of the rotating body is r and the momentum vector is p, the angular momentum L is defined by the following equation (3).

Figure 2014040856
Figure 2014040856

ここで、「×」は外積を示す。運動量ベクトルpは、質量mと速度ベクトルvを使って、下記の(4)式で表される。   Here, “x” indicates an outer product. The momentum vector p is expressed by the following equation (4) using the mass m and the velocity vector v.

Figure 2014040856
Figure 2014040856

また、速度ベクトルvは、回転運動なので、角速度ベクトルωを使って、下記の(5)式で表される。   Since the velocity vector v is a rotational motion, it is expressed by the following equation (5) using the angular velocity vector ω.

Figure 2014040856
Figure 2014040856

結局、上記(3)〜(5)式から下記の(6)式が導かれる。   Eventually, the following formula (6) is derived from the above formulas (3) to (5).

Figure 2014040856
Figure 2014040856

この(6)式の外積の表示を公式により変形すると、下記の(7)式となる。   When the display of the outer product of equation (6) is modified by the formula, the following equation (7) is obtained.

Figure 2014040856
Figure 2014040856

この(7)式を3次元の各成分(x、y、z)で書き下すと、下記の(8)式となる。   If this equation (7) is written down with three-dimensional components (x, y, z), the following equation (8) is obtained.

Figure 2014040856
Figure 2014040856

この(8)式をマトリックス表示すると、下記の(9)式となる。   When this equation (8) is displayed in matrix, the following equation (9) is obtained.

Figure 2014040856
Figure 2014040856

ここで、Iは慣性モーメントテンソルと呼ばれ、対称行列であり、対角成分は3次元の慣性モーメントである。非対角成分のmxy、mxz、myzは慣性乗積と呼ばれる。   Here, I is called a moment of inertia tensor, is a symmetric matrix, and the diagonal component is a three-dimensional moment of inertia. Non-diagonal components mxy, mxz, and myz are called inertial products.

動バランスは、実はこの慣性乗積を計算しており、動バランスを0(ゼロ)にすることは、慣性乗積を0にすることを意味する。すなわち、慣性モーメントテンソルIの行列の非対角成分を0にして、対角行列にすることを意味する。また、3次元回転体には直交する慣性主軸と言われる方向が存在し、X軸、Y軸およびZ軸が慣性主軸と一致すると、慣性モーメントテンソルIの行列は対角行列(対角以外の成分が0)になる。換言すると、動バランスを0にする作業は、回転軸を慣性主軸に一致させる作業と言える。   The dynamic balance actually calculates this inertial product, and setting the dynamic balance to 0 (zero) means setting the inertial product to 0. That is, it means that the non-diagonal component of the matrix of the moment of inertia tensor I is set to 0 to form a diagonal matrix. In the three-dimensional rotating body, there is a direction called an inertial principal axis that is orthogonal, and when the X axis, the Y axis, and the Z axis coincide with the inertial principal axis, the matrix of the inertia moment tensor I is a diagonal matrix (other than diagonal) The component becomes 0). In other words, the operation of setting the dynamic balance to 0 can be said to be an operation of making the rotation axis coincide with the inertia main axis.

また、上記(9)式は集中質量系で表示したものであるが、質点はいくつあっても重ね合わせが可能なので、広がりを持った物体の全慣性モーメントIは、下記の(10)式で与えられる。   Further, although the above equation (9) is displayed in a concentrated mass system, since it is possible to superimpose any number of mass points, the total moment of inertia I of a wide object is given by the following equation (10). Given.

Figure 2014040856
Figure 2014040856

図4に示すように3次元物体のFEMモデルのような分布質量系のモデルであっても、上記(10)式で表現できる。また、多数の部材の集合体からなる集中質量系の質点質量と重心位置と考える場合であっても、上記(10)式で表現できる。上述した1−1節におけるクランク軸のバランス設計は、上記(10)式でクランク軸系全体モデルを各部材の集合体からなる集中質量の質点系と考えて、X軸系成分を取り出したことに相当する。   As shown in FIG. 4, even a distributed mass system model such as an FEM model of a three-dimensional object can be expressed by the above equation (10). Further, even when considering the mass point mass and the center of gravity position of a concentrated mass system composed of an assembly of a large number of members, it can be expressed by the above equation (10). The balance design of the crankshaft in section 1-1 described above is based on the above equation (10), considering the entire crankshaft system model as a mass system of concentrated mass composed of aggregates of each member, and extracting the X-axis system components. It corresponds to.

(2)クランク軸の理想的な設計の回転運動について
回転軸を慣性主軸に一致させると、回転体はブレを起こさずスムーズな回転をすることが知られている。以下に、上記(10)式を用いてクランク軸の回転運動を考察する。
(2) About the ideally designed rotational motion of the crankshaft When the rotational shaft is made to coincide with the inertial main shaft, it is known that the rotating body rotates smoothly without causing blurring. Hereinafter, the rotational movement of the crankshaft will be considered using the above equation (10).

例えば、図5に示すようにX軸をクランクの回転軸とし、X軸に関する静バランスと動バランスを共に0にする。また、XY平面、XZ平面、YZ平面において、各軸におけるクランク軸の形状が対称であれば、クランク軸の設計は、mxy、mxz、myzが共に0になる。この場合、下記の(11)式が成り立つ。   For example, as shown in FIG. 5, the X axis is the rotation axis of the crank, and both the static balance and the dynamic balance regarding the X axis are set to zero. In addition, if the shape of the crankshaft on each axis is symmetric in the XY plane, the XZ plane, and the YZ plane, the design of the crankshaft is 0 for all mxy, mxz, and myz. In this case, the following equation (11) is established.

Figure 2014040856
Figure 2014040856

そうすると、上記(9)式、(10)式から下記の(12)式が導かれる。   Then, the following equation (12) is derived from the above equations (9) and (10).

Figure 2014040856
Figure 2014040856

クランク軸の回転角速度はωxであり、その角運動量Lxは下記の(13)式で表される。 The rotational angular velocity of the crankshaft is ω x , and the angular momentum L x is expressed by the following equation (13).

Figure 2014040856
Figure 2014040856

そして、理想的な外乱の無い状態では下記の(14)式が成り立つ。   And in the state without an ideal disturbance, the following (14) Formula is formed.

Figure 2014040856
Figure 2014040856

この場合、下記の(15)式のとおり、Y軸、Z軸周りの角運動量Ly、Lzは0になる。すなわち、Y軸、Z軸周りの回転成分は無いことになる。 In this case, angular momentums L y and L z around the Y-axis and Z-axis become 0 as shown in the following equation (15). That is, there are no rotational components around the Y axis and Z axis.

Figure 2014040856
Figure 2014040856

このように角運動量に関しては、上記(13)〜(15)式の状態が理想的なクランク軸の設計を表し、この場合に振動の無いスムーズなX軸周りの回転が実現される。   As described above, regarding the angular momentum, the states of the above formulas (13) to (15) represent an ideal crankshaft design, and in this case, smooth rotation around the X axis without vibration is realized.

また、別の表現として、上記(8)式を時間微分する。角運動量Lを時間微分すると、トルクTになる。また、角速度ωを時間微分すると角加速度(dω/dt)になるので、回転運動の運動方程式は、下記の(16)式で表される。   As another expression, the above equation (8) is time-differentiated. When the angular momentum L is differentiated with respect to time, the torque T is obtained. Moreover, since the angular acceleration (dω / dt) is obtained by differentiating the angular velocity ω with time, the motion equation of the rotational motion is expressed by the following equation (16).

Figure 2014040856
Figure 2014040856

この(16)式に上記(11)式の条件を代入して書き下すと、下記の(17)式となる。   Substituting and writing the condition of the above expression (11) into the expression (16), the following expression (17) is obtained.

Figure 2014040856
Figure 2014040856

上記(14)式のように理想的な外乱の無い状態では、下記の(18)式が成り立つ。   In the state where there is no ideal disturbance as in the above equation (14), the following equation (18) is established.

Figure 2014040856
Figure 2014040856

そうすると、上記(17)式と(18)式から下記の(19)式、(20)式が導かれる。   Then, the following equations (19) and (20) are derived from the above equations (17) and (18).

Figure 2014040856
Figure 2014040856

Figure 2014040856
Figure 2014040856

この場合、Y軸、Z軸の周りのトルクが発生しない状態になる。このようにトルクに関しては上記(18)〜(20)式の状態が理想的なクランク軸の設計を表し、この場合に振動の無いスムーズなX軸周りの回転を実現される。   In this case, the torque around the Y axis and the Z axis is not generated. Thus, with respect to torque, the states of the above formulas (18) to (20) represent an ideal crankshaft design, and in this case, smooth rotation around the X axis without vibration is realized.

(3)実際のクランク軸の回転運動について
実際のクランク軸の設計においては、動バランスは厳密に0ではなく、微小な値が存在する。また、クランク軸の弾性変形により微小なズレが発生し、これらの微小なズレは、下記の(21)式で示されるように、0ではない微小な慣性乗積Δxy、Δxz、Δyzとなって残る。
(3) About the actual rotational movement of the crankshaft In the actual crankshaft design, the dynamic balance is not strictly zero, but there is a minute value. Further, minute displacements are generated by the elastic deformation of the crankshaft, and these minute displacements are minute inertia products [Delta] xy , [Delta] xz , [Delta] yz that are not zero as shown by the following equation (21). Remains.

Figure 2014040856
Figure 2014040856

また、クランク軸のX軸周りの回転角速度ωx以外に、回転運動軸受けの油膜やクリアランスの存在、あるいはクランク軸の弾性振動等により、下記の(22)式で示されるように、Y軸、Z軸周りの微小な角速度成分δy、δzが存在する。 In addition to the rotational angular velocity ω x around the X axis of the crankshaft, the presence of the oil film and clearance of the rotary motion bearing, the elastic vibration of the crankshaft, etc. There are minute angular velocity components δ y and δ z around the Z axis.

Figure 2014040856
Figure 2014040856

したがって、角運動量を表す上記(12)式は、下記の(23)式で示される状態になっている。   Therefore, the above equation (12) representing the angular momentum is in a state represented by the following equation (23).

Figure 2014040856
Figure 2014040856

また、トルクを表す上記(16)式に対しても同様に、理想状態からのズレは微小な角加速度(dδy/dt)、(dδz/dt)が存在すると考えられ、下記の(24)式が成り立つ。 Similarly, the deviation from the ideal state is considered to have minute angular accelerations (dδ y / dt) and (dδ z / dt) with respect to the equation (16) representing the torque. ) Formula holds.

Figure 2014040856
Figure 2014040856

この(24)式の条件から、下記の(25)式が得られる。   From the condition of the equation (24), the following equation (25) is obtained.

Figure 2014040856
Figure 2014040856

つまり、現実には理想状態からのズレが原因となり、上記(23)式から下記の(26)〜(28)が導かれ、回転軸X軸以外のY軸、Z軸周りの角運動量が0にならない。   That is, in reality, the deviation from the ideal state is the cause, and the following (26) to (28) are derived from the above equation (23), and the angular momentum around the Y axis and the Z axis other than the rotation axis X axis is 0. do not become.

Figure 2014040856
Figure 2014040856

Figure 2014040856
Figure 2014040856

Figure 2014040856
Figure 2014040856

この(27)式、(28)式から、特に値の大きな回転角速度ωxから影響を受けることがわかる。すなわち、Y軸、Z軸周りの微小振動も、X軸周りのクランクの回転運動から生起されることがわかる。 From the equations (27) and (28), it can be seen that the rotation angular velocity ω x having a particularly large value is affected. That is, it can be seen that micro vibrations around the Y and Z axes are also caused by the rotational movement of the crank around the X axis.

また、同様に、上記(25)式から下記の(29)〜(31)が導かれ、Y軸、Z軸周りのトルクが0にならない。   Similarly, the following (29) to (31) are derived from the above equation (25), and the torque around the Y axis and the Z axis does not become zero.

Figure 2014040856
Figure 2014040856

Figure 2014040856
Figure 2014040856

Figure 2014040856
Figure 2014040856

この(30)式、(31)式から、特に値の大きな回転角加速度(dωx/dt)から影響を受けることがわかる。これらの(26)〜(31)式はクランク軸の歳差運動や振動の要因になる。これらをいかに小さく抑制するかが、クランク軸の設計、ひいてはエンジンの設計の良否に関わる。 It can be seen from the equations (30) and (31) that the rotation angular acceleration (dω x / dt) having a particularly large value is affected. These equations (26) to (31) cause the precession and vibration of the crankshaft. How small these are controlled is related to the quality of the crankshaft design and hence the engine design.

実際には、クランク軸の曲げの弾性変形またはねじれの弾性変形、軸受け側のエンジンブロックの弾性変形、軸受け油膜部のクリアランスの存在と油膜厚さの分布によるクランク軸の回転の傾斜等、これらいくつかの原因が重なり回転運動の理想状態からのズレが発生する。これにより、上記(26)〜(31)式に表現されるような状態になり、クランク軸の真円回転に振動のノイズを載せて、影響を及ぼしている。これはクランク軸の円滑な回転を阻害し、エンジン振動や騒音の原因になる。   Actually, the crankshaft bending elastic deformation or torsional elastic deformation, the bearing side engine block elastic deformation, the existence of the bearing oil film clearance and the crankshaft rotation inclination due to the oil film thickness distribution, etc. These causes overlap and a deviation from the ideal state of rotational motion occurs. As a result, a state as expressed by the above formulas (26) to (31) is obtained, and vibration noise is put on the circular rotation of the crankshaft to influence it. This hinders smooth rotation of the crankshaft and causes engine vibration and noise.

2.動的な評価法である固有振動解析の従来の利用
従来、クランク軸のねじり振動の評価に固有振動解析を利用している。その一例を以下に説明する。図6に示すように、スローごとにアーム部およびウエイト部を等価な慣性質量の円盤に置き換えて簡素化し、各スロー間のねじり剛性をばね定数の円柱に置き換えてモデル化する。すると、固有振動解析は、下記の(32)式で表現できる(例えば、非特許文献1参照)。
2. Conventional use of natural vibration analysis, which is a dynamic evaluation method Conventionally, natural vibration analysis is used to evaluate torsional vibration of the crankshaft. One example will be described below. As shown in FIG. 6, for each throw, the arm portion and the weight portion are replaced with a disk having an equivalent inertial mass for simplification, and the torsional rigidity between each throw is replaced with a spring constant cylinder for modeling. Then, the natural vibration analysis can be expressed by the following equation (32) (for example, see Non-Patent Document 1).

Figure 2014040856
Figure 2014040856

この(32)式を解くことにより、クランク軸系のねじりの固有振動数を求めることができる。この固有振動数は、ねじり振動の次数解析に用いられている。これは、主としてダンパプーリのねじり振動の減衰効果を設計するのに利用され、特に、その減衰効果を高めるためにダンパプーリのゴムの設計および慣性質量の設計に利用されている。   By solving the equation (32), the natural frequency of torsion of the crankshaft system can be obtained. This natural frequency is used for order analysis of torsional vibration. This is mainly used for designing the damping effect of the torsional vibration of the damper pulley, and in particular for designing the rubber of the damper pulley and the design of the inertial mass in order to enhance the damping effect.

3.動的な評価法である固有周波数解析のクランク軸系設計への新しい適用
本発明は、クランク軸系の弾性変形の動的な振動に着目し、その固有振動数をクランク軸の剛性および質量設計に用い、その結果としてエンジン性能の向上に利用するものである。
3. The present invention focuses on dynamic vibration of the elastic deformation of the crankshaft system, and uses the natural frequency as the rigidity and mass design of the crankshaft. As a result, it is used to improve engine performance.

まず、一般的な固有振動の評価の仕方について説明する。固有振動数は固有振動周波数または共振周波数とも称される。FEMモデルを考えた場合、例えば変位ベクトルを{δ}、剛性を表す剛性マトリックスを[K]、および質量を表す質量マトリックスを[M]とすると、外力に関係なく固有振動を起こす。それらの関係は以下のとおりである。   First, a general method for evaluating natural vibration will be described. The natural frequency is also called a natural vibration frequency or a resonance frequency. Considering the FEM model, for example, if the displacement vector is {δ}, the stiffness matrix representing stiffness is [K], and the mass matrix representing mass is [M], natural vibration occurs regardless of external force. Their relationship is as follows.

運動方程式は、下記の(33)式で表される。   The equation of motion is expressed by the following equation (33).

Figure 2014040856
Figure 2014040856

変位の振動がコサイン波の形式であるとすれば、下記の(34)式が成り立つ。   If the displacement vibration is in the form of a cosine wave, the following equation (34) is established.

Figure 2014040856
Figure 2014040856

この(34)式を(33)式へ代入すると、下記の(35)式が導かれる。   Substituting this equation (34) into equation (33) leads to the following equation (35).

Figure 2014040856
Figure 2014040856

この(35)式が成立するためには、下記の(36)式に示すとおり、行列式がゼロである必要がある。   In order to establish this equation (35), the determinant needs to be zero as shown in the following equation (36).

Figure 2014040856
Figure 2014040856

この(36)式から、固有振動数(f=ω/2π)を求めることができる。そのときに対応する上記(34)式のδが固有振動モードを与える。   From this equation (36), the natural frequency (f = ω / 2π) can be obtained. The corresponding δ in the above equation (34) gives the natural vibration mode.

クランク軸およびフライホイールからなるクランク軸系全体、またはさらにダンパプーリを含むクランク軸系全体をFEMでモデル化し、上記の固有振動解析を実施すれば、固有振動周波数の低い方の固有振動モードが明らかになる。これにより、クランク軸の曲げの固有振動周波数と固有振動モード、同様にねじりの固有振動周波数と固有振動モードがそれぞれ得られる。   When the entire crankshaft system consisting of the crankshaft and flywheel, or the entire crankshaft system including the damper pulley is modeled with FEM and the above natural vibration analysis is performed, the natural vibration mode with the lower natural vibration frequency is revealed. Become. Thereby, the natural vibration frequency and natural vibration mode of bending of the crankshaft, and the torsional natural vibration frequency and natural vibration mode, respectively, are obtained.

本発明ではこれを利用して、曲げの固有振動周波数とねじりの固有振動周波数とを高くすることを目指す設計方法である。その結果として得られるクランク軸のアーム部の曲げ剛性とねじり剛性は、フロント部側からフランジ部側に向かって、すなわちフライホイールに向かって単調に増加する。その剛性の分布が、ある目標とする質量以下で、最も固有振動数を高くする分布である。   In the present invention, this is a design method that aims to increase the natural vibration frequency of bending and the natural vibration frequency of torsion. As a result, the bending rigidity and torsional rigidity of the crankshaft arm part monotonously increase from the front part side toward the flange part side, that is, toward the flywheel. The distribution of rigidity is the distribution in which the natural frequency is the highest when the mass is below a certain target mass.

上述した2節における従来の上記(32)式を用いた固有振動解析では、ねじりの固有振動数は出てくるが、曲げの固有振動数は評価できない。   In the natural vibration analysis using the conventional equation (32) in Section 2 described above, the natural frequency of torsion appears, but the natural frequency of bending cannot be evaluated.

4.本発明の多気筒エンジン用クランク軸
4−1.概要
本発明のクランク軸は、2気筒以上のあらゆるレシプロエンジンに搭載されるクランク軸を対象とする。すなわち、エンジンの気筒数は、2気筒、3気筒、4気筒、6気筒、8気筒および10気筒のいずれでもよく、さらに多いものであってもよい。エンジン気筒の配列も、直列配置、V型配置、対向配置など特に問わない。エンジンの燃料も、ガソリン、ディーゼル、バイオ燃料など種類を問わない。また、エンジンとしては、内燃機関と電気モータを複合してなるハイブリッドエンジンも含む。
4). Crankshaft for multi-cylinder engine of the present invention 4-1. Outline The crankshaft of the present invention is intended for a crankshaft mounted on any reciprocating engine having two or more cylinders. That is, the number of cylinders of the engine may be any of 2, 3, 4, 6, 8, and 10 cylinders, or more. The arrangement of the engine cylinders is not particularly limited, such as an in-line arrangement, a V-type arrangement, or an opposed arrangement. The fuel of the engine is not limited to gasoline, diesel or biofuel. The engine also includes a hybrid engine formed by combining an internal combustion engine and an electric motor.

図7に本発明のクランク軸の概要をまとめる。本発明のクランク軸は、上述した3節における固有振動解析を用い、フライホイールを備えるクランク軸系全体で、または、さらにダンパプーリを備えるクランク軸系全体で、クランク軸の曲げ固有振動数およびねじり固有振動数のいずれも考慮して形状設計したものであり、スローごとでなく、アーム部ごとの検討により、アーム部の曲げ剛性およびねじり剛性がフライホイールに近いクランクアーム部ほど高く、その曲げ剛性およびねじり剛性の増加が3段階以上となっている。すなわち、本発明のクランク軸は、すべてのアーム部に、フロント部側からフランジ部側に向かって、順に昇順の番号を付し、その上で、各アーム部の曲げ剛性およびねじり剛性がアーム部番号の昇順に単調増加し、3段階以上に増加したものである。曲げ剛性およびねじり剛性の増加が3段階以上である限り、それらの剛性は隣接する一部のアーム部で同じものを許容する。各アーム部の剛性の増加量は、第1アーム部を基準として20%程度の範囲内とすることが後述する実施例から示されている。   FIG. 7 summarizes the outline of the crankshaft of the present invention. The crankshaft of the present invention uses the natural vibration analysis in Section 3 described above, and the crankshaft bending natural frequency and torsional eigenvalue of the entire crankshaft system including a flywheel or the entire crankshaft system including a damper pulley. The shape was designed in consideration of all the frequencies, and by examining each arm part instead of every throw, the bending rigidity and torsional rigidity of the arm part was higher in the crank arm part closer to the flywheel, and the bending rigidity and The increase in torsional rigidity is three or more. That is, in the crankshaft of the present invention, all the arm portions are numbered in ascending order in order from the front portion side to the flange portion side, and the bending rigidity and torsional rigidity of each arm portion are set to the arm portions. It increases monotonically in ascending order and increases to 3 or more levels. As long as the increase in flexural rigidity and torsional rigidity is three or more, the rigidity is allowed to be the same in some adjacent arm portions. It is shown from the Example mentioned later that the increase amount of the rigidity of each arm part shall be in the range of about 20% on the basis of the 1st arm part.

図8に本発明のクランク軸におけるアーム部の剛性分布の一例を示す。図8では、直列4気筒エンジン用クランク軸の場合の剛性分布のパターンを例示している。図8に示すように、従来例1のクランク軸は、アーム部の剛性がすべてのアーム部にわたって同一となっている。また、従来例2のクランク軸(前記特許文献3参照)は、アーム部の剛性がアーム部番号の昇順に単調増加しているものの、その剛性の増加は2段階に過ぎない。一方、本発明例1のクランク軸は、アーム部の剛性がアーム部番号の昇順に単調増加するとともに、アーム部ごとに異なり、その剛性の増加が7段階となっている。また、本発明例2のクランク軸は、3段階の剛性の増加となっている。   FIG. 8 shows an example of the rigidity distribution of the arm portion in the crankshaft of the present invention. FIG. 8 illustrates a stiffness distribution pattern in the case of an in-line four-cylinder engine crankshaft. As shown in FIG. 8, the crankshaft of Conventional Example 1 has the same arm portion rigidity over all arm portions. Moreover, although the rigidity of the arm part of the crankshaft of the conventional example 2 (see Patent Document 3) monotonically increases in ascending order of the arm part number, the increase in rigidity is only two stages. On the other hand, in the crankshaft of Example 1 of the present invention, the rigidity of the arm part monotonously increases in ascending order of the arm part number, and differs for each arm part, and the increase in rigidity has seven stages. Further, the crankshaft of Example 2 of the present invention has a three-stage increase in rigidity.

クランク軸系全体において、クランク軸の軸端に直結するフライホイールは、クランク軸の回転を円滑にするために、運動惰性をもたらす回転慣性モーメント(mr2:mは分布質量、rは半径である)が大きく与えられている。これは、エンジンの各シリンダで爆発が間欠的に起こり、クランク軸の回転速度が一定でないことから、その回転速度をできるだけ一様に保つためである。 In the entire crankshaft system, the flywheel directly connected to the shaft end of the crankshaft has a rotational inertia moment (mr 2 : m is a distributed mass and r is a radius) that provides kinematic inertia in order to smoothly rotate the crankshaft. ) Is greatly given. This is because explosions occur intermittently in each cylinder of the engine and the rotation speed of the crankshaft is not constant, so that the rotation speed is kept as uniform as possible.

しかし、フライホイールは、回転慣性モーメントを大きくするため、半径が大きくとられている反面、それに比較して板厚が相対的に薄い。これは、図9に示すように、クランク軸1の回転時に、フライホイール3の面外変形が大きくなることを意味している。フライホイール3の面外変形が大きいと、回転時に歳差運動現象、いわゆる振れ回り現象が大きく起こる。これは、クランク軸1の変形にも影響を及ぼし、フライホイール3とともにクランク軸1が振れ回ることになる。   However, the flywheel has a large radius in order to increase the rotational moment of inertia, but the plate thickness is relatively thin compared to that. This means that the out-of-plane deformation of the flywheel 3 increases as the crankshaft 1 rotates as shown in FIG. When the out-of-plane deformation of the flywheel 3 is large, a precession phenomenon, that is, a so-called swinging phenomenon occurs greatly during rotation. This also affects the deformation of the crankshaft 1, and the crankshaft 1 swings with the flywheel 3.

フライホイールの面外変形はクランク軸の変形と不可分の関係にある。すなわち、フライホイールとクランク軸の両者は相互に影響を及ぼし合っており、クランク軸の変形が大きいと、フライホイールの面外変形も大きくなる。このとき、振動の振幅が大きくなると、軸受けによって支持されたジャーナル部では、軸心軌跡が振れ回るとともに、荷重が大きくなり、これに起因して、油膜圧力の増大、油膜厚さの減少、部分接触の増大がもたらされる。このような事態は、不芳であり、避けるべきである。   The out-of-plane deformation of the flywheel is inseparable from the crankshaft deformation. That is, both the flywheel and the crankshaft influence each other, and if the deformation of the crankshaft is large, the out-of-plane deformation of the flywheel also increases. At this time, if the amplitude of vibration increases, the journal portion supported by the bearing swings around the shaft center locus, and the load increases, resulting in an increase in oil film pressure, a decrease in oil film thickness, Increased contact is provided. This situation is unpleasant and should be avoided.

本発明のように、動的評価法である固有振動の周波数を上昇させるという方法で設計し、フライホイールに向けて昇順にアーム部の各剛性が単調増加するように形状を決めれば、弾性変形を抑制でき性能の優れたクランク軸となる。   As in the present invention, it is designed by a method of increasing the frequency of natural vibration, which is a dynamic evaluation method, and if the shape is determined so that each rigidity of the arm portion monotonously increases in ascending order toward the flywheel, elastic deformation It becomes a crankshaft with excellent performance.

フライホイールのほかにダンパプーリが付いたクランク軸についてさらに考察する。図10に示すように、ダンパプーリ2は、基本的にクランク軸1につながるディスク部2aと、ゴム等のリング状の振動減衰部2bと、錘に相当するリング状の慣性質量部2cからなる。ダンパプーリ2は、クランク軸1の軸端のねじり振動および曲げ振動を吸収し、振動を抑制する機能を有する。振動減衰効果は、振動減衰部2bのねじり変形や曲げ変形によって生じる。これは、錘になる慣性質量部2cのねじり位置のずれ、曲げ位置のずれを誘発する。これらの変形がクランク軸1の回転に及ぼす影響は、ねじり振動や、ダンパプーリ2の面外変形となって現れる。   In addition to the flywheel, the crankshaft with a damper pulley will be considered further. As shown in FIG. 10, the damper pulley 2 basically includes a disk portion 2a connected to the crankshaft 1, a ring-shaped vibration damping portion 2b such as rubber, and a ring-shaped inertia mass portion 2c corresponding to a weight. The damper pulley 2 has a function of absorbing torsional vibration and bending vibration at the shaft end of the crankshaft 1 and suppressing the vibration. The vibration damping effect is caused by torsional deformation or bending deformation of the vibration damping portion 2b. This induces a shift in the torsional position and a bending position in the inertial mass portion 2c that becomes the weight. The effects of these deformations on the rotation of the crankshaft 1 appear as torsional vibrations and out-of-plane deformation of the damper pulley 2.

このようにダンパプーリは減衰機能があり、適切な設計がなされた場合に振動を抑制する効果があるが、クランク軸系全体としてさらにダンパプーリを含め、その上で固有振動数を上昇させるように設計に取り入れることが好ましい。   In this way, the damper pulley has a damping function and has the effect of suppressing vibrations when properly designed, but the crankshaft system as a whole includes the damper pulley and is designed to increase the natural frequency on it. It is preferable to incorporate.

フライホイールやダンパプーリの回転時の面外変形が大きくなることは、上記(21)式、(23)式、(25)式のΔxy、Δxz、Δyzが0(ゼロ)ではなくある有限の値を持つことになる。これは、クランク軸の回転軸が慣性主軸から微小にずれることを意味する。そこで、このΔxy、Δxz、Δyzをできるだけ小さくすることが求められる。この点、フライホイールとダンパプーリを含めたクランク軸系全体で、曲げの固有振動とねじりの固有振動の共振周波数を上げることが、Δxy、Δxz、Δyzを小さくするのに有効である。 The fact that the out-of-plane deformation at the time of rotation of the flywheel or the damper pulley is large is that the Δ xy , Δ xz , and Δ yz in the above equations (21), (23), and (25) are not 0 (zero). Will have the value of This means that the rotation axis of the crankshaft is slightly displaced from the inertia main axis. Therefore, it is required to make Δ xy , Δ xz , and Δ yz as small as possible. In this respect, increasing the resonance frequency of the natural vibration of bending and the natural vibration of torsion in the entire crankshaft system including the flywheel and the damper pulley is effective in reducing Δ xy , Δ xz , and Δ yz .

4−2.設計要領
図11に本発明のクランク軸の設計要領をまとめる。本発明のクランク軸の設計方法によって得られる、固有振動数を上昇させたクランク軸の各アーム部の剛性の分布は、上述のとおり、すべてのアーム部に、フロント部側からフランジ部側に向かって、順に昇順の番号を付し、その上で、各アーム部の曲げ剛性およびねじり剛性がアーム部番号の昇順に単調増加し、3段階以上に増加したものである。曲げ剛性およびねじり剛性の増加が3段階以上である限り、それらの剛性は隣接する一部のアーム部で同じものを許容する。
4-2. Design Procedure FIG. 11 summarizes the design procedure of the crankshaft of the present invention. As described above, the distribution of rigidity of each arm portion of the crankshaft with an increased natural frequency obtained by the crankshaft design method of the present invention extends from the front portion side to the flange portion side in all arm portions. Ascending numbers are assigned in order, and then the bending rigidity and torsional rigidity of each arm part monotonically increase in ascending order of the arm part numbers, and increase to three or more levels. As long as the increase in flexural rigidity and torsional rigidity is three or more, the rigidity is allowed to be the same in some adjacent arm portions.

したがって、この設計方法によれば、図7に示す要件を満足するクランク軸が設計できる。この設計結果は、フライホイールの質量モーメントが大きく、変形剛性を高めることが固有振動周波数を上げることになるため、フライホイールに近い方のアーム部の剛性は単調増加で順次高くなると解釈できる。   Therefore, according to this design method, a crankshaft that satisfies the requirements shown in FIG. 7 can be designed. This design result can be interpreted as that the rigidity of the arm portion closer to the flywheel increases monotonically in order because the flywheel has a large mass moment and increasing the deformation rigidity increases the natural vibration frequency.

このとき軽量化の質量の制約を保ちつつ、曲げの固有振動数を高くするとともに、ねじりの固有振動数を高くするには、クランク軸の各アーム部の剛性の分布と、各ウエイト部の質量モーメントの分布を決める必要がある。この決定の仕方はいくつかあるが、材料力学に基づく「3モーメント法」の最適化による方法や、ノンパラメトリック形状最適化手法である「力法」による固有振動数の最適設計による方法により、剛性分布と質量分布の決定を行える。その最適化の手法の具体的な選択はここでは規定しない。手段は特定しないが、設計目標とするのが曲げの固有周波数およびねじりの固有周波数の向上であり、このアーム部の剛性の設計方針が従来に無い格別な設計手法である。   At this time, in order to increase the natural frequency of bending and torsional natural frequency while maintaining the weight limitation of weight reduction, the rigidity distribution of each arm part of the crankshaft and the mass of each weight part It is necessary to determine the moment distribution. There are several ways to determine this, but the stiffness is determined by the optimization method of the “three-moment method” based on material mechanics and the optimization method of the natural frequency by the “force method” which is a non-parametric shape optimization method. Distribution and mass distribution can be determined. The specific selection of the optimization method is not specified here. Although the means is not specified, the design goal is to improve the natural frequency of bending and the natural frequency of torsion, and this is an exceptional design method that does not have a design policy for the rigidity of the arm portion.

直列4気筒エンジン用クランク軸を例に挙げ、本発明の効果を確認した。具体的には、クランク軸のアーム部に、フロント部側からフランジ部側に向かって、すなわちフライホイールに向かって、順に1、2、・・・、8の番号を付し、各アーム部の剛性を次のとおりとした。
各アーム部の曲げ剛性:Eb1、Eb2、・・・、Eb8
各アーム部のねじり剛性:Et1、Et2、・・・、Et8
The crankshaft for an in-line four-cylinder engine was taken as an example to confirm the effect of the present invention. Specifically, the numbers of 1, 2,..., 8 are assigned to the arm portions of the crankshaft in order from the front portion side toward the flange portion side, that is, toward the flywheel, The rigidity was as follows.
Bending rigidity of each arm part: Eb 1 , Eb 2 ,..., Eb 8 ,
Torsional rigidity of the arm portions: Et 1, Et 2, ··· , Et 8.

本発明例のクランク軸では、各アーム部の剛性を下記の(37)式および(38)式で示す剛性分布の条件を満足することとした。   In the crankshaft of the example of the present invention, the rigidity of each arm portion satisfies the rigidity distribution conditions indicated by the following expressions (37) and (38).

Figure 2014040856
Figure 2014040856

Figure 2014040856
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本発明例のクランク軸の場合、図12に示すように、アーム部の曲げ剛性は、フライホイールに近いアーム部ほど高く、フライホイールに近づくのに伴って単調に増加することはもとより、その曲げ剛性がアーム部ごとに異なり、7段階に増加した態様である。これと合わせ、本発明例のクランク軸の場合、図13に示すように、アーム部のねじり剛性も、フライホイールに近いアーム部ほど高く、フライホイールに近づくのに伴って単調に増加することはもとより、そのねじり剛性がアーム部ごとに異なり、7段階に増加した態様である。すなわち、隣接するアーム部の剛性は同じのものが含まれない。   In the case of the crankshaft of the example of the present invention, as shown in FIG. 12, the bending rigidity of the arm portion is higher as the arm portion is closer to the flywheel, and it is not only monotonously increasing as it approaches the flywheel, The rigidity is different for each arm portion, and is increased in seven stages. Together with this, in the case of the crankshaft of the present invention example, as shown in FIG. 13, the torsional rigidity of the arm part is also higher as the arm part is closer to the flywheel and monotonously increases as it approaches the flywheel. Of course, the torsional rigidity is different for each arm portion, and is increased in seven stages. That is, the adjacent arm portions do not include the same rigidity.

このように、本発明例のクランク軸は、アーム部の剛性分布が(37)式および(38)式を満足し、その曲げ剛性とねじり剛性が7段階に増加したものであり、前記図7に示す要件を満足したクランク軸となっている。また、本発明例のクランク軸は、前記図11に示す要領に従い、曲げの固有振動数およびねじりの固有振動数のいずれも上昇するように、各アーム部の幅や厚みを設計したものである。   Thus, in the crankshaft of the present invention example, the rigidity distribution of the arm portion satisfies the expressions (37) and (38), and the bending rigidity and the torsional rigidity are increased in seven stages. The crankshaft satisfies the requirements shown in. Further, the crankshaft of the present invention example is designed such that the width and thickness of each arm portion are designed so that both the natural frequency of bending and the natural frequency of torsion increase in accordance with the procedure shown in FIG. .

これに対し、従来例のクランク軸では、各アーム部の剛性を下記の(39)式および(40)式で示す剛性分布の条件を満足することとした。   On the other hand, in the crankshaft of the conventional example, the rigidity of each arm portion satisfies the conditions of the rigidity distribution represented by the following equations (39) and (40).

Figure 2014040856
Figure 2014040856

Figure 2014040856
Figure 2014040856

従来例のクランク軸の場合、図12、図13に示すように、アーム部の曲げ剛性およびねじり剛性のいずれも、すべてにわたって同一とした態様である。すなわち、隣接するアーム部の剛性はすべて同じである。   In the case of the crankshaft of the conventional example, as shown in FIGS. 12 and 13, both the bending rigidity and the torsional rigidity of the arm portion are the same throughout. That is, the adjacent arm portions have the same rigidity.

図14〜図17に、本発明例のクランク軸と従来例のクランク軸の諸特性を比較して示す。   14 to 17 show a comparison of various characteristics of the crankshaft of the present invention example and the conventional crankshaft.

図14は、実施例の結果としてクランク軸の曲げの固有周波数およびねじりの固有周波数を示す図である。同図では、従来例のクランク軸の各固有周波数を1とした比で本発明例のクランク軸の各固有周波数を表示している。同図に示す結果から、本発明例のクランク軸では、曲げ固有周波数およびねじり固有周波数のいずれも高くなることが明らかとなった。   FIG. 14 is a diagram illustrating the natural frequency of bending of the crankshaft and the natural frequency of torsion as a result of the example. In the figure, each natural frequency of the crankshaft of the present invention is displayed in a ratio with each natural frequency of the crankshaft of the conventional example being 1. From the results shown in the figure, it is clear that both the bending natural frequency and the torsion natural frequency are higher in the crankshaft of the example of the present invention.

図15は、実施例の結果としてクランク軸の重量を示す図である。同図では、従来例のクランク軸の重量を1とした比で本発明例のクランク軸の重量を表示している。同図に示す結果から、本発明例のクランク軸の方が軽く、軽量化を実現できることが明らかとなった。   FIG. 15 is a diagram showing the weight of the crankshaft as a result of the example. In the figure, the weight of the crankshaft of the present invention is indicated by a ratio where the weight of the crankshaft of the conventional example is 1. From the results shown in the figure, it is clear that the crankshaft of the example of the present invention is lighter and can be reduced in weight.

図16は、実施例の結果としてクランク軸の各軸回りの慣性モーメントを示す図である。同図では、従来例のクランク軸の各慣性モーメントを1とした比で本発明例のクランク軸の各慣性モーメントを表示している。同図に示す結果から、本発明例のクランク軸の方が軽く、かつ、慣性モーメントも小さくなっており、回転運動の観点からも軽量化の効果が期待できることが明らかとなった。   FIG. 16 is a diagram showing the moment of inertia around each axis of the crankshaft as a result of the example. In the figure, each moment of inertia of the crankshaft according to the present invention is displayed at a ratio where each moment of inertia of the crankshaft according to the conventional example is 1. From the results shown in the figure, it has become clear that the crankshaft of the present invention is lighter and has a smaller moment of inertia, so that the effect of weight reduction can be expected from the viewpoint of rotational motion.

図17は、実施例の結果としてクランク軸の各ジャーナル部の軸受け荷重を模式的に示す図である。同図は、1600rpm回転時のもとで、3モーメント法で荷重を評価した結果である。同図から、本発明例のクランク軸の軸受け荷重の方が、特に中央の第3ジャーナル部で小さくなっており、軸受け荷重が軽減されることが明らかとなった。軸受け荷重が小さくなると、エンジンブロック側の強度問題の解決、振動の減少、軸受けの油膜厚さの確保、軸受け部での部分接触低減に伴う摩擦力低減による燃費向上、軸受け摩耗の低減などといった数多くの面で有利になり、優れたクランク軸となる。   FIG. 17 is a diagram schematically showing the bearing load of each journal portion of the crankshaft as a result of the example. The figure shows the result of evaluating the load by the three-moment method under the rotation of 1600 rpm. From the same figure, it became clear that the bearing load of the crankshaft of the example of the present invention is smaller particularly in the third journal portion at the center, and the bearing load is reduced. When the bearing load is reduced, there are many problems such as solving strength problems on the engine block side, reducing vibration, securing the oil film thickness of the bearing, improving fuel efficiency by reducing frictional force due to reduced partial contact at the bearing, reducing bearing wear, etc. This makes it an advantageous crankshaft.

本発明は、2気筒以上のあらゆるレシプロエンジンに搭載されるクランク軸に有効に利用できる。   The present invention can be effectively used for a crankshaft mounted on any reciprocating engine having two or more cylinders.

1:クランク軸、 J1〜J5:ジャーナル部、 P1〜P4:ピン部、
Fr:フロント部、 Fl:フランジ部、 A1〜A8:クランクアーム部、
W1〜W8:カウンターウエイト部、
2:ダンパプーリ、 2a:ディスク部、 2b:振動減衰部、
2c:慣性質量部、 3:フライホイール
1: Crankshaft, J1-J5: Journal part, P1-P4: Pin part,
Fr: front part, Fl: flange part, A1-A8: crank arm part,
W1-W8: Counterweight part,
2: damper pulley, 2a: disk part, 2b: vibration damping part,
2c: inertial mass part 3: flywheel

Claims (4)

軸端にフライホイールが取り付けられる多気筒エンジンのクランク軸であって、
クランクアーム部の曲げ剛性およびねじり剛性がフライホイールに近いクランクアーム部ほど高く、その曲げ剛性およびねじり剛性の増加が3段階以上であることを特徴とする多気筒エンジンのクランク軸。
A crankshaft of a multi-cylinder engine with a flywheel attached to the shaft end,
A crankshaft of a multi-cylinder engine, characterized in that the bending rigidity and torsional rigidity of the crank arm part are higher in the crank arm part closer to the flywheel, and the increase in bending rigidity and torsional rigidity is three or more.
クランクアーム部の曲げ剛性およびねじり剛性がクランクアーム部ごとに異なることを特徴とする請求項1に記載の多気筒エンジンのクランク軸。   2. The crankshaft of a multi-cylinder engine according to claim 1, wherein the bending rigidity and torsional rigidity of the crank arm portion are different for each crank arm portion. 軸端にフライホイールが取り付けられる多気筒エンジンのクランク軸の設計方法であって、
クランクアーム部の曲げ剛性およびねじり剛性をフライホイールに近いクランクアーム部ほど高くし、その曲げ剛性およびねじり剛性の増加を3段階以上とすることを特徴とする多気筒エンジンのクランク軸の設計方法。
A crankshaft design method for a multi-cylinder engine with a flywheel attached to the shaft end,
A crankshaft design method for a multi-cylinder engine, characterized in that the bending rigidity and torsional rigidity of the crank arm part are increased as the crank arm part is closer to the flywheel, and the bending rigidity and torsional rigidity are increased in three or more stages.
クランクアーム部の曲げ剛性およびねじり剛性をクランクアーム部ごとに異ならせることを特徴とする請求項1に記載の多気筒エンジンのクランク軸の設計方法。   2. The method of designing a crankshaft of a multi-cylinder engine according to claim 1, wherein the bending rigidity and torsional rigidity of the crank arm part are made different for each crank arm part.
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