JP2015534014A - 重量最適化クランクシャフト - Google Patents
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Abstract
本発明は、クランクハウジング内のクランクシャフト(1)を支持する少なくとも一の主軸受ジャーナル(10)と、クランクシャフト(1)に連結ロッドを連結するピン軸受ジャーナル(11)と、を具える内燃機関用のクランクシャフト(1)に関する。本発明によると、深さ(d)が少なくとも1mmである少なくとも一の凹部(14、15)を具える軸受ジャーナル面(12、13)を特徴とする。【選択図】図2
Description
本発明は、クランクハウジング内でクランクシャフトを支持する少なくとも一の主軸受ジャーナルと、クランクシャフトに連結ロッドを連結する少なくとも一のピン軸受ジャーナルと、を具える、内燃機関用のクランクシャフトに関する。
欧州特許出願第EP0800008A2号は、内燃機関のクランクシャフトを開示しており、軸受ジャーナルとクランクウェブとの間の移行領域に、様々なパラメーターを有する半円形状が設けられている。クランクウェブと軸受ジャーナルの間の半円形状によって、減量がなされ、軽量のクランクシャフトが得られる。奥行きがある、あるいは平坦な半円形状のラジアルポジションシャフトの動きの平均位置は、軸受ジャーナルに作用する負荷方向によって決まり、軸受ジャーナルとクランクウェブとの間の移行領域の弱体化が防止される。
米国特許出願第US4,356,741A1号は、軸受ジャーナル内の凹部と、軸受ジャーナル間の凹部または開口部に特徴のあるクランクシャフトを開示している。この凹部と開口部は、軽量クランクシャフトを提供するための減量につながる。
残念ながら、深い凹部、開口部あるいはクランクウェブの一部に放射線状領域を具えるクランクシャフトは、クランクシャフト本体が非常に弱くなり、ガス圧あるいは慣性力によっては、クランクシャフトの断面積を大きくして設計しなければならない。
従って、本発明の目的は、上述の欠点を取り除くことである。特に、弱体化を最小に抑えたことを特徴とする重量最適化クランクシャフトを提供することである。
本目的は、本発明の請求項1に示すクランクシャフトによって達成することができる。本発明の好ましい実施例は、従属請求項によって規定される。
本発明は、クランクハウジング内でクランクシャフトを支持する少なくとも一の主軸受ジャーナルと、クランクシャフトに連結ロッドを連結する少なくとも一のピン軸受ジャーナルと、を具える内燃機関用のクランクシャフトを開示しており、少なくとも一の軸受ジャーナル面が、少なくとも1mmの深さの少なくとも一の凹部を具えることを特徴とする。
本発明によると、少なくとも一の主軸受ジャーナル及び/または少なくとも一のピン軸受ジャーナルは、材料欠損領域となる一以上の凹部を具えることを特徴とする。この凹部は、機械的ストレス及び/または流体油圧による、ストレスがより少ない領域に設けられ、従って、この凹部は、クランクシャフトの回転を切り替える負荷変動に応じて、領域内に画定される。凹部の深さと幅によって、軸受面内の各凹部の材料欠損は、クランクシャフト全体の重量を最小限に抑える軽量化につながり、また、軸受ジャーナルの断面を大きく設計することによって、本発明による材料欠損領域は、クランクシャフト全体を破壊的な弱体化をさせることはない。特に、クランクシャフトの負荷方向に従って領域内で凹部が画定されている場合は、軸受面内の凹部によって生じるクランクシャフトの弱体化を最小に抑えることができる。
本発明のクランクシャフトの好ましい実施例によると、少なくとも一の軸受ジャーナルが、2つの凹部を具えている。好適には、この2つの凹部が、機械の内燃機関のガス圧により、及び/又は、慣性力により生じるクランクシャフトの特定の負荷挙動に応じて、シフトの軸に対して対向する位置に画定されている。実験は、1つの軸受ジャーナル面における2つの凹部のおおよその対向する位置が、弱体化の影響を最小限に抑えた最適化された重量減少につながることを示している。
さらに別の実施例によると、少なくとも一の軸受ジャーナル面に2つの凹部が設けられており、一方の凹部がより大きい凹部を形成し、一方の凹部がより小さい凹部を形成する。さらに、主軸受ジャーナル面に、ピン軸受ジャーナル面における凹部と比較して異なる大きさ及び/又は異なる形状の凹部が画定してもよい。クランクシャフトの弱体化の影響を最小限に抑えると共に、クランクシャフトの重量を最小限にして計算した結果、主軸受ジャーナル及び/又はピン軸受ジャーナルは、各々、異なる数、異なるサイズ及び特に異なる深さの凹部を特徴とする。
本発明のクランクシャフトの別の改良例によると、少なくとも一の凹部の深さは、3mmから30mm、好適には6mmから20mm、最も好適には9mmから15mmである。一例として、小さい凹部は深さが約9mm、大きい凹部は深さが15mmであることを特徴とする。
さらに、少なくとも一の凹部は、円弧状であることを特徴としており、好適には深さが、その円弧形状あるいは、半円形状の凹部の放射形状を形成してもよい。凹部の円弧形状あるいは半円形状の軸受ジャーナル面内への移行部分は、鋭いエッジを回避するために移行半径を設けてもよい。
さらに別の実施例によると、主軸受ジャーナル及び/又は、ピン軸受ジャーナルは、機械的負荷が高い少なくとも一の領域を特徴としており、その領域は、少なくとも一の凹部が、軸受ジャーナルの円形状に関して、機械的負荷が高い領域に対して横の位置に設けられている。クランクシャフトの1回転に関して、負荷が最小限である少なくとも一のゾーンと負荷が最大限である少なくとも一のゾーンが、軸受ジャーナルに作用する。軸受ジャーナルに作用する機械的負荷が高い領域は、軸受負荷定格の弱体化につながる凹部の位置と併用されていないが、凹部は、クランクシャフトのダメージを回避するために、機械的負荷が高いゾーンの横に設けられている。特に、凹部は、軸受ジャーナルに作用する負荷が最小限の領域に配置されている。
機械的負荷が高い領域は、燃焼行程及び/又は、内燃機関のガス交換行程によって生じる。さらに、高い機械的負荷は、連結ロッド及び/又は、ピストンの慣性力によっても生じる。機械的負荷が高い領域は、主軸受けジャーナルとピン軸受ジャーナルとで異なっていてもよく、各軸受ジャーナルについての少なくとも一の凹部の数、位置、深さ及び幅は、クランクシャフトの角度位置と、上死点(TDC)と下死点(BDC)との間の各軸受ジャーナルの角度位置によって算出される。
好適には、少なくとも一の凹部の幅が、回転軸の方向に対して軸受ジャーナル面の幅よりも小さい。凹部の幅と軸受ジャーナル面の軸制限エッジとの間の残りの領域は、その面内の残余接触領域につながっており、特にクランクシャフトの回転全体にわたる軸受の案内効果を維持する残余負荷面を形成している。
凹部を具える軸受ジャーナル面は、ガス力による機械的負荷及び/又は、連結ロッドとピストンの質量により生じる慣性力による機械的負荷が作用する負荷面を形成している。従って、軸受ジャーナル面内の少なくとも一の凹部は、直接、軸受ジャーナルと外軸受リングの接触面に配置されている。
上記の構成要素は、特許請求の範囲の構成要素や、本発明の示された実施例について用
いられた構成要素と同様に、大きさ、形、材料の選択、および技術概念に関して特別な例
外はなく、当分野で知られている選択基準を制限無く適用することができる。
いられた構成要素と同様に、大きさ、形、材料の選択、および技術概念に関して特別な例
外はなく、当分野で知られている選択基準を制限無く適用することができる。
本発明の目的のさらなる詳細、特徴、および利点は従属クレームと各図面の詳細な説明に開示されていて、好ましい実施例を、添付図面とともに本発明にかかる主題の例示的な方法で示す。
図1は、本発明の特徴をもつクランクシャフトの実施例を示す。
図2は、クランクシャフトの軸受ジャーナルの断面図である。
図3は、外軸受リング内で回転する軸受ジャーナルを具える滑り軸受の概略図である。
図1は、内燃機関のクランクシャフト1の実施形態を示すものであり、クランクシャフト1は、4気筒機関用である。クランクシャフト1は、5つの主軸受ジャーナル10を特徴としており、これはクランクシャフト1の左側から右側へ軸受A、軸受C、軸受E、軸受G及び軸受Iと規定されている。クランクシャフト1は、クランク−ハウジング(図示せず)内で前記主軸受ジャーナル10によって回転自在に回転軸17で支持されている。
主軸受ジャーナル10間に、クランクシャフト1は、連結ロッドを連結するピン軸受ジャーナル11を具えており、そのピン軸受ジャーナルはクランクシャフト1の左側から右側へ軸受B、軸受D、軸受F及び軸受Hと規定されている。クランクシャフト1の回転位置に従って、位置BとHにあるピン軸受ジャーナル11は上死点(TDC)に示されており、位置DとFにあるピン軸受ジャーナル11が下死点(BDC)に示されている。
各軸受ジャーナル10と11は、さらに、上述した断面図と以下の専用ジャーナル10と11に示されている。
各主軸受ジャーナル10と、各ピン軸受ジャーナル11に示される通り、凹部14、15が軸受ジャーナル10、11の表面12と13に規定されている。凹部14と15は、大きい凹部14と小さい凹部15に分けられ、大きい凹部14と小さい凹部15のサイズは、凹部間で異なっていてもよく、大きい凹部14と小さい凹部15の分類は、おおよそ理解されればよい。
主軸受ジャーナル10は、表面12を特徴とし、ピン軸受ジャーナル11は、表面13を特徴とする。表面12と13が、滑り軸受10、11の機械的に負荷のかかった表面を形成している。各凹部14と15は、前記表面12と13内に材料欠損領域を形成して、軸受ジャーナル10、11の断面A−A、B−B、C−C、D−D、E−E、F−F、H−H、I−Iに配置された凹部14と15が、ジャーナル10と11の各断面に示されている。凹部14と15の実施例は、表面12と13に深さと幅のある半円形を具えており、これらは互いに異なっていると共に、凹部14と15は大きい凹部14と小さい凹部15に細分される。
断面図に示すように、大きい凹部14と小さい凹部15は、断面図の矢印で示すように最上部に対して特定の位置に規定されており、ポジションBとHにおけるピン軸受ジャーナル11の断面に示すように、最上部が上死点(TDC)の方向を指している。
角度αは、上死点(TDC)と大きい凹部14位置との間に規定されており、角度βは、クランクシャフト1の回転位置に対して上死点(TDC)と小さい凹部15との間に規定されている。下記の表では、様々な角度αとβが、4気筒のクランクシャフト1の実施例について規定されている。
凹部14、15は幅w1と示されており、この幅は回転軸17の方向で測った軸受ジャーナル面12と13の幅w2より小さい。円周方向における凹部14、15の拡張は、直径約60mmの軸受ジャーナル10と11について約100mmである。凹部による減量は、最大600gにすることができ、これはクランクシャフト1の全重量の1.53%の減量に相当する。図2は、例示的に、断面線F−Fの断面図を示す。
図2は、位置Fにおけるピン軸受ジャーナル11の断面を示す。断面の右側に大きい凹部14が画定され、断面の左側に小さい凹部15が画定されている。小さい凹部15の下には、油路18の開口が示されており、ピン軸受ジャーナル11の表面13を滑りやすくするために油が油路18を通過することができる。クランクシャフト1のピン軸受ジャーナル11の断面領域の後方には、第一クランクウェブ19が示されており、主軸受ジャーナルの後方(図示せず)には、主軸受ジャーナル10を隣接するピン軸受ジャーナル11に連結する別のクランクウェブ19が設けられている。この実施例では、2つの凹部14、15が、ジャーナル11の円周に対して対向する位置にあり、前記凹部14、15は異なる直径で画定されている。
図3は、外軸受リング20で回転する軸受ジャーナル10、11を具える滑り軸受の概略図である。回転軸17における軸受ジャーナル10、11の回転が、矢印で示されている。軸受ジャーナル10、11は、例示的に、単一の凹部14、15と共に示されており、さらに、凹部14、15の深さdが規定されている。半円形の凹部14、15と主軸受ジャーナルの表面との間の移行部分は、凹部14、15を鋭いエッジがトレースするのを回避するために、移行放射部分16を具える。
軸受ジャーナル10、11には、力Fによって負荷がかけられており、その負荷によって軸受ジャーナル10、11は、収束領域22につながる外軸受リング20における偏位を特徴とする。収束領域22における、いわゆるくさび効果により流体油圧場21が生じる。この圧場21における流体動圧により、軸受ジャーナル10、11が、外軸受リング20で支持される。軸受ジャーナル10、11と外軸受リング20により形成される滑り軸受が、クランクシャフト1を支持するクランクハウジングに適用されるとき、あるいは、クランクシャフト1に連結ロッドを連結する連結ロッドに適用されるとき、圧場21の位置は、様々な角度で、従って軸受ジャーナル10、11周囲の様々な位置で変わる。本発明では、凹部14、15の位置は、流体圧のない領域で画定され、凹部14、15が一つだけである図に示す実施例では、流体油圧場21は、凹部14、15と正反対に位置する。
図1に示すクランクシャフト1の主軸受ジャーナル10とピン軸受ジャーナル11の小さい凹部と大きい凹部14と15の様々な位置に対して、凹部14と15の位置は、流体油圧場21が生じない軸受10、11の円周による領域に画定されている。
軸受Aから軸受Iによって異なる、凹部14、15の特別な位置のため、材料欠損領域をもたらす凹部14、15の位置は、軸受ジャーナル10、11と外軸受リング20との間の流体油圧場が維持されるように、コンピュータープログラムによって算出される。
本発明は上記の実施例に制限されるものではなく、これは例示のみとして示されており、添付された特許請求の範囲によって規定された保護範囲内において、様々な方法で変更することができる。
1 クランクシャフト
10 主軸受ジャーナル
11 ピン軸受ジャーナル
12 主軸受ジャーナル面
13 ピン軸受ジャーナル面
14 凹部,大
15 凹部,小
16 移行放射部分
17 回転軸
18 油路
19 クランクウェブ
20 外軸受リング
21 流体油圧場
22 収束領域
F 力
d 深さ
x 機械的負荷が高い領域
w1 少なくとも一の凹部の幅
w2 軸受ジャーナル面の幅
TDC 上死点
BDC 下死点
α 上死点と大凹部との間の角度
β 上死点と小凹部との間の角度
10 主軸受ジャーナル
11 ピン軸受ジャーナル
12 主軸受ジャーナル面
13 ピン軸受ジャーナル面
14 凹部,大
15 凹部,小
16 移行放射部分
17 回転軸
18 油路
19 クランクウェブ
20 外軸受リング
21 流体油圧場
22 収束領域
F 力
d 深さ
x 機械的負荷が高い領域
w1 少なくとも一の凹部の幅
w2 軸受ジャーナル面の幅
TDC 上死点
BDC 下死点
α 上死点と大凹部との間の角度
β 上死点と小凹部との間の角度
Claims (8)
- クランクハウジング内のクランクシャフト(1)を支持する少なくとも一の主軸受ジャーナル(10)と、クランクシャフト(1)に連結ロッドを連結するピン軸受ジャーナル(11)と、を具える内燃機関用のクランクシャフト(1)において、少なくとも一の軸受ジャーナル面(12、13)が深さ(d)が少なくとも1mmである少なくとも一の凹部(14、15)を具えることを特徴とするクランクシャフト。
- 請求項1に記載のクランクシャフト(1)において、前記少なくとも一の軸受ジャーナル面(12、13)に2つの凹部(14、15)が設けられていることを特徴とするクランクシャフト。
- 請求項1または2に記載のクランクシャフト(1)において、前記少なくとも一の軸受ジャーナル面(12、13)が、大きい凹部(14)と小さい凹部(15)を具えることを特徴とするクランクシャフト。
- 請求項1乃至3のいずれか1項に記載のクランクシャフト(1)において、前記少なくとも一の凹部(14、15)の深さ(d)が、3mmから30mm、好適には、6mmから20mm、最も好適には9mmから15mmであることを特徴とするクランクシャフト。
- 請求項4に記載のクランクシャフト(1)において、前記少なくとも一の凹部(14、15)が、半円形状、好適には、深さ(d)が半円形状の凹部(14、15)の半径を形成することを特徴とするクランクシャフト。
- 請求項1乃至5のいずれか1項に記載のクランクシャフト(1)において、主軸受ジャーナル(10)及び/またはピン軸受ジャーナル(11)が、機械的負荷が高い少なくとも一の領域(x)を特徴とするクランクシャフトであり、前記少なくとも一の凹部(14、15)が、機械的負荷が高い領域(x)の横に設けられていることを特徴とするクランクシャフト。
- 請求項6に記載のクランクシャフト(1)において、内燃機関の燃焼行程及び/またはガス交換行程によって機械的負荷が高い領域(x)に負荷がかけられることを特徴とするクランクシャフト。
- 請求項1乃至7のいずれか1項に記載のクランクシャフト(1)において、前記少なくとも一の凹部(14、15)の幅(w1)が、軸受ジャーナル面(12、13)の幅(w2)よりも小さいことを特徴とするクランクシャフト。
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