JP2016040456A - レシプロエンジンのクランク軸 - Google Patents

Abstract

【課題】飛躍的に曲げ剛性とねじり剛性の向上を図ることができるレシプロエンジンのクランク軸を提供する。【解決手段】クランク軸は、回転中心軸となるジャーナル部Ｊと、このジャーナル部Ｊに対して偏心したピン部Ｐと、ジャーナル部Ｊとピン部Ｐをつなぐクランクアーム部Ａと、を備え、アーム部Ａのジャーナル部Ｊ側の表面のうちで幅方向の両側部それぞれに突起部Ｏｊが設けられ、この突起部Ｏｊは、ジャーナルスラスト面Ｊｔの位置を超えて軸方向に突出する。【選択図】図７

Description

本発明は、自動車用エンジン、船舶用エンジン、発電機等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する。

レシプロエンジンは、シリンダ（気筒）内での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、特に、気筒数が２以上の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。

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側面図である。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、及びジャーナル部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を一体で有する４気筒−８枚カウンターウエイトのクランク軸である。

以下では、ジャーナル部Ｊ１〜Ｊ５、ピン部Ｐ１〜Ｐ４、アーム部Ａ１〜Ａ８及びウエイト部Ｗ１〜Ｗ８の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及びこのピン部Ｐにつながる一組のアーム部Ａ（ウエイト部Ｗを含む）をまとめて「スロー」ともいう。

ジャーナル部Ｊ、フロント部Ｆｒ及びフランジ部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ネクティングロッド（以下、「コンロッド」ともいう）の大端部が連結され、このコンロッドの小端部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。ウエイト部Ｗは、軸方向から見て扇形状でアーム部Ａと一体であり、主に重心位置と質量を調整し質量バランスをとる役割を担う。

エンジンの各シリンダ内で燃料が爆発するのに伴い、その爆発による燃焼圧は、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。

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。更に、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、局部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、局部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。

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）に影響する。更にその振動は、車体を伝播して乗車室内のノイズ、乗り心地に影響する。

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。

クランク軸は、筒内圧（シリンダ内の燃焼圧）や回転遠心力の荷重が付加されることから、これらの荷重に対する変形抵抗の付与のために、ねじり剛性、曲げ剛性の向上が図られる。クランク軸の設計においては、ジャーナル部の直径、ピン部の直径、ピストンストロークといった主要諸元が決定され、その後にあっては、アーム部の形状設計が残された設計領域となる。このため、アーム部の形状設計により、ねじり剛性と曲げ剛性を共に向上させることが、先ずは重要な要件となる。

更に、クランク軸は回転体としてスムーズな回転を行えるように、静バランス、動バランスの釣り合いがとれた質量配分が必要である。これらのバランスをとるために、曲げ剛性とねじり剛性の要件から決定されたアーム部側の質量に対し、ウエイト部側の質量を、軽量化を踏まえて調整することが重要な要件となる。

以上の観点からの従来技術としては下記のものがある。

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及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、アーム部に対する軽量化、高剛性化に着目し、アーム部に対する設計方法を示すものである。つまり、この設計方法は、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、いかにしてアーム部の剛性を上げるかを示す設計方法である。

特許文献２には、クランク軸のアーム部の曲げ剛性を上げるために、ジャーナル部の軸心とピン部の軸心とを結ぶ直線（以下、「アーム部中心線」ともいう）に沿って補強リブを設けたアーム部が開示されている。

特許文献３には、クランク軸の軽量化を図ると同時に、曲げ剛性を上げるために、ピン部を中空とし、その中空部分に補強リブを立て、更にアーム部にも補強リブを設けることが開示されている。これらの補強リブは、アーム部中心線に沿って設置されたり、アーム部中心線に対し、最大燃焼圧の負荷される角度の分を傾斜させて設置されたりする。

特許文献４には、カウンターウエイト部を軸方向から見たときの形状に着目し、アーム部中心線を境界にしてウエイト部形状を左右非対称にしたアーム部が開示されている。この左右非対称のアーム部は、アーム部中心線に対し、ジャーナル部の軸心（回転中心）を中心とするウエイト部の重心の配置角度が、最大燃焼圧の負荷されるクランク角（２０°程度）の分シフトするような形状とされる。

特開２００９−１３３３３１号公報 特開２０００−３２０５３１号公報 実開昭６１−１３３１１５号公報 特許第２８６６３７９号公報

確かに、前記特許文献１〜４に開示された技術によれば、クランク軸の軽量化と曲げ剛性の向上を図ることができる。しかし、特にクランク軸の曲げ剛性とねじり剛性の向上については、それらの従来技術では限界があり、その技術革新が強く望まれている。

本発明は、このような実情に鑑みてなされたものであり、飛躍的に曲げ剛性とねじり剛性の向上を図ることができるレシプロエンジンのクランク軸を提供することを目的とする。

本発明の実施形態によるレシプロエンジンのクランク軸は、
回転中心軸となるジャーナル部と、このジャーナル部に対して偏心したピン部と、前記ジャーナル部と前記ピン部をつなぐクランクアーム部と、を備え、レシプロエンジンに搭載されるクランク軸であって、
前記クランクアーム部の前記ジャーナル部側の表面のうちで幅方向の両側部それぞれに突起部が設けられ、各突起部は、ジャーナルスラスト面の位置を超えて軸方向に突出する。

また、上記のクランク軸は、前記突起部に加え、又は前記突起部代えて、前記クランクアーム部の前記ピン部側の表面のうちで幅方向の両側部それぞれに突起部が設けられ、これらの各突起部は、ピンスラスト面の位置を超えて軸方向に突出する構成とすることができる。

本発明によれば、アーム部に突起部を設けることにより、アーム部の断面２次モーメント及び断面極２次モーメントが効率良く増大するため、アーム部の曲げ剛性とねじり剛性の向上を飛躍的に図ることができる。

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側面図である。 図２は、アーム部の曲げ剛性の評価法を説明するための模式図である。 図３は、アーム部のねじり剛性の評価法を説明するための模式図であり、同図（ａ）は１スローの側面図を、同図（ｂ）はその軸方向視での正面図をそれぞれ示す。 図４は、材料力学的に曲げ剛性の観点からアーム部の断面形状を単純化しアーム部を単純な梁とみなした場合の典型例を示す図であって、同図（ａ）は矩形断面梁を、同図（ｂ）は凸型断面梁を、同図（ｃ）は凹型断面梁をそれぞれ示す。 図５は、材料力学的にねじり剛性の観点からアーム部を単純な円板とみなした場合の典型例を示す図であって、同図（ａ）は矩形断面円板を、同図（ｂ）は凸型断面円板を、同図（ｃ）は凹型断面円板をそれぞれ示す。 図６は、曲げ剛性とねじり剛性に直接関連する断面２次モーメント及び断面極２次モーメントについて、断面形状に応じて大小関係をまとめた図である。 図７は、本発明のクランク軸におけるアーム部形状の一例を模式的に示す図であり、同図（ａ）は軸方向視での正面図を、同図（ｂ）は側面図をそれぞれ示す。 図８は、本発明のクランク軸におけるアーム部形状の別例を模式的に示す図であり、同図（ａ）は軸方向視での正面図を、同図（ｂ）は側面図をそれぞれ示す。

以下に、本発明のレシプロエンジンのクランク軸について、その実施形態を詳述する。

１．クランク軸の設計で考えるべき基本技術
１−１．アーム部の曲げ剛性
図２は、アーム部の曲げ剛性の評価法を説明するための模式図である。同図に示すように、クランク軸の各スローについて、シリンダ内での点火・爆発による燃焼圧の荷重Ｆは、コンロッドを経由してピン部Ｐに負荷される。このとき、各スローは両端のジャーナル部Ｊが軸受けで支持されているので、荷重Ｆはピン部Ｐからアーム部Ａを介してジャーナル軸受けに伝わる。これにより、アーム部Ａは３点曲げの荷重負荷状態となり、アーム部Ａに曲げモーメントＭが作用する。これに伴って、アーム部Ａには、板厚方向の外側（ジャーナル部Ｊ側）で圧縮応力が発生し、それとは反対の内側（ピン部Ｐ側）では引張応力が発生する。

ピン部Ｐ及びジャーナル部Ｊの各直径が設計諸元として既に指定されている場合、アーム部Ａの曲げ剛性は、各スローのアーム部形状に依存する。ウエイト部Ｗは曲げ剛性にほとんど寄与しない。このとき、ピン部Ｐの軸方向中央における燃焼圧負荷方向の変位ｕは、下記の（１）式で示すように、ピン部Ｐに負荷される燃焼圧の荷重Ｆに比例し、曲げ剛性に反比例する関係にある。
ｕ ∝ Ｆ／（曲げ剛性） …（１）

１−２．アーム部のねじり剛性
図３は、アーム部のねじり剛性の評価法を説明するための模式図であり、同図（ａ）は１スローの側面図を、同図（ｂ）はその軸方向視での正面図をそれぞれ示す。クランク軸はジャーナル部Ｊを中心に回転運動をしているので、同図に示すように、ねじりトルクＴが発生する。そこで、クランク軸のねじり振動に対し、共振を起こすことなくスムーズな回転を確保するために、アーム部Ａのねじり剛性を高めることが必要である。

ピン部Ｐ及びジャーナル部Ｊの各直径が設計諸元として既に指定されている場合、アーム部Ａのねじり剛性は、各スローのアーム部形状に依存する。ウエイト部Ｗはねじり剛性にほとんど寄与しない。このとき、ジャーナル部Ｊのねじれ角γは、下記の（２）式で示すように、ねじりトルクＴに比例し、ねじり剛性に反比例する関係にある。
γ ∝ Ｔ／（ねじり剛性） …（２）

２．本発明のクランク軸
２−１．アーム部剛性向上のための考え方
上述のとおり、ウエイト部は曲げ剛性とねじり剛性にほとんど寄与しない。そこで、本発明では、軽量で曲げ剛性とねじり剛性が同時に向上するアーム部形状を提示する。

２−１−１．曲げ剛性を向上させる形状
ここでは、材料力学の理論に基づいて、曲げ剛性を向上させるための典型的な形状を検討する。前記図２に示すアーム部Ａについて、軽量化を維持しつつ曲げに対する曲げ剛性を向上させるには、断面形状の曲げ断面２次モーメントを大きくすることが効率的である。

図４は、材料力学的に曲げ剛性の観点からアーム部の断面形状を単純化しアーム部を単純な梁とみなした場合の典型例を示す図であって、同図（ａ）は矩形断面梁を、同図（ｂ）は凸型断面梁を、同図（ｃ）は凹型断面梁をそれぞれ示す。図４（ａ）に示す矩形断面梁、図４（ｂ）に示す凸型断面梁、及び図４（ｃ）に示す凹型断面梁は、軽量化の維持を考慮し、重量を同一としている。すなわち、これらの梁は、断面形状が矩形、凸型及び凹型と互いに異なっているが、それらの断面の面積は同一である。

具体的には、図４（ａ）に示す矩形断面梁の断面形状は、矩形であり、厚みがＨ₀で幅がＢ₃である。図４（ｂ）に示す凸型断面梁の断面形状は、中央部が両側部よりも突出した凸型であり、全幅がＢ₃である。その中央部は、厚みがＨ₂で幅がＢ₂であり、その両側部はそれぞれ厚みがＨ₁で幅がＢ₁／２である。一方、図４（ｃ）に示す凹型断面梁の断面形状は、中央部が両側部よりも窪んだ凹型であり、全幅がＢ₃である。その中央部は、厚みがＨ₁で幅がＢ₁であり、その両側部はそれぞれ厚みがＨ₂で幅がＢ₂／２である。

これらの梁の曲げ荷重に対する剛性の大小関係について、重量を同一とした条件下で調べる。一般に、材料力学の理論から、矩形梁の曲げ剛性と断面２次モーメントの関係は下記の（３）式〜（５）式で表される。同式の関係より、断面２次モーメントを大きくすることが、曲げ剛性を高めることになる。

曲げ剛性：Ｅ×Ｉ …（３）
断面２次モーメント：Ｉ＝（１／１２）×ｂ×ｈ³ …（４）
たわみ変位：ｕ＝ｋ（Ｍ／（Ｅ×Ｉ）） …（５）
（３）式〜（５）式中、ｂ：幅、ｈ：厚み、Ｅ：縦弾性率、Ｍ：曲げモーメント、ｋ：形状係数である。

図４に示す３種の梁の重量が同一という条件は、体積が互いに同一、すなわち断面の面積が互いに同一であるという条件を意味する。このため、それらの３種の梁の各寸法パラメータに関して下記の（６）式の関係がある。
Ｂ₃×Ｈ₀＝（Ｈ₂×Ｂ₂＋Ｂ₁×Ｈ₁）＝（Ｈ₂×Ｂ₂＋Ｂ₁×Ｈ₁） …（６）

そして、３種の梁それぞれの断面２次モーメントは、下記の（７）式〜（９）式で表される。
矩形断面梁の断面２次モーメント：
Ｉ_(A)＝（１／１２）×Ｂ₃×Ｈ₀ ³ …（７）

凸型断面梁の断面２次モーメント：
Ｉ_(B)＝１／３×（Ｂ₃×Ｅ₂ ³−Ｂ₁×Ｈ₃ ³ ＋Ｂ₂×Ｅ₁ ³） …（８）
同式中、
Ｅ₂は「（Ｂ₂×Ｈ₂ ²＋Ｂ₁×Ｈ₁ ²）／｛２×（Ｂ₂×Ｈ₂＋Ｂ₁×Ｈ₁）｝」、
Ｅ₁は「Ｈ₂−Ｅ₂」、
Ｈ₃は「Ｅ₂−Ｈ₁」である。

凹型断面梁の断面２次モーメント：
Ｉ_(C)＝１／３×（Ｂ₃×Ｅ₂ ³−Ｂ₁×Ｈ₃ ³ ＋Ｂ₂×Ｅ₁ ³） …（９）
同式中、
Ｅ₂は「（Ｂ₂×Ｈ₂ ²＋Ｂ₁×Ｈ₁ ²）／｛２×（Ｂ₂×Ｈ₂＋Ｂ₁×Ｈ₁）｝」、
Ｅ₁は「Ｈ₂−Ｅ₂」、
Ｈ₃は「Ｅ₂−Ｈ₁」である。

上記（８）式と上記（９）式は形が同じである。これは、重量が同一という条件下では、凸型断面梁の断面２次モーメントＩ_(B)と凹型断面梁の断面２次モーメントＩ_(C)が同じになることを示している。

要するに、矩形断面梁の断面２次モーメントＩ_(A)、凸型断面梁の断面２次モーメントＩ_(B)及び凹型断面梁の断面２次モーメントＩ_(C)の大小関係は、下記の（１０）式で示すとおりになる。
Ｉ_(A) ＜ Ｉ_(B) ＝ Ｉ_(C) …（１０）

この（１０）式が材料力学から理論的に導かれる結論である。この結論は、定性的に言えば、曲げの中立面からの距離が遠いところに、多くの部材が配置される断面形状の方が、断面２次モーメントが高くなるという材料力学的な考察から理解できる。

例えば、同一重量である条件、すなわち上記（６）式を満たす条件の実例として、各寸法パラメータを下記のとおりに設定した場合のことを考える。
Ｂ₁＝Ｂ₂＝５０ｍｍ、Ｂ₃＝１００ｍｍ、Ｈ₀＝２０ｍｍ、Ｈ₁＝１０ｍｍ、Ｈ₂＝３０ｍｍ。このとき、Ｅ₁＝１２．５ｍｍ、Ｅ₂＝１７．５ｍｍ、Ｈ₃＝７．５ｍｍとなる。

この実例の場合、矩形断面梁の断面２次モーメントＩ_(A)は、上記（７）式より、下記の（１１）式で示すとおりに求まる。
Ｉ_(A)＝６．６７×１０⁴ …（１１）

凸型断面梁の断面２次モーメントＩ_(B)は、上記（８）式より、下記の（１２）式で示すとおりに求まる。
Ｉ_(B)＝２．０４×１０⁵ …（１２）

凹型断面梁の断面２次モーメントＩ_(C)は、上記（９）式より、下記の（１３）式で示すとおりに求まる。
Ｉ_(C)＝２．０４×１０⁵ …（１３）

これらの（１１）式〜（１３）式より、上記（１０）式の関係が成り立つことが数値的に確認できる。

したがって、曲げ荷重に対しては、矩形断面梁よりも、アーム部の一部を厚肉化したような凸型断面梁又は凹型断面梁の方が、曲げ剛性が高く好ましい形状であると言える。また、凸型断面梁と凹型断面梁は同等の曲げ剛性を有すると言える。

２−１−２．ねじり剛性を向上させる形状
ここでは、材料力学の理論に基づいて、ねじり剛性を向上させるための典型的な形状を検討する。

図５は、材料力学的にねじり剛性の観点からアーム部を単純な円板とみなした場合の典型例を示す図であって、同図（ａ）は矩形断面円板を、同図（ｂ）は凸型断面円板を、同図（ｃ）は凹型断面円板をそれぞれ示す。図５（ａ）に示す矩形断面円板、図５（ｂ）に示す凸型断面円板、及び図５（ｃ）に示す凹型断面円板は、軽量化の維持を考慮し、重量を同一としている。すなわち、これらの円板は、断面形状が矩形、凸型及び凹型と互いに異なっているが、それらの断面の面積は同一である。

具体的には、図５（ａ）に示す矩形断面円板の断面形状は、矩形であり、厚みがＨ₀で直径がＢ₀である。図５（ｂ）に示す凸型断面円板の断面形状は、中央部が外周部よりも突出した凸型であり、最外周の直径がＢ₀である。その中央部は、突出した分の厚みがＨ₂で直径がＢ₂であり、その外周部は厚みがＨ₁である。一方、図５（ｃ）に示す凹型断面円板の断面形状は、中央部が外周部よりも窪んだ凹型であり、最外周の直径がＢ₀である。その中央部は、厚みがＨ₁で窪みの深さがＨ₃であり、窪みの直径がＢ₃である。

これらの円板のねじり剛性の大小関係について、重量を同一とした条件下で調べる。一般に、材料力学の理論によれば、ねじり剛性と断面極２次モーメントとねじれ角の間には、下記の（１４）式〜（１６）式で表される関係がある。同式の関係より、断面極２次モーメントを大きくすることが、ねじり剛性の向上に有効である。

ねじり剛性：Ｇ×Ｊ／Ｌ …（１４）
断面極２次モーメント：Ｊ＝（π／３２）×ｄ⁴ …（１５）
ねじれ角：γ＝Ｔ×Ｌ／（Ｇ×Ｊ） …（１６）
（１４）式〜（１６）式中、Ｌ：軸方向長さ、Ｇ：横弾性率、ｄ：丸棒の半径、Ｔ：ねじりトルクである。

図５に示す３種の円板の重量が同一という条件は、体積が同一であるという条件を意味する。このため、それらの３種の円板の各寸法パラメータに関して下記の（１７）式の関係がある。
（π／４）×Ｂ₀×Ｂ₀×Ｈ₀＝（π／４）×（Ｂ₀×Ｂ₀×Ｈ₁＋Ｂ₂×Ｂ₂×Ｈ₂）＝（π／４）×｛Ｂ₀×Ｂ₀×（Ｈ₁＋Ｈ₃）−Ｂ₃×Ｂ₃×Ｈ₃）｝ …（１７）

そして、３種の円板それぞれの断面極２次モーメントは、厚みを考慮して、下記の（１８）式〜（２０）式で表される。
矩形断面円板の断面極２次モーメント：
Ｊ_(D)＝（π／３２）×Ｈ₁×Ｂ₀ ⁴ …（１８）

凸型断面円板の断面極２次モーメント：
Ｊ_(E)＝（π／３２）×（Ｈ₁×Ｂ₀ ⁴＋Ｈ₂×Ｂ₂ ⁴） …（１９）

凹型断面円板の断面極２次モーメント：
Ｊ_(F)＝（π／３２）×｛（Ｈ₁＋Ｈ₃）×Ｂ₀ ⁴−Ｈ₃×Ｂ₃ ⁴｝ …（２０）

これらの（１８）式〜（２０）式から、矩形断面円板の断面極２次モーメントＪ_(D)、凸型断面円板の断面極２次モーメントＪ_(E)及び凹型断面円板の断面極２次モーメントＪ_(F)の大小関係は、下記の（２１）式で示すとおりになる。
Ｊ_(E) ＜ Ｊ_(D) ＜ Ｊ_(F) …（２１）

この（２１）式が材料力学から理論的に導かれる結論である。この結論は、定性的に言えば、ねじりの中心からの距離が遠いところに、多くの部材が配置される断面形状の方が、断面極２次モーメントが高くなるという材料力学的な考察から理解できる。

例えば、同一重量である条件、すなわち上記（１７）式を満たす条件の実例として、各寸法パラメータを下記のとおりに設定した場合のことを考える。
Ｂ₀＝１００ｍｍ、Ｈ₀＝２０ｍｍ、Ｈ₁＝１０ｍｍ、Ｈ₂＝Ｈ₃＝２０ｍｍ、Ｂ₂＝Ｂ₃＝１００／√２＝７０．７１ｍｍ。

この実例の場合、矩形断面円板の断面極２次モーメントＪ_(D)は、上記（１８）式より、下記の（２２）式で示すとおりに求まる。
Ｊ_(D)＝１．９６×１０⁸ …（２２）

凸型断面円板の断面極２次モーメントＪ_(E)は、上記（１９）式より、下記の（２３）式で示すとおりに求まる。
Ｊ_(E)＝１．４７×１０⁸ …（２３）

凹型断面円板の断面極２次モーメントＪ_(F)は、上記（２０）式より、下記の（２４）式で示すとおりに求まる。
Ｊ_(F)＝２．４５×１０⁸ …（２４）

これらの（２２）式〜（２４）式より、上記（２１）式の関係が成り立つことが数値的に確認できる。

したがって、ねじり荷重に対しては、凸型断面円板、矩形断面円板、凹型断面円板の順序で、ねじり剛性が高くなり、凹型断面円板が最も好ましい形状であると言える。

２−１−３．曲げ剛性とねじり剛性を向上させる形状のまとめ
図６は、曲げ剛性とねじり剛性に直接関連する断面２次モーメント及び断面極２次モーメントについて、断面形状に応じて大小関係をまとめた図である。同図では、前記図４及び図５に示す矩形断面、凸型断面及び凹型断面の断面形状ごとに、断面２次モーメント及び断面極２次モーメントを、矩形断面を基準「１」とした比率で表示している。

同図に示す結果から、曲げ剛性とねじり剛性を向上させるために共通に有効な手段として、アーム部の厚みを厚肉化することが効率的であると言える。とりわけ、断面形状が凸型又は凹型であれば曲げ剛性が高まり、一方、断面形状が凹型であればねじり剛性が高まると言える。

２−２．本発明のクランク軸の概要
前記図６に示す結果から、曲げ剛性を向上させるには、アーム部の断面形状を凸型又は凹型に設計することが有効である。材料力学の断面２次モーメントが増大するからである。断面２次モーメントは厚みの３乗に比例して増大する。

また、ねじり剛性を向上させるには、アーム部の断面形状を凹型に設計することが有効である。材料力学の断面極２次モーメントが増大するからである。断面極２次モーメントは厚みの１乗に比例して増大する。

要するに、曲げ剛性とねじり剛性を向上させるには、アーム部の断面形状に凹型の要素を取り入れ、アーム部の両側部の厚みを増大させればよい。

以上のことを踏まえ、本発明のクランク軸は、アーム部のジャーナル部側の表面のうちで幅方向の両側部それぞれに、ジャーナルスラスト面の位置を超えて軸方向に突出する突起部が設けられたり、アーム部のピン部側の表面のうちで幅方向の両側部それぞれに、ピンスラスト面の位置を超えて軸方向に突出する突起部が設けられたりしたものである。すなわち、本発明のクランク軸は、アーム部の突起部がジャーナル部やピン部の領域までオーバーハングし、これにより、アーム部の板厚が突起部によって従来よりも著しく厚肉化されたものである。これにより、アーム部の断面２次モーメント及び断面極２次モーメントが増大し、アーム部の曲げ剛性とねじり剛性の向上を飛躍的に図ることができる。

２−３．アーム部と周辺部品の具体例
クランク軸は、ピン部にコンロッドの大端部が取り付けられ、ジャーナル部がエンジンブロックのジャーナル軸受けによって支持される。コンロッド大端部及びジャーナル軸受けはいずれも半割りである。

クランク軸のアーム部に、ピン部の領域までオーバーハングした突起部が設けられている場合、突起部の存在しない方から半割りのコンロッド大端部を個々に装着すれば、ピン部にコンロッド大端部を取り付けることができる。一方、クランク軸のアーム部に、ジャーナル部の領域までオーバーハングした突起部が設けられている場合、突起部の存在しない方からジャーナル部を半割りのジャーナル軸受けに挿入し、クランク軸を半回転させてから半割りの他方のジャーナル軸受けを装着すれば、ジャーナル部をエンジンブロックのジャーナル軸受けによって支持した状態に組み付けることができる。したがって、アーム部に突起部が設けられていても、周辺部品の組み付けに支障はない。

ただし、クランク軸はエンジン内で回転するため、回転中に、突起部がジャーナル軸受けの支持ブロックに干渉したり、コンロッドのロッド本体に干渉したりしないように、寸法設計を行う必要がある。これは、ジャーナル軸受けの支持ブロックに凹部を形成したり、コンロッドのロッド本体の厚みを小さくしたり、アーム部の突起部の突出高さを制限したりすることで可能である。

図７は、本発明のクランク軸におけるアーム部形状の一例を模式的に示す図であり、同図（ａ）は軸方向視での正面図を、同図（ｂ）は側面図をそれぞれ示す。同図では、クランク軸がエンジンに組み込まれた状態、すなわち、ピン部Ｐにコンロッド４が取り付けられ、ジャーナル部Ｊがエンジンブロックのジャーナル軸受け５ａによって支持された状態を示している。

図７に示すアーム部Ａは、前記図４（ｃ）に示す凹型断面梁、及び図５（ｃ）に示す凹型断面円板の概念を活用したものであり、ジャーナル部Ｊ側の表面に、ジャーナルスラスト面Ｊｔの位置を越える突起部Ｏｊが設けられている。図７に示す突起部Ｏｊは、アーム部Ａのジャーナルスラスト面Ｊｔの外側で幅方向の両側部に限定して突出する。クランク軸において、そのような突起部Ｏｊ付きのアーム部Ａは、例えば、４気筒エンジン用のクランク軸の場合、８枚のアーム部Ａについて最大８枚から最小１枚までの任意の数の組合せで設置されてもよい。このようなクランク軸は、突起部Ｏｊによってアーム部Ａの断面２次モーメント及び断面極２次モーメントが効率良く増大するため、アーム部の曲げ剛性とねじり剛性の向上を図ることが可能である。

この場合、図７（ｂ）に示すように、エンジンブロックにおけるジャーナル軸受け５ａの支持ブロック５ｂには凹部５ｃが形成されており、アーム部Ａの突起部Ｏｊとの干渉が防止されている。

図８は、本発明のクランク軸におけるアーム部形状の別例を模式的に示す図であり、同図（ａ）は軸方向視での正面図を、同図（ｂ）は側面図をそれぞれ示す。同図でも、前記図７と同様に、クランク軸がエンジンに組み込まれた状態を示している。

図８に示すアーム部Ａは、前記図７と同様に凹型断面梁及び凹型断面円板の概念を活用したものであり、ピン部Ｐ側の表面に、ピンスラスト面Ｐｔの位置を越える突起部Ｏｐが設けられている。図８に示す突起部Ｏｐは、アーム部Ａのピンスラスト面Ｐｔの外側で幅方向の両側部に限定して突出する。クランク軸において、そのような突起部Ｏｐは、すべてのアーム部Ａに設置されてもよいし、任意の個数で任意の組合せで選択したアーム部Ａに設置されてもよい。ピン部Ｐへのコンロッド大端部４ｂの取付けに支障はないからである。このようなクランク軸は、突起部Ｏｐによってアーム部Ａの断面２次モーメント及び断面極２次モーメントが効率良く増大するため、アーム部の曲げ剛性とねじり剛性の向上を図ることが可能である。

この場合、図８（ｂ）に示すように、アーム部Ａの突起部Ｏｐとコンロッド４のロッド本体４ａとが干渉しないように、ロッド本体４ａの厚みが小さく設計されている。アーム部Ａの突起部Ｏｐの突出高さを制限することでも構わない。

図８に示す突起部Ｏｐは、図７に示す突起部Ｏｊを有するアーム部Ａに追加することもできる。

本発明のクランク軸は、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気筒及び１０気筒のいずれでもよく、更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、対向配置等を特に問わない。エンジンの燃料も、ガソリン、ディーゼル、バイオ燃料等の種類を問わない。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。

本発明は、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。

１：クランク軸、
Ｊ、Ｊ１〜Ｊ５：ジャーナル部、 Ｊｔ：ジャーナルスラスト面、
Ｐ、Ｐ１〜Ｐ４：ピン部、 Ｐｔ：ピンスラスト面、
Ｆｒ：フロント部、 Ｆｌ：フランジ部、
Ａ、Ａ１〜Ａ８：クランクアーム部、
Ｗ、Ｗ１〜Ｗ８：カウンターウエイト部、
Ｏｊ、Ｏｐ：クランクアーム部の突起部、
２：ダンパプーリ、 ３：フライホイール、
４：コネクティングロッド、 ４ａ：ロッド本体、 ４ｂ：大端部、
５ａ：ジャーナル軸受け、 ５ｂ：支持ブロック、 ５ｃ：凹部

Claims (3)

1. 回転中心軸となるジャーナル部と、このジャーナル部に対して偏心したピン部と、前記ジャーナル部と前記ピン部をつなぐクランクアーム部と、を備え、レシプロエンジンに搭載されるクランク軸であって、
   前記クランクアーム部の前記ジャーナル部側の表面のうちで幅方向の両側部それぞれに突起部が設けられ、これらの各突起部は、ジャーナルスラスト面の位置を超えて軸方向に突出する、レシプロエンジンのクランク軸。
2. 請求項１に記載のレシプロエンジンのクランク軸であって、
   更に、前記クランクアーム部の前記ピン部側の表面のうちで幅方向の両側部それぞれに突起部が設けられ、これらの各突起部は、ピンスラスト面の位置を超えて軸方向に突出する、レシプロエンジンのクランク軸。
3. 回転中心軸となるジャーナル部と、このジャーナル部に対して偏心したピン部と、前記ジャーナル部と前記ピン部をつなぐクランクアーム部と、を備え、レシプロエンジンに搭載されるクランク軸であって、
   前記クランクアーム部の前記ピン部側の表面のうちで幅方向の両側部それぞれに突起部が設けられ、これらの各突起部は、ピンスラスト面の位置を超えて軸方向に突出する、レシプロエンジンのクランク軸。