JP2016098862A - クランクシャフト - Google Patents

Abstract

【課題】剛性の低下を抑制しながら軽量化が可能なクランクシャフトを提供することを課題とする。【解決手段】クランクシャフトのアームのショルダー部には、孔が凹設されている。ジャーナルの軸方向から見て、ジャーナルの中心とピンの中心とを結ぶ方向を上下方向、上下方向に対して直交する方向を横方向とする場合、孔の深さ方向に対して直交する方向の断面形状には、断面形状の横方向の長さが最長になる第一底辺と、断面形状の重心を挟んで、第一底辺の上方向または下方向に配置され、第一底辺から最も離間した一対の変曲点間を、横方向に連結する第二底辺と、が設定されている。第一底辺および第二底辺のうち、一方を上辺、他方を上辺の下方向に配置される下辺、上辺の長さをα、下辺の長さをβとする場合、α／β≧１の関係が成立することを特徴とする。【選択図】図３

Description

本発明は、例えば車両のエンジンなどに用いられるクランクシャフトに関する。

自動車等の輸送用機器にとって軽量化は最も大きな課題の一つである。その中でも、クランクシャフトは、運動部品の中でも最も質量の大きい部品の一つであり、材料の高強度化等、様々な取り組みが行われてきた。その中で、最近、形状面の最適化により軽量化しようとする試みがされてきている。例えば、特許文献１のように、クランクシャフト中のジャーナルとピンとを連結しているクランクウェブに、一対の肉抜き部を設け、軽量化を図ろうとする提案がされている。

特開２０１３−１１３３２３号公報

クランクウェブに肉抜き部を凹設すると、当然の如くクランクシャフトの剛性が低下する。この点、特許文献１のクランクシャフトの場合、肉抜き部の深さは、ピンの内部に到達しないように、規制されている。このため、ピン延いてはクランクシャフトの剛性の低下を抑制することができる。

しかしながら、軽量化要求は時間と共により高いレベルが要求されるようになってきていると共に、当然の如く剛性低下には設計上許容できる限界がある。そのような中で、より大きな軽量化効果を得ることを可能にするため、同じ軽量化であってもより剛性低下の値を小さくするための肉抜き部の設け方の開発が強く求められるようになってきた。本発明は、肉抜き部を設けることを前提に肉抜き部による軽量化の大きさの割に剛性低下を小さくできるクランクシャフトの提供を可能とすることを目的とするものである。

本発明のクランクシャフトは、ジャーナルと、前記ジャーナルに対して平行に配置されるピンと、前記ジャーナルと前記ピンとの間に介在し、前記ピンに隣接すると共に有底の孔が凹設されるショルダー部を有するアームと、を備えるクランクシャフトであって、前記ジャーナルの軸方向から見て、前記ジャーナルの中心と前記ピンの中心とを結ぶ方向を上下方向、前記上下方向において前記ジャーナルの中心から前記ピンの中心に向かう方向を上方向、前記上下方向において前記ピンの中心から前記ジャーナルの中心に向かう方向を下方向、前記上下方向に対して直交する方向を横方向とする場合、前記孔の深さ方向に対して直交する方向の断面形状には、前記断面形状の前記横方向の長さが最長になる第一底辺と、前記断面形状の重心を挟んで、前記第一底辺の前記上方向または前記下方向に配置され、前記第一底辺から最も離間した一対の変曲点間を、前記横方向に連結する第二底辺と、が設定され、前記第一底辺および前記第二底辺のうち、一方を上辺、他方を前記上辺の前記下方向に配置される下辺、前記上辺の長さをα、前記下辺の長さをβとする場合、α／β≧１の関係が成立することを特徴とする。

ここで、「変曲点」とは、曲率が変化する点をいう。すなわち、曲率の符号が変化しない点であっても、曲率自体が変化する点であれば、本発明の「変曲点」の概念に含まれる。例えば、互いに異なる方向に湾曲する一対の曲線間の境界、互いに同じ方向に湾曲すると共に互いに曲率が異なる一対の曲線間の境界、互いに傾斜が異なる一対の直線間の境界、曲線と直線との境界などは、本発明の「変曲点」の概念に含まれる。

本明細書においては、ジャーナルの軸方向から見て、ジャーナルの中心とピンの中心とを結ぶ方向を、「上下方向」と定義する。また、上下方向において、ジャーナルの中心からピンの中心に向かう方向を、「上方向」と定義する。また、上下方向において、ピンの中心からジャーナルの中心に向かう方向を、「下方向」と定義する。また、上下方向に対して直交する方向を、「横方向」と定義する。なお、クランクシャフトが複数のピンを備える場合、上述の各方向（上下方向、上方向、下方向、横方向）は、各ピンごとに定義される。

好ましくは、前記断面形状の上縁は、曲率中心が前記上縁よりも前記下方向に設定される弧状を呈している構成とする方がよい。さらに、好ましくは、前記断面形状の上縁は、前記ショルダー部の上縁に相似の弧状を呈している構成とする方がよい。

好ましくは、前記断面形状は、前記深さ方向全長に亘って相似であり、前記断面形状の面積は、前記孔が深くなるのに従って小さくなる構成とする方がよい。

好ましくは、さらに、前記アームを経由して前記ジャーナルと前記ピンとを連結する油路を備え、前記ピンの外周面には、焼入れ層が形成され、前記孔は、前記油路および前記焼入れ層に干渉しないように配置される構成とする方がよい。

本発明のクランクシャフトによると、ショルダー部に孔が凹設されており、孔の断面形状には、重心を挟んで、上下方向に対向して、第一底辺と第二底辺とが配置されている。第一底辺および第二底辺のうち、一方を上辺、他方を下辺とする場合、上辺の長さαと下辺の長さβとの間には、α／β≧１の関係が成立する。このため、後述する解析および実験から明らかなように、孔の凹設に伴うクランクシャフトの剛性の低下を、他形状の孔をショルダー部に凹設する場合と比較して、抑制することができる。

また、孔の深さが深い程、クランクシャフトの剛性は低くなるが、他の孔形状の場合には、孔が深くなる程、単位質量当たりの剛性悪化率が上昇する傾向があった。それに対し、本発明のクランクシャフトでは、後述する解析から明らかなように、孔の深さが深くなっても剛性悪化率が上昇せず、クランクシャフトの剛性の低下を抑制することができる。

本発明のクランクシャフトの一実施形態であるクランクシャフトの軸方向部分断面図である。 図１のＩＩ−ＩＩ方向断面図である。 図１のＩＩＩ−ＩＩＩ方向断面図である。 （ａ）〜（ｆ）はその他の実施形態の孔の断面形状である。 解析モデルの模式図である。 （ａ）は第一の解析モデルの孔の斜視図である。（ｂ）は第二の解析モデルの孔の斜視図である。 第一モデル、第二モデルのα／βと曲げ剛性悪化率との関係を示すグラフである。 第一モデル、第二モデルの深さと曲げ剛性悪化率との関係を示すグラフである。 （ａ）は実施例１の孔の断面形状である。（ｂ）は実施例２の孔の断面形状である。（ｃ）は実施例３の孔の断面形状である。（ｄ）は比較例１の孔の断面形状である。（ｅ）は比較例２の孔の断面形状である。 各サンプルのα／βと曲げ剛性悪化率との関係を示すグラフである。

以下、本発明のクランクシャフトの実施の形態について説明する。図１に、本実施形態のクランクシャフトの軸方向部分断面図を示す。図２に、図１のＩＩ−ＩＩ方向断面図を示す。図３に、図１のＩＩＩ−ＩＩＩ方向断面図を示す。

＜クランクシャフトの構成＞
まず、本実施形態のクランクシャフト１の構成について説明する。図１〜図３における前後方向は、本発明の「ジャーナルの軸方向」に対応する。図１〜図３における上下方向は、本発明の「上下方向」に対応する。上方向は、前から１番目、４番目のピン３については本発明の「上方向」に、前から２番目、３番目のピン３については本発明の「下方向」に、各々対応する。下方向は、前から１番目、４番目のピン３については本発明の「下方向」に、前から２番目、３番目のピン３については本発明の「上方向」に、各々対応する。左右方向は、本発明の「横方向」に対応する。

図１〜図３に示すように、本実施形態のクランクシャフト１は、直列４気筒のエンジン用のクランクシャフトである。クランクシャフト１は、５つのジャーナル２と、４つのピン３と、８つのアーム４と、４つの油路５と、を備えている。ジャーナル２は、前後方向に延在する短軸円柱状を呈している。ジャーナル２には、軸受（図略）が環装されている。軸受は、クランクシャフト１を、回転可能に支持している。

ピン３は、前後方向に延在する短軸円柱状を呈している。ピン３には、軸受（図略）を介して、コンロッド（図略）が装着されている。前から１番目、４番目のピン３は、ジャーナル２に対して上方向にずれて配置されている。例えば、図２に示すように、１番目のピン３の径方向の中心Ｃ２は、ジャーナル２の径方向の中心Ｃ１に対して、上方向にずれて配置されている。これに対して、前から２番目、３番目のピン３は、ジャーナル２に対して下方向にずれて配置されている。ピン３の外周面には、耐摩耗性を向上させるため、ＩＨ（Ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ Ｈｅａｔｉｎｇ）処理、すなわち高周波焼入れ処理が施されている。このため、ピン３の外周面には、焼入れ層３０が形成されている。

アーム４は、ジャーナル２とピン３との間に介在している。アーム４は、ショルダー部４０と、カウンターウェイト部４１と、を備えている。任意のピン３の前後両側には、各々、ショルダー部４０が配置されている。ショルダー部４０には、有底の孔４００が凹設されている。カウンターウェイト部４１は、ジャーナル２を挟んで、ショルダー部４０の上下方向反対側に配置されている。油路５は、クランクシャフト１の内部に配置されている。油路５は、アーム４を経由して、ジャーナル２とピン３とを連結している。

＜クランクシャフトの孔の形状＞
次に、本実施形態のクランクシャフト１の孔４００の形状について説明する。図３に示すように、孔４００の断面形状（詳しくは、孔の深さ方向に対して直交する方向の断面形状）Ａは、下向きに尖る三角形状を呈している。断面形状Ａは、孔４００の深さ方向全長（図１に示す開口部４００ａから底部４００ｂまでの間）に亘って相似である。孔４００は、剪断加工により、ショルダー部４０に穿設されている。加工時の抜き勾配により、断面形状Ａの面積は、孔４００が深くなるのに従って、徐々に小さくなる。図１に示すように、孔４００の側部４００ｃと底部４００ｂとは、丸面取り部４００ｄを介して、連なっている。底部４００ｂは、油路５および焼入れ層３０に干渉しないように配置されている。

図３に示すように、断面形状Ａは、上縁ａと、下縁ｂと、左右一対の側縁ｃと、左右一対の丸面取り部ｄと、を備えている。上縁ａと丸面取り部ｄとの境界、丸面取り部ｄと側縁ｃとの境界、側縁ｃと下縁ｂとの境界には、各々、変曲点ｚが配置されている。断面形状Ａは、断面形状Ａの重心Ｇを通過する上下方向の中心線に対して、左右対称である。

上縁ａは、上方向に膨らむ弧状を呈している。上縁ａは、図２に示すショルダー部４０の上縁に相似である。左右一対の丸面取り部ｄは、上縁ａの左右方向両端に連なっている。左側の丸面取り部ｄは、左方向に膨らむ弧状を呈している。右側の丸面取り部ｄは、右方向に膨らむ弧状を呈している。左右一対の側縁ｃは、左右一対の丸面取り部ｄの下端に連なっている。左側の側縁ｃは、右下方向に延在する直線状を呈している。右側の側縁ｃは、左下方向に延在する直線状を呈している。左右一対の側縁ｃ間の間隔は、下方向に向かって、徐々に狭まっている。下縁ｂは、左右一対の側縁ｃの下端間を連結している。下縁ｂは、下方向に膨らむ弧状を呈している。下縁ｂの曲率は、上縁ａの曲率よりも大きい。

＜第一底辺、第二底辺、上辺、下辺の定義＞
次に、孔４００の形状に関する、第一底辺、第二底辺、上辺、下辺の定義について説明する。図３に点線で示すように、第一底辺Ｌ１は、断面形状Ａにおいて、左右方向の長さが最長になる部分を直線で結ぶことにより、設定される。

図３に点線で示すように、第二底辺Ｌ２は、断面形状Ａの重心Ｇを挟んで、第一底辺Ｌ１の上方向または下方向に設定される。第二底辺Ｌ２は、第一底辺Ｌ１から最も離間した一対の変曲点Ｚ間を、左右方向に直線で連結したものである（そのように定義する）。すなわち、第一底辺Ｌ１と第二底辺Ｌ２とは、断面形状Ａの重心Ｇを挟んで、互いに平行である。

第一底辺Ｌ１、第二底辺Ｌ２のうち、上方向に配置される辺が上辺Ｕである。下方向に配置される辺が下辺Ｄである。上辺Ｕの左右方向の長さαと、下辺Ｄの左右方向の長さβと、の間には、α／β≧１の関係が成立する。

本実施形態の孔４００の場合、第一底辺Ｌ１は、左右一対の丸面取り部ｄ間を連結している。第二底辺Ｌ２は、第一底辺Ｌ１の下方向に配置されている。第二底辺Ｌ２は、左右一対の変曲点ｚ間（詳しくは、左側の側縁ｃの下端と下縁ｂの左端との境界の変曲点ｚと、右側の側縁ｃの下端と下縁ｂの右端との境界の変曲点ｚと、の間）を連結している。第一底辺Ｌ１は上辺Ｕに、第二底辺Ｌ２は下辺Ｄに、各々対応している。上辺Ｕの左右方向の長さαと、下辺Ｄの左右方向の長さβと、の間には、α／β＞１の関係が成立している。

＜作用効果＞
次に、本実施形態のクランクシャフト１の作用効果について説明する。本実施形態のクランクシャフト１によると、ショルダー部４０に孔４００が凹設されている。また、孔４００の断面形状には、重心Ｇを挟んで、上下方向に対向して、第一底辺Ｌ１と第二底辺Ｌ２とがある。そして、上辺Ｕ（第一底辺Ｌ１）の長さαと下辺Ｄ（第二底辺Ｌ２）の長さβとの間には、α／β＞１の関係が成立する形状となっている。このような形状とすることにより、後述する解析および実験から明らかなように、孔４００の凹設に伴うクランクシャフト１の剛性の低下が、他の孔形状で軽量化を図る場合に比べ小さくなる。

また、後述する解析で示す通り、孔４００の深さが深くなると、孔を設けることによる軽量化への質量の大きさに対する剛性悪化率が大きくなる傾向となるが、本実施形態のクランクシャフト１では、後述する解析から明らかなように、孔４００の深さが深くなっても、剛性悪化率は大きくならず、クランクシャフト１の剛性の低下を抑制することができる。

また、断面形状Ａの上縁ａは、曲率中心が上縁ａよりも下方向に設定される弧状を呈している。このため、上縁ａが直線状を呈している場合と比較して、ショルダー部４０の除肉量（取り代）を多くすることができる。すなわち、クランクシャフト１の軽量化を図ることができる。また、上縁ａは、ショルダー部４０の上縁に相似である。このため、孔４００に「割れ」が発生するのを抑制することができる。

また、断面形状Ａは、孔４００の深さ方向全長に亘って相似である。また、断面形状Ａの面積は、孔４００が深くなるのに従って小さくなる。このような形状とすることにより、孔４００の加工を容易に行うことができる。

また、孔４００は、油路５および焼入れ層３０に干渉しないように配置されている。このため、油路５や焼入れ層３０を設けている本来の目的、効果に悪影響を与える可能性はない。

また、前述の特許文献１のクランクシャフトの場合、剛性の低下を抑制するために、肉抜き部の深さは、ピンの内部に到達しない深さに、規制されている。これに対して、本実施形態のクランクシャフト１では、後述の結果で示す通り、孔深さを深くしても剛性が低下しにくい孔形状としているため、孔４００の底部４００ｂがピン３の内部に到達するような深さとしても、剛性低下を小さく抑制することができる。したがって、クランクシャフト１の軽量化効果を大きくすることができる。

＜その他＞
以上、本発明のクランクシャフトの実施の形態について説明した。しかしながら、実施の形態は上記形態に特に限定されるものではない。当業者が行いうる種々の変形的形態、改良的形態で実施することも可能である。

孔４００の断面形状Ａは特に限定しない。上辺Ｕ（第一底辺Ｌ１）の長さαと下辺Ｄ（第二底辺Ｌ２）の長さβとの間に、α／β≧１の関係が成立すればよい。例えば、断面形状Ａとしては、多角形（下向きに尖る三角形、下向きに尖る台形、正方形、長方形など）や、当該多角形の頂点に丸面取り部を付与した形状などが挙げられる。

図４（ａ）〜（ｆ）に、その他の実施形態の孔の断面形状を示す。なお、図３と対応する部位については、同じ符号で示す。図４（ａ）〜（ｆ）に示すように、上縁ａ、下縁ｂ、側縁ｃは、直線状であっても、外側に膨らむ曲線状（例えば弧状）であってもよい。また、上縁ａ、下縁ｂ、側縁ｃは、断面形状Ａの外側に膨らんでいてもよい。丸面取り部４００ｄの有無は、特に限定しないものの、丸面取り部を設けた方が応力集中の点を考慮すると有利である。弧状の丸面取り部４００ｄの代わりに、直線状の平面取り部を配置してもよい。側縁ｃの配置数は、単数でも複数でもよい。例えば、左右両側に、各々上下２つの側縁ｃを配置してもよい。同様に、上縁ａ、下縁ｂの配置数も、単数でも複数でもよい。図４（ａ）〜（ｆ）に示す各縁（上縁ａ、下縁ｂ、側縁ｃ、丸面取り部ｄ）を適宜組み合わせることにより、断面形状Ａを構成してもよい。

孔４００の配置数は特に限定しない。単一のショルダー部４０に対して、複数の孔４００を配置してもよい。また、任意のピン３の前後両側の一対のショルダー部４０のうち、油路５が配置されていない方のショルダー部４０にだけ、孔４００を配置してもよい。

なお、孔４００によるショルダー部４０の除肉量に対応して、カウンターウェイト部４１にも除肉部を設けて、クランクシャフト１の回転バランスをとることが当然の如く必要である。したがって、その分の軽量化効果も得ることができる。断面形状Ａは、孔４００の深さ方向全長に亘って相似でなくてもよい。すなわち、孔４００の深さ方向全長のうち、少なくとも一部が、本発明の断面形状Ａを呈していればよい。クランクシャフト１の構成は特に限定しない。クランクシャフト１は、一体物（例えば鋳造物）であってもよい。

クランクシャフト１が用いられるエンジンの気筒の配置（すなわち、ジャーナル２に対するピン３の配置）は特に限定しない。直列、Ｖ型、水平対向などであってもよい。また気筒数も特に限定しない。２気筒、３気筒、４気筒、５気筒、６気筒、８気筒、１０気筒、１２気筒などであってもよい。また、油路５の配置場所、配置数も特に限定しない。

以下、本発明のクランクシャフトについて行った解析（シミュレーション）および実験（実証実験）について説明する。

＜解析＞
本発明のクランクシャフトについて行った解析について説明する。解析（詳しくは、ＦＥＭ（Ｆｉｎｉｔｅ Ｅｌｅｍｅｎｔ Ｍｅｔｈｏｄ）による弾性変形解析）においては、孔４００の形状の異なる二つの解析モデル９の、曲げ剛性悪化率（単位質量当たりの曲げ剛性悪化率）を比較した。

［解析モデル］
まず、解析モデルについて説明する。図５に、解析モデルの模式図を示す。なお、図１と対応する部位については同じ符号で示す。図５に示すように、解析モデル９は、図１に示すクランクシャフト１の一部に相当する。

図６（ａ）に、第一の解析モデル（以下、「第一モデル」と称す）の孔の斜視図を示す。図６（ｂ）に、第二の解析モデル（以下、「第二モデル」と称す）の孔の斜視図を示す。なお、図３と対応する部位については同じ符号で示す。また、図５、図６においては、孔４００の深さ方向を矢印Ｙ３で示す。深さ方向Ｙ３は、図５に示すように、ショルダー部４０の表面４０Ｆ（図５に太線で示す）の面展開方向に対して、直交する方向である。

図６（ａ）に示すように、第一モデルの孔４００の断面形状Ａは、下向きに尖る台形状である。図６（ｂ）に示すように、第二モデルの孔４００の断面形状Ａは、第一モデルの孔４００の断面形状Ａの上縁ａ、下縁ｂを直線状から弧状に変更した形状である。第二モデルの上縁ａは、図５に示すショルダー部４０の上縁に相似である。図６（ｂ）に点線で示すように、第二モデルの底部４００ｂは、開口部４００ａに相似である。底部４００ｂの面積は、開口部４００ａの面積よりも小さい。断面形状Ａの面積は、孔４００が深くなるのに従って小さくなる。すなわち、第二モデルの孔４００には、金型用の抜き勾配（深さ方向Ｙ３に対する側部４００ｃの傾斜角度）が設定されている。

［解析方法］
次に、解析方法について説明する。解析においては、上辺Ｕの長さα、下辺Ｄの長さβ、深さＬ３を各々変化させた場合の、第一モデル、第二モデルの曲げ剛性、曲げ剛性悪化率を算出した。また、第一モデル、第二モデル以外に、孔４００無しの解析モデル（以下、「無孔モデル」と称す）に対しても、同様に、曲げ剛性、曲げ剛性悪化率を算出した。

以下、曲げ剛性、曲げ剛性悪化率の算出方法を説明する。各モデルの前後両側の一対のジャーナル２の径方向および軸方向の中心Ｃ１ａ、Ｃ１ｂの真下部分を、図５に白抜き矢印Ｙ２ａ、Ｙ２ｂで示すように、回転可能（開脚可能）に支持した。そして、図５に白抜き矢印Ｙ１で示すように、各モデルに対して、ピン３の径方向および軸方向の中心Ｃ２の真上部分から、荷重を印荷した。

荷重をＦ、中心Ｃ１ａの矢印Ｙ１方向の変位量をΔＣ１ａ、中心Ｃ１ｂの矢印Ｙ１方向の変位量をΔＣ１ｂ、中心Ｃ２の矢印Ｙ１方向の変位量をΔＣ２として、以下の式（１）から、曲げ剛性ｋを算出した。
ｋ＝Ｆ／［（ΔＣ２−｛（ΔＣ１ａ＋ΔＣ１ｂ）／２｝］ ・・・式（１）

無孔モデルの曲げ剛性をｋ１、有孔モデル（第一モデル、第二モデル）の曲げ剛性をｋ２、孔４００による質量減少量をΔＭとして、以下の式（２）から、曲げ剛性悪化率Ｒを算出した。
Ｒ＝（ｋ１−ｋ２）／（ｋ１×ΔＭ） ・・・式（２）

［解析結果］
次に、解析結果について説明する。図７に、第一モデル、第二モデルのα／βと曲げ剛性悪化率との関係をグラフで示す。なお、図７においては、第一モデルを白丸で、第二モデルを黒丸で、各々示す。縦軸の「曲げ剛性悪化率」は、点Ｐ１の曲げ剛性悪化率を１００とした場合の、相対値である。線Ｌ４は、全ての白丸の最小二乗法による近似線である。

図７に示すように、第一モデル、第二モデル共に、α／β≧１の場合、曲げ剛性悪化率Ｒが低くなることが判った。すなわち、第一モデル、第二モデル共に、α／β≧１に設定すれば、無孔モデルに対して、曲げ剛性が低下しにくいことが判った。

また、第一モデルよりも、第二モデルの方が、曲げ剛性悪化率Ｒが低くなることが判った。すなわち、第一モデルよりも、第二モデルの方が、曲げ剛性が低下しにくいことが判った。

図８に、第一モデル、第二モデルの深さと曲げ剛性悪化率との関係をグラフで示す。なお、図８においては、第一モデルのうちα／β≧１のものを白丸で、第一モデルのうちα／β＜１のものを白四角で、第二モデルのうちα／β≧１のものを黒丸で、第二モデルのうちα／β＜１のものを黒四角で、各々示す。縦軸の「曲げ剛性悪化率」は、点Ｐ２の曲げ剛性悪化率を１００とした場合の、相対値である。線Ｌ５は、全ての白丸の最小二乗法による近似線である。線Ｌ６は、全ての白四角の最小二乗法による近似線である。

図８に示すように、第一モデル、第二モデル共に、α／β≧１の場合、孔４００の深さＬ３が深くなっても、曲げ剛性悪化率Ｒが高くなりにくいことが判った。すなわち、第一モデル、第二モデル共に、α／β≧１に設定すれば、α／β＜１となる孔により軽量化を図る場合と比較して、孔４００の深さＬ３が深くなっても、曲げ剛性が低下しにくいことが判った。

また、第一モデルよりも、第二モデルの方が、曲げ剛性悪化率Ｒが高くなりにくいことが判った。すなわち、第一モデルよりも、第二モデルの方が、孔４００の深さＬ３の値に関係なく曲げ剛性悪化率が低く、曲げ剛性が低下しにくいことが判った。

＜実験＞
以上説明したコンピュータシミュレーションで計算した結果により、α／βの値の変化による曲げ剛性悪化率の影響を予想することができたので、実部品により、前記計算結果通りの効果が得られるかどうかを確認する実験を行った。実験においては、孔４００の形状の異なる五つのクランクシャフト１（サンプル）の、曲げ剛性悪化率を比較した。

［サンプル］
まず、実験に用いたサンプル（実施例１〜３、比較例１、２）について説明する。各サンプルにおいては、図１に示すクランクシャフト１において、全てのピン３の前後両側の一対のショルダー部４０のうち、油路５が配置されていない方のショルダー部４０にだけ、孔４００を配置した。

図９（ａ）に、実施例１の孔の断面形状を示す。図９（ｂ）に、実施例２の孔の断面形状を示す。図９（ｃ）に、実施例３の孔の断面形状を示す。図９（ｄ）に、比較例１の孔の断面形状を示す。図９（ｅ）に、比較例２の孔の断面形状を示す。なお、図６と対応する部位については同じ符号で示す。

実施例１の孔４００の断面形状Ａのα／βは２．９、実施例２の孔４００の断面形状Ａのα／βは１．１、実施例３の孔４００の断面形状Ａのα／βは１、比較例１の孔４００の断面形状Ａのα／βは０．９、比較例２の孔４００の断面形状Ａのα／βは０．３である。

図９（ａ）、（ｂ）に示すように、実施例１、２の孔４００の断面形状Ａは、下向きに尖る台形状である。図９（ｃ）に示すように、実施例３の孔４００の断面形状Ａは、長方形状である。図９（ｄ）、（ｅ）に示すように、比較例１、２の孔４００の断面形状Ａは、上向きに尖る台形状である。ただし、各サンプルの上縁ａ、下縁ｂは、各々、弧状を呈している。また、各サンプルの上縁ａは各々、図２に示すショルダー部４０の上縁に相似である。

各サンプルの孔４００の深さ方向は、図５に示す解析モデル９同様に、ショルダー部４０の表面４０Ｆ（図５に太線で示す）の面展開方向に対して、直交する方向である。各サンプルの孔４００の底部は、開口部に相似である。底部の面積は、開口部の面積よりも小さい。断面形状Ａの面積は、孔４００が深くなるのに従って小さくなる。すなわち、孔４００には、金型用の抜き勾配が設定されている。各サンプルの孔４００の深さＬ３、抜き勾配は、統一した。

［実験方法］
次に、実験方法について説明する。実験方法は、上記解析方法と同様である。すなわち、実験においては、各サンプルの前から２番目のピン３の前後両側の一対のジャーナル２の径方向および軸方向の中心Ｃ１ａ、Ｃ１ｂの真下部分を、図５に白抜き矢印Ｙ２ａ、Ｙ２ｂで示すように、回転可能に支持した。そして、図５に白抜き矢印Ｙ１で示すように、ピン３の径方向および軸方向の中心Ｃ２の真上部分から、荷重を印荷した。そして、前記の式（１）、式（２）から、各サンプルの曲げ剛性、曲げ剛性悪化率を算出した。

［実験結果］
次に、実験結果について説明する。図１０に、各サンプルのα／βと曲げ剛性悪化率との関係をグラフで示す。縦軸の「曲げ剛性悪化率」は、比較例２の曲げ剛性悪化率を１００とした場合の、相対値である。具体的には、各サンプルの質量１００ｇあたりの曲げ剛性悪化率を算出し、比較例２の当該曲げ剛性悪化率を１００とし、比較例２以外のサンプルの曲げ剛性悪化率を、当該１００に対する相対値とした。

図１０に示すように、比較例２の曲げ剛性悪化率Ｒを１００とした場合、比較例１の曲げ剛性悪化率Ｒは９２、実施例３の曲げ剛性悪化率Ｒは８８、実施例２の曲げ剛性悪化率Ｒは８７、実施例１の曲げ剛性悪化率Ｒは８４だった。すなわち、比較例１、２よりも、実施例１〜３の方が、曲げ剛性悪化率Ｒが低くなることが判った。比較例１、２よりも、実施例１〜３の方が、曲げ剛性の低下が小さくなることが判った。

１：クランクシャフト、２：ジャーナル、３：ピン、４：アーム、５：油路、９：解析モデル、３０：焼入れ層、４０：ショルダー部、４０Ｆ：表面、４１：カウンターウェイト部、４００：孔、４００ａ：開口部、４００ｂ：底部、４００ｃ：側部、４００ｄ：丸面取り部、Ａ：断面形状、Ｃ１：中心、Ｃ１ａ：中心、Ｃ１ｂ：中心、Ｃ２：中心、Ｄ：下辺、Ｇ：重心、Ｌ１：第一底辺、Ｌ２：第二底辺、Ｌ３：深さ、Ｕ：上辺、Ｚ：変曲点、ａ：上縁、ｂ：下縁、ｃ：側縁、ｄ：丸面取り部、ｚ：変曲点

Claims (4)

1. ジャーナルと、
   前記ジャーナルに対して平行に配置されるピンと、
   前記ジャーナルと前記ピンとの間に介在し、前記ピンに隣接すると共に有底の孔が凹設されるショルダー部を有するアームと、
   を備えるクランクシャフトであって、
   前記ジャーナルの軸方向から見て、前記ジャーナルの中心と前記ピンの中心とを結ぶ方向を上下方向、前記上下方向において前記ジャーナルの中心から前記ピンの中心に向かう方向を上方向、前記上下方向において前記ピンの中心から前記ジャーナルの中心に向かう方向を下方向、前記上下方向に対して直交する方向を横方向とする場合、
   前記孔の深さ方向に対して直交する方向の断面形状には、
   前記断面形状の前記横方向の長さが最長になる第一底辺と、
   前記断面形状の重心を挟んで、前記第一底辺の前記上方向または前記下方向に配置され、前記第一底辺から最も離間した一対の変曲点間を、前記横方向に連結する第二底辺と、
   が設定され、
   前記第一底辺および前記第二底辺のうち、一方を上辺、他方を前記上辺の前記下方向に配置される下辺、前記上辺の長さをα、前記下辺の長さをβとする場合、α／β≧１の関係が成立することを特徴とするクランクシャフト。
2. 前記断面形状の上縁は、曲率中心が前記上縁よりも前記下方向に設定される弧状を呈している請求項１に記載のクランクシャフト。
3. 前記断面形状は、前記深さ方向全長に亘って相似であり、
   前記断面形状の面積は、前記孔が深くなるのに従って小さくなる請求項１または請求項２に記載のクランクシャフト。
4. さらに、前記アームを経由して前記ジャーナルと前記ピンとを連結する油路を備え、
   前記ピンの外周面には、焼入れ層が形成され、
   前記孔は、前記油路および前記焼入れ層に干渉しないように配置される請求項１ないし請求項３のいずれかに記載のクランクシャフト。

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