JP2016142386A - バランサシャフト - Google Patents

Abstract

【課題】エンジンに搭載する際のコンパクト性を確保しつつ、エンジンの振動抑制に十分なアンバランス量を発生させること。
【解決手段】軸方向に対し傾斜した貫通孔１ｂを形成したシャフト部１と、貫通孔１ｂに通した固定部材７によって、この貫通孔１ｂに沿って移動自在にシャフト部１の外周側に取り付けられたアンバランスウェイト２、３と、アンバランスウェイト２、３を貫通孔１ｂに沿って移動させる移動機構４と、を備え、エンジンのクランクシャフトが回転停止又は所定回転数よりも小さい回転数で回転する際には、アンバランスウェイト２、３の重心がシャフト部１の軸心上に位置する一方で、前記クランクシャフトが前記所定回転数よりも大きい回転数で回転する際には、アンバランスウェイト２、３の重心がシャフト部１の軸心から偏心するようにしたバランサシャフトを構成する。
【選択図】図１

Description

この発明は、エンジンのクランクシャフトの回転と同期して回転し、エンジンの振動を抑制するバランサシャフトに関する。

自動車の４気筒エンジン等のエンジンにおいては、ピストン及びコンロッドの往復運動により発生する慣性力及びモーメントに起因して発生する振動（二次振動）を抑制するため、エンジンのクランクシャフトの回転と同期して回転するバランサシャフトを併設することがある。このバランサシャフトは、回転軸に対しウェイトを偏心して設けた構成となっており、具体的には、ピストン及びコンロッドが上死点側に変位したときは、バランサシャフトのウェイトの重心がピストン等の変位とは逆方向に変位して、ピストン等の往復運動により発生する振動を打ち消し合うように作用する。

ピストン等の往復運動により発生する振動は、エンジンの回転数が高いほど顕著になり、その回転数が低いときはそれほど問題にならない。これに対し、バランサシャフトは、エンジンの回転数が高いときの振動の軽減に主眼が置かれており、アンバランス量（ウェイトの重心の偏心量）が大きめに取られていることが多い。このため、回転数が低いときにはそのアンバランス量が過剰となってしまい、バランサシャフトを設けないときと比較して却って振動が大きくなり、燃費の低下等の問題を引き起こす虞がある。

そこで、例えば特許文献１においては、バランサシャフトの内部に、軸の径方向に移動自在にウェイトを設けた構成が開示されている。本文献の図４に示すように、クランクシャフトが停止又は低速回転状態にあるときは、ウェイトがバランサシャフトのほぼ中央部にあって、アンバランス量は小さい。このため、バランサシャフト自体が振動源となることはない。その一方で、本文献の図５に示すように、クランクシャフトが高速回転状態にあるときは、遠心力によって、ウェイトが付勢手段の付勢力に抗して一方向に変位し、アンバランス量が増大する。このように、クランクシャフトの回転数に対応して、アンバランス量を可変としたことにより、低速回転状態においてバランサシャフトに起因する振動を抑制しつつ、高速回転状態においてエンジンの振動をバランサシャフトで確実に打ち消すことができる。

特許第４４２１９５８号公報

特許文献１に係るバランサシャフトは、ウェイトがバランサシャフトの内部に収納された状態となっているため、ウェイトはバランサシャフトの内径の範囲しか変位できない。このため、クランクシャフトの高速回転時において大きな振動が発生する場合、バランサシャフトを拡径してウェイトの変位可能な範囲を拡げる必要があり、エンジンのレイアウト上支障が生じる虞がある。

そこで、この発明は、エンジンに搭載する際のコンパクト性を確保しつつ、エンジンの振動抑制に十分なアンバランス量を発生させることを課題とする。

この課題を解決するために、この発明においては、エンジンのクランクシャフトの回転と同期して回転し、前記エンジンの振動を抑制するバランサシャフトにおいて、軸方向に対し傾斜した貫通孔を形成したシャフト部と、前記貫通孔に通した固定部材によって、この貫通孔に沿って移動自在に前記シャフト部の外周側に取り付けられたアンバランスウェイトと、前記アンバランスウェイトを前記貫通孔に沿って移動させる移動機構と、を備え、前記クランクシャフトが回転停止又は所定回転数よりも小さい回転数で回転する際には、前記アンバランスウェイトの重心が前記シャフト部の軸心上に位置する一方で、前記クランクシャフトが前記所定回転数よりも大きい回転数で回転する際には、前記アンバランスウェイトの重心が前記シャフト部の軸心から偏心するようにしたことを特徴とするバランサシャフトを構成した。

このように、クランクシャフトが回転停止又は所定回転数よりも小さい回転数で回転する際には、アンバランスウェイトの重心をシャフト部の軸心上に位置させることにより、バランサシャフトのアンバランス量をほぼなくすことができ、バランサシャフト自体が振動源となるのを防止することができる。その一方で、クランクシャフトが前記所定回転数よりも大きい回転数で回転する際には、アンバランスウェイトの重心をシャフト部の軸心から偏心させることにより、径方向外側への大きなアンバランス量を発生させることができ、エンジンの振動の抑制を図ることができる。ここでいう軸心上とは、重心と軸心が完全に一致することを要するものではなく、重心が軸心から多少ずれている（クランクシャフトが高回転のときに、重心を意図的に偏心させた場合ほど偏心していない）場合も含まれる。

また、このアンバランスウェイトをシャフト部の外周側に設け、このシャフト部（貫通孔）に沿ってアンバランスウェイトを変位させてアンバランス量を変化させる構成としたことによって、バランサシャフト（シャフト部）自体の外径を大きくする必要がなく、そのコンパクト性を確保することができる。

前記構成においては、前記アンバランスウェイトを、前記シャフト部の軸心に対して対をなすように配置するのが好ましい。

このように、アンバランスウェイトを対で配置すると、シャフト部の軸心に対する対称性が向上して、クランクシャフトが回転停止又は所定回転数よりも小さい回転数で回転する際のバランサシャフトの振動をさらに抑制することができるとともに、アンバランスウェイトの総重量が大きくなることによって、アンバランス量の増大を図ることができる。

前記各構成においては、前記移動機構が、前記シャフト部の軸方向に沿って駆動する駆動軸を備えた直動アクチュエータと、前記駆動軸とともに前記軸方向に移動するストッパと、を備え、前記アンバランスウェイトが、前記ストッパとともに前記軸方向に移動する構成とするのが好ましい。

このように、移動機構によって機械的にアンバランスウェイトを移動させる構成としたことにより、エンジンのクランクシャフトの回転数に対応して直動アクチュエータに動作指示を与えることによって、適切なアンバランス量を発生させることができる。

前記移動機構が、直動アクチュエータとストッパを備える構成においては、前記アンバランスウェイトと前記ストッパとの間に、前記アンバランスウェイトと前記ストッパを軸周りに相対回転自在とする軸受を介在させた構成とするのが好ましい。

このように、軸受を介在させることにより、移動機構とアンバランスウェイトの間の摺動を防止して、バランサシャフトの回転に伴って回転エネルギーの損失が生じるのを防止することができる。

前記各構成においては、前記移動機構の前記軸方向の両側に前記アンバランスウェイトを設けるとともに、両側の前記アンバランスウェイトを互いに連結部材で連結した構成とするのが好ましい。

このように、移動機構の軸方向の両側にアンバランスウェイトを設け、両アンバランスウェイトを連結することにより、この移動機構が両アンバランスウェイトによって挟み込まれた状態となる。このため、移動機構を軸方向に駆動することにより、両アンバランスウェイトを一体に軸方向に移動させることができ、両アンバランスウェイトをスムーズに偏心状態とすることができる。

前記各構成においては、前記移動機構による前記アンバランスウェイトの前記軸方向への移動量が、車両に搭載された電子制御装置によって制御される構成とするのが好ましい。

このように、移動機構による移動量を電子制御装置により制御することにより、エンジンのクランクシャフトの回転数に対応して、シャフト部の回転数を容易に最適な状態とすることができる。

この発明においては、エンジンのクランクシャフトの回転と同期して回転し、前記エンジンの振動を抑制するバランサシャフトにおいて、軸方向に対し傾斜した貫通孔を形成したシャフト部と、前記貫通孔に通した固定部材によって、この貫通孔に沿って移動自在に前記シャフト部の外周側に取り付けられたアンバランスウェイトと、前記アンバランスウェイトを前記貫通孔に沿って移動させる移動機構と、を備え、前記クランクシャフトが回転停止又は所定回転数よりも小さい回転数で回転する際には、前記アンバランスウェイトの重心が前記シャフト部の軸心上に位置する一方で、前記クランクシャフトが前記所定回転数よりも大きい回転数で回転する際には、前記アンバランスウェイトの重心が前記シャフト部の軸心から偏心するようにしたことを特徴とするバランサシャフトを構成した。

このように構成することにより、クランクシャフトが回転停止又は所定回転数よりも小さい回転数で回転する際には、アンバランスウェイトの重心をシャフト部の軸心上に位置させて、バランサシャフトのアンバランス量をほぼなくすことができる。このため、バランサシャフト自体が振動源となるのを防止することができる。

その一方で、クランクシャフトが前記所定回転数よりも大きい回転数で回転する際には、アンバランスウェイトの重心をシャフト部の軸心から偏心させて、アンバランスウェイトの偏心方向に所望の大きさのアンバランス量を発生させることができる。このため、エンジンの振動をバランサシャフトによって確実に抑制することができる。

この発明に係るバランサシャフトの実施形態を示す斜視図（クランクシャフトの停止時又は低速回転時） この発明に係るバランサシャフトの実施形態を示す斜視図（クランクシャフトの高速回転時） 図１に示すバランサシャフトを示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図 図１に示すバランサシャフトの一部を切り欠いた側面図 図１に示すバランサシャフトの図１中のＶ−Ｖ線に沿う断面図 図２に示すバランサシャフトの図２中のＶＩ−ＶＩ線に沿う断面図 図１に示すバランサシャフトの分解斜視図

この発明に係るバランサシャフトの実施形態を図面を用いて説明する。このバランサシャフトは、エンジンのクランクシャフト（図示せず）の回転と同期して回転し、このエンジンの振動を抑制するためのものであり、図１から図７に示すように、一対のシャフト部１、１、アンバランスウェイト２、３、及び移動機構４を主要な構成要素としている。このバランサシャフトは、一般的には、エンジンの下部にこのエンジンと一体に取り付けられている。図１及び図２は、この発明に係るバランサシャフトの斜視図、図３は平面図及び側面図、図４は一部を切り欠いた側面図、図５及び図６は断面図、図７は分解斜視図である。

シャフト部１は、エンジンのクランクシャフトと同期して回転するように、ギア機構（図示せず）を介して連結されている。シャフト部１とクランクシャフトとは、互いに平行に配置されている。シャフト部１の中央部には、対向する二枚の平面によって構成される一定厚さの平坦部１ａが形成されている。この平坦部１ａには、一方の面から他方の面に貫通する四個の貫通孔１ｂが形成されている（図４等参照）。この貫通孔１ｂは、軸方向に対して所定角度傾斜している。シャフト部１の軸方向の両端寄りには支持軸受５、５が設けられ、この支持軸受５によってバランサシャフト全体が支持されている。このシャフト部１の端部近傍にはタイミングギア６が設けられており、一対のシャフト部１、１が同期しつつ、軸周りに互いに逆方向に回転するようになっている。

アンバランスウェイト２、３は、それぞれ二分割された分割ウェイト２ａ、２ｂ、３ａ、３ｂから構成され、各分割ウェイト２ａ、２ｂ、３ａ、３ｂが、シャフト部１の軸心に対してそれぞれ対をなすように配置されている。各分割ウェイト２ａ、２ｂ、３ａ、３ｂは、貫通孔１ｂに通した固定部材７（ボルト及びナット）によって一体とされる（図５等参照）。この固定部材７は、貫通孔１ｂ内をその長さ方向に沿って自在に動くことができるようになっているため、この貫通孔１ｂに沿ってアンバランスウェイト２、３を自在に移動させることができる。このアンバランスウェイト２、３は、後で説明する移動機構４のストッパ９に対して、この移動機構４の軸方向の両側にそれぞれ配置されている。アンバランスウェイト２、３（分割ウェイト２ａ、２ｂ、３ａ、３ｂ）の内面側（平坦部１ａに臨む面側）には軸方向に延びる連結溝２ｃ、３ｃが形成されている（図７参照）。この連結溝２ｃ、３ｃに、軸方向の両側に並べて配置されたアンバランスウェイト２、３の全長に亘る連結部材１０を設け、さらに、固定部材７を連結部材１０にも貫通させて、両アンバランスウェイト２、３をストッパ９とともに、軸方向に一体に移動し得るようにしている。

移動機構４は、アンバランスウェイト２、３を貫通孔１ｂに沿ってシャフト部１の軸方向に移動させるためのものであり、直動アクチュエータ８と、ストッパ９とを備えている。直動アクチュエータ８は、シャフト部１の軸方向に沿って駆動する駆動軸８ａを有する。また、ストッパ９は平板状の部材であって、このストッパ９に形成された固定孔９ａに駆動軸８ａを挿し込むことによって、駆動軸８ａの軸方向への駆動とともに移動するようになっている。このストッパ９には、二個の貫通孔が形成されており、軸受１１が、各貫通孔の内周面とこの軸受１１の外輪１１ａの外径面とが当接するように嵌め込まれている。

この軸受１１の内輪１１ｂの内径面側には、シャフト部１が挿し込まれている。この軸受１１により、ストッパ９に対して、アンバランスウェイト２、３（シャフト部１）が軸周りに相対回転自在となっている。この軸受１１の内輪の軸方向幅は、外輪１１ａ及びストッパ９の軸方向幅よりも大きい（図４参照）。このため、内輪１１ｂと当接するアンバランスウェイト２、３が偏心した際に、外輪１１ａやストッパ９と摺動する虞はない。なお、この直動アクチュエータ８として、電動式、油圧式のいずれのタイプのものも採用することができる。

クランクシャフトが停止状態又は所定回転数よりも小さい回転数で低速回転する際には、図１及び図５に示すように、アンバランスウェイト２、３の重心が、シャフト部１のほぼ軸心上に位置しており、軸周りの重量バランスがちょうど取れた状態となっている。このため、バランサシャフト全体としてのアンバランス量は非常に小さく、バランサシャフト自体の振動を防止することができる。

その一方で、クランクシャフトが所定回転数よりも大きい回転数で高速回転する際には、図１の状態から直動アクチュエータ８を駆動して駆動軸８ａを突出させると、この駆動軸８ａとともにストッパ９がその突出方向に移動する。すると、アンバランスウェイト２、３がストッパ９の移動方向と同方向に移動する。このアンバランスウェイト２、３は、傾斜した貫通孔１ｂによって案内され、軸方向への移動に伴ってシャフト部１の径方向にも移動する（図３（ｂ）中の矢印参照）。この径方向への移動によって、図２及び図６に示すように、アンバランスウェイト２、３の重心がシャフト部１の軸心から偏心した状態となる。このように、アンバランスウェイト２、３をシャフト部１の軸心から偏心させることにより、その偏心方向にアンバランス量が生じる。このため、エンジンの振動をバランサシャフトによって確実に抑制することができる。

最大アンバランス量は、アンバランスウェイト２、３の大きさや形状を変更したり、貫通孔１ｂの長さをさらに長くしてアンバランスウェイト２、３の偏心量を大きくしたりすることによって、適宜変更することができる。この場合、アンバランスウェイト２、３がシャフト部１の外周側に設けられていることから、シャフト部１の外径を変更する必要はなく、各分割ウェイト２ａ、２ｂ、３ａ、３ｂの可動範囲のスペースさえ確保すればよい。このため、バランサシャフト全体としてのコンパクト性を確保することができる。

アンバランスウェイト２、３を偏心させる際の所定回転数は、例えばエンジンの振動が問題となり始めるときのクランクシャフトの回転数とするのが好ましい。この所定回転数よりも低速回転領域で、バランサシャフトのアンバランス量を非常に小さくし、バランサシャフト自体の振動を防止するとともに、高速回転領域で、バランサシャフトの機能を発揮させて、このバランサシャフトによるエンジンの振動を確実に抑制することができるためである。

上述したように、クランクシャフトとシャフト部１は、同期して回転するように構成されており、４気筒エンジンの場合、クランクシャフトとシャフト部１の回転比は、１：２に設定され、クランクシャフトが１回転する間にシャフト部１は２回転するようになっている。その理由は次の通りである。すなわち、４気筒エンジンは、４本のピストンがコンロッドによって往復動されるが、この４本のピストンのうち、２本ずつ互いに１８０度位相がずれた状態で駆動される。つまり、２本のピストンが上死点にあるときは、残りの２本のピストンは下死点にある。そして、クランクシャフトが半回転すると各ピストンの上死点と下死点の位置がそれぞれ入れ替わる。

このピストンの往復動においては、上死点にピストンが到達したときに特に大きな振動が発生することが分かっている。４気筒エンジンでは、クランクシャフトが１回転する間に、ピストンが上死点に到達するタイミングが２回あるため、クランクシャフトが１回転する間にシャフト部１を２回転させ、ピストンが上死点に到達するタイミングで、バランサシャフトの重心をそれと反対側に移動させて同期をとることによって、ピストンが上死点に到達した際の振動を抑制している。

このバランサシャフトによる振動抑制作用は、４気筒エンジンやＶ８エンジンでその効果が顕著に現れるが、他のエンジンに対して採用することもできる。その際、各ピストンの往復動の位相ずれに対応して、クランクシャフトとシャフト部１の回転比は適宜変更される。

上記各実施形態に係るバランサシャフトはあくまでも一例であって、エンジンに搭載する際のコンパクト性を確保しつつ、エンジンの振動抑制に十分なアンバランス量を発生させる、という本願発明の課題を解決し得る限りにおいて、シャフト部１の形状、アンバランスウェイト２、３の形状、アンバランスウェイト２、３の移動機構４、シャフト部１に形成する貫通孔１ｂの形状等を適宜変更することができる。

１ シャフト部
１ａ 平坦部
１ｂ 貫通孔
２、３ アンバランスウェイト
２ａ、２ｂ、３ａ、３ｂ 分割ウェイト
２ｃ、３ｃ 連結溝
４ 移動機構
５ 支持軸受
６ タイミングギア
７ 固定部材
８ 直動アクチュエータ
８ａ 駆動軸
９ ストッパ
１０ 連結部材
１１ 軸受
１１ａ 外輪
１１ｂ 内輪

Claims (6)

1. エンジンのクランクシャフトの回転と同期して回転し、前記エンジンの振動を抑制するバランサシャフトにおいて、
   軸方向に対し傾斜した貫通孔（１ｂ）を形成したシャフト部（１）と、
   前記貫通孔（１ｂ）に通した固定部材（７）によって、この貫通孔（１ｂ）に沿って移動自在に前記シャフト部（１）の外周側に取り付けられたアンバランスウェイト（２）と、
   前記アンバランスウェイト（２）を前記貫通孔（１ｂ）に沿って移動させる移動機構（４）と、
   を備え、前記クランクシャフトが回転停止又は所定回転数よりも小さい回転数で回転する際には、前記アンバランスウェイト（２）の重心が前記シャフト部（１）の軸心上に位置する一方で、前記クランクシャフトが前記所定回転数よりも大きい回転数で回転する際には、前記アンバランスウェイト（２）の重心が前記シャフト部（１）の軸心から偏心するようにしたことを特徴とするバランサシャフト。
2. 前記アンバランスウェイト（２）を、前記シャフト部（１）の軸心に対して対をなすように配置したことを特徴とする請求項１に記載のバランサシャフト。
3. 前記移動機構（４）が、前記シャフト部（１）の軸方向に沿って駆動する駆動軸（８ａ）を備えた直動アクチュエータ（８）と、前記駆動軸（８ａ）とともに前記軸方向に移動するストッパ（９）と、を備え、前記アンバランスウェイト（２）が、前記ストッパ（９）とともに前記軸方向に移動することを特徴とする請求項１又は２に記載のバランサシャフト。
4. 前記アンバランスウェイト（２）と前記ストッパ（９）との間に、前記アンバランスウェイト（２）と前記ストッパ（９）を軸周りに相対回転自在とする軸受（１１）を介在させたことを特徴とする請求項３に記載のバランサシャフト。
5. 前記移動機構（４）の前記軸方向の両側に前記アンバランスウェイト（２、３）を設けるとともに、両側の前記アンバランスウェイト（２、３）を互いに連結部材（１０）で連結したことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のバランサシャフト。
6. 前記移動機構（４）による前記アンバランスウェイト（２）の前記軸方向への移動量が、車両に搭載された電子制御装置によって制御されることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載のバランサシャフト。

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