JP2016161293A - クランクシャフトの特性試験装置 - Google Patents

Abstract

【課題】試験時の作業性が良く、精度の高い試験結果を得ることができるクランクシャフトの特性試験装置を提供する。【解決手段】少なくとも一端を開放端１１ｏとしたシリンダ１１を有するシリンダブロック１０と、シリンダ１１内で往復運動を行うピストン２０と、ピストン２０の往復運動に伴いコンロッド３０を介して回転するクランクシャフト４０を回転自在に支持する軸受部５０と、シリンダ１１の開放端１１ｏからピストン２０を周期的に加圧する加圧機構１００と、を備える。加圧機構１００によって、エンジンの駆動時における燃焼室内での爆発に伴いピストン２０が受ける荷重を模擬できるため、クランクシャフト４０に実際に生じ得る現象を再現でき、クランクシャフト４０の特性試験の測定精度が高い。【選択図】図２

Description

本発明は、ピストンの往復運動に伴い回転運動を行うクランクシャフトの特性試験装置に関する。

エンジンは、シリンダブロックの内側にクランクシャフトを収容しており、ピストンの往復運動に伴ってクランクシャフトが回転運動するようになっている。クランクシャフトは、コンロッドを介してピストンと連結されているため、エンジンの駆動時における燃焼室内での爆発によってピストンが受ける衝撃はクランクシャフトにまで作用することになる。クランクシャフトに衝撃が加わると、クランクシャフトが変形するなどの不具合が生じる虞があるため、クランクシャフトの強度や耐久性などの特性を確認する試験が行われている。特許文献１には、クランクシャフトを支持する軸受部の強度や耐久性を確認する試験装置が開示されている。

特開平１１−３１６１７４号公報

特許文献１の試験装置では、一対の加振板の間にシリンダブロックを固定して、両加振板を振動させることで、シリンダブロックとシャフト部材（クランクシャフト）とを相対的に振動させ、軸受部に所定の荷重を加えている。そのため、特許文献１の試験装置では、燃焼室内での爆発に伴いクランクシャフトに作用する衝撃という実際に生じる現象を模擬できておらず、試験による測定精度が低い。試験対象であるクランクシャフトなどを実際にエンジンに組み込んで試験を行うこともできるが、この場合、エンジンへの組み込み作業に手間がかかる。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであって、その目的の一つは、試験時の作業性が良く、精度の高い試験結果を得ることができるクランクシャフトの特性試験装置を提供することにある。

本発明のクランクシャフトの特性試験装置は、少なくとも一端を開放端としたシリンダを有するシリンダブロックと、前記シリンダ内で往復運動を行うピストンと、前記ピストンの往復運動に伴いコンロッドを介して回転するクランクシャフトを回転自在に支持する軸受部と、前記シリンダの開放端から前記ピストンを周期的に加圧する加圧機構と、を備える。

上記クランクシャフトの特性試験装置は、シリンダの開放端からのピストンへの加圧によって、エンジンの駆動時における燃焼室内での爆発に伴いピストンが受ける荷重を模擬できるため、燃焼室内での爆発によってコンロッドを介してクランクシャフトが受ける荷重を再現できる。よって、爆発に伴ってクランクシャフトに実際に生じ得る現象を精度良く再現でき、クランクシャフトの特性試験の測定精度を向上できる。上記クランクシャフトの特性試験装置は、シリンダの開放端からピストンを周期的に加圧する加圧機構を備えることで、実際にエンジンにクランクシャフトを組み込んで試験を行わなくとも、実際のエンジンの駆動時（爆発時）にクランクシャフトに生じ得る現象を再現できるため、構造が簡易であり、試験時の作業性に優れる。

実施形態１に係るクランクシャフトの特性試験装置を示す概略側断面図である。 実施形態１に係るクランクシャフトの特性試験装置を示す概略上断面図である。 実施形態２に係るクランクシャフトの特性試験装置を示す概略側断面図である。 実施形態２に係るクランクシャフトの特性試験装置を示す概略上断面図である。

以下、図面を参照して、本発明のクランクシャフトの特性試験装置を具体的に説明する。図中、同一符号は同一名称物を示す。

≪実施形態１≫
・全体構成
実施形態１のクランクシャフトの特性試験装置１Ａは、図１，２に示すように、一端を開放端１１ｏとしたシリンダ１１を有するシリンダブロック１０と、シリンダ１１内で往復運動を行うピストン２０と、ピストン２０の往復運動に伴いコンロッド３０を介して回転するクランクシャフト４０を回転自在に支持する軸受部５０と、シリンダ１１の開放端１１ｏからピストン２０を周期的に加圧する加圧機構１００と、を備える。本実施形態１のクランクシャフトの特性試験装置１Ａの主たる特徴とするところは、加圧機構１００によって、エンジンの駆動時における燃焼室内での爆発に伴いピストン２０が受ける荷重を模擬することにある。この爆発に伴ってコンロッド３０を介してクランクシャフト４０が受ける荷重を再現し、クランクシャフト４０に実際に生じ得る現象を再現した上で、クランクシャフト４０の特性試験を行う。以下、構成要素ごとに詳細に説明する。

・シリンダブロック
シリンダブロック１０は、シリンダ１１を有し、ピストン２０やコンロッド３０、クランクシャフト４０などを収容する。ここでは、シリンダブロック１０は、図２に示すように、三つのシリンダ１１，…を有する。シリンダブロック１０は、一端側（エンジンにおいてシリンダヘッドが配置される側）には何も配置されず、シリンダ１１，…の一端を開放端としており、他端側にはクランクシャフト４０を支持する軸受部５０（詳細は後述する）が取り付けられている。シリンダブロック１０には、所定の仕様を満たすことが確認されている量産品などを利用することができる。

・ピストン、コンロッド、クランクシャフト
ピストン２０は、シリンダ１１内で往復運動を行い、コンロッド３０は、ピストン２０とクランクシャフト４０とを連結し、ピストン２０の往復運動とクランクシャフト４０の回転運動とを伝動する。ピストン２０やコンロッド３０には、所定の仕様を満たすことが確認されている基準品（例えば量産品）を利用することができる。

クランクシャフト４０は、レシプロエンジンでピストン２０の往復運動を回転運動に変える軸であり、シリンダブロック１０に支持される主軸であるクランクジャーナルと、コンロッド３０が取り付けられるクランクピン及びクランクアームと、コンロッド３０などと重量バランスをとるためのカウンターウエイトと、を備える。クランクシャフト４０は、エンジンの主柱ともいえる部品であり、一般に、炭素鋼や特殊鋼などで作られる鍛造品である。クランクシャフト４０の形状は、シリンダ１１の配列、シリンダ１１数、振動などを考慮して決められる。クランクシャフト４０は、本実施形態１の試験装置１Ａにおける試験対象であり、所定の仕様を満たす基準品と基本仕様が共通するものを用いる。ここで、「基本仕様が共通する」とは、基準品と仕様が同一である場合は勿論、特定の仕様が異なる場合を含む。「特定の仕様」とは、クランクシャフト４０の特性に影響を及ぼすことが予想される仕様のことである。特定の仕様の具体例には、クランクジャーナル、クランクピン、クランクアーム、カウンターウエイトの形状・寸法・材質などが挙げられる。

・軸受部
軸受部５０は、クランクシャフト４０を回転自在に支持する部材である。軸受部５０は、クランクシャフト４０のクランクジャーナルを支持するように形成されている。シリンダブロック１０の他端側にクランクシャフト４０を格納するクランクケース（図示せず）を取り付けて、このクランクケースに形成された軸受構造を軸受部５０として利用してもよい。軸受部５０は、例えば、シリンダブロック１０とクランクケースとを分離することで、クランクシャフト４０を着脱可能な構成となっている。

・加圧機構
加圧機構１００は、エンジンの駆動時における燃焼室内での爆発によってピストン２０に作用する荷重を発生させ、この荷重でピストン２０を周期的に加圧する機構である。加圧機構１００として、上記爆発と同等の荷重を発生させ、この荷重でピストン２０に周期的に衝撃を加える形態が挙げられる。ここでは、回転運動によってエンジンの駆動時（爆発時）と同等の荷重を発生させ、この回転を利用してピストン２０を打撃する打撃機構の例を説明する。加圧機構（打撃機構）１００は、回転軸１２０に軸支されて回転する回転部材１１０と、回転部材１１０（回転軸１２０）を回転する回転モータ１３０と、回転部材１１０のトルクを測定するトルクメータ１４０と、回転部材１１０の回転に伴い往復運動する往復部材１５０と、を備える。往復部材１５０は、ピストン２０を打撃する打撃部１５０ｐを備える。

回転部材１１０は、回転軸１２０から外方に突出した棒状であり、ピストン２０の個数分（ここでは三つ）が回転軸１２０の軸方向に沿って並列して配置されている（図２を参照）。三つの回転部材１１０，…は、三つのピストン２０，…の各往復形態に対応して配置されている。回転部材１１０は、上記爆発と同等の荷重で相手部材を打撃するため、強度に優れる材料（例えば鋼材など）によって構成されていることが好ましい。回転モータ１３０は、回転部材１１０に上記爆発と同等の荷重を付与できる程度の推力を有するモータが好ましい。

往復部材１５０は、回転部材１１０の回転に伴い往復運動し、回転部材１１０からの打撃をピストン２０への打撃とする介在部材である。往復部材１５０は、一端側に上記回転部材１１０により打撃される被打撃部１５０ｑと、他端側にピストン２０を打撃する打撃部１５０ｐと、往復部材１５０を回転部材１１０側に付勢するスプリング１５１と、を備える。往復部材１５０は、被打撃部１５０ｑが回転部材１１０の打撃面の外縁側近傍において回転部材１１０に直交状態で打撃されるように配置される（図１を参照）。そして、往復部材１５０は、被打撃部１５０ｑが回転部材１１０に直交状態で接触しているとき、打撃部１５０ｐが上死点近傍に位置するピストン２０に接触するような長さを有する。つまり、本実施形態１の試験装置１Ａでは、ピストン２０が上死点近傍に位置するときにピストン２０を打撃することで、上記爆発に伴いピストン２０が受ける衝撃を模擬している。ここで、「上死点近傍」とは、ピストンが上死点に位置するときや、ピストンが上死点に到達後、下死点に向かって下降し始めた瞬間の位置のことを言う。

往復部材１５０は、スプリング１５１によって回転部材１１０側に付勢されている。よって、往復部材１５０は、回転部材１１０によって被打撃部１５０ｑが打撃されてピストン２０側に向かって進行し、打撃部１５０ｐでピストン２０を打撃すると、その後すぐに回転部材１１０側に戻る。そして、往復部材１５０は、回転部材１１０の回転に伴い被打撃部１５０ｑが再度打撃されて、打撃部１５０ｐでピストン２０を打撃する、…を繰り返す。そのため、ピストン２０への打撃は周期的に行われる。往復部材１５０は、例えばボールガイドブッシュなどで往復運動可能に支持される。

ピストン２０は、往復部材１５０の打撃部１５０ｐで打撃されると、上死点近傍から下死点に向かって下降し、下死点に到達すると、また上死点に向かって上昇する。そして、上死点近傍で往復部材１５０の打撃部１５０ｐで再度打撃されて、下死点に向かって下降する、…を繰り返す。ピストン２０には、コンロッド３０を介してクランクシャフト４０が連結されているため、このピストン２０の往復運動に伴い、クランクシャフト４０は回転運動を行う。つまり、クランクシャフト４０の回転は、打撃機構１００によるピストン２０への打撃によって行われていることになる。そのため、ここでは、クランクシャフト４０を回転させるアクチュエータなどは設けていない。

クランクシャフト４０は、コンロッド３０を介してピストン２０と連結されているため、ピストン２０が受けた打撃機構１００による上記爆発と同等の荷重は、クランクシャフト４０にまで作用することになる。つまり、本実施形態１の試験装置１Ａによれば、実際のエンジンの駆動時における燃焼室内での爆発によってクランクシャフトに作用する実際の衝撃を再現でき、その爆発によってクランクシャフトに生じ得る現象を再現できる。

・測定機構
測定機構１９０は、上記打撃機構１００によりピストン２０を介してクランクシャフト４０に作用する衝撃によって、クランクシャフト４０に生じ得る現象を測定する。ここでは、クランクシャフトの変形の有無の判定として回転抵抗を測定する例を説明する。測定機構１９０は、クランクシャフト４０の回転のトルクを測定するトルクメータ１９１を備える。また、クランクシャフト４０をその回転と逆方向に回転させ、クランクシャフト４０の回転にブレーキをかける出力用モータ１９２を備える。クランクシャフト４０の回転にブレーキをかけながらトルクメータ１９１で測定することで、クランクシャフト４０の空回転を阻止でき、正確な測定結果を得易い。

クランクシャフト４０の変形の有無の判定は、通常時のクランクシャフトの回転トルクに対する比較で行うことができる。この通常時のクランクシャフトの回転トルクの測定は、所定の仕様を満たすクランクシャフト（基準品）を用いて、ピストンを打撃せずに例えば出力用モータ１９２でクランクシャフトを回転させた状態で行う。この通常時のクランクシャフトの回転トルクは、一般的に、周期的な正弦波となる。クランクシャフト４０に変形が生じた場合、回転抵抗が大きくなるため、損失が生じる。この損失によって、通常時の回転トルクにおける周期的な正弦波に対して例えば山高さが変化し（山高さが大きくなったり小さくなったりする）、きれいな正弦波とならない。よって、本実施形態１の試験装置１Ａ（爆発を模擬する）によって測定されたクランクシャフト４０の回転トルクのデータを、通常時（爆発を模擬しない）のクランクシャフトの回転トルクのデータと比較すると、その差によってクランクシャフト４０の変形の有無が判定できる。また、上記データの差が、クランクシャフト４０の変形によって生じた損失であり、その変形度合いも分かる。つまり、上記データの差が小さいほど、基準品に近い特性を有すると判断できる。

・その他
上記のクランクシャフトの特性試験装置１Ａは、シリンダ１１とピストン２０との間に潤滑油を噴射する機構を備えることで、両者の焼付きを防止することができる。また、シリンダブロック１０の外周面を、実際のエンジンの駆動時と同等の温度の保温液で保温する機構を備えることで、実際のエンジンの駆動時の再現性が高く、精度の高い試験結果を得ることができる。

上記のクランクシャフトの特性試験装置１Ａは、シリンダブロック１０や、打撃機構１００、測定装置１９０などの構成部材が、適宜固定部材１００ｆによって固定されている。

・効果
本実施形態１のクランクシャフトの特性試験装置１Ａは、シリンダ１１の開放端１１ｏからのピストン２０への加圧によって、エンジンの駆動時における燃焼室内での爆発に伴いピストン２０が受ける荷重を模擬できるため、燃焼室内での爆発によってコンロッド３０を介してクランクシャフト４０が受ける荷重を再現できる。よって、爆発に伴う衝撃によってクランクシャフト４０に実際に生じ得る現象を精度良く再現でき、クランクシャフト４０の特性試験の測定精度を向上できる。

特に、本実施形態１のクランクシャフトの特性試験１Ａは、加圧機構１００として、エンジンの爆発と同等の荷重を発生させ、この荷重でピストン２０に周期的に衝撃を加える打撃機構を用いており、爆発に伴う衝撃によってクランクシャフト４０に実際に生じ得る現象をさらに精度良く再現できる。

本実施形態１のクランクシャフトの特性試験装置１Ａは、シリンダ１１の開放端１１ｏからピストン２０を周期的に加圧する加圧機構１００を備えることで、実際にエンジンにクランクシャフトを組み込んで試験を行わなくとも、実際のエンジンの駆動時（爆発時）にクランクシャフトに生じ得る現象を再現できるため、構造が簡易であり、試験時の作業性に優れる。

≪実施形態２≫
実施形態２では、図３，４に示すように、加圧機構として、直線運動によってエンジンの駆動時（爆発時）と同等の荷重を発生させ、この直線運動を利用してピストンを周期的に打撃する別の打撃機構の例を説明する。加圧機構（打撃機構）２００は、二次コイル２２２を備える固定子と、一次コイル２２１を備える可動子２１０と、可動子２１０の位置を測定するリニアエンコーダ２５０と、を備える。可動子２１０は、リニアガイド２４０に滑動自在に支持される。そして、可動子２１０の先端部には、ピストン２０を打撃する打撃部２３０を備える。また、本実施形態２では、測定機構として、クランクシャフトの変形の有無の判定としてその回転の動き（回転量や回転角度など）を測定する例を説明する。測定機構２９０は、クランクシャフト４０の回転数（回転速度）を測定する回転エンコーダ２９１を備える。また、実施形態１と同様に、クランクシャフト４０をその回転と逆方向に回転させ、クランクシャフト４０の回転にブレーキをかける出力用モータ２９２を備える。実施形態２のクランクシャフトの特性試験装置１Ｂは、その他の構成（シリンダブロック１０、ピストン２０、コンロッド３０、クランクシャフト４０、軸受部５０など）については、実施形態１と同様である。

打撃機構２００は、ピストン２０の個数分（ここでは三つ）が並列されており、各ピストン２０に対応してそれぞれピストン２０を周期的に打撃する。つまり、各打撃機構２００は、各ピストン２０の各往復形態に対応してそれぞれ制御される。各打撃機構２００は、全て同じ構成であるため、図３，４では、一つの打撃機構２００についてのみ図示している。

可動子２１０は、一次コイル２２１及び二次コイル２２２の通電によって固定子に対して駆動され、高速往復運動を行う。固定子は、間隔を有して対向配置される一対の平板状部材で、各平板状部材に二次コイル２２２を備える。可動子は、固定子を構成する両平板状部材の間に配置される断面が矩形の角柱部材で、二次コイル２２２に対向する面に一次コイル２２１を備える。一次コイル２２１及び二次コイル２２２は、可動子２１０に上記爆発と同等の荷重の推力を付与できるものが好ましい。打撃部２３０は、可動子２１０が原点位置からピストン２０側に最も動いた位置において、その位置から上死点近傍に位置するピストン２０に接触するような長さを有する。つまり、本実施形態２の試験装置１Ｂでも、ピストン２０が上死点近傍に位置するときにピストン２０を打撃することで、上記爆発に伴いピストン２０が受ける衝撃を模擬している。可動子２１０は高速往復運動を行うため、可動子２１０の先端部に備わる打撃部２３０によって、ピストン２０を瞬間的に周期的に打撃することができる。本例では、可動子・固定子を備えるリニアガイドに、リニアモータを用いた公知のＬＭガイドを利用している。

打撃機構２００は、各ピストン２０の各往復形態に対応して、ピストン２０がそれぞれ上死点近傍に位置するごとに打撃部２３０でピストン２０を打撃するように制御を行う。よって、本実施形態２の試験装置１Ｂにおいても、ピストン２０が上死点近傍に位置する度にピストン２０を衝撃部２３０で打撃することで、コンロッド３０を介してクランクシャフト４０の回転を行っている。そのため、ここでは、クランクシャフト４０を回転させるアクチュエータなどは設けていない。

クランクシャフト４０は、コンロッド３０を介してピストン２０と連結されているため、ピストン２０が受けた打撃機構２００による上記爆発と同等の荷重は、クランクシャフト４０にまで作用することになる。よって、本実施形態２の試験装置１Ｂにおいても、実際のエンジンの駆動時における燃焼室内での爆発によってクランクシャフトに作用する実際の衝撃を再現でき、その爆発によってクランクシャフトに生じ得る現象を再現できる。

クランクシャフト４０の変形の有無の判定は、通常時のクランクシャフトの回転の動きに対する比較で行うことができる。この通常時のクランクシャフトの回転の動きの測定は、所定の仕様を満たすクランクシャフト（基準品）を用いて、ピストンを打撃せずに例えば出力用モータでクランクシャフトを回転させて回転エンコーダで測定する。そして、本実施形態２の試験装置１Ｂ（爆発を模擬する）によって測定されたクランクシャフト４０の回転エンコーダ２９１による測定結果を、通常時（爆発を模擬しない）のクランクシャフトの回転エンコーダによる測定結果と比較し、その結果の差によってクランクシャフト４０の変形の有無を判定する。クランクシャフト４０に変形が生じた場合、回転抵抗が大きくなり、損失が生じるため、クランクシャフト４０の回転速度が通常時よりも遅くなる。より具体的には、ピストン２０の特定の移動範囲に対応するクランクシャフト４０の回転速度が変化するため、単位回転角ごとのクランクシャフト４０の周速などを基準品と対比すればよい。この回転速度の変化によって、上記変形の有無を判定することが挙げられる。上記結果の差が、クランクシャフト４０の変形によって生じた損失であり、その変形度合いも分かる。

本実施形態２の試験装置１Ｂは、打撃機構２００として、直線運動によってエンジンの駆動時（爆発時）と同等の荷重を発生させており、この直線運動を利用してピストン２０を周期的に打撃するため、構造が簡易である。

≪その他≫
上記の実施形態１，２では、クランクシャフト４０の回転は、加圧機構１００，２００によるピストン２０への加圧によってコンロッド３０を介して行う形態を説明したが、クランクシャフトを回転する回転機構を備え、加圧機構によるピストンへの打撃とは別にクランクシャフトを回転させることもできる。この場合、クランクシャフトの回転に伴いコンロッドを介してピストンが往復運動することになるため、加圧機構は、ピストンが上死点近傍の位置となったときに、ピストンを加圧する。

上記の実施形態１，２では、測定機構１９０，２９０によりクランクシャフト４０の回転抵抗や回転の動きを測定し、クランクシャフト４０の変形の有無を検査する試験の形態を説明したが、爆発による衝撃によって影響され得るクランクシャフトのいずれの特性の試験を行うこともできる。例えば、クランクシャフトの耐久試験や、応力の掛かり方などを試験することができる。また、クランクシャフトを支持する軸受部の耐久性や摩耗度、強度なども試験することができる。さらに、上記爆発に伴ってクランクシャフトの回転に影響を及ぼす部材（コンロッドなど）の特性試験も期待できる。

本発明のクランクシャフトの特性試験装置は、クランクシャフトやクランクシャフトの回転に影響を及ぼす部材の特性試験に好適に利用できる。特に、エンジンの駆動時（爆発時）の衝撃に伴うクランクシャフトへの影響によるクランクシャフトの特性試験に好適に利用できる。

１Ａ，１Ｂ クランクシャフトの特性試験装置
１０ シリンダブロック １１ シリンダ １１ｏ 開放端
２０ ピストン ３０ コンロッド ４０ クランクシャフト ５０ 軸受部
１００ 加圧機構（打撃機構）
１１０ 回転部材 １２０ 回転軸 １３０ 回転モータ
１４０ トルクメータ
１５０ 往復部材 １５０ｐ 打撃部 １５０ｑ 被打撃部
１５１ スプリング
１００ｆ 固定部材
１９０ 測定機構 １９１ トルクメータ １９２ 出力用モータ
２００ 加圧機構（打撃機構）
２１０ 可動子 ２２１ 一次コイル ２２２ 二次コイル
２３０ 打撃部
２４０ リニアガイド ２５０ リニアエンコーダ
２９０ 測定機構 ２９１ 回転エンコーダ ２９２ 出力用モータ

Claims (1)

1. 少なくとも一端を開放端としたシリンダを有するシリンダブロックと、
   前記シリンダ内で往復運動を行うピストンと、
   前記ピストンの往復運動に伴いコンロッドを介して回転するクランクシャフトを回転自在に支持する軸受部と、
   前記シリンダの開放端から前記ピストンを周期的に加圧する加圧機構と、を備えるクランクシャフトの特性試験装置。

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