JP2017025828A

JP2017025828A - エンジン

Info

Publication number: JP2017025828A
Application number: JP2015146366A
Authority: JP
Inventors: 淳太佐藤; Junta Sato
Original assignee: Fuji Heavy Industries Ltd
Current assignee: Subaru Corp
Priority date: 2015-07-24
Filing date: 2015-07-24
Publication date: 2017-02-02
Anticipated expiration: 2035-07-24
Also published as: JP6510924B2

Abstract

【課題】エンジンの耐久性を向上させる。【解決手段】シリンダボア１７に収容されるピストンと、ピストンに連接棒を介して連結されるクランク軸１３と、を備えるエンジンであって、クランク軸１３のクランクジャーナルＪ４を回転自在に支持する凹部を備える支持壁１５と、支持壁１５に対向して設けられ、クランクジャーナルＪ４を回転自在に支持する凹部を備える支持壁１８と、支持壁１５と支持壁１８との少なくともいずれか一方の内部に設けられ、支持壁１５または支持壁１８に圧縮荷重を与える荷重付与ボルト３２，３３と、を有し、荷重付与ボルト３２，３３は、クランクジャーナルＪ４の中心軸線ＣＬ１とシリンダボア１７の中心軸線ＣＬ２とを含む仮想面Ｘ１と交差する。【選択図】図３

Description

本発明は、クランク軸を備えるエンジンに関する。

自動車等に搭載されるエンジンにおいては、重量を低減する観点から、アルミニウム合金など軽合金製のシリンダブロックを採用することが多い。ところで、エンジンには、重量低減が求められるだけでなく、エンジン出力を向上させることも求められている。しかしながら、エンジン出力を向上させることは、クランク軸からシリンダブロックへの入力荷重を増大させる要因であるため、シリンダブロックの軸受部の耐久性を向上させることが必要となっていた。そこで、シリンダブロックの軸受部に鋳鉄製の補強板を鋳込むことにより、軸受部の耐久性を向上させるようにした技術が提案されている（特許文献１参照）。

特開２０１０−１２１５８１号公報

しかしながら、シリンダブロックに鋳鉄製の補強板を鋳込むことは、エンジンの重量を増加させる要因や、エンジンの製造コストを増加させる要因となっていた。このため、他の構造を用いて軸受部の耐久性を向上させることにより、エンジンの耐久性を向上させることが求められている。

本発明の目的は、エンジンの耐久性を向上させることにある。

本発明のエンジンは、シリンダボアに収容されるピストンと、前記ピストンに連接棒を介して連結されるクランク軸と、を備えるエンジンであって、前記クランク軸のジャーナルを回転自在に支持する凹部を備える第１支持部材と、前記第１支持部材に対向して設けられ、前記ジャーナルを回転自在に支持する凹部を備える第２支持部材と、前記第１支持部材と前記第２支持部材との少なくともいずれか一方の内部に設けられ、前記第１または第２支持部材に圧縮荷重を与えるボルト部材と、を有し、前記ボルト部材は、前記ジャーナルの中心軸線と前記シリンダボアの中心軸線とを含む仮想面、または、前記ジャーナルの中心軸線を含みかつ前記シリンダボアの中心軸線に平行である仮想面と交差する。

本発明によれば、第１支持部材と第２支持部材との少なくともいずれか一方に、圧縮荷重を与えるボルト部材を設けるようにしたので、支持部材に作用する引張応力を低減することができ、支持部材の疲労強度を上げることができる。これにより、エンジンの耐久性を向上させることができる。

本発明の一実施の形態であるエンジンの概要を示す概略図である。シリンダブロックおよびクランク軸を単体で示したエンジンの分解図である。図１のＡ−Ａ線に沿う断面図である。（ａ）および（ｂ）は、支持壁に対する荷重の作用状況を概略的に示す説明図である。荷重付与ボルトによる支持壁の疲労強度の変化を示すイメージ図である。荷重付与ボルトの取付位置を示す説明図である。（ａ）および（ｂ）は、支持壁の製造工程の一例を示す説明図である。（ａ）および（ｂ）は、本発明の他の実施の形態であるエンジンが備えるクランクジャーナルの支持構造を示す概略図である。本発明の他の実施の形態であるエンジンが備えるクランクジャーナルの支持構造を示す概略図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１は本発明の一実施の形態であるエンジン１０の概要を示す概略図である。なお、図１に示されるエンジン１０は、水平対向型の４気筒エンジンである。また、図１にはシリンダヘッド等を省略したエンジンが示されている。図１に示すように、エンジン１０は、一方のシリンダバンクを構成するシリンダブロック１１と、他方のシリンダバンクを構成するシリンダブロック１２と、一対のシリンダブロック１１，１２に支持されるクランク軸１３と、を有している。

図２はシリンダブロック１１，１２およびクランク軸１３を単体で示したエンジン１０の分解図である。図２に示すように、一方のシリンダブロック１１には、２つのシリンダボア１４が形成されており、５つの支持壁（第１支持部材）１５が形成されている。また、各支持壁１５には、半円状のジャーナルボア（凹部）１６が形成されている。同様に、他方のシリンダブロック１２には、２つのシリンダボア１７が形成されており、５つの支持壁（第２支持部材）１８が形成されている。また、各支持壁１８には、半円状のジャーナルボア（凹部）１９が形成されている。なお、シリンダブロック１１，１２のシリンダボア１４，１７には、ピストン２０が往復動自在に収容されている。

クランク軸１３は、回転中心に設けられる複数のクランクジャーナル（ジャーナル）Ｊ１〜Ｊ５と、クランクジャーナルＪ１〜Ｊ５を連結する複数のクランクスローＴ１〜Ｔ４と、を備えている。また、クランクスローＴ１〜Ｔ４には、回転中心から偏心するクランクピンＰ１〜Ｐ４が設けられており、クランクジャーナルＪ１〜Ｊ５およびクランクピンＰ１〜Ｐ４を連結するクランクアーム２１が設けられている。また、図１に示すように、クランクジャーナルＪ１〜Ｊ５は、シリンダブロック１１，１２のジャーナルボア１６，１９に回転自在に支持されている。さらに、クランクピンＰ１〜Ｐ４には、コネクティングロッド（連接棒）２２を介してピストン２０が連結されている。

［クランクジャーナルの支持構造］
続いて、シリンダブロック１１，１２によるクランクジャーナルＪ１〜Ｊ５の支持構造について説明する。以下の説明では、クランクジャーナルＪ４の支持構造を例に挙げて説明するが、他のクランクジャーナルＪ１〜Ｊ３，Ｊ５の支持構造についても、クランクジャーナルＪ４と同様の支持構造を備えている。

図３は図１のＡ−Ａ線に沿う断面図である。なお、図３には、上死点に位置するクランクピンＰ３，Ｐ４が示されている。図３に示すように、シリンダブロック１１の支持壁１５と、これに対向するシリンダブロック１２の支持壁１８とは、支持壁１５側から挿入される一対のシリンダ連結ボルト３０によって連結されている。このように、互いに突き当てられる支持壁１５，１８のジャーナルボア１６，１９には、軸受メタル３１を介してクランクジャーナルＪ４が支持されている。また、シリンダブロック１１の支持壁１５の内部には、荷重付与ボルト（ボルト部材）３２が挿入されており、シリンダブロック１２の支持壁１８の内部には、荷重付与ボルト（ボルト部材）３３が挿入されている。これらの荷重付与ボルト３２，３３は、後述する仮想面Ｘ１に交差する位置に設けられている。この仮想面Ｘ１とは、クランクジャーナルＪ４の中心軸線ＣＬ１を含み、かつシリンダボア１７の中心軸線ＣＬ２を含む仮想面である。また、荷重付与ボルト３２，３３は、仮想面Ｘ１の一方面側に位置する雄ネジ部（ネジ部）３２ａ，３３ａと、仮想面Ｘ１の他方面側に位置するフランジ部３２ｂ，３３ｂと、を有している。なお、クランクジャーナルＪ４の中心軸線ＣＬ１とは、クランク軸１３の回転中心であり、シリンダボア１７の中心軸線ＣＬ２とは、円筒形状を備えるシリンダボア１７の中心線である。

［支持壁の疲労強度］
続いて、支持壁１５，１８の疲労強度について説明する。図４（ａ）および（ｂ）は、支持壁１５，１８に対する荷重の作用状況を概略的に示す説明図である。図４（ａ）および（ｂ）に示すように、クランク軸１３が回転する際には、クランクジャーナルＪ４から支持壁１５，１８に対し、様々な方向に入力荷重が作用するが、その中でも仮想面Ｘ１に沿う方向に、比較的大きな入力荷重Ｌａ，Ｌｂが作用している。すなわち、回転するクランク軸１３には、ピストン２０およびコネクティングロッド２２の慣性力が作用しており、ピストン２０等を介してシリンダボア１７内の燃焼圧力が作用している。このため、ピストン２０が上死点や下死点を通過する際や、シリンダボア１７内の混合気が燃焼する際には、クランクジャーナルＪ４から支持壁１５，１８に対し、ほぼピストン２０の移動方向つまりシリンダボア１７の中心軸線ＣＬ２に沿う荷重が入力されていた。すなわち、クランク軸１３が回転する際には、クランクジャーナルＪ４から支持壁１５，１８に対し、ほぼ仮想面Ｘ１に沿う荷重Ｌａ，Ｌｂが交互に入力されることになる。

図４（ａ）に白抜きの矢印で示すように、クランクジャーナルＪ４から支持壁１５に荷重Ｌａが入力された場合には、支持壁１５に引張応力Ｔａが発生する一方、支持壁１８の引張応力は解消される。一方、図４（ｂ）に白抜きの矢印で示すように、クランクジャーナルＪ４から支持壁１８に荷重Ｌｂが入力された場合には、支持壁１８に引張応力Ｔｂが発生する一方、支持壁１５の引張応力は解消される。このように、支持壁１５，１８に対して周期的に引張応力Ｔａ，Ｔｂが発生することは、支持壁１５，１８を疲労させる要因であることから、支持壁１５，１８の疲労強度を上げることが必要となっていた。

そこで、前述したように、支持壁１５には荷重付与ボルト３２が締め込まれており、支持壁１８には荷重付与ボルト３３が締め込まれている。このように、荷重付与ボルト３２を締め込むことにより、支持壁１５に圧縮荷重を与えることができ、支持壁１５に圧縮応力Ｃａを発生させることができる。同様に、荷重付与ボルト３３を締め込むことにより、支持壁１８に圧縮荷重を与えることができ、支持壁１８に圧縮応力Ｃｂを発生させることができる。これにより、クランク軸１３の入力荷重Ｌａ，Ｌｂに起因する引張応力Ｔａ，Ｔｂを、荷重付与ボルト３２，３３の締め込みに起因する圧縮応力Ｃａ，Ｃｂによって低減することができる。したがって、クランク軸１３を支持する支持壁１５，１８の疲労強度を上げることができ、エンジン１０の耐久性を向上させることができる。

ここで、図５は荷重付与ボルト３２，３３による支持壁１５，１８の疲労強度の変化を示すイメージ図である。図５において、縦軸には支持壁１５，１８に作用する応力振幅が示されており、横軸には支持壁１５，１８に作用する平均応力が示されている。また、図５は所謂グッドマン線図であり、図５に示される特性線ＧＬは支持壁１５，１８の疲労限度を意味している。

図５に符号Ｚ１で示すように、支持壁１５，１８に荷重付与ボルト３２，３３が締め込まれていない場合には、クランク軸１３の入力荷重に起因する引張応力を低減することができず、支持壁１５，１８には引張側の平均応力が作用することになる。これに対し、図５に符号Ｚ２で示すように、支持壁１５，１８に荷重付与ボルト３２，３３を締め込んだ場合には、クランク軸１３の入力荷重に起因する引張応力が低減されるため、支持壁１５，１８に作用する平均応力を圧縮側にずらすことができる。すなわち、荷重付与ボルト３２，３３を締め込むことにより、支持壁１５，１８の応力作用状況を特性線ＧＬの外側の領域から内側の領域に移動させることができ、支持壁１５，１８の疲労限度つまり疲労強度を上げることができる。

［荷重付与ボルトの位置］
続いて、荷重付与ボルト３２，３３の位置について説明する。図６は荷重付与ボルト３２，３３の取付位置を示す説明図である。図６には、図３に示した部位と同じ部位が示されている。なお、図面の理解を容易にするため、図６においてはハッチングを省略して図示している。前述したように、荷重付与ボルト３２，３３は、仮想面Ｘ１に交差する位置に組み付けられている。このように、荷重付与ボルト３２，３３を仮想面Ｘ１に交差させることにより、クランク軸１３の入力荷重に起因する引張応力を打ち消すように、支持壁１５，１８に対して適切に圧縮応力Ｃａ，Ｃｂを発生させることができる。

ところで、効果的に支持壁１５，１８の疲労強度を上げるため、つまりクランク軸１３の入力荷重による引張応力を幅広く打ち消すためには、荷重付与ボルト３２，３３の雄ネジ部３２ａ，３３ａとフランジ部３２ｂ，３３ｂとを離すことが望ましい。このため、支持壁１５，１８内の荷重付与ボルト３２，３３については、所定間隔を空けて雄ネジ部３２ａ，３３ａとフランジ部３２ｂ，３３ｂとが離されている。

すなわち、図６に示すように、仮想面Ｘ１に交差する支持壁１５の端部Ｐａから伸びるとともに、仮想面Ｘ１に対して所定角度α（例えば４５°）で傾斜する基準線Ｌ１ａ，Ｌ２ａを設定する。そして、支持壁１５内の荷重付与ボルト３２については、基準線Ｌ１ａよりも仮想面Ｘ１から離れた位置に、雄ネジ部３２ａの端Ｙ１ａを配置し、基準線Ｌ２ａよりも仮想面Ｘ１から離れた位置に、フランジ部３２ｂの端Ｙ２ａを配置する。これにより、荷重付与ボルト３２の近傍だけでなく支持壁１５の端部Ｐａまで、荷重付与ボルト３２による圧縮応力Ｃａを発生させることができ、支持壁１５の疲労強度を上げることができる。

同様に、仮想面Ｘ１に交差する支持壁１８の端部Ｐｂから伸びるとともに、仮想面Ｘ１に対して所定角度α（例えば４５°）で傾斜する基準線Ｌ１ｂ，Ｌ２ｂを設定する。そして、支持壁１８内の荷重付与ボルト３３については、基準線Ｌ１ｂよりも仮想面Ｘ１から離れた位置に、雄ネジ部３３ａの端Ｙ１ｂを配置し、基準線Ｌ２ａよりも仮想面Ｘ１から離れた位置に、フランジ部３３ｂの端Ｙ２ｂを配置する。これにより、荷重付与ボルト３３の近傍だけでなく支持壁１８の端部Ｐｂまで、荷重付与ボルト３３による圧縮応力Ｃｂを発生させることができ、支持壁１８の疲労強度を上げることができる。

［支持壁の製造工程］
以下、支持壁１５，１８の製造工程について説明する。図７（ａ）および（ｂ）は、支持壁１５，１８の製造工程の一例を示す説明図である。支持壁１５，１８を備えるシリンダブロック１１，１２は、アルミニウム合金を材料に用いた鋳造部品である。図７（ａ）に示すように、鋳造工程においては、図示しない鋳造金型にアルミニウム合金の溶湯が流し込まれ、基本形状を備えたシリンダブロック１１，１２の支持壁１５，１８が形成される。また、鋳造金型には図示しない鋳抜きピンが設けられており、支持壁１５，１８には鋳抜きピンによって鋳抜き孔４０，４１が形成される。このように、支持壁１５，１８に対して鋳抜き孔４０，４１を形成することにより、大型化し易い支持壁１５，１８を鋳造する際の冷却速度を高めることができる。これにより、支持壁１５，１８の鋳造品質を向上させることができ、この点からも支持壁１５，１８の疲労強度を向上させることができる。

その後、機械加工工程に進み、シリンダブロック１１，１２に対して切削加工等の機械加工が施される。図７（ｂ）に示すように、機械加工工程においては、支持壁１５の鋳抜き孔４０に対し、荷重付与ボルト３２の雄ネジ部３２ａが係合する雌ネジ部４０ａが形成され、荷重付与ボルト３２のフランジ部３２ｂが接触する座面４０ｂが形成される。このように、荷重付与ボルト３２が挿入されるボルト孔４２は、鋳抜き孔４０に切削加工を施すことで形成される。同様に、支持壁１８の鋳抜き孔４１に対し、荷重付与ボルト３３の雄ネジ部３３ａが係合する雌ネジ部４１ａが形成され、荷重付与ボルト３３のフランジ部３３ｂが接触する座面４１ｂが形成される。このように、荷重付与ボルト３３が挿入されるボルト孔４３は、鋳抜き孔４１に切削加工を施すことで形成される。

前述したように、荷重付与ボルト３２，３３用のボルト孔４２，４３は、前述した鋳抜き孔４０，４１を用いて形成されている。これにより、鋳造品質を向上させるための鋳抜き孔４０，４１を、ボルト孔４２，４３として無駄なく活用することができる。また、シリンダブロック１１の支持壁１５には、シリンダ連結ボルト３０が挿入される貫通孔５０が形成され、シリンダブロック１２の支持壁１８には、シリンダ連結ボルト３０の雄ネジ部が係合する雌ネジ部５１が形成される。なお、貫通孔５０や雌ネジ部５１についても、鋳抜き孔を用いて形成しても良い。

［他の実施の形態］
図８（ａ）および（ｂ）は、本発明の他の実施の形態であるエンジンが備えるクランクジャーナルの支持構造を示す概略図である。図８（ａ）および（ｂ）には、図３と同様に、図１のＡ−Ａ線に沿う断面が示されている。図８において、図３に示す部材と同様の部材については、同一の符号を付してその説明を省略する。前述の説明では、双方の支持壁１５，１８に対して荷重付与ボルト３２，３３を設けているが、これに限られることはない。例えば、図８（ａ）に示すように、支持壁１８に十分な疲労強度が確保されている場合には、支持壁１５だけに荷重付与ボルト３２を設けても良い。また、図８（ｂ）に示すように、支持壁１５に十分な疲労強度が確保されている場合には、支持壁１８だけに荷重付与ボルト３３を設けても良い。

図９は本発明の他の実施の形態であるエンジン６０が備えるクランクジャーナルの支持構造を示す概略図である。図９において、図３に示す部材と同様の部材については、同一の符号を付してその説明を省略する。前述の説明では、水平対向型のエンジン１０に本発明を適用しているが、これに限られることはなく、他の形式のエンジンに本発明を適用しても良い。図９に示すように、直列型のエンジン６０は、シリンダボア６１が形成されるシリンダブロック６２を有している。シリンダブロック６２は、半円状のジャーナルボア（凹部）６３を備えた支持壁（第１支持部材）６４が形成されている。この支持壁６４には、半円状のジャーナルボア（凹部）６５を備えたベアリングキャップ（第２支持部材）６６が、キャップボルトを用いて組み付けられている。

互いに突き当てられる支持壁６４およびベアリングキャップ６６のジャーナルボア６３，６５には、軸受メタル３１を介してクランク軸６７のクランクジャーナル（ジャーナル）６８が支持されている。また、ベアリングキャップ６６の内部には、荷重付与ボルト３２が挿入されており、シリンダブロック６２の支持壁６４の内部には、荷重付与ボルト３３が挿入されている。これらの荷重付与ボルト３２，３３は、仮想面Ｘ１に交差する位置に設けられている。この仮想面Ｘ１とは、クランクジャーナル６８の中心軸線ＣＬ１を含み、かつシリンダボア６１の中心軸線ＣＬ２を含む仮想面である。また、荷重付与ボルト３２，３３は、仮想面Ｘ１の一方面側に位置する雄ネジ部３２ａ，３３ａと、仮想面Ｘ１の他方面側に位置するフランジ部３２ｂ，３３ｂと、を有している。

このように、直列型のエンジン６０に本発明を適用した場合であっても、前述のエンジン１０と同様に、クランク軸６７を支持する支持壁６４やベアリングキャップ６６の疲労強度を上げることができ、エンジン６０の耐久性を向上させることができる。なお、直列側のエンジン６０に複数のベアリングキャップ６６が設けられる場合には、ベアリングビームやラダーフレーム等によってベアリングキャップ６６を連結しても良い。

本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。例えば、前述の説明では、エンジン１０として水平対向型の４気筒エンジンを採用しているが、これに限られることはなく、シリンダ数やシリンダ配列を変更した他の形式のエンジンを採用しても良い。また、図示する例では、荷重付与ボルト３２，３３が、仮想面Ｘ１に対して直交しているが、これに限られることはなく、荷重付与ボルト３２，３３が、仮想面Ｘ１に対して傾斜して交差しても良い。また、前述の説明では、シリンダブロック１１，１２は、アルミニウム合金製の鋳造部品であるが、これに限られることはなく、他の金属材料を用いた鋳造部品であっても良い。

図示するエンジン１０においては、シリンダボア１７の中心軸線ＣＬ２が、クランクジャーナルＪ４の中心軸線ＣＬ１に交差するため、仮想面Ｘ１に対して中心軸線ＣＬ１，ＣＬ２の双方が含まれている。すなわち、仮想面Ｘ１は、クランクジャーナルＪ４の中心軸線ＣＬ１を含み、かつシリンダボア１７の中心軸線ＣＬ２を含んでいる。しかしながら、本発明が適用されるエンジンは、中心軸線ＣＬ１，ＣＬ２が交差するエンジン１０に限られることはない。例えば、シリンダボア１７の中心軸線ＣＬ２がクランクジャーナルＪ４の中心軸線ＣＬ１から外れる構造のエンジンにおいては、クランクジャーナルＪ４の中心軸線ＣＬ１を含み、かつシリンダボア１７の中心軸線ＣＬ２に平行である仮想面に交差するように、荷重付与ボルト３２，３３を設けることにより、同様な効果を得ることができる。

１０エンジン
１３クランク軸
１４シリンダボア
１５支持壁（第１支持部材）
１６ジャーナルボア（凹部）
１７シリンダボア
１８支持壁（第２支持部材）
１９ジャーナルボア（凹部）
２０ピストン
２２コネクティングロッド（連接棒）
３２荷重付与ボルト（ボルト部材）
３２ａ雄ネジ部（ネジ部）
３２ｂフランジ部
３３荷重付与ボルト（ボルト部材）
３３ａ雄ネジ部（ネジ部）
３３ｂフランジ部
４０，４１鋳抜き孔
４２，４３ボルト孔
６０エンジン
６１シリンダボア
６２シリンダブロック
６３ジャーナルボア（凹部）
６４支持壁（第１支持部材）
６５ジャーナルボア（凹部）
６６ベアリングキャップ（第２支持部材）
６７クランク軸
６８クランクジャーナル（ジャーナル）
Ｊ１〜Ｊ５クランクジャーナル（ジャーナル）
ＣＬ１，ＣＬ２中心軸線
Ｘ１仮想面

Claims

シリンダボアに収容されるピストンと、前記ピストンに連接棒を介して連結されるクランク軸と、を備えるエンジンであって、
前記クランク軸のジャーナルを回転自在に支持する凹部を備える第１支持部材と、
前記第１支持部材に対向して設けられ、前記ジャーナルを回転自在に支持する凹部を備える第２支持部材と、
前記第１支持部材と前記第２支持部材との少なくともいずれか一方の内部に設けられ、前記第１または第２支持部材に圧縮荷重を与えるボルト部材と、
を有し、
前記ボルト部材は、前記ジャーナルの中心軸線と前記シリンダボアの中心軸線とを含む仮想面、または、前記ジャーナルの中心軸線を含みかつ前記シリンダボアの中心軸線に平行である仮想面と交差する、エンジン。
請求項１記載のエンジンにおいて、
前記ボルト部材が挿入されるボルト孔は、鋳抜き孔を用いて形成される、エンジン。
請求項１または２記載のエンジンにおいて、
前記ボルト部材は、前記仮想面の一方面側に位置するネジ部と、前記仮想面の他方面側に位置するフランジ部と、を備える、エンジン。
請求項１〜３のいずれか１項に記載のエンジンにおいて、
前記ボルト部材は、前記第１支持部材と前記第２支持部材との双方に設けられる、エンジン。
請求項１〜４のいずれか１項に記載のエンジンにおいて、
前記第１支持部材と前記第２支持部材との少なくともいずれか一方は、アルミニウム合金を材料に用いた鋳造部品である、エンジン。