JP2018115717A

JP2018115717A - クランクシャフトの軸受支持構造

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Publication number: JP2018115717A
Application number: JP2017007356A
Authority: JP
Inventors: 佳明神谷; Yoshiaki Kamiya
Original assignee: Toyota Industries Corp
Current assignee: Toyota Industries Corp
Priority date: 2017-01-19
Filing date: 2017-01-19
Publication date: 2018-07-26
Anticipated expiration: 2037-01-19
Also published as: AU2018200349A1; EP3351813B1; US20180202389A1; EP3351813A1; AU2018200349B2; JP6729415B2; US10641337B2

Abstract

【課題】クランクキャップ側の滑り軸受の摩耗を抑制できるクランクシャフトの軸受支持構造を提供する。【解決手段】クランクシャフトの軸受支持構造１は、シリンダブロック１０と、シリンダブロック１０に保持される第一滑り軸受１４と、シリンダブロック１０に接続されるクランクキャップ２０と、クランクキャップ２０に保持される第二滑り軸受２４と、第一滑り軸受１４と第二滑り軸受２４とに回転可能に保持され、ピストンからの爆発荷重をコネクティングロッドを経由して受け取るクランクシャフト１１と、を備える。シリンダブロック１０は第一滑り軸受１４を保持する第一保持部１２を有する。クランクキャップ２０は第二滑り軸受２４を保持する第二保持部２９を有する。爆発荷重を受けるとクランクシャフト１１は爆発荷重の方向に沿って撓み、クランクキャップ２０は、爆発荷重を受けたクランクシャフト１１の撓みに第二保持部２９の軸受保持面が追従するように第二保持部２９を変形させる撓み追従機構を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、クランクシャフトの軸受支持構造に関するものである。

従来のクランクシャフトの軸受支持構造は、たとえば、特開２００９−２２２０８７号公報（特許文献１）、特開２０１５−１３２３６８号公報（特許文献２）、特開２００８−８９０９３号公報（特許文献３）に開示されている。

特開２００９−２２２０８７号公報特開２０１５−１３２３６８号公報特開２００８−８９０９３号公報

特許文献１では、作用する圧力に応じて上下の軸受有効幅を設定し、油膜厚の最適化とフリクション低減を図っている。

特許文献２では、軸受に溝を掘ってクランクジャーナルに発生するフリクションの低減効果を均等にしている。

特許文献３では、クランクキャップを分割構造にして、クランクキャップとシリンダブロックの合せ面で発生する段差を解消してフリクション低減化をする支持構造が開示されている。

従来のクランクシャフトの軸受支持構造では、クランクキャップの滑り軸受に摩耗が生じやすいという問題があった。

そこで、この発明は上記の問題点を解決するためになされたものであり、クランクキャップ側の滑り軸受の摩耗を抑制することが可能なクランクシャフトの軸受支持構造を提供することを目的とするものである。

本発明者は、クランクキャップ側の滑り軸受が摩耗する理由について鋭意検討した。クランクシャフトには、ピストンの爆発荷重がコネクティングロッドを通じで伝達される。この際にクランクシャフトには下方向（上死点から下死点に向かう方向）に力が加えられてクランクシャフトが撓む。クランクシャフトの荷重は高剛性のクランクキャップに保持されている滑り軸受に伝達される。撓んだクランクシャフトと、クランクキャップ側の滑り軸受の回転軸方向の端部とで片当たりが発生し、油膜が切れて固体接触となることを見出した。そして、クランクキャップ側の滑り軸受の保持強度を弱くし、クランクシャフトの撓みにクランクキャップおよび滑り軸受を追従させることで、上記の課題を解決できることを本発明者は見出した。

上記の知見に基づく、この発明に従ったクランクシャフトの軸受支持構造は、シリンダブロックと、シリンダブロックに保持される第一滑り軸受と、シリンダブロックに締結されるクランクキャップと、クランクキャップに保持される第二滑り軸受と、第一滑り軸受と第二滑り軸受とに回転可能に保持され、ピストンからの爆発荷重をコネクティングロッドを経由して受け取るクランクシャフトと、を備え、シリンダブロックは第一滑り軸受を保持する第一保持部を有し、クランクキャップは第二滑り軸受を保持する第二保持部を有し、爆発荷重を受けるとクランクシャフトの回転軸は爆発荷重の方向に沿って撓み、クランクキャップは、爆発荷重を受けたクランクシャフトの撓みに第二保持部の軸受保持面が追従するように第二保持部を変形させる撓み追従機構を有する。

このように構成されたクランクシャフトの軸受支持構造では、クランクキャップは、爆発荷重を受けたクランクシャフトの撓みに第二保持部の軸受保持面が追従するように第二保持部を変形させる撓み追従機構を有するため、第二保持部およびこれに保持される第二滑り軸受が撓み方向へ変形する。その結果、第二滑り軸受の多くの面がクランクシャフトに接触する。そのため、クランクシャフトと第二保持部との片当たりを抑制でき、第二滑り軸受の摩耗を抑制できる。

好ましくは、クランクキャップは、クランクシャフトの軸線方向における第二保持部の両側に設けられた一対のボルト締結点を複数有し、一対のボルト締結点はクランクシャフトの軸線方向からみてクランクシャフトの両側に設けられる。この場合、ボルト締結点は第二保持部の両側に設けられるため、第二保持部にボルト締結点が設けられる場合と比較して第二保持部がクランクシャフトの撓みに追従しやすくなる。さらに、一対のボルト締結点はクランクシャフトの両側に設けられるため、クランクシャフトを両側から保持することができる。

好ましくは、一対のボルト締結点は、それぞれ、クランクシャフトの軸線方向における第二保持部の両側に該第二保持部より突出して一体形成される突出部に設けられており、クランクキャップのシリンダブロックと対向する面における各突出部と第二保持部との間には、第二保持部の長手方向に沿って延在する溝が設けられている。この場合、ボルト締結点が第二保持部を保持する力が溝付近で弱くなり、第二保持部がクランクシャフトの撓みに追従しやすくなる。

好ましくは、第二保持部は、第二滑り軸受を保持する円弧面に沿って円弧状に設けられるとともにクランクシャフトの軸線方向に深さを有する溝または貫通孔を備える。この場合にはクランクシャフトの軸線方向に深さを有する溝または貫通孔が第二保持部の第二滑り軸受を保持する円弧面に沿って円弧状に設けられるため、第二保持部における第二滑り軸受を保持する部分の周辺部の強度が低下する。そのため第二保持部の第二滑り軸受を保持する部分がクランクシャフトの撓みに追従しやすくなる。

好ましくは、第二保持部は、シリンダブロックと対向する面における縁部に、Ｒ面取りもしくはＣ面取りされた面取り部を備える。この場合、第一保持部に接触する第二保持部の面の端部にはＲ面取りもしくはＣ面取りが設けられているため、第二保持部と第一保持部との接触面積が小さくなり、第二保持部が第一保持部に対して揺動しやすくなる。

この発明に従えば、クランクキャップ側の滑り軸受の摩耗を抑制することが可能なクランクシャフトの軸受支持構造を提供することができる。

実施の形態１に従ったクランクシャフトの軸受支持構造の断面図である。実施の形態１に従ったクランクキャップの斜視図である。比較品のクランクキャンプの斜視図である。シリンダブロックに取り付けられる実施の形態１に従ったクランクキャンプの正面図である。図４中のＶ−Ｖ線に沿った断面図である。図４中のＶＩ−ＶＩ線に沿った断面図である。比較品のクランクキャップでのクランクシャフトの軸受支持構造を示す模式図である。実施の形態１のクランクキャップでのクランクシャフトの軸受支持構造を示す模式図である。

以下、本発明の各実施形態に係るクランクシャフトの軸受支持構造について図を参照して説明する。以下の説明においては、図中の同一または相当部分には同一符号を付して、その説明は繰り返さない。

（実施の形態１）
図１は、実施の形態１に従ったクランクシャフトの軸受支持構造の断面図である。図１で示すように、クランクシャフトの軸受支持構造１は、シリンダブロック１０と、シリンダブロック１０に保持される第一滑り軸受１４と、シリンダブロック１０に締結されるクランクキャップ２０と、クランクキャップ２０に保持される第二滑り軸受２４と、第一滑り軸受１４と第二滑り軸受２４とに回転可能に保持され、ピストンからの爆発荷重をコネクティングロッドを経由して受け取るクランクシャフト１１と、を備える。シリンダブロック１０は第一滑り軸受１４を保持する第一保持部１２を有する。クランクキャップ２０は第二滑り軸受２４を保持する第二保持部２９を有する。

ボルト４１によりクランクキャップ２０がシリンダブロック１０に締結されている。複数のクランクキャップ２０と、シリンダブロック１０との間にクランクシャフト１１が位置している。クランクシャフト１１はクランクジャーナル、コンロッドが取り付けられるクランクピン、およびクランクジャーナルとクランクピンとを接続するクランクアームとを有する。図１ではクランクジャーナル部を示している。第一滑り軸受１４および第二滑り軸受２４が保持するのはクランクジャーナルである。

第一滑り軸受１４および第二滑り軸受２４の内周面と、クランクシャフト１１との間に潤滑油が存在する。クランクシャフト１１は、第一滑り軸受１４および第二滑り軸受２４との間で滑り運動をするが、これらの間に潤滑油が存在するため滑り摩擦は微小である。この実施の形態では、クランクシャフト１１は、車両の前後方向に延びるように配置されている。第一滑り軸受１４および第二滑り軸受２４は、１つの円筒を分割した半円筒形状である。

図２は、実施の形態１に従ったクランクキャップの斜視図である。図２で示すように、クランクキャップ２０は、クランクシャフト１１と平行に延びてシリンダブロック１０に締結される第一突出部２１と、第一突出部２１と対向するようにクランクシャフト１１と平行に延びてシリンダブロック１０に締結される第二突出部２２と、第一突出部２１および第二突出部２２を接続する第二保持部２９とを備える。

第一突出部２１および第二突出部２２には、第二保持部２９からずれた位置にボルト締結点２１ａ１，２１ａ２，２２ａ１，２２ａ２が設けられる。ボルト締結点２１ａ１，２１ａ２，２２ａ１，２２ａ２はボルトによりシリンダブロック１０に締結される。

ボルト締結点２１ａ１，２１ａ２とボルト締結点２２ａ１，２２ａ２はクランクシャフトを挟んで互いに対向した位置に設けられる。ボルト締結点２１ａ１，２２ａ１とボルト締結点２１ａ２，２２ａ２は第二保持部２９を挟んで互いに対向した位置に設けられる。ボルト締結点２１ａ１，２１ａ２，２２ａ１，２２ａ２は第二保持部２９からずれた位置に設けられるため、第二保持部２９にボルト締結部が設けられている場合と比較して、第二保持部２９がクランクシャフトの撓みに追従して揺動しやすい。クランクキャップ２０は、クランクシャフトの軸線方向における第二保持部２９の両側に設けられた一対のボルト締結点２１ａ１，２１ａ２，２２ａ１，２２ａ２を複数有し、一対のボルト締結点２１ａ１，２１ａ２，２２ａ１，２２ａ２はクランクシャフトの軸線方向からみてクランクシャフトの両側に設けられる。すなわち、ボルト締結点２１ａ１，２１ａ２はクランクシャフトの軸線方向の一方側、ボルト締結点２２ａ１，２２ａ２はクランクシャフトの軸線方向の他方側に設けられる。

ボルト締結点２１ａ１，２１ａ２，２２ａ１，２２ａ２は、それぞれ、クランクシャフトの軸線方向における第二保持部２９の両側に該第二保持部２９より突出して一体形成される第一突出部２１および第二突出部２２に設けられている。クランクキャップ２０のシリンダブロックと対向する面における第一突出部２１および第二突出部２２と第二保持部２９との間には、第二保持部２９の長手方向に沿って延在する溝２６，２７が設けられている。溝２６，２７が設けられるため、第一突出部２１と第二保持部２９との接合面積が小さくなる。その結果、第二保持部２９が揺動しやすくなる。溝２７が設けられるため、第二突出部２２と第二保持部２９との接合面積が小さくなる。その結果、第二保持部２９が揺動しやすくなる。

第二保持部は、シリンダブロックと対向する面における縁部に、Ｒ面取りされた面取り部としてのＲ形状２６Ｒ，２７Ｒを備える。面取り部は、Ｃ面取りであってもよい。溝２６，２７に沿って、Ｒ形状２６Ｒ，２７Ｒの一部分が設けられている。第二保持部２９の両側にＲ形状２６Ｒが設けられることで、２つのＲ形状２６Ｒの間の接触面２１ｆの面積が小さくなる。第二保持部２９の両側にＲ形状２７Ｒが設けられることで、２つのＲ形状２７Ｒの間の接触面２２ｆの面積が小さくなる。その結果、Ｒ形状２６Ｒ，２７Ｒが設けられていない場合と比較して、第二保持部２９が接触面２１ｆ，２２ｆを中心として矢印２で示す車両の前後方向（クランクシャフト１１の延びる方向）に揺動しやすくなる。

第二保持部２９は第二滑り軸受２４を保持している。第二滑り軸受２４は、潤滑油を保持しやすい材質、たとえば金属焼結体により構成される。第二保持部２９の円弧状の第一凹部２３ａに第二滑り軸受２４が嵌め合わせされている。第一凹部２３ａと反対側に第二凹部２３ｂが設けられている。反対側に第二凹部２３ｂを設けることで第一凹部２３ａから第二凹部２３ｂまでの間での第二保持部２９の強度を低下させることができる。

第二保持部２９は、第二滑り軸受を保持する円弧面に沿って円弧状に設けられるとともにクランクシャフトの軸線方向に深さを有する溝２５を備える。溝２５は、第二保持部２９を厚み方向に貫通していてもよく、貫通していなくてもよい。また、この実施の形態では円弧方向に所定の長さを有する溝２５を設けているが、溝２５の円弧方向の長さが短く貫通孔となっていてもよい。この貫通孔または溝２５を複数個設けてもよい。溝２５または貫通孔の深さ方向が、クランクシャフトの軸方向である。溝２５または貫通孔を設けることで、第二保持部２９の強度を低下させることができる。

矢印２で示す方向と平行な方向に第一突出部２１および第二突出部２２が延びる。矢印２で示す方向に直交する方向に第二保持部２９は延びる。クランクキャップは、爆発荷重を受けたクランクシャフトの撓みに第二保持部２９の軸受保持面が追従するように第二保持部２９を変形させる撓み追従機構としての、溝２５または貫通孔、溝２６，２７およびＲ形状２６Ｒ，２７Ｒを有する。これらのすべてが設けられている必要はなく、溝２５もしくは貫通孔、溝２６，２７またはＲ形状２６Ｒ，２７Ｒの少なくともいずれかが設けられていればよい。

図３は、比較品のクランクキャンプの斜視図である。比較品のクランクキャップ２０には第二保持部２９にボルト締結点２１ａ，２２ａが設けられている。第二保持部２９が第二滑り軸受２４を保持している。第二保持部２９にボルト締結点２１ａ，２２ａが設けられているため、第二保持部２９がクランクシャフトの撓みに追従して変形することが困難である。

図４は、シリンダブロックに取り付けられる実施の形態１に従ったクランクキャンプの正面図である。図４で示すように、回転体であるクランクシャフト１１を、第一滑り軸受１４および第二滑り軸受２４で挟んで保持している。第一保持部１２と接触する第二保持部２９の領域には、Ｒ形状２６Ｒ，２７Ｒが設けられている。第二滑り軸受２４と距離を隔てて溝２５が設けられている。溝２５は、第二滑り軸受２４に沿うように、かつ、Ｒ形状２６Ｒ，２７Ｒに到達しないように設けられている。第二滑り軸受２４の下には、信頼性上必要な肉厚が残っている。第一滑り軸受１４を保持する第一保持部１２には、溝２５などの構造は設けられていない。

図５は、図４中のＶ−Ｖ線に沿った断面図である。図５で示すように、クランクキャップ２０はクランクシャフト１１を保持している。クランクシャフト１１には矢印２０ｃで示す方向に、ピストンからコンロッドを経由して爆発荷重が加わる。この荷重により、矢印２０ｃに近い側には矢印２０ｂで示す下方向の力が、矢印２０ｃから遠い側には矢印２０ａで示す上方向の力が、それぞれ加わる。

図６は、図４中のＶＩ−ＶＩ線に沿った断面図である。図６で示すように通常（無負荷時）は二点鎖線で示す位置にクランクシャフト１１が存在するが、矢印２０ｃで示す方向に爆発による荷重が加えられると、クランクシャフト１１が点線で示すように撓む。この撓みが第二滑り軸受２４伝達される。その結果、第二保持部２９および第二滑り軸受２４には矢印２０ｄ，２０ｅで示す方向のねじれの力が加わる。その撓み方向への第二保持部２９が追従するように撓み追従機構が設けられているため、第二保持部２９およびその上の第二滑り軸受２４は、点線で示す位置まで移動する。

すなわち、爆発荷重を受けるとクランクシャフト１１の回転軸１０１は爆発荷重の方向に沿って撓む。その撓み方向への第二保持部２９の強度は第一保持部１２の強度よりも小さい。その結果、第二保持部２９は矢印２０ｃで示す方向に変形するため、第二保持部２９およびその上の第二滑り軸受２４はクランクシャフト１１に追従する。これにより、クランクシャフト１１と第二滑り軸受２４との片当たりを回避できる。図７および図８においてより模式的にクランクシャフト１１および第二保持部を記載して実施の形態の効果について説明する。

図７は、比較品のクランクキャップでのクランクシャフトの軸受支持構造を示す模式図である。図７で示すように、比較品に従ったクランクシャフトの軸受支持構造では、クランクキャップ側の第二保持部２９の剛性が大きい。そのため、ピストンからの爆発荷重がコンロッドを経由してクランクシャフトに伝達されてクランクシャフト１１が撓むが第二保持部２９が撓みに追随しない。そのため、第二滑り軸受２４の角部分２４ａがクランクシャフト１１と固体接触する。

図８は、実施の形態１のクランクキャップでのクランクシャフトの軸受支持構造を示す模式図である。図８で示すように、ピストンからの爆発荷重がコンロッドを経由してクランクシャフトに伝達されてクランクシャフト１１が撓む。実施の形態１に従った第二保持部２９の強度が低いため、クランクシャフト１１が撓むとこの撓みに追従するように第二保持部２９が変形する。その結果、第二滑り軸受２４とクランクシャフト１１に片当たりすることを抑制できる。なお、この実施の形態では、溝２５，２６，２７、Ｒ形状２６Ｒ，２７Ｒを設けたが、必ずしもこれらを設けなくてもよい。これらを設けずに、たとえば第二保持部２９のうち、第二滑り軸受２４近傍のみを低強度の材料で構成することにより、第二滑り軸受２４をクランクシャフト１１に追従させることができる。

以上、実施の形態について説明したが、上記の開示内容はすべての点で例示であって制限的なものではない。本発明の技術的範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

この発明は、クランクシャフトの軸受支持構造の分野において用いることができる。

１軸受支持構造、１０シリンダブロック、１１クランクシャフト、１２第一保持部、１４第一滑り軸受、２０クランクキャップ、２１第一突出部、２１ａ１，２１ａ２，２２ａ１，２２ａ２ボルト締結点、２１ｆ，２２ｆ接触面、２２第二突出部、２３ａ第一凹部、２３ｂ第二凹部、２４第二滑り軸受、２４ａ角部分、２５，２６，２７溝、２６Ｒ，２７ＲＲ形状、２９第二保持部、４１ボルト、１０１回転軸。

Claims

シリンダブロックと、
前記シリンダブロックに保持される第一滑り軸受と、
前記シリンダブロックに締結されるクランクキャップと、
前記クランクキャップに保持される第二滑り軸受と、
前記第一滑り軸受と前記第二滑り軸受とに回転可能に保持され、ピストンからの爆発荷重をコネクティングロッドを経由して受け取るクランクシャフトと、を備え、
前記シリンダブロックは前記第一滑り軸受を保持する第一保持部を有し、
前記クランクキャップは前記第二滑り軸受を保持する第二保持部を有し、
爆発荷重を受けると前記クランクシャフトの回転軸は爆発荷重の方向に沿って撓み、
前記クランクキャップは、爆発荷重を受けた前記クランクシャフトの撓みに前記第二保持部の軸受保持面が追従するように前記第二保持部を変形させる撓み追従機構を有する、クランクシャフトの軸受支持構造。
前記クランクキャップは、前記クランクシャフトの軸線方向における前記第二保持部の両側に設けられた一対のボルト締結点を複数有し、前記一対のボルト締結点は前記クランクシャフトの軸線方向からみて前記クランクシャフトの両側に設けられる、請求項１に記載のクランクシャフトの軸受支持構造。
前記一対のボルト締結点は、それぞれ、前記クランクシャフトの軸線方向における前記第二保持部の両側に該第二保持部より突出して一体形成される突出部に設けられており、前記クランクキャップの前記シリンダブロックと対向する面における前記各突出部と前記第二保持部との間には、前記第二保持部の長手方向に沿って延在する溝が設けられている、請求項２に記載のクランクシャフトの軸受支持構造。
前記第二保持部は、前記第二滑り軸受を保持する円弧面に沿って円弧状に設けられるとともに前記クランクシャフトの軸線方向に深さを有する溝または貫通孔を備える、請求項１から３のいずれか１項に記載のクランクシャフトの軸受支持構造。
前記第二保持部は、前記シリンダブロックと対向する面における縁部に、Ｒ面取りもしくはＣ面取りされた面取り部を備える、請求項１から４のいずれか１項に記載のクランクシャフトの軸受支持構造。