JP2019128035A - エンジンのバランサー - Google Patents

Abstract

【課題】２サイクル、４サイクルエンジンのコネクティングロッド大端部のクランクピンが同軸とするＶ型２気筒エンジン等において振動を軽減し、クランクシャフトの回転抵抗を軽減し、出力損失を無くしたエンジンのバランサーを提供する。【解決手段】クランクシャフト８と同一回転するバランサー１０とを有するエンジンのバランサーであって、クランクジャーナル６に同軸で固定された円盤状のベースと、ベースに錘３と肉抜き部をそれぞれ用いて設けられた３ヶ所の重量変更手段を備え、ベース中心軸からクランクシャフト８のクランクピン９側とバランスウェイト７側とを二分して、クランクピン９側にある第１半面１４と、バランスウェイト７側にある第２半面１５を有し、第１半面１４は第２半面１５よりも重いこと、もしくは、第２半面１５は前記第１半面１４よりも重いことでエンジンの振動を軽減する。【選択図】図１

Description

本発明はクランクシャフト（８）のジャーナル（６）と同一回転する円盤状のベースを有するエンジンのバランサーがクランクシャフト（８）に関する。

図３で示す通り、クランクピン（９）１つ、および前記クランクピンに対して一対のバランスウェイト（７）が取り付けられたクランクシャフト（８）を有するエンジンにおいて、コネクティングロッド（２）とクランクシャフト（８）の角度が直角になった際に、振動が最も発生する。
従来のエンジン・バランサー装置は、バランサーシャフトがエンジンケースの内部に収納されており、バランサーシャフトがクランクシャフト（８）に連動して回転し、前記クランクシャフトのバランスウェイト（７）が発生する一次慣性力とは逆向きの一次慣性力を発生させて振動を軽減していた。
このバランサーは、クランクシャフト（８）にチェーンなどを介して回転させている。

実公昭６３−２３６２４号公報

しかしながら、従来、エンジンのバランサー装置のバランサーシャフトはエンジンケース内に収納されており、エンジンのクランクシャフト（８）にチェーンやギアなどを介して接続されていたが、バランサーシャフトを回転させることでクランクシャフト（８）が発生する一次慣性力とは逆向きの一次慣性力を発生させて振動を打ち消すため、回転ロスが生じてエンジン出力の低下を招いていた。

本発明は前述の事情を鑑みてなされたもので、クランクシャフト（８）の同軸で回転するフライホイール、または強制空冷用冷却ファン、遠心クラッチ等のクランクシャフト（８）と同軸に固定された円盤状の部品に対して３ヶ所の重量変更を施し、クランクシャフト（８）のバランスウェイト（７）が発生する一次慣性力を直接的に減らすことでバランサーとしての働きを持たせている。
これにより、回転ロスによる出力低下、バランサー増設による製造コスト削減とエンジン重量の増加やエンジンケースの大型化を防止することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に記載された発明は図１及び図２と図４及び図５で示す様に、クランクピン（９）１つ、および前記クランクピンに対して一対のバランスウェイト（７）が取り付けられたクランクシャフト（８）を有するエンジンバランサー（１０、１１、１２、１３）であって、ジャーナル（６）に同軸で固定された円盤状のベースと、前記ベースに設けられた３ヶ所の重量変更手段の錘（３）、肉抜き部（４）を備え、円盤状のベース中心軸からクランクシャフト（８）のクランクピン（９）側と、バランスウェイト（７）側とで二分して、クランクピン（９）側にある第１半面（１４）と、バランスウェイト（７）側にある第２半面（１５）を有し、前記第１半面（１４）は前記第２半面よりも重くする、もしくは、前記第２半面（１５）は前記第１半面（１４）よりも重くすることでクランクシャフト（８）が発生する一次慣性力を減らし、振動を軽減する。

また、請求項２、請求項４、請求項５に記載された発明は、請求項１の構成に加えて、バランサーとなった円盤状のベース部品は回転しても一次慣性力を発生させず、コネクティングロッド（２）とクランクシャフト（８）の角度が直角となって、バランスウェイト（７）との均衡が崩れた際に振動を発生することに対して、第１半面（１４）が重くなったことでコネクティングロッド（２）に代わってバランサーウェイト（７）との均衡を保ち続けることで振動を軽減するものである。（図１及び図２参照）
そして、請求項３、請求項４、請求項５に記載された発明は、同じく請求項１の構成に加えて、バランサーとなった円盤状のベース部品が回転しても一次慣性力を発生させず、第２半面（１５）が重くなったことでピストン（１）が上下運動をする際にクランクシャフト（８）の回転ムラを軽減させるバランスウェイト（７）の働きを助長して、クランクシャフト（８）の発生する一次慣性力の変動を抑えることで振動を軽減するものである。（図４及び図５参照）

以下、本発明の実施の形態を、添付図面に示した本発明の実施例に基づいて説明する。

図１及び図２は、単気筒エンジンのジャーナル（６）に同軸に固定されたフライホイールを円盤状のベースとしてバランサー（１０、１１）とし、前記フライホイールに設けられた３ヶ所の重量変更の錘（３）、肉抜き部（４）を備え、円盤状ベース中心部からクランクシャフト（８）のクランクピン（９）側とバランスウェイト（７）側とで二分して、クランクピン（９）側にある第１半面（１４）と、バランスウェイト（７）側にある第２半面（１５）を有し、前記第１半面（１４）は前記第２半面（１５）よりも重くしている。

図１のバランサー（１０）は円盤状ベースとなるフライホイールに錘（３）を用いて重量変更した例であり、同じく図２のバランサー（１１）は円盤状のベースとなるフライホイールに肉抜き部（４）を設けることで重量変更した例であり、その重量を変更することでコネクティングロッド（２）とクランクシャフト（８）の角度が直角になった際にもコネクティングロッド（２）に代わり第１半面（１４）がバランスウェイト（７）との均衡を保ち振動を軽減する。
また、円盤状のベースとなるフライホイールの重量変更を加減することで、使用目的によってエンジンに求められる回転特性を作り出すこともできる。

さらに、第１半面（１４）は第２半面（１５）よりも重くしていることで、バランスウェイト（７）に対抗する重量が増え、クランクシャフト（８）が回転する際の抵抗が小さくなり、回転力が増してゆく。
それにより従来の単気筒エンジンよりも高回転化を図ることができる。

通常、フライホイールを重くして、より大きな回転運動による慣性モーメントを求めた場合、アクセルの開きに対してエンジンの反応は緩慢になるが、図１のバランサー（１０）の様な方法を用いてフライホイールを重くした場合には、コネクティングロッド（２）がクランクシャフト（８）に動力を伝達する際に、クランクピン（９）側の第１半面（１４）が重くなることでクランクシャフト（８）の回転が容易になり、アクセルの開きに対してエンジンの反応が緩慢にならない。

図４及び図５は、単気筒エンジンのジャーナル（６）に同軸に固定されたフライホイールを円盤状のベースとしてバランサー（１２、１３）とし、前記フライホイールに設けられた３ヶ所の重量変更の錘（３）、又は肉抜き部（４）を備え、円盤状ベース中心部からクランクシャフト（８）のクランクピン（９）側とバランスウェイト（７）側とで二分して、クランクピン（９）側にある第１半面（１４）と、バランスウェイト（７）側にある第２半面（１５）を有し、前記第２半面（１５）は前記第１半面（１４）よりも重くしている。

図４のバランサー（１２）は円盤状ベースとなるフライホイールに錘（３）を用いて重量変更した例であり、同じく図５のバランサー（１３）は円盤状のベースとなるフライホイールに肉抜き部（４）を設けることで重量変更した例であり、その重量を変更することで第２半面（１５）が重くなり、ピストン（１）が上下運動をする際にクランクシャフト（８）の回転ムラを軽減させるバランスウェイト（７）の働きを助長して、クランクシャフト（８）の発生する一次慣性力の変動を抑えることで振動を軽減する。
また、円盤状のベースとなるフライホイールの重量変更を加減することで、使用目的によってエンジンに求められる回転特性を作り出すこともできる。

通常、フライホイールを重くして、より大きな回転運動による慣性モーメントを求めた場合、アクセルの開きに対してエンジンの反応は緩慢になるが、図４のバランサー（１２）の様な方法を用いてフライホイールを重くした場合には、ピストン（１）が上下運動をする際にクランクシャフト（８）の回転ムラを軽減させるバランスウェイト（７）の働きを助長して勢いが増すため、アクセルの開きに対してエンジンの反応が緩慢にならない。

本発明は図１及び図２と図４及び図５で示す様に、クランクシャフト（８）に固定された円盤状の部品に対して３ヶ所の重量変更を錘（３）と肉抜き部（４）で施し、バランサー（１０、１１、１２、１３）として振動軽減の働きを持たせることができるため、従来あるクランクシャフト（８）に固定された円盤状の部品ならば、強制空冷用冷却ファン、遠心クラッチ等に対しても用いることができる。
そのため、従来のバランサーとは異なり、エンジンの重量増加や大型化を防止することができる。

この発明は元々、公営競技のオートレースにおいて、オートレース選手がクランクシャフト（８）のクランクピン（９）を圧入している付近に僅か数グラムのボルトを錘として付けたり外したりすることで、エンジンブレーキの利き具合やエンジン回転特性の調整を行うことをヒントに、「単気筒エンジンならば、クランクシャフト（８）の同軸に固定されたフライホイールに同様なことをしても同じ効果が得られるのではないか。」というアイデアからから始まった。
実際に単気筒エンジンのフライホイールへクランクピン（９）と同位相付近に数グラムのボルトを付けて錘にすると、エンジンブレーキの利き具合を変えることができ、クランクピン（９）よりも回転方向側にボルトを付けるとエンジンブレーキは弱くなりエンジンのトルク感も希薄になって、クランクピン（９）よりも回転方向の逆側にボルトを付けるとエンジンブレーキは強くなりエンジンのトルク感が増した。
実験は大成功であった。
本発明は、このアイデアを進化させて、フライホイールがクランクシャフト（８）に与える影響を考慮してバランサー化できないか、また、フライホイールの総重量を重くし、回転運動による慣性モーメントを大きく得ようとした場合でもエンジンの反応を緩慢にせずに済むのではないかという発想から発明されたものである。

具体的な本発明の実施例１を挙げると、図２に示す方法を用いて、タイホンダ製の原付バイクであるＷＡＶＥ１１０ｉのエンジンに付属するフライホイールを円盤状のベースとし、フライホイールに付属するスターターギアを固定する６本の取り付けボルトの内、フライホイールの第１半面（１４）側のボルトを１本、第２半面（１５）側のボルトを２本、それぞれのボルトを１２０度の角度で取り外し、請求項４に記載した肉抜き部（４）による重量変更と同様にして実際に走行してみた。

試走の結果、明らかにエンジンの振動が軽減すると共にエンジン回転がスムーズになり、フライホイールの重量が軽くなったことでアクセルの開きに対してエンジンの反応が良くなった。
しかし、その半面でフライホイールが軽くなったことで、急坂などの登坂でエンジン回転を上げて走る必要があったが、このエンジン特性はサーキットなどのコースでは威力を発揮すると考えられる。

実施例２としては、図１で示す方法を用いて、実施例１で使用されたＷＡＶＥ１１０ｉのフライホイールに付属するスターターギアを固定する６本の取り付けボルトの内、フライホイールの第１半面（１４）側のボルト２本に２ミリ長いものを使用し、そのボルトに銅ワッシャー（１枚１ｇ）を３枚ずつ入れて取り付け、第２半面（１５）側のボルト１本に同じく２ミリ長いものを使用し、そのボルトに銅ワッシャー（１枚１ｇ）を３枚ずつ入れて取り付けた、それぞれ銅ワッシャー３枚を入れて取り付けたボルトを１２０度の角度になる様にして、請求項３に記載した錘（３）による重量変更と同様にして実際に走行してみた。
重量変更を錘（３）で行った場合は、市街地での走行に向いていることが実施例１で予想できたため、市街地での試走を行った。

試走をして、すぐに気付かされたのがエンジンの振動がやはり軽減されたことと、ノーマル時と比較して低速度から高速度域までの走行が楽に感じられることであった。
フライホイールの重量が増えたことによるエンジン回転の緩慢さは感じられず、むしろエンジンの反応が良くなっている印象を受けた。
尚、気になる急坂の登坂走行では、同じアクセル開度だとノーマル時よりも速度が高くなる傾向が見受けられた。
また、発進もノーマル時よりもエンジントルクが増して楽にできた。

市街地の試走では燃費計測も実施し、秋田県男鹿市ガソリンスタンドから国道７号線と国道１３号線を経由して秋田市御所野までの往復１００ｋｍでフライホイールの重量変更前と重量変更後の燃費を比較した。
計測方法は満タン法を用いる。
ったことから３割ほどの燃費向上が確認された。
尚、このテスト車両はインジェクション（電子制御燃料噴射装置）で燃料調整を行うため、燃費計測時には特に燃料調整について手を加えていない。

実施例３では、図１の示す方法を用いて、ホンダＸＲ１００Ｒという子供向け入門用オフロードバイクのフライホイール（重量１０６０ｇ）に各５ｇの金属ワッシャーを第１半面（１４）に２つ、第２半面（１５）に１つをボルト留めで固定し、それぞれを１２０度の角度、フライホイールの中心軸から同距離で設置して、請求項３の重量変更を実施した。
この時のフライホイール総重量は１０７５ｇとした。
テストコースは急勾配の坂が多いモトクロス場（秋田県秋田市・協和オートランド）を使い、金属ワッシャーの錘（３）による本発明の効果を確認する。
エンジンの振動はこれまで同様に軽減しており、フライホイールの重量が重くなったことでのエンジンの反応はノーマル時と比べて良くなって登坂走行も楽に走ることができた。
尚、本発明の効果を確かめるために、２．５ｇの金属ワッシャーをフライホイールの第１半面（１４）に３つ、第２半面（１５）に３つをボルト留めで固定し、それぞれを６０度の角度、フライホイールの中心軸から同距離で設置して重量変更を実施した。
この時のフライホイール総重量も１０７５ｇとした。
試走の結果、フライホイール総重量が増して回転運動による慣性モーメントを大きくなったが、アクセルの開きに対して反応が緩慢になり、エンジン回転はノーマル時よりも回らず、速さが失われた。
本発明と比較しても、メリットは少なく、むしろデメリットが目立つ結果となった。

そして、本発明の効果がどの程度であるかを実証するために、同モトクロス場で開催されるモトクロスレースにおいて、市販レース用モトクロスマシンと混走する『トレール＆ビギナー・クラス』に出場し、出力差３〜５倍（本テスト車両の出力は１０馬力、モトクロスマシンの出力は２８〜５０馬力。）のマシンを相手に総合３位（１ヒート目３位、２ヒート目３位。）を獲得した。

その後、錘（３）を金属ワッシャーに代わり、真鍮製ウェイト（１８ｇ）を製作し、前回同様に第１半面（１４）に２つ、第２半面（１５）に設置して合計５４ｇの増量を図った。（フライホイール総重量１１１４ｇ）
尚、本テスト車両はキャブレターで燃料調整を行うため、フライホイールの重量変更後に必ずキャブレター・セッティングを行う。
フライホイールを重くしたことで、振動軽減の度合いは前回の試走よりも大きく、重くなったフライホイールが高回転まで一気に回ることからエンジンパワーが向上し、坂道のアップダウンに強くなり、今までよりも使うギア段数が一段上がった。

請求項３の方法を用いて、錘（３）の重量を増してフライホイールを重くした場合に回転運動による慣性モーメントを大きくことが認められたが、効果の度合いを知る為に、若美モトクロスパーク（秋田県男鹿市）で開催されるモトクロスレースに参加して、１ヒート目に『トレール＆ビギナー・クラス』でダントツの１位でゴール。
主催者側から、「あまりにも速い。」とのクレームにより、２ヒート目は『レジェンド・クラス（元国際ライセンス所持者のベテランライダー）』に出走しても１位を獲得することができた。
子供向け入門用オフロードバイクに本発明を施すことで、エンジンの振動が軽減するだけではなく、エンジンの回転が良くなり、エンジンパワーが向上することが実証できたのである。

実施例１から３までのフライホイールの重量変更を実施したことで、エンジン特性が高回転型になった。
しかし、速度が乗る路面を走る場合とは異なり、極端に摩擦が少ない雪道等の路面ではエンジンの反応が良過ぎるために駆動輪がスリップしてグリップしないことが判明した。本テスト車両で参加した北海道のモーターサイクルによる雪上レースでは、これが原因で前に進むのにも苦労することから苦戦を強いられた。
そこで実施例４では、第１半面（１４）に真鍮製ウェイト（１８ｇ）を１つ、第２半面（１５）に真鍮製ウェイト（１８ｇ）を２つボルト留めで固定し、それぞれを１２０度の角度、フライホイールの中心軸から同距離で設置して設置して、第１半面（１４）よりも第２半面（１５）を重くしてみた。
すると、実施例３の時よりも更にエンジンの振動が減り、エンジン回転が滑らかに上昇する様になった。
これにより雪道での走行も駆動輪のスリップが格段に減り、エンジン回転上昇は滑らかにはなったが緩慢にはならず、これまでと同様に高回転まで気持ちよく回る。
モーターサイクルに本発明の実施するにおいて、実施例４が最も適していると思われた。

発明の効果

以上のように本発明は、エンジンのクランクシャフト（８）に固定された円盤状のベースとなる部品に対して３ヶ所の重量変更を施し、バランサーとしての働きを持たせることで、バランサー増設による回転ロスでの出力低下を無くしながら、製造コストの削減、エンジン重量の増加や大型化を防止することができる。

本発明は、バランサーとなった円盤状のベース部品自体の回転バランスが取れている状態であるため一次慣性力を発生せず、クランクシャフト（８）が回転する際に発生する一次慣性力を直接的に減らして振動を軽減する。

本発明は、クランクシャフト（８）のバランスウェイト（７）と対抗する第１半面（１４）により、コネクティングロッド（２）がクランクシャフト（８）を回す際に通常よりも力が少なく済み、クランクシャフト（８）の回転力が増す。
これにより単気筒エンジンの高回転化が可能となる。（図１及ぶ図２参照）

もしくは、クランクシャフト（８）のバランスウェイト（７）の働きを第２半面（１５）が助長するため、ピストン（１）の上下運動の伴う回転ムラを軽減し、クランクシャフト（８）の回転力が増す。
これにより低速度から高速度までのエンジン回転が滑らかになり、エンジンの操作性が向上する。（図４及び図５参照）

本発明は、バランサーとなった円盤状のベース部品が回転する際に、バランサーとしての出力ロスが無く、第１半面（１４）、または第２半面（１５）が重くなることでクランクシャフト（８）を回す際に力が通常よりも少なく済み、燃料消費を抑えることができる。

本発明は、クランクピン（９）１つ、および前記クランクピン（９）に対して一対のバランスウェイト（７）が取り付けられたクランクシャフト（８）を有する内燃機関に使われることから、単気筒エンジンだけではなく、アメリカのハーレーダビッドソン社のモーターサイクルに多く使われるＶ型２気筒エンジンの様に、クランクピン（９）１つに２つのコネクティングロッド（２）の同ピン０位相エンジンにも用いることができ、２つのクランクピンが同位相の３６０度並列２気筒エンジンにも適応する。
これらのエンジンは振動の軽減が最大の課題となっており、本発明の有効性は大きい。

本発明は、フライホイール等のクランクシャフト（８）のジャーナル（６）と同軸にある円盤状の部品をバランサー化できるため、ローテク、ローコスト、ハイパフォーマンスを提供でき、その機構が単純なことから既存のエンジンに容易に用いることができる。
また、その機構が単純なことにより、主に単気筒エンジンが使われるチェーンソーや草刈り機などに用いることができるため、機械の振動によって使用者が白蝋病（血行障害により手足が白くなる病気。）を発症することを予防できる。

図１は、本発明に係わるエンジンのバランサー装置の実施形態で、クランクシャフト（８）のジャーナル（６）下側にバランスウェイト（７）が移動した向きに対して、錘（３）が第１半面（１４）に２つ、第２半面（１５）に１つ設けて、第１半面（１４）を重くしたバランサー（１０）を取り付けた状態を示す傾斜図である。

図２は、本発明に係わるエンジンのバランサー装置の実施形態で、クランクシャフト（８）のジャーナル（６）下側にバランスウェイト（７）が移動した向きに対して、肉抜き部（４）が第１半面（１４）に１つ、第２半面に２つ設けて、第１半面（１４）を重くしたバランサー（１１）を取り付けた状態を示す傾斜図である。

図３は、従来のバランサー装置が作動する状態を示す透視図である。

図４は、本発明に係わるエンジンのバランサー装置の実施形態で、クランクシャフト（８）のジャーナル（６）下側にバランスウェイト（７）が移動した向きに対して、錘（３）が第１半面（１４）に１つ、第２半面（１５）に２つ設けて、第２半面（１５）を重くしたバランサー（１２）を取り付けた状態を示す傾斜図である。

図５は、本発明に係わるエンジンのバランサー装置の実施形態で、クランクシャフト（８）のジャーナル（６）下側にバランスウェイト（７）が移動した向きに対して、肉抜き部（４）が第１半面（１４）に２つ、第２半面に１つ設けて、第２半面（１５）を重くしたバランサー（１３）を取り付けた状態を示す傾斜図である。

１ ピストン
２ コネクティングロッド
３ 錘
４ 肉抜き部
５ ピストンピン
６ ジャーナル
７ バランスウェイト
８ クランクシャフト（６、７、９の集合体）
９ クランクピン
１０ バランサー
１１ バランサー
１２ バランサー
１３ バランサー
１４ 第１半面
１５ 第２半面

Claims (5)

1. クランクピン（９）１つ、および前記クランクピンに対して一対のバランスウェイト（７）が取り付けられたクランクシャフト（８）を有するエンジンのバランサー（１０、１１、１２、１３）であって、バランサー本体が回転による一次慣性力を発生させないことを特徴とするエンジンのバランサー。
2. クランクピン（９）１つ、および前記クランクピンに対して一対のバランスウェイト（７）が取り付けられたくランクシャフトを有するエンジンのバランサー（１０、１１）であって、クランクジャーナルに同軸で固定された円盤状のベースと、前記ベースに設けられた３ヶ所の重量変更手段を備え、ベース中心軸からクランクシャフトのクランクピン側とバランスウエイト側とで二分して、クランクピン側にある第１半面（１４）と、バランスウエイト側にある第２半面（１５）を有し、前記第１半面（１４）は前記第２半面（１５）よりも重いことを特徴とする請求項１記載のエンジンのバランサー。
3. クランクピン（９）１つ、および前記クランクピンに対して一対のバランスウェイト（７）が取り付けられたクランクシャフト（８）を有するエンジンのバランサー（１２、１３）であって、クランクジャーナルに同軸で固定された円盤状のベースと、前記ベースに設けられた３ヶ所の重量変更手段を備え、ベース中心軸からクランクシャフトのクランクピン側とバランスウエイト側とで二分して、クランクピン側にある第１半面（１４）と、バランスウエイト側にある第２半面（１５）を有し、前記第２半面（１５）は前記第１半面（１４）よりも重いことを特徴とする請求項１記載のエンジンのバランサー。
4. 前記重量変更手段は錘で構成され、錘は同重量であり、第１半面（１４）に２ヶ所、第２半面（１５）に１ヶ所を設けられ、もしくは、第一半面（１４）に１ヶ所、第２半面に２ヶ所を設けて、錘の位置関係は円盤状のベースの軸中心に対して３ヶ所の錘が同じ距離、１２０度ずつの角度でそれぞれが配置されている請求項２又は３記載のエンジンのバランサー。
5. 前記重量変更手段は肉抜き部で構成され、肉抜き部は同量であり、肉抜き部を第１半面（１４）に１ヶ所、第２半面（１５）に２ヶ所を設けられ、もしくは、第１半面（１４）に２ヶ所、第２半面（１５）に１ヶ所を設けて。肉抜き部の位置関係は円盤状のベースの軸中心に対して３ヶ所の肉抜き部が同じ距離、１２０度ずつの角度でそれぞれが配置されている請求項２又は３記載のエンジンのバランサー。