JP2020034077A - 内燃機関のバランサ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ギヤの歯打ち音を低減することのできる内燃機関のバランサ装置を提供する。【解決手段】バランサ装置１０は、クランクシャフト１００の端部に設けられたドライブギヤ１１０と噛み合うドリブンギヤ３０が設けられたバランサシャフト２０を有している。ドリブンギヤ３０のピッチ円は、ドリブンギヤ３０の回転中心からピッチ円までの距離が増加から減少に転ずる極大点を有した形状をなしている。ドリブンギヤ３０とドライブギヤ１１０との歯打ち音が発生するタイミングにおいて、ドリブンギヤ３０のピッチ円の極大点に位置する歯部３４がドライブギヤ１１０と噛み合うようにドリブンギヤ３０とドライブギヤ１１０との組み付け位相を設定する。【選択図】図１

Description

この発明は、内燃機関のバランサ装置に関する。

機関振動を抑えるために、クランクシャフトと同期して回転するバランサシャフトを有したバランサ装置を備える内燃機関が知られている。例えば特許文献１に記載のバランサ装置は、内燃機関のクランクシャフトの端部に設けられたドライブギヤと、機関振動を抑えるバランサマスを有しており端部にドライブギヤと噛み合うドリブンギヤが設けられたバランサシャフトとを有している。

特開２０１４−７７４５５号公報

ところで、内燃機関のクランクシャフトの回転速度は一定ではなく変動している。そのため、バランサ装置を備える内燃機関では、クランクシャフトのドライブギヤに設けられた歯部とバランサシャフトのドリブンギヤに設けられた歯部とが衝突することにより歯打ち音が生じてしまう。

上記課題を解決する内燃機関のバランサ装置は、内燃機関のクランクシャフトの軸方向端部に設けられたドライブギヤと、機関振動を抑えるバランサマスを有しており端部に前記ドライブギヤと噛み合うドリブンギヤが設けられたバランサシャフトとを有している。そして、前記ドライブギヤ及び前記ドリブンギヤのいずれか一方のギヤを第１ギヤとし、他方のギヤを第２ギヤとしたときに、前記第１ギヤのピッチ円は、前記第１ギヤの回転中心から前記ピッチ円までの距離が増加から減少に転ずる極大点を有した形状をなしている。そして、前記第１ギヤと前記第２ギヤとの歯打ち音が発生するタイミングにおいて前記ピッチ円の前記極大点に位置する歯部が前記第２ギヤと噛み合うように前記第１ギヤと前記第２ギヤとの組み付け位相が設定されている。

同構成によれば、第１ギヤと第２ギヤとの歯打ち音が発生するタイミングにおいて第１ギヤの極大点に位置する歯部が第２ギヤと噛み合うようになっている。ここで、ピッチ円において上記極大点となる位置は、第１ギヤの回転中心からピッチ円までの距離が最も長くなる位置であるため、この位置の歯部と第２ギヤとが噛み合うときのバックラッシュは、極大点とは異なる部位に位置する歯部と第２ギヤとが噛み合う場合と比較して小さくなる。従って、第１ギヤと第２ギヤとの歯打ち音を低減することができる。

一実施形態における内燃機関のバランサ装置のクランクシャフト及びバランサシャフトの位置関係を示す図。 図１に示す矢印Ｘ方向から見たクランクシャフト及びバランサシャフトの平面図。 図１に示す矢印Ｘ方向から見たドリブンギヤのピッチ円を示す図。

以下、内燃機関のバランサ装置の一実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、本実施形態のバランサ装置１０は、直列３気筒の内燃機関に設けられる装置となっている。

図１に示すように、内燃機関のクランクシャフト１００は、クランクケースに対して回転可能に支持される複数のジャーナル１００ａを備えている。それらジャーナル１００ａの中心軸線Ｎは、クランクシャフト１００の中心軸線と一致しており、その中心軸線Ｎが延びる方向がクランクシャフト１００の軸方向になっている。

クランクシャフト１００の軸方向端部には、中心軸線Ｎと同軸上に略円柱状の軸１００ｆが突出して設けられている。
軸１００ｆには、外周に歯部１１４を有した円板状のドライブギヤ１１０が固定されている。ドライブギヤ１１０の中心軸線は上記中心軸線Ｎと一致しており、中心軸線Ｎはドライブギヤ１１０の回転中心になっている。また、ドライブギヤ１１０のピッチ円直径は一定になっている。このドライブギヤ１１０は、機関振動を抑えるバランサ装置１０の一部を構成している。

隣り合うジャーナル１００ａの間には、一対のクランクアーム１００ｂが配設されており、一対のクランクアーム１００ｂの間には、内燃機関のコネクティングロッドが組み付けられるクランクピン１００ｃが配設されている。本実施形態の内燃機関は直列３気筒であるため、クランクシャフト１００にはクランクピン１００ｃが３つ設けられている。

また、３つの気筒をそれぞれ第１気筒、第２気筒、第３気筒としたときに、ドライブギヤ１１０に最も近い位置に設けられたクランクピン１００ｃには第１気筒のコネクティングロッドが組み付けられる。また、ドライブギヤ１１０から最も遠い位置に設けられたクランクピン１００ｃには第３気筒のコネクティングロッドが組み付けられる。そして、残りのクランクピン１００ｃには第２気筒のコネクティングロッドが組み付けられる。なお、本実施形態では各気筒の点火順序が、第１気筒、第２気筒、第３気筒の順になっており、点火間隔は２４０°ＣＡ毎になっている。

クランクシャフト１００の下方には、内燃機関のピストンの運動に伴って生じるクランクシャフト１００の振動（機関振動）を抑制するバランサシャフト２０が配置されている。このバランサシャフト２０は、上記バランサ装置１０の一部を構成している。

バランサシャフト２０は、棒状のシャフト本体２２を備えている。このシャフト本体２２は、図示しないバランサハウジングに対して回転可能に支持されている。シャフト本体２２の中心軸線Ｊはクランクシャフト１００の軸方向に沿っており、その中心軸線Ｊが延びる方向がシャフト本体２２の軸方向になっている。

シャフト本体２２の軸方向端部には、上記ドライブギヤ１１０に噛み合う歯部３４を外周に有した円板状のドリブンギヤ３０が固定されている。このドリブンギヤ３０の中心軸線は上記中心軸線Ｊと一致しており、中心軸線Ｊはドリブンギヤ３０の回転中心になっている。また、ドライブギヤ１１０とドリブンギヤ３０とは歯数が同じになっており、それらドライブギヤ１１０及びドリブンギヤ３０は等速で回転する。

図２に示すように、本実施形態のドライブギヤ１１０はクランクシャフト１００の回転と同期して時計回りＣＲ方向に回転する。また、ドリブンギヤ３０はドライブギヤ１１０の回転と同期して反時計回りＡＲ方向に回転する。

図１及び図2に示すように、シャフト本体２２の軸方向端部であってドリブンギヤ３０の隣りには、機関振動を抑える第１バランサマス２４が固定されている。第１バランサマス２４は、シャフト本体２２の軸方向からの平面視で扇形状をなしている（図２参照）。

図１に示すように、シャフト本体２２の軸方向端部であって第１バランサマス２４が固定されている端部に対して反対側に位置する端部にも、機関振動を抑える第２バランサマス２８が固定されている。第２バランサマス２８の形状は、第１バランサマス２４の形状と同じになっている。なお、第２バランサマス２８は、シャフト本体２２の周方向に関して、第１バランサマス２４とは１８０度反対側の位置に設けられている。

図３に、ドリブンギヤ３０のピッチ円Ｐａを一点鎖線にて示す。なお、図３には、参考して、ドリブンギヤ３０の回転中心（中心軸線Ｊ）からドリブンギヤ３０のピッチ円までの距離Ｒｂが一定で変化しないピッチ円Ｐｂ、つまりピッチ円直径が一定のピッチ円Ｐｂを破線で示している。

この図３に一点鎖線にて示すように、ドリブンギヤ３０のピッチ円Ｐａは、ドリブンギヤ３０の回転中心（中心軸線Ｊ）からピッチ円Ｐａまでの距離Ｒａが増加から減少に転ずる極大点を３つ有した形状となるように、ドリブンギヤ３０の歯部３４は形成されている。それら３つの極大点を、図３において反時計周りＡＲ方向にそれぞれ第１極大点Ａ、第２極大点Ｂ、第３極大点Ｃとしたときに、各極大点Ａ、Ｂ、Ｃはピッチ円Ｐａの周方向において１２０°毎に設けられている。また、ドリブンギヤ３０の回転中心から第１極大点Ａまでの距離Ｒａと、ドリブンギヤ３０の回転中心から第２極大点Ｂまでの距離Ｒａと、ドリブンギヤ３０の回転中心から第３極大点Ｃまでの距離Ｒａとは、ともに同じ長さとなるように歯部３４は形成されている。

そして、ドリブンギヤ３０とドライブギヤ１１０との歯打ち音が発生するタイミングにおいて、ピッチ円Ｐａの各極大点Ａ、Ｂ、Ｃに位置するドリブンギヤ３０の歯部３４がドライブギヤ１１０と噛み合うようにドリブンギヤ３０とドライブギヤ１１０との位相を合わせた状態で、それらドリブンギヤ３０及びドライブギヤ１１０はバランサシャフト２０やクランクシャフト１００に組み付けられている。

本発明者は、上記歯打ち音が発生するタイミングに関して、各気筒の膨張行程毎に上記歯打ち音が顕著に発生することを確認している。また、そうした歯打ち音の音圧は、内燃機関の機関回転速度がバランサシャフト２０の共振回転数になっているときに最も大きくなることも本発明者は確認している。

そこで、以下では、内燃機関の機関回転速度がバランサシャフト２０の共振回転数になっているときにおいて各気筒の膨張行程の途中で歯打ち音が顕著に発生するタイミングを「歯打ち音発生タイミング」という。そして、第１気筒の歯打ち音発生タイミングでは、第１極大点Ａに位置する歯部３４がドライブギヤ１１０と噛み合うようにドリブンギヤ３０とドライブギヤ１１０との組み付け位相が合わせられている。

これにより、第２気筒の歯打ち音発生タイミングでは、第１気筒の歯打ち音発生タイミングから図３において反時計周りＡＲ方向にドリブンギヤ３０が２４０°ＣＡ回転しているため、第２極大点Ｂに位置する歯部３４がドライブギヤ１１０と噛み合うようになる。そして、第３気筒の歯打ち音発生タイミングでは、第２気筒の歯打ち音発生タイミングから図３において反時計周りＡＲ方向にドリブンギヤ３０が２４０°ＣＡ回転しているため、第３極大点Ｃに位置する歯部３４がドライブギヤ１１０と噛み合うようになる。

次に、本実施形態の作用効果を説明する。
（１）各気筒での歯打ち音発生タイミングでは、ドリブンギヤ３０の各極大点Ａ、Ｂ、Ｃに位置する歯部３４がドライブギヤ１１０と噛み合うようになっている。ここで、ドリブンギヤ３０のピッチ円Ｐａにおいて極大点（第１極大点Ａ、第２極大点Ｂ、第３極大点Ｃ）となる位置は、当該ピッチ円Ｐａにおいてドリブンギヤ３０の回転中心からピッチ円Ｐａまでの距離Ｒａが最も長くなる位置である。そのため、この距離Ｒａが最も長くなる位置の歯部３４とドライブギヤ１１０とが噛み合うときのバックラッシュは、それら各極大点Ａ、Ｂ、Ｃとは異なる部位に位置する歯部３４とドライブギヤ１１０とが噛み合う場合と比較して小さくなる。従って、各気筒の膨張行程で発生する歯打ち音を低減することができる。

（２）各極大点Ａ、Ｂ、Ｃとは異なる部位に位置する歯部３４がドライブギヤ１１０と噛み合う際には、各極大点Ａ、Ｂ、Ｃに位置する歯部３４がドライブギヤ１１０と噛み合う場合と比較してバックラッシュが大きくなる。そのため、そうしたバックラッシュが大きくなる部位では、ドリブンギヤ３０とドライブギヤ１１０とが噛み合う部分のフリクションを低減することができる。

なお、本実施形態は、以下のように変更して実施することができる。本実施形態及び以下の変更例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施することができる。
・ドリブンギヤ３０の回転中心から第１極大点Ａまでの距離Ｒａと、ドリブンギヤ３０の回転中心から第２極大点Ｂまでの距離Ｒａと、ドリブンギヤ３０の回転中心から第３極大点Ｃまでの距離Ｒａとは同じ長さとなるようにした。この他、ドリブンギヤ３０の回転中心から各極大点Ａ、Ｂ、Ｃまでの距離Ｒａを、歯打ち音の音圧が大きい気筒ほど長くなるようにしてもよい。この場合には、歯打ち音の音圧が大きい気筒ほど、極大点に位置する歯部３４とドライブギヤ１１０とが噛み合うときのバックラッシュは小さくなるため、歯打ち音の音圧に合わせてバックラッシュを調整することができる。

・上述した「歯打ち音発生タイミング」は、内燃機関の機関回転速度がバランサシャフト２０の共振回転数になっているときにおいて各気筒の膨張行程の途中で歯打ち音が顕著に発生するタイミングであった。この他にも、他のタイミングで歯打ち音が発生するタイミングにおいて各極大点Ａ、Ｂ、Ｃに位置する歯部３４がドライブギヤ１１０と噛み合うようにドリブンギヤ３０とドライブギヤ１１０との組み付け位相を設定してもよい。この場合でも、そうした他のタイミングで発生する歯打ち音を低減することができる。

・各極大点Ａ、Ｂ、Ｃはピッチ円Ｐａの周方向において１２０°毎に設けられていたが、各気筒において歯打ち音の発生タイミングが異なる場合には、ピッチ円Ｐａの周方向における各極大点Ａ、Ｂ、Ｃの配設角度を異ならせてもよい。

・ドリブンギヤ３０のピッチ円Ｐａに設けた上記極大点の数は３つであったが、極大点の数を２つにしたり、１つにしたりしてもよい。また、極大点の数を４つ以上にしてもよい。

・バランサシャフト２０におけるバランサマスの配設位置や、バランサマスの形状は適宜変更することができる。
・上記実施形態では、ドリブンギヤ３０のピッチ円直径を一定にしてドリブンギヤ３０に各極大点Ａ、Ｂ、Ｃを設けた。この他、ドリブンギヤ３０のピッチ円直径を一定にしてドライブギヤ１１０に上記各極大点Ａ、Ｂ、Ｃを設けてもよい。この場合でも上記実施形態と同一の作用効果を得ることができる。また、ドリブンギヤ３０及びドライブギヤ１１０の双方に上記の各極大点Ａ、Ｂ、Ｃを設けてもよい。この場合でも、上記実施形態と同様な作用効果を得ることができる。

・上記のバランサ装置１０は直列３気筒の内燃機関に適合されていたが、他の気筒配列や気筒数を有する内燃機関であっても同様に適用することができる。すなわちドライブギヤ１１０及びドリブンギヤ３０のいずれか一方のギヤを第１ギヤとし、他方のギヤを第２ギヤとする。その第１ギヤのピッチ円には上記の極大点を設ける。そして、第１ギヤと第２ギヤとの歯打ち音が発生するタイミングにおいて第１ギヤの上記極大点に位置する歯部が第２ギヤと噛み合うように第１ギヤと第２ギヤとの組み付け位相を設定すれば、他の気筒配列や気筒数を有する内燃機関であっても上記実施形態に準じた作用効果を得ることができる。

１０…バランサ装置、２０…バランサシャフト、２２…シャフト本体、２４…第１バランサマス、２８…第２バランサマス、３０…ドリブンギヤ、３４…歯部、１００…クランクシャフト、１００ａ…ジャーナル、１００ｂ…クランクアーム、１００ｃ…クランクピン、１００ｆ…軸、１１０…ドライブギヤ、１１４…歯部、Ｊ…シャフト本体の中心軸線、Ｎ…ジャーナルの中心軸線、Ｐａ…ドリブンギヤのピッチ円。

Claims (1)

1. 内燃機関のクランクシャフトの軸方向端部に設けられたドライブギヤと、機関振動を抑えるバランサマスを有しており端部に前記ドライブギヤと噛み合うドリブンギヤが設けられたバランサシャフトと、を有するバランサ装置であって、
   前記ドライブギヤ及び前記ドリブンギヤのいずれか一方のギヤを第１ギヤとし、他方のギヤを第２ギヤとしたときに、前記第１ギヤのピッチ円は、前記第１ギヤの回転中心から前記ピッチ円までの距離が増加から減少に転ずる極大点を有した形状をなしており、
   前記第１ギヤと前記第２ギヤとの歯打ち音が発生するタイミングにおいて前記ピッチ円の前記極大点に位置する歯部が前記第２ギヤと噛み合うように前記第１ギヤと前記第２ギヤとの組み付け位相が設定されている
   内燃機関のバランサ装置。