JP2020159468A - 内燃機関システムおよびクランクシャフトの振動防止構造 - Google Patents

Abstract

【課題】クランクシャフトにおける所定の振動振幅の発生を抑えることが可能な内燃機関システムおよびクランクシャフトの振動防止構造を提供する。【解決手段】内燃機関システムは、軸回りに回転可能なクランクシャフトと、クランクシャフトの軸方向の一端側に、クランクシャフトと一体的に回転可能に配置された回転体と、回転体の壁面に装着されるダンパー部材と、ダンパー部材に軸方向において回転体とは反対側に装着されるウエイト部材と、を備える。【選択図】図２

Description

本開示は、内燃機関システムおよびクランクシャフトの振動防止構造に関する。

内燃機関は、シリンダーブロックとシリンダーヘッドとピストンとコネクティングロッドとを有する。シリンダーブロックには、ピストンが摺動する略円筒状の複数のシリンダーが形成されている。ピストンは、シリンダーに往復移動自在に挿通されている。コネクティングロッドは、ピストンとクランクピン３（図１を参照）とを連結し、ピストンの往復運動をクランクシャフト１（図１を参照）に伝える。

図１は、クランクシャフト１の正面図である。図１に示すように、クランクシャフト１は、シリンダーボディとクランクケース（不図示）内で前後方向に延びて配置されている。クランクシャフト１は、回転軸であるクランクジャーナル２と、クランクピン３と、クランクアーム４とを有する。クランクアーム４は、クランクジャーナル２とクランクピン３との間に配置されている。

クランクシャフト１の一端部にはフライホイール（不図示）が設けられている。クランクシャフト１の他端部には、補機類を駆動させるプーリー（不図示）が接続されている。

フライホイールは、それ自身の慣性力によりクランクシャフト１の回転を安定させる機能を有している。

特開２００４−１６２８５９号公報

ところで、上記の内燃機関においては、各シリンダーでの爆発力はコネクティングロッドを介してクランクピン３に伝達される。クランクピン３に伝達された力は、回転軸回りにクランクシャフト１を回転させる方向の力と、回転軸に対する半径方向の力とに変換される。

ピストンが往復運動する場合、回転軸に向かう半径方向の力Ｆ１と回転軸から離れる半径方向の力Ｆ２とが周期的に生じる。これにより、クランクシャフト１には、力Ｆ１による曲げ方向の力Ｍ１と力Ｆ２による曲げ方向の力Ｍ２とが周期的に作用する。

また、クランクシャフト１には、フライホイールとクラッチのホワール（Whirl）運動による曲げ方向の力が周期的に作用する。

つまり、クランクシャフト１は、回転中、上記半径方向の力Ｆ１，Ｆ２による曲げ方向の力Ｍ１，Ｍ２、および、ホワール運動による曲げ方向の力を受けて振動する。なお、クランクシャフト１１に発生する振動振幅の大きさは、クランクシャフト１の形状やクランクシャフト１の回転速度に応じて異なる。

振動振幅が大きい場合、例えば、クランクジャーナル２とクランクアーム４との接続部（フィレット）、および／または、クランクピン３とクランクアーム４との接続部（フィレット）には、過度の集中応力が生じ、クランクシャフト１１が大きなダメージを受ける場合があるという問題点があった。

本開示の目的は、クランクシャフトにおける所定の振動振幅の発生を抑えることが可能な内燃機関システムおよびクランクシャフトの振動防止構造を提供することである。

上記の目的を達成するため、本開示における内燃機関システムは、
軸回りに回転可能なクランクシャフトと、
前記クランクシャフトの軸方向の一端側に、前記クランクシャフトと一体的に回転可能に配置された回転体と、
前記回転体の壁面に装着されるダンパー部材と、
前記ダンパー部材に前記軸方向において前記回転体とは反対側に装着されるウエイト部材と、
を備える。

本開示におけるクランクシャフトの振動防止構造は、
軸回りに回転可能なクランクシャフトの振動防止構造であって、
前記クランクシャフトの軸方向の一端側に、前記クランクシャフトと一体的に回転可能に配置された回転体の壁面に装着されるダンパー部材と、
前記ダンパー部材に前記軸方向において前記回転体とは反対側に装着されるウエイト部材と、
を備える。

本開示によれば、クランクシャフトにおける所定の振動振幅の発生を抑えることができる。

図１は、クランクシャフトの正面図である。 図２は、本実施の形態における内燃機関システムの一部を概略的に示す図である。 図３Ａは、クランクシャフトの振動防止構造の一例を概略的に示す断面図である。 図３Ｂは、振動防止構造を＋Ｘ方向（後方向）から見た矢視図である。 図４Ａは、組の取付構造の一例を示す図である。 図４Ｂは、組の取付構造の一例を示す図である。 図４Ｃは、組の取付構造の一例を示す図である。 図５Ａは、変形例１におけるクランクシャフトの振動防止構造を概略的に示す図である。 図５Ｂは、変形例１におけるクランクシャフトの振動防止構造を＋Ｘ方向（後方向）から見た矢視図である。 図６Ａは、変形例２におけるクランクシャフトの振動防止構造を概略的に示す図である。 図６Ｂは、変形例２におけるクランクシャフトの振動防止構造を＋Ｘ方向（後方向）から見た矢視図である。 図７は、変形例３におけるクランクシャフトの振動防止構造を後方向（＋Ｘ方向）から見た矢視図である。

以下、本開示の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
図２は、本実施の形態における内燃機関システム１００の一部を概略的に示す図である。図２には、Ｘ軸が描かれている。図２における左右方向をＸ方向、軸方向又は前後方向という。また、図２における左方向を「−Ｘ方向」、「前方向」又は「前側」」といい、右方向を「＋Ｘ方向」、「後方向」又は「後側」という。図２に示すように、内燃機関システム１００は、エンジン本体１０と、クランクシャフト１１と、フライホイール１２（本開示の「回転体」に対応する）と、駆動軸１３と、摩擦クラッチ１４と、を有している。

エンジン本体１０は、シリンダーブロック、シリンダーヘッドおよびクランクケースを有している。なお、図２では、シリンダーヘッド、シリンダーヘッドおよびクランクケースは、エンジン本体１０として一体的に描かれている。

クランクシャフト１１は、シリンダーブロックとクランクケース内でＸ方向（前後方向）に延在して配置されている。クランクシャフト１１は、Ｘ軸回りに回転可能にエンジンブロックとベアリングキャップによって支持されている。なお、図２では、クランクシャフト１１の後側端部のみが描かれている。

フライホイール１２は、クランクシャフト１１の後側端部に設けられている。フライホイール１２は、クランクシャフト１１と一体的に回転する。

駆動軸１３は、フライホイール１２と同軸で、フライホイール１２に対して相対回転可能に配置されている。

摩擦クラッチ１４は、クラッチカバー１５と、クラッチ板１６と、クラッチフェーシング１７と圧力板１８と、を備えている。

クラッチカバー１５は、フライホイール１２と同軸で、フライホイール１２と一体回転可能に配置されている。

クラッチ板１６は、駆動軸１３と一体回転するように、駆動軸１３にスプラインで接続されている。図２では、クラッチ板１６がフライホイール１２に接続されていない状態（クラッチが切断された状態）を示している。

クラッチフェーシング１７は、クラッチ板１６の周縁部にＸ方向（前後方向）から対向して配置されている。

圧力板１８は、図外のクラッチペダルが操作されていない場合（クラッチペダルが踏まれていない場合）、クラッチフェーシング１７を介してクラッチ板１６をフライホイール１２に押し付ける。クラッチ板１６は、フライホイール１２に押し付けられることで、フライホイール１２との摩擦力で、フライホイール１２と接続する。これにより、フライホイール１２（クランクシャフト１１）の回転は、クラッチ板１６を介して駆動軸１３に伝達される。

ピストンが往復運動する場合、クランクシャフト１１に対する半径方向の力が周期的に生じる。このため、クランクシャフト１１には、半径方向の力による曲げ方向の力が周期的に作用する。また、クランクシャフト１１には、フライホイール１２のホワール運動による曲げ方向の力が周期的に作用する。

クランクシャフト１１は、回転中に、半径方向の力による曲げ方向の力、および、ホワール運動による曲げ方向の力を受けて振動する。クランクシャフト１１に発生する振動振幅（振動振幅の極大値）の大きさは、クランクシャフト１１の回転速度に応じて変化する。振動振幅が大きい場合、クランクシャフト１１が受けるダメージは大きくなる。なお、振動振幅の大きさ等は、実験又はシミュレーションにより求めることが可能である。実験又はシミュレーションにおいては、クランクシャフト１１の回転速度を最低速度から最高速度まで変化させていく中で、大きな振動振幅が複数発生する場合がある。それぞれの所定の振動振幅の発生の抑止に有効なダンパー部材（後述する）およびウエイト部材（後述する）の形状、材質、装着位置等については、実験又はシミュレーションで求めることが可能である。

本実施の形態における内燃機関システム１００は、所定の周波数の振動振幅の発生の抑止に有効なダンパー部材２１およびウエイト部材２２が備えられている。以下、１つの所定の周波数の振動振幅の発生を抑止するために設けられるクランクシャフト１１の振動防止構造２００について、説明する。

図３Ａは、クランクシャフト１１の振動防止構造２００の一例を示す断面図である。図３Ｂは、振動防止構造２００を＋Ｘ方向（後方向）から見た矢視図である。なお、図３Ｂでは、フライホイール１２を省略して示している。振動防止構造２００は、ダンパー部材２１およびウエイト部材２２を有する。

図２および図３Ａに示すように、ダンパー部材２１は、フライホイール１２の後側壁面における周縁部にＸ方向（軸方向）から装着されている。ダンパー部材２１は、フライホイール１２に公知の取付手段（例えば、接着剤や、締結部材）により装着される。ダンパー部材２１は、所定の周波数の振動振幅の発生を抑止する機能を有する。

ダンパー部材２１は、ゴム製の部材からなる。なお、ダンパー部材２１は、弾性体であればよい。

ウエイト部材２２は、ダンパー部材２１の後側（＋Ｘ方向）に公知の取付手段（例えば、接着剤や、締結部材）により装着される。ウエイト部材２２は、金属製の部材からなる。なお、ウエイト部材２２は、後述する作用を生じさせるために必要な質量を有し、ダンパー部材２１への固定が可能であれば、材質は問わない。

次に、ダンパー部材２１とそのダンパー部材２１に装着されたウエイト部材２２との組み合わせについて、説明する。

ダンパー部材２１とウエイト部材２２とを組み合わせた組は、図３Ｂに示すように、クランクシャフト１１のＸ軸を中心とする環状体を構成する。本実施の形態においては、ダンパー部材２１およびウエイト部材２２は、図３Ｂに示すように、同一の外径、および、同一の内径を有している。所定の振動振幅の発生の抑止に有効な各部材（ダンパー部材２１、ウエイト部材２２）の内径、外径、厚み、幅、および、材質などは、上記の実験等により求められる。

次に、ダンパー部材２１とウエイト部材２２との組み合わせの作用について説明する。以下の説明で、ダンパー部材２１とウエイト部材２２との組み合わせを、単に「組」または「環状体」という。

次に、環状体２０の作用について説明する。
ピストンが往復運動する場合、クランクシャフト１１には、半径方向の力による曲げ方向の力が周期的に作用する。また、クランクシャフト１１には、フライホイール１２のホワール運動による曲げ方向の力が周期的に作用する。フライホイール１２に環状体２０が設けられていない場合、クランクシャフト１１は、上記曲げ方向の力を受けて、所定の振動振幅で振動する。しかし、フライホイール１２に環状体２０が設けられているため、環状体２０が、所定の振動振幅の発生を抑える。これにより、クランクシャフト１１は大きなダメージを受けない。

上記実施の形態における内燃機関システム１００によれば、軸回りに回転可能なクランクシャフト１１を有する内燃機関システムであって、クランクシャフト１１の＋Ｘ側端部に、クランクシャフト１１と一体的に回転可能に配置されたフライホイール１２と、フライホイール１２の壁面に装着されるダンパー部材２１と、ダンパー部材２１にＸ方向においてフライホイール１２とは反対側に装着されるウエイト部材２２と、を備える。

これにより、ダンパー部材２１およびウエイト部材２２がフライホイール１２における所定の振動振幅の発生を抑えることができる。結果的に、クランクシャフト１１が大きなダメージを受けるのを防止することが可能となる。

次に、環状体２０の取付構造について説明する。図４Ａから図４Ｃは、環状体２０の取付構造の一例を示す図である。

図４Ａに示すように、フライホイール１２は、取付手段としてのボルト部材３１を通す挿通孔を有している。ウエイト部材２２は、ボルト部材３２を通す挿通孔を有している。ダンパー部材２１には、取付手段としてのナット部材３３，３４が挿着されている。ボルト部材３１をーＸ側（前側）から上記挿通孔に通し、ナット部材３３に螺着する。ボルト部材３２を上記挿通孔に通し、ナット部材３４に螺着する。以上により、フライホイール１２にダンパー部材２１を挿着することができる。また、ダンパー部材２１にウエイト部材２２を挿着することができる。

上記取付構造によれば、環状体２０がクランクシャフト１１の振動振幅を軽減することが可能となるように取り付けられる。また、上記取付構造によれば、ダンパー部材２１の取付位置および取付箇所の数、並びに、ウエイト部材２２の取付位置および取付箇所の数を、発生を抑制すべき所定の振動振幅に合わせて適宜設定することが可能となる。

図４Ｂに示すように、フライホイール１２は、取付手段としてのボルト部材３５を通す挿通孔を有している。ウエイト部材２２は、ボルト部材３５を通す挿通孔を有している。ダンパー部材２１Ａは、圧縮された状態でフライホイール１２とウエイト部材２２との間に介在するコイルスプリングである。ダンパー部材２１Ａのコイル中心軸に沿ってボルト部材３５が貫通している。ボルト部材３５の＋Ｘ側端部にはナット部材３６が螺合している。弾性部材２１Ｂは、圧縮された状態でウエイト部材２２とナット部材３６との間に介在するコイルスプリングである。弾性部材２１Ｂのコイル中心軸に沿ってボルト部材３５が貫通している。

上記取付構造によれば、ウエイト部材２２が前後方向からコイルスプリングで弾撥的に挟まれている構造であるため、環状体２０がＸ軸（図２を参照）に対して半径方向に比較的自由に移動することが可能となる。これにより、クランクシャフト１１における所定の振動振幅の発生を抑止するのに有効である。また、ダンパー部材２１Ａ、ウエイト部材２２および弾性部材２１Ｂの取付位置および取付箇所の数のそれぞれを、発生を抑制すべき大きな振動振幅に合わせて適宜設定することが可能となる。

図４Ｃに示すように、ボルト部材３７は、ダンパー部材２１に植設されている。ウエイト部材２２は、ボルト部材３７を通す挿通孔を有している。ボルト部材３７の＋Ｘ側端部にはナット部材３８が螺合している。ウエイト部材２２は、ボルト部材３７とナット部材３８とにより取り付けられる。

上記取付構造によれば、ウエイト部材２２の挿通孔に通したボルト部材３７にナット部材３８を螺合することで、ウエイト部材２２をダンパー部材２１に装着可能となるため、ウエイト部材２２の取り付けが容易となる。

次に、本実施の形態の変形例について説明する。なお、変形例の説明においては、上記実施の形態と異なる構成について主に説明し、同じ構成については、同一番号を付してその説明を省略する。

なお、上記実施の形態におけるクランクシャフト１１の振動防止構造２００においては、クランクシャフト１１における所定の振動振幅の発生を抑えるため、一つの環状体２０がフライホイール１２に装着される。これに対して、変形例では、クランクシャフト１１における複数の所定の振動振幅の発生を抑えるため、複数の環状体２０がフライホイール１２にそれぞれ装着される。以下の説明において、複数の環状体２０のそれぞれは、発生を抑止する振動振幅に応じて実験等により求められた形状等を有している。その結果、複数の環状体２０の形状は、相互に同一である場合または相互に異なる場合がある。

図５Ａは、変形例１におけるクランクシャフト１１の振動防止構造２００を概略的に示す図である。図５Ｂは、振動防止構造２００を後方向（＋Ｘ方向）から見た矢視図である。変形例１においては、二つの環状体２０は、Ｘ方向（軸方向、前後方向）に重ねられた状態で配置されている。

図５Ａおよび図５Ｂに示すように、フライホイール１２に第１の環状体２０が後方向（＋Ｘ側）から装着されている。第１の環状体２０に第２の環状体２０が後方向（＋Ｘ側）から装着されている。それぞれの環状体２０は、クランクシャフト１１におけるそれぞれの所定の振動振幅の発生を抑える機能を有している。

上記変形例１におけるクランクシャフト１１の振動防止構造２００によれば、フライホイール１２に二つの環状体２０がＸ方向（軸方向）に重ねられた状態で装着された簡単な構成により、二つの所定の振動振幅の発生を抑えることが可能となる。変形例１における振動防止構造２００は、環状体２０を装着するための装着スペースがＸ方向に存在する場合に有効である。

図６Ａは、変形例２におけるクランクシャフト１１の振動防止構造２００を概略的に示す図である。図６Ｂは、振動防止構造２００を後方向（＋Ｘ方向）から見た矢視図である。上記変形例１においては、フライホイール１２に二つの環状体２０がＸ方向に重ねられた状態で装着されている。これに対して、変形例２においては、二つの環状体２０は、Ｘ軸を中心とする半径方向において異なる位置に配置されている。

図６Ａおよび図６Ｂに示すように、フライホイール１２に第１の環状体２０が後方向（＋Ｘ側）から装着されている。第１の環状体２０の内径側又は外径側（変形例２では、内径側）に、第２の環状体２０が装着されている。それぞれの環状体２０は、クランクシャフト１１におけるそれぞれの所定の振動振幅の発生を抑える機能を有している。

上記変形例２におけるクランクシャフト１１の振動防止構造２００によれば、フライホイール１２に二つの環状体２０が軸を中心とする半径方向において異なる位置に装着された簡単な構成により、二つの所定の振動振幅の発生を抑えることが可能となる。変形例２における振動防止構造２００は、環状体２０を装着するための装着スペースが半径方向に存在する場合に有効である。

図７は、変形例３における振動防止構造２００を後方向（＋Ｘ方向）から見た矢視図である。上記実施の形態および上記変形例においては、ダンパー部材２１とウエイト部材２２とを組み合わせた組は、環状体を構成するが、本開示はこれに限らない。変形例３では。図６に示すように、ダンパー部材２１とウエイト部材２２との複数の組は、Ｘ軸回りに円周方向に分離して配置されている。つまり、複数の組は、環状体を構成している。複数の組の中の一または二以上の組は、クランクシャフト１１における所定の振動振幅の発生を抑える機能を有している。上記変形例３におけるクランクシャフト１１の振動防止構造２００によれば、複数の組が円周方向に分離して配置されることで、複数の所定の振動振幅の発生を抑えることが可能となる。

その他、上記実施の形態は、何れも本開示の実施するにあたっての具体化の一例を示したものに過ぎず、これらによって本開示の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本開示はその要旨、またはその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。

例えば、環状体２０（または組）が装着される対象としては、フライホイール１２に限らず、クランクシャフト１１と一体回転する回転体であればよい。例えば、クラッチカバー１５であってもよい。また、本開示は、エンジンのクランクシャフトのみならず、回転体を片持ちで装着している回転機械には適用可能である。

また、例えば、環状体２０の装着スペースをいずれの方向（Ｘ方向、Ｘ軸を中心とする半径方向）にも確保することできる場合、複数の環状体２０をＸ方向に重ねた状態で装着される複数の環状体２０と、Ｘ軸を中心とする半径方向において異なる位置に装着される複数の環状体２０との両方を備えてもよい。これにより、より多くの所定の振動振幅の発生を抑えることが可能になる。

また、上記実施の形態では、ダンパー部材２１は、フライホイール１２の後側壁面に装着されている。しかし、ダンパー部材２１は、回転体（フライホイール１２やクラッチカバー１５）の壁面に装着されていればよく、例えば、回転体の前側壁面に装着されてもよい。

本開示は、クランクシャフトにおける所定の振動振幅の発生を抑えることが要求される内燃装置システムを搭載した車両に好適に利用される。

１，１１ クランクシャフト
２ クランクジャーナル
３ クランクピン
４ クランクアーム
１０ エンジン本体
１２ フライホイール
１３ 駆動軸
１４ 摩擦クラッチ
１５ クラッチカバー
１６ クラッチ板
１７ クラッチフェーシング
１８ 圧力板
２０ 環状体
２１，２１Ａ ダンパー部材
２１Ｂ 弾性部材
２２ ウエイト部材
３１，３２，３５，３７ ボルト部材
３３，３４，３６，３８ ナット部材
１００ 内燃機関システム
２００ 振動防止構造

Claims (6)

1. 軸回りに回転可能なクランクシャフトと、
   前記クランクシャフトの軸方向の一端側に、前記クランクシャフトと一体的に回転可能に配置された回転体と、
   前記回転体の壁面に装着されるダンパー部材と、
   前記ダンパー部材に前記軸方向において前記回転体とは反対側に装着されるウエイト部材と、
   を備える内燃機関システム。
2. 前記ダンパー部材と前記ウエイト部材との組は、前記クランクシャフトの軸を中心とする環状体を構成する、
   請求項１に記載の内燃機関システム。
3. 前記軸を中心とする半径方向において異なる位置に配置された複数の前記環状体を備える、
   請求項２に記載の内燃機関システム。
4. 前記軸方向に重ねられた状態で配置された複数の前記環状体を備える、
   請求項２または３に記載の内燃機関システム。
5. 前記軸回りの円周方向に分離して配置された複数の前記組が、前記環状体を構成する、
   請求項２に記載の内燃機関システム。
6. 軸回りに回転可能なクランクシャフトの振動防止構造であって、
   前記クランクシャフトの軸方向の一端側に、前記クランクシャフトと一体的に回転可能に配置された回転体の壁面に装着されるダンパー部材と、
   前記ダンパー部材に前記軸方向において前記回転体とは反対側に装着されるウエイト部材と、
   を備えるクランクシャフトの振動防止構造。
   

Images