JP2023040460A - クランクシャフト、及び、エンジン - Google Patents

Abstract

【課題】フリクションを増大させることなくエンジン振動等を低減することが可能なクランクシャフトを提供する。【解決手段】クランクシャフト１は、５つのメインジャーナル１３１～１３５及び４つのクランクピン１１１～１１４それぞれが互いに隣り合うようにかつ同一面内に配置されている。前端側から３番目のメインジャーナル１３３は、中心軸が、他のメインジャーナル１３１、１３２、１３４、１３５の中心軸に対して、前端側から１番目のクランクピン１１１の軸方向に偏心されている。前端側から４番目のメインジャーナル１３４は、最外径が他のメインジャーナル１３１～１３３、１３５の径と同一に形成され、かつ、外周面が軸方向に沿って円弧状に形成されている。前端側から５番目のメインジャーナル１３５は、前端の径が他のメインジャーナル１３１～１３４の径と同一に、かつ、軸方向に沿って後端側ほど径が小さくなるようにテーパ状に形成されている。【選択図】 図２

Description

本発明は、クランクシャフト、及び、該クランクシャフトを備えるエンジンに関する。

エンジンは、ピストンの往復運動を回転運動に変換するためにクランクシャフトを備えている。クランクシャフトには、軸受部によって軸支される複数のメインジャーナルと、コネクティングロッド（コンロッド）と連結される複数のクランクピンとが設けられている。クランクシャフトでは、メインジャーナル中心とクランクピン中心とが軸方向から見て偏心して設けられるため、混合気の燃焼圧によりピストンが押し下げられるとピストンの往復直線運動がコネクティングロッドを介して回転運動に変換され、クランクシャフトがメインジャーナルの中心軸を回転中心として回転する。このようなクランクシャフトには、振動が少なく円滑に回転することが求められる。

ところで、従来から、エンジンの振動や騒音（以下、「振動等」ともいう）は、メインジャーナルとメインベアリング（主軸受け）とのクリアランス（オイルクリアランス）を小さくすることで低減できることが知られている。例えば、特許文献１には、クランクシャフトの前後両端部に最も近い端側ジャーナル軸受け（メインベアリング）のオイルクリアランスを端側ジャーナル軸受け以外のジャーナル軸受けのオイルクリアランスよりも小さくして、振動、騒音を改善する技術が開示されている。

特開平７－２７１２６号公報

しかしながら、メインジャーナルとメインベアリングとのクリアランス（オイルクリアランス）を小さくすると、フリクションが大きくなる（ひいては燃料消費率（燃費）が悪化する）という問題が生じる。

本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、フリクションを増大させることなく、エンジン振動等を低減することが可能なクランクシャフト、及び、該クランクシャフトを備えるエンジンを提供することを目的とする。

発明者は、上記の問題点につき鋭意検討を重ねた結果、ピストンやコネクティングロッドの運動による慣性力により、オイルクリアランス内において、クランクシャフトが同一面内で弓状に変形して回転しつつ、ピストンに作用する燃焼圧によって、クランクシャフトが動かされ、メインジャーナルがメインベアリング（主軸受け）に当たることにより、振動等が発生するとの知見を得た。また、発明者は、上記慣性力により、クランクシャフトが、前端側から３番目のメインジャーナルを中心として弓状に変形しながら回転するとの知見を得た。

そこで、本発明に係るクランクシャフトは、複数のメインジャーナル及び複数のクランクピンそれぞれが互いに隣り合うように、かつ、同一面に配置されたクランクシャフトにおいて、複数のメインジャーナルのうち、前端側から３番目のメインジャーナルの中心軸が、他のメインジャーナルの中心軸に対して、前端側から１番目のクランクピンの軸方向に偏心されていることを特徴とする。

本発明に係るクランクシャフトによれば、前端側から３番目のメインジャーナルの中心軸が、他のメインジャーナルの中心軸に対して、前端側から１番目のクランクピンの軸方向に偏心されているため、回転時の慣性力によるクランクシャフトの変形が抑えられる。そして、燃焼圧によるクランクシャフトの移動によりメインジャーナルがメインベアリングに当たるときの荷重が低減されるため、エンジン振動等を抑制することができる。また、トータルのオイルクリアランスを変える（小さくする）ことなくエンジン振動等を抑制することができる。

その結果、本発明によれば、フリクションを増大させることなく、エンジン振動等を低減することが可能となる。

実施形態に係るクランクシャフトが組み込まれたエンジン（シリンダブロック）を示す水平断面図である。 実施形態に係るクランクシャフトの構成を示す断面図である。 実施形態に係るクランクシャフトのメインジャーナルのみを模式的に示す断面図である。 エンジンに組み込まれたクランクシャフトが回転する際の変形を模式的に示す図である。

以下、図面を参照して本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図中、同一又は相当部分には同一符号を用いることとする。また、各図において、同一要素には同一符号を付して重複する説明を省略する。

まず、図１～図３を併せて用いて、実施形態に係るクランクシャフト１の構成について説明する。図１は、クランクシャフト１が組み込まれたエンジン３（シリンダブロック３１）を示す水平断面図である。図２は、クランクシャフト１の構成を示す断面図である。図３は、クランクシャフト１のメインジャーナル１３１～１３５のみを模式的に示す断面図である。なお、図１～図３では、理解を容易にするため、メインジャーナル１３１～１３５の形状を誇張して表現した。以下、本実施形態では、クランクシャフト１を水平対向型の４気筒エンジン３に適用した場合を例にして説明する。

クランクシャフト１は、エンジン３に搭載された際に、ピストン３２の往復運動をコネクティングロッド３３を介して回転運動に変換するものである。クランクシャフト１は、互いに間隔を隔てて一直線上に配置され、エンジン３に搭載される際にメインベアリング（主軸受け）３４を介してシリンダブロック３１に支持される５つのメインジャーナル（クランクジャーナル）１３１～１３５と、隣り合うメインジャーナル１３１～１３５間に位置し、コネクティングロッド３３の大端部が取付けられる４つのクランクピン（ピンジャーナル）１１１～１１４とを備えている。

すなわち、５つのメインジャーナル１３１～１３５及び４つのクランクピン１１１～１１４それぞれは互いに隣り合うように配置されている。また、５つのメインジャーナル１３１～１３５（中心軸）及び４つのクランクピン１１１～１１４（中心軸）それぞれは同一面内に配置されている。

また、クランクシャフト１は、クランクピン１１１～１１４とメインジャーナル１３１～１３５とを接続する８つのクランクアーム１２と、該クランクアーム１２から連続して形成された８つのカウンターウェイト１４とを備えている。クランクシャフト１では、メインジャーナル１３１～１３５中心とクランクピン１１１～１１４中心とが軸方向から見て偏芯しているため、混合気の燃焼圧によりピストン３２が押し下げられるとピストン３２の往復直線運動がコネクティングロッド３３を介して回転運動に変換され、クランクシャフト１がメインジャーナル１３１～１３５の中心軸を回転中心として回転する。また、クランクシャフト１では、メインジャーナル１３１～１３５中心とクランクピン１１１～１１４中心とが軸方向から見て偏芯しているため、メインジャーナル１３１～１３５を基準として、クランクピン１１１～１１４と反対側のクランクアーム１２にカウンターウェイト１４を設けて回転中のバランスを保つように構成されている。

なお、カウンターウェイト１４を含むクランクシャフト１を形成する素材としては、例えば鋳鉄等が好適に用いられる。ここで、鋳鉄は、１．７～６．７％の炭素と鉄との合金である。その他、鋳鉄は、０．５～７．０％のケイ素、マンガン、リン、硫黄などを含有し、高い鋳造性を有する。

クランクシャフト１の前端部（先端部）１６にはクランクプーリを装着できるようになっている。一方、クランクシャフト１の後端部（基端部）１５には、フライホイールが締結されるフランジが設けられている。

ここで、５つのメインジャーナル１３１～１３５は、前端部１６側（前端側）から順に、１番目（１番メインジャーナル１３１）、２番目（２番メインジャーナル１３２）、３番目（３番メインジャーナル１３３）、４番目（４番メインジャーナル１３４）、５番目（５番メインジャーナル１３５）とする。

同様に、４つのクランクピン１１１～１１４は、前端部１６側（前端側）から順に、１番目（１番クランクピン１１１）、２番目（２番クランクピン１１２）、３番目（３番クランクピン１１３）、４番目（４番クランクピン１１４）とする。

特に、クランクシャフト１は、フリクションを増大させることなく、エンジン振動等を低減する機能を有している。そのため、クランクシャフト１では、前端部１６側（前端側）から３番目のメインジャーナル１３３の中心軸が、他のメインジャーナル１３１、１３２、１３４、１３５の中心軸に対して、前端部１６側（前端側）から１番目のクランクピン１１１の軸方向に偏心されている。

より詳細には、図３に示されるように、３番メインジャーナル１３３の中心軸は、例えば１０（μｍ）、１番クランクピン１１１の軸方向に偏心されている。なお、図３では、クランクシャフト１（メインジャーナル１３１～１３５）をオイルクリアランスの一方側（図面右側）に寄せた状態を示した。クランクシャフト１（メインジャーナル１３１～１３５）は、オイルクリアランス内において移動可能、変形可能に支持されている。また、図３では、従来のメインジャーナルの形状を破線で示した。

また、前端部１６側（前端側）から４番目のメインジャーナル１３４は、最外径が、他のメインジャーナル１３１～１３３、１３５の径と同一に形成され、かつ、外周面が、軸方向に沿って円弧状に（湾曲するように）形成されている。すなわち、４番メインジャーナル１３４は、両端部で径が細くなり、中央部で径が太くなるように形成されている。

より詳細には、図３に示されるように、４番メインジャーナル１３４は、外周面が軸方向に沿って円弧状に形成され、前端及び後端の径が、中央部の径に対して、例えば－２０（μｍ）となるように（すなわち、小さくなるように）形成されている。

さらに、前端部１６側（前端側）から５番目のメインジャーナル１３５は、前端の径が他のメインジャーナル１３１～１３４の径と同一に、かつ、軸方向に沿って後端部１５側（後端側）ほど線形的に径が小さくなるようにテーパ状に形成されている。

より詳細には、図３に示されるように、５番メインジャーナル１３５は、後端の径が、前端の径に対して、例えば－１０（μｍ）となるように（すなわち、小さくなるように）形成されている。

ここで、上述したように構成されたクランクシャフト１がエンジン３に組み込まれて回転するときには、図４に実線で示されるように、ピストン３２やコネクティングロッド３３の運動による慣性力により、オイルクリアランス内において、同一面内で弓状に変形して回転する。その際に、クランクシャフト１は、前端側から３番目のメインジャーナル１３３を中心として弓状に変形しながら回転する。

そして、ピストン３２に作用する燃焼圧によってクランクシャフト１が動かされることにより、メインジャーナル１３１～１３５がメインベアリング（主軸受け）３４に当たる。そのため、前端側から４番目のメインジャーナル１３４は両端部でエッジ当たりを起こす。また、前端側から５番目のメインジャーナル１３５は後端部でエッジ当たりを起こす。ここで、図４の実線は、エンジン３に組み込まれたクランクシャフト１が回転する際の変形を模式的に示す図である。なお、図４（実線）では、理解を容易にするため、形状（変形）を誇張して示した。また、図４では、静止時のクランクシャフト１の形状を破線で示した。

これに対し、上述したようにクランクシャフト１が構成されることにより、すなわち、３番メインジャーナル１３３の中心軸が１番クランクピン１１１の軸方向に偏心されることにより、回転時の慣性力によるクランクシャフト１の変形が抑えられる。そして、燃焼圧によるクランクシャフト１の移動によりメインジャーナル１３１～１３５がメインベアリング３４に当たるときの荷重が低減される。

また、前端側から４番目のメインジャーナル１３４の外周面が軸方向に沿って円弧状に（湾曲するように）形成されることにより、メインベアリング３４と接触する面積が増大され、流体潤滑状態でクランクシャフト１（メインジャーナル１３１～１３５）が支持される。

さらに、前端側から５番目のメインジャーナル１３５が、軸方向に沿って、後端側ほど径が小さくなるようにテーパ状に形成されることにより、メインベアリング３４と接触する面積が増大され、クランクシャフト１がメインベアリング３４に当たる際の荷重が低減される。

以上、説明したように、本実施形態によれば、弓状に変形する際の中心となり得る３番メインジャーナル１３３の中心軸が、他のメインジャーナル１３１、１３２、１３４、１３５の中心軸に対して、１番クランクピン１１１の軸方向に偏心されているため、回転時の慣性力によるクランクシャフト１の変形が抑えられる。そして、燃焼圧によるクランクシャフト１の移動によりメインジャーナル１３１～１３５がメインベアリング３４に当たるときの荷重が低減されるため、エンジン振動等を抑制することができる。また、トータルのオイルクリアランスを変える（小さくする）ことなくエンジン振動等を抑制することができる。

また、本実施形態によれば、両端部でエッジ当たりを起こし得る４番メインジャーナル１３４の外周面が軸方向に沿って円弧状に（湾曲するように）形成されることにより、メインベアリング３４と接触する面積が増大され、流体潤滑状態でクランクシャフト１（メインジャーナル１３１～１３５）が支持されるため、エンジン振動等を抑制することができる。

さらに、本実施形態によれば、後端部でエッジ当たりを起こし得る５番メインジャーナル１３５が、後端側ほど径が小さくなるようにテーパ状に形成されることにより、メインベアリング３４と接触する面積が増大され、クランクシャフト１がメインベアリング３４に当たる際の荷重が低減されるため、エンジン振動等を抑制することができる。

以上の結果、本実施形態によれば、フリクションを増大させることなく、エンジン振動等を低減することが可能となる。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく種々の変形が可能である。例えば、上記実施形態では、クランクシャフト１を水平対向型の４気筒エンジン３に組み込んだ（適用した）場合を例にして説明したが、本発明は、例えば、直列型の４気筒エンジンやＶ型の４気筒エンジンなどにも適用することができる。

また、上記実施形態で示した寸法、材料、その他具体的な数値等は、本発明の理解を容易にするための例示であり、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。

１ クランクシャフト
３ エンジン
１１１ １番クランクピン
１１２ ２番クランクピン
１１３ ３番クランクピン
１１４ ４番クランクピン
１２ クランクアーム
１３１ １番メインジャーナル
１３２ ２番メインジャーナル
１３３ ３番メインジャーナル
１３４ ４番メインジャーナル
１３５ ５番メインジャーナル
１４ カウンターウェイト
１５ 後端部
１６ 前端部
３１ シリンダブロック
３２ ピストン
３３ コネクティングロッド（コンロッド）
３４ メインベアリング

Claims (5)

1. 複数のメインジャーナル及び複数のクランクピンそれぞれが互いに隣り合うように、かつ、同一面内に配置されたクランクシャフトにおいて、
   前記複数のメインジャーナルのうち、前端側から３番目のメインジャーナルは、中心軸が、他のメインジャーナルの中心軸に対して、前端側から１番目のクランクピンの軸方向に偏心されていることを特徴とするクランクシャフト。
2. 前記複数のメインジャーナルのうち、前端側から４番目のメインジャーナルは、最外径が他のメインジャーナルの径と同一に形成され、かつ、外周面が軸方向に沿って円弧状に形成されていることを特徴とする請求項１に記載のクランクシャフト。
3. 前記複数のメインジャーナルのうち、前端側から５番目のメインジャーナルは、前端の径が他のメインジャーナルの径と同一に、かつ、軸方向に沿って後端側ほど径が小さくなるようにテーパ状に形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のクランクシャフト。
4. 前記クランクシャフトは、４気筒エンジンに組み込まれるクランクシャフトであることを特徴とする請求項１～３のいずれか１項に記載のクランクシャフト。
5. 請求項１～４のいずれか１項に記載のクランクシャフトを備えることを特徴とするエンジン。

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