JP2024031590A - バランサ機構 - Google Patents

Abstract

【課題】１次ピッチ振動、２次ピッチ振動、ヨー振動およびロール振動を抑制することができるバランサ機構を提供すること。【解決手段】バランサ機構は、直列３気筒エンジン用のバランサ機構であって、クランク軸の回転方向に対して等速で逆回転する等速逆転バランサと、クランク軸の回転方向に対して倍速で正回転する倍速正転バランサと、クランク軸の回転方向に対して倍速で逆回転する倍速逆転バランサと、を備え、「（クランク軸周り慣性）－（等速逆転バランサ慣性）＋２×（倍速正転バランサ慣性）－２×（倍速逆転バランサ慣性）＝０」の関係を満たす。【選択図】図１

Description

本開示は、バランサ機構に関する。

特許文献１には、クランク軸のオーバーバランス率を５０％にする３気筒エンジンのバランサ機構が開示されている。

特開昭５４－００２３３３号公報

特許文献１で開示された技術のように、クランク軸のオーバーバランス率を５０％にした場合、ピッチ方向の１次振動（以下、「１次ピッチ振動」という）およびヨー方向の振動（以下、「ヨー振動」という）を抑制することはできる。しかしながら、特許文献１で開示された技術では、ピッチ方向の２次振動（以下、「２次ピッチ振動」という）およびロール方向の振動（以下、「ロール振動」という）を抑制することができない。そこで、これらの振動を全て抑制することができるバランサ機構が望まれていた。

本開示は、上記に鑑みてなされたものであって、１次ピッチ振動、２次ピッチ振動、ヨー振動およびロール振動を抑制することができるバランサ機構を提供することを目的とする。

本開示に係るバランサ機構は、直列３気筒エンジン用のバランサ機構であって、クランク軸の回転方向に対して等速で逆回転する等速逆転バランサと、前記クランク軸の回転方向に対して倍速で正回転する倍速正転バランサと、前記クランク軸の回転方向に対して倍速で逆回転する倍速逆転バランサと、を備え、「（クランク軸周り慣性）－（等速逆転バランサ慣性）＋２×（倍速正転バランサ慣性）－２×（倍速逆転バランサ慣性）＝０」の関係を満たす。

本開示によれば、１次ピッチ振動、２次ピッチ振動、ヨー振動およびロール振動を抑制することができる。

図１は、実施形態１に係るバランサ機構の概略的な構成を示す図である。 図２は、実施形態１に係るバランサ機構におけるクランク軸および各バランサの配置例を示す図である。 図３は、実施形態１に係るバランサ機構の各要素に作用する力を説明するための図である。 図４は、クランク角とエンジントルクとの関係の一例を示す図である。 図５は、ギヤ間のバックラッシの一例を示す図である。 図６は、実施形態２に係るバランサ機構の概略的な構成を示す図である。 図７は、実施形態２に係るバランサ機構における各バランサの配置例を示す図である。

本開示の実施形態に係るバランサ機構について、図面を参照しながら説明する。なお、下記実施形態における構成要素には、当業者が置換可能かつ容易なもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。

［実施形態１］
本開示の実施形態１に係るバランサ機構について、図１～図５を参照しながら説明する。本実施形態に係るバランサ機構は、例えば直列３気筒エンジンに搭載される機構である。図１は、本実施形態に係るバランサ機構を、正面から見た場合の図を示している。

本実施形態に係るバランサ機構は、クランク軸１と、等速逆転バランサ２と、倍速正転バランサ３と、倍速逆転バランサ４と、を備えている。バランサ機構を構成する上記の各要素は、エンジンブロック５内に配置されている。なお、本実施形態では、クランク軸１の回転方向をロール方向とする。

クランク軸１は、エンジンの運動を出力する軸である。クランク軸１は、例えばシャフトと、当該シャフトに取り付けられたギヤと、を備えている。図１においてクランク軸１を示す円は、上記のギヤの外形を模式的に示している。

等速逆転バランサ２は、クランク軸１の回転方向に対して等速で逆回転するバランサである。すなわち、クランク軸１が一回転するごとに、等速逆転バランサ２も一回転する。等速逆転バランサ２は、例えばシャフトと、当該シャフトに取り付けられたギヤと、当該シャフトに取り付けられた質量調整用のバランサマスと、当該シャフトの一部を構成する軸受部と、を備えている。

等速逆転バランサ２は、エンジンブロック５に発生する１次ピッチ振動およびヨー振動を抑制するためのものである。この１次ピッチ振動およびヨー振動は、クランク軸１が一回転するごとに一回発生する振動である。なお、１次ピッチ振動およびヨー振動のことを併せて、「スリコギ振動」ともいう。

倍速正転バランサ３は、クランク軸１の回転方向に対して倍速で正回転するバランサである。すなわち、クランク軸１が一回転するごとに、倍速正転バランサ３は二回転する。倍速正転バランサ３は、例えばシャフトと、当該シャフトに取り付けられたギヤと、当該シャフトに取り付けられた質量調整用のバランサマスと、当該シャフトの一部を構成する軸受部と、を備えている。倍速正転バランサ３は、倍速逆転バランサ４とともに、２次ピッチ振動を抑制するためのものである。

倍速逆転バランサ４は、クランク軸１の回転方向に対して倍速で逆回転するバランサである。すなわち、クランク軸１が一回転するごとに、倍速逆転バランサ４は二回転する。倍速逆転バランサ４は、例えばシャフトと、当該シャフトに取り付けられたギヤと、当該シャフトに取り付けられた質量調整用のバランサマスと、当該シャフトの一部を構成する軸受部と、を備えている。倍速逆転バランサ４は、倍速正転バランサ３とともに、２次ピッチ振動を抑制するためのものである。

本実施形態に係るバランサ機構では、クランク軸１と等速逆転バランサ２とがギヤを介して接続されており、等速逆転バランサ２と倍速正転バランサ３とがギヤを介して接続されており、倍速正転バランサ３と倍速逆転バランサ４とがギヤを介して接続されている。

図２は、本実施形態に係るバランサ機構におけるクランク軸１および各バランサの配置例を示している。同図において、符号Ｐ１２はクランク軸１と等速逆転バランサ２との接続点を、符号Ｐ２３は等速逆転バランサ２と倍速正転バランサ３との接続点を、符号Ｐ３４は倍速正転バランサ３と倍速逆転バランサ４との接続点を、示している。

ここで、図２において、クランク軸１および各バランサのギヤの歯が、相手側の歯と噛み合う回数に着目する。この場合、クランク軸１が一回転すると、クランク軸１および各バランサのギヤの各歯が相手側と噛み合う回数は以下となる。

クランク軸：１回
等速逆転バランサ：２回
倍速正転バランサ：４回
倍速逆転バランサ：２回

図２に示すように、クランク軸１と等速逆転バランサ２とを接続し、等速逆転バランサ２と倍速正転バランサ３とを接続し、倍速正転バランサ３と倍速逆転バランサ４とを接続することにより、上記のように、クランク軸１の噛み合い回数を少なくすることができる。従って、例えばクランク軸１のギヤに、歯面疲労強度の弱いギヤ（例えば樹脂ギヤ等）を用いる場合に、噛み合いノイズの伝達を低減することができ、低騒音化を図ることができる。また、例えばクランク軸１のギヤに、シザーズギヤを用いない場合に、歯打ち音を軽減することができる。

更に、本実施形態に係るバランサ機構では、１次ピッチ振動、２次ピッチ振動およびヨー振動に加えて、ロール振動を抑制するために、クランク軸１および各バランサに働く慣性が、以下の関係を満たすようにする。

「（クランク軸周り慣性）－（等速逆転バランサ慣性）＋２×（倍速正転バランサ慣性）－２×（倍速逆転バランサ慣性）＝０」

クランク軸１の慣性は、当該クランク軸１の質量を変更することにより、調整することができる。また、等速逆転バランサ２、倍速正転バランサ３および倍速逆転バランサ４の慣性は、例えば各バランサのブロックの質量を変更することにより、調整することができる。

以下、クランク軸１および各バランサの慣性を上記の関係に設定する理由について、図３を参照しながら説明する。

図３に示した各記号は、それぞれ以下を示している。
Ｆ_１（実線）：クランク軸１のギヤが受ける力
Ｆ_１（破線）：クランク軸１のブロックが受ける力
Ｆ_２（実線）：等速逆転バランサ２のギヤが受ける力
Ｆ_２（破線）：等速逆転バランサ２のブロックが受ける力
Ｆ_３（実線）：倍速正転バランサ３のギヤが受ける力
Ｆ_３（破線）：倍速正転バランサ３のブロックが受ける力
Ｆ_４（実線）：倍速逆転バランサ４のギヤが受ける力
Ｆ_４（破線）：倍速逆転バランサ４のブロックが受ける力
Ｊ：慣性モーメント
φ（ダブルドット）：角加速度
τ：エンジントルク

図３に示した各記号の添え字は、それぞれ以下を示している。
ｃ：クランク軸
ｂ１：等速逆転バランサ
ｂ２：倍速正転バランサ
ｂ３：倍速逆転バランサ
ｂｌｋ：エンジンブロック

まず、クランク軸１、各バランサおよびエンジンブロック５に対して、下記式（１）～（５）に示すように、回転系の運動方程式を立てる。

上記式（１）～（５）より、下記式（６）を導出する。

各バランサの関係から、等速と倍速であるため、下記式（７）、（８）の関係が成立する。

続いて、上記式（７）、（８）より、下記式（９）を立てる。

続いて、上記式（６）を下記式（１０）に変形し、下記式（１０）を下記式（１１）に変形する。

続いて、上記式（１１）に上記式（９）を代入して下記式（１２）とし、下記式（１２）を下記式（１３）に変形する。

そして、上記式（１３）から下記式（１４）を導出する。

上記式（１４）に示すように、「（クランク軸周り慣性）－（等速逆転バランサ慣性）＋２×（倍速正転バランサ慣性）－２×（倍速逆転バランサ慣性）＝０」の関係を満たすことにより、ロール振動、すなわちエンジンブロック５の回転方向（ロール方向）の振動を抑制することが可能となる。

以上のように、本実施形態に係るバランサ機構では、等速逆転バランサ２を備えることにより、１次ピッチ振動およびヨー振動（すなわちスリコギ振動）を抑制することができる。また、倍速正転バランサ３および倍速逆転バランサ４を備えることにより、２次ピッチ振動を抑制することができる。更に、クランク軸１および各バランサの慣性を、上記式（１４）に示す関係とすることにより、ロール振動を抑制することができる。従って、本実施形態に係るバランサ機構によれば、低振動のエンジンを実現することができる。

ここで、本実施形態に係るバランサ機構では、倍速逆転バランサ４の慣性を、倍速正転バランサ３の慣性よりも大きくすることが好ましい。例えば上記式（１４）では、等速側（クランク軸１、等速逆転バランサ２）の慣性同士（Ｊ_ｃ＝Ｊ_ｂ１）と、倍速側（倍速正転バランサ３および倍速逆転バランサ４）の慣性同士（２Ｊ_ｂ２＝２Ｊ_ｂ３）とをそれぞれ等しくすることにより、バランスさせてもよい。

一方、倍速側の慣性は、等速側の慣性の二倍の寄与がある。すなわち、慣性が大きくなってしまうクランク軸１の慣性Ｊ_ｃに対して、等速逆転バランサ２の慣性Ｊ_ｂ１を大きく設定するよりも、倍速逆転バランサ４の慣性Ｊ_ｂ３を大きくしたほうが、必要な慣性は半分で済む。その一方で、寄与の大きい倍速正転バランサ３の慣性Ｊ_ｂ２は、極力小さくすることが望ましい。

そこで、クランク軸１および各バランサの慣性を、上記式（１４）の関係、かつ「Ｊ_ｂ２＜Ｊ_ｂ３」の関係を満たすようにすることが好ましい。クランク軸１および各バランサの慣性をこのような関係とすることにより、慣性の関係を満たすための質量の増加、必要スペースの増加を、最低限に抑えることができる。すなわち、エンジンブロック５内の限られたスペースを有効に活用することができる。

また、本実施形態に係るバランサ機構では、クランク軸１、等速逆転バランサ２、倍速正転バランサ３および倍速逆転バランサ４が、シザーズギヤによって接続されていることが好ましい。すなわち、クランク軸１および各バランサが備えるギヤのいずれかを、シザーズギヤによって構成することが好ましい。

図３で示したエンジントルクτは、例えば図４に示すように、燃焼行程ごとに正負が入れ替わり、膨張行程では正となり、圧縮行程では負となる。また、クランク軸１および各バランサのギヤには、例えば図５に示すように、歯と歯の間にバックラッシが存在している。

そのため、図３において、歯面間に働く力Ｆ１～Ｆ４は、バックラッシ間を移動する間は発生しない。すなわち、バックラッシ間を移動する間は、各バランサによるキャンセルトルクが作用しないことになる。

一方、クランク軸１および各バランサが備えるギヤにおいて、各歯車対のどちらかのギヤにシザーズギヤを用いることにより、バックラッシによる振動低減効果の目減りを防ぎつつ、より高い振動低減効果を得ることができる。

なお、クランク軸１および各バランサが備えるギヤの全ての歯車対をシザーズギヤによって構成することが最も好ましいが、例えばクランク軸１と等速逆転バランサ２との歯車対のみをシザーズギヤによって構成した場合であっても、スリコギ振動およびロール振動を、バックラッシュ間でも打ち消すことが可能である。このように、コストおよび組付け性と、効果とのバランスを考慮して、シザーズギヤを採用する歯車対を決定してもよい。

［実施形態２］
本開示の実施形態２に係るバランサ機構について、図６および図７を参照しながら説明する。図６は、本実施形態に係るバランサ機構を、正面から見た場合の図を示している。

本実施形態に係るバランサ機構は、実施形態１と同様に、クランク軸１と、等速逆転バランサ２と、倍速正転バランサ３と、倍速逆転バランサ４と、を備えている。また、バランサ機構では、クランク軸１に対して、等速逆転バランサ２および倍速逆転バランサ４がギヤを介してそれぞれ接続されており、等速逆転バランサ２と倍速正転バランサ３とがギヤを介して接続されている。

図７は、本実施形態に係るバランサ機構におけるクランク軸１および各バランサの配置例を示している。同図において、符号Ｐ１２はクランク軸１と等速逆転バランサ２との接続点を、符号Ｐ１４はクランク軸１と倍速逆転バランサ４との接続点を、符号Ｐ２３は等速逆転バランサ２と倍速正転バランサ３との接続点を示している。

ここで、図７において、クランク軸１および各バランサのギヤの歯が、相手側の歯と噛み合う回数に着目する。この場合、クランク軸１が一回転すると、クランク軸１および各バランサのギヤの各歯が相手側と噛み合う回数は以下となる。

クランク軸：２回
等速逆転バランサ：２回
倍速正転バランサ：２回
倍速逆転バランサ：２回

図７に示すように、クランク軸１に対して、等速逆転バランサ２および倍速逆転バランサ４をそれぞれ接続し、等速逆転バランサ２と倍速正転バランサ３とを接続することにより、上記のように、クランク軸１および各バランサの噛み合い回数を均等にすることができる。従って、クランク軸１および各バランサのギヤの長寿命化を図ることができる。

また、本実施形態に係るバランサ機構では、実施形態１と同様に、等速逆転バランサ２を備えることにより、１次ピッチ振動およびヨー振動（すなわちスリコギ振動）を抑制することができる。また、倍速正転バランサ３および倍速逆転バランサ４を備えることにより、２次ピッチ振動を抑制することができる。更に、クランク軸１および各バランサの慣性を、上記式（１４）に示す関係とすることにより、ロール振動を抑制することができる。従って、本実施形態に係るバランサ機構によれば、低振動のエンジンを実現することができる。

なお、本実施形態に係るバランサ機構においても、倍速逆転バランサ４の慣性を、倍速正転バランサ３の慣性よりも大きくしてもよい。また、本実施形態に係るバランサ機構においても、クランク軸１、等速逆転バランサ２、倍速正転バランサ３および倍速逆転バランサ４を、シザーズギヤによって接続してもよい。

更なる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。よって、本発明のより広範な態様は、以上のように表わし、かつ記述した特定の詳細および代表的な実施形態に限定されるものではない。従って、添付のクレームおよびその均等物によって定義される総括的な発明の概念の精神または範囲から逸脱することなく、様々な変更が可能である。

１ クランク軸
２ 等速逆転バランサ
３ 倍速正転バランサ
４ 倍速逆転バランサ
５ エンジンブロック
Ｐ１２，Ｐ１４，Ｐ２３，Ｐ３４ 接続点

Claims (5)

1. 直列３気筒エンジン用のバランサ機構であって、
   クランク軸の回転方向に対して等速で逆回転する等速逆転バランサと、
   前記クランク軸の回転方向に対して倍速で正回転する倍速正転バランサと、
   前記クランク軸の回転方向に対して倍速で逆回転する倍速逆転バランサと、
   を備え、
   「（クランク軸周り慣性）－（等速逆転バランサ慣性）＋２×（倍速正転バランサ慣性）－２×（倍速逆転バランサ慣性）＝０」の関係を満たすバランサ機構。
2. 前記倍速逆転バランサの慣性を、前記倍速正転バランサの慣性よりも大きくする請求項１に記載のバランサ機構。
3. 前記クランク軸、前記等速逆転バランサ、前記倍速正転バランサおよび前記倍速逆転バランサのいずれかは、シザーズギヤによって接続されている請求項１に記載のバランサ機構。
4. 前記クランク軸と前記等速逆転バランサとが接続されており、
   前記等速逆転バランサと前記倍速正転バランサとが接続されており、
   前記倍速正転バランサと前記倍速逆転バランサとが接続されている、
   請求項１に記載のバランサ機構。
5. 前記クランク軸に対して、前記等速逆転バランサおよび前記倍速逆転バランサがそれぞれ接続されており、
   前記等速逆転バランサと前記倍速正転バランサとが接続されている、
   請求項１に記載のバランサ機構。

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