JP2024031590A - バランサ機構 - Google Patents
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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。
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
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。
F1(実線):クランク軸1のギヤが受ける力
F1(破線):クランク軸1のブロックが受ける力
F2(実線):等速逆転バランサ2のギヤが受ける力
F2(破線):等速逆転バランサ2のブロックが受ける力
F3(実線):倍速正転バランサ3のギヤが受ける力
F3(破線):倍速正転バランサ3のブロックが受ける力
F4(実線):倍速逆転バランサ4のギヤが受ける力
F4(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
F1(実線):クランク軸1のギヤが受ける力
F1(破線):クランク軸1のブロックが受ける力
F2(実線):等速逆転バランサ2のギヤが受ける力
F2(破線):等速逆転バランサ2のブロックが受ける力
F3(実線):倍速正転バランサ3のギヤが受ける力
F3(破線):倍速正転バランサ3のブロックが受ける力
F4(実線):倍速逆転バランサ4のギヤが受ける力
F4(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
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(Jc=Jb1)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(2Jb2=2Jb3)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Jcに対して、等速逆転バランサ2の慣性Jb1を大きく設定するよりも、倍速逆転バランサ4の慣性Jb3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Jb2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「Jb2<Jb3」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
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
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)
- 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。 - 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。
- 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。
- 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。 - 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。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2022135241A JP2024031590A (ja) | 2022-08-26 | 2022-08-26 | バランサ機構 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2022135241A JP2024031590A (ja) | 2022-08-26 | 2022-08-26 | バランサ機構 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2024031590A true JP2024031590A (ja) | 2024-03-07 |
Family
ID=90106438
Family Applications (1)
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---|---|---|---|
JP2022135241A Pending JP2024031590A (ja) | 2022-08-26 | 2022-08-26 | バランサ機構 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2024031590A (ja) |
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2022
- 2022-08-26 JP JP2022135241A patent/JP2024031590A/ja active Pending
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