JP3637933B2 - 内燃機関の軸受装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の軸受装置に係り、特にクランクシャフトに複数個の主軸受を備えている多気筒内燃機関における主軸受装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
多気筒内燃機関のクランクシャフトは、その両端に近い部分及び隣接する気筒に対応するクランクウエブの間に形成される円柱形のジャーナル部からなる所謂主軸部が、それぞれ主軸受と呼ばれる軸受を介して回転自由にシリンダブロックによって支持されている。各主軸受はそれぞれ２つ割りとされた上下の軸受メタルによって構成するのが普通である。多気筒内燃機関においてクランクシャフトを支持する軸受装置が複数個の軸受によって構成される場合、従来は、図４に示すように、全ての軸受の実質的な中心軸線をクランクシャフトの主軸部の軸線と一致させることが当然のこととして行われていた。
【０００３】
この点を図４に例示する従来の４気筒の内燃機関１００について説明すると、クランクシャフト１０１の両端に近い位置に形成される円柱形のジャーナルからなる主軸部、即ちジャーナル部１０２ａ及び１０２ｅと、各気筒のピストン１０３に枢着されるコンロッド１０４の大端部にクランクピンを介して回転自由に連結しているクランクウエブ１０５を、隣接する気筒の間において接続する主軸部として形成されたジャーナル部１０２ｂ，１０２ｃ，及び１０２ｄは、全て主軸線Ｌ上に配列されているだけでなく、それら同軸の５個のジャーナル部１０２をそれぞれ軸支している５個の主軸受１０６ａ，１０６ｂ，１０６ｃ，１０６ｄ，１０６ｅもまた、それぞれの中心軸線が全てクランクシャフト１０１の主軸線Ｌと合致するように配置されている。
【０００４】
どのような面軸受でも同じであるが、内燃機関においても主軸受によって支持されるクランクシャフトの主軸部（ジャーナル部）の自由な回転を許すために、軸受メタルの表面とジャーナル部の表面との間には予め僅かな隙間が与えられており、その隙間を埋めるように潤滑油膜が形成される。内燃機関の膨張行程において燃焼による衝撃的な荷重がクランクシャフトに作用すると、クランクシャフトの主軸部の表面が油膜を介して軸受メタルの表面を瞬間的に叩くことになる。それによってクランク打音と呼ばれる異音が発生し、軸受には弾性変形としての歪みが生じると共に、燃焼の振動成分を含んでいるために騒音の起振力となり得る変動する燃焼ガス圧力がシリンダブロックに伝達される。更に軸受に生じた歪みが解放されるときには減衰する自由振動が生じるので、いずれも内燃機関の騒音の発生原因となる。（昭和５５年１０月２２日に自動車技術会秋季学術講演会において発表され、自動車技術会論文集Ｎo.２３，１９８１の第４２頁から第４７頁に掲載された窪塚孝夫他３名による研究論文「エンジン運転中のクランク軸挙動及びエンジン振動の実験解析」を参照）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
図４に示したような従来の軸受構造を有する４気筒の内燃機関を４０００ｒｐｍの全負荷で運転している状態において、クランクシャフト１０１の各部分が、部分的に作用する荷重の大きさに応じて微小な変形をして、Ｎo.１からＮo.５までの５個の軸受１０６ａ，１０６ｂ，１０６ｃ，１０６ｄ，１０６ｅの各位置において振れ回りをすることによって、クランクシャフト１０１の各ジャーナル部１０２ａ，１０２ｂ，１０２ｃ，１０２ｄ，１０２ｅの軸心が本来一点であるべき軸心位置から外れたところを複雑な形状の軌跡を描いて移動するので、その移動軌跡を実測した結果を図５に線図として示す。５つの図面に記入された×印は軌跡を描いて移動する軸心の平均的な位置を示しており、その位置は、本来不動の１点の位置であるべきＸ軸とＹ軸の交点に対していずれも下方へずれている。なお、この４気筒内燃機関の点火順序は通常のものと同様であって、点火は＃１→＃３→＃４→＃２→＃１→の順に繰り返される。
【０００６】
図５から判るように、クランクシャフト１０１が最も大きく撓むことによって平均的な軸心位置×が本来の軸心位置から最も大きくずれるのは、Ｎo.２の軸受１０６ｂの位置と、Ｎo.４の軸受１０６ｄの位置にある部分であって、これはジャーナル部１０２ｂ及び１０２ｄのことである。この２つの部分において平均的な軸心位置×が最も大きくずれる理由は点火順序にあるものと考えられる。即ち点火順序が前述のように＃１→＃３→＃４→＃２→＃１であれば、隣接する＃３気筒と＃４気筒、及び＃２気筒と＃１気筒では相次いで燃焼が起こって膨張行程に入るので、それら隣接する気筒の間にあるジャーナル部１０２ｂ及び１０２ｄと、それらの部分を支持しているＮo.２の軸受１０６ｂ及びＮo.４の軸受１０６ｄは、連続する２つの行程にわたって大きな荷重を受け続けることになるから、それらの部分の変形が大きくなって振れ回りの程度も大きくなるのである。
【０００７】
これらに対して、Ｎo.１，Ｎo.３，及びＮo.５の各軸受１０６ａ，１０６ｃ，及び１０６ｅによって支持されるジャーナル部１０２ａ，１０２ｃ，１０２ｅでは、連続する２つの行程にわたって大きな荷重を受け続けることはないから、変形の量が比較的少なくて、軸心の振れ回りの軌跡が許容し得る範囲を例示する楕円の内部に概ねとどまっている。
【０００８】
クランクシャフトの一部にでも振れ回りの程度の大きい部分が生じると、その部分を支持している軸受に無理な力が作用するので、軸受の摩耗が局部的に大きくなって軸受装置全体の耐用期間を縮めるばかりでなく、クランクシャフトを回転させるためのトルクが増大するので、内燃機関全体の摩擦損失が増大して機関効率が低下し、燃費が増大する要因になる。更に、振れ回りが設計上の回転バランスを崩す程度の大きさになる場合には機関の振動が増大することにもある。
【０００９】
クランク打音を低減させるために軸受の剛性を高めるとか、クランクシャフトのジャーナル部とそれを支持する軸受面との隙間を小さくするというような方法は公知である。しかしながら、前者のように軸受の剛性を高めるためには軸受の数を増加させるとか、軸受面積を増大させる必要が生じるので、設計においてスペースの面やコストの面から制約を受ける。また後者によって軸受面の隙間を小さくとると油膜の厚さも減少するので、摩擦が増大して機関効率の低下を招いたり、軸受面の摩耗や焼き付きが生じやすくなる。
【００１０】
従って、本発明は、従来技術における前述のような問題点に対処して、それらの問題点を解消することを目的としている。特に本発明は、機関の重量やコストの増加を伴うことがない簡単な手段によって摩擦トルクを減少させて燃費を向上させると同時に、振動を低減させることができる軸受装置を提供することを目的としている。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前記の課題を解決するための第１の手段として、請求項１に記載された内燃機関の軸受装置を提供する。クランクシャフトのうちで最も大きな荷重を受けて大きく撓み変形をすることによって大きな振れ回りを起こす可能性がある部分は、膨張行程が連続している隣接する２個の気筒の間にあるジャーナル部であるから、第１の手段においてはそのようなジャーナル部を、ピストンの運動方向に見てピストン寄りに偏心して設置した主軸受によって支持し、ジャーナル部の表面とそれを支持する軸受面との隙間が小さくなるようにしているので、そのジャーナル部に大きな荷重が作用しても撓みが小さく抑えられ、振れ回りも小さくなる。
【００１２】
本発明は、より実際的な第２の手段として請求項２に記載された内燃機関の軸受装置を提供する。この場合はクランクシャフトのうちで大きな振れ回りを起こす可能性がある部分を２つ割りのメタル軸受によって支持する。基本的な作用、効果は第１の手段の場合と同じであるが、通常のメタル軸受の利点として上下同じ形の軸受メタルを使用することができるのと、軸受装置の組み立て分解が容易になる。
【００１３】
本発明は、更に第３の手段として請求項３に記載された内燃機関の軸受装置を提供する。この場合も主軸受としてメタル軸受を使用するが、クランクシャフトのうちで最も大きな振れ回りを起こす可能性がある部分を支持する軸受の軸受メタルの肉厚はピストンの運動方向に見てピストンから比較的遠い側において厚くすると共に、ピストンに比較的近い側において薄くしている。従って、第３の手段によれば、問題のジャーナル部を支持する軸受も、他の軸受と見かけ上は全く同じように配置することができる。この場合の主たる作用、効果は、やはり第１の手段や第２の手段のそれと同様である。
【００１４】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の軸受装置を最も一般的な形で備えている第１実施形態としての４気筒の内燃機関５０を示すものである。第１の実施形態から第３の実施形態（図１から図３）までに共通な参照符号として、１はクランクシャフト、２、即ち２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ，２ｅはクランクシャフト１に主軸部として形成された円柱形のジャーナル部であって、それらの軸心は全て共通の主軸線Ｌに合致している。３は各気筒のピストン、４は各気筒のコンロッド、５はクランクシャフト１の各気筒に対応する部分においてコンロッド４の大端部の両側に形成された一対のクランクウエブ、６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄ，６ｅは、ジャーナル部２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ，２ｅをそれぞれ回転自由に支持する主軸受であって、本発明の各実施形態はこれらの主軸受６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄ，６ｅの配置或いは構造に特徴を有するものである。
【００１５】
第１実施形態の特徴は、点火順序が＃１→＃３→＃４→＃２→＃１→である４気筒内燃機関５０において、図１に示されているように、５個の主軸受６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄ，６ｅのうちの２個の主軸受６ｂ及び６ｄだけが、それらの軸心線Ｅが主軸線Ｌから距離ｅだけピストン３に近づくように、５μｍ程偏心した位置に設置（オフセット）されていることである。２個の主軸受６ｂ及び６ｄは、点火順序が＃２→＃１及び＃３→＃４の場合に膨張行程が連続している隣接する２個の気筒の間にあるジャーナル部２ｂ及び２ｄに対応するものであって、これらのジャーナル部が連続して大きな荷重を受けるために、最も大きく撓み変形をして大きな振れ回りを起こすことは前述の説明によって明らかである。
【００１６】
ジャーナル部２ｂ及び２ｄのように振れ回りの大きくなる主軸部を支持している軸受だけを、その軸心がピストン３に近づくようにオフセットすることによって、隣接する気筒の連続する膨張行程によって大きな荷重を受けても、主軸受６ｂ及び６ｄをオフセットしたことによって、クランクシャフト１が大きく撓み変形するのを抑制し、それによって振れ回りが起こるのを効果的に防止する。
【００１７】
オフセット配置する主軸受６ｂ及び６ｄ以外の主軸受６ａ，６ｃ，６ｅの軸心線は主軸線Ｌと一致しており、前述のようにクランクシャフト１の全てのジャーナル部２ａ〜２ｅの軸心線も主軸線Ｌと一致しているから、２個の主軸受６ｂ及び６ｄだけがピストン３寄りに偏心しており、主軸受６ｂ及び６ｄにおいては、軸受面とジャーナル部２ｂ及び２ｄの表面との隙間ｇが下部において狭くなっていると共に、上部において広くなっている。
【００１８】
この場合、ジャーナル部２ｂ及び２ｄの表面と主軸受６ｂ及び６ｄの軸受面との間の隙間ｇは、従来の軸受の場合に比べてジャーナル部２ｂ及び２ｄの下面において小さくなるが、従来から振動防止のために軸受の全周にわたって隙間を５μｍ程度減少させることは試みられており、それによって油膜切れ等の問題を生じていないのと、本発明の場合は軸受の偏心配置によって隙間ｇが従来よりも寧ろ大きくなる部分があり、その部分に十分な厚さの油膜が形成されるために従来と同程度の潤滑油が供給されるので、潤滑油による冷却効果は十分であって、全周の一部に隙間ｇの小さくなる箇所があっても、それによって焼きつきが生じるような恐れはない。
【００１９】
図２に本発明の第２実施形態としての４気筒の内燃機関６０を示す。点火順序は第１実施形態の場合と同じである。第１実施形態における主軸受６ａ〜６ｅは構造、材質等において特に限定のない一般的な軸受であるが、第２の実施形態における主軸受６ａ’，６ｂ’，６ｃ’，６ｄ’，６ｅ’は、いずれもクランクシャフトの主軸受として内燃機関に従来からよく使用されているメタル軸受であって、その一部の隣接する気筒の連続する膨張行程によって大きな荷重を受ける主軸受６ｂ’及び６ｄ’だけを、略５μｍ程度ピストン３寄りにずらせて、オフセット配置する点だけが従来のものと異なっている。
【００２０】
第２の実施形態における主軸受６ｂ’及び６ｄ’がクランクシャフト１の過大な振れ回りを抑制することができる理由は、前述の第１の実施形態の場合と同じである。第２実施形態の利点として、主軸受６ａ’，６ｂ’，６ｃ’，６ｄ’，６ｅ’を２つ割りの軸受メタルによって構成する場合には、上下同じ形の軸受メタルを使用することができる。また、メタル軸受の利点として軸受装置の組み立てや分解が容易になる。
【００２１】
図３に本発明の第３実施形態としての４気筒の内燃機関７０を示す。点火順序はやはり第１実施形態の場合と同じである。第２の実施形態と同じように、第３実施形態における主軸受６ａ”，６ｂ”，６ｃ”，６ｄ”，６ｅ”もまたメタル軸受ではあるが、主軸受６ｂ”及び６ｄ”の軸受メタルは、その肉厚がピストン３から見て比較的遠い下部において厚く、ピストン３から見て比較的近い上部において薄くなっている。従って、主軸受６ｂ”及び６ｄ”を上下２つ割りの軸受メタルによって構成する場合には、下部に肉厚の大きな軸受メタルを使用すると共に、上部に肉厚の小さい軸受メタルを使用することになる。
【００２２】
第３の実施形態によれば、主軸受６ｂ”及び６ｄ”の取り付け位置についての特別の配慮が不要になる。第１の実施形態や第２の実施形態の場合と同様に、主軸受６ｂ”及び６ｄ”の軸心も５μｍ程度オフセットされるが、それは主軸受６ｂ”及び６ｄ”の内部に異形の軸受メタルを使用することによって達成されるので、見かけ上は主軸受６ｂ”及び６ｄ”をそれ以外の主軸受と全く同じように配置することができる。第３実施形態の主たる作用、効果が実質的に第１実施形態や第２実施形態のそれと同様であることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態を示す断面図である。
【図２】本発明の第２の実施形態を示す断面図である。
【図３】本発明の第３の実施形態を示す断面図である。
【図４】従来技術を例示する断面図である。
【図５】軸受位置におけるクランクシャフトの軸心の軌跡を示す線図である。
【符号の説明】
１，１０１…クランクシャフト
２，２ａ〜２ｅ，１０２ａ〜１０２ｅ…ジャーナル部
３，１０３…ピストン
４，１０４…コンロッド
５，１０５…クランクウエブ
６，６ａ，６ｃ，６ｅ，１０６，１０６ａ，１０６ｃ，１０６ｅ…主軸受
６ｂ，６ｄ，６ｂ’，６ｄ’，６ｂ”，６ｄ”…偏心している主軸受
５０…第１実施形態としての４気筒の内燃機関
６０…第２実施形態としての４気筒の内燃機関
７０…第３実施形態としての４気筒の内燃機関
１００…従来の内燃機関
Ｌ…主軸線
Ｅ…偏心した軸受の軸心線
ｅ…偏心量
ｇ…隙間

Claims (3)

1. 複数個のピストンに連結されているクランクシャフトを支持するために複数個の主軸受を備えている多気筒内燃機関において、点火順序に応じて膨張行程が連続している隣接した２個の気筒の間にある前記クランクシャフトのジャーナル部を支持している主軸受を、その軸心が他の主軸受の軸心に対して前記ピストンの運動方向に見て前記ピストン寄りに所定の距離だけ接近するように偏心させて設置したことを特徴とする内燃機関の軸受装置。
2. 偏心させて設置される前記主軸受が、２個の半円筒からなる２つ割りの軸受メタルを有するメタル軸受であることを特徴とする請求項１に記載された内燃機関の軸受装置。
3. ２つ割りの前記軸受メタルの肉厚が、ピストンの運動方向に見て、軸心が偏心していない主軸受のそれに対して、前記ピストンに近い側において薄く、前記ピストンから遠い側において厚くなっていることを特徴とする請求項２に記載された内燃機関の軸受装置。

Images